CN104070799A - 绝缘基板静电喷墨打印头 - Google Patents

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Abstract

一种打印头，该打印头具有：绝缘基板；位于绝缘基板上的导电层，该导电层包括与喷射器阵列中的每一个喷射器相对应的致动垫和互连图案；位于导电层上的绝缘层；附接至绝缘层的薄膜；以及附接至薄膜的喷射堆栈。

Description

绝缘基板静电喷墨打印头
背景技术
一些喷墨打印头(包括固体墨水喷射打印头)使用将电信号转化成机械运动的压电陶瓷材料(典型地包括锆钛酸铅(lead zirconium titanate)，缩写为PZT)。PZT元件响应于信号移动，作用在薄膜上，该薄膜弯曲以将墨水喷出到打印基板上。墨水位于邻近PZT元件和薄膜的室中，所述室通过板的堆叠(被称为喷射堆栈)形成。
定制集成电路(ASIC)向PZT元件提供电驱动信号。ASIC典型地位于被焊接至电子电路板的球删阵列(BGA)封装中。电子电路板通过柔性(软性)电路连接至PZT元件。发展已产生了直接结合至软性电路的ASIC晶粒——被称为覆晶薄膜(COF)的过程。平板显示器中广泛采用覆晶薄膜，但是显示器向覆晶玻璃发展，覆晶玻璃较便宜并且实现了较高的互连密度。
与喷墨打印头相关的其它技术继续发展。一个有前途的领域在于微电机械系统(MEMS)。基于MEMS的打印头典型地使用静电致动而不是PZT。这些打印头用于喷出墨滴的电能比PZT少80％，但是制造成本较高，原因是典型的MEMS过程中所使用的昂贵的IC处理和基板。
能够结合覆晶玻璃的较低成本与MEMS技术的效率来制造低成本、高效的打印头将是有益的。
附图说明
图1示出了墨水输送系统的内部构造以及单个墨水喷射器的横截面图。
图2示出了绝缘基板打印头以及墨水输送系统和单个喷射器的实施例的内部构造的横截面图。
图2至图6示出了制造绝缘基板打印头的过程。
图7至图8示出了处于部分偏斜状态和更完全的偏斜状态的绝缘基板打印头中的薄膜的一部分。
具体实施方式
图1示出了墨水输送系统和喷墨堆栈10的内部部件的横截面，如美国专利No.8,226,207中所示。堆栈包括隔离层12，该隔离层留出定位在压电换能器44正下方的气隙42，当电流从换能器驱动器36向下传送至金属膜38时，该压电换能器44弯曲。柔性导电连接器40连接金属膜与换能器，从而允许电流流向压电换能器。柔性连接器可以是在压电换能器朝向或离开金属膜弯曲时保持与压电换能器的电连接的导电粘合剂(例如银胶)。压电换能器由间隔层14包绕，该间隔层14支承竖直堆栈。在图1的实施例中，隔离层和间隔层的厚度均处于25微米(um)至50um之间，并且压电换能器的厚度处于25um至75um之间。
压电换能器附接至柔性隔膜16，该柔性隔膜16定位在压电换能器的正上方。驱动压电换能器的电流使换能器朝向隔膜弯曲或者使换能器远离隔膜朝向气隙弯曲。该隔膜响应于压电换能器的弯曲，并且一旦通向压电换能器的电信号终止就恢复其初始形状。该实施例中的隔膜的厚度可以选自10至40um的范围内。
主体层18位于隔膜之上，该主体层具有侧向壁，所述侧向壁形成压力室30。隔膜位于压力室的正下方，从而形成压力室壁中的一个壁。在该实施例中，主体层和压力室的厚度为38um或50um。压力室具有四个侧向壁，这四个侧向壁可以可选地具有形成菱形或方形区域的大致相同的长度。在该实施例中，每一个壁的长度都可以处于从500um至800um的范围内，从而限定喷墨堆栈的长度和宽度尺寸。
在主体层之上，孔支架层20围绕与流体连接至压力室的出口32形成侧向壁。在该实施例中，孔支架层和出口的厚度为50um。压力室和出口的组合体积不应当超过0.025mm3。在基部处，孔板22包绕较窄的墨水孔34。孔流体连接至出口。该实施例中，孔板的厚度为25um。尽管图1示出了具有孔位于附图顶部的取向的喷墨堆栈，但是这仅仅是多种可能的取向(包括喷墨堆栈沿相反方向竖直地定向、水平地定向、或者以钝角定向)中的一种。
继续参照图1，墨水从端口24行进至歧管26。喷墨堆栈通过形成在进口层中的进口通道28流体连接至该歧管。进口通道连接歧管和喷墨堆栈的喷出器，以使得墨水能够从歧管流动并且进入压力室。
当压电换能器响应于电流弯曲时，隔膜偏斜，从而迫使墨水离开压力室并且进入出口和孔中。墨水从较宽的压力室出口流向较窄的孔，在该较窄的孔处，墨滴形成并且从喷墨堆栈被排出。压电换能器随后可以沿相反方向弯曲，从而将隔膜拉离压力室，以在墨滴被喷出之后将墨水从进入通道拉入压力室中。
图2示出了绝缘基板打印头70的实施例。绝缘基板72之上形成有导电层74。该绝缘基板可以是玻璃、硅或者能够用作基板的任何其它类型的绝缘材料。应当注意到，该讨论可能提到覆晶玻璃过程，并且应当理解，那些过程可以应用于任何绝缘基板，即使那些绝缘基板不是玻璃。导电层74包括互连路径，所述互连路径将驱动信号引导至静电致动垫，所述静电致动垫将致动薄膜的一部分，从而使其将墨水喷出到打印基板上。绝缘件76沉积在导电层74上。绝缘层可以由绝缘件构成，该绝缘件还可以是胶水或粘合层，例如部分固化的光致抗蚀剂。备选地，绝缘件和／或粘合层可以由涂覆有薄层银以用于银扩散结合的二氧化硅或氮化物构成，如下文更详细地讨论的。另一个实施例使用由MicroChem制造的材料SU8，基于环氧树脂的负性光致抗蚀剂是这种材料的例子。
薄膜78被压下到绝缘层上。主体间隔件18随后形成于薄膜上。孔支架20随后通过主体间隔件或额外的粘合剂结合至绝缘基板／薄膜结构。在将孔支架20结合至绝缘基板／薄膜结构之前或之后，具有喷嘴(例如来自图1的34)的孔板附接至例如图1中的孔支架。
对比图2与图1，图3的绝缘基板72与图1中的厚层46相对应。导电层74与隔离层12相对应。绝缘粘合层76与间隔层14相对应，其中，如果使用PZT换能器的话，PZT换能器将位于邻近薄膜78的层76的间隙77中。(能否将间隙77改为白色填充以正确地代表间隙?其它区域能够根据需要改为不同阴影。这适用于所有附图中的间隙77。)薄膜78与图1的薄膜16相对应。图2的主体间隔件18与图1的主体层18相对应，其中图1的喷射堆栈的剩余部分与图2的剩余部分相对应。
图2的打印头由直接标记的喷墨打印头构成。墨水通过绝缘基板被提供给打印头到达喷墨堆栈。在一些情况下，墨水喷射器将使用固体墨水。墨水包括从打印头融化并且通过典型受热的脐带形部(umbilical)被运输至打印头的黑色和任何颜色的聚合物固体。墨水随后行进至喷射堆栈到达邻近薄膜的室。当薄膜被静电致动时，墨水通过孔34被喷出到打印基板上。形成于导电层中的静电致动垫与喷射器阵列中的喷射器相对应。
图3至图6示出了制造打印头的方法。如图3中所示，该过程由提供具有墨水端口86的绝缘基板72开始。为了简单起见，墨水端口将不会示于其它附图中。墨水端口可以被蚀刻、超声波加工、或钻孔到绝缘基板中。绝缘基板联结至远离打印头的墨水源。
图4示出了形成在绝缘基板72上的导电层74。导电层74可以由金属或者包括导电材料的材料混合物构成。导电层可以蒸镀或者以其它方式沉积在基板上并且随后被蚀刻以形成引导驱动信号的互连路径以及用于喷射器阵列中的每一个喷射器的静电致动垫。
图5示出了形成在导电层74上的绝缘层76。绝缘层可以由绝缘件和／或粘合层构成。该层将典型地仅沉积在金属层的选定部分上，以允许薄膜下方的间隙，该间隙将允许薄膜移动。在一个实施例中，粘合层使用银扩散结合。SiO2绝缘层沉积在绝缘基板／导电层结构上并且随后涂覆薄层银作为层76。隔膜78的下侧(增加该隔膜78示于图6中)也涂覆有银涂层79。当隔膜被压在绝缘层上时，隔膜和绝缘层在大约250℃时扩散结合。气隙77形成在绝缘件中，该绝缘件将允许薄膜自由移动。
在特定实施例中，层76由SiO2构成并且厚度为0.9um且涂覆有0.1um的银。隔膜涂覆有0.1um的银作为79，从而实现总厚度为1.1um的粘合层。在另一个实施例中，绝缘件／胶水层可以由1um厚的SU8层构成。绝缘件／胶水层可以被选择性地沉积或蚀刻，以留下用于薄膜移动的间隙。隔膜78可以由多种不同材料中的一种材料构成，但是典型地为例如钛的薄金属层。隔膜层可以是厚度处于10um至20um之间的金属箔。
图6示出了增加专用集成电路84。ASIC位于互连路径上，以根据需要将驱动信号引导至静电致动器。ASIC使用标准的覆晶玻璃技术直接附接至互连路径。在这点上，制造过程将模仿用于开发图1的打印头的制造过程。再次参照图2，在薄膜附接至绝缘件76之后，主体间隔件18随后附接至薄膜，随后附接孔支架20和孔板22。打印头的这些部分可以被称为喷射堆栈。
典型地，附接过程包括结合压入。结合可以包括使用结合压入来将喷射堆栈压向基板／隔膜层。典型地，喷射堆栈将在单独的、同时发生的过程中形成并且随后两个子结构被结合。所获得的打印头可以使用与PZT结构相同的ASIC技术(但是在低得多的电流下)。总体结果是制造成本降低并且使用较少能量的打印头。
在操作期间，薄膜78被部分地保持偏斜，如图7中所示。在一个实施例中，中心处的最大偏斜应当为间隙高度的15％。由于薄膜仅能够沿一个方向偏斜，因此偏斜状态的操纵用于执行墨水的拉动并且随后执行推出。在操作期间，薄膜部分与打印头的喷射器相对应并且被保持在部分偏斜状态下作为其默认位置。当墨水被拉入储存器中时，薄膜偏斜得甚至更多。薄膜随后被释放，以将墨水推出喷嘴34之外。在一个实施例中，部分偏斜的状态保持薄膜向下150纳米(nm)，并且完全偏斜状态将其拉下大约250nm。“未偏斜”状态大致向下偏斜50nm。
通过能够模仿在前类型的具有两个有效状态的基于PZT的打印头(一个向上偏斜的默认状态，以及另一个向下偏斜的默认状态)允许使用所有在先开发的管理墨水共振等的驱动波形。这包括在通过一次又一次喷射(jet-by-jet)基础上调节偏斜幅度以补偿喷射性能的固有制造变化的能力——该过程被称为“标准化”。应当注意到，其它的微电机械系统(MEMS)方法典型地使薄膜“着陆”，从而使其始终与被构建在基板和／或隔膜上的绝缘间隔件相接触。该类型的方法不能利用这些波形。此外，这些方法中的多种方法使用硅基薄膜，所述硅基薄膜通常是非常昂贵的。

Claims (10)

1.一种打印头，所述打印头包括：
绝缘基板；
导电层，所述导电层位于所述绝缘基板上，所述导电层包括与喷射器阵列中的每一个喷射器相对应的致动垫和互连图案；
驱动电路，所述驱动电路附接至所述绝缘基板、电连接至所述致动垫；
绝缘层，所述绝缘层位于所述导电层上，所述绝缘层具有间隙；
薄膜，所述薄膜附接至所述绝缘层并且与换能器阵列相接触；以及
喷射堆栈，所述喷射堆栈附接至所述薄膜。
2.根据权利要求1所述的打印头，其中所述绝缘基板包括具有墨水端口的绝缘基板。
3.根据权利要求1所述的打印头，其中所述绝缘基板包括玻璃或硅中的一种。
4.根据权利要求1所述的打印头，其中所述导电层包括形成于所述互连图案和所述致动垫中的金属。
5.根据权利要求1所述的打印头，其中所述绝缘层包括绝缘和胶水层或者光致抗蚀剂中的一种。
6.根据权利要求1所述的打印头，其中所述薄膜包括不锈钢、钛、和镍中的一种。
7.根据权利要求1所述的打印头，其中所述薄膜包括具有部分蚀刻区域的薄膜。
8.根据权利要求1所述的打印头，所述打印头还包括位于所述薄膜与所述喷射堆栈之间的主体间隔件。
9.一种制造打印头的方法，所述方法包括：
提供绝缘基板；
在所述绝缘基板上形成导电互连路径和垫；
使绝缘层沉积在所述垫和互连路径的至少一部分上；
将薄膜压到所述绝缘层上；
将专用集成电路附接至所述互连路径；以及
将喷射堆栈结合至所述薄膜。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，使绝缘层沉积包括：
沉积绝缘件；
用金属涂覆所述绝缘件；
用金属涂覆所述薄膜的下侧；以及
通过加热将所述绝缘件与所述薄膜结合。
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