專利名稱：打印介質產品的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及印刷介質產品，尤其涉及噴墨打印機。
背景技術：
眾所周知，噴墨打印機廣泛應用于打印介質產品。顏料——通常是墨水——是由打印頭上的微型處理器所控制的一排噴嘴進行填充。當打印頭通過介質的時候，從這排噴嘴里面噴出顏料，從而噴射在介質襯底上形成印刷品。
打印機的性能有賴于經營成本、打印質量、運行速度以及方便使用等因素。噴嘴噴灑的個別墨滴的面積、頻率和速度將影響這些性能參數?？傊?，以較高頻率噴射的較小、較快的墨滴具有成本、速度和打印質量優(yōu)勢。
據此，為降低墨水噴嘴的尺寸、從而降低墨滴噴射的尺寸，打印頭的設計成了高過一切的關鍵所在了。最近，采用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術制成了噴嘴排，這種技術具有亞微米厚度的機械結構。這使得快速噴射墨滴的打印機頭的生產限定在皮升(x10-12升)的范圍之內。
然而，當這些打印機頭精微結構能提供高速、高質量、低成本的同時，它們的尺寸使得噴嘴在接觸到手指、灰塵或者介質襯底變得非常地脆弱、很容易受到損壞。這使得打印頭對于需要一定程度強度的許多應用變得不切實際了。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明提供一種用于噴墨打印機的打印頭的噴嘴保護裝置，打印頭包括一排噴嘴和各個獨立的顏料噴射裝置，用于將顏料噴射在需要打印的襯底上，其中噴嘴保護裝置適于固定，以抑制噴嘴排外部接觸造成的損害。
在本說明書內，專用術語“噴嘴”可以理解成定義為一個開口但是不是開口本身的一個元件。
更為可取的是，噴嘴保護裝置具有遮蓋噴嘴外部的一個防護罩，其中，噴嘴排對應有一排通道，避免妨礙每個噴嘴噴射的顏料的正常軌道。更為優(yōu)選的是，防護罩是由硅制成的。
噴嘴保護裝置還可以包括液體入口，用于液體直接通過通道流動，阻止噴嘴排處外來顆粒的堆積。
噴嘴保護裝置可以包括一個支撐打印頭上噴嘴防護罩的支撐裝置。該支撐裝置可以跟防護罩合二為一，包括一對隔開支撐元件，其中一個支撐元件位于噴嘴防護罩的每一端處。
本實施例中，液體入口可以被設置在一個支撐元件內。
令人贊嘆的是，當空氣直接穿過開口的時候，越過噴嘴排經過通道排出，阻止了噴嘴排處外來顆粒的堆積。
液體入口可以設置在遠離噴嘴排的一個粘結襯墊的支撐元件內。
本發(fā)明也擴充了噴墨打印機的打印頭，所述打印頭包括一排噴嘴和各個獨立的顏料噴射裝置，用于將顏料噴射在將要打印的介質襯底上；以及上面所描述的噴嘴保護裝置，安置在阻止和噴嘴排外部接觸而受損的地方。
通過提供打印頭上的噴嘴保護裝置，噴嘴結構能夠避免絕大多數其它表面的接觸或撞擊而受到保護。為了優(yōu)化所提供的保護，防護裝置制成一個扁平的防護罩覆蓋在噴嘴的外部，防護罩里面有一排足夠大的通道，以允許顏料滴的噴射，但是也足夠小，以阻止絕大多數灰塵顆粒的不經意接觸或者進入。通過硅制防護罩，它的熱膨脹系數充分地與噴嘴排的熱膨脹系數保持一致。這有助于防止防護罩內的通道排從帶噴嘴排的記錄器上掉出來。采用硅也允許防護罩采用MEMS技術進行精確地制造。而且，硅非常堅固且不易變形。


下面僅僅通過舉例的方式，參考附圖描述本發(fā)明的具體實施例圖1顯示的是噴墨打印機頭的一個噴嘴組件的三維示意圖；圖2至圖4顯示的是圖1的噴嘴組件操作的三維示意圖；圖5顯示的是噴嘴排組成噴墨打印機頭的三維示意圖；圖6是圖5部分噴嘴排的比例放大圖像；圖7顯示的是本發(fā)明包括一個噴嘴保護裝置的噴墨打印機頭的三維示意圖；圖8a至圖8r顯示的是噴墨打印機頭的噴嘴組件的制造步驟中的三維示意圖；圖9a至圖9r顯示的是制造步驟的側視圖；圖10a至圖10k顯示的是制造過程中各種各樣的步驟內面罩設計圖案；圖11a至圖11c顯示的是按照圖8和圖9的方法制造的噴嘴組件操作的三維示意圖；圖12a至圖12c顯示的是按照圖8和圖9的方法制造的噴嘴組件操作的側視圖。
具體實施例方式
首先參考圖1，根據本發(fā)明，一個噴嘴組件通常由參考數字10表示。一個噴墨打印機頭具有多個配置在排14(圖5和圖6)上的噴嘴組件10，排14配置在一個硅制襯底16上。排14將在下文做更詳細的描述。
組件10包括一個硅制襯底或者晶片16，絕緣層18安置在上面。一個CMOS鈍化層20安置在絕緣層18上。
每個噴嘴組件10都包括一個確定噴嘴開口24的噴嘴22，桿臂26和制動器28的形狀的連接元件。桿臂26將制動器28連接到噴嘴22上。
正如圖2至圖4內更為詳細說明的那樣，噴嘴22包含一個冠狀部件30和緊靠管狀部件下部的裙狀部分32。下擺部件32形成了噴嘴腔34的外壁。噴嘴開口24和噴嘴腔34形成流動聯(lián)系。值得注意的是，噴嘴開口24由凸起輪輞36環(huán)繞，該輪輞36在噴嘴腔34內釘在墨水40盒體的半月板38(圖2所示)上。
一個墨水入口孔42(非常清楚地顯示在圖6中)設在噴嘴腔34的壁板46上。孔42就是通過襯底16與墨水入口通道48進行液體聯(lián)系。
一個管壁部分50以孔42為界限并且從底板46向上延伸。正如上面簡要說明中的那樣，噴嘴22的裙狀部分32確定噴嘴腔34的外壁第一部分，并且管壁部分50確定噴嘴腔34外壁的第二部分。
管壁50在其終端擁有一個內部直接唇緣52，好像流動封口一樣，當噴嘴22被取代時抑制墨水流失，下文將作詳細說明。值得稱贊的是，由于墨水40的粘性以及唇緣52和裙狀部分32之間間距的尺寸很小，內部直接唇緣52和表面拉緊功能可作為有效封閉，防止從噴嘴腔34流出墨水。
制動器28是一個熱彎曲制動器，并且跟從襯底16或者從CMOS鈍化層20向上延伸的定位元件54建立聯(lián)系。定位元件54安裝在給傳導墊跟制動器28建立電流聯(lián)系的傳導墊56上。
制動器28包括一個安放在第二被動梁60上的第一主動梁58。在一個優(yōu)選實施例中，梁58和60都是、或者包括一個如同氮化鈦(TiN)這樣的傳導陶瓷材料。
梁58和60都將它們的第一端部固定在定位元件54上，并且它們的另外一端跟桿臂26相連。當液流流過主動梁58結果造成該梁58熱膨脹。雖然沒有液流經過，而被動梁60不會以同樣速率膨脹，產生的彎曲力矩導致桿臂26和噴嘴22所代替，其方向向下朝向圖3所示的襯底16。這直接造成了墨水在如圖所示62處噴嘴經過開口24噴射。當熱源從主動梁58移走——也就是通過阻止液流，噴嘴22返回到圖4所示的靜止位置。當噴嘴22返回到靜止位置的時候，因為圖4舉例說明的66處頸狀墨滴64遭到中斷而形成的，然后，墨滴64就行進到諸如紙張之類的打印介質上。作為墨滴64形成的結果，在圖4中的68形成了一個“被動的”半月板。這個“被動的”半月板68造成了墨水40流進了噴嘴腔34內，從而形成了新的半月板(圖2所示)以便下一滴墨水從噴嘴組件10里面噴射。
下面參考圖5和圖6，對噴嘴排14做更詳細的描述。排14是4種顏色的打印頭。因此，排14包括4組70個噴嘴組件，一組配備一種顏色。每組70有自己的噴嘴組件10排列成兩列72和74。其中的一組70在圖6中做更詳細的描述。
為加強第72列和第74列中的噴嘴組件10密封，第74列中的噴嘴組件10與第72列中的噴嘴組件10交錯排列。第72列中的噴嘴組件10相互之間也被充分地隔開，使得第74列中的噴嘴組件10的桿臂26通過第72列中組合10的相鄰噴嘴10。值得提醒的是，每個噴嘴組件10制成啞鈴形狀的以便噴嘴第72列中的噴嘴22套在第74列中噴嘴22和與噴嘴組件10相鄰的制動器28之間。
另外，為便于第72列和第74列中的噴嘴22密封，任何一個噴嘴22被制成六角形狀的。
本領域的技術人員會知道，當噴嘴22被轉移朝向襯底16時，在使用中，由于噴嘴開口24相對于噴嘴腔34有非常小的角度，墨水垂直噴射。圖5和圖6顯示的排列優(yōu)勢在于第72列和第74列中噴嘴組件10的制動器28以相同方向延伸到第72列和第74列的一側。因此，來自第72列和第74列中噴嘴22的墨水噴射針對于以相同角度相互偏移，從而改善打印質量。
圖5也顯示襯底16擁有排列的粘結襯墊76，在其上面提供電子線路，通過襯墊56，到達噴嘴組件10的制動器28上。這些電子線路由CMOS層(沒有顯示)構成的。
參考圖7，顯示本發(fā)明的噴嘴保護裝置。根據前面的附圖，相同參考數字表示相同的部分，具體說明的除外。
噴嘴保護裝置80安裝在排14的硅制襯底16上。噴嘴保護裝置80包括一個擁有大量通道84的防護罩82。通道84對準排14的噴嘴組件10的噴嘴開口24處，這樣，當墨水從任何一個噴嘴開口24噴射的時候，墨水在打擊在印刷介質之前穿過相關聯(lián)的通道。
防護裝置80是硅制的，因此它有必要的強度和剛度保護噴嘴排14在接觸紙張、灰塵、或者使用者的手指而避免受到損害。通過硅制防護裝置，它的熱脹系數和噴嘴排的熱脹系數保持一致。目的就是在打印頭的溫度達到它正常運轉溫度時，要保護防護罩82內的通道84防止噴嘴排14從記錄器里面掉出來。硅也同樣非常適合于采用MEMS技術的精密機械，這部分內容將在下面于噴嘴組件10制造相關內容里面做更詳細的解釋說明。
防護罩82由分支或者壓桿86隔開相關噴嘴組件10安裝而成的。一根壓桿86具有在其中確定的空氣入口88。
在應用當中，當排14處于運轉的時候，通過入口88經過通道84注入空氣，同時墨水通過通道84穿行。
在空氣以不同的速率從墨滴通道64開始穿過通道84，墨水并沒有帶入到空氣中。例如，墨滴64以大約3m/s的速率從噴嘴22噴射，空氣則以大約1m/s的速率從通道84注入。
空氣的目的就是維持通道84清潔，防止外來顆粒。這些顆粒比如灰塵顆粒落在噴嘴組件10內造成危險，相反地能夠影響它們的運轉。當提供了噴嘴保護裝置80內空氣開口88，在很大程度上這類問題可以避免。
下面參考圖8和圖10，制造噴嘴組件10的過程描述如下從硅制襯墊或者晶片16開始，絕緣層18位于晶片16的表面上。絕緣層18是CVD氧化物大約為1.5微米時形成的。保護層涂抹在第18層，并且層18上暴露給面罩100，隨后擴展而成。
擴展之后，層18蝕刻在硅層16上。然后，保護層被剝去，層18被清洗干凈。這步驟確定了墨水入口孔42。
在圖8b中，大約0.8微米的鋁102位于層18上。鋁102上面涂抹有保護層，鋁102暴露給面罩104并且進一步擴展。鋁102蝕刻于氧化層18上，保護層被剝去，設備得到了清洗。本步驟提供了粘結襯墊并且相互連接于噴墨制動器上。相互連接使得NMOS驅動晶體管和儀器平面與CMOS層制造層相連接(沒有顯示)。
大約有0.5微米厚的PECVD氮化物沉淀為CMOS鈍化層20。涂上保護層，層20暴露給面罩106，然后就擴展。擴展之后，氮化物蝕刻于入口孔42區(qū)域的鋁層102和硅層16上。涂抹層被剝去，設備得到清洗。
由犧牲物質構成的層108被涂抹到層20上。層108是一個6微米的感光聚酰亞胺或者4微米的高溫涂抹層。層108是是軟烘焙并且然后再擴展之后暴露給面罩110。然后，層108由聚酰亞胺組成的地方經過一個小時400℃的烘焙，或者層108為高溫涂抹層的地方經過高于300℃的烘焙。值得注意的是，在附圖中，聚酰亞胺層108的曲解變形導致收縮，要考慮到面罩110的設計。
下一步，在圖8中顯示的是應用一個第二犧牲層112。層112要么就是涂抹著2微米的感光聚酰亞胺，要么就是厚約1.3微米的耐高溫防護層。層112向面罩114軟烘焙和曝光的。在向面罩114曝光之后，層112得到進一步地擴展。在層112被涂抹聚酰亞胺的情況下，層112在400℃被軟烘焙大約一個小時。在層112被涂抹層覆蓋的地方，在高于300℃被軟烘焙大約一個小時。
然后一個0.2微米的多層金屬層116被安置。部分層116形成了制動器28的被動橫梁60。
層116是通過在300℃左右的情況下噴射50的氮化鈦(TiN)之后再噴射1,000的氮化鈦(TiN)。在50的氮化鈦(TiN)和1,000的氮化鈦(TiN)之后還要在噴射1,000的氮化鈦(TiN)。
其它可以替代TiN的物質就是TiN are TiB2，MoSi2或者(Ti，Al)N。
然后，層116暴露給面罩118，其擴展并蝕刻于層112用于防護，層116被弄濕剝去但是不會移走處理好的層108和112。
第三犧牲層120應用于涂抹4微米的感光聚酰亞胺或者大約2.6微米的耐高溫防護層。層120在暴露給面罩122之后被軟烘焙。然后，暴露層隨著硬烘焙而擴展。在聚酰亞胺的情況下，層120在400℃的情況下被硬烘焙約1個小時或者在層120由防護層組成在高于300℃的情況下被硬烘焙。
一個第二多層金屬層124被應用在層120上。層124的組成要素跟層116相同并且以同樣的方式被應用。值得稱贊的是層116和層124都是導電層。
層124暴露于面罩126，然后其擴展。層124被蝕刻于聚酰亞胺或者應用于涂抹層120，層124被弄濕小心地剝去移走處理好的層108，層112或者120。值得注意的是，層124剩余的部分限定了制動器28的主動桿58。
一個第四犧牲層128通過涂抹4微米的感光聚酰亞胺或者大約2.6微米的耐高溫防護層得到應用。層128被軟烘焙，暴露給面罩130，然后擴展從而留下圖9所示的島狀部分。層128剩余的部分在有聚酰亞胺的情況下處于400℃被軟烘焙大約1個小時，或者在有防護的情況下高于300℃被軟烘焙。
正如圖81所示，一個Yong系數較高的絕緣層132被沉淀。層132時有大約1微米的氮化硅或者氧化鋁組成。層132在犧牲層108、層112、層120和層128低于硬烘焙的溫度下被沉淀。要求絕緣層132的主要特征就是一個針對TiN的高彈性系數、化學惰性以及好的粘性。
一個第5犧牲層134通過涂抹2微米的感光聚酰亞胺或者大約1.3微米的耐高溫防護層得到應用。層134被軟烘焙，暴露給面罩136，然后擴展。層134剩余的部分在有聚酰亞胺的情況下處于400℃被硬烘焙大約1個小時，或者在有防護的情況下高于300℃被硬烘焙。
絕緣層132被蝕刻于犧牲層128上，注意不要移走犧牲層134的任何部分。
本步驟限定噴嘴開口24、控制桿26以及噴嘴組件10的定位元件54。
一個Yong高系數的絕緣層138被沉淀。層138通過低于犧牲層108、層112、層120和層128的硬烘焙溫度下沉淀0.2微米的氮化硅或者氮化鋁而形成的。
然后，如圖8所示，層138被非均勻地蝕刻0.35微米厚。蝕刻用來清洗絕緣體的所有表面，而絕緣層132和犧牲層134的側壁除外。該步驟在噴嘴開口24周圍通過如上所述釘上半月板豎立噴嘴輪緣36。
一個紫外線(UV)釋放帶140被應用。4微米厚的防護層涂抹于硅制晶片16的后部。晶片16暴露給面罩142返回蝕刻16限制墨水進口通道148。然后，防護層從晶片16上被剝去。
一個更多紫外線釋放帶(沒有顯示)應用于晶片16的后面，并且?guī)?40被移走。犧牲層108、層112、層120和層134在氧化區(qū)內被剝去，用來提供如圖8r和圖9r所示的最終噴嘴組件10。鑒于方便參考，這兩個圖中闡明的參考數字和圖1中的相同，用于顯示噴嘴組件10相關的部分。圖11和圖12顯示的是噴嘴組件10的操作，按照上述圖8和圖9描述的過程進行制造，并且這些圖形要和圖2至圖4相符合。
如具體實施例所述的那樣，本領域的技術人員可以在不脫離本發(fā)明廣泛描述的精神和范圍的情況下，對本發(fā)明作出大量的的各種變化和/或改進。因此，所述實施例在各方面應被理解為解釋性的，而非限制性的。
權利要求
1.一種用于噴墨打印機的打印頭的噴嘴保護裝置，打印頭包括一排噴嘴和各個獨立的顏料噴射裝置，用于將顏料噴射在需要打印的襯底上，其特征在于，噴嘴保護裝置適于固定在打印頭上，以抑制噴嘴排外部接觸造成的損害。
2.如權利要求1所述的噴嘴保護裝置包括遮蓋噴嘴外部的一個防護罩，其特征在于，噴嘴排對應有一排通道，避免妨礙每個噴嘴噴射顏料的正常軌道。
3.如權利要求2所述的噴嘴保護裝置，其特征在于，防護罩是由硅制成的。
4.如權利要求2所述的噴嘴保護裝置還包括液體入口，用于液體直接通過通道流動，阻止噴嘴排處外來顆粒的堆積。
5.如權利要求2所述的噴嘴保護裝置還包括用于支撐打印機頭上的噴嘴防護罩的支撐裝置。
6.如權利要求5所述的噴嘴保護裝置，其特征在于，該支撐裝置跟防護罩合二為一，包括一對隔開支撐元件，一個支撐元件位于噴嘴防護罩的每一端處。
7.如權利要求6所述的噴嘴保護裝置，其特征在于，液體入口被設置在一個支撐元件內。
8.如權利要求2所述的噴嘴保護裝置，其特征在于，液體入口設置在遠離噴嘴排的一個粘結襯墊的支撐元件內。
9.一種用于噴墨打印機的打印頭，該打印機頭包括一排噴嘴和各個獨立的顏料噴射裝置，用于將顏料噴射在將要打印的介質襯底上；以及一個噴嘴保護裝置，安置在阻止和噴嘴排外部接觸而受損的地方。
10.如權利要求9所述的打印頭，其特征在于，噴嘴保護裝置有一個覆蓋噴嘴外部的防護罩，所述防護罩具有與噴嘴排對準的通道排，避免妨礙每個噴嘴噴射的顏料的正常軌道。
11.如權利要求10所述的打印頭，其特征在于，防護罩是由硅制成的。
12.如權利要求11所述的打印頭，其特征在于，噴嘴保護裝置還包括液體入口，用于液體直接通過通道流動，阻止噴嘴排處外來顆粒的堆積。
13.如權利要求10所述的打印頭，其特征在于，噴嘴保護裝置具有一個支撐打印頭上的噴嘴防護罩的支撐裝置。
14.如權利要求13所述的打印頭，其特征在于，支撐裝置跟防護罩合二為一，包括一對隔開支撐元件，一個支撐元件位于噴嘴防護罩的每一端處。
15.如權利要求14所述的打印頭，其特征在于，液體入口被設置在一個支撐元件內。
16.如權利要求10所述的打印頭，其特征在于，液體入口設置在遠離噴嘴排的一個粘結襯墊的支撐元件內。
全文摘要
用于具有噴嘴(10)的排(14)的噴墨打印機的打印頭的噴嘴保護裝置(80)和各自獨立的顏料噴射裝置，用于將顏料噴射到需要打印的襯底上，其中，噴嘴保護裝置(80)適合置于打印機頭上，阻止噴嘴(10)的排(14)外部因為接觸而造成的損害。
文檔編號B41J2/01GK1520358SQ01817753
公開日2004年8月11日 申請日期2001年10月19日 優(yōu)先權日2000年10月20日
發(fā)明者卡·西爾弗布魯克, 卡 西爾弗布魯克 申請人:西爾弗布魯克研究有限公司