专利名称：带有隔离的喷嘴控制器的喷墨打印头的制作方法
技术领域：
本发明涉及喷墨打印头，尤其涉及一种具有一个喷嘴阵列的喷墨打印头，其该喷嘴阵列中的每个喷嘴都为一个带有外装控制器的移动喷嘴。
背景技术：
共同待批的专利申请与本发明有关的各种方法、系统和装置在下列共同待批的专利申请中揭示。这些专利申请是本发明的专利申请人或受让人与本发明同时申请的PCT/AU00/00518，PCT/AU00/00519，PCT/AU00/00520，PCT/AU00/00521，PCT/AU00/00522，PCT/AU00/00523，PCT/AU00/00524，PCT/AU00/00525，PCT/AU00/00526，PCT/AU00/00527，PCT/AU00/00528，PCT/AU00/00529，PCT/AU00/00530，PCT/AU00/00531，PCT/AU00/00532，PCT/AU00/00533，PCT/AU00/00534，PCT/AU00/00535，PCT/AU00/00536，PCT/AU00/00537，PCT/AU00/00538，PCT/AU00/00539，PCT/AU00/00540，PCT/AU00/00541，PCT/AD00/00542，PCT/AU00/00543，PCT/AU00/00544，PCT/AU00/00545，PCT/AU00/00547，PCT/AU00/00546，PCT/AU00/00554，PCT/AU00/00556，PCT/AU00/00557，PCT/AU00/00558，PCT/AU00/00559，PCT/AU00/00560，PCT/AU00/00561，PCT/AU00/00562，PCT/AU00/00563，PCT/AU00/00564，PCT/AU00/00565，PCT/AU00/00566，PCT/AU00/00567，PCT/AU00/00568，
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在我们的共同待批的美国专利申请(申请号09/112,821)中概要介绍了一种移动喷嘴装置。这种移动喷嘴装置通过一种磁控元件调节来控制移动喷嘴的位移，从而控制墨水的喷出。
这种设计的一个问题是，移动喷嘴装置的部件必须进行憎水处理，以防止墨水进入控制器区域中。
本发明提供了一种不需要进行憎水处理的移动喷嘴装置。
发明内容
本发明提供了一种喷墨打印头，包括至少一个用于容置墨水的喷嘴腔；至少一个限定有与所述喷嘴腔流体连通的开口的喷嘴；及至少一个连接于所述喷嘴并与所述容置于喷嘴腔中的墨水相隔离的控制器，在使用中，所述控制器控制所述喷嘴通过所述开口由所述喷嘴腔喷射墨水。
在本发明中，“喷嘴”一词应理解为带有一个开口的元件，而不是开口本身。
喷嘴可带有一个花冠部分(该花冠部分构成喷嘴的开口)以及从花冠部分延伸的裙边部分，该裙边部分构成喷嘴腔外壁的第一部分。
打印头的喷嘴腔的底面上有一个墨水入口孔，周围还有一圈围墙，该围墙构成喷嘴腔的外壁的第二部分。上述裙边部分可以相对于基片移动，更具体地说，该裙边部分可以相对基片往复位移，向前位移时，墨水得以喷出，向后位移时，可以向喷嘴腔中补充墨水。在裙边部分位移时，上述围墙可以作为抑制装置，防止墨水从喷嘴腔中漏出。而且，该围墙最好具有内卷的唇边部分或刮拭部分，以作为一种密封手段。虽然上述唇边部分与裙边部分之间有一定间隙，但由于墨水粘度较高而且该间隙非常窄，当喷嘴向基片移动时，唇边或刮拭部分可以防止墨水漏出。
上述控制器最好是一种热弯曲控制器，可以由两根横梁构成，其中的一根横梁作为主动梁，另外一根作为被动梁。“主动梁”是指在控制器起动时，电流会流过该梁，而“被动梁”上此时没有电流通过。由于控制器的特殊构造，当电流流过主动梁时，主动梁由于电阻生热作用而发生膨胀，由于被动梁是受限的，所以弯曲运动被传给连接部件，从而使喷嘴产生位移。
上述梁可以在一端使用锚片固定，另一端从基片向上延伸并与连接部件相连。连接部件包括一条臂，臂的一端与控制器相连，另一端连接喷嘴，形成一种悬臂结构。因此，与控制器相连的一端的弯曲运动在另一端被放大，使喷嘴产生所需的位移。
打印头可以有多个喷嘴，每个喷嘴都有排列在基片上的对应的控制器和连接部件。每个喷嘴和其控制器和连接部件构成一个完整的喷嘴组件。
打印头可由平面集成电路沉积、平版印刷和刻蚀工艺制造，而且喷嘴组件也可以使用这些工艺制作在打印头上。
基片可以带有一集成的驱动电路层。该集成驱动电路层可以使用CMOS加工工艺制造。
下面结合附图详细介绍本发明图1是根据本发明实现的喷墨打印头的喷嘴组件的立体示意图；图2到图4是图1中的喷嘴组件的动作的立体示意图；图5是构成喷墨打印头的喷嘴阵列的立体图；图6是图5的喷嘴阵列的局部放大图；图7是带有一个喷嘴保护帽的喷墨打印头的立体图；图8a到8r是在喷墨打印头上制造喷嘴组件的步骤立体图；图9a到9r是制造步骤的侧面剖视图；图10a到10k所示为在制造过程的各步骤中使用的模板布局；图11a到11c是根据图8和图9的方法制造的喷嘴组件的动作的立体图；图12a到12c是根据图8和图9制造的喷嘴组件的动作的侧面剖视图。
具体实施例方式
图1所示为根据本发明实现的一个喷嘴组件10。一个喷墨打印头带有多个上述喷嘴组件10，该喷嘴组件在硅基片16上形成一个阵列14(见图5和图6)。喷嘴阵列14将在下面详细说明。
组件10包括一块沉积有一层电介质层18的硅基片(或者说硅晶片)16。在电介质层18上沉积有一层CMOS钝化层20。
每个喷嘴组件10包含一个带有喷嘴开口24的喷嘴22、一个杠杆臂26形式的连接部件，以及一个控制器28。杠杆臂26把控制器连接到喷嘴22上。
如图2到图4所示，喷嘴带有一个花冠部分30，从花冠部分30上延伸出一个裙边部分32。裙边部分32构成喷嘴腔34的外壁(见图2到图4)的一部分。喷嘴开口24与喷嘴腔34的液路相通。需要注意的是，喷嘴开口24有一圈凸缘36，该凸缘36使喷嘴腔34中的墨水40在凸沿上形成一个弯月面38(见图2)。
在喷嘴腔34的底部46上带有一个墨水入口孔42(如图6中所示)。墨水入口孔42与通过硅基片16的墨水进入通道48相通。
墨水入口孔42的外圈有一圈围墙50，围墙从底部46向上延伸。上述喷嘴22的裙边部分32构成喷嘴腔34外壁的第一部分，上述围墙50构成喷嘴腔34的外壁的第二部分。
围墙50的自由端具有向内翻转的唇边52，该唇边起密封墨水的作用，当喷嘴22移动时，唇边52可以阻止墨水漏出。由于墨水40的粘度较高，而且唇边52与裙边部分32之间的间隙非常小，在墨水40的表面张力作用下，唇边52起到密封墨水的作用，防止墨水40从喷嘴腔34中漏出。
控制器28是一种热弯曲型调节装置，它与从硅基片16向上延伸的(更确切地说是从CMOS钝化层20向上延伸)锚片54连接。锚片54安装在导电垫片56上，导电垫片56作为与控制器28连接的电力连接通路。
控制器28包括第一个梁(58，主动梁)和第二个梁(60，被动梁)，主动梁在被动梁的上面。在一个较佳实例中，梁58和梁60都由导电陶瓷材料构成或含有导电陶瓷材料(例如氮化钛TiN)。
梁58和梁60的第一端都固定到锚片54上，另一端与杠杆臂26连接。当电流通过主动梁58时，梁58会由于电阻生热效应发生热膨胀。而被动梁60上没有电流通过，所以不会与主动梁58一起同时膨胀，因此，梁58和梁60会产生弯曲运动，导致杠杆臂26和喷嘴22向硅基片16位移，如图3所示。此时，墨水会通过喷嘴开口24喷射出来，如图3中的62。当主动梁58上的热源消除后，即停止电流，喷嘴22将返回到其静态位置，如图4所示。当喷嘴22返回到其静态位置时，由于墨滴颈部被断开，会产生一滴墨64，如图4中标号66所示。然后，墨滴64落到打印媒质上，例如一张纸。由于墨滴64的形成，会产生一个如图4所示的反向弯月面68，。反向弯月面68导致墨水40流入喷嘴腔34，从而立即形成一个新的弯月面38(见图2)，为从喷嘴组件10喷出下一滴墨水做好准备。
现参考图5和图6，其中更详细地描绘了喷嘴阵列14。喷嘴阵列14用于四色打印头。所以，该喷嘴阵列14由4个喷嘴组件组70构成，每一个喷嘴组件组提供一种颜色。每个喷嘴组件组70中的喷嘴组件10设置为两个喷嘴组件排72和74。图6中更详细地画出了喷嘴组件组70中的一个喷嘴组件10。
为了更紧密地包装喷嘴组件排72和74中的喷嘴组件10，喷嘴组件排74中的喷嘴组件10相对于喷嘴组件排72中的喷嘴组件10错开一定距离或交错排列。而且，喷嘴组件排72中的喷嘴组件10之间的距离足够大，以使喷嘴组件排74中的喷嘴组件的杠杆臂26通过喷嘴组件排72中相邻的喷嘴组件10。需要说明的是，每个喷嘴组件10都是哑铃形的，因此，喷嘴组件排72中的喷嘴22嵌套于喷嘴组件排74中的相邻喷嘴组件10的喷嘴22和控制器28之间。
而且，为了便于更紧凑地包装喷嘴组件排72和74中的喷嘴22，每个喷嘴22都是六边形的。
业界人士很容易知道，在实际使用中，当喷嘴22向硅基片16移动时，由于喷嘴开口24与喷嘴腔34有一个小角度，所以墨水在喷出时会稍稍偏离垂直方向。而图5和图6中的设计克服了这个问题。在上述两个图中，喷嘴组件排72和74中的喷嘴组件10的控制器28沿同一方向延伸到喷嘴组件排72和74的一侧。因此，从喷嘴组件排72中的喷嘴22喷出的墨滴与从喷嘴组件排74中的喷嘴22喷出的墨滴相互平行，从而提高了打印质量。
而且，如图5所示，硅基片16带有一些粘结垫76，这些粘结垫提供了经垫片56向喷嘴组件10的控制器28的电连接。这些电连接通过CMOS层(图中没有示出)形成。
请参考图7所示的本发明的一个实例。同时参考前图，两张图纸中的符号是相互对应的。
在本实例中，在喷嘴阵列14的硅基片16上安装了一个喷嘴保护帽80。喷嘴保护帽80带有一个主体部分82，该主体部分82具有多个通道84。通道84与阵列14中的喷嘴组件10的喷嘴开口24相对应，当墨水从任何一个喷嘴开口24喷出时，墨滴在打到打印媒质之前会通过相应的通道84。
主体部分82与喷嘴组件10有一定间隙，由支杆或者说支柱86支撑。其中一个支柱86带有一个进气开口88。
在使用时，当阵列14工作时，空气从进气开口88被吸入，并与墨水一起通过通道84。
由于空气通过通道84的速度与墨滴64的速度不同，所以墨滴64不会受空气的影响。例如，墨滴64从喷嘴22喷出的速度大约为3米/秒，而空气通过通道84的速度大约为1米/秒。
空气的作用是使通道84不会夹杂异物颗粒。如果某些异物(例如灰尘颗粒)落入到喷嘴组件10中，会对喷嘴产生不良影响。采用由喷嘴保护帽80的进气开口88强制送气的方式，能够在很大程度上避免上述问题。
请参考图8到图10，其中示出了制造喷嘴组件10的工艺过程。
从硅基片(或者说硅晶片)16开始，在硅基片16的表面沉积一层电介质层(或者说氧化物层)18。该电介质层18是一层1.5微米厚的CVD氧化物。在电介质层18上加一层抗蚀剂，然后使用模具100进行印刷处理。
经过印刷处理后，使用等离子刻蚀方法把电介质层18刻蚀到硅基片16的层上，然后去掉抗蚀剂，清理电介质层18，经过上述步骤，墨水入口孔42就形成了。
在图8b中，在电介质层18上沉积0.8微米厚度的铝102，然后加一层抗蚀剂，使用模具104进行印刷处理。然后，采用等离子刻蚀方式把铝102刻蚀到电介质层18，去掉抗蚀剂，对该层进行清理。此工艺步骤形成了粘结垫以及与喷墨控制器28的互连通道。互联通道连接到一个NMOS驱动晶体管和一个电源层，连接线路在CMOS层(图中没有示出)形成。
然后，在所得到的装置上再沉积0.5微米厚的PECVD氮化物，作为CMOS钝化层20。在钝化层20上加一层抗蚀剂，然后使用模具106进行印刷处理。经过印刷处理后，使用等离子刻蚀方法把氮化物刻蚀到铝102的层上，在墨水入口孔42区域，应刻蚀到硅基片16的层上。去掉抗蚀剂，然后对设备进行清理。
在钝化层20上旋压一层牺牲层108。该层108是6微米厚的感光聚酰亚胺或4微米厚的高温抗蚀剂。把层108烘干，然后使用模具110进行印刷处理。印刷处理后，如果层108由聚酰亚胺材料制成，那么应在400℃温度下对其烘烤1小时；如果层108由高温抗蚀剂构成，那么应在300℃以上的温度对其烘烤1小时。需要注意的是，在设计模具110时，应考虑到由缩水所导致的牺牲层108的图案扭曲。
下一步，如图8e所示，在产品上加第二层牺牲层112。牺牲层112可以是旋压的2微米厚的感光聚酰亚胺，也可以是1.3微米厚的高温抗蚀剂。牺牲层112烘干后，使用模具114进行印刷处理。经过印刷处理后，对于由聚酰亚胺构成的牺牲层112，应在400℃下烘烤1小时；对于由高温抗蚀剂构成的牺牲层112，应在300℃以上的温度下烘烤1小时左右。
然后，在产品上沉积一层0.2微米厚的多层金属层116。该金属层116的一部分将构成控制器28的被动梁60。
金属层116的加工方法是在300℃左右溅射1000厚的氮化钛TiN，然后溅射50厚的氮化钽TaN，然后溅射50厚的氮化钽TaN和1000厚的氮化钛TiN，最后再溅射1000厚的厚的氮化钛TiN。
也可以使用TiB2、MoSi2或(Ti，Al)N代替TiN。
然后，对金属层116使用模具118进行印刷处理，然后使用等离子刻蚀方法刻蚀到牺牲层112，下一步，小心地去掉加在金属层116上的防蚀剂，注意不要伤及牺牲层108或112。
下一步，在金属层116上旋压一层4微米厚的感光聚酰亚胺或2.6微米厚的高温抗蚀剂，形成第三层牺牲层120。牺牲层120经过烘干后，使用模具122进行印刷处理。然后进行热烘。对于聚酰亚胺，应在400℃下对牺牲层120烘烤1小时左右；对于高温抗蚀剂，应在300℃以上对牺牲层120烘烤1小时左右。
下一步，在牺牲层120上再沉积第二层多层金属层124。金属层124的成分与金属层116相同，工艺方式也相同。需要说明的是，金属层116和金属层124都是导电层。
然后，使用模具对金属层124进行印刷处理。下一步使用等离子刻蚀方法把金属层124刻蚀到牺牲层120(聚酰亚胺或高温抗蚀剂)，然后，把加在金属层124上的抗蚀剂层小心地揭下来，注意不要伤及牺牲层108、112或120。需要说明的是，金属层124的剩余部分将构成控制器28的主动梁58。
下一步，在金属层124上旋压一层4微米厚的感光聚酰亚胺或2.6微米厚的高温抗蚀剂，形成第四层牺牲层128。牺牲层128经过烘干后，使用模具130进行印刷处理，剩下图9k所示的孤立部分。然后，对于聚酰亚胺材料，应在400℃下对牺牲层128的剩余部分烘烤1小时；对于高温抗蚀剂材料，应在300℃以上的温度下对牺牲层128的剩余部分烘烤1小时。
请参考图81，在上述产品上再沉积一层高杨氏模量的电介质层132。电介质层132由1微米左右厚度的氮化硅或氧化铝构成。电介质层132的沉积温度应低于牺牲层108、112、120、128的热烘温度。电介质层132应具有高弹性模数、化学惰性以及对TiN的良好粘接性。
下一步，在上述产品上在旋压一层2微米厚的感光聚酰亚胺或1.3微米厚的高温抗蚀剂，形成第五个牺牲层134。牺牲层134经过烘干后，使用模具136进行印刷处理。然后，如果是聚酰亚胺材料，应在400℃下对牺牲层134的剩余部分烘烤1小时；如果是高温抗蚀剂，应在300℃以上的温度下对牺牲层134的剩余部分烘烤1小时左右。
然后，采用等离子刻蚀方法把电介质层132刻蚀到牺牲层128，注意不要伤及牺牲层134。
上述步骤形成喷嘴开口24、杠杆臂26、以及喷嘴组件10的锚片54。
下一步，在上述产品上沉积一层高杨氏模量的电介质层138。电介质层138的沉积方法是在低于牺牲层108、112、120和128的热烘温度下，沉积一层0.2微米厚的氮化硅或氮化铝。
下一步，如图8p所示，使用具有方向性的等离子刻蚀方法对电介质层138刻蚀0.35微米的深度。刻蚀的目的是从所有表面上清除电介质，仅留下电介质层132和牺牲层134的侧壁上的电介质。此步骤形成喷嘴开口24周围的喷嘴凸缘36，该喷嘴凸缘36使墨水产生上述的弯月面。
然后，在产品上加一层防紫外线(UV)胶带140，在硅基片16背面旋压一层4毫米后的抗蚀剂。然后使用模具142进行背面刻蚀处理，形成墨水进入通道48。然后从硅基片16上去掉防蚀剂。
在硅基片16的背面贴一层防紫外线UV胶带(图中没有示出)。然后去掉胶带140。下一步，把牺牲层108、112、120、128和134在氧等离子中进行处理，形成图8r和图9r中所示的最终的喷嘴组件10。为了便于参考，上述两图中的零件编号与图1中的编号相同，以反映喷嘴组件10的相关部件。图11和12所示为按照上述工艺过程制造的喷嘴组件10的工作示意图。这些附图与图2到图4对应。
业内人士很容易了解，可以根据上述实例中描述的本发明进行各种等价的变化或修改。本发明的实例只用来阐明发明内容，不应限制发明的范围。任何根据本发明进行等价变化或修改的装置都应属于本发明的范围。
权利要求
1.一种喷墨打印头，其包括至少一个用于容置墨水的喷嘴腔；至少一个限定有与所述喷嘴腔流体连通的开口的喷嘴；及至少一个连接于所述喷嘴并与所述容置于喷嘴腔中的墨水相隔离的控制器，在使用中，所述控制器控制所述喷嘴通过所述开口由所述喷嘴腔喷射墨水。
2.如权利要求1所述的打印头，其特征在于，所述喷嘴包括一个限定所述开口的花冠部分，及一个从所述花冠部分延伸的裙边部分，所述裙边部分形成喷嘴腔外壁的第一部分。
3.如权利要求2所述的喷墨打印头，其特征在于，进一步包括至少一个限定于所述喷嘴腔的一底板上的墨水入口孔，以及一个环绕所述墨水入口孔设置的围墙，所述围墙限定喷嘴腔外壁的第二部分。
4.如权利要求3所述的打印头，其特征在于，通过所述控制器的致动，所述裙边部分可以相对于所述喷嘴腔的底板移位；且所述围墙用于作为抑制墨水从所述喷嘴腔中漏出的抑制装置。
5.如权利要求1所述的打印头，其特征在于，所述控制器是一种热弯曲型控制器。
6.如权利要求5所述的打印头，其特征在于，所述热弯曲型控制器由两条梁构成，一条作为主动梁，另一条作为被动梁。
7.如权利要求6所述的打印头，其特征在于，所述控制器通过一个连接部件与所述喷嘴连接。
8.如权利要求7所述的打印头，其特征在于，所述控制器和所述喷嘴设置在一个基片上，且所述喷嘴腔设置在所述基片内；且每个梁的一端锚定到一个安装在所述基片上的锚片上，另一端与所述连接部件相连。
9.如权利要求8所述的打印头，其特征在于，所述连接部件包括一个臂，所述臂具有以悬臂方式与所述控制器连接的第一端和与所述喷嘴连接的第二端。
10.如权利要求1所述的打印头，其特征在于，包括多个相关联的喷嘴腔、喷嘴和控制器。
全文摘要
提供一种喷墨打印头，其包括一个一个用于容置墨水40的喷嘴腔34，一个限定有与喷嘴腔34流体连通的开口24的喷嘴，及一个连接于喷嘴22并与容置于喷嘴腔34中的墨水40相隔离的控制器28。使用中，控制器28控制喷嘴22通过开口24由喷嘴腔34中喷出墨水40。
文档编号B41J2/14GK1657290SQ200510053799
公开日2005年8月24日 申请日期2000年5月24日 优先权日2000年5月24日
发明者卡·西尔弗布鲁克 申请人:西尔弗布鲁克研究有限公司