专利名称：带改进压力腔的喷墨打印头及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种喷墨打印头及其制造方法。
现有技术的喷墨打印头的结构包括不锈钢基板或单晶硅基板，该板具有通过机械加压过程、蚀刻过程、放电过程或激光过程制成的直喷嘴和锥形或球形压力腔(参见JP-A-9-76492和JP-A-9-57891)。这将在后面予以详细说明。
不过，按照上述现有技术的喷墨打印头，如果通过蚀刻过程独立于所述喷嘴制成所述压力腔，则可能发生压力腔不能关于喷嘴对准，这将降低生产率。另外，由于压力腔底部的角度为锐角，里面可能发生墨汁的滞留，而且其中还可能保存气泡。此外，由于所述基板必须很薄，所以在将这种喷墨打印头装配到喷墨装置中时，不能过于以手触动。
本发明的目的在于提高喷墨打印头的生产率。
本发明的另一目的在于改善喷墨打印头的墨汁滞留特性。
本发明的又一目的在于能够使喷墨打印头变厚。
按照本发明，一种喷墨打印头包括带压力腔开孔的基板，所述开孔的截面从所述基板的前表面到基板的中间段逐渐加大，而从基板的中间段到基板的后表面逐渐减小。基板前表面的开孔用作喷嘴。
另外，一种制造喷墨打印头的方法，包括以下步骤至少在硅基板的前后表面之一上制成杂质扩散层，再在所述硅基板的前表面上制成具有喷嘴开孔的蚀刻掩膜层。此后，用所述蚀刻掩膜层作为掩膜，而以所述杂质扩散层作为蚀刻抑制层，在所述硅基板上实行各向异性的干法蚀刻过程。最后，在所述硅基板上实行各向异性的湿法蚀刻过程，在其中形成压力腔。
此外，一种制造喷墨打印头的方法，包括以下步骤在所述硅基板的前表面上制成带有第一喷嘴开孔的第一蚀刻掩膜层，而在所述硅基板的后表面上与第一开孔相应地制成带第二开孔的第二蚀刻掩膜层。然后，以第一和第二蚀刻掩膜层为掩膜，在所述硅基板上实行各向异性的干法蚀刻过程。最后，在所述硅基板上实行各向异性的湿法蚀刻过程，在其中形成压力腔。
作为与现有技术相比，从以下参照附图的描述，将更清楚地理解本发明，其中
图1是表示现有技术喷墨打印头的平面图；图2是图1喷墨打印头的局部放大图；图3A和3B是沿图2的Ⅲ-Ⅲ线所取的截面图；图4A至4I是说明制造本发明喷墨打印头方法之第一实施例的截面图；图5A至5I是表示图4A至4I改型的截面图；图6A至6G是说明制造本发明喷墨打印头方法之第二实施例的截面图；图7A至7G是表示图6A至6G改型的截面图。
在描述各优选实施例之前，将参照图1、2、3A和3B说明现有技术的喷墨打印头。
在表示现有技术喷墨打印头的图1中，设置四列喷嘴11、12、13和14，各列中的多个喷嘴1排成矩阵形式。这些列喷嘴11、12、13和14分别用于喷射黑色墨汁、黄色墨汁、蓝绿色墨汁和深红色墨汁。所述各列喷嘴11、12、13合14分别连接到梳形墨池(水池)21、22、23和24，它们还连接到墨筒(未示出)。
在作为图1喷墨打印头局部放大图的图2中，压力腔3与一个喷嘴1连接，墨汁通路4连接在压力腔3与比如墨池21之间。
在作为沿图2的Ⅲ-Ⅲ线所取截面图的图3A中(参见JP-A-9-76492)，参考标号101指示不锈钢基板，它具有通过机械加压过程、蚀刻过程、放电过程或激光过程制成的直喷嘴1和锥形压力腔3。另外，在不锈钢基板101的前表面上形成电镀层102。另一方面，在不锈钢基板101的后表面上粘附一个振动片103，以隔开压力腔3以及墨池21、22、23和24(参见图1)。此外，通过接触结合过程，以与喷嘴1相应的方式，将一个由金属电极夹着的压电材料制成的致动器104粘附到振动片103上。
在作为沿图2的Ⅲ-Ⅲ线所取的另一个截面图的图3B中(参见JP-A-9-57981)，参考标号201指示单晶硅基板，它具有直喷嘴1和球形压力腔3。在这种情况下，直喷嘴1由各向异性的干法蚀刻过程制成，而球形压力腔3由各向同性的干法蚀刻过程制成。再有，振动片202被粘附到单晶硅基板201的后表面上，以隔开压力腔3以及墨池21、22、23和24(参见图1)。此外，通过接触结合过程，以与喷嘴1相应的方式，将一个由金属电极夹着的压电材料制成的致动器203粘附到振动片202上。
然而，在如图1、2、3A和3B所示的喷墨打印头中，如果通过蚀刻过程独立于喷嘴1而形成压力腔3，就可能发生压力腔3不能关于喷嘴1对准，这将使生产率降低。再有，由于压力腔3在振动片103(202)处的角度较为尖锐，就可能在其中发生墨汁的滞留。另外，由于基板101(201)必须较薄，所以在将其装配于喷墨装置中时，不能过于以手触动。比如，若压力腔3在振动片103(202)处的宽度W1为400μm，则基板101(201)的厚度必须小于0.3mm。
以下将参照图4A至4I说明制造喷墨打印头方法的第一实施例。
首先参照图4A，将诸如硼离子等p+型杂质注入具有{100}面之单晶硅基板301的后表面中。于是，在所述单晶硅基板301的后表面上形成p+型杂质扩散层302。
继而参照图4B，通过化学蒸镀淀积(CVD)过程，在单晶硅基板301的前表面上淀积一层由氧化硅或氮化硅制成的绝缘层303。在这种情况下，如果由氧化硅制成所述绝缘层303，则可通过使单晶硅基板301热致氧化而形成该绝缘层303。随后，再通过照相制版及蚀刻过程在绝缘层303内穿出开孔303a。
接下去参照图4C，用绝缘层303作掩膜，并用p+型杂质扩散层302作为蚀刻抑制层，通过各向异性干法蚀刻过程蚀刻单晶硅基板301。例如，这种各向异性干法蚀刻过程是采用CF3/O2混合气体的活性离子蚀刻(RIE)过程。于是，在单晶硅基板301中穿出与喷嘴1相应的开孔303a。
再下去则参照图4D，利用乙二胺邻苯二酚(EDP)水或氢氧化四甲铵(TMAH)水实现各向异性湿法蚀刻过程。结果，单晶硅基板301的侧壁受到蚀刻，露出角度为54.7°的{111}面。当进一步实行这种各向异性湿法蚀刻过程时，在所述单晶硅基板301内穿出有如图4E所示的钻石形开孔301b。在这种情况下，开孔301b有两个角度为109.4°的{111}面。因此，在p+型杂质扩散层302上开孔301a的{111}面相对于该层的角度是125.3°。应予说明的是，开孔301b与开孔301a，也即喷嘴1自对准，而且开孔301b底部的宽度几乎与图4C的开孔303a的宽度相同。
以下参照图4F，以绝缘层303作掩膜，利用各向异性干法蚀刻过程斜向蚀刻单晶硅基板301。譬如，这种各向异性干法蚀刻过程是采用CF3/O2混合气体的RIE过程。于是，在单晶硅基板301的底部侧面的{111}面内穿出开孔301c。
以下参照图4G，再次实行使用EDP水或TMAH水的各向异性湿法蚀刻过程。结果，单晶硅基板301的侧壁进一步受到蚀刻，露出{111}面。于是，在单晶硅基板301中穿出桶形压力腔3。在这种情况下，在p+型杂质扩散层302上开孔301a的{111}面相对于该层的角度是125.3°，也即为钝角。应予说明的是，压力腔3与开孔301a，也即喷嘴1自对准，而且压力腔3底部的宽度大于图4C的开孔303a的宽度。
再以下参照图4H，使用氟酸或磷酸，通过湿法蚀刻过程除去绝缘层303。
最后，参照图4I，将振动片304粘附到p+型杂质扩散层302上，并通过接触结合过程，以与喷嘴1相应的方式，将一个由金属电极夹着的压电材料制成的致动器204粘附到振动片304上。
在图4A至图4I所示的喷墨打印头中，由于压力腔3与喷嘴1自对准，所以不会发生压力腔3不与喷嘴1对准，这将提高生产率。而且，由于在振动片304处压力腔3的角度为钝角，所以其中不会发生墨汁的滞留，而且其中也难于存留气泡。此外，由于压力腔3上部的截面逐渐加大，而压力腔3下部截面逐渐减小，所以基板301可以较厚，以致在将这种喷墨打印头装配到喷墨装置中时，可以充分地手动。譬如，若在振动片304处压力腔3的宽度W2为400μm，则基板301的厚度可大于0.3mm。
另外，在图4A至图4I所示的喷墨打印头中，由于p+型杂质扩散层302是导电的，所以即使为了清洁喷嘴1而使其受到擦拭时，也能防止这种喷墨打印头起电。
在表示图4A至4I之改型的图5A至5I中，将诸如硼掺杂扩散层306的p+型杂质扩散层加于单晶硅基板301的前表面上。
首先参照图5A，在单晶硅基板301的后表面上形成p+型杂质扩散层306之后，在单晶硅基板301的前表面上形成p+型杂质扩散层306。
继而，参照图5B,5C,5D,5E,5F,5G,5H和5I，分别实行与图4B,4C,4D,4E,4F,4G,4H和4I同样的过程。在这种情况下，图5C中虽然p+型杂质扩散层306通过各向异性干法蚀刻过程的蚀刻选择性较低，由于绝缘层303有足够的厚度，所以可蚀刻p+型杂质扩散层306。
在图5A至5I所示的喷墨打印头中，由于p+型杂质扩散层306是导电的，所以在为清洁喷嘴1而使其受到擦拭操作时，也能进一步防止这种喷墨打印头起电。
以下参照图6A至6G说明制造喷墨打印头方法的第二实施例。
首先参照图6A，通过CVD过程，分别在具有{100}面之单晶硅基板401的前后表面淀积由氧化硅或氮化硅制成的绝缘层402和403。在这种情况下，如果绝缘层402和403由氧化硅制成，则可通过热致氧化所述单晶硅基板401形成所述绝缘层402和403。随后，通过照相制版和蚀刻过程，分别在绝缘层402和403中穿出开孔402a和403a。在这种情况下，开孔403a宽于开孔402a。
继而参照图6B，以绝缘层402和403作掩膜，通过各向异性干法蚀刻过程蚀刻单晶硅基板401的前后表面。譬如，这种各向异性干法蚀刻过程是采用CF3/O2混合气体的RIE过程。结果，在单晶硅基板401中穿出与喷嘴1对应的开孔401a和与压力腔3对应的开孔402a。
接下去参照图6C，采用EDP水或TMAH水实行各向异性湿法蚀刻过程。结果，单晶硅基板401的侧壁受到蚀刻，露出{111}面，其角度为54.7°。当如图6D所示那样进一步实行这种各向异性湿法蚀刻过程时，在单晶硅基板401中穿出一个与压力腔3相应的桶形开孔，如图6E所示。在这种情况下，压力腔3有两个{111}面，成109.4°角。因此，绝缘层403上压力腔3的{111}面关于该绝缘层的角度为125.3°，即为钝角。
应予说明的是，所述压力腔3的上部与喷嘴1自对准，而且压力腔3底部的宽度大于喷嘴1的宽度。
接下去参照图6F，使用氟酸或磷酸，通过湿法蚀刻过程除去所述绝缘层402和403。
最后，参照图6G，将振动片404粘附到绝缘层403上，而且通过接触结合过程，以与喷嘴1相应的方式，将一个由金属电极夹着的压电材料制成的致动器405粘附到振动片404上。
即使在如图6A至6G所示的喷墨打印头中，由于压力腔3与喷嘴1自对准，所以不会发生压力腔3不与喷嘴1对准，这将提高生产率。而且，由于在振动片404处压力腔3的角度为钝角，所以其中不会发生墨汁的滞留，而且其中也难于存留气泡。此外，由于压力腔3上部的截面逐渐加大，而压力腔3下部截面逐渐减小，所以基板401可以较厚，以致在将这种喷墨打印头装配到喷墨装置中时，可以充分地以手触动。譬如，若在振动片404处压力腔3的宽度W3为400μm，则基板401的厚度可大于0.3mm。
在表示图6A至6G改型的图7A至7G中，将诸如硼掺杂扩散层406的p+型杂质扩散层加于单晶硅基板401的前表面上。
首先参照图7A，在单晶硅基板401的前后表面上形成绝缘层402和403之前，在单晶硅基板401的前表面上形成p+型杂质扩散层406。
继而，参照图7B,7C,7D,7E,7F和7G，分别实行与图6B,6C,6D,6E,6F和6G同样的过程。在这种情况下，图7B中虽然p+型杂质扩散层406通过各向异性干法蚀刻过程的蚀刻选择性较低，由于绝缘层402有足够的厚度，所以可蚀刻p+型杂质扩散层406。
在图7A至7G所示的喷墨打印头中，由于p+型杂质扩散层406是导电的，所以在为清洁喷嘴1而使其受到擦拭操作时，也能防止这种喷墨打印头起电。
如上所述，按照本发明可使生产率得到提高。而且可以改善墨汁滞留特性和气泡排放特性。此外可使基板较厚，可以充分以手触动本喷墨打印头。
权利要求
1．一种喷墨打印头，它包括带压力腔(3)的第一开孔的基板(301,401)，其特征在于，所述第一开孔的截面从所述基板的前表面到所述基板的中间段逐渐加大，而从所述基板的中间段到所述基板的后表面逐渐减小，所述基板前表面的所述第一开孔用作喷嘴(1)。
2．如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，还包括在所述基板的前表面上形成的第一导电层(306,406)，所述第一导电层具有引向所述第一开孔的所述喷嘴(1)的第二开孔。
3．如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，还包括在所述基板的后表面上形成的第二导电层(302)，所述第二导电层具有引向所述第一开孔的第三开孔。
4．如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，所述中间层比起所述基板的前表面更加靠近所述基板的后表面，使所述基板前表面上的所述第一开孔的截面小于所述基板后表面上的所述第一开孔的截面。
5．如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，所述基板由单晶硅制成，所述单晶硅具有在所述基板的前后表面上的{100}面，和在所述第一开孔上的{111}面。
6．如权利要求2所述的喷墨打印头，其特征在于，所述第一导电层由掺杂的硅制成。
7．如权利要求3所述的喷墨打印头，其特征在于，所述第二导电层由掺杂的硅制成。
8．如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，还包括粘附到所述基板后表面上的振动片(304,404)；以及按与所述喷嘴对应的方式粘附到所述振动片上的致动器(305,405)。
9．如权利要求3所述的喷墨打印头，其特征在于，还包括粘附到所述第二导电层上的振动片(304,404)；以及按与所述喷嘴对应的方式粘附到所述振动片上的致动器(305,405)。
10．一种制造喷墨打印头的方法，包括以下步骤至少在硅基板(301)的前后表面之一上制成杂质扩散层(302,306)；在所述硅基板的前表面上制成具有喷嘴(1)之开孔(303a)的蚀刻掩膜层(303)；用所述蚀刻掩膜层作为掩膜，而以所述杂质扩散层作为蚀刻抑制层，在所述硅基板上实行各向异性的干法蚀刻过程；在实行所述各向异性干法蚀刻过程之后，在所述硅基板上实行各向异性的湿法蚀刻过程，在其中形成压力腔(3)。
11．如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述杂质扩散层形成步骤将p型杂质注入所述硅基板中。
12．如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述蚀刻掩膜层由氧化硅和氮化硅之一制成。
13．如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述硅基板具有在所述硅基板前后表面上的{100}面。
14．如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述硅基板具有在所述压力腔侧壁上的{111}面。
15．如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述各向异性湿法蚀刻过程使用乙二胺邻苯二酚水或氢氧化四甲铵水之一。
16．如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤在实行所述各向异性湿法蚀刻过程之后，用所述蚀刻掩膜层作为掩膜，并以所述杂质扩散层作为蚀刻抑制层，在所述硅基板上实行斜向的各向异性干法蚀刻过程；以及在实行所述斜向的各向异性干法蚀刻过程之后，在所述硅基板上实行附加的各向异性湿法蚀刻过程。
17．如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述斜向的各向异性干法蚀刻过程使用乙二胺邻苯二酚水或氢氧化四甲铵水之一。
18．一种制造喷墨打印头的方法，包括以下步骤在硅基板(401)的前表面上制成带有喷嘴(1)的第一开孔(402a)的第一蚀刻掩膜层(402)；在所述硅基板的后表面上与所述第一开孔相应地制成带第二开孔(403a)的第二蚀刻掩膜层(403)；以所述第一和第二蚀刻掩膜层为掩膜，在所述硅基板上实行各向异性的干法蚀刻过程；以及在实行所述各向异性干法蚀刻过程之后，在所述硅基板上实行各向异性的湿法蚀刻过程，在其中形成压力腔。
19．如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述第一开孔小于所述第二开孔。
20．如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述第一和第二蚀刻掩膜层由氧化硅和氮化硅之一制成。
21．如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括至少在所述第一和第二蚀刻掩层之一的下方形成杂质扩散层(406)的步骤。
22．如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述硅基板具有在该硅基板前后表面上的{100}面。
23．如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述硅基板具有在所述压力腔侧壁上的{111}面。
24．如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述各向异性湿法蚀刻过程使用乙二胺邻苯二酚水或氢氧化四甲铵水之一。
全文摘要
一种喷墨打印头,包括:带压力腔(3)的开孔的基板(301,401),所述开孔的截面从基板的前表面到基板的中间段逐渐加大,而从基板的中间段到基板的后表面逐渐减小。所述基板前表面的所述第一开孔用作喷嘴(1)。
文档编号B41J2/14GK1314248SQ011098
公开日2001年9月26日 申请日期2001年3月21日 优先权日2000年3月21日
发明者大野健一, 铃木健一郎, 秋本裕二, 神田虎彦, 大泰弘 申请人:日本电气株式会社