CN107073960B - 喷墨打印头 - Google Patents

Abstract

本文描述了打印头以及用于形成打印头的方法。在一个示例中，打印头包括多个液滴生成器，其中每个邻近的液滴生成器之间的间距基本上相同，并且液滴生成器在高滴重(HDW)液滴生成器与低滴重(LDW)液滴生成器之间交替。所述打印头还包括从墨水源引入到与每个液滴生成器相关联的喷射室中的流道，其中流道包括靠近墨水源的流入区域，其中调节流入区域的面积以控制到喷射室中的墨水的流量。

Description

喷墨打印头

背景技术

热喷墨打印头在集成电路晶圆上被制造。驱动电子器件和控制特 征首先被制造，然后加热器电阻器的列被添加，并且最终，结构层(例 如，由可感光成像环氧树脂形成)被添加并且处理以形成液滴生成器。 结构层被用于产生规定墨水从供给到喷射室的路线的流道、用于产生 液滴生成器的侧壁、以及用于制造喷嘴。典型地，使用三层环氧树脂。 环氧树脂层包括用于保证良好的粘附的薄的底漆层、用于构造流道和 喷射室的层、以及密封通道并且提供用于液滴喷射的喷嘴的最终层。

附图说明

在以下详细描述中并且参考附图描述某些示例，其中：

图1是使用喷墨打印头以在打印介质上形成图像的示例印刷机的 图。

图2是可以用于使用喷墨打印头形成图像的喷墨打印系统的示例 的框图。

图3是示例打印配置中(例如打印杆中)的喷墨打印头的集群的 图。

图4是示出电阻器之上的邻近喷嘴的示例打印头的顶视图。

图5是四个液滴生成器的顶部近视图。

图6是在喷嘴处(例如，在图5中的线6处)取得的打印头的截 面视图。

图7A和7B是示出了修改液滴生成器的流入区域中的底漆层的量 的设计的晶圆的顶视图。

图8是图7B中所示的打印头部分的流入区域的截面视图。

图9是在流入区域处取得的图8的打印头的扫描电子显微照相。

图10是用于制造喷墨打印头的示例方法1000的过程流程图。

具体实施方式

喷墨打印头可以被设计成例如通过交替包括加热器电阻器和喷 嘴的液滴生成器的宽度来产生两个液滴尺寸，称为间隙双滴重 (iDDW)。如本文所使用的，液滴生成器是在打印介质处喷射墨滴 的装置。液滴生成器包括流入区域，该流入区域包括将墨水源与喷射室流体地耦合的流动室。喷射室具有在表面上的加热电阻器，以及靠 近加热电阻器设置的喷嘴。当将激发脉冲施加到加热电阻器时，在喷 射室内形成蒸气或溶剂气泡，这促使墨滴离开喷嘴。

每个打印头具有多列液滴生成器，其在高滴重(HDW)和低滴重 (LDW)之间交替。HDW可以处于大约6-11纳克(ng)的范围中或 大约9ng，而LDW可以处于大约3-5ng的范围中或大约4ng。液滴 生成器共享针对流体或墨水流动通道的相同的堆叠厚度，并且在基本 相同的间距上居中，以保证正确的液滴放置，例如，针对1200点每 英寸(dpi)的21.2微米(μm)。

然而，HDW和LDW液滴生成器具有不同的功能需求。例如， HDW液滴生成器将需要以比LDW液滴生成器高的速率再填充，以维 持打印速度。此外，来自LDW液滴生成器中的气泡形成的回压(back pressure)可能促使一部分墨水回到流体通道中，而不是离开喷嘴，从而降低了所喷射液滴的动量(momentum)。相应地，如果为两个滴 重使用相同的流入设计，则HDW液滴生成器的再填充或者来自LDW 液滴生成器的液滴的动量可能被损害。

本文公开了用于形成平衡针对HDW和LDW液滴生成器的需求 的打印头的技术。在本技术中，交替液滴生成器的中心线保持在期望 的间距(例如，每21.2微米)上，但流体通道的面积被针对液滴生成 器的每个尺寸独立地调节。

在一个示例中，例如在邻近的液滴生成器之间的Y方向上的空间 的一部分(其正常会为LDW提供流入)被用于HDW。这为HDW提 供更快的再填充，而不限制用于LDW的再填充。在此技术的情况下， 用于HDW的流入宽度可以增加高达大约5μm或25％以上。再填充速 率可以成比例地增加。此设计还可以增加LDW液滴的动量，例如， 较窄的流道可以减少回流。

在另一示例中，通过改变用于构造流道和喷嘴的三个层中的一个 (例如，环氧树脂层)来获得HDW液滴生成器的改进的再填充。典 型的打印头设计使用第一层(称为底漆层)来改进对基底的粘附，使 用第二层来限定流道、以及使用第三层来覆盖流道并且形成用于喷射 液滴的喷嘴。在本技术中，底漆层可以被调节以改变高度，并且因此 改变用于两个墨滴生成器的入口通道的横截面积。由于HDW液滴生 成器具有较高的流速(flow)需求，可以从流入区域移除底漆材料以 便增加横截面积并且增加流速。相比之下，LDW液滴生成器通常需 要小于HDW液滴生成器的流速的一半，但可以使用附加的液滴动量。 因此，附加的底漆材料可以用于LDW液滴生成器的流入区域中。此 设计可以为HDW提供更快的再填充，而不限制用于LDW的再填充。 从HDW流入区域移除底漆可以将HDW液滴生成器的再填充增加大 约3千赫(kHz)。

图1是使用喷墨打印头以在打印介质上形成图像的印刷机100的 示例的图。印刷机100可以从大辊102进给连续片材的纸。纸可以进 给通过多个打印系统，诸如打印系统104和106。在第一打印系统104 中，容纳多个打印头的打印杆将墨滴喷射到纸上。第二打印系统106 可以用于打印附加颜色。例如，第一系统104可以打印黑色，而第二 系统106可以打印蓝绿色、品红色和黄色(CMY)。因为可以使用任 何数目的系统(这例如取决于所期望的颜色和印刷机100的速度)， 打印系统104和106不限于两种或所提及的颜色组合。

在第二系统106之后，所打印的纸可以卷绕在卷绕辊108上以用 于随后的处理。在一些示例中，其它单元可以取代卷绕辊108，该其 它单元除了其它之外诸如是片材切纸机和装订机。印刷机100可以具 有非常高速的操作和打印，并且因此，打印头的设计对于实现此速度 可能是重要的。在所示的示例中，纸(或其它打印介质)可以按照每 分钟大约800英尺(或每分钟大约244米)或更快地移动。此外，印 刷机100可以每月打印大约一亿两千九百万的信纸大小的图像。

图2是可以用于使用喷墨打印头形成图像的喷墨打印系统200的 示例的框图。喷墨打印系统200包括打印杆202(其包括多个打印头 204)、和墨水供给组件206。墨水供给组件206包括墨水储存器208。 墨水210从所述墨水储存器208被提供到打印杆202以便进给到打印 头204。墨水供给组件206和打印杆202可以使用单向墨水递送系统 或循环墨水递送系统。在单向墨水递送系统中，基本上提供给打印杆 202的全部墨水在打印期间被消耗。在循环墨水递送系统中，提供给 打印杆202的墨水210的一部分在打印期间被消耗，并且另一部分墨 水返回到墨水供给组件。在示例中，墨水供给组件206与打印杆202 分离，并且将墨水210通过管状连接(诸如，供给管(未示出))提 供到打印杆202。在其它示例中，打印杆202可以包括墨水供给组件 206、和墨水储存器208，以及打印头202(例如在单个用户打印机中)。 在任一示例中，墨水供给组件206的墨水储存器208可以被移除和取 代、或者再填充。

来自打印头204的墨水210从喷嘴作为墨滴212朝向打印介质214 喷射，所述打印介质214诸如是纸、聚酯薄膜、卡片纸等。打印介质 214可以被预处理(例如，用清洁预处理)以改进打印质量。这可以 在打印系统中被执行。打印头204的喷嘴被布置在一个或多个列或阵 列中，使得当打印杆202和打印介质214相对于彼此移动时，适当定 序的墨水210的喷射可以形成字符、符号、图形或要被打印在打印介 质214上的其它图像。墨水210并不限于用于在纸上形成可见图像的 彩色液体。例如，墨水210可以是用于打印电路或其它项目(例如， 太阳能电池)的电活性物质。在一些示例中，墨水210可以包括磁墨 水。

此外，在本文所述的示例中，打印头204具有iDDW设计。在iDDW 设计中，两个不同尺寸的墨滴212中的一个可以从打印头204被喷射， 这取决于要打印的图像的类型。然而，对于喷墨打印系统200，期望 的是维持高的打印速度，并且因此，打印头204可以被设计以为使用 每个液滴尺寸进行打印提供类似的速度。

安装组件216可以用于相对于打印介质214定位打印杆202。在 示例中，安装组件216可以处于固定位置中，以便将多个打印头204 保持在打印介质214上。在另一示例中，安装组件216可以包括跨打 印介质214来回移动打印杆202的电机(例如，在打印杆202仅包括一至四个打印头204的情况下)。介质传送组件218相对于打印杆202 移动打印介质214，例如，垂直于打印杆202移动打印介质214。在 图1的示例中，介质传送组件218可以包括辊102和108，以及任何 数目的用于通过打印系统104和106拉动纸的机动化夹送辊。如果打 印杆202移动，介质传送组件218可以将打印介质214索引到新的位 置。在打印杆202不移动的示例中，打印介质214的运动可以是连续 的。

控制器220从主机系统222(诸如计算机)接收数据。数据可以 通过网络连接224传送，所述网络连接224除了其它之外可以是电气 连接、光纤连接或无线连接。数据220可以包括要被打印的文档或文 件，或可以包括更多的基本项目，诸如，文档的颜色板或栅格化的文 档。控制器220可以暂时将数据存储在本地存储器中以用于分析。所 述分析可以包括确定墨滴从打印头204喷射的时序控制，以及打印介 质202的运动和打印杆202的任何运动。控制器202可以通过控制线 226操作打印系统的各个部分。相应地，控制器220限定所喷射的墨 滴212的图案，其在打印介质214上形成字符、符号、图形或其它图 像。例如，控制器220可以确定何时使用HDW和LDW液滴打印特 定图像。

喷墨打印系统200不限于图2中所示的项目。例如，控制器220 可以是网络中耦合的集群计算系统，其具有对系统的各个部分的分离 的计算控制。例如，分离的控制器可以与安装组件216、打印杆202、 墨水供给组件206和介质传送组件218中的每一个相关联。在此示例 中，控制线226可以是将分离的控制器耦合到单个网络中的网络连接。 在其它示例中，安装组件216可以不是与打印杆202分离的项目(例 如，在打印杆202被固定在适当位置的情况下)。

图3是示例打印配置中(例如打印杆202中)的喷墨打印头204 的集群的图。同样编号的项目如关于图2所描述的。图3中所示的打 印杆202可以用于不移动打印头的配置中。相应地，打印头204可以 按照重叠的配置附连到打印杆202以给出完整的覆盖。每个打印头204 具有多个喷嘴区域302，诸如交替HDW液滴生成器和LDW液滴生成 器的喷嘴的列。

图4是分别示出电阻器406和408上的邻近喷嘴402和404的示 例打印头400的顶视图。较小的喷嘴402被设置在较窄的电阻器406 上，以提供例如在重量上大约4纳克(ng)的LDW液滴。较大的喷 嘴404被设置在较宽的电阻器408上，以提供例如在重量上大约9ng 的HDW液滴。墨水再填充区域410通过流入区域412耦合到每个喷 嘴402和404(为了简化附图，仅流入区域的一部分被标记)。电阻 器间距414可以在y方向416上恒定在例如21.1微米，以便保证正确 的液滴放置。HDW液滴生成器包括较大的喷嘴404、较宽的电阻器 408、靠近喷嘴和电阻器设置的喷射室、以及相关联的流入区域412。 LDW液滴生成器包括较小的喷嘴402、较窄的电阻器406、靠近喷嘴 和电阻器设置的喷射室、以及相关联的流入区域412。

图5是四个液滴生成器的顶部近视图。同样编号的项目如关于图 4所描述的。在此示例中，环氧树脂侧壁502的厚度是恒定的5微米 以保证足够的结构强度。HDW流入区域504(处于大约20微米)显 著大于LDW流入区域506(其大约12微米宽)。相比之下，在传统 设计中，每个液滴生成器将被布局以使用y方向416上可用的21.1微 米的空间。y方向416上的部分空间将在两端被需要以向使邻近液滴 生成器分离的环氧树脂壁提供足够的宽度。这将留下21.2-5或16.2 微米的最大入口宽度。然而，因为HDW液滴生成器需要附加流速， 而LDW液滴生成器不需要，所以用于HDW液滴生成器的HDW流入 区域504可以扩展几微米，并且因此具有增加的流速。

图6是在喷嘴区域处(例如，在图5中的线6处)取得的打印头 的截面视图。同样编号的项目关于图4和5被讨论。在本视图中，电 阻器层已经被沉积在开始晶圆602上，并且被蚀刻以形成每个喷嘴下 方的电阻器604。可以形成另外的层以完成打印头800。钝化膜可以沉积在电阻器和迹线上以使电阻器和迹线与后续层(诸如，防空穴膜) 中的材料绝缘。钝化膜可以由SiN上的SiC的双堆叠层形成。可以被 使用的其它介电材料除了其它之外包括Al₂O₃和HfO₂。防空穴膜(诸 如，钽层)可以沉积在钝化膜上。防空穴膜降低了来自空穴的侵蚀， 例如，气泡在电阻器的顶表面处的形成和坍塌(collapse)。因为钝化 层和防空穴层本质上是薄膜，所以它们在图9中未示出。介电层902 然后可以沉积在晶圆上以增强用于形成流体结构的其余部分的可光 固化聚合物的粘附。

底漆层606可以被沉积以增强后续层608和61O的粘附。层606、 608和61O可以由相同或不同的可光固化聚合物形成，所述可光固化 聚合物诸如是包含紫外(UV)光引发剂以造成交联的环氧共聚合树 脂(包括三个或更多的单体)或环氧树脂(包括两个单体)。可光固 化聚合物以层涂覆在所述表面上，并且然后使用掩膜来屏蔽可以被移 除的区。对UV光的暴露使树脂在不受掩膜保护的位置中交联。在光 暴露之后，受掩膜屏蔽并且没有交联的区可以从表面移除(例如使用 溶剂)。在一些示例中，这可以被颠倒(例如，用正性光致抗蚀剂)， 其中，暴露到光的区分解，并且可以由蚀刻剂移除。通常，底漆层606 可能在液滴生成器的电阻器和流入区域上未被固化。

在底漆层606固化之后，第二层608（诸如另一层可光固化环氧树脂）可以沉积在底漆层606上，并且被掩膜和暴露以允许壁的形成。在第二层608中的未固化的材料然后可以由溶剂移除以显露流道和喷射室612。在本文所描述的示例中，HDW液滴生成器的流道和喷射室612的宽度504可以大于LDW液滴生成器的流道和室612的宽度506。这可以允许HDW液滴生成器具有较多的墨水流入，并且因此较少的再填充时间。此外，如本文所使用的，LDW液滴生成器的较窄宽度506可以减小到墨水储存室中的回流，从而增加液滴的动量。第三层610（诸如，另一层环氧树脂）然后被施加到第二层608上，并且被掩膜以允许流道盖和喷嘴614的生成。所描述的设计在针对LDW、HDW或二者的间距上提供点，而同时为结构完整性维持足够的环氧树脂材料，并且优化针对LDW和HDW液滴生成器的流速。墨水再填充速率的进一步控制可以通过调节在液滴生成器的区域中左侧的材料的量（例如，通过增加或减小底漆的量）来实现。

图7A和7B是示出了修改液滴生成器的流入区域412中的底漆层 606的量的设计的晶圆的顶视图。同样编号的项目如关于图4和6所 描述的。图7A示出了电流布置，其中底漆层606被移除或在厚度上 被减小(在LDW液滴生成器702和HDW液滴生成器704二者的下面)。相比之下，图7B示出了一种设计，其中HDW液滴生成器704 具有被移除的底漆层606，但LDW液滴生成器702具有流入区域412 中存在的底漆材料606。流入区域412中的底漆材料606的存在限制 流入或流出(因为LDW液滴生成器702不需要该流速并且将从增加 的动量中受益)。

图8是图7B中所示的打印头部分的流入区域412的截面视图。 同样编号的项目关于图4-7被描述。这示出了从底漆层606结果得到 的针对LDW液滴生成器702的流入区域412的较小的截面区，所述 底漆层606在LDW液滴生成器702的流入区域中交联。

图9是在流入区域412处取得的图8的打印头的扫描电子显微照 相。如本文所描述的，这通过改变底漆层的设计导致用于HDW液滴 生成器的增加的再填充，以及用于LDW液滴生成器的改进的动量。

图10是用于制造喷墨打印头的示例方法1000的过程流程图。方 法1000在块1002处开始于开始晶圆的制造。开始晶圆使用现有技术 中已知的技术形成，并且将典型地具有已经用通过导体层可以结合到 的顶部介电层的通孔限定的控制电子器件。

可以使用多个初始动作来创建用于加热墨水以便在表面喷射液 滴的迹线和电阻器。在块1004，诸如铝的导体层被沉积在开始晶圆上。 在块1006，例如通过对导体层进行掩膜和蚀刻来创建电阻器开口。电 阻器窗口可以是电阻器的区之上的导体层中的分离的开口，或者跨整 个电阻器区延伸的导体层中的单个开口。在块1008，电阻材料沉积在 整个晶圆上，包括剩余的导体和蚀刻的电阻器窗口。在块1010，通过 以期望图案对导体和电阻器层进行掩膜和蚀刻，限定迹线和电阻器。 在本文描述的一些示例中，在较宽和较窄的区域之间交替形成迹线和 电阻器，以提供不同的液滴尺寸。

使用另外的步骤来保护迹线和电阻器，并且准备晶圆以便完成打 印头。在块1012，钝化膜沉积在迹线和电阻器上，以例如保护迹线和 电阻器免于物理或化学损坏，并且将它们与后续层绝缘。在块1014， 防空穴膜沉积在钝化膜上，以例如防止电阻器受到空穴影响。空穴是 气泡的快速膨胀和坍塌(例如以超声速)，这可以造成对表面的物理 损害。在块1016，介电膜可以沉积在钝化膜上，以增强后续层(诸如， 环氧树脂底漆层)的粘附。在一些示例中，可以省略介电层。

一旦准备了表面，可以形成后续层以完成打印头。在块1018，沉 积第一或底漆层以增强后续层的粘附。底漆层可以通过将区中的底漆 交联到液滴生成器的每一侧而被形成，并且从导体和迹线的区被移除 以避免干扰进入到液滴生成器的喷射室中的墨水的流动。然而，在本 文描述的示例中，底漆可以被交联，并且留在用于LDW液滴生成器 的流入区域中，从而减少来自LDW液滴生成器的回流，并且增加来 自LDW的液滴的动量。

在块1020，第二层被沉积，然后被掩膜并且暴露到光，以创建流 道和室(一旦移除未交联的任何材料)。在本文描述的示例中，进入 到HDW生成器的流入区域能够以流入区域进入到LDW液滴生成器 中为代价而在宽度上增加。然而，邻近液滴生成器之间的壁厚度被维 持在大约5微米或更高，以维持液滴生成器的结构完整性。

在块1022，第三层沉积在流道和室上。此层可以被掩膜并且暴露 于光以创建喷嘴和流盖。完成的晶圆然后可以被划分成片段并且被安 装以形成打印头。

本文描述的喷墨打印头可以使用在除了二维打印之外的其它应 用中。例如，在除了其它之外的三维打印或数字滴定中。在这些示例 中，液滴生成器的不同尺寸可能出于其它原因具有益处。在数字滴定 中，HDW液滴生成器可以用于快速接近端点，而LDW液滴生成器可 以用于精确地确定端点。

本示例可能易受各种修改和替代形式的影响，并且仅出于说明的 目的被示出。此外，将理解的是，本技术不旨在受限于本文公开的特 定示例。事实上，所附权利要求的范围被认为包括所有对于公开主题 所属领域的技术人员显然的替代、修改和等同物。

Claims (14)

1.一种用于形成打印头的方法，包括：

在开始晶圆上沉积导体层，其中，开始晶圆包括用于打印头的控制电子器件；

跨晶圆蚀刻电阻器窗口；

在导体层和电阻器窗口上沉积电阻器层；

对电阻器层和导体层进行蚀刻以形成迹线和电阻器；

在迹线和电阻器上沉积钝化膜；

在钝化膜上沉积防空穴膜；

在钝化膜上沉积底漆层；

设计流结构以至少部分地基于液滴尺寸来控制液滴生成器的再填充速率；

在底漆层上形成流结构；以及

在流结构上形成盖和喷嘴。

2.如权利要求1所述的方法，包括使用可感光成像环氧树脂形成流结构，以及用于生成该结构的暴露掩膜。

3.如权利要求2所述的方法，包括以与较窄的电阻器交替的图案形成较宽的电阻器，其中每个电阻器之间的间距保持基本上恒定。

4.如权利要求1所述的方法，其中设计流结构包括交替沉积多个高滴重HDW液滴生成器与多个低滴重LDW液滴生成器，其中：

每个液滴生成器之间的间距基本上相同；

为每个高滴重HDW液滴生成器比为每个低滴重LDW液滴生成器提供更大的流入区域；以及

每个高滴重HDW液滴生成器的喷射室以及用于每个邻近的低滴重LDW液滴生成器的喷射室之间的壁厚度基本上相同。

5.如权利要求4所述的方法，包括形成用于每个高滴重HDW液滴生成器的喷射室和用于低滴重LDW液滴生成器的邻近的喷射室之间的壁通道，该壁通道至少是5微米宽。

6.如权利要求4所述的方法，包括为高滴重HDW液滴生成器形成大于18微米宽的流入区域。

7.如权利要求4所述的方法，包括为低滴重LDW液滴生成器形成小于12微米宽的流入区域。

8.如权利要求1所述的方法，包括在高滴重HDW液滴生成器的流入区域中降低底漆区域的深度。

9.如权利要求1所述的方法，包括在低滴重LDW液滴生成器的流入区域中增加底漆层的深度。

10.一种打印头，包括：

多个液滴生成器，其中每个邻近液滴生成器之间的间距基本上相同，并且多个液滴生成器在高滴重HDW液滴生成器与低滴重LDW液滴生成器之间交替；以及

从墨水源引入到与每个液滴生成器相关联的喷射室中的流道，其中流道包括靠近墨水源的流入区域，其中调节流入区域的面积以控制到喷射室中的墨水的流量;

其中所述打印头还包括低滴重LDW液滴生成器的流入区域中的较厚的底漆层，以及邻近的高滴重HDW液滴生成器的流入区域中的较薄的底漆层。

11.如权利要求10所述的打印头，其中每个喷射室之间的壁厚度基本上相同。

12.如权利要求10所述的打印头，包括比用于邻近的低滴重LDW液滴生成器的流入区域成比例地更宽的用于高滴重HDW液滴生成器的流入区域。

13.如权利要求10所述的打印头，包括可感光成像环氧树脂。

14.一种包括打印杆的打印机，其中所述打印杆包括打印头，所述打印头包括：

多个液滴生成器，其中每个邻近液滴生成器之间的间距基本上相同，以及多个液滴生成器在高滴重HDW液滴生成器与低滴重LDW液滴生成器之间交替；以及

从墨水源引入到与每个墨滴生成器相关联的喷射室中的流道，其中流道包括靠近墨水源的流入区域，其中调节流入区域的面积以控制到喷射室中的墨水的流量；

其中所述打印头还包括低滴重LDW液滴生成器的流入区域中的较厚的底漆层，以及邻近的高滴重HDW液滴生成器的流入区域中的较薄的底漆层。