热气泡式喷墨打印头的制作方法

本实用新型涉及一种热气泡式喷墨打印头，应用于喷墨打印。

背景技术：

热气泡式喷墨打印机主要是让墨水通过细喷嘴，在加热脉冲的作用下，喷头上的加热元件温度积聚上升，使其附近的油墨溶剂汽化生成数量众多的小气泡，在加热时间内气泡体积不断增加，到一定的程度时，所产生的压力将使油墨从喷嘴喷射出去，最终到达承印物表面，再现图文信息。

现有气泡式喷墨打印头大多采用表面牺牲层技术来制作墨腔，即：在加热电阻上采用表面加工(如电镀、匀胶、薄膜沉积等)技术先生长一层牺牲层，然后，在牺牲层上制作喷嘴和侧壁，之后再释放去除牺牲层以形成墨腔，但是，在现有技术中，由于受表面加工工艺的限制，牺牲层的厚度最多达十几微米，且牺牲层厚度的均匀性也较差，这样使得墨腔上壁的表面不平整，易造成墨水微粒/尘的集聚，且墨腔的高度也受到牺牲层厚度的限制，难以加工高深度的墨腔。如，Jae-Duk Lee采用电镀工艺制备镍来作牺牲层(JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS,VOL.8,NO.3,SEPTEMBER1999)，但，因电镀镍层的厚度均匀性较差，且其表面比较粗糙，后续所形成的墨腔的顶壁不平整，易造成墨水微粒/尘的集聚，甚至墨水通道的堵塞。又如，Yan Wang采用LPCVD淀积10微米厚的poly-Ge作牺牲层(J.Micro/Nanolith.MEMS MOEMS 6_4_,043009_Oct–Dec 2007_)，其为了消除poly-Ge牺牲层表面的粗糙性，利用CMP工艺加以研磨，获得了平整的牺牲层表面。然而所制备墨腔的高度受牺牲层厚度的限制(仅有10微米)，所以，难以加工高深度的墨腔。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种热气泡式喷墨打印头，其不受表面加工工艺的限制，其可以在加工时根据实际工艺需求调节深硅刻蚀工艺，以获得平整的表面和所需高度的墨腔。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种热气泡式喷墨打印头，包括衬底和键合在衬底上的盖片，所述衬底与盖片之间围设形成有用以存储墨液的墨腔，所述衬底上贯通形成有与所述墨腔联通的供墨通道，所述盖片上贯通形成有与所述墨腔联通的喷嘴，所述衬底上设置有给所述墨腔内的墨液加热的加热元件，所述热气泡式喷墨打印头还包括与所述加热元件电性连接的驱动电路和与所述加热元件、驱动电路电性连接的金属电极。

进一步的：所述衬底上设置有散热层，所述散热层贴靠在所述加热元件周边，且至少位于所述墨腔的一侧。

进一步的：所述散热层包括SiN薄膜层和钽层。

进一步的：所述盖片具有相背设置的底面和顶面，所述底面朝向衬底，所述盖片自其底面向上内凹形成有上腔体，所述衬底将所述上腔体密封以形成所述墨腔；或者，所述衬底具有相背设置的第一表面和第二表面，所述第一表面朝向盖片，所述衬底自其第一表面向下凹陷形成有下腔体，所述盖片将所述下腔体密封以形成所述墨腔；或者，所述盖片具有相背设置的底面和顶面，所述底面朝向衬底，所述盖片自其底面向上内凹形成有上腔体，所述衬底具有相背设置的第一表面和第二表面，所述第一表面朝向盖片，所述衬底自其第一表面向下凹陷形成有下腔体，所述墨腔由所述上腔体和下腔体拼合而成。

进一步的：所述供墨通道呈滤网结构。

进一步的：所述衬底由绝缘材料所制成，包括但不仅限于硅；所述盖片由绝缘材料所制成，包括但不仅限于硅。

进一步的：所述盖片具有相背设置的底面和顶面，所述底面朝向衬底，所述盖片的顶面淀积有疏水层。

进一步的：所述墨腔的深度为10～100微米，宽度为50～150微米。

进一步的：所述喷嘴的高度为10～50微米，宽度为10～50微米。

进一步的：所述金属电极和驱动电路设置在所述衬底上。

本实用新型的有益效果在于：通过在衬底上键合盖片，将喷嘴设置在盖片上，将供墨通道设置在衬底上，将存储墨液的墨腔设置在盖片与衬底之间，通过此种结构设计，可以使得在加工形成热气泡式喷墨打印头时，使其不受表面加工工艺的限制，其可以在加工时根据实际工艺需求调节深硅刻蚀工艺，以获得平整的表面和所需高度的墨腔。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中热气泡式喷墨打印头的纵向剖面示意图；

图2为图1中的供墨通道的横截面示意图；

图3为本实用新型另一实施例中热气泡式喷墨打印头的纵向剖面示意图；

图4.1～4.14为本实用新型一实施例中热气泡式喷墨打印头的制作工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

请参见图1，本实用新型一较佳实施例所示的一种热气泡式喷墨打印头包括衬底1、键合在衬底1上的盖片13及设置在所述衬底1上的加热元件4、CMOS驱动电路2和金属电极5。所述衬底1由绝缘材料所制成，包括但不仅限于硅；所述盖片13由绝缘材料所制成，包括但不仅限于硅。该衬底1和盖片13通过键合工艺实现键合，本实施例中所采用的键合工艺优选为铝锗键合或金锡键合，衬底1和盖片13通过键合工艺在两者之间形成键合层，该键合层包括第一键合窗口材料9和第二键合窗口材料14。所述衬底1与盖片13之间围设形成有用以存储墨液(未图示)的墨腔15，所述衬底1上贯通形成有与所述墨腔15联通的供墨通道18，所述盖片13上贯通形成有与所述墨腔15联通的喷嘴17，墨腔15内的墨液通过供墨通道18从外部流入至墨腔15内。所述供墨通道18、墨腔15和喷嘴17形成墨液的流通通道。所述加热元件4设置在所述衬底1上，该加热元件4用以给所述墨腔15内的墨液加热，以使墨腔15中的位于加热元件4附近的墨液汽化产生数量众多的小气泡，在加热时间内气泡体积不断增加，以致到一定程度时，所产生的压力使墨液从喷嘴17内喷射出去。所述金属电极5与驱动电路2、加热元件4电性连接。在本实施例中，该金属电极5和驱动电路2设置在衬底1上，在其他实施方式中，其可以不仅仅设置在衬底1上，只要最终实现金属电极5余驱动电路2、加热元件4连接即可。在本实施例中，所述供墨通道18呈滤网结构，请结合图2。诚然，该供墨通道18也可以为其他结构。但采用“滤网结构”与其他结构相比，“滤网结构”可以起到过滤作用，从而可以阻止相对较大的墨液“颗粒”进入墨腔15，以防止堵塞喷嘴17和墨液的流通通道。本实施例中，所述墨腔15的深度优选为10～100微米，宽度优选为50～150微米；所述喷嘴17的高度为10～50微米，宽度为10～50微米。由于墨腔15用于存储墨液，喷嘴17将被气泡挤压产生的墨滴喷出，所以，若喷嘴17过宽或深度过大，气泡挤压的力可能不足以将墨液完全挤出来，而若喷嘴17过小，则会减少喷墨量，影响喷墨效果，故喷嘴17的高度为10～50微米，宽度为10～50微米为最佳取值范围；而若墨腔15深度过大，其存储的墨液量充足，但加热元件4与喷嘴17间的距离加大，热量所致气泡的挤压力可能不足以将墨液挤出，若如墨腔15过浅，其存储的墨液量可能不足，也会影响喷墨效果，故墨腔15的深度优选为10～100微米，宽度优选为50～150微米。

在本实施例中，所述墨腔15为通过在盖片13上形成上腔体而形成，其具体为：所述盖片13具有相背设置的底面131和顶面132，所述底面131朝向衬底1，所述盖片13自其底面131向上内凹形成上腔体，所述衬底1将所述上腔体密封以形成所述墨腔15。在其他实施方式中，所述墨腔15可以为通过在衬底1上形成下腔体(未图示)而形成，具体为：所述衬底1具有相背设置的第一表面101和第二表面102，所述第一表面101朝向盖片13，所述衬底1自其第一表面101向下凹陷形成下腔体，所述盖片13将所述下腔体密封以形成所述墨腔15；或者，通过分别在衬底1上形成下腔体，在盖片13上形成上腔体，然后墨腔15由下腔体和上腔体(未图示)拼合而成，具体为：所述盖片13具有相背设置的底面131和顶面132，所述底面131朝向衬底1，所述盖片13自其底面131向上内凹形成上腔体，所述衬底1具有相背设置的第一表面101和第二表面102，所述第一表面101朝向盖片13，所述衬底1自其第一表面101向下凹陷形成下腔体，所述墨腔15由所述上腔体和下腔体拼合而成。

在本实施例中，所述墨腔15的下方部分形成有所述加热元件4，该加热元件4的材料采用TaAl合金或Ti/Pt/Ti或poly-Si或HfB2。该加热元件4通过在淀积工艺形成加热电阻层而形成，其还可以称为加热电阻。该加热元件4的厚度为100～300纳米，采用此种厚度的目的在于：通过综合考虑加热元件4的性能(加热效果)及该热气泡式喷墨打印头所需的低功耗、加热元件4的制备工艺的难易程度和成本性，故设置该厚度，若过薄，可能加热效果不足，若过厚，则所需的功耗增加，且加工成本也会增加。

为了使加热元件4的热量快速传递至墨液，即，使加热元件4所产生的热量尽快传递到墨液以产生气泡，从而使得气泡体积增大，所产生的压力将使油墨从喷嘴17喷射出去，本实施例中，所述衬底1上设置有散热层，所述散热层贴靠在所述加热元件4周边，且至少位于所述墨腔15的一侧。考虑到MEMS制备工艺以及与CMOS工艺的兼容性，所述散热层包括SiN薄膜层6和钽层7，钽层7位于SiN薄膜层6的上方，与墨腔15内的墨液直接接触。在本实施例中，为了实现电绝缘，所述加热元件4与驱动电路2之间设置有绝缘氧化层3，所述键合层与钽层7之间设置有绝缘层8。

请结合图3，为了利于墨液从喷嘴1717中释放出，在所述盖片13的顶面132淀积一疏水层19，所述疏水层19优选为Al2O3ALD层或DLC薄膜，其厚度优选为10～20纳米。

请结合图1及图4.1～4.14，上述热气泡式喷墨打印头的制作方法包括下述步骤S1至S6。

请结合图4.1～4.6，S1：提供衬底1，该衬底1为一晶向为<100>的硅衬底1，当然，在其他实施方式中，该衬底1可以为其他绝缘材料。所述衬底1具有相背设置的第一表面101和第二表面102，在所述衬底1的第一表面101上形成驱动电路2、加热元件4和金属电极5，所述金属电极5与加热元件4、驱动电路2电性连接；在所述衬底1的第一表面101的上方形成供墨通道图形，然后淀积形成一层绝缘层8。该步骤具体包括：

S11：请参见图4.1，提供一晶向为<100>的硅衬底1，在所述衬底1的第一表面101上采用常规CMOS工艺制备控制喷墨的CMOS驱动电路2，该驱动电路2具有电极连接部(未标号)；请参见图4.2，在所述驱动电路2和衬底1上淀积形成绝缘氧化层3，并采用光刻、刻蚀或湿法腐蚀工艺进行图形化，以去除部分绝缘氧化层3从而露出驱动电路2的电极连接部；

S12：请参见图4.3，在所述绝缘氧化层3上依次淀积加热电阻层和连接金属层，并分别采用光刻、刻蚀或湿法腐蚀工艺对连接金属层、加热电阻层进行图形化，以形成加热元件4和与加热元件4电性连接的金属电极5，同时，所述金属电极5与驱动电路2的电极连接部电性连接；加热电阻4的材料优选为TaAl合金或Ti/Pt/Ti或poly-Si或HfB2，厚度优选为100～300纳米，采用此种厚度的目的在于：通过综合考虑加热元件4的性能(加热效果)及该热气泡式喷墨打印头所需的低功耗、加热元件4的制备工艺的难易程度和成本性，故设置该厚度，若过薄可能加热效果不足，过厚所需的功耗增加，且加工成本也会增加。金属电极55优选为Al或Pt或Au或Cu。

S13：请参见图4.4，在加热元件4、金属电极5及绝缘氧化层3上依次淀积SiN薄膜和钽薄膜，以形成SiN薄膜层6和钽层7，该SiN薄膜层6和钽层7共同称之为散热层。采用光刻、刻蚀或湿法腐蚀工艺对SiN薄膜层6、钽层7和绝缘氧化层3进行图形化，以去除部分SiN薄膜层6、钽层7和绝缘氧化层3，从而形成供墨通道图形；其中，所述供墨通道图形呈滤网形状(如图2所示)；

S14：请参见图4.5，在钽层7上淀积一层SiO2绝缘层8，采用光刻、刻蚀或湿法腐蚀工艺对其图形化，以去除部分绝缘层8进而露出金属电极5；

S15：请参见图4.6，在绝缘层8上淀积形成第一键合材料层，采用光刻、刻蚀或湿法腐蚀工艺对其进行图形化，以形成第一键合窗口材料9和加厚金属电极5。该层键合材料优选为Al或Au，厚度优选为0.5～1.5微米，通过该键合材料将衬底1片和盖片13相键合，形成存储墨液的墨腔15，且墨液不应从键合区域渗透流出，这就要求衬底1片和盖片13要结合牢固，键合材料要互溶，且没有较大的空洞。若厚度过薄可能键合不牢固，若过厚可能影响材料的互溶，且制造成本也会增加。

在其他实施方式中，可以不生成散热层。该散热层的目的在于：为了使加热元件4的热量快速传递至墨液，即，使加热元件4所产生的热量尽快传递到墨液以产生气泡，进而使得气泡体积增大，所产生的压力将使油墨从喷嘴17喷射出去。

请结合图4.7～4.10，S2：提供盖片13，该盖片13一晶向为<100>的硅盖片13或SOI盖片13，当然，在其他实施方式中，该衬底1可以为其他绝缘材料。所述盖片13具有相背设置的底面131和顶面132，所述盖片13自其底面131朝顶面132内凹形成有上腔体，所述盖片13的顶面132设置有埋氧层12。所述步骤具体如下：

S21：请参见图4.7，提供一晶向为<100>的SOI盖片原料10，所述盖片原料10从上至下依次包括体硅层11、埋氧层12和器件层13，所述器件层13具有背向所述埋氧层12的下端面；其中，可根据墨腔15的深度来选用器件层13的厚度，该器件层13即为最终的盖片。

S22：请参见图4.8，在所述器件层13的下端面131(即为最终盖片的底面)上采用微纳加工工艺形成第二键合窗口材料14；

S22：请参见图4.9，在所述器件层13的下端面上采用光刻和深硅刻蚀工艺，刻蚀出用于形成上腔体151，其深度可由深硅刻蚀工艺调节控制，优选为深度10～100微米，宽度优选为50～150微米。该上腔体151为形成后续墨腔15所用，其深度和宽度为墨腔15的深度和宽度，而由于墨腔15用于存储墨液，若墨腔15深度过大，其存储的墨液量充足，但加热元件4与喷嘴17间的距离加大，热量所致气泡的挤压力可能不足以将墨液挤出，若如墨腔15过浅，其存储的墨液量可能不足，也会影响喷墨效果，故采用深度优选为10～100微米，宽度优选为50～150微米最佳。在形成所述上腔体151的同时形成金属电极通道凹槽16。

S23：请参见图4.10，采用减薄工艺去除盖片原料10上的体硅层11，减薄至埋氧层12。

请参见图4.11，S3：将所述盖片13的底面131通过键合工艺与衬底1键合，所述衬底1的第一表面将所述上腔体盖合以围设形成墨腔15，所述供墨通道图形位于墨腔15的正下方。

请参见图4.12，S4：利用埋氧层12作为掩膜以形成喷嘴17，并将金属电极通道凹槽贯通以形成金属电极通道以露出金属电极5，所形成的喷嘴17与墨腔15联通。具体为：采用光刻、刻蚀工艺，刻蚀埋氧层12，并利用埋氧层12为掩膜，通过深硅刻蚀工艺刻出喷嘴17以及露出金属电极5，且喷嘴17与墨腔15相连通，喷嘴17的高度为10～50微米，宽度为10～50微米，喷嘴17将被墨液内的气泡挤压产生的墨滴喷出，所以，若喷嘴17过宽或深度过大，气泡挤压的力可能不足以将墨液完全挤出来，而喷嘴17过小，则会减少喷墨量，影响喷墨效果。

请参见图4.13，S5：将衬底1进行减薄，并根据供墨通道图形采用光刻、深硅刻蚀工艺形成穿透衬底1的形成供墨通道18。由于在步骤S13中，所述供墨通道图形呈滤网形状，所以，本步骤中最后形成的供墨通道18的形状呈滤网结构，当然，在其他实施方式中，在步骤S13中所形成的供墨通道图形也可以为其他形状，进而使得最后的供墨通道18为其他相应的形状，但采用“滤网结构”与其他结构相比，“滤网结构”可以起到过滤作用，从而可以阻止相对较大的墨液“颗粒”进入墨腔15，以防止堵塞喷嘴17和墨液的流通通道。

请参见图4.14，S6：采用HF熏蒸或湿法腐蚀的方法去除位于墨腔15一侧的绝缘层8以使供墨通道18与墨腔15联通，采用HF熏蒸或湿法腐蚀的方法去除埋氧层12。

请结合图3，上述热气泡式喷墨打印头的制作方法还包括：在所述盖片13去除埋氧层12的一侧淀积形成疏水层19。

在本实施例中，该墨腔15通过上腔体151形成，在其他实施方式中，还可以在衬底1上形成下腔体，从而使得该墨腔15由上腔体151和下腔体拼合而成，具体为：在所述步骤S1中，所述衬底1上形成有下腔体；在所述步骤S3中，当所述盖片13与衬底1键合时，所述衬底1的下腔体与盖片13的上腔体151对接，所述墨腔15由下腔体和上腔体151合并而成。或者，仅在衬底1上形成下腔体，即该墨腔15由该下腔体形成，此种热气泡式喷墨打印头的制作方法如下：

S1：提供衬底1，所述衬底1具有相背设置的第一表面101和第二表面102，在所述衬底1的第一表面101上形成驱动电路2、加热元件4和金属电极5，所述金属电极5与加热元件4、驱动电路2电性连接，在所述衬底1的第一表面101上形成下腔体；在所述衬底1的第一表面101的上方形成供墨通道图形，然后淀积形成一层绝缘层8，所述供墨通道图形位于下腔体内；

S2：提供盖片13，所述盖片13具有相背设置的底面131和顶面132，所述盖片13的顶面132上设置有埋氧层12；

S3：将所述盖片13的底面131通过键合工艺与衬底1键合，所述盖片13的底面131将下腔体盖合以围设形成墨腔15；

S4：在利用埋氧层12作为掩膜以形成喷嘴17，并形成金属电极通道以露出金属电极5，所形成的喷嘴17与墨腔15联通；

S5：根据供墨通道图形形成供墨通道18；

S6：去除位于墨腔15一侧的绝缘层8以使供墨通道18与墨腔15联通，去除埋氧层12。

综上所述：通过在衬底1上键合盖片13，将喷嘴17设置在盖片13上，将供墨通道18设置在衬底1上，将存储墨液的墨腔15设置在盖片13与衬底1之间，通过此种结构设计，可以使得在加工形成热气泡式喷墨打印头时，使其不受表面加工工艺的限制，其可以在加工时根据实际工艺需求调节深硅刻蚀工艺，以获得平整的表面和所需高度的墨腔15。而通过采用本实用新型的热气泡式喷墨打印头的制作方法可以获得平整的表面和所需高度的墨腔15。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。