CN101346235A - 低能量、长使用寿命微流喷射装置 - Google Patents
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Abstract
微流喷头和延长微流喷头使用寿命的方法。一个这种的微流喷头包括具有多个热喷射致动器的基底。每个热喷射致动器具有电阻层和其上的保护层。流动特征元件邻近该基底并且限定流体流入通道、与该至少一个致动器结合并且与该流体流入通道流动连通的流体腔以及喷嘴。将该喷嘴偏置到该腔的与该流体通道相反的一侧。具有小于约400℃降解温度的聚合层与结合该流体腔的该至少一个致动器的一部分重叠，并且距离该至少一个致动器的与该流体流入通道相反的至少一边缘小于约5微米安置。
Description
技术领域
本公开涉及微流喷射装置，而在一个具体的实施例中涉及低能量、长使用寿命的喷射小液滴的装置。
背景技术
微流喷射装置根据用于喷射流体的机构来分类。两种主要类型的微流喷射装置包括热致动器和压电致动器。热致动器依靠将流体加热到核化温度(nucleation temperature)的能力，其中形成将流体经过喷嘴排出的气体泡沫。这种热致动器的使用寿命依赖于许多因素，包括但不局限于介质击穿、腐蚀、疲劳、电迁移、污染、热失配、静电放电、材料相容性、分层和潮湿，这里只列举了少数的一些。用在微流喷射装置中的加热电阻器可能会受到所有这些故障机理的影响。
例如，气穴压力足够有力击穿从混凝土坝到船螺旋桨的任何固体材料是众所周知的。在每个点火周期中，加热电阻器可能会受到类似的气穴冲击。当气体泡沫破灭时，产生103到104大气压的局部压力。这种气穴冲击可能会集中在加热电阻器的亚微点上数个十亿分之一秒的时间。在107到108的气穴冲击之后，加热电阻器可能会由于机械腐蚀而出故障。而且，因为加热电阻器需要极高的温度以保证均匀的气体泡沫核化，所以可能会产生由于热膨胀而导致的与由气体泡沫爆裂所强加的畸变能量具有相同大小量级的该加热器中的畸变能量。热膨胀和气穴冲击的结合可能会导致过早的加热器故障。
为了保护脆弱的加热电阻器膜，可将该膜密封以防止潮湿所致的腐蚀，但加热电阻器的表面直接暴露于流体。在该加热器的大部分临界区域中，由于缺陷、磨损、阶梯覆盖或分层而开放的较小表面可能会导致加热电阻器出现非常严重的故障。
因此，提供加热器迭层的外来电阻器膜和多重保护层用于提供足够有力抵挡如上所述的气穴和热膨胀损伤的加热电阻器。但是，因为输入能量是加热器迭层厚度的线性函数，所以加热器迭层的整个厚度应当被最小化。为了提供从动力消耗和产品生产能力观点来看具有竞争力的致动装置，加热器迭层不应被随意加厚以减弱气穴影响、克服阶梯覆盖问题、克服分层问题、减少静电放电等等。换句话说，通过薄膜电阻和保护层的超安全标准设计而改进的加热电阻器的可靠性可能会产生不具竞争力的产品。
微流喷头可分为永久性的、半永久性的或者一次性的。用在一次性微流喷头的加热电阻器上的保护膜仅需要保存到附着流体筒中的流体被用尽为止。流体筒的安装随带新微流喷头的安装。
对于永久性或半永久性的微流喷头，呈现出更困难的加热电阻器使用寿命问题。因而，需要在不牺牲喷射度量(metrics)和动力消耗的情况下改进加热电阻器使用寿命的方法和设备。
发明内容
关于上述内容，本公开示范性的实施例提供具有延长了的使用寿命和相对较低的能量消耗的微流喷头以及具有延长了的使用寿命和相对较低的能量消耗的微流喷头的制造方法。一个这种微流喷头包括基底，该基底具有置于其上的多个热喷射致动器。每个热喷射致动器包括电阻层和保护该电阻层表面的保护层。电阻层和保护层共同决定了致动器迭层的厚度。一流动特征元件邻近(例如，连接到)该基底并限定出流体流入通道、与至少一个热喷射致动器结合并与流体流入通道流体连通的流体腔以及喷嘴。喷嘴被偏置到流体腔的与流体流入通道相反的一侧。具有低于约400℃的降解温度的聚合物层与该至少一个热喷射致动器的一部分重叠，并且距离该至少一个致动器的与流体流入通道相反的至少一边缘小于约5微米安置。
在另一个实施例中提供延长微流喷头的热喷射致动器使用寿命的方法。一基底具有：多个热喷射致动器；布置于基底上的保护层；并且具有限定出流体流入通道、与至少一个热喷射致动器结合并与流体流入通道流体连通的流体腔以及喷嘴的流动特征元件。喷嘴被偏置到流体腔远离流体流入通道的一侧。该方法包括布置具有低于约400℃的降解温度的聚合物层，该聚合物层与该至少一个热喷射致动器的至少一部分重叠。该聚合物层与该至少一个致动器的重叠小于约5微米，并且邻近其远离流体流入通道的一边缘。
至少一些本公开的示范性实施例的优势在于当实质提高致动器的使用寿命时加热器能量不增加。至少一些本公开实施例的另一潜在优势是能够在不显著改变喷射流体所需能量的情况下改变喷射致动器的使用寿命。
附图说明
通过参照示范性实施例结合附图考虑时的详细描述，这些实施例的其它优势将会更明显，其中贯穿如下几副附图，相同的附图标记表示相同或相似的要素：
图1是现有技术微流喷头的未按比例的部分横截面视图；
图2是喷射能量随微流喷头保护层厚度变化的图示；
图3是其上具有气穴损害的现有技术微流喷射致动器的显微照片平面图；
图4是其上具有气穴损害的现有技术微流喷射致动器的显微照片横截面视图；
图5是现有技术微流喷头的未按比例的部分平面图；
图6是依照本公开第一实施例的微流喷头的未按比例的部分横截面视图；
图7是依照本公开第一实施例的微流喷头的未按比例的部分平面图；
图8是依照本公开的微流喷射致动器的温度曲线图；
图9是依照本公开第二实施例的微流喷头的未按比例的部分横截面视图；
图10是依照本公开第二实施例的微流喷头的未按比例的部分平面图；以及
图11是依照本公开的用于微流喷头的流体筒的未按比例的透视图。
具体实施方式
现在将依照在此描述的实施例，对具有改进的能量消耗和延长的使用寿命的微流喷头进行描述。
出于本公开的目的，术语“加热器迭层”、“喷射器迭层”和“致动器迭层”用于表示具有电阻材料层和钝化或保护材料层的复合层厚度的喷射致动器。将该钝化或保护材料层涂敷在该电阻材料层表面以保护致动器不受例如由微流喷射装置所喷射的流体的化学或机械腐蚀或侵蚀影响。
为了更全面地认识这些示范性实施例的益处，首先参考图1，这是现有技术微流喷头10的未按比例的部分横截面视图。图1的横截面视图示出许多包含在微流喷头上的微流喷射致动器12中的一个。喷射致动器12形成在基底14上。基底14可由广泛多样的材料制成，这些材料包括塑料、陶瓷、玻璃、硅、半导体材料及类似材料。在半导体材料基底的情形中，将热绝缘层16涂敷在基底上，位于基底14和喷射致动器12之间。喷射致动器12可由电阻材料层18形成，电阻材料例如是TaAl、Ta2N、TaAl(O，N)、TaAlSi、TaSiC、Ti(N，O)、WSi(O，N)、TaAlN和TaAl/Ta。电阻材料层18的厚度可在从约300到约1000埃的范围内。
热绝缘层16可由覆盖在相对较厚的基底14上的薄层的二氧化硅和/或掺杂硅玻璃形成。热绝缘层16的总厚度可在从约1微米到约3微米厚的范围内。下面的基底14可具有从约0.2毫米到约0.8毫米厚的厚度。
保护层20覆盖微流喷射致动器12。保护层12可以是单一材料层或者是几种材料层的组合。在图1的图示中，保护层20包括第一钝化层22、第二钝化层24和气穴层26。保护层20对于防止流体或其它污染物有害地影响流体喷射致动器12的运行和电特性以及提供对源自流体泡沫破灭的机械磨损或震动的保护是有效的。
第一钝化层22可由介电材料形成，例如具有从约1000埃到约3200埃厚的厚度的氮化硅或硅掺杂类金刚石(Si-DLC)。第二钝化层24也可由介电材料形成，例如具有从约500埃到约1500埃厚的厚度的碳化硅、氮化硅或硅掺杂类金刚石(Si-DLC)。第一和第二钝化层22和24的复合厚度典型地在约1000埃到约5000埃的范围内。
气穴层26典型地由具有大于约500埃厚的厚度的钽形成。气穴层26也可由TaB、Ti、TiW、TiN、WSi或任何其它具有相似热容和相对较高硬度的材料制成。气穴层26的最大厚度这样确定，即使得保护层20的总厚度小于约7200埃厚。保护层20的总厚度被定义为从电阻材料层18的顶表面28到保护层20的最外层表面30的距离。喷射器迭层厚度32被定义为层18和层20的复合厚度。
如图1所示，喷射致动器12通过在电阻层18上放置并蚀刻金属传导层34来限定，以提供动力和接地导体34A和34B。传导层34典型地从传导金属中选取并且具有从约4000埃到约15000埃的厚度，这些传导金属包括但不限于金、铝、银、铜和类似金属。
覆盖该动力和接地导体34A和34B的是另一绝缘层或介电层36，其典型地由环氧光阻材料、聚酰亚胺材料、氮化硅、碳化硅、二氧化硅、玻璃纤维(SOG)、复合聚合物及类似材料组成。绝缘层36具有从约5000埃到约20000埃的厚度并且提供第二金属层和传导层34之间的绝缘和传导层34的腐蚀保护。
层14、16、18、20、34和36构成用在微流喷头10中的半导体基底40。喷嘴板42邻接(例如借助粘合剂44连接到)半导体基底40。在图1所示的现有技术实施例中，喷嘴板42包含与多个喷射致动器12中的各个喷嘴致动器分别相应的喷嘴46。在流体喷射操作中，流体腔48中的流体被喷射致动器12加热到约325℃的核化温度以形成流体泡沫，该流体泡沫将流体从流体腔48经过喷嘴46排出。流体供应通道50提供流体到流体腔48。
上述微流喷头10的一个不利之处在于微流喷头10内的保护层20的多样性增加了喷射迭层厚度32，因而增加了经过喷嘴46喷射液滴所需的总喷射能量。
在喷射致动器12启动时，一些能量最终成为经过传导而加热保护层20的废热能量，而剩余的能量用于加热邻近气穴层26的表面30的流体。当表面30达到流体过热限制时，蒸汽泡沫形成。一旦该蒸汽泡沫形成，该流体则与表面30热隔断。因此，该蒸汽泡沫阻止更多的热能量传递到该流体。
驱使流体的液体-蒸汽状态改变的是在泡沫形成之前传入该流体的热能量。因为在加热流体前热能量必须经过保护层20，所以保护层20也被加热。它费去了有限数量的能量加热保护层20。加热保护层20所需的能量与保护层20的厚度及电阻层18的厚度成正比。图2示出保护层20的厚度和特定喷射致动器12的大小所需喷射能量之间关系的图解示例。
喷射能量与动力(动力是能量和微流喷射致动器12点火频率的乘积有关。基底40所经受的温度上升也与动力有关。适当的喷射性能和流体特性、例如喷墨装置情形中的打印质量与基底40的温度上升有关。
对于一次性微流喷头，保护层20的厚度可最小化，以便降低动力消耗。但是，对于较长使用寿命的微流喷头、例如永久性或半永久性喷头，增加保护层20的厚度以延长喷头的使用寿命会不利地影响上述喷头的动力消耗。例如，一次性喷头在喷头失效之前可提供达到约1千万次的喷射循环。但是，较长使用寿命的喷头可能需要在失效前达到十亿次或者更多次的喷射循环。因此，可提供在对喷射能量需求没有不利影响的情况下的延长喷头使用寿命的方法和设备，例如通过下述示范性实施例。
如上所述，热膨胀畸变和气穴冲击相结合减少了微流喷射致动器的使用寿命。在图3和4所示现有技术微流喷射致动器的显微照片中可以看到气穴和热膨胀的破坏性影响的迹象。图3是现有技术微流喷射致动器52的平面图，其显示出邻近远离流体供应通道50(图1)的边缘56的磨损图案54。图4是现有技术微流喷头58的横截面视图，其显示出邻近微流喷射致动器52的边缘56的腐蚀图案。
如图5中更清楚显示的，现有技术微流喷射致动器52是伸长的加热电阻器，具有大于宽度W的长度L。典型地，致动器52具有从约1.5∶1到约3∶1范围内的长宽比。致动器52的全部加热面积可在从约200平方微米到约1200平方微米的范围内。
喷嘴60可朝向微流喷射致动器52的远边缘56偏置，例如为了减少流体腔48(图1)中的空气滞留。但是，如图3和4所示，朝向远边缘56偏置喷嘴60增加了邻近微流喷射致动器远边缘56的气穴和热膨胀损害。
现在将参照图6-9描述减少或消除对微流喷射致动器的热膨胀和气穴损害的方法和设备。图6是依照本公开第一实施例的微流喷头70的未按比例的横截面视图。在该实施例中，喷头70包括比如借助粘合剂74邻接(例如，连接到)半导体基底76的流动特征元件72。流动特征元件72具有从约5微米到65微米范围内的厚度，并且能够由阻化学反应聚合物、例如聚酰亚胺制成。流动特征，例如流体腔78、流体供应通道80和喷嘴82，能够借助常规技术、例如激光烧蚀形成在流动特征元件72中。在此描述的实施例不受前述流动特征元件72的限制。在另一可选的实施例中，流动特征元件可包括流体腔和厚膜层中的流体供应通道，喷嘴板与该厚膜层连接，或者这些流动特征可形成在厚膜层和喷嘴板二者之中。下面描述的图9示出具有厚膜层86和与厚膜层86连接的喷嘴板88的微流喷头84的实施例。
如上面参照图1所描述的，流动特征元件72与之连接的半导体基底76包括支撑基底90，该支撑基底90由绝缘材料或半导体材料制成。在半导体材料用于基底90的情形中，与层16相似的绝缘层92施加在基底90上。与上述电阻层18相似的电阻层94施加在绝缘层92上。同样地，与传导层34相似的传导层96施加在电阻层94上并且被蚀刻以提供用于启动限定在导体96A和96B之间的微流喷射致动器98的动力和接地导体96A和96B。
至少一些公开实施例的优势在于可减少微流喷射致动器98的保护层的数量和厚度，以便在对微流喷射致动器98的使用寿命没有不利影响的情况下降低动力消耗。
与图1所示喷头10不同，喷头70具有单一保护层100和可选的相对较薄的气穴层102。保护层100可由从类金刚石(DLC)、硅掺杂类金刚石(Si-DLC)、钛、钽、氮化硅和金属氧化物所构成的组中选取的材料构成。保护层100的厚度可在从约400埃到约3000埃的范围内。这样一种保护层72厚度构成具有从约1200埃到约6500埃范围内的厚度的喷射致动器迭层104。在使用时，气穴层102可具有从约500埃到约3000埃范围内的厚度。
例如，为了降低由邻近微流喷射致动器98远边缘106的热膨胀和气穴导致的损害，将具有小于约400℃降解温度的聚合层108施加在保护层100和102以及传导层96上，从而该聚合层与微流喷射致动器98邻近其远边缘106的一部分重叠，如图7中的平面图所示。由于聚合层108相对较低的降解温度，致动器98的重叠部分应当小于约5微米。典型地，致动器98的重叠部分将在从约1到约4微米的范围内。
借助图8中的曲线A显示微流喷射致动器98的温度曲线。如图8所示，微流喷射致动器98具有约400℃的温度。然而，在该致动器的中心部分，致动器的边缘106具有约150℃的温度。在距离致动器98的边缘106约5微米的地方，曲线A上的点B处，温度大约是325℃。这是由虚线110表示的从微流喷头70喷射流体的核化温度。因此，如果邻近边缘106小于5微米的致动器98与聚合层108重叠，则该聚合层可低于其分解温度。
具有低于约400℃降解温度的合适的聚合层108是交联环氧材料，例如在Patil等人的美国专利US6,830,646中所描述的，其公开内容在此作为参照引入。在微流喷头70的情形中，聚合层108可用作具有从约1微米到约10微米平均厚度的平坦化层。旋涂、喷涂、浸渍或滚涂工艺可用于将聚合层108施加在传导层96及保护层100和102上。人们将会意识到致动器98的重叠部分可具有更大厚度的聚合层108，从而可获得相对光滑的平坦化层。
现在参照图9和10，对本公开的替代实施例进行描述。如前面所阐明的，图9和10所示的微流喷头84包括厚膜层86，该厚膜层86构成容纳有流体腔120和流体供应通道122的流动特征元件。厚膜层86也可由如前所述的交联环氧材料制成。但是，厚膜层86具有从约4微米到约40微米或更大的厚度。如图9和10所示，在具有聚合层108时，该厚膜层与微流喷射致动器98的一部分重叠。该邻近远边缘106的重叠部分也可小于约5微米并且可在从约1微米到约4微米的范围内。
厚膜层86可由与聚合层108相同的材料制成；在该情形中可不需要厚膜层86与传导层96及保护层100和102之间单独的聚合层108。厚膜层86可以与上述聚合层108相同的方式施加。可利用常规的成像和显影技术对聚合层108和厚膜层86中的每一个进行成像和显影，以提供小于5微米的致动器98重叠部分。在厚膜层86的情形中，成像和显影技术也可用于在其中构成流体腔120和流体供应通道122。
在对厚膜层86成像和显影后，可将由聚酰亚胺材料或光阻材料制成的喷嘴板88与厚膜层86连接。在聚酰亚胺喷嘴板88的情形中，可将每个致动器的喷嘴124激光烧蚀在喷嘴板88中。如果喷嘴板88由光阻材料制成，则可将成像和显影技术用于制造喷嘴124。
在图9和10所示另一可选实施例中，聚合层126可与致动器98的近边缘128重叠，以致致动器98的远边缘106和近边缘128均被重叠小于约5微米，典型地从约1到约4微米。如图9和10所示的聚合层126可同样用于与图6和7所示的致动器近边缘128重叠。在图9和10所示的实施例中，聚合层126可与厚膜层86相同，除了将通过对聚合层126进行成像和显影而在喷头84的流体供应通道122中减小聚合层126的厚度之外。
微流喷头70或84可与图11所示的流体供应筒128固定或可移除地连接。如图5所示，喷头70或84可与流体筒128的喷头部分130连接。筒128的主体132包括用于将流体供应到微流喷头70或84的流体储藏器。包含有电接点136的柔性线路或带式自动接合(TAB)线路134与筒128的主体132连接，电触头136用于连接喷头控制装置，例如喷墨打印机。来自电触头136的电伴热(electrical tracing)138与基底76(图6和9)连接以根据需要从流体筒128所连接的控制装置提供微流喷射致动器98的启动。但是，本公开不限于图11所示的流体筒128，正如依照本公开的微流喷头70或84可用于广泛多样的流体筒，其中喷头70或84可远离主体128的流体储藏器。
在本公开的实施例中可进行修改和变换，本领域技术人员从前面的描述和附图中能够考虑到这一点，并且对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，特别期望的是仅将前面的描述和附图作为说明性的示范实施例，而非限制于此，并且期望通过参照后附权利要求确定本公开的实际精神和范围。
Claims (20)
1.一种微流喷头，包括：
基底，该基底具有多个置于其上的热喷射致动器，每个热喷射致动器包括电阻层和保护该电阻层表面的保护层，该电阻层和保护层共同限定致动器迭层的厚度；
邻近该基底的流动特征元件，该流动特征元件限定流体流入通道、与至少一个热喷射致动器结合并与所述流体流入通道流体连通的流体腔以及喷嘴，其中将该喷嘴偏置到该流体腔的与该流体流入通道相反的一侧；以及
具有小于约400℃降解温度的聚合层，该聚合层与结合所述流体腔的至少一个热喷射致动器的一部分重叠，并且距离该至少一个致动器的与该流体流入通道相反的至少一边缘小于约5微米安置。
2.如权利要求1所述的微流喷头，其中该致动器迭层厚度在从约1200埃到约6500埃的范围内并且提供每单位体积的喷射能量为每立方米从约20亿焦耳到约40亿焦耳。
3.如权利要求1所述的微流喷头，其中所述电阻层具有从约300到约1000埃范围内的厚度。
4.如权利要求1所述的微流喷头，其中每个热喷射致动器具有从约200平方微米到约1200平方微米范围内的流体加热面积。
5.如权利要求1所述的微流喷头，其中所述保护层具有从约900埃到约5500埃范围内的厚度。
6.如权利要求1所述的微流喷头，其中所述电阻层包含钽-铝合金而所述保护层包含从由类金刚石、硅掺杂类金刚石、氮化硅、钛、钽和金属氧化物层构成的组中选取的材料。
7.如权利要求6所述的微流喷头，其中所述电阻层包含从由钽-铝(TaAl)、氮化钽(TaN)、氮化钽-铝(TaAl:N)和钽与钽-铝(Ta+TaAl)复合物层构成的组中选取的材料。
8.如权利要求1所述的微流喷头，其中所述聚合层包含交联环氧材料。
9.如权利要求1所述的微流喷头，其中所述聚合层与所述至少一个致动器的一边缘的重叠量在从约1微米到约4微米范围内。
10.如权利要求1所述的微流喷头，其中所述聚合层与所述至少一个喷射致动器邻近其相反一边缘的重叠量在从约1微米到约4微米范围内。
11.如权利要求1所述的微流喷头，其中所述致动器是伸长的致动器，具有从约1.5∶1到约5∶1范围内的长宽比。
12.一种延长微流喷头的热喷射致动器的使用寿命的方法，所述微流喷头包括基底，所述基底具有多个热喷射致动器和由此置于其上的保护层，并且具有流动特征元件，所述流动特征元件限定流体流入通道、与至少一个热喷射致动器结合并且与所述流体流入通道流体连通的流体腔以及喷嘴，其中将所述喷嘴偏置到所述流体腔远离所述流体流入通道的一侧，所述方法包括：
以与所述至少一个热喷射致动器的至少一部分重叠的关系布置具有小于约400℃降解温度的聚合层，其中所述聚合层与所述至少一个致动器的重叠小于约5微米，并且邻近所述至少一个致动器的远离所述流体流入通道的边缘。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述流动特征元件包含聚合厚膜层。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述布置聚合层的做法构成所述聚合厚膜层。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述流动特征元件包含具有流体流入通道、流体腔和喷嘴的整体的聚酰亚胺元件。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述聚合层包含具有在从约1微米到约6微米范围内的厚度的平坦化层。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述平坦化层包含交联环氧材料。
18.如权利要求12所述的方法，其中所述聚合层布置成使所述聚合层与所述至少一个致动器的相对的边缘部分重叠。
19.如权利要求18所述的方法，其中将所述聚合层布置在所述至少一个致动器上以致使重叠部分从其相对的边缘部分延伸约1微米到约4微米。
20.一种通过权利要求12的方法制造的微流喷头。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: FUNAI ELECTRIC CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: LEXMARK INTERNATIONAL, INC. Effective date: 20140103 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20140103 Address after: Osaka Japan Patentee after: Funai Electric Co.,Ltd. Address before: American Kentucky Patentee before: Lexmark International, Inc. |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110413 Termination date: 20211221 |