阅读说明：本技术 一种梁膜式pzt薄膜压电阵列打印头及其制造方法 (Beam film type PZT thin film piezoelectric array printing head and manufacturing method thereof ) 是由 邵金友 杨正杰 王春慧 田洪淼 平鹏祥 严超 王小培 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：一种梁膜式PZT薄膜压电阵列打印头及其制造方法,打印头包括多个压电喷射单元和设于相邻压电喷射单元之间的分隔梁,分隔梁降低了振动膜之间的机械串扰,并且隔绝了电极之间的电串扰,在提高喷射单元阵列密度与喷射频率的同时有效降低了串扰效应；制造方法先在第一基底上刻蚀出分隔梁,在第一基底上设有分隔梁的一面上生成振动膜,在振动膜上依次沉积下电极、PZT薄膜、上电极；依次刻蚀出上电极图形、PZT薄膜图形、下电极图形并去除光刻胶；在第一基底另一面刻蚀出压力腔室并去除光刻胶；在第二基底上刻蚀出液体流道与喷嘴；将第一基底上设有压力腔室的一面与第二基底上设有液体流道的一面对准键合；本发明打印头减少串扰效应的产生。(A beam film PZT thin film piezoelectric array print head and its manufacturing method, the print head includes multiple piezoelectric jet units and partition beams between adjacent piezoelectric jet units, the partition beams reduce the mechanical crosstalk between the vibrating films and isolate the electric crosstalk between the electrodes, effectively reduce the crosstalk effect while improving the array density and jet frequency of the jet units; the manufacturing method comprises the steps that firstly, a separation beam is etched on a first substrate, a vibration film is generated on one surface, provided with the separation beam, of the first substrate, and a lower electrode, a PZT thin film and an upper electrode are sequentially deposited on the vibration film; etching an upper electrode pattern, a PZT thin film pattern and a lower electrode pattern in sequence and removing the photoresist; etching a pressure chamber on the other surface of the first substrate and removing the photoresist; etching a liquid flow channel and a nozzle on the second substrate; aligning and bonding one surface of the first substrate, which is provided with the pressure chamber, with one surface of the second substrate, which is provided with the liquid flow channel; the print head of the present invention reduces the occurrence of crosstalk effects.)

一种梁膜式PZT薄膜压电阵列打印头及其制造方法

技术领域

本发明属于压电式微滴喷射打印技术领域，具体涉及一种梁膜式PZT薄膜压电阵列打印头及其制造方法。

背景技术

压电式微滴喷射打印技术在微电子制造与封装、平板显示、细胞打印、生物医学工程、3D打印等领域具有十分重要的应用，研发高效高精的压电阵列打印头对于提高微滴喷射的打印效率和打印精度具有重要的意义。采用PZT压电薄膜作为驱动元件的PZT薄膜压电阵列打印头，在理论上可获得更高的工作频率、更高的喷嘴阵列密度和更精确的喷射液滴体积，已成为高效高精压电阵列打印头的研发热点之一。但是随着PZT薄膜压电阵列打印头工作频率与喷嘴阵列密度的提高，会严重加剧相邻的压电喷射单元之间的电串扰、机械串扰等串扰效应，造成打印精度与打印质量的下降。降低串扰效应已成为进一步提升PZT薄膜驱动压电阵列打印头性能的关键。

在现有技术中，压电阵列打印头中所有压电喷射单元均采用完全独立的压电元件的结构设计已成为降低串扰效应的普遍措施，但是该方法只能在有限程度上降低电串扰效应，并不能有效降低高密度的相邻喷射单元之间的机械串扰。在此基础上，有采用增大相邻喷射单元间距或者空闲部分喷射单元(打印头每两个同时被驱动的喷射单元之间，存在数个不能驱动的空闲喷射单元)的方法来降低压电阵列打印头的机械串扰，但该方法会造成打印头的有效分辨率和有效打印速度的显著降低，进而造成打印精度与打印效率的下降。在打印头原有的结构设计不变的基础上，对其压电元件控制信号进行优化也是降低串扰效应的一种补充方法，例如中国专利CN102781671A提出，选择用于喷嘴的驱动信号、基于相邻驱动信号来确定时间延迟和脉宽扩展以及将该时间延迟和脉宽扩展施加于驱动信号来减少压电打印头中的串扰，该方法在一定程度上可能是行之有效的，但是也明显的引入了复杂的驱动电路与驱动信号设计，并且增加了对于驱动信号设计限制。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种梁膜式PZT薄膜压电阵列打印头及其制造方法，减少串扰效应的产生。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种梁膜式PZT薄膜压电阵列打印头，包括多个压电喷射单元1和设于相邻压电喷射单元1之间的分隔梁2，每个压电喷射单元1由PZT薄膜压电驱动器3和喷嘴板组成，每个PZT薄膜压电驱动器3包括第一基底9和分隔梁2之间形成的压力腔室8，或两个分隔梁2之间形成的压力腔室8，压力腔室8上部设有振动膜7，振动膜7上方依次设有下电极4、PZT薄膜5和上电极6；

喷嘴板包括第二基底11，第二基底11设有液体流道10，液体流道10上方和压力腔室8对应，液体流道10下方设有喷嘴12；

第二基底11和第一基底9键合，使喷嘴12与压力腔室8一一对应并相互连通；

所述的PZT薄膜5极化方向垂直于上电极6和下电极4；

梁模式结构中分隔梁2高度高于PZT薄膜压电驱动器3。

所述的PZT薄膜5的厚度为1μm～5μm。

所述的振动膜7材料为二氧化硅、氮化硅、二氧化硅与氮化硅组合或二氧化硅-硅-二氧化硅的组合。

所述的第一基底9、第二基底11为硅片或SOI。

所述的一种梁膜式PZT薄膜压电阵列打印头的制造方法，包括如下步骤：

1)提供硅衬底作为第一基底9，并在第一基底9上刻蚀出分隔梁2；

2)在第一基底9上设有分隔梁2的一面上生成振动膜7材料；

3)在第一基底9上设有振动膜7材料的一面依次沉积下电极4、PZT薄膜5、上电极6，并进行高温退火；

4)在第一基底9上设有上电极6材料的一面光刻出上电极6图案，刻蚀出上电极6图形并去除光刻胶；

5)在第一基底9上设有上电极6的一面光刻出PZT薄膜5图案，刻蚀出PZT薄膜5图形并去除光刻胶；

6)在第一基底9上设有PZT薄膜5的一面光刻出下电极4图案，刻蚀出下电极4图形并去除光刻胶；

7)在第一基底9上与上电极6相反的一面光刻出压力腔室8图案，刻蚀出压力腔室8并去除光刻胶；

8)提供另一硅衬底作为第二基底11，并在第二基底11上刻蚀出液体流道10与喷嘴12；

9)将第一基底9上设有压力腔室8的一面与第二基底11上设有液体流道10的一面进行对准键合；

10)以上电极6、下电极4分别作为上、下极化电极对PZT薄膜5进行极化。

所述的步骤2)中生成振动膜7材料的方法为通过热干氧法生成二氧化硅材料，或通过PECVD法生成氮化硅材料，或通过溅射生成二氧化硅与氮化硅组合振动膜材料。

所述的步骤3)中沉积下电极4、PZT薄膜5、上电极6的方法为磁控溅射法，高温退火的退火温度为550℃～700℃，退火时间为30min～120min。

所述的步骤1)、步骤4)、步骤5)、步骤6)、步骤7)、步骤8)中刻蚀出分隔梁2、上电极6图形、PZT薄膜5图形与下电极4图形、压力腔室8、液体流道10与喷嘴12的方法为ICP干法刻蚀。

所述的步骤9)中对准键合的方法为硅硅键合或高分子中间层热压键合。

所述的步骤10)中PZT薄膜5的极化电压为20-200V。

与现有技术相比，本发明的有益效果是:

1、梁膜式的结构设计中设于相邻压电喷射单元之间的分隔梁2降低了振动膜7之间的机械串扰，并且隔绝了电极之间的电串扰，不涉及复杂的驱动电路与驱动信号设计，在提高喷射单元阵列密度与喷射频率的同时有效降低了串扰效应；

2、打印头的制造步骤均采用标准MEMS工艺，在不增加制造难度的前提下实现了设计结构的高精度可控制造，并且由于梁模式结构中分隔梁2高度高于PZT薄膜压电驱动器3，键合工艺的加压过程中由于分隔梁2对PZT薄膜压电驱动器3的保护可以施加更大的键合压力，提高了键合的可靠性，降低了打印头制造过程中键合失效的风险。

附图说明

图1为本发明梁膜式PZT薄膜压电阵列打印头的结构示意图。

图2为本发明PZT薄膜极化方向示意图。

图3为本发明梁膜式PZT薄膜压电阵列打印头的制造方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，一种梁膜式PZT薄膜压电阵列打印头，包括多个压电喷射单元1和设于相邻压电喷射单元1之间的分隔梁2，每个压电喷射单元1由PZT薄膜压电驱动器3和喷嘴板组成，每个PZT薄膜压电驱动器3包括第一基底9和分隔梁2之间形成的压力腔室8，或两个分隔梁2之间形成的压力腔室8，压力腔室8上部设有振动膜7，振动膜7上方依次设有下电极4、PZT薄膜5和上电极6；

喷嘴板包括第二基底11，第二基底11设有液体流道10，液体流道10上方和压力腔室8对应，液体流道10下方设有喷嘴12；

第二基底11和第一基底9键合，使喷嘴12与压力腔室8一一对应并相互连通；

参照图2，所述的PZT薄膜5极化方向垂直于上电极6和下电极4。

梁模式结构中分隔梁2高度高于PZT薄膜压电驱动器3。

所述的PZT薄膜5的厚度为1μm～5μm。

所述的振动膜7材料为二氧化硅、氮化硅、二氧化硅与氮化硅组合或二氧化硅-硅-二氧化硅的组合。

所述的第一基底9、第二基底11为硅片或SOI。

参照图3，所述的一种梁膜式PZT薄膜压电阵列打印头的制造方法，包括如下步骤：

1)提供硅衬底作为第一基底9，并在第一基底9上刻蚀出分隔梁2；

2)在第一基底9上设有分隔梁2的一面上生成振动膜7材料；

3)在第一基底9上设有振动膜7材料的一面依次沉积下电极4、PZT薄膜5、上电极6，并进行高温退火；

4)在第一基底9上设有上电极6材料的一面光刻出上电极6图案，刻蚀出上电极6图形并去除光刻胶；

5)在第一基底9上设有上电极6的一面光刻出PZT薄膜5图案，刻蚀出PZT薄膜5图形并去除光刻胶；

6)在第一基底9上设有PZT薄膜5的一面光刻出下电极4图案，刻蚀出下电极4图形并去除光刻胶；

7)在第一基底9上与上电极6相反的一面光刻出压力腔室8图案，刻蚀出压力腔室8并去除光刻胶；

8)提供另一硅衬底作为第二基底11，并在第二基底11上刻蚀出液体流道10与喷嘴12；

9)将第一基底9上设有压力腔室8的一面与第二基底11上设有液体流道10的一面进行对准键合；

10)以上电极6、下电极4分别作为上、下极化电极对PZT薄膜5进行极化。

所述的步骤2)中生成振动膜7材料的方法为通过热干氧法生成二氧化硅材料，或通过PECVD法生成氮化硅材料，或通过溅射生成二氧化硅与氮化硅组合振动膜材料。

所述的步骤3)中沉积下电极4、PZT薄膜5、上电极6的方法为磁控溅射法，高温退火的退火温度为550℃～700℃，退火时间为30min～120min。

所述的步骤1)、步骤4)、步骤5)、步骤6)、步骤7)、步骤8)中刻蚀出分隔梁2、上电极6图形、PZT薄膜5图形与下电极4图形、压力腔室8、液体流道10与喷嘴12的方法为ICP干法刻蚀。

所述的步骤9)中对准键合的方法为硅硅键合或高分子中间层热压键合。

所述的步骤10)中PZT薄膜5的极化电压为20-200V。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。