压电式喷墨头及其制作方法.pdf

本发明提供了一种压电式喷墨头及其制作方法，其制作方法包括提供一具有相对的一第一表面和一第二表面的基底。接着，在该第一表面上形成一图案化第一导电层，以做为一下电极。在该第一表面上形成一压电层并覆盖该第一导电层。在该压电层上形成一保护层。在该保护层上形成一图案化第二导电层且与该第一导电层相对应，以做为一上电极。定义该保护层及该压电层，使成为一金属、压电、保护、金属堆叠层结构。

1.  一种压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，包括：
提供一基底，具有相对的一第一表面及一第二表面；
在所述第一表面上形成一图案化第一导电层，以做为一下电极；
在所述第一表面上形成一压电层并覆盖所述第一导电层；
在所述压电层上形成一保护层；
在所述保护层上形成一图案化第二导电层且与所述第一导电层相对应，以做为一上电极；以及
定义所述保护层及所述压电层，使成为一金属、压电、保护、金属堆叠层结构。

2.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述基底是一单晶硅基底。

3.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述第一导电层是Ag-Pd合金、Pt或Au。

4.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述压电层是高温烧结材料以及所述保护层是低温烧结材料。

5.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，形成所述压电层是用厚膜制作以及形成所述保护层是用薄膜制作。

6.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述压电层是用锆-钛酸铅(PZT)材料所制成。

7.  如权利要求6所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述锆-钛酸铅(PZT)材料是以刮刀成型法、网印法或转印法所制成。

8.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述保护层是以锆-钛酸铅(PZT)材料或含低温烧结材料的锆-钛酸铅(PZT)所制成。

9.  如权利要求8所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述低温烧结材料是氧化锌或氧化锆。

10.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述保护层是用溶液-凝胶(sol-gel)法所制成。

11.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述保护层是用含微粉的溶液-凝胶(sol-gel)法所制成。

12.  如权利要求11所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述微粉的材料是锆-钛酸铅(PZT)、氧化锌或氧化锆微粉。

13.  如权利要求11所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述微粉粒径小于1微米。

14.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述第二导电层是Ag-Pd合金、Pt或Au。

15.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，定义所述保护层及所述压电层步骤是利用激光切割、干式蚀刻或湿式蚀刻技术。

16.  如权利要求1所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，还包括下列步骤：
蚀刻所述基底的第二表面，形成一凹槽对应于所述金属、压电、保护、金属堆叠层结构，其特征在于，所述凹槽做为一墨水腔；以及
接合一喷孔片于所述基底的第二表面上，以形成一压电式喷墨头。

17.  如权利要求16所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述喷孔片的材质是高分子、金属或陶瓷材料所构成。

18.  一种压电式喷墨头，其特征在于，包括：
一基底，具有相对的一第一表面及一第二表面；
一金属、压电、保护、金属堆叠层结构，位于所述基底的第一表面上，做为所述喷墨头的致动结构；
一凹槽，形成于所述基底的第二表面，对应于所述金属、压电、保护、金属堆叠层结构，做为一墨水腔；以及
一喷孔片，接合于所述基底的第二表面。

19.  如权利要求18所述的压电式喷墨头，其特征在于，所述基底是一单晶硅基底。

20.  如权利要求18所述的压电式喷墨头，其特征在于，所述金属、压电、保护、金属堆叠层结构，还包括：
一图案化第一导电层，形成于所述第一表面上，做为一下电极；
一压电层，形成于所述第一表面上并覆盖所述导电层；
一保护层，形成于所述压电层上；以及
一图案化第二导电层，形成于所述保护层上且与所述第一导电层相对应，以做为一上电极。

21.  如权利要求20所述的压电式喷墨头，其特征在于，所述第一导电层是Ag-Pd合金、Pt或Au。

22.  如权利要求20所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述压电层是高温烧结材料以及所述保护层是低温烧结材料。

23.  如权利要求20所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，形成所述压电层是以厚膜制作以及形成所述保护层是以薄膜制作。

24.  如权利要求20所述的压电式喷墨头，其特征在于，所述压电层是以锆-钛酸铅(PZT)材料所制成。

25.  如权利要求20所述的压电式喷墨头，其特征在于，所述保护层是以溶液-凝胶(sol-gel)法所制成的锆-钛酸铅(PZT)材料。

26.  如权利要求20所述的压电式喷墨头，其特征在于，所述保护层是以含微粉的溶液-凝胶(sol-gel)法所制成的锆-钛酸铅(PZT)材料或含低温烧结材料的锆-钛酸铅(PZT)。

27.  如权利要求26所述的压电式喷墨头，其特征在于，所述低温烧结材料是氧化锌或氧化锆。

28.  如权利要求26所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述微粉的材料系锆-钛酸铅(PZT)、氧化锌或氧化锆微粉。

29.  如权利要求26所述的压电式喷墨头的制作方法，其特征在于，所述微粉粒径小于1微米。

30.  如权利要求20所述的压电式喷墨头，其特征在于，所述第二导电层是Ag-Pd合金、Pt或Au。

31.  如权利要求18所述的压电式喷墨头，其特征在于，所述喷孔片的材质是高分子、金属或陶瓷材料所构成。

压电式喷墨头及其制作方法
                           技术领域
本发明是关于一种压电式喷墨头及其制作方法，特别是关于一种改良压电层形成方式的压电式喷墨头及其制作方法。
                           背景技术
喷墨打印技术的主要运作原理分为热泡式(Thermal bubble)及压电式(Piezoelectric)两类。热泡式是利用加热器将墨水瞬间气化，产生高压气泡推动墨水从喷嘴射出。压电式是利用施加电压方式使压电陶瓷产生形变，使其挤压墨水而产生高压，进而将墨水喷出。相比之下，压电式喷墨头具有下列优点：(1)压电式不会因为高温气化而产生化学变化，因此具有极佳的耐久性。(2)压电陶瓷反应速度快，不会受限于热传导速度，因此可提升打印速度。(3)压电式容易控制液滴的大小，可提高打印品质。
然而，已知的压电喷墨头技术大多采用积层陶瓷共烧法形成压电层，其成型方式包含粉末原料PZT(例如ZrO₂、PbO、TiO₂、其它适当添加物)的合成、混合、干燥、煅烧、粉碎、造粒、成型、烧结以及极化作用等步骤，且需精密对位才能成型，其制作过程繁琐复杂、困难度及投资设备都很高。
因此，现在逐渐开发以硅为基底的压电喷墨头制作方法。例如，压电层的制作方式主要可分为两类方式：厚膜成形法以及薄膜成形法。厚膜成形法是通过网印法或积层陶瓷堆叠方式，一次达到20～30μm厚度的压电层。其缺点在于无法达到均匀性良好的表面，在其后续上电极的制作上会在接口产生问题，影响压电特性及降低制作的优良率。另一方面，薄膜成形法是利用物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)或溶液-凝胶(sol-gel)旋涂法，其缺点在于无法快速达到压电震动层所需的厚度，例如溶液-凝胶(sol-gel)制作方法必须经过多次旋涂过程才能达到所需的厚度。这样的制作方法不但浪费时间，且制作优良率低，并不适用于大量生产上。
图1A至图1C所显示为已知的以硅为基底的压电式喷墨头制作方法的剖面示意图。如图1A所示，提供一基底10，例如单晶硅基底10，具有相对的一第一表面11和一第二表面12。在该第一表面11上形成一图案化第一导电层20，例如Ag-Pd合金、Pt或Au，以做为下电极。接着，在该第一表面11上以刮刀成型法或网印法形成一压电层30，例如锆-钛酸铅(PZT)，并覆盖该第一导电层20。
如图1B所示，在压电层30上形成一图案化第二导电层40，例如Ag-Pd合金、Pt或Au，并且与第一导电层20相对应，以做为一上电极。接着，以微影及蚀刻制作方法定义压电层30，使成为一金属、压电、金属的堆叠层结构。
如图1C所示，对基底10的第二表面12上进行微影及蚀刻步骤，使其形成一凹槽60，并对应于金属、压电、金属堆叠层结构，其中该凹槽做为一墨水腔60。最后，在基底10的第二表面12上接合一喷孔片70，以形成一压电式喷墨头。
然而，上述在硅基底上制作压电组件时，由于必须经过一烧结步骤，而压电组件多以铅锆酸盐-钛酸盐(PZT)为主要材料，PZT在经过烧结后会释放出含氧化铅的气体，此氧化铅气体会与硅基底作用形成铅硅玻璃，且由于硅基板具有大面积，在与氧化铅气体不断作用后，使氧化铅气体不足而导致压电组件的烧结无法完成。
因此，如何改良压电喷墨头的成型法以提高制作优良率，成为当前急需研究的重要课题。
                            发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一压电式喷墨头及其制作方法，结合厚膜成形法以及薄膜成形法制作压电层，可改善上述制作方法的缺点，提高优良率。
本发明的另一目的在于提供一压电式喷墨头及其制作方法，利用一低温烧结的薄膜形成于需高温烧结厚膜上，在PZT烧结过程中，抑制含氧化铅的气体的挥发，改善压电特性及提升制作优良率。
根据上述目的，本发明提供一种压电式喷墨头的制作方法，包括：提供一基底，具有相对的一第一表面及一第二表面；在该第一表面上形成一图案化第一导电层，以做为一下电极；在该第一表面上形成一压电层并覆盖该第一导电层；在该压电层上形成一保护层；在该保护层上形成一图案化第二导电层并且与该第一导电层相对应，以做为一上电极；定义该保护层及该压电层，使成为一金属、压电、保护、金属堆叠层结构；蚀刻该基底的第二表面，形成一凹槽对应于该金属、压电、保护、金属堆叠层结构，其中该凹槽做为一墨水腔；以及接合一喷孔片在该基底的第二表面上，以形成一压电式喷墨头。
根据上述目的，本发明还提供一种压电式喷墨头，包括：一基底，具有相对的一第一表面和一第二表面；一金属、压电、保护、金属堆叠层结构，位于该基底的第一表面上，做为该喷墨头的致动结构；一凹槽，形成于该基底的第二表面，对应于该金属、压电、保护、金属堆叠层结构，做为一墨水腔；以及一喷孔片，接合于该基底和第二表面。
根据本发明，上述金属、压电、保护、金属堆叠层结构，还包括：一图案化第一导电层，形成于该第一表面上，做为一下电极；一压电层，形成于该第一表面上并覆盖该导电层；一保护层，形成于该压电层上；以及一图案化第二导电层，形成于该保护层上且与该第一导电层相对应，以做为一上电极。
                        附图说明
图1A至图1C为已知的以硅为基底的压电式喷墨头制作方法的剖面示意图；
图2A至图2D为本发明实施例一的压电式喷墨头制作方法的剖面示意图；
图3为本发明实施例一的溶液-凝胶(sol-gel)旋涂法中，PZT溶液的配制流程图；
图4A至图4D为本发明实施例二的压电式喷墨头制作方法的剖面示意图；
图5为本发明实施例二的溶液-凝胶(sol-gel)旋涂法中，含微粉的PZT溶液的
配制流程图。
                          具体实施方式
为了让本发明的上述目的、特征和优点更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：
实施例一
图2A至图2D所示为本发明实施例一的压电式喷墨头制作方法的剖面示意图。如图2A所示，首先提供一基底100，例如一单晶硅，本实施例选用一般规格的硅晶圆，厚度介于500～550μm之间。上述单晶硅基底100具有相对的一第一表面101及一第二表面102。接着，利用蒸镀法、溅镀法或物理气相沉积法(PVD)在第一表面101上形成一导电层120，例如Ag-Pd合金、Pt或Au。然后以微影及蚀刻步骤定义导电层120，以做为致动结构的下电极120。接着，以刮刀成型法或网印法，并在850～950℃中烧结，以形成一压电层130，例如锆-钛酸铅(PZT)，厚度范围20～30微米，在该第一表面101上并覆盖导电层120。
如图2B所示，利用溶液-凝胶(sol-gel)旋涂法，在300～450℃中焦化(pyrolyze)并在850～950℃中烧结，在压电层130上顺应性形成一保护层132，例如锆-钛酸铅(PZT)、氧化锆、氧化钛、氧化钙及氧化镍，厚度范围为0.2～1微米。上电极140的制作步骤与下电极120相同，利用蒸镀法、溅镀法或物理气相沉积法(PVD)形成一导电层140，例如Ag-Pd合金、Pt或Au，在保护层132上。然后以微影和蚀刻步骤定义导电层140，来做为致动结构的上电极140。
保护层132具有表面均匀度佳的特性，覆盖在压电层130上具有表面平坦化的功能。且上述压电层130与保护层132可在相同温度条件下，共同烧结而成。在烧结过程中，保护层132先发生致密并做为压电层130的保护层，且保护层132含过量氧化铅，能抑制并且补偿氧化铅的气体的挥发，改善压电特性及提升制作优良率。
根据本发明的较佳实施方式，上述溶液-凝胶(sol-gel)旋涂法的溶液配制流程图如图3所示。首先将三水醋酸铅(Pb acetate trihydrate)溶入2-甲基乙醇(2-methoxy-ethanol)，然后在110℃中脱水。接着将丙氧基锆(Zr-propoxide)以及异丙氧基钛(Ti-propoxide)溶入2-甲基乙醇(2-methoxy-ethanol)。接着，将上述两溶液混合之后，在120℃中回流(reflux)2小时，再在同温度下蒸馏，最后配成0.75 M含20％ Pb过量地锆-钛酸铅(PZT(52、48))溶液。
如图2C所示，以微影及蚀刻步骤依次蚀刻保护层132与压电层130，使成为岛状的金属、保护、压电、金属的堆叠层结构，做为薄膜致动器。
如图2D所示，最后进行墨水腔的制作，利用湿蚀刻法，以KOH为蚀刻液，在单晶硅基底100第二表面102，蚀刻一凹槽160，以做为墨水腔160之用。凹槽160的位置对应于岛状的金属、保护、压电、金属的堆叠层结构，蚀刻直到基底100厚度剩下5～20微米为止。接着，接合一喷孔片170，在基底100的第二表面102，完成压电式喷墨头。
如图2D所示，本发明的压电式喷墨头包括：一基底100，具有相对的一第一表面101及一第二表面102；一金属、压电、保护、金属堆叠层结构，位于基底100的第一表面101上，做为该喷墨头的致动结构；一凹槽160，形成于基底100的第二表面102，对应于该金属、压电、保护、金属堆叠层结构，做为一墨水腔160；以及一喷孔片170，接合于该基底100的第二表面102。
上述金属、压电、保护、金属堆叠层结构，还包括：一图案化第一导电层120，形成于该第一表面101上，做为一下电极120；一压电层130，形成于该第一表面101上并覆盖导电层120；一保护层132，形成于该压电层130上；以及一图案化第二导电层140，形成于保护层132上且与第一导电层120相对应，以做为一上电极140。
实施例二
图4A至图4D所示为本发明实施例二的压电式喷墨头制作方法的剖面示意图。如图4A所示，首先提供一基底100，例如一单晶硅，本实施例选用一般规格的硅晶圆，厚度介于500～550μm之间。上述单晶硅基底100具有相对的一第一表面101及一第二表面102。接着，利用蒸镀法、溅镀法或物理气相沉积法(PVD)在第一表面101上形成一导电层120，例如Ag-Pd合金、Pt或Au。然后以微影及蚀刻步骤定义导电层120，以做为致动结构的下电极120。接着，以刮刀成型法或网印法，并在850～950℃中烧结，以形成一压电层130，例如锆-钛酸铅(PZT)，厚度范围20～30微米，在该第一表面101上并覆盖导电层120。
如图4B所示，利用含微粉的溶液-凝胶(sol-gel)旋涂法，在压电层130上顺应性形成一含微粉的保护层134，例如锆-钛酸铅(PZT)，厚度范围0.2～1微米，在300～450℃中焦化(pyrolyze)并在700℃中烧结。上述微粉的材料较好的为锆-钛酸铅(PZT)、、氧化锆、氧化钛、氧化钙及氧化镍等可低温烧结的材料，粒径小于1微米，可降低保护层134的烧结温度。上电极140的制作步骤与下电极120相同，利用蒸镀法、溅镀法或物理气相沉积法(PVD)在含微粉的保护层134上形成一导电层140，例如Ag-Pd合金、Pt或Au。然后以微影及蚀刻步骤定义导电层140，以做为致动结构的上电极140。
含微粉的保护层134具有表面均匀性佳的特性，覆盖在压电层130上具有表面平坦化的功能。且上述压电层130与含微粉的保护层134可在相同温度条件下，共同烧结而成。由于含微粉的保护层134因含锆-钛酸铅(PZT)、氧化锌或氧化锆等可低温烧结的材料，所需的烧结温度较低，在烧结过程中，先发生致密并做为压电层130的保护层，且含微粉的保护层134含过量氧化铅，能抑制并且补偿氧化铅的气体的挥发，改善压电特性及提升制作优良率。
根据本发明的较佳实施方式，上述含微粉的溶液-凝胶(sol-gel)旋涂法的溶液配制流程图如图5所示。首先将三水醋酸铅(Pb acetate trihydrate)溶入2-甲基乙醇(2-methoxy-ethanol)，然后在110℃中脱水。接着将丙氧基锆(Zr-propoxide)以及异丙氧基钛(Ti-propoxide)溶入2-甲基乙醇(2-methoxy-ethanol)。接着，将上述两溶液混合之后，在120℃中回流(reflux)2小时，再在同温度下蒸馏，然后在混合溶液中添加乙醯丙酮并在25℃中搅拌，最后配成0.75M含20％Pb过量的锆-钛酸铅(PZT(52、48))溶液，此时加入微粉及分散剂(dispersant)，充分混合形成含微粉的锆-钛酸铅(PZT(52、48))溶液。
如图4C所示，以微影及蚀刻步骤依次蚀刻含微粉的保护层134与压电层130，使成为岛状的金属、保护、压电、金属的堆叠层结构，做为薄膜致动器。
如图4D所示，最后进行墨水腔的制作，利用湿蚀刻法，以KOH为蚀刻液，在单晶硅基底100的第二表面102，蚀刻一凹槽160，以做为墨水腔160之用。凹槽160的位置对应于岛状的金属、保护、压电、金属的堆叠层结构，蚀刻直到基底100厚度剩下5～20微米为止。接着，接合一喷孔片170，在基底100的第二表面102，完成压电式喷墨头。
如图2D所示，本发明压电式喷墨头包括：一基底100，具有相对的一第一表面101及一第二表面102；一金属、压电、保护、金属堆叠层结构，位于基底100的第一表面101上，做为该喷墨头的致动结构；一凹槽160，形成在基底100的第二表面102，对应于该金属、压电、保护、金属堆叠层结构，做为一墨水腔160；以及一喷孔片170，接合在该基底100的第二表面102。
上述金属、压电、保护、金属堆叠层结构，还包括：一图案化第一导电层120，形成于该第一表面101上，做为一下电极120；一压电层130，形成于该第一表面101上并覆盖导电层120；一含微粉的保护层134，形成于该压电层130上；以及一图案化第二导电层140，形成于含微粉的保护层134上且与第一导电层120相对应，以做为一上电极140。
本发明特征与效果在于结合厚膜成形法以及薄膜成形法制作压电层，先利用刮刀成型法或网印法快速形成一压电厚膜，在压电厚膜上，以溶液-凝胶(sol-gel)旋涂法形成一表面平整的压电薄膜，可改善上述制作的缺点，提高优良率。
此外，由于本发明利用一低温烧结的薄膜形成于需高温烧结的厚膜上，PZT在烧结过程中，抑制含氧化铅的气体的挥发，改善压电特性及提升制作优良率。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而其并非用来限定本发明，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，当可作些更动与修饰，因此本发明的保护范围当以后附的权利要求书中所要求的范围为准。
附图标号说明
已知部分(图1A～图1C)
10～基底；11～第一表面；12～第二表面；20～第一导电层；30～压电层；40～第二导电层；60～墨水腔；70～喷孔片。
本发明部分(图2～图5)
100～基底；101～第一表面；102～第二表面；120～第一导电层；130～压电层；132～保护层；134～含微粉的保护层；140～第二导电层；160～墨水腔；170～喷孔片。