專利名稱：一種壓電橋式梁驅動的液體噴射結構的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于微電子機械領域，特別涉及采用微加工方法實現(xiàn)的一種壓電 橋式梁驅動的液體噴射結構。
背景技術：
液體噴射結構及采用液體噴射結構的裝置最常見、最廣泛、最典型的應用為 噴墨式打印，圖形、圖像記錄和印刷、印染等領域。在液晶顯示、有機發(fā)光顯示 等多種顯示器以及生物芯片等其它微制造方面也有廣泛的應用?；趬弘娦?液體噴射結構具有液滴大小可控，噴射速度可控，容易實現(xiàn)高精度的液滴噴射， 使用壽命長等特點，是液體噴射裝置發(fā)展的重要方向。
液體噴射結構是液體噴射裝置中最核心的部分，其設計和制造技術決定著整 個液體噴射裝置的性能。
隨著技術的發(fā)展，液體噴射結構的噴射速度和噴孔陣列密度不斷提高。高性 能的液體噴射結構主要決定于液體驅動器、液體微槽道及微噴孔的整體設計和制 造技術。
精工愛普生株式會社公開了一種壓電式液體噴射結構，在微槽道的上壁制作 壓電/彈性復合振動板，當向壓電振動板上的壓電元件施加電壓時，振動板發(fā)生凸、 凹形變，.從而改變微槽道內的容積，使液體從與微槽道相通的微噴孔中噴射出去。 采用這種方式的壓電振動板硬度較大，使其形變所需驅動力很大；并且，振動板 四周與微槽道壁相連，且受到約束。這兩種原因，嚴重限制了對微槽道中液體驅 動。而且，由于板四周邊的約束作用，當振動板的面積越小時，板的形變就越小， 微槽道內的體積變化就越小，噴射的出液量就越小。為了增加噴射出液量，需要 增加微槽道的尺度。而在形成更高密度的液體噴射陣列時，微槽道的寬度卻又受 到限制。因此，這種液體噴射結構的驅動方式影響了液體噴出量，妨礙了進一步 減少微槽道的尺寸和提高液體噴射結構的集成度。
一種壓電懸臂梁式液體噴射結構克服了上述壓電液體噴射結構存在的問題。
它采用壓電懸臂梁在微槽道的上部或中間直接驅動微槽'道中的液體從微噴孔中 噴出。由于壓電懸臂梁僅在梁的一側固定支撐，其它部分為懸空可動，不受襯底 的制約，因此，壓電懸臂梁的變形量遠遠大于前述的四周固定的壓電振動板，它 能更有效的驅動更多液體從微噴孔中噴出。由于壓電懸臂梁能在低電壓下實現(xiàn)大 的變形，.因此，這種液體噴射結構可以在較低的電壓下工作?；蛘撸捎趬弘姂?臂梁能實現(xiàn)較大的變形，這樣就可以在保持射出液體量不變的情況下，減小驅動 器的總體面積或微槽道的橫向尺寸，從而實現(xiàn)具有更高密度噴孔陣列的液體噴射 結構。
但是，基于壓電懸臂梁的液體噴射結構，由于壓電懸臂梁只有一端固定，另 一端懸浮可動，這樣，當懸臂梁較長時，懸臂梁結構比較脆弱，雖然可動端的驅 動位移可以很大，但是驅動力減少。另一方面， 一端浮動的懸臂梁結構也為液體 噴射結構的可靠性和制造帶來了困難，降低了使用壽命和制造成品率。 發(fā)明內容
本實用新型的目的針對現(xiàn)有技術中由于壓電懸臂梁只有一端固定，另一端懸 浮可動，這樣，當懸臂梁較長時，懸臂梁結構比較脆弱，雖然可動端的驅動位移 可以很大，但是驅動力減少。另一方面， 一端浮動的懸臂梁結構也為液體噴射結 構的可靠性和制造帶來了困難，降低了使用壽命和制造成品率的不足，而提供一 種壓電橋式梁驅動的液體噴射結構，其結構包括微噴孔、微槽道、壓電橋式梁； 其特征在于在液體噴射結構外表面設置與微槽道相通的微噴孔，作為微槽道中 液體噴射驅動器的壓電橋式梁位于微槽道的上部或槽道中；與微槽道相通的微噴
孔、微槽道、微槽道上部或槽道中的壓電橋式梁相結合構成液體噴射結構。
所述壓電橋式梁的兩端與襯底相連，作為橋式梁的固定支撐端，壓電橋式梁 中間部分的兩側不與襯底相連，形成橋式結構。
所述壓電橋式梁為包含壓電層和非壓電層的多層復合結構，其中至少包含一 層壓電層及其上、下電極層。
所述壓電橋式梁中的各層覆蓋整個橋式梁，或部分地分布于橋式梁上。
所述壓電橋式梁的表面為電絕緣層。
所述壓電橋式梁在每個微槽道的上部或槽道中至少放置一個。 所述壓電橋式梁驅動的液體噴射結構，包含至少一組相互對應的微噴 L、微 槽道、壓電橋式梁，構成壓電橋式梁驅動的液體噴射結構陣列。
本實用新型的有益效果是由于壓電橋式梁僅在梁的兩端固定支撐，橋中間部 分為不受襯底的制約，因此，橋式梁的變形量遠遠大于四周固定的壓電振動板， 它能更有效的驅動更多液體從微噴孔中噴出。另一方面，由于壓電橋式梁在梁的 兩端固定支撐，因此，避免了壓電懸臂梁結構中，僅一端固定支撐，而另一端懸 浮可動所引起的結構脆弱、驅動力相對較小、可靠性低、制造困難等問題。因此， 基于壓電橋式梁的液體噴射結構同時克服了基于四周固定的壓電振動板式液體 噴射結構和基于壓電懸臂梁式液體噴射結構的缺點。它既保證了可靠性，又兼顧 了工作效率，也降低了制造難度。

圖1為液體噴射結構的第一種結構示意圖，這種結構中，壓電橋式梁在微槽
道中部。
圖、2為圖1的組裝示意圖。 圖3為圖1的分體示意圖。
圖4為液體噴射結構的第二種結構示意圖，這種結構中，壓電橋式梁在微
槽道上部。
圖、5為液體噴射結構的第三種結構示意圖，這種結構中，壓電橋式梁在微槽 道上部。
圖6為壓電橋式梁剖面結構示意圖。
具體實施方式

本實用新型提出的壓電橋式梁驅動的液體噴射結構有多種實現(xiàn)方式。圖1、 圖4、圖5分別示例了其中三種可能的實現(xiàn)結構。它們的共同特征都是在液體噴 射結構外表面設置與微槽道相通的微噴孔，作為微槽道中液體噴射驅動器的壓電 橋式梁位于微槽道的上部或槽道中；與微槽道相通的微噴孔、微槽道、微槽道上 部或槽道中的壓電橋式梁相結合構成液體噴射結構。在電壓的驅動下，壓電橋式
梁產生形變，驅動微槽道中的液體從與微槽道柑通的微噴孔中噴出。圖l、圖4、 圖5所示都可以視為實現(xiàn)壓電橋式梁驅動的液體噴射結構陣列的示意圖。
在圖1所示的第一種結構示意圖中，由噴孔板100、襯底200和上襯底300 組成。在噴孔板100上設置一排與襯底200上微槽道220對應的微噴孔110;壓 電橋式粲210位于襯底200上的微槽道220的上部；襯底200上的微槽道220和 上襯底300上的上微槽道320合并在一起，構成一個完整的液體微槽道，在微槽 道220與上微槽道320合并成完整的液體微槽道后，壓電橋式梁210位于合并成 的液體微槽道的中部；在襯底200上的微槽道220的旁邊設置儲液室230;微槽 道220與儲液室230之間通過微槽240相連通；在上襯底300上與襯底200上的 儲液室230相對應處設置上儲液室330，儲液室230與上儲液室330合并在一起， 成為一個大的儲液室，并在上儲液室330的上部設置進液口 350;在上襯底300 上，上微槽道320與上儲液室330之間通過上微槽340相連通。噴孔板100、襯 底200和上襯底300依次粘結在一起組成壓電橋式梁驅動的液體噴射結構(如圖 2、 3所示)。
所述壓電橋式梁210兩端固定在襯底200的微槽道220壁上，其中間部分為 橋狀結構(如圖2、 3所示)。
所述壓電橋式梁210包含壓電層212及其上電極213、下電極層211，在橋 式梁的表面可以覆蓋絕緣介質層214，使上、下電極層與微槽道中的液體保持電 絕緣。該壓電橋式梁210還可以為含有多層壓電層和多層非壓電層的多層復合壓 電橋式梁；或是以包含兩層或兩層以上極化方向相同或相反的壓電層的形式構成 壓電橋式梁。
在每個微槽道的上部或槽道中可以以不同方式放置多個壓電橋式梁，驅動同 一個微槽道中的液體從與之相通的微噴孔中噴出。
噴孔板100可以采用金屬材料、有機材料、單晶硅、陶瓷等材料制作，采用 激光鉆孔、超聲鉆孔、腐蝕等方法可形成微噴孔110及其陣列。
襯底2'00可以采用單晶硅材料。在其上制作微槽道陣列的下半部分220、壓 電橋式梁210、儲液室的下半部分230及微槽道220與儲液室230之間相連的微
槽240。采用雙面拋光硅片，雙面熱氧化后淀積氮化鞋層，背面光刻出結構窗口， 刻蝕掉窗口中氮化硅，漂去露出的熱氧化層?？涛g去除正面的全部氮化硅層，以 原有的氧化硅層或重新生長適當厚度的熱氧化硅層作為壓電橋式梁的底層材料
和緩沖層215 (如圖6所示)。接著，在正面進行PZT (鋯鈦酸鉛)復合多層薄膜 的制作工藝。依次淀積下電極層，壓電薄膜，上電極層，并采用物理或化學刻蝕 工藝，依次刻蝕出上電極213、壓電薄膜212、下電極211，最后淀積絕緣介質膜 214(如圖6所示)，再采用物理或化學刻蝕工藝刻蝕露出上、下電極引線，作為 電極的引出線連接端。然后，在正面進行光刻并刻蝕出橋式梁形狀。隨后，保護 正面，利用KOH、 TMAH等各向異性腐蝕技術進行體硅腐蝕，或采用ICP (電 感耦合等離子體)進行干法刻蝕，形成微槽道220和儲液室230，及它們之間相 連的微槽240，并釋放橋式梁結構，形成壓電橋式梁210。在本實施方式中，下 電極211可由鈦/鉑復合層或鉑或銥構成，壓電薄膜212由PZT層或摻雜后的PZT 層構成，或為PbTi03等壓電種子層與上述PZT層的復合層，上電極213可由鈦/ 鉑復合層或鉑或銥構成。另外，襯底材料也可以采用金屬、二氧化硅、陶瓷等材 料。
上襯底300可以采用單晶硅材料制作，在其上制作上微槽道320、上儲液室 330及它們之間相連的上微槽340。采用雙面拋光硅片，雙面熱氧化后淀積氮化 硅層，背面光刻出微槽道和儲液室結構窗口，刻蝕掉窗口中氮化硅，漂去露出的 熱氧化層。利用KOH、 TMAH等各向異性腐蝕技術進行體硅腐蝕，或采用ICP (電感耦合等離子體)進行干法刻蝕，形成上微槽道320和上儲液室330及它們 之間相連的上微槽340。重新進行雙面熱氧化后淀積氮化硅，再在正面進行光刻， 刻蝕形成進液口掩膜窗口。利用KOH、 TMAH等各向異性腐蝕液進行體硅腐蝕， 或采用ICP (電感耦合等離子體)進行干法刻蝕，刻蝕形成進液口 350。
最后，將噴孔板IOO、襯底200和上襯底300三塊襯底通過鍵合或粘接的方 式組合到一起，形成液體噴射結構?！?br> 所述壓電橋式梁驅動的液體噴射結構中，以至少一個微噴孔、微槽道、壓電 橋式梁分別排布在各自襯底上，并相互對應，各襯底組合在一起后就構成壓電橋
式梁驅動的液體噴射結構陣列。如圖1、圖4、圖5所示都可以視為壓電橋式梁 驅動的液體噴射結構陣列的示意圖。
在圖4所示的液體噴射結構的第二種結構分體示意圖中，壓電橋式梁在微槽
道上部。液體噴射結構的大部分與圖1、圖2、圖3所示一樣，與第一種結構不 同的是，在上襯底300中各個上微槽道間的隔離壁在第二種結構中被去除，形成 一個大的儲液室321，與旁邊原有的上儲液室330通過上微槽340相連。將上述 三個襯底組合在一起后，相當于壓電橋式梁210位于液體微槽道的頂部(如圖4
所示)。
在圖5所示的液體噴射結構的第三種結構分體示意圖中，壓電橋式梁也在微 槽道頂部。但是，與第二種結構不同的是，上襯底300上的兩個儲液室在第二種 結構的基礎上合并為一個大的儲液室322。這時，第二種實現(xiàn)方式中進液口 350 可以移至襯底中部，變?yōu)檫M液口351。將上述三個襯底組合在一起后，也相當于 壓電橋式梁210位于液體微槽道的頂部(如圖5所示)。
上述實施例中的壓電橋式梁210的剖面結構如圖6所示，它由二氧化硅層 215、下電極211、壓電層212v上電極213、表面絕緣介質層214復合而成。除 此實現(xiàn)方式之外，壓電橋式梁中二氧化硅層的下面也可保留一定厚度的單晶硅 層，與其它層一起構成橋式梁。
在本實用新型的其它實現(xiàn)方式中，也可將與每個微槽道相對應的壓電橋式梁 設計為不同的形式，或者，在每個微槽道的上部或槽道中以不同方式放置多個壓 電橋式梁，驅動同一個微槽道中的液體從與之相通的微噴孔中噴出。例如，多個 壓電橋式梁在同一個微槽道的上部或槽道中并列，其固定支撐端也可位于不同的 位置。
本實用新型所述壓電橋式梁驅動的液體噴射結構與驅動電路、儲液盒、支撐 架、外殼等、連接線等部分相組合，可進一步構成完整的液體噴射裝置或集成化 的液體噴頭。
本實用新型所述壓電橋式梁驅動的液體噴射結構可廣泛應用于噴墨打印，圖 文記錄和微細圖形實現(xiàn)等領域，以及具有微細圖形實現(xiàn)要求的工業(yè)制造領域。
權利要求1. 一種壓電橋式梁驅動的液體噴射結構，其結構包括微噴孔、微槽道、壓電橋式梁；其特征在于在液體噴射結構外表面設置與微槽道相通的微噴孔，作為微槽道中液體噴射驅動器的壓電橋式梁位于微槽道的上部或槽道中；與微槽道相通的微噴孔、微槽道、微槽道上部或槽道中的壓電橋式梁相結合構成液體噴射結構。
2. 根據(jù)權利要求1所述壓電橋式梁驅動的液體噴射結構，其特征在于所述 壓電橋式梁的兩端與襯底相連，作為橋式梁的固定支撐端，壓電橋式梁中間部分 的兩側不與襯底相連，形成橋式結構。
3. 根據(jù)權利要求1所述壓電橋式梁驅動的液體噴射結構，其特征在于所述 壓電橋式梁包含壓電層和非壓電層的多層復合結構，其中至少包含一層壓電層及 其上、下電極層。
4. 根據(jù)權利要求1所述壓電橋式梁驅動的液體噴射結構，其特征在于所述 壓電橋式梁中的各層覆蓋整個橋式梁，或部分地分布于橋式梁上。
5. 根據(jù)權利要求1所述壓電橋式梁驅動的液體噴射結構，其特征在于所述 壓電橋式梁的表面為電絕緣層。
6. 根據(jù)權利要求1所述壓電橋式梁驅動的液體噴射結構，其特征在于所述 壓電橋式梁在每個微槽道的上部或槽道中至少放置一個。
7. 根據(jù)權利要求1所述壓電橋式梁驅動的液體噴射結構，其特征在于所述 壓電橋式梁驅動的液體噴射結構，包含至少一組相互對應的微噴孔、微槽道、壓 電橋式梁，構成壓電橋式梁驅動的液體噴射結構陣列。
專利摘要本實用新型公開了屬于微電子機械領域的一種壓電橋式梁驅動的液體噴射結構，其結構包括微噴孔、微槽道、壓電橋式梁；在液體噴射結構外表面設置與微槽道相通的微噴孔，作為微槽道中液體噴射驅動器的壓電橋式梁位于微槽道的上部或槽道中；與微槽道相通的微噴孔、微槽道、微槽道上部或槽道中的壓電橋式梁相結合構成液體噴射結構。它同時克服了基于四周固定的壓電振動板式液體噴射結構和基于壓電懸臂梁式液體噴射結構的缺點，它既保證了可靠性，又兼顧了工作效率，也降低了制造難度。
文檔編號B41J2/14GK201200951SQ20082010866
公開日2009年3月4日 申請日期2008年6月5日 優(yōu)先權日2008年6月5日
發(fā)明者劉淑芹 申請人:劉淑芹