CN1253042A - 用于形成微型喷射装置的厚薄膜层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于形成微型喷射装置的厚薄膜层的方法,包括在基体上形成薄薄膜层,无需附加的热处理过程,再在所述薄薄膜层上形成厚薄膜层,对顺序形成在所述基体上的薄薄膜层和厚薄膜层同时进行热处理,从而形成了单一的厚薄膜层。单一的厚薄膜层是由连续的没有受到热处理影响的涂敷过程形成的,因此消除了分层线。由此可显著提高厚薄膜层的使用寿命。

Description

用于形成微型喷射装置的 厚薄膜层的方法

本发明涉及微型喷射装置和喷墨打印头，特别涉及一种在微型喷射装置的制作中形成厚薄膜层的方法。

微型喷射装置通常是指一种为打印纸、人体或机动车提供预定量液体(诸如油墨、药液或石油产品)的装置，在该装置中所采用的方法是将预定量的电能或热能施加到上述液体中以使所述液体发生体积上的变化。这种方法能够将预定量的液体施加于一个特定的物体上。

近年来，电子技术的进步使得这种微型喷射装置得以迅猛的发展。因此，微型喷射装置已广泛地用于人们的日常生活中。日常使用的微型喷射装置的一个例子是喷墨打印机。

喷墨打印机是微型喷射装置中的一种形式，其不同于传统的点式打印机的地方在于通过使用墨盒能够以各种颜色实现印刷工作。与传统的点式打印机相比，喷墨打印机的另外的优点是噪声低、印刷质量有所提高。因此，喷墨打印机已获得极大的普及。

喷墨打印机通常包括打印头，在这样的喷墨打印头中，通过接入或断开从外部装置所施加的电信号使最初处于液态的油墨转变成气泡状态。然后，呈气泡状态的油墨膨胀并被喷出，从而实现在打印纸上的打印操作。

下面几篇美国专利文献描述了现有技术的几种喷墨打印头的结构和操作。授予Vaught等人的、题目为“热喷墨打印机”的美国专利No.4,490,728描述了一种基本的打印头。授予Aden等人的、题目为“用于喷墨打印头的薄膜装置以及用于制造该装置的方法”的美国专利No.4,809,428以及授予Komuro的、题目为“用于喷液记录头的基底的制造方法和由这种方法所制造的基底”的美国专利No.5,140,345描述了喷墨打印头的制造方法。授予Johnson等人的，题目为“用于喷墨打印头高温操作的油墨通道几何结构”的美国专利No.5,274,400描述了改变油墨供给通道的尺寸以设置流阻的方法。授予Keefe等人的、题目为“喷墨打印头”的美国专利No.5,420,627描述了一种特别的打印头设计形式。

在这样一种传统的喷墨打印头中，例如，通常使用例如油墨或工作液体的化学物质进行打印操作。为此，用于储放化学物质的腔室区域安装在所述打印头中。

因此，用于限定腔室区域的厚薄膜层形成在构成打印头的基体上。另外，化学物质(诸如油墨或工作液体)稳定地储放在由厚薄膜层所限定的腔室区域中。

厚薄膜层的厚度通常为10微米或更厚，这样所述腔室区就具有足够的深度和容积，而且所述厚薄膜层是由有机物质制成的，以便获得对于油墨或工作液体的化学稳定性。

在现有技术中，由有机材料制成的、具有预定厚度的薄膜层是通过旋转涂敷(spin-coating)制造的，然后对所述有机物质层进行干燥处理和热处理。从而，使基本的薄薄膜层形成在保护膜上，而所述保护膜形成在基体上。接着，重复上述用于形成薄薄膜层的过程使多个薄薄膜层连续地形成在所述基本的薄薄膜层上。

例如，为了使厚薄膜层的厚度达到10微米，需要进行十次用于形成厚度为1微米的薄薄膜层的过程。因此，对于每一个重复进行的用于形成薄薄膜层的过程，都需要进行干燥处理和热处理的步骤。

当多次重复这种用于形成薄薄膜层的过程时，多个所述薄薄膜层沉积下来形成多层薄膜。这样，可获得具有所需厚度的厚薄膜层，且所完成的厚薄膜层被牢固地组装到打印头的相应位置处。

但是，这样一种用于形成喷墨打印头的厚薄膜层的传统方法存在几个严重的问题。如上所述，通过重复进行用于形成薄薄膜层的过程来沉积出多个薄薄膜层而获得传统的厚薄膜层。这里，构成厚薄膜层的多个薄薄膜层在相邻的薄膜层之间的界面处都形成了明显的分层线。在将所述厚薄膜层组装到打印头的特定结构的过程中，所述分层线会保留下来，这会降低打印头的使用寿命。

另外，在现有技术中，为了形成厚薄膜层，必须重复进行干燥处理和热处理步骤。这将会增加制作所述装置所需的总体时间。

另外，在厚薄膜层的形成过程中，由于用于形成每薄薄膜层的步骤不可能同时进行，因此，形成厚度均匀的多个薄薄膜层是非常困难的。另一个问题是，杂质(例如微粒)可能会影响用于形成所述薄薄膜层的过程。从而，大大地降低了打印头的整体性能。

因此，本发明的目的在于提供一种用于制作微型喷射装置的改进方法。

本发明的另一目的在于提供一种用于制作微型喷射装置的方法，该方法能够制作出装置中的改进的厚薄膜层。

本发明的又一目的在于提供一种能够制作厚度均匀的厚薄膜层的方法。

本发明的又一目的在于提供一种能够消除在厚薄膜中层与层之间的分层线的方法。

本发明的又一目的在于提供一种能够防止杂质进入到厚薄膜层中的方法。

本发明的又一目的在于提供一种用于制作微型喷射装置并能够缩短制作时间的的方法。

为了达到上述目的和其它优点，在本发明中，将有机物质(例如由聚酰亚胺制成的液体)沉积在基体上(所述基体上形成有保护膜)，并以较高的转速旋转所述基体，例如，转速在450rpm至550rpm范围内。这样，将厚度大约为0.5微米至5微米的薄薄膜层形成在所述保护膜上。

接着，无需进行热处理，将有机物质再沉积在所制成的薄膜上，并以较低的转速旋转其上形成有所述薄薄膜层的基体，例如，转速在20rpm至40rpm范围内。这样，厚度大约在18微米至22微米范围内的厚薄膜层形成在保护膜上。

接着，对所述基体上的薄薄膜层和厚薄膜层同时进行热处理，从而形成了单一的、复合的厚薄膜层(single，combined thick film layer)。这里，所述单一的厚薄膜层是由一系列的涂敷方法形成的且没有受到热处理影响，因此消除了分层线。由此可显著地提高厚薄膜层的总体使用寿命。

为了便于人们能够充分地理解本发明以及认识本发明所带来的各种优点，下面将参照附图对本发明进行详细的描述，在附图中，相同或相似的部件用相同的附图标记表示，附图中：

图1A至图1D是示出了本发明的用于形成喷墨打印头的厚薄膜层的方法的视图；

图2是示出采用了本发明的厚薄膜的组件的局部透视图；以及

图3是沿图2的I-I线所截得的剖视图，示出了采用本发明的厚薄膜层的喷墨打印头。

下面参照附图通过优选实施例对本发明进行详细的描述。由于本说明书中所涉及的术语是根据本发明的功能进行限定的，所以根据技术人员的意愿或惯用的方式可改变这些术语，且这些术语应该根据本发明说明书的总体内容来限定。

如图1A中所示，在第一步骤中，利用沉积装置100将由有机物质所制成的液体沉积在硅-基体1上，所述液体最好是含有聚酰亚胺的溶液，在所述硅-基体1上形成有由二氧化硅制成的保护膜，利用旋转台(未示出)使基体1沿箭头110所示方向旋转。基体1可沿着箭头110所示方向旋转或沿着与箭头110所示方向相反的方向旋转。这样，第一有机液体层31’形成在基体1的保护膜2上。

聚酰亚胺液体的粘度系数最好为1.03厘泊。另外，基体1在上述第一步骤中以较高的转动速度旋转，转速最好在450rpm至550rpm的范围内，旋转时间在35秒至45秒的范围内。如果基体1以上述较高的转速旋转，那么通过沉积装置100沉积在基体1上的聚酰亚胺液体在离心力的作用下可散布在整个基体1上。这样，形成在基体1的保护膜2上的所述第一有机液体层31′的厚度比较均匀。优选的是，所述第一有机液体层31′的厚度在0.5微米至5微米的范围内，更优选的是在1微米至2微米的范围内。

在第二步骤中，如图1B中所示，利用沉积装置100将由有机物质制成的液体沉积在所述第一有机液体层31′上，通过驱动旋转台使基体1旋转。这样，第二有机液体层32′形成在第一有机液体层31′上。这里，对于特定尺寸的基体，由有机物质制成的液体的沉积量最好在0.6cm³至0.8cm³的范围内，其粘度系数最好为1.03厘泊。

另外，在所述第二步骤中，基体1以较低的转动速度旋转，转速最好在大约20rpm至40rpm的范围内，旋转的时间大约在30秒至40秒的范围内。如上所述，如果基体1以较低的转速旋转，那么通过沉积装置100沉积在第一有机液体层31′上的聚酰亚胺液体在离心力的作用下可散布在整个有机液体层31′上。同时，由于所述液体具有一定的粘度，因此在聚酰亚胺液体中形成有规则的波纹。这样，具有均匀厚度的第二有机液体层32′就形成在第一有机液体层31′上。所述第二有机液体层32′的厚度最好在18微米至22微米的范围内。

这里，有机液体第二次的沉积量和基体第二次旋转的转速可利用如下的关系式(1)准确地进行计算。 $h=h_1+h_2=\mathrm{\ϵ}[A\sqrt{\frac{v}{\mathrm{\ω}}}+\frac{V}{S}]---\left(1\right)$

(其中，h是第一有机液体层和第二有机液体层的总厚度，h₁是第一有机液体层的厚度，h₂是将要形成的第二有机液体层的厚度，ε是表示第一有机液体层和第二有机液体层在热处理过程中的减小的系数，A是常数，ν是液体的粘度系数，ω是基体第二次旋转的转速，S是基体的表面积，V是有机液体第二次的沉积量)。在这种情况下，可根据最终将要形成的第二有机液体层32′的厚度，将各个试验数据分配到上述关系式(1)中，从而可得到有机液体第二次的沉积量和基体第二次旋转的转速。

在本发明中，基于所述第二有机液体层32′的厚度在18微米至22微米的范围内，可将选择用作有机液体第二次的沉积量和基体第二次旋转转速的数值的各个试验数据分配到上述关系式(1)中。即，所述转速值和沉积的体积量可根据第二有机液体层32′所需厚度确定。这样，可得到，有机液体第二次的沉积量在0.6cm³至0.8cm³的范围内，基体第二次旋转的转速在20rpm至40rpm的范围内。

因此，作为薄薄膜层的第一有机液体层31′和作为厚薄膜层的第二有机液体层32′依次沉积在其上形成有保护膜2的基体1上，从而形成了单一的复合有机液体层30′。

接着，将形成有所述单一的有机液体层30′的基体1从所述旋转台取下并放在加热箱(未示出)中。然后，对构成单一有机液体层30′的第一有机液体层31′和第二有机液体层32′进行干燥处理和热处理。

这里，干燥温度最好在80℃至90℃的范围内，干燥时间最好在25分钟至35分钟的范围内，并且最好分两个阶段进行热处理，其中热处理的温度分别在200℃至220℃的范围内以及300℃至330℃的范围内，热处理的时间分别在25分钟至35分钟的范围内以及在60分钟至70分钟的范围内。

这样，如图1B中所示，所述第一有机液体层31′和第二有机液体层32′分别硬化并转变成作为薄薄膜层的第一有机薄膜层31和作为厚薄膜层的第二有机薄膜层32，从而形成了单一、复合的厚薄膜层30。

如上所述，在本发明中，无需利用附加的热处理步骤即可顺序地形成第一有机液体层31′和第二有机液体层32′，并且通过热处理将这些层同时硬化。这样，可得到由作为薄薄膜层的第一有机薄膜层31和作为厚薄膜层的第二有机薄膜层32顺序沉积而成的单一的厚薄膜层30。这样，可避免在第一有机薄膜层31和第二有机薄膜层32之间出现分层线。因此，即使在将单一的厚薄膜层30组装到喷墨打印头中时，也不会降低喷墨打印头的总体使用寿命。

另外，在本发明中，仅进行一次干燥处理和热处理来形成单一的厚薄膜层30。因此，可大大地缩短完成制作过程所需的时间。

另外，在本发明中，由于薄薄膜层和厚薄膜层是顺序形成的，从而形成了单一的厚薄膜层。因此可缩短形成薄膜所需的时间。这样，可解决杂质进入该制作过程的问题并且所制成的单一的厚薄膜层可具有均匀的厚度。因此，可显著地提高喷墨打印头的整体运行效果。

如图1C中所示，在接下来的制作步骤中，图案膜(未示出)形成在所述第二有机薄膜层32上，将所述图案膜作为掩模对第一有机薄膜层31和第二有机薄膜层32进行蚀刻以露出所述保护膜2。接着，利用化学制品将剩余的图案膜除去，从而，完成了单一的厚薄膜层30的制作，所述单一的厚薄膜层30限定了腔室区域33。

如图1D中所示，当所述腔室区域33形成时，利用化学制品(诸如氟化氢)将所述单一的厚薄膜层30从基体1上分离下来。接着，将所述单一的厚薄膜层30牢固地组装到喷墨打印头的相应位置上。

如图2中所示，在基体1上，将本发明的单一的厚薄膜层30组装到限定了喷嘴10的喷嘴板8上，所述喷嘴板8限定了喷嘴10。用于限定油墨供给路径的油墨供给通道200形成在与腔室区域33相邻的位置处，由外部装置所供给的油墨沿着所述油墨供给通道200在箭头所指的方向流动，从而使油墨充填所述腔室区域33。这里，多个用于喷墨的喷嘴10形成在所述喷嘴板8上。这些喷嘴10穿过所述喷嘴板8并露在所述喷嘴板8的外表面上。

采用本发明的单一厚薄膜层的喷墨打印头的操作过程如下。如图3中所示，如果电信号从外部电源施加到电极层(未示出)上，与所述电极层相接触的加热器11被供给电能并迅速地加热到500℃或500℃以上的高温。在该过程中，电能被转换成大约为500℃至550℃的热能。接着，热能被传递到与加热器11相接触的腔室区域33处，充填在腔室区域33中的油墨300在所传递的热能作用下被迅速地加热并生成气泡。

这里，如果连续地将热能传递给腔室区域33，那么气泡化的油墨300迅速地发生体积变化和膨胀。这样，油墨300通过喷嘴板8上的喷嘴10从腔室区域33被排出并将要被喷射。接着油墨300由于且自身的重量而变成椭圆形和圆形并被喷射到外部打印纸上。

如上所述，由于本发明的单一的厚薄膜层30包括不经过附加热处理而顺序形成的第一有机薄膜层31和第二有机薄膜层32，因此可避免出现分层线，从而提高了喷墨打印头的使用寿命。

接着，如果在油墨300已被排出的状态下中断由外部装置所提供的电信号，则加热器11迅速地冷却下来。然后，留在所述油墨腔室33中的气泡化的油墨300迅速地回缩并产生回复力，所述油墨300利用该回复力可恢复到其初始状态。所产生的回复力用于使油墨腔室33中的压力迅速地降低，从而使流经油墨供给通道200的油墨300迅速地补充到油墨腔室33中。通过电信号令喷墨打印头重复上述过程，从而可在由外部装置所供给的打印纸上进行打印。

在本发明中，作为薄薄膜层的第一有机薄膜层和作为厚薄膜层的第二有机薄膜层顺序地沉积，并且没有经过附加的热处理步骤，从而形成了单一的厚薄膜层。这样，可避免出现分层线并且在制作该薄膜的过程中能够避免杂质侵入。本发明不仅可用于喷墨打印头中，而且还可用于例如医疗器械中的微型泵或燃料喷射装置的任何微型喷射装置中。

尽管本发明是通过特定的实施例进行具体描述的，但是本领域普通技术人员显然可根据上述内容对上述实施例进行各种改进和变型。因此，本发明包括了所有的落入由后面的权利要求书所限定的保护范围内的各种改进和变型。

Claims (20)

1.一种用于形成微型喷射装置的厚薄膜层的方法，包括下列步骤：

第一步骤，将第一数量的有机液体沉积在形成于基体上的保护膜上，并以第一转速旋转所述基底，从而形成第一有机液体层；

第二步骤，将第二数量的有机液体沉积在所述第一有机液体层上，并以慢于所述第一转速的第二转速旋转所述基体，从而形成了第二有机液体层；

对所述第一有机液体层和第二有机液体层进行干燥处理和热处理以形成复合的厚薄膜层；

对所述复合的厚薄膜层进行蚀刻以部分地露出所述保护膜，从而限定腔室区域；和

将所述复合的厚薄膜层从所述基体上分离下来。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机液体是含有聚酰亚胺的溶液。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一沉积步骤中使用粘度系数大约为1.03厘泊的有机液体。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一步骤中基体旋转的第一转速在大约450rpm至550rpm的范围内。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述第一步骤中基体旋转的时间在大约35秒至45秒的范围内。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，实施第一步骤所得到的第一有机液体层的厚度在大约0.5μm至5μm的范围内。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，实施第一步骤所得到的第一有机液体层的厚度在大约1μm至2μm的范围内。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二步骤中使用粘度系数大约为1.03厘泊的有机液体。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二步骤中，基体旋转的第二转速在大约20rpm至40rpm的范围内。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述第二步骤中基体旋转的时间在30秒至40秒的范围内。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，实施所述第二步骤所得到的第二有机液体层的厚度在大约18μm至22μm的范围内。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体的第二数量在大约0.6cm³至0.8cm³的范围内。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

利用下面的关系式确定在第二步骤中所用的有机液体的所述第二数量和所述第二转速： $h=h_1+h_2=\mathrm{\ϵ}[A\sqrt{\frac{v}{\mathrm{\ω}}}+\frac{V}{S}]$

其中，h是第一有机液体层和第二有机液体层的总厚度，h₁是第一有机液体层的厚度，h₂是将要形成的第二有机液体层的厚度，ε是表示第一有机液体层和第二有机液体层在热处理过程中的减小的系数，A是常数，ν是液体的粘度系数，ω是第二转速，S是基体的表面积，V是有机液体的第二数量。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥在大约80℃至90℃的温度范围内进行。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述干燥进行大约25分钟至35分钟。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理步骤包括在200℃至220℃温度范围内、在25分钟至35分钟的时间里对所述第一有机薄膜层和第二有机薄膜层进行第一次热处理。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述热处理步骤还包括，在所述第一次热处理后，在300℃至330℃温度范围内、在60分钟至70分钟的时间里进行第二次热处理。

18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述蚀刻步骤中将形成在所述复合的厚薄膜层的顶部上的图案膜作为掩模。

19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述蚀刻步骤中使用氟化氢。

20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

将所述分离下来的复合厚薄膜层固定到微型喷射装置组件中的喷嘴板上。

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