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CN1205035C - 带有外装控制器的移动喷嘴的喷墨打印头 - Google Patents

带有外装控制器的移动喷嘴的喷墨打印头 Download PDF

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CN1205035C CNB008195730A CN00819573A CN1205035C CN 1205035 C CN1205035 C CN 1205035C CN B008195730 A CNB008195730 A CN B008195730A CN 00819573 A CN00819573 A CN 00819573A CN 1205035 C CN1205035 C CN 1205035C
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Abstract

喷墨打印头的喷嘴组件(10)包括：一个基片(16)；至少一个喷嘴(22)，每个喷嘴进一步包括排列在基片(16)上的喷嘴开口(24)，喷嘴开口(24)与一个喷嘴腔(34)相连，所述喷嘴(22)可以相对于基片(16)移动，以便在需要时使墨水从喷嘴腔(34)中通过喷嘴开口(24)喷出；控制器(28)外装于喷嘴(22)上，并与喷嘴(22)相连，用于控制喷嘴(22)的位移。

Description

带有外装控制器的移动喷嘴的喷墨打印头
技术领域
本发明涉及喷墨打印头，尤其涉及一种具有一个喷嘴阵列的喷墨打印头，其中的每个喷嘴都带有一个外装控制器的移动喷嘴。
背景技术
同类专利申请
与本发明有关的各种方法、系统和装置在下列同类专利申请中揭示。这些专利申请是本发明的专利申请人或受让人与本发明同时申请的：PCT/AU00/00518，PCT/AU00/00519，PCT/AU00/00520，PCT/AU00/00521，PCT/AU00/00522，PCT/AU00/00523，PCT/AU00/00524，PCT/AU00/00525，PCT/AU00/00526，PCT/AU00/00527，PCT/AU00/00528，PCT/AU00/00529，PCT/AU00/00530，PCT/AU00/00531，PCT/AU00/00532，PCT/AU00/00533，PCT/AU00/00534，PCT/AU00/00535，PCT/AU00/00536，PCT/AU00/00537，PCT/AU00/00538，PCT/AU00/00539，PCT/AU00/00540，PCT/AU00/00541，PCT/AD00/00542，PCT/AU00/00543，PCT/AU00/00544，PCT/AU00/00545，PCT/AU00/00547，PCT/AU00/00546，PCT/AU00/00554，PCT/AU00/00556，PCT/AU00/00557，PCT/AU00/00558，PCT/AU00/00559，PCT/AU00/00560，PCT/AU00/00561，PCT/AU00/00562，PCT/AU00/00563，PCT/AU00/00564，PCT/AU00/00565，PCT/AU00/00566，PCT/AU00/00567，PCT/AU00/00568，PCT/AU00/00569，PCT/AU00/00570，PCT/AU00/00571，PCT/AU00/00572，PCT/AU00/00573，PCT/AU00/00574，PCT/AU00/00575，PCT/AU00/00576，PCT/AU00/00577，PCT/AU00/00578，PCT/AU00/00579，PCT/AU00/00581，PCT/AU00/00580，PCT/AU00/00582，PCT/AU00/00587，PCT/AU00/00588，PCT/AU00/00589，PCT/AU00/00583，PCT/AU00/00593，PCT/AU00/00590，PCT/AU00/00591，PCT/AU00/00592，PCT/AU00/00584，PCT/AU00/00585，PCT/AU00/00586，PCT/AU00/00594，PCT/AU00/00595，PCT/^U00/00596，PCT/AU00/00597，PCT/AU00/00598，PCT/AU00/00516，PCT/AU00/00517，PCT/AU00/00511，PCT/AU00/00501，PCT/AU00/00502，PCT/AU00/00503，PCT/AU00/00504，PCT/AU00/00505，PCT/AU00/00506，PCT/AU00/00507，PCT/AU00/00508，PCT/AU00/00509，PCT/AU00/00510，PCT/AU00/00512，PCT/AU00/00513，PCT/AU00/00514，PCT/AU00/00515
上述同类专利申请可作为相互参考。
在我们的同类美国专利申请(编号：09/112，821)中概要介绍了一种移动喷嘴装置。这种移动喷嘴装置通过一种磁控元件调节来控制移动喷嘴的位移，从而控制墨水的喷出。
这种设计的一个问题是，移动喷嘴装置的部件必须进行憎水处理，以防止墨水进入控制器区域中。
本发明提供了一种不需要进行憎水处理的移动喷嘴装置。
发明内容
本发明提供了一种喷墨打印头，包括：
一个基片；
至少一个喷嘴，每个喷嘴进一步包括排列在基片上的喷嘴开口，喷嘴开口与喷嘴腔相连，所述至少一个喷嘴可以相对于基片移动，以便在需要时使墨水从喷嘴腔中通过喷嘴开口喷出；
一个外装于喷嘴上并与喷嘴相连的控制器，用于控制喷嘴的位移。
在本发明中，“喷嘴”一词应理解为带有一个开口的元件，而不是开口本身。
喷嘴可带有一个花冠部分(该花冠部分构成喷嘴的开口)以及从花冠部分延伸的裙边部分，该裙边部分构成喷嘴腔外壁的第一部分。
打印头的喷嘴腔的底面上有一个墨水入口孔，周围还有一圈围墙，该围墙构成喷嘴腔的外壁的第二部分。上述裙边部分可以相对于基片移动，更具体地说，该裙边部分可以相对基片往复位移，向前位移时，墨水得以喷出，向后位移时，可以向喷嘴腔中补充墨水。在裙边部分位移时，上述围墙可以作为抑制装置，防止墨水从喷嘴腔中漏出。而且，该围墙最好具有内卷的唇边部分或刮拭部分，以作为一种密封手段。虽然上述唇边部分与裙边部分之间有一定间隙，但由于墨水粘度较高而且该间隙非常窄，当喷嘴向基片移动时，唇边或刮拭部分可以防止墨水漏出。
上述控制器最好是一种热弯曲控制器，可以由两根横梁构成，其中的一根横梁作为主动梁，另外一根作为被动梁。“主动梁”是指在控制器起动时，电流会流过该梁，而“被动梁”上此时没有电流通过。由于控制器的特殊构造，当电流流过主动梁时，主动梁由于电阻生热作用而发生膨胀，由于被动梁是受限的，所以弯曲运动被传给连接部件，从而使喷嘴产生位移。
上述梁可以在一端使用锚片固定，另一端从基片向上延伸并与连接部件相连。连接部件带有一条横臂，横臂的一端与控制器相连，另一端连接喷嘴，形成一种悬臂结构。因此，与控制器相连的一端的弯曲运动在另一端被放大，使喷嘴产生所需的位移。
打印头可以有多个喷嘴，每个喷嘴都有排列在基片上的对应的控制器和连接部件。每个喷嘴和其控制器和连接部件构成一个完整的喷嘴组件。
打印头可由平面集成电路沉积、平版印刷和刻蚀工艺制造，而且喷嘴组件也可以使用这些工艺制作在打印头上。
基片可以带有一集成的驱动电路层。该集成驱动电路层可以使用CMOS加工工艺制造。
附图说明
下面结合附图详细介绍本发明：
图1是根据本发明实现的喷墨打印头的喷嘴组件的立体示意图；
图2到图4是图1中的喷嘴组件的动作的立体示意图；
图5是构成喷墨打印头的喷嘴阵列的立体图；
图6是图5的喷嘴阵列的局部放大图；
图7是带有一个喷嘴保护帽的喷墨打印头的立体图；
图8a到8r是在喷墨打印头上制造喷嘴组件的步骤立体图；
图9a到9r是制造步骤的侧面剖视图；
图10a到10k所示为在制造过程的各步骤中使用的模板布局；
图11a到11c是根据图8和图9的方法制造的喷嘴组件的动作的立体图；
图12a到12c是根据图8和图9制造的喷嘴组件的动作的侧面剖视图。
具体实施方式
图1所示为根据本发明实现的一个喷嘴组件10。一个喷墨打印头带有多个上述喷嘴组件10，该喷嘴组件在硅基片16上形成一个阵列14(见图5和图6)。喷嘴阵列14将在下面详细说明。
组件10包括一块沉积有一层电介质层18的硅基片(或者说硅晶片)16。在电介质层18上沉积有一层CMOS钝化层20。
每个喷嘴组件10包含一个带有喷嘴开口24的喷嘴22、一个杠杆臂26形式的连接部件，以及一个控制器28。杠杆臂26把控制器连接到喷嘴22上。
如图2到图4所示，喷嘴带有一个花冠部分30，从花冠部分30上延伸出一个裙边部分32。裙边部分32构成喷嘴腔34的外壁(见图2到图4)的一部分。喷嘴开口24与喷嘴腔34的液路相通。需要注意的是，喷嘴开口24有一圈凸缘36，该凸缘36使喷嘴腔34中的墨水40在凸沿上形成一个弯月面38(见图2)。
在喷嘴腔34的底部46上带有一个墨水入口孔42(如图6中所示)。墨水入口孔42与通过硅基片16的墨水进入通道48相通。
墨水入口孔42的外圈有一圈围墙50，围墙从底部46向上延伸。上述喷嘴22的裙边部分32构成喷嘴腔34外壁的第一部分，上述围墙50构成喷嘴腔34的外壁的第二部分。
围墙50的自由端具有向内翻转的唇边52，该唇边起密封墨水的作用，当喷嘴22移动时，唇边52可以阻止墨水漏出。由于墨水40的粘度较高，而且唇边52与裙边部分32之间的间隙非常小，在墨水40的表面张力作用下，唇边52起到密封墨水的作用，防止墨水40从喷嘴腔34中漏出。
控制器28是一种热弯曲型调节装置，它与从硅基片16向上延伸的(更确切地说是从CMOS钝化层20向上延伸)锚片54连接。锚片54安装在导电垫片56上，导电垫片56作为与控制器28连接的电力连接通路。
控制器28包括第一个梁(58，主动梁)和第二个梁(60，被动梁)，主动梁在被动梁的上面。在一个较佳实例中，梁58和梁60都由导电陶瓷材料构成或含有导电陶瓷材料(例如氮化钛TiN)。
梁58和梁60的第一端都固定到锚片54上，另一端与杠杆臂26连接。当电流通过主动梁58时，梁58会由于电阻生热效应发生热膨胀。而被动梁60上没有电流通过，所以不会与主动梁58一起同时膨胀，因此，梁58和梁60会产生弯曲运动，导致杠杆臂26和喷嘴22向硅基片16位移，如图3所示。此时，墨水会通过喷嘴开口24喷射出来，如图3中的62。当主动梁58上的热源消除后，即停止电流，喷嘴22将返回到其静态位置，如图4所示。当喷嘴22返回到其静态位置时，由于墨滴颈部被断开，会产生一滴墨64，如图4中标号66所示。然后，墨滴64落到打印媒质上，例如一张纸。由于墨滴64的形成，会产生一个如图4所示的反向弯月面68，。反向弯月面68导致墨水40流入喷嘴腔34，从而立即形成一个新的弯月面38(见图2)，为从喷嘴组件10喷出下一滴墨水做好准备。
现参考图5和图6，其中更详细地描绘了喷嘴阵列14。喷嘴阵列14用于四色打印头。所以，该喷嘴阵列14由4个喷嘴组件组70构成，每一个喷嘴组件组提供一种颜色。每个喷嘴组件组70中的喷嘴组件10设置为两个喷嘴组件排72和74。图6中更详细地画出了喷嘴组件组70中的一个喷嘴组件10。
为了更紧密地包装喷嘴组件排72和74中的喷嘴组件10，喷嘴组件排74中的喷嘴组件10相对于喷嘴组件排72中的喷嘴组件10错开一定距离或交错排列。而且，喷嘴组件排72中的喷嘴组件10之间的距离足够大，以使喷嘴组件排74中的喷嘴组件的杠杆臂26通过喷嘴组件排72中相邻的喷嘴组件10。需要说明的是，每个喷嘴组件10都是哑铃形的，因此，喷嘴组件排72中的喷嘴22嵌套于喷嘴组件排74中的相邻喷嘴组件10的喷嘴22和控制器28之间。
而且，为了便于更紧凑地包装喷嘴组件排72和74中的喷嘴22，每个喷嘴22都是六边形的。
业界人士很容易知道，在实际使用中，当喷嘴22向硅基片16移动时，由于喷嘴开口24与喷嘴腔34有一个小角度，所以墨水在喷出时会稍稍偏离垂直方向。而图5和图6中的设计克服了这个问题。在上述两个图中，喷嘴组件排72和74中的喷嘴组件10的控制器28沿同一方向延伸到喷嘴组件排72和74的一侧。因此，从喷嘴组件排72中的喷嘴22喷出的墨滴与从喷嘴组件排74中的喷嘴22喷出的墨滴相互平行，从而提高了打印质量。
而且，如图5所示，硅基片16带有一些粘结垫76，这些粘结垫提供了经垫片56向喷嘴组件10的控制器28的电连接。这些电连接通过CMOS层(图中没有示出)形成。
请参考图7所示的本发明的一个实例。同时参考前图，两张图纸中的符号是相互对应的。
在本实例中，在喷嘴阵列14的硅基片16上安装了一个喷嘴保护帽80。喷嘴保护帽80带有一个主体部分82，该主体部分82具有多个通道84。通道84与阵列14中的喷嘴组件10的喷嘴开口24相对应，当墨水从任何一个喷嘴开口24喷出时，墨滴在打到打印媒质之前会通过相应的通道84。
主体部分82与喷嘴组件10有一定间隙，由支杆或者说支柱86支撑。其中一个支柱86带有一个进气开口88。
在使用时，当阵列14工作时，空气从进气开口88被吸入，并与墨水一起通过通道84。
由于空气通过通道84的速度与墨滴64的速度不同，所以墨滴64不会受空气的影响。例如，墨滴64从喷嘴22喷出的速度大约为3米/秒，而空气通过通道84的速度大约为1米/秒。
空气的作用是使通道84不会夹杂异物颗粒。如果某些异物(例如灰尘颗粒)落入到喷嘴组件10中，会对喷嘴产生不良影响。采用由喷嘴保护帽80的进气开口88强制送气的方式，能够在很大程度上避免上述问题。
请参考图8到图10，其中示出了制造喷嘴组件10的工艺过程。
从硅基片(或者说硅晶片)16开始，在硅基片16的表面沉积一层电介质层(或者说氧化物层)18。该电介质层18是一层1.5微米厚的CVD氧化物。在电介质层18上加一层抗蚀剂，然后使用模具100进行印刷处理。
经过印刷处理后，使用等离子刻蚀方法把电介质层18刻蚀到硅基片16的层上，然后去掉抗蚀剂，清理电介质层18，经过上述步骤，墨水入口孔42就形成了。
在图8b中，在电介质层18上沉积0.8微米厚度的铝102，然后加一层抗蚀剂，使用模具104进行印刷处理。然后，采用等离子刻蚀方式把铝102刻蚀到电介质层18，去掉抗蚀剂，对该层进行清理。此工艺步骤形成了粘结垫以及与喷墨控制器28的互连通道。互联通道连接到一个NMOS驱动晶体管和一个电源层，连接线路在CMOS层(图中没有示出)形成。
然后，在所得到的装置上再沉积0.5微米厚的PECVD氮化物，作为CMOS钝化层20。在钝化层20上加一层抗蚀剂，然后使用模具106进行印刷处理。经过印刷处理后，使用等离子刻蚀方法把氮化物刻蚀到铝102的层上，在墨水入口孔42区域，应刻蚀到硅基片16的层上。去掉抗蚀剂，然后对设备进行清理。
在钝化层20上旋压一层牺牲层108。该层108是6微米厚的感光聚酰亚胺或4微米厚的高温抗蚀剂。把层108烘干，然后使用模具110进行印刷处理。印刷处理后，如果层108由聚酰亚胺材料制成，那么应在400℃温度下对其烘烤1小时；如果层108由高温抗蚀剂构成，那么应在300℃以上的温度对其烘烤1小时。需要注意的是，在设计模具110时，应考虑到由缩水所导致的牺牲层108的图案扭曲。
下一步，如图8e所示，在产品上加第二层牺牲层112。牺牲层112可以是旋压的2微米厚的感光聚酰亚胺，也可以是1.3微米厚的高温抗蚀剂。牺牲层112烘干后，使用模具114进行印刷处理。经过印刷处理后，对于由聚酰亚胺构成的牺牲层112，应在400℃下烘烤1小时；对于由高温抗蚀剂构成的牺牲层112，应在300℃以上的温度下烘烤1小时左右。
然后，在产品上沉积一层0.2微米厚的多层金属层116。该金属层116的一部分将构成控制器28的被动梁60。
金属层116的加工方法是：在300℃左右溅射1000厚的氮化钛TiN，然后溅射50厚的氮化钽TaN，然后溅射50厚的氮化钽TaN和1000厚的氮化钛TiN，最后再溅射1000厚的厚的氮化钛TiN。
也可以使用TiB2、MoSi2或(Ti，Al)N代替TiN。
然后，对金属层116使用模具118进行印刷处理，然后使用等离子刻蚀方法刻蚀到牺牲层112，下一步，小心地去掉加在金属层116上的防蚀剂，注意不要伤及牺牲层108或112。
下一步，在金属层116上旋压一层4微米厚的感光聚酰亚胺或2.6微米厚的高温抗蚀剂，形成第三层牺牲层120。牺牲层120经过烘干后，使用模具122进行印刷处理。然后进行热烘。对于聚酰亚胺，应在400℃下对牺牲层120烘烤1小时左右；对于高温抗蚀剂，应在300℃以上对牺牲层120烘烤1小时左右。
下一步，在牺牲层120上再沉积第二层多层金属层124。金属层124的成分与金属层116相同，工艺方式也相同。需要说明的是，金属层116和金属层124都是导电层。
然后，使用模具对金属层124进行印刷处理。下一步使用等离子刻蚀方法把金属层124刻蚀到牺牲层120(聚酰亚胺或高温抗蚀剂)，然后，把加在金属层124上的抗蚀剂层小心地揭下来，注意不要伤及牺牲层108、112或120。需要说明的是，金属层124的剩余部分将构成控制器28的主动梁58。
下一步，在金属层124上旋压一层4微米厚的感光聚酰亚胺或2.6微米厚的高温抗蚀剂，形成第四层牺牲层128。牺牲层128经过烘干后，使用模具130进行印刷处理，剩下图9k所示的孤立部分。然后，对于聚酰亚胺材料，应在400℃下对牺牲层128的剩余部分烘烤1小时；对于高温抗蚀剂材料，应在300℃以上的温度下对牺牲层128的剩余部分烘烤1小时。
请参考图81，在上述产品上再沉积一层高杨氏模量的电介质层132。电介质层132由1微米左右厚度的氮化硅或氧化铝构成。电介质层132的沉积温度应低于牺牲层108、112、120、128的热烘温度。电介质层132应具有高弹性模数、化学惰性以及对TiN的良好粘接性。
下一步，在上述产品上在旋压一层2微米厚的感光聚酰亚胺或1.3微米厚的高温抗蚀剂，形成第五个牺牲层134。牺牲层134经过烘干后，使用模具136进行印刷处理。然后，如果是聚酰亚胺材料，应在400℃下对牺牲层134的剩余部分烘烤1小时；如果是高温抗蚀剂，应在300℃以上的温度下对牺牲层134的剩余部分烘烤1小时左右。
然后，采用等离子刻蚀方法把电介质层132刻蚀到牺牲层128，注意不要伤及牺牲层134。
上述步骤形成喷嘴开口24、杠杆臂26、以及喷嘴组件10的锚片54。
下一步，在上述产品上沉积一层高杨氏模量的电介质层138。电介质层138的沉积方法是：在低于牺牲层108、112、120和128的热烘温度下，沉积一层0.2微米厚的氮化硅或氮化铝。
下一步，如图8p所示，使用具有方向性的等离子刻蚀方法对电介质层138刻蚀0.35微米的深度。刻蚀的目的是从所有表面上清除电介质，仅留下电介质层132和牺牲层134的侧壁上的电介质。此步骤形成喷嘴开口24周围的喷嘴凸缘36，该喷嘴凸缘36使墨水产生上述的弯月面。
然后，在产品上加一层防紫外线(UV)胶带140，在硅基片16背面旋压一层4毫米后的抗蚀剂。然后使用模具142进行背面刻蚀处理，形成墨水进入通道48。然后从硅基片16上去掉防蚀剂。
在硅基片16的背面贴一层防紫外线UV胶带(图中没有示出)。然后去掉胶带140。下一步，把牺牲层108、112、120、128和134在氧等离子中进行处理，形成图8r和图9r中所示的最终的喷嘴组件10。为了便于参考，上述两图中的零件编号与图1中的编号相同，以反映喷嘴组件10的相关部件。图11和12所示为按照上述工艺过程制造的喷嘴组件10的工作示意图。这些附图与图2到图4对应。
业内人士很容易了解，可以根据上述实例中描述的本发明进行各种等价的变化或修改。本发明的实例只用来阐明发明内容，不应限制发明的范围。任何根据本发明进行等价变化或修改的装置都应属于本发明的范围。

Claims (13)

1.一种喷墨打印头，包括：
一个基片；
至少一个喷嘴，每个喷嘴进一步包括排列在基片上的喷嘴开口，喷嘴开口与喷嘴腔相连，所述至少一个喷嘴可以相对于基片移动，以便在需要时使墨水从喷嘴腔中通过喷嘴开口喷出；
一个外装于喷嘴上并与喷嘴相连的控制器，用于控制喷嘴的位移。
2.如权利要求1所述的喷墨打印头，其中所述喷嘴包括：一个构成开口的花冠部分；一个从花冠部分延伸出的裙边部分，该裙边部分构成上述喷嘴腔的外壁的第一部分。
3.如权利要求2所述的喷墨打印头，其中喷墨所述打印头还包括：位于喷嘴腔底板上的墨水入口孔以及环绕该墨水入口孔的围墙，该围墙构成喷嘴腔外壁的第二部分。
4.如权利要求3所述的喷墨打印头，其中上述裙边部分可以相对于基片位移，上述围墙作为防止墨水从上述喷嘴腔中漏出的一个装置。
5.如权利要求1所述的喷墨打印头，其中所述控制器是一种热弯曲型控制器。
6.如权利要求5所述的喷墨打印头，其中所述热弯曲型控制器由两条梁构成，一条作为主动梁，另一条作为被动梁。
7.如权利要求6所述的喷墨打印头，其中所述控制器通过一个连接部件与喷嘴连接。
8.如权利要求7所述的喷墨打印头，其中所述梁的一端被固定到安装在基片上的锚片上，另一端与上述连接部件相连。
9.如权利要求8所述的喷墨打印头，其中所述的连接部件包含一个杠杆臂，该杠杆臂的第一端与控制器连接，另一端与喷嘴连接，并形成一种悬臂结构。
10.如权利要求1所述的喷墨打印头，其中所述打印头包含多个喷嘴，每个喷嘴与排列在基片上的相应的控制器和连接部件连接。
11.如权利要求1所述的喷墨打印头，其中所述打印头是通过平面集成电路沉积、平版印刷和刻蚀工艺制造的。
12.如权利要求1所述的喷墨打印头，其中所述基片包含一个集成的驱动电路层。
13.如权利要求12所述的喷墨打印头，其中所述集成的驱动电路层是使用CMOS制造工艺形成的。
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