專利名稱：帶改進(jìn)壓力腔的噴墨打印頭及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴墨打印頭及其制造方法。
現(xiàn)有技術(shù)的噴墨打印頭的結(jié)構(gòu)包括不銹鋼基板或單晶硅基板，該板具有通過機(jī)械加壓過程、蝕刻過程、放電過程或激光過程制成的直噴嘴和錐形或球形壓力腔(參見JP-A-9-76492和JP-A-9-57891)。這將在后面予以詳細(xì)說明。
不過，按照上述現(xiàn)有技術(shù)的噴墨打印頭，如果通過蝕刻過程獨(dú)立于所述噴嘴制成所述壓力腔，則可能發(fā)生壓力腔不能關(guān)于噴嘴對準(zhǔn)，這將降低生產(chǎn)率。另外，由于壓力腔底部的角度為銳角，里面可能發(fā)生墨汁的滯留，而且其中還可能保存氣泡。此外，由于所述基板必須很薄，所以在將這種噴墨打印頭裝配到噴墨裝置中時，不能過于以手觸動。
本發(fā)明的目的在于提高噴墨打印頭的生產(chǎn)率。
本發(fā)明的另一目的在于改善噴墨打印頭的墨汁滯留特性。
本發(fā)明的又一目的在于能夠使噴墨打印頭變厚。
按照本發(fā)明，一種噴墨打印頭包括帶壓力腔開孔的基板，所述開孔的截面從所述基板的前表面到基板的中間段逐漸加大，而從基板的中間段到基板的后表面逐漸減小?；迩氨砻娴拈_孔用作噴嘴。
另外，一種制造噴墨打印頭的方法，包括以下步驟至少在硅基板的前后表面之一上制成雜質(zhì)擴(kuò)散層，再在所述硅基板的前表面上制成具有噴嘴開孔的蝕刻掩膜層。此后，用所述蝕刻掩膜層作為掩膜，而以所述雜質(zhì)擴(kuò)散層作為蝕刻抑制層，在所述硅基板上實(shí)行各向異性的干法蝕刻過程。最后，在所述硅基板上實(shí)行各向異性的濕法蝕刻過程，在其中形成壓力腔。
此外，一種制造噴墨打印頭的方法，包括以下步驟在所述硅基板的前表面上制成帶有第一噴嘴開孔的第一蝕刻掩膜層，而在所述硅基板的后表面上與第一開孔相應(yīng)地制成帶第二開孔的第二蝕刻掩膜層。然后，以第一和第二蝕刻掩膜層為掩膜，在所述硅基板上實(shí)行各向異性的干法蝕刻過程。最后，在所述硅基板上實(shí)行各向異性的濕法蝕刻過程，在其中形成壓力腔。
作為與現(xiàn)有技術(shù)相比，從以下參照附圖的描述，將更清楚地理解本發(fā)明，其中

圖1是表示現(xiàn)有技術(shù)噴墨打印頭的平面圖；圖2是圖1噴墨打印頭的局部放大圖；圖3A和3B是沿圖2的Ⅲ-Ⅲ線所取的截面圖；圖4A至4I是說明制造本發(fā)明噴墨打印頭方法之第一實(shí)施例的截面圖；圖5A至5I是表示圖4A至4I改型的截面圖；圖6A至6G是說明制造本發(fā)明噴墨打印頭方法之第二實(shí)施例的截面圖；圖7A至7G是表示圖6A至6G改型的截面圖。
在描述各優(yōu)選實(shí)施例之前，將參照圖1、2、3A和3B說明現(xiàn)有技術(shù)的噴墨打印頭。
在表示現(xiàn)有技術(shù)噴墨打印頭的圖1中，設(shè)置四列噴嘴11、12、13和14，各列中的多個噴嘴1排成矩陣形式。這些列噴嘴11、12、13和14分別用于噴射黑色墨汁、黃色墨汁、藍(lán)綠色墨汁和深紅色墨汁。所述各列噴嘴11、12、13合14分別連接到梳形墨池(水池)21、22、23和24，它們還連接到墨筒(未示出)。
在作為圖1噴墨打印頭局部放大圖的圖2中，壓力腔3與一個噴嘴1連接，墨汁通路4連接在壓力腔3與比如墨池21之間。
在作為沿圖2的Ⅲ-Ⅲ線所取截面圖的圖3A中(參見JP-A-9-76492)，參考標(biāo)號101指示不銹鋼基板，它具有通過機(jī)械加壓過程、蝕刻過程、放電過程或激光過程制成的直噴嘴1和錐形壓力腔3。另外，在不銹鋼基板101的前表面上形成電鍍層102。另一方面，在不銹鋼基板101的后表面上粘附一個振動片103，以隔開壓力腔3以及墨池21、22、23和24(參見圖1)。此外，通過接觸結(jié)合過程，以與噴嘴1相應(yīng)的方式，將一個由金屬電極夾著的壓電材料制成的致動器104粘附到振動片103上。
在作為沿圖2的Ⅲ-Ⅲ線所取的另一個截面圖的圖3B中(參見JP-A-9-57981)，參考標(biāo)號201指示單晶硅基板，它具有直噴嘴1和球形壓力腔3。在這種情況下，直噴嘴1由各向異性的干法蝕刻過程制成，而球形壓力腔3由各向同性的干法蝕刻過程制成。再有，振動片202被粘附到單晶硅基板201的后表面上，以隔開壓力腔3以及墨池21、22、23和24(參見圖1)。此外，通過接觸結(jié)合過程，以與噴嘴1相應(yīng)的方式，將一個由金屬電極夾著的壓電材料制成的致動器203粘附到振動片202上。
然而，在如圖1、2、3A和3B所示的噴墨打印頭中，如果通過蝕刻過程獨(dú)立于噴嘴1而形成壓力腔3，就可能發(fā)生壓力腔3不能關(guān)于噴嘴1對準(zhǔn)，這將使生產(chǎn)率降低。再有，由于壓力腔3在振動片103(202)處的角度較為尖銳，就可能在其中發(fā)生墨汁的滯留。另外，由于基板101(201)必須較薄，所以在將其裝配于噴墨裝置中時，不能過于以手觸動。比如，若壓力腔3在振動片103(202)處的寬度W1為400μm，則基板101(201)的厚度必須小于0.3mm。
以下將參照圖4A至4I說明制造噴墨打印頭方法的第一實(shí)施例。
首先參照圖4A，將諸如硼離子等p+型雜質(zhì)注入具有{100}面之單晶硅基板301的后表面中。于是，在所述單晶硅基板301的后表面上形成p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層302。
繼而參照圖4B，通過化學(xué)蒸鍍淀積(CVD)過程，在單晶硅基板301的前表面上淀積一層由氧化硅或氮化硅制成的絕緣層303。在這種情況下，如果由氧化硅制成所述絕緣層303，則可通過使單晶硅基板301熱致氧化而形成該絕緣層303。隨后，再通過照相制版及蝕刻過程在絕緣層303內(nèi)穿出開孔303a。
接下去參照圖4C，用絕緣層303作掩膜，并用p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層302作為蝕刻抑制層，通過各向異性干法蝕刻過程蝕刻單晶硅基板301。例如，這種各向異性干法蝕刻過程是采用CF3/O2混合氣體的活性離子蝕刻(RIE)過程。于是，在單晶硅基板301中穿出與噴嘴1相應(yīng)的開孔303a。
再下去則參照圖4D，利用乙二胺鄰苯二酚(EDP)水或氫氧化四甲銨(TMAH)水實(shí)現(xiàn)各向異性濕法蝕刻過程。結(jié)果，單晶硅基板301的側(cè)壁受到蝕刻，露出角度為54.7°的{111}面。當(dāng)進(jìn)一步實(shí)行這種各向異性濕法蝕刻過程時，在所述單晶硅基板301內(nèi)穿出有如圖4E所示的鉆石形開孔301b。在這種情況下，開孔301b有兩個角度為109.4°的{111}面。因此，在p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層302上開孔301a的{111}面相對于該層的角度是125.3°。應(yīng)予說明的是，開孔301b與開孔301a，也即噴嘴1自對準(zhǔn)，而且開孔301b底部的寬度幾乎與圖4C的開孔303a的寬度相同。
以下參照圖4F，以絕緣層303作掩膜，利用各向異性干法蝕刻過程斜向蝕刻單晶硅基板301。譬如，這種各向異性干法蝕刻過程是采用CF3/O2混合氣體的RIE過程。于是，在單晶硅基板301的底部側(cè)面的{111}面內(nèi)穿出開孔301c。
以下參照圖4G，再次實(shí)行使用EDP水或TMAH水的各向異性濕法蝕刻過程。結(jié)果，單晶硅基板301的側(cè)壁進(jìn)一步受到蝕刻，露出{111}面。于是，在單晶硅基板301中穿出桶形壓力腔3。在這種情況下，在p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層302上開孔301a的{111}面相對于該層的角度是125.3°，也即為鈍角。應(yīng)予說明的是，壓力腔3與開孔301a，也即噴嘴1自對準(zhǔn)，而且壓力腔3底部的寬度大于圖4C的開孔303a的寬度。
再以下參照圖4H，使用氟酸或磷酸，通過濕法蝕刻過程除去絕緣層303。
最后，參照圖4I，將振動片304粘附到p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層302上，并通過接觸結(jié)合過程，以與噴嘴1相應(yīng)的方式，將一個由金屬電極夾著的壓電材料制成的致動器204粘附到振動片304上。
在圖4A至圖4I所示的噴墨打印頭中，由于壓力腔3與噴嘴1自對準(zhǔn)，所以不會發(fā)生壓力腔3不與噴嘴1對準(zhǔn)，這將提高生產(chǎn)率。而且，由于在振動片304處壓力腔3的角度為鈍角，所以其中不會發(fā)生墨汁的滯留，而且其中也難于存留氣泡。此外，由于壓力腔3上部的截面逐漸加大，而壓力腔3下部截面逐漸減小，所以基板301可以較厚，以致在將這種噴墨打印頭裝配到噴墨裝置中時，可以充分地手動。譬如，若在振動片304處壓力腔3的寬度W2為400μm，則基板301的厚度可大于0.3mm。
另外，在圖4A至圖4I所示的噴墨打印頭中，由于p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層302是導(dǎo)電的，所以即使為了清潔噴嘴1而使其受到擦拭時，也能防止這種噴墨打印頭起電。
在表示圖4A至4I之改型的圖5A至5I中，將諸如硼摻雜擴(kuò)散層306的p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層加于單晶硅基板301的前表面上。
首先參照圖5A，在單晶硅基板301的后表面上形成p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層306之后，在單晶硅基板301的前表面上形成p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層306。
繼而，參照圖5B,5C,5D,5E,5F,5G,5H和5I，分別實(shí)行與圖4B,4C,4D,4E,4F,4G,4H和4I同樣的過程。在這種情況下，圖5C中雖然p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層306通過各向異性干法蝕刻過程的蝕刻選擇性較低，由于絕緣層303有足夠的厚度，所以可蝕刻p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層306。
在圖5A至5I所示的噴墨打印頭中，由于p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層306是導(dǎo)電的，所以在為清潔噴嘴1而使其受到擦拭操作時，也能進(jìn)一步防止這種噴墨打印頭起電。
以下參照圖6A至6G說明制造噴墨打印頭方法的第二實(shí)施例。
首先參照圖6A，通過CVD過程，分別在具有{100}面之單晶硅基板401的前后表面淀積由氧化硅或氮化硅制成的絕緣層402和403。在這種情況下，如果絕緣層402和403由氧化硅制成，則可通過熱致氧化所述單晶硅基板401形成所述絕緣層402和403。隨后，通過照相制版和蝕刻過程，分別在絕緣層402和403中穿出開孔402a和403a。在這種情況下，開孔403a寬于開孔402a。
繼而參照圖6B，以絕緣層402和403作掩膜，通過各向異性干法蝕刻過程蝕刻單晶硅基板401的前后表面。譬如，這種各向異性干法蝕刻過程是采用CF3/O2混合氣體的RIE過程。結(jié)果，在單晶硅基板401中穿出與噴嘴1對應(yīng)的開孔401a和與壓力腔3對應(yīng)的開孔402a。
接下去參照圖6C，采用EDP水或TMAH水實(shí)行各向異性濕法蝕刻過程。結(jié)果，單晶硅基板401的側(cè)壁受到蝕刻，露出{111}面，其角度為54.7°。當(dāng)如圖6D所示那樣進(jìn)一步實(shí)行這種各向異性濕法蝕刻過程時，在單晶硅基板401中穿出一個與壓力腔3相應(yīng)的桶形開孔，如圖6E所示。在這種情況下，壓力腔3有兩個{111}面，成109.4°角。因此，絕緣層403上壓力腔3的{111}面關(guān)于該絕緣層的角度為125.3°，即為鈍角。
應(yīng)予說明的是，所述壓力腔3的上部與噴嘴1自對準(zhǔn)，而且壓力腔3底部的寬度大于噴嘴1的寬度。
接下去參照圖6F，使用氟酸或磷酸，通過濕法蝕刻過程除去所述絕緣層402和403。
最后，參照圖6G，將振動片404粘附到絕緣層403上，而且通過接觸結(jié)合過程，以與噴嘴1相應(yīng)的方式，將一個由金屬電極夾著的壓電材料制成的致動器405粘附到振動片404上。
即使在如圖6A至6G所示的噴墨打印頭中，由于壓力腔3與噴嘴1自對準(zhǔn)，所以不會發(fā)生壓力腔3不與噴嘴1對準(zhǔn)，這將提高生產(chǎn)率。而且，由于在振動片404處壓力腔3的角度為鈍角，所以其中不會發(fā)生墨汁的滯留，而且其中也難于存留氣泡。此外，由于壓力腔3上部的截面逐漸加大，而壓力腔3下部截面逐漸減小，所以基板401可以較厚，以致在將這種噴墨打印頭裝配到噴墨裝置中時，可以充分地以手觸動。譬如，若在振動片404處壓力腔3的寬度W3為400μm，則基板401的厚度可大于0.3mm。
在表示圖6A至6G改型的圖7A至7G中，將諸如硼摻雜擴(kuò)散層406的p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層加于單晶硅基板401的前表面上。
首先參照圖7A，在單晶硅基板401的前后表面上形成絕緣層402和403之前，在單晶硅基板401的前表面上形成p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層406。
繼而，參照圖7B,7C,7D,7E,7F和7G，分別實(shí)行與圖6B,6C,6D,6E,6F和6G同樣的過程。在這種情況下，圖7B中雖然p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層406通過各向異性干法蝕刻過程的蝕刻選擇性較低，由于絕緣層402有足夠的厚度，所以可蝕刻p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層406。
在圖7A至7G所示的噴墨打印頭中，由于p+型雜質(zhì)擴(kuò)散層406是導(dǎo)電的，所以在為清潔噴嘴1而使其受到擦拭操作時，也能防止這種噴墨打印頭起電。
如上所述，按照本發(fā)明可使生產(chǎn)率得到提高。而且可以改善墨汁滯留特性和氣泡排放特性。此外可使基板較厚，可以充分以手觸動本噴墨打印頭。
權(quán)利要求
1．一種噴墨打印頭，它包括帶壓力腔(3)的第一開孔的基板(301,401)，其特征在于，所述第一開孔的截面從所述基板的前表面到所述基板的中間段逐漸加大，而從所述基板的中間段到所述基板的后表面逐漸減小，所述基板前表面的所述第一開孔用作噴嘴(1)。
2．如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其特征在于，還包括在所述基板的前表面上形成的第一導(dǎo)電層(306,406)，所述第一導(dǎo)電層具有引向所述第一開孔的所述噴嘴(1)的第二開孔。
3．如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其特征在于，還包括在所述基板的后表面上形成的第二導(dǎo)電層(302)，所述第二導(dǎo)電層具有引向所述第一開孔的第三開孔。
4．如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其特征在于，所述中間層比起所述基板的前表面更加靠近所述基板的后表面，使所述基板前表面上的所述第一開孔的截面小于所述基板后表面上的所述第一開孔的截面。
5．如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其特征在于，所述基板由單晶硅制成，所述單晶硅具有在所述基板的前后表面上的{100}面，和在所述第一開孔上的{111}面。
6．如權(quán)利要求2所述的噴墨打印頭，其特征在于，所述第一導(dǎo)電層由摻雜的硅制成。
7．如權(quán)利要求3所述的噴墨打印頭，其特征在于，所述第二導(dǎo)電層由摻雜的硅制成。
8．如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其特征在于，還包括粘附到所述基板后表面上的振動片(304,404)；以及按與所述噴嘴對應(yīng)的方式粘附到所述振動片上的致動器(305,405)。
9．如權(quán)利要求3所述的噴墨打印頭，其特征在于，還包括粘附到所述第二導(dǎo)電層上的振動片(304,404)；以及按與所述噴嘴對應(yīng)的方式粘附到所述振動片上的致動器(305,405)。
10．一種制造噴墨打印頭的方法，包括以下步驟至少在硅基板(301)的前后表面之一上制成雜質(zhì)擴(kuò)散層(302,306)；在所述硅基板的前表面上制成具有噴嘴(1)之開孔(303a)的蝕刻掩膜層(303)；用所述蝕刻掩膜層作為掩膜，而以所述雜質(zhì)擴(kuò)散層作為蝕刻抑制層，在所述硅基板上實(shí)行各向異性的干法蝕刻過程；在實(shí)行所述各向異性干法蝕刻過程之后，在所述硅基板上實(shí)行各向異性的濕法蝕刻過程，在其中形成壓力腔(3)。
11．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述雜質(zhì)擴(kuò)散層形成步驟將p型雜質(zhì)注入所述硅基板中。
12．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述蝕刻掩膜層由氧化硅和氮化硅之一制成。
13．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述硅基板具有在所述硅基板前后表面上的{100}面。
14．如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述硅基板具有在所述壓力腔側(cè)壁上的{111}面。
15．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述各向異性濕法蝕刻過程使用乙二胺鄰苯二酚水或氫氧化四甲銨水之一。
16．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在實(shí)行所述各向異性濕法蝕刻過程之后，用所述蝕刻掩膜層作為掩膜，并以所述雜質(zhì)擴(kuò)散層作為蝕刻抑制層，在所述硅基板上實(shí)行斜向的各向異性干法蝕刻過程；以及在實(shí)行所述斜向的各向異性干法蝕刻過程之后，在所述硅基板上實(shí)行附加的各向異性濕法蝕刻過程。
17．如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述斜向的各向異性干法蝕刻過程使用乙二胺鄰苯二酚水或氫氧化四甲銨水之一。
18．一種制造噴墨打印頭的方法，包括以下步驟在硅基板(401)的前表面上制成帶有噴嘴(1)的第一開孔(402a)的第一蝕刻掩膜層(402)；在所述硅基板的后表面上與所述第一開孔相應(yīng)地制成帶第二開孔(403a)的第二蝕刻掩膜層(403)；以所述第一和第二蝕刻掩膜層為掩膜，在所述硅基板上實(shí)行各向異性的干法蝕刻過程；以及在實(shí)行所述各向異性干法蝕刻過程之后，在所述硅基板上實(shí)行各向異性的濕法蝕刻過程，在其中形成壓力腔。
19．如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述第一開孔小于所述第二開孔。
20．如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述第一和第二蝕刻掩膜層由氧化硅和氮化硅之一制成。
21．如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括至少在所述第一和第二蝕刻掩層之一的下方形成雜質(zhì)擴(kuò)散層(406)的步驟。
22．如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述硅基板具有在該硅基板前后表面上的{100}面。
23．如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述硅基板具有在所述壓力腔側(cè)壁上的{111}面。
24．如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述各向異性濕法蝕刻過程使用乙二胺鄰苯二酚水或氫氧化四甲銨水之一。
全文摘要
一種噴墨打印頭,包括:帶壓力腔(3)的開孔的基板(301,401),所述開孔的截面從基板的前表面到基板的中間段逐漸加大,而從基板的中間段到基板的后表面逐漸減小。所述基板前表面的所述第一開孔用作噴嘴(1)。
文檔編號B41J2/14GK1314248SQ011098
公開日2001年9月26日 申請日期2001年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月21日
發(fā)明者大野健一, 鈴木健一郎, 秋本裕二, 神田虎彥, 大泰弘 申請人:日本電氣株式會社