压电喷墨结构设计及其制造工艺优化

发布时间：2017-09-04 05:00

  本文关键词：压电喷墨结构设计及其制造工艺优化

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【摘要】：喷墨打印技术是一种非接触式、输出图像质量较高的打印技术,并在很多领域占有重要地位。如今压电式喷墨打印技术作为喷墨打印技术一个重要的类别,以响应速度快、非接触性、高分辨率、寿命长和墨水性能要求低等优势,被广泛应用于印刷业、细胞打印、电子产品制造等领域,充分显现出了压电式喷墨打印技术在各个领域的巨大商业价值。现今,国内对压电式喷墨技术的研究还比较稀少,主要集中在其理论研究上,技术还相对落后,产品还主要依靠进口。本项目旨在打破国外垄断,突破专利堡垒,实现国内喷头的自主化生产。本文通过一系列设计和工艺制作过程制作出了压电式喷墨打印头,并通过喷墨测试验证了结构的合理性。主要研究内容如下：(1)根据压电驱动分析理论模型、结合相关专利和文献,设计一种新型的压电式喷头结构,利用有限元模拟软件COMSOL对喷头的各部分结构尺寸进行优化,并对比选取了各部分所应用的材料。其结构材料如下：使用厚度为300gm的两寸硅片作为基底,厚度为500nm的Si02作为振动板,厚度为200nm的铂金(Pt)作为下电极,厚度为1μm的PZT薄膜作为致动板,厚度为150μm的Pt作为上电极,厚度为350nm的Parylene作为保护层,SU-8胶作为腔室材料。(2)根据MEMS的相关工艺技术设计了一套压电式喷头工艺制造方案,描述并分析了喷头各部件所采用的工艺方法及工艺设备。对比了各个制作工艺的优缺点,并结合实际需求对工艺进行优化。主要利用的制作工艺有：光刻、氧化、湿法腐蚀、深反应离子刻蚀、等离子溅射、蒸镀等。(3)分析对比了各种喷孔制作方案,分析了SU-8胶等离子刻蚀速率的影响因素,并对刻蚀参数进行了的优化。最终选择了刻蚀时间为5min、腔室压强为20mb ar、刻蚀功率为100W、气体浓度为CF4：02=1:20的刻蚀参数对铰链后的SU-8胶进行刻蚀,获得了5.2μm/min的刻蚀速率和较好的刻蚀形貌。(4)利用多普勒激光测试仪测试压电薄膜振动性能,利用本课题组搭建的测试平台观察和测试压电式喷头的喷墨情况,证明制造工艺的可行性和喷头结构的合理性。
【关键词】：压电式喷头 MEMS SU-8 喷墨
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP334.83
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 引言9
• 1.2 喷墨打印技术在国内外的发展情况9-11
• 1.2.1 国外发展情况9-11
• 1.2.2 国内发展情况11
• 1.3 压电式喷头的研究现状11-14
• 1.4 本文主要研究内容14-15
• 2. 压电式喷头的结构设计15-24
• 2.1 压电式喷头的结构设计分析理论15-16
• 2.2 基底材料的选择16-17
• 2.3 振动板尺寸设计及材料的选择17-19
• 2.4 压电薄膜的尺寸设计19-20
• 2.5 上下电极材料的选择及图形的设计20-21
• 2.6 保护层的材料选择21-22
• 2.7 腔室尺寸的设计22-23
• 2.8 本章小结23-24
• 3. 压电式喷头的制造工艺24-47
• 3.1 制备压电喷头所应用的MEMS工艺24-30
• 3.1.1 光学曝光技术24-25
• 3.1.2 氧化技术25-26
• 3.1.3 薄膜沉积技术26-28
• 3.1.4 刻蚀工艺28-29
• 3.1.5 测量工艺及设备29-30
• 3.2 压电式喷头的整体工艺制造方案设计30-32
• 3.3 压电式喷头制造工艺及优化32-46
• 3.3.1 预处理硅基底32
• 3.3.2 振动板制造工艺32-33
• 3.3.3 下电极图形制作工艺33-35
• 3.3.4 压电薄膜制作工艺35-38
• 3.3.5 上电极的制作工艺38-39
• 3.3.6 干刻硅杯释放振动板39-42
• 3.3.7 制备保护层42-43
• 3.3.8 腔室的制备工艺43-46
• 3.4 本章小结46-47
• 4. 利用等离子体刻蚀SU-8的工艺及优化47-55
• 4.1 刻蚀原理47
• 4.2 工艺过程及优化47-54
• 4.2.1 刻蚀温度对刻蚀SU-8的影响49-50
• 4.2.2 腔室压力对刻蚀SU-8的影响50-51
• 4.2.3 刻蚀功率对刻蚀SU-8的影响51
• 4.2.4 气体浓度对刻蚀SU-8的影响51-52
• 4.2.5 各刻蚀参数对刻蚀SU-8侧蚀的影响52-54
• 4.3 本章小结54-55
• 5. 喷头的振动与喷墨性能测试55-60
• 5.1 振动板的振动性能测试55-57
• 5.2 喷墨性能测试57-59
• 5.3 小结59-60
• 结论60-62
• 参考文献62-66
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况66-67
• 致谢67-68

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