电流密集现象减少了的分段 电阻器式喷墨墨滴发生器 本发明总的说来涉及喷墨打印机，更具体地说，涉及一种采用结构上能减少电流密集现象的高阻值加热电阻器的喷墨打印头墨滴发生器。
喷墨打印技术工艺充分发展，许多工业产品例如计算机的打印机、绘图机、复印机和传真机等都成功采用了喷墨技术制取硬拷贝打印输出。喷墨技术的基本原理在例如下列各期的《Hewlett-Packard公司杂志》的多篇文章中发表过：1985年5月第36卷第5期；1988年8月第39卷第4期；1988年10月第39卷第5期；1992年8月第43卷第4期；1992年12月第43卷第6期和1994年2月第45卷第1期。W.J.Lloyd和H.T.Taub也在《输出打印校样机》一书(R.C.Durbeck和S.Sherr主编，美国圣迭戈学术出版社1988年出版，第13章)中介绍过喷墨打印机。
喷墨打印用的热喷墨打印机一般具有一个或多个往复移动的打印盒，微小墨滴即在这个打印盒中形成，由墨滴发生器喷射到想在其上打印出字母数字字符、图表或影像的打印媒体上。这类打印盒一般有一个打印头，打印头的孔板件或板件有许多小喷嘴，墨滴即通过这些小喷嘴喷出。喷嘴底下是一些油墨发射腔，这是油墨由喷墨器通过喷嘴喷射出去之前停留的封闭空间。油墨通过许多油墨通道提供给油墨发射腔，油墨通道与油墨源连通，油墨源则可以是在打印盒的储墨部分，也可以是在单独的与打印头间隔一定间距的油墨容器中。
墨滴通过热喷墨打印机中采用的喷嘴的喷射是通过有选择地给位于油墨发射腔中的加热电阻器通上电脉冲从而快速加热停留在油墨发射腔中一定量的油墨进行地。热能开始从加热电阻器输出时，油墨汽泡集结在加热电阻器表面或其保护层处。油墨汽泡迅速扩展开，迫使液态油墨通过喷嘴。电脉冲一旦终止且油墨喷射出去后，油墨通道和油墨源来的油墨又将油墨发射腔填满。
使一定体积的墨滴喷射出去所需要的电能叫做“接通能”。接通能是一定量足以克服喷射过程在热效率和机械效率上的不足、形成体积足以使预定量的油墨通过打印头喷嘴喷射出去的汽泡的电能。电能从加热电阻器切除之后，汽泡就在发射腔中以小规模但激烈的形式爆裂了。蒸汽泡爆裂时，打印头内在蒸汽泡爆裂附近的零件易受流体机械应力(气穴现象)的作用，使油墨猛烈撞击发射腔中的零件。加热电阻器特别容易受气穴现象的作用而损坏。为保护加热电阻器免受气穴现象的作用和油墨的化学侵袭，一般在加热电阻器和附近的构件上覆上一层由一层或多层内层组成的保护层。与油墨接触的内保护层是个薄而硬的气穴层，起保护作用使保护对象不致因油墨汽泡爆裂的气穴作用而损坏。还有另一层内层是钝化层，一般放在气穴层、加热电阻器和相关的各构件之间，起防止化学侵袭的保护作用。热喷射油墨的化学反应性能强，加热电阻器及其电气互连件长期暴露在这种油墨中会遭受化学侵蚀。然而，内保护层具有增加喷射一定体积的墨滴所需接通能的倾向。其它保护加热电阻器免受气穴现象和化学侵蚀的措施还有：将加热电阻器分成若干部分，留出中央部位(大部分气穴能即集中在上发射热喷墨发射腔中的这个中央部位)不放电阻材料。
一般喷墨打印头的加热电阻器采用薄膜电阻材料配置在半导体衬底的氧化层上。氧化层上绘制成电气导线的布线图案，形成与各薄膜加热电阻器之间的电气通路。鉴于高密度(高DPI-网点/英寸)打印头采用大量加热电阻器时导线的数目多起来，因此目前引用了各种复接技术来减少加热电阻器连接到设在打印机中电路所需要的导线数目。这方面可参看例如美国专利5，541，629“与打印机的互连线减少了的打印头”，和美国专利5，134，425“电阻加热基质”。各导线尽管导电性能良好也会给加热电阻器的通路带来一定量不希望有的电阻。这个不希望有的附加电阻消耗一部分原本可供加热电阻器使用的电力。若加热电阻小，所提取供集结蒸汽泡的电流量较大，从而使浪费在导线附加电阻上的能量大。即，若加热电阻器阻值与导线(和其它元件)附加电阻阻值的电阻比太小，则打印头的效率因上述浪费掉的电能而下降。
材料阻止电流流通的能力是叫做电阻率的一种性能。电阻率随制造电阻器所使用的材料而变化，与电阻器的几何尺寸(即制造电阻器的电阻膜的厚度)无关。电阻率与电阻的关系可用下式表示：
R=ρL/A其中R=电阻(欧)，ρ=电阻率(欧-厘米)，L=电阻器的长度，A=电阻器的横截面积。热喷墨打印一般应用的薄膜电阻器在分析和设计加热电阻器时通常使用叫做薄层电阻(R薄层)的性能。薄层电阻等于电阻率除以薄膜电阻器的厚度，电阻与薄层电阻的关系可用下式表示：
R=R薄层(L/W)其中L=电阻材料的长度，W=电阻材料的宽度。这样，只要计算出矩形和方形几何尺寸的长度和宽度就可求出某材料制成的薄膜厚度固定的薄膜电阻器的电阻值。
现行的大多数热喷墨打印机采用大致呈方形、阻值为35至40欧的加热电阻器。如果有可能使用阻值较高的电阻器，则集结油墨汽泡所需要的能量可能会在电压较高电流较低的情况下传递给薄膜加热电阻器，消耗在附加电阻的能量减少了，供电给加热电阻器的电源可以采用体积较小、价钱较便宜的那一种。然而，提高电阻值尽管总的电流减小了，但电流密度却增大了。电流密度高会使局部温度升高，产生使材料电致徙动的强大电场，从而缩短电子电路的寿命。此外，在电流经常通断的应用场合，例如在热喷墨加热电阻器中，过度的热循环产生热胀和冷缩现象，从而因疲劳而出故障。
本发明喷墨打印机的分段式加热电阻器包括第一段加热电阻器和第二段加热电阻器。一个耦合器件提供在第一和第二电阻器段之间的串联耦合。耦合器件中的电流密集现象因一个控制器件而得以减少。
图1A是可采用本发明的打印机一个例子的立体图。
图1B是可应用在图1A的打印机中的打印盒件的立体图。
图2是图1A各功能元件的示意图。
图3是可应用在图1B打印盒的打印头中的墨滴发生器经放大的图。
图4是图3墨滴发生器的剖视图。
图5是采用短接条的分段式加热电阻器的平面图。
图6A，6B，6C是采用分段短接条和电流控制器件的分段式加热电阻器的平面图。
图7是图6B和6C中所示的分段式加热电阻器的电气原理图。
图8是分段式加热电阻器、分段短接条和平衡电阻器另一个实施例的平面图。
图9是分段式加热电阻器和电流控制器件另一个实施例的平面图。
热喷墨打印机中使用的加热电阻器提高电阻的主要方法有三。第一种方法是在衬底氧化层上淀积一层较薄的电阻层。这种方法的缺点是，薄膜随着其厚度的减小，其表面变得容易损伤，薄膜越薄，越难以控制其厚度。第二种方法是采用固有电阻率比公知的钽铝膜高的不同材料。加热电阻器所处的环境条件极端，再加上要求成本低缺陷少的薄膜工艺，因而缩短了这种方法短期受欢迎的时间。第三种方法是从几何条件方面重新构制薄膜电阻器，这样做可以提高加热电阻器的电阻。本发明即根据第三种方法提出的。
图1A的立体图示出了可采用本发明的喷墨打印装置的一个例子，打印机101。象绘图机、复印机和传真机之类的打印设备采用本发明也有好处。打印机外壳103中装有一个印版，纸张之类的输入打印媒体105由本技术领域周知的机构传送到印版上。打印机101内的一个滑座夹持有一个或一套能喷射黑油墨或彩色油墨墨滴的专用打印盒。其它一些实施例可以包括一个不时从一个或多个靠流体连接的轴外墨斗得到补充的半永久性打印头机构，或一个打印盒中有两种或以上颜色的油墨的单一打印盒和各颜色指定使用的油墨喷嘴，或单色打印盒或打印机构，本发明适用于至少这些可供选择的方案使用的打印头。图1B示出了可用予本发明中装有两个打印盒110和111的滑座109。滑座109一般装在打印机中的一个滑杆或类似机构上，实际上沿滑杆受到推动力的作用而往复平移或横贯打印媒体105来回扫描。扫描轴X在图1A中以箭头表示。滑座109扫描时，墨滴有选择地从该套打印盒110和111的打印头以预定的印幅形式喷射到打印媒体105上，通过点阵处理形成影像或字母数字字符。通常，点阵处理由用户的计算机(图中未示出)确定，各项指令传送给打印机101中主要由微处理器组成的电子控制器(图中未示出)。其它方法有的是将数据在用户的计算机中光栅化再连同打印机的控制指令一起发送给打印机。这个操作是在用户计算机的打印机驱动软件的控制下进行的。打印机翻译这些指令和光栅化数据，以确定令哪些墨滴发生器发射油墨。墨滴轨迹轴线Z用箭头表示。打印出一个打印墨迹之后，打印媒体105沿打印媒体轴线Y(图中以箭头表示)移动适当距离，准备打印下一个墨迹。本发明也适用于那些采用其它使打印头与打印媒体之间作相对运动的装置的喷墨打印机，例如那些打印头不动(例如沿页宽方向排列)而使打印媒体沿一个或多个方向移动的喷墨打印机，适用于那些打印媒体不动、打印头沿一个或多个方向移动的喷墨打印机(例如平台绘图机)，此外，本发明还适用于各种打印系统，包括大幅面装置、复印机、传真机、照相复印机等等。
图1B中，可以看到喷墨滑座109和打印盒110，111沿Z方向处于打印机101中。从Z方向看滑座和打印盒时，可以看到各打印盒的打印头113，115。在一个最佳实例中，油墨存放在各打印头110，115的头体部分中，通过内部通道流向各打印头。在本发明适宜彩色打印的一个实施例中，三组孔板(对应于青、品红、黄三种颜色)配置在打印头115多孔孔板的表面上。各色油墨在打印机指令的控制下有选择地喷射出去。打印机通过电气接线和聚合物软带117上有关的导电迹线(图中未示出)与打印头115连接。在最佳实施例中，软带117一般如图中所示绕打印盒的边缘弯曲并加以固定。同样，单色油墨(黑色)存放在打印盒110盛油墨的部分，按一定路径流向打印头113的单一孔板群。控制信号在配置在聚合物带119上的导电迹线上从打印机耦合到打印头上。
从图2可知，纸张由纸张传送机构从输入的存纸盘传送到打印头下方的打印机打印区。纸张传送机构包括辊子207、印版电动机209和牵引装置(图中未示出)。在一个最佳实施例中，滑座电动机211沿垂直于纸张输入方向Y的±X方以递增的作用力拉动喷墨打印头110，111，使具横扫整个纸面。印版电动机209和滑座电动机211一般由纸张和打印盒位置控制器213控制。这类定位控制装置的例子在题为“采用组合读/写头处理和存储读出信号和给热启动喷墨元件提供发射信号的设备和有关方法”的美国专利5，070，410中有介绍。这样，纸张105安置在打印盒110和111可按输入打印机墨滴发射控制器215和电源217中的数据的要求喷射墨滴，将墨迹放到纸面上的位置。这些油墨网点是打印盒110和111借助打印盒电动机211横贯打印媒体移动时由从打印头在平行于扫描方向的一个带中经选择的一些孔板喷射出来的墨滴形成的。打印盒110和111到达其在打印媒体105打印墨迹末端的行程终端时，位置控制器213和印版电动机209一般使打印媒体递增地前进。打印盒一旦到达其在滑杆X方向上行程的终端，不是沿支撑机构返回、同时继续打印，就是返回而不进行打印。打印媒体可按相当于打印头喷墨部分宽度或宽度与各喷嘴之间的间隙有关的一部分的递增量前进。打印媒体的、打印盒的定位和能产生适当油墨影像或字符的油墨喷射器的选择都由位置控制器213确定。控制器可采用一般电子硬件的结构，操作指令从一般的存储器216提供。打印媒体一旦打印完毕就排入打印机的出口槽中，由用户拿开。
图3举例说明了打印头中墨滴发生器的一个例子。如图中所示，墨滴发生器有一个喷嘴、一个发射腔和一个喷墨器。墨滴发生器的其它实施例采用一个以上彼此配合的喷嘴、发射腔和/或喷墨器。墨滴发生器藉流体通路与油墨源连接。
图3中，油墨发射腔301的最佳实例连同相应的喷嘴303和分段加热电阻器309一起示出。许多分立的喷嘴一般在孔板上配置成预定的形式，使从选择的喷嘴喷射的油墨在打印媒体上形成印刷品清晰的字符或影像。通常，打印媒体保持在平行于孔板外表面的位置。加热电阻器都选择得可由打印机中的微处理器和有关电路以与计算机给打印机提供的数据有关的形式启动，使从所选择的各喷嘴喷射出的油墨在打印媒体上形成印刷品清晰的字符或影像。油墨经孔口307提供给发射腔301，以补充因分段加热电阻器309放出的热能而汽化从而从孔板303喷射出去的油墨。油墨发射腔为孔板305、层状半导体衬底313和发射腔壁315组成的腔壁所包围。在最佳实施例中，存放在打印盒外壳212墨斗中的流体油墨借助于毛细管作用力流入发射室301，填满发射室301。
油墨一旦在发射腔301中就停留在那里，直到受到通电后的分段加热电阻器309产生的热能的作用才迅速汽化。衬底一般为硅之类的半导体。硅用热氧化法或汽相淀积法处理，在其上形成薄氧化硅层。接着，在氧化硅上淀积形成一定线路图形的电阻材料膜，制取分段加热电阻器309。电阻材料膜最限是钽铝(TaAl)膜，这是热喷墨打印头制造技术领域中周知的电阻加热材料。接着，淀积一层薄铝层，形成电导体。
图4中示出了发射室301及具有关构件的剖面。衬底313在最佳实施例中由硅基层401、二氧化硅层403和磷硅酸盐玻璃(PSG)层405组成，硅基层401用热氧化法或汽相淀积法处理，在其上形成薄二氧化硅层403，薄PSG层405在二氧化硅层403上形成。二氧化硅和PSG形成厚约17000埃的电绝缘层，电绝缘层上淀积有钽铝(TaAl)电阻材料制成的不连续TaAl层407。钽铝层的淀积厚度约为900埃，产生单位面积约为30欧的电阻率。在一个最佳实施例中，电阻层按惯例用磁控管溅射法淀积，再经过屏蔽和腐蚀处理，形成电阻材料组成的不连续、电气上独立的部位，例如409和411部位。接下去，按惯例用磁控管溅射法在钽铝层部位409，411上淀积厚约5000埃的铝硅铜(AlSiCu)合金导体层，经过腐蚀处理，形成不连续的独立电导体(例如导体415和417)和互连部位。为保护加热电阻器，在导体层和电阻层的整个上表面淀积一层复合材料层。双钝化材料层包括第一层厚约2500埃的氮化硅层419，和覆盖在其上的第二层厚约1250埃的惰性碳化硅层421。此钝化层(419，421)对在其下面的材料具有良好的粘附性，且保护它免受油墨的侵蚀，此外还具电绝缘性能。接着，将加热电阻器309上方的部位及其与电导体有关的电气接线掩蔽起来，并按惯例溅射淀积上3000埃厚的钽气穴层423。在气穴层需要电互连互连材料的部位可以有选择地加上金层425。应用在热喷墨的半导体加工的例子可参看题为“热喷墨打印头制造工艺及其制取的集成电路(IC)构件”的美国专利4，862，197。另一种热喷墨半导体工艺可参看题为“喷墨打印机的薄膜打印头装置”的美国专利5，883，650。
在一个最佳实施例中，发射腔301和给墨通道的各边敷有聚合物阻挡层315。这个阻挡层最好由对油墨的腐蚀作用基本上无反应的有机聚合物塑料制成，一般配置在衬底313及其各种保护层上。为达到所要求的结构，阻挡层接着光刻成所要求的形状，然后加以腐蚀。一般说来，阻挡层315在打印头与孔板105组装之后的最度约为15微米。
孔板305由阻挡层315固定在衬底313上。在某些打印盒中，孔板305由镀金的镍制成，以达到抵制油墨腐蚀作用的效果。其它打印盒的孔板有的用聚酰胺材料制成，可制成普通的电气互连构件。在另一个实施例中，孔板和阻挡层在衬底上形成一个整体。
在本发明的一个最佳实施例中，采用了阻值较高的加热电阻器来解决上述问题，特别是附加电阻中不希望有的能耗问题和电源中要求高电流容量的问题。这里，提高加热电阻器的阻值是通过改变加热电阻器的几何尺寸进行的，具体地说，将加热电阻器分成长度比宽度大的两段。鉴于加热电阻器最好安置在汽泡可以最佳状态集结在顶射(墨滴垂直于加热电阻器平面的喷射)中的打印头上的一个紧凑位置，因而将两段电阻器沿长度方向并排配置，如图5中所示。从图中可以看到，加热电阻器段501配置得使其一个长边基本上平行于加热电阻器段503的长边。电流I输入经导体505输入电阻器段501配置在其一个短边(宽度)边缘的输入端口507。此电流在最佳实例中由叫做“短接条”511的耦合器件耦合到电阻器段503配置在其一个短边(宽度)的输入端口509。短接条是导体膜配置在加热电阻器段501的输出端口513与加热器段503的输入端口509之间的部分。电流I输出经与加热电阻器段503的输出端口517连接的导体515返回到电源。可以看到，没有另外的电流源或电流吸收器时，I输入=I输出。加热电阻器段501和503的输出端口513和517分别配置在两加热电阻器端与各输入端口相对的短边(宽度)边缘。
由于两电阻器段配置在紧凑的部位，因而电流改变方向需要通过耦合器件或短接条部分511进行。组成电流的诸电子的通路在两加热电阻器段的两前后紧接的各角之间是较短的(从而使较短通路的附加电阻小于较长通路)，因而流经此较短通路的电流(图5中用箭头521表示)比流经其它任何通路的电流(图5中用箭头523表示)多。电流的这种集中现象历来叫做“电流密集”现象。这种电流密集现象产生的高电流密度会使温度局部升高且产生高得足以引起电致处徒动的电场强度，因而会缩短电子电路的寿命。在电流循环性通断的应用场合，例如在热喷墨打印头中，温度快速变化会使打印头衬底和配置在衬底上的膜层热胀冷缩。在热胀冷缩量因不同材料的热膨胀速度不同而不同的部位，例如加热电阻器段与导体短接条的接合处，材料的疲劳应力会使故障早期出现。
为解决电流密集的问题，本发明的一个特点是提高电流在整个短接条的分布程度。这是通过用电流控制器件600提高短接条的作用达到的。此电流控制器件由导电膜的一个与电阻器段501和503串联连接经修正和/或失去的部分组成。控制器件600最好是耦合器件511薄层电阻大小变化着的部分，以达到减少耦合器件511中电流集中或电流密集间问题的效果。电流控制器件600最好包括耦合器件511位于其较短电流通路521部位、薄层电阻较高的部位。按理的极限讲，除去导电层在较短电流通路521部位的部分，其效果相当于该部位无穷大的薄层电阻。在一个最佳实施例中，电流控制器件600采用结合短接条形成的电流平衡元件。如图6B中所示，平衡电阻器601将短接条部分511分成两短接条段511a和511b。在电阻材料先淀积在半导体衬底的氧化层上再被覆上导电膜的一个最佳实施例中，平衡电阻器601最限通过腐蚀平衡电阻器601部位中导电膜的短接条部分形成，从而使电阻材料层外露，且形成(不为配置在电阻材料层顶部的导电层所短接的)一个电阻器。不然导电膜也可以按掩蔽和淀积步骤有选择地淀积。虽然平衡元件最好是电阻器，但其它元件，例如一些并联的二极管或类似的限流器件也可用于本发明中。
平衡电阻器601在上述最佳实施例中构制成梯形或三角形锥形的几何形状，其最宽的底端位于短接条原先电流密集的部位。平衡电阻器还构制得使其最窄的顶端离电流密集的部位最远。锥形的几何形状，如图6B中所示那样配置，其形成的电阻器，阻值逐渐增加，在其底边的阻值增加得最大，在其顶部的阻值增加得最小。这里用的“逐渐增加的阻值”一词是指从平衡电阻器601输入端口603边缘上的一点至平衡电阻器601输出端口605边缘上的一点在没有来自横贯平衡电阻器601任何其它路径的关联电阻影响的情况下按基本上直线的路径测出的阻值。把流经短接条段511a、平衡电阻器601和短接条段511b的电流的路径长度也考虑进去时，电流从加热电阻器段501的输出端口513流到加热电阻器段503的输入端口509所遇到的电阻基本相同。
再谈谈另一种方式。参看图7。为帮助说明本发明在这一方面的工作情况，画出了电阻器的模型图。电流经导体505＇流入加热电阻器段501＇(其阻值为RH)。在加热电阻器段501＇的输出端，电流分成多路，其中两路假设为路径701和路径703。在路径701中，电流的一个分量流经短接条段511a实际上较短的路径705(其附加电阻值为r1)，流经平衡电阻器601实际上较长的路径707(其阻值为RA)并流经短接条段511b另一个实际上较短的路径709(其附加阻值为r1)。在路径711中，电流的另一个分量流径短接条段511a实际上较长的路径(其附加阻值为r2)，流经平衡电阻器601实际上较短的路713(其阻值为Ra)并流经短接条段511b的另一个实际上较长的路径(其附加阻值为r1)。电流在加热电阻器段503＇(其阻值为RH)的输入端再汇合，经导体515＇返回。为使电流平衡并防止电流密集现象，平衡电阻器601和短接条段511a和511b设计得使其满足下列条件：
r1＜r2，
RH＞RA＞RB，且
RA+2r1=RB+2r2，从而使流经路径701的电流分量大致等于流经路径703的电流分量，由此避免了电流密集现象。
本发明的一个最佳实施例实际上采用了总阻值(RH+RA)约为140欧的加热电阻器。如图6B所示最佳实施例中所绘制的那样，平衡电阻器可测定出的总阻值为4欧，电阻器的实际尺寸：底边b≌2.3微米，截头顶边a≌1.8微米，截头三角形高度h≌25微米，这与三角形各边的长度有关。加热电阻器501和503的宽度分别为W≌9微米，长度分别为1≌20微米。两加热电阻器段和平电阻器的钽铝薄膜厚900埃左右。应该指出的是，随着高度h的增加(即短接条变得更宽)，电流分布的范围扩大(可使用的专用电子通路增加)，从而使可测定出的总阻值增加。
在另一个加热电阻器无需集中在受限制的部位(例如在喷嘴分布配置或数目多且相互配合的结构中)但短接条部分需要有一个拐弯或角隅的实施例中，可应用本发明来最大限度地减小短接条中电流密集现象的影响。图8加热电阻器结构的短接条中需要有一个90度弯。加热电阻器由两电阻器801、803，彼此用平衡电阻器807分成两部分805a和805b的短接条导体互连起来组成。
此外，还可以考虑用电流控制器件来平衡耦合器件中的电流的其它方式，如图9中所示。例如，电流控制器件600可以是耦合器件511位于电流密集部位的失去部分或阻值较高的部分901。901部分可以取任何形状或几何尺寸，只要能将耦合器件511中电流密集现明减少到可接受的水平即可。不然，为最大限度地减小耦合器件511中最大的电流密度，耦合器件511也可采用阻值等级随至电阻器段501和503的间距而呈阶梯式递增或类化的那一种。另一种方法是用薄层电阻变化的电阻片制最耦合器件511，其中耦合器件与电阻器段501和501接触处的薄层电阻值较高。在此情况下，薄层电阻的这种变化可以说是耦合器件511电流控制器件的部分。
这样，这里介绍了一种通过改进分段电阻器的加热电阻器的几何尺寸能增加阻值的热喷墨滴发生器，通过采用平衡电阻器作为短接条导体的一部分减少了电流密集现象。