CN1628033A - 包括可移动推墨器的喷墨嘴组件 - Google Patents

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Abstract

一种喷墨打印头芯片包括一个衬片(116)。驱动电路(156)置于该衬片中。多个喷嘴装置(122)置于衬片上。每个喷嘴装置包括喷嘴腔壁(150)和顶壁(130)，所述喷嘴腔壁和顶壁确定喷嘴腔和位于所述顶壁中的、与喷嘴腔流体连通的喷墨口。一个推墨器相对喷嘴腔工作定位，并且可以在1微米至5微米之间移动，使得墨从喷墨口喷出。一个致动器(128)连接到所述驱动电路以及推墨器，从而在从驱动电路接收到电信号时移动推墨器。

Description

包括可移动推墨器的喷墨嘴组件
技术领域
本发明涉及喷墨打印装置的领域，特定是，公开了一种包括可移动推墨器的喷墨嘴组件。
背景技术
已经发明了许多不同类型的打印，有许多现在还在使用。已知形式的打印可以通过各种方法用相关的记录媒体在打印媒体上留下痕迹。常用的打印形式包括偏移打印、激光打印和复印装置、点阵型击打式打印机、热纸打印机、微缩胶片记录器、热腊打印机、染料升华打印机和喷墨打印机，后两者都是按需滴入且连续流动类型的。在考虑价格、质量、可靠性、结构简单性和操作等等时，每个类型的打印机都有其自身的优点和问题。
近年来，主要由于其价廉和通用的性质，喷墨打印机领域，其中每个单个墨的像点来源于一个或者多个喷墨嘴，越来越受欢迎。
已经发明了许多不同的喷墨打印机技术。对于此领域的统计调查可以参见J Moore的文章“Non-impact Printing：Introduction andHistorical Perspective”Output Hard Copy Devices，编辑为R Dubeck和S Sherr，207-220页(1988)。
喷墨打印机本身有许多不同的类型。在喷墨打印中采用连续流看起来可以至少追溯到1929年，其中，在Hansell发表的美国专利1941001号中公开了一种简单形式的连续流静电喷墨打印机。
Sweet发表的美国专利3596275也公开了一种连续流喷墨打印机加工，其中包括了一步骤，在此步骤中高频静电场调制喷墨流从而引起墨滴的分离。几个制造厂商，包括Elmjet和Scite公司(还可以参考Sweet等的美国专利3373437号)，现在还在使用该技术。
压电喷墨打印机也是一种常用的喷墨打印机装置。压电***由Kyser等在美国专利3946398(1970)中公开，所述压电***采用一个隔膜式的操作，Zolten在美国专利3683212(1970)中公开了一种挤压式操作的压电晶体，Stemme在美国专利3747120(1972)中公开了一种弯曲式的压电操作，Howkins在美国专利4459601中公开了一种压电推压式的喷墨流致动，而Fischbeck在美国专利4584950中公开了一种剪切式类型的压电换能器元件。
近来，热喷墨打印成为了一种极受欢迎的喷墨打印形式。这种喷墨打印技术包括由Endo等在GB2007162(1979)和Vaught等在美国专利44900728中公开的技术。以上提到的两个参考都公开了依赖于电热致动器驱动的喷墨打印机技术，电热致动器的驱动导致在在一个狭窄的空间内，譬如一个喷嘴中，产生一个气泡，从而引起通过一个连接到所述狭窄空间的一个孔隙向一个相关联的打印媒体上喷墨。制造厂商譬如佳能和惠普生产利用电热致动器的打印装置。
与热动打印机有关的一个特殊问题是它们不适用于能够高清晰度打印的页宽打印头。这种打印头需要跨越打印媒体的非常多的密排喷嘴装置。本申请人提出操作所要求的大量电热致动器会产生超过可接受程度的热量。这是本申请人开发以MEMS为基础的打印技术的主要原因。可以制造这种***以确定具有大量密排喷嘴装置的打印头芯片。特别是，本申请人开发了一种能够以高于1200dpi的分辨率、每分钟彩色打印20页以上的页宽打印头。本申请人进行了数以万计的模拟以达到优化设计。在此工作中，本申请人发现推墨器应当移动至少1微米以达到有效的墨滴喷射。本申请人还发现当设计推墨器使其移动5微米以上时，在制造中会出现一定的问题。因此1至5微米之间的移动是最可取的。
如前所述，已经开发了物理地作用在墨上使得墨从喷嘴装置喷出的压电***。为了获得墨滴喷射，要求推墨器移动一个特定的范围。作为力作用在大体上竖直于墨滴喷射方向的结果，使用推墨器的压电***依赖于一板状物或者类似物的偏转。本申请人发现至少一微米的偏转需要板具有超过100平方微米的横截面积。这种要求排除了制造具有要求的数量和密度的喷嘴装置的打印头芯片的可能性。
压电***的另一个问题是难于达到可以移动100纳米以上的推墨器。这主要是由于：这样的一个***依赖于弯曲或者偏转以获得所需要的移动。
当生产一起形成打印头的大量喷墨嘴时，必须或者希望保证打印头是紧凑形式的，从而保证打印头占据尽可能小的空间。而且，希望打印头的任何制造都尽可能并且优选地简单；制造的步骤极少，因此保证制造的简单性。而且，最好每个喷墨嘴的尺寸是标准的，而且与喷射相关的力在喷嘴截面上是规则的。
而且，当喷墨机制是附着于致动器装置的机械型时，需要保证在喷墨嘴与叶片表面之间提供足够的间隙。除非提供大的间隙(在喷嘴为40微米情况下是10微米的数量级)，不然就会产生大量的后继问题。例如，如果一个机械叶片的喷射表面和喷嘴腔壁过于接近，叶片致动器作用的墨的数量将不足以形成要喷射的墨滴。
而且，当叶片接近于喷嘴腔壁发生移动时，容易出现高的压力和拖力。而且，如果叶片过于接近喷嘴，在喷射墨滴后会有出现不想要的弯液面形状的危险，墨的弯液面表面附着在叶片的表面上。
而且，如果采用标准的晶片处理技术在硅晶片类型的装置上形成喷墨机械装置，在形成***时希望把任意一层材料的厚度都最小化。由于差动热膨胀，希望保证每层都有最小的厚度，从而减少在制造打印头***时由于热应力发生故障的几率。因此，在制造过程中，希望用薄层来制造打印头***。
本发明基于这样的事实：本申请人获得了一类MEMS结构，所述的MEMS结构方便了推墨器在特定范围内的移动，所述的推墨器可以是叶片形式的。在上文中陈述了该技术的优点。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种喷墨打印头芯片，所述喷墨打印头芯片包括
一个衬片，
置于衬片中的驱动电路，和
置于衬片上的多个喷嘴装置，每个喷嘴装置包括
一个喷嘴腔壁和一个顶壁，所述喷嘴腔壁和顶壁确定一个喷嘴腔以及一个所述顶壁中的与喷嘴腔流体连通的喷墨口；
一个推墨器，所述推墨器相对喷嘴腔工作定位并且可以在1微米至5微米之间移动，使得墨从喷墨口喷出，
一个致动器，所述致动器连接到所述驱动电路以及推墨器，当从驱动电路接收到一个电信号时，致动器推移推墨器。
优选地，每个推墨器可以在1微米至3微米之间移动。
所述喷墨打印头芯片可以是MEMS制造技术的产品。
每个推墨器都可以是置于喷嘴腔中跨越喷嘴腔的叶片构件。
每个致动器可以包括一致动臂，该致动臂一端固定在衬片上，而相对端附着在叶片构件上。所述致动臂可以包括一热弯曲机构当由驱动电路发出的所述电信号加热时，所述装置偏转以移动叶片构件。每个热弯曲机构可以包括一部分的致动臂，所述致动臂部分由具有这样热膨胀系数的材料组成：材料热膨胀的程度足以作功，并且一个电加热电路置于所述致动臂的部分上，以加热所述部分的一侧，从而使所述部分经受差动热膨胀，导致致动臂的偏转以及叶片构件的移动。
或者，所述顶壁也可以确定推墨器。每个致动器可以包括一致动臂，该致动臂一端固定在衬片上而相对端附着在顶壁上。所述致动臂可以含有一热弯曲机构，所述热弯曲机构的构成使得：当由驱动电路发出的所述电信号加热时，热弯曲机构偏转使得顶壁向衬片移动。
所述致动臂可由这样一种导电材料组成：该材料的热膨胀系数使得材料能够热膨胀到足以做功的程度。致动臂的一部分可以确定一个加热电路，所述加热电路的构成使得：在接收到所述电信号时，加热电路热膨胀，致动臂所述部分的放置使得在这样的偏转时致动臂向衬片偏转。
本文公开了一种喷墨嘴组件，它包括含有将要喷射的墨的喷嘴腔以及一个液体封口，所述的液体封口包含一个弯液面，该弯液面由介于所述组件两个所述固体表面之间的所述墨形成，当组件启动使用时，这两个固体表面相对移动，并且其中至少一个所述表面具有一个与所述液体封口相邻的薄唇，此薄唇阻止所述莫沿所述至少一个表面浸润。优选地所述唇部的厚度小于或者等于约1微米。
在此还公开了一个喷墨嘴组件，包括：
一个具有入口的喷嘴腔以及一个喷嘴，喷嘴腔的入口与一个储墨容器流体连通，喷嘴与周围大气流体连通；
所述腔包括一个固定的部分、一个可移动的部分和其间的间隙空间，在喷射状态时固定部分与可移动的部分之间的相对移动减少了所述腔的有效容积，并且在回充状态时的一个交替的相对移动扩大了所述腔的有效容积；
所述间隙空间含有一个墨/空气界面，所述界面上弯液面内墨的表面张力形成所述腔与大气之间的液体封口；其中：
所述间隙空间、喷嘴以及入口之间的相对尺度使得在喷射状态中墨优选地从所述腔经喷嘴以小墨滴的形式喷射出，并且在回充状态时墨优选地从储存容器经入***替地抽入所述腔内而不打破所述的液体封口。
优选的，所述腔包括一框缘，该框缘往外伸并且与至少一部分的液体封口相邻，框缘的布置使得腔内的墨跨过所述封口的浸润最小化。
优选地，可移动部分包括喷嘴以及固定部分安装在衬片上。
优选地，所述固定部分包括安装在衬片上的喷嘴并且可移动部分包括一个致动器。
优选地，在间隙空间相对两侧的固定部分与可移动部分之间的最大距离小于约5微米。
优选的，所述距离小于约3微米。优选的，所述距离小于约1微米。
优选的，所述的边缘基本上周绕液体封口的周边，直接邻接所述的间隙空间。
优选的，所述边缘的一个下部包括一个框缘部分，该框缘部分悬在一个凹陷的上方，此凹陷用于收集任何跨过所述封口浸润的墨。
优选的，一个向外突起的唇部绕喷嘴延伸，从而把墨跨过喷嘴腔外表面的浸润最小化。
优选的，至少一个邻接所述间隙空间的表面包括了一个疏水涂层，用于增强液体封口的性能。
优选的，所述疏水涂层基本上是用聚四氟乙烯(PTFE)形成。
优选的，喷墨嘴组件使用微机电***(MEMS)技术制造。
附图说明
下面将参照附图，仅以举例的方式说明本发明的优选实施方式，尽管还有其它可以落入本发明范畴内的实施方式，其中：
图1至3是示意图，示出优选的实施方式的操作原理。
图4是透视图，显示了优选的实施方式中单个喷墨嘴的局部剖视图。
图5是优选实施方式的单个喷墨嘴的一个侧视透视图。
图6至15显示了制造优选实施例的不同制造加工步骤。
图17提供了参照图18至28的材料符号表。
图18至28是剖面图，显示了一种喷墨打印头芯片喷嘴构造形式的制造步骤。
图29是本发明喷墨打印头的喷嘴组件的三维示意图。
图30至32是图29中喷嘴组件操作的三维示意图。
图33是构成一个打印头的喷嘴阵列的三维视图。
图34是放大了的部分的图33中的阵列。
图35是打印头的三维视图，该打印头包括一个喷嘴护板的。
图36a至36r是喷墨打印头喷嘴组件的制造步骤的三维视图。
图37a至37r是制造步骤的侧视剖面图。
图38a至38k是在制造加工各个步骤中使用的掩模布局。
图39a至39c是根据图36和37的方法制造的喷嘴组件操作的三维视图。
图40a至40c是根据图36和37的方法制造的喷嘴组件操作的侧视剖视图。
具体实施方式
在实施例中，对喷墨打印***提供了喷墨嘴装置，从而使用一种叶片致动器类型的装置来从一个可回充的喷嘴腔喷墨。由于所采用的制造加工，所述叶片总体上是“杯”形的。这种杯形形状缓和了许多上面提到过的问题。叶片与一个热致动器装置互相连接，所述热致动器装置通过电流流经所述热致动器的一部分来热驱动，从而引起墨从之喷出。而且，杯形的叶片使得一合适的制造加工成为可能，在此制造加工中不需要形成一个厚的表面层。这意味着制造在单个晶片上的一系列装置中的热应力被最小化了。
而且还有，所述制造加工使得杯形的叶片具有1.5微米至3微米之间的移动范围。这保证了有效的墨滴喷射以及芯片资源的优化使用。
首先参见图1至3，下面将说明优选实施方式的操作原理。在图1中显示了一个喷墨嘴装置1，它具有一个喷嘴腔2，喷嘴腔2通常从一个供墨入口通道3充墨，从而，跨越所述喷嘴装置的喷墨孔隙形成一个弯液面4。在喷嘴装置的内部设有一个杯形的叶片致动器5，叶片致动器5与一致动臂6相互连接，所述致动臂6在静止状态时向下弯曲。致动臂6的下表面包括一个加热器件8，该加热器件由具有高的“弯曲效率”的材料构成。
优选地，所述加热器件具有高的弯曲效率，其中，弯曲效率定义为：
弯曲效率＝杨氏模量×(热膨胀系数)/(密度×比热)
一种适用的材料可以是60％铜和40％镍的铜镍合金，在下文中称为(铜镍合金)，这种合金材料可以形成在玻璃层的下方以弯曲该玻璃层。在静止状态，臂6由元件8向下弯曲。当希望从喷嘴腔2喷射出一个墨滴时，借助于一个由柱9提供的相互连接，电流流经致动臂8。加热器元件8被加热并且以高的弯曲效率弯曲，从而引起臂6的向上移动，如图2中所示，移动的程度在1.5微米至3微米之间。致动臂6的向上移动引起杯形叶片5也向上移动，这导致喷嘴腔2内弯液面4周围区域中压力的总体增加。这引起墨的总体流出以及弯液面4的凸出。接着，如图3所示，关闭加热器件8，这导致臂6总体地返回其静态位置，这进一步导致杯形叶片5的一个向下移动。这导致一个总体上的墨的吸回11到喷嘴腔2内。包围弯液面的墨的向前移动和墨的向后移动导致弯液面的一个总体颈缩，并且形成一个到达页表面的墨滴12。接着，弯液面4的形状导致墨经入口槽路3的流入，这引起喷嘴腔2的回充。最终，返回到图1所示的状态。
现在参见图4，显示了一个结构形式的局部剖视透视图，详细地显示了一个单独的喷嘴装置1。喷嘴装置1包括一个正常充墨的喷嘴腔2。在喷嘴腔2中是一个叶片致动器5，所述叶片致动器5把喷嘴腔与墨回充供给槽路3分开，所述墨回充供给槽路3从硅晶片14的背部表面供墨。
喷嘴腔2的外部放置了一个致动臂6，所述致动臂6包括一个玻璃芯部和一个铜镍合金的外部8。致动臂6通过于一个位于喷嘴腔2的一个壁中的槽隙19与叶片5相互连接。槽隙19的尺寸很小，从而表面张力把墨保留在喷嘴腔2内。优选地，装置1的外表部分受到进一步的处理从而强烈地疏水。此外，围绕槽隙19设置一个凹坑21。凹坑21包括一凸起22，小坑21和凸起22相互作用从而使得沿致动臂6的“浸润”最小化。而且，为了使得浸润最小化，除了一直角壁25之外，臂6还包括一个邻接于喷嘴腔2的薄的部分24。
叶片致动器5的表面包括一个槽隙12。所述槽隙12帮助让墨从叶片致动器的背部表面流到前表面。特别地，这是当初始时所述装置充以空气并且把一种液体注入到回充槽路3时的情况。槽隙的尺度使得在操作叶片以喷射墨滴的过程中，经槽隙11的液体流最少。
叶片致动器5装在喷嘴腔中并且受驱动从喷嘴27喷墨，所述喷嘴27又具有边缘28，所述边缘28辅助使得跨越喷嘴腔2顶部的浸润最小化。
铜镍合金8经一个柱部分9与下面的CMOS层15相互连接，所述的CMOS层提供致动器件的电控制。
每个喷嘴装置1都可以作为硅晶片装置上喷嘴阵列的一部分来制造，并且可以通过利用半导体加工技术以及微机加工和微制造加工技术(MEMS)来制造，并且在下文中认为对这些技术是完全熟悉的。
对于微机电***(MEMS)的概括介绍可以参阅该领域内的标准程序，包括SPIE(国际光学工程协会)的程序，包括含有该领域中最近发展和会议的2642卷和2882卷。
首先参照图6a和6b，在图6b中显示了一个初始的加工步骤，在此步骤中使用了掩模，该掩模具有图6a中指定的区域。初始的起始材料优选地是一个硅晶片14，该硅晶片具有一个标准的0.25微米的CMOS层15，所述的CMOS层15包括一个驱动电子电路(未示)，驱动电子电路的结构对于CMOS集成电路设计领域内普通技术人员已经是清楚了的。
制造单个喷嘴的第一步骤是使用具有如图6a中所指示的区域29的掩模图形，形成图案以及把凹坑28蚀刻到13微米深。
接着，如图7b所示，沉积一个3微米的牺牲材料30的层。所述牺牲材料层可以包含铝。然后使用具有如图7a所示部分31和32的掩模图案蚀刻牺牲材料30。
接着，如图8b中所示，沉积一个非常薄的0.1微米厚的阻蚀材料层(未示)(例如氮化硅)，并且接着进行蚀刻，从而形成加热器件35。此蚀刻使用具有如图8a中36和37所示掩模区域的掩模。
接着使用具有如图9a中所示掩模区域40的掩模，如图9b中所示，沉积一个1.1微米的加热器材料层39，所述加热器材料可以包含60％铜和40％镍的合金。
接着在表面上沉积一个0.1微米的腐蚀层。该阻蚀的屏障也可以含有氮化硅。
接着，如图10b所示，沉积一个3.4微米的玻璃层。可以用图10a中43所示的掩模蚀刻玻璃和氮化物。作为沉积工艺的一个部分，玻璃层42包括一个部分44，所述部分44是沉积处理仿形于下表面轮廓的结果。
接着沉积一个6微米厚的譬如铝之类的牺牲材料层45，如图11b中所示。用一个化学机械平坦化(CMP)处理把此层平坦化到约4微米的最小厚度。接着借助具有如图11a中所示区域48、49的掩模蚀刻牺牲材料层，从而形成喷嘴壁和柱的部分。
接着如图12b中所示，沉积一个3微米的玻璃层50。使用具有如图12b中所示区域45的掩模，构图并蚀刻此3微米的层和直至1微米的深度，从而形成一个喷嘴边缘。
接着用如图12a中所示的另一个掩模蚀刻玻璃层，如图13b中所示，这留下例如53的玻璃部分，从而形成喷嘴腔壁和柱部分54。
接着，如图14b中所示，对晶片的背侧构图并且蚀刻，从而形成一个供墨槽路3。使用的掩模可以具有如图14a中所示的区域46。可以优选地利用一种高质量的深度各向异性的蚀刻***，譬如英国的SiliconTechnology System公司出售的***，来穿透背侧地蚀刻晶片。优选地，该蚀刻加工还导致同时把晶片切割成其分开的打印头。
接着，如图15中所示，可以蚀刻掉牺牲材料从而释放致动器结构。在释放时，致动器6由于其在沉积过程中积聚的热应力的释放而向下弯曲。然后可以清洁打印头并且把它安装在一个用于向晶片的背部表面供墨的模制的供墨***中。然后可以利用通常的TAB粘接技术粘接一个TAB膜用于向打印头的一个边缘提供电控制。然后可以疏水处理表面区域并且最后为了检测用墨灌充供墨槽路和喷嘴腔。
因此，如图16中所示，可以构成一个具有重复结构60的页宽打印头用于全色打印。图16显示了成品打印头结构的一部分，并且包括三个分开的编组61-63，每个编组对应于一个颜色，并且每个编组，例如63，包含交替纹层状地间隔开的两排分开的喷墨嘴65、55。在预定的时间开动喷嘴65、66，从而形成一个输出图像，如喷墨打印头制造技术领域内普通技术人员所理解的那样。每个喷嘴，例如68包括其自身的致动臂69，为了形成一个极为紧凑的装置，优选地形成所述致动臂69使得它总体上相对于竖直于喷嘴行列的直线弯曲。优选的，提供一种三色装置，所述三色装置使得编组61-63为蓝绿、深红和黄色彩色打印。明显地，如果需要可以制造四色打印装置。
优选地，为了***一个自动接合卷带(TAB)条，沿一个侧边形成一系列的连接垫片例如71，所述的卷带条可以借助于对齐轨道例如72对齐，所述对齐轨道沿打印头的一个边缘，专门用于此目的。
可以采用以下的步骤来进行一个详细的制造工艺，该制造工艺可以用于制造按本实施方式规原则工作的整体喷墨打印头：
1.用一个双侧抛光的晶片14，利用0.5微米、单晶、双铝CMOS工艺15完成驱动晶体管、数据分布和时钟电路。图15显示了此步骤。为了表达清楚，这些图示可能不是按比例的，并且可能不代表通过喷嘴的任一平面的横截面。图17表示了这些制造图示以及那些交叉参引喷墨结构中的各种材料。
2.用掩模1向下蚀刻CMOS氧化层到硅或者铝。该掩模确定叶片下的凹坑以及打印头芯片的边缘。
3.用氧化物作掩模蚀刻硅到8微米的深度80。该蚀刻的侧壁倾斜度是不重要的(允许在60度至90度之间)，从而可以使用标准的沟道蚀刻器。此步骤示于图19中。
4.沉积3微米的牺牲材料81(例如铝或者聚酰亚胺)。
5.使用掩模3蚀刻牺牲层，确定加热器镀通孔82和喷嘴腔壁83。此步骤示于图20中。
6.沉积0.2的加热材料84，例如TiN。
7.使用掩模3蚀刻加热材料，确定加热器形状。此步骤示于图21中。
8.晶片检测。在此时完成了所有电气连接，连接垫片可达，而芯片还没有分离。
9.沉积3微米的PECVD玻璃85。
10.使用掩模4蚀刻玻璃层。该掩模确定了喷嘴腔壁、叶片和致动臂。此步骤示于图22中。
11.沉积6微米的牺牲材料86。
12.使用掩模5蚀刻牺牲材料，此掩模确定了喷嘴腔壁。此步骤示于图23中。
13.沉积3微米的PECVD玻璃87。
14.使用掩模6蚀刻至(约)1微米的深度。该掩模确定了喷嘴框缘28。此步骤示于图24中。
15.使用掩模7向下蚀刻到牺牲层。该掩模确定了喷嘴腔的顶部以及喷嘴本身27。此步骤示于图25中。
16.使用掩模8完全地穿透硅晶片进行反向蚀刻(例如，用一种Surface Technology System提供的ASE高效硅蚀刻器)。此掩模确定了穿透晶片蚀刻的墨输入口3。晶片也通过此蚀刻被切开。此步骤示于图26中。
17.蚀刻牺牲材料。清理喷嘴腔，游离致动器，并且芯片也通过此蚀刻切开。此步骤示于图27中。
18.把打印头装入封装中，所述封装可以是一个塑料模，该塑料模含有向处于晶片背面的墨输入口提供适当颜色的墨的供墨槽。
19.把打印头连接到其互连***。为了使连接平顺且气流扰动最小，可以使用TAB。如果打印机操作时与纸之间有足够的间距，也可以使用电线连接。
20.把打印头的前表面疏水化处理。
21.用墨88灌充已完成的打印头并且检测它们。图28显示了一个充满了墨的喷嘴。
现在参见图29，总体上用标号110指代一个系本发明的另一个实施方式的喷嘴组件。打印头芯片具有多个在硅衬片116上布置成阵列114的喷嘴组件110(图33和图34)。下面详细地描述阵列114。
喷嘴组件110包括一个硅衬片或者说晶片116，其上沉积一个介电层118。一个CMOS钝化层120沉积在介电层118上。
每个喷嘴组件110包括一个喷嘴122，该喷嘴确定喷墨口124，一个杠杆臂126形式的连接构件和一个致动器128。杠杆臂126把致动器128连接到喷嘴122。如在图30至32中详细地所示，喷嘴122包含一个冠部130，所述冠部带有悬于该冠部130的裙部132。所述裙部132形成喷嘴腔134的周边壁的一部分(图30至32)。喷墨口124与喷墨嘴腔134流体连通。应当注意喷墨口124由一个抬升沿136包绕，此抬升沿“围着”喷墨嘴腔134中墨体140的弯液面138(图30)。
喷墨嘴腔134的底146内有一个墨输入口孔隙142(图34中所示最为清楚)。孔隙142与穿过衬片116的墨输入槽148流体连通。
一个壁部150包绕着孔隙142并且从底部146向上伸。如上所述，喷嘴122的裙部确定喷墨嘴腔134的周边壁的第一部分，壁部150确定喷墨嘴腔134的周边壁的第二部分。
壁150在其游离端具有指向内部的唇部152，该唇部作为流体封口用于防止喷嘴122移动时墨的溢出，如下面详细说明中所述。可以看出，由于墨140的粘性以及唇152与裙部132之间的小间隔尺度，指向内部的唇部152以及表面张力起到防止墨从喷墨腔134溢出的密封件作用。
致动器128是一种热弯致动器并且连接到一个从衬片116往上延伸-或者更加具体地说从CMOS钝化层120往上延伸-的锚着件154上。锚着件154安装在与致动器128形成电连接的导电垫片156上。
致动器128包含第一主动梁158，所述第一主动梁158安放在第二被动梁160上方。在一个优选的实施方式中，两个梁158和160都是或者包括一种导电陶瓷材料，譬如氮化钛(TiN)。
两个梁158和160都具有固定在锚着件154上的第一端部，其相对的一端连接到臂126。当使电流流经主动梁158时，梁158产生热膨胀。至于被动梁160，没有电流流过它，不以相同的程度膨胀；因而产生一个弯曲力矩，引起臂126-从而引起喷嘴122向下往衬片166方向位移1.5至3微米，如图31所示。这引起经喷嘴口124喷墨，如在图31中的162处所示。从主动梁158撤走热源，也就是说停止电流时，喷嘴122返回其静态的位置，如图32中所示。当喷嘴122返回其静态位置时，由于一个小墨滴颈部断裂结果形成一个小墨滴164，如图32中的166处所示。该墨小滴164然后转移到打印媒体，譬如一张纸上。作为形成小墨滴164的结果，形成一个“反向”弯液面，如图32中的168处所示。该“反向”弯液面168导致墨流140进入喷墨嘴腔134中，从而形成一个新的弯液面138(图30)以准备下一次从喷嘴组件110喷出墨滴。
现在参见图33和图34，详细地说明喷嘴阵列114。该阵列114用于一个四色打印头。因此，阵列114包括四组170喷嘴组件，各对应于一种颜色。每个组170具有其安排成两排172和174的喷嘴组件110。在图34中，详细地显示了一个组170。
为了方便地紧密组装排172和174中的喷嘴组件110，排174中的喷嘴组件110相对于排172中的喷嘴组件110偏移或者说交错。还有，排172中的喷嘴组件110相互间隔开足够远，使得排174喷嘴组件110的杠杆臂126能够在排172喷嘴组件110的相邻的喷嘴122之间通过。还要注意到每个喷嘴组件110基本上是做成哑铃形状的，从而使排172中的喷嘴122排列在排174相邻喷嘴组件110的喷嘴122与致动器128之间。
而且，为了方便地紧密组装排172和174中的喷嘴122，每个喷嘴122基本上做成六边形形状。
本领域内普通技术人员可以看出，使用中，当喷嘴122向衬片166移动时，由于喷嘴口124对喷墨嘴腔134稍成角度，墨稍微偏离竖直方向地喷出。图33和34中所示的装置的一个优点是排174和172中的喷嘴组件110的致动器128沿同一个方向伸到排174和172的一侧。因此从排172中的喷嘴122中喷出的墨滴和从排174中的喷嘴122中喷射出的墨滴相互平行，从而提高了打印的质量。
还有，如图33中所示，衬片116具有布置于其上的连接垫片176，所述连接垫片经垫片156对喷嘴组件110的致动器128提供电连接。这些电连接经CMOS层(未示)形成。
参见图35，图中显示了本发明的一个改进。参考以前的各图，除非另有说明，相同的标号指代相似的部分。
在此改进中，一个喷嘴护板180安装在阵列114的衬片116上。喷嘴护板180包括一个体部构件182，多个通道184通过此构件。通道184与阵列144的喷嘴组件110的喷嘴口124对齐，从而，当从喷嘴口124之一喷墨时，墨先通过相应通道184而后落射打印媒体上。
体部构件182相对于喷嘴安组件110通过臂或者说支柱186间隔起来安装。支柱186之一具有位于其中的空气入口188。
在使用中，当操作阵列114时，经入口孔188充以空气，空气被压入通道184中，与墨一起穿过通道184移动。
由于空气以与小墨滴164不同的速度充入通道184，墨并不夹带于空气中。例如，以约3m/s的速度从喷嘴122喷出墨滴164。以约1m/s的速度经通道184充入空气。
空气的用途是保持通道184不存在异物颗粒。存在诸如尘土之类的异物颗粒会落在喷嘴装置110上的危险，这会对操作造成不利的影响。在喷嘴护板180中设置空气入口88，在较大的程度上避免了此问题。
下面参见图36至38，说明制造喷嘴安排110的一种加工。
从硅衬片或者说晶片116开始，在晶片116的一个表面上沉积一个介电层118，所述介电层118是大约1.5微米的CVD氧化物的形式。在层118上旋涂阻蚀剂，并且把层118暴露于掩模200并且接着显影。
在显影以后，把层118向下等离子蚀刻到硅层116。然后剥去阻蚀剂并且清洁层118。此步骤确定墨入口孔隙142。
在图36b中，在层118上沉积约0.8微米的铝202。旋涂阻蚀剂，并且把铝202暴露于掩模204并接着显影。把铝202向下等离子蚀刻到氧化物层118，剥去阻蚀剂并且清洁所述装置。此步骤提供了连接垫片和对喷墨致动器128的相互连接。此相互连接是对于一个NMOS驱动晶体管和一个带有制造在CMOS层(未示)内的连接线路的电源层的。
沉积约0.5微米的PECVD氮化物作为CMOS钝化层120。旋涂阻蚀剂并且把层120暴露于掩模206然后把它显影。显影后，把氮化物向下等离子蚀刻直至铝层202以及入口孔隙142区域中的硅层116。剥去阻蚀剂并且清洁所述装置。
在层120上旋涂牺牲材料层208。层208是6微米的光敏聚酰亚胺或者约4微米的高温阻蚀剂。把层208软烘烤并且然后暴露于掩模210，此后把它显影。然后，当层208包含聚酰亚胺时把，层208在400℃下硬烘烤一个小时，或者当层208是高温阻蚀剂时，在高于300℃的温度下硬烘烤。应当注意在附图中，在掩模210的设计中考虑了由于绉缩引起的聚酰亚胺层208的图样依从性畸变。
下一个步骤中，示于图36e中，镀一个第二牺牲层212。层212或者是一个旋涂的2微米光敏聚酰亚胺，或者是约1.3微米的高温阻蚀剂。把层212软烘烤并且暴露于掩模214。在暴露于掩模214后把层212显影。在层212是聚酰亚胺的情况下，把层212在400℃下硬烘烤约一个小时。层212是阻蚀物时，在高于300℃的温度下硬烘烤约一个小时。
然后沉积一个0.2微米的多层金属层216。此层216的一部分形成致动器128的被动梁160。
层216通过在300℃时喷涂1000埃的氮化钛(TiN)接着喷涂50埃的氮化钽(TaN)形成。再喷涂上另一层1000埃的TiN，接着喷涂50埃的氮化钽TaN，然后再喷涂1000埃的TiN。
可用于代替TiN的其它材料为TiB2、NoSi2或者(Ti，Al)N。
然后把层216暴露于掩模218，显影并且向下等离子蚀刻到层212，此后湿剥层216的阻蚀剂，小心不要去掉硬化了的层208或者212。
通过旋涂4微米的光敏聚酰亚胺或者约2.6微米的高温阻蚀剂形成一个第三牺牲层220。把层220软烘烤，此后暴露于掩模222。然后把暴露了的层220显影，接着硬烘烤。在聚酰亚胺的情况下，把层220在400℃下硬烘烤约一个小时，或者在阻蚀物时在高于300℃的温度下硬烘烤。
然后在层220上镀一个第二多层金属层224。层224的构成与层216相同，并且用相同的方式镀层。可以看出，两个层216和224都是导电的。
把层224暴露于掩模226然后显影。把层224向下等离子蚀刻到聚酰亚胺或者阻蚀剂层220，此后湿剥层224的阻蚀剂，小心不要去掉硬化了的层208、212或者220。可以注意到层224的余留部分确定了致动器128的主动梁158。
通过旋涂4微米的光敏聚酰亚胺或者是约2.6微米的高温阻蚀剂形成一个第四牺牲层228。把层228软烘烤、暴露于掩模230，然后显影以留下图9k中所示的岛部。把层228的余留部分硬烘烤，在聚酰亚胺的情况下于400℃下硬烘烤约一个小时，对于阻蚀剂的情况在高于300℃的温度下硬烘烤。
如图361中所示，沉积一个高杨氏模量的介电层232。层232由约1微米氮化硅或者氧化铝构成。层232在低于牺牲层208、212、220、228硬烘烤温度的温度下沉积。对于该介电层232所要求的主要特性是高弹性模量、化学惰性和对TiN良好的粘附性。
通过旋涂上2微米的光敏聚酰亚胺或者是约1.3微米的高温阻蚀剂形成一个第五牺牲层234。把层234软烘烤，暴露于掩模236、暴露于掩模236并且显影。把层228的余留部分硬烘烤，在聚酰亚胺的情况下于400℃下硬烘烤一个小时，是阻蚀剂时在高于300℃的温度下硬烘烤。
把介电层232向下等离子蚀刻到牺牲层228，小心不要去掉任意的牺牲层234。
该步骤确定了喷嘴组件110的喷墨口124、杠杆臂126和锚着件154。
沉积一个高杨氏模量的介电层238。所述层238通过在低于牺牲层208、212、220、220和228硬烘烤温度的温度下沉积约0.2微米的氮化硅或者氮化铝形成。
然后，如图36p中所示，把层238各向异性地向下等离子蚀刻到一个0.35微米的深度。此蚀刻旨在从整个表面清除介电质，除介电层232和牺牲层234的侧壁以外。该步骤产生围绕喷嘴口124的喷嘴框136，如前所述，此喷嘴框“围着”墨的弯液面。
形成一个紫外线(UV)松解带240。在硅晶片116上旋涂0.4微米的阻蚀剂。把晶片暴露于掩模242，反向蚀刻晶片116以确定墨输入槽148。然后从晶片116剥去阻蚀剂。
在晶片16的后部形成另一个紫外线松解带(未示)并且去除带240。用氧等离子剥去牺牲层208、212、220、220、228和234，以提供如图36r和37r中所示的最终的喷嘴组件110。为了便于参照，这两个图中的参考标号与图29中的标号相同，用来指代喷嘴组件110的相关部分。图39和40显示了喷嘴组件110的操作，此组件依据参照图36和37说明的上述加工制造，并且这些图与图29至32对应
在此公开的喷墨打印技术潜在地适用于广泛的打印***，包括：彩色和单色办公室打印机、短行程数字打印机、高速数字打印机、偏移压力补充打印机、低成本扫描打印机、高速页宽打印机、带有内装页宽打印机的笔记本、便携彩色和单色打印机、彩色和单色复印机、彩色和单色传真机、打印传真和复印组合机、标签打印机、大格式描绘器、照片拷贝机、数字照片“微实验室”用打印机、录像打印机、PDA的便携打印机、蜡纸打印机、室内标签打印机、广告牌打印机、编织物打印机、照像打印机和容错商用打印机***。
可以在一个广泛的打印***范围内，使用完全成型的打印头。
本领域内普通技术人员可以看出，可以对特定实施方式中所示的本发明进行改变和/或修改，而不偏离泛泛说明的本发明的精神和范畴。因此，本实施例认为在所有方面都是示例性的而不是限制性的。

Claims (9)

1.一种喷墨打印头芯片，所述喷墨打印头芯片包括
一个衬片，
置于衬片中的驱动电路；以及
置于衬片上的多个喷嘴装置，每个喷嘴装置包括
喷嘴腔壁和一个顶壁，所述喷嘴腔壁和顶壁限定了一个喷嘴腔和一个位于所述顶壁中的与喷嘴腔流体连通的喷墨口；
一个推墨器，所述推墨器相对喷嘴腔可操作地定位并且可以在1微米至5微米的范围内移动以从喷墨口喷墨；以及
一个致动器，所述致动器连接到所述驱动电路以及推墨器，在从驱动电路接收到一个电信号时移动推墨器。
2.如权利要求1所述的喷墨打印头芯片，其中，所述推墨器可以在1.5微米至3微米的范围内移动。
3.如权利要求1所述的喷墨打印头芯片，其是MEMS制造技术的产品。
4.如权利要求3所述的喷墨打印头芯片，其中，每个推墨器的形式都是一个置于喷嘴腔中并跨越喷嘴腔的叶片构件。
5.如权利要求4所述的喷墨打印头芯片，其中，每个致动器包括一个致动臂，所述致动臂一端固定在衬片上而相对端与叶片构件相连，所述致动臂包括一热弯曲机构，所述热弯曲机构的构成可使当由驱动电路发出的所述电信号加热时，所述热弯曲机构偏转以移动叶片构件。
6.如权利要求5所述的喷墨打印头芯片，其中，每个热弯曲机构包括致动臂的一部分，所述致动臂部分的材料的热膨胀系数使得材料能够热膨胀到足以做功的程度，并且一个置于所述致动臂所述部分上的电加热电路用来加热所述部分的一侧，从而使所述部分经受差动热膨胀，导致致动臂的偏转以及叶片构件的移动。
7.如权利要求3所述的喷墨打印头芯片，其中，所述顶壁限定了推墨器。
8.如权利要求7所述的喷墨打印头芯片，其中，每个致动器包括一个致动臂，所述致动臂的一端固定在衬片上而相对端与所述顶壁连接，所述致动臂结合了一热弯曲机构，所述热弯曲机构的构成可使当由驱动电路发出的所述电信号加热时，所述热弯曲机构偏转，使得顶壁移向衬片。
9.如权利要求8所述的喷墨打印头芯片，其中，所述致动臂的材料是导电的，它的热膨胀系数使得材料能够热膨胀到足以做功的程度，所述致动臂的一部分确定一个加热电路，所述加热电路的构成可使在接收到所述电信号时产生热膨胀，所述致动臂的所述部分的定位应使致动臂在此偏转中偏向衬片。
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