TW200817187A - Multiple drop weight printhead and methods of fabrication and use - Google Patents

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200817187 九、發明說明： L考务明戶斤4财冷貝3 本發明係有關於多重液滴重量列印頭及製造與使用方 法。 5 【：ttT 标】 發明背景 多年來，已經使用按需即喷(drop-on-demand)與連續噴 射技術’以便將著色劑喷出於不同基材上，而用於列印文

件、標籤、數位相片等用途。喷墨列印技術一般常用於許 10多商業產品，例如：電腦印表機、繪圖機、護貝機及傳真 機等。可藉由噴墨技術所達成的流體之少量液滴，也能夠 使此技術適用於許多其他的應用情形。近年來，對於將噴 射技術應用於精確分配高價值材料已經產生很高的興趣。 例如，喷墨技術也可以被應用於分配反應劑、酵素、或其 15他蛋白質等進入孔板内，以產生流體混合或開始化學反 應。其他應用情形的範例包含印刷LCD彩色濾波器及電晶 體背板等。 在實驗室的環境中，可以精確地分配小體積的各種流 體。具有不同分配幾何形狀的多數分配器，可增加對於特 2〇殊流體達成想要的液滴體積或直線寬度之可能性。然而， 通系無法知遏夕少液滴體積會從_個具有特殊流體的特殊 分配器中跑出來(例如：乙醇、水與甲苯會從相同的物理分 配幾何形狀中產生出不同的液滴體積）。雖然可以發展電腦 模型來預觀㈣積(根據流體與基材之_交互作用，以 及液滴體積尺寸相躲例如賴、蒸賴、賴等基礎的 5 25 200817187 流體特性），但是，在液滴基材之間交互作用背後的物理現 象以及各種流體的成核參數是非常複雜的，所以，這些模 型可能靠不住且充滿誤差。因此，通常根據經驗比較容易 且更症快速地決定出適當的分配幾何形狀，如此需要以特 5殊流體填滿多個分配器，以決定哪一個分配器提供想要的 液滴體積或直線寬度。填滿多個分配器以藉由經驗發現出 適當的幾何形狀，乃需要相當大量的流體，因此，當處理 咼價值流體時，這樣的做法相當昂貴。 【發明内容】 10 依據本發明之一實施例，係特地提出一種獨立式流體 分配裝置，包含：一筆，係界定出一個用於容納流體供應源 的容室；及一列印頭，係被安裝於該筆上且與該容室形成 流體相通，該列印頭包含一個用於產生具有第一液滴重量 的機構’及一個用於產生具有第二液滴重量的機構，其中， 15该第一液滴重量大於第二液滴重量。 依據本發明之一實施例，係特地提出一種列印頭，包 含：一容室層；一第一孔洞層，係設置於該容室層上；一 第二孔洞層，係設置於該第一孔洞層上，該第二孔洞層中 形成有一埋頭孔；一第一噴嘴，係形成通過該第一與第二 2〇 孔洞層，該第一喷嘴產生出具有第一液滴重量的液滴；以 及一第二噴嘴，係形成通過該第一孔洞層且與該埋頭孔一 致，該第二噴嘴產生出具有不同於第一液滴重量的第二液 滴重量之液滴。 ... 依據本發明之一實施例，係特地提出一種製造列印頭 200817187 之方法，該方法包含以下步驟：設置一基材；將一容室層 放置在該基材上；將第一孔洞層放置在該容室層上；將第 二孔洞層放置該在第一孔洞層上；在該第二孔洞層内形成 一埋頭孔；形成一第一喷嘴，使其通過該第一與第二孔洞 5 層；以及形成一第二喷嘴，使其僅通過該第一與第二孔洞 層且與該埋頭孔一致。 依據本發明之一實施例，係特地提出一種決定適當的 分配幾何形狀以獲得用於特殊流體的想要液滴重量之方 法，該方法包含以下步驟：設置一流體分配裝置，其具有 10 —個流體容納室及一列印頭，該列印頭具有多數喷嘴而能 夠產生出具有不同液滴重量的液滴；將該容室填滿該流 體；從該等多數喷嘴中喷出流體液滴；以及決定該等多數 噴嘴的哪一個喷嘴產生出具有想要液滴重量的液滴。 圖式簡單說明 15 第1圖是手持式及/或可安裝式流體分配裝置的一實施 例之立體圖。 第2圖是來自第1圖的流體分配裝置之筆的實施例之剖 面圖。 第3圖是來自第1圖的流體分配裝置之列印頭的實施例 20 之立體圖。 第4圖是沿著第3圖的直線4-4所作之列印頭實施例的 剖面圖。 第5圖是沿著第3圖的直線5 - 5所作之列印頭的剖面圖。 7 200817187 較佳實施例之詳細說明 參考附圖，其中相同的元件在不同的圖形中係標示出 不同的元件。第1圖係作為範例而顯示一流體分配裝置 100 ’可用於精確地將少量不同的流體分配於一實驗室環境 5中。此流體分配裝置100可以手持的方式使用，致使，使用 者可以單手輕易握住而放在想要的位置上方，同時分配一 滴或好幾滴的流體。另一方面，此流體分配裝置100可以被 安裝於一個適當的定位機構上，例如χγ滑架上，以便將流 體分配裝置100定位在想要的位置上。流體分配裝置1〇〇也 10 可以被安裝到靜止物體上。 流體分配裝置1GG包括-個可抛棄式或可交換式的筆 1〇2及-封蓋1()4。從筆可以喷出一滴或多滴的流體。封蓋 係用以支撐此筆102且為手持式及/或可安裝式裝置的一部 份。封蓋104可以由塑膠或其他種類的材質製成，流體分配 衣置100包括-個由多數使用者可啟動的控制器撕及一顯 示器刚所製成之使用者介面。控制器106可以包括按钮及/ 或捲輪，這些是被設置在封蓋刚内且延伸通過此封蓋，致 使匕們會如第1圖所不暴露在外面。顯示器⑽可以是液 晶顯示器(LCD)或其他種類的顯示器，且也可以被設置在封 扣蓋刚内且延伸通過此封蓋，致使，它們也會同樣被暴露在 外面。 /員W108除了其他資訊之外，也顯示出與筆搬有關 的資訊。使用者能夠使用此流體分配裝置觸透過控制器 06藉由在顯^1G8Jl所提供的資麵饋，而將流體從筆 8 200817187 102喷出。流體分配裝置100可以被用來根據獨立準則 (stand-alone basis)而從筆102喷出流體，也就是說，不需要 使流體分配裝置100連接到另一裝置上，例如桌上型或膝上 型電腦、數位相機等的主機裝置上。 5 流體分配裝置100另外包括一彈出控制器110。使用者 啟動此彈出控制器110,便能夠使筆1〇2從流體分配裝置1〇〇 中彈出，而不需要使用者將筆102從裝置100中拉出或撬 起。以此方式’假如筆102含有腐蝕性流體或使用者不想接 觸的其他種流體時，則可以簡單地藉由將流體配送分配裝 10置100定位於一個適當的廢料容器上，且將此筆1〇2從裝置 100彈出廢料容器中以便丟棄。 參考第2圖，筆102包括一個實質中空的本體112，此本 體界定出一容室114，其中内含欲喷射的流體供應源。本體 112可以由塑膠或其他材質製成，且包含第一端116及第二 15编118。在所顯示的實施例中，本體112從第一端116到第二 端118逐漸變細。筆1〇2在第一端116處連接到封蓋1〇4，且 包含一個流體噴出裝置或列印頭12〇，列印頭係被設置於筆 本體112的第二端118上且與容室114流體相通。列印頭一般 包括多數孔洞或喷嘴，可供液滴通過而喷出。筆112亦包括 20 一電子連接器（未顯示），係用以將列印頭120與封蓋104内側 所放置的控制器（未顯示）電氣相連。 一般來說，透過列印頭12〇，筆1〇2能夠將流體的液滴 以微微升(pic〇4iter)的範圍進行喷射，例如5〇〇微微升或更 小。相較之下’習知的移液管(pipette)技術，一般係用於喷 9 200817187 射個別的流體液滴，而用於流體分析與其他用途上，此項 技術最佳的情形能喷出具有一微升(micro-liter)範圍内的體 積之液滴。就其本身而言，對於此項應用情形來說，流體 分配裝置100比習知的移液管技術更加優秀，因為它可以喷 5 出大約比習知移液管技術小上一百萬倍的液滴。較新的移 液管技術已經研發出可以喷灑具有十億分之一公升 (nano-liter)範圍内的體積之液滴，但是這類裝置相當昂貴，

而且，流體分配裝置100仍舊可以分配出大約千分之一小的 液滴。 現在參考第3到第5圖，顯示列印頭120的一個可能實施 例。列印頭120包括一基底122以及一個設置於基底122頂部 的流體層組件124。此基底122 —般是單片的適當材質，例 如矽、砷化鎵、玻璃、二氧化矽等。流體層組件124其中形 成有四個噴嘴：第一喷嘴126、第二噴嘴128、第三喷嘴13〇、 15及第四喷當132。要知迢的是，僅顯示四個喷嘴作為範例之 圖至第5圖顯示一個普通常見的列印碩結構， 一個共_4水供軌設有，喷^， 也可以使用其他的結構。 、 用’且可以設餘何數量时嘴。至少_流體供應孔134是 形成在基底122中，且這些喷嘴是沿著此流體供應孔飾 設置。在所顯示的實施财，第二喷嘴126、咖 被設置在流體供應孔134的一側上，而第三與第四喷， 20請、是被設置在讀供應孔134側上。雖然第 也就是說，在 但是，本發明 136,係與流體供應孔 與每個喷嘴相結合的是一發射室 10 200817187 5 10 134流體相通。流體噴射器138是放置在每個發射室136中， 且其作用是將流體的液滴透過對應噴嘴而噴出。在一實施 例中，流體嘴射為138可以是一個例如電阻的發熱元件，致 使，列印頭120是一個熱喷墨列印頭。在一熱噴墨列印頭 中，發熱元件將發射室中的墨水加熱，而引起液滴喷射。 本發明可有利地用於熱噴射列印頭，但是，也可以使用例 如壓電啟動器等其他種類的流體喷射器。為了將液滴從其 中一個喷嘴噴出，所以，流體從流體供應孔134被引進到一 個相關的發射室136中。啟動相關的流體喷射器138，以便 將液滴透過對應的喷嘴而喷出。在每次含有流體的液滴從 流體供應孔134喷出之後，則重新填滿發射室136。 喷嘴126、128、130與132及發射器136是形成於流體層 組件124中。此組件被製作成具有多層結構，分別為：一個 設置於基底122上的容室層140、一個設置於容室層14〇上的 15 第一孔洞層142，及一個設置於第一孔洞層142上的第二孔 洞層144(以下所使用的「設置於…之上」一詞，並不一定 表示直接位於其頂面’也可以包含間接地位於一層的頂 面，而在兩者之間插入一中間層）。發射室136是形成於容 室層140中，且每個喷嘴126、128、130及132是形成於一個 20 或兩個孔洞層142、144中。雖然所顯示的實施例顯示出兩 個孔洞層，但是要知道的是’本發明也可以包含兩個以上 的孔洞層。而且，要知道的是，容室層可以由超過一個以 上的薄膜所製成。 每個喷嘴126、128、130與132具有不同的幾何形狀， 11 200817187 • 用以將具有不同液滴重量的液滴喷射出去。一般來說，藉 由使用兩個孔洞層142、144以產生全厚度的喷嘴孔洞，可 ^ 達到較大的液滴重量；然而，藉由僅使用第一孔洞層142以 一 產生可用的孔洞，而達成較小的液滴重量。此外，也可以 5改變孔洞直徑及/或流體噴射器尺寸，以提供不同的液滴重 里。藉由使用不同的幾何形狀，喷嘴之間的液滴重量則可 以改變大約五到十倍。也就是說，一個喷嘴頭產生的液滴 φ 重®可以比另一個喷嘴所產生的液滴重量大上五到十倍。 在所示的實施例中，第一噴嘴頭126產生出最大液滴重 1〇里，第二噴嘴頭128產生出第二大的液滴重量，第三噴嘴頭 130產生出第二大的液滴重量，而第四喷嘴頭132產生出最 小的液滴重量。如第4圖所示，第一喷嘴126包含一個具有 相當大直控的孔洞，此孔洞係透過兩個孔洞層142、144而 - 形成的。如此可提供具有很大剖面積的全厚度喷嘴。如第5 15圖所不’第二喷嘴128亦包含由兩個孔洞層142、144所形成 • 的孔洞，但是這些孔洞具有比第一噴嘴126稍微小一點的直 徑。因此，第二喷嘴128具有較小的剖面積，且產生比第一 喷嘴126更小的液滴重量（因為在流體噴射器138上的流體 體積較小，所以，第二喷嘴128所喷出的液滴體積就對應地 20 較小）。 再次參考第4圖，第三噴嘴130包含一個僅形成通過第 一孔洞層142的孔洞。這一點是藉由在第二孔洞層144中設 置一埋頭孔146而達成的，此埋頭孔係集中於第一孔洞層 142孔洞上方，致使，第三噴嘴13〇能與此埋頭孔146一致。 12 200817187 埋頭孔146的尺寸夠大(例如：為喷嘴孔的三到四倍），以確 保只有第一孔洞層142參與液滴射出及充填的機制。換句話 說，埋頭孔146應該夠大到以致於無法作為喷嘴之用。因 此，第三喷嘴130並未如第一與第二喷嘴一樣的長或深。第 5三噴嘴130的直徑被設定成使得第三喷嘴130的流體容量比 第二噴嘴128的容量更小，且第三喷嘴13〇產生出比第二喷 嘴128更小的液滴重量。這一點可以藉由使第三喷嘴130的 直棱（因此，亦為剖面積）實質上等於或甚至稍微小於第二喷 嘴128的直徑而達成，這是因為其長度較短的緣故。在所顯 10示的範例中，第三喷嘴130的直徑實質上等於第一喷嘴126 的直徑，且稍微大於第二噴嘴128的真徑，但是，因為埋頭 孔146的緣故，第三喷嘴13〇產生出具有較小液滴重量的液 滴。 埋頭孔146的尺寸也要夠大，以允許將喷嘴13〇有效地 15擦拭乾淨。例如，當列印頭被用於一個具有服務站的喷墨 印表機時，埋頭孔146並不會妨礙列印頭12〇的服務能力， 幻印頭120仍能夠產生操作，而不會有任何不適當的分層風 險。 如第5圖所示’第四喷嘴I32亦僅形成通過第一孔洞層 20 142 ’這是因為形成於第二孔洞層144中的另—埋頭孔146^ 其-致的緣故 '然而’第四喷嘴132具有比第三噴嘴13= 微小-點的直徑，致使，第四喷嘴m具有較小的剖面積， 且產生出比第三喷嘴130更小的液滴重量。 、 上述的說明將列印頭120描述成具有四個噴頭，可產生 13 200817187 15 四種不同液滴重量。然而，如上所述，本發明並未侷限於 四個噴嘴而已，也可β具有四個以上的喷嘴。在此情形中， 可以藉由改變噴嘴直授，且選擇性地設置埋頭孔到一些嘴 嘴中，而產生出不同的液滴重量。此外，列印頭120也可以 5 具有兩個以上的孔洞詹，在其中所形成的埋頭孔具有不同 深度，以便在噴嘴之間提供進一步的液滴重量差異。例如， 列印頭120可以具有〆個設置在容室層上的第一孔洞層、— 個設置於第一孔洞層上的弟二孔洞層、及一個設置第二孔 洞層上的第三孔洞層。其中一些喷嘴可以透過所有三個孔 10 洞層而形成；其他喷嘴可以通過第一與第二孔洞層而形 成，且在第三孔洞層中形成有一埋頭孔；其他的喷嘴可以 透過第一孔洞層而形成’而在第二與第三孔洞層形成一埋 頭孔；也可以此方式虞生出其他的孔洞層。而且，雖然每 個喷嘴被顯示成具有獨特的幾何形狀，以便產生出獨特的 液滴重量，但是要知道的是，列印頭120也可以設有好幾組 喷嘴，其可產生出一呰液滴重量。例如，可以產生出具有 第一液滴重量的液滴之三或四個喷嘴，可以產生出具有第 二液滴重量的液滴之三或四個噴嘴等。 20 在一實施例中，孔洞層142、144可以由一乾燥薄膜材 質所形成，例如光學可聚合式環氧樹脂，一般熟知其商標 為SU8 ’可以從包括麻塞諸塞州犯加〇時的合作 公司等供應商取得。此材質是一種負光阻材質，意思是指 此材質正常在顯影液中是可以溶解的，但是在曝光於例如 备、外線輻射等電磁輻射之後則無法溶解於顯影液中。在此 14 200817187 情形中，孔洞層142的製造包含以下步驟：首先，將一層的 光阻材質塗抹於已經事先在基底122上製造好的容室層142 上而達到想要的深度，以便提供第一孔洞層142。界定出發 射室136的容室層HO之開放部位，係暫時地被犧牲性填滿 5材質所填滿。 然後，藉由透過適當的罩體將選定的部位暴露於電磁 輻射，而使第一列印孔洞層142產生影像，此罩體遮蓋住第 一孔洞層142中稍後欲移除的一些區域，但並未遮住欲保留 的一些區域。第一孔洞層142中欲移除之部位是對應於第一 1〇孔洞層142中界定出喷嘴之部位。一般來說，在此製程中， 此時第一孔洞層142並未被顯影。 其次’將另一層光阻材質塗抹於第一孔洞層142上而達 到想要的深度，以設置第二孔洞層144。然後，藉由透過適 §的罩體將選定的部位暴露於電磁輻射，而使第二列印孔 15洞層144產生影像，此罩體遮蓋住第二孔洞層144中猶後欲 移除的一些區域，但並未遮住欲保留的一些區域。第一孔 洞層142中欲移除之區域是對應於第一孔洞層142中界定出 喷嘴或埋頭孔之區域。 在第一與第二孔洞層142、144以及已經暴露出來之 20後，它們被共同地顯影(使用任何適當的顯影技術），以便移 除未暴露的可溶性孔洞層材質，而留下已暴露的不可溶材 質。此外’也移除掉填滿容室層140的填充材料。要知道的 是，也可以使用正光阻材料。在此情形中，則顛倒光學成 像步驟中所使用的光罩圖案。而且，雖然第一與第二孔洞 15 200817187 層142、144在第4與第5圖中被顯示 战具有相等的厚声， 而，這些層也可以具有不同的厚度。例如， 二，、、' 可以具有大腳卿微米範圍的 ，142 β ^ 予哎，而弟二孔洞層144可

以具有大約1到2微米範圍的厚度。 ^ J 5 ep_12G在單—模具上提供許多的液滴重量，以好

夠從相同的流體儲存槽中注射出不同的液滴尺寸。合被用匕 於流體分配裝置觸或其他獨立袭置中以精確分配:量的 ㈣流體到實驗室環境内時，印刷頭⑽能夠允許很容易地 採究出流體空間’而不會浪費大量流體。例如，且有單個 10筆102的容室114可以被欲噴出的特殊流體所填滿Γ狭後， 使用者操作此流體輯裝置⑽，崎從—些或所有的喷嘴 中嘴出流體液滴’且然後決定哪一個噴嘴產生出具有想要 液滴重量的液滴。如此能夠對特殊情形或基材所用的想要 液滴尺寸或直線寬度所需之正確設計，提供更加快速的結 15果。不像傳統的喷墨成像應用情形，這些方式通常是以相 當咼的頻率發射，因而無法使用兩個以上的液滴重量，所 以，在實驗室環境中使用獨立型流體分配裝置，對於多重 液滴重量列印頭來說是非常適合的。然而，雖然在實驗室 的流體分配裝置中特別有用，但是，此多重液滴重量列印 20頭120也可用以其他的應用情形上，包括傳統的噴墨列印。 雖然已經描述本發明的特定實施例，但是要知道的 是，在不背離本發明申請專利範圍所界定的精神與範圍之 前提下，仍可以產生出許多不同的修改。 【圖式I簡專^兒明】 16 200817187 第1圖是手持式及/或可安裝式流體分配裝置的一實施 例之立體圖。 第2圖是來自第1圖的流體分配裝置之筆的實施例之剖 面圖。 5 第3圖是來自第1圖的流體分配裝置之列印頭的實施例 之立體圖。 第4圖是沿著第3圖的直線4-4所作之列印頭實施例的 剖面圖。 第5圖是沿著第3圖的直線5 - 5所作之列印頭的剖面圖。 10 【主要元件符號說明】

100···流體分配裝置 124…流體層組件 102…筆 126…喷嘴 104…封蓋 128…喷嘴 106…控制器 130…喷嘴 108···顯示器 132…喷嘴 110···彈出控制器 134…流體供應孔 112…本體 136…發射室 114…容室 138…流體喷射器 116···第一端 140···容室層 118···第二端 142…第一孔洞層 120…列印頭 144…第二孔洞層 122…基底 146···埋頭孔 17

Claims (1)

1. 200817187 十、申請專利範圍： L 一種獨立式流體分配裝置，包含： 一筆’係界定出一個用於容納流體供應源的容室；及 一列印頭，係被安裝於該筆上且與該容室形成流體 相通，該列印頭包含一個用於產生具有第一液滴重量的 機構，及一個用於產生具有第二液滴重量的機構，其 中’該第一液滴重量大於第二液滴重量。 2·如申請專利範圍第1項之獨立式流體分配裝置，其中， 该第一液滴重量大約是該第二液滴重量的五倍。 3·如申請專利範圍第1項之獨立式流體分配裝置，其中， 該第一液滴重量大約是該第二液滴重量的十倍。 4· 一種列印頭，包含·· 一容室層； 一第一孔洞層，係設置於該容室層上； 一第二孔洞層，係設置於該第一孔洞層上，該第二 孔洞層中形成有一埋頭孔； 一第一噴嘴，係形成通過該第一與第二孔洞層，該 第一噴嘴產生出具有第一液滴重量的液滴；以及 一第二噴嘴，係形成通過該第一孔洞層且與該埋頭 孔一致，該第二喷嘴產生出具有不同於第一液滴重量的 第一液滴重量之液滴。 5·如申請專利範圍第4項之列印頭，其中，該第一液滴重 量大約是該第二液滴重量的五倍。 •如申睛專利範圍第4項之列印頭，其中，該第一液滴重 18 200817187 里大約是該第二液滴重量的十倍。 7. 如申請專利範圍第4項之列印頭，另外包含—第三喷 嘴’係形成通過該第—與第二孔洞層，該第三噴嘴產生 …有不同於第一與第二液滴重量的第三液滴重量之 液滴。

   Ο 8. 如申請專利範圍第4項之列印頭，其中，該第二孔洞層 内^成有—個額外的_孔，且另外包含-第三喷嘴， 忒弟二噴嘴係形成通過該第一孔洞層且與該額外埋頭 孔致’該第二噴嘴產生出具有不同於第一與第二液滴 重夏的第三液滴重量之液滴。 9· 一種製造列印頭之方法，該方法包含以下步驟： 設置一基材； 將一容室層放置在該基材上； 將第一孔洞層放置在該容室層上； 將第二孔洞層放置該在第一孔洞層上； 在該苐一孔洞層内形成一埋頭孔·， 形成一第一噴嘴，使其通過該第一與第二孔洞層； 以及 形成一第二噴嘴，使其僅通過該第一與第二孔洞層 且與該埋頭孔一致。 10· —種決定適當的分配幾何形狀以獲得用於特殊流體的 想要液滴重量之方法，該方法包含以下步驟： 設置一流體分配裝置，其具有一個流體容納室及一 列印頭，該列印頭具有多數喷嘴而能夠產生出具有不同 19 200817187 液滴重量的液滴； 將該容室填滿該流體； 從該等多數喷嘴中喷出流體液滴；以及 決定該等多數喷嘴的哪一個喷嘴產生出具有想要 液滴重量的液滴。 20