專利名稱：打印頭和相關方法和系統(tǒng)的制作方法
打印頭和相關方法和系統(tǒng)
背景技術：
一般根據噴墨式打印頭內的墨滴形成的兩個機制中的一個來對按需滴墨噴墨式打印機進行分類。熱氣泡噴墨式打印機使用具有加熱元件致動器的熱噴墨式打印頭，該加熱元件致動器使充墨室內的墨(或其他流體)汽化以產生迫使墨滴從打印頭噴嘴出來的氣泡。壓電噴墨式打印機使用具有壓電材料致動器的壓電噴墨式打印頭，該壓電材料致動器在充墨室內部產生壓力脈沖以迫使墨滴(或其他流體)從打印頭噴嘴出來。當使用可噴射流體時，壓電噴墨式打印頭相比于熱噴墨式打印頭而言是有利的，所述可噴射流體的較高粘性和/或化學組成抑制熱噴墨式打印頭的使用，諸如UV可固化打印墨。熱噴墨式打印頭局限于可噴射流體，其組成在不經歷機械或化學降解的情況下能夠耐受沸點溫度。由于壓電打印頭使用壓力(不是熱量)來迫使墨滴從噴嘴出來，所以壓電打印頭可以容納可噴射材料的更廣泛選擇。因此，壓電打印頭被廣泛地用來在多種介質基底上進行打印。然而，與壓電打印頭相關聯的一個問題是以使打印系統(tǒng)成本最小化的方式進行的MEMS (微機電系統(tǒng))和壓電致動器驅動電路的構造。存在在每個噴嘴的基礎上要求電子電路控制的壓電打印頭的某些特征。例如，修整單獨噴嘴并減少相鄰噴嘴之間的串擾要求對每個噴嘴使用單獨的電子電路。然而，實現每個噴嘴的電子電路要求打印頭中的附加區(qū)域，這增加打印頭成本。因此，構造具有高噴嘴密度和低成本的壓電打印頭是持續(xù)的挑戰(zhàn)。


現在將以示例的方式參考附圖來描述本實施例，在所述附圖中
圖I舉例說明了根據實施例的適合于結合打印頭的噴墨式打印系統(tǒng)；
圖2舉例說明了根據實施例的具有在活動隔膜(membrane)上形成的CMOS電路的壓電噴墨式打印頭的側視 圖3舉例說明了根據實施例的通過向位于各室上的壓電材料施加致動電壓信號進行的壓電打印頭的致動；
圖4舉例說明了根據實施例的壓電打印頭晶片堆疊的頂視 圖5舉例說明了根據實施例的在用于制造壓電打印頭的晶片堆疊上執(zhí)行的一般處理步驟。
具體實施例方式問題和解決方案概述
如上所述，與壓電噴墨式打印頭相關聯的一個持續(xù)的挑戰(zhàn)是構造具有高噴嘴密度和低成本的打印頭。困難主要與打印頭上的用于容納被用來單獨地控制每個噴嘴的單獨電子電路的可用空間不足有關。本公開的實施例一般通過壓電噴墨式打印頭來解決此挑戰(zhàn)，該壓電噴墨式打印頭具有在打印頭致動中使用的活動隔膜上制造的CMOS電路。使CMOS電路器件中的至少某些在由于墨滴噴射MEMS (微機電系統(tǒng))機制的致動而變形的那部分晶片表面上形成是打印頭內的可用區(qū)域的更高效使用，并降低了 MEMS制造的復雜性。制造CMOS電路并將其以晶片形式結合到用來完成MEMS結構的一個或多個附加晶片還降低了壓電致動器與CMOS電路之間的互連的成本。在一個示例性實施例中，打印頭包括活動隔膜、用于使該隔膜移動的壓電致動器以及設置在該活動隔膜上的電子電路。在另一實施例中，打印系統(tǒng)包括具有在活動隔膜的第一側上形成的CMOS電路的打印頭。室具有包括活動隔膜的第二側的底部。被配置成引起活動隔膜到室中的位移的壓電致動器在CMOS電路上形成。在另一實施例中，一種制造噴墨打印頭的方法包括在電路晶片的第一側上制造CMOS電路。室在電路晶片的第_■側中形成，使得是室的底部形成活動隔I吳。在電路晶片的第一側上制造CMOS電路在活動隔膜上，并且與在電路晶片的第二側中形成的室的底部相對。說明性實施例
圖I舉例說明了根據實施例的適合于結合如本文公開的打印頭或流體噴射器件的噴墨式打印系統(tǒng)100。在本實施例中，將打印頭公開為流滴噴射打印頭114。噴墨式打印系統(tǒng)100包括噴墨式打印頭組件102、供墨組件104、安裝組件106、介質傳送組件108、電子控制器110以及向噴墨式打印系統(tǒng)100的各種電部件提供功率的至少一個電源112。噴墨式打印頭組件102包括至少一個打印頭(流體噴射器件)或打印頭模114，其通過多個孔或噴嘴116朝著打印介質118噴射墨滴從而向打印介質118上進行打印。打印介質118是任何類型的適當片材，諸如紙張、制卡片的紙料、透明片、聚酯薄膜等。典型地，噴嘴116被布置成一個或多個列或陣列，使得來自噴嘴116的適當排序的墨噴射促使字符、符號和/或其他圖形或圖像隨著噴墨式打印頭組件102和打印介質118相對于彼此移動而被打印在打印介質118 上。供墨組件104向打印頭組件102供應流體墨并包括用于儲存墨的儲存器120。墨從儲存器120流到噴墨式打印頭組件102。供墨組件104和噴墨式打印頭組件102可以形成單向墨輸送系統(tǒng)或再循環(huán)墨輸送系統(tǒng)。在單向墨輸送系統(tǒng)中，被供應給噴墨式打印頭組件102的基本上所有墨都在打印期間被消耗。然而，在再循環(huán)墨輸送系統(tǒng)中，供應給打印頭組件102的墨的僅一部分在打印期間被消耗。在打印期間未消耗的墨返回至供墨組件104。在一個實施例中，噴墨式打印頭組件102和供墨組件104被一起放置在噴墨盒或噴墨筆中。在另一實施例中，供墨組件104與噴墨式打印頭組件102分離并通過諸如供給管的接口連接向噴墨式打印頭組件102供應墨。在任一實施例中，可以將供墨組件104的儲存器120去除、替換和/或重新填充。在其中噴墨式打印頭組件102和供墨組件104被一起放置在噴墨盒中的一個實施例中，儲存器120包括位于盒內的本地儲存器以及與盒分開定位的較大儲存器。該單獨的較大儲存器用于對本地儲存器進行重新填充。因此，可以將該單獨的較大儲存器和/或本地儲存器去除、替換和/或重新填充。安裝組件106將噴墨式打印頭組件102相對于介質傳送組件108定位，并且介質傳送組件108將打印介質118相對于噴墨式打印頭組件102定位。因此，在噴墨式打印頭組件102與打印介質118之間的區(qū)域中鄰近于噴嘴116限定打印區(qū)122。在一個實施例中，噴墨式打印頭組件102是掃描型打印頭組件。在掃描型打印頭組件中，安裝組件106包括用于使噴墨式打印頭組件102相對于介質傳送組件108移動以掃描打印介質118的托架。在另一實施例中，噴墨式打印頭組件102是非掃描型打印頭組件。在非掃描型打印頭組件中，安裝組件106將噴墨式打印頭組件102相對于介質傳送組件108固定在規(guī)定位置。因此，介質傳送組件108相對于噴墨式打印頭組件102對打印介質118進行定位。電子控制器或打印機控制器110典型地包括處理器、固件以及用于與噴墨式打印頭組件102、安裝組件106以及介質傳送組件108通信并對其進行控制的其他打印機電子裝置。電子控制器110從諸如計算機的主機系統(tǒng)接收數據124，并包括用于臨時存儲數據124的存儲器。典型地，數據124沿著電子、紅外線、光學或其他信息傳輸路徑被發(fā)送到噴墨式打印系統(tǒng)100。數據124表示例如要打印的文檔和/或文件。同樣地，數據124形成用于噴墨式打印系統(tǒng)100的打印作業(yè)并包括一個或多個打印作業(yè)命令和/或命令參數。在一個實施例中，電子控制器110控制噴墨式打印頭組件102以便從噴嘴116噴射墨滴。因此，電子控制器Iio限定噴射墨滴的圖案，其在打印介質118上形成字符、符號和/或其他圖形或圖像。噴射墨滴的圖案是由打印作業(yè)命令和/或命令參數確定的。
在一個實施例中，噴墨式打印頭組件102包括一個打印頭114。在另一實施例中，噴墨式打印頭組件102是寬陣列或多頭打印頭組件。在一個寬陣列實施例中，噴墨式打印頭組件102包括載體，其承載打印頭模114、提供打印頭模114與電子控制器110之間的電通信并提供打印頭模114與供墨組件104之間的射流通信。在一個實施例中，噴墨式打印系統(tǒng)100是按需滴墨壓電噴墨式打印系統(tǒng)，其中，打印頭114是諸如圖2中所示的壓電噴墨式打印頭114。圖2舉例說明了根據實施例的具有在活動隔膜上形成的CMOS電路的壓電噴墨式打印頭114的部分側視圖。壓電打印頭114被形成為晶片堆疊506，其一般包括硅電路晶片500和硅MEMS晶片504，如在下面參考圖5更詳細地討論的。壓電打印頭114在墨室202中形成壓電噴射元件/致動器200以產生迫使墨滴或其他流滴從噴嘴116出來的壓力脈沖。在室200中通過供墨槽204來替換墨。壓電室202的致動在致動電壓信號被施加于與室相關聯的壓電材料200時發(fā)生。圖3舉例說明了根據實施例的通過向位于各室202上的壓電材料200施加致動電壓信號而進行的壓電打印頭114中的壓電室202的致動。壓電打印頭114包括被形成為每個室202的底部部分的活動隔膜206。壓電材料200被接合(例如粘附或形成)到活動隔膜206。壓電材料200的致動促使材料200沿著室202的方向變形，這導致鄰接活動隔膜206到室202中的相應位移(該變形和位移在圖3圖示中出于本描述的目的被放大)?；顒痈裟?06到室202中的位移減小了室體積，引起墨滴(或其他流體)從室202通過噴嘴116的噴射。參考圖2和3，壓電打印頭114還包括在電路晶片500 (圖5)的表面區(qū)域上制造的電子CMOS電路208。CMOS電路208是通過標準CMOS制造過程而構造的，并且可以跨電路晶片500的頂側的整個表面區(qū)域而形成，包括在活動隔膜206上。因此，在壓電材料200致動時柔性地變形以引起墨滴噴射的活動隔膜206在一側上充當室202的底面，并且在另一側上充當用于構造CMOS電路208的有價值的硅基板面。因此，如圖3所示，在活動隔膜206上制造的那部分CMOS電路208在活動隔膜206在壓電材料208的致動期間柔性地變形時與之一起移動。圖4舉例說明了根據實施例的壓電打印頭114硅晶片堆疊的頂視圖。CMOS電路208包括活動隔膜電路400和靜態(tài)表面電路402。在活動隔膜206上制造的活動隔膜電路400包括例如驅動晶體管Ql Q4，針對放大器電路，其被配置成驅動壓電致動器材料200。活動隔膜206上的電路400還可以包括應變傳感器注入電阻器。在操作期間，隔膜206相對于電路晶片500表面的平面的上下移動在硅的晶格中引起應變。該效果將改變半導體中的載流子的遷移率。針對應變傳感器電阻器，該效果是器件的電阻的變化。針對MOS晶體管(例如Ql Q4)，該效果是將影響用于給定柵極電壓(Vgs)的器件的飽和電流，有效地根據晶格應變的其取向和方向而使得其更窄或更寬。然而此效果是小的(小于6%)，并且計算值顯示出O. 032至O. 054的晶格應變。這些值對于高精度和/或高速度電路而言是可接受的，并且其對于在驅動壓電致動器200的最后階段中使用的輸出驅動晶體管而言在本實施方式中是足足有余的。
可以將應變傳感器注入儲存器實現為根據到活動隔膜206的硅表面中的注入摻雜而形成的常規(guī)電阻器組。此類電阻器具有高歐姆/平方電阻率，并且通過注入，其被完全機械地耦合到硅表面/基底。在常規(guī)全橋式配置中使用四個電阻器。機械地，電阻器被布置成使得兩個沿著應變方向且兩個與之正交。因此，可以直接從隔膜206的移動測量應變信號。該應變信號可以用來例如出于控制目的反饋隔膜206的位置。靜態(tài)表面電路402包括每噴嘴電路塊,其位于活動隔I旲206周圍的電路晶片500(圖5)的表面上的固定位置上。該電路塊包括邏輯塊、信號發(fā)生器塊和放大器電路塊。這些電路塊一起充當驅動壓電致動器200的解復用和功率輸出電路。圖5舉例說明了根據實施例的在壓電打印頭114的制造中所使用的晶片堆疊上執(zhí)行的一般處理步驟。在圖5中將該處理步驟劃分為步驟A E。在步驟A中，示出了電路晶片500。電路晶片500是被處理成全功能CMOS電路的SOI (絕緣體上硅)晶片。電路晶片500包括在SOI晶片內注入并在其頂部上形成的CMOS電路208。在電路晶片500上制造CMOS電路208所涉及的步驟是本領域的技術人員眾所周知的標準CMOS制造過程。在步驟B中，向電路晶片500添加/粘附(例如用熱可釋放粘合劑)裝卸晶片(handle wafer)。裝卸晶片502由于機械原因而在處理期間被臨時附著。例如,裝卸晶片502允許加工機器在不損壞CMOS電路208的情況下在處理期間抓緊晶片組件。裝卸晶片502還在后續(xù)處理(例如蝕刻)步驟期間提供機械強度。在圖5的步驟C中，在電路晶片500中形成室202和活動隔膜206。室202被蝕刻到SOI電路晶片500中至限定活動隔膜206 (即隔膜)的厚度的深度。在此步驟中，典型地由SOI電路晶片500內的蝕刻終止、諸如二氧化硅層來控制蝕刻的深度。該蝕刻終止提供用于實現用于活動隔膜206的準確厚度的機制。在圖5的步驟D中，示出了基于硅的MEMS (微機電系統(tǒng))晶片504。MEMS晶片504被處理成包括噴嘴116和供墨槽204。與電路晶片500相比較，MEMS晶片504不具有電功能。相反，MEMS晶片504提供使得墨或其他流體能夠流過壓電打印頭114的流體機械功能。類似于電路晶片500，MEMS晶片504典型地是具有一個或多個蝕刻終止以在形成噴嘴116和供墨槽204時提供蝕刻準確度的SOI晶片。在制造MEMS晶片504時涉及的步驟是本領域的技術人員眾所周知的標準MEMS制造過程?；綧EMS制造過程步驟包括例如材料層的沉積(例如物理或化學沉積)、通過光刻法來對層進行圖案化以及蝕刻(例如濕法或干法蝕亥Ij)以在晶片中產生期望的形狀，諸如噴嘴11和供墨槽204。在步驟D中，電路晶片500與MEMS晶片504之間的接合處也被示為虛線。在步驟E中，示出了全晶片堆疊506。在此步驟中，通過粘附將電路晶片500和MEMS晶片504相互接合(虛線)，例如使得室202和噴嘴116被適當地對準。在步驟E中，顯而易見的是在電路晶片500和MEMS晶片504被接合之后，將裝卸晶片從電路晶片500去除。在步驟E中，還在室活動隔膜206的區(qū)域之上施加壓電致動器材料200。因此，在活動隔膜206上制造的CMOS電路208被設置在壓電材料200下面。壓電材料200由PZT組成，例如，并且典型地以批量方法施加，由此，預先形成PZT材料并且然后將其粘附于電路晶片500的表面。還可以使用薄膜方法直接在活動隔膜206區(qū)域的頂部上形成PZT。在薄膜方法中，將PZT作為薄液體涂層旋涂到電路晶片500上并隨后在熔爐中處理。應注意的是用于向電路晶片500的活動隔膜206施加PZT的薄膜方法接近于用于MOS電路能夠在不招致損壞的情況下耐受高溫的時間的行業(yè)標準極限。然而，薄膜方法可能更適合于除PZT之外 的壓電材料200的施加。
權利要求
1.一種打印頭，包括 活動隔膜； 壓電致動器，其用以使所述隔膜移動；以及 電子電路，其被設置在所述活動隔膜上。
2.如權利要求I中所述的打印頭，其中，所述電子電路被設置在所述壓電致動器與所述隔膜之間。
3.如權利要求I中所述的打印頭，其中，所述活動隔膜是電路晶片的活動部分，所述打印頭還包括 電子電路，其被設置在所述電路晶片的靜態(tài)部分上。
4.如權利要求I中所述的打印頭，其中，所述電子電路包括用以驅動所述壓電致動器的輸出驅動器。
5.如權利要求I中所述的打印頭，其中，所述電子電路包括被配置成感測所述隔膜的移動的傳感器。
6.如權利要求5中所述的打印頭，其中，所述傳感器是被配置成通過電阻變化來指示所述硅的晶格中的應變的應變儀電阻器。
7.一種制造噴墨式打印頭的方法，其包括 在電路晶片的第一側上制造CMOS電路；以及 在所述電路晶片的第二側上形成室，使得所述室的底部形成活動隔膜，并且所述CMOS電路被設置在與所述室的底部相對的所述活動隔膜上。
8.如權利要求7中所述的方法，還包括在所述電路晶片的第一側上的所述CMOS電路之上施加壓電致動器材料。
9.如權利要求8中所述的方法，其中，施加壓電致動器材料包括通過選自由將預處理壓電致動器材料粘附于所述電路晶片的第一側和將壓電致動器材料旋涂至所述電路晶片的第一側上組成的組的過程進行施加。
10.如權利要求6中所述的方法，其中，所述電路晶片包括SOI(絕緣體上硅)晶片，并且形成所述室包括將所述SOI晶片向下蝕刻至由所述SOI晶片內的二氧化硅層限定的蝕刻終止。
11.如權利要求6中所述的方法，其中，在不處于所述活動隔膜上的電路晶片的第一側的靜態(tài)區(qū)域上制造CMOS電路。
12.如權利要求6中所述的方法，還包括將包括供墨槽和噴嘴的MEMS(微機電系統(tǒng))晶片接合到所述電路晶片，使得所述室的頂部向所述噴嘴的輸入側開放。
13.如權利要求12中所述的方法，還包括 在形成所述室之前，將裝卸晶片粘附于所述電路晶片的第一側；以及 在將所述電路晶片接合到所述MEMS晶片之后，從所述電路晶片的第一側去除所述裝隹P晶片。
14.一種打印系統(tǒng),其包括 打印頭，其具有在活動隔膜的第一側上形成的CMOS電路； 室，其具有包括所述活動隔膜的第二側的底部；以及 壓電致動器，其在所述CMOS電路上形成并被配置成引起所述活動隔膜到所述室中的位移。
15.如權利要求14中所述的系統(tǒng)，其中，所述室和活動隔膜在電路晶片中形成，所述系統(tǒng)還包括 噴嘴，其在MEMS (微機電系統(tǒng))晶片中形成； 其中，所述電路晶片和MEMS晶片被接合以提供所述室與所述噴嘴之間的對準和流體連通。
全文摘要
一種打印頭包括活動隔膜、用以使隔膜移動的壓電致動器以及設置在活動隔膜上的電子電路。一種制造打印頭的方法包括在電路晶片的第一側上制造CMOS電路以及在電路晶片的第二側中形成室，使得室的底部形成活動隔膜，并且CMOS電路被設置在與室的底部相對的活動隔膜上。一種打印系統(tǒng)包括具有在活動隔膜的第一側上形成的CMOS電路的打印頭、具有包括活動隔膜的第二側的底部的室，以及在CMOS電路上形成、被配置成引起活動隔膜到室中的位移的壓電致動器。
文檔編號B41J2/175GK102905903SQ201080067064
公開日2013年1月30日 申請日期2010年5月27日 優(yōu)先權日2010年5月27日
發(fā)明者A.L.范布羅克林, E.L.尼克爾 申請人:惠普發(fā)展公司，有限責任合伙企業(yè)