專利名稱：打印頭模塊中的埋入式加熱器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種設置在打印頭組件中的加熱器。
背景技術：
墨噴打印機一般包括從墨源到墨噴嘴組件的墨通道，該墨噴嘴組件包 括用于噴射墨滴的噴嘴口 。墨滴的噴射可以通過用致動器對在墨通道中的
墨施壓來控制，該致動器可以是例如壓電偏轉裝置、熱氣泡噴射發(fā)生器 或靜電偏轉元件。典型的打印頭具有一連串噴嘴口，這些噴嘴口具有相應 的墨通道陣列和相關聯的致動器，并且每個噴嘴口的噴射都可以獨立控制。 在所謂的"按需噴墨型(drop-on-demand)"打印頭中，在打印頭和打印介 質彼此相對移動時，各個致動器被激活以選擇性地噴射小滴到圖像的特定 像素位置。在高性能打印頭中，噴嘴口一般具有50微米或更小(如25微 米)的直徑，以每英寸100-300噴嘴數的節(jié)距(pitch)分開，并提供約1 到70微微升(pi)或更小的小滴尺寸。小滴噴射頻率一般是10kHz或以上。
打印頭可以包括半導體打印頭本體和壓電致動器，如Hoisington等人 在美國專利No.5265315中描述的打印頭。打印頭本體可以由硅制成，并被 蝕刻以限定出墨室。噴嘴口可以由附著到硅本體的分開的噴嘴板限定出。 壓電致動器可以具有隨外加電壓而改變幾何形態(tài)或彎曲的壓電材料層。壓 電層的彎曲對沿墨通道布置的泵送室中的墨施壓。
多種因素都可以影響打印精度，包括打印機中的多個打印頭間和打印
頭中所噴射的墨滴的尺寸和速度的均勻性。小滴尺寸和小滴速度的均勻性 又受諸如墨通道的尺寸均勾性、聲干涉效應、墨流動通道中的污染和致動 器生成的壓力脈沖的均勻性等因素的影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明公開了一種用于打印頭組件中的加熱器。概括地-沈， 一方面， 本發(fā)明涉及一種在打印頭內形成加熱器的方法。在硅層上形成第一層，該硅層將形成打印頭本體的噴嘴部。在第一層的一部分形成圖案，以在第一 層內形成加熱器的所需構造。金屬電阻元件在第一層的形成圖案的部分中 形成。二氧化硅層設置在形成圖案的第一層和金屬電阻元件上。在一個區(qū) 域中的二氧化硅層和第 一層被去除，以在打印頭本體的噴嘴部中形成噴嘴。 第二硅層被附著到二氧化硅層，該第二硅層提供打印頭本體的本體部分， 包括用于打印用液體的流動通道。
本發(fā)明的實施方式可以包括一個或多個以下特征。金屬電阻元件的形 成可以包括在第一層上和加熱器的所需構造的圖案內提供金屬層，并去除 部分金屬層以暴露出第一層。金屬層的余量殘留在加熱器的所需構造的圖 案內，并包括設置為電連接到電源的一個或多個觸點，所述金屬層提供金 屬電阻元件。加熱器的所需構造可以形成蛇形構造。在一實施方式中，蛇 形構造包括多個曲線段，比起趨近加熱器的中部的曲線段，最靠近加熱器 的端部的曲線段彼此間隔更近。在去除二氧化硅層和第一層以形成噴嘴前， 可以使二氧化硅層平坦化。第一層可以是熱氧化層。金屬電阻元件可以由 鎳鉻合金形成。金屬電阻元件還可以由銅鉻合金形成。
概括地說，另一方面，本發(fā)明涉及一種包括本體部和噴嘴部的打印頭 本體。本體部包括墨室。噴嘴部包括與本體部中的墨室流體連通的噴嘴， 還包括第一硅層、第二硅層和在第一和第二硅層之間形成的加熱器。噴嘴 貫穿第一和第二硅層，并與墨室流體連通。
本發(fā)明的實施方式可以包括一個或多個以下特征。噴嘴部還可以包括 在第 一硅層上形成的并具有溝的圖案化氧化層，溝在氧化層內限定出加熱 器的所需構造；和氧化層中的溝內的金屬層，金屬層提供加熱器，并包括 設置為電連接到電源的一個或多個觸點。第二硅層可以是位于氧化層和金 屬層上的二氧化硅層。
加熱器的所需構造可以是蛇形構造。在一實施方式中，蛇形構造包括 多個曲線段，比起趨近加熱器的中部的曲線段，最靠近加熱器的端部的曲 線段彼此間隔更近。金屬層可以由多種金屬形成，包括例如鎳鉻合金或銅 鎳合金。噴嘴部還可以包括設置為電連接到控制器的熱敏電阻，以便可以 通過控制器來確定溫度讀數，并且可以控制從電源傳輸到加熱器的電流。
本發(fā)明可以用于實現一個或多個以下優(yōu)點。加熱器掩埋在打印頭模塊 內，從而提高加熱器的效率，因為沒有通過長傳導通道造成熱量損失。此外，通過把加熱器掩埋在打印頭模塊內，打印頭模塊可以更簡潔地形成。
在附圖和以下描述中將詳細闡明一個或多個實施方式。通過描述、附 圖和權利要求，其它特征和優(yōu)點可以變得明顯。


下面將參考附圖詳細描述這些以及其它方面。 圖1示出打印頭模塊的一部分的剖面圖。 圖2示出打印頭模塊的一部分的俯視圖。
圖3示出包括埋入式加熱器的打印頭模塊的俯視剖面圖。 圖4A-4I示出在打印頭模塊內形成埋入式加熱器的過程。 圖5A示出柔性電路和打印頭模塊的分解圖。 圖5B示出安裝在打印頭模塊上的柔性電路。
圖5C示出安裝在圖5B所示的打印頭模塊上的柔性電路的一部分的放大圖。
圖6示出安裝在一個安裝在打印頭殼體內并連接到外電路的如圖5B所 示的打印頭模塊上的柔性電路。
圖7示出安裝在一個安裝在打印頭模塊上的插入件上的柔性電路的一 部分的放大圖。
各個附圖中的相同標號表示相同元件。
具體實施例方式
下面將描述在打印頭模塊的硅層內的埋入式加熱器。圖1示出可以用 于噴墨打印機中的示例性打印頭模塊100的一部分的剖面圖。埋入式加熱 器可以設置在這種打印頭模塊中、或其它構造的打印頭模塊中；然而，為 示例目的，將根據示出的示例性打印頭模塊100來描述埋入式加熱器。
埋入式加熱器可以設置在打印頭模塊100內的噴嘴部132和基部138 之間的界面110處。埋入式加熱器可用于通過對圍繞和/或容納打印用液體 的打印頭模塊100的組件加熱來控制打印頭模塊100中使用的打印用液體 的溫度。例如，為了保持打印用液體的所需粘度以得到最佳打印條件，打 印用液體可以被容納打印用液體的打印模塊100的組件加熱，而該組件是 被埋入式加熱器直接加熱。在一實施方式中，埋入式加熱器可以與一個或多個外部加熱器并聯使用，以進一步微調溫度控制。
在描述埋入式加熱器前，將先概述打印頭模塊100。圖l表明打印頭模
塊100中單個噴射結構的流動通道的剖^f見圖。打印用液體通過供應通道112 進入打印頭模塊IOO。典型的打印用液體是墨，為示例目的，下面用墨作為 打印用液體來描述打印頭模塊100。然而，應該理解的是也可以使用其它流 體，例如用于制造液晶顯示器的電致發(fā)光材料或用于制作電路板的液態(tài)金屬。
墨被上行部108導向阻抗部件(impedance feature ) 114和泵送室116。 墨在泵送室中通過致動器122被加壓，并通過下行部118被導向用于噴射 墨滴的噴嘴口 120。流動通道的部件被限定在模塊體124中。模塊體124包 括基部138、噴嘴部132和隔膜部139。基部138包括硅(如單晶硅)基層。 基部138限定出部件供應通道112、上行部108、阻抗部件114、泵送室 116和下行部118。噴嘴部132也由硅層形成，并可以熔化接合到基部138 的硅層。噴嘴部132限定出具有將墨從下行部118導向噴嘴口 120的錐形 壁134的噴嘴。隔膜部139包括表層硅層142，該表層硅層熔化接合到基部 138的石圭層，與噴嘴部132相對。
致動器122包括厚度約為15微米的壓電層140。壓電層140上的金屬 層形成接地電極(ground electrode) 152。壓電層140上的上金屬層形成驅 動電極156。抱合式(wrap-around)連接件l50連接接地電極152到壓電層 140的 一暴露表面上的接地觸點154。電極斷口 ( electrode break) 160使接 地電極152與驅動電極156電隔離。金屬化的壓電層140通過粘接層146, 如聚合環(huán)丁烯(BCB)，結合到表層硅層142。
金屬化的壓電層140被斷開以在泵送室116上方限定出工作(active) 壓電區(qū)域。具體地講，金屬化的壓電層140被斷開以提供隔離區(qū)148。在隔 離區(qū)148中，壓電材料從下行部上方的區(qū)域被去除。該隔離區(qū)148把噴嘴 陣列兩邊的致動器陣列分開。
參考圖2 ,打印頭模塊100的一部分的俯視圖示出一系列對應于相鄰 流動通道的驅動電極156。每個流動通道都具有通過窄電極部170連4妄到驅 動電極觸點162的驅動電極156，該驅動電極觸點162接通電流以傳輸驅動 脈沖。窄電極部170位于阻抗部件114上方，并降^^爭越致動器122的無 需被驅動的那部分的電流損失。可以在單個打印頭模塊中形成多個噴射結構，例如提供一種300個噴嘴的打印頭模塊。壓電層上的接地電極154被 示出。
圖3是模塊體124沿圖1中的A-A線剖切的剖面俯視圖。示出了一排 噴嘴120,其中一個噴嘴相應于側視1所示的噴嘴120。雖然未示出， 但這排中相鄰噴嘴的流動通道可以交替地朝模塊體的相對邊延伸。埋入式 加熱器202圖示為蛇形構造，朝著模塊體124的端部密度增加。埋入式加 熱器202的這種構造僅為示例性目的，也可用其它構造。在一實施例中， 埋入式加熱器202由以所需構造(如所示蛇形構造)沉積而成的鎳鉻合金 層形成。埋入式加熱器朝著模塊體124的端部密度增加，這是因為隨著在 模塊體124的拐角處表面面積的增加，熱損失會增加。埋入式加熱器202 鋪設在兩硅層之間并被它們圍繞著，底層是噴嘴部132,而上層鄰近模塊體 124的基部138。
熱敏電阻232可以設置在模塊體124中，以表示打印頭模塊100的溫 度，從而表示圍繞墨的溫度。在所示實施例中，熱敏電阻232在與埋入式 加熱器202相同的層設置在模塊體124的一端。在其它實施例中，熱敏電 阻232可以設置在模塊體124內其它位置上。
圖4A-I示出制造埋入式加熱器202的期間在圖1所示的示例性噴嘴120 附近一塊噴嘴部132的側視剖面圖。在該實施方式中，最終將形成噴嘴部 132的硅層210已經被蝕刻而形成了噴嘴120的錐形壁134，但實際噴嘴口 還未形成。為制造目的，硅層210可以是包括能夠在硅層210的下表面上 形成的氧化層212和"把手"硅層214的絕緣體上硅基底(silicon-on-insulator substrate )的一部分。熱氧化層216在硅層210的被腐蝕過的上表面上形成。 熱氧化層216的厚度應選為匹配于金屬層的厚度，該金屬層將在后面的步 驟中被沉積以形成埋入式加熱器。
參考圖4B，熱氧化層216被蝕刻以形成埋入式加熱器的所需構造的圖 案。熱氧化層216可以通過感應耦合等離子體活性離子刻蝕(ICPRIE)工 藝來蝕刻，然而也可以使用其它技術。下面，參考圖4C，使用所選金屬例 如鎳4^合金(如Nichrome )來金屬化已形成圖案的熱氧化層216和暴露在 外的硅層210的頂面。也可以使用其它金屬，例如銅鎳合金(Cu55/Ni45): Constantan彩。金屬層218通過例3口光々蟲刻法(photolithographic etching)形 成圖案，以去除熱氧化層216上的金屬，以便殘留金屬處在形成于熱氧化層216內的溝內。參考圖4D，可以在金屬層218和熱氧化層216之間生成 小間隙220，用于圖案制作期間的公差。如圖4E所示，二氧化硅層226被 沉積到已形成圖案的金屬和熱氧化層218、 216的頂面上。在一實施方式中， 二氧化硅層可以通過等離子增強化學汽相沉積法來沉積(PECVD )。
參考圖4F，通過例如化學機械拋光方法使二氧化硅層226的頂面平坦 化，以形成平滑的平面。平滑表面可以確保良好的粘結性，并消除熱氧化 層216和金屬層218之間生成的細小高度差。參考圖4G,通過剝去在以上 步驟中沉積到蝕刻區(qū)域上的氧化層，噴嘴120被暴露出來。參考圖4H， 二 氧化硅層226的頂面可以附著到將用于形成模塊體124的基部138的硅片 上，或附著到已經形成的基部138上。參考圖41，把手層214可以被去除， 且硅層210被研磨到暴露出噴嘴口 。
再參考圖3,埋入式加熱器202由金屬層218形成，并在各側都被熱氧 化層216圍繞著。如圖4E-4I所示，圖3所示的整個表面都包覆有二氧化硅 層226 (未示出)。
埋入式加熱器202在觸點230處接收電信號。在一實施方式中，觸點 230可以由鎳鉻合金形成，并且可選地可以給觸點230增加第二金屬化層， 例如金層。在一實施方式中，可以從安裝在連接到打印頭模塊100的柔性 電路上的集成電路接收電信號。集成電路從外部電路(例如打印機的處理 單元所控制的電路，打印頭模塊100在該打印機中工作)接收電信號。安 裝有集成電路的柔性電路可以是給圖1所描述的驅動電極156提供電力連 接的同一柔性電路。也就是說，外部電路可以連接到柔性電路上的一個或 多個集成電路，以提供驅動信號給驅動電極，以及提供輸入信號給埋入式 加熱器，并接收來自熱敏電阻232的反饋以控制其溫度。
圖5A和5B示出安裝到打印頭模塊IOO上以給致動器122和埋入式加 熱器202提供電力連接的柔性電路300的一個實施例。柔性電路的該實施 例在2005年4月28日提交的名為"柔性打印頭電路'，的美國專利申請 No.ll/119308中有詳細描述，其全部內容通過引用并入本文。柔性電3各300 具有海鷗翼狀(gull-wing )結構，包括主中央部301和沿柔性電^各300的長 度延伸的末端部302。中央部301和遠端部(distal portion) 302通過以某一 角度在中央和遠端部之間延伸的彎曲部而接合，為中央部301的底面和打 印頭模塊100的頂面之間提供間隙。該間隙允許打印頭模塊100的頂面上的壓電材料在被驅動時彎曲(flex)。打印頭模塊100顯示為安裝在面板303上。
參考圖5C，集成電路310固定到柔性電路300的中央部的頂面上。柔 性電路導線306顯示為從各個集成電路310延伸到在柔性電路300的遠端 部302中形成的相應孔308。柔性電路導線306是為設置于打印頭模塊100 中的各個墨噴嘴而提供的。柔性電路導線306把來自集成電路310的信號 傳輸到激活墨噴嘴的激勵器(activator)。例如，在本實施例中，柔性電路 導線306傳輸電信號以激活壓電致動器從而激活墨噴嘴。
在柔性電路300的任一端部上，臂304'在大致垂直于安裝有打印頭模 塊100的面板302的表面的方向上向上延伸，并折疊成使臂304'的遠端基本 上平行于面板302的該表面。外部連接器305 (以虛線示出)設置在臂304' 的遠端的下側上。圖5C中所示的臂304'具有與圖5A、 5B和6中所示的臂 304不同的另一構造。然而，也可以使用圖5A、 5B和6中所示的構造，以 及不同構造的臂。
參考圖6，安裝在打印頭模塊100上的柔性電路300顯示為安裝在打印 頭殼體314內。外部電路312電連接到柔性電路300。柔性電路300的外部 連接器305設置為與外部電路312的連接板311上的連接器接合。在一實 施例中，外部連接器305是球形墊(ball pads),該球形墊電連接到連接板 311的表面上的跡線(traces )。在另一實施例中，外部連接器是陽性或陰性 電連接器。外部電路312可以連接到控制器，該控制器經由柔性電路300 給和從打印頭模塊100發(fā)送和接收信號。例如，控制器可以是裝有打印頭 模塊100的打印機中的處理器。
柔性電路300包括沿柔性電路300的包括臂304的長度延伸的一個或 多個連接層。連接層電連接到至少一個在臂304的遠端上形成的電連接器 305。來自外部電路312的輸入信號從外部電路312經由一個或多個連接層 傳輸到集成電路310。然后，電信號從集成電路310經由導線306和孔308 傳輸到包括埋入式加熱器202的打印頭模塊100。
再參考圖5C,埋入式加熱器202設置在打印頭模塊100內，大約在代 表模塊體124的基部138和噴嘴部132之間的界面110的虛線所表示的位 置。 一條或多條導線306可以從安裝在柔性電路300上的集成電路310經 由一個或多個孔308連接到埋入式加熱器202。例如，連接到埋入式加熱器202的孔308可以延伸到(但不超過)埋入式加熱器202,在那里孔的金屬 化的內表面可以電連4^到埋入式加熱器202的觸點230，以纟合il入式加熱器 202提供電力連接。例如，再參考圖3 ,可以實現從柔性電路300到埋入式 加熱器202的觸點230的電力連接，以提供通過埋入式加熱器202的電流。
可以實現從柔性電路300到熱敏電阻232的電力連接。在示出的實施 例中，導線306從柔性電路300上的集成電路310延伸到金屬化的孔308。 金屬化的孔308電連接到與熱敏電阻232電連接的觸點234。熱敏電阻232 用于測量熱敏電阻232附近的溫度，并為此目的經由觸點234連接到外部 電路。來自熱敏電阻232的溫度讀數可以發(fā)送到控制器(本實施方式中， 在打印頭外)，以控制提供給埋入式加熱器202的電流，從而控制墨的溫度。
參考圖7，示出了包括位于柔性電路300和打印頭模塊IOO之間的插入 件320的可選實施例。示出了安裝在打印頭模塊100上的插入件320的一 部分的放大圖。插入件320包括沿兩側與在柔性電路300中形成的孔308 對齊的孔。這些孔涂覆有傳導性材料，例如金。 一個孔相應于設置在打印 頭模塊IOO的墨噴嘴組件中的一個墨噴嘴。從而，信號可以從集成電路310 通過柔性電路導線306傳輸到柔性電路300中的傳導孔308，再到插入件 320中的傳導孔，最后到打印頭模塊100中的墨噴嘴激勵器。可以使用薄環(huán) 氧樹脂把插入件320附著到打印頭模塊，以便在加壓和加熱時，金通過環(huán) 氧樹脂連接到打印頭模塊100上的連接器。環(huán)氧樹脂可以是未填充過的或 填充過的，例如傳導性微粒填充過的環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂可以是噴涂式 (spray-on)環(huán)氧樹脂。
在一實施方式中，埋入式加熱器202可以設置在插入件320而不是打 印頭模塊100中。也就是說，插入件可以形成于上部321和下部322之間， 埋入式加熱器202位于上部和下部321、 322之間的界面323處。熱敏電阻 232可以設置在插入件320上以控制溫度。埋入式加熱器202和熱敏電阻 232可以以如上所述的類似方式電連接到柔性電路300。在該實施方式中， 加熱器202雖然設置在插入件中，但仍被埋入打印頭模塊100內。臂304' 具有與圖5C中所示的臂相同的構造，但也可以選擇性地設置成不同構造， 例如圖5A、 5B和6中所示的臂304。
說明書和權利要求中使用的諸如"上"、"下"、"頂"和"底"等術語 只起示例性作用，以區(qū)別本文所描述的埋入式加熱器的各個組件以及其它元件。"上"、"下"、"頂"和"底"等的使用并非指埋入式加熱器的特定取 向。例如，本文中所描述的硅層210的頂面可以:取向為上、下或底面的旁
邊，反之亦然，這取決于硅層210是否定位成水平朝上、水平朝下或垂直。
雖然上面只詳細描述了少數實施例，但能做其它修正。其它實施例可 以包括在權利要求的范圍內。
權利要求
1、一種在打印頭內形成加熱器的方法，包括在硅層上形成第一層，所述硅層用于形成打印頭本體的噴嘴部；在所述第一層的一部分形成圖案，以在所述第一層內形成加熱器的所需構造；在所述第一層的形成圖案的部分中形成金屬電阻元件；在形成圖案的第一層和所述金屬電阻元件上提供二氧化硅層；去除一個區(qū)域中的所述二氧化硅層和所述第一層，以在所述打印頭本體的噴嘴部中形成噴嘴；以及附著第二硅層到所述二氧化硅層，所述第二硅層提供所述打印頭本體的本體部分，包括用于打印用液體的流動通道。
2、 如權利要求l所述的方法，其中形成金屬電阻元件的步驟包括在所述第一層上且在所述加熱器的所需構造的圖案內提供金屬層；和去除部分所述金屬層以暴露出所述第一層，所述金屬層殘留在所述加熱器的所需構造的圖案內，并包括設置為電連接到電源的 一個或多個觸點，所述金屬層提供所述金屬電阻元件。
3、 如權利要求l所述的方法，其中所述加熱器的所需構造包括蛇形構造。
4、 如權利要求3所述的方法，其中所述蛇形構造包括多個曲線段，并且比起趨近所述加熱器的中部的曲線段，最靠近所述加熱器的端部的曲線段彼此間隔更近。
5、 如權利要求l所述的方法，其中還包括在去除所述二氧化硅層和所述第一層以形成噴嘴前，使所述二氧化硅層平坦化。
6、 如權利要求l所述的方法，其中所述第一層是熱氧化層。
7、 如權利要求1所述的方法，其中所述金屬電阻元件由鎳鉻合金形成。
8、 如權利要求1所述的方法，其中所述金屬電阻元件由銅鎳合金形成。
9、 一種打印頭本體，包括包括墨室的本體部；包括與所述本體部中的墨室流體連通的噴嘴的噴嘴部，所述噴嘴部包括第一硅層，第二硅層，和加熱器，形成于所述第一和第二硅層之間，并與所述加熱器下面的第 一硅層和所述加熱器上面的第二硅層相接觸。其中，所述噴嘴貫穿所述第一和第二硅層，并與所述墨室流體連通。
10、 如權利要求9所述的打印頭本體，其中所述噴嘴部還包括形成圖案的氧化層，在所述第一硅層上形成并具有溝，所述溝在所述氧化層內限定出所述加熱器的所需構造；和在所述氧化層中的溝內的金屬層，所述金屬層提供所述加熱器并包括設置為電連接到電源的 一個或多個觸點；其中，所述第二硅層包括位于所述氧化層和所述金屬層上的二氧化硅層。
11、 如權利要求IO所述的打印頭本體，其中所述加熱器的所需構造包括蛇形構造。
12、 如權利要求11所述的打印頭本體，其中所述蛇形構造包括多個曲線段，并且比起趨近所述加熱器的中部的曲線段，最靠近所述加熱器的端部的曲線_險彼此間隔更近。
13、 如權利要求IO所述的打印頭本體，其中所述金屬層由鎳鉻合金形成。
14、 如權利要求IO所述的打印頭本體，其中所述金屬層由銅鎳合金形成。
15、 如權利要求9所述的打印頭本體，其中所述噴嘴部還包括熱敏電阻，設置為電連接到控制器，以便能夠通過所述控制器來確定溫度讀數，并且能夠控制從電源傳輸到所述加熱器的電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種打印頭本體和用于形成打印頭本體的方法。打印頭本體包括本體部和噴嘴部。本體部包括墨室。噴嘴部包括與本體部中的墨室流體連通的噴嘴，還包括第一硅層、第二硅層以及在第一和第二硅層之間形成的加熱器。噴嘴貫穿第一和第二硅層，并與墨室流體連通。
文檔編號B41J2/05GK101489794SQ200780026438
公開日2009年7月22日 申請日期2007年5月11日 優(yōu)先權日2006年5月12日
發(fā)明者安德烈亞斯·比布爾 申請人:富士膠卷迪馬蒂克斯股份有限公司