CN1474750A - 微滴沉积装置 - Google Patents

Abstract

一种喷墨打印头，它由一多级加工处理形成：多个凹槽形成在压电材料块的底座上，且一导体被施加在其上。多个导电轨道带配合间隙地沉积在基底上，使得底座和压电材料就可形成理想的电连接。多个通道被切入到压电材料块的顶部中以与凹槽相交，从而形成墨水腔，并设有与轨道电接触的电极。盖板被加在组件上以提供一个总管和多个喷嘴。

Description

微滴沉积装置

技术领域

本发明涉及微滴沉积装置，尤其涉及喷墨打印头，包括制造方法和用在微滴沉积装置中的组件。

背景技术

在欧洲专利0277703和欧洲专利0278590中，公开了多通道阵列的微滴沉积装置，其适于用作按需喷墨型喷墨打印头。该多通道阵列包括一块压电材料的底板，压电材料是垂直于板接入的，板中具有一个平行凹槽的阵列，从而形成其间具有壁的敞口通道，通道的相对壁带有电极。将电脉冲施加到壁两边的电极上以垂直于极化方向(polingdirection)产生一个激励电场，使得壁在电场的方向上发生偏转，从而改变相邻通道中任何墨水中的压力。

在欧洲专利0589941中，公开了一个多通道的阵列，其中，一盖板(closure sheet)具有一个平行导电轨道的阵列，导电轨道的间距与通道的间距相同，这些轨道例如通过焊接被机械连接和电连接到通道两边的电极上。这样一种布置方式需要为盖板提供一个预先制作布线图案系统，其可处理三维压电结构。

盖板必须相对简单，从而保证精确对准、良好地限定轨道以及粘附到致动器上。墨水通过一总管组件从通道的后面供应。更多最近的喷墨结构比如WO97/39897中披露的结构已表明，这有利于通过顶盖将墨水供应到通道中。因为盖板与通道的顶壁邻接，所以它通常与壁属于同一种材料。材料的膨胀系数有任何大的差异的话，会导致壁断裂。

EP0589941中结构诸多益处中的一项在于，盖板和相连的驱动电路可在连接到开有通道的组件之前被预测试。打印头的多个准备阶段是在通道已经形成之后进行的，必须很小心地对开有通道的压电板加以处理以避免受到损害。

WO00/29217中表示了构造打印头的另一种方法。一个压电块被安装到一平基底上并锯切有通道。该基底在使用及制造过程中既起支承又起加固的压电材料的作用。导电轨道可在连接压电块之前形成在基底上。该申请意识到了难于将活性电极连接到预成形的轨道上，并通过同时在压电块上形成电极而在基底上形成导电轨道解决该问题。有时就导致难于保证在压电材料块与基底之间的边界处具有电连续性。

激光制造相对昂贵，且更适于实行不连续的、逐步进行的操作，而不适于同时形成重复的结构。现时市场中需要较大的打印头，每个打印头所带的轨道数量也增大。这就要求节省成本，且制造步骤要快。

发明内容

本发明的目的在于解决该问题和其它问题。

在本发明的一方面，提供了一种形成微滴沉积装置的方法，该方法包括的步骤有：形成一个具有一个或多个导电轨道的基底；将一个具有一顶面和一底面的压电材料的主体安装到所述基底上，所述底面覆盖在所述轨道上并与所述轨道形成电连接以激励压电材料，并且在所述安装的压电材料中形成至少一个微滴喷射腔。

有利的是，具有导电轨道的基底也可在安装压电材料之前具有组装到其上的驱动电路。可在驱动电路、轨道、基底和安装的压电材料之上沉积保护涂层，从而防止任何产生的碎屑在随后的加工步骤中影响最后的成品。

特别优选形式的压电材料是锆钛酸铅(PZT)，主体可为单一的均质板或形成为两块薄板的层压板。理想的是，PZT在安装之前被接入，这样它在受激励时就发生剪切变形。

优选的是，导电点被设在压电材料主体的底面上以改善在其上的电连接。优选通过锯切或其它方式形成凹陷来使导电点延伸到压电材料主体中。

导电点应该相互电绝缘，必要时可将连接它们的导电材料除去。这可通过任何传统的操作比如锯切、腐蚀或起离(lift-off)来实现。

在第一实施例中，凹陷填充有一种导电材料，优选是一种沉积金属。该金属可用作焊接材料，使压电主体机械连接和电连接到基底上。通过从压电主体的顶面去除物料而形成的喷射腔延伸到导电材料中。通过无电镀、真空沉积或任何其它合适的方法将一种电极材料施加到刚形成的腔室上，这样它就与凹陷中的导电材料接触。优选通过锯切来形成喷射腔。

在第二实施例中，凹陷涂有一种导电材料，但并没有被充满。随后形成的喷射腔通向对应的凹陷。如上所述沉积电极材料。

在第三实施例中，凹陷涂有一种导电材料，随后又填充有一种不导电的材料。从顶面形成的喷射腔延伸到不导电的材料中。有利的是，涂在凹陷上的导电材料用作激励电极。不导电的材料可有效地充当钝化剂，以保护导电材料不受墨水的化学侵蚀。

在所有这些实施例中，喷射腔可由一个单独的盖部件封闭，该盖部件也可充当喷嘴板。本发明同样适用于WO00/29217中的顶部喷射装置或WO97/39897中的端部喷射装置。

附图说明

下面参照附图通过示例对本发明进行描述，其中：

图1示出了现有技术中的打印头；

图2示出了沿图1中X-X方向的截面；

图3为一分解图，示出了本发明打印头的制造；

图4(a)至4(g)表示了第一实施例打印头制造时的七个阶段；

图5(a)至5(e)表示了第二实施例打印头制造时的多个阶段；

图6(a)至6(e)表示了第三实施例打印头制造时的多个阶段；

图7和8分别示出了本发明一改型形式的透视图和平面图。

具体实施方式

图1和2所示的打印头110包括接合在基底114上的PZT层压板112。PZT的两层被反向连接，如箭头119所示。正如图2最好地示出那样，导电轨道116沿着基底114延伸，并与驱动和/或控制芯片127连接。另外的轨道118给打印头提供输入端。

通道120限定了激励壁113，所述通道在被接合到基底上之前，被锯切到PZT层压板112中。沉积在各个通道中的电极125与各轨道116电接触。在一种制造方案中，设在轨道上的焊料124被加热至与电极接合。

该结构是由盖121和喷嘴板120完成的，盖121限定了墨水总管126，而喷嘴板120带有墨水喷孔122。

正如上面引用的公开文献所详细描述的那样，将喷射波形穿过轨道16施加到任何通道20内的电极11上，通过剪切模式激励PZT壁材料，使两壁13产生了V形变形。声波行经包含在通道中的墨水，从而通过喷孔22喷射出所得到的墨滴。

图3通过一分解图示出了根据本发明制造的打印头。

基底310形成有一个通常平行的导电轨道312的阵列，其与驱动和/或控制芯片314连接。在该特定的布置方式中，轨道312沿着它们的长度固定就位，转向避开了基底中的供墨孔314。而且在基底上还具有垫片316，用来提供与打印数据输入装置的外部连接。

正如下面所要详细描述的那样，一个PZT材料块318被安装在基底310上。墨水通道(未示出)随后形成在PZT材料中，通常与下面的轨道平行。这些通道中的激励电极与各轨道电连接。盖板320用于封闭墨水通道的顶部，盖板中的孔322起墨水喷孔的作用。

图4(a)至(g)在一连串的加工步骤中描述了一种根据本发明第一实施例的形成图3所示打印头的方法。

刚性基底32可由任何传统的方法设置，其上形成有平行轨道16。轨道与一驱动电路(未示出)连接，并可被探测，以便预测试所述连接。基底是由铝形成的，该材料的热膨胀系数可与PZT的相应。

图4(b)的PZT块12形成为两块反向连接的PZT板的层压板，其极化方向分别为17和19。在板的一个表面上，切割有一连串浅而平行的凹槽31，该凹槽具有T形横截面。在图4(c)中，凹槽填充有一种充满金属颗粒的固化树脂，比如含银环氧树脂。树脂被固化到“B”阶段。板被进行表面刮削或研磨，以留置一连串的导电插头30，其与板12形成一个平的表面33。

如图4(d)所示，具有轨道的基底和压电材料相接触。被填充的凹槽31和轨道16的间隔相同，从而在它们之间实现电连接。含银环氧树脂接着就进入最后固化阶段。这就可通过自身在基底32与压电材料12之间提供足够强的接合强度，但也可采用别的固定方法，比如在基底与压电材料之间设一种不导电的粘合剂，远离轨道。另外或作为一种选择，可采取一种机械夹紧的布置方式。

一起离式(lift-off)阻挡材料层34如蜡材料层被施加到与平面33相对的板12的表面上。蜡材料也可覆盖在压电材料外及驱动芯片上延伸的轨道，从而充当保护阻挡层。

如图4(e)所示，接下来的步骤是通过已知的锯切技术来形成由激励壁13分开的通道11。这些通道是以与插头30的间距相同的间距成形的，并且被切入到露出远离基底层32的插头表面35的深度。起离式材料层34仍留在各壁13的顶部。

图4(f)示出了一连续金属层20被施加到余下的起离式材料层34上及各通道的侧面和顶部。例如可采用汽相沉积、电镀或无电镀技术中的任何一种技术。在该实施例中，所采用的方法是无电镀。例如通过冲洗将起离式材料34和其上的金属层20除掉，如图4(g)所示，余下的金属层形成在相对壁和通道11底部上的电极24、25。理想的是，使基底上的芯片和轨道涂有起离式材料的保护层。

图4(h)是锯切步骤之前的侧视图。起离式涂层34位于顶面上，还分配有蜡珠滴38以保护端部。图中示出了插头30的厚度，板12反向连接部分之间的V形接合在37处表示。底板32上的导电轨道16在压电板的边缘外延伸，以与电子芯片或其它部件连接。

图4(h)还示出了一个在利用汽相沉积来形成电极24、25时采用的电镀掩模36。该掩模防止金属沉积在未被蜡34保护的轨道16的部分上。

作为一种选择，凹槽31可填充有一种焊料、被进行表面刮削并与基底32上的轨道16电连接，其可通过采用传统的薄膜技术或已知的锌酸盐处理技术由一种与焊料相兼容的材料制成，以形成焊料可附着区。

图5(a)-5(e)描述了一种根据第二实施例所述的制造方法。压电材料板12呈V形接入，并且在一个表面中切割有许多浅而平行的凹槽41。在该实施例中，凹槽的横截面呈矩形。图6a示出了通过扩散粘接工艺将铝或别的合适的金属施加到表面和凹槽上。铝在凹槽的侧面和底部上形成了层40、42，而在板12的表面上形成了层43。在图6(b)中，隔离的切口44通过铝层43形成在凹槽41之间，从而使每一凹槽41中的层41、42与相邻凹槽中的铝层隔离开。

在图5(c)中，具有多个平行轨道46的基底层32位于其适当位置上，轨道46的宽度横跨凹槽41任一边上余下的铝层43，和位于与轨道46之间基底32的隔离区相邻的隔离切口44。层32和板12通过一种适当的夹紧布置方式固定在相对的位置上，并在高温下位于一个真空腔中以允许在铝层41和铝轨道46之间进行扩散粘接。这种扩散粘接既提供了压电材料与基底之间所需的电连接，又提供了实体粘接。

在图5(e)中，通道11是通过锯切形成的，它们之间的间距与凹槽41的间距相同，并具有将各凹槽41底部上的铝层42去除的深度。如图5(d)所示，各通道11的侧面通过传统电镀工艺在通道中被电极47覆盖到使层47与层40重叠的深度。如在前述实施例中那样，使用一起离式层。

因此，可通过铝轨道46、铝层40以及电极47将电激励脉冲施加到激励壁13上。

根据本发明第三实施例所述的制造步骤在图6(a)-6(e)中示出。在图6(a)中，一层压板60包括两层如箭头所示反向连接的压电材料板62、64。平行凹槽66的第一阵列穿过板62的表面68形成并延伸到板64中。和图5的实施例中一样，通过一种适当的公知技术施加一金属层70如铜层。每个喷镀金属的通道填充有一种可固化的填料，比如一种充有陶瓷的环氧树脂。与现有技术相比，每个通道66中的填料使得层压板的脆性相当小，这样就容易在随后的加工步骤中进行加工处理。

接着，从板68的底面上清理过多的填料，这样就露出每个通道上金属层70的边缘。通过一种液体沉积方法比如电解电镀沿着每个通道上金属层70的暴露边缘沉积镀金凸起74。在本说明书中，术语“凸起”表示一个凸出的导电点比如金属区，用于形成电连接。

在该阶段中，在制造过程中，可在每个通道的一对凸起74与测试设备(未示出)之间建立起暂时的电连接。可通过通道对通道(channel-by-channel)测试通道壁和底座上金属层的完整性。电容测量可有效地提供接入的PZT上的有效测试数据。当允许在制造过程中在相对早的阶段中去掉有缺陷的喷镀金属的PZT板时，这一点是重要的。

图6(b)表示了一基底层80，它带有一个平行导电轨道8 2的阵列，这些轨道的间距与第一阵列中的通道66的间距相同，每个轨道82要比每个通道66宽，这样就横跨通道66相对壁上金属层70边缘处的镀金凸起74。轨道82可为焊制轨道。

基底层80可带有驱动芯片和控制芯片(未示出)，或单片提供两者功能的芯片。这些芯片可采用多种方式连接，例如采用称作“倒装片”的技术。可采用任何其它必要的加工方式，尽管它们可能涉及到对接入的PZT产生损害的高温。基底层及其所携带的电子元件可在连接到PZT材料上之前进行电测试。

可通过比如用胶粘剂定向压制的技术或通过焊接来实现每一导电轨道与镀金凸起74之间的电连接。

在图6(c)中，通道76的第二阵列形成在板64的表面中；第二阵列中的各通道76要比第一阵列中的各通道76窄，并且两阵列互相对准。通道76具有使填料层78形成各通道底座的深度。

压电材料的顶面可被研磨至这样的深度，即，如图6(d)所示，除去露出喷射通道的导电材料。这就形成了打印头结构，其中电极通过一厚钝化层与喷射腔中的流体隔离。仔细选择不导电的材料可提高打印头的喷射性能。

显然，在制作过程的大多数步骤中，PZT板62、64中的通道66被填料填充，这样部件就更坚固，与现有技术的制造过程相比，也就更容易操纵了。

如图6(e)所示，将一盖板90加在PZT板的顶面上以封闭墨水通道66。该盖板中容纳有一个大致呈L形状的供墨总管92。适当地接合在PZT板端面上的喷嘴板94提供了多个墨水喷嘴96。

显然，从图中的横截面来看，用于形成通道68的圆锯可方便地留置一个弧形流出区98。该区域在供墨总管92与各通道的作用区之间提供了墨水管道。

图6(e)中还示出了控制或驱动芯片100。

在上述实施例中，PZT材料位于平行轨道的一个阵列上，通道随后形成在PZT中以提供覆盖在各轨道上的喷射腔。应该理解的是，轨道不必在所有实施例中沿喷射腔的全长延伸。还可考虑轨道不与喷射腔平行的布置方式。

这样，如图7所示，基底704上的轨道702垂直于PZT块708中形成的墨水通道706延伸。图8缩小比例地示出了轨道702是怎样用作同样支承在基底上的集成电路710的连接件的。图8用虚线示出了PZT块708的轮廓。

在该布置方式中，将点状的连接插头712代替了在上述实施例中描述为沿着各通道的长度延伸的连接插头或接触层。这些插头是通过钻进PZT材料的底面中并且沉积导电材料形成的。如图8所示，插头712是这样定位的，即，使每个通道电极相连并仅与相对应的轨道702互连。必要时，PZT材料的底面可在形成插头712之前涂敷柔韧的绝缘材料，这样就避免了轨道和通道电极的交叉接合。

已参照附图对本发明作了说明，但本发明当然不受这些实施例的限制。在不同实施例中以特定组合描述的特征也可有效地以不同的组合进行组合。这一公开的内容应被认为是所有这些组合的扩展。可作出多种进一步的改进而不脱离权利要求的范围。这样，虽然将两腔壁的V形偏转描述为一种墨滴喷射技术，但也易于采用例如在引用的参考文献中披露的可供选择的技术。在所谓的“顶部喷射”结构中，设在压电材料顶面上的盖板提供了墨水喷嘴，或者直接提供或借助于一块单独的喷嘴板。可在腔室的一端或两端处或靠近其的位置上设置适当的供墨总管。在“端部喷射”的布置方式中，盖板可是平坦的或可包含供墨总管。这就可从一公共墨水源向所有腔室供应墨水或可向各组墨水腔供应例如不同颜色的墨水。喷嘴板一般可固定在腔室的一端，而腔室的另一端被封闭或与一墨水总管相通。

虽然所使用的铝基底具有与PZT相匹配的热特性的优点，但也可采用其它基底材料。在某些应用场合中，柔韧的基底可带来显著的优点。

已采用喷墨打印头的示例来对本发明作出说明。应该理解的是，可采用其它形式的微滴沉积装置来实施相同或相似的技术。

将所有参照文献尤其是专利申请引用并入到本申请中。

Claims (43)

1.一种形成微滴沉积装置的方法，该方法包括的步骤有：形成一个具有一个或多个导电轨道的基底；将一个具有一顶面和一底面的压电材料的主体安装到所述基底上，所述底面覆盖在所述轨道上并与所述轨道形成电连接以激励压电材料，并且在所述安装的压电材料中形成至少一个微滴喷射腔。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基底在安装上所述压电材料之前还包括集成电路连接垫片，其与各导电轨道互连并用于安装一集成电路。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基底在安装上所述压电材料之前还包括一集成电路，其具有与各导电轨道互连的端子。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，在将所述压电材料安装到所述基底上之前包括的附加步骤为在所述压电材料的底面上设置一个或多个导电点。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，设置导电点的步骤包括在所述压电材料的所述底面上形成一个或多个凹陷并使导电材料定位在所述凹陷中。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，凹陷是通过去除压电材料形成的。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，凹陷填充有一种导电材料。

8.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，导电材料的一涂层位于所述凹陷中。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述一个或多个凹陷随后被填充有一种不导电的材料。

10.如权利要求4-9中任一项所述的方法，其特征在于，导电材料被施加到所述压电材料的底面上，从而形成一个或多个凸起的导电点。

11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷射腔是通过将压电材料去除而形成的。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述喷射腔是通过将通道锯切到压电材料的顶面中而设置的。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，至少一个所述通道贯穿所述压电材料成为相应的一个凹陷。

14.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括的步骤有，将一种电极材料施加到所述喷射腔的壁上。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述电极材料实现了与所述导电材料的电接触。

16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述压电部件经受进一步加工处理步骤以从顶面去除压电材料。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述进一步的加工处理步骤为研磨。

18.如前述权利要求中任一项所述的形成一种微滴沉积装置的方法，其特征在于，将一个盖部件安装到压电材料的主体上以封闭喷射腔。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，盖部件包含一个微滴液体供应总管。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，盖部件包含一个或多个可通过其喷射微滴的喷孔。

21.一种微滴沉积组件，它包括：一个在其上具有一个或多个导电轨道的基底；一个安装在基底上的具有一顶面和一底面的压电材料主体；以及多个从所述顶面延伸到所述压电材料中的敞口喷射腔；其中，所述导电轨道在所述压电材料的底面下延伸。

22.如权利要求21所述的组件，其特征在于，至少一个导电点被设在所述压电材料的所述底面上，并且，所述至少一个导电点中的每一个都与所述一个或多个轨道中相对应的一个电连接。

23.如权利要求22所述的组件，其特征在于，所述至少一个导电点延伸到所述压电材料中。

24.如权利要求22或23所述的组件，其特征在于，所述至少一个导电点包括一个含导电材料的凹陷。

25.如权利要求24所述的组件，其特征在于，所述凹陷填充有填料。

26.如权利要求25所述的组件，其特征在于，所述填料导电。

27.如权利要求26所述的组件，其特征在于，所述填料是一种含金属的粘合剂。

28.如权利要求25所述的组件，其特征在于，所述填料不导电。

29.如权利要求22或23所述的组件，其特征在于，所述至少一个导电点包括一填充有一层导电材料的凹陷。

30.如权利要求22-29中任一项所述的组件，其特征在于，所述至少一个导电点从所述压电材料的所述底面中突出。

31.如权利要求30所述的组件，其特征在于，所述至少一个导电点为一镀金凸起。

32.如权利要求21-31中任一项所述的组件，其特征在于，所述压电材料和所述基底通过一种单一材料机械连接和电连接。

33.如权利要求32所述的组件，其特征在于，所述单一材料是一种各向异性的导电粘合剂。

34.如权利要求32所述的组件，其特征在于，所述单一材料是一种焊料。

35.如权利要求22-34中任一项所述的组件，其特征在于，所述至少一个导电点通过穿过导电材料的切口彼此电绝缘。

36.如权利要求24-28中任一项所述的组件，其特征在于，所述凹陷是一锯切口。

37.如权利要求22-36中任一项所述的组件，其特征在于，所述多个敞口喷射腔延伸到所述压电部件中可与相对应的一个所述导电点相接触的深度。

38.如权利要求37所述的组件，其特征在于，一种电极材料被施加到所述喷射腔的壁上。

39.如权利要求24-28中任一项或权利要求36所述的组件，其特征在于，所述敞口喷射腔要比所述凹陷窄。

40.如权利要求28所述的组件，其特征在于，所述敞口喷射腔延伸到所述不导电材料中。

41.如权利要求40所述的组件，其特征在于，压电材料的顶面被去除到这样的深度，即，凹陷中的导电材料通过不导电材料与喷射腔隔离。

42.如权利要求21-41中任一项所述的组件，其特征在于，压电材料是PZT。

43.一种微滴沉积装置，包括一喷嘴板和/或一盖板，从而封闭如权利要求21-42中任一项所述的组件的敞口腔。

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