專利名稱：具有化學(xué)氣相沉積的噴嘴板的熱噴墨機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱噴墨打印頭，涉及一種結(jié)合這種打印頭的打印機(jī)系統(tǒng)，以及涉及一種通過使用這種打印頭來噴射液滴(如墨滴)的方法。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及借助于在泡形成液中形成氣泡或汽泡的墨滴噴射。這個原理被大體描述于在US專利號US 3,747,120(Stemme)中。
存在各種已知類型的熱噴墨(噴泡)打印頭設(shè)備。這一類型的兩種典型設(shè)備，即一種是由Hewlett Packard制造且另一種是由Canon制造，具有墨噴射噴嘴和用于存儲與噴嘴相鄰的墨的室。每個室被所謂的噴嘴板覆蓋，所述噴嘴板是被單獨(dú)制造的物件且從機(jī)械上被緊固到室壁上。在某些現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備中，頂板由KaptonTM制成，其是聚酰亞胺膜的Dupont商品名，其已經(jīng)經(jīng)激光鉆孔以形成噴嘴。這些設(shè)備還包括處于與相鄰于噴嘴而設(shè)置的墨的熱接觸的加熱器元件，用于加熱墨由此在墨中形成氣泡。氣泡在墨中產(chǎn)生壓力，從而使墨滴通過噴嘴被噴射。
本發(fā)明的目的是提供一種對具有在此所述的優(yōu)點(diǎn)的公知打印頭、打印機(jī)系統(tǒng)或噴射墨和其它相關(guān)液滴的方法的有用替換。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種噴墨打印頭，其包括通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成的結(jié)構(gòu)；多個噴嘴，其結(jié)合在所述結(jié)構(gòu)上；以及至少一個相應(yīng)的加熱器元件，其對應(yīng)于每個噴嘴，其中每個加熱器元件被設(shè)置成處于與泡形成液的熱接觸，并且每個加熱器元件被配置成將至少部分泡形成液加熱到其沸點(diǎn)以上的溫度以在其中形成氣泡，由此導(dǎo)致可噴射液的滴通過對應(yīng)于該加熱器元件的噴嘴的噴射。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種結(jié)合打印頭的打印機(jī)系統(tǒng)，所述打印頭包括通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成的結(jié)構(gòu)；多個噴嘴，其結(jié)合在所述結(jié)構(gòu)上；以及至少一個相應(yīng)的加熱器元件，其對應(yīng)于每個噴嘴，其中每個加熱器元件被設(shè)置成處于與泡形成液的熱接觸，并且每個加熱器元件被配置成將至少部分泡形成液加熱到其沸點(diǎn)以上的溫度以在其中形成氣泡，由此導(dǎo)致可噴射液的滴通過對應(yīng)于該加熱器元件的噴嘴的噴射。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種從打印頭噴射可噴射液的滴的方法，所述打印頭包括多個噴嘴以及對應(yīng)于每個噴嘴的至少一個相應(yīng)的加熱器元件，所述方法包括下述步驟提供打印頭，包括通過化學(xué)氣相沉積(CVD)來形成一結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)限定每個都形成相應(yīng)噴嘴的部分的噴嘴孔；加熱對應(yīng)于噴嘴的至少一個加熱器元件，以將與所述至少一個被加熱的加熱器元件處于熱接觸的至少部分泡形成液加熱到泡形成液的沸點(diǎn)以上的溫度；通過所述加熱步驟在泡形成液中產(chǎn)生氣泡；以及通過所述產(chǎn)生氣泡的步驟使可噴射液的滴通過對應(yīng)于所述至少一個被加熱的加熱器元件的噴嘴而被噴射。
如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，如在此所描述的可噴射液的滴的噴射是由泡形成液中汽泡的產(chǎn)生而導(dǎo)致的，在實(shí)施例中所述泡形成液是與可噴射液相同的液體。所產(chǎn)生的泡導(dǎo)致可噴射液中的壓力的增加，這迫使所述滴通過相關(guān)的噴嘴。泡是通過對與墨熱接觸的加熱器元件進(jìn)行焦耳加熱而產(chǎn)生的。被施加到加熱器上的電脈沖具有短持續(xù)時間，典型地小于2微秒。由于液中的儲熱，在加熱器脈沖被關(guān)斷之后泡膨脹幾微秒。當(dāng)蒸汽冷卻時它進(jìn)行再凝結(jié)，從而導(dǎo)致泡坍縮(collapse)。泡坍縮于由墨的慣性與表面張緊的動態(tài)相互作用所確定的點(diǎn)。在本說明書中，這樣的點(diǎn)被稱為泡的“坍縮點(diǎn)”。
根據(jù)本發(fā)明的打印頭包括多個噴嘴，以及對應(yīng)于每個噴嘴的室和一個或多個加熱器元件。屬于單個噴嘴、其室及其一個或多個元件的打印頭的每個部分在此被稱為“單位單元”。
在本說明書中，在提及彼此處于熱接觸的部分時，這意味著它們相對于彼此被放置以便于當(dāng)部分之一被加熱時，它能夠加熱另一個部分，即使所述部分本身可能沒有彼此處于物理接觸。
此外，術(shù)語“墨”被用來表示任何可噴射液，而不被局限于包含有色染料的常規(guī)墨。非有色墨的實(shí)例包括固定劑、紅外吸收劑墨、官能化化學(xué)制品、粘合劑、生物流體、水及其它溶劑等。墨或可噴射液同樣不需要必須是嚴(yán)格的液，且可包含固體粒子的懸浮液或在室溫為固體而在噴射溫度為液體。
在本說明書中，術(shù)語“周期元素”指在元素周期表中所反映類型的元素。


僅通過舉例，現(xiàn)在將參照所伴隨的表示來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。附圖被描述如下。
圖1是在一特定操作階段，通過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印頭單位單元的墨室的示意性橫截面視圖。
圖2是在另一操作階段，通過圖1墨室的示意性橫截面視圖。
圖3是在又一操作階段，通過圖1中墨室的示意性橫截面視圖。
圖4是在另外的操作階段，通過圖1中墨室的示意性橫截面視圖。
圖5是通過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印頭單位單元的圖解橫截面視圖，其示出汽泡的坍縮。
圖6、8、10、11、13、14、16、18、19、21、23、24、26、28和30是在打印頭生產(chǎn)過程的各個相繼的階段，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印頭單位單元的示意性透視圖(圖30被部分切去)。
圖7、9、12、15、17、20、22、25、27、29和31的每個均是適合于在進(jìn)行如在相應(yīng)的緊接的前圖中所表示的打印頭生產(chǎn)階段中使用的掩模的示意性平面圖。
圖32是噴嘴板被省略而示出的圖30的單位單元的另外示意性透視圖。
圖33是具有另一個特定實(shí)施例的加熱器元件的根據(jù)本發(fā)明的打印頭單位單元的被部分切去的示意性透視圖。
圖34是適合于在進(jìn)行圖33中的打印頭生產(chǎn)階段以便于形成其加熱器元件中使用的掩模的示意性平面圖。
圖35是具有另外特定實(shí)施例的加熱器元件的根據(jù)本發(fā)明的打印頭單位單元的被部分切去的示意性透視圖。
圖36是適合于在進(jìn)行圖35中的打印頭生產(chǎn)階段以便于形成其加熱器元件中使用的掩模的示意性平面圖。
圖37是噴嘴板被省略而示出的圖35的單位單元的另外示意性透視圖。
圖38是具有另外特定實(shí)施例的加熱器元件的根據(jù)本發(fā)明的打印頭單位單元的被部分切去的示意性透視圖。
圖39是適合于在進(jìn)行圖38的打印頭生產(chǎn)階段以便于形成其加熱器元件中使用的掩模的示意性平面圖。
圖40是噴嘴板被省略而示出的圖38的單位單元的另外示意性透視圖。
圖41是通過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印頭的噴嘴室的示意性斷面，其示出被浸入在泡形成液中的懸梁加熱器元件。
圖42是通過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印頭的噴嘴室的示意性斷面，其示出被懸置在泡形成液體的頂部的懸梁加熱器元件。
圖43是示出噴嘴的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印機(jī)單位單元的圖解平面圖。
圖44是示出多個噴嘴的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印頭的多個單位單元的圖解平面圖。
圖45是通過不根據(jù)本發(fā)明的噴嘴室的圖解斷面，其示出被嵌入在基片中的加熱器元件。
圖46是通過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴嘴室的圖解斷面，其示出處于懸梁形式的加熱器元件。
圖47是通過現(xiàn)有技術(shù)打印頭的噴嘴室的圖解斷面，其示出被嵌入在基片中的加熱器元件。
圖48是通過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴嘴室的圖解斷面，其示出限定元件部分之間的間隙的加熱器元件。
圖49是示出厚噴嘴板的通過不根據(jù)本發(fā)明的噴嘴室的圖解斷面。
圖50是示出薄噴嘴板的通過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴嘴室的圖解斷面。
圖51是示出兩個加熱器元件的通過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噴嘴室的圖解斷面。
圖52是示出兩個加熱器元件的通過現(xiàn)有技術(shù)打印頭的噴嘴室的圖解斷面。
圖53是通過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印頭的一對相鄰單位單元的圖解斷面，其示出在具有不同體積的滴已經(jīng)通過其被噴射之后的兩個不同的噴嘴。
圖54和55是通過現(xiàn)有技術(shù)打印頭的加熱器元件的圖解斷面。
圖56是通過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的經(jīng)保形涂覆的加熱器元件的圖解斷面。
圖57是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印頭的連接于電極的加熱器元件的圖解立面圖(elevational view)。
圖58是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印頭的打印頭模塊的示意性分解透視圖。
圖59是未被分解而示出的圖58的打印頭模塊的示意性透視圖。
圖60是圖58的打印頭模塊的以斷面部分地示出的示意性側(cè)視圖。
圖61是圖58的打印頭模塊的示意性平面圖。
圖62是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印頭的示意性分解透視圖。
圖63是未被分解而示出的圖62的打印頭的另外示意性透視圖。
圖64是圖62的打印頭的示意性前視圖。
圖65是圖62的打印頭的示意性后視圖。
圖66是圖62的打印頭的示意性底視圖。
圖67是圖62的打印頭的示意性平面圖。
圖68是如在圖62中所示但未被分解而示出的打印頭的示意性透視圖。
圖69是通過圖62的打印頭的示意性縱向斷面。
圖70是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印機(jī)系統(tǒng)的框圖。
具體實(shí)施例方式
在隨后的描述中，在不同的圖中所使用的對應(yīng)參考數(shù)字或參考數(shù)字的對應(yīng)前綴(即在點(diǎn)標(biāo)記之前出現(xiàn)的參考數(shù)字部分)涉及對應(yīng)的部分。當(dāng)存在參考數(shù)字的對應(yīng)前綴及不同后綴時，這些指示對應(yīng)部分的不同特定實(shí)施例。
發(fā)明綜述及對操作的一般討論參考圖1至4，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印頭的單位單元1包括其中具有噴嘴3的噴嘴板2，所述噴嘴具有噴嘴緣4及通過噴嘴板延伸的孔5。噴嘴板2從氮化硅結(jié)構(gòu)進(jìn)行等離子蝕刻而得到，所述結(jié)構(gòu)通過化學(xué)氣相沉積(CVD)而沉積在隨后被蝕刻的犧牲材料上。
對于每個噴嘴3，打印頭還包括噴嘴板被支撐于其上的側(cè)壁6，由壁和噴嘴板2所限定的室7，多層基片8以及通過多層基片延伸到基片遠(yuǎn)側(cè)(未示出)的入口通路9。環(huán)路式伸長加熱器元件10被懸置在室7內(nèi)，從而使元件處于懸梁的形式。如所示的打印頭是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)，其通過下面較詳細(xì)描述的平版印刷(lithographic)過程而形成。
當(dāng)打印頭在使用中時，來自儲蓄器(未示出)的墨11經(jīng)由入口通路9進(jìn)入室7，從而使室填充到如圖1所示的水平。其后，加熱器元件10被加熱略少于1微秒，以便于加熱處于熱脈沖的形式。將理解，加熱器元件10處于與室7內(nèi)的墨11的熱接觸，以便于當(dāng)元件被加熱時這導(dǎo)致在墨中產(chǎn)生汽泡12。因而，墨11構(gòu)成了泡形成液。圖1示出在產(chǎn)生熱脈沖之后大約1微秒，即當(dāng)泡剛好在加熱器元件10上成核時的泡12的形成。將理解，由于熱是以脈沖形式被施加，產(chǎn)生泡12所必要的所有能量要在所述短時間內(nèi)被供給。
暫時轉(zhuǎn)到圖34，所示為如在下面較詳細(xì)的描述，用于在平版印刷過程期間形成打印頭加熱器14(所述加熱器包括以上所提及的元件10)的掩模13。當(dāng)掩模13被用來形成加熱器14時，其各個部分的形狀對應(yīng)于元件10的形狀。因此掩模13提供一種用來標(biāo)識加熱器14的各個部分的有用參考。加熱器14具有對應(yīng)于掩模13被標(biāo)為15.34的部分的電極15以及對應(yīng)于掩模被標(biāo)為10.34的部件的加熱器元件10。在操作中，電壓被施加在電極15上，以使電流流經(jīng)元件10。電極15比元件10厚得多，以便于大部分電阻由元件來提供。因此，在操作加熱器14時所消耗的近乎全部功率經(jīng)由元件10以生成以上提到的熱脈沖的形式耗散。
當(dāng)元件10如以上所述被加熱時，沿著元件的長度形成泡12，這個泡在圖1的橫截面視圖中作為四個泡部分出現(xiàn)，一個泡對應(yīng)于橫截面中所示的每個元件部分。
泡12一旦被產(chǎn)生，則導(dǎo)致室7內(nèi)的壓力的增加，其又導(dǎo)致墨11的滴16通過噴嘴3的噴射。當(dāng)?shù)?6被噴射時緣4幫助對其進(jìn)行導(dǎo)向，以便于使滴誤導(dǎo)的機(jī)會最小。
每個入口通路9僅有一個噴嘴3和室7的原因是使在對元件10進(jìn)行加熱及形成泡12時，室內(nèi)所產(chǎn)生的壓力波不影響相鄰的室及其對應(yīng)的噴嘴。
加熱器元件10被懸置而不是被嵌入在任何固體材料中的優(yōu)點(diǎn)在下面被討論。
圖2和3示出在打印頭的兩個相繼隨后操作階段時的單位單元1。可以看出泡12進(jìn)一步產(chǎn)生且因此增長，從而得到墨11通過噴嘴3的前進(jìn)。如圖3所示，當(dāng)泡12增長時，其形狀由墨11的慣性動力學(xué)及表面張緊的組合來決定。表面張緊趨向于使泡12的表面面積最小，因此到某個量的液已被蒸發(fā)時，泡基本上是盤形。
室7內(nèi)的壓力增加不僅通過噴嘴3推出墨11，而且通過入口通路9將一些墨推回。然而，入口通路9長度近似為200至300微米，并且直徑僅近似為16微米。因此存在基本的粘性曳力。結(jié)果，室7內(nèi)壓力上升的主導(dǎo)效應(yīng)是迫使墨通過噴嘴3作為被噴射的滴16而出去，而不是通過入口通路9返回。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4，打印頭被示出處于另一相繼的操作階段，其中正被噴射的墨滴16被示出處于滴斷開之前的其“頸縮階段(necking phase)”。在這個階段，泡12已經(jīng)到達(dá)其最大尺寸并且隨后已經(jīng)向著坍縮點(diǎn)17開始坍縮，如在圖5中較詳細(xì)反映的那樣。
向著坍縮點(diǎn)17的泡的坍縮使一些墨11從噴嘴3內(nèi)(從滴的側(cè)面18)向著坍縮點(diǎn)被抽取，并且一些從入口通路9向著坍縮點(diǎn)被抽取。通過這種方式抽取的大部分墨11是從噴嘴3抽取的，從而在滴16斷開之前在其基底形成環(huán)形頸19。
滴16需要某個量的動量來克服表面張力從而斷開。當(dāng)墨11借助泡12的坍縮被從噴嘴3中抽取時，頸19的直徑減小，由此減小保持滴的總表面張緊量，這樣當(dāng)?shù)螐膰娮毂粐娚涑鰰r其動量足以允許滴斷開。
當(dāng)?shù)?6斷開時，在泡12坍縮至坍縮點(diǎn)17時，導(dǎo)致如箭頭20所反映的成穴力(cavitation force)。將注意到不存在成穴可對其具有作用的坍縮點(diǎn)17附近的固體表面。
制造過程現(xiàn)在參照圖6至29來描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印頭的制造過程的相關(guān)部分。
參考圖6，所示為在打印頭生產(chǎn)過程中的中間階段，通過硅基片部分21的橫截面，所述硅基片部分21是Memjet打印頭的一部分。該圖涉及對應(yīng)于單位單元1的打印頭部分。對隨后制造過程的描述將針對單位單元1，雖然將理解所述過程將適用于組成整個打印頭的許多相鄰單位單元。
圖6表示在制造過程期間，在完成標(biāo)準(zhǔn)的CMOS制造過程，包括在基片部分21的區(qū)域22中CMOS驅(qū)動晶體管(未示出)的制造，以及在完成標(biāo)準(zhǔn)CMOS互連層23及鈍化層24之后的接下來的相繼步驟。虛線25所表示的接線電性互連晶體管和其它驅(qū)動電路(也未示出)以及對應(yīng)于噴嘴的加熱器元件。
在互連層23的金屬化期間形成保護(hù)環(huán)26，以防止墨11通過基片部分21從其中將形成單位單元1的噴嘴的標(biāo)為27的區(qū)域擴(kuò)散到包含接線25的區(qū)域，并腐蝕被設(shè)置在標(biāo)為22的區(qū)域內(nèi)的CMOS電路。
在完成CMOS制造過程之后的第一階段包括蝕刻一部分鈍化層24，以形成鈍化凹陷29。
圖8示出在蝕刻互連層23以形成開口30之后的生產(chǎn)階段。開口30用來構(gòu)成到將在過程的稍后階段形成的室的墨入口通路。
圖10示出基片部分21內(nèi)其中要形成噴嘴3的位置處的孔洞31的蝕刻之后的生產(chǎn)階段。在稍后的生產(chǎn)過程中，另外的孔洞(由虛線32指示)將從基片部分21的另一側(cè)(未示出)被蝕刻以與孔洞31接合，以完成到室的入口通路。因此，孔洞32將不必從基片部分21的另一側(cè)一直被蝕刻至互連層23的水平。
相反，如果孔洞32要被一直蝕刻至互連層23，則處于蝕刻不精確性的考慮，為了避免蝕刻孔洞32而損壞區(qū)域22內(nèi)的晶體管，孔洞32將不得不在離該區(qū)域的較大距離處被蝕刻，以便于留下適當(dāng)?shù)脑Ａ?由箭頭34所指示)。但是從基片部分21頂部對孔洞31的蝕刻，以及所得到的經(jīng)縮短的孔洞32深度意味著需要留下較小的裕量34，并且因此可實(shí)現(xiàn)基本上較高的組裝密度(packing density)。
圖11示出在層24上已經(jīng)沉積了四微米厚的犧牲抗蝕劑(resist)層35之后的生產(chǎn)階段。這個層35填充了孔洞31并且現(xiàn)在形成了部分打印頭結(jié)構(gòu)。然后利用(如由圖12中所示掩模來表示的)某些圖案對抗蝕劑層進(jìn)行曝光，以形成凹陷36和縫隙37。這為形成用于稍后要在生產(chǎn)過程中形成的加熱器元件的電極15的接觸作準(zhǔn)備。在過程的稍后階段，縫隙37將為形成將限定部分室7的噴嘴壁6作準(zhǔn)備。
圖13示出在層35上沉積0.25微米厚的加熱器材料層38之后的生產(chǎn)階段，在本實(shí)施例中所述加熱器材料為氮化鈦。
圖14示出對加熱器層38加以圖案化和蝕刻以形成包括加熱器元件10和電極15的加熱器14之后的生產(chǎn)階段。
圖16示出在已經(jīng)添加大約1微米厚的另一個犧牲抗蝕劑層39之后的生產(chǎn)階段。
圖18示出在已經(jīng)沉積了第二加熱器材料層40之后的生產(chǎn)階段。在優(yōu)選實(shí)施例中，這個層40像第一加熱器層38一樣是0.25微米厚的氮化鈦。
然后圖19示出在已經(jīng)被蝕刻以形成如所示的由參數(shù)數(shù)字41指示的圖案之后的這個第二加熱器材料層40。在這個示例中，這個圖案化的層不包括加熱器層元件10，并且在這個意義上沒有加熱器功能性。然而，該加熱器材料層的確幫助減小加熱器14的電極15的電阻，以便于在操作中電極消耗較少的能量，這允許由加熱器元件10消耗較多的能量且因此允許其較大的有效性。在圖38中所示例的雙加熱器實(shí)施例中，對應(yīng)的層40不包含加熱器14。
圖21示出在已經(jīng)沉積第三犧牲抗蝕劑層42之后的生產(chǎn)階段。由于這個層的最上水平將構(gòu)成稍后要形成的噴嘴板2的內(nèi)表面，且由此構(gòu)成噴嘴孔5的內(nèi)延(inner extent)，這個層42的高度必須足夠以允許在打印頭的操作期間在標(biāo)為43的區(qū)域中形成泡12。
圖23示出在屋頂層44，也就是將構(gòu)成噴嘴板2的層，已經(jīng)被沉積之后的生產(chǎn)階段。噴嘴板2不是由100微米厚的聚酰亞胺膜形成，而是由僅2微米厚的氮化硅形成。
圖24示出在標(biāo)為45的位置處，在形成層44的氮化硅的化學(xué)氣相沉積(CVD)已經(jīng)被部分蝕刻以形成噴嘴緣4的外側(cè)部分之后的生產(chǎn)階段，這個外側(cè)部分被標(biāo)為4.1。
圖26示出在氮化硅的CVD已經(jīng)在46處被一直蝕刻通，以完成噴嘴緣4的形成并形成噴嘴孔5之后，以及在CVD氮化硅在其中不需要它的標(biāo)為47的位置處已經(jīng)被去除之后的生產(chǎn)階段。
圖28示出在已經(jīng)施加了抗蝕劑的保護(hù)層48之后的生產(chǎn)階段。這個階段之后，然后基片部分21被從其另他側(cè)(未示出)打磨以將基片部分從其大約為800微米的標(biāo)稱厚度減小到大約200微米，并且隨后，如上面所預(yù)示的那樣來蝕刻孔洞32?？锥?2被蝕刻到與孔洞31相遇的深度。
然后，通過使用氧等離子體，每個抗蝕劑層35、39、42和48的犧牲抗蝕劑被去除，以形成圖30中所示的具有一起限定室7的壁6和噴嘴板2的結(jié)構(gòu)(示出部分壁和噴嘴板被切掉)。將注意到這還用來去除填充孔洞31的抗蝕劑，以便于該孔洞與孔洞32(在圖30中未示出)一起限定從基片部分21的下側(cè)延伸到噴嘴3的通路，該通路用作到室7的總體標(biāo)為9的墨入口通路的作用。
盡管上述生產(chǎn)過程被用來產(chǎn)生圖30所示的打印頭的實(shí)施例，然而具有不同加熱器結(jié)構(gòu)的另外的打印頭實(shí)施例被示于圖33、圖35和37以及圖38和40中。
墨滴噴射的控制再一次參考圖30，如以上所提到的所示單位單元1被示出部分壁6和噴嘴板2被切去，由此顯露出室7的內(nèi)部。加熱器14沒有示出被切去，這樣加熱器元件10的兩半均可以被看到。
在操作中，墨11通過墨入口通路9(見圖28)以填充室7。然后，電壓被施加于電極15上，以建立通過加熱器元件10的電流流動。如上面針對圖1所描述的，這加熱元件10，以在室7內(nèi)的墨中形成汽泡。
加熱器14的各種可能結(jié)構(gòu)，其一些被示于圖33、35和37以及38中，可以導(dǎo)致加熱器元件10的長度與寬度比有許多變化。這樣的變化(即使元件10的表面面積可以相同)可對元件的電阻，且因此對用來獲得元件的某一功率的電壓與電流之間的平衡具有顯著的作用。
與較早版本相比，現(xiàn)代驅(qū)動電子部件趨向于需要較低的驅(qū)動電壓，其中在其“導(dǎo)通”狀態(tài)下具有較低的驅(qū)動晶體管電阻。因此，在這樣的驅(qū)動晶體管中，對于給定的晶體管面積，在每個過程產(chǎn)生中存在較高電流容量及較低電壓容差的趨勢。
參考上面，圖36以平面圖示出用于形成圖35中所示打印頭實(shí)施例的加熱器結(jié)構(gòu)的掩模的形狀。因而，由于圖36表示那個實(shí)施例的加熱器元件10的形狀，所以現(xiàn)在在討論那個加熱器元件時它被提及。在操作中，電流豎直地流進(jìn)電極15(由被標(biāo)為15.36的部分表示)中，從而使電極的電流流動面積相對大，這又導(dǎo)致存在低的電阻。相對照，圖36中由被標(biāo)為10.36的部分所表示的元件10長且細(xì)，在這個實(shí)施例中元件的寬度為1微米且厚度為0.25微米。
將注意到圖33中所示的加熱器14具有比圖35中所示的元件10明顯小的元件10，且僅具有單環(huán)路36。因而，圖33的元件10將具有比圖35的元件10低得多的電阻，并且將允許較高的電流流動。因此需要較低的驅(qū)動電壓以在給定的時間內(nèi)向加熱器14遞送給定的能量。
另一方面，在圖38中，所示實(shí)施例包括具有對應(yīng)于相同單位單元1的兩個加熱器元件10.1和10.2的加熱器14。這些元件之一10.2的寬度為另一個元件10.1的兩倍，從而具有對應(yīng)地較大的表面面積。下部元件10.2的各種路徑的寬度為2微米，而上部元件10.1的各種路徑的寬度為1微米。因此在給定的驅(qū)動電壓和脈沖持續(xù)時間下，由下部元件10.2施加到室7中墨的能量是由上部元件10.1所施加的能量的兩倍。這允許對汽泡大小，且因此對因泡而被噴射的墨滴大小的調(diào)節(jié)。
假定由上部元件10.1施加到墨上的能量為X，將理解到由下部元件10.2所施加的能量為大約2X，且由兩個元件一起施加的能量為大約3X。當(dāng)然，當(dāng)兩個元件無一操作時，被施加的能量為零。因此，實(shí)際上利用一個噴嘴3可以打印兩位的信息。
由于實(shí)際上不可能確切地實(shí)現(xiàn)上述能量輸出倍數(shù)，所以可能需要對元件10.1和10.2的確切尺寸調(diào)整(sizing)或?qū)Ρ皇┘拥狡渖系尿?qū)動電壓的某種“微調(diào)(fine tuning)”。
還將注意到上部元件10.1相對于下部元件10.2繞豎直軸旋轉(zhuǎn)經(jīng)過180°。這樣使它們的電極15不重合，從而允許獨(dú)立的連接以分開驅(qū)動電路。
特定實(shí)施例的特征和優(yōu)點(diǎn)下面在適當(dāng)標(biāo)題下所討論的是本發(fā)明實(shí)施例的某些具體特征和這些特征的優(yōu)點(diǎn)。所述特征應(yīng)針對屬于本發(fā)明的所有附圖來考慮，除非上下文特別地排除某些附圖，并且涉及被特別提及的那些附圖。
懸梁加熱器參考圖1，且如上面所提及，加熱器元件10處于懸梁的形式，且其被懸置在至少一部分(標(biāo)為11.1)墨11(泡形成液)之上。元件10以這種方式被配置，而不是像在由各個制造商如Hewlett Packard、Canon和Lexmark制造的現(xiàn)有打印頭系統(tǒng)中那樣形成基片的部分或被嵌入到基片中。這構(gòu)成了本發(fā)明實(shí)施例與當(dāng)前的噴墨技術(shù)之間的顯著差異。
這個特征的主要優(yōu)點(diǎn)是通過避免現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備中所發(fā)生的對圍繞加熱器元件10的固體材料(例如形成室壁6，以及圍繞入口通路的固體材料)的不必要加熱，可以實(shí)現(xiàn)較高的效率。對這種固體材料的加熱不貢獻(xiàn)于汽泡12的形成，這樣對這種材料的加熱涉及能量的浪費(fèi)。在任何顯著意義上貢獻(xiàn)于泡12產(chǎn)生的僅有能量是被直接施加到要被加熱的液的能量，所述液典型地為墨11。
在一個優(yōu)選實(shí)施例中，如圖1中所示，加熱器元件10被懸置在墨11(泡形成液)內(nèi)，從而使該液包圍元件。這被進(jìn)一步示例于圖41中。在另一個可能的實(shí)施例中，如圖42中所示，加熱器元件10梁被懸置在墨11(泡形成液)的表面，這樣該液僅在元件之下，而不是包圍它，并且在元件的上側(cè)存在空氣。針對圖41所描述的實(shí)施例是優(yōu)選的，因?yàn)榕?2將完全在元件10周圍形成，而不像在針對圖42所描述的實(shí)施例中泡將僅從元件的下面形成。因此圖41的實(shí)施例有可能提供較為有效的操作。
如例如參照圖30和31可以看到的，加熱器元件10梁僅在一側(cè)上被支撐且在其相對側(cè)上是自由的，這樣它構(gòu)成了懸臂。
打印頭的效率目前在考慮中的特征是加熱器元件被配置以便于需要小于500納焦(nJ)的能量被施加到元件上，以將它充充分加熱從而在墨11中形成泡12，以便于通過噴嘴3噴射墨滴16。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，所需要的能量小于300nJ，而在另一個實(shí)施例中該能量小于120nJ。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備通常需要超過5微焦來充分加熱元件以產(chǎn)生汽泡12從而噴射墨滴16。因此，本發(fā)明的能量要求是小于已知熱噴墨系統(tǒng)的數(shù)量級。這個較低的能量消耗允許較低的操作費(fèi)用、較小的功率供應(yīng)等，而且大大簡化了打印頭冷卻，允許噴嘴3的較高密度，并且允許在較高分辨率下打印。
本發(fā)明的這些優(yōu)點(diǎn)在其中各個噴射墨滴16本身構(gòu)成打印頭的主要冷卻機(jī)構(gòu)的實(shí)施例中是尤其有意義的，如下面進(jìn)一步描述的。
打印頭的自冷卻本發(fā)明的這個特征提供了通過被噴射的墨本身所去除的熱及從墨儲蓄器(未示出)被帶入打印頭的墨的組合，被施加到加熱器元件10用以形成汽泡12以便于噴射墨11的滴16的能量被從打印頭去除。其結(jié)果是熱的凈“運(yùn)動”將是從打印頭向外，以提供自動冷卻。在這些情形下，打印頭不需要任何其它冷卻系統(tǒng)。
由于被噴射的墨滴16及被抽取到打印頭中用以置換被噴射滴的墨11的量由相同類型的液構(gòu)成，并且將基本上具有相同的質(zhì)量，所以方便地將能量的凈運(yùn)動一方面表達(dá)為通過對元件10加熱而添加的能量，以及另一方面表達(dá)為由噴射墨滴16和引入墨11的置換數(shù)量所導(dǎo)致的熱能的凈去除。假設(shè)墨11的置換數(shù)量處于環(huán)境溫度，則由被噴射的和置換數(shù)量的墨的凈運(yùn)動所導(dǎo)致的能量變化可以方便地被表達(dá)為這樣的熱，如果被噴射滴16在環(huán)境溫度下，將需要所述熱以將被噴射滴16的溫度上升到滴被噴射時的滴的實(shí)際溫度。
將理解，確定是否符合上述準(zhǔn)則取決于什么構(gòu)成環(huán)境溫度。在當(dāng)前情況下，被取為環(huán)境溫度的溫度是當(dāng)墨11從墨存儲儲蓄器(未示出)進(jìn)入到打印頭時的溫度，其中所述墨存儲儲蓄器以流體流連通方式被連接到打印頭的入口通路9。典型地，環(huán)境溫度將是室內(nèi)環(huán)境溫度，其通常大致為20℃(攝氏)。
然而，如果例如室溫較低，或如果進(jìn)入打印頭的墨11被冷凍，則環(huán)境溫度可較低。
在一個優(yōu)選實(shí)施例中，打印頭被設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)完全的自冷卻(即其中因被噴射及置換數(shù)量的墨11的凈效應(yīng)所導(dǎo)致的輸出熱能等于由加熱器元件10添加的熱能)。
舉例來說，假定墨11是泡形成液且是水基的，由此具有近似100℃的沸點(diǎn)，且如果環(huán)境溫度是40℃，則從環(huán)境溫度到墨沸騰溫度有最大60度，且那是打印頭可經(jīng)歷的最大溫升。
理想的是避免在打印頭內(nèi)(不是在墨滴16噴射時)具有很接近于墨11的沸點(diǎn)的墨溫度。如果墨11處于這樣的溫度，則打印頭部分之間的溫度變化可導(dǎo)致一些區(qū)域在沸點(diǎn)以上，從而帶來非想要的且因此不希望的汽泡12的形成。因而，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例被配置以便于如以上所述，當(dāng)加熱元件10不工作時，特定噴嘴室7中的墨11(泡形成液)的最大溫度低于其沸點(diǎn)10℃時可以實(shí)現(xiàn)完全的自冷卻。
目前在討論中的特征以及其各種實(shí)施例的主要優(yōu)點(diǎn)是它允許高噴嘴密度及高速打印頭操作，而無需精心的冷卻方法，用于防止在與墨滴16從中被噴射的噴嘴相鄰的噴嘴3中不需要的沸騰。與不存在這種特征及所提到的溫度準(zhǔn)則的情況相比，這可以允許噴嘴組裝密度多達(dá)百倍的增加。
噴嘴的面密度本發(fā)明的這個特征涉及打印頭上噴嘴3的按面積計(jì)算的密度。參考圖1，噴嘴板2具有上表面50，且本發(fā)明的這個方面涉及該表面上的噴嘴3的組裝密度。更具體地，那個表面50上的噴嘴3的面密度超過每平方厘米表面面積10,000個噴嘴。
在一個優(yōu)選實(shí)施例中，所述面密度超過每平方厘米表面50面積20,000個噴嘴3，而在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，面密度超過每平方厘米40,000個噴嘴3。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，面密度是每平方厘米48828個噴嘴3。
當(dāng)提及面密度時，使每個噴嘴3包括對應(yīng)于噴嘴的驅(qū)動電路，其典型地包括驅(qū)動晶體管、移位寄存器、使能門和時鐘再生電路(該電路未被特別地加以標(biāo)識)。
參考其中示出單個單位單元1的圖43，該單位單元的尺度被示出為寬度為32微米且長度為64微米。噴嘴下一相繼行(未示出)的噴嘴3緊接著這個噴嘴并置，這樣，作為打印頭芯片的外周邊尺度的結(jié)果，每平方厘米有48,828個噴嘴3。這是典型熱噴墨打印頭的噴嘴面密度的大約85倍，且為壓電打印頭的噴嘴面密度的大致400倍。
由于設(shè)備在特定尺寸的硅晶圓上被成批制造，高面密度的主要優(yōu)點(diǎn)是低制造成本。
在一平方厘米基片內(nèi)可以容納的噴嘴3越多，則在典型地由一個晶圓組成的單批次中可以制造的噴嘴越多。本發(fā)明打印頭中所使用類型的CMOS加上MEMS晶圓的制造成本，在某種程度上獨(dú)立于其上形成的圖案的特性。因此，如果圖案相對小，則可以包括相對大數(shù)目的噴嘴3。與噴嘴具有較低面密度的情況相比，這允許以相同的成本制造更多的噴嘴3和更多的打印頭。成本直接與噴嘴3所占用的面積成比例。
加熱器元件的相對側(cè)上的泡的形成根據(jù)本特征，加熱器14被配置以便于當(dāng)在墨11(泡形成液)中形成泡12時，它形成在加熱器元件10的兩側(cè)。優(yōu)選地，它形成以便于包圍加熱器元件10，其中所述元件處于懸梁的形式。
可以參考圖45和46來理解與僅在一側(cè)對比，在加熱器元件10的兩側(cè)的泡12的形成。如所示，在這些圖中的第一圖中，加熱器元件10適合于要僅在一側(cè)形成的泡12，而在這些圖的第二圖中，所述元件適合于要在兩側(cè)形成的泡12。
在如圖45所示的配置中，泡12僅在加熱器元件10一側(cè)形成的原因在于元件被嵌入在基片51中，這樣泡不能被形成在對應(yīng)于基片的特定側(cè)。相對照，在圖46的配置中，泡12可以形成在兩側(cè)，這是因?yàn)榧訜崞髟?0在這里是被懸置的。
當(dāng)然在加熱器元件10處于如以上針對圖1所述的懸梁形式的情況下，允許形成泡12以包圍懸梁元件。
在兩側(cè)形成泡12的優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)的較高效率。這是因?yàn)闇p少了對加熱器元件10附近的固體材料進(jìn)行加熱所浪費(fèi)的熱，而其并不貢獻(xiàn)于泡12的形成。這被示例于圖45中，其中箭頭52指示進(jìn)入到固體基片51中的熱運(yùn)動。損失于基片51的熱量取決于基片固體材料相對于墨11的熱傳導(dǎo)率，所述墨11可以是水基的。由于水的熱傳導(dǎo)率相對低，可以預(yù)期一多半熱被基片51而不是被墨11吸收。
成穴的防止如以上所述，當(dāng)泡12已經(jīng)被形成在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印頭中之后，泡向著坍縮點(diǎn)17坍縮。根據(jù)目前所針對的特征，加熱器元件10被配置成形成泡12，以便于泡向著其坍縮的坍縮點(diǎn)17處于與加熱器元件間隔開的位置。優(yōu)選地，打印頭被配置成使在這樣的坍縮點(diǎn)17沒有固體材料。這樣，在現(xiàn)有技術(shù)熱噴墨設(shè)備中是主要問題的成穴被大大消除。
參考圖48，在優(yōu)選實(shí)施例中，加熱器元件10被配置成具有限定間隙(由箭頭54表示)的部分53，并形成泡12以使泡向著其坍縮的坍縮點(diǎn)17位于這樣的間隙處。這個特征的優(yōu)點(diǎn)在于基本上避免了成穴對加熱器元件10和其它固體材料的損壞。
在如圖47所示意性示出的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，加熱器元件10被嵌入在基片55中，其中在該元件之上有絕緣層56，并且在該絕緣層之上有保護(hù)層57。當(dāng)泡12被元件10形成時，它被形成在元件10的頂部。當(dāng)泡12坍縮時，如箭頭58所示，泡坍縮的所有能量被集中到很小的坍縮點(diǎn)17上。如果缺少保護(hù)層57，則由于從這個能量集中于坍縮點(diǎn)17得到的空穴而導(dǎo)致的機(jī)械力可切掉或侵蝕加熱器元件10。然而，這被保護(hù)層57防止。
典型地，這樣的保護(hù)層57得自鉭，其氧化以形成很硬的五氧化二鉭(Ta2O5)層。雖然沒有公知的材料可以完全地抵御成穴的效應(yīng)，但是如果因成穴導(dǎo)致五氧化二鉭應(yīng)該被切掉，則在下面的鉭金屬將再次發(fā)生氧化，從而有效地修復(fù)五氧化二鉭層。
雖然在公知的熱噴墨系統(tǒng)中，五氧化二鉭在這點(diǎn)上相對好地起作用，但是它具有某些缺點(diǎn)。一個顯著的缺點(diǎn)是在實(shí)際中，實(shí)際上整個保護(hù)層57(具有由參考數(shù)字59指示的厚度)必須被加熱以將所需要的能量傳遞到墨11中，從而對其加熱以形成泡12。由于鉭具有很高的原子量，這個層57具有高熱質(zhì)(thermal mass)，并且這降低了熱傳遞的效率。這不僅增加了在標(biāo)為59的水平處所需要的熱量以充分升高標(biāo)為60的水平處的溫度以加熱墨11，而且還導(dǎo)致在箭頭61所指示的方向上發(fā)生基本的熱損失。如果加熱器元件10僅被支撐在一表面上且不被保護(hù)層57所覆蓋，則這些缺點(diǎn)將不存在。
根據(jù)目前在討論中的特征，如以上所述，通過以下避免了對保護(hù)層57的需求產(chǎn)生泡12以便于如圖48中所示例，泡向著坍縮點(diǎn)17坍縮，在所述坍縮點(diǎn)處沒有固體材料，并且更具體地在這里在加熱器元件10的部分53之間存在間隙54。由于僅有墨11本身處于這個位置(在泡產(chǎn)生以前)，所以在此沒有材料可因成穴效應(yīng)而被侵蝕。坍縮點(diǎn)17處的溫度可達(dá)到數(shù)千攝氏度，如聲致發(fā)光(sonoluminescence)現(xiàn)象所證實(shí)的那樣。這將破壞那個點(diǎn)處的墨組分。然而，在坍縮點(diǎn)17處具有極端溫度的體積是如此小，以致于對這個體積中的墨組分的破壞并不顯著。
通過使用對應(yīng)于由圖34中所示掩模的部分10.34所表示的加熱器元件10，可以實(shí)現(xiàn)泡12的產(chǎn)生，以便于它向著不存在固體材料的坍縮點(diǎn)17坍縮。所表示的元件是對稱的，并且具有在其中心處由參考數(shù)字63表示的孔洞。當(dāng)元件被加熱時，泡形成在元件周圍(由虛線64指示)并且然后增長，從而使它不是如由虛線64和65所示例的環(huán)(炸面圈(doughnut))形，而是跨接包括孔洞63的元件，所述孔洞隨后被形成泡的蒸汽所填充。泡12由此基本上是盤形。當(dāng)它坍縮時，坍縮被導(dǎo)向，以使圍繞泡12的表面張緊最小。這涉及在所涉及的動力學(xué)所允許的范圍內(nèi)，將泡形狀移向球形狀。這又使坍縮點(diǎn)處于加熱器元件10中心處的孔洞63的區(qū)域內(nèi)，其中不存在固體材料。
圖31中所示掩模的部分10.31所表示的加熱器元件10被配置以實(shí)現(xiàn)類似的結(jié)果，其中如虛線66所示而產(chǎn)生泡，并且泡所坍縮到的坍縮點(diǎn)處于元件中心處的孔洞67中。
被表示為圖36中所示掩模的部分10.36的加熱器元件10也被配置以實(shí)現(xiàn)類似的結(jié)果。當(dāng)元件10.36的尺寸被如此確定以使孔洞68小的情況下，加熱器元件的制造不精確性可影響到這樣的程度，即泡可以被形成以使其坍縮點(diǎn)處于由該孔洞限定的區(qū)域內(nèi)。例如，孔洞可小至跨度為幾微米。在不能實(shí)現(xiàn)元件10.36的高水平精度時，這可導(dǎo)致被表示為12.36的略微傾向一邊的泡，這樣它們不可能被導(dǎo)向如此小的區(qū)域內(nèi)的坍縮點(diǎn)。在這種情況下，對于圖36中所表示的加熱器元件，元件的中心環(huán)49可以簡單地被省略，由此增加了泡的坍縮點(diǎn)所要落入的區(qū)域的大小。
經(jīng)化學(xué)氣相沉積的噴嘴板以及薄噴嘴板每個單位單元1的噴嘴孔5延伸通過噴嘴板2，噴嘴板由此構(gòu)成通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成的結(jié)構(gòu)。在各種優(yōu)選實(shí)施例中，CVD是氮化硅、二氧化硅或氧氮化物(oxi-nitride)。
由CVD形成噴嘴板2的優(yōu)點(diǎn)在于它形成在這樣的地方，在這里不需要將噴嘴板組裝到諸如單位單元1的壁6的其它部件。這是一個重要的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榉駝t將需要的噴嘴板2的組裝可以是難以實(shí)現(xiàn)的，并且可以涉及潛在復(fù)雜的問題。這種問題包括在將噴嘴板2粘接到其它部分的粘合劑的固化過程期間，噴嘴板2與它將被組裝到其上的部分之間的潛在的熱膨脹失配，成功保持部件彼此對準(zhǔn)、保持它們平坦的困難等。
熱膨脹問題是現(xiàn)有技術(shù)中限制可制造的噴墨機(jī)的大小的顯著因素。這是因?yàn)槔珂噰娮彀迮c噴嘴板被連接到其上的基片之間的熱膨脹系數(shù)差在該基片得自硅的情況下相當(dāng)大(quite substantial)。因而，在小至比方說1000個噴嘴所占用的距離上，當(dāng)相應(yīng)部分被從環(huán)境溫度加熱到將部件接合在一起所需的固化溫度時，發(fā)生在所述相應(yīng)部件之間的相對熱膨脹可以導(dǎo)致顯著大于整個噴嘴長度的尺度失配。這對于這樣的設(shè)備這將是明顯有害的。
目前在討論中的本發(fā)明特征所針對的另一個問題至少在其實(shí)施例中是在現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備中，需要被組裝的噴嘴板通常在相對高的應(yīng)力條件下被層壓到打印頭的其余部分上。這可以導(dǎo)致設(shè)備的斷裂或所不希望的變形。在本發(fā)明實(shí)施例中通過CVD對噴嘴板2的沉積避免了這一問題。
本發(fā)明的當(dāng)前特征的另外優(yōu)點(diǎn)至少在其實(shí)施例中是它們與現(xiàn)有半導(dǎo)體制造過程的兼容性。通過CVD沉積噴嘴板2允許噴嘴板以正常硅晶圓生產(chǎn)的規(guī)模，采用半導(dǎo)體制造正常情況下所使用的過程被包括在打印頭中。
在泡產(chǎn)生階段期間，現(xiàn)有熱噴墨或噴泡系統(tǒng)經(jīng)歷高達(dá)100個大氣壓的壓力瞬變。如果這種設(shè)備中的噴嘴板2通過CVD來施加，則為了抵抗這種壓力瞬變，將需要相當(dāng)厚的CVD噴嘴板。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，經(jīng)沉積的噴嘴板的這種厚度將帶來下面所討論的某些問題。
例如，在噴嘴室7內(nèi)足以抵抗100個大氣壓壓力的氮化物厚度可以是比方說10微米。參考其中示出不根據(jù)本發(fā)明的單位單元1，并且具有這樣的厚噴嘴板2的圖49，將理解這樣的厚度將導(dǎo)致與滴噴射有關(guān)的問題。在這種情況下，由于噴嘴板2的厚度，由噴嘴3在墨11通過它噴射時所施加的流體曳力導(dǎo)致設(shè)備效率的顯著損失。
在這種厚噴嘴板2情況下將存在的另一個問題涉及實(shí)際的蝕刻過程。這是假定例如利用標(biāo)準(zhǔn)的等離子體蝕刻，如所示垂直于基片部分的晶圓8來蝕刻噴嘴3。這將典型地需要施加多于10微米的抗蝕劑69。為了對那個厚度的抗蝕劑69進(jìn)行曝光，所需要的分辨率水平變得難以實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)楸挥糜趯刮g劑曝光的分檔器(stepper)焦深相對小。雖然將有可能使用x射線對這個相關(guān)深度的抗蝕劑69進(jìn)行曝光，但是這將是相對昂貴的過程。
在10微米厚的氮化物層經(jīng)CVD沉積在硅基片晶圓上的情況下，這種厚噴嘴板2將存在的進(jìn)一步問題是由于CVD層和基片之間的熱膨脹差，以及厚沉積層內(nèi)的固有應(yīng)力，可能使晶圓被彎曲到如此程度，以致于平版印刷過程中的另外步驟將變成不實(shí)際。因此，厚至10微米的噴嘴板2的層(不像在本發(fā)明中)雖然是可能的，但卻是不利的。
參考圖50，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的Memjet熱噴墨設(shè)備中，CVD氮化物噴嘴板層2僅2微米厚。因此通過噴嘴3的流體曳力并不特別顯著，且因此不是損失的主要原因。
此外，在這種噴嘴板2中蝕刻噴嘴3所需要的蝕刻時間和抗蝕劑厚度，以及在基片晶圓8上的應(yīng)力將不是過度的。
由于在室7內(nèi)產(chǎn)生的壓力僅為近似1個大氣壓而不是如前面所提到的如現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備中的100個大氣壓，在本發(fā)明中相對薄的噴嘴板2被使能。
在這個系統(tǒng)中存在貢獻(xiàn)于噴射滴16所需要的壓力瞬變的顯著降低的許多因素。它們包括1.室7的小尺寸；2.噴嘴3和室7的精確制造；3.在低的滴速度下滴噴射的穩(wěn)定性；4.在噴嘴3之間很低的流體和熱干擾；5.針對泡區(qū)的最優(yōu)噴嘴尺寸；
6.通過薄(2微米)噴嘴3的低流體曳力；7.由通過入口9的墨噴射導(dǎo)致的低壓力損失；8.自冷卻操作。
如上面結(jié)合根據(jù)圖6至31所描述的過程所提到的，2微米厚的噴嘴板層2的蝕刻涉及兩個相關(guān)的階段。一個這樣的階段涉及蝕刻在圖24和50中被標(biāo)為45的區(qū)域以在將成為噴嘴緣4的部分的外部形成凹陷。另一個這樣的階段涉及蝕刻在圖26和50中被標(biāo)為46的區(qū)域，其實(shí)際上形成噴嘴孔5并且完成緣4。
噴嘴板厚度如上面結(jié)合通過CVD形成噴嘴板2所針對的，并且以就這一點(diǎn)所述的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明中的噴嘴板比現(xiàn)有技術(shù)中薄。更具體地，噴嘴板2小于10微米厚。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，每個單位單元1的噴嘴板2小于5微米厚，而在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，它小于2.5微米厚。實(shí)際上，用于噴嘴板2的優(yōu)選厚度為2微米厚。
在不同層中形成的加熱器元件根據(jù)本特征，存在被設(shè)置在每個單位單元1的室7內(nèi)的多個加熱器元件10。通過如以上針對圖6至31所描述的平版印刷過程而形成的元件10被形成在相應(yīng)的層中。
在優(yōu)選實(shí)施例中，如圖38、40和51所示，室7中的加熱器元件10.1和10.2相對于彼此具有不同的大小。
同樣如參照對平版印刷過程的以上描述將理解的，每個加熱器元件10.1，10.2通過該過程的至少一個步驟形成，涉及每一個元件10.1的平版印刷步驟與涉及另一個元件10.2的平版印刷步驟截然不同。
如圖51中的示圖所示意性反映的，元件10.1，10.2優(yōu)選地相對于彼此被確定大小，以便于它們可以實(shí)現(xiàn)二元加權(quán)的(binary weighted)墨滴體積，即，以便于它們可以使具有不同的、經(jīng)二元加權(quán)的體積的墨滴16通過特定單位單元1的噴嘴3而噴射。墨滴16體積的二元加權(quán)的實(shí)現(xiàn)由元件10.1和10.2的相對大小來確定。在圖51中，與墨11接觸的底部加熱器元件10.2的面積為頂部加熱器元件10.1面積的兩倍。
由Canon取得專利權(quán)且被示意性地示例于圖52中的一種公知現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備也具有用于每個噴嘴的兩個加熱器元件10.1和10.2，并且它們也被確定尺寸于二元的基礎(chǔ)上(即，以產(chǎn)生具有經(jīng)二元加權(quán)的體積的滴16)。這些元件10.1和10.2在噴嘴室7中被彼此相鄰地形成在單層中。將理解，僅由小元件10.1形成的泡12.1相對小，而僅由大元件10.2形成的泡12.2相對大。當(dāng)兩個元件同時被激勵時，由兩個元件的組合效應(yīng)所產(chǎn)生的泡被標(biāo)為12.3。三個不同大小的墨滴16將被使得由三個相應(yīng)的泡12.1、12.2和12.3來噴射。
將理解，元件10.1和10.2本身的大小不需要經(jīng)二元加權(quán)以導(dǎo)致具有不同大小的滴16的噴射或滴的有用組合的噴射。事實(shí)上，二元加權(quán)可完全不由元件10.1、10.2本身的面積精確表示。在確定元件10.1和10.2的大小以獲得經(jīng)二元加權(quán)的滴體積時，圍繞泡12產(chǎn)生的流體特征，滴的動力學(xué)特征，一旦滴16已經(jīng)斷裂，從噴嘴3被抽回到室7中的液數(shù)量等必須被加以考慮。因而，元件10.1和10.2表面面積的實(shí)際比率或兩個加熱器的性能需要在實(shí)踐中被加以調(diào)節(jié)以獲得所需的經(jīng)二元加權(quán)的滴體積。
當(dāng)加熱器元件10.1、10.2的大小被固定且因此其表面面積的比率被固定時，通過調(diào)節(jié)到兩個元件的供應(yīng)電壓，被噴射滴16的相對大小可被調(diào)節(jié)。這亦可通過調(diào)節(jié)元件10.1、10.2的操作脈沖的持續(xù)時間，即它們的脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)。然而，脈沖寬度不能超出某一時間量，這是因?yàn)橐坏┡?2已經(jīng)成核在元件10.1、10.2的表面，則在那個時間之后脈沖寬度的任何持續(xù)時間將幾乎沒有或沒有作用。
另一方面，加熱器元件10.1、10.2的低熱質(zhì)允許它們被加熱以很快達(dá)到泡12被形成且滴16被噴射的溫度。雖然最大有效脈沖寬度被泡成核的開始典型地限制到0.5微秒左右，但是最小脈沖寬度僅由可以被加熱器元件10.1、10.2容忍的可用電流驅(qū)動和電流密度加以限制。
如圖51中所示，兩個加熱器元件10.1、10.2被連接到兩個相應(yīng)的驅(qū)動電路70。雖然這些電路70可彼此相同，但是借助于這些電路，例如通過使被連接到作為高電流元件的下部元件10.2的驅(qū)動晶體管(未示出)的大小大于被連接到上部元件10.1的那個，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。如果例如被提供到相應(yīng)元件10.1、10.2的相對電流處于2∶1的比率，則被連接到下部元件10.2的電路70的驅(qū)動晶體管將典型地是被連接到另一個元件10.1的電路70的驅(qū)動晶體管(也未被示出)的寬度的兩倍。
在針對圖52所述的現(xiàn)有技術(shù)中，處在同一層中的加熱器元件10.1、10.2在平版印刷制造過程的同一步驟中被同時生產(chǎn)。在圖51中所示例的本發(fā)明實(shí)施例中，如上面所提到的，兩個加熱器元件10.1、10.2被一個接一個地形成。事實(shí)上，如在參照圖6至31所示例的過程中所述，用來形成元件10.2的材料被沉積且隨后被蝕刻于平版印刷過程中，其后犧牲層39被沉積在該元件的頂部，且隨后用于另一個元件10.1的材料被沉積，以使?fàn)奚鼘犹幱趦蓚€加熱器元件層之間。第二元件10.1的層通過第二平版印刷步驟來蝕刻，并且犧牲層39被去除。
再一次提及加熱器元件10.1和10.2的不同尺寸，如以上所提到的，這所具有的優(yōu)點(diǎn)是，它使元件能被確定尺寸以便于從一個噴嘴3實(shí)現(xiàn)多個經(jīng)二元加權(quán)的滴體積。
將理解，在可以實(shí)現(xiàn)多個滴體積情況下，且特別地如果它們是經(jīng)二元加權(quán)的，則可以在使用較少打印點(diǎn)時且以較小的打印分辨率獲得照片的質(zhì)量。
此外，在相同情形下，可以實(shí)現(xiàn)較高速度的打印。即，不是僅噴射一個滴14且隨后等待噴嘴3被再填充，而是一個、兩個或三個滴的等效物(equivalent)可被噴射。假定可用的噴嘴3的再填充速度不是限制性因素，則可實(shí)現(xiàn)快高達(dá)三倍的墨噴射且因此實(shí)現(xiàn)快高達(dá)三倍的打印。然而，實(shí)際上，噴嘴再填充時間將典型地是限制性因素。在這種情況下，與僅最小體積的滴已經(jīng)被噴射時相比，當(dāng)已經(jīng)噴射了三倍體積的滴16時(相對于最小大小的滴)將花費(fèi)略微長的時間對噴嘴3進(jìn)行再填充。然而，實(shí)際上再填充將不花費(fèi)多達(dá)三倍長的時間。這是由于墨11的慣性動力學(xué)和表面張緊而造成的。
參考圖53，其中示意性示出一對相鄰的單位單元1.1和1.2，在左邊的單元1.1表示較大體積的滴16已經(jīng)被噴射之后的噴嘴3，且在右邊的單元1.2表示較小體積的滴已經(jīng)被噴射之后。在較大的滴16的情況下，已經(jīng)在被部分排空的噴嘴3.1內(nèi)部形成的空氣泡71的曲率大于在較小體積的滴已經(jīng)從另一個單位單元1.2的噴嘴3.2被噴射之后已經(jīng)形成的空氣泡72的情況下的曲率。
單位單元1.1中空氣泡71的較高曲率導(dǎo)致較大的表面張力，其趨向于將墨11從再填充通路9抽向噴嘴3并進(jìn)入室7.1，如由箭頭73所示。這引起較短的再填充時間。當(dāng)室7.1再填充時，它達(dá)到被標(biāo)明74的階段，其中條件類似于在相鄰單位單元1.2中的條件。在該條件下，單位單元1.1的室7.1被部分再填充且表面張力因此已經(jīng)被降低。這導(dǎo)致在這個階段，在那個單位單元1.1中該條件已經(jīng)被達(dá)到時，即使以其關(guān)聯(lián)動量進(jìn)入室7.1的液流動已經(jīng)被建立，再填充速度仍減慢。其總體效應(yīng)是雖然與從條件74存在時起相比，從空氣泡71存在時起完全填充室7.1和噴嘴3.1要花費(fèi)長時間，即使要被再填充的體積大三倍，再填充室7.1和噴嘴3.1并不花費(fèi)三倍長的時間。
從由具有低原子序數(shù)的元素所構(gòu)成的材料而形成的加熱器元件這個特征涉及由固體材料形成的加熱器元件10，按重量計(jì)算，所述固體材料的至少90％由具有低于50的原子序數(shù)的一種或多種周期元素構(gòu)成。在優(yōu)選實(shí)施例中，原子量在30以下，而在另一個實(shí)施例中原子量在23以下。
低原子序數(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于所述材料的原子具有較低的質(zhì)量，且因此需要較小的能量來升高加熱器元件10的溫度。這是因?yàn)?，正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，物件的溫度基本上與原子核的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。因而，與在具有較輕核的原子的材料中相比，在具有較重核的原子的材料中，將需要較多的能量來升高溫度，并因此誘發(fā)這樣的核運(yùn)動。
目前用于熱噴墨系統(tǒng)的加熱器元件的材料包括鉭鋁合金(例如由Hewlett Packard所使用的)，以及硼化鉿(例如由Canon所使用的)。鉭和鉿分別具有原子序數(shù)73和72，而用在本發(fā)明的Memjet加熱器元件10中的材料是氮化鈦。鈦具有22的原子序數(shù)且氮具有7的原子序數(shù)，因此這些材料比相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備材料明顯輕。
分別形成硼化鉿和鉭鋁的部分的硼和鋁像氮一樣是相對輕的材料。然而，氮化鉭的密度是16.3g/cm3，而氮化鈦(其包括取代鉭的鈦)的密度是5.22g/cm3。因此，因?yàn)榈g具有近似為氮化鈦三倍的密度，所以與氮化鉭相比，加熱氮化鈦比將需要近似少三倍的能量。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，在兩個不同溫度下材料中的能量差由下述方程表示E＝ΔT×CP×VOL×ρ，其中ΔT表示溫度差，Cp是比熱容，VOL是體積，且ρ是材料的密度。雖然由于密度還是晶格常數(shù)的函數(shù)，所以它不僅僅由原子序數(shù)來確定，但是密度受到所涉及材料的原子序數(shù)的強(qiáng)烈影響，并且因此是討論中的特征的關(guān)鍵方面。
低加熱器質(zhì)量這個特征涉及這樣的加熱器元件10，其被配置成使每個加熱器元件的固體材料的質(zhì)量小于10納克，所述每個加熱器元件被加熱到泡形成液(即在這個實(shí)施例中為墨11)的沸點(diǎn)以上，以用來加熱墨從而在其中產(chǎn)生泡12，以使墨滴16被噴射。
在一個優(yōu)選實(shí)施例中，所述質(zhì)量小于2納克，在另一個實(shí)施例中所述質(zhì)量小于500皮克，并且在又一個實(shí)施例中所述質(zhì)量小于250皮克。
上述特征構(gòu)成優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)噴墨系統(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)樽鳛樵趯訜崞髟?0的固體材料加熱時能量損失的減小的結(jié)果其導(dǎo)致增加的效率。由于具有低密度的加熱器元件材料的使用，由于元件10相對小的尺寸，并且由于如例如在圖1中所示，處于未被嵌入其它材料中的懸梁的形式的加熱器元件，這個特征被使能。
圖34以平面圖示出掩模的形狀，該掩模用于形成圖33中所示的打印頭的實(shí)施例的加熱器結(jié)構(gòu)。因而，由于圖34表示那個實(shí)施例的加熱器元件10的形狀，所以它現(xiàn)在在討論那個加熱器元件時被提及。如在圖34中由參考數(shù)字10.34表示的加熱器元件僅具有寬2微米且厚0.25微米的單環(huán)路49。它具有6微米的外半徑和4微米的內(nèi)半徑?？偟募訜崞髻|(zhì)量是82皮克。類似地圖39中由參考數(shù)字10.39表示的對應(yīng)元件10.2具有229.6皮克的質(zhì)量，且在圖36中由參數(shù)數(shù)字10.36表示的元件10具有225.5皮克的質(zhì)量。
當(dāng)例如在圖34、39和36中所表示的元件10、102被用于實(shí)踐中時，與被升高到墨沸點(diǎn)以上的溫度的墨11(在該實(shí)施例中為泡形成液)處于熱接觸的每個這種元件的材料總質(zhì)量將略微高于當(dāng)元件被涂覆了電絕緣的、化學(xué)惰性的、熱傳導(dǎo)材料時的這些質(zhì)量。這個涂層在某種程度上增加了被升高到較高溫度的材料的總質(zhì)量。
保形涂覆的加熱器元件這個特征涉及每個元件10由保形保護(hù)涂層來覆蓋，這個涂層已經(jīng)被同時施加到元件的所有側(cè)面，從而使涂層是無縫的。優(yōu)選地，涂層10是非電性傳導(dǎo)的，是化學(xué)惰性的且具有高的熱導(dǎo)率。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，涂層是氮化鋁，在另一個實(shí)施例中它是類金剛石碳(DLC)，而在又一個實(shí)施例中它是氮化硼。
參考圖54和55，所示為現(xiàn)有技術(shù)加熱器元件10的示意性表示，該元件未如上述所討論被保形涂覆，但是已經(jīng)被沉積在基片78上并且已經(jīng)以典型的方式以標(biāo)為76的CVD材料在一側(cè)保形涂覆。相對照，如在圖56中所示意性反映的，在本實(shí)例中提到的涂層涉及同時在所有側(cè)面保形涂覆元件，該涂層被標(biāo)為77。然而，當(dāng)元件10被如此涂覆時，僅當(dāng)其是與其它結(jié)構(gòu)相隔離的結(jié)構(gòu)，即處于懸梁形式以便于接近元件的所有側(cè)面時，才可以實(shí)現(xiàn)這種在所有側(cè)面上的保形涂層77。
要理解的是，當(dāng)提及在所有側(cè)面保形涂覆元件10時，這排除了元件(懸梁)的端部，如圖57中所圖解示出的那樣，所述端部被接合于電極15。換句話說，在所有側(cè)面對元件10保形涂覆基本上意味著元件沿著元件長度被保形涂層完全包圍。
可再一次參考圖54和55來理解保形涂覆加熱器元件10的主要優(yōu)點(diǎn)。如可以看出的，當(dāng)施加保形涂層76時，其上沉積有(即形成有)加熱器元件10的基片78有效地構(gòu)成在與被保形施加的涂層相對的側(cè)面上的元件涂層。在又被支撐在基片78上的加熱器元件10上沉積保形涂層76導(dǎo)致縫79被形成。這個縫79可構(gòu)成弱點(diǎn)，在此可形成氧化物和其它所不希望的產(chǎn)物，或在此可出現(xiàn)層離(delamination)。事實(shí)上，在蝕刻被實(shí)施以將加熱器元件和其涂層76與下面的基片78分開使元件處于懸梁形式的圖54和55的加熱器元件10的情況下，可導(dǎo)致液或氫氧基離子的進(jìn)入，即使這種材料并不可能滲入涂層76或基片78的實(shí)際材料。
上述提到的材料(即氮化鋁或類金剛石碳(DLC))因其理想的高熱傳導(dǎo)率、高化學(xué)惰性水平和它們非電性傳導(dǎo)的事實(shí)而其適合于用在本發(fā)明的保形涂層77中，如圖56中所示。為此目的的另一種適合的材料是在上面也被提及的氮化硼。雖然對于實(shí)現(xiàn)所需的性能特性，用于涂層77的材料的選擇是重要的，但是除所提到的那些材料以外的材料在它們具有適合的特征時也可以被代替使用。
其中使用打印頭的實(shí)例打印機(jī)以上描述的部件形成了部分打印頭組件，其又被用在打印機(jī)系統(tǒng)中。打印頭組件本身包括許多打印頭模塊80。這些方面在下面被加以描述。
暫時參考圖44，所示的噴嘴3的陣列被設(shè)置在打印頭芯片(未示出)上，在同一芯片上包括有驅(qū)動晶體管、驅(qū)動移位寄存器等(未被示出)，由此較小了芯片上所需要的連接數(shù)。
參考圖58和59，其中以分解視圖和非分解視圖分別示出了包括MEMS打印頭芯片組件81(下面也被稱為芯片)的打印頭模塊組件80。在如所示的典型芯片組件81上有7680個噴嘴，其被隔開以便于能夠以每英寸1600點(diǎn)的分辨率來打印。芯片81還被配置成噴射6種不同的顏色或類型的墨11。
柔性印刷電路板(PCB)82被電連接到芯片81，用于向芯片提供功率和數(shù)據(jù)。芯片81被接合到不銹鋼上層片83上，以覆蓋在該片中被蝕刻的孔洞84的陣列。芯片81本身是硅的多層堆疊，其在硅85的底層上具有墨通道(未示出)，這些通道被與孔洞84對準(zhǔn)。
芯片81近似1mm寬及21mm長。這個長度由用于制造芯片81的分檔器的場寬來確定。片83具有通道86(僅其一些作為被隱藏的細(xì)節(jié)被示出)，如圖58中所示其被蝕刻于所述片的下側(cè)。通道86如所示延伸，以便于其端部與中間層88中的孔洞87對準(zhǔn)。通道86的不同通道與孔洞87的不同孔洞對準(zhǔn)。孔洞87又與下層90中的通道89對準(zhǔn)。每個通道89承載不同相應(yīng)顏色的墨，除了被標(biāo)為91的最后通道以外。這個最后通道91是空氣通道且與中間層88中的另外孔洞92對準(zhǔn)，所述孔洞92又與上層片83中的另外孔洞93對準(zhǔn)。這些孔洞93與頂部通道層96中的縫隙95的內(nèi)部部分94對準(zhǔn)，從而使這些內(nèi)部部分與空氣通道91對準(zhǔn)，且因此處于與其的流體流動連通，如虛線97所示。
下層90具有開口到通道89和通道91中的孔洞98。來自空氣源(未示出)的經(jīng)壓縮的過濾空氣通過相關(guān)孔洞98進(jìn)入通道91，且隨后經(jīng)過分別在中間層88、片83和頂部通道層96中的孔洞92和93及縫隙95，然后被吹入芯片組件81的側(cè)面99，它從這里在100處被迫使通過覆蓋噴嘴的噴嘴防護(hù)裝置101而出來，以保持噴嘴沒有紙塵。具有不同顏色的墨11(未示出)經(jīng)過下層90的孔洞98，進(jìn)入通道89，且隨后通過相應(yīng)的孔洞87，然后沿著上層片83下側(cè)中的相應(yīng)通道86，通過那個片的相應(yīng)孔洞84，且隨后通過縫隙95，到達(dá)芯片81。將注意到，在下層90中僅有七個孔洞98(每種顏色的墨一個且壓縮空氣一個)，墨和空氣經(jīng)由所述孔洞傳遞到芯片81，從而使墨被導(dǎo)向芯片上的7680個噴嘴。
現(xiàn)在參考圖60，其中圖58和59的打印頭模塊組件80的側(cè)視圖被示意性地示出。芯片組件的中心層102是設(shè)置7680個噴嘴和其關(guān)聯(lián)驅(qū)動電路的層。構(gòu)成噴嘴防護(hù)裝置101的芯片組件的頂層使經(jīng)過濾的壓縮空氣能被導(dǎo)引以保持噴嘴防護(hù)裝置孔洞104(其由虛線示意性地表示)沒有紙塵。
下層105得自硅且具有被蝕刻在其中的墨通道。這些墨通道與不銹鋼上層片83中的孔洞84對準(zhǔn)。如以上所述，片83從下層90接收墨和壓縮空氣，且隨后將墨和空氣導(dǎo)向芯片81。從墨和空氣被下層90接收的地方，經(jīng)由中間層88和上層83將墨和空氣灌(funnel)到芯片81的需要是因?yàn)榉駝t把大數(shù)目(7680)的很小噴嘴3與下層90中較大的較不精確的孔洞98對準(zhǔn)將是不實(shí)際的。
軟PCB 82被連接到位于芯片組件81的層102上的移位寄存器和其它電路(未示出)。芯片組件81通過線106接合到軟PCB上且這些線隨后被封裝在環(huán)氧樹脂107內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)這種封裝，壩108被提供。這允許要被施加的環(huán)氧樹脂107填充壩108與芯片組件81之間的空間，從而使線106被嵌入環(huán)氧樹脂中。一旦環(huán)氧樹脂107已經(jīng)硬化，則它保護(hù)線接合結(jié)構(gòu)免受紙和塵的污染，及免受機(jī)械接觸。
參考圖62，其中以分解視圖示意性地示出打印頭組件19，在其它部件中，其包括如以上所述的打印頭模塊組件80。打印頭組件19被配置用于適合于A4或US書信類型紙的頁寬打印機(jī)。
打印頭組件19包括十一個打印頭模塊組件80，所述組件以彎曲金屬板的形式被膠合到基片通道110上。由參考數(shù)字111表示的每個為7個孔洞的一系列組被提供，以將6種不同顏色的墨和壓縮空氣供應(yīng)到芯片組件81。經(jīng)擠壓的柔性墨軟管112被膠合到通道110的位置中。將注意到軟管112包括其上的孔洞113。當(dāng)軟管112首先被連接到通道110時，這些孔洞113并不存在，但是其后通過迫使熱線結(jié)構(gòu)(未示出)通過孔洞111，借助于熔化而形成孔洞，所述孔洞111隨后用作引導(dǎo)以固定孔洞113被熔化的位置。當(dāng)打印頭組件19被組裝時，孔洞113經(jīng)由孔洞114(其組成通道110中的組111)與每個打印頭模塊組件80的下層90中的孔洞98處于流體流動連通。
軟管112限定沿軟管長度延伸的平行通道115。在一端116，軟管112被連接到墨容器(未示出)，且在相對端117，提供有通道擠壓帽(channelextrusion cap)118，其用于塞住且因此封閉軟管的那個端。
金屬頂部支撐板119支撐且定位通道110和軟管112，并且用作其支承板。通道110和軟管112又將壓力施加到包括軟印刷電路的組件120上。板119具有接片(tab)121，其通過在通道110的向下延伸壁123中的槽口(notch)122延伸，以將通道和板相對于彼此而定位。
提供擠壓件(extrusion)124來定位銅匯流條(bus bar)125。雖然操作根據(jù)本發(fā)明的打印頭所需的能量是比公知熱噴墨打印機(jī)所需能量低的數(shù)量級，但是在打印頭陣列上總共有大約88,000個噴嘴3，并且這近似為在典型打印頭中常見的噴嘴數(shù)目的160倍。由于本發(fā)明的噴嘴3在操作期間可在連續(xù)的基礎(chǔ)上操作(即，觸發(fā))，所以總的功率消耗將是比這種公知打印頭高的數(shù)量級，并且因而電流要求將是高的，即使每個噴嘴的功率消耗將是比公知打印頭低的數(shù)量級。匯流條125適合于提供這種功率要求，并且具有被焊接到它們上的電源導(dǎo)線126。
如所示，可壓縮導(dǎo)電條127被提供成與打印頭模塊組件80的軟PCB82下部部分的上側(cè)上的接觸128相毗鄰。PCB 82從芯片組件81，繞著通道110、支撐板119、擠壓件124及匯流條126，延伸到條127下面的位置，以便于接觸128被放置在條127下面，且與其接觸。
每個PCB 82是雙面的且被鍍通的。位于PCB 82外表面上的數(shù)據(jù)連接129(由虛線示意性地指示)與柔性PCB 131上的接觸點(diǎn)130(僅其一些被示意性地示出)毗鄰，所述柔性PCB 131反過來包括構(gòu)成柔性本身的部分的數(shù)據(jù)總線和邊緣連接器132。
金屬板133被提供，以使它與通道110一起可以將打印頭組件19的所有部件保持在一起。在這點(diǎn)上，通道110包括扭轉(zhuǎn)接片(twist tab)134，當(dāng)組件19被放在一起時所述扭轉(zhuǎn)舌片134延伸通過板133中的縫隙135，并且然后被扭轉(zhuǎn)近似45度以防止它們通過縫隙而撤回。
參考圖68，概括地說，打印頭組件19被示出處于組裝狀態(tài)。墨和壓縮空氣在136處經(jīng)由軟管112被供應(yīng)，功率經(jīng)由導(dǎo)線126被供應(yīng)，且數(shù)據(jù)經(jīng)由邊緣連接器132被提供到打印頭芯片組件81。打印頭芯片組件81位于包括PCB 82的十一個打印頭模塊組件80上。
安裝孔洞137被提供用于將打印頭組件19安裝在打印機(jī)(未示出)中的位置。由距離138表示的打印頭組件19的有效長度剛好超過A4頁的寬度(即，約8.5英寸)。
參考圖69，其中示意性地示出通過經(jīng)組裝的打印頭19的橫截面。從中可以清楚地看到形成芯片組件81的硅堆疊的位置，如通過墨和空氣供應(yīng)軟管112的縱向斷面可以看到的。同樣清楚看到的是可壓縮條127的毗鄰，其在上面與匯流條125進(jìn)行接觸，在下面與從芯片組件81延伸的柔性PCB 82的下部接觸。還可以看到通過金屬板133中的縫隙135而延伸的扭轉(zhuǎn)舌片134，包括由虛線139所表示的其扭轉(zhuǎn)配置。
打印機(jī)系統(tǒng)參考圖70，所示為示例根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的打印頭系統(tǒng)140的框圖。
在框圖中所示的是打印頭(由箭頭表示)141、到打印頭的電源142、墨供給143、及打印數(shù)據(jù)144，當(dāng)在145處打印頭將墨噴射到例如處于紙146的形式的打印介質(zhì)時，所述數(shù)據(jù)144被饋送到打印頭。
介質(zhì)傳輸輥147被提供以將紙146傳輸經(jīng)過打印頭141。介質(zhì)拾取機(jī)構(gòu)148被配置成從介質(zhì)托盤149中取出一張紙146。
電源142用于提供DC電壓，其是打印機(jī)設(shè)備中的標(biāo)準(zhǔn)類型的電源。
墨供給143來自墨盒(未示出)，并且典型地在150有關(guān)墨供應(yīng)的各種類型的信息將被提供，如剩余墨量。這個信息經(jīng)由被連接到用戶接口152的系統(tǒng)控制器151來提供。接口152典型地由許多按鈕(未示出)組成，如“打印”按鈕、“頁前進(jìn)”按鈕等。系統(tǒng)控制器151還控制被提供用來驅(qū)動介質(zhì)拾取機(jī)構(gòu)14的馬達(dá)153，以及用于驅(qū)動介質(zhì)傳輸輥147的馬達(dá)154。
對于系統(tǒng)控制器151來說，有必要辨別何時一張紙146正在移動經(jīng)過打印頭141，以便于打印可以在正確的時間被實(shí)現(xiàn)。這個時間可以與介質(zhì)拾取機(jī)構(gòu)148已經(jīng)拾取所述紙張146之后已流逝的特定時間有關(guān)。然而，優(yōu)選地，提供紙傳感器(未示出)，其被連接到系統(tǒng)控制器151以便于當(dāng)所述紙張146到達(dá)相對于打印頭141的某一位置時，系統(tǒng)控制器可以實(shí)現(xiàn)打印。打印是通過觸發(fā)將打印數(shù)據(jù)144提供到打印頭141的打印數(shù)據(jù)格式器155來實(shí)現(xiàn)的。因此將理解，系統(tǒng)控制器151還必須與打印數(shù)據(jù)格式器155交互。
打印數(shù)據(jù)144源自在156被連接的外部計(jì)算機(jī)(未示出)，并且可經(jīng)由許多不同連接方式的任何一個來傳輸，如USB連接、ETHERNET連接、另外被公知為火線的IEEE 1394連接、或并行連接。數(shù)據(jù)通信模塊157將這個數(shù)據(jù)提供到打印數(shù)據(jù)格式器155并且向系統(tǒng)控制器151提供控制信息。
雖然上面參考特定的實(shí)施例對本發(fā)明加以說明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，本發(fā)明可以以許多其它的形式被實(shí)施。例如，雖然上面的實(shí)施例涉及電激勵的加熱器元件，但是在適當(dāng)情況下在實(shí)施例中還可使用非電激勵的元件。
權(quán)利要求
1.一種噴墨打印頭，包括通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成的結(jié)構(gòu)；多個噴嘴，其結(jié)合在所述結(jié)構(gòu)上；以及至少一個相應(yīng)的加熱器元件，其對應(yīng)于每個噴嘴，其中每個加熱器元件被設(shè)置成處于與泡形成液的熱接觸，并且每個加熱器元件被配置成將至少部分泡形成液加熱到其沸點(diǎn)以上的溫度以在其中形成氣泡，由此導(dǎo)致泡形成液的滴通過對應(yīng)于該加熱器元件的噴嘴的噴射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其被配置成支持泡形成液處于與至少一個對應(yīng)加熱器元件的熱接觸，并且支持泡形成液與每個噴嘴相鄰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其被配置成在頁上打印并且作為頁寬打印頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其中CVD是氮化硅的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其中CVD是二氧化硅的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其中CVD是氧氮化物的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其中每個加熱器元件都處于懸梁的形式，其被懸置在至少一部分泡形成液之上以與之處于熱接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其中每個加熱器元件被配置以便于需要小于500納焦(nJ)的激勵能量被施加到該加熱器元件，以充分加熱該加熱器元件以在泡形成液中形成所述泡，由此導(dǎo)致所述滴的噴射。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其被配置成接收環(huán)境溫度下的泡形成液的供給，其中每個加熱器元件被配置成使被施加到其上以加熱泡形成液的所述部分從而導(dǎo)致所述滴的噴射所需要的能量小于將等于所述滴的體積的所述可噴射液的體積從等于所述環(huán)境溫度的溫度加熱至所述沸點(diǎn)所需要的能量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其包括具有基片表面的基片，其中每個噴嘴具有通過基片表面而開口的噴嘴孔，并且其中噴嘴相對于基片表面的面密度超過每平方厘米基片表面10,000個噴嘴。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其中每個加熱器元件具有兩個相對側(cè)，并且被配置成使由該加熱器元件形成的所述氣泡被形成在所述兩側(cè)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其中每個加熱器元件被配置而形成的泡是可坍縮的，并且具有一坍縮點(diǎn)，并且其中每個加熱器元件被配置成使由此形成的泡的坍縮點(diǎn)與該加熱器元件間隔開。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其包括小于10微米厚的結(jié)構(gòu)，其中噴嘴被結(jié)合在該結(jié)構(gòu)上。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其包括多個噴嘴室，每個都對應(yīng)于相應(yīng)的噴嘴，并且多個所述加熱器元件被設(shè)置在每個室內(nèi)，每個室內(nèi)的加熱器元件被形成在不同的相應(yīng)層上。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其中每個加熱器元件由固體材料形成，按原子比例，90％以上的所述固體材料由具有低于50的原子序數(shù)的至少一種周期元素構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其中每個加熱器元件包括固體材料，并且被配置成使該加熱器元件的質(zhì)量小于10納克的固體材料被加熱到泡形成液的沸點(diǎn)以上的溫度，由此將至少部分泡形成液加熱到所述沸點(diǎn)以上的溫度，以引起所述滴的噴射。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其中每個加熱器元件基本上被保形保護(hù)涂層覆蓋，每個加熱器元件的涂層已經(jīng)被同時施加到加熱器元件的基本上所有側(cè)面，從而使涂層是無縫的。
18.一種結(jié)合打印頭的打印機(jī)系統(tǒng)，所述打印頭包括通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成的結(jié)構(gòu)；多個噴嘴，其結(jié)合在所述結(jié)構(gòu)上；以及至少一個相應(yīng)的加熱器元件，其對應(yīng)于每個噴嘴，其中每個加熱器元件被設(shè)置成處于與泡形成液的熱接觸，并且每個加熱器元件被配置成將至少部分泡形成液加熱到其沸點(diǎn)以上的溫度以在其中形成氣泡，由此導(dǎo)致泡形成液的滴通過對應(yīng)于該加熱器元件的噴嘴的噴射。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其被配置成支持泡形成液處于與至少一個對應(yīng)加熱器元件的熱接觸，并且支持泡形成液與每個噴嘴相鄰。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其被配置成在頁上打印并且作為頁寬打印頭。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中CVD是氮化硅的。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中CVD是二氧化硅的。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中CVD是氧氮化物的。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中每個加熱器元件都處于懸梁的形式，其被懸置在至少一部分泡形成液之上以與之處于熱接觸。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中每個加熱器元件被配置以便于需要小于500納焦(nJ)的激勵能量被施加到該加熱器元件，以充分加熱該加熱器元件以在泡形成液中形成所述泡，由此導(dǎo)致所述滴的噴射。
26.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述打印頭被配置成接收環(huán)境溫度下的泡形成液的供給，且其中每個加熱器元件被配置成使被施加到其上以加熱泡形成液的所述部分從而導(dǎo)致所述滴的噴射所需要的能量小于將等于所述滴的體積的所述可噴射液的體積從等于所述環(huán)境溫度的溫度加熱至所述沸點(diǎn)所需要的能量。
27.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其包括具有基片表面的基片，其中每個噴嘴具有通過基片表面而開口的噴嘴孔，并且其中噴嘴相對于基片表面的面密度超過每平方厘米基片表面10,000個噴嘴。
28.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中每個加熱器元件具有兩個相對側(cè)，并且被配置成使由該加熱器元件形成的所述氣泡被形成在所述兩側(cè)。
29.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中每個加熱器元件被配置而形成的泡是可坍縮的，并且具有一坍縮點(diǎn)，并且其中每個加熱器元件被配置成使由此形成的泡的坍縮點(diǎn)與該加熱器元件間隔開。
30.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其包括小于10微米厚的結(jié)構(gòu)，其中噴嘴被結(jié)合在該結(jié)構(gòu)上。
31.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其包括多個噴嘴室，每個都對應(yīng)于相應(yīng)的噴嘴，并且多個所述加熱器元件被設(shè)置在每個室內(nèi)，每個室內(nèi)的加熱器元件被形成在不同的相應(yīng)層上。
32.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中每個加熱器元件由固體材料形成，按原子比例，90％以上的所述固體材料由具有低于50的原子序數(shù)的至少一種周期元素構(gòu)成。
33.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中每個加熱器元件包括固體材料，并且被配置成使該加熱器元件的質(zhì)量小于10納克的固體材料被加熱到泡形成液的沸點(diǎn)以上的溫度，由此將至少部分泡形成液加熱到所述沸點(diǎn)以上的溫度，以引起所述滴的噴射。
34.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中每個加熱器元件基本上被保形保護(hù)涂層覆蓋，每個加熱器元件的涂層已經(jīng)被同時施加到加熱器元件的基本上所有側(cè)面，從而使涂層是無縫的。
35.一種從打印頭噴射可噴射液的滴的方法，所述打印頭包括多個噴嘴以及對應(yīng)于每個噴嘴的至少一個相應(yīng)的加熱器元件，所述方法包括下述步驟提供打印頭，包括通過化學(xué)氣相沉積(CVD)來形成一結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)限定每個都形成相應(yīng)噴嘴的部分的噴嘴孔；加熱對應(yīng)于噴嘴的至少一個加熱器元件，以將與所述至少一個被加熱的加熱器元件處于熱接觸的至少部分泡形成液加熱到泡形成液的沸點(diǎn)以上的溫度；通過所述加熱步驟在泡形成液中產(chǎn)生氣泡；以及通過所述產(chǎn)生氣泡的步驟使泡形成液的滴通過對應(yīng)于所述至少一個被加熱的加熱器元件的噴嘴而被噴射。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，在所述加熱步驟之前包括下述步驟設(shè)置泡形成液處于與加熱器元件的熱接觸。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中提供打印頭的步驟包括通過氮化硅的CVD來形成所述結(jié)構(gòu)。
38.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中提供打印頭的步驟包括通過二氧化硅的CVD來形成所述結(jié)構(gòu)。
39.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中提供打印頭的步驟包括通過氧氮化物的CVD來形成所述結(jié)構(gòu)。
40.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中每個加熱器元件都處于懸梁的形式，所述方法在加熱至少一個加熱器元件的步驟之前進(jìn)一步包括步驟設(shè)置泡形成液以使加熱器元件被放置在至少一部分泡形成液之上并且與之處于熱接觸。
41.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中加熱具有至少一個加熱器元件的加熱元件的步驟是通過將小于500nJ的激勵能量施加到每個要被加熱的加熱器元件來實(shí)現(xiàn)的。
42.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，在加熱至少一個加熱器元件步驟之前包括步驟接收環(huán)境溫度下到打印頭的可噴射液的供給，其中加熱步驟是通過將熱能施加到每個這樣的加熱器元件來實(shí)現(xiàn)的，其中所述所施加的熱能小于將等于所述滴的體積的所述泡形成液的體積從等于所述環(huán)境溫度的溫度加熱至所述沸點(diǎn)所需要的能量。
43.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中在提供打印頭的步驟中，所述打印頭包括具有基片表面的基片，并且每個噴嘴都具有通過基片表面而開口的噴嘴孔，其中噴嘴相對于基片表面的面密度超過每平方厘米基片表面10,000個噴嘴。
44.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中每個加熱器元件具有兩個相對側(cè)，并且其中在產(chǎn)生氣泡的步驟中，所述泡被產(chǎn)生在每個被加熱的加熱器元件的所述兩側(cè)。
45.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中在產(chǎn)生氣泡的步驟中，所產(chǎn)生的泡是可坍縮的并且具有一坍縮點(diǎn)，并且被產(chǎn)生以使所述坍縮點(diǎn)與至少一個被加熱的加熱器元件間隔開。
46.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中在提供打印頭的步驟中，該打印頭具有一結(jié)構(gòu)，其小于10微米厚并且在其上結(jié)合了噴嘴。
47.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中所述打印頭具有多個噴嘴室，每個室對應(yīng)于相應(yīng)的噴嘴，并且其中提供打印頭的步驟包括在每個室中形成多個加熱器元件，以使每個室中的加熱器元件被形成在彼此不同的相應(yīng)層上。
48.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中在提供打印頭的步驟中，每個加熱器元件由固體材料形成，按原子比例，多于90％的所述固體材料由具有50以下的原子序數(shù)的至少一種周期元素構(gòu)成。
49.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中每個加熱器元件包括固體材料并且其中加熱至少一個加熱器元件的步驟包括將每個這樣的加熱器元件的質(zhì)量小于10納克的固體材料加熱到泡形成液的沸點(diǎn)以上的溫度。
全文摘要
這里公開了一種噴墨打印頭，其包括多個噴嘴和對應(yīng)于每個噴嘴的一個或多個加熱器元件(10)。每個加熱器元件(10)被配置成將打印頭中的泡形成液(11)加熱到其沸點(diǎn)以上的溫度，以在其中形成氣泡(12)。泡(12)的產(chǎn)生導(dǎo)致可噴射液(如墨)的滴通過相應(yīng)的對應(yīng)噴嘴(3)的噴射，以實(shí)現(xiàn)打印。所述打印頭具有通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成的結(jié)構(gòu)，其上結(jié)合了噴嘴。
文檔編號B41J2/14GK1713992SQ200380103882
公開日2005年12月28日 申請日期2003年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月23日
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