本發(fā)明涉及一種噴墨打印頭，尤其涉及一種采用微納制造技術(shù)形成的同一垂直截面具有上下兩個腔體的復(fù)合腔體壓電噴墨打印頭以及制造該噴墨打印頭的方法。

背景技術(shù)：

噴墨打印頭無論在辦公還是工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛，根據(jù)墨噴射方法，噴墨打印頭可以分成兩種類型：熱噴墨打印頭和壓電噴墨打印頭。熱噴墨打印頭利用熱在墨中生成氣泡，并利用氣泡的膨脹來噴射墨滴，而壓電噴墨打印頭利用壓電材料變形產(chǎn)生的壓力來噴射墨滴。

傳統(tǒng)的壓電噴墨打印頭在同一個垂直截面只具有一個腔體。在該情況下，為了增加分辨率，只能減小腔體的寬度以及腔體的間隔，由于打印頭在工作過程中各腔體之間的相互干擾等原因，使得現(xiàn)有打印頭的腔體和腔體間隔無法進(jìn)一步縮小，因此分辨率很難繼續(xù)提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，本發(fā)明公開了一種復(fù)合腔體壓電噴墨打印頭及其制造方法。

其技術(shù)方案如下：

一種復(fù)合腔體壓電噴墨打印頭，其從上而下依次包括上壓電致動器、上振動板、腔體結(jié)構(gòu)層、下振動板、下壓電制動器；其中，所述腔體結(jié)構(gòu)層包括多個腔體單元，每個腔體單元均包括位于同一垂直截面上的上腔體單元與下腔體單元；所述上振動板上設(shè)置有與上腔體單元及下腔體單元均連通的墨水入口；所述下振動板上設(shè)置有多個分別與所述上腔體單元、下腔體單元對應(yīng)連通的噴孔；所述上壓電制動器固定在上振動板上，與所述上腔體單元對應(yīng)；所述下壓電制動器固定在下振動板上，與所述下腔體單元對應(yīng)。

較佳的，所述腔體結(jié)構(gòu)層由硅片構(gòu)成，所述上腔體與下腔體通過干法刻蝕或濕法刻蝕形成于硅片上。

較佳的，所述上振動板與下振動板都為厚度20-50μm的硅片，且通過鍵合工藝與腔體結(jié)構(gòu)層結(jié)合。

較佳的，所述墨水入口通過干法刻蝕或濕法刻蝕獲得；所述噴孔通過干法刻蝕獲得。

較佳的，所述上壓電致動器與所述下壓電致動器均由下電極、壓電陶瓷薄膜和上電極組成。

較佳的，所述下電極通過磁控濺射分別形成于所述上振動板和下振動板的表面。

較佳的，所述壓電陶瓷薄膜通過絲網(wǎng)印刷，并通過溶膠-凝膠法形成于下電極的表面。

較佳的，所述上電極通過絲網(wǎng)印刷金(Au)形成于壓電陶瓷薄膜的表面。

較佳的，所述壓電陶瓷薄膜通過在所述上電極與所述下電極之間通入高壓電進(jìn)行極化，極化電場強(qiáng)度為1.0-2.5KV/mm，極化溫度為100-150℃，極化時間為5-30min。

相應(yīng)的，本發(fā)明還提供了一種對上述復(fù)合腔體壓電噴墨打印頭進(jìn)行制造的方法，主要包括步驟：

A、采用干法刻蝕或濕法刻蝕對硅片進(jìn)行加工，形成所述腔體結(jié)構(gòu)層；

B、對硅片進(jìn)行加工形成上振動板及下振動板，通過干法刻蝕或濕法刻蝕所述上振動板獲得所述墨水入口，通過干法刻蝕所述下振動板獲得所述噴孔；

C、將上振動板與下振動板分別與所述腔體結(jié)構(gòu)層進(jìn)行鍵合，在上振動板和下振動板的表面分別濺射形成下電極，并采用絲網(wǎng)印刷工藝制得壓電陶瓷薄膜與上電極，從而形成上壓電制動器及下壓電制動器。

可見，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1)腔體結(jié)構(gòu)層只由一層硅片構(gòu)成，簡化了制造工藝，同時減少了因?qū)?zhǔn)而造成的誤差；

2)通過在同一垂直截面上具有上下腔體單元，提高了腔體的數(shù)量，在不減小腔體的寬度以及腔體間隔的前提下(避免各腔體之間產(chǎn)生相互干擾)，巧妙的增加了分辨率；

3)壓電陶瓷薄膜與上電極都是采用絲網(wǎng)印刷工藝制得，避免了壓電陶瓷薄膜與上電極的刻蝕，簡化了制造過程。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個實施例中復(fù)合腔體壓電噴墨打印頭一部分分解透視圖；

圖2為本發(fā)明一個實施例中腔體結(jié)構(gòu)層的制造流程示意圖；

圖3為本發(fā)明一個實施例中上振動板和下振動板的制造流程示意圖；

圖4為本發(fā)明一個實施例中鍵合及壓電制動器的制造流程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明：

圖1是本發(fā)明一個實施例中復(fù)合腔體壓電噴墨打印頭的一部分的分解透視圖，從圖中可見，該復(fù)合腔體壓電噴墨打印頭，從上而下依次包括上壓電致動器、上振動板4、腔體結(jié)構(gòu)層6、下振動板9、下壓電制動器。

其中，所述腔體結(jié)構(gòu)層6包括陣列排布的腔體單元，每個腔體單元均包括位于同一垂直截面上的上腔體單元7與下腔體單元8；所述上振動板4上設(shè)置有與上腔體單元7及下腔體單元8均連通的墨水入口5；所述下振動板4上設(shè)置有多個分別與上腔體單元7、下腔體單元8連通的噴孔10；所述上壓電制動器固定在上振動板4上，與所述上腔體單元7對應(yīng)；所述下壓電制動器固定在下振動板9上，與所述下腔體單元8對應(yīng)。

當(dāng)本實施例中的復(fù)合腔體壓電噴墨打印頭進(jìn)行工作時，對所述上壓電制動器/下壓電制動器進(jìn)行供電；當(dāng)所述上壓電制動器獲得供電時，其產(chǎn)生振動，并將此振動通過上振動板4傳遞到上腔體單元7內(nèi)，使上腔體單元7的截面積變小，壓力增大，從而使上腔體單元7內(nèi)的墨水通過其所對應(yīng)的噴孔10噴出而形成墨滴，外部的墨水通過墨水入口5進(jìn)入上腔體單元7內(nèi)補(bǔ)充墨水，為下一次噴射墨滴做好準(zhǔn)備；下腔體單元8內(nèi)墨水噴射過程與上腔體單元7相同，由下壓電制動器提供振動通過下振動板9傳遞到下腔體單元8內(nèi)，從而，下腔體單元8內(nèi)的墨水也通過其所對應(yīng)的噴孔10噴出形成墨滴，該下腔體單元8同樣與墨水入口5連通，從而也可通過墨水入口5進(jìn)行墨水補(bǔ)充。

本發(fā)明的優(yōu)勢結(jié)合附圖1及附圖4可以體現(xiàn)的更為清楚，從附圖4可見，每個腔體單元中被間隔體(從附圖中可見，在本實施例中為或狀，但并不局限于此)分成上腔體單元7、下腔體單元8；上腔體單元7、下腔體單元8均與墨水入口5連通，都可通過墨水入口5補(bǔ)充墨水，且其分別與下振動板9上不同位置處的墨水噴孔10相對應(yīng)；通過上述設(shè)置——在同一垂直截面上具有上下腔體單元，提高了腔體的數(shù)量，在不減小腔體的寬度以及腔體間隔的前提下(避免各腔體之間產(chǎn)生相互干擾)，巧妙的增加了分辨率。

進(jìn)一步的，在一些具體實施例中，所述上壓電制動器/下壓電制動器包括上電極1、壓電陶瓷薄膜2、下電極3；其具體工作工程為：當(dāng)所述上電極1通電，下電極3接地時，上電極1下方正對的壓電陶瓷薄膜2產(chǎn)生振動，從而帶動整個上壓電制動器/下壓電制動器產(chǎn)生振動。

與上述噴墨打印頭裝置相對應(yīng)的，本發(fā)明還給出了相應(yīng)的復(fù)合腔體壓電噴墨打印頭制造方法，其主要包括步驟：

A、采用干法刻蝕或濕法刻蝕對硅片進(jìn)行加工，形成所述腔體結(jié)構(gòu)層6；

B、對硅片進(jìn)行加工形成上振動板4及下振動板9，通過干法刻蝕或濕法刻蝕所述上振動板4獲得所述墨水入口5，通過干法刻蝕所述下振動板9獲得所述噴孔10；

C、將上振動板4與下振動板9分別與腔體結(jié)構(gòu)層6進(jìn)行鍵合，在上振動板4和下振動板9的表面濺射形成下電極3，采用絲網(wǎng)印刷工藝制得壓電陶瓷薄膜2與上電極1。

可見，上述制造方法按一定順序?qū)λ鰢娔蛴☆^中主要部件進(jìn)行制造，具體順序為：腔體結(jié)構(gòu)層6——上、下振動板4、9——壓電制動器。

下面具體通過附圖2-4分別給出了上述部件的具體制造流程。

在一些改進(jìn)的實施例中，所述腔體結(jié)構(gòu)層6只由一層硅片構(gòu)成，所述上腔體單元7與下腔體單元8通過干法刻蝕或濕法刻蝕形成于硅片上，從而簡化了制造工藝，同時減少了因?qū)?zhǔn)而造成的誤差。如圖2所示，其給出了一個具體實施例中，示意了所述腔體結(jié)構(gòu)層6的制造流程，具體包括以下步驟：

A1、清洗硅片11，分別進(jìn)行SPM清洗、RCA-1清洗和RCA-2清洗，清洗液的配比濃度、清洗溫度和清洗時間分別如下：SPM清洗：H₂SO₄/H₂O₂(濃硫酸/雙氧水)按照4∶1體積配置，加熱到120-150℃，浸泡10-20分鐘；RCA-1清洗：NH₄OH/H₂O₂/H₂O(氨水/雙氧水/水)按照1∶1∶5體積配置，加熱到75-85℃，浸泡10-20分鐘；RCA-2清洗：HCl/H₂O₂/H₂O(鹽酸/雙氧水/水)按照1∶1∶6體積配置，加熱到75-85℃，浸泡10-20分鐘；

A2、在硅片11上表面旋涂一層光刻膠12，型號為EPG535，旋涂轉(zhuǎn)速為500r/min、1000r/min，時間分別為7s、40s，然后將硅片放在95℃的熱板上進(jìn)行軟烘，軟烘時間為5分鐘；

A3、將硅片11放到光刻機(jī)進(jìn)行光刻，曝光時間為7s，光刻結(jié)束后在顯影液中顯影，顯影液為NaOH水溶液，濃度為5‰，顯影時間為20-30s，然后將硅片11放在115℃的熱板上進(jìn)行堅膜，堅膜時間為15分鐘；

A4、在干法刻蝕機(jī)內(nèi)，將未被光刻膠12掩蔽的部分刻蝕出上腔體單元7，刻蝕氣體SF₆(六氟化硫)和C₄F₈(八氟環(huán)丁烷)的流量比為5∶1，源功率為1000W，射頻電極功率為300W；

A5、將硅片11放入丙酮中，超聲處理30分鐘，將硅片11上表面的光刻膠12去除掉；

A6、將硅片11放入酒精與丙酮1∶1混合的溶液中，超聲處理60分鐘，清洗硅片11；

A7、重復(fù)上述步驟，刻蝕出下腔體單元8，并將上腔體單元7打通，完成腔體結(jié)構(gòu)層6的制造。

對于所述上振動板4與下振動板9，在一些具體實施例中，其均采用硅片，且通過鍵合工藝與所述腔體結(jié)構(gòu)層6結(jié)合；所述墨水入口5通過干法刻蝕或濕法刻蝕獲得。所述噴孔10通過干法刻蝕獲得，且噴孔具有垂直的側(cè)壁。

圖3給出了所述上振動板4和下振動板9的制造流程示意圖，具體包括以下步驟：

B1、清洗硅片11，分別進(jìn)行SPM清洗、RCA-1清洗和RCA-2清洗，具體的，所述清洗液的配比濃度、清洗溫度和清洗時間分別如下：SPM清洗：H₂SO₄/H₂O₂(濃硫酸/雙氧水)按照4∶1體積配置，加熱到120-150℃，浸泡10-20分鐘；RCA-1清洗：NH₄OH/H₂O₂/H₂O(氨水/雙氧水/水)按照1∶1∶5體積配置，加熱到75-85℃，浸泡10-20分鐘；RCA-2清洗：HCl/H₂O₂/H₂O(鹽酸/雙氧水/水)按照1∶1∶6體積配置，加熱到75-85℃，浸泡10-20分鐘；

B2、在硅片11上旋涂一層光刻膠12并進(jìn)行軟烘，具體的，所述光刻膠的型號為EPG535，旋涂轉(zhuǎn)速為500r/min、1000r/min，時間分別為7s、40s，然后將硅片(11)放在95℃的熱板上進(jìn)行軟烘，軟烘時間為5分鐘；

B3、將硅片11放到光刻機(jī)進(jìn)行光刻，曝光時間為7s，光刻結(jié)束后在顯影液中顯影，顯影液為NaOH水溶液，濃度為5‰，顯影時間為20-30s，然后將硅片11放在115℃的熱板上進(jìn)行堅膜，堅膜時間為15分鐘；

B4、在干法刻蝕機(jī)內(nèi)，將未被光刻膠12掩蔽的部分刻穿，形成墨水入口5，刻蝕氣體SF₆(六氟化硫)和C₄F₈(八氟環(huán)丁烷)的流量比為5∶1，源功率為1000W，射頻電極功率為300W；

B5、將硅片11放到丙酮溶液中，去除表面剩余的光刻膠12；

B6、將硅片11放入酒精與丙酮1∶1混合的溶液中，超聲處理60分鐘，清洗硅片11；

B7、下振動板9中噴孔10的制造過程與上振動板4中墨水入口5的制造過程相同。

對于所述壓電制動器的制造，在一些具體實施例中，該壓電制動器中的壓電陶瓷薄膜與上電極都是采用絲網(wǎng)印刷工藝制得，從而避免了壓電陶瓷薄膜與上電極的刻蝕，簡化了制造過程。在一個更為具體的實施例中，如圖4所示，給出了上振動板4、下振動板9與腔體結(jié)構(gòu)層進(jìn)行鍵合及壓電制動器的制造流程示意圖，具體包括以下步驟：

C1、將上振動板4與下振動板9分別與腔體結(jié)構(gòu)層6進(jìn)行鍵合，鍵合方法為陽極鍵合；

C2、在上振動板4和下振動板9的表面濺射一層鉑(Pt)13，厚度為100-300nm；

C3、在Pt層13上絲網(wǎng)印刷壓電陶瓷漿料14，并通過溶膠-凝膠法形成壓電陶瓷薄膜2；

C4、在壓電陶瓷薄膜2的表面通過絲網(wǎng)印刷金(Au)15制造出上電極1；

C5、在上電極1與下電極3之間通入高壓電對壓電陶瓷薄膜2進(jìn)行極化，具體的，極化電場強(qiáng)度為1.0-2.5KV/mm，極化溫度為100-150℃，極化時間為5-30min。

綜上可見，本發(fā)明提供了一種復(fù)合腔體壓電噴墨打印頭，并給出了其具體的制造方法，該噴墨打印頭包括上壓電致動器、上振動板4、腔體結(jié)構(gòu)層6、下振動板9、下壓電制動器，所述腔體結(jié)構(gòu)層6包括陣列排布的腔體單元，每個腔體單元均包括位于同一垂直截面上的上腔體單元7與下腔體單元8；由于采用了只由一層硅片構(gòu)成、且在同一垂直截面上具有上下兩個腔體的腔體結(jié)構(gòu)層，本發(fā)明簡化了制造工藝，同時減少了因?qū)?zhǔn)而造成的誤差，并提高了腔體的數(shù)量，增加了分辨率；同時，壓電制動器中的壓電陶瓷薄膜與上電極都是采用絲網(wǎng)印刷工藝制得，避免了壓電陶瓷薄膜與上電極的刻蝕，簡化了制造過程。

這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)任一來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)任一應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。