专利名称：热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种热敏打印机中所用热敏打印头的耐磨保护层及其制备方法。
背景技术：
随着信息产业的发展，以非撞击方式工作的热敏打印机由于具有低噪音、低功耗、高可靠、高速度、长寿命等诸多优点，而广泛应用于便携式终端打印、电子收款机(POS)打印、医疗票单打印、传真机输出、制版印刷、贴纸打印、票据打印等不同领域。其中，热敏打印头(TPH)就是热敏打印机的核心部件，它的工作原理是将主机采集到的信息经电路驱动后，以脉冲形式施加到发热电阻上，发热电阻再产生焦耳热以传导方式直接传递给感热变色的热敏打印纸(或通过热转印色带转印到普通纸上)，从而迅速记录下图象文字。热敏打印头实际是一种电热转换部件，并主要由热壑层、绝热层、发热电阻、导体、抗氧化层以及耐磨层等几部分组成。在工作状态下，热敏打印头与热敏打印纸以一定的压强相互接触，长期使用要经历严重的磨损，为了保障热敏打印头能够正常工作并延长使用寿命，那么就必须在表面涂敷耐磨保护层。目前常见的热敏打印头耐磨保护层材料主要是SiO2、SiC、Al2O3以及Ta2O5等，且一般采用磁控溅射法进行制备。这样的耐磨保护层，硬度较低，表面粗糙度高，摩擦系数大，耐磨性差，并导致热敏打印头的使用寿命短。另外，由于磁控溅射工艺的沉积粒子以原子为主，导致膜质疏松，与衬底结合性差，无法满足热敏打印头的使用要求，尤其对于商标打印、条形码打印以及邮政标识打印等磨损环境比较恶劣的热敏打印头，经常有耐磨保护层提前磨损失效乃至剥落的问题出现，难以保证打印头达到正常的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是为解决现有热敏打印头耐磨保护层因膜质疏松硬度较低而导致耐磨性差、使用寿命短及现有的耐磨保护层的制备方法使耐磨保护层应力高、结合性差的问题，从而提供一种热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层及其制备方法。本发明的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层是利用过滤阴极真空电弧系统在热敏打印头的表面沉积有非晶金刚石薄膜，所述非晶金刚石薄膜的厚度为0.3～2μm。本发明的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的制备方法的步骤包括一、清洗用丙酮将需制备耐磨保护层的热敏打印头在超声波清洗机中清洗，取出后用电吹风吹干；二、划线用记号笔在热敏打印头与驱动电路联接部位划线覆盖，然后装卡于过滤阴极真空电弧系统的衬底卡盘上并将热敏打印头的耐磨保护层沉积面面向真空仓刻蚀工作区，抽真空；三、刻蚀在本底真空度为1.5～2.5×10-6Torr时，注入纯度为99.99％的氩气，使真空度升至1.0～4.0×10-4Torr，用考夫曼离子枪刻蚀热敏打印头的耐磨保护层沉积面，刻蚀后将衬底卡盘转至沉积工作区；四、沉积采用呈下降梯度变化的衬底负偏压沉积碳离子，逐渐形成非晶金刚石薄膜耐磨保护层；五、后处理放气并取出热敏打印头后，用丙酮清除记号笔划的线，吹干即可。在步骤一中用超声波清洗机清洗的时间为10～20min。在步骤三中用考夫曼离子枪刻蚀热敏打印头的耐磨保护层沉积面4～6min，工作氩气流量为8ml/min，刻蚀氩离子能量为800～1300eV，刻蚀后应间歇5～15min。在步骤四沉积的过程中，每沉积100～200s，间歇5～15min。在步骤四中衬底负偏压采用直流脉冲形式，梯度变化的范围为3500V至80V范围内的任意变化区间，脉冲频率为100～1500Hz，脉冲宽度为5～35μs，对应的电弧电流为50～70A。如图1所示，在深度为0～520纳米变化时，厚度为0.5μm的非晶金刚石耐磨保护层的表面硬度始终比厚度为1.5μm的碳化硅耐磨保护层和厚度为5μm的三氧化二铝耐磨保护层的表面硬度高，可见本发明的非晶金刚石薄膜作为热敏打印头的耐磨保护层比现有的热敏打印头的耐磨保护层有更好的表面强化效果和更优的耐磨性，从而提高了热敏打印头的工作效能，延长了热敏打印头的使用寿命。本发明的热敏打印头非晶金刚石耐磨保护层还具有表面光滑(最大表面粗糙度小于1nm)，摩擦系数低以及导热性好等优点，因而打印时接触流畅、不易卡纸，而且打印分辨率高、清晰度好、打印质量优。另外，本发明的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的制备方法采用能量下降梯度法沉积，因而耐磨保护层应力低、结合性强。
图1为采用本发明的方法制备的厚度为0.5μm的热敏打印头非晶金刚石耐磨保护层表面硬度与厚度为1.5μm的热敏打印头碳化硅耐磨保护层和厚度为5μm的热敏打印头三氧化二铝耐磨保护层表面硬度的对比曲线图。
具体实施例方式具体实施方式
一本具体实施方式
中的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层是利用过滤阴极真空电弧系统在热敏打印头的表面沉积有非晶金刚石薄膜，所述非晶金刚石薄膜的厚度为0.3～2μm。采用过滤阴极真空电弧系统沉积非晶金刚石薄膜，沉积面积大、沉积速度快、膜层质量高、沉积温度低、表面纯净。
具体实施方式
二采用过滤阴极真空电弧系统的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的制备方法的步骤包括一、清洗用丙酮将需制备耐磨保护层的热敏打印头在超声波清洗机中清洗，取出后用电吹风吹干；二、划线用记号笔在热敏打印头与驱动电路联接部位划线覆盖，然后装卡于过滤阴极真空电弧系统的衬底卡盘上并将热敏打印头的耐磨保护层沉积面面向真空仓刻蚀工作区，抽真空；三、刻蚀在本底真空度为1.5～2.5×10-6Torr时，注入纯度为99.99％的氩气，使真空度升至1.0～4.0×10-4Torr，用考夫曼离子枪刻蚀热敏打印头的耐磨保护层沉积面，刻蚀后将衬底卡盘转至沉积工作区；四、沉积采用呈下降梯度变化的衬底负偏压沉积碳离子，逐渐形成非晶金刚石薄膜耐磨保护层；五、后处理放气并取出热敏打印头后，用丙酮清除记号笔划的线，吹干即可。在步骤一中用超声波清洗机清洗的时间为10～20min。在步骤三中用考夫曼离子枪刻蚀热敏打印头的耐磨保护层沉积面4～6min，工作氩气流量为8ml/min，刻蚀氩离子能量为800～1300eV，刻蚀后应间歇5～15min。在步骤四沉积的过程中，每沉积100～200s，间歇5～15min。在步骤四中衬底负偏压采用直流脉冲形式，梯度变化的范围为3500V至80V范围内的任意变化区间，脉冲频率为100～1500Hz，脉冲宽度为5～35μs，对应的电弧电流为50～70A。
具体实施方式
三本具体实施方式
与具体实施方式
二的不同点在于步骤一中在超声波清洗机中清洗的时间为15min。其他步骤与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四本具体实施方式
与具体实施方式
二的不同点在于步骤三、刻蚀在本底真空度为2.0×10-6Torr时，注入纯度为99.99％的氩气，使真空度升至2.0×10-4Torr，用考夫曼离子枪刻蚀热敏打印头的沉积面5min，工作氩气流量为8ml/min，刻蚀氩离子能量为1100eV，刻蚀后间歇10min，再将衬底卡盘转至沉积工作区。其他步骤与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
五本具体实施方式
与具体实施方式
二的不同点在于步骤四、沉积采用3000V至80V的呈下降梯度变化的衬底负偏压沉积碳离子，逐渐形成非晶金刚石薄膜耐磨保护层，沉积的过程为(1)先用3000V的衬底负偏压沉积100s，然后间歇10min；(2)用2700V的衬底负偏压沉积200s，然后间歇10min；(3)用2100V的衬底负偏压沉积150s后间歇10min，再沉积150s，然后间歇10min；(4)用300V的衬底负偏压沉积100s，然后间歇10min；(5)最后，用80V的衬底负偏压沉积100s。本具体实施方式
中的衬底负偏压的采用直流脉冲形式，脉冲频率为1500Hz，脉冲宽度为20μs，对应的电弧电流为60A。其他步骤与具体实施方式
二相同。采用本具体实施方式
制备的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的厚度为0.5μm。本具体实施方式
中参数取值的原理是利用过滤阴极真空电弧系统制备热敏打印头的耐磨保护层，关键是降低非晶金刚石薄膜的残余压应力，确保耐磨保护层与抗氧化层之间结合力强。以根据浅注入生长机制解释薄膜的生长过程。具有一定入射能量的碳离子突破衬底表面原子的束缚，植入亚表层，随着碳离子的持续注入，形成极高的压应力场，具备了sp3杂化产生的条件，表现为浅注入生长，从而在室温下获得性能与金刚石十分接近的非晶金刚石薄膜，并保留了光滑的表面和极高的内应力。研究表明，在富sp3杂化入射碳离子能量条件下制备的非晶金刚石薄膜残余压应力达10GPa以上，能量增加或降低，残余应力都有所减少，并且富sp3杂化入射碳离子能量条件是在衬底负偏压为80V时获得的。如果碳离子的入射能量较低，将不足以突破表面原子的束缚，表现为表面生长，与衬底的结合力差。如果碳离子的能量较高，多余的能量将促使压应力场松弛，同时注入衬底形成碳原子的梯度层，与衬底的结合力强。采用本具体实施方式
制备的热敏打印头安装在热敏打印机上实际应用时，室温条件下，打印字迹清晰，延长了热敏打印头的使用寿命。
具体实施方式
六本具体实施方式
与具体实施方式
二的不同点在于步骤四、沉积采用3300V至80V的呈下降梯度变化的衬底负偏压沉积碳离子，逐渐形成非晶金刚石薄膜耐磨保护层，沉积的过程为(1)先用3300V的衬底负偏压沉积100s，然后间歇15min；(2)用2700V的衬底负偏压沉积150s后间歇15min，再沉积150s，然后间歇15min；(3)用2100V的衬底负偏压沉积800s，每沉积200s间歇15min；(4)用300V的衬底负偏压沉积150s后间歇15min，再沉积150s，然后间歇15min；(5)最后，用80V的衬底负偏压沉积100s。本具体实施方式
中的衬底负偏压的采用直流脉冲形式，脉冲频率为1500Hz，脉冲宽度为20μs，对应的电弧电流为60A。其他步骤与具体实施方式
二相同。采用本具体实施方式
制备的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的厚度为1μm。
具体实施方式
七本具体实施方式
与具体实施方式
二的不同点在于步骤四、沉积采用3500V至180V的呈下降梯度变化的衬底负偏压沉积碳离子，逐渐形成非晶金刚石薄膜耐磨保护层，沉积的过程为(1)先用3500V的衬底负偏压沉积100s，然后间歇15min；(2)用2400V的衬底负偏压沉积200s后间歇15min，再沉积200s，然后间歇15min；(3)用1800V的衬底负偏压沉积1200s，每沉积200s间歇15min；(4)最后，用180V的衬底负偏压沉积200s后间歇15min，再沉积200s。本具体实施方式
中的衬底负偏压的采用直流脉冲形式，脉冲频率为1500Hz，脉冲宽度为20μs，对应的电弧电流为60A。其他步骤与具体实施方式
二相同。采用本具体实施方式
制备的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的厚度为1.3μm。
凡是热敏打印头非晶金刚石耐磨保护层的制备方法中所提到的参数取值在上述所提到的范围内的非晶金刚石耐磨保护层的制备过程均在本发明的保护范围内。
权利要求
1.热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层，其特征在于它是利用过滤阴极真空电弧系统在热敏打印头的表面沉积有非晶金刚石薄膜，所述非晶金刚石薄膜的厚度为0.3～2μm。
2.热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的制备方法，它的步骤包括一、清洗用丙酮将需制备耐磨保护层的热敏打印头在超声波清洗机中清洗，取出后用电吹风吹干；二、划线用记号笔在热敏打印头与驱动电路联接部位划线覆盖，然后装卡于过滤阴极真空电弧系统的衬底卡盘上并将热敏打印头的耐磨保护层沉积面面向真空仓刻蚀工作区，抽真空；其特征在于三、刻蚀在本底真空度为1.5～2.5×10-6Torr时，注入纯度为99.99％的氩气，使真空度升至1.0～4.0×10-4Torr，用考夫曼离子枪刻蚀热敏打印头的耐磨保护层沉积面，刻蚀后将衬底卡盘转至沉积工作区；四、沉积采用呈下降梯度变化的衬底负偏压沉积碳离子，逐渐形成非晶金刚石薄膜耐磨保护层；五、后处理放气并取出热敏打印头后，用丙酮清除记号笔划的线，吹干即可。
3.根据权利要求2所述的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的制备方法，其特征在于步骤一中在超声波清洗机中清洗的时间为10～20min。
4.根据权利要求2所述的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的制备方法，其特征在于步骤三中用考夫曼离子枪刻蚀热敏打印头的耐磨保护层沉积面4～6min，工作氩气流量为8ml/min，刻蚀氩离子能量为800～1300eV，刻蚀后应间歇5～15min。
5.根据权利要求2所述的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的制备方法，其特征在于步骤四沉积的过程中，每沉积100～200s，间歇5～15min。
6.根据权利要求2所述的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的制备方法，其特征在于步骤四中衬底负偏压采用直流脉冲形式，梯度变化的范围为3500V至80V范围内的任意变化区间，脉冲频率为100～1500Hz，脉冲宽度为5～35μs，对应的电弧电流为50～70A。
7.根据权利要求2或6所述的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的制备方法，其特征在于步骤四中衬底负偏压的脉冲频率为1500Hz，脉冲宽度为20μs，对应的电弧电流为60A。
8.根据权利要求2、5或6所述的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的制备方法，其特征在于四、沉积采用3000V至80V的呈下降梯度变化的衬底负偏压沉积碳离子，逐渐形成非晶金刚石薄膜耐磨保护层，沉积的过程为(1)先用3000V的衬底负偏压沉积100s，然后间歇10min；(2)用2700V的衬底负偏压沉积200s，然后间歇10min；(3)用2100V的衬底负偏压沉积150s后间歇10min，再沉积150s，然后间歇10min；(4)用300V的衬底负偏压沉积100s，然后间歇10min；(5)最后，用80V的衬底负偏压沉积100s。
9.根据权利要求2、5或6所述的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的制备方法，其特征在于四、沉积采用3300V至80V的呈下降梯度变化的衬底负偏压沉积碳离子，逐渐形成非晶金刚石薄膜耐磨保护层，沉积的过程为(1)先用3300V的衬底负偏压沉积100s，然后间歇15min；(2)用2700V的衬底负偏压沉积150s后间歇15min，再沉积150s，然后间歇15min；(3)用2100V的衬底负偏压沉积800s，每沉积200s间歇15min；(4)用300V的衬底负偏压沉积150s后间歇15min，再沉积150s，然后间歇15min；(5)最后，用80V的衬底负偏压沉积100s。
10.根据权利要求2、5或6所述的热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层的制备方法，其特征在于四、沉积采用3500V至180V的呈下降梯度变化的衬底负偏压沉积碳离子，逐渐形成非晶金刚石薄膜耐磨保护层，沉积的过程为(1)先用3500V的衬底负偏压沉积100s，然后间歇15min；(2)用2400V的衬底负偏压沉积200s后间歇15min，再沉积200s，然后间歇15min；(3)用1800V的衬底负偏压沉积1200s，每沉积200s间歇15min；(4)最后，用180V的衬底负偏压沉积200s后间歇15min，再沉积200s。
全文摘要
热敏打印头的非晶金刚石耐磨保护层及其制备方法，它涉及热敏打印机中使用的热敏打印头的耐磨保护层及其制备方法，它是为了解决现有热敏打印头耐磨保护层因膜质疏松硬度较低而导致耐磨性差、使用寿命短及现有的耐磨保护层的制备方法使耐磨保护层应力高、结合性差的问题。本发明利用过滤阴极真空电弧系统在热敏打印头的表面沉积有非晶金刚石薄膜，所述非晶金刚石薄膜的厚度为0.3～2μm；本发明的制备步骤包括一、清洗；二、划线；三、刻蚀；四、沉积；五、后处理。本发明的非晶金刚石耐磨保护层具有表面光滑，摩擦系数低以及导热性好的优点，其制备方法采用能量下降梯度法沉积，使耐磨保护层应力低、结合性强，延长了热敏打印头的使用寿命。
文档编号B41J2/335GK1709700SQ2005100100
公开日2005年12月21日 申请日期2005年5月31日 优先权日2005年5月31日
发明者朱嘉琦, 韩杰才, 孟松鹤, 檀满林, 赫晓东 申请人:哈尔滨工业大学