一種梁膜式PZT薄膜壓電陣列打印頭及其制造方法與流程
本發(fā)明屬于壓電式微滴噴射打印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭及其制造方法。
背景技術(shù)：
壓電式微滴噴射打印技術(shù)在微電子制造與封裝、平板顯示、細(xì)胞打印、生物醫(yī)學(xué)工程、3d打印等領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用，研發(fā)高效高精的壓電陣列打印頭對于提高微滴噴射的打印效率和打印精度具有重要的意義。采用pzt壓電薄膜作為驅(qū)動(dòng)元件的pzt薄膜壓電陣列打印頭，在理論上可獲得更高的工作頻率、更高的噴嘴陣列密度和更精確的噴射液滴體積，已成為高效高精壓電陣列打印頭的研發(fā)熱點(diǎn)之一。但是隨著pzt薄膜壓電陣列打印頭工作頻率與噴嘴陣列密度的提高，會嚴(yán)重加劇相鄰的壓電噴射單元之間的電串?dāng)_、機(jī)械串?dāng)_等串?dāng)_效應(yīng)，造成打印精度與打印質(zhì)量的下降。降低串?dāng)_效應(yīng)已成為進(jìn)一步提升pzt薄膜驅(qū)動(dòng)壓電陣列打印頭性能的關(guān)鍵。
在現(xiàn)有技術(shù)中，壓電陣列打印頭中所有壓電噴射單元均采用完全獨(dú)立的壓電元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已成為降低串?dāng)_效應(yīng)的普遍措施，但是該方法只能在有限程度上降低電串?dāng)_效應(yīng)，并不能有效降低高密度的相鄰噴射單元之間的機(jī)械串?dāng)_。在此基礎(chǔ)上，有采用增大相鄰噴射單元間距或者空閑部分噴射單元(打印頭每兩個(gè)同時(shí)被驅(qū)動(dòng)的噴射單元之間，存在數(shù)個(gè)不能驅(qū)動(dòng)的空閑噴射單元)的方法來降低壓電陣列打印頭的機(jī)械串?dāng)_，但該方法會造成打印頭的有效分辨率和有效打印速度的顯著降低，進(jìn)而造成打印精度與打印效率的下降。在打印頭原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不變的基礎(chǔ)上，對其壓電元件控制信號進(jìn)行優(yōu)化也是降低串?dāng)_效應(yīng)的一種補(bǔ)充方法，例如中國專利cn102781671a提出，選擇用于噴嘴的驅(qū)動(dòng)信號、基于相鄰驅(qū)動(dòng)信號來確定時(shí)間延遲和脈寬擴(kuò)展以及將該時(shí)間延遲和脈寬擴(kuò)展施加于驅(qū)動(dòng)信號來減少壓電打印頭中的串?dāng)_，該方法在一定程度上可能是行之有效的，但是也明顯的引入了復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路與驅(qū)動(dòng)信號設(shè)計(jì)，并且增加了對于驅(qū)動(dòng)信號設(shè)計(jì)限制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供了一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭及其制造方法，減少串?dāng)_效應(yīng)的產(chǎn)生。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭，包括多個(gè)壓電噴射單元1和設(shè)于相鄰壓電噴射單元1之間的分隔梁2，每個(gè)壓電噴射單元1由pzt薄膜壓電驅(qū)動(dòng)器3和噴嘴板組成，每個(gè)pzt薄膜壓電驅(qū)動(dòng)器3包括第一基底9和分隔梁2之間形成的壓力腔室8，或兩個(gè)分隔梁2之間形成的壓力腔室8，壓力腔室8上部設(shè)有振動(dòng)膜7，振動(dòng)膜7上方依次設(shè)有下電極4、pzt薄膜5和上電極6；
噴嘴板包括第二基底11，第二基底11設(shè)有液體流道10，液體流道10上方和壓力腔室8對應(yīng)，液體流道10下方設(shè)有噴嘴12；
第二基底11和第一基底9鍵合，使噴嘴12與壓力腔室8一一對應(yīng)并相互連通；
所述的pzt薄膜5極化方向垂直于上電極6和下電極4；
梁模式結(jié)構(gòu)中分隔梁2高度高于pzt薄膜壓電驅(qū)動(dòng)器3。
所述的pzt薄膜5的厚度為1μm～5μm。
所述的振動(dòng)膜7材料為二氧化硅、氮化硅、二氧化硅與氮化硅組合或二氧化硅-硅-二氧化硅的組合。
所述的第一基底9、第二基底11為硅片或soi。
所述的一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭的制造方法，包括如下步驟：
1)提供硅襯底作為第一基底9，并在第一基底9上刻蝕出分隔梁2；
2)在第一基底9上設(shè)有分隔梁2的一面上生成振動(dòng)膜7材料；
3)在第一基底9上設(shè)有振動(dòng)膜7材料的一面依次沉積下電極4、pzt薄膜5、上電極6，并進(jìn)行高溫退火；
4)在第一基底9上設(shè)有上電極6材料的一面光刻出上電極6圖案，刻蝕出上電極6圖形并去除光刻膠；
5)在第一基底9上設(shè)有上電極6的一面光刻出pzt薄膜5圖案，刻蝕出pzt薄膜5圖形并去除光刻膠；
6)在第一基底9上設(shè)有pzt薄膜5的一面光刻出下電極4圖案，刻蝕出下電極4圖形并去除光刻膠；
7)在第一基底9上與上電極6相反的一面光刻出壓力腔室8圖案，刻蝕出壓力腔室8并去除光刻膠；
8)提供另一硅襯底作為第二基底11，并在第二基底11上刻蝕出液體流道10與噴嘴12；
9)將第一基底9上設(shè)有壓力腔室8的一面與第二基底11上設(shè)有液體流道10的一面進(jìn)行對準(zhǔn)鍵合；
10)以上電極6、下電極4分別作為上、下極化電極對pzt薄膜5進(jìn)行極化。
所述的步驟2)中生成振動(dòng)膜7材料的方法為通過熱干氧法生成二氧化硅材料，或通過pecvd法生成氮化硅材料，或通過濺射生成二氧化硅與氮化硅組合振動(dòng)膜材料。
所述的步驟3)中沉積下電極4、pzt薄膜5、上電極6的方法為磁控濺射法，高溫退火的退火溫度為550℃～700℃，退火時(shí)間為30min～120min。
所述的步驟1)、步驟4)、步驟5)、步驟6)、步驟7)、步驟8)中刻蝕出分隔梁2、上電極6圖形、pzt薄膜5圖形與下電極4圖形、壓力腔室8、液體流道10與噴嘴12的方法為icp干法刻蝕。
所述的步驟9)中對準(zhǔn)鍵合的方法為硅硅鍵合或高分子中間層熱壓鍵合。
所述的步驟10)中pzt薄膜5的極化電壓為20-200v。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
1、梁膜式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)于相鄰壓電噴射單元之間的分隔梁2降低了振動(dòng)膜7之間的機(jī)械串?dāng)_，并且隔絕了電極之間的電串?dāng)_，不涉及復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路與驅(qū)動(dòng)信號設(shè)計(jì)，在提高噴射單元陣列密度與噴射頻率的同時(shí)有效降低了串?dāng)_效應(yīng)；
2、打印頭的制造步驟均采用標(biāo)準(zhǔn)mems工藝，在不增加制造難度的前提下實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的高精度可控制造，并且由于梁模式結(jié)構(gòu)中分隔梁2高度高于pzt薄膜壓電驅(qū)動(dòng)器3，鍵合工藝的加壓過程中由于分隔梁2對pzt薄膜壓電驅(qū)動(dòng)器3的保護(hù)可以施加更大的鍵合壓力，提高了鍵合的可靠性，降低了打印頭制造過程中鍵合失效的風(fēng)險(xiǎn)。
附圖說明
圖1為本發(fā)明梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明pzt薄膜極化方向示意圖。
圖3為本發(fā)明梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭的制造方法示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
參照圖1，一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭，包括多個(gè)壓電噴射單元1和設(shè)于相鄰壓電噴射單元1之間的分隔梁2，每個(gè)壓電噴射單元1由pzt薄膜壓電驅(qū)動(dòng)器3和噴嘴板組成，每個(gè)pzt薄膜壓電驅(qū)動(dòng)器3包括第一基底9和分隔梁2之間形成的壓力腔室8，或兩個(gè)分隔梁2之間形成的壓力腔室8，壓力腔室8上部設(shè)有振動(dòng)膜7，振動(dòng)膜7上方依次設(shè)有下電極4、pzt薄膜5和上電極6；
噴嘴板包括第二基底11，第二基底11設(shè)有液體流道10，液體流道10上方和壓力腔室8對應(yīng)，液體流道10下方設(shè)有噴嘴12；
第二基底11和第一基底9鍵合，使噴嘴12與壓力腔室8一一對應(yīng)并相互連通；
參照圖2，所述的pzt薄膜5極化方向垂直于上電極6和下電極4。
梁模式結(jié)構(gòu)中分隔梁2高度高于pzt薄膜壓電驅(qū)動(dòng)器3。
所述的pzt薄膜5的厚度為1μm～5μm。
所述的振動(dòng)膜7材料為二氧化硅、氮化硅、二氧化硅與氮化硅組合或二氧化硅-硅-二氧化硅的組合。
所述的第一基底9、第二基底11為硅片或soi。
參照圖3，所述的一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭的制造方法，包括如下步驟：
1)提供硅襯底作為第一基底9，并在第一基底9上刻蝕出分隔梁2；
2)在第一基底9上設(shè)有分隔梁2的一面上生成振動(dòng)膜7材料；
3)在第一基底9上設(shè)有振動(dòng)膜7材料的一面依次沉積下電極4、pzt薄膜5、上電極6，并進(jìn)行高溫退火；
4)在第一基底9上設(shè)有上電極6材料的一面光刻出上電極6圖案，刻蝕出上電極6圖形并去除光刻膠；
5)在第一基底9上設(shè)有上電極6的一面光刻出pzt薄膜5圖案，刻蝕出pzt薄膜5圖形并去除光刻膠；
6)在第一基底9上設(shè)有pzt薄膜5的一面光刻出下電極4圖案，刻蝕出下電極4圖形并去除光刻膠；
7)在第一基底9上與上電極6相反的一面光刻出壓力腔室8圖案，刻蝕出壓力腔室8并去除光刻膠；
8)提供另一硅襯底作為第二基底11，并在第二基底11上刻蝕出液體流道10與噴嘴12；
9)將第一基底9上設(shè)有壓力腔室8的一面與第二基底11上設(shè)有液體流道10的一面進(jìn)行對準(zhǔn)鍵合；
10)以上電極6、下電極4分別作為上、下極化電極對pzt薄膜5進(jìn)行極化。
所述的步驟2)中生成振動(dòng)膜7材料的方法為通過熱干氧法生成二氧化硅材料，或通過pecvd法生成氮化硅材料，或通過濺射生成二氧化硅與氮化硅組合振動(dòng)膜材料。
所述的步驟3)中沉積下電極4、pzt薄膜5、上電極6的方法為磁控濺射法，高溫退火的退火溫度為550℃～700℃，退火時(shí)間為30min～120min。
所述的步驟1)、步驟4)、步驟5)、步驟6)、步驟7)、步驟8)中刻蝕出分隔梁2、上電極6圖形、pzt薄膜5圖形與下電極4圖形、壓力腔室8、液體流道10與噴嘴12的方法為icp干法刻蝕。
所述的步驟9)中對準(zhǔn)鍵合的方法為硅硅鍵合或高分子中間層熱壓鍵合。
所述的步驟10)中pzt薄膜5的極化電壓為20-200v。
以上所述僅是本申請的具體實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本申請?jiān)淼那疤嵯拢€可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本申請的保護(hù)范圍。
技術(shù)特征：
1.一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭，其特征在于：包括多個(gè)壓電噴射單元(1)和設(shè)于相鄰壓電噴射單元(1)之間的分隔梁(2)，每個(gè)壓電噴射單元(1)由pzt薄膜壓電驅(qū)動(dòng)器(3)和噴嘴板組成，每個(gè)pzt薄膜壓電驅(qū)動(dòng)器(3)包括第一基底(9)和分隔梁(2)之間形成的壓力腔室(8)，或兩個(gè)分隔梁(2)之間形成的壓力腔室(8)，壓力腔室(8)上部設(shè)有振動(dòng)膜(7)，振動(dòng)膜(7)上方依次設(shè)有下電極(4)、pzt薄膜(5)和上電極(6)；
噴嘴板包括第二基底(11)，第二基底(11)設(shè)有液體流道(10)，液體流道(10)上方和壓力腔室(8)對應(yīng)，液體流道(10)下方設(shè)有噴嘴(12)；
第二基底(11)和第一基底(9)鍵合，使噴嘴(12)與壓力腔室(8)一一對應(yīng)并相互連通；
所述的pzt薄膜(5)極化方向垂直于上電極(6)和下電極(4)；
梁模式結(jié)構(gòu)中分隔梁(2)高度高于pzt薄膜壓電驅(qū)動(dòng)器(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭，其特征在于：所述的pzt薄膜(5)的厚度為1μm～5μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭，其特征在于：所述的振動(dòng)膜(7)材料為二氧化硅、氮化硅、二氧化硅與氮化硅組合或二氧化硅-硅-二氧化硅的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭，其特征在于：所述的第一基底(9)、第二基底(11)為硅片或soi。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭的制造方法，其特征在于，包括如下步驟：
1)提供硅襯底作為第一基底(9)，并在第一基底(9)上刻蝕出分隔梁(2)；
2)在第一基底(9)上設(shè)有分隔梁(2)的一面上生成振動(dòng)膜(7)材料；
3)在第一基底(9)上設(shè)有振動(dòng)膜(7)材料的一面依次沉積下電極(4)、pzt薄膜(5)、上電極(6)，并進(jìn)行高溫退火；
4)在第一基底(9)上設(shè)有上電極(6)材料的一面光刻出上電極(6)圖案，刻蝕出上電極(6)圖形并去除光刻膠；
5)在第一基底(9)上設(shè)有上電極(6)的一面光刻出pzt薄膜(5)圖案，刻蝕出pzt薄膜(5)圖形并去除光刻膠；
6)在第一基底(9)上設(shè)有pzt薄膜(5)的一面光刻出下電極(4)圖案，刻蝕出下電極(4)圖形并去除光刻膠；
7)在第一基底(9)上與上電極(6)相反的一面光刻出壓力腔室(8)圖案，刻蝕出壓力腔室(8)并去除光刻膠；
8)提供另一硅襯底作為第二基底(11)，并在第二基底(11)上刻蝕出液體流道(10)與噴嘴(12)；
9)將第一基底(9)上設(shè)有壓力腔室(8)的一面與第二基底(11)上設(shè)有液體流道(10)的一面進(jìn)行對準(zhǔn)鍵合；
10)以上電極(6)、下電極(4)分別作為上、下極化電極對pzt薄膜(5)進(jìn)行極化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭的制造方法，其特征在于：所述的步驟2)中生成振動(dòng)膜(7)材料的方法為通過熱干氧法生成二氧化硅材料，或通過pecvd法生成氮化硅材料，或通過濺射生成二氧化硅與氮化硅組合振動(dòng)膜材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭的制造方法，其特征在于：所述的步驟3)中沉積下電極(4)、pzt薄膜(5)、上電極(6)的方法為磁控濺射法，高溫退火的退火溫度為550℃～700℃，退火時(shí)間為30min～120min。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭的制造方法，其特征在于：所述的步驟1)、步驟4)、步驟5)、步驟6)、步驟7)、步驟8)中刻蝕出分隔梁(2)、上電極(6)圖形、pzt薄膜(5)圖形與下電極(4)圖形、壓力腔室(8)、液體流道(10)與噴嘴(12)的方法為icp干法刻蝕。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭的制造方法，其特征在于：所述的步驟9)中對準(zhǔn)鍵合的方法為硅硅鍵合或高分子中間層熱壓鍵合。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種梁膜式pzt薄膜壓電陣列打印頭的制造方法，其特征在于：所述的步驟10)中pzt薄膜(5)的極化電壓為20-200v。
技術(shù)總結(jié)
一種梁膜式PZT薄膜壓電陣列打印頭及其制造方法，打印頭包括多個(gè)壓電噴射單元和設(shè)于相鄰壓電噴射單元之間的分隔梁，分隔梁降低了振動(dòng)膜之間的機(jī)械串?dāng)_，并且隔絕了電極之間的電串?dāng)_，在提高噴射單元陣列密度與噴射頻率的同時(shí)有效降低了串?dāng)_效應(yīng)；制造方法先在第一基底上刻蝕出分隔梁，在第一基底上設(shè)有分隔梁的一面上生成振動(dòng)膜，在振動(dòng)膜上依次沉積下電極、PZT薄膜、上電極；依次刻蝕出上電極圖形、PZT薄膜圖形、下電極圖形并去除光刻膠；在第一基底另一面刻蝕出壓力腔室并去除光刻膠；在第二基底上刻蝕出液體流道與噴嘴；將第一基底上設(shè)有壓力腔室的一面與第二基底上設(shè)有液體流道的一面對準(zhǔn)鍵合；本發(fā)明打印頭減少串?dāng)_效應(yīng)的產(chǎn)生。
