[发明专利]一种基于压电悬臂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悬臂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。

一种已有的压电式液体喷头，采用多层的压电叉指作为驱动器，垂直的放置于微槽道顶部的外表面。当在驱动器上施加电压时，每个叉指的长度发生伸缩变化，垂直的挤压每个微槽道的上壁，从而改变槽道腔内容积的大小，使液体从喷孔喷射出去。这种压电喷头中采用压电叉指长度的伸缩变化改变槽道容积的大小。但是，压电叉指长度的变化较小，增加其长度变化需大大增加叉指的长度，或大大的增加驱动电压。这样会带来叉指易折断、组装困难等一系列问题。另外，这种驱动器制作难度较大，驱动器与微槽道等其它部件的组装困难，要求精度高，制作效率低，成本高。

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。

最近提出的一种压电悬臂梁式液体喷头克服了上述压电喷头存在的问题。它采用压电悬臂梁在微槽道的上部或中间直接驱动微槽道中的液体从微喷孔中喷出。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，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。同时，由于压电悬臂梁在电压的激励下产生的是偏转形变，其变形量也远大于压电叉指在叉指方向的直接伸缩形变。此外，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，在这种压电悬臂梁式液体喷头中，压电悬臂梁在微槽道的上部或中间直接驱动微槽道中的液体，压电悬臂梁直接与液体相接触。这要求压电悬臂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，由于压电悬臂梁周边存在缝隙，微槽道中的液体会在压电悬臂梁动作时，通过悬臂梁周边的缝隙上下流动，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悬臂梁和柔性薄膜的液体喷头。主要结构包括压电悬臂梁、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、下电极的压电悬臂梁在微槽道顶部柔性薄膜的外部平行放置或与柔性薄膜的夹角为锐角，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、压电悬臂梁相结合构成液体喷射结构；在电压的驱动下，压电悬臂梁发生偏转形变，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。

所述压电悬臂梁的一端或一侧与衬底相连，作为悬臂梁的固定支撑端，悬臂梁其它部分为悬空可动。

所述压电悬臂梁为包含压电层和非压电层的多层复合结构，其中至少包含一层压电层及其上、下电极层。

所述压电悬臂梁中的各层，覆盖整个悬臂梁，或部分地分布于悬臂梁上。

所述柔性薄膜为有机薄膜材料，或掺入添加剂的有机薄膜材料。