流体喷射器的制作方法

专利名称:流体喷射器的制作方法
发明领域本发明大体上涉及微电子-机械(MEM)流体喷射装置，例如喷墨打印系统，更具体地涉及具有各向异性表面室蚀刻的流体喷射装置。
现有技术的背景喷墨打印系统是数控流体喷射装置的一个示例。喷墨打印系统通常分成即时微滴打印系统或连续打印系统。
在微滴形成机构的一些方面中包含加热器的即时微滴打印系统是已知的。通常被称为″泡沫射流微滴喷射器″的这些机构包括电阻加热元件，其在被促动(例如，通过给电阻加热元件施加电流)时，使包含在流体室内的流体产生蒸气泡沫。随着蒸气泡沫膨胀，液体室中的液体通过喷嘴孔口喷出。当机构停用时(例如，通过取消施加给电阻加热元件的电流)，蒸气泡沫破裂，从而允许液体室重新填上液体。
为了实现足够高的打印分辨率和打印输出量，通常在每个打印头芯片上有远远超过100个的单独可寻址的微滴喷射器。为了使得可寻址并驱动更大数量的微滴喷射器中的每一个，必须将驱动电子元件和逻辑电子元件与泡沫射流微滴喷射器集成在同一芯片上，而非需要设置成使每一微滴喷射器就有一条引线互连在非芯片级的电子元件上。
存在各种泡沫射流微滴喷射器设计系列，它们可根据相对泡沫生长的主要方向和微滴喷射的方向而彼此区分开。在泡沫射流微滴喷射器设计的第一系列中，加热元件位于流体室内且直接处于大致平坦表面上的喷嘴孔口下方，该大致平坦表面基本上平行于喷嘴孔口的平面。当加热元件受脉冲作用时，泡沫就在加热元件之上的流体中形核。泡沫生长的主要方向是相对于加热元件向上的。因为其上设置加热元件的平坦表面，所以泡沫的向下生长是不允许的。由于喷嘴开口直接处于加热元件之上，因此微滴喷射的方向与泡沫生长的主要方向基本上一致。
在泡沫射流微滴喷射器设计的第二系列中，加热元件定位在流体室内，且位于基本上垂直于喷嘴孔口平面的大致平坦表面上。加热元件横向地偏离开喷嘴开口。当加热元件受到脉冲作用时，泡沫就在加热元件之上的流体中形核。泡沫生长的主要方向是相对于加热元件向上的。因为其上设置加热元件的平坦表面，泡沫的向下生长是不允许的。由于喷嘴横向地偏离开加热元件并且喷嘴开口基本上垂直于加热元件，因此微滴喷射的方向基本上垂直于泡沫生长的主要方向。
在泡沫射流微滴喷射器设计的第三系列中，加热元件与喷嘴开口基本上定位在同一平面内，其中加热元件定位在喷嘴开口的外围。″与喷嘴开口基本上定位在同一平面内″的意思是，这意味着加热元件和喷嘴开口都处于流体室的同一侧。″定位在喷嘴开口的外围″的意思是，加热元件定位成横向地偏离开喷嘴开口的中心。加热元件或元件可具有各种可能的形状。加热元件或元件可围绕在喷嘴开口周围，或简单地在喷嘴开口的一个或多个侧。如果加热元件和喷嘴的平面限定为处于流体室之上(见图2-5)，那么当加热元件受到脉冲作用时，泡沫生长的主要方向是相对于加热元件向下的。因为其上设置加热元件的平坦表面，所以泡沫的向上生长是不允许的。在泡沫膨胀时，它对加热元件下方的室中的流体施加压力。由于喷嘴开口在流体室之上，因此微滴喷射的方向是向上的，其与泡沫生长的主要方向基本上相反。其中微滴喷射方向基本上相对于泡沫生长主要方向的这一系列的泡沫射流微滴喷射器被称为逆向发射器(backshooter)。它属于本发明所述的微滴喷射器的逆向发射器系列。
在美国专利4580149中，Domoto公开了相关于逆向发射器系列的一种微滴喷射器几何形状。在这种几何形状中，所有加热器定位在一个较大的公共墨水室中。这种构造将在邻近微滴喷射器之间具有无法接受的较大相互作用，即流体串扰。此外，由于泡沫生长未受到室的约束，因此较大量的能量将损耗掉，而非被引向喷射微滴，因此这个结构不是非常高效的。
在Bhaskar等人的美国专利4847630中，公开了一种以逆向发射模式来操作的微滴喷射器构造。所公开的用于制造这种器件的工艺是电铸成型孔板，在孔板上形成绝缘层，在绝缘层上形成加热器元件，在加热器元件之上形成电绝缘层，以保护它们与墨水隔开以及防止受到气蚀损坏，通过电铸成型形成室，并将该结构连接在墨水供应源上。这种制造工艺将不能与对许多微滴喷射器寻址所需的驱动及逻辑电子元件的集成相容。
在转让给Eastman Kodak Company，Heinzl等人的美国专利No.5760804中，公开了一种逆向发射器打印头，其具有在墨水供应槽的盖板的墨水供应侧形成的多个导管，各导管与盖板另一侧上的各自的喷嘴开口流体连通。对于在微滴喷射器之间具有对应于每一英寸超过几百喷嘴和导管的间隔的高分辨率打印头的一些构造而言，提供用于各喷嘴的穿过衬底的单独导管会导致导管之间的壁对于较高生产率的制造而言就有一些窄。
在转让给Eastman Kodak Company，Obermeier等人的美国专利No.5502471中，公开了一种对5760804(其先于5502471提交，但后授权)中的逆向发射器打印头的构造的进一步改进。Obermeier等人公开了一种节流阀结构，其形成为在芯片和墨水供应源之间的材料层中纵向延伸的通道。在芯片上设有多个墨水通道，喷射开口，和各自的加热元件。按照规定，材料层(其中形成了节流阀结构)覆盖了在芯片设置的墨水通道。节流阀的功能是增加流体阻抗(fluidimpedance)，并因此而限制在供应通道方向上向回压的墨水量，以便提高率微滴喷射的能量效，并且还降低了与附近通道的流体串扰。在一些应用中，优选提供流体阻抗，以便通过与覆盖在芯片上的墨水通道的材料层中的纵向延伸通道不同的其它手段，来提高能量效率和降低串扰。
在美国专利No.5841452和6019457中，Silverbrook公开了各种不同的泡沫射流微滴喷射结构，其共同的特征包括a)整体地形成喷嘴，墨水通路，和衬底上的加热器装置；和b)墨水供应源入口位于衬底的与墨水喷射出口相对的那一侧，其中直通通路连接了入口和出口。Silverbrook公开的其中两种结构将被视为逆向发射器装置(如这两个所引用专利的图12和17所示)。另外，在6019457中，Silverbrook公开了一种墨水通路，其横截面在其部分长度上逐渐地变大，其中较大的横截面靠近出口侧。Silverbrook引用了关于其图17所示逆向发射器构造的以下缺点，通过各向同性等离子体蚀刻出大致半球形室，随后通过反应离子蚀刻形成将室连接在流体入口的筒通路，这样来形成图17的逆向发射器如果筒和室的角度未受到密切监控，那么在通过毛细作用利用墨水填充喷嘴的方面存在一定的困难。Silverbrook的用于他的图12逆向发射器构造的制造工艺有点儿难于执行，因为要求在300微米深通道的底部打印出窄筒状图案。需要有制造出与5841452和6019457中提出的结构相比而具有更高生产率、更紧密的尺寸控制、以及更好流体性能的带有流体室和连接通路的逆向发射器装置。
在Kim等人的美国专利No.6102530和6273553中，公开了逆向发射器类型的打印头，其中通过加热器元件在流体中形成两种不同的泡沫。第一泡沫是在流体室出口侧形成的，并且用作实际的阀，以便当第二泡沫形成以提供微滴喷射力时，为朝着室的墨水出口侧离开室的流体提供高阻力。另外，Kim介绍的墨水室制备方法是取向相关蚀刻(orientation dependent etch)步骤，其在与室相交的墨水入口的前一取向相关蚀刻之后。本领域中众所周知的是，具有不同尺寸的相交特征的取向相关蚀刻将导致这两个特征快速地扩大，使得难于提供紧密的尺寸控制。与用于提供流体阻抗的实际阀类型的手段相关的考虑是，在起初以及在长期使用之后一个打印头的不同微滴喷射器中的流体阻抗的再现性和稳定性，以及一个打印头与另一打印头之间的再现性。由于流体阻抗会影响微滴体积、微滴速度和再填充频率，因此将有损于装置的稳定的和可再现的性能。
在S.Lee等人的美国专利6478408和6499832中，公开了一种逆向发射器类型打印头，其具有大致半球形形状的墨水室，墨水供应源歧管，将墨水从歧管供应至墨水室的墨水通道，带有处在对应于墨水室中心部分的位置的喷嘴的喷嘴板，以及围绕喷嘴形成于喷嘴板上的加热器。半球形室通过采用可各向同性地蚀刻衬底的蚀刻气体干蚀刻穿过喷嘴而形成。在所述的实施例中，也通过各向同性蚀刻穿过比喷嘴直径更窄的凹槽，而将墨水通道形成于衬底表面上。墨水通道的深度小于半球形室的深度。在一些实施例中，在半球形室和墨水通道的相交处存在尖点状的突起，该突起被描述为可用作泡沫阻挡件。在一些实施例中，喷嘴引导件从喷嘴的边缘延伸到墨水室内部。因为半球形室和墨水通道是通过各向同性蚀刻较长一段时间形成的，因此所得的几何形状将稍微依赖于一些参数，例如气体压力，衬底温度和蚀刻时间。室和通道几何形状的一致性，以及打印头和从打印头至另一打印头的一致性可能会难于实现。结果，对于具有所需的微滴体积、微滴速度、再填充频率和一致性的装置而言，就难于实现高的生产率。
S.Baek等人在论文″T-JetA Novel Thermal Inkjet Printhead withMonolithically Fbricated Nozzle Plate on SOI Wafer″(2003年6月的“Transducers′03”的第472-475页)中，公开了一种逆向发射微滴喷射器构造，这是通过在绝缘体晶片上的硅中沟槽填充技术来实现的。室和流体限制器的侧壁通过填充顶部硅层中的沟槽来形成，而室的底部通过绝缘体层来形成。下加热器层、带传导层的加热器层、上加热器层和金属覆盖层被沉积并进行图案化处理，并且通过电镀来形成喷嘴板。墨水传输歧管形成于底部硅层中。然后通过穿过喷嘴的各向同性蚀刻来形成墨水室和限制器。
发明概要根据本发明的一个方面，流体喷射装置包括衬底，其具有第一表面和定位成相对于第一表面的第二表面。喷嘴板形成于衬底的第一表面之上。喷嘴板具有可通过其喷射出流体的喷嘴。微滴形成机构定位在喷嘴的外围。流体室与喷嘴流体连通，并且具有第一壁和第二壁，其中第一壁和第二壁定位成彼此之间形成一定角度。流体传输通道形成于衬底中，并且从衬底的第二表面延伸至流体室。流体传输通道与流体室流体连通。流体阻抗源包括位于喷嘴和流体传输通道之间的物理结构。
根据本发明的另一方面，形成流体室和流体阻抗源的方法包括，提供具有表面的衬底；在衬底表面上沉积第一材料层，第一材料层是相对于衬底可不同地蚀刻的；除去第一材料层的一部分，从而形成图案化的第一材料层，并且限定流体室边界位置；在图案化的第一层上沉积牺牲材料层；除去牺牲材料层的一部分，从而形成图案化的牺牲材料层，并且进一步限定流体室边界位置；在图案化的牺牲材料层上沉积至少一个另外的材料层；形成从至少一个另外的材料层延伸至牺牲材料层的孔，所述孔定位在流体室边界位置中；通过引导蚀刻剂通过孔，来除去流体室边界位置中的牺牲材料层；通过引导蚀刻剂通过孔来形成流体室；以及形成流体阻抗源。
根据本发明的另一方面，流体喷射装置包括衬底，其具有第一表面和定位成相对于第一表面的第二表面。喷嘴板形成于衬底的第一表面之上，喷嘴板具有喷嘴，流体通过该喷嘴而喷射出。流体室与喷嘴流体连通，并且具有定位成相对于喷嘴的底部部分。底部部分包括第一壁和第二壁，其中第一壁和第二壁定位成彼此之间形成一定角度。流体传输通道形成于衬底中，并且从衬底的第二表面延伸至流体室。流体传输通道与流体室流体连通。流体阻抗源包括位于喷嘴和流体传输通道之间的物理结构。
附图简介在以下对本发明实施例的详细描述中，参考了以下附图，其中图1是根据本发明的逆向发射流体喷射装置的示意图。
图2-5显示了构造成经请求滴落式打印头的流体喷射装置的操作。
图6A显示了第一实施例中的衬底、加热器和多层叠层的顶视图。
图6B显示了沿着方向6B-6B看去的剖视图。
图7A显示了在形成喷嘴的下一步骤之后的顶视图。
图7B显示了沿着方向7B-7B看去的剖视图。
图8A显示了在蚀刻牺牲层的下一步骤之后的顶视图。
图8B显示了沿着方向8B-8B看去的剖视图。
图9A显示了在形成流体室的下一步骤之后的顶视图。
图9B显示了沿着方向9B-9B看去的剖视图。
图10A显示了在形成流体传输通道的下一步骤之后的顶视图。
图10B显示了沿着方向10B-10B看去的剖视图。
图11A显示了加热器，喷嘴，流体室，以及流体室和流体传输通道之间的相交线的顶视图。
图11B显示了用于流体室和流体传输通道之间相交的一个构造的从点B看去的室开口的端视图。
图11C显示了用于流体室和流体传输通道之间相交的一个备选构造的从点B看去的室开口的端视图。
图11D显示了室开口面积与流体室最大截面积之比，该面积比是流体室和流体传输通道之间的相交位置的函数。
图12A显示了第二实施例中的衬底和衬底表面中的凹坑的顶视图。
图12B显示了沿着方向12B-12B看去的剖视图。
图13A显示了在用材料填充凹坑的下一步骤之后的顶视图。
图13B显示了沿着方向13B-13B看去的剖视图。
图14A显示了在形成图案化的掩模层、加热器和多层叠层的下一步骤之后的顶视图。
图14B显示了沿着方向14B-14B看去的剖视图。
图15A显示了在形成喷嘴和流体室，使得材料作为悬垂的突起从喷嘴板底部延伸至室中的下一步骤之后的顶视图。
图15B显示了沿着方向15B-15B看去的剖视图。
图16A显示了在形成流体传输通道的下一步骤之后的顶视图。
图16B显示了沿着方向16B-16B看去的剖视图。
图17A显示了在第三实施例中的衬底、加热器、多层叠层和图案化的金属层的顶视图。
图17B显示了沿着方向17B-17B看去的剖视图。
图18A显示了在穿过图案化的金属层和多层叠层蚀刻出喷嘴和另外的孔的下一步骤之后的顶视图。
图18B显示了沿着虚线方向18B-18B看去的剖视图。
图19A显示了在形成流体室的下一步骤之后的顶视图。
图19B显示了沿着方向19B-19B看去的剖视图。
图20A显示了类似于图19A的顶视图。
图20B显示了沿着虚线方向20B-20B看去的剖视图。
图21A显示了在涂覆可光致图案化的聚合物的下一步骤之后的顶视图。
图21B显示了沿着虚线方向21B-21B看去的剖视图。
图22A显示了在曝光可光致图案化的层、同时掩蔽喷嘴区域防止其曝光的下一步骤之后的顶视图。
图22B显示了沿着虚线方向22B-22B看去的剖视图。
图23A显示了在显影掉未曝光的可光致图案化的聚合物的下一步骤之后的顶视图。
图23B显示了沿着虚线方向23B-23B看去的剖视图。
图23C显示了端视图，显示了流体室，聚合物层，以及从聚合物层延伸至流体室中的聚合物小柱(post)。
图24A显示了在形成流体传输通道的下一步骤之后的顶视图。
图24B显示了沿着虚线方向24B-24B看去的剖视图。
图25A显示了在第四实施例中的衬底、加热器和多层叠层的顶视图。
图25B显示了沿着方向25B-25B看去的剖视图。
图26A显示了在形成喷嘴的下一步骤之后的顶视图。
图26B显示了沿着方向26B-26B看去的剖视图。
图27A显示了在除去牺牲层的下一步骤之后的顶视图。
图27B显示了沿着方向27B-27B看去的剖视图。
图28A显示了在形成流体室和阻抗通道的下一步骤之后的顶视图。
图28B显示了沿着方向28B-28B看去的剖视图。
图29A显示了在扩大流体室和阻抗通道之间的连接的下一步骤之后的顶视图。
图29B显示了沿着方向29B-29B看去的剖视图。
图30A显示了在形成流体传输通道的下一步骤之后的顶视图。
图30B显示了沿着方向30B-30B看去的剖视图。
图31显示了第五实施例中的衬底、加热器和多层叠层的顶视图。
图31B显示了沿着方向31B-31B看去的剖视图。
图32A显示了在形成喷嘴的下一步骤之后的顶视图。
图32B显示了沿着方向32B-32B看去的剖视图。
图33A显示了在形成流体室和多级阻抗通道的下一步骤之后的顶视图。
图33B显示了沿着方向33B-33B看去的剖视图。
图34A显示了在扩大流体室和多级阻抗通道之间的连接的下一步骤之后的顶视图。
图34B显示了沿着方向34B-34B看去的剖视图。
图35A显示了在形成流体传输通道的下一步骤之后的顶视图。
图35B显示了沿着方向35B-35B看去的剖视图。
图36A显示了在第六实施例中的在其表面形成有凹坑的衬底的顶视图。
图36B显示了沿着方向36B-36B看去的剖视图。
图37A显示了在用牺牲材料填充凹坑的下一步骤之后的顶视图。
图37B显示了沿着方向37B-37B看去的剖视图。
图38A显示了在形成多层叠层和加热器的下一步骤之后的顶视图。
图38B显示了沿着方向38B-38B看去的剖视图。
图39A显示了在形成喷嘴的下一步骤之后的顶视图。
图39B显示了沿着方向39B-39B看去的剖视图。
图40A显示了在形成流体室和相邻于填充的凹坑的阻抗通道的下一步骤之后的顶视图。
图40B显示了沿着方向40B-40B看去的剖视图。
图41A显示了在从凹坑中除去牺牲材料的下一步骤之后的顶视图。
图41B显示了沿着方向41B-41B看去的剖视图。
图42A显示了在形成流体传输通道的下一步骤之后的顶视图。
图42B显示了沿着方向42B-42B看去的剖视图。
图43A显示了第七实施例的顶视图，其中通过从相交于流体室的凹坑中除去牺牲材料而形成阻抗通道。
图43B显示了沿着方向43B-43B看去的剖视图。
图44A显示了具有围绕喷嘴对称地设置的两个流体传输通道和两个收缩(constriction)区域的第八实施例的顶视图。
图44B显示了沿着方向44B-44B看去的剖视图。
图45A显示了其中流体室具有延长长度的实施例的顶视图。
图45B显示了沿着方向45B-45B看去的剖视图。
图46A显示了其中流体室从喷嘴的两个方向中的每一方向具有延长长度的一个实施例的顶视图。
图46B显示了沿着方向46B-46B看去的剖视图。
图47显示了流体喷射器的二维排列的顶视图，每一个流体喷射器都具有相应的流体传输通道。
图48显示了流体喷射器的二维排列的顶视图，每一个流体喷射器都在各端具有流体传输通道。
本发明的详细描述本发明将尤其涉及到与本发明的装置或工艺直接协作或形成其一部分的元件。应当理解，未专门示出或描述的元件可采取本领域技术人员众所周知的各种形式。
如这里所述，本发明提供了流体喷射装置及其操作方法。这种装置最常见的是用作喷墨打印系统中的打印头。这里所述的流体喷射装置可以经请求滴落模式来操作。
许多其它的应用是使用类似于喷墨打印头的装置，但其发射需要精确的计量，且需要以高的空间精度来沉积的流体(不同于墨水)。同样，如本文所述的用语“流体”指的是可通过如下所述的流体喷射装置发射的任何材料。
参见图1，显示了流体喷射系统10，例如喷墨打印机的示意图。系统包括数据(即图像数据)源12，其提供了由控制器14解释的信号，以便作为用于发射微滴的指令。控制器14输出信号至电能脉冲源16，其被输入给流体喷射子系统100，例如喷墨打印头。在操作过程中，流体，例如墨水，被沉积在记录介质20上。典型地，流体喷射子系统100包括设置成至少一个大致线性行的多个流体喷射器160。流体喷射器的一个示例161如剖视图所示。
根据本发明的逆向发射泡沫射流流体喷射子系统100包括a)硅衬底110，其具有第一表面111和相对于第一表面的第二表面112；b)从第二表面112蚀刻穿过硅衬底110并且基本上与之垂直的流体传输通道115；c)形成于硅衬底的第一表面111之上的喷嘴板150，所述喷嘴板具有形成为从中穿过的喷嘴152；d)形成在喷嘴152外围的加热器元件151；流体室113，其定位成直接处于喷嘴152之下，并且与喷嘴152和流体传输通道115均流体连通，所述流体室通过各向异性蚀刻硅衬底的第一表面111而形成；以及流体阻抗源，其一个示例是显示为114的收缩区域，其定位在流体传输通道和流体室之间的流体通路中。
参见图2-5和图1，将描述在逆向发射经请求滴落模式下的流体喷射子系统100的操作。控制器14输出信号至源16，这将导致源16将促动脉冲传输至加热器151。加热器151的促动导致一般在流体室113中保持在略微负压下的一部分流体(例如墨水)汽化，而形成蒸气泡沫190。蒸气泡沫190膨胀，从而迫使流体室113中的流体开始以流体棒181的形式通过喷嘴152而突出，最终以微滴180的形式通过喷嘴152喷射出。蒸气泡沫190膨胀的方向与微滴180喷射的方向相反。根据加热器151和流体室113的设计细节，从喷嘴152相对两侧的蒸气泡沫190的不同区域可在发射微滴180时汇合。在一些应用中这是有利的，因为可防止非所需的星状微滴的形成。蒸气泡沫190在停用加热器151之后破裂。这就允许传输通道115重新填充喷射室113。当需要另外的流体微滴时，重复该工艺过程。流体室113和墨水传输通道115之间的收缩区域114用于阻止墨水在蒸气泡沫膨胀期间和之后出现回流。墨水的这种回流可导致压力波动，从而破坏即将随后发射的相邻流体喷射器的操作。对邻近通道的操作的这种瞬间破坏被称为流体串扰。限制墨水回流还有助于提高流体喷射器的能量效率。
对于流体喷射应用，例如其中需要以大约20kHz或更高的较快速率从给定喷嘴中喷射出微滴的喷墨打印而言，必须实现流体室的快速重新填充，使得墨水在大约50微秒内实现相对稳定的状态，以便可产生稳定的微滴。可以理解，流体喷射器161的各种元件的几何形状(包括喷嘴152，加热器151，流体室113，收缩区域114，和墨水传输通道115的尺寸和形状)对流体喷射装置的性能(包括微滴大小，微滴大小一致性，微滴速度，最大喷射频率，和微滴定位精确度)具有显著的影响。本发明的主要着重点是流体室113和流体阻抗源114，以及改进的用于制造它们的方法。
如下所述的各种实施例是在根据采用CMOS处理工艺的基本方法之后来进行描述的，以便提供喷嘴，以及加热器元件和相关驱动电路和逻辑电路，以及采用MEMS处理以形成流体通路。这种方法例如在美国专利6450619中关于连续喷墨打印头的方面进行了更详细的描述。
图6-10显示了用于形成本发明的流体通路的一个实施例的一系列工艺步骤。各图在单个流体喷射器的区域中显示了顶视图，以及剖视图。可以理解，用于装置的所有流体喷射器是同时形成的。实际上，在晶片处理工艺中，一般数百个流体喷射集成的电路装置是同时形成的，并且之后被分开，而封装成单个的打印头，例如。在图6中，在单晶硅衬底110的第一表面111上设有多层叠层140，其中形成有加热器元件151和相关的电极(未示出)。在这个叠层内还选择性地形成了与加热器相关的驱动器和逻辑电路。在一些情形下，所述驱动器和逻辑电路采用CMOS工艺制成，并且这个多层叠层140常常被称为CMOS叠层。喷嘴附近的多层叠层140也用作喷嘴板150。由于包含若干层金属、氧化物和/或氮化物绝缘层，以及至少一个电阻层，因此多层叠层140典型地为大约5微米厚。直接形成于硅表面111上的多层叠层140的最下层是氧化物或氮化物层141。下面，层141将被称为氧化物层。层141具有可在形成流体室的蚀刻步骤中相对于硅衬底被不同地蚀刻的性能。作为用于多层叠层140的部分处理步骤，除去对应于流体室下一位置的氧化物区域142。层143是牺牲层，其沉积在氧化物层141之后，随后被图案化，以便余下的牺牲层材料143略大于氧化物层141中的窗口142。换句话说，设有大约1微米的重叠的小区域144，其中牺牲层143位于氧化物层141上面。牺牲层可为各种材料中的一种。所关注的颗粒材料是多晶硅，或多晶体硅。图案化的牺牲层143在处理多层叠层140的其余过程中保持就位，但在形成流体室之后被除去。
在多层叠层140内还显示有加热器151，其显示为环绕在喷嘴的最终位置的环。至加热器上的连接是未示出的。对本领域技术人员显而易见的是，不要求加热器具有圆形的或接近圆形的对称。加热器可由相邻于喷嘴的一个或多个分段形成，实际上，尽管出于简便起见而在形成泡沫以便提供微滴喷射力的加热器方面介绍了微滴形成机构，但是，也可以在喷嘴的外围结合其它形式的微滴形成机构，包括微促动器或压电式换能器。与加热器或其它微滴形成机构的形状无关的是，它具有长度Q，其是微滴形成机构的彼此最远离的点之间的距离。
图7显示了其中喷嘴152被蚀刻穿过多层叠层140的步骤。喷嘴152显示为圆形的，并且具有直径D。实际上，圆形的形状是一般优选的，但其它形状也是可以的，例如椭圆形、多边形，等等。
图8和9显示了用于制造流体室的步骤。图8显示了牺牲层143的蚀刻，留下空穴145。图9显示了流体室113的取向相关蚀刻。图8和9显示了牺牲层143的蚀刻和室113的蚀刻，它们是作为单独的步骤的。对于多晶硅用作牺牲层的情形而言，这两个工艺步骤同时发生，根据正面产生的蚀刻具有通过逐渐除去多晶硅牺牲层所确定的宽度，如转让给ST Microelectronics的US6376291中所示。
取向相关蚀刻(ODE)是湿蚀刻步骤，其会以不同的速率侵蚀不同的晶面。同样，取向相关蚀刻是一种各向异性蚀刻的类型。本领域中对于取向相关蚀刻众所周知的是，蚀刻剂例如氢氧化钾，或TMAH(氢氧化四甲铵)，或EDP蚀刻硅的(111)晶面要比它们蚀刻其它晶面慢得多(大约慢100倍)。所关注的众所周知的情形是，蚀刻具有(100)取向的单晶硅晶片。(111)平面有与给定(100)平面相交的四个不同取向。(111)平面和(100)平面的相交线是在[110]方向上的线。在(100)平面内包含有两个不同的[110]方向，并且这两个方向彼此垂直。因此，如果具有(100)取向的单晶硅衬底被覆盖上例如可耐受KOH或TMAH蚀刻的氧化物或氮化物层，但被图案化而暴露出矩形的露出硅，其中矩形的边平行于[110]方向，并且衬底暴露在蚀刻剂例如KOH或TMAH中，那么，将在暴露的硅矩形中蚀刻出凹坑。如果允许继续进行蚀刻直至完成，那么凹坑将具有四个倾斜的壁，各壁是不同的(111)平面。如果所暴露硅的矩形的长度和宽度分别是L和W，并且如果L＝W，那么四个(111)平面将在一个点处会合，并且凹坑将为角锥的形状。(111)平面相对于(100)表面处在54.7度的角度下。凹坑的深度H是2的平方根的一半乘以宽度，也就是说，H＝.707W。如果L＞W，那么最大深度H仍然是.707W，并且凹坑的形状是带有倾斜侧壁和倾斜端壁的V形凹槽。凹坑的最大深度的区域的长度是L-W。当然，如果衬底的厚度小于.707W，并且如果允许继续进行蚀刻直至完成，那么将穿过衬底蚀刻出孔。在本发明的描述中，采用了这样的蚀刻凹坑几何形状，其中衬底的局部厚度大于.707W。
如图9所示，室113具有位于喷嘴152附近的倾斜端壁116，以及位于该室相反端且具有相反斜度的另一倾斜端壁117。端壁117在凹坑的一个边缘118终止于硅的表面。
图10显示了例如通过从硅衬底的第二表面112(即背面)进行的深反应性离子蚀刻(DRIE)，来形成流体传输通道115。本领域中众所周知的是，DRIE允许在硅中蚀刻出具有大致垂直壁的通道，所述通道高达几百微米深。为了允许流体从衬底背面流入室中，DRIE蚀刻的流体传输通道的位置设置成使得它相交于流体室。在图10所示的实施例中，这个相交点设计成处于流体室的倾斜端壁117中。这样，收缩区域114形成为在流体传输通道115和喷嘴152之间的流体通路中的物理结构。收缩区域114从流体室113朝着喷嘴板150延伸。因为流体传输通道115典型地连接在多个邻近的流体室113上，所以，所述收缩区域114(位于流体传输通道和单个的喷嘴152之间)有助于减小喷射器161和邻近喷射器之间的流体串扰。
图11显示了用于具有长度L和宽度S的室的收缩区域114的一些几何形状细节。如顶视图中所示，流体传输通道115与流体室113的相交线120定位成离凹坑边缘118有一段距离x。如果x大于S/2(也就是说，如果流体传输通道在该室的全深度D的区域而非在倾斜端壁117中相交于该室)，那么开口的形状将为三角形，其具有宽度S，深度H＝.707S，并且截面积A＝.354S2。然而，如从点B看去的端视图所示，通过将流体传输通道115定位成使得x稍微小于S/2，那么开口的横截面将为梯形。梯形开口的截面积通过表达式A＝.354S2[4(x/S)-4(x/S)2]给出。因此，它小于室113在其最大区域的截面积，其中A＝.354S2。随着x/S从0变为0.5，梯形开口的发展(作为A＝.354S2的最大面积的分数)显示为图11中图的x/S的函数。收缩区域114的流体阻抗增大是由于梯形的更小开口以及倾斜端壁117的余下长度造成的。
出于能量效率的目的，有利的是，加热器151的长度Q小于流体室113的宽度S。这样，加热器所产生的热就有效地传输至流体室内的流体。
可以理解，可以多种不同的方式来提供在喷嘴和流体传输通道之间的流体通路中的收缩区域。现在将介绍几个这种备选实施例。
第二实施例用于形成喷嘴和墨水传输通道之间的流体通路中的收缩区域在图12-16中显示。在该实施例中，悬垂的突起形成于室中，以形成收缩区域。尤其是，这个类型的突起从室的顶部(也就是说，多层叠层的包括喷嘴板的部分)向下悬垂，并且部分地延伸进入室中。所述突起是通过填充凹坑形成的，其在流体室随后进行蚀刻时将保持粘在多层叠层的底部上。
图12显示了在硅衬底210的第一表面211中蚀刻出凹坑221的第一步骤。凹坑221可通过各种各向同性或各向异性手段蚀刻出。然而，在该实施例中，它显示为例如通过取向相关蚀刻而蚀刻出。这个凹坑具有横向尺寸l和w，以及深度d，深度d等于l或w中较小的那个乘以2的平方根的一半。
图13显示了填充有材料222的凹坑221。材料222将之后形成悬垂的突起。它必须具有以下性能a)它必须能够填充凹坑221；b)它必须能够耐受随后的处理步骤；c)它必须能够很好地粘在多层叠层的底层(典型地为氧化物或氮化物层)上；和d)它必须用在随后的室蚀刻步骤中所用的ODE蚀刻剂而受到缓慢的蚀刻，或者完全不被蚀刻。这种材料的示例是玻璃。另一示例是钨。在图13中，凹坑填充材料222的顶部显示为与硅衬底的第一表面211处于相同的水平面上。已经通过可包括蚀刻和/或抛光的步骤，将过多的可能沉积在表面211上的材料222去除。
图14显示了用于多层叠层240的各种加工处理步骤的结果，其中多层叠层240的一部分包括喷嘴板250。类似于用于第一实施例的图6的是，类似的标号表示类似的部件，包括多层叠层240，加热器元件251，氧化物层241，对应于流体室最终位置的已经被去除的氧化物区域242，牺牲层243，和牺牲层的在氧化物层上面的重叠区域244。图14还显示了氧化物层245的岛状结构，其保持在最终的室位置中，并且沉积在悬垂的突起材料222之上。
图15显示了用于制造流体室的步骤。在形成喷嘴252之后，牺牲层243和室213都被进行蚀刻处理。如果牺牲材料243是例如多晶硅的材料，那么可与流体室同时进行蚀刻，因此这两个步骤可同时进行。悬垂的突起材料222和与之粘在一起的氧化物层245在室蚀刻步骤中未被蚀刻。结果，悬垂的突起222从喷嘴板下侧向下延伸进入室213中，所述喷嘴板形成了室213之上的顶部。
图16显示了从硅衬底210的背面212蚀刻出的DRIE流体传输通道215。流体传输通道215显示为已经被定位成使得它在其中流体室具有其最大截面积的位置相交于流体室213。在该实施例中，喷嘴和流体传输室之间的收缩通过悬垂的突起222而形成。尽管只是显示了一个悬垂的突起222，但是，当然可以在室的边界内形成线性排列或二维排列的悬垂的突起。可以理解，也可以将实施例1和2组合起来，并且设有通过一个或多个悬垂突起和通往流体传输通道215的室213之更小开口的组合所形成的收缩。在这种情形下，可以选择性地将一个或多个悬垂的突起定位在室的倾斜端壁之上。
除了增加流体阻抗以便减小串扰之外，流体通路的收缩的第二功能也可用于阻止可能在流体传输通道进入的颗粒物质到达喷嘴并滞留在这里。换句话说，这种突起可用作末级过滤器。典型地，在流体供应管线中可以有其它位于墨水传输通道上游的过滤器。仅仅要求这些突起阻挡可能已通过主过滤器的极少颗粒。
图17-24显示了用于形成流体传输通道和喷嘴之间的流体通路中的收缩的第三实施例。如第二实施例中一样，突起延伸进入流体室中。在第三实施例中，突起包括小柱，其采用可光致图案化的聚合物来形成。小柱从室顶部(也就是说，喷嘴板)延伸至室的壁，并且在两端被粘合起来。
图17类似于用于第一实施例的图6，并且类似的标号用于表示类似的部件，包括多层叠层340，加热器元件351，氧化物层341，对应于流体室最终位置的已经被去除的氧化物区域342，牺牲层343，和牺牲层的在氧化物层上面的重叠区域344。另外，图17显示了至少在对应于流体室最终位置的区域中保持在多层叠层340上面的层346。层346已经被进行图案化处理，以便具有对应于喷嘴的最终位置的窗口(这里显示为圆)，以及对应于聚合物小柱的最终位置的窗口(这里显示为矩形)。层346是对光致曝光不透明的，并且典型由金属制成。
图18显示了被蚀刻穿过多层叠层340的孔。这些孔对应于喷嘴352和最终的小柱位置347。图18中的剖视图是沿着虚线A-C看去的，以便可看见喷嘴以及小柱位置。
图19-20显示了在流体室313的取向相关蚀刻步骤之后的不同的剖视图。图19显示了沿着经过喷嘴和室313最深部分的A-A的视图。图20显示了沿着经过喷嘴并且随后向上错位以便显示通过其中一个最终小柱位置的线A-C的视图。在该视图线中形成错位时，也显示了在室底部中的斜度。
图21显示了添加可光致图案化的聚合物材料370。可光致图案化的聚合物材料370可为环氧树脂，例如SU-8，或者聚酰亚胺，或者可曝光、显影和固化的任何其它的这种聚合物材料。典型地通过沉积一定的量在晶片上，并且旋转晶片，这里来涂覆这种聚合物材料。如图所示，聚合物材料370填充了流体室，喷嘴孔和小柱孔，并且还在多层叠层340的顶部留下了一层。
图22显示了通过掩膜371来曝光可光致图案化的聚合物材料370的步骤。掩膜371遮蔽了喷嘴区域352中的聚合物材料370，以免其被曝光。另外，除了在将形成小柱的位置347以外，不透明层346(在多层叠层340顶部)遮蔽了室中的聚合物材料370。
图23显示了在可光致图案化的聚合物材料进行显影和固化之后，交联的小柱结构374、以及聚合物375的交联顶层的剖视图和端视图。聚合物375的顶层的好处之一在于，它为喷嘴352提供了另外的长度。聚合物顶层的好处之二在于，它用作用于小柱375的锚固点。小柱375同时连接在顶部和底部上，这就为小柱375提供了另外的强度。尽管矩形横截面的两个小柱被并排地显示出，但是可以理解，这样的特征是通过不透明层346的图案化来确定的。小柱的其它一维或二维排列也是可以的，并且小柱的其它截面形状也可以是易于实施的。
图24显示了从硅衬底310的背面312蚀刻出的DRIE流体传输通道315。流体传输通道315显示为定位成使得它在其中流体室具有其最大截面积的位置相交于流体室313。在该实施例中，喷嘴和流体传输室之间的收缩是通过聚合物小柱374来形成的。可以理解，可以将实施例1和3组合起来，以便具有由小柱的组合所形成的收缩，以及室313的进入流体传输通道315的更小开口。在这种情形下，可以将小柱选择性地定位在室的倾斜端壁之上。
如同第二实施例中的悬垂的突起那样，同样，聚合物小柱也可用于双重功能，即，提供抗串扰的流体阻抗，以及用作用于有害颗粒物质的末级过滤器。
图25-30显示了用于形成流体传输通道和喷嘴之间的流体通路中的收缩的第四实施例，在这个第四实施例中，通过在喷嘴和流体传输通道之间在衬底的第一表面来插入阻抗通道，这样来形成收缩，所述阻抗通道所具有的截面积小于流体室的最大截面积，即小于.35S2。这里所述的形成这种阻抗通道的具体示例是取向相关蚀刻出的通道，其具有小于S的宽度，以及小于.707S的相应深度。因此，阻抗通道的截面积是0.35s2，它小于0.35S2。
图25显示了氧化物掩膜图案，其用于宽度为S的流体室和宽度为s＜S的相邻阻抗通道。图25显示了用于多层叠层440的各种加工处理步骤的结果。它类似于用于第一实施例的图6，并且类似的标号用于表示类似的部件，包括衬底410，多层叠层440，加热器元件451，氧化物层441，对应于流体室最终位置的已经被去除的氧化物区域442a，对应于阻抗通道最终位置的已经被去除的氧化物区域442b，在流体室最终位置的牺牲层443a，在阻抗通道最终位置的牺牲层443b，在流体室和阻抗通道末端的在氧化物层上面的牺牲层的重叠区域444a，以及在流体室和阻抗通道之间的最终位置的区域中的在氧化物层上面的重牺牲层的叠区域444b。
图26显示了蚀刻处理喷嘴452的步骤。图27显示了蚀刻处理牺牲层443，以形成在流体室的最终位置之上的空穴445a和在阻抗通道的最终位置之上的空穴445b。可以注意到，蚀刻掉重叠区域444b(在氧化物层上面)中的牺牲层就形成了用于蚀刻剂进入的连续通路。
图28显示了流体室413和阻抗通道419这两者的取向相关蚀刻的步骤。应当注意如果牺牲层443是多晶硅，那么牺牲层的蚀刻和流体室413和阻抗通道419的ODE蚀刻可全部在同一步骤中进行。
尽管空穴444b足以允许ODE蚀刻剂到达阻抗通道419的区域，但是，空穴444b在横截面上一般不够大，而无法在装置的随后操作中通过阻抗通道419用流体快速地重新填充流体室413。因此，通常需要扩大流体室413和阻抗通道419之间的连接区域。用于扩大该连接区域的这种步骤如图29所示。在图29中，例如通过允许蚀刻气体例如SF6或XeF2进入喷嘴区域452中达预定一段时间，并因而蚀刻出外露硅的区域，这样就执行了各向同性蚀刻步骤。结果，流体室413和阻抗通道419都被稍微扩大，包括在直接处于空穴445b下方的连接区域中都被稍微扩大。还可以注意到，氧化物层441变得稍微有些下部凹陷，并且之前在取向相关蚀刻的结构413和419中的锐利转角变得稍微圆一些。
图30显示了通过从硅衬底背面进行DRIE，这样来形成流体传输通道415。其与阻抗通道419的相交点显示为出现在其中阻抗通道处于其全深度的位置，而非出现在其中阻抗通道的端壁倾斜的位置。然而，可以理解，相交点也可设计成出现在或者处于阻抗通道419的倾斜端壁中。
图31-35显示了用于形成流体传输通道和喷嘴之间的流体通路中的收缩的第五实施例。在该第五实施例中，通过在喷嘴和流体传输通道之间插入一个或多个多级阻抗通道，这样来形成收缩，所述多级阻抗通道具有区域，其截面积小于流体室最大截面积，即小于.35S2。这里所述的形成这种多级阻抗通道的具体示例包括两个端对端的取向相关蚀刻出的通道，其中至少一个通道具有小于S的长度l和小于.707S的相应深度。阻抗通道的所得截面积具有其截面积小于0.35S2的区域。
图3 1显示了氧化物掩膜图案，其用于宽度S的流体室和相邻多级阻抗通道，其中一个级具有长度l＜S。图31显示了用于多层叠层540的各种加工处理步骤的结果。它类似于用于第一实施例的图6，并且类似的标号用于表示类似的部件，包括衬底510，多层叠层540，加热器元件551，氧化物层541，对应于流体室最终位置的已经被去除的氧化物区域542a，对应于阻抗通道第一级的最终位置的已经被去除的氧化物区域542b，对应于阻抗通道第二级的最终位置的已经被去除的氧化物区域542c，在流体室最终位置的牺牲层543a，对应于阻抗通道第一级的最终位置的已经被去除的氧化物区域542b，对应于阻抗通道第二级的最终位置的已经被去除的氧化物区域542c，在流体室和阻抗通道末端的在氧化物层上面的牺牲层的重叠区域544a，以及在流体室和阻抗通道两个级之间的最终位置的区域中的在氧化物层上面的牺牲层的重叠区域544b。
图32显示了蚀刻喷嘴552的步骤。图33显示了蚀刻牺牲层及流体室513，以及多级阻抗通道的第一级519a和第二级519b的结果。在所示的具体示例中，多级阻抗通道的第一级519a的长度l和宽度都小于S。然而，正是取向相关蚀刻出的凹坑中的两个尺寸中较小的那个尺寸确定了其深度。在如图33所示的示例中，第一级519a的长度小于宽度。因此，多级阻抗通道的第一级519a的深度是.707乘以1。对于其它示例(未示出)，第一级519a的宽度可小于1或甚至大于S，并且仍然满足多级阻抗通道的至少一个级的截面积小于.35S2的条件。
如同第四实施例中一样，(为了在操作过程中足够快速地重新填充流体)需要扩大流体室和阻抗通道多级之间的连接区域。在图34中，例如通过允许蚀刻气体例如SF6或XeF2进入喷嘴区域552中达预定的一段时间，并由此而蚀刻出暴露的硅区域，从而执行了各向同性蚀刻步骤。结果，流体室513和阻抗通道的两级519a和519b就被稍微扩大。
图35显示了通过从硅衬底的背面进行DRIE处理，来形成流体传输通道515。其与阻抗通道第二级519b的相交点显示为出现在其中第二级519b处于其全深度的位置，而非出现在其中端壁倾斜的位置。然而，可以理解，相交点也可设计成出现在或者处于阻抗通道第二级519b的倾斜端壁中。
图36-42显示了用于形成流体传输通道和喷嘴之间的流体通路中的收缩的第六实施例。在这个第六实施例中，通过利用之前形成的凹坑将取向相关蚀刻出的流体室和取向相关蚀刻出的阻抗通道相连起来，来形成收缩，所述凹坑具有临时性材料，在完成流体室和阻抗通道的取向相关蚀刻之后，该临时性材料被除去。
图36显示了在硅衬底610的第一表面611中蚀刻出凹坑625的第一步骤。凹坑625可通过各种各向同性或各向异性手段蚀刻出。然而，在该实施例中，例如，它显示为通过反应性离子蚀刻蚀刻出。这个凹坑具有横向尺寸l和w，以及深度d。
图37显示了基本上填充上临时性材料626的凹坑625具有以下性能a)它必须能够填充凹坑625；b)它必须能够耐受随后的处理步骤；c)它必须通过用于蚀刻流体室之上的临时性材料的蚀刻剂而被缓慢地蚀刻，或者完全不被蚀刻；d)它必须通过用于流体室蚀刻步骤的ODE蚀刻剂而被缓慢地蚀刻，或者完全不被蚀刻；和e)它必须可通过基本上不会腐蚀外露硅的蚀刻工艺来去除。这种材料的示例是玻璃。在图37中，临时性的凹坑填充材料626的顶部显示为与硅衬底的第一表面611处于同一水平面。可沉积在表面611上的过多临时性材料626已经通过可包括化学机械抛光在内的步骤而除去。
图38显示了用于在填充有临时性材料626的凹坑625之上的多层叠层640的各种加工处理步骤的结果。它类似于用于第一实施例的图6，并且类似的标号用于表示类似的部件，包括多层叠层640，加热器元件651，氧化物层641，对应于流体室最终位置的已经被去除的氧化物区域642a，对应于阻抗通道最终位置的已经被去除的氧化物区域642b，在流体室最终位置中的牺牲层643a，在阻抗通道最终位置中的牺牲层643b，在临时性凹坑填充材料626上面的牺牲层643d，以及在流体室和阻抗通道末端的氧化物层上面的牺牲层的重叠区域644。
图39显示了蚀刻喷嘴652的步骤。图40显示了蚀刻牺牲层643及流体室613以及阻抗通道619的结果。临时性的凹坑填充材料626基本上没有受到牺牲层643的蚀刻或受到用于形成流体室613和阻抗通道619的取向相关蚀刻步骤的影响。阻抗通道619的宽度s小于流体室613的宽度S，并且阻抗通道619的深度是.707s，其小于流体室613的深度.707S。
图41显示了采用基本上不会影响外露硅的蚀刻剂来从凹坑625中蚀刻掉临时性凹坑填充材料626的结果。流体室613和阻抗通道619之间的通路已经通过插入的凹坑625而扩大。应当注意在这个具体示例中，插入的凹坑625和阻抗通道619都被勾绘出草图，具有小于流体室613最大截面积的截面积。然而，在本发明下可包括进来的其它示例是，其中插入的凹坑625的截面积小于流体室613截面积(但阻抗通道619的截面积并不比其小)的情形，以及其中阻抗通道619的截面积小于流体室613截面积(但插入的凹坑625并不比其小)的情形。
重要的是，这种通过从插入的凹坑中除去临时性材料、而将两个具有不同宽度和深度的取向相关蚀刻的结构连接起来的方法，并不会影响流体室613和阻抗通道619的尺寸精度，而一些其它进行这种连接的方法则会影响精度。例如，众所周知，通过采用随后的取向相关蚀刻步骤将两个具有同一轴线和不同宽度S和s的端对端的取向相关蚀刻出的室连接起来，这会倾向于将整个区域蚀刻至更大的宽度S和深度.707S，如果允许蚀刻步骤进行至完成的话。一般而言，如果在(100)衬底中具有两个相交取向相关蚀刻的特征，并且如果在两个特征的相交点具有凸角，那么衬底的位于凸角的那部分就被快速地蚀刻。在图41中，凸角627显示在凹坑625和室613之间。在这里所述的工艺中，这个凸角未受到快速蚀刻，因为取向相关蚀刻步骤先于从凹坑625中除去临时性材料626的步骤而进行。应当注意从凹坑中腾空临时性材料便形成连接在取向相关蚀刻的特征上的通路的方法已经在具有顶部的取向相关蚀刻的流体室方面进行了描述。将表面中的凹口与取向相关蚀刻的特征相连起来的一般方法在共同未决的专利申请“用于形成相连特征的衬底蚀刻方法”中进行了介绍。
图42显示了通过从硅衬底背面进行的DRIE来形成流体传输通道615。其与阻抗通道619的相交点显示为出现在其中阻抗通道619处于其全深度的位置，而非出现在其中端壁倾斜的位置。然而，可以理解，相交点也可设计成出现在或者处于阻抗通道619的倾斜端壁中。
图43显示了非常类似于第六实施例的第七实施例。在第七实施例中，没有单独的将形成阻抗通道的取向相关蚀刻出的凹坑。而是，在蚀刻流体室713之前，通过类似于第六实施例中所述的工艺，通过被填充有临时性材料的凹坑来形成阻抗通道728。
首先，在如上所述的前七个实施例中，流体传输通道不对称地偏离开喷嘴的一侧。图44显示了第八实施例，其中有喷嘴852加上两个流体传输通道815a和815b，以及在流体传输通道和喷嘴之间的两个相应的收缩区域814a和814b，使得流体传输通道和收缩区域围绕喷嘴的位置对称地设置。在这种设计中，有多余的流体通路用于流体到达喷嘴。图44显示了以与第一实施例相同的方式制作的流体收缩区域814a和814b的具体示例。然而，显而易见，对称形式的其它实施例也是可以的。
在前八个实施例中，提供了流体传输通道和喷嘴之间的流体阻抗的物理结构的类型是收缩区域。也可以通过增加喷嘴区域与流体供应通道与室相交的点之间的室长度，来提供流体阻抗，从而提高能量效率和降低与邻近通道的流体串扰。图45显示了提供通过流体室的另外长度的流体阻抗的第一实施例。用于制作该结构的工艺基本上与参见图6-10所述的相同。第一区别在于，取向相关蚀刻的流体室1013设计成在直接位于喷嘴中心的点1052a与相交于流体传输通道的点1015a之间具有延长的长度。第二区别在于，流体室1013和流体传输通道1015的相交点1015a出现在其中流体室处在其全深度的位置，以便在喷嘴和流体传输通道之间的流体通路中没有收缩。通路的流体阻抗与其长度成正比，并且还与抬升到电源的深度成反比。将Y定义为在直接位于喷嘴中心的点1052a与流体室1013和流体传输通道1015的相交点1015a之间的距离。另外，将Z定义为在喷嘴板1040底部与流体室1013底部之间的距离。Y值优选是其中10Z＞Y＞1.3Z的范围。Y的下界，即Y大于1.3Z，是通过需要提高能量效率和降低与邻近通道的串扰来产生的。Y的上界，即其中Y小于10Z，是通过需要足够快地重新填充室来产生的。
用于介绍流体室在用作流体阻抗源时的优选最小长度的不同手段是，在与朝着喷嘴推送的流体量相对于朝着流体供应通道推送的流体量有关的距离这一方面，来进行考虑。在泡沫形核和长大时，它朝着喷嘴推动一定体积的流体，以便喷射微滴。同时，泡沫也朝着流体供应通道向回推动另一体积的流体。通过设计流体室，使得泡沫朝着流体供应通道向回排移所需的流体量稍微大于朝着喷嘴推动的流体量，就可提供合适量的阻抗。将p定义为相交点1015a与最接近于相交点1015a的直接位于加热器元件的边缘之下的点1051a之间的距离。另外，将q定义为直接位于喷嘴中心下方的点1052a与最接近于相交点1015a的直接位于加热器元件的边缘之下的点1051a之间的距离。为了提供所需的流体阻抗源，p优选大于q。
图45所示构造的优点在于，流体通路的尺寸控制非常紧密，并且制备工艺非常简单。通过取向相关蚀刻来形成流体室，以便一旦在与氧化物掩膜图案所限定的[110]线中的硅表面相交的(111)平面被曝光时完成蚀刻，就基本上停止蚀刻。因此，流体室1013的尺寸基本上与参数例如蚀刻剂温度、蚀刻剂浓度、或另外的蚀刻时间长度无关。另外，可以易于采用例如DRIE等方法，而制造出流体传输通道1015，使得其与流体室1013的相交点1015a在目标的若干微米范围内。
图46显示了第二实施例，其提供了通过流体室的另外长度的流体阻抗。在图46中，有喷嘴1152加上两个流体传输通道1115a和1115b，使得流体传输通道围绕喷嘴的位置对称地设置，在这种设计中，有用于流体的多余流体通路到达喷嘴。用于制作结构的工艺与参照图6-10以及图44所述的工艺基本上相同。第一区别在于，取向相关蚀刻的流体室1113设计成在直接位于喷嘴中心之下的点1152a与各自的相交于流体传输通道1115a和1115b的相交点之间具有延长的长度。类似于图45中的Y那样来定义长度Y1和Y2，使得Y1对应于从喷嘴中心的凸起至与流体传输通道1115a相交处的距离，并且使得Y2对应于从喷嘴中心的凸起至与流体传输通道1115b相交处的距离。类似地，将Z定义为喷嘴板1140底部和流体室1113底部之间的距离。用于Y1和Y2值的优选范围是，其中10Z＞(Y1和Y2)＞1.3Z。另外，类似于图45中的p那样来定义长度p1和p2，使得p1对应于相交点1115a与最接近于相交点1115a的直接位于加热器元件的边缘之下的点1151a之间的距离，并且使得p2对应于相交点1115b与最接近于相交点1115b的直接位于加热器元件的边缘之下的点1151b之间的距离。类似地，将长度q1定义为直接位于喷嘴中心之下的点1152a与最接近于相交点1115a的直接位于加热器元件的边缘之下的点1151a之间的距离。此外，将长度q2定义为直接位于喷嘴中心之下的点1152b与最接近于相交点1115b的直接位于加热器元件的边缘之下的点1151b之间的距离。为了提供所需的流体阻抗源，p1大于优选q1，并且p2优选大于q2。
在如图1所示的构造中，流体喷射器160设置成大致线性的行。另外在图1中，只显示了单个流体传输通道115。对于例如其中需要在高分辨率下喷射流体的高质量打印等应用场合来说，流体喷射器的线性排列要求在相邻流体喷射器之间具有较小距离。这个较小距离就为流体喷射器的几何形状带来了设计限制。例如，在具有一个线性行的流体喷射器的一些应用中，要求其中一些或所有的流体喷射器160分享共同的流体传输通道115。如果需要在高分辨率线性排列中的每一流体喷射器中形成单个流体传输通道，则单个的流体传输通道和/或相邻流体传输通道之间的壁可能需要无法接受地窄。
然而，在流体喷射器的二维排列中，这些几何形状限制的其中一些可能会得到缓解。图47显示了流体喷射器的二维排列的顶视图。在这个示例中，具有流体喷射器1261的四行(1201，1202，1203和1204)和四列(1205，1206，1207和1208)。对于各流体喷射器，显示了流体传输通道1215，流体室1213，加热元件1252，和喷嘴1251。在该图中，加热元件显示为位于喷嘴相对两侧的一对元件，但其它加热器元件构造也是可以的。此外，在这个示例中，流体阻抗源显示为流体室的在喷嘴1252和流体传输通道1215之间的延长长度，但作为备选，也可使用其它类型的流体阻抗源(例如如上所述的流体阻抗源)。假设微滴喷射器的排列将流体微滴沉积在介质(未示出)上。另外，假设喷射器二维排列与介质的相对运动是沿着方向X的。如图47所示，在微滴喷射器的每一行中，相邻流体喷射器中的喷嘴是在大致垂直于X的方向上彼此偏离开一段距离b。另外，一行中最右侧的流体喷射器与下一行中最左侧的流体喷射器之间的偏差在大致垂直于X的方向上也为b。相邻列中的喷嘴在X方向上分开一段距离c。可易于见到的是，如果从相邻列中的流体喷射器喷射出微滴的定时延迟一段时间t＝c/v的话，则这种二维排列能够打印出其中各微滴离其相邻微滴为距离b的微滴线，其中v是介质和流体喷射器排列的相对运动的速度。因此，在微滴喷射器的二维排列中，可以为各微滴喷射器提供通过衬底的单个的流体传输通道1215。与其中流体传输通道是为许多相邻微滴喷射器供给的槽缝的设置相比，这种构造可具有更大的结构强度。
图48显示了流体喷射器的二维排列的顶视图，其中各流体室通过两个流体传输通道从相反的两端来供应。这种构造类似于图47的构造，并且类似的部件具有类似的标号。对于各流体喷射器，显示了流体传输通道1315，流体室1313，加热元件1352，和喷嘴1351。在该图中，加热元件显示为位于喷嘴相对两侧的一对元件，但其它加热器元件构造也是可以的。此外，在这个示例中，流体阻抗源显示为流体室在1352和流体传输通道1315之间的延长长度，但作为备选，也可使用其它类型的流体阻抗源(例如如上所述的流体阻抗源)。主要区别在于如图48所示的构造，具有用于各室1313的多余流体传输通道1315。
已经具体参考某些优选实施例详细介绍了本发明，但是，可以理解，可在本发明的范围内进行许多的变化和修改。
部件清单在以下清单中，在各实施例中具有类似功能的部件由mnp形式的数字来表示，其中，m是从1至13的整数。涉及上述具体实施例的部件由特定的整数m来表示。
10 流体喷射系统12 图像数据源14 控制器
16 电脉冲源20 记录介质100 墨水射流打印头m10 衬底m11 衬底的第一表面m12 衬底的第二表面m13 流体室m14 收缩区域m15 流体传输通道m19 通过取向相关蚀刻形成的阻抗通道m40 多层叠层m41 形成于表面m11上的多层叠层m40的最下层m42 层m40中的用于衬底表面m11的窗口m43 牺牲层材料m44 层m41上的牺牲材料m43的重叠区域m45 通过蚀刻材料m43而在m40和m11之间形成的空穴m50 形成为多层叠层m40一部分的喷嘴板m51 加热器元件m52 喷嘴116 靠近喷嘴的流体室的端壁117 相对端壁m16的流体室的端壁118 在衬底表面m11处的端壁m17的终端120 传输通道m15和室m13的相交线160 流体喷射器的行161 流体喷射器的一个示例180 喷射出的流体微滴181 穿过喷嘴突出的流体棒190 蒸气泡沫
221 用于填充上材料以形成悬垂突起的凹坑222 用于填充凹坑m21以形成悬垂突起的材料245 沉积在悬垂突起材料之上的氧化物层的岛状结构346 在多层叠层上面的不透明层347 其中将形成小柱的位置370 可光致图案化的聚合物材料371 曝光掩膜374 聚合物小柱结构375 聚合物材料的顶层625 插入在流体室m13和阻抗通道m19之间的凹坑626 用于临时填充凹坑的材料627 在两个相交凹坑之间的凸转角728 通过从凹坑中除去临时性材料而形成的阻抗通道
权利要求
1.一种流体喷射装置，包括衬底，其具有第一表面和定位成相对于所述第一表面的第二表面；形成于所述衬底的第一表面之上的喷嘴板，所述喷嘴板具有喷嘴，流体通过所述喷嘴而喷射出；定位在所述喷嘴外围的微滴形成机构；与所述喷嘴流体连通的流体室，所述流体室具有第一壁和第二壁，所述第一壁和第二壁定位成彼此之间形成一定角度；流体传输通道，其形成于所述衬底中，并且从所述衬底的第二表面延伸至所述流体室，所述流体传输通道与所述流体室流体连通；以及流体阻抗源，其包括位于所述喷嘴和所述流体传输通道之间的物理结构。
2.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述喷嘴和所述流体传输通道各具有中心轴线，其中，所述流体传输通道基本上垂直于所述衬底的所述第一表面和第二表面，并且所述流体传输通道的中心轴线偏离开所述喷嘴的中心轴线。
3.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述物理结构是收缩区域。
4.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述喷嘴板包括设置成至少一个大致线性排列的多个喷嘴。
5.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述物理结构在所述喷嘴和所述流体传输通道之间的位置从所述流体室朝着所述喷嘴板延伸。
6.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述流体室具有截面宽度S，所述微滴形成机构具有长度Q，其中，所述宽度S大于所述长度Q。
7.根据权利要求
6所述的流体喷射装置，其特征在于，所述流体室具有平行于所述衬底的第一表面而延伸的截面长度L，其中，所述长度L大于所述宽度S。
8.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，在与所述流体室的相邻于所述喷嘴的区域间隔开的所述流体室的区域中，所述流体传输通道相交于所述流体室。
9.根据权利要求
8所述的流体喷射装置，其特征在于，所述流体传输通道和所述流体室的相交发生在所述流体室的相对于所述喷嘴板成角度的壁中。
10.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述衬底是具有(100)取向的单晶衬底。
11.根据权利要求
10所述的流体喷射装置，其特征在于，所述第一壁和所述第二壁各自是(111)类型的平面。
12.根据权利要求
10所述的流体喷射装置，其特征在于，所述流体传输通道在相对于所述喷嘴板成角度的所述流体室壁中与所述流体室相交，所述流体室具有三角形截面积，在所述流体传输通道和所述流体室相交处形成的开口所具有的截面积小于所述流体室的所述三角形截面积。
13.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述物理结构在所述喷嘴和所述流体传输通道之间的位置从所述喷嘴板延伸进入所述流体室中。
14.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述物理结构在所述喷嘴和所述流体传输通道之间的位置从所述喷嘴板延伸进入所述流体室中，所述物理结构具有连在所述流体室壁上的末端。
15.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，聚合物层形成于所述喷嘴板之上，所述聚合物层被图案化，以便所述喷嘴是无阻的。
16.根据权利要求
15所述的流体喷射装置，其特征在于，所述物理结构是从所述聚合物层延伸穿过所述喷嘴板并进入所述流体室中的小柱。
17.根据权利要求
16所述的流体喷射装置，其特征在于，所述物理结构具有连在所述流体室壁上的末端。
18.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述流体室具有最大截面积，其中，所述物理结构包括阻抗通道，所述阻抗通道具有一定截面积的区域，该截面积小于所述流体室的最大截面积。
19.根据权利要求
18所述的流体喷射装置，其特征在于，所述阻抗通道包括多个级，其至少一个级所具有的截面积小于所述流体室的最大截面积。
20.根据权利要求
18所述的流体喷射装置，其特征在于，所述阻抗通道在所述衬底的所述第一表面形成。
21.所述流体喷射装置根据权利要求
18，所述阻抗通道具有宽度，所述流体室具有宽度，其中所述阻抗通道的所述宽度小于所述流体室的所述宽度。
22.根据权利要求
18所述的流体喷射装置，其特征在于，所述阻抗通道具有深度，所述流体室具有深度，其中，所述阻抗通道的所述深度小于所述流体室的所述深度。
23.根据权利要求
18所述的流体喷射装置，其特征在于，所述阻抗通道基本上平行于所述衬底的第一表面。
24.根据权利要求
23所述的流体喷射装置，其特征在于，所述阻抗通道定位在所述喷嘴板和所述衬底之间，使得所述阻抗通道由所述喷嘴板的一部分来限界。
25.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，还包括形成于所述衬底中的从所述衬底的第二表面延伸至所述流体室的第二流体传输通道，所述第二流体传输通道与所述流体室流体连通；和第二流体阻抗源，其包括位于所述喷嘴和所述第二流体传输通道之间的第二物理结构。
26.根据权利要求
25所述的流体喷射装置，其特征在于，所述第二物理结构在所述喷嘴和所述第二流体传输通道之间的位置从所述流体室朝着所述喷嘴板延伸。
27.根据权利要求
25所述的流体喷射装置，其特征在于，所述第二物理结构在所述喷嘴和所述第二流体传输通道之间的位置从所述喷嘴板延伸进入所述流体室中。
28.根据权利要求
25所述的流体喷射装置，其特征在于，所述第二物理结构在所述喷嘴和所述第二流体传输通道之间的位置从所述喷嘴板延伸进入所述流体室中，所述第二物理结构具有连在所述流体室壁上的末端。
29.根据权利要求
25所述的流体喷射装置，其特征在于，所述流体室具有最大截面积，其中，所述第二物理结构包括第二阻抗通道，所述第二阻抗通道具有一定截面积的区域，该截面积小于所述流体室的最大截面积。
30.根据权利要求
29所述的流体喷射装置，其特征在于，所述第二阻抗通道包括多个级，其至少一个级所具有的截面积小于所述流体室的最大截面积。
31.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述物理结构包括所述流体室的延伸，其中距离Y大于1.3倍Z，其中，Y是从喷嘴中心至所述流体室与所述第二流体传输通道相交处的距离，而Z是从所述喷嘴板至所述流体室底部的距离。
32.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述微滴形成机构包括加热器元件，其定位在所述喷嘴的外围。
33.根据权利要求
32所述的流体喷射装置，其特征在于，所述物理结构包括所述流体室的延伸，其中距离p大于距离q，其中，p是从所述流体室与所述流体传输通道的相交处至定位成最接近所述相交处的所述加热器元件末端的距离，而q是从喷嘴中心至所述加热器元件末端的距离。
34.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述物理结构包括所述流体室的延伸，其中距离p大于距离q，其中，p是从所述流体室与所述流体传输通道的相交处至定位成最接近所述相交处的所述微滴形成机构末端的距离，而q是从所述喷嘴中心至所述微滴形成机构末端的距离。
35.根据权利要求
25所述的流体喷射装置，其特征在于，所述第二物理结构包括所述流体室的第二延伸，其中距离Y大于1.3倍Z，其中Y是从喷嘴中心至所述流体室与所述第二流体传输通道相交处的距离，而Z是从所述喷嘴板至所述流体室底部的距离。
36.根据权利要求
25所述的流体喷射装置，其特征在于，所述第二物理结构包括所述流体室的延伸，其中距离p大于距离q，其中，p是从所述流体室与所述第二流体传输通道的相交处至定位成最接近所述相交处的所述微滴形成机构末端的距离，而q是从所述喷嘴中心至所述微滴形成机构末端的距离。
37.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述流体喷射装置包括在所述喷嘴板上定位成二维排列的多个喷嘴。
38.根据权利要求
37所述的流体喷射装置，其特征在于，各个所述多个喷嘴与单个的流体传输通道流体连通。
39.根据权利要求
37所述的流体喷射装置，其特征在于，各个所述多个喷嘴与多个流体传输通道流体连通。
40.根据权利要求
39所述的流体喷射装置，其特征在于，各个所述多个流体传输通道定位在其中各流体传输通道与之流体连通的各相应喷嘴的相对两侧。
41.根据权利要求
39所述的流体喷射装置，其特征在于，所述流体喷射装置包括多个流体阻抗源，其中，各个所述多个流体阻抗源是围绕各个相应的喷嘴对称地设置的。
42.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，还包括与所述衬底和所述喷嘴板中至少一个集成在一起的微滴形成机构驱动电子元件。
43.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，还包括与所述衬底和所述喷嘴板中的至少一个集成在一起的微滴形成机构寻址电子元件。
44.根据权利要求
1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述流体室的所述第一壁和所述第二壁中的至少一个相对于所述衬底的第一表面形成大约54.7度的角度。
45.一种形成流体室和流体阻抗源的方法，包括提供具有表面的衬底；在所述衬底表面上沉积第一材料层，所述第一材料层是相对于所述衬底可不同地蚀刻的；除去所述第一材料层的一部分，从而形成图案化的第一材料层，并且限定所述流体室边界位置；在所述图案化的第一层上沉积牺牲材料层；除去所述牺牲材料层的一部分，从而形成图案化的牺牲材料层，并且进一步限定所述流体室边界位置；在所述图案化的牺牲材料层上沉积至少一个另外的材料层；形成从所述至少一个另外的材料层延伸至所述牺牲材料层的孔，所述孔定位在所述流体室边界位置中；通过经由所述孔而引入蚀刻剂，来除去所述流体室边界位置中的所述牺牲材料层；通过经由所述孔而引入蚀刻剂，来形成所述流体室；以及形成流体阻抗源。
46.根据权利要求
45所述的方法，其特征在于，所述表面是第一表面，其中，形成所述流体阻抗源包括在所述衬底的第一表面中形成凹坑，所述衬底具有相对于所述第一表面的第二表面；和用材料填充所述凹坑，在形成所述流体室之后，所述材料将形成从所述第一材料层朝着所述衬底第二表面延伸的突起。
47.根据权利要求
46所述的方法，其特征在于，在所述衬底的第一表面中形成所述凹坑包括，在所述流体室边界位置中，在所述衬底的第一表面中形成所述凹坑。
48.根据权利要求
46所述的方法，其特征在于，在所述衬底的第一表面中形成所述凹坑包括，在所述衬底的第一表面中蚀刻出所述凹坑。
49.根据权利要求
48所述的方法，其特征在于，蚀刻所述凹坑包括，采用各向异性蚀刻工艺蚀刻出所述凹坑。
50.根据权利要求
48所述的方法，其特征在于，蚀刻所述凹坑包括，采用取向相关蚀刻工艺蚀刻出所述凹坑。
51.根据权利要求
48所述的方法，其特征在于，蚀刻所述凹坑包括，采用各向同性蚀刻工艺蚀刻出所述凹坑。
52.根据权利要求
45所述的方法，其特征在于，形成所述流体室包括，采用取向相关蚀刻工艺。
53.根据权利要求
45所述的方法，其特征在于，所述孔是第一孔，其中，形成所述流体阻抗源包括在形成从所述至少一个另外的材料层延伸至所述牺牲材料层的第一孔之前，在所述至少一个另外的材料层上沉积不透明材料层，所述第一孔还延伸穿过所述不透明材料层；形成从所述不透明材料层延伸至所述牺牲材料层的第二孔；在所述至少一个另外的材料层上沉积可光致图案化的聚合物材料，使得所述聚合物材料填充所述流体室、所述第一孔和所述第二孔；在所述第一孔之上提供掩膜；光致曝光至少其中一些所述可光致图案化的材料；除去所述可光致图案化的材料中的仍未曝光的那部分；和通过固化所述可光致图案化的聚合物材料，来形成穿过所述第二孔从所述至少一个另外的材料层延伸至所述流体室壁的小柱。
54.根据权利要求
53所述的方法，其特征在于，在所述至少一个另外的材料层上沉积所述可光致图案化的聚合物材料包括，沉积环氧树脂。
55.根据权利要求
54所述的方法，其特征在于，沉积所述环氧树脂包括，沉积SU-8环氧树脂。
56.根据权利要求
53所述的方法，其特征在于，固化所述可光致图案化的聚合物材料就将所述小柱锚固在所述流体室的所述壁上。
57.根据权利要求
53所述的方法，其特征在于，形成从所述不透明材料层延伸至所述牺牲材料层的第二孔包括，形成多个第二孔，从而形成多个小柱。
58.一种流体喷射装置，包括衬底，其具有第一表面和定位成相对于所述第一表面的第二表面；形成于所述衬底的第一表面之上的喷嘴板，所述喷嘴板具有喷嘴，流体通过所述喷嘴而喷射出；与所述喷嘴流体连通的流体室，所述流体室具有定位成与所述喷嘴相对的部分，所述部分包括第一壁和第二壁，所述第一壁和第二壁定位成彼此之间形成一定角度；形成于衬底中的流体传输通道，其从所述衬底的第二表面延伸至所述流体室，所述流体传输通道与所述流体室流体连通；和流体阻抗源，其包括位于所述喷嘴和所述流体传输通道之间的物理结构。
59.根据权利要求
58所述的流体喷射装置，其特征在于，还包括定位在所述喷嘴的外围的微滴形成机构。
60.根据权利要求
59所述的流体喷射装置，其特征在于，所述微滴形成机构包括加热器。
专利摘要
一种包括衬底(110)的流体喷射装置，其中，衬底(110)具有第一表面(111)和定位成相对于第一表面的第二表面(112)。喷嘴板(140)形成于衬底的第一表面之上。喷嘴板具有可通过它喷射出流体的喷嘴(152)。微滴形成机构(151)定位在喷嘴的外围。流体室(113)与喷嘴流体连通，并且具有第一壁和第二壁，其中第一壁(116)和第二壁(117)定位成彼此之间形成一定角度。流体传输通道(115)形成于衬底中，并且从衬底的第二表面延伸至流体室。流体传输通道与流体室流体连通。流体阻抗源(114)包括位于喷嘴和流体传输通道之间的物理结构。
文档编号B41J2/16GK1993228SQ20058002568
公开日2007年7月4日 申请日期2005年8月2日
发明者J·M·奇沃莱克, J·A·莱本斯, C·N·德拉梅特, D·P·特劳尔尼希特, G·A·克尼策尔 申请人:伊斯曼柯达公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan