CN1713991A

CN1713991A - 具有对称泡形成的热喷墨打印头

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Publication number: CN1713991A
Application number: CNA2003801038805A
Authority: CN
Inventors: 卡·西尔弗布鲁克; 安格斯·约翰·诺思; 格雷戈里·约翰·麦卡沃伊
Original assignee: Silverbrook Research Pty Ltd
Current assignee: Memjet Technology Ltd
Priority date: 2002-11-23
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2005-12-28
Anticipated expiration: 2023-11-17
Also published as: EP1567351A1; KR20050085031A; EP1567351B1; DE60335736D1; US6672710B1; US20080297566A1; CA2506733A1; US7645029B2; US7429097B2; US20060038857A1; AU2003275799B2; CN100386202C; CA2506733C; US7967420B2; EP1567351A4; ATE495016T1; US20100091072A1; WO2004048109A1; JP2006507156A; AU2003275799A1

Abstract

公开了一种喷墨打印头(1)，其包括多个喷嘴(3)和对应于每个喷嘴的一个或者多个加热器元件(10)。每个加热器元件被配置成把打印头中的泡形成液加热到其沸点以上的温度。每个加热器元件具有两个相对的侧并且在喷嘴以下被悬置在室(7)内。气泡被形成在加热器的两侧。

Description

具有对称泡形成的热喷墨打印头

技术领域

本发明涉及一种热喷墨打印头，涉及一种结合这种打印头的打印机系统，以及涉及一种通过使用这种打印头来喷射液滴(如墨滴)的方法。

发明背景

本发明涉及借助于在泡形成液中形成气泡或汽泡的墨滴喷射。这个原理被大体描述于在US专利号US 3,747,120(Stemme)中。

存在各种已知类型的热喷墨(喷泡)打印头设备。这一类型的两种典型设备，即一种是由Hewlett Packard制造且另一种是由Canon制造，具有墨喷射喷嘴和用于存储与喷嘴相邻的墨的室。每个室被所谓的喷嘴板覆盖，所述喷嘴板是被单独制造的物件且从机械上被紧固到室壁上。在某些现有技术设备中，顶板由Kapton^TM制成，其是聚酰亚胺膜的Dupont商品名，其已经经激光钻孔以形成喷嘴。这些设备还包括处于与相邻于喷嘴而设置的墨的热接触的加热器元件，用于加热墨由此在墨中形成气泡。气泡在墨中产生压力，从而使墨滴通过喷嘴被喷射。

本发明的目的是提供一种对具有在此所述的优点的公知打印头、打印机系统或喷射墨和其它相关液滴的方法的有用替换。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种喷墨打印头，包括：

多个喷嘴；以及

至少一个相应的加热器元件，对应于每个喷嘴，其中

每个加热器元件被设置成与泡形成液热接触，

每个加热器元件被配置成把泡形成液的至少部分加热到其沸点以上的温度以在其中形成气泡，由此引起可喷射液的滴通过对应于该加热器元件的喷嘴的喷射，以及

每个加热器元件具有两个相对的侧，且被配置以致由该加热器元件形成的气泡被形成在两个所述侧。

根据本发明的第二方面，提供了一种结合打印头的打印机系统，该打印头包括：

多个喷嘴；以及

至少一个相应的加热器元件，对应于每个喷嘴，其中

每个加热器元件被设置成与泡形成液热接触，

根据本发明的第三方面，提供了一种从打印头喷射可喷射液的滴的方法，所述打印头包括多个喷嘴以及对应于每个喷嘴的至少一个相应的加热器元件，其中每个加热器元件具有两个相对的侧，该方法包括步骤：

加热对应于喷嘴的至少一个加热器元件，以致把与至少一个被加热的加热器元件热接触的泡形成液的至少部分加热到泡形成液的沸点以上的温度；

通过所述加热步骤，在泡形成液中产生气泡，该泡被产生在所述或者每个被加热的加热器元件的两个所述侧；以及

通过所述产生气泡的步骤，引起可喷射液的滴通过所述对应的的喷嘴而喷射。

如本领域的技术人员将理解的，如在此所描述的可喷射液的滴的喷射是由泡形成液中汽泡的产生而导致的，在实施例中所述泡形成液是与可喷射液相同的液体。所产生的泡导致可喷射液中的压力的增加，这迫使所述滴通过相关的喷嘴。泡是通过对与墨热接触的加热器元件进行焦耳加热而产生的。被施加到加热器上的电脉冲具有短持续时间，典型地小于2微秒。由于液中的储热，在加热器脉冲被关断之后泡膨胀几微秒。当蒸汽冷却时它进行再凝结，从而导致泡坍缩(collapse)。泡坍缩于由墨的惯性与表面张紧的动态相互作用所确定的点。在本说明书中，这样的点被称为泡的“坍缩点”。

根据本发明的打印头包括多个喷嘴，以及对应于每个喷嘴的室和一个或多个加热器元件。属于单个喷嘴、其室及其一个或多个元件的打印头的每个部分在此被称为“单位单元”。

在本说明书中，在提及彼此处于热接触的部分时，这意味着它们相对于彼此被放置以便于当部分之一被加热时，它能够加热另一个部分，即使所述部分本身可能没有彼此处于物理接触。

此外，术语“墨”被用来表示任何可喷射液，而不被局限于包含有色染料的常规墨。非有色墨的实例包括：固定剂、红外吸收剂墨、官能化化学制品、粘合剂、生物流体、水及其它溶剂等。墨或可喷射液同样不需要必须是严格的液，且可包含固体粒子的悬浮液或在室温为固体而在喷射温度为液体。

在本说明书中，术语“周期元素”指在元素周期表中所反映类型的元素。

附图说明

仅通过举例，现在将参照所伴随的表示来描述本发明的优选实施例。附图被描述如下。

图1是在一特定操作阶段，通过根据本发明实施例的打印头单位单元的墨室的示意性横截面视图。

图2是在另一操作阶段，通过图1墨室的示意性横截面视图。

图3是在又一操作阶段，通过图1中墨室的示意性横截面视图。

图4是在另外的操作阶段，通过图1中墨室的示意性横截面视图。

图5是通过根据本发明实施例的打印头单位单元的图解横截面视图，其示出汽泡的坍缩。

图6、8、10、11、13、14、16、18、19、21、23、24、26、28和30是在打印头生产过程的各个相继的阶段，根据本发明实施例的打印头单位单元的示意性透视图(图30被部分切去)。

图7、9、12、15、17、20、22、25、27、29和31的每个均是适合于在进行如在相应的紧接的前图中所表示的打印头生产阶段中使用的掩模的示意性平面图。

图32是喷嘴板被省略而示出的图30的单位单元的另外示意性透视图。

图33是具有另一个特定实施例的加热器元件的根据本发明的打印头单位单元的被部分切去的示意性透视图。

图34是适合于在进行图33中的打印头生产阶段以便于形成其加热器元件中使用的掩模的示意性平面图。

图35是具有另外特定实施例的加热器元件的根据本发明的打印头单位单元的被部分切去的示意性透视图。

图36是适合于在进行图35中的打印头生产阶段以便于形成其加热器元件中使用的掩模的示意性平面图。

图37是喷嘴板被省略而示出的图35的单位单元的另外示意性透视图。

图38是具有另外特定实施例的加热器元件的根据本发明的打印头单位单元的被部分切去的示意性透视图。

图39是适合于在进行图38的打印头生产阶段以便于形成其加热器元件中使用的掩模的示意性平面图。

图40是喷嘴板被省略而示出的图38的单位单元的另外示意性透视图。

图41是通过根据本发明实施例的打印头的喷嘴室的示意性断面，其示出被浸入在泡形成液中的悬梁加热器元件。

图42是通过根据本发明实施例的打印头的喷嘴室的示意性断面，其示出被悬挂在泡形成液体的顶部的悬梁加热器元件。

图43是示出喷嘴的根据本发明实施例的打印机单位单元的图解平面图。

图44是示出多个喷嘴的根据本发明实施例的打印头的多个单位单元的图解平面图。

图45是通过不根据本发明的喷嘴室的图解断面，其示出被嵌入在基片中的加热器元件。

图46是通过根据本发明实施例的喷嘴室的图解断面，其示出处于悬梁形式的加热器元件。

图47是通过现有技术打印头的喷嘴室的图解断面，其示出被嵌入在基片中的加热器元件。

图48是通过根据本发明实施例的喷嘴室的图解断面，其示出限定元件部分之间的间隙的加热器元件。

图49是示出厚喷嘴板的通过不根据本发明的喷嘴室的图解断面。

图50是示出薄喷嘴板的通过根据本发明实施例的喷嘴室的图解断面。

图51是示出两个加热器元件的通过根据本发明实施例的喷嘴室的图解断面。

图52是示出两个加热器元件的通过现有技术打印头的喷嘴室的图解断面。

图53是通过根据本发明实施例的打印头的一对相邻单位单元的图解断面，其示出在具有不同体积的滴已经通过其被喷射之后的两个不同的喷嘴。

图54和55是通过现有技术打印头的加热器元件的图解断面。

图56是通过根据本发明实施例的经保形涂覆的加热器元件的图解断面。

图57是根据本发明实施例的打印头的连接于电极的加热器元件的图解立面图(elevational view)。

图58是根据本发明实施例的打印头的打印头模块的示意性分解透视图。

图59是未被分解而示出的图58的打印头模块的示意性透视图。

图60是图58的打印头模块的以断面部分地示出的示意性侧视图。

图61是图58的打印头模块的示意性平面图。

图62是根据本发明实施例的打印头的示意性分解透视图。

图63是未被分解而示出的图62的打印头的另外示意性透视图。

图64是图62的打印头的示意性前视图。

图65是图62的打印头的示意性后视图。

图66是图62的打印头的示意性底视图。

图67是图62的打印头的示意性平面图。

图68是如在图62中所示但未被分解而示出的打印头的示意性透视图。

图69是通过图62的打印头的示意性纵向断面。

图70是根据本发明实施例的打印机系统的框图。

具体实施方式

在随后的描述中，在不同的图中所使用的对应参考数字或参考数字的对应前缀(即在点标记之前出现的参考数字部分)涉及对应的部分。当存在参考数字的对应前缀及不同后缀时，这些指示对应部分的不同特定实施例。

发明综述及对操作的一般讨论

参考图1至4，根据本发明实施例的打印头的单位单元1包括其中具有喷嘴3的喷嘴板2，所述喷嘴具有喷嘴缘4及通过喷嘴板延伸的孔5。喷嘴板2从氮化硅结构进行等离子蚀刻而得到，所述结构通过化学汽相沉积(CVD)而沉积在随后被蚀刻的牺牲材料上。

对于每个喷嘴3，打印头还包括：喷嘴板被支撑于其上的侧壁6，由壁和喷嘴板2所限定的室7，多层基片8以及通过多层基片延伸到基片远侧(未示出)的入口通路9。环路式伸长加热器元件10被悬挂在室7内，从而使元件处于悬梁的形式。如所示的打印头是微机电系统(MEMS)结构，其通过下面较详细描述的平版印刷(lithographic)过程而形成。

当打印头在使用中时，来自储蓄器(未示出)的墨11经由入口通路9进入室7，从而使室填充到如图1所示的水平。其后，加热器元件10被加热略少于1微秒，以便于加热处于热脉冲的形式。将理解，加热器元件10处于与室7内的墨11的热接触，以便于当元件被加热时这导致在墨中产生汽泡12。因而，墨11构成了泡形成液。图1示出在产生热脉冲之后大约1微秒，即当泡刚好在加热器元件10上成核时的泡12的形成。将理解，由于热是以脉冲形式被施加，产生泡12所必要的所有能量要在所述短时间内被供给。

暂时转到图34，所示为如在下面较详细的描述，用于在平版印刷过程期间形成打印头加热器14(所述加热器包括以上所提及的元件10)的掩模13。当掩模13被用来形成加热器14时，其各个部分的形状对应于元件10的形状。因此掩模13提供一种用来标识加热器14的各个部分的有用参考。加热器14具有对应于掩模13被标为15.34的部分的电极15以及对应于掩模被标为10.34的部件的加热器元件10。在操作中，电压被施加在电极15上，以使电流流经元件10。电极15比元件10厚得多，以便于大部分电阻由元件来提供。因此，在操作加热器14时所消耗的近乎全部功率经由元件10以生成以上提到的热脉冲的形式耗散。

当元件10如以上所述被加热时，沿着元件的长度形成泡12，这个泡在图1的横截面视图中作为四个泡部分出现，一个泡对应于横截面中所示的每个元件部分。

泡12一旦被产生，则导致室7内的压力的增加，其又导致墨11的滴16通过喷嘴3的喷射。当滴16被喷射时缘4帮助对其进行导向，以便于使滴误导的机会最小。

每个入口通路9仅有一个喷嘴3和室7的原因是使在对元件10进行加热及形成泡12时，室内所产生的压力波不影响相邻的室及其对应的喷嘴。

加热器元件10被悬挂而不是被嵌入在任何固体材料中的优点在下面被讨论。

图2和3示出在打印头的两个相继随后操作阶段时的单位单元1。可以看出泡12进一步产生且因此增长，从而得到墨11通过喷嘴3的前进。如图3所示，当泡12增长时，其形状由墨11的惯性动力学及表面张紧的组合来决定。表面张紧趋向于使泡12的表面面积最小，因此到某个量的液已被蒸发时，泡基本上是盘形。

室7内的压力增加不仅通过喷嘴3推出墨11，而且通过入口通路9将一些墨推回。然而，入口通路9长度近似为200至300微米，并且直径仅近似为16微米。因此存在基本的粘性曳力。结果，室7内压力上升的主导效应是迫使墨通过喷嘴3作为被喷射的滴16而出去，而不是通过入口通路9返回。

现在转到图4，打印头被示出处于另一相继的操作阶段，其中正被喷射的墨滴16被示出处于滴断开之前的其“颈缩阶段(necking phase)”。在这个阶段，泡12已经到达其最大尺寸并且随后已经向着坍缩点17开始坍缩，如在图5中较详细反映的那样。

向着坍缩点17的泡的坍缩使一些墨11从喷嘴3内(从滴的侧面18)向着坍缩点被抽取，并且一些从入口通路9向着坍缩点被抽取。通过这种方式抽取的大部分墨11是从喷嘴3抽取的，从而在滴16断开之前在其基底形成环形颈19。

滴16需要某个量的动量来克服表面张力从而断开。当墨11借助泡12的坍缩被从喷嘴3中抽取时，颈19的直径减小，由此减小保持滴的总表面张紧量，这样当滴从喷嘴被喷射出时其动量足以允许滴断开。

当滴16断开时，在泡12坍缩至坍缩点17时，导致如箭头20所反映的成穴力(cavitation force)。将注意到不存在成穴可对其具有作用的坍缩点17附近的固体表面。

制造过程

现在参照图6至29来描述根据本发明实施例的打印头的制造过程的相关部分。

参考图6，所示为在打印头生产过程中的中间阶段，通过硅基片部分21的横截面，所述硅基片部分21是Memjet打印头的一部分。该图涉及对应于单位单元1的打印头部分。对随后制造过程的描述将针对单位单元1，虽然将理解所述过程将适用于组成整个打印头的许多相邻单位单元。

图6表示在制造过程期间，在完成标准的CMOS制造过程，包括在基片部分21的区域22中CMOS驱动晶体管(未示出)的制造，以及在完成标准CMOS互连层23及钝化层24之后的接下来的相继步骤。虚线25所表示的接线电性互连晶体管和其它驱动电路(也未示出)以及对应于喷嘴的加热器元件。

在互连层23的金属化期间形成保护环26，以防止墨11通过基片部分21从其中将形成单位单元1的喷嘴的标为27的区域扩散到包含接线25的区域，并腐蚀被设置在标为22的区域内的CMOS电路。

在完成CMOS制造过程之后的第一阶段包括蚀刻一部分钝化层24，以形成钝化凹陷29。

图8示出在蚀刻互连层23以形成开口30之后的生产阶段。开口30用来构成到将在过程的稍后阶段形成的室的墨入口通路。

图10示出基片部分21内其中要形成喷嘴3的位置处的孔洞31的蚀刻之后的生产阶段。在稍后的生产过程中，另外的孔洞(由虚线32指示)将从基片部分21的另一侧(未示出)被蚀刻以与孔洞31接合，以完成到室的入口通路。因此，孔洞32将不必从基片部分21的另一侧一直被蚀刻至互连层23的水平。

相反，如果孔洞32要被一直蚀刻至互连层23，则处于蚀刻不精确性的考虑，为了避免蚀刻孔洞32而损坏区域22内的晶体管，孔洞32将不得不在离该区域的较大距离处被蚀刻，以便于留下适当的裕量(由箭头34所指示)。但是从基片部分21顶部对孔洞31的蚀刻，以及所得到的经缩短的孔洞32深度意味着需要留下较小的裕量34，并且因此可实现基本上较高的组装密度(packing density)。

图11示出在层24上已经沉积了四微米厚的牺牲抗蚀剂(resist)层35之后的生产阶段。这个层35填充了孔洞31并且现在形成了部分打印头结构。然后利用(如由图12中所示掩模来表示的)某些图案对抗蚀剂层进行曝光，以形成凹陷36和缝隙37。这为形成用于稍后要在生产过程中形成的加热器元件的电极15的接触作准备。在过程的稍后阶段，缝隙37将为形成将限定部分室7的喷嘴壁6作准备。

图13示出在层35上沉积0.25微米厚的加热器材料层38之后的生产阶段，在本实施例中所述加热器材料为氮化钛。

图14示出对加热器层38加以图案化和蚀刻以形成包括加热器元件10和电极15的加热器14之后的生产阶段。

图16示出在已经添加大约1微米厚的另一个牺牲抗蚀剂层39之后的生产阶段。

图18示出在已经沉积了第二加热器材料层40之后的生产阶段。在优选实施例中，这个层40像第一加热器层38一样是0.25微米厚的氮化钛。

然后图19示出在已经被蚀刻以形成如所示的由参数数字41指示的图案之后的这个第二加热器材料层40。在这个示例中，这个图案化的层不包括加热器层元件10，并且在这个意义上没有加热器功能性。然而，该加热器材料层的确帮助减小加热器14的电极15的电阻，以便于在操作中电极消耗较少的能量，这允许由加热器元件10消耗较多的能量且因此允许其较大的有效性。在图38中所示例的双加热器实施例中，对应的层40不包含加热器14。

图21示出在已经沉积第三牺牲抗蚀剂层42之后的生产阶段。由于这个层的最上水平将构成稍后要形成的喷嘴板2的内表面，且由此构成喷嘴孔5的内延(inner extent)，这个层42的高度必须足够以允许在打印头的操作期间在标为43的区域中形成泡12。

图23示出在屋顶层44，也就是将构成喷嘴板2的层，已经被沉积之后的生产阶段。喷嘴板2不是由100微米厚的聚酰亚胺膜形成，而是由仅2微米厚的氮化硅形成。

图24示出在标为45的位置处，在形成层44的氮化硅的化学汽相沉积(CVD)已经被部分蚀刻以形成喷嘴缘4的外侧部分之后的生产阶段，这个外侧部分被标为4.1。

图26示出在氮化硅的CVD已经在46处被一直蚀刻通，以完成喷嘴缘4的形成并形成喷嘴孔5之后，以及在CVD氮化硅在其中不需要它的标为47的位置处已经被去除之后的生产阶段。

图28示出在已经施加了抗蚀剂的保护层48之后的生产阶段。这个阶段之后，然后基片部分21被从其另他侧(未示出)打磨以将基片部分从其大约为800微米的标称厚度减小到大约200微米，并且随后，如上面所预示的那样来蚀刻孔洞32。孔洞32被蚀刻到与孔洞31相遇的深度。

然后，通过使用氧等离子体，每个抗蚀剂层35、39、42和48的牺牲抗蚀剂被去除，以形成图30中所示的具有一起限定室7的壁6和喷嘴板2的结构(示出部分壁和喷嘴板被切掉)。将注意到这还用来去除填充孔洞31的抗蚀剂，以便于该孔洞与孔洞32(在图30中未示出)一起限定从基片部分21的下侧延伸到喷嘴3的通路，该通路用作到室7的总体标为9的墨入口通路的作用。

尽管上述生产过程被用来产生图30所示的打印头的实施例，然而具有不同加热器结构的另外的打印头实施例被示于图33、图35和37以及图38和40中。

墨滴喷射的控制

再一次参考图30，如以上所提到的所示单位单元1被示出部分壁6和喷嘴板2被切去，由此显露出室7的内部。加热器14没有示出被切去，这样加热器元件10的两半均可以被看到。

在操作中，墨11通过墨入口通路9(见图28)以填充室7。然后，电压被施加于电极15上，以建立通过加热器元件10的电流流动。如上面针对图1所描述的，这加热元件10，以在室7内的墨中形成汽泡。

加热器14的各种可能结构，其一些被示于图33、35和37以及38中，可以导致加热器元件10的长度与宽度比有许多变化。这样的变化(即使元件10的表面面积可以相同)可对元件的电阻，且因此对用来获得元件的某一功率的电压与电流之间的平衡具有显著的作用。

与较早版本相比，现代驱动电子部件趋向于需要较低的驱动电压，其中在其“导通”状态下具有较低的驱动晶体管电阻。因此，在这样的驱动晶体管中，对于给定的晶体管面积，在每个过程产生中存在较高电流容量及较低电压容差的趋势。

参考上面，图36以平面图示出用于形成图35中所示打印头实施例的加热器结构的掩模的形状。因而，由于图36表示那个实施例的加热器元件10的形状，所以现在在讨论那个加热器元件时它被提及。在操作中，电流竖直地流进电极15(由被标为15.36的部分表示)中，从而使电极的电流流动面积相对大，这又导致存在低的电阻。相对照，图36中由被标为10.36的部分所表示的元件10长且细，在这个实施例中元件的宽度为1微米且厚度为0.25微米。

将注意到图33中所示的加热器14具有比图35中所示的元件10明显小的元件10，且仅具有单环路36。因而，图33的元件10将具有比图35的元件10低得多的电阻，并且将允许较高的电流流动。因此需要较低的驱动电压以在给定的时间内向加热器14递送给定的能量。

另一方面，在图38中，所示实施例包括具有对应于相同单位单元1的两个加热器元件10.1和10.2的加热器14。这些元件之一10.2的宽度为另一个元件10.1的两倍，从而具有对应地较大的表面面积。下部元件10.2的各种路径的宽度为2微米，而上部元件10.1的各种路径的宽度为1微米。因此在给定的驱动电压和脉冲持续时间下，由下部元件10.2施加到室7中墨的能量是由上部元件10.1所施加的能量的两倍。这允许对汽泡大小，且因此对因泡而被喷射的墨滴大小的调节。

假定由上部元件10.1施加到墨上的能量为X，将理解到由下部元件10.2所施加的能量为大约2X，且由两个元件一起施加的能量为大约3X。当然，当两个元件无一操作时，被施加的能量为零。因此，实际上利用一个喷嘴3可以打印两位的信息。

由于实际上不可能确切地实现上述能量输出倍数，所以可能需要对元件10.1和10.2的确切尺寸调整(sizing)或对被施加到其上的驱动电压的某种“微调(fine tuning)”。

还将注意到上部元件10.1相对于下部元件10.2绕竖直轴旋转经过180°。这样使它们的电极15不重合，从而允许独立的连接以分开驱动电路。

特定实施例的特征和优点

下面在适当标题下所讨论的是本发明实施例的某些具体特征和这些特征的优点。所述特征应针对属于本发明的所有附图来考虑，除非上下文特别地排除某些附图，并且涉及被特别提及的那些附图。

悬梁加热器

参考图1，且如上面所提及，加热器元件10处于悬梁的形式，且其被悬挂在至少一部分(标为11.1)墨11(泡形成液)之上。元件10以这种方式被配置，而不是像在由各个制造商如Hewlett Packard、Canon和Lexmark制造的现有打印头系统中那样形成基片的部分或被嵌入到基片中。这构成了本发明实施例与当前的喷墨技术之间的显著差异。

这个特征的主要优点是通过避免现有技术设备中所发生的对围绕加热器元件10的固体材料(例如形成室壁6，以及围绕入口通路的固体材料)的不必要加热，可以实现较高的效率。对这种固体材料的加热不贡献于汽泡12的形成，这样对这种材料的加热涉及能量的浪费。在任何显著意义上贡献于泡12产生的仅有能量是被直接施加到要被加热的液的能量，所述液典型地为墨11。

在一个优选实施例中，如图1中所示，加热器元件10被悬挂在墨11(泡形成液)内，从而使该液包围元件。这被进一步示例于图41中。在另一个可能的实施例中，如图42中所示，加热器元件10梁被悬挂在墨11(泡形成液)的表面，这样该液仅在元件之下，而不是包围它，并且在元件的上侧存在空气。针对图41所描述的实施例是优选的，因为泡12将完全在元件10周围形成，而不像在针对图42所描述的实施例中泡将仅从元件的下面形成。因此图41的实施例有可能提供较为有效的操作。

如例如参照图30和31可以看到的，加热器元件10梁仅在一侧上被支撑且在其相对侧上是自由的，这样它构成了悬臂。

打印头的效率

目前在考虑中的特征是：加热器元件被配置以便于需要小于500纳焦(nJ)的能量被施加到元件上，以将它充充分加热从而在墨11中形成泡12，以便于通过喷嘴3喷射墨滴16。在一个优选实施例中，所需要的能量小于300nJ，而在另一个实施例中该能量小于120nJ。

本领域的技术人员将理解，现有技术设备通常需要超过5微焦来充分加热元件以产生汽泡12从而喷射墨滴16。因此，本发明的能量要求是小于已知热喷墨系统的数量级。这个较低的能量消耗允许较低的操作费用、较小的功率供应等，而且大大简化了打印头冷却，允许喷嘴3的较高密度，并且允许在较高分辨率下打印。

本发明的这些优点在其中各个喷射墨滴16本身构成打印头的主要冷却机构的实施例中是尤其有意义的，如下面进一步描述的。

打印头的自冷却

本发明的这个特征提供了：通过被喷射的墨本身所去除的热及从墨储蓄器(未示出)被带入打印头的墨的组合，被施加到加热器元件10用以形成汽泡12以便于喷射墨11的滴16的能量被从打印头去除。其结果是热的净“运动”将是从打印头向外，以提供自动冷却。在这些情形下，打印头不需要任何其它冷却系统。

由于被喷射的墨滴16及被抽取到打印头中用以置换被喷射滴的墨11的量由相同类型的液构成，并且将基本上具有相同的质量，所以方便地将能量的净运动一方面表达为通过对元件10加热而添加的能量，以及另一方面表达为由喷射墨滴16和引入墨11的置换数量所导致的热能的净去除。假设墨11的置换数量处于环境温度，则由被喷射的和置换数量的墨的净运动所导致的能量变化可以方便地被表达为这样的热，如果被喷射滴16在环境温度下，将需要所述热以将被喷射滴16的温度上升到滴被喷射时的滴的实际温度。

将理解，确定是否符合上述准则取决于什么构成环境温度。在当前情况下，被取为环境温度的温度是当墨11从墨存储储蓄器(未示出)进入到打印头时的温度，其中所述墨存储储蓄器以流体流连通方式被连接到打印头的入口通路9。典型地，环境温度将是室内环境温度，其通常大致为20℃(摄氏)。

然而，如果例如室温较低，或如果进入打印头的墨11被冷冻，则环境温度可较低。

在一个优选实施例中，打印头被设计成实现完全的自冷却(即其中因被喷射及置换数量的墨11的净效应所导致的输出热能等于由加热器元件10添加的热能)。

举例来说，假定墨11是泡形成液且是水基的，由此具有近似100℃的沸点，且如果环境温度是40℃，则从环境温度到墨沸腾温度有最大60度，且那是打印头可经历的最大温升。

理想的是避免在打印头内(不是在墨滴16喷射时)具有很接近于墨11的沸点的墨温度。如果墨11处于这样的温度，则打印头部分之间的温度变化可导致一些区域在沸点以上，从而带来非想要的且因此不希望的汽泡12的形成。因而，本发明的优选实施例被配置以便于如以上所述，当加热元件10不工作时，特定喷嘴室7中的墨11(泡形成液)的最大温度低于其沸点10℃时可以实现完全的自冷却。

目前在讨论中的特征以及其各种实施例的主要优点是：它允许高喷嘴密度及高速打印头操作，而无需精心的冷却方法，用于防止在与墨滴16从中被喷射的喷嘴相邻的喷嘴3中不需要的沸腾。与不存在这种特征及所提到的温度准则的情况相比，这可以允许喷嘴组装密度多达百倍的增加。

喷嘴的面密度

本发明的这个特征涉及打印头上喷嘴3的按面积计算的密度。参考图1，喷嘴板2具有上表面50，且本发明的这个方面涉及该表面上的喷嘴3的组装密度。更具体地，那个表面50上的喷嘴3的面密度超过每平方厘米表面面积10,000个喷嘴。

在一个优选实施例中，所述面密度超过每平方厘米表面50面积20,000个喷嘴3，而在另一个优选实施例中，面密度超过每平方厘米40,000个喷嘴3。在一个优选实施例中，面密度是每平方厘米48 828个喷嘴3。

当提及面密度时，使每个喷嘴3包括对应于喷嘴的驱动电路，其典型地包括驱动晶体管、移位寄存器、使能门和时钟再生电路(该电路未被特别地加以标识)。

参考其中示出单个单位单元1的图43，该单位单元的尺度被示出为宽度为32微米且长度为64微米。喷嘴下一相继行(未示出)的喷嘴3紧接着这个喷嘴并置，这样，作为打印头芯片的外周边尺度的结果，每平方厘米有48,828个喷嘴3。这是典型热喷墨打印头的喷嘴面密度的大约85倍，且为压电打印头的喷嘴面密度的大致400倍。

由于设备在特定尺寸的硅晶圆上被成批制造，高面密度的主要优点是低制造成本。

在一平方厘米基片内可以容纳的喷嘴3越多，则在典型地由一个晶圆组成的单批次中可以制造的喷嘴越多。本发明打印头中所使用类型的CMOS加上MEMS晶圆的制造成本，在某种程度上独立于其上形成的图案的特性。因此，如果图案相对小，则可以包括相对大数目的喷嘴3。与喷嘴具有较低面密度的情况相比，这允许以相同的成本制造更多的喷嘴3和更多的打印头。成本直接与喷嘴3所占用的面积成比例。

加热器元件的相对侧上的泡的形成

根据本特征，加热器14被配置以便于当在墨11(泡形成液)中形成泡12时，它形成在加热器元件10的两侧。优选地，它形成以便于包围加热器元件10，其中所述元件处于悬梁的形式。

可以参考图45和46来理解与仅在一侧对比，在加热器元件10的两侧的泡12的形成。如所示，在这些图中的第一图中，加热器元件10适合于要仅在一侧形成的泡12，而在这些图的第二图中，所述元件适合于要在两侧形成的泡12。

在如图45所示的配置中，泡12仅在加热器元件10一侧形成的原因在于：元件被嵌入在基片51中，这样泡不能被形成在对应于基片的特定侧。相对照，在图46的配置中，泡12可以形成在两侧，这是因为加热器元件10在这里是被悬挂的。

当然在加热器元件10处于如以上针对图1所述的悬梁形式的情况下，允许形成泡12以包围悬梁元件。

在两侧形成泡12的优点在于可实现的较高效率。这是因为减少了对加热器元件10附近的固体材料进行加热所浪费的热，而其并不贡献于泡12的形成。这被示例于图45中，其中箭头52指示进入到固体基片51中的热运动。损失于基片51的热量取决于基片固体材料相对于墨11的热传导率，所述墨11可以是水基的。由于水的热传导率相对低，可以预期一多半热被基片51而不是被墨11吸收。

成穴的防止

如以上所述，当泡12已经被形成在根据本发明实施例的打印头中之后，泡向着坍缩点17坍缩。根据目前所针对的特征，加热器元件10被配置成形成泡12，以便于泡向着其坍缩的坍缩点17处于与加热器元件隔开的位置。优选地，打印头被配置成使在这样的坍缩点17没有固体材料。这样，在现有技术热喷墨设备中是主要问题的成穴被大大消除。

参考图48，在优选实施例中，加热器元件10被配置成具有限定间隙(由箭头54表示)的部分53，并形成泡12以使泡向着其坍缩的坍缩点17位于这样的间隙处。这个特征的优点在于基本上避免了成穴对加热器元件10和其它固体材料的损坏。

在如图47所示意性示出的标准现有技术系统中，加热器元件10被嵌入在基片55中，其中在该元件之上有绝缘层56，并且在该绝缘层之上有保护层57。当泡12被元件10形成时，它被形成在元件10的顶部。当泡12坍缩时，如箭头58所示，泡坍缩的所有能量被集中到很小的坍缩点17上。如果缺少保护层57，则由于从这个能量集中于坍缩点17得到的空穴而导致的机械力可切掉或侵蚀加热器元件10。然而，这被保护层57防止。

典型地，这样的保护层57得自钽，其氧化以形成很硬的五氧化二钽(Ta₂O₅)层。虽然没有公知的材料可以完全地抵御成穴的效应，但是如果因成穴导致五氧化二钽应该被切掉，则在下面的钽金属将再次发生氧化，从而有效地修复五氧化二钽层。

虽然在公知的热喷墨系统中，五氧化二钽在这点上相对好地起作用，但是它具有某些缺点。一个显著的缺点是：在实际中，实际上整个保护层57(具有由参考数字59指示的厚度)必须被加热以将所需要的能量传递到墨11中，从而对其加热以形成泡12。由于钽具有很高的原子量，这个层57具有高热质(thermal mass)，并且这降低了热传递的效率。这不仅增加了在标为59的水平处所需要的热量以充分升高标为60的水平处的温度以加热墨11，而且还导致在箭头61所指示的方向上发生基本的热损失。如果加热器元件10仅被支撑在一表面上且不被保护层57所覆盖，则这些缺点将不存在。

根据目前在讨论中的特征，如以上所述，通过以下避免了对保护层57的需求：产生泡12以便于如图48中所示例，泡向着坍缩点17坍缩，在所述坍缩点处没有固体材料，并且更具体地在这里在加热器元件10的部分53之间存在间隙54。由于仅有墨11本身处于这个位置(在泡产生以前)，所以在此没有材料可因成穴效应而被侵蚀。坍缩点17处的温度可达到数千摄氏度，如声致发光(sonoluminescence)现象所证实的那样。这将破坏那个点处的墨组分。然而，在坍缩点17处具有极端温度的体积是如此小，以致于对这个体积中的墨组分的破坏并不显著。

通过使用对应于由图34中所示掩模的部分10.34所表示的加热器元件10，可以实现泡12的产生，以便于它向着不存在固体材料的坍缩点17坍缩。所表示的元件是对称的，并且具有在其中心处由参考数字63表示的孔洞。当元件被加热时，泡形成在元件周围(由虚线64指示)并且然后增长，从而使它不是如由虚线64和65所示例的环(炸面圈(doughnut))形，而是跨接包括孔洞63的元件，所述孔洞随后被形成泡的蒸汽所填充。泡12由此基本上是盘形。当它坍缩时，坍缩被导向，以使围绕泡12的表面张紧最小。这涉及在所涉及的动力学所允许的范围内，将泡形状移向球形状。这又使坍缩点处于加热器元件10中心处的孔洞63的区域内，其中不存在固体材料。

图31中所示掩模的部分10.31所表示的加热器元件10被配置以实现类似的结果，其中如虚线66所示而产生泡，并且泡所坍缩到的坍缩点处于元件中心处的孔洞67中。

被表示为图36中所示掩模的部分10.36的加热器元件10也被配置以实现类似的结果。当元件10.36的尺寸被如此确定以使孔洞68小的情况下，加热器元件的制造不精确性可影响到这样的程度，即泡可以被形成以使其坍缩点处于由该孔洞限定的区域内。例如，孔洞可小至跨度为几微米。在不能实现元件10.36的高水平精度时，这可导致被表示为12.36的略微倾向一边的泡，这样它们不可能被导向如此小的区域内的坍缩点。在这种情况下，对于图36中所表示的加热器元件，元件的中心环49可以简单地被省略，由此增加了泡的坍缩点所要落入的区域的大小。

经化学汽相沉积的喷嘴板以及薄喷嘴板

每个单位单元1的喷嘴孔5延伸通过喷嘴板2，喷嘴板由此构成通过化学汽相沉积(CVD)形成的结构。在各种优选实施例中，CVD是氮化硅、二氧化硅或氧氮化物(oxi-nitride)。

由CVD形成喷嘴板2的优点在于：它形成在这样的地方，在这里不需要将喷嘴板组装到诸如单位单元1的壁6的其它部件。这是一个重要的优点，因为否则将需要的喷嘴板2的组装可以是难以实现的，并且可以涉及潜在复杂的问题。这种问题包括：在将喷嘴板2粘接到其它部分的粘合剂的固化过程期间，喷嘴板2与它将被组装到其上的部分之间的潜在的热膨胀失配，成功保持部件彼此对准、保持它们平坦的困难等。

热膨胀问题是现有技术中限制可制造的喷墨机的大小的显著因素。这是因为例如镍喷嘴板与喷嘴板被连接到其上的基片之间的热膨胀系数差在该基片得自硅的情况下相当大(quite substantial)。因而，在小至比方说1000个喷嘴所占用的距离上，当相应部分被从环境温度加热到将部件接合在一起所需的固化温度时，发生在所述相应部件之间的相对热膨胀可以导致显著大于整个喷嘴长度的尺度失配。这对于这样的设备这将是明显有害的。

目前在讨论中的本发明特征所针对的另一个问题至少在其实施例中是：在现有技术设备中，需要被组装的喷嘴板通常在相对高的应力条件下被层压到打印头的其余部分上。这可以导致设备的断裂或所不希望的变形。在本发明实施例中通过CVD对喷嘴板2的沉积避免了这一问题。

本发明的当前特征的另外优点至少在其实施例中是它们与现有半导体制造过程的兼容性。通过CVD沉积喷嘴板2允许喷嘴板以正常硅晶圆生产的规模，采用半导体制造正常情况下所使用的过程被包括在打印头中。

在泡产生阶段期间，现有热喷墨或喷泡系统经历高达100个大气压的压力瞬变。如果这种设备中的喷嘴板2通过CVD来施加，则为了抵抗这种压力瞬变，将需要相当厚的CVD喷嘴板。正如本领域的技术人员将理解的，经沉积的喷嘴板的这种厚度将带来下面所讨论的某些问题。

例如，在喷嘴室7内足以抵抗100个大气压压力的氮化物厚度可以是比方说10微米。参考其中示出不根据本发明的单位单元1，并且具有这样的厚喷嘴板2的图49，将理解这样的厚度将导致与滴喷射有关的问题。在这种情况下，由于喷嘴板2的厚度，由喷嘴3在墨11通过它喷射时所施加的流体曳力导致设备效率的显著损失。

在这种厚喷嘴板2情况下将存在的另一个问题涉及实际的蚀刻过程。这是假定例如利用标准的等离子体蚀刻，如所示垂直于基片部分的晶圆8来蚀刻喷嘴3。这将典型地需要施加多于10微米的抗蚀剂69。为了对那个厚度的抗蚀剂69进行曝光，所需要的分辨率水平变得难以实现，这是因为被用于对抗蚀剂曝光的分档器(stepper)焦深相对小。虽然将有可能使用x射线对这个相关深度的抗蚀剂69进行曝光，但是这将是相对昂贵的过程。

在10微米厚的氮化物层经CVD沉积在硅基片晶圆上的情况下，这种厚喷嘴板2将存在的进一步问题是：由于CVD层和基片之间的热膨胀差，以及厚沉积层内的固有应力，可能使晶圆被弯曲到如此程度，以致于平版印刷过程中的另外步骤将变成不实际。因此，厚至10微米的喷嘴板2的层(不像在本发明中)虽然是可能的，但却是不利的。

参考图50，在根据本发明实施例的Memjet热喷墨设备中，CVD氮化物喷嘴板层2仅2微米厚。因此通过喷嘴3的流体曳力并不特别显著，且因此不是损失的主要原因。

此外，在这种喷嘴板2中蚀刻喷嘴3所需要的蚀刻时间和抗蚀剂厚度，以及在基片晶圆8上的应力将不是过度的。

由于在室7内产生的压力仅为近似1个大气压而不是如前面所提到的如现有技术设备中的100个大气压，在本发明中相对薄的喷嘴板2被使能。

在这个系统中存在贡献于喷射滴16所需要的压力瞬变的显著降低的许多因素。它们包括：

1.室7的小尺寸；

2.喷嘴3和室7的精确制造；

3.在低的滴速度下滴喷射的稳定性；

4.在喷嘴3之间很低的流体和热干扰；

5.针对泡区的最优喷嘴尺寸；

6.通过薄(2微米)喷嘴3的低流体曳力；

7.由通过入口9的墨喷射导致的低压力损失；

8.自冷却操作。

如上面结合根据图6至31所描述的过程所提到的，2微米厚的喷嘴板层2的蚀刻涉及两个相关的阶段。一个这样的阶段涉及蚀刻在图24和50中被标为45的区域以在将成为喷嘴缘4的部分的外部形成凹陷。另一个这样的阶段涉及蚀刻在图26和50中被标为46的区域，其实际上形成喷嘴孔5并且完成缘4。

喷嘴板厚度

如上面结合通过CVD形成喷嘴板2所针对的，并且以就这一点所述的优点，本发明中的喷嘴板比现有技术中薄。更具体地，喷嘴板2小于10微米厚。在一个优选实施例中，每个单位单元1的喷嘴板2小于5微米厚，而在另一个优选实施例中，它小于2.5微米厚。实际上，用于喷嘴板2的优选厚度为2微米厚。

在不同层中形成的加热器元件

根据本特征，存在被设置在每个单位单元1的室7内的多个加热器元件10。通过如以上针对图6至31所描述的平版印刷过程而形成的元件10被形成在相应的层中。

在优选实施例中，如图38、40和51所示，室7中的加热器元件10.1和10.2相对于彼此具有不同的大小。

同样如参照对平版印刷过程的以上描述将理解的，每个加热器元件10.1，10.2通过该过程的至少一个步骤形成，涉及每一个元件10.1的平版印刷步骤与涉及另一个元件10.2的平版印刷步骤截然不同。

如图51中的示图所示意性反映的，元件10.1，10.2优选地相对于彼此被确定大小，以便于它们可以实现二元加权的(binary weighted)墨滴体积，即，以便于它们可以使具有不同的、经二元加权的体积的墨滴16通过特定单位单元1的喷嘴3而喷射。墨滴16体积的二元加权的实现由元件10.1和10.2的相对大小来确定。在图51中，与墨11接触的底部加热器元件10.2的面积为顶部加热器元件10.1面积的两倍。

由Canon取得专利权且被示意性地示例于图52中的一种公知现有技术设备也具有用于每个喷嘴的两个加热器元件10.1和10.2，并且它们也被确定尺寸于二元的基础上(即，以产生具有经二元加权的体积的滴16)。这些元件10.1和10.2在喷嘴室7中被彼此相邻地形成在单层中。将理解，仅由小元件10.1形成的泡12.1相对小，而仅由大元件10.2形成的泡12.2相对大。当两个元件同时被激励时，由两个元件的组合效应所产生的泡被标为12.3。三个不同大小的墨滴16将被使得由三个相应的泡12.1、12.2和12.3来喷射。

将理解，元件10.1和10.2本身的大小不需要经二元加权以导致具有不同大小的滴16的喷射或滴的有用组合的喷射。事实上，二元加权可完全不由元件10.1、10.2本身的面积精确表示。在确定元件10.1和10.2的大小以获得经二元加权的滴体积时，围绕泡12产生的流体特征，滴的动力学特征，一旦滴16已经断裂，从喷嘴3被抽回到室7中的液数量等必须被加以考虑。因而，元件10.1和10.2表面面积的实际比率或两个加热器的性能需要在实践中被加以调节以获得所需的经二元加权的滴体积。

当加热器元件10.1、10.2的大小被固定且因此其表面面积的比率被固定时，通过调节到两个元件的供应电压，被喷射滴16的相对大小可被调节。这亦可通过调节元件10.1、10.2的操作脉冲的持续时间，即它们的脉冲宽度来实现。然而，脉冲宽度不能超出某一时间量，这是因为一旦泡12已经成核在元件10.1、10.2的表面，则在那个时间之后脉冲宽度的任何持续时间将几乎没有或没有作用。

另一方面，加热器元件10.1、10.2的低热质允许它们被加热以很快达到泡12被形成且滴16被喷射的温度。虽然最大有效脉冲宽度被泡成核的开始典型地限制到0.5微秒左右，但是最小脉冲宽度仅由可以被加热器元件10.1、10.2容忍的可用电流驱动和电流密度加以限制。

如图51中所示，两个加热器元件10.1、10.2被连接到两个相应的驱动电路70。虽然这些电路70可彼此相同，但是借助于这些电路，例如通过使被连接到作为高电流元件的下部元件10.2的驱动晶体管(未示出)的大小大于被连接到上部元件10.1的那个，可以实现进一步的调节。如果例如被提供到相应元件10.1、10.2的相对电流处于2∶1的比率，则被连接到下部元件10.2的电路70的驱动晶体管将典型地是被连接到另一个元件10.1的电路70的驱动晶体管(也未被示出)的宽度的两倍。

在针对图52所述的现有技术中，处在同一层中的加热器元件10.1、10.2在平版印刷制造过程的同一步骤中被同时生产。在图51中所示例的本发明实施例中，如上面所提到的，两个加热器元件10.1、10.2被一个接一个地形成。事实上，如在参照图6至31所示例的过程中所述，用来形成元件10.2的材料被沉积且随后被蚀刻于平版印刷过程中，其后牺牲层39被沉积在该元件的顶部，且随后用于另一个元件10.1的材料被沉积，以使牺牲层处于两个加热器元件层之间。第二元件10.1的层通过第二平版印刷步骤来蚀刻，并且牺牲层39被去除。

再一次提及加热器元件10.1和10.2的不同尺寸，如以上所提到的，这所具有的优点是，它使元件能被确定尺寸以便于从一个喷嘴3实现多个经二元加权的滴体积。

将理解，在可以实现多个滴体积情况下，且特别地如果它们是经二元加权的，则可以在使用较少打印点时且以较小的打印分辨率获得照片的质量。

此外，在相同情形下，可以实现较高速度的打印。即，不是仅喷射一个滴14且随后等待喷嘴3被再填充，而是一个、两个或三个滴的等效物(equivalent)可被喷射。假定可用的喷嘴3的再填充速度不是限制性因素，则可实现快高达三倍的墨喷射且因此实现快高达三倍的打印。然而，实际上，喷嘴再填充时间将典型地是限制性因素。在这种情况下，与仅最小体积的滴已经被喷射时相比，当已经喷射了三倍体积的滴16时(相对于最小大小的滴)将花费略微长的时间对喷嘴3进行再填充。然而，实际上再填充将不花费多达三倍长的时间。这是由于墨11的惯性动力学和表面张紧而造成的。

参考图53，其中示意性示出一对相邻的单位单元1.1和1.2，在左边的单元1.1表示较大体积的滴16已经被喷射之后的喷嘴3，且在右边的单元1.2表示较小体积的滴已经被喷射之后。在较大的滴16的情况下，已经在被部分排空的喷嘴3.1内部形成的空气泡71的曲率大于在较小体积的滴已经从另一个单位单元1.2的喷嘴3.2被喷射之后已经形成的空气泡72的情况下的曲率。

单位单元1.1中空气泡71的较高曲率导致较大的表面张力，其趋向于将墨11从再填充通路9抽向喷嘴3并进入室7.1，如由箭头73所示。这引起较短的再填充时间。当室7.1再填充时，它达到被标明74的阶段，其中条件类似于在相邻单位单元1.2中的条件。在该条件下，单位单元1.1的室7.1被部分再填充且表面张力因此已经被降低。这导致在这个阶段，在那个单位单元1.1中该条件已经被达到时，即使以其关联动量进入室7.1的液流动已经被建立，再填充速度仍减慢。其总体效应是：虽然与从条件74存在时起相比，从空气泡71存在时起完全填充室7.1和喷嘴3.1要花费长时间，即使要被再填充的体积大三倍，再填充室7.1和喷嘴3.1并不花费三倍长的时间。

从由具有低原子序数的元素所构成的材料而形成的加热器元件

这个特征涉及由固体材料形成的加热器元件10，按重量计算，所述固体材料的至少90％由具有低于50的原子序数的一种或多种周期元素构成。在优选实施例中，原子量在30以下，而在另一个实施例中原子量在23以下。

低原子序数的优点在于所述材料的原子具有较低的质量，且因此需要较小的能量来升高加热器元件10的温度。这是因为，正如本领域的技术人员将理解的，物件的温度基本上与原子核的运动状态有关。因而，与在具有较轻核的原子的材料中相比，在具有较重核的原子的材料中，将需要较多的能量来升高温度，并因此诱发这样的核运动。

目前用于热喷墨系统的加热器元件的材料包括钽铝合金(例如由Hewlett Packard所使用的)，以及硼化铪(例如由Canon所使用的)。钽和铪分别具有原子序数73和72，而用在本发明的Memjet加热器元件10中的材料是氮化钛。钛具有22的原子序数且氮具有7的原子序数，因此这些材料比相关现有技术设备材料明显轻。

分别形成硼化铪和钽铝的部分的硼和铝像氮一样是相对轻的材料。然而，氮化钽的密度是16.3g/cm³，而氮化钛(其包括取代钽的钛)的密度是5.22g/cm³。因此，因为氮化钽具有近似为氮化钛三倍的密度，所以与氮化钽相比，加热氮化钛比将需要近似少三倍的能量。如本领域的技术人员将理解的，在两个不同温度下材料中的能量差由下述方程表示：

E＝ΔT×C_p×V_OL×ρ，

其中ΔT表示温度差，C_p是比热容，V_OL是体积，且ρ是材料的密度。虽然由于密度还是晶格常数的函数，所以它不仅仅由原子序数来确定，但是密度受到所涉及材料的原子序数的强烈影响，并且因此是讨论中的特征的关键方面。

低加热器质量

这个特征涉及这样的加热器元件10，其被配置成使每个加热器元件的固体材料的质量小于10纳克，所述每个加热器元件被加热到泡形成液(即在这个实施例中为墨11)的沸点以上，以用来加热墨从而在其中产生泡12，以使墨滴16被喷射。

在一个优选实施例中，所述质量小于2纳克，在另一个实施例中所述质量小于500皮克，并且在又一个实施例中所述质量小于250皮克。

上述特征构成优于现有技术喷墨系统的显著优点，这是因为作为在对加热器元件10的固体材料加热时能量损失的减小的结果其导致增加的效率。由于具有低密度的加热器元件材料的使用，由于元件10相对小的尺寸，并且由于如例如在图1中所示，处于未被嵌入其它材料中的悬梁的形式的加热器元件，这个特征被使能。

图34以平面图示出掩模的形状，该掩模用于形成图33中所示的打印头的实施例的加热器结构。因而，由于图34表示那个实施例的加热器元件10的形状，所以它现在在讨论那个加热器元件时被提及。如在图34中由参考数字10.34表示的加热器元件仅具有宽2微米且厚0.25微米的单环路49。它具有6微米的外半径和4微米的内半径。总的加热器质量是82皮克。类似地图39中由参考数字10.39表示的对应元件10.2具有229.6皮克的质量，且在图36中由参数数字10.36表示的元件10具有225.5皮克的质量。

当例如在图34、39和36中所表示的元件10、102被用于实践中时，与被升高到墨沸点以上的温度的墨11(在该实施例中为泡形成液)处于热接触的每个这种元件的材料总质量将略微高于当元件被涂覆了电绝缘的、化学惰性的、热传导材料时的这些质量。这个涂层在某种程度上增加了被升高到较高温度的材料的总质量。

保形涂覆的加热器元件

这个特征涉及每个元件10由保形保护涂层来覆盖，这个涂层已经被同时施加到元件的所有侧面，从而使涂层是无缝的。优选地，涂层10是非电性传导的，是化学惰性的且具有高的热导率。在一个优选实施例中，涂层是氮化铝，在另一个实施例中它是类金刚石碳(DLC)，而在又一个实施例中它是氮化硼。

参考图54和55，所示为现有技术加热器元件10的示意性表示，该元件未如上述所讨论被保形涂覆，但是已经被沉积在基片78上并且已经以典型的方式以标为76的CVD材料在一侧保形涂覆。相对照，如在图56中所示意性反映的，在本实例中提到的涂层涉及同时在所有侧面保形涂覆元件，该涂层被标为77。然而，当元件10被如此涂覆时，仅当其是与其它结构相隔离的结构，即处于悬梁形式以便于接近元件的所有侧面时，才可以实现这种在所有侧面上的保形涂层77。

要理解的是，当提及在所有侧面保形涂覆元件10时，这排除了元件(悬梁)的端部，如图57中所图解示出的那样，所述端部被接合于电极15。换句话说，在所有侧面对元件10保形涂覆基本上意味着元件沿着元件长度被保形涂层完全包围。

可再一次参考图54和55来理解保形涂覆加热器元件10的主要优点。如可以看出的，当施加保形涂层76时，其上沉积有(即形成有)加热器元件10的基片78有效地构成在与被保形施加的涂层相对的侧面上的元件涂层。在又被支撑在基片78上的加热器元件10上沉积保形涂层76导致缝79被形成。这个缝79可构成弱点，在此可形成氧化物和其它所不希望的产物，或在此可出现层离(delamination)。事实上，在蚀刻被实施以将加热器元件和其涂层76与下面的基片78分开使元件处于悬梁形式的图54和55的加热器元件10的情况下，可导致液或氢氧基离子的进入，即使这种材料并不可能渗入涂层76或基片78的实际材料。

上述提到的材料(即氮化铝或类金刚石碳(DLC))因其理想的高热传导率、高化学惰性水平和它们非电性传导的事实而其适合于用在本发明的保形涂层77中，如图56中所示。为此目的的另一种适合的材料是在上面也被提及的氮化硼。虽然对于实现所需的性能特性，用于涂层77的材料的选择是重要的，但是除所提到的那些材料以外的材料在它们具有适合的特征时也可以被代替使用。

其中使用打印头的实例打印机

以上描述的部件形成了部分打印头组件，其又被用在打印机系统中。打印头组件本身包括许多打印头模块80。这些方面在下面被加以描述。

暂时参考图44，所示的喷嘴3的阵列被设置在打印头芯片(未示出)上，在同一芯片上包括有驱动晶体管、驱动移位寄存器等(未被示出)，由此较小了芯片上所需要的连接数。

参考图58和59，其中以分解视图和非分解视图分别示出了包括MEMS打印头芯片组件81(下面也被称为芯片)的打印头模块组件80。在如所示的典型芯片组件81上有7680个喷嘴，其被隔开以便于能够以每英寸1600点的分辨率来打印。芯片81还被配置成喷射6种不同的颜色或类型的墨11。

柔性印刷电路板(PCB)82被电连接到芯片81，用于向芯片提供功率和数据。芯片81被接合到不锈钢上层片83上，以覆盖在该片中被蚀刻的孔洞84的阵列。芯片81本身是硅的多层堆叠，其在硅85的底层上具有墨通道(未示出)，这些通道被与孔洞84对准。

芯片81近似1mm宽及21mm长。这个长度由用于制造芯片81的分档器的场宽来确定。片83具有通道86(仅其一些作为被隐藏的细节被示出)，如图58中所示其被蚀刻于所述片的下侧。通道86如所示延伸，以便于其端部与中间层88中的孔洞87对准。通道86的不同通道与孔洞87的不同孔洞对准。孔洞87又与下层90中的通道89对准。每个通道89承载不同相应颜色的墨，除了被标为91的最后通道以外。这个最后通道91是空气通道且与中间层88中的另外孔洞92对准，所述孔洞92又与上层片83中的另外孔洞93对准。这些孔洞93与顶部通道层96中的缝隙95的内部部分94对准，从而使这些内部部分与空气通道91对准，且因此处于与其的流体流动连通，如虚线97所示。

下层90具有开口到通道89和通道91中的孔洞98。来自空气源(未示出)的经压缩的过滤空气通过相关孔洞98进入通道91，且随后经过分别在中间层88、片83和顶部通道层96中的孔洞92和93及缝隙95，然后被吹入芯片组件81的侧面99，它从这里在100处被迫使通过覆盖喷嘴的喷嘴防护装置101而出来，以保持喷嘴没有纸尘。具有不同颜色的墨11(未示出)经过下层90的孔洞98，进入通道89，且随后通过相应的孔洞87，然后沿着上层片83下侧中的相应通道86，通过那个片的相应孔洞84，且随后通过缝隙95，到达芯片81。将注意到，在下层90中仅有七个孔洞98(每种颜色的墨一个且压缩空气一个)，墨和空气经由所述孔洞传递到芯片81，从而使墨被导向芯片上的7680个喷嘴。

现在参考图60，其中图58和59的打印头模块组件80的侧视图被示意性地示出。芯片组件的中心层102是设置7680个喷嘴和其关联驱动电路的层。构成喷嘴防护装置101的芯片组件的顶层使经过滤的压缩空气能被导引以保持喷嘴防护装置孔洞104(其由虚线示意性地表示)没有纸尘。

下层105得自硅且具有被蚀刻在其中的墨通道。这些墨通道与不锈钢上层片83中的孔洞84对准。如以上所述，片83从下层90接收墨和压缩空气，且随后将墨和空气导向芯片81。从墨和空气被下层90接收的地方，经由中间层88和上层83将墨和空气灌(funnel)到芯片81的需要是因为：否则把大数目(7680)的很小喷嘴3与下层90中较大的较不精确的孔洞98对准将是不实际的。

软PCB 82被连接到位于芯片组件81的层102上的移位寄存器和其它电路(未示出)。芯片组件81通过线106接合到软PCB上且这些线随后被封装在环氧树脂107内。为了实现这种封装，坝108被提供。这允许要被施加的环氧树脂107填充坝108与芯片组件81之间的空间，从而使线106被嵌入环氧树脂中。一旦环氧树脂107已经硬化，则它保护线接合结构免受纸和尘的污染，及免受机械接触。

参考图62，其中以分解视图示意性地示出打印头组件19，在其它部件中，其包括如以上所述的打印头模块组件80。打印头组件19被配置用于适合于A4或US书信类型纸的页宽打印机。

打印头组件19包括十一个打印头模块组件80，所述组件以弯曲金属板的形式被胶合到基片通道110上。由参考数字111表示的每个为7个孔洞的一系列组被提供，以将6种不同颜色的墨和压缩空气供应到芯片组件81。经挤压的柔性墨软管112被胶合到通道110的位置中。将注意到软管112包括其上的孔洞113。当软管112首先被连接到通道110时，这些孔洞113并不存在，但是其后通过迫使热线结构(未示出)通过孔洞111，借助于熔化而形成孔洞，所述孔洞111随后用作引导以固定孔洞113被熔化的位置。当打印头组件19被组装时，孔洞113经由孔洞114(其组成通道110中的组111)与每个打印头模块组件80的下层90中的孔洞98处于流体流动连通。

软管112限定沿软管长度延伸的平行通道115。在一端116，软管112被连接到墨容器(未示出)，且在相对端117，提供有通道挤压帽(channelextrusion cap)118，其用于塞住且因此封闭软管的那个端。

金属顶部支撑板119支撑且定位通道110和软管112，并且用作其支承板。通道110和软管112又将压力施加到包括软印刷电路的组件120上。板119具有接片(tab)121，其通过在通道110的向下延伸壁123中的槽口(notch)122延伸，以将通道和板相对于彼此而定位。

提供挤压件(extrusion)124来定位铜汇流条(bus bar)125。虽然操作根据本发明的打印头所需的能量是比公知热喷墨打印机所需能量低的数量级，但是在打印头阵列上总共有大约88,000个喷嘴3，并且这近似为在典型打印头中常见的喷嘴数目的160倍。由于本发明的喷嘴3在操作期间可在连续的基础上操作(即，触发)，所以总的功率消耗将是比这种公知打印头高的数量级，并且因而电流要求将是高的，即使每个喷嘴的功率消耗将是比公知打印头低的数量级。汇流条125适合于提供这种功率要求，并且具有被焊接到它们上的电源导线126。

如所示，可压缩导电条127被提供成与打印头模块组件80的软PCB82下部部分的上侧上的接触128相毗邻。PCB 82从芯片组件81，绕着通道110、支撑板119、挤压件124及汇流条126，延伸到条127下面的位置，以便于接触128被放置在条127下面，且与其接触。

每个PCB 82是双面的且被镀通的。位于PCB 82外表面上的数据连接129(由虚线示意性地指示)与柔性PCB 131上的接触点130(仅其一些被示意性地示出)毗邻，所述柔性PCB 131反过来包括构成柔性本身的部分的数据总线和边缘连接器132。

金属板133被提供，以使它与通道110一起可以将打印头组件19的所有部件保持在一起。在这点上，通道110包括扭转接片(twist tab)134，当组件19被放在一起时所述扭转舌片134延伸通过板133中的缝隙135，并且然后被扭转近似45度以防止它们通过缝隙而撤回。

参考图68，概括地说，打印头组件19被示出处于组装状态。墨和压缩空气在136处经由软管112被供应，功率经由导线126被供应，且数据经由边缘连接器132被提供到打印头芯片组件81。打印头芯片组件81位于包括PCB 82的十一个打印头模块组件80上。

安装孔洞137被提供用于将打印头组件19安装在打印机(未示出)中的位置。由距离138表示的打印头组件19的有效长度刚好超过A4页的宽度(即，约8.5英寸)。

参考图69，其中示意性地示出通过经组装的打印头19的横截面。从中可以清楚地看到形成芯片组件81的硅堆叠的位置，如通过墨和空气供应软管112的纵向断面可以看到的。同样清楚看到的是可压缩条127的毗邻，其在上面与汇流条125进行接触，在下面与从芯片组件81延伸的柔性PCB 82的下部接触。还可以看到通过金属板133中的缝隙135而延伸的扭转舌片134，包括由虚线139所表示的其扭转配置。

打印机系统

参考图70，所示为示例根据本发明实施例的打印头系统140的框图。

在框图中所示的是打印头(由箭头表示)141、到打印头的电源142、墨供给143、及打印数据144，当在145处打印头将墨喷射到例如处于纸146的形式的打印介质时，所述数据144被馈送到打印头。

介质传输辊147被提供以将纸146传输经过打印头141。介质拾取机构148被配置成从介质托盘149中取出一张纸146。

电源142用于提供DC电压，其是打印机设备中的标准类型的电源。

墨供给143来自墨盒(未示出)，并且典型地在150有关墨供应的各种类型的信息将被提供，如剩余墨量。这个信息经由被连接到用户接口152的系统控制器151来提供。接口152典型地由许多按钮(未示出)组成，如“打印”按钮、“页前进”按钮等。系统控制器151还控制被提供用来驱动介质拾取机构14的马达153，以及用于驱动介质传输辊147的马达154。

对于系统控制器151来说，有必要辨别何时一张纸146正在移动经过打印头141，以便于打印可以在正确的时间被实现。这个时间可以与介质拾取机构148已经拾取所述纸张146之后已流逝的特定时间有关。然而，优选地，提供纸传感器(未示出)，其被连接到系统控制器151以便于当所述纸张146到达相对于打印头141的某一位置时，系统控制器可以实现打印。打印是通过触发将打印数据144提供到打印头141的打印数据格式器155来实现的。因此将理解，系统控制器151还必须与打印数据格式器155交互。

打印数据144源自在156被连接的外部计算机(未示出)，并且可经由许多不同连接方式的任何一个来传输，如USB连接、ETHERNET连接、另外被公知为火线的IEEE 1394连接、或并行连接。数据通信模块157将这个数据提供到打印数据格式器155并且向系统控制器151提供控制信息。

虽然上面参考特定的实施例对本发明加以说明，但是本领域的技术人员将理解，本发明可以以许多其它的形式被实施。例如，虽然上面的实施例涉及电激励的加热器元件，但是在适当情况下在实施例中还可使用非电激励的元件。

Claims

1.一种喷墨打印头，包括：

多个喷嘴；以及

至少一个相应的加热器元件，对应于每个喷嘴，其中

每个加热器元件被设置成与泡形成液热接触，

2.权利要求1的打印头，被配置成支持泡形成液与每个所述加热器元件热接触，以及支持可喷射液相邻于每个喷嘴。

3.权利要求1的打印头，其中泡形成液和可喷射液是共同的液体。

4.权利要求1的打印头，被配置成在页上打印以及为页宽打印头。

5.权利要求1的打印头，其中每个加热器元件处于悬梁的形式，其被配置以使由该加热器元件形成的气泡被形成以围绕该加热器元件。

6.权利要求1的打印头，其中每个加热器元件处于悬梁的形式，被设置成悬置在至少一部分泡形成液的上面以致与其热接触。

7.权利要求1的打印头，其中每个加热器元件被配置，以致小于500纳焦(nJ)的激励能量被需要施加在该加热器元件以足够加热该加热器元件以在泡形成液中形成所述泡，由此引起所述滴的喷射。

8.权利要求1的打印头，被配置成接收在环境温度的可喷射液的供给，其中每个加热器元件被配置，以致被施加于此以加热所述部分以引起所述滴的喷射的所需能量小于把与所述滴的体积相等的体积的所述可喷射液从等于所述环境温度的温度加热到所述沸点的所需的能量。

9.权利要求1的打印头，包括具有基片表面的基片，其中每个喷嘴具有通过基片表面而开口的喷嘴孔，以及其中喷嘴相对于基片表面的面密度超过每平方厘米基片表面10,000个喷嘴。

10.权利要求1的打印头，其中每个加热器元件被配置以形成的泡是可坍缩的且具有坍缩点，以及其中每个加热器元件被配置以致因此形成的泡的坍缩点被与该加热器元件间隔开。

11.权利要求1的打印头，包括通过化学气相沉积(CVD)而形成的结构，喷嘴被结合在该结构上。

12.权利要求1的打印头，包括小于10微米厚的结构，喷嘴被结合在该结构上。

13.权利要求1的打印头，包括多个喷嘴室，每个对应于相应的喷嘴，并且多个所述加热器元件被布置在每个室之内，每个室之内的加热器元件被形成在彼此不同的相应层上。

14.权利要求1的打印头，其中每个加热器元件由固体材料形成，所述固体材料在原子比例上的多于90％由至少一种具有低于50的原子序数的周期元素构成。

15.权利要求1的打印头，其中每个加热器元件包括固体材料，且被配置成使质量小于10纳克的该加热器元件的固体材料被加热到所述沸点之上的温度，由此把泡形成液的所述部分加热到所述沸点之上的温度，以引起所述滴的喷射。

16.权利要求1的打印头，其中每个加热器元件基本上被保形保护涂层覆盖，每个加热器元件的涂层已经同时地被施加在加热器元件的基本上所有侧，以致涂层是无缝的。

17.一种结合打印头的打印机系统，该打印头包括：

多个喷嘴；以及

至少一个相应的加热器元件，对应于每个喷嘴，其中

每个加热器元件被设置成与泡形成液热接触，

18.权利要求17的系统，被配置成支持泡形成液与每个所述加热器元件热接触，以及支持可喷射液相邻于每个喷嘴。

19.权利要求17的系统，其中泡形成液和可喷射液是共同的液体。

20.权利要求17的系统，被配置成在页上打印以及为页宽打印头。

21.权利要求17的系统，其中每个加热器元件处于悬梁的形式，其被配置以使由该加热器元件形成的气泡被形成以围绕该加热器元件。

22.权利要求17的系统，其中每个加热器元件处于悬梁的形式，被设置成悬置在至少一部分泡形成液的上面以致与其热接触。

23.权利要求17的系统，其中每个加热器元件被配置，以致小于500纳焦(nJ)的激励能量被需要施加在该加热器元件以足够加热该加热器元件以在泡形成液中形成所述泡，由此引起所述滴的喷射。

24.权利要求17的系统，其中打印头被配置成接收在环境温度的可喷射液的供给，其中每个加热器元件被配置，以致被施加于此以加热所述部分以引起所述滴的喷射的所需能量小于把与所述滴的体积相等的体积的所述可喷射液从等于所述环境温度的温度加热到所述沸点所需的能量。

25.权利要求17的系统，包括具有基片表面的基片，其中每个喷嘴具有通过基片表面而开口的喷嘴孔，以及其中喷嘴相对于基片表面的面密度超过每平方厘米基片表面10,000个喷嘴。

26.权利要求17的系统，其中每个加热器元件被配置以形成的泡是可坍缩的且具有坍缩点，以及其中每个加热器元件被配置以致因此形成的泡的坍缩点被与该加热器元件间隔开。

27.权利要求17的系统，包括通过化学气相沉积(CVD)而形成的结构，喷嘴被结合在该结构上。

28.权利要求17的系统，包括小于10微米厚的结构，喷嘴被结合在该结构上。

29.权利要求17的系统，包括多个喷嘴室，每个对应于相应的喷嘴，并且多个所述加热器元件被布置在每个室之内，每个室之内的加热器元件被形成在彼此不同的相应的层上。

30.权利要求17的系统，其中每个加热器元件由固体材料形成，所述固体材料在原子比例上的多于90％由至少一种具有低于50的原子序数的周期元素构成。

31.权利要求17的系统，其中每个加热器元件包括固体材料，且被配置成使质量小于10纳克的该加热器元件的固体材料被加热到所述沸点之上的温度，由此把泡形成液的所述部分加热到所述沸点之上的温度，以引起所述滴的喷射。

32.权利要求17的系统，其中每个加热器元件基本上被保形保护涂层覆盖，每个加热器元件的涂层已经同时地被施加在加热器元件的基本上所有侧，以致涂层是无缝的。

33.一种从打印头喷射可喷射液的滴的方法，打印头包括多个喷嘴以及对应于每个喷嘴的至少一个相应的加热器元件，其中每个加热器元件具有两个相对的侧，该方法包括步骤：

通过所述产生气泡的步骤，使可喷射液的滴通过所述对应的喷嘴而喷射。

34.权利要求33的方法，在所述加热步骤之前，包括步骤：

把泡形成液布置成与加热器元件热接触；以及

把可喷射液布置成相邻于喷嘴。

35.权利要求33的方法，其中泡形成液和可喷射液是共同的液体。

36.权利要求33的方法，其中每个加热器元件处于悬梁的形式，产生气泡的步骤包括产生气泡以致其围绕被加热的加热器元件。

37.权利要求33的方法，其中每个加热器元件处于悬梁的形式，该方法在加热至少一个加热器元件的步骤之前进一步包括步骤：布置泡形成液以致加热器元件被定位在至少一部分泡形成液的上面且与其热接触。

38.权利要求33的方法，其中加热至少一个加热器元件的步骤通过施加小于500nJ的激励能量到每个这种加热器元件而实现。

39.权利要求33的方法，在加热至少一个加热器元件的步骤之前，包括接收在环境温度的到打印头的可喷射液的供给的步骤，其中加热步骤通过向每个这样的加热器元件施加热能而实现，其中所述被施加的热能小于把与所述滴的体积相等的体积的所述可喷射液从等于所述环境温度的温度加热到所述沸点的所需的能量。

40.权利要求33的方法，进一步包括提供打印头的步骤，其中打印头包括所述喷嘴被布置在其上的基片，该基片具有基片表面，且喷嘴相对于基片表面的面密度超过每平方厘米基片表面10,000个喷嘴。

41.权利要求33的方法，其中在产生气泡的步骤中，所产生的泡是可坍缩的且具有坍缩点，并且被产生以致坍缩点与至少一个被加热的加热器元件间隔开。

42.权利要求33方法，进一步包括提供打印头的步骤，包括通过化学气相沉积(CVD)而形成结构，该结构在其上结合喷嘴。

43.权利要求33的方法，进一步包括提供打印头的步骤，其中打印头具有小于10微米厚且在其上结合所述喷嘴的结构。

44.权利要求33的方法，其中打印头具有多个喷嘴室，每个室对应于相应的喷嘴，该方法进一步包括提供打印头的步骤，包括在每个室中形成多个所述加热器元件，以致每个室中的加热器元件在彼此不同的相应层上被形成。

45.权利要求33的方法，进一步包括提供打印头的步骤，其中每个加热器元件由固体材料形成，所述固体材料在原子比例上的多于90％由至少一种具有低于50的原子序数的周期元素构成。

46.权利要求33的方法，其中每个加热器元件包括固体材料，且其中加热至少一个加热器元件的步骤包括将质量小于10纳克的每个这种加热器元件的固体材料加热到所述沸点之上的温度。

47.权利要求33的方法，进一步包括提供打印头的步骤，包括向每个加热器元件，基本上是向其所有侧面同时地施加保形保护涂层以致涂层是无缝的。