TW200409701A

TW200409701A - Pressure chamber of a piezoelectric ink jet print head and fabrication method thereof

Info

Publication number: TW200409701A
Application number: TW091135056A
Authority: TW
Inventors: zhen-hua Lin
Original assignee: Nanodynamics Inc
Priority date: 2002-12-03
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2004-06-16
Also published as: TWI222408B; US20040104976A1

Description

200409701 發明說明（1) 發明所屬之技術領域本發明係有關於—種作方法，特別伤右M从噴墨頭墨水腔的結構及其製次特別係有關於一種能放大桊墨水腔的結構及其製作方电凡仵所施加壓力之先前技術在電腦術係將精確置於精確的輸出，還可低成本、降壓電式術，其原理墨水腔變形液體喷出。表性之壓電列印δ史備之主流產口 φ ^ ^ . 體積的微晉s k產°σ中，墨印表機之列印技體積的微篁墨水⑨滴快速地卩電腦t值驅動敌特定位置，不但可提供高解析度、全彩的圖片滿足電子工業製造技術對自動化、微小化、降低時程、減少環境的衝擊等的要求與趨勢。喷墨技術為一種已經被成功地商業化的喷墨技係利用壓電陶瓷因施加電壓而產生的形變，使 ’導致墨水腔内產生壓力，擠壓腔内液體而將第1圖為一彎曲型壓電式喷墨頭，其顧示一代變形機制。如第1圖所示，此壓電式喷墨頭係由一壓電陶瓷片 (piezoceramic)lO、振動片（diaphragm)ll、壓力艙 (pressure chamber)12、入口I3(inlet)、管道 14 (manifold)及喷嘴15(orifice)所組成。當壓電陶瓷片i〇接受控制電路16所施加的電壓，產生變形，但受到振動片 11的牵制，因而形成側向彎曲擠壓壓力擒12之液體。在喷嘴15處之液體因承受内外壓力差而加速運動，形成速度漸增的突出液面。其後雖然作用於壓電陶瓷片10之電壓於適

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當時間釋放’液體壓力下降，喷嘴15處液滴仍因慣性緣故，克服表面張力之牵絆而脫離。墨水腔的製法，如中華民國專利公告號42〇638「喷墨印表機喷墨頭及其製造方法」中所提，可於矽基板上直接以微影蝕刻製程製作墨水腔，其製作方法如第2a〜2f圖所示。首先，如第2a圖所示，提供一矽基板2〇，並於其上下表面分別形成熱氧化膜22，之後再於其上表面之熱氧化膜 22上方依序形成共通電極2 3、壓電片24，及上電極2 5。接著’如第2b圖所示，於上電極2 5上方形成一光阻層 26，並利用光罩將光阻層26依預定圖案曝光顯影，將其加 j 以圖案化。然後，如第2c圖所示，以光阻層26作為罩幕，將上電極2 5及壓電片2 4加以餘刻後，剝離光阻層2 6，得壓電元件 27 〇接著，如第2d圖所示，於形成壓電元件27之相反侧面’形成光阻層28，並利用光罩將光阻層28依預定圖案曝光顯影，將其加以圖案化。然後，如第2e圖所示，以光阻層28作為罩幕，以濕蝕刻製程將矽基板20加以蝕刻後，剝離光阻層28，形成墨水腔29等之墨水頭機台。最後，如第2f圖所示，於對應墨水壓力室29之位置，將具有喷嘴30之喷孔片31利用黏著劑等方式與墨水頭機台接和，而形成喷墨頭。然而上述製程中面臨到下列問題：在蝕刻矽基板2 0的

0741.8251TW(Nl);ND-P0053.Tl.AP;RENEE.pt(i

200409701 五、發明說明（3) 過程中，若考慮到製程的便利性及生產成本的花費，而使用成本較為低廉的濕钱刻方式，則由於石夕晶片本身的晶體結構為（100)方向，將使得蝕刻後得到的墨水腔29凹槽其載面積隨触刻深度增加而減小，亦即其壁部3 2將無法垂直與凹槽底部33，而成傾斜角度。由於其往喷嘴方向擴大之截面積’使得喷嘴之間之間距必須拉大，在追求提高喷墨性能之解析度之同時，此為相當不利之缺點。此現象另二導致的缺點為··在墨水腔2 9經由後續製程覆蓋上噴孔片3 j 而完成喷墨頭後，由於其往喷嘴30方向擴大之截面積，將使壓電元件27致動後對墨水腔29施予的壓力，無法藉由具有較小截面積之凹槽底部33，有效傳遞至喷嘴3〇部^ 為避免上述現象發生，改進方法有選擇特定晶面之矽晶片作為基板，如具有（110)晶面之矽晶片，但仍盔法全面性的形成垂直於凹槽底部之四壁。另一方法為改用乾蝕刻方f進行蝕刻製程，然而使用乾蝕刻製程所需之生產成本卻高達濕蝕刻方式之20〜30倍左右。 =鑑於此，為了有效解決上述問題，亟需開發一種新 ”,腔結構及其製· ’不#能將壓電元件所施加壓力擴 =至喷墨孔，且可達降低製作成本以及提高喷孔之積集度等目的。發明内容種壓電噴墨頭墨水腔結元件所施加壓力放大地本發明之主要目的在於提出一構及其製作方法。其不僅能將壓電

200409701 五、發明說明（4)

It至喷墨孔，且可達降低製作成本以及提高喷孔之積集度#目的。、本發明提出一種壓電喷墨頭墨水腔結構，包含有一基 ’：凹槽形成於上述基板上，其開口之截面積大於其底截面#，以提供作為一墨水腔；一振動層，係形成於層：凹槽之開口上；以及一壓電元件，係形成於上述振動肸且ί ? i述結構’本發明之一特徵在於，所形成之墨水壓；大小不同之幾何空間’且此截面積在接近大：而在連接喷孔片一端較小。此呈椎狀 =致：後對墨水腔施予的廢力，藉由具有：：：大=擴大地傳遞至喷嘴部位’提供墨水腔内之墨水更大的壓力，而使其由喷嘴喷出。根據上述結構，本發明之一優點在於，椎狀之幾何空間’由連接壓電元件一端縮小至連鳊，且由於有效擴大壓電元件施予墨滴之壓力，故，所須之截面積可以減小，而在設計喷孔之積集度，而幫助提升解析度。 τ 了挺问喂本發明之另一特徵在於，可使用濕蝕刻矽晶片的方式 :作墨水腔，不僅可輕易完成本發明所提之壓電二墨頭墨 7生亦可維持低廉的生產成本，符合商業化之大量 •為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 0741 -825mfF(Nl) ;ND.P0053-W-AP;RENEE.ptd 第7頁

200409701 發明說明（5) 並配合所附圖式，作詳顯易懂，下文特舉出較佳實施例細說明如下·· 實施方式、本發明提出一種壓電喷墨頭墨水腔結構及其製作方法’其不僅能將壓電元件所施加壓力擴大地施加至噴墨孔’且可達降低製作成本以及提高喷孔之積集度等目的。至於喷孔之數量、排列方式以及尺寸係屬於選擇設計，本發月之實施例並未加以限定。此外，有關列印頭晶片之墨槽的製作，可於製作噴墨腔之前進行，或是在製杰喷墨腔圖案之後進行。以下係以舉例說明本 = 電嘴墨頭.墨水腔結構及其製作方法。 ^出之壓請參閱第3a〜3d圖，其顯示本發明之壓電喷腔其製作流程之剖面示意圖。電赁墨碩墨水首先，如第3a圖所示，提供一矽基板2〇，如一結構為（100)或U10)方向的矽晶圓、 ”、…晶接著，如第3b圖所示，於矽基板20下方表阻層26。取卸形成一光飯 26 構間 <1 然後，如第3c圖所示，以光阻層26作為罩刻等方式將矽基板20由下往上加以蝕穿後，如濕，形成墨水腔29。且由於矽晶片具有（1〇〇)之曰^先卩且層，故蝕刻後所形成之墨水腔，其具有一呈椎狀φ π ’其截面積由上方一端往下端擴大。、可空接著，如第3d圖所示，於矽基板2〇下方表面， <订振

200409701 五、發明說明（6) ，片21㈣合。振動片21可為妙晶圓、片’在此選用石m晶圓貼合方式可採用= ^二首先於石夕基板20表面塗佈含氩鍵溶劑，以：：固疋位置，之後再利用壓力”基板2動占二谈晶圓21加以貼合。另外亦可採用接著劑將：1 = ::硬备垃鍫為丨^ ^ . 所使用之接著劑較佳為盔機系·，著劑，如碟玻璃、硼玻璃等無機系列“、、機 (sihcate)，以抵抗燒結時的高溫。接著薄化上=曰 21至厚度約為5〜20 ，以作為振動片21。曰曰圓片21上，對應母一墨水腔29之上方位置製作壓電元件27動 Ϊί形Ϊ共通電極23、壓電片24以及上電極25，壓電片之 :口錯錯酸鹽-鈦酸鹽(ΡΖΤ)’最後在經由燒結以之壓Km:之ί電噴墨頭墨水腔，由本發明提出之電喷墨頭墨水腔，由於其墨水腔呈椎狀之幾何空壓電元件一端縮小至連接喷孔片-端，可以有效擴 =麼電元件施予墨滴之壓力’故墨水腔所須之截面積可：提升解析度。巧孔之積集度，而幫助且由於可使用濕蝕刻矽晶片的方式製作墨水腔，不可輕易完成本發明所提之壓電喷墨頭墨水腔結構，亦可持低廉的生產成本，符合商業化之大量生產需求。 / 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然苴並以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本^明之精

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0741.8251TW(Nl);ND-P0053-TW-AP;RENEE.ptd 第10頁 200409701 圖式簡單說明第1圖顯示習知之一種壓電式喷墨頭的剖面示意圖。第2a至2f圖顯示習知之一種壓電式喷墨頭的製程之剖面示意圖。第3a至3d圖顯示本發明實施例之壓電式喷墨頭的製程剖面示意圖。符號說明壓電陶瓷片〜1 0 ; 振動片〜11 ; 壓力艙〜12 ; ψ 入口〜1 3 ; 管道〜14 ; 喷嘴〜15 ; 控制電路〜1 6 ; 碎基板〜2 0 ; 振動片〜21 ; 熱氧化膜〜2 2 ; 共通電極〜2 3 ; 壓電片〜24 ; 上電極〜25 ; ^ 光阻層〜2 6 ; 壓電元件〜2 7 ; 光阻層〜2 8 ; 墨水腔〜2 9 ;

0741 -8251TW(N1) ;ND-P0053-T1V-AP;RENEE. ptd 第11頁 200409701 圖式簡單說明喷嘴〜30 ; 喷孔片〜3 1 ; 凹槽壁部〜3 2 凹槽底部〜3 3

0741-8251TWF(Nl);ND-P0053-,TV-AP;RENEE.ptd 第12頁

Claims

200409701 六、申請專利範圍 1 · 一種壓電喷墨頭墨水腔結構，包括有一基板；一凹槽形成於上述基板上，其開口之幾面積大於部之截面積，以提供作為一墨水腔；、底一振動層，係形成於上述凹槽之開口上；以及一壓電元件，係形成於上述振動層上。構， 2 ·如申請專利範圍第1項所述之壓其中該基板之材質為石夕。電噴墨頭墨水腔結構，構， 3·如申請專利範圍第2項所述之壓電噴墨頭墨水腔其中該基板為具有（1〇〇)或（11〇)結構之矽晶圓。 4·如申請專利範圍第2項所述之壓電噴墨頭0a&水腔其中該凹槽係利用濕蝕刻方式形成 5·如申請專利範圍第丨項所述之壓電噴墨頭墨水腔結構，其中該凹槽之開口及底面之截面形狀為長方形。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之壓電噴墨頭墨水腔結構，其中該振動層為矽晶圓、金屬片或陶瓷片。 7·如申請專利範圍第1項所述之壓電喷墨頭墨水腔結構’其中該振動層係利用晶圓貼合（waf er — b〇nding)方式形成於該凹槽之開口上。 8 ·如申請專利範圍第1項所述之壓電喷墨頭墨水腔結構’其中該壓電元件之壓電陶瓷材料為鉛锆酸鹽-鈦酸鹽 (PZT)。 9· 一種壓電喷墨頭墨水腔的製作方法，包括下列步驟：

0741 -8251TWF(N1) ;ND-P0053-T1V.AP;RENEE. ptd 申請專利範圍提供一基板；於該基板之表面形成一其中該凹槽具有一開口$ 以提供作為-墨水腔’ 該底部之截面積；底邛，且該開口之截面積大於 =凹槽之開口上形成—振動層；以及 =上述振動層上形成—壓電元件。製作方法如申Λϋ圍第9項所述之壓電喷墨頭墨水腔的八中該基板之材質為石夕。的製丨:方如法申請其專中利第10項所述之壓電喷墨頭墨水腔圓。去其中該基板為具有（100)或（110)結構之矽晶的製1m利範圍第10項所述之壓電噴墨頭墨水腔方法’其中該凹槽係利用濕蝕刻方式形成。 13·、如申請專利範圍第9項所述之壓電喷墨頭墨水腔的形。方法，其中該凹槽之開口及底面之截面形狀為長方 1 4·如申請專利範圍第9項所述之壓電喷墨頭墨水腔的氣作方法，其中該振動層為矽晶圓、金屬片或陶瓷片。 1 5·如申請專利範圍第9項所述之壓電喷墨頭墨水腔的製作方法，其中該振動層係利用晶圓貼合 (wafer-bonding)方式形成於該凹槽之開口上。 16·如申請專利範圍第9項所述之壓電喷墨頭墨水腔的製作方法，其中該壓電元件之壓電陶瓷材料為鉛锆酸鈦酸鹽（PZT)。風

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