专利号： 4,612,554 授权日期： 1986年9月16日
发明人： Michael Poleshuk, Webster, N.Y. 受让人： Xerox Corporation, Stamford, Conn. 申请号： 760,009 申请日期： 1985年7月29日
国际专利分类号： G01D 15/18 美国专利分类号： 346/140 R; 156/647; 156/657; 156/659.1; 156/662; 346/75 检索范围： 346/140, 75; 156/647, 156/657, 659.1, 662
参考文献
美国专利： 4,216,477 8/1980 Matsuda 346/140 4,335,389 6/1982 Shirato et al. 346/140 R 4,377,814 3/1983 Debesis 346/140 R 4,392,907 7/1983 Shirato 346/140 X 4,417,251 11/1983 Sugitani 346/1.1 4,438,191 3/1984 Cloutier et al. 430/324 4,463,359 7/1984 Ayota et al. 346/1.1 4,571,599 2/1986 Rezanka 346/140
外国专利： 55-49274 4/1980 日本 55-49275 4/1980 日本
其他文献： IBM 技术公开公报，第21卷，第6期，第2585-2586页，1978年11月，标题为“用于制造硅喷墨喷嘴的双面沟槽蚀刻方法”。 Ernest Bossous 的文章“通过对 (100) 和 (110) 硅的各向异性蚀刻制造新型三维微结构”，载于 IEEE 电子器件汇刊，第 ED-25 卷，第10期（1978年10月）。
摘要
一种喷墨打印头，基本上由两个相同的零件组成，以及批量制造这些零件的方法。每个零件具有通过各向异性蚀刻形成的 V 形沟槽，沟槽位于一组线性排列的加热元件之间，加热元件带有选择性可寻址的电极，这些电极相互平行。这些零件的沟槽结构使得它们可以面对面地配合，从而通过一个零件上包含加热元件的凸脊与另一个零件的沟槽相互啮合，实现自动自对准。一对零件可用作托架式喷墨打印机的打印头，或者可以将多个零件组装成一个页宽式打印头。页宽式打印头的组装方式是：当最初两个零件配合时，将它们偏移选定的沟槽数量，使得随后添加的相邻零件彼此邻接，同时又与相对的另一组零件自对准。
背景技术
1. 技术领域
本发明涉及一种喷墨打印类型，其特征是通过喷墨打印头的喷孔排出墨滴，这些墨滴由打印头中电驱动的加热元件处产生的气泡推动，更具体地说，涉及一种高密度热喷墨打印头及其制造工艺。
2. 现有技术描述
在现有的热喷墨打印中，打印头包括一个或多个充满墨水的通道，例如 Ayata 等人的美国专利 4,463,359 中所公开的，这些通道一端与一个相对较小的墨水供应腔室连通，另一端具有一个喷孔，有时称为喷嘴。一个热能量发生器或加热元件（通常是一个电阻器）位于通道中靠近喷嘴的位置，距离喷嘴预定距离。这些电阻器通过电流脉冲单独寻址，以瞬时汽化墨水并形成一个气泡，该气泡排出墨滴。随着气泡生长，墨水从喷嘴处鼓起，并由于墨水的表面张力而保持为弯月面。当气泡开始破裂时，喷嘴与气泡之间通道内仍存在的墨水开始向破裂的气泡移动，导致喷嘴处的墨水体积收缩，从而使鼓起的墨水分离成一个墨滴。气泡生长过程中墨水从喷嘴加速喷出，为墨滴提供了大致沿直线方向朝向记录介质（如纸张）运动的动量和速度。
在美国专利 4,463,359 中，公开了一种热喷墨打印机，其具有一个或多个通过毛细作用补充墨水的充满墨水的通道。每个喷嘴处形成一个弯月面，以防止墨水渗出。每个通道中，在距喷嘴预定距离处设有一个电阻器或加热器。代表数据信号的电流脉冲施加到电阻器上，以瞬时汽化与之接触的墨水，并为每个电流脉冲形成一个气泡。通过气泡的生长，每个喷嘴喷出墨滴，气泡的生长导致一定量的墨水从喷嘴鼓起，并在气泡破裂开始时断裂成墨滴。电流脉冲被成形，以防止在每个墨滴喷出后弯月面破裂并过分缩回通道中。展示了热喷墨器件的线性阵列的各种实施例，例如附接到散热衬底的顶部和底部的交错线性阵列，以及使用不同颜色墨水进行多色打印的阵列。在一个实施例中，一个电阻器位于一个相对较短的通道的中心，该通道两端都有喷嘴。另一个通道与该开口端通道连接并垂直于该通道，形成 T 形结构。墨水通过毛细作用从该通道补充到开口端通道。因此，当在开口端通道中形成气泡时，可以同时在两种不同的记录介质上打印。
IBM 技术公开公报，第 21 卷，第 6 期，第 2585-2586 页，1978 年 11 月，公开了在 (100) 取向的硅晶片的相对表面上对相互垂直的沟槽进行差异蚀刻。当沟槽深度等于晶片厚度的一半时，形成一个喷嘴阵列。
Ernest Bassous 的文章“通过对 (100) 和 (110) 硅的各向异性蚀刻制造新型三维微结构”，IEEE 电子器件汇刊，第 ED-25 卷，第 10 期，1978 年 10 月，讨论了 (100) 和 (110) 取向的单晶硅的各向异性蚀刻以及三种类型微结构的制造：即，(1) 薄膜中的高精度圆形喷孔，用作喷墨喷嘴；(2) 适用于低温应用的多八端口微型电连接器，带有八面体空腔；(3) (100) 和 (110) 硅中的多通道阵列。为了制造其中一些结构，开发了一种新的键合技术，将硅晶片与磷硅酸盐玻璃薄膜熔合。具有圆形喷孔的薄膜型喷嘴通过各向异性蚀刻孔并结合利用重掺杂 p+ 硅在蚀刻剂中的抗蚀性的工艺来制造。
Cloutier 等人的美国专利 4,438,191 公开了一种制造单片气泡驱动喷墨打印头的方法，该方法消除了使用粘合剂构建多个零件组件的需要。该方法提供了一种分层结构，可以通过标准的集成电路和印刷电路加工技术制造。基本上，带有气泡产生电阻器和单独寻址电极的衬底上，通过标准半导体加工形成墨水腔室和喷嘴。
Y. Shirato 等人的美国专利 4,335,389 公开了一种液滴喷射记录头，其特征在于电热换能器接触液体的部分由一种材料制成，该材料通过特定的重量减少测试，以确保其在气泡生长和破裂的工作环境中不会过度磨损。快速生成和破裂的气泡产生的空化力会严重侵蚀未受保护的加热元件并导致工作寿命缩短。
J.R. Debesis 的美国专利 4,377,814 公开了相邻液滴喷射壳体之间的波纹构件，用于将它们相互隔离，以防止串扰或防止除所选喷嘴之外的壳体中的喷嘴被激励。
H. Sugitani 的美国专利 4,417,251 公开了一种制造喷墨头的方法，其中构成从储液器到喷嘴的墨水流路的通道形成在放置在衬底上的光敏材料层中。
T. Hamano 的日本专利申请 53-122508（1978 年 10 月 6 日提交，1980 年 4 月 9 日作为未审查公开 55-49274 公布）公开了一种制造喷嘴板的技术，通过各向异性蚀刻单晶材料形成多个台面来制造模具。
T. Hamono 的日本专利申请 53-122509（1978 年 10 月 6 日提交，1980 年 4 月 9 日作为未审查公开 55-49275 公布）公开了两个单晶层，它们之间夹有一个蚀刻保护层，该保护层通过在晶体层相对表面之一中进行硼掺杂形成。在每个晶体层的外表面上形成相同图案的保护层。两个晶体层被各向异性蚀刻到中心保护层。暴露的中心保护层被去除，并且覆盖有保护膜的喷嘴板（中心保护层处带有喷孔的喷嘴）被获得。
发明概述
本发明的目的是提供一种低成本、高分辨率的喷墨打印头。
本发明的另一个目的是提供一种简单的打印头结构，该结构可以由两个相同的零件组装而成。
本发明的再一个目的是通过在硅晶片表面的绝缘层上形成多组气泡产生加热元件及其寻址电极，并通过去除加热元件之间的绝缘层平行条带以暴露硅，从而通过各向异性蚀刻在其中产生 V 形沟槽，来批量生产多个相同的零件。
本发明的又一个目的是使相同的 V 形沟槽零件能够面对面配合，使包含加热元件和寻址电极的凸脊与 V 形沟槽互锁，从而零件自动对准，并且墨水通道形成在一个零件的 V 形沟槽和另一个零件的包含加热元件的凸脊之间。
在本发明中，可以从单个 (100) 硅晶片制造多个喷墨打印头。在优选实施例中，打印头是热按需滴落式，适用于在往复托架式打印机中在步进式记录介质上逐行打印。在硅晶片表面的绝缘层上形成多组加热元件及其单独寻址电极。去除每个加热元件之间的绝缘层平行条带，以暴露晶片表面，通过各向异性蚀刻在晶片中产生多组长而平行的 V 形沟槽。在一个实施例中，在每个 V 形沟槽组垂直的方向上，但在晶片的相对侧上，产生一个长形凹槽，使得长形凹槽的底部与每组 V 形沟槽中每个 V 形沟槽的底部连通。该长形凹槽随后将用作每个打印头的墨水供应储液室。在另一个实施例中，对绝缘层的平行条带进行图案化，使得在包含加热元件和寻址电极的平行绝缘层条带中形成浅凹口。在这种结构中，各向异性蚀刻不仅产生用于通道的 V 形沟槽，还在每个 V 形沟槽壁上形成凹口。这些凹口随后将用作通道之间的互连装置，从而消除了对长形凹槽的需求。要么一个连接到其中一个 V 形沟槽的非常小的凹槽就足够了，要么插入其中一个外侧暴露凹口中的管子可以提供从墨盒向打印头供应墨水的手段。
通过垂直于 V 形沟槽的平行划片切割，去除每组 V 形沟槽和加热元件电极的端部，以打开 V 形沟槽的端部。通过平行于每组 V 形沟槽和加热元件并在它们之间进行的划片切割，产生具有一组加热元件和 V 形沟槽的单个零件。每个打印头通过将一个零件的包含加热元件和寻址电极的凸脊与另一个零件的 V 形沟槽配合，并将两个相同的零件粘合在一起来制造。每个打印头固定地定位在 L 形电极板或子板的一个边缘上，使得通道的开口端平行于子板的边缘，并可用作喷嘴。通道的相对端被例如环氧树脂封闭，除了具有长形凹槽的实施例，其中打印头一个零件中的一个 V 形沟槽与另一个打印头零件中的一个 V 形沟槽之间至少有一个通道连接。其他实施例的外侧凹口也被密封或封闭。打印头电极连接到子板上的相应电极，用于连接的任何装置包括包含电极的中间柔性板。带有打印头和可能的中间柔性板的子板安装在墨水供应墨盒上，该墨盒可以是可丢弃的。暴露的打印头凹槽储液室密封地定位在墨盒的孔口上方，以便墨水可以在预定压力下填充并保持在打印头中。
例如，打印头、子板和墨盒的组合可以安装在喷墨打印机的托架上，该托架适于在记录介质（如纸张）的表面上往复运动。每次打印头的往复方向反转以打印另一条线时，纸张步进预定距离。在这种结构中，打印头喷嘴阵列平行于记录介质的运动方向，并垂直于托架的移动方向。响应于控制器接收到的数字化数据信号，打印机中的控制器选择性地向每个通道中的加热元件施加电流脉冲。
电流脉冲使加热元件将热能量传递给墨水，如本领域公知，这会使墨水汽化并瞬时产生气泡。电流通过后加热元件冷却，气泡破裂。气泡的成核和膨胀形成一个墨滴，并将其推向记录介质。
或者，可以从相同的零件组装任意期望长度的打印头，而不会损失喷嘴之间的中心到中心间距。这是通过将最初面对面组装的前两个零件偏移一定数量的 V 形沟槽来实现的。该偏移允许第三个零件的邻接，并且两个邻接的零件共享一些相对的 V 形沟槽。因此，随着越来越多的零件被相对配合，后续添加的零件继续自对准，因为两个并置的零件总是共享共同的相对零件。在这种阵列中，可以实现页宽打印，并且在这种结构中，页宽阵列是固定的，并定向为垂直于记录介质的运动方向。在打印操作期间，记录介质以恒定速度连续移动。
附图简要说明
图1 是结合了本发明的托架式热喷墨打印系统的示意性等轴测图。
图2 是本发明中子板及其上固定安装的打印头的平面图，显示了打印头电极与子板电极的连接。
图3 是安装在部分示出的子板上的打印头的放大等轴测图，图中显示了喷墨喷嘴。
图4 是具有多个加热元件阵列及其每个加热元件的寻址电极的晶片的示意性平面图，其中一个加热元件阵列被放大显示。图4A 是沿图4中 4A-4A 线的放大剖视图。
图5 是图4中加热元件阵列的放大、部分示出的等轴测图。
图6 是图5在 V 形沟槽各向异性蚀刻后形成打印头两个相同半部之一的放大、部分示出的等轴测图。
图7 是多个打印头并接在一起形成单个页宽打印头的前视放大图。
图8 是图3中打印头的一种替代实施例的放大等轴测图。
图9 是替代实施例中单个打印件加热元件阵列的放大、部分示出的等轴测图，显示了带有凹口的绝缘层图案。
图10 是图9在 V 形沟槽各向异性蚀刻后（每个侧壁带有凹口）形成打印头替代构型的两个相同半部之一的放大、部分示出的等轴测图。
图11 是替代实施例的放大等轴测图，显示了使用中间柔性板将一个打印件的电极与子板电极互连。
图12 是替代实施例中一个打印件的电极通过引线键合连接到子板电极的放大等轴测图。
图13 是使用图11和图12所示构型互连打印头电极与子板电极的替代方式的侧视图。
优选实施例的描述
图1显示了一种典型的托架式多色热喷墨打印机10。每个墨盒12的打印头11内封装有一个线性的墨滴产生通道阵列，墨盒12可以是可丢弃的。一个或多个墨盒可更换地安装在往复式托架组件14上，该托架组件在导轨15上沿箭头13方向往复运动。通道终止于喷孔或喷嘴，这些喷嘴垂直于托架往复方向（箭头13）并与记录介质16（例如纸张）的表面平行。因此，当托架运动时记录介质保持静止，打印头在记录介质上打印一条带状信息。一旦托架组件完成一个方向的行程，在托架组件反转方向朝相反方向运动之前，记录介质沿箭头17方向移动一个距离，该距离等于打印头的打印带宽。当带有打印头11的托架组件向相反方向移动时，打印另一条与上一条连续的带状信息。响应于打印机控制器（未示出）接收的数字数据信号，墨滴18从喷嘴喷出并被推向记录介质；控制器选择性地向位于打印头通道内的各个加热元件施加电流脉冲，加热元件距离喷嘴预定距离。流过打印头加热元件的电流脉冲使与加热元件接触的墨水汽化，产生瞬时气泡，从而从喷嘴喷出墨滴。或者，可以将多个打印头并接在一起形成页宽喷嘴阵列，如图7所示，后文将更详细地讨论。在后一种配置中，喷嘴是固定的，纸张以恒定速度连续移动。可以堆叠一个或多个页宽喷嘴阵列，使得每个阵列喷出单独颜色的墨水，用于多色页宽打印。
在图1中，显示了几个墨盒12以及固定安装的电极板或子板19，每个子板之间夹有一个打印头11（以虚线表示）。打印头永久性地附接到子板上，它们各自的电极连接在一起。后文将更详细讨论的打印头注墨孔或储液室，与墨盒中的孔口（未示出）密封对准，使得在打印设备运行期间墨水从墨盒连续供应到墨水通道。该墨盒与 1984年12月3日由 Ivan Rezanka 提交的美国申请序列号 677,426（现为美国专利号 4,571,599，转让给本申请的同一受让人）中描述的更详细。注意，每个子板19的下部20具有电极端子21，该端子延伸到墨盒底部22下方，以便插入托架组件14中的母插座（未示出）。在优选实施例中，打印头包含48个通道，通道中心间距为 1 至 3 密耳（25 至 75 微米），用于实现 300 至 600 点/英寸的分辨率。每个子板上有如此高密度的寻址电极23，更方便地通过让一些电极在两侧终止来处理。在图1中，所示侧面24与包含打印头的一侧相对。所有电极都起始于包含打印头的一侧，但有些电极穿过子板。所有电极23终止于子板端部20。
图2显示了 L 形子板19的平面图，此视图是包含打印头11的一侧。子板电极23与打印头电极成一一对应关系。在所示实施例中，一个打印头零件28被密封且固定地附接到子板上，其电极33通过引线键合连接到子板电极23（见图12）。如后文关于图11更详细解释的那样，另一个打印头零件的电极首先被引线键合到柔性 T 形板50（例如 Kapton®）上的中间电极55上，该打印头零件被粘接在该柔性板上。当两个相同的零件28相互啮合并粘接在一起形成打印头11时，柔性板的悬臂端56可以被固定到与相应子板电极接触，然后例如通过粘合剂永久性附接，后文关于图13有更详细说明。一个加强板52粘接在柔性板上，以防止在引线键合连接处（图中未示出）发生弯曲。尽管在优选实施例中使用了这种布置，但可以使用本领域公知的许多其他技术，在两个相同零件28配合形成打印头11之前或之后，将打印头零件的电极连接到子板电极。打印头注液孔35（图3）与柔性板上的开口51和加强板上的开口53对齐，以便为墨水从墨盒流向打印头提供无阻碍的通道。位于子板较长腿上的大约一半子板电极23在子板的相反表面上，使得子板端部20的两侧具有基本相同的平行阵列的端子21。子板另一侧上的电极通过子板上的位置26电连接。
本发明打印头的一个独特之处在于它具有简单的两件式主体结构。这两个零件28彼此相同，可以组装或配合在一起，形成一个完整的打印头，该打印头包括加热区域、加热元件、墨水隧道或通道以及排出喷嘴。本发明的两件式打印头是通过在加热元件30行之间各向异性蚀刻特殊构型的“V”形沟槽29实现的，后文将更详细描述。这种沟槽结构允许相同的零件28面对面地以自对准方式放置，使它们各自的凸脊31和沟槽29相互锁合，如图3所示，该图是安装在子板19上的打印头11的前表面的放大示意性等轴测图。在该图中，描绘了墨滴喷射喷嘴27的阵列。尽管通常打印头中的喷嘴数量从 48 到 128 甚至更多，但为了说明，仅显示了六个。隧道或通道是通过使包含加热元件的凸脊31的高度小于它所嵌入的沟槽的深度来形成的。由于每个零件28包含由沟槽29隔开的加热元件30，一个零件中加热元件之间的空间被第二个零件的凸脊填充，反之亦然。这种布置提供了最高可能密度的墨滴喷射喷嘴，以及足够的通道隔离以防止串扰；即，避免从与施加了电流脉冲的加热元件所在的通道相邻的喷嘴意外喷出墨水。
这种类型的打印头可以通过标准的硅集成电路制造技术以相对较低的成本批量生产。组装只需要一个非关键步骤：将两个相同的零件面对面放置。两个零件的对准和锁合是自动且精确的。标准的密封技术，例如使用粘合剂，可以在需要时纳入组装过程中。
在图3中，两个相对的零件28在沟槽29之间的凸脊31上形成有加热元件30和寻址电极33。显示了带有喷嘴27的打印头边缘，并且在由沟槽29形成的通道的相反端附近，在沟槽底部或顶点37处的开口34（该图中未示出）与公共歧管或储液室35连通。因此，每个通道中分别设有一个加热元件，该通道由一个零件中的沟槽和另一个零件中的凸脊形成。柔性板50和加强板52中的同心孔51、53分别提供了墨盒孔口（未示出）与储液室35之间的连通。墨水从打印头11密封附接的墨盒12通过同心孔经由墨盒中的开口进入由长形凹槽35形成的储液室。如果需要，可在墨盒开口与相邻的孔53之间使用 O 形圈密封。另一个打印头零件中类似的凹槽在打印头永久附接到子板上时被密封到子板上，因此该打印头半部中的储液室必须通过相应零件28中通道之间的至少一个通道（未示出）来填充。在一个打印头零件的寻址电极33连接到适当的子板电极之后，将另一个相同的打印头零件粘接到柔性板50的表面54上，该表面54上已图案化有中间电极55。然后，将加强板52粘接在柔性板50的相对表面57上，使得在加强区域内柔性板无法弯曲。另请参见后文讨论的图11。打印头零件电极被引线键合到柔性板上的中间电极。加强板52防止在引线键合附接处柔性板弯曲。如上所述，将打印头零件、柔性板和加强板的子组件附接到已经粘接在子板上的打印头零件上。除至少一个通道（未示出）外，通道的与喷嘴相反的开端被密封封闭，该通道互连每个打印头零件中至少一个相应的通道。任何典型的现有技术密封通道端部的方法都是可行的，例如使用热固性环氧树脂。每个打印头零件28上暴露且未使用的电极33和加热元件30可以通过划片或研磨去除以改善外观，但此操作完全是可选的，因为如图3所示的打印头功能完全正常。当然，可以设计沟槽、加热元件和电极的图案以提供平衡、对称的打印头，而不需要可选的划片步骤，但这意味着上零件和下零件将不完全相同。
在一个实施例中，如图4所示，可以从双面抛光的 (100) 硅晶片36生产多个零件28。在晶片经过化学清洗后，在其两面沉积热解 CVD 氮化硅层41。使用常规光刻技术，在晶片36的一侧42（图4所示侧的相对侧）上的预定位置，为多个零件28中的每一个形成公共储液室凹槽35的通道。通过等离子体蚀刻去除代表凹槽35的图案上的氮化硅。使用氢氧化钾 (KOH) 各向异性蚀刻来蚀刻凹槽。在这种情况下，(100) 晶片的 {111} 面与晶片表面42成 54.7 度角。长形凹槽35的宽度约为 20 密耳（0.5 毫米），因此凹槽被蚀刻到大约一半到四分之三晶片厚度的终止顶点。相对狭窄的凹槽在继续蚀刻时尺寸不再显著增加，因此凹槽的蚀刻时间不是关键的。该蚀刻大约需要两小时，并且可以同时处理许多晶片。
接下来，对晶片36的相对侧43进行光刻图案化，形成多个电阻材料沉积物组，这些将用作加热元件30组，例如 ZrB₂。或者，电阻材料可以是掺杂的多晶硅，通过化学气相沉积 (CVD) 沉积，在这种情况下，晶片该侧的氮化硅层可以选择性地被涂层或底釉层取代，例如厚度在 5000 Å 到 1 微米之间的 SiO₂。
寻址电极33是沉积在底釉层或氮化硅上并覆盖加热元件边缘的铝引线，如图 4A、图 5 和图 6 所示。电极33的沉积厚度为 0.5 至 3.0 微米，优选厚度为 1.5 微米。对于电极钝化，在整个多组加热元件和寻址电极上沉积一层 2 微米厚的磷掺杂 CVD SiO₂ 薄膜（未示出），随后从端子端部蚀刻掉，以便以后与子板电极和稍后沉积的公共回流线连接。该蚀刻可以采用湿法或干法蚀刻。或者，电极钝化可以通过等离子体沉积的 Si₃N₄ 完成。
如果使用多晶硅加热元件，则在沉积铝引线之前，可以在约 1100°C 的蒸汽或氧气中高温氧化 50 到 80 分钟，以将一小部分多晶硅转化为 SiO₂。在这种情况下，对加热元件进行热氧化以实现 SiO₂ 覆盖层（未示出），厚度约为 500 Å 至 1 微米，该覆盖层完整性好，基本无针孔。为了后续沉积电极的连接，将热生长的覆盖层从多晶硅加热元件的相对边缘去除。当使用多晶硅加热元件时，覆盖电阻材料和相关热氧化层的电极钝化层部分与从电极端子上去除同时去除。
可以选择性地沉积一层钽 (Ta) 层（未示出），厚度约为 1 微米，覆盖在已氧化的多晶硅覆盖层或覆盖加热元件的钝化层上，以提供额外保护，防止打印头操作期间墨水蒸汽气泡破裂产生的空化力。使用例如 CF₄/O₂ 等离子体蚀刻，将除加热元件之外的所有 Ta 层去除。
在下一步工艺中，通过光刻图案化并去除多个平行的晶片表面涂层41和电极-加热元件钝化层条带，以暴露加热元件和电极行之间的晶片表面43。使用本领域公知的技术去除表面涂层41和钝化层，以获得具有倾斜边缘46的壁，并暴露晶片表面43。从图3和图8可以看出，当两个相同的打印头零件28的保护层具有倾斜边缘时，它们能更紧密地配合在一起。对暴露的硅进行各向异性蚀刻（例如在 KOH 中）形成 V 形沟槽29。氮化物和/或其他钝化层中的通道的长度大于期望的后续墨水通道的长度，宽度为 1 至 4 密耳（25 至 100 微米）。对 (100) 硅晶片的各向异性蚀刻必须始终通过正方形或矩形通道进行，以便蚀刻沿着 {111} 面进行。因此，蚀刻产生的每个凹槽的壁与晶片表面成 54.7 度角，并且如果通道相对于晶片厚度足够小，则会形成 V 形沟槽而不是完全穿通的开口。如本领域公知，只有内部拐角可以进行各向异性蚀刻，因为外部或凸起的拐角没有 {111} 面来引导蚀刻，蚀刻剂会非常快速地蚀刻掉这样的拐角。这就是为什么通道的端部不能通过蚀刻打开，而必须通过单独的工艺（例如划片或铣削）打开的原因。因此，在 V 形沟槽凹槽29形成之后，沿线条44以及沿线条45对单个打印头零件28进行划片，以产生适用于面对面组装（如图3所示）的完整打印头零件28。图4是零件28的放大平面图，沿图4中的线 4A-4A 的剖视图显示在图4A中。
由于用于蚀刻 V 形沟槽29的通道非常窄，蚀刻过程在凹槽壁在顶点37处相交时停止。该顶点距晶片表面43的深度被设计成略微与储液室凹槽35的 V 形沟槽底部相交，从而在每个 V 形沟槽或通道29中形成开口34，由此为每个打印头零件的通道形成公共储液室或歧管35。
为清晰描述，图5和图6中显示了放大的等轴测图，描绘了一个仅具有四个带寻址电极的加热元件和三个通道的打印头零件28。图5显示了加热元件30和铝电极33之间的通道38，该通道暴露了晶片表面43。图6显示了各向异性蚀刻产生 V 形沟槽凹槽通道29之后，以及沿图5中虚线所示的平面或线条44和45进行划片切割之后的打印头零件28，这些切割打开了通道的端部，这些端部最终将用作喷嘴，并沿着其中一个沟槽29的底部将零件28分割开。注意，在其上形成加热元件和电极的氮化硅层41用作蚀刻掩模，以限定用于通道凹槽29的通道的位置。如前所述，蚀刻深度由通道或氮化物层条带的宽度控制。与打印头零件端面47相距预定距离的加热元件连接到公共回流线40，该公共回流线可以例如通过全向溅射（即在表面44a上所有方向溅射）铝等金属而在整个打印头端面44a上形成。必须在不阻挡或阻塞通道开口端的情况下放置这样的公共回流线，该开口端最终将用作喷嘴27（见图3）。在引线键合58就位之后，用钝化层（未示出）覆盖公共回流线40以保护其免受墨水侵蚀。在寻址电极远端形成的引线键合或梁式引线可以端接在柔性板带状线上或附接的边缘连接器上，然后其中任一个可以引线键合到子板电极上。
或者，如果公共墨水储液室35可以从同一侧与 V 形沟槽通道29正交布置，则可以使用单面抛光的 (100) 晶片。这可以通过首先蚀刻公共储液室，然后在形成加热器（未示出）之前用多晶硅玻璃 (PSG) 填充它来实现。在完成主体制造后，可以蚀刻掉 PSG，以将储液室连接到每个通道。在 PSG 上方制造的寻址电极33将跨接在储液室上方。
如图7的前视图所示，可以由打印头零件28组装任意期望长度的打印头，而不会损失喷嘴27之间的中心间距。这是通过将最初形成打印头的两个零件偏移预定数量的通道沟槽29来实现的。添加到偏移区域的后续零件将自对准并彼此邻接，如通过组合打印头零件28a、28b、28c、28d、28e等所示。与图3、图5和图6一样，为简单和易于理解，打印头零件被描绘为具有四个加热元件和三个沟槽，而商业实施例通常具有至少 48 个通道或喷嘴。同样，为清晰起见，省略了将打印头电极连接到代表数字数据信号的电流脉冲源的方法，例如使用图3和图8中描绘的柔性板上的中间电极。通过使用图7的构型，可以提供页宽打印头，该打印头可以是固定的，在打印操作期间记录介质以恒定速度相对于打印头运动，运动方向垂直于喷嘴的线性阵列。当然，页宽打印的一个主要优点是打印速度大大提高，因为记录介质不需要像托架式打印机那样必须保持静止。此外，如图7所示的页宽打印头可以堆叠，每个使用来自不同墨水储存器（未示出）的不同颜色的墨水。
图8、图9和图10示出了一种替代实施例，其中与图3、图5和图6的实施例相同的零件具有相同的索引编号，相似的零件具有相同的编号但带有下标“a”。在该替代实施例中，在 V 形沟槽各向异性蚀刻步骤期间，通过图案化保持加热元件30和寻址电极33的绝缘氮化物层条带，使其每个具有一个缩窄的宽度部分61，从而形成一体式墨水供应隧道。这会在 V 形沟槽29的每个侧壁中产生一个凹陷62。当两个相同的零件28a互锁形成打印头11a时，凹陷62对齐形成墨水隧道，这些隧道以连续的方式跨过打印头的宽度互连 V 形沟槽通道的开放部分。通过排除最外侧 V 形沟槽29上的凹陷62，或者用密封剂（如环氧树脂，未示出）密封外侧隧道开口，来终止一体式墨水隧道。可以经由这些外侧隧道开口之一，例如通过管子（未示出）或通过一个凹槽35a（各向异性蚀刻到打印头零件28中，使其顶点在入口34a处开口进入一个 V 形沟槽29）将墨水供应给打印头。在所有其他方面，图8至图10的该替代实施例以与图1至图7的实施例相同的方式生产、制造和操作。
图11、图12和图13描绘了组装两个相同的打印头零件28或28a、将其安装在子板19上以及将其引线键合到子板电极23的一种方法。首先，如图12所示，将一个打印头零件粘接到子板上，V 形沟槽29垂直于子板短腿的边缘39，并且打印头零件具有公共回流线40的表面与子板边缘39共面。将寻址电极33和公共回流线40引线键合到子板电极23的近端48。接下来，如图11所示，将一个打印头零件28粘接到 T 形柔性板50（例如 Kapton®）的表面54上，该柔性板在一个部分上具有中间电极55。将加强板52粘接在相对的柔性板表面57上，将柔性板50的一部分夹在加强板和打印头零件之间。加强板防止柔性板在靠近打印头零件的中间电极端部附近弯曲。将打印头电极33和公共回流线40引线键合到中间电极55的邻近端，并且由于柔性板在其附近不能弯曲或扭曲，加强板防止了引线键合58、59的脱粘。如图13所示，将包括打印头零件、柔性板和加强板的子组件与粘接在子板上的打印头零件配合，使得一个打印头零件上具有加热元件和寻址电极的凸脊啮合到另一个打印头零件的 V 形沟槽中。将配合后的打印头零件粘合在一起，并将柔性板的悬臂部分56移向子板，使得适当的子板电极端子49与柔性板上的中间电极55电接触，在那里它们被粘合在一起。所有电极都被钝化，引线键合59被封装在电绝缘材料（如环氧树脂）中。如先前关于图3所述，柔性板中的孔51和加强板中的孔53与长形储液室35（图3）或孔35a（图8）对齐。如前所述，这些孔51、53密封连接到墨盒12的孔口。
从本发明的上述描述中，许多修改和变化是显而易见的，并且所有这些修改和变化都旨在落入本发明的范围内。例如，上述发明可以用于连续喷墨打印机，利用加热元件产生的气泡作为扰动墨水的手段，该墨水将从喷嘴连续流出，以便在距离喷嘴固定距离处将流束破碎成墨滴，然后充电电极根据墨滴在记录介质上的撞击位置或墨滴是否应被导向收集槽以进行再循环，对墨滴施加电荷。为将本发明打印头修改用于连续喷墨打印所需的所有变化都是根据现有技术公知的。
权利要求
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一种用于按需滴落式热喷墨打印机的喷墨打印头，该打印头类型具有多个平行通道，每个通道被供应墨水并具有一个作为墨滴喷射喷嘴的开口端，每个通道中距离喷嘴预定距离处设置有一个加热元件，通过响应于打印机接收的数字数据信号选择性地向加热元件施加电流脉冲，从喷嘴喷射墨滴，加热元件将热能传递给与之接触的墨水，导致临时蒸汽气泡的形成和破裂，从而喷出墨滴，所述打印头包括：
至少两个基本相同的零件，所述零件具有第一和第二平面表面，这两个平面表面垂直于彼此平行且相对的边缘面，每个零件的第一表面包含一组等间距的线性加热元件阵列，每个加热元件具有相对的侧面并距离该零件的一个边缘面固定距离，寻址电极将加热元件的一侧连接到公共回流线，将另一侧连接到电极端子，寻址电极相互平行且垂直于零件边缘面，在每个加热元件及其相关联的寻址电极之间具有一个横截面为 V 形的沟槽，沟槽相互平行且与寻址电极平行，沟槽基本延伸穿过零件的第一表面并穿透边缘面，两个零件固定地配合在一起，它们的第一个表面相互啮合接合，使得它们各自的加热元件和相关联的寻址电极位于另一个零件的沟槽中，啮合零件的沟槽围绕加热元件形成通道，通道靠近加热元件的开口端用作喷嘴，相对的通道开口端被封闭，并且每个通道在其封闭端附近具有相互连通的装置；
向通道供应墨水的装置；以及选择性地向寻址电极端子施加电流脉冲并将公共回流线接地的装置。
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根据权利要求1所述的打印头，其中，配合零件中包含喷嘴的边缘面涂覆有导电材料以用作公共回流线，并且其中公共回流线上涂覆有钝化层以保护其免受墨水侵蚀。
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根据权利要求2所述的打印头，其中，电流脉冲施加和接地装置包括：
一个子板，其上具有电极，每个打印头寻址电极对应一个电极，且至少有一个电极用于公共回流线，打印头固定地安装在该子板上，其中一个打印头零件的第二平面表面与子板接触，并且打印头喷嘴位于子板的一个边缘处，打印头寻址电极和公共回流线被引线键合到子板电极上。
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根据权利要求3所述的打印头，其中，墨水供应装置包括：
在每个打印头零件的第二平面表面中的一个 V 形沟槽状凹槽，该第二平面表面凹槽垂直于打印头零件第一平面表面中的平行 V 形沟槽，并且具有足够的深度以与所述第一平面表面的沟槽相交，从而与子板接触的打印头零件的第二平面表面中的凹槽被紧密密封；
用于将一个打印头零件的一个通道通过其封闭端与另一个打印头零件的一个通道通过其封闭端互连的管装置，使得所有通道彼此连通；以及
一个在其中具有孔口的墨水供应墨盒，未固定接触子板的打印头零件的第二平面表面附接到该墨盒，该第二平面表面中的凹槽与墨盒孔口对齐并密封，使得第二平面表面中的凹槽用作通道的墨水储液室。
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根据权利要求4所述的打印头，其中，打印头进一步包括：
一个中间柔性板，在其一个表面上具有一组电极，该柔性板具有一个贯穿的开口，柔性板表面的一部分粘接到未固定于子板的打印头零件的第二平面表面上，柔性板开口与该相邻打印头零件的第二平面表面的凹槽对齐并密封，该相邻打印头零件的寻址电极和公共回流线被引线键合到柔性板电极上；
一个带有通孔的平面加强板，其一个表面粘接到柔性板上，其通孔与柔性板开口对齐并密封，加强板通过将柔性板的一部分夹在它和相邻打印头零件之间，防止柔性板在引线键合附近弯曲，使得柔性板的剩余部分从那里悬伸出来，柔性板电极与子板电极相对，加强板附接到墨水供应墨盒，加强板通孔与墨盒孔口对齐并密封以防止墨水泄漏；
柔性板的悬伸部分被移向子板并固定在其上，使得适当的子板电极与柔性板电极电接触；以及用于钝化和保护引线键合的装置。
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根据权利要求3所述的打印头，其中，墨水供应装置包括：
在每个用于形成通道的 V 形沟槽的壁中的一个凹口，使得墨水可以从一个通道流向另一个通道，两个配合的打印头零件两端的凹口被封闭以防止墨水从其中泄漏；以及
在每个打印头零件的第二平面表面中的一个凹槽，其深度足以穿透该打印头零件第一平面表面中的一个平行 V 形沟槽；以及一个在其中具有孔口的墨水供应墨盒，该墨盒附接到打印头，其孔口与相邻打印头零件第二平面表面中的凹槽对齐并密封以防止墨水泄漏。
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根据权利要求6所述的打印头，其中，打印头进一步包括：
一个中间柔性板，在其一个表面上具有一组电极，该柔性板具有一个贯穿的开口，柔性板表面的一部分粘接到未固定于子板的打印头零件的第二平面表面上，柔性板开口与该相邻打印头零件的第二平面表面的凹槽对齐并密封，该相邻打印头零件的寻址电极和公共回流线被引线键合到柔性板电极上；
一个带有通孔的平面加强板，其一个表面粘接到柔性板上，其通孔与柔性板开口对齐并密封，加强板通过将柔性板的一部分夹在它和相邻打印头零件之间，防止柔性板在引线键合附近弯曲，使得柔性板的剩余部分从那里悬伸出来，柔性板电极与子板电极相对，加强板附接到墨水供应墨盒，加强板通孔与墨盒孔口对齐并密封以防止墨水泄漏；
柔性板的悬伸部分被移向子板并固定在其上，使得适当的子板电极与柔性板电极电接触；以及用于钝化和保护引线键合的装置。
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一种用于页宽、按需滴落式热喷墨打印机的喷墨打印头，包括：
多个基本相同的零件组装在一起形成一个固定的线性阵列，每个零件具有第一和第二平面表面以及垂直于平面表面的两个相对的平行边缘面，每个零件的第一表面包含一组等间距的线性加热元件阵列，每个加热元件具有相对的端部并距离该零件的一个边缘面固定距离，寻址电极将加热元件的一端连接到公共回流线，将另一端连接到电极端子，寻址电极相互平行且垂直于零件边缘面，每个零件在每个加热元件及其相关联的寻址电极之间具有一个横截面为 V 形的沟槽，沟槽相互平行且与寻址电极平行，沟槽延伸穿过零件的第一表面并穿透边缘面，零件的线性阵列通过以下方式产生：将一排预定数量的零件彼此邻接，使得所有沟槽相互平行且每个零件的加热元件与和其中一个零件边缘面重合的平面等距，然后将相同数量的零件与该排零件固定配合，每个零件的第一表面彼此相对，使得它们各自的加热元件和相关联的寻址电极位于相对啮合零件的沟槽中，任何两个啮合的零件彼此偏移预定数量的沟槽，使得每个邻接的零件彼此自对准并且与其相对啮合的零件自对准，每个沟槽围绕一个加热元件形成通道，通道靠近加热元件的开口端用作喷墨喷嘴，通道的相对开口端被封闭；
向通道供应墨水的装置；在每个通道的封闭端附近提供通道之间连通的装置；以及
响应于数字数据信号选择性地向寻址电极施加电流脉冲并将回流线接地的装置，由此加热元件将热能传递给与之接触的墨水，导致临时蒸汽气泡的形成和破裂，从而从喷嘴喷出墨滴。
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一种用于制造多个用于喷墨打印机的打印头的方法，包括以下步骤：
(a) 清洁硅衬底，每个衬底具有第一和第二平行表面，衬底表面为 {100} 面； (b) 在衬底表面沉积一层绝缘材料； (c) 在衬底第一表面的预定位置形成多个等间距的线性电阻材料阵列，用作加热元件，并在同一衬底表面上形成电极图案，以便能够用电流脉冲单独寻址每个加热元件； (d) 在加热元件和寻址电极上沉积一层钝化层，并清除电极端子上的钝化层，以便随后连接到电流脉冲源； (e) 通过光刻图案化钝化层，在每个阵列的每个电阻材料及其相关联的寻址电极之间的钝化层和绝缘层中形成细长通道，以暴露衬底第一表面，并在衬底第一表面中各向异性蚀刻出多个等间距的平行细长沟槽，每个沟槽以 {111} 面侧壁为界，因此沿其长度具有 V 形横截面面积； (f) 为每组电阻材料提供沟槽之间的连通路径； (g) 在每组沟槽的两端附近且垂直于沟槽方向的位置对衬底进行划片，从而形成多组开口端的沟槽，每个沟槽位于相应的电阻材料及其电极之间，然后在相互垂直的方向上对衬底进行划片，以产生单个的打印头零件； (h) 将至少两个相同的零件面对面配合在一起，一个零件的电阻材料和电极位于另一个零件的沟槽中，使得零件自对准并形成具有开口端的通道； (i) 将所述至少两个零件永久性粘合在一起以形成打印头； (j) 涂覆具有通道开口端的打印头边缘，该开口端附近设置有电阻材料，以用作公共电回流线，这些通道开口端将用作喷嘴； (k) 封闭与用作喷嘴的开口端相对的通道开口端； (l) 用具有预定压力的墨水填充通道；以及