CN102180015A - 制备具有带纹理的超疏油表面的喷墨打印头正面的工艺 - Google Patents

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Abstract

一种制备具有带纹理的超疏油表面的喷墨打印头正面或喷嘴板的工艺包括：提供硅衬底；使用光刻以在该硅衬底上产生带纹理的图案；可选地，通过在其上设置共形疏油涂层而改性该带纹理的硅表面；以及由该带纹理的疏油硅材料形成喷墨打印头正面或喷嘴板，从而提供具有带纹理的超疏油表面的喷墨打印头正面或喷嘴板。

Description

制备具有带纹理的超疏油表面的喷墨打印头正面的工艺
技术领域
这里公开的是一种制备具有带纹理的超疏油表面的喷墨打印头正面或喷嘴板的工艺，该工艺包括提供硅衬底；使用光刻以在该硅中产生带纹理的图案，其中该带纹理的图案包括柱体阵列、凹槽图案、其他带纹理的图案或其组合，其使得该表面超疏油；以及可选地改性该带纹理的表面，如通过在其上设置氟硅烷涂层；从而提供具有带纹理的超疏油表面的喷墨打印头正面或喷嘴板。在具体的实施方式中，该柔性、超疏油装置可用作基于液滴喷射器打印头的微机电系统(MEMSJet)的正面或喷嘴板表面。
背景技术
流体油墨喷射系统通常包括一个或多个具有多个油墨喷头的打印头，流体滴从该喷头喷到记录介质。打印头的油墨喷头从该打印头中的油墨供应室或歧管接收油墨，该室或歧管从源接收油墨，如熔化的油墨储存罐或墨盒。每个油墨喷头包括一端与油墨供应歧管流体连通的油墨通道。油墨通道的另一端具有孔口或喷嘴用以喷射油墨滴。该油墨喷头的喷嘴可形成在孔径或喷嘴板中，该喷嘴板具有与该油墨喷头的喷嘴对应的开口。运行中，喷墨信号激活油墨喷头中的驱动器以将流体滴从油墨喷头喷嘴排到记录介质上。通过有选择地激活油墨喷头的驱动器以随着记录介质和/或打印头组件相对彼此运动而喷射墨滴，所沉积的墨滴可精确地图案化以在记录 介质上形成特定的文本和图像。MEMSJet墨滴喷射器由油墨室下方的空气室组成，中间具有柔性隔膜。在空气室内的电极上施加电压，吸引接地的柔性隔膜向下，增加油墨室的容积并因此降低其压强。这使得油墨从油墨储存罐流进油墨室。然后将该电极接地，并且隔膜的恢复力将其向上推，在油墨腔室中产生压强峰值，从喷嘴喷射墨滴。全宽度阵列打印头的例子在美国专利公开20090046125中描述。可在这样的打印头中喷射的可紫外固化凝胶墨的例子在美国专利公开20070123606中描述。可在这样的打印头中喷射的固体油墨的例子是Xerox ColorQubeTM青色固体油墨。美国专利5,867,189描述一种喷墨打印头，包括油墨喷射部件，其在打印头的出口侧上结合电抛光油墨接触或孔表面。
流体油墨喷射系统所面对的一个困难是油墨在打印头正面上的浸湿、流淌和溢出。这种对打印头正面的污染会导致或促使油墨喷头喷嘴和通道的堵塞，这种堵塞单独或者与浸湿的、受到污染的正面结合会导致或促使在记录介质上未喷射或者丢失液滴、尺寸较小的或别的方式导致尺寸错误的液滴、拖墨或方向错误的液滴，并因此导致降低的打印质量。当前的打印头正面涂层通常涂有疏水涂层，例如，溅射聚四氟乙烯涂层。然而，作为一种有机物质，油墨的行为不同于水，并且可以证明该正面表面具有亲油墨特性。当打印头倾斜时，在大约75℃温度的UV凝胶墨和在大约105℃温度的固体油墨不会轻易地在该打印头正面表面上滑动。而是，这些油墨沿该打印头正面流动并在该打印头上留下油墨薄膜或残留物，这会干扰喷射。由于这个原因，UV和固体油墨打印头的正面有被UV和固体油墨污染的倾向。在有些情况下，被污染的打印头可利用维护单元恢复或清洁。然而，这样的方法增加系统复杂性、硬件成本，有时还会有可靠性问题。进而，该正面涂层有时会在耐受油墨的化学物质方面有些麻烦，并且维护刮片的重复刮刷往往清除掉过多的涂层，导致在喷嘴板表面上更严重的油墨浸湿和流动而留下残留物。 另外，由一系列子单元组成的全宽度阵列打印头必须封装填充这些单元之间的裂缝，以避免这些子单元的边缘损伤刮片。这会使得打印头重新工作非常困难，因为，必须去除该封，然后在新的子单元插入后再应用该封装。
所以仍存在对这样的喷墨打印头和制备该喷墨打印头的方法的需求，其中该正面或喷嘴板表现出单独的超疏油特性或者结合超疏水特性。进而，尽管目前可得到的用于喷墨打印头正面的涂层适于它们所计划的目的，但是仍存在对改进的打印头正面设计的需求，其减少或消除在打印头正面上方的UV或固体油墨浸湿、流淌、溢出或污染。进而，仍存在对改进的打印头正面设计的需求，其是厌油墨的(即疏油)并且稳定以经受维护过程，如对打印头正面的刮刷。进而，仍存在对改进的打印头正面设计的需求，其是超疏油并且在多个实施方式中既超疏油又超疏水。进而，仍存在对改进的打印头的需求，其容易清洁或者是自清洁的，由此消除硬件复杂度，如对维护单元的需求，降低运行成本和提高系统可靠性。
发明内容
所描述的是一种制备具有带纹理的超疏油表面的喷墨打印头正面或喷嘴板的工艺，包括提供硅衬底；使用光刻以在该硅衬底中产生带纹理的图案；可选地，改性该带纹理的硅表面以提供带纹理的疏油硅材料；以及由该带纹理的疏油硅材料形成喷墨打印头正面或喷嘴板从而提供具有带纹理的超疏油表面的喷墨打印头正面或喷嘴板。在多个实施方式中，改性该带纹理的硅表面包括在其上设置共形疏油涂层。在多个不同的实施方式中，该带纹理的图案包括柱体阵列，凹槽图案，柱体阵列或凹槽图案包括波状侧壁、凹进外伸结构或其组合。在进一步的实施方式中，该带纹理的表面包括适于以所选流动图案引导液体流的构造。
还描述的是一种具有带纹理的超疏油表面的喷墨打印头正面或喷嘴板，该正面包括硅衬底，其中该硅衬底包括带纹理的图案；以及可选地，设在该带纹理的硅表面的共形疏油涂层。
进一步描述的是一种具有包括正面的打印头的喷墨打印机，该正面包括硅衬底，其中该硅衬底包括带纹理的图案；以及可选地，设在该带纹理的硅表面的共形疏油涂层。
附图说明
图1是说明工艺方案的流程，用以产生喷孔、制备具有波状侧壁的带纹理的表面(左侧分支)以及制备具有外伸凹进结构的带纹理的表面(右侧分支)。
图2是说明工艺方案的流程，用以制备硅衬底上氟化的、带纹理的表面，其中该带纹理的表面包括按照本公开的具有波状侧壁的柱体阵列。
图3是说明工艺方案的流程，用以制备硅衬底上氟化的、带纹理的表面，其中该带纹理的表面包括按照本公开的具有外伸结构的柱体阵列。
图4是凹进基座结构的图解，示出液体/空气界面的行为。
图5是涂覆氟硅烷的带纹理的表面的显微照片，包括具有波状侧壁桩的柱体阵列结构并示出水和十六烷与该表面的静态接触角。
图6是图5的波状侧壁桩一部分的放大图。
图7是涂覆氟硅烷的带纹理的硅表面的显微照片，包括具有由第二材料(氧化硅)形成的外伸凹进结构的柱体阵列结构，并示出水和十六烷与该硅表面的静态接触角。
图8是图7的外伸凹进结构的一部分的放大图。
图9是具有3微米柱体高度的柱体阵列结构的显微照片。
图10是具有1.1微米柱体高度的柱体阵列结构的显微照片。
图11是涂覆氟硅烷的带纹理的表面的显微照片，包括具有带纹理的(波状)侧壁的凹槽结构。
图12是图11的表面的变换视图。
图13是熔融的滑动墨滴与Xerox 4200多功能纸张，以及平滑的聚四氟乙烯表面(上图)和按照本公开的带纹理的疏油表面(下图)的相互作用的模拟视图。
具体实施方式
所描述的是制备具有带纹理的高度疏油或超疏油表面的喷墨打印头正面或喷嘴板的工艺，包括：提供硅衬底；使用光刻以在该硅衬底上产生带纹理的图案，在多个实施方式中，该带纹理的图案包括柱体阵列；可选地，通过在其上设置共形、疏油涂层改性该带纹理的表面；从而提供带纹理的疏油硅；以及由该带纹理的疏油硅形成喷墨打印头正面或喷嘴板。在多个实施方式中，该带纹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。
这里使用的高度疏油可描述为基于碳氢化合物的液滴(例如，油墨)与表面形成高接触角(如接触角为130°至175°或135°至170°)。 超疏油可描述为基于碳氢化合物的液滴(例如，油墨)与表面形成高接触角(如接触角大于150°，或150°至175°，或150°至160°)。
超疏油也可描述为基于碳氢化合物的液滴(例如，十六烷)与表面形成的滑动角为1°至小于30°，或1°至25°，或滑动角小于25°，或滑动角小于15°，或滑动角小于10°。
高度疏水可描述为水滴与表面形成高接触角，如接触角为130°至180°。超疏水可描述为水滴与表面形成高接触角，如接触角大于150°，或150°至180°。
超疏水可描述为水滴与表面形成滑动角，如滑动角为1°至30°，或1°至25°，或滑动角小于15°，或滑动角小于10°。
这里用于形成喷墨打印头正面或喷嘴板的具有超疏油表面的硅材料可通过任何合适的方法制备。转到图1，一个工艺流程描述本工艺10的实施方式，其中左边分支描述制备包括具有波状侧壁的柱体阵列的带纹理的硅表面的工艺，而该右边分支描述制备包括在柱体的最上部具有外伸凹进结构的柱体阵列的带纹理的硅表面的工艺。硅衬底12(在所选的实施方式中是硅)上设置有材料14，材料14可被选择性蚀刻而不会损害该硅衬底12。在多个实施方式中，可沉积第二材料16(其可被选择性蚀刻而不损害该硅衬底12或该第一材料14)，并且使用已知的光刻方法蚀刻该第二材料以在该硅衬底中产生喷孔。可使用已知的光刻方法蚀刻所希望的图案，以制备具有柱体或凹槽阵列18的带纹理的硅衬底(左边分支)，或制备具有带有外伸凹进结构20的柱体或凹槽阵列18的带纹理的硅表面(右边分支)。
转到图2，说明本工艺200的另一实施方式的工艺流程，借此可通过使用硅衬底204来制备具有超疏油表面的喷墨打印头正面或喷嘴板。
包括柱体阵列的带纹理的图案可提供在该硅衬底上。该柱体阵列可限定为具有带纹理的或波状垂直侧壁或其组合的柱体阵列，该侧壁具有限定在该柱体顶部的外伸凹进结构。这里使用的带纹理的或波状侧壁可意味着侧壁上可在亚微米的范围上观察到的粗糙度。该波状侧壁可具有250纳米波状结构，每个波对应下面所述的蚀刻循环。
包括柱体阵列的带纹理的图案可使用光刻技术在硅衬底上产生。可按照已知的光刻方法制备和清洁硅衬底204。然后可施加光刻胶206，如将光刻胶材料206旋涂或狭缝式涂布在硅衬底204上。可选择任何合适的光刻胶。光刻胶可以是MegaTMPositTMSPRTM 700光刻胶。
然后可以曝光和显影光刻胶206，通常通过曝光于紫外光和暴露于有机显影剂，如含氢氧化钠的显影剂或无金属离子的显影剂，如四甲基氨氢氧化物。
包括柱体阵列208的带纹理的图案可利用本领域任何已知的合适方法来蚀刻。通常，蚀刻可包括使用液体或等离子化学制剂以去除不被掩模206保护的硅层。可采用深反应性离子蚀刻技术以在该硅衬底204中产生柱体阵列208。
在蚀刻工艺之后，可利用任何合适的方法去除光刻胶，如通过使用液体抗蚀剂剥离剂或含等离子氧气。该光刻胶可使用O2等离子处理来剥除，如GaSonicsAura1000灰化系统。灰化之后，可清洁该衬底，如利用热食人鱼(hot piranha)清洁工艺。
在硅衬底上建立表面纹理之后，可以改性该表面纹理，如化学改性。化学改性该硅衬底可包括任何合适的对该衬底的化学处理，如提供或增强该带纹理的表面的疏油品质。共形氟硅烷涂层210可设在该柱体表面208上。在多个实施方式中，化学改性该带纹理的衬底表面包括在该带纹理的硅表面上设置由全氟化的烷基链组成的自组装层。许多技术(如分子气相沉积或溶液涂覆)可用来在该带纹理的硅表面上沉积该由全氟化的烷基链组成的自组装层。在多个实施方式中，化学改性该带纹理的硅衬底包括通过分子气相沉积、化学气相沉积或溶液自组装而将氟硅烷涂层共形地自组装在该带纹理的硅表面上的化学改性。在具体实施方式中，化学改性该带纹理的硅衬底包括设置由十三氟-1，1，2，2-四氢辛基三氯硅烷(正式称作氟代-辛基-三氯-硅烷或FOTS)，十三氟-1，1，2，2-四氢辛基三甲氧基硅烷，十三氟-1，1，2，2-四氢辛基三乙氧基硅烷，十七氟-1，1，2，2-四氢辛基三氯硅烷，十七氟-1，1，2，2-四氢辛基三甲氧基硅烷，十七氟-1，1，2，2-四氢辛基三乙氧基硅烷，或其组合等组装形成的层，使用该分子气相沉积技术或该溶液涂覆技术。或者，该带纹理的硅衬底可通过在其上设置涂层或材料(如聚四氟乙烯)来改性。
在具体实施方式中，包括脉冲化或时分复用蚀刻的Bosch深反应性离子蚀刻工艺用来建立该带纹理的硅表面。Bosch工艺包括使用多个蚀刻循环，在一个循环内具有三个单独步骤以建立垂直蚀刻，包括：1)沉积保护性钝化层，2)蚀刻1，蚀刻循环以在期望的地方的去除该钝化层，如谷底，和3)蚀刻2，蚀刻循环以各向同性蚀刻硅。每个步骤持续几秒钟。该钝化层利用C4F8(类似于Teflon
Figure BSA00000411816500081
)产生并保护整个衬底不会被进一步化学制剂攻击且防止进一步蚀刻。然而，在蚀刻1阶段，轰击该衬底的定向离子攻击在谷底的该钝化层(但沿柱体侧壁不明显)。离子与该钝化层碰撞并将其溅射掉，在蚀刻2过程中在衬底上的谷底暴露于化学蚀刻剂。蚀刻2用作短时间的各向同性蚀刻硅(例如，从大约5至大约10秒)。 更短的蚀刻2步骤给出较小的波周期(5秒导致大约250纳米)而较长的蚀刻2产生较长的波周期(10秒导致大约880纳米)。这个蚀刻循环可重复直到获得所需的柱体高度。在这个过程中，可建立具有带纹理的或波状侧壁的柱体，其中每个波对应一个蚀刻循环。
周期性的“波”结构的尺寸可是任何合适的尺寸。在多个实施方式中，该波状侧壁的每个“波”的尺寸是100至1000纳米，或250纳米。
本工艺的实施方式包括在硅衬底上建立带纹理的表面，其包括具有外伸凹进结构的柱体阵列。该工艺可包括类似使用两种氟蚀刻工艺(CH3F/O2和SF6/O2)的组合的工艺。参照图3，该工艺可包括提供硅衬底300。硅衬底300可具有设在其上的薄氧化硅层302，如通过等离子增强化学气相沉积或低压化学气相沉积。将光刻胶材料304施加到清洁后的氧化硅层302。该工艺进而包括曝光和显影该光刻胶材料304，如使用SPRTM 700-1.2光刻胶的5∶1光刻，使用基于氟的反应性离子蚀刻(CH3F/O2)以使用第二基于氟的(SF6/O2)反应性离子蚀刻工艺在该氧化硅层302中限定带纹理的图案，然后是热剥除和食人鱼清洁以建立具有外伸凹进结构310的带纹理的柱体308。二氟化氙各向同性蚀刻工艺可用来增强带纹理的柱体308上外伸的程度(图3中未示)。XeF2气相蚀刻表现出接近无穷大的硅对二氧化硅选择比，二氧化硅是帽材料。该图案化阵列然后可涂覆共形疏油涂层312以提供包括柱体具有外伸凹进结构310的带纹理的图案的超疏油硅。
该工艺进而包括由带纹理的疏油硅形成喷墨打印头正面或喷嘴板，以便提供具有带纹理的超疏油表面的硅喷墨打印头正面或喷嘴板。
通常使用两个状态来描述在粗糙表面上的液滴之间的复合液体-固体分界面：Cassie-Baxter态和Wenzel态。Cassie-Baxter态(θCB)和Wenzel态(θW)下的液滴的静态接触角分别由方程(1)和(2)给出。
cosθCB＝Rffcosθγ+f-1        (1)
cosθW＝rcosθγ               (2)
其中f是喷射的湿区域的面积分数，Rf是湿区域上的粗糙度比而Rff是固体面积分数，r是粗糙度比，θγ是具液滴与平坦表面的接触角。
在Cassie-Baxter态，该液滴首先以非常大接触角(θCB)“坐”在空气上。按照该方程，如果液体和表面具有高疏水度，例如，当θγ≥90°，液滴将会处于Cassie-Baxter态。
在这里的多个实施方式中，为该带纹理的表面提供两种通常的几何图案，其每个说明两种类型的具有外伸凹进结构的基于几何图案的(相对于基于表面涂层)疏墨表面之一。该凹进结构将油墨保持在Cassie态，这意味着油墨以显著减小的接触面积位于由空气和固体组成的复合表面上(未浸湿状态：液体没有填充粗糙表面上的谷部/凹槽，由高接触角、低接触角滞后和低滑动角表征)。该凹进结构提供这样的表面粗糙度，其防止最初的亲油墨表面引导油墨进入该Wenzel态(浸湿态：液体充满该粗糙表面上的凹槽，并且该液滴被钉住，由高接触角、高接触角滞后和高滑动角或被钉住来表征)。尽管对于Wenzel和Cassie态两者接触角都显著增加，但是更加希望出现Cassie态，因为油墨和带纹理的表面之间的低滑动角和低粘性。
该Cassie-Baxter方程对于固体面积分数(“f”)值为0.2的意思是探测液体只触及固体表面积的20％。该粗糙度(正弦曲线、方波等)的确切性质不是关键的，因为关键是浸湿的固体面积，但是该凹进结构将油墨保持在Cassie态。所以，例如，如果表面涂层用来实现108°接触角(水)，假设固体面积分数是20％，那么这个带纹理的涂层(粗糙)将接触角增加到大约150°。进而，当同样的表面涂层对十六烷或油墨的接触角是73°时，假设固体面积分数为20％，则这个带纹理的涂层(粗糙)将接触角增加到大约138°。
图4说明在波状侧壁结构(在顶波上形成凹进外伸结构)的情况下，液体/空气与液体的界面的行为。该带纹理的、粗糙表面包括柱体(或桩或脊部或凹槽)，该柱体具有凹进外伸结构，该结构带有利用简单DRIE蚀刻工艺建立的波状侧壁桩。第一对波用作能量阻挡以防止液体浸湿该柱体。由该第一对波形成的该凹进外伸结构用作与该液体相互作用的帽，如图4所述，并且这对应Cassie态/模型。在Cassie态中，液滴最终停留在外伸结构(或帽)的顶部上，因为对于液体/空气界面，为了在外伸结构顺流而下，该表面必须极大变形，这需要比毛细管力大得多的力。
在这里的多个实施方式中，这里具有带纹理的表面的硅喷嘴板是超疏水的，具有大于150°电非常高的水接触角和小于或等于10°的非常低的滑动角。
参照基于碳氢化合物的液体(例如，油墨，如十六烷)包括具有形成在柱体顶部表面上的外伸凹进结构的柱体阵列的该带纹理的硅表面使得该表面足够“疏油”(即，θγ＝73°)，从而导致十六烷滴在带有纹理的、疏油表面的液体-固体分界面形成Cassie-Baxter态。在这里的多个实施方式中，表面纹理和化学改性的组合，例如设在该带纹理的硅上的FOTS涂层，使得该带纹理的硅表面变成超疏油。在平的表面上，该疏油涂层意味着该涂层具有大于100°的水 接触角和大于50°的十六烷接触角。在这里的多个实施方式中，疏油意思是θγ＝73°。
图5提供涂覆氟硅烷的带纹理的硅表面的显微照片，该表面包括具有带纹理的(波状)侧壁的柱体阵列结构，以及一对示出该涂覆氟硅烷的带纹理的硅表面上水和十六烷静态接触角的照片。该波状侧壁FOTS涂覆表面与水和十六烷的接触角分别是156°和158°。图6提供图5的表面一部分的放大图，示出该波状侧壁柱体结构的细节。
图7提供涂覆氟硅烷的带纹理的硅表面的显微照片，该表面包括具有外伸凹进结构的柱体阵列，其中该外伸凹进结构由形成在该柱体顶部的第二材料(二氧化硅)形成，以及一组示出水和十六烷辛烷在该涂覆氟硅烷的带纹理的硅表面上的静态接触角的照片。该FOTS涂覆的带纹理的硅表面与水和十六烷的接触角分别是153°和151°。图8提供图7的表面的一部分的放大图，示出该外伸凹进特征的细节。
该柱体阵列可具有任何适当的间距或柱体密度或固体面积覆盖率。在多个实施方式中，该柱体阵列的固体面积覆盖率为0.5％至40％，或1％至20％。该柱体阵列可具有任何适当的间距或柱体密度。在具体实施方式中，该柱体阵列具有的柱体中心到中心间距为大约6微米。
该柱体阵列可具有任何适当的形状，包括圆形、椭圆形、方形、矩形、三角形、星形等。
该柱体阵列可具有任何适当的直径或相等的直径，包括0.1到大约10微米的直径，或1到大约5微米的直径。
该柱体可限定为任何适当的或所需的高度。在多个实施方式中，该带纹理的硅可包括具有0.3至10微米或从0.5至5微米的柱体高度的柱体阵列。
图9中，显微照片示出包括柱体高度为3.0微米的柱体阵列的超疏油带纹理的硅表面。图10中，显微照片示出包括柱体高度为1.1微米的柱体阵列的超疏油带纹理的硅表面。
在另一实施方式中，这里的该超疏油带纹理的硅表面包括凹槽结构。图11提供按照本公开的结构的显微照片，包括宽度3微米和节距6微米的涂覆氟硅烷硅凹槽。图12提供图11的结构的替代视图，示出该凹槽波状侧壁结构带有形成外伸凹进结构的凹槽结构的最顶部表面。
该凹槽结构可具有任何适当的间距或柱体密度或固体面积覆盖率。在多个实施方式中，该凹槽结构的固体面积覆盖率0.5％至40％，或1％至20％。
该凹槽结构可具有任何适当的宽度和节距。在具体实施方式中，该凹槽结构宽度为0.5至10微米，或1至5微米，或3微米。进而，在多个实施方式中，该凹槽结构的凹槽节距为2至15微米，或3至12微米，或大约6微米。
这里该带纹理的图案化结构(在多个实施方式中为柱体或凹槽结构)可具有任何适当的形状。在多个实施方式中，总体的带纹理的结构可具有或形成设计为形成特定图案的构造。在多个实施方式中，该柱体或凹槽结构可形成具有选择为以选定的流动图案引导液体流的构造。
该凹槽结构可限定为任何适当的或所需的总高度。在多个实施方式中，该带纹理的表面可包括总高度0.3至10微米或0.3至5微米或0.5至5微米的凹槽图案。
尽管不希望受到理论的约束，但是发现该FOTS带纹理的表面与水和十六烷的高接触角是表面纹理化和氟化作用组合的结果。在具体实施方式中，这里带纹理的器件包括波状侧壁特征或在该凹槽或柱体结构顶部表面的外伸凹进结构的至少一个以提供柔性超疏油器件。尽管不希望受到理论的约束，但是该凹槽或柱体顶部的凹进结构是超疏油性的重要原因。
表1总结了相关表面与水、十六烷、固体油墨和可紫外固化凝胶墨的接触角数据。示例1包括如美国专利5,867,180所述的打印头。示例2是平滑聚四氟乙烯表面。示例3是按照本公开制备的、具有带纹理的表面的超疏油表面，包括直径3微米、高度7微米、中心到中心间距大约6微米以及波状侧壁的柱体的阵列。示例4是包括波状侧壁的凹槽的凹槽结构，其中液滴平行于该凹槽方向滑动。对于这里的该带纹理的表面，水和十六烷两者实现了大约158°的接触角、在该波状侧壁桩上大约10°的滑动角，说明该表面超疏水性和超疏油性的特性-超级排斥水和油。这个带纹理的表面还证明对接触角的大约155°固体油墨的超抗浸湿属性，如表1所示。对于这里的该凹槽结构表面，滑动角甚至低于该柱体结构表面，十六烷具有4°的滑动角以及固体油墨具有25°的滑动角。该聚四氟乙烯(PTFE)材料是疏水和亲油的，对于水和十六烷两者具有非常高的滑动角，对应该分界面上较强的粘性。固体油墨的接触角小于90°，示出其固有的亲属性，甚至当倾斜到90°或倒过来也不会移动。这些数据总结在表1中。
表1
Figure BSA00000411816500151
图13示出平滑PTFE(Teflon 
Figure BSA00000411816500152
)表面和按照本公开的带纹理的超疏油表面之间的油墨偏移的一个对比。为了说明该材料的不同的浸湿性能，Xerox ColorQubeTM青色固体油墨的固体油墨滴被Xerox 
Figure BSA00000411816500153
 4200
Figure BSA00000411816500154
纸张从这个具有波状侧壁的超疏油表面(上面一排)和PTFE表面(下面一排)获得。该固体油墨滴粘在该纸张和PTFE上，其最终导致裂成两部分而在PTFE表面表现为“偏移”。而完全不同的是，该固体油墨滴离开这个超疏油表面并且完全转移到该纸张上。
在多个实施方式中，该带纹理的疏油硅喷墨打印头喷嘴板机械稳定。通过控制蚀刻时间来确定该柱体高度对超疏水性和超疏油性的作用。选择尺寸(直径)3微米、节距(节距意思是柱体中心到中心距离)12微米并且具有7微米、3微米、1.5微米、1.1微米和0.8微米的不同高度的图案。3微米的柱体在图9中示出，1.1微米高度的柱体在图10中示出。已经确定即使对于1.1微米的柱体高度(3波状周期)，也可以通过相比高达7微米的不同高度的配对柱体恒定的高接触角和低滑动角来确定超疏水性和超疏油性。当柱体高度减小到大约0.8微米(2波状周期)，不能维持超疏水性和超疏油性。可以得出这样的结论，对于水和十六烷，只有侧壁上的第一对波被浸湿，而且不需要极端高的柱体高度来实现超疏水性和超疏油性。这样，具有低柱体高度的这个带纹理的硅材料显著提高这些柱体(低纵横 比)的机械稳定性。在这里的多个实施方式中，如硅喷嘴板，没有额外施加的、迫使油墨在柱体一边向下的压力并且该柱体高度可减小到低于5微米，进而增强该硅喷嘴板表面的机械稳定性。
在具体实施方式中，这里的打印头硅喷嘴板包括硅喷嘴板，该喷嘴板包括深反应性离子蚀刻的(DRIE)喷嘴。该喷嘴板由硅-绝缘体晶片组成，其接地并且抛光到所需的厚度，如(但不限于)20至30微米，但是任何使得该材料足够平以适于进一步光刻和处理的厚度都是合适的。该工艺其余部分包括表面改性特征的图案化和蚀刻，以及喷嘴的图案化和蚀刻。问题是不能先做喷嘴，因为这将阻止进一步的光刻(深孔会干扰该光刻胶的旋涂)，但是表面改性也不能先做因为光刻胶不会粘在所得到的疏水表面上。
回到图1，本工艺包括在工艺的开始执行该图案化步骤、表面改性及喷嘴形成，例如通过使用掩模层来暂时“存储”图案信息，然后执行蚀刻。图1的左边分支形成具有波状侧壁的标准柱体或桩或凹槽，取决于蚀刻的细节。图1的右边分支产生具有外伸凹进结构的柱体，或具有帽的“T形顶”的桩/柱体/凹槽。在多个实施方式中，12表示硅，14表示可选择性蚀刻而不会攻击硅(即：二氧化硅)的材料，而16表示另一种可蚀刻而不会攻击另外两层的不同的材料(如氮化硅)。如上面更完全地描述的，为了建立该外伸凹进结构，增加各向同性的、低切该蚀刻掩模的硅蚀刻。然后将该蚀刻掩模留在适当的位置。在这两个分支的末端，可在该带纹理的表面(未示)上设置抗浸湿涂层。
图1示出的工艺的左边分支大部分是去除性的，意思是通过蚀刻掉材料而形成该结构。然而，这里的工艺还可包括增加性的步骤。例如，该喷嘴板可涂覆氧化物(如氧化硅)、氮化物(如氮化硅)、聚合物或金属层，SU-8或KMPR
Figure BSA00000411816500161
光刻胶，其然后可图案化以建立桩或脊部。为了建立外伸凹进结构，可使用多种材料，选择性蚀刻 这些材料以建立该外伸凹进形貌。例如，金属层可沉积在氧化层的顶部。可图案化该金属，然后湿法或者气相HF蚀刻该氧化物，低切该金属以建立外伸凹进形貌。
在进一步的实施方式中，一个未破坏的实心环(未蚀刻)可围绕该喷嘴设置以避免使得来自该喷嘴的油墨横向运动并且到达柱体的下方。利用这个构造，当油墨在该表面溢出时，其被迫从顶部到达图案化几何图形，而不是侧面(这里它会退化成Wenzel态)。在去除性(蚀刻)制造工艺中，该环可以就在硅中蚀刻，所以它不是“贴上去的”。这种情况下，该喷嘴和该环两者都是从同一硅层刻出来的。或者，另外一种方式，该硅环还可具有由二氧化硅或金属或一些别的不相似的材料组成的宽顶，以建立凹进结构。
或者，在增加性的情况中(沉积层)，该环可由沉积的硅、氧化物、聚合物、金属等组成。在这个实施方式中，这些层可沉积在硅的顶部，所以不需要粘结剂(也不需要小心确保环材料正确粘结)。
发明人已经证明超疏油表面(例如，其中十六烷滴与该表面形成大于150°的接触角和小于10°的滑动角)可通过在硅晶片上的简单光刻和表面改性技术来制造。所制得的超疏油硅表面非常“疏油”，并且具有喷墨打印头的正面或喷嘴板非常需要的表面属性，例如，与油墨的高接触角以超级脱湿以及高保持压力和低滑动角以自清洁和容易清洁。通常，油墨接触角越大，保持压力越好(越高)。保持压力衡量当油墨罐(储存罐)的压力增加时，孔板防止油墨从该喷嘴开口滴出来的能力。
这里描述的超疏油表面特别适于用作喷墨打印头的正面材料。在多个实施方式中，这里喷墨打印头包括包含硅的喷嘴板，其中该硅包括带纹理的图案；以及可选的设在该带纹理的硅表面的氟硅烷 涂层。在进一步的实施方式中，这里的喷墨打印头包括包含硅的正面或喷嘴板，其中该硅包括带纹理的图案；以及可选的设在该带纹理的硅表面的氟硅烷涂层。
在多个实施方式中，这个喷墨打印头是自清洁的，从而不需要刮片或其他接触清洁机构。或者，这个喷墨打印头可以使用非接触清洁系统，如空气刀系统，由此不需要放入全宽度阵列头，允许在喷射测试后更容易更换有缺陷的子单元。
这个喷墨打印头正面或喷嘴板包括带纹理的硅表面，如浅的(例如，小于大约5微米)凹槽的图案，柱体(或桩)，或在该喷嘴正面上具有增大头部/外伸凹进结构的柱桩。这个带纹理的喷嘴正面技术上疏油，其显著增加该油墨的接触角并具有低滑动角。该带纹理的硅喷嘴正面可以低成本制备，并且可与正面涂层结合使用。本工艺以及根据该工艺制备的喷嘴板提供许多优点，包括(但不限于)：a)改进的弯液面封闭，使得喷射更加可重复并降低溢出；b)当发生溢出或由于其他原因油墨弄到正面上时，倾向于马上去掉，导致较少的丢失或错向喷射；c)改进的图像质量；d)减少的正面维护频率，由此减少停工时间和浪费的供应，并且最小化设在该带纹理的正面上的任何正面涂层的磨损；e)当使用机械刮刷时，该凹槽(和柱体)起到保护正面涂层的作用，因为该涂层仅在顶部磨损，而不是侧壁或底部；f)在丝焊封装过程中，该疏水/疏油正面帮助防止密封剂流到该喷嘴板上以及进入该喷嘴中；g)允许该喷嘴板的特定部分排斥油墨而其他部分吸引油墨，这使得油墨被引导离开该喷嘴。
在多个实施方式中，该正面或喷嘴板表面的增强的厌油墨性使得刮片清洁系统不是必须的。所以，该刮片可用非接触清洁系统替代，这有多种优点。首先，非接触清洁系统消除该表面上刮片引起的磨损，并允许涂层的选择更加灵活。第二，全宽度阵列头通常要 求子单元之间有裂缝来填充(封装)以防止锋利的模片边缘损伤橡皮刮片，但是这个封装使得难以去除有缺陷的或失效的子单元。该封装必须被去除，却是困难的，并且必须在不阻塞或损伤新的或现有的子单元的情况下更换。这个非接触维护方案减小或消除了所有的封装需要。

Claims (4)

1.一种制备具有带纹理的超疏油表面的喷墨打印头正面或喷嘴板的工艺包括：
提供硅衬底；
使用光刻以在该硅衬底上产生带纹理的图案；以及
可选地，通过在其上设置共形疏油涂层而改性该带纹理的硅表面；以及
由该带纹理的疏油硅材料形成喷墨打印头正面或喷嘴板，从而提供具有带纹理的超疏油表面的喷墨打印头正面或喷嘴板。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中该带纹理的图案具有以期望的流动图案引导液体流的构造。
3.一种具有带纹理的超疏油表面的喷墨打印头正面或喷嘴板，包括：
硅衬底，具有带纹理的图案；以及
可选地，设在该带纹理的硅表面的共形疏油涂层；其中该带纹理的图案包括柱体阵列，具有设在所述柱体上的外伸凹进结构的柱体阵列，具有带纹理的波状侧壁的柱体阵列，或其组合；其中该带纹理的图案包括凹槽图案，包括外伸凹进结构的凹槽图案，包括带纹理的波状侧壁的凹槽图案，或其组合。
4.一种喷墨打印头，包括：
包括硅衬底的带纹理的疏油喷墨打印头正面或喷嘴板，该硅衬底包括带纹理的图案；以及，可选地，设在该带纹理的硅表面上的共形疏油涂层；其中该带纹理的图案包括柱体阵列，具有设在所述柱体上的外伸凹进结构的柱体阵列，具有带纹理的波状侧壁的柱体阵列，或其组合；
其中该带纹理的图案包括凹槽图案，包括外伸凹进结构的凹槽图案，包括带纹理的波状侧壁的凹槽图案，或其组合。
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