[发明专利]具有改进的寿命的喷墨喷嘴装置

说明书

一种喷墨喷嘴装置包括用于通过喷嘴开口喷射油墨液滴的电阻加热器元件。所述电阻加热器元件包含：具有天然钝化氧化物的铝化物层和布置在所述铝化物层的天然钝化氧化物上的氧化钽层。氧化钽层是相对薄的层，其可以使用原子层沉积来沉积。

发明领域

本发明涉及用于喷墨印刷头的喷墨喷嘴装置。它主要被开发用于改进印刷头寿命。

发明背景

本申请人开发了如在例如WO2011/143700、WO2011/143699和WO2009/089567中描述的一系列喷墨印刷机，其内容通过引用结合在此。印刷机采用与进给机构结合的固定的页面宽度印刷头，该进给机构在单程中将印刷介质供给经过印刷头。因此，印刷机提供比常规扫描喷墨印刷机高得多的印刷速度。

为了最小化硅的量，并且因此最小化页面宽度印刷头的成本，每个硅印刷头IC中的喷嘴堆积密度需要很高。典型的印刷头IC含有6,400个喷嘴装置，这些喷嘴装置在含有11个印刷头IC的A4印刷头中转变为70,400个喷嘴装置。

喷嘴装置的这种高密度造成了热管理问题：每滴喷射的喷射能量必须足够低以在所谓的‘自冷却’模式下操作，即，通过喷射的油墨液滴去除热量，芯片温度平衡到远低于油墨的沸点的稳定状态温度。

常规喷墨喷嘴装置包含涂覆有多个较厚保护层的电阻加热器元件。这些保护层是保护加热器元件免受喷墨喷嘴室内的苛刻环境所必需的。典型地，加热器元件涂覆有钝化层(例如二氧化硅)以保护加热器元件免受腐蚀并且涂覆有空化层(例如钽)以保护加热器元件免受在气泡破裂到加热器元件上时经受的机械空化力。US 6,739,619描述了具有钝化层和空化层的常规喷墨喷嘴装置。

然而，多个钝化层和空化层与低能‘自冷却’喷墨喷嘴装置不相容。相对厚的保护层吸收太多的能量并且对于有效的自冷却操作要求太高的驱动能量。

在某种程度上，可以通过确保装置通过喷嘴孔排出气泡而不是气泡破裂到加热器元件上来减轻对钽空化层的要求。此外，耐久性耐腐蚀材料诸如氮化钛铝(TiAlN)可用作加热器材料。如在US 7,147,306中所描述的(其内容通过引用结合在此)，裸露的TiAlN加热器元件可以直接与油墨接触使用，从而提供优异的热效率并且不损失能量到保护层中。TiAlN加热器材料具有形成自钝化的天然氧化铝涂层的能力。氧化物形成在它防止进一步的氧化物形成并且最小化加热器电阻增加的意义上是自限制的。然而，保护性氧化物易受存在于油墨中的其他腐蚀性物质例如羟基离子、染料等的攻击。

原子层沉积(ALD)是一种用于将相对薄的保护层沉积在喷墨喷嘴装置中的加热器元件上以便改进印刷头寿命的有吸引力的方法。薄的保护层(例如小于50nm厚)对热效率具有最小的影响，能够实现低喷射能量并且有助于自冷却运行。

US2004/0070649描述了使用ALD方法将介电钝化层和金属空化层沉积到电阻加热器元件上。

US 8,025,367描述了一种包含具有钝化氧化物的铝化钛加热器元件的喷墨喷嘴装置。该加热器元件任选地通过常规CVD涂覆有氧化硅、氮化硅或碳化硅的保护层。

US 8,567,909描述了使用ALD方法将包含氧化铪和氧化钽的交替层的层压堆叠沉积到TiN加热器元件上(如在US 6,739,519中所描述的)。根据US 8,567,909的作者，层压堆叠最小化了所谓的通过薄的保护层针孔缺陷的影响。ALD层中的针孔缺陷潜在地使腐蚀性离子充分渗透到加热器元件。通过采用交替材料的堆叠，层间针孔缺陷的对齐被最小化，并且因此这种类型的层压结构使腐蚀最小化。然而，使用ALD层的层压堆叠的缺点是增加的制造复杂性。

希望的是提供具有改进寿命的喷墨喷嘴装置。特别希望的是提供一种自冷却喷墨喷嘴装置，其在装置的寿命期间喷射至少十亿个液滴并具有最小的制造复杂性。

发明概述