CN1922020A - 改进的喷墨打印头 - Google Patents

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拜龙·V·贝尔
保罗·A·库克
罗伯特·W·卡内尔
乔治·K·帕里什
卡尔·E·苏里万
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Abstract

一种包括打印机墨盒的喷墨打印机，所述打印机墨盒包含固定在墨盒滑架上，以便在打印介质上移动墨盒的打印头。所述打印机还包括滑架外墨源，打印机微处理器，和连接在墨盒和滑架外墨源之间，向墨盒提供补充墨及实现滑架和打印头的控制的组合供墨管道和电连接电缆。对打印机的改进使得能够实现低成本，高质量的打印。

Description

改进的喷墨打印头
技术领域
本发明涉及改进的喷墨打印机及其组件。更具体地说，本发明涉及与现有技术的打印头相比，打印更快，更可靠并且能量效率更高的喷墨打印头的改进结构。
背景技术
喷墨打印机通过把墨滴从墨贮存器(ink reservoir)排到打印介质上产生图像。一般通过使在具有薄膜加热(firing)电阻器的喷嘴板之下的墨室(ink chamber)中的大量墨成核(nucleate)，从厚膜喷嘴板中的喷嘴阵列喷出或射出墨滴。墨的成核现象在墨室的内部产生突然的压力增大。压力的增大把墨滴从布置在墨室附近的喷嘴挤出到打印介质上。通过对压电元件施加电压，使其膨胀到墨室中，提供从位于墨室附近的喷嘴喷出墨滴的压力脉冲，压电元件也可被用于把墨滴喷到打印介质上。通过可控地把打印头定位在打印介质上方，并有选择地激活加热电阻器或压电致动器，能够在打印介质上产生图像。压电和加热电阻器喷墨打印机在本领域中众所周知，如2000年12月26日颁发的Sullivan等的美国专利No.6164762，以及Hasegawa等的美国专利No.5530465中所述，这两件美国专利均作为参考整体包含于此。但是，如下更详细所述，这些现有的喷墨打印机存在许多不足。
现有的喷墨打印机的一个不足是它们的快速打印高分辨率无颗粒(grain)图像的能力。大量的微小墨滴必须被喷出，以便产生在人眼看来好像无颗粒的图像。但是，喷出大量的墨滴耗时，并且需要先进的寻址方案。从而，现有技术的高分辨率喷墨打印机具有相对低的打印速率(用每分钟打印的页数来表示)。另外，为了快速使墨滴汽化，需要大量的高能脉冲。这些频繁的高能脉冲导致打印头的过度加热。过高的打印头温度会导致或增大在墨中形成的气泡的数量，从而导致打印质量较差和/或对喷墨器(ink ejector)的薄膜结构的损害。为了解决打印头加热器芯片的过热，提出了如在Bohorquez等的美国专利No.5736995，Seccombe等的美国专利No.5657061，Yeung的美国专利No.5168284，Alexander等的美国专利No.4978239和McClure等的美国专利No.4449033中陈述的各种方法(它们在此引为参考)。但是，这些现有方法往往过于复杂和易于失败。另外，这些方法中的许多方法过度地增大了制造打印头的成本于是，需要一种廉价并且可靠的避免加热器芯片的过热的方式。
为了供给快速激活大量的加热元件所需的寻址信息和激励脉冲(firing pulse)，还需要打印机的电子器件与打印头墨盒之间增加的大量电连接。这些电连接增大了生产打印头墨盒的成本，以及在打印头制造过程中，电连接之一未被正确完成或者受到损害的可能性。此外，高分辨率喷墨打印头上的大量微小喷嘴易于产生缺陷和阻塞。不幸的是，单个喷墨喷嘴的不正常工作严重影响打印机产生的图像的打印质量。于是，需要一种以最少的时间产生图像的可靠的高分辨率喷墨打印机。
在短时间内快速喷出大量墨滴的需要还导致喷墨打印机的加热器芯片中的电迁移问题。如Vaugth等的美国专利No.4490728和Stoffel的美国专利No.4862197(它们在此引为参考)中所述，铝一般被用于构成喷墨打印机的加热器芯片中的导电迹线和引线。电迁移导致加热电阻器的薄膜结构中铝自迹线的物理移动。由于短路或开路的缘故，铝的这种物理移动最终会导致加热器芯片不正常工作。不幸的是，在高分辨率，高速打印所需的相对更高的电流密度下，电迁移更显著。于是，还需要使电迁移的影响最小化的高分辨率，高速喷墨打印头。
现有技术的喷墨打印机还存在用于使墨滴成核或使墨滴汽化的加热电阻器易受跟加热电阻器接触的墨的损害的不足。一般来说，这种损害起因于两个主要来源。第一个是由墨中对打印头的电组件具有腐蚀性的成分造成的腐蚀。墨腐蚀随着时间的过去损害加热电阻器的表面，最终导致加热电阻器不正常工作。另外，由沉淀到加热电阻器上的大量成核墨引起的空化会使加热电阻器的表面破裂。为了解决空化和钝化的问题，提出了许多方法，包括使用钽，碳化硅，氮化硅等。但是，这些方法存在不足，因为它们需要只局部避免空化和钝化的结构或设计的相当昂贵材料的使用，并且往往增大从打印头喷射墨所需的能量。另外，现有的方法一般需要分层或者层叠的设计，这往往存在随着时间的过去，各层相互分离的问题。于是，需要一种简单且相对低廉的避免空化和钝化的方式。
现有技术的喷墨打印机还存在与用完墨的打印头墨盒有关的问题。一般来说，喷墨打印机使用不重新装墨的一次性打印头墨盒。如果打印头储存器(reservoir)之一中的墨在完成打印作业之前用完，那么打印质量会受到影响。另外，喷墨打印机的用户不得不获得新的打印头墨盒。不幸的是，如果打印头墨盒在不合适的时间用完墨，那么在能够获得新的打印头墨盒之前，用户可能错过重要的期限。现有的对该问题的解决方案往往集中于设计一种可重新装墨的打印头墨盒。但是，如果在被重新装墨之前，打印头墨盒中的墨用完，那么由于在缺少墨室中的液体的情况下被加热，加热电阻器可能受到永久损坏。于是，提出了向喷墨打印机的用户提供墨位指示的许多现有方法。不幸的是，即使被警告需要更换打印头墨盒，用户往往会比设计的再装墨次数更多次地对墨盒重新装墨，从而导致喷墨器发生故障。一旦打印头墨盒上的加热电阻器开始发生故障，打印质量就快速降低。差的打印质量会导致用户怀疑打印机的质量。于是，需要一种改进的打印头，该打印头避免与打印头墨盒中的墨贮存器的再装墨或过度使用相关的现有问题。
发明内容
上述和其它需要由喷墨打印机提供，所述喷墨打印机包括打印机墨盒，所述打印机墨盒包含固定在打印介质上移动墨盒的墨盒滑架上的打印头。打印机还包括滑架外墨源，打印机微处理器，和连接在墨盒和滑架外墨源之间，向墨盒提供补充墨及实现滑架和打印头的控制的组合供墨管道和电连接电缆。
在另一方面，本发明提供喷墨打印机的打印头。所述打印头包括半导体衬底，沉积在所述衬底上的第一绝缘层，沉积在第一绝缘层上的电阻层，和沉积在电阻层上的第一导电层。第一导电层被蚀刻，从而确定在第一导电层的相对部分间的喷墨器。类金刚石碳(DLC)保护层被沉积在喷墨器上，以及沉积在至少一部分的第一导电层上。第二绝缘层被沉积在第一导电层的相对部分上，第二导电层被沉积在至少一部分的第二绝缘层上。
在另一方面，本发明提供一种喷墨打印机的打印头。所述打印头包括半导体衬底，沉积在所述衬底上的第一绝缘层，和沉积在绝缘层上的第一导电层。第一导电层被蚀刻，从而确定在第一导电层的相对部分间的喷墨器位置。类金刚石碳(DLC)层沉积在喷墨器位置中，以及被沉积在至少一部分的第一导电层上。第二绝缘层沉积在第一导电层的相对部分上。DLC层包含掺杂或未掺杂的上层和掺杂足以增大其导电率，从而确定喷墨器件的材料的下层。
本发明的另一方面提供一种喷墨打印机的打印头，包括一个半导体芯片，所述半导体芯片包含用于墨喷射的多个加热器电阻器，驱动每个加热器电阻器的功率场效应晶体管(FET)，和与FET和加热器电阻器耦接的CMOS逻辑器件。FET的栅极的栅氧化层的厚度大于CMOS逻辑器件的栅极的栅氧化层的厚度。
这里陈述的对喷墨打印机及其组件的改进提高增强的打印质量改进，以及与材料和制造相关的成本节约。特别地，对喷墨打印头的改进能够产生寿命更长，更可靠，生产成本效率更高的打印头。本发明提供的其它优点包括(但不限于)喷墨器的更高的热效率和更快的加热速度。
附图说明
结合附图，参考优选实施例的下述说明，本发明的其它优点将变得明显，附图不是按比例绘制的，其中在所有几个附图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件：
图1是根据本发明的优选实施例的喷墨打印机的示意方框图；
图2是不按比例绘制的根据本发明的优选实施例构成的打印头墨盒的透视图；
图3是不按比例绘制的根据本发明的优选实施例构成的加热器芯片的一部分的横截面图；
图4是不按比例绘制的根据本发明的备选实施例构成的加热器芯片的一部分的横截面图；
图5是不按比例绘制的根据本发明的另一备选实施例构成的加热器芯片的一部分的横截面图；
图6是不按比例绘制的具有沉积在加热器芯片上的厚膜层的加热器芯片的一部分的平面图；
图7是不按比例绘制的具有蚀刻到芯片的表面中的墨通道(channel)和墨室的加热器芯片的一部分的平面图；
图8A是不按比例绘制的具有蚀刻到芯片的表面中的带有倾斜壁的墨通道的加热器芯片的一部分的横截面图；
图8B是不按比例绘制的具有蚀刻到芯片的表面中的带有垂直壁的墨通道的加热器芯片的一部分的横截面图；
图9是不按比例绘制的包含根据本发明构成的喷嘴板的加热器芯片的一部分的横截面图；
图10是不按比例绘制的包含根据本发明的备选实施例构成的喷嘴板的加热器芯片的一部分的横截面图；
图11是不按比例绘制的包含根据本发明的另一备选实施例构成的喷嘴板的加热器芯片的一部分的横截面图；
图12是不按比例绘制的包含根据本发明的又一备选实施例构成的喷嘴板的加热器芯片的一部分的横截面图；
图13是不按比例绘制的具有沉积在芯片上的厚膜层，和沉积的跨越多个喷墨器件的保护层的加热器芯片的一部分的平面图；
图14是根据本发明的调节器模块电路的电气流程图；
图15是不按比例绘制的根据本发明的另一方面的产生加热器芯片的半导体晶片的平面图；
图16是不按比例绘制的根据本发明产生加热器芯片的半导体晶片的侧视图；
图17是不按比例绘制的根据本发明的一个方面的逻辑器件功率FET的横截面图；
图18是根据本发明的打印头芯片的熔丝结构的横截面图。
具体实施方式
本发明目的在于适合于提供更快，更可靠的喷墨打印机的新的和现有喷墨打印原理的新颖结合，与现有设计相比，所述喷墨打印机的生产成本不太高。如图1中所示，根据本发明构成的喷墨打印机10利用可移动地安装在支撑件14上的打印头滑架12。半永久的打印头墨盒16安装在打印头滑架12上。虽然图中表示了单个打印头墨盒，不过对于本领域的技术人员来说，显然彩色喷墨打印机可利用多个打印头墨盒，每个打印头墨盒具有包含选自青色，品红，黄色和黑色的基色之一的墨贮存器，或者包含一个多色打印头和基色的相关墨贮存器的单个打印头墨盒。但是，为了简单起见，图1中的打印头墨盒16被表示成具有单个墨贮存器18。
墨从墨贮存器18中吸出并由安装在打印头墨盒16上的打印头20排到诸如纸张之类的打印介质22上。安装在打印头墨盒16中的打印头微处理电路24最好监视和控制打印头的操作。打印头微处理电路24还与监视墨贮存器18中的墨量的墨位(level)检测装置26和控制墨贮存器18中的压力的压力控制装置28通信。
打印头存储器30被用于保存打印头墨盒16的操作信息和历史数据。存储器30允许信息与打印头墨盒16相关联，使得如果打印头墨盒16从喷墨打印机10上被取下，那么操作信息和历史数据仍然与打印头墨盒16相关联。与打印头墨盒16相关的信息和数据允许打印头墨盒16使其操作参数适应于各种各样的打印格式。
打印头墨盒16通过组合的墨路和电连接电缆32与喷墨打印机10耦接。组合的连接电缆32允许打印机微处理器34与打印头微处理电路24通信。打印机微处理器34通过包含在组合的墨路和电连接电缆32中的电连接，向打印头微处理电路24传递打印指令和激活信号。为了便于传送电信号和流体，组合的连接电缆32可以是中空的管道(conduit)，其中墨流过该管道的内部，电线(electrical trace)包含在管道的外部。对管道的内部和外部涂敷恰当的涂层，以保护电线不被腐蚀。管道可具有任何适当的横截面形状，包括圆形，椭圆形，矩形等。
在备选方案中，多层柔性电路/供墨管道可被用作组合连接电缆32，连接打印头墨盒16与滑架12。这种情况下，多层柔性电路的一层或多个可包括电线，独立的一层可包括用于把墨从滑架外墨贮存器36向墨盒16供应墨的中空管道。在特别优选的实施例中，组合的连接电缆32还包括一个或多个多路复用电路，逻辑电路，存储器器件，微处理器和功率场效应晶体管(FET)，而不是把这些装置设置在半导体衬底上。
柔性电路/供墨管道的终端可包括厚度约为10微米到小于约500微米的超薄半导体材料，而不是提供包含附着于墨盒主体上的喷墨器件的常规衬底。超薄半导体材料可包含在其装置表面上的喷墨器件，并且可被蚀刻以便包含墨通路，以便墨通过墨通路从半导体材料的第二表面流到喷墨器件。
安装在喷墨打印机10中的打印机墨贮存器36使用组合的连接电缆32可控制地把墨从打印机墨贮存器36提供给打印头墨贮存器18。虽然认识到来自打印机墨贮存器36的墨和来自打印机微处理器34的通信和激活信号可通过物理分离的元件与打印头墨盒16耦接，不过由于其可靠性和成本效率，优选图1的组合墨路和电连接电缆32。
打印机微处理器34控制喷墨打印机10的操作。滑架位置控制器响应从打印机微处理器34接收的控制信号，移动打印头滑架12。打印机微处理器34还通过组合的连接电缆，向打印头20和打印头微处理电路24发送通信信号，控制从打印头20的墨滴的排出。通过控制打印头滑架12的位置和有选择地从打印头20排出墨，打印机微处理器34能够响应从输入设备，例如计算机，通过与所述计算机耦接的输入端口40接收的信号，在打印介质22上产生所需的图像。
打印机微处理器34还响应来自打印头墨盒16中的墨位检测装置26的低墨位指示，控制打印机墨贮存器36，完成重新装墨操作，从而墨从打印机墨贮存器36转移到打印头墨贮存器18。另外，如果打印机墨贮存器36中的墨位低于预定水平，那么打印机微处理器34向报警或警告显示装置42发送低墨位指示，报警或警告显示装置42向喷墨打印机10的用户通知存在低墨位情况。显示装置42可包括发光二极管(LED)指示器，蜂鸣器，和/或在连接于打印机10的计算机屏幕上显示的图形。
打印机微处理器34使用存储器保存使微处理器34能够以各种不同的介质格式操纵打印机10的配置信息和操作参数信息，所述不同的介质格式与不同类型的打印头墨盒16兼容。例如，可能希望在普通纸，照相纸，铜版纸，光滑的照相纸，聚合物胶片等上进行打印。微处理器34协调来自打印头存储器30的信息，以便选择按照所需的打印质量模式，在选择的打印介质上打印的最佳操作参数。这样的操作参数包括(但不限于)打印头扫描速度，喷射的墨的量，打印头温度，喷墨速度，打印质量模式等。
现在参见图2，图中更详细地表示了根据本发明的特别优选的实施例构成的，和图1的优选喷墨打印机10一起使用的打印头墨盒16的示意图。打印头墨盒16由墨盒主体44组成，墨盒主体44提供保存可消耗的墨源(ink supply)的墨贮存器18。自动再装管46从墨盒16的侧面部分48伸出，并与滑架12连接。再装管46把墨从最好安装在喷墨打印机10本身的主体上的滑架外墨贮存器36，例如图1中所示的滑架外墨贮存器36供应给墨贮存器18。通过根据需要连续地向打印头墨盒16供给墨，再装管46消除了前面讨论的当打印头墨盒16中的墨贮存器18为空时，如果打印头20的加热电阻器被激活，那么可能发生的许多问题。
此外，如下更详细所述，布置在墨贮存器18内的压力控制装置28和再装管46一起工作，保持打印头墨盒16内部的压力相对恒定。这种恒定的压力有助于确保从打印头墨盒16排出大小均匀的墨滴。此外，对于高速打印操作，墨压力可被增大，以方便墨快速从墨贮存器18移动到打印头20上的墨喷嘴52。
压力控制装置28可以是机械压力控制装置，或者压力控制可由被激活从而把诸如空气，二氧化碳或其它惰性气体释放到墨贮存器18或滑架外墨贮存器36的材料提供。例如，在墨贮存器18或滑架外墨贮存器36中可包含充气微胶囊(microcapsule)。微胶囊壁可由与墨相容的材料制成，以便缓慢地溶解到墨中，从而释放气体。微胶囊还可以具有当墨贮存器18或滑架外墨贮存器36中的压力低于所需压力时，使胶囊基本上自然破裂的壁结构。在墨贮存器18或滑架外墨贮存器36中还可包括诸如钉或针之类的破裂器件，当微胶囊与所述破裂器件接触时，所述破裂器件有效地使微胶囊破裂并释放其中所包含的气体。
在墨贮存器18或滑架外墨贮存器36内产生压力的另一种手段是在墨贮存器18或滑架外墨贮存器36内设置电解装置，以便电解墨贮存器18或滑架外墨贮存器36中的流体成分。例如，可在墨贮存器18或36中的液仓中间隔一定距离设置电极，以便施加足以通过把墨贮存器18或36中的一部分水性流体分解成氧和氢，产生氧气的电流。电极可包括催化涂层，以便降低分解液体所需的能量。压力传感器可被用作基于需要激活电解处理的开关。
带式自动接合(TAB)电路或柔性电路54被安装在墨盒主体44上。TAB电路或柔性电路54优选由柔性的电绝缘热阻材料，比如聚酰亚胺膜构成。最好，TAB电路或柔性电路54由以KAPTON和UPILEX商标销售的聚酰亚胺膜之一构成。但是，易于认识到各种材料可被用于构成TAB电路或柔性电路54，选择用于TAB电路或柔性电路54的材料的主要考虑因素是持久性，抗腐蚀性，柔性等。TAB电路或柔性电路54还包含一系列的电触点56，当打印头墨盒16被安装在打印头滑架12中时，所述一系列的电触点56提供打印头墨盒16和喷墨打印机10之间的电连接。嵌入TAB电路54中的导线58电连接每个电触点56和打印头20上的加热器芯片60。
在当墨盒16被安装在滑架12上时，打印头墨盒16的与打印介质22面对的侧面部分上，加热器芯片60与TAB电路54接合。加热器芯片60优选由布置在硅衬底上的薄膜电阻器构成。在特别优选的实施例中，打印头20由两个或者更多的独立硅衬底，或者其中包含多个供墨槽的单个较大硅衬底构成。由独立的多个衬底构成打印头20允许使用较小的硅衬底。这降低了生产打印头所需的成本，因为与较大的硅衬底相比，较小的硅衬底的制造成本不成比例地较低，并且具有更高的产率。另外，由多个硅片段构成打印头20允许打印机10使用更多的加热电阻器，从而更快地打印图像。
喷嘴板64被布置在硅衬底60上方，使得喷嘴板64上的各个喷嘴对准喷墨器件66，例如芯片60上的加热电阻器70(图3)。图2中未示出的墨通路把墨从墨盒主体44的内部提供给加热器芯片60上的喷墨器件66。
再次参考图1和2，TAB电路或柔性电路54的功能是当打印头墨盒16被安装在喷墨打印机10的打印头滑架12中时，提供打印机的电子器件和包含在芯片60上的喷墨器件之间的电气互连。如果使用复杂的寻址方案，那么在TAB电路或柔性电路54上设置一个多路分解器或者微处理器，以便译解多路复用的地址信息，并激活选择的喷墨器件。提供打印头滑架12上的连接，以便与电触点56耦接，从而从打印微处理器34提供电力和逻辑。
现在参见图3，图中更详细地表示了根据本发明的打印头芯片60的优选喷墨器件66的结构。通过利用公知的微电子制备工艺，比如物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)工艺，在衬底72上沉积多层材料，在硅衬底72上构成喷墨器件。硅衬底72优选由厚度约为100-约800微米的单晶硅材料构成。
最好在衬底72的表面上沉积绝缘层74。绝缘层74优选由提供衬底72与如下更详细所述的喷墨器件66的叠加结构之间的电绝缘和热绝缘的材料，比如氮化硅(SiN)，二氧化硅(SiO2)，掺磷玻璃(PSG)或者掺硼和磷的玻璃(BPSG)构成。绝缘层74的厚度最好小于约30000埃(A)，并大于约8000埃。但是，本发明的实际实施例中的绝缘层74的实际厚度将取决于用于绝缘层74的绝缘材料和使用的喷墨器件66的热特性。
绝缘层74通过使当激活喷墨器件66时，衬底72吸收的能量的数量降至最小，改进了喷墨器件66的功能。最好，绝缘层74的尺寸为使得不到10％的供给喷墨器件66的能量被衬底72吸收。
为了提供喷墨器件(ink ejecting device)66，通过在绝缘层74上沉积片(sheet)电阻为约20-约60欧姆/块(square)的材料的第一较薄层76，形成薄膜电阻器70。电阻层76的沉积厚度最好为约500-约1500埃。电阻层76优选由包括钽和铝(Ta-Al)的材料构成。但是，各种其它材料，比如TaN，HfB2，ZrB2，TaAlN等可被用于形成电阻层76。
随后在电阻材料层76上沉积第一导电材料层78。第一导电材料层78的厚度最好为约4000埃-约15000埃。在沉积第一导电材料层78之后，第一导电材料层78被蚀刻或者以其它方式构图，从而在第一导电材料层78的部分78A和78B之间形成薄膜电阻器70。
第一导电材料层78和下面说明的第二导电材料层向薄膜加热(firing)电阻器70提供电流。流经第一导电层78和第二导电层的电流集中到部分78A和78B之间的已从电阻层76除去第一导电层78的较高电阻区70。从而，从而，当暴露于来自第一导电层78和第二导电层的电流下时，薄膜电阻器70将发热。电流由第一导电金属层78的低电阻传送。但是，在第一导电层78已被蚀掉的区域中，电流主要流经较薄并且相对更高电阻的薄膜层76。电流加热部分78A和78B之间的区域中的电阻层76，从而提供喷墨器件66。
最好在薄膜电阻器70上沉积钝化和空化(cavitation)保护层80。保护层80保护薄膜电阻器70免受在喷墨打印机中使用的许多墨的腐蚀性的影响。另外，保护层80保护薄膜电阻器70免受由落到其表面上的大量成核墨的作用力造成的点蚀(pitting)或开裂损伤。
为了更好地实现这些功能，保护层80优选由较硬的惰性材料构成。最好，保护层80由在薄膜电阻器70上形成的类金刚石碳(DLC)岛(island)组成。可通过在薄膜电阻器70和第一导电层78上沉积DLC层形成DLC岛保护层80。DLC层随后被蚀刻掉，从而基本上只在导体部分78A和78B之间的薄膜电阻器70的区域上形成保护层80。另一方面，可以其最终的岛的形式，可控制地在薄膜电阻器70上沉积DLC岛保护层80。
DLC岛保护层80最好由类金刚石材料构成，因为金刚石既是电绝缘的，又是导热的。通常，具有高热导率的材料也导电。但是，金刚石是独一无二的，因为它是优良的电绝缘体，并且具有任何已知材料中的最高热导率。DLC一般具有为约1000-约2000瓦/m·K的热导率。DLC岛保护层80的厚度最好为约1500埃-约8000埃。
在第一导电层78上沉积优选由介电材料形成的电绝缘层82，以防止导电层78中的电流传导到墨中，并使第一导电层78与第二导电层84绝缘。绝缘层82最好具有为约1-约20瓦/m·K的热导率。电绝缘层82最好被从保护层80蚀刻掉，使得它只覆盖保护层80的边缘80A和80B。绝缘层82可选自各种材料或材料的组合，包括(但不限于)环氧光致抗蚀材料，聚酰亚胺材料，氮化硅，碳化硅，二氧化硅，旋转涂布玻璃(SOG)，层叠聚合物等，最好由沉积厚度为约5000埃-约20000埃的一层SOG形成。
上面讨论的本发明的优选喷墨器件70在许多方面对现有技术加以改进。首先，DLC保护层80的使用是有益的，因为DLC极硬，耐点蚀或腐蚀。从而，与常规的保护层材料相比，DLC保护层80的使用产生更持久并且更可靠的加热器芯片，该加热器芯片热效率更高。
另外，DLC保护层80高度导热。从而，DLC岛保护层80允许来自薄膜器70的热量被有效地转移给与DLC岛保护层80接触的墨。此外，与当使用未用导热率低于DLC保护层的材料围绕的较大DLC保护层时的热耗散相比，用导热率低于DLC保护层材料80的材料围绕DLC岛保护层80，避免了从保护层80侧向进入加热器芯片结构中的大量热耗散。这防止加热器芯片过热，在延长的工作期间受到损坏。从而，本发明是对现有技术的显著改进。
现在参见图4，图中表示了供本发明的喷墨打印机10使用的另一喷墨器件86。图4中，硅衬底72上构成喷墨器件86。在硅衬底72上沉积如上参考图3所述的电绝缘和热绝缘层74。绝缘层74最好由二氧化硅(SiO2)构成。但是，本领域的技术人员易于理解各种材料可被用于绝缘层74。
在绝缘层74上沉积第一导电层90。导电层90的功能是为电流提供低电阻通路，以便电流流到喷墨器件86。导电层90的厚度优选为约4000埃-约15000埃。导电层90可由选自铝、铝铜合金、铝硅合金，铜和贵金属的材料制成，其中导电层90的热导率约为200瓦/m·K或者更小。导电层90最好由诸如钯之类的贵金属构成。由于其抗电迁移的趋向性，优选贵金属。另外导电层90的电导率最好大于如下所述用于形成喷墨器件86的材料的电导率。
电迁移导致随着时间的过去，导电层90中的原子响应电流而移动。原子的迁移会导致导体破裂，从而形成导致喷墨器件86的故障的电不连续性。于是，导电层90最好由抗电迁移的材料构成。
一部分的导电层90被蚀刻掉，从而为部分掺杂的半导体岛94提供位置。半导体岛94随后在导电层90的蚀刻掉的区域中被沉积在绝缘层74上，使得它部分重叠导电层90。半导体岛94由下部98和掺杂或未掺杂的上部96组成，下部98最好被掺以掺杂材料，以便向其提供增大的导电率，从而提供导电层部分90A和90B之间的导电通路。掺杂的下部98的片电阻最好为约25-约100欧姆/块。但是，易于理解可根据喷墨器件86的所需操作参数，选择用于掺杂半导体岛94的下部98的特定材料和掺杂部分98的电阻。所述上部和下部可由掺以各种掺杂材料的DLC制成，所述各种掺杂材料包括(但不限于)硅，硼，铍，镁，锌，镉，汞，铝，镓，铟，钛，碳，锗，锡，铅，氮，磷，砷，锑，铋，氧，硫，硒，碲，钋等。特别优选的用于上部96的材料是掺硅的DLC或未掺杂的DLC。特别优选的用于对下部掺杂部分98掺杂的材料是硼。
导电层90的暴露部分最好被覆盖由氮化硅(SiN)，碳化硅(SiC)，二氧化硅(SiO2)，旋转涂布玻璃(SOG)或者其它金属间介电材料(IMD)或者起使第一导电层90与墨电绝缘和物理隔离的作用的材料的组合构成的绝缘层100。绝缘层100的厚度最好为约5000埃-约20000埃。
图4中所示的加热部件的结构利用半导体岛94的掺杂部分98作为加热部件的加热电阻器。为了起加热电阻器的作用，该部分98被掺杂，使得它具有比导电层90相对较高的电阻。从而，当使电流流经电阻更高的掺杂部分98时，相当大量的功率被耗散，掺杂部分98快速升温。热从该掺杂部分通过掺杂硅或者未掺杂的上部96被转移到与半导体岛94接触的墨。与半导体岛94接触的墨的快速加热使大量的墨成核，形成蒸汽泡，所述蒸汽泡迫使许多墨通过邻近半导体岛94的喷孔。从而，半导体岛94的掺杂部分98起根据本发明的打印头的喷墨器件86的作用。
通过在半导体岛94的初始形成过程中，把硼气体送入沉积室中，从而提供掺杂部分98，随后在半导体岛94形成过程中终止硼气体的引入，从而提供未掺杂部分96，对下部98掺杂。在备选方案中，通过把硼注入第一半导体层98中，随后在掺杂部分98之上沉积第二半导体层96，可产生掺杂部分98。半导体岛94的总厚度最好为约3000埃-约12000埃。下部掺杂部分98的厚度最好为约500-约6000埃。
由于通过使墨成核表面由DLC构成而获得的上述空化和腐蚀益处的缘故，图4的半导体岛94结构是有益的。由于半导体岛94被与之相比，热导率较低，电导率较高的金属层90围绕，因此图4的结构更加有益。从而，掺杂部分98产生的热量被有效地转移给墨，而不存在对于喷墨器件86的结构的大量能量损耗。
使用半导体岛94的掺杂部分98作为喷墨器件86简化了喷墨器件86的结构。从而，图4的喷墨器件86需要的制造步骤少于产生图3的喷墨器件66所需的步骤。减少产生喷墨打印头的喷墨器件所需的步骤数降低了制造打印头墨盒的成本，并且降低了制造缺陷的可能性。从而，图4的结构是对现有技术的显著改进。如上所述，在导体90上沉积金属间介电层100，以便隔离导体90和第二导体84。
图5中表示了根据本发明的另一种备选加热部件。图5的加热部件与图4的加热部件的不同之处在于它具有沉积在半导体岛94的上部96的暴露表面上的平滑(smoothing)材料层102。平滑层102的作用是把半导体岛94的表面粗糙度降低到小于75埃。在该优选实施例中，由于可被光滑沉积，以及对如上所述的空化和腐蚀效应的抵抗力，平滑层102由钽构成。但是，发明人易于认识到各种材料可被用于构成该平滑层102，包括(但不限于)钛。平滑层102的厚度最好为约500-约6000埃。诸如平滑层102之类的平滑层还可被应用到参考图3说明的喷墨器件66的表面。
平滑层102的用途是确保在墨的过热极限下发生墨的汽化。液体的过热极限是在大气压力下，高于其液体就不再以液体的形式存在的温度。虽然任何特定墨的过热极限取决于墨的组成，不过一般的喷墨打印机墨的过热极限在280℃-330℃附近。墨的一般泡核沸腾发生在远低于过热极限的温度下。但是，发明人认识到液体的泡核沸腾开始于加热元件的表面上的表面缺陷。从而，为了确保在过热极限下发生汽化，与墨接触的加热元件的表面应尽可能地平滑。
小于75埃的平面粗糙度一般足以确保在过热极限下或者在其附近发生汽化。虽然可沉积表面粗糙度小于75埃的半导体层94，不过存在与图5的其中半导体岛94的平面直接接触墨的实施例相比，图4的实施例在制造上更经济。
平滑层102还可提供额外的空化保护，从而向打印头提供更长的寿命。为了确保平滑层102与半导体岛94之间的良好粘附，可使用诸如SiN，TaN或者掺氮DLC之类的粘附促进层。
现在参见图6，图中表示了根据本发明，用于形成喷墨器66和86的墨通道和墨室的厚膜层，比如厚膜层103的优选结构的平面图。出于举例说明的目的，图6中只表示了加热器芯片60上的两个喷墨器件104和106。但是对本领域的技术人员来说，喷墨打印机的实际加热器芯片很可能具有更多的许多喷墨器件。因此，可想象的是在芯片总面积的每平方毫米上，根据本发明的加热器芯片60可包含约6-50或者更多的喷墨器件。
通过在芯片60的表面108上沉积选自光致抗蚀材料，光敏材料，树脂，聚合物和塑料的一层聚合材料，在芯片60的器件表面108上形成厚膜层103，随后通过蚀刻掉厚膜材料103的预定部分，提供墨室110和112，以及从芯片60的边缘118通向相应墨室110和112的供墨通道114和116。供墨通过其流向墨室110和112的边缘可由芯片60的外围边缘形成，或者由邻近喷墨器件104和106，在芯片60中形成的槽或供给通路构成。
厚膜材料103提供的流动特征具有许多不同的特性。具体地说，每个墨室110和112的供墨通道114和116具有入口宽度120和通道长度122。通向每个墨室110和112的供墨通道114和116的入口宽度120和通道长度122通过控制喷墨周期内，进出墨室110和112的墨的流动，使得在相邻的墨室110和112之间存在极小的干扰或串扰，影响喷墨器104和106的性能。
供墨通道114和116的入口还被设计成具有朝着芯片60的边缘118打开的渐缩区(tapered area)，比如渐缩区124。渐缩区14由例如供墨入口宽度128和供墨通道114与边缘118之间的深度130决定。渐缩区124通过向供墨通道114和116提供减小的墨流动阻力，改进了加热元件的功能。在优选实施例中，渐缩区供墨入口宽度128与入口宽度120的比值优选为约2∶1至约8∶1。此外，渐缩区深度130与通道长度122的比值优选为约1∶1至约7∶1。
影响喷墨器66和86的性能的另一因素是架(shelf)长度131。架是从边缘118延伸至渐缩区124和供墨通道114及116的入口135的芯片表面区域。架长度131越长，重新充填墨室110和112所需的时间就越长。从而，特别优选较短的架长度131，因为较短的架长度被认为提供快速的墨再加注，能够实现更高的激励(firing)频率喷墨器件66或86，从而实现更快的打印速度。特别优选小于约29毫米的架长度131。
在另一实施例中，芯片的边缘与供墨通道的入口相邻，即架长度基本为0。图7、8A和8B中表示了该实施例。为了增强从芯片的边缘118到墨室110和112的墨流动，供墨通道114和116被蚀刻到加热器芯片60的表面中，如图8A和8B中所示。图8A中的供墨通道114和116最好利用形成倾斜通道壁117的工艺，比如湿法化学蚀刻来蚀刻。在图8B中，通道114和116具有基本与芯片60的表面121垂直的通道壁119。利用诸如反应离子蚀刻或深反应离子蚀刻之类的干法蚀刻工艺，可蚀刻这样的通道壁119。蚀刻到芯片60中的通道114和116的深度123优选为约15-约25微米。上述通道中，优选具有倾斜壁119的通道114和116。
倾斜壁119更适合于在其上的导电金属层125的沉积，例如如图8A中所示的，其中导电层125沉积在芯片的墨室110和112与边缘118之间。因此，芯片60的更多表面121可用于设置电布线(tracing)，而不会干扰到其上的喷墨器件104和106的墨流动。
利用其中具有蚀刻的供墨通道114和116及墨室110和112的芯片60，能够实现更简单的喷嘴板结构。这种情况下，只包含喷孔或者包含喷孔和一部分墨室的喷嘴板可被附在芯片60上。在备选实施例中，墨室110和112设置在厚膜层，例如层103中或者在喷嘴板材料中，并且只有供墨通道114和116被蚀刻到芯片60的表面121中。
再次参见图6，喷墨器件104和106的尺寸，连同下面更详细描述的各种其它因素一起影响从墨室110和112排出的墨滴的大小，以及排出墨滴的速度。例如，通过增大喷墨器件104和106的尺寸，可从墨室110和112排出具有更高速度的更大墨滴。但是，最终达到一个极限，其中喷墨器件104和106的表面积的大小等于墨室110和112的底部的面积。此时，进一步增大喷墨104和106的尺寸将使过多的热量被传输到绝缘层103和芯片60的结构，而不是被传输到墨中，从而只会降低喷墨器件的效率。于是，在本发明的一个优选实施例中，从加热器边缘到围绕加热器104或106周边的室壁的距离133优选约为2微米或者更小。
现在参见图9，图9是不按比例绘制的包含喷嘴板64的一部分芯片60的横截面图。喷嘴板64布置在包含喷墨器件104的芯片60的上方，使得喷嘴板64中的喷孔52对准加热器芯片60中的相应喷墨器件104。墨通过称为喉道132的墨通路被引入墨室110中，喉道132对应于供墨通道114和渐缩区124(图6)。
如前所述，许多因素影响从喷嘴52喷出的墨滴的大小和速度。这些因素包括从喷墨器件104转移到墨的能量的量，喷墨器件104结构的热导率，墨室110的体积，喷嘴52的出口直径134，喷嘴52的形状，向喷墨器件104提供的激励脉冲的形状和持续时间，和墨室110中的墨的粘度和过热极限。
在本发明的一个优选实施例中，喷出的墨滴的质量优选小于约10毫微克，更优选的是小于约5毫微克，最好小于约1毫微克。由于它允许基本上无颗粒的打印，因此优选这样小的墨滴质量。另外，小的墨滴大小允许打印设备产生图像的加亮部分，而不掩盖要被加亮的图像的特征(aspect)。此外，与设计成喷出大于1毫微克的墨滴的打印机相比，如果喷墨器件不正常工作，那么使用平均墨滴大小小于约1毫微克的打印机性能方面的降低将较小。从而，存在利用喷出约为1毫微克或更小的墨滴的打印系统而产生的许多益处。
通过根据所需的墨滴量，仔细地把图7的喷墨器件104加工成所需的尺寸，能够构成喷出质量小于约1毫微克的墨滴的喷墨器件104。因此，为喷出约1毫微克或更小的墨滴而设计的喷墨器件104最好被设计成它具有约为150平方微米的加热区。喷墨器件104的加热区是有效地把足够热量转移到一部分墨，从而形成通过墨喷嘴52把墨推出墨室110的蒸汽泡的薄膜电阻器的表面区域。可认识到薄膜电阻器的一些部分可能比其它部分热。从而，与薄膜电阻器的表面接触的墨可能不被平均加热。成核开始时被加热到大约100℃以上的墨的量正比于通过喷孔喷出的墨量。
喷嘴板64由粘合剂附着到芯片60上，可选的是附着到置于第三导电层84和喷嘴板64之间的厚膜层103。厚膜层103的厚度优选为约1至约50微米。如图6中所示，厚膜层103提供与墨室110和112，供墨通道114和116及渐缩区124对应的流动特征。厚膜层103还形成容积约为7500立方微米的墨室110和112。喷墨器件104的结构最好被这样构成，使得喷墨器件104和墨室110区中的芯片的总厚度136约为25-37微米。
在图10和11中图解说明的另一实施例中，进行了改进以增强喷嘴板64或厚膜层103与芯片60之间的附着力。在图10中，在芯片60的整个表面上应用DLC层，以提供保护层140。因此，也在喷墨器144上方的区域142中形成保护层140。随后，喷墨器144上方的区域142最好被掩蔽，从而在层140的剩余部分被轻微掺杂硅(如图10中的阴影区所示)的时候，在区域142中形成未掺杂层。在一个优选实施例中，保护层是DLC。用硅或氮掺杂DLC层140显著提高了金属间介电层82和芯片60之间的附着力，从而减少了在制造和使用期间，绝缘层82和芯片60之间的分层。除了用硅或氮掺杂层140之外或者代替用硅或氮掺杂层140，可用钛掺杂层140，以提高DLC层140的抗蚀性。在本实施例中，DLC层140/142的厚度优选为约1500-约6000埃。
图11中图解说明了提高附着力的一种备选方法。在该实施例中，首先在芯片60的整个表面上应用轻微掺硅的DLC层146。随后只在喷墨器150上应用未掺杂的DLC层148，从而形成图9中图解说明的结构。在这两个实施例中，掺硅的DLC层140和146都大大提高了绝缘层82和芯片60之间的附着力。
在图11中，轻微掺硅的DLC层146的厚度优选为约500-约3000埃。未掺杂的DLC层148的厚度优选为约500至约6000埃。因此，掺杂和未掺杂DLC层的总厚度为约1000至约9000埃，优选为约1500至约6000埃。在图10和11中描述的实施例中，未掺杂DLC材料提供钝化和增强的空化保护，因为未掺杂的DLC稍微硬于掺硅的DLC层140和146。
参见图12，图中图解说明了本发明的又一实施例。在该实施例中，如上参考图11所述那样提供轻微掺硅的DLC层146，以提高绝缘层82和芯片60之间的附着力。掺硅的DLC层146的厚度优选为约500至约3000埃。为了提供增强的空化保护，如图所示在喷墨器154上沉积钽、钛或者其它适当的金属膜空化层152。空化层152的厚度优选为约500至约6000埃。因此，由掺硅的DLC层146和钽层152的组合物提供喷墨器154的保护。
在另一实施例中，上面所述的金属间介电层82优选由DLC材料形成，使得DLC材料被置于第一导电层78和第二导电层84之间。为了提供金属间介电层，最好DLC材料的厚度约为3000埃或更小。低于约3000埃，介电层82提供第一导电层74和第二导电层84间的电容性质。借助这种结构，在芯片60上易于形成电压调节器，以利用介电层82提供的电容。图14中提供了结合导体78和84之间的DLC介电层82形成的典型电压调节器电路156的电路图。
现在参见图13，DLC保护层142(图10)或未掺杂的DLC层148(图1)可被布置在多个喷墨器件104和106上，而不是被布置在单个喷墨器件上。因此，可为每个喷墨器阵列提供单个保护DLC层142，从而简化芯片60的结构。
关于由介电层82形成的电压调节器电路，参见图14，图14提供了优选的电压调节器电路156。根据电路156，未被调节的电压被提供给输入端口158。电路地输入被提供给电压调节器电路156的端口160。放大器162和164向输出端口166和168提供调节后的电压。对于10.8伏的电压输入和3.3及7.5伏的输出电压，在下表中找到电路156的电容器和电阻器的一般值。
  电阻器   值(欧姆)
  R1   10
  R2   13.3K
  R3   100K
  R4   150K
  R5   66K
  R6   100K
  R7   125K
  R8   30K
  R9   100
  电容器   值(法拉)
  C1   2nF
  C2   300pF
  C3   5nF
参考图15-16，现在将关于上述半导体载体(support)提供芯片60说明本发明的各个重要方面。图12中表示了半导体晶片200的平面图，图13中表示了半导体晶片200的侧视图。晶片200最好是直径约为2-12英寸的单晶硅晶片。如上所述，半导体晶片200的厚度约为10微米到小于约500微米，即，用于产生柔性打印头结构的超薄晶片。
在另一实施例中，半导体晶片200的厚度大于约500微米，优选约为600-1000微米，更优选的是约为680-900微米，最好约为750微米。使用较厚的晶片200具有降低由晶片制成的芯片的脆性的优点。因此，可在不增大芯片的脆性的情况下，生产具有较大功能部件，例如供墨槽的较小芯片。
在打印头应用中，用于喷墨打印机的芯片60最好还包括功率场效应晶体管(FET)，CMOS逻辑器件，发射极源-漏(ESD)电路，以及电阻器加热器。因此，晶片160通常包括电阻高于邻近形成于芯片表面上的逻辑器件的块硅载体材料的外延(Epi)层。提供Epi层以降低与在芯片表面上高密度逻辑器件的使用相关的闭锁(latchup)问题。
与传统的晶片相比，用于提供根据本发明的芯片60的晶片200最好是非Epi晶片。所有功率FET和ESD器件与较低电阻的块硅载体的隔离由芯片上的器件区中的保护环提供。例如，负源漏(NSD)保护环最好围绕PMOS晶体管，NSD保护环与正电压相连。正源漏(PSD)保护环最好围绕NMOS晶体管，PSD保护环接地。CMOS逻辑最好用于提供喷墨加热器芯片，因为CMOS逻辑器件提供上拉和下拉逻辑，同时与单独的NMOS或PMOS器件相比，需要低得多的功能。
关于用于根据本发明的喷墨打印头的CMOS逻辑电路和功率FET的结构，参见图17。最好减小功率(power)FET 202的尺寸，以便减小向喷墨打印头提供大量的加热器电阻器和驱动器所需的硅衬底的表面区域。功率FET 202的尺寸是就提供喷墨打印头所需的硅裸片面积(realestate)而论唯一的最重要因素。每个功率FET与一个喷墨器件相关联。通过减小打印头所需的硅裸片面积的大小，可以提供更低成本的打印头。因此，用于喷墨打印机的每个功率FET 202最好具有每平方毫米提供6个以上功率FET的表面区域，该表面区域由硅衬底72的表面区域提供。特别优选的每平方毫米的功率FET的范围为8-15。功率FET 202最好还具有按FET电路的面积，小于约100000欧姆-平方微米的“导通电阻”。
但是，降低功率FET 202的尺寸，以便增大每平方毫米的功率FET的数目会增大功率FET电路的电阻。由于功率FET 202和PMOS逻辑器件204及NMOS逻辑器件206影响电路的总阻抗，因此功率FET电阻对总的电路性能来说是重要的。但是，可被用于驱动加热器电阻器的功率FET 202的尺寸存在实际极限。一般来说，功率FET，逻辑器件204和206，以及导电体提供的阻抗优选小于包括加热器电阻器的总电路阻抗的15％。增大加热器电阻器的阻抗允许使用更高阻抗的FET，即更小的FET。对于例如100毫安的给定电流，为0.15∶1的薄膜器件击穿电压与加热器电阻的比值会提供19.5欧姆的FEF阻抗。因此，在本发明的一个优选实施例中，功率FET 202具有约为4-10欧姆的阻抗。功率FET 202还具有约为7-14伏的优选电压工作范围。
本发明的另一实施例包括功率FET 202和逻辑器件204及206，其中功率FET 202包含比逻辑器件204及206的栅氧化层更厚的栅氧化层208和210。通过提供可变的栅氧化层厚度，能够提供更高效率的驱动和逻辑器件。CMOS逻辑器件204及206和功率FET 202的工作电压正比于栅氧化物层的厚度。较薄的栅氧化层使CMOS器件能够在低电压下工作。相反，功率FET 202最好在比CMOS逻辑器件204和206更高的电压下工作。如图17中所示，功率FET 202最好包括轻微掺杂的漏极216。
本发明提供用于打印头的双栅氧化层厚度。例如，本发明提供加热器芯片上的CMOS器件的栅氧化层厚度在约100至约200埃的范围中。功率FET器件的栅氧化层厚度优选为约200至约400埃。
为了提供双栅氧化层，可使用各种处理技术。例如，用于CMOS器件204和206的所需厚度的栅氧化层可被沉积在芯片表面上，随后被掩蔽和蚀刻，从而提供用于CMOS器件204和206的栅氧化层212和214。随后，使用例如光致抗蚀材料掩蔽CMOS栅氧化层位置，使栅氧化层进一步生长到功率FET器件202的所需厚度。在备选方案中，栅氧化层208和210可被生长到功率FET器件202的厚度，随后被掩蔽和蚀刻，从而除去一部分的栅氧化层，以提供CMOS器件204和206的更薄的栅氧化层厚度。图17中表示了具有用于CMOS和FET器件的不同厚度的双栅氧化层的芯片。为了把功率FET 202与CMOS器件204和206隔开，在CMOS器件204和206与功率FET 202之间布置集电极218，如图17中所示。
根据本发明的芯片60最好还包括与芯片相关的多个熔丝250(图18)，用于保存关于打印头的信息和记录墨使用，使得在喷墨器件附近没有墨的情况下，可终止打印从而保护喷墨器件。最好提供由和喷墨器件66、144、150和154相同的材料制成的熔丝。因此，对于由钽/钽铝组合物(Ta/TaAl)制成的喷墨器件，熔丝250同样由厚度与为喷墨器件66、144、150和154提供的电阻层基本相同的相同Ta/TaAl组合物252制成。喷墨器件66、144、150和154与熔丝250使用相同的材料简化了打印头的结构，因为不需要多种材料的结构来实现本发明的目的。
为了使熔丝正常工作，最好在熔丝的区域中使用某些钝化材料。因此，在熔丝处不应使用氮化硅材料，或者在围绕熔丝约5微米的范围内不应在芯片上沉积氮化硅。保护熔丝的优选钝化材料是一层或多层CVD二氧化硅层254和/或旋转涂布玻璃(SOG)层256。CVD二氧化硅层254的厚度优选为约2000-约8000埃。SOG层256的厚度优选为约1000-约4000埃。芯片表面的所有其它区域可由包括氮化硅在内的常规钝化材料保护。
诸如铝之类的金属层258提供与熔丝250的电连接。金属层258最好具有和上面所述用于喷墨器件66、140、150和154的金属层78相同的厚度。熔丝250最好沉积在诸如硼磷硅玻璃(BPSG)材料之类的介电层260上。介电层260最好沉积在生长于硅衬底264上的场氧化层262上。
上面描述的所有结构最好提供在要求最好小于0.5微焦耳能量的时候，排出质量小于约1毫微克的墨滴的加热元件。如上所述，这种大小的墨滴是有益的，因为它产生质量改进的图像。此外，当由于小墨滴尺寸的缘故，任何单个加热元件不正常工作时，根据本发明的打印机产生的图像的质量不会过多降低。另外，由根据本发明的喷墨器件提供的墨滴最好以大于约400英寸/秒的速度排出。如此高的排出是可取的，因为它避免蒸发的墨或碎屑阻塞喷嘴出口。从而，本发明是对现有技术的显著改进。
再次参见图9，现在将说明本发明的另一重要方面。为了改进根据本发明的打印头的工作性能，单位长度的喷嘴体积优选大于1，从喷墨器，比如喷墨器104的表面到喷嘴52的出口268的距离266优选小于约37微米。喷嘴体积由喷嘴52的出口直径134和喷嘴52的锥角270决定。随着锥角270增大，单位长度L的喷嘴体积也增大。在一个优选实施例中，喷嘴52的锥角270优选约为7-20°。使用大于0的锥角使喷嘴52的墨流动阻力较低。虽然上述角度270被描述成锥角，不过该角度同样可以是圆环的角度。
各种方法可用于控制从喷墨器104的表面到喷嘴52的出口268的距离。例如，可使厚膜层103更薄或更厚，和/或可使喷嘴板64更薄或更厚。对于合成的喷嘴板/厚膜层64/103，可使用更薄或更厚的材料。
预期可在本发明的实施例中进行各种修改和/或改变，对本领域的技术人员来说，根据前面的说明和附图，这是显而易见的。因此，前述说明和附图只是对优选实施例的举例说明，本发明的精神和范围由附加的权利要求限定。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1、一种喷墨打印机，所述喷墨打印机包括打印机墨盒，所述打印机墨盒包含：固定在用于在打印介质上移动墨盒的墨盒滑架上的打印头，滑架外墨源，打印机微处理器，和连接在墨盒和滑架外墨源之间、向墨盒提供补充墨及实现滑架和打印头的控制的组合供墨管道和电连接电缆。
2、按照权利要求1所述的喷墨打印机，其中组合的供墨管道和连接电缆连接在滑架上，再供墨管道连接在墨盒和滑架之间，用于向墨盒提供墨。
3、按照权利要求1所述的喷墨打印机，其中墨盒还包含墨盒主体，所述墨盒主体包含墨贮存器和控制墨盒主体内的墨贮存器的再填充的压力调节器。
4、按照权利要求3所述的喷墨打印机，其中压力调节器包含充气微胶囊。
5、按照权利要求1所述的喷墨打印机，其中打印头包含喷出质量为约0.2至约1毫微克的墨的喷墨器。
6、按照权利要求1所述的喷墨打印机，其中打印头包含厚度从约为10微米到小于约500微米的超薄半导体材料。
7、按照权利要求1所述的喷墨打印机，其中打印头包含架较少的加热器芯片，所述芯片具有蚀刻到芯片的表面中的墨通道。
8、一种喷墨打印机的打印头，所述打印头包括：半导体衬底；沉积在所述衬底上的第一绝缘层；沉积在第一绝缘层上的第一导电层，其中第一导电层被蚀刻，从而确定在第一导电层的相对部分间的喷墨器位置；沉积在喷墨器位置中，以及沉积在至少一部分第一导电层上的类金刚石碳(DLC)层；沉积在第一导电层的相对部分上的第二绝缘层；和沉积在至少一部分的第二绝缘层上的第二导电层，其中DLC层包含掺杂的上层和掺杂与上层的掺杂材料不同的材料的下层，下层掺杂的所述材料足以增大其导电率，从而确定喷墨器件。
9、按照权利要求8所述的打印头，其中DLC层包含沉积在喷墨器位置中的掺硼DLC层部分，和以基本上第一导电层的相对部分之间的岛的形式提供的掺硅DLC层部分。
10、按照权利要求8所述的打印头，还包括沉积在DLC上层上的平滑层。
11、按照权利要求8所述的打印头，其中喷墨器被配置成喷出质量为约0.2至约1毫微克的墨。
12、按照权利要求8所述的打印头，其中第二绝缘层包含由厚度为约1000至约3000埃的DLC制成的金属间介电层。
13、一种喷墨打印机的打印头，所述打印头包括：半导体衬底，所述半导体衬底具有器件表面，所述器件表面包括沉积在所述衬底上的第一绝缘层；沉积在第一绝缘层上的电阻层；沉积在电阻层上的第一导电层，其中第一导电层被蚀刻，从而确定在第一导电层的相对部分间的喷墨器位置；在第一绝缘层、电阻层和第一导电层上方，沉积在所述器件表面上的类金刚石碳(DLC)保护层；沉积在第一导电层的相对部分上的第二绝缘层；和沉积在至少一部分的第二绝缘层上的第二导电层，其中一部分的DLC保护层被掺杂，以提高第一导电支和第二绝缘层之间的附着力。
14、按照权利要求13所述的打印头，其中在喷墨器位置中，DLC保护层被掺杂钛，以提供增强的抗蚀性。
15、按照权利要求13所述的打印头，其中DLC保护层包含掺硅的DLC下层和未掺杂的DLC上层。
16、按照权利要求13所述的打印头，其中每个喷墨器位置中的喷墨器被配置成喷出质量为约0.2至约1毫微克的墨。
17、按照权利要求13所述的打印头，其中第二绝缘层包含由厚度为约1000至约3000埃的DLC制成的金属间介电层。
18、按照权利要求13所述的打印头，其中半导体衬底的厚度为约600至约650微米。
19、按照权利要求13所述的打印头，其中半导体衬底的厚度从约10微米到小于约500微米。
20、按照权利要求13所述的打印头，其中半导体衬底包含非外延硅衬底。
21、一种具有低流动阻力特征的喷墨打印头，所述低流动阻力特征包括附于包含喷墨器的半导体衬底上的打印头的流动特征部分，所述流动特征部分包含墨通道和墨室，其中墨通道包含与芯片的供墨边缘相邻的渐缩区和在所述渐缩区与墨室之间的供墨通道，渐缩区具有邻近芯片的供墨边缘的第一入口宽度，供墨通道具有第二入口宽度，其中第一入口宽度与第二入口宽度的比值为约2∶1至约8∶1。
22、按照权利要求21所述的喷墨打印头，其中渐缩区具有第一长度，供墨通道具有第二长度，其中第一长度与第二长度的比值为约1∶1至约7∶1。
23、按照权利要求22所述的喷墨打印头，还包含架长度，所述架长度包含在芯片的供墨边缘和渐缩区之间的区域，其中架长度在长度上小于约29微米。
24、按照权利要求21所述的喷墨打印头，还包含架长度，所述架长度包含在芯片的供墨边缘和渐缩区之间的区域，其中架长度在长度上小于约29微米。
25、按照权利要求21所述的喷墨打印头，其中墨室包含室壁，喷墨器是具有加热器边缘的加热器电阻器，其中从加热器边缘到围绕加热器的四周的室壁的距离约为2微米或更小。
26、按照权利要求21所述的喷墨打印头，其中半导体衬底包含由厚度为约500至约1000微米的单晶硅晶片制成的硅芯片。
27、按照权利要求26所述的喷墨打印头，其中硅晶片的厚度约为680-900微米。
28、一种喷墨打印机的打印头，包括半导体芯片，所述半导体芯片包含用于墨喷射的多个加热器电阻器，驱动每个加热器电阻器的功率场效应晶体管(FET)，和与FET和加热器电阻器耦接的CMOS逻辑器件，其中FET的栅极的栅氧化层的厚度大于CMOS逻辑器件的栅极的栅氧化层的厚度。
29、按照权利要求28所述的打印头，其中所述芯片还包含作为存储元件的多个熔丝，所述熔丝由钽/钽铝组合物材料形成。
30、按照权利要求29所述的打印头，还包含沉积在熔丝上的钝化材料，其中钝化材料包含旋转涂布玻璃材料。
31、按照权利要求29所述的打印头，还包含沉积在熔丝上的钝化层，其中钝化层包含至少一层二氧化硅和至少一层旋转涂布玻璃。
32、按照权利要求28所述的打印头，其中FET栅氧化层厚度为约200至约400埃。
33、按照权利要求32所述的打印头，其中CMOS逻辑器件的栅氧化层厚度为约100至约200埃。
34、按照权利要求28所述的打印头，其中FET具有小于约100000欧姆-平方微米/A的导通电阻，其中A是每个FET的表面积。
35、一种包含半导体衬底的喷墨打印头，所述半导体衬底包含位于其上的喷墨器，所述喷墨器具有墨接触面，和附着于半导体衬底上的喷嘴板，其中喷嘴板包含喷墨喷嘴，所述喷嘴具有基本为截锥的形状、锥角、入口、出口、入口和出口之间的长度，和由长度、锥角及喷嘴的横截面面积限定的大于1的单位长度的喷嘴体积，其中从喷墨器的墨接触面到喷嘴的出口的距离小于约37微米。
36、一种微流体喷射器件用半导体衬底，包含由单晶硅晶片制成的硅芯片，其中晶片的厚度为约500至约1000微米，并且包含在芯片的表面上限定的多个喷墨器件。
37、一种用于微流体喷射器件的半导体衬底，包含由柔性单晶硅晶片制成的硅芯片，其中晶片的厚度为约50至约400微米，并且包含在芯片的表面上限定的多个喷墨器件。

Claims (38)

1、一种喷墨打印机，所述喷墨打印机包括打印机墨盒，所述打印机墨盒包含：固定在用于在打印介质上移动墨盒的墨盒滑架上的打印头，滑架外墨源，打印机微处理器，和连接在墨盒和滑架外墨源之间、向墨盒提供补充墨及实现滑架和打印头的控制的组合供墨管道和电连接电缆。
2、按照权利要求1所述的喷墨打印机，其中组合的供墨管道和连接电缆连接在滑架上，再供墨管道连接在墨盒和滑架之间，用于向墨盒提供墨。
3、按照权利要求1所述的喷墨打印机，其中墨盒还包含墨盒主体，所述墨盒主体包含墨贮存器和控制墨盒主体内的墨贮存器的再填充的压力调节器。
4、按照权利要求3所述的喷墨打印机，其中压力调节器包含充气微胶囊。
5、按照权利要求1所述的喷墨打印机，其中打印头包含喷出质量为约0.2至约1毫微克的墨的喷墨器。
6、按照权利要求1所述的喷墨打印机，其中打印头包含厚度从约为10微米到小于约500微米的超薄半导体材料。
7、按照权利要求1所述的喷墨打印机，其中打印头包含架较少的加热器芯片，所述芯片具有蚀刻到芯片的表面中的墨通道。
8、一种喷墨打印机的打印头，所述打印头包括半导体衬底，沉积在所述衬底上的第一绝缘层，沉积在第一绝缘层上的第一导电层，其中第一导电层被蚀刻，从而确定在第一导电层的相对部分间的喷墨器位置，沉积在喷墨器位置中，以及沉积在至少一部分第一导电层上的类金刚石碳(DLC)层，沉积在第一导电层的相对部分上的第二绝缘层，和沉积在至少一部分的第二绝缘层上的第二导电层，其中DLC层包含掺杂或未掺杂的上层和掺杂足以增大其导电率，从而确定喷墨器件的材料的下层。
9、按照权利要求8所述的打印头，其中DLC层包含沉积在喷墨器位置中的掺硼DLC层部分，和以基本上第一导电层的相对部分之间的岛的形式提供的掺硅DLC层部分。
10、按照权利要求8所述的打印头，其中未掺杂的DLC层跨越多个喷墨器件。
11、按照权利要求8所述的打印头，还包括沉积在DLC上层上的平滑层。
12、按照权利要求8所述的打印头，其中喷墨器被配置成喷出质量为约0.2至约1毫微克的墨。
13、按照权利要求8所述的打印头，其中第二绝缘层包含由厚度为约1000至约3000埃的DLC制成的金属间介电层。
14、一种喷墨打印机的打印头，所述打印头包括：半导体衬底，所述半导体衬底具有器件表面，所述器件表面包括沉积在所述衬底上的第一绝缘层；沉积在第一绝缘层上的电阻层；沉积在电阻层上的第一导电层，其中第一导电层被蚀刻，从而确定在第一导电层的相对部分间的喷墨器位置；在第一绝缘层、电阻层和第一导电层上方，沉积在所述器件表面上的类金刚石碳(DLC)保护层；沉积在第一导电层的相对部分上的第二绝缘层；和沉积在至少一部分的第二绝缘层上的第二导电层，其中一部分的DLC保护层被掺杂，以提高第一导电支和第二绝缘层之间的附着力。
15、按照权利要求14所述的打印头，其中在喷墨器位置中，DLC保护层被掺杂钛，以提供增强的抗蚀性。
16、按照权利要求14所述的打印头，其中DLC保护层包含掺硅的DLC下层和未掺杂的DLC上层。
17、按照权利要求14所述的打印头，其中每个喷墨器位置中的喷墨器被配置成喷出质量为约0.2至约1毫微克的墨。
18、按照权利要求14所述的打印头，其中第二绝缘层包含由厚度为约1000至约3000埃的DLC制成的金属间介电层。
19、按照权利要求14所述的打印头，其中半导体衬底的厚度为约600至约650微米。
20、按照权利要求14所述的打印头，其中半导体衬底的厚度从约10微米到小于约500微米。
21、按照权利要求14所述的打印头，其中半导体衬底包含非外延硅衬底。
22、一种具有低流动阻力特征的喷墨打印头，所述低流动阻力特征包括附于包含喷墨器的半导体衬底上的打印头的流动特征部分，所述流动特征部分包含墨通道和墨室，其中墨通道包含与芯片的供墨边缘相邻的渐缩区和在所述渐缩区与墨室之间的供墨通道，渐缩区具有邻近芯片的供墨边缘的第一入口宽度，供墨通道具有第二入口宽度，其中第一入口宽度与第二入口宽度的比值为约2∶1至约8∶1。
23、按照权利要求22所述的喷墨打印头，其中渐缩区具有第一长度，供墨通道具有第二长度，其中第一长度与第二长度的比值为约1∶1至约7∶1。
24、按照权利要求23所述的喷墨打印头，还包含架长度，所述架长度包含在芯片的供墨边缘和渐缩区之间的区域，其中架长度在长度上小于约29微米。
25、按照权利要求22所述的喷墨打印头，还包含架长度，所述架长度包含在芯片的供墨边缘和渐缩区之间的区域，其中架长度在长度上小于约29微米。
26、按照权利要求22所述的喷墨打印头，其中墨室包含室壁，喷墨器是具有加热器边缘的加热器电阻器，其中从加热器边缘到围绕加热器的四周的室壁的距离约为2微米或更小。
27、按照权利要求22所述的喷墨打印头，其中半导体衬底包含由厚度为约500至约1000微米的单晶硅晶片制成的硅芯片。
28、按照权利要求27所述的喷墨打印头，其中硅晶片的厚度约为680-900微米。
29、一种喷墨打印机的打印头，包括半导体芯片，所述半导体芯片包含用于墨喷射的多个加热器电阻器，驱动每个加热器电阻器的功率场效应晶体管(FET)，和与FET和加热器电阻器耦接的CMOS逻辑器件，其中FET的栅极的栅氧化层的厚度大于CMOS逻辑器件的栅极的栅氧化层的厚度。
30、按照权利要求29所述的打印头，其中所述芯片还包含作为存储元件的多个熔丝，所述熔丝由钽/钽铝组合物材料形成。
31、按照权利要求30所述的打印头，还包含沉积在熔丝上的钝化材料，其中钝化材料包含旋转涂布玻璃材料。
32、按照权利要求30所述的打印头，还包含沉积在熔丝上的钝化层，其中钝化层包含至少一层二氧化硅和至少一层旋转涂布玻璃。
33、按照权利要求29所述的打印头，其中FET栅氧化层厚度为约200至约400埃。
34、按照权利要求33所述的打印头，其中CMOS逻辑器件的栅氧化层厚度为约100至约200埃。
35、按照权利要求29所述的打印头，其中FET具有小于约100000欧姆-平方微米/A的导通电阻，其中A是每个FET的表面积。
36、一种包含半导体衬底的喷墨打印头，所述半导体衬底包含位于其上的喷墨器，所述喷墨器具有墨接触面，和附着于半导体衬底上的喷嘴板，其中喷嘴板包含喷墨喷嘴，所述喷嘴具有基本为截锥的形状、锥角、入口、出口、入口和出口之间的长度，和由长度、锥角及喷嘴的横截面面积限定的大于1的单位长度的喷嘴体积，其中从喷墨器的墨接触面到喷嘴的出口的距离小于约37微米。
37、一种微流体喷射器件用半导体衬底，包含由单晶硅晶片制成的硅芯片，其中晶片的厚度为约500至约1000微米，并且包含在芯片的表面上限定的多个喷墨器件。
38、一种微流体喷射器件用半导体衬底，包含由柔性单晶硅晶片制成的硅芯片，其中晶片的厚度为约50至约400微米，并且包含在芯片的表面上限定的多个喷墨器件。
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