專利名稱：一種壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于微電子機(jī)械領(lǐng)域，特別涉及采用微加工方法實現(xiàn)的一種壓電 懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
液體噴射結(jié)構(gòu)是整個液體噴射裝置中最核心的部分。液體噴射結(jié)構(gòu)及含有液 體噴射結(jié)構(gòu)的裝置典型應(yīng)用于噴墨打印，圖文記錄、印刷和平面廣告制作等方面， 在微細(xì)圖形實現(xiàn)等工業(yè)制造領(lǐng)域也有應(yīng)用。采用壓電原理制作的液體噴射結(jié)構(gòu)， 容易控制液滴大小和噴射速度，實現(xiàn)高精度的液滴噴射，耐用性好。因此，壓電 工作方式是液體噴射結(jié)構(gòu)采用的重要原理之一。
一種已有的壓電式液體噴射結(jié)構(gòu)，采用多層的壓電叉指作為驅(qū)動器，垂直的 放置于微槽道頂部的外表面。當(dāng)在驅(qū)動器上施加電壓時，每個叉指的長度發(fā)生伸 縮變化，垂直的擠壓每個微槽道的上壁，從而改變槽道腔內(nèi)容積的大小，使液體 從噴孔噴射出去。這種壓電液體噴射結(jié)構(gòu)中采用壓電叉指長度的伸縮變化改變槽 道容積的大小。但是，壓電叉指長度的變化較小，增加其長度變化需大大增加叉 指的長度，或大大的增加驅(qū)動電壓。這樣會帶來叉指易折斷、組裝困難等一系列 問題。另外，這種驅(qū)動器制作難度較大，驅(qū)動器與微槽道等其它部件的組裝困難， 要求精度高，制作效率低，成本高。
精工愛普生株式會社公開了一種壓電式液體噴射結(jié)構(gòu)，在微槽道的上壁制作 壓電/彈性復(fù)合振動板，當(dāng)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(nèi)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(qū)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(yán)重限制了對微槽道中 液體驅(qū)動。而且，由于板四周邊的約束作用，當(dāng)振動板的面積越小時，板的形變 就越小，微槽道內(nèi)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(jié)構(gòu)的驅(qū)動方式影響了液體噴出量，妨礙 了進(jìn)一步減少微槽道的尺寸和提高噴射裝置的集成度。
最近提出的一種壓電懸臂梁式液體噴射結(jié)構(gòu)克服了上述壓電液體噴射結(jié)構(gòu) 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(qū)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(cè)固定支撐，其它部分為懸空可動， 不受襯底的制約，因此，懸臂梁的變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前述的四周固定的壓電振動板， 它能更有效的驅(qū)動更多液體從微噴孔中噴出。同時，由于壓電懸臂梁在電壓的激 勵下產(chǎn)生的是偏轉(zhuǎn)形變，其變形量也遠(yuǎn)大于壓電叉指在叉指方向的直接伸縮形 變。此外，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(jié) 構(gòu)可以在較低的電壓下工作?；蛘撸捎趬弘姂冶哿耗軐崿F(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(qū)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裝置。
但是，在這種壓電懸臂梁式液體噴射結(jié)構(gòu)中，壓電懸臂梁在微槽道的上部或 中間直接驅(qū)動微槽道中的液體，壓電懸臂梁直接與液體相接觸。這要求壓電懸臂 梁上的電極及連接線必須覆蓋良好的絕緣介質(zhì)層，并長期保持其絕緣性能，以防 止漏電。同時，由于壓電懸臂梁周邊存在縫隙，微槽道中的液體會在壓電懸臂梁 動作時，通過壓電懸臂梁周邊的縫隙上下流動，減小了液體驅(qū)動的強(qiáng)度。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是針對壓電懸臂梁式液體噴射結(jié)構(gòu)中壓電懸臂梁直接與 液體相接觸，要求壓電懸臂梁上的電極及連接線必須覆蓋良好的絕緣介質(zhì)層，并 需長期保持其絕緣性能，以防止漏電；同時，由于壓電懸臂梁周邊存在縫隙，微 槽道中的液體會在壓電懸臂粱動作時，通過壓電懸臂梁周邊的縫隙上下流動，減 小了液體驅(qū)動的強(qiáng)度的不足，而提供的一種壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射 結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)包括，壓電懸臂梁、柔性薄膜、微槽道、微噴孔；其特征在于在 液體噴射結(jié)構(gòu)外表面設(shè)置與微槽道相通的微噴孔，柔性薄膜覆蓋于微槽道的頂 部，作為液體噴射驅(qū)動器的壓電懸臂梁在微槽道頂部柔性薄膜的外部平行放置或 與柔性薄膜的夾角為銳角；與微槽道相通的微噴孔、微槽道、微槽道頂部的柔性
薄膜、壓電懸臂梁相結(jié)合構(gòu)成液體噴射結(jié)構(gòu)。
所述壓電懸臂梁的一端或一側(cè)與襯底相連，壓電懸臂梁的一端或一側(cè)固定，
其它部分懸空可動。
所述壓電懸臂梁在每個微槽道頂部柔性薄膜的外部至少放置一個。 所述壓電懸臂梁為包含壓電層和非壓電層的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中至少包含一
層壓電層及其上、下電極層。
所述壓電懸臂梁中的各層，覆蓋整個懸臂梁，或部分地分布于懸臂梁上。 所述柔性薄膜為有機(jī)薄膜材料，或摻入添加劑的有機(jī)薄膜材料。 所述壓電懸臂梁在微槽道頂部柔性薄膜的外部與柔性薄膜外表面直接相接
觸或不接觸，或通過粘接的方式與柔性薄膜外表面相接。
所述壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)中，包含至少一組與微槽道相
通的微噴孔、微槽道、微槽道頂部的柔性薄膜、壓電懸臂梁，構(gòu)成壓電懸臂梁驅(qū)
動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)陣列。
本實用新型的有益效果是，由于壓電懸臂梁在微槽道頂面的柔性薄膜上，并
不與槽道中的液體接觸，這就大大降低了對懸臂梁表面絕緣介質(zhì)層的性能要求。
而且，由于柔性的有機(jī)薄膜具有良好的柔性，它在壓電懸臂梁的驅(qū)動下能發(fā)生較
大的形變；同時，由于柔性薄膜在微槽道頂?shù)拿芊庾饔茫乐刮⒉鄣乐械囊后w通
過懸臂梁周邊的縫隙上下流動，能更有效地驅(qū)動更多液體從微噴孔中噴出，提高
了液體噴射結(jié)構(gòu)的工作效率和可靠性。

圖l為液體噴射結(jié)構(gòu)的第一種結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖l的組裝示意圖。 圖3為液體噴射結(jié)構(gòu)的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為圖3的組裝示意圖。 圖5為壓電懸臂梁剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

本實用新型提出的一種壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)，具有多種
實現(xiàn)方式。圖l和圖3分別示例了其中兩種可能的實現(xiàn)方式。它們的共同特征都 是在液體噴射結(jié)構(gòu)外表面設(shè)置與微槽道相通的微噴孔，柔性薄膜為微槽道的封頂 材料，覆蓋于微槽道的頂部，含有壓電薄膜層及其上、下電極的壓電懸臂梁在微 槽道頂部柔性薄膜的外部平行放置，作為微槽道中液體噴射的驅(qū)動器；與微槽道 相通的微噴孔、微槽道、微槽道頂部的柔性薄膜、壓電懸臂梁相結(jié)合構(gòu)成液體噴 射結(jié)構(gòu)；在電壓的驅(qū)動下，壓電懸臂梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)形變，驅(qū)動微槽道頂部的柔性薄 膜發(fā)生形變，從而改變微槽道的體積，將微槽道中的液體從與微槽道相通的微噴 孔中噴出。
在圖1所示的第一種結(jié)構(gòu)示意圖中，由噴孔板100、襯底200、柔性薄膜300 和上襯底400組成。在噴孔板100上設(shè)置一排與襯底200上微槽道220對應(yīng)的微 噴孔110;在襯底200上的微槽道220的旁邊設(shè)置儲液室230;微槽道220與儲 液室230之間通過微槽240相連通；柔性薄膜300覆蓋于襯底200上表面，成為 襯底200上的微槽道220的封頂材料，在柔性薄膜300上與襯底200上的儲液室 230相對應(yīng)處設(shè)置開口 330，儲液室230通過開口 330進(jìn)一步與上襯底400上的 上儲液室430相通，合并在一起，成為一個大的儲液室；壓電懸臂梁410位于上 襯底400上的釋放槽420的底部，并且，上襯底400上的每個壓電懸梁410在襯 底200上的每個微槽道220的上方，并相互對應(yīng)。壓電懸臂梁410只有一端固定 在襯底400的釋放槽420壁上，其它部分為懸空可動；噴孔板100、襯底200、 柔性薄膜300和上襯底400依次粘結(jié)在一起組成壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式的液 體噴射結(jié)構(gòu)(如圖2所示)。
所述壓電懸臂梁410包含壓電層412及其上電極413、下電極層411，在懸 臂梁的表面可以覆蓋絕緣介質(zhì)層414。該壓電懸臂梁410還可以為含有多層壓電 層和多層非壓電層的多層復(fù)合壓電懸臂梁；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(gòu)成壓電懸臂梁。
噴扎板100可以采用金屬材料、有機(jī)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200可以采用單晶硅材料。在其上制作微槽道陣列220、儲液室230及
微槽道220與儲液室230之間相連的微槽240。釆用雙面拋光硅片，雙面熱氧化 后淀積氮化硅層，背面光刻出結(jié)構(gòu)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(shù)進(jìn)行體硅腐蝕，或采用ICP (電感耦 合等離子體)進(jìn)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。然后，去除微槽道220和儲液室230部分的氧化硅層和氮化硅層，構(gòu) 成穿通結(jié)構(gòu)。另外，襯底200的材料也可以采用金屬、二氧化硅、陶瓷等材料， 采用其它刻蝕工藝技術(shù)制作出上述微結(jié)構(gòu)。
柔性薄膜300為有機(jī)薄膜材料，或摻入添加劑的有機(jī)薄膜材料，如聚苯硫醚 (PPS)薄膜等。柔性薄膜300應(yīng)具有較薄的厚度、良好的柔性。在柔性薄膜300 上與襯底200中儲液室230相對應(yīng)的部位，釆用激光刻蝕、沖壓、腐蝕等方法制 作開口 330。
襯底400可以采用單晶硅材料。在其上制作壓電懸臂梁410和儲液室430。 采用雙面拋光硅片，雙面熱氧化后淀積氮化硅層，背面光刻出結(jié)構(gòu)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(dāng)厚度的熱氧化硅層作為壓電懸臂梁的底層材料和緩沖 層415 (如圖5所示)。接著，在正面進(jìn)行PZT (鋯鈦酸鉛)復(fù)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(xué)刻蝕工藝， 依次刻蝕出上電極413、壓電薄膜412、下電極411，最后淀積絕緣介質(zhì)膜414 (如 圖5所示)，再采用物理或化學(xué)刻蝕工藝刻蝕露出上、下電極，作為電極的引出 線連接端。然后，在正面進(jìn)行光刻并刻蝕出懸臂梁形狀。隨后，保護(hù)正面，利用 KOH、 TMAH等各向異性腐蝕技術(shù)進(jìn)行體硅腐蝕，或釆用ICP (電感耦合等離子體) 進(jìn)行干法刻蝕，形成釋放槽420和儲液室430，并釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)，形成壓電懸 臂梁410。在對懸臂梁背面材料進(jìn)行腐蝕時可以按照圖2所示，在每個懸臂梁背 面腐蝕出對應(yīng)的釋放槽420，也可以將各個懸臂梁背面的釋放槽合并為一個大的 釋放槽。壓電懸臂梁驅(qū)動器制作完成后，將上襯底400翻轉(zhuǎn)過來與200襯底對準(zhǔn) 按照圖2所示的方式進(jìn)行組裝。在本實施方式中，下電極411可由鈦/鉑復(fù)合層 或鉑或銥構(gòu)成；壓電薄膜412由PZT層或摻雜后的PZT層構(gòu)成，或為PbTi03等壓
電種子層與上述PZT層的復(fù)合層；上電極413可由鈦/鉑復(fù)合層或鉑或銥構(gòu)成。 另外，襯底材料也可以采用金屬、二氧化硅、陶瓷等材料。
最后，將噴孔板100、襯底200、柔性薄膜300和上襯底400通過鍵合或粘 接的方式組合到一起，形成液體噴射結(jié)構(gòu)。
所述壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)中，包含至少一組與微槽道相 通的微噴孔、微槽道、微槽道頂部的柔性薄膜、壓電懸臂梁，構(gòu)成壓電懸臂梁驅(qū) 動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)陣列。如圖1和圖3所示都可以視為液體噴射結(jié)構(gòu)陣 列的示意圖。
在圖3所示的液體噴射結(jié)構(gòu)的第二種結(jié)構(gòu)示意圖中，液體噴射結(jié)構(gòu)的噴孔板 100、襯底200和柔性薄膜300部分與圖1所示相同。與第一種結(jié)構(gòu)不同的是， 上襯底400上無釋放槽420，并將上襯底400上的上儲液室430變?yōu)榕c柔性薄膜 300上開口 330相對應(yīng)的開口 440;同時，上襯底400上的壓電懸臂梁410在襯 底200上方直接與相對應(yīng)的微槽道220對準(zhǔn)，上襯底400不經(jīng)過翻轉(zhuǎn)就可以與噴 孔板IOO、襯底200和柔性薄膜300組合在一起，如圖4所示。采用腐蝕或磨拋 減薄方法能夠?qū)崿F(xiàn)上述結(jié)構(gòu)，也可采用金屬材料作為上襯底400的材料，在金屬 襯底上淀積下電極、壓電層、上電極等各功能層，再刻蝕或沖壓出壓電懸臂梁410 及開口 440等結(jié)構(gòu)。
上述實施例中的壓電懸臂梁410的剖面結(jié)構(gòu)如圖5所示，它由二氧化硅層 415、下電極411、壓電層412、上電極413、表面絕緣介質(zhì)層414復(fù)合而成。除 此實現(xiàn)方式之外，壓電懸臂梁中二氧化硅層的下面也可保留一定厚度的單晶硅 層，與其它層一每構(gòu)成懸臂梁。
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(yīng)的壓電懸臂梁 設(shè)計為不同的形式，對應(yīng)于每個被驅(qū)動的微槽道的壓電懸臂梁的個數(shù)可多于一 個，其固定支撐端也可位于不同的位置。例如，在噴射結(jié)構(gòu)各層襯底部件組裝好 后，壓電懸臂梁的方向與被驅(qū)動的微槽道長度方向可以平行，也可以與微槽道長 度方向垂直，等等。
上述液體噴射結(jié)構(gòu)進(jìn)一步與驅(qū)動電路、儲液盒、支撐架、外殼、連接線等相
結(jié)合可構(gòu)成完整的液體噴射裝置或集成化的液體噴頭。
本實用新型的液體噴射結(jié)構(gòu)在噴墨打印，圖文記錄、印刷和平面廣告制作等 方面，以及具有微細(xì)圖形實現(xiàn)的工業(yè)制造等領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用。
權(quán)利要求1. 一種壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括，壓電懸臂梁、柔性薄膜、微槽道、微噴孔；其特征在于在液體噴射結(jié)構(gòu)外表面設(shè)置與微槽道相通的微噴孔，柔性薄膜覆蓋于微槽道的頂部，作為液體噴射驅(qū)動器的壓電懸臂梁在微槽道頂部柔性薄膜的外部平行放置或與柔性薄膜的夾角為銳角；與微槽道相通的微噴孔、微槽道、微槽道頂部的柔性薄膜、壓電懸臂梁相結(jié)合構(gòu)成液體噴射結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述壓電懸臂梁的一端或一側(cè)與襯底相連，壓電懸臂梁的一端或一側(cè)固定， 其它部分懸空可動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述壓電懸臂梁在每個微槽道頂部柔性薄膜的外部至少放置一個。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述壓電懸臂梁為包含壓電層和非壓電層的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中至少包含一 層壓電層及其上、下電極層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述壓電懸臂梁中的各層，覆蓋整個懸臂梁，或部分地分布于懸臂梁上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述柔性薄膜為有機(jī)薄膜材料，或摻入添加劑的有機(jī)薄膜材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述壓電懸臂梁在微槽道頂部柔性薄膜的外部與柔性薄膜外表面直接相接觸 或不接觸，或通過粘接的方式與柔性薄膜外表面相接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)中，包含至少一組與微槽道相 通的微噴孔、微槽道、微槽道頂部的柔性薄膜、壓電懸臂梁，構(gòu)成壓電懸臂梁驅(qū) 動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)陣列。
專利摘要本實用新型公開了屬于微電子機(jī)械領(lǐng)域的一種壓電懸臂梁驅(qū)動柔性薄膜式液體噴射結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)包括，壓電懸臂梁、柔性薄膜、微槽道、微噴孔；其特征在于在液體噴射結(jié)構(gòu)外表面設(shè)置與微槽道相通的微噴孔，柔性薄膜覆蓋于微槽道的頂部，作為液體噴射驅(qū)動器的壓電懸臂梁在微槽道頂部柔性薄膜的外部平行放置或與柔性薄膜的夾角為銳角。降低了對懸臂梁表面絕緣介質(zhì)層的性能要求。柔性的有機(jī)薄膜在壓電懸臂梁的驅(qū)動下能發(fā)生較大的形變；同時，防止微槽道中的液體通過懸臂梁周邊的縫隙上下流動，能更有效地驅(qū)動更多液體從微噴孔中噴出，提高了液體噴射結(jié)構(gòu)的工作效率和可靠性。
文檔編號B05B17/04GK201200952SQ20082010812
公開日2009年3月4日 申請日期2008年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月29日
發(fā)明者劉淑芹 申請人:劉淑芹