CN102152632B - 流体喷射器上的热氧化物涂层 - Google Patents

流体喷射器上的热氧化物涂层 Download PDF

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Abstract

一种流体喷射器，所述流体喷射器包括流路体、第一氧化物层、膜和第二氧化物层。所述流路体具有第一外表面和相反的第二外表面以及多个流路，每个流路至少从所述第一外表面延伸至所述第二外表面。第一氧化物层至少覆盖流路中的每一个的内表面和流路体的第一和第二外表面，并且具有沿{100}平面变化小于5％的厚度。膜具有第一外表面。第二氧化物层涂覆在膜的第一外表面上，并且具有沿{100}平面变化小于5％的厚度，并且使第二氧化物层与第一氧化物层结合。

Description

流体喷射器上的热氧化物涂层
技术领域
本公开内容主要涉及流体喷射器上的涂层。
背景技术
流体喷射器(例如，喷墨打印头)典型地具有多个限定流体流路的内表面、通过其喷射流体的孔、以及外表面。当流体穿过流体喷射器时，侵蚀性或碱性流体可能侵蚀流体喷射器的内表面和外表面，导致流体喷射器表面的劣化。不均匀的流体喷射器表面导致在喷射器阵列中流体喷射器之间的差异。这样的不均匀可能导致流体喷射中的不均匀和不精确。
发明内容
在一个方面，流体喷射器包括流路体、第一氧化物层、膜和第二氧化物层。流路体具有第一外表面的和相反的第二外表面以及多个流路，每个流路至少从所述第一外表面延伸至所述第二外表面。第一氧化物层至少覆盖所述流路中的每一个的内表面和所述流路体的第一和第二外表面，并且具有沿{100}平面变化小于5％的厚度。膜具有第一外表面。第二氧化物层涂覆在所述膜的第一外表面上并且具有沿{100}平面变化小于5％的厚度，并且将其与第一氧化物层结合。
这个实施方案以及其它实施方案可以任选地包括以下特征中的一个或多个。流体喷射器还可以包括喷嘴板，所述喷嘴板具有第一外表面和在所述喷嘴板的第一外表面上涂覆的第三氧化物层。所述第三氧化物层可以具有变化小于5％的厚度并且可以将其与所述第一氧化物层结合。第一和第二氧化物层的厚度可以在约0.1μm至5μm之间、比如小于约2μm。第一和第二氧化物层可以各自具有大于约2.0g/cm3，比如约2.2g/cm3的密度。流路体可以包含硅。膜可以包含单晶硅。第一和第二氧化物层可以包含氧化硅。第一和第二氧化物层可以各自具有变化小于3％的厚度。
在一个方面，形成流体喷射器的方法包括：在膜的至少一个表面上形成第一热氧化物层，在流路体的至少一个表面上形成第二热氧化物层，所述流路体具有多个流路，并且将所述第一热氧化物层与所述第二热氧化物层结合。
这个实施方案和其它实施方案可以任选地包括以下特征中的一个或多个。所述第一热氧化物层与所述第二热氧化物层结合可以包括形成氧化物-氧化物结合(oxide-to-oxide bond)。形成所述第二氧化物层可以包括沿每个流路的壁形成热氧化物层。所述第二氧化物层可以具有沿{100}平面变化小于5％的厚度。所述方法还可以包括在喷嘴板的至少一个表面上形成第三氧化物层，并且将所述第三氧化物层与第二氧化物层结合。所述结合可以在高于约1000℃的温度发生。所述温度可以在约1200℃至1300℃之间。形成的热氧化物层可以在0.1μm厚至5μm厚之间，比如小于约2μm厚。
某些实施方式可以具有以下优点中的一个或多个。利用热氧化法(thermal oxide process)来涂覆流路产生了致密氧化物层。所述致密氧化物层是惰性的并且比下面的硅层更耐碱性流体的侵蚀。此外，在将多个部件结合到一起之前，在膜、流路体和喷嘴板上分别形成热氧化物膜避免了不得不将整个流体喷射器在足以进行热氧化的温度加热。不将整个结合的流体喷射器氧化防止了可能由于氧化所必要的高温而导致的膜、流路体和喷嘴板的翘曲。减少翘曲允许更加一致且精确的流体液滴喷射。
在附图和以下说明中对一个或多个实施方案的细节进行描述。由说明书、附图和权利要求书，本发明的其它特征、目的和优点将变得明显。
附图说明
图1A是未涂覆的流体喷射器的实施方式的横截面视图.
图1B是具有氧化物涂层的图1的流体喷射器的实施方式的横截面视图。
图2A-2C举例说明了用于形成流体喷射器的示例性方法。
图3A-3D举例说明了另一个用于形成流体喷射器的示例性方法。
图4A-4D举例说明了另一个用于形成流体喷射器的示例性方法。
在每个附图中的相同参考符号表示相同的要素。
具体实施方式
在流体液滴喷射中，流体喷射器的劣化可能作为侵蚀性或碱性流体侵蚀流体喷射器表面的结果而产生。可以使用热氧化物保护暴露的表面。
用于流体液滴喷射的设备可以具有流体喷射组件，例如，四边形板型打印头组件，其可以为利用半导体加工技术制造的模具。流体喷射器也可以包括用于支撑打印头组件的外壳，连同其它部件比如用于接收来自外部处理器的数据并向打印头组件提供驱动信号的柔性电路(flex circuit)。
打印头组件包括其中形成了多个流体流路的基板。打印头组件还包括支撑在基板上的多个致动器，例如变换器，以使得流体从流路有选择地喷射。从而，具有其相关促动器的每个流路提供可分别控制的MEMS流体喷射器单元。
图1A是流体喷射组件100(例如，喷墨打印头的一个喷嘴)的未涂覆的流体喷射器单元的横截面视图。未涂覆的流体喷射器100包括流路体110，所述流路体110具有多个形成流路137(为清楚起见，在图1A仅显示一个流路137)的内表面。流体喷射器100还包括具有孔140的喷嘴板120，每个孔与流路137相连。在作为流路137的一部分的泵送室135上设置膜182。流路体110、膜182和喷嘴板120可以各自为具有均质组成的单件体，例如由硅组成，例如单晶硅，例如具有(100)取向。可以使膜182、流路体110和喷嘴板120形成为分开的部件并随后结合在一起以形成流体喷射器105。备选地，两个以上的部件可以由单连续材料制成。膜182、流路体110和喷嘴板120，连同如下讨论的任何在其上形成的氧化物层可以一起提供基板。
基板上支撑的致动器172将泵送室135中的流体(如，墨水，例如水基墨水)加压，并且流体流动通过下降部(descender)130并通过喷嘴层120中的孔140喷射。致动器172可以包括压电层176、下部电极178(例如，接地电极)和上部电极174(例如，驱动电极)。致动器172未显示在以下的图中，但是可以存在。流路137和致动器的其它构造可以备选地用于本文中描述的涂层和技术。
如图1B中所示，涂覆的流体喷射器105可以包含一个或多个氧化物层170，比如一个或多个氧化硅层。氧化物层170可以包括分别在膜182、流路体110和喷嘴板120上的氧化物层170a、170b和170c。氧化物层170a可以直接接触(例如覆盖)膜层182的与流路组件110较接近的第一外表面，并且可以任选地(如图1B中所示)覆盖膜层182的第二外表面，所述第二外表面与膜层182的第一外表面相反并距离流路组件110较远。氧化物层170b可以直接接触(例如覆盖)流路体110的第一外表面和流路137的壁，并且可以任选地(如图1B中所示)覆盖流路体110的第二外表面，所述第二外表面与流路体110的第一外表面相反。此外，氧化物层170c可以直接接触(例如覆盖)喷嘴层120的与流路组件110较接近的第一外表面，并且可以任选地(如图1B中所示)覆盖喷嘴层120的第二外表面，所述第二外表面与喷嘴层120的第一外表面相反，并距离流路组件110较远。当结合成流体喷射器105时，包括氧化物层170a、170b和170c的氧化物层170可以包括在膜182、流路体110和喷嘴板120之间延伸的以及沿流路137的壁延伸的部分。
可以使用氧化物-氧化物结合，将氧化物层170a在膜182和流体流路110之间的部分与氧化物层170b在膜182和流体流路110之间的部分结合。同样地，用氧化物-氧化物结合，将氧化物层170b在流体流路110和喷嘴板120之间的部分与氧化物层170c在流体流路110和喷嘴板120之间的部分结合。从而，可以在没有任何不同于氧化物层170a、170b、170c的插入层的条件下，将膜182、流路体110和喷嘴板120组装来提供基板。
包括氧化物层170a、170b、170c的氧化物层170可以是热氧化物层。氧化物层170的厚度可以在0.1μm至5μm厚之间，比如大于0.1μm并且小于2μm厚，例如0.4μm或1μm厚。氧化物层170a、170b和170c中的每一个都可以具有沿相同平面族(family of planes)中的表面，例如沿{100}平面的表面的均匀厚度。因而，氧化物层170a、170b和170c中的每一个沿一个平面族中的表面的厚度可以沿平面族以小于5％变化，比如在层的长度上变化小于3％，所述层的长度至少为20mm的距离，例如至少50mm。此外，氧化物层170的密度可以大于2.0g/cm3，如大于2.2g/cm3，例如2.6g/cm3。
图2A至2C显示用于形成涂覆的流体喷射器105的方法。参考图2A，形成流体喷射器105的方法以分开的，即，未结合的膜层182、流路体110和喷嘴板120开始。可以在流路体110中预蚀刻流路137。
参考图2B，利用热氧化将膜层182、流路体110和喷嘴板120各自分别用相应的氧化物层170a、170b和170c涂覆。可以使用湿热氧化法(wetthermal oxide process)来生长氧化物层170a、170b和170c，其中在将要涂覆的部件例如膜层182、流路体110或喷嘴板120上循环汽化的水。湿热氧化法可以在约800℃至1200℃之间的温度进行，比如1000℃至1100℃，例如1080℃。湿热氧化法可以历时1/2小时至5小时，比如2小时。热氧化物生长的速率以及因而得到的最终厚度，可以取决于暴露表面的取向。例如，对于(100)硅，在{111}平面上的生长速率比在{100}平面上快1.7倍。因此，在沿{100}平面的表面上形成的氧化物可以具有均匀的第一厚度，同时在沿{111}平面的表面上形成的氧化物可以具有均匀的第二厚度。由于生长的速率(并因此原子的密度)沿{111}平面较大，所以与{100}表面相比可能有更厚的热氧化物层沉积在{111}表面上。
参考图2C，将膜层182、流路体110和喷嘴板120随后结合在一起以形成氧化物-氧化物结合。氧化物-氧化物结合可以在高于约1000℃如在约1200℃至1300℃之间的温度发生。
在一些实施方案中，可以将非润湿涂层沉积在氧化物层上。
在一些实施方案中，如图3A中所示，喷嘴板120最初为氧化物上的硅(silicon-on-oxide，SOI)晶片200的硅层，所述晶片200包括氧化物层202和把手层(handle layer)204。在这样的实施方案中，可以将孔140蚀刻进入硅层120中，例如，使用氧化物层202作为蚀刻停止件。如图3B中所示，随后使用上述方法，在硅层120的暴露表面上，即在层120与氧化物层202相反的表面上形成氧化物层170c(不在硅层120的埋没表面上形成氧化物，所述埋没表面以后可以成为喷嘴板120的暴露表面)。任选地，可以同时在把手层204的暴露表面上形成氧化物层。如图3C中所示，将流路体110和喷嘴板120随后结合在一起以在氧化物层170b、170c之间形成氧化物-氧化物结合。结合后，如图3D中所示，可以随后通过例如研磨和/或蚀刻将把手层204以及任选地将氧化物层202移除。
类似地，在一些实施方案中，如图4A中所示，膜182最初为在氧化物上的硅(SOI)晶片210的硅层，所述晶片210包括氧化物层212和把手层214。如图4B所示，使用上述方法，在硅层182的暴露表面上，即在层182与氧化物层212相反的表面上形成氧化物层170a(不在硅层182的埋没表面上形成氧化物，所述埋没表面以后可以成为膜182的暴露表面)。任选地，可以同时在把手层214的暴露表面上形成氧化物层。如图4C中所示，将流路体110和膜182随后结合在一起以在氧化物层170a、170b之间形成氧化物-氧化物结合。结合后，如图4D中所示，可以随后通过研磨和/或蚀刻将把手层214以及任选地将氧化物层212移除。
通过采用热氧化以涂覆流路，致密的氧化物层形成连续的、无孔表面，所述表面是惰性的并且耐受侵蚀性流体比如碱性流体的蚀刻。此外，通过采用热氧化物而非化学气相沉积(CVD)氧化物，氧化物层可以具有更高的完整性、更高的均匀性、较少的缺陷，并且可以在不清洗或抛光的情况下结合在一起。最终，通过在将部件结合在一起前，分别地在膜、流路体和喷嘴板上形成热氧化物层，可以防止流体喷射器的翘曲，所述翘曲否则将作为不同材料之间变化的应力的结果而产生。
已经描述了具体的实施方案。其它实施方案也在后附权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一种流体喷射器，所述流体喷射器包括：
流路体，所述流路体具有第一外表面和相反的第二外表面以及多个流路，每个流路至少从所述第一外表面延伸至所述第二外表面；
第一氧化物层，所述第一氧化物层至少覆盖所述流路中的每一个的内表面和所述流路体的所述第一和第二外表面，其中所述氧化物层具有沿{100}平面变化小于5％的厚度；
具有第一外表面的膜；和
第二氧化物层，所述第二氧化物层涂覆在所述膜的所述第一外表面上，其中所述第二氧化物层具有沿{100}平面变化小于5％的厚度，并且其中使所述第二氧化物层与所述第一氧化物层结合。
2.根据权利要求1所述的流体喷射器，其还包括喷嘴板，所述喷嘴板具有第一外表面和在所述喷嘴板的所述第一外表面上涂覆的第三氧化物层，其中所述第三氧化物层具有变化小于5％的厚度，并且其中使所述第三氧化物层与所述第一氧化物层结合。
3.根据权利要求1所述的流体喷射器，其中所述第一和第二氧化物层具有在0.1μm至5μm之间的厚度。
4.根据权利要求3所述的流体喷射器，其中所述厚度小于2μm。
5.根据权利要求1所述的流体喷射器，其中所述第一和第二氧化物层各自具有大于2.0g/cm3的密度。
6.根据权利要求5所述的流体喷射器，其中所述第一和第二氧化物层各自具有大于2.2g/cm3的密度。
7.根据权利要求1所述的流体喷射器，其中所述流路体包含硅。
8.根据权利要求1所述的流体喷射器，其中所述膜包含单晶硅。
9.根据权利要求1所述的流体喷射器，其中所述第一和第二氧化物层包含氧化硅。
10.根据权利要求1所述的流体喷射器，其中所述第一和第二氧化物层各自具有变化小于3％的厚度。
11.一种形成流体喷射器的方法，所述方法包括：
在膜的至少一个表面上形成第一热氧化物层；
在流路体的至少一个表面上形成第二热氧化物层，所述流路体包括多个流路；以及
将所述第一热氧化物层与所述第二热氧化物层结合。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述的将所述第一热氧化物层与所述第二热氧化物层结合包括形成氧化物-氧化物结合。
13.根据权利要求11所述的方法，其中形成所述第二热氧化物层包括沿每个流路的壁形成热氧化物层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二热氧化物层具有沿{100}平面变化小于5％的厚度。
15.根据权利要求14所述的方法，其还包括在喷嘴板的至少一个表面上形成第三氧化物层，并且使所述第三氧化物层与所述第二热氧化物层结合。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述结合在高于1000℃的温度发生。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述温度在1200℃至1300℃之间。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所形成的热氧化物层都在0.1μm至5μm厚之间。
19.根据权利要求18所述的方法，其中形成的热氧化物层小于2μm厚。
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