專利名稱：制備具有帶紋理的超疏油表面的噴墨打印頭正面的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這里公開的是一種制備具有帶紋理的超疏油表面的噴墨打印頭正面或噴嘴板的工藝，該工藝包括提供硅襯底；使用光刻以在該硅中產(chǎn)生帶紋理的圖案，其中該帶紋理的圖案包括柱體陣列、凹槽圖案、其他帶紋理的圖案或其組合，其使得該表面超疏油；以及可選地改性該帶紋理的表面，如通過(guò)在其上設(shè)置氟硅烷涂層；從而提供具有帶紋理的超疏油表面的噴墨打印頭正面或噴嘴板。在具體的實(shí)施方式中，該柔性、超疏油裝置可用作基于液滴噴射器打印頭的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMSJet)的正面或噴嘴板表面。
背景技術(shù)：
流體油墨噴射系統(tǒng)通常包括一個(gè)或多個(gè)具有多個(gè)油墨噴頭的打印頭，流體滴從該噴頭噴到記錄介質(zhì)。打印頭的油墨噴頭從該打印頭中的油墨供應(yīng)室或歧管接收油墨，該室或歧管從源接收油墨，如熔化的油墨儲(chǔ)存罐或墨盒。每個(gè)油墨噴頭包括一端與油墨供應(yīng)歧管流體連通的油墨通道。油墨通道的另一端具有孔口或噴嘴用以噴射油墨滴。該油墨噴頭的噴嘴可形成在孔徑或噴嘴板中，該噴嘴板具有與該油墨噴頭的噴嘴對(duì)應(yīng)的開口。運(yùn)行中， 噴墨信號(hào)激活油墨噴頭中的驅(qū)動(dòng)器以將流體滴從油墨噴頭噴嘴排到記錄介質(zhì)上。通過(guò)有選擇地激活油墨噴頭的驅(qū)動(dòng)器以隨著記錄介質(zhì)和/或打印頭組件相對(duì)彼此運(yùn)動(dòng)而噴射墨滴， 所沉積的墨滴可精確地圖案化以在記錄介質(zhì)上形成特定的文本和圖像。MEMSJet墨滴噴射器由油墨室下方的空氣室組成，中間具有柔性隔膜。在空氣室內(nèi)的電極上施加電壓，吸引接地的柔性隔膜向下，增加油墨室的容積并因此降低其壓強(qiáng)。這使得油墨從油墨儲(chǔ)存罐流進(jìn)油墨室。然后將該電極接地，并且隔膜的恢復(fù)力將其向上推，在油墨腔室中產(chǎn)生壓強(qiáng)峰值， 從噴嘴噴射墨滴。全寬度陣列打印頭的例子在美國(guó)專利公開20090046125中描述。可在這樣的打印頭中噴射的可紫外固化凝膠墨的例子在美國(guó)專利公開20070123606中描述?？稍谶@樣的打印頭中噴射的固體油墨的例子ColorQube 青色固體油墨。美國(guó)專利 5，867，189描述一種噴墨打印頭，包括油墨噴射部件，其在打印頭的出口側(cè)上結(jié)合電拋光油墨接觸或孔表面。流體油墨噴射系統(tǒng)所面對(duì)的一個(gè)困難是油墨在打印頭正面上的浸濕、流淌和溢出。這種對(duì)打印頭正面的污染會(huì)導(dǎo)致或促使油墨噴頭噴嘴和通道的堵塞，這種堵塞單獨(dú)或者與浸濕的、受到污染的正面結(jié)合會(huì)導(dǎo)致或促使在記錄介質(zhì)上未噴射或者丟失液滴、尺寸較小的或別的方式導(dǎo)致尺寸錯(cuò)誤的液滴、拖墨或方向錯(cuò)誤的液滴，并因此導(dǎo)致降低的打印質(zhì)量。當(dāng)前的打印頭正面涂層通常涂有疏水涂層，例如，濺射聚四氟乙烯涂層。然而，作為一種有機(jī)物質(zhì)，油墨的行為不同于水，并且可以證明該正面表面具有親油墨特性。當(dāng)打印頭傾斜時(shí)，在大約75°C溫度的UV凝膠墨和在大約105°C溫度的固體油墨不會(huì)輕易地在該打印頭正面表面上滑動(dòng)。而是，這些油墨沿該打印頭正面流動(dòng)并在該打印頭上留下油墨薄膜或殘留物，這會(huì)干擾噴射。由于這個(gè)原因，UV和固體油墨打印頭的正面有被UV和固體油墨污染的傾向。在有些情況下，被污染的打印頭可利用維護(hù)單元恢復(fù)或清潔。然而，這樣的方法增加系統(tǒng)復(fù)雜性、硬件成本，有時(shí)還會(huì)有可靠性問(wèn)題。進(jìn)而，該正面涂層有時(shí)會(huì)在耐受油墨的化學(xué)物質(zhì)方面有些麻煩，并且維護(hù)刮片的重復(fù)刮刷往往清除掉過(guò)多的涂層，導(dǎo)致在噴嘴板表面上更嚴(yán)重的油墨浸濕和流動(dòng)而留下殘留物。另外，由一系列子單元組成的全寬度陣列打印頭必須封裝填充這些單元之間的裂縫，以避免這些子單元的邊緣損傷刮片。這會(huì)使得打印頭重新工作非常困難，因?yàn)?，必須去除該封，然后在新的子單元插入后再?yīng)用該封裝。所以仍存在對(duì)這樣的噴墨打印頭和制備該噴墨打印頭的方法的需求，其中該正面或噴嘴板表現(xiàn)出單獨(dú)的超疏油特性或者結(jié)合超疏水特性。進(jìn)而，盡管目前可得到的用于噴墨打印頭正面的涂層適于它們所計(jì)劃的目的，但是仍存在對(duì)改進(jìn)的打印頭正面設(shè)計(jì)的需求，其減少或消除在打印頭正面上方的UV或固體油墨浸濕、流淌、溢出或污染。進(jìn)而，仍存在對(duì)改進(jìn)的打印頭正面設(shè)計(jì)的需求，其是厭油墨的(即疏油)并且穩(wěn)定以經(jīng)受維護(hù)過(guò)程，如對(duì)打印頭正面的刮刷。進(jìn)而，仍存在對(duì)改進(jìn)的打印頭正面設(shè)計(jì)的需求，其是超疏油并且在多個(gè)實(shí)施方式中既超疏油又超疏水。進(jìn)而，仍存在對(duì)改進(jìn)的打印頭的需求，其容易清潔或者是自清潔的，由此消除硬件復(fù)雜度，如對(duì)維護(hù)單元的需求，降低運(yùn)行成本和提高系統(tǒng)可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
所描述的是一種制備具有帶紋理的超疏油表面的噴墨打印頭正面或噴嘴板的工藝，包括提供硅襯底；使用光刻以在該硅襯底中產(chǎn)生帶紋理的圖案；可選地，改性該帶紋理的硅表面以提供帶紋理的疏油硅材料；以及由該帶紋理的疏油硅材料形成噴墨打印頭正面或噴嘴板從而提供具有帶紋理的超疏油表面的噴墨打印頭正面或噴嘴板。在多個(gè)實(shí)施方式中，改性該帶紋理的硅表面包括在其上設(shè)置共形疏油涂層。在多個(gè)不同的實(shí)施方式中，該帶紋理的圖案包括柱體陣列，凹槽圖案，柱體陣列或凹槽圖案包括波狀側(cè)壁、凹進(jìn)外伸結(jié)構(gòu)或其組合。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，該帶紋理的表面包括適于以所選流動(dòng)圖案引導(dǎo)液體流的構(gòu)造。還描述的是一種具有帶紋理的超疏油表面的噴墨打印頭正面或噴嘴板，該正面包括硅襯底，其中該硅襯底包括帶紋理的圖案；以及可選地，設(shè)在該帶紋理的硅表面的共形疏油涂層。進(jìn)一步描述的是一種具有包括正面的打印頭的噴墨打印機(jī)，該正面包括硅襯底， 其中該硅襯底包括帶紋理的圖案；以及可選地，設(shè)在該帶紋理的硅表面的共形疏油涂層。


圖1是說(shuō)明工藝方案的流程，用以產(chǎn)生噴孔、制備具有波狀側(cè)壁的帶紋理的表面 (左側(cè)分支)以及制備具有外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的帶紋理的表面(右側(cè)分支)。圖2是說(shuō)明工藝方案的流程，用以制備硅襯底上氟化的、帶紋理的表面，其中該帶紋理的表面包括按照本公開的具有波狀側(cè)壁的柱體陣列。圖3是說(shuō)明工藝方案的流程，用以制備硅襯底上氟化的、帶紋理的表面，其中該帶紋理的表面包括按照本公開的具有外伸結(jié)構(gòu)的柱體陣列。圖4是凹進(jìn)基座結(jié)構(gòu)的圖解，示出液體/空氣界面的行為。圖5是涂覆氟硅烷的帶紋理的表面的顯微照片，包括具有波狀側(cè)壁樁的柱體陣列結(jié)構(gòu)并示出水和十六烷與該表面的靜態(tài)接觸角。圖6是圖5的波狀側(cè)壁樁一部分的放大圖。
圖7是涂覆氟硅烷的帶紋理的硅表面的顯微照片，包括具有由第二材料(氧化硅) 形成的外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的柱體陣列結(jié)構(gòu)，并示出水和十六烷與該硅表面的靜態(tài)接觸角。圖8是圖7的外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的一部分的放大圖。圖9是具有3微米柱體高度的柱體陣列結(jié)構(gòu)的顯微照片。圖10是具有1. 1微米柱體高度的柱體陣列結(jié)構(gòu)的顯微照片。圖11是涂覆氟硅烷的帶紋理的表面的顯微照片，包括具有帶紋理的(波狀)側(cè)壁的凹槽結(jié)構(gòu)。圖12是圖11的表面的變換視圖。圖13是熔融的滑動(dòng)墨滴與Xerox 4200 多功能紙張，以及平滑的聚四氟乙烯表面(上圖)和按照本公開的帶紋理的疏油表面(下圖)的相互作用的模擬視圖。
具體實(shí)施例方式所描述的是制備具有帶紋理的高度疏油或超疏油表面的噴墨打印頭正面或噴嘴板的工藝，包括提供硅襯底；使用光刻以在該硅襯底上產(chǎn)生帶紋理的圖案，在多個(gè)實(shí)施方式中，該帶紋理的圖案包括柱體陣列；可選地，通過(guò)在其上設(shè)置共形、疏油涂層改性該帶紋理的表面；從而提供帶紋理的疏油硅；以及由該帶紋理的疏油硅形成噴墨打印頭正面或噴嘴板。在多個(gè)實(shí)施方式中，該帶紋理的表面是高度疏油表面或超疏油表面，或既超疏油又超疏水的表面。這里使用的高度疏油可描述為基于碳?xì)浠衔锏囊旱?例如，油墨)與表面形成高接觸角(如接觸角為130°至175°或135°至170° )。超疏油可描述為基于碳?xì)浠衔锏囊旱?例如，油墨)與表面形成高接觸角(如接觸角大于150°，或150°至175°，或 150° 至 160° )。超疏油也可描述為基于碳?xì)浠衔锏囊旱?例如，十六烷)與表面形成的滑動(dòng)角為1°至小于30°，或1°至25°，或滑動(dòng)角小于25°，或滑動(dòng)角小于15°，或滑動(dòng)角小于 10°。高度疏水可描述為水滴與表面形成高接觸角，如接觸角為130°至180°。超疏水可描述為水滴與表面形成高接觸角，如接觸角大于150°，或150°至180°。超疏水可描述為水滴與表面形成滑動(dòng)角，如滑動(dòng)角為1°至30°，或1°至25°， 或滑動(dòng)角小于15°，或滑動(dòng)角小于10°。這里用于形成噴墨打印頭正面或噴嘴板的具有超疏油表面的硅材料可通過(guò)任何合適的方法制備。轉(zhuǎn)到圖1，一個(gè)工藝流程描述本工藝10的實(shí)施方式，其中左邊分支描述制備包括具有波狀側(cè)壁的柱體陣列的帶紋理的硅表面的工藝，而該右邊分支描述制備包括在柱體的最上部具有外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的柱體陣列的帶紋理的硅表面的工藝。硅襯底12(在所選的實(shí)施方式中是硅)上設(shè)置有材料14，材料14可被選擇性蝕刻而不會(huì)損害該硅襯底12。 在多個(gè)實(shí)施方式中，可沉積第二材料16 (其可被選擇性蝕刻而不損害該硅襯底12或該第一材料14)，并且使用已知的光刻方法蝕刻該第二材料以在該硅襯底中產(chǎn)生噴孔。可使用已知的光刻方法蝕刻所希望的圖案，以制備具有柱體或凹槽陣列18的帶紋理的硅襯底(左邊分支)，或制備具有帶有外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)20的柱體或凹槽陣列18的帶紋理的硅表面(右邊分支)。
轉(zhuǎn)到圖2，說(shuō)明本工藝200的另一實(shí)施方式的工藝流程，借此可通過(guò)使用硅襯底 204來(lái)制備具有超疏油表面的噴墨打印頭正面或噴嘴板。包括柱體陣列的帶紋理的圖案可提供在該硅襯底上。該柱體陣列可限定為具有帶紋理的或波狀垂直側(cè)壁或其組合的柱體陣列，該側(cè)壁具有限定在該柱體頂部的外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)。這里使用的帶紋理的或波狀側(cè)壁可意味著側(cè)壁上可在亞微米的范圍上觀察到的粗糙度。該波狀側(cè)壁可具有250納米波狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)波對(duì)應(yīng)下面所述的蝕刻循環(huán)。包括柱體陣列的帶紋理的圖案可使用光刻技術(shù)在硅襯底上產(chǎn)生?？砂凑找阎墓饪谭椒ㄖ苽浜颓鍧嵐枰r底204。然后可施加光刻膠206，如將光刻膠材料206旋涂或狹縫式涂布在硅襯底204上?？蛇x擇任何合適的光刻膠。光刻膠可以是MegaTMP0sitTMSPRTM 700光刻膠。然后可以曝光和顯影光刻膠206，通常通過(guò)曝光于紫外光和暴露于有機(jī)顯影劑，如含氫氧化鈉的顯影劑或無(wú)金屬離子的顯影劑，如四甲基氨氫氧化物。包括柱體陣列208的帶紋理的圖案可利用本領(lǐng)域任何已知的合適方法來(lái)蝕刻。通常，蝕刻可包括使用液體或等離子化學(xué)制劑以去除不被掩模206保護(hù)的硅層。可采用深反應(yīng)性離子蝕刻技術(shù)以在該硅襯底204中產(chǎn)生柱體陣列208。在蝕刻工藝之后，可利用任何合適的方法去除光刻膠，如通過(guò)使用液體抗蝕劑剝離劑或含等離子氧氣。該光刻膠可使用A等離子處理來(lái)剝除，如feiSonicsAuralOOO灰化系統(tǒng)?；一?，可清潔該襯底，如利用熱食人魚(hot piranha)清潔工藝。在硅襯底上建立表面紋理之后，可以改性該表面紋理，如化學(xué)改性?；瘜W(xué)改性該硅襯底可包括任何合適的對(duì)該襯底的化學(xué)處理，如提供或增強(qiáng)該帶紋理的表面的疏油品質(zhì)。 共形氟硅烷涂層210可設(shè)在該柱體表面208上。在多個(gè)實(shí)施方式中，化學(xué)改性該帶紋理的襯底表面包括在該帶紋理的硅表面上設(shè)置由全氟化的烷基鏈組成的自組裝層。許多技術(shù)(如分子氣相沉積或溶液涂覆)可用來(lái)在該帶紋理的硅表面上沉積該由全氟化的烷基鏈組成的自組裝層。在多個(gè)實(shí)施方式中，化學(xué)改性該帶紋理的硅襯底包括通過(guò)分子氣相沉積、化學(xué)氣相沉積或溶液自組裝而將氟硅烷涂層共形地自組裝在該帶紋理的硅表面上的化學(xué)改性。 在具體實(shí)施方式

中，化學(xué)改性該帶紋理的硅襯底包括設(shè)置由十三氟-1，1，2，2-四氫辛基三氯硅烷(正式稱作氟代-辛基-三氯-硅烷或F0TS)，十三氟-1，1，2，2-四氫辛基三甲氧基硅烷，十三氟-1，1，2，2-四氫辛基三乙氧基硅烷，十七氟-1，1，2，2-四氫辛基三氯硅烷， 十七氟_1，1，2，2-四氫辛基三甲氧基硅烷，十七氟_1，1，2，2-四氫辛基三乙氧基硅烷，或其組合等組裝形成的層，使用該分子氣相沉積技術(shù)或該溶液涂覆技術(shù)?；蛘撸搸Ъy理的硅襯底可通過(guò)在其上設(shè)置涂層或材料(如聚四氟乙烯)來(lái)改性。在具體實(shí)施方式

中，包括脈沖化或時(shí)分復(fù)用蝕刻的Bosch深反應(yīng)性離子蝕刻工藝用來(lái)建立該帶紋理的硅表面。Bosch工藝包括使用多個(gè)蝕刻循環(huán)，在一個(gè)循環(huán)內(nèi)具有三個(gè)單獨(dú)步驟以建立垂直蝕刻，包括1)沉積保護(hù)性鈍化層，幻蝕刻1，蝕刻循環(huán)以在期望的地方的去除該鈍化層，如谷底，和幻蝕刻2，蝕刻循環(huán)以各向同性蝕刻硅。每個(gè)步驟持續(xù)幾秒鐘。該鈍化層利用C4F8(類似于Teflon )產(chǎn)生并保護(hù)整個(gè)襯底不會(huì)被進(jìn)一步化學(xué)制劑攻擊且防止進(jìn)一步蝕刻。然而，在蝕刻1階段，轟擊該襯底的定向離子攻擊在谷底的該鈍化層 (但沿柱體側(cè)壁不明顯)。離子與該鈍化層碰撞并將其濺射掉，在蝕刻2過(guò)程中在襯底上的谷底暴露于化學(xué)蝕刻劑。蝕刻2用作短時(shí)間的各向同性蝕刻硅(例如，從大約5至大約10秒)。更短的蝕刻2步驟給出較小的波周期(5秒導(dǎo)致大約250納米)而較長(zhǎng)的蝕刻2產(chǎn)生較長(zhǎng)的波周期(10秒導(dǎo)致大約880納米)。這個(gè)蝕刻循環(huán)可重復(fù)直到獲得所需的柱體高度。在這個(gè)過(guò)程中，可建立具有帶紋理的或波狀側(cè)壁的柱體，其中每個(gè)波對(duì)應(yīng)一個(gè)蝕刻循環(huán)。周期性的“波”結(jié)構(gòu)的尺寸可是任何合適的尺寸。在多個(gè)實(shí)施方式中，該波狀側(cè)壁的每個(gè)“波”的尺寸是100至1000納米，或250納米。本工藝的實(shí)施方式包括在硅襯底上建立帶紋理的表面，其包括具有外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的柱體陣列。該工藝可包括類似使用兩種氟蝕刻工藝(CH3FA)2和SF6/02)的組合的工藝。 參照?qǐng)D3，該工藝可包括提供硅襯底300。硅襯底300可具有設(shè)在其上的薄氧化硅層302，如通過(guò)等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積或低壓化學(xué)氣相沉積。將光刻膠材料304施加到清潔后的氧化硅層302。該工藝進(jìn)而包括曝光和顯影該光刻膠材料304，如使用SPR 700-1. 2光刻膠的5 1光刻，使用基于氟的反應(yīng)性離子蝕刻(CH3FA)2)以使用第二基于氟的(SF6A)2)反應(yīng)性離子蝕刻工藝在該氧化硅層302中限定帶紋理的圖案，然后是熱剝除和食人魚清潔以建立具有外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)310的帶紋理的柱體308。二氟化氙各向同性蝕刻工藝可用來(lái)增強(qiáng)帶紋理的柱體308上外伸的程度(圖3中未示)。XeF2氣相蝕刻表現(xiàn)出接近無(wú)窮大的硅對(duì)二氧化硅選擇比，二氧化硅是帽材料。該圖案化陣列然后可涂覆共形疏油涂層312以提供包括柱體具有外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)310的帶紋理的圖案的超疏油硅。該工藝進(jìn)而包括由帶紋理的疏油硅形成噴墨打印頭正面或噴嘴板，以便提供具有帶紋理的超疏油表面的硅噴墨打印頭正面或噴嘴板。通常使用兩個(gè)狀態(tài)來(lái)描述在粗糙表面上的液滴之間的復(fù)合液體-固體分界面 Cassie-Baxter 態(tài)禾口 Wenzel 態(tài)。Cassie—Baxter 態(tài)(θ CB)禾口 Wenzel 態(tài)(θ w)下的液滴的靜態(tài)接觸角分別由方程⑴和⑵給出。cos θ CB = Rffcos θ Y+f-l(1)cos θ w = rcos θ γ(2)其中f是噴射的濕區(qū)域的面積分?jǐn)?shù)，Rf是濕區(qū)域上的粗糙度比而是固體面積分?jǐn)?shù)，r是粗糙度比，θ γ是具液滴與平坦表面的接觸角。在Cassie-Baxter態(tài)，該液滴首先以非常大接觸角(θ J “坐”在空氣上。按照該方程，如果液體和表面具有高疏水度，例如，當(dāng)，液滴將會(huì)處于Cassie-Baxter 態(tài)。在這里的多個(gè)實(shí)施方式中，為該帶紋理的表面提供兩種通常的幾何圖案，其每個(gè)說(shuō)明兩種類型的具有外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的基于幾何圖案的(相對(duì)于基于表面涂層)疏墨表面之一。該凹進(jìn)結(jié)構(gòu)將油墨保持在Cassie態(tài)，這意味著油墨以顯著減小的接觸面積位于由空氣和固體組成的復(fù)合表面上(未浸濕狀態(tài)液體沒(méi)有填充粗糙表面上的谷部/凹槽，由高接觸角、低接觸角滯后和低滑動(dòng)角表征)。該凹進(jìn)結(jié)構(gòu)提供這樣的表面粗糙度，其防止最初的親油墨表面引導(dǎo)油墨進(jìn)入該Wenzel態(tài)(浸濕態(tài)液體充滿該粗糙表面上的凹槽，并且該液滴被釘住，由高接觸角、高接觸角滯后和高滑動(dòng)角或被釘住來(lái)表征)。盡管對(duì)于Wenzel和 Cassie態(tài)兩者接觸角都顯著增加，但是更加希望出現(xiàn)Cassie態(tài)，因?yàn)橛湍蛶Ъy理的表面之間的低滑動(dòng)角和低粘性。該Cassie-Baxter方程對(duì)于固體面積分?jǐn)?shù)(“f ”)值為0. 2的意思是探測(cè)液體只觸及固體表面積的20%。該粗糙度(正弦曲線、方波等)的確切性質(zhì)不是關(guān)鍵的，因?yàn)殛P(guān)鍵是浸濕的固體面積，但是該凹進(jìn)結(jié)構(gòu)將油墨保持在Cassie態(tài)。所以，例如，如果表面涂層用來(lái)實(shí)現(xiàn)108°接觸角(水)，假設(shè)固體面積分?jǐn)?shù)是20%，那么這個(gè)帶紋理的涂層(粗糙)將接觸角增加到大約150°。進(jìn)而，當(dāng)同樣的表面涂層對(duì)十六烷或油墨的接觸角是73°時(shí)，假設(shè)固體面積分?jǐn)?shù)為20%，則這個(gè)帶紋理的涂層(粗糙)將接觸角增加到大約138°。圖4說(shuō)明在波狀側(cè)壁結(jié)構(gòu)(在頂波上形成凹進(jìn)外伸結(jié)構(gòu))的情況下，液體/空氣與液體的界面的行為。該帶紋理的、粗糙表面包括柱體(或樁或脊部或凹槽)，該柱體具有凹進(jìn)外伸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)帶有利用簡(jiǎn)單DRIE蝕刻工藝建立的波狀側(cè)壁樁。第一對(duì)波用作能量阻擋以防止液體浸濕該柱體。由該第一對(duì)波形成的該凹進(jìn)外伸結(jié)構(gòu)用作與該液體相互作用的帽，如圖4所述，并且這對(duì)應(yīng)Cassie態(tài)/模型。在Cassie態(tài)中，液滴最終停留在外伸結(jié)構(gòu)(或帽)的頂部上，因?yàn)閷?duì)于液體/空氣界面，為了在外伸結(jié)構(gòu)順流而下，該表面必須極大變形，這需要比毛細(xì)管力大得多的力。在這里的多個(gè)實(shí)施方式中，這里具有帶紋理的表面的硅噴嘴板是超疏水的，具有大于150°電非常高的水接觸角和小于或等于10°的非常低的滑動(dòng)角。參照基于碳?xì)浠衔锏囊后w(例如，油墨，如十六烷)包括具有形成在柱體頂部表面上的外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的柱體陣列的該帶紋理的硅表面使得該表面足夠“疏油”(即， θ γ = 73° )，從而導(dǎo)致十六烷滴在帶有紋理的、疏油表面的液體-固體分界面形成 Cassie-Baxter態(tài)。在這里的多個(gè)實(shí)施方式中，表面紋理和化學(xué)改性的組合，例如設(shè)在該帶紋理的硅上的FOTS涂層，使得該帶紋理的硅表面變成超疏油。在平的表面上，該疏油涂層意味著該涂層具有大于100°的水接觸角和大于50°的十六烷接觸角。在這里的多個(gè)實(shí)施方式中，疏油意思是θ Y = 73°。圖5提供涂覆氟硅烷的帶紋理的硅表面的顯微照片，該表面包括具有帶紋理的 (波狀)側(cè)壁的柱體陣列結(jié)構(gòu)，以及一對(duì)示出該涂覆氟硅烷的帶紋理的硅表面上水和十六烷靜態(tài)接觸角的照片。該波狀側(cè)壁FOTS涂覆表面與水和十六烷的接觸角分別是156°和 158°。圖6提供圖5的表面一部分的放大圖，示出該波狀側(cè)壁柱體結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。圖7提供涂覆氟硅烷的帶紋理的硅表面的顯微照片，該表面包括具有外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的柱體陣列，其中該外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)由形成在該柱體頂部的第二材料(二氧化硅)形成，以及一組示出水和十六烷辛烷在該涂覆氟硅烷的帶紋理的硅表面上的靜態(tài)接觸角的照片。該 FOTS涂覆的帶紋理的硅表面與水和十六烷的接觸角分別是153°和151°。圖8提供圖7 的表面的一部分的放大圖，示出該外伸凹進(jìn)特征的細(xì)節(jié)。該柱體陣列可具有任何適當(dāng)?shù)拈g距或柱體密度或固體面積覆蓋率。在多個(gè)實(shí)施方式中，該柱體陣列的固體面積覆蓋率為0. 5 %至40 %，或1 %至20 %。該柱體陣列可具有任何適當(dāng)?shù)拈g距或柱體密度。在具體實(shí)施方式

中，該柱體陣列具有的柱體中心到中心間距為大約6微米。該柱體陣列可具有任何適當(dāng)?shù)男螤?，包括圓形、橢圓形、方形、矩形、三角形、星形等。該柱體陣列可具有任何適當(dāng)?shù)闹睆交蛳嗟鹊闹睆?，包?. 1到大約10微米的直徑，或1到大約5微米的直徑。該柱體可限定為任何適當(dāng)?shù)幕蛩璧母叨?。在多個(gè)實(shí)施方式中，該帶紋理的硅可包括具有0. 3至10微米或從0. 5至5微米的柱體高度的柱體陣列。 圖9中，顯微照片示出包括柱體高度為3. 0微米的柱體陣列的超疏油帶紋理的硅
表面。圖10中，顯微照片示出包括柱體高度為1. 1微米的柱體陣列的超疏油帶紋理的硅表在另一實(shí)施方式中，這里的該超疏油帶紋理的硅表面包括凹槽結(jié)構(gòu)。圖11提供按照本公開的結(jié)構(gòu)的顯微照片，包括寬度3微米和節(jié)距6微米的涂覆氟硅烷硅凹槽。圖12提供圖11的結(jié)構(gòu)的替代視圖，示出該凹槽波狀側(cè)壁結(jié)構(gòu)帶有形成外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的凹槽結(jié)構(gòu)的最頂部表面。該凹槽結(jié)構(gòu)可具有任何適當(dāng)?shù)拈g距或柱體密度或固體面積覆蓋率。在多個(gè)實(shí)施方式中，該凹槽結(jié)構(gòu)的固體面積覆蓋率0. 5 %至40 %，或1 %至20 %。該凹槽結(jié)構(gòu)可具有任何適當(dāng)?shù)膶挾群凸?jié)距。在具體實(shí)施方式

中，該凹槽結(jié)構(gòu)寬度為0. 5至10微米，或1至5微米，或3微米。進(jìn)而，在多個(gè)實(shí)施方式中，該凹槽結(jié)構(gòu)的凹槽節(jié)距為2至15微米，或3至12微米，或大約6微米。這里該帶紋理的圖案化結(jié)構(gòu)(在多個(gè)實(shí)施方式中為柱體或凹槽結(jié)構(gòu))可具有任何適當(dāng)?shù)男螤睢Ｔ诙鄠€(gè)實(shí)施方式中，總體的帶紋理的結(jié)構(gòu)可具有或形成設(shè)計(jì)為形成特定圖案的構(gòu)造。在多個(gè)實(shí)施方式中，該柱體或凹槽結(jié)構(gòu)可形成具有選擇為以選定的流動(dòng)圖案引導(dǎo)液體流的構(gòu)造。該凹槽結(jié)構(gòu)可限定為任何適當(dāng)?shù)幕蛩璧目偢叨取Ｔ诙鄠€(gè)實(shí)施方式中，該帶紋理的表面可包括總高度0. 3至10微米或0. 3至5微米或0. 5至5微米的凹槽圖案。盡管不希望受到理論的約束，但是發(fā)現(xiàn)該FOTS帶紋理的表面與水和十六烷的高接觸角是表面紋理化和氟化作用組合的結(jié)果。在具體實(shí)施方式

中，這里帶紋理的器件包括波狀側(cè)壁特征或在該凹槽或柱體結(jié)構(gòu)頂部表面的外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)以提供柔性超疏油器件。盡管不希望受到理論的約束，但是該凹槽或柱體頂部的凹進(jìn)結(jié)構(gòu)是超疏油性的重要原因。表1總結(jié)了相關(guān)表面與水、十六烷、固體油墨和可紫外固化凝膠墨的接觸角數(shù)據(jù)。 示例1包括如美國(guó)專利5，867，180所述的打印頭。示例2是平滑聚四氟乙烯表面。示例3 是按照本公開制備的、具有帶紋理的表面的超疏油表面，包括直徑3微米、高度7微米、中心到中心間距大約6微米以及波狀側(cè)壁的柱體的陣列。示例4是包括波狀側(cè)壁的凹槽的凹槽結(jié)構(gòu)，其中液滴平行于該凹槽方向滑動(dòng)。對(duì)于這里的該帶紋理的表面，水和十六烷兩者實(shí)現(xiàn)了大約158°的接觸角、在該波狀側(cè)壁樁上大約10°的滑動(dòng)角，說(shuō)明該表面超疏水性和超疏油性的特性-超級(jí)排斥水和油。這個(gè)帶紋理的表面還證明對(duì)接觸角的大約155°固體油墨的超抗浸濕屬性，如表1所示。對(duì)于這里的該凹槽結(jié)構(gòu)表面，滑動(dòng)角甚至低于該柱體結(jié)構(gòu)表面，十六烷具有4°的滑動(dòng)角以及固體油墨具有25°的滑動(dòng)角。該聚四氟乙烯(PTra)材料是疏水和親油的，對(duì)于水和十六烷兩者具有非常高的滑動(dòng)角，對(duì)應(yīng)該分界面上較強(qiáng)的粘性。固體油墨的接觸角小于90°，示出其固有的親屬性，甚至當(dāng)傾斜到90°或倒過(guò)來(lái)也不會(huì)移動(dòng)。這些數(shù)據(jù)總結(jié)在表1中。表權(quán)利要求
1.一種制備具有帶紋理的超疏油表面的噴墨打印頭正面或噴嘴板的工藝包括提供硅襯底；使用光刻以在該硅襯底上產(chǎn)生帶紋理的圖案；以及可選地，通過(guò)在其上設(shè)置共形疏油涂層而改性該帶紋理的硅表面；以及由該帶紋理的疏油硅材料形成噴墨打印頭正面或噴嘴板，從而提供具有帶紋理的超疏油表面的噴墨打印頭正面或噴嘴板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其中該帶紋理的圖案具有以期望的流動(dòng)圖案引導(dǎo)液體流的構(gòu)造。
3.一種具有帶紋理的超疏油表面的噴墨打印頭正面或噴嘴板，包括硅襯底，具有帶紋理的圖案；以及可選地，設(shè)在該帶紋理的硅表面的共形疏油涂層；其中該帶紋理的圖案包括柱體陣列， 具有設(shè)在所述柱體上的外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的柱體陣列，具有帶紋理的波狀側(cè)壁的柱體陣列，或其組合；其中該帶紋理的圖案包括凹槽圖案，包括外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的凹槽圖案，包括帶紋理的波狀側(cè)壁的凹槽圖案，或其組合。
4.一種噴墨打印頭，包括包括硅襯底的帶紋理的疏油噴墨打印頭正面或噴嘴板，該硅襯底包括帶紋理的圖案； 以及，可選地，設(shè)在該帶紋理的硅表面上的共形疏油涂層；其中該帶紋理的圖案包括柱體陣列，具有設(shè)在所述柱體上的外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的柱體陣列，具有帶紋理的波狀側(cè)壁的柱體陣列， 或其組合；其中該帶紋理的圖案包括凹槽圖案，包括外伸凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的凹槽圖案，包括帶紋理的波狀側(cè)壁的凹槽圖案，或其組合。
全文摘要
一種制備具有帶紋理的超疏油表面的噴墨打印頭正面或噴嘴板的工藝包括提供硅襯底；使用光刻以在該硅襯底上產(chǎn)生帶紋理的圖案；可選地，通過(guò)在其上設(shè)置共形疏油涂層而改性該帶紋理的硅表面；以及由該帶紋理的疏油硅材料形成噴墨打印頭正面或噴嘴板，從而提供具有帶紋理的超疏油表面的噴墨打印頭正面或噴嘴板。
文檔編號(hào)B41J2/16GK102180015SQ20101062280
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月28日
發(fā)明者彼得·邁克爾·古爾文, 洪昭 申請(qǐng)人:施樂(lè)公司