專利名稱：打印頭及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明一般性地涉及噴墨打印機的打印頭部分。
背景技術：
熱噴墨打印機通常具有用于產(chǎn)生墨滴并將它們噴射到打印介質上的打印頭。典型的噴墨打印頭包括具有面對著紙的孔口陣列的噴嘴板；用于從諸如貯液器的墨源將墨液供應到孔口的墨液通道；以及載有多個加熱電阻器的襯底，每個電阻器位于相應孔口的下方。電流脈沖施加到加熱電阻器，以將墨液通道中的墨液瞬間汽化 為氣泡。墨滴通過氣泡的成長和隨后的破裂從每個孔口中噴出。由于墨液通道中的墨液作為液滴通過噴嘴噴出， 因此更多的墨液從貯液器填充墨液通道。當結合附圖考慮時，將更好地理解本發(fā)明的目的和特征。應該注意，附圖是示意性的、未必按比例繪制的圖示，并且在所有附圖中相同的附圖標記表示相同的部件。


圖1示出了體現(xiàn)本發(fā)明的示例性噴墨打印頭結構的示意性透視圖。圖2示出了圖1所示打印頭結構的墨滴產(chǎn)生器區(qū)域的剖視圖。圖3示出了在根據(jù)本發(fā)明實施例的墨滴產(chǎn)生器區(qū)域中的加熱元件的放大剖視圖。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的具有納米結構表面的加熱元件的制造方法的高級流程圖。圖5A-圖5E示意性地描述了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有納米結構表面的加熱元件的制造方法的各個步驟。圖6示出了通過本發(fā)明方法制出的納米柱陣列的示意性剖視圖。圖7示出了與圖5E所示納米柱陣列相比具有改進的尺寸的納米柱陣列的示意性剖視圖。
具體實施例方式在液滴產(chǎn)生時常遇到的一個問題是，墨液殘留物(諸如顏料墨液粒子)沉積到電阻器裸露的加熱表面上，由此產(chǎn)生對打印頭的性能有不利影響并且因而導致圖像質量下降的堆積的粘性殘留物。這種問題在本領域中通常被稱作結垢(Kogation)，S卩，由于發(fā)生在電阻器表面的重復加熱和化學反應而導致的在加熱器表面上形成殘留物膜的過程。這種加熱導致附著在加熱器表面上的材料被烘烤，并且被烘烤的材料充當減少傳遞給墨液的熱量的絕熱體，由此導致降低熱傳導性，并且因此改變噴射的墨滴的特性，例如，降低液滴速率或減小液滴的尺寸。本發(fā)明提供一種噴墨打印頭，其具有用于產(chǎn)生將墨液汽化為氣泡的熱量的至少一個加熱元件，其中，加熱元件的裸露的表面具有用于防止殘留物，尤其是顏料墨液粒子(或稱顆粒)，積累在加熱元件的加熱表面的納米結構表面。加熱表面是在氣泡產(chǎn)生期間暴露于墨液的表面。納米結構表面呈一體形成在加熱元件最上層上的納米級尺寸的納米柱陣列形式。這種加熱元件設計解決了上述的結垢問題。本發(fā)明的另一方面是一種簡單、低成本并且有效的上述加熱元件的制造方法。圖1示出了體現(xiàn)本發(fā)明的特征的示例性噴墨打印頭10的示意性透視圖。打印頭 10包括襯底20、設置在襯底20上的墨液阻擋層30以及附著在墨液阻擋層30頂部的噴嘴板40。襯底20支撐用于產(chǎn) 生汽化墨液的熱量的多個加熱元件。在這些加熱元件中限定有電阻器50 (由虛線示出)。多個墨液腔31和墨液通道32形成在阻擋層30中，使得每個墨液腔31都放置在相關聯(lián)的電阻器50上。在一個實施例這，利用傳統(tǒng)的集成電路制造技術形成加熱元件。阻擋層30是在襯底20上形成加熱元件之后，通過熱或壓力在襯底20上層疊的干膜。隨后，通過光成像技術在阻擋層30中形成墨液腔31和墨液通道32。舉例來說， 阻擋材料是可光成像聚合物，諸如可從杜邦公司(Ε. I. DuPont de Nemours and Co.)獲得的商標為Parad的可光成像聚合物。噴嘴板40包括設置在各個墨液腔31之上的多個孔口 41，從而對齊墨液腔31、相關聯(lián)的孔口 41和相關聯(lián)的電阻器50。舉例來說，噴嘴板40由聚合材料制成并且通過激光燒蝕形成其中的孔口 41。再如，噴嘴板40由諸如鎳的電鍍金屬制成?？膳c外部電接線連接的焊盤60形成在襯底20的末端并且不被墨液阻擋層30覆蓋。 焊盤60通過傳統(tǒng)的沉積和圖案化技術形成襯底20上。舉例來說，焊盤可與由金形成。當電流脈沖施加到電阻器50時，在墨液腔31中形成墨液氣泡，并且通過氣泡的成長從孔口 41 噴出墨滴。通過齊墨液腔31、相關聯(lián)的孔口 41和相關聯(lián)的電阻器50限定出墨滴產(chǎn)生器區(qū)域。圖2示出了圖1所描述的打印頭的典型墨滴產(chǎn)生器區(qū)域的放大剖視圖。在圖2中， 噴嘴板40已被移除，以簡化圖解。在墨液腔31下是相關聯(lián)的加熱元件，該加熱元件由一疊薄膜70構成。電阻器被限定在該疊薄膜70中。最上層的薄膜70用作電阻器50的保護膜并且具有納米結構表面71，納米結構表面71暴露于供應到墨液腔31的墨液流體。圖3示出了墨滴產(chǎn)生器區(qū)域和該疊薄膜70的具體實施例。參照圖3，加熱元件由一疊薄膜70構成，該疊薄膜70包括圖案化的內(nèi)襯層72、圖案化的導體層73、電阻層74、絕熱保護層75和作為最上層金屬保護層76。最上層76設置有呈納米柱陣列形式的納米結構表面71。內(nèi)襯層72和導體層73被圖案化，從而限定電阻器區(qū)域50。電阻層74設置在圖案化的導體層73和電阻器區(qū)域50之上。舉例來說，內(nèi)襯層72由氮化鈦(TiN)制成，圖案化的導體層73由含有約5%Cu的Al合金制成，電阻層74由氮化鎢硅(WSiN)制成。再次舉例來說，絕熱保護層75是沉積在電阻層74上的氮化硅/碳化硅(SiN/SiC)合成物。加熱元件70的納米結構表面71呈一體形成在如圖3所示的最上層上的納米柱陣列形式。優(yōu)選地，納米柱覆蓋暴露于向墨液腔31供應的墨液流體的最上層76的整個表面，納米柱的表面是加熱元件的加熱表面。此外，最上面的保護層76由可氧化的金屬形成，諸如鉭(Ta)、鈮 (Nb)、鈦(Ti)、鎢(W)或其合金，并且通過陽極氧化這樣的金屬獲得一體形成在保護層76上的納米柱。將參照圖4和圖5A至圖5E更詳細地描述納米柱的形成方法。參照圖3描述的加熱元件是體現(xiàn)本發(fā)明的目的的一種可能配置。顯然，對本領域技術人員來說還可以考慮加熱元件的其它配置。本發(fā)明的目的包括覆蓋加熱元件的具有納米柱的最上層或裸露表面，以防止在暴露于墨液腔中的墨液的加熱元件的加熱表面上形成堆積。此納米結構表面被設計為防止或減少來自顏料墨液的顏料粒子堆積，但是這種表面還可以防止或減少來自其它種類墨液的殘留物的堆積。圖4示出了具有上述納米結構表面的加熱元件的制造方法的高級流程圖。在步驟 401，上述方法從襯底開始。在步驟402，接著在襯底上形成加熱元件。加熱元件包括限定在其中的電阻器并且加熱元件可以是單層電阻器結構或其中限定有電阻器的多層結構。加熱元件包括作為裸露層的由可氧化金屬制成的層，優(yōu)選地由諸如鉭(Ta)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、鎢 (W)或其合金的難熔金屬制成。在步驟403，含鋁層設置在加熱元件之上。含鋁層可以是純鋁或鋁合金。接著，在步驟404，執(zhí)行陽極化處理過程，以將鋁陽極化，從而制出多孔鋁氧化物(氧化鋁)。多孔氧化鋁中的孔隙暴露出下面的可氧化金屬層部分。在步驟405，執(zhí)行第二陽極化處理過程，以將下面的金屬層陽極化，從而氧化鋁的孔隙可以從下到上填充有金屬氧化物材料。隨后，通過在步驟406進行選擇性蝕刻去除多孔的氧化鋁，以留下納米結構的表面，所述納米結構的表面呈陽極金屬氧化物材料納米柱陣列形式。圖5A至圖5E更詳細地描述了具有上述納米結構表面的加熱元件的形成方法的圖解。為了簡化圖解，在圖5A至圖5E中省略了支撐加熱結構的襯底。參照圖5A，所述方法從具有由可氧化的難熔金屬制成的最上層保護層76的多層加熱結構70開始。在優(yōu)選實施例中，難熔金屬是鉭(Ta)。在Ta層上設置鋁層77。本領域技術人員應該理解，鋁層77可以用鋁合金替換，諸如具有作為主要成分的鋁和較小比例的銅(Cu)的合金。從這里開始，層77 被稱作Al層。例如，Ta層可以具有約300至500 nm的厚度，Al層可以具有約100至1000 nm的厚度。 參照圖5B，執(zhí)行第一陽極化處理過程，以將Al層陽極化，從而制出多孔鋁氧化物 77A (即，陽極多孔氧化鋁，A1203)。陽極化處理(即，電化學氧化)是一種公知的過程，用于通過在電解槽中將金屬作為陽極并使電流通過該電解槽來在金屬上形成氧化物層。對于鋁來說，陽極化處理期間的電流密度應該標準地保持為約0. 5毫安/cm2至30毫安/cm2?？梢杂煤愣娏?恒電流狀態(tài))或恒定電壓(恒電勢狀態(tài))執(zhí)行陽極化處理。在本實例中，通過將Al層暴露于容納有諸如草酸、磷酸、硫酸、鉻酸或其混合物的氧化性酸的電解浴中來執(zhí)行Al陽極化處理過程。Al陽極化處理過程中施加的電勢根據(jù)電解液的成分改變。例如，對于基于硫酸的電解液電勢可以從5至50V，對于基于草酸的電解液電勢可以從10至80V，以及對于基于磷酸的電解液電勢可以從50至150V。在圖5B中，“D”表示多孔氧化鋁77A中單元的單元直徑，“d”表示多孔氧化鋁中孔隙的孔徑。如圖5C所示，持續(xù)進行Al層的陽極化處理直到孔隙(即，納米孔)77B延伸穿過Al層的厚度并且暴露出下面的Ta層76部分。參照圖5D，執(zhí)行第二陽極化處理過程，以將下面的Ta層76局部陽極化，由此生成部分地填充孔隙77B的密度大的五氧化鉭(Ta2O5)材料76A。由于與Ta相比，Ta2O5顯著膨脹，并且陽極Ta2O5密度大，因此從下向上填充多孔氧化鋁77A的孔隙77B。膨脹系數(shù)被定義為Ta2O5體積與消耗的Ta體積的比率。在本實施例中，Ta的氧化作用的膨脹系數(shù)約為2. 3。 在第二陽極化處理之后，一些殘留的Ta 76殘留在陽極Ta20576之下(圖5D)?？梢岳门c在第一陽極化處理中所使用的電解浴相同的電解浴或不同的電解浴來執(zhí)行第二陽極化處理。 為Ta陽極化處理過程施加的電壓可以從30V至150V，但是可以更高。第二陽極化處理的電壓取決于經(jīng)陽極化的Ta的最終厚度和所使用的電解液的性質。對于一些電解液，電壓可以高達500V。參照圖5E，通過選擇性蝕刻去除多孔氧化鋁。在一個實施例中，使用含有92g 磷酸的(H3PO4)、32g Cr03* 200g H2O的選擇性蝕刻劑，在約95°C執(zhí)行選擇性蝕刻步驟2分鐘。本領域技術人員應該理解，還可以考慮其它的選擇性蝕刻劑。在完成選擇性蝕刻步驟之后，產(chǎn)生如圖5E所示的具有納米柱陣列76B的納米結構表面。納米柱陣列76B可以形成為使得它們成為形成在殘留的鉭膜76的陽極Ta2O5層76A的一部分。在替換實施例中，納米柱陣列76B可以形成為附著到殘留的Ta層。盡管在上述優(yōu)選實施例中鉭作為最上層76 的材料被公開， 但是應該理解，在替換實施例中，可以使用諸如Nb、Ti或W等難熔金屬。上述陽極化處理過程和蝕刻步驟可以容易地控制納米柱的尺寸(直徑、節(jié)距、納米柱之間的距離和深徑比)。圖6示出了可控的納米柱尺寸。在圖6中，“D”表示納米柱的節(jié)距，“d”表示每個納米柱的直徑，“m”表示納米柱之間的距離，以及“h”表示納米柱的高度。 節(jié)距D等于多孔陽極氧化鋁中的孔隙之間的距離，等于多孔陽極氧化鋁單元的直徑(見圖 5B)，并且節(jié)距D主要取決于陽極化電壓。直徑d等于多孔陽極氧化鋁的孔隙直徑并且取決于電解液的性質、陽極化處理過程的電流密度和為增寬孔隙進行各向異性蝕刻多孔氧化鋁的程度?？梢岳萌魏蝹鹘y(tǒng)蝕刻劑增寬孔隙。例如，可以使用含5 wt% H3PO4的蝕刻劑。根據(jù)所需的孔隙增寬的程度，可以相應地調(diào)節(jié)蝕刻溫度和時間。高度h主要取決于陽極化處理的電壓。通常，納米柱的尺寸取決于陽極化處理的電壓、電解液的性質、陽極化處理的持續(xù)時間及選擇性蝕刻的程度。由于陽極化處理過程的性質，可以控制這些尺寸，從而使得生產(chǎn)出的節(jié)距D在30 nm至500 nm范圍內(nèi)、直徑d在10 nm至350 nm范圍內(nèi)。然而，納米柱之間的距離m應該小于墨液中最小的粒子，以避免粒子(例如顏料粒子)到達納米柱的“基底”的任何可能性。例如，對于90 nm的顏料粒子，納米柱之間的距離m應該小于70nm，對于150nm的顏料粒子，納米柱之間的距離m應該小于120nm。在優(yōu)選實施例中，納米柱之間的距離比最小的粒子的直徑小25%-30%。圖7示出了節(jié)距D與圖5E中相同但是增加孔隙增寬步驟的實施例。在本替換實施例中，通過在Al陽極化處理(圖5C)之后且在第二陽極化處理(圖5D)之前利用含5 wt% H3PO4的蝕刻劑進行各向異性蝕刻來進一步增寬陽極氧化鋁中的孔隙。當向上述參照圖5A 至圖5E描述很多方法中加入孔隙增寬步驟時，納米柱的直徑變大，由此顯著降低了納米柱之間的距離。對于高度h來說，情況不同。更有用的反而是控制深徑比“h/d”。本發(fā)明的方法允許寬范圍的h/d深徑比，例如10或更高。在一些情形中，0. 1至3的深徑比對于這里所描述的預期目標來說是足夠的，并且通過本發(fā)明的方法易于到達0. 1至3的深徑比。防止供應到墨液腔的墨液流體中的顏料粒子因上述納米柱的存在而積聚在最上層的裸露的加熱表面上。納米柱之間的距離，即m，被控制為小于墨液中最小的顏料粒子的直徑，從而防止這種粒子進入間隔。在通過電阻器50進行電阻式加熱期間，溶劑從進入納米柱之間的間隔的墨液成分中蒸發(fā)，并且溶劑蒸汽導致著陸在納米柱上的粒子離開最上層的加熱表面，由此清理加熱表面。此外，在通過電阻器50進行電阻式加熱期間，納米柱的頂部(即與顏料粒子接觸的部分)的溫度低于保護層76的下部的溫度。因此，最小化了溫度對結垢過程的影響。這樣，本發(fā)明的加熱元件與傳統(tǒng)的沒有納米柱的加熱元件/電阻器相比具有改進。在沒有納米柱的情形中，顏料粒子會粘附到加熱元件/電阻器的裸露的加熱表面，由此導致上述結垢問題。在具有合適尺寸的情況下，該納米柱陣列有效地消除或顯著最小化前述結垢問題。上述納米結構表面的形成方法具有許多優(yōu)點，包括制造簡單；低成本；易于控制納米柱的尺寸；取決于陽極化處理的固有性質的方法高再現(xiàn)性；納米柱的優(yōu)異的一致性；以及納米柱由電阻器區(qū)域已存在的相同材料制成。
盡管已參照某些典型的實施例描述了本發(fā)明，但是本領域技術人員應該理解，在不脫離所附權利要求范圍的情況下，可以對這些典型的實施例進行各種改進。更具體地，本領域技術人員應該理解，本發(fā)明可應用于本領域公知的其它打印頭配置。
權利要求
1.一種打印頭，包括至少一個墨滴產(chǎn)生器區(qū)域，所述墨滴產(chǎn)生器區(qū)域包括墨液腔，用于容納包含粒子的墨液流體；孔口，墨滴通過所述孔口噴出；以及加熱元件，其形成在襯底上并且位于墨液腔之下，所述加熱元件包括限定在其中的電阻器和暴露于供應到墨液腔的墨液流體的納米結構表面，并且所述納米結構表面呈金屬氧化物納米柱陣列形式，并且所述納米柱被配置為使得它們之間的距離小于墨液流體中最小粒子的直徑。
2.如權利要求1所述的打印頭，其中，所述金屬氧化物納米柱是通過陽極化從鉭Ta、 鈮Nb、鈦Ti、鎢W及其合金構成的組中選擇的難熔金屬形成的。
3.如權利要求2所述的打印頭，其中，所述難熔金屬包括鉭并且納米柱由對鉭進行陽極化獲得的氧化鉭形成。
4.如權利要求1至3中任一項所述的打印頭，其中，所述加熱元件是具有電阻層和作為最上層的保護層的多層結構，并且所述保護層具有暴露于墨液流體的納米結構表面。
5.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的打印頭，其中，所述墨液腔被限定于形成在所述加熱元件之上的阻擋層中，并且孔口形成在噴嘴板中，所述噴嘴板附著到所述阻擋層，從而對齊孔口、墨液腔和電阻器。
6.一種打印頭的制造方法，包括提供襯底；在襯底上形成加熱元件，所述加熱元件包括作為最上層的可氧化金屬層；在可氧化金屬層上形成含鋁層；陽極化含鋁層，以形成具有納米孔隙的多孔氧化鋁，所述納米孔隙向下延伸到可氧化金屬層并且露出部分可氧化金屬層；陽極化可氧化金屬層，從而用金屬氧化物材料從下至上部分地填充多孔氧化鋁中的孔隙；以及通過選擇性蝕刻除去多孔氧化鋁，由此獲得納米結構表面，所述納米結構表面呈金屬氧化物納米柱陣列形式。
7.如權利要求6所述的方法，其中，形成加熱元件包括形成具有電阻層和作為所述可氧化金屬層的最上層保護層的多層結構。
8.如權利要求6或7所述的方法，其中，所述可氧化金屬是從鉭Ta、鈮Nb、鈦Ti、鎢W 及其合金構成的組中選擇的。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述可氧化金屬為鉭。
10.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中，陽極化含鋁層包括使含鋁層暴露于包括酸性電解質的電解液，所述酸性電解質從草酸、磷酸、硫酸、鉻酸及其混合物構成的組中選擇，并且利用與用于陽極化含鋁層的電解質相同的電解質來陽極化可氧化金屬層。
11.如權利要求1至9中任一項所述的方法，其中，陽極化含鋁層包括使含鋁層暴露于包括酸性電解質的電解液，所述酸性電解質從草酸、磷酸、硫酸、鉻酸及其混合物構成的組中選擇，并且利用與用于陽極化含鋁層的電解質不同的電解質來陽極化可氧化金屬層。
12.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中，通過利用包括磷酸的蝕刻劑的干蝕刻執(zhí)行選擇性蝕刻多孔氧化鋁。
13.如權利要求6或7所述的方法，進一步包括通過在陽極化可氧化金屬層之前進行各向異性蝕刻來增寬納米孔隙。
14.如上述權利要求中任一項所述的方法，進一步包括在加熱元件之上形成阻擋層， 所述阻擋層被配置為限定了設置在加熱元件之上的墨液腔；以及將噴嘴板附著到阻擋層， 所述噴嘴板包括設置在墨液腔之上的孔口，從而對齊孔口、墨液腔和加熱元件。
全文摘要
本發(fā)明公開一種打印頭，其包括至少一個墨滴產(chǎn)生器區(qū)域，所述墨滴產(chǎn)生器區(qū)域包括墨液腔；孔口，墨滴通過所述孔口噴出；以及加熱元件，位于墨液腔下面。所述加熱元件包括限定在其中的電阻器和暴露于供應到墨液腔的墨液流體的納米結構表面。所述納米結構表面呈納米柱陣列形式。通過下述方法制造所述打印頭形成加熱元件，所述加熱元件具有作為最上層的可氧化金屬層；在可氧化金屬層上形成含鋁層；陽極化含鋁層，以形成多孔氧化鋁；陽極化可氧化金屬層，從而用金屬氧化物材料部分地填充多孔氧化鋁中的孔隙；以及通過選擇性蝕刻除去多孔氧化鋁，以產(chǎn)生納米結構表面。
文檔編號B41J2/16GK102333656SQ200980157521
公開日2012年1月25日 申請日期2009年2月24日 優(yōu)先權日2009年2月24日
發(fā)明者法塔什 A., 邁爾 N., 馬迪羅維奇 P. 申請人:惠普開發(fā)有限公司