專利名稱：具有與噴嘴腔墨水電絕緣的熱彎曲致動(dòng)器加熱元件的噴墨打印頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如噴墨打印機(jī)這樣的微機(jī)電裝置的結(jié)構(gòu)，并具體公開了一種與液體容器電絕緣的方法。
背景技術(shù)：
進(jìn)來，例如在PCT申請PCT/AU98/00550中，本申請人提出了一種噴墨打印裝置，其在用于從噴嘴腔中噴射液體的熱彎曲致動(dòng)器型裝置的結(jié)構(gòu)中，采用了一種微機(jī)電(MEMS)處理技術(shù)。
在任何這種熱致動(dòng)器型裝置中，通常采用的技術(shù)是經(jīng)由一選擇性電阻加熱元件操作熱彎曲致動(dòng)器。在液體供應(yīng)附近采用導(dǎo)電性加熱元件可能產(chǎn)生問題，從而所述液體供應(yīng)干擾導(dǎo)電元件和電解產(chǎn)物中的電子流。這樣可發(fā)生致動(dòng)器的常規(guī)故障，從而導(dǎo)致突變失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種包括若干形成在基底上的噴嘴裝置的噴墨打印頭，每個(gè)噴嘴裝置包括—噴嘴腔，—噴嘴口，墨水從噴嘴腔穿過該噴嘴口被噴出，—在噴嘴腔中的可移動(dòng)元件，該元件與墨水接觸從而噴射墨水，—熱彎曲致動(dòng)器，其具有一錨定到基底上的近端和一連接到所述可移動(dòng)元件的遠(yuǎn)端，該致動(dòng)器包括一第一部分和一第二部分，所述第一部分鄰近所述噴嘴腔之外的近端且具有一用于加熱所述致動(dòng)器的導(dǎo)電性加熱電路層，所述第二部分延伸到所述可移動(dòng)元件且與所述墨水接觸，其中，所述致動(dòng)器包括一絕緣裝置，用于將所述第一和第二部分彼此電絕緣，從而所述加熱電路層中的電能不會(huì)被致動(dòng)器傳導(dǎo)到所述墨水。
優(yōu)選的是，所述絕緣裝置包括一延伸過所述熱彎曲致動(dòng)器的槽。
優(yōu)選的是，所述導(dǎo)電性加熱電路層基本上為平面。
優(yōu)選的是，所述導(dǎo)電性加熱電路層基本上包括氮化鈦。
優(yōu)選的是，所述導(dǎo)電性加熱電路層包括至少一個(gè)與所述近端相鄰的錐形部分，其被安裝以增加與所述近端的阻熱性。
優(yōu)選的是，所述可移動(dòng)元件為一噴墨葉片，其位于所述噴嘴腔中，且可朝著所述噴嘴口移動(dòng)，以噴出墨水。
優(yōu)選的是，所述可移動(dòng)部分包括噴嘴口，且朝著基底移動(dòng)，以使墨水穿過噴嘴口噴出。
優(yōu)選的是，每個(gè)噴嘴裝置包括一限定噴嘴口的冠部，和一從所述冠部垂下的裙邊部，該裙邊部構(gòu)成噴嘴腔外周壁的第一部分。
優(yōu)選的是，所述打印頭包括一墨水進(jìn)入孔，其限定在噴嘴腔的底板和圍繞上述孔的圍壁，并限定噴嘴腔的外周壁的第二部分。
優(yōu)選的是，所述裙邊部可相對(duì)于基底移位，且所述圍壁用作抑制裝置，用于抑制墨水從腔中泄漏。
優(yōu)選的是，所述絕緣裝置位于噴嘴腔的外部。
另外，本發(fā)明還披露了一種包括若干形成在基底上的噴嘴裝置的噴墨打印頭，每個(gè)噴嘴裝置包括—噴嘴腔，—噴嘴口，墨水從噴嘴腔穿過該噴嘴口被噴出，—在噴嘴腔中的可移動(dòng)元件，該元件與墨水接觸從而噴射墨水，—熱彎曲致動(dòng)器，其具有一錨定到基底上的近端和一連接到所述可移動(dòng)元件的遠(yuǎn)端，該致動(dòng)器包括一第一部分和一第二部分，所述第一部分鄰近所述噴嘴腔之外的近端且具有一用于加熱所述致動(dòng)器的導(dǎo)電性加熱電路層，所述第二部分延伸到所述可移動(dòng)元件且與所述墨水接觸，其中，所述第一和第二部分彼此電絕緣，從而所述加熱電路層中的電能不會(huì)被致動(dòng)器傳導(dǎo)到所述墨水。


盡管還有可能落在本發(fā)明的范圍內(nèi)的任何其它形式，但將借助示例，并參照以下附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選形式進(jìn)行說明圖1示意性示出了一處于靜止?fàn)顟B(tài)的單個(gè)墨水噴嘴；圖2示意性示出了一處于噴射狀態(tài)的單個(gè)墨水噴嘴；圖3示意性示出了一處于再填充狀態(tài)的單個(gè)墨水噴嘴；圖4示出了一雙層冷卻過程；圖5示出了一單層冷卻過程；圖6為一對(duì)準(zhǔn)的噴嘴的頂視圖；圖7為一對(duì)準(zhǔn)的噴嘴的截面圖；圖8為一對(duì)準(zhǔn)的噴嘴的頂視圖；圖9為一對(duì)準(zhǔn)的噴嘴的截面圖；圖10構(gòu)造一墨水噴嘴過程的截面圖；圖11為在化學(xué)機(jī)械平面化之后構(gòu)造一墨水噴嘴過程的截面圖；圖12示出了在優(yōu)選實(shí)施例中采用的預(yù)熱墨水的步驟；圖13示出了常規(guī)打印時(shí)鐘周期；圖14示出了預(yù)熱周期的應(yīng)用；圖15示出了打印頭大概工作溫度的曲線圖；圖16示出了打印頭大概工作溫度的曲線圖；圖17示出了用于預(yù)熱而驅(qū)動(dòng)打印頭的一種形式；圖18示出了其上沒有形成墨水噴嘴結(jié)構(gòu)的最初晶片的一部分的截面圖；圖19示出了用于N-穴工藝的掩模；圖20示出了在N-穴工藝之后的晶片的部分的截面圖；圖21示出了在N-穴工藝之后的單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖22示出了活動(dòng)通道掩模；圖23示出了場氧化物的截面圖；圖24示出了在場氧化物沉積之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；
圖25示出了一聚乙烯掩模(poly mask)；圖26示出了沉積的聚乙烯(poly)的截面圖；圖27示出了在聚乙烯(poly)沉積之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖28示出了n+掩模；圖29示出了n+埋入的截面圖；圖30示出了在n+埋入之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖31示出了p+掩模；圖32示出了顯示p+埋入的效果的截面圖；圖33示出了在p+埋入之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖34示出了一接點(diǎn)掩模；圖35示出了顯示沉積ILD1和蝕刻接觸通道的效果的截面圖；圖36示出了在沉積ILD1和蝕刻接觸通道之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖37示出了金屬1掩模；圖38示出了顯示金屬1層的金屬沉積的效果的截面圖；圖39示出了在金屬1沉積之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖40示出了通道1掩模；圖41示出了顯示沉積ILD2和蝕刻接觸通道的效果的截面圖；圖42示出了金屬2掩模；圖43示出了顯示沉積金屬2層的效果的截面圖；圖44示出了在金屬2沉積之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖45示出了通道2掩模；圖46示出了顯示沉積ILD3和蝕刻接觸通道的效果的截面圖；圖47示出了金屬3掩模；圖48示出了顯示沉積金屬3層的效果的截面圖；圖49示出了在金屬3沉積之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；
圖50示出了通道3掩模；圖51示出了顯示沉積鈍化氧化物及氮化物和蝕刻通道的效果的截面圖；圖52示出了在沉積鈍化氧化物及氮化物和蝕刻通道之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖53示出了加熱器掩模；圖54示出了顯示沉積加熱器氮化鈦層的效果的截面圖；圖55示出了在沉積加熱器氮化鈦層之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖56示出了致動(dòng)器/彎曲補(bǔ)償器掩模；圖57示出了顯示在蝕刻之后沉積致動(dòng)器玻璃和彎曲補(bǔ)償器氮化鈦層的效果的截面圖；圖58示出了在沉積并蝕刻致動(dòng)器玻璃和彎曲補(bǔ)償?shù)亴又髥蝹€(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖59示出了噴嘴掩模；圖60示出了顯示沉積犧牲層和蝕刻噴嘴的效果的截面圖；圖61示出了在沉積并最初蝕刻犧牲層之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖62示出了噴嘴腔掩模；圖63示出了在犧牲層中蝕刻腔的截面圖；圖64示出了在進(jìn)一步蝕刻犧牲層之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖65示出了噴嘴腔壁的沉積層的截面圖；圖66示出了在進(jìn)一步沉積噴嘴腔壁之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖67示出了利用化學(xué)機(jī)械平面化(CMP)產(chǎn)生自對(duì)準(zhǔn)噴嘴的過程的截面圖；
圖68示出了在噴嘴腔壁的CMP之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖69示出了安裝在晶片坯上的噴嘴的截面圖；圖70示出了背面蝕刻入口掩模；圖71示出了將犧牲層蝕刻掉的截面圖；圖72示出了在將犧牲層蝕刻掉之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖73示出了沿著一不同的截面線，在將犧牲層蝕刻掉之后單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖74示出了填充有墨水的噴嘴的截面圖；圖75示出了噴射墨水的單個(gè)噴嘴的部分截面的側(cè)立體圖；圖76示出了用于單個(gè)噴嘴的控制邏輯的示意圖；圖77示出了執(zhí)行單個(gè)噴嘴的控制邏輯的CMOS；圖78示出了用于說明CMOS/MEMS的實(shí)施的各層的圖例或圖解；圖79到達(dá)聚乙烯平面的CMOS平面；圖80示出了到達(dá)金屬1平面的CMOS平面；圖81示出了到達(dá)金屬2平面的CMOS平面；圖82示出了到達(dá)金屬3平面的CMOS平面；圖83示出了到達(dá)MEMS加熱器平面的CMOS和MEMS平面；圖84示出了致動(dòng)器罩的平面；圖85示出了噴墨頭的部分截面的側(cè)立體圖；圖86示出了噴墨頭的部分截面的側(cè)立體圖的放大圖；圖87示出了形成在一系列致動(dòng)器結(jié)構(gòu)中的許多層；圖88示出了晶片的背表面的一部分，露出了晶片供墨槽；圖89示出了打印頭中的段的布置；圖90示意性示出了按照噴射順序編號(hào)的單個(gè)密集小群；圖91示意性示出了按照邏輯順序編號(hào)的單個(gè)密集小群；
圖92示意性示出了包括每色一個(gè)密集小群的單個(gè)三密集小群；圖93示意性示出了包含10個(gè)三密集小群的單個(gè)密集小群組；圖94示意性示出了段、噴射組和三密集小群之間的關(guān)系；圖95示出了在典型的打印周期期間用于A啟動(dòng)和B啟動(dòng)的時(shí)鐘；圖96示出了將打印頭裝入墨水通道模支撐結(jié)構(gòu)中的立體分解圖；圖97示出了墨水通道模支撐結(jié)構(gòu)的部分截面的側(cè)立體圖；圖98示出了打印輥單元，打印頭和壓紙卷筒的部分截面的側(cè)立體圖；和圖99示出了打印輥單元、打印頭和壓紙卷筒的側(cè)立體圖；圖100示出了打印輥單元、打印頭和壓紙卷筒的側(cè)面立體分解圖；圖101為一局部放大立體圖，示出了將打印頭安裝到如圖96和97所示的墨水分配歧管；圖102示出了如圖97所示的帶自動(dòng)粘合膜的最外側(cè)的平面展開圖；圖103示出了如圖102所示的展開的帶自動(dòng)粘合膜的反面；圖104示出了本發(fā)明的噴墨打印頭的噴嘴組件的立體示意圖；圖105到107示出了圖104的噴嘴組件的工作的立體示意圖；圖108示出了構(gòu)成噴墨打印頭的噴嘴陣列的立體圖；圖109以放大比例示出了圖108的陣列的部分；圖110示出了包括噴嘴防護(hù)裝置的噴墨打印頭的立體圖；圖111a到111r為立體圖，示出了制造噴墨打印頭的噴嘴組件的各步驟；圖112a到112r示出了制造步驟的截面?zhèn)纫晥D；圖113a到113k示出了在制造過程中的各步驟中所使用的掩模設(shè)計(jì)圖；圖114a到114c為立體圖，示出了根據(jù)圖111和112的方法的噴嘴組件制造過程；圖115a到115c示出了根據(jù)圖111和112的方法制造噴嘴組件的操作的截面?zhèn)纫晥D。
具體實(shí)施例方式
優(yōu)選實(shí)施例是一種1600dpi的模塊化單片打印頭，其適用于各種頁寬式打印機(jī)中和按需打印照相機(jī)系統(tǒng)中。該打印頭由微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造而成，該系統(tǒng)是指在微米級(jí)上構(gòu)建的機(jī)械系統(tǒng)，通常采用為集成電路的制造而開發(fā)的技術(shù)。
由于1600dpi的A4照片質(zhì)量頁寬打印機(jī)需要50,000多個(gè)噴嘴，因此在作為打印頭的同一芯片上集成驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于實(shí)現(xiàn)低成本來說是關(guān)鍵的。
集成所允許的從外界到打印頭的接線數(shù)量被從大約50,000減小到大約100。為了提供驅(qū)動(dòng)電路，所述優(yōu)選實(shí)施例在同一晶片上集成CMOS邏輯電路和激勵(lì)晶體管，作為MEMS噴嘴。與其它制造技術(shù)相比，MEMS具有幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)機(jī)械裝置可以在微米級(jí)的尺寸和精度上被構(gòu)建；在同一硅片上，成百萬的機(jī)械裝置可以同時(shí)制造；以及機(jī)械裝置可以結(jié)合入電子裝置。
本文中使用術(shù)語“IJ46打印頭”來表示按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例制造的打印頭。
工作原理該優(yōu)選實(shí)施例依賴用于墨水的噴射的熱致動(dòng)桿臂的應(yīng)用。發(fā)生墨水噴射的噴嘴腔包括一薄噴嘴邊緣，圍繞該噴嘴邊緣形成一表面彎月面。噴嘴邊緣是采用自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)沉積機(jī)理形成的。該優(yōu)選實(shí)施例還包括圍繞墨水噴嘴的防洪邊緣的優(yōu)點(diǎn)特征。
首先參見圖1到圖3，首先將對(duì)本優(yōu)選實(shí)施例的噴墨打印頭的工作原理進(jìn)行解釋。在圖1中，示出了一單獨(dú)的噴嘴設(shè)備1，其包括一噴嘴腔2，其經(jīng)由供墨通道3供給墨水，從而圍繞噴嘴邊緣5形成彎月面4。設(shè)置一熱致動(dòng)機(jī)構(gòu)6，其包括一可以為圓形形狀的端葉片7。所述葉片7連接到圍繞柱9樞軸旋轉(zhuǎn)的致動(dòng)器臂8。所述致動(dòng)器臂8包括例如氮化鈦之類的具有高硬度的導(dǎo)電材料形成的兩層10，11。底層10形成一與柱9相互連接的導(dǎo)電線路，且在端柱9附近還包括一變薄部。因此，在電流通過底層10時(shí)，底層的毗鄰端柱9的區(qū)域被加熱。在沒有熱量的情況下，兩層10，11彼此熱平衡。底層10的熱量使整個(gè)致動(dòng)器機(jī)構(gòu)6基本上向上彎曲，因此，如圖2所示，葉片7迅速向上運(yùn)動(dòng)。所述迅速向上運(yùn)動(dòng)增加了圍繞邊緣5的壓力，從而通常導(dǎo)致彎月面4膨脹，因此墨水流出所述腔體。然后，底層10的電流被切斷，且如圖3所示，所述致動(dòng)器臂6開始返回其靜止位置。所述返回導(dǎo)致葉片7向下運(yùn)動(dòng)。這又通常導(dǎo)致將圍繞噴嘴5的墨水吸回。噴嘴外側(cè)墨水的向前沖量加上噴嘴腔內(nèi)墨水的向后沖量，導(dǎo)致由于彎月面4的頸狀收縮和斷裂而產(chǎn)生一液滴14。所后，由于橫過彎月面4的表面張力作用，墨水被從供墨槽3中拉入墨水腔2中。
優(yōu)選實(shí)施例的工作具有許多重要特征。首先，有上述的層10、11之間的平衡。采用第二層11允許致動(dòng)器裝置6更有效地?zé)岵僮?。此外，兩層的操作保證了在制造期間的冷卻時(shí)，熱應(yīng)力不是問題，從而減小了在制造期間發(fā)生剝離的可能性。這在圖4和圖5中被示出，在圖4中示出了，具有圍繞一中心材料層22的兩層平衡材料層20，21的熱致動(dòng)器臂的冷卻過程。該冷卻過程均等地影響每一層導(dǎo)電層20，21，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在圖5中示出了，僅具有一層導(dǎo)電層20的熱致動(dòng)器臂。在制造之后的冷卻期間，上層20將相對(duì)于中心層22彎曲。由于最終設(shè)備的不穩(wěn)定性和各層的厚度變化，以及其導(dǎo)致的不同程度的彎曲，從而可能會(huì)產(chǎn)生問題。
此外，參照圖1到3所述的設(shè)備包括一防止噴墨擴(kuò)散邊緣25(圖1)，其被構(gòu)造成圍繞噴嘴邊緣5提供一凹坑26。任何將流出噴嘴邊緣5的墨水通常都被捕獲在圍繞所述邊緣的所述凹坑26中，從而防止了流過噴墨打印頭的表面，防止影響工作。這種布置可從圖11中清楚地看出。
此外，所述噴嘴邊緣5和防止墨水?dāng)U散邊緣25通過獨(dú)特的化學(xué)機(jī)械平面化技術(shù)形成。這種布置可參照圖6到圖9理解。理論上，如圖6中30所表示，墨水噴嘴邊緣的形狀具有高度的對(duì)稱性。當(dāng)進(jìn)行噴墨時(shí)，理想的是使用具有較高規(guī)則性的邊緣。例如，在圖7中示出了在頸狀收縮和斷裂期間一墨滴被從邊緣噴出。所述頸狀收縮和斷裂具有高靈敏性，其包含復(fù)雜的無秩序的力。應(yīng)當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻法來形成噴嘴邊緣，根據(jù)所采用的光刻方法，僅可能在特定的變化幅度內(nèi)保證邊緣的規(guī)則性和對(duì)稱性。這可能導(dǎo)致如圖8中35所示的邊緣的變化。所述邊緣變化導(dǎo)致如圖8中所示的非對(duì)稱邊緣35。當(dāng)形成液滴時(shí)，這種變化可能產(chǎn)生問題。該問題在圖9中示出，其中，所述彎月面36沿著表面37蔓延，在此，所述邊緣膨脹到一個(gè)較大寬度。這就可能使噴射液滴的噴射方向發(fā)生較大變化。
在所述優(yōu)選實(shí)施例中，為了克服這個(gè)問題，采用一種自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)化學(xué)機(jī)械平面化(CMP)技術(shù)。下面將參照附圖10簡單地討論該技術(shù)。在圖10中，示出了一硅基板40，在其上沉淀一層第一犧牲層41和一層薄噴嘴層42，上述層均以夸大形式示出。所述犧牲層首先被沉積并被蝕刻，從而形成一用于噴嘴層42的“坯層”(blank)，所述噴嘴層被共形地沉積到整個(gè)表面上。在另一種可選擇制造方法中，另一種犧牲材料層可以被沉積在所述噴嘴層42的頂部。
接下來，關(guān)鍵步驟是將噴嘴層和犧牲層向下化學(xué)機(jī)械平面化到一第一高度，如44所示。所述化學(xué)機(jī)械平面化過程有效地將頂層“砍掉”至高度44。通過采用共形沉積，可以制造一規(guī)則的邊緣。經(jīng)化學(xué)機(jī)械平面化之后的結(jié)果在圖11中示意性示出。
通過首先對(duì)優(yōu)選用于IJ46裝置中的噴墨打印預(yù)熱步驟進(jìn)行說明，從而對(duì)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明噴墨預(yù)熱在優(yōu)選實(shí)施例中，采用噴墨預(yù)熱步驟，從而使打印頭設(shè)備的溫度達(dá)到預(yù)定范圍。該步驟由圖12中101示出。首先，開始進(jìn)行打印操作的決定在102處作出。在任何打印開始之前，打印頭的當(dāng)前溫度被感測，從而確定是否其超過預(yù)定閾值。如果加熱溫度過低，則進(jìn)行預(yù)熱周期104，其通過將熱致動(dòng)器加熱到高于工作的預(yù)定溫度，來加熱打印頭。一旦溫度已超過預(yù)定溫度，開始正常的打印周期105。
考慮到裝置的較窄工作范圍，以及在噴墨中所應(yīng)用的較低熱能，采用預(yù)熱步驟104通常能夠減小特性例如粘度等可能發(fā)生的變化。
所述預(yù)熱步驟可以采取許多不同形式。對(duì)于噴墨裝置屬于熱彎曲致動(dòng)器型的情況，如圖13所示，由于噴墨所需預(yù)定持續(xù)時(shí)間的時(shí)鐘脈沖110，因此其通常將接收到一系列時(shí)鐘脈沖，從而提供用于噴射的足夠能量。
如圖14所示，當(dāng)需要提供預(yù)熱能力時(shí)，可以通過使用一系列短脈沖，例如111來提供。所述脈沖同時(shí)為不能從噴墨噴嘴噴出墨水的打印頭提供熱能。
圖16為打印操作期間打印頭溫度的曲線圖。假定已經(jīng)空閑了一端時(shí)間，最初為115的打印頭溫度將處于環(huán)境溫度。當(dāng)需要進(jìn)行打印時(shí)，執(zhí)行一預(yù)熱步驟(圖12的104)，從而如圖中116處所示，溫度升高到117處的工作溫度T2，在此點(diǎn)處，開始打印，溫度根據(jù)使用要求來變化。
另一方面，如圖16所示，打印頭的溫度可以被連續(xù)地監(jiān)控，從而當(dāng)溫度落在閾值例如120之下時(shí)，給打印過程增加一系列預(yù)熱周期，從而使溫度升高到121，超過預(yù)熱閾值。
假定所使用的墨水的特性類似于水，所述預(yù)熱步驟的應(yīng)用可利用墨水粘度隨溫度的大幅度波動(dòng)。當(dāng)然，其它工作特性可能是重要的，且穩(wěn)定到較窄的溫度范圍提供了有利的效果。由于粘度隨著溫度的變化而變化，很顯然，所需預(yù)熱的超過環(huán)境溫度的幅度依賴于環(huán)境溫度以及在打印操作期間打印頭的平衡溫度。因此，預(yù)熱的幅度可根據(jù)測得的環(huán)境溫度而變化，從而獲得最佳效果。
圖17示出了一種簡單的工作原理，打印頭130包括一內(nèi)置系列溫度傳感器，它們被連接到用于確定當(dāng)前溫度的溫度確定單元131，該單元由輸出信號(hào)給噴墨驅(qū)動(dòng)單元132，其確定在任何特定階段是否需要預(yù)熱。置于芯片(打印頭)上的溫度傳感器可以是簡單的MEMS溫度傳感器，其結(jié)構(gòu)對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是公知的。
制造工藝可以結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和MEMS后加工來制造IJ46裝置。理論上，通常用于CMOS工藝的材料，應(yīng)當(dāng)被用于工藝的MEMS部分。在所述優(yōu)選實(shí)施例中，最好的MEMS材料為PECVD玻璃，噴濺TiN，和一種犧牲材料(該材料可以是聚酰亞胺，PSG，BPSG，鋁或其它材料)。理論上，為了配合噴嘴之間相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路，而不增加芯片面積，最小的工藝為0.5微米，1聚乙烯，3金屬CMOS加工且使用鋁金屬化。然而，還可以采用更先進(jìn)的工藝來代替?？蛇x擇的是，可采用NMOS，雙級(jí)，BiCMOS或其它工藝。推薦CMOS的原因僅僅是由于其在工業(yè)上的流行，以及CMOS的驚人產(chǎn)量。
對(duì)于使用CMY處理的彩色模型的100mm照相打印頭，CMOS工藝采用包括19,200級(jí)的移位寄存器的簡單電路，19,200位的傳輸寄存器，19,200允許門，和19,200激勵(lì)晶體管。還由一些時(shí)鐘緩沖器和允許解碼器。照片打印頭的時(shí)鐘脈沖速度僅為3.8MHZ，且30ppm的A4打印頭僅為14MHz，因此CMOS性能不是關(guān)鍵的。包括在MEMS工藝開始之前，鈍化并打開接合墊，所述CMOS工藝被全部完成。這就能夠以標(biāo)準(zhǔn)CMOS的優(yōu)點(diǎn)來完成CMOS工藝，且MEMS工藝在一個(gè)單獨(dú)設(shè)備中進(jìn)行。
工藝選擇的原因本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，在MEMS裝置的制造領(lǐng)域中，對(duì)于制造IJ46打印頭來說，存在許多可行的工藝程序。本文所記述的工藝程序是基于具有1聚乙烯和三層金屬層的0.5微米(拉伸)N穴CMOS工藝“類型”。下表給出了選擇這種“標(biāo)稱”工藝的原因，以易于確定任何可選擇工藝選擇的效果。

掩模一覽表

工藝程序的示例(包括CMOS步驟)雖然可以應(yīng)用許多不同的CMOS和其它工藝，該工藝說明與示例COMS工藝結(jié)合，以顯示MEMS特征被集成在CMOS掩模中，且顯示由于低CMOS性能需求，CMOS工藝可以被簡化。
下文所描述的工藝是1P3M0.5微米CMOS工藝“類型”的示例的一部分。
1.如圖18所示，工藝由標(biāo)準(zhǔn)6″P-型<100>晶片開始。(也可以使用8″晶片，提供了一基本上增加了的一次產(chǎn)量)。
2.使用圖19的N穴掩模，埋入圖20的N穴晶體管部210。
3.生長一薄層SiO2并沉積Si3N4，形成場氧化硬掩模。
4.使用如圖22所示的活動(dòng)掩模蝕刻氮化物和氧化物。所述掩模尺寸較大，以允許LOCOS鳥嘴式線腳。噴嘴腔區(qū)域被包含在該掩模中，場氧氣被從噴嘴腔排除。結(jié)果是一系列氧化區(qū)域212，如圖23所示。
5.使用具有負(fù)性抗蝕劑的N穴掩?；蚴褂靡籒穴掩模的補(bǔ)體來埋入通道阻塞件。
6.執(zhí)行任何應(yīng)用CMOS工藝所需的通道阻塞件的埋入。
7.應(yīng)用LOCOS生長0.5微米的電場氧化物。
8.執(zhí)行任何所需的n/p晶體管閾電壓調(diào)節(jié)。根據(jù)CMOS工藝的特征，能夠省去閾值調(diào)節(jié)。這是因?yàn)楣ぷ黝l率僅為3.8MHz，且p-裝置的質(zhì)量并不是關(guān)鍵的。n-晶體管閾值更加重要，因?yàn)閚-通道驅(qū)動(dòng)晶體管對(duì)于打印期間的效率和功率消耗具有顯著影響。
9.生長門氧化物。
10.沉積0.3微米的聚乙烯，使用如圖25所示的聚乙烯掩模形成圖案，從而形成如圖26所示的聚乙烯部214。
11.使用如圖28所示的n+掩模，執(zhí)行圖29中216處所示的n+埋入。不需要使用例如LDD之類的漏極設(shè)計(jì)工藝，因?yàn)榫w管的性能不是關(guān)鍵的。
12.使用如圖31所示的n+掩模的補(bǔ)體，或使用具有負(fù)性抗蝕劑的n+掩模，執(zhí)行如圖32中218處所示的p+埋入。噴嘴腔區(qū)域?qū)⒈惶砑觧+或者被添加p+，這取決于其是否被包括在n+掩模內(nèi)。該硅區(qū)域的添加與隨后的蝕刻不相關(guān)，且被推薦的STS ASE蝕刻工藝不使用硼作為阻蝕劑。
13.如圖35中220處所示，沉積0.6微米的PECVD TEOS玻璃，以形成ILD1。
14.使用如圖34的觸點(diǎn)掩模蝕刻觸點(diǎn)切口。噴嘴區(qū)域被當(dāng)作單獨(dú)的大接觸區(qū)域，且將不能通過典型的設(shè)計(jì)規(guī)則檢測。因此該區(qū)域應(yīng)當(dāng)被從DRC排除。
15.沉積0.6微米的鋁以形成金屬1。
16.使用如圖37中所示的金屬1掩模蝕刻所述鋁，從而形成如圖38所示的金屬區(qū)域224。在225處，噴嘴金屬區(qū)域由金屬1覆蓋。所述鋁225是犧牲性的，且被蝕刻作為MEMS程序的一部分。噴嘴中包含金屬1不是必不可少的，但幫助減少了在致動(dòng)器桿臂的頸部區(qū)域中的步驟。
17.如圖41中228處所示，沉積0.7微米的PECVD TEOS玻璃，以形成ILD2。
18.如圖40中所示，使用通道1掩模蝕刻觸點(diǎn)切口。噴嘴區(qū)域被當(dāng)作單獨(dú)的大通道區(qū)域，且其將又不能通過DRC。
19.沉積0.6微米的鋁，以形成金屬2。
20.使用如圖42中所示的金屬2掩模，蝕刻所述鋁，從而形成如圖43所示的金屬部230。噴嘴區(qū)域231被完全覆蓋有金屬2。所述鋁是犧牲性的，且作為MEMS順序的一部分被蝕刻。在噴嘴中是否包含金屬2不是比不可少的，但其幫助減少致動(dòng)器桿的頸部區(qū)域中的步驟。所述犧牲性金屬2還可以被用于另一種液體控制部件。一相對(duì)較大的金屬2的矩形被包含在噴嘴腔的頸部區(qū)域233中。其被連接到犧牲性金屬3，從而也能夠在MEMS犧牲性鋁蝕刻期間被清除。這就底切用于使致動(dòng)器進(jìn)入噴嘴腔的下邊緣(其由ILD3形成)。所述底切對(duì)液體控制表面底角度增加90度，從而增加了該邊緣的防止墨水表面擴(kuò)散的能力。
21.沉積0.7微米的PECVD TEOS玻璃，以形成ILD3。
22.使用如圖45所示的通道2掩模蝕刻所述觸點(diǎn)切口，從而剩下如圖46中所示的部分236，以及噴嘴腔，在ILD3中也形成液體控制邊緣。
23.沉積1.0微米的鋁以形成金屬3。
24.使用如圖47所示的金屬3掩模蝕刻所述鋁，從而剩下如圖48所示的部分238。如圖中239所示的大多數(shù)金屬3是犧牲性的，用于使致動(dòng)器和葉片從芯片表面分離。金屬3也被用于在芯片上分配V+。如圖中240處所示，噴嘴區(qū)域完全被金屬3覆蓋。所述鋁是犧牲性的，且被作為MEMS程序的一部分所蝕刻。在噴嘴中包含金屬3并非必需的，但其幫助減少在致動(dòng)器桿臂的頸部區(qū)域中的步驟。
25.沉積0.5微米的PECVD TEOS玻璃，以形成玻璃罩。
26.沉積0.5微米的Si3N4，以形成鈍化層。
27.使用如圖50中所示的通道3掩模蝕刻所述鈍化層和玻璃罩，從而形成如圖51所示的布置。該掩模包括通向金屬3犧牲層的通路242，以及通向發(fā)熱器致動(dòng)器的通道243。該步驟的光刻具有0.6微米的臨界尺寸(用于加熱器通道)，而非用于對(duì)接合墊開口的通常的不受限制的光刻。這是一個(gè)與通常的CMOS工藝流程不同的工藝步驟。該步驟或者可以是CMOS工藝的最后工藝步驟，也可以是MEMS工藝的第一步驟，這取決于極好的安排和輸送要求。
28.晶片檢測。芯片的大多但不是全部功能性可以在該階段被確定。如果在該階段需要更復(fù)雜的測試，則用于每個(gè)激勵(lì)晶體管的有效假負(fù)載可以被包含在芯片上。這可以通過較小的芯片面積損失而實(shí)現(xiàn)，且允許完成CMOS電路的測試。
29.將晶片從CMOS設(shè)備傳輸?shù)組EMS設(shè)備。這些設(shè)備可以在同一位置(fab)，或者可以位于較遠(yuǎn)處。
30.沉積0.9微米的磁電管噴濺TiN。電壓為-65V，磁電管電流為7.5A，氬氣壓力為0.3Pa，溫度為300℃。從而導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)為9.4×10-6/℃，楊氏模量為600GPa[固體薄膜270p 266，1995]，其為所使用薄膜的關(guān)鍵特性。
31.使用如圖53所示的加熱器掩模蝕刻TiN。該掩模限定加熱器元件，葉片臂和葉片。如圖54所示，在所述加熱器和所述葉片與葉片臂的TiN層之間存在一小間隙247。這就防止了在加熱器和墨水之間的電連接，以及可能發(fā)生的電解問題。此外，如圖4所示的小間隙247在加熱器和葉片與葉片臂的TiN層之間提供一絕緣屏障。該間隙可以是氣隙或可以由其它電絕緣材料填充。此外，用于提供絕緣屏障的裝置可以是設(shè)置在兩個(gè)組件之間或連接到組件的氣隙或其它電絕緣材料。在該步驟中需要亞微米級(jí)精度，以保持橫過晶片的加熱器的均勻特性。這是加熱器不與氣體致動(dòng)器層同時(shí)蝕刻的主要原因。用于加熱器掩模的CD為0.5微米。重疊精度為+/-0.1微米。所述接合墊也由TiN層覆蓋，這就防止了在犧牲性鋁的蝕刻期間，接合墊也被蝕刻掉。另外還防止了在工作期間接合墊對(duì)鋁的腐蝕。TiN是鋁的非常好的腐蝕抑制劑。TiN的電阻足夠低，因此不會(huì)發(fā)生阻抗接合墊的問題。
32.沉積2微米的PECVD玻璃。該過程最好在約350℃到400℃的溫度下進(jìn)行，從而使玻璃中的固有應(yīng)力最小。通過降低沉積溫度可以使熱應(yīng)力減小。然而，熱應(yīng)力實(shí)際上是有利的，因?yàn)椴ＡП粖A在兩層TiN層之間。所述TiN/玻璃/TiN三層結(jié)構(gòu)消除了由于熱應(yīng)力而導(dǎo)致的彎曲，并使玻璃處于恒定的壓縮應(yīng)力之下，從而提高了致動(dòng)器的效率。
33.沉積0.9微米的磁電管噴濺TiN。該層被沉積，從而消除了由于下層TiN和玻璃層之間的熱應(yīng)力差而導(dǎo)致的彎曲，并防止當(dāng)被從犧牲性材料釋放時(shí)葉片的卷曲。所述沉積特性應(yīng)當(dāng)與第一TiN層相同。
34.使用如圖56所示的致動(dòng)器掩模，對(duì)TiN和玻璃進(jìn)行各向異性等離子蝕刻。該掩模限定了所述致動(dòng)器和葉片。致動(dòng)器掩模的CD為1微米。重疊精度為+/-0.1微米。蝕刻過程的產(chǎn)物是，如圖57中所示，玻璃層250夾在TiN層251、248之間。
35.此時(shí)可以通過晶片檢測進(jìn)行電氣測試。所有的CMOS檢測、加熱器功能性檢測和阻抗檢測都可以在晶片檢測時(shí)完成。
36.沉積15微米的犧牲性材料。這種材料有多種可能的選擇。基本要求是能夠沉積15微米的層而不產(chǎn)生過度的晶片翹曲的能力，以及對(duì)PECVD玻璃和TiN的高蝕刻選擇性。幾種可行的材料為磷硅酸鹽玻璃(PSG)，硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)、例如聚酰亞胺之類的聚合體和鋁。需要或者是一與硅(添加適量添加劑的硼磷硅酸鹽玻璃BPSG，填充聚酰亞胺)相符合的關(guān)閉CTE或者是一低楊氏模量(鋁)。該示例使用BPSG。由于過大的層厚，因此在這些情況中，對(duì)應(yīng)力的要求是最為苛求的。BPSG通常具有低于硅相當(dāng)大的CTE，從而導(dǎo)致相當(dāng)大的壓縮應(yīng)力。然而，BPSG的混合物可以發(fā)生較大的變化，從而將其CTE調(diào)節(jié)為靠近硅的CTE。由于BPSG為犧牲層，其電氣性質(zhì)是無關(guān)的，可以使用通常不適合的混合物作為CMOS絕緣體。低密度、多孔性和高含水量都是有益的。其特征是，在使用一種無水HF蝕刻時(shí)，與PECVD玻璃相比，它們將提高蝕刻選擇性。
37.使用如圖59所限定的噴嘴掩模，蝕刻所述犧牲層到2微米深，從而構(gòu)成了如圖60中截面所示的結(jié)構(gòu)254。圖59的掩模限定了所有的區(qū)域，在所述區(qū)域上，所后沉積的外涂層將使用CMP被磨掉。這包括噴嘴本身和各種其它液體控制部件。噴嘴掩模的CD為2微米。重疊精度為+/-0.5微米。
38.使用如圖62中所示的腔掩模，將犧牲層向下各向異性地等離子蝕刻到CMOS鈍化層。該掩模限定了如圖63所示的噴嘴腔和包括槽255的致動(dòng)器覆蓋物。腔掩模的CD為2微米。重疊精度為+/-0.2微米。
39.如圖65所示，沉積0.5微米的相當(dāng)共形的外涂層材料257。該材料的電氣性質(zhì)是不相關(guān)的，且其可以是一導(dǎo)體、絕緣體或半導(dǎo)體。且相對(duì)于犧牲性材料，該材料應(yīng)當(dāng)為化學(xué)惰性的、堅(jiān)硬的、高度選擇性蝕刻的、適于CMP，且適合于在500℃以下共形沉積。適合的材料包括PECVD玻璃、MOCVD TiN、ECR CVD TiN、PECVD Si3N4，和許多其它材料。本示例的選擇是PECVD TEOS玻璃。如果使用BPSG作為犧牲性材料且使用無水HF作為犧牲性蝕刻劑，則其必須具有非常低的含水量，由于無水HF蝕刻所需的含水量達(dá)到1000∶1的BPSG蝕刻選擇性比TEOS玻璃。相配的外涂層257圍繞熱彎曲致動(dòng)器的工作部分形成一保護(hù)性遮蓋殼，同時(shí)允許所述致動(dòng)器在該殼中移動(dòng)。
40.如圖67所示，使用CMP將晶片的深度平面化到1微米。在晶片表面上，CMP工藝的精度應(yīng)當(dāng)被保持在+/-0.5微米。犧牲性材料的凹陷并不相關(guān)。這就打開了噴嘴259和液體控制區(qū)域例如260。犧牲層相對(duì)于噴嘴腔結(jié)構(gòu)的剛度在CMP期間是關(guān)鍵因素之一，其可能影響犧牲性材料的選擇。
41.將打印頭晶片翻轉(zhuǎn)，并將前表面牢固地安裝到如圖69所示的具有一氧化表面263的氧化硅晶片坯料262上。所述安裝可以借助膠265實(shí)現(xiàn)。所述坯料晶片262可以被反復(fù)應(yīng)用。
42.采用背面研磨(或蝕刻)和拋光，將打印頭晶片變薄到300微米。執(zhí)行所述晶片薄化，從而將隨后的工藝持續(xù)時(shí)間從約5小時(shí)減少到約2.3小時(shí)。深入硅蝕刻精度也被提高，且硬掩模厚度被減半到2.5微米。所述晶片可以被進(jìn)一步薄化，從而改善蝕刻時(shí)間以及打印頭的效率。晶片厚度的限制因素是犧牲性BPSG蝕刻之后打印頭的脆性。
43.如圖67所示，將一SiO2硬掩模(2.5微米的PECVD玻璃)沉積到晶片的背面，并使用入口掩模賦予其圖案。圖67的硬掩模用于隨后的深入硅蝕刻，其到達(dá)315微米的深度，且硬掩模的選擇性為150∶1。該掩模限定了穿過晶片被蝕刻的所述墨水入口。用于入口掩模的CD為4微米。重疊精度為+/-2微米。所述入口晶片在兩側(cè)上尺寸均不到5.25微米，從而在300微米的蝕刻深度上允許蝕刻91°的凹角。用于該步驟的光刻使用一掩模對(duì)準(zhǔn)器代替分檔器。對(duì)準(zhǔn)是在晶片的前面構(gòu)圖。設(shè)備易于允許從前到后的亞微米對(duì)準(zhǔn)。
44.背面蝕刻完全穿過硅晶片(例如使用來自表面技術(shù)體系的ASE新型硅蝕刻器)，穿過預(yù)先沉積的硬掩模。STS ASE能夠以高精度蝕刻穿過晶片的孔，且其縱橫比為30∶1，且側(cè)壁為90度。在這種情況下，側(cè)壁凹角為91度是標(biāo)稱的。選擇一凹角的原因是因?yàn)?，?duì)于給定精度的較高蝕刻比率而言，ASE能夠較好地獲得微小的凹角。而且，通過使掩模上的孔的尺寸變小，所述凹角蝕刻可以被補(bǔ)償。非凹角蝕刻角度不能這么容易地得到補(bǔ)償，因?yàn)檠谀？讓⑾?。?yōu)選的是晶片被所述蝕刻切成小片。最終產(chǎn)物在圖69中示出，包括背面蝕刻墨水通道部264。
45.蝕刻所有暴露的鋁。在某些地方，位于全部三層上的鋁被用作犧牲層。
46.蝕刻所有的犧牲性材料。噴嘴腔將被該蝕刻所清除，結(jié)果在圖71中示出。如果使用BPSG作為犧牲性材料，在不蝕刻CMOS玻璃層或致動(dòng)器玻璃的情況下，其可以被清除。在1500sccm且在60℃下處于的N2環(huán)境中，使用無水HF[L.Chang et al，″Anhydrous HF etch reducesprocessing steps for DRAM capacitors″，Solid State Technology Vol.41 No.5，pp 71-76，1998]，與不攙雜的玻璃例如TEOS相反，這樣可以實(shí)現(xiàn)1000∶1的選擇性。通過所述蝕刻，從所述晶片坯料上，致動(dòng)器被釋放，且芯片彼此分離。如果使用鋁代替BPSG作為犧牲層。那么其清除與前述步驟相接合，且該步驟被省去。
47.使用真空探針拾取松散的打印頭，并將打印頭安裝在它們的包裝中。該過程必需小心地進(jìn)行，因?yàn)槲窗b的打印頭是易碎的。晶片的前表面特別易碎，且不應(yīng)當(dāng)被觸動(dòng)。該過程應(yīng)當(dāng)手工進(jìn)行，因?yàn)槠潆y于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。所述包裝是常規(guī)的注模塑料殼體，包含墨水通道，所述墨水通道用于將適合顏色的墨水供給到位于打印頭背面的墨水入口。所述包裝也為打印頭提供機(jī)械支撐。所述包裝特別被設(shè)計(jì)為在芯片上施加最小的應(yīng)力，且沿著包裝的長度均勻地分配應(yīng)力。使用適合的密封劑例如硅酮將打印頭粘合在該包裝中。
48.對(duì)打印頭芯片形成外界連接。對(duì)于具有最小的氣流中斷的不引人注意的外觀，可以使用帶自動(dòng)連接(TAB)。如果待工作的打印機(jī)與紙之間具有足夠的間隙，還可以使用引線接合法。所有的接合墊沿著芯片的一個(gè)100mm邊緣。總共有504個(gè)接合墊，分成相同的8組，每組63個(gè)(因?yàn)槭褂?縫分檔器步驟制造芯片)。每個(gè)接合墊為100×100微米，且間距200微米。因?yàn)樵?V時(shí)峰值電流為6.58Amps，256個(gè)接合墊被用于為致動(dòng)器供電和接地。共有40個(gè)信號(hào)(24數(shù)據(jù)的和16控制的)連接到整個(gè)打印頭。它們主要與打印頭的八個(gè)相同部分接通。
49.對(duì)打印頭的前表面進(jìn)行憎水處理。這可以通過真空沉積50nm或更多的聚四氟乙烯(PTFE)。然而，還有許多其它方式來實(shí)現(xiàn)。由于液體完全由前述步驟中形成的機(jī)械突起所控制，因此如果打印頭被灰塵所污染，為了防止墨水在表面上擴(kuò)散，所述憎水層為“額外可選擇的”。
50.將打印頭插入插槽中。所述插槽提供電能、數(shù)據(jù)和墨水。借助毛細(xì)作用，墨水填充入打印頭。使打印頭完全充滿墨水，并進(jìn)行測試，圖74示出了墨水268填充入噴嘴腔。
用于執(zhí)行示例的工藝參數(shù)所采用的CMOS工藝參數(shù)可以變化，以適合于0.5微米尺寸或更好的尺寸。MEMS工藝參數(shù)的變化不應(yīng)當(dāng)超過下文所述的公差范圍。這些參數(shù)中的某些影響致動(dòng)器性能和流體學(xué)特性，而其它具有更加晦澀的關(guān)系。例如，晶片薄化級(jí)影響成本和深入硅蝕刻的精度，背側(cè)硬掩模的厚度，和相關(guān)塑料墨水通道成型的尺寸。
以下是建議的工藝參數(shù)


控制邏輯參照圖76，示出了與單獨(dú)墨水噴嘴相關(guān)的控制邏輯電路。該控制邏輯電路280用于按需激勵(lì)一加熱器元件281。所述控制邏輯電路280包括一移位寄存器282、一傳輸寄存器283和一激發(fā)控制門284?；静僮魇菍?shù)據(jù)從一個(gè)移位寄存器282移位到相鄰的移位寄存器，直到其就位。隨后，在傳輸啟動(dòng)信號(hào)286的激活下，數(shù)據(jù)被傳輸?shù)絺鬏敿拇嫫?83。該數(shù)據(jù)被鎖存在所述傳輸寄存器283中，隨后，使用一激發(fā)相位控制信號(hào)289來激活門284，用于輸出一加熱脈沖從而加熱元件281。
由于優(yōu)選實(shí)施例采用一種CMOS層，用于實(shí)現(xiàn)所有控制電路，所述控制電路的一種適合的CMOS實(shí)施形式將被描述。參照圖77，示出了一種相應(yīng)CMOS電路的方框圖。首先，移位寄存器282進(jìn)行反向數(shù)據(jù)輸入，并在移位同步信號(hào)291、292的控制下鎖存該輸入。數(shù)據(jù)輸入290被輸出294輸出到下一個(gè)移位寄存器，且也在傳輸啟動(dòng)信號(hào)296、297的控制下，被傳輸寄存器283鎖存。在啟動(dòng)信號(hào)299的控制下，啟動(dòng)門284被激活，從而驅(qū)動(dòng)一功率晶體管300，該晶體管能夠耐受電阻器281的熱量。作為標(biāo)準(zhǔn)CMOS組成部分的移位寄存器282，傳輸寄存器283和啟動(dòng)門284的功能對(duì)于CMOS電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是公知的。
復(fù)制器件噴墨打印頭可包括大量的復(fù)制器件單元，每個(gè)的器件單元的設(shè)計(jì)基本上相同。下面將討論該設(shè)計(jì)。
首先參見圖78，示出了用在隨后的討論中的不同材料層的一般性圖解或圖例。
圖79示出了在1微米柵格306上的器件單元305。所述器件單元305大部分時(shí)間被拷貝并復(fù)制，除通道308之外，圖79還示出了擴(kuò)散核多層。參照圖77預(yù)先說明信號(hào)290、291、292、296、297和299。圖79的包括總體布置的許多重要方面包括移位寄存器，傳輸寄存器和門以及驅(qū)動(dòng)晶體管。重要的是，所述驅(qū)動(dòng)晶體管300包括一上聚乙烯層，例如309，其布置具有大量的垂直跡線212。所述垂直跡線的重要性在于，保證形成在功率晶體管300上的加熱元件的波紋性質(zhì)，將具有一波紋底部，且波紋通常沿跡線212的垂直方向延伸。這最好參見圖69、71和74。考慮到由于CMOS的布線在下面而不可避免地發(fā)生的波紋的特性和方向?qū)τ谥聞?dòng)器的最終效率是重要的。在理想情況下，通過包含在形成致動(dòng)器之前的在基底的上表面上的平面化的步驟，形成的致動(dòng)器沒有波紋。然而，最好的消除附加工藝步驟的辦法是，保證波紋沿著在示例中示出的橫斷致動(dòng)器的彎曲軸線的方向延伸，且優(yōu)選是沿其長度保持不變。結(jié)果是，致動(dòng)器的效率比平面致動(dòng)器的僅小2％，這在許多情況下是令人滿意的結(jié)果。相反，與平面致動(dòng)器相比，縱向延伸的波紋將使效率減小約20％。
在圖80中，示出了第一水平金屬層的添加物，其包括啟動(dòng)線296，297。
在圖81中，示出了第二水平金屬層，除了相關(guān)的反射分量323和328之外，其還包括數(shù)據(jù)同軸線290，串行時(shí)鐘線(SClockline)291、串行時(shí)鐘線292、Q 294、TEn 296和TEn 297、V-320、VDD321、VSS322。部分330和331被用作犧牲性蝕刻劑。
現(xiàn)參照圖82，示出了第三水平金屬層，其包括位于加熱器致動(dòng)器之下的一部分340，該部分被用作犧牲性蝕刻層。該部分341被用作致動(dòng)器結(jié)構(gòu)的一部分，且具有提供電氣相互連接的部分342和343。
參照圖83，示出了平面?zhèn)鲗?dǎo)性加熱電路層，其包括加熱器臂350和351，它們與下層相互連接。所述加熱器臂或者被形成在斜槽的側(cè)面上，從而朝著固定端被變窄，或者被形成在致動(dòng)器臂的近端上，提供增加的電阻，從而在該區(qū)域加熱并膨脹。通過一中斷355，加熱電路層352的第二部分與臂350和351電絕緣，并為主葉片356提供結(jié)構(gòu)支撐。所述中斷可以采取任何適合的形式，但典型的是如圖中355處所示的一窄槽。
在圖84中，示出了罩和噴嘴層的部分，包括罩353和外噴嘴腔354。
參照圖85，示出了墨水噴嘴陣列的一部分360，所述墨水噴嘴陣列被分成三組361-363，每組提供單色的輸出(青、品紅和黃)，從而提供三色打印。除了接合墊365之外，還設(shè)置一系列標(biāo)準(zhǔn)單元時(shí)鐘緩沖器和地址解碼器364，用于與外部電路相互連接。
每個(gè)顏色組361、363包括兩行間隔開的墨水噴嘴，例如367，其中每個(gè)具有一加熱器致動(dòng)器元件。
圖87以切去的方式示出了總體布置一種形式，其中第一區(qū)域370示出了直到多晶硅水平的層。第二區(qū)域371示出了直到第一水平金屬的層，區(qū)域372示出了直到第二水平金屬的層，區(qū)域373示出了直到加熱器致動(dòng)器層的層。
墨水噴嘴被分成兩組，每組10個(gè)噴嘴，共用一穿過晶片的公共墨水通道。參照圖88，示出了晶片的背面，其包括一系列供墨通道380，用于為前表面提供墨水。
復(fù)制在如下文的復(fù)制體系(hierarchy)表中所示的體系中，在4″打印頭上，器件單元被復(fù)制19,200次。布置柵格是在0.5微米為1/21(0.125微米)。許多理論變換距離正好落在柵格點(diǎn)上。在它們不落在柵格點(diǎn)上的位置，距離被歸入(rounded)到最近的柵格點(diǎn)上。歸入的數(shù)由星號(hào)示出。在所有的情況下，轉(zhuǎn)換被從相應(yīng)噴嘴的中心測量。五個(gè)偶數(shù)噴嘴變換到五個(gè)偶數(shù)噴嘴還包括180°的旋轉(zhuǎn)。用于該步驟的譯碼從五對(duì)噴嘴的中心重合的位置開始。
復(fù)制體系表

組成以適用于如圖89中所示的照相機(jī)照片打印的4英寸打印頭為例，4英寸打印頭380包括8個(gè)段381，每個(gè)段長度為1/2英寸。因此每個(gè)段在頁面的不同部分上打印二級(jí)的青色，品紅和黃色點(diǎn)，以產(chǎn)生最終圖像。8個(gè)段的位置在圖89中示出。在該示例中，打印頭采取以1600dpi打印點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)的直徑為15.875微米。這樣，每個(gè)半英寸段打印800個(gè)點(diǎn)，8個(gè)段對(duì)應(yīng)于如下表所示的位置

雖然每個(gè)段在最終圖像上產(chǎn)生800個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)由混合的二級(jí)青色、品紅和黃色墨水表示。因?yàn)榇蛴∈嵌?jí)的，因此為了獲得最好的效果，輸入圖像應(yīng)當(dāng)被抖動(dòng)處理或誤差擴(kuò)散處理。
每個(gè)段381包括2400個(gè)噴嘴每個(gè)青色，品紅色和黃色800個(gè)。一個(gè)四英寸打印頭包括8個(gè)這樣的段，以供19,200個(gè)噴嘴。
在單個(gè)段中對(duì)噴嘴進(jìn)行分組是由于在打印期間的物理穩(wěn)定性和功耗最小化的原因。在物理穩(wěn)定性方面，如圖88所示的10個(gè)噴嘴的組被組合在一起，并公用同一墨水槽容器。在功耗方面，進(jìn)行所述組合，從而僅96個(gè)噴嘴被從整個(gè)打印頭同時(shí)激發(fā)。因?yàn)?6個(gè)噴嘴應(yīng)當(dāng)為最大距離，12個(gè)噴嘴被從每個(gè)段激發(fā)。為了激發(fā)所有的19,200個(gè)噴嘴，96個(gè)噴嘴的200個(gè)不同組必須被激發(fā)。
圖90示意性示出了一個(gè)單獨(dú)的密集小群395，該小群包括從1到10的10個(gè)噴嘴，它們公用一個(gè)公共供墨通道。5個(gè)噴嘴為一行，而5個(gè)在另一行。每個(gè)噴嘴產(chǎn)生直徑為15.875μm的點(diǎn)。所述噴嘴按照它們被激發(fā)的順序被編號(hào)。
雖然所述噴嘴按照該順序被激發(fā)，但噴嘴的關(guān)系以及打印頁面上的點(diǎn)的物理布置是不同的。一行上的噴嘴表示頁面上的一排的偶數(shù)點(diǎn)，而另一行上的噴嘴表示頁面上的相鄰排的奇數(shù)點(diǎn)。圖91示出了同一密集小群，其中噴嘴按照它們被加載荷的順序編號(hào)。
因此在一個(gè)密集小群中的噴嘴被邏輯地分開一個(gè)點(diǎn)的寬度。噴嘴之間的確切距離將依賴于噴墨激發(fā)機(jī)構(gòu)的特性。在最佳情況下，打印頭可以被設(shè)計(jì)成具有交錯(cuò)的噴嘴，其被設(shè)計(jì)成配合走紙。在最差的情況下，存在1/3200dpi的誤差。而該誤差可以在顯微鏡下比照完美直線而觀察到，當(dāng)然在照片圖像中觀察不到。
如圖92所示，三個(gè)表示青398、品紅397、和黃396單元的密集小群被組合成三密集小群400。三密集小群表示10個(gè)點(diǎn)的同一水平但不同排的組。不同色密集小群之間的確切距離依賴于噴墨操作參數(shù)，且可能在各次噴墨之間發(fā)生變化。該距離可以被認(rèn)為是點(diǎn)寬的常數(shù)，且因此在打印時(shí)必須被考慮到由青色噴嘴打印的點(diǎn)將比由品紅或黃色噴嘴打印的點(diǎn)更可能著落在不同排上。打印算法必須允許在達(dá)到約8點(diǎn)寬的距離上可以變化。
如圖93所示，10個(gè)三密集小群404被組合成一個(gè)密集小群組405。由于每個(gè)三密集小群包括30個(gè)噴嘴，因此每個(gè)密集小群組包括300個(gè)噴嘴100個(gè)青色噴嘴，100個(gè)品紅噴嘴和100個(gè)黃色噴嘴。從0到9的三密集小群組的排列在圖93中示出。為了清楚起見，相鄰三密集小群之間的距離被放大。
如圖94所示，兩個(gè)密集小群組(密集小群組A 410和密集小群組B411)被組合成一個(gè)激發(fā)組414，在每個(gè)段415中有4個(gè)激發(fā)組。每個(gè)段415包括4個(gè)激發(fā)組。為了清楚起見，相鄰激發(fā)組之間的距離被放大。

載入和打印周期打印頭總共包括19,200個(gè)噴嘴。一個(gè)打印周期包括根據(jù)待打印的信息激發(fā)所有這些噴嘴。一個(gè)載入周期包括將在隨后的打印周期中待打印的信息載入打印頭中。
每個(gè)噴嘴具有一相關(guān)的噴嘴啟動(dòng)(圖76中289)比特，其確定在打印周期期間，噴嘴是否將被激發(fā)。所述噴嘴啟動(dòng)比特(每噴嘴一個(gè))經(jīng)由一組移位寄存器被載入。
邏輯上，每種顏色，每800深(deep)具有3個(gè)移位寄存器。由于比特被移位到移位寄存器中，它們在交替的脈沖上被發(fā)送給下噴嘴和上噴嘴。在內(nèi)部，每800深移位寄存器包括兩個(gè)400深移位寄存器一個(gè)用于上噴嘴，一個(gè)用于下噴嘴。交替的比特被交替地移位到內(nèi)部寄存器中。然而對(duì)于外部接口，有一個(gè)單獨(dú)的800深移位寄存器。
一旦所有的移位寄存器已經(jīng)被完全載入(800脈沖)，所有的比特被并行地傳輸?shù)竭m合的噴嘴啟動(dòng)比特。這等于單獨(dú)并行傳輸19,200比特。一旦傳輸發(fā)生，打印周期開始。只要所有的噴嘴啟動(dòng)比特的并行載入在打印周期的末尾發(fā)生，則該打印周期和載入周期可同步地發(fā)生。
假定為了在2秒內(nèi)打印1600dpi的6″×4″的圖像，4″打印頭必須打印9,600行(6×1600)。在2秒內(nèi)打印約達(dá)到10,000行，則產(chǎn)生200微秒的行時(shí)間。在該時(shí)間內(nèi)，必須完成一單獨(dú)的打印周期和一單獨(dú)的載入周期。另外，打印頭外部的物理過程必須移動(dòng)紙張一合適的量。
載入周期載入周期與將下一打印周期的噴嘴啟動(dòng)比特載入打印頭的移位寄存器有關(guān)。
每個(gè)段具有3個(gè)輸入，直接與青、品紅和黃成對(duì)的移位寄存器有關(guān)。這些輸入被稱為C數(shù)據(jù)輸入(CDataIn)、M數(shù)據(jù)輸入(MDataIn)和Y數(shù)據(jù)輸入(YDataIn)。由于有8段，因此每個(gè)打印頭總共有24色輸入線。在SR時(shí)鐘線(在所有的8個(gè)段之間共用)上的一單個(gè)脈沖將24比特傳輸?shù)竭m合的移位寄存器中。交替脈沖分別將比特傳遞到下噴嘴和上噴嘴。由于有19,200個(gè)噴嘴，因此總共需要800個(gè)脈沖需要被傳輸。一旦所有的19,200比特已被傳輸，則在共用P傳輸線(Ptransfer line)上的單個(gè)脈沖使數(shù)據(jù)從移位寄存器并行傳輸?shù)竭m合的噴嘴啟動(dòng)比特。經(jīng)由P傳輸上的一個(gè)脈沖的并行傳輸發(fā)生在打印周期完成之后。除非用于該打印線的噴嘴啟動(dòng)比特出錯(cuò)。
由于所有的8段由單個(gè)SR時(shí)鐘脈沖載入，因此打印軟件必須產(chǎn)生用于打印頭的正確順序的數(shù)據(jù)。例如，第一SR時(shí)鐘脈沖將為下一個(gè)打印周期的點(diǎn)0、800、1600、2400、3200、4000、4800和5600傳輸C、M和Y比特。第二SR時(shí)鐘脈沖將為下一打印周期的點(diǎn)1、801、1601、2401、3201、4001、4801和5601傳輸C、M和Y比特。在800 SR時(shí)鐘脈沖之后，可以產(chǎn)生P傳輸脈沖。
重要的是，應(yīng)當(dāng)注意，雖然在同一打印周期被打印，但奇數(shù)和偶數(shù)C、M和Y輸出不會(huì)出現(xiàn)在同一物理輸出線上。打印頭中的奇數(shù)噴嘴和偶數(shù)噴嘴的物理分離以及不同顏色噴嘴之間的分離，保證了它們在頁面的不同線上產(chǎn)生點(diǎn)。在將數(shù)據(jù)載入打印頭中時(shí)，這種相對(duì)差必須解決。行中的實(shí)際差依賴于用在打印頭中的噴墨的特性。所述差可以由變量D1和D2定義，其中，D1為不同顏色的噴嘴之間的距離(可能值為4到8)，且D2為同一顏色的噴嘴之間的距離(可能值＝1)。表3示出了在第一4脈沖上被傳輸?shù)酱蛴☆^的段n的點(diǎn)。

等等對(duì)于800脈沖。800 SR時(shí)鐘脈沖(每個(gè)時(shí)鐘脈沖傳輸24比特)必須發(fā)生在200毫秒的行時(shí)間內(nèi)。因此，用于計(jì)算19,200噴嘴中每一個(gè)的比特值的平均時(shí)間必須不超過200毫秒/19200＝10毫微秒。數(shù)據(jù)可以以10MHz的最大速率被記錄入打印頭中，其將在80毫秒內(nèi)在入數(shù)據(jù)。以4MHz的速率記錄數(shù)據(jù)，將在200微妙內(nèi)載入數(shù)據(jù)。
打印周期打印頭包含19,200個(gè)噴嘴。對(duì)它們一次性激發(fā)將消耗過多的功率，且可能產(chǎn)生墨水填充問題和噴嘴干涉問題。因此，單個(gè)打印周期包括200個(gè)不同相位，對(duì)于總共19,200個(gè)噴嘴，在每個(gè)相位中96個(gè)最大距離的噴嘴被激發(fā)。
·4比特三密集小群選擇(從激發(fā)組中的10個(gè)密集小群中選擇1個(gè))每次被激發(fā)的96個(gè)噴嘴等于每段12個(gè)(由于接收同一打印信號(hào)的所有的段被激發(fā))。來自給定段的12個(gè)噴嘴相等地來自每個(gè)激發(fā)組。每種顏色，三個(gè)噴嘴是一個(gè)。所述噴嘴按照以下來確定·4比特噴嘴選擇(從一個(gè)密集小群的10個(gè)噴嘴中選擇1個(gè))激發(fā)脈沖的持續(xù)時(shí)間由AEnable和BEnable線給出，它們分別從所有的激發(fā)組中激發(fā)密集小群組A和密集小群組B。一脈沖的持續(xù)時(shí)間取決于墨水的粘度(依賴于溫度和墨水特性)和打印頭可獲得的功率的量。
AEnable和BEnable為分離的線，從而激發(fā)脈沖可以被重疊。這樣打印周期的包含100A相位和100B相位的200個(gè)相位，有效地給出100組相位A和相位B。
當(dāng)一個(gè)噴嘴被激發(fā)時(shí)，其大約需要100毫秒地時(shí)間再填充。這不是問題，因?yàn)檎麄€(gè)打印周期需要200毫秒。一噴嘴的激發(fā)還在噴嘴密集小群的公共墨水通道中產(chǎn)生有限時(shí)間的擾動(dòng)。該擾動(dòng)可與同一密集小群中的另一噴嘴的激發(fā)發(fā)生干擾。從而，在一個(gè)密集小群中的噴嘴的激發(fā)應(yīng)當(dāng)被偏移至少一定量。因此該過程是為了從一三密集小群中激發(fā)三個(gè)噴嘴(每種顏色一個(gè)噴嘴)，然后移動(dòng)到密集小群組中的下一個(gè)三密集小群上。由于在給定的密集小群組中有10個(gè)三密集小群，因此在最初的三密集小群之前，必須激發(fā)隨后的9個(gè)密集小群，必須激發(fā)其以下三個(gè)噴嘴。2微秒的9個(gè)激發(fā)間隔給出18微秒的墨水設(shè)定時(shí)間。
隨后進(jìn)行的激發(fā)順序是· 三密集小群選擇0，噴嘴選擇0(相位A和B)· 三密集小群選擇1，噴嘴選擇0(相位A和B)· 三密集小群選擇2，噴嘴選擇0(相位A和B)· …· 三密集小群選擇9，噴嘴選擇0(相位A和B)· 三密集小群選擇0，噴嘴選擇1(相位A和B)· 三密集小群選擇1，噴嘴選擇1(相位A和B)· 三密集小群選擇2，噴嘴選擇1(相位A和B)· …· 三密集小群選擇8，噴嘴選擇9(相位A和B)· 三密集小群選擇9，噴嘴選擇9(相位A和B)注意，相位A和B可以被重疊。由于電池功率和墨水粘度的變化(隨著溫度的變化)，一脈沖的持續(xù)時(shí)間也將變化。圖95示出了在典型打印周期期間的A啟動(dòng)和B啟動(dòng)線。
從打印頭的反饋打印頭產(chǎn)生若干條反饋線(從8個(gè)段中累積)。所述反饋線可以被應(yīng)用來調(diào)整激發(fā)脈沖的定時(shí)。雖然每個(gè)段產(chǎn)生相同的反饋，但來自所有段的反饋共用同一三態(tài)總線。因此，此時(shí)僅有一個(gè)段可以提供反饋。帶有關(guān)于CYAN的數(shù)據(jù)的檢測啟動(dòng)線ANDed(SenseEnable)，啟動(dòng)用于該段的檢測線。反饋檢測線如下· T檢測 通知控制器打印頭有多熱。這就允許控制器調(diào)整激發(fā)脈沖的定時(shí)，因?yàn)闇囟扔绊懩恼扯取?br> · V檢測 通知控制器致動(dòng)器可獲得多大電壓。這就允許控制器通過調(diào)整脈沖寬度，來補(bǔ)償扁電池或高壓電源。
· R檢測 通知控制器致動(dòng)器加熱器的電阻(每平方的歐姆數(shù))，這就允許控制器調(diào)節(jié)脈沖寬度，以保持一恒定能量，而不考慮加熱器電阻。
· W檢測 通知控制器加熱器關(guān)鍵部位的寬度，由于光刻和蝕刻的變化，該寬度可能變化5％。這就允許控制器適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)脈沖寬度。
預(yù)熱模式打印過程非常傾向于處于平衡的溫度下。為了保證打印照片的第一部分具有一致的點(diǎn)尺寸，理想的是，平衡溫度應(yīng)當(dāng)在打印任何點(diǎn)之前達(dá)到。這通過預(yù)熱模式來實(shí)現(xiàn)。
預(yù)熱模式包括一對(duì)所有噴嘴載入1s的單獨(dú)的載入周期(即設(shè)定所有噴嘴激發(fā))，還包括許多對(duì)每個(gè)噴嘴的短激發(fā)脈沖。脈沖的持續(xù)時(shí)間必須足夠長，以噴射墨滴，但足以加熱圍繞加熱器的墨水。雖然對(duì)于每個(gè)噴嘴需要200個(gè)脈沖，但貫穿同一順序的循環(huán)作為一標(biāo)準(zhǔn)的打印周期。
通過T檢測來提供在預(yù)熱模式期間的反饋，且被持續(xù)以達(dá)到一平衡溫度(高于環(huán)境溫度約30℃)。預(yù)熱模式的持續(xù)時(shí)間可約為50毫秒，且可以根據(jù)墨水的組成進(jìn)行調(diào)節(jié)。
打印頭接口的概要打印頭具有以下連接


打印頭內(nèi)部，每個(gè)段與接合墊具有以下連接墊連接雖然整個(gè)打印頭總共具有504個(gè)連接。然而，掩模布置圖僅包含63個(gè)。這是因?yàn)樾酒砂藗€(gè)相同的且分離的部分組成，每個(gè)部分12.7微米長。這些部分中的每一個(gè)具有間距200微米的63個(gè)墊。在63個(gè)墊的組的每個(gè)末端，而外有50微米，導(dǎo)致準(zhǔn)確重復(fù)距離為12,700微米(12.7微米，1/2″)墊



制造和操作公差

烯的反應(yīng)器流出物流?，F(xiàn)有技術(shù)流程方案需要每小時(shí)150g焦耳(千兆焦耳)的總能量輸入，為進(jìn)行對(duì)比，常規(guī)操作的單塔驟冷流程方案的相對(duì)能量要求的值表示為1.0。
表1相對(duì)的熱交換容量和能量輸入對(duì)比

實(shí)施例II改變由表1欄A描述的現(xiàn)有技術(shù)流程方案，使其包括參照圖3描述的兩級(jí)驟冷流程方案。表1欄B表示相對(duì)于實(shí)施例1的現(xiàn)有技術(shù)流程方案，帶有中間冷卻器的兩級(jí)驟冷流程方案(如圖3所描述)對(duì)于各個(gè)工藝交換器和含氧化合物轉(zhuǎn)化裝置的總能量要求的影響。盡管帶有中間冷卻器的兩級(jí)驟冷流程方案顯著降低了要處理的廢水量，但需要向工藝增加4％的總能量輸入。因此，產(chǎn)生的廢水減少了90％，但把單塔改為兩級(jí)驟冷區(qū)在能量上沒有優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)施例III再次改變欄A的現(xiàn)有技術(shù)流程方案，使其相應(yīng)于圖2公開的本發(fā)明的這樣，更多墨水的運(yùn)動(dòng)在高溫和低粘度的情況下“較短循環(huán)”。

調(diào)節(jié)IJ46打印頭的溫度，以優(yōu)化墨滴體積和墨滴速度的一致性。芯片上用于每段的溫度被檢測。溫度檢測信號(hào)(T檢測)被連到一公共T檢測輸出。通過使用D[C0-7]線，集合感測啟動(dòng)(Sen)并選擇適合的段，適合的T檢測信號(hào)被選擇。該T檢測信號(hào)被驅(qū)動(dòng)ASIC數(shù)字化，且驅(qū)動(dòng)脈沖寬度被改變，以補(bǔ)償墨水粘度的變化。墨水的數(shù)字定義的粘度/溫度關(guān)系被儲(chǔ)存在與墨水有關(guān)的驗(yàn)證芯片中。
噴嘴半徑的變化噴嘴半徑對(duì)于墨滴體積和墨滴速度有重要影響。為此，其被0.5微米光刻所嚴(yán)格控制。噴嘴由2微米的犧牲性材料所蝕刻，隨后進(jìn)行噴嘴壁材料的沉積和CMP步驟。所述CMP使噴嘴結(jié)構(gòu)平面化，并去除外涂層的頂部，使內(nèi)部犧牲性材料暴露。隨后，所述犧牲性材料被去除，留下自對(duì)準(zhǔn)噴嘴和噴嘴邊緣。噴嘴的精確內(nèi)半徑首先由光刻的精度確定，然后確定2微妙蝕刻的側(cè)壁角的一致性。
下表示出了在多種噴嘴半徑下的操作。隨著噴嘴半徑的增加，墨滴速度平穩(wěn)下降。然而，墨滴體積的峰值大約在半徑為5.5微米。標(biāo)稱噴嘴半徑為5.5微米，且操作公差規(guī)定允許該半徑發(fā)生±4％的變化，從而給出了5.3到5.7微米的范圍。該模擬試驗(yàn)還包括了超出所述標(biāo)稱操作范圍(5.0和6.0微米)。主要噴嘴半徑的變化將有可能由結(jié)合犧牲性噴嘴蝕刻和CMP步驟來確定。這意味著，所述變化有可能是非局部的晶片之間的差異，晶片的中心和周長之間的差異。晶片之間的差異由“亮度調(diào)節(jié)”來補(bǔ)償。只要其不是突然的，那么晶片之間的差別就是感覺不到的。

供墨系統(tǒng)根據(jù)前述技術(shù)構(gòu)造的打印頭，可用于類似于PCT專利申請PCT/AU98/00544中所公開的照相機(jī)打印系統(tǒng)中。下面將對(duì)適用于按需照相機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行打印的打印頭和供墨裝置進(jìn)行說明。從圖96和圖97中開始，示出了以供墨單元430的形式設(shè)置的供墨裝置的部分。所述供墨單元可被構(gòu)造成包括三個(gè)墨水儲(chǔ)存腔521，供應(yīng)三種顏色的墨水到打印頭的背面，其優(yōu)選的形式是一種打印頭芯片431。墨水借助包括一系列槽434的墨水分配模或歧管433被供給到打印頭，所述槽用于使墨水經(jīng)由精確公差的墨水出口432流動(dòng)到打印頭431的背面。所述出口432非常小，其寬度約為100微米，因此需要以比相鄰的供墨單元的相互作用組件例如下文所述的殼體495的精度更高的精度制造。
打印頭431成細(xì)長結(jié)構(gòu)，且可以借助硅酮凝膠或類似彈性粘合劑520，與墨水分配歧管中的打印頭孔435連接。
優(yōu)選的是，通過施加粘合劑，打印頭沿著其背面438和側(cè)面439連接到打印頭孔435的內(nèi)側(cè)。按照這種方式，粘合劑僅施加于所述孔和打印頭相互連接的表面，從而將阻塞形成在打印頭芯片431(見圖88)背面上的精確供墨通道380的風(fēng)險(xiǎn)最小化。另外，還設(shè)置一過濾器436，其被設(shè)計(jì)成圍繞分配模433配置，從而對(duì)經(jīng)過模433的墨水進(jìn)行過濾。
墨水分配模433和過濾器436被依次插入隔離單元437中，所述隔離單元在其接觸面438上涂布有硅酮密封劑，這樣墨水能夠例如流過孔440，然后穿過孔434。所述隔離單元437可以是塑料注模單元，其包括許多間隔開的隔板或條板441-443。所述隔板被形成在每個(gè)墨水通道內(nèi)，從而減小墨水在儲(chǔ)存腔521中的加速度，該加速度由便攜式打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)所引起。其在該優(yōu)選形式下將發(fā)生沿著打印頭的縱向長度的破裂，且同時(shí)允許相應(yīng)來自打印頭的激發(fā)命令而使墨水流到打印頭。所述隔板有效地設(shè)置于墨水的便攜式滑架，從而使在操作期間的流量波動(dòng)的中斷最小化。
所述隔離單元437隨后被裝入殼體445中。該殼體445可以被超聲波焊接到隔離單元437，從而將隔離單元437密封在三個(gè)分隔開的墨水腔521中。該隔離單元437還包括一系列可穿透端壁部450-452，其可以被相配合的用于使墨水流入三個(gè)腔中的每一個(gè)的供墨管道穿透。所述殼體445還包括一系列孔455，它們借助帶或類似材料被疏水地密封，從而允許隔離單元的三個(gè)腔中的空氣排出，同時(shí)，由于孔455的疏水特性，墨水被保留在隔離腔中。
通過將墨水分配單元制造成如上所述的相互分隔開的組件，能夠使用相對(duì)傳統(tǒng)的注模技術(shù)，而不需考慮與打印頭的接觸面的高幾個(gè)精度。這是因?yàn)?，通過連續(xù)地使用較小的組件，且最小的最終元件為墨水分配歧管或?yàn)榱伺c形成在芯片中的供墨通道380的精確相互作用，需要以較小公差制造，從而尺寸精度要求被分級(jí)地降低。
殼體445包括一系列定位凸起460-462。第一系列凸起被設(shè)計(jì)成與以帶狀自動(dòng)粘合膜470形式的相互連接裝置精確定位，另外還與第一和第二電力母線和接地母線465和466精確定位，所述第一和第二電力和接地母線在沿著TAB膜的表面的大量位置上與該TAB膜相互連接，從而沿著TAB膜470的表面提供低電阻電力和接地分配，該膜470又與打印頭芯片431相連。
在圖102和103中以打開狀態(tài)詳細(xì)示出的TAB膜470為雙側(cè)的，在其外側(cè)上具有以若干縱向延伸的控制線互連550形式的數(shù)據(jù)/信號(hào)總線，其可釋放地與相應(yīng)的若干外部控制線相連。而且設(shè)置在外側(cè)上的為以沉積貴金屬條552形式的母線觸點(diǎn)。
所述TAB膜470的內(nèi)側(cè)具有若干橫向延伸的連接線553，其交替地經(jīng)由母線連接到電源，且控制線550經(jīng)由區(qū)域554連接到打印頭上的接合墊。借助延伸過TAB膜的通道556實(shí)現(xiàn)與控制線的連接。使用TAB膜的許多優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)是提供將硬母線軌連接到易碎打印頭芯片431的撓性裝置。
所述母線465、466順序連接到觸點(diǎn)475、476，所述觸點(diǎn)借助蓋單元478被牢固地夾靠在母線465、466上。所述蓋單元478還可包括一注模部分，并包括一用于插入鋁棒的槽480，用于幫助切割打印頁。
現(xiàn)參照圖98，局部示出了打印頭單元430，相關(guān)壓紙卷筒單元490，打印輥和供墨電源491以及與單元430、490和491每個(gè)均彼此相連的驅(qū)動(dòng)力分配單元490。
切紙刀495能夠由第一馬達(dá)沿著鋁刀498驅(qū)動(dòng)，從而在打印完成后切下一張照片499。圖98的系統(tǒng)的操作類似于如PCT專利申請PCT/AU98/00544所公開的系統(tǒng)的操作。墨水被儲(chǔ)存在打印輥模版501的芯部500，印刷媒介502被卷繞在該打印輥模版501上。在電動(dòng)機(jī)494的控制下，打印媒介在壓紙卷筒290和打印頭單元490之間進(jìn)給，經(jīng)由傳墨通道505，墨水與打印頭單元430相互連接。在前述PCT說明書中對(duì)打印輥單元491進(jìn)行了說明。在圖99中，示出了單個(gè)打印機(jī)單元510的組裝狀態(tài)。
特征和優(yōu)點(diǎn)相對(duì)于其它打印技術(shù)而言，IJ46打印頭具有許多特征和優(yōu)點(diǎn)。在某些情況下，這些優(yōu)點(diǎn)在于新的性能。在其它情況下，優(yōu)點(diǎn)在于避免了現(xiàn)有技術(shù)中固有的問題。以下是關(guān)于一些優(yōu)點(diǎn)的討論。
高分辨率
IJ46打印頭的分辨率為在掃描方向和橫斷掃描的方向上均為1,600點(diǎn)每英寸(dpi)。這就能夠?qū)崿F(xiàn)照片質(zhì)量彩色圖像，和高質(zhì)量文本(包括漢字)。對(duì)于特定應(yīng)用，已經(jīng)研究出更高的分辨率2,400dpi和4,800dpi型式，但在大多應(yīng)用中，選擇1,600dpi是理想的。高級(jí)商用壓電設(shè)備的實(shí)際分辨率約為120dpi，而熱噴墨設(shè)備的實(shí)際分辨率約為600dpi。
卓越的圖像質(zhì)量高圖像質(zhì)量要求高分辨率和墨滴的精確定位。IJ46打印頭的整體式頁寬特性允許墨滴以半微米精度定位。高精度還通過消除墨滴方向錯(cuò)誤，靜電偏轉(zhuǎn)、空氣擾動(dòng)、旋渦、以及保持墨滴體積和墨滴速度的高度一致性來獲得。圖像質(zhì)量還通過提供足夠的分辨率以避免需要多種墨水濃度來獲得。對(duì)于五色或六色“照片”噴墨打印系統(tǒng)，如果著色相互作用和墨滴尺寸不是非常好，那么可以在中間調(diào)中引入半色調(diào)人工效果。這個(gè)問題在二進(jìn)制三色系統(tǒng)例如用在IJ46打印頭中的系統(tǒng)中被解決。
高速(30ppm每打印頭)打印頭的頁寬特性允許高速工作，因?yàn)椴恍枰M(jìn)行掃描。打印一幅A4的彩色頁面需要不到2秒，每個(gè)打印頭能夠以每分鐘30頁(ppm)的速度進(jìn)行工作。多個(gè)打印頭可以平行地使用，以獲得60ppm、90ppm、120ppm等等。IJ46打印頭成本低，且結(jié)構(gòu)緊湊，因此多個(gè)打印頭的設(shè)計(jì)是可以實(shí)現(xiàn)的。
低成本由于IJ46打印頭的組裝密度非常高，因此每打印頭的芯片面積可以降低。這就使制造成本降低，許多打印頭芯片可以裝配在同一晶片上。
全數(shù)字工作選擇打印頭的高分辨率，以允許使用數(shù)字半色調(diào)進(jìn)行全數(shù)字工作。這就消除了顏色的非線性(連續(xù)調(diào)次打印機(jī)中的一個(gè)問題)，并簡化了驅(qū)動(dòng)ASIC的設(shè)計(jì)。
墨滴體積小為了實(shí)現(xiàn)1,600dpi的實(shí)際分辨率，要求墨滴尺寸小。IJ46打印頭的墨滴尺寸為一微微升(1pl)。而先進(jìn)的商用壓電和熱噴墨設(shè)備的墨滴尺寸約為3pl到30pl。
墨滴速度的精確控制由于墨滴噴射器是一種精確的機(jī)械裝置，且不依賴氣泡成核，因此可以實(shí)現(xiàn)墨滴體積的精確控制。這就允許在媒介和氣流可以被控制的情況下，實(shí)現(xiàn)低墨滴速度(3-4m/s)。通過使提供給致動(dòng)器的能量發(fā)生變化，墨滴速度可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)精確變化。高墨滴速度(10 to 15m/s)適用于普通紙打印，通過使用變化的噴嘴腔和致動(dòng)器尺寸，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)自由的條件。
快速干燥非常高的分辨率、非常小的墨滴和高染料密度的組合，允許在噴射非常少的水的情況下進(jìn)行彩色打印。1600dpi的IJ46打印頭噴射的水量約為600dpi的熱噴墨打印機(jī)的33％。這就允許了快速的干燥并實(shí)質(zhì)上克服了紙張的起皺。
寬溫度范圍IJ46打印頭被涉及成克服了環(huán)境溫度的影響。僅僅墨水特性隨溫度的變化影響工作，且其可以被電子地補(bǔ)償。對(duì)于水基油墨，工作溫度范圍優(yōu)選為0℃到50℃。
不需要特殊的制造裝備IJ46打印頭杠桿系統(tǒng)的制造方法完全來自于已建立的半導(dǎo)體制造廠。多數(shù)噴墨系統(tǒng)遇到的主要難題和成本在于從實(shí)驗(yàn)室移動(dòng)到工廠，需要高精度的專門制造裝備。
可獲得高生產(chǎn)量一每月10000晶片起步的6″CMOS制造廠(fab)每年可制造約1800萬打印頭。一每月2萬晶片起步的8″CMOS制造廠(fab)每年可制造約6000萬打印頭。當(dāng)前，世界上有許多這種CMOS制造廠(fab)。
低工廠準(zhǔn)備成本工廠準(zhǔn)備成本低的原因在于，存在50萬個(gè)6″CMOS制造廠(fab)。這些制造廠完全是已分期償還的，且基本上廢棄CMOS邏輯生產(chǎn)。因此，批量生產(chǎn)可以采用“老的”現(xiàn)存的設(shè)備。在CMOS制造廠中，多數(shù)MEMS后加工也可以進(jìn)行。
良好的耐光性由于墨水沒有被加熱，因此對(duì)所使用的染料的類型很少限制。這就允許選擇具有最適宜的耐光性的染料。一些近來由例如Avecia和Hoechst公司研發(fā)的染料的耐光性為4。這等于許多顏料的耐光性，且超過至今所使用的照片染料和噴墨打印染料很多。
良好的耐水性由于具有耐光性，對(duì)染料的較小的熱限制，允許選擇具有例如耐水性的染料。對(duì)于非常高的耐水性(對(duì)于耐洗紡織品所需要的)可采用活性染料。
非常好的色域使用高色彩純度的透明染料的色域較膠印和鹵化銀照相的色域大很多。由于來自所使用的顏料的光散射，因此膠印的色域特別受限制。對(duì)于三色(CMY)或四色系統(tǒng)(CMYK)，所需必須被限制在色彩頂點(diǎn)之間的四面體體積內(nèi)。因此，相當(dāng)重要的是，青色，品紅和黃色染料應(yīng)盡可能象光譜一樣純。使用6色(CMYRGB)模式，可以獲得稍寬的“六角錐”色域。這種六色打印頭可以經(jīng)濟(jì)地制造，因?yàn)槠湫枰男酒瑢挾葍H為1mm。
顏色擴(kuò)散的消除如果不同的原色被打印，同時(shí)在先的顏色是濕的，就會(huì)發(fā)生顏色之間的墨水?dāng)U散。而在1600dpi的分辨率下，由于墨水?dāng)U散而導(dǎo)致的圖像模糊非常嚴(yán)重，墨水?dāng)U散可以使圖像中間調(diào)變得“混濁”。通過使用微滴乳狀液，可以消除墨水?dāng)U散，這對(duì)于IJ46打印頭非常適合。微滴乳狀液的使用還可以幫助防止噴嘴堵塞，并保證墨水的長期穩(wěn)定。
高噴嘴數(shù)量在單片CMY三色照片打印頭中，IJ46打印頭具有19,200個(gè)噴嘴。這與其它打印頭相比是較多的，而其與以大批量常規(guī)集成在CMOS VLSI芯片上的裝置的數(shù)量相比較小。其還小于利用類似于CMOS和MEMS工藝制造的，德州儀器公司(Texas Instruments)集成在其數(shù)字微鏡裝置(DMD)中的可移動(dòng)鏡的數(shù)量3％。
每A4頁面寬度打印頭51,200個(gè)噴嘴用于頁面寬度A4/US字符打印的四色(CMYK)IJ46打印頭應(yīng)用兩個(gè)芯片。每個(gè)0.66cm2的芯片具有25,600個(gè)噴嘴，總共51,200個(gè)噴嘴。
驅(qū)動(dòng)電路的集成在具有51,200個(gè)噴嘴之多的噴嘴的打印頭中，將數(shù)據(jù)分配電路(移位寄存器)、數(shù)據(jù)定時(shí)和驅(qū)動(dòng)晶體管與噴嘴集成在一起是非常關(guān)鍵的。否則，需要最少51,201個(gè)外部接點(diǎn)。這是壓電式噴墨打印中的一個(gè)嚴(yán)重問題，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路不能被集成在壓電基底上。在CMOS VLSI芯片中集成數(shù)百萬個(gè)接點(diǎn)是普通的，其可以以高產(chǎn)量批量生產(chǎn)。其是離開芯片的連接，且必須被限制。
單片制造IJ46打印頭由單片CMOS芯片制造，因此不需要精密組裝。所有的制造使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS VLSI和MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))工藝和材料。在熱噴墨打印和某些壓電噴墨系統(tǒng)中，噴嘴板與打印頭芯片的組裝是產(chǎn)量較低，分辨率受限制和尺寸受限制的一個(gè)主要問題。而且，頁寬陣列通常由多片較小的芯片構(gòu)成。這些芯片的組裝和對(duì)準(zhǔn)是一個(gè)昂貴的工藝。
模塊化，可擴(kuò)展為更寬的打印寬度長頁寬打印頭可以通過將兩個(gè)或多個(gè)100mmIJ46打印頭對(duì)接在一起而獲得。IJ46打印頭芯片的邊緣被設(shè)計(jì)成與相鄰芯片自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。一個(gè)打印頭提供照片尺寸打印機(jī)，兩個(gè)則提供A4打印機(jī)，而四個(gè)則提供A3打印機(jī)。更大數(shù)量可被用于高速數(shù)字打印，頁寬格式打印和織物印花。
雙面操作在全打印速度下進(jìn)行雙面打印是非常現(xiàn)實(shí)的。簡單的方法是提供兩個(gè)打印頭，它們分別位于紙張的兩側(cè)。提供兩個(gè)打印頭的成本和復(fù)雜度低于將紙張翻轉(zhuǎn)的機(jī)械系統(tǒng)。
直線的紙路由于不需要鼓，因此可以使用直線紙路來減小塞紙的可能性。該問題特別常見于辦公室雙面打印機(jī)，其中需要將頁面翻轉(zhuǎn)的復(fù)雜機(jī)構(gòu)是塞紙的主要原因。
高效率熱噴墨打印頭近有約0.01％效率(電能輸入與墨滴動(dòng)能和增加的表面能量相比)。IJ46打印頭的效率大于上述效率的20倍。
自冷卻操作需要用來噴射每個(gè)墨滴的能量為160nJ(0.16微焦)，其是熱噴墨打印機(jī)所需能量的一小部分。低能量允許打印頭被噴射的墨水完全冷卻，在最壞的情況下墨水溫度僅升高40℃。且不需要散熱。
低壓力在IJ46打印頭中產(chǎn)生的最大壓力約為60kPa(0.6大氣壓)。在熱噴墨核氣泡打印系統(tǒng)中，由氣泡成核和破裂所產(chǎn)生的壓力典型的是超過10Mpa(100個(gè)大氣壓)，其是最大IJ46打印頭壓力的160倍。氣泡噴墨和熱噴墨設(shè)計(jì)中的高壓導(dǎo)致高機(jī)械應(yīng)力。
低功率當(dāng)打印3色的全黑時(shí)，30ppmA4 IJ46打印頭需要約67瓦的功率。當(dāng)打印5％覆蓋面時(shí)，平均功耗僅為3.4瓦。
低電壓工作IJ46打印頭由單獨(dú)3V供電操作，與典型的驅(qū)動(dòng)ASIC相同。典型的熱噴墨要求至少20V，而壓電噴墨通常要求多于50V。IJ46打印頭致動(dòng)器被設(shè)計(jì)成在2.8瓦下標(biāo)稱工作，允許在驅(qū)動(dòng)晶體管上0.2伏的電壓降，一實(shí)現(xiàn)3V的芯片工作。
由2或4節(jié)AA電池操作功耗足夠低，從而照片IJ46打印頭可以由AA電池操作。典型的打印6″×4″照片需要小于20焦耳(包括驅(qū)動(dòng)晶體管的損失)。如果照片需要在2秒內(nèi)打印，則推薦使用4節(jié)AA電池。如果打印時(shí)間增加到4秒，則可以使用2節(jié)AA電池。
電池電壓補(bǔ)償IJ46打印頭可以由未穩(wěn)壓的電池電源操作，以消除穩(wěn)壓器的效率損失。這就意味著，在電源電壓的相當(dāng)大的范圍內(nèi)，必須實(shí)現(xiàn)一致的性能。IJ46打印頭檢測電源電壓，并調(diào)節(jié)致動(dòng)器的工作，以實(shí)現(xiàn)一致的電壓降量。
小致動(dòng)器和噴嘴面積IJ46打印頭噴嘴，致動(dòng)器，和驅(qū)動(dòng)電路所需要的面積為1764Ltm。其小于壓電壓電噴墨打印機(jī)噴嘴所需面積的1％，且小于氣泡噴墨打印機(jī)噴嘴所需面積的約5％。致動(dòng)器面積直接影響打印頭制造成本。
小的總打印頭尺寸小的總打印頭尺寸用于A4，30ppm，1600dpi，四色打印頭的整個(gè)打印頭組件(包括供墨通道)為210mm×12mm×7mm。這樣小的尺寸允許被裝入筆記本電腦和微型打印機(jī)中。一照片打印機(jī)的尺寸為106mm×7mm×7mm，允許被包含在便攜式數(shù)碼相機(jī)，掌上電腦，移動(dòng)電話/Tax，等裝置中。供墨通道占據(jù)了大多體積。打印頭芯片本身僅需102mm×0.55mm×0.3mm。
微型噴嘴蓋系統(tǒng)一種用于IJ46噴墨頭的微型噴嘴蓋系統(tǒng)已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來。對(duì)于照片打印機(jī)，該噴嘴蓋系統(tǒng)僅為106mm×5mm×4mm，且不需要打印頭移動(dòng)。
高產(chǎn)量IJ46打印頭的目標(biāo)產(chǎn)量(在成熟的條件下)為至少80％，其首先是具有0.55cm2面積的數(shù)字CMOS芯片。大多數(shù)現(xiàn)代CMOS工藝實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量，芯片面積超過1cm2。對(duì)于小于約1cm2的芯片來說，成本與芯片面積近似地成比例。在1cm2和4cm2之間，成本迅速增加。大于上述面積的芯片是非常不實(shí)際的。非常希望保證芯片面積小于1cm2。對(duì)于熱噴墨和氣泡打印頭來說，芯片寬度典型的是5mm，限定成本效率芯片長度到約2mm。IJ46打印頭的主要目標(biāo)是盡可能減小芯片寬度，允許成本有效的單片頁寬打印頭。
低操作復(fù)雜性由于數(shù)字IC制造，因此裝置的掩模復(fù)雜性對(duì)于制造成本或難度影響很小或沒有影響。成本與工藝步驟的數(shù)量成比例，并與光刻的臨界尺寸成比例。IJ46打印頭使用標(biāo)準(zhǔn)的0.5微米單、重、三金屬CMOS制造工藝，另外5 MEMS掩模步驟。這就使制造工藝較典型的具有5層級(jí)金屬的，0.25微米CMOS邏輯工藝的復(fù)雜度低。
簡單測試IJ46打印頭包括測試電路，其允許多數(shù)測試在晶片檢測階段完成。在該階段可以完成所有的電學(xué)特性檢測，包括對(duì)致動(dòng)器電阻的檢測。然而，致動(dòng)器的動(dòng)作僅能在從犧牲性材料上釋放之后被檢測，因此最終的檢測必須在包裝的芯片上執(zhí)行。
低成本包裝IJ46打印頭被包裝在注模聚碳酸酯包裝內(nèi)。所有的連接使用帶自動(dòng)接合(TAB)技術(shù)完成(單還可以選擇使用引線接合法)。所有的連接均沿著芯片的一個(gè)邊緣。
無阿爾法粒子敏感性在包裝中不需考慮阿爾法粒子輻射，因?yàn)槌遂o態(tài)存儲(chǔ)器之外，沒有存儲(chǔ)器元件，由于阿爾法粒子軌跡而導(dǎo)致的狀態(tài)變化可能導(dǎo)致一個(gè)額外的點(diǎn)被打印(或不打印)在紙張上。
不嚴(yán)格的臨界尺寸IJ46打印頭CMOS驅(qū)動(dòng)電路的臨界尺寸(CD)為0.5微米。先進(jìn)的數(shù)字IC例如當(dāng)前使用的微處理器的CD為0.25微米，其是兩個(gè)裝置產(chǎn)生的，較IJ46打印頭所要求的更先進(jìn)。大多數(shù)MEMS后加工步驟的CD為1微米或更大。
在制造期間的低應(yīng)力與熱噴墨裝置和壓電裝置相同，在制造期間的裝置破裂是一個(gè)關(guān)鍵性問題。這就限制了可以制造的打印頭尺寸。在IJ46打印頭的制造中所產(chǎn)生的應(yīng)力較CMOS制造所產(chǎn)生的應(yīng)力小。
無掃描條帶IJ46打印頭為整頁寬度，因此不需掃描。這就消除了噴墨打印機(jī)中的一個(gè)非常重要的圖像質(zhì)量問題。由于其它原因(墨滴方向錯(cuò)誤，打印頭對(duì)準(zhǔn))而導(dǎo)致的條帶通常是頁寬打印頭中的一個(gè)重要問題。這些條帶產(chǎn)生的原因也被尋址。
“完美的”噴嘴對(duì)準(zhǔn)借助用于對(duì)打印頭進(jìn)行光刻的0.5微米步進(jìn)電機(jī)，打印頭中的所有噴嘴均以半微米的精度對(duì)準(zhǔn)。形成A4頁寬打印頭的兩個(gè)4″打印頭的噴嘴對(duì)準(zhǔn)，借助打印頭芯片上的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)特性來實(shí)現(xiàn)。這就能夠在1微妙內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)機(jī)械對(duì)準(zhǔn)(通過簡單地將兩個(gè)打印頭推到一起)。如果在專門的應(yīng)用中需要更好的對(duì)準(zhǔn)，則4″打印頭可以被光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。
無衛(wèi)星墨滴非常小的墨滴尺寸(1pl)和適度的墨滴速度(3m/s)消除了衛(wèi)星墨滴，這種衛(wèi)星墨滴是產(chǎn)生圖像質(zhì)量問題的一個(gè)主要原因。在約4m/s的速度下，形成墨滴，但其跟上主墨滴。在超過約4.5m/s的速度下，形成的衛(wèi)星墨滴相對(duì)于主墨滴有多個(gè)速度。一個(gè)特別的考慮是，衛(wèi)星墨滴相對(duì)于打印頭具有一負(fù)速度，因此通常沉積在打印頭表面上。當(dāng)使用高墨滴速度(約10m/s)時(shí)，避免上述問題較困難。
分層氣流為了實(shí)現(xiàn)在打印介質(zhì)上良好墨滴定位，低墨滴速度需要沒有旋渦的分層氣流。這通過打印頭包裝的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于使用“普通紙張”的情況，且對(duì)于打印在其它“粗糙”表面上的情況，需要較高的墨滴速度。應(yīng)用設(shè)計(jì)尺寸的變化，可實(shí)現(xiàn)的墨滴速度達(dá)到15m/s。能夠在相同晶片上制造具有4m/s墨滴速度的3色照片打印頭，和15m/s墨滴速度的4色普通紙打印頭。這是因?yàn)樗鼈兙褂孟嗤墓に噮?shù)來制造。
無方向錯(cuò)誤的墨滴通過圍繞噴嘴設(shè)置一薄邊緣，方向錯(cuò)誤的墨滴被消除，這就防止了墨滴在打印頭表面上疏水涂層被暴露的區(qū)域中的散播。
無熱干擾在氣泡噴墨或其它熱噴墨系統(tǒng)中，當(dāng)相鄰的致動(dòng)器被激勵(lì)時(shí)，熱量從一個(gè)致動(dòng)器擴(kuò)散到其它致動(dòng)器上，并影響它們的噴射特性。在IJ46打印頭中，從一個(gè)致動(dòng)器到其它致動(dòng)器的熱傳導(dǎo)同等地影響加熱器層和彎曲消除層，因此在葉片位置上沒有影響。這就實(shí)際上消除了熱干擾。
無流體干擾每個(gè)同時(shí)噴射地噴嘴位于300微米長的穿過(薄化)晶片蝕刻的墨水入口的末端。這些墨水入口被連接到具有較低流體阻力的大墨水通道上。這種結(jié)構(gòu)實(shí)際消除了從一個(gè)噴嘴的墨滴噴射對(duì)其它噴嘴的影響。
無結(jié)構(gòu)性干擾該問題是壓電打印頭中的一個(gè)常見問題。其不會(huì)發(fā)生在IJ46打印頭中。
耐久的打印頭IJ46打印頭可以被耐久地安裝。這就顯著地降低了耗材的生產(chǎn)成本，因?yàn)楹牟牟恍枰ㄒ淮蛴☆^。
無公害對(duì)于氣泡噴墨和其它熱噴墨打印頭而言，公害(燃燒墨水的殘?jiān)軇┖碗s質(zhì))是一個(gè)重要問題。IJ46打印頭沒有這種問題，因?yàn)槟皇潜恢苯蛹訜帷?br> 無氣蝕現(xiàn)象由于氣泡的猛烈破裂而導(dǎo)致的腐蝕是氣泡噴墨和其它熱噴墨打印頭壽命縮短的另一個(gè)問題。IJ46打印頭沒有這個(gè)問題，因?yàn)椴恍纬蓺馀荨?br> 無電遷移在IJ46打印頭致動(dòng)器或噴嘴中不使用金屬，完全是陶瓷的。因此，在實(shí)際噴墨裝置中不會(huì)有電遷移的問題。CMOS金屬化層被設(shè)計(jì)以承載所需電流，而不發(fā)生電遷移。這是易于實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榭紤]到電流是從加熱器驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生的，而非高速CMOS轉(zhuǎn)換。
可靠的電源連接由于IJ46打印頭的能耗小于熱噴墨打印頭50倍，且由于高打印速度和低電壓導(dǎo)致相當(dāng)高的電流消耗。最壞的情況下，對(duì)于由3伏電源供電的照片IJ46打印頭在2秒中的打印，電流消耗為4.9Amps。所述供電經(jīng)由銅母線為沿著芯片邊緣的256個(gè)接合墊供電。每個(gè)接合墊挾帶最大40mA。芯片上的與驅(qū)動(dòng)晶體管連接的觸點(diǎn)和通道1.3微秒挾帶1.5mA的峰值電流，且最大平均值為12mA無腐蝕噴嘴和致動(dòng)器整個(gè)由玻璃和氮化鈦(TiN)形成，一種導(dǎo)電陶瓷通常用作CMOS裝置中的金屬化隔離層。兩種材料均具有較高的抗腐蝕性。
無電解墨水不與任何電勢相接觸，因此沒有電解。
無疲勞所有的致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)均在彈性限度之內(nèi)，且所使用的采用均為陶瓷，因此無疲勞。
無摩擦沒有相互接觸的運(yùn)動(dòng)表面，因此無摩擦。
無靜摩擦IJ46打印頭被設(shè)計(jì)成消除靜摩擦，所述靜摩擦是許多MEMS裝置中的常見問題。靜摩擦是一個(gè)將“粘附”和“摩擦”結(jié)合在一起的詞匯，由于相互剝落的力，其在MEMS中特別顯著。在IJ46打印頭中，葉片被懸吊在基底的一個(gè)孔之上，消除了葉片與基底之間的靜摩擦，否則所述靜摩擦將發(fā)生。
無裂紋擴(kuò)展施加到材料上的應(yīng)力小于導(dǎo)致具有典型的TiN和玻璃層的表面粗糙度的裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力的1％。拐角被磨圓，從而使應(yīng)力“熱點(diǎn)”最小化。玻璃也總是處于壓縮應(yīng)力之下，其抵抗裂紋擴(kuò)展較抵抗張應(yīng)力強(qiáng)許多。
不需要電極性還原在被形成在打印頭結(jié)構(gòu)中之后，壓電材料必須被極性還原。這種還原需要非常高的電場強(qiáng)度-約20,000V/cm。所要求的高壓強(qiáng)壓電打印頭的尺寸限制到約5cm，需要10,0000伏來極性還原。而IJ46打印頭不需要極性還原。
無修正擴(kuò)散修正擴(kuò)散(由于周期壓力變化而導(dǎo)致的氣泡的形成)是困擾壓電式噴墨打印的主要問題。IJ46打印頭被設(shè)計(jì)成防止修正擴(kuò)散，因?yàn)槟畨毫Σ粫?huì)低于零。
消除鋸齒形凹槽(Saw Street)晶片上芯片之間的鋸齒形凹槽典型為200微米。其將占據(jù)晶片面積的26％。取而代之，使用等離子蝕刻，僅需要4％的晶片面積。這也消除了由于鋸切而導(dǎo)致的破損。
使用標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行光刻雖然IJ46打印頭有100mm長，但也使用標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)電機(jī)(其典型的是具有約20mm平方的成像區(qū)域)。這是因?yàn)?，使用八個(gè)相同的曝光，打印頭被“縫合”而成。“縫合線”之間的對(duì)準(zhǔn)不是關(guān)鍵的，因?yàn)樵诳p合區(qū)域之間沒有電連接。由每個(gè)步進(jìn)電機(jī)曝光成像的每32個(gè)打印頭的一段，給出了每次曝光“平均”四個(gè)打印頭。
將彩色集成在一個(gè)單獨(dú)芯片上IJ46打印頭將所有所需要的顏色集成在一個(gè)單獨(dú)芯片上。而頁寬“edge shooter”噴墨打印技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)。
墨水的多樣性IJ46打印頭不依賴于用于噴射墨滴的墨水特性。墨水可以基于水，微滴乳狀液，油，各種酒精，MEK，熱熔蠟，或其它溶劑。IJ46打印頭可以在較寬的粘度和表面張力范圍內(nèi)對(duì)墨水進(jìn)行“調(diào)節(jié)”。這對(duì)于允許較寬范圍的應(yīng)用來說是一個(gè)關(guān)鍵因素。
沒有旋渦的分層氣流打印頭包裝被設(shè)計(jì)成保證氣流分層，且消除旋渦。這一點(diǎn)是重要的，因?yàn)橛捎谳^小墨滴尺寸，旋渦或湍流會(huì)降低圖像質(zhì)量。
墨滴重復(fù)率照片IJ46打印頭的標(biāo)稱墨滴重復(fù)率為5kHz，從而打印速度為每照片2秒。對(duì)于30+ppm的A4打印而言，A4打印頭的標(biāo)稱墨滴重復(fù)率為10kHz。最大墨滴重復(fù)率主要由噴嘴在填充率限制，當(dāng)采用非受壓墨水時(shí)，其由表面張力確定。使用正墨水壓力(約20kPa)，墨滴重復(fù)率可以為50kHz。然而，對(duì)于低成本用戶的應(yīng)用來說，34ppm已足夠。在速度非常高的情況下，例如商用打印機(jī)，多個(gè)打印頭可以與快速紙張?zhí)幚硪黄鹗褂?。?duì)于低功率操作來說(例如使用2個(gè)AA電池供電)，墨滴重復(fù)率可以被降低以降低功率。
頭—紙張速度低照片IJ46打印頭的標(biāo)稱頭—紙張速度僅為0.076m/sec。對(duì)于A4打印頭而言，所述速的僅為0.16m/sec，其約為典型的掃描噴墨打印頭速度的約三分之一。低速簡化了打印機(jī)的設(shè)計(jì)，并提高了墨滴定位精度。然而，由于頁面寬度打印頭，該頭—紙張速度對(duì)于34ppm打印已經(jīng)足夠。在需要的情況下，較高的速度易于獲得。
不需要高速CMOS對(duì)于以30ppm進(jìn)行操作的A4/字符打印頭而言，打印頭移位寄存器的時(shí)鐘速的僅為14MHz。對(duì)于照片打印機(jī)而言，時(shí)鐘速度僅為3.84MHz。其低于COMS工藝所使用的速度性能許多。這就簡化了CMOS設(shè)計(jì)，并消除了當(dāng)打印近白色圖像時(shí)的功率消耗的問題。
全靜態(tài)CMOS設(shè)計(jì)移位寄存器和發(fā)送寄存器是全靜態(tài)設(shè)計(jì)。與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的約13個(gè)相比，一個(gè)靜態(tài)設(shè)計(jì)每噴嘴需要35個(gè)晶體管。然而，靜態(tài)設(shè)計(jì)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括較高的抗噪度，較低的靜態(tài)功耗，和較大的加工公差。
寬功率晶體管功率晶體管的寬長比為688。這就允許40hm的導(dǎo)通電阻，從而當(dāng)由3V操作時(shí)，驅(qū)動(dòng)晶體管消耗致動(dòng)器功率的6.7％。這種尺寸的晶體管與移位寄存器和其它邏輯器件一起裝配在致動(dòng)器之下。這種適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)晶體管，與相聯(lián)的數(shù)據(jù)分配電路一起，不消耗芯片面積，其不是致動(dòng)器所需要的。
有幾種方式借助晶體管來減小功耗的百分率增加驅(qū)動(dòng)電壓，從而所需電流減小，將光刻減小到小于0.5微米，使用BiCMOS或其它高電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，或者增加芯片面積，為不位于致動(dòng)器之下的驅(qū)動(dòng)晶體管流出空間。然而，本設(shè)計(jì)的6.7％的功耗被認(rèn)為是最適宜的性能價(jià)格比。
應(yīng)用范圍本發(fā)明所公開的噴墨打印技術(shù)適用于印刷系統(tǒng)的一個(gè)寬廣的范圍。
主要例子包括1.彩色和單色辦公室打印機(jī)2.SOHO打印機(jī)
3.家用PC打印機(jī)4.網(wǎng)絡(luò)連接彩色和單色打印機(jī)5.部門打印機(jī)6.照片打印機(jī)7.嵌入照相機(jī)中的打印機(jī)8.3G移動(dòng)電話中的打印機(jī)9.便攜式和筆記本打印機(jī)10.寬版式打印機(jī)11.彩色和單色復(fù)印機(jī)12.彩色和單色傳真機(jī)13.結(jié)合打印，傳真，掃描，和復(fù)印功能的多功能打印機(jī)14.數(shù)字商用打印機(jī)15.短版數(shù)字打印機(jī)16.包裝打印機(jī)17.織物打印機(jī)18.短版數(shù)字打印機(jī)19.膠印補(bǔ)充印刷機(jī)20.低成本掃描打印機(jī)21.高速頁寬打印機(jī)22.具有嵌入頁寬打印機(jī)的筆記本電腦23.便攜式彩色和單色打印機(jī)24.標(biāo)簽打印機(jī)25.票據(jù)打印機(jī)26.售貨點(diǎn)發(fā)票打印機(jī)27.大規(guī)格CAD打印機(jī)28.照相洗印加工打印機(jī)29.影象打印機(jī)
30.照片CD打印機(jī)31.壁紙印刷機(jī)32.層狀物打印機(jī)33.室內(nèi)標(biāo)記打印機(jī)34.廣告牌打印機(jī)35.視頻游戲打印機(jī)36.照片“報(bào)攤”打印機(jī)37.名片打印機(jī)38.賀卡打印機(jī)39.書籍印刷機(jī)40.報(bào)紙印刷機(jī)41.雜志印刷機(jī)42.表格印刷機(jī)43.數(shù)字相簿打印機(jī)44.醫(yī)用打印機(jī)45.汽車用打印機(jī)46.壓敏型標(biāo)簽打印機(jī)47.彩色樣張打印機(jī)48.容錯(cuò)商用打印機(jī)組現(xiàn)有噴墨打印技術(shù)在不久的將來，具有類似性能的打印頭不太可能由已建立的噴墨打印制造商提供。這是因?yàn)閮蓚€(gè)主要競爭對(duì)手(熱噴墨和壓電式噴墨)在滿足應(yīng)用要求時(shí)，每個(gè)都遇到嚴(yán)重問題。
熱噴墨打印的最重要的問題是功耗問題。其是這些應(yīng)用所需功耗的約100倍，且是由于噴射墨滴的低能效裝置引起的。其包括使水快速沸騰，以產(chǎn)生一氣泡，該氣泡將墨水排出。水具有非常高的若容量，且在進(jìn)行熱噴墨打印時(shí)必須被過熱。高能耗限制了噴嘴的組裝密度。
壓電式噴墨打印的最重要的問題是尺寸和成本問題。壓電晶體在合理驅(qū)動(dòng)電壓下產(chǎn)生非常小的偏轉(zhuǎn)，因此每個(gè)噴嘴需要一較大面積。而且，每個(gè)壓電致動(dòng)器必須被連接到單獨(dú)基底上的它的驅(qū)動(dòng)電路。在每打印頭約300個(gè)噴嘴的情況下，這不是一個(gè)顯著問題，然而，在制造具有19,200個(gè)噴嘴的頁寬打印頭時(shí)則是一個(gè)主要障礙。
IJ46打印頭和熱噴墨打印(TIJ)機(jī)構(gòu)的比較

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，在不背離如上文廣泛描述的本發(fā)明的精神或領(lǐng)域的情況下，對(duì)本發(fā)明的所述特定實(shí)施例可以進(jìn)行多種變化和/或改變。因此，本發(fā)明的所有方面均是舉例說明的，且不是限定性的。
本發(fā)明還涉及一種噴墨打印頭，該噴墨打印頭具有一噴嘴陣列，其中每個(gè)噴嘴具有一移動(dòng)噴嘴，該移動(dòng)噴嘴具有一外部裝配的致動(dòng)器。
我們的共同未決美國專利申請序列號(hào)09/112,821公開了一種移動(dòng)噴嘴。這種移動(dòng)噴嘴裝置由用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)噴嘴的移動(dòng)的磁相應(yīng)元件致動(dòng)，這樣來實(shí)現(xiàn)噴墨。
這種配置的一個(gè)問題是其要求部分裝置被疏水處理，以抑制墨水進(jìn)入致動(dòng)器區(qū)域。
為了滿足排除疏水處理的需要，提出了需要一種移動(dòng)噴嘴型裝置。
現(xiàn)參照附圖104，噴嘴組件通常由參考標(biāo)記510表示。一噴墨打印頭具有若干噴嘴組件510，它們在一硅基底516上被布置成陣列514(圖108和109)。下面將對(duì)該陣列514進(jìn)行更加詳細(xì)的說明。
組件510包括一硅基底或晶片516，在其上沉積一層絕緣層518。一CMOS鈍化層520被沉積于該絕緣層518之上。
每個(gè)噴嘴組件510包括一限定一噴嘴口524的噴嘴522，一呈桿臂526的連接元件和一致動(dòng)器528。所述桿臂526將致動(dòng)器528連接到噴嘴522。
附圖105到107更加詳細(xì)地示出，噴嘴522包括一具有裙邊部532的冠部530，所述裙邊部從冠部530上垂下。所述裙邊部532構(gòu)成噴嘴腔534周壁的一部分(附圖105到107)。所述噴嘴口524與噴嘴腔534液體連通。注意到，噴嘴口524由凸起的邊緣536圍繞，該邊緣將噴嘴腔534中的墨水體540的彎月面538(圖105)“釘住”。
一噴嘴入孔542(在圖109中更加清楚地示出)被噴嘴腔534的底板546限定。所述孔542與墨水流入通道548液體連通，所述通道548通過基底516限定。
一壁部550限定孔542，并從底板部546向上延伸。如上所述的噴嘴522的裙邊部532限定噴嘴腔的周壁的第一部分，且壁部550限定噴嘴腔534的周壁的第二部分。
所述壁550在其自由端具有一朝內(nèi)定向的唇緣552，其用作流體密封，以防止當(dāng)噴嘴522移動(dòng)時(shí)墨水溢出，下文將詳細(xì)說明?？梢岳斫?，由于墨水540的粘度以及唇緣552和裙邊部532之間的間隙的小尺寸，向內(nèi)定向的唇緣552和表面張力用作密封件，用于防止墨水從噴嘴腔534中溢出。
致動(dòng)器528是一個(gè)熱彎曲致動(dòng)器，其被連接到從基底516或更具體而言從CMOS鈍化層520，向上延伸的錨定部554。所述錨定部554被安裝在導(dǎo)電墊556上，其構(gòu)成一與致動(dòng)器528之間的電連接。
所述致動(dòng)器528包括一安裝在第二被動(dòng)梁560之上的第一主動(dòng)梁558。在一優(yōu)選實(shí)施例中，兩個(gè)梁558和560為導(dǎo)電陶瓷材料例如氮化鈦(TiN)或包括上述導(dǎo)電陶瓷材料。
兩個(gè)梁558和560的第一端錨定到所述錨定件554，而其相對(duì)端連接到臂526。當(dāng)電流流過所述主動(dòng)梁558時(shí)，所述梁558產(chǎn)生熱膨脹。而所述被動(dòng)梁560由于沒有電流流過，不會(huì)以相同比率膨脹，從而產(chǎn)生彎曲運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致臂526和噴嘴522朝著基底向下移位，如圖106所示。這就墨水噴出噴嘴口524，如圖106中562處所示。當(dāng)熱源從主動(dòng)梁558上消除時(shí)，例如通過停止電流，噴嘴522返回其靜止位置，如圖107所示。當(dāng)噴嘴522返回其靜止位置時(shí)，由于如圖107中566處所示的墨滴頸的斷裂，形成一墨滴564。然后墨滴564移動(dòng)到打印介質(zhì)例如紙張上。形成墨滴564的結(jié)果是，在圖107中的568處所示，形成一“負(fù)”彎月面。
該“負(fù)”彎月面568導(dǎo)致墨水540向內(nèi)流入噴嘴腔534中，這樣一新彎月面538(圖105)被形成，從而為從噴嘴組件510噴出下一墨滴做好準(zhǔn)備。
現(xiàn)參照附圖108和109，更加詳細(xì)地示出了一噴嘴陣列514。該陣列514用于四色打印頭。因此，該陣列514包括四組噴嘴組件570，一組對(duì)應(yīng)一種顏色。每組570中噴嘴組件510被布置成兩排570和574。其中一組570在圖109中更加詳細(xì)地示出。
為了易于將噴嘴組件510緊密地包裝成排572和574，排574中地噴嘴組件510被相對(duì)于列572中的噴嘴組件510偏移或錯(cuò)列。而且，在列572中的噴嘴組件510被間隔開，從而彼此遠(yuǎn)離，以使列574中的噴嘴組件510的桿臂526從列572中的組件510的相鄰噴嘴522之間經(jīng)過。注意到，每個(gè)噴嘴組件510基本上呈啞鈴形，從而排572中的噴嘴522嵌套在排574中的相鄰噴嘴組件510的噴嘴522和致動(dòng)器528之間。
此外，為了易于將噴嘴522緊密包裝成排572和574，每個(gè)噴嘴522基本上呈六面體形狀。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)噴嘴522朝向基底516設(shè)置時(shí)，在使用中，由于噴嘴口524相對(duì)于噴嘴腔534存在微小的角度，因此，墨水稍微偏離垂直方向。如圖108和109所示的布置的優(yōu)點(diǎn)在于，排572和574中的噴嘴組件510的致動(dòng)器528以相同方向延伸到排572和574的一側(cè)。因此，從排572中的噴嘴522噴出的墨滴和從排574中的噴嘴522噴出的墨滴彼此平行，從而提高了打印質(zhì)量。
而且，如圖108所示，基底516之上安裝有連接墊576，其經(jīng)由墊556提供電連接到噴嘴組件510的致動(dòng)器528。這些電連接經(jīng)由CMOS層(未示出)形成。
參照附圖100，示出了發(fā)明的一個(gè)發(fā)展。相同參考標(biāo)記表示與參照前述附圖相同部件，除非另有說明。
在這個(gè)發(fā)展中，一噴嘴防護(hù)裝置580被安裝在陣列514的基底516上。該噴嘴防護(hù)裝置580包括一本體元件582，該元件具有穿過其而限定的若干通道584。所述通道584與陣列514的噴嘴組件510的噴嘴口524套合，這樣，當(dāng)墨水從任何一個(gè)噴嘴口524中排出時(shí)，在撞擊到打印介質(zhì)上之前，墨水經(jīng)過相應(yīng)的通道584。
該本體元件582借助翼或撐架586，以彼此相互間隔開的關(guān)系安裝。其中一個(gè)撐架586具有限定在其中的空氣入口588。
在使用中，當(dāng)陣列514處于工作中時(shí)，空氣被通過入口588排出，被迫使與經(jīng)過通道584的墨水一起穿過該通道584。
墨水不被空氣所夾帶，因?yàn)榭諝獗灰耘c墨滴564不同的速度排出通道584。例如，墨滴564以約3m/s的速度被從噴嘴522中排出?？諝獗灰约s1m/s的速度排過通道584。
引入空氣的目的是保持通道584清潔，免除外界顆粒。但存在一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，這些外界顆粒例如灰塵顆粒會(huì)落在噴嘴組件510上，從而影響它們的工作。由于在噴嘴防護(hù)裝置580中提供了空氣入口588，這個(gè)問題在很大程度上被避免了。
現(xiàn)參照圖111到113，對(duì)制造噴嘴組件510的一種方法進(jìn)行了說明。
開始于硅基底或晶片516，絕緣層518被沉積在晶片516的表面上。該絕緣層518為1.5微米的CVD氧化物?？刮g劑被旋涂在層518上，且層518由掩模600曝光，隨后進(jìn)行顯影。
顯影之后，層518被向下等離子蝕刻到硅層516。然后所述抗蝕劑被剝離，且層518被清潔。該步驟限定了墨水入口542。
在圖111b中，約0.8微米的鋁602被沉積在層518上。抗蝕劑被旋涂在鋁602上，且由掩模604曝光并顯影。所述鋁602被向下等離子蝕刻到氧化層518，所述抗蝕劑被玻璃，裝置被清潔。該步驟提供了接合墊和與噴墨致動(dòng)器528之間的相互連接。該相互連接是與NMOS驅(qū)動(dòng)晶體管和一具有形成于CMOS層(未示出)中的接點(diǎn)的電源面之間的連接。
約0.5微米的PECVD氮化物被沉積作為CMOS鈍化層520?？刮g劑被旋涂，且層520由掩模606曝光，然后被顯影。在顯影之后，所述氮化物被向下等離子蝕刻到鋁層602和處于入口孔542的區(qū)域內(nèi)的硅層516。所述抗蝕劑被玻璃且裝置被清潔。
一層犧牲性材料層608被旋涂到層520上。所述層608為6微米光敏聚酰亞胺或約4μm高溫抗蝕劑。所述層608被軟烘烤，然后由掩模610曝光，之后進(jìn)行顯影。然后在層608由聚酰亞胺構(gòu)成時(shí)，所述層608在400℃下被硬烘烤一個(gè)小時(shí)，或在層608為高溫抗蝕劑時(shí)，所述層在300℃下被硬烘烤。注意到，在附圖中，由收縮導(dǎo)致的聚酰亞胺層608的圖案相關(guān)變形，在對(duì)掩模610的實(shí)際時(shí)被考慮。
在接下來的步驟中，如圖111e所示，涂布一第二犧牲性層612。該層612或者為旋涂的2μm光敏聚酰亞胺，或者為約1.3μm的高溫抗蝕劑。該層612被軟烘烤并由掩模614曝光。在由掩模614包裝之后，層612被顯影。在該層612為聚酰亞胺的情況下，該層612在400℃下被硬烘烤約一個(gè)小時(shí)。在該層612為抗蝕劑時(shí)，其在大于300℃的溫度下被烘烤約一個(gè)小時(shí)。
然后，一0.2微米多層金屬層616被沉積。該層616的部分構(gòu)成致動(dòng)器528的主動(dòng)梁560。
通過在約300℃下噴濺1000的氮化鈦(TiN)，然后噴濺50的氮化鉭(TaN)，另外1000的TiN被噴濺，然后再噴濺50的TaN，進(jìn)一步噴濺1000的TiN，從而形成層616。
可以用來替代TiN的其它材料為TiB2，MoSi2，or(Ti，Al)N。
然后層616由掩模618曝光，顯影并向下等離子蝕刻到層612，然后對(duì)層616涂布的抗蝕劑在潮濕條件下被剝離，并小心不能除去硬化層608或612。
一第三犧牲層620被旋涂在4μm感光聚酰亞胺或約2.6μm的高溫抗蝕劑上。層620被軟烘烤，然后由掩模622曝光。之后被曝光的層被顯影，然后被硬烘烤。在聚酰亞胺的情況下，層620在400℃下被硬烘烤大約一個(gè)小時(shí)，或者在層包括抗蝕劑時(shí)，在高于300℃下被烘烤。
一第二多金屬層624被涂布在層620上。層624的成分與層616的成分相同，且以相同的方式被涂布。優(yōu)選的是兩層616和624均是導(dǎo)電層。
層624由掩模626曝光，然后被顯影。該層624被向下等離子蝕刻到聚酰亞胺或抗蝕劑層620，然后為層624涂布的抗蝕劑在潮濕條件下被剝離，并小心不除去硬化層608，612或620。注意，層624的剩余部分限定致動(dòng)器528的主動(dòng)梁558。
一第四犧牲層628被旋涂在4μm感光聚酰亞胺或約2.6μm的高溫抗蝕劑上。層628被軟烘烤，然后由掩模630曝光。之后被顯影，從而留下如圖112k所示的島嶼狀部分。在聚酰亞胺的情況下，層628的所述剩余部分在400℃下被硬烘烤大約一個(gè)小時(shí)，或者對(duì)于抗蝕劑，在高于300℃下被烘烤。
如圖111I所示，高楊氏模量的絕緣層632被沉積。該層632由約1μm氮化硅或氧化鋁構(gòu)成。該層632在低于犧牲層608，612，620，628的硬烘烤溫度的溫度下被沉積。該絕緣層632所需的主要特性是高彈性模量，化學(xué)惰性和與TiN的良好附著性。
一第五犧牲層634被旋涂在2μm感光聚酰亞胺或約1.3μm的高溫抗蝕劑上。層634被軟烘烤，然后由掩模636曝光并被顯影。在聚酰亞胺的情況下，層634的所述剩余部分在400℃下被硬烘烤大約一個(gè)小時(shí)，或者對(duì)于抗蝕劑，在高于300℃下被烘烤。
所述絕緣層632被向下等離子蝕刻到犧牲層628，并小心不去除任何犧牲層634。
該步驟限定了噴嘴組件510的噴嘴口524，桿臂526和錨定件554。
一高楊氏模量絕緣層638被沉積。該層638通過在低于犧牲層608，612，620和628的硬烘烤溫度的溫度下，沉積0.2μm氮化硅或氮化鋁而形成。
然后，如圖111p所示，所述層638被各向異性地等離子蝕刻到0.35微米的深度。該蝕刻的目的是將絕緣體從除了絕緣層632的側(cè)壁和犧牲層634之外的所有表面上清除。該步驟產(chǎn)生了圍繞噴嘴口524的噴嘴邊緣536，如上所述，其將墨水的彎月面“釘”住。
另一UV釋放帶(未示出)被施加到晶片516的后部，且?guī)?40被去除。在氧等離子體中，所述犧牲層608，612，628和634被剝離，以提供如圖111r和112r所示的最終噴嘴組件510。為了易于參考，在這兩幅圖中所示的參考標(biāo)記與圖104中所示的噴嘴組件510的相關(guān)部分相同。圖114和115示出了噴嘴組件510的操作，該組件根據(jù)上述參照圖111和110的方法制造，且這些標(biāo)號(hào)與圖105和107對(duì)應(yīng)。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，在不背離如上文廣泛描述的本發(fā)明的精神或領(lǐng)域的情況下，對(duì)本發(fā)明的所述特定實(shí)施例可以進(jìn)行多種變化和/或改變。因此，本發(fā)明的所有方面均是舉例說明的，且不是限定性的。
權(quán)利要求
1.一種包括若干形成在基底上的噴嘴裝置的噴墨打印頭，每個(gè)噴嘴裝置包括-噴嘴腔，-噴嘴口，墨水從噴嘴腔穿過所述噴嘴口被噴出，-在所述噴嘴腔中的可移動(dòng)元件，所述元件與墨水接觸從而噴射墨水，-熱彎曲致動(dòng)器，其具有一錨定到所述基底上的近端和一連接到所述可移動(dòng)元件的遠(yuǎn)端，所述致動(dòng)器包括一第一部分和一第二部分，所述第一部分鄰近所述噴嘴腔之外的近端且具有一用于加熱所述致動(dòng)器的導(dǎo)電性加熱電路層，所述第二部分延伸到所述可移動(dòng)元件且與所述墨水接觸，其特征在于所述致動(dòng)器包括一絕緣裝置，用于將所述第一和第二部分彼此電絕緣，從而所述加熱電路層中的電能不會(huì)被所述致動(dòng)器傳導(dǎo)到所述墨水。
2.如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其特征在于所述絕緣裝置包括一延伸過所述熱彎曲致動(dòng)器的槽。
3.如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其特征在于所述導(dǎo)電性加熱電路層基本上為平面。
4.如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其特征在于所述導(dǎo)電性加熱電路層基本上由氮化鈦組成。
5.如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其特征在于所述導(dǎo)電性加熱電路層包括至少一個(gè)與所述近端相鄰的錐形部分，其被安裝以增加與所述近端的阻熱性。
6.如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其特征在于所述可移動(dòng)元件為一噴墨葉片，其位于所述噴嘴腔中，且可朝著所述噴嘴口移動(dòng)，以噴出墨水。
7.如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其特征在于所述可移動(dòng)部分包括所述噴嘴口，且朝著所述基底移動(dòng)，以使墨水穿過所述噴嘴口噴出。
8.如權(quán)利要求7所述的噴墨打印頭，其特征在于每個(gè)噴嘴裝置包括一限定所述噴嘴口的冠部，和一從所述冠部垂下的裙邊部，所述裙邊部構(gòu)成所述噴嘴腔周壁的第一部分。
9.如權(quán)利要求8所述的噴墨打印頭，包括一墨水進(jìn)入孔，其限定所述噴嘴腔的底板和一圍繞所述孔的圍壁，并限定所述噴嘴腔的周壁的第二部分。
10.如權(quán)利要求9所述的噴墨打印頭，其特征在于所述裙邊部可相對(duì)于基底移位，且所述圍壁用作抑制裝置，用于抑制墨水從所述腔中泄漏。
11.如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其特征在于所述絕緣裝置位于所述噴嘴腔的外部。
12.一種包括若干形成在基底上的噴嘴裝置的噴墨打印頭，每個(gè)噴嘴裝置包括-噴嘴腔，-噴嘴口，墨水從噴嘴腔穿過所述噴嘴口被噴出，-在所述噴嘴腔中的可移動(dòng)元件，所述元件與墨水接觸從而噴射墨水，-熱彎曲致動(dòng)器，其具有一錨定到所述基底上的近端和一連接到所述可移動(dòng)元件的遠(yuǎn)端，所述致動(dòng)器包括一第一部分和一第二部分，所述第一部分鄰近所述噴嘴腔之外的近端且具有一用于加熱所述致動(dòng)器的導(dǎo)電性加熱電路層，所述第二部分延伸到所述可移動(dòng)元件且與所述墨水接觸，其特征在于所述第一和第二部分彼此電絕緣，從而所述加熱電路層中的電能不會(huì)被所述致動(dòng)器傳導(dǎo)到所述墨水。
全文摘要
一種包括若干形成在基底上的噴嘴裝置的噴墨打印頭。每個(gè)噴嘴裝置包括一噴嘴腔，一噴嘴口，墨水從噴嘴腔穿過該噴嘴口被噴出，一在噴嘴腔中的可移動(dòng)元件，該元件與墨水接觸從而噴射墨水和一熱彎曲致動(dòng)器。所述熱彎曲致動(dòng)器具有一錨定到基底上的近端和一連接到所述可移動(dòng)元件的遠(yuǎn)端。該致動(dòng)器包括一第一部分和一第二端部分，所述第一部分鄰近所述近端且具有一用于加熱所述致動(dòng)器的導(dǎo)電性加熱電路層，所述第二端部分延伸到所述可移動(dòng)元件且與墨水腔中的墨水接觸。一絕緣槽將所述第一和第二部分彼此電絕緣，從而所述加熱電路層中的電能不會(huì)被致動(dòng)器傳導(dǎo)到所述墨水。
文檔編號(hào)B41J2/05GK1638967SQ02821403
公開日2005年7月13日 申請日期2002年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月31日
發(fā)明者卡·西爾弗布魯克 申請人:西爾弗布魯克研究有限公司