TW201636224A - 生存期獲得改善之噴墨噴嘴裝置 - Google Patents

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Abstract

噴墨噴嘴裝置包括用於透過噴嘴開口噴出墨滴之電阻加熱器元件。該電阻加熱器元件包括：具有天然鈍化氧化物(passivating oxide)的礬土層(aluminide layer)和設置在該礬土層之天然鈍化氧化物上的氧化鉭層。該氧化鉭層是可藉由原子層沉積作用沉積之相對薄的層。

Description

生存期獲得改善之噴墨噴嘴裝置
本發明係關於用於噴墨列印頭之噴墨噴嘴裝置。彼已經初步發展以改良列印頭生存期。
本申請人已發展Memjet®系列之噴墨列印機，例如在WO2011/143700、WO2011/143699和WO2009/089567中描述的，其內容藉由引用被併入本文中。Memjet®列印機利用與進料機轉(其以單程方式將列印媒介送過該列印頭)組合之固定頁寬列印頭。因此，Memjet®列印機提供比常見之掃描噴墨列印機高甚多之列印速度。
為使矽之量最少化，及因此使頁寬列印頭成本最小化，在每一矽列印頭IC中的噴嘴堆積密度需是高的。典型之Memjet®列印頭IC含有6,400個噴嘴裝置，其在含有11個Memjet®列印頭IC之A4列印頭中轉換成70,400個噴嘴裝置。
噴嘴裝置之此種高密度造成熱管理問題：每個經噴出之液滴的噴出能量必須足夠低以用所謂之'自動冷卻(self- cooling)'模式操作，亦即該晶片溫度係經由被噴出之墨滴所移除之熱而平衡至比該墨液之沸點低甚多的穩態溫度。
常見之噴墨噴嘴裝置包含以多個相對厚之防護層塗覆的電阻加熱器元件。需要這些防護層以防護該加熱器元件以免受噴墨噴嘴室內部之嚴苛環境。一般，加熱器元件係以鈍化層(例如二氧化矽)塗覆以防護該加熱器元件使之免於腐蝕及孔蝕層(cavitation layer，例如鉭)以防護該加熱器元件使之免於當泡沫在該加熱器元件上崩散時所遭受之機械孔蝕力。US 6,739,619描述具有鈍化和孔蝕層之常見的噴墨噴嘴裝置。
然而，多重鈍化和孔蝕層與低能量'自動冷卻'噴墨噴嘴裝置不相容。該相對厚之防護層吸收太多能量且需要驅動太高能量以致不能有有效率之自動冷卻操作。
在某種程度上，對於鉭孔蝕層之需求可能藉由以下而減少：確保該裝置透過該噴嘴孔將泡沫排出而非使該泡沫崩散在該加熱器元件上。再者，可以利用持久抗腐蝕材料諸如氮化鈦鋁(TiAlN)以作為加熱器材料。如在US7,147,306(其內容藉由引用被併入本文)中描述的，可利用裸的TiAlN加熱器元件以與墨液直接接觸，提供優越之熱效率且沒有能量逸入防護層中。TiAlN加熱器材料有能力形成自動鈍化之天然氧化鋁塗料。該氧化物形成在其防止進一步氧化物形成且使加熱器抗性提升最小化的意義上是自動限制的。然而，該防護性氧化物易於受墨液中 存在之其他腐蝕性物質諸如羥離子、染料等的侵襲。
原子層沉積(ALD)是引人注目之用於沉積相對薄的防護層至噴墨噴嘴裝置內部之加熱器元件上以改良列印頭生存期的方法。薄的防護層(例如少於50nm厚)對熱效率有最小的影響，使能有低的噴出能量且促進自動冷卻操作。
US2004/0070649描述使用ALD方法將介電鈍化層和金屬孔蝕層沉積至電阻加熱器元件上。
US8,025,367描述噴墨噴嘴裝置，其包含具有鈍化氧化物之鈦礬土(titanium aluminide)加熱器元件。該加熱器元件係隨意地藉由常見之CVD以氧化矽、氮化矽或碳化矽之防護層塗覆。
US8,567,909描述使用ALD方法將包含交替之氧化鉿層和氧化鉭層的層合堆疊體沉積至TiN加熱器元件上(如US6,739,519中描述的)。根據US8,567,909之作者，該層合堆疊體使透過該薄的防護層之所謂的針孔(pinhole)缺陷的影響最小化。在ALD層中之針孔缺陷潛在地使腐蝕性離子能滲透通至該加熱器元件。藉由利用交替材料之堆疊體，在各層之間針孔缺陷之排成一行(alignment)被最小化且因此這類型之層合結構使腐蝕最小化。然而，利用ALD層之層合的堆疊體的缺點是增加製造複雜性。
提供具有改良之生存期的噴墨噴嘴裝置會是合宜的。提供自動冷卻噴墨噴嘴裝置會是特別合宜的，該裝置在該裝置之生存期間噴出至少10億滴且具有最小的製造複雜 性。
在第一態樣中，提供一種噴墨噴嘴裝置，其包括透過噴嘴開口噴出墨滴之電阻加熱器元件，該電阻加熱器元件包含：具有天然鈍化氧化物的礬土層；和設置在該礬土層之天然鈍化氧化物上的氧化鉭層。
礬土類結合下列有利特性：適合在噴墨噴嘴裝置中形成電阻加熱器元件之電阻率，在原位上自動鈍化之天然氧化物表面塗料的形成，及對於在常見之MEMS製造方法中藉由濺鍍之沉積的適合性。
如以上註明的，鈍化('天然的')表面氧化物的形成尤其有利於防護礬土加熱器材料使之免於因該表面氧化物層之低的氧擴散性而氧化。然而，該天然的氧化鋁層在侵襲性水性墨液環境中易遭受其他腐蝕機轉。本發明利用設置(沉積)在礬土加熱器材料上之極薄的塗覆層，其將該鈍化氧化鋁層密封且使該層最少曝於墨液中存在之腐蝕性物質。已發現：該薄塗覆層材料的選擇對於加熱器生存期是重要的。例如，若有氧化鈦和氧化鋁層，據發現：加熱器之生存期與不具有塗覆層之裝置相當或更差。然而，令人意外地，已顯示：藉由ALD沉積之氧化鉭的單一塗覆層在防護礬土電阻加熱器元件使之免於氧化和腐蝕上是特別有效的。天然氧化鋁層與沉積其上之薄的氧化鉭塗覆層 之結合的令人意外的堅固性迄今尚未在先前技藝中描述。特別令人意外的是：此種結合大大地優於包含經沉積之氧化鋁和經沉積之氧化鉭的相應塗料。
不希望侷限於理論，藉由本發明所了解的是：當與自動鈍化之礬土結合使用時，該塗覆層有效地提供與US 8,567,909中描述者類似之多層層合的塗料。第一塗覆層是具有低氧化擴散性之該自動鈍化之氧化鋁層且藉由ALD沉積之第二塗料層(例如氧化鉭)在水性墨液環境中具有抗腐蝕性及優越之整體堅固性。因此，本發明提供如US 8,567,909中所述之層合ALD塗覆層的優點，卻無需多層沉積方法之複雜性。再者，在該礬土類之天然氧化物層與經ALD沉積之氧化鉭之間有獨特之相容性，這對於其他的ALD塗料並不明顯，即使層合之ALD塗料包含氧化鉿和氧化鉭多層。
較佳地，該礬土層是包含鋁和一或多種過渡金屬之介金屬化合物(intermetallic compound)。該過渡金屬不特別受限且可能是任何相對正電性之過渡金屬諸如鈦、釩、錳、鈮、鎢、鉭、鋯、鉿等。然而，與現存之MEMS製造方法相容之過渡金屬諸如鈦和鉭通常是較佳的。
較佳地，該礬土包含在60：40至40：60且更佳地50：50範圍內之比的鈦和鋁。當存在約相同量之該鋁和鈦，該礬土具有適合作為噴墨加熱器元件的電阻率。再者，若有約相同之原子比，濺鍍條件可能容易被達到而提供緻密微結構。緻密微結構有利地使擴散路徑最小化且使 腐蝕最小化。
在一個實施態樣中，該介金屬化合物是鈦礬土。
在另一實施態樣中，該介金屬化合物是式TiAlX者，其中X包含一或多種選自由Ag、Cr、Mo、Nb、Si、Ta和W所組成之群組的元素。例如，該介金屬化合物可能是TiAlNbW。除了鈦和鋁之外，相當小量之其他金屬的存在有助於改良抗氧化性。
一般，Ti佔多於40重量%，Al佔多於40重量%且X佔少於5重量%。經常地，Ti和Al之相對量約相同。
較佳地，礬土加熱器元件具有在約0.1至0.5微米範圍內之厚度。
較佳地，該氧化鉭層係藉由原子層沉積作用(ALD)來沉積。然而，將會理解：本發明不限於任何特別類型的沉積方法且技術人員將知道其他沉積方法例如反應性濺鍍。
較佳地，該氧化鉭層是單層。
較佳地，該氧化鉭塗覆層具有少於500nm之厚度。較佳地，該氧化鉭塗料層之厚度範圍是5至100nm、或較佳地5至50nm、或較佳地10至50nm或較佳地10至30nm。若有相對薄之塗覆層(例如少於100nm)，則該加熱器元件可在低的驅動能量下操作且在最小之熱效率損失下達到自動冷卻操作。再者，使用ALD方法可容易獲得相對薄之塗覆層(例如5至50nm)，同時還提供優越之抗腐蝕特性。
較佳地，該電阻加熱器元件並無任何磨耗防護或孔蝕層(cavitation layer)。例如，該電阻加熱器元件較佳地沒有任何相對厚之氧化物或金屬層沉積在該氧化鉭層上。在此背景中，"相對厚的"意思是具有厚度大於20nm之另外塗覆層。在一些例子中，氧化矽或氧化鋁之薄層(例如小於10nm)可能存在於氧化鉭層上以作為MEMS製造之製品。然而，此層對孔蝕之影響可忽略且不在用語"磨耗防護或孔蝕層"的領域內。
較佳地，該電阻加熱器元件沒有任何額外的層設置在該氧化鉭層上。
較佳地，該噴墨噴嘴裝置包含具有界定噴嘴孔之頂部的噴嘴室、底部、和在該頂部與該底部之間延伸之側壁。
較佳地，該電阻加熱器元件連結至該噴嘴室之底部。然而，本發明不限於經連結之加熱器元件且在一些實施態樣中可能被使用以將保形(conformal)塗料施加至懸吊的加熱器元件，如在例如US7,264,335中描述的，其內容藉由引用被併入本文中。
較佳地，該噴嘴室及該電阻加熱器元件係經建構以允許泡沫在墨滴噴出期間透過該噴嘴孔放出。適合泡沫放出之建構係描述於例如在2014年11月13日提出之US申請案14/540,999中，其內容藉由引用被併入本文中。如在US申請案14/540,999中描述的，該噴墨噴嘴裝置較佳包含：
用於容納墨液之發射(firing)室，該發射室具有底 部及頂部，其界定具有邊緣之長的噴嘴孔；及連接至該發射室之底部之長的加熱器元件，該加熱器元件及噴嘴孔具有排成一行的長軸，其中該裝置係經建構以滿足A和B之關係：
A=掃描體積/加熱器元件之面積=8至14微米
B=發射室體積/掃描體積=2至6
其中該掃描體積定義為藉由從該噴嘴孔之邊緣至該發射室之底部的凸起所界定之形狀的體積，該掃描體積包括在該噴嘴孔內所含之體積。
適合泡沫放出之替代的建構係在US6,113,221中描述。
較佳地，該電阻加熱器元件沒有任何磨耗防護或孔蝕層。建構用於泡沫放出之噴墨噴嘴裝置排除額外塗覆層，該層係用於防護該加熱器元件使之免於孔蝕力，該孔蝕力在其他狀況中起因於泡沫崩散。藉由透過泡沫放出以避免額外的塗覆層，該裝置是更具熱效率的且能以自動冷卻方式操作。
第二方面，提供一種包含多個如上述之噴墨噴嘴裝置的噴墨列印頭。該列印頭可能是例如頁寬噴墨列印頭，其具有足以在至少800dpi或至少1200dpi之天然解析度下列印點之噴嘴密度。該列印頭可能由設置越過頁寬之多個列印頭IC構成。
第三方面，提供一種由噴墨噴嘴裝置噴出墨滴的方法，其包括電阻加熱器元件，該電阻加熱器元件包含具有 天然鈍化氧化物之礬土層和設置在該礬土層之天然鈍化氧化物上的氧化鉭層，該方法包含下列步驟：將墨液供應至該噴墨噴嘴裝置；將該電阻加熱器元件加熱至足以在該墨液中形成泡沫之溫度；由該噴墨噴嘴裝置之噴嘴孔噴出墨滴。
較佳地，該泡沫係透過該噴嘴孔放出以避免在該加熱器元件上由於泡沫崩散所致之孔蝕力。
較佳地，至少10億個墨滴在失效前被噴出。在此背景中，給予"失效"以意指：在噴墨噴嘴裝置之特定樣品中，在10億次放出之後那些裝置之約1.5%不放出墨液。
該噴墨噴嘴裝置之其他方面如連結第一方面所述的，當然同樣地適用於本文所述之第二和第三方面。
如本文中使用的，"礬土"一詞具有其在此技藝中常見的意義-亦即，包含鋁和至少一種多正電元素。一般，該多正電元素是過渡金屬。
10‧‧‧噴墨噴嘴裝置
12‧‧‧主室
14‧‧‧底部
16‧‧‧頂部
18‧‧‧周圍壁
20‧‧‧CMOS層
22‧‧‧發射室
24‧‧‧預燃室
26‧‧‧噴嘴孔
28‧‧‧加熱器元件
30‧‧‧主室入口
32‧‧‧擋板
34‧‧‧發射室入口
36‧‧‧電極
37‧‧‧通孔
100‧‧‧列印頭
102‧‧‧矽基材
104‧‧‧墨液供應渠
281‧‧‧鈦礬土層
282‧‧‧天然氧化鋁層
283‧‧‧氧化鉭層
18A、18B‧‧‧端壁
本發明之實施態樣現在將藉由實例而引用附圖來描述，其中：圖1是具有連接至噴嘴室底部之加熱器元件的列印頭的部份的剖開透視圖；圖2是圖1中顯示之噴墨噴嘴裝置之一的俯視圖；圖3是圖1中顯示之噴墨噴嘴裝置之一的剖面側視 圖；圖4是經塗覆之電阻加熱器元件之概略側視圖；及圖5顯示不同加熱器元件之生存期。
發明之詳述 具有經連結之加熱器元件的噴墨噴嘴裝置
參見圖1至3，其中顯示如在2014年6月20日提出之US申請案14/310,355中描述的噴墨噴嘴裝置10，該申請案內容藉由引用併入本文中。
該噴墨噴嘴裝置包含主室12，其具有底部14、頂部16、和在該底部與該頂部延伸之周圍壁18。一般，該底部係藉由覆蓋CMOS層20(其含有用於該列印頭之每一致動器之驅動電路)的鈍化層所界定。圖1顯示該CMOS層20，其可能包含穿插層間介電(ILD)層之多個金屬層。
在圖1中，該頂部16係顯示為透明層以揭露每一噴嘴裝置10之細節。一般，該頂部16係由諸如二氧化矽或氮化矽之材料構成。
參見圖2，該噴嘴裝置10之主室12包含發射室22和預燃室24。該發射室22包含界定在該頂部16中之噴嘴孔26及連結至該底部14之電阻加熱器元件28形式之致動器。該預燃室24包含界定在該底部14中之主室入口30("底部入口30")。
該主室入口30與該預燃室24之端壁(endwall)18B觸碰且部份重疊。此配置使該預燃室24之毛細現象最佳化，藉此促進注液且使室之再填充率最佳化。
擋壁或擋板32分隔該主室12以界定發射室22和該預燃室24。該擋板32在該底部14與該頂部16之間延伸。如在圖3中大抵清楚地顯示的，該擋板32之側緣一般是圓形的，以使頂部龜裂風險最小化。(在該擋板32中之銳角狀之角易於將應力集中在該頂部16和底部14中，因此增加龜裂風險。)
噴嘴裝置10具有沿著該主室12之標稱y軸沿伸之對稱平面。該對稱平面在圖2中係藉由虛線S指明的且平分該噴嘴孔26、該加熱器元件28、該擋板32和該主室入口30。
該預燃室24經由一對發射室進口34(其位於該擋板32之任一側)與該發射室22流體聯通。每一發射室進口34係藉由在該擋板32之各別側緣與周圍壁18之間延伸之間隙所界定。一般，該擋板32沿著該x軸佔據該主室12之寬度之約一半，雖然會理解：該擋板之寬度可能基於該發射室22內之最佳再填充率與最佳對稱之間的平衡來改變。
該噴嘴孔26是長的且呈橢圓形，其具有與該對稱平面S成一直線之主軸。該加熱器元件28呈長條形，其具有與對稱平面S成一直線之中心長軸。因此，該加熱器元件28和橢圓形噴嘴孔26沿著其y軸互成一直線。
如圖2中顯示的，該噴嘴孔26之質心與該加熱器元件28之質心成一直線。然而，會理解：相關於該加熱器元件之長軸(y軸)，該噴嘴孔26之質心可能與該加熱器元件28之質心稍有偏移。該噴嘴孔26沿著該y軸與該加熱器元件28之偏移可能被使用以抵銷該發射室22之關於x軸之小的不對稱度。但是，在利用偏移的狀況下，偏移程度一般將是相對小的(例如約2微米或更小)。
該加熱器元件28在該發射室22之端壁18A(藉由該周圍壁18之一側界定)與該擋板32之間延伸。該加熱器元件28可能延伸在該端壁18A與該擋板32之間的整個距離，或彼可能延伸實質整個距離(例如該整個距離之90至99%)，如圖2中顯示的。若該加熱器元件28不延伸在該端壁18A與該擋板32之間的整個距離，則該加熱器元件28之質心仍與該端壁18A與該擋板32之間的中點重疊以維持發射室22相關x軸之高對稱度。換言之，在該端壁18A與該加熱器元件28之一端之間的間隙等於在該擋板32與該加熱器元件之相對端之間的間隙。
該加熱器元件28係在每一端上與個別電極36連接，該個別電極36係透過該主室12之底部14藉由一或多個通孔暴露。一般，該電極36係藉由該CMOS層20的金屬上層所界定。該通孔27可能以任何合適之傳導材料(例如銅、鋁、鎢等)填充以在該加熱器元件28與該電極36之間提供電連接。由該加熱器元件28至該電極36形成電極連接之適合方法係描述於US 8,453,329中，其內容藉由 引用被併入本文中。
在一些實施態樣中，每一電極36之至少部份分別定位在端壁18A和擋板32正下方。此配置有利地改良該裝置10之整體對稱性，以及使該加熱器元件28由該底部14剝離的風險。
如圖1中大抵清楚顯示的，該主室12係界定在材料40之敷層(blanket)中，該敷層係藉由合適蝕刻方法(例如電漿蝕刻、溼式蝕刻、光蝕刻等)沉積於該底部14上。該擋板32及該周圍壁18同時藉由此蝕刻方法所界定而使整個MEMS製造方法簡化。因此，該擋板32和周圍壁18係由相同材料構成，該材料可能是適合用於列印頭中之任何合適的可蝕刻陶瓷或聚合物材料。一般，該材料是二氧化矽或氮化矽。
再參見圖2，可見到：該主室12通常是具有二個較長邊和二個較短邊之長方形。該二較短邊分別界定該發射室22和該預燃室24之端壁18A和18B，同時該二較長邊界定該發射室和該預燃室之相連側壁。一般，該發射室22具有比該預燃室24更大之體積。
列印頭100可能由多個噴墨噴嘴裝置10構成。圖1中該列印頭100之部份剖開視圖為清楚之故僅顯示二個噴墨噴嘴裝置10。該列印頭100係藉由具有經鈍化之CMOS層20和含有該噴墨噴嘴裝置10之MEMS層之矽基材102所界定。如圖1中顯示的，每一主室入口30觸碰在該列印頭100之背面中所界定之墨液供應渠104。該墨液供應 渠104通常遠寬於該主室入口30且有效地大量供應墨液以供水合每一與其流體聯通之主室12。每一墨液供應渠104與設置在該印列頭100之前側的噴嘴裝置10之一或多列平行延伸。一般，根據在US 7,441,865之圖21B中顯示之配置，每一墨液供應渠104將墨液供應至一對噴嘴列(在圖1中為清楚之故僅顯示一列)。
在以上純粹由於完整之故，已描述該噴墨噴嘴裝置10。然而，將要理解：本發明適用於任何類型之包含電阻加熱器元件之噴墨噴嘴裝置。技術人員將容易知道很多此等裝置，如在該先前技藝中描述的。
具有塗覆層之礬土加熱器元件
現在參見圖4，其中顯示加熱器元件28之側視圖，其包括藉由ALD沉積之氧化鉭塗覆層。該加熱器元件28可能被用在如上述之噴墨噴嘴裝置10或在先前技藝中已知之任何其他合適的熱噴墨裝置中。
該加熱器元件28包含藉由常見之濺鍍所形成之0.3微米的鈦礬土層281、在該鈦礬土層281表面上之天然氧化鋁層282、和覆蓋該氧化鋁層282之20nm的氧化鉭塗覆層283。尤其，該天然氧化鋁層282和該氧化鉭塗覆層283是極薄的層而對該加熱器元件28之熱效率具有最小的影響。
該塗料層283可能藉由任何合適之ALD方法沉積。適合之ALD方法對於此技藝之技術人員將甚是明顯的且 描述於例如Lie et al,J.Electrochemical Soc.,152(3),G213-G219,(2005)；及Matero et al,J.Phys.IV France,09(1999),PR8,493-499中。
該塗覆層283可能在MEMS製造之任何合適階段中被沉積。例如，該塗覆層283較佳係在列印頭積體電路(IC)製造期間沉積該礬土層281以作為前端MEMS方法流程之一部份之後立即被沉積。或者，該ALD方法可被利用以作為用於現存之列印頭IC之修整方法以改良列印頭生存期。
實驗部份
具有經連接之加熱器元件的製成的列印頭IC係在DMSO溶劑中清潔，以乙醇然後以去離子水清洗，且使用經過濾壓縮之空氣乾燥。每一列印頭IC之經連接的加熱器元件係由300nm之鈦礬土(50%之鈦；50%之鋁)層。在清潔、清洗和乾燥後，該列印頭IC則放置在標準ALD室中且以氧電漿處理10分鐘。在氧處理之後，至少一塗覆層係藉由高溫(400℃)ALD方法沉積。使用奧杰(Auger)電子光譜法(AES)，該鈦礬土之天然氧化鋁層(其是在經ALD沉積之塗覆層的下方)係估計為具有約20nm的厚度。
在ALD處理之後，個別之列印頭IC係安設在經改良之列印裝置(printing rig)中且使用經合適改良之墨液傳遞系統注入以標準黑染料為底質之墨液。進行列印品質的 生存開始試驗以作為驅動能量之函數以將致動脈衝設定在一複製另一未改良之列印機中之操作的值。每一列印頭IC之驅動能量和裝置幾何形狀係經建構以在液滴噴出期間透過噴嘴孔放出泡沫。
在此建構中，對該列印頭IC進行下列重複循環：i)對全部加熱器之電阻測量，ii)列印品質試驗，及iii)在具有一致且均一之列印圖形之整個墨盂(spittoon)上多次整體致動作用以模擬真實列印系統中之裝置老化。該裝置以自動掃描系統維持以仿效在未改良之列印機中之例行的維修程序。在列印品質試驗和墨盂老化前進行維修；在該墨盂列印期間以每50頁正常列印之等效間隔規律地進行額外維修。
個別加熱器被視為開放電路("差的")，當彼達到100歐姆之電阻；具有<100歐姆之電阻的任何加熱器被視為"好的"加熱器。進一步觀察到：生存期間之列印品質是可接受的，同時大部份之經試驗的加熱器是好的，且在小但明顯數量之加熱器開始失效的轉折點上，列印品質變為不能接收。
圖5顯示對不具有ALD塗料、20nm之ALD氧化鋁塗料及20nm之氧化鉭塗料之加熱器的起初試驗結果。由圖5可見到：不具有ALD塗料之加熱器元件在約4億次噴出時故障。令人意外地，具有20nm之ALD氧化鋁塗料之加熱器元件比未塗覆之加熱器元件更快地故障(在約200億次噴出)。然而，具有20nm之ALD氧化鉭塗料之 加熱器元件在最小故障及良好列印品質下持續操作至高約17億次噴出一對此型之列印頭IC所觀察之最高噴出次數。
表1摘述根據上述之列印頭生存期實驗計畫，利用以染料為底質之墨液試驗其他不同之ALD塗料的結果。
結論是：該20nm之氧化鉭塗料及該鈦礬土之天然氧化物協同地作用以提供該加熱器元件之特別有效的層合物塗料。對於其他受試之ALD塗覆層(諸如氧化鈦、氧化鋁和其組合)沒有觀察到此協同作用。再者，即使20nm之ALD氧化鋁層係沉積在該氧化鉭層和該天然氧化物層之間，也獲得相對差的生存期(參見比較用實例5和7)。
若不希望侷限於理論，本發明人了解：該天然氧化鋁層提供低的氧擴散性而使經由該墨液中外源溶解之氧進入所致之鈦礬土的氧化最小化。另外，該氧化鉭層防護該天然氧化物層使之免於腐蝕性水性墨液環境，以及提供機械堅固性。與該天然氧化物層相反地，ALD氧化鋁層顯然破壞上方之氧化鉭層的有效性而使此組合較不有效。這可能是由於在ALD氧化鋁層與氧化鉭層之間的微結構不相容性，此對於天然氧化物不明顯。
由起初試驗明瞭：當直接沉積在鈦礬土之天然氧化物層上時，該ALD氧化鉭塗料產生優越之加熱器生存期結果。期望：藉由ALD直接沉積在該天然氧化物層上之類似的過渡金屬氧化物(例如氧化鉿)會產生與氧化鉭類似之結果。表2顯示具有以水性染料為底質和以顏料為底質之二種墨液的不同氧化鉿和氧化鉭塗料的結果。
令人意外地，當氧化鉿係沉積在該天然氧化層上時，加熱器生存期仍比一點也不具有ALD塗料層者(比較用實例1和8)更差。還更令人驚訝的是：若有氧化鉿和氧化鉭之交替堆積體，加熱器生存期比一點也不具有ALD塗料層者(比較用實例1和9)還明顯更差。這些結果暗示：ALD塗料之效力可能不是由於該塗料組成的本質，但事實上是更強烈地與該ALD塗料層及其下層之間的介面相關。特別地，據觀察：在氧化鉭ALD層與下方之鈦礬土的天然氧化物層之間有獨特之協同性。相反地，顯然：相對未塗覆之加熱器元件，其他ALD層(例如氧化鈦、 氧化鋁、氧化鉿)降低加熱器生存期，此可能是經由該礬土之防護性天然氧化物層的崩潰。
總的來說，使用直接沉積在該礬土加熱器元件之天然氧化物上之ALD氧化鉭層，本發明提供優越之加熱器生存期。單一ALD塗覆層之使用是有利的，因為彼潛在地降低MEMS製造複雜性且不對噴墨噴嘴裝置之自動冷卻操作有影響。
可能藉由建構該用於液滴噴出期間放出泡沫之噴墨噴嘴裝置而免用額外之磨耗防護及/或孔蝕層諸如鉭金屬在ALD氧化鉭層上。在液滴噴出期間用於透過該噴嘴孔放出泡沫之合適的室建構係描述於US申請案14/540,999中，其內容藉由引用被併入本文中。以此方式，塗覆層之數目和厚度被最小化而改良熱效率，降低液滴噴出能量且使能有用於頁寬列印之自動冷卻操作。
當然，將理解：本發明以僅藉由實例描述且可在本發明之範圍(其係在所附之申請專利範圍中定義)內進行細節之改良。
10‧‧‧噴墨噴嘴裝置
12‧‧‧主室
14‧‧‧底部
16‧‧‧頂部
18‧‧‧周圍壁
20‧‧‧CMOS層
26‧‧‧噴嘴孔
28‧‧‧加熱器元件
30‧‧‧主室入口
32‧‧‧擋板
100‧‧‧列印頭
102‧‧‧矽基材
104‧‧‧墨液供應渠

Claims (17)

  1. 一種噴墨噴嘴裝置，其包括用於透過噴嘴開口噴出墨滴之電阻加熱器元件，該電阻加熱器元件包含：具有天然鈍化氧化物(passivating oxide)的礬土層(aluminide layer)；和設置在該礬土層之天然鈍化氧化物上的氧化鉭層。
  2. 如申請專利範圍第1項之噴墨噴嘴裝置，其中該礬土層是包含鋁和一或多種過渡金屬之介金屬化合物(intermetallic compound)。
  3. 如申請專利範圍第2項之噴墨噴嘴裝置，其中該介金屬化合物是鈦礬土(titanium aluminide)。
  4. 如申請專利範圍第2項之噴墨噴嘴裝置，其中該介金屬化合物是式TiAlX者，其中X包含一或多種選自由Ag、Cr、Mo、Nb、Si、Ta和W所組成之群組的元素。
  5. 如申請專利範圍第4項之噴墨噴嘴裝置，其中Ti佔多於40重量%，Al佔多於40重量%且X佔少於5重量%。
  6. 如申請專利範圍第4項之噴墨噴嘴裝置，其中該介金屬化合物是TiAlNbW。
  7. 如申請專利範圍第1項之噴墨噴嘴裝置，其中該氧化鉭層係藉由原子層沉積作用沉積。
  8. 如申請專利範圍第1項之噴墨噴嘴裝置，其中該氧化鉭層具有在5至50nm範圍內之厚度。
  9. 如申請專利範圍第1項之噴墨噴嘴裝置，其中該電阻加熱器元件沒有任何磨耗防護或孔蝕層(cavitation layer)。
  10. 如申請專利範圍第1項之噴墨噴嘴裝置，其中該電阻加熱器元件沒有任何額外之沉積在該氧化鉭層上之層。
  11. 如申請專利範圍第1項之噴墨噴嘴裝置，其包含具有界定噴嘴孔之頂部的噴嘴室、底部、和在該頂部與該底部之間延伸之側壁。
  12. 如申請專利範圍第11項之噴墨噴嘴裝置，其中該電阻加熱器元件連結至該噴嘴室之底部。
  13. 如申請專利範圍第12項之噴墨噴嘴裝置，其中該噴嘴室及該電阻加熱器元件係經建構以允許泡沫在墨滴噴出期間透過該噴嘴孔放出。
  14. 一種噴墨列印頭，其包含複數個根據申請專利範圍第1項之噴墨噴嘴裝置。
  15. 一種由噴墨噴嘴裝置噴出墨滴的方法，該噴墨噴嘴裝置包括電阻加熱器元件，該電阻加熱器元件包含具有天然鈍化氧化物的礬土層和設置在該礬土層之天然鈍化氧化物上的氧化鉭層，該方法包含下列步驟：將墨液供應至該噴墨噴嘴裝置；將該電阻加熱器元件加熱至足以在該墨液中形成泡沫之溫度；以及由該噴墨噴嘴裝置之噴嘴孔噴出墨滴。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該泡沫係透過該噴嘴孔放出。
  17. 如申請專利範圍第15項之方法，其中至少10億個墨滴在失效前被噴出。
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