專利名稱：具有外裝噴嘴控制器的噴墨噴嘴組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴墨打印頭，特別是一種具有外裝控制器的移動噴嘴的噴墨打印頭的制造方法。
同類專利申請與本發(fā)明有關(guān)的各種方法、系統(tǒng)和裝置在下列同類專利申請中揭示。這些專利申請是本發(fā)明的專利申請人或受讓人與本發(fā)明同時申請的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/AU00/00542，PCT/AU00/00543，PCT/AU00/00544，PCT/AU00/00545，PCT/Ald00/00547，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/^U00/00508，PCT/AU00/00509，PCT/AU00/00510，PCT/AU00/00512，PCT/AU00/00513，PCT/AU00/00514，PCT/AU00/00515這些同類專利申請所揭示的內(nèi)容可以相互參照。
背景技術(shù)：
在我們的同類申請——專利號為09/112,835的美國專利申請中概要介紹了一種移動噴嘴裝置的制造方法。這種移動噴嘴裝置通過一種磁控元件調(diào)節(jié)來控制移動噴嘴的位移，從而控制墨水的噴出。
這種設(shè)計的一個問題是，移動噴嘴裝置的部件必須進(jìn)行憎水處理，以便使墨水進(jìn)入控制器區(qū)域中。
本發(fā)明提供了一種不需要進(jìn)行憎水處理的移動噴嘴裝置的制造方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種噴墨打印頭的制造方法，包括以下步驟提供一個基片，以及在基片上產(chǎn)生一個噴嘴組件的陣列，其中每個噴嘴組件帶有一個噴嘴腔，該噴嘴腔與噴嘴組件的噴嘴開口的液路相通。每個噴嘴組件的噴嘴可以相對于基片位移，從而在需要時噴出墨水。每個噴嘴組件還包括一個外裝于噴嘴腔并與噴嘴相連的控制器單元，用于控制噴嘴的位移。
在本說明書中，“噴嘴”一詞應(yīng)理解為帶有一個開口的元件，而不是開口本身。
而且，本發(fā)明中描述的方法還包括通過使用平面集成電路沉積、平版印刷和刻蝕工藝產(chǎn)生上述噴嘴陣列。
而且，本發(fā)明中所述的方法可以包括在基片上同時形成多個打印頭。
本發(fā)明中所述的方法可以包括在同一個基片上形成集成的驅(qū)動電路，該集成驅(qū)動電路可以使用CMOS制造工藝制造。
上述方法可以包括以噴嘴的一部分形成噴嘴腔周壁的第一部分以及使用一種抑制裝置形成噴嘴腔的周壁的第二部分，該抑制裝置從基片上延伸而來，可以抑制墨水從噴嘴腔中漏出。尤其，本發(fā)明中所述的方法可以包括通過沉積和刻蝕工藝過程形成從基片上延伸而來的抑制裝置。
本發(fā)明中所述的方法可以包括使用一個臂把噴嘴與噴嘴的控制器單元互聯(lián)，使噴嘴與控制器單元之間形成一種懸臂結(jié)構(gòu)。
上述控制器單元可以是熱彎曲型控制器；本發(fā)明中的方法還可以包括由至少兩個梁形成的控制器單元，上述兩個梁中一個作為主動梁，另一個作為被動梁?！爸鲃恿骸笔侵冈摿荷嫌须娏魍ㄟ^，從而使該梁在電阻生熱的作用下產(chǎn)生膨脹。相反，“被動梁”上沒有電流通過，以利于上述主動梁在使用中產(chǎn)生彎曲。
圖1是本發(fā)明噴墨打印頭的噴嘴組件的立體示意圖。
圖2到圖4是圖1中的噴嘴組件動作的立體示意圖。
圖5是構(gòu)成噴墨打印頭的噴嘴陣列的立體圖。
圖6是圖5的噴嘴陣列的局部放大圖。
圖7是帶有一個噴嘴保護(hù)帽的噴墨打印頭的立體圖。
圖8a到圖8r是本發(fā)明中噴墨打印頭的噴嘴組件制造步驟的立體圖。
圖9a到圖9r是制造步驟的側(cè)面剖視圖。
圖10a到圖10k是在制造過程的各步驟中使用的模板布局。
圖11a到圖11c是根據(jù)圖8和圖9的方法制造的噴嘴組件動作的立體圖。
圖12a到圖12c是根據(jù)圖8和圖9制造的噴嘴組件的動作的側(cè)面剖視圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進(jìn)一步的說明圖1所示是本發(fā)明的一個噴嘴組件10。一個噴墨打印頭帶有多個上述噴嘴組件10，該噴嘴組件10在硅基片16上形成一個陣列14(見圖5和圖6)。該噴嘴陣列14將在下面詳細(xì)說明。
噴嘴組件10包括一塊沉積有一層電介質(zhì)層18的硅基片16。在電介質(zhì)層18上沉積有一層CMOS鈍化層20。
每個噴嘴組件10包含一個帶有噴嘴開口24的噴嘴22、一個杠桿臂26形式的連接部件以及一個控制器28。杠桿臂26把控制器單元28連接到噴嘴22上。
如圖2到圖4所示，噴嘴22帶有一個花冠部分30，從花冠部分30上延伸出一個裙邊部分32。裙邊部分32構(gòu)成噴嘴腔34的周壁(見圖2到圖4)的一部分。噴嘴開口24與噴嘴腔34的液路相通。需要注意的是，噴嘴開口24有一圈凸緣36，該凸緣36使噴嘴腔34中的墨水40在凸緣上形成一個彎液面38(見圖2)。
在噴嘴腔34的底板上帶有一個用于墨水入口的孔42(圖6所示最為清晰)。該孔42與通過基片16的墨水進(jìn)入通道48相通。
孔42的外圈有一圈圍壁50，圍壁50從底部46向上延伸。上述的噴嘴22的裙邊部分32構(gòu)成噴嘴腔34周壁的第一部分，上述圍壁50構(gòu)成噴嘴腔34周壁的第二部分。
圍壁50的自由端具有一個向內(nèi)翻轉(zhuǎn)的唇邊52，該唇邊起密封墨水的作用，當(dāng)噴嘴22移動時，唇邊52可以阻止墨水漏出。由于墨水40的粘度較高，而且唇邊52與裙邊部分32之間的間隙非常小，在墨水40的表面張力作用下，唇邊52起到密封墨水的作用，防止墨水40從噴嘴腔34中漏出。
控制器單元28是一種熱彎曲型調(diào)節(jié)裝置，它與從基片16向上延伸的(更確切地說是從CMOS鈍化層20向上延伸)的錨片54連接。錨片54安裝在導(dǎo)電墊片56上，導(dǎo)電墊片56與控制器單元28電連接。
控制器單元28包括一個第一個主動梁58，和一個第二個梁被動梁60，主動梁58在被動梁60的上面。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實例中，主動梁58和被動梁60都由導(dǎo)電陶瓷材料構(gòu)成或含有導(dǎo)電陶瓷材料(例如氮化鈦TiN)。
主動梁58和被動梁60的第一端都固定到錨片54上，另一端與杠桿臂26連接。當(dāng)電流通過主動梁58時，主動梁58會發(fā)生熱膨脹。而被動梁60上沒有電流通過，所以不會與主動梁58一起同時膨脹，因此，主動梁58和被動梁60會產(chǎn)生彎曲運(yùn)動，導(dǎo)致杠桿臂26和噴嘴22朝基片16向下位移，如圖3所示。這樣會導(dǎo)致墨水從噴嘴開口24噴射出來，如圖3中的62。當(dāng)主動梁58上的熱源消除后，即停止電流后，噴嘴22將返回到其靜態(tài)位置，如圖4所示。當(dāng)噴嘴22返回到其靜態(tài)位置時，由于墨滴頸部被斷開，會產(chǎn)生一滴墨滴64，如圖4中的66。然后，墨滴64落到打印媒質(zhì)上，例如一張紙。由于墨滴64的形成，會產(chǎn)生一個反向彎液面，如圖4中的68。反向彎液面68導(dǎo)致墨水40流入噴嘴腔34，從而立即形成一個新的彎液面38(見圖2)，為從噴嘴組件10噴出下一滴墨水做好準(zhǔn)備。
現(xiàn)在請看圖5和圖6，其中更詳細(xì)地描繪了噴嘴陣列14。噴嘴陣列14用于彩色打印頭。所以，該噴嘴陣列14由4個噴嘴陣列組70構(gòu)成，每個噴嘴組件組提供一種顏色。每個噴嘴組件組70中的噴嘴組件10設(shè)置為兩個噴嘴組件排72和74。圖6中更詳細(xì)地畫出了噴嘴組件組70中的一個噴嘴組件10。
為了緊密安排噴嘴組件排72和74中的噴嘴組件10，噴嘴組件排74中的噴嘴組件10相對于噴嘴組件排72中的噴嘴組件10偏移一定距離或交錯排列。而且，噴嘴組件排72中的噴嘴組件10彼此之間的距離很大，足以使噴嘴組件排74中的噴嘴組件的杠桿臂26通過噴嘴組件排72中相鄰的噴嘴組件10的噴嘴22。需要說明的是，每個噴嘴組件10都是啞鈴形的，因此，噴嘴組件排72中的噴嘴組件10的噴嘴22可以位于噴嘴組件排74中的相鄰噴嘴組件10的噴嘴22和控制器單元28之間。
而且，為了便于更緊湊地安排噴嘴組件排72和74中的噴嘴22，每個噴嘴22都是六邊形的。
行業(yè)人員很容易知道，在實際使用中，當(dāng)噴嘴22向基片16移動時，由于噴嘴開口24與噴嘴腔34有一個小角度，所以墨水在噴出時會稍稍偏離垂直方向。而圖5和圖6中的設(shè)計具有一個優(yōu)點(diǎn)噴嘴組件排72和74中的噴嘴組件10的控制器單元28沿同一方向延伸到噴嘴組件排72和排74的一側(cè)。因此，從噴嘴組件排72中的噴嘴22噴出的墨滴與從噴嘴組件排74中的噴嘴22噴出的墨滴相互平行，從而提高了打印質(zhì)量。
而且，如圖5所示，基片16帶有一些粘結(jié)墊76，這些粘結(jié)墊提供了從墊片56向噴嘴組件10的控制器單元28的電連接。這些電連接通過CMOS層(圖中沒有示出)形成。
如圖7所示是本發(fā)明的一個實施例。參考前圖，兩張圖紙中的相同部件的標(biāo)號是相互對應(yīng)的，除非另有規(guī)定。
在該實施例中，噴嘴陣列14的基片16上安裝了一個噴嘴保護(hù)帽80。噴嘴保護(hù)帽80包括一個主體部分82，該主體部分82具有多個貫穿的通道84。通道84與陣列14中的噴嘴組件10的噴嘴開口24相對應(yīng)，這樣當(dāng)墨水從任何一個噴嘴開口24噴出時，墨滴在打到打印媒質(zhì)之前會通過相應(yīng)的通道84。
主體部分82與噴嘴組件10有一定間隙，由支桿或者說支柱86支撐。支柱86有一個位于其中的進(jìn)氣開口88。
工作時，當(dāng)陣列14動作時，空氣被從進(jìn)氣開口88吸入，并與墨水一起通過通道84。
由于空氣通過通道84的速度與墨滴64的速度不同，所以墨滴64不會被空氣夾帶。例如，墨滴64以大約為3米/秒的速度從噴嘴22噴出，而空氣通過通道84的速度大約為1米/秒。
空氣的作用是使通道84不會夾雜異物顆粒。如果某些異物(例如灰塵顆粒)落入到噴嘴組件10上，會對噴嘴產(chǎn)生不良影響。在噴嘴保護(hù)帽80中采用進(jìn)氣開口88制送氣的方式，能夠在很大程度上避免上述問題。
請參考圖8到圖10，其中示出了制造噴嘴組件10的工藝過程。
從硅基片16開始，在基片16的表面沉積一層電介質(zhì)層18。該電介質(zhì)層18是一層1.5微米厚的CVD氧化物。在電介質(zhì)層18上加一層抗蝕劑，然后使用模具100進(jìn)行印刷處理。
經(jīng)過印刷處理后，使用等離子刻蝕方法把電介質(zhì)層18刻蝕到硅基片16的層上，然后去掉抗蝕劑，清理電介質(zhì)層18，經(jīng)過上述步驟，孔42就形成了。
在圖8b中，在電介質(zhì)層18上沉積0.8微米厚度的的鋁膜102，然后加一層抗蝕劑，使用模具104進(jìn)行印刷處理。然后，采用等離子刻蝕方式把鋁膜102刻蝕到該氧化的電介質(zhì)層18，去掉抗蝕劑，對該層進(jìn)行清理。此工藝步驟形成了粘結(jié)墊以及與噴墨控制器單元28的互連通道。該互聯(lián)通道連接到一個NMOS驅(qū)動晶體管和一個電源層，連接線路在CMOS層(圖中沒有示出)形成。
然后，在所得到的裝置上再沉積0.5微米厚的PECVD氮化物，作為CMOS鈍化層20。在鈍化層20上加一層抗蝕劑，然后使用模具106進(jìn)行印刷處理。經(jīng)過印刷處理后，使用等離子刻蝕方法把氮化物刻蝕到鋁膜102，在孔42區(qū)域，應(yīng)刻蝕到硅基片16的層上。去掉抗蝕劑，然后對設(shè)備進(jìn)行清理。
在鈍化層20上旋壓一層犧牲層108。該犧牲層108是6微米厚的感光聚酰亞胺或4微米厚的高溫抗蝕劑。把犧牲層108烘干，然后使用模具110進(jìn)行印刷處理。印刷處理后，如果犧牲層108由聚酰亞胺材料制成，那么應(yīng)在400℃溫度下對其烘烤1小時；如果犧牲層108由高溫抗蝕劑構(gòu)成，那么應(yīng)在300℃以上的溫度對其烘烤1小時。需要注意的是，在設(shè)計模具110時，應(yīng)考慮到由縮水所導(dǎo)致的聚酰亞胺構(gòu)成的犧牲層108的圖案的扭曲。
下一步，如圖8e所示，在產(chǎn)品上加第二層犧牲層112。犧牲層112可以是旋壓的2微米厚的感光聚酰亞胺，也可以是1.3微米厚的高溫抗蝕劑。犧牲層112烘干后，使用模具114進(jìn)行印刷處理。經(jīng)過印刷處理后，對于由聚酰亞胺構(gòu)成的犧牲層112，應(yīng)在400℃下烘烤約1小時；對于由高溫抗蝕劑構(gòu)成的犧牲層112，應(yīng)在300℃以上的溫度下烘烤1小時左右。
然后，在產(chǎn)品上沉積一層0.2微米厚的多層金屬層116。金屬層116的一部分將構(gòu)成控制器單元28的被動梁60。
金屬層116的加工方法是在300℃左右濺射1000厚的氮化鈦(TiN)，然后濺射50厚的氮化鉭(TaN)，最后再濺射1000厚的厚的氮化鈦(TiN)。
也可以使用TiB2、MoSi2或(Ti，Al)N代替TiN。
然后，對金屬層116使用模具118進(jìn)行印刷處理，然后使用等離子刻蝕方法刻蝕到犧牲層112，下一步，小心地去掉加在金屬層116上的防蝕劑，注意不要傷及犧牲層108或犧牲層112。
下一步，在金屬層116上旋壓一層4微米厚的感光聚酰亞胺或2.6微米厚的高溫抗蝕劑，形成第三層犧牲層120。犧牲層120經(jīng)過烘干后，使用模具122進(jìn)行印刷處理。然后進(jìn)行熱烘。對于聚酰亞胺構(gòu)成的犧牲層120，應(yīng)在400℃下烘烤1小時左右；對于高溫抗蝕劑構(gòu)成的犧牲層120，應(yīng)在300℃以上烘烤1小時左右。
下一步，在犧牲層120上再沉積第二層多層金屬層124。金屬層124的成分與金屬層116相同，工藝方式也相同。需要說明的是，金屬層116和金屬層124都是導(dǎo)電層。
然后，使用模具126對金屬層124進(jìn)行印刷處理。下一步使用等離子刻蝕方法把金屬層124刻蝕到犧牲層120(聚酰亞胺或高溫抗蝕劑)，然后，把加在金屬層124上的抗蝕劑層小心地揭下來，注意不要傷及犧牲層108、112或120。需要說明的是，金屬層124的剩余部分將構(gòu)成控制器單元28的主動梁58。
下一步，通過旋壓一層4微米厚的感光聚酰亞胺或2.6微米厚的高溫抗蝕劑，形成第四層犧牲層128。犧牲層128經(jīng)過烘干后，使用模具130進(jìn)行印刷處理，剩下圖9k所示的孤立部分。然后，對于聚酰亞胺材料，應(yīng)在400℃下對犧牲層128的剩余部分烘烤1小時左右；對于高溫抗蝕劑材料，應(yīng)在300℃以上的溫度下對犧牲層128的剩余部分烘烤1小時左右。
請參考圖81，在上述產(chǎn)品上再沉積一層高楊氏模量的電介質(zhì)層132。電介質(zhì)層132由1微米左右厚度的氮化硅或氧化鋁構(gòu)成。電介質(zhì)層132的沉積溫度應(yīng)低于犧牲層108、112、120、128的熱烘溫度。電介質(zhì)層132應(yīng)具有高彈性模數(shù)、化學(xué)惰性以及對TiN的良好粘接性。
下一步，在上述產(chǎn)品上在旋壓一層2微米厚的感光聚酰亞胺或1.3微米厚的高溫抗蝕劑，形成第五個犧牲層134。犧牲層134經(jīng)過烘干后，使用模具136進(jìn)行印刷處理。然后，如果是聚酰亞胺材料，應(yīng)在400℃下對犧牲層134的剩余部分烘烤1小時；如果是高溫抗蝕劑，應(yīng)在300℃以上的溫度下對犧牲層134的剩余部分烘烤1小時。
然后，采用等離子刻蝕方法把電介質(zhì)層132刻蝕到犧牲層128，注意不要傷及犧牲層134。
上述步驟形成噴嘴開口24、杠桿臂26、以及噴嘴組件10的錨片54。
下一步，在上述產(chǎn)品上沉積一層高楊氏模量的電介質(zhì)層138。電介質(zhì)層138的沉積方法是在低于犧牲層108、112、120和128的熱烘溫度下，沉積一層0.2微米厚的氮化硅或氮化鋁。
下一步，如圖8p所示，使用具有方向性的等離子刻蝕方法對電介質(zhì)層138刻蝕0.35微米的深度?？涛g的目的是從所有表面上清除電介質(zhì)，僅留下電介質(zhì)層132和犧牲層134的側(cè)壁上的電介質(zhì)。此步驟形成噴嘴開口24周圍的噴嘴凸緣36，該噴嘴凸緣36使墨水產(chǎn)生上述的彎液面。
然后，在產(chǎn)品上加一層防紫外線(UV)膠帶140，在硅基片16背面旋壓一層4微米厚的抗蝕劑。然后使用模具142對硅基片16進(jìn)行背面刻蝕處理，形成墨水進(jìn)入通道48。然后從基片16上去掉防蝕劑。
在基片16的背面貼一層防紫外線膠帶(圖中沒有示出)。然后去掉膠帶140。下一步，把犧牲層108、112、120、128和134在氧等離子中進(jìn)行處理，形成圖8r和圖9r中的最終的噴嘴組件10。為了便于參考，上兩張圖紙中的部件編號與圖1中的編號相同，以反映噴嘴組件10的相關(guān)部件。圖11和12示出了按照上述圖8和圖9所述的工藝過程制造的噴嘴組件10的動作。這些圖紙與圖2到圖4對應(yīng)。
行業(yè)人員很容易了解，可以根據(jù)上述實例中描述的本發(fā)明進(jìn)行各種等價的變化或修改。本發(fā)明的實例只用來闡明發(fā)明內(nèi)容，不應(yīng)限制發(fā)明的范圍。任何根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行等價變化或修改的裝置都應(yīng)屬于本發(fā)明的概念范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于噴墨打印頭的噴嘴組件，所述組件包括一個形成于一基片上的噴嘴腔；一個設(shè)置在所述基片上而形成一個與所述噴嘴腔流體連通的開口的噴嘴，所述噴嘴可以相對于所述基片移動，從而在需要時通過所述開口噴出墨水；及一個設(shè)置在所述基片上并與所述噴嘴連接的控制器單元，且所述控制器單元外裝于所述噴嘴腔而用于控制噴嘴的移動。
2.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，部分噴嘴形成噴嘴腔壁的第一部分，且一個用于抑制墨水從所述噴嘴腔中泄漏的抑制裝置形成噴嘴腔壁的第二部分，所述抑制裝置由所述基片伸出。
3.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，進(jìn)一步包括一個將所述噴嘴和所述控制器單元互聯(lián)的臂，使所述噴嘴相對所述控制器單元形成一種懸臂結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述控制器單元是熱彎曲型控制器。
5.如權(quán)利要求4所述的組件，其特征在于，所述熱彎曲型控制器包括至少兩個梁，一個為主動梁，另一個為被動梁。
全文摘要
提供一種用于噴墨打印頭的噴嘴組件10，其包括形成于一基片16上的噴嘴腔34；設(shè)置在基片16上以形成與噴嘴腔34流體連通的開口24的噴嘴22，噴嘴22可以相對于基片16移動，從而在需要時通過開口24噴出墨水；及一個設(shè)置在基片16上并與噴嘴22連接的控制器單元28，且該控制器單元28外裝于噴嘴腔34而用于控制噴嘴22的移動。
文檔編號B41J2/055GK1651244SQ20051005108
公開日2005年8月10日 申請日期2000年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月24日
發(fā)明者卡·西爾弗布魯克 申請人:西爾弗布魯克研究有限公司