CN103003073B - 热电阻器流体喷射组件、流体喷射装置及其热电阻器结构 - Google Patents

Abstract

一种热电阻器流体喷射组件包括：绝缘衬底以及形成在所述衬底上的第一电极和第二电极。具有变化宽度的多个独立的电阻元件被平行布置在所述衬底上，并且在第一端电耦接到所述第一电极，在第二端电耦接到所述第二电极。

Description

热电阻器流体喷射组件、流体喷射装置及其热电阻器结构

背景技术

喷墨打印装置是提供流体滴按需滴落（DOD）喷射的流体喷射装置的一个例子。在常规的DOD喷墨打印机中，打印头通过多个喷嘴朝向打印介质（诸如一张纸）喷射流体滴（例如墨液），以将图像打印到印刷介质上。喷嘴通常被布置为一个或多个阵列，以便当打印头和打印介质相对彼此移动时从喷嘴的适当的顺序喷射使得在打印基质上打印字符或其它图像。

DOD喷墨打印机的一个例子是热喷墨（TIJ）打印机。在TIJ打印机中，打印头包括在流体填充腔中的电阻加热元件，该流体填充腔蒸发流体，产生迫使流体滴排出打印头喷嘴的快速膨胀气泡。穿过加热元件的电流产生热量，蒸发腔内的小部分液体。随着加热元件冷却，蒸汽气泡崩溃，来自储液器的更多液体被吸引到所述腔中，以备通过喷嘴喷射另一滴。

不幸的是，TIJ打印头的激发机制（即，过热流体以形成蒸汽气泡）的低的热和电效率使得存在一些缺点（增加成本和降低TIJ打印头的整体打印质量）。例如，一个缺点是由在电阻加热元件激发表面上的残留物（垢）累积导致的降低喷墨笔整个使用期间的激发性能。另一个缺点是，当增加滴喷射率或激发速率（例如，增加图像分辨率同时保持打印页面吞吐量）时，打印头会过热，导致阻止进一步激发并对打印头有潜在损害的气阻状态。另一个缺点是，驱动热效率低下的电阻加热元件的大电子器件和电源总线在TIJ打印头中占据昂贵的硅空间。

附图说明

现通过举例方式参照附图来描述所提出的实施例，附图中：

图1示出了根据实施例的、适于合并流体喷射组件的喷墨笔的例子；

图2A示出了根据实施例的部分液体喷射组件的剖视图；

图2B示出了根据实施例的、转动90度的、图2A的部分流体喷射组件的剖视图；

图2C示出了根据实施例的、操作期间的部分流体喷射组件的剖视图；

图2D示出了根据实施例的、并联地电耦接在部分电路中的电阻加热元件；

图3示出了根据实施例的、部分三维电阻器结构的例子的放大剖视图；

图4A、4B和4C示出了根据实施例的、具有变化数量的电阻元件的电阻器结构的俯视图；

图5示出了根据实施例的、具有电阻元件的电阻器结构的俯视图，该电阻元件的宽度与元件之间的间隔尺寸相同；

图6A、6B、6C和6D示出了根据实施例的电阻器结构的俯视图，所述电阻器结构的电阻元件宽度和元件之间的间隔具有各种不同的布局；

图7A、7B和7C示出了根据实施例的具有变化的梳齿高度大小的电阻器结构的剖视图；

图8示出了根据实施例的电阻器结构的剖视图，该电阻器结构的梳齿具有倒有斜角的拐角；

图9示出了根据实施例的基本流体喷射装置的方框图。

具体实施方式

技术问题和技术方案概述

如上文指出的，热喷墨（TIJ）装置具有通常与TIJ打印头激发机制的热和电效率低下相关的各种缺点。热和电低下更具体地说表现为，TIJ电阻加热元件的成核表面（即发生蒸汽气泡的形成的电阻器/流体分界面）上的温度不一致，这导致了需要向加热元件输送更多的能量。向TIJ电阻加热元件增加激发能量以克服温度不一致问题，然而，这会导致各种其它问题。

一个这样的问题影响了TIJ打印头中的滴喷射率（即激发速率）。较高的喷射率是有益的，因为这可以提供提高的图像分辨率、加快的页面吞吐量、或两者。然而，从TIJ电阻加热元件的成核表面到流体（例如墨液）的能量传输的低效导致了残留热，其会增加打印头的温度。增加滴喷射率增加了给定时间段内通过加热元件输送的能量大小。因此，通过增加滴喷射率而产生的额外残留热导致打印头温度相应增加，这最终会导致气阻状态（过热），其会阻止进一步的激发并对打印头有潜在的损害。因此，能量从电阻加热元件表面到墨液的低效传输导致了需要限制或调整液体喷射率，这对例如高速出版市场很不利。

能量从TIJ电阻加热元件表面到墨液的低效传输还增加了喷墨打印系统的总成本。需要大型的FETs和电源总线来输送增加的能量，以驱动大量热效率低下的TIJ电阻器。较大的装置和总线不仅占据有价值的硅空间，而且它们相关的电寄生现象最终还会限制打印头核芯缩小的量。因此，需要用较大的硅覆盖面积来支撑低效的TIJ电阻器意味着，硅仍然占许多喷墨打印系统总成本的很大百分比。

增加到TIJ电阻器的激发能量以克服横跨其成核表面的温度不一致问题还产生与在TIJ电阻器表面处所得的较高温度有关的另一问题。尽管在成核表面处的整体温度增加保持了所喷射的流体滴的一定所需特性（诸如滴重量、滴速度、滴轨迹和滴形状），但是它还具有增加结垢的不利影响。结垢是电阻器的表面上残留物（垢）的累积。随着时间推移，结垢不利地影响流体滴的特性（诸如滴重量、滴速度、滴轨迹和滴形状），并且最终降低了TIJ打印系统的整体打印质量。

解决TIJ电阻加热元件中的热效率低下和不一致问题的现有方案包括改变TIJ电阻器和喷射流体（墨液）两者。然而，这类方案具有缺点。例如，一个悬挂式电阻器设计允许从浸没在流体中的薄膜电阻器的两侧进行加热，通过增加暴露于流体的电阻器表面区域的大小，提高了热量/能量传输效率。然而，当在滴喷射期间暴露与激烈的成核进程时，脆弱的薄膜梁可能是不可靠的，并且需要专门的制造工艺，这增加了成本。另一个例子是面包圈形状的电阻器，该电阻器的中心区被移除，据称这可以提高电阻器效率并且去除了TIJ电阻器常见的热点。然而，基于弯曲的“面包圈”几何形状的电气路径长度变化导致了电流拥挤和电流密度一致性问题，这最终引起了导致电阻器上温度不一致的热点。解决结垢问题的现有方案主要涉及调整墨液配方，以确定在打印头使用期间不易起反应的化学化合作用。然而，此方案会显著增加成本，同时缩小了可用于TIJ打印头中的流体/墨液选择面，这最终会限制TIJ打印系统可获得的打印市场。

本公开的实施例主要通过使用平行延伸的多个电阻元件来帮助克服TIJ装置中与TIJ电阻器成核表面上温度不一致有关的缺点（例如，热和电效率低下），其中独立地设定所述多个电阻元件的宽度和间隔，以实现成核表面上温度一致。所得的TIJ电阻器结构是具有形成在各个脊或“梳齿”之间的凹槽或沟道的三维结构。电阻元件的三维表面及可变的宽度和间隔有助于提高TIJ电阻器成核表面上的温度一致性，并且增大了每单位面积电阻器材料的成核表面区域。更大的成核表面区域和提高的成核表面上的温度一致性显著提高了TIJ电阻器结构和流体之间的能量或热量传输效率。提高的热效率和一致性又会降低喷射每个滴所需的能量大小，这产生了许多益处，包括：例如，增加滴喷射率而不导致气阻状态的能力，减小FET和电源总线宽度以能够进行更大程度的核芯缩小并降低硅成本的能力，以及降低结垢，其改善了TIJ打印头使用期间内的滴喷射性能。

在一个示例性实施例中，热电阻器流体喷射组件包括绝缘衬底，第一和第二电极形成在所述衬底上。具有变化的宽度的多个独立的电阻元件被平行布置在衬底上，并且所述电阻元件在第一端电耦接到第一电极，在第二端电耦接到第二电极。

在另一实施例中，流体喷射装置包括具有电阻器结构的流体喷射组件，该电阻器结构具有多个电阻元件。电阻器结构形成为顶层，即一个不平整的成核表面，该不平整的成核表面具有被凹陷的沟道分隔的凸脊，以在被加热元件加热时蒸发流体。每个凸脊的宽度与成核表面下面的相关电阻元件相对应。

在另一实施例中，热电阻器结构包括并联耦接并且具有不一致宽度的多个电阻元件。在每两个电阻元件之间存在间隔。薄膜空穴层形成在电阻元件和所述间隔上方，从而使得脊形成在每个电阻元件上方并且沟道形成在每个间隔上方，所述空穴层形成从电阻元件传输热量的成核表面，以在腔中蒸发流体并从所述腔中喷射滴。

示例性实施例

图1示出了根据实施例的适于合并在本公开的流体喷射组件102的喷墨笔100的例子。在此实施例中，流体喷射组件102被公开为流体滴喷射打印头102。喷墨笔100包括笔墨盒主体104、打印头102和电触点109。通过触点106处提供的电信号激励打印头102中的独立流体滴产生器200（例如见图2），以从所选喷嘴108中喷射流体滴。所述流体可以是打印过程中使用的任意合适的流体，诸如各种可打印流体、墨液、预处理的组合物、定影剂等。在一些实施例中，所述流体可以是除打印流体之外的流体。笔100可以在墨盒主体104中包含它自己的流体供应源，或者它可以从外部供应源（未示出，诸如例如通过管连接到笔100的储液器）接收流体。包含它们自己的流体供应源的笔100通常在该流体供应源耗尽之后即可被丢弃。

图2A示出了根据本公开实施例的部分流体喷射组件102的剖视图。图2B示出了根据本公开实施例的、转动90度的图2A相同部分流体喷射组件102的剖视图。所述部分流体喷射组件102被示出为独立的液体产生器组件200。滴产生器组件200包括刚性底板衬底202和具有喷嘴出口206的刚性（或挠性）顶喷嘴板204，通过所述喷嘴出口206喷射流体滴。衬底202通常是其顶表面具有氧化物层208的硅衬底。薄膜叠层210一般包括氧化物层、限定了多个独立的电阻加热/激发元件212的金属层、导电电极迹线214（图2B）、保护层216和空穴层218（例如钽）。如参照图3至8更详细地讨论的，薄膜叠层210形成三维电阻器结构300，其具有形成在各个脊或“梳齿”之间的凹陷或沟道。

液体产生器组件200还包括一些侧壁，诸如侧壁220A和220B（统称为侧壁220）。侧壁220使衬底底板202与喷嘴板204分开。衬底底板202、喷嘴板204和侧壁220限定了流体腔222，流体腔222包含将要作为流体滴通过喷嘴出口206被喷射出的流体。侧壁220B具有流体入口224，以接收最终作为滴通过喷嘴出口206被喷射出的流体。流体入口224的放置不限于侧壁220B。在不同实施例中，例如，流体入口224可以位于其它侧壁208中或衬底底板202中，或者可以包括位于各个侧壁220中或衬底202中的多个流体入口。

图2C示出了根据本公开实施例的处于操作期间的部分流体喷射组件102的剖视图。在操作期间，滴产生器200通过使电流穿过电阻元件212，从而经由喷嘴206喷射数滴流体226。独立的电阻加热元件212在导电电极迹线214之间并联电耦接，如图2D的部分电路图一般性地示出的。在激发腔222中，穿过电阻元件212的电流232在电阻器结构300表面处（即靠近电阻加热元件212的钽空穴层218/流体分界面，在该处发生蒸汽气泡的形成）产生热量并蒸发小部分流体226。当供应电流脉冲时，电阻元件212产生的热量形成一快速膨胀的蒸汽气泡228，其迫使小的流体滴230排出到激发腔喷嘴206外。当电阻元件212冷却时，蒸汽气泡迅速崩溃，通过入口224将更多流体226吸引到激发腔222中，以备从喷嘴206喷射另一滴226。

图3示出了根据本公开实施例的部分三维电阻器结构300的例子的放大剖视图。给定电阻器结构300中的电阻元件212的数量是可变的。尽管已经利用具有6或7个电阻元件212的电阻器结构300实现了电阻器结构300成核表面上温度一致性的显著提高（结果导致热和电效率明显提高），基于所需的成核表面区域以及对电阻元件宽度、间隔和高度的选择，结构300中元件212的数量变化可以显著超过此范围。

在电阻器结构300中每个电阻元件212之间存在间隔302。一般而言，每个电阻元件212的宽度304和每两个元件212之间的间隔304是可变的。根据结构300中存在的元件212的数量自然地改变电阻元件212的宽度和间隔302。例如，对于具有特定宽度的给定电阻器结构300，当增加结构300中元件212的数量时，元件宽度304和/或元件212之间的间隔302将减小。此外，然而，元件宽度304和间隔302在结构300上也可根据独立的基础以独立于结构300中元件212数量的方式改变。例如，在包括7个电阻元件212的电阻器结构300中，7个元件中的不同元件或所有元件可以具有互不相同的宽度304。与独立的电阻元件212类似，电阻元件212之间的间隔302在结构300上也可根据独立的基础以独立于结构300中元件212数量的方式改变。电阻器结构300中存在的每个电阻元件212会导致形成梳齿构造，其具有的高度306也可变化。因此，电阻器结构300中有三个可变的尺寸。这些尺寸包括每个电阻元件212的宽度、每两个电阻元件212之间的间隔302、以及与每个电阻元件212相关联的每个梳齿构造的高度306。

一般而言，梳形电阻器上可变的元件宽度、间隔和高度提供了适当的热剖面。电阻元件212的可变数量、电阻元件212的可变宽度304和间隔302以及梳齿的可变高度306提高了电阻元件212和流体226之间的热能传输效率，并且能够很大程度地控制电阻器结构300的成核表面300上的温度分布，从而可以最大化温度一致性。更具体地，如图3所示，三维电阻器结构300导致电阻元件212每个结合区域的成核表面区域308增大，这增大了传输到流体226的热能大小（并减少了损失到打印头的剩余热能）。成核表面区域308的增加量和控制其与有源电阻元件212的靠近程度（即，通过改变宽度304、间隔302和梳齿的高度306）的能力提供了对电阻器结构300的整个表面区域上热能分布和温度一致性的很大程度的控制。

电阻元件212的宽度304和间隔302以及梳齿高度306的具体的以及相对的尺寸，通过它们对提高电阻器结构300表面上的热效率和温度一致性的贡献，而对滴产生器200的流体滴喷射性能具有不同的影响。例如，随着电阻元件212的宽度304和间隔302变小，液体喷射性能（即，所需的滴重量、滴速度、滴轨迹、滴形状）倾向于改善。当前，对于电阻元件212的宽度304和元件的间隔302两者而言，0.25至3.00微米（μm）之间的范围被认为提供了最显著的性能益处。被认为显著有益的当前高度306范围在0.25μm和1.00μm之间。然而，这些范围不应成为限制，并且随着相关制造技术的提高，估计可以获得更宽的范围（例如，下限）。因此，例如，根本性的益处可能存在于更小的尺寸处（诸如0.1μm左右）。

图4A、4B和4C示出了根据本公开实施例的具有变化数量的电阻元件212的电阻器结构300的俯视图。如上所示，示出特定数量电阻元件212的电阻器结构300仅是示例而已，并不表示对电阻器结构300中能够存在的元件212数量的限制。在每个结构300中的元件212的数量可以变化超出所提供的例子。因此，作为示例，图4A中的电阻器结构300具有两个电阻元件212。在图4B和4C中，电阻器结构300分别具有三个和四个电阻元件212。除了显示电阻器结构300可以具有变化数量的电阻元件212之外，图4A-4C还特意示出了元件212的宽度304和元件之间的间隔304如何根据结构300中存在的元件212数量而改变。当电阻元件212的数量从两个增加到四个时，元件宽度304和元件212之间的间隔302减小。

尽管图4A-4C中的电阻器结构300示出了元件212的宽度304和间隔302相等的例子，但是在其它实施例中，宽度304和间隔302并不相等。例如，图5示出了根据本公开实施例的电阻器结构300，其具有的电阻元件212的宽度304与这些元件212之间的间隔302的大小并不相同。在此例子中，元件212的宽度304彼此相等，元件212之间的间隔302彼此相等，但是所述宽度并不等于所述间隔。特别地，元件宽度304大于间隔302。然而，在其它实施例中，元件212的宽度小于元件之间的间隔302。

图6A、6B、6C和6D示出了根据本公开实施例的电阻器结构300的俯视图，所述电阻器结构300的电阻元件212的宽度304和元件之间的间隔302具有各种不同的配置。在图6A的实施例中，在电阻器结构300的表面上，7个电阻元件212被6个间隔302分隔开。元件212的宽度304朝向结构300的边缘变宽且朝向中心变窄。间隔302在结构300上是一致的。在图6B所示的实施例中，在电阻器结构300的表面上，7个电阻元件212同样被六个间隔302分开。然而，元件212的宽度304朝向结构300的边缘变窄且朝向中心变宽。同样，间隔302在结构300上是一致的。在图6C所示的实施例中，在电阻器结构300的表面上，4个电阻元件212被3个间隔302分开。在该例中，元件212的宽度304和元件之间的间隔302都朝向结构300的中心变窄且朝向结构边缘变宽。在图6D所示的实施例中，在电阻器结构300的表面上，5个电阻元件212被4个间隔302分开。在该例中，元件212的宽度304朝向结构300的中心变窄且朝向结构边缘变宽，而元件之间的间隔302朝向结构300的中心变宽且朝向其边缘变窄。因此，实际上，电阻器结构300上电阻元件212的任意配置以及宽度304和间隔302都是可能的，以获得结构300上最佳的温度一致性以及该结构与流体226之间的最佳热能传输效率。

图7A、7B和7C示出了根据本公开实施例的显示梳齿的不同高度306大小的电阻器结构300的剖视图。高度306是从梳齿顶部700处的电阻器结构300表面（即，钽空穴层218的表面）到梳齿底部702处的电阻器结构300表面的距离。与电阻器元件212的宽度304和间隔302相同，梳齿的高度306是可变的。通过改变宽度304、间隔302和梳齿高度306，结构300提供了对成核表面区域308的大小及其与电阻元件212的靠近程度（即接近度）的控制。因此，改变高度306的大小还帮助优化了电阻器结构300表面上的温度一致性和热能传输效率。此外，限制或最小化高度306也可用于帮助控制或调整电阻器的使用寿命。

在图7A所示的实施例中，电阻器结构300的梳齿构造的高度306被示为处于一个示例性的上限，而在图7B所示的实施例中，高度306处于示例性的下限。如上文所述，范围在0.25μm和1.00μm之间的当前高度306被认为提供了最显著的性能益处，但是此范围并非限制性的，因为利用不同高度都可能存在益处。例如，将高度限制降低到也许甚至0.0μm（即，一个平坦的成核表面）可能对优化电阻器寿命具有影响。图7C示出了结构300的表面上梳齿高度306变化的电阻器结构300。因此，由于元件的宽度304和间隔302可以变化，梳齿的高度306也可以变化。

图8示出了根据本公开实施例的电阻器结构300的剖视图，该电阻器结构的梳齿具有倒有斜角的拐角。梳齿的倒有斜角的拐角800（即，在钽空穴层218的表面中）增加电阻器结构300的成核表面区域。此外，倒有斜角的拐角800进一步调整了成核表面区域在独立的电阻元件212周围的靠近程度，以便在结构300的表面上提供额外的温度一致性。如果没有斜角800，梳齿尖锐的拐角会远离元件212，因此与更一致地接近电阻元件212的那些表面区域相比，温度变化较大。如图8所示，下面的保护层216的轮廓可以遵循拐角800的斜角形状。更进一步地，通常由于薄膜沉积过程的原因，使得在梳齿的陡峭竖直侧壁上的薄膜的厚度通常是顶部水平表面的薄膜厚度的一半。竖直侧壁上薄膜覆盖物的这一差异缩短了从电阻元件212到沟道或间隔302的热路径长度，有助于从元件侧面向沟道间隔302传输热量。

图9示出了根据本公开实施例的基本流体喷射装置的方框图。流体喷射装置900包括电子控制器902和流体喷射组件102。流体喷射组件102可以是本发明描述的、图示的和/或预期的流体喷射组件102中的任意实施例。电子控制器902通常包括处理器、固件和用于与组件102通信并控制组件102以精确方式喷射流体滴的其它电子元件。

在一个实施例中，流体喷射装置900可以是喷墨打印装置。就此而言，流体喷射装置900还可以包括向流体喷射组件102供应流体的流体/墨液供应源和组件904，提供接收所喷射的流体滴图案的介质的介质传输组件906，以及电源908。一般而言，电子控制器902从主系统（诸如计算机）接收数据910。数据代表了例如待打印的文档和/或文件并且形成打印任务，该打印任务包括一个或多个打印任务指令和/或指令参数。根据所述数据，电子控制器902限定了喷射的滴的图案，该图案形成了字符、符号和/或其它图形或图像。

Claims (14)

1.一种热电阻器流体喷射组件，包括：

绝缘衬底；

形成在所述衬底上的第一电极和第二电极；

具有变化的宽度的多个独立的梳形电阻元件，所述电阻元件被平行布置在所述衬底上，并且在第一端电耦接到所述第一电极，在第二端电耦接到所述第二电极；以及

与每个独立的电阻元件相关联的三维梳齿结构，每个梳齿结构具有形成在相关联的电阻元件上方的脊和形成在所述相关联的电阻元件的任一侧的间隔中的沟道。

2.根据权利要求1所述的热电阻器流体喷射组件，进一步包括在每两个独立的电阻元件之间的间隔，每个间隔具有相等的宽度。

3.根据权利要求1所述的热电阻器流体喷射组件，进一步包括在每两个独立的电阻元件之间的间隔，其中，至少两个间隔具有不相等的宽度。

4.根据权利要求1所述的热电阻器流体喷射组件，其中，所述电阻元件形成电阻器结构，并且所述电阻元件的变化的宽度朝向所述电阻器结构的边缘变宽且朝向所述电阻器结构的中心变窄。

5.根据权利要求1所述的热电阻器流体喷射组件，其中，所述电阻元件形成电阻器结构，并且所述电阻元件的变化的宽度朝向所述电阻器结构的边缘变窄且朝向所述电阻器结构的中心变宽。

6.根据权利要求1所述的热电阻器流体喷射组件，其中，每个梳齿结构具有从所述脊的顶部延伸到所述沟道的顶部的高度。

7.根据权利要求6所述的热电阻器流体喷射组件，其中，每个梳齿结构具有相等的高度。

8.根据权利要求6所述的热电阻器流体喷射组件，其中，梳齿结构的高度并不都相等。

9.根据权利要求1所述的热电阻器流体喷射组件，其中，每个梳齿结构上的拐角倒有斜角。

10.一种流体喷射装置，包括：

具有电阻器结构的流体喷射组件，该电阻器结构具有多个梳形电阻元件，所述电阻元件被平行布置；以及

具有凸脊的不平整成核表面，该凸脊被凹陷的沟道分开并且形成为所述电阻器结构的顶层，以在被所述电阻元件加热时蒸发流体，其中，每个凸脊的宽度与在所述成核表面下面的相关联电阻元件相对应。

11.根据权利要求10所述的流体喷射装置，其中，所述凸脊的宽度并不都相等。

12.根据权利要求10所述的流体喷射装置，进一步包括电子控制器，其通过根据打印任务中的指令以精确方式加热所述电阻元件来控制流体的蒸发。

13.根据权利要求12所述的流体喷射装置，进一步包括：

流体腔；以及

喷嘴出口，其被布置在所述流体腔中，以通过蒸发所述流体腔中的流体来喷射流体滴。

14.一种热电阻器结构，包括：

并联耦接并且具有不一致宽度的多个梳形电阻元件，所述电阻元件被平行布置；

每两个电阻元件之间的间隔；以及

薄膜层，形成在所述电阻元件和所述间隔上方，从而使得脊形成在每个电阻元件上方且沟道形成在每个间隔上方，所述层形成从电阻元件传输热量的成核表面，以蒸发腔中的流体并从所述腔中喷射流体滴。