CN1238192C - 墨水喷嘴组件 - Google Patents

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Abstract

一种墨水喷嘴组件(10)，包括一个基片(16)。一个可以相对于基片(16)位移的喷嘴(22)。该喷嘴(22)具有一个喷嘴开口(24)，在使用时，当喷嘴(22)相对于基片(16)位移过程中，墨水通过开口(24)喷出。一个位于基片(16)和喷嘴(22)之间的密封装置(52)，用于抑制墨水从喷嘴(22)的四周漏出。

Description

墨水喷嘴组件
技术领域
本发明涉及一种喷墨打印头，尤其涉及一种用于喷墨打印头的墨水喷嘴组件。
同类发明申请
与本发明有关的各种方法、系统和装置在下列同类专利申请中揭示。这些专利申请是本发明的专利申请人或代理人与本发明同时申请的：
PCT/AU00/00518，      PCT/AU00/00519，      PCT/AU00/00520，
PCT/AU00/00521        PCT/AU00/00522，      PCT/AU00/00523
PCT/AU00/00524，      PCT/AU00/00525，      PCT/AU00/00526，
PCT/AU00/00527，      PCT/AU00/00528，      PCT/AU00/00529，
PCT/AU00/00530，      PCT/AU00/00531，      PCT/AU00/00532，
PCT/AU00/00533，      PCT/AU00/00534，      PCT/AU00/00535，
PCT/AU00/00536，      PCT/AU00/00537，      PCT/AU00/00538，
PCT/AU00/00539，      PCT/AU00/00540，      PCT/AU00/00541，
PCT/AU00/00542，      PCT/AU00/00543，      PCT/AU00/00544，
PCT/AU00/00545，      PCT/AU00/00547，      PCT/AU00/00546，
PCT/AU00/00554，      PCT/AU00/00556，      PCT/AU00/00557，
PCT/AU00/00558，      PCT/AU00/00559，      PCT/AU00/00560，
PCT/AU00/00561，      PCT/AU00/00562，      PCT/AU00/00563，
PCT/AU00/00564，      PCT/AU00/00565，      PCT/AU00/00566，
PCT/AU00/00567，      PCT/AU00/00568，      PCT/AU00/00569，
PCT/AU00/00570，      PCT/AU00/00571，      PCT/AU00/00572，
PCT/AU00/00573，      PCT/AU00/00574，      PCT/AU00/00575，
PCT/AU00/00576，      PCT/AU00/00577，      PCT/AU00/00578，
PCT/AU00/00579，      PCT/AU00/00581，      PCT/AU00/00580，
PCT/AU00/00582，      PCT/AU00/00587，      PCT/AU00/00588，
PCT/AU00/00589，      PCT/AU00/00583，      PCT/AU00/00593，
PCT/AU00/00590，      PCT/AU00/00591，      PCT/AU00/00592，
PCT/AU00/00584，      PCT/AU00/00585，      PCT/AU00/00586，
PCT/AU00/00594        PCT/AU00/C0595，      PCT/AU00/00596，
PCT/AU00/00597，      PCT/AU00/00598，      PCT/AU00/00516，
PCT/AU00/00517，      PCT/AU00/00511，      PCT/AU00/00501，
PCT/AU00/00502，      PCT/AU00/00503，      PCT/AU00/00504，
PCT/AU00/00505，      PCT/AU00/00506，      PCT/AU00/00507，
PCT/AU00/00508，      PCT/AU00/00509，      PCT/AU00/00510，
PCT/AU00/00512，      PCT/AU00/00513，      PCT/AU00/00514，
PCT/AU00/00515
上述同类专利申请可作为相互参考。
背景技术
我们已经知道有各种类型的墨水喷嘴组件，在这些墨水喷嘴组件中，一个安装在喷嘴腔中的可位移元件可以使墨水通过喷嘴组件上的喷嘴开口喷出。在某些上述装置中，可移动元件本身就是一个致动器。在另外一些装置中，致动器外接于喷嘴腔，并通过喷嘴腔外壁上的一个开口与可位移元件连接。对于致动器外接于位移元件的情况，需要使用一个密封装置来尽量减少通过开口的墨水的损耗。
在某些实施例中，喷嘴本身就可以移动，以便喷出墨水。对于这种情况，需要尽量减少喷嘴周围的墨水损耗。
发明内容
本发明提供一种墨水喷嘴组件，包括：
一个基片；
一个可以相对于基片位移的喷嘴，该喷嘴带有一个开口，在使用时，随着喷嘴相对于基片的位移，墨水从开口喷出；
形成于喷嘴的第一围壁；
形成于基片的第二围壁；
第一围壁和第二围壁限定了一个墨水通道以及一个间隙，喷嘴开口与该墨水通道液路连通，而该间隙可允许喷嘴相对于基片的位移，并利用墨水在两围壁之间产生的表面张力抑制墨水的泄漏。
在本发明中，“喷嘴”一词应理解为带有一个开口的元件，而不是开口本身。
所述喷嘴包括一个限定了喷嘴开口的冠部，以及从冠部延伸出来并限定了第一围壁的裙边部分。
一个通过基片的墨水入口孔形成的墨水供应通道与墨水腔的液路相通，上述第二围壁设计在墨水入口孔的周围。
上述第二围壁可以设计在喷嘴的裙边部分之外，该第二围壁可以包括向喷嘴的裙边部分的外表面延伸的、径向向内的唇边部分或刮拭部分。
上述第二围壁可以通过沉积和刻蚀技术制造。
上述第二围壁可以采用某种陶瓷材料制造。该第二围壁可以采用一种导电陶瓷材料，这种导电陶瓷材料可以与喷嘴组件的其它部件同时沉积形成，可以是氮化钛或其它材料。
附图说明
下面结合附图详细介绍本发明：
图1是根据本发明实现的喷墨打印头的喷嘴组件的立体示意图；
图2到图4是图1中的喷嘴组件的动作的立体示意图；
图5是构成喷墨打印头的喷嘴阵列的立体图；
图6是图5的喷嘴阵列的局部放大图；
图7是带有一个喷嘴保护帽的喷墨打印头的立体图；
图8a到8r是喷墨打印头的喷嘴组件的制造步骤的立体图；
图9a到9r是制造步骤的侧面剖视图；
图10a到10k所示为制造过程的各步骤中所使用掩模的布局；
图11a到11c是根据图8和图9所述的方法制造的喷嘴组件的动作的立体图；
图12a到12c是根据图8和图9所述的方法制造的喷嘴组件的动作的侧面剖视图。
具体实施方式
图1所示为根据本发明制造的一个喷嘴组件10。一个喷墨打印头具有多个上述喷嘴组件10，该喷嘴组件在硅基片16上形成一个喷嘴阵列14，(见图5和图6)。喷嘴阵列14将在下面详细说明。
喷嘴组件10包括一块其上沉积有一电介质层18的硅基片或晶片16。在电介质层18上沉积有一层CMOS钝化层20。
每个喷嘴组件10包含一个带有喷嘴开口24的喷嘴22、一个杠杆臂26形状的连接部件，以及一个致动器28。杠杆臂26把致动器连接到喷嘴22上。
如图2到图4所示，喷嘴22包括一个冠部30，从冠部30上延伸出一个裙边部分32。裙边部分32构成喷嘴腔34的外壁(见图2到图4)的一部分。喷嘴开口24与喷嘴腔34液路相通。需要注意的是，喷嘴开口24有一圈凸沿36，该凸沿36使喷嘴腔34中的墨水40在凸沿上形成一个弯月面38(见图2)。
在喷嘴腔34的底部46上带有一个墨水入口孔42(如图6中所示)。墨水入口孔42与通过硅基片16的墨水入口通道48相通。
墨水入口孔42的外圈有一圈围壁50，围壁从底部46向上延伸。上述的喷嘴22的裙边部分32构成喷嘴腔34外壁的第一部分，上述围壁部分50构成喷嘴腔34的外壁的第二部分。
围壁50的自由端具有向内翻转的唇边或刮拭部分52，该唇边起密封墨水的作用，当喷嘴22移动时，唇边或刮拭部分52可以阻止墨水漏出。由于墨水40的粘度较高，而且唇边或刮拭部分52与裙边部分32之间的间隙非常小，在墨水40的表面张力作用下，唇边或刮拭部分52起到密封墨水的作用，防止墨水40从喷嘴腔34中漏出。
致动器28是一种热弯曲型致动器，它与从硅基片16向上延伸的(更确切地说是从CMOS钝化层20向上延伸)的锚片54连接。锚片54安装在导电垫片56上，导电垫片56作为与致动器28连接的电连接通路。
致动器28包括第一主动梁58和第二被动梁60，主动梁在被动梁的上面。在一个较佳实例中，主动梁58和被动梁60都由导电陶瓷材料构成或含有导电陶瓷材料，例如氮化钛TiN。
主动梁58和被动梁60的第一端都固定到锚片54上，另一端与臂26连接。当电流通过主动梁58时，主动梁58会由于电阻生热效应发生热膨胀。而被动梁60上没有电流通过，所以不会与主动梁58一起同时膨胀，因此，主动梁58和被动梁60会产生弯曲运动，导致杠杆臂26和喷嘴22向硅基片16位移，如图3所示。此时，墨水会通过喷嘴开口24喷射出来，如图3中的62。当主动梁58上的热源消除后，即停止电流，喷嘴22将返回到其静态位置，如图4所示。当喷嘴22返回到其静态位置时，由于墨滴颈部被断开，会产生一滴墨64，如图4中的66。然后，墨滴64落到打印媒质上，例如一张纸。由于墨滴64的形成，会产生一个反向弯月面，如图4中的68。反向弯月面68导致墨水40流入喷嘴腔34，从而立即形成一个新的弯月面38(见图2)，为从喷嘴组件10喷出下一滴墨水做好准备。
请参考图5和图6，其中更详细地描绘了喷嘴阵列14。喷嘴阵列14用于四色打印头。所以，该喷嘴阵列14由4组70喷嘴组件构成，每一个喷嘴组件提供一种颜色。每组70喷嘴组件由两排(72和74)中的喷嘴组件10构成。图6中更详细地描述了其中的一组70喷嘴组件10。
为了更紧密地包装排72和74中的喷嘴组件10，排74中的喷嘴组件10相对于排72中的喷嘴组件10错开一定距离或交错排列。而且，排72中的喷嘴组件10之间的距离足够大，以使排74中的喷嘴组件的杠杆臂26通过排72中相邻的喷嘴组件10。需要说明的是，每个喷嘴组件10都是哑铃形的，因此，排72中的喷嘴组件10可以位于排74中的相邻喷嘴组件10的喷嘴22和致动器28之间。
而且，为了便于更紧凑地包装排72和74中的喷嘴22，每个喷嘴22都是六边形的。
本领域的技术人员很容易知道，在实际使用中，当喷嘴22向硅基片16移动时，由于喷嘴开口24与喷嘴腔34有一个小角度，所以墨水在喷出时会稍稍偏离垂直方向。而图5和图6中的设计克服了这个问题。在上述两个图中，排72和74中的喷嘴组件10的致动器28沿同一方向延伸到排72和排74的一侧。因此，从排72中的喷嘴22喷出的墨滴与从排74中的喷嘴22喷出的墨滴相互平行，从而提高了打印质量。
而且，如图5所示，硅基片16带有一些粘结垫76，这些粘结垫提供了从垫片56向喷嘴组件10的致动器28的电连接。这些电连接通过CMOS层(图中没有示出)形成。
请参考图7中所示的本发明的一个实例，同时参考前一图。两附图中的符号是相互对应的。
在本实例中，在喷嘴阵列14的硅基片16上安装了一个喷嘴保护帽80。喷嘴保护帽80具有一个主体部分82，该主体部分82具有多个通道84。通道84与喷嘴阵列14中的喷嘴组件10的喷嘴开口24相对应，当墨水从任何一个喷嘴开口24喷出时，墨滴在打到打印媒质之前会通过相应的通道84。
主体部分82与喷嘴组件10有一定间隙，由支杆或支柱86支撑。支柱86具有一个进气开口88。
在使用时，当喷嘴阵列14工作时，空气被从进气开口88吸入，并与墨水一起通过通道84。
由于空气通过通道84的速度与墨滴64的速度不同，所以墨滴64不会受空气的影响。例如，墨滴64从喷嘴喷出的速度大约为3米/秒，而空气通过通道84的速度大约为1米/秒。
空气的作用是使通道84不会夹杂异物颗粒。如果某些异物(例如灰尘颗粒)落入到喷嘴组件10中，会对喷嘴产生不良影响。采用由喷嘴保护帽80的进气开口88强制送气的方式，能够在很大程度上避免上述问题。
请参考图8到图10，其中示出了制造喷嘴组件10的工艺过程。
从硅基片或晶片16开始，在晶片16的表面沉积一层电介质层18。该电介质层18是一层1.5微米厚的CVD氧化物。在电介质层18上旋压一层抗蚀剂，然后使用模具100进行印刷处理。
经过印刷处理后，使用等离子刻蚀方法把电介质层18刻蚀到硅基片16，然后去掉抗蚀剂，清理电介质层18，经过上述步骤，墨水入口孔42就形成了。
在图8b中，在电介质层18上沉积0.8微米厚度的的铝102，然后加一层抗蚀剂，使用模具104进行印刷处理。然后，采用等离子刻蚀方式把铝膜102刻蚀到电介质层18，去掉抗蚀剂，对该层进行清理。此工艺步骤形成了粘结垫以及与喷墨致动器28的互连通道。互联通道连接到一个NMOS驱动晶体管和一个电源层，连接线路在CMOS层(图中没有示出)形成。
然后，在所得到的装置上再沉积0.5微米厚的PECVD氮化物，作为CMOS钝化层20。在钝化层20上加一层抗蚀剂，然后使用模具106进行印刷处理。经过印刷处理后，使用等离子刻蚀方法把氮化物刻蚀到铝层102，在墨水入口孔42区域，应刻蚀到硅基片16。去掉抗蚀剂，然后对设备进行清理。
在钝化层20上旋压一层牺牲层108。该层108是6微米厚的感光聚酰亚胺或约4微米厚的高温抗蚀剂。把层108烘干，然后使用模具110进行印刷处理。印刷处理后，如果层108由聚酰亚胺材料制成，那么应在400℃温度下对其烘烤1小时；如果层108由高温抗蚀剂构成，那么应在300℃以上的温度对其烘烤1小时。需要注意的是，在设计模具110时，应考虑到缩水导致由聚酰亚胺所形成的牺牲层108的图案扭曲。
下一步，如图8e所示，在产品上旋压第二层牺牲层112。层112可以是2微米厚的感光聚酰亚胺，也可以是约1.3微米厚的高温抗蚀剂。层112烘干后，使用模具114进行印刷处理。经过印刷处理后，对于由聚酰亚胺构成的层112，应在400℃下烘烤1小时；对于由高温抗蚀剂构成的层112，应在300℃以上的温度下烘烤1小时左右。
然后，在产品上沉积一层0.2微米厚的多层金属层116。该层116的一部分将构成致动器28的被动梁60。
层116的加工方法是：在300℃左右溅射1000厚的氮化钛TiN，然后溅射50厚的氮化钽TaN，然后溅射1000厚的氮化钛TiN，然后溅射50厚的氮化钽TaN，最后再溅射1000厚的氮化钛TiN。
也可以使用TiB2、MoSi2或(Ti，Al)N代替TiN。
然后，对层116使用模具118进行印刷处理，然后使用等离子刻蚀方法刻蚀到层112，下一步，小心地去掉加在层116上的防蚀剂，注意不要伤及层108或112。
下一步，在层116上旋压一层4微米厚的感光聚酰亚胺或2.6微米厚的高温抗蚀剂，形成第三层牺牲层120。层120经过烘干后，使用模具122进行印刷处理。然后进行热烘。对于聚酰亚胺，应在400℃下对层120烘烤1小时左右；对于高温抗蚀剂，应在300℃以上对层120烘烤1小时左右。
下一步，在层120上再沉积第二层多层金属层124。层124的成分与层116相同，工艺方式也相同。需要说明的是，层116和层124都是导电层。
然后，使用模具对层124进行印刷处理。下一步使用等离子刻蚀方法把层124刻蚀到层120(聚酰亚胺或高温抗蚀剂)，然后，把加在层124上的抗蚀剂层小心地揭下来，注意不要伤及层108、112或120。需要说明的是，层124的剩余部分将构成致动器28的主动梁58。
下一步，在层124上旋压一层4微米厚的感光聚酰亚胺或2.6微米厚的高温抗蚀剂，形成第四层牺牲层128。层128经过烘干后，使用模具130进行印刷处理，剩下图9k所示的孤立部分。然后，对于聚酰亚胺材料，应在400℃下对层128的剩余部分烘烤1小时；对于高温抗蚀剂材料，应在300℃以上的温度下对层128的剩余部分烘烤1小时。
请参考图81。在上述产品上再沉积一层高杨氏模量的电介质层132。层132由1微米左右厚度的氮化硅或氧化铝构成。层132的沉积温度应低于牺牲层108、112、120、128的热烘温度。电介质层132应具有高弹性模数、化学惰性以及对TiN的良好粘接性。
下一步，在上述产品上再旋压一层2微米厚的感光聚酰亚胺或1.3微米厚的高温抗蚀剂，形成第五个牺牲层134。层134经过烘干后，使用模具136进行印刷处理。然后，如果是聚酰亚胺材料，应在400℃下对层134的剩余部分烘烤1小时；如果是高温抗蚀剂，应在300℃以上的温度下对层134的剩余部分烘烤1小时左右。
然后，采用等离子刻蚀方法把电介质层132刻蚀到牺牲层128，注意不要伤及牺牲层134。
上述步骤形成喷嘴开口24、杠杆臂26、以及喷嘴组件10的锚片54。
下一步，在上述产品上沉积一层高杨氏模量的电介质层138。电介质层138的沉积方法是：在低于牺牲层108、112、120和128的热烘温度下，沉积一层0.2微米厚的氮化硅或氮化铝。
下一步，如图8p所示，使用具有方向性的等离子刻蚀方法对层138刻蚀0.35微米的深度。刻蚀的目的是从所有表面上清除电介质，仅留下电介质层132和牺牲层134的侧壁上的电介质。此步骤形成喷嘴开口24周围的喷嘴边36，该喷嘴边36使墨水产生上述的弯月面。
然后，在产品上加一层防紫外线(UV)胶带140，在晶片16背面旋压一层4毫米后的抗蚀剂。然后使用模具142进行背面刻蚀处理，形成墨水入口通道48。然后从晶片16上去掉防蚀剂。
在晶片16的背面贴一层防紫外线胶带(图中没有示出)。然后去掉胶带140。下一步，把牺牲层108、112、120、128和134在氧等离子中进行处理，形成图8r和图9r中显示的最终的喷嘴组件10。为了便于参考，上述两附图中的零件编号与图1中的编号相同，以反映喷嘴组件10的相关部件。图11和12所示为按照上述工艺过程制造的喷嘴组件10的动作。这些附图与图2到图4对应。
本领域的技术人员很容易了解，可以根据上述实例中描述的本发明进行各种等价的变化或修改。本发明的实例只用来阐明发明内容，不应限制发明的范围。任何根据本发明进行等价变化或修改的装置都应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种墨水喷嘴组件，包括：
一个基片；
一个可以相对于基片位移的喷嘴，该喷嘴带有一个开口，在使用时，随着喷嘴相对于基片的位移，墨水从开口喷出；
形成于喷嘴的第一围壁；
形成于基片的第二围壁；
第一围壁和第二围壁限定了一个墨水通道以及一个间隙，喷嘴开口与该墨水通道液路连通，而该间隙可允许喷嘴相对于基片的位移，并利用墨水在两围壁之间产生的表面张力抑制墨水的泄漏。
2.如权利要求1所述的组件，其中所述喷嘴包括一个限定了喷嘴开口的冠部，以及从冠部延伸出来并限定了第一围壁的裙边部分。
3.如权利要求2所述的组件，其中一个通过基片的墨水入口孔形成的墨水供应通道与上述墨水腔的液路相通，第二围壁设计在墨水入口孔的周围。
4.如权利要求2所述的组件，其中所述第二围壁设计在喷嘴的裙边部分之外。
5.如权利要求4所述的组件，其中所述第二围壁包括内部向喷嘴的裙边部分的外表面延伸的刮拭部分。
6.如权利要求1所述的组件，其中所述第二围壁通过沉积和刻蚀技术制造。
7.如权利要求1所述的组件，其中所述第二围壁由某种陶瓷材料制成。
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