專利名稱：通過硅件的陽極接合法制造噴墨頭的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴墨頭和裝有該噴墨頭的噴墨記錄裝置，以及一種陽極接合硅件的方法和一種制造該噴墨頭的方法。本發(fā)明尤其涉及一種陽極接合硅件的方法和一種在硅件的表面上形成氧化層之后通過陽極接合硅件制造噴墨頭的方法。這些方法可以提供陽極接合的部件和噴墨頭，該陽極接合的部件和噴墨頭具有對多種類型的墨水包括堿性墨水的抗腐蝕性能。
背景技術(shù)：
噴墨打印機被廣泛地用作個人彩色打印機。通常，這些打印機使用水基墨水。然而，近來，寬幅打印機已經(jīng)使用在工業(yè)應用以打印布告板、廣告等。除了水基墨水，這些寬幅打印機還使用油基墨水和溶劑墨水。
在工業(yè)應用中也有這樣一種趨勢，即，噴墨頭采用壓電元件，例如PET。這些應用的一些示例為在液晶板和其它顯示器的制造中使用的薄膜形成裝置、使用金屬納米膏作為墨水的互連布圖裝置，和將金屬催化的墨水施加于燃料電池等的裝置。在這些應用中使用的墨水可以為酸性、堿性、極性溶劑等。為了支持各種不同類型的墨水，構(gòu)成噴墨頭的結(jié)構(gòu)的元件，尤其是與墨水接觸的元件必須具有抗腐蝕性。
另外，為了滿足在打印應用中對高質(zhì)量和高分辨率的需求和在工業(yè)應用中對精細圖案打印的需求，期望研制能以高精度噴射10微微升(pL)或者更小的細小墨滴的高密度打印頭。在日本專利申請公布No.特開平-6-55733中提出了用于滿足這些需求的一種方法。該方法建議通過進行硅件的MEMS(MicroElectro Mechanical Systems/微機電系統(tǒng))加工生產(chǎn)構(gòu)成打印頭結(jié)構(gòu)的部件。
另外，日本專利申請公布No.特開平-5-50601提出了一種方法，該方法通過陽極接合法(anodic bonding)而不是使用用于這種接合的粘合劑連接硅件和玻璃基片。
日本專利申請公布No.2004-216747提出了一種方法，該方法通過干蝕刻硅材料制出作為打印頭元件的孔基片、墨室基片和隔膜基片。然后，通過使用陽極接合法將這些基片連接以生產(chǎn)出噴墨頭。
接著，將描述陽極接合的傳統(tǒng)方法，其中兩個硅件與介于其間的玻璃接合。在該說明書中，兩個單晶硅基片通過陽極接合法被連接。首先在一個硅基片的表面上形成二氧化硅(SiO2)層，依次在二氧化硅層的表面上形成硼硅玻璃層。
然后，包括硅基片、二氧化硅層和硼硅玻璃層的三層基片被層疊在其它單晶硅基片上，從而硼硅玻璃層與其它基片接觸。通過在層疊結(jié)構(gòu)上施加熱和電將三層基片和其它硅基片陽極接合。
在日本專利申請公布No.2004-216747中披露的制造噴墨頭的方法使用上述陽極接合法。在這樣的方法中，單晶硅經(jīng)過干蝕刻以形成孔基片、墨室基片和隔膜基片?？谆透裟せ谋砻嫒缓笤诔^1000℃的溫度下進行氧化處理，以在基片的表面上形成二氧化硅(SiO2)層。然后，在將與墨室基片相連的側(cè)面上的氧化硅層的表面上形成硼硅玻璃層。然后通過上述陽極接合法將孔基片和墨室基片連接在一起。類似地，墨室基片和隔膜基片通過陽極接合法連接在一起，由此生產(chǎn)出噴墨頭。

發(fā)明內(nèi)容
然而，當根據(jù)上述方法制造打印頭時出現(xiàn)以下問題。首先，由于構(gòu)成墨室的歧管、壓力室等的壁由單晶硅形成，因此墨水直接與單晶硅材料接觸。由于堿性溶液腐蝕單晶硅，所以該結(jié)構(gòu)不能用于噴射堿性墨水的打印頭。
另外，由于為了陽極接合孔基片的表面需要進行硼硅玻璃的化學汽相淀積而出現(xiàn)以下問題。在用于噴墨的孔基片中設(shè)置大約100-300個噴嘴。噴嘴具有大約30μm的直徑。為了從這些噴嘴穩(wěn)定地噴出微滴，噴嘴必須具有一致的圓形橫截面和沒有變化的一致的直徑。但是，當以1-4μm的厚度淀積硼硅玻璃層時，不可能避免一些硼硅玻璃淀積在噴嘴內(nèi)部。因此，噴嘴的內(nèi)徑變得小于由加工處理形成的內(nèi)徑，淀積的不規(guī)則可造成一些噴嘴堵塞，改變墨滴噴射的方向，或者引起其它問題。
考慮到以上情況，本發(fā)明的目的在于通過提供一種將不在噴嘴孔中淀積淀積物質(zhì)的新的陽極接合法而提供一種制造噴墨頭的方法，由此，當使用各種類型的墨水包括堿性溶劑時，將不腐蝕墨室。本發(fā)明的另一個目的在于使用制造噴墨頭的方法提供一種能夠形成高質(zhì)量和高分辨率的圖像的噴墨頭和噴墨記錄裝置。
為了達到上述和其它目的，本發(fā)明提供了一種陽極接合硅件的方法，該方法包括在第一硅件的表面上形成二氧化硅(SiO2)層；在所述二氧化硅(SiO2)層的表面上形成玻璃層；在第二硅件的表面上形成比SiO2氧欠缺的氧化硅(SiOx，x＜2)層；以及通過布置所述玻璃層的所述表面與所述氧化硅(SiOx，x＜2)層的所述表面接觸以及對所述第一和第二硅件加熱和在所述第一和第二硅件之間施加電壓將所述第一硅件接合到所述第二硅件。
在本發(fā)明的另一個方面中，提供了一種制造噴墨頭的方法，該方法包括制造具有壓力室的墨室基片和具有用于噴射墨水的噴嘴孔的孔基片，所述墨室基片和所述孔基片的每一個都由硅材料形成；在所述墨室基片的表面上形成二氧化硅(SiO2)層；在所述二氧化硅(SiO2)層的表面上形成玻璃層；在所述孔基片的表面上形成氧欠缺的氧化硅(SiOx，x＜2)層；通過布置所述玻璃層與所述氧化硅(SiOx，x＜2)層接觸從而壓力室與所述噴嘴孔流體連通、對所述墨室基片和所述孔基片加熱、在所述墨室基片和所述孔基片之間施加直流電壓將所述墨室基片陽極接合到所述孔基片；以及將具有用于對所述壓力室加壓的隔膜的隔膜基片接合到所述墨室基片的側(cè)面，該側(cè)面與接合所述孔基片的側(cè)面相對。
在本發(fā)明的又一個方面中，提供了一種制造噴墨頭的方法，該方法包括制造具有壓力室的墨室基片、具有用于對所述壓力室加壓的隔膜的隔膜基片以及具有用于噴射墨水的噴嘴孔的孔基片，墨室基片、隔膜基片和孔基片中的每個都由硅材料形成；
在所述墨室基片的表面上形成二氧化硅(SiO2)層；在二氧化硅(SiO2)層的表面上形成玻璃層；在所述孔基片和所述隔膜基片的表面上形成氧欠缺的氧化硅(SiOx，x＜2)層；以及通過依次將所述隔膜基片、墨室基片、以及孔基片層疊并在所述墨室基片、所述隔膜基片和所述孔基片之間施加直流電壓將所述隔膜基片、孔基片、墨室基片陽極接合。
在本發(fā)明的再一個方面中，提供了一種噴墨頭，其包括墨室基片、隔膜基片、壓電元件和孔基片。墨室基片具有壓力室。隔膜基片被接合到所述墨室基片。壓電元件被接合到所述隔膜基片，用于響應于電信號對所述壓力室施加壓力?？谆哂杏糜趪娚淠膰娮炜住Ｋ隹谆唤雍系剿瞿一⒈凰龈裟せ訅?，所述壓力室與所述噴嘴孔流體連通。
氧化硅層形成在形成壓力室的所述墨室基片的所述表面，以及當所述壓力室和所述噴嘴孔包含墨水時與墨水接觸的所述隔膜基片和孔基片的表面上。
在本發(fā)明的另一個方面中，提供了一種噴墨頭，其包括墨室基片、隔膜基片、壓電元件和孔基片。墨室基片具有壓力室。隔膜基片接合到所述墨室基片。壓電元件被接合到所述隔膜基片，用于響應于電信號對所述壓力室施加壓力?？谆哂杏糜趪娚淠膰娮炜?，所述孔基片被接合到所述墨室基片并被所述隔膜基片加壓，所述壓力室與所述噴嘴孔流體連通；所述墨室基片包括硅件、形成在所述硅件的表面上的二氧化硅(SiO2)層和形成在所述二氧化硅(SiO2)層的表面上的玻璃層。所述孔基片包括硅件，以及形成在硅件的表面上的氧化硅(SiOx，x＜2)層。所述墨室基片和孔基片通過陽極接合連接。
在本發(fā)明的另一個方面中，提供了一種噴墨頭，其包括墨室基片、隔膜基片、壓電元件和孔基片。墨室基片具有壓力室。隔膜基片與所述墨室基片接合。壓電元件被接合到所述隔膜基片，用于響應于電信號對所述壓力室施加壓力。孔基片具有用于噴射墨水的噴嘴孔。所述孔基片被接合到所述墨室基片并被所述隔膜基片加壓，所述壓力室與所述噴嘴孔流體連通。
所述墨室基片包括硅件、形成在所述硅件的表面上的二氧化硅(SiO2)層和形成在所述二氧化硅(SiO2)層的表面上的玻璃層。所述孔基片和所述隔膜基片每個都包括硅件和形成在所述硅件的表面上的氧化硅(SiOx，x＜2)層。所述墨室基片、孔基片和隔膜基片通過陽極接合連接在本發(fā)明的另一個方面中，提供了一種噴墨記錄裝置，其包括上述的噴墨頭和控制所述噴墨頭的控制單元。


在圖中圖1(a)-1(d)為示出根據(jù)本發(fā)明的陽極接合法的說明圖；圖2為根據(jù)第一實施例的噴墨頭的示意圖；圖3(a)-3(c)為示出在根據(jù)本發(fā)明第一實施例的制造噴墨頭的方法中的步驟的說明圖；圖4為示出在根據(jù)第一實施例的制造噴墨頭的方法中使用的陽極接合法的中的步驟的說明圖；圖5(a)-5(c)為示出在根據(jù)本發(fā)明第二實施例的制造噴墨頭的方法中的步驟的說明圖；圖6為示出在根據(jù)第二實施例的制造噴墨頭的方法中使用的陽極接合法中的步驟的說明圖；圖7(a)-7(d)為示出在根據(jù)本發(fā)明第三實施例的制造噴墨頭的方法中的步驟的說明圖；圖8為示出在根據(jù)第三實施例的制造噴墨頭的方法中使用的陽極接合法中的步驟的說明圖；圖9為根據(jù)第三實施例的噴墨頭的示意圖；圖10為根據(jù)本發(fā)明的噴墨記錄裝置的透視圖和方框圖；以及圖11為根據(jù)本發(fā)明的噴墨記錄裝置中的線性噴墨頭(line head)的透視圖。
具體實施例方式
下面將根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例描述陽極接合法，噴墨頭的結(jié)構(gòu)，和使用該陽極接合法制造噴墨頭的方法。另外，還將描述使用根據(jù)本發(fā)明的噴墨頭的噴墨記錄裝置以及該噴墨記錄裝置的使用和應用。
(1)陽極接合硅件的方法圖1(a)-1(c)描述了根據(jù)本發(fā)明的陽極接合硅件的方法。如圖1(a)所示，第一硅件37a是由單晶硅制備。例如，通過使表面在1150℃的水蒸汽環(huán)境中氧化在第一硅件37a的表面上形成厚度大約為1μm的二氧化硅(SiO2)層4。接著，如圖1(b)所示，由硼硅玻璃或者派熱斯玻璃形成的玻璃層5被噴射在二氧化硅(SiO2)層4的表面上。硼硅玻璃由主要包括SiO2、B2O3等并且包括Na2O和微量AL2O3的材料形成。通常，二氧化硅(SiO2)層4被設(shè)定為從0.05μm到幾μm的厚度，而玻璃層5被設(shè)定為0.5μm到幾μm的厚度。單晶硅為具有不大于105Ω·cm的低體積電阻率(low volume resistivity)的半導體，該電阻率遠遠大于二氧化硅(SiO2)層4和玻璃層5的電阻率。
同時，第二硅件37b由單晶硅制備。如圖1(c)所示，比二氧化硅(SiO2)層4氧欠缺的氧化硅(SiOx，x＜2)層39形成在第二硅件37b的表面上。這是通過在1150℃在水蒸氣環(huán)境下加熱第二硅件37a并隨后用來自低壓水銀燈的紫外線照射該層而完成。紫外線釋放了在二氧化硅(SiO2)層中的氧的部分，由此形成氧化硅(SiOx，x＜2)層39。
接著，如圖1(d)所示，第二硅件37b被放置在不銹鋼座8上。座8具有內(nèi)置加熱器8b，和形成在與第二硅件37b接觸的表面上的電極膜8a。第一硅件37a被層疊在第二硅件37b的頂部，從而玻璃層5的表面與氧化硅(SiOx，x＜2)層39接觸。
由金屬形成的擠壓/加熱板9被放置在第一硅件37a的頂部上。擠壓/加熱板9具有內(nèi)置加熱器9b和與第一硅件37a接觸的電極膜9a。擠壓/加熱板9起擠壓板的作用，用于提高在第一硅件37a和第二硅件37b之間的粘附力。電極膜8a和9a分別被預先形成在座8和擠壓/加熱板9的表面上，用于確保良好的電接觸。在300-500℃的高溫下通過汽相淀積或者電鍍鉑、金、銀或者其它具有穩(wěn)定電性能的金屬形成電極膜8a和9a。與直流電源13相連的電極端子10c和10b分別被放置為與座8和擠壓/加熱板9接觸。開關(guān)14被閉合以在端子之間提供直流電壓。
在陽極接合的情況下，電源(未示出)將電供應給用于加熱座8和擠壓/加熱板9的加熱器8b和9b，直到第一硅件37a和第二硅件37b被加熱到大約450℃。
然后，開關(guān)14被閉合，例如，在電極端子10b和10c之間施加200v直流電壓。此時，電流隨著鈉離子(Na+)和氧離子(O2-)的移動通過玻璃層5流動。將這樣的條件保持預定持續(xù)時間，從而在氧離子(O2-)和在第二硅件37b的表面上形成的氧化硅(SiOx，x＜2)層39的SiOx(x＜2)之間形成化學鍵(chemical bond)。因此，在玻璃層5和氧化硅(SiOx，x＜2)層39之間的界面處形成二氧化硅(SiO2)層，從而在其間完成陽極接合。
當該陽極接合法被用于制造噴墨頭時，如下所述，在壓力室等的表面上形成氧化硅層。因此，當該表面被布置為與堿性溶液接觸時該表面可抵抗腐蝕。
在該陽極接合法中，在玻璃層5和氧化硅(SiOx，x＜2)層39之間的界面處只形成了較薄的二氧化硅(SiO2)層。因此，陽極接合的件的抗腐蝕性不成問題。此外，本發(fā)明的優(yōu)點是，根據(jù)陽極接合法的接合強度比利用粘合劑和焊接連接的接合(bonding)的強度高。
(2)噴墨頭的結(jié)構(gòu)和制造方法接著，將描述根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的噴墨頭的結(jié)構(gòu)和制造方法。制造方法采用了上述的陽極接合法。
首先，將描述根據(jù)第一實施例的噴墨頭的結(jié)構(gòu)。如圖2所示，噴墨頭24a包括孔基片6、墨水室基片3、隔膜基片1和殼體20。通過使單晶硅經(jīng)過MEMS加工生產(chǎn)隔膜基片1、墨水室基片3和孔基片6。另外，在孔基片6中形成噴嘴7。在墨水室基片3中形成歧管(manifold)11a、壓力室11b和節(jié)流器11c。歧管11a和壓力室11b通過節(jié)流器11c彼此相通。在殼體20中形成供墨通道20a和壓電元件插入口20b。在隔膜基片1中對應于供墨通道20a的區(qū)域中形成過濾器21。供墨通道20a和歧管11a通過過濾器21連通。在壓電元件插入口20b中布置壓電元件18。壓電元件18通過粘合劑19與隔膜基片1相連。
采用該結(jié)構(gòu)，從墨盒(未示出)供應的墨水22通過過濾器21、歧管11a和節(jié)流器11c，并被供應到壓力室11b和噴嘴7中，當信號被施加到壓電元件18上時，隔膜基片1振動，從而使墨滴23從噴嘴7噴出。
然后，參照圖3(a)至圖4描述制造噴墨頭24a的方法。首先，通過MEMS加工方法由單晶硅基片40制造隔膜基片1、墨水室基片3和孔基片6。如圖3(a)所示，隔膜基片1具有接合部分1a、振動部分1d、過濾器部分1e和端子部分1b。接合部分1a被接合到墨水室基片3，振動部分1d被固定到壓電元件18(見圖2)，并且當壓電元件18變形時振動部分1d振動。過濾器21(參見圖2)形成在過濾器部分1e中并構(gòu)成墨水通道的一部分。端子部分1b為用于施加電壓的端子。在隔膜基片1中形成切去部分1c，在后面描述的陽極接合已經(jīng)完成之后，該切去部分1c用于切割和除去端子部分1b。在通過MEMS加工制造隔膜基片1之后，比SiO2氧欠缺的氧化硅(SiOx，x＜2)層2形成在隔膜基片1的表面上，為了形成氧化硅(SiOx，x＜2)層2，首先在1150℃在水蒸汽環(huán)境中加熱隔膜基片1形成二氧化硅(SiO2)層。隨后，用自低壓水銀燈的紫外線照射該層，以釋放層中的氧。也可以在對單晶硅基片進行熱氧化時，通過控制氧密度(oxygen density)來形成氧化硅(SiOx，x＜2)層2。
如圖3(b)所示，墨水室基片3包括接合部分3a和端子部分3b。接合部分3a被接合到隔膜。端子部分3b為用于施加電壓的端子。在墨水室基片3中也形成切去部分3c，在后面描述的陽極接合已經(jīng)完成之后，切去部分3c用于切割和除去端子部分3b。
在通過MEMS加工制造墨水基片3之后，厚度大約為1μm的二氧化硅(SiO2)層4形成在墨水室基片3的表面上。隨后，通過噴涂在二氧化硅(SiO2)層4的表面上進一步形成厚度大約為2μm的硼硅玻璃層5。
如圖3(c)所示，厚度大約為1μm的氧化硅(SiOx，x＜2)層2形成在孔基片6的表面上。根據(jù)與上述方法相同的方法形成氧化硅(SiOx，x＜2)層2。
接著，如圖4所示，根據(jù)上述方法形成的隔膜基片1、墨室基片3和孔基片6以孔基片6處于底部的方式被一起層疊在座8上。擠壓/加熱板9被層疊在隔膜基片1的頂部上。
此時，通過機械拋光或者化學處理除去形成在端子部分1b的表面上的氧化硅(SiOx，x＜2)層2，端子部分1b被布置為與電極端子10b電接觸。
接著，通過化學處理除去形成在端子部分3b的表面上的二氧化硅(SiO2)層4和玻璃層5，并且端子部分3b被布置為與電極端子10a電接觸。電極端子10c還被布置為與座8接觸。電通過座8供應到孔基片6，因為孔基片6的平面的除了噴嘴7區(qū)域之外的大部分與座8接觸。
電還被供應到加熱器8b和9b中，用于加熱座8和擠壓/加熱板9。當開關(guān)14閉合時，直流電源13將200伏直流電壓施加到電極端子10a、電極端子10b和電極端子10c。此時，根據(jù)上面參考圖1(d)描述的原理隔膜基片1、墨室基板片3和孔基片6被陽極接合，形成三個元件的整體接合的單元。
接著，端子部分1b和端子部分3b被去掉，如圖2所示，殼體20被安裝在隔膜基片1上。另外用粘合劑19將壓電元件18安裝在隔膜基片1上，從而完成噴墨頭24a。
在如上所述地制造的噴墨頭24a中，構(gòu)成墨水室的歧管11a和壓力室11b的壁12由二氧化硅(SiO2)層形成。另外，噴嘴7的內(nèi)壁由氧化硅(SiOx，x＜2)層構(gòu)成。因此，沒有硅部分露出。因此，除了水基溶劑、油基溶劑和UV墨水之外，該結(jié)構(gòu)還可支持用于形成互連、顯示器面板等的工業(yè)墨水，諸如酸性、堿性和極性溶劑墨水。另外，通過由用于對單晶硅基片干蝕刻(dry etching)的MEMS加工技術(shù)制造隔膜基片1、墨室基片3和孔基片6，可制造高精度的噴墨頭。
雖然孔基片6和隔膜基片1具有帶有精細結(jié)構(gòu)的區(qū)域，但是只有氧化硅(SiOx，x＜2)層2形成在這些基片上，因而保持從MEMS工藝生產(chǎn)出的精細形狀的精度。另一方面，雖然玻璃層5布置在墨室基片3上，但是墨室基片3不具有這種特別精細的結(jié)構(gòu)部分。因此，在墨室基片3上也可保持在MEMS加工期間形成的部分的形狀的精度。
由于玻璃層5沒有布置在其中形成精細噴嘴7的孔基片6上，因此，例如，噴嘴7的直徑可被減小到大約25μm。因此，噴墨頭24a可噴射比傳統(tǒng)噴墨頭小的微滴。
通過不使用粘合劑以連接孔基片6等，可防止在噴嘴附近伸出的粘合劑對墨水噴射性能的影響。另外，沒有這樣的粘合劑脫落以及堵塞噴嘴7或者其它的可靠性降低的危險。
圖5和6示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的制造噴墨頭的方法。第二實施例和第一實施例的不同之處在于，省去了用于將電壓施加到隔膜基片1上的端子部分1b。另外，在氧化單晶硅件的表面的處理中形成氧化硅層，在該處理中在高溫下將單晶硅件保持在氧環(huán)境中。通過在氧環(huán)境中在600℃的低溫對基片進行熱氧化在單晶硅基片40的表面上形成孔基片6和隔膜基片1的氧化硅(SiOx，x＜2)層2，氧化硅(SiOx，x＜2)層2的厚度僅為0.1μm。
另一方面，通過以高氧密度在高溫1100℃下對基片進行熱氧化，在單晶硅基片40的表面上形成墨室基片3的二氧化硅(SiO2)層4。隨后，玻璃層5形成在二氧化硅(SiO2)層4上。二氧化硅(SiO2)層4的厚度為1μm。
圖6示出了陽極接合圖5中的孔基片6、墨室基片3和隔膜基片1的方法。由于隔膜基片1的平坦部分比孔基片6的平坦部分少，因此在隔膜基片1和擠壓/加熱板9之間的接觸表面面積較小。但是，由于在第二實施例中的氧化硅(SiOx，x＜2)層2較薄，因此可通過不銹鋼擠壓/加熱板9將電壓施加到隔膜基片1上。用于將熱和壓力施加到元件上的接合條件與第一實施例中所描述的那些相同，所以在此不重復描述。在第二實施例中，隔膜基片1的制造工藝比較簡單，因為不需要在陽極接合期間用于施加電壓的端子部分1b和在第一實施例中用于切割和去除端子部分1b的切去部分1c。
圖7(a)至圖8示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的制造噴墨頭的方法。在上述的第一和第二實施例中，隔膜基片1由單晶硅基片40形成。然而，在第三實施例中，隔膜基片1由諸如聚酰亞胺樹脂、芳族聚酰胺樹脂或polysulfan樹脂的聚合物(polymer)膜形成。
如圖7(a)所示，根據(jù)圖5(b)中所述的相同工藝形成墨室基片3。如圖7(b)所示，根據(jù)圖5(c)中所述的相同工藝形成孔基片6。接著，墨室基片3和孔基片6如圖8所示地層疊。電極端子10a被布置為與端子部分3b電接觸，而電極端子10c被布置為與座8接觸。然后，直流電壓被施加在電極端子10a和電極端子10c之間，以陽極接合墨室基片3和孔基片6。
下面，如圖7(c)所示，在孔基片6的表面上形成斥墨層15。斥墨層15可以控制孔表面的可濕性(wettablility)，從而防止噴墨方向錯誤和噴射故障。斥墨層15可由諸如氟聚合物(fluorine polymer)的聚合物膜形成。氟聚合物膜可承受最多200℃的溫度，不能承受在陽極接合期間所達到的溫度(大于400℃)。因此在陽極接合之后進行斥墨(ink-repellent)處理。另外，當如第一和第二實施例中所述將孔基片6、墨室基片3和隔膜基片1一體化時，很難僅在孔基片6的表面上進行斥墨處理。
然后，將描述在孔基片6的表面上形成斥墨層15的方法。在通過陽極接合將墨室基片3和孔基片6連接之后，接合結(jié)構(gòu)被浸在氟聚合物(fluorine-polymer)溶液中，以在接合結(jié)構(gòu)的整個表面上形成斥墨層。隨后，具有厚度25μm的干抗蝕膜被應用在孔基片6的表面上，并通過加熱和壓力被接合。當在噴嘴入口的內(nèi)部附近形成斥墨層時，干防蝕膜被以規(guī)定深度插入噴嘴中。然后，在沒有被干抗蝕膜覆蓋的區(qū)域中的斥墨層被氧等離子體除去。隨后，除去干抗蝕膜。圖7(c)示出了斥墨層15，其形成在孔基片6的表面上并且以規(guī)定深度插入噴嘴7的入口。這樣，必須從除了孔基片6的表面之外的區(qū)域用氧等離子體除去斥墨層。結(jié)果，當如第一和第二實施例中一樣將孔基片6、墨室基片3和隔膜基片1接合在一起時，很難僅在孔基片6的表面上進行斥墨處理。
在用于形成斥墨層15的另一種方法中，在將墨室基片3和孔基片6陽極接合在一起之后，作為保護帶的干抗蝕膜被應用在孔基片6的表面上。干抗蝕膜插入噴嘴中到預定深度。然后，通過將可溶于水的掩蔽劑(masking agent)注入歧管11a和壓力室11b中在歧管11a和壓力室11b的側(cè)壁上形成掩膜層(未示出)。在剝離保護帶之后，在孔基片6的表面上形成斥墨層。然后，接合結(jié)構(gòu)被浸在水中，以將可溶于水的掩膜層除去。如圖7(c)所示，通過這樣的處理，斥墨層15形成在孔基片6的表面上和噴嘴7的入口中到預定深度，而沒有在歧管11a和壓力室11b中形成斥墨層。
下面，如圖7(d)所示，粘合劑16被涂敷在墨室基片3的側(cè)面上，該側(cè)面將接合到隔膜基片，并且隔膜板17被安裝在粘合劑16上。隔膜板17的材料為諸如聚酰亞胺樹脂、芳族聚酰胺樹脂或者polysulfan樹脂的聚合物膜(polymerfilm)。另外，在圖7(a)中，雖然玻璃層5形成在將要接合到隔膜基片的墨室基片3的表面上，但不是必須在該面上形成玻璃層5，因為該表面不進行陽極接合。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的噴墨頭24b，該噴墨頭24b的構(gòu)造方式是通過將不銹鋼殼體20安裝在根據(jù)第三實施例的方法制造的孔基片6、墨室基片3和隔膜板17構(gòu)成的接合結(jié)構(gòu)上并隨后用粘合劑19將壓電元件18粘接到隔膜板17上。隔膜板17可由Fe42-Ni或不銹鋼部件制造。盡管這種部件對酸性墨水的腐蝕性具有較弱的抵抗力，但是它們可承受其它類型的墨水。
當如在第一實施例和第二實施中一樣通過MEMS加工單晶硅40制造隔膜基片1時，可進行陽極接合以消除粘合劑的使用，由此提高噴墨頭的抗腐蝕性。然而，由單晶硅40形成的隔膜基片1非常薄(厚度大約為幾μm)并且極容易破裂，因此在組裝期間必須小心處理隔膜基片1。然而，當如第三實施例中那樣，由聚合物膜、Fe42-Ni、不銹鋼等形成隔膜板17時，隔膜板17極不容易破裂。同時，隔膜板17便宜并容易操作。
當隔膜板17由聚酰亞胺樹脂形成時，隔膜板17對包含有諸如NMP9N-methylpyrrolidone)等的極性溶劑的墨水沒有抗腐蝕性。但是，隔膜板17可承受在形成互連、顯示器面板等中使用的酸性或者堿性工業(yè)墨水以及水基溶劑和油基溶劑或者UV墨水。
(3)噴墨記錄裝置圖10和圖11示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的噴墨記錄裝置50的結(jié)構(gòu)。噴墨記錄裝置50具有基座32；設(shè)置在基座32上、用于傳送諸如紙、玻璃、金屬或者塑料的記錄介質(zhì)30的傳送機構(gòu)31；設(shè)置在基座32上的安裝部件29；線性頭部(line head)26，其具有安裝在安裝部件29中的多個噴嘴。線性頭部26被安裝在安裝部件29中，從而例如，在線性頭部26和記錄介質(zhì)30之間形成1-5mm的間隙。
噴墨記錄裝置50包括線性頭部驅(qū)動裝置33，用于控制施加到對應于在線性頭部26中的每個噴嘴的壓電元件上的驅(qū)動電壓；噴射信號產(chǎn)生裝置34，用于產(chǎn)生噴墨信號和將該信號輸入線性頭部驅(qū)動裝置33中；傳送機構(gòu)驅(qū)動裝置35，用于控制傳送機構(gòu)31傳送記錄介質(zhì)30的定時；控制裝置36，用于控制噴射信號產(chǎn)生裝置34和傳送機構(gòu)驅(qū)動裝置35。
更具體地說，控制裝置36將控制信號傳送到傳送機構(gòu)驅(qū)動裝置35，用于控制用于傳送記錄介質(zhì)30的定時，并且將控制信號傳送到噴射信號產(chǎn)生裝置34，用于控制噴射信號產(chǎn)生裝置34傳送數(shù)據(jù)的定時(timing)。
接著，詳細描述線性頭部26。如圖11所示，線性頭部26具有基板27。頭部25a-25f被以交錯的布置設(shè)置在線性頭部26上。頭部25a-25f具有與圖2所示的噴墨頭24a或者圖9所示的噴墨頭24b相同的橫截面結(jié)構(gòu)。如果頭部25a-25f同時噴射墨滴，第一墨滴行28a、28b和28c與第二墨滴行28d、28e和28f隔開間距L。然而，通過控制噴射時間，可以使第一和第二墨滴行沿著同一直線噴射。
通過使用MEMS加工處理以在上述孔基片6中形成噴嘴7由上述孔基片6制造根據(jù)優(yōu)選實施例的頭部25a-25f。因此，頭部25a-25f被以高精度地形成，并且在同一頭部的噴嘴中和不同頭部之間的噴嘴中噴嘴直徑、深度和其它尺寸的變化極小。噴嘴的定位也極其準確。墨室基片3也被高精度地制出，并且在同一頭部中和在不同頭部中的墨室(壓力室、節(jié)流器、歧管等)的形狀和尺寸的變化很小，該差異可影響噴墨性能。
由于沒有使用粘合劑將孔基片6和墨室基片3接合在一起，頭部25a-25f沒有受到與使用粘合劑相關(guān)的問題的困擾，例如粘合劑層的不規(guī)則厚度，噴嘴由于粘合劑伸出到噴嘴附近而堵塞或者粘合劑層的一部分脫落。因此，可以生產(chǎn)出在頭部中和在每個頭部中的噴嘴中具有一致的墨水噴射性的噴墨頭，并且可生產(chǎn)在承受各種類型墨水方面可靠性高的噴墨頭。
另外，由于通過顯微機械加工生產(chǎn)出具有微小直徑的噴嘴7，所以噴嘴7可噴射微滴墨水。
(4)墨水記錄裝置的使用和應用下面，將描述根據(jù)本發(fā)明的噴墨記錄裝置的使用和應用的示例。
(a)液晶顯示器的對準層(alignment layer)圖2的噴墨頭24a可被用于需要打印均勻固體膜的應用，通過在由玻璃、塑料等形成的液晶面板基片上噴射用于聚酰亞胺樹脂的NMP溶劑以生產(chǎn)包含TFT(薄膜晶體管)和濾色鏡的電路。
(b)濾色鏡和彩色有機EL材料的圖案形成雖然在圖10的噴墨記錄裝置中示出了單個線性頭部26，但是噴墨記錄裝置可被用來通過提供與彩色(紅色、綠色和藍色)相對應的三個線性頭部用于噴射這三種顏色的濾色鏡材料或者彩色發(fā)光材料，對作為記錄介質(zhì)30的由玻璃、塑料等形成的面板基片進行布圖。在噴墨記錄裝置中使用的噴墨頭可以為在圖2中示出的噴墨頭24a或者在圖9中示出的噴墨頭24b。
(c)彩色打印作為選擇，四行頭部可對應于黃色、品紅色、青色和黑色地安裝在噴墨記錄裝置中。該噴墨記錄裝置可通過將這四種顏色的墨水噴射在由紙或者塑料形成的記錄介質(zhì)30上進行彩色打印。在該噴墨記錄裝置中，當彩色墨水為水基的、油基的、或者正常的溶劑型墨水時，可使用圖9中所示的噴墨頭部24b。
(d)互連圖案上述優(yōu)選實施例的噴墨頭可被用于通過在聚酰亞胺樹脂膜或者陶瓷基片的表面上噴射具有銀、銅等的金屬納米顆粒的導電墨水打印互連圖案。這些噴墨頭可支持具有小于50μm的線寬度的互連的形成，這需要以高精度將3微微升(picoliter)或更少的微滴噴射在規(guī)定位置。
在這種情況下，水基或者溶劑型墨水被用作導電墨水。
另外，可使用圖2中所示的打印頭24或圖9中所示的打印頭24b。在該示例中，在孔基片6中的噴嘴優(yōu)選形成為微型噴嘴，該噴嘴經(jīng)過機加工具有大約20-25μm的直徑。
在上述實施例中，噴墨記錄裝置由傳送記錄介質(zhì)的固定線性頭部構(gòu)成。然而，本發(fā)明也可用于具有可動噴墨打印頭的串行(serial)型噴墨記錄裝置。
雖然本發(fā)明的陽極接合硅件的方法被用于制造噴墨頭。但是該方法也可用于制造通過將多個硅部件接合在一起的傳感器或者其它產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種陽極接合硅件的方法，所述方法包括在第一硅件的表面上形成二氧化硅SiO2層；在所述二氧化硅SiO2層的表面上形成玻璃層；在第二硅件的表面上形成比SiO2氧欠缺的氧化硅(SiOx，x＜2)層；以及通過布置所述玻璃層的表面與所述氧化硅(SiOx，x＜2)層的表面接觸以及對所述第一和第二硅件加熱和在所述第一和第二硅件之間施加電壓，將所述第一硅件接合到所述第二硅件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽極接合硅件的方法，其中形成所述氧化硅(SiOx，x＜2)層的步驟包括在所述第二硅件的所述表面上形成熱氧化層；以及通過使用紫外線或者電子束照射所述熱氧化層釋放氧原子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽極接合硅件的方法，其中形成所述氧化硅(SiOx，x＜2)層的步驟是在比在所述第一硅件的所述表面上形成所述熱二氧化物層時的氧化溫度和氧密度低的氧化溫度和低的氧密度下進行的。
4.一種制造噴墨頭的方法，所述方法包括制造具有壓力室的墨室基片和具有用于噴射墨的噴嘴孔的孔基片，所述墨室基片和所述孔基片的每一個都由硅材料形成；在所述墨室基片的表面上形成二氧化硅SiO2層；在所述二氧化硅SiO2層的表面上形成玻璃層；在所述孔基片的表面上形成氧欠缺的氧化硅(SiOx，x＜2)層；通過布置所述玻璃層與所述氧化硅(SiOx，x＜2)層接觸從而壓力室與所述噴嘴孔流體連通、并對所述墨室基片和所述孔基片加熱、在所述墨室基片和所述孔基片之間施加直流電壓，將所述墨室基片陽極接合到所述孔基片；以及將具有用于對所述壓力室加壓的隔膜的隔膜基片接合到所述墨室基片的側(cè)面，該側(cè)面與接合所述孔基片的側(cè)面相對。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造噴墨頭的方法，其中所述隔膜基片用粘合劑接合到所述墨室基片。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造噴墨頭的方法，其中所述隔膜基片由金屬或者聚合物樹脂膜形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造噴墨頭的方法，還包括在所述墨室基片和孔基片已經(jīng)被陽極接合之后在所述孔基片的所述表面上形成斥墨層；其中在所述孔基片的所述表面上形成所述斥墨層之后，所述隔膜基片被接合到所述墨室基片。
8.一種制造噴墨頭的方法，所述方法包括；制造具有壓力室的墨室基片、具有用于對所述壓力室加壓的隔膜的隔膜基片，以及具有用于噴射墨的噴嘴孔的孔基片，墨室基片、隔膜基片和孔基片中的每個都由硅材料形成；在所述墨室基片的表面上形成二氧化硅SiO2層；在二氧化硅SiO2層的表面上形成玻璃層；在所述孔基片和所述隔膜基片的表面上形成氧欠缺的氧化硅(SiOx，x＜2)層；以及通過依次將所述隔膜基片、墨室基片、孔基片層疊并在所述墨室基片、所述隔膜基片和所述孔基片之間施加直流電壓將所述隔膜基片、孔基片、墨室基片陽極接合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造噴墨頭的方法，其中，在陽極接合的步驟中，所述孔基片、墨室基片和隔膜基片被依次層疊在具有內(nèi)置加熱器的座上，而具有內(nèi)置加熱器的擠壓/加熱板被設(shè)置在所述隔膜基片的頂部上，并且所述直流電壓被施加在所述墨室基片和所述座之間以及所述墨室基片和所述擠壓/加熱板之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造噴墨頭的方法，其中，在陽極接合的步驟中，所示孔基片、墨室基片和隔膜基片被依次層疊在具有內(nèi)置加熱器的座上，而具有內(nèi)置加熱器的擠壓/加熱板被設(shè)置在所述隔膜基片的頂部上，并且所述直流電壓被施加在所述墨室基片和所述隔膜基片之間以及所述墨室基片和所述座之間。
11.一種噴墨頭，包括具有壓力室的墨室基片；被接合到所述墨室基片的隔膜基片；壓電元件，該壓電元件被接合到所述隔膜基片，用于響應于電信號對所述壓力室施加壓力；以及孔基片，該孔基片具有用于噴射墨的噴嘴孔，所述孔基片被接合到所述墨室基片并被所述隔膜基片加壓，所述壓力室與所述噴嘴孔流體連通；其中，氧化硅層形成在形成壓力室的所述墨室基片的所述表面，以及當所述壓力室和所述噴嘴孔包含墨時與墨接觸的所述隔膜基片和孔基片的表面上。
12.一種噴墨頭，包括具有壓力室的墨室基片；被接合到所述墨室基片的隔膜基片；壓電元件，該壓電元件被接合到所述隔膜基片，用于響應于電信號對所述壓力室施加壓力；以及孔基片，該孔基片具有用于噴射墨的噴嘴孔，所述孔基片被接合到所述墨室基片并被所述隔膜基片加壓，所述壓力室與所述噴嘴孔流體連通；其中，所述墨室基片包括硅件、和形成在所述硅件的表面上的二氧化硅SiO2層，和形成在所述二氧化硅SiO2層的表面上的玻璃層；所述孔基片包括硅件、以及形成在所述硅件的表面上的氧化硅(SiOx，x＜2)層；以及所述墨室基片和孔基片通過陽極接合連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的噴墨頭，其中，所述隔膜基片由金屬或者聚合物樹脂膜形成。
14.一種噴墨頭，包括具有壓力室的墨室基片；接合到所述墨室基片的隔膜基片；壓電元件，該壓電元件被接合到所述隔膜基片，用于響應于電信號對所述壓力室施加壓力；以及孔基片，該孔基片具有用于噴射墨的噴嘴孔，所述孔基片被接合到所述墨室基片并被所述隔膜基片加壓，所述壓力室與所述噴嘴孔流體連通；其中，所述墨室基片包括硅件、形成在所述硅件的表面上的二氧化硅SiO2層，和形成在所述二氧化硅SiO2層的表面上的玻璃層；所述孔基片和所述隔膜基片每個都包括硅件，和形成在所述硅件的表面上的氧化硅(SiOx，x＜2)層；以及所述墨室基片、孔基片和隔膜基片通過陽極接合連接在一起。
15.一種噴墨記錄裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求11所述的噴墨頭；以及控制所述噴墨頭的控制單元。
16.一種噴墨記錄裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求12所述的噴墨頭；以及控制所述噴墨頭的控制單元。
17.一種噴墨記錄裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求14所述的噴墨頭；以及控制所述噴墨頭的控制單元。
全文摘要
一種制造噴墨頭的方法中，在由單晶硅形成的第一硅件的表面上形成二氧化硅(SiO
文檔編號C04B41/85GK1794423SQ20051013410
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月24日
發(fā)明者梅田高雄, 町田治, 永田純 申請人:理光打印系統(tǒng)有限公司