CN102656014B - 在凹陷衬底腔穴中具有加热元件的热喷墨打印头 - Google Patents

Abstract

喷墨打印头包括衬底，衬底中形成有凹陷腔穴。腔穴沿其周界具有连续侧壁。打印头包括形成于腔穴侧壁上的加热元件。

Description

在凹陷衬底腔穴中具有加热元件的热喷墨打印头

背景技术

在典型的热发泡喷墨打印系统中，喷墨打印头通过多个喷嘴向打印介质(如纸张)喷射墨滴，从而将图像打印到打印介质上。喷嘴典型地排列成一个或多个阵列，使得当打印头和打印介质彼此相对运动时，墨液从喷嘴中以适当顺序喷射，使得字符或其它图像打印在打印介质上。

热喷墨打印头从喷嘴中喷射液滴时是通过让电流流过加热元件以产生热，从而使液体的一小部分在喷发室中蒸发。以持续2微秒量级的脉冲提供电流。当提供电流脉冲时，由加热元件产生的热产生快速气泡的气泡，迫使液滴从喷发室喷嘴中出来。当加热元件冷却时，气泡快速破裂（collapse）。破裂的气泡将更多液体从储藏室吸入到喷发室中，以准备好从喷嘴喷射下一滴。遗憾的是，因为在打印过程中每秒重复几千次喷射过程，所以破裂的气泡还可能有损坏加热元件的不利影响。气泡的破裂造成对加热器表面材料的气穴现象损坏。数百万次的破裂事件中的每一次破裂都会侵蚀涂敷材料。一旦墨液渗透加热元件的层或表面材料，并接触到热的高压电阻器表面，很快会造成对电阻器的快速腐蚀和物理破坏。

附图说明

为举例说明，现参照附图描述本发明的实施例，附图中：

图1示出了根据现有技术的示例性热喷墨打印头的局部横截面视图，其使用了形成于加热元件上的外涂层（overcoat layer）；

图2A和图2B示出了根据实施例的示例性热喷墨打印头的局部横截面视图；

图3A和图3B示出了根据实施例的、具有矩形形状的凹陷腔穴的示例性热喷墨打印头的局部自顶向下的视图；

图4A和图4B示出了根据实施例的、具有圆形或圆筒形形状的凹陷腔穴的示例性热喷墨打印头的局部自顶向下的视图；

图5示出了根据实施例的、带有覆盖着腔穴连续侧壁的加热元件的示例性热喷墨打印头的局部横截面视图；

图6示出了根据实施例的、从热喷墨打印头喷射墨滴的一个示例，墨滴尾部的中心基本在喷嘴的轴线上；

图7示出了根据实施例的、制造热喷墨打印头的示例性方法的流程图；

图8示出了根据实施例的、从喷墨打印头喷射墨滴的示例性方法的流程图。

附图中，相同的附图标记表示相似但不一定完全相同的元件。

详细描述

问题与方案概述

如上所述，由于打印过程中每秒都会重复气泡膨胀、破裂的墨滴喷射过程几千次，气穴现象对热喷墨打印头中加热元件的损坏会而随着时间而积累。一旦气穴现象侵蚀外涂层，加热器被破坏，不再喷射墨液。

用来降低气穴现象破坏问题的一种常用技术是尽量使加热元件更鲁棒（robust）一些，这样它可以更好地抵抗来自破裂的气泡的冲击波。图1示出了示例性的传统热喷墨打印头100的局部横截面视图，它采用形成于加热元件上的外涂层，提供另外的结构稳定性，以及与喷发室中的流体的电绝缘。

在图1的传统热喷墨打印头100中，衬底102通常由Si制成，其具有诸如SiO₂的介质层。在衬底102上面的薄附着层104增加了覆盖在衬底102上的附加层的机械结合强度。附着层104通常是氮化钛（TiN）层。铝电极（106，108）沉积于附着层104上，可以通过干式离子蚀刻来成形，形成斜边缘。加热元件110是例如沉积于衬底102的表面上（包括在铝电极（106，108）上）的氮化硅钨（WSiN）的电阻层。加热元件110可通过传统的集成电路制造技术，诸如在电极（106，108）上溅射电阻材料来沉积。有几种类型的材料可用来制造加热元件110，例如象钽铝合金。一个或多个附加外涂层112可形成于加热元件110上，以提供附加结构稳定性，以及与喷发室中流体的电绝缘。加热元件110通过介质材料与墨液隔离，此后加入另一象氮化硅/碳化硅和/或钽的另一材料以增加强度，延迟由于气穴现象造成的故障。在图1的示例性热喷墨打印头100中，外涂层112旨在说明将这些覆盖材料加入到加热元件110。

阻挡层/腔室层114以由例如热和压力层压的干膜或作为通过旋涂施加的湿膜形成于衬底102上。腔室层114的材料是光可成像聚合物，诸如SU8。（一个或若干）腔室116通过常用光成像技术形成于腔室层114中。喷嘴板118包括形成于相应（一个或若干）腔室116上的（一个或若干）喷嘴孔120，使每个腔室116、相关喷嘴120和相关加热元件110对齐。因此，腔室116包括侧面形成于衬底102的表面上方的腔室壁，底部形成于衬底102表面上的加热元件110和形成于腔室层114上的喷嘴板118和喷嘴120。

在图1的传统热喷墨打印头100中，用电流脉冲对加热元件110赋能，以加热腔室116中的墨液122，使膨胀的气泡124将墨滴126从喷嘴120喷出。当电流脉冲关断时，加热元件110冷却。气泡124快速破裂，将更多流体从储藏室（未示出）吸入到喷发室116中，以准备从喷嘴120喷射另外的墨滴。如上文提到的，在打印中，每秒重复此喷射过程几千次，每次气泡124破裂时，引起集中的冲击波冲击加热元件110。因此，在打印中加热元件110会经历连续的高频冲击波，引起随时间积累的气穴现象破坏。一旦气穴现象侵蚀掉外涂层，加热元件被破坏，不再喷射墨液。

附加外涂层112被设计成保护加热元件110不受气穴现象和其它破坏的影响，通过提供结构稳定性来提高加热元件110的可靠性。较厚的外涂层112可进一步提高加热元件110的可靠性。然而，这种保护加热元件110不受气穴现象破坏的方法有几个缺点。例如，外涂层112充当散热器，耗散由加热元件110产生的热。因此，外涂层112增加了加热元件110必须产生以通过喷嘴120喷发墨滴的热量。而且，尽管较厚的外涂层112为加热元件110提供更大保护，但会相应增加较厚外涂层112的散热效果，这是不期望的。除了充当散热器的缺点之外，较厚外涂层112还表现出热滞后。即，外涂层112的温度落后加热元件110的温度。加热滞后时间可引起喷射响应时间问题，及墨液冷却时粘到外涂层112的表面的问题。这些问题可降低加热元件110传导的热量，因此降低打印头100通过喷嘴120适当喷射墨液的能力。

本公开的实施例通过从加热元件消除破裂的气泡的效应，克服了如上文提到的那些缺点。从破裂的气泡的冲击区中移去加热元件，使高频冲击波降低气穴现象对加热元件的损坏，降低了保护加热元件的外涂层的需求。因此，尽管可以使用外涂层，但其厚度可以降低。凹陷腔穴形成于打印头衬底内，打印头衬底的表面下方，加热元件沿凹陷腔穴的壁形成于衬底内。因为加热元件不形成于衬底表面上，不占据喷发室的底部，不牵涉由于气泡的重复破裂引起的退化过程。

在一个实施例中，例如，喷墨打印头包括带凹陷腔穴的衬底，腔穴形成于衬底中。凹陷腔穴沿腔穴的周界具有连续侧壁和形成于腔穴侧壁上的加热元件。加热元件覆盖从腔穴底部沿侧壁到腔穴底部和顶部之间的一点或向上到腔穴顶部的腔穴周界的连续侧壁。在另一实施例中，制造喷墨打印头的方法包括在衬底中形成凹陷腔穴。腔穴具有底部和沿整个腔穴周界的连续侧壁。加热元件形成于腔穴的侧壁上。形成带开放顶部的凹陷腔穴，开放的顶部与和腔穴底部相对的衬底表面齐平。形成长度覆盖整个腔穴周界的侧壁，高度从腔穴底部延伸到腔穴底部和顶部之间的一点的加热元件。在另一实施例中，从喷墨打印头喷射墨滴的方法包括对衬底凹陷腔穴中形成的加热元件赋能，其中凹陷腔穴具有连续周界的侧壁，加热元件覆盖沿凹陷腔穴的连续周界的侧壁。

图示实施例

图2示出了根据实施例，示例性热喷墨打印头200的局部横截面视图。打印头200包括例如由Si制成的衬底202，具有象SiO₂的介质层。衬底202具有表面204，在表面204上可以形成组成打印头200的各元件和各层。很显然的是，此元件和/或层可关于表面204以各个方向形成，如在表面204的上面，在表面204内，在表面204下面等等。例如，腔穴206形成于衬底202中。腔穴206凹入衬底202中，这样认为腔穴在衬底202的表面204之下。凹陷腔穴206具有沿腔穴206的整个周界延伸的一个侧壁208或若干侧壁（取决于腔穴的形状）。即，腔穴具有由连续（一个或若干）腔穴侧壁形成的其中没有断开的连续周界。腔穴206的（一个或若干）侧壁208的连续性更好地示于图3和图4中，其中，根据不同实施例示出了示例性热喷墨打印头200的自顶向下的视图。

图3A和图3B示出了根据实施例，具有矩形形状的凹陷腔穴206的热喷墨打印头200的局部自顶向下的视图。图4A和图4B示出了根据实施例，具有圆形或圆筒形形状的凹陷腔穴206的热喷墨打印头200的局部自顶向下的视图。尽管本文中参照具体形状和尺寸示出、讨论凹陷腔穴206，但并不表示在这方面限制腔穴206的形状和尺寸。而是腔穴206的各个形状和尺寸都在考虑之内。而且，应理解的是，关于打印头200示出的腔穴206的尺寸只是为了图示目的，不表示是完全准确或标定的示意。

现在参照图2、图3和图4，沿凹陷腔穴206的周界的（一个或几个）侧壁208的连续特征是明显的。在图3的实施例中，因为凹陷腔穴206是矩形形状，显然，腔穴206具有超过一个侧壁208。具体是，矩形形状的腔穴206具有4个侧壁208。然而，在图4的实施例中，由于凹陷腔穴206的圆形或圆筒形形状，显示腔穴206具有一个侧壁208。在任一种情况下，凹陷腔穴206的一个或若干侧壁沿腔穴206的连续周界是连续的。

再次参照图2，（一个或若干）侧壁208从凹陷腔穴206的底部210延伸到腔穴206的顶部212。腔穴206的顶部212是开放的，并与衬底202的表面204齐平。腔穴206的底部210通过衬底202闭合，可用外涂层214涂敷。外涂层214可以象图示那样覆盖整个衬底202。外涂层214可形成于加热元件216上。外涂层214可包括将加热元件216与喷发室222中的流体隔离的介电材料。外涂层214还可包括象钽或氮化硅/碳化硅的层，以提供结构完整性，有助于保护衬底202和加热元件216不受气穴现象破坏。

加热元件216形成于凹陷腔穴206的侧壁208上。加热元件216相对于凹陷腔穴206的底部210在垂直方位，而不是水平方向。加热元件216是由例如氮化硅钨（WSiN）或钽铝合金制成的电阻层。如上文讨论的，加热元件216可具有包括介电涂层以防止（例如电、化学、机械）腐蚀的外涂层214。此外，加热元件216上的外涂层214可包括保护涂层，象介电涂层上的Ta。

加热元件216沿腔穴的整个连续周界覆盖腔穴206的侧壁208。不过，在一些实施例中，加热元件216不一定覆盖整个侧壁208。例如，如图2所示，加热元件216从腔穴206的底部210到在腔穴的底部210和顶部212之间的侧壁中途停止的点218覆盖腔穴206的连续侧壁208。不过，在其它实施例中，加热元件216可从腔穴206的底部210到腔穴的顶部212完全覆盖连续侧壁208，如图5的示例性热喷墨打印头200显示的。

如图2的实施例，在加热元件216从腔穴206的底部210延伸到腔穴的底部210和顶部212之间的侧壁208中途的一点218时，可以获得不同高度的加热元件216的优点。底部210和侧壁208上的点218之间的加热元件216的适当高度例如是约5微米。而且，参照图4的圆形或圆筒形形状的腔穴206，圆筒体的适当半径例如是17微米。相应地，在一些实施例中，加热元件216的表面面积的一个合适示例是约530平方微米。

参照图2-5，导体217提供到加热元件216的导电性。如图2A和图2B所示，导体217可在侧壁208的上面。如图3A、图3B、图4A和图4B所示，导体217可相对于加热元件216在各个位置以各种配置形成。例如，在图3A和图4A中，两个导体217都在朝向喷发室222的一侧的位置连接到加热元件216。不过，在图3B和图4B中，导体217在对着喷发室222的位置连接到加热元件216。此外，如图2A所示，导体217可在加热元件216之后形成，可在朝加热元件216的上侧的区域接触加热元件216。或者，在图2B所示的另一实施例中，导体217可在形成加热元件之前形成，并且可在加热元件216的下方或后方的区域中接触加热元件216。

腔室层220形成于衬底202的表面204上，具有形成于腔穴206上的腔室，例如腔室222。腔室层220可以形成例如通过热和压力层压的干膜，或通过旋涂施加的湿膜。腔室层220的材料是光可成像聚合物，例如SU8。腔室，例如腔室222，通过常用光成像技术形成于腔室层220中。喷嘴板224包括喷嘴孔，例如形成于相应腔室上的喷嘴226，使每个腔室222、关联喷嘴226和关联腔穴206对齐。从图2-4中显然，腔室周界300大于腔穴周界302。相反，腔穴周界302小于腔室周界300。而且，值得注意的是，腔室周界300在墨液通道304与腔室222相交的点是不连续的，或中断的。腔室周界300与墨液通道304相交的不连续性306更清楚示于图3和图4中。与不连续的腔室周界300相比，腔穴周界302（侧壁208）在腔穴206凹入衬底202中是连续的。

如上文指出的，加热元件216沿衬底202中凹陷腔穴206的壁垂直形成的一个优点是将加热元件216从由破裂的气泡引起的高频冲击波的冲击区域分离。此分离减轻了对加热元件216的气穴现象破坏，并降低了对加热元件216上保护涂层（例如Ta）的需要。因此，尽管可以使用保护性外涂层214，但其厚度减小了。另一优点是由凹陷腔穴206内的垂直侧壁加热元件216引起的喷射墨液滴的均匀、对称形状。例如，如图6所示，在腔穴206是圆筒体且加热元件216的面积近似为530平方微米（如上文讨论的）的一个实施例中，喷射的墨滴600具有中心基本在喷嘴216的轴线604上的墨滴尾部602。凹陷腔穴206和垂直加热元件216产生高度可控具有理想对称性的墨滴。

图7示出了根据实施例，制造热喷墨打印头的示例性方法700的流程图。方法700与上文关于图2-6的图示讨论的热喷墨打印头200的实施例相关。尽管方法700包括以特定次序列出的步骤，但应理解的是，这并不将这些步骤限制为以此或其它任何具体次序执行。通常，可使用各种精密微制造技术来执行方法700的步骤，如电镀、激光切除、各向异性蚀刻、溅射、干式蚀刻和光刻法，这些都是本领域技术人员已知的。

方法700开始于块702，在衬底（例如硅衬底）中形成凹陷腔穴。凹陷腔穴具有由衬底闭合的底部和与底部相对并在衬底的表面开口的顶部。腔穴的顶部通向腔室，即墨液室。腔穴具有沿腔穴的整个周界延伸的连续侧壁。

在方法700的块704，在腔穴的侧壁上以相对于腔穴底部的垂直方向形成加热元件。加热元件通常具有介电涂层，以将其隔离，防止（例如化学、机械和电）腐蚀，在介电涂层上还可以有保护性涂层，例如Ta。在一个实施例中，加热元件具有覆盖整个腔穴周界的侧壁的长度和从腔穴底部延伸到腔穴底部和顶部之间的一点的高度。在另一实施例中，加热元件具有从腔穴底部向腔穴顶部延伸的高度，使加热元件形成于侧壁的整个表面区域上。

在方法700的块706，形成电导体，并将其耦连到腔穴中的加热元件，以从腔穴外部向加热元件供应电流。如上文指出的，导体可在侧壁顶部上，可以相对于加热元件的各种配置和方向形成。例如，导体可在朝喷发室的一侧的位置连接到加热元件，或者可在与喷发室相对的位置连接到加热元件。此外，导体可在加热元件形成之后形成，且可在朝加热元件上侧的区域中接触加热元件，如图2A中那样。或者，在图2B所示的另一实施例中，导体可在形成加热元件之前形成，并且可在加热元件下方和后方的区域中接触加热元件。

在块708，在加热元件上形成外涂层。外涂层包括介电材料，以将加热元件与喷发室中的流体隔离。外涂层还可包括一个层，例如如钽，以提供结构完整性，并有助于保护加热元件不被破坏。在块710，可在整个衬底上，包括腔穴底部、加热元件、导体、侧壁和衬底的表面上形成外涂层。可以在整个衬底上用钽涂敷外涂层，以有助于保护衬底202和加热元件216不受气穴现象的破坏。

在方法700的块712，在衬底上形成腔室层，使腔室排列在腔穴上。腔室具有比腔穴周界大的腔室周界。

在方法700的块714，在腔室层上形成喷嘴层，使喷嘴层中的喷嘴排列在凹陷腔穴和腔室上。

图8示出了根据实施例，从喷墨打印头喷射墨滴的示例性方法800的流程图。方法800与上文关于图2-6中的示意讨论的热喷墨打印头200的实施例相关。方法800包括：对硅衬底凹陷腔穴中形成的加热元件赋能，如块802所示。凹陷腔穴具有连续周界的侧壁，加热元件覆盖沿凹陷腔穴的连续周界的侧壁。

Claims (10)

1.一种喷墨打印头，包括：

衬底；和

凹陷腔穴，其形成于所述衬底中，沿所述腔穴的周界具有连续侧壁；

加热元件，其形成于所述腔穴的侧壁上；

墨液室，其形成所述衬底上，并排列在所述腔穴上；和

喷嘴板，其形成于所述墨液室上，具有排列在所述腔穴上的喷嘴，墨液滴通过喷嘴喷射，

其中，所述腔穴和墨液室是圆筒形的，并且其中所述腔穴的周界比所述墨液室的周界小。

2.根据权利要求1所述的喷墨打印头，其中所述凹陷腔穴在其底部闭合，在其顶部开口，并且所述加热元件从所述腔穴的底部到所述腔穴的底部和顶部之间中途的一个点覆盖所述连续侧壁。

3.根据权利要求1所述的喷墨打印头，进一步包括导体，其形成于所述连续侧壁上，并耦连到所述加热元件。

4.根据权利要求2所述的喷墨打印头，其中所述加热元件从所述腔穴的底部到所述腔穴的底部和顶部之间中途的所述点具有5微米的高度。

5.根据权利要求1所述的喷墨打印头，其中所述加热元件具有沿整个腔穴周界延伸的106.8微米的长度。

6.一种制造喷墨打印头的方法，包括：

在衬底中形成凹陷腔穴，该腔穴沿整个腔穴周界具有底部和连续侧壁；

在所述腔穴的侧壁上形成加热元件；

在所述衬底上形成腔室层，使腔室排列在所述腔穴上，所述腔室具有比所述腔穴周界大的腔室周界；和

在所述腔室层上形成喷嘴层，使所述喷嘴层中的喷嘴排列在所述腔穴和所述腔室上。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括用绝缘材料和保护材料涂敷所述加热元件。

8.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：

形成所述凹陷腔穴，使得它具有与底部相对并与所述衬底的表面齐平的开放顶部；

其中所述加热元件具有覆盖沿整个腔穴周界的侧壁的长度和从所述腔穴底部延伸到所述腔穴底部和顶部之间的一个点的高度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述高度从所述腔穴底部延伸到所述腔穴顶部，使所述加热元件形成于所述侧壁的整个表面区域上。

10.根据权利要求6所述的方法，进一步包括在所述衬底上形成导体，该导体在所述侧壁上延伸并耦连到所述加热元件。