专利名称：背射式喷墨印头结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种喷墨印头结构，且特别涉及一种背射式喷墨印头结构。
公知的喷墨印头结构，如美国专利第4490728、4809428、4596994、4723129、4774530、4863560号等喷墨印头结构，其基本元件均包括(1)一个含有墨水的毛细管；(2)一个用于将墨滴喷出的喷孔片(orificeplate)；(3)一个将电能转为热能的热阻元件。此外，喷墨印头的工作原理可依序分为下列几个阶段(1)热源产生；(2)热传导；(3)热气泡的形成与长大；(4)墨滴喷出。当提供一充足的脉冲电压(数个μsec的脉冲宽度)，喷墨印头使热阻元件的表面温度迅速升高至摄氏数百度，并在其表面形成热气泡。热气泡的形成即提供一个压力源，该压力源提供墨水喷出所需要的推力，当墨水的温度达到墨水汽化的临界温度时，墨水即汽化产生热气泡，在产生热气泡的同时，墨水腔体内的压力在瞬间增大，随后热气泡的压力随着热气泡的温度下降而下锋，操作频率可达数kHz。依照墨滴与喷墨结构的相对位置，可将公知的热泡式喷墨印头分为侧喷式(如
图1所示)与上喷式(如图2所示)两类。
请参考图1，是公知的一种侧喷式喷墨印头结构。在基板10上配置一热阻障层22、一热阻层24、一导线层26及一绝缘层28，并通过图案化的导线层26在基板10上形成热阻元件20，而配置隔绝层30于基板10上，其上再配置一喷孔片40，其中，隔绝层30具有图案化的墨水流道32(ink channel)的结构。墨水经由墨水流道32，而从热阻元件20的右侧进入，通过热阻元件10迅速加热墨水而产生气泡50，其迅速膨胀产生压力推挤墨滴52，并从热阻元件20的左侧将墨滴52喷出。
请参考图2，是公知的一种上喷式喷墨印头结构。它与侧喷式喷墨印头结构主要的不同点在于，喷孔40在热阻元件20的正上方的位置具有喷孔42，墨水经由墨水流道32，从热阻元件20的右侧进入，通过热阻元件20迅速加热墨水而产生气泡50，其迅速膨胀产生压力推挤墨滴52，并从热阻元件20的正上方透过喷孔片40的喷孔42将墨滴52喷出。
上述公知的喷墨印头的制造方法，大多是在矽(Si)晶片上生长一层热绝缘层如二氧化矽层(SiO2)，再将热阻材料及导线材料溅镀沉积(sputtering)上去。热阻元件的形成则是利用标准的集成电路制造技术，如光罩、曝光、显影及蚀刻工艺等，然后再加上其它保护层与干膜所构成的墨水流道。墨水进入喷墨晶片的墨水流道必须经过特殊加工，如激光钻孔(Laser Drilling)、喷沙(Sand Blasting)或超声波研磨(Ultrasonic Milling)等加工方式。然而，上述两种技术，最后皆须另做喷孔片对准及粘合的工作来形成喷墨元件。另一公知技术则是将墨水流道制作在另一块矽晶片(与薄膜电阻所在位置不同的矽晶片)上，再将两片矽晶片对准接合(bonding)起来。
上述的公知技术的喷墨印头结构，均需分为好几个不同的零件，再将其组合起来，例如热阻元件所在的晶片、喷出墨滴的喷孔片、构成墨水流道的材料等，都需要精密的对准与粘合，因而增加喷墨印头的制造成本。
喷墨印头是喷墨打印机的关键性零部件，这种以半导体工艺技术制作的喷墨印头，不但可应用国内已成熟的半导体技术，制造成本也较其它制造方低廉，但仔细研究市场上常见的喷墨打印机，其喷墨印头在工艺上仍会发生下述的缺点(1)喷孔片与喷墨晶片必须经过特殊加工或对准粘合，不仅提高制造成本，同时降低生产速度，且无法实现批量生产(All BatchProcess)。
(2)墨水进入喷墨晶片的墨水流道必须经过特殊加工，如激光钻孔、喷沙或超声波研磨等加工方式，因此容易污染喷墨晶片而影响合格率，且同样无法实现批量生产。
(3)公知的喷墨印头均需分为好几个不同的零件，再将其组合起来，例如热阻元件所在的晶片、喷出墨滴的喷孔片、构成墨水流道的材料等，都需要精密的对准与粘合，因而增加喷墨印头的制造成本。
为了解决上述喷墨印头结构的缺点，同时开发具有低材料成本与大批量生产可行性的喷墨印头，本发明提出一种背射式的喷墨印头结构，其至少包括一基材，其具有一正面及一反面，基材的反面配置有多个热阻元件，且每一个热阻元件旁的基材中具有一对应的喷孔，这些喷孔贯穿基材；一隔绝层，配置于基材的反面上，并具有墨水流道，其中，墨水流道由隔绝层的图案化开口所构成，其位置分布于热阻元件的位置上、对应的喷孔的位置上，以及热阻元件与对应的喷孔之间的区域上；一底板层，其配置于隔绝层上，并具有供墨窗口，其与墨水流道相通，其中喷孔位于热阻元件一侧的基材中，而供墨窗口位于热阻元件另一侧的底板层中。
本发明还提出一种背射式的喷墨印头结构，至少包括一基材，其具有一正面及一反面，基材的反面上配置有多个热阻元件，且每一个热阻元件旁的基材中具有一对应的喷孔，这些喷孔贯穿基材；一底板层，该底板层具有一正及一反面，底板层配置于基材上，且底板层的正面与基材的反面贴合。底板层中还具有一墨水流道及一供墨窗口，其中墨水流道分布于底板层的正面，墨水流道的位置分布于热阻元件的位置上、对应热阻元件的喷孔的位置上，以及热阻元件与对应的喷孔之间的区域上。供墨窗口分布于底板层的反面，且供墨窗口与墨水流道相通。此外，喷孔位于热阻元件一侧的基材中，而供墨窗口位于热阻元件另一侧的底板层中。
为让本发明的上述目的、特征和优点能够明显易懂，下支特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明图面说明图1是公知的一种侧喷式喷墨印头结构；图2是公知的一种上喷式喷墨印头结构；图3是本发明的背射式喷墨印头结构的剖面示意图；图4是本发明的一种背射式喷墨印头晶片结构的正面视图；图5是本发明的一种背射式喷墨印头晶片结构的反面视图；图6是图5的分解图；图7是图6的局部放大图。
附图标记说明10基板；20热阻元件；22热阻障层；24热阻层；26导线层；
28 绝缘层；30 隔绝层；32 墨水流道；40 喷孔片；42 喷孔；50 气泡；52 墨滴；100基材；102正面；104反面；106喷孔；110热阻元件；112热阻障层；114加热层；116导电层；118绝缘层；120隔绝层；122墨水流道；130底板层；132供墨窗口；134背墙；140气泡；160金属垫。
请参考图3，是本发明的背射式喷墨印头结构的剖面示意图。提供一基材100，其材质例如为矽、玻璃、金属及高分子材料，基材100具有一正面102及一反面104，在基材100的反面104上，配置一热阻障层112、一加热层114、一导电层116及一绝缘层118。而其配置的方式，例如以物理沉积法或标准的半导体制造技术如光罩曝光、显影、蚀刻等工艺，将热阻材料及导线材料配置于基材100而成。其中，热阻障层112配置于基材100的反面104之上，而加热层114配置于热阻障层112之上，而导电层116配置于加热层114之上，而绝缘层118配置于导电层116之上。此外，通过图案化的导电层116中形成的开口，及对应此开口区域的加热层114与绝缘层118，用以构成热阻元件110。并在热阻元件110旁具有相对应的喷孔106，其贯穿基材100的正面102及反面104，用以让墨滴142经过。
请同样参考图3，还提供一隔绝层120配置于基材100的反面104上，而隔绝层120的材质例如为矽、玻璃、金属及高分子材料，其配置的方式例如压合一干膜(dry film)于基材100的反面104上，以作为隔绝层120，以及在隔绝层120与基材100之间提供一粘着层(未绘出)，用以粘合隔绝层120与基材100。或选用粘着性高的高分子材料来作为隔绝层120的材料，其有助于隔绝层120与基材100相粘合。此外，隔绝层120具有墨水流道122结构，其由隔绝层120的图案化开口所形成，墨水流道122的位置分布于热阻元件110的位置上、对应的喷孔106的位置上，以及热阻元件110与对应的喷孔106之间的区域上。
请同时参考图3，还提供一底板层130，其配置于隔绝层120之上，底板层130的材质例如为矽、玻璃、金属及高分子材料，其配置的方式，例如在底板层130与隔绝层120之间提供一粘着层(未绘出)，用以粘合底板层130与隔绝层120。或选用粘着性高的高分子材料以作为底板层130的材料，而有助于底板层130与隔绝层120相粘合。或利用微影蚀刻工艺，将底板层130直接制作于隔绝层120上，省去对位及贴合的步骤。此外，底板层130并具有供墨窗口132的结构，其中隔绝层120的墨水流道122与底板层130的供墨窗口132相通，用以让墨水经由供墨窗口132进入墨水流道122。其中，底板层130在对应喷孔106的位置，形成一面背墙134，用以提供墨滴142喷出的一面反射墙。值得注意的是，供墨窗口132位于热阻元件110的一侧，而喷孔106位于热阻元件110的另一侧，使得墨水进入墨水流道122之后，先经过热阻元件110形成气泡140之后，气泡140迅速膨胀推挤墨水形成墨滴142，并经由喷孔106喷出。
请同样参考图3，其中，底板层130可为一另行制作的薄板，其材质例如为矽、玻璃、金属、或高分子材料等。值得注意的是，此薄板的贴合不需精确定位，仅需提供气泡生成将墨滴喷出的背墙134及形成背射式的供墨窗口132。此外，可省略隔绝层120，使得底板层130同时具有墨水流道122及供墨窗口132的结构，并直接配置于基材100的反面104上，以提供墨水的入口及路径，取代隔绝层120的功能。
请同样参考图3，其中，热阻元件110所在的基材100、构成热阻元件110所需的热阻材料与导线材料、喷出墨滴的喷孔106、构成墨水流道122的隔绝层120，以及构成供墨窗口132的底板层130等，均可单晶集成化，而不需另外制造喷孔片并对其作精密的对准粘合，因此可加快生产速率，并降低材料成本。
请同样参考图3，本发明的背射式喷墨印头结构，其工作原理如下墨水依照墨水流向线150的方向，流动穿过底板层130的供墨窗口132，流入隔绝层120的墨水流道122。由于墨水流道122的截面口径相当小而类似一毛细管，使得墨水因为毛细现象而停留在墨水流道122之中。当热阻元件110迅速加热墨水而产生气泡140时，气泡140将迅速膨胀产生压力而推挤墨水形成墨滴142，并依照墨水流向线150的方向，将墨滴142推向墨水流道122的靠近喷孔106的一侧，并通过背墙134的作用，墨滴142将经过喷孔106喷出到达纸张的表面。
请同时参考图4、图5，分别是本发明的一种背射式喷墨印头晶片外观的正面视图及反面视图。基材110的正面102的两侧形成两排直线排列的多个喷孔106，其对应图3的喷孔106，用以提供墨滴喷出的出口。而底板层130两侧对应上述两排喷孔106而形成两个矩形的供墨窗口132，其对应图3的供墨窗口132，用以提供墨水入口。而多个金属垫160排列配置于基材100的反面104的两侧，且以图案化的导电层116与基材100的个别的热阻元件110电连接，如图3所示，用以提供电流至热阻元件110，使得热阻元件110的表面迅速加热墨水，而形成气泡140。
请参考图6，是图5的分解图。并同时参考图7，是图6的局部放大图。基材100的反面，104上配置有多个热阻元件110，用以加热墨水而形成气泡，在热阻元件110旁具有喷孔106，其穿过基材100，用以让墨滴通过。其中，热阻元件110与喷孔106之间不一定完全靠近，其间可稍有间隔。在基材100的反面104上配置隔绝层120，其具有墨水流道122的结构，用以让墨水通过。其中，金属垫160是用以图案化的导电层116与热阻元件110作电连接，用以将电流导入热阻元件110，提供热阻元件110产生瞬间高热的电能。
综上所述，本发明的背射式喷墨印头结构，至少具有以下优点(1)热阻元件所在的基材、构成热阻元件所需的热阻材料与导线材料、喷出墨滴的喷孔、构成墨水流道的隔绝层及构成供墨窗口的底板层等，均可单晶集成化，而不需要另外制造喷孔片并对其作精密的对准与粘合，可加快生产速率，并降低材料成本。
(2)全部均可以批量生产(All Batch Process)。
(3)墨水进入喷墨晶片的墨水流道是由微影蚀刻工艺来形成的，因此不须经特殊加工如激光钻孔、喷沙或超声波研磨等方式，不仅可避免污染晶片或降低晶片强度而影响其合格率，且可减少晶片材料，以降低生产成本。
(4)本发明的背射式喷墨印头结构是单晶集成结构，喷孔与墨水流道可进一步缩小，不受电铸喷孔片(Nozzle Plate by Electroforming)的解析度限制，可提高单位面积的喷孔密度，晶片布局能力优于上喷式的喷墨印头结构。
(5)本发明的背射式喷墨印头结构是单晶集成结构，较易扩展为页宽式(Page-Wide)的喷墨印头，可降低组装成本。
虽然本发明已以一较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。任何熟习该技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作微小的更新与改进。但本发明的保护范围应当以权利要求书限定的范围为准。
权利要求
1．一种背射式喷墨印头结构，其特征在于至少包括一基材，该基材具有一第一面及一对应的第二面，该基材的该第二面上配置有复数个热阻元件，且每一这些热阻元件旁的该基材中具有一对应的喷孔，这些喷孔贯穿该基材；一隔绝层，该隔绝层配置于该基材的该第二面上，并具有一墨水流道，该墨水流道由该隔绝层的图案化开口所构成，该墨水流道的位置分布于这些热阻元件的位置上、对应这些热阻元件的这些喷孔的位置上，以及这些热阻元件与对应的这些喷孔之间的区域上；一底板层，该底板层配置于该隔绝层上，并具有一供墨窗口，且该供墨窗口与该墨水流道相通，其中这些喷孔位于这些热阻元件一侧的该基材中，而该供墨窗口位于这些热阻元件另一侧的该底板层中。
2．根据权利要求1所述的喷墨印头结构，其特征在于该基材选自由矽、玻璃、金属及高分子材料所组成的族群。
3．根据权利要求1所述的喷墨印头结构，其特征在于该热阻元件包括一热阻障层、一加热层、一导电层及一绝缘层，其中该热阻障层配置于该基材的该第二面上，该加热层配置于该热阻障层上，且该导电层配置于该加热层上，而该绝缘层配置于该导电层上。
4．根据权利要求1所述的喷墨印头结构，其特征在于该隔绝层选自由矽、玻璃、金属及高分子材料所组成的族群。
5．根据权利要求1所述的喷墨印头结构，其特征在于该隔绝层的材质包括具有粘着性的高分子材料。
6．根据权利要求1所述的喷墨印头结构，其特征在于该底板层的材质选自由矽、玻璃、金属及高分子材料所组成的族群。
7．根据权利要求1所述的喷墨印头结构，其特征在于该底板层的材质包括具有粘着性的高分子材枓。
8．根据权利要求1所述的喷墨印头结构，其特征在于该基材与该隔绝层之间包括一粘着层，用以粘合该基材与该隔绝层。
9．根据权利要求1所述的喷墨印头结构，其特征在于该隔绝层与该底板层之间包括一粘着层，用以粘合该隔绝层与该底板层。
10．一种背射式喷墨印头结构，其特征在于至少包括一基材，该基材具有一第一面及一对应的第二面，该基材的该第二面上配置有复数个热阻元件，且每一这些热阻元件旁的该基材中具有一对应的喷孔，这些喷孔贯穿该基材；一底板层，该底板层具有一第一面与一对应的第二面，该底板层配置于该基材上，且该底板层的该第一面与该基材的该第二面贴合，该底板层中还具有一墨水流道及一供墨窗口，其中该墨水流道分布于该底板层的该第一面，该墨水流道的位置分布于这些热阻元件的位置上、对应这些热阻元件的这些喷孔的位置上，以及这些热阻元件对应的这些喷孔之间的区域上，又该供墨窗口分布于该底板层的该第二面上，且该供墨窗口与该墨水流道相通，此外，这些喷孔位于这些热阻元件一侧的该基材中，而该供墨窗口位于这些热阻元件另一侧的该底板层中。
11．根据权利要求10所述的喷墨印头结构，其特征在于该基材选自由矽、玻璃、金属及高分子材料所组成的族群。
12．根据权利要求10所述的喷墨印头结构，其特征在于该热阻元件包括一热阻障层、一加热层、一导电层及一绝缘层，其中该热阻障层配置于该基材的该第二面上，该加热层配置于该热阻障层上，且该导电层配置于该加热层上，而该绝缘层配置于该导电层上。
13．根据权利要求10所述的喷墨印头结构，其特征在于该底板层的材质选自由矽、玻璃、金属及高分子材料所组成的族群。
14．根据权利要求10所述的喷墨印头结构，其特征在于该底板层的材质包括具有粘着性的高分子材料。
15．根据权利要求10所述的喷墨印头结构，其特征在于该基材与该底板层之间包括一粘着层，用以粘合该基材与该底板层。
全文摘要
一种背射式喷墨印头结构,至少包括:一基材,具有一正面及一反面,基材的反面配置有多个热阻元件,且每一个热阻元件旁的基材中具有一对应的喷孔,这些喷孔贯穿基材;一隔绝层,配置于基材的反面,具有墨水流道,墨水流道由隔绝层的图案化开口所构成,位置分布于热阻元件的位置上、对应的喷孔位置上及热阻元件与对应的喷孔之间的区域上;一底板层,配置于隔绝层上,具有供墨窗口与墨水流道相通。喷孔位于热阻元件一侧的基材中,供墨窗口位于热阻元件另一侧的底板层中。
文档编号B41J2/14GK1310092SQ0110388
公开日2001年8月29日 申请日期2001年3月19日 优先权日2001年3月19日
发明者陈家泰, 苏士豪, 毛庆宜, 胡纪平, 张智超, 陈俊融 申请人:财团法人工业技术研究院光电工业研究所