專利名稱：打印頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及打印頭。
背景技術：
噴墨打印機一般來說包括從供墨到噴嘴路徑的墨路。噴嘴路徑終止于噴嘴開口，墨滴從這一噴嘴開口噴出。墨滴噴出是由帶有促動器的墨路中的加壓墨控制的，其中所述促動器可以是，例如，壓電偏轉器、熱力氣泡射流發生器或靜電偏轉元件。典型的打印頭具有一個墨路陣列，這些墨路帶有相應的噴嘴開口和相關聯的促動器，并且墨滴從各個噴嘴開口的噴出是能夠獨立控制的。在墨滴隨選打印頭中，在打印頭和打印基材彼此相對移動的同時，啟動每個促動器，以在圖像的指定像素位置上選擇性地噴射出墨滴。在高性能打印頭中，噴嘴開口一般來說具有50微米或更小的直徑，例如，25微米左右，這些噴嘴開口以100-300噴嘴/英寸的間距分散開，并且具有100到3000dpi或更高的分辨率，而且給出了大約1到70皮升(pl)或更小的液滴大小。液滴噴射頻率一般為10kHz或更高。
Hoisington等人的US5265315(該專利文獻的全部內容以引用的方式整體并入本文)介紹了一種打印頭，這種打印頭具有半導體打印頭主體和壓電促動器。打印頭主體由硅制成，對該主體進行了蝕刻，以限定出墨腔。噴嘴開口是由分立的噴嘴板限定的，該噴嘴板連接在硅主體上。壓電促動器具有壓電材料層，該壓電材料層響應于所施加的電壓改變結合形狀或發生彎曲。壓電層的彎曲對沿著墨路定位的泵作用室中的墨水進行加壓。
對于給定電壓，壓電材料表現出來的彎曲量與該材料的厚度成反比。結果，隨著壓電層厚度的增加，電壓需求量增加。為了限制與給定的液滴尺寸相對應的電壓需求量，可以增大壓電材料的偏轉壁面積。大的壓電壁面積可能也會要求相應的大的泵作用室，這樣會使設計復雜化，比如為了實現高分辨率打印而維持小的噴射孔間隔這樣的方面。
打印精度受諸多因素的影響，包括由打印機的頭中和多個頭中的噴嘴噴射出來的墨滴的尺寸和速度均勻度。墨滴尺寸和墨滴速度均勻度反過來受到諸如墨路尺寸均勻度、聲波干擾效應、墨水流動路徑中的污物以及促動器的促動均勻度之類的因素的影響。
發明內容
按照一個方面，本發明的特征在于，一種具有單片半導體主體的打印頭，其中所述主體具有上表面和下表面。該主體限定出了包括泵作用室、噴嘴流動路徑和噴嘴開口的流體路徑。噴嘴開口限定在主體的下表面內而噴嘴流動路徑包括加速區。與泵作用室相聯的壓電促動器。該促動器包括壓電層，該壓電層的厚度為大約50微米或更小。
按照另一個方面，本發明的特征在于，一種包括單片半導體主體的打印頭，該主體包括內埋層并且具有上表面和下表面。該主體限定出了多個流體路徑。各個流體路徑包括泵作用室、噴嘴開口和介于泵作用室與噴嘴開口之間的噴嘴路徑。噴嘴路徑包括加速區。泵作用室限定在主體的上表面內，噴嘴開口限定在主體的下表面內，并且加速區限定在噴嘴開口與內埋層之間。與泵作用室相聯的壓電促動器。該促動器包括壓電材料層，該壓電材料層的厚度為大約25微米或更小。
按照另一個方面，本發明的特征在于，一種包括單片半導體主體的打印頭，該主體具有上表面和基本平行的下表面，該主體限定出了包括供墨路徑、泵作用室和噴嘴開口的流體路徑，其中泵作用室是限定在上表面內的而噴嘴開口是限定在下表面內的。
按照另一個方面，本發明的特征在于，一種包括半導體主體的打印頭，該主體限定出了流體流動路徑、噴嘴開口和具有多個流動開口的過濾器/阻抗構造。流動開口的橫截面小于噴嘴開口的橫截面并且流動開口的總面積大于噴嘴開口的面積。
按照另一個方面，本發明的特征在于，一種包括單片半導體主體的打印頭，該主體限定出了流動路徑和過濾器/阻抗構造。按照一些實施方式，限定出噴嘴開口的噴嘴板安裝在半導體主體上。按照一些實施方式，半導體主體限定出噴嘴開口。
按照另一個方面，本發明的特征在于，過濾器/阻抗構造包括具有多個流動開口的半導體。按照一些實施方式，開口的橫截面為大約25微米或更小。
按照另一個方面，本發明的特征在于，一種包括主體和壓電促動器的打印頭，其中主體包括流動路徑，壓電促動器具有與流動路徑相通并且具有大約50微米或更小的厚度的預燒結壓電層。
按照另一個方面，本發明的特征在于，一種具有壓電層的打印頭，該壓電層具有Ra為大約0.05微米或更小的表面。
按照另一個方面，本發明的特征在于，一種包括壓電促動器的打印頭，該壓電促動器包括壓電層，該壓電層厚度為大約50微米或更小并且具有至少一個包括填空料材料的表面。
按照另一個方面，本發明的特征在于，一種打印方法，包括制備打印頭，該打印頭包括過濾器/阻抗構造，該構造具有多個流動開口；和噴射流體，使得t/(流動發生時間)為大約0.2或更大，其中t是發射脈沖寬度并且流動發生時間是(流體密度)r2/(流體粘度)，其中r＝至少一個流動開口的橫截面尺寸。
按照另一個方面，本發明的特征在于，一種方法，包括制備一個厚度為大約50微米或更小的壓電層、在該層的至少一個表面上制備一層填充材料、減小填充料層的厚度以露出壓電材料，使壓電材料的表面中的空隙包括填充材料。
按照另一個方面，本發明的特征在于，一種形成打印頭的方法，該方法通過下述步驟形成打印頭制備一個主體、在主體上安裝一個壓電層、將所述固定的壓電層的厚度減小到50微米并且利用該壓電層對打印頭中的流體加壓。
按照另一個方面，本發明的特征在于，一種形成打印頭的方法，包括制備壓電層、制備膜片、借助陽極接合將壓電層固定在膜片上和/或借助陽極接合將膜片固定到主體上并且將促動器結合到打印頭中。
按照另一個方面，本發明的特征在于，一種噴嘴板，包括單片半導體主體，該主體包括內埋層、上表面和下表面。主體限定出了多個流體路徑，每個流體路徑包括噴嘴路徑和噴嘴開口。噴嘴路徑包括加速區。噴嘴開口限定在主體的下表面內并且加速區限定在下表面和內埋層之間。
按照另一個方面，本發明的特征在于一種噴嘴板，包括單片半導體主體，該主體包括多個流體路徑，每個流體路徑包括噴嘴路徑、噴嘴開口和過濾器/阻抗構造。
其它的方面或實施方式可以包括上述方面中的特征的組合和/或下述的一個或多個。
壓電層的厚度為大約25微米或更小。壓電層的厚度為大約5到25微米。壓電層的密度為大約7.5g/cm3或更大。壓電層具有大約200或更大的d31系數。壓電層具有Ra為大約0.05微米或更小的表面。壓電層由預燒結的壓電材料構成。壓電層基本上是壓電材料的平面體。填空料材料是電介質。電介質是從二氧化硅、氮化硅或氧化鋁或paralyne中選取的。填空料材料是ITO。
半導體主體限定出了過濾器/阻抗構造。過濾器/阻抗構造限定出了流體路徑中的多個流動開口。過濾器/阻抗構造包括流動路徑中的多個凸起。至少一個凸起限定出了部分圍繞區域，例如，由內凹表面限定的區域。所述凸起是柱。至少一個柱包括面對上游的內凹表面。該構造包括多行柱。第一上游行和最后一個下游行和第一行中的柱具有面對上游的外凸表面，并且在最后一行中的柱具有面對下游的外凸表面。介于第一和第二行之間的柱包括面對上游的內凹表面。這些柱具有與所述具有面對下游的內凹表面的柱相鄰的面對上游的外凸表面。該構造包括多個穿過壁件的小孔。開口的橫截面尺寸為噴嘴開口的橫截面尺寸的大約50％到大約70％。過濾器/阻抗構造位于泵作用室的上游。過濾器/阻抗構造位于泵作用室的下游。
流動開口的橫截面尺寸小于噴嘴開口的橫截面尺寸。過濾器/阻抗構造具有內凹表面區域。流動開口的橫截面為噴嘴開口的橫截面的60％或小于60％。流動開口的總面積為噴嘴開口的橫截面的2倍或更高。
流動基本上是在與發射脈沖寬度相當的時間內發生的，例如，開口中心處的流動發生達到最大值的大約65％或更大。t/(流動發生時間)為大約0.75或更大。發射脈沖寬度為大約10微秒或更小。跨越該構造的壓降小于跨越噴嘴流動路徑的壓降的例如0.5到0.1。
促動器包括接合到半導體主體上的促動器襯底。促動器襯底是通過陽極接合安裝到半導體主體上的。促動器襯底是從玻璃、硅、氧化鋁、氧化鋯或石英中選取的。促動器襯底的厚度為大約50微米或更小，例如，25微米或更小，例如5到20微米。促動器襯底是借助陽極接合安裝到壓電層上的。促動器襯底是通過非晶硅層接合到壓電層上的。壓電層是通過有機粘接劑接合到促動器襯底上的。促動器襯底沿著流體路徑延伸超過壓電層。沿著流體路徑延伸超過泵作用室的促動器襯底的部分具有減小的厚度。促動器襯底是透明的。
半導體主體包括至少兩種可不同蝕刻的材料。半導體主體包括至少一個內埋層，噴嘴流動路徑包括變化的橫截面并且內埋層介于不同橫截面部分的區域之間。泵作用室限定在主體的上表面之內。噴嘴流動路徑包括下行區和加速區，所述下行區用于從泵作用室朝向下表面引導流體，所述加速區將流體從下行區引導到噴嘴開口。內埋層是下行區與加速區的交接處。下行區和/或加速區和/或加速區的橫截面基本上是恒定的。加速區的橫截面沿著朝向噴嘴開口的方向縮小。橫截面具有曲線區域。加速區長度與噴嘴開口橫截面的比為大約0.5或更大，例如，大約1.0或更大。所述比為大約5.0或更小。加速區的長度為大約10到50微米。噴嘴開口的橫截面尺寸為大約5到50微米。
泵作用室限定在基本為直線的腔室側壁之間而所述噴嘴流動路徑是沿著所述側壁之一的基本共線的延伸方向限定的。所述主體限定出了多個流動路徑對，其中這些流動路徑對具有相鄰的噴嘴并且泵作用室側壁基本上是共線的。所述噴嘴對中的噴嘴流動路徑是互成角度配置的。所述多個對中的噴嘴限定出了基本上是直的線。噴嘴流動路徑具有含有長橫截面和短橫截面的區域，并且短橫截面與噴嘴開口的線基本平行。
壓電層和/或膜片的厚度是通過磨削減小的。壓電層在安裝到主體上之前進行燒結。壓電層安裝到促動器襯底上并且促動器襯底安裝到主體上。壓電層是通過陽極接合安裝到促動器襯底上的。壓電層是通過有機粘接劑安裝到促動襯底上的。促動器襯底是在將壓電層安裝到促動器襯底上之前安裝到主體上的。促動器襯底的厚度是在將促動器襯底安裝到主體上之后得以減小的。促動器襯底是通過陽極接合安裝到主體上的。主體是半導體，而促動器襯底是玻璃或硅。壓電促動器包括壓電層和玻璃或硅膜片，并且采用陽極方式將所述膜片接合到主體上。壓電層是采用陽極方式接合到膜片上的。壓電促動器包括覆蓋壓電層的金屬化層和覆蓋所述金屬化層的一層二氧化硅或硅。
所述方法包括制備限定出流動路徑的主體和通過陽極接合將促動器安裝到主體上。流動路徑構造(比如供墨路徑、過濾器/阻抗構造、泵作用室、噴嘴流動路徑和/或噴嘴開口)是通過蝕刻半導體形成的，這將在下面介紹。
與壓電材料相關的方面和特征可以由包括非單片的和/或非半導體主體限定的流動路徑的打印頭利用。與限定出流動路徑的單片主體的應用有關的方面和特征可由非壓電型促動器使用，例如，靜電或氣泡噴射促動器。與過濾器/阻抗相關的方面和特征可以由非壓電或壓電促動器和單片或非單片主體采用。
下面還有其它的方面、特征以及優點。
附圖1是打印頭的立體圖，而附圖1A是附圖1中的區域A的放大圖，附圖1B和1C是打印頭單元的組裝圖。
附圖2A和2B是打印頭模塊的立體圖。
附圖3是打印頭單元的橫截面圖。
附圖4A是穿過打印頭模塊中的流動路徑的橫截面組裝圖，而附圖4B是沿著附圖4A中截取的模塊的橫截面組裝圖。
附圖5A是部分打印頭模塊主體的頂視圖，附圖5B是附圖5A中的區域B的放大圖。
附圖6A是穿過流動開口的流動速度的曲線圖，而附圖6B是表示驅動信號的作為時間的函數的電壓的曲線圖。
附圖7A是壓電層的表面輪廓的曲線圖，附圖7B是表面輪廓的斜視圖，而附圖7C表示沿著附圖7A中的線CC的表面輪廓。
附圖8A-8N是表示打印頭模塊主體的制造加工過程的橫截面圖。
附圖9是表示壓電促動器的制造加工和模塊組裝的流程圖。
附圖10是表示壓電層的磨削的橫截面側視圖。
附圖11是打印頭模塊的橫截面圖。
附圖12A是打印頭模塊的橫截面圖，而附圖12B是附圖12A中的區域B中的模塊的前表面的一部分的放大圖。
附圖13A是打印頭模塊的橫截面圖，而附圖13B是附圖13A中的區域A的頂視放大圖。
附圖14A是打印頭模塊的橫截面圖，而附圖14B是附圖14A中的區域A的頂視放大圖。
附圖15A是打印頭模塊的橫截面圖，而附圖15B是附圖15A中的區域A的頂視放大圖。
附圖16A是打印頭模塊的橫截面圖，而附圖16B是模塊的組成部分的立體圖。
具體實施例方式
結構參照附圖1，噴墨打印頭10包括打印頭單元80，這些打印頭單元80以這樣一種方式容納在封套86內它們跨越了要將圖像打印于其上的紙張14或紙張14的一部分。可以在打印頭10和紙張14彼此相對移動(箭頭)的同時，通過選擇性地從單元80中噴射出墨水，來打印圖像。在附圖1A所示的實施方式中，示出了三組打印頭單元80，這三組打印頭單元80跨越了例如12英寸或更大的寬度。每一組沿著打印頭與紙張之間相對移動的方向包括多個打印頭單元，在如圖所示的情況下為三個。可以將這些單元排布成使噴嘴開口錯開，以增加分辨率和/或打印速度。按照另一種可選方案，或者額外地，可以為每一組中的每個單元供應不同類型或顏色的墨水。這種結構可用于由打印頭在紙張的單次通過過程中在紙張的整個寬度上進行彩色打印。
再參照附圖1B和1C，每個打印頭單元80包括一個打印頭模塊12，該打印頭模塊12定位于一個面板82上，并且在該打印頭模板12上連接有柔性印刷電路板84，該柔性印刷電路板84用于傳送控制墨水噴射的驅動信號。具體參照附圖1C，面板82安裝在歧管組件88上，該歧管組件88包括用于向模塊12傳送墨水的供墨路徑。
再參照附圖2A，每個模塊12具有一個前表面20，該表面限定出了一排噴嘴開口22，墨滴從這些噴嘴開口22中噴出。參照附圖2B，每個模塊12在其背部16上具有一連串的驅動觸點17，柔性印刷電路板連接在這些驅動觸點上。每個驅動觸點對應于一個促動器，并且每個促動器與一個墨水流動路徑相聯，從而墨水從每個噴嘴開口的噴射是可以獨立控制的。按照一種具體的實施方式，模塊12的總寬度為大約1.0cm而總長度為大約5.5cm。在所示的實施方式中，模塊具有單行噴嘴開口。不過，也可以為這些模塊配備多行噴嘴開口。例如，一行中的開口可以相對于另一行錯開，以增加分辨率。按照另一種實施方式或額外地，可以為與不同行中的噴嘴相應的墨水流動路徑供應不同顏色或類型的墨水(例如，熱溶性的、UV可固化的、水基的墨水)。在例如蝕刻出流動路徑的半導體晶片中，可以改變模塊的尺寸，這將在下面進行討論。例如，模塊的寬度和長度可以是10cm或更大。
再參照附圖3，模塊12包括模塊襯底26和壓電促動器28、28’。模塊襯底26限定出了模塊供墨路徑30、30’、過濾器/阻抗構造32、32’、泵作用室33、33’、噴嘴流動路徑34、34’以及噴嘴開口22。促動器28、28’位于泵作用室33、33’上方。供應相鄰噴嘴的泵作用室33、33’位于模塊襯底的中心線的間隔側上。歧管組件上的面板82覆蓋住了模塊供應路徑30、30’的下部。墨水(箭頭31)從歧管流動路徑24供給、進入模塊供應路徑30并且被送往過濾器/阻抗構造32。墨水流過過濾器/阻抗構造32到達泵作用室33，在這里由促動器對墨水進行加壓，從而將其送到噴嘴流動路徑34并且送出噴嘴開口22。
模塊襯底具體參照附圖4A和4B，模塊襯底26是一個單片半導體主體，比如硅絕緣體(SOI)襯底，在其中借助蝕刻形成了墨水流動路徑構造。SOI襯底包括單晶硅上層(稱為柄)102、單晶硅下層(稱為有源層)104和二氧化硅中間或內埋層(稱為BOX層)105。泵作用室33和噴嘴開口22形成在襯底的兩相反平行表面上。如圖所示，泵作用室33形成在背面103內而噴嘴開口22形成在前表面106內。單片主體以及打印頭中多個模塊的單片主體之間的厚度均勻度是很高的。例如，對于跨越6英寸拋光SOI晶片形成的單片組件，單片組件的厚度均勻度可以是大約±1微米或更小。結果，蝕刻在晶片中的流動路徑構造的尺寸均勻度基本上不會因主體的厚度變化而降低。而且，噴嘴開口是在模塊主體中限定的，而沒有使用分立的噴嘴板。按照一種具體的實施方式，有源層104的厚度為大約1到200微米，例如，大約30到50微米，柄102的厚度為大約200到800微米，而BOX層105的厚度為大約0.1到5微米，例如，大約1到2微米。泵作用室的長度為大約1到5mm，例如，大約1到2mm，寬度為大約0.1到1mm，例如，大約0.1到0.5mm，而深度為大約60到100微米。按照一種具體的實施方式，泵作用室的長度為大約1.8mm，寬度為大約0.21mm，而深度為大約65微米。按照另一種實施方式，模塊襯底可以是不帶BOX層的可蝕刻材料，比如半導體晶片。
再參照附圖5A和5B，模塊襯底26限定出了位于泵作用室33上游的過濾器/阻抗構造32。具體參照附圖5B，過濾器/阻抗構造32是由流動路徑中的一連串凸起40定義的，在本例中，這些凸起40沿著墨水流動的方向排列成三行41、42、43。這些凸起(在本例中是平行的柱)是與模塊襯底為一體的。可以將過濾器/阻抗構造構成得用于僅提供過濾、僅用于聲阻抗控制或者同時用于過濾和聲阻抗控制。選擇這些凸起的位置、大小、間隔和形狀，以提供過濾和/或期望的聲阻抗。作為過濾器，該構造收集諸如顆粒或纖維之類的雜物，使得它們不會到達并堵塞噴嘴流動路徑。作為聲阻抗單元，該構造吸收從泵作用室33朝向供墨流動路徑30傳播的壓力波，這樣就減小了模塊中腔室之間的聲串擾并且增加了工作頻率。
具體參照附圖5B，這些柱是沿著墨水流動路徑排列的，使得每一行的柱與相鄰行的柱錯開，以有效地避免有徑直的流動路徑穿過該構造，這樣就提高了過濾能力。此外，這些柱的形狀也能夠提高過濾能力。在這個例子中，第一行41中的柱46包括上游表面48和下游表面50，上游表面48總體上是外凸的，下游表面50總體上是內凹的，它們形成了部分圍繞的阱區域47。行42中的柱52包括上游54和下游56內凹表面。最后一行43中的柱60包括下游外凸表面62和下游內凹表面64。在墨水從模塊墨水流動路徑30流進構造32的時候，第一行41中的柱46的外凸表面48為該構造提供了相對較低的誘發紊流流動路徑。第一、第二和第三行中的柱上的內凹表面增強了過濾功能，尤其是提高了過濾長且細的污物(比如纖維)的能力。當纖維隨著墨流越過第一行41時，它趨向于卷入第二或第三行柱的下游內凹表面54、62并被這些內凹表面吸引，從而被收集在上游內凹表面54、62與下游內凹表面50、56之間。第三行43上的下游外凸表面64有助于經過濾的墨水的低紊流進入腔室。按照一些實施方式，可以使用限定出例如矩形或三角形阱區域的其它部分圍繞的形狀來代替內凹表面。
這些柱之間的空間定義出了流動開口。流動開口的尺寸和數量能夠實現期望的阻抗和過濾性能。流動開口的阻抗取決于通過該開口的流體的流動發生時間。流動發生時間與流體在受壓之后從靜止到以穩定的速度場流動所花費的時間有關。對于圓形管道而言，流動發生時間與下式成正比(流體密度)×r2/(流體粘度)其中r是開口的半徑。(對于矩形開口，或者其它開口幾何形狀，r是最小橫截面尺寸的一半。)對于與入射脈沖的持續時間相比相對較長的流動發生時間而言，流動開口起到電感的作用。而對于與入射壓力脈沖的持續時間相比相對較短的流動發生時間而言，流動開口起到阻抗器的作用，從而有效地抑制了入射脈沖。
最好，流動在與發射脈沖寬度相應的時間內得到充分發生。參照附圖6A，示出了穿過管子的流動發生過程。圖中標出了穿過開口的最大速度Umax之內的速度U，其中r*＝0是開口的中心，而r*＝1是開口的邊緣。針對多個t*標出了流動發生過程，其中t*是脈沖寬度t除以流動發生時間。這個圖還在《粘性流體流動(Viscous Fluid Flow)》(作者F.M.White，McGraw-Hill，1974)中進行了介紹，其全部內容以引用的方式并入本文。在該書的第141-143頁對附圖6A中的圖形進行了介紹。
如附圖6A所示，在大約t*＝0.2或更大的情況下，開口中心處的流動發生達到了最大值的大約65％。在大約t*＝0.75的情況下，流動發生達到了最大值的大約95％。對于給定的t*和脈沖寬度，可以針對給定密度和粘度的流體選擇流動開口的尺寸。例如，對t*＝0.75，墨水的密度為大約1000kg/m3，粘度為大約0.01帕斯卡-秒，如果脈沖寬度為7.5微秒，那么r＝10e-6m并且開口的直徑應當為大約20微米或更小。
參照附圖6B，脈沖寬度t為用于墨滴噴出的電壓施加持續時間。圖中示出了兩個驅動信號序列，各自具有三個液滴噴射波形。一般來說要將促動器上的電壓維持在中性狀態，直到希望進行液滴噴射，此時應用噴射波形。例如，對于梯形波形，脈沖寬度t是梯形的寬度。對于更加復雜的波形，脈沖寬度是液滴噴射周期的時間，例如，從噴射波形開始到返回到起始電壓的時間。
可以對該構造中的流動開口的數量進行選擇，從而可為泵作用室提供充足的墨水流量，以實現連續高頻操作。例如，足以提供抑制的小尺寸的單一流動開口能夠限制墨水供應。為了避免這種墨水不足，可以設置多個開口。可以對開口的數量進行選擇，以使該構造的總流阻小于噴嘴的流阻。此外，為了實現過濾，流動開口的直徑或最小截面尺寸最好小于相應的噴嘴開口的直徑(最小截面)，例如為噴嘴開口的60％或更小。在優選的阻抗/過濾構造中，開口的截面為噴嘴開口截面的大約60％或小于60％，并且該構造中的所有流動開口的橫截面積大于噴嘴開口的橫截面積，例如為噴嘴橫截面積的大約2或3倍或更大，例如，大約10倍或更大。對于流動開口具有變化直徑的過濾器/阻抗構造而言，在其最小橫截面尺寸的位置上對流動開口的橫截面積進行測量。在過濾器/阻抗構造具有沿著墨水流動方向相互連接的流動路徑的情況下，橫截面尺寸和面積是在最小橫截面的區域中測量的。按照某些實施方式，壓降可用于確定通過所述構造的流阻。壓降能夠在噴射流中測量。噴射流為液滴容積/發射脈沖寬度。按照某些實施方式，在噴射流下，跨越阻抗/過濾構造的壓降小于跨越噴嘴流動路徑的壓降。例如，跨越所述構造的壓降為跨越噴嘴流動路徑的壓降的0.5到0.1倍。
可以對所述構造的總阻抗能力進行選擇，以充分減小進入供墨路徑的聲反射。例如，所述構造的阻抗能力可以基本上與泵作用室的阻抗能力相匹配。按照另一種可選方案，可能會期望提供比腔室大的阻抗能力，以提高過濾功能，或者提供小于腔室的阻抗能力，以提高墨水流動。在后一種情況下，通過利用柔順性薄膜或流動路徑中別處的額外的阻抗控制構造，可以使得串擾得到降低，這將在下面進行介紹。泵作用室和過濾器/阻抗構造的阻抗能力可以使用流體動力學軟件來進行模擬，比如Flow 3D(可從位于新墨西哥州圣達菲的Flow Science Inc.購得)。
按照一種具體的實施方式，這些柱具有大約15微米的沿著流動路徑的間隔S1和垂直流動路徑的間隔S2，并且噴嘴開口為大約23微米(附圖5B)。柱的寬度為大約25微米。按照附圖5中的實施方式，過濾器/阻抗構造中的三行柱起到了三個串聯聲學電阻的作用。第一和最后一行提供了六個流動開口，而中間行提供了五個流動開口。每個流動開口具有大約15微米的最小橫截面，這個最小橫截面小于噴嘴開口的橫截面(23微米)。每一行中的開口面積的總和大于噴嘴開口的面積。由用于阻抗控制和/或過濾的凸起限定的構造的優點在于，這些凸起在沿著和橫穿流動路徑兩個方向上的間隔、形狀安排和大小可以，例如，給出對過濾很有效的曲折的流體路徑，同時給出尺寸設計得適于有效緩沖的流動通路。按照其它一些實施方式，這些實施方式將在下面進行討論，過濾器/阻抗構造可以由具有一系列小孔的間隔壁實現。
具體參照附圖5A，模塊襯底還限定出了泵作用室33、33’，它們為各自的噴嘴流動路徑34、34’饋送。泵作用室33、33’橫跨噴嘴開口線彼此相對地定位并且具有總體上共線的側壁37、37’。為了獲得鄰近相隔的噴嘴開口的直線，噴嘴流動路徑沿著側壁之一的延伸部分與泵作用室相連接，形成了噴嘴流動路徑的相互交叉形式。此外，為了保持泵作用室與噴嘴流動路徑之間的過渡區處的相對較低的容積，過渡區中的形狀是橢圓形的，其短軸沿著噴嘴開口線。下面將要介紹，這種定位方式實現了小的噴嘴開口間距和相對較大的噴嘴路徑容積。此外，加工得到了簡化，這是因為可以橫跨模塊進行直線鋸切，以分隔設置相鄰的腔室并且形成在噴嘴線兩側的隔離切口。
回過頭來參照附圖4A和4B，模塊襯底還限定出了噴嘴流動路徑34。在這個例子中，噴嘴流動路徑34與上和下模塊襯底表面相垂直地引導墨流。噴嘴流動路徑34具有上部下行區66和下部加速區68。下行區66具有相對大的容積而加速區68具有相對小的容積。下行區66將墨水從泵作用室33引導到加速區68，在將墨水從噴嘴開口22中噴出之前，在該加速區68中對墨水進行加速。加速區68穿過模塊的均勻度提高了墨滴大小和墨滴速度的均勻度。加速區的長度是限定在模塊主體的前表面106與BOX層105之間的。此外，BOX層105處于下行區66和加速區68的交接處。下面將要討論，在加工期間，BOX層105起到了蝕刻終止層的作用，以精確地控制蝕刻深度和噴嘴均勻度。
附圖4A中示出的加速區總體上為直徑恒定的圓柱形路徑，其直徑與孔口直徑相當。噴嘴開口的這一小的、直徑基本恒定的上游區域通過促使液滴軌跡相對于噴嘴開口的軸線正直而提到了打印精度。此外，加速區域通過阻止經噴嘴開口吸入空氣而改善了高頻操作下的液滴穩定性。在以發射前充滿模式工作的打印頭中，這是一個顯著的優點，在這種打印頭中，在發射之前，促動器產生負壓，以將墨水汲取到泵作用室中。所述負壓還有可能造成噴嘴中的墨水彎液面從噴嘴開口中被向內吸入。通過設置一個長度大于最大彎液面回退距離的加速區，防止了空氣的吸入。加速區還可以包括變化的直徑。例如，加速區可以具有從接近下行區的大直徑部分延伸到接近噴嘴開口的小直徑部分的漏斗或圓錐形形狀。其錐角可以是，例如，5到30度。加速區還可以包括從大直徑延伸到小直徑的二次曲線或喇叭口形狀。加速區還可以包括直徑朝向噴嘴開口逐步變小的多個圓柱形區域。直徑朝向噴嘴開口逐步減小降低了跨越加速區的壓降，這樣就減小了驅動電壓，并且增加了液滴尺寸范圍和發射速度可行范圍。噴嘴流動路徑具有不同直徑的各部分的長度可以使用BOX層精確地加以限定，該BOX層起到了蝕刻終止層的作用，這將在下面進行討論。
按照一些具體的實施方式，加速區的長度與噴嘴開口直徑的比例一般來說為大約0.5或更大，例如，大約1到4，最好是大約1到2。下行區的最大橫截面為大約50到300微米，并且長度為大約400-800微米。噴嘴開口和加速區的直徑為大約5到80微米，例如，大約10到50微米。加速區的長度為大約1到200微米，例如，大約20到50微米。在模塊主體的各噴嘴之間，加速區長度的均勻度可以是，例如，大約±3％或更下或者±2微米或更小。對于設置為用于10pl液滴的流動路徑而言，下行區的長度大約為550微米。下行區具有橢圓形的跑道形狀，其短軸長度為大約85微米，長軸長度為大約160微米。加速區的長度為大約30微米且直徑為大約23微米。
促動器參照附圖4A和4B，壓電促動器28包括促動器膜片70、接合層72、接地電極層74、壓電層76和驅動電極層78。壓電層74是壓電材料薄膜，厚度為大約50微米或更小，例如大約25微米到1微米，例如大約8微米到大約18微米。壓電層可以由具有期望屬性(比如高密度、低空隙以及高壓電常數)的壓電材料構成。可以在將壓電材料接合到襯底上之前，通過使用包含對該材料進行燒結的技術，在壓電材料中建立這些屬性。例如，單獨模制和燒結的(與在支撐物上的情況相對比)壓電材料具有這樣的優點可以使用高壓將該材料壓到模具中(加熱或未加熱)。此外，一般來說需要更少量的添加劑，比如流動活性劑和粘合劑。在燒結處理中，可以使用較高的溫度，例如1200-1300℃，能夠實現較好的熟化和顆粒生長。可以使用燒結氛圍(例如，富鉛氛圍)來減少陶瓷中PbO的損失(由于高溫造成)。可以將可能有PbO損失或其它缺陷的模制部分的外表面切除并且丟棄掉。也可以通過熱等靜壓加壓(HIP)工藝對所述材料進行處理，在該處理期間，對陶瓷施加通常為1000-2000大氣壓的高壓。HIP處理一般在對一塊壓電材料進行了燒結之后實施，并且用于增加密度、減小空隙和增大壓電常數。
經預燒結的壓電材料薄層可以通過減小相對較厚的晶片的厚度來形成。諸如平磨這樣的精磨技術能夠產生相當均勻的具有光滑、低空隙表面形態的薄層。在平磨中，將工件安裝在旋轉夾具上并且使得工件的暴露表面與平磨輪相接觸。這一磨削可以在晶片上產生例如0.25微米或更小(例如大約0.1微米或更小)的平坦度和平行度以及達到5nm Ra或更小的表面拋光。該磨削還產生對稱的表面拋光和均勻的殘余應力。在有需求的情況下，可以形成輕微內凹或外凸的表面。下面將要討論，可以在磨削之前將壓電晶片接合在襯底上，比如模塊襯底上，從而薄層可以得到支撐并且減小了斷裂和翹曲的可能性。
具體參照附圖7A到7C，給出了壓電材料的接地表面的干涉測量表面光度儀數據。具體參照附圖7A，表面拋光在大約35mm2的區域內表現為一系列基本平行的隆起線。平均峰谷變化為大約2微米或更小，均方根值為大約0.07微米或更小，并且Ra為大約0.5微米或更小。具體參照附圖7B，以立體的方式示出了表面輪廓。具體參照附圖7C，給出了附圖7A中沿直線CC截得的表面輪廓。
適用的精磨設備是東芝的Model UHG-130C，可以通過位于亞利桑那州錢德勒市的Cieba Technologies購得。可以使用粗輪隨后使用精輪對襯底進行磨削。適用的粗輪和精輪分別具有1500粒度和2000粒度的人造金剛石樹脂狀基質。適用的磨削輪可以從日本的Adoma或Ashai Diamond IndustrialCorp.購得。工件心軸以500rpm的轉速工作，并且磨削輪心軸以1500rpm的轉速工作。對于使用粗輪的開始200-250微米，x軸進給速度是10微米/分鐘，而對于使用精輪的最后50-100微米，x軸進給速度是1微米/分鐘。冷卻劑是18mΩ脫離子水。表面形態可以通過采用Metroview軟件的Zygomodel Newview 5000干涉儀進行測量，可以從位于康奈提格州的Middlefield的Zygo Corp.購得。壓電材料的密度最好為大約7.5g/cm3或更高，例如，大約8g/cm3到10g/cm3。d31系數最好為大約200或更大。經HIPS處理過的壓電材料可以從日本的Sumitomo Piezoelectric Materials購得，即H5C和H5D。H5C材料表現出大約8.05g/cm3的表觀密度和大約210的d31。H5D材料表現出大約8.15g/cm3的表觀密度和大約300的d31。晶片的厚度一般來說大約是1cm并且可以切割成0.2mm的小片。切成小片的晶片可以接合到模塊襯底上，并且然后磨削成期望的厚度。壓電材料可以通過包括加壓、刀刮、印刷電路板基板、溶膠凝膠或沉積技術來形成。壓電材料加工在《壓電陶瓷(Piezoelectric Ceramics)》(作者B.Jaffe，Academic Press Limited，1971)，其全部內容以引用的方式整體并入本文。在第258-259頁介紹了形成方法，包括熱壓法。高密度、高壓電常數的材料是首選的，不過可以對低性能的材料使用磨削技術來提供薄層以及光滑、均勻的表面形態。也可以使用單晶壓電材料，比如鉛鎂鈮酸鹽(PMN)，可以從位于賓夕法尼亞州費城的TRSCeramics購得。
回過來參照附圖4A和4B，促動器還包括下部電極層74和上部電極層78。這些層可以是金屬，比如銅、金、鎢、氧化銦錫(ITO)、鈦或鉑或者這些金屬的組合物。這些金屬可以是真空沉積到壓電層上的。電極層的厚度可以是，例如，大約2微米或更小，例如，大約0.5微米。按照一些具體的實施方式，可以使用ITO來減少短路。ITO材料可以填充壓電材料中的小空隙和通路并且具有足以減少短路的阻抗。這種材料非常適用于以相對較高的電壓驅動的薄壓電層。此外，在施加電極層之前，可以使用電介質對壓電材料表面進行處理，來填充表面空隙。可以采取這樣的手段來填充這些空隙在壓電層表面上沉積電介質層然后再對電介質層進行磨削以暴露出壓電材料，以致表面中的任何空隙都由電介質填充。電介質減小了斷裂的可能性并且提高了操作均勻性。所述電介質材料可以是，例如，二氧化硅、碳化硅、氧化鋁或聚合物。可以通過濺鍍或諸如PEVCD這樣的真空沉積技術來沉積電介質材料。
將金屬化的壓電層固定在促動器膜片70上。促動器膜片70將腔室33中的墨水與下部電極層74和壓電層76隔離開。促動器膜片70一般來說是惰性材料并且具有柔順性，從而壓電層的促動會造成促動器膜片足以對泵作用室中的墨水增壓的彎曲。促動器膜片的厚度均勻性實現了穿過模塊的精確且均勻的促動。可以將促動器膜片的材料制備成厚板(例如，大約1mm厚或更厚)，使用平磨將它們磨削成期望的厚度。例如，可以將促動器膜片磨削成大約25微米或更小的厚度，例如，大約20微米。按照一些實施方式，促動器膜片70具有大約60吉帕斯卡或更大的模量。實例材料包括玻璃或硅。具體的例子是硼硅酸鹽玻璃，可以從德國的Schott Glass公司購得，即BofoflotEV 520。另外，可以通過在金屬化的壓電層上沉積厚度為例如2到6微米的氧化鋁層制備促動器膜片。按照另外一種可選方案，促動器膜片可以是鋯或石英。
壓電層76可以通過接合層72連接在促動器膜片70上。接合層72可以是一層沉積在金屬層74上的非晶硅，然后將其以陽極方式接合到促動器膜片70上。在陽極接合過程中，在硅襯底與玻璃相接觸的同時對其進行加熱，同時向玻璃施加負電壓。離子朝向負電極漂移，在與硅的分界面處的玻璃中形成了耗盡區，這個耗盡區在玻璃和硅之間形成了靜電鍵。接合層還可以是經焊接或形成共晶鍵的金屬。另外，接合層可以是有機粘接劑層。因為壓電材料已經預先進行了燒結，在組裝期間粘接劑層不會經受高溫。也可以使用相對較低熔融溫度的有機粘接劑。有機粘接劑的一個例子是BCB樹脂，可以從位于密歇根州米德蘭市的Dow Chemical購得這種樹脂。可以通過旋涂工藝將粘接劑涂覆到例如大約0.3到3微米的厚度。可以在將壓電層接合到促動器膜片上之前或之后將促動器膜片接合到模塊襯底上。
可以通過粘接劑或通過陽極接合將促動器膜片70接合到模塊襯底26上。陽極接合是較佳選擇，因為沒有粘接劑接觸與流動路徑相鄰的模塊襯底構造，從而減小了污染的可能性并且可以提高厚度均勻度和對齊程度。促動器襯底在連接到模塊襯底上之后可以磨削到期望的厚度。按照另外一些實施方式，促動器不包括介于壓電層與泵作用室之間的膜片。壓電層可以直接暴露于墨水腔室中。在這種情況下，驅動和接地電極全部都可以放置在壓電層不暴露于墨水腔室的相反的背側上。
回過頭來參照附圖2B以及附圖4A和4B，在模塊的中心線的任一側上的促動器是由切割線18、18’分隔開的，這兩根切割線具有延伸到促動器膜片70的深度。對于由諸如玻璃之類的透明材料制成的促動器膜片70而言，透過這些切割線能夠看到噴嘴流動路徑，這為墨流分析創造了條件，例如，使用頻閃照相進行分析。相鄰的促動器是由隔離切口19分隔開的。隔離切口延伸(例如，1微米深，大約10微米寬)到硅主體襯底內(附圖4B)。隔離切口19可以機械地將相鄰的腔室隔離開，以減少串擾。如果希望的話，這些切口可以向硅中延伸得更深，例如，延伸到泵作用室的深度。促動器的背部16還包括接地觸點13，這些接地觸點13由延伸到壓電層而保持接地電極層72完整的分隔切口14與促動器分開(附圖4A)。在對頂表面進行金屬化之前形成的邊緣切口27在模塊的邊緣處露出接地電極層72，從而頂表面金屬化將接地觸點與接地層72連接起來。
加工制造參照附圖8A到8N，示出了模塊襯底的加工制造過程。可以同時在一個晶片上形成多個模塊襯底。為了簡明起見，附圖8A-8N示出了一個單一的流動路徑。模塊襯底中的流動路徑構造可以借助蝕刻工藝形成。具體的工藝是通過深度還原性離子蝕刻進行的各向同性干法蝕刻，這一工藝利用了等離子體來選擇性地蝕刻硅或二氧化硅，以形成具有基本垂直側壁的構造。稱為Bosch工藝的一種還原性離子蝕刻技術在Laermor等人的US5501893中進行了討論，該專利文獻的全部內容以引用的方式整體并入本文。深度硅還原離子蝕刻器材可以從位于加利福尼亞州雷德伍德城的STS公司、位于德克薩斯州普萊諾市的Alcatel公司或位于瑞士的Unaxis公司購得。具有<100>晶體取向的SOI晶片可以從蝕刻設備供應商處購得，包括位于加利福尼亞州圣巴巴拉市的IMT公司，并且還原性離子蝕刻可以由這樣的蝕刻設備供應商來實施。
參照附圖8A，SIO晶片200包括硅柄202、二氧化硅BOX層205和硅有源層206。該晶片的后表面上有一個氧化物層203并且在前表面上有一個氧化物層204。氧化物層203、204可以通過加熱氧化形成或者通過汽相沉積法沉積在晶片上。氧化物層的厚度一般來說為大約0.1到1.0微米。
參照附圖8B，晶片的前側備有限定出噴嘴開口區212和供墨區211的光致抗蝕劑圖樣。
參照附圖8C，對晶片的前側進行蝕刻，以將限定出噴嘴開口區212和供墨區213的圖樣轉移到氧化物層上。然后將抗蝕劑除掉。
參照附圖8D，晶片的后側備有限定出泵作用室區域217、過濾區域219和供墨路徑區域221的光致抗蝕劑圖樣215。
參照附圖8E，然后對后側進行蝕刻，以將包括泵作用室區223、過濾區225和供墨路徑區227的圖樣轉移到氧化物層203上。
參照附圖8F，在晶片的后側上設置限定出下行區域231的抗蝕劑圖樣229。
參照附圖8G，將下行區232蝕刻到柄202中。該蝕刻過程可以采用還原性離子蝕刻來進行，以在基本上不蝕刻二氧化硅的同時選擇性地蝕刻硅。蝕刻朝向BOX層205進行。該蝕刻在BOX層的稍上方終止，從而后續的蝕刻步驟(附圖8H)除去到BOX層的剩余硅。然后從晶片的后側剝離抗蝕劑。
參照附圖8H，將泵作用室區233、過濾區235和供墨區237蝕刻到晶片的后側中。深度硅還原性離子蝕刻選擇性地蝕刻掉了硅，而基本上不會蝕刻掉二氧化硅。
參照附圖8I，在晶片的前側上設置限定出供墨區241的光致抗蝕劑圖樣239。該光致抗蝕劑填充并保護了噴嘴區213。
參照附圖8J，使用還原性離子蝕刻工藝蝕刻出了供墨區241。該蝕刻進行到BOX層205。
參照附圖8K，從供墨區蝕刻內埋層。BOX層可以使用濕法酸蝕刻進行蝕刻，這種蝕刻工藝選擇性地蝕刻掉了BOX層中的二氧化硅，而基本上不會蝕刻掉硅或光致抗蝕劑。
參照附圖8L，利用還原性離子蝕刻對供墨區進行進一步蝕刻，以產生到達晶片前表面的穿透通路。然后從晶片的前側上剝離抗蝕劑239。在附圖8L所示的蝕刻之前，可以借助PVD工藝在晶片的后側上配備保護性金屬層，例如，鉻。在供墨區蝕刻完成之后，通過酸蝕刻除去該保護性金屬層。
參照附圖8M，噴嘴的加速區242是通過從晶片的前側進行還原性離子蝕刻以選擇性地蝕刻掉硅而基本不蝕刻二氧化硅而形成的。在限定在氧化物層204中噴嘴區214中，蝕刻進行到BOX層205的深度。結果，加速區的長度限定在了晶片的前表面與內埋氧化物層之間。在到達了BOX層205之后，可以繼續進行還原性離子蝕刻處理一個時間段，以形成下行區和加速區之間的過渡部分240。具體來說就是，在已經蝕刻硅到BOX層之后，繼續施加離子蝕刻能量有助于增大與BOX層205相鄰的加速區的直徑，在加速區中產生了曲線形狀的直徑漸變部分240。一般來說，該成形是通過過蝕刻大約20％實現的，即，繼續進行相當于到達BOX層所花費時間的大約20％這么長時間的蝕刻。直徑的變化也可以通過改變作為蝕刻深度的函數的蝕刻參數來產生，例如，蝕刻速度。
參照附圖8N，使用從晶片后側施加的濕法蝕刻除掉在下行區與加速區交界處的BOX層205部分，以產生下行區與加速區之間的通路。此外，施用濕法蝕刻可以除掉晶片后表面上的氧化物層203。如果期望的話，可以類似地除去晶片前表面上的氧化物層204，以暴露出單晶硅，單晶硅一般來說比二氧化硅更具可潤濕性和耐用性。
現在參照附圖9，給出了概括出促動器的加工過程和模塊的組裝過程的流程圖。在步驟300中，制備出了包括多個如附圖8N中所示的帶有流動路徑的模塊的硅晶片。在步驟302中，制備出促動器襯底材料原坯，比如硼硅酸鹽玻璃原坯。在步驟304中，制備出了壓電材料原坯。在步驟306中，例如，使用帶有1％Micro90清潔器的超聲波清潔器對促動器襯底材料進行清洗。對玻璃原坯進行沖洗、使用氮氣進行干燥并且進行等離子體蝕刻。在步驟308中，將清洗過的促動器襯底原坯采用陽極方式接合到經過蝕刻的步驟300中制備的硅晶片上。在步驟310中，使用諸如平磨之類的精磨技術，將促動器襯底原坯的暴露表面磨削成期望的厚度和表面形態。晶片的前表面可以使用UV帶加以保護。促動器襯底原坯通常要制備成相對較厚的層，例如，厚度為0.3mm或更高。襯底原坯可以精確地磨削成例如大約20微米的厚度。通過在磨削之前將促動器襯底接合到模塊襯底上，對薄的膜片造成的翹曲或其它損壞得到了減少并且尺寸均勻度得到了提高。
在步驟312中，對促動器襯底進行清洗。促動器襯底可以在超聲波洗池中進行清洗并且可以如上所述地對其進行等離子體蝕刻。在步驟314中，對壓電原坯的兩側進行精細磨削，以制備出光滑的表面形態。在步驟316中，對壓電原坯的一側進行金屬化。在步驟318中，將壓電原坯的金屬化側接合到促動器襯底上。可以使用旋涂的粘接劑來接合壓電原坯。另外，可以該原坯的金屬化表面上沉積一層非晶硅，然后采用陽極方式將該原坯接合到促動器襯底上。
在步驟320中，使用精磨技術將壓電原坯磨削成期望的厚度。再參照附圖10，磨削使用平磨機350實現。在這個處理中，將晶片組裝到一個具有加工成高平面度公差的基準面的卡盤352上。壓電原坯的暴露表面與旋轉磨削輪354相接觸，并且以高公差對齊。壓電原坯可以具有充足的厚度，例如，大約0.2mm或更大，這個厚度對于步驟314中的初始表面磨削而言易于處理。不過，在促動器所期望的厚度下，例如，50微米或更小，壓電層很容易遭到損壞。為了避免損壞和便于處理，在將壓電原坯結合到促動器襯底上之后再將其磨削成期望的厚度。在磨削期間，可以將噴嘴開口蓋住，以密封住墨水流動路徑，防止其暴露于磨削冷卻液。可以使用膠帶將噴嘴開口蓋住。可以將一個模型襯底安裝在卡盤上并且將其磨削成期望的平坦度。然后將晶片安裝在該模型襯底上并且將其磨削到模型襯底的平行度。
在步驟322中，切割出用于接地電極觸點的邊緣切口，以暴露出接地電極層74。在步驟324中，對晶片進行清洗。在步驟326中，將晶片的背側金屬化，這實現了與接地層的金屬接觸，同時提供了遍及壓電層的促動器部分的后表面上的金屬層。在步驟228中，鋸切出分離和隔離切口。在步驟330中，再次對晶片進行清洗。
在步驟334中，通過劃片將模塊從晶片上分離下來。在步驟336中，將模塊安裝到歧管框架上。在步驟338中，安裝電極。最后，在步驟340中，將該裝置安裝到一個外殼中。
模塊的前表面可以配備保護涂層和/或提高或防止墨水浸濕的涂層。該涂層可以是，例如，諸如特氟綸之類的聚合物或諸如金或銠之類的金屬。可以使用劃片機來將模塊主體從晶片上分離下來。另外或額外地，可以通過蝕刻形成切槽并且可以使用劃片機在這些切槽中形成分離切口。也可以通過沿著這些切槽掰斷手工地分離這些模塊。
其它實施方式參照附圖11，在泵作用室的上游設置了柔順性薄膜450，例如，在過濾器/阻抗構造和/或供墨流動路徑上方。柔順性薄膜通過吸收聲能減少了串擾。該柔順性薄膜可以由促動器襯底的連續部分給出。可以對這個部分進行磨削、切削或激光加工，以減小與泵作用室上方的部分相比的厚度(例如，到大約2微米)，以提高柔順性。柔順性薄膜可以包括壓電材料層或者可以將壓電材料的尺寸制作得不覆蓋該薄膜。該薄膜也可以是單獨的部件，比如接合在模塊襯底上的聚合物或者二氧化硅或氮化硅膜。可以額外使用沿著與供墨流動路徑相鄰的模塊前表面的柔順性薄膜，或者用其代替薄膜450。在Hoisington的US4891054中討論了柔順性薄膜，其全部內容以引用的方式整體并入本文。
參照附圖12A和12B，將過濾器/阻抗控制構造500設置為一系列形成在壁件上的小孔，在這種情況下，在模塊襯底中，在同一層中限定出了噴嘴/加速區。在這個例子中，墨水是由框架流動路徑512供應的，該路徑通向模塊襯底的底表面514。底表面514具有一系列小孔516，這些小孔的尺寸被制作成用于實現過濾功能和吸收聲能。
參照附圖13A和13B，打印頭模塊600配備有襯底主體610和噴嘴板612并且具有阻抗/過濾構造614，該襯底主體610由例如碳或金屬形成，噴嘴板612由半導體形成。泵作用室616和促動器618與主體610連通。襯底主體612限定出了噴嘴流動路徑620，該路徑可以通過磨削、鋸削、鉆孔或其它非化學加工和/或組裝多個預先加工好的層來形成。噴嘴板的構造614是由通向加速區616和噴嘴開口617的流動路徑中的多行柱615形成的。噴嘴板612可以通過對包括BOX層619的SOI晶片進行蝕刻以提供流動路徑的加速部分中的高均勻度來形成。噴嘴板612可以通過例如粘接劑接合到主體610上。
參照附圖14A和14B，打印頭模塊700配備有襯底主體710和噴嘴板712并且具有阻抗/過濾構造714，該襯底主體710例如由碳或金屬形成，噴嘴板712由硅形成。泵作用室716和促動器718與主體710相連通。碳襯底主體712限定出噴嘴流動路徑720。構造714形成在噴嘴板的后表面并且包括多個小孔721。噴嘴板712可以通過對包括BOX層719的SOI晶片進行蝕刻以提供流動路徑的加速部分中的高均勻度來形成。噴嘴板712可以通過例如粘接劑接合到主體710上。
參照附圖15A和15B，打印頭模塊800配備有襯底主體810、噴嘴板812和限定在由硅形成的層830中的阻抗/過濾構造814，該襯底主體810由例如碳或金屬形成，噴嘴板812由半導體形成。泵作用室816和促動器818與主體810連通。主體812限定出了噴嘴流動路徑820。構造814具有多個小孔821。噴嘴板812和層830可以通過對包括BOX層的SOI晶片進行蝕刻來形成。部件830位于主體810和噴嘴板812之間。可以使用例如粘接劑將部件830接合在主體810上并且將噴嘴板812接合到主體810上。
參照附圖16A和16B，將半導體過濾器/阻抗控制部件900作為單獨的部件設置在模塊910中。模塊主體限定出了一個壓力室912并且可以由多個組合在一起的層構成，如內容已經在前面合并入本文的Hoisington的US4891654中所討論的那樣。部件900位于腔室912上游的墨水入口918附近。按照這種實施方式，過濾器/阻抗控制部件形成為一系列薄的矩形凸起920，這些凸起以一定角度定位，以沿著墨水流動路徑給出象迷宮一樣的路徑。這些凸起可以通過蝕刻半導體襯底來形成。
按照其它一些實施方式，上面介紹的經過蝕刻的模塊主體或噴嘴板，除了可采用壓電促動器外，還可以采用其它的促動器機構。例如，可以使用熱氣泡噴射或靜電促動器。靜電促動器的例子可以在US4386358中找到，其全部內容以引用的方式整體并入本文。其它的可蝕刻材料可用于模塊襯底、噴嘴板和阻抗/過濾構造，例如，鍺、摻雜硅和其它的半導體。終止層可用于限定各種不同構造的厚度，比如深度、均勻度，并且可用于形成泵作用室。可以配備多個終止層來控制多個構造的深度。
上面介紹的壓電促動器可以利用其它的模塊襯底和襯底系統。可以使用由沒有進行預燒結的壓電材料形成的壓電層。例如，可以通過諸如溶膠凝膠沉積或印刷電路基板技術之類的技術在玻璃或硅襯底上形成薄的壓電膜，并且隨后進行燒結。可以通過精磨對表面特性和/或厚度進行調整。這些促動器襯底材料的抗高溫能力能夠經受住陶瓷原體的燒結溫度。雖然三層的SOI襯底是優選的，但是具有兩層可不同蝕刻的半導體材料的半導體襯底，比如在硅上有一個二氧化硅，可用來形成模塊主體襯底或噴嘴板并且通過不同的蝕刻控制構造的深度。例如，可以使用硅上有二氧化硅的單片主體。加速區可以限定在襯底的硅表面上的噴嘴開口與硅和二氧化硅層間的界面之間。
應用打印頭可應用于任何打印場合中，尤其是高速、高性能打印。這些模塊在利用長模塊和/或排列成陣列的多個模塊打印寬的基材的寬格式打印中尤其有用。
回過頭來參照附圖1到1C，為了保持打印頭中的模塊之間的定位準確，面板82和外殼86分別配備有對準構造85、89。在將模塊安裝到面板82上之后，例如使用YAG激光或劃片機對對準構造85進行修整。對準構造是利用光學定位器進行修整的并且構造85與噴嘴開口對齊。再次利用激光修整或劃片和光學對準使外殼86上的相配對準構造89彼此對齊。這些構造的對齊精確到±1微米或更佳。面板可以是由例如液晶聚合物形成的。適用的劃片機包括晶片劃片機，例如由位于加利福尼亞文圖拉市的ManufacturingTechnology Incorporated出品的Model 250 Integrated Dicing Saw and CCDOptical Alignment System。
這些模塊可以用在打印機中進行膠印替換。這些模塊可用于選擇性地沉積涂敷于打印材料或打印基材的光滑透明涂層。打印頭和模塊可用于配制或噴涂各種不同的流體，包括非圖像形成流體。例如，可以選擇性地噴涂三維模型糊劑來建立模型。可以在分析序列上噴涂生物樣本。
在權利要求書中還有其它一些實施方式。
權利要求
1.一種打印頭，包括單片半導體主體，具有上表面和下表面，該主體限定出包括泵作用室、噴嘴流動路徑和噴嘴開口的流體路徑，其中噴嘴開口被限定在主體的下表面，噴嘴流動路徑包括加速區，壓電促動器，該壓電促動器與泵作用室相聯，包括厚度為大約50微米或更小的壓電層。
2.按照權利要求1所述的打印頭，其中，壓電層的厚度為大約25微米或更小。
3.按照權利要求1所述的打印頭，其中，壓電層的厚度為大約5到25微米。
4.按照權利要求1所述的打印頭，其中，壓電層的密度為大約7.5g/cm3或更大。
5.按照權利要求1所述的打印頭，其中，壓電層具有大約200或更大的d31系數。
6.按照權利要求1所述的打印頭，其中，壓電層具有Ra為大約0.05微米或更小的表面。
7.按照權利要求1所述的打印頭，其中，壓電層由預燒結的壓電材料構成。
8.按照權利要求1所述的打印頭，其中，半導體主體限定出了過濾器/阻抗構造。
9.按照權利要求8所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造限定出了多個流體路徑中的流動開口。
10.按照權利要求9所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造包括流動路徑中的多個凸起。
11.按照權利要求10所述的打印頭，其中，所述凸起包括柱。
12.按照權利要求8所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造包括多個穿過壁件的小孔。
13.按照權利要求8所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造位于泵作用室的上游。
14.按照權利要求1所述的打印頭，其中，促動器包括安裝在半導體主體上的促動器襯底。
15.按照權利要求14所述的打印頭，其中，促動器襯底是通過陽極接合安裝在半導體主體上的。
16.按照權利要求15所述的打印頭，其中，促動器襯底是從玻璃或硅中選取的。
17.按照權利要求16所述的打印頭，其中，促動器襯底是從氧化鋁、氧化鋯或石英中選取的。
18.按照權利要求15所述的打印頭，其中，促動器襯底的厚度為大約50微米或更小。
19.按照權利要求14所述的打印頭，其中，壓電層是通過有機粘接劑安裝在促動器襯底上的。
20.按照權利要求1所述的打印頭，其中，半導體主體包括至少一個內埋層，噴嘴流動路徑包括變化的橫截面，內埋層介于橫截面不同的區域之間。
21.按照權利要求20所述的打印頭，其中，泵作用室限定在所述主體的上表面之內。
22.按照權利要求20所述的打印頭，其中，噴嘴流動路徑包括下行區和加速區，所述下行區用于從泵作用室朝向下表面引導流體，所述加速區將流體從下行區引導到噴嘴開口。
23.按照權利要求22所述的打印頭，其中，內埋層是下行區與加速區的交接處。
24.按照權利要求22所述的打印頭，其中，加速區的橫截面基本上是恒定的。
25.按照權利要求22所述的打印頭，其中，加速區的橫截面沿著朝向噴嘴開口的方向縮小。
26.按照權利要求22所述的打印頭，其中，加速區長度與噴嘴開口橫截面的比為大約0.5或更大。
27.按照權利要求26所述的打印頭，其中，所述比為大約1.0或更大。
28.按照權利要求27所述的打印頭，其中，所述比為大約5.0或更小。
29.按照權利要求1所述的打印頭，其中，加速區的長度為大約10到75微米。
30.按照權利要求1所述的打印頭，其中，噴嘴開口的橫截面尺寸為大約5到50微米。
31.一種打印頭，包括單片半導體主體，包括內埋層并且具有上表面和下表面，該主體限定出多個流體路徑，每個流體路徑都包括泵作用室、噴嘴開口和介于泵作用室與噴嘴開口之間的噴嘴路徑，噴嘴路徑包括加速區，其中，泵作用室被限定在主體的上表面，噴嘴開口被限定在主體的下表面，加速區被限定在噴嘴開口與內埋層之間，壓電促動器，該壓電促動器與泵作用室相聯，包括厚度為大約25微米或更小的壓電材料層。
32.按照權利要求31所述的打印頭，其中，壓電層具有大約200或更大的d31系數。
33.按照權利要求31所述的打印頭，其中，壓電層由預燒結的壓電材料構成。
34.按照權利要求31所述的打印頭，其中，促動器包括接合在半導體主體上的促動器襯底。
35.按照權利要求31所述的打印頭，其中，半導體主體限定出過濾器/阻抗構造，該構造包括多個流動路徑中的凸起。
36.按照權利要求31所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造位于泵作用室的上游。
37.一種打印頭，包括單片半導體主體，限定出流動路徑和過濾器/阻抗構造。
38.按照權利要求37所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造限定出多個流動開口。
39.按照權利要求38所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造包括多個凸起。
40.按照權利要求39所述的打印頭，其中，所述凸起包括柱。
41.按照權利要求39所述的打印頭，其中，所述構造包括多個間隔壁中的小孔。
42.按照權利要求39所述的打印頭，其中，流動開口的橫截面尺寸為大約25微米或更小。
43.按照權利要求38所述的打印頭，包括噴嘴開口，其中，流動開口的橫截面尺寸小于噴嘴開口的橫截面尺寸。
44.按照權利要求43所述的打印頭，其中，半導體主體限定出噴嘴開口。
45.一種打印頭，包括過濾器/阻抗構造，該構造包括具有多個流動開口的半導體，其中，開口的橫截面為大約25微米或更小。
46.按照權利要求45所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造包括凸起。
47.按照權利要求45所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造包括間隔壁中的開口。
48.一種打印頭，包括半導體主體，該主體限定出流體流動路徑、噴嘴開口和具有多個流動開口的過濾器/阻抗構造，其中，流動開口的橫截面小于噴嘴開口的橫截面并且流動開口的總面積大于噴嘴開口的面積。
49.按照權利要求48所述的打印頭，其中，流動開口的橫截面為噴嘴開口的橫截面的大約60％或更小。
50.按照權利要求49所述的打印頭，其中，流動開口的總面積為噴嘴開口的橫截面的大約2倍或更高。
51.按照權利要求50所述的打印頭，其中，流動開口是由流動路徑中的凸起限定的。
52.一種打印頭，包括單片半導體主體，具有上表面和基本平行的下表面，該主體限定出包括供墨路徑、泵作用室和噴嘴開口的流體路徑，其中，泵作用室被限定在上表面，噴嘴開口被限定在下表面。
53.按照權利要求52所述的打印頭，包括介于泵作用室與噴嘴開口之間的噴嘴流動路徑。
54.按照權利要求53所述的打印頭，其中，泵作用室限定在基本為直線的腔室側壁之間，所述噴嘴流動路徑是沿著所述側壁之一的基本共線的延伸方向限定的。
55.按照權利要求54所述的打印頭，其中，所述主體限定出多對流動路徑對，其中，這些流動路徑對具有相鄰的噴嘴，泵作用室側壁基本上是共線的。
56.按照權利要求55所述的打印頭，其中，所述噴嘴對中的噴嘴流動路徑是互成角度配置的。
57.按照權利要求56所述的打印頭，其中，所述多個對中的噴嘴限定出基本上是直的線。
58.按照權利要求57所述的打印頭，其中，噴嘴流動路徑具有含有長橫截面和短橫截面的區域，并且短橫截面與噴嘴開口的線基本平行。
59.按照權利要求52所述的打印頭，其中，半導體主體限定出過濾器/阻抗構造。
60.按照權利要求59所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造限定出流體路徑中的多個流動開口。
61.一種打印頭，包括主體，包括流動路徑，壓電促動器，具有固定在主體上并且厚度為大約50微米或更小的預燒結壓電層。
62.按照權利要求61所述的打印頭，其中，壓電層為大約25微米或更薄。
63.按照權利要求62所述的打印頭，其中，壓電層接合在促動器膜片上。
64.按照權利要求63所述的打印頭，其中，促動器膜片的厚度為大約25微米或更小。
65.按照權利要求64所述的打印頭，其中，促動器膜片為硅或玻璃。
66.按照權利要求61所述的打印頭，其中，壓電層具有Ra為大約0.05微米或更小的表面。
67.按照權利要求61所述的打印頭，其中，壓電層基本上是壓電材料的平面體。
68.一種打印頭，包括壓電促動器，包括壓電層，該壓電層具有Ra為大約0.05微米或更小的表面，將所述促動器設置為對打印頭中的流體進行加壓。
69.按照權利要求68所述的打印頭，其中，壓電層的厚度為大約50微米或更小。
70.一種打印頭，包括壓電促動器，包括壓電層，該壓電層厚度為大約50微米或更小并且具有至少一個包括填空料材料的表面。
71.按照權利要求70所述的打印頭，其中，填空料材料是電介質。
72.按照權利要求71所述的打印頭，其中，電介質是從二氧化硅、氮化硅或氧化鋁中選取的。
73.按照權利要求70所述的打印頭，其中，填空料材料是ITO。
74.一種打印頭，包括單片主體，具有上表面和下表面，該主體限定出了包括泵作用室、噴嘴流動路徑和噴嘴開口的流體路徑，其中，噴嘴限定在主體的下表面內，壓電促動器，該壓電促動器與泵作用室相聯。
75.按照權利要求74所述的打印頭，其中，主體限定出過濾器/阻抗構造。
76.按照權利要求75所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造限定出流體路徑中的多個流動開口。
77.按照權利要求76所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造包括流動路徑中的多個凸起。
78.按照權利要求77所述的打印頭，其中，所述凸起包括柱。
79.按照權利要求75所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造包括穿過壁件的多個小孔。
80.按照權利要求75所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造位于泵作用室的上游。
81.按照權利要求74所述的打印頭，其中，主體是可蝕刻材料。
82.按照權利要求74所述的打印頭，其中，主體是半導體。
83.按照權利要求82所述的打印頭，其中，主體是硅。
84.一種打印頭，包括單片主體，限定出流動路徑和過濾器/阻抗構造。
85.按照權利要求84所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造限定出多個流動開口。
86.按照權利要求85所述的打印頭，其中，過濾器/阻抗構造包括多個凸起。
87.按照權利要求86所述的打印頭，其中，所述凸起包括柱。
88.按照權利要求87所述的打印頭，其中，流動開口的橫截面尺寸為大約25微米或更小。
89.按照權利要求85所述的打印頭，包括噴嘴開口，其中，流動開口的橫截面尺寸小于噴嘴開口的橫截面尺寸。
90.按照權利要求85所述的打印頭，其中，流動路徑和過濾器/阻抗構造限定在可蝕刻材料內。
91.按照權利要求90所述的打印頭，其中，可蝕刻材料是半導體。
92.按照權利要求91所述的打印頭，其中，可蝕刻材料是硅。
全文摘要
一種打印頭，具有單片式半導體主體(26)。該主體限定出壓力室(33)、噴嘴流動路徑(66)和噴嘴開口(22)。壓電促動器(28)與壓力室(33)相聯，包括厚度大約為50微米或更小的壓電層(76)。半導體主體還限定了具有多個流動開口的過濾器/阻抗構造。半導體主體優選地是拋光的SOI晶片。在另一方面，本發明所構造的打印頭中，壓電層表面的Ra值為大約0.05微米或者更小，或者至少一個表面包括填空材料。
文檔編號B41J2/055GK1678460SQ03819950
公開日2005年10月5日 申請日期2003年7月2日 優先權日2002年7月3日
發明者安德烈亞斯·比布爾, 約翰·A·希金森, 保羅·A·霍伊辛頓, 迪恩·A·加德納, 羅伯特·A·哈森貝因, 梅爾文·L·比格斯, 愛德華·R·莫伊尼漢 申請人:斯派克特拉公司