CN101217834A - 加热电阻器、液体喷射头和设备以及液体喷射头的基体 - Google Patents

加热电阻器、液体喷射头和设备以及液体喷射头的基体 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种加热电阻器，其特征在于它由具有导电性的导电氧化物和具有绝缘或非导电性的非导电氧化物构成。

Description

加热电阻器、液体喷射头和设备以及液体喷射头的基体
技术领域
本发明涉及一种制造加热电阻器的新材料，这种加热电阻器的特征在于具备良好的加热能力，在确保稳定性的情况下拥有更长的寿命，即使重复使用很长时间，也能确保维持其化学和机械特性，包括电学性能。
背景技术
根据本发明的包含新材料的加热电阻器尤其适用于液体喷射系统，该液体喷射系统利用热能喷射和分配印刷液(例如墨水)以便将字母或者图像印刷在介质上，通常例如纸张、合成纸张以及纤维。根据本发明的包括新材料的加热电阻器可以应用于输出设备(cutput device)，例如喷墨打印机、传真机和复印机及其复合系统，此外还可以应用于采用液体喷射方法的半导体光刻工艺或者布线工艺的设备等等。上述液体喷射系统包括具有加热电阻器的液体喷射头基体、具有液体喷射头基体的液体喷射头、以及具有液体喷射头的液体喷射设备，这些在本发明的下文中被称作液体喷射系统。
图1是描述传统典型的液体喷射头喷射液体时的工作原理示意图，它的操作包括如下步骤：i)首先，加热电阻器从外界施加的电信号加热，由此邻近的印刷液被暂时加热至沸点以上使得泡开始生成核心。ii)接下来，泡的核心生长形成特大泡，由于所产生的特大泡的体积膨胀，填充在液体喷射头的腔中的印刷液被施加了压力。iii)由于上述原因，喷嘴附近的印刷液以小滴的形式通过喷嘴喷出到液体喷射头的腔之外，并且特大泡破碎并消除。此时，特大泡的破碎引起向加热电阻器的表面局部地施加强烈的压力，这种压力被称为空穴力。如在《Hewlett-Packard Journal》第45(41)卷及《Microelectronics Reliability》第45(3)卷第473页公开的内容，空穴力会损坏加热电阻器，这也许就是“液体喷射系统”使用寿命下降的一个原因。iv)接下来，在液体喷射头的腔中通过毛细管再次填充印刷液。
图2是详细描述传统液体喷射头基体的主要部件的横截面视图。参考图2，传统的液体喷射头通常具有这样一种结构，其中包括具有驱动电路的硅基体层(201)的多个材料层和形成在硅基体(201)上的加热电阻器(203)堆叠。更详细地，在加热电阻器(203)和硅基体层(201)之间用于热绝缘和电绝缘的绝缘层(202)形成在硅基体层(201)上，并且用于加热、喷射及分配印刷液的加热电阻器(203)形成在该绝缘层(202)上。包括将电信号施加到加热电阻器(203)的金属导体的电极层(204)形成在加热电阻器(203)上，并且单个或多个保护层(205、206)形成在加热电阻器(203)和电极层(204)的表面上。如上所述，保护层(205、206)保护加热电阻器(203)不受随着加热电阻器(203)的加热而造成的化学和机械影响，并且用于加热电阻器(203)和电极层(204)和印刷液的电绝缘。
概括的说，作为液体喷射头的构成层的加热电阻器(203)的材料必须具有如下的特征：
(1)加热电阻器的材料应该具有在施加到“液体喷射系统”的合适范围之内的电阻率，并且能够控制电阻率以便根据“液体喷射系统”的使用不同地设计加热电阻器的尺寸(长度、宽度和厚度等)。
(2)加热电阻器的材料应该具有低的电阻温度系数(TCR)，从而使得电阻根据“液体喷射系统”的适当可用温度间隔之内的温度的变化能够在常规范围内最小化。
(3)尽管会被重复使用很长时间，加热电阻器的材料也应该保持化学和机械特性，包括电特性安全，以确保具有可靠性的更长的使用寿命。
迄今为止传统使用并且有限知道的用于液体喷射头的加热电阻器的材料是HfB2、TaAl、poly-Si、Ti/TiNx、α-Ta、TaN0.8、TaSiN等。美国专利US6,375,312和美国专利US6,013,160公开了HfB2，美国专利US3,852,563、美国专利US4,513,298和美国专利US4,965,611公开了TaAl。Poly-Si被美国专利US4,532,530所公开，Ti/TiNx被美国专利US5,870,121公开，以及α-Ta被美国专利US6,395,148公开。TAN0.8被韩国专利公开10-1994-0014946、美国专利US6,375,312及美国专利US6,382,775公开，TaSiN被美国专利US6,527,813公开。然而，除了传统材料之外还没有其它符合上述要求的材料被报导，因此目前的情况是，在制造要求各种用途和性能的加热电阻器时选择材料是受到限制的。
本发明提供与上述传统加热电阻器的材料不同的加热电阻器的新材料。根据本发明，能够满足加热电阻器所应该具备的基本材料特性，并且能够在较宽的范围内容易地控制电阻率，从而导致自由地设计加热电阻器的物理尺寸(长度、宽度、厚度等)，并且使化学和机械特性更加安全。具体地，作为一种提高在加热电阻器和印刷液之间传递热的效率以便获得传统“液体喷射系统”的高速/高分辨率的方法，本发明的优势在于具有确保产品可靠性的较长使用寿命，因为根据本发明的加热电阻器的新材料具有良好的化学稳定性和良好的机械特性，即使加热电阻器与印刷液直接接触或是加热电阻器的保护层形成得更薄。
发明内容
本发明的第一个目的是提供加热电阻器的新材料，其特征在于通过在宽的范围内容易地控制电阻率而具有较长的使用寿命并确保可靠性，具有低的电阻温度系数(TCR)，从而使得根据所使用的温度间隔之内的温度的电阻率变化能够最小化，并且即使重复使用很长时间，也能安全地维持化学和机械特性，包括电特性。
本发明的第二个目的是提供具有各种结构的“液体喷射系统”，该结构具有包括根据本发明的新材料的加热电阻器。
本发明的第三个目的是提供这样一种高速/高分辨率“液体喷射系统”，其对热氧化反应具有坚固的抵抗、在高温下具有电学和化学稳定性并且对机械冲击具有良好的抗冲击特性，使得加热电阻器可以与印刷液直接接触，或者如果需要的话，仅在印刷液和加热电阻器之间提供一个具有最小厚度的保护层，因此可以提高传递热的效率。
本发明的第四个目的是提供这样一种形式的“液体喷射系统”，即插入接触电阻改进层，用于降低加热电阻器(203)和电极层(204)之间的接触电阻，以便避免这样一种潜在的可能性，在使用包括根据本发明的新材料的加热电阻器的情况下，加热电阻器与将电信号传送到加热电阻器的电极层(204)进行反应，从而降低了“液体喷射系统”的性能。
通过下面将要描述的本发明的实施例，本发明的其它目的将变得更加清楚。
在具体地描述本发明的配置之前，(如果没有相反地详细描述的话)，在本发明的配置和下述实施例中示出的具体尺寸和变量只是作为获得最佳结果的示例提供的，而不是用于限制本发明。此外，在本发明中示出的具体化学公式和成分指示只是作为示例提供的，而不是用于限制本发明。而且，本发明不限于加热电阻器的具体物理尺寸(长度、宽度和厚度)和形状，以及液体喷射头的其它层的配置和具体的应用领域。换句话说，本发明涉及用于制造加热电阻器的新材料并且可以要求保护具有包括根据本发明新材料的加热电阻器的所有类型的“液体喷射系统”。
为了获得本发明的第一个目的，用于制造加热电阻器的新材料是导电氧化物(在下文中以化学式表示为AOx)和非导电氧化物(在下文中以化学式表示为BOy)的混合材料，其通常表示为ABO并具体表示为化学式(AOx)m-(BOy)n。上述“导电氧化物”是指至少两种具有导电性的金属或非金属氧化物的混合物，包括具有导电性的金属或非金属系氧化物，在本发明的下文中被称为“导电氧化物”。此外，上述“非导电氧化物”是指至少两种具有非导电性的金属或非金属氧化物的混合物，包括具有非导电性的金属或非金属系氧化物，在本发明的下文中被称为“非导电氧化物”。
在上述化学式中，“A”是指配置“导电氧化物”的至少一种金属或非金属原子，“B”是指配置“非导电氧化物”的至少一种金属或非金属原子，“O”是指氧。如果以化学式(AOx)m-(BOy)n示出，取决于金属或非金属原子“A”和“B”的种类来确定“x”和“y”，“m”和“n”表示“导电氧化物”(AOx)和“非导电氧化物”(BOy)的混合比并且m+n等于100mol％。
在本发明中建议的通过混合“导电氧化物”(AOx)和“非导电氧化物”(BOy)制造的加热电阻器已经安全地与氧进行了化学组合以具有这样的特性：即使与被喷射和分配的印刷液在高温下直接接触很长时间，由于与印刷液的化学和电化学反应造成的材料的特性改变也是最小化的。而且，将“导电氧化物”(AOx)和“非导电氧化物”(BOy)混合在一起用作为加热电阻器的新材料并具有下述优点。首先，如果单独使用“导电氧化物”作为加热电阻器的材料，它具有非常低的电阻率并且不适合单独应用在“液体喷射系统”中。其次，可以根据“导电氧化物”和“非导电氧化物”的混合比来容易地控制电阻率，并且其优点在于可以根据“液体喷射系统”的要求设计加热电阻器的各种物理尺寸。例如，如果结构变得微小以便获得高分辨率的“液体喷射系统”，那么为了将电信号施加到加热电阻器而提供的金属电极的电压降低(由于电流×电阻造成的电压降低)将增加。为了使该电压降低的影响最小化，加热电阻器的电阻应该保持在常规比例上。假设使用构成现有加热电阻器的材料，就难于改变材料本身所具有电阻率，不得不通过减少材料薄膜的厚度或改变其它物理尺寸来增加加热电阻器的电阻。然而，减少这种薄膜厚度的方法可能变成降低加热电阻器的机械抗冲击性能和可靠性的原因。此外，加热电阻器的其它物理尺寸的改变会带来限制设计“液体喷射系统”的困难。与此相比，本发明所建议的制造加热电阻器的新材料能够容易地改变材料本身的电阻率，因此可以有利地避免上述问题。第三，有利的是，可以根据导电氧化物和非导电氧化物的选择、混合比以及混合结构来改进加热电阻器的电阻温度系数(TCR)的特性。这里，混合结构指的是微粒嵌入结构，其中“导电氧化物”(AOx)形成矩阵并且“非导电氧化物”(BOy)以微粒的形式分布在矩阵中；或者指的是混杂结构，其中“导电氧化物”(AOx)与“非导电氧化物”(BOy)完全混合在一起不能区分；或者指的是层压薄膜结构，其中重复使用“导电氧化物”(AOx)和“非导电氧化物”(BOy)以具有合适的厚度。
构成用于制造上述加热电阻器的新材料的“导电氧化物”(AOx)和“非导电氧化物”(BOy)的典型示例在下面的表1中示出。
<表1>
Figure A20071008797100081
Figure A20071008797100091
“导电氧化物”(AOx)包括单一金属或非金属氧化物(二元氧化物)，例如RuOx、PdOx、IrOx、PtOx、OsOx、RhOx、ReOx、ZnOx、InOx、SnOx等；还包括三元系列或多元导电氧化物(多元氧化物)，例如PtRhOx、SrRuO8、In1- xSnxO8、NaxW1-xO3、Znx(Al，Mn)1-xO、La0.5Sr0.5CoO3、CrSiOx、Na2Pt3O4、NiCrOx、Bi2Ru2U7等。另外，导电氧化物也可以配置成包括至少两种的导电氧化物的混合物。也就是说，如上所述，本发明中的“导电氧化物”(AOx)是指至少两种导电金属或非导电金属的混合物，包括如上所示的具有导电性的单个或多元氧化物。
优选的是，本发明中所使用的导电氧化物(AOx)的电阻温度系数(TCR)的特性可以根据最小值为(+)500ppm/k到(-)500ppm/k的导电氧化物(AOx)来配置。
此外，如表1所示，“非导电氧化物”(BOy)包括二元氧化物，例如AlOy、TiOy、TaOy、HfOy、BaOy、VOy、MoOy、SrOy、NbOy、MgOy、SiOy、FeOy、CrOy、NiOy、CuOy、ZrOy、BOy、TeOy、ZnOy、BiOy、WOy、CdOy、CoOy、LaOy、MgOy、GaOy、GeOy，还包括三元氧化物和多元非导电氧化物，例如SrTiO3、BaTiO3、AlxTi1-xOy、HfxSi1-xOy、HfxAl1-xOy、HfxAl1-xOy、TixSi1-xOy、TaxSi1-xOy、LaTiO3和ZnxTi1-xOy。而且，至少两种材料的混合物可以配置“非导电氧化物”(BOy)。也就是说，本发明所述的“非导电氧化物”(BOy)是指至少两种非导电性金属或者非金属氧化物的混合物，包括具有如上所示非导电性的单个或多元氧化物。
优选的是，形成加热电阻器的材料的电阻率的范围是10μΩcm到30000μΩcm。
为了利用根据本发明的新材料制成加热电阻器，可以使用包含溅射方法和电子束气相沉积方法的通常表示的物理气相沉积(PVD)方法，以及包括原子层沉积(ALD)方法或等离子体增强原子层沉积(PEALD)方法的通常表示的化学气相沉积(CVD)方法，但是，这些方法并不是利用根据本发明的新材料制造加热电阻器的唯一方法。例如，除了上述方法之外，还可以使用溶胶-凝胶方法和电镀方法。换句话说，本发明中所提到的用于形成根据本发明的加热电阻器的新材料的方法并不局限于用于形成根据本发明的新材料的唯一方法。优选的是，根据本发明的加热电阻器的厚度在
Figure A20071008797100101
到
Figure A20071008797100102
附图说明
下面结合对应的附图详细描述本发明的目的、特征以及优点。
图1是描述传统的典型液体喷射头喷射液体的原理的示意图；
图2是详细描述传统的液体喷射头基体的主要部件的示意性横截面图；
图3是描述沉积(RuOx)m-(TiOy)n材料的原子层的方法的时序图；
图4是示出依照根据本发明的实施形成的(RuOx)m-(TiOy)n材料成分的成分变化而产生的电阻率变化的图表；
图5是详细描述根据本发明的实施例形成的(RuOx)m-(TiOy)n材料的混合结构的示意图；
图6是示出根据本发明的实施例形成的(RuOx)m-(TiOy)n材料的电阻温度系数的特性的图表；
图7是描述液体喷射头的基体的示意性横截面图，从该基体移除根据本发明实施例的保护层的一部分或全部；
图8是描述液体喷射头的基体的示意性横截面图，从该基体移除根据本发明实施例的保护层的一部分或全部；和
图9是示出针对包括具有根据本发明的实施例的(RuOx)m-(TiOy)n材料的加热电阻器的液体喷射系统进行SST测试的结果的图表。
具体实施方式
下面将通过使用本发明的上述原理来描述从表1中提及的材料中选出制造加热电阻器的新材料(RuOx)m-(TiOy)n(其中，“导电氧化物”(AOx)为RuOx，“非导电氧化物”(BOy)为TiOy)的示例作为本发明的优选实施例。如上所述，可以采用各种方法来形成这种材料，但下面将要描述使用沉积原子层的方法的示例作为非限制性的实例。
图3是用于说明沉积(RuOx)m-(TiOy)n原子层的方法的时序图。使用沉积原子层的方法来制造(RuOx)m-(TiOy)n材料的加热电阻器的方法经过包括下列步骤的周期：(a)注入Ru源的前驱物，以使其化学吸附于基体上；(b)注入清洗气；(c)注入反应气体(1)，用来去除或氧化吸附的Ru源前驱物的配合基，然后形成“导电氧化物”(AOx)或RuOx；(d)注入清洗气；(e)注入Ti源的前驱物，以使其吸附于基体上；(f)注入清洗气；(g)注入反应气体(2)，用来去除或氧化吸附的Ti源前驱物的配合基，然后形成“非导电氧化物”(BOy)或TiOy；和(h)注入清洗气，用来形成具有常规厚度的(RuOx)m-(TiOy)n材料。在沉积原子层的方法中，如果该周期重复进行，那么薄膜的厚度与周期数量成比例地增加。因此，可以通过重复该周期在基体上形成具有所需厚度的薄膜。另外，为了控制(RuOx)m-(TiOy)n材料中RuOx和TiOy的混合比，步骤(a)到(d)和步骤(e)至(h)可以重复所需的次数来形成一个周期。
作为根据本发明的一个优选实施例，制造加热电阻器的新材料并不局限于(RuOx)m-(TiOy)n材料，其中“导电氧化物”(AOx)为RuOx，“非导电氧化物”(BOy)为TiOy。如上所述，通过将表1所列举出的“导电氧化物”(AOx)和“非导电氧化物”(BOy)进行混合，可以形成各种不同的化合物。另外，如上所述的根据本优选实施例的沉积原子层的方法并不被限制为形成根据本发明的新材料薄膜的唯一方法，形成如PVD和CVD的薄膜的常用方法均可以使用。
图4中示出了电阻率依照根据本发明优选实施例形成的(RuOx)m-(TiOy)n材料的成分变化而产生的变化。图4示出了在(RuOx)m-(TiOy)n材料的情况下，根据“导电氧化物”(AOx)(RuOx)和“非导电氧化物”(TiOx)在测试范围内的混合比，电阻率可以容易地控制在350μΩcm到95000μΩcm的较宽范围内。当然，如果(RuOx)m-(TiOy)n材料中RuOx所占的混合比增加，电阻率可以容易地控制在350μΩcm以下。
另外，根据优选实施例形成的(RuOx)m-(TiOy)n材料可以通过控制沉积原子层的方法中形成RuOx的步骤和形成TiOy的步骤的重复次数来控制混合结构。也就是说，如图5所示，该结构可以是微粒嵌入结构，其中“导电氧化物”(AOx)形成矩阵并且“非导电氧化物”(BOy)以微粒的形式分布在矩阵中；或者可以是混杂结构，其中“导电氧化物”(AOx)与“非导电氧化物”(BOy)完全混合在一起不能区分；或者可以是层压薄膜结构，其中重复使用“导电氧化物”(AOx)和“非导电氧化物”(BOy)以具有合适的厚度。也可以包括这三种结构混合的情况。
图6示出了根据本发明实施例形成的(RuOx)m-(TiOy)n材料的电阻温度系数的特性。因为根据本发明优选实施例所形成的(RuOx)m-(TiOy)n材料具有约为-272.8ppm/K的小TCR，已知的是电阻根据所使用的温度的变化很小。TCR应该最小化，从而使得在使用温度的范围内具有稳定分配特性的“液体喷射系统”可以形成，这是为什么构成根据本发明实施例形成的(RuOx)m-(TiOy)n材料RuOx导电氧化物层的TCR特性具有接近于“0”的小值的原因，其也在《Journal ofVacum Science Technology》第11(4)卷及《Applied Physics Letter》第70(2)卷中公开。
在上述方面，表1中列出的“导电氧化物”(AOx)中具有相对较小的TCR值的“导电氧化物”(AOx)应该被优选地认为是对于根据本发明的加热电阻器合适的“导电氧化物”(AOx)。也就是说，IrOx、RhOx、PdOx和BiRuOx等是用于加热电阻器的“导电氧化物”(AOx)的有影响的材料，作为被报导与RuOx一起具有低TCR的导电材料。另外，“非导电氧化物”(BOy)的确定应该满足如下条件：它不应该与“导电氧化物”(AOx)形成一种新的化合物，并且具有热特性(足够的热膨胀系数)、化学特性、机械抗冲击性以及电绝缘特性。
由根据本发明的优选实施例其中之一的(RuOx)m-(TiOy)n材料可知，通过将表1中列出的“导电氧化物”(AOx)和“非导电氧化物”(BOy)混合形成的新材料具备了适合用于制造“液体喷射系统”所要求的加热电阻器的材料的特性。
具体地，由于根据本发明的新材料具有良好的抗机械冲击能力，并且对氧化及腐蚀具有很强的化学稳定性，因此它具有这样的优点，即图2所示的液体喷射头的传统结构的保护层(205、206)的厚度可以减至最小，或者可以去除保护层(205、206)的一部分或全部来配置液体喷射头的结构从而使得印刷液可以与加热电阻器直接接触。因为这些保护层(205、206)主要包含具有低热传导性的氮化硅(SiNx)、硅碳化合物(SiCx)、BPSG以及氧化硅(SiOx)层或者其混合物，所以保护层的厚度可以减小或者去除保护层的一部分或者全部，以使加热电阻器与印刷液直接接触，从而可以提高热传导效率。因此，使得制造出能够用较低的能量驱动液体喷射头的高效“液体喷射系统”成为可能。因此，下面将要描述实施例，以便配备有具有根据本发明的新材料形成的加热电阻器的“液体喷射系统”，并且保护层的一部分或全部已被去除。
图7和图8是示意性示出液体喷射头基体的横截面图，其中保护层的一部分或全部已被去除，以便提供一种“液体喷射系统”，其中保护层的一部分或者全部已经被去除。图7所示的液体喷射头的基体具有这样一种结构，其中包括通常带有驱动电路的硅基体层(701)和形成于硅基体之上的加热电阻器(703)的多个材料层是层叠的。更详细的是，在根据本发明的新材料形成的加热电阻器(703)和硅基体层(701)之间用于热绝缘及电绝缘的绝缘层(702)形成于硅基体层(701)之上，而包括根据本发明的新材料的加热电阻器(703)形成于绝缘层(702)之上。包含金属导体材料的电极层(704)形成于加热电阻器(703)之上，以便向加热电阻器(703)提供电信号。可以选择性地在电极层和印刷液之间形成保护层的结构以便保护电极层(704)不受印刷液的影响也是可能的，即使图7中未示出。图8示出了液体喷射头基体的另一个实施例，其中上述保护层的一部分或全部已被去除，它还具有这样一种结构，其中多个材料层包括通常带有驱动电路的硅基体层(801)和形成于硅基体层之上的加热电阻器(804)。更为详细的是，在根据本发明的新材料形成的加热电阻器(804)和硅基体层(801)之间用于热绝缘和电绝缘的绝缘层(802)形成于硅基体层(801)之上，包括金属导体材料的电极层(803)形成于绝缘层(802)之上，用于向加热电阻器(804)提供电信号，包括根据本发明的新材料的加热电阻器(804)形成于电极层(803)之上。
从图7和图8可以明显看出，其中去除一部分或全部保护层的液体喷射头基体的特征在于：印刷液与包括根据本发明的新材料的加热电阻器(703、804)直接接触。然而，其中根据本发明去除一部分或全部保护层的液体喷射头基体并不仅局限于图7和图8所示出的特定结构，而应包含具有各种结构的液体喷射头基体，其特征在于：一般而言，包括根据本发明的新材料的加热电阻器与印刷液直接接触。例如，如上所述，即使保护层有选择地形成在电极层(704)之上，使得在保持图7所示结构的情况下，电极层(704)不与印刷液接触，也可以明显看出与印刷液直接接触的加热电阻器也落入本发明的保护范围之内。
另外，显而易见的是具有包括根据本发明的新材料的加热电阻器的“液体喷射系统”并不局限于图2中所示的如传统液体喷射头基体的特定结构，也不局限于图7和图8所示的去除一部分或全部保护层的液体喷射头基体的结构，并且具有包括根据本发明的新材料的加热电阻器的“液体喷射系统”落入本发明的保护范围内。
在下文中，为了评价具有由根据本发明的新材料构成的加热电阻器的液体喷射头喷射液体的性能，制造了多个“液体喷射系统”，它们的液体喷射头基体的结构如图7所示，除去了一部分或全部保护层，而不是如图2所示的传统的液体喷射头基体的结构，对这些“液体喷射系统”进行了步进应力测试(SST)、起泡测试(BT)以及印刷耐久性测试PD)并且作出了评价，其结果以一个实施例的方式提供。同时，图7中所示的加热电阻器包括根据上述优选实施例制造的(RuOx)m-(TiOy)n材料，从而归于加热电阻器的真正的加热操作部分(705)的面积是674μm2。
图9示出了对“液体喷射系统”所进行的SST测试的结果，这种系统具有包括上述优选实施例制造的材料(RuOx)m-(TiOy)n的加热电阻器。SST测试执行了如下步骤：能量脉冲的宽度从0.5μsec开始以0.1μsec的单位增加以便在一秒钟施加12000次到每个能量脉冲的宽度(从而使得驱动频率可达12KHz)，同时将由电极层施加到加热电阻器的驱动电压维持在加热操作单元(705)的每单位面积内为常规的1.40GW/m2，然后就可以连续测量加热电阻器的电阻。参照图9，即使施加的能量脉冲宽度发生了变化，包含根据本发明的(RuOx)m-(TiOy)n材料的加热电阻器几乎没有变化。换句话说，如果使用了包括根据本发明的新材料的加热电阻器，施加到加热电阻器的能量(即驱动电压×时间)增加，并且即使加热电阻器的温度升高，它的电阻几乎不会发生变化。因此，使得制造一种能安全地维持电学性能的可靠的“液体喷射系统”成为可能。
另外，针对具有包含根据优选实施例形成的材料(RuOx)m-(TiOy)n的加热电阻器的“液体喷射系统”进行了BT测试，其条件如下：用于喷射液体的驱动电压固定在7V，能量脉冲的宽度为0.76μsec，施加的电信号的驱动频率为12KHz，并且液体被连续喷射到所制造的液体喷射头上已被损坏的点。因此，即使这种测验是针对已去除保护层的液体喷射头的结构而实施的，液体也可以在平均4.5×107次的驱动期间安全的喷射。另外，如果是图2所示的带有传统液体喷射头基体结构的“液体喷射系统”，为了真正来喷射液体，施加在加热电阻器加热操作单元(207)的单位面积(m2)上的驱动电压大约应该为4到5GW。然而，如果是具有去除了一部分或全部保护层的液体喷射头基体结构的“液体喷射系统”，只需要在加热操作单元(207)的单位面积(m2)上施加1.2GW的驱动电压就可以安全地喷射出液体。因此，得知可以获得具有低功率的驱动。
换句话说，从根据上述实施例的上述结果中可知，如果使用包含本发明新材料的加热电阻器，即使保护层的一部分或全部已被移除或者保护层的厚度是最小化的，也可以安全地维持化学和机械特性，包括电学特性，而且“液体喷射系统”可以以低功率驱动。
同时，在加热电阻器是根据本发明的新材料形成的情况下，如果通过加热来增加温度，则形成配置加热电阻器的氧化物和由于氧化反应造成的反应物，该氧化反应发生在为了将电信号传递到加热电阻器而提供的电极层(204、704、803)之间的接触界面上，如图2、7和8所示。因此，存在增加在加热电阻器和电极之间的接触电阻的潜在可能性。为了避免这种潜在可能性，可以在加热电阻器和电极材料层之间的接触界面插入接触电阻改进层来阻止由电极材料的氧化带来的反应物生成。这种接触电阻改进层可以采用金属或者金属氮化物，其在驱动加热电阻器的温度范围内不与包括电极材料层和根据本发明的新材料的加热电阻器进行反应，或者即使进行反应并形成新的反应物，其电阻也不会发生大的变化。具体地，更为优选地，配置“导电氧化物”(AOx)的相同种类的原子材料(A)单独或者与Ti、Ta、W或它们的金属氮化物一起被用作上述接触电阻改进层的材料。
在本实施例中，如果A1被用作电极材料，根据本发明实施例的(RuOx)m-(TiOy)n材料被用作配置加热电阻器的材料，A1电极材料非常易于与氧起反应，在A1电极材料和(RuOx)m-(TiOy)n材料的界面处容易地形成绝缘材料，例如Al2O3。(RuOx)m-(TiOy)n材料是一种具有非常高的电阻率108μΩcm的绝缘材料，并且具有使加热电阻器的电阻率增加很多的问题。在初期驱动液体喷射头时，形成的Al2O3可能不是绝缘的。因此，为了避免A1电极材料与(RuOx)m-(TiOy)n材料彼此直接接触，Ru单独或者与Ti、TiN、TaN、TaN、W、WN和WCN一起插入到配置具有接触电阻改进层的加热电阻器的(RuOx)m-(TiOy)n材料和A1电极层之间，从而避免由于A1电极的氧化反应而导致的接触电阻的增加。
如上所述，根据本发明，如果使用通过将“导电氧化物”和“非导电氧化物”进行混合形成的新材料，就能够提供一种加热电阻器，它具有良好的加热性能，并且具有可靠性的较长使用寿命，其中电阻根据加热的温度间隔中的温度而产生的变化可以在常规的范围内最小化，即使重复使用很长时间，其化学及机械性能包括电学性能也可以安全地保持。另外，具有包含根据本发明的新材料的加热电阻器的“液体喷射系统”可以保持性能稳定，即使用于保护加热电阻器的保护层的厚度最小化，或者保护层的一部分或全部已被去除以使印刷液与加热电阻器直接接触，并且因此，可以容易地制造用低功率驱动的高效“液体喷射系统”。

Claims (12)

1.一种加热电阻器，包含具有导电性的导电氧化物(AOx)和具有绝缘或非导电性的非导电氧化物(BOy)。
2.如权利要求1所述的加热电阻器，其中，导电氧化物(AOx)包括至少一种选自下列组中的材料，所述组包括RuOx、PdOx、IrOx、PtOx、OsOx、RhOx、ReOx、ZnOx、InOx、SnOx、PtRhOx、SrRuO3、In1-xSnxO3、NaxW1-xO3、Znx(Al，Mn)1-xO、La0.5Sr0.5CoO3、CrSiOx、Na2Pt3O4、NiCrOx和Bi2Ru2O7。
3.如权利要求1所述的加热电阻器，其中，非导电氧化物(BOy)包括至少一种选自下列组中的材料，所述组包括：AlOy、TiOy、TaOy、HfOy、BaOy、VOy、MoOy、SrOy、NbOy、MgOy、SiOy、FeOy、CrOy、NiOy、CuOy、ZrOy、BOy、TeOy、ZnOy、BiOy、WOy、CdOy、CoOy、LaOy、MgOy、GaOy、GeOy、SrTiO3、BaTiO3、AlxTi1-xOy、HfxSi1-xOy、HfxAl1-xOy、HfxAl1-xOy、TixSi1-xOy、TaxSi1-xOy、LaTiO3和ZnxTi1-xOy。
4.如权利要求1所述的加热电阻器，其中，形成加热电阻器的材料具有良好的电阻温度系数(TCR)的特性，从而使依照温度的电阻变化最小。
5.如权利要求1或2所述的加热电阻器，其中，形成加热电阻器的材料包括导电氧化物(AOx)，所述导电氧化物(AOx)的电阻温度系数(TCR)的特征在于在(+)500ppm/K到(-)500ppm/K的范围内具有最小值。
6.如权利要求1所述的加热电阻器，其中，形成加热电阻器的材料的电阻率在10μΩcm到30000μΩcm的范围内，厚度在20
Figure A2007100879710002C1
到20000的范围内。
7.如权利要求1所述的加热电阻器，其中，形成加热电阻器的导电氧化物(AOx)和非导电氧化物(BOy)的混合结构是下列结构之一：导电氧化物(AOx)形成一个矩阵，而非导电氧化物(BOy)以微粒的形式嵌入到矩阵中；导电氧化物(AOx)与不能被分辨的非导电氧化物(BOy)完全混合在一起；或者导电氧化物(AOx)和非导电氧化物(BOy)重复层叠以具有合适的厚度。
8.一种液体喷射头的基体，包括：
硅基体层；
如权利要求1所述的加热电阻器，包括形成在硅基体层之上的绝缘层，并且能够由电信号生成热能；
向加热电阻器提供电信号的电极层；和
用于保护电极层和加热电阻器的单层或多层保护层。
9.如权利要求8所述的液体喷射头的基体，包括：如权利要求1所述的加热电阻器，并且其中，所述基体具有加热电阻器与印刷液直接接触而不需要保护层的结构。
10.如权利要求8或9所述的液体喷射头的基体，包括：如权利要求1所述的加热电阻器，并且其中，所述基体的特征在于，与形成导电氧化物(AOx)同类的原子材料(A)与Ti、TiN、Ta、TaN、W、WN和WCN一起作为薄层，或者与形成导电氧化物(AOx)同类的原子材料(A)单独作为薄层插入到加热电阻器和电极层之间的接触界面，以便插入可以提高接触电阻的接触电阻改进层。
11.一种液体喷射头，包括：液体喷射头的基体；和设置于液体喷射头基体上的液体供应通道，并且所述液体喷射头还包括：如权利要求1所述的加热电阻器和如权利要求8、9或10所述的液体喷射头的基体。
12.一种液体喷射设备，包括：液体喷射头基体；液体喷射头，其具有设置在液体喷射头基体上的液体供应通道；和能够向液体喷射头基体的加热电阻器提供电信号的电信号提供装置，所述液体喷射设备还包括：如权利要求1所述的加热电阻器和如权利要求8、9或10所述的液体喷射头基体。
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