具有在噴墨面上的聚倍半矽氧烷塗層的列印頭的製作方法
2023-04-25 12:52:26
專利名稱：具有在噴墨面上的聚倍半矽氧烷塗層的列印頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及印表機領域並且具體地涉及噴墨列印頭。它主要被開發用於提高高解析度列印頭的列印質量和列印頭維護。
背景技術：
已經發明許多不同類型的印刷，它們中的許多目前在使用。已知的印刷形式具有用於通過相關印製介質來印製印刷介質的多種方法。常用的印刷形式包括膠版印刷、雷射印刷和複印裝置、點陣型擊打式印表機、熱敏紙印表機、膠片記錄器、熱蠟印表機、染料熱升華印刷機及按需滴墨式和連續流動式噴墨印表機。當考慮成本、速度、質量、可靠性、構造和操作的簡單性等等時每種類型的印表機均具有其自身的優點和問題。近年來，其中墨的每個單獨像素源自一個或多個墨噴嘴的噴墨列印技術主要由於其廉價和通用性而變得越來越流行。已經發明關於噴墨列印的許多不同的技術。為全面解本領域，參照J Moore的文章"Non-Impact Printing Introduction and Historical Perspective，，(非擊打式列印介紹和歷史展望)，Output Hard Copy Devices (輸出硬拷貝裝置)，R Dubeck和S Sherr 編輯，第 207-220 頁(1998)。噴墨印表機自身呈現為多種類型。噴墨列印中連續墨流的利用至少可追溯至19 年，其中Hansell的美國專利No. 1941001公開連續流靜電噴墨列印的一種簡單形式。Sweet的美國專利3596275也公開一種連續噴墨列印工藝，包括其中通過高頻靜電場對噴墨流進行調節以導致墨滴分離的步驟。該技術仍被若干製造商採用，包括Elmjet 和kitex(也參見Sweet等人的美國專利No. 3373437)。壓電噴墨印表機也是常用噴墨列印裝置的一種形式。在採用隔膜操作模式的Kyser等人的美國專利No. 3946398 (1970)中，在公開壓電晶體的擠壓操作模式的 Zolten的美國專利3683212(1970)中，在公開壓電操作的彎曲模式的Stemme的美國專利No. 3747120 (1972)中，在公開噴墨流的壓電推動模式致動的Howkins的美國專利 No. 4459601中，以及在公開壓電換能器元件的剪切模式類型的Fischbeck的美國4584590 中公開壓電系統。近來，熱噴墨列印已經成為噴墨列印的一種非常流行的形式。噴墨列印技術包括在Endo等人的GB 2007162(1979)和Vaught等人的美國專利4490728中公開的那些。前述兩個文獻公開依靠電熱致動器的啟動的噴墨列印技術，所述電熱致動器的啟動在壓縮空間(比如噴嘴)中產生氣泡，由此導致墨從連接到受限空間上的開孔噴射到相關的列印介質上。採用電熱致動器的列印裝置由諸如佳能和惠普等的製造商製造。如從前述可見，很多不同類型的列印技術是可用的。理想地，列印技術應當具有多個期望的屬性。這些包括廉價的構造和操作、高速操作、安全和連續長期操作等等。每種技術可以在成本、速度、質量、可靠性、耗電量、構造操作的簡單性、耐用性和耗材方面具有其自身優點和缺點。
在任何噴墨列印系統的構造中，相當多的重要因素必須彼此權衡，尤其在構造大型列印頭、尤其是頁寬型大型列印頭的情況下。多個這些因素歸納如下。首先，通常採用微電機系統(MEMS)技術構造噴墨列印頭。因此，它們傾向於依靠將平面層沉積在矽片上並且蝕刻平面層的某些部分的標準集成電路構造/製造技術。在矽電路製造技術中，某些技術比其他技術更公知。例如，與產生CMOS電路相關聯的技術很可能比與產生包括鐵電體、砷化鎵等的奇異(exotic)電路相關聯的技術更容易使用。由此， 期望的是在任何MEMS構造中採用不需要任何「奇異」工藝或材料的眾所周知的半導體製造技術。當然，將進行一定程度的權衡，這是因為如果使用奇異材料的優點遠超其缺點，則無論如何採用該材料是期望的。但是，如果可以使用更普通材料獲得相同或相似的性質，則能夠避免奇異材料的問題。噴墨列印頭的期望特性是疏水噴墨面(「正面」或「噴嘴面」)，優選地與親水噴嘴室和墨供應通道組合。親水噴嘴室和墨供應通道提供毛細管作用並且由此最佳地用於啟動 (priming)和用於在每次墨滴噴射之後將墨再供應到噴嘴室。疏水正面使墨在列印頭的正面上溢流的傾向最小化。利用疏水正面，含水噴墨不太可能離開噴嘴開口從旁邊溢流。此夕卜，從噴嘴開口溢流的任意墨不太可能在面上擴散並且在正面上混合——而是它們將形成能夠通過合適的維護操作更容易管理的離散的球形微滴。迄今，本申請人已經描述使用聚二甲基矽氧烷(PDMS)塗覆列印頭的正面並且提供疏水表面。但是，儘管PDMS具有優異的疏水性並且能夠容易地結合到列印頭MEMS製造工藝中，但是其具有相對較差的耐磨性並且可能被用於列印頭維護的擦拭刷劃壞或另外地破壞(參見，例如2008年1月16日提交的美國申請No. 12/014，772，該申請通過參引的方式併入本文)。因此，期望的是提供一種具有疏水噴墨面的列印頭，該列印頭能夠通過MEMS 製造工藝容易地生產並且具有良好的耐磨性。
發明內容
在第一方面，提供一種具有噴墨面的列印頭，其中，所述噴墨面的至少一部分塗覆有疏水聚合材料，所述聚合材料包括聚倍半矽氧烷。根據本發明的列印頭具有優異的耐用性和耐磨性，從而使它們能夠相容於涉及與噴墨面相接觸(例如，擦拭)的各種列印頭維護操作。此外，聚倍半矽氧烷能夠通過旋塗工藝沉積為薄層(0.5微米到2微米)，該旋塗工藝能夠容易地結合到MEMS列印頭製造工藝中。可選地，聚倍半矽氧烷從由聚烷基倍半矽氧烷和聚芳基倍半矽氧烷組成的組中選取。可選地，聚倍半矽氧烷從由聚甲基倍半矽氧烷和聚苯基倍半矽氧烷組成的組中選取。可選地，聚合材料在MEMS列印頭製造期間沉積並硬烘烤(harclbake)到列印頭的噴嘴板上。可選地，所述列印頭包括形成在基底上的多個噴嘴組件，每個噴嘴組件包括噴嘴室、限定在所述噴嘴室的頂部中的噴嘴開口、以及用於通過所述噴嘴開口噴墨的致動器。可選地，所述聚合材料塗覆在所述列印頭的噴嘴板上，所述噴嘴板至少部分地由每個噴嘴室的頂部限定。
可選地，每個頂部藉助於所述疏水塗層而具有相對於每個噴嘴室的內側表面的疏水外側表面。可選地，每個噴嘴室包括具有陶瓷材料的頂部和側壁。可選地，所述陶瓷材料從由氮化矽、氧化矽和氮氧化矽組成的組中選取。可選地，所述頂部與基底間隔開，使得每個噴嘴室的側壁在所述噴嘴板與所述基底之間延伸。可選地，所述致動器是加熱器元件，所述加熱器元件構造為用於加熱所述室中的墨以形成氣泡，由此迫使墨滴穿過所述噴嘴開口。可選地，所述加熱器元件懸掛在所述噴嘴室中。可選地，所述致動器是熱彎曲致動器，包括第一主動元件，所述第一主動元件用於與驅動電路的連接；以及第二被動元件，所述第二被動元件與所述第一元件機械協作，使得當電流穿過所述第一元件時，所述第一元件相對於所述第二元件擴展，從而導致所述致動器彎曲。可選地，所述熱彎曲致動器限定每個噴嘴室的頂部的至少一部分，由此所述致動器的致動使所述頂部的活動部分朝向所述噴嘴室的底部移動。可選地，所述噴嘴開口限定在所述頂部的所述活動部分中。可選地，噴嘴開口限定在所述頂部的固定部分中。可選地，所述聚合材料限定所述頂部的所述活動部分與固定部分之間的機械密封，由此使所述致動器致動期間的墨洩漏最小化。在第二方面，提供一種具有噴墨面的列印頭，其中，所述噴墨面的至少一部分塗覆有聚合材料，所述聚合材料包括結合有納米顆粒的聚矽氧烷。根據第二方面，所述納米顆粒將諸如耐用性、耐磨性、抗疲勞性、疏水性、親水性等等之類的期望特性賦予給聚合塗層。可選地，聚矽氧烷從由聚烷基倍半矽氧烷、聚芳基倍半矽氧烷和聚二烷基矽氧烷組成的組中選取。可選地，聚矽氧烷從由聚甲基倍半矽氧烷、聚苯基倍半矽氧烷和聚二甲基矽氧烷組成的組中選取。可選地，所述納米顆粒從由無機納米顆粒和有機納米顆粒組成的組中選取。可選地，所述無機納米顆粒從由金屬氧化物、金屬碳酸鹽和金屬硫酸鹽組成的組中選取。可選地，所述無機納米顆粒從由二氧化矽、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁、碳酸鈣、氧化錫、氧化鋅、氧化銅、氧化鉻、氧化鈣、氧化鎢、氧化鐵、氧化鈷以及硫酸鋇組成的組中選取。可選地，所述有機納米顆粒從由交聯有機矽樹脂顆粒、交聯聚烯烴樹脂顆粒、交聯丙烯樹脂顆粒、交聯苯乙烯-丙烯樹脂顆粒、交聯聚酯顆粒、聚醯亞胺顆粒、密胺樹脂顆粒以及碳納米管組成的組中選取。可選地，所述納米顆粒以從-70%重量百分比的量的範圍結合到聚矽氧烷中。可選地，所述納米顆粒具有Inm到IOOnm範圍內的平均顆粒尺寸。可選地，所述列印頭包括形成在基底上的多個噴嘴組件，每個噴嘴組件包括噴嘴室、限定在所述噴嘴室的頂部中的噴嘴開口、以及用於通過所述噴嘴開口噴墨的致動器。可選地，聚合材料塗覆在所述列印頭的噴嘴板上，所述噴嘴板至少部分地由每個噴嘴室的頂部限定。可選地，每個噴嘴室包括具有陶瓷材料的頂部和側壁，所述陶瓷材料從由氮化矽、 氧化矽和氮氧化矽組成的組中選取。可選地，所述頂部與基底間隔開，使得每個噴嘴室的側壁在所述噴嘴板與所述基底之間延伸。可選地，所述致動器是加熱器元件，所述加熱器元件構造為加熱所述室中的墨以形成氣泡，由此迫使墨滴穿過所述噴嘴開口。可選地，所述加熱器元件懸掛在所述噴嘴室中。可選地，所述致動器是熱彎曲致動器，包括第一主動元件，所述第一主動元件用於與驅動電路的連接；以及第二被動元件，所述第二被動元件與所述第一元件機械協作，使得當電流穿過所述第一元件時，所述第一元件相對於所述第二元件擴展，從而導致所述致動器彎曲可選地，所述熱彎曲致動器限定每個噴嘴室的頂部的至少一部分，由此所述致動器的致動使所述頂部的活動部分朝向所述噴嘴室的底部移動。可選地，所述噴嘴開口限定在所述頂部的所述活動部分或所述頂部的固定部分中的任一個中。可選地，所述聚合材料限定所述頂部的所述活動部分與所述固定部分之間的機械密封，由此使所述致動器致動期間的墨洩漏最小化。在第三方面，提供一種用於噴射可噴射流體的噴墨列印頭，所述列印頭具有塗覆了結合納米顆粒的聚合材料的噴墨面，其中，所述納米顆粒將一個或多個預定的特性賦予給所述噴墨面，所述預定特性補足如下中的至少一個可噴射流體的固有特性；與所述列印頭相關聯的列印頭維護機制；以及噴嘴致動器的類型。根據第三方面的本發明能夠將所述噴墨面的表面特性調製為印表機的預定特性。 例如，列印頭的維護可以在一些印表機中為優先，而最佳的流體噴射可以在其他印表機中為優先。可替代地，納米顆粒可以選取為提供折中的印表機特性。可選地，所述一個或多個預定特性從由親水性、疏水性、耐磨性以及抗疲勞性組成的組中選取。可選地，所述一個或多個預定特性由納米顆粒的表面能特性、納米顆粒的尺寸、納米顆粒的量以及納米顆粒的耐磨性中的一個或多個來賦予。可選地，所述納米顆粒從由無機納米顆粒和有機納米顆粒組成的組中選取。可選地，所述無機納米顆粒從由二氧化矽、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁、碳酸鈣、氧化錫、氧化鋅、氧化銅、氧化鉻、氧化鈣、氧化鎢、氧化鐵、氧化鈷以及硫酸鋇組成的組中選取。可選地，所述有機納米顆粒從由交聯有機矽樹脂顆粒、交聯聚烯烴樹脂顆粒、交聯丙烯樹脂顆粒、交聯苯乙烯-丙烯樹脂顆粒、交聯聚酯顆粒、聚醯亞胺顆粒、密胺樹脂顆粒以及碳納米管組成的組中選取。可選地，所述可噴射流體的固有特性從由親水性、疏水性、粘性、表面張力以及沸點組成的組中選取。
可選地，所述可噴射流體從由含水流體和不含水流體組成的組中選取。可選地，所述列印頭維護機制包括從由列印頭封頂、列印頭擦拭、列印頭溢流、以及非接觸式墨去除組成的組中選取的一個或多個操作。可選地，所述聚合材料包括聚矽氧烷。可選地，聚矽氧烷從由聚烷基倍半矽氧烷、聚芳基倍半矽氧烷、以及聚二烷基矽氧烷組成的組中選取。可選地，聚矽氧烷從由聚甲基倍半矽氧烷、聚苯基倍半矽氧烷和聚二甲基矽氧烷組成的組中選取。根據第三方面的列印頭的其他可選實施例與根據第一方面和第二方面的那些可選實施例相同。
現在將僅作為示例參照附圖對本發明的可選實施例進行描述，其中圖1是熱噴墨列印頭的噴嘴組件陣列的局部立體圖；圖2是圖1中所示的噴嘴組件單元的側視圖；圖3是圖2中所示的噴嘴組件的立體圖；圖4示出在將側壁和頂部材料沉積到犧牲光致抗蝕劑層上之後部分形成的噴嘴組件；圖5是圖4中所示的噴嘴組件的立體圖；圖6是與圖7中所示的噴嘴緣蝕刻相關聯的掩膜；圖7示出頂部層的蝕刻以形成噴嘴開口緣；圖8是圖7中所示的噴嘴組件的立體圖；圖9是與圖10中所示的噴嘴開口蝕刻相關聯的掩膜；圖10示出頂部材料的蝕刻以形成橢圓形噴嘴開口 ；圖11是圖10中所示的噴嘴組件的立體圖；圖12示出第一和第二犧牲層的氧氣等離子體灰化；圖13是圖12中所示的噴嘴組件的立體圖；圖14示出在灰化之後的噴嘴組件、以及晶片的相對側；圖15是圖14中所示的噴嘴組件的立體圖；圖16是與圖17中所示的背側蝕刻相關聯的掩膜；圖17示出墨供應通道到晶片內的背側蝕刻；圖18是圖17中所示的噴嘴組件的立體圖；圖19示出在疏水聚合塗層的沉積之後圖7的噴嘴組件；圖20是圖19中所示的噴嘴組件的立體圖；圖21示出在防護金屬薄膜沉積之後圖19的噴嘴組件；以及圖22示出在蝕刻穿過防護金屬薄膜、聚合塗層和噴嘴頂部之後圖21的噴嘴組件；圖23示出在背側MEMS加工和去除光致抗蝕劑之後完成的噴組組件；圖M是圖23中所示的噴嘴組件的立體7
圖25是在其中形成噴嘴室側壁的第一步驟順序之後部分製成的可代替噴墨噴嘴組件的側剖視圖；圖沈是圖25中所示的部分製成的噴墨噴嘴組件的立體圖；圖27是在其中以聚醯亞胺填充噴嘴室的第二步驟順序之後部分製成的噴墨噴嘴組件的側剖視圖；圖觀是圖27中所示的部分製成的噴墨噴嘴組件的立體圖；圖四是在其中連接器柱形成直到室頂部的第三步驟順序之後部分製成的噴墨噴嘴組件的側剖視圖；圖30是圖四中所示的部分製成的噴墨噴嘴組件的立體圖；圖31是在其中形成導電金屬板的第四步驟順序之後部分製成的噴墨噴嘴組件的側剖視圖；圖32是圖31中所示的部分製成的噴墨噴嘴組件的立體圖；圖33是在其中形成熱彎曲致動器的主動梁構件的第五步驟順序之後部分製成的噴墨噴嘴組件的側剖視圖；圖34是圖33中所示的部分製成的噴墨噴嘴組件的立體圖；圖35是在其中塗覆聚合層、以金屬層防護以及蝕刻噴嘴開口的第六步驟順序之後部分製成的噴墨噴嘴組件的側剖視圖；圖36是在背側MEMS加工和去除光致抗蝕劑後完成的噴墨噴嘴組件的側剖視圖；圖37是圖36中所示的噴墨噴嘴組件的截面立體圖。
具體實施例方式本發明可以與任何類型的列印頭一起使用。本申請人先前已經描述很多噴墨列印頭。這裡無需描述所有這些列印頭用於理解本發明。但是，現在將結合熱氣泡形成噴墨列印頭和機械熱彎曲致動噴墨列印頭來描述本發明。本發明的優點從如下的描述中變得很明
Mo熱氣泡形成噴墨列印頭參照圖1，其示出包括多個噴嘴組件的列印頭的一部分。圖2和圖3以側剖視圖和截面立體圖示出這些噴嘴組件中的其中一個。每個噴嘴組件包括通過MEMS製造技術形成在矽片基底2上的噴嘴室M。噴嘴室 24由頂部21和從頂部21延伸至矽基底2的側壁22限定。如圖1中所示，每個頂部由噴嘴表面56的一部分限定，該噴嘴表面56跨過列印頭的噴射面。噴嘴表面56和側壁22由相同的材料形成，該材料在MEMS製造期間通過PECVD沉積到光致抗蝕劑的犧牲支架(sacrificial scaffold)上。典型地，噴嘴表面56和側壁22由陶瓷材料(比如二氧化矽或氮化矽)形成。這些硬的材料具有用於列印頭的堅固性的優異特性，並且它們固有的親水性對於通過毛細管作用將墨供應給噴嘴室M是有利的。但是，噴嘴表面56的外(噴墨)表面也是親水性的，這導致任何溢流的墨在表面上擴散。回到噴嘴室M的細節，將見到的是噴嘴開口沈限定在每個噴嘴室M的頂部中。 每個噴嘴開口沈通常是橢圓形的並且具有關聯的噴嘴緣25。噴嘴緣25在列印期間輔助墨滴的方向性以及至少在某種程度上減小來自噴嘴開口 26的墨溢流。用於從噴嘴室M噴墨的致動器是加熱器元件四，該加熱器元件四設置在噴嘴開口 26的下面並且懸掛在凹部8 中。經由連接到位於基底2的下層CMOS層5中的驅動電路上的電極9將電流供應給加熱器元件四。當電流通過加熱器元件四時，其使圍繞的墨快速過熱以形成氣泡，這迫使墨穿過噴嘴開口。通過懸掛加熱器元件四，在噴嘴室M啟動時加熱器元件四完全浸入墨中。 這提高列印頭的效率，這是因為較少的熱擴散到下層基底2內而較多的輸入能量用於產生氣泡。如圖1中最清楚見到的，噴嘴以行布置並且沿著行縱向延伸的墨供應通道27將墨供應給行中的每個噴嘴。墨供應通道27將墨輸送到用於每個噴嘴的墨入口通路15，該墨入口通路15經由墨導管23將墨從噴嘴開口沈的側部供應到噴嘴室M中。在申請人於2005年10月11日提交的先前提交美國申請No. 11/M6，684中詳細地描述用於製造這種列印頭的MEMS製造工藝，該申請的全部公開內容通過參引的方式併入本文。為清楚起見，這裡再次參看該製造工藝的後期階段。圖4和圖5示出包括噴嘴室M的部分製成的列印頭，該噴嘴室M包封犧牲光致抗蝕劑10( 「SAC1」)和16( 「SAC2」)。SACl光致抗蝕劑10作為用於沉積加熱器材料的支架以形成懸掛的加熱器元件四。SAC2光致抗蝕劑16作為用於沉積側壁22和頂部21 (該頂部21限定噴嘴表面56的一部分)的支架。在現有技術的工藝中，並且參照圖6至圖8，MEMS製造的下一階段通過蝕刻掉2微米的頂部材料20而限定出頂部21中的橢圓形噴嘴緣25。該蝕刻使用通過圖6中所示的暗色緣掩膜暴露的一層光致抗蝕劑(未示出)來限定。橢圓形緣25包括兩個共軸的緣唇 25a和25b，這兩個緣唇2 和2 設置在它們相應的熱致動器四上。參照圖9至圖11，下一階段通過一直穿過剩餘的頂部材料進行蝕刻而限定出頂部 21中的橢圓形噴嘴開孔沈，該開孔沈由緣25限界。該蝕刻使用通過圖9中所示的暗色頂部掩膜暴露的一層光致抗蝕劑(未示出)來限定。如圖11中所示，橢圓形噴嘴開孔26設置在熱致動器四上。隨著所有MEMS噴嘴特徵現在全部形成，下一階段通過&等離子體灰化去除SACl 和SAC2光致抗蝕劑層10和16 (圖12和圖1 。圖14和圖15示出在SACl和SAC2光致抗蝕劑層10和16灰化之後矽片2的總厚度(150微米)。參照圖16至圖18，一旦晶片的前側MEMS加工完成，就使用標準各向異性DRIE從晶片的背側蝕刻出墨供應通道27以與墨入口 15相遇。該背側蝕刻使用通過圖16中所示的暗色掩膜暴露的一層光致抗蝕劑(未示出)來限定。墨供應通道27形成晶片的背側與墨入口 15之間的流體連接。最後，並且參照圖2和圖3，通過背側蝕刻使晶片變薄到大約135微米。圖1以完成的列印頭集成電路的截面立體圖示出三行相鄰的噴嘴。噴嘴中的每一行具有沿著其長度延伸且將墨供應給每行中的多個墨入口 15的相應的墨供應通道27。墨入口又將墨供應給用於每行的墨導管23，其中每個噴嘴室從用於該行的共用墨導管接收墨。如上面已經討論的，該現有技術的MEMS製造工藝藉助於由諸如二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氮化鋁等等之類的陶瓷材料形成的噴嘴表面56而不可避免地留下親水噴墨面。在用於使噴嘴表面56疏水化的優選工藝(並且如在US2009/0139961中描述的，該專利的公開內容通過參引的方式併入本文)中，晶片在圖7和圖8中示例的噴嘴緣蝕刻階段之後立即塗覆疏水聚合物80。疏水聚合物100的薄層(大約1微米到2微米)旋塗到晶片上並且進行硬烘烤 (hardbaked)以提供圖19和圖20中所示的部分製成的列印頭。現在參照圖21，防護金屬薄膜90 (大約IOOnm的厚度)隨後沉積到聚合物層80上。 金屬薄膜典型地由鈦或鋁構成並且防護疏水聚合物80免受以後階段的氧灰化條件。因此， 聚合物層80沒有暴露給侵略性的灰化條件並且貫穿整個MEMS工藝步驟保持其疏水特性。圖22示出穿過金屬薄膜110、聚合物層80和噴嘴頂部21蝕刻出噴嘴開口沈之後的晶片。該蝕刻步驟利用常規圖案(patterned)的光致抗蝕劑層(未示出)作為用於所有噴嘴蝕刻步驟的通用掩膜。在典型的蝕刻順序中，金屬薄膜90首先通過標準乾式金屬蝕刻(例如，BC13/C12)或通過溼式金屬蝕刻(例如，H2O2或HF)進行蝕刻。第二幹蝕刻隨後用於蝕刻穿過聚合物層80和噴嘴頂部21。典型地，第二蝕刻步驟是採用&和氟化蝕刻氣體(例如，SF6或CF4)的幹蝕刻。一旦如圖22中所示地限定噴嘴開口 26，就能夠根據與以上結合圖14至圖18描述的步驟相似的已知程式進行背側MEMS加工步驟(例如，蝕刻墨供應通道、晶片薄化等等) 和後續階段的光致抗蝕劑的灰化。使用H2O2或HF清洗的金屬薄膜90的最終去除產生圖23 和圖M中所示的完成的噴嘴組件，從而具有疏水聚合物層80。熱彎曲致動器列印頭從前述，將理解的是任何類型的列印頭均可以以相似的方式疏水化。但是，聚合物塗層是特別有利地用在申請人的熱彎曲致動器噴嘴組件中，這是因為聚合物層作為列印頭的活動頂部部分與固定本體之間的機械密封。這些優點在申請人的美國公布 No. 2008/0225076中更詳細地討論，該公布的內容通過參引的方式併入本文。圖25至圖37示出用於在申請人的早期美國公布No. 2008/0309728中描述的噴墨噴嘴組件100的MEMS製造工藝的順序，該公布的內容通過參引的方式併入本文。圖36和圖37中所示的完成的噴墨噴嘴組件100採用熱彎曲致動，由此頂部的活動部分朝向基底彎曲，從而導致墨噴射。用於MEMS製造的起始點是具有形成在矽片的上部分中的CMOS驅動電路的標準 CMOS晶片。在MEMS製造工藝的最後，該晶片被切割成單獨的列印頭集成電路(IC)，其中每個IC包括驅動電路和多個噴嘴組件。如圖25和圖沈中所示，基底101具有形成在其上部分中的電極102。電極102是用於將電力供應給噴墨噴嘴100的致動器的一對相鄰電極(正和接地)中的其中一個。電極從基底101的上層中的CMOS驅動電路(未示出)接收電力。圖25和圖沈中所示的另一電極103用於將電力供應給相鄰的噴墨噴嘴。總體而言，附圖示出用於噴嘴組件的MEMS製造步驟，該噴嘴組件是噴嘴組件陣列中的其中一個。 以下描述關注用於這些噴嘴組件中的其中一個的製造步驟。但是，當然應當理解的是，用於在晶片上形成的所有噴嘴組件的對應的步驟被同時執行。儘管相鄰的噴嘴組件在附圖中被部分地顯示，但是其能夠被忽略用於本目的。因此，本文將不詳細描述電極103和相鄰的噴嘴組件的全部特徵。事實上，出於清楚的益處，一些MEMS製造步驟將不被顯示在相鄰的噴嘴組件中。
在圖25和圖沈中所示的步驟順序中，8微米的二氧化矽層初始沉積在基底101 上。二氧化矽的深度限定用於噴墨噴嘴的噴嘴室105的深度。在沉積SiO2層之後，其被蝕刻以限定出壁104，該壁104將成為噴嘴室105的側壁，在圖沈中最清楚顯示。如圖27和圖28中所示，噴嘴室105隨後填充光致抗蝕劑或聚醯亞胺106，該光致抗蝕劑或聚醯亞胺作為用於後續沉積步驟的犧牲支架。聚醯亞胺106利用標準技術、UV固化和/或硬烘烤而被旋塗到晶片上，並且隨後經受化學機械平整(CMP)，從而停止在SW2壁 104的頂表面處。在圖四和圖30中，形成噴嘴室105的頂部構件107並且高導電連接器柱108向下延伸到電極102。初始地，1. 7微米的SW2層沉積到聚醯亞胺106和壁104上。該SW2 層限定噴嘴室105的頂部107。接下來，利用標準各向異性的DRIE在壁104中形成一對向下到電極102的通孔。該蝕刻使該對電極102通過相應的通孔暴露。接下來，利用化學鍍 (electroless plating)將高導電金屬(比如銅)填充到通孔。沉積的銅柱108經受CMP， 從而停止在SW2頂部構件107上以提供平面結構。可見的是，在化學鍍銅期間形成的銅連接器柱108與相應的電極102相遇以提供直到頂部構件107的線性導電路徑。在圖31和圖32中，通過在頂部構件107和連接器柱108上初始沉積0. 3微米的鋁層形成金屬墊109。可以使用任何高導電金屬(例如，鋁、鈦等)並且應當沉積為大約0.5 微米或更小的厚度以便不太嚴重地影響噴嘴組件的總體平面性。金屬墊109設置在連接器柱108上方並且在熱彈性主動(active)梁構件的預定「彎曲區域」中設置在頂部構件107 上。在圖33和圖34中，熱彈性主動梁構件110形成在SiO2頂部107上。藉助於熔接到主動梁構件110，SiO2頂部構件107的一部分作為機械熱彎曲致動器的下被動梁構件116， 該機械熱彎曲致動器由主動梁110和被動梁116限定。熱彈性主動梁構件110可以由任意合適的熱彈性材料(比如氮化鈦、氮化鋁鈦及鋁合金)構成。如在申請人的早期美國公布 No.2008/0U9793(該公布的內容以參引的方式併入本文)中解釋的，鋁釩合金是優選的材料，這是因為它們結合了高熱膨脹、低密度和高楊氏模量的有利特性。為形成主動梁構件110，通過標準PECVD初始地沉積1. 5微米的主動梁材料層。隨後利用標準金屬蝕刻來蝕刻梁材料以限定出主動梁構件110。在完成金屬蝕刻之後並且如圖33和圖34中所示，主動梁構件110包括部分的噴嘴開口 111和梁元件112，該主動梁構件110經由連接器柱108在每個端部處電連接至正電極和接地電極102。平面梁元件112 從第一(正)連接器柱的頂部延伸並且彎曲約180度以回到第二(接地)連接器柱的頂部。仍然參照圖33和圖34，金屬墊109設置為便於在潛在的高電阻區域中的電流流動。一個金屬墊109設置在梁元件112的彎曲區域處，並且夾在主動梁元件110與被動梁元件116之間。另一金屬墊109設置在連接器柱109的頂部與梁元件112的端部之間。參照圖35，疏水聚合物層80沉積到晶片上並且覆蓋有防護金屬層90 (例如，IOOnm 鋁)。在適當掩膜之後，金屬層90、聚合物層80和SW2頂部構件107隨後被蝕刻以完全限定頂部的噴嘴開口 113和活動部分114。蝕刻典型地為如上面結合圖22描述的兩階段蝕刻工藝。活動部分114包括熱彎曲致動器115，該彎曲致動器115自身包括活動梁構件110 和下層被動梁構件116。噴嘴開口 113限定在頂部的活動部分114中，使得噴嘴開口在致動期間隨致動器一起移動。如在美國公布NO.2008/0U9793中描述的，其中噴嘴開口 113相對於活動部分114固定的構型也是可能的並且在本發明的範圍內。圍繞頂部的活動部分114的周邊空間或間隙117將活動部分與頂部的固定部分 118分離開。當致動器115致動時，該間隙117允許活動部分114彎曲到噴嘴室105內並且朝向基底101彎曲。疏水聚合物層80填充間隙117以提供頂部107的活動部分114與固定部分118之間的機械密封。聚合物具有足夠低的楊氏模量以允許在致動期間致動器朝向基底101彎曲，同時防止墨通過間隙117溢出。在最後的MEMS加工步驟中，並且如圖36和圖37中所示，墨供應通道120從基底 101的背側蝕刻穿過到噴嘴室105。雖然在圖36和圖37中墨供應通道120示出為與噴嘴開口 113對準，但是其當然能夠設置為與噴嘴開口偏離。在墨供應通道的蝕刻之後，填充噴嘴室105的聚醯亞胺106通過在氧化性等離子體中的灰化去除，並且金屬薄膜90通過HF或H2A清洗被去除以提供噴嘴組件100。包括MSQ的聚合物層疏水聚合物層80已經證實為本申請人的列印頭的重要特徵。其不但使列印頭的正面疏水(這有助於提高整體的列印質量)，其還通過呈現用於列印頭維護裝置(例如，擦拭刷)的平面化疏水表面來輔助列印頭維護，該列印頭維護裝置被採用以維持列印頭處於可操作的條件中。當然，在上述熱彎曲致動列印頭100的情況下，聚合物80提供使噴嘴的活動部分從列印頭的本體機械密封的額外功能。迄今，本申請人已經提出使用聚二甲基矽氧烷(PDMS)。該材料能夠容易地結合到 MEMS製造工藝中，具有優異的疏水性和允許有效的熱彎曲致動的楊氏模量。但是，PDMS具有相對較差的耐磨性並且可能通過與例如擦拭刷的重複接觸而被劃壞或另外地破壞。申請人:現已發現聚倍半矽氧烷(polysilsesquioxanes)提供優於PDMS的耐磨性， 同時仍然保持PDMS的所有優點。聚倍半矽氧烷屬於已知為聚合矽氧烷或聚合矽酮的一般類的聚合物，並且具有經驗公式(RSiO1Jn，其中R是氫或有機團，η是表示聚合物鏈的長度的整數。有機團可以為CV12烷基(例如，甲基)、(_芳基(例如，苯基)或CV16芳烷基(例如苄基)。聚合物鏈可以為本領域中任意已知的長度(例如，η為從2到10，000)。聚烷基倍半矽氧烷(polyfelkylsilsesquioxanes))和聚芳基倍半矽氧烷 (poly (arylsilsesquioxanes))(比如聚甲基倍半娃氧燒(poly (methylsilsesquioxanes)) 和聚苯基倍半矽氧烷(polybhenylsilsesquioxanes)))當用作申請人的列印頭中的聚合物層80時已顯示為具有優異的疏水性、耐用性和耐磨性。例如，塗覆有MSQ或PSQ的列印頭能夠被擦拭乾淨而沒有破壞，即使在墨和紙張纖維被烘烤到列印頭上達1小時之後。 聚甲基倍半矽氧烷在本領域中也稱為甲基倍半矽氧烷、MSQ、MSSQ、PMSQ和PMSSQ。 聚苯基倍半矽氧烷在本領域中也被稱為苯基倍半矽氧烷、PSQ、PSSQ、PPSQ和PPSSQ。為簡潔起見，申請人將在下文中將聚甲基倍半矽氧烷稱為MSQ，並且將聚苯基倍半矽氧烷稱為 PSQ。MSQ具有較低的介電常數(k = 2. 7)並且已經先前用作絕緣材料。但是，先前並不知道使用MSQ作為用於MEMS噴墨列印頭的疏水塗層。MSQ或PSQ可以通過上述的MEMS製造工藝結合到列印頭中作為聚合物層80。MSQ 或PSQ溶液旋塗到晶片上為大約0.5微米到5微米(例如，1微米)的厚度並且隨後進行硬烘烤以提高對噴嘴板的粘附並且提供用於列印頭的耐用噴墨面。硬烘烤可以包括UV固化步驟。例如，典型的硬烘烤工藝可以包括如下步驟1.在塗覆之後立即在110°C接觸烘烤2分鐘2.在300°C接觸烘烤6. 5分鐘3. UV 暴露 130 秒( 1300mJ)4.烘箱固化1小時(開始在180°C並且以 4°C /分鐘傾斜上升)雖然申請人的上述硬烘烤工藝提供具有優異耐用性的MSQ塗覆式或PSQ塗覆式列印頭，但是應當理解的是硬烘烤可以遵循任意常規的過程。MSQ和PSQ各具有大約3 GPa的楊氏模量，這略大於PDMS的楊氏模量。但是，申請人已經發現，當聚合物層80包括MSQ或PSQ時，儘管其較高的楊氏模量，熱彎曲致動列印頭仍然有效地操作。此外，MSQ和PSQ的總體堅固度的重要性通常超過由它們較高的楊氏模量引起的任何不利方面。當然，在其中沒有活動部件的熱氣泡形成列印頭中，聚合物層80的楊氏模量與噴嘴致動不相關。本發明人認為使用MSQ或PSQ代表噴墨列印頭技術中的重大突破。疏水噴墨列印頭，尤其是通過MEMS製造工藝製造的疏水噴墨列印頭對於所有的行業參與者而言均被視為非常重大的挑戰。本申請人已經證實MSQ或PSQ可以結合到MEMS製造工藝中並且提供具有優異耐用性和耐磨性的疏水噴墨面。該理想的特徵組合在本領域中先前沒有實現過。包含納米顆粒的聚合物層如上述，雖然MSQ和PSQ用作聚合物塗層比PDMS具有顯著的優點，但是存在PDMS 仍為被選擇材料的一些示例。例如，在低功率的熱彎曲致動列印頭中，PDMS的低楊氏模量可以有利地用於使墨滴噴射能量最小化。理想的是改進例如PDMS的耐磨特性而不包括其低楊氏模量。在其他情況下，列印頭的聚合物塗層可以具有不適於從列印頭噴射出的特定流體的特性。應當注意的是，熱彎曲致動列印頭可以噴射含水和不含水的液體(例如，用於印製 OLED的聚合物)，並且列印頭的噴墨面可以具有補足所噴射流體的固有性質的特性。這些性質可以包括例如流體的親水性、疏水性、粘性、表面張力和/或沸點。可選地，噴墨面可以具有補足所採用的特定類型的列印頭維護機制的特性(例如，如在通過參引的方式併入本文的美國申請No. 12/014，772中描述的列印頭頂封 (capping)/擦拭；或者如在通過參引的方式併入本文的US 7，401，886中描述的列印頭溢流/非接觸式維護)。例如，耐磨性對於涉及與列印頭接觸的列印頭維護機制而言是重要的，但對於非接觸式維護機制是不太重要的。可選地，噴墨面可以具有補足特定類型的噴嘴致動器的特性。例如，抗疲勞性對於熱彎曲致動器而言是重要的，在該熱彎曲致動器中聚合材料將噴嘴的活動部分密封到列印頭的本體上。但是，在不活動噴嘴(比如上述熱氣泡形成噴嘴)中抗疲勞性是不太重要的。在不根本改變MEMS製造工藝的情況下「調製」噴墨面的特性的能力將是非常期望的。該「調製」可以改進例如噴墨面的韌性、耐磨性、抗疲勞性和/或表面能特性。作為普通示例，當列印諸如聚合物的疏水液體時，噴墨面應當優選地相對親水而非疏水(與列印含水墨進行比較)。結合有納米顆粒(在本領域中有時稱為「填料」)的矽酮聚合物的可得性意味著矽酮聚合物(例如，PDMS、MSQ、PSQ)的特性可以通過改變結合到其中的納米顆粒而調整。不同納米顆粒的使用將對應地「調製」由聚合物層80限定的噴墨面的特性。當然，納米顆粒依據特定的應用可以是任意合適的類型、尺寸和形狀。納米顆粒可以包括無機顆粒、有機顆粒或它們的組合。無機納米顆粒的一些示例是金屬氧化物、金屬碳酸鹽和金屬硫酸鹽。更具體地，無機納米顆粒可以是例如二氧化矽(包括矽膠)、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁、碳酸鈣、氧化錫、氧化鋅、氧化銅、氧化鉻、氧化鈣、氧化鎢、氧化鐵、氧化鈷、硫酸鋇等。有機納米顆粒的一些示例是交聯矽酮樹脂顆粒(例如PDMS、MSQ、PSQ)、交聯聚烯烴樹脂顆粒(例如聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯)、交聯丙烯樹脂顆粒、交聯苯乙烯-丙烯樹脂顆粒、交聯聚酯顆粒、聚醯亞胺顆粒、蜜胺樹脂顆粒、碳納米管等。如本文使用的，術語「納米顆粒」指的是具有平均顆粒尺寸在Inm到IOOOnm範圍內的顆粒，更通常的為Inm到IOOnm範圍內的顆粒，並且更通常的為Inm到50nm範圍內的顆粒。大約20nm的平均顆粒尺寸是通常優選地。顆粒可以是單分散或多分散的。納米顆粒可以呈現為重量百分比從到70%範圍內的量，可選地為5%到60% 範圍內的量，可選地為10%到50%範圍內的量。納米顆粒呈現的量將取決於聚合物薄膜的需求特性。納米顆粒可以通過任意合適的工藝組合到聚合物內，比如溶膠-凝膠工藝，這是本領域中的技術人員眾所周知的。產生的聚合物可以通過任意合適的工藝沉積，比如旋塗工藝並後繼硬烘烤。結合有二氧化矽納米顆粒的PDMS聚合物在本領域中是公知的並且這種聚合物可以用作本發明的聚合物層80。二氧化矽納米顆粒將期望的耐磨性和抗疲勞性賦予給PDMS 聚合物。取決於二氧化矽顆粒呈現的量，PDMS也可以具有較親水的表面，這在某些應用中是有用的。本領域的普通技術人員將會理解的是，可以如具體實施例所示對本發明進行許多變化和/或修改而不偏離廣義描述的本發明的精神和範圍。因此，本實施例應當在所有方面被認為是示例性的而非限制性的。
權利要求
1.一種具有噴墨面的列印頭，其中，所述噴墨面的至少一部分塗覆有疏水聚合材料，所述疏水聚合材料從由聚倍半矽氧烷組成的組中選取。
2.如權利要求1所述的列印頭，其中，所述聚合材料從由聚烷基倍半矽氧烷和聚芳基倍半矽氧烷組成的組中選取。
3.如權利要求1所述的列印頭，其中，所述聚合材料從由聚甲基倍半矽氧烷和聚苯基倍半矽氧烷組成的組中選取。
4.如權利要求1所述的列印頭，其中，所述聚合材料在MEMS列印頭製造期間沉積並硬烘烤到所述列印頭的噴嘴板上。
5.如權利要求1所述的列印頭，包括形成在基底上的多個噴嘴組件，每個噴嘴組件包括噴嘴室、限定在所述噴嘴室的頂部中的噴嘴開口、以及用於通過所述噴嘴開口噴墨的致動器。
6.如權利要求5所述的列印頭，其中，所述聚合材料塗覆在所述列印頭的噴嘴板上，所述噴嘴板至少部分地由每個噴嘴室的所述頂部限定。
7.如權利要求6所述的列印頭，其中，每個頂部藉助於所述疏水塗層而具有相對於每個噴嘴室的內側表面的疏水外側表面。
8.如權利要求5所述的列印頭，其中，每個噴嘴室包括具有陶瓷材料的頂部和側壁。
9.如權利要求8所述的列印頭，其中，所述陶瓷材料從由氮化矽、氧化矽和氮氧化矽組成的組中選取。
10.如權利要求5所述的列印頭，其中，所述頂部與所述基底間隔開，以使得每個噴嘴室的側壁在所述噴嘴板與所述基底之間延伸。
11.如權利要求5所述的列印頭，其中，所述致動器是加熱器元件，所述加熱器元件構造為用於加熱所述室中的墨以形成氣泡，由此迫使墨滴穿過所述噴嘴開口。
12.如權利要求11所述的列印頭，其中，所述加熱器元件懸掛在所述噴嘴室中。
13.如權利要求5所述的列印頭，其中，所述致動器是熱彎曲致動器，所述熱彎曲致動器包括第一主動元件，所述第一主動元件用於與驅動電路的連接；以及第二被動元件，所述第二被動元件與所述第一主動元件機械協作，以使得當電流通過所述第一主動元件時，所述第一主動元件相對於所述第二被動元件擴展，從而導致所述致動器彎曲。
14.如權利要求13所述的列印頭，其中，所述熱彎曲致動器限定每個噴嘴室的頂部的至少一部分，由此所述致動器的致動使所述頂部的所述活動部分朝向所述噴嘴室的底部移動。
15.如權利要求14所述的列印頭，其中，所述噴嘴開口限定在所述頂部的所述活動部分中。
16.如權利要求14所述的列印頭，其中，所述噴嘴開口限定在所述頂部的固定部分中。
17.如權利要求14所述的列印頭，其中，所述聚合材料限定所述頂部的所述活動部分與固定部分之間的機械密封，由此使所述致動器致動期間的墨洩漏最小化。
全文摘要
本發明公開一種列印頭，所述列印頭具有塗覆疏水聚合材料的噴墨面。所述聚合材料包括聚倍半矽氧烷，比如聚甲基倍半矽氧烷或聚苯基倍半矽氧烷。所述列印頭能夠和需要與所述噴墨面接觸的各種列印頭維護操作相容。
文檔編號B41J2/165GK102470675SQ200980160209
公開日2012年5月23日 申請日期2009年7月24日 優先權日2009年7月24日
發明者E·R·克爾, G·J·麥克沃依, R·P·S·歐瑞麗 申請人:西爾弗布魯克研究股份有限公司