压电式喷墨头及其制造方法.pdf

一种压电式喷墨头及其制造方法，是在具有凹槽的基材上，形成压电致动结构，首先在基材的凹槽底部形成下电极层，用网版印刷方式在下电极层表面印刷压电层，压电层容置在凹槽内，再在压电层表面制作上电极层，通过基材的凹槽结构设计来控制网印之后的压电层图案形状，并且可以利用凹槽结构来减少压电致动区域的振动板厚度，来增加压电致动量。

1.  一种压电式喷墨头的制造方法，其特征在于，步骤包含有：
提供一基材，所述基材的上表面具有一个以上的凹槽；
在所述凹槽底部形成一下电极层；
用网版印刷方式在所述下电极层表面印刷一压电层，压电层容置地所述凹槽内；
烧结成型所述压电层；
在所述压电层表面形成一上电极层；及
在所述基材的下表面成型一墨腔及一喷孔片，所述墨腔及所述喷孔片对应于所述基材上表面的凹槽位置。

2.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制造方法，其特征在于，所述以网版印刷方式在所述下电极层表面印刷一压电层的步骤，是选取一压电材料所调制的浆料来印刷所述压电层。

3.  如权利要求2所述的压电式喷墨头的制造方法，其特征在于，所述压电材料是选自氧化锌(ZnO)、钛酸铅(PbTiO₃)及锆钛酸铅(Pb(ZrxTi_1-x)O₃，PZT)其中之一。

4.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制造方法，其特征在于，所述基材凹槽处的厚度约为5至50微米。

5.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制造方法，其特征在于，所述方法还包含一减薄所述基材的步骤，以将所述基材的厚度研磨至所需尺寸。

6.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制造方法，其特征在于，在所述基材的下表面成型一墨腔及一喷孔片的步骤，是用厚膜堆叠方式来制作所述墨腔与所述喷孔片并结合在所述基材的下表面。

7.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制造方法，其特征在于，在所述基材的下表面成型一墨腔及一喷孔片的步骤，是用蚀刻方式在基材的下表面制作所述墨腔与所述喷孔片。

8.  一种压电式喷墨头，其特征在于，包含有：
一压电式致动器，包含一振动板，所述振动板上表面具有一个以上的凹槽，在所述凹槽底部具有一下电极层，在所述下电极层表面则具有一压电层，在所述压电层表面则堆叠有上电极层；
一流体结构，是结合在所述压电式致动器的下表面，所述流体结构包含有一个以上墨腔与一个以上喷孔，所述墨腔与所述喷孔片是对应于所述凹槽位置，喷孔连接于墨腔，所述墨腔是用来容置流体，所述压电式致动器的振动板是与流体结构结合，来对流入墨腔的流体施压，使流体由喷孔流出。

9.  如权利要求8所述的压电式喷墨头的制造方法，其特征在于，所述以网版印刷方式在所述下电极层表面印刷一压电层的步骤，选取一压电材料所调制的浆料来印刷所述压电层。

10.  如权利要求9所述的压电式喷墨头的制造方法，其特征在于，所述压电材料是选自氧化锌(ZnO)、钛酸铅(PbTiO₃)及锆钛酸铅(Pb(ZrxTi_1-x)O₃，PZT)其中之一。

11.  如权利要求8所述的压电式喷墨头的制造方法，其特征在于，所述基材凹槽处的厚度约为5至50微米。

压电式喷墨头及其制造方法
                              技术领域
本发明涉及一种喷墨头及其制造方法，尤其涉及一种压电式喷墨头及其制造方法。
                              背景技术
目前应用于计算机外设设备的喷墨打印头的主要技术是压电式喷墨印头，压电致动器是利用压电陶瓷因施加电压产生形变的机制，挤压液体产生高压而将液体喷出。由于压电陶瓷具有反应速度快并且容易控制液滴的大小等优点，可以提升打印速度和品质。
市面上的压电式喷墨头的压电致动器制作方式不外乎是利用网印、薄带、凝胶和电浆沉积等方式，其中薄带技术是用刮刀成形方法，将具有压电性质的材料，按一定比例与玻璃粉体、有机黏结剂(Binder)、塑化剂(Plasticizer)及溶剂等混合调制成浆料(Slurry)，然后将此浆料利用刮刀(Doctor Blade)均匀涂抹在承载膜上，随着溶剂的挥发，压电材料粉体紧密堆积而形成生胚薄带。然后经过裁切、烧结并接上电极就形成单层的压电致动器，由薄带技术所制成的压电结构的尺寸较大，要用较高的电压驱动，性质准确程度较难控制。
网印技术成本低且相当成熟，目前在制造压电式喷墨头上的应用仍然凌驾于溶胶凝胶法(Sol-Gel)和电浆沉积等薄膜技术。压电式喷墨头的网印制造方法是将上电极层、压电层和下电极层依次印制在振动板上，不仅制造过程容易控制，也可以轻易达到所需的压电层厚度。如电浆沉积或溶胶凝胶法等薄膜制造方法，所能达到的压电薄膜厚度有限，用这些制造方法所制作的压电致动器的位移量非常的微小。要使位移量符合压电式喷墨头的要求，压电薄膜厚度需要达到数十微米，利用薄膜制造方法需要经过许多次的堆叠，不符合经济效益。
虽然网印技术应用于压电式喷墨头比其它技术有利，然而用网印制造方法制作较小线宽的压电结构时，将受到网印机台精密度和网板精度等因素的限制，容易造成网印尺寸失真的情形。同时导电或压电浆料的黏度控制也会影响印刷的品质，进而改变了压电结构的压电性质。此外振动板厚度对于压电结构形变所导致的致动器位移量有相对的关系，当振动板厚度太厚时，将会使得致动器位移量不足，甚至无法达到将液滴喷出的压力，以致于影响打印品质，但是振动板厚度太薄时，其结构强度又不足。有鉴于市场对打印品质与喷墨分辨率的要求越来越高，如何改善网印品质并且适当的调整振动板的厚度，成为当前急需研究的重要课题。
                                发明内容
鉴于现有技术的缺点，本发明提供一种压电式喷墨头及其制造方法，通过基材的凹槽结构设计来控制网印之后的图案形状，并且利用凹槽结构来减少压电致动区域的振动板厚度，来增加压电致动量。
本发明的压电式喷墨头的制造方法，步骤包含有：提供一基材，其上表面具有一个以上的凹槽；在基材上表面的凹槽底部形成下电极层；用网版印刷方式在下电极层表面印刷压电层，压电层容置在凹槽内；烧结成型此压电层；在压电层表面形成上电极层；最后，在基材的下表面成型墨腔及喷孔片，其墨腔及喷孔片对应于基材上表面的凹槽位置。其中电极层可以是银、银和钯、金或铂等导电材料，经网印、薄带、凝胶和电浆沉积等方法形成，压电层则可以是任意压电材料所调制的浆料经印刷而成，如氧化锌(ZnO)、钛酸铅(PbTiO₃)或锆钛酸铅(Pb(ZrxTi_1-x)O₃，PZT)等，电极层与压电层的厚度依照不同需要加以调整。基材是用来作为振动板，其材料可以是氧化锆、氧化铝等陶瓷材料，硅、氧化硅、氮化硅等硅晶材料。此外，上述步骤中，还包含减薄基材的步骤，是将基材的整体厚度研磨至所需尺寸，由于压电层是容置在凹槽内，其压电层下方的基材厚度可以有效降低从而增加压电致动量，并且不影响整体的结构强度。
配合上述方法，本发明还包含一种压电式致动器，是以基材作为振动板，基材上表面具有一个以上的凹槽，在其凹槽底部形成下电极层，在下电极层表面则具有压电层，压电层表面则堆叠有上电极层。另外再在基材的下表面结合墨腔与喷孔片，须注意其墨腔及喷孔片对应在基材上表面的凹槽位置，就形成压电式喷墨头。
为了对本发明的目的、构造特征及其功能有进一步的了解，下面结合附图详细说明如下。
                               附图说明
图1A至图1F为本发明第一实施例的制作流程示意图；
图2为本发明第二实施例的示意图；
图3为本发明应用例的剖面结构示意图。
                             具体实施方式
本发明所揭露的压电式喷墨头及其制造方法，是通过基材的凹槽结构设计来控制网印之后的图案形状，并配合网版印刷的方式来制作压电层结构，印刷一次就可以提供压电层足够厚度。
依次参考图1A到图1F，图1A到图1F为本发明第一实施例的制作流程示意图。
如图1A所示，首先，用蚀刻方式在基材100的上表面形成一个以上的凹槽110。其蚀刻方式可以是干式蚀刻、电浆蚀刻或湿式蚀刻等。
如图1B所示，在凹槽110的底部沉积下电极层111。
如图1C所示，用网版印刷方式在下电极层111表面印刷压电层112，使压电层112容置在凹槽110，由于表面张力的关系压电层112的浆料会摊流形成拱型结构，并且进行烧结来成型压电层112。由于压电层112的图案形状决定于基材100的凹槽110，所以只需要利用网板孔径以及网板至基材的距离来控制压电浆料的量，就可以调整压电层112的厚度。
如图1D所示，在压电层112表面形成上电极层113。其上电极层113与下电极层111可以是银、银和钯、金或铂等导电材料，通过网印、薄带、凝胶和电浆沉积等方法形成。
如图1E所示，从基材100下表面减薄基材100厚度，将基材100的整体厚度研磨至所需尺寸。经过此由基材100下表面减薄厚度的步骤，包含上电极层113、压电层112和下电极层111的压电致动区域下方的基材厚度将会减少并且不影响整体地结构厚度，基材100的整体厚度约为525微米至550微米，而基材凹槽110处的厚度约为5至50微米。
如图1F所示，最后，在基材100的下表面形成墨腔120及喷孔片130来组合成压电式喷墨头结构，其墨腔120及喷孔片130需对应于基材100上表面的凹槽110位置，凹槽110底部的表面由下而上依次为下电极层111、压电层112和上电极层113。其墨腔120和喷孔片130可以利用厚膜堆叠的方式来制作，或是以直接蚀刻的方式制作在基材100上。
如图2所示，其为本发明第二实施例的示意图，在完成上电极层113、压电层112和下电极层111所组成的压电致动结构之后，直接在基材100下表面的适当位置进行蚀刻来形成墨腔120，然后再另外与喷孔片130结合。
为了更详细地说明本发明，如图3所示，其为本发明应用例的剖面结构示意图，是为压电式喷墨头的数组结构，其喷墨头是由流体结构200和多个压电式致动器所组成，流体结构200包含有墨腔220与具有多个喷孔的喷孔片230，喷孔是一一连接于墨腔220，使流体进入墨腔220并通过压电式致动器施予压力，然后由喷孔流出。压电式致动器的振动基材100与流体结构200结合，对流入墨腔220的流体施压，使其由喷孔流出。其中，压电式致动器的振动基材100，其上表面具有一个以上的凹槽110，在凹槽110底部形成下电极层111，在下电极层111表面则具有压电层112，压电层112表面则堆叠有上电极层113。在此应用例中，每一个压电致动器是通过压电层112所产生的机械形变，进而推动振动基材100来施压给流入墨腔220的流体。
虽然本发明的较佳实施例揭露如上所述，然而其并非用来限定本发明的范围，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以作些适当的改动与润饰，因此本发明的专利保护范围应以权利要求书所确定的范围为准。
附图标号说明
100    基材
110    凹槽
111    下电极层
112    压电层
113    上电极层
120    墨腔
130    喷孔片
200    流体结构
220    墨腔
230    喷孔片