CN102947099A - 流体喷射装置 - Google Patents
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Abstract
流体喷射装置包括具有加热电阻器的薄膜加热电阻器部分和设置在所述加热电阻器之上的双层结构。所述双层结构包括顶层和底层，所述顶层具有的硬度是所述底层的硬度的至少1.5倍。
Description
背景技术
在典型的喷墨打印系统中，喷墨打印头通过多个喷嘴朝打印介质如纸张喷射流体（例如墨液）滴，以便将图像打印到打印介质上。喷嘴通常被设置成一组或多组，使得当打印头和打印介质相对彼此移动时，从喷嘴以适当顺序喷射墨液，使得字符或其它图像被打印在打印介质上。
通过使电流通过加热元件，热气泡型喷墨打印头从喷嘴中喷射出流体滴，加热元件产生热并使喷发室中的一小部分流体蒸发。电流以持续2微秒量级的脉冲供应。当电流脉冲被供应时，由加热元件产生的热产生快速膨胀的蒸气泡，迫使小液滴从喷发室的喷嘴喷出。当加热元件冷却时，蒸气泡快速坍缩。坍缩的蒸气泡从储器中将更多的流体吸取到喷发室中，以准备从喷嘴喷射另一液滴。
遗憾的是，因为在打印期间喷射过程每秒会重复几千次，坍缩的蒸气泡也具有损坏加热元件的不利影响。蒸气泡的重复坍缩导致对加热元件敷涂的表面材料的气蚀损坏。几百万个坍缩事件每个都会消融涂层材料。一旦墨液渗透加热元件敷涂的表面材料，并接触热的高压电阻器表面，很快就会产生电阻器的快速腐蚀和物理破坏，使加热元件失效。
发明内容
如上文指出的，对热喷墨打印头中加热元件的气蚀损坏会随着时间积累，因为在打印期间膨胀、坍缩的蒸气泡的液滴喷射过程每秒会重复上千次。一旦气蚀已经消融了保护层，加热器就被损坏，不再喷射流体（例如墨液）。
用来减轻气蚀损坏问题的一种常用技术是使加热元件更加健壮，使得它可以更好地抵制来自坍缩的蒸气泡的冲击波。在加热元件上形成的硬保护层提供另外的结构稳定性和与喷发室中流体的电隔离。加热元件通过介电材料与流体隔离，然后用另一材料，如钽覆盖。此保护层被设计成保护加热元件不受气蚀和其它损坏，并提供结构稳定性，产生可靠性提高的加热元件。较厚的保护层可进一步提高加热元件的稳定性。
尽管使用硬保护层来保护加热元件不受坍缩气泡冲击的影响，但此方法具有一些缺点。例如，硬保护层易于吸收冲击能量，而不是分散冲击能量。这可能导致更快速地破坏保护层和下面的加热元件。此外，尽管提供更厚的保护层可进一步延迟这种破坏，但更厚的保护层充当更大的散热器，其耗散了由加热元件产生的热。因此，随着保护层厚度的增加，为了通过喷嘴喷发液滴，也必须增大加热元件产生的热量。厚的保护层还表现出热滞性，因此保护层的温度滞后于加热元件的温度。加热滞后时间可引起喷射响应时间的问题，以及在其冷却时粘到保护层表面的问题。这些问题会降低从加热元件传导的热量，从而降低打印头适当地喷射墨液的能力。
本公开的实施例通过使用气蚀阻挡结构改善了上文提到的缺点，气蚀阻挡结构具有硬的顶层和相邻的软的底层，硬的顶层抵制在气蚀影响下的变形，软的底层耗散来自坍缩的蒸气泡的冲击波的能量。这种在较软材料上具有硬材料的组合层比单独任一材料的单一层更好地抑制了气蚀损坏。
在一个实施例中，例如，流体喷射装置包括薄膜加热电阻器部分，薄膜加热电阻器部分具有加热电阻器和设置在所述加热电阻器上的双层结构。双层结构包括顶层和底层，顶层具有的硬度是底层硬度的至少1.5倍。
在另一实施例中，流体喷射装置包括薄膜加热电阻器部分，薄膜加热电阻器部分具有多个加热电阻器；流体阻挡层，其被设置在所述薄膜加热电阻器部分之上；相应的流体腔室，其形成在所述阻挡层中且处于相应的加热电阻器之上；孔板，其具有形成于相应的流体腔室和加热电阻器之上的喷嘴、所述装置进一步包括气蚀阻挡结构结构，其具有设置于所述流体腔室之间的顶层和底层，其中，所述顶层具有的硬度是所述底层硬度的至少1.5倍。
在另一实施例中，制造流体喷射装置的方法包括：形成具有多个加热电阻器的薄膜加热电阻器层；在所述电阻器层上形成介电钝化层；在所述介电钝化层上形成气蚀阻挡结构的底层。所述方法进一步包括在所述底层上形成气蚀阻挡结构的顶层，所述顶层具有的硬度是所述底层的硬度的至少1.5倍。
附图说明
出于示例的目的，现参照附图来描述本发明的实施例，附图中：
图1示出了根据一个实施例的、可包含流体喷射装置的喷墨打印墨盒的例子；
图2示出了根据一个实施例的示例性热喷墨打印头的透视图；
图3示出了根据一个实施例的示例性热喷墨打印头的局部侧视图；
图4示出了一个图表，其提供了根据不同实施例的、对可适于用在双层钝化结构中的各种示例性薄膜材料进行测量的硬度数据；
图5示出了根据一个实施例的、衬底上的薄膜叠层，其中，双层钝化结构包括插入的介电钝化层和插入的粘合层；
图6示出了根据一个实施例的、制造流体喷射装置例如热喷墨打印头的示例性方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据一个实施例可包含如本文中公开的流体喷射装置的喷墨打印墨盒100的一个例子。在此实施例中，流体喷射装置被公开为液滴喷墨打印头102。打印墨盒100包括盒体104、打印头102和电触点106。盒体104含有被供应给打印头102的墨液或其它适当流体。打印头102中的各个液滴发生器由触点106处提供的电信号加电，以从所选的喷嘴108喷射液滴。打印墨盒100可包含其自己的流体供应，如盒体104中的墨液，或者打印墨盒可从外部源（未示出），如通过例如管子连接到打印墨盒100的流体储器接收墨液。包含其自己的流体供应的打印墨盒100一旦流体供应耗尽通常是可丢弃的。
图2示出了用热喷墨打印头102实现的示例性液滴喷墨打印头102的透视图。如图所示，打印头102包括硅衬底200和为薄膜层的集成电路薄膜叠层202，集成电路薄膜叠层202形成于硅衬底200上。薄膜叠层202实现薄膜液滴喷发加热电阻器204和相关电路，如驱动电路和寻址电路，薄膜叠层202可根据集成电路制造技术形成。在示例性实施例中，加热电阻器204被定位在沿硅衬底200内形成的纵向墨液馈送边缘（未示出）的圆柱形阵列中。
流体阻挡层206被设置在薄膜叠层202上，包含喷嘴108的孔板或喷嘴板208又层叠地设置在流体阻挡层206上。在其它实施例中，流体阻挡层206和孔板208可用一体的流体通道和孔板结构实现。结合垫210可被设置在薄膜叠层202的端部，不被流体阻挡层206覆盖，以便提供外部电连接。流体阻挡层206例如由干膜形成，干膜被加热并用压力层叠到薄膜叠层202，并被光致限定（photodefine）形成流体腔室212和流体通道214。阻挡层206的材料包括例如基于丙烯酸酯的光敏聚合物的干膜。喷嘴108例如通过激光消融形成于孔板208中。孔板208包括由例如聚合物材料或诸如镍的电镀金属（或称沉积金属，plated metal）形成的平面衬底。
流体阻挡层206中的各流体腔室212更具体地被设置在薄膜叠层202中形成的各加热电阻器204之上，每个流体腔室212由流体阻挡层206中形成的腔室开口的边缘或壁限定。流体通道214由阻挡层206中形成的阻挡特征限定，包括阻挡半岛216，并被一体地接合到各个流体腔室212。
孔板208中的喷嘴108被设置在各个流体腔室212之上，使得加热电阻器204、关联的流体腔室212和关联的喷嘴108形成液滴发生器218。操作中，所选择的加热电阻器被加以电流。加热电阻器产生热，加热相邻的流体腔室中的流体。当腔室中的流体达到蒸发时，快速膨胀的蒸气前部（或称蒸气阵面，vapor front）或驱动气泡迫使流体腔室内的液体通过相邻的喷嘴。加热电阻器和关联的流体腔室因此形成气泡发生器。
图3示出了根据一个实施例的、示例性热喷墨打印头102的局部侧视图。一个实施例的薄膜叠层202包括加热电阻器部分300，在其中形成热电阻器/加热电阻器204。电阻器204通常由例如钽铝（TaAl）或氮化硅钨（WSiN）形成。设置在加热电阻器部分300上的双层钝化结构302用作流体腔室212中的机械钝化或保护性气蚀阻挡结构，以吸收坍缩的驱动气泡的冲击并耗散冲击波的能量。
双层结构302包括底层302B和顶层302A，底层设置在加热电阻器部分300上，顶层设置在底层302B上。在一个实施例中，顶层302A选择为薄的材料层，其具有的硬度是下面的底层302B硬度的至少1.5倍。在这样的实施例中，硬的顶层302A抵抗气蚀影响造成的变形，而较软的底层302B耗散坍缩的驱动气泡的冲击波的能量。与硬质层或软质层中任何一个构成的单层相比，这种硬质层和软质层的组合能更加有效地抑制损坏。
在一个实施例中，顶层302A具有大于约12吉帕斯卡（GPa）的硬度，底层具有小于约6.8吉帕斯卡的硬度。在这样的实施例中，顶层302A的材料可以是例如铂钌（PtRu）合金，而底层302B的材料可以是铂（Pt）。此外，顶层302A具有范围在大约200埃到大约1000埃的厚度，而底层302B具有范围在大约1000埃到大约2微米的厚度。
图4示出了一个图表，其提供了根据不同实施例的、对可适于用在双层钝化结构302中的各种示例性薄膜材料进行测量的硬度数据。该图表使得能够比较每个所示材料的不同硬度。因此，这些数据可以用来基于硬度的不同，选择用于顶层302A和底层302B的适当材料，这里，顶层302A材料的硬度是底层302B材料硬度的至少1.5倍。例如，基于提供的PtRu合金（12.1 GPa）和Pt（6.7 GPa）的硬度数据，当与Pt制成的较软底层302B耦连时，顶层302A的适当选择是PtRu合金。当与钛铝（TiAl（RT））制成的较软底层302B耦连时，对于顶层302A，根据图4的图表适当选择的其它例子包括氮化铬（CrN）或钽（Ta）。
同样，有多种其它材料适于用作双层钝化结构302中的顶层材料和底层材料，只要它们落在顶层302A硬度为底层302B硬度至少1.5倍的相对硬度范围内。例如，如前面提到的，可用作底层302A的一些材料选择包括金（Au）和铂（Pt），由于这些材料具有延展性，使得它们都是很好的选择。对于顶层302A而言，可作为可接受的选择的一些示例性材料是基于相对硬的金属，诸如铂钌（PtRu）合金、铂铑（PtRh）合金、铂铱（PrIr）合金、铱（Ir）、钽（Ta）、钽锆（TaZr）合金、铬、钽铬（TaCr）合金、镍铬（NiCr）合金、钨铬钴合金6B、钴铬（CoCr）合金和低应力不锈钢合金。对于顶层302A而言，可作为可接受的选择的其它示例性材料是基于金属间化合物的，诸如钛铝（TiAl）合金、氮化钛（TiN）和氮化钽（TaN）。对于顶层302A而言，作为可接受的选择的其它示例性材料是基于硬介电材料的，诸如氧化铪（HfO）、碳化硅（SiC）、碳化钽（TaC）、氧化锆（ZrO）和金钢石类的碳。
尽管图3示出了只包括顶层302A和底层302B的双层钝化结构302，但该双层钝化结构还可包括另外的插入的层。例如，图5示出了衬底200上面的薄膜叠层202，这里双层钝化结构302包括插入的介电钝化层500和插入的粘合层502，插入的介电钝化层500设置在电阻器/电阻器层300/204上，插入的粘合层502设置在介电钝化层500和底层302B之间。在一些实施例中，可以有设置在底层和顶层之间的另外的粘合层（未示出）。介电层是电阻性薄膜层，其电钝化热电阻器/电阻器层300/204，可由例如碳化硅（SiC）制成。图5中所示的粘合层促进介电钝化层500和底层302B之间的粘合，由于一些材料不会很好地粘合到其它材料，因此可使用粘合层。例如，Pt底层302B不能很好地粘合到SiC介电钝化层500。如指出的，另外的粘合层（未示出）可增加到底层302B上，以根据为底层和顶层选择的特定材料，促进底层302B和顶层302A之间的粘合。适于用作粘合层的材料的一些例子包括钽（Ta）、钛（Ti）、氮化钛（TiN）、氮化钽（TaN）和铬（Cr）。
图6示出了根据一个实施例的、制造流体喷射装置例例如热喷墨打印头的示例性方法600的流程图。方法600与上文参照图2-5中的图示讨论的热喷墨打印头200的实施例关联。尽管方法600包括以特定次序列出的步骤，但要理解的是，这并不是要将这些步骤限定为以此特定次序或任何其它特定次序执行。通常，可以使用各种精确微制造技术来执行方法600的步骤，微制造技术如本领域技术人员已知的电铸、激光消融、各向异性蚀刻、溅射、干式蚀刻、光刻、铸造、模制、压印和机加工。
方法600开始于方框602，形成包括多个加热电阻器的薄膜加热电阻器层。薄膜加热电阻器层通常是硅衬底上形成的薄膜层构成的集成电路薄膜叠层的一部分。在方框604，在薄膜加热电阻器层上形成介电钝化层。如上文指出的，介电钝化层是电阻性薄膜层，其电钝化加热电阻器层。在方法600的方框606，在介电钝化层上形成气蚀阻挡结构的底层。在一个实施例中，底层是由铂形成的。在一个插入的步骤中，方法600还可包括在形成底层之前，在介电层上方形成粘合层。在方法600的方框608，在底层上形成气蚀阻挡结构的顶层，这里顶层具有的硬度是底层硬度的至少1.5倍。在一个实施例中，顶层由铂钌合金制成。在一个插入的步骤中，方法600还可包括在底层和顶层之间形成粘合层。
Claims (15)
1. 一种流体喷射装置，包括：
薄膜加热电阻器部分，其包括加热电阻器；和
设置在所述加热电阻器之上的双层结构，其包括顶层和底层，所述顶层具有的硬度是所述底层的硬度的至少1.5倍。
2. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，其中，所述顶层具有大于约12吉帕斯卡的硬度，所述底层具有小于约6.8吉帕斯卡的硬度。
3. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，其中，所述顶层包括铂-钌合金。
4. 根据权利要求3所述的流体喷射装置，其中，所述底层包括铂。
5. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，其中：
所述顶层包括从由以下材料组成的组中选择的材料，这些材料有：钛铝合金、氮化钛、氮化钽、氧化铪、碳化硅、碳化钽、氧化锆和金钢石类的碳；和
所述底层包括铂。
6. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，其中，所述顶层具有范围在大约200埃到大约1000埃的厚度，所述底层具有范围在大约1000埃到大约2微米的厚度。
7. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，进一步包括介电钝化层，其被设置在所述加热电阻器之上且在所述底层和所述加热电阻器之间。
8. 根据权利要求7所述的流体喷射装置，进一步包括粘合层，其在所述介电钝化层和所述底层之间，以将所述底层粘合到所述介电钝化层。
9. 根据权利要求8所述的流体喷射装置，其中，所述粘合层包括从钽、钛、氮化钛、氮化钽和铬组成的组中选择的材料。
10. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，进一步包括粘合层，其在所述顶层和所述底层之间，以将所述顶层粘合到所述底层。
11. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，其中，所述顶层包括从以下材料组成的组中选择的材料，这些材料有：铂钌合金、铂铑合金、铂铱合金、铱、钽、钽锆合金、钽铬合金、镍铬合金、钨铬钴合金6B、钴铬合金、不锈钢合金、钛铝合金、氮化钛、氮化钽、氧化铪、碳化硅、碳化钽、氧化锆和金刚石类的碳。
12. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，其中，所述底层包括金。
13. 一种流体喷射装置，包括：
薄膜加热电阻器部分，其包括多个加热电阻器；
流体阻挡层，其被设置在所述薄膜加热电阻器部分之上；
相应的流体腔室，其形成在所述阻挡层中且处于相应的加热电阻器之上；
孔板，其具有形成于其中的喷嘴，每个喷嘴被设置在相应的流体腔室和加热电阻器之上；和
气蚀阻挡结构结构，其包括设置于所述流体腔室之间的顶层和底层，其中，所述顶层具有的硬度是所述底层的硬度的至少1.5倍。
14. 一种制造流体喷射装置的方法，其包括：
形成包括多个加热电阻器的薄膜加热电阻器层；
在所述电阻器层上形成介电钝化层；
在所述介电钝化层上形成气蚀阻挡结构的底层；
在所述底层上形成所述气蚀阻挡结构的顶层，所述顶层具有的硬度是所述底层的硬度的至少1.5倍。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中：
形成所述底层包括形成包括铂的层；和
形成所述顶层包括形成包括铂钌合金的层。
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