CN1638967A - 具有与喷嘴腔墨水电绝缘的热弯曲致动器加热元件的喷墨打印头 - Google Patents

Abstract

一种包括若干形成在基底上的喷嘴装置的喷墨打印头。每个喷嘴装置包括：一喷嘴腔，一喷嘴口，墨水从喷嘴腔穿过该喷嘴口被喷出，一在喷嘴腔中的可移动元件，该元件与墨水接触从而喷射墨水和一热弯曲致动器。所述热弯曲致动器具有一锚定到基底上的近端和一连接到所述可移动元件的远端。该致动器包括一第一部分和一第二端部分，所述第一部分邻近所述近端且具有一用于加热所述致动器的导电性加热电路层，所述第二端部分延伸到所述可移动元件且与墨水腔中的墨水接触。一绝缘槽将所述第一和第二部分彼此电绝缘，从而所述加热电路层中的电能不会被致动器传导到所述墨水。

Description

具有与喷嘴腔墨水电绝缘的热弯曲致动器加热元件的喷墨打 印头

技术领域

本发明涉及例如喷墨打印机这样的微机电装置的结构，并具体公开了一种与液体容器电绝缘的方法。

背景技术

进来，例如在PCT申请PCT/AU98/00550中，本申请人提出了一种喷墨打印装置，其在用于从喷嘴腔中喷射液体的热弯曲致动器型装置的结构中，采用了一种微机电(MEMS)处理技术。

在任何这种热致动器型装置中，通常采用的技术是经由一选择性电阻加热元件操作热弯曲致动器。在液体供应附近采用导电性加热元件可能产生问题，从而所述液体供应干扰导电元件和电解产物中的电子流。这样可发生致动器的常规故障，从而导致突变失效。

发明内容

本发明公开了一种包括若干形成在基底上的喷嘴装置的喷墨打印头，每个喷嘴装置包括：

—喷嘴腔，

—喷嘴口，墨水从喷嘴腔穿过该喷嘴口被喷出，

—在喷嘴腔中的可移动元件，该元件与墨水接触从而喷射墨水，

—热弯曲致动器，其具有一锚定到基底上的近端和一连接到所述可移动元件的远端，该致动器包括一第一部分和一第二部分，所述第一部分邻近所述喷嘴腔之外的近端且具有一用于加热所述致动器的导电性加热电路层，所述第二部分延伸到所述可移动元件且与所述墨水接触，

其中，所述致动器包括一绝缘装置，用于将所述第一和第二部分彼此电绝缘，从而所述加热电路层中的电能不会被致动器传导到所述墨水。

优选的是，所述绝缘装置包括一延伸过所述热弯曲致动器的槽。

优选的是，所述导电性加热电路层基本上为平面。

优选的是，所述导电性加热电路层基本上包括氮化钛。

优选的是，所述导电性加热电路层包括至少一个与所述近端相邻的锥形部分，其被安装以增加与所述近端的阻热性。

优选的是，所述可移动元件为一喷墨叶片，其位于所述喷嘴腔中，且可朝着所述喷嘴口移动，以喷出墨水。

优选的是，所述可移动部分包括喷嘴口，且朝着基底移动，以使墨水穿过喷嘴口喷出。

优选的是，每个喷嘴装置包括一限定喷嘴口的冠部，和一从所述冠部垂下的裙边部，该裙边部构成喷嘴腔外周壁的第一部分。

优选的是，所述打印头包括一墨水进入孔，其限定在喷嘴腔的底板和围绕上述孔的围壁，并限定喷嘴腔的外周壁的第二部分。

优选的是，所述裙边部可相对于基底移位，且所述围壁用作抑制装置，用于抑制墨水从腔中泄漏。

优选的是，所述绝缘装置位于喷嘴腔的外部。

另外，本发明还披露了一种包括若干形成在基底上的喷嘴装置的喷墨打印头，每个喷嘴装置包括：

—喷嘴腔，

—喷嘴口，墨水从喷嘴腔穿过该喷嘴口被喷出，

—在喷嘴腔中的可移动元件，该元件与墨水接触从而喷射墨水，

—热弯曲致动器，其具有一锚定到基底上的近端和一连接到所述可移动元件的远端，该致动器包括一第一部分和一第二部分，所述第一部分邻近所述喷嘴腔之外的近端且具有一用于加热所述致动器的导电性加热电路层，所述第二部分延伸到所述可移动元件且与所述墨水接触，

其中，所述第一和第二部分彼此电绝缘，从而所述加热电路层中的电能不会被致动器传导到所述墨水。

附图说明

尽管还有可能落在本发明的范围内的任何其它形式，但将借助示例，并参照以下附图，对本发明的优选形式进行说明：

图1示意性示出了一处于静止状态的单个墨水喷嘴；

图2示意性示出了一处于喷射状态的单个墨水喷嘴；

图3示意性示出了一处于再填充状态的单个墨水喷嘴；

图4示出了一双层冷却过程；

图5示出了一单层冷却过程；

图6为一对准的喷嘴的顶视图；

图7为一对准的喷嘴的截面图；

图8为一对准的喷嘴的顶视图；

图9为一对准的喷嘴的截面图；

图10构造一墨水喷嘴过程的截面图；

图11为在化学机械平面化之后构造一墨水喷嘴过程的截面图；

图12示出了在优选实施例中采用的预热墨水的步骤；

图13示出了常规打印时钟周期；

图14示出了预热周期的应用；

图15示出了打印头大概工作温度的曲线图；

图16示出了打印头大概工作温度的曲线图；

图17示出了用于预热而驱动打印头的一种形式；

图18示出了其上没有形成墨水喷嘴结构的最初晶片的一部分的截面图；

图19示出了用于N-穴工艺的掩模；

图20示出了在N-穴工艺之后的晶片的部分的截面图；

图21示出了在N-穴工艺之后的单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图22示出了活动通道掩模；

图23示出了场氧化物的截面图；

图24示出了在场氧化物沉积之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图25示出了一聚乙烯掩模(poly mask)；

图26示出了沉积的聚乙烯(poly)的截面图；

图27示出了在聚乙烯(poly)沉积之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图28示出了n+掩模；

图29示出了n+埋入的截面图；

图30示出了在n+埋入之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图31示出了p+掩模；

图32示出了显示p+埋入的效果的截面图；

图33示出了在p+埋入之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图34示出了一接点掩模；

图35示出了显示沉积ILD1和蚀刻接触通道的效果的截面图；

图36示出了在沉积ILD1和蚀刻接触通道之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图37示出了金属1掩模；

图38示出了显示金属1层的金属沉积的效果的截面图；

图39示出了在金属1沉积之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图40示出了通道1掩模；

图41示出了显示沉积ILD2和蚀刻接触通道的效果的截面图；

图42示出了金属2掩模；

图43示出了显示沉积金属2层的效果的截面图；

图44示出了在金属2沉积之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图45示出了通道2掩模；

图46示出了显示沉积ILD3和蚀刻接触通道的效果的截面图；

图47示出了金属3掩模；

图48示出了显示沉积金属3层的效果的截面图；

图49示出了在金属3沉积之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图50示出了通道3掩模；

图51示出了显示沉积钝化氧化物及氮化物和蚀刻通道的效果的截面图；

图52示出了在沉积钝化氧化物及氮化物和蚀刻通道之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图53示出了加热器掩模；

图54示出了显示沉积加热器氮化钛层的效果的截面图；

图55示出了在沉积加热器氮化钛层之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图56示出了致动器/弯曲补偿器掩模；

图57示出了显示在蚀刻之后沉积致动器玻璃和弯曲补偿器氮化钛层的效果的截面图；

图58示出了在沉积并蚀刻致动器玻璃和弯曲补偿氮化钛层之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图59示出了喷嘴掩模；

图60示出了显示沉积牺牲层和蚀刻喷嘴的效果的截面图；

图61示出了在沉积并最初蚀刻牺牲层之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图62示出了喷嘴腔掩模；

图63示出了在牺牲层中蚀刻腔的截面图；

图64示出了在进一步蚀刻牺牲层之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图65示出了喷嘴腔壁的沉积层的截面图；

图66示出了在进一步沉积喷嘴腔壁之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图67示出了利用化学机械平面化(CMP)产生自对准喷嘴的过程的截面图；

图68示出了在喷嘴腔壁的CMP之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图69示出了安装在晶片坯上的喷嘴的截面图；

图70示出了背面蚀刻入口掩模；

图71示出了将牺牲层蚀刻掉的截面图；

图72示出了在将牺牲层蚀刻掉之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图73示出了沿着一不同的截面线，在将牺牲层蚀刻掉之后单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图74示出了填充有墨水的喷嘴的截面图；

图75示出了喷射墨水的单个喷嘴的部分截面的侧立体图；

图76示出了用于单个喷嘴的控制逻辑的示意图；

图77示出了执行单个喷嘴的控制逻辑的CMOS；

图78示出了用于说明CMOS/MEMS的实施的各层的图例或图解；

图79到达聚乙烯平面的CMOS平面；

图80示出了到达金属1平面的CMOS平面；

图81示出了到达金属2平面的CMOS平面；

图82示出了到达金属3平面的CMOS平面；

图83示出了到达MEMS加热器平面的CMOS和MEMS平面；

图84示出了致动器罩的平面；

图85示出了喷墨头的部分截面的侧立体图；

图86示出了喷墨头的部分截面的侧立体图的放大图；

图87示出了形成在一系列致动器结构中的许多层；

图88示出了晶片的背表面的一部分，露出了晶片供墨槽；

图89示出了打印头中的段的布置；

图90示意性示出了按照喷射顺序编号的单个密集小群；

图91示意性示出了按照逻辑顺序编号的单个密集小群；

图92示意性示出了包括每色一个密集小群的单个三密集小群；

图93示意性示出了包含10个三密集小群的单个密集小群组；

图94示意性示出了段、喷射组和三密集小群之间的关系；

图95示出了在典型的打印周期期间用于A启动和B启动的时钟；

图96示出了将打印头装入墨水通道模支撑结构中的立体分解图；

图97示出了墨水通道模支撑结构的部分截面的侧立体图；

图98示出了打印辊单元，打印头和压纸卷筒的部分截面的侧立体图；和

图99示出了打印辊单元、打印头和压纸卷筒的侧立体图；

图100示出了打印辊单元、打印头和压纸卷筒的侧面立体分解图；

图101为一局部放大立体图，示出了将打印头安装到如图96和97所示的墨水分配歧管；

图102示出了如图97所示的带自动粘合膜的最外侧的平面展开图；

图103示出了如图102所示的展开的带自动粘合膜的反面；

图104示出了本发明的喷墨打印头的喷嘴组件的立体示意图；

图105到107示出了图104的喷嘴组件的工作的立体示意图；

图108示出了构成喷墨打印头的喷嘴阵列的立体图；

图109以放大比例示出了图108的阵列的部分；

图110示出了包括喷嘴防护装置的喷墨打印头的立体图；

图111a到111r为立体图，示出了制造喷墨打印头的喷嘴组件的各步骤；

图112a到112r示出了制造步骤的截面侧视图；

图113a到113k示出了在制造过程中的各步骤中所使用的掩模设计图；

图114a到114c为立体图，示出了根据图111和112的方法的喷嘴组件制造过程；

图115a到115c示出了根据图111和112的方法制造喷嘴组件的操作的截面侧视图。

具体实施方式

优选实施例是一种1600dpi的模块化单片打印头，其适用于各种页宽式打印机中和按需打印照相机系统中。该打印头由微机电系统(MEMS)技术制造而成，该系统是指在微米级上构建的机械系统，通常采用为集成电路的制造而开发的技术。

由于1600dpi的A4照片质量页宽打印机需要50,000多个喷嘴，因此在作为打印头的同一芯片上集成驱动电路对于实现低成本来说是关键的。

集成所允许的从外界到打印头的接线数量被从大约50,000减小到大约100。为了提供驱动电路，所述优选实施例在同一晶片上集成CMOS逻辑电路和激励晶体管，作为MEMS喷嘴。与其它制造技术相比，MEMS具有几个主要优点：

机械装置可以在微米级的尺寸和精度上被构建；

在同一硅片上，成百万的机械装置可以同时制造；以及

机械装置可以结合入电子装置。

本文中使用术语“IJ46打印头”来表示按照本发明的优选实施例制造的打印头。

工作原理

该优选实施例依赖用于墨水的喷射的热致动杆臂的应用。发生墨水喷射的喷嘴腔包括一薄喷嘴边缘，围绕该喷嘴边缘形成一表面弯月面。喷嘴边缘是采用自动对准沉积机理形成的。该优选实施例还包括围绕墨水喷嘴的防洪边缘的优点特征。

首先参见图1到图3，首先将对本优选实施例的喷墨打印头的工作原理进行解释。在图1中，示出了一单独的喷嘴设备1，其包括一喷嘴腔2，其经由供墨通道3供给墨水，从而围绕喷嘴边缘5形成弯月面4。设置一热致动机构6，其包括一可以为圆形形状的端叶片7。所述叶片7连接到围绕柱9枢轴旋转的致动器臂8。所述致动器臂8包括例如氮化钛之类的具有高硬度的导电材料形成的两层10，11。底层10形成一与柱9相互连接的导电线路，且在端柱9附近还包括一变薄部。因此，在电流通过底层10时，底层的毗邻端柱9的区域被加热。在没有热量的情况下，两层10，11彼此热平衡。底层10的热量使整个致动器机构6基本上向上弯曲，因此，如图2所示，叶片7迅速向上运动。所述迅速向上运动增加了围绕边缘5的压力，从而通常导致弯月面4膨胀，因此墨水流出所述腔体。然后，底层10的电流被切断，且如图3所示，所述致动器臂6开始返回其静止位置。所述返回导致叶片7向下运动。这又通常导致将围绕喷嘴5的墨水吸回。喷嘴外侧墨水的向前冲量加上喷嘴腔内墨水的向后冲量，导致由于弯月面4的颈状收缩和断裂而产生一液滴14。所后，由于横过弯月面4的表面张力作用，墨水被从供墨槽3中拉入墨水腔2中。

优选实施例的工作具有许多重要特征。首先，有上述的层10、11之间的平衡。采用第二层11允许致动器装置6更有效地热操作。此外，两层的操作保证了在制造期间的冷却时，热应力不是问题，从而减小了在制造期间发生剥离的可能性。这在图4和图5中被示出，在图4中示出了，具有围绕一中心材料层22的两层平衡材料层20，21的热致动器臂的冷却过程。该冷却过程均等地影响每一层导电层20，21，从而产生稳定的结构。在图5中示出了，仅具有一层导电层20的热致动器臂。在制造之后的冷却期间，上层20将相对于中心层22弯曲。由于最终设备的不稳定性和各层的厚度变化，以及其导致的不同程度的弯曲，从而可能会产生问题。

此外，参照图1到3所述的设备包括一防止喷墨扩散边缘25(图1)，其被构造成围绕喷嘴边缘5提供一凹坑26。任何将流出喷嘴边缘5的墨水通常都被捕获在围绕所述边缘的所述凹坑26中，从而防止了流过喷墨打印头的表面，防止影响工作。这种布置可从图11中清楚地看出。

此外，所述喷嘴边缘5和防止墨水扩散边缘25通过独特的化学机械平面化技术形成。这种布置可参照图6到图9理解。理论上，如图6中30所表示，墨水喷嘴边缘的形状具有高度的对称性。当进行喷墨时，理想的是使用具有较高规则性的边缘。例如，在图7中示出了在颈状收缩和断裂期间一墨滴被从边缘喷出。所述颈状收缩和断裂具有高灵敏性，其包含复杂的无秩序的力。应当采用标准的光刻法来形成喷嘴边缘，根据所采用的光刻方法，仅可能在特定的变化幅度内保证边缘的规则性和对称性。这可能导致如图8中35所示的边缘的变化。所述边缘变化导致如图8中所示的非对称边缘35。当形成液滴时，这种变化可能产生问题。该问题在图9中示出，其中，所述弯月面36沿着表面37蔓延，在此，所述边缘膨胀到一个较大宽度。这就可能使喷射液滴的喷射方向发生较大变化。

在所述优选实施例中，为了克服这个问题，采用一种自动对准化学机械平面化(CMP)技术。下面将参照附图10简单地讨论该技术。在图10中，示出了一硅基板40，在其上沉淀一层第一牺牲层41和一层薄喷嘴层42，上述层均以夸大形式示出。所述牺牲层首先被沉积并被蚀刻，从而形成一用于喷嘴层42的“坯层”(blank)，所述喷嘴层被共形地沉积到整个表面上。在另一种可选择制造方法中，另一种牺牲材料层可以被沉积在所述喷嘴层42的顶部。

接下来，关键步骤是将喷嘴层和牺牲层向下化学机械平面化到一第一高度，如44所示。所述化学机械平面化过程有效地将顶层“砍掉”至高度44。通过采用共形沉积，可以制造一规则的边缘。经化学机械平面化之后的结果在图11中示意性示出。

通过首先对优选用于IJ46装置中的喷墨打印预热步骤进行说明，从而对优选实施例进行说明

喷墨预热

在优选实施例中，采用喷墨预热步骤，从而使打印头设备的温度达到预定范围。该步骤由图12中101示出。首先，开始进行打印操作的决定在102处作出。在任何打印开始之前，打印头的当前温度被感测，从而确定是否其超过预定阈值。如果加热温度过低，则进行预热周期104，其通过将热致动器加热到高于工作的预定温度，来加热打印头。一旦温度已超过预定温度，开始正常的打印周期105。

考虑到装置的较窄工作范围，以及在喷墨中所应用的较低热能，采用预热步骤104通常能够减小特性例如粘度等可能发生的变化。

所述预热步骤可以采取许多不同形式。对于喷墨装置属于热弯曲致动器型的情况，如图13所示，由于喷墨所需预定持续时间的时钟脉冲110，因此其通常将接收到一系列时钟脉冲，从而提供用于喷射的足够能量。

如图14所示，当需要提供预热能力时，可以通过使用一系列短脉冲，例如111来提供。所述脉冲同时为不能从喷墨喷嘴喷出墨水的打印头提供热能。

图16为打印操作期间打印头温度的曲线图。假定已经空闲了一端时间，最初为115的打印头温度将处于环境温度。当需要进行打印时，执行一预热步骤(图12的104)，从而如图中116处所示，温度升高到117处的工作温度T2，在此点处，开始打印，温度根据使用要求来变化。

另一方面，如图16所示，打印头的温度可以被连续地监控，从而当温度落在阈值例如120之下时，给打印过程增加一系列预热周期，从而使温度升高到121，超过预热阈值。

假定所使用的墨水的特性类似于水，所述预热步骤的应用可利用墨水粘度随温度的大幅度波动。当然，其它工作特性可能是重要的，且稳定到较窄的温度范围提供了有利的效果。由于粘度随着温度的变化而变化，很显然，所需预热的超过环境温度的幅度依赖于环境温度以及在打印操作期间打印头的平衡温度。因此，预热的幅度可根据测得的环境温度而变化，从而获得最佳效果。

图17示出了一种简单的工作原理，打印头130包括一内置系列温度传感器，它们被连接到用于确定当前温度的温度确定单元131，该单元由输出信号给喷墨驱动单元132，其确定在任何特定阶段是否需要预热。置于芯片(打印头)上的温度传感器可以是简单的MEMS温度传感器，其结构对本领域普通技术人员来说是公知的。

制造工艺

可以结合标准CMOS工艺和MEMS后加工来制造IJ46装置。理论上，通常用于CMOS工艺的材料，应当被用于工艺的MEMS部分。在所述优选实施例中，最好的MEMS材料为PECVD玻璃，喷溅TiN，和一种牺牲材料(该材料可以是聚酰亚胺，PSG，BPSG，铝或其它材料)。理论上，为了配合喷嘴之间相应驱动电路，而不增加芯片面积，最小的工艺为0.5微米，1聚乙烯，3金属CMOS加工且使用铝金属化。然而，还可以采用更先进的工艺来代替。可选择的是，可采用NMOS，双级，BiCMOS或其它工艺。推荐CMOS的原因仅仅是由于其在工业上的流行，以及CMOS的惊人产量。

对于使用CMY处理的彩色模型的100mm照相打印头，CMOS工艺采用包括19,200级的移位寄存器的简单电路，19,200位的传输寄存器，19,200允许门，和19,200激励晶体管。还由一些时钟缓冲器和允许解码器。照片打印头的时钟脉冲速度仅为3.8MHZ，且30ppm的A4打印头仅为14MHz，因此CMOS性能不是关键的。包括在MEMS工艺开始之前，钝化并打开接合垫，所述CMOS工艺被全部完成。这就能够以标准CMOS的优点来完成CMOS工艺，且MEMS工艺在一个单独设备中进行。

工艺选择的原因

本领域普通技术人员可以理解，在MEMS装置的制造领域中，对于制造IJ46打印头来说，存在许多可行的工艺程序。本文所记述的工艺程序是基于具有1聚乙烯和三层金属层的0.5微米(拉伸)N穴CMOS工艺“类型”。下表给出了选择这种“标称”工艺的原因，以易于确定任何可选择工艺选择的效果。

标称工艺	原因
		CMOS	广泛的可用性
0.5微米或更小	为了适合致动器之下的驱动电子设备需要0.5微米
		0.5微米或更大	全阻尼优点，低成本
N穴	n通道晶体管的性能比p通道晶体管的性能更重要
		6″晶片	最小用于4″单片打印头
1多晶硅层	不需要2聚乙烯层，由于具有很小低电流连通性
		3金属层	为了提供高电流，大多数金属3还提供牺牲结构
铝金属化	低成本，标准用于0.5微米工艺(铜更有效)

掩模一览表

掩模#	掩模	注释	类型	图案	排列	CD
							1	N穴		CMOS1	亮	平面	4μm
2	活动	包括喷嘴腔	CMOS2	黑	N穴	1μm
							3	聚乙烯		CMOS3	黑	活动	0.5μm
4	N+		CMOS4	黑	聚乙烯	4μm
							5	P+		CMOS4	亮	聚乙烯	4μm
6	触点	包括喷嘴腔	CMOS5	亮	聚乙烯	0.5μm
							7	金属1		CMOS6	黑	接触	0.6μm
8	通道1	包括喷嘴腔	CMOS7	亮	金属1	0.6μm
							9	金属2	包括牺牲al.	CMOS8	黑	通道1	0.6μm
10	通道2	包括喷嘴腔	CMOS9	亮	金属2	0.6μm
							11	金属3	包括牺牲al.	CMOS10	黑	聚乙烯	1μm
12	通道3	外涂层，约0.6μmcd	CMOS11	亮	聚乙烯	0.6μm
							13	加热器		MEMS1	黑	聚乙烯	0.6μm
14	致动器		MEMS2	黑	加热器	1μm
							15	喷嘴	用于CMP控制	MEMS3	黑	聚乙烯	2μm
16	腔		MEMS4	黑	喷嘴	2μm
							17	入口	背面深处硅蚀刻	MEMS5	亮	聚乙烯	4μm

工艺程序的示例(包括CMOS步骤)

虽然可以应用许多不同的CMOS和其它工艺，该工艺说明与示例COMS工艺结合，以显示MEMS特征被集成在CMOS掩模中，且显示由于低CMOS性能需求，CMOS工艺可以被简化。

下文所描述的工艺是1P3M0.5微米CMOS工艺“类型”的示例的一部分。

1.如图18所示，工艺由标准6″P-型<100>晶片开始。(也可以使用8″晶片，提供了一基本上增加了的一次产量)。

2.使用图19的N穴掩模，埋入图20的N穴晶体管部210。

3.生长一薄层SiO₂并沉积Si₃N₄，形成场氧化硬掩模。

4.使用如图22所示的活动掩模蚀刻氮化物和氧化物。所述掩模尺寸较大，以允许LOCOS鸟嘴式线脚。喷嘴腔区域被包含在该掩模中，场氧气被从喷嘴腔排除。结果是一系列氧化区域212，如图23所示。

5.使用具有负性抗蚀剂的N穴掩模或使用一N穴掩模的补体来埋入通道阻塞件。

6.执行任何应用CMOS工艺所需的通道阻塞件的埋入。

7.应用LOCOS生长0.5微米的电场氧化物。

8.执行任何所需的n/p晶体管阈电压调节。根据CMOS工艺的特征，能够省去阈值调节。这是因为工作频率仅为3.8MHz，且p-装置的质量并不是关键的。n-晶体管阈值更加重要，因为n-通道驱动晶体管对于打印期间的效率和功率消耗具有显著影响。

9.生长门氧化物。

10.沉积0.3微米的聚乙烯，使用如图25所示的聚乙烯掩模形成图案，从而形成如图26所示的聚乙烯部214。

11.使用如图28所示的n+掩模，执行图29中216处所示的n+埋入。不需要使用例如LDD之类的漏极设计工艺，因为晶体管的性能不是关键的。

12.使用如图31所示的n+掩模的补体，或使用具有负性抗蚀剂的n+掩模，执行如图32中218处所示的p+埋入。喷嘴腔区域将被添加n+或者被添加p+，这取决于其是否被包括在n+掩模内。该硅区域的添加与随后的蚀刻不相关，且被推荐的STS ASE蚀刻工艺不使用硼作为阻蚀剂。

13.如图35中220处所示，沉积0.6微米的PECVD TEOS玻璃，以形成ILD1。

14.使用如图34的触点掩模蚀刻触点切口。喷嘴区域被当作单独的大接触区域，且将不能通过典型的设计规则检测。因此该区域应当被从DRC排除。

15.沉积0.6微米的铝以形成金属1。

16.使用如图37中所示的金属1掩模蚀刻所述铝，从而形成如图38所示的金属区域224。在225处，喷嘴金属区域由金属1覆盖。所述铝225是牺牲性的，且被蚀刻作为MEMS程序的一部分。喷嘴中包含金属1不是必不可少的，但帮助减少了在致动器杆臂的颈部区域中的步骤。

17.如图41中228处所示，沉积0.7微米的PECVD TEOS玻璃，以形成ILD2。

18.如图40中所示，使用通道1掩模蚀刻触点切口。喷嘴区域被当作单独的大通道区域，且其将又不能通过DRC。

19.沉积0.6微米的铝，以形成金属2。

20.使用如图42中所示的金属2掩模，蚀刻所述铝，从而形成如图43所示的金属部230。喷嘴区域231被完全覆盖有金属2。所述铝是牺牲性的，且作为MEMS顺序的一部分被蚀刻。在喷嘴中是否包含金属2不是比不可少的，但其帮助减少致动器杆的颈部区域中的步骤。所述牺牲性金属2还可以被用于另一种液体控制部件。一相对较大的金属2的矩形被包含在喷嘴腔的颈部区域233中。其被连接到牺牲性金属3，从而也能够在MEMS牺牲性铝蚀刻期间被清除。这就底切用于使致动器进入喷嘴腔的下边缘(其由ILD3形成)。所述底切对液体控制表面底角度增加90度，从而增加了该边缘的防止墨水表面扩散的能力。

21.沉积0.7微米的PECVD TEOS玻璃，以形成ILD3。

22.使用如图45所示的通道2掩模蚀刻所述触点切口，从而剩下如图46中所示的部分236，以及喷嘴腔，在ILD3中也形成液体控制边缘。

23.沉积1.0微米的铝以形成金属3。

24.使用如图47所示的金属3掩模蚀刻所述铝，从而剩下如图48所示的部分238。如图中239所示的大多数金属3是牺牲性的，用于使致动器和叶片从芯片表面分离。金属3也被用于在芯片上分配V+。如图中240处所示，喷嘴区域完全被金属3覆盖。所述铝是牺牲性的，且被作为MEMS程序的一部分所蚀刻。在喷嘴中包含金属3并非必需的，但其帮助减少在致动器杆臂的颈部区域中的步骤。

25.沉积0.5微米的PECVD TEOS玻璃，以形成玻璃罩。

26.沉积0.5微米的Si₃N₄，以形成钝化层。

27.使用如图50中所示的通道3掩模蚀刻所述钝化层和玻璃罩，从而形成如图51所示的布置。该掩模包括通向金属3牺牲层的通路242，以及通向发热器致动器的通道243。该步骤的光刻具有0.6微米的临界尺寸(用于加热器通道)，而非用于对接合垫开口的通常的不受限制的光刻。这是一个与通常的CMOS工艺流程不同的工艺步骤。该步骤或者可以是CMOS工艺的最后工艺步骤，也可以是MEMS工艺的第一步骤，这取决于极好的安排和输送要求。

28.晶片检测。芯片的大多但不是全部功能性可以在该阶段被确定。如果在该阶段需要更复杂的测试，则用于每个激励晶体管的有效假负载可以被包含在芯片上。这可以通过较小的芯片面积损失而实现，且允许完成CMOS电路的测试。

29.将晶片从CMOS设备传输到MEMS设备。这些设备可以在同一位置(fab)，或者可以位于较远处。

30.沉积0.9微米的磁电管喷溅TiN。电压为-65V，磁电管电流为7.5A，氩气压力为0.3Pa，温度为300℃。从而导致热膨胀系数为9.4×10^-6/℃，杨氏模量为600GPa[固体薄膜270p 266，1995]，其为所使用薄膜的关键特性。

31.使用如图53所示的加热器掩模蚀刻TiN。该掩模限定加热器元件，叶片臂和叶片。如图54所示，在所述加热器和所述叶片与叶片臂的TiN层之间存在一小间隙247。这就防止了在加热器和墨水之间的电连接，以及可能发生的电解问题。此外，如图4所示的小间隙247在加热器和叶片与叶片臂的TiN层之间提供一绝缘屏障。该间隙可以是气隙或可以由其它电绝缘材料填充。此外，用于提供绝缘屏障的装置可以是设置在两个组件之间或连接到组件的气隙或其它电绝缘材料。在该步骤中需要亚微米级精度，以保持横过晶片的加热器的均匀特性。这是加热器不与气体致动器层同时蚀刻的主要原因。用于加热器掩模的CD为0.5微米。重叠精度为+/-0.1微米。所述接合垫也由TiN层覆盖，这就防止了在牺牲性铝的蚀刻期间，接合垫也被蚀刻掉。另外还防止了在工作期间接合垫对铝的腐蚀。TiN是铝的非常好的腐蚀抑制剂。TiN的电阻足够低，因此不会发生阻抗接合垫的问题。

32.沉积2微米的PECVD玻璃。该过程最好在约350℃到400℃的温度下进行，从而使玻璃中的固有应力最小。通过降低沉积温度可以使热应力减小。然而，热应力实际上是有利的，因为玻璃被夹在两层TiN层之间。所述TiN/玻璃/TiN三层结构消除了由于热应力而导致的弯曲，并使玻璃处于恒定的压缩应力之下，从而提高了致动器的效率。

33.沉积0.9微米的磁电管喷溅TiN。该层被沉积，从而消除了由于下层TiN和玻璃层之间的热应力差而导致的弯曲，并防止当被从牺牲性材料释放时叶片的卷曲。所述沉积特性应当与第一TiN层相同。

34.使用如图56所示的致动器掩模，对TiN和玻璃进行各向异性等离子蚀刻。该掩模限定了所述致动器和叶片。致动器掩模的CD为1微米。重叠精度为+/-0.1微米。蚀刻过程的产物是，如图57中所示，玻璃层250夹在TiN层251、248之间。

35.此时可以通过晶片检测进行电气测试。所有的CMOS检测、加热器功能性检测和阻抗检测都可以在晶片检测时完成。

36.沉积15微米的牺牲性材料。这种材料有多种可能的选择。基本要求是能够沉积15微米的层而不产生过度的晶片翘曲的能力，以及对PECVD玻璃和TiN的高蚀刻选择性。几种可行的材料为：磷硅酸盐玻璃(PSG)，硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、例如聚酰亚胺之类的聚合体和铝。需要或者是一与硅(添加适量添加剂的硼磷硅酸盐玻璃BPSG，填充聚酰亚胺)相符合的关闭CTE或者是一低杨氏模量(铝)。该示例使用BPSG。由于过大的层厚，因此在这些情况中，对应力的要求是最为苛求的。BPSG通常具有低于硅相当大的CTE，从而导致相当大的压缩应力。然而，BPSG的混合物可以发生较大的变化，从而将其CTE调节为靠近硅的CTE。由于BPSG为牺牲层，其电气性质是无关的，可以使用通常不适合的混合物作为CMOS绝缘体。低密度、多孔性和高含水量都是有益的。其特征是，在使用一种无水HF蚀刻时，与PECVD玻璃相比，它们将提高蚀刻选择性。

37.使用如图59所限定的喷嘴掩模，蚀刻所述牺牲层到2微米深，从而构成了如图60中截面所示的结构254。图59的掩模限定了所有的区域，在所述区域上，所后沉积的外涂层将使用CMP被磨掉。这包括喷嘴本身和各种其它液体控制部件。喷嘴掩模的CD为2微米。重叠精度为+/-0.5微米。

38.使用如图62中所示的腔掩模，将牺牲层向下各向异性地等离子蚀刻到CMOS钝化层。该掩模限定了如图63所示的喷嘴腔和包括槽255的致动器覆盖物。腔掩模的CD为2微米。重叠精度为+/-0.2微米。

39.如图65所示，沉积0.5微米的相当共形的外涂层材料257。该材料的电气性质是不相关的，且其可以是一导体、绝缘体或半导体。且相对于牺牲性材料，该材料应当为：化学惰性的、坚硬的、高度选择性蚀刻的、适于CMP，且适合于在500℃以下共形沉积。适合的材料包括：PECVD玻璃、MOCVD TiN、ECR CVD TiN、PECVD Si₃N₄，和许多其它材料。本示例的选择是PECVD TEOS玻璃。如果使用BPSG作为牺牲性材料且使用无水HF作为牺牲性蚀刻剂，则其必须具有非常低的含水量，由于无水HF蚀刻所需的含水量达到1000∶1的BPSG蚀刻选择性比TEOS玻璃。相配的外涂层257围绕热弯曲致动器的工作部分形成一保护性遮盖壳，同时允许所述致动器在该壳中移动。

40.如图67所示，使用CMP将晶片的深度平面化到1微米。在晶片表面上，CMP工艺的精度应当被保持在+/-0.5微米。牺牲性材料的凹陷并不相关。这就打开了喷嘴259和液体控制区域例如260。牺牲层相对于喷嘴腔结构的刚度在CMP期间是关键因素之一，其可能影响牺牲性材料的选择。

41.将打印头晶片翻转，并将前表面牢固地安装到如图69所示的具有一氧化表面263的氧化硅晶片坯料262上。所述安装可以借助胶265实现。所述坯料晶片262可以被反复应用。

42.采用背面研磨(或蚀刻)和抛光，将打印头晶片变薄到300微米。执行所述晶片薄化，从而将随后的工艺持续时间从约5小时减少到约2.3小时。深入硅蚀刻精度也被提高，且硬掩模厚度被减半到2.5微米。所述晶片可以被进一步薄化，从而改善蚀刻时间以及打印头的效率。晶片厚度的限制因素是牺牲性BPSG蚀刻之后打印头的脆性。

43.如图67所示，将一SiO₂硬掩模(2.5微米的PECVD玻璃)沉积到晶片的背面，并使用入口掩模赋予其图案。图67的硬掩模用于随后的深入硅蚀刻，其到达315微米的深度，且硬掩模的选择性为150∶1。该掩模限定了穿过晶片被蚀刻的所述墨水入口。用于入口掩模的CD为4微米。重叠精度为+/-2微米。所述入口晶片在两侧上尺寸均不到5.25微米，从而在300微米的蚀刻深度上允许蚀刻91°的凹角。用于该步骤的光刻使用一掩模对准器代替分档器。对准是在晶片的前面构图。设备易于允许从前到后的亚微米对准。

44.背面蚀刻完全穿过硅晶片(例如使用来自表面技术体系的ASE新型硅蚀刻器)，穿过预先沉积的硬掩模。STS ASE能够以高精度蚀刻穿过晶片的孔，且其纵横比为30∶1，且侧壁为90度。在这种情况下，侧壁凹角为91度是标称的。选择一凹角的原因是因为，对于给定精度的较高蚀刻比率而言，ASE能够较好地获得微小的凹角。而且，通过使掩模上的孔的尺寸变小，所述凹角蚀刻可以被补偿。非凹角蚀刻角度不能这么容易地得到补偿，因为掩模孔将消失。优选的是晶片被所述蚀刻切成小片。最终产物在图69中示出，包括背面蚀刻墨水通道部264。

45.蚀刻所有暴露的铝。在某些地方，位于全部三层上的铝被用作牺牲层。

46.蚀刻所有的牺牲性材料。喷嘴腔将被该蚀刻所清除，结果在图71中示出。如果使用BPSG作为牺牲性材料，在不蚀刻CMOS玻璃层或致动器玻璃的情况下，其可以被清除。在1500sccm且在60℃下处于的N₂环境中，使用无水HF[L.Chang et al，″Anhydrous HF etch reducesprocessing steps for DRAM capacitors″，Solid State Technology Vol.41 No.5，pp 71-76，1998]，与不搀杂的玻璃例如TEOS相反，这样可以实现1000∶1的选择性。通过所述蚀刻，从所述晶片坯料上，致动器被释放，且芯片彼此分离。如果使用铝代替BPSG作为牺牲层。那么其清除与前述步骤相接合，且该步骤被省去。

47.使用真空探针拾取松散的打印头，并将打印头安装在它们的包装中。该过程必需小心地进行，因为未包装的打印头是易碎的。晶片的前表面特别易碎，且不应当被触动。该过程应当手工进行，因为其难于实现自动化。所述包装是常规的注模塑料壳体，包含墨水通道，所述墨水通道用于将适合颜色的墨水供给到位于打印头背面的墨水入口。所述包装也为打印头提供机械支撑。所述包装特别被设计为在芯片上施加最小的应力，且沿着包装的长度均匀地分配应力。使用适合的密封剂例如硅酮将打印头粘合在该包装中。

48.对打印头芯片形成外界连接。对于具有最小的气流中断的不引人注意的外观，可以使用带自动连接(TAB)。如果待工作的打印机与纸之间具有足够的间隙，还可以使用引线接合法。所有的接合垫沿着芯片的一个100mm边缘。总共有504个接合垫，分成相同的8组，每组63个(因为使用8缝分档器步骤制造芯片)。每个接合垫为100×100微米，且间距200微米。因为在3V时峰值电流为6.58Amps，256个接合垫被用于为致动器供电和接地。共有40个信号(24数据的和16控制的)连接到整个打印头。它们主要与打印头的八个相同部分接通。

49.对打印头的前表面进行憎水处理。这可以通过真空沉积50nm或更多的聚四氟乙烯(PTFE)。然而，还有许多其它方式来实现。由于液体完全由前述步骤中形成的机械突起所控制，因此如果打印头被灰尘所污染，为了防止墨水在表面上扩散，所述憎水层为“额外可选择的”。

50.将打印头插入插槽中。所述插槽提供电能、数据和墨水。借助毛细作用，墨水填充入打印头。使打印头完全充满墨水，并进行测试，图74示出了墨水268填充入喷嘴腔。

用于执行示例的工艺参数

所采用的CMOS工艺参数可以变化，以适合于0.5微米尺寸或更好的尺寸。MEMS工艺参数的变化不应当超过下文所述的公差范围。这些参数中的某些影响致动器性能和流体学特性，而其它具有更加晦涩的关系。例如，晶片薄化级影响成本和深入硅蚀刻的精度，背侧硬掩模的厚度，和相关塑料墨水通道成型的尺寸。

以下是建议的工艺参数：

参数	类型	最小	标称	最大	单位	容差
							晶片电阻	CMOS	15	20	25	Ωcm	±25％
晶片厚度	CMOS	600	650	700	μm	±8％
							N穴结深	CMOS	2	2.5	3	μm	±20％
n+结深	CMOS	0.15	0.2	0.25	μm	±25％
							p+结深	CMOS	0.15	0.2	0.25	μm	±25％
场氧化厚度	CMOS	0.45	0.5	0.55	μm	±10％
							门氧化厚度	CMOS	12	13	14	μm	±7％

聚乙烯(poly)厚度	CMOS	0.27	0.3	0.33	μm	±10％
							ILD1厚度(PECVD玻璃)	CMOS	0.5	0.6	0.7	μm	±16％
金属1厚度(铝)	CMOS	0.55	0.6	0.65	μm	±8％
							ILD2厚度(PECVD玻璃)	CMOS	0.6	0.7	0.8	μm	±14％
金属2厚度(铝)	CMOS	0.55	0.6	0.65	μm	±8％
							ILD3厚度(PECVD玻璃)	CMOS	0.6	0.7	0.8	μm	±14％
金属3厚度(铝)	CMOS	0.9	1.0	1.1	μm	±10％
							外涂层(PECVD玻璃)	CMOS	0.4	0.5	0.6	μm	±20％
钝化(Si3N4)	CMOS	0.4	0.5	0.6	μm	±20％
							加热器厚度(TiN)	MEMS	0.85	0.9	0.95	μm	±5％
致动器厚度(PECVD玻璃)	MEMS	1.9	2.0	2.1	μm	±5％
							弯曲补偿装置厚度(TiN)	MEMS	0.85	0.9	0.95	μm	±5％
牺牲层厚度(低应力BPSG)	MEMS	13.5	15	16.5	μm	±10％
							喷嘴蚀刻(BPSG)	MEMS	1.6	2.0	2.4	μm	±20％
喷嘴腔和罩(PECVD玻璃)	MEMS	0.3	0.5	0.7	μm	±40％
							喷嘴CMP深度	MEMS	0.7	1	1.3	μm	±30％
晶片薄化(背面研磨和抛光)	MEMS	295	300	305	μm	±1.6％
							背面蚀刻硬掩模(SiO2)	MEMS	2.25	2.5	2.75	μm	±10％
STS ASE背面蚀刻(停止在铝上)	MEMS	305	325	345	μm	±6％

控制逻辑

参照图76，示出了与单独墨水喷嘴相关的控制逻辑电路。该控制逻辑电路280用于按需激励一加热器元件281。所述控制逻辑电路280包括一移位寄存器282、一传输寄存器283和一激发控制门284。基本操作是将数据从一个移位寄存器282移位到相邻的移位寄存器，直到其就位。随后，在传输启动信号286的激活下，数据被传输到传输寄存器283。该数据被锁存在所述传输寄存器283中，随后，使用一激发相位控制信号289来激活门284，用于输出一加热脉冲从而加热元件281。

由于优选实施例采用一种CMOS层，用于实现所有控制电路，所述控制电路的一种适合的CMOS实施形式将被描述。参照图77，示出了一种相应CMOS电路的方框图。首先，移位寄存器282进行反向数据输入，并在移位同步信号291、292的控制下锁存该输入。数据输入290被输出294输出到下一个移位寄存器，且也在传输启动信号296、297的控制下，被传输寄存器283锁存。在启动信号299的控制下，启动门284被激活，从而驱动一功率晶体管300，该晶体管能够耐受电阻器281的热量。作为标准CMOS组成部分的移位寄存器282，传输寄存器283和启动门284的功能对于CMOS电路设计领域的普通技术人员来说是公知的。

复制器件

喷墨打印头可包括大量的复制器件单元，每个的器件单元的设计基本上相同。下面将讨论该设计。

首先参见图78，示出了用在随后的讨论中的不同材料层的一般性图解或图例。

图79示出了在1微米栅格306上的器件单元305。所述器件单元305大部分时间被拷贝并复制，除通道308之外，图79还示出了扩散核多层。参照图77预先说明信号290、291、292、296、297和299。图79的包括总体布置的许多重要方面包括：移位寄存器，传输寄存器和门以及驱动晶体管。重要的是，所述驱动晶体管300包括一上聚乙烯层，例如309，其布置具有大量的垂直迹线212。所述垂直迹线的重要性在于，保证形成在功率晶体管300上的加热元件的波纹性质，将具有一波纹底部，且波纹通常沿迹线212的垂直方向延伸。这最好参见图69、71和74。考虑到由于CMOS的布线在下面而不可避免地发生的波纹的特性和方向对于致动器的最终效率是重要的。在理想情况下，通过包含在形成致动器之前的在基底的上表面上的平面化的步骤，形成的致动器没有波纹。然而，最好的消除附加工艺步骤的办法是，保证波纹沿着在示例中示出的横断致动器的弯曲轴线的方向延伸，且优选是沿其长度保持不变。结果是，致动器的效率比平面致动器的仅小2％，这在许多情况下是令人满意的结果。相反，与平面致动器相比，纵向延伸的波纹将使效率减小约20％。

在图80中，示出了第一水平金属层的添加物，其包括启动线296，297。

在图81中，示出了第二水平金属层，除了相关的反射分量323和328之外，其还包括：数据同轴线290，串行时钟线(SClockline)291、串行时钟线292、Q 294、TEn 296和TEn 297、V-320、V_DD 321、V_SS 322。部分330和331被用作牺牲性蚀刻剂。

现参照图82，示出了第三水平金属层，其包括位于加热器致动器之下的一部分340，该部分被用作牺牲性蚀刻层。该部分341被用作致动器结构的一部分，且具有提供电气相互连接的部分342和343。

参照图83，示出了平面传导性加热电路层，其包括加热器臂350和351，它们与下层相互连接。所述加热器臂或者被形成在斜槽的侧面上，从而朝着固定端被变窄，或者被形成在致动器臂的近端上，提供增加的电阻，从而在该区域加热并膨胀。通过一中断355，加热电路层352的第二部分与臂350和351电绝缘，并为主叶片356提供结构支撑。所述中断可以采取任何适合的形式，但典型的是如图中355处所示的一窄槽。

在图84中，示出了罩和喷嘴层的部分，包括罩353和外喷嘴腔354。

参照图85，示出了墨水喷嘴阵列的一部分360，所述墨水喷嘴阵列被分成三组361-363，每组提供单色的输出(青、品红和黄)，从而提供三色打印。除了接合垫365之外，还设置一系列标准单元时钟缓冲器和地址解码器364，用于与外部电路相互连接。

每个颜色组361、363包括两行间隔开的墨水喷嘴，例如367，其中每个具有一加热器致动器元件。

图87以切去的方式示出了总体布置一种形式，其中第一区域370示出了直到多晶硅水平的层。第二区域371示出了直到第一水平金属的层，区域372示出了直到第二水平金属的层，区域373示出了直到加热器致动器层的层。

墨水喷嘴被分成两组，每组10个喷嘴，共用一穿过晶片的公共墨水通道。参照图88，示出了晶片的背面，其包括一系列供墨通道380，用于为前表面提供墨水。

复制

在如下文的复制体系(hierarchy)表中所示的体系中，在4″打印头上，器件单元被复制19,200次。布置栅格是在0.5微米为1/21(0.125微米)。许多理论变换距离正好落在栅格点上。在它们不落在栅格点上的位置，距离被归入(rounded)到最近的栅格点上。归入的数由星号示出。在所有的情况下，转换被从相应喷嘴的中心测量。五个偶数喷嘴变换到五个偶数喷嘴还包括180°的旋转。用于该步骤的译码从五对喷嘴的中心重合的位置开始。

复制体系表

复制	复制阶段	旋转(°)	复制比率	总喷嘴数	X变换	Y变换
																象素	栅格单元	实际微米数	象素	栅格单元	实际微米数
0	最初旋转	45	1∶1	1	0	0	0	0	0	0
											1	在一个密集小群(pod)中的奇数喷嘴	0	5∶1	5	2	254	31.75	1/10	13*	1.625*
2	在一个密集小群中的偶数喷嘴	180	2∶1	10	1	127	15.875	19/16	198*	24.75*
											3	一CMY三密集小群中的密集小群	0	3∶1	30	5 1/2	699*	87.375*	7	889	111.12
4	每密集小群组的三密集小群	0	10∶1	300	10	1270	158.75	0	0	0
											5	每激发组的密集小群组	0	2∶1	600	100	12700	1587.5	0	0	0
6	每段的激发组	0	4∶1	2400	200	25400	3175	0	0	0
											7	每打印头的段	0	8∶1	19200	800	101600	12700	0	0	0

组成

以适用于如图89中所示的照相机照片打印的4英寸打印头为例，4英寸打印头380包括8个段381，每个段长度为1/2英寸。因此每个段在页面的不同部分上打印二级的青色，品红和黄色点，以产生最终图像。8个段的位置在图89中示出。在该示例中，打印头采取以1600dpi打印点，每个点的直径为15.875微米。这样，每个半英寸段打印800个点，8个段对应于如下表所示的位置：

段	第一点	最后点
			0	0	799
1	800	1599
			2	1600	2399
3	2400	3199
			4	3200	3999
5	4000	4799
			6	4800	5599
7	5600	6399

虽然每个段在最终图像上产生800个点，每个点由混合的二级青色、品红和黄色墨水表示。因为打印是二级的，因此为了获得最好的效果，输入图像应当被抖动处理或误差扩散处理。

每个段381包括2400个喷嘴：每个青色，品红色和黄色800个。一个四英寸打印头包括8个这样的段，以供19,200个喷嘴。

在单个段中对喷嘴进行分组是由于在打印期间的物理稳定性和功耗最小化的原因。在物理稳定性方面，如图88所示的10个喷嘴的组被组合在一起，并公用同一墨水槽容器。在功耗方面，进行所述组合，从而仅96个喷嘴被从整个打印头同时激发。因为96个喷嘴应当为最大距离，12个喷嘴被从每个段激发。为了激发所有的19,200个喷嘴，96个喷嘴的200个不同组必须被激发。

图90示意性示出了一个单独的密集小群395，该小群包括从1到10的10个喷嘴，它们公用一个公共供墨通道。5个喷嘴为一行，而5个在另一行。每个喷嘴产生直径为15.875μm的点。所述喷嘴按照它们被激发的顺序被编号。

虽然所述喷嘴按照该顺序被激发，但喷嘴的关系以及打印页面上的点的物理布置是不同的。一行上的喷嘴表示页面上的一排的偶数点，而另一行上的喷嘴表示页面上的相邻排的奇数点。图91示出了同一密集小群，其中喷嘴按照它们被加载荷的顺序编号。

因此在一个密集小群中的喷嘴被逻辑地分开一个点的宽度。喷嘴之间的确切距离将依赖于喷墨激发机构的特性。在最佳情况下，打印头可以被设计成具有交错的喷嘴，其被设计成配合走纸。在最差的情况下，存在1/3200dpi的误差。而该误差可以在显微镜下比照完美直线而观察到，当然在照片图像中观察不到。

如图92所示，三个表示青398、品红397、和黄396单元的密集小群被组合成三密集小群400。三密集小群表示10个点的同一水平但不同排的组。不同色密集小群之间的确切距离依赖于喷墨操作参数，且可能在各次喷墨之间发生变化。该距离可以被认为是点宽的常数，且因此在打印时必须被考虑到：由青色喷嘴打印的点将比由品红或黄色喷嘴打印的点更可能着落在不同排上。打印算法必须允许在达到约8点宽的距离上可以变化。

如图93所示，10个三密集小群404被组合成一个密集小群组405。由于每个三密集小群包括30个喷嘴，因此每个密集小群组包括300个喷嘴：100个青色喷嘴，100个品红喷嘴和100个黄色喷嘴。从0到9的三密集小群组的排列在图93中示出。为了清楚起见，相邻三密集小群之间的距离被放大。

如图94所示，两个密集小群组(密集小群组A 410和密集小群组B411)被组合成一个激发组414，在每个段415中有4个激发组。每个段415包括4个激发组。为了清楚起见，相邻激发组之间的距离被放大。

组名	组成	复制比率	喷嘴计数
				喷嘴	基本单元	1∶1	1
密集小群	每个密集小群的喷嘴	10∶1	10
				三密集小群	每个CMY三密集小群的密集小群	3∶1	30
密集小群组	每个密集小群组的三密集小群	10∶1	300
				激发组	每个激发组的密集小群组	2∶1	600
段	每个段的激发组	4∶1	2,400
				打印头	每个打印头的段	8∶1	19,200

载入和打印周期

打印头总共包括19,200个喷嘴。一个打印周期包括根据待打印的信息激发所有这些喷嘴。一个载入周期包括将在随后的打印周期中待打印的信息载入打印头中。

每个喷嘴具有一相关的喷嘴启动(图76中289)比特，其确定在打印周期期间，喷嘴是否将被激发。所述喷嘴启动比特(每喷嘴一个)经由一组移位寄存器被载入。

逻辑上，每种颜色，每800深(deep)具有3个移位寄存器。由于比特被移位到移位寄存器中，它们在交替的脉冲上被发送给下喷嘴和上喷嘴。在内部，每800深移位寄存器包括两个400深移位寄存器：一个用于上喷嘴，一个用于下喷嘴。交替的比特被交替地移位到内部寄存器中。然而对于外部接口，有一个单独的800深移位寄存器。

一旦所有的移位寄存器已经被完全载入(800脉冲)，所有的比特被并行地传输到适合的喷嘴启动比特。这等于单独并行传输19,200比特。一旦传输发生，打印周期开始。只要所有的喷嘴启动比特的并行载入在打印周期的末尾发生，则该打印周期和载入周期可同步地发生。

假定为了在2秒内打印1600dpi的6″×4″的图像，4″打印头必须打印9,600行(6×1600)。在2秒内打印约达到10,000行，则产生200微秒的行时间。在该时间内，必须完成一单独的打印周期和一单独的载入周期。另外，打印头外部的物理过程必须移动纸张一合适的量。

载入周期

载入周期与将下一打印周期的喷嘴启动比特载入打印头的移位寄存器有关。

每个段具有3个输入，直接与青、品红和黄成对的移位寄存器有关。这些输入被称为C数据输入(CDataIn)、M数据输入(MDataIn)和Y数据输入(YDataIn)。由于有8段，因此每个打印头总共有24色输入线。在SR时钟线(在所有的8个段之间共用)上的一单个脉冲将24比特传输到适合的移位寄存器中。交替脉冲分别将比特传递到下喷嘴和上喷嘴。由于有19,200个喷嘴，因此总共需要800个脉冲需要被传输。一旦所有的19,200比特已被传输，则在共用P传输线(Ptransfer line)上的单个脉冲使数据从移位寄存器并行传输到适合的喷嘴启动比特。经由P传输上的一个脉冲的并行传输发生在打印周期完成之后。除非用于该打印线的喷嘴启动比特出错。

由于所有的8段由单个SR时钟脉冲载入，因此打印软件必须产生用于打印头的正确顺序的数据。例如，第一SR时钟脉冲将为下一个打印周期的点0、800、1600、2400、3200、4000、4800和5600传输C、M和Y比特。第二SR时钟脉冲将为下一打印周期的点1、801、1601、2401、3201、4001、4801和5601传输C、M和Y比特。在800 SR时钟脉冲之后，可以产生P传输脉冲。

重要的是，应当注意，虽然在同一打印周期被打印，但奇数和偶数C、M和Y输出不会出现在同一物理输出线上。打印头中的奇数喷嘴和偶数喷嘴的物理分离以及不同颜色喷嘴之间的分离，保证了它们在页面的不同线上产生点。在将数据载入打印头中时，这种相对差必须解决。行中的实际差依赖于用在打印头中的喷墨的特性。所述差可以由变量D₁和D₂定义，其中，D₁为不同颜色的喷嘴之间的距离(可能值为4到8)，且D₂为同一颜色的喷嘴之间的距离(可能值＝1)。表3示出了在第一4脉冲上被传输到打印头的段n的点。

脉冲	黄色		品红		青色
								线	点	线	点	线	点
1	N	800S	N+D1	800S	N+2D1	800S
							2	N+D2	800S+1	N+D1+D2	800S+1	N+2D1+D2	800S+1
3	N	800S+2	N+D1	800S+2	N+2D1	800S+2
							4	N+D2	800S+3	N+D1+D2	800S+3	N+2D1+D2	800S+3

等等对于800脉冲。800 SR时钟脉冲(每个时钟脉冲传输24比特)必须发生在200毫秒的行时间内。因此，用于计算19,200喷嘴中每一个的比特值的平均时间必须不超过200毫秒/19200＝10毫微秒。数据可以以10MHz的最大速率被记录入打印头中，其将在80毫秒内在入数据。以4MHz的速率记录数据，将在200微妙内载入数据。

打印周期

打印头包含19,200个喷嘴。对它们一次性激发将消耗过多的功率，且可能产生墨水填充问题和喷嘴干涉问题。因此，单个打印周期包括200个不同相位，对于总共19,200个喷嘴，在每个相位中96个最大距离的喷嘴被激发。

·4比特三密集小群选择(从激发组中的10个密集小群中选择1个)

每次被激发的96个喷嘴等于每段12个(由于接收同一打印信号的所有的段被激发)。来自给定段的12个喷嘴相等地来自每个激发组。每种颜色，三个喷嘴是一个。所述喷嘴按照以下来确定：

·4比特喷嘴选择(从一个密集小群的10个喷嘴中选择1个)

激发脉冲的持续时间由AEnable和BEnable线给出，它们分别从所有的激发组中激发密集小群组A和密集小群组B。一脉冲的持续时间取决于墨水的粘度(依赖于温度和墨水特性)和打印头可获得的功率的量。

AEnable和BEnable为分离的线，从而激发脉冲可以被重叠。这样打印周期的包含100A相位和100B相位的200个相位，有效地给出100组相位A和相位B。

当一个喷嘴被激发时，其大约需要100毫秒地时间再填充。这不是问题，因为整个打印周期需要200毫秒。一喷嘴的激发还在喷嘴密集小群的公共墨水通道中产生有限时间的扰动。该扰动可与同一密集小群中的另一喷嘴的激发发生干扰。从而，在一个密集小群中的喷嘴的激发应当被偏移至少一定量。因此该过程是为了从一三密集小群中激发三个喷嘴(每种颜色一个喷嘴)，然后移动到密集小群组中的下一个三密集小群上。由于在给定的密集小群组中有10个三密集小群，因此在最初的三密集小群之前，必须激发随后的9个密集小群，必须激发其以下三个喷嘴。2微秒的9个激发间隔给出18微秒的墨水设定时间。

随后进行的激发顺序是：

·  三密集小群选择0，喷嘴选择0(相位A和B)

·  三密集小群选择1，喷嘴选择0(相位A和B)

·  三密集小群选择2，喷嘴选择0(相位A和B)

·  …

·  三密集小群选择9，喷嘴选择0(相位A和B)

·  三密集小群选择0，喷嘴选择1(相位A和B)

·  三密集小群选择1，喷嘴选择1(相位A和B)

·  三密集小群选择2，喷嘴选择1(相位A和B)

·  …

·  三密集小群选择8，喷嘴选择9(相位A和B)

·  三密集小群选择9，喷嘴选择9(相位A和B)

注意，相位A和B可以被重叠。由于电池功率和墨水粘度的变化(随着温度的变化)，一脉冲的持续时间也将变化。图95示出了在典型打印周期期间的A启动和B启动线。

从打印头的反馈

打印头产生若干条反馈线(从8个段中累积)。所述反馈线可以被应用来调整激发脉冲的定时。虽然每个段产生相同的反馈，但来自所有段的反馈共用同一三态总线。因此，此时仅有一个段可以提供反馈。带有关于CYAN的数据的检测启动线ANDed(SenseEnable)，启动用于该段的检测线。反馈检测线如下：

·  T检测  通知控制器打印头有多热。这就允许控制器调整激发脉冲的定时，因为温度影响墨水的粘度。

·  V检测  通知控制器致动器可获得多大电压。这就允许控制器通过调整脉冲宽度，来补偿扁电池或高压电源。

·  R检测  通知控制器致动器加热器的电阻(每平方的欧姆数)，这就允许控制器调节脉冲宽度，以保持一恒定能量，而不考虑加热器电阻。

·  W检测  通知控制器加热器关键部位的宽度，由于光刻和蚀刻的变化，该宽度可能变化5％。这就允许控制器适当地调节脉冲宽度。

预热模式

打印过程非常倾向于处于平衡的温度下。为了保证打印照片的第一部分具有一致的点尺寸，理想的是，平衡温度应当在打印任何点之前达到。这通过预热模式来实现。

预热模式包括一对所有喷嘴载入1s的单独的载入周期(即设定所有喷嘴激发)，还包括许多对每个喷嘴的短激发脉冲。脉冲的持续时间必须足够长，以喷射墨滴，但足以加热围绕加热器的墨水。虽然对于每个喷嘴需要200个脉冲，但贯穿同一顺序的循环作为一标准的打印周期。

通过T检测来提供在预热模式期间的反馈，且被持续以达到一平衡温度(高于环境温度约30℃)。预热模式的持续时间可约为50毫秒，且可以根据墨水的组成进行调节。

打印头接口的概要

打印头具有以下连接：

名称	#插脚	说明
			三密集小群选择	4	选择将喷射的三密集小群(0-9)
喷嘴选择	4	从密集小群中选择将喷射的喷嘴(0-9)
			A起动(AEnable)	1	用于密集小群组A的激发脉冲
B起动(BEnable)	1	用于密集小群组B的激发脉冲
			C数据输入[0-7]	8	青色输入到段0-7的青色移位寄存器
M数据输入[0-7]	8	品红输入到段0-7的品红移位寄存器
			Y数据输入[0-7]	8	黄色输入到段0-7的黄色移位寄存器
SR时钟	1	一关于SR时钟(移位寄存器时钟)的脉冲，从C数据输入[0-7]、M数据输入[0-7]和Y数据输入[0-C数据输入[0-7]、M数据输入[0-7]和Y数据输入[0-7]载入电流值到24移位寄存器。
			P传输	1	从移位寄存器并行传输数据到内部喷嘴启动比特(每喷嘴一个)

检测启动	1	具有关于C数据输入[n]的数据的关于检测启动ANDed启动用于段n的检测线
			T检测	1	温度检测
V检测	1	电压检测
			R检测	1	电阻检测
W检测	1	宽度检测
			逻辑GND	1	逻辑接地(Logic ground)
逻辑PWR	1	逻辑功率
			V-	汇流线
V+
			总数	43

打印头内部，每个段与接合垫具有以下连接：

垫连接

虽然整个打印头总共具有504个连接。然而，掩模布置图仅包含63个。这是因为芯片由八个相同的且分离的部分组成，每个部分12.7微米长。这些部分中的每一个具有间距200微米的63个垫。在63个垫的组的每个末端，而外有50微米，导致准确重复距离为12,700微米(12.7微米，1/2″)

垫

标号	名称	功能
			1	V-	负致动器供电
2	VSS	负驱动逻辑供电
			3	V+	正致动器供电
4	Vdd	正驱动逻辑供电
			5	V-	负致动器供电
6	SClk	串行数据传输时钟
			7	V+	正致动器供电
8	TEn	并行传输启动
			9	V-	负致动器供电
10	EPEn	偶数相位启动
			11	V+	正致动器供电
12	OPEn	奇数相位启动
			13	V-	负致动器供电
14	NA[0]	喷嘴地址[0](在密集小群中)

15	V+	正致动器供电
			16	NA[1]	喷嘴地址[1](在密集小群中)
17	V-	负致动器供电
			18	NA[2]	喷嘴地址[2](在密集小群中)
19	V+	正致动器供电
			20	NA[3]	喷嘴地址[3](在密集小群中)
21	V-	负致动器供电
			22	PA[0]	密集小群地址[0](10中的1)
23	V+	正致动器供电
			24	PA[1]	密集小群地址[1](10中的1)
25	V-	负致动器供电
			26	PA[2]	密集小群地址[2](10中的1)
27	V+	正致动器供电
			28	PA[3]	密集小群地址[3](10中的1)
29	V-	负致动器供电
			30	PGA[0]	密集小群组地址[0]
31	V+	正致动器供电
			32	FGA[0]	激发组地址[0]
33	V-	负致动器供电
			34	FGA[1]	激发组地址[1]
35	V+	正致动器供电
			36	SEn	检测启动
37	V-	负致动器供电
			38	T检测	温度检测
39	V+	正致动器供电
			40	R检测	致动器电阻检测
41	V-	负致动器供电
			42	W检测	致动器宽度检测
43	V+	正致动器供电
			44	V检测	电源电压检测
45	V-	负致动器供电
			46	N/C	备用(spare)
47	V+	正致动器供电
			48	D[C]	青色串行数据输入
49	V-	负致动器供电
			50	D[M]	品红串行数据输入

51	V+	正致动器供电
			52	D[Y]	黄色串行数据输入
53	V-	负致动器供电
			54	Q[C]	青色数据输出(用于测试)
55	V+	正致动器供电
			56	Q[M]	品红数据输出(用于测试)
57	V-	负致动器供电
			58	Q[Y]	黄色数据输出(用于测试)
59	V+	正致动器供电
			60	VSS	负驱动逻辑供电
61	V-	负致动器供电
			62	Vdd	正驱动逻辑供电
63	V+	正致动器供电

制造和操作公差

参数	偏差原因	补偿	最小	标称	最大	单位
							环境温度	环境变化	实时	-10	25	50	℃
喷嘴半径	光刻	亮度校准	5.3	5.5	5.7	微米
							喷嘴长度	加工	亮度校准	0.5	1.0	1.5	微米
喷嘴尖端接触角	加工	亮度校准	100	110	120	°
							叶片半径	光刻	亮度校准	9.8	10.0	10.2	微米
叶片—腔间隙	光刻	亮度校准	0.8	1.0	1.2	微米
							腔半径	光刻	亮度校准	10.8	11.0	11.2	微米
入口面积	光刻	亮度校准	5500	6000	6500	微米2
							入口长度	加工	亮度校准	295	300	305	微米
入口蚀刻角度(凹入的)	加工	亮度校准	90.5	91	91.5	度
							加热器厚度	加工	实时	0.95	1.0	1.05	微米
加热器电阻	材料	实时	115	135	160	μΩ-cm
							加热器杨氏模量	材料	掩模图案	400	600	650	Gpa
加热器密度	材料	掩模图案	5400	5450	5500	Kg/m3
							加热器CTE	材料	掩模图案	9.2	9.4	9.6	10-6/℃
加热器宽度	光刻	实时	1.15	1.25	1.35	微米
							加热器长度	光刻	实时	27.9	28.0	28.1	微米
致动器玻璃厚度	加工	亮度校准	1.9	2.0	2.1	微米
							玻璃杨氏模量	材料	掩模图案	60	75	90	GPa
玻璃CTE	材料	掩模图案	0.0	0.5	1.0	10-6/℃

致动器壁角	加工	掩模图案	85	90	95	度
							致动器与基底间的间隙	加工	不需要	0.9	1.0	1.1	微米
弯曲消除层	加工	亮度校准	0.95	1.0	1.05	微米
							杆臂长度	光刻	亮度校准	87.9	88.0	88.1	微米
腔高度	加工	亮度校准	10	11.5	13	微米
							腔壁角	加工	亮度校准	85	90	95	度
颜色相关墨水粘度	材料	掩模图案	-20	标称	+20	％
							墨水表面张力	材料	程序	25	35	65	mN/m
墨水粘度@25℃	材料	程序	0.7	2.5	15	cP
							墨水着色浓度	材料	程序	5	10	15	％
墨水温度(相对)	加工	无	-10	0	+10	℃
							墨水压力	加工	程序	-10	0	+10	kPa
墨水干燥	材料	程序	+0	+2	+5	cP
							致动器电压	加工	实时	2.75	2.8	2.85	V
驱动脉冲宽度	晶体振荡器	不需要	1.299	1.300	1.301	微秒
							驱动晶体管电阻	加工	实时	3.6	4.1	4.6	W
制造温度	加工	设计校正	300	350	400	℃
							电池电压	操作	实时	2.5	3.0	3.5	V

随环境温度的变化

环境温度变化的主要结果是，墨水粘度和表面张力发生变化。由于弯曲致动器仅响应于致动器层和弯曲补偿层之间的温度差，因此环境温度对于弯曲致动器的直接影响可以忽略。TiN加热器的电阻仅随温度发生微小变化。以下模拟试验是对于水基油墨，且在0℃到80℃的温度范围内。

墨滴速度和墨滴体积不是如人们所期望的随着温度的升高而单调增加。简单的解释如下：由于温度升高，粘度的下降较表面张力的下降快。由于粘度下降，墨水移出喷嘴的运动较容易。然而，围绕叶片的墨水的运动(从位于叶片前面的高压区到位于叶片后面的低压区)变化加剧。这样，更多墨水的运动在高温和低粘度的情况下“较短循环”。

环璄温度	墨水粘度	表面张力	致动器宽度	致动器厚度	致动器长度	脉冲电压	脉冲电流	脉冲宽度	脉冲能量	峰值温度	叶片偏转	叶片速度	墨滴速度	墨滴体积
															℃	cP	dyne	μm	μm	μm	V	mA	μs	nJ	℃	μm	m/s	m/s	pl
0	1.79	38.6	1.25	1.0	27	2.8	42.47	1.6	190	465	3.16	2.06	2.82	0.80
															20	1.00	35.8	1.25	1.0	27	2.8	42.47	1.6	190	485	3.14	2.13	3.10	0.88
40	0.65	32.6	1.25	1.0	27	2.8	42.47	1.6	190	505	3.19	2.23	3.25	0.93
															60	0.47	29.2	1.25	1.0	27	2.8	42 47	1.6	190	525	3.13	2.17	3.40	0.78
80	0.35	25.6	1.25	1.0	27	2.8	42.47	1.6	190	545	3.24	2.31	3.31	0.88

调节IJ46打印头的温度，以优化墨滴体积和墨滴速度的一致性。芯片上用于每段的温度被检测。温度检测信号(T检测)被连到一公共T检测输出。通过使用D[C_0-7]线，集合感测启动(Sen)并选择适合的段，适合的T检测信号被选择。该T检测信号被驱动ASIC数字化，且驱动脉冲宽度被改变，以补偿墨水粘度的变化。墨水的数字定义的粘度/温度关系被储存在与墨水有关的验证芯片中。

喷嘴半径的变化

喷嘴半径对于墨滴体积和墨滴速度有重要影响。为此，其被0.5微米光刻所严格控制。喷嘴由2微米的牺牲性材料所蚀刻，随后进行喷嘴壁材料的沉积和CMP步骤。所述CMP使喷嘴结构平面化，并去除外涂层的顶部，使内部牺牲性材料暴露。随后，所述牺牲性材料被去除，留下自对准喷嘴和喷嘴边缘。喷嘴的精确内半径首先由光刻的精度确定，然后确定2微妙蚀刻的侧壁角的一致性。

下表示出了在多种喷嘴半径下的操作。随着喷嘴半径的增加，墨滴速度平稳下降。然而，墨滴体积的峰值大约在半径为5.5微米。标称喷嘴半径为5.5微米，且操作公差规定允许该半径发生±4％的变化，从而给出了5.3到5.7微米的范围。该模拟试验还包括了超出所述标称操作范围(5.0和6.0微米)。主要喷嘴半径的变化将有可能由结合牺牲性喷嘴蚀刻和CMP步骤来确定。这意味着，所述变化有可能是非局部的：晶片之间的差异，晶片的中心和周长之间的差异。晶片之间的差异由“亮度调节”来补偿。只要其不是突然的，那么晶片之间的差别就是感觉不到的。

喷嘴半径	墨水粘度	表面张力	致动器宽度	致动器长度	脉冲电压	脉冲电流	脉冲宽度	脉冲能量	峰值温度	峰值压力	叶片偏转	叶片速度	墨滴速度	墨滴体积
															μm	CP	mN/m	μm	μm	V	mA	μs	nJ	℃	kPa	μm	m/s	m/s	pl
5.0	0.65	32.6	1.25	25	2.8	42.36	1.4	166	482	75.9	2.81	2.18	4.36	0.84
															5.3	0.65	32.6	1.25	25	2.8	42.36	1.4	166	482	69.0	2.88	2.22	3.92	0.87
5.5	0.65	32.6	1.25	25	2.8	42.36	1.4	166	482	67.2	2.96	2.29	3.45	0.99
															5.7	0.65	32.6	1.25	25	2.8	42.36	1.4	166	482	64.1	3.00	2.33	3.09	0.95
6.0	0.65	32.6	1.25	25	2.8	42.36	1.4	166	482	59.9	3.07	2.39	2.75	0.89

供墨系统

根据前述技术构造的打印头，可用于类似于PCT专利申请PCT/AU98/00544中所公开的照相机打印系统中。下面将对适用于按需照相机系统中进行打印的打印头和供墨装置进行说明。从图96和图97中开始，示出了以供墨单元430的形式设置的供墨装置的部分。所述供墨单元可被构造成包括三个墨水储存腔521，供应三种颜色的墨水到打印头的背面，其优选的形式是一种打印头芯片431。墨水借助包括一系列槽434的墨水分配模或歧管433被供给到打印头，所述槽用于使墨水经由精确公差的墨水出口432流动到打印头431的背面。所述出口432非常小，其宽度约为100微米，因此需要以比相邻的供墨单元的相互作用组件例如下文所述的壳体495的精度更高的精度制造。

打印头431成细长结构，且可以借助硅酮凝胶或类似弹性粘合剂520，与墨水分配歧管中的打印头孔435连接。

优选的是，通过施加粘合剂，打印头沿着其背面438和侧面439连接到打印头孔435的内侧。按照这种方式，粘合剂仅施加于所述孔和打印头相互连接的表面，从而将阻塞形成在打印头芯片431(见图88)背面上的精确供墨通道380的风险最小化。另外，还设置一过滤器436，其被设计成围绕分配模433配置，从而对经过模433的墨水进行过滤。

墨水分配模433和过滤器436被依次插入隔离单元437中，所述隔离单元在其接触面438上涂布有硅酮密封剂，这样墨水能够例如流过孔440，然后穿过孔434。所述隔离单元437可以是塑料注模单元，其包括许多间隔开的隔板或条板441-443。所述隔板被形成在每个墨水通道内，从而减小墨水在储存腔521中的加速度，该加速度由便携式打印机的运动所引起。其在该优选形式下将发生沿着打印头的纵向长度的破裂，且同时允许相应来自打印头的激发命令而使墨水流到打印头。所述隔板有效地设置于墨水的便携式滑架，从而使在操作期间的流量波动的中断最小化。

所述隔离单元437随后被装入壳体445中。该壳体445可以被超声波焊接到隔离单元437，从而将隔离单元437密封在三个分隔开的墨水腔521中。该隔离单元437还包括一系列可穿透端壁部450-452，其可以被相配合的用于使墨水流入三个腔中的每一个的供墨管道穿透。所述壳体445还包括一系列孔455，它们借助带或类似材料被疏水地密封，从而允许隔离单元的三个腔中的空气排出，同时，由于孔455的疏水特性，墨水被保留在隔离腔中。

通过将墨水分配单元制造成如上所述的相互分隔开的组件，能够使用相对传统的注模技术，而不需考虑与打印头的接触面的高几个精度。这是因为，通过连续地使用较小的组件，且最小的最终元件为墨水分配歧管或为了与形成在芯片中的供墨通道380的精确相互作用，需要以较小公差制造，从而尺寸精度要求被分级地降低。

壳体445包括一系列定位凸起460-462。第一系列凸起被设计成与以带状自动粘合膜470形式的相互连接装置精确定位，另外还与第一和第二电力母线和接地母线465和466精确定位，所述第一和第二电力和接地母线在沿着TAB膜的表面的大量位置上与该TAB膜相互连接，从而沿着TAB膜470的表面提供低电阻电力和接地分配，该膜470又与打印头芯片431相连。

在图102和103中以打开状态详细示出的TAB膜470为双侧的，在其外侧上具有以若干纵向延伸的控制线互连550形式的数据/信号总线，其可释放地与相应的若干外部控制线相连。而且设置在外侧上的为以沉积贵金属条552形式的母线触点。

所述TAB膜470的内侧具有若干横向延伸的连接线553，其交替地经由母线连接到电源，且控制线550经由区域554连接到打印头上的接合垫。借助延伸过TAB膜的通道556实现与控制线的连接。使用TAB膜的许多优点中的一个是提供将硬母线轨连接到易碎打印头芯片431的挠性装置。

所述母线465、466顺序连接到触点475、476，所述触点借助盖单元478被牢固地夹靠在母线465、466上。所述盖单元478还可包括一注模部分，并包括一用于插入铝棒的槽480，用于帮助切割打印页。

现参照图98，局部示出了打印头单元430，相关压纸卷筒单元490，打印辊和供墨电源491以及与单元430、490和491每个均彼此相连的驱动力分配单元490。

切纸刀495能够由第一马达沿着铝刀498驱动，从而在打印完成后切下一张照片499。图98的系统的操作类似于如PCT专利申请PCT/AU98/00544所公开的系统的操作。墨水被储存在打印辊模版501的芯部500，印刷媒介502被卷绕在该打印辊模版501上。在电动机494的控制下，打印媒介在压纸卷筒290和打印头单元490之间进给，经由传墨通道505，墨水与打印头单元430相互连接。在前述PCT说明书中对打印辊单元491进行了说明。在图99中，示出了单个打印机单元510的组装状态。

特征和优点

相对于其它打印技术而言，IJ46打印头具有许多特征和优点。在某些情况下，这些优点在于新的性能。在其它情况下，优点在于避免了现有技术中固有的问题。以下是关于一些优点的讨论。

高分辨率

IJ46打印头的分辨率为在扫描方向和横断扫描的方向上均为1,600点每英寸(dpi)。这就能够实现照片质量彩色图像，和高质量文本(包括汉字)。对于特定应用，已经研究出更高的分辨率：2,400dpi和4,800dpi型式，但在大多应用中，选择1,600dpi是理想的。高级商用压电设备的实际分辨率约为120dpi，而热喷墨设备的实际分辨率约为600dpi。

卓越的图像质量

高图像质量要求高分辨率和墨滴的精确定位。IJ46打印头的整体式页宽特性允许墨滴以半微米精度定位。高精度还通过消除墨滴方向错误，静电偏转、空气扰动、旋涡、以及保持墨滴体积和墨滴速度的高度一致性来获得。图像质量还通过提供足够的分辨率以避免需要多种墨水浓度来获得。对于五色或六色“照片”喷墨打印系统，如果着色相互作用和墨滴尺寸不是非常好，那么可以在中间调中引入半色调人工效果。这个问题在二进制三色系统例如用在IJ46打印头中的系统中被解决。

高速(30ppm每打印头)

打印头的页宽特性允许高速工作，因为不需要进行扫描。打印一幅A4的彩色页面需要不到2秒，每个打印头能够以每分钟30页(ppm)的速度进行工作。多个打印头可以平行地使用，以获得60ppm、90ppm、120ppm等等。IJ46打印头成本低，且结构紧凑，因此多个打印头的设计是可以实现的。

低成本

由于IJ46打印头的组装密度非常高，因此每打印头的芯片面积可以降低。这就使制造成本降低，许多打印头芯片可以装配在同一晶片上。

全数字工作

选择打印头的高分辨率，以允许使用数字半色调进行全数字工作。这就消除了颜色的非线性(连续调次打印机中的一个问题)，并简化了驱动ASIC的设计。

墨滴体积小

为了实现1,600dpi的实际分辨率，要求墨滴尺寸小。IJ46打印头的墨滴尺寸为一微微升(1pl)。而先进的商用压电和热喷墨设备的墨滴尺寸约为3pl到30pl。

墨滴速度的精确控制

由于墨滴喷射器是一种精确的机械装置，且不依赖气泡成核，因此可以实现墨滴体积的精确控制。这就允许在媒介和气流可以被控制的情况下，实现低墨滴速度(3-4m/s)。通过使提供给致动器的能量发生变化，墨滴速度可以在相当大的范围内精确变化。高墨滴速度(10 to 15m/s)适用于普通纸打印，通过使用变化的喷嘴腔和致动器尺寸，可以实现相对自由的条件。

快速干燥

非常高的分辨率、非常小的墨滴和高染料密度的组合，允许在喷射非常少的水的情况下进行彩色打印。1600dpi的IJ46打印头喷射的水量约为600dpi的热喷墨打印机的33％。这就允许了快速的干燥并实质上克服了纸张的起皱。

宽温度范围

IJ46打印头被涉及成克服了环境温度的影响。仅仅墨水特性随温度的变化影响工作，且其可以被电子地补偿。对于水基油墨，工作温度范围优选为0℃到50℃。

不需要特殊的制造装备

IJ46打印头杠杆系统的制造方法完全来自于已建立的半导体制造厂。多数喷墨系统遇到的主要难题和成本在于从实验室移动到工厂，需要高精度的专门制造装备。

可获得高生产量

一每月10000晶片起步的6″CMOS制造厂(fab)每年可制造约1800万打印头。一每月2万晶片起步的8″CMOS制造厂(fab)每年可制造约6000万打印头。当前，世界上有许多这种CMOS制造厂(fab)。

低工厂准备成本

工厂准备成本低的原因在于，存在50万个6″CMOS制造厂(fab)。这些制造厂完全是已分期偿还的，且基本上废弃CMOS逻辑生产。因此，批量生产可以采用“老的”现存的设备。在CMOS制造厂中，多数MEMS后加工也可以进行。

良好的耐光性

由于墨水没有被加热，因此对所使用的染料的类型很少限制。这就允许选择具有最适宜的耐光性的染料。一些近来由例如Avecia和Hoechst公司研发的染料的耐光性为4。这等于许多颜料的耐光性，且超过至今所使用的照片染料和喷墨打印染料很多。

良好的耐水性

由于具有耐光性，对染料的较小的热限制，允许选择具有例如耐水性的染料。对于非常高的耐水性(对于耐洗纺织品所需要的)可采用活性染料。

非常好的色域

使用高色彩纯度的透明染料的色域较胶印和卤化银照相的色域大很多。由于来自所使用的颜料的光散射，因此胶印的色域特别受限制。对于三色(CMY)或四色系统(CMYK)，所需必须被限制在色彩顶点之间的四面体体积内。因此，相当重要的是，青色，品红和黄色染料应尽可能象光谱一样纯。使用6色(CMYRGB)模式，可以获得稍宽的“六角锥”色域。这种六色打印头可以经济地制造，因为其需要的芯片宽度仅为1mm。

颜色扩散的消除

如果不同的原色被打印，同时在先的颜色是湿的，就会发生颜色之间的墨水扩散。而在1600dpi的分辨率下，由于墨水扩散而导致的图像模糊非常严重，墨水扩散可以使图像中间调变得“混浊”。通过使用微滴乳状液，可以消除墨水扩散，这对于IJ46打印头非常适合。微滴乳状液的使用还可以帮助防止喷嘴堵塞，并保证墨水的长期稳定。

高喷嘴数量

在单片CMY三色照片打印头中，IJ46打印头具有19,200个喷嘴。这与其它打印头相比是较多的，而其与以大批量常规集成在CMOS VLSI芯片上的装置的数量相比较小。其还小于利用类似于CMOS和MEMS工艺制造的，德州仪器公司(Texas Instruments)集成在其数字微镜装置(DMD)中的可移动镜的数量3％。

每A4页面宽度打印头51,200个喷嘴

用于页面宽度A4/US字符打印的四色(CMYK)IJ46打印头应用两个芯片。每个0.66cm²的芯片具有25,600个喷嘴，总共51,200个喷嘴。

驱动电路的集成

在具有51,200个喷嘴之多的喷嘴的打印头中，将数据分配电路(移位寄存器)、数据定时和驱动晶体管与喷嘴集成在一起是非常关键的。否则，需要最少51,201个外部接点。这是压电式喷墨打印中的一个严重问题，因为驱动电路不能被集成在压电基底上。在CMOS VLSI芯片中集成数百万个接点是普通的，其可以以高产量批量生产。其是离开芯片的连接，且必须被限制。

单片制造

IJ46打印头由单片CMOS芯片制造，因此不需要精密组装。所有的制造使用标准的CMOS VLSI和MEMS(微机电系统)工艺和材料。在热喷墨打印和某些压电喷墨系统中，喷嘴板与打印头芯片的组装是产量较低，分辨率受限制和尺寸受限制的一个主要问题。而且，页宽阵列通常由多片较小的芯片构成。这些芯片的组装和对准是一个昂贵的工艺。

模块化，可扩展为更宽的打印宽度

长页宽打印头可以通过将两个或多个100mmIJ46打印头对接在一起而获得。IJ46打印头芯片的边缘被设计成与相邻芯片自动对准。一个打印头提供照片尺寸打印机，两个则提供A4打印机，而四个则提供A3打印机。更大数量可被用于高速数字打印，页宽格式打印和织物印花。

双面操作

在全打印速度下进行双面打印是非常现实的。简单的方法是提供两个打印头，它们分别位于纸张的两侧。提供两个打印头的成本和复杂度低于将纸张翻转的机械系统。

直线的纸路

由于不需要鼓，因此可以使用直线纸路来减小塞纸的可能性。该问题特别常见于办公室双面打印机，其中需要将页面翻转的复杂机构是塞纸的主要原因。

高效率

热喷墨打印头近有约0.01％效率(电能输入与墨滴动能和增加的表面能量相比)。IJ46打印头的效率大于上述效率的20倍。

自冷却操作

需要用来喷射每个墨滴的能量为160nJ(0.16微焦)，其是热喷墨打印机所需能量的一小部分。低能量允许打印头被喷射的墨水完全冷却，在最坏的情况下墨水温度仅升高40℃。且不需要散热。

低压力

在IJ46打印头中产生的最大压力约为60kPa(0.6大气压)。在热喷墨核气泡打印系统中，由气泡成核和破裂所产生的压力典型的是超过10Mpa(100个大气压)，其是最大IJ46打印头压力的160倍。气泡喷墨和热喷墨设计中的高压导致高机械应力。

低功率

当打印3色的全黑时，30ppmA4 IJ46打印头需要约67瓦的功率。当打印5％覆盖面时，平均功耗仅为3.4瓦。

低电压工作

IJ46打印头由单独3V供电操作，与典型的驱动ASIC相同。典型的热喷墨要求至少20V，而压电喷墨通常要求多于50V。IJ46打印头致动器被设计成在2.8瓦下标称工作，允许在驱动晶体管上0.2伏的电压降，一实现3V的芯片工作。

由2或4节AA电池操作

功耗足够低，从而照片IJ46打印头可以由AA电池操作。典型的打印6″×4″照片需要小于20焦耳(包括驱动晶体管的损失)。如果照片需要在2秒内打印，则推荐使用4节AA电池。如果打印时间增加到4秒，则可以使用2节AA电池。

电池电压补偿

IJ46打印头可以由未稳压的电池电源操作，以消除稳压器的效率损失。这就意味着，在电源电压的相当大的范围内，必须实现一致的性能。IJ46打印头检测电源电压，并调节致动器的工作，以实现一致的电压降量。

小致动器和喷嘴面积

IJ46打印头喷嘴，致动器，和驱动电路所需要的面积为1764Ltm。其小于压电压电喷墨打印机喷嘴所需面积的1％，且小于气泡喷墨打印机喷嘴所需面积的约5％。致动器面积直接影响打印头制造成本。

小的总打印头尺寸

小的总打印头尺寸

用于A4，30ppm，1600dpi，四色打印头的整个打印头组件(包括供墨通道)为210mm×12mm×7mm。这样小的尺寸允许被装入笔记本电脑和微型打印机中。一照片打印机的尺寸为106mm×7mm×7mm，允许被包含在便携式数码相机，掌上电脑，移动电话/Tax，等装置中。供墨通道占据了大多体积。打印头芯片本身仅需102mm×0.55mm×0.3mm。

微型喷嘴盖系统

一种用于IJ46喷墨头的微型喷嘴盖系统已经被设计出来。对于照片打印机，该喷嘴盖系统仅为106mm×5mm×4mm，且不需要打印头移动。

高产量

IJ46打印头的目标产量(在成熟的条件下)为至少80％，其首先是具有0.55cm²面积的数字CMOS芯片。大多数现代CMOS工艺实现高产量，芯片面积超过1cm²。对于小于约1cm²的芯片来说，成本与芯片面积近似地成比例。在1cm²和4cm²之间，成本迅速增加。大于上述面积的芯片是非常不实际的。非常希望保证芯片面积小于1cm²。对于热喷墨和气泡打印头来说，芯片宽度典型的是5mm，限定成本效率芯片长度到约2mm。IJ46打印头的主要目标是尽可能减小芯片宽度，允许成本有效的单片页宽打印头。

低操作复杂性

由于数字IC制造，因此装置的掩模复杂性对于制造成本或难度影响很小或没有影响。成本与工艺步骤的数量成比例，并与光刻的临界尺寸成比例。IJ46打印头使用标准的0.5微米单、重、三金属CMOS制造工艺，另外5 MEMS掩模步骤。这就使制造工艺较典型的具有5层级金属的，0.25微米CMOS逻辑工艺的复杂度低。

简单测试

IJ46打印头包括测试电路，其允许多数测试在晶片检测阶段完成。在该阶段可以完成所有的电学特性检测，包括对致动器电阻的检测。然而，致动器的动作仅能在从牺牲性材料上释放之后被检测，因此最终的检测必须在包装的芯片上执行。

低成本包装

IJ46打印头被包装在注模聚碳酸酯包装内。所有的连接使用带自动接合(TAB)技术完成(单还可以选择使用引线接合法)。所有的连接均沿着芯片的一个边缘。

无阿尔法粒子敏感性

在包装中不需考虑阿尔法粒子辐射，因为除了静态存储器之外，没有存储器元件，由于阿尔法粒子轨迹而导致的状态变化可能导致一个额外的点被打印(或不打印)在纸张上。

不严格的临界尺寸

IJ46打印头CMOS驱动电路的临界尺寸(CD)为0.5微米。先进的数字IC例如当前使用的微处理器的CD为0.25微米，其是两个装置产生的，较IJ46打印头所要求的更先进。大多数MEMS后加工步骤的CD为1微米或更大。

在制造期间的低应力

与热喷墨装置和压电装置相同，在制造期间的装置破裂是一个关键性问题。这就限制了可以制造的打印头尺寸。在IJ46打印头的制造中所产生的应力较CMOS制造所产生的应力小。

无扫描条带

IJ46打印头为整页宽度，因此不需扫描。这就消除了喷墨打印机中的一个非常重要的图像质量问题。由于其它原因(墨滴方向错误，打印头对准)而导致的条带通常是页宽打印头中的一个重要问题。这些条带产生的原因也被寻址。

“完美的”喷嘴对准

借助用于对打印头进行光刻的0.5微米步进电机，打印头中的所有喷嘴均以半微米的精度对准。形成A4页宽打印头的两个4″打印头的喷嘴对准，借助打印头芯片上的机械对准特性来实现。这就能够在1微妙内进行自动机械对准(通过简单地将两个打印头推到一起)。如果在专门的应用中需要更好的对准，则4″打印头可以被光学对准。

无卫星墨滴

非常小的墨滴尺寸(1pl)和适度的墨滴速度(3m/s)消除了卫星墨滴，这种卫星墨滴是产生图像质量问题的一个主要原因。在约4m/s的速度下，形成墨滴，但其跟上主墨滴。在超过约4.5m/s的速度下，形成的卫星墨滴相对于主墨滴有多个速度。一个特别的考虑是，卫星墨滴相对于打印头具有一负速度，因此通常沉积在打印头表面上。当使用高墨滴速度(约10m/s)时，避免上述问题较困难。

分层气流

为了实现在打印介质上良好墨滴定位，低墨滴速度需要没有旋涡的分层气流。这通过打印头包装的设计来实现。对于使用“普通纸张”的情况，且对于打印在其它“粗糙”表面上的情况，需要较高的墨滴速度。应用设计尺寸的变化，可实现的墨滴速度达到15m/s。能够在相同晶片上制造具有4m/s墨滴速度的3色照片打印头，和15m/s墨滴速度的4色普通纸打印头。这是因为它们均使用相同的工艺参数来制造。

无方向错误的墨滴

通过围绕喷嘴设置一薄边缘，方向错误的墨滴被消除，这就防止了墨滴在打印头表面上疏水涂层被暴露的区域中的散播。

无热干扰

在气泡喷墨或其它热喷墨系统中，当相邻的致动器被激励时，热量从一个致动器扩散到其它致动器上，并影响它们的喷射特性。在IJ46打印头中，从一个致动器到其它致动器的热传导同等地影响加热器层和弯曲消除层，因此在叶片位置上没有影响。这就实际上消除了热干扰。

无流体干扰

每个同时喷射地喷嘴位于300微米长的穿过(薄化)晶片蚀刻的墨水入口的末端。这些墨水入口被连接到具有较低流体阻力的大墨水通道上。这种结构实际消除了从一个喷嘴的墨滴喷射对其它喷嘴的影响。

无结构性干扰

该问题是压电打印头中的一个常见问题。其不会发生在IJ46打印头中。

耐久的打印头

IJ46打印头可以被耐久地安装。这就显著地降低了耗材的生产成本，因为耗材不需要包括一打印头。

无公害

对于气泡喷墨和其它热喷墨打印头而言，公害(燃烧墨水的残渣，溶剂和杂质)是一个重要问题。IJ46打印头没有这种问题，因为墨水不是被直接加热。

无气蚀现象

由于气泡的猛烈破裂而导致的腐蚀是气泡喷墨和其它热喷墨打印头寿命缩短的另一个问题。IJ46打印头没有这个问题，因为不形成气泡。

无电迁移

在IJ46打印头致动器或喷嘴中不使用金属，完全是陶瓷的。因此，在实际喷墨装置中不会有电迁移的问题。CMOS金属化层被设计以承载所需电流，而不发生电迁移。这是易于实现的，因为考虑到电流是从加热器驱动电源产生的，而非高速CMOS转换。

可靠的电源连接

由于IJ46打印头的能耗小于热喷墨打印头50倍，且由于高打印速度和低电压导致相当高的电流消耗。最坏的情况下，对于由3伏电源供电的照片IJ46打印头在2秒中的打印，电流消耗为4.9Amps。所述供电经由铜母线为沿着芯片边缘的256个接合垫供电。每个接合垫挟带最大40mA。芯片上的与驱动晶体管连接的触点和通道1.3微秒挟带1.5mA的峰值电流，且最大平均值为12mA

无腐蚀

喷嘴和致动器整个由玻璃和氮化钛(TiN)形成，一种导电陶瓷通常用作CMOS装置中的金属化隔离层。两种材料均具有较高的抗腐蚀性。

无电解

墨水不与任何电势相接触，因此没有电解。

无疲劳

所有的致动器运动均在弹性限度之内，且所使用的采用均为陶瓷，因此无疲劳。

无摩擦

没有相互接触的运动表面，因此无摩擦。

无静摩擦

IJ46打印头被设计成消除静摩擦，所述静摩擦是许多MEMS装置中的常见问题。静摩擦是一个将“粘附”和“摩擦”结合在一起的词汇，由于相互剥落的力，其在MEMS中特别显著。在IJ46打印头中，叶片被悬吊在基底的一个孔之上，消除了叶片与基底之间的静摩擦，否则所述静摩擦将发生。

无裂纹扩展

施加到材料上的应力小于导致具有典型的TiN和玻璃层的表面粗糙度的裂纹扩展的应力的1％。拐角被磨圆，从而使应力“热点”最小化。玻璃也总是处于压缩应力之下，其抵抗裂纹扩展较抵抗张应力强许多。

不需要电极性还原

在被形成在打印头结构中之后，压电材料必须被极性还原。这种还原需要非常高的电场强度-约20,000V/cm。所要求的高压强压电打印头的尺寸限制到约5cm，需要10,0000伏来极性还原。而IJ46打印头不需要极性还原。

无修正扩散

修正扩散(由于周期压力变化而导致的气泡的形成)是困扰压电式喷墨打印的主要问题。IJ46打印头被设计成防止修正扩散，因为墨水压力不会低于零。

消除锯齿形凹槽(Saw Street)

晶片上芯片之间的锯齿形凹槽典型为200微米。其将占据晶片面积的26％。取而代之，使用等离子蚀刻，仅需要4％的晶片面积。这也消除了由于锯切而导致的破损。

使用标准步进电机进行光刻

虽然IJ46打印头有100mm长，但也使用标准步进电机(其典型的是具有约20mm平方的成像区域)。这是因为，使用八个相同的曝光，打印头被“缝合”而成。“缝合线”之间的对准不是关键的，因为在缝合区域之间没有电连接。由每个步进电机曝光成像的每32个打印头的一段，给出了每次曝光“平均”四个打印头。

将彩色集成在一个单独芯片上

IJ46打印头将所有所需要的颜色集成在一个单独芯片上。而页宽“edge shooter”喷墨打印技术不能实现。

墨水的多样性

IJ46打印头不依赖于用于喷射墨滴的墨水特性。墨水可以基于水，微滴乳状液，油，各种酒精，MEK，热熔蜡，或其它溶剂。IJ46打印头可以在较宽的粘度和表面张力范围内对墨水进行“调节”。这对于允许较宽范围的应用来说是一个关键因素。

没有旋涡的分层气流

打印头包装被设计成保证气流分层，且消除旋涡。这一点是重要的，因为由于较小墨滴尺寸，旋涡或湍流会降低图像质量。

墨滴重复率

照片IJ46打印头的标称墨滴重复率为5kHz，从而打印速度为每照片2秒。对于30+ppm的A4打印而言，A4打印头的标称墨滴重复率为10kHz。最大墨滴重复率主要由喷嘴在填充率限制，当采用非受压墨水时，其由表面张力确定。使用正墨水压力(约20kPa)，墨滴重复率可以为50kHz。然而，对于低成本用户的应用来说，34ppm已足够。在速度非常高的情况下，例如商用打印机，多个打印头可以与快速纸张处理一起使用。对于低功率操作来说(例如使用2个AA电池供电)，墨滴重复率可以被降低以降低功率。

头—纸张速度低

照片IJ46打印头的标称头—纸张速度仅为0.076m/sec。对于A4打印头而言，所述速的仅为0.16m/sec，其约为典型的扫描喷墨打印头速度的约三分之一。低速简化了打印机的设计，并提高了墨滴定位精度。然而，由于页面宽度打印头，该头—纸张速度对于34ppm打印已经足够。在需要的情况下，较高的速度易于获得。

不需要高速CMOS

对于以30ppm进行操作的A4/字符打印头而言，打印头移位寄存器的时钟速的仅为14MHz。对于照片打印机而言，时钟速度仅为3.84MHz。其低于COMS工艺所使用的速度性能许多。这就简化了CMOS设计，并消除了当打印近白色图像时的功率消耗的问题。

全静态CMOS设计

移位寄存器和发送寄存器是全静态设计。与动态设计的约13个相比，一个静态设计每喷嘴需要35个晶体管。然而，静态设计有几个优点，包括较高的抗噪度，较低的静态功耗，和较大的加工公差。

宽功率晶体管

功率晶体管的宽长比为688。这就允许40hm的导通电阻，从而当由3V操作时，驱动晶体管消耗致动器功率的6.7％。这种尺寸的晶体管与移位寄存器和其它逻辑器件一起装配在致动器之下。这种适当的驱动晶体管，与相联的数据分配电路一起，不消耗芯片面积，其不是致动器所需要的。

有几种方式借助晶体管来减小功耗的百分率：增加驱动电压，从而所需电流减小，将光刻减小到小于0.5微米，使用BiCMOS或其它高电流驱动技术，或者增加芯片面积，为不位于致动器之下的驱动晶体管流出空间。然而，本设计的6.7％的功耗被认为是最适宜的性能价格比。

应用范围

本发明所公开的喷墨打印技术适用于印刷系统的一个宽广的范围。

主要例子包括：

1.彩色和单色办公室打印机

2.SOHO打印机

3.家用PC打印机

4.网络连接彩色和单色打印机

5.部门打印机

6.照片打印机

7.嵌入照相机中的打印机

8.3G移动电话中的打印机

9.便携式和笔记本打印机

10.宽版式打印机

11.彩色和单色复印机

12.彩色和单色传真机

13.结合打印，传真，扫描，和复印功能的多功能打印机

14.数字商用打印机

15.短版数字打印机

16.包装打印机

17.织物打印机

18.短版数字打印机

19.胶印补充印刷机

20.低成本扫描打印机

21.高速页宽打印机

22.具有嵌入页宽打印机的笔记本电脑

23.便携式彩色和单色打印机

24.标签打印机

25.票据打印机

26.售货点发票打印机

27.大规格CAD打印机

28.照相洗印加工打印机

29.影象打印机

30.照片CD打印机

31.壁纸印刷机

32.层状物打印机

33.室内标记打印机

34.广告牌打印机

35.视频游戏打印机

36.照片“报摊”打印机

37.名片打印机

38.贺卡打印机

39.书籍印刷机

40.报纸印刷机

41.杂志印刷机

42.表格印刷机

43.数字相簿打印机

44.医用打印机

45.汽车用打印机

46.压敏型标签打印机

47.彩色样张打印机

48.容错商用打印机组

现有喷墨打印技术

在不久的将来，具有类似性能的打印头不太可能由已建立的喷墨打印制造商提供。这是因为两个主要竞争对手(热喷墨和压电式喷墨)在满足应用要求时，每个都遇到严重问题。

热喷墨打印的最重要的问题是功耗问题。其是这些应用所需功耗的约100倍，且是由于喷射墨滴的低能效装置引起的。其包括使水快速沸腾，以产生一气泡，该气泡将墨水排出。水具有非常高的若容量，且在进行热喷墨打印时必须被过热。高能耗限制了喷嘴的组装密度。

压电式喷墨打印的最重要的问题是尺寸和成本问题。压电晶体在合理驱动电压下产生非常小的偏转，因此每个喷嘴需要一较大面积。而且，每个压电致动器必须被连接到单独基底上的它的驱动电路。在每打印头约300个喷嘴的情况下，这不是一个显著问题，然而，在制造具有19,200个喷嘴的页宽打印头时则是一个主要障碍。

IJ46打印头和热喷墨打印(TIJ)机构的比较

因素	TIJ打印头	TIJ打印头	优点
				分辨率	600	1600	全照片图像质量和高质量文本
打印机类型	扫描	页宽	IJ46打印头不扫描，从而打印更快且尺寸较小
				打印速度	＜1ppm	30ppm	IJ46打印头的页宽导致＞30倍的更快工作
喷嘴数量	300	51,200	喷嘴＞100倍，从而打印速度更快
				墨滴体积	20微微升	1微微升	纸上产生的水较少，打印品迅速干燥，无“褶皱”
结构	多部分	单片	IJ46打印头不需要高精度装配
				效率	＜0.1％	2％	效率增加20倍，从而以低功率工作
电源	电力网供电	电池	电池操作允许了便携式打印机，例如，在照相机和电话中
				峰值压力	＞100atm	0.6atm	热喷墨打印机中的高压导致重大问题
墨水温度	+300℃	+50℃	高墨水温度产生绕过的染料沉积(公害)
				气蚀	问题	无	气蚀(由于气泡破裂导致的腐蚀)限制了头的寿命
头寿命	有限	持久	由于气蚀和公害，TIJ打印头可更换
				工作电压	20V	3V	允许由小电池操作，对于便携式和袖珍打印机是重要的
每滴能量	10μJ	160μJ	＜1/50的墨滴喷射能量，允许电池操作
				每喷嘴芯片面积	40,000μm2	1,764μm2	小尺寸允许以低成本制造

本领域普通技术人员可以理解，在不背离如上文广泛描述的本发明的精神或领域的情况下，对本发明的所述特定实施例可以进行多种变化和/或改变。因此，本发明的所有方面均是举例说明的，且不是限定性的。

本发明还涉及一种喷墨打印头，该喷墨打印头具有一喷嘴阵列，其中每个喷嘴具有一移动喷嘴，该移动喷嘴具有一外部装配的致动器。

我们的共同未决美国专利申请序列号09/112,821公开了一种移动喷嘴。这种移动喷嘴装置由用于实现移动喷嘴的移动的磁相应元件致动，这样来实现喷墨。

这种配置的一个问题是：其要求部分装置被疏水处理，以抑制墨水进入致动器区域。

为了满足排除疏水处理的需要，提出了需要一种移动喷嘴型装置。

现参照附图104，喷嘴组件通常由参考标记510表示。一喷墨打印头具有若干喷嘴组件510，它们在一硅基底516上被布置成阵列514(图108和109)。下面将对该阵列514进行更加详细的说明。

组件510包括一硅基底或晶片516，在其上沉积一层绝缘层518。一CMOS钝化层520被沉积于该绝缘层518之上。

每个喷嘴组件510包括一限定一喷嘴口524的喷嘴522，一呈杆臂526的连接元件和一致动器528。所述杆臂526将致动器528连接到喷嘴522。

附图105到107更加详细地示出，喷嘴522包括一具有裙边部532的冠部530，所述裙边部从冠部530上垂下。所述裙边部532构成喷嘴腔534周壁的一部分(附图105到107)。所述喷嘴口524与喷嘴腔534液体连通。注意到，喷嘴口524由凸起的边缘536围绕，该边缘将喷嘴腔534中的墨水体540的弯月面538(图105)“钉住”。

一喷嘴入孔542(在图109中更加清楚地示出)被喷嘴腔534的底板546限定。所述孔542与墨水流入通道548液体连通，所述通道548通过基底516限定。

一壁部550限定孔542，并从底板部546向上延伸。如上所述的喷嘴522的裙边部532限定喷嘴腔的周壁的第一部分，且壁部550限定喷嘴腔534的周壁的第二部分。

所述壁550在其自由端具有一朝内定向的唇缘552，其用作流体密封，以防止当喷嘴522移动时墨水溢出，下文将详细说明。可以理解，由于墨水540的粘度以及唇缘552和裙边部532之间的间隙的小尺寸，向内定向的唇缘552和表面张力用作密封件，用于防止墨水从喷嘴腔534中溢出。

致动器528是一个热弯曲致动器，其被连接到从基底516或更具体而言从CMOS钝化层520，向上延伸的锚定部554。所述锚定部554被安装在导电垫556上，其构成一与致动器528之间的电连接。

所述致动器528包括一安装在第二被动梁560之上的第一主动梁558。在一优选实施例中，两个梁558和560为导电陶瓷材料例如氮化钛(TiN)或包括上述导电陶瓷材料。

两个梁558和560的第一端锚定到所述锚定件554，而其相对端连接到臂526。当电流流过所述主动梁558时，所述梁558产生热膨胀。而所述被动梁560由于没有电流流过，不会以相同比率膨胀，从而产生弯曲运动，导致臂526和喷嘴522朝着基底向下移位，如图106所示。这就墨水喷出喷嘴口524，如图106中562处所示。当热源从主动梁558上消除时，例如通过停止电流，喷嘴522返回其静止位置，如图107所示。当喷嘴522返回其静止位置时，由于如图107中566处所示的墨滴颈的断裂，形成一墨滴564。然后墨滴564移动到打印介质例如纸张上。形成墨滴564的结果是，在图107中的568处所示，形成一“负”弯月面。

该“负”弯月面568导致墨水540向内流入喷嘴腔534中，这样一新弯月面538(图105)被形成，从而为从喷嘴组件510喷出下一墨滴做好准备。

现参照附图108和109，更加详细地示出了一喷嘴阵列514。该阵列514用于四色打印头。因此，该阵列514包括四组喷嘴组件570，一组对应一种颜色。每组570中喷嘴组件510被布置成两排570和574。其中一组570在图109中更加详细地示出。

为了易于将喷嘴组件510紧密地包装成排572和574，排574中地喷嘴组件510被相对于列572中的喷嘴组件510偏移或错列。而且，在列572中的喷嘴组件510被间隔开，从而彼此远离，以使列574中的喷嘴组件510的杆臂526从列572中的组件510的相邻喷嘴522之间经过。注意到，每个喷嘴组件510基本上呈哑铃形，从而排572中的喷嘴522嵌套在排574中的相邻喷嘴组件510的喷嘴522和致动器528之间。

此外，为了易于将喷嘴522紧密包装成排572和574，每个喷嘴522基本上呈六面体形状。

本领域普通技术人员应当理解，当喷嘴522朝向基底516设置时，在使用中，由于喷嘴口524相对于喷嘴腔534存在微小的角度，因此，墨水稍微偏离垂直方向。如图108和109所示的布置的优点在于，排572和574中的喷嘴组件510的致动器528以相同方向延伸到排572和574的一侧。因此，从排572中的喷嘴522喷出的墨滴和从排574中的喷嘴522喷出的墨滴彼此平行，从而提高了打印质量。

而且，如图108所示，基底516之上安装有连接垫576，其经由垫556提供电连接到喷嘴组件510的致动器528。这些电连接经由CMOS层(未示出)形成。

参照附图100，示出了发明的一个发展。相同参考标记表示与参照前述附图相同部件，除非另有说明。

在这个发展中，一喷嘴防护装置580被安装在阵列514的基底516上。该喷嘴防护装置580包括一本体元件582，该元件具有穿过其而限定的若干通道584。所述通道584与阵列514的喷嘴组件510的喷嘴口524套合，这样，当墨水从任何一个喷嘴口524中排出时，在撞击到打印介质上之前，墨水经过相应的通道584。

该本体元件582借助翼或撑架586，以彼此相互间隔开的关系安装。其中一个撑架586具有限定在其中的空气入口588。

在使用中，当阵列514处于工作中时，空气被通过入口588排出，被迫使与经过通道584的墨水一起穿过该通道584。

墨水不被空气所夹带，因为空气被以与墨滴564不同的速度排出通道584。例如，墨滴564以约3m/s的速度被从喷嘴522中排出。空气被以约1m/s的速度排过通道584。

引入空气的目的是保持通道584清洁，免除外界颗粒。但存在一个风险，这些外界颗粒例如灰尘颗粒会落在喷嘴组件510上，从而影响它们的工作。由于在喷嘴防护装置580中提供了空气入口588，这个问题在很大程度上被避免了。

现参照图111到113，对制造喷嘴组件510的一种方法进行了说明。

开始于硅基底或晶片516，绝缘层518被沉积在晶片516的表面上。该绝缘层518为1.5微米的CVD氧化物。抗蚀剂被旋涂在层518上，且层518由掩模600曝光，随后进行显影。

显影之后，层518被向下等离子蚀刻到硅层516。然后所述抗蚀剂被剥离，且层518被清洁。该步骤限定了墨水入口542。

在图111b中，约0.8微米的铝602被沉积在层518上。抗蚀剂被旋涂在铝602上，且由掩模604曝光并显影。所述铝602被向下等离子蚀刻到氧化层518，所述抗蚀剂被玻璃，装置被清洁。该步骤提供了接合垫和与喷墨致动器528之间的相互连接。该相互连接是与NMOS驱动晶体管和一具有形成于CMOS层(未示出)中的接点的电源面之间的连接。

约0.5微米的PECVD氮化物被沉积作为CMOS钝化层520。抗蚀剂被旋涂，且层520由掩模606曝光，然后被显影。在显影之后，所述氮化物被向下等离子蚀刻到铝层602和处于入口孔542的区域内的硅层516。所述抗蚀剂被玻璃且装置被清洁。

一层牺牲性材料层608被旋涂到层520上。所述层608为6微米光敏聚酰亚胺或约4μm高温抗蚀剂。所述层608被软烘烤，然后由掩模610曝光，之后进行显影。然后在层608由聚酰亚胺构成时，所述层608在400℃下被硬烘烤一个小时，或在层608为高温抗蚀剂时，所述层在300℃下被硬烘烤。注意到，在附图中，由收缩导致的聚酰亚胺层608的图案相关变形，在对掩模610的实际时被考虑。

在接下来的步骤中，如图111e所示，涂布一第二牺牲性层612。该层612或者为旋涂的2μm光敏聚酰亚胺，或者为约1.3μm的高温抗蚀剂。该层612被软烘烤并由掩模614曝光。在由掩模614包装之后，层612被显影。在该层612为聚酰亚胺的情况下，该层612在400℃下被硬烘烤约一个小时。在该层612为抗蚀剂时，其在大于300℃的温度下被烘烤约一个小时。

然后，一0.2微米多层金属层616被沉积。该层616的部分构成致动器528的主动梁560。

通过在约300℃下喷溅1000的氮化钛(TiN)，然后喷溅50的氮化钽(TaN)，另外1000的TiN被喷溅，然后再喷溅50的TaN，进一步喷溅1000的TiN，从而形成层616。

可以用来替代TiN的其它材料为TiB₂，MoSi₂，or(Ti，Al)N。

然后层616由掩模618曝光，显影并向下等离子蚀刻到层612，然后对层616涂布的抗蚀剂在潮湿条件下被剥离，并小心不能除去硬化层608或612。

一第三牺牲层620被旋涂在4μm感光聚酰亚胺或约2.6μm的高温抗蚀剂上。层620被软烘烤，然后由掩模622曝光。之后被曝光的层被显影，然后被硬烘烤。在聚酰亚胺的情况下，层620在400℃下被硬烘烤大约一个小时，或者在层包括抗蚀剂时，在高于300℃下被烘烤。

一第二多金属层624被涂布在层620上。层624的成分与层616的成分相同，且以相同的方式被涂布。优选的是两层616和624均是导电层。

层624由掩模626曝光，然后被显影。该层624被向下等离子蚀刻到聚酰亚胺或抗蚀剂层620，然后为层624涂布的抗蚀剂在潮湿条件下被剥离，并小心不除去硬化层608，612或620。注意，层624的剩余部分限定致动器528的主动梁558。

一第四牺牲层628被旋涂在4μm感光聚酰亚胺或约2.6μm的高温抗蚀剂上。层628被软烘烤，然后由掩模630曝光。之后被显影，从而留下如图112k所示的岛屿状部分。在聚酰亚胺的情况下，层628的所述剩余部分在400℃下被硬烘烤大约一个小时，或者对于抗蚀剂，在高于300℃下被烘烤。

如图111I所示，高杨氏模量的绝缘层632被沉积。该层632由约1μm氮化硅或氧化铝构成。该层632在低于牺牲层608，612，620，628的硬烘烤温度的温度下被沉积。该绝缘层632所需的主要特性是高弹性模量，化学惰性和与TiN的良好附着性。

一第五牺牲层634被旋涂在2μm感光聚酰亚胺或约1.3μm的高温抗蚀剂上。层634被软烘烤，然后由掩模636曝光并被显影。在聚酰亚胺的情况下，层634的所述剩余部分在400℃下被硬烘烤大约一个小时，或者对于抗蚀剂，在高于300℃下被烘烤。

所述绝缘层632被向下等离子蚀刻到牺牲层628，并小心不去除任何牺牲层634。

该步骤限定了喷嘴组件510的喷嘴口524，杆臂526和锚定件554。

一高杨氏模量绝缘层638被沉积。该层638通过在低于牺牲层608，612，620和628的硬烘烤温度的温度下，沉积0.2μm氮化硅或氮化铝而形成。

然后，如图111p所示，所述层638被各向异性地等离子蚀刻到0.35微米的深度。该蚀刻的目的是将绝缘体从除了绝缘层632的侧壁和牺牲层634之外的所有表面上清除。该步骤产生了围绕喷嘴口524的喷嘴边缘536，如上所述，其将墨水的弯月面“钉”住。

另一UV释放带(未示出)被施加到晶片516的后部，且带640被去除。在氧等离子体中，所述牺牲层608，612，628和634被剥离，以提供如图111r和112r所示的最终喷嘴组件510。为了易于参考，在这两幅图中所示的参考标记与图104中所示的喷嘴组件510的相关部分相同。图114和115示出了喷嘴组件510的操作，该组件根据上述参照图111和110的方法制造，且这些标号与图105和107对应。

本领域普通技术人员可以理解，在不背离如上文广泛描述的本发明的精神或领域的情况下，对本发明的所述特定实施例可以进行多种变化和/或改变。因此，本发明的所有方面均是举例说明的，且不是限定性的。

Claims (12)

1.一种包括若干形成在基底上的喷嘴装置的喷墨打印头，每个喷嘴装置包括：

-喷嘴腔，

-喷嘴口，墨水从喷嘴腔穿过所述喷嘴口被喷出，

-在所述喷嘴腔中的可移动元件，所述元件与墨水接触从而喷射墨水，

-热弯曲致动器，其具有一锚定到所述基底上的近端和一连接到所述可移动元件的远端，所述致动器包括一第一部分和一第二部分，所述第一部分邻近所述喷嘴腔之外的近端且具有一用于加热所述致动器的导电性加热电路层，所述第二部分延伸到所述可移动元件且与所述墨水接触，

其特征在于：所述致动器包括一绝缘装置，用于将所述第一和第二部分彼此电绝缘，从而所述加热电路层中的电能不会被所述致动器传导到所述墨水。

2.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于：所述绝缘装置包括一延伸过所述热弯曲致动器的槽。

3.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于：所述导电性加热电路层基本上为平面。

4.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于：所述导电性加热电路层基本上由氮化钛组成。

5.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于：所述导电性加热电路层包括至少一个与所述近端相邻的锥形部分，其被安装以增加与所述近端的阻热性。

6.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于：所述可移动元件为一喷墨叶片，其位于所述喷嘴腔中，且可朝着所述喷嘴口移动，以喷出墨水。

7.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于：所述可移动部分包括所述喷嘴口，且朝着所述基底移动，以使墨水穿过所述喷嘴口喷出。

8.如权利要求7所述的喷墨打印头，其特征在于：每个喷嘴装置包括一限定所述喷嘴口的冠部，和一从所述冠部垂下的裙边部，所述裙边部构成所述喷嘴腔周壁的第一部分。

9.如权利要求8所述的喷墨打印头，包括一墨水进入孔，其限定所述喷嘴腔的底板和一围绕所述孔的围壁，并限定所述喷嘴腔的周壁的第二部分。

10.如权利要求9所述的喷墨打印头，其特征在于：所述裙边部可相对于基底移位，且所述围壁用作抑制装置，用于抑制墨水从所述腔中泄漏。

11.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于：所述绝缘装置位于所述喷嘴腔的外部。

12.一种包括若干形成在基底上的喷嘴装置的喷墨打印头，每个喷嘴装置包括：

-喷嘴腔，

-喷嘴口，墨水从喷嘴腔穿过所述喷嘴口被喷出，

-在所述喷嘴腔中的可移动元件，所述元件与墨水接触从而喷射墨水，

-热弯曲致动器，其具有一锚定到所述基底上的近端和一连接到所述可移动元件的远端，所述致动器包括一第一部分和一第二部分，所述第一部分邻近所述喷嘴腔之外的近端且具有一用于加热所述致动器的导电性加热电路层，所述第二部分延伸到所述可移动元件且与所述墨水接触，

其特征在于：所述第一和第二部分彼此电绝缘，从而所述加热电路层中的电能不会被所述致动器传导到所述墨水。

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