专利名称：具有延长的喷嘴板的喷墨打印机及方法
技术领域：
本发明涉及微流体喷射装置。更具体地说，本发明涉及用于微流体喷射装置(例如用于打印头)的改进的喷嘴板以及用于制造包含这种喷嘴板的微流体喷射装置。
背景技术：
喷墨打印头的主要部件有半导体芯片、喷嘴板和与芯片连接的柔性TAB电路。半导体芯片优选由硅制成并且包含各种钝化层、导电金属层、电阻层、绝缘层和沉积在其装置侧上的保护层。对于热喷墨打印机而言，各个加热器电阻限定在电阻层中，并且每个加热器电阻与喷嘴板中的喷嘴孔对应，用来加热墨水并且将它朝着打印介质喷射。
通常，芯片在柔性TAB电路上的芯片窗口内安装在打印头主体上。TAB电路连接至打印头主体，并且提供与喷墨打印机中的相应触点连接的电接触片。TAB电路包括许多靠得很近的导电迹线，用来使打印头芯片与接触片(contact pad)连接。通常，金属导线跨越芯片窗口以使这些迹线与在芯片上的连接点连接。金属导线和在芯片上的连接点在打印头的制造期间以及在打印头的正常使用期间容易受到机械损坏。一旦打印头已经安装在打印机上，金属导线也容易由于暴露于墨水而受到腐蚀损坏。
例如，对于腐蚀损坏而言，芯片内的供墨通道从打印头盒中的墨水储存器接收墨水。通过毛细管作用，墨水流入这些通道，并被提供给芯片上的喷墨元件。选择地促动这些喷墨元件以使得墨滴朝着打印介质喷射。由于芯片与墨水源紧密相邻，并且由于墨水的粘度较低，所以墨水容易在芯片边缘周围流动并且与导线和迹线接触。许多墨水配方在一定程度上是导电的并且具有腐蚀性。当在TAB电路的两个导线之间的间隔填充有这种墨水并且在这些导线之间存在电势差时，电流会从一个导线穿过墨水流向另一个导线。该电流造成源导线(即作为电流来源的导线)的电化腐蚀。该腐蚀随着时间使导线变窄，并且最终将导线完全腐蚀掉，从而使得打印头芯片部分或完全不可用。
一般来说，为了防止导线出现机械和腐蚀损坏，使用了密封剂。但是，期望在打印头的结构上尤其在防止导线出现机械和腐蚀损坏方面进行改进。
发明内容
在一个实施方案中，本发明涉及微流体喷射装置，例如喷墨打印机的打印头，以及用于制造打印头的方法，这消除了对用于保护电导线的密封剂的依赖性以及使用。
在一个实施方案中，本发明提供了一种微流体喷射装置。该微流体喷射装置包括流体喷射芯片，它具有第一长度和第一宽度，并且具有第一面和第二面。芯片的第一面包括多个流体喷射促动器(actuator)和多个接合片(bond pad)。还设有柔性电路，它具有第一面和第二面、在其中的窗口以及设在窗口中的导线。柔性电路的窗口界定了芯片的范围，并且每个导线与芯片的第一面上的接合片电连接。具有第二长度和第二宽度并且包含多个喷嘴孔的喷嘴板结构被附接到柔性电路和芯片上。该喷嘴板结构与芯片的第一面以及至少导线和接合片重叠，并且在没有密封剂的情况下有效地阻止流体接触接合片和导线。
在另一个实施方案中，本发明提供了用于制造喷墨打印机的打印头的方法。该方法包括提供流体喷射芯片，它具有第一长度和第一宽度并且具有第一面和第二面。芯片的第一面包括多个流体喷射促动器和多个接合片。还提供柔性电路，它具有第一面和第二面，其中设有窗口。在窗口中设有导线，柔性电路的窗口的尺寸设定为界定了芯片的范围。提供包含多个喷嘴孔的喷嘴板，其中该喷嘴板的尺寸略小于芯片。将该喷嘴板附接到芯片上以提供喷嘴板/芯片组件。然后该喷嘴板/芯片组件附接到TAB电路上，其中每个导线通过TAB接合过程与芯片的第一面上的相应接合片电连接。提供辅助板，它具有尺寸被设定为紧紧包围喷嘴板的窗口。将该辅助板附接到柔性电路的第一面上，以使该辅助板与芯片的第一面以及至少导线和接合片重叠，并且在没有密封剂的情况下有效地阻止流体接触接合片和导线。
本发明的再一个方面提供用于制造喷墨打印机的打印头的方法。该方法包括提供附接有喷嘴板的半导体基板的步骤。还提供具有导线束的TAB电路。导线束与TAB电路电连接。提供板结构并且相对于TAB电路安装该板结构，以使它基本上覆盖导线束，防止这些导线束暴露于墨水。
在这里所述的各种实施方案中，本发明有利地使得在无需用于保护导线束的密封剂的情况下能够生产出打印头。尽管基本上没有密封剂，但是这些打印头及其制造方法能够有效地降低电导线和其上的触点的腐蚀。
本发明的另一个优点在于，基本上没有密封剂的打印头相对于用柔性带缠绕打印头以便进行运输而言具有改善的功能。具体地说，没有任何密封剂妨碍将运输带施加在喷嘴板上或者妨碍柔性带充分密封喷嘴孔的能力。
根据本发明制造的打印头的另一个优点在于，在涉及清洁打印头的维护灵活性方面的改进。没有密封剂使得刮擦器能够对打印头进行更可靠的维护。更可靠的维护在打印头的使用寿命期间提供了更高的打印品质。没有密封剂还大大降低了在打印头的维护周期内由刮擦器产生的声音。没有密封剂还降低了在将打印头封盖在打印机的帽座中时墨水通过喷嘴孔蒸发的速率。降低通过喷嘴孔蒸发的速率能够提高每个打印头的墨水利用率。
最后，根据本发明制造出的打印头通过消除了在打印介质上的主要墨水污渍源而改善了打印品质。包含有密封剂的打印头具有伸出到喷嘴板之外的密封剂材料，这会在打印操作期间会接触打印介质，由此造成介质上的墨水污渍。
结合附图，参考以下详细说明将清楚了解本发明的其它特征和优点，这些附图不是按比例绘制的，并且其中相同的标号在这几幅图中表示相同的元件，而且其中图1是现有技术打印头的一部分的未按比例绘制的剖视图；图2是图1的打印头的俯视图；图3是根据本发明一个典型实施方案的打印头的一部分的未按比例绘制的剖视图；图4是图3的打印头的未按比例绘制的俯视图；图5显示出在图3的打印头的制造过程中的步骤；图6是根据本发明一个替换实施方案的打印头的一部分的未按比例绘制的俯视图；并且图7显示出在图6的打印头的制造过程中的步骤。
具体实施例方式
本发明涉及微流体喷射装置以及用于制造这种装置的方法。该装置包括尺寸被配置为上覆并且由此保护着电导线在半导体基板部分(例如“喷射装置芯片”)和TAB电路或柔性电路之间延伸的部分。一般来说，该芯片设置在TAB电路的芯片窗口内，并且在TAB电路和芯片之间的空间或间隙保持暴露。将通常为UV或热固化粘合剂的密封材料涂覆到间隙中以及那些导线上。根据某些实施方案，本发明优选地提供这样的微流体喷射装置结构，它即使在没有使用密封剂的情况下也保护导线，因此能够如所期望的一样省去密封剂的使用，同时对导线和触点提供适当的保护以避免出现机械损坏和腐蚀。
现有技术(图1-2)参照图1，该图显示出在未按比例绘制的横截面中看到的喷墨打印头10的一部分的示意图，它显示出打印头主体12，它具有附接到芯片插槽17中的主体上的半导体基板14和附接到基板14上的喷嘴板16。喷嘴板16至少在宽度(W1)上与半导体基板14的宽度(W2)相同或比之稍小，并且使用粘合剂(例如酚丁醛胶，phenolic butyral)粘贴到半导体基板14上。基板/喷嘴板组件14/16例如通过粘合剂18(例如固晶胶，die bond adhesive)粘贴到打印头主体12中的芯片插槽17中以形成打印头10。从在打印头主体中通常对着芯片插槽17的墨水储存器中向基板/喷嘴板组件14/16供墨。
半导体基板14通常为硅半导体基板，它包含多个形成在其装置侧20上的喷射装置，例如压电装置或加热电阻。一旦促动了加热器电阻19，则使得通过在主体12中的墨水通道22和在半导体基板14中的相应墨水通道24提供的墨水穿过喷嘴板16中的喷嘴孔26朝着打印介质喷射。喷嘴板16通常由聚酰亚胺薄膜或金属制成。
另外参照图2，电迹线(未示出)从基板14上的喷射装置19(图1)延伸至位于基板14的表面20上的接触片28。导线束30使接触片28与柔性电路或柔性带自动接合(TAB)电路32(图1)电连接，以便从打印机控制器提供电脉冲，以促动基板14上的一个或多个喷墨装置。TAB电路32例如通过压敏粘合剂34(图1)或其它合适的粘合剂附接到打印头主体12上。
注意，TAB电路32的一个内部部分被切除，以限定形成包围着基板/喷嘴板组件14/16的芯片窗口35。由于窗口35在尺寸上比基板14稍大，所以在基板14和限定窗口35的TAB电路32的内周边的共同边缘之间形成间隙36，并且喷嘴板的边缘位于半导体基板14的边缘内或与之紧密相邻，以便不延伸进间隙36中。将密封剂38涂覆到间隙36的跨距部分上以保护导线束30、TAB电路32的暴露边缘以及接触片28。
为了构成上述喷墨打印头10，首先将喷嘴板16贴在基板14上。使TAB电路32与基板/喷嘴板组件14/16电连接。然后用固晶胶18和压敏粘合剂34将TAB电路/基板/喷嘴板组件14/16/32粘贴在打印头主体12上。最后，将密封材料38涂覆到接触片28和导线束30上。
图3-5如在这里所阐述的一样，本发明使用了新颖的喷嘴板结构和构造来跨过在半导体基板和TAB电路之间的间隙，由此避免了导线暴露以及对密封剂的需求。
参照图3和4，这些附图显示出在未按比例绘制的剖视图中看到的根据本发明的典型实施方案的喷墨打印头40的代表性部分。该打印头40包括打印头主体42、半导体基板44和喷嘴板结构46。喷嘴板结构46用粘合剂(例如酚丁醛胶)粘贴到半导体基板44上，以提供基板/喷嘴组件44/46。基板/喷嘴板组件44/46例如通过粘合剂48(例如固晶胶)附接到打印头主体42中的芯片插槽47中，从而形成打印头40。从在打印头主体中通常对着芯片插槽17的墨水储存器中向基板/喷嘴板组件14/16供墨。
半导体基板44优选为硅半导体基板，它包含多个形成在其装置侧50上的流体喷射装置49，例如压电装置或加热电阻。一旦促动了流体喷射装置49，则使得通过主体42中的墨水通道52和半导体基板44中的相应通道54提供的墨水穿过喷嘴板结构46中的喷嘴孔56朝着流体接收介质喷射。
喷嘴板结构46由相对较薄的聚酰亚胺薄膜制成，它包含有位于其表面上的墨水排斥涂层和位于其另一侧上用于将喷嘴板结构46粘接在基板44上的粘合剂。该薄膜优选大约为25或大约50微米厚，并且粘合剂大约为2-12微米厚。薄膜的厚度由其制造商设定。在一个实施方案中，例如通过激光烧蚀在薄膜中优选地形成流动部件(例如喷嘴)和其它流动部件，或者它们可以形成在贴在芯片的装置侧50上的单独厚膜层中。
另外参照图4，电迹线(未示出)从在基板44的喷射装置49延伸至位于基板44的表面50上的接触片58。导线束60使接触片58与柔性电路或柔性带自动接合(TAB)电路62电连接，以便从打印机控制器提供电脉冲，以促动基板44上的一个或多个喷射装置。TAB电路62例如通过压敏粘合剂64贴在打印头主体42上，并且包括切除部分以限定形成用于接纳基板44(图3)的窗口65(图4)。由于窗口65在尺寸上比基板44稍大，所以在基板44和限定窗口65的TAB电路62的内周边的共同边缘之间形成了间隙66。但是，根据本发明的一个典型实施方案，喷嘴板46有利地将尺寸设定为跨越半导体基板44和TAB电路62之间的间隙66。
在这方面，喷嘴板结构46可以优选地配置为包括喷嘴板部分67和保护板部分69，其中保护板部分69延伸越过该间隙66靠近导线束60的那部分，并且最优选的是延伸越过整个间隙66。为此，喷嘴板46的宽度尺寸可以设定为与TAB电路62的宽度基本上对应，并且因此基本上延伸至TAB电路62的边缘62a和62b。同样，喷嘴板46的长度尺寸优选设定为具有基本上延伸至TAB电路62的端部62c的端部46a。喷嘴板46的相对端部46b紧密靠近TAB电路62的相对端部62d，但是与之稍微间隔开以便不会妨碍电路62的相邻焊盘区域，该区域大体上如箭头PR所示，包绕在主体42的边缘上以提供用于与喷射器促动装置(例如打印机)连接的接触片。
如所观察到的一样，这样构成的喷嘴板结构46也上覆在导线束60上。已经观察到，按照上覆导线束60的方式设置的该构造的喷嘴板结构46令人满意地保护了导线束，并且消除了对密封剂例如前面结合现有技术装置描述的密封剂38(图1和2)的需求。喷嘴板结构例如喷嘴板结构46的使用也有利地实现制造过程的经济性。
例如参照图5，该图显示出在打印头40的制造中的多个步骤，其中消除对密封剂沉积步骤的需要。在第一步骤70中，将TAB电路62粘接在半导体基板44上以提供基板-电路组件44/62。接下来，在步骤72中，将喷嘴板结构46粘接在组件44/62上以生产出打印头40。
如所理解的一样，这能够消除其中将密封剂涂覆在导线束60上这样的步骤。
图6-7现在参照图6-7，这些图显示出打印头80的另一个实施方案，该打印头具有在不需要使用密封剂的情况下保护半导体基板和TAB电路之间的导线的结构。打印头80由具有半导体基板82和贴在其上的喷嘴板94的打印头主体81提供。喷嘴板84采用粘合剂(例如酚丁醛胶)贴在半导体基板82上以提供基板/喷嘴组件82/84。基板/喷嘴组件82/84例如通过固晶胶附接到打印头主体81的芯片插槽83中，以形成打印头80。从在打印头主体中通常对着芯片插槽81的墨水储存器中向基板/喷嘴板组件82/84供墨。
半导体基板82优选为硅半导体基板，它包含有多个形成在其装置侧上的流体喷射装置99，例如压电装置或加热电阻。一旦促动了流体喷射装置99，则使得通过主体中的通道101和半导体基板82中的相应通道103提供的墨水穿过在喷嘴板84中的喷嘴孔86朝着打印介质喷射。
电迹线从基板82上的喷射装置延伸至位于基板82的表面50上的接触片88。导线束90使接触片88与柔性电路或柔性带自动接合(TAB)电路92电连接，以便从控制器提供电脉冲，以促动基板82上的一个或多个喷射装置99。TAB电路92例如通过压敏粘合剂94贴在打印头主体81上，并且包括一个切除部分，以限定形成用于接纳基板82的窗口95。由于窗口95在尺寸上比基板82稍大，所以在基板82和限定窗口95的TAB电路92的内周边的共同边缘之间形成间隙96。
在这方面，并且根据本发明的示例性实施方案，喷嘴板84优选地由例如上面结合喷嘴板46所述的聚酰亚胺薄膜材料制成，但是与喷嘴板46不同，其尺寸一般设定为比基板82略小，从而它具有宽度W5同时基板宽度为W6。为了保护导线束90，设有辅助板或保护板98，并且其尺寸设定为延伸越过半导体基板82和TAB电路92之间的间隙96。保护板98具有内部切除部分，它限定形成了窗口100，其尺寸设定为紧密包围喷嘴板84，以便基本上覆在间隙96上，另外基本上覆盖导线束90。在这方面，窗口100优选其尺寸设定为紧密邻接或覆盖喷嘴板84的外周边，从而在它们之间的任意间隙或间距不会超过大约100微米的宽度。可选的是，可以将密封剂涂覆在喷嘴板84和保护板98的连接部分上，从而与在现有技术打印头10中所使用的密封剂38量相比，实现相对微小的密封剂量。
在一个实施方案中，保护板98的外部尺寸优选地配置为延伸越过该间隙96靠近导线束90的那部分，并且最优选的是延伸越过整个窗口或间隙96。为此，板98的宽度尺寸优选设定为与TAB电路92的宽度基本上对应，并且因此大致延伸至TAB电路92的边缘92a和92b。同样，板98的长度尺寸优选设定为具有基本上延伸至TAB电路92的端部92c的端部98a。板98的相对端部98b紧密靠近TAB电路92的相对端部92d延伸，但是与之稍微间隔开以便不会妨碍电路92的相邻焊盘区域，该区域大体上如箭头PR1所示，包绕在打印头主体81的边缘上，以提供用于与喷射器促动装置(例如打印机)连接的接触片。
这样安装的保护板98上覆在导线束90上并且保护着这些导线束，由此消除了对密封剂的需求。利用上述结构的打印头还能够有利地实现制造过程的经济性。
例如，参照图8，该图显示出在打印头80的制造中的多个步骤，其中无需密封剂沉积步骤。在第一步骤110中，将喷嘴板84贴在半导体基板82上以提供基板/喷嘴板组件82/84。在下一个步骤112中，将组件82/84粘接在TAB电路92上以提供组件82/84/92。直到这里的这些步骤对应于常规制造步骤，在常规方法中这些步骤之后将涂覆密封剂。但是，根据本发明的某些实施方案，无需涂覆密封剂的步骤，例如在步骤114中，采用粘合剂(例如酚丁醛胶)将保护板98粘接在组件上以提供基板/喷嘴组件，从而生产出打印头80。
虽然已经对本发明的各个方面和实施方案及其几项优点进行了说明，但是本领域普通技术人员将知道，本发明容易在所附权利要求的精神和范围内进行各种改进、替换和修改。
权利要求
1.一种微流体喷射装置，包括流体喷射芯片，它具有第一长度和第一宽度，并且具有第一面和第二面，所述第一面包括多个流体喷射促动器和多个接合片；柔性电路，它具有第一面和第二面、在其中的窗口以及设在窗口中的导线，其中所述柔性电路的窗口包围着所述芯片，并且所述导线中的每一个与所述芯片的第一面上的相应接合片电连接；以及喷嘴板结构，它在其中包含多个喷嘴孔，该喷嘴板结构具有第二长度和第二宽度，并且附接到所述柔性电路和芯片上，其中该喷嘴板结构与所述芯片的第一面以及至少所述导线和接合片重叠，其中，所述喷嘴板结构在没有密封剂的情况下有效地阻止流体与所述接合片和导线接触。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述喷嘴板结构包括聚酰亚胺薄膜。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述喷嘴板结构包括喷嘴板和包围着该喷嘴板的保护板。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述保护板包括聚酰亚胺材料。
5.如权利要求3所述的装置，其中，第二宽度大于第一宽度。
6.如权利要求5所述的装置，其中，第二长度大于第一长度。
7.如权利要求3所述的装置，其中，所述保护板与所述芯片的第一面以及所述导线和接合片重叠。
8.一种包括如权利要求1所述的流体喷射装置的打印头。
9.一种包括如权利要求3所述的流体喷射装置的打印头。
10.如权利要求9所述的打印头，其中，所述喷嘴板包括聚酰亚胺材料。
11.一种用于制造喷墨打印机的打印头的方法，包括以下步骤提供流体喷射芯片，它具有第一长度和第一宽度，并且具有第一面和第二面，所述第一面包括多个流体喷射促动器和多个接合片；提供柔性电路，它具有第一面和第二面、在其中的窗口以及设在窗口中的导线，其中，该柔性电路的窗口的尺寸被设定为包围所述芯片；提供其中包含多个喷嘴孔的喷嘴板，该喷嘴板的尺寸略小于所述芯片；将所述喷嘴板附接到所述芯片上，以提供喷嘴板/芯片组件；将所述喷嘴板/芯片组件附接到TAB电路上，其中，所述导线中的每一个通过TAB接合过程与所述芯片的第一面上的相应接合片电连接；提供辅助板，它具有尺寸被设定为紧紧包围所述喷嘴板的窗口；将该辅助板附接到柔性电路的第一面上，以使该辅助板与所述芯片的第一面以及至少所述导线和接合片重叠，并且在没有密封剂的情况下有效地阻止流体与所述接合片和导线接触。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述辅助板由聚酰亚胺薄膜制成。
13.一种制造微流体喷射装置的微流体喷射头的方法，包括以下步骤提供半导体基板，它包含与其表面上的接触片电连接的流体喷射装置，并将包括导线束的TAB电路电连接到所述半导体基板表面上的接触片，提供喷嘴板结构，并且相对于所述TAB电路安装所述喷嘴板结构，以便基本上覆盖所述导线束和接触片，从而使所述导线束和接触片避免暴露于由所述微流体喷射装置喷射出的流体。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述喷嘴板结构包括喷嘴板部分和从该喷嘴板部分延伸出的保护板部分。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述喷嘴板结构包括喷嘴板和单独的保护板，其中，所述保护板紧密包围着所述喷嘴板。
16.如权利要求13所述的方法，其中，所述喷嘴板结构包括聚酰亚胺薄膜。
全文摘要
本发明提供了用于微流体喷射装置的微流体喷射头和用于制造该微流体喷射头的方法。微流体喷射头包括半导体基板，它包含与其表面上的接触片电连接的流体喷射装置。包括导线束的TAB电路与半导体基板表面上的接触片电连接。相对于TAB电路设置和安装喷嘴板结构，从而基本上覆盖导线束和接触片，以使导线束和接触片避免暴露于由微流体喷射装置喷射出的流体。该微流体喷射装置在不使用单独的密封材料的情况下有效地减少电气元件和流体之间的接触。
文档编号B41J2/16GK1946556SQ200580013126
公开日2007年4月11日 申请日期2005年3月9日 优先权日2004年3月15日
发明者乔纳森·H.·劳尔, 保罗·T·斯皮维, 梅莉莎·M.·沃尔德克, 约翰·T.·沃伦 申请人:莱克斯马克国际公司