CN102333656A - 打印头及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种打印头，其包括至少一个墨滴产生器区域，所述墨滴产生器区域包括：墨液腔；孔口，墨滴通过所述孔口喷出；以及加热元件，位于墨液腔下面。所述加热元件包括限定在其中的电阻器和暴露于供应到墨液腔的墨液流体的纳米结构表面。所述纳米结构表面呈纳米柱阵列形式。通过下述方法制造所述打印头：形成加热元件，所述加热元件具有作为最上层的可氧化金属层；在可氧化金属层上形成含铝层；阳极化含铝层，以形成多孔氧化铝；阳极化可氧化金属层，从而用金属氧化物材料部分地填充多孔氧化铝中的孔隙；以及通过选择性蚀刻除去多孔氧化铝，以产生纳米结构表面。
Description
技术领域
本发明一般性地涉及喷墨打印机的打印头部分。
背景技术
热喷墨打印机通常具有用于产生墨滴并将它们喷射到打印介质上的打印头。典型的喷墨打印头包括：具有面对着纸的孔口阵列的喷嘴板；用于从诸如贮液器的墨源将墨液供应到孔口的墨液通道；以及载有多个加热电阻器的衬底，每个电阻器位于相应孔口的下方。电流脉冲施加到加热电阻器，以将墨液通道中的墨液瞬间汽化为气泡。墨滴通过气泡的成长和随后的破裂从每个孔口中喷出。由于墨液通道中的墨液作为液滴通过喷嘴喷出，因此更多的墨液从贮液器填充墨液通道。
当结合附图考虑时，将更好地理解本发明的目的和特征。应该注意，附图是示意性的、未必按比例绘制的图示，并且在所有附图中相同的附图标记表示相同的部件。
附图说明
图1示出了体现本发明的示例性喷墨打印头结构的示意性透视图。
图2示出了图1所示打印头结构的墨滴产生器区域的剖视图。
图3示出了在根据本发明实施例的墨滴产生器区域中的加热元件的放大剖视图。
图4示出了根据本发明的具有纳米结构表面的加热元件的制造方法的高级流程图。
图5A-图5E示意性地描述了根据本发明实施例的具有纳米结构表面的加热元件的制造方法的各个步骤。
图6示出了通过本发明方法制出的纳米柱阵列的示意性剖视图。
图7示出了与图5E所示纳米柱阵列相比具有改进的尺寸的纳米柱阵列的示意性剖视图。
具体实施方式
在液滴产生时常遇到的一个问题是，墨液残留物（诸如颜料墨液粒子）沉积到电阻器裸露的加热表面上，由此产生对打印头的性能有不利影响并且因而导致图像质量下降的堆积的粘性残留物。这种问题在本领域中通常被称作结垢（Kogation），即，由于发生在电阻器表面的重复加热和化学反应而导致的在加热器表面上形成残留物膜的过程。这种加热导致附着在加热器表面上的材料被烘烤，并且被烘烤的材料充当减少传递给墨液的热量的绝热体，由此导致降低热传导性，并且因此改变喷射的墨滴的特性，例如，降低液滴速率或减小液滴的尺寸。
本发明提供一种喷墨打印头，其具有用于产生将墨液汽化为气泡的热量的至少一个加热元件，其中，加热元件的裸露的表面具有用于防止残留物，尤其是颜料墨液粒子(或称颗粒)，积累在加热元件的加热表面的纳米结构表面。加热表面是在气泡产生期间暴露于墨液的表面。纳米结构表面呈一体形成在加热元件最上层上的纳米级尺寸的纳米柱阵列形式。这种加热元件设计解决了上述的结垢问题。本发明的另一方面是一种简单、低成本并且有效的上述加热元件的制造方法。
图1示出了体现本发明的特征的示例性喷墨打印头10的示意性透视图。打印头10包括衬底20、设置在衬底20上的墨液阻挡层30以及附着在墨液阻挡层30顶部的喷嘴板40。衬底20支撑用于产生汽化墨液的热量的多个加热元件。在这些加热元件中限定有电阻器50（由虚线示出）。多个墨液腔31和墨液通道32形成在阻挡层30中，使得每个墨液腔31都放置在相关联的电阻器50上。在一个实施例这，利用传统的集成电路制造技术形成加热元件。阻挡层30是在衬底20上形成加热元件之后，通过热或压力在衬底20上层叠的干膜。随后，通过光成像技术在阻挡层30中形成墨液腔31和墨液通道32。举例来说，阻挡材料是可光成像聚合物，诸如可从杜邦公司（E.I. DuPont de Nemours and Co.）获得的商标为Parad的可光成像聚合物。喷嘴板40包括设置在各个墨液腔31之上的多个孔口41，从而对齐墨液腔31、相关联的孔口41和相关联的电阻器50。举例来说，喷嘴板40由聚合材料制成并且通过激光烧蚀形成其中的孔口41。再如，喷嘴板40由诸如镍的电镀金属制成。可与外部电接线连接的焊盘60形成在衬底20的末端并且不被墨液阻挡层30覆盖。焊盘60通过传统的沉积和图案化技术形成衬底20上。举例来说，焊盘可与由金形成。当电流脉冲施加到电阻器50时，在墨液腔31中形成墨液气泡，并且通过气泡的成长从孔口41喷出墨滴。通过齐墨液腔31、相关联的孔口41和相关联的电阻器50限定出墨滴产生器区域。
图2示出了图1所描述的打印头的典型墨滴产生器区域的放大剖视图。在图2中，喷嘴板40已被移除，以简化图解。在墨液腔31下是相关联的加热元件，该加热元件由一叠薄膜70构成。电阻器被限定在该叠薄膜70中。最上层的薄膜70用作电阻器50的保护膜并且具有纳米结构表面71，纳米结构表面71暴露于供应到墨液腔31的墨液流体。
图3示出了墨滴产生器区域和该叠薄膜70的具体实施例。参照图3，加热元件由一叠薄膜70构成，该叠薄膜70包括图案化的内衬层72、图案化的导体层73、电阻层74、绝热保护层75和作为最上层金属保护层76。最上层76设置有呈纳米柱阵列形式的纳米结构表面71。内衬层72和导体层73被图案化，从而限定电阻器区域50。电阻层74设置在图案化的导体层73和电阻器区域50之上。举例来说，内衬层72由氮化钛（TiN）制成，图案化的导体层73由含有约5%Cu的Al合金制成，电阻层74由氮化钨硅（WSiN）制成。再次举例来说，绝热保护层75是沉积在电阻层74上的氮化硅/碳化硅（SiN/SiC）合成物。加热元件70的纳米结构表面71呈一体形成在如图3所示的最上层上的纳米柱阵列形式。优选地，纳米柱覆盖暴露于向墨液腔31供应的墨液流体的最上层76的整个表面，纳米柱的表面是加热元件的加热表面。此外，最上面的保护层76由可氧化的金属形成，诸如钽（Ta）、铌（Nb）、钛（Ti）、钨（W）或其合金，并且通过阳极氧化这样的金属获得一体形成在保护层76上的纳米柱。将参照图4和图5A至图5E更详细地描述纳米柱的形成方法。
参照图3描述的加热元件是体现本发明的目的的一种可能配置。显然，对本领域技术人员来说还可以考虑加热元件的其它配置。本发明的目的包括覆盖加热元件的具有纳米柱的最上层或裸露表面，以防止在暴露于墨液腔中的墨液的加热元件的加热表面上形成堆积。此纳米结构表面被设计为防止或减少来自颜料墨液的颜料粒子堆积，但是这种表面还可以防止或减少来自其它种类墨液的残留物的堆积。
图4示出了具有上述纳米结构表面的加热元件的制造方法的高级流程图。在步骤401，上述方法从衬底开始。在步骤402，接着在衬底上形成加热元件。加热元件包括限定在其中的电阻器并且加热元件可以是单层电阻器结构或其中限定有电阻器的多层结构。加热元件包括作为裸露层的由可氧化金属制成的层，优选地由诸如钽（Ta）、铌（Nb）、钛（Ti）、钨（W）或其合金的难熔金属制成。在步骤403，含铝层设置在加热元件之上。含铝层可以是纯铝或铝合金。接着，在步骤404，执行阳极化处理过程，以将铝阳极化，从而制出多孔铝氧化物（氧化铝）。多孔氧化铝中的孔隙暴露出下面的可氧化金属层部分。在步骤405，执行第二阳极化处理过程，以将下面的金属层阳极化，从而氧化铝的孔隙可以从下到上填充有金属氧化物材料。随后，通过在步骤406进行选择性蚀刻去除多孔的氧化铝，以留下纳米结构的表面，所述纳米结构的表面呈阳极金属氧化物材料纳米柱阵列形式。
图5A至图5E更详细地描述了具有上述纳米结构表面的加热元件的形成方法的图解。为了简化图解，在图5A至图5E中省略了支撑加热结构的衬底。参照图5A，所述方法从具有由可氧化的难熔金属制成的最上层保护层76的多层加热结构70开始。在优选实施例中，难熔金属是钽（Ta）。在Ta层上设置铝层77。本领域技术人员应该理解，铝层77可以用铝合金替换，诸如具有作为主要成分的铝和较小比例的铜（Cu）的合金。从这里开始，层77被称作Al层。例如，Ta层可以具有约300至500 nm的厚度，Al层可以具有约100至1000 nm的厚度。
参照图5B，执行第一阳极化处理过程，以将Al层阳极化，从而制出多孔铝氧化物77A（即，阳极多孔氧化铝，Al2O3）。阳极化处理（即，电化学氧化）是一种公知的过程，用于通过在电解槽中将金属作为阳极并使电流通过该电解槽来在金属上形成氧化物层。对于铝来说，阳极化处理期间的电流密度应该标准地保持为约0.5毫安/cm2至30毫安/cm2。可以用恒定电流（恒电流状态）或恒定电压（恒电势状态）执行阳极化处理。在本实例中，通过将Al层暴露于容纳有诸如草酸、磷酸、硫酸、铬酸或其混合物的氧化性酸的电解浴中来执行Al阳极化处理过程。Al阳极化处理过程中施加的电势根据电解液的成分改变。例如，对于基于硫酸的电解液电势可以从5至50V，对于基于草酸的电解液电势可以从10至80V，以及对于基于磷酸的电解液电势可以从50至150V。在图5B中，“D”表示多孔氧化铝77A中单元的单元直径，“d”表示多孔氧化铝中孔隙的孔径。如图5C所示，持续进行Al层的阳极化处理直到孔隙（即，纳米孔）77B延伸穿过Al层的厚度并且暴露出下面的Ta层76部分。
参照图5D，执行第二阳极化处理过程，以将下面的Ta层76局部阳极化，由此生成部分地填充孔隙77B的密度大的五氧化钽（Ta2O5）材料76A。由于与Ta相比，Ta2O5显著膨胀，并且阳极Ta2O5密度大，因此从下向上填充多孔氧化铝77A的孔隙77B。膨胀系数被定义为Ta2O5体积与消耗的Ta体积的比率。在本实施例中，Ta的氧化作用的膨胀系数约为2.3。在第二阳极化处理之后，一些残留的Ta 76残留在阳极Ta2O576之下（图5D）。可以利用与在第一阳极化处理中所使用的电解浴相同的电解浴或不同的电解浴来执行第二阳极化处理。为Ta阳极化处理过程施加的电压可以从30V至150V，但是可以更高。第二阳极化处理的电压取决于经阳极化的Ta的最终厚度和所使用的电解液的性质。对于一些电解液，电压可以高达500V。参照图5E，通过选择性蚀刻去除多孔氧化铝。在一个实施例中，使用含有92g 磷酸的(H3PO4)、32g CrO3和200g H2O的选择性蚀刻剂，在约95℃执行选择性蚀刻步骤2分钟。本领域技术人员应该理解，还可以考虑其它的选择性蚀刻剂。在完成选择性蚀刻步骤之后，产生如图5E所示的具有纳米柱阵列76B的纳米结构表面。纳米柱阵列76B可以形成为使得它们成为形成在残留的钽膜76的阳极Ta2O5层76A的一部分。在替换实施例中，纳米柱阵列76B可以形成为附着到残留的Ta层。尽管在上述优选实施例中钽作为最上层76的材料被公开，但是应该理解，在替换实施例中，可以使用诸如Nb、Ti或W等难熔金属。
上述阳极化处理过程和蚀刻步骤可以容易地控制纳米柱的尺寸（直径、节距、纳米柱之间的距离和深径比）。图6示出了可控的纳米柱尺寸。在图6中，“D”表示纳米柱的节距，“d”表示每个纳米柱的直径，“m”表示纳米柱之间的距离，以及“h”表示纳米柱的高度。节距D等于多孔阳极氧化铝中的孔隙之间的距离，等于多孔阳极氧化铝单元的直径（见图5B），并且节距D主要取决于阳极化电压。直径d等于多孔阳极氧化铝的孔隙直径并且取决于电解液的性质、阳极化处理过程的电流密度和为增宽孔隙进行各向异性蚀刻多孔氧化铝的程度。可以利用任何传统蚀刻剂增宽孔隙。例如，可以使用含5 wt% H3PO4的蚀刻剂。根据所需的孔隙增宽的程度，可以相应地调节蚀刻温度和时间。高度h主要取决于阳极化处理的电压。通常，纳米柱的尺寸取决于阳极化处理的电压、电解液的性质、阳极化处理的持续时间及选择性蚀刻的程度。由于阳极化处理过程的性质，可以控制这些尺寸，从而使得生产出的节距D在30 nm至500 nm范围内、直径d在10 nm至350 nm范围内。然而，纳米柱之间的距离m应该小于墨液中最小的粒子，以避免粒子（例如颜料粒子）到达纳米柱的“基底”的任何可能性。例如，对于90 nm的颜料粒子，纳米柱之间的距离m应该小于70nm，对于150nm的颜料粒子，纳米柱之间的距离m应该小于120nm。在优选实施例中，纳米柱之间的距离比最小的粒子的直径小25%-30%。
图7示出了节距D与图5E中相同但是增加孔隙增宽步骤的实施例。在本替换实施例中，通过在Al阳极化处理（图5C）之后且在第二阳极化处理（图5D）之前利用含5 wt% H3PO4的蚀刻剂进行各向异性蚀刻来进一步增宽阳极氧化铝中的孔隙。当向上述参照图5A至图5E描述很多方法中加入孔隙增宽步骤时，纳米柱的直径变大，由此显著降低了纳米柱之间的距离。
对于高度h来说，情况不同。更有用的反而是控制深径比“h/d”。本发明的方法允许宽范围的h/d深径比，例如10或更高。在一些情形中，0.1至3的深径比对于这里所描述的预期目标来说是足够的，并且通过本发明的方法易于到达0.1至3的深径比。
防止供应到墨液腔的墨液流体中的颜料粒子因上述纳米柱的存在而积聚在最上层的裸露的加热表面上。纳米柱之间的距离，即m，被控制为小于墨液中最小的颜料粒子的直径，从而防止这种粒子进入间隔。在通过电阻器50进行电阻式加热期间，溶剂从进入纳米柱之间的间隔的墨液成分中蒸发，并且溶剂蒸汽导致着陆在纳米柱上的粒子离开最上层的加热表面，由此清理加热表面。此外，在通过电阻器50进行电阻式加热期间，纳米柱的顶部（即与颜料粒子接触的部分）的温度低于保护层76的下部的温度。因此，最小化了温度对结垢过程的影响。这样，本发明的加热元件与传统的没有纳米柱的加热元件/电阻器相比具有改进。在没有纳米柱的情形中，颜料粒子会粘附到加热元件/电阻器的裸露的加热表面，由此导致上述结垢问题。
在具有合适尺寸的情况下，该纳米柱阵列有效地消除或显著最小化前述结垢问题。上述纳米结构表面的形成方法具有许多优点，包括：制造简单；低成本；易于控制纳米柱的尺寸；取决于阳极化处理的固有性质的方法高再现性；纳米柱的优异的一致性；以及纳米柱由电阻器区域已存在的相同材料制成。
尽管已参照某些典型的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离所附权利要求范围的情况下，可以对这些典型的实施例进行各种改进。更具体地，本领域技术人员应该理解，本发明可应用于本领域公知的其它打印头配置。
Claims (14)
1. 一种打印头，包括至少一个墨滴产生器区域，所述墨滴产生器区域包括：
墨液腔，用于容纳包含粒子的墨液流体；
孔口，墨滴通过所述孔口喷出；以及
加热元件，其形成在衬底上并且位于墨液腔之下，所述加热元件包括限定在其中的电阻器和暴露于供应到墨液腔的墨液流体的纳米结构表面，并且所述纳米结构表面呈金属氧化物纳米柱阵列形式，并且所述纳米柱被配置为使得它们之间的距离小于墨液流体中最小粒子的直径。
2. 如权利要求1所述的打印头，其中，所述金属氧化物纳米柱是通过阳极化从钽Ta、铌Nb、钛Ti、钨W及其合金构成的组中选择的难熔金属形成的。
3. 如权利要求2所述的打印头，其中，所述难熔金属包括钽并且纳米柱由对钽进行阳极化获得的氧化钽形成。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的打印头，其中，所述加热元件是具有电阻层和作为最上层的保护层的多层结构，并且所述保护层具有暴露于墨液流体的纳米结构表面。
5. 根据上述权利要求中任一项所述的打印头，其中，所述墨液腔被限定于形成在所述加热元件之上的阻挡层中，并且孔口形成在喷嘴板中，所述喷嘴板附着到所述阻挡层，从而对齐孔口、墨液腔和电阻器。
6. 一种打印头的制造方法，包括：
提供衬底；
在衬底上形成加热元件，所述加热元件包括作为最上层的可氧化金属层；
在可氧化金属层上形成含铝层；
阳极化含铝层，以形成具有纳米孔隙的多孔氧化铝，所述纳米孔隙向下延伸到可氧化金属层并且露出部分可氧化金属层；
阳极化可氧化金属层，从而用金属氧化物材料从下至上部分地填充多孔氧化铝中的孔隙；以及
通过选择性蚀刻除去多孔氧化铝，由此获得纳米结构表面，所述纳米结构表面呈金属氧化物纳米柱阵列形式。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，形成加热元件包括形成具有电阻层和作为所述可氧化金属层的最上层保护层的多层结构。
8. 如权利要求6或7所述的方法，其中，所述可氧化金属是从钽Ta、铌Nb、钛Ti、钨W及其合金构成的组中选择的。
9. 如权利要求8所述的方法，其中，所述可氧化金属为钽。
10. 如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，阳极化含铝层包括使含铝层暴露于包括酸性电解质的电解液，所述酸性电解质从草酸、磷酸、硫酸、铬酸及其混合物构成的组中选择，并且利用与用于阳极化含铝层的电解质相同的电解质来阳极化可氧化金属层。
11. 如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，阳极化含铝层包括使含铝层暴露于包括酸性电解质的电解液，所述酸性电解质从草酸、磷酸、硫酸、铬酸及其混合物构成的组中选择，并且利用与用于阳极化含铝层的电解质不同的电解质来阳极化可氧化金属层。
12. 如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过利用包括磷酸的蚀刻剂的干蚀刻执行选择性蚀刻多孔氧化铝。
13. 如权利要求6或7所述的方法，进一步包括通过在阳极化可氧化金属层之前进行各向异性蚀刻来增宽纳米孔隙。
14. 如上述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：在加热元件之上形成阻挡层，所述阻挡层被配置为限定了设置在加热元件之上的墨液腔；以及将喷嘴板附着到阻挡层，所述喷嘴板包括设置在墨液腔之上的孔口，从而对齐孔口、墨液腔和加热元件。
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