专利名称：打印头模块中的埋入式加热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种设置在打印头组件中的加热器。
背景技术：
墨喷打印机一般包括从墨源到墨喷嘴组件的墨通道，该墨喷嘴组件包 括用于喷射墨滴的喷嘴口 。墨滴的喷射可以通过用致动器对在墨通道中的
墨施压来控制，该致动器可以是例如压电偏转装置、热气泡喷射发生器 或静电偏转元件。典型的打印头具有一连串喷嘴口，这些喷嘴口具有相应 的墨通道阵列和相关联的致动器，并且每个喷嘴口的喷射都可以独立控制。 在所谓的"按需喷墨型(drop-on-demand)"打印头中，在打印头和打印介 质彼此相对移动时，各个致动器被激活以选择性地喷射小滴到图像的特定 像素位置。在高性能打印头中，喷嘴口一般具有50微米或更小(如25微 米)的直径，以每英寸100-300喷嘴数的节距(pitch)分开，并提供约1 到70微微升(pi)或更小的小滴尺寸。小滴喷射频率一般是10kHz或以上。
打印头可以包括半导体打印头本体和压电致动器，如Hoisington等人 在美国专利No.5265315中描述的打印头。打印头本体可以由硅制成，并被 蚀刻以限定出墨室。喷嘴口可以由附着到硅本体的分开的喷嘴板限定出。 压电致动器可以具有随外加电压而改变几何形态或弯曲的压电材料层。压 电层的弯曲对沿墨通道布置的泵送室中的墨施压。
多种因素都可以影响打印精度，包括打印机中的多个打印头间和打印
头中所喷射的墨滴的尺寸和速度的均匀性。小滴尺寸和小滴速度的均匀性 又受诸如墨通道的尺寸均勾性、声干涉效应、墨流动通道中的污染和致动 器生成的压力脉沖的均匀性等因素的影响。
发明内容
本发明公开了一种用于打印头组件中的加热器。概括地-沈， 一方面， 本发明涉及一种在打印头内形成加热器的方法。在硅层上形成第一层，该硅层将形成打印头本体的喷嘴部。在第一层的一部分形成图案，以在第一 层内形成加热器的所需构造。金属电阻元件在第一层的形成图案的部分中 形成。二氧化硅层设置在形成图案的第一层和金属电阻元件上。在一个区 域中的二氧化硅层和第 一层被去除，以在打印头本体的喷嘴部中形成喷嘴。 第二硅层被附着到二氧化硅层，该第二硅层提供打印头本体的本体部分， 包括用于打印用液体的流动通道。
本发明的实施方式可以包括一个或多个以下特征。金属电阻元件的形 成可以包括在第一层上和加热器的所需构造的图案内提供金属层，并去除 部分金属层以暴露出第一层。金属层的余量残留在加热器的所需构造的图 案内，并包括设置为电连接到电源的一个或多个触点，所述金属层提供金 属电阻元件。加热器的所需构造可以形成蛇形构造。在一实施方式中，蛇 形构造包括多个曲线段，比起趋近加热器的中部的曲线段，最靠近加热器 的端部的曲线段彼此间隔更近。在去除二氧化硅层和第一层以形成喷嘴前， 可以使二氧化硅层平坦化。第一层可以是热氧化层。金属电阻元件可以由 镍铬合金形成。金属电阻元件还可以由铜铬合金形成。
概括地说，另一方面，本发明涉及一种包括本体部和喷嘴部的打印头 本体。本体部包括墨室。喷嘴部包括与本体部中的墨室流体连通的喷嘴， 还包括第一硅层、第二硅层和在第一和第二硅层之间形成的加热器。喷嘴 贯穿第一和第二硅层，并与墨室流体连通。
本发明的实施方式可以包括一个或多个以下特征。喷嘴部还可以包括 在第 一硅层上形成的并具有沟的图案化氧化层，沟在氧化层内限定出加热 器的所需构造；和氧化层中的沟内的金属层，金属层提供加热器，并包括 设置为电连接到电源的一个或多个触点。第二硅层可以是位于氧化层和金 属层上的二氧化硅层。
加热器的所需构造可以是蛇形构造。在一实施方式中，蛇形构造包括 多个曲线段，比起趋近加热器的中部的曲线段，最靠近加热器的端部的曲 线段彼此间隔更近。金属层可以由多种金属形成，包括例如镍铬合金或铜 镍合金。喷嘴部还可以包括设置为电连接到控制器的热敏电阻，以便可以 通过控制器来确定温度读数，并且可以控制从电源传输到加热器的电流。
本发明可以用于实现一个或多个以下优点。加热器掩埋在打印头模块 内，从而提高加热器的效率，因为没有通过长传导通道造成热量损失。此外，通过把加热器掩埋在打印头模块内，打印头模块可以更简洁地形成。
在附图和以下描述中将详细阐明一个或多个实施方式。通过描述、附 图和权利要求，其它特征和优点可以变得明显。
下面将参考附图详细描述这些以及其它方面。 图1示出打印头模块的一部分的剖面图。 图2示出打印头模块的一部分的俯视图。
图3示出包括埋入式加热器的打印头模块的俯视剖面图。 图4A-4I示出在打印头模块内形成埋入式加热器的过程。 图5A示出柔性电路和打印头模块的分解图。 图5B示出安装在打印头模块上的柔性电路。
图5C示出安装在图5B所示的打印头模块上的柔性电路的一部分的放大图。
图6示出安装在一个安装在打印头壳体内并连接到外电路的如图5B所 示的打印头模块上的柔性电路。
图7示出安装在一个安装在打印头模块上的插入件上的柔性电路的一 部分的放大图。
各个附图中的相同标号表示相同元件。
具体实施例方式
下面将描述在打印头模块的硅层内的埋入式加热器。图1示出可以用 于喷墨打印机中的示例性打印头模块100的一部分的剖面图。埋入式加热 器可以设置在这种打印头模块中、或其它构造的打印头模块中；然而，为 示例目的，将根据示出的示例性打印头模块100来描述埋入式加热器。
埋入式加热器可以设置在打印头模块100内的喷嘴部132和基部138 之间的界面110处。埋入式加热器可用于通过对围绕和/或容纳打印用液体 的打印头模块100的组件加热来控制打印头模块100中使用的打印用液体 的温度。例如，为了保持打印用液体的所需粘度以得到最佳打印条件，打 印用液体可以被容纳打印用液体的打印模块100的组件加热，而该组件是 被埋入式加热器直接加热。在一实施方式中，埋入式加热器可以与一个或多个外部加热器并联使用，以进一步微调温度控制。
在描述埋入式加热器前，将先概述打印头模块100。图l表明打印头模
块100中单个喷射结构的流动通道的剖^f见图。打印用液体通过供应通道112 进入打印头模块IOO。典型的打印用液体是墨，为示例目的，下面用墨作为 打印用液体来描述打印头模块100。然而，应该理解的是也可以使用其它流 体，例如用于制造液晶显示器的电致发光材料或用于制作电路板的液态金属。
墨被上行部108导向阻抗部件(impedance feature ) 114和泵送室116。 墨在泵送室中通过致动器122被加压，并通过下行部118被导向用于喷射 墨滴的喷嘴口 120。流动通道的部件被限定在模块体124中。模块体124包 括基部138、喷嘴部132和隔膜部139。基部138包括硅(如单晶硅)基层。 基部138限定出部件供应通道112、上行部108、阻抗部件114、泵送室 116和下行部118。喷嘴部132也由硅层形成，并可以熔化接合到基部138 的硅层。喷嘴部132限定出具有将墨从下行部118导向喷嘴口 120的锥形 壁134的喷嘴。隔膜部139包括表层硅层142，该表层硅层熔化接合到基部 138的石圭层，与喷嘴部132相对。
致动器122包括厚度约为15微米的压电层140。压电层140上的金属 层形成接地电极(ground electrode) 152。压电层140上的上金属层形成驱 动电极156。抱合式(wrap-around)连接件l50连接接地电极152到压电层 140的 一暴露表面上的接地触点154。电极断口 ( electrode break) 160使接 地电极152与驱动电极156电隔离。金属化的压电层140通过粘接层146, 如聚合环丁烯(BCB)，结合到表层硅层142。
金属化的压电层140被断开以在泵送室116上方限定出工作(active) 压电区域。具体地讲，金属化的压电层140被断开以提供隔离区148。在隔 离区148中，压电材料从下行部上方的区域被去除。该隔离区148把喷嘴 阵列两边的致动器阵列分开。
参考图2 ,打印头模块100的一部分的俯视图示出一系列对应于相邻 流动通道的驱动电极156。每个流动通道都具有通过窄电极部170连4妄到驱 动电极触点162的驱动电极156，该驱动电极触点162接通电流以传输驱动 脉冲。窄电极部170位于阻抗部件114上方，并降^^争越致动器122的无 需被驱动的那部分的电流损失。可以在单个打印头模块中形成多个喷射结构，例如提供一种300个喷嘴的打印头模块。压电层上的接地电极154被 示出。
图3是模块体124沿图1中的A-A线剖切的剖面俯视图。示出了一排 喷嘴120,其中一个喷嘴相应于侧视1所示的喷嘴120。虽然未示出， 但这排中相邻喷嘴的流动通道可以交替地朝模块体的相对边延伸。埋入式 加热器202图示为蛇形构造，朝着模块体124的端部密度增加。埋入式加 热器202的这种构造仅为示例性目的，也可用其它构造。在一实施例中， 埋入式加热器202由以所需构造(如所示蛇形构造)沉积而成的镍铬合金 层形成。埋入式加热器朝着模块体124的端部密度增加，这是因为随着在 模块体124的拐角处表面面积的增加，热损失会增加。埋入式加热器202 铺设在两硅层之间并被它们围绕着，底层是喷嘴部132,而上层邻近模块体 124的基部138。
热敏电阻232可以设置在模块体124中，以表示打印头模块100的温 度，从而表示围绕墨的温度。在所示实施例中，热敏电阻232在与埋入式 加热器202相同的层设置在模块体124的一端。在其它实施例中，热敏电 阻232可以设置在模块体124内其它位置上。
图4A-I示出制造埋入式加热器202的期间在图1所示的示例性喷嘴120 附近一块喷嘴部132的侧视剖面图。在该实施方式中，最终将形成喷嘴部 132的硅层210已经被蚀刻而形成了喷嘴120的锥形壁134，但实际喷嘴口 还未形成。为制造目的，硅层210可以是包括能够在硅层210的下表面上 形成的氧化层212和"把手"硅层214的绝缘体上硅基底(silicon-on-insulator substrate )的一部分。热氧化层216在硅层210的被腐蚀过的上表面上形成。 热氧化层216的厚度应选为匹配于金属层的厚度，该金属层将在后面的步 骤中被沉积以形成埋入式加热器。
参考图4B，热氧化层216被蚀刻以形成埋入式加热器的所需构造的图 案。热氧化层216可以通过感应耦合等离子体活性离子刻蚀(ICPRIE)工 艺来蚀刻，然而也可以使用其它技术。下面，参考图4C，使用所选金属例 如镍4^合金(如Nichrome )来金属化已形成图案的热氧化层216和暴露在 外的硅层210的顶面。也可以使用其它金属，例如铜镍合金(Cu55/Ni45): Constantan彩。金属层218通过例3口光々虫刻法(photolithographic etching)形 成图案，以去除热氧化层216上的金属，以便残留金属处在形成于热氧化层216内的沟内。参考图4D，可以在金属层218和热氧化层216之间生成 小间隙220，用于图案制作期间的公差。如图4E所示，二氧化硅层226被 沉积到已形成图案的金属和热氧化层218、 216的顶面上。在一实施方式中， 二氧化硅层可以通过等离子增强化学汽相沉积法来沉积(PECVD )。
参考图4F，通过例如化学机械抛光方法使二氧化硅层226的顶面平坦 化，以形成平滑的平面。平滑表面可以确保良好的粘结性，并消除热氧化 层216和金属层218之间生成的细小高度差。参考图4G,通过剥去在以上 步骤中沉积到蚀刻区域上的氧化层，喷嘴120被暴露出来。参考图4H， 二 氧化硅层226的顶面可以附着到将用于形成模块体124的基部138的硅片 上，或附着到已经形成的基部138上。参考图41，把手层214可以被去除， 且硅层210被研磨到暴露出喷嘴口 。
再参考图3,埋入式加热器202由金属层218形成，并在各侧都被热氧 化层216围绕着。如图4E-4I所示，图3所示的整个表面都包覆有二氧化硅 层226 (未示出)。
埋入式加热器202在触点230处接收电信号。在一实施方式中，触点 230可以由镍铬合金形成，并且可选地可以给触点230增加第二金属化层， 例如金层。在一实施方式中，可以从安装在连接到打印头模块100的柔性 电路上的集成电路接收电信号。集成电路从外部电路(例如打印机的处理 单元所控制的电路，打印头模块100在该打印机中工作)接收电信号。安 装有集成电路的柔性电路可以是给图1所描述的驱动电极156提供电力连 接的同一柔性电路。也就是说，外部电路可以连接到柔性电路上的一个或 多个集成电路，以提供驱动信号给驱动电极，以及提供输入信号给埋入式 加热器，并接收来自热敏电阻232的反馈以控制其温度。
图5A和5B示出安装到打印头模块IOO上以给致动器122和埋入式加 热器202提供电力连接的柔性电路300的一个实施例。柔性电路的该实施 例在2005年4月28日提交的名为"柔性打印头电路'，的美国专利申请 No.ll/119308中有详细描述，其全部内容通过引用并入本文。柔性电3各300 具有海鷗翼状(gull-wing )结构，包括主中央部301和沿柔性电^各300的长 度延伸的末端部302。中央部301和远端部(distal portion) 302通过以某一 角度在中央和远端部之间延伸的弯曲部而接合，为中央部301的底面和打 印头模块100的顶面之间提供间隙。该间隙允许打印头模块100的顶面上的压电材料在被驱动时弯曲(flex)。打印头模块100显示为安装在面板303上。
参考图5C，集成电路310固定到柔性电路300的中央部的顶面上。柔 性电路导线306显示为从各个集成电路310延伸到在柔性电路300的远端 部302中形成的相应孔308。柔性电路导线306是为设置于打印头模块100 中的各个墨喷嘴而提供的。柔性电路导线306把来自集成电路310的信号 传输到激活墨喷嘴的激励器(activator)。例如，在本实施例中，柔性电路 导线306传输电信号以激活压电致动器从而激活墨喷嘴。
在柔性电路300的任一端部上，臂304'在大致垂直于安装有打印头模 块100的面板302的表面的方向上向上延伸，并折叠成使臂304'的远端基本 上平行于面板302的该表面。外部连接器305 (以虚线示出)设置在臂304' 的远端的下侧上。图5C中所示的臂304'具有与图5A、 5B和6中所示的臂 304不同的另一构造。然而，也可以使用图5A、 5B和6中所示的构造，以 及不同构造的臂。
参考图6，安装在打印头模块100上的柔性电路300显示为安装在打印 头壳体314内。外部电路312电连接到柔性电路300。柔性电路300的外部 连接器305设置为与外部电路312的连接板311上的连接器接合。在一实 施例中，外部连接器305是球形垫(ball pads),该球形垫电连接到连接板 311的表面上的迹线(traces )。在另一实施例中，外部连接器是阳性或阴性 电连接器。外部电路312可以连接到控制器，该控制器经由柔性电路300 给和从打印头模块100发送和接收信号。例如，控制器可以是装有打印头 模块100的打印机中的处理器。
柔性电路300包括沿柔性电路300的包括臂304的长度延伸的一个或 多个连接层。连接层电连接到至少一个在臂304的远端上形成的电连接器 305。来自外部电路312的输入信号从外部电路312经由一个或多个连接层 传输到集成电路310。然后，电信号从集成电路310经由导线306和孔308 传输到包括埋入式加热器202的打印头模块100。
再参考图5C,埋入式加热器202设置在打印头模块100内，大约在代 表模块体124的基部138和喷嘴部132之间的界面110的虚线所表示的位 置。 一条或多条导线306可以从安装在柔性电路300上的集成电路310经 由一个或多个孔308连接到埋入式加热器202。例如，连接到埋入式加热器202的孔308可以延伸到(但不超过)埋入式加热器202,在那里孔的金属 化的内表面可以电连4^到埋入式加热器202的触点230，以纟合il入式加热器 202提供电力连接。例如，再参考图3 ,可以实现从柔性电路300到埋入式 加热器202的触点230的电力连接，以提供通过埋入式加热器202的电流。
可以实现从柔性电路300到热敏电阻232的电力连接。在示出的实施 例中，导线306从柔性电路300上的集成电路310延伸到金属化的孔308。 金属化的孔308电连接到与热敏电阻232电连接的触点234。热敏电阻232 用于测量热敏电阻232附近的温度，并为此目的经由触点234连接到外部 电路。来自热敏电阻232的温度读数可以发送到控制器(本实施方式中， 在打印头外)，以控制提供给埋入式加热器202的电流，从而控制墨的温度。
参考图7，示出了包括位于柔性电路300和打印头模块IOO之间的插入 件320的可选实施例。示出了安装在打印头模块100上的插入件320的一 部分的放大图。插入件320包括沿两侧与在柔性电路300中形成的孔308 对齐的孔。这些孔涂覆有传导性材料，例如金。 一个孔相应于设置在打印 头模块IOO的墨喷嘴组件中的一个墨喷嘴。从而，信号可以从集成电路310 通过柔性电路导线306传输到柔性电路300中的传导孔308，再到插入件 320中的传导孔，最后到打印头模块100中的墨喷嘴激励器。可以使用薄环 氧树脂把插入件320附着到打印头模块，以便在加压和加热时，金通过环 氧树脂连接到打印头模块100上的连接器。环氧树脂可以是未填充过的或 填充过的，例如传导性微粒填充过的环氧树脂。环氧树脂可以是喷涂式 (spray-on)环氧树脂。
在一实施方式中，埋入式加热器202可以设置在插入件320而不是打 印头模块100中。也就是说，插入件可以形成于上部321和下部322之间， 埋入式加热器202位于上部和下部321、 322之间的界面323处。热敏电阻 232可以设置在插入件320上以控制温度。埋入式加热器202和热敏电阻 232可以以如上所述的类似方式电连接到柔性电路300。在该实施方式中， 加热器202虽然设置在插入件中，但仍被埋入打印头模块100内。臂304' 具有与图5C中所示的臂相同的构造，但也可以选择性地设置成不同构造， 例如图5A、 5B和6中所示的臂304。
说明书和权利要求中使用的诸如"上"、"下"、"顶"和"底"等术语 只起示例性作用，以区别本文所描述的埋入式加热器的各个组件以及其它元件。"上"、"下"、"顶"和"底"等的使用并非指埋入式加热器的特定取 向。例如，本文中所描述的硅层210的顶面可以:取向为上、下或底面的旁
边，反之亦然，这取决于硅层210是否定位成水平朝上、水平朝下或垂直。
虽然上面只详细描述了少数实施例，但能做其它修正。其它实施例可 以包括在权利要求的范围内。
权利要求
1、一种在打印头内形成加热器的方法，包括在硅层上形成第一层，所述硅层用于形成打印头本体的喷嘴部；在所述第一层的一部分形成图案，以在所述第一层内形成加热器的所需构造；在所述第一层的形成图案的部分中形成金属电阻元件；在形成图案的第一层和所述金属电阻元件上提供二氧化硅层；去除一个区域中的所述二氧化硅层和所述第一层，以在所述打印头本体的喷嘴部中形成喷嘴；以及附着第二硅层到所述二氧化硅层，所述第二硅层提供所述打印头本体的本体部分，包括用于打印用液体的流动通道。
2、 如权利要求l所述的方法，其中形成金属电阻元件的步骤包括在所述第一层上且在所述加热器的所需构造的图案内提供金属层；和去除部分所述金属层以暴露出所述第一层，所述金属层残留在所述加热器的所需构造的图案内，并包括设置为电连接到电源的 一个或多个触点，所述金属层提供所述金属电阻元件。
3、 如权利要求l所述的方法，其中所述加热器的所需构造包括蛇形构造。
4、 如权利要求3所述的方法，其中所述蛇形构造包括多个曲线段，并且比起趋近所述加热器的中部的曲线段，最靠近所述加热器的端部的曲线段彼此间隔更近。
5、 如权利要求l所述的方法，其中还包括在去除所述二氧化硅层和所述第一层以形成喷嘴前，使所述二氧化硅层平坦化。
6、 如权利要求l所述的方法，其中所述第一层是热氧化层。
7、 如权利要求1所述的方法，其中所述金属电阻元件由镍铬合金形成。
8、 如权利要求1所述的方法，其中所述金属电阻元件由铜镍合金形成。
9、 一种打印头本体，包括包括墨室的本体部；包括与所述本体部中的墨室流体连通的喷嘴的喷嘴部，所述喷嘴部包括第一硅层，第二硅层，和加热器，形成于所述第一和第二硅层之间，并与所述加热器下面的第 一硅层和所述加热器上面的第二硅层相接触。其中，所述喷嘴贯穿所述第一和第二硅层，并与所述墨室流体连通。
10、 如权利要求9所述的打印头本体，其中所述喷嘴部还包括形成图案的氧化层，在所述第一硅层上形成并具有沟，所述沟在所述氧化层内限定出所述加热器的所需构造；和在所述氧化层中的沟内的金属层，所述金属层提供所述加热器并包括设置为电连接到电源的 一个或多个触点；其中，所述第二硅层包括位于所述氧化层和所述金属层上的二氧化硅层。
11、 如权利要求IO所述的打印头本体，其中所述加热器的所需构造包括蛇形构造。
12、 如权利要求11所述的打印头本体，其中所述蛇形构造包括多个曲线段，并且比起趋近所述加热器的中部的曲线段，最靠近所述加热器的端部的曲线_险彼此间隔更近。
13、 如权利要求IO所述的打印头本体，其中所述金属层由镍铬合金形成。
14、 如权利要求IO所述的打印头本体，其中所述金属层由铜镍合金形成。
15、 如权利要求9所述的打印头本体，其中所述喷嘴部还包括热敏电阻，设置为电连接到控制器，以便能够通过所述控制器来确定温度读数，并且能够控制从电源传输到所述加热器的电流。
全文摘要
本发明公开了一种打印头本体和用于形成打印头本体的方法。打印头本体包括本体部和喷嘴部。本体部包括墨室。喷嘴部包括与本体部中的墨室流体连通的喷嘴，还包括第一硅层、第二硅层以及在第一和第二硅层之间形成的加热器。喷嘴贯穿第一和第二硅层，并与墨室流体连通。
文档编号B41J2/05GK101489794SQ200780026438
公开日2009年7月22日 申请日期2007年5月11日 优先权日2006年5月12日
发明者安德烈亚斯·比布尔 申请人:富士胶卷迪马蒂克斯股份有限公司