BRPI0620293A2

BRPI0620293A2 - dispositivo de ejeção de micro-fluido de vida longa e baixa energia

Info

Publication number: BRPI0620293A2
Application number: BRPI0620293-4A
Authority: BR
Inventors: Robert Wilson Cornell; Shirish Padamakar Mulay; Robert L Cornell; James Harold Power
Original assignee: Lexmark Int Inc
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2011-11-08
Also published as: EP1968797B1; WO2007076029A3; CN101346235B; CA2631454C; EP1968797A2; US7784918B2; WO2007076029A2; TWI330597B; US20080259131A1; US7413289B2; AU2006330919A1; CA2631454A1; US20070146436A1; CN101346235A; AU2006330919B2; EP1968797A4; TW200732163A

Abstract

DISPOSITIVO DE EJEçãO DE MICRO-FLUIDO DE VIDA LONGA E BAIXA ENERGIA. Cabeçotes de ejeção de micro-fluido e métodos para estender a vida de cabeçotes de ejeção de micro-fluido. Tal cabeçote de ejeção de micro-fluido inclui um substrato tendo uma pluralidade de atuadores de ejeção térmica. Cada um dos atuadores de ejeção térmica tem uma camada resistiva e uma camada protetora. Um elemento dispositivo de fluxo é adjacente ao substrato e define um canal de alimentação de fluido, uma câmara de fluido associada com pelo menos um dos atuadores de ejeção térmicos e em comunicação de fluxo com o canal de alimentação de fluido e um bocal. O bocal é deslocado para um lado da câmara oposto ao canal de alimentação. Uma camada polimérica tendo uma temperatura de degradação de menos que cerca de 400<198>C se sobrepõe a uma parte do pelo menos um atuador associado com a câmara de fluido, e posicionada menos que cerca de cinco mícrons da pelo menos uma borda do pelo menos um atuador oposto ao canal de alimentação de fluido.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSITIVO DE EJEÇÃO DE MICRO-FLUIDO DE VIDA LONGA E BAIXA ENERGIA".

CAMPO DA INVENÇÃO

A invenção refere-se a dispositivos de ejeção de micro-fluido e em uma modalidade particular, a dispositivo de longa vida e baixa energia para ejetar pequenas gotas de líquido.

ANTECEDENTES E SUMÁRIO

Dispositivos de ejeção de micro-fluido são classificados por um mecanismo usado para ejetar fluido. Dois dos principais tipos de micro- dispositivos de ejeção de fluido incluem atuadores térmicos e atuadores pie- zoelétrico. Os atuadores térmicos contam com uma habilidade em aquecer o fluido a uma temperatura de nucleação em que é formada uma bolha de gás que expele o fluido através de um bocal. A vida de tais atuadores térmicos é dependente de um número de fatores incluindo, mas não limitada a, ruptura dielétrica, corrosão, fadiga, eletromigração, contaminação, incompatibilidade térmica, escarga eletrostática, compatibilidade de material, delaminação, e umidade, para mencionar algumas. Um resistor de aquecedor usado em um dispositivo de ejeção de micro-fluido pode estar exposto a todos estes me- canismos de falha.

Por exemplo, é bem-conhecido que pressões de cavitação são poderosas o bastante para esmagar completamente qualquer material sóli- do, de barragens de concreto a propulsores de navio. Durante cada ciclo de fogo, o resistor do aquecedor pode ser exposto a impactos de cavitação si- milares. Na medida em que a bolha de gás colapsa, é gerada uma pressão local da ordem de 103 a 104 atmosferas. Tais impactos de cavitação podem estar focalizados em um ponto submicrônico do resistor de aquecedor por vários nanosegundos. Depois de 107 a 108 impactos de cavitação, o resistor de aquecedor pode falhar devido à erosão mecânica. Além do mais, porque o resistor de aquecedor exige temperaturas extremamente altas para ásse- gurar nucleação de bolhas homogênea, uma energia de distorção no aque- cedor devido à expansão térmica pode ser gerada da mesma ordem de magnitude, quando a energia de distorção imposta por bolha colapsa. Uma combinação de expansão térmica e impactos de cavitação pode levar à falha de aquecedor prematura.

A fim de proteger as frágeis películas de resistor de aquecedor, as películas podem ser vedadas hermeticamente para evitara corrosão deri- vada de umidade, mas a superfície do resistor de aquecedor está diretamen- te exposta a líquido. Nas áreas mais críticas do aquecedor, uma abertura de superfície menor devido a defeito, desgaste cobertura escalonada, ou dela- minação pode levar a falha catastrófica do resistor de aquecedor.

Conseqüentemente, películas de resistor exóticas e múltiplas camadas protetoras que fornecem uma pilha de aquecedor são usadas para fornecer resistores de aquecedor robustos o bastante para suportar os abu- sos de cavitação e expansão térmica descritos acima. No entanto, a espes- sura total da pilha de aquecedor deve ser minimizada porque a energia de entrada é uma função linear de espessura da pilha de aquecedor. A fim de fornecer dispositivos atuadores competitivos a partir de uma perspectiva de dissipação de energia e rendimento de produção, o pilha de aquecedor não deve ser arbitrariamente espessado para mitigar os efeitos de cavitação, superar as questões de cobertura escalonada, superar os problemas de de- laminação, reduzir a descarga eletrostática etc. Em outras palavras, a confi- abilidade aperfeiçoada do resistor de aquecedor por excesso de desenho das camadas protetoras e resistivas da película fina pode produzir um produ- to não competitivo.

Cabeçotes de ejeção de micro-fluido podem ser classificados como permanentes, semipermanentes ou descartáveis. As películas proteto- ras usadas nos resistores de aquecedor de cabeçotes de ejeção de micro- fluido descartáveis precisam somente sobreviver até que o fluido nos cartu- chos de fluido anexos esteja esgotado. A instalação de um cartucho de fluido carrega com ela a instalação de um novo cabeçote de ejeção de micro- fluido. Um problema mais difícil da vida do resistor de aquecedor é apresen- tado para cabeçotes de ejeção de micro-fluido permanentes ou semiperma- nentes. Existe uma necessidade, portanto, de um método e aparelho para aperfeiçoar a vida de resistor de aquecedor sem sacrificar a métrica de Ian- çamento de jato e consumo de energia.

Com relação ao mencionado acima, as modalidades exemplares da invenção fornecem cabeçotes de ejeção de micro-fluido tendo vida es- tendida e consumo de energia relativamente baixo e métodos para fabricar cabeçotes de ejeção de micro-fluido com vida estendida e consumo de e- nergia relativamente baixo. Tal cabeçote de ejeção de micro-fluido inclui um substrato tendo uma pluralidade de atuadores de ejeção térmica dispostos no mesmo. Cada um dos atuadores de ejeção térmica inclui uma camada resistiva e uma camada protetora para proteger uma superfície da camada resistiva. A camada resistiva e a camada protetora juntas definem uma es- pessura de pilha de atuador. Um elemento dispositivo de fluxo é adjacente (por exemplo fixado a), ao substrato e define um canal de alimentação de fluido, uma câmara de fluido associada com pelo menos um dos atuadores de ejeção térmicos e em comunicação de fluxo com o canal de alimentação de fluido e um bocal. O bocal é deslocado para um lado da câmara de fluido oposto ao canal de alimentação de fluido. Uma camada polimérica tendo uma temperatura de degradação de menos que cerca de 400°C se sobrepõe a uma parte do pelo menos um atuador de ejeção térmico, e posicionada menos que cerca de cinco mícrons da pelo menos uma borda do pelo menos um atuador oposto ao canal de alimentação de fluido.

Em outra modalidade, é fornecido um método para estender uma vida de um atuador de ejeção térmica para um cabeçote de ejeção de micro-fluido. Um substrato tem uma pluralidade de atuadores de ejeção tér- mica e uma camada protetora para os mesmos, depositada nos mesmos, e tem um elemento de dispositivo de fluxo definindo um canal de alimentação de fluido, uma câmara de fluido associada com pelo menos um dos atuado- res de ejeção térmica e em comunicação de fluxo com o canal de alimenta- ção de fluido, e um bocal. O bocal é deslocado para um lado da câmara de fluido distai do canal de alimentação de fluido. O método compreende depo- sitar uma camada polimérica tendo uma temperatura de degradação de me- nos que cerca de 400°C em relação de sobreposição com pelo menos uma parte do pelo menos um atuador de ejeção térmica. A camada polimérica se sobrepõe menos que cerca de cinco mícrons do pelo menos um atuador ad- jacente a uma borda da mesma a partir do canal de alimentação de fluido.

Uma vantagem das pelo menos algumas das modalidades e- xemplares da invenção é que a energia de aquecedor não é aumentada en- quanto a vida dos atuadores é substancialmente aumentada. Outra vanta- gem potencial de pelo menos algumas das modalidades descritas é uma habilidade de variar a vida de um atuador de ejeção sem mudar significan- temente as exigências de energia para ejetar fluidos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Vantagens adicionais das modalidades se tornarão evidentes por referência à descrição detalhada das modalidades exemplares quando consideradas em conjunto com os desenhos, em que numerais de referência iguais designam elementos iguais ou similares por todos os vários desenhos como se segue:

a figura 1 é uma vista em seção transversal, não em escala, de uma parte de um cabeçote de ejeção de micro-fluido da técnica anterior;

a figura 2 é uma representação gráfica de energia de lançamen- to de jato versus espessura de camada protetora para cabeçotes de ejeção de micro-fluido;

a figura 3 é uma vista plana fotomicrográfica de um micro- atuador de ejeção de fluido tendo dano de cavitação no mesmo;

a figura 4 é uma vista em seção transversal fotomicrográfica de um micro-atuador de ejeção de fluido tendo dano de cavitação no mesmo;

a figura 5 é uma vista plana, não em escala, de uma parte de um cabeçote de ejeção de micro-fluido da técnica anterior;

a figura 6 é uma vista em seção transversal, não em escala, de uma parte de um cabeçote de ejeção de micro-fluido de acordo com uma primeira modalidade da invenção;

a figura 7 é uma vista plana, não em escala, de uma parte de um cabeçote de ejeção de micro-fluido de acordo com a primeira modalidade da invenção;

a figura 8 é um perfil de temperatura para um micro-atuador de ejeção de fluido de acordo com a invenção;

a figura 9 é uma vista em seção transversal, não em escala, de uma parte de um cabeçote de ejeção de micro-fluido de acordo com uma segunda modalidade da invenção;

a figura 10 é uma vista plana, não em escala, de uma parte de um cabeçote de ejeção de micro-fluido de acordo com a segunda modalida- de da invenção;

a figura 11 é uma vista em perspectiva, não em escala, de um cartucho de fluido para um cabeçote de ejeção de micro-fluido de acordo com a invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES EXEMPLARES

De acordo com as modalidades descritas aqui, os cabeçotes de ejeção de micro-fluido, tendo consumo de energia aperfeiçoado e vida es- tendida, serão agora descritos.

Para propósitos desta descrição, os termos "pilha de aquece- dor", "pilha de ejetor" e "pilha de atuador" pretendem se referir a um atuador de ejeção tendo uma espessura de camada combinada de uma camada de material resistiva e camada de material de proteção ou passivação. A cama- da de material de proteção ou passivação é aplicada a uma superfície da camada de material resistivo para proteger o atuador de, por exemplo, efei- tos de corrosão ou erosão mecânica ou química de fluidos ejetados pelo dis- positivo de ejeção de micro-fluido.

A fim de apreciar mais completamente os benefícios das modali- dades exemplares, é feita referência à figura 1, que é uma vista em seção transversal, não em escala, de uma parte de um cabeçote de ejeção de mi- cro-fluido 10. A vista em seção transversal da figura 1 mostra um dos muitos micro-atuadores de ejeção de fluido 12 contido em um cabeçote de ejeção de micro-fluido. Os atuadores de ejeção 12 são formados em um substrato 14. O substrato 14 pode ser feito de uma ampla variedade de materiais inclu- indo plásticos, cerâmicas, vidro, silício, material semicondutor, e similar. No caso de um substrato de material semicondutor, uma camada de isolante térmico 16 é aplicada no substrato entre o substrato 14 e os atuadores de ejeção 12. Os atuadores de ejeção 12 podem ser formados de uma camada de material resistivo eletricamente 18, tal como TaAI1 Ta2N1 TaAI(O1N), Ta- AISi, TaSiC1 Ti(N,0), WSi(O1N)1 TaAIN, e TaAI/Ta. A espessura da camada de material resistivo 18 pode variar de cerca de 300 a cerca de 1000 Angstroms.

A camada de isolamento térmico 16 pode ser formada de uma camada fina de dióxido de silício e/ou vidro de silício-dopado sobrepondo o substrato relativamente espesso 14. A espessura total da camada de isola- mento térmico 16 pode variar de cerca de 1 a cerca de 3 mícrons de espes- sura. O substrato subjacente 14 pode ter uma espessura variando de cera de 0,2 a cerca de 0,8 milímetros de espessura.

Uma camada protetora 20 se sobrepõe a micro-atuadores de ejeção de fluido 12. A camada protetora 20 pode ser uma camada de mate- rial única ou uma combinação de várias camadas de material. Na ilustração na figura 1, a camada protetora 20 inclui uma primeira camada de passiva- ção 22, uma segunda camada de passivação 24, e uma camada de cavita- ção 26. A camada protetora 20 é eficaz em impedir o fluido ou outros conta- minantes de afetar adversamente a operação e propriedades elétricas dos atuadores de ejeção de fluido 12 e fornece proteção de abrasão mecânica ou choque a partir do colapso de bolha de fluido.

A primeira camada de passivação 22 pode ser formada de um material dielétrico, tal como nitrito de silício, ou carbono do tipo diamante silício-dopado (Si-DLC) tendo uma espessura variando de cerca de 1000 a cerca de 3200 Angstroms de espessura. A segunda camada de passivação 24 pode também ser formada de um material dielétrico, tal como carboneto de silício, nitreto de silício, ou carbono tipo diamante silício-dopado (Si-DLC) tendo uma espessura variando de cerca de 500 a cerca de 1500 Angstroms de espessura. A espessura combinada das primeira e segunda camadas de passivação 22 e 24 tipicamente varia de cerca de 1000 a cerca de 5000 Angstroms. A camada de cavitação 26 é tipicamente formada de tântalo ten- do uma espessura maior que cerca de 500 Angstroms de espessura. A ca- mada de cavitação 26 pode também ser feita de TaB, Ti, TiW, TiN1 WSi, ou qualquer outro material com uma capacitância térmica similar e dureza rela- tivamente alta. A espessura máxima da camada de cavitação 26 é tal que a espessura total da camada protetora 20 é menor que cerca de 7200 Angs- troms de espessura. A espessura total da camada protetora 20 é definida como uma distância de uma superfície de topo 28 da camada de material resistivo 18 para uma superfície mais externa 30 da camada protetora 20.

Uma espessura de pilha de ejetor 32 é definida como uma espessura com- binada de camadas 18 e 20.

O atuador de ejeção 12 é definido por depositar e gravar cama- da condutora de metal 34 na camada resistiva 18 para fornecer condutores de energia e aterrados 34A e 34B como ilustrado na figura 1. A camada condutora 34 é tipicamente selecionada de metais condutivos, incluindo mas não limitado a, Ouro, alumínio, prata, cobre, e similar e tem uma espessura variando de cerca de 4.000 a cerca de 15.000 Angstroms.

Sobrepondo os condutores de energia e aterrados 34A e 34B está outra camada isolante ou camada dielétrica 36 tipicamente composta de materiais de epóxi foto-resistentes, materiais de poliimida, nitreto de silí- cio, carboneto de silício, dióxido de silício, fibra de vidro texturizada (SOG), polímero laminado e similar. A camada isolante 36 tem uma espessura que varia de cerca de 5.000 a cerca de 2.0000 Angstroms e fornece isolamento entre uma segunda camada de metal e a camada condutora 34 e proteção de corrosão da camada condutora 34.

As camadas 14, 16, 18, 20, 34 e 36 fornecem um substrato se- micondutor 40 para uso no cabeçote de ejeção de micro-fluido 10. Uma pla- ca de bocal 42 está adjacente (por exemplo, fixada, como por adesivo 44 a) ao substrato semicondutor 40. Na modalidade da técnica anterior ilustrada na figura 1, a placa de bocal 42 contém bocais 46 que correspondem àque- les respectivos da pluralidade de atuadores de ejeção 12. Durante uma ope- ração de ejeção de fluido, fluido na câmara de fluido 48 é aquecido pelos atuadores de ejeção 12 a uma temperatura de nucleação de cerca de 325°C para formar uma bolha de fluido que expele fluido da câmara de fluido 48 através dos bocais 46. Um canal de suprimento de fluido 50 fornece fluido para a câmara de fluido 48.

Uma desvantagem do cabeçote de ejeção de micro-fluido 10 descrito acima é que a multiplicidade de camadas protetoras 20 dentro do cabeçote de ejeção de micro-fluido 10 aumenta a espessura de pilha de eje- ção 32, desse modo aumentando uma energia de lançamento de jato total exigida para ejetar uma gota de fluido através dos bocais 46.

Na ativação do atuador de ejeção 12, alguma energia termina quando se desperdiça energia térmica usada para aquecer a camada prote- tora 20 por meio de condução, enquanto o restante da energia é usado para aquecer o fluido adjacente à superfície 30 da camada de cavitação 26.

Quando a superfície 30 atinge um limite de superaquecimento de fluido, uma bolha de vapor é formada. Uma vez que a bolha de vapor é formada, o fluido é termicamente desconectado da superfície 30. Conseqüentemente, a bolha de vapor impede a transferência de energia térmica adicional para o fluido.

É a energia térmica transferida no fluido, antes da formação de bolha, que aciona a mudança de líquido-vapor de estado do fluido. Desde que a energia térmica deve passar através da camada protetora 20 antes de aquecer o fluido, a camada protetora 20 é também aquecida. Ela consome uma quantidade finita de energia para aquecer a camada protetora 20. A quantidade de energia exigida para aquecer a camada protetora 20 é dire- tamente proporcional à espessura da camada protetora 20 e a espessura da camada resistiva 18. Um exemplo ilustrativo da relação entre a espessura da camada protetora 20 e a espessura da camada resistiva 18. Um exemplo ilustrativo da relação entre a espessura da camada protetora 20 e a exigên- cia de energia de lançamento de jato para um tamanho específico de atua- dor de ejeção 12 é mostrado na figura 2.

A energia de lançamento de jato é relacionada com a força (for- ça sendo o produto de energia e freqüência de disparo dos micro-atuadores de ejeção de fluido 12). A subida de temperatura experimentada pelo subs- trato 40 está também relacionada com a força. O desempenho de lançamen- to de jato adequado e características de fluido, tal como qualidade de im- pressão no caso de um dispositivo de ejeção de tinta, são relacionas à subi- da de temperatura do substrato 40.

Para cabeçotes de ejeção de micro-fIuido descartáveis, a espes- sura da camada protetora 20 pode ser minimizada a fim de reduzir o consu- mo de energia. No entanto, para cabeçotes de ejeção de micro-fluido de vida mais longa, tal como cabeçotes de ejeção permanentes ou semipermanen- tes, aumentar a espessura da camada protetora 20 para estender a vida dos cabeçotes de ejeção pode afetar adversamente o consumo de energia dos cabeçotes de ejeção como descrito acima. Por exemplo, um cabeçote de ejeção descartável pode fornecer até cerca de 10 milhões de ciclos de eje- ção antes da falha do cabeçote de ejeção. No entanto, os cabeçotes de eje- ção de vida mais longa podem exigir até 1 bilhão de ciclos de ejeção ou mais antes da falha. Conseqüentemente, os métodos e aparelho para estender a vida dos cabeçotes de ejeção sem afetar adversamente as exigências de energia de ejeção podem ser fornecidos, tais como pelas seguintes modali- dades exemplares.

Como descrito acima, as distorções de expansão térmica e im- pactos de cavitação combinam para reduzir a vida de micro-atuadores de ejeção de fluido. Evidência dos efeitos destrutivos de cavitação e expansão térmica pode ser vista nas fotomicrografias de um micro-atuador de ejeção de fluido da técnica anterior ilustrado nas figuras 3 e 4. A figura 3 é uma vista plana de um micro-atuador de ejeção de fluido da técnica anterior 52 mos- trando um padrão de desgaste 54 adjacente a uma borda 56 distai do canal de suprimento de fluido 50 (figura 1). A figura 4 é uma vista em seção trans- versal de um cabeçote de ejeção de micro-fluido da técnica anterior 58 mos- trando o padrão de erosão adjacente à borda 56 do micro-atuador de ejeção de fluido 52.

Como mostrado mais claramente na figura 5, o micro-Atuador de ejeção de fluido 52 é um resistor de aquecedor alongado que tem um com- primento L maior que uma largura W. Tipicamente, o atuador 52 tem uma relação de comprimento com largura variando de cerca de 1,5:1 a cerca de 3:1. A área de aquecimento total do atuador 52 pode variar de cerca de 200 mícrons quadrados a cerca de 1200 mícrons quadrados. Um bocal 60 pode ser orientado para a borda distai 56 do micro- atuador de ejeção de fluido 52, tal como a fim de reduzir a captação de ar na câmara de fluido 48 (figura 1). No entanto, orientar o bocal 60 para a borda distai 56 aumenta o dano de cavitação e expansão térmica adjacente à bor- da distai 56 do micro-atuador de ejeção de fluido, como mostrado nas figuras 3 e 4.

Métodos e aparelho para reduzir ou eliminar dano de expansão térmica e cavitação para micro-atuadores de ejeção de fluido serão agora descritos com referência às figuras 6-9. A figura 6 é uma vista em seção transversal, não em escala, de um cabeçote de ejeção de micro-fluido 70 de acordo com uma primeira modalidade da invenção. Nesta modalidade, o ca- beçote de ejeção 70 inclui um elemento de dispositivo de fluxo 72 fixado, como por um adesivo 74, adjacente (por exemplo, a) a um substrato semi- condutor 76. O elemento de dispositivo de fluxo 72 tem uma espessura vari- ando de cerca de 5 a 65 mícrons, e pode ser feito de um polímero quimica- mente resistente tal como poliimida. Acessórios de fluxo, tais como uma câ- mara de fluido 78, canal de suprimento de fluido 80 e bocal 82, podem ser formados no elemento de dispositivo de fluxo 72 por técnicas convencionais, tal como ablação de laser. As modalidades descritas aqui não são limitadas pelo elemento de dispositivo de fluxo 72. Em uma modalidade alternativa, o elemento de dispositivo de fluxo pode compreender câmaras de fluido e ca- nal de suprimento de fluido em uma camada de película espessa na qual uma placa de bocal é fixada, ou os acessórios de fluxo podem ser formados em uma camada de película espessa e uma placa de bocal. A figura 9, des- crita abaixo, ilustra uma modalidade de um cabeçote de ejeção de micro- fluido 84 tendo uma camada de película espessa 86 e placa de bocal 88 fi- xada na camada de película espessa 86.

O substrato semicondutor 76 no qual o elemento de dispositivo de fluxo 72 é fixado inclui um substrato de suporte 90 feito de um material isolante ou semicondutor como descrito acima com referência à figura 1. No caso de um material semicondutor para o substrato 90, uma camada isolante 92 similar à camada 16 é aplicada no substrato 90. Uma camada resistiva 94 similar à camada resistiva 18, descrita acima, é aplicada na camada isolante 92. Igualmente, uma camada condutora 96 similar à camada condutora 34 é aplicada na camada resistiva 94 e é gravada para fornecer os condutores de energia e de solo 96A e 96B para ativar um micro-atuador de ejeção de flui- do 98 definido entre os condutores 96a e 96B.

Uma vantagem de pelo menos algumas das modalidades descri- tas é que um número e espessura de camadas protetoras para o micro- atuador de ejeção de fluido 98 podem ser reduzidos a fim de reduzir o con- sumo de energia sem afetar adversamente a vida dos micro-atuadores de ejeção de fluxo 98.

Diferente do cabeçote de ejeção 10 ilustrado na figura 1, o cabe- çote de ejeção 70 tem uma camada protetora única 100 e, opcionalmente, uma camada dé cavitação relativamente fina 102. A camada protetora 100 pode ser fornecida por um material selecionado do grupo que consiste em carbono do tipo diamante (DLC)1 carbono do tipo diamante silício-dopado (Si-DLC), titânio, tântalo, nitreto de silício e um metal oxidado. A espessura da camada protetora 100 pode variar de cerca de 400 a cerca de 3000 Angs- troms. Tal espessura da camada protetora 72 fornece uma pilha de atuador de ejeção 104 tendo uma espessura variando de cerca de 1200 a cerca de 6500 Angstroms. Quando usado, a camada de cavitação 102 pode ter uma espessura que varia de cerca de 500 a cerca de 3000 Angstroms.

A fim de, por exemplo, reduzir o dano causado por expansão térmica e cavitação adjacente a uma borda distai 106 do micro-atuador de ejeção de fluido 98, uma camada polimérica 108 tendo uma temperatura de degradação de menos que cerca de 400°C é aplicada nas camadas proteto- ras 100 e 102 e camada condutora 96 de modo que a camada polimérica se sobrepõe a uma parte do micro-atuador de ejeção de fluido 98 como mos- trado em vista plana na figura 7 adjacente à borda distai 106 do mesmo. De- vido à temperatura de degradação relativamente baixa da camada poliméri- ca 108, a parte sobreposta do atuador 98 deve ser menor que cerca de cinco mícrons. Tipicamente, a parte sobreposta do atuador 98 variará de cerca de um a cerca de quatro mícrons. Um perfil de temperatura para o micro-atuador de ejeção de flui- do 98 é mostrado pela Curva A na figura 8. Como mostrado na figura 8, o micro-atuador de ejeção de fluido 98 tem uma temperatura de cerca de 400°C em uma parte central do atuador enquanto, a borda 106 do atuador tem uma temperatura de cerca de 150°C. Em cerca de cinco mícrons da borda 106 do atuador 98, o ponto B na Curva A, a temperatura é cerca de 325°C que é a temperatura de nucleação indicada pela linha tracejada 110 para ejetar fluido do cabeçote de ejeção de micro-fluido 70. Conseqüente- mente, se menos que cinco mícrons do atuador 98 adjacente à borda 106 é sobreposto com a camada polimérica 108, a camada polimérica pode estar abaixo de sua temperatura de decomposição.

Uma camada polimérica adequada 108 tendo uma temperatura de degradação abaixo de cerca de 400°C é um material de epóxi de enca- deamento reticulado tal como descrito na Patente U.S. Ns 6.830.646 para Patil e outros, a descrição da qual é incorporado aqui por referência. A ca- mada polimérica 108, no caso de cabeçote de ejeção de micro-fluido 70, po- de ser aplicada como uma camada de planarização tendo uma média de espessura de cerca de um a cerca de 10 mícrons. Processos de revestimen- to de giro, pulverização, imersão, revestimento de rolo podem ser usados para aplicar a camada polimérica 108 na camada condutora 96 e camadas protetoras 100 e 102. Será apreciado que a parte sobreposta do atuador 98 pode ter uma espessura maior da camada polimérica 108 de modo que uma camada de planarização relativamente lisa pode ser obtida.

Com referências agora às figuras 9 e 10, modalidades alternati- vas da descrição serão agora descritas. Como descrito acima, o cabeçote de ejeção de micro-fluido 84 ilustrado nas figuras 9 e 10 inclui uma camada de película espessa 86 fornecendo o elemento de dispositivo de fluxo contendo uma câmara de fluido 120 e canal de suprimento de fluido 122. A camada de película espessa 86 pode também ser feita de um material de epóxi de en- cadeamento reticulado como descrito acima. No entanto, a camada de pelí- cula espessa 86 tem uma espessura que varia de cerca de 4 a cerca de 40 mícrons ou mais. Como com a camada polimérica 108, a camada de película espessa se sobrepõe a uma parte do micro-atuador de ejeção de fluido 98 como mostrado nas figuras 9 e 10. A parte sobreposta, adjacente à extremi- dade distai 106 pode também ser menor que cerca de cinco mícrons e pode variar de cerca de um a cerca de quatro mícrons.

A camada de película espessa 86 pode ser feita do mesmo ma- terial que a camada polimérica 108; em cujo caso pode não existir necessi- dade de uma camada polimérica separada 108 entre a camada de película espessa 86 e a camada condutora 96 e as camadas protetoras 100 e 102. A camada de película espessa 86 pode ser aplicada da mesma maneira que a camada polimérica 108 descrita acima. Cada uma da camada polimérica 108 e camada de película espessa 86 podem ser geradas em fotoimagens e re- veladas usando técnicas de geração de fotoimagens e de revelação conven- cionais para fornecer a sobreposição de menos que cinco mícrons do atua- dor 98. No caso da camada de película espessa 86, as técnicas de geração de fotoimagens e revelação podem também ser usadas para fornecer a câ- mara de fluido 120 e canal de suprimento de fluido 122 na mesma.

Depois de gerar imagens e revelar a camada de película espes- sa 86, uma placa de bocal 88 feita de um material de poliimida ou um mate- rial fotorresistente pode ser fixada na camada de película espessa 86. No caso de uma placa de bocal de poliimida 88, um bocal 124 para cada um dos atuadores pode ser removido a laser na placa de bocal 88. Se a placa de bocal 88 é feita de um material fotorresistente, as técnicas de geração de imagens e revelação podem ser usadas para fazer o bocal 124.

Em outra modalidade alternativa, ilustrada nas figuras 9 e 10, uma camada polimérica 126 se sobreporá uma borda proximal 128 do atua- dor 98 de modo que a borda distai 106 e a borda proximal 128 do atuador 98 são sobrepostas menos que cerca de cinco mícrons, tipicamente de cerca de um a cerca de quatro mícrons. A camada polimérica 126, como ilustrada nas figuras 9 e 10, pode igualmente ser aplicada para sobrepor a borda pro- ximal 128 do atuador ilustrado nas figuras 6 e 7. Na modalidade ilustrada nas figuras 9 e 10, a camada polimérica 126 pode ser a mesma que a ca- mada de película espessa 86 exceto que a espessura da camada polimérica 126 será reduzida no canal de suprimento de fluido 122 do cabeçote de eje- ção 84 gerando imagens e revelando a camada polimérica 126.

O cabeçote de ejeção de micro-fluido 70 ou 84 pode ser fixado de modo permanente ou removível em um cartucho de suprimento de fluido 128 como mostrado na figura 11. Como mostrado na figura 5, o cabeçote de ejeção 70 ou 84 pode ser fixado em uma parte de cabeçote de ejeção 130 do cartucho de fluido 128. Um corpo principal 132 do cartucho 128 inclui um reservatório de fluido para fornecimento de fluido no cabeçote de ejeção de micro-fluido 70 ou 84. Um circuito flexível ou circuito ligação automática de fita (TAB) 134,contendo contatos elétricos 136 para conexão com um dispo- sitivo de controle de cabeçote de ejeção, tal como uma impressora de jato de tinta, é fixado no corpo principal 132 do cartucho 128. O traçado elétrico 138 dos contatos elétricos 136 é fixado no substrato 76 (figuras 6 e 9) para fornecer ativação de micro-atuador de ejeção de fluido 98 à disposição do dispositivo de controle no qual o cartucho de fluido 128 é fixado. A descrição, no entanto, não é limitada aos cartuchos de fluido 128 como ilustrados na figura 11 na medida em que o cabeçote de ejeção de micro-fluido 70 ou 84 de acordo com a descrição pode ser usado para uma ampla variedade de cartuchos de fluido, em que o cabeçote de ejeção 70 ou 84 pode ser afasta- do do reservatório de fluido do corpo principal 128.

É considerado, e será evidente para aqueles versados na técni- ca a partir da descrição precedente e os desenhos anexos, que modifica- ções e mudanças podem ser feitas nas modalidades da descrição. Conse- qüentemente, é expressamente pretendido que a descrição precedente e os desenhos anexos são ilustrativos de modalidades exemplares somente, não se limitando às mesmas, e que o verdadeiro espírito e escopo da descrição presente sejam determinados por referência às reivindicações anexas.

Claims

1. Cabeçote de ejeção de micro-fluido, compreendendo: um substrato tendo uma pluralidade de atuadores de ejeção térmica dispostos no mesmo, cada um dos atuadores de ejeção térmica in- cluindo uma camada resistiva e uma camada protetora para proteger uma superfície da camada resistiva, a camada resistiva e a camada protetora jun- tas definindo uma espessura de pilha de atuador; um elemento dispositivo de fluxo adjacente ao substrato e defi- nindo um canal de alimentação de fluido, uma câmara de fluido associada com pelo menos um dos atuadores de ejeção térmicos e em comunicação de fluxo com o canal de alimentação de fluido e um bocal, em que o bocal é deslocado para um lado da câmara de fluido oposto ao canal de alimentação de fluido; e uma camada polimérica tendo uma temperatura de degradação de menos que cerca de 400°C se sobrepondo a uma parte do pelo menos um atuador de ejeção térmico, e posicionada menos que cerca de cinco mí- crons da pelo menos uma borda do pelo menos um atuador oposto ao canal de alimentação de fluido.

2. Cabeçote de ejeção de micro-fluido, de acordo com a reivindi- cação 1, em que a espessura de pilha de atuador varia de cerca de 1200 a cerca de 6500 Angstroms e fornece uma energia de ejeção por unidade de volume de cerca de 2 a cerca de 4 gigajoules por metro cúbico.

3. Cabeçote de ejeção de micro-fluido, de acordo com a reivindi- cação 1, em que a camada resistiva tem uma espessura que varia de cerca de 300 a cerca de 1000 Angstroms.

4. Cabeçote de ejeção de micro-fluido, de acordo com a reivindi- cação 1, em que cada um dos atuadores de ejeção térmica tem uma área de aquecimento de fluido variando de cerca de 200 mícrons quadrado a cerca de 1200 mícrons quadrado.

5. Cabeçote de ejeção de micro-fluido, de acordo com a reivindi- cação 1, em que a camada protetora tem uma espessura que varia de cerca de 900 a cerca de 5500 Angstroms.

6. Cabeçote de ejeção de micro-fluido, de acordo com a reivindi- cação 1, em que a camada resistiva compreende uma liga de tântalo- alumínio e a camada protetora compreende um material selecionado do gru- po que consiste em carbono tipo diamante, carbono do tipo diamante silício- dopado, nitreto de silício, titânio, tântalo, e uma camada de metal oxidada.

7. Cabeçote de ejeção de micro-fluido, de acordo com a reivindi- cação 6, em que a camada resistiva compreende um material selecionado do grupo que consiste em tântalo-alumínio (TaAI), nitreto de tântalo (TaN)1 nitreto de tântalo-alumínio (TaAI:N), e camadas compostas de tântalo e tân- talo-alumínio (Ta + TaAI).

8. Cabeçote de ejeção de micro-fluido, de acordo com a reivindi- cação 1, em que a camada polimérica compreende um material de epóxi de encadeamento reticulado.

9. Cabeçote de ejeção de micro-fluido, de acordo com a reivindi- cação 1, em que a camada polimérica se sobrepõe a uma borda do pelo menos um atuador em uma quantidade variando de cerca de 1 a cerca de 4 mícrons.

10. Cabeçote de ejeção de micro-fluido, de acordo com a reivin- dicação 1, em que a camada polimérica se sobrepõe a pelo menos um atua- dor de ejeção adjacente às bordas opostas do mesmo em uma quantidade variando de cerca de 1 a cerca de 4 mícrons.

11. Cabeçote de ejeção de micro-fluido, de acordo com a reivin- dicação 1, em que os atuadores são atuadores alongados tendo uma rela- ção de comprimento com largura variando de cerca de 1,5:1 a cerca de 5:1.

12. Método para estender uma vida de um atuador de ejeção térmica para um cabeçote de ejeção de micro-fluido compreendendo um substrato tendo uma pluralidade de atuadores de ejeção térmica e uma ca- mada protetora para os mesmos, depositada nos mesmos, e tendo um ele- mento de dispositivo de fluxo definindo um canal de alimentação de fluido, uma câmara de fluido associada com pelo menos um dos atuadores de eje- ção térmica e em comunicação de fluxo com o canal de alimentação de flui- do, e um bocal, em que bocal é deslocado para um lado da câmara de fluido distal do canal de alimentação de fluido, o método compreendendo: depositar uma camada polimérica tendo uma temperatura de degradação de menos que cerca de 400°C em relação de sobreposição com pelo menos uma parte do pelo menos um atuador de ejeção térmica, em que a camada polimérica se sobrepõe menos que cerca de cinco mícrons do pe- lo menos um atuador adjacente a uma borda da mesma a partir do canal de alimentação de fluido.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, em que o ele- mento de dispositivo de fluxo compreende uma camada de película espessa polimérica.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, em que o ato de depositar uma camada polimérica fornece a camada de película espessa polimérica.

15. Método, de acordo com a reivindicação 12, em que o ele- mento de dispositivo de fluxo compreende um elemento de poliimida unitário tendo canais de alimentação de fluido, câmaras de fluido e bocais.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, em que a cama- da polimérica compreende uma camada de planarização tendo uma espes- sura que varia de cerca de 1 a cerca de 6 mícrons.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, em que a cama- da de planarização compreende um material de epóxi de encadeamento re- ticulado.

18. Método, de acordo com a reivindicação 12, em que a cama- da polimérica é depositada de modo que a camada polimérica se sobrepõe a partes de borda opostas do pelo menos um atuador.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18, em que a cama- da polimérica é depositada no pelo menos um atuador de modo que as par- tes sobrepostas se estendem de cerca de 1 a cerca de 4 mícrons a partir das partes de borda opostas do mesmo.

20. Cabeçote de ejeção de micro-fluido feito pelo método como definido na reivindicação 12.