專利名稱：修復(fù)壓電構(gòu)件中的缺陷的制作方法
修復(fù)壓電構(gòu)件中的缺陷
背景技術(shù)：
噴墨技術(shù)是一種已經(jīng)獲得廣泛認(rèn)可的、經(jīng)濟(jì)的將微小液滴從打印頭分配到期望位置的方法。通常，壓電噴墨打印頭包括一個(gè)或多個(gè)流體腔室，這些流體腔室被設(shè)計(jì)成在施加外部電壓時(shí)能夠發(fā)生形變。通常這種形變導(dǎo)致腔室體積減小，進(jìn)而使液滴通過(guò)腔室端部處的噴嘴噴出。噴墨打印頭的流體腔室通常包括壓電陶瓷材料。由于壓電陶瓷材料在電場(chǎng)中會(huì)發(fā)生形變，因此施加到形成流體腔室一部分的壓電陶瓷材料的外部電壓可以改變腔室的體積，從而使流體從噴嘴中噴出。流體腔室可以這樣形成，例如，將包括一個(gè)或多個(gè)壓電致動(dòng)器的蓋板附接到襯底上。典型地，每個(gè)致動(dòng)器均位于襯底中流體通道上方，并包括流體相容隔膜、電極以及壓電材料，例如鋯鈦酸鉛(PbBrxTi1JO3或“？21~”)。通常壓電致動(dòng)器是這樣形成的，例如，用金剛石鋸在分層的壓電/電極/隔膜結(jié)構(gòu)中切割出凹槽。在一種替代性打印頭結(jié)構(gòu)中，流體腔室可以這樣形成，即直接在一塊壓電陶瓷材料中切割出凹槽，將電極放到每個(gè)凹槽中，然后附接上一個(gè)蓋板。在這兩種設(shè)計(jì)中，一個(gè)通道或區(qū)域中的壓電變形可能會(huì)引起相鄰?fù)ǖ阑騾^(qū)域中的變形。這一效應(yīng)通常被稱為串?dāng)_，其有損打印頭的性能。壓電陶瓷，例如PZT，可能含有缺陷，包括空穴、孔隙和/或裂縫。這些缺陷可能是在壓電陶瓷合成過(guò)程中和/或后期機(jī)加工過(guò)程中產(chǎn)生的。例如，壓電陶瓷可能含有在該陶瓷中的谷粒大小級(jí)別的空穴。另外，為了獲得凹槽，例如使用上述方法，鋸割壓電陶瓷可能會(huì)產(chǎn)生裂縫，包括納米裂縫(即，橫截面積通常小于100納米的微小裂縫或裂紋)。任何形式的缺陷都會(huì)增加壓電材料的表面粗糙度，也會(huì)使隨后的處理更加困難。此外，裂縫會(huì)加速壓電材料品質(zhì)下降，裂縫在重復(fù)的電壓循環(huán)下可能會(huì)逐漸變大，這會(huì)降低打印頭的可靠性。


圖1示出了一個(gè)壓電構(gòu)件，其處于根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例修復(fù)壓電構(gòu)件缺陷的方法的不同階段中；
圖2是一個(gè)局部放大圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，溶液流入壓電構(gòu)件缺陷中，該圖大致是從圖1中附圖標(biāo)記2所標(biāo)示的區(qū)域中獲取的；
圖3是一個(gè)局部放大圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，形成一個(gè)延伸到缺陷中的單體膜，該圖大致是從圖1中附圖標(biāo)記3所標(biāo)示的區(qū)域中獲取的；
圖4是一個(gè)局部放大圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的單體的聚合作用，該圖大致是從圖1中附圖標(biāo)記4所標(biāo)示的區(qū)域中獲取的；
圖5是噴墨打印頭的剖視圖，該噴墨打印頭包括具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例修復(fù)的缺陷的壓電構(gòu)件；
圖6是一個(gè)局部放大圖，其示出了一個(gè)具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例修復(fù)的缺陷的壓電構(gòu)件，該圖大致是從圖5中附圖標(biāo)記6所標(biāo)示的區(qū)域中獲取的；
圖7是一個(gè)橫截面視圖，其示出了一個(gè)具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例修復(fù)的缺陷的壓電構(gòu)件，該圖是大致沿流體腔室獲取的。
具體實(shí)施例方式本教導(dǎo)涉及壓電構(gòu)件缺陷的修復(fù)。這里所說(shuō)的缺陷可以包括下述瑕疵或不足，例如空穴、孔隙和裂縫。特別地，所述缺陷可以是切入所述壓電構(gòu)件中的凹槽內(nèi)的納米裂縫。首先，參見(jiàn)圖1-4，圖中描述了修復(fù)壓電構(gòu)件缺陷的一種示例性方法。圖1通過(guò)示出處于缺陷修復(fù)不同階段的壓電構(gòu)件來(lái)說(shuō)明了該示例性方法。圖2-4更詳細(xì)地描述了該示例性方法，展示了修復(fù)特定缺陷的不同階段。根據(jù)我們的教導(dǎo)，可以制備出施加到壓電構(gòu)件12的溶液10，所述溶液包括單體和溶劑。所述單體可以包括單一的單體種類，或者可以包括兩種或更多種單體種類的混合物。 類似地，溶劑可以包括單一溶劑種類，或者可以包括兩種或更多種溶劑種類的混合物。單體和溶劑可以被選擇成，使得所有單體種類溶解在溶劑中，從而形成溶液10。單體種類、溶劑、以及溶液10中的單體濃度可被選擇成獲得低粘度的溶液，這種溶液內(nèi)部阻力小，容易流動(dòng)，因此可滲入下文將進(jìn)一步描述的小缺陷中。在一些實(shí)施例中，單體可以包括選自下組的丙烯酸單體，該組包括丙烯酸，甲基丙烯酸，丙烯酸酯，甲基丙烯酸酯，和丙烯腈。溶劑可以包括選自下組，該組包括甲醇，乙醇，異丙醇和水。特別地，低粘度的溶液(例如粘度低于20厘泊的溶液)可以通過(guò)在甲醇中溶解丙烯酸獲得，其中甲醇的體積占溶液體積的25%以上。所述單體和溶液可進(jìn)一步被選擇成，使得形成的溶液在表面上具有小于90度的接觸角。低接觸角是衡量表面與溶液之間的附著程度指標(biāo)，因而也體現(xiàn)了溶液在涂覆過(guò)程中分布在表面上的程度。通常，具有低接觸角(即小于90度)的溶液與具有較大接觸角的溶液相比可以更容易地在壓電構(gòu)件表面擴(kuò)散并滲到所述表面的小缺陷中。在一些實(shí)施例中， 發(fā)現(xiàn)接觸角大約是20度或者更小的溶液能夠充分地滲透到裂縫(例如在所述壓電構(gòu)件上切割出凹槽時(shí)形成的裂縫)中，從而允許用本文描述的方法修復(fù)這些裂縫。接下來(lái)描述壓電構(gòu)件12。壓電構(gòu)件最好由壓電陶瓷材料制成，例如鋯鈦酸鉛 (PbBrxTi1JO3或吁？廣)，其在電場(chǎng)中可以發(fā)生形變。替代性地，壓電構(gòu)件可由摻雜有少量 La2O3 ((PlvxLax) (ZryTi1J ^aO3或“PLZT”)的PZT或任何其他適當(dāng)?shù)膲弘姴牧现瞥?。如圖所示，壓電構(gòu)件可限定一個(gè)或多個(gè)凹槽14，這些凹槽典型地是用鋸或類似工具在壓電材料中切割出的。所述凹槽可為壓電材料的可變形致動(dòng)器區(qū)域之間提供間隔，和/或可以限定供液體流入壓電材料的流體通道。在一些實(shí)施例中，凹槽14限定了表面16，該表面可能包括在凹槽形成過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷。一個(gè)這樣的缺陷被大致示于圖2 - 4中附圖標(biāo)記18的位置處，所述缺陷以裂縫的形式出現(xiàn)在凹槽的內(nèi)側(cè)壁中。盡管顯示了示例性的缺陷，但是應(yīng)當(dāng)理解，缺陷也可能是裂縫、孔隙或其他不均勻性缺陷，這些缺陷可能是壓電材料合成或加工過(guò)程中本來(lái)就會(huì)出現(xiàn)或?qū)е碌?。也?yīng)注意，雖然只顯示了一個(gè)缺陷，但壓電材料可包括多個(gè)缺陷，而且這樣的缺陷可出現(xiàn)在壓電材料的各個(gè)表面上?，F(xiàn)在特別參照?qǐng)D1-4所示的方法，應(yīng)當(dāng)理解，溶液10可通過(guò)一個(gè)或多個(gè)打印頭100 打印到壓電構(gòu)件12的表面上。因此，溶液10可被選擇性地施加到壓電構(gòu)件12的一個(gè)受損區(qū)域(或多個(gè)受損區(qū)域)。例如，應(yīng)當(dāng)理解，凹槽14的內(nèi)表面可涂有溶液10，以便專門(mén)解決因鋸割凹槽引起的缺陷(例如內(nèi)表面16上的缺陷18)。替代性地，溶液10可例如通過(guò)旋涂法涂到壓電構(gòu)件12的表面16上。也可基于對(duì)待修復(fù)具體缺陷的檢測(cè)來(lái)分配溶液。例如，一個(gè)或多個(gè)缺陷的位置可由光學(xué)照相機(jī)102檢測(cè)，溶液10可分配在包括有超出預(yù)定尺寸標(biāo)準(zhǔn)缺陷的位置處。同樣， 溶液10也可分配在這樣的位置處，其滿足替代性的或額外的標(biāo)準(zhǔn)(例如缺陷類型或缺陷密度)或任何其他可用來(lái)確定缺陷修復(fù)期望度的參數(shù)。檢測(cè)缺陷以及溶液10的分配可以是半自動(dòng)或自動(dòng)的。例如，可由圖像識(shí)別系統(tǒng)檢測(cè)缺陷，而且可形成包含缺陷類型和坐標(biāo)的缺陷地圖。然后，利用預(yù)編程的算法來(lái)確定缺陷地圖中適當(dāng)?shù)姆峙湮恢?，進(jìn)行溶液10的分配。如圖2所示，分配的溶液涂布在所述壓電構(gòu)件12的受損區(qū)域上，從而使得溶液10 流入缺陷18中(例如，通過(guò)毛細(xì)作用)。相應(yīng)地，溶解在溶液10中的單體被帶到缺陷18中。 溶液10可被分配成，基本上填滿缺陷18，但不覆蓋壓電構(gòu)件12的外表面，這樣能節(jié)約單體溶液。某些缺陷(例如鋸割壓電構(gòu)件導(dǎo)致的納米裂縫)可能很小，不規(guī)則，而且難以填充。 盡管聚合物通常是撓性的、柔性的、而且具有相對(duì)較強(qiáng)的耐裂縫性，因此可考慮用其修復(fù)缺陷，但是它們典型的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)增加了溶液的粘度，可能會(huì)阻礙聚合物溶液流入或填充小的缺陷，例如納米裂縫。同樣，其他高粘度的溶液，以及直接沉積工藝(例如濺射或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)也許都不能用來(lái)修復(fù)微小或不規(guī)則的缺陷。相反，單體溶液可被選擇成適于流入這種微小的缺陷中，因?yàn)榕c相應(yīng)的聚合物溶液相比，單體溶液具有較小的粘度。如下文將進(jìn)一步描述的，在單體溶液流入缺陷后，通過(guò)使單體聚合，可以在缺陷中形成防裂縫聚合物。一旦溶液10流入缺陷18中，為了形成表面16上的以及延伸進(jìn)缺陷18中的單體膜20 (示于圖1和圖3中)，可將溶劑從溶液中基本上全部除去?？赏ㄟ^(guò)加熱、或高速旋轉(zhuǎn)涂好的壓電構(gòu)件、或其他方法來(lái)去除溶劑。如果缺陷位于凹槽中(例如上文所述的情況)， 除去溶劑可以有效地清潔凹槽，從而在壓電構(gòu)件的致動(dòng)器區(qū)域之間提供間隔，和/或?yàn)榱鬟^(guò)壓電構(gòu)件的流體提供流體通道。在任何情況下，單體都保留在缺陷內(nèi)，并且可在周圍的表面上形成薄膜(例如，為幾微米量級(jí))，如圖所示。如圖1和4所示，單體膜20可被聚合形成聚合物膜22，所述聚合物膜至少部分地位于缺陷18中?？赏ㄟ^(guò)將單體膜暴露在紫外線下進(jìn)行聚合。例如，單體膜20可被暴露在紫外線下形成丙烯酸聚合物，其中所述丙烯酸聚合物被定義成通過(guò)聚合以下物質(zhì)形成的聚合物，這些物質(zhì)為丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯腈或者它們的混合物。經(jīng)紫外線暴露以后，可輕度加熱以除去額外的溶劑。作為紫外線聚合法的替代性方案， 膜20的聚合可以通過(guò)加熱所述壓電構(gòu)件(因此也加熱了膜20)例如到100至150攝氏度來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，用紫外線實(shí)現(xiàn)的聚合是有益的，因?yàn)榇蠹s100至150攝氏度的加熱會(huì)對(duì)成本、 產(chǎn)出、可靠性以及其他參數(shù)產(chǎn)生不利影響。在任何情況下，聚合可以在較低的溫度(通常小于200攝氏度)下進(jìn)行，因此聚合反應(yīng)可以集成到對(duì)高溫敏感的現(xiàn)有制造工藝中，或者集成到高溫加熱可能需要增加壓電再極化(r印oling)步驟的制造工藝中。最好如圖4所示，聚合后，缺陷18將基本上由聚合物填滿，從而修復(fù)了該缺陷。所述聚合物也可在表面16上修復(fù)缺陷的周圍區(qū)域中形成薄膜(例如，為幾微米的量級(jí))。如果缺陷位于凹槽中(如上文所述的情況)，那么，凹槽在單體膜聚合后仍然保持暢通。因此應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，通過(guò)控制分配到選定區(qū)域(例如凹槽內(nèi))的單體溶液的量，可以形成具有足夠厚度的膜以填滿缺陷，但同時(shí)保持壓電構(gòu)件有利的形貌。更進(jìn)一步地，通過(guò)聚合所述單體膜，缺陷可以基本上被耐裂縫性相對(duì)較強(qiáng)的、撓性的柔性材料填滿。該柔性材料在壓應(yīng)力下可以變形，因此，即使在凹槽中保留有任何聚合物薄膜，它們也僅僅會(huì)最小限度地影響串?dāng)_。相反，含有壓電組成元素(例如在PZT的情況中為1 (鉛)、& (鋯)以及Ti (鈦))的溶液，可在凹槽和缺陷中形成堅(jiān)硬的陶瓷材料，其易于發(fā)生開(kāi)裂，可能會(huì)增加串?dāng)_。因此，聚合物可以提供機(jī)械穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕、耐環(huán)境退變性、以及利于進(jìn)行后續(xù)處理的改善的表面特性?，F(xiàn)轉(zhuǎn)到圖5-7，其中示出了打印頭50，這種打印頭代表了利用圖1-4所示方法制造的流體運(yùn)動(dòng)裝置。可以看出，打印頭50包括壓電構(gòu)件52，該壓電構(gòu)件具有一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器區(qū)域56，所述制動(dòng)器區(qū)域56包括頂電極M和底電極55。致動(dòng)器區(qū)域56由包括內(nèi)壁66 的凹槽64分隔開(kāi)，并可能位于一個(gè)或多個(gè)流體腔室58的上方。噴嘴59可以設(shè)置在每個(gè)流體腔室58的一端上。壓電構(gòu)件52還可包括其他部件，例如電引線(未顯示)。如圖6所示， 聚合物68設(shè)置在缺陷70內(nèi)，且至少部分地涂覆在內(nèi)壁66上。聚合物68可以是丙烯酸聚合物，其被定義為一種由丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯腈或者它們的混合物聚合而成的聚合物。如圖中所示，缺陷70可以基本上被聚合物68填滿，但聚合物68并不會(huì)實(shí)質(zhì)填充或阻塞凹槽64。此外，缺陷70可以是對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行機(jī)加工的過(guò)程中形成的納米裂縫或裂紋，而聚合物68可以基本上延伸該納米裂縫的整個(gè)長(zhǎng)度。
權(quán)利要求
1.一種修復(fù)壓電構(gòu)件(12)中的缺陷的方法，包括 提供含有溶劑和單體的溶液(10)；將所述溶液(10)涂布到所述壓電構(gòu)件(12)的表面(16)的一個(gè)區(qū)域上，使得所述溶液 (10)流入一個(gè)或多個(gè)缺陷(18)中；去除至少一部分所述溶劑，以在所述缺陷(18)中形成單體膜(20)；以及在所述缺陷(18)中使所述單體膜(20)聚合，以在所述缺陷(18)中形成聚合物膜(22)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述單體包括選自丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、和丙烯腈中的至少一種丙烯酸單體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述溶液包括選自甲醇、乙醇、異丙醇、和水中的至少一種溶劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述溶液(10)具有小于20厘泊的粘度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述溶液(10)在所述表面(16)上具有小于90度的接觸角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中涂布所述壓電構(gòu)件(12)的表面(16)的一個(gè)區(qū)域包括對(duì)形成在所述壓電構(gòu)件(12)的凹槽(14)中的內(nèi)表面(16)進(jìn)行涂布。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括 檢測(cè)所述壓電構(gòu)件(12)中缺陷(18)的位置；以及至少部分地基于檢測(cè)到的位置，來(lái)確定將對(duì)所述表面(16)的哪個(gè)區(qū)域涂布所述溶液 (10)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述缺陷(18)是納米裂縫，而且所述溶液(10)流入并基本填滿所述納米裂縫。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述單體通過(guò)紫外線而被聚合。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述單體通過(guò)加熱而被聚合。
11.一種流體運(yùn)動(dòng)裝置(50)，包括壓電構(gòu)件(52)，其包括一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器區(qū)域(56)； 凹槽(64)，其包括位于所述壓電構(gòu)件(52)中的內(nèi)壁(66)；以及聚合物(68)，其至少部分地涂布在所述凹槽(64)的所述內(nèi)壁(66)上，其中所述聚合物 (68)至少部分地位于所述內(nèi)壁(66)的一個(gè)或多個(gè)缺陷(70)內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的流體運(yùn)動(dòng)裝置(50)，其中所述凹槽(64)將相鄰的致動(dòng)器區(qū)域(56)分隔開(kāi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的流體運(yùn)動(dòng)裝置(50)，其中所述聚合物(68)是丙烯酸聚合物。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的流體運(yùn)動(dòng)裝置(50)，其中所述缺陷(70)基本上被所述聚合物(68)填滿。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的流體運(yùn)動(dòng)裝置(50)，其中所述缺陷(70)是納米裂縫，所述聚合物(68)基本延伸了所述納米裂縫的整個(gè)長(zhǎng)度。
全文摘要
將含有溶劑和單體的溶液(10)涂布到壓電構(gòu)件(12)的表面(16)的一個(gè)區(qū)域上，以便所述溶液(10)流入一個(gè)或多個(gè)缺陷(18)中。去除至少一部分溶劑，以便在缺陷(18)中形成單體膜(20)，并在缺陷(18)中聚合所述單體膜(20)，從而在缺陷(18)中形成聚合物膜(22)。
文檔編號(hào)H01L41/22GK102576801SQ200980161912
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2009年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月12日
發(fā)明者H.A.范德普拉斯, K.M.烏爾默, P.馬迪洛維奇 申請(qǐng)人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)