環(huán)電極的鈍化的制作方法
【專利摘要】一種噴墨設(shè)備包括：泵唧室，由壁界定；壓電層，設(shè)置在所述泵唧室以上；環(huán)電極，具有設(shè)置在所述壓電層上的環(huán)狀較低部分。濕氣阻擋層覆蓋所述泵唧室之上的所述壓電層的未由所述環(huán)電極的所述環(huán)狀較低部分覆蓋的其余部分。
【專利說明】環(huán)電極的鈍化
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及噴墨設(shè)備上的環(huán)電極。
【背景技術(shù)】
[0002]流體噴射系統(tǒng)典型地包括從流體供應(yīng)物至噴嘴組件的流體路徑，噴嘴組件包括噴嘴，流體液滴從該噴嘴噴射。能夠通過利用致動(dòng)器對(duì)流體路徑中的流體進(jìn)行加壓來控制流體液滴噴射，致動(dòng)器諸 如是壓電致動(dòng)器。待噴射的流體能夠是例如墨、電熒光材料、生物化合物、或用于電路的形成的材料。
[0003]打印頭模塊是流體噴射系統(tǒng)的范例。打印頭模塊典型地具有噴嘴線或陣列及對(duì)應(yīng)的墨路徑與關(guān)聯(lián)的致動(dòng)器的陣列，并且能夠通過一個(gè)或多個(gè)控制器來獨(dú)立控制從每一個(gè)噴嘴的液滴噴射。打印頭模塊能夠包括被刻蝕以限定泵唧室的物體。泵唧室的一側(cè)是隔膜，該隔膜足夠薄以在由壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)時(shí)屈曲并使泵唧室擴(kuò)張或收縮。將壓電致動(dòng)器支撐于泵唧室之上的隔膜上。壓電致動(dòng)器包括壓電材料層，該壓電材料層響應(yīng)于由一對(duì)對(duì)向電極跨壓電層施加的電壓而改變幾何結(jié)構(gòu)(或致動(dòng))。壓電層的致動(dòng)使得隔膜屈曲，并且隔膜的屈曲由此對(duì)泵唧室中的流體進(jìn)行加壓并最終使微滴噴射出噴嘴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]環(huán)形頂電極相對(duì)于用于向壓電致動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)電流的傳統(tǒng)實(shí)心/中心頂電極具有一些優(yōu)點(diǎn)。然而，直接沉積于壓電層上的環(huán)形頂電極留下了壓電層的未被覆蓋的區(qū)域。未被覆蓋的區(qū)域能夠暴露于能夠使壓電層的質(zhì)量退化并使得壓電致動(dòng)器損壞的濕氣。
[0005]在一方面，噴墨設(shè)備包括由壁界定的泵唧室、設(shè)置于泵唧室以上的壓電層、以及具有環(huán)狀較低部分和環(huán)狀較高部分的環(huán)電極。所述環(huán)狀較低部分設(shè)置于所述壓電層上。所述噴墨設(shè)備包括濕氣阻擋層，所述濕氣阻擋層覆蓋所述泵唧室之上的所述壓電層的未由所述環(huán)電極的所述環(huán)狀較低部分覆蓋的其余部分。所述環(huán)電極的所述環(huán)狀較高部分包括環(huán)狀內(nèi)部較高部分和環(huán)狀外部較高部分。所述環(huán)電極的所述環(huán)狀較低部分包括環(huán)狀內(nèi)部較低部分和環(huán)狀外部較低部分。所述環(huán)狀內(nèi)部較高部分從所述環(huán)狀內(nèi)部較低部分向內(nèi)延伸，以覆蓋所述濕氣阻擋層的由所述環(huán)狀內(nèi)部較低部分圍繞的部分。所述環(huán)狀外部較高部分從所述環(huán)狀外部較低部分向外延伸，以覆蓋所述濕氣阻擋層的圍繞所述環(huán)狀外部部分的部分。
[0006]實(shí)施方式可以包括一個(gè)或多個(gè)以下特征。所述噴墨設(shè)備可以包括至少15 μ m的交疊區(qū)。所述交疊區(qū)包括所述環(huán)狀較低外部部分的橫向延伸區(qū)，所述環(huán)狀較低外部部分向外延伸到所述泵唧室的所述壁之外。所述壓電層可以是濺射的PZT層。所述壓電層可以是體PZT層。所述環(huán)電極可以包括氧化銥層。所述氧化銥層的厚度可以為500nm。所述濕氣阻擋層可以包括Si3N4層。所述濕氣阻擋層可以包括SiO2層。所述Si3N4層可以為IOOnm厚。所述3102層可以為300nm厚。所述噴墨設(shè)備可以包括所述泵唧室與所述壓電層之間的SiO2層。所述噴墨設(shè)備包括參考電極，所述參考電極包括設(shè)置于所述SiO2層與所述壓電層之間的銥層。所述SiO2層可以為I μ m厚并且所述銥層可以為230nm厚。所述環(huán)電極的在所述濕氣阻擋層的部分以上延伸并覆蓋該部分的部分可以為120nm厚?？梢砸呀?jīng)刻蝕并且由濕氣阻擋層覆蓋所述壓電層的在所述環(huán)狀內(nèi)部較低部分內(nèi)的部分。
[0007]在一方面,一種形成噴墨設(shè)備的方法,包括:刻蝕娃基底的第一表面，以形成具有豎直壁的泵唧室；在所述泵唧室以上提供壓電材料層；在所述壓電材料層上沉積濕氣阻擋層；刻蝕所述濕氣阻擋層的部分，以形成暴露所述壓電材料層的環(huán)形窗口 ；以及在所述窗口內(nèi)沉積導(dǎo)電材料，以形成環(huán)電極。所述環(huán)電極包括:環(huán)狀較高部分，具有環(huán)狀內(nèi)部較高部分和環(huán)狀外部較高部分。所述環(huán)電極包括:環(huán)狀較低部分，具有環(huán)狀內(nèi)部較低部分和環(huán)狀外部較低部分。所述環(huán)狀內(nèi)部較高部分從所述環(huán)狀內(nèi)部較低部分向內(nèi)延伸，以覆蓋所述濕氣阻擋層的由所述環(huán)狀內(nèi)部較低部分圍繞的部分。所述環(huán)狀外部較高部分從所述環(huán)狀外部較低部分向外延伸，以覆蓋所述濕氣阻擋層的圍繞所述環(huán)狀較高外部部分的部分。
[0008]實(shí)施方式可以包括一個(gè)或多個(gè)以下特征?？梢栽谒霰眠笫遗c所述壓電材料層之間提供SiO2層。可以在在所述泵唧室以上提供所述壓電材料層之前，在第二表面上沉積導(dǎo)電材料層。
[0009]可以通過將絕緣體上硅(SOI)晶片接合于所述硅基底的所述第一表面上來提供所述SiO2層，所述SOI晶片包括設(shè)備硅層與操作硅層之間的二氧化硅層。在接合所述SOI晶片之后，通過研磨和刻蝕來去除所述操作硅層?？梢酝ㄟ^PECVD來沉積所述濕氣阻擋層。沉積所述濕氣阻擋層包括使用PECVD來沉積Si3N4和Si02。沉積所述濕氣阻擋層包括沉積IOOnm厚的Si3N4層和300nm厚的SiO2層。在所述泵唧室以上提供所述壓電材料層包括濺射PZT。可以刻蝕所述壓電材料層的在所述環(huán)狀內(nèi)部較低部分內(nèi)的部分，以及以濕氣阻擋層覆蓋所刻蝕的壓電材料層的部分。
[0010]在一方面，一種噴墨設(shè)備，包括:泵唧室，由壁橫向界定；下降部，將所述泵唧室的部分流體耦合至噴嘴；壓電層，設(shè)置于所述泵唧室以上；以及電極，在所述壓電層上。所述電極包括導(dǎo)電帶并具有間隙，所述導(dǎo)電帶位于所述泵唧室的周邊部分之上并基本圍繞所述泵唧室的中心部分。所述間隙位于所述下降部正上方。
[0011]實(shí)施方式可以包括一個(gè)或多個(gè)以下特征。導(dǎo)電帶圍繞周邊的至少90%。濕氣阻擋層覆蓋所述泵唧室之上的所述壓電層的未由所述電極的所述導(dǎo)電帶覆蓋的其余部分。
[0012]在附圖及以下描述中提出本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。根據(jù)描述和圖并根據(jù)權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將是明顯的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1A是示范性流體噴射系統(tǒng)的示意性頂視圖；
[0014]圖1B是示范性流體噴射系統(tǒng)的示意性橫截面視圖；
[0015]圖2是另一示范性流體噴射系統(tǒng)的部分的示意性橫截面視圖；
[0016]圖3示例用于實(shí)心(solid) /中心電極和環(huán)電極的示范性驅(qū)動(dòng)波形；
[0017]圖4是另一示范性流體噴射系統(tǒng)的部分的示意性橫截面視圖；
[0018]圖5示例用于制造圖1中示出的示范性流體噴射系統(tǒng)的過程的部分；
[0019]圖6A-C是另一示范性流體噴射系統(tǒng)的部分的示意性頂和橫截面視圖。
【具體實(shí)施方式】[0020]圖1A是示范性流體噴射系統(tǒng)(例如打印頭模塊100)的部分的示意性頂視圖，而圖1B是打印頭模塊100的沿圖1A中的標(biāo)線B-B的示意性橫截面視圖。如圖1B中示出的為壓電致動(dòng)器結(jié)構(gòu)120的部分的第一電極128可以是具有環(huán)狀較上部分155的環(huán)形頂電極。圖1A中的陰影線區(qū)標(biāo)記介電層系統(tǒng)130。第一電極128的邊緣128a覆蓋介電層系統(tǒng)130的部分。第一電極128的在邊緣128a之間的部分沉積在在下壓電層126上并覆蓋在下壓電層126。內(nèi)邊緣128b在第一電極128的由介電層系統(tǒng)130圍繞的頂部以上延伸，如圖1B中所示。第一電極128的頸部分510將第一電極電連接至產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓的電壓源。
[0021]打印頭模塊100包括若干壓電致動(dòng)器結(jié)構(gòu)120和模塊基底110，穿過該模塊基底形成流體通道。模塊基底110能夠是諸如硅基底的單塊半導(dǎo)體物體。穿過硅基底的每一流體通道限定用于待噴射的流體(例如墨)的流動(dòng)路徑(在圖1B的橫截面視圖中僅示出了一個(gè)流動(dòng)路徑和一個(gè)致動(dòng)器)。每一個(gè)流動(dòng)路徑能夠包括流體入口 112、泵唧室114、下降部116、以及噴嘴118。泵唧室114是形成于模塊基底110中的腔。壓電致動(dòng)器結(jié)構(gòu)120包括第二電極層(例如參考電極層124，例如連接至地)、第一電極128、以及設(shè)置于第一和第二電極層之間的壓電層126。
[0022]將壓電致動(dòng)器結(jié)構(gòu)120支撐于(例如結(jié)合至)模塊基底110上。響應(yīng)于跨參考電極層124與第一電極層128之間的壓電層施加的電壓，壓電層126改變幾何結(jié)構(gòu)，或彎曲。泵唧室114的一側(cè)由隔膜123界定。隔膜123是形成于泵唧室114之上的隔膜層122的部分。隔膜123的延伸區(qū)由支撐隔膜123的泵唧室114的邊沿限定。壓電層126的彎曲使隔膜123屈曲，這反過來對(duì)泵唧室114中的流體進(jìn)行加壓，以能夠控制地迫使流體通過下降部116并將流體的液滴噴射出噴嘴118。從而，具有其關(guān)聯(lián)的致動(dòng)器的每一個(gè)流動(dòng)路徑提供逐個(gè)能夠控制的流體噴射器單元。
[0023]參考電極124下面的SiO2層125的存在提高了打印頭模塊100的耐用性。不希望受到理論的約束，增強(qiáng)的耐用性的可能的原因可以歸因于壓電層126包括呈現(xiàn)張應(yīng)力的PZT，而SiO2呈現(xiàn)壓應(yīng)力，的事實(shí)。SiO2層125的存在通過對(duì)抗PZT中可以存在的任何張應(yīng)力來幫助減小打印頭模塊100中的層結(jié)構(gòu)的翹曲。打印頭模塊100的層結(jié)構(gòu)的翹曲的減小提高了耐用性。在一些實(shí)施例中，SiO2層125的存在是可選的。例如，可以通過研磨和/或刻蝕來去除SiO2層125。
[0024]在一些實(shí)施例中，參考電極層124可以包括銥金屬層(例如50至500nm厚，例如230nm厚，的銥金屬層。)在一些實(shí)施例中，參考電極層124是雙層金屬疊層，該雙層金屬疊層包括(例如厚度為10至50nm的TiW的)薄金屬層和Ir金屬層，該薄金屬層接觸SiO2層125并用作至SiO2層125的粘附層，并且Ir金屬層設(shè)置于用作粘附層的薄金屬層上以防止Ir金屬層的剝離。參考電極層能夠是連續(xù)的并且可選地能夠跨過多個(gè)致動(dòng)器。連續(xù)的參考電極能夠是設(shè)置于壓電層126與SiO2層125之間的單個(gè)連續(xù)的導(dǎo)電層。SiO2層125和隔膜123將參考電極層124和壓電層126與泵唧室114中的流體隔離。第一電極層128在壓電層126的與參考電極層124相對(duì)的側(cè)上。第一電極層128包括用作用于壓電致動(dòng)器結(jié)構(gòu)120的驅(qū)動(dòng)電極的構(gòu)圖的導(dǎo)電片。
[0025]壓電層126能夠包括基本平坦的壓電材料，諸如是鋯鈦酸鉛(“PZT”)膜。壓電材料的厚度在容許壓電層響應(yīng)于施加的電壓而屈曲的范圍內(nèi)。例如，壓電材料的厚度能夠在從約0.5至25微米的范圍中，諸如是約I至7微米。壓電材料能夠延伸到泵唧室114之上的隔膜123的區(qū)域外。壓電材料能夠跨過模塊基底中的多個(gè)泵唧室。替代地，壓電材料能夠在未覆蓋在泵唧室上的區(qū)中包括切口，以將不同致動(dòng)器的壓電材料彼此分割并減小串?dāng)_。
[0026]壓電層126能夠包括PZT。PZT可以是體晶體形式，或可以例如使用RF濺射將其濺射在參考電極層上以形成濺射的PZT膜。在一些實(shí)施例中，壓電層126是0.5至25微米厚，例如I至7微米厚，例如3微米厚，的濺射的PZT膜。該P(yáng)ZT膜具有高的壓電系數(shù)并且能夠?qū)⑵渲圃鞛榫哂械偷暮穸茸兓?例如，跨6英寸的硅晶片小于+/-5%的厚度變化)。PZT膜可以具有高的Nb摻雜物含量(例如13%)，這導(dǎo)致比現(xiàn)有技術(shù)濺射的PZT膜高(例如70%)的壓電系數(shù)。PZT膜可以是具有(100)取向的鈣鈦礦相，其部分地是其高壓電性能的原因。濺射沉積的類型能夠包括磁控濺射沉積(例如RF濺射)、離子束濺射、反應(yīng)濺射、離子輔助沉積、高祀利用派射(high-target-utilization)、以及高功率脈沖磁控派射。派射的壓電材料(例如壓電薄膜)能夠具有大的沉積態(tài)(as-deposited)極化。在一些實(shí)施例中，使用該方法產(chǎn)生的壓電層產(chǎn)生的壓電層的極化方向(poling direction)能夠從參考電極層124指向第一電極層128,例如,基本垂直于平坦壓電層126。
[0027]—旦已經(jīng)極化了壓電材料，則跨壓電材料的電場(chǎng)的施加可以使得壓電材料能夠變形。例如，圖1B中的第一電極128與參考電極124之間的負(fù)電壓差導(dǎo)致壓電層126中的電場(chǎng)，該電場(chǎng)基本指向與極化方向相同的方向。響應(yīng)于該電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電極與參考電極之間的壓電材料豎直擴(kuò)張并且橫向收縮，使得泵唧室之上的壓電膜屈曲。替代地，圖1B中的驅(qū)動(dòng)電極與參考電極之間的正電壓差導(dǎo)致壓電層126內(nèi)的電場(chǎng)，該電場(chǎng)指向與極化方向基本相反的方向。響應(yīng)于該電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電極與參考電極之間的壓電材料豎直收縮并且橫向擴(kuò)張，使得泵唧室之上的壓電膜在相反方向上屈曲。偏轉(zhuǎn)的方向和形狀取決于驅(qū)動(dòng)電極的形狀和跨過泵唧室之上的隔膜的壓電膜的自然彎曲模式。
[0028]濕氣阻擋層130覆蓋泵唧室114之上的壓電層126的未由第一電極128覆蓋的其余部分。濕氣阻擋層130可以包括兩種不同的介電材料(即介電雙層系統(tǒng))。例如，可以在使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)將SiO2的第二層(例如10至IOOOnm厚，例如200-300nm的SiO2)沉積在Si3N4層上之前，通過PECVD將Si3N4的第一層(例如10至500nm厚，例如IOOnm的Si3N4)沉積在壓電層126上。也能夠使用不同的沉積工藝來沉積濕氣阻擋層，不同的沉積工藝諸如是原子層沉積(ALD)、或PECVD與ALD的組合。能夠使用PECVD或ALD工藝來沉積適合于用作濕氣阻擋層130的材料(例如Si02、Si3N4、和Al2O3X其中壓電層的部分直接暴露于大氣的設(shè)備中的潛在問題是流體噴射設(shè)備能夠相對(duì)迅速地?fù)p壞，例如在操作的最初幾分鐘內(nèi)損壞。不限于任何特定理論，濺射的PZT對(duì)濕氣敏感，并且設(shè)備的該迅速損壞暗示壓電層的歸因于濕氣的退化。通過給壓電層的未由第一電極128覆蓋的區(qū)中的壓電層126提供對(duì)抗環(huán)境的濕氣阻擋層，圖1B中示出的濕氣阻擋層130減少了(例如基本消除)濕氣損傷的此問題。濕氣阻擋層130還減少了(例如基本消除)來自PZT的鉛(Pb)擴(kuò)散以及氧擴(kuò)散。使用濕氣阻擋層130，打印頭模塊100預(yù)期具有足夠長(zhǎng)的壽命來噴射5X IO11個(gè)脈沖。
[0029]在一些實(shí)施例中，如圖2中所示，能夠?qū)⒏郊訉?，例如ALD阻擋物410 (例如Al2O3)沉積在濕氣阻擋層130和第一電極128之上，以進(jìn)一步提高對(duì)濕氣的防御。以200-300°C的升高的溫度沉積ALD層提高了其作為濕氣阻擋物的質(zhì)量。不希望受到理論的約束，顆粒尺寸的歸因于升高的溫度的縮小可以導(dǎo)致較好的濕氣阻擋物，如較致密的膜呈現(xiàn)較好的機(jī)械和電性質(zhì)。ALD層410可以是10至IOOOnm厚(例如120nm)。然而，歸因于ALD阻擋物的存在，可以存在隔膜123的移位的減小。所以，第一電極128為基底上的暴露的外層可以是有利的。
[0030]可以首先使用PECVD將濕氣阻擋層130作為單個(gè)連續(xù)膜沉積在壓電層126頂上。然后將環(huán)狀窗口區(qū)刻蝕到濕氣阻擋層130中。能夠?qū)?dǎo)電材料沉積到刻蝕的窗口區(qū)中，以形成與壓電層126直接接觸的第一電極層128。圖1A中描繪的實(shí)施例將第一電極層128示為環(huán)形電極。在此情況下，在以導(dǎo)電材料填充刻蝕的空間以形成第一電極128之前，將環(huán)形窗口區(qū)刻蝕到介電區(qū)中。
[0031]圖1B中示出的環(huán)形電極包括環(huán)狀較低部分150和環(huán)狀較高部分155。環(huán)狀較低部分150設(shè)置在壓電層126上。環(huán)狀較高部分155包括環(huán)狀內(nèi)部較高部分156和環(huán)狀外部較高部分157。環(huán)狀較低部分150包括環(huán)狀內(nèi)部較低部分151和環(huán)狀外部較低部分152。環(huán)狀內(nèi)部較高部分156從環(huán)狀內(nèi)部較低部分151向內(nèi)延伸以覆蓋濕氣阻擋層130的由環(huán)狀內(nèi)部較低部分151圍繞的部分。環(huán)狀外部較高部分157從環(huán)狀外部較低部分152向外延伸以覆蓋濕氣阻擋層130的圍繞環(huán)狀外部較低部分152的部分。第一電極128由另一光刻(分開的掩模)和刻蝕步驟限定。在一些實(shí)施例中，第一電極128的在濕氣阻擋層以上延伸的部分161為50nm至5000nm厚，例如IOOnm至2000nm厚。部分161確保處理步驟期間小的失準(zhǔn)不會(huì)使得壓電層126的部分被暴露。
[0032]第一電極128可以包括氧化銥(IrOx)。不限于任何特定理論，如果第一電極128包含鈦鎢或金(TiW/Au)，則化學(xué)結(jié)合于PZT內(nèi)的氧可以擴(kuò)散至TiW，在界面處的PZT中引起氧缺乏。PZT中的氧缺乏導(dǎo)致PZT的退化，這反過來減小了致動(dòng)器的效率。氧化銥作為第一電極的使用減少了(例如基本消除)PZT中的氧缺乏的問題。另外，甚至在高的溫度，氧化銥也不與PZT反應(yīng)。除其化學(xué)惰性外，氧化銥還具有低得多的水蒸氣穿透率。此外，氧化銥還具有對(duì)PZT的好的粘附性。相比而言，TiW與PZT反應(yīng)，導(dǎo)致引起PZT的退化的PZT中的氧缺乏。金屬銥是高應(yīng)力材料并且在用作第一電極時(shí)受到剝離的影像。
[0033]第一電極128和參考電極124電耦合至控制器180，控制器180在流體噴射周期中的合適的時(shí)間并以合適的持續(xù)時(shí)間，供應(yīng)跨壓電層126的電壓差。典型地，在操作期間，例如在起始脈沖(firing pulse)期間，參考電極上的電位保持恒定，或跨所有致動(dòng)器以相同電壓波形對(duì)其進(jìn)行共同控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電極(例如第一電極128)上的施加的電壓低于參考電極上施加的電壓時(shí)，存在負(fù)電壓差。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電極(例如第一電極128)上的施加的電壓高于參考電極上施加的電壓時(shí)，存在正電壓差。在該實(shí)施方式中，相對(duì)于施加至參考電極的電壓量度施加至驅(qū)動(dòng)電極(例如第一電極128)的“驅(qū)動(dòng)電壓”或“驅(qū)動(dòng)電壓脈沖”，以實(shí)現(xiàn)用于壓電致動(dòng)的期望的驅(qū)動(dòng)電壓波形。
[0034]壓電致動(dòng)器結(jié)構(gòu)120受到控制器180的控制，控制器180電耦合至第一電極128和參考電極124?？刂破?80能夠包括一個(gè)或多個(gè)波形生成器，該一個(gè)或多個(gè)波形生成器向第一電極128供應(yīng)合適的電壓脈沖以在微滴噴射周期期間在期望的方向上偏轉(zhuǎn)隔膜123?？刂破?80還能夠耦合至用于控制驅(qū)動(dòng)電壓脈沖的定時(shí)、持續(xù)時(shí)間、和強(qiáng)度的計(jì)算機(jī)或處理器。
[0035]通常，在流體噴射周期期間，泵唧室首先擴(kuò)張以從流體供應(yīng)物吸取流體，并且然后收縮以從噴嘴噴射流體微滴。在具有實(shí)心/中心驅(qū)動(dòng)電極和參考電極的系統(tǒng)中，流體噴射周期包括首先向驅(qū)動(dòng)電極施加正電壓脈沖，以使泵唧室114擴(kuò)張，并且然后向驅(qū)動(dòng)電極施加負(fù)電壓脈沖，以使泵唧室114收縮。替代地，將單個(gè)正電壓脈沖施加至驅(qū)動(dòng)電極，以使泵唧室擴(kuò)張并且吸取流體，并且在脈沖結(jié)束時(shí)，泵唧室從膨脹的狀態(tài)收縮回至松弛的狀態(tài)并噴射流體液滴。
[0036]使用實(shí)心/中心驅(qū)動(dòng)電極使泵唧室從松弛狀態(tài)擴(kuò)張需要跨實(shí)心/中心驅(qū)動(dòng)電極與參考電極之間的壓電層施加正電壓差。在濺射的PZT的情況下，利用該正驅(qū)動(dòng)電壓差的一個(gè)缺陷是在壓電層中生成的電場(chǎng)在與壓電材料的極化方向相反的方向上指向。正電壓差的重復(fù)施加將引起壓電層的部分去極化并隨時(shí)間減小致動(dòng)器的效力和功效。
[0037]為了避免使用正驅(qū)動(dòng)電壓差，能夠相對(duì)于參考電極將驅(qū)動(dòng)電極保持在靜態(tài)負(fù)偏置，并且能夠僅在流體噴射周期的擴(kuò)張階段期間使驅(qū)動(dòng)電極恢復(fù)至中性。在該實(shí)施例中，通過閑置時(shí)實(shí)心/中心驅(qū)動(dòng)電極上的靜態(tài)負(fù)偏置使泵唧室保持在預(yù)壓縮狀態(tài)。在流體噴射周期期間，在時(shí)間段Tl從實(shí)心/中心驅(qū)動(dòng)電極去除負(fù)電壓偏置，并且然后重復(fù)施加直至下一流體噴射周期的開始。當(dāng)從實(shí)心/中心驅(qū)動(dòng)電極去除負(fù)偏置時(shí)，泵唧室從預(yù)壓縮狀態(tài)擴(kuò)張至松弛狀態(tài)并從入口吸取流體。在時(shí)間段Tl之后，將負(fù)偏置重復(fù)施加至實(shí)心中心驅(qū)動(dòng)電極并且泵唧室從松弛狀態(tài)收縮至預(yù)壓縮狀態(tài)并從噴嘴噴射微滴。此交替的驅(qū)動(dòng)方法消除了在驅(qū)動(dòng)電極與參考電極之間施加正電壓差的需要。然而，對(duì)負(fù)靜態(tài)偏置和恒定內(nèi)應(yīng)力的延長(zhǎng)的暴露能夠引起壓電材料的劣化。
[0038]環(huán)形第一電極相對(duì)于實(shí)心/中心電極具有以下優(yōu)點(diǎn)。環(huán)形第一電極能夠消除流體噴射周期中對(duì)正驅(qū)動(dòng)電壓的需要和閑置時(shí)維持靜態(tài)負(fù)偏置的需要。圖3示出了用于驅(qū)動(dòng)實(shí)心/中心電極和環(huán)形第一電極的不同驅(qū)動(dòng)波形。45V的幅度用于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)波形中以用于高度加速的耐用性測(cè)試的條件下研究系統(tǒng)的性能。對(duì)于正常的噴墨操作，使用約20V的電壓幅度。如所示，環(huán)形第一電極經(jīng)歷較短的高電壓狀態(tài)持續(xù)時(shí)間(例如與實(shí)心/中心電極相t匕，小于負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓的持續(xù)時(shí)間的三分之一(即22%的時(shí)間對(duì)比68%的時(shí)間))。這歸因于環(huán)形第一電極創(chuàng)建相反偏轉(zhuǎn)作為實(shí)心/中心驅(qū)動(dòng)電極，負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓差能夠用于在泵唧室中實(shí)現(xiàn)相同的流體噴射周期的事實(shí)。另外，也無需在驅(qū)動(dòng)電極上維持靜態(tài)負(fù)偏置來實(shí)現(xiàn)泵唧動(dòng)作。能夠在U.S.8061820中找到關(guān)于環(huán)電極與實(shí)心/中心電極之間的差的更多細(xì)節(jié)，于此通過引用美國專利N0.8061820的全部并入了美國專利N0.8061820。當(dāng)存在較低的電容耦合，使得電功率不耦合至不活動(dòng)的(inaCtive)PZT，而是僅耦合至對(duì)泵唧室114之上的隔膜123的屈曲起作用的PZT時(shí)，致動(dòng)器結(jié)構(gòu)120更有效。
[0039]環(huán)電極可以經(jīng)歷環(huán)電極的頸部510處的局部機(jī)械應(yīng)力和增加的失效，如圖3中所示。為了減小局部機(jī)械應(yīng)力，需要優(yōu)化環(huán)電極的寬度、其至泵唧室的邊沿的距離以及其至電介質(zhì)的交疊區(qū)。典型地，環(huán)電極的內(nèi)部邊沿Rie是泵唧室Rp。的半徑的約70-75%。這些參數(shù)標(biāo)注于圖1B中。環(huán)電極的寬度從Rie伸展至泵唧室的邊沿，并且還包括用于交疊區(qū)170的附加10-15微米。例如，如果環(huán)電極的內(nèi)部邊沿設(shè)計(jì)為位于Rp。的75%處并且Rp。= 100微米，則Rie = 75微米(從泵唧室的中心測(cè)量)。于是電極的寬度將是泵唧室的邊沿與Rie之間的距離和交疊區(qū)170的總和，泵唧室的邊沿與Rie之間的距離即(Rpc; — Rie)。在以上范例中，Rpc - Rie為25微米，并且交疊區(qū)170可以為10-15微米，此情況下環(huán)電極的寬度于是將在35-40微米之間。
[0040]為了減小局部電損壞，需要優(yōu)化環(huán)電極的形狀，特別是在環(huán)的角處，以確保減少或消除銳利的金屬邊沿。優(yōu)化的形狀的范例是圓、橢圓、或成圓形的多邊形，諸如成圓形的六角形。
[0041]并入了雙層介電結(jié)構(gòu)以最小化針孔效應(yīng)。針孔是穿過沉積層的微孔，其是沉積過程的結(jié)果。要避免針孔，因?yàn)樗鼈內(nèi)菰S材料通過并到達(dá)在下層。雙層減小了針孔效應(yīng)的機(jī)會(huì)，因?yàn)椴煌牧蠈⒕哂胁煌某练e特性并且從而不同的材料不可能在相同位置形成針孔；第一層將覆蓋可以存在于底層中的任何針孔。
[0042]如圖5中所示的，通過首先刻蝕腔來形成打印頭模塊100，每一個(gè)腔在模炔基底110 (例如基底晶片)中形成泵唧室114。在刻蝕之后，將具有設(shè)備硅層222的SOI晶片200接合至含有泵唧室114的模炔基底110。SOI晶片200包括設(shè)備硅層222、操作硅層(handlesilicon layer)210以及SiO2層223。隨后通過刻蝕和/或研磨來去除操作硅層210，使得SOI晶片200的SiO2層223變?yōu)楸Ａ粲诖蛴☆^模塊100上的SiO2層125 (示于圖1B中)。SiO2層125可以是0.1至2μπι厚，例如I微米厚。在一些實(shí)施方式中，分開制造壓電致動(dòng)器結(jié)構(gòu)120，并且然后將其固定(例如接合)至模炔基底110中的SiO2層125。在一些實(shí)施方式中，能夠通過順序地將各層沉積到SiO2層125上來將壓電致動(dòng)器結(jié)構(gòu)120制造到泵唧室114之上適當(dāng)?shù)牡胤健?br> [0043]奪疊區(qū)
[0044]限定為環(huán)狀外部較低部分152的橫向延伸區(qū)的交疊區(qū)170向外延伸到泵唧室114的壁以外，示于圖1B中。能夠使得交疊區(qū)170大至5至30 μ m，例如15微米。當(dāng)交疊區(qū)從10微米增大至15微米時(shí)， 對(duì)于3微米厚的濺射的PZT層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果示出了從泵唧室114的體積移位的6%的增大。對(duì)于15微米的交疊區(qū)，當(dāng)已經(jīng)刻蝕了位于環(huán)電極的內(nèi)部直徑內(nèi)的PZT時(shí)，如圖4中所示，則存在從泵唧室114的體積移位的18%的增大。不希望受到理論的約束，認(rèn)為增大的體積移位歸因于泵唧室114的對(duì)較大交疊區(qū)起作用的邊沿處的較硬的邊界。通過使邊界保持硬，并且隔膜123的中心保持柔性，能夠更有效地引導(dǎo)機(jī)械能量以使泵唧室以上的隔膜123的中心屈曲，使得從泵唧室的體積移位增大。通過標(biāo)準(zhǔn)有限元(FE)模擬不能預(yù)測(cè)體積移位的該增大，因?yàn)檫@些模擬假定完美的邊界條件，這是不現(xiàn)實(shí)的。使用考慮交疊區(qū)的建模，計(jì)算出具有10微米交疊區(qū)的環(huán)電極將實(shí)現(xiàn)實(shí)心/中心電極的89 %的體積移位。具有20微米交疊區(qū)的環(huán)電極將具有實(shí)心/中心電極的96%的體積移位。
[0045]其它JL何結(jié)構(gòu)
[0046]除圖1B中示出的環(huán)電極幾何結(jié)構(gòu)外，能夠使用圖1B中示出的實(shí)施例的材料和濕氣阻擋層130采用其它幾何結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，能夠如圖4中所示地進(jìn)一步刻蝕位于環(huán)形第一電極128的內(nèi)部直徑內(nèi)的壓電層(即“內(nèi)部PZT”)。包含內(nèi)部PZT的刻蝕的部分由濕氣阻擋層630覆蓋。如以上討論的，與具有僅10微米交疊區(qū)并且沒有進(jìn)一步刻蝕內(nèi)部PZT的配置相比，也具有15微米的交疊區(qū)670的圖4中所示的配置提供體積移位的18%的增大。內(nèi)部PZT的刻蝕改變分層的致動(dòng)器結(jié)構(gòu)620的柔順性，并且更改了結(jié)構(gòu)的共振頻率。例如，與其中沒有刻蝕掉內(nèi)部PZT的配置相比，對(duì)于這些配置，歸因于較小的質(zhì)量，共振頻率可以高達(dá)高16%。
[0047]在一些實(shí)施例中，第一電極能夠是圖6A中所示的C形電極728。C形電極728具有位于下降部718正上方(vertically above)的間隙740，下降部718將泵唧室714的部分流體耦合至噴嘴，如圖6C中所示。將C形電極728沉積在壓電層726上，并且C形電極728包括位于泵唧室714的周邊750之上并基本圍繞泵唧室714的中心部分的導(dǎo)電帶。基本圍繞能夠包括圍繞周邊的至少90%，例如至少95%，至少97%。導(dǎo)電帶能夠包括氧化銥。圖6A還包括介電系統(tǒng)730。
[0048]遍及說明書和權(quán)利要求的諸如“正面”和“背面”、“頂”和“底”、或“水平”和“豎直”的術(shù)語是為了區(qū)別打印頭模塊和于此描述的其它元件的各種部件的相對(duì)位置或取向，并且不意指打印頭模塊相對(duì)于重力的特定取向。
[0049]其它實(shí)施方式也在以下權(quán)利要求內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種噴墨設(shè)備，包括: 栗卿室，由壁界定； 壓電層，設(shè)置在所述泵唧室以上； 環(huán)電極，具有環(huán)狀較低部分和環(huán)狀較高部分，所述環(huán)狀較低部分設(shè)置在所述壓電層上；以及 濕氣阻擋層，覆蓋所述泵唧室之上的所述壓電層的未由所述環(huán)電極的所述環(huán)狀較低部分覆蓋的其余部分，其中: 所述環(huán)電極的所述環(huán)狀較高部分包括環(huán)狀內(nèi)部較高部分和環(huán)狀外部較高部分； 所述環(huán)電極的所述環(huán)狀較低部分包括環(huán)狀內(nèi)部較低部分和環(huán)狀外部較低部分； 所述環(huán)狀內(nèi)部較高部分從所述環(huán)狀內(nèi)部較低部分向內(nèi)延伸，以覆蓋所述濕氣阻擋層的由所述環(huán)狀內(nèi)部較低部分圍繞的部分，以及 所述環(huán)狀外部較高部分從所述環(huán)狀外部較低部分向外延伸，以覆蓋所述濕氣阻擋層的圍繞所述環(huán)狀外部較低部分的部分。
2.如權(quán)利要求1所述的噴墨設(shè)備，包括至少15μ m的交疊區(qū)，其中，所述交疊區(qū)包括所述環(huán)狀外部較低部分的向外延伸到所述泵唧室的所述壁之外的橫向延伸區(qū)。
3.如權(quán)利要求1所述的噴墨設(shè)備，其中，所述壓電層是濺射的PZT層。
4.如權(quán)利要求1所述的噴墨設(shè)備，其中，所述環(huán)電極包括氧化銥層。
5.如權(quán)利要求4所述的噴墨設(shè)備，其中，所述氧化銥層的厚度為500nm。
6.如權(quán)利要求1所述的噴墨設(shè)備，其中，所述濕氣阻擋層包括Si3N4層。
7.如權(quán)利要求6所述的噴墨設(shè)備，其中，所述濕氣阻擋層還包括SiO2層。
8.如權(quán)利要求6所述的噴墨設(shè)備，其中，所述Si3N4層為IOOnm厚。
9.如權(quán)利要求7所述的噴墨設(shè)備，其中，所述SiO2為300nm厚。
10.如權(quán)利要求1所述的噴墨設(shè)備，還包括所述泵唧室與所述壓電層之間的SiO2層。
11.如權(quán)利要求10所述的噴墨設(shè)備，還包括參考電極，所述參考電極包括設(shè)置于所述SiO2層與所述壓電層之間的銥層。
12.如權(quán)利要求1所述的噴墨設(shè)備，其中，所述環(huán)電極的在所述濕氣阻擋層的部分以上延伸并覆蓋所述濕氣阻擋層的所述部分的部分為120nm厚。
13.如權(quán)利要求1所述的噴墨設(shè)備，其中，已經(jīng)刻蝕并且由濕氣阻擋層覆蓋所述壓電層的在所述環(huán)狀內(nèi)部較低部分內(nèi)的部分。
14.一種用于形成噴墨設(shè)備的方法，包括: 刻蝕娃基底的第一表面，以形成具有豎直壁的泵唧室； 在所述泵唧室以上提供壓電材料層； 在所述壓電材料層上沉積濕氣阻擋層； 刻蝕所述濕氣阻擋層的部分，以形成暴露所述壓電材料層的環(huán)形窗口 ；以及 在所述窗口內(nèi)沉積導(dǎo)電材料，以形成環(huán)電極，其中: 所述環(huán)電極包括: 環(huán)狀較高部分，具有環(huán)狀內(nèi)部較高部分和環(huán)狀外部較高部分；以及 環(huán)狀較低部分，具有環(huán)狀內(nèi)部較低部分和環(huán)狀外部較低部分，其中: 所述環(huán)狀內(nèi)部較高部分從所述環(huán)狀內(nèi)部較低部分向內(nèi)延伸，以覆蓋所述濕氣阻擋層的由所述環(huán)狀內(nèi)部較低部分圍繞的部分，以及 所述環(huán)狀外部較高部分從所述環(huán)狀外部較低部分向外延伸，以覆蓋所述濕氣阻擋層的圍繞所述環(huán)狀外部較低部分的部分。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括: 在所述泵唧室與所述壓電材料層之間提供SiO2層，以及 在在所述泵唧室以上提供所述壓電材料層之前，在第二表面上沉積導(dǎo)電材料層。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，通過將絕緣體上硅(SOI)晶片接合于所述硅基底的所述第一表面上來提供所述SiO2層，所述SOI晶片包括設(shè)備硅層與操作硅層之間的二氧化娃層， 在接合所述SOI晶片之后，通過研磨和刻蝕來去除所述操作硅層。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，沉積所述濕氣阻擋層包括使用PECVD來沉積Si3N4 和 SiO2。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，在所述泵唧室以上提供所述壓電材料層包括提供濺射的PZT層。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括: 刻蝕所述壓電材料層的在所述環(huán)狀內(nèi)部較低部分內(nèi)的部分；以及 以濕氣阻擋層覆蓋所刻蝕的壓電材料層的所述部分。
20.—種噴墨設(shè)備，包括: 泵唧室，由壁橫向界定； 下降部，將所述泵唧室的部分流體耦合至噴嘴； 壓電層，設(shè)置于所述泵唧室以上；以及 電極，在所述壓電層上，所述電極包括導(dǎo)電帶并具有間隙，所述導(dǎo)電帶位于所述泵唧室的周邊部分之上并基本圍繞所述泵唧室的中心部分，其中，所述間隙位于所述下降部正上方。
【文檔編號(hào)】H01L41/047GK104015482SQ201410066703
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月28日
【發(fā)明者】李有明, 菱沼慶一, J·比克邁爾 申請(qǐng)人:富士膠片株式會(huì)社