专利名称：依据喷墨印刷原理动作的印刷头的印刷晶片的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种依据喷墨印刷原理动作的印刷头的印刷晶片，如权利要求1的前言所述。
此已知的印刷晶片的缺点是因缺乏热稳定性而不适合喷出在摄氏500度以上的极热媒体。
为达成此目的，提供一种依喷墨印刷原理动作的印刷头的印刷晶片，它有如权利要求1所述的特点。因此，它有至少一个媒体室，媒体室是在印刷晶片中的凹处。又有一片可变形的膜形成媒体室的一壁。一条通道在媒体室中开口以进给液体媒体，并喷出热的液体媒体。还有喷出孔通到媒体室。本发明印刷晶片的特点是印刷晶片是以单晶硅制造。本发明的印刷晶片的特点是喷出在超过摄氏1000度的温度的媒体时的高作业可靠性。已知的包括玻璃的印刷晶片不能被用以喷出这么热的媒体，因玻璃在这些温度软化，膜被破坏，不再能重复变形，结果，从喷出口不再能喷出正确滴体积。本发明的印刷晶片的另一特点是能以已知的经证明的制程处理单晶硅以制造媒体室及剩下的孔及/或喷出口。
在本发明的一个实施例中，印刷晶片至少由两片重叠的基材组成。这样做的好处是媒体室所需的凹处、孔及喷出口来自基材上的一侧。这些凹处随后被重叠的基材关闭。包括重叠的基材的印刷晶片的制造因此是简单的且便宜的。
依一特定实施例，进给道、媒体室及喷出口以媒体交替通过两片基材的方式被安排在印刷晶片中。此实施例的优点是能以不同制程制造当作媒体室的凹处及在两片基材中的进给道及喷出口。因此，能以各向异性湿蚀刻处理一片基材并以干蚀刻或其他材料移除方法处理另一片基材，以产生凹处。使一片基材的硅晶面相对另一片基材转45度，就能在各向异性湿蚀刻的过程中得到有所要的变形性质的凹处。既然两片基材都是以硅(有非常好的导热性)做成，在印刷晶片中就不会因热膨胀而产生应力。
在一较佳实施例中，媒体供应湿在印刷晶片中，进给道通到媒体供应室。因此，能提供大规模集成印刷晶片(包括全部必要的功能单元)。然而，若适当，则能预见把媒体供应室(可被称为贮藏室)设计成独立而能随后被固定到印刷晶片上的零件。然而，若把媒体供应室实施在印刷晶片中，则能藉由凹处(简单地做在基材中)实施全部必要的功能零件。
在本发明的一实施例中，印刷晶片面(特别是接触热媒体的那些)有一层涂料对抗高温。因此，即使经过印刷晶片的长服务寿命，热液媒体也不能损坏印刷晶片基材。
印刷晶片面(特别是接触热媒体的那些)宜被热氧化物钝化。热氧化物最好被施于连接道壁及媒体室壁。特定地，热媒体流过的印刷晶片面被热氧化物钝化。
在一较佳实施例中，以硅熔合使二片基材相连。此连接方法(只适合硅与硅的结合)确保即达高于摄氏1000度的作业温度中仍有可靠的连接。结果，与已知的印刷晶片比较，本发明的印刷晶片的特点是两片基材的抗温的连接。
依一实施例，以个向异性室或干蚀刻方法制造被当作媒体室的凹处、进给道、喷出口及媒体供应室，特别是用氢氧化钾的各项异性湿蚀刻。不用说，亦知能用其他基本的蚀刻溶液，特别是碱金属氢氧化物溶液。在单晶硅中的各项异性蚀刻使当作孔及媒体室的凹处有向四片金字塔形的斜侧壁在晶片上。它们相对硅的基材面的晶面的角是54.7度。以此蚀刻方法能极精确产生凹处的尺寸。此举的优点是若凹处的底形成膜，则能极精确制造膜。因此，膜只取决于蚀刻罩的口的宽度及凹处的深度。既然侧壁的角一直有相同值，则能以有孔的罩的口的宽度及凹处的深度决定的方式精确制造有效的膜。若提供多个媒体室(每个各有一片能变形的膜)，则在此制程中每片膜有相同的面积，以致有相同变形程度时，就能产生相同尺寸的滴。特定地，印刷晶片的特点是能喷出高度精确的滴体积。
在一较佳实施例中，媒体室、进给道及喷出口有梯形或V-形剖面(如媒体流动方向所示)。藉由单晶硅的选择，能极精确制造这些剖面，因这些侧壁与晶面夹54.7度的角。
又，媒体室的形状在平面图中最好是矩形的，且喷出口通道媒体室，以致媒体对角地流通媒体室。因此达成的效果是媒体室不形成任何让媒体残留的区域(本来可能发生在矩形的媒体室的角落)。媒体室的对角流避免这些沉淀，而可能导致媒体室的关闭。又，媒体室的对角流确保可靠冲走在媒体中的气泡。当然，媒体室可以是正方的。
依一较佳实施例，媒体室、进给道、喷出口及媒体供应室来自晶面或与之平行的硅面，以致这些凹处的侧壁以上述的54.7度的角出现。
为达成媒体室的对角流，进给道及连接道(把喷出口连到媒体室)相对第二晶面(垂直于第一晶面)以45度的角延伸，媒体室的纵向因此垂直于第二晶面。然而，替代地，可预见媒体室与第二晶面夹45度的角。进给道及连接道随后垂直于第一晶面延伸，以致在此例中再次确保媒体室有对角流。
如上述，在一较佳实施例中，膜是以凹处的底形成。在此例中，控制为制造此凹处所用的蚀刻时间或蚀刻深度而使其底的厚度约是20到100微米。
在一较佳实施例中，连接道至少有一分道垂直于第二晶面，分道的喷嘴形成喷出口。换言之，通到喷出口的分道伸到印刷晶片的边区，分道垂直于此边区延伸，以致媒体以90度的角从喷出口出现，结果，能把媒体滴喷在处理的基材上的所要的点。
在一实施例中，进给道有一个缩颈点或本身被设计成缩颈。因此，能以特别简易的方式设定从媒体供应室到媒体室的流率。当膜变形时，缩颈防止媒体从媒体室流回到媒体供应室。
一较佳实施例的特点是媒体室及媒体供应室被设在同一片基材中并被薄条片开，且进给道是在另一片基材中并在薄条片的自由端以下。因此，以简单方式形成从媒体供应室到媒体室的过流可能性，在此例中，这薄条片可能形成缩颈点。
印刷晶片的一较佳实施例有许多媒体室、进给道、连接道及喷出口，以致能间歇或连续喷出热媒体。
在一实施例中，印刷晶片有加热件，加热媒体供应室中的媒体，以致媒体维持液态并能喷出。在此例中，至少一个加热件被设在至少一片基材的外侧。替代地，能预见媒体进入媒体供应室时已是液态或被预热，一致不必加热印刷晶片。然而，还可能提供外加热件(例如卤素灯)以加热媒体。
印刷晶片的一较佳实施例的特点是有温度感应器以监测媒体温度。为此目的，至少一个温度感应器被设在至少一片基材上。藉温度感应器与加热件的结合，能保持印刷晶片在某一温度，以致液体媒体不硬化又不过热，以致能获得良好喷出性质。
其他微调见于权利要求的次要项。
上述的印刷晶片特别被用以喷出温度超过摄氏1000度的液体媒体。本发明的印刷晶片尤其适合用于熔点在此范围中的液体媒体，以致用本发明的印刷晶片能喷出金属、金属复合物或合金、甚至低熔点的玻璃。
下面结合附图以实施例对本发明作更详细的说明。
图8至14是显示印刷晶片的第二实施例的不同横剖图。
图15是显示一个印刷头携带一个印刷晶片，印刷头依喷墨印刷原理运作。
若以各向异性蚀刻制造，则凹处5到8在横剖图中，都是梯形或V形。换言之，凹处5到8的四面金字塔形侧壁S相对晶面100是54.7度的角。因此，凹处5到8都能从晶片被安排在基材3及4之中。若用其他蚀刻程序或材料移除方法，则侧壁相对晶面100还可能形成不同的夹角(特别是垂直)。以其他方法制造时，凹处可能有矩形轮廓以外的轮廓。
薄条片16形成在媒体供应室9与媒体室11之间并把它们隔开。薄条片16的自由端在凹处6以上，以实施进给道10并提供媒体从媒体供应室9到媒体室11的溢流的可能性。因此，进给道10有缩颈点17或被设计成缩颈，缩颈点17最好由薄条片16的自由端形成。
支持体18也被固定到印刷晶片2上，促动器19被安排在支持体18之中。促动器19的左端穿过在支持体18中的孔20并被固定在其中。促动器19的右端(自由端)被连到膜14上，以致促动器19的电子驱动使膜能依双向变形。在一较佳实施例中，促动器19是压电元件，阻热件21使促动器19从膜14热绝缘，而膜14在印刷头1的运作过程中是热的。促动器19宜与阻热件21一体成型，驱动促动器19所需的电极不伸过促动器19的整段长度，以致电压被送到电极时，阻热件21不被启动。这样促动器19有被动件及主动件，主动件被电极覆盖，此图只显示电极22，它的末端23从支持体18伸出。另一电极(未显示)平行于电极22，因此，在图15所示的杆型或片状促动器中看不见。然而，它也有末端。
有关于功能，若送适当电压到促动器19，则膜向右偏，减少在媒体室中的容积，从喷出口挤出有对应的体积的一滴媒体。提供缩颈点17以确保媒体不被迫流回到媒体供应室9。不用说，停止促动器时，或在属不同极性的电压的情况中，膜14有可能向左偏，以致媒体从媒体供应室9经缩颈点17被吸入媒体室11。若适当，则还可能有缩颈在喷出口13与媒体室11之间。结果，藉促动器19的脉动，能以高频把媒体从喷出口13喷出。
参考图1到7描述印刷晶片2的第一实施例。图1显示印刷晶片2的基材3，在其中有许多凹处7，这些凹处各形成一个媒体室11。在此例中，晶面100平行于图面。第二晶面24，例如平面011，垂直于该晶面100，平行于基材3的侧边25。媒体室11的纵向与第二晶面24夹45度的角。媒体室11是矩形的设计。不必说，它们可能是正方形的。以各向异性蚀刻制造当作媒体室11的凹处7，造成侧壁S与该晶面100所夹的45度的角，如图2所示。
看图3，在另一片基材4中，从第一晶面100导入剩下的凹处5、6及8。第二晶面24′垂直于基材4的第一晶面100，且若基材3与4重叠，则相对基材3的第二晶面24形成45度的角。例如，此第二晶面可以是该晶面001。因此，导入凹处6及8时，把基材4相对基材3转45度。分别形成进给道10及连接道12的凹处6及8相对彼此偏移，以致基材3及4重叠时，进给道10及连接道12在媒体室11的不同角落，如在图7所示的印刷晶片2中。在此实施例中，连接道12及进给道10垂直于第二晶面24′。达成的效果是媒体从媒体供应室9对角地流过媒体室11，因媒体室11的纵边与第二晶面24夹45度的角。图3还显示媒体供应室9有供应口26让媒体进入。在图1到7及15相同零件有相同标号。在所示的实施例中，媒体室11、进给道10及连接道12及喷出口13是以各向异性湿蚀刻制造。考虑它们的形状，以不同材料移除方法，特别是蚀刻方法，制造媒体供应室9及供应口26。
在图2及4及5中能看到凹处6到8的相对的侧壁S相对该晶面100形成54.7度的角，如以各向异性蚀刻在单晶硅中做凹处6到8时的情形。凹处5及26的侧壁S可能相对该晶面100形成任意角。
参考图8到14描述印刷晶片2的第二实施例。图8显示媒体室11或凹处7及媒体供应室9，或凹处5被安排在基材3之中。以各向异性蚀刻在基材3之中产生凹处5及7。矩形的媒体室11的纵边垂直于第二晶面。因此，如图10所示，进给道及连接道相对第二晶面24宜形成45度的角，以致确保媒体对角地流过媒体室11。图10显示连接道12包括分道27及28，二者融合，分道27相对第二晶面24形成45度的角，分道28相对第二晶面24形成直角。结果，从喷出口13被挤出的媒体滴的移动方向垂直于第二晶面24。凹处6及8最好不是以各向异性蚀刻产生在基材4之中，在凹处产生之前，不必要基材4相对基材3转45度的角。结果，能任意选择在凹处6及8与第二晶面24之间的角α，宜约45度。
图7、13及14清楚显示接下来的媒体导引(控制)媒体轮流通过基材3及4。特别是图13所示的印刷晶片2的实施例中实现这点。在此例中，凹处5到8分别被安排在基材3及4之中。在图7所示的印刷晶片2的实施例中，连续的凹处5及6被安排在基材4之中。在媒体通过这两个凹处5及6以后，它流入媒体室11，媒体室11被安排在基材3之中。以后，媒体经连接道12到喷出口13流回到基材4。
能以各向异性蚀刻在两片基材3及4中产生凹处6到8及26，然而，在蚀刻及稍后的连接中，须注意确保对应的基材3或4相对基材4或3以45度定位，因为晶体结构100以致这些凹处相对第二晶面24及24′形成45度的角。换言之，基材3或4所用的在基材面上的蚀刻有孔的罩须转45度以在正确位置产生凹处。若用其他蚀刻方法处理凹处5到8及26，则可忽视第二晶面24及24′的指向。为凹处5到8及26分别选择有利的蚀刻方法。
接触媒体的凹处5到8的壁有涂料抗高温。凹处5到8的这些壁最好被热氧化物钝化。热氧化物是极密，理想黏性(adhering)二氧化硅，硅暴露于高温度的氧或水蒸气中就会产生二氧化硅。此外，印刷晶片2有加热设备29(图14)被安排在至少一片基材3或4中。把加热设备29设在凹处5的底区，以将媒体供应室9之中的媒体保持在某一温度。然而，不必说，还能把加热设备29设在基材4上。加热设备29最好是电阻加热设备，它能抗高温，它有以铪二硼化物(hafnium diboride)做成的电阻器。此外，至少一个抗温温度感应器30被固定在印刷晶片2上，感应器可能被安排在一片基材3和/或4。温度感应器30及感应器的输出讯号所用的侦测设备使得印刷晶片2的温度监测。藉在印刷晶片2的适当安排，温度感应器30还能测量媒体温度，特别是它被放在基材3及4的有极薄的区域中时，这些有极薄的壁的区域，例如凹处5到8的底，接触热媒体。
特定地，本发明的印刷晶片2适合喷出热媒体，特别是合金及/或焊料。不必说，还能喷出有低溶点的玻璃。特定地，印刷晶片2适合所谓的晶片尺寸包装(Chip size packaging)(CSP)并适用在倒装尺寸联接(flip chip sizeconnection)(FC)的制造中；在这些程序中，焊料被送到晶片基材。印刷晶片2还适合所谓的迅速样机制程，在迅速样机制程中，把材料(包括不同材料)当作滴喷出并使它们相接而制造微机械零件。因此，本发明的印刷晶片2能被用在多种制程中。
权利要求
1.一种依喷墨印刷原理动作的印刷头的印刷晶片，包含至少一个凹处，形成印刷晶片中的一个媒体室；一片可变形的膜，形成媒体室一壁；一条通道，在媒体室中开口以进给液体媒体，液体媒体将热热喷出；及喷出孔，通到媒体室；其特征是印刷晶片是以单晶硅制造。
2.根据权利要求1所述的印刷晶片，其特征在于印刷晶片(2)至少由两片重叠的基材(3及4)组成。
3.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于进给道(10)、媒体室(11)及喷出口(13)被安排在印刷晶片(2)中，以致媒体轮流通过两片基材(3及4)。
4.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于媒体供应室(9)在印刷晶片(2)中，进给道(10)通到媒体供应室(9)。
5.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于印刷晶片表面，特别是接触热媒体的那些，有一层涂料对抗高温。
6.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于印刷晶片表面，特别是接触热媒体的那些，被热氧化物钝化。
7.根据权利要求2所述的印刷晶片，其特征在于以硅熔合使二片基材(3及4)不可分地相连。
8.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于以各向异性湿或干蚀刻方法制造当作媒体室(11)的凹处(7)、进给道(10)、喷出口(13)及媒体供应室(9)。
9.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于媒体室(11)、进给道(10)及喷出口(13)从媒体流动方向看去是梯形或V形截面。
10.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于媒体室(11)的形状在平面图中是矩形的，进给道(10)通到媒体室(11)，且喷出口(13)通到媒体室(11)，以致媒体对角地流过媒体室。
11.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于媒体室(11)、进给道(10)、喷出口(13)及媒体供应室(9)来自硅晶体的晶面(100)。
12.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于喷出口(13)通到媒体室(11)的进给道(10)及连接道(12)相对垂直于第一晶面的第二晶面(24及24′)以45度的角延伸。
13.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于媒体室(11)相对垂直于第一晶面的第二晶面(24或24′)形成45度的角，且进给道(10)及连接道(12)垂直于第二晶面(24)。
14.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于凹片(7)的底(15)形成膜(14)。
15.根据权利要求12所述的印刷晶片，其特征在于连接道(12)至少有一分道(28)垂直于第二晶面(24)，在印刷晶片(2)的边(25)的分道的喷嘴形成喷出口(13)。
16.根据权利要求1或2的印刷晶片，其特征在于进给道(10)有一个缩颈点(17)或被设计成缩颈。
17.根据权利要求2所述的印刷晶片，其特征在于媒体室(11)及媒体室供应室(9)被设在一片基材(3或4)中并被薄条片(16)隔开，且进给道(10)是在另一片基材(4或3)中并在薄条片(16)的自由端以下。
18.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于有许多媒体室(11)、进给道(10)、连接道(12)及喷出口(13)。
19.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于有至少一个加热件(29)被设在至少一片基材(3或4)的外侧。
20.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于至少一个温度感应器(30)被设在至少一片基材(3或4)的外侧。
21.根据权利要求1或2所述的印刷晶片，其特征在于膜(14)的厚度约20到100微米。
22.根据权利要求8所述的印刷晶片，其特征在于若以各向异性蚀刻在两片基材(3或4)中都产生凹处(5到8及26)，则在蚀刻中及在稍后的连接中，使两片基材(3及4)相对彼此转45度，参照垂直于基材表面的晶面。
23.一种根据权利要求1或2所述的印刷晶片的使用，上述的印刷晶片特别被用以喷出温度超过摄氏1000度的液体媒体。
24.一种依喷墨印刷原理动作的印刷头，其特征在于如权利要求1或2所述的印刷晶片。
全文摘要
本发明有关于一种依据喷墨印刷原理动作的印刷头的印刷晶片,它有:至少一个凹处(形成在印刷晶片中的媒体室)、一片可变形的膜(形成媒体室的一壁)、一个孔(在媒体室中开口以进给液体媒体,液体媒体将热喷出)、还有喷处孔通到媒体室,印刷晶片的特点是印刷晶片是以单晶硅制造。
文档编号B41J2/14GK1360530SQ00809943
公开日2002年7月24日 申请日期2000年7月6日 优先权日1999年7月6日
发明者沃夫根·威尔, 乔格·威尔德, 彼得·克劳斯 申请人:艾科拉伊杜克弗股份有限公司