CN1958291A - 加热器和具有该加热器的喷墨打印头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种加热器和具有这种加热器的喷墨打印头，其中，该加热器直接接触墨并加热墨，且该加热器由Pt－Ir合金制成。

Description

加热器和具有该加热器的喷墨打印头
技术领域
本发明涉及一种喷墨打印头，更具体地说，涉及一种具有工作在低电功率下且具有更长使用寿命的加热器的热喷墨打印头。
背景技术
喷墨打印头喷射微小墨滴在记录纸张的预定位置，以打印预定彩色图像。喷墨打印机分为两类：其打印头沿垂直于打印介质传输的方向往复运动的梭式喷墨打印机，和具有对应打印介质宽度的页宽阵列打印头的行式打印喷墨打印机。后者已被开发用于实现高速打印。该阵列打印头具有多个设置为预定结构的喷墨打印头。在行式打印型喷墨打印机中，在打印过程中，固定阵列打印头而传送打印介质，从而可实现高速打印。
根据其墨滴喷射机理，喷墨打印头分为两类。第一类为热喷墨打印头，其通过热能产生的墨气泡的膨胀力喷射墨滴。另一类为压电喷墨打印头，其通过由于压电体的变形施加于墨的压力喷射墨滴。
热喷墨打印头的墨滴喷射机理如下所述。当电流流过加热电阻制成的加热器时，加热器被加热，且墨室中加热器附近的墨瞬间被加热至约300℃。从而，通过墨汽化产生墨气泡，且产生的气泡膨胀，并在墨室中的墨产生一压力。然后，墨滴通过喷嘴被喷射出墨室。
根据墨气泡增长方向和墨滴喷射方向之间的关系，热喷墨打印头分为正向喷射型(top-shooting type)喷墨打印头、侧向喷射型(side-shooting type)喷墨打印头和反向喷射型(back-shooting type)喷墨打印头。在正向喷射型喷墨打印头中，墨气泡增长方向和墨滴喷射方向相同。在侧向喷射型喷墨打印头中，墨滴喷射方向垂直于墨气泡增长方向。在反向喷射型喷墨打印头中，墨滴喷射方向与墨气泡增长方向相反。
图1示出传统墨喷射打印头的截面示意图。参考图1，传统喷墨打印头包括：基底11，多个材料层叠置于该基底上；腔室层20，叠置在该基底11上并限定出墨室22；以及喷嘴层30，叠置在该腔室层20上。墨被填入墨室22中，且加热墨以在其中产生气泡的加热器13设置在墨室22的下方。另外，该喷嘴层30具有喷射墨的喷嘴32。
用于在该加热器13和该基底11之间热绝缘和电绝缘的绝缘层12形成在基底11上。加热墨室22中的墨的加热器13设置在该绝缘层12上。可通过在绝缘层12上沉积TaAl，TaN，或HfB2薄膜然后对该薄膜构图形成加热器13。用于向该加热器13供应电流的导体14设置在加热器13上。该导体14由例如铝(Al)的导电材料制成。
钝化层15形成在该加热器13和导体14上以保护它们。该钝化层15防止该加热器13和该导体14氧化或直接接触墨，且主要由氮化硅制成。防空穴层16形成在该钝化层15上。该防空穴层16保护该加热器13不受气泡消除引起的空穴压力的影响，且主要由钽(Ta)制成。
近些年，由于喷墨打印头被高度集成以实现高速打印，所以需要低电功率驱动。特别是，低电功率驱动对于可确保高速打印的阵列打印头是必要的。低电功率驱动需要具有高性能的加热器。在上述传统热喷墨打印头中，为了保护加热器13，由氮化硅(SiNx)制成的具有低热导率的钝化层15形成在该加热器13的上侧，且防空穴层16形成在该钝化层15上。然而，该钝化层15和该防空穴层16限制了加热器13的高性能。另外，实现高速打印的阵列打印头需要上万个加热器。如果该阵列打印头采用在上述传统热喷墨打印头中使用的加热器，需要消耗大量的电能以驱动该加热器，且加热器产生的大量热量积聚在阵列打印头中，从而降低打印性能和打印质量。
因此，为了提高加热器13的性能，需要去除形成在加热器13上的钝化层15和防空穴层16。然而，如果该加热器13由TaAl，TaN，或HfB2制成且直接接触墨，加热器13会腐蚀。当加热器13与墨中的水汽反应并从而被氧化时，该加热器13的电阻率会严重改变，且该加热器13会被气泡消除过程中产生的空穴压力损坏。因此，非常需要一种由具有电学、化学和机械耐用性的材料制成的加热器。
发明内容
本发明提供一种具有在低电功率下工作并有更长使用寿命的加热器的热喷墨打印头。
本发明的其他方面和优点，部分将在下面描述中阐述，且部分从说明书中显见，或可以通过实践本发明而领会。
本发明的前述和/或其它方面可通过提供用于喷墨打印头的加热器实现，该加热器直接接触墨以加热该墨，并由Pt-Ir合金制成。
该加热器中铱的原子百分含量可为20～60％。该加热器的厚度可为500至2500。
该加热器中的加热区域面积可为200至500μm2。供给至该加热器的输入能量为1.0μJ或更少。
本发明的前述和/或其它方面还可通过提供以下喷墨打印头实现，该喷墨打印头包括：基底，形成在该基底上的加热器，形成在该加热器上且向该加热器供给电流的导体，叠置在具有加热器和导体的基底的上部以形成填入要喷射的墨的墨室的腔室层，以及叠置在该腔室层上且具有用于喷墨的喷嘴的喷嘴层，其中，该加热器由Pt-Ir合金制成。
该打印头的加热部分可以直接接触填入墨室的墨。
钝化层可以形成在该基底和该腔室层之间以覆盖该导体。该钝化层可以由SiNx制成。
用于在该基底和该加热器之间热绝缘和电绝缘的绝缘层可以形成在该基底的上表面上。该绝缘层可以由SiO2制成。
本发明的前述和/或其它方面还可通过提供用于成像装置中的打印头实现，该打印头包括：基底，形成在该基底上的腔室层，形成在该腔室层上的具有喷嘴的喷嘴层，以及形成在该基底上用以与该腔室层和喷嘴层一起形成墨室的加热器，该加热器直接暴露于装有墨的墨室，所述墨将通过喷嘴被喷出。
本发明的前述和/或其它方面还可通过提供用于成像装置中的打印头实现，该打印头包括：基底，形成在该基底上的绝缘层，形成在该绝缘层的第一部分上且由铂和铱中的至少一种制成的加热器，形成在该加热器的第一部分上的导体，形成在该该加热器的第二部分和导体上的钝化层，形成在该钝化层的一部分上的腔室层，以及形成在该腔室层上的具有喷嘴的喷嘴层。
附图说明
本发明的上述和/或其它特点和优点将通过下面结合附图对其实施例的详细描述而显见和更加便于理解。所述附图中：
图1示出传统热喷墨打印头的截面示意图；
图2示出根据本发明实施例的热喷墨打印头的截面示意图；
图3是沿图2中线III-III’截取的截面图；
图4是示出由Pt-Ir合金制成的加热器的电阻率与Pt-Ir合金中铱原子百分含量之间关系的示图；以及
图5是示出由Pt-Ir合金制成的加热器的电阻率温度系数(TCR)与Pt-Ir合金中铱原子百分含量之间关系的示图。
具体实施方式
现在详细说明本发明的实施例，其实例在附图中示出，其中，在全部附图中，相同标号指代相同元件。下面参考附图描述实施例，用以解释本发明。
图2示出根据本发明实施例的用于成像装置中的热喷墨打印头的截面示意图。图3示出沿图2中线III-III’截取的截面图。虽然图2和图3示出单个热喷墨打印头，但本发明不限于此。该成像装置可具有一个或多个形成在打印头单元上的热喷墨打印头，且该一个或多个热喷墨打印头中的每一个包括一个或多个喷墨喷嘴和一个或多个加热器。
参考图2和图3，该喷墨打印头包括：基底111，其上形成有加热器113和导体114；腔室层120，其叠置在该基底111上并具有墨室122；以及喷嘴层130，其叠置在腔室层120上并具有喷嘴132。该基底111为硅基底，但本发明不限于此。
绝缘层112形成在该基底111的上侧，用于在基底111和加热器113之间实现热绝缘和电绝缘。该绝缘层112由二氧化硅(SiO2)制成，但本发明不限于此。
具有预定形状并加热填充在墨室122内的墨以产生气泡的加热器113形成在绝缘层112上。在本实施例中，该加热器113的加热部分直接接触填充在墨室122中的墨。该墨室122由腔室层120的侧表面，喷嘴层130的下表面和加热器的113的上表面限定。该加热器113由Pt-Ir合金制成。该加热器113通过在绝缘层112上溅射沉积Pt-Ir合金薄膜，然后构图该沉积的Pt-Ir合金使其具有预定形状而形成。该加热器113可具有约500至2500的厚度。在本实施例中，后面将要描述的通过导体114施加于该加热器113的输入能量可约为1.0μJ或更少。
该导体114电连接在电源和加热器113之间以向加热器提供电流，其形成在该加热器113的上侧的两端。该导体114由具有电导率的金属，例如铝(Al)制成。该导体114形成在加热器113上，以使得加热器113的加热部分，也就是说该加热器113的一部分暴露于导体114之间的墨室122，该部分的面积约200至500μm2。钝化层115可形成在基底111上，以覆盖导体114，从而保护导体114不受墨的损伤。该钝化层115由氮化硅(SiNx)制成，但本发明不限于此。
具有墨室122的腔室层120叠置在多层结构上，例如形成在基底111上的加热器113、导体114和钝化层115。该腔室层120由聚合物制成，但本发明不限于此。墨室122设置在加热器113的加热部分上。从而，该加热器113的加热部分设置在墨室122的底部以直接接触填充在墨室122中的墨。具有喷射填充在墨室122中的墨的喷嘴132的喷嘴层130叠置在腔室层120上。该喷嘴层130由聚合物制成，但本发明不限于此。该喷嘴132可设置在墨室122的中心。
如上所述，根据本发明实施例的该喷墨打印头具有其中加热器113的加热部分直接接触填充在墨室122中的墨的结构。当加热器113直接接触墨时，用于加热器113的材料需要相对于墨具有电学、化学和机械耐用性。更具体地说，该加热器113不会由于氧化、墨腐蚀和气泡消除过程中产生的空穴压力所造成的损坏而发生快速电阻率变化。因此，该加热器113由相对于墨具有良好的电学、化学和机械耐用性的Pt-Ir合金制成。
在上述实施例中，在正向喷射型喷墨打印头中采用Pt-Ir合金制成的加热器113，但本发明不限于此。例如，可在侧喷射型或反向喷射型喷墨打印头中采用该加热器113。
图4示出由Pt-Ir合金制成的加热器的电阻率与合金中铱原子百分含量之间关系的示图。图4示出沉积在绝缘层上的加热器的电阻率和沉积后在500℃退火的加热器的电阻率。喷墨打印头的加热器应具有高电阻率。参考图4，当铱原子百分含量在20％～65％的范围内时，加热器具有高且大致恒定的电阻率。
图5示出由Pt-Ir合金制成的加热器的电阻率温度系数(TCR)与合金中铱原子百分含量之间关系的示图。图5示出沉积在绝缘层上的加热器的TCR和沉积后在500℃退火的加热器的TCR。喷墨打印头的加热器应具有低TCR。参考图5，当铱原子百分含量在20％～65％的范围内时，加热器具有低且大致恒定的TCR。因此，在根据本发明的喷墨打印头中，加热器可由Pt-Ir合金制成，且Pt-Ir合金中的铱原子百分含量可约为20％～65％。
基于上述结果，选择由具有50％Pt的Pt-Ir合金制成的加热器以提高其电子、化学和机械特性。
首先，加热器放入60℃的墨中8周，可观测到该加热器的形状。在这段时间内，该加热器没有与墨发生反应，且没有出现加热器剥离的情况。
沉积该加热器后，该加热器的电阻率可能由于后续工艺变化。更具体地说，当在沉积加热器后形成由铝制成的导体时，该加热器可能在刻蚀铝的过程中受到影响。另外，当构图该加热器时，该加热器可能在去除光刻胶时被暴露至氧等离子体。从而，在每次工艺结束时测量加热器的薄膜电阻率。沉积加热器后的加热器的薄膜电阻率为3.74Ω/□，铝刻蚀后的加热器的薄膜电阻率为3.78Ω/□，而去除光刻胶后的加热器的薄膜电阻率为3.75Ω/□。因此，由Pt-Ir合金制成的加热器的电阻率在后续工艺中没有显著变化。
通常，加热器应具有约为1.5GW/m2的电场强度以形成气泡。在根据本发明实施例的喷墨打印头中，当Pt-Ir合金制成的加热器的加热部分的大小为22μm×29μm时，加热器在空气环境中的电场强度为约3.28GW/m2因此，由Pt-Ir合金制成的加热器具有良好的电学特性。
在根据本发明实施例的喷墨打印头中，由于该加热器直接接触墨，加热器应具有对抗在消除气泡的过程中产生的空穴压力的机械耐用性，且不与墨发生电化学反应。使用市场上可购买到的墨，对由Pt-Ir合金制成的具有22μm×29μm加热部分的加热器进行气泡测试。施加至加热器以形成稳定气泡的能量约为0.75μJ。该能量低于施加至由TaN制成的具有22μm×29μm加热部分的传统加热器的能量(1.2μJ)，其中，在该传统加热器上形成有6000的氮化硅钝化层和3000的防空穴层。当这样的输入能量被施加至由Pt-Ir合金制成的加热器时，该加热器具有约大于1亿脉冲的使用寿命。这样的使用寿命表明由Pt-Ir合金制成的加热器具有良好的电学、化学和机械耐用性。
如上所述，根据本发明实施例的加热器由Pt-Ir合金制成，以使得该加热器相对于墨具有较高的电学、化学和机械耐用性。由于加热器直接接触墨，所以该加热器具有高效率，从而确保低电能驱动喷墨打印头，特别是阵列打印头。另外，喷墨打印头的驱动电压降低了，使得可以在喷嘴单元中高度集成喷嘴。由于不需要在加热器的上侧设置钝化层，所以根据本发明实施例的喷墨打印头的制造工艺简化。
然而，本发明的实施例可以有多种不同形式，且本发明不应理解为限制为此处阐述的实施例；提供这些实施例是为了使这个公开更加全面和完整，并将本发明全部传达给本领域技术人员。例如，可以理解，当一层被称为“在另一层或基底上”时，其可直接在其它层或基底上，或者可以出现中间层。
虽然已经示出和描述了几个本发明的实施例，本领域技术人员应当理解：在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本发明的理论和精神的情况下，可对这些实施例做出变化。
本申请要求2005年11月4日在韩国专利局提交的韩国专利申请No.10-2005-0105476的优先权，其整体说明在此引为参考。

Claims (15)

1.一种用于喷墨打印头的加热器，所述加热器直接接触墨以加热墨，且由Pt-Ir合金制成。
2.如权利要求1所述的加热器，其中，所述加热器中铱的原子百分含量为20～60％。
3.如权利要求1所述的加热器，其中，所述加热器的厚度为500至2500。
4.如权利要求1所述的加热器，其中，所述加热器中的加热区域面积为200至500μm2。
5.如权利要求4所述的加热器，其中，供给至所述加热器的输入能量为1.0μJ或更少。
6.一种喷墨打印头，包括：
基底；
加热器，其形成在所述基底上且由Pt-Ir合金制成；
导体，其形成在所述加热器上，且向所述加热器供给电流；
腔室层，其叠置在所述基底的上部上，且具有墨室，该墨室中填有要喷射的墨；以及
喷嘴层，其叠置在腔室层上以形成墨室，且具有喷嘴，墨通过所述喷嘴被喷出。
7.如权利要求6所述的喷墨打印头，其中，所述打印头的加热部分直接接触填入墨室的墨。
8.如权利要求7所述的喷墨打印头，其中，所述加热器中铱的原子百分含量为20～60％。
9.如权利要求7所述的喷墨打印头，其中，所述加热器的厚度为500至2500。
10.如权利要求7所述的喷墨打印头，其中，所述加热器中的加热区域面积为200至500μm2。
11.如权利要求10所述的喷墨打印头，其中，供给至所述加热器的输入能量为1.0μJ或更少。
12.如权利要求7所述的喷墨打印头，其中，钝化层形成在所述基底和所述腔室层之间以覆盖所述导体。
13.如权利要求12所述的喷墨打印头，其中，所述钝化层由SiNx制成。
14.如权利要求7所述的喷墨打印头，其中，用于在所述基底和所述加热器之间热绝缘和电绝缘的绝缘层形成在所述基底的上表面上。
15.如权利要求14所述的喷墨打印头，其中，所述绝缘层由SiO2制成。
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Open date: 20070509