CN102427949B - 带有多孔捕集器的印刷头以及印刷方法 - Google Patents

Abstract

一种印刷头，其包括捕集器(42)和负压源(104)。该捕集器包括液滴接触结构(100)。该液滴接触结构包括多个孔眼(102)，当相互比较时，所述多个孔眼中的每一个具有大体一致的尺寸。所述多个孔眼具有临界压力点，超过该临界压力点，空气可以将液体移离所述多个孔眼。负压源与液体接触结构的所述多个孔眼流体连通。该负压源包括压力调节器(106)，以控制负压，从而使得该负压保持低于液滴接触结构的所述多个孔眼的临界压力点。

Description

带有多孔捕集器的印刷头以及印刷方法

技术领域

本发明大体上涉及数字控制印刷(打印)系统领域，并且尤其涉及连续印刷系统。

背景技术

连续喷墨印刷使用加压的液体源，该液体源产生液滴流，部分液滴流被选择为与印刷介质接触(通常被称为“印刷液滴”)，而其他液滴流被选择为被收集，并且被循环或者被排出(通常被称为“非印刷液滴”)。例如，当不期望印刷时，液滴被偏转进入捕集机构(通常被称为捕集器、拦截器、或沟槽)，并且被循环或者被排出。当期望印刷时，液滴不被偏转并且允许其撞击到印刷介质上。可替换地，被偏转的液滴可以被允许撞击印刷介质，而不被偏转的液滴被收集到捕集机构中。

印刷液滴的液滴定位精度是至关重要的，以便保持图像品质。积累在捕集器的液滴接触表面上的液体可能对液滴定位精度产生不利影响。因此，存在持续的需要，以为这些类型的印刷系统提供改进的捕集器。

发明内容

根据本发明的一个特征，一种印刷头包括捕集器和负压源。捕集器包括液滴接触结构。液滴接触结构包括多个孔眼(微孔)，当相互比较时，所述多个孔眼中的每一个具有大体一致的尺寸。所述多个孔眼具有临界压力点，超过该临界压力点，空气可以将液体移离所述多个孔眼。负压源与液滴接触结构的所述多个孔眼流体连通。负压源包括压力调节器，以控制负压，从而使得负压保持低于液滴接触结构的所述多个孔眼的临界压力点。

根据本发明的另一个特征，一种印刷方法包括提供包括液滴接触结构的捕集器，该液滴接触结构包括多个孔眼，当相互比较时，所述多个孔眼中的每一个具有大体一致的尺寸，所述多个孔眼具有临界压力点，超过该临界压力点，空气可以将液体移离所述多个孔眼；提供与液滴接触结构的所述多个孔眼流体连通的负压源；利用压力调节器调节负压，以使得负压保持低于液滴接触结构的所述多个孔眼的临界压力点；从喷射模块喷射液滴；以及使得从喷射模块喷出的一些液体微滴接触液滴接触结构，所述液体微滴在接触液滴接触结构之后将空气移离所述多个孔眼。

附图说明

本发明的示例性实施例的详细描述在下面参考附图描述，其中：

图1是根据本发明的印刷系统的示例性实施例的示意性简图；

图2是根据本发明制造的连续印刷头的示例性实施例的示意图；

图3是根据本发明制造的连续印刷头的示例性实施例的示意图；

图4是根据本发明的液滴接触结构的示意性实施例的示意性侧视图；

图5是根据本发明的液滴接触结构的示例性实施例的示意性侧视图，其中包括具有带有变化横截面的流体通道的加强结构；

图6为根据本发明的液滴接触结构的示例性实施例的示意性顶视图，其中包括定位在液滴接触结构外侧的加强结构；

图7为根据本发明的液滴接触结构的示例性实施例的示意性侧视图，其中包括两个加强结构；

图8(A)-(F)为根据本发明制造液滴接触结构的方法的示例性实施例的示意图；

图9(A)-9(F)为根据本发明制造液滴接触结构的方法的另一示例性实施例的示意图；

图10(A)-10(D)为根据本发明制造液滴接触结构的另一示例性实施例的示意图；

图11(A)-11(E)为根据本发明制造液滴接触结构的方法的示例性实施例的示意图，其中捕集器表面材料层被蚀刻并且形成用于在蚀刻加强结构材料层中使用的掩模；

图12(A)-12(D)为根据本发明制造液滴接触结构方法的示例性实施例的示意图，其中包括在捕集器表面材料层和加强结构材料层之间使用蚀刻阻止层；

图13(A)-13(F)为根据本发明制造液滴接触结构的方法的示例性实施例的示意图，其中包括在加强结构材料层和基底之间使用蚀刻阻止层；

图14(A)-14(D)为根据本发明制造液滴接触结构的方法的另一示例性实施例的示意图；以及

图15(A)-15(F)为液滴接触结构的孔眼的示例性布置的示意图。

具体实施方式

本说明书将尤其针对根据本发明的设备的组成元件或更直接地与本发明的设备结合的元件。可以理解，没有特别示出或描述的元件可以呈现本领域技术人员熟知的各种形式。在随后的描述和附图中，同样的参考标记用来表示同样的元件。

为清楚起见，本发明的示例性的实施例被示意性并且不按比例地图示。本领域技术人员将能够容易地确定本发明的示例性实施例的元件的具体尺寸和相互连接关系。

正如在此描述，本发明的示例性实施例提供了一种典型地用于喷墨印刷系统中的印刷头和印刷头部件。然而，出现许多其它应用，其利用喷墨印刷头射出液体(不同于油墨)，所述液体需要精细计量并且以高的空间精度沉积。因此，如这里所描述，术语“液体”和“油墨”指可以被如下所述的印刷头或印刷头部件喷出的任何材料。

参考图1，连续喷墨印刷系统20包括图像源22，例如扫描仪或提供光栅图像数据、页面描述语言形式的外形轮廓图像数据或其他形式数字图像数据的计算机。该图像数据通过图像处理单元24被转化为半调色位图图像数据，该图像处理单元24也在存储器中存储图像数据。多个液滴形成机构控制电路26从图像存储器中读取数据并且将随时间变化的电脉冲施加到与印刷头30的一个或多个喷嘴相关联的液滴形成装置28。这些脉冲在合适的时间被施加，并且被施加到合适的喷嘴，这样从连续喷射流形成的液滴将在由图像存储器中的数据指定的恰当的位置处在记录介质32上形成点。

记录介质32通过记录介质输送系统34相对于印刷头39移动，其通过记录介质输送控制系统36被电子地控制，并且记录介质输送控制系统36则被微控制器38控制。图1所示的记录介质输送系统仅仅是示意性的，并且许多不同的机械配置是可行的。例如，传送(转印)辊可以作为记录介质输送系统34使用，以便于墨滴到记录介质32的传送。这样的传送辊技术是本领域熟知的。在页宽印刷头的情况下，最方便的是将记录介质32移动经过静止的印刷头。然而，在扫描印刷系统的情况下，通常最方便的是沿着一个轴线(子扫描方向)移动印刷头并且沿着正交轴线(主扫描方向)以相对光栅运动移动记录介质。

油墨在压力下被容纳在油墨贮存器49中。在非印刷状态，连续油墨喷射液滴流由于油墨捕集器42不能到达记录介质32，油墨捕集器42阻挡该液滴流并可能允许一部分油墨通过油墨循环单元44被循环利用。该油墨循环单元重新调整油墨并将其送回贮存器40。这种油墨循环单元在本领域中是公知的。适于最佳操作的油墨压力将取决于包括喷嘴的几何尺寸和热特性以及油墨的热特性的因素的数目。恒定的油墨压力可以在油墨压力调节器46的控制下通过将压力施加到油墨贮存器40获得。可替换地，油墨贮存器可以处于无压力状态或甚至处于降低压力(真空)状态，并且泵被使用，以在压力下将油墨从油墨贮存器输送到印刷头30。在该实施例中，油墨压力调节器46可以包括油墨泵控制系统。如图1所示，捕集器42为通常称作“刀刃”捕集器的捕集器。

油墨通过油墨通道47被分配到印刷头30。油墨优选流动穿过通过蚀刻穿透印刷头30的硅基底到达其前表面形成的槽或孔，在所述前表面处设置多个喷嘴和液滴形成机构，例如加热器。当印刷头30由硅制造时，液滴形成机构控制电路26可以与印刷头集成。印刷头30还包括偏转机构(图1中未示出)，其参考图2和3更详细地在下面描述。

参考图2，示出了连续液体印刷头30的示意图。印刷头30的喷射模块48包括形成在喷嘴板49上的喷嘴阵列或多个喷嘴50。在图2中，喷嘴板49被附着到喷射模块48上。然而，如图3所示，喷嘴板49可以与喷射模块48集成。

液体、例如油墨在压力下通过阵列的每个喷嘴50喷射，以形成液体52的细线。在图2中，喷嘴阵列或多个喷嘴延伸进入图面以及离开图面延伸。

喷射模块48可操作，以形成通过各喷嘴的具有第一尺寸的液滴和具有第二尺寸的液滴。为实现这一点，喷射模块48包括液滴激发或液滴形成装置28，例如加热器或压电致动器，即当选择性地激励时，扰动液体52、例如油墨的细线，以诱导各细线的一部分从细线断开并且聚结，以形成液滴54、56。

在图2中，液滴形成装置28为在喷嘴50的一侧或两侧位于喷嘴板49中的加热器51。该类型的液滴形成装置是已知的，并且已经描述于例如在2002年10月1日授予Hawkins等的美国专利No.6,457,807B1；在2002年12月10日授予Jeanmaire的美国专利No.6,491,362B1；在2003年1月14日授予Chwalek等的美国专利No.6,505,921B2；在2003年4月29日授予Jeanmaire等的美国专利No.6,554,410B2；在2003年6月10日授予Jeanmaire等的美国专利No.6,575,566B1；在2003年7月8日授予Jeanmaire等的美国专利No.6,588,888B2；在2004年9月21日授予Jeanmaire的美国专利No.6,793,328B2；在2004年12月7日授予Jeanmaire等的美国专利No.6,827,429B2；以及在2005年2月8日授予Jeanmaire等的美国专利No.6,851,796B2中。

典型地，一个液滴形成装置28与喷嘴阵列的每个喷嘴50相关联。然而，液滴形成装置28可以与成组的喷嘴50或喷嘴阵列的所有喷嘴50相关联。

当印刷头30操作时，液滴54、56典型地被形成为多个尺寸，例如，形成第一尺寸的大液滴56和第二尺寸的小液滴54。大液滴56的质量与小液滴54的质量的比率典型地大约为2和10之间的整数。包括液滴54、56的液滴流58遵循液滴路径或轨迹57。

印刷头30还包括气流偏转机构60，该气流偏转机构60引导气流62、例如空气经过液滴轨迹57的一部分。该部分液滴轨迹被称为偏转区域64。随着气流62与液滴55、56在偏转区域中相互作用，其改变液滴轨迹。随着液滴轨迹离开偏转区域64，液滴轨迹相对于未偏转液滴轨迹57以被称为偏转角的角度行进。

与大液滴56相比，小液滴54受到气流的影响更大，这样小液滴轨迹66从大液滴轨迹68偏离。也就是说，小液滴54的偏转角大于大液滴56的偏转角。气流62提供了充足的液滴偏转以及由此带来的充足的大小液滴轨迹的偏离，这样捕集器42(如图1、3所示)可以被定位为拦截小液滴轨迹66和大液滴轨迹68之一，因此遵循该轨迹的液滴被捕集器42收集，而遵循其他轨迹的液滴避开捕集器并撞击到记录介质32上(如图1和3所示)。

当捕集器42定位为拦截大液滴轨迹68时，小液滴54被充分地偏转，以避免与捕集器42接触并撞击印刷介质。当小液滴被印刷时，这被称为小液滴印刷模式。当捕集器42定位为拦截小液滴轨迹66时，大液滴56为印刷液滴。这被称为大液滴印刷模式。

参考图3，喷射模块48包括喷嘴阵列或多个喷嘴50。液体、例如油墨通过通道47供应，其在压力下通过阵列的各喷嘴50喷射，以形成液体52的细线。在图3中，喷嘴阵列或多个喷嘴50延伸进入图面中以及离开图面延伸。

与喷射模块48相关联的液滴激发或液滴形成装置28(如图1和2所示)选择性地被激励，以扰动液体52的细线，从而诱导细线的一部分从细线断开，以形成液滴。以这种方式，液滴被选择性地形成为朝向记录介质32运动的大液滴和小液滴。

气流偏转机构60的正压气流结构61位于液滴轨迹57的第一侧。正压气流结构61包括具有下壁74和上壁76的第一气流管道72。气流管道72以大约45°的向下角度θ从正压源92导引气体向着液滴偏转区域64供应。可选的密封件84在喷射模块48和气流管道72的上壁76之间提供空气密封。

气流管道72的上壁76不需要延伸到液滴偏转区域64(如图2所示)。在图3中，上壁76终止于喷射模块48的壁96处。喷射模块48的壁96充当终止于液滴偏转区域64的上壁76的一部分。

气流偏转机构60的负压气流结构63位于液滴轨迹57的第二侧。负压气流结构包括位于捕集器和上壁82之间的第二气流管道78，其从偏转区域64排出气流。第二管道78与负压源94相连，该负压源94用于帮助排出流经第二管道78的气体。可选的密封件84在喷射模块48和上壁82之间提供空气密封。

如图3所示，气流偏转机构60包括正压源92和负压源94。然而，取决于预期的具体应用，气流偏转机构60可以仅包括正压源92和负压源94中的一个。此外，偏转机构不限于气流偏转机构。例如，可以使用静电或热偏转机构。

由第一气流管道72供应的气体被导引进入液滴偏转区域64，在那里其使得大液滴56遵循大液滴轨迹58并且小液滴54遵循小液滴轨迹56。如图3所示，小液滴轨迹66被捕集器42的前表面90截断。小液滴54接触表面90并且流下表面90并流入位于或形成于捕集器和板88之间的液体返回管道86。被收集的液体被循环并返回到油墨贮存器40以重复利用(如图1所示)，或者被废弃。大液滴56绕过捕集器42并移动到记录介质32上。可选择地，捕集器42可以被定位成截断大液滴轨迹68。大液滴56接触捕集器42并流入位于或形成于捕集器42内的液体返回管道。被收集的液体被循环以重复使用，或者被废弃。在一些实施例中，负压源被附接至液体返回管道86，以有助于将油墨从管道中移除。如图3所示，捕集器42为通常称为“Coanda”捕集器的捕集器。

参考图4，示出了捕集器42的示例性实施例，该捕集器42具有包括液滴接触结构100的前表面90，其中非印刷液滴54撞击在该前表面上。液滴接触结构100包括与液体返回管道86(截然)不同的多个孔眼(微孔)102，当各孔眼102相互比较时，各孔眼具有大体一致的尺寸。

孔眼102的二维布置的一些实例在图15(A)-(F)中示出，尽管孔眼可以根据预期的具体应用以多种其他设计布置。孔眼可以以相等的密度在捕集器的表面上布置(如图15(A)-(F)所示)或者在捕集器表面的宽度或高度上具有变化的密度。此外，孔眼的形状不限于圆形。孔眼可以为方形(如图15(C)所示)、矩形(如图15(A)和(B)所示)、椭圆形(如图15(D)所示)或适合于预期的具体应用的任何其他形状。

返回参考图4，所述多个孔眼102具有临界压力点，超过该临界压力点，空气可以将液体移离所述多个孔眼。低于该临界压力点，空气不能从孔眼中移离液体，结果空气不能穿过孔眼，但液体可以自由地流过孔眼。该临界压力点为液体表面张力、液体与液滴接触结构100的润湿或接触角、以及孔眼102的尺寸的函数。随着其流过孔眼102，经过孔眼102的液体流被流体的粘滞曳力限制。通过保持液滴接触结构内部的真空水平，以使得在孔眼上的压降小于临界压力，油墨可以被拉动穿过孔眼，而不吸取任何空气经过孔眼。通过以该方式消除空气的吸取，例如在油墨返回线路中产生泡沫的问题可以减少或甚至消除。

空气可以将液体移离孔眼的临界压力和经过孔眼的液体流量均取决于孔眼尺寸，临界压力随着孔眼尺寸和可以流经孔眼的液体流量的增大而下降。因此，理想的是，具有大孔眼，以允许液体快速排出，并且理想的是，具有小孔眼或者孔眼至少小于一些极限尺寸，以防止空气的吸入。作为这些对立要求的结果，理想的是，孔眼具有小于对于使用的真空水平可使空气吸入时的尺寸的大体一致的尺寸。如上所述，临界压力点取决于液体与液滴接触结构的润湿角，或至少取决于具有更多的可润湿表面而产生更高的临界压力的孔眼的壁的润湿角。因此，理想的是，孔眼的壁由高可润湿性材料制造。对于水基液体而言，例如，这意味着液滴接触结构中包括多个孔眼的部分由亲水材料制造。通过具有适合的孔眼尺寸、结构的表面面积、以及液体润湿特性的适当的液滴接触结构100，可以在液滴接触结构100上的压降超过临界压力点之前获得穿过液滴接触结构100的任何期望的液体流量。

为了维持合适的压降，负压源104与液滴接触结构100的多个孔眼102流体连通。负压源104包括压力调节器106，该压力调节器用来控制负压，以使得负压保持低于液滴接触表面100的多个孔眼102的临界压力点。将单个负压源104与压差调节器一起使用允许根据需要真空水平在低于临界压力点的一定压力范围内随着时间的推移而变化，以适应变化或不同的运行条件(例如，当较大量的液体与捕集器接触面接触时和当较少量的液体与捕集器表面接触时)，同时仍维持液滴接触结构100上的期望压降。可替换地，由负压源提供的负压可以在整个印刷头操作期间维持在低于液滴接触结构的多个孔眼的临界压力点的大体恒定的压力水平。

在印刷头操作期间，非印刷液滴54撞击液滴接触结构100并且通过孔眼102被拖入到该结构中。包括孔眼102的表面90应当是薄的，以最小化表面上的流动阻抗，因为大流动阻抗限制液体从液滴接触结构100的移除率并且可最终影响印刷品质。捕集器表面90优选由诸如二氧化硅、氮化硅、碳化硅的介电材料，诸如钽的金属，聚合物材料，或硅构成，尽管其它材料可以根据预期的具体应用使用。

为了支撑薄的多孔液滴接触表面90并提供刚性，加强结构108与液滴接触结构100机械接触，如图4所示。正如在此使用的，术语“机械接触”指所述结构彼此机械耦合，但不是必须直接接触。该加强结构应由柔性材料制成，其提供增强的机械强度，而不增加太多的流动阻抗。适合的柔性材料的例子为诸如钽的金属、诸如聚酰亚胺或SU-8(可从Microchem公司,牛顿,马萨诸塞州购得)的聚合物或介电材料，尽管根据具体的应用其它材料可以适用。根据预期的应用，该加强结构108包括通过流体回流管线与循环单元或废料箱流体连通的多个流体通道110。加强结构108的流体通道110包括大于液滴接触结构100中的孔眼102的尺寸的开口。开口的大尺寸导致比液滴接触结构100的多个孔眼102的流体阻抗低的流体阻抗，使得流体更快速并且更容易地通过流体通道110。在图4中，加强结构108位于液滴接触结构100的内部侧(内侧)。

由于典型地非印刷液滴54不始终在捕集器42的前表面90的顶部撞击前表面90，在一些实施例中，在液滴撞击区域以上的捕集器表面可以包括非多孔区段111。在一些实施例中，所有来自撞击捕集器的前表面90的液滴的液体通过孔眼102从捕集器表面移除。在其它实施例中，例如图4中所示，仅仅来自撞击捕集器前表面的液滴的一部分液体通过孔眼102被抽出。在这样的实施例中，边缘112的半径使得流体能够从该表面流下以围绕边缘流动并进入液体返回管道86。进入液体返回管道的液体从这里被抽出并借助于附加真空源114返回到油墨贮存器。

加强结构108可以为一个连续层，如图4所示，但是，如图5所示，其不必均匀一致，并且可由具有变化厚度的多层组成(通常称为阶梯式或层叠式)。换句话说，加强结构108的流体通道110可以沿液体通道的长度具有变化的横截面。图5中的实施例例如可以利用多层蚀刻制造。多层蚀刻工艺的使用还允许根据预期的具体应用在加强结构中形成横向流动通道。

在一些实施例、例如图6中所示的一个实施例中，加强结构108位于液滴接触结构100的外部侧(外侧)。此外，在其它实施例、如图7中的实施例中，可以包括两个加强结构108A和108B。当包括两个加强结构时，一个加强结构108B可以位于液滴接触结构100的外侧，并且一个加强结构108A可以位于液滴接触结构100的内侧。为了使在非印刷液滴撞击捕集器的前表面时可能产生的喷雾最小化，优选将位于液滴接触结构100的外侧的加强结构108与液滴的轨迹对齐。然而，其它几何形状也可以被使用。

在一些实施例中，液滴接触结构可以与流体源流体连通。根据预期的具体应用，流体源可以包括油墨贮存器、清洁流体贮存器或其它流体源。当液滴接触结构与流体源流体连通时，流体可以被引入到液滴接触结构中，以维持孔眼的湿润或利用新的流体重新填满孔眼。例如，在启动序列期间，清洁流体可以被引入到液滴接触结构和孔眼中，以便溶解任何干油墨并洗掉任何残渣，同时润湿孔眼，以加强通过孔眼接触液滴接触结构的液滴的吸收。

有利地，本发明的捕集器通过减小的液滴接触表面使液体移除率最大化，同时维持了结构坚固性。此外，本发明的捕集器减少了积结在捕集器的液滴接触表面上的液体并减少了空气吸入捕集器的可能性。

该多孔捕集器通过使用光刻掩模的多步蚀刻方法制造。总体上，捕集器表面材料层设置在加强结构材料层上。如前面所讨论，适于捕集器表面材料层的材料包括但不限于诸如二氧化硅、氮化硅、碳化硅的介电材料，诸如钽的金属，聚合物材料或硅。加强结构材料层为薄的柔性材料层，其提供加强的机械强度而不增加太多的流体阻力。柔性材料的实例为诸如钽的金属、诸如聚酰亚胺或SU-8的聚合物和介电材料。每层的具体材料取决于预期的具体应用。在加强结构材料层上提供捕集器表面材料层的步骤可以根据预期的具体应用和选择的特定材料通过两层的层压或沉积工艺获得。第一蚀刻工艺用于在捕集器表面材料层中形成孔眼，并且第二蚀刻工艺用于在加强结构材料层中形成开口。这些步骤可以按照各种顺序执行，正如下面将描述的那样。具体的蚀刻工艺根据捕集器表面材料层和加强结构材料层的选定材料来选择。捕集器表面90的孔眼102和加强结构材料层中的开口借助于材料去除工艺流体连通，并且加强结构与捕集器表面90机械接触。因此，该加强结构可以直接与捕集器表面接触，如图4-7所示，或者加强结构可以与允许与捕集器表面90机械耦合的其他层接触，如图12所示。

制造方法的一个示例性实施例如图8(A)-(F)所示。在图8(A)中，加强结构材料层116被遮盖并在第一侧118蚀刻，以在加强结构材料层116中形成开口120。这些开口120对应于流体返回通道110。未被蚀刻掉的材料122对应于图4中的加强结构108。加强结构材料层116的第一侧118上的开口120可以随后填充牺牲材料层124。该牺牲材料层可以为诸如聚酰亚胺或由其他材料构成的聚合物。随后，例如化学机械抛光(或CMP)的平面化工艺用来去除牺牲材料层124的超出的厚度，以使其降至与加强材料层116的第一侧118处于同样的高度水平，如图8(B)所示。当开口已经被填满时，捕集器表面材料层126通过沉积或层压工艺被设置，如图8(C)所示。根据预期的具体应用，其他工艺可以被使用，只要其充分地将各层结合在一起。如图8(D)所示，捕集器表面材料层126通过使用光刻掩模被遮盖并且该层被蚀刻，在捕集器表面中形成孔眼102。加强结构材料层116的第二侧128随后利用光刻掩模遮盖并被蚀刻，以形成液体移除歧管(集管)130，如图8(E)所示。在图8(F)中，材料去除工艺用来释放牺牲材料层124并且流体连通加强结构中的开口120(现在的流体通道110)和捕集器表面的孔眼102。当诸如聚酰亚胺的聚合物被用作牺牲材料层时，氧等离子体可用来去除该层。当其他材料用作牺牲材料层时，其他去除工艺对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

现在参考图9(A)-(F)，示出了该方法的另一示例性实施例。如上所述，在图9(A)中，加强结构材料层116被遮盖并且在第一侧118上蚀刻，以形成加强结构材料层116中的开口120。此外，这些开口120对应于流体返回通道110。未被蚀刻掉的材料122对应于图5中的加强结构108的一部分。加强结构材料层116的第一侧118上的开口120可以随后填充有牺牲材料层124。随后，诸如化学机械抛光(或CMP)的平面化工艺用来去除牺牲材料层124的超出的厚度，以使其降至与加强结构材料层116的第一侧118处于同样的高度水平，如图9(B)所示。当开口120已经被充满时，捕集器表面材料层通过沉积或层压工艺设置(未示出)。捕集器表面材料层126利用光刻掩模遮盖并且该层被蚀刻，如图9(C)所示，在捕集器表面中形成孔眼102。在图9(D)中，加强结构材料层116的第二侧128利用第三光刻掩模遮盖并蚀刻，以在加强结构材料层116的背侧(或第二侧)128中形成开口132。这些开口132的横截面不同于加强结构材料层116的第一侧118中蚀刻的开口120的横截面。在图9(E)中，第四光刻掩模用来再次遮盖加强结构材料层116的第二侧128，并且其随后被再次蚀刻，以形成液体移除歧管130。材料去除工艺用来释放牺牲材料层124，流体连通加强结构中的开口132和120(现在的流体通道110)和捕集器表面的孔眼102(如图9(F)所示)。如上所述，将使用的具体的材料去除工艺取决于选定用于牺牲材料层的特定材料。

不是必须在施加捕集器表面材料层之前在加强结构材料层中蚀刻开口，如参考图10(A)-(D)描述的示例性实施例所示。在图10(A)中，捕集器表面材料层126通过沉积或层压工艺设置在加强结构材料层116的第一侧118上。正如先前说明的那样，根据预期的具体应用，可以使用其他工艺将各层充分结合在一起。捕集器表面材料层126利用第一光刻掩模遮盖并且该层被蚀刻，在捕集器表面中形成孔眼102，如图10(B)所示。接着，在图10(C)中，加强结构材料层116的第二侧128利用第二光刻掩模遮盖并被蚀刻，以在加强结构材料层116的背侧(或第二侧)128上形成开口132。这些开口132限定加强结构的流体通道110的位置。随后，在图10(D)中，附加的光刻掩模用于遮盖加强结构材料层116的第二侧128，并且加强结构材料层116的该第二侧128随后也被蚀刻，以形成液体返回歧管130。该最后的蚀刻工艺额外地流体连通加强结构中的开口(现在的流体通道110)和捕集器表面的孔眼102。

此外，在该方法的一些实施例、例如图11(A)-11(E)的示例性实施例中，捕集器表面材料层可以被首先蚀刻，从而形成蚀刻加强结构材料层中使用的掩模。当使用该方法时，捕集器表面材料层126通过沉积或层压施加到加强结构材料层108上，如图11(A)所示。加强结构材料层为薄的柔性材料层，其提供加强的机械强度而不增加太多的流动阻力。柔性材料的实例为诸如钽的金属或者诸如聚酰亚胺或SU-8的聚合物。在图11(B)中，第一光刻掩模被施加并且捕集器表面材料层126被蚀刻，在捕集器表面中形成孔眼102。在第一蚀刻工艺完成后，经蚀刻的捕集器表面材料层形成在第二蚀刻工艺期间使用的掩模，以如图11(C)所示使用各向异性(非均匀)蚀刻工艺或使用各向同性(均匀)蚀刻工艺(未示出)蚀刻穿过加强结构材料层108的流体通道。当采用各向异性蚀刻工艺时，流体通道具有大体上与捕集器表面层中的孔眼相同的一致横截面。当采用各向同性蚀刻工艺时，各层的材料特性的差别将导致加强结构材料层中的开口(流体通道)大于捕集器表面材料层中的开口(孔眼)。由于各向同性蚀刻的特性，穿过加强结构材料层的厚度的流体通道的横截面变化。而且，不能使用单一的各向同性蚀刻工艺产生小于加强结构材料层的厚度的流体通道横截面。可替换地，可以使用两步蚀刻工艺，以通过各向同性蚀刻工艺和随后的各向异性蚀刻工艺蚀刻加强结构材料层108。在图11(D)中，采用各向异性蚀刻工艺，以蚀刻穿过加强结构材料层108。随后在图11(E)中，采用各向同性蚀刻工艺，以增大穿过加强结构材料层108蚀刻的流体通道的横截面。与单一各向同向蚀刻工艺相比，在两步蚀刻工艺中形成的穿过加强结构材料层的厚度的流体通道的横截面更均匀一致。此外，高纵横比流体通道(横截面宽度小于加强结构材料层的厚度)可以利用两步蚀刻工艺形成。

在该方法的一些实施例中，为了蚀刻工艺的更高精度，采用蚀刻阻止件。蚀刻阻止件为不被用来蚀刻另一材料层的蚀刻工艺蚀刻的材料。例如当利用DRIE工艺蚀刻硅时，二氧化硅或氮化硅可以用作蚀刻阻止件。该蚀刻阻止材料可以随后通过使用不损害硅的蚀刻工艺去除。当使用蚀刻阻止件时，蚀刻的深度将通过蚀刻阻止件的位置或深度控制，而不是仅仅通过时间控制。

在图12(A)-12(D)所示的示例性实施例中，加强结构材料层116直接与蚀刻阻止层134的第一表面接触。蚀刻阻止层134的第二表面直接与捕集器表面材料层126接触，如图12(A)所示。因此，由于被蚀刻的层的可变厚度，在没有蚀刻阻止件处，蚀刻可以变化，蚀刻阻止件确保了层被蚀刻到一致的深度。参考图12(B)，加强结构材料层116利用光刻掩模遮盖并且随后被蚀刻到蚀刻阻止层134。在加强结构材料层116中蚀刻的开口对应于流体通道110。同样，如图12(C)所示，捕集器表面材料层126利用光刻掩模遮盖并且随后被蚀刻到蚀刻阻止层134。蚀刻在捕集器表面材料层126中的开口对应于捕集器表面中的孔眼102。最终，如图12(D)所示，光刻掩模从捕集器表面材料层126和加强结构材料层116的表面去除，并且蚀刻阻止层134被除去，以流体连通捕集器表面的孔眼102和加强结构的开口(流体通道)110。用于蚀刻阻止层去除的具体必要工艺取决于选择为蚀刻阻止件的特定材料，并且其对本领域技术人员来说将是显而易见的。

然而，蚀刻阻止层的位置不限于位于捕集器表面材料层和加强结构材料层之间。例如，如图13(A)-(F)所示，蚀刻阻止层134可以位于加强结构材料层116和基底136之间。基底例如可以为硅，尽管根据预期的具体应用其他材料可以被使用。当蚀刻阻止层134位于加强结构材料层116和基底136之间时，加强结构中的开口(其变成为流体通道110)通过利用光刻掩模遮盖加强结构材料层116和蚀刻到蚀刻阻止层134产生。这可以在一个步骤中完成(未示出)，或者，如图13(A)中的示例性实施例所示，第一光刻掩模可以被施加并且加强结构材料层116可以蚀刻特定的一段时间，但在到达蚀刻阻止层134之前停止，从而在加强结构材料层116中形成开口120。随后，如图13(B)所示，另一光刻掩模被使用，并且加强结构材料层被蚀刻到蚀刻阻止层134。该两步蚀刻工艺形成开口120(以及随后的流体通道110)，其中沿开口120的长度具有变化的横截面。加强结构材料层116的开口120随后填充牺牲材料层124。随后，诸如化学机械抛光(或CMP)的平面化工艺用来除去牺牲材料层124的超出的厚度，以使其降至与加强结构材料层116的第一侧118处于相同的高度水平，如图13(C)所示。当开口120被充满时，捕集器表面材料层126可以随后通过沉积或层压工艺设置。根据预期的具体应用，可以使用其他工艺，只要其充分将层结合在一起。根据上述其他实施例所述，捕集器表面材料层126利用光刻掩模遮盖并且该层被蚀刻，以在捕集器表面中形成孔眼102(如图13(D)所示)。此外，基底136可以被遮盖并且被蚀刻，以形成例如液体移除歧管130，如图13(E)所示。蚀刻阻止层134和牺牲材料层124随后被除去，将捕集器表面的孔眼102、流体通道110和液体移除歧管130流体连通。然而，在被附着到加强结构上时，液体返回歧管130不需要被蚀刻。例如，液体返回歧管可以附着在各自已经形成的加强结构/捕集器表面组件上。

在图14(A)-14(D)中所示的示例性实施例中，加强结构材料层116直接与捕集器表面材料层126接触。如图14(A)所示，加强结构材料层被提供。加强结构材料层116的一个例子为硅。在图14(B)中，加强结构材料层利用光刻掩模遮盖并随后蚀刻穿透。对于硅加强结构材料层116而言，DRIE蚀刻工艺可以用来在晶片开口的高纵横比。蚀刻在加强结构材料层116中的开口对应于流体通道110。参考图14(C)，诸如聚酰亚胺或干照片成像用聚合物材料的薄干膜材料被层压或粘结在加强结构材料层116上。最后，如图14(D)所示，光刻掩模被应用，以蚀刻捕集器表面材料层126中的捕集器表面的孔眼102。该最后的蚀刻流体连通捕集器表面的孔眼102和加强结构的开口(流体通道)110。

图15(A)-15(E)示出了液滴接触结构的孔眼的示例性布置方式。在图15(A)中，孔眼为沿基本上平行于液滴方向延伸的长槽。在图15(B)中，孔眼为基本上垂直于液滴方向延伸的长槽。在图15(C)中，孔眼具有方形或矩形形状。在图15(D)中，孔眼为椭圆形。在图15(E)中，孔眼为以方形图案布置的圆。在图15(F)中，孔眼为以六边形图案布置的圆。其他形状或模式也是可行的。

在下面的例子中，相应于图12(A)到12(D)的制造步骤，提供了本发明的制造方法的示例性实施例并且没有包括本发明所有可能的实施例。

绝缘体上硅(“SOI”)晶片被选择为具有下列构造：具有厚度为25μm的硅层(“捕集器表面材料层”)、厚度为1μm的二氧化硅层(“蚀刻阻止材料层”)以及厚度为350μm的第二硅层(“加强结构材料层”)。SOI晶片被氧化，以在捕集器表面材料层和加强结构材料层中的每一个上形成2μm的二氧化硅层。

晶片通过光刻被图案化，以限定用于加强结构材料层的蚀刻图案。RIE用于在加强结构材料层上蚀刻二氧化硅，以形成用于加强结构材料层的蚀刻掩模。DRIE随后用于蚀刻加强结构材料层。当蚀刻达到蚀刻阻止材料层时蚀刻停止。该步骤在加强结构材料层中形成流体通道。

晶片同样通过光刻被图案化，以限定用于捕集器表面材料层的光刻图案。反应离子蚀刻(“RIE”)用于在捕集器表面材料层蚀刻二氧化硅，以形成用于捕集器表面材料层的蚀刻掩模。深反应离子蚀刻(“DRIE”)随后用于蚀刻捕集器表面材料层。当蚀刻到达蚀刻阻止材料层时蚀刻停止。该步骤在捕集器表面材料层中形成孔眼尺寸为大约3μm到大约5μm的孔眼。

RIE用于蚀刻掉暴露的二氧化硅。RIE为在蚀刻阻止材料层中去除材料以将捕集器表面材料层中的孔眼机械耦合到加强结构材料层中的流体通道的材料去除工艺。

部件列表

20  连续喷墨印刷系统

22  图像源

24  图像处理单元

26  机构控制电路

28  装置

30  印刷头

32  记录介质

34  记录介质输送系统

36  记录介质输送控制系统

38  微控制器

40  贮存器

42  捕集器

44  循环单元

46  压力调节器

47  通道

48  喷射模块

49  喷嘴板

50  多个喷嘴

51  加热器

52  液体

54  液滴

56  液滴

57  轨迹

58  液滴流

60  气流偏转机构

61  正压气流结构

62  气体

63  负压气流结构

64  偏转区域

66  小液滴轨迹

68  大液滴轨迹

72  第一气流管道

74  下壁

76  上壁

78  第二气流管道

82  上壁

84  密封件

86  液体返回管道

88  板

90  前表面

92  正压源

94  负压源

96  壁

100 液滴接触结构

102 孔眼

104 负压源

106 压力调节器

108 加强结构

110 流体通道

111 非多孔区段

112 具有半径的边缘

114 附加真空源

116 加强结构材料层

118 加强结构材料层的第一侧

120 加强结构材料层的第一侧中的开口

122 通过蚀刻剩下的材料

124 牺牲材料层

126 捕集器表面材料层

128 加强结构材料层的第二侧

130 液体移除歧管

132 加强结构材料层的第二侧中的开口

134 蚀刻阻止层

136 基底

Claims (14)

1.一种印刷头，其包括：

捕集器，其包括液滴接触结构，该液滴接触结构包括多个孔眼，当相互比较时，所述多个孔眼中的每一个具有大体一致的尺寸，所述多个孔眼具有临界压力点，超过该临界压力点，空气可使液体移离所述多个孔眼；以及

负压源，其与所述液滴接触结构的所述多个孔眼流体连通，该负压源包括压力调节器，该压力调节器控制负压，以使得该负压保持低于所述液滴接触结构的所述多个孔眼的临界压力点。

2.如权利要求1所述的印刷头，其特征在于，捕集器进一步包括物理上不同于所述液滴接触结构的所述多个孔眼的液体返回管道。

3.如权利要求2所述的印刷头，其特征在于，捕集器进一步包括与所述液体返回管道流体连通的另一负压源。

4.如权利要求1所述的印刷头，其特征在于，进一步包括：

与所述液滴接触结构接触的加强结构，该加强结构包括多个流体通道，通过所述流体通道可以移除来自于所述多个孔眼的液体。

5.如权利要求4所述的印刷头，其特征在于，加强结构的所述多个流体通道包括开口，所述开口具有与所述液滴接触结构的所述多个孔眼相比较低的流体阻抗。

6.如权利要求4所述的印刷头，其特征在于，所述加强结构包括具有第一壁厚的第一层和具有第二壁厚的第二层，第一壁厚不同于第二壁厚。

7.如权利要求4所述的印刷头，其特征在于，加强结构为位于液滴接触结构的第一侧的第一加强结构，捕集器进一步包括：

位于液滴接触结构的第二侧的第二加强结构。

8.如权利要求1所述的印刷头，其特征在于，所述多个孔眼以二维图案布置。

9.如权利要求1所述的印刷头，其特征在于，液滴接触结构中包括所述多个孔眼的部分由亲水材料制成。

10.如权利要求1所述的印刷头，其特征在于，液滴接触结构位于还包括非多孔区段的捕集器的表面上。

11.如权利要求1所述的印刷头，其特征在于，进一步包括：

液体源，其与液滴接触结构液体连通，以向所述多个孔眼提供液体。

12.如权利要求1所述的印刷头，其特征在于，由负压源提供的负压保持在低于液滴接触结构的所述多个孔眼的临界压力点的基本上恒定的压力水平。

13.如权利要求1所述的印刷头，其特征在于，由负压源提供的负压随着时间推移在低于液滴接触结构的所述多个孔眼的临界压力点的一定压力范围内变化。

14.一种印刷方法，其包括：

提供捕集器，该捕集器包括液滴接触结构，该液滴接触结构包括多个孔眼，当相互比较时，所述多个孔眼中的每一个具有大体一致的尺寸，所述多个孔眼具有临界压力点，超过该临界压力点，空气可以将液体移离所述多个孔眼；

提供负压源，该负压源与液滴接触结构的所述多个孔眼流体连通；

利用压力调节器控制负压，以使得该负压保持低于液滴接触结构的所述多个孔眼的临界压力点；

从喷射模块喷射液滴；以及

使从喷射模块喷出的一些液体微滴与液滴接触结构接触，在接触液滴接触结构之后，所述液体微滴将空气移离所述多个孔眼。