CN1612809A - 微滴沉积装置 - Google Patents

Abstract

微滴沉积装置包括多个平行的通道，每个至少部分由压电材料的相向侧壁来界定，以及电极装置，用来将电场应用给选定的侧壁。电极装置通过沿着侧壁延伸的凹槽内的连接轨道连接到电驱动电路。

Description

微滴沉积装置

本发明涉及微滴沉积装置，和制造该装置的方法。

图1至图3分别以透视图和截面图示出一种典型的喷墨打印头8，它含有以切变模式运作的压电式壁面致动器(wall actuators)，例如从US-A-5 016 028中可以了解到。它包括一个压电材料基体10，被放在电路板12上，仅其中表示连接轨道(connection tracks)14的一部分被示出。

多个平行凹槽形成于基体10中，延伸到压电(PZT)材料层内，例如，如同US-A-5016028中所描述的。每个凹槽包括一个前端部分，它比较深，以提供墨水通道20，它们由致动器的相反壁面22隔离，这些壁面具有共平面的顶面；和一个后端部分，它比较浅，为连接轨道提供位置23。前端和后端部分由通道的一个“弯曲面(runout)”部分R连接，其半径由用来形成通道的切削圆盘的半径决定。

在凹槽形成之后，用氮化硅“预先钝化”这些壁面。这样做的目的是为了在应用电极之前，给壁面的非活性部分覆盖上一薄层(1μm)低电介质材料。意图成为活性(active)的壁面部分被遮掩，不预先钝化。利用硅烷、氮和氩的等离子体，通过电子回旋共振化学蒸汽沉积来施用氮化硅。回旋辐射以这样一种方式激发等离子体，以产生有很低的氢含量的氮化硅的沉积，而不产生过度的热量，以不超过PZT的Curie温度。

如图3所示，预先钝化之后，金属镀层沉积在凹槽中，以在墨水通道20的相向面的前端部分提供电极26。电极从壁面的顶部大约延伸到通道高度的一半(图3(a)和(b))。镀层还在后端部分提供连接轨道24，它连接到每个通道20的电极26(图3(c))。壁的顶部无金属镀层，因此，电极26构成各个通道的分离的致动电极。

在沉积和用氮化硅的钝化剂层覆盖基体10之后，该钝化剂层作为离子和电子障壁使电极部分与墨水隔离开从而免受腐蚀，基体10如图1所示被固定在电路板12上，并制作粘合漆包线连接28，以将基体部分10上的连接轨道24连接到电路板12上的连接轨道14。

一个盖子16被粘到致动器壁面22的顶部，从而形成多个“封闭”通道20。在一端，每个通道通过盖子16中的窗口27来获得墨水补充。在每个通道的另一端，有一个喷嘴30，它可以(有利地通过UV受激准分子激光器烧蚀)形成于粘到打印头的喷嘴板17中。

在该例子中，通过窗口27从一个墨水供应源中释放墨水，墨水从窗口被吸入到墨水通道20，再到喷嘴30，由此操作打印头。例如，如同从EP-A-0 277 703所了解的，在通道壁的任一侧的电极上恰当地应用电压波形，导致在壁间建立一个电势差，这又引起通道壁的极化压电材料以切变模式变形，并引起壁面相对于各自的通道横向偏斜。因此，界定墨水通道的一个或两个壁面可能偏斜。沿着顶端和底端分别被基体和盖子封闭以及两侧被各自的通道壁封闭的那个通道的长度，壁面的运动在墨水中建立一个声压波。这个长度被叫做通道的“活性”长度(active length)，并在图1和2中被标注为“L”。声压波沿着通道的长度传播，并从那里喷射出墨滴。

预先钝化的基本原理如下：由于PZT具有一个极高的介电常数，所以壁间的电压差大多数出现在氮化硅层上，很少出现在PZT上。结果，壁面的非活性部分的杂散电容被最小化，这减小了电流并使得驱动片较易获得一个快速上升时间。此外，顶部开口的壁面不是很坚硬，它们没有预先钝化时，将会在打印头的歧管(manifold)区域引起无用的声波。

而且，通过阻止PZT的不必要部分的致动，预先钝化防止打印头的热量的过度积聚，从而减少打印操作过程中所产生的总热量。如同在我们的共同在审的国际专利申请号PCT/GB01/00652中所公开的，一个散热片可被粘在盖子组件16的顶部，用来驱散墨滴喷射过程中在通道中所产生的热量。然而，在图1中所示的配置中，通过盖子组件16提供墨水供应的要求，限制了散热片覆盖通道的程度，从而限制了可从墨水通道向散热片转移的热量。

本发明试图解决这一问题和其它问题。

一方面，本发明提供微滴沉积装置，它包括许多平行的喷射通道，每个至少部分地被压电材料的对向侧壁界定；和电极装置，用于将电场施给选定的那些侧壁，其中电极装置通过位于凹槽内的连接轨道连接到一个驱动电路，该凹槽沿着界定喷射通道的侧壁的边缘延伸。

为了排除沉积过程中墨水通道中所产生的过多热量，本发明已经意识到了这个期望，提供一个覆盖于盖子组件的整个表面的散热片，因而根据盖子组件重新布置墨水供应。然而，在图1至3中所示意的布置中，提供电路板12和在墨水通道后端提供粘合漆包线连接28的必要性意味着，墨水供应源不能方便地被重放到墨水通道的后端，而不妨碍这些连接。

当本发明的连接轨道位于沿着墨水通道的侧壁边缘延伸的凹槽内，就是说，不是沿着图3(c)所示的通道后面的底部延伸时，这些轨道与驱动电路的连接可由一种替代的方法来实现，例如，利用粘合到墨水通道侧壁的后表面的胶带。这种粘合把基体部分10上的连接轨道24连接到电路板12上的连接轨道14，比上文所述的粘合漆包线连接28执行起来容易一些，并且不会妨碍通道后端的墨水供应的安排。因此，现在盖子组件的整个上表面都可以接触散热片，用于装置的有效冷却。

优选地，每个凹槽包括一个大体L形(即，具有一个底面和一个单侧壁)槽或缺口，沿着侧壁的各自边缘延伸。在一个实施方案中，连接轨道仅沿着L形槽的底面延伸。当连接轨道不再沿着通道的侧壁延伸，而是被安置在沿着墨水通道的侧壁边缘延伸的凹槽的底面时，就不再需要在电极沉积之前预先钝化通道壁。因此，一个歧管可被固定在盖子组件中，以使墨水能够供给通道；当连接轨道不位于通道顶端开口部分的对向侧壁上时，就不存在与通道的这些部分的墨水中所产生的声波相关联的问题。

在一个实施方案中，每个壁有一个沿着其一侧延伸的凹槽，一个位于凹槽内的连接轨道，它将驱动电路连接到固定在侧壁的那一侧上的电极装置。在另一个实施方案中，每个壁有沿着其相向侧延伸的凹槽，连接轨道位于凹槽内，它将驱动电路连接到固定在那个壁的相向侧壁上的各个电极装置。

优选地，每个通道由对向侧壁和一个在侧壁间延伸的底面来界定，其中通道的敞开侧由一个固定到侧壁的盖子沿着活性通道的长度来封闭。优选地，底面由一个基体来界定，基体和侧壁是一个整体。

该装置优选包括液体供应装置，它被用来给通道供应液体，以补充通道所喷射的墨滴。在一个实施方案中，定义了每个通道的喷射喷嘴的喷嘴板位于通道的一个末端，液体供应装置位于通道的另一端。

连接轨道适合由电导浆料组成。

另一方面，本发明提供一种制造微滴沉积装置的方法，该方法包括以下步骤：

在一块压电材料板中形成许多具有第一深度的第一平行通道；

将电导材料沉积在第一通道内；

在那块压电材料中形成许多第二平行通道，与第一通道平行着延伸，并且具有大于第一深度的第二深度，每个第二通道的对向侧壁中的至少一个侧壁位于各自的第一通道内，并且偏移那个第一通道的一个侧壁；和

有选择地将电极材料沉积在每个第二通道的对向侧壁中的至少一部分上，以便接触第一通道的剩余部分内的电导材料，从而使电信号能够被传送到第二通道壁的电极，以达到致动目的。

优选地，沉积电导材料的步骤包括将材料沉积在那块压电材料的整个表面上，随后移除沉积在第一通道壁的顶面的材料。在优选的实施方案中，通过机器加工来移除该材料。

优选地，一个盖子被粘合到板子上，以封闭沿活性长度的通道部分，和一个散热片可被粘在盖子上。

在一个实施方案中，将电导材料沉积在第一通道内之前，许多垂直相交于第一通道的第三平行通道形成在那块压电材料板中，随后电导材料沉积在第一和第三两个通道内。

该方法可包括以下步骤，沿着平行于第三通道和相交于电极的第一截面线划分那块板子，以及沿着平行于第三通道和相交于各自的第三通道的第二截面线划分板子，这样，沉积在第三通道的材料段为将电极电连接到外部驱动电路提供位置。优选地，一个喷嘴板应用在第一截面线的位置，以定义喷射墨滴的喷嘴。优选地，液体补充装置在第二截面线的位置。

在优选的实施方案中，通道是通过从板子中移除材料而形成的，例如通过锯。

上文有关本发明的方法方面所述的特点可应用于装置方面，反之亦然。

以实施例的方式，参考附图进一步阐释本发明。

图1是一种形式的传统喷墨打印头的透视图；

图2是沿着图1的线A-A所做的图1的打印头的截面图；

图3(a)，(b)和(c)是分别沿着图1的线B-B，C-C和D-D所做的图1的打印头的部分截面图；

图4至9是示意本发明的第一实施方案的打印头的形成步骤的透视图；

图10是沿着图9的线E-E所做的图9的打印头的截面图；

图11(a)和(b)是分别沿着线F-F和G-G所做的图10的打印头的部分截面图；

图11(c)和(d)是除了导电材料填充沿着通道壁所形成的凹槽之外，分别类似于图11(a)和(b)的那些的截面图；

图12至16是示意本发明的第二实施方案的打印头的形成步骤的透视图；

图17是沿着具有附加盖子组件的图16的线H-H所做的图16的打印头的截面图；

图18是划分后的图17的打印头的透视图(盖子被移除)；和

图19是示意本发明的第三实施方案的打印头的形成步骤的截面图。

现在将参考图4至11描述本发明的第一实施方案的打印头的形成步骤。

首先参考图4，提供诸如锆钛酸铅(PZT)的一块压电材料板100。PZT板100包括两层PZT，一层沿着Z方向极化，另一层沿着相反方向极化。许多侧面基本平行的浅的第一通道102形成在PZT板100中，例如通过在PZT板100上切削或以其它方式形成矩形横截面的凹槽(仅为了简单起见，在图4中仅示出八个第一通道)。可利用装在一个公共轴上的平行的金刚砂浸渍盘，或通过激光切割来执行切削。在这个实施方案中，第一通道102的宽度为65μm，深度为30μm，第一通道102间的间隔基本上等于随后形成于PZT板100中的墨水通道的间隔(大约为140μm)。

参考图5，在第一通道102形成之后，许多侧面基本平行的交叉通道104同样形成在PZT板100中，与第一通道102基本正交。在这个实施方案中，交叉通道104的宽度也为65μm，但深度扩展到100μm，相邻交叉通道104之间的间隔为3mm。

随后PZT板100的整个顶部表面被覆盖上电导材料106，以完全填充通道。为了不去极化PZT板100，使用低温最好是室温固化的浆料，例如，如同来自荷兰Scheemda，Acheson Coloiden BV的，题为“ProductData Sheet On Screen-Printable Ag，Ag/AgCl and C pastes”的手册中所描述的。在固化之后，从位于通道间的板子100顶面108上移除该浆料，例如通过微加工。在一个实施方案中，得到的结构在图6中被示出，该浆料有效地覆盖第一通道102和交叉通道104的壁面。在另一个实施方案中，该浆料有效地填充第一通道102。

用来沉积电导材料106的其它合适的方法包括化学镀层的镍电镀、喷镀等等。

参考图7，许多深度均匀的侧面基本平行的第二通道110形成在PZT板100中。这些第二通道110提供墨水喷射通道。墨水通道110与第一通道102基本平行，宽度(大约为65μm)与第一通道102相同，墨水通道110相对于第一通道102微微偏离大约20μm的距离，因此每个墨水通道110的一个壁面112形成在第一通道102内，每个墨水通道110的另一个壁面118形成在第一通道102之间。这导致每个墨水通道110有一个深度为20μm的85μm宽度，而其剩余部分的宽度为65μm，具有包含一个沿其整个长度延伸的凹槽114的一个壁面112，位于凹槽114内的一个电导材料的轨道116，以及为平面的另一个通道壁面118。

如图8所示，金属电极120随后沉积在墨水通道110的每个壁面112、118的前面的活性区域。在金属化之前，掩模形成于不需要诸如铝的电极材料的地方；随后，一个起离(liftoff)移除不需要电极的地方的掩模和铝。可以选择的是，可以应用一条瞄准金属蒸汽沉积(sight metalvapour deposition)线来沉积金属电极。当PZT板100包括两个反向极化的压电材料层时，墨水通道110的壁面112、118用作被称作“V形(chevron)”类型的壁面致动器，这例如是欧洲专利号0277703和0278590的主题，其公开在此引用作为参考。这些致动器被认为是有优势的，因为在操作过程中它们需要较低的激励电压，便能在墨水通道中建立相同的压力。为了将沉积在侧壁112、118上的电极材料连接到轨道116，电极材料延伸至侧壁112、118的整个深度，并在墨水通道110的活性部分的底面上扩展。

金属化之后，实施氮化硅钝化以提供离子和电子障壁，以防止轨道116和电极120被墨水腐蚀。然后，参考图9和10，一个盖子组件122被粘到通道壁的顶面108。盖子122形成有一连串的平行底切(undercuts)124，它们用于定义每个墨水通道110的活性长度L(大约1mm)。

到目前为止的所有这些处理都在晶片范围内执行，这样大量打印头可以同时被制成。在这个阶段，打印头沿着相交于电极120的第一截面线F-F和相交于交叉通道104的第二截面线G-G被切开。参考图11(a)，沿着线F-F的切断提供了一个平坦的前表面126，没有用一薄层粘合剂把类似于图1中所示的喷嘴板粘到其上面的金属镀层或浆料。参考图11(b)，沿着线G-G的切断暴露了墨水通道110的侧壁的后表面128，每个表面128在其上面形成有一个粘合垫130(在电导浆料沉积在交叉通道104内的过程中形成)，它被电连接到各自的轨道116。粘合垫130为电连接提供便利位置，例如通过胶带进行电连接，将轨道116电(各向异性)粘合到驱动电路，通过例如图1中所示的连接28给电极120提供激励电压。一个墨水供应(未示出)然后被连接到通道110的后端，以给通道供应墨水，并且一个散热片(未示出)被安装在盖子122的顶部。

如同早先提到的，对于浆料有效地填充凹槽114的实施例来说，图11(c)和11(d)等同于图11(a)和11(b)。

通过沿着浅凹槽114定位连接轨道116，该浅凹槽114是沿着墨水通道110的壁面112的完全封闭的顶部边缘形成的，就没有必要预先钝化墨水通道的壁面112、118。此外，当墨水供应位于通道的后端时，盖子122的整个顶面便能够粘合到散热片，从而提高打印头的冷却。与图1和2中所示的先有技术的打印头相比，不需要从盖子的后表面提供任何向后的压电材料“弯曲(run out)”，以提供一个用于轨道116到驱动电路的电连接的位置，从而减少了形成打印头所需要的压电材料量。

现在将参考图12至17来描述本发明的第二实施方案的打印头的形成步骤。

深度大约为20μm，宽度为85μm的浅的第一通道102形成在PZT板100中。与第一实施方案不同，随后形成具有倾斜的侧壁和深度为40μm的凹交叉通道104，其与第一通道102基本正交，如图12所示。然后，以垂直入射的角度(90°)将金属真空沉积到板子顶面106，在这个金属化过程中，诸如铝的金属沉积在凹交叉通道104的倾斜面和底面，以及第一通道102的底面和板子100的顶面106。如同在第一实施方案中，然后通过微加工从板子100的顶面106移除金属，这样金属只剩留在通道102和104内，如图13所示。作为选择，在金属化过程中，顶面106可被遮掩。还像在第一实施例中，在金属化过程中，第一通道102可充满金属。

参考图14，许多具有变化深度的侧面基本平行的第二通道110形成在PZT板子100中。每个通道110的宽度为65μm，并且与各个第一通道102中心对齐，这样便在通道110的任一侧形成宽度为10μm和包含金属轨道116的凹槽114。通过用金刚石/金属切割刀来锯或切割，使每个通道形成在一个通路中，刀片深度在沿着通道的通路中变化，这样，每个通道110具有一个比较深的中心部分，以提供一对背靠背的墨水通道，每个有相对浅的端部，类似于上文参考图1和2所述的凹槽20。

参考图15，利用上文所述的掩模和金属化，将电极120形成在墨水通道的对向侧壁上。在这个实施方案中，每个墨水通道110的对向侧壁上的电极120没有与通道的底面连接起来，电极120延伸到墨水通道深度的大约一半。如图16所示，随后形成的凹槽140与第一通道102平行，并穿过交叉通道104在顶面106间延伸，由此界定出交叉通道104内的一连串粘合垫130。

如图17所示，盖子组件122随后附着到通道的顶部106。不同于第一实施方案，而类似于参考图1和2所描述的先有技术的打印头，盖子组件122具有形成于其内部的窗口142，使墨水能够供应到墨水通道110。然后，沿着第一截面线I-I和第二截面线J-J进行切割，每条截面线I-I通过其各自的交叉通道104的中心，每条截面线J-J通过电极120的中心。如图18所示，每个分段粘合垫130提供一个电连接点，分别把与墨水通道112相关联的连接轨道116和电极120连接到驱动电路(未示出)。

在这个第二实施方案中，与第一实施方案不同，墨水供应仍然是通过盖子组件，如同较早描述的先有技术的打印头。然而，这个第二实施方案与第一实施方案共享的特点是，不需要在连接轨道116形成之前实施通道的预先钝化，因为连接轨道不位于墨水通道110的对向侧壁上。

将会理解到，在上文仅仅是以实施例的方式描述了本发明，并且可以在本发明的范围内做细节上的更改。

例如，参考图19，第一实施方案的电极120可形成于墨水通道110的相向侧壁的中央，如同第二实施方案中的。利用形成于盖子122中的凹槽对124，和沿着通过沉积电极120的中心把墨水通道110一分为二的线F-F和沿着通过凹槽104的线G-G执行的切割，装置被分为相向的打印头，如同在第二实施方案中，每个打印头的墨水通道的活性长度如同在第一实施方案中，是由盖子122中凹槽124的定位来控制。

在本说明书(其项目包括权利要求)中公开的和/或附图中示意的每个特点可加入到本发明中，而独立于其它公开的和/或示出的特点。

Claims (24)

1.微滴沉积装置，包括多个平行的喷射通道，每个至少部分由压电材料的相向侧壁来界定，以及电极装置，用来将电场应用到选定的侧壁，其中该电极装置通过位于凹槽内的连接轨道连接到驱动电路，该凹槽沿着界定该喷射通道的侧壁的边缘延伸。

2.权利要求1所述的微滴沉积装置，其中每个凹槽包括一个大体L形的凹槽，其分别沿着一个侧壁的边缘延伸。

3.权利要求1或权利要求2所述的微滴沉积装置，其中每个壁有一个沿着它的一个侧面延伸的凹槽，一个位于所述凹槽内的连接轨道，将所述驱动电路连接到所述壁的那个侧面上的电极装置。

4.任何前述权利要求所述的微滴沉积装置，其中每个壁有沿着它的相反侧面延伸的凹槽，位于所述凹槽内的连接轨道，将所述驱动电路连接到那个壁的所述相反侧面上的各个电极装置。

5.任何前述权利要求所述的微滴沉积装置，其中每个连接轨道在位于侧壁的末端表面的电末端处终止。

6.任何前述权利要求所述的微滴沉积装置，其中每个通道由所述相向侧壁和在所述侧壁间延伸的底面来界定，和其中所述通道的敞开侧被一个固定在所述侧壁的盖子封闭一个活性通道长度。

7.权利要求6所述的微滴沉积装置，其中所述底面由一个基体来界定，所述基体和所述侧壁是一个整体。

8.权利要求6至7中的任何一个所述的微滴沉积装置，其中一个散热片被粘在所述盖子上，以驱散墨滴喷射过程中所产生的热量。

9.任何前述权利要求所述的微滴沉积装置，包括液体供应装置，其用于向所述通道供应液体，以补充从所述通道喷射的液滴。

10.权利要求9所述的微滴沉积装置，其中一个定义了每个通道的喷嘴的喷嘴板位于所述通道的一端，所述液体供应装置位于所述通道的另一端。

11.任何前述权利要求所述的微滴沉积装置，其中所述连接轨道由电导浆料形成。

12.制造微滴沉积装置的一种方法，该方法包括下列步骤：

在一块压电材料板子上形成多个具有第一深度的第一平行通道；

将电导材料沉积在所述第一通道内；

在所述板子中形成多个第二平行通道，与所述第一通道平行着延伸，并且具有大于所述第一深度的第二深度，每个所述第二通道的相向侧壁中的至少一个位于各自的第一通道内，并偏移那个第一通道的一个侧壁；和

有选择地将电极材料沉积在每个所述第二通道的所述相向侧壁的至少一部分上，以便接触所述第一通道的剩余部分内的电导材料，从而使电信号能够被传送到第二通道壁面的所述电极，由此激活它。

13.权利要求12所述的方法，其中沉积所述电导材料的步骤包括把所述材料沉积在所述板子的整个表面上，和随后移除沉积在第一通道的壁的顶面上的材料。

14.权利要求13所述的方法，其中所述材料通过机械加工来移除。

15.权利要求12至14中的任何一个所述的方法，其中一个盖子粘合到所述板子，以封闭一个活性长度的所述通道部分。

16.权利要求15所述的方法，其中一个散热片粘合到所述盖子上。

17.权利要求12至16中的任何一个所述的方法，其中在电导材料沉积到第一通道内之前，多个垂直并交叉于第一通道延伸的第三平行通道形成于所述板子内，所述电导材料随后沉积在所述第一和第三两个通道内。

18.权利要求17所述的方法，包括以下步骤，沿着与所述第三通道平行并与所述电极相交的第一截面线切割所述板子，和沿着与所述第三通道平行并与各自的第三通道相交的第二截面线切割所述板子，这样，沉积在所述第三通道中的材料段为所述电极与外部驱动电路的电连接提供位置。

19.权利要求18所述的方法，其中喷嘴板应用在第一截面线的位置处，以界定用于微滴喷射的喷嘴。

20.权利要求18或19所述的方法，其中液体补充装置被放在第二截面线位置处。

21.权利要求12至20中的任何一个所述的方法，其中所述通道是通过从所述板子移除材料来形成的。

22.权利要求21所述的方法，其中所述通道是通过锯来形成的。

23.微滴沉积装置，它主要是参考附图10或17来描述的。

24.微滴沉积装置的制造方法，它主要是参考附图4至11或附图12至17来描述的。

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