CN109195804B - 热喷墨打印头和热喷墨打印头的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热喷墨打印头，其包括：流体供给通道，其用于传送流体；流体室，其配置在流体供给通道附近；电阻器，其用于致动室中的流体，并且相对于竖直打印线以交错样式配置。流体供给通道的至少与打印头的后侧相反的一部分大致正交于芯片表面地延伸，并且流体通道具有交错边缘，交错边缘遵循电阻器的交错图案，使得电阻器边缘和对应的交错边缘之间的流体路径长度对于各电阻器大致相似。

Description

热喷墨打印头和热喷墨打印头的制造方法

技术领域

本发明涉及一种热喷墨打印头及其制造方法。更具体地，本发明涉及一种示出高性能一致性的打印头。

背景技术

在许多类型的热喷墨打印头中，通过在通常为硅芯片的基板的内部纵向制成的一个或多个槽将墨从贮存器供给到喷射室。墨从基板后表面流到前表面，在前表面实现电子电路以及微流体回路。单个槽能够供给一个或两个加热器列，加热器列在纵向芯片轴线的方向上沿着槽边缘保持。

通常将导电的、电阻的、介电的和保护性的薄膜沉积并图案化，以实现电路。能够使用硅的半导体特性将诸如晶体管、二极管、存储器等可能的器件集成在电路中。

加热器配置在多个纵向列中，纵向列与通槽相邻，通槽对于朝向喷射部位的墨供给是必需的。可以使单个槽供给两列或者使多个平行槽供给对应数量的列对。

因此，例如聚合物层被沉积在硅芯片的表面上并被图案化以在各加热器周围建立喷射室和用于供给从槽流出的墨的通道。由于具有图案化的轮廓的壁起到墨容纳阻挡器的作用，因此该聚合物层被称为“阻挡层”。

喷嘴板组装在阻挡层的顶部。喷嘴板构成喷射室的顶棚并容纳多个喷嘴，与多个加热器一一对应。因此，喷嘴也以列阵列配置。

由供墨槽、硅芯片、表面和喷射室创建的结构和喷嘴构成了打印头的流体回路。

在数字印刷中，墨作为以行和列配置的点的矩阵阵列分布在介质上。行在打印头和介质之间的相对移动方向上延伸。水平线(行)中的连续点之间的距离的倒数是水平分辨率。竖直线(列)中的连续点之间的距离的倒数是竖直分辨率。

竖直分辨率大致取决于打印头列中的喷嘴之间的距离。水平分辨率由喷射重复率与相对移动速度的组合确定。

热敏打印头中墨泡的增长是由施加到加热电阻器的短电流脉冲引起的。标准热敏打印头通常具有数百个喷嘴(最多大于一千个)。如果所有喷嘴可以同时被激活，则在电路中流动的总电流可能达到过大的强度(几十安培)。这种高电流水平可能损坏硅芯片的电路，在打印站中将需要非常大且昂贵的电力供应，并且所产生的噪声可能是麻烦的。

为了解决这个问题，必须避免电流脉冲的一般重叠，即应当仅允许喷嘴的一个子集同时喷射液滴。因此，打印头中的多个喷嘴能够分成数个子集或“发射组”。对于各组，所有喷嘴均能够同时发射，不同的组按顺序发射，其中在一组和下一组之间有程序化的延迟。

以该方式，用于激活所有打印头喷嘴的电流脉冲以较大的时间间隔分布；装置中的最大电流强度等于单个加热器的电流乘以属于同一发射组的加热器的数量。

由于打印头相对于介质移动，因此必须根据发射组自身的激活时间使不同的发射组沿着相对移动方向交错。

因此，列中的多个喷嘴不能与竖直打印线对准，因为喷嘴不会一起被激活。

在图19中，示出了竖直堆叠的倾斜线性列段(块)的一种可能性；属于同一发射组的喷嘴与同一竖直打印线重叠。

从图19中能够看出，槽轮廓大致为直线，因此交错的加热器根据加热器自身的激活时间具有不同的与槽边缘的距离。因此，最近的加热器的流体回路比最远的加热器的流体回路短。通道长度的差异赋予了不同的流体行为。最近的加热器也变得更快，因为它具有最短的再填充时间，从而提供最大的打印频率。归因于较长的墨路径，其余的加热器具有较长的再填充时间，这取决于与槽的距离，因此加热器显示出较低的频率。该分散将打印头频率限制为最慢加热器的频率。

为了补偿喷射部位的流体行为中的该分散，各加热器均必须适当调整流体布局。

文献US 8,714,710B2提出了对于从供给通道流向交错的电阻器的流体生成大致相等的路径长度。这通过悬臂实现，该悬臂在流体通道上延伸。这是通过薄膜实现的，薄膜在中央部分被移除而仅留下悬臂，然后通过使用激光和/或干法/湿法蚀刻从背面移除硅来完成工艺。如上所述，为了实现在流体通道上延伸的悬臂，在两个晶片侧上均需要软蚀刻方法。这种工艺适于整体式打印头，其中所有层(包括喷嘴板)和所有孔或腔均通过光刻工艺制成。

US 7,427,125B1提出了将湿法蚀刻工艺作为最终步骤以完成形成供给通道，该供给通道适应于所配置的电阻器的锯齿轮廓。通过湿法蚀刻工艺实现了成角度的侧壁。该湿法蚀刻工艺需要硬掩模，该硬掩模不能沉积到例如聚合物层上。即使仅在晶片背面上进行湿法蚀刻，所得到的壁角度也将不适合具有彼此靠近的平行槽的布局。

发明内容

本发明要解决的问题

本发明的目的在于设计热敏打印头中的供墨槽，该供墨槽能够以成本有效和工作有效的方式解决由于加热电阻器相对于基板的纵向轴线的距离分散所引起的问题。

此外，本发明旨在设计适当的槽形状并为槽开发合适的制造工艺，以便实现槽边缘和加热电阻器之间的流路长度的大致均衡。

本发明的目的是提供针对这些需求并解决现有技术的缺点的***和方法。

总结

通过本发明的实施方式的主题解决了传统概念的上述问题和缺点。

详细说明

根据一个方面，本发明提出一种热喷墨打印头，其包括：流体供给通道，其用于传送流体；流体室，其配置在流体供给通道附近；电阻器，其用于致动室中的流体，并且相对于竖直打印线以交错图案配置。在打印头中，流体供给通道的至少与打印头的后侧相反的一部分大致正交于芯片表面地延伸，并且流体通道具有交错边缘，交错边缘遵循电阻器的交错图案，使得电阻器边缘和对应的交错边缘之间的流体路径长度对于各电阻器大致相似。

如果供给通道是例如完全激光加工的，则供给通道在整个长度上与芯片表面大致正交地延伸。如果供给通道是例如利用混合工艺(喷砂+激光)制成的，则至少激光加工的部分是大致正交的。以下进一步说明这些方法。

已经通过保持所有操作条件不受影响来做出本发明以实现打印头的较高操作频率。

在本发明的优选实施方式中，交错图案为锯齿形状，因而流体通道也为锯齿形状。

根据另一方面，本发明涉及一种热喷墨打印头的制造方法，其包括以下步骤：根据交错图案在基板上设置电阻器，形成穿过基板的流体供给通道，使得通道大致正交于芯片表面地延伸，并且通道具有跟随电阻器的交错图案的交错边缘，从而电阻器边缘和对应的交错边缘之间的流体路径长度对于各电阻器大致相似。由此流体供给通道通过包括激光烧蚀的方法形成。在优选实施方式中，该方法可以包括：在不到达相反表面的情况下，从基板的后侧开始喷砂；以及随后激光烧蚀出通槽。

因此，利用根据本发明的方法，能够产生流体通道的锯齿轮廓，流体通道至少在晶片厚度的部分中具有几乎直的壁，该部分已经从晶片的后侧到前侧被激光烧蚀。既不需要悬臂也不需要硬掩模。

本发明的解决方案允许制造具有较好性能且液滴喷射稳定性较高的打印头。该思想是开发能够在基板中加工槽的制造工艺，使得槽边缘大致遵循沿着阵列的加热器分布。以该方式，槽和电阻器之间的距离对于整个加热器阵列几乎相同，使得流体参数变得均衡，增加了装置的最大操作频率并改善了打印均匀性。

该解决方案允许实现打印头性能的较高均匀性，此外使得微流体回路的设计较容易。

根据优选实施方式，激光烧蚀应用于相反的表面。

优选地，激光烧蚀在周边上进行。当加工非常薄的基板时，该工艺可以是特别有利的。

还可以在整个槽表面上进行激光烧蚀。该优选实施方式可以帮助防止窄切口被碎屑阻塞。在一些情况下，内部区域的完全烧蚀可能比周边的循环轮廓加工更快。

可以在扩大的周边上进行进一步的激光烧蚀。在较大的条纹上而不是坚持在单个周边线上进行烧蚀，其中条纹以周边作为外边界。使用该方法，不必烧蚀槽的全部内部区域，而只需要烧蚀较小的边界条纹。另一方面，材料移除更有效，因为烧蚀不限于窄切口，并且可能重新沉积的碎屑不能覆盖整个条纹区域。

如果通过顺时针和逆时针交替移动激光束来进行激光烧蚀，则能够获得良好的结果。这种实施方式可以引起加工特征的更好精度，补偿由于扫描头引起的激光光斑位置中的可能误差。

定义

出于本发明的目的，术语“大致正交”意味着不必严格正交。通过板的激光烧蚀(以及喷砂和其它钻孔或蚀刻方法)产生具有特定锥角的孔(或槽)。在这些情况的某些部分中，激光入射侧的截面比出射侧的截面大。这意味着位于晶片后侧的入射侧的槽宽略大于装置侧的出射宽度。宽度差和晶片厚度之间的比优选地在0.5％至10％的范围内。锥形可能是由于光学效应和碎屑屏蔽的混合而造成的。根据本发明，这应该被认为是“大致正交”。相反，喷砂倾向于产生更明显的锥形。在图5中，槽看起来是锥形的，这是装置的一般说明。此外，根据本发明，这应该被理解为“大致正交”。

根据本说明书的“交错图案”说明了喷嘴在列中不是严格地沿着直线分布的。各喷嘴(和各电阻器)在打印头和介质之间的相对移动方向上(即与喷嘴列正交的方向上)存在位移，这是在喷嘴布局(或样式)中有意识地实现的，以允许在不同时间喷射墨，避免电路中的过大电流峰值。

根据本发明，进一步的“大致相似”意味着槽以加热器的中心与槽边缘之间的距离相似的方式成形。图19和图21给出了该含义的良好概念。

“喷砂”是在打印头芯片中实现通槽的广泛使用的工艺。合适的设备通过喷嘴发送含有研磨材料的小颗粒(例如氧化铝颗粒，二氧化硅颗粒等)的高压空气的薄喷射。研磨颗粒对芯片的硅表面的冲击逐渐破坏材料，直到到达出口表面。

根据说明书的“后侧”是指晶片背面。打印头电路在作为前侧或装置侧的另一侧(相反侧)实现。喷砂应当从晶片的后侧开始，尤其是减少由于撞击前表面的歪斜的颗粒而造成的可能的装置损坏。激光烧蚀也从后侧开始。

“激光烧蚀”是(通常)聚焦的激光束撞击基板并移除部分材料的工艺。通过使光束相对于基板移动，能够获得几何烧蚀图案。

在本说明书中，“通槽”用于槽的形式的孔，该槽完全穿过晶片(或芯片)厚度，从而引起硅芯片的后侧表面和前侧表面的流体连通。

术语“周边”应当说明槽的几何外轮廓。“周边”优选地为封闭线。

“扩大的周边”应当说明更宽的区域，该区域受外轮廓的限制并向内延伸一定长度。“扩大的周边”是封闭的条纹而非封闭线(参照例如图30)。

附图说明

为了更好的理解，将借助于示例性实施方式说明本发明。通过考虑以下附图可以最好地理解这些实施方式。在这些附图中，

图1示出了热喷墨打印头；

图2示出了具有打印头的硅晶片；

图3示出了具有柔性电路和打印头的盒；

图4示出了流体回路和加热器的细节；

图5示出了打印头的截面图；

图6的a)示出了流体回路的示例，图6的b)示出了电气RLC等效集总参数模型；

图7示出了喷嘴再填充阶段期间喷射室的截面图；

图8是RLC电路对不同值的阻尼因子ζ的阶跃响应；

图9的a)示出了等效RL电路，图9的b)示出了筒状喷嘴的再填充体积与时间的关系；

图10示出了墨的弯液面过冲地再填充之后的喷嘴截面图；

图11a示出了液体与表面之间的接触角β-临界值β_cr，图11b示出了液体与表面之间的接触角β-在β<β_cr的情况下稳定，图11c示出了液体与表面之间的接触角β-在β>β_cr的情况下不稳定且散布；

图12示出了喷嘴板表面由于墨的弯液面的过度过冲而润湿；

图13a示出了利用疏水涂层进行处理的喷嘴板表面，图13b示出了利用疏水基团进行等离子体官能化处理的喷嘴板表面；

图14示出了多个加热器的组(行)和块(列)中的逻辑组织；

图15示出了块中交错的加热器布局；

图16示出了具有不同通道长度的喷嘴的流体行为的数值模拟；

图17a示出了不具有交错的加热器而具有唯一的加热器块的喷嘴列，图17b示出了没有交错组织的呈多个块的喷嘴列；

图18示出了渐进交错的单块加热器；

图19示出了具有锯齿槽边缘的打印头中的一系列连续块；

图20示出了分布式交错的单块加热器，该单块加热器分成子块；

图21示出了在具有锯齿槽边缘的打印头中分成子块的一系列连续块；

图22示出了用于硅晶片微加工的喷砂设备；

图23的a)示出了通过喷砂工艺移除材料，图23的b)示出了最终的通孔；

图24示出了打印头中的被加工的槽；

图25示出了由于喷砂工艺中的硅碎裂而损坏的基板；

图26示出了用于微加工的激光工作站；

图27示出了周边切割过程；

图28示出了用于槽的微加工的周边切割工艺中的插塞掉落；

图29示出了完全的内部烧蚀工艺；

图30示出了边界条纹烧蚀工艺；

图31示出了用于槽的微加工的边界条纹烧蚀工艺中尺寸减小的插塞掉落；

图32示出了组合喷砂+激光槽微加工工艺；以及

图33示出了具有补偿顺时针和逆时针轨迹的锯齿槽边缘。

具体实施方式

热喷墨打印头(图1)包括基板1，基板1在其表面上容纳多个加热器2，加热器2以一个或多个列3配置。通常，列靠近通槽4地载置，通槽4在芯片的内部制成以允许墨的再填充。通常，热敏打印头在唯一的硅晶片5中制造(图2)，随后使用半导体技术在单个芯片中切割，其中半导体技术包括薄膜沉积、光刻、湿法和干法蚀刻技术、离子注入、氧化等。加热器2由电阻膜制成，加热器2与合适的导电迹线(conducting trail)接触。芯片的周边区域包括一组接触焊盘6，接触焊盘6通过例如TAB工艺结合到柔性印刷电路。参照图3，柔性电路7附接到打印头盒体8并容纳较大的接触焊盘9以与打印机交换电信号。随着加热器数量的增加，电子布局的复杂性也增加。基板1的带电部分10包括用于电阻器寻址的晶体管11的阵列、逻辑电路12、可编程存储器13和其它器件。如图4和图5中所说明的，在电阻的、导电的和介电的膜14先前已被沉积和图案化的芯片表面上实现了微流体回路。墨通过合适的通道15在微流体回路中流动并到达喷射室16中，其中喷射室16的壁围绕加热电阻器2。微流体回路在称为阻挡层的合适的聚合物层17中被图案化。喷嘴板18组装在阻挡层上方并容纳与下面的加热电阻器对准的多个喷嘴19，墨滴20从喷嘴19喷射。事实上，短电流脉冲加热电阻器2，这转而导致正上方的薄层墨的蒸发并形成蒸汽泡21。蒸发的层中的压力突然增加，导致部分覆盖液体从喷嘴喷射。墨滴朝向介质行进，在介质表面产生墨点。之后，新的墨被召回到室中以替换喷射的液滴，直到达到稳定状态：墨流由流体动力学决定，这对于流意味着驱动力、惯性和阻力。流体参数(密度、粘度表面张力等)以及电路的几何形状起作用，其中长和窄路径与短和宽路径相比产生较高的流动阻力。流动阻力是影响室的再填充时间的参数之一，因此也是影响打印头的最大操作频率的参数之一。

为了更好的理解，如图6所示，采用***的流体行为模型是便利的。“集总参数模型”足以说明液压回路的特性。“集总参数模型”被模式化为RLC电路，其中L代表流体的惯性方面，R取决于在回路中流动的液体的粘性阻力，C与回路边界的韧性有关，包括空气界面处的墨的弯液面振荡。在流体回路的内部和外部大气压力之间建立的额外压差能够像电路中的电压源一样被引入。在等效模型中，流速起到电流的作用。

在液滴发射之后，气泡塌陷到喷射室中，通过流体通道将留在喷嘴中的残余液体和来自贮存器的其它液体吸回。然后进行喷嘴的再填充阶段。再填充动作的驱动力(参照图7)归因于液体墨相对于喷嘴壁的向内的弯液面曲率。毛细管压力吸引液体直至液体到达喷嘴边缘，然后弯液面经受阻尼振荡。耗散归因于通过整个回路的液体的粘性阻力，并且耗散明显与回路的几何参数(如长度、截面、纵横比)有关。

在集总参数模型中，物理参数和几何参数之间的关系被广泛地处理(H.Schaedel，“具有矩形截面的流体传输的理论研究”，第三次Cranfield流体学会议，1968年5月都灵)；具有均匀截面的线性回路段Δx的R和L的值如下：

L＝1.15*ρ*Δx/S

其中，ρ是墨的密度，S是截面面积；

R＝8*π*μ*Δx/(r^4)半径为r的圆截面

R＝8*π*μ*Δx*K/(a^2*b^2)具有边a、b的矩形截面

其中，μ是墨的粘度，K是取决于矩形的纵横比b/a的系数；对于近似正方形的截面(a＝b)，R与1/(a^2*b^2)成比例，而当b/a>>1时，R倾向于与1/(a^3*b)成比例。如果回路部分的截面不均匀，则应进行积分以获得参数值。

如果回路的边界壁是刚性的并且***的唯一韧性归因于喷嘴边缘处的弯液面振荡，则“电容”C的平均值变为：

C＝(π*d^4)/(64*σ)

其中，d是喷嘴直径，σ是墨的表面张力。

合适的阻尼因子ζ能够被定义为：

ζ＝R/2*sqrt(C/L)

其表征阻尼振荡***。如果ζ>1，则振荡过阻尼：实际上***中没有振荡发生。如果ζ<1，则***欠阻尼并且实际上经受阻尼振荡；振荡的指数振幅衰减的时间尺度由衰减率α表征，结果是：

α＝R/2L

如果ζ＝1(临界值)，则达到***的临界阻尼，即临界阻尼响应代表在最快的可能时间内衰减而不进入振荡的流体回路响应。当需要尽可能快地达到稳定状态时，该行为是期望的；过阻尼消除了甚至更多的振荡，但需要较长的时间来稳定。实际上，在流体回路设计中追求受控的欠阻尼情况，否则，流体动力学的定时将太长并且不适合高速打印。图8示出了RCL电路对不同值的阻尼因子的阶跃响应。

在动态液体行为的时间间隔中的准确确定需要利用复杂算法进行的数学模拟，但是使用具有简化模型的分析方法能够获得对流体回路的性质的了解。

如上所述，在汽化的气泡塌陷和残留墨的排出之后，喷嘴再填充归因于用作液体的驱动力的毛细管压力，该液体流过由包括墨贮存器和室之间的供给通道的流体回路的R_total和L_total定义的阻抗。

仅为了简单起见，考虑直径为d的筒状喷嘴，该喷嘴部分地填充有墨并假设内部喷嘴壁的完美润湿性(理想情况)，弯液面施加在液体上的毛细管压力p能够被定义为：

p＝4*σ/d

如果喷嘴阻抗小于包括室和供给通道的后回路部分的阻抗，则R和L值大致取决于后回路部分的阻抗。由于在到达喷嘴边缘之前没有任何弯液面振荡，因此电容参数C在整个喷嘴再填充阶段(可以假设C＝无穷大)中不起作用，等效电路归结为简单的RL电路，其中毛细管压力像DC电压源一样起作用。

再填充时间T取决于喷嘴的空体积，喷嘴的空体积取决于喷射的液滴体积(由于动态液体反冲，液滴体积变得稍大)。对于简单的RL等效***(图9的a))，流速趋势的指数部分由时间常数τ表征：

τ＝L/R；

流速q结果为：

q＝p/R*(1-e^(-t/τ))

通过积分，能够获得液体移位体积的表达式：

V＝(p/R)*t-(p/R)*τ*(1-e^(-t/τ))

通常，当液体到达喷嘴边缘时，指数部分的贡献几乎为零：与纯耗散回路的情况相比，惯性参数L的存在导致再填充时间的延迟τ。在图9的b)中，示出了再填充体积与时间的趋势；虚直线代表纯耗散回路(即零惯性)。渐近地，两条线的水平位移等于τ，即RL等效电路的时间常数。因此，得到了再填充的喷嘴体积V_nozzle的简化公式：

V_nozzle＝(p/R)*(T-τ)

该公式转而给出了再填充时间T的值：

T＝V_nozzle*(R/p)+τ

原则上，大的液滴体积需要大直径的喷嘴，这产生低的毛细管压力：以上公式表明大的液滴体积涉及高的再填充时间。缩小喷嘴直径以减小液滴体积允许实现较短的T。

一旦液体接近喷嘴边缘，弯液面的阻尼振荡就会发生。该阶段需要使用完整的RLC模型，以考虑在稳态点周围的弯液面摆动。振荡阻尼因子ζ还能够用时间常数τ表示：

ζ＝R/2*sqrt(C/L)＝(1/2)*sqrt(R*C/τ)

如果ζ>1，则振荡过阻尼：实际上***中没有振荡发生；如果***欠阻尼(ζ<1)，则***会以先前定义的衰减率α振荡；对于欠阻尼振荡器，α通过公式α＝1/(2*τ)与时间常数τ相关。如上所述，ζ＝1的临界阻尼回路通常被认为是最好的，但实际上，由于期望的液滴体积和操作频率，回路参数的约束强迫接受微流体样式的设计中的较低ζ值，从而寻找受控的欠阻尼情况。

为了保证完美稳定和可重复的液滴喷射，只有当对应室中的液体达到其稳定状态时才能将新的喷射脉冲施加到加热器，但是该方法在连续脉冲之间需要时间，该时间太长而不能兼容高速打印。实际上，当弯液面尚未达到其稳定状态时施加的喷射脉冲能够导致液滴体积和速度的一定的分散，但这对于大多数应用来说是可接受的；因此，在喷射下一液滴之前不必等待完整的振荡阻尼。唯一的强制要求是完整的喷嘴再填充。为了使墨滴均匀且可预测地喷射，必须仅在喷嘴的再填充完成时才在室中进行加热器的热激活。否则，会发生液滴体积的突然减少，然后液体雾化，对打印品质产生不利影响。相反，刚好在喷嘴再填充之后施加喷射脉冲允许正确的液滴发射而不会损害最大操作频率，从而能够实现高速打印。

然而，在振荡阶段期间可能的缺点能够源于过冲弯液面相对于喷嘴板的外表面的润湿效应(图10)。墨的弯液面22从喷嘴边缘的向外突出(示意为球形部分)确定与喷嘴板表面23的角度β。弯液面过冲越多，与表面的接触角越大。如果该角度达到液体和表面之间的临界润湿角度(即液滴能够在表面上保持其形状而不散开的最大接触角)，则液体墨可以遍布喷嘴板表面地散开，而不是保持限制在喷嘴边界内。在图11a、图11b和图11c中示出了当接触角低于或高于临界润湿角度β_cr时的液体行为。喷嘴板表面被墨润湿(图12)导致对打印品质的严重影响并且必须绝对避免，通过适当选择流体回路来控制最大弯液面过冲。通常对喷嘴板表面进行处理以增大临界润湿角度(图13a和图13b)。疏水材料24的薄膜沉积和具有疏水官能团25的等离子体表面改性被广泛用于该目的。另一方面，重要的是保持内部喷嘴壁的高润湿性，这有助于加速喷嘴再填充阶段。

总之，喷射器性能的优化基于两个主要参数。再填充时间T尽可能地短以具有高的工作频率和合适的阻尼因子ζ，其中阻尼因子ζ将弯液面振荡保持在临界润湿角度以下。实际上，阻尼因子影响弯液面的过冲和接触角，因为强阻尼倾向于产生受约束的液体突起。为此目的，可能期望最大的可能的阻尼因子，但不幸的是，不能在不影响其它流体量的情况下独立调整阻尼因子：实际上，使ζ非常大的参数选择也会影响T值。如上所述，追求受控的欠阻尼以达到高频率和打印品质之间的折衷。更详细地，预定值β_ref被假定为流体回路设计中的基准角度，并且参数被优化使得弯液面角度在不超过的情况下达到该极限值。β_ref刚好设定在临界润湿角度以下，从而为弯液面振荡留下安全余量；肯定地，β_ref是优化流体回路中的主要参数，以防止被墨润湿表面。

再填充时间T＝V_nozzle*(R/p)+τ＝V_nozzle*(R/p)+(L/R)受到时间常数τ的高值的损害，因此低τ值减少了再填充时间，并且转而增加了阻尼因子ζ，倾向于减小表面润湿的风险。由供给通道构成的后回路部分极大地决定了参数L和R的值。假设为了简化通道的正方形截面，比L/R与截面S成比例。减小通道截面的尺寸将给出较低的τ值。然而，另一方面，得到的较高的R值会使(R/p)项增大，从而增加总的再填充时间T。因此，为了限制R的值，还必须缩短通道长度。迭代优化程序将阻尼因子保持在基准值，尽可能地最小化再填充时间。

如前所述，在打印头中，硅芯片被组装到盒，其中盒是墨贮存器。在许多情况下，墨通过在基板的内部区域中切割的一个或多个槽流向微流体回路：槽与相对的基板表面流体连通，并且墨能够通过槽到达喷射室。在槽的设计和制造中能够采用不同的方法；通常，一个或多个槽遍及基板地纵向延伸，并且一个或两个喷嘴列位于槽边缘的侧面，槽边缘为大致线性。喷嘴列沿着纵向芯片轴线的延伸被称为“条带(swath)”。使打印头相对于介质在垂直于纵向芯片轴线的方向上移动，能够获得具有条带高度的介质的打印区域。

由于阵列中的加热器由电流脉冲通电，因此当许多加热器同时通电时，大电流流过基板上的电子电路。为了最小化打印期间的电流峰值，打印头被设计成使得列中的加热器被组织成矩阵配置。一方面，阵列的加热器被分成“组”，其中仅属于同一组的加热器能够被同时通电；另一方面，喷嘴列由“块”组成，“块”有时被称为“基元”，属于不同组的加热器存在于“块”：一次只能有一个电阻器在块内被通电，而各个块中对应的电阻器(即属于同一组的电阻器)能够在同一时刻喷射液滴。在图14中描绘了具有m行(对应于组)和n列(对应于块)的矩阵中的多个加热电阻器的逻辑组织。以一定的延迟连续驱动不同的组(t1<t2…<tm)，以在较大的时间间隔内分配电流脉冲，从而减少由于电路中流过的电流过大而可能出现的问题；当组被激活时，分布在各个块中的组加热器能够一起被通电：因此，最大电流峰值等于单个加热器峰值乘以块的总数量。

为了补偿各个组的喷射定时的差异，喷嘴和对应的下面的电阻器根据它们自身的时间延迟沿着介质和打印头之间的相对移动方向交错排列。分布在各个块中的属于相同组的所有电阻器具有相同的交错值。因此，各加热器列式阵列显示一种“波形”，而非严格的线性。在图15中，示出了加热器2的波形。加热器越接近打印头相对移动的方向，激活发生得越快。相反，由于技术原因，槽4的外轮廓在现有技术中是大致线性的；因此，电阻器和槽边缘之间的实际距离不同，这取决于加热器所属的组。该事实导致阵列中各种喷射部位的流体阻力的分散，转而影响打印头的稳定性和操作频率。

加热器越远离槽边缘，后部供给通道越长，其中墨通过后部供给通道流到喷射室。通道延伸使***远离优化的情况，增加了再填充时间T并减小了接触角β。接触角β相对于基准值β_ref甚至较不重要，但应调整T以防止打印头操作频率的强烈降低。为了调整因较长的通道而引起的增加的再填充时间，必须作用于通道截面，扩大截面尺寸。事实上，在现有技术中，使用该方法进行微流体回路布局的单独调整，以补偿由增加的T引起的问题(参照例如US 6042222和US 6565195)。通道截面的加宽还导致阻尼因子的减小；由于较长的通道引起额外阻尼，因此在加宽截面时存在一些余量，直到β恢复到基准值β_ref。

该方法能够帮助减轻由于不同路径长度引起的问题，但是因为必须检查不同的通道形状，所以在阻挡层的图案化变得麻烦之后，该方法导致流体回路设计和视觉过程控制的更高复杂性。然而，通过上述方法产生的流体回路调节仅是部分的。由于各种流体量取决于具有不同功能关系的几何回路参数，因此不能完全恢复再填充时间，得到对由于交错的喷嘴阵列的不同通道长度的完美补偿，除非低于临界阻尼值。因此，在现有技术中，必须接受未完美优化的情况，同时对操作频率造成一定的损害。图16通过真实(非理想化)流体回路的模拟示出了该方面，其中再填充体积以及接触角与时间的关系均在图中绘示出。最靠近槽边缘的喷嘴具有最短的通道和最小的再填充时间，因此该喷嘴具有最大操作频率：该最大操作频率被假定为流体回路设计中的基准并且参数被优化使得弯液面角度达到极限值，刚好低于临界润湿角；相反，最远的喷嘴具有较高的再填充时间和较低的接触角。能够尝试纠正由于作用于通道的几何参数的操作频率降低而导致的缺点，直到达到最快喷嘴的极限接触角为止。结果证明，再填充延迟仅能部分恢复，并且打印头的整体操作频率必须减小到适应最慢的喷嘴。

从这方面考虑以及从以上进行的数学分析可以看出，最好的解决方案是使所有喷嘴具有相同长度的短通道。这将允许喷嘴的流体动力学的真实均衡，从而能够实现最高的操作频率。均衡不同喷射部位的流体行为的新方法是消除加热器和槽边缘之间的距离的分散。

简单的解决方案是设计列中的所有加热器都保持在与槽边缘平行的直线上的布局。由于所有电阻器都载置在相同线上，因此打印头应相对于垂直于相对移动方向的线旋转一定角度，以避免在同时激活电阻器时产生过大的电流峰值。相反，旋转将允许各电阻器相对于前一个电阻器的延迟激活。

为了使喷嘴位置与预期的水平打印分辨率匹配(该分辨率对应于两个连续竖直打印线之间的间隙G的倒数)，在旋转角度中存在两种可能的选择，或者满足以下条件：1)使相对于列中第一个喷嘴和最后一个喷嘴的相对移动轴线的正交投影之间的距离等于间隙G；2)使相对于列中两个相邻块的对应喷嘴(即属于同一组)的相对移动轴线的正交投影之间的距离等于间隙G。在第一种情况下(图17a)，该列将被组织在一个唯一的块中，倾斜度将非常小并且连续激活脉冲之间的延迟将导致相对于脉冲持续时间太短，从而实际上导致许多电流脉冲的重叠。电流峰值无论如何都是过大的，所采用的解决方案并不能真正解决问题。在第二种情况下(图17b)，能够将喷嘴组织保持在多个块中，其中一次仅对一个喷嘴通电，因此最大电流峰值与阵列中的块数相关。在这种情况下，旋转角度将非常大，并且所得到的实际条带将大大减小。有必要增加芯片长度以保持未旋转的打印头的相同的竖直分辨率以及相同的条带高度。因此，实际的芯片面积将会太大并且该解决方案将不会与高产量制造工艺兼容。

根据本发明，保持了加热器相对于纵向轴线的交错配置以及“交错组”与“基元块”中的矩阵组织，但实现了流动路径长度的均衡，赋予槽适当的形状，使得槽的边缘跟随交错的电阻器的位置。在一个实施方式中，如图18所示，属于单个块26的加热器的相对于纵向打印头轴线的交错位置能够通过属于不同交错组的加热器的渐进移位来实施。在这种配置中，块的所有喷嘴均沿着倾斜段保持，因此根据交错位置SP1、SP2...等，发射顺序从一个加热器到下一个加热器地发生，其中交错位置逐渐远离相对移动的方向并因此在相同的竖直打印线上一个接一个地到达。槽边缘轮廓27的锯齿形状很好地适合于该情况：各“齿”的长度大致对应于沿着列的一个块的长度，并且加热器将相对于槽边缘保持大致均匀的距离，导致流体行为的均匀性。

由于一个接一个地被激活的加热器的靠近，该喷嘴配置具有潜在的缺点。实际上，当电流脉冲通过电阻器时，刚好在上方的薄墨层被蒸发；突然，蒸汽层经受强烈的压力升高，该压力升高被传递到上面的液体，导致快速的液体移动和墨滴从喷嘴的喷射；在喷射之后，新墨被吸入喷嘴中，并且一旦完成再填充，***就准备好接收另一电流脉冲。在电阻器的激发之后包括气泡膨胀、液滴喷射和喷嘴再填充的时间间隔期间，能够在周围环境中发生一些物理效应(压力峰值、液体流动、湍流等)，从而扰乱相邻的喷射室。

因此，优选不同的喷嘴配置：在喷射定时序列中，相邻喷嘴中不发生连续脉冲，使得由于远程加热器引起的可能的扰动变得非常弱。在这种配置(图20)中，各块26可以分成几乎对准的相邻加热器的多个子块28；连续脉冲被发送到属于不同子块的电阻器以避免干扰。在这种情况下，能够使流动路径长度均衡的可能的边缘轮廓将仍然具有锯齿形状，同时较高数量的“齿”(图21)具有较短的长度。

通常，实现通槽的常用方法是使用喷砂工艺(图22)。在喷砂设备40中，氧化铝颗粒的薄射流29高速射击基板以进行加工。喷砂单元30从贮存器32吸取氧化铝31，借助于从入口34进入的高压空气流将颗粒驱动到喷嘴33中。从喷嘴射出的氧化铝颗粒撞击硅晶片36的表面35，移除(图23的a))基板的小碎片37。以这种方式，能够借助于材料喷射挖出孔或沟槽38；如果该过程延长，则能够到达相反的表面，产生通孔39(图23的b)或如图24所示的通槽，其中示出了具有两个平行槽4的单个硅芯片。裁切过程是在槽加工之后发生的阶段之一。通过锯切设备，从晶片获得由芯片1的周边边缘41限制的单个芯片1。能够利用用于对准和检查的显微镜、照相机、图像采集器等光学仪器以及用于加工大工件(图中未示出)的电动滑动件来完成喷砂设备。喷砂工艺是非常便宜和快速的。许多制造商广泛使用喷砂工艺来生产打印头中的供墨槽。然而，喷砂工艺有几个问题：在用于打印头的通槽工艺中，在加工期间(由于氧化铝或喷砂硅)产生的碎片能够损坏聚合物层中制成的微流体回路；此外，出口槽边缘通常非常不规则，因为难以精确地控制加工图案的几何分辨率。如图25所示，有时在喷砂期间会出现碎裂或硅劈裂(silicone cleavage)42，导致装置中引起的缺陷增加。如果前一个问题能够使用合适的涂层材料(例如Emulsitone公司的水溶性的EMULSITONE 1146)来控制，后一个问题更加危险，它限制了缩小装置的可能性，其中限制了使用喷砂工艺加工具有较小特征的通槽的可能性。

替代工艺可以包括湿法和干法蚀刻：湿法和干法蚀刻能够真正有效地在硅晶片中产生具有良好分辨率的过孔(vias)、沟槽和通孔；然而，这些工艺的掩模要求带来了严格的限制并且与存在于基板上的微流体屏障的兼容性是需要处理的相当复杂的问题；此外，难以将微流体阻挡层施加在已经加工了通槽的基板上。然而，可以利用复杂的技术执行所提到的解决方案，设置本发明中说明的锯齿形轮廓。然而，在优选实施方式中，期望能够在没有上述复杂事物的情况下为供给槽设置良好品质的锯齿形边缘的方法。

激光烧蚀是在多种不同材料中实现图案的有效方法。激光烧蚀通常用于切割金属、陶瓷、玻璃、半导体、塑料。激光的特性(主要是：发射模式、波长、脉冲持续时间)和材料的性质决定了相互作用的效果。通常，当辐射的吸收系数高时，相互作用非常强，并且激光束能量能够有效地转移到小体积的材料，导致化学键的破坏和碎片喷射。当使用脉冲激光时，该效应更强。此外，当激光脉冲非常短时，基板内的HAZ(热影响区)的延伸减小，增加了烧蚀效率并减弱了热副作用，同时加工图案的分辨率改善。固态激光器对于执行微加工工艺非常有效。固态激光器能够以高重复率传送高能辐射脉冲。发射的波长能够被硅基板充分吸收，尤其是当利用较高的谐波产生时能够被硅基板充分吸收。目前可提供工业固态激光器。工业固态激光器非常可靠，具有稳定的性能、低运行成本和高MTBF(平均故障间隔时间)。因此，工业固态激光器完全适用于热敏打印头的制造。

由固态激光器发射的辐射能够以几微米直径的光斑聚焦到工件上，增加表面能量密度并允许加工具有高分辨率的特征。为了执行烧蚀图案，能够使用马达驱动的滑动件使工件在激光束下移动，但是经常使用压电驱动的镜子使光束扫描穿过基板变得更方便，因为以这种方式避免了基板的高加速度峰值。有时(主要是在必须加工大基板时)使用应用了两种方法的组合工艺。在图26中，说明了激光加工站。激光源42发射电磁辐射光束43，该光束进入扫描头44：通过适当的偏转，设置有聚焦透镜45的扫描头能够根据预定的轨迹操纵出射光束46，从而产生聚焦在xy工件表面上的光斑，确定烧蚀图案47。

在硅基板中钻通槽的可能方式是切割槽周边(图27)。激光能够沿着槽的外轮廓48循环移动：各循环导致在周边处产生的窄切口中的深度增加，直到内部插塞49掉落，如图28所示的截面，使槽区域完全打开。尽管有明显的快速性和简单性，但是该方法不是非常有效。对于加工非常薄的基板(例如厚度小于200微米的硅晶片)可以是有利的，其中很少的激光照射能够到达相反的表面，但是当加工较厚的基板时时间太长。实际上，总处理时间与晶片厚度不成比例。相反，厚基板的处理由于烧蚀碎屑部分地重新沉积到切口中而被破坏。排气提取能够在某种程度上缓解这种影响，但是必须再次烧蚀先前移除的大部分材料，从而延长完全切断内部硅插塞49所需的处理时间。

为了防止狭窄的切口被碎屑阻塞，替代方法是将激光烧蚀散布到槽周边内侧的整个表面(图29)。显然，单次面扫描中激光光斑所覆盖的总路径长度远大于槽周长。然而，当整个内部区域一层接着一层地被加工时，烧蚀区域的碎屑阻塞显著减小直到槽被完全突破。肯定地，内部区域的完全烧蚀比周边的循环轮廓加工快。

如果槽的内部区域大，即使完全烧蚀过程对于制造要求来说也太长。在这种情况下，可以使用另一种方法，该另一种方法能够被定义为放大的周边轮廓加工。烧蚀不是坚持在单条周边线上而是在具有作为外边界的周边的较大的条纹上进行。条纹宽度应当足够大以允许有效移除烧蚀碎屑：光斑直径的三倍或更多倍(图30)是必须的以获得良好的烧蚀率。条纹表面是被逐层加工的，直到剩下的内部较小的插塞被切断(图31)。使用该方法，不需要烧蚀槽的全部内部区域，而只需要烧蚀较小的边界条纹。另一方面，材料移除更有效，因为烧蚀不限于窄切口并且可能重新沉积的碎屑不能覆盖整个条纹区域。

需要注意加工工艺中的随后光斑之间的重叠。实际上，必须找到光斑直径、激光重复率、线性扫描速度和烧蚀策略之间的正确关系，以相对于工艺快速性优化光斑重叠以及加工图案的品质。

为了在厚基板的情况下加速更多的烧蚀工艺，激光烧蚀能够与其它技术(诸如喷砂或湿法和干法蚀刻工艺)组合。这些辅助技术能够用于移除材料的一部分，留下较薄的硅厚度，最后利用激光烧蚀。例如，最初能够在不会到达相反的表面的情况下利用喷砂挖掘大沟槽(图32的a))。随后，能够在沟槽内的合适区域中扫描激光束，从而以更好的分辨率完成烧蚀(图32的b))。在实施方式中，两个工艺均是从晶片的后部进行的，使得装置表面仅在工艺的最后部分受到烧蚀碎屑的影响。

在优选实施方式中，微流体回路设计成在各加热电阻器和相邻槽边缘之间具有固定距离D，使得流体参数在全部的多个喷嘴中均衡。不同的图案层构成打印头芯片，实现电子电路和流体回路。介电的、电阻的、导电的、保护性的层配置在基板上以产生所有必要的模块。可以在彼此上方形成多个层以形成如下的打印头芯片。通常，除了在介电层中形成孔以有意地允许电路的不同层之间的电接触的接触过孔处之外，导电层通过合适的介电层与基板绝缘并且彼此绝缘。介电层还能够在电阻器上方的区域中起到“热传递层”的作用：实际上，电流脉冲通过电阻器产生的热流过电阻器自身上方的一个或多个介电层直到墨。这种介电层可以包括氮化硅、碳化硅或其它种类的膜(层)。通常采用附加层作为抵抗由塌陷气泡产生的机械冲击的保护；例如钽的折射金属频繁地用于该目的。由于供墨槽的加工原则上能够导致装置膜(层)中的一些机械裂纹，因此便于移除槽区域内侧和槽区域附近的层，以通过合适的图案形状避免在槽加工期间任何膜或层的损坏。特别地，应当移除电阻器上方的折射金属层和电介质，使得槽区域没有这些层。可选地，在制造不同的层期间，槽区域可以保持没有层。这样，不必移除先前施加在基板上的层。在现有技术中，槽边缘为大致直线，层的外轮廓也是线性的，但是在所公开的发明中，必须适当地成形所有面向供墨槽的层，使得层的轮廓再现了锯齿轮廓。

从晶片的后部执行初步喷砂阶段，以移除留下较小厚度的部分材料以随后利用激光烧蚀。载置在各芯片上的基准特征使得能够正确对准，从而通过喷砂产生的沟槽精确地重叠到槽区域。在该阶段之后，执行实际的激光烧蚀工艺。使用相同的基准，以保证布局中加工区域的精确对应。激光束沿着槽轮廓并且在合适的相邻内部条纹内行进，以有效移除槽区域边界处的材料，最终导致内部插塞掉落。在烧蚀深度增加的情况下，可能需要聚焦校正来优化工艺有效性。这能够利用合适的光学器件或改变扫描透镜和晶片表面之间的相对距离来获得。

当光束轨迹为直线时，在移动期间激光光斑上的标称位置和实际位置之间没有实质差异。相反(图33)，由于扫描头行为，在转向点附近可能存在与标称轨迹的明显偏差。为了补偿所产生的不准确性，在槽轮廓50周围交替的顺时针51和逆时针52的激光束移动能够引起加工特征的更好精度，补偿归因于扫描头的激光光斑位置的可能误差。有时，在纵向轴线的相反两侧处的槽的末端部分可能需要附加的烧蚀步骤，因为归因于三边封闭的区域的狭窄，末端处的碎屑移除比中央的碎屑移除效率低。然而，该附加的烧蚀通常非常快速，并且仅略微增加总处理时间。

所说明的工艺允许加工边缘形状的孔(特别是具有良好精度的锯齿形状的供给槽)、高产量和可重复性以及适度的处理时间、实现所需的流体回路以生产高频率打印头。

Claims (7)

1.一种热喷墨打印头，其包括：

流体供给通道，其用于传送流体；

打印头芯片，其配置于基板的表面区域，所述打印头芯片包括形成电子电路和流体回路的不同层；

其中，所述流体回路包括配置在所述流体供给通道附近的流体室，并且

所述电子电路包括用于致动所述流体室中的流体的电阻器，所述电阻器相对于竖直打印线以交错图案配置，

其中，所述流体供给通道的与所述热喷墨打印头的后侧相反的至少一部分大致正交于打印头芯片表面地延伸，并且

所述流体供给通道具有交错边缘，所述交错边缘遵循所述电阻器的交错图案，使得电阻器边缘和对应的交错边缘之间的流体路径长度对于各电阻器大致相似，

其特征在于，

所述流体供给通道通过如下形成：在不到达相反表面的情况下，从所述基板的后侧开始喷砂，并且随后激光烧蚀出通槽，其中，所述随后激光烧蚀是从所述基板的后侧进行的。

2.根据权利要求1所述的热喷墨打印头，其特征在于，所述交错图案为锯齿形状，因而所述流体供给通道也为锯齿形状。

3.一种热喷墨打印头的制造方法，其包括以下步骤：

根据交错图案在基板上设置电阻器，

形成穿过所述基板的流体供给通道，使得所述流体供给通道大致正交于打印头芯片表面地延伸，并且所述流体供给通道具有跟随所述电阻器的交错图案的交错边缘，从而电阻器边缘和对应的交错边缘之间的流体路径长度对于各电阻器大致相似，

其特征在于，

所述流体供给通道通过如下形成：

在不到达相反表面的情况下，从所述基板的后侧开始喷砂，并且

随后激光烧蚀出通槽，其中，所述随后激光烧蚀是从所述基板的后侧进行的。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在周边上执行激光烧蚀。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在整个槽表面上执行激光烧蚀。

6.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在扩大的周边上执行激光烧蚀。

7.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，通过顺时针和逆时针交替移动激光束来执行激光烧蚀。

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