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CN102642404B - 在流体喷射器上的非润湿涂层 - Google Patents

在流体喷射器上的非润湿涂层 Download PDF

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CN102642404B CN201210134172.9A CN201210134172A CN102642404B CN 102642404 B CN102642404 B CN 102642404B CN 201210134172 A CN201210134172 A CN 201210134172A CN 102642404 B CN102642404 B CN 102642404B
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Abstract

一种流体喷射器，具有第一表面、第二表面和允许与所述第二表面接触的流体喷出的孔。所述流体喷射器具有暴露在所述流体喷射器的至少第一表面上的非润湿层以及暴露在第二表面上的覆层，所述覆层的润湿性大于所述非润湿层。该装置的制造可包括：在所述第一和第二表面上沉积非润湿层、遮蔽所述第一表面、视情况从所述第二表面去除所述非润湿层以及在所述第二表面上沉积覆层。

Description

在流体喷射器上的非润湿涂层
本申请为富士胶卷迪马蒂克斯股份有限公司于2007年11月30日向中国专利局提交的题为“在流体喷射器上的非润湿涂层”的申请号为200780044031.5的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及在流体喷射器上的涂层。
背景技术
流体喷射器(如墨喷打印头)通常具有内表面、喷射流体的孔和外表面。当流体从孔喷出时，流体可能聚积在流体喷射器的外表面上。当流体聚积在邻近孔的外表面上时，从孔喷出的另外的流体可能偏离所需的前进路径，或者通过与聚积的流体的相互作用(如，由于表面张力)而被完全遮断。
诸如特氟龙和氟碳聚合物(fluorocarbon polymer)等非润湿涂料可用于涂覆表面。然而，特氟龙和氟碳聚合物通常是柔性的，并且不是耐用涂料。这些涂料还可能昂贵，并且难以形成图案(pattern)。
发明内容
本发明提供一种流体喷射器，其具有第一表面、第二表面和允许与所述第二表面接触的流体喷出的孔。在一方面，所述流体喷射器具有覆盖至少所述第一表面的部分的非润湿层、以及覆盖所述第二表面的部分但不覆盖所述第一表面的实质部分(substantial portion)的覆层(overcoat layer)，所述覆层与所述非润湿层相比润湿性大。
该装置的实施方式可包括一个或多个下列特征。非润湿层可包括含有碳和氟各自的至少一个原子的分子。非润湿层可为单层(monolayer)。非润湿层可为憎水性的。非润湿层可直接形成在无机种子层上。覆层可包括无机氧化物，例如二氧化硅。覆层可为亲水性的。在一个实施方式中，覆层可直接形成在非润湿层上。在一个替代实施方式中，覆层可直接形成在无机氧化物层上。在实施方式中，第一表面可为流体喷射器的外表面。
本发明还公开在流体喷射器的所选部分上形成非润湿单层的方法。在流体喷射器的第一表面和第二表面上沉积非润湿层，遮蔽第一表面，视情况从第二表面去除非润湿层，以及在第二表面上沉积覆层。
这些方法的实施方式可包括一个或多个下列特征。可通过气相沉积来沉积非润湿层。遮蔽可包括施加带、光阻材料或蜡中的至少一种。沉积覆层可包括沉积无机氧化物。无机氧化物可为二氧化硅。在某些实施方式中，可在沉积覆层后从第一表面去除遮蔽物，并且去除遮蔽物还可去除沉积在遮蔽物上的覆层。在其它实施方式中，可在沉积覆层前，但在将流体喷射器暴露于氧等离子体后，去除遮蔽物。可在沉积非润湿层前，在第一表面和第二表面上沉积无机层。第一表面可包括围绕流体喷射器中的孔的区域，而第二表面可包括与流体喷射器喷射的流体接触的区域。第一表面可为外表面，而第二表面可为内表面。
某些实施方式可具有一个或多个下列优势。围绕孔的外表面可为非润湿性的，而与待喷射流体接触的内表面可为润湿性的。非润湿层能降低流体在流体喷射器的外表面上的聚积，从而能改善流体喷射器的可靠性。非润湿层可具有耐用性并且不能溶于多数溶剂中，从而允许多种墨用于流体喷射器。覆层能覆盖在预先清洗步骤中未从内表面去除的非润湿涂层的任意部分，从而能确保内表面被高润湿性的层覆盖。位于与待喷射流体接触的表面上的高润湿性覆层能实现改善对小滴尺寸、喷射率以及其它流体喷射性质的控制。
附图说明
图1A是未经涂覆的流体喷射器的实施方式的截面图。
图1B是图1A的流体喷射器的所有暴露表面均沉积有无机层的实施方式的截面图。
图1C是图1B的流体喷射器的所有暴露表面均具有非润湿涂层的实施方式的截面图。
图1D是图1C的流体喷射器的外表面覆盖有遮蔽物的实施方式的截面图。
图1E是图1D的流体喷射器的内表面部分地去除了非润湿涂层的实施方式的截面图。
图1F是图1E的流体喷射器去除了遮蔽物的实施方式的截面图。
图1G是图1F的流体喷射器的内表面涂覆有覆层的实施方式的截面图。
图2A是图1D的流体喷射器的内表面涂覆有覆层的实施方式的截面图。
图2B是图2A的流体喷射器去除了遮蔽物的实施方式的截面图。
图3A图1D的流体喷射器的内表面去除了非润湿涂层的实施方式的截面图。
图3B是图3A的流体喷射器的内表面涂覆有覆层的实施方式的截面图。
图3C是图3B的流体喷射器去除了遮蔽物的实施方式的截面图。
具体实施方式
图1A是未经涂覆的流体喷射器100(如，墨喷打印头喷嘴)的截面图，该流体喷射器100可构造为如2005年10月21日提交的美国专利申请序列号11/256669中所述那样，该美国专利申请序列号11/256669的内容通过引用并入本文。未经涂覆的流体喷射器100包括流道模块110和喷嘴层120，两者均可由硅(如单晶硅)制成。在一实施方式中，未经涂覆的流体喷射器100是单一单元，流道模块110和喷嘴层120不是分开的部件。隔膜层182位于泵送室135上方。致动器172使泵送室135中的流体(如墨，例如水基墨)增压。流体流经下行通道130，并经由喷嘴层120中的孔140喷出。致动器172可包括压电层176、下电极178(如接地电极)和上电极174(如驱动电极)。以下图中未示出隔膜层182和致动器172，但它们是可以存在的。
如图1B所示，未经涂覆的流体喷射器100视情况可包括无机层165，该无机层165形成在流体喷射器(如喷嘴层120和流道模块110)的包括内表面和外表面的暴露表面上。在这种情况下，未经涂覆的喷射器表面可被看作无机层165的表面。无机层165可由例如促进硅烷涂层(silane coating)或硅氧烷涂层(siloxane coating)的粘附性的SiO2等无机氧化物材料形成。在一实施方式中，无机种子(seed)层165是自然(native)氧化物层(这种自然氧化物通常具有1-3nm的厚度)。在另一实施方式中，无机层165是沉积的种子层，例如SiO2。
可通过将SiCl4和水蒸气引入容纳未经涂覆的流体喷射器100的化学气相沉积(CVD)反应器中，而在喷嘴层120和流道模块110的暴露表面上形成SiO2的无机种子层165。化学气相沉积室和真空泵之间的阀在沿该室泵送后闭合，SiCl4和H2O的蒸气被引入了该室。SiCl4的分压可在0.05-40托之间(如，0.1-5托)，而H2O的分压可在0.05-20托之间(如，0.2-10托)。种子层165可沉积在被加热到处于约室温到约100摄氏度之间的温度的基底上。例如，基底可不加热，而化学气相沉积室可在35摄氏度。或者，可喷溅(sputter)无机种子层165。可在涂覆前通过例如施加氧等离子体来清洗待无机种子层165涂覆的表面。在该过程中，感应耦合等离子体(ICP)源用于生成蚀刻有机材料的活性氧自由基(active oxygen radical)，从而得到清洁的氧化物表面。制造工艺的一个实施方式在单次连续步骤中沉积整个种子层，以提供单一的、整体的种子层。
种子层165的厚度可在约5nm-约200nm之间。对于部分待喷射的流体，性能可能受无机层厚度的影响。例如，对于某些“困难”流体，较厚的层，如30nm或更大，例如40nm或更大，如50nm或更大，将提供改善的性能。这种“困难”流体可包括例如各种传导性聚合物和发光聚合物，如聚-3，4-乙烯二氧噻吩(poly-3，4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT)，或例如来自DowChemical公司的DOW Green K2等发光聚合物。其它发光聚合物(又称为聚合物发光二极管)可从包括Cambridge Display Technologies公司、SumitomoChemical公司和Covion公司(Merck KGaA的一个子公司)的来源获得。
制造流体喷射器的某些材料(如硅或二氧化硅)具有亲水性，这通常使流体喷出时在外表面上的流体聚积问题加剧。参考图1C，非润湿涂层170，如疏水材料层，沉积在未经涂覆的流体喷射器(或，视情况，涂覆有无机层的流体喷射器)100的暴露表面上，以形成涂覆的流体喷射器105。在一实施方式中，非润湿涂层170形成自组合(self-assembled)的单层，即单分子层。可使用气相沉积而不是刷涂、辊涂(rolled on)或旋涂(spun on)来沉积非润湿涂层170。可在施加非润湿涂层170前清洗(如，通过施加氧等离子体)流体喷射器的外表面。
可通过例如将前体(precursor)和水蒸气在低压下引入化学气相沉积反应器中，来沉积非润湿涂层170。前体的分压可在0.05-1托之间(如，0.1-0.5托)，而H2O的分压可在0.05-20托之间(如，0.1-2托)。沉积温度可在室温到约100摄氏度之间。举例来说，可使用Applied MicroStructures公司的分子气相沉积(Molecular Vapor Deposition，MVDTM)机，来进行涂覆过程以及形成无机种子层165。
举例来说，用于非润湿涂层170的适当的前体包括含有如下所述这种分子的前体，这种分子包括非润湿的末端(terminus)和可附着到流体喷射器的表面的末端。例如，可使用包括一端终止于-CF3基团而第二端终止于-SiCl3基团的碳链的前体分子。附着于硅表面的适当的前体的具体例子包括十三氟-1，1，2，2-四氢辛基三氯硅烷(tridecafluoro-1，1，2，2-tetrahydrooctyltrichlorosilane)(FOTS)和1H，1H，2H，2H-全氟癸基-三氯硅烷(1H，1H，2H，2H-perfluorodecyl-trichlorosilane)(FDTS)。如果没有任何特定理论的限制，则人们认为，当分子包括-SiCl3末端的前体(例如FOTS或FDTS)与水蒸气一起被引入化学气相沉积反应器时，来自-SiCl3基团的硅原子在流体喷射器的暴露表面上的自然氧化物或无机层165上与来自-OH基的氧原子结合，从而得到另一端即非润湿末端被暴露的分子的涂层，例如单层。
制造过程可在形成无机种子材料层与形成非润湿涂层之间交变。在这些情况下，单个种子层的厚度可在约5nm到约200nm之间。可在形成种子材料层前清洗(如，通过施加氧等离子体)装置的暴露表面。假设地，该制造过程可得到由种子材料层和非润湿涂层交叠而成的叠层。然而，如果不被任何特定理论限制，则在某些条件下，清洗过程可去除先前刚刚沉积的非润湿涂层，使得所得装置具有单一连续厚度的种子层(而不是氧化层和非润湿涂层的交替层)。为了澄清，请注意，在该过程中，最后的过程形成非润湿涂层，因此最外层表面是非润湿的。
在另一实施方式中，涂覆过的流体喷射器105不包括无机种子层165，非润湿涂层170直接施加到流体喷射器的自然表面。
参考图1D，遮蔽物180施加到流体喷射器的外表面，即围绕孔140的区域。遮蔽层可由多种材料形成。例如，带、蜡或光阻材料(photoresist)可用作遮蔽物。遮蔽物180防止施加有它的表面在清洗步骤(如暴露于氧等离子体)期间被去除或损坏，并且/或者防止后续的沉积(如，覆层的沉积)。遮蔽物180可具有充分低的粘附性，使得它可被去除，而不去除或损坏其下方的非润湿涂层170，或相反，不从物质上改变其下方的非润湿涂层170。
参考图1E，流体喷射器可受到清洗步骤，例如氧等离子体等清洗气体的处理，而去除未被遮蔽物180覆盖的非润湿涂层的一部分。可将氧等离子体施加到室内的基底，或可将氧等离子体源连接到流道的入口。在前一种情况下，遮蔽物180防止在流体喷射器外侧的室中的氧等离子体去除外表面上的非润湿涂层。在后一种情况下，遮蔽物180防止氧等离子体经由孔而逃逸(在该情况下，遮蔽物只需覆盖孔本身)，并防止去除外表面上的非润湿涂层。
清洗步骤可能无法完全有效地从内表面去除非润湿涂层，特别是喷嘴区域。然而，清洗步骤充分有效，使得随后沉积的覆层粘附并覆盖残留在流体喷射器的内表面上的非润湿物。如果没有任何特定理论限制，则内表面可留下非润湿涂层的碎片(patch)或区域以及暴露的种子层的碎片或区域，所述种子层的碎片或区域充分大，以允许覆层的粘附，或者内表面上的非润湿性可被损坏，以允许覆层的粘附。
参考图1F，在清洗步骤后，去除遮蔽物180。或者，可在沉积覆层后去除遮蔽物。
参考图1G，覆层190施加到涂覆过的流体喷射器105的暴露的(如果仍存在遮蔽物，则未遮蔽的)表面，以形成选择性地涂覆的流体喷射器107。非润湿涂层的材料可为这样，以使沉积期间覆层不粘附到非润湿涂层170(因此，可在沉积覆层前去除遮蔽物，而覆层不会粘附到并且不会形成在非润湿涂层170上)。然而，如上所指出那样，清洗步骤充分有效，使得使覆层粘附并覆盖残留于已经受到清洗的流体喷射器的例如内表面等表面上的任意非润湿材料。
覆层190在例如成品装置的内部提供具有高湿润性的暴露表面。在某些实施方式中，覆层190由无机氧化物形成。例如，无机氧化物可包括硅，例如无机氧化物可为SiO2。覆层190可通过例如如上所述的化学气相沉积等常规方法来沉积，并可使用例如氧等离子体等初始清洗步骤，以使非润湿物粘附到所需表面。此外，可使用相同设备来清洗待沉积的表面以及沉积覆层。覆层190可比非润湿涂层170更具湿润性。
在某些实施方式中，覆层190可在相同条件下沉积，并具有与种子层165基本上相同的材料性质，如相同的可湿性。覆层190可比种子层165薄。
在其它实施方式中，覆层190可在不同条件下沉积，并具有与种子层165不同的材料性质。例如，覆层190与种子层165相比可以密度更低、孔洞更多。例如，以X射线反射率来测量，覆层190的密度可低于约2.4g/cm3，例如低于约2.2g/cm3，例如约2.0g/cm3。相反，通过上述方法沉积(即，沉积期间将基底加热至约室温到约100摄氏度之间)的种子层165的密度可大于约2.4g/cm3，例如约2.6g/cm3。在这些实施方式中，覆层190的可湿性可比种子层165大。例如，覆层190与水的接触角可小于约30度，例如小于约20度，例如小于10度。相反，种子层165与水的接触角可大于约30度，例如约40度。
总之，在最终产品中，围绕孔140的表面(例如外表面)是非润湿的，而接触待喷射的流体的表面(例如内表面)与涂覆有非润湿涂层的表面相比润湿性大。
参考图2A-2B，在一些实施方式中，覆层190是这样一种材料，它即使在没有预先清洗步骤的情况下，也能粘附到非润湿涂层上。在该情况下，覆层190能在没有预先清洗步骤的情况下施加到内表面上。
参考图2A，在沉积非润湿涂层170后施加遮蔽物180。可将遮蔽物180可逆地附着上，并在遮蔽表面不再需要保护时，例如在沉积覆层190后，将其去除。
仍参考图2A，覆层190于是可被沉积。覆层190可覆盖流体喷射器的暴露的分界面。覆层还可覆盖遮蔽物180的暴露表面，例如暴露的内表面和外表面。例如，附着有遮蔽物的流体喷射器105可放置在化学气相沉积反应器中，并向该化学气相沉积反应器中引入覆层190的前体，例如SiCl4和水蒸气。在这种实施方式中，覆层形成在遮蔽物的外表面以及整个喷嘴的内表面上。
参考图2B，当从非润湿涂层170去除遮蔽物时，遮蔽物上的覆层被去除。因此，图2B中的成品装置具有非润湿的某些表面以及润湿性大于涂覆有非润湿涂层的表面的其它表面。
在替代实施方式中，覆层190不覆盖遮蔽物180的暴露的外表面，要么是因为覆层190只沉积在内表面(例如内表面跨越开口的部分)上，或者是因为覆层不物理地粘附到遮蔽物上。前一情况可通过例如以下方式达成：即给流体喷射器105配备适当的附着物，以使覆层190的前体(例如SiCl4和水蒸气)只被引入流体喷射器的内部暴露表面(即，将与从流体喷射器喷出的流体接触的表面)。在这些实施方式中，可将遮蔽物180施加到围绕孔140的充分局部化的区域，以防止覆层达到外表面区域。
参考图3A-3C，清洗步骤可充分有效，使得在沉积覆层190前非润湿涂层170从内表面完全被去除。在图3A中，非润湿涂层170已经从内表面被去除(例如，通过将氧等离子体施加到泵送室135和下行通道130)，或者非润湿涂层170未被沉积在内表面上，如美国申请序列号11/479152所述那样，其整个公开通过引用并入本文。
参考图3B，已将覆层190沉积(例如通过如上所述的化学气相沉积)在至少暴露的内表面上，得到流体喷射器109。覆层190在成品装置中提供暴露的高润湿性氧化物表面。如上所指出那样，覆层190可在不同条件下沉积，并具有与种子层165不同的材料性质。
图3C示出去除遮蔽物180的流体喷射器109。可在沉积覆层190前或在沉积覆层190后去除遮蔽物。图3C中示出的最后的成品装置是外表面为非润湿且内表面比非润湿表面的润湿性大的流体喷射器。
已描述了本发明的多个实施方式。然而，应该了解的是在不背离本发明的精神和范围情况下，可进行多种修改。例如，可以以不同顺序来进行方法步骤，而仍然获得令人满意的结果。因此，其它实施方式处于权利要求的范畴内。
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年12月22日提交的待审美国临时申请序列号60/871763、2006年12月4日提交的待审美国临时申请序列号60/868536以及2006年12月1日提交的待审美国临时申请序列号60/868328的优先权，它们各自的全部内容通过引用并入本文。

Claims (10)

1.一种流体喷射器，包括：
喷嘴层；
第一表面，它是流体喷射器的外表面；
第二表面，它是流体喷射器的内表面；
形成在所述流体喷射器的暴露表面上的无机种子层，所述暴露表面包括所述第一表面和所述第二表面；
非润湿层，覆盖至少所述第一表面的无机种子层；和
覆层，所述覆层覆盖所述第二表面的无机种子层的一部分但不覆盖所述第一表面的无机种子层的实质部分，并且与所述非润湿层相比润湿性大，所述覆层包括二氧化硅，
其中，所述覆层的密度小于所述无机种子层的密度。
2.如权利要求1所述的流体喷射器，其中，所述无机种子层包括无机氧化物层。
3.如权利要求2所述的流体喷射器，其中，所述无机种子层包括二氧化硅。
4.如权利要求1所述的流体喷射器，其中，所述覆层比所述无机种子层薄。
5.如权利要求1所述的流体喷射器，其中，所述无机种子层的厚度在5nm至200nm之间。
6.一种流体喷射器，其包括：
具有喷嘴的喷嘴层，所述喷嘴层包括第一表面和第二表面，第一表面是流体喷射器的外表面，第二表面是流体喷射器的内表面，并且，所述喷嘴包括一孔，该孔形成在所述第一表面中并允许流体与第二表面接触以待喷射；
非润湿层，其覆盖所述第一表面的至少一部分和所述第二表面的至少一部分；以及
覆层，其覆盖第二表面的以下部分：即包括所述第二表面的至少一部分上非润湿层但不包括所述第一表面的实质部分，所述覆层比所述非润湿层相比润湿性大。
7.如权利要求6所述的流体喷射器，其中，所述非润湿层完全覆盖所述第二表面并且所述覆层完全覆盖所述第二表面上的非润湿层。
8.如权利要求6所述的流体喷射器，其中，所述喷嘴层包括硅。
9.如权利要求6所述的流体喷射器，其中，所述覆层包括二氧化硅。
10.如权利要求6所述的流体喷射器，其中，还包括在所述第一表面和第二表面上、在所述非润湿层和覆层下的沉积种子层。
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