壓電致動器和制造壓電致動器的方法
【專利摘要】在一個示例中，壓電致動器包括壓電材料、在壓電材料的第一部分上的第一導(dǎo)體、以及利用粘合劑結(jié)合到第一導(dǎo)體的膜。第一導(dǎo)體在與膜的結(jié)合界面處具有至少10nm的均方根表面粗糙度。
【專利說明】壓電致動器和制造壓電致動器的方法

【背景技術(shù)】
[0001]壓電式噴墨打印機(jī)使用壓電材料致動器在填有墨的室中生成壓力脈沖以迫使墨滴離開室。用于噴墨打印頭的壓電致動器通過將壓電材料附接到覆蓋打印頭中的壓力室的膜而制造。導(dǎo)體形成于壓電材料上以選擇性地生成用于使壓電材料變形的所需電場，該電場將膜彎曲到壓力室中的每一個內(nèi)以迫使墨滴離開室。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0002]圖1是示出可在其中實施新型壓電致動器的示例的噴墨打印機(jī)的框圖。
[0003]圖2和圖3分別是側(cè)剖視圖和平面剖視圖，示出了并入新型壓電致動器的一個示例的打印頭的一部分。
[0004]圖4是詳圖，示出了在圖2的壓電致動器中的壓電材料和膜之間的粘合劑結(jié)合界面的一個示例。
[0005]圖5是流程圖，示出了用于制造壓電致動器的新方法的一個示例。
[0006]圖6-11是剖視圖，并且圖12是流程圖，示出了用于制造壓電致動器的新方法的另一個示例。
[0007]貫穿附圖，相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示相同或類似的部件。

【具體實施方式】
[0008]所示出和描述的示例示出但不限制本發(fā)明，本發(fā)明在本說明書之后的權(quán)利要求中被限定。
[0009]粘合劑結(jié)合在壓電致動器和其它MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))裝置中被普遍地使用。強(qiáng)效而可靠的粘合劑結(jié)合在壓電致動器中特別需要的，其中，該結(jié)合有助于將機(jī)械能從壓電材料轉(zhuǎn)移到另一部件。已經(jīng)開發(fā)出新的粗糙結(jié)構(gòu)和制造工藝來幫助改善在用于噴墨打印頭的壓電致動器中的壓電材料和膜之間的粘合劑結(jié)合。然而，新的結(jié)構(gòu)和工藝不限于在噴墨打印頭中實施，而且可能在用于在其它裝置或環(huán)境中使用的壓電致動器中實施。
[0010]在新結(jié)構(gòu)的一個示例中，壓電致動器包括結(jié)合到壓電材料上的導(dǎo)體之一的膜粘合齊U。該導(dǎo)體在與膜的結(jié)合界面處具有至少1nm的均方根表面粗糙度。在特別適合用于噴墨打印頭的致動器的一個實施中，粗糙表面由涂有錫(Sn)的鎳(Ni)或鎳合金(例如，NiV)組成。在新制造工藝的一個示例中，將錫的涂層沉積在鎳或鎳合金的層上，然后在必要時或者希望使復(fù)合膜穩(wěn)定時將結(jié)構(gòu)退火，通過這種方式來形成在結(jié)合界面處的粗糙導(dǎo)體表面。期望的是，其它低熔點金屬涂層，諸如在能移動到所述金屬涂層中的鎳或其它10或11族金屬導(dǎo)體上的銦(In)、鋅(Zn)和鉛(Pb)，也可能用來形成所需的粗糙導(dǎo)體結(jié)合表面。
[0011]如本文所用，“液體”意指主要不由一種或多種氣體構(gòu)成的流體，“膜”意指柔韌的片材或?qū)?，并且“打印頭”意指從一個或多個開口分配液體的噴墨打印機(jī)或其它噴墨式分配器的一部分?！按蛴☆^”不限于利用墨打印，而是包括其它液體的噴墨式分配和/或用于除打印之外的用途。另外，如本文所用，諸如“頂部”和“底部”的方向術(shù)語是指所描述的圖中所示的部件的取向。該部件在另一個圖中或不同環(huán)境中可具有不同的取向，例如，部件可在制造期間定向成一種方式，而在操作期間定向成不同方式。一部件在另一部件“上方”包括該部件在另一部件之上、之下或側(cè)面，并且因此不依賴于兩部件一起的任何特定取向。一部件在另一部件“上”包括該部件直接在另一部件上(無居間部件)或間接地在另一部件(居間部件)上。
[0012]現(xiàn)在參看圖1的框圖，噴墨打印機(jī)10包括壓電打印頭14的陣列12，該打印頭14結(jié)合了新的粗糙結(jié)構(gòu)以用于改善在壓電致動器中的壓電材料和膜之間的結(jié)合，如下文詳細(xì)描述的。打印機(jī)10也包括墨源16、打印介質(zhì)輸送機(jī)構(gòu)18和打印機(jī)控制器20?？刂破?0大體上表示編程、處理器和相關(guān)聯(lián)的存儲器、以及控制打印機(jī)10的操作元件所需的電子電路和部件。在操作中，打印機(jī)控制器20以合適的順序選擇性地激勵打印頭中的壓電致動器，以將墨以對應(yīng)于所需打印圖像的圖案噴射到打印介質(zhì)22上。打印頭陣列12和墨源16可作為單個單元容納在一起，或者它們可包括單獨的單元。打印頭陣列12可以是跨越打印介質(zhì)22的寬度的靜止的較大單元(帶有或不帶有墨源16)。備選地，打印頭陣列12可以是在可移動的滑架上橫跨介質(zhì)22的寬度來回掃描的較小的單元。
[0013]圖2和圖3分別是側(cè)剖視圖和平面剖視圖，示出了實施諸如可能在圖1的打印機(jī)中使用那樣的新壓電致動器24的一個示例的打印頭14的一部分。圖4是取自圖2的詳圖，示出了在壓電致動器24中的壓電材料和膜之間的粘合劑結(jié)合界面的一個示例。首先參看圖2和圖3，每個致動器24覆蓋通道結(jié)構(gòu)28中的對應(yīng)壓力室26，墨(或其它液體)通過該通道結(jié)構(gòu)供應(yīng)至壓力室26和從壓力室26分配。每個致動器24包括壓電陶瓷板或其它合適的壓電材料30、形成于壓電材料30的一部分上的公共導(dǎo)體32、以及形成于壓電材料30的另一部分上的獨立導(dǎo)體34。在所示示例中，壓電材料30通過在導(dǎo)體34和膜36之間的粘合劑結(jié)合38間接地附接到覆蓋壓力室26的玻璃片或其它合適的膜36。
[0014]同樣在所示示例中，公共導(dǎo)體32形成于壓電材料30的頂部上，并且獨立導(dǎo)體34形成于壓電材料30的底部上。其它合適的配置是可能的。舉另一示例來說，公共導(dǎo)體可形成于壓電材料30的底部上，并且相應(yīng)地，壓電材料將通過公共導(dǎo)體附接到膜。如圖3所示，每個獨立導(dǎo)體34可以是與每個壓力室26相同形狀的，在該示例中為圓形的。在操作中，在壓力室26填充有墨(或另一種液體)的情況下，電壓被施加到特定的獨立導(dǎo)體34以在該導(dǎo)體34和公共導(dǎo)體32之間在壓電材料30中生成電場。該局部電場造成壓電材料30在對應(yīng)的壓力室26上方的區(qū)域中變形，從而使膜36彎曲到壓力室26中以將膜通過孔口 40擠出。
[0015]現(xiàn)在參看圖4的詳圖，每個獨立導(dǎo)體34包括金屬基本層42和金屬涂層44。涂層44在與膜36的結(jié)合界面48處形成有粗糙表面46。表面46在結(jié)合界面48處具有至少1nm的RMS(均方根)表面粗糙度。測試表明，相比常規(guī)的結(jié)合表面，較低的粗糙度不太可能提高結(jié)合的強(qiáng)度。在用于導(dǎo)體34的一種具體實施中，鎳或鎳合金基本層42被錫涂層44覆蓋。用錫44涂布鎳基本層42形成足夠粗糙的表面46，以用于到膜36的穩(wěn)固的粘合劑結(jié)合。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，基本層42中的鎳能夠大量地移動到錫涂層中。因此，基本層42中的一些鎳遷移到錫涂層44中，如由圖4的涂層44中的點彩所指示的，以在導(dǎo)體34上形成作為鎳和錫的混合物的結(jié)合界面48。復(fù)合的鎳/錫薄膜可通過退火來穩(wěn)定化，迫使兩種金屬完全混合至均衡。此外，鎳濃度可能通過涂層44的厚度從在基本層42附近的較高濃度變化至在表面46處的較低濃度。雖然鎳(基本層)遷移到錫(涂層)中可能有利于其中過程中的結(jié)構(gòu)不能經(jīng)受高的退火或其它處理溫度的實施，但這樣的基本層遷移可能不是其它實施所期望的。
[0016]在圖5的流程圖中所示的用于制造壓電致動器的新方法的一個示例中，在壓電材料的一部分上形成導(dǎo)體(步驟102)，并且在導(dǎo)體的裸露部分上形成粗糙表面(步驟104)。然后，膜被結(jié)合到導(dǎo)體的粗糙表面(步驟106)?，F(xiàn)在將參照圖6-11的剖視圖和圖12的工藝流程圖描述用于制造諸如圖2-4中所示致動器24的壓電致動器的另一個更詳細(xì)的示例。圖6-8中的致動器結(jié)構(gòu)的取向與圖2-4中所示顛倒，以更好地示出制造過程，其中結(jié)構(gòu)通常一個在另一個頂部上順序地形成。首先參看圖6，導(dǎo)體基本金屬層42被沉積在壓電陶瓷板30上(圖12中的步驟108)。對于噴墨打印頭應(yīng)用來說，鎳或鎳合金(例如，NiCr和NiV)層42利用濺射沉積以180Mm至400Mm的厚度沉積到板30的拋光表面上，但可以使用其它合適的金屬、薄膜厚度和沉積技術(shù)。另外，鉻或鈦的薄層有時首先施加以提高基本金屬42到壓電陶瓷板30的粘合力。
[0017]參看圖7，基本金屬42涂覆有錫或具有適當(dāng)較低的熔融溫度(1200°C以下)的另一種金屬以在基本金屬42上形成粗糙表面涂層44 (圖12中的步驟110)。涂層44提供粗糙表面46以用于將每個導(dǎo)體34粘合劑結(jié)合到膜36。用于涂層44的金屬、厚度和沉積技術(shù)被選擇以實現(xiàn)沿結(jié)合表面46至少1nm的RMS(均方根)表面粗糙度。如上所述，測試表明，相比常規(guī)的結(jié)合表面，較低的粗糙度不可能提高結(jié)合的強(qiáng)度。在實現(xiàn)所需表面粗糙度的一個具體的示例性過程中，在鎳基本層42上利用真空沉積在下列條件下形成約1，000A厚的錫涂層44:
壓力=3mT 功率=500W 氣體=IS氣。
[0018]用于錫涂層的在150mT或以下的真空沉積預(yù)計實現(xiàn)可接受的表面粗糙度?？梢哉业綄崿F(xiàn)所需表面粗糙度的其它沉積技術(shù)和參數(shù)以及其它材料和材料厚度。例如，可以預(yù)料，其它金屬涂層，其具有容易遷入到所述金屬涂層中的具有1200°C以下的熔點的諸如銦、鋅和鉛或其它10或11族金屬或其合金，也可用來形成所需的粗糙導(dǎo)體結(jié)合表面。
[0019]如上所述，鎳(或其它金屬)基本層42中的一些可遷移到涂層44中以形成作為兩種金屬的混合物的結(jié)合表面46。該結(jié)構(gòu)可在必要時或希望使涂層44穩(wěn)定化時被退火，以允許這兩種金屬朝均衡完全混合。例如，將1，000A的錫涂層44在約150° C下退火約I小時有利于使鎳向錫中的遷移穩(wěn)定化。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，錫涂層44可能足夠粗糙并且在不退火的情況下提供適當(dāng)?shù)胤€(wěn)固的結(jié)合界面。
[0020]然后可以使用常規(guī)的過程步驟來完成致動器24的制造。參看圖8，金屬層42和44被蝕刻或以所需圖案以其它方式選擇性地移除，以形成獨立導(dǎo)體34(圖12中的步驟112)。在圖9中，導(dǎo)電的、各向異性的或其它合適的粘合劑的薄層50被施加到玻璃或其它合適的膜36上(圖12中的步驟114)，并且過程中的膜結(jié)構(gòu)52結(jié)合到過程中的壓電結(jié)構(gòu)54，如圖10所示(圖12中的步驟116)。在圖11中，在壓電板26的頂部上形成金屬或其它合適的公共導(dǎo)體32以完成致動器24 (圖12中的步驟118)。
[0021]如在本說明書的開始處提及的，附圖中所示和上文描述的示例示出但不限制本發(fā)明。其它示例是可能的。因此，上述描述不應(yīng)理解為限制在所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種壓電致動器，包括: 壓電材料； 第一導(dǎo)體，其在所述壓電材料的第一部分上；以及 膜，其利用粘合劑在第一結(jié)合界面處結(jié)合到所述第一導(dǎo)體，所述第一導(dǎo)體在所述結(jié)合界面處具有至少1nm的均方根表面粗糙度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器，其中，所述膜直接結(jié)合到所述第一導(dǎo)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器，其中，所述第一導(dǎo)體包括金屬第一導(dǎo)體，并且所述金屬第一導(dǎo)體的表面在所述結(jié)合界面處包括錫。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的致動器，其中，所述金屬第一導(dǎo)體的表面是錫或錫與鎳的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的致動器，其中，所述第一導(dǎo)體包括在鎳或鎳合金的層上的錫層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器，還包括在所述壓電材料的第二部分上的第二導(dǎo)體。
7.—種壓電打印頭,包括: 多個壓力室，所述多個壓力室每個具有在其中的開口，液體能穿過所述開口從所述室分配； 壓電致動器，其操作性地連接到所述壓力室中的每一個，所述壓電致動器包括: 壓電材料； 第一導(dǎo)體，其在所述壓電材料的第一部分上； 多個第二導(dǎo)體，其在所述壓電材料的第二部分上； 所述第一導(dǎo)體或所述第二導(dǎo)體具有包括錫、銦、鋅或鉛的結(jié)合表面；以及膜，其覆蓋所述壓力室中每一個的一部分，所述膜利用粘合劑沿所述結(jié)合表面結(jié)合到所述第一導(dǎo)體或所述第二導(dǎo)體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的打印頭，其中，所述結(jié)合表面具有至少1nm的均方根表面粗糙度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的打印頭，其中，所述結(jié)合表面是在純的或合金化的10族或11族基本金屬上的金屬涂層的一部分。
10.一種用于制造壓電致動器的方法，包括: 在壓電材料的第一部分上形成第一導(dǎo)體； 在所述第一導(dǎo)體的裸露部分上形成粗糙表面，所述粗糙表面具有至少1nm的均方根表面粗糙度；以及 利用粘合劑將膜結(jié)合到所述第一導(dǎo)體的所述粗糙表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，在所述第一導(dǎo)體的裸露部分上形成粗糙表面包括將具有小于1200°C的熔點的第一金屬沉積在能移動到所述第一金屬中的第二金屬上。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，在所述第一導(dǎo)體的裸露部分上形成粗糙表面包括將錫、銦、鋅或鉛沉積在純的或合金化的10族或11族金屬上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，在所述第一導(dǎo)體的裸露部分上形成粗糙表面包括將錫沉積在鎳或鎳合金上。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括在與所述第一導(dǎo)體電絕緣的所述壓電材料的第二部分上形成第二導(dǎo)體。
【文檔編號】B41J2/175GK104245324SQ201280072849
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月25日
【發(fā)明者】E. 小阿博特 J., 陳 C-H., R. 波拉德 J. 申請人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)