正面喷墨单片集成热汽喷墨打印头及其制造方法技术

本发明专利技术介绍一种集成于同一硅片的正面喷墨打印头，集成部分除喷嘴，毛细管，集流腔，加热电阻器外，还有墨水过滤器。墨水流入硅片后，首先经过滤器除去墨水中的固体颗粒，然后会集于集流腔，并由集流腔分配进入毛细管，防止毛细管被墨水中的固体颗粒堵塞。加热电阻器形成于毛细管上部的条形硅梁中，硅梁间有隔热墙，能有效阻止电阻器产生的热量交叉传递和传导散失。该打印头的制造采用硅器件平面工艺，便于扩大产量，提高精度，增强结构，延长寿命。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于热汽喷墨打印头，特别是关于正面喷墨，单片式结构，集成有墨水过滤器的热汽喷墨打印头。热汽喷墨打印头可分为侧面喷墨和正面喷墨两大类。侧面喷墨的打印头一般由一块制作有加热电阻矩阵的硅片和一块制作有条形沟槽的塑料片粘结而成。这类打印头的缺点是电路连接线条太多，使得生产成本降低，产率提高，以及喷嘴排列密度增加都成问题，并且两片粘结要求对准精确，制造难度大。正面喷墨的打印头可以避免上述存在的部分问题。正面喷墨打印头的基本构件通常包括喷嘴头，毛细管，集流腔，以及加热电阻器。商业打印头大都采用粘结技术将这些构件组合起来。每种构件采用不同的工艺进行制造。这些制造工艺都比较繁琐，因而生产费用比较高。用得比较广的一种喷嘴头是用镍制造的。其制造方法是，在一块不锈钢片上形成光刻图形，以不锈钢片为基片镀镍形成喷嘴列阵，然后把镍片从不锈钢片上揭下来，粘结到复盖有薄膜加热电阻列阵的玻璃片或硅片上。这种制造方法的问题是，仍然是两片组合结构，不是标准的集成电路工艺，不能集成，降低成本很困难。另一种喷嘴头是用晶向为(110)的硅片制造的。用KOH溶液腐蚀硅片形成垂直穿通硅片，口大底小的矩形槽。通糟形成前底部有复合结构的贴片，由贴片形成喷嘴列阵和加热电阻器。通糟开口贴一金属片，金属片有开口与墨水池连接。这种喷嘴头的制造也存在不少问题，主要是(110)硅片不是常用的集成电路硅片；腐蚀形成矩形槽对硅片定向要求很严格，定向偏差超过0.3°就很难作出合乎要求的喷嘴列阵；硅片的两面都要进行加工，制造工艺比较复杂，加工精度也难保证。本专利技术的目的就是提供一种新的正面喷墨打印头，这种打印头不再为上述打印头存在的问题所困扰，这种打印头具有如下显著特征1．打印头的所有构件都集成在同一块硅片上；2．打印头用的硅片为(100)硅片，适合制造标准的打印头驱动电路，检测和控制电路；3．加热电阻器布置在通墨毛细管的顶部，相邻加热电阻器由低热导的填料隔开，可以防止相邻加热电阻器的交叉影响；4．加热电阻器可制作在通墨毛细管顶层的硅条里，使加热电阻器产生的焦耳热能直接通过硅层进入墨水，从而减少热能的散失，降低打印头的功耗；5．打印头集成有墨水过滤器；6．过滤器由微机械加工和硅器件加工技术形成。对本专利技术进行辅助说明的附图包括附图说明图1．为本专利技术提供的正面喷墨打印头的部分切割透视2．示意表示光照N-型硅阳极氧化装置图3-图16．为本专利技术提供的正面喷墨打印头在各主要制造步骤部分切割透视图下面结合附图对本专利技术提供的正面喷墨打印头及其制造方法进行说明。参考图1，本专利技术提供的正面喷墨打印头包括喷嘴阵列107，毛细管103，毛细管隔墙104，集流腔105，过滤器106，加热电阻器108，电路连线110，和压焊块112。制作打印头的材料包括硅衬底101，在硅衬底101上生长的硅外延层102，在硅外延层102上铺垫的绝缘介质层109，钝化介质层113，金属粘结层和防湿金属层114。毛细管103和集流腔105埋于外延层102之下，并以外延层102为其顶盖。过滤器106从硅衬底背面嵌入与集流腔105相连。喷嘴105穿越外延层102以及其上的铺垫层113和114，与毛细管103垂直相交。加热电阻器108布置于毛细管103顶部靠近喷嘴107处，加热电阻器之间有隔热槽相间(图中未标出)，连接加热电阻器的电路连线110处于绝缘介质层109和钝化介质层113之间。打印头工作时，墨水从硅衬底101的底部流入过滤器106，过滤器的孔隙直径为1-3微米，墨水中含有的固体微粒被阻止进入孔隙，对墨水起到过滤的作用。流过过滤器的墨水充满集流腔105，由于墨水的表面张力作用，墨水会吸入与集流腔相连的毛细管103，并将毛细管充满。电流脉冲通过毛细管103上的电阻器108产生焦耳热，热流的通路可以向上，向两侧，向后，和向下。电阻器108的上部是绝缘介质层109和钝化介质层113，两种介质的热阻都很大，流过的热量很少。电阻器的两侧是聚酰亚胺隔热槽111，热阻也很大，流过的热量也很少。电阻器108制作在硅条上，因硅条薄热阻大，往回流的热量也不多。电阻器108的下部是硅膜，热流经过这层硅膜进入毛细管103中的墨水，硅的热导系数比较大，大部分热流可以进入毛细管103中的墨水，使墨水汽化产生汽泡。本专利技术提供的正面喷墨打印头制造采用了多孔硅加工技术，特别是光照N-型多孔硅加工技术。多孔硅是一种含有大量微孔的单晶硅，是硅在浓HF中进行电化学腐蚀的产物。多孔硅形成的特性是，电化学反应所需的阳极电压与硅的掺杂类型和掺杂浓度有关，各种不同掺杂材料形成多孔硅所需的阳极电压按高低排列依次为N+＞P+＞P＞N。根据这种规律，通过控制阳极电压，可以使多孔硅选择性地形成在N-型硅岛周围的P+-区，并将N-型硅岛完全包围。多孔硅的特性是，多孔结构造成极大的表面积，因而具有极强的化学反应能力，可以在稀释的硅腐蚀液中以极高的速率从硅衬底上选择性地腐蚀掉。N-型硅转变成多孔硅需要比较高的阳极电压，但用光照射反应的N-型硅，则阳极电压会降至于P-型硅转变成多孔硅所需的阳极电压值。这是因为形成多孔硅的电化学反应需要大量的空穴参与，无光照N-型硅电化学反应所需的空穴由电解质-N-型硅结的反向击穿产生的载流子提供，因而阳极电压比较高，而光照N-型硅电化学反应所需的空穴由光生载流子提供，因而阳极电压比较低。光照N-型硅电化学反应的特点之一是，消除了多孔硅孔端电场分布的尖端效应，空穴不再集中在孔端，孔端的周围都有空穴流入，因而多孔硅的孔径可以加大，一般无光照N-型硅电化学反应形成的多孔硅孔径只有百微米的数量级，而光照N-型硅电化学反应可以形成大到2-3微米孔径的孔群。另一特点是，可以通过控制光照强度，使光生空穴可由多孔硅孔端吸收尽，没有多余的空穴深入孔间区域而由孔壁所吸收，从而可以引导孔生长沿纵向推进，而不朝横向发展，形成垂直的孔群。光照N-型硅电化学反应装置如图二所示，包括反应池201，硅片夹202，密封胶圈203，密封垫圈204，铂电极对205，滤光片208，和光源209。反应池201由有机玻璃制成，有机玻璃透光并耐稀氢氟酸溶液腐蚀。滤光片208滤去光源中的短波成分，使光生载流子产生在硅片光照面附近区域。反应池201中充满稀氢氟酸溶液206，装入硅片夹202的硅片207将反应池201分成两个相互隔离的区域，每个区域有一个铂电极205。进行光照电化学反应时，光源208发出的光经过滤光片208过滤后，透过反应池201的壁，照射到硅片207的背面。外部施加的直流电流从铂电极对205的正极流出，通过稀氢氟酸溶液进入硅片207的背面，然后从其正面流出，进而通过稀氢氟酸溶液流入铂电极对205的负电极。随着阳极电流的通过，孔群开始在硅片207的正面生成，并朝着其纵向方向推进。图3至图16表示本专利技术提供的正面喷墨打印头在各主要制造步骤的部分切割透视图。用来制造正面喷墨打印头的起始材料为(100)晶向，单面抛光，电阻率1Ω-cm的N-型单晶硅片301。硅片置于温度升至1100℃的氧化炉中，通湿氧90分钟，在硅片表面形成9000厚的二氧化硅层302。对氧化后的硅片进行光刻腐蚀，在氧化层中形成扩散窗口。以开有扩散窗口的氧化层302为掩蔽，进行两步磷扩散本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含墨水过滤器的单片集成热汽喷墨打印头，其特征为该打印头主要包括：一块硅衬底，一层从所说硅衬底上长出的硅外延层，若干布置在所说硅外延层顶部的喷墨口，若干与喷墨口相连的通墨毛细管，一个与毛细管相通的墨水集流腔，若干布 置在毛细管顶部的加热电阻器，一个与集流腔相通的墨水过滤器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：涂相征，李韫言，
申请(专利权)人：李韫言，涂相征，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]