CN1246151C - 打印头的制造方法 - Google Patents

Abstract

在可动电极形成于固定电极上的牺牲层上之后，除去牺牲层，形成在固定电极和可动电极之间的空间。这样，可简单和精确地制造以及简单地集成驱动电路。

Description

打印头的制造方法

技术领域

本发明涉及喷墨打印机的打印头和在这种打印头上使用的静电作动器。

背景技术

传统的喷墨打印机通过驱动加热器元件或压电元件，将小墨滴喷射在纸上，以打印图像。日本未经审查的专利申请公报第10-315466号公布了一种利用静电作动器进行驱动的方法。

图1为具有静电作动器的打印头的横截面图。打印头1包括一个预定的基片2，其表面上以给定的间距作出凹部。每一个凹部的底部上有一个电极3。打印头1还包括一个部件5，该部件具有底板6和在基片2上的液体墨盒4的隔板。由导电材料制成的部件5放置在电极3上面。放置在基片2上的电极3面向相应的液体墨盒的底板6，底板6和电极3之间的距离由基片2的凹部确定，使部件5与电极3绝缘。部件5的底板6具有预定的厚度，可起一个膜片的作用。在部件5上还放置着另一个具有喷嘴7的部件8。

在具有上述结构的这个打印头1中，当将电压加在部件5和一个电极3之间的空间时，相应的底板6被吸引并向着电极3弯曲。当停止加电压时，底板6恢复至原来状态。因此，施加电压在电极3和部件5之间产生静电力，以改变打印头1的液体墨盒4的容积。由液体墨盒4的容积减小产生的压力将油墨从一个喷嘴7喷出。

具有加热器元件的喷墨打印机需要大的电能来驱动加热器元件。这样，整个装置消耗大量的能量。另一方面，具有压电元件的喷墨打印机在压电元件集成方面有困难，导致制造过程复杂。由于这些原因，提出了各种方法来解决这些问题，并改善具有加热器元件或压电元件的喷墨打印机的性能水平。

与具有加热器元件或压电元件的喷墨打印机相反，具有静电作动器的打印头仍有可能作进一步改善，并可以解决具有加热器元件或压电元件的喷墨打印机所存在的问题。

如上所述，在传统的具有静电作动器的打印头中，按照下列次序，在基片2上堆积具有底板6和液体墨盒4的隔板的部件5以及具有喷嘴7的部件8。然而，这个装配过程复杂。这个过程还会损害部件5和部件8的定位精度，并可造成油墨在基片2、部件5和部件8之间泄漏。又因为部件5放置在基片2上，因此必需将基片2和部件5的连接表面作得很平。这会造成在基片2上集成静电作动器的驱动电路方面的问题。

发明内容

本发明提供了静电作动器和打印头的简单和精确的制造方法，其可以简单地集成驱动电路。

为了解决上述问题，本发明提供了一种打印头的制造方法，该方法包括：固定电极的形成步骤，用于在预定的基片上形成固定电极；牺牲层形成步骤，用于在固定电极上形成牺牲层；可动电极形成步骤，用于在牺牲层上形成可动电极；牺牲层除去步骤，用于除去牺牲层，在固定电极和可动电极之间形成空间；模型形成步骤，用于在可动电极顶面上形成一个模型，该模型与至少是液体墨盒的空间和将油墨送至液体墨盒中的油墨通道的空间相适应；沉积步骤，用于沉积形成液体墨盒和油墨通道的隔板的涂层材料和形成喷嘴隔板的涂层材料，以覆盖该模型；和模型除去步骤，用于在利用涂层材料形成隔板后，除去模型，其中该模型由可膨胀的泡沫材料制成，以便在模型除去步骤过程中，确定液体墨盒的容积。

该结构中，在按次序形成固定电极、牺牲层和可动电极后，利用牺牲层除去步骤除去牺牲层，在固定电极和可动电极之间形成空间。这些步骤利用半导体制造工艺进行。下列步骤也可使用半导体制造工艺进行。这些步骤包括：在可动电极顶面上形成模型的模型形成步骤，该模型与至少是液体墨盒的空间和将油墨送至液体墨盒中的油墨通道的空间相适应；沉积步骤，用于沉积形成液体墨盒和油墨通道的隔板的涂层材料和形成喷嘴隔板的涂层材料，以覆盖该模型；和用于在使用涂层材料形成隔板后除去模型的模型除去步骤”。

这样，可以达到制造简单和定位精度高。另外，可以预先在基片上形成集成电路，如驱动电路。因此，可以简单和精确地制造以及简单地集成驱动电路。

本发明还提供了一种制造静电作动器的方法，该方法包括：固定电极形成步骤，用于在预定的基片上形成固定电极；牺牲层形成步骤，用于在固定电极上形成牺牲层；可动电极形成步骤，用于在牺牲层上形成可动电极；和牺牲层除去步骤，用于除去牺牲层，形成在固定电极和可动电极之间的空间。

在按次序形成固定电极、牺牲层和可动电极后，利用牺牲层除去步骤除去牺牲层，在固定电极和可动电极之间形成空间。这些步骤利用半导体制造工艺进行。这样，可以达到制造简单和定位精度高。另外，可以预先在基片上形成集成电路，如驱动电路。因此，可以得到一种简单和精确地制造、以及简单地集成(例如)驱动电路的静电作动器的制造方法。

附图说明

图1为传统打印头的横截面图；

图2为根据本发明的一个实施例的打印头的横截面图；

图3(A)～3(C)为沿着图2所示的打印头的A-A线所取的横截面图；

图4(A)～4(D)为表示静电作动器形成步骤的图2所示的打印头的横截面图；

图5(E)～5(H)为在图4(D)的步骤以后接着进行的形成步骤的横截面图；

图6(I)～6(K)为在图5(H)的步骤以后接着进行的形成步骤的横截面图；

图7(L)～7(M)为在图6(K)的步骤以后接着进行的形成步骤的横截面图。

附图标记说明：

1，11-打印头，           2，15-基片，

3-电极，                 4-液体墨盒，

5，8-部件，              6-底板，

7，12-喷嘴，             13-液体墨盒，

14-驱动电路，            16-绝缘层，

17-固定电极，            18，20-绝缘层，

19，21-牺牲层，          21-可动电极，

22-膜片，                23-空间，

32-涂层。

具体实施方式

现在参照附图来说明本发明的实施例。

(1)第一实施例

(1-1)第一实施例的结构

图2为根据本发明第一实施例的打印头的横截面图。该横截面图是沿着穿过排成一排的多个喷嘴12中的一个喷嘴的中心的假想线所取的。图3(A)～3(C)为沿着图2的A-A线所取的横截面图。

打印头11为在行打印机中使用的行打印头。排成一行的喷嘴12的长度与用于打印的纸的宽度相当，因此，喷嘴12排列成一个长行。打印头11的静电作动器改变在每一个液体墨盒13中的压力。静电作动器由静电力驱动，将小墨滴从每一个喷嘴12喷出。另外，油墨可以通过图中未示出的油墨通道送至液体墨盒13中。打印头11可利用半导体制造工艺，按预定的次序，将打印头部件堆积在基片15上面构成。

图4(A)～图7(M)是说明图2的打印头11的形成步骤的横截面图。在打印头11中，驱动电路14是预先在基片15上形成的。如图4(A)所示，利用(例如)化学气相沉积(CVD)法和退火在基片15上形成一个绝缘层16。该绝缘层16为氧化硅膜或氮化硅膜。

参见图4(B)，在打印头11中形成绝缘层16以后，进行固定电极的形成步骤，形成静电作动器的固定电极17。换句话说，利用溅射或气相沉积法来处理打印头11，形成带有预定的图形的导电层。这样，形成固定电极17。导电层为由(例如)铝、金或铂制成的金属膜。固定电极17通过在这个形成步骤中同时形成的一个互连的图形与驱动电路14中的一个区域连接。

参见图4(C)，在打印头11中形成具有预定的厚度的绝缘层18。绝缘层18为(例如)氧化硅膜或氮化硅膜。

参见图4(D)，在打印头11中，利用牺牲层形成步骤形成牺牲层19。牺牲层19起一个虚假层的作用，并在形成面向固定电极17的可动电极后除去。牺牲层19用于在固定电极17和可动电极之间形成一个空间。由(例如)多晶硅、金属材料或绝缘材料制成的牺牲层19具有预定的厚度。多余的牺牲层19利用(例如)光刻法除去。在形成可动电极后除去牺牲层19必需对其他部件没有任何影响。换句话说，必需充分保持蚀刻牺牲层19对其他部件的选择性。可以使用各种材料来制造牺牲层19，只要能达到不会损害实际使用的这种选择性即可。

参见图5(E)，在打印头11中形成牺牲层19后，形成由氧化硅或氮化硅制成的绝缘层20。参见图5(F)，利用可动电极形成步骤形成可动电极21。如同固定电极17的形成一样，可动电极21也是由(例如)铝、金或铂构成的金属薄膜的导电层形成的。利用(例如)溅射或气相沉积法，可以形成带有预定的图形的导电层。可动电极21通过在这个形成步骤中同时形成的一个互连图形与驱动电路14中的一个区域连接。

参见图5(G)，在膜片形成步骤中，在打印头11的可动电极21上形成膜片22。可以使用不脆的而且杨氏模量大和有韧性的刚性材料来制造膜片22。详细地说，膜片22是利用由(例如)氧化硅膜、氮化硅膜、硅、金属膜、氧化铝或氧化锆构成的陶瓷材料，在可动电极21上形成的。如果膜片22由金属材料制成，则膜片22可起可动电极21的作用。

参见图5(H)，利用牺牲层除去步骤，除去打印头11中的牺牲层19。这样，在固定电极17和可动电极21之间，形成宽度与牺牲层19的厚度相同的空间23。根据牺牲层19的材料的不同，可以在这个除去步骤中使用蚀刻工艺(如，干蚀刻或湿蚀刻)。

通过这些步骤，在打印头11的半导体15上，形成具有彼此面向的带有预定的空间23的固定电极17和可动电极21的静电作动器。

如果必要，可在打印头11的膜片上，形成由(例如)氮化硅构成的保护层。参见图6(I)，根据油墨通道和液体墨盒的图形，形成另一个牺牲层31。在堆积了形成液体墨盒和油墨通道的隔板部件后，除去牺牲层31。因此，可以利用牺牲层31形成液体墨盒和油墨通道的空间。

牺牲层31的厚度比油墨通道和液体墨盒的高度小，并且由半导体制造工艺制造得非常均匀。牺牲层31由通过一定的反应过程可使牺牲层31的容积扩张的材料制成，因此，增加的厚度与油墨通道和液体墨盒的高度相当。在此实施例中，这个反应过程是通过加热形成牺牲层31的泡沫材料(以后称为泡沫状的光致抗蚀剂)来进行的。换句话说，利用在反应过程中产生气体的发泡剂和形成泡沫层的预定的基础材料的混合物，来形成牺牲层31。

详细地说，利用偶氮二异丁腈(azobisisobutyronitrile)(产品名：VINYFOR AZ，分解温度：114℃，制造商：EIWA化学工业有限公司)作为发泡剂，和利用正型光致抗蚀剂(产品名：PFR-9500G，制造商：JSR)作基础材料。在这个实施例中，1份发泡剂加入至49份基础材料中。彻底搅拌这些材料，使之混合在一起。这样，就形成了满足上述条件的发泡的保护层。

在泡沫抗蚀剂被旋转涂层后，将打印头11在80℃下进行固化再暴露在光线下，进行显影，以形成牺牲层31。

参见图6(J)，将感光的环氧树脂通过旋转涂层送至打印头11，并通过使感光环氧树脂凝胶化，在给定条件下进行固化，形成涂层32。具有预定厚度的涂层32覆盖整个牺牲层31。涂层32形成油墨通道、液体墨盒和喷嘴。在该实施例中，用于制造涂层32的被选择的材料的固化温度比牺牲层31的发泡温度低。另外，材料的固化温度比其发泡温度高。

参见图6(K)，进行曝光过程，以确定打印头11中的喷嘴12的形状。

然后，在130℃下，在反应过程中对打印头11进行热处理10分钟。参见图7(L)，这个反应过程造成的温度升高使牺牲层31的材料发泡。因此，牺牲层31的厚度增加至液体墨盒13的厚度。在牺牲层31的厚度增加后，涂层32的固化完成。因而，含有大量气泡的牺牲层31形成打印头11中的油墨通道和液体墨盒的结构，并且，整个结构被固化的涂层32覆盖。

在从涂层32上除去一部分环氧树脂材料以形成打印头11中的喷嘴12以后，利用光致抗蚀工艺，在半导体基片15的后表面上作出图形。利用化学各向异性蚀刻方法，在半导体基片15的后表面上作出通向油墨通道的油墨供给孔(图中未示出)。参见图7(M)，在除去步骤中，利用甲醇作为溶剂，从油墨供给孔和喷嘴12上除去牺牲层31。这样，在打印头11中形成液体墨盒13和油墨通道。

利用切割锯，将打印头11的半导体基片15切成芯片。每一个芯片都安装在给定的部件上，并通过油墨供给孔与墨盒连接。另外，由金属丝粘接形成的半导体基片15上的驱动电路的垫片与预定的区域连接。这样，就完成了打印头11。

(1-2)第一实施例的实施

在打印头11中(参见图2和图3(A))。当将预定的电压加在固定电极17和可动电极21之间时，在固定电极17和可动电极21之间产生的静电力将可动电极21吸引向固定电极17(参见图3(A)和图3(B))。这可增加液体墨盒13的容积，并将油墨通过图中未示出的油墨通道送至液体墨盒13中。另外，在打印头11中，当停止将电压加在可动电极21和固定电极17之间时，可动电极21和固定电极17之间的静电力消除。膜片22和可动电极21的恢复力使液体墨盒13重新得到其原来的容积。这样，液体墨盒13中的压力增加，将小墨滴从打印头11的喷嘴12喷出(图3(C))。在打印头11中，静电作动器由彼此相对的固定电极17和可动电极21形成二个电极之间有预定的距离。驱动该静电作动器可将小墨滴从喷嘴12喷出。

在如上述这样工作的打印头11中(参见图4(A)～图5(J))，在半导体基片15上形成绝缘层16，然后按次序形成固定电极17，绝缘层18，牺牲层19，可动电极21和膜片22。其次，除去牺牲层19，使得在固定电极17和可动电极21之间形成可动电极21工作所需要的空间23。因此，利用半导体制造工艺，可在打印头11中形成静电作动器。在打印头11中，例如固定电极和膜片一类的部件，利用半导体制造工艺以精确的定位形成，以便可以简单和精确地制造静电作动器。因为静电作动器作在半导体基片15上，因此可以预先在半导体基片15上形成驱动电路14。这也可以简化形成步骤。另一方面，如果单独形成驱动电路，则必需使每一个液体墨盒的固定电极和可动电极与驱动电路连接，这需要较长的制造时间。然而，在这个实施例中，静电作动器是在预先在半导体基片15上形成驱动电路14之后形成的，因此可防止在形成驱动电路14过程中的杂质造成的污染。这可使静电作动器的制造工艺简单。

在用半导体制造工艺形成牺牲层19后，除去牺牲层19，以便在可动电极21和固定电极17之间形成空间23，因此空间23的精度高，并且具有预定的高度。这样，可以减小静电作动器的驱动力的差别，以减少在打印头11中的油墨容积的不规则性。

另外，因为膜片22用沉积工艺制成，因此可以精确地控制厚度，减小厚度的不规则性。

在打印头11中形成静电作动器后，利用相同的半导体制造工艺，形成牺牲层31和涂层32。然后利用光，通过喷嘴图形(图6(K))，使涂层32曝光。使牺牲层31发泡，以保持液体墨盒13的高度。然后，固化涂层32，并除去牺牲层31。

在打印头11中形成静电作动器后，可以利用半导体制造工艺进行以后的制造。这可使喷嘴12的定位精度大大提高。另外，还可防止例如部件之间的油墨泄漏一类的问题，可以简单和精确地进行制造。

在牺牲层31发泡和保持液体墨盒13的高度后，固化作为形成液体墨盒的一个部件的涂层32。再除去发泡的牺牲层31，形成液体墨盒13。这可以减小除去牺牲层的时间，并以高的精度形成液体墨盒13。

(1-3)第一实施例的优点

上述结构可以得出允许简单地集成驱动电路的打印头。通过在固定电极上形成牺牲层和可动电极，然而除去牺牲层，形成固定电极和可动电极之间的空间，可以简单和精确地制造这个打印头。

另外，在形成带有牺牲层的与液体墨盒空间和将油墨送入液体墨盒的油墨通道空间相适应的模型后，可以在模型上放置形成液体墨盒和油墨通道隔板的涂层。然后，除去模型，即除去牺牲层。结果，可将半导体制造工艺用于形成作为静电作动器驱动对象的液体墨盒。这样，也可以简单和精确地制造打印头。

特别是，因为基片由硅构成，因此易于使用半导体制造工艺。另外，还可以简单地集成驱动电路。

换句话说，通过预先在基片上形成将电压加在固定电极和可动电极之间的驱动电路，可以容易地集成驱动电路。

(2)其他实施例

在上述实施例中，说明了在由硅构成的半导体基片上形成的打印头。然而，本发明不是仅限于这种材料，可以按照需要使用各种材料制造基片。例如，可用玻璃基片代替硅基片。当使用玻璃基片时，形成驱动电路用的薄膜晶体管，使得可以集成驱动电路，另外，当使用玻璃基片时，可在矩形的玻璃基片上，一起形成多个打印头。再将打印头分开成单个，使每个打印头可以用作具有细长结构的打印头(例如，行打印头)。与圆形的硅基片相反，矩形的玻璃基片可以有效地由一个基片形成大量的打印头。

在上述实施例中，半导体制造工艺应用于打印头，以形成液体墨盒。然而，本发明不是仅限于该工艺。例如液体墨盒一类的部件，也可以通过粘接形状与液体墨盒或油墨通道相同的树脂材料形成。

虽然，在上述实施例中，驱动电路与打印头作成一个整体，但本发明也可将驱动电路作为一个单独部件分开。

虽然，本发明的上述实施例用于打印头，但本发明的应用不是仅限于打印头，可以用在各种元件和装置中作为静电作动器。

如同在上述的本发明中一样，在形成于固定电极上的牺牲层上形成可动电极后，再除去牺牲层，形成在固定电极和可动电极之间的空间。这样，就提供了一种可简单地集成驱动电路的制造打印头的简单和精确的方法。另外，还提供了一种制造用于这种打印头的静电作动器的简单和精确的方法。

工业应用性

本发明涉及打印头的制造方法和静电作动器的制造方法，本发明可应用于喷墨打印机。

Claims (6)

1.打印头的制造方法，它通过使可动电极移动，改变液体墨盒的容积，将小墨滴从预定的喷嘴喷出；该可动电极由在固定电极和可动电极之间产生的静电力驱动移动；该方法包括：

固定电极形成步骤，用于在预定的基片上形成固定电极；

牺牲层形成步骤，用于在固定电极上形成牺牲层；

可动电极形成步骤，用于在牺牲层上形成可动电极；和

牺牲层除去步骤，用于除去牺牲层，在固定电极和可动电极之间形成空间，

在可动电极的顶面上形成模型的模型形成步骤，该模型与至少是液体墨盒的空间和将油墨送入液体墨盒的油墨通道空间相适应；

沉积步骤，用于沉积形成液体墨盒和油墨通道的隔板的涂层材料和形成喷嘴隔板的涂层材料，以覆盖该模型；和

在使用涂层材料形成隔板后除去模型的模型除去步骤，

其中该模型由可膨胀的泡沫材料制成，以便在模型除去步骤过程中，确定液体墨盒的容积。

2.如权利要求1所述的打印头的制造方法，其中该基片为硅基片。

3.如权利要求2所述的打印头的制造方法，其中用于将电压加在固定电极和可动电极之间的驱动电路预先形成于基片上。

4.如权利要求1所述的打印头的制造方法，其中该基片为玻璃基片。

5.如权利要求1所述的打印头的制造方法，其中具有薄膜晶体管的用于将电压加在固定电极和可动电极之间的驱动电路预先形成于基片上。

6.如权利要求1所述的打印头的制造方法，其中用于形成隔板的涂层材料和用于形成喷嘴隔板的涂层材料由热固性材料制成，并且在模型除去步骤过程中被热固化以形成隔板。

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