專利名稱：在流體噴射器上的非潤濕涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在流體噴射器上的涂層。
背景技術(shù)：
流體噴射器(如墨噴打印頭)通常具有內(nèi)表面、噴射流體的孔和外表面。當(dāng)流體從孔噴出時，流體可能聚積在流體噴射器的外表面上。當(dāng)流體聚積在鄰近孔的外表面上吋，從孔噴出的另外的流體可能偏離所需的前進(jìn)路徑，或者通過與聚積的流體的相互作用(如，由于表面張カ)而被完全遮斷。諸如特氟龍(Teflon )和氟碳聚合物(fluorocarbon polymer)等非潤濕涂料可用于涂覆表面。然而，特氟龍和氟碳聚合物通常是柔性的，并且不是耐用涂料。這些涂料還可能昂貴，并且難以形成圖案(pattern)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供ー種流體噴射器，其具有第一表面、第二表面和允許與所述第二表面接觸的流體噴出的孔。在一方面，所述流體噴射器具有覆蓋至少所述第一表面的部分的非潤濕層、以及覆蓋所述第二表面的部分但不覆蓋所述第一表面的實質(zhì)部分(substantialportion)的覆層(overcoat layer),所述覆層與所述非潤濕層相比潤濕性大。該裝置的實施方式可包括一個或多個下列特征。非潤濕層可包括含有碳和氟各自的至少ー個原子的分子。非潤濕層可為單層(monolayer)。非潤濕層可為憎水性的。非潤濕層可直接形成在無機種子層上。覆層可包括無機氧化物，例如ニ氧化硅。覆層可為親水性的。在一個實施方式中，覆層可直接形成在非潤濕層上。在ー個替代實施方式中，覆層可直接形成在無機氧化物層上。在實施方式中，第一表面可為流體噴射器的外表面。本發(fā)明還公開在流體噴射器的所選部分上形成非潤濕單層的方法。在流體噴射器的第一表面和第二表面上沉積非潤濕層，遮蔽第一表面，視情況從第二表面去除非潤濕層，以及在第二表面上沉積覆層。這些方法的實施方式可包括一個或多個下列特征?？赏ㄟ^氣相沉積來沉積非潤濕層。遮蔽可包括施加帶、光阻材料或蠟中的至少ー種。沉積覆層可包括沉積無機氧化物。無機氧化物可為ニ氧化硅。在某些實施方式中，可在沉積覆層后從第一表面去除遮蔽物，并且去除遮蔽物還可去除沉積在遮蔽物上的覆層。在其它實施方式中，可在沉積覆層前，但在將流體噴射器暴露于氧等離子體后，去除遮蔽物?？稍诔练e非潤濕層前，在第一表面和第二表面上沉積無機層。第一表面可包括圍繞流體噴射器中的孔的區(qū)域，而第二表面可包括與流體噴射器噴射的流體接觸的區(qū)域。第一表面可為外表面，而第二表面可為內(nèi)表面。
某些實施方式可具有一個或多個下列優(yōu)勢。圍繞孔的外表面可為非潤濕性的，而與待噴射流體接觸的內(nèi)表面可為潤濕性的。非潤濕層能降低流體在流體噴射器的外表面上的聚積，從而能改善流體噴射器的可靠性。非潤濕層可具有耐用性并且不能溶于多數(shù)溶劑中，從而允許多種墨用于流體噴射器。覆層能覆蓋在預(yù)先清洗步驟中未從內(nèi)表面去除的非潤濕涂層的任意部分，從而能確保內(nèi)表面被高潤濕性的層覆蓋。位干與待噴射流體接觸的表面上的高潤濕性覆層能實現(xiàn)改善對小滴尺寸、噴射率以及其它流體噴射性質(zhì)的控制。


圖IA是未經(jīng)涂覆的流體噴射器的實施方式的截面圖。圖IB是圖IA的流體噴射器的所有暴露表面均沉積有無機層的實施方式的截面圖。圖IC是圖IB的流體噴射器的所有暴露表面均具有非潤濕涂層的實施方式的截面圖。圖ID是圖IC的流體噴射器的外表面覆蓋有遮蔽物的實施方式的截面圖。圖IE是圖ID的流體噴射器的內(nèi)表面部分地去除了非潤濕涂層的實施方式的截面圖。圖IF是圖IE的流體噴射器去除了遮蔽物的實施方式的截面圖。圖IG是圖IF的流體噴射器的內(nèi)表面涂覆有覆層的實施方式的截面圖。圖2A是圖ID的流體噴射器的內(nèi)表面涂覆有覆層的實施方式的截面圖。圖2B是圖2A的流體噴射器去除了遮蔽物的實施方式的截面圖。圖3A圖ID的流體噴射器的內(nèi)表面去除了非潤濕涂層的實施方式的截面圖。圖3B是圖3A的流體噴射器的內(nèi)表面涂覆有覆層的實施方式的截面圖。圖3C是圖3B的流體噴射器去除了遮蔽物的實施方式的截面圖。
具體實施例方式圖IA是未經(jīng)涂覆的流體噴射器100 (如，墨噴打印頭噴嘴)的截面圖，該流體噴射器100可構(gòu)造為如2005年10月21日提交的美國專利申請序列號11/256669中所述那樣，該美國專利申請序列號11/256669的內(nèi)容通過引用并入本文。未經(jīng)涂覆的流體噴射器100包括流道模塊110和噴嘴層120，兩者均可由硅(如單晶硅)制成。在ー實施方式中，未經(jīng)涂覆的流體噴射器100是單ー単元，流道模塊110和噴嘴層120不是分開的部件。隔膜層182位于泵送室135上方。致動器172使泵送室135中的流體(如墨，例如水基墨)增壓。流體流經(jīng)下行通道130，并經(jīng)由噴嘴層120中的孔140噴出。致動器172可包括壓電層176、下電極178(如接地電極)和上電極174(如驅(qū)動電極)。以下圖中未示出隔膜層182和致動器172，但它們是可以存在的。如圖IB所示，未經(jīng)涂覆的流體噴射器100視情況可包括無機層165，該無機層165 形成在流體噴射器(如噴嘴層120和流道模塊110)的包括內(nèi)表面和外表面的暴露表面上。在這種情況下，未經(jīng)涂覆的噴射器表面可被看作無機層165的表面。無機層165可由例如促進(jìn)娃燒涂層(silane coating)或娃氧燒涂層(siloxane coating)的粘附性的SiO2等無機氧化物材料形成。在ー實施方式中，無機種子(seed)層165是自然(native)氧化物層(這種自然氧化物通常具有l(wèi)_3nm的厚度)。在另ー實施方式中，無機層165是沉積的種子層，例如SiO2?？赏ㄟ^將SiCl4和水蒸氣引入容納未經(jīng)涂覆的流體噴射器100的化學(xué)氣相沉積(CVD)反應(yīng)器中，而在噴嘴層120和流道模塊110的暴露表面上形成SiO2的無機種子層165?；瘜W(xué)氣相沉積室和真空泵之間的閥在沿該室泵送后閉合，SiCl4和H2O的蒸氣被引入了該室。SiCl4的分壓可在0.05-40托之間(如，0. 1-5托)，而％0的分壓可在0.05-20托之間(如，0. 2-10托)。種子層165可沉積在被加熱到處于約室溫到約100攝氏度之間的溫度的基底上。例如，基底可不加熱，而化學(xué)氣相沉積室可在35攝氏度?；蛘?，可噴濺(sputter)無機種子層165?？稍谕扛睬巴ㄟ^例如施加氧等離子體來清洗待無機種子層165涂覆的表面。在該過程中，感應(yīng)耦合等離子體(ICP)源用于生成蝕刻有機材料的活性氧自由基(active oxygen radical),從而得到清潔的氧化物表面。制造エ藝的一個實施方式在單次連續(xù)步驟中沉積整個種子層，以提供単一的、整體的種子層。種子層165的厚度可在約5nm-約200nm之間。對于部分待噴射的流體，性能可能受無機層厚度的影響。例如，對于某些“困難”流體，較厚的層，如30nm或更大，例如40nm或更大，如50nm或更大，將提供改善的性能。這種“困難”流體可包括例如各種傳導(dǎo)性聚合物和發(fā)光聚合物，如聚-3,4-こ烯ニ氧噻吩(poly-3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT),或例如來自DowChemical公司的DOW Green K2等發(fā)光聚合物。其它發(fā)光聚合物(又稱為聚合物發(fā)光二極管)可從包括 Cambridge Display Technologies 公司、Sumitomo Chemical公司和Covion公司(Merck KGaA的一個子公司)的來源獲得。制造流體噴射器的某些材料(如硅或ニ氧化硅)具有親水性，這通常使流體噴出時在外表面上的流體聚積問題加劇。參考圖1C，非潤濕涂層170，如疏水材料層，沉積在未經(jīng)涂覆的流體噴射器(或，視情況，涂覆有無機層的流體噴射器)100的暴露表面上，以形成涂覆的流體噴射器105。在ー實施方式中，非潤濕涂層170形成自組合(self-assembled)的單層，即單分子層?？墒褂脷庀喑练e而不是刷涂、棍涂(rolled on)或旋涂(spun on)來沉積非潤濕涂層170?？稍谑┘臃菨櫇裢繉?70前清洗(如，通過施加氧等離子體)流體噴射器的外表面?？赏ㄟ^例如將前體(precursor)和水蒸氣在低壓下引入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器中，來沉積非潤濕涂層170。前體的分壓可在0. 05-1托之間(如，0. 1-0. 5托)，而H2O的分壓可在0. 05-20托之間(如，0. 1-2托)。沉積溫度可在室溫到約100攝氏度之間。舉例來說，可使用 Applied MicroStructures 公司的分子氣相沉積(Molecular Vapor Deposition,MVD )機，來進(jìn)行涂覆過程以及形成無機種子層165。舉例來說，用于非潤濕涂層170的適當(dāng)?shù)那绑w包括含有如下所述這種分子的前體，這種分子包括非潤濕的末端(terminus)和可附著到流體噴射器的表面的末端。例如，可使用包括一端終止于-CF3基團而第二端終止于_SiC13基團的碳鏈的前體分子。附著于硅表面的適當(dāng)?shù)那绑w的具體例子包括十三氟_1，1，2，2_四氫辛基三氯硅烷(tridecafluoro-1,I,2,2-tetrahydrooctyltrichlorosilane)(FOTS)和 1H,1H,2H,2H-全氟癸基-三氯娃燒(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodecyl_trichlorosilane) (FDTS)。如果沒有任何特定理論的限制，則人們認(rèn)為，當(dāng)分子包括_SiC13末端的前體(例如FOTS或FDTS)與水蒸氣一起被引入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器時，來自_SiC13基團的娃原子在流體噴射器的暴露、表面上的自然氧化物或無機層165上與來自-OH基的氧原子結(jié)合，從而得到另一端即非潤濕末端被暴露的分子的涂層，例如單層。制造過程可在形成無機種子材料層與形成非潤濕涂層之間交變。在這些情況下，單個種子層的厚度可在約5nm到約200nm之間?？稍谛纬煞N子材料層前清洗(如，通過施加氧等離子體)裝置的暴露表面。假設(shè)地，該制造過程可得到由種子材料層和非潤濕涂層交疊而成的疊層。然而，如果不被任何特定理論限制，則在某些條件下，清洗過程可去除先前剛剛沉積的非潤濕涂層，使得所得裝置具有単一連續(xù)厚度的種子層(而不是氧化層和非潤濕涂層的交替層)。為了澄清，請注意，在該過程中，最后的過程形成非潤濕涂層，因此最外層表面是非潤濕的。
在另ー實施方式中，涂覆過的流體噴射器105不包括無機種子層165，非潤濕涂層170直接施加到流體噴射器的自然表面。參考圖1D，遮蔽物180施加到流體噴射器的外表面，即圍繞孔140的區(qū)域。遮蔽層可由多種材料形成。例如，帶、臘或光阻材料(photoresist)可用作遮蔽物。遮蔽物180防止施加有它的表面在清洗步驟(如暴露于氧等離子體)期間被去除或損壞，并且/或者防止后續(xù)的沉積(如，覆層的沉積)。遮蔽物180可具有充分低的粘附性，使得它可被去除，而不去除或損壞其下方的非潤濕涂層170，或相反，不從物質(zhì)上改變其下方的非潤濕涂層170。參考圖1E，流體噴射器可受到清洗步驟，例如氧等離子體等清洗氣體的處理，而去除未被遮蔽物180覆蓋的非潤濕涂層的一部分?？蓪⒀醯入x子體施加到室內(nèi)的基底，或可將氧等離子體源連接到流道的入口。在前一種情況下，遮蔽物180防止在流體噴射器外側(cè)的室中的氧等離子體去除外表面上的非潤濕涂層。在后一種情況下，遮蔽物180防止氧等離子體經(jīng)由孔而逃逸(在該情況下，遮蔽物只需覆蓋孔本身)，并防止去除外表面上的非潤濕涂層。清洗步驟可能無法完全有效地從內(nèi)表面去除非潤濕涂層，特別是噴嘴區(qū)域。然而，清洗步驟充分有效，使得隨后沉積的覆層粘附并覆蓋殘留在流體噴射器的內(nèi)表面上的非潤濕物。如果沒有任何特定理論限制，則內(nèi)表面可留下非潤濕涂層的碎片(patch)或區(qū)域以及暴露的種子層的碎片或區(qū)域，所述種子層的碎片或區(qū)域充分大，以允許覆層的粘附，或者內(nèi)表面上的非潤濕性可被損壞，以允許覆層的粘附。參考圖1F，在清洗步驟后，去除遮蔽物180?；蛘撸稍诔练e覆層后去除遮蔽物。參考圖1G，覆層190施加到涂覆過的流體噴射器105的暴露的(如果仍存在遮蔽物，則未遮蔽的)表面，以形成選擇性地涂覆的流體噴射器107。非潤濕涂層的材料可為這樣，以使沉積期間覆層不粘附到非潤濕涂層170 (因此，可在沉積覆層前去除遮蔽物，而覆層不會粘附到并且不會形成在非潤濕涂層170上)。然而，如上所指出那樣，清洗步驟充分有效，使得使覆層粘附并覆蓋殘留于已經(jīng)受到清洗的流體噴射器的例如內(nèi)表面等表面上的任意非潤濕材料。覆層190在例如成品裝置的內(nèi)部提供具有高濕潤性的暴露表面。在某些實施方式中，覆層190由無機氧化物形成。例如，無機氧化物可包括硅，例如無機氧化物可為Si02。覆層190可通過例如如上所述的化學(xué)氣相沉積等常規(guī)方法來沉積，并可使用例如氧等離子體等初始清洗步驟，以使非潤濕物粘附到所需表面。此外，可使用相同設(shè)備來清洗待沉積的表面以及沉積覆層。覆層190可比非潤濕涂層170更具濕潤性。
在某些實施方式中，覆層190可在相同條件下沉積，并具有與種子層165基本上相同的材料性質(zhì)，如相同的可濕性。覆層190可比種子層165薄。在其它實施方式中，覆層190可在不同條件下沉積,并具有與種子層165不同的材料性質(zhì)。例如，覆層190與種子層165相比可以密度更低、孔洞更多。例如，以X射線反射率來測量，覆層190的密度可低于約2. 4g/cm3，例如低于約2. 2g/cm3，例如約2. Og/cm3。相反，通過上述方法沉積(即，沉積期間將基底加熱至約室溫到約100攝氏度之間)的種子層165的密度可大于約2. 4g/cm3,例如約2. 6g/cm3。在這些實施方式中，覆層190的可濕性可比種子層165大。例如，覆層190與水的接觸角可小于約30度，例如小于約20度，例如小于10度。相反，種子層165與水的接觸角可大于約30度，例如約40度?？傊?，在最終產(chǎn)品中，圍繞孔140的表面(例如外表面)是非潤濕的,而接觸待噴射的流體的表面(例如內(nèi)表面)與涂覆有非潤濕涂層的表面相比潤濕性大。參考圖2A-2B，在一些實施方式中，覆層190是這樣ー種材料，它即使在沒有預(yù)先清洗步驟的情況下，也能粘附到非潤濕涂層上。在該情況下，覆層190能在沒有預(yù)先清洗步驟的情況下施加到內(nèi)表面上。參考圖2A，在沉積非潤濕涂層170后施加遮蔽物180?？蓪⒄诒挝?80可逆地附著上，并在遮蔽表面不再需要保護時，例如在沉積覆層190后，將其去除。仍參考圖2A，覆層190于是可被沉積。覆層190可覆蓋流體噴射器的暴露的分界面。覆層還可覆蓋遮蔽物180的暴露表面，例如暴露的內(nèi)表面和外表面。例如，附著有遮蔽物的流體噴射器105可放置在化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器中，并向該化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器中引入覆層190的前體，例如SiCl4和水蒸氣。在這種實施方式中，覆層形成在遮蔽物的外表面以及整個噴嘴的內(nèi)表面上。參考圖2B，當(dāng)從非潤濕涂層170去除遮蔽物時，遮蔽物上的覆層被去除。因此，圖2B中的成品裝置具有非潤濕的某些表面以及潤濕性大于涂覆有非潤濕涂層的表面的其它表面。在替代實施方式中，覆層190不覆蓋遮蔽物180的暴露的外表面，要么是因為覆層190只沉積在內(nèi)表面(例如內(nèi)表面跨越開ロ的部分)上，或者是因為覆層不物理地粘附到遮蔽物上。前一情況可通過例如以下方式達(dá)成即給流體噴射器105配備適當(dāng)?shù)母街?，以使覆?90的前體(例如SiCl4和水蒸氣)只被引入流體噴射器的內(nèi)部暴露表面(即，將與從流體噴射器噴出的流體接觸的表面)。在這些實施方式中，可將遮蔽物180施加到圍繞孔140的充分局部化的區(qū)域，以防止覆層達(dá)到外表面區(qū)域。參考圖3A-3C，清洗步驟可充分有效，使得在沉積覆層190前非潤濕涂層170從內(nèi)表面完全被去除。在圖3A中，非潤濕涂層170已經(jīng)從內(nèi)表面被去除(例如，通過將氧等離子體施加到泵送室135和下行通道130)，或者非潤濕涂層170未被沉積在內(nèi)表面上，如美國申請序列號11/479152所述那樣，其整個公開通過引用并入本文。參考圖3B，已將覆層190沉積(例如通過如上所述的化學(xué)氣相沉積)在至少暴露的內(nèi)表面上，得到流體噴射器109。覆層190在成品裝置中提供暴露的高潤濕性氧化物表面。如上所指出那樣，覆層190可在不同條件下沉積，并具有與種子層165不同的材料性質(zhì)。圖3C示出去除遮蔽物180的流體噴射器109。可在沉積覆層190前或在沉積覆層190后去除遮蔽物。圖3C中示出的最后的成品裝置是外表面為非潤濕且內(nèi)表面比非潤濕表面的潤濕性大的流體噴射器。已描述了本發(fā)明的多個實施方式。然而，應(yīng)該了解的是在不背離本發(fā)明的精神和范圍情況下，可進(jìn)行多種修改。例如，可以以不同順序來進(jìn)行方法步驟，而仍然獲得令人滿意的結(jié)果。因此,其它實施方式處于權(quán)利要求的范疇內(nèi)。
相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2006年12月22日提交的待審美國臨時申請序列號60/871763、2006 年12月4日提交的待審美國臨時申請序列號60/868536以及2006年12月I日提交的待審美國臨時申請序列號60/868328的優(yōu)先權(quán)，它們各自的全部內(nèi)容通過引用并入本文。
權(quán)利要求
1.ー種流體噴射器，包括 嗔嘴層； 第一表面，它是流體噴射器的外表面； 第二表面，它是流體噴射器的內(nèi)表面； 噴嘴層中的孔，其允許流體與第二表面接觸以待噴射； 形成在暴露表面上的無機種子層，所述暴露表面包括所述第一表面和所述第二表面； 覆蓋至少所述第一表面的無機種子層的部分的非潤濕層；和 覆層，所述覆層覆蓋所述第二表面的無機種子層的一部分但不覆蓋所述第一表面的無機種子層的實質(zhì)部分，并且與所述非潤濕層相比潤濕性大。
2.如權(quán)利要求I所述的流體噴射器，其中，所述無機種子層包括無機氧化物層。
3.如權(quán)利要求2所述的流體噴射器，其中，所述無機種子層包括ニ氧化硅。
4.如權(quán)利要求I所述的流體噴射器，其中，所述覆層比所述無機種子層薄。
5.如權(quán)利要求I所述的流體噴射器，其中，所述覆層比所述無機種子層的可潤濕性更強。
6.如權(quán)利要求I所述的流體噴射器，其中，所述覆層的密度小于所述無機種子層的密度。
7.如權(quán)利要求I所述的流體噴射器，其中，所述無機種子層的厚度在大約5nm至200nm之間。
8.ー種流體噴射器，其包括 具有噴嘴的噴嘴層，所述噴嘴層包括第一表面和第二表面，第一表面是流體噴射器的外表面，第二表面是流體噴射器的內(nèi)表面，并且，所述噴嘴包括一孔，該孔形成在所述第一表面中并允許流體與第二表面接觸以待噴射； 非潤濕層，其覆蓋所述第一表面的至少一部分和所述第二表面的至少一部分；以及覆層，其覆蓋包括所述第二表面的至少一部分上非潤濕層但不包括所述第一表面的實質(zhì)部分的第二表面，所述覆層比所述非潤濕層相比潤濕性大。
9.如權(quán)利要求8所述的流體噴射器，其中，所述非潤濕層完全覆蓋所述第二表面并且所述覆層完全覆蓋所述第二表面上的非潤濕層。
10.如權(quán)利要求8所述的流體噴射器，其中，所述噴嘴層包括硅。
11.如權(quán)利要求8所述的流體噴射器，其中，所述覆層包括ニ氧化硅。
12.如權(quán)利要求8所述的流體噴射器，其中，還包括在所述第一表面和第二表面上、在所述非潤濕層和覆層下的沉積種子層。
全文摘要
一種流體噴射器，具有第一表面、第二表面和允許與所述第二表面接觸的流體噴出的孔。所述流體噴射器具有暴露在所述流體噴射器的至少第一表面上的非潤濕層以及暴露在第二表面上的覆層，所述覆層的潤濕性大于所述非潤濕層。該裝置的制造可包括在所述第一和第二表面上沉積非潤濕層、遮蔽所述第一表面、視情況從所述第二表面去除所述非潤濕層以及在所述第二表面上沉積覆層。
文檔編號B41J2/14GK102642404SQ2012101341
公開日2012年8月22日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日
發(fā)明者岡村好真 申請人:富士膠卷迪馬蒂克斯股份有限公司