[发明专利]基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械领域，特别涉及采用微加工方法实现的一种基于压 电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头。

背景技术

液体喷头及液体喷射装置典型应用于喷墨打印，图文记录、印刷和平面广 告制作等方面，在微细图形实现等工业制造领域也有应用。采用压电原理制作 的液体喷头，容易控制液滴大小，喷射速度，实现高精度的液滴喷射，喷头耐 用性好。因此，压电工作方式是液体喷射装置采用的重要原理之一。另一方面， 一般采用压电原理制作的液体喷射装置将液体喷头和储液盒设计为可分离式结 构，更换液体或储液盒时不必更换喷头，以此来降低制造和使用成本。通常， 液体喷射装置包括液体喷头、储液盒、控制电路模块、支撑架、外壳等部件。 但是，液体喷头是整个液体喷射装置中最核心的部分。

精工爱普生株式会社公开了一种压电式喷头，在微槽道的上壁制作压电/弹 性复合振动板，当向压电振动板上的压电元件施加电压时，振动板发生凸、凹 形变，从而改变微槽道内的容积，使液体从与微槽道相通的微喷孔中喷射出去。 采用这种方式的压电振动板硬度较大，使其形变所需驱动力很大；并且，振动 板四周与微槽道壁相连，且受到约束。这两种原因，严重限制了对微槽道中液 体驱动。而且，由于板四周边的约束作用，当振动板的面积越小时，板的形变 就越小，微槽道内的体积变化就越小，喷射的出液量就越小。为了增加喷射出 液量，需要增加微槽道的尺度。而在形成更高密度的液体喷头阵列时，微槽道 的宽度却又受到限制。因此，这种喷头的驱动方式影响了液体喷出量，妨碍了 进一步减少微槽道的尺寸和提高喷头的集成度。

已提出的压电悬臂梁式液体喷头克服了上述压电喷头存在的问题。它们采 用压电悬臂梁作为液体喷射的驱动器。由于压电悬臂梁仅在梁的一侧固定支撑， 其它部分为悬空可动，不受衬底的制约，因此，压电悬臂梁的变形量远远大于 前述的四周固定的压电振动板，它能更有效的驱动更多液体从微喷孔中喷出。 由于压电悬臂梁能在低电压下实现大的变形，因此，这种喷头可以在较低的电 压下工作。或者，由于压电悬臂梁能实现较大的变形，这样就可以在保持射出 液体量不变的情况下，减小驱动器的总体面积或微槽道的横向尺寸，从而实现 具有更高密度喷孔阵列的液体喷头。

但是，在基于压电悬臂梁的液体喷头中，由于压电悬臂梁只有一端固定， 另一端悬浮可动，这样，当悬臂梁较长时，悬臂梁结构比较脆弱，虽然可动端 的驱动位移可以很大，但是驱动力减少。另一方面，一端浮动的悬臂梁结构也 为喷头的可靠性和制造带来了困难，降低了使用寿命和制造成品率。

一种已提出的压电桥式梁液体喷头克服了上述压电悬臂梁式液体喷头存在 的问题。由于压电桥式梁仅在梁的两端固定支撑，其中间部分不受衬底制约， 因此，压电桥式梁的变形量远远大于四周固定的压电振动板，它能更有效的驱 动更多液体从微喷孔中喷出。另一方面，由于压电桥式梁在梁的两端固定支撑， 因此，避免了压电悬臂梁结构中，仅一端固定支撑，而另一端悬浮可动所引起 的结构脆弱、驱动力相对较小、可靠性低、制造困难等问题。因此，基于压电 桥式梁的液体喷头同时克服了基于四周固定的压电振动板式液体喷头和基于压 电悬臂梁式液体喷头的缺点。它既保证了喷头工作可靠，又兼顾了喷头的工作 效率，也降低了制造难度。

但是，在这种已提出的压电桥式梁液体喷头中，压电桥式梁在微槽道的上 部或中间直接驱动微槽道中的液体，压电桥式梁直接与液体相接触。这要求压 电桥式梁上的电极及连接线必须覆盖良好的绝缘介质层，并长期保持其绝缘性 能，以防止漏电。同时，由于压电桥式梁两侧存在缝隙，微槽道中的液体会在 压电桥式梁动作时，通过压电桥式梁两侧的缝隙上下流动，减小了液体驱动的 强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头。主要结 构包括压电桥式梁、柔性薄膜、微槽道、微喷孔；其特征在于，在喷头外表面 设置与微槽道相通的微喷孔，柔性薄膜覆盖于微槽道的顶部，含有压电薄膜层 及其上、下电极的压电桥式梁在微槽道顶部柔性薄膜的外部放置，作为微槽道 中液体喷射的驱动器；上述与微槽道相通的微喷孔、微槽道、微槽道顶部的柔 性薄膜、压电桥式梁相结合构成液体喷射结构；在电压的驱动下，压电桥式梁 发生形变，驱动微槽道顶部的柔性薄膜发生形变，从而改变微槽道的体积，将 微槽道中的液体从与微槽道相通的微喷孔中喷出。