CN104275932A - 液体喷出头和基板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体喷出头和基板。所述液体喷出头包括：喷出口，用于喷出液体；液室，其与所述喷出口相连通；以及基板，其具有：发热电阻器，其配置在所述液室内的与所述喷出口相对应的位置；以及气泡检测装置，其配置在所述发热电阻器上，用于通过检测由于所述发热电阻器的发热而产生的气泡来控制所述发热电阻器的驱动。所述气泡检测装置具有配置在所述液室内的两个电极，并且当在与所述基板垂直的方向上观看时，所述两个电极中的一个电极配置在与所述发热电阻器重叠的位置，而所述两个电极中的另一电极配置在不与所述发热电阻器重叠的位置。

Description

液体喷出头和基板

技术领域

本发明涉及用于喷出诸如墨滴等的液滴的液体喷出头，并且还涉及该液体喷出头所用的基板。更特别地，本发明涉及用于利用热能来喷出液滴的液体喷出头。

背景技术

已知有如下技术：对发热电阻器通电以使其发热，利用该发热电阻器所产生的热使墨起泡，并且在起泡压力下使墨滴从喷出口喷出以供记录目的。利用这种技术，以喷出墨为目的所产生的热能随着时间而部分累积在包括安装有发热电阻器的基体的液体喷出头内，由此该液体喷出头的温度逐渐上升。结果，要从液体喷出头喷出的墨的温度上升，这反而使墨的粘度下降。最终结果是，增加每单位时间从液体喷出头的喷出口所喷出的墨滴量反而导致在利用所喷出的墨打印出的图像的一部分上发生浓度不均匀。

同一类型的液体喷出头在液体喷出头的配线、发热构件和驱动装置的阻抗值方面呈现偏差。作为用于吸收这种偏差的方式，液体喷出头被设计为向其发热电阻器施加液体喷出头使墨起泡所需的最小电力(或最小电压)的约1.2倍的能量。这是产生这种偏差的深层原因之一。

在上述驱动条件下，由于施加至液体喷出头的发热部的过剩能量而导致该发热部的表面温度在以上述方式使墨起泡之后持续上升。结果，液体喷出头中的热应力增大，而导致发生液体喷出头的使用寿命不期望地受到限制的问题。

因此，对于上述类型的液体喷出头，并不期望施加过多能量。鉴于该问题，日本特开2005-231175提出了在发热部的表面上配置温度传感器或者起泡检测传感器。

然而，利用检测液体喷出头的发热部的表面温度的技术，无法得知接触墨的发热部的表面是处于核沸腾状态还是处于膜沸腾状态。然后，产生对施加起泡能量的速率进行调整的困难。

另一方面，利用通过在液体喷出头的发热部上的区域内配置两个电极来检测起泡的技术，发热部上的墨在这两个电极之间导电，并且在由于发热部上的气泡的生长而导致在这些电极之间不再存在墨的情况下，向着发热电阻器的驱动信号的施加被遮断。尽管气泡需要在墨喷出所需的区域(所需起泡区域)上扩展，然而利用在发热部上配置两个电极的技术，这些电极的位置和大小受到作为所需起泡区域的功能所确定的限制。因此，根据气泡的扩展方式，在气泡生长为使得能够向墨施加喷出能量的大小之前这些电极其中之一就可能被气泡所覆盖，使得过早遮断了向着发热电阻器的驱动信号的施加。结果，所喷出的液滴的量或液滴的喷出速率变得不稳定，因而导致利用所喷出的墨打印出的图像的质量下降。

发明内容

根据本发明，通过提供以下来解决上述问题：一种液体喷出头，包括：喷出口，用于喷出液体；液室，其与所述喷出口相连通；以及基板，其具有：发热电阻器，其配置在所述液室内的与所述喷出口相对应的位置；以及气泡检测装置，其配置在所述发热电阻器上，用于通过检测由于所述发热电阻器的发热而产生的气泡来控制所述发热电阻器的驱动，其特征在于，所述气泡检测装置具有配置在所述液室内的两个电极，并且当在与所述基板垂直的方向上观看时，所述两个电极中的一个电极配置在与所述发热电阻器重叠的位置，而所述两个电极中的另一电极配置在不与所述发热电阻器重叠的位置。

此外，还通过提供以下来解决上述问题：一种基板，包括：发热电阻器，用于生成液体喷出要利用的热能；以及气泡检测装置，其配置在所述发热电阻器上，用于通过检测由于所述发热电阻器的发热所产生的气泡来控制所述发热电阻器的驱动，其特征在于，所述气泡检测装置具有两个电极，并且当在与所述基板垂直的方向上观看时，所述两个电极中的一个电极配置在与所述发热电阻器重叠的位置，而所述两个电极中的另一电极配置在不与所述发热电阻器重叠的位置。

通过以下参考附图对典型实施方式的说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1A和1B是根据本发明的喷墨记录头的实施方式中所采用的基板的发热部及其附近的示意图。

图2A和2B是根据本发明的喷墨记录头的另一实施方式中所采用的基板的发热部及其附近的示意图。

图3是可用于本发明目的的电路图的示意例示电路图。

图4A和4B是气泡检测装置、驱动装置和发热电阻器的各示例操作的示意图。

图5A1、5A2、5B1和5B2是可用于本发明目的的发热电阻器上的气泡的产生和扩展的示意图。

图6是以下的示意图：可用于本发明的目的的在利用气泡检测装置来控制驱动装置的情况下所观察到的驱动装置的驱动时间和抗气蚀层的表面温度之间的关系、以及在没有利用气泡检测装置来控制驱动装置的情况下所观察到的驱动时间和抗气蚀层的表面温度之间的关系、或者表示抗气蚀层的表面温度随时间变化的曲线。

具体实施方式

现在将通过参考例示本发明的当前优选实施方式的附图来更详细地说明本发明。尽管作为本发明的典型实施方式、以下针对用于通过将墨滴喷出到记录薄片上来打印墨图像的喷墨记录头说明了本发明，但本发明的应用范围决不局限于这种喷墨记录头。

首先，将说明作为喷墨记录头的本发明的实施方式的结构。

图1A是构成本实施方式的喷墨记录头的基板的发热部及其附近的示意平面图。图1B是沿着图1A中的线1B-1B垂直截取的该基板的截面示意图。

参照图1A和1B，喷墨记录头的基板包括如下结构：蓄热层102和发热电阻器层105按上述顺序顺次堆叠在硅基体101的表面其中之一上，其中该蓄热层102是使用热氧化膜、SiO膜或SiN膜等构成的。在该发热电阻器层105上形成由诸如Al、Al-Si或Al-Cu等的金属材料制成的电极配线层106。

通过去除电极配线层106的一部分以形成间隙(不具有电极配线层106的部分)、并且使发热电阻器层105从该部分暴露，来形成用作电热转换器装置的发热电阻器层105的发热电阻器(发热部)109。

在发热电阻器层109和电极配线层106的上方设置保护膜层107。保护膜层107由SiO膜或SiN膜等制成，并且还用作绝缘层。在保护膜层107上形成气泡检测装置110，以检测在发热电阻器109上所产生的气泡。注意，在图1A中省略保护膜层107，从而完全呈现发热电阻器109和电极配线层106。

电极配线层106电连接至形成在基体101的主面上的驱动装置120，并且还电连接至外部电源端子(未示出)，由此驱动装置120可以控制对发热电阻器109的电力供给并由此控制发热电阻器109的发热。

气泡检测装置110包括配置在一个液室142内的两个电极。这两个电极包括检测电极部110-1和与检测电极部110-1分开并且相对配置的对电极部110-2。检测电极部110-1配置在发热电阻器109上，而对电极部110-2配置在位于发热电阻器109的外侧的区域中。换句话说，如在与基板垂直的方向上所观看的，这两个电极其中之一(或电极110-1)配置在与发热电阻器109重叠的位置，而这两个电极中的另一电极(或电极110-2)配置在不与发热电阻器109重叠的位置。

在本实施方式中，电极部110-1和110-2由从包括Ta、Pt、Ir和Ru的铂族元素中所选择的金属制成，以使得电极部110-1和110-2具有抗气蚀(耐受起泡的影响)功能。

气泡检测装置110根据与电极对110-1和110-2之间的通电有关的信息来检测初始起泡。在发热电阻器109上所产生的气泡对于墨的良好排出而言不够大的情况下、或者在使气泡在发热电阻器109上不均匀地生长的情况下，电极对(110-1,110-2)处于通过墨彼此电导通的状态(因而，气泡检测装置110为ON(接通)：图4A和4B中的T1的状态和T3的状态)。

另一方面，随着发热电阻器109的温度上升而使与包括检测电极部110-1的发热电阻器109的表面相接触的墨作为起泡的结果移动，在气泡检测装置110的电极对(110-1,110-2)之间不再介入任何墨，因而产生在电极对(110-1,110-2)之间没有电导通的状态。换句话说，电极对的状态改变(因而，气泡检测装置110为OFF(断开)：图4A和4B中的T2的状态)。结果，气泡检测装置110可以检测到发热电阻器109上已良好地生长的气泡，从而能够进行工作以供墨喷出。这样，驱动装置120采用与两个电极部之间的通电或不通电有关的信息作为与气泡检测装置有关的信息，并且通过使用与通电或不通电有关的该信息以及控制信号来控制对发热电阻器109进行驱动的操作。因此，喷墨记录头的本实施方式可以利用适当的起泡能量进行工作。

注意，尽管在图1A和1B所例示的示例中、电极配线层106配置在发热电阻器层105上，但还可采用如下替代结构：在基体101或蓄热层102上形成电极配线层106，通过部分去除电极配线层106来产生间隙，随后配置发热电阻器层。

如图1B所示，将流路形成构件140接合至具有上述结构的基板。流路形成构件140包括：流路，其包含包围发热电阻器109的液室142；以及喷出口141，其是与发热电阻器109相对应地形成的以用于喷出液体的目的，并且与液室142相连通。在喷墨记录头的基板中形成有用于向液室142供给墨的供给口130。在图1A中，利用虚线示出流路形成构件140的一部分，从而表示气泡检测装置110和液室142之间的位置关系。上述检测电极部110-1在一个液室142内配置在发热电阻器109的上侧，而对电极部110-2在一个液室142内配置在不与发热电阻器109重叠的区域中。

以下将说明本实施方式的驱动电路。

图3是可用于本实施方式的示意例示电路图。

参考图3，发热电阻器109(加热器)和驱动装置120(晶体管)串联连接，并且发热电阻器109的没有连接至驱动装置120的一个端子连接至电源(未示出)，而驱动装置120的没有连接到发热电阻器109的一个端子接地。

气泡检测装置110和控制信号输入部111分别连接至与(AND)电路112的两个输入端子，并且构成驱动装置120的晶体管的基极侧连接至与电路112的一个输出端子。随着从气泡检测装置110和控制信号输入部111这两者将信号输入至与电路112，与电路112使得基极电流流向驱动装置120。结果，驱动装置120变为ON以进行工作。更具体地，来自电源的电流流向发热电阻器109。注意，在气泡检测装置110处于ON状态的情况下(在电极部110-1和110-2经由墨彼此电导通的情况下)，实现从气泡检测装置110向着与电路112的信号输入。

图4A和4B是控制信号输入部111、气泡检测装置110、发热电阻器109和驱动装置120的示例性ON/OFF(接通/断开)时序图。

在时刻T1，控制信号输入部111和气泡检测装置110这两者都处于ON状态(因而存在控制信号并且气泡检测装置110的电极部110-1和110-2处于彼此电导通的状态)，由此对驱动装置120进行驱动以进行工作并且发热电阻器109发热以使喷墨记录头从喷出口喷出墨。

通常，在起泡开始之前液室142充满墨，并且电极部110-1和110-2处于彼此电导通的状态。因此，在液体喷出开始之前，气泡检测装置110处于ON状态。随着控制信号输入部111又变为ON，驱动装置120变为ON并且发热电阻器109也变为ON，以使得发热电阻器109上的墨开始起泡。

然后，气泡生长，并且在已累积了墨喷出所需的能量的情况下，气泡检测装置110变为OFF状态。结果，驱动装置120变为OFF并且发热电阻器109也变为OFF(时刻T2)。

随着发热电阻器109变为OFF，气泡收缩，由此将墨附加供给至液室142内。然后，气泡检测装置110进入ON状态。在该时刻，控制信号输入部111的控制信号进入OFF状态(时刻T3)。因此，驱动装置120和发热电阻器109均保持处于OFF状态，直到再次向这两者输入控制信号为止。

利用上述控制序列，减小了施加至基体101的过剩热应力(在存在的情况下)，并且可以实现节能和稳定的打印操作。

由于气泡检测装置110的检测电极部110-1和对电极部110-2进入经由墨彼此电导通的状态，因而本实施方式需要采用导电性的墨。

以下将通过示例来更具体地说明本实施方式的结构。

实施例1

参照图1A和1B，实施例1的喷墨记录头包括基体101、驱动装置120、供给口130、配线106、发热电阻器109、流路形成构件140和蓄热层102。

发热电阻器109和用作驱动装置120的晶体管形成在作为硅基板的基体101上。

与普通的IC制造工艺相同，通过离子注入并且通过在基体101上形成栅极氧化膜和元件分离所用的氧化膜，来形成驱动装置120。

在形成栅极配线所用的多晶硅膜之后，通过蚀刻来去除栅极氧化膜的一部分，然后通过溅射来在多晶硅膜上形成漏极、源极和Al等的配线。

之后，通过CVD来针对蓄热层102形成SiO、SiN、SiON、SiOC、SiCN等的层间绝缘膜。然后，通过使用TaSiN等和反应溅射技术来形成发热电阻器层105。在该发热电阻器层105上形成Al等的配线106，以形成成为发热电阻器109的区域。然后，通过CVD来形成由SiN膜或者SiCN膜制成的保护膜层107(绝缘膜)。随后，通过使用Ta、Rt、Ir或Ru以及溅射来形成抗气蚀层(以下简称为抗气蚀层)108。

然后，通过利用使用Cl₂、BF₃和Ar等的混合气体的干法蚀刻对抗气蚀层108进行加工来形成气泡检测装置110。更具体地，通过干法蚀刻来在发热电阻器109上形成检测电极110-1，并且在发热电阻器109和供给口130之间的位置处形成与该电极110-1分离的对电极110-2。

因而，气泡检测装置110的两个电极其中之一(或电极110-1)配置在发热电阻器109上，而另一个电极110-2配置在不与发热电阻器109重叠的区域中。利用这种配置，可以抑制在将液体喷出所用的足够量的起泡能量输入至发热电阻器109之前、遮断向着发热电阻器109的驱动信号的可能性，由此可以正确地检测到初始起泡以对驱动装置120进行控制。

注意，使发热电阻器109上的电极110-1呈现四边形形状以符合发热电阻器109的形状。优选地，电极部110-1从发热电阻器109的中心延伸并且配置在发热电阻器109的外周的内侧，但其面积不小于使墨起泡以达到墨喷出所需的程度所需的面积(所需起泡区域)。在以上述方式配置电极110-1的情况下，在发热部上既没有产生槽状凹部也没有产生不规则台阶，由此可以更稳定地形成气泡。

然后，通过利用蚀刻使保护膜107的一部分开口并且使配线106暴露，来形成要与气泡检测装置110以及针对用于驱动电源和驱动装置102的控制信号而进行工作的其它元件相连接的外部接触电极。

如上所述，在基体101上形成驱动装置120、配线106、发热电阻器109和蓄热层102之后，在下一步骤中利用旋涂技术在可以去除以产生流路的构件上形成由树脂材料制成的流路形成构件140。当然，在实际的喷墨记录头中，通过光刻形成多个喷出口141并且还形成多个液室142。此时，在各个液室142中配置有发热电阻器109以及包括两个电极110-1和110-2的气泡检测装置110。

然后，利用各向异性蚀刻、喷砂或干法蚀刻等从基体101的背面形成与各个液室142相连通的供给口130。

然后，如图3所示，与电路112经由配线106从外部连接至各驱动装置120，并且气泡检测装置110和控制信号输入部111分别连接至与电路112以控制发热电阻器109。

图5A1、5A2、5B1和5B2示意性示出在各发热电阻器109上气泡如何产生和扩散。更具体地，图5A1和5A2示出膜沸腾所产生的气泡150尚未良好地覆盖发热电阻器109上的气泡检测装置110的电极其中之一(或电极110-1)的情形。

随着气泡150进一步扩展，出现如图5B1和5B2所示的、气泡150完全覆盖电极110-1的情形。由于液室142中的与墨供给口130相连通的一部分内的液体的阻抗低于液室142的剩余部分内的液体的阻抗，因此所生长的气泡150易于向着墨供给口130的方向上扩展。因此，通过将气泡检测装置110的另一电极110-2配置在墨供给口130侧，可以容易地检测到气泡。

通过上述制造步骤制造出喷墨记录头。

在驱动具有如图1A和1B所示的结构的喷墨记录头以喷出液滴的情况下，如果与任何传统的喷墨记录头相比，则驱动装置的驱动时间缩短，以使得抗气蚀层108的表面温度保持低于以往的温度。在驱动喷墨记录头以喷出1×10⁹次液滴之后，喷墨记录被证明能够实现节能(电力降低)和稳定的打印。

实施例2

以下将说明实施例2的喷墨记录头。图2A和2B示意性示出实施例2的喷墨记录头。图2A是该喷墨记录头的平面示意图，并且图2B是沿着图2A中的线2B-2B垂直截取的该头的基板的示意截面图。

实施例2的喷墨记录头在结构上被设计成能够通过考虑到气泡的生长来更可靠地检测气泡。实施例2的喷墨记录头包括基体101、驱动装置120、供给口130、配线106、发热电阻器109、流路形成构件140和蓄热层102。

发热电阻器109和用作驱动装置120的晶体管形成在作为硅基板的基体101上。

与普通的IC制造工艺相同，通过采用离子注入并且通过在基体101上形成栅极氧化膜和元件分离所用的氧化膜，来形成驱动装置120。

在形成栅极配线所用的多晶硅膜之后，通过蚀刻来去除栅极氧化膜的一部分，然后通过溅射在该多晶硅上形成漏极、源极和Al等的配线。

之后，通过CVD针对蓄热层102形成SiO、SiN、SiON、SiOC或SiCN的层间绝缘膜。然后，通过使用TaSiN等和反应溅射技术来形成发热电阻器层105。在该发热电阻器层105上形成Al等的配线106，并且使成为发热电阻器109的区域暴露到外部。然后，通过CVD在该配线106上形成由SiN膜或者SiCN膜制成的保护膜层107(绝缘膜)。随后，通过使用Ta、Rt、Ir或Ru以及溅射来形成抗气蚀层(以下简称为抗气蚀层)108。

然后，通过利用使用Cl₂、BF₃和Ar等的混合气体的干法蚀刻对抗气蚀层108进行加工来形成气泡检测装置110。更具体地，通过干法蚀刻在发热电阻器109上形成电极110-1，并且形成与电极110-1分离的对电极部110-2从而包围发热电阻器109。在该实施例中，电极110-2沿着形状为矩形的发热电阻器109的四个边中的三个边配置。

因此，气泡检测装置110的两个电极其中之一(或电极110-1)配置在发热电阻器109上，并且另一电极110-2配置在不与发热电阻器109重叠的区域中。利用这种配置，可以抑制在将液体喷出所用的足够量的起泡能量输入至发热电阻器109之前、遮断向着发热电阻器109的驱动信号的可能性，由此可以正确地检测到初始起泡以对驱动装置120进行控制。

注意，使发热电阻器109上的电极110-1呈现四边形形状以符合发热电阻器109的形状。期望电极部110-1从发热电阻器109的中心延伸并且配置于发热电阻器109的外周的内侧，但其面积不小于进行喷出墨所需的程度的起泡所需的面积(所需起泡区域)。

然后，通过利用蚀刻使保护膜107的一部分开口并且使配线106暴露，来形成要与气泡检测装置110以及针对用于驱动电源和驱动装置120的控制信号而进行工作的其它元件相连接的外部接触电极。

如上所述，在基体101上形成驱动装置120、配线106、发热电阻器109和蓄热层102之后，在下一步骤中通过旋涂来在可以去除以形成流路的构件上形成作为树脂材料的流路形成构件140。当然，在实际的喷墨记录头中，通过光刻形成有多个喷出口141和多个液室142。此时，在各个液室142中配置有发热电阻器109以及包括两个电极110-1和110-2的气泡检测装置110。

然后，利用各向异性蚀刻、喷砂或干法蚀刻等从基体101的背面形成与各个液室142相连通的供给口130。

接着，如图3所示，与电路112经由配线106从外部连接至各驱动装置120，并且气泡检测装置110和控制信号输入部111分别连接至与电路112以控制发热电阻器109。

通过上述制造步骤制造出喷墨记录头。

在驱动具有如图2A和2B所示的结构的喷墨记录头以喷出液滴的情况下，与(具有图1A和1B所示的结构的)实施例1的喷墨记录头相比，喷墨记录被证明更能够实现节能(电力)和稳定打印。

尽管已经参考典型实施方式说明了本发明，但是应该理解，本发明不局限于所公开的典型实施方式。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。

Claims (9)

1.一种液体喷出头，包括：

喷出口，用于喷出液体；

液室，其与所述喷出口相连通；以及

基板，其具有：发热电阻器，其配置在所述液室内的与所述喷出口相对应的位置；以及气泡检测装置，其配置在所述发热电阻器上，用于通过检测由于所述发热电阻器的发热而产生的气泡来控制所述发热电阻器的驱动，

其特征在于，所述气泡检测装置具有配置在所述液室内的两个电极，并且当在与所述基板垂直的方向上观看时，所述两个电极中的一个电极配置在与所述发热电阻器重叠的位置，而所述两个电极中的另一电极配置在不与所述发热电阻器重叠的位置。

2.根据权利要求1所述的液体喷出头，其中，

所述基板还具有供给口，所述供给口用于向所述发热电阻器供给液体；以及

所述两个电极中的所述另一电极配置在所述供给口和所述发热电阻器之间。

3.根据权利要求1所述的液体喷出头，其中，

在所述发热电阻器上形成有抗气蚀层，以及

所述两个电极中的所述一个电极也用作所述抗气蚀层。

4.根据权利要求1所述的液体喷出头，其中，

所述两个电极中的所述一个电极由从Ta、Pt、Ir和Ru中所选择的材料制成。

5.根据权利要求1所述的液体喷出头，其中，

所述两个电极中的所述一个电极形成在所述发热电阻器的内侧，以及

所述两个电极中的所述一个电极的面积大于液体喷出所需的起泡面积。

6.一种基板，包括：

发热电阻器，用于生成液体喷出要利用的热能；以及

气泡检测装置，其配置在所述发热电阻器上，用于通过检测由于所述发热电阻器的发热所产生的气泡来控制所述发热电阻器的驱动，

其特征在于，所述气泡检测装置具有两个电极，并且当在与所述基板垂直的方向上观看时，所述两个电极中的一个电极配置在与所述发热电阻器重叠的位置，而所述两个电极中的另一电极配置在不与所述发热电阻器重叠的位置。

7.根据权利要求6所述的基板，其中，

所述基板还包括供给口，所述供给口用于向所述发热电阻器供给液体，以及

所述两个电极中的所述另一电极配置在所述供给口和所述发热电阻器之间。

8.根据权利要求6所述的基板，其中，

在所述发热电阻器上形成有抗气蚀层，以及

所述两个电极中的所述一个电极也用作所述抗气蚀层。

9.根据权利要求6所述的基板，其中，

所述两个电极中的所述一个电极由从Ta、Pt、Ir和Ru中所选择的材料制成。