專利名稱：壓電噴墨頭及其震動(dòng)層成型法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電噴墨頭的震動(dòng)層的成型技術(shù)，特別涉及一種使用硅芯片的接合、研磨、蝕刻等技術(shù)以使壓電噴墨頭的震動(dòng)層與墨水腔成型的方法。
背景技術(shù)：
噴墨打印技術(shù)的主要運(yùn)作原理分為熱泡式(Thermal bubble)及壓電式(Piezoelectric)兩類。熱泡式乃利用加熱器將墨水瞬間氣化，產(chǎn)生高壓氣泡推動(dòng)墨水由噴嘴射出，但由于其高溫氣化的運(yùn)作原理使得適用液體的選擇性低，故其應(yīng)用領(lǐng)域有限。壓電式是利用施加電壓方式使壓電陶瓷產(chǎn)生形變，經(jīng)由擠壓墨水而產(chǎn)生高壓，進(jìn)而將墨水噴出。相比之下，壓電式噴墨頭具有下列優(yōu)點(diǎn)(1)壓電式不會(huì)因?yàn)楦邷貧饣a(chǎn)生化學(xué)變化，故具有極佳的耐久性。(2)壓電陶瓷反應(yīng)速度快，不會(huì)受限于熱傳導(dǎo)速度，故可提升打印速度。(3)壓電式容易控制液滴的大小，可提升打印品質(zhì)。
根據(jù)不同壓電產(chǎn)生變形的機(jī)制，目前已經(jīng)商業(yè)化的壓電式噴墨頭可分為彎曲式(bend mode)與推拉式(push mode)兩種，其中彎曲型式采用表面彎曲射出(face-shooter)的壓電變形機(jī)制，而推拉式是采用兩端推擠射出(edge-shooter)的壓電變形機(jī)制。
如圖1所示，其顯示已知彎曲式的壓電噴墨頭的剖面示意圖。已知彎曲式的壓電噴墨頭10是由一致動(dòng)器單元12以及一墨水路徑單元14所連接構(gòu)成，其中致動(dòng)器單元12是由一多層式的壓電陶瓷片(piezo ceramic)16、一振動(dòng)片(diaphragm)18、以及一具有多個(gè)相互隔離的墨水腔(pressure chamber)19的基板20所堆棧而成，而墨水路徑單元14是由一設(shè)置有墨水槽21、入口通孔與出口通孔23的第一基板22、一設(shè)置有出口信道25的第二基板24、以及一具有復(fù)數(shù)個(gè)噴嘴27的噴孔片26所粘貼而成。當(dāng)壓電陶瓷片16承受控制電路所施加的電壓而產(chǎn)生收縮變形時(shí)，會(huì)受到振動(dòng)片18的牽制而形成側(cè)向彎曲，進(jìn)而擠壓墨水腔19內(nèi)的墨水，則位于噴嘴27處的墨水會(huì)因承受內(nèi)外壓力差而加速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而加速噴出而形成一墨水滴28。
如圖2所示，其顯示已知推拉式的壓電噴墨頭的剖面示意圖。已知推拉式的壓電噴墨頭30是由一單層的壓電陶瓷片32、一動(dòng)能轉(zhuǎn)換器(transducer foot)34、一振動(dòng)片36、一具有墨水腔37、墨水槽38、入口信道39與出口信道40的基板42、以及一具有噴嘴43的噴孔片44所堆棧而成。此外，以無(wú)電極電鍍鎳的方式在墨水腔37側(cè)壁上制作一電極層，并將兩個(gè)電極接在三個(gè)一組的墨水腔37之間。當(dāng)兩個(gè)電極之間外加電位相反的電壓逐漸增強(qiáng)時(shí)，墨水腔37的腔壁會(huì)向外彎曲而引進(jìn)墨水。當(dāng)兩個(gè)電極的外加電壓急速變換時(shí)，壓電陶瓷片32會(huì)產(chǎn)生收縮變形，使得振動(dòng)片36產(chǎn)生更大的彎曲變形，而其產(chǎn)生的右側(cè)推力可以擠壓墨水腔37內(nèi)的墨水，進(jìn)而使墨水加速噴出噴嘴43處而形成一墨水滴46。
然而，已知壓電噴墨頭技術(shù)大多采用基層積層陶瓷共燒法來(lái)成型震動(dòng)片以及墨水腔等組件，其成型法包含有粉末原料(PZT、ZrO2、PbO、TiO2、其它適當(dāng)添加物)的合成、混合、干燥、鍛燒、粉碎、造粒、壓縮、成型、燒結(jié)以及極化作用等步驟，但礙于上述制程繁瑣且困難度高，一直存在著合格率低、成本高、不利大量生產(chǎn)等缺點(diǎn)。有鑒于此，如何改良?jí)弘妵娔^的震動(dòng)片的成型法以提高制程穩(wěn)定度，成為當(dāng)前急需研發(fā)的重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提出一種壓電噴墨頭的震動(dòng)層及其成型技術(shù)，使用硅芯片的接合、研磨、蝕刻等技術(shù)，可利用硅芯片表面上的硅層與氧化硅層作為震動(dòng)層，并可直接在硅芯片背面制作墨水腔，以解決已知技術(shù)遭遇到的問(wèn)題。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明的壓電噴墨頭的震動(dòng)層的成型法，包括有下列步驟一種壓電噴墨頭的震動(dòng)層的成型法。首先，提供一第一硅芯片以及一第二硅芯片，然后，分別在該第一硅芯片的貼合面以及該第二硅芯片的貼合面上形成一粘合層，再根據(jù)接合技術(shù)將該第一硅芯片的底面接合在該第二硅芯片的頂面上。隨后，進(jìn)行研磨制程，使該第一硅芯片表面殘留的厚度達(dá)5～20μm，以提供作為一震動(dòng)層。然后，提供一硬罩幕層，形成在該第二硅芯片的底面，且包含有復(fù)數(shù)個(gè)開(kāi)口，用以定義出該墨水腔的預(yù)定圖案。最后，進(jìn)行蝕刻制程，并利用該粘合層作為一蝕刻阻擋層，將該開(kāi)口內(nèi)的第二硅芯片移除，以形成復(fù)數(shù)個(gè)隔絕的墨水腔。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)之一在于，使用硅芯片的接合、研磨、蝕刻等技術(shù)，可利用第一硅層以及第三氧化硅作為壓電噴墨頭的震動(dòng)層，并可直接蝕刻第二硅層以制作成為墨水腔，因此具有制程步驟簡(jiǎn)化、制程困難度低且制程穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，可以使壓電噴墨頭的合格率提高、成本降低、產(chǎn)量增加。
為使本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉出較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說(shuō)明如下


圖1是已知彎曲式的壓電噴墨頭的剖面示意圖。
圖2是已知推拉式的壓電噴墨頭的剖面示意圖。
圖3A至3F是本發(fā)明實(shí)施例一的壓電噴墨頭的震動(dòng)層成型技術(shù)的剖面示意圖。
圖4A至4F是本發(fā)明實(shí)施例二的壓電噴墨頭的震動(dòng)層成型技術(shù)的剖面示意圖。
具體的實(shí)施方式本發(fā)明揭露一種壓電噴墨頭的震動(dòng)層及其成型技術(shù)，是使用硅芯片的接合及研磨技術(shù)以形成壓電噴墨頭的主結(jié)構(gòu)體，再經(jīng)由蝕刻技術(shù)可同時(shí)獲得震動(dòng)層與墨水腔結(jié)構(gòu)，其中硅芯片表面上的硅層以及氧化硅層的組合結(jié)構(gòu)作為一震動(dòng)層。本發(fā)明的壓電噴墨頭的震動(dòng)層及墨水腔可以應(yīng)用于壓電變形機(jī)制的壓電式噴墨頭中，例如彎曲式(bend mode)與推拉式(push mode)兩種壓電式噴墨頭。
實(shí)施例一如圖3A至3F所示，其顯示本發(fā)明實(shí)施例一的壓電噴墨頭的震動(dòng)層成型技術(shù)的剖面示意圖。
如圖3A所示，提供一第一硅芯片52以及一第二硅芯片54，并進(jìn)行氧化程序，以在第一硅芯片52的貼合面上形成一第一SiO2層51a，并在第二硅芯片54的貼合面上形成一第二SiO2層51b。
如圖3B所示，進(jìn)行絕緣層覆硅(silicon-on-insulator，SOI)技術(shù)，可將第一硅芯片52的底部與第二硅芯片54的貼合面形成緊密接合。在較佳實(shí)施例中，可先以旋轉(zhuǎn)涂布或噴灑的方式將一含氫鍵的溶劑(如丙酮或酒精)形成在第一硅芯片52與第二硅芯片54的接合面上，使第一SiO2層51b以及第二SiO2層51c暫時(shí)貼合成為一SiO2粘著層53，其可當(dāng)作后續(xù)壓力腔成型技術(shù)的阻擋層53。隨后，利用芯片的對(duì)位、壓合技術(shù)將第一硅芯片52的底部向下壓合至第二硅芯片54的表面上。
然后，如圖3C所示，對(duì)第一硅芯片52表面進(jìn)行研磨制程，例如化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)(chemical mechanical polishing，CMP)，使第一硅芯片52的殘留的厚度約達(dá)5～20μm，當(dāng)作本發(fā)明壓電噴墨頭的一震動(dòng)層52A。同時(shí)，可對(duì)第二硅芯片54的底部進(jìn)行研磨制程，例如化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)(chemical mechanical polishing，CMP)，以使第二硅芯片54底部殘留厚度達(dá)到墨水腔的預(yù)定深度。
如圖3D所示，在震動(dòng)層52A表面上制作一壓電材料層56，然后根據(jù)燒結(jié)制程，可使壓電材料層56成為一壓電組件。值得注意的是，此步驟也可在完成壓力腔成型技術(shù)之后再進(jìn)行。接著，在第二硅芯片54的底面形成一硬罩幕層58，其材質(zhì)可為氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，厚度約為5～20μm。
如圖3E所示，進(jìn)行微影蝕刻制程，可在硬罩幕層58中形成復(fù)數(shù)個(gè)開(kāi)口59，用以定義出墨水腔的預(yù)定圖案。
如圖3F所示，自第二硅芯片54的背部進(jìn)行蝕刻制程，可選用干式蝕刻(dry etching)、濕式蝕刻(wet etching)或其它可施行的蝕刻方式，利用硬罩幕層58的圖案作為罩幕，并利用阻擋層53作為一蝕刻阻擋層以控制蝕刻深度，則可將開(kāi)口59內(nèi)的第二硅芯片54去除，以形成復(fù)數(shù)個(gè)隔絕的墨水腔60。
然后可在墨水腔60下方進(jìn)行墨水槽、通孔以及噴孔片的制作，在此不再加以詳述。
于已知技術(shù)相比，本發(fā)明使用硅芯片的接合、研磨、氧化、微影、蝕刻等技術(shù)，可利用第一硅芯片52的殘留厚度當(dāng)作震動(dòng)層52A，并可以蝕刻方式直接在第二硅芯片54背面制作墨水腔60，因此具有制程步驟簡(jiǎn)化、制程困難度低且制程穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，可以使壓電噴墨頭的合格率提高、成本降低、產(chǎn)量增加。
實(shí)施例二本發(fā)明實(shí)施例二的壓電噴墨頭的震動(dòng)層成型技術(shù)大致與實(shí)施例一所述的步驟相同，不同之處在于芯片粘合方式改成采用接合劑，以取代實(shí)施例一的絕緣層覆硅技術(shù)，如此可進(jìn)一步降低制作成本并簡(jiǎn)化制作流程。
如圖4A至4F所示，其顯示本發(fā)明實(shí)施例二的壓電噴墨頭的震動(dòng)層成型技術(shù)的剖面示意圖。
如圖4A所示，提供第一硅芯片52以及第二硅芯片54，并在第一硅芯片52的貼合面上形成一第一接合層51c，并在第二硅芯片54的貼合面上形成一第二接合層51d。在較佳實(shí)施例中，第一接合層51c以及第二接合層51d的接合劑材質(zhì)可為樹脂、磷硅玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、旋涂玻璃(spin on glass，SOG)或是干膜(dry film)等等。
如圖4B所示，將第一硅芯片52的第一接合層51c與第二硅芯片54的第二接合層51d緊密接合成一粘合層55，其可當(dāng)作以后壓力腔成型技術(shù)的阻擋層55。使第一硅芯片52以及第二SiO2層53暫時(shí)貼合，再利用芯片的對(duì)位、壓合技術(shù)將第一硅芯片52的底部向下壓合至第二硅芯片54的表面上。
如圖4C所示，對(duì)第一硅芯片52表面進(jìn)行研磨制程，例如化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)(chemicalmechanical polishing，CMP)，使第一硅芯片52的殘留的厚度約達(dá)5～20μm，當(dāng)作本發(fā)明壓電噴墨頭的一震動(dòng)層52A。同時(shí)，可對(duì)第二硅芯片54的底部進(jìn)行研磨制程，例如化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)(chemical mechanical polishing，CMP)，以使第二硅芯片54底部殘留厚度達(dá)到墨水腔的預(yù)定深度。
如圖4D所示，在震動(dòng)層52A表面上制作一壓電材料層56，然后根據(jù)燒結(jié)制程，可使壓電材料層56成為一壓電組件。值得注意的是，此步驟也可在完成壓力腔成型技術(shù)之后再進(jìn)行。接著，在第二硅芯片54的底面形成一硬罩幕層58，其材質(zhì)可為氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，厚度約為5～20μm。
如圖4E所示，進(jìn)行微影蝕刻制程，可在硬罩幕層58中形成復(fù)數(shù)個(gè)開(kāi)口59，用以定義出墨水腔的預(yù)定圖案。
如圖3F所示，自第二硅芯片54的背部進(jìn)行蝕刻制程，可選用干式蝕刻(dry etching)、濕式蝕刻(wet etching)或其它可施行的蝕刻方式，利用硬罩幕層58的圖案作為罩幕，并利用阻擋層55作為一蝕刻阻擋層以控制蝕刻深度，則可將開(kāi)口59內(nèi)的第二硅芯片54去除，以形成復(fù)數(shù)個(gè)隔絕的墨水腔60。
然后可在墨水腔60下方進(jìn)行墨水槽、通孔以及噴孔片的制作，在此不再加以詳述。
于已知技術(shù)相比，本發(fā)明使用硅芯片的接合、研磨、氧化、微影、蝕刻等技術(shù)，可利用第一硅芯片52的殘留厚度當(dāng)作震動(dòng)層52A，并可以蝕刻方式直接在第二硅芯片54背面制作墨水腔60，因此具有制程步驟簡(jiǎn)化、制程困難度低且制程穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，可以使壓電噴墨頭的合格率提高、成本降低、產(chǎn)量增加。
雖然本發(fā)明己以一較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求為準(zhǔn)。
符號(hào)說(shuō)明10彎曲式的壓電噴墨頭 12致動(dòng)器單元14墨水路徑單元16壓電陶瓷片18振動(dòng)片 19墨水腔20陶瓷基板21墨水槽23出口通孔22第一基板25出口信道24第二基板27噴嘴26噴孔片28墨水滴 30推拉式的壓電噴墨頭32壓電陶瓷片 34動(dòng)能轉(zhuǎn)換器36振動(dòng)片 37墨水腔38墨水槽 39入口信道40出口信道42基板43噴嘴44噴孔片46墨水滴 51a第一SiO2層51b第二SiO2層 51c第一接合層51d第二接合層 53SiO2粘著層55粘合層 52第一硅芯片52A震動(dòng)層 54第二硅芯片56壓電材料層 58硬罩幕層59開(kāi) 60墨水腔
權(quán)利要求
1.一種壓電噴墨頭，包括有一第一硅芯片，用以當(dāng)作該壓電噴墨頭的震動(dòng)層；一第二硅芯片，其頂面接合在所述第一硅芯片的底面上，且所述第二硅芯片中包含有復(fù)數(shù)個(gè)隔絕的墨水腔；一粘合層，形成在所述第一硅芯片以及所述第二硅芯片的接合表面上，用以接合所述第一硅芯片以及所述第二硅芯片，且用以當(dāng)作所述復(fù)數(shù)個(gè)墨水腔的蝕刻停止層；一壓電材料層，形成在所述第一硅芯片頂面上；以及一硬罩幕層，形成在所述第二硅芯片的底面，用以當(dāng)作所述復(fù)數(shù)個(gè)墨水腔的圖案定義層。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述第一硅芯片的厚度為5～20μm。
3.如權(quán)利要求1所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述第一硅芯片以及所述第二硅芯片的接合采用絕緣層覆硅(silicon-on-insulator，SOI)技術(shù)。
4.如權(quán)利要求3所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述粘合層由氧化硅材質(zhì)所構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述粘合層由樹脂、磷硅玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、旋涂玻璃(spin on glass，SOG)或是干膜(dry film)所構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述硬罩幕層由氧化硅或氮化硅材質(zhì)所構(gòu)成。
7.一種壓電噴墨頭的震動(dòng)層的成型法，包括有下列步驟提供一第一硅芯片以及一第二硅芯片；提供一粘合層，分別形成在所述第一硅芯片的貼合面以及所述第二硅芯片的貼合面；進(jìn)行接合技術(shù)，將所述第一硅芯片的底面接合在所述第二硅芯片的頂面上，以使所述粘合層形成在所述第一硅芯片以及所述第二硅芯片之間；進(jìn)行研磨制程，使所述第一硅芯片表面殘留的厚度達(dá)5～20μm，以提供作為一震動(dòng)層；提供一硬罩幕層，形成在所述第二硅芯片的底面，且包含有復(fù)數(shù)個(gè)開(kāi)口，用以定義出所述墨水腔的預(yù)定圖案以及進(jìn)行蝕刻制程，并利用所述粘合層作為一蝕刻阻擋層，將所述開(kāi)口內(nèi)的第二硅芯片移除，以形成復(fù)數(shù)個(gè)隔絕的墨水腔。
8.如權(quán)利要求8所述的壓電噴墨頭的震動(dòng)層的成型法，另包含有一步驟在所述第一硅芯片的頂面上形成一壓電材料層。
9.如權(quán)利要求8所述的壓電噴墨頭的震動(dòng)層的成型法，另包含有一步驟在提供所述硬罩幕層之前，進(jìn)行研磨制程，使所述第二硅芯片的厚度達(dá)到一墨水腔的預(yù)定深度。
10.如權(quán)利要求8所述的壓電噴墨頭的震動(dòng)層的成型法，其特征在于，所述第一硅芯片以及所述第二硅芯片的接合采用絕緣層覆硅(silicon-on-insulator，SOI)技術(shù)。
11.如權(quán)利要求11所述的壓電噴墨頭的震動(dòng)層的成型法，其特征在于，所述粘合層由氧化硅材質(zhì)所構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求8所述的壓電噴墨頭的震動(dòng)層的成型法，其特征在于，所述粘合層由樹脂、磷硅玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、旋涂玻璃(spin on glass，SOG)或是干膜(dry film)所構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求8所述的壓電噴墨頭的震動(dòng)層的成型法，其特征在于，所述硬罩幕層由氧化硅或氮化硅材質(zhì)所構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求8所述的壓電噴墨頭的震動(dòng)層的成型法，其特征在于，所述研磨制程采用化學(xué)機(jī)械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)方法。
全文摘要
一種壓電噴墨頭的震動(dòng)層的成型法。首先，提供一第一硅芯片以及一第二硅芯片，然后，分別在該第一硅芯片的貼合面以及該第二硅芯片的貼合面上形成一粘合層，再根據(jù)接合技術(shù)將該第一硅芯片的底面接合在該第二硅芯片的頂面上。隨后，進(jìn)行研磨制程，使該第一硅芯片表面殘留的厚度達(dá)5～20μm，以提供作為一震動(dòng)層。然后，提供一硬罩幕層，形成在該第二硅芯片的底面，且包含有復(fù)數(shù)個(gè)開(kāi)口，用以定義出該墨水腔的預(yù)定圖案。最后，進(jìn)行蝕刻制程，并利用該粘合層作為一蝕刻阻擋層，將該開(kāi)口內(nèi)的第二硅芯片移除，以形成復(fù)數(shù)個(gè)隔絕的墨水腔。
文檔編號(hào)B41J2/14GK1490161SQ02147348
公開(kāi)日2004年4月21日 申請(qǐng)日期2002年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月16日
發(fā)明者季寶琪, 蔡志昌, 林振華, 楊明勛 申請(qǐng)人:飛赫科技股份有限公司