流体喷出盒和方法

专利名称：流体喷出盒和方法
流体喷出盒和方法
背景技术：
本公开一般涉及流体喷出装置，在本文中也称为“流体喷射”装置，诸如喷墨盒等。 流体喷射装置通常包括结合到盒主体的硅管芯。该管芯可以包括半导体衬底，该半导体衬 底包括喷嘴阵列和用于控制喷嘴的电路。喷嘴响应于从控制器系统发送的命令将流体的单 独微滴喷出到衬底上。对于彩色打印，例如，流体喷射盒可以包括每个喷出不同颜色的墨的 多个管芯。可选地，单个管芯可以包括多排喷嘴，每排喷嘴喷出不同颜色的墨。类似地，流 体喷射盒可以包括处于固定位置的多个管芯以便在单遍中覆盖整个页面宽度。为了减小具有多排喷嘴的流体喷射管芯的宽度，可能期望将成排的喷嘴更紧密地 放置在一起。部分地从成本观点出发，减小流体喷射管芯的宽度是期望的。高质量硅半导 体晶片是昂贵的。在管芯较窄的情况下，可以在单个硅晶片上制造较多数目的管芯。为此， 已经研发了喷嘴排处于较紧密的间距或节距(Pitch)的流体喷射管芯。该管芯包括与喷嘴 排连通的流体通路或槽。盒主体还包括与管芯的通路连通的流体通路或通道，以向其递送 流体。在喷嘴排更紧密靠拢的情况下，管芯中的流体通路也将更紧密靠拢，这将要求盒主体 中的通道更紧密靠拢。随着管芯宽度的减小，出现某些设计挑战。这些挑战之一涉及管芯到盒主体的附 接方法。盒主体常常是聚合物材料的，而盒管芯可以是高质量电子级硅。通常用有机粘合 剂来进行硅管芯到聚合物盒主体的附接。然而，盒主体中的流体通道的非常小的间距可能 导致粘合剂被挤入流体通道中。此粘合剂可能堵塞通道，并导致盒的性能差或故障。


通过结合附图进行的以下详细说明，本公开的各种特征和优点将变得显而易见， 附图一起作为示例示出了本公开的特征，并且在附图中图IA是在管芯与盒主体之间具有等离子体结合的硅中介层(interposer)的盒的 一个实施例的横截面图；图IB是图IA的实施例的分解横截面图；图2是具有细长流体槽的硅中介层的一个实施例的平面图；图3是图2的硅中介层的局部横截面透视图；图4是具有用激光器切割的有角通道的硅中介层的一个实施例的横截面图；图5是具有用锯切割的有角通道的硅中介层的一个实施例的横截面图；图6A是在成扇形展开的流体通路形成之前的硅中介层衬底的一个实施例的局部 横截面图；图6B是初始激光和湿法蚀刻之后的图6A的硅中介层的局部横截面图；图6C是在流体通路的最后蚀刻之后的图6B的硅中介层的局部横截面图；图7是具有被设计为与盒主体的流体通道对准的蚀刻孔的硅中介层的一个实施 例的顶面的平面图；图8是图7的硅中介层的底面的反射平面图，示出被设计为与流体喷射管芯的流体通道对准并连通的较小底部开口 ；图9A B是附接到流体喷射管芯和盒主体的图7和8的硅中介层的横截面图；图10是具有多个流体喷射管芯的页面宽度阵列流体喷射盒的另一实施例的透视 图，每个管芯附接到唯一的硅中介层；图11是具有多个流体喷射管芯的页面宽度阵列流体喷射盒的一个实施例的透视 图，其中所有管芯被附接到公共硅中介层；图12是具有附接在流体喷射管芯与盒主体之间的硅中介层的扫描型流体喷射盒 的实施例的透视图；图13是流体喷射管芯附接在其下面的硅中介层的实施例的俯视平面图，中介层 具有超过流体喷射管芯通道的末端的流体通道；图14是图13的硅中介层和流体喷射管芯的横截面图，示出了超出的流体通道；图15是示出图13的实施例中的中介层流体通道容积与流体喷射管芯流体通道容 积之间的几何关系的倒转透视图；图16是对于具有硅中介层的流体喷射盒组件和其中将管芯粘附地结合到塑料中 介层的流体喷射盒组件而言比较随时间推移的温度变化的图表；以及图17是概述用于制造具有硅中介层的流体喷射盒的方法的一个实施例中涉及的 步骤的工艺流程图。
具体实施例方式现在将对附图所示的示例性实施例进行参考，并且在本文中将使用特定语言来对 其进行描述。然而，应理解的是并不因此意图限制本公开的范围。将相关领域的拥有本公 开内容的技术人员将想到的本文举例说明的特征的变更和其它修改及本文举例说明的原 理的附加应用视为在本公开的范围内。如上所述，正在制造的流体喷射盒的喷嘴阵列之间具有越来越小的间距并因此服 务于喷嘴阵列的流体喷射管芯中的流体通道和通路之间具有越来越小的间距或节距。本文 所使用的术语“槽节距”和“间距”可互换地用来指代诸如盒主体或流体喷射管芯等主体中 的相邻流体通路(例如细长通道)或通路组(例如通常布置成线并与公共流体源连通的开 口组)之间的中心到中心间距。当用粘合剂将流体喷射管芯附接于盒主体时，流体通道之 间的较小节距可能造成某些困难。盒主体中的流体通道的非常小的节距可能在将管芯附接 于盒主体时导致粘合剂被挤入流体通道中。特别地，本发明人发现粘合剂结合对于小于约 800微米的槽节距不能很好地起作用。较小的槽节距往往导致粘合剂被挤入流体通道，并可 能堵塞通道，并且导致盒的性能差或故障。有利的是，本发明人已经创造出一种流体喷射盒配置，其允许将具有非常紧密间 隔开的流体通道的流体喷射管芯附接于具有宽得多的流体通道间距的盒主体，并且其避免 了与将硅管芯粘合剂结合到聚合物盒主体相关的某些不期望问题。本文所使用的术语“流 体”意图指的是任何种类的液体，诸如墨、食品、化学制品、药物化合物、燃料等。术语“流体 喷射”意图指的是任何按需喷射流体喷出系统。图IA B所示的是根据本公开配置的流体 喷射盒的一个实施例的局部横截面图。在图1中以组装方式且在图IB中以分解方式示出 该盒。
此盒10通常包括具有处于第一槽节距S (其为中心到中心测量的)的流体通路或 通道14的盒主体12、和具有处于第二较小槽节距d的流体通路或通道18的管芯16。硅中 介层20被设置在管芯与盒主体之间，并包括将流体喷射管芯的紧密间隔的流体通道18与 盒主体的更宽间隔的通道14互连的多个扇形展开通路22。硅中介层使得能够使用具有非 常小的槽节距的流体喷射管芯，而不需要盒主体中的相同的小槽节距。流体喷射管芯的槽 节距d可以在约400微米至约1000微米范围内变化，而盒主体中的槽节距通常约为1000 微米或以上。应认识到流体喷射管芯16中的流体开口 18的节距d与盒主体12中的流体开口 14 的节距S之间的差将是中介层20的厚度T和中介层中的流体通路22的角α的函数。对 于给定角度，较厚的中介层将提供较大的相对间距跳跃。同样地，对于给定的中介层厚度， 较陡的角度(从垂线测量的)将提供较大的间距差。硅中介层的厚度可以变化。本发明人 相信可以依照本文概述的原理来配置具有从约500微米至约2000微米的厚度的硅中介层。 然而，还可以使用具有在此范围之外的厚度的中介层。某些常用的硅制造工具可以与具有 高达约1000微米的厚度的衬底一起使用，但更厚的衬底可以与其它适当的工具一起使用。 使用具有1000微米的厚度的硅中介层，并且中介层中流体通路的最大角为45°，从约1000 微米至约400微米的槽节距减小是可能的。因此，硅中介层实现了流体喷射管芯中的更急 剧的槽节距减小，并且因此允许在给定盒主体尺寸的情况下使用较小的管芯。较小的流体 喷射管芯可以提供用于制造盒的成本节省，这在某些情况下可能相当显著，对于在单个打 印杆上具有若干流体喷射管芯的页面宽度的打印阵列而言尤其如此。由于制造和出售更大 量的扫描型打印头，所以成本节省对于此类打印头而言也很显著。由 于盒主体中的槽和中介层的相邻侧上的对应槽的较大节距，可以将硅中介层在 一侧粘附地结合到盒主体，从而避免了粘合剂被挤入流体通路的可能性。由于中介层和流 体喷射管芯是相同类型的材料(硅)，所以可以将这两个结构等离子体结合在一起，而不需 要粘合剂或任何其它物质来形成强结合。等离子体结合是有效的，因为硅中介层和硅流体 喷射管芯在其表面上具有原生氧化硅层。 在等离子体结合之前，期望的是对硅表面进行抛光以降低其表面粗糙度。这可以 使用在本领域中众所周知的化学机械抛光(CMP)工艺来实现。可以在三部分工艺中完成这 两个硅衬底的等离子体结合。首先，可以使原生氧化硅表面暴露于氮等离子体，其激活该氧 化层_亦即，通过除去氧原子在氧化硅的表面上的分子中产生活性Si+结合部位。然后可 以将激活的表面暴露于水等离子体，其对Si+部位进行水解以在表面上生成硅醇(SiOH)。 在第三步骤中，可以通过暴露于氧等离子体来清洁该表面。应理解的是这仅仅是可以用来 对硅晶片进行等离子体处理和结合的工艺的一个示例。可以使用其它工艺来实现类似的结 果。例如，可以用氩等离子体而不是氮来处理晶片，然后将其以物理方式浸入水中以进行水 合作用。还可以使用其它变型。在等离子体处理步骤之后，当将经处理表面放在一起时，这些表面由于范德华力 而自然地相互粘附。随着时间的推移，并且取决于温度，这些相对弱的范德华力随着硅醇物 类(species)之间发生以下反应而被强的共价键取代SiOH+SiOH — Si OSi+H2O (1)为了加速此反应，等离子体处理步骤后面可以是退火步骤，其中，在炉中对附接的硅衬底加热一段时间。本领域的技术人员应认识到精确的退火温度和时间可以变化，在温 度较低的情况下涉及较长的时间，反之亦然。在一个实施例中，退火过程涉及将结合的管芯 组件加热至约120°C达2小时，但是用于退火的精确工艺条件可以改变，并且可以通过实验 来确定。本领域的技术人员应认识到可以用时间和温度的不同组合来实现退火。作为此等 离子体处理和退火过程的结果，在不需要粘合剂的情况下在分子水平形成非常强的键。事 实上，认为两个硅层之间的等离子体激活的键比硅与玻璃之间的等离子体激活的键更强。 等离子体结合的使用避免粘合剂在槽间距小的情况下挤入流体通路的问题。除允许等离子体结合之外，将硅用于中介层还具有其它优点。例如，可以容易地用 许多方法(例如，通过锯切、干法蚀刻、激光蚀刻)对硅进行机械加工，并且硅比某些玻璃材 料显示出对某些流体的更好的抵抗力。另外，硅可以节省成本，因为中介层不必是电子级 硅，允许对中介层使用较低级的硅。硅还提供下文更详细地讨论的某些热益处。在图2中提供了硅中介层30的一个实施例的平面图。此视图示出中介层的顶面 32，具有四个相对宽地间隔开的细长流体通道，标记为34a d，其被配置为与盒主体(图2 中未示出)中的流体通道对准。除非另外说明，术语“顶”或“顶部”在本文中用来指代与盒 主体配合的中介层的表面，并且术语“底”或“底部”用来指代与流体喷射管芯配合的中介 层的表面。类似地，将与中介层配合的管芯的表面称为流体喷射管芯的“顶部”，并将与中介 层配合的盒主体的表面称为盒主体的“底部”。可以将中介层的顶面粘附地结合到盒主体。 流体通道具有扇形展开的配置，如在图IA B所示的实施例中那样。在图2的平面图中， 以虚线示出每个通道的下开口 36a d，其中，可以看到每个通道在其朝着中介层的底面移 动时朝向此层的纵向中心成一角度。在图3中示出此中介层30的局部横截面图。在这里，可以看到纵向槽34从中介 层衬底的顶面32延伸到底面38，并具有有角配置，以便槽的节距在顶面处比在底面处大。 应理解的是，虽然在图中将槽示为具有基本平坦的侧表面和方形末端，但此外观是为了图 示的简单起见。根据制造方法，槽可以具有不同的形状和外观。例如，槽可以具有更圆的末 端形状，并且可以具有更粗糙或略微不规则的内表面。槽的精确形状、规则性、和表面光洁 度可以改变，只要槽能够以本文所讨论的方式将流体从盒主体传送到流体喷射管芯即可。中介层中的流体槽的形状、规则性和表面光洁度部分地取决于制造硅中介层中的 槽的方法。可以使用许多方法。在图4和5中示出用于在中介层中产生细长扇形展开的槽 的两种方法。图4所示的是硅中介层衬底50的一个实施例的横截面图，硅中介层衬底50 具有用来自激光装置56的光束54切割的有角通道52。可以通过如所示地使衬底倾斜来 生成该角，或者可以使激光装置相对于中介层衬底倾斜。如果晶片在夹持器上以各种角度 倾斜，则可以进行槽的激光烧蚀。可以基于槽的期望间隔和衬底厚度来选择适当的角。例 如，在675微米厚的晶片上，载物台可以以20、10、0、-10和-20度倾斜以给出具有约117微 米的附加节距的4个叉开的槽。应理解的是可以选择其它倾斜角范围。据信，可以使用垂 线两侧的高达45°的槽角度。如附图所表示的那样，可以使槽定位于在总角度范围上基本 均勻间隔开的不同角度处。因此，如果提供四个槽并且外槽与垂线的最大角是45°，则每 个内槽将相对于垂线具有约28. 5°的角以与处于均勻间距的上下槽对准。可以使用红外 线(IR)或紫外线(UV)激光器来进行硅衬底的激光烧蚀，并且还可以利用诸如气体或水等 辅助介质来加强开槽。
用于在中介层中生成流体通道的另一种相对简单的方法是锯割一系列的有角通 道。图5所示的是具有用锯条64切割的有角通道62的硅中介层衬底60的一个实施例的 横截面图。可以通过如所示地使衬底倾斜或通过使锯倾斜来提供期望的角度。可以用于本 申请的锯条可在市场上购买到，并且可以薄到40微米，允许产生适当地窄的槽。还可以使用其它制造技术来在硅中介层中产生通道，诸如干法和湿法蚀刻技术。 例如，可以使用硬掩膜来利用自对准特征以产生提供期望角偏差的沟。图6A所示的是任何 流体通路形成之前的硅中介层衬底70的一个实施例的局部横截面图。衬底包括在其顶面 74上的硬掩膜72以及在其底面78上的另一硬掩膜76。这些掩膜可以概略标出每个表面 上用于流体通路的相应位置。在应用硬掩膜72、76之后，然后可以通过各种方法(诸如激光干法和湿法蚀刻) 来蚀刻流体通道。如图6B所示，可以通过在硅衬底70中激光蚀刻部分深度通道来产生流 体通道的上部分80。可以通过干法蚀刻或激光蚀刻接着是湿法蚀刻来产生同一流体通道的 下部分82。一旦产生这些初始通道，则接着进行湿法蚀刻工艺，其后，侧壁的横向蚀刻允许 两个流体通道会合。用硬掩膜层来保证自对准。在这些步骤完成之后，可以在图6C中看到 完成的通道84。由于各种蚀刻工艺的性质，完成的通道84可能具有表面的某些弯曲和某些起伏。 然而，可以在一定程度上容忍这些种类的轻微几何不规则性。由于流体喷射管芯中的气泡 可能堵塞通路并影响打印质量，所以流体喷射打印机通常包括与流体喷射管芯流体连通的 立管(未示出)。该立管被定位为将气泡抽离流体喷射管芯。如果将中介层中的流体通道 制造为使得存在从中介层的背面到硅管芯上的沟的背面的基本上畅通无阻的视线(即在 通道中无极度弯曲或起伏)，则在管芯的激发区域中产生的气泡将自然地从管芯向上浮且 可以在立管中被清除。因此可以将中介层设计为促进打印机中的良好空气管理。虽然图6A C所示的硬掩膜和蚀刻技术提出某些限制，诸如湿法蚀刻时间方面 的限制，但其可以用来提供如本文所述的适当硅中介层以供使用。根据湿度深度和硅中介 层的厚度，可以产生在流体喷射管芯与盒主体之间提供流体通道的显著节距变化的硅中介 层。硅中介层中的流体通路可以具有其它形状或配置，诸如孔，而不是细长槽或通道。 图7所示的是硅中介层100的另一实施例的平面图，示出硅中介层衬底的顶面106中的处 于相对宽地间隔开的位置处的蚀刻孔104的顶部开口 102。以虚线示出对应流体喷射管芯 108的轮廓及其相对紧密间隔开的细长通路110。图7所示的顶面106是可以粘附地结合 到盒主体(图7中未示出)的表面。顶部开口 102被定位为与盒主体中的流体通路对准， 并且也相对宽地间隔开，以便降低粘合剂挤入孔104的可能性。在图7 9的实施例中，蚀刻孔104具有锥形配置，在尺寸和位置上从中介层100 的顶面106到底面112逐渐缩减。图8示出中介层的底面的反射平面图。底面包括在尺寸 上小于顶部开口 102并与流体喷射管芯108的细长流体通路110 (以虚线示出)对准的底 部开口 114。由于蚀刻孔的几何形状，在图7的顶面视图中可看见每个内侧孔中的底部开口 的一部分。在图9A和9B中提供了连接在盒主体116与流体喷射管芯108之间的中介层100 的两个横截面图。如上文所讨论的，盒主体包括相对宽地间隔开的流体通路118。如上文所
8讨论的，盒主体中的通路可以是细长槽或通道，或者其可以具有其它形状，诸如孔等。蚀刻 孔104的顶部开口 102与盒主体流体通路对准，并朝着中介层的底面112逐渐缩减至与流 体喷射管芯108的流体通路110对准的较小底部开口 114。如上文所讨论的，可以提供的流 体通路节距的变化是中介层的厚度和其中的流体通路的角度的函数。中介层100的顶部开口 102可以是与盒主体116的流体通路118不同的尺寸和形 状且仍然对准。例如，在图7 9的实施例中，顶部开口在至少一个维度上大于盒主体的流 体开口。如图9A和9B所示，蚀刻孔104的锥形在中介层的顶面中提供相对大的开口。此 大尺寸帮助中介层与盒主体的对准，在制造期间提供对中介层与盒主体之间的轻微不对准 的更大容限。另外，虽然中介层100的顶部孔102示出为与盒主体116的细长槽118对准， 但盒主体可以可替换地配备有基本上与中介层的顶部孔对准的离散孔。还可以有相反的情 况盒主体可以包括与中介层中的细长槽对准的离散孔。顶部开口 102的较大尺寸部分地是由于本实施例的另一特征而引起的。虽然四个 细长平行槽110并排地位于管芯108中，但中介层100不具有并排的四个蚀刻孔104，而是 改为提供如图7所示的交替孔位置。也就是说，两个并排孔104与盒主体和管芯两者中的 第一和第三流体槽相连，如图9A所示，并且随后的两个并排孔104与盒主体和管芯的第二 和第四流体槽相连，如图9B所示。这种交替配置允许相邻的顶部开口 102之间有相对大的 横向间距，这减少了粘合剂挤压问题，并且还有助于中介层的较大强度。图7所示的交替孔配置还允许顶部开口 102比其他情况下更大，并且此更大的尺 寸有助于在发生粘合剂挤压的情况下减小粘合剂挤压的潜在副作用。观看图9A，如果一小 滴粘合剂120被挤入中介层100与盒主体116之间的界面处的孔104之一中，则顶部开口 的相对大的尺寸可以使得该粘合剂滴不与盒主体和管芯之间的流体流相干扰。硅中介层的使用还帮助补偿流体喷射管芯的可能的易碎性。有时用来降低流体喷 射管芯及其它半导体器件的制造成本的一种方法是晶片薄化。晶片薄化通常涉及主机械抛 光步骤和辅助化学抛光部件，其对半导体晶片进行抛光或磨削以减小其厚度。例如，流体喷 射管芯晶片的晶片薄化可以通过减少激光蚀刻所需的能量和时间来显著地降低制造成本， 并且可以减少热损耗。然而，减小的晶片厚度还可能使得管芯在盒的组装期间更加易碎并 且受到损坏。通过将硅流体喷射管芯结合到相对厚的硅中介层，大大地增加其机械强度，并 且大大地降低管芯破裂的可能性。在图17中概述依照本公开的用于制造具有等离子体结合的硅中介层的流体喷射 盒的方法的一个实施例中的过程步骤。此过程从两个单独的子过程开始，一个用于流体喷 射管芯(在步骤600处开始)且另一个用于中介层(在步骤608处开始)。首先参照关于流 体喷射管芯的步骤，如上文所讨论的，首先可以通过背磨来薄化流体喷射晶片(步骤602)， 然后在将被结合到中介层的一侧进行化学机械抛光(CMP，步骤604)。可选地，如箭头603 所指示的，该过程可以直接移动到化学机械抛光，而没有晶片薄化。化学机械抛光步骤意图 提供高水平的表面平滑度(例如约0. 4nm的均方根(RMS)粗糙度)。然后可以清洁流体喷 射晶片。存在包括在该方法中的多种清洁步骤，不过为了简洁起见，图17的图中未示出这 些步骤。本领域的技术人员将认识到该过程中的期望清洁流体喷射管芯或中介层衬底的那 些点。然后单个化(singulate)流体喷射管芯(即从包含已被制造在一起的多个管芯的硅 晶片锯切，步骤606)，并且然后在管芯级进行清洁以去除任何颗粒或污染物。
参照步骤608，也对硅中介层晶片的正面进行化学机械抛光(步骤610)，并且然后 对此晶片进行激光开沟(或蚀刻)(步骤612)以制备如上文所讨论的具有槽或孔的多个中 介层结构阵列，并且然后在晶片级进行清洁。然后用高能等离子体来处理将被等离子体结合的流体喷射管芯和硅中介层晶片 的表面(步骤614)(例如，如上所述，用Ν2/Η20/02等离子体进行三步等离子体处理)。然后 小心地使激活的表面相互对准并用在一定量的时间内施加的力使其在结合器中接触(步 骤616)。例如，对于8英寸直径的晶片而言，已使用施加5分钟的2000N的力。此步骤产生 具有多个中介层区域的相对大的硅中介层晶片，单独的流体喷射管芯被结合到所述中介层 区域。然后将结合的管芯-中介层组件放置在退火炉中，如上文所讨论的，在那里在升高的 温度下对其进行退火(步骤618)达某个时间段。长且窄的管芯的操纵在制造期间确实引起某些潜在的损坏风险。然而，可以在锯 切、拾取和放置操作期间在工厂中对此进行管理。另外，本文所公开的硅中介层配置还提供 若干益处。由于中介层与管芯之间的等离子体结合的硅-硅界面，两种材料将具有基本上 相同的热性质。因此，避免了由于粘合剂固化和相应热膨胀系数的不匹配而引起的潜在应 力。在退火之后，然后可以单个化硅中介层晶片(S卩，锯切成多个单独的中介层/管芯 组件，步骤620)，并再次进行清洁以去除任何颗粒或其它污染物。在此过程之后，单独的中 介层/管芯组件准备好诸如用有机粘合剂附接于盒主体(步骤622)。可以将单独的中介层/管芯组件附接到具有各种配置的盒主体。例如，图10所示 的是具有多个流体喷射管芯/中介层组件202的页面宽度阵列流体喷射盒200的一个实施 例的在底部看的透视图，每个流体喷射管芯/中介层组件202被单独地附接到单个盒主体 204。在页面宽度阵列的本实施例中，以上文所讨论的方式将每个流体喷射管芯206等离子 体结合到分离的硅中介层208，并且然后将中介层/管芯组件202粘附地结合到塑料打印 杆。硅中介层的使用允许显著地缩小管芯，这可能对页面宽度阵列打印杆是有益的。每个 硅中介层可以在可以将功能管芯放置并结合到其上面的正面上具有微加工对准标记，从而 形成真实的页面宽度阵列结构。可以将类似于图10所示的页面宽度阵列打印杆用于一遍或多遍打印。被附接到 单个打印杆的流体喷射管芯的数目可以部分地根据打印杆的宽度和单独管芯的尺寸而改 变。例如，某些页面宽度阵列包括7 11个管芯，其中具有显著的管芯_管芯重叠以避免 任何管芯边缘打印伪像。在另一实施例中，可以将一个或多个中介层/管芯组件附接到扫描型流体喷射盒 的盒主体。例如，图12所示的是具有附接到(例如，粘附地结合到)盒主体254的单个中 介层/管芯组件252的扫描型流体喷射盒250的透视图。在本实施例中，以上文所讨论的 方式将流体喷射管芯256等离子体结合到硅中介层258，并然后将中介层的相对表面粘附 地结合到塑料盒主体。如同图10的页面宽度阵列实施例一样，本实施例实现了显著的管芯 缩小，改善了热性能并使得管芯较不易碎，这在制造期间是有利的。除了将多个分离的中介层/管芯组件附接到单个盒主体，其它配置也是可能的。 例如，图11所示的是具有全部附接到公共硅中介层304的多个流体喷射管芯302的页面宽 度阵列流体喷射盒300的在底部看的透视图。在这种情况下，可以以类似于上文概述的方式制造中介层/管芯组件，除了将中介层晶片中的槽或沟的位置修改为对应于成品盒中的 期望管芯放置，并且单独的中介层/管芯组件不是相互分离。在图11的实施例中，中介层304可以构成整个打印杆。因此，可以用硅(如上文 所讨论的，较低的非电子级硅)制造出整个打印杆，其中多个流体喷射管芯302被直接等离 子体结合到硅中介层(其用作打印杆)。可以将打印杆粘附地结合到可以是塑料材料的流 体递送系统306。本文所公开的硅中介层设计提供某些附加特征。由于相对厚的硅中介层，管芯的 总热质量将增加。这允许热出现并消散的时间更短暂，并因此导致盒中的较低的温度。虽 然盒温度取决于每个打印作业的特性，但更好的散热通常是期望的。对于类似的打印工作 循环，增加硅的热质量将降低峰值管芯温度。热建模研究表明当将硅管芯结合到硅中介层而不是塑料衬底时，流体喷射管芯和 流体本身的平均温度显著更低。图16所示的是基于这些研究的图表，比较在具有被结合到 流体喷射管芯的硅中介层的流体喷射盒组件中的流体喷射管芯(线400)和流体(线402) 的随时间推移的温度变化，与之相比较的是其中将硅管芯粘附地结合到塑料中介层的流体 喷射盒组件中的流体喷射管芯(线404)和流体(线406)的温度。如此图表所示，与将硅 管芯结合到塑料中介层相比，在将硅管芯结合到硅中介层的情况下，流体喷射管芯和流体 本身的平均温度降低了约5 7°C。另外，硅-硅附接不产生管芯与中介层之间的热膨胀系 数的不匹配，这避免了潜在的热引发应力，并因此还实现了管芯的显著缩小。图16的图表示出相对短期的温度变化。本领域的技术人员应认识到打印作业的 持续时间和工作循环可以广泛变化。如通过观看图16的图表可以认识到的那样，硅中介层 的热益处可以在几秒钟之后减少。然而，对于短暂或短期的打印作业，此益处是显著的，并 且由于流体喷射打印系统频繁地经历作业之间的时间中断，所以将频繁地经历短暂状况。 另外，本发明人已发现即使在稳态操作中，被结合到硅中介层的流体喷射管芯的温度也将 趋向于低于直接结合到塑料盒主体的相同管芯。还可以将硅中介层的设计配置为帮助减少浅区域条带，这在喷墨打印中特别值得 注意，但是在其它流体喷射应用中也可能是个问题。浅区域条带是由于管芯中的流体槽的 末端比这些槽的中央部分更凉而引起的热相关打印缺陷。这可能是硅槽中的不对称边界条 件的后果。随着管芯打印条片(swath)，其达到稳态温度。然而，在槽的末端处，可能存在所 建立的其中槽末端更凉的热梯度。在槽的末端比中心区域凉的情况下，流体滴喷出行为将 是不同的。这导致被人眼感知为较浅的管芯末端处的区域或条带。此缺陷在相互紧挨着打 印两个槽时最明显。可以用一定数目的喷嘴的管芯重叠来隐藏浅区域条带。然而，这种方 法分别增加了制造和写入系统中的成本和复杂性。浅区域条带在用页面宽度阵列的一遍打 印中尤其是个问题，因为对于盒的多遍通过而言，不存在对较浅区域的补偿。本发明人已发现硅中介层的设计能够通过沿着管芯的长轴产生更均勻的热分布 来帮助减少浅区域条带。可以将硅中介层设计并微加工成补偿管芯设计中的各向异性并减 小边缘处的散热效应。具体而言，可以使中介层中的流体槽纵向地延伸为充分超过流体喷 射管芯的槽的末端，从而将热梯度进一步推出去。在图13中提供的是流体喷射管芯502附 接在其下面的硅中介层500的实施例的俯视平面图。在图14中提供了附接于盒主体504 的中介层和管芯的纵向横截面图，并且在图15中示出倒转透视图，其示出中介层流体通道
11容积与流体喷射管芯流体通道容积之间的几何关系。流体喷射管芯502包括细长通道506。为了补偿管芯设计中的各向异性并减小 管芯通道506的末端处的散热效应，中介层包括超过流体喷射管芯通道的末端的流体通道 508。也就是说，中介层流体通道508包括在其末端处的超出(overrun)区域510，其允许流 体覆盖管芯502的末端部分。硅中介层中的此延伸流体槽帮助沿着管芯的激发(firing) 喷嘴512提供更均勻的温度分布，这帮助降低浅区域条带的强度。由于墨及其它流体可以 具有比硅低的导热性，所以更多的热量将由功能硅槽末端中的流体保持，因为更多的流体 与管芯的背面接触。因此，管芯末端处的液滴重量将更接近于管芯中心处的液滴重量，从而 减小浅区域条带效应。提供期望热功能所需的(图14中所描绘的)超出区域的长度L可 以改变，并且可以通过实验和/或热建模来确定。利用这种配置，沿着条片的高度的温度分布将变得更均勻，这将产生较低的浅区 域条带强度。浅区域条带的减少可以帮助促进在管芯的长边上具有结合焊盘的直列式管芯 设计以形成页面宽度阵列。另外，较低的总硅管芯温度(如上文相对于图16所讨论的)也 应对浅区域条带具有值得注意的影响，因为在总温度降低的情况下，沿着流体槽的任何温 度梯度也将不那么极端。虽然按照结合到硅管芯的硅中介层给出了上文提供的说明，但应理解的是可以将 其它材料用于管芯和中介层，并如上文所讨论地进行等离子体结合。例如，流体喷射管芯衬 底可以是硅、玻璃或其它材料的。同样地，中介层可以是玻璃或硅，并且可以有效地等离子 体结合到玻璃或硅管芯。虽然本文公开的使用等离子体结合技术的硅到玻璃的粘附很可能 弱于硅_硅结合，但这种方法仍是适当的。另外，除硅或玻璃之外，中介层可以是其它材料 的。例如，中介层可以由陶瓷材料制成，其中硅或氧化硅层被沉积在其表面上。然后，如上 文所讨论的，可以将此表面等离子体结合到硅或玻璃管芯。还应理解的是虽然以上讨论提及打印，但打印仅仅是本文公开的流体喷射系统的 一种应用。如上所述，可以使用本文公开的流体喷出系统将诸如墨、食品、化学制品、药物化 合物、燃料等多种流体应用于各种类型的衬底，无论是如针对打印的情况一样提供可见标 记，还是用于其它非打印用途。因此，本公开提供了一种长且窄的流体喷射盒管芯，其被附接于盒主体，硅中介层 被设置在(例如，聚合物或其它材料的)盒主体与(例如，硅的)盒管芯之间。该硅中介层 被等离子体结合到硅管芯并包括允许将具有非常小的通道间距的管芯附接于具有较宽间 距的盒主体的扇形展开的通道。等离子体结合避免了粘合剂在通道节距小的情况下挤入流 体通道的可能性。还可以操纵中介层中的通道的几何形状以帮助降低流体喷射管芯中的热 梯度。将硅中介层等离子体结合到流体喷射管芯的方法可以帮助使得能够缩小管芯，减少 管芯易碎性问题，改善热性能，帮助减少浅区域条带，并可以允许显著地节省用于流体喷射 盒的生产成本，特别是对于在单个打印主体上包括多个管芯的页面宽度阵列而言。应理解的是上述装置说明本文公开的原理的应用。对于本领域的普通技术人员来 说显而易见的是在不脱离权利要求所阐述的本公开的原理和构思的情况下可以进行许多 修改。
权利要求
一种流体喷出盒，包括主体，其具有处于第一间距的流体通路；管芯，其具有处于第二较紧密间距的流体通路；以及中介层，其在第一表面处被结合到所述主体并在第二表面处被等离子体结合到所述管芯，在所述第一与第二表面之间具有流体通路，该通路与所述主体和所述管芯的相应通路基本上对准。
2.如权利要求1所述的盒，其中，第一间距大于或等于约1000微米，并且第二间距在约 400微米至约1000微米的范围内。
3.如权利要求1所述的盒，其中，所述中介层具有在从约500微米至约2000微米的范 围内的厚度。
4.如权利要求1所述的盒，其中，所述中介层被粘附地结合到盒主体。
5.如权利要求1所述的盒，其中，所述中介层的流体通路选自由细长通道和孔组成的组。
6.如权利要求1所述的盒，其中，所述中介层的流体通路包括具有在第一间距与第二 间距之间延伸的有角取向的细长通道。
7.如权利要求1所述的盒，其中，所述中介层的流体通路包括具有末端的细长通道，每 个通道在位置上基本上对应于管芯中的细长喷嘴排，每个通道还包括每个末端处的超出区 域，其延伸越过相应喷嘴排的末端，由此，通道中的流体定位成覆盖超过该喷嘴排的末端的 管芯的末端部分。
8.如权利要求1所述的盒，其中，所述中介层的流体通路包括在第一间距与第二间距 之间延伸的有角孔。
9.如权利要求8所述的盒，其中，所述有角孔在第一表面处具有第一较大开口且在第 二表面处具有第二较小开口，以及具有在其之间通常逐渐缩减的横截面尺寸。
10.如权利要求1所述的盒，其中，所述管芯是选自由硅和玻璃组成的组的材料的，并 且所述中介层是选自由硅、玻璃、和涂硅陶瓷组成的组的材料的。
11.一种制造流体喷出盒的方法，包括步骤制造中介层的第一与第二表面之间的流体通路，该流体通路在所述第一表面处具有第 一间距且在所述第二表面处具有第二较紧密间距；将所述中介层的第二表面等离子体结合到具有基本上处于所述第二较紧密间距的流 体通路的管芯的顶面；以及将所述中介层的第一表面附接到盒主体。
12.如权利要求11所述的方法，其中，将中介层等离子体结合到管芯的步骤还包括使中介层的第二表面和管芯的顶面暴露于等离子体以激活这些表面上的结合部位；将中介层的第二表面与管芯的顶面压在一起；以及对附接的管芯和中介层进行退火以强化其之间的结合。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述中介层和管芯是硅材料的，并且其中，使中 介层的第二表面和管芯的顶面暴露于等离子体的步骤还包括使第二表面和顶面暴露于氮等离子体以激活硅表面上的Si+结合部位；使第二表面和顶面暴露于水等离子体以在硅表面上生成SiOH物类；以及使第二表面和顶面暴露于氧等离子体以清洁硅表面。
14.如权利要求12所述的方法，其中，对附接的管芯和中介层进行退火的步骤包括将 附接的管芯和中介层加热至约120°C达约2小时。
15.如权利要求11所述的方法，其中，制造流体通路的步骤包括切割具有末端的细长 通道，每个通道在位置上基本上对应于管芯中的细长喷嘴排，每个通道还包括在每个末端 处的超出区域，其延伸越过相应喷嘴排的末端，由此，通道中的流体定位成覆盖超过该喷嘴 排的末端的管芯的末端部分。
16.一种用于喷出流体的方法，包括步骤引导流体通过处于第一间距的盒通路进入中介层的基本对准的开口中；引导流体通过中介层通路至中介层的第二表面处的处于第二较紧密间距的出口，所述 第二表面被等离子体结合到具有基本上处于所述第二较紧密间距的开口的流体喷出管芯 的顶面；以及从所述流体喷出管芯喷出流体。
17.如权利要求16所述的方法，其中，引导流体通过盒通路的步骤包括引导流体通过 处于大于或等于约1000微米的第一间距的盒通路，并且引导流体通过中介层通路的步骤 包括引导流体通过中介层通路至处于在约400微米至约1000微米范围内的第二较紧密间 距的出口。
18.如权利要求16所述的方法，其中，引导流体通过中介层通路的步骤包括引导流体 通过在第一间距与第二间距之间有角度地延伸的细长通道。
19.如权利要求16所述的方法，其中，引导流体通过中介层通路的步骤包括引导流体 通过在第一间距与第二间距之间延伸的有角孔。
20.如权利要求16所述的方法，其中，引导流体通过中介层通路的步骤包括引导流体 进入在相对末端处具有超出区域的细长通道，该超出区域覆盖超过管芯的喷嘴排末端的管 芯的末端部分。
全文摘要
流体喷射盒包括具有处于第一间距的流体通路的主体、具有处于第二较紧密间距的流体通路的管芯、以及中介层，其在第一表面处被结合到主体并在第二表面处被等离子体结合到管芯。该中介层包括在第一与第二表面之间的流体通路，所述流体通路与主体和管芯的相应通路基本上对准。
文档编号B41J2/14GK101909893SQ200880124428
公开日2010年12月8日 申请日期2008年1月9日 优先权日2008年1月9日
发明者A·沙兰, M·吉里, R·W·西弗, S·鲍米克 申请人:惠普开发有限公司