压电式喷墨打印头振动板的设计制造与优化

摘要

压电式喷墨打印设备具有成本低、集成度高、打印分辨率高、易于控制以及墨水兼容性高等特点，其应用已经由传统印刷行业逐渐扩展到电子器件、生物医疗以及机械加工等多个领域。作为对压电喷墨打印技术探索的一部分，本文旨在研发拥有自主知识产权的压电喷头振动板结构。作为喷墨动力源，其性能影响着打印头的寿命、打印精度，对振动板的研究有利于促进喷墨打印设备的国产化进程。通过查阅国内外相关文献，了解了喷墨打印技术的发展及研究现状，并确定了以弯曲式喷墨打印技术作为压电喷头设计的基础。本文的研究内容主要包含如下：
　　（1）压电式喷墨打印头振动板结构的设计。理论分析结合有限元软件模拟，设计出以SiO2作为弹性层，以锆钛酸铅（Leadzirconate titanate,PZT）薄膜作为压电元件，以金属Pt作为PZT电极，以Parylene C薄膜作为保护层的复合压电振动板结构。通过对微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技术的研究，确定了压电喷头振动板结构各部分制备工艺方法。
　　（2）压电式喷墨打印头振动板结构的制备。结合MEMS工艺的特点、振动板各部分材料以及各制备工艺的兼容性，本文确定了振动板结构的制备工艺流程，并对各工艺进行了优化。通过调整水浴温度，提高了SiO2腐蚀的速率及均匀性；通过调整光刻工艺，提高了Pt下电极图形化后的表面质量并改善了Pt上电极的剥离效果；通过改善腐蚀工艺，减小了PZT薄膜的侧蚀；通过采用多步刻蚀工艺，获得了侧壁垂直的硅杯和过刻蚀较小的振动板结构；通过增加刻蚀气体CF4并将刻蚀功率调整到100w，提高了Parylene C薄膜刻蚀速率。
　　（3）振动板释放工艺优化。利用刻蚀钝化比为8/2、9/2、11/3的DRIE多步刻蚀工艺成功释放振动板。通过逐步增加刻蚀气体的通气时间，减小了“长草”风险；通过平衡刻蚀钝化时间比，改善了硅杯形貌结构；通过将刻蚀阶段、钝化阶段下电极射频功率降低为0w，减小了根切现象和SiO2过刻蚀，成功制备出硅杯形貌规则、氧化层损失小的压电喷头振动板结构。
　　（4）压电式喷墨打印头振动板结构的测试。本文利用激光多普勒测振系统检验了所制备振动板的振动性能。利用聚合物SU-8制备了供墨腔室，并成功实现了墨滴喷射，墨滴速度为5.6m/s，体积为11pl，证明了本文压电喷头振动板设计及其制备工艺的可行性。

目录

声明

1 绪论

1.1 喷墨打印技术概述

1.2 压电式喷墨打印技术的研究现状

1.3 课题研究的意义及研究方法

2 压电式喷墨打印头振动板结构设计

2.1 振动板结构的设计与选材

2.2 MEMS工艺技术

2.3 本章小结

3 压电式喷墨打印头振动板制备工艺及优化

3.1 压电喷头振动板结构的MEMS制备工艺流程

3.2 SiO2弹性层制备工艺及优化

3.3 PZT电极制备工艺及优化

3.4 PZT制备工艺及优化

3.5振动板释放工艺

3.6保护层制备工艺及优化

3.7本章小结

4 振动板释放工艺优化

4.1 深反应离子刻蚀释放振动板结构

4.2 优化的DRIE多步刻蚀工艺

4.3刻蚀结果讨论与分析

4.4 本章小结

5 压电式喷墨打印头振动板性能测试及讨论

5.1 振动板的失效形式及讨论

5.2 激光多普勒振动测试

5.3 压电喷头喷墨测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢