CN1098163C - 一种加热芯片及其喷墨打印头 - Google Patents

Abstract

一种打印头，包括一个具有多个喷口的板，以及一个与该板连接的加热芯片，墨滴通过这些喷口喷出。该加热芯片包括至少一个配置在加热芯片的主体上的加热元件。该主体部分包括至少一个第一导线和至少一个第二导线，用于向加热元件提供电流。第一导线位于一个第一平面内，而第二导线位于一个与第一平面垂直分隔开来的第二平面内。加热元件位于第一和第二导线之间并沿着一个第一轴线具有一个基本恒定的横截面积，该第一轴线与电流方向基本平行。

Description

一种加热芯片及其喷墨打印头

相关申请的相互参照资料

本申请涉及由Komplin等人同时提出的美国专利申请，U.S.Patent Application Serial No.一，标题为“PRINTHEAD HAVINGELEMENT CONDUCTORS ARRANGED IN A MATRIX，”代理人摘录号为No.LE9-97-040以及由Komplin等人同时提出的美国专利申请，U.S.Patent Application Serial No.一，标题为“PRINTHEAD HAVINGHEATING ELEMENT CONDUCTORS POSITIONED IN SPACED APARTPLANES，”代理人摘录号为No.LE9-97-086，这两个申请均被作为这里的参考资料。

本发明涉及一种喷墨打印头，它具有一个加热芯片，该芯片上设置有加热元件和向加热元件输送能量的导线，其中，导线被设置在相互间隔开来的平面和/或一个阵列内，且加热元件具有一个沿电流方向基本上恒定的横截面积。

按指令滴墨的喷墨打印头利用热能在一个充墨室内产生蒸气泡以便喷射墨滴。一个热能发生器或加热元件，通常为一个电阻，位于一个靠近喷口的加热芯片上的充墨室内。在打印机的打印头上设置多个充墨室，每个充墨室均配有一个单一的加热元件。打印头一般包括加热芯片和一个具有在其上形成的多个喷口的平板。打印头构成喷墨打印盒的一部分，喷墨打印盒还包括一个充墨容器。

单独地向电阻提供能量脉冲以便瞬间使得油墨气化从而形成一个喷射墨滴的气泡。可以采用一个软性电路为能量脉冲提供一条从打印机电源向打印头传输的通路。打印头上的接触片与电路上的迹线端部相连接。在加热芯片上设置有多个第一和第二导线并在接触片与电阻之间延伸。电流通过迹线、接触片及第一和第二导线输送给电阻。

在第一代打印头中，第一导线和与之相关的接触片的数目等于芯片上电阻的数目。然而，配备有较少数目的第二导线，它们中的每一个与两个或多个电阻相连接。第一和第二导线通常与电阻位于同一个平面内。

为了减少第一导线和相关的接触片，后来的打印机和打印头装配了解码电路。然而，解码电路是昂贵的，因而并不理想。

因而，有必要改进喷墨打印头内向加热元件提供能量脉冲的结构。

本发明就满足了这一要求，其中，提供了这样一种喷墨打印头，它具有一个包含多个设置于相互间隔开的平面和/或一个阵列内的第一和第二导线的加热芯片。在一个实施例中，加热元件位于垂直间隔开来的第一和第二导线之间。加热元件可包括具有一个或多个加热元件部件的部分，或者由电阻材料敷层构成的部分。第一和第二导线可与加热元件直接接触或者在加热元件和第一导线之间插入一个电流转移层。

加热元件最好沿一个第一轴线基本上具有一个恒定的横截面积，该第一轴线大体上平行于第一和第二导线之间的电流方向。由于每个加热元件沿电流方向的横截面积不变，所以可以认为每个加热元件一般会被均匀地进行加热。这与沿电流方向具有不均匀横截面积的加热元件不同。在后一种加热元件中，可以认为，当电流通过它时，会出现“热”区和“冷”区。“冷”区降低了加热元件的总效率并会对打印质量造成有害影响。

由于在本发明中，沿着一个穿过面向着油墨储存室的加热元件的上表面的一个大致垂直的轴线产生电流，所以加热元件沿着与垂直轴垂直的第二轴可以具有一个基本上不均匀的表面。因此，油墨所面对的表面可以具有一个圆形或曲线形的截面，例如其形状可以是圆形的或环形的。它也可以是具有圆角的正方形或长方形。从而，可使每一个加热元件被更加容易地成形，以使在油墨中气泡收缩过程中所产生的浓缩冲击波对加热元件造成的损坏降低到最低限度。由于每一个加热元件沿电流方向的横截面积基本上是保持恒定的，所以不必牺牲发热元件的效率，便可获得这一额外的好处。

还可以提供一个包覆第一导线的电介质层。电介质层上具有与加热元件在一条直线上的开口，从而允许电流在第一和第二导线之间流过加热元件。开口可以具有一个圆形或曲线形截面。从而开口可以是圆形的或环形的。它们也可以是具有圆角的正方形或矩形。

图1是根据本发明的第一个实施例构成的加热芯片的第一和第二导线的平面图，其中，第一导线用实线表示，第二导线用虚线表示；

图2是一个连接到一个喷口板上的加热芯片一部分的平面图，其中喷口板部分在两个不同的平面上被去除；

图3是沿图2中3-3线截取的视图；

图4是根据本发明第二实施例构成的一个加热芯片的一部分的平面图；

图5是沿图4中5-5线截取的视图；

图6是沿图4中6-6线截取的视图；

图7是沿图4中7-7线截取的视图；

图8是一个通过根据本发明的第二实施例形成的芯片截取的分解剖面图；

图9是根据本发明的第三实施例构成的加热芯片的第一和第二导线及加热元件部件的平面图，其中，第一和第二导线的上部用实线表示，第一和第二导线的下部用虚线表示；

图10是沿图9中10-10线截取的视图；

图11是沿图9中11-11线截取的视图；

图11A-11C是图11中加热芯片的第二电介质层中改型的开口的视图；

图12是沿图9中12-12线截取的视图；

图13是沿图9中13-13线截取的视图；

图14是一个通过具有一个根据本发明的第二实施例构造的加热芯片的打印头部分截取的剖视图；

图14A是一个通过一个具有根据本发明第四实施例构造的加热芯片的打印头的部分截取的剖面图；

图15是根据本发明第四实施例构造的加热芯片的第一和第二导线的平面图。

图1-3所示为根据本发明的第一个实施例制成的加热芯片10。通过粘合剂40将一个喷口板30适当地固定在芯片10上，见图3。相互连接的芯片10和板30限定出一个喷墨打印头，该打印头固定在一个通常为聚合物的装墨容器内(未示出)。被连接起来的容器和打印头构成一个喷墨打印盒的一部分，该喷墨打印盒适当地安装在一个喷墨打印机上(未示出)。该聚合物容器可以装填油墨。

在图示的实施例中，加热芯片10装配有多个T-型电阻加热元件部件11a-11d。如下面将要更加详细地讨论的那样，加热元件部件11a-11d的部分限定出电阻加热元件12。在图1-3中所示的实施例中，加热元件12包括加热元件部件11a-11d部分，在图1和图2中的加热元件12用由虚线所示的正方形来表示，以便更容易地理解本发明。

板30包括完全贯穿板30的开口32并限定出由其中喷出墨滴的喷口32a。板30的部分34和加热芯片10的部分14限定出多个气泡室50。电阻加热元件部件11a-11d位于芯片10上，使得加热元件部件11a-11d的一部分，即一个单独的加热元件12，与每一个气泡室50相联系，见图3。由聚合物容器提供的油墨流入形成于芯片10中的一个中心开口15。然后油墨通过油墨供应室52流入气泡室50。

将能量脉冲单独地提供给电阻性加热元件12。每个能量脉冲被加到一个加热元件12上，以便瞬间地在气泡室50内使油墨气化，加热元件12与气泡室50相连以便在气泡室内生成气泡。气泡的作用是将气泡室50内的油墨移走使得墨滴通过气泡室的喷口被喷出。

利用一个固定在聚合物容器上的软性电路(未示出)为能量脉冲提供一个从打印机电源电路向加热芯片10传输的通路。位于加热芯片10上的接触片16，见图1，被连接到软性电路上的迹线(未示出)的端部。电流由打印机电源电路流向软性电路上的迹线，并由迹线流向芯片10上的接触片16。

加热芯片10包括一个含有多个第一和第二导线的主体部分18。在图1中于中心开口15的对向侧表示出了由6个第一导线60a-60f，四个第二导线70a-70d，和四个加热元件部件11a-11d构成的第一和第二组80a及80b。每一个加热元件部件11a-11d限定出六个加热元件12，从而四个加热元件部件11a-11d提供二十四个加热元件12。从而八个加热元件部件提供四十八个加热元件12。在第一和第二组80a和80b的的每一个之内的第一和第二导线60a-60f和70a-70d被设置成具有第一导线行和第二导线列的一个阵列。每一个第二导线列被一个单一的第二导线70a-70d所限定，从而提供相互成一直线设置的四列。因此，只需要六个第一导线60a-60f和四个第二导线70a-70d来影响二十四个加热元件12的触发。本发明设想，位于芯片10上的加热元件12的数目及第一和第二导线60和70的数目是可以改变的。

在图示的实施例中，第一导线60a-60f中的每一个均包括一个初级导线62和四个次级导线68，初级导线62具有第一和第二线段64和66。第一线段64的第一端部64a连接到一个接触片16上。第一线段64的第二端部64b连接到一个第二线段66上。第二线段66于沿其长度方向相互间隔开的点66b处连接到四个次级导线68上。从而连接有一个给定的第二线段66的四个次级导线68中的每一个在下面延伸并与四个第二导线70a-70d中不同的一个位于同一直线上，见图1-3。因此，四个第二导线70a-70d中的每一个均位于上部且与每个第一导线60a-60f的单一的次级导线68位于同一直线上。

第二导线70a-70d的每一个均包括一个第一线段72和一个基本上与第一线段72成横向的第二线段74。第一线段72的一个第一端部72a连接到一个接触片16上，而第一线段72的一个第二端部则于沿第二线段74的一个中点处连接到第二线段74上。每一个第二线段74遍布于六个加热元件12上并与六个加热元件12相接触。

为了对给定的加热元件12进行触发，使电流通过直接位于加热元件12之下的第一导线60a-60f和位于加热元件12之上并与它们相接触的第二导线70a-70d。例如令电流流过第一导线60b和第二导线70b使图1中的加热元件12a被触发。令电流流过第一导线60a和第二导线70使得加热元件12b被触发。

在图1-3所示的实施例中，主体部分18还进一步包括一个基底部分90和在基底部分90上形成的第一电介质层92。基底部分90可由硅制成，即，它可以包括一个硅晶片部分。或者，基底部分90可以由其它任何耐油墨的基片材料构成，例如氧化铝或不锈钢。电介质层92可由任何市售的的电介质材料构成，例如二氧化硅，氮化硅。基底部分90沿Z-方向测得的厚度最好约为400μm至800μm，见图3。电介质层92最好具有一个约0.1μm到5.0μm的厚度。如果电介质层92是由二氧化硅构成的，它可以通过传统的热氧化、溅射和化学气相沉积工艺等工艺过程来形成。如果电介质层是由氮化硅构成的，它可以通过溅射或化学气相沉积工艺来形成。

初级导线62，包括第一和第二线段64和66，是在电介质层92上形成的。可采用铝或其它任何高导电性的材料如铜或金等。例如，可通过传统的真空蒸发工艺在电介质层92上蒸发上铝层。或者，也可采用传统的溅射沉积工艺。然后利用传统的关掩模工艺除去不需要的金属，使得存留下来的金属限定出所需的初级导线62。可以设想，也可采用剥离光刻工艺除去不需要的金属。剥离工艺牵涉到在附加铝材料之前在电介质层92上形成光致抗蚀剂层(这里也称作抗蚀剂层)。在显影步骤中，把位于将要形成导线62处的抗蚀剂材料除去。然后沉积铝层。其次再把残留的抗蚀剂材料和在抗蚀剂材料上形成的铝除去。未被除去的铝便限定出初级导线62。在图3中的Z-方向测量时，导线62的厚度最好约为0.2μm至2μm。第一线段64最好具有在Y-方向测量时约为10μm至100μm的宽度，而第二线段最好具有在X-方向测量时约为10μm至100μm的宽度。

在电介质层92和导线62的暴露部分上形成一个第二电介质层96。这电介质层96最好由许多市售的聚合物光致抗蚀材料中的任何一种构成。作为这种材料的一个例子是一种负反应的光致抗蚀材料，这种材料可作为商品从SipleyCompany Inc.获得，其产品名称为“MEGAPOSIT SNRTM 248 PHOTO RESIST.”。电介质层96延伸到导线62之间的区域，从而可防止电流在相邻导线62之间流动。电介质层96也覆盖住导线62，只在点66b处除外，在该点66b处，导线62的第二线段66将与第二导线68相连接，见图3。在图示的实施例中，采用一种传统的将材料除去的工艺，一种显影工艺，将位于点66b上方的电介质层96除去，以便在电介质层96中形成开口96a。在没有覆盖导线62的部位，电介质层96的厚度最好具有如图3中沿Z-方向测得的约为1μm到5μm的厚度。

将次级导线68加到电介质层96上，使它们位于图3中的第一水平平面P1内。导线68最好通过传统的真空蒸发和关掩模工艺由铝或类似材料构成。或者，导线68可以通过传统的溅射沉积工艺和/或剥离光刻工艺形成。铝材料贯穿电介质层96的开口96a。因此，第二导线68贯穿层96中的开口96a并与导线62的第二线段在点66b处连接。导线68最好具有在Z-方向测量时约0.2μm到2μm的厚度，和在Y-方向测量时约为10μm到100μm的宽度，见图3。

将第三电介质层附加到电介质层96和导线68的暴露部分上。

电介质层98最好由与形成电介质96的材料相同材料构成。电介质层98延伸到导线68之间的区域从而防止电流在相邻的导线68之间流动。电介质层98也同样延伸覆盖住导线68。然而，在图示的实施例中，采用一种传统的材料除去工艺，一种显影工艺，在导线68的端部区68a的上方的电介质98中形成开口98a，该区域68a与加热元件12位于同一直线上，见图3。开口98a的形状可以是正方形的，沿每一边的长度从约15微米到约50微米，最好约为30微米。开口98a的形状也可以是圆形，椭圆形，环形或矩形的。如果开口98a是正方形或矩形的它们可具有圆形的角。电介质层98，在未覆盖导线68的区域，最好具有在Z-方向测量时约为1μm到5μm的厚度，见图3。

在图3的实施例中，在电介质层98上附加一个电流转移层100。它贯穿电介质层98上的开口98a，以便连接到导线68的端部区68a。形成电流转移层100的材料最好是导电的以便能够允许电流在第一导线60a-60f与加热元件12之间流过。然而该材料不应当是导电性过强的，以免使得电流流到相邻的加热元件中。该材料的电阻率最好从约0.1Ω-cm至5Ω-cm，而约1Ω-cm则更为合适。同时，如果当加热到低于约350℃的温度约5微秒的情况下，该材料最好是能耐受高温的。此外，该材料最好是不导热的。该材料的导热率最好从约为0.1w/m℃到约15w/m℃，而从约0.1w/m℃到约0.5w/m℃则更好。最为合适的是，该材料是一种耐高温的聚合物，里面填充有导电填充物。这种材料的一个例子是充碳聚酰亚胺材料。这种材料可通过用碳黑材料混合到市售的聚酰亚胺材料中制成，碳黑材料一般均匀地弥散在聚酰亚胺材料中。这电流转移层100可通过传统的旋转涂敷工艺并伴之以在烘箱内的固化工艺来形成。电流转移层100最好具有沿Z-方向测量的从约5μm至约50μm的厚度，见图3。

加热元件部件11a-11d形成于电流转移层100之上，见图3。构成加热元件部件11a-11d的材料最好含有TaOx。X＜2且最好＜＜1，从而表明它处于一种非化学计量比的状态。这种材料可通过反应溅射工艺来进行沉积。在这种过程中，可将氧气和惰性工作气体一起加入真空室内。氧气与钽蒸汽发生反应，以便以TaOx的形式沉积下来。改变真空室内的氧分压以便改变该材料的化学计量比。其它材料，如氧化铝也可用来形成加热元件部件11a-11d。最好加热元件部件具有从约10Ω-cm到约400Ω-cm的电阻率，而对于沿Z-方向测量时约为1000埃的厚度，电阻率最好约为40Ω-cm，见图3。加热元件部件11a-11d的厚度最好从约为800埃到约为10,000埃。

在图示的实施例中，加热元件部件11a-11d包括四个独立的T-型部件11a-11d。光掩模或剥离光刻工艺可用于除去不需要的电阻材料，从而形成四个加热元件部件11a-11d。在另一个实施例中，不执行除去电阻材料的步骤，从而一个电阻材料覆层保留在电流转移层100上。在这个实施例和图1的实施例中，加热元件12包括电阻材料层部分，它位于第一和第二导线60a-60f和70a-70d的交界面之间。特别是，当电流通过部件11a-11d时，加热元件12构成加热元件部件11a-11d的被加热区。被加热区的尺寸一般由开口98a的尺寸决定。从而，对于具有30微米边长的正方形开口98a，每个加热元件12的表面面积约为9×10-10m2。如前面指出的，构成加热元件12的电阻材料层部分由图1和2中的虚线正方形表示。

加热元件12，即，位于第一和第二导线60a-60f和70a70d交界面之间的电阻材料层部分，最好沿第一轴线A1具有一个基本上恒定的横截面积，该第一轴线A1一般平行于在第一和第二导线60a-60f和70a-70d之间的电流方向，见图3。由于每个加热元件12的横截面积沿电流方向是不变的，所以可以认为，每一个加热元件12将会基本上均匀地加热。这与沿电流方向具有一个不均匀的横截面积的加热元件是不同的。在后一种加热元件中，可以认为，当电流通过它时，会造成“热”区和“冷”区，“冷”区会降低加热元件的总效率并可能对打印质量造成有害影响。

由于在本发明中，电流沿着一个大致上为垂直的轴流过加热元件的上表面，也就是最靠近油墨储存室50的表面，所以每个加热元件12可能具有一个沿第二轴线A2基本上不均匀的横截面积，该第二轴线A2与第一轴线A1基本正交。从而加热元件部件11a-11d的被加热区，即，加热元件12的形状可以是圆柱形的，因此它们具有一个圆形的面对油墨的表面。被加热区也可以由空心圆柱体构成，从而它们具有一个环形的面对油墨的表面。被加热区的形状由开口98a的形状决定。如果开口98a是圆形的，被加热区的形状将是圆柱形的。如果开口98a是环形的，则被加热区具有一个空心圆柱体的形状。因此，被加热区或加热元件12的面对油墨的表面可具有一个圆形或曲线形部分，例如，它们的形状可以是圆形的或环形的。它们也可以是具有圆角的正方形或矩形。从而，加热元件可以被更加容易地成形，从而把由于在气泡于油墨中收缩时所产生的浓缩冲击波对加热元件造成的损坏降低到最低限度。由于每个加热元件12的沿电流方向的横截面积基本上保持不变，所以不必牺牲加热元件的效率就可获得这一附加的好处。

第二导线70a-70d形成于加热元件部件11a-11d的上方。从而防止电流绕过加热元件12，因而直接在电流转移层100和第二导线70a-70d中的一个之间流过，第二导线70a-70d在靠近电介质层98的开口98a的区域中不与电流转移层100接触。在图示的实施例中，第二导线70a-70d与加热元件部件11a-11d同时延伸，因而不与电流转移层100接触。第二导线70a-70d位于一个与第一水平面P1垂直分隔开来的第二水平面P2内，见图3。第二导线70a-70d可以由例如钽构成，采用传统的溅射沉积并继之以传统的光掩模和深腐蚀工艺形成。或者，采用传统的真空蒸发和剥离光刻工艺。也可采用基本上不与油墨反应的金属，例如金代替钽。也可采用其它金属，例如铝、铜及由它们制成的合金，条件是在第二导线70a-70d的上部设置一个钝化(保护)层。

也可在形成加热元件部件11a-11d时相同的溅射操作过程中镀钽层。这可以在已经形成TaOx之后，只要加入惰性工作气体就能够进行镀钽层的工作。如果采用剥离工艺，则采用剥离液除去光致抗蚀材料。不需要的TaOx和钽材料和光致抗蚀材料一起被除去。保留下来的TaOx电阻材料限定出加热元件件11a-11d，它们和第二导线70a-70d一样具有基本上相同的T-型。从而加热元件12包含有位于第一和第二导线60a-60f和70a-70d交界面之间的T-型部件11a-11d部分。第二导线70a-70d最好具有沿Z-方向测量的从约0.2μm到2μm的厚度和沿X-方向测量的从大约10μm到100μm的宽度。

在第二导线70a-70d形成之后，通过黏合剂40将喷口板30固定到电流转移层100和第二导线70a-70d上。这种喷口板30的一个例子和一些黏合剂的例子在Tonya H.Tackson等人于1995年8月28日提出的U.S.Serial No.08/519,906，代理人摘录号No.LE9-95-024，标题为“METHOD OF FORMINGAN INKJET PRINTHEAD NOZZLE STRUCTURE”的共享专利申请中作了描述，并将该公开作为本发明的参考资料。如其中所指出的，板30可由聚合材料，如聚酰亚胺，聚酯，碳氟聚合物，或聚碳酸酯等构成，其厚度最好为约15到200微米，而从约75到125微米厚则最为适宜。黏合剂可为任何乙阶热固化树脂，包括酚醛树脂，间苯二酚树脂，尿素树脂，环氧树脂，乙烯-尿素树脂，呋喃树脂，聚氨酯，及硅酮树脂。其它合适的黏合剂材料包括高分子热塑性或热熔性材料，例如乙撑醋酸乙烯酯，乙撑丙烯酸乙酯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚酰胺，聚酯和聚胺酯。

如前面指出的，为触发一个给定的加热元件12，令电流通过紧靠该加热元件12的元件导线60a-60f和与该元件12连接的第二导线70a-70d。位于第一导线和加热元件12之间的电流转移层100为电流在Z-方向于第一导线和加热元件12之间的流动提供了一个路径。如果第一导线是正的，电流由第一导线经过电流转移层100和加热元件12沿Z-方向流向第二导线。如果第二导线是正的，则电流沿Z-方向从第二导线经过加热元件12和电流转移层100流向第一导线。

根据本发明的第二个实施例形成的加热芯片110示于图4-8，其中类似的参考数字代表类似的部件。芯片110包括一个含有多个第一和第二导线160和170的主体部分118。第一和第二导线160和170排成阵列，见图4。

在图4的实施例中，两个T-型加热元件部件111a和111b设置在芯片110上。加热元件部件111a和111b的部分限定出电阻加热元件112。为便于理解，在图4中加热元件112用虚线正方形表示。在图4中示出了四个第一导线160a-160d，每一个第一导线160a-160d均包括一个初级导线162和多个次级电导168，在图4所示的实施例中为两个。每一个初级导线162具有第一和第二线段164和166。第一线段164的第一端部164a连接到一个接触片116上。第一线段164的第二端部164b连接到一个第二线段166上。第二线段166则于沿其长度被分隔开来的点166b处连接到它的两个次级导线168上，见图5。上面连接有一个给定的第二线段166的两个次级导线168中的每一个和两个第二导线170中不同的一个位于同一直线上并在其下方延伸，见图4和5。从而，两个第二导线170的每一个与每个第一导线160a-160d中一个的单一的次级导线168位于同一直线上，并位于其上方。

每一个第二导线170包括一个第一线段172和基本上与第一线段172成横向设置的一个第二线段174。第一线段172的第一端部172a与一个接触片116连接而第一线段172的第二端部172b则在第二线段174的中点处与第二线段174连接。

为触发一个给定的加热元件112，令电流通过紧靠该加热元件112下方的第一导线160和与该加热元件112连接的第二导线170。

在本实施例中，芯片不是建造在一个硅晶片或类似的基片材料上。相反，该芯片是由一开始就提供的包含有集成的电介质层和电流转移层122和124的一个基片120构成的。电介质层122，这里也称作第一电介质层，最好由聚合物材料，例如聚酰亚胺制成。电流转移层124最好由耐高温并搀入导电填充剂的聚合物构成，例如搀碳的聚酰亚胺材料。电流转移层124最好具有从约为0.1Ω-cm到5Ω-cm的电阻率，最佳电阻率约为1Ω-cm。电流转移层124的热导率最好从约为0.1w/m℃至约3.0w/m℃，而0.37w/m℃左右最为适宜。电介质层122的厚度最好约为1μm到100μm左右，从1μm到20μm左右更为适宜，而最佳选择为从1μm至5μm左右。电流转移层124的厚度最好约为1μm至100μm左右，从1μm至20μm左右更为适宜，而最佳选择则为从约1μm至5μm左右。这种基片的一个例子是可从DuPont

Flims作为商品获得的产品名称为“KAPTONXC.”的基片。

将紧靠在加热元件112于电流转移层124上所要处的位置的下方的电介质层122的部分，通过传统的激光烧蚀工艺除去，见图7中的开口122a。激光烧蚀的能量密度范围约为100毫焦耳/cm2到5,000毫焦耳/cm2，最好为1,000毫焦耳/cm2。在激光烧蚀过程中，采用波长由大约150毫微米至400毫微米，最好为248毫微米的激光束，激光脉冲约为1毫微秒到200毫微秒，最好为20毫微秒左右。开口122a不限于任何特定的形状，它可以是正方形、矩形、圆形或环形的。

次级导线168加在第一电介质层122上并沿第一平面P1延伸，见图7。导线168最好由铝或类似材料通过传统的真空蒸发和光掩模工艺制成。或者，可采用溅射沉积工艺和/或剥离光刻工艺。铝材料贯穿电介质层122，见图7。因而，次级导线168与电流转移层124连接。导线168沿Z-方向测量得到的厚度最好从约0.2μm到2μm，沿Y-方向测量得到的宽度最好约为40μm到400μm左右，见图7。

一个第二电介质层195加在第一电介质层122和导线168的暴露部分之上。层195最好由与前面所讨论过的电介质层95相同的材料制成。层195延伸入导线168之间的区域，从而防止电流在相邻的导线168之间流动。层195也延伸覆盖于导线168之上。然而，在图示的实施例中，采用一种传统的材料除去工艺，一个显影工艺，将电介质层195的一部分除去，被除去的部分紧靠第二线段166将与导线168连接的部位的上方，也就是在第二线段166上的点166b的上方。在不位于导线168上方的电介质层195最好具有沿Z-方向测量的从约为1μm到5μm的厚度，见图7。

初级导线162，包括第一线段和第二线段164和166，形成于电介质层195之上。可采用铝或其它任何高导电率的材料，例如铜或金。例如，可以通过传统的真空蒸发工艺将铝层加在电介质层195上。或者，可采用传统的溅射沉积工艺或者其它类似的工艺。然后采用传统的光掩模工艺除去不需要的金属，从而保留下来的金属限定出初级导线162。可以预期，也可采用传统的剥离光刻工艺除去不需要的金属。导线162最好具有从约为0.2μm到约2μm的厚度和从约为10μm至约为100μm的宽度。

一个保护层197加在电介质层122和导线168的暴露部分之上。该层197最好由焊料掩模通过传统的喷射和辗压层叠工艺形成。保护层197最好具有在Z-方向测量的从约为10μm到100μm的厚度。

加热元件部件111a-111b形成于电流转移层124之上。加热元件部件111a和111b最好由与图1-3所示的实施例中加热元件部件11a-11d基本上相同的材料和基本上相同的方式制成。第二导线170形成于加热元件部件111a和111b之上。第二导线170最好由与图1-3所示实施例中第二导线70a-70d基本上相同的材料和基本上相同的方式制成。

在第二导线170形成之后，通过黏合剂40将喷口板30固定到电流转移层124和第二导线170上。

由于电流转移层100或124是非导热性的，从而可以认为，由加热元件以热的形式向其下层的电流转移层100或124所耗散的能量比现有技术的器件耗散的能量少，在现有技术的器件中，加热元件通常形成于一个导热的材料上，例如硅上。由于这一原因，还可以进一步认为，与传统打印头中生成气泡所需要的能量相比，在本发明的第一和第二实施例的打印头中，降低了为生成气泡所需要的能量。

可以认为，根据本发明的第一和第二实施例制造的电阻从约为300Ω到600Ω的加热元件的加热芯片，需要具有从约5毫安到30毫安的脉冲幅度、脉冲宽度从约为1μs至约为5μs，最好为2μs的电流脉冲，以便产生一个从气泡室喷口喷射出来的墨滴。

在一个具有单一的加热元件的试验器件中，当具有约为400Ω电阻的加热元件接收到一个脉冲宽度约为2μs、脉冲幅度从约为7.5mA到约为20mA的电流脉冲时，达到了生成气泡的目的。电压从约3V到约8V，而功率/脉冲小于0.32微焦耳/每脉冲。加热元件或被加热区基本上为圆形，其直径约为20μm到30μm左右。加热元件的厚度约为1,000μm。与此相反，对于一个传统的加热芯片，为生成气泡则要求6-7微焦耳/每脉冲。因此，这个试验器件使得产生气泡所需的功率降低了约10倍。

下面所举的例子仅仅是为了进行说明，并不是为了进行限制。

对含有根据本发明的第二实施例的加热芯片的一个打印头运用了计算机模拟。被模拟的芯片包括一个氧化铝加热元件连续层，其在Z-方向的厚度约为0.1μm，电阻率约为2Ω-m，密度约为3800Kg/m3，热导率为30w/m℃，比热约为1580焦耳/Kg℃。电流转移层124在Z-方向的厚度约为20μm，电阻率约为0.006Ω-m，密度约为1200Kg/m3，热导率为0.37w/m℃，比热约为1305焦耳/Kg℃。正和负导线160和70的宽度约为20μm。将一个1微秒、幅度为15V的电压脉冲加在加热元件上。所计算出来的位于加热元件表面处的温度近似于546℃。近似于25毫安的电流被加在加热元件上。通常，在一个传统的打印头中，需要250毫安的电流来触发一个加热元件。因此，在这种模拟的打印头中为触发一个加热元件需要少的多的能量。

可以进一步设想，根据本发明构成的一个芯片可以包括多个加热元件部件，它们的每一个仅限定一个单一的加热元件。每一个加热元件部件的尺寸，最好大于在电介质层98或122上与之相应的开口98a或122a。加热元件或被加热区的形状和尺寸由开口98a和122a的形状和尺寸决定。开口98a和122a的形状可以是圆形、环形、正方形或矩形的。它们也可以具有这里没有详加说明的几何形状。

为了防止电流从加热元件旁路或者直接在第二导线和电流转移层之间流过，在电流转移层上方形成一个电介质层。在该电介质层上形成和开口98a及122a具有基本上相同形状和尺寸的开口。当在电介质层上形成加热元件部件时，它们穿过这些电介质层上的开口直接与电流转移层接触。在接下来形成第二导线时，由于围绕着加热元件部件存在有电介质层，所以它们不与电流转移层接触。在电流转移层上形成的电介质层可由图3的实施例中形成层96的同样材料构成。

根据本发明第三个实施例形成的加热芯片210，如图9-14中所示。芯片210包括一个含有多个第一和第二导线260和270的主体部分218。

在芯片210上配备有四个大致上为矩形的加热元件部件211a-211d(在图9中用虚线表示)。加热元件部件211a-211d部分限定出电阻加热元件212。为便于理解，加热元件212在图9中用虚线方块表示。

图9所示的实施例包括三个第一导线260a-260c和四个第二导线270a-270d。第一导线260a-260c中的每一个包括一个基本上为线性的起始部分262，一个大致上为U-形的中间部分263，一个大致上为U-形的第一末端部分264和一个大致上为U-形的第二末端部分265。起始部分262的第一端部262a连接到一个接触片216上。起始部分262的第二对向端部262b与一个相应的中间部分263成一整体或与之接触。中间部分263具有第一和第二引线263a和263b。第一引线263a与一个相应的第一末端部分264接触，而第二引线263b与一个相应的第二末端部分265相接触。第一末端部分264具有第一和第二引线264a和264b，而第二末端部分265具有第三和第四引线265a和265b。第一引线264a在第二导线270a下方延伸并与之位于同一直线上，第二引线264b在第二导线270b下方延伸并与之位于同一直线上，第三引线265a在第二导线270c下方延伸并与之位于同一直线上，第四引线265b在第二导线270d下方延伸并与之位于同一直线上。从而，第二导线270a-270d中的每一个均位于三个第一导线260a-260c中每一个的一条引线的上方并与之位于同一直线上。

每一个第二导线270包括一个第一线段272和一个基本上与第一线段272成横向设置的第二线段274。第一线段272的第一端部272a与一个接触片216连接，而第一线段272的第二端部272b则与一个相应的第二线段274在该线段274的中间处连接。

为了触发一个给定的加热元件212，令电流通过紧靠该加热元件212下方并与之连接的第一导线260和遍布该加热元件212并与之连接的第二导线270。

在本实施例中，主体部分218还进一步包括一个基底部分290和一个在该基底部分290上方形成的第一电介质层292，见图10-14。基底部分290可由上面指出的图3实施例中构成基底部分90的材料中的任何一种材料制成。第一电介质层292可以用与图3实施例中构成电介质层92的基本相同的方式并用前面指出的构成层92的任何一种材料制成。

在图9中均以虚线表示的第一导线260a和260c的第一和第二末端部分264和265、第一导线260b和260c的下部片段261b和261c、及第二导线270b和270c的下部片段271b和271c形成于电介质层292上。末端部分264和265及下部片段261b、261c、271b和271c可以用基本上与图3实施例中形成初级导线62相同的方式同时用前面指出的构成导线62的任何一种材料制成。

一个第二电介质层296形成于电介质层292、末端部分264和265以及下部片段261b、261c、271b和271c的暴露部分的上方。电介质层296可以用与形成层96相同的材料并以与图3实施例中的层96一样的方式制成。

电介质层延伸入末端部分264和265以及下部部分261b、261c、271b和271c之间的区域，以防止电流在这些部分和片段之间流动。层296也覆盖末端部分264和265及下部片段261b、261c、271b和271c，但在末端部分264和265上的点364a、364b及365a、365b处以及位于下部片段261b、261c、271b和271c的点361和371处除外。在图示的实施例中，采用一种传统的材料除去工艺，一种显影工艺除去电介质层296位于点361、364a、364b、365a、365b和371上方的部分，从而在层296中形成开口296a，见图11-13。

加热元件部件211a-211d形成于第二电介质层296上。部件211a-211d的部分贯穿位于末端部分264和265上的点364b和365b上方的电介质层296的开口296a，从而加热元件部件211a-211d与第一导线260a-260c的末端部分264和265直接接触，见图11。如图11A所示，位于点364b和365b上方的每一开口296a的下面部分可以是正方形的。或者，如图11B所示，它可以是圆形的，或者如图11C所示，是环形的，或者可具有任何其它几何形状。加热元件部件211a-211d可以用和图3实施例中加热元件部件11a-11d基本相同的方式以及上面指出的制造加热元件部件11a-11d的任何一种材料制成。加热元件部件211a-211d可以是矩形的，如图9所示。或者部件211a-211d可以是T-型的或具有其它这里没有详细指出的形状。此外，还可提供较小的加热元件部件，其每一个仅限定出一个单一的加热元件。

加热元件212构成当电流通过部件211a-211d时加热元件部件211a-211d的被加热区。被加热区的形状和尺寸基本上由开口296a的尺寸限定。

加热元件212，即，在第一导线260a-260d的末端部分264及265和第二导线270a-270d的第二线段274的交界面之间延伸并贯穿开口296a的电阻材料层部分，最好沿第一轴线A1具有一个基本上恒定的横截面积，该轴线A1大致平行与流过部分264和265及第二线段274之间的电流方向，见图14。由于每个加热元件212的横截面积在电流方向上不变，所以，可以认为每个加热元件212会均匀发热。

由于在本发明中电流沿一个大致为垂直的轴线流过，该轴通过加热元件的上表面，即紧靠充墨室的表面，所以每个加热元件212具有一个沿第二轴A2基本上不均匀的横截面积，该第二轴A2大致上与第一轴A1垂直。因而，加热元件部件211a-211d的被加热区，也就是加热元件212的形状可以为圆柱形的，从而它们具有一个圆形的面对油墨的表面。被加热区也可以是空心圆柱体，从而它们具有一个环形的面对油墨的表面。被加热区的形状由开口296a的形状决定。如果开口296a是圆形的，被加热区的形状将为圆柱形的。如果开口296a是环形的，被加热区将具有空心圆柱的形状。因此，被加热区或加热元件212面对油墨的表面可具有一个圆形和曲线形截面，例如，它们可以是圆形或环形的。它们也可以是具有圆角的正方形或矩形。从而，每个加热元件212可更容易地被成形，因而把由于油墨内气泡收缩过程中产生的浓缩冲击波对加热元件造成的损坏降低到最低限度。由于加热元件212在电流方向上的横截面积基本上保持恒定，从而，不必牺牲加热元件的效率便可获得这一附加的好处。

基本上，两个第二导线270a和270d中每一个的全部、第一导线260a的起始部分262、第一导线260b和260c的上部片段361b和361c、第二导线270b和270c的上部部分371b和371c，以及中间部分263均形成于电介质层296之上。第二导线270a-270d的第二线段274遍布于加热元件部件211a-211d，见图9-11，13，14。部分262和263及片段361b和361c可按与图3实施例的初级导线68基本相同的方式并采用前面所指出的构成初级导线68的任何一种材料制成。导线270a和270d及片段371b和371c可按与图3实施例中构成次级导线70a-70d基本相同的方式并采用前面指出的构成导线70a-70d的任何一种材料制成。

第一导线260b的上部片段361b贯穿电介质层296上、位于下部片段261b上的点361之一的上方的开口296a，从而与下部片段261b接触。第一导线260c的上部片段361c贯穿位于下部片段261c上的点361之一上部的电介质层296的开口296a，从而与下部片段261c接触。第二导线270b的两个上部片段371b贯穿位于下部片段271b上的点371上方的电介质层开口296a，从而与下部片段271b相接触。第二导线的上部片段371c贯穿下部片段271c上的点371上方的电介质层296的开口296a，从而与下部片段271c接触。每一个中间部分263的第一和第二引线263a和263b贯穿相应的末端部分264和265上的点364a和365a上方的电介质层296的开口296a，从而与这些末端部分264和265相接触。构成第一导线260b一部分的中间部分263的中心片段263c贯穿电介质层296上的一个开口296a，从而与下部片段261b相接触。构成第一导线260c一部分的中间部分263的中心片段263d贯穿电介质层296的一个开口296a，从而与下部片段261c连接。

在电介质层296及第一和第二导线260a-260d和270a-270d的暴露部分上加一个保护层297。该保护层297最好通过公知的沉积工艺技术由例如Si3N4或SiC构成。该层具有从约500埃到约10,000埃的厚度。

在保护层297形成之后，通过黏合剂40将喷口板30固定到保护层297上。

根据本发明的第四实施例制成的加热芯片310示于图14A，其中类似的标号代表类似的部件。在该实施例中，加热元件部件311直接形成于第一导线260的末端部分264之上。第二电介质层296遍布加热元件部件311的部分。第二导线270的第二线段274形成于电介质层296之上，并贯穿层296上的三个开口296a，从而在沿加热元件部件311的三个相互分隔开来的部分处与加热元件部件311接触。加热元件部件311的每个分隔开来的部分均包括一个加热元件312。

根据本发明的第五个实施例制成的加热芯片410示于图15。该芯片410包括一个含有多个第一和第二导线460和470的主体部分418。主体部分418是按与图9所示实施例中主体部分218基本相同的方式制成的。

在芯片410上设置有四个大致为矩形的加热元件部件411a-411d(在图9中用虚线表示)。加热元件部件411a-411d的部分限定出电阻加热元件412。为便于理解，在图15中用虚线正方形表示加热元件412。

图15中所示的实施例包括三个第一导线460a-460c和四个第二导线470a-470d。每一个第一导线460a-460c均包括第一和第二上部部分462和464及四个下部的第三部分466a-466d。第一部分462的第一端部462a连接到一个接触片416。第二部分464大致上垂直于第一部分延伸，并与第一部分462成为一个整体。上面连接有一个第二部分464的四个第三部分中的每一个在下面延伸并与四个第二导线470a-470d中不同的一个位于同一直线上。从而，四个第二导线470a-470d中的每一个均位于上方并与第一导线460a-460c中的每一个单一的第三部分位于同一直线上。

一个用与图9实施例中电介质层296相同的方式和相同的材料制成的第二电介质层，位于第一和第二部分462和464及第三部分466a-466d之间。加热元件部件411a-411d形成于该第二电介质层上。在第二电介质层形成类似于电介质层296上的开口296a(未示出)。每一个第二部分464贯穿第二电介质层上的四个开口，从而与其相应的四个第二部分466a-466d相接触。类似地，加热元件部件411a-411d贯穿第二电介质层上的开口从而与第二部分466a-466d相接触。在图示的实施例中，加热元件部件411a-411d为矩形，但它们可以是任何形状的。然而，部件411a-411d不应沿第二电介质层的上表面延伸而使之位于第二部分464贯穿第二电介质层上的开口而与第三部分466a-466d相接触的部位处。

每一个第二导线470a-470d包括第一和第二上面部分480和482以及一个第三下部部分484。第二电介质层遍布下面部分484的部分。第一和第二部分480和482形成于第二电介质层上，并贯穿第二电介质层上的开口，从而与下面的部分484的对向端接触。第二部分482也与加热元件部件411a-411d相接触。

还可以进一步预期，第一和第二导线460a-460c和470a-470d的上面部分462、464、480及482可形成于主体部分418的第一电介质层(未示出)上，从而，它们位于第二电介质层的下方，同时，下面部分466a-466d和484可形成于第二电介质层的上表面上。

还可以预期，图9实施例中第一和第二导线260a-260c及270a-270d的上面和下面部分和片段可以颠倒过来，从而，上面部分和片段位于第二电介质层296的下方而下面部分和片段则位于电介质层296上。

Claims (29)

1.一种加热芯片，包括：

一个主体部分；

一组设置在所述主体部分上的加热元件，所述主体部分包括一组第一导线和一组第二导线，用于向所述加热元件提供电流，所述第一导线位于一个第一平面上，所述第二导线位于一个与所述第一平面垂直分隔开来的第二平面上，一个有低导热率的电流转移层设置在所述第一导线和所述加热元件之间，所述电流转移层在所述第一导线和所述加热元件之间传导电流，和一设置在所述第一导线和所述电流转移层之间的电介质层，所述电介质层有开口用于从所述第一导线向所述电流转移层传递电流，所述加热元件有沿第一轴线基本恒定的横截面积，所述第一轴线基本平行于在垂直间隔的第一和第二平面之间并通过所述加热元件的电流的方向。

2.一种如权利要求1所述的加热芯片，其特征在于，所述开口中至少一个是圆形的。

3.一种如权利要求1所述的加热芯片，其特征在于，所述开口中至少一个是环形的。

4.一种如权利要求1所述的加热芯片，其特征在于，与所述第一轴线基本上成横向的所述加热元件的一个表面大致为圆形的。

5.一种如权利要求1所述的加热芯片，其特征在于，与所述第一轴线基本上成横向的所述加热元件的一个表面大致为环形的。

6.一种如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，所述加热元件具有一个沿着与所述第一轴线大致垂直的第二轴线基本上不均匀的横截面积。

7.一种喷墨打印头，包括：

一个具有至少一个喷口的板，墨滴通过该喷口喷出；

一个与所述板相邻并包括一个至少配置有一个加热元件的主体部分的加热芯片，所述主体部分包括至少一个第一导线和至少一个第二导线，用于向所述加热元件提供电流，所述第一导线位于一个第一平面上，所述第二导线位于一个第二平面上，所述第二导线与所述第一导线垂直分隔开，一个有低导热率的电流转移层设置在所述第一导线和所述加热元件之间，所述电流转移层在所述第一导线和所述加热元件之间传导电流，和一设置在所述第一导线和所述电流转移层之间的电介质层，所述电介质层有开口用于在所述第一导线和所述电流转移层之间传递电流，所述加热元件有沿第一轴线基本恒定的横截面积，所述第一轴线基本平行于在垂直间隔的第一和第二平面之间并通过所述加热元件的电流的方向。

8.一种如权利要求7所述的喷墨打印头，其特征在于，至少一个开口是圆形的。

9.一种如权利要求7所述的喷墨打印头，其特征在于，所述开口至少有一个是环形的。

10.一种如权利要求7所述的喷墨打印头，其特征在于，所述加热元件具有一个面向充墨室的表面，且所述加热元件表面具有一个圆形部分。

11.一种如权利要求10所述的喷墨打印头，其特征在于，所述一个加热元件表面大致为圆形的。

12.一种如权利要求10所述的喷墨打印头，其特征在于，所述一个加热元件表面大致为环形的。

13.一种如权利要求10所述的喷墨打印头，其特征在于，所述一个加热元件表面的形状像一个具有圆角的正方形。

14.一种如权利要求10所述的喷墨打印头，其特征在于，所述一个加热元件表面的形状像一个具有圆角的矩形。

15.一种如权利要求7所述的喷墨打印头，其特征在于，所述加热元件具有一个面对所述充墨室的表面，且所述加热元件的表面大致为正方形。

16.一种如权利要求7所述的喷墨打印头，其特征在于，所述加热元件具有一个面对所述充墨室的表面，且所述加热元件的表面大致为矩形。

17.一种如权利要求7所述的喷墨打印头，其特征在于，所述加热元件的一个基本上与所述第一轴线成横向的一个表面包括一个圆形部分。

18.一种如权利要求7所述的喷墨打印头，其特征在于，所述加热元件的一个基本上与所述第一轴线成横向的一个表面大致为圆形。

19.一种如权利要求7所述的喷墨打印头，其特征在于，所述加热元件的一个基本上与所述第一轴线成横向的一个表面大致为环形。

20.一种如权利要求7所述的喷墨打印头，其特征在于，所述加热元件具有一个沿与所述第一轴大致垂直的第二轴基本上不均匀的横截面积。

21.一种加热芯片，包括：

a.一组加热元件；

b.一个第一导线；

c.一个第二导线，其在与所述第一导线垂直间隔的平面上；

d.一设置在所述第一导线和所述加热元件之间的电流转移层；

e.一具有与所述加热元件位于同一直线上并与所述加热元件有大致相同形状开口的电介质层，所述电介质层设置在所述电流转移层和所述加热元件之间；其特征在于：所述加热元件和所述电介质层开口有通过所述垂直间隔的平面的大致恒定的横截面积，和所述加热元件和所述电介质层开口有与所述垂直间隔平面垂直的大致非恒定横截面积。

22.如权利要求21所述的加热芯片，其特征在于：所述加热元件是环形的。

23.如权利要求21所述的加热芯片，其特征在于：所述加热元件是圆形的。

24.如权利要求21所述的加热芯片，其特征在于：所述加热元件大致是正方形的。

25.如权利要求21所述的加热芯片，其特征在于：所述加热元件大致是矩形的。

26.如权利要求21所述的加热芯片，其特征在于：所述电介质层开口大致是圆形的。

27.如权利要求21所述的加热芯片，其特征在于：所述电介质层开口大致是环形的。

28.如权利要求21所述的加热芯片，其特征在于：所述电介质层开口大致是正方形的。

29.如权利要求21所述的加热芯片，其特征在于：所述电介质层开口大致是矩形的。

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