流體噴射器上的熱氧化物塗層的製作方法
2023-05-27 22:06:01 1
專利名稱：流體噴射器上的熱氧化物塗層的製作方法
技術領域：
本公開內容主要涉及流體噴射器上的塗層。
背景技術：
流體噴射器(例如，噴墨列印頭)典型地具有多個限定流體流路的內表面、通過其噴射流體的孔、以及外表面。當流體穿過流體噴射器時，侵蝕性或鹼性流體可能侵蝕流體噴射器的內表面和外表面，導致流體噴射器表面的劣化。不均勻的流體噴射器表面導致在噴射器陣列中流體噴射器之間的差異。這樣的不均勻可能導致流體噴射中的不均勻和不精確。
發明內容
在一個方面，流體噴射器包括流路體、第一氧化物層、膜和第二氧化物層。流路體具有第一外表面的和相反的第二外表面以及多個流路，每個流路至少從所述第一外表面延伸至所述第二外表面。第一氧化物層至少覆蓋所述流路中的每一個的內表面和所述流路體的第一和第二外表面，並且具有沿{100}平面變化小於5%的厚度。膜具有第一外表面。第二氧化物層塗覆在所述膜的第一外表面上並且具有沿{100}平面變化小於5%的厚度，並且將其與第一氧化物層結合。這個實施方案以及其它實施方案可以任選地包括以下特徵中的一個或多個。流體噴射器還可以包括噴嘴板，所述噴嘴板具有第一外表面和在所述噴嘴板的第一外表面上塗覆的第三氧化物層。所述第三氧化物層可以具有變化小於5%的厚度並且可以將其與所述第一氧化物層結合。第一和第二氧化物層的厚度可以在約0. 1 μ m至5 μ m之間、比如小於約2μπι。第一和第二氧化物層可以各自具有大於約2. Og/cm3，比如約2. 2g/cm3的密度。流路體可以包含矽。膜可以包含單晶矽。第一和第二氧化物層可以包含氧化矽。第一和第二氧化物層可以各自具有變化小於3 %的厚度。在一個方面，形成流體噴射器的方法包括在膜的至少一個表面上形成第一熱氧化物層，在流路體的至少一個表面上形成第二熱氧化物層，所述流路體具有多個流路，並且將所述第一熱氧化物層與所述第二熱氧化物層結合。這個實施方案和其它實施方案可以任選地包括以下特徵中的一個或多個。所述第一熱氧化物層與所述第二熱氧化物層結合可以包括形成氧化物-氧化物結合 (oxide-to-oxide bond)。形成所述第二氧化物層可以包括沿每個流路的壁形成熱氧化物層。所述第二氧化物層可以具有沿{100}平面變化小於5%的厚度。所述方法還可以包括在噴嘴板的至少一個表面上形成第三氧化物層，並且將所述第三氧化物層與第二氧化物層結合。所述結合可以在高於約1000°C的溫度發生。所述溫度可以在約1200°C至1300°C之間。形成的熱氧化物層可以在0. 1 μ m厚至5 μ m厚之間，比如小於約2 μ m厚。某些實施方式可以具有以下優點中的一個或多個。利用熱氧化法(thermal oxide process)來塗覆流路產生了緻密氧化物層。所述緻密氧化物層是惰性的並且比下面的矽層更耐鹼性流體的侵蝕。此外，在將多個部件結合到一起之前，在膜、流路體和噴嘴板上分別形成熱氧化物膜避免了不得不將整個流體噴射器在足以進行熱氧化的溫度加熱。不將整個結合的流體噴射器氧化防止了可能由於氧化所必要的高溫而導致的膜、流路體和噴嘴板的翹曲。減少翹曲允許更加一致且精確的流體液滴噴射。在附圖和以下說明中對一個或多個實施方案的細節進行描述。由說明書、附圖和權利要求書，本發明的其它特徵、目的和優點將變得明顯。
圖IA是未塗覆的流體噴射器的實施方式的橫截面視圖.圖IB是具有氧化物塗層的圖1的流體噴射器的實施方式的橫截面視圖。圖2A-2C舉例說明了用於形成流體噴射器的示例性方法。圖3A-3D舉例說明了另一個用於形成流體噴射器的示例性方法。圖4A-4D舉例說明了另一個用於形成流體噴射器的示例性方法。在每個附圖中的相同參考符號表示相同的要素。
具體實施例方式在流體液滴噴射中，流體噴射器的劣化可能作為侵蝕性或鹼性流體侵蝕流體噴射器表面的結果而產生。可以使用熱氧化物保護暴露的表面。用於流體液滴噴射的設備可以具有流體噴射組件，例如，四邊形板型列印頭組件， 其可以為利用半導體加工技術製造的模具。流體噴射器也可以包括用於支撐列印頭組件的外殼，連同其它部件比如用於接收來自外部處理器的數據並向列印頭組件提供驅動信號的柔性電路(flex circuit)。列印頭組件包括其中形成了多個流體流路的基板。列印頭組件還包括支撐在基板上的多個致動器，例如變換器，以使得流體從流路有選擇地噴射。從而，具有其相關促動器的每個流路提供可分別控制的MEMS流體噴射器單元。圖IA是流體噴射組件100(例如，噴墨列印頭的一個噴嘴)的未塗覆的流體噴射器單元的橫截面視圖。未塗覆的流體噴射器100包括流路體110，所述流路體110具有多個形成流路137(為清楚起見，在圖IA僅顯示一個流路137)的內表面。流體噴射器100還包括具有孔140的噴嘴板120，每個孔與流路137相連。在作為流路137的一部分的泵送室 135上設置膜182。流路體110、膜182和噴嘴板120可以各自為具有均質組成的單件體， 例如由矽組成，例如單晶矽，例如具有(100)取向。可以使膜182、流路體110和噴嘴板120 形成為分開的部件並隨後結合在一起以形成流體噴射器105。備選地，兩個以上的部件可以由單連續材料製成。膜182、流路體110和噴嘴板120，連同如下討論的任何在其上形成的氧化物層可以一起提供基板。基板上支撐的致動器172將泵送室135中的流體(如，墨水，例如水基墨水)加壓， 並且流體流動通過下降部(descender) 130並通過噴嘴層120中的孔140噴射。致動器172 可以包括壓電層176、下部電極178 (例如，接地電極)和上部電極174 (例如，驅動電極)。 致動器172未顯示在以下的圖中，但是可以存在。流路137和致動器的其它構造可以備選地用於本文中描述的塗層和技術。
如圖IB中所示，塗覆的流體噴射器105可以包含一個或多個氧化物層170，比如一個或多個氧化矽層。氧化物層170可以包括分別在膜182、流路體110和噴嘴板120上的氧化物層170a、170b和170c。氧化物層170a可以直接接觸(例如覆蓋)膜層182的與流路組件110較接近的第一外表面，並且可以任選地(如圖IB中所示)覆蓋膜層182的第二外表面，所述第二外表面與膜層182的第一外表面相反並距離流路組件110較遠。氧化物層170b可以直接接觸(例如覆蓋)流路體110的第一外表面和流路137的壁，並且可以任選地(如圖IB中所示)覆蓋流路體110的第二外表面，所述第二外表面與流路體110的第一外表面相反。此外，氧化物層170c可以直接接觸(例如覆蓋)噴嘴層120的與流路組件 110較接近的第一外表面，並且可以任選地(如圖IB中所示)覆蓋噴嘴層120的第二外表面，所述第二外表面與噴嘴層120的第一外表面相反，並距離流路組件110較遠。當結合成流體噴射器105時，包括氧化物層170a、170b和170c的氧化物層170可以包括在膜182、流路體110和噴嘴板120之間延伸的以及沿流路137的壁延伸的部分。可以使用氧化物-氧化物結合，將氧化物層170a在膜182和流體流路110之間的部分與氧化物層170b在膜182和流體流路110之間的部分結合。同樣地，用氧化物-氧化物結合，將氧化物層170b在流體流路110和噴嘴板120之間的部分與氧化物層170c在流體流路110和噴嘴板120之間的部分結合。從而，可以在沒有任何不同於氧化物層170a、 170b、170c的插入層的條件下，將膜182、流路體110和噴嘴板120組裝來提供基板。包括氧化物層170a、170b、170c的氧化物層170可以是熱氧化物層。氧化物層170 的厚度可以在0. 1 μ m至5 μ m厚之間，比如大於0. 1 μ m並且小於2 μ m厚，例如0. 4 μ m或 Iym厚。氧化物層170a、170b和170c中的每一個都可以具有沿相同平面族(family of planes)中的表面，例如沿{100}平面的表面的均勻厚度。因而，氧化物層170a、170b和 170c中的每一個沿一個平面族中的表面的厚度可以沿平面族以小於5%變化，比如在層的長度上變化小於3%，所述層的長度至少為20mm的距離，例如至少50mm。此外，氧化物層 170的密度可以大於2. Og/cm3，如大於2. 2g/cm3，例如2. 6g/cm3。圖2A至2C顯示用於形成塗覆的流體噴射器105的方法。參考圖2A，形成流體噴射器105的方法以分開的，即，未結合的膜層182、流路體110和噴嘴板120開始。可以在流路體110中預蝕刻流路137。參考圖2B，利用熱氧化將膜層182、流路體110和噴嘴板120各自分別用相應的氧化物層170a、170b和170c塗覆。可以使用溼熱氧化法(wet thermal oxide process)來生長氧化物層170a、170b和170c，其中在將要塗覆的部件例如膜層182、流路體110或噴嘴板 120上循環汽化的水。溼熱氧化法可以在約800°C至1200°C之間的溫度進行，比如1000°C 至1100°C，例如1080°C。溼熱氧化法可以歷時1/2小時至5小時，比如2小時。熱氧化物生長的速率以及因而得到的最終厚度，可以取決於暴露表面的取向。例如，對於(100)娃， 在{111}平面上的生長速率比在{100}平面上快1. 7倍。因此，在沿{100}平面的表面上形成的氧化物可以具有均勻的第一厚度，同時在沿{111}平面的表面上形成的氧化物可以具有均勻的第二厚度。由於生長的速率(並因此原子的密度)沿{111}平面較大，所以與 {100}表面相比可能有更厚的熱氧化物層沉積在{111}表面上。參考圖2C，將膜層182、流路體110和噴嘴板120隨後結合在一起以形成氧化物-氧化物結合。氧化物-氧化物結合可以在高於約1000°c如在約1200°C至1300°C之間的溫度發生。在一些實施方案中，可以將非潤溼塗層沉積在氧化物層上。在一些實施方案中，如圖3A中所示，噴嘴板120最初為氧化物上的矽 (silicon-on-oxide, SOI)晶片200的矽層，所述晶片200包括氧化物層202和把手層 (handle layer) 204o在這樣的實施方案中，可以將孔140蝕刻進入矽層120中，例如，使用氧化物層202作為蝕刻停止件。如圖:3B中所示，隨後使用上述方法，在矽層120的暴露表面上，即在層120與氧化物層202相反的表面上形成氧化物層170c (不在矽層120的埋沒表面上形成氧化物，所述埋沒表面以後可以成為噴嘴板120的暴露表面)。任選地，可以同時在把手層204的暴露表面上形成氧化物層。如圖3C中所示，將流路體110和噴嘴板120 隨後結合在一起以在氧化物層170b、170c之間形成氧化物-氧化物結合。結合後，如圖3D 中所示，可以隨後通過例如研磨和/或蝕刻將把手層204以及任選地將氧化物層202移除。類似地，在一些實施方案中，如圖4A中所示，膜182最初為在氧化物上的矽(SOI) 晶片210的矽層，所述晶片210包括氧化物層212和把手層214。如圖4B所示，使用上述方法，在矽層182的暴露表面上，即在層182與氧化物層212相反的表面上形成氧化物層 170a (不在矽層182的埋沒表面上形成氧化物，所述埋沒表面以後可以成為膜182的暴露表面)。任選地，可以同時在把手層214的暴露表面上形成氧化物層。如圖4C中所示，將流路體110和膜182隨後結合在一起以在氧化物層170a、170b之間形成氧化物-氧化物結合。 結合後，如圖4D中所示，可以隨後通過研磨和/或蝕刻將把手層214以及任選地將氧化物層212移除。通過採用熱氧化以塗覆流路，緻密的氧化物層形成連續的、無孔表面，所述表面是惰性的並且耐受侵蝕性流體比如鹼性流體的蝕刻。此外，通過採用熱氧化物而非化學氣相沉積(CVD)氧化物，氧化物層可以具有更高的完整性、更高的均勻性、較少的缺陷，並且可以在不清洗或拋光的情況下結合在一起。最終，通過在將部件結合在一起前，分別地在膜、 流路體和噴嘴板上形成熱氧化物層，可以防止流體噴射器的翹曲，所述翹曲否則將作為不同材料之間變化的應力的結果而產生。已經描述了具體的實施方案。其它實施方案也在後附權利要求書的範圍內。
權利要求
1.一種流體噴射器，所述流體噴射器包括流路體，所述流路體具有第一外表面和相反的第二外表面以及多個流路，每個流路至少從所述第一外表面延伸至所述第二外表面；第一氧化物層，所述第一氧化物層至少覆蓋所述流路中的每一個的內表面和所述流路體的所述第一和第二外表面，其中所述氧化物層具有沿{100}平面變化小於5%的厚度；具有第一外表面的膜；和第二氧化物層，所述第二氧化物層塗覆在所述膜的所述第一外表面上，其中所述第二氧化物層具有沿{100}平面變化小於5%的厚度，並且其中使所述第二氧化物層與所述第一氧化物層結合。
2.根據權利要求1所述的流體噴射器，其還包括噴嘴板，所述噴嘴板具有第一外表面和在所述噴嘴板的所述第一外表面上塗覆的第三氧化物層，其中所述第三氧化物層具有變化小於5%的厚度，並且其中使所述第三氧化物層與所述第一氧化物層結合。
3.根據權利要求1所述的流體噴射器，其中所述第一和第二氧化物層具有在約0.1 μ m 至5μπ 之間的厚度。
4.根據權利要求3所述的流體噴射器，其中所述厚度小於約2μ m。
5.根據權利要求1所述的流體噴射器，其中所述第一和第二氧化物層各自具有大於約 2. Og/cm3的密度。
6.根據權利要求5所述的流體噴射器，其中所述第一和第二氧化物層各自具有大於約 2. 2g/cm3的密度。
7.根據權利要求1所述的流體噴射器，其中所述流路體包含矽。
8.根據權利要求1所述的流體噴射器，其中所述膜包含單晶矽。
9.根據權利要求1所述的流體噴射器，其中所述第一和第二氧化物層包含氧化矽。
10.根據權利要求1所述的流體噴射器，其中所述第一和第二氧化物層各自具有變化小於3%的厚度。
11.一種形成流體噴射器的方法，所述方法包括在膜的至少一個表面上形成第一熱氧化物層；在流路體的至少一個表面上形成第二熱氧化物層，所述流路體包括多個流路；以及將所述第一熱氧化物層與所述第二熱氧化物層結合。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述的將所述第一熱氧化物層與所述第二熱氧化物層結合包括形成氧化物-氧化物結合。
13.根據權利要求11所述的方法，其中形成所述第二氧化物層包括沿每個流路的壁形成熱氧化物層。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述第二氧化物層具有沿{100}平面變化小於 5%的厚度。
15.根據權利要求14所述的方法，其還包括在噴嘴板的至少一個表面上形成第三氧化物層，並且使所述第三氧化物層與所述第二氧化物層結合。
16.根據權利要求11所述的方法，其中所述結合在高於約1000°C的溫度發生。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述溫度在約1200°C至1300°C之間。
18.根據權利要求11所述的方法，其中所形成的熱氧化物層都在約0.1 μ m至5 μ m厚之間。
19.根據權利要求18所述的方法，其中形成的熱氧化物層小於約2 μ m厚。
全文摘要
一種流體噴射器，所述流體噴射器包括流路體、第一氧化物層、膜和第二氧化物層。所述流路體具有第一外表面和相反的第二外表面以及多個流路，每個流路至少從所述第一外表面延伸至所述第二外表面。第一氧化物層至少覆蓋流路中的每一個的內表面和流路體的第一和第二外表面，並且具有沿{100}平面變化小於5％的厚度。膜具有第一外表面。第二氧化物層塗覆在膜的第一外表面上，並且具有沿{100}平面變化小於5％的厚度，並且使第二氧化物層與第一氧化物層結合。
文檔編號B41J2/16GK102152632SQ201010537220
公開日2011年8月17日 申請日期2010年11月5日 優先權日2009年11月6日
發明者格雷戈裡·德布拉邦德, 陳振方 申請人:富士膠片株式會社