專利名稱：表面特性裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面特性和控制表面特性的方法。
背景技術(shù)：
使用液體噴射器的裝置，例如噴墨打印機(jī)，包括液體盒，其中儲(chǔ)存液體并通過一個(gè)或多個(gè)孔排出液體。每個(gè)孔噴射時(shí)引導(dǎo)液滴對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，例如印刷媒介。然而由于不同液體具有不同特性，因此該孔可以精確引導(dǎo)一種液體，而不能精確引導(dǎo)另一種液體。因此該孔可能誤導(dǎo)液滴，不利地影響液滴充填精確度。
粘閉(puddling)是可能影響液體軌跡的一個(gè)特性。粘閉基本上包括外部液體圍繞孔聚集，該聚集是液體設(shè)法最小化其表面能的結(jié)果。不良的液體粘閉會(huì)阻止液滴由選定的孔噴出，如果不避免和/或使其最小化就會(huì)產(chǎn)生問題。由于尾端彎曲，尤其是如果液體具有較高的表面張力，孔口輕微的粘閉聚集會(huì)引起，例如，液體軌跡偏差。然而，對(duì)于低表面張力的液體，粘閉是有利的，其可以控制液滴軌跡。
希望有一種可基于液體特性優(yōu)化液滴方向的結(jié)構(gòu)。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案涉及一種制備環(huán)繞孔層內(nèi)的孔的擴(kuò)孔表面的方法，包括步驟確定通過孔噴射的液體的特性，和基于液體特性控制擴(kuò)孔表面的表面特性。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案涉及一種液體噴射裝置，包括具有液體噴射器的基片，和含有至少一個(gè)孔的孔層，液體由液體噴射器噴射通過該孔，其中孔層具有環(huán)繞孔的擴(kuò)孔，并且具有基于通過孔噴射的液體的特性的表面結(jié)構(gòu)(texture)。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案涉及用于噴液裝置的孔層，其包括至少一個(gè)噴射液體的孔和環(huán)繞該孔的擴(kuò)孔，該擴(kuò)孔具有基于通過孔噴射的液體的特性的表面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一實(shí)施方案涉及一種控制聚合物表面潤(rùn)濕的方法，包括激光處理該聚合物表面以使其具有預(yù)定的表面特性。
本文的另一實(shí)施方案涉及一種控制聚合物表面潤(rùn)濕的方法，包括激光處理該聚合物表面以使其具有預(yù)定的表面特性。
本發(fā)明另外一個(gè)實(shí)施方案涉及具有潤(rùn)濕特性的表面，其基于能夠附著于表面的液體的預(yù)定特性，通過激光處理形成。
本發(fā)明的其它實(shí)施方案將通過以下描述和附圖變得顯而易見。
附圖簡(jiǎn)述

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的打印盒；圖2是一個(gè)實(shí)施方案中孔層的示意圖；圖3是一個(gè)實(shí)施方案中，擴(kuò)孔內(nèi)具有液滴的孔層的示意圖，該擴(kuò)孔具有第一表面結(jié)構(gòu)實(shí)例；圖4是一個(gè)實(shí)施方案中，擴(kuò)孔中具有液滴的孔層的示意圖，該擴(kuò)孔具有第二表面結(jié)構(gòu)實(shí)例；圖5是一個(gè)實(shí)施方案中的激光系統(tǒng)及根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的方法的示意圖；圖6A是液體在經(jīng)處理的光滑表面上產(chǎn)生高接觸角的實(shí)施例的示意圖；圖6B是液體在未處理的光滑表面產(chǎn)生低接觸角的實(shí)施例示意圖；圖6是液體在光滑表面的實(shí)施例示意圖；圖7是液體在粗糙表面產(chǎn)生低接觸角的實(shí)施例示意圖；圖8是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的激光處理結(jié)果的實(shí)施例圖。
圖9是說明一個(gè)實(shí)施方案中激光處理對(duì)潤(rùn)濕性影響的實(shí)施例圖。
圖10說明了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的蝕刻體系和過程。
實(shí)施方案詳述總的來說，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案涉及一種基于通過環(huán)繞有擴(kuò)孔的孔噴射的液體的特性來控制擴(kuò)孔表面特性的方法。該方法包括確定通過該孔噴射的液體的特性，和基于液體特性控制擴(kuò)孔的表面特性。本發(fā)明的另一實(shí)施方案涉及擴(kuò)孔表面特性基于液體特性的孔層和噴液裝置。雖然如下所述的實(shí)施方案主要著眼于表面結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明還適用于其它表面特征，例如化學(xué)組成、化學(xué)不均勻性、化學(xué)反應(yīng)性、物理和化學(xué)吸附性，以及可能影響孔和擴(kuò)孔內(nèi)液體特性的其它指標(biāo)。
本發(fā)明的一個(gè)可行應(yīng)用為噴液盒10，例如打印盒組件，其在圖1中概括示出。圖1所示的噴液盒10表示一種用于噴墨式打印機(jī)的典型的打印盒，然而噴液盒也可以在其它應(yīng)用中用于噴射其它液體。噴液盒10包括盒體12，其可以作為液體貯存裝置，并通常由剛性材料例如工程塑料制成?？梢杂糜谥苽浜畜w的材料的具體例子包括工程塑料，例如液晶聚合物(LCP)塑料、聚苯硫、(PPS)、聚砜(PS)及其混合物，和非聚合材料，如陶瓷、玻璃、硅、金屬以及其它合適的材料?？讓?，例如孔板14，固定在盒體12上，并且包括孔16，液滴在多個(gè)液滴噴射系統(tǒng)的任一系統(tǒng)作用下通過孔16噴出。
圖2說明一個(gè)可能的孔板結(jié)構(gòu)14，其具有環(huán)繞每個(gè)孔16的擴(kuò)孔18?？装?4可以并入任何噴液裝置而并不局限用于打印盒10。應(yīng)當(dāng)注意圖2-4和8僅僅是示意圖，而并非按比例描繪。在此實(shí)施例中，孔板可以由KAPTONE制備；然而，孔板14也可以用其它材料制造，例如聚酰亞胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、其它KAPTON制劑、撓曲材料、UpilexTM，或者任何其它可根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案處理的基片。在一個(gè)實(shí)施方案中，噴口是這樣形成的通過用激光或其它方式從孔板14的內(nèi)表面22(與液體源最接近的表面)燒蝕孔板14形成孔16。至少部分孔的圓錐形狀形成了孔16的噴口部位20。然后在板14外表面24上圍繞孔16形成沉陷，以產(chǎn)生擴(kuò)孔18。噴口20引導(dǎo)液體通過孔16，該噴口顯示為截面通常為漏斗狀。然而，應(yīng)理解的是，噴口20也可以是多種形狀中的任何一種。
在一個(gè)實(shí)施方案中，孔板14上的每個(gè)孔16至少同心地環(huán)繞有一個(gè)擴(kuò)孔18。在一個(gè)實(shí)施方案中，擴(kuò)孔18的起點(diǎn)在其外表面24上，終點(diǎn)在孔板14中介于外表面24和內(nèi)表面22之間的位置處。擴(kuò)孔18包括擴(kuò)孔表面26和限定擴(kuò)孔18的內(nèi)邊界的側(cè)壁28。擴(kuò)孔表面26的結(jié)構(gòu)和/或組成可以影響孔16附近的液體粘閉行為。擴(kuò)孔18的橫截面設(shè)計(jì)可以無限制地包括許多不同的結(jié)構(gòu)，其包括但不限于正方形、三角形、橢圓形和圓形。擴(kuò)孔18環(huán)繞著孔16，防止孔16邊緣受到物理損壞和因物理損壞和外界力量而產(chǎn)生“皺褶”?？装?4的皺褶導(dǎo)致沿著孔16外部邊緣形成隆起的脊?fàn)顦?gòu)造，引起液滴軌跡的顯著變化。
這些孔板幾何結(jié)構(gòu)上不受歡迎的變化可能阻止液滴在其預(yù)定方向上的移動(dòng)。如果擴(kuò)孔表面26和/或孔板14的幾何結(jié)構(gòu)沒有優(yōu)化以適應(yīng)噴射液滴的特定特性，液滴可能不適當(dāng)?shù)貒姵霾⑶覈娚涞嚼缬∷⒚浇椴牧系牟幌Ｍ奈恢蒙?。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過擴(kuò)孔18使孔16隔離以保護(hù)孔16不受擦拭器或其它結(jié)構(gòu)在孔板14外表面24上通過所引起的破壞。用這樣的方式，可以避免基于“皺褶”的液體軌跡問題。
孔板14的內(nèi)表面暴露于液體進(jìn)料。液體通過孔16流過內(nèi)表面22。應(yīng)當(dāng)注意具有不同特性的不同液體可以流過相同孔板14的不同的孔16。優(yōu)選孔板14的內(nèi)表面22(包括錐形噴口部分20)應(yīng)當(dāng)有助于液體由進(jìn)料處流過孔16。然而，通過孔16噴出的一些液體沒有到達(dá)其目標(biāo)(例如紙或其它印刷媒介)而是聚集在擴(kuò)孔18內(nèi)。
例如，一個(gè)實(shí)施方案中的熱噴墨打印盒10中，每個(gè)孔16都配備有液滴噴射裝置(沒有顯示)，以選擇性地將油墨液滴由孔16噴射到印刷媒介，例如紙上。單個(gè)孔板14上可形成多個(gè)孔16，當(dāng)打印頭掃過印刷介質(zhì)時(shí)，具有相關(guān)液滴噴射裝置的每個(gè)孔16供應(yīng)一滴油墨。液滴噴射裝置在靠近相鄰孔16的部分可以包括薄膜電阻(沒有顯示)，用以間斷地加熱以蒸發(fā)部分流體，如墨水。在此實(shí)施方案中，流體蒸氣的快速膨脹產(chǎn)生氣泡，其使一滴油墨30通過孔16。氣泡破裂后，油墨30通過毛細(xì)作用吸入孔板14的噴口20。當(dāng)液滴噴射裝置停止時(shí)，在筆中保持局部真空或“回壓”以防止油墨30從孔16中漏出。在一個(gè)實(shí)施方案中，在不存在噴射力時(shí)，回壓避免油墨30完全通過孔16。當(dāng)油墨液滴30未通過孔16噴射時(shí)，具有彎液面32的油墨30僅僅停留在孔16的外部邊緣內(nèi)。
當(dāng)液滴30通過孔16噴出時(shí)，流體的后段或“尾部”隨著液滴移動(dòng)。少量的液體尾部可分離出去并在擴(kuò)孔表面26上聚集。在擴(kuò)孔18內(nèi)聚集的剩余液體是受到了擴(kuò)孔表面26表面結(jié)構(gòu)的作用，其可以隨后與噴出的液滴接觸并可能改變這些液滴的軌跡。在噴墨打印機(jī)應(yīng)用中，對(duì)于某些油墨，這種現(xiàn)象降低了打印圖像的質(zhì)量，而對(duì)于其它油墨卻提高了打印質(zhì)量。
擴(kuò)孔18的表面結(jié)構(gòu)26的變化改變了擴(kuò)孔18的潤(rùn)濕性，其決定著擴(kuò)孔18中液體聚集或粘閉的程度。表面26的潤(rùn)濕特性可以為“潤(rùn)濕”或“不潤(rùn)濕”，并且也可以在各個(gè)類型內(nèi)或之間的范圍變化?！皾?rùn)濕”指的是擴(kuò)孔表面26的表面能大于與該表面接觸的液體的表面能，然而“不潤(rùn)濕”指的是擴(kuò)孔表面26的表面能小于與該表面接觸的液體的表面能。液體在不潤(rùn)濕表面上傾向于成珠狀而在潤(rùn)溫表面上傾向于鋪展開。例如對(duì)于圖4所示具有潤(rùn)濕表面26的擴(kuò)孔結(jié)構(gòu)18，液體傾向于在擴(kuò)孔18內(nèi)聚集為粘閉物40。相反，圖3所示實(shí)施例表示具有不潤(rùn)濕表面26的擴(kuò)孔18。最佳擴(kuò)孔表面結(jié)構(gòu)以及擴(kuò)孔內(nèi)粘閉的程度和需要程度取決于通過孔16噴出的液體的一個(gè)或多個(gè)特性。在一個(gè)實(shí)施方案中，考慮的液體特性是液體的表面張力、粘度、化學(xué)組成和/或化學(xué)反應(yīng)性。雖然以下的實(shí)施例著眼于表面張力，本發(fā)明還同樣適用于其它特性，并且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)可以確定。
由于在擴(kuò)孔18內(nèi)通過稀的、均勻的粘閉噴出的液滴具有直線軌跡，因而對(duì)于低表面張力液體，例如彩色油墨，粘閉可能是希望的。在此實(shí)施方案中，均勻的粘閉保證在粘閉物40中沒有液體附著的優(yōu)先區(qū)域，且不會(huì)使液滴軌跡變向該優(yōu)先區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施方案中，由于液體的低表面張力，擴(kuò)孔18中的粘閉物40是相對(duì)扁平的。因此，在一個(gè)實(shí)施方案中，用于表面張力低于“低”表面張力閾值(如本領(lǐng)域通常表示的)的液體(例如彩色油墨)的擴(kuò)孔表面26是粗糙的，以促進(jìn)擴(kuò)孔中的粘閉(圖4)。然而，對(duì)于表面張力超出“高”表面張力闕值(如本領(lǐng)域通常表示的)的液體(例如黑色油墨)，由于液體傾向于形成具有向外彎曲的表面的粘閉，其在液滴移過粘閉物時(shí)不利地影響液滴軌跡，因而擴(kuò)孔中的粘閉是不受歡迎的。例如，通過在噴出液滴(尤其是各個(gè)液滴的后段或“尾部”)與擴(kuò)孔18內(nèi)的粘閉物之間引起不希望的相互作用，高表面張力液體改變了液滴軌跡。因此，在一個(gè)實(shí)施方案中，用于高表面張力液體的擴(kuò)孔表面26應(yīng)當(dāng)是平滑的，以阻止擴(kuò)孔18中發(fā)生粘閉(圖3)。本發(fā)明可以針對(duì)高和低表面張力液體來優(yōu)化擴(kuò)孔表面26的粘閉特性通過選擇適當(dāng)?shù)募す饬髁亢蛧娚鋽?shù)量，基于液體特性使擴(kuò)孔表面26的粗糙度或平滑度達(dá)到預(yù)定的程度。簡(jiǎn)而言之，在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)通過擴(kuò)孔18所環(huán)繞的孔噴射的液體的特性，優(yōu)化和控制擴(kuò)孔表面26的結(jié)構(gòu)。
參考圖5，其公開了對(duì)于例如KAPTONOE孔板14，針對(duì)給定的液體特性，實(shí)現(xiàn)剛剛提及的選定的潤(rùn)濕特性的方法。孔板的外表面24由KAPTONOE或其它聚合物形成，其對(duì)于特定的油墨通常是不潤(rùn)濕的。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以使用許多方法以改變孔板14的擴(kuò)孔表面26的表面結(jié)構(gòu)，以得到預(yù)定的潤(rùn)濕特性。下面詳細(xì)地公開了兩個(gè)合適的方法。
一個(gè)基于液體特性控制擴(kuò)孔表面26結(jié)構(gòu)的合適方法是激光燒蝕。任何已知的激光燒蝕體系和方法都可以用于控制擴(kuò)孔表面結(jié)構(gòu)，例如非限制性地選自下列準(zhǔn)分子激光器F2、ArF、KrCl、KrF或XeCl。這類型中的一種合適的激光燒蝕方法公開在例如Schantz等的美國專利US 5,305,015中。在一個(gè)實(shí)施方案中，掩?；蚬醚谀；南薅藷g特征。用于這種掩模的掩模材料優(yōu)選在激光波長(zhǎng)下是高度反射性的，例如多層電介質(zhì)或金屬，如鋁。使用這些特定體系(優(yōu)選脈沖能量大于約100毫焦耳/平方厘米，并且脈沖時(shí)間少于大約1微秒)，擴(kuò)孔表面結(jié)構(gòu)可以以高度的精確性和精確度控制。此外，實(shí)施方案可以使用其它具有與準(zhǔn)分子激光器基本上相同光波長(zhǎng)和能量密度的紫外線光源以完成燒蝕過程。在一個(gè)實(shí)施方案中，為了使待燒蝕的掩模具有高度吸收，這種紫外線的波長(zhǎng)應(yīng)為150nm-400nm。
基于多頻率Nd:YAG激光器和激元層的聚合物孔板燒蝕體系也可以用于本發(fā)明。這種體系的一個(gè)例子公開在Murthy等的美國專利US 6,120,131中。在一個(gè)實(shí)施方案中，待燒蝕表面覆蓋用犧牲層涂布的粘合層。犧牲層可以為可涂布為薄層并且可以用對(duì)粘合層或表面沒有影響的溶劑除去的任何聚合物材料。合適的犧牲層材料包括聚乙烯醇和聚環(huán)氧乙烷，這些都是水溶性的。激光燒蝕過程本身可以在約100毫焦耳每平方厘米至約5,000毫焦耳每平方厘米的能量下實(shí)現(xiàn)，并優(yōu)選約1,500毫焦耳每平方厘米。在激光燒蝕過程中，具有約150納米—約400納米并且最優(yōu)選約248納米波長(zhǎng)的激光束可以用于脈沖，該脈沖持續(xù)約1納秒—約200納秒，并優(yōu)選約20納秒。
其它方法對(duì)于控制擴(kuò)孔表面結(jié)構(gòu)也是合適的，包括常規(guī)紫外線燒蝕過程(例如使用約150-400納米的紫外線)和標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)刻蝕法、沖壓、活性離子蝕刻、離子束研磨、機(jī)械打孔和類似的已知方法。
更具體而言，用以實(shí)施本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的激光系統(tǒng)50可以通常如圖5所示。激光系統(tǒng)50包括將激光54(例如光子)引至孔板14的擴(kuò)孔表面26的激光器52，其一部分可以覆蓋有一個(gè)或多個(gè)掩模(沒有顯示)，以使孔板14的指定部分(例如擴(kuò)孔表面26部分)被燒蝕。應(yīng)當(dāng)指出，可以使用任何能夠燒蝕擴(kuò)孔表面26的激光器，包括氣體、液體和固態(tài)激光器，以及能夠提供充分能量以可控方式除去孔板14材料的任何其它光源。如果孔板材料可以吸收紫外線波長(zhǎng)范圍的輻射，則可以使用化學(xué)氣體激光器，例如準(zhǔn)分子激光器。通過對(duì)提供所需波長(zhǎng)的光源進(jìn)行選擇，還可處理可用更長(zhǎng)或更短波長(zhǎng)燒蝕的其它材料。通常，準(zhǔn)分子激光器在紫外線范圍內(nèi)工作。如本發(fā)明實(shí)施例所述，該方法中的最佳激光參數(shù)，包括強(qiáng)度、重現(xiàn)率和脈沖數(shù)，將基本上取決于基底材料和激光系統(tǒng)的特定結(jié)構(gòu)。
如圖5所示，激光器52可對(duì)準(zhǔn)擴(kuò)孔表面26，在此激光54沖擊表面26的表面。由激光器52射出的激光54可以直接通過電子束光圈58，電子束光圈58的功能是引導(dǎo)部分由激光器52射出的激光射向擴(kuò)孔表面26。激光54還可以通過一個(gè)或多個(gè)透鏡60引導(dǎo)，透鏡60可以將激光54聚焦在孔板14的擴(kuò)孔表面26上。除了上述較為簡(jiǎn)單的方法之外，本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉用于調(diào)節(jié)激光并將其射向擴(kuò)孔表面26的許多方式。例如透鏡、掩模、反射器、電子束光圈、阻尼器和偏振元件是用于調(diào)節(jié)激光的典型元件。在電子束前安裝和設(shè)置上述部件也是有效的。部件可以泛光處理或可以使用X-Y級(jí)橫移電子束，或者可將旋轉(zhuǎn)鏡設(shè)備用于掃描穿過部件的電子束。
在一個(gè)實(shí)施方案中，可以調(diào)節(jié)激光器的流量以引起擴(kuò)孔18表面26的燒蝕。此處使用的流量指的是單位面積單位時(shí)間內(nèi)光子的數(shù)量。此處使用的燒蝕指的是通過激光器與擴(kuò)孔表面26的相互作用除去材料。通過這些相互作用，擴(kuò)孔表面26被活化，因此破壞表面鍵并且使表面材料從擴(kuò)孔表面26離開，由此改變了擴(kuò)孔表面26的表面結(jié)構(gòu)。
一般，根據(jù)被燒蝕的擴(kuò)孔材料的特征以及預(yù)期的表面結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)激光器52的流量，這將詳述如下。在一個(gè)實(shí)施方案中，激光54射向孔板14上需要進(jìn)行激光表面處理的區(qū)域(例如擴(kuò)孔表面26)，而不需要進(jìn)行激光表面處理的區(qū)域可以掩蔽，或者不暴露于激光54，這樣其保持原樣。
通過激光燒蝕得到的擴(kuò)孔表面26的實(shí)際結(jié)構(gòu)取決于脈沖量、脈寬、脈沖強(qiáng)度、頻率、激光器52中啟動(dòng)設(shè)備密度、擴(kuò)孔表面26的材料類型和/或使用啟動(dòng)設(shè)備的類型。在一個(gè)實(shí)施方案中，在擴(kuò)孔表面26燒蝕開始前，通常流量應(yīng)當(dāng)超過預(yù)定的閾值。如果流量低于該閾值，那么將幾乎沒有或沒有燒蝕并且沒有除去擴(kuò)孔表面材料。燒蝕閾值取決于被燒蝕的材料和光源的特征。在激光燒蝕中，強(qiáng)烈激光的短脈沖被擴(kuò)孔表面26的約1微米或更薄的材料薄層吸收。優(yōu)選的脈沖能量為大于約100毫焦耳每平方厘米，并且脈沖時(shí)間小于約1微秒。
表面結(jié)構(gòu)本身可以通過“接觸角”值限定和確定，其為擴(kuò)孔表面26和液滴的交角。高接觸角，例如，對(duì)應(yīng)于平整的、非潤(rùn)濕表面，而低接觸角對(duì)應(yīng)于粗造的、潤(rùn)濕表面。在一個(gè)實(shí)施方案中，10度或更低的接觸角對(duì)應(yīng)于“非常潤(rùn)濕”表面，其使液體大面積的鋪展開，或者“潤(rùn)濕”整個(gè)表面。10-90度之間的接觸角對(duì)應(yīng)于潤(rùn)濕表面。90度或更高的接觸角對(duì)應(yīng)于不潤(rùn)濕表面。
圖6A、6B和7說明擴(kuò)孔表面26和一滴液體60之間的關(guān)系，以及在不同表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的接觸角。如圖6A所示，光滑、經(jīng)處理的擴(kuò)孔表面26可以使液體呈珠狀，并且在液體60和表面26相交部分以更垂直的方式放置；在此實(shí)施例中，交角稍小于90度。如圖6B所示，如果表面沒有處理，擴(kuò)孔表面的表面結(jié)構(gòu)仍然是平滑的，但表面26上未處理的表面可以具有吸附層或氧化表面62，其由例如聚合物端的化學(xué)性產(chǎn)生或由對(duì)含氧化學(xué)制劑的化學(xué)/物理吸附產(chǎn)生。吸附層或氧化表面62使液體具有比圖6A所示的經(jīng)處理的表面更低的接觸角。如圖6A所示，對(duì)擴(kuò)孔表面26的處理除去了吸附層或氧化表面62，改變了擴(kuò)孔表面26和液體之間的相互作用。
然而，圖7所示的實(shí)施例表明，粗糙的擴(kuò)孔表面26將促使液滴60鋪展開，在表面26和液體60之間產(chǎn)生較小的交角。鋪展作用和相應(yīng)的低接觸角表明液體60更容易附著于表面26，或者“潤(rùn)濕”表面，而不是呈珠狀。因此，認(rèn)為平滑的擴(kuò)孔表面為“不潤(rùn)濕的”表面，然而粗糙的擴(kuò)孔表面為“潤(rùn)濕”的表面。因此，認(rèn)為平滑的擴(kuò)孔表面(例如如圖6所示)為“不潤(rùn)濕的”表面，然而粗糙的擴(kuò)孔表面(例如如圖7所示)為“潤(rùn)濕”的表面。
應(yīng)當(dāng)指出，擴(kuò)孔表面26的激光燒蝕可能產(chǎn)生具有與燒蝕表面或最初未燒蝕的表面化學(xué)組成不同的表面碎片。例如，高流量的激光處理可以在表面26上留下富碳碎片。這些碎片可以改變擴(kuò)孔表面26的潤(rùn)濕特性。根據(jù)預(yù)定的潤(rùn)濕特性和特定應(yīng)用場(chǎng)合，碎片可以留在擴(kuò)孔表面26或用任何已知的方法除去。
圖8說明了一個(gè)實(shí)施方案中激光燒蝕發(fā)射次數(shù)對(duì)擴(kuò)孔表面結(jié)構(gòu)的影響的實(shí)施例，而圖9說明了一個(gè)實(shí)施方案中KAPTONOE孔板14內(nèi)擴(kuò)孔表面26的接觸角與燒蝕發(fā)射次數(shù)的關(guān)系。本領(lǐng)域已知，激光的發(fā)射次數(shù)對(duì)應(yīng)于激光流量。改變流量包括改變發(fā)射次數(shù)，如上所述其改變了擴(kuò)孔表面26的最終表面結(jié)構(gòu)和濕潤(rùn)性。改變激光燒蝕流量、激光的實(shí)際焦點(diǎn)和單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量都可以改變由激光燒蝕產(chǎn)生的表面結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，較低的發(fā)射次數(shù)對(duì)應(yīng)較高流量，因?yàn)槠涓鱾€(gè)單獨(dú)發(fā)射處于較高能級(jí)，而較高發(fā)射次數(shù)對(duì)應(yīng)較低流量，因?yàn)槠涓鱾€(gè)單獨(dú)發(fā)射處于較低能級(jí)，即使在給定的時(shí)間單位內(nèi)存在更多的發(fā)射也是如此。
在如圖8所示的實(shí)施例中，KrF激光器表面處理的低發(fā)射次數(shù)可以產(chǎn)生具有高粗糙度(因此高度濕潤(rùn)性)的擴(kuò)孔表面26。相反，高發(fā)射次數(shù)可以產(chǎn)生平滑的、較低潤(rùn)濕性的擴(kuò)孔表面26。應(yīng)當(dāng)指出，與發(fā)射次數(shù)無關(guān)，在此實(shí)施例中所有種類的燒蝕都增加了擴(kuò)孔表面的接觸角；然而，發(fā)射次數(shù)的總量極大地影響了所得接觸角，由此影響擴(kuò)孔的潤(rùn)濕性。在一個(gè)實(shí)施方案中，擴(kuò)孔深度在不同擴(kuò)孔中保持一致而與表面結(jié)構(gòu)無關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)增加發(fā)射次數(shù)時(shí)，降低激光能量設(shè)定并增加阻尼；相反，該實(shí)施方案在降低發(fā)射次數(shù)時(shí)也可提高激光能量設(shè)定并減少阻尼。
圖9說明了KrF激光表面處理對(duì)KAPTONE表面潤(rùn)濕性的影響的實(shí)施例。在此實(shí)施例中，與具體發(fā)射次數(shù)無關(guān)，通過調(diào)整各個(gè)擴(kuò)孔的燒蝕流量，將擴(kuò)孔深度保持在1.1μm。如圖9的實(shí)施例所示，擴(kuò)孔表面燒蝕前與去離子水的接觸角為約30-40度。然而燒蝕后，根據(jù)具體的發(fā)射次數(shù)，接觸角和潤(rùn)濕性不同程度的增加。改變發(fā)射次數(shù)顯著改變接觸角。例如，擴(kuò)孔表面的接觸角在5次發(fā)射后為45-50度，而在10次發(fā)射后接觸角增加至55度，表明可潤(rùn)濕性表面顯著減少。
改變激光器的焦點(diǎn)也可能影響擴(kuò)孔表面結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，激光器焦點(diǎn)的改變改變了擴(kuò)孔表面的接觸角。
根據(jù)給定的液體特性，用于得到最佳擴(kuò)孔表面結(jié)構(gòu)的具體流量值可以通過基礎(chǔ)試驗(yàn)得到。由于不同液體可具有許多表面張力特性，對(duì)于各個(gè)液體，發(fā)射次數(shù)和流量的具體最佳值及其所得表面結(jié)構(gòu)可以不同。對(duì)于各個(gè)液體的最佳值可以通過本發(fā)明方法的試驗(yàn)得到，并且在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的能力范圍之內(nèi)。
圖10說明了本發(fā)明的另一實(shí)施方案。在此實(shí)施方案中，擴(kuò)孔表面結(jié)構(gòu)通過蝕刻過程控制，而不是通過激光燒蝕控制。蝕刻可以通過任何已知的方法進(jìn)行，例如美國專利US 5,595,785中公開的方法，其公開的內(nèi)容全部引用于此作為參考。環(huán)繞孔14的擴(kuò)孔18的外表面24覆蓋有通過已知方式涂布的光刻膠層80。光刻膠層暴露出擴(kuò)孔表面26，并且保護(hù)被覆蓋的外表面24使其免受等離子蝕刻處理的影響。
由于裸露的光刻膠材料覆蓋在擴(kuò)孔18的周圍區(qū)域，擴(kuò)孔表面26可以被蝕刻(例如通過等離子蝕刻或活性離子蝕刻)以控制擴(kuò)孔表面結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，具有覆蓋著外表面部分24的光刻膠材料80的孔板被設(shè)置在常規(guī)等離子蝕刻或活性離子蝕刻裝置的真空室中?？装?4暴露于氧氣，其優(yōu)選在50-500毫托的壓力范圍之間施加，更優(yōu)選在200毫托。施加于蝕刻裝置電極的功率優(yōu)選5-500瓦，并且最優(yōu)選100瓦?？装?4暴露于等離子中大約5分鐘。
也可以認(rèn)識(shí)到，等離子蝕刻處理的許多參數(shù)(壓力、功率和時(shí)間)的組合可以用于蝕刻暴露的擴(kuò)孔表面26。因此在一個(gè)實(shí)施方案中可以預(yù)見如上所述，只要裸露的表面部分(亦即沒有用光刻膠層覆蓋的部分)可以被蝕刻以產(chǎn)生對(duì)于給定液體特性例如表面張力最佳的擴(kuò)孔表面結(jié)構(gòu)，任何參數(shù)的組合將是足夠的。
應(yīng)當(dāng)指出由于在一個(gè)實(shí)施方案中，激光燒蝕過程更加精確，并且可以在擴(kuò)孔表面26準(zhǔn)確地產(chǎn)生最佳表面結(jié)構(gòu)而不會(huì)影響擴(kuò)孔18外的任何表面，因此激光燒蝕過程優(yōu)于掩膜法，例如照相平版印刷/光刻膠工藝，用以形成疏水/親水薄層。而且，激光燒蝕過程可以用于裝置主要表面之下的表面，這種優(yōu)點(diǎn)難于通過掩膜法達(dá)到。由于閾值現(xiàn)象和預(yù)聚合材料的使用，根據(jù)單位面積(流量)的入射能量，上述激光燒蝕過程產(chǎn)生高度可預(yù)知的圖案，并且提供對(duì)擴(kuò)孔表面結(jié)構(gòu)的更大控制，同時(shí)保證環(huán)繞擴(kuò)孔的部分不受到燒蝕過程的影響。
雖然上述實(shí)施例著眼于控制擴(kuò)孔表面結(jié)構(gòu)，本發(fā)明也可以用于孔層的其它部分，例如頂部或內(nèi)孔表面。并且，本發(fā)明也可以用于需要控制表面潤(rùn)濕特性的任何物品而不僅僅限于孔層。其它需要精確表面處理的可能的應(yīng)用包括探測(cè)生物學(xué)活性物質(zhì)，例如蛋白質(zhì)和酶、化學(xué)加壓顯微鏡檢查法、有機(jī)材料的金屬化、腐蝕保護(hù)、分子晶體生長(zhǎng)、液態(tài)結(jié)晶校準(zhǔn)、pH傳感裝置、導(dǎo)電分子導(dǎo)線和光刻膠。并且，雖然上述說明著眼于油墨的特征，但本發(fā)明對(duì)其它液體也合適，例如硅烷偶聯(lián)劑(例如己二氨基甲基二乙氧基硅烷)、自組裝單分子層(例如烷基硅氧烷)、有機(jī)半導(dǎo)體的前體(例如，用聚苯乙烯磺酸摻雜的聚(3，4-乙二氧基噻吩))、生物學(xué)活性液體或性能可以受到表面特性影響的任何其它液體。
結(jié)果，本發(fā)明可以基于液體特性，定制一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)張表面特征，從而優(yōu)化液滴的方向性。例如在噴墨打印頭中，如果打印頭中的孔噴射表面張力比較高的黑色油墨，則可以在擴(kuò)孔上產(chǎn)生光滑表面以便該表面阻止形成具有高接觸角的油墨粘閉物。相反，如果打印頭中的孔噴射表面張力比較低的彩色油墨，則擴(kuò)孔表面可以形成粗糙表面，其可以形成具有低接觸角的油墨粘閉物。并且，在相同的裝置油墨色彩中，本發(fā)明可以基于通過各單獨(dú)的孔噴射的各液體的特性提供更加改進(jìn)的擴(kuò)孔表面特征。例如在彩色油墨組內(nèi)，不同顏色油墨潤(rùn)濕速率的細(xì)微差別可以保證打印頭噴射的各相應(yīng)油墨顏色在擴(kuò)孔表面潤(rùn)濕性方面的相應(yīng)的細(xì)微差別。為了適應(yīng)由相同孔板內(nèi)不同孔噴射出的不同油墨的特性，每個(gè)孔可以具有與每個(gè)孔噴射的特定油墨的特性相應(yīng)的不同表面結(jié)構(gòu)。
通過改變擴(kuò)孔表面以適應(yīng)不同的流體特性，當(dāng)油墨滴離開孔時(shí)，本發(fā)明使油墨滴的軌道偏差最小。在一個(gè)實(shí)施方案中，如果激光處理用于改性擴(kuò)孔表面，僅僅通過調(diào)整激光處理可以得到具有不同潤(rùn)濕性的不同結(jié)構(gòu)。因此，基于由擴(kuò)孔圍繞的孔噴射的液體的特定特性定制每個(gè)擴(kuò)孔的濕潤(rùn)性，可以優(yōu)化每個(gè)液體的液滴方向性。應(yīng)當(dāng)指出，雖然上述說明主要著眼于激光燒蝕和蝕刻技術(shù)，用于基于各種液體特性定制擴(kuò)孔表面結(jié)構(gòu)，然而也可以使用其它方法而不偏離本發(fā)明的范圍(例如機(jī)械磨蝕、噴砂、離子束研磨和在光限定模具上鑄模或澆鑄，等等)。
應(yīng)當(dāng)指出，上面已就噴墨工藝部分對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。此處使用的術(shù)語“噴墨打印頭”應(yīng)當(dāng)廣義地解釋，包括但不限于任何傳送液態(tài)油墨到印刷媒介材料的任何類型的打印頭。關(guān)于這一點(diǎn)，本發(fā)明不應(yīng)局限于任何特定的噴墨打印頭設(shè)計(jì)，可以具有許多不同結(jié)構(gòu)和內(nèi)件結(jié)構(gòu)布置。而且，如果在文中沒有另外說明，本發(fā)明也不應(yīng)局限于任何特定的打印頭結(jié)構(gòu)，非噴墨液體工藝或液體噴射器類型，且預(yù)計(jì)其也適用。
雖然已參考上述優(yōu)選和備選實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明和描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)知道在不離開以下權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，此處公開的本發(fā)明的實(shí)施方案的各種改變可以用于實(shí)施本發(fā)明。本發(fā)明通過下列權(quán)利要求限定發(fā)明范圍，并且也包括這些權(quán)利要求范圍內(nèi)的方法和裝置及其等同方案。本發(fā)明的說明書應(yīng)當(dāng)理解為包括所有此處公開的元件的新穎的和非顯而易見的組合，該申請(qǐng)和稍后申請(qǐng)中可能請(qǐng)求保護(hù)這些元件的任一新穎和非顯而易見的組合。上述實(shí)施方案為說明性的，并且沒有單獨(dú)的特征或元件對(duì)于該申請(qǐng)和后期申請(qǐng)所請(qǐng)求保護(hù)的所有可能組合是必要的。當(dāng)權(quán)利要求中出現(xiàn)其等同方案的“一個(gè)”或“第一”元件時(shí)，這種權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)理解為包括一個(gè)或多個(gè)這種元件，既不需要也不排除兩個(gè)或多個(gè)該元件。
權(quán)利要求
1.一種制備孔層(14)內(nèi)環(huán)繞孔(16)的擴(kuò)孔(18)表面(26)的方法，包括確定通過孔(16)噴射的液體的特性；和基于該液體特性控制擴(kuò)孔表面(26)的表面特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過使用激光燒蝕擴(kuò)孔表面(26)實(shí)施該控制步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過蝕刻擴(kuò)孔表面(26)實(shí)施該控制步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的方法，其中所述孔層(14)至少具有一個(gè)環(huán)繞第一孔(16)的第一擴(kuò)孔(18)，通過第一孔(16)噴射具有第一特性的第一液體，和環(huán)繞第二孔(16)的第二擴(kuò)孔(18)，通過第二孔(16)噴射具有第二特性的第二液體，并且其中所述控制步驟基于第一特性控制第一擴(kuò)孔(18)的表面特性(26)，基于第二特性控制環(huán)繞第二孔的第二擴(kuò)孔(18)的表面特性(26)。
5.一種液體噴射裝置，包括具有液體噴射器的基材；和含有至少一個(gè)孔(16)的孔層(14)，液體通過該孔由液體噴射器噴射，其中孔層(14)具有環(huán)繞孔(16)的擴(kuò)孔(18)，并且擴(kuò)孔具有基于通過孔(16)噴射的液體的特性的表面(26)特性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的液體噴射裝置，其中孔層(14)包括至少一個(gè)被第一擴(kuò)孔(18)環(huán)繞的第一孔(16)和一個(gè)被第二擴(kuò)孔(18)環(huán)繞的第二孔(16)，其中第一孔(16)噴射具有第一特性的第一液體，第二孔(16)噴射具有第二特性的第二液體，并且其中第一擴(kuò)孔(18)的表面(26)特性基于第一特性，第二擴(kuò)孔(18)的表面(26)特性基于第二特性。
7.一種用于液體噴射裝置的孔層(14)，包括至少一個(gè)噴射液體的孔(16)；和環(huán)繞該孔(16)的擴(kuò)孔(18)，該擴(kuò)孔具有基于通過該孔(16)噴射的液體特性的表面特性(26)。
8.權(quán)利要求7所述的孔層(14)，其中孔板(14)包括至少一個(gè)第一孔(16)和一個(gè)第二孔(16)。
9.權(quán)利要求8所述的孔層，其中第一孔(16)噴射具有第一特性的液體并且第二孔(16)噴射具有第二特性的液體，并且其中第一擴(kuò)孔(18)的表面(26)特性基于第一特性，第二擴(kuò)孔(18)的表面(26)特性基于第二特性。
10.權(quán)利要求9所述的孔層，第一擴(kuò)孔(18)的表面(26)特性與第二擴(kuò)孔(18)的表面(26)特性不同。
11.一種控制聚合物表面(24，26)潤(rùn)濕的方法，包括激光處理聚合物表面(24，26)使其具有預(yù)定的表面(24，26)特性。
12.權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)能夠附著于表面(24，26)上的液體的特性來確定表面(24，26)特性。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的方法，其中聚合物表面(24，26)為液體噴射裝置的孔層(14)內(nèi)的擴(kuò)孔表面(26)。
14.一種具有潤(rùn)濕特性的表面(24，26)，該特性基于能夠附著于表面(24，26)上的液體的預(yù)定特性通過激光處理形成。
15.權(quán)利要求14的表面(24，26)，其中潤(rùn)濕特性為表面結(jié)構(gòu)。
全文摘要
根據(jù)能夠附著于表面的液體的特性確定表面特性。表面特性基于液體特性。
文檔編號(hào)B23K26/00GK1628034SQ02828860
公開日2005年6月15日 申請(qǐng)日期2002年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月30日
發(fā)明者M·馬克拉, C·內(nèi)爾森 申請(qǐng)人:惠普開發(fā)有限公司