专利名称：液滴沉积设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液滴沉积设备，尤其是，涉及按需滴落喷墨打印机，其元件和它们的制造方法。
背景技术：
按需滴落喷墨打印机典型地分为两个较宽类别气泡喷射式或机械式。气泡喷射式打印机通过有选择地加热流体并产生气泡而喷射液滴，其中所述气泡提供了喷射液滴的足够的力。机械式打印机通过改变腔室的体积以对腔室内的流体施加压力并由此喷射液滴而喷射液滴。本发明主要涉及机械式按需滴落喷墨打印机并且尤其涉及使用压电材料的机械式打印机。因此，气泡喷射装置将不再更详细地描述。
传统地用在喷墨打印中的压电材料是锆钛酸铅(PZT)陶瓷材料。PZT相对脆并且以片状的烧结材料制造。生材料片被机械地或通过一些其他的工艺机械加工以便形成单个的激励器。
一种特别精致的形式的激励器是本申请人的公司生产并且可商业上得到的、产品编码为XJ500的激励器。通道被锯到压电材料内，从而它们在任一侧通过壁结合。设置盖板以便封闭通道的顶表面并且喷嘴板被连接到通道的开口前部。喷嘴延伸通过喷嘴板形成并且与通道连通。跨过壁施加的电压使得壁在切变中偏转。所述偏转对通道内的墨水加压并使得将被喷射的液滴通过喷嘴。
已经提出了模制压电打印头并且提出了一定的结构。一种结构在WO00/16981中提出，其涉及具有通过模制形成的压电材料下壁的圆形腔室。
与传统机械锯切方法相比，尽管通过模制形成激励器很快，但是损失了一些精度。尤其是，压电材料在烘烤时收缩经常达到30％。这种收缩越过压电材料不均匀，并且这导致激励器沿阵列长度具有不同的通道间隔。
发明内容
本发明旨在解决上述及其他问题。
根据本发明的一个方面，提供一种用于按需滴落喷墨打印机的激励器元件，所述激励器元件包括主体，所述主体具有顶表面，位于顶表面上的开口，该开口沿开口轴线延伸到主体内，大体位于所述开口内的激励器结构和电极装置；所述电极装置设置为能够将场施加给所述激励器结构以便使所述激励器结构变形。
在优选实施例中，当主体暴露到极端热的时候，其没有显著地改变其尺寸。优选的是，主体的热膨胀系数(TCE)与激励器的热膨胀系数类似，并且在压电或磁致伸缩的材料的情况下，特别优选的材料是硅或氧化铝。其他合适的材料可以通过常规试验发现。如果材料是硅，开口可以通过反应离子蚀刻(RIE)或深反应离子蚀刻(DRIE)形成。如图材料是氧化铝，诸如激光切割或加工的其他技术也是合适的。
优选的是，激励器结构是隔离的激励器结构，即，每个激励器结构与相邻的激励器结构分离和不同并且不是共用激励器结构的一部分。例如，如果激励器结构包括自支撑片状激励器结构，那么它们将不被隔离。虽然如此，隔离的激励器结构可以通过与激励器结构具有相同特性的材料的薄层相连。
开口可以从顶表面延伸到与顶表面相对的底表面。从顶表面延伸到主体内的开口可以具有与顶表面垂直的侧面。可选地，开口的表面可以与顶表面不相垂直，即，随着开口从顶表面延伸，其可以向内或向外逐渐变细。
开口的形状可以用于限定激励器元件的形状，或者附加的模型元件可以形成在开口内，以便限定激励器形状，所述激励器形状优选通常为凸起的或者遵循截头锥体的轮廓。激励器可以沿着所述开口成锥形并且在所述锥形的端部进一步包括平的部分，所述平的部分包括上表面和下表面；所述上表面和下表面与所述顶表面和底表面平行。上表面可以位于所述顶表面的平面内。下表面可以位于所述开口内并且所述顶表面和所述底表面都能够在开口方向上移动。
优选的是，一旦激励器已经形成以便使得激励器能够自由移动，至少主体的一部分或限定了激励器形状的模型部分可以被去除，尽管激励器可以仍被连接在主体的之上一部分上。这种材料的去除可以通过从与顶表面相对的主体表面蚀刻进行。然后，开口可以延伸通过主体且激励器结构限定一个越过它的不透水层。
开口可以为圆形的，但是更优选的是，其形状为伸长的。可以通过主体以线性阵列或矩阵布置设置许多个开口。
设置用于能够越过激励器提供场的电极例如可以由铝或镍制成。优选的是，其中一个电极构成接地电极而其他电极提供了有源电极并且优选的是它们在压电结构的相对表面上之上延伸。
可以提供在主体一个或两个表面上延伸的隔膜。激励器结构可以作用于所述隔膜，由此将至少一部分从相应表面偏离。如果在主体上连接盖板，由此限定喷射室，那么激励器将布置为实现对容纳在喷射室内的流体的压力干扰。所述隔膜能够提供用于喷射室的基部的一致的壁并且提供用于保护激励器免受来自墨水的化学侵袭。
作为隔膜的可选或附加，激励器结构、开口和顶表面或底表面之间的任何空间可以用诸如例如硅橡胶的可压缩材料填充。
盖板的材料在其热膨胀系数方面优选与主体匹配并且每个室优选与开口的形状匹配，即，如果开口是伸长的，则通道是伸长的。
根据本发明的第二方面，提供一种用于沿液滴飞行方向喷射液滴的元件，所述元件包括通过可以在液滴飞行方向上的激励而移动的激励器结构；所述激励器部分限定喷射室并且包括所述液滴通过其被喷射的端口。
在优选实施例中，激励器结构限定喷射室的至少三个壁。所述室优选通常为凸起的或者遵循截头锥体的轮廓且端口设置在基部内。激励器沿喷射飞行方向移动由此喷射液滴。
激励器可以位于设置在基部结构内的开口内或安装到顶表面上。墨水可以从基部结构的顶表面密封喷射室的端部供给到喷射室内或通过形成在基部内的开口供给到喷射室内。
具有喷嘴的喷嘴板可以施加到激励器结构的表面上，从而喷嘴与端口流体相通。
激励器结构优选为非平面的并且形成为相对复杂的三维形状，所述三维形状通常为凸起的或者遵循截头锥体的轮廓。
例如，激励器结构可以通过溅射工艺由压电材料的柔性片制成，由包括压电微粒的浆液制成。压电材料可以设置在牺牲母体内，所述牺牲母体典型为热塑性的材料，尽管包括诸如环氧树脂的热固性材料的其他材料也是合适的。
开口通过主体被蚀刻并且牺牲模型元件设置在开口内。这被用于通过陶瓷喷射模制的已知技术利用主体形成压电结构。所述主体然后经受高温以便烧结压电材料。如果牺牲模型元件是聚合材料，在烧结步骤期间其被烧掉和去除。
在该方法特别极好的形式中，牺牲模型元件是主体的一部分。反应离子蚀刻(RIE)形成锥形开口，所述锥形开口可以用作模型。在烧结步骤之后，可以从相对侧蚀刻主体，以便释放压电结构。由于RIE是选择性工艺，因此，硅可以被去除并且没有去除压电结构。
如果压电材料被沉积为单层或多个层，该极好的技术可以类似地使用。所述层可以通过溅射涂层被沉积或沉积为上述薄的柔性层。
在优选的方法中，硅主体被反应离子蚀刻以便形成开口。压电材料被设置为柔性片的形式，所述柔性片被抵靠平面主体的一个表面放置。所述片被顺序地经受开口和片的相对侧之间的压差，并且低压位于开口内。在开口内可以设置模制特征。
柔性片由此被模制成三维结构并且可以被烧制以便烧结柔性片形式的压电微粒并且烧掉母体载体。电极沉积在形成的压电结构的内外表面上。隔膜和/或聚合材料可以被沉积以便绝缘电极材料和墨水。
根据本发明的另一方面，提供一种形成用于喷墨打印头的元件的方法，包括以下步骤a)提供具有模型特征的主体；b)形成可变形激励器结构，所述激励器结构的形状至少部分被所述模型特征限定；c)去除所述模型特征的至少一部分；和d)提供电极装置；所述电极装置被设置为能够将场施加给所述激励器结构，以便使所述激励器结构变形同时所述激励器结构连接到所述主体。
所述主体在制造和使用中给所述激励器提供支撑并且提供模型特征用于限定所述形状。激励器优选是非平面的并且可以位于设置在所述主体内的开口内。
根据本发明的又一方面，提供一种形成用于喷墨打印头的元件的方法，包括以下步骤a)提供具有顶表面的主体；b)在所述顶表面内形成开口，所述开口延伸到所述主体内；c)在所述开口内形成激励器结构；所述激励器结构在激励器期间仍然与所述主体相连。
根据本发明的再一方面，提供一种用于按需滴落喷墨打印机的开有通道的元件，包括限定了多个伸长液体通道的伸长通道壁，每个通道包括可以在垂直于通道长度方向的激励方向上可变形的一个壁；相应的喷嘴，所述喷嘴在通道长度的中间点处与通道相连；液体供给源，用于沿通道提供连续的液体流；声学边界，所述声学边界位于通道的相应相对端用于反射通道的液体内的声波，其中所述声学边界的通道之间的间隔与所述喷嘴的通道之间的间隔不同。
在优选的实施例中，声学边界的通道之间的间隔小于喷嘴的通道之间的间隔。所述通道可以为人字形的且随着距离大体直的通道的距离的增加，人字形的角度变得更加尖锐。
优选的是，大体直的通道以模型为中心并且一系列相反的人字形通道布置在相对侧。
优选的是，通道布置在瓦片上，喷嘴阵列越过所述瓦片线性延伸。多个相同的瓦片可以沿相应边对接在一起，并且其中提供喷嘴阵列，喷嘴阵列具有越过相同瓦片宽度和越过对接点的等线性喷嘴间隔。
具有激励器的激励器元件可以层压到开有通道的元件上以便形成喷墨打印头，对于每个不同形状的通道，所述激励器具有类似的形状。
可以设置室元件，所述室元件包括多个喷射室，所述多个喷射室具有不同的尺寸并且包含喷射流体，激励器元件，所述激励器元件包括多个具有不同尺寸的激励器，其中所述激励器元件与所述室元件接合，从而喷射室和激励器组合以便使得激励器能够实现所述流体内的压力干扰，从而从所述室喷射液滴，并且其中所述喷射的液体具有大体相同的特性。
下面参考附图结合示例对本发明进行描述，其中图1A、B、C为根据本发明的喷墨元件的视图；图2A和B为根据本发明的可选喷墨元件的视图；图3为模型内的通道布置的视图；图4为模型内的可选通道布置的视图；图5为当两个模型对接时的对接模型的视图；图6为可选对接布置的视图；图7为通道旋转90度的对接模型的视图；图8为可选通道布置的视图；图9为具有人字形通道的对接模型；图10为用于包括人字形通道的模型可选对接布置的视图；图11为根据本发明的激励器元件的视图；图12为装有图1所示激励器元件的打印头的视图；图13A到D为根据本发明一个实施例的元件的制造方法的视图；图14A到C为制造元件的另一个方法的视图；图15A到AI为制造激励器元件的方法的视图；图16A到C类似地示出了制造元件的另一个方法；图17A到C为可选的制造方法，其中主要用作模型和最终支持元件；图18A和18B为可选激励器结构的视图；图19A和19B为可选激励器结构的视图；图20为可选激励器结构的视图；图21为另一可选激励器结构的视图。
具体实施例方式
在附图中，类似的元件使用相同的标号表示。
参考图1A和1B，其中图1B是沿图1A中的线X-X的截面图，脉冲液滴打印头由盖元件14和激励器元件1构成，且具有限定在这些元件之间的喷射室12。
盖元件14由镍合金制成，所述镍合金为与激励器元件12的材料热匹配的材料，所述激励器元件1主要是硅但是也包括活动部分8。喷射室是伸长的且具有由供墨口3之间的距离限定的声学长度AL，所述供墨口3形成为通过激励器元件。在供墨口处墨水深度的变化提供了声学边界，所述声学边界有效地反射在墨水中传播的声波。
供墨口3布置为将墨水供给到室内或者通过使流体穿过一个口进入室内并且通过第二口从室内去除墨水而允许喷射流体通过室循环。如果期望循环喷射流体，则期望数量级为通过喷嘴的最大容积流量的十倍或更多倍的沿室的流量。期望供墨口跨过通道的整个宽度或通道的至少实质性部分延伸。
在操作中，激励器的活动部分8朝着喷射室移动或远离喷射室移动、并且创立沿通道在相对的方向上纵向传播的压力波。压力波在与供墨口相邻的声学边界处被反射并且在喷嘴处会聚以便实现液滴喷射。
为了产生纵向传播的声波，激励器进入到通道内的运动应很快，小于AL/c，其中c为声音通过喷射流体的速度。优选的是，朝着室或者远离室移动激励器所花费的时间为几乎AL/c的一半，并且更优选为小于AL/c的量级的数量级。活动部分进入到通道内或远离通道的运动距离不需要很大并且通过移动到通道内或移动远离通道50纳米或以下且有时低到10纳米就可以产生足够的喷射力。对于通道的范围，优选的是，长度为1毫米到10毫米，深度为30微米到60微米且宽度为30微米到100微米。因此移动的距离可以看出小于喷射室的最小尺寸的10-2并且真正地小于10-3。
通过连续地操作活动部分多次，可以增加从喷嘴喷射的流体的液滴。根据选择的操作模式，可以喷射额外体积的墨水同时墨水仍然附着到喷嘴板上或者喷射处于附加、单独液滴形式的额外的体积的墨水。由于空气动力学效应，这些额外的液滴通常将比先前喷射的墨水液滴运动的更快。如果打印头根据第二模式操作，后来喷射的液滴在其到达基底之前或当其到达基底上时与先前喷射的墨水液滴混合。改变喷射的墨水体积的技术称为灰度并且在EP-A-0422870(并入这里)中有详细的描述，因此，这里将不再详细描述。
图1A和图1B所示的结构通称为“侧射器”结构，因为墨水沿喷射室的长度和其中喷射的液滴行程正交于室的伸长方向的方向通过部分定位的喷嘴被沉积。然而，所述结构可以修改为本领域内已知的“端射器”并且示出在图1C中。与图1A中示出的实施例一样，打印头包括盖元件14和激励器元件1。然而，喷嘴位于喷射室12的端壁上，从而喷射的液滴沿平行于室的伸长方向的方向行进。
活动部分8的移动方向再次朝着喷射室或远离喷射室。以与侧射器结构类似的方式，该运动创立声波，该声波沿室的长度传播并且被有供墨口形成的声学边界反射。反射的波在喷嘴处会聚由此喷射液滴。这项喷射技术和适于喷射液滴的波形在WO95/25011(在此并入作为参考)中有描述。
对于快速连续地喷射多个液滴以在纸张建立合适色调的图像的灰度打印头，大约1到2毫米的室长度室优选的。对于喷射单个尺寸的液滴的二元打印头，所述室优选具有1厘米数量级的长度。
另一种形式的通道脉冲打印头示出在图2A和2B中。在这种情况下，激励器元件包括安装在非活动基底1上的活动部分8。
活动部分被致动以便增加和降低喷射室12的体积。这就创立了声波，该声波在室内沿纵向传播并且在声学边界处被反射，所述声学边界由在活动部分8任一端处的喷射深度的阶梯变化限定。
上述涉及图1A和图1B的操作的描述通常也适用于图2A和图2B。也可以具有通常如图1C所示的、具有安装在非活动基底上的活动部分8的端射器布置。
如上所述的声学打印是使用机械激励器喷射液滴的一个机构。另一个机构是阻抗打印。在阻抗打印中，大的声学边界被具有高阻抗的窄进墨口替换。在致动时，机械激励器偏转到喷射室内并且通过高阻抗进墨口被防止离开喷射室的墨水被从类似于牙膏管的喷嘴喷出。与声学打印头相比，阻抗打印头需要激励器朝着喷射室或远离喷射室移动更大的距离并且通常需要较低的偏转速度。喷射室也较小。
喷射室并排布置成阵列并且形成在模型内。如图3所示，所述模型在一瓦片上以平行阵列布置了四个阵列。所述模型布置成沿扫描方向S扫描过将被打印的介质。每个阵列都具有以恒定节距布置的喷嘴且每个阵列在正交于扫描方向的方向上偏离另一个阵列。
图3所示的模型包括64个通道，所述64个通道布置成四个阵列，每个阵列具有16个喷射室12。每个阵列能够单独地以100dpi到360dpi(点每英寸)的滴密度进行打印并且沿正交于扫描方向的方向偏离相邻阵列p/n，其中p是喷嘴节距且n为阵列的总数。这允许阵列打印密度n倍的模型打印密度。
所述模型形成为平行四边形，且垂直边(见图)与顶边和底边成大约120度的角。这个角被认为是模型角。所述通道布置为它们的纵向延伸方向平行于扫描方向S。每个通道大约1毫米长和大约60微米宽。
在图4中，通道被旋转90度，从而伸长方向垂直于扫描方向S。阵列被成角度以便提供与图3中所提供的模型液滴密度相同的模型液滴密度。然而，也可以选择其他的角度以便提供其他的滴落密度。从图4可以看出，阵列相对于瓦片的底边的角度不需要与模型角度相同。
通道长度、通道角度、阵列角度、模型角度和用于平行和垂直取向(相对于扫描方向)的通道的期望dpi之间的关系应当选择为允许模型以并排的光学对接在一起以便构成比单个模型宽的打印头，并且在打印头的整个宽度上的液滴间隔没有值得注意的变化。
图5示出了两个模型50a和50b，模型50a和50b并排对接并且包括垂直布置的通道。通道间隔为越过每个模型和越过对接点实现恒定的液滴密度。然而，这可能会在模型的对接边处导致不可接受的薄壁部分。如果通道长度与对接边成角度，所述部分的厚度沿通道的长度降低。如上所述，声学液滴产生装置具有被阻抗液滴产生装置更大的通道长度。因此，这个问题对于声学装置尤为突出。
在最小壁部分的这些点的任一点处的壁的不足会在打印头内导致最多是漏的喷射室且最坏是无效的喷射室。由于一个无效的喷射室使得废弃整个模型成为必要，因此，这种不足在生产量具有严重的有害作用。
已经发现，在对接边处的最小壁厚能够通过如图6所示偏移模型而增加，其中相邻模型偏移的距离为模型高度的一半(如图所示)。每个外部通道可以从它们的各个模型的边缘插入，提供了更多的加强的打印头同时越过打印头的宽度维持恒定的喷嘴节距。
通过将通道的方向旋转90度，可以将对接边从通道边缘处的高容忍部分转移到通道端部的更容忍部分，如图7所示。外部通道的外壁因此能够制的更厚和更强且不影响在垂直于扫描方向上的喷嘴的节距。
如上所述，通道的倾斜、平行四边形的角度(模型角度)和阵列的长度都对可用于对接的面积量具有影响。图8示出了通道的另一种布置，以便允许模型的更强的对接。在所有先前的图中，通道被示出为直的。本申请人已经发现如果不是通过锯切，例如通过蚀刻或烧蚀形成通道，可以使用可选的通道形状，所示可选的通道形状特别适于利用上面的声学喷射原理的喷射。
图8中的通道可以从中间通道以递增的尖锐的“人字形”向外成扇形散开。因此，与通道为直的相比，虽然以稍微更小的节距，也能够实现恒定的喷嘴节距。外部通道壁内部通道更长并且喷射特性的任何显而易见的变化可以通过在开有通道的元件或激励器元件内形成声学反射边界调节器进行补救。这些调节器可以为室内的插入物，或阶梯或一些其他的特征。
如果使用下述技术中的一种制造激励器，可以在类似地成形为人字形的激励器元件内形成激励器。这些激励器单独地成形为它们是逐渐增加的尖锐的人字形以便匹配开有通道的元件。例如，所述激励器能够通过改变它们的长度或宽度进行进一步的修正以便使通道之间的喷射特性的任何变化最小化。
其中人字形通道的两个模块对接的布置将参考图9和图10进行描述。有利地，所述模型可以形成为正方形或矩形的瓦片。开有通道的元件和激励器元件具有沿它们的对接边的主要部分的相对厚的端壁部分。所示端壁部分更强且在接合模型时不容易受到损坏。
端壁部分的厚度能够使用参考图10描述的模型进一步增大。模型的对接边成锯齿状并且交错。尽管在模型之间涂覆了粘结剂51以便在对接边处提供附加的支撑和更强的接合，也能够实现越过模型和模型接合的恒定的喷嘴节距。
现在转向激励器元件，根据本发明的典型的装置示出在图11中。
平面硅主体2设置为具有多个伸长开口4。在开口内形成压电材料结构8。为了便于参考，仅示出了单个开口4和压电结构。
压电材料的结构8可以看出包括平面区域8a且具有支撑平面区域8a的相对边的成角度的壁8b和8c。在图中的方位中，平面区域的顶表面与主体的顶表面位于同一平面内。
电极材料7设置为延伸在压电材料的顶表面或外表面之上并且附加地延伸在主体的顶表面之上且与位于主体内的相邻的压电结构相连。
另一个电极6位于压电结构的内表面或下表面上。这个电极用作有源电极并且与驱动电路相连并且可以有选择地根据驱动信号被激励。
压电材料通过在电极之间施加场被极化以便在沿箭头5所示的方向上极化它。平面区域8a优选没有被极化。由此形成的极化的激励器结构能够被偏转以便通过在电极之间施加电压而从喷射室喷射液滴。
施加的场使激励器结构的壁8b和8c根据极化和施加的场的方向变薄和伸长或变厚和变短。这具有将激励器结构的平面移出主体元件2的平面的效果。壁的角度提供了改善激励器的喷射能力的杠杆比率(gearingratio)。
如图12所示，隔膜板10可以连接到主体以便使墨室12与压电结构8分离。聚合或橡胶材料13可以提供在压电结构的外表面和隔膜10之间以便增加由硅主体2提供的结构稳定性。所示材料应相对硬以便维持隔膜板的效率。已经发现硅橡胶特别适合，因为它具有低的剪切模量和高的体积模量。如果设置硅橡胶且没有隔膜板，通过施加聚对二甲苯基或一些其他的钝化剂涂层能够保护墨水免受化学侵袭。
盖板14跨过开口并用于与主体一起限定喷射室12。越过压电结构的壁的电压施加将隔膜偏转到室内以便促成压力波传播，该压力波传播致使从喷嘴16喷射液滴。隔膜移动的距离为10纳米的数量级。
图13A到D示出了根据本发明制造元件的方法。首先，在图13A中，设置厚度优选为500微米到1毫米的硅主体2，该硅主体2具有形成在其内的开口4。开口为伸长的且具有1毫米乘6微米的数量级的相对尺寸。
插入件18设置用于协助模制工艺。它们是塑料材料并且优选通过射塑技术形成，所述塑料材料在压电结构的形成过程中或之后被去除。可以要求其他的机械或烧蚀工艺以便取得合适的轮廓。
模型20设置在开口内并用于给压电结构提供形状，所述压电结构形成在模型和可去除的插入件之间。压电浆从端口(未示出)注射到设置在模型内的腔内。设置板22用于封闭腔。可去除的插入件18是牺牲的，因为它们在后继工艺步骤期间可以被破坏。
压电浆包括悬浮在环氧材料的母体内的压电微粒，以便通常处于接触。环氧树脂被允许通过施加热量(或如果其是UV可固化环氧树脂，通过使用UV光线)在腔内硬化以便提供初始结构。模型和板22被去除。
主体、压电结构和可去除插入件然后被加热以便烧结压电微粒并且烧掉可去除的插入件和环氧树脂母体。由于硅主体支撑压电结构，因此每个结构被显著地隔离并且烧结工艺期间的压电结构的收缩可以横跨主体宽度控制。烧结工艺形状激励器结构。实际的壁形成在壁厚优选为15到70微米之间的压电结构内。
电极材料通过真空溅射，化学镀或其他合适的技术顺序地沉积在压电结构的内外表面上。沉积的电极方便地用于在制造工艺期间提供极化场并且在激励器结构操作期间提供驱动场。
图14A到C示出了制造本发明元件的另一个方法。在图14A中，硅主体通过反应离子蚀刻而被蚀刻。这产生了具有自然锥度的开口，所述锥度可以通过任何已知的技术增大。
压电结构可以通过如上参考图13所述的模制技术或通过由真空或压力成形等敷设多个压电材料片形成。在烧结压电结构以便形成激励器结构后，在图14B中，主体的一些部分被蚀刻掉以便使压电结构自由，如图14C所示。蚀刻的特别优选的方法是反应离子蚀刻(RIE)。RIE是选择性工艺，其将去除硅同时不影响激励器结构。电极再次利用已知的技术施加。
合适地，所述元件可以利用MEMS平行处理技术另外形成。这种工艺将参考图15描述。
在图15A中提供硅板100，在其上溅射种板102，图15B。将二氧化硅涂层14溅射到种板和沉积在为被涂覆的硅表面上的氮化硅层106上，图15C和D。光致抗蚀剂108然后通过旋涂等工艺施加到氮化硅层上，图15E。
光致抗蚀剂108的一部分110被掩膜和曝光，图15F，并且顺序地被显影和去除，图15G。氮化硅16的曝光部分被蚀刻以便暴露硅100，图15H。剩余的光致抗蚀剂108然后被去除，图15I。
一层新的光致抗蚀剂112被如上所述地沉积和曝光114及显影。被显影的光致抗蚀剂暴露的区域通过图15J、15K、15I和15M示出的任何合适的方法被填充以金属材料116。
未显影的光致抗蚀剂112被去除，图15N，形成由光致抗蚀剂120覆盖的一层氮化硅118，图15O。光致抗蚀剂被曝光122和显影，图15P。氮化硅未被涂层的部分被蚀刻且去除剩余的氮化硅，图15Q。
金属镀层124被溅射涂覆到基板上，图15R，从而在一些下轨迹116之间形成连接。另一个光致抗蚀剂126的涂层被沉积，图15S，并且被曝光和显影。镀层的现在的曝光部分被蚀刻以便暴露硅，图15T。
剩余的光致抗蚀剂被去除并且硅通过湿蚀刻，反应离子蚀刻或深反应离子蚀刻而被蚀刻以便形成沟道128，图15U。
金属镀层掩膜然后被去除并且施加在被蚀刻的沟道的内表面之上延伸的另一个种板130，图15V和图15W。所述种板能够形成反应电极和用于压电材料132的键控点，所述压电材料沉积在开口内以便形成具有凹的横截面的激励器，图15X。压电材料被加热以便形成刚性激励器结构，并且内部电极134顺序地形成，图15Y。
激励器元件的内部电极和顶表面被涂覆一层氮化硅136保护层，如图15Z所示。相反，激励器元件的下侧被施加一层光致抗蚀剂138，光致抗蚀剂138被后继地曝光140和显影。掩膜用于蚀刻氮化硅层104，图15AA，图15AB和图15AC。
然后，施加一层新的光致抗蚀剂142层，曝光144和显影并且暴露通过蚀刻被后续去除的溅射板102的一部分，图15AD、图15AE和图15AF。
接下来，硅基板被从下侧蚀刻以便使压电激励器结构自由。二氧化硅层被去除并且连接柔性隔膜板146，图15AG，图15AH和图15AI。
图16A到16C示出了利用柔性绿色压电带或片制造元件的方法，且现在可商业上得到。柔性片26很松地与主体的底表面相邻放置，具有端口30的盖板28位于主体的相对侧。端口用于使主体内的开口经受降低的压力，所述降低的压力使得柔性压电片变形到如图16C所示的开口内。可选地，另一侧可以经受高的压力以便强制柔性片变形到开口内的模型特征的形状。
主体和片经历这样的步骤，该步骤将柔性片固定到开口内并且热处理它以便形成激励器结构。剩留在开口外的片的部分在沉积电极材料之前(例如通过研磨)被去除。
图17A到17C示出了另一个实施例。在该实施例中，利用在制造期间作为支撑和模型特征且当其被用于喷射液滴时在激励器结构的操作期间进步用作支撑的主体形成激励器结构。硅主体首先形成突起32，所述突起是均相硅或附加的模制元件。压电材料模制到突起周围并且然后被烧结以便形成压电结构24。开口34在烧制的压电结构后面、在主体内开口，以便使其自由并且突起也被类似地去除。如上所述，当突起是硅时，去除突起的优选方法是反应离子蚀刻。
如果模型特征是由硅以外的其他材料制成，其可以通过沉积或形成结构而被提供。例如，所述材料可以为光致抗蚀剂。通过使用这种材料，可以使激励器自由且不去除任何硅材料。形成的压电结构可以为半管状并且具有开口端部，光致抗蚀剂通过该开口端被清洗。
用于去除硅的反应离子蚀刻技术的另一个优点是其是一个没有去除压电结构的选择性工艺。
盖板114后续地与喷嘴16相连，通过喷嘴16墨水从喷射室12喷出。代替使用硅主体，可以使用金属主体或其他材料。这也能够形成喷射流体通过其被喷射出的喷嘴特征。
在上面所有的实施例中，盖板14、主体2和压电结构24限定了喷射通道。在可选的实施例中，如图18A和18B所示，喷射通道由平面盖板和压电结构限定。
压电结构6形成为如上面图13和16所示，然而，压电结构的内表面限定了喷射通道而不是外表面。
平面盖板可以为被支撑在金属板上的聚酰亚胺，单独的聚酰亚胺或电化成型喷嘴板。可以理解的是，可以在激励器结构的内表面之上设置钝化剂，由此保护电极免受化学侵袭。
喷射室12是伸长的且具有位于两端的两个端口13。在操作中，产生墨水流，所述墨水流通过一个端口进入通道且经由另一个端口从通道通过。墨水流优选足以去除捕集在通道内的脏物和气泡。所述墨水流可以是连续的，即当墨水被喷射时和当墨水没有被喷射时其都穿过所述室。
电压施加到压电结构上以便使通道的基部朝着喷嘴16或远离喷嘴16移动。这就创立了沿通道上下纵向行进的声学压力波。在与供墨口11和13的位置相应的位置，压力波被声学边界反射并且向回传播到通道以便在喷嘴会聚并且喷射液滴。
所述结构也可以修改为如图19A和19B所示。在该实施例中，图18中的盖板被装有喷嘴板的柔性隔膜代替。然而隔膜和喷嘴板被示出为单独的元件，当然，也可以以单个元件设置它们。
在使用中当压电结构变形时，柔性隔膜也变形。墨水被允许通过参考图7描述的通道循环。进口和出口设置在单独的板15内。
当然也可以将激励器结构形成在基底上并且其位于开口内，如图20和21所示。
图20示出的布置具有与图19类似的封闭类似处，差别在于压电结构6形成在平面主体上，所述平面主体用作限定端口11和13的盖板15，以及喷嘴板19被直接承载在压电结构上。
在图21所示的可选实施例中，半圆筒形压电结构6形成在用作盖板和喷嘴板的板15上。结构6例如利用先前所述的技术之一形成，并且在制造期间被支撑在光致抗蚀剂或其他被后继烧掉的牺牲材料上。形成在压电结构外表面和内表面上的电极7和8在制造期间用于沿箭头所示方向极化压电材料并且在使用中用于施加激励场。压电结构的厚度优选为大约15微米且通道宽度大约为200微米而长度为大约1毫米。盖/喷嘴板的厚度可以在25到125微米之间。如果合适，喷嘴可以形成在与某种程度上较厚的盖板接合的单独的喷嘴板内。
利用压电激励器，可以实现许多不同形式的激励，包括直接模式、剪切模式或弯曲模式。直接模式使用压电材料的d33和d31模式和剪切模式15。
本发明说明书和/或权利要求和附图中公开的每个特征可以单独设置也可以以任何合适的组合设置。来自一个实施例的任何单独的模式可以包括在其他实施例中。从属权利要求的任何特征可以并入其没有引用的权利要求中。
同样，任何描述的开有通道的元件和任何描述的激励器元件可以一起使用。
权利要求
1.一种用于按需滴落喷墨打印机的激励器元件，所述元件包括具有顶表面的主体，位于所述顶表面内且沿开口轴线延伸到所述主体内的开口，大体位于所述开口内的激励器结构，和电极装置；所述电极装置设置为能够将场施加给所述激励器结构以便使所述激励器结构变形。
2.根据权利要求1所述的元件，其中所述开口从所述顶表面延伸到与顶表面相对的底表面。
3.根据权利要求1或2所述的元件，其中所述激励器结构是隔离的激励器结构。
4.根据上述权利要求中任一项所述的元件，其中所述激励器结构延伸为越过所述开口的不可渗透过的壁。
5.根据上述任一项权利要求所述的元件，其中所述激励器结构沿所述开口轴线成锥形。
6.根据权利要求5所述的元件，其中所述激励器包括位于所述锥形的端部的平的部分；所述平的部分包括上表面和下表面；所述上表面和下表面与所述顶表面和底表面平行。
7.根据权利要求6所述的元件，其中所述上表面位于所述顶表面的平面内。
8.根据权利要求6或7所述的元件，其中所述下表面位于所述开口内。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的元件，其中所述顶表面和所述底表面都能够沿开口方向移动。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的元件，其中所述激励器结构是凸起的。
11.根据上述权利要求中任一项所述的元件，其中多个开口被设置；所述开口中的每一个包括相应的激励器机构。
12.根据上述权利要求中任一项所述的元件，其中所述开口由至少一个开口表面限制边界；所述至少一个开口表面中的每一个都垂直于所述顶表面的平面。
13.根据权利要求12所述的元件，其中所述开口表面在所述开口周围径向地延伸。
14.根据权利要求12所述的元件，其中设置多个开口表面。
15.根据权利要求14所述的元件，其中所述多个开口表面限定了在垂直于所述开口轴线的方向上伸长的开口；所述开口为通道。
16.根据权利要求7-10中任一项所述的元件，其中所述激励器结构在连接点处连接到所述开口表面。
17.根据权利要求11所述的元件，其中所述连接点在所述开口的周围延伸。
18.根据上述权利要求中任一项所述的元件，其中所述激励器由电致伸缩材料制成。
19.根据权利要求18所述的元件，其中所述电致伸缩材料是锆钛酸铅陶瓷。
20.一种用于沿液滴飞行方向喷射液滴的元件，所述元件包括激励器结构，所述激励器结构能够通过沿所述液滴飞行的方向的激励而移动；所述激励器部分地限定了喷射室并且包括所述液滴通过其被喷射的端口。
21.根据权利要求20所述的元件，进一步包括电极装置，所述电极装置设置为能够将场施加给所述激励器结构，以便使所述激励器结构变形。
22.根据权利要求20或21所述的元件，其中所述激励器结构包括限定了用于伸长的通道的伸长的通道壁。
23.根据权利要求22所述的元件，其中所述激励器结构提供了正交于通道长度截取横截面时的凸起的横截面。
24.根据权利要求23所述的元件，其中所述端口设置在所述凸起的横截面的顶上。
25.根据权利要求22所述的元件，其中所述激励器结构的横截面在所述液滴飞行的方向上成锥形。
26.根据权利要求25所述的元件，其中所述激励器包括在所述锥形的端部的平坦部分；所述平坦部分包括上表面和下表面；所述上表面和下表面位于垂直于所述液滴飞行的方向的平面上。
27.根据权利要求20-26中任一项所述的元件，其中所述激励器结构为同质的。
28.根据权利要求20-27中任一项所述的元件，其中所述激励器结构安装到基部上；所述基部提供了所述喷射室的一个壁。
29.一种用于形成喷墨打印头用元件的方法，包括以下步骤a)提供具有模型特征的主体；b)形成可变形的激励器结构，所述激励器结构的形状至少部分地由所述模型特征限定；c)去除所述模型特征的至少一部分；和d)提供电极装置，所述电极装置设置为能够将场施加给所述激励器结构以便使所述激励器结构变形同时所述激励器结构连接到所述主体。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述模型特征通过将材料添加到所述主体的表面设置。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述表面为顶表面。
32.根据权利要求30所述的方法，其中所述表面是限定了延伸到主体内的开口的边界的表面。
33.根据权利要求30所述的方法，其中所述材料为光致抗蚀剂。
34.根据权利要求29所述的方法，其中所述模型特征通过从所述主体的表面去除材料而设置。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述材料通过蚀刻被去除。
36.根据权利要求29所述的方法，其中形成所述电极装置的步骤包括形成第一电极层的第一步骤和形成第二电极层的第二步骤。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述第一电极层在形成所述可变形的激励器结构之前形成。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述第一电极装置浸没在包括分散的微粒的悬浮液中。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述分散的微粒包括压电材料。
40.根据权利要求38或39所述的方法，其中沉积电极浸没在具有所述第一电极装置的悬浮液中，用于在它们之间施加电压并且由此将所述分散的微粒沉积在所述第一电极装置上。
41.根据权利要求36-40中任一项所述的方法，其中所述第二电极层在形成所述可变形的激励器结构之后形成。
42.根据权利要求29所述的方法，其中用于去除至少一部分模型特征的步骤通过蚀刻实现。
43.根据权利要求29所述的方法，其中用于去除至少一部分模型特征的步骤通过清洗实现。
44.根据权利要求29所述的方法，其中用于去除至少一部分模型特征的步骤通过施加热实现。
45.一种用于形成喷墨打印头用元件的方法，包括以下步骤a)提供具有顶表面的主体；b)在所述顶表面内形成开口，且所述开口延伸到所述主体内；c)在所述开口内形成激励器结构；所述激励器结构在激励期间仍与所述主体相连。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述激励器结构是隔离的激励器结构。
47.根据权利要求45或46所述的方法，包括形成多个开口的步骤。
48.根据权利要求45所述的方法，其中所述开口通过从所述顶表面蚀刻材料而形成。
49.根据权利要求48所述的方法，其中掩膜被施加到所述主体上并且由此开口形成为随着增加深度而逐渐变细。
50.根据权利要求45-49中任一项所述的方法，其中电极装置施加到所述开口的内表面上。
51.根据权利要求50所述的方法，其中所述电极装置浸没在包括分散的微粒的悬浮液中。
52.根据权利要求51所述的方法，其中所述分散的微粒包括压电材料。
53.根据权利要求51或52所述的方法，其中沉积电极浸没在具有所述第一电极装置的悬浮液中，用于在它们之间施加电压并且由此将所述分散的微粒沉积在所述第一电极装置上。
54.根据权利要求53所述的方法，其中所述沉积的分散微粒被加热以便形成所述激励器结构。
55.根据权利要求45-49中任一项所述的方法，包括将包括微粒的浆液供给到所述开口内的步骤，所述浆液至少部分地符合所述开口的形状。
56.根据权利要求55所述的方法，所述微粒为压电材料。
57.根据权利要求55或56所述的方法，其中所述浆液被热处理以便形成所述激励器结构。
58.根据权利要求45-49中任一项所述的方法，其中压电材料柔性片通过对其施加压力差而被放置到所述开口内，所述柔性片至少部分地符合所述开口的形状。
59.根据权利要求58所述的方法，其中所述柔性片被热处理以便形成所述激励器结构。
60.根据权利要求45-49中任一项所述的方法，其中压电材料薄膜被利用溅射工艺沉积到所述开口内，所述薄膜至少部分地符合所述开口的形状。
61.根据权利要求59所述的方法，其中所述溅射工艺包括铅、钛、锆三金属目标。
62.根据权利要求60-61中任一项所述的方法，其中所述薄膜被热处理以便形成所述激励器结构。
63.一种用于按需滴落喷墨打印机的开有通道的元件，包括限定了多个伸长液体通道的伸长通道壁，每个通道都包括在正交于通道长度的激励方向上可弹性变形的一个壁；在其长度中间点与通道相连的相应喷嘴；液体供给源，用于沿所述通道提供连续的液体流；位于通道相应的相对端部的声学边界，用于反射通道的液体内的声波，其中声学边界的通道之间的间隔不同于所述喷嘴的通道之间的间隔。
64.根据权利要求63所述的开有通道的元件，其中所述声学边界的通道之间的间隔小于所述喷嘴的通道之间的间隔。
65.根据权利要求63所述的开有通道的元件，其中所述通道为人字形。
66.根据权利要求65所述的开有通道的元件，一系列人字形通道布置到直通道的一侧，所述人字形通道的角度随着距所述直通道的距离增加而变得更加尖锐。
67.根据权利要求66所述的开有通道的元件，其中第二系列相反的人字形通道布置在所述直通道的相对侧。
68.根据权利要求63-67中任一项所述的开有通道的元件，其中所述通道布置在瓦片上，喷嘴阵列越过所述瓦片线性延伸。
69.根据权利要求68所述的开有通道的元件，其中多个相同的瓦片沿相应边对接在一起，并且其中设置喷嘴阵列，所述喷嘴阵列越过所述相同瓦片和越过所述对接点具有相等的线性喷嘴间隔。
70.根据权利要求69所述的开有通道的元件，其中所述相应边是锯齿状的。
71.根据权利要求70所述的开有通道的元件，其中所述相应边的锯齿形被交错。
72.一种参考图1-21所述的上述设备。
73.一种参考图1-21所述的上述制造方法。
全文摘要
一种按需滴落喷墨打印机，具有无源元件(14)，所述无源元件限定了具有各自喷嘴(16)的喷射室(12)；和激励器元件，所述激励器元件包括具有开口的主体(12)和位于开口内的激励器结构(8)。激励器结构通过从浆液模制由压电材料构成或通过使用被烧掉的模型由柔性片真空形成。也可以采用MEM的技术以便利用后继的掩膜沉积，深蚀刻和类似工艺步骤在硅晶片上建立所述结构。
文档编号B41J2/14GK1723128SQ200380105563
公开日2006年1月18日 申请日期2003年12月22日 优先权日2002年12月20日
发明者斯蒂芬·坦普尔, 罗伯特·哈维, 罗伯特·乔纳森·洛, 保罗·雷蒙德·德鲁里 申请人:萨尔技术有限公司