DE10039255A1 - Tropfenerzeuger für Mikrotropfen, insbesondere für den Düsenkopf eines Tintendruckers - Google Patents

Abstract

Ein Tropfenerzeuger für Mikrotropfen, insbesondere für den Düsenkopf eines Tintendruckers, weist ein umschließendes Gehäuse (1), einen piezoelektrisch betätigbaren Biegewandler (2) mit einem Biegekamm (3) auf, dessen vorderer, den Düsen (28) zugeordneter Bereich, den aktiven, aus parallelen Biegezungen (4) bestehenden Aktor bilden. Um die Kontaktierung der Vielzahl von Biegezungen (4) derart zu gestalten, dass die Fluidkammer einfach abzudichten ist, wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse (1) mit einem Gehäuserand (1a) auf einer ebenen Gehäusewand-Auflagefläche (5a) der Silizium-Rahmenplatte (11) dichtend aufliegt und dass die elektrischen Stromleiter (14) für die Kontaktierung verdeckt unter dem Gehäuserand (1a) hindurch geführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Tropfenerzeuger für Mikrotropfen, insbesondere für den Düsenkopf eines Tintendruckers, mit in einem umschließenden Gehäuse angeord­ neten, piezoelektrisch betätigbarem Biegewandler, der einen Biegekamm aufweist, dessen vorderer, den Düsen zugeordneter Bereich, den aktiven, aus parallelen Bie­ gezungen bestehenden Aktor bildet.

Ein solcher Tropfenerzeuger ist z. B. aus der DE 691 20 806 T2 bekannt. Diese Bau­ art beschreibt jedoch nur die Struktur der Biegezungen, die durch eine abwechselnde Anordnung übereinander von pastenförmigem piezoelektrischem (Keramik-)Material und leitendem Material in Form einer Schicht vorsieht, die durch Brennen des lami­ nierten piezoelektrischen Materials und des leitfähigen Materials eine piezoelektrisch betätigbare Platte ergibt, die durch Schneiden in einzelne Biegezungen unterteilt wird. Die derart hergestellten Biegezungen werden mittels eines Vibrationsantriebs betätigt. Der Vibrationsantrieb wird durch eine Vibrationsplatte gebildet. In dieser Bauart werden die Vibrationskräfte über die Piezoelemente auf die Vibrationsplatte übertragen. Bei einer anderen bekannten Bauart erzeugen die einzelnen Biegezun­ gen in der Flüssigkeit Druckwellen, die das Austreten von Mikrotropfen aus dem Ge­ häuse entweder an der Frontseite (edgeshooter) oder an der Seitenfläche des Ge­ häuses (sideshooter) bewirken.

Zum Stand der Technik gehört die vollständige Trennung von einzelnen Biegezun­ gen aus der Piezoplatte. Die Biegezungen werden dann über einen aufgeklebten Biegekamm oder das Trägersubstrat zusammengehalten. Dabei entstehen an den einzelnen Biegefingern Kontaktflächen, die durch Wirebonden oder Flexprints elek­ trisch angeschlossen werden. Diese Kontaktierung erfordert viel Platz. Bei ange­ strebten Aktorenteilungen von < 100 Biegefingern/Inch sind auf einer Breite von weniger als 0,254 mm zwei Anschlüsse erforderlich. Kontaktabstände von 100 µm sind derzeit die Grenzen für Wirebonds. Mit Flexprints sind diese Kontaktdichten (derzeit 0,50 mm) nicht zu erreichen. Nachteilig ist bei einer hohen Anzahl von Kon­ takten, dass diese teuer und anfällig für Fehler sind.

Allen Bauarten haftet das Erfordernis der elektrischen Spannungsimpuls- Übertragung an, d. h. es müssen in den Ebenen der Piezo-Schicht Stromzuführungen geschaffen werden. Die zerklüftete Struktur zwischen den Piezofingern gegenüber der Gehäusewand muss abgedichtet werden. Die Durchführung von Spidern und Flexprints sind aufwendig in der Herstellung und schwierig abzudichten. Die Abdich­ tung der Aktorkammer gegen Austreten von Fluiden stellt ein großes Problem dar. Zur Betätigung der Einzelaktoren müssen aber jene über eine Vielzahl (zwei pro Piezofinger einschließlich der Masse) elektrischer Kontakte angesteuert werden. Diese Aktoranschlüsse müssen durch das Gehäuse dicht geführt werden.

Bei Trennwand-Aktoren wird diese Ausbildung bisher durch Grabenstrukturen in dem Piezo-Material erzielt, die in das Material eingefräst werden. Die Grabenstrukturen werden danach mit einer leitenden Schicht versehen, was durch das Physical- Vapour-Deposition (PVD)-Verfahren erfolgt. Ein anderes Verfahren hierfür ist das Chemical-Vapour-Deposition-Verfahren (CVD). Die dadurch erzeugte leitende Schicht muss anschließend wieder zur Ausbildung der einzelnen Düsen partiell ab­ getragen werden. Zur Vermeidung von elektrischem Kurzschluss ist bei Verwendung von elektrisch leitenden Flüssigkeiten ein isolierender Schutz auf die Kontaktflächen aufzutragen. Die Arbeiten in den tiefen Grabenstrukturen sind jedoch sehr fehleran­ fällig. Sodann ist das Problem der elektrischen Anschlüsse fertigungstechnisch schlecht oder gar nicht vorbereitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kontaktierung der Vielzahl der Piezo­ finger derart zu gestalten, dass die Fluidkammer mit einfachen Mitteln sicher abzu­ dichten ist und die innerhalb der Fluidkammer befindlichen elektrischen Kontakte die Verwendung von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten, wie z. B. Tinten, nicht beein­ trächtigen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden nachstehend drei Ausführungsformen vorge­ schlagen.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund einer ersten Ausführungsform erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gehäuse mit einem Gehäuserand auf einer nichtstruktu­ rierten, um die Gruppe der Biegewandler verlaufenden, ebenen oder gestuften Ge­ häusewand-Auflagefläche der Silizium-Rahmenplatte dichtend aufliegt und dass die elektrischen Stromleiter für die Kontaktierung der einzelnen Biegewandler auf oder in der Silizium-Grundplatte oder der Silizium-Rahmenplatte verdeckt unter dem Gehäu­ serand hindurch geführt sind. Dadurch werden bei der Herstellung tiefe Graben­ strukturen umgangen, die einzelnen Kontaktflächen geschaffen und ein gemeinsa­ mer Masseanschluss erzielt. Außerdem bleibt die Aktorkammer dicht und Flüssigkeit kann an keiner Stelle austreten. Diese Gestaltung vermeidet unnötige Dichtprobleme, indem die Dichtfläche von einfacher geometrischer Form ist. Eine solche Form stellt idealerweise eine ebene Fläche dar. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Kontaktier­ stellen (Bondstellen) zur Herstellung der elektrischen Anschlüsse gering gehalten werden und verdeckt geführt sind, so dass eine mögliche Passivierung (z. B. durch eine isolierende Schutzschicht) gegenüber leitenden oder aggressiven Fluiden ein­ fach erfolgen kann. Die Kontaktierung der einzelnen Biegefinger erfolgt im Bereich der Lagerstelle mittels Kleben oder Löten oder anderen Verfahren. Die gemeinsame Masse kann mit reduziertem Aufwand durch Bonden der Biegefinger an der Oberflä­ che erfolgen. Ein Übersprechen der elektrischen Signale oder ein Kurzschluss zum benachbarten Biegefinger sowie eine Druckwelle des Fluids wird durch eine Trenn­ wand zwischen zwei benachbarten Biegefingern im Siliziumsubstrat vermieden. Der Klebstoff kann dabei auf die Biegefinger-Struktur aufgetragen werden. Ein Eintau­ chen mit Klebstoffauftragsmittel in die filigrane Rahmenstruktur mit Spalten von ca. 120 µm ist nicht erforderlich. Die Durchführung der Stromleiter unter der Gehäuse­ dichtstelle erfolgt durch auf dem Silizium-Substrat abgeschiedene elektrische Leiter, so dass eine ebene Dichtfläche möglich ist.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund einer zweiten Ausführungsform erfindungsge­ mäß dadurch gelöst, dass das Gehäuse mittels eines gestuften Gehäuserandes ei­ nesteils im Bereich der Düsen und andernteils auf einem den Düsen abgewandten Streifen ohne durchgehende Metallisierung auf der Piezokeramikschicht dichtend aufliegt und dass Drahtbonds außerhalb des Gehäuses von der Piezokeramikschicht zur Silizium-Rahmenplatte und zu den elektrischen Stromleitern verlaufen. Die Vor­ teile sind ebenfalls, dass keine Dichtprobleme entstehen und die elektrischen Anschlüsse leicht zu bewerkstelligen sind. Hier befinden sich vorteilhafterweise in der Aktorkam­ mer keine freien elektrischen Leiter und keine gemeinsame Masse. Die elektrische Kontaktierung erfolgt außerhalb des mit Fluid gefüllten Aktorraums. Die Abdichtung des Gehäuses erfolgt auf dem unstrukturierten Rücken des Biegekamms. Die elek­ trisch leitenden Schichten im Piezomaterial werden so abgeschieden, dass im nicht aktiven Bereich (der Befestigungsbereich liegt im Kontaktierbereich außerhalb der Fluidkammer) ein Bereich ohne Metallisierung die beiden Elektroden (plus und mi­ nus) in der Decklage trennt. Die inneren Elektroden sind so angeordnet, dass die Ansteuerungselektroden sich nicht bis in den unstrukturierten Bereich erstrecken. Beim Trennen der Piezoplatte in die einzelnen Biegezungen werden die Ansteuer­ elektroden separiert. Die gemeinsame Masse bleibt erhalten. Die Dichtfläche liegt dabei außerhalb des strukturierten Bereichs. Auch hier besteht eine einfache, ebene Dichtfläche, die Kontakte liegen außerhalb des Fluidraums, es besteht eine intern verbundene Masse aller Biegezungen und es ist nur ein Masseanschluss für alle Aktoren erforderlich. Am separierten, strukturierten Biegekamm können die metalli­ schen Außenelektroden sowie die nach dem Trennschnitt freiliegenden Innenelek­ troden vor dem Verbinden mit der Silizium-Struktur bis auf die Bondpads passiviert werden. Der Biegekamm kann auch als Bimorph oder Monomorph auf der Biege­ kammstruktur aufgeklebt werden.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund einer dritten Ausführungsform erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gehäuse mittels eines Gehäuserandes im Bereich der Dü­ sen auf der Silizium-Rahmenplatte und die Länge der Piezokeramikschicht übergrei­ fend im Bereich der Kontaktierung auf der Silizium-Rahmenplatte dichtend aufliegt, dass die Piezokeramikschicht auf die Silizium-Rahmenplatte elektrisch leitend aufge­ klebt ist, dass im vorderen Bereich und im hinteren Bereich jeweils zwischen der Pie­ zokeramikschicht und der Silizium-Rahmenplatte Kontaktflächen vorgesehen sind und dass die mit der Piezokeramikschicht verbundenen, verdeckten Stromleiter au­ ßerhalb des Gehäuses mit einem auf der Ebene der Silizium-Rahmenplatte angeord­ neten ASIC verbunden sind. Dadurch wird nicht nur die Dichtigkeit der Einheit er­ reicht, sondern auch eine sehr kurze Verbindung zu anderen Baugruppen geschaf­ fen. Der Biegekamm aus Silizium weist an seiner Oberfläche eine ebene unbehan­ delte Oberfläche auf. Auf dieser Fläche können einfach die elektrischen Anschlüsse für die einzelnen Biegezungen abgeschieden und strukturiert werden. Dadurch sind verdeckte Anschlusspads im Bereich der Klebefläche zwischen der Piezokeramik­ schicht und dem Silizium-Biegekamm erhältlich. Die Elektroden auf der Piezokera­ mikschicht werden derart angeordnet, dass auf der dem Siliziumkamm zugewandten Seite die beiden Elektroden plus und Masse jeweils einen Teilbereich bedecken und durch einen nichtmetallisierten Bereich getrennt sind. Ein einfaches Aufkleben mittels elektrisch leitfähigem Klebstoff bewirkt die verdeckte Kontaktierung der einzelnen Biegefinger. Es sind keine zusätzlichen Kontakte mehr erforderlich. Aufgrund der großen räumlichen Trennung der Kontaktpads auf dem Silizium und der Piezokera­ mikschicht kann der anisotrope Klebstoff vollflächig aufgetragen werden. Der Unter­ schied des elektrischen Leitwerts längs der wenigen µm dicken Klebeschicht im Ver­ hältnis zum Abstand der Kontaktpads von ca. 1-2 mm beträgt das etwa 500 bis 1000fache und reicht für viele Ansteuerungen als Impedanzunterschied aus. Bei Verwendung isotroper Klebstoffe werden diese auf zwei durch einen isolierenden Streifen getrennte Bereiche aufgetragen. Die Abdichtung des Gehäuses erfolgt auf der ebenen, unstrukturierten Silizium-Oberfläche. Die elektrischen Stromleiter wer­ den auf der Silizium-Oberfläche in den fluidfreien Außenbereich geführt und dort vorteilhafterweise unmittelbar mit dem ASIC verbunden.

Eine Ausgestaltung besteht darin, dass der Masseanschluss-Streifen auch die hinte­ re Stirnfläche des Biegewandlers bedeckt. Dadurch kann die elektrische Verbindung zur Umgebung des Biegewandlers schon durch bloßes Einsetzen erfolgen.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass die auf einer Silizium-Grundplatte und in einer verbundenen Silizium-Rahmenplatte aufgeklebten Biegewandler abwechselnd je­ weils aus einer Metallisierungsschicht und der aktiven Piezokeramikschicht aufge­ baut sind, wobei in der Silizium-Grundplatte und in der Silizium-Rahmenplatte ver­ deckte Stromleiter im Silizium geführt sind. Dabei werden die Stromleiter nach einer bevorzugten Vorgehensweise schon auf das Silizium-Substrat aufgebracht, so dass später keine Grabenstrukturen bearbeitet werden müssen.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Metallisierungsschichten im Inneren der Biegezungen mit den Masseanschluss-Streifen verbunden sind und dass die Metallisierungsstreifen vor dem Masseanschluss-Streifen bzw. vor dem Trennschnittende enden. Dadurch wird zunächst an der Länge der Metallisierungs­ schicht gespart.

In ähnlicher Weise wird vorgeschlagen, dass die inneren Schichten des Multilayers auf die Länge der Biegezunge mit einem festbestimmten Randabstand zur Breite der Biegezunge eingebracht sind. Dabei wird nur eine vorherbestimmte, umrissene Flä­ che des Multilayers gebildet.

Nach weiteren Merkmalen ist vorgesehen, dass die Stromleiter auf dem Silizium der Silizium-Grundplatte oder der Silizium-Rahmenplatte mittels einer abgeschiedenen Deckschicht (Polysilizium, Polymer, Si-Oxid, Si-Nitrid) geschützt und isoliert sind. Die Deckschicht läßt sich leichter aufbringen als Grabenstrukturen zu bearbeiten sind.

Die erforderlichen freien Flächen für die Kontaktpads werden mittels Masken abge­ deckt oder nachträglich strukturiert. Auf der ebenen Waferfläche können Techniken der Halbleitertechnik verwendet werden. Beim Abscheiden von Poly-Silizium als Deckschicht werden die Stromleiter isoliert und geschützt.

Eine andere Verbesserung besteht darin, dass die Stromleiter zu einem ASIC auf demselben Silizium-Substrat geführt sind. Diese Maßnahme spart Kontakte und elektrische Leitungen.

In Weiterbildung der vorstehenden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das ASIC in einem abgegrenzten Bereich auf demselben Silizium-Substrat wie die Silizium- Rahmenplatte hergestellt ist.

Die Verbindung zwischen dem Biegekamm und der Grundplatte/Rahmenplatte wird vorteilhafterweise dadurch bewirkt, dass Klebepunkte für den Biegekamm mittels ei­ nes Stempels oder durch Siebdruck auf den Klebeflächen der Silizium-Grundplatte und/oder des Biegekamms auftragbar sind. Dadurch kann die Kontaktierung in den Lagerstellen selbst durch elektrisch leitfähige Klebstoffe vorgenommen werden. Eine elektrische Brücke zur benachbarten Biegezunge wird schon durch eine Trennwand zwischen zwei Biegezungen im Silizium-Substrat vermieden.

Weitere Vorteile werden dahingehend erzielt, dass die einzelnen Biegezungen hinter der Gehäuserand-Auflagefläche mittels eines Drahtbonds mit dem Masseanschluss- Streifen verbunden sind. Dadurch ist nur noch der gemeinsame Masseanschluss per Drahtbond herzustellen.

Die Kontaktierung wird ferner dadurch weiterentwickelt, dass der den Kontaktflächen zugewandte Gehäuserand etwa über dem Biegekamm des Biegewandlers dicht auf­ liegt, dass die Biegezungen jeweils mittels einzelnen Kontaktdrähten, Flexprintleitun­ gen oder Spider angeschlossen sind. Dabei befindet sich die Kontaktierung außer­ halb des abgedichteten Flüssigkeitsraumes.

Ein anderer Vorteil ergibt sich daraus, dass der Trennschlitz zwischen den Biege­ zungen jeweils bis zum Ende vor dem hinteren Gehäuserand geführt ist. Einerseits wird dabei eine kürzere Metallisierung im Inneren der Biegezungen erzielt und ande­ rerseits erreicht die Metallisierung nicht die Kontaktfläche.

Eine elektrische Isolierung der wesentlichen Bauteile wird dadurch erzielt, dass zu­ mindest der Biegekamm, ausgenommen die Kontaktflächen, allseitig mit einer Passi­ vierungsschicht überzogen ist.

Eine durch Strömungsvorgänge nicht beeinträchtigende Bewegungsfreiheit der ein­ zelnen Biegezungen wird dadurch erreicht, dass der Trennschlitz zwischen den Bie­ gezungen eine Breite von etwa 40 µm bis 80 µm aufweist.

Nach anderen Merkmalen ist vorgesehen, dass die Kontaktierung der Biegezunge auf der Silizium-Grundplatte mittels elektrisch leitfähigem Klebstoff bewirkt ist, der zwischen Begrenzungswänden und der Silizium-Rahmenplatte eingebracht ist. Diese Anwendung von Klebstoff wird durch ausgeprägte Lagerstellen des Biegekamms be­ günstigt, wobei die Rahmenstruktur des Silizium-Substrats mit den Trennwänden die Grundlage bildet.

Dabei kann schon ausreichend sein, dass der elektrisch leitfähige Klebstoff auf dem Biegewandler im Bereich einer Lagerstelle aufgebracht ist.

Die Aktorkammer bleibt außerdem dadurch dicht und Flüssigkeit kann nicht entlang einer Biegezunge austreten, weil die einzelnen Biegezunge nicht vollständig im hinte­ ren Bereich getrennt sind. Dadurch entsteht eine derartige Kontaktierungsfläche, dass im Bereich hinter dem Biegekamm eine Brücke aus PZT (Plumbum-Zirkon- Titanat) gebildet ist und dass in diesem Bereich die Kontaktierung bei der Herstellung des PZT-Multilayers nur partiell aufgetragen ist.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass in dem Flächenbereich zwischen dem Ende der Trennschlitze und den Kontaktflächen eine Dichtfläche für den hinteren Gehäuserand gebildet ist. Auf dieser Fläche kann mittels des Gehäusedeckels der Flüssigkeitsbereich vom elektrischen Kontaktierungsbereich getrennt werden, ohne dass wie im Stand der Technik zwischen den einzelnen Biegezungen noch Kanäle versiegelt werden müssen. Im Flüssigkeitsbereich befinden sich nur noch die passi­ vierten Biegezungen.

Schließlich besteht ein Merkmal darin, dass das Trennschnittende mit dem Ende des Streifens ohne Metallisierung etwa 0,05-0,5 mm überlappend vorgesehen ist. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nachste­ hend näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Mittellängsschnitt durch einen Biegewandler mit Ge­ häuse, in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine perspektivische Draufsicht auf den Biegewandler ohne Gehäuse,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Biegewandlers

Fig. 4 einen Teilschnitt durch den Biegewandler in vergrößertem Maßstab,

Fig. 5 den denselben Teil-Schnitt in einer abgewandelten Ausführungsform,

Fig. 6 einen senkrechten Teil-Schnitt durch den montierten Biegewandler,

Fig. 7 einen senkrechten Mittellängsschnitt durch den Biegewandler mit Ge­ häuse in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 8 eine perspektivische Draufsicht auf den Biegewandler gemäß Fig. 7,

Fig. 9 eine Seitenansicht des Biegewandlers aus den Fig. 7 und 8, und

Fig. 10 einen senkrechten Mittellängsschnitt durch einen Biegewandler mit Ge­ häuse, in einer dritten Ausführungsform,

Fig. 11 eine Draufsicht auf die Silizium-Rahmenplatte im Ausschnitt in einem vergrößerten Maßstab und

Fig. 12 eine Seitenansicht des Biegewandlers aus den Fig. 10 und 11.

Der Tropfenerzeuger für Mikrotropfen dient zum Zerstäuben von Flüssigkeiten aller Art und insbesondere zum gesteuerten Abschießen von Tinten-Mikrotropfen in einem Rasterschema von Schriftzeichen, Bildern und Graphiken. Entsprechende Bedingun­ gen sind in einem Düsenkopf für Tintendrucker vorhanden, der nach dem drop-on- demand-Prinzip (Tropfen auf Befehl) arbeitet.

Der Tropfenerzeuger ist in einem dichten Gehäuse 1 umschlossen, wobei ein Biege­ wandler 2 sich zum größten Teil innerhalb des Gehäuses 1 und eine elektrische Kontaktierung sich außerhalb des Gehäuses 1, d. h. hinter einem (hinteren) Gehäuse­ rand 1a befindet (Fig. 1, erste Ausführungsform).

Der piezoelektrisch betätigbare Biegewandler 2 besitzt einen Biegekamm 3, der ei­ nen rückwärtigen, passiven Bereich 3a der Kammzähne und einen vorderen Bereich 3b aufweist. Der vordere Bereich 3b wird durch eine Vielzahl von parallelen Biege­ zungen 4 gebildet. Im Bereich der Kammzähne sind an der Unterseite eine oder mehrere Lagerstellen 3c mit zumindest einer Ausnehmung 3d angebracht. Die Bie­ gezungen 4 werden jeweils durch zumindest bis vor einen Absatz 5 verlaufende Trennschlitze 6 geschaffen. Ein Masseanschluss-Streifen 9 bedeckt auch die hintere Stirnfläche 2a. Jede der Biegezungen 4 weist eine Breite 4a auf (Fig. 1). Der hintere Gehäuserand 1a bildet zusammen mit der Oberfläche der Silizium-Rahmenplatte 11 eine Dichtfläche 26.

Auf einer Silizium-Grundplatte 10, die zusammen mit einer Silizium-Rahmenplatte 11 eine Basisplatte bildet, sind die Biegewandler 2 an den Lagerstellen 3c aufgeklebt. Die Biegewandler 2 sind abwechslungsweise (Fig. 3) jeweils aus einer Metallisie­ rungsschicht 12 und einer aktiven Piezokeramikschicht 13 aufgebaut, wobei in der Grundplatte 10 und in der Rahmenplatte 11 Stromleiter 14 verdeckt im Silizium ge­ führt sind. Die Metallisierungsschichten 12 verlaufen im Innern der Biegezungen 4 bis zum hinteren Ende, wie in Fig. 9 gezeigt ist.

Die inneren Metallisierungsschichten 12, 12a des Multilayers sind auf die Länge der Biegezunge 4 mit einem fest bestimmten Randabstand zur Breite 4a jeder Biegezun­ ge eingebracht.

Die Stromleiter 14 sind im Silizium der Silizium-Grundplatte 10 bis auf die Kontaktflä­ che mittels einer abgeschiedenen Deckschicht 16 aus Polysilizium, Si-Oxid, Si-Nitrid oder Polymer geschützt und isoliert. Die Stromleiter 14 können auch zu einem auf demselben Silizium-Substrat angeordneten ASIC 7 oder ähnlichen elektronischen Bausteinen geführt sein.

Aus den Fig. 1 und 2 gehen Klebepunkte 17 für den Biegekamm 3 hervor, die mittels eines Stempels oder durch Siebdruck auf Klebeflächen 18 der Grundplatte 10 und/­ oder des Biegekamms 3 auftragbar sind.

Die einzelnen Biegezungen 4 sind hinter der Gehäuserand-Auflagefläche 5a jeweils mittels eines Drahtbondes 19 mit dem Masseanschluss-Streifen 9 verbunden.

Die an die Stromleiter 14 angeschlossenen Biegezungen 4 sind jeweils mittels ein­ zelnen Kontaktdrähten 20, Flexprintleitungen oder Spider angeschlossen. Die Trenn­ schlitze 6 zwischen jeweils zwei benachbarten Biegezungen 4 sind jeweils bis zum Absatz 5 vor dem hinteren Gehäuserand 1a geführt, so dass der hintere Gehäuse­ rand 1a dicht abschließt.

Der Biegekamm 3 ist, ausgenommen die Klebepunkte 17, allseitig mit einer Passivi­ vierungsschicht 21 überzogen (Fig. 3).

Der Trennschlitz 6 zwischen den Biegezungen 4 besitzt eine Breite von ca. 40 µm bis 80 µm.

Die Kontaktierung der Biegezunge 4 auf der Silizium-Grundplatte 10 wird mittels elektrisch leitfähigem Klebstoff 22 hergestellt, der zwischen jeweils beidseitigen Be­ grenzungswänden 23 und der Rahmenplatte 11 eingebracht ist.

Die Einbringung des Klebstoffes 22 ist größer in den Fig. 4 bis 6 dargestellt: Gemäß Fig. 4 ist der Biegewandler 2 mit dem Biegekamm 3 neben einer Ausnehmung 3d an Klebepunkten 17 oder kreisrunden Klebeflächen 18 befestigt, wobei überschüssi­ ger elektrisch leitfähiger Klebstoff 22 in die Ausnehmung 3d abwandert und dort ebenfalls eine Klebeverbindung herstellt.

Die Ausnehmung 3d kann gemäß Fig. 5 auch nach oben offen in der Silizium- Rahmenplatte 11 angeordnet sein, wobei der Biegewandler 2 mit der Silizium- Rahmenplatte 11 verklebt ist. Hier ist die Silizium-Rahmenplatte 11, in der die Stromleiter 14 verlaufen, mit der Klebefläche 18 versehen. Der elektrisch leitfähige Klebstoff 22 sammelt sich ebenfalls in der zwischen zwei Lagerstellen 3c gebildeten Ausnehmung 22.

Der Querschnitt der Fig. 6 zeigt zwischen zwei Biegezungen 4 die jeweilige Begren­ zungswand 23 und in den Biegezungen 4 die inneren (nicht gezeigten) Schichten und den elektrisch leitfähigen Klebstoff 22.

Ein zweites Ausführungsbeispiel (Fig. 7, 8 und 9) zeigt gemäß Fig. 7 das auf der Pie­ zokeramikschicht 13 mit dem Gehäuserand 1a aufliegende Gehäuse 1, das an der Vorderseite 27 eine Düse 28 besitzt, aus der bei Betätigung des Biegewandlers 2 Tropfen 29 austreten. Die Flüssigkeit 30 fließt durch den Kanal 31 in einen Vorraum 32 und wird durch die Bewegung des Biegewandlers 2 als Tropfen 29 durch die Dü­ se 28 ausgestoßen. Die Kontaktierung erfolgt außerhalb des Raums für die Flüssig­ keit 30, so dass die Drahtbonds 19 im Trockenen liegen.

In Fig. 8 ist der Gehäuserand 1a auf der Piezokeramikschicht 13 eingezeichnet, wo­ bei die Trennschlitze 6 diese Fläche nicht erreichen. Die einzelnen Biegezungen 4 sind entsprechend mit der Silizium-Rahmenplatte 11 kontaktiert. Die Stromleiter 14 verlaufen geschützt in der Silizium-Rahmenplatte 11. Es besteht ein gemeinsamer Masse-Anschluss-Streifen 9 und ein Streifen 8 ohne Metallisierung.

In dem Flächenbereich 25 (Fig. 8) ist hinter dem Biegekamm 3 eine Brücke 24 aus PZT gebildet und in diesem Bereich ist die Kontaktierung bei der Herstellung des PZT-Multilayers nur partiell aufgetragen. Die Düsen 28 sind in der Ebene der Silizi­ um-Grundplatte 10 als sog. "edgeshooter" vorgesehen (vgl. Fig. 10).

In Fig. 9 ist das Ende des Trennschlitzes 6 im Biegewandler dargestellt. Die Biege­ zunge 4 zeigt innere Elektroden-Enden 33, die vor dem Ende des Trennschlitzes 6 enden, so dass der Metallisierungs-Streifen 12a vor dem Trennschlitz 6 endet. Die Biegezunge 4 ist über Kontakte D1 . . . Dx den einzelnen Düsen 28 zugeordnet.

Ein drittes Ausführungsbeispiel zeigen die Fig. 10, 11 und 12. Gemäß Fig. 10 liegt das Gehäuse 1 mittels des Gehäuserandes 1a im Bereich der Düsen 28 auf der Sili­ zium-Rahmenplatte 11 und die Länge der Piezokeramikschicht 13 bis in den Bereich der Kontaktierung übergreifend direkt auf. Die Piezokeramikschicht 13 ist auf die Sili­ zium-Rahmenplatte 11 elektrisch leitend aufgeklebt.

In einem vorderen Bereich 35a und in einem hinteren Bereich 35b sind jeweils zwi­ schen der Piezokeramikschicht 13 und der Silizium-Rahmenplatte 11 Kontaktflächen 34 vorgesehen. Die mit der Piezokeramikschicht 13 verbundenen, verdeckten Stromleiter 14 sind außerhalb des Gehäuses 1 mit dem auf der Ebene der Silizium- Rahmenplatte 11 angeordneten ASIC 7 verbunden.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

1

a (hinterer) Gehäuserand

2

Biegewandler

2

a hintere Stirnfläche

3

Biegekamm

3

a rückwärtiger Bereich

3

b vorderer Bereich

3

c Lagerstelle

3

d Ausnehmungen

4

Biegezunge

4

a Breite

5

Absatz

5

a Gehäuserand-Auflagefläche

6

Trennschlitze

7

ASIC

8

Streifen ohne Metallisierung

9

Masseanschluss-Streifen

10

Silizium-Grundplatte

11

Silizium-Rahmenplatte

12

Metallisierungsschicht

12

a Metallisierungsstreifen

13

Piezokeramikschicht

14

Stromleiter

15

Kontaktfläche

16

Deckschicht

17

Klebepunkte

18

Klebefläche

19

Drahtbond

20

Kontaktdrähte/Flexprintleitungen

21

Passivierungsschicht

22

elektr. leitfähiger Klebstoff

23

Begrenzungswand

24

Brücke aus PZT

25

Flächenbereich

26

Dichtfläche

27

Vorderseite

28

Düse

29

Tropfen

30

Flüssigkeit

31

Kanal

32

Vorraum

33

Elektroden-Enden

34

Kontaktfläche

35

a vorderer Bereich

35

b hinterer Bereich

Claims (21)

1. Tropfenerzeuger für Mikrotropfen, insbesondere für den Düsenkopf eines Tintendruckers, mit in einem umschließenden Gehäuse angeordnetem, piezo­ elektrisch betätigbarem Biegewandler, der einen Biegekamm aufweist, dessen vorderer, den Düsen zugeordneter Bereich, den aktiven, aus parallelen Biege­ zungen bestehenden Aktor bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) mit einem Gehäuserand (1a) auf einer nichtstrukturier­ ten, um die Gruppe der Biegewandler (2) verlaufenden, ebenen oder gestuften Gehäusewand-Auflagefläche (5) der Silizium-Rahmenplatte (11) dichtend auf­ liegt und dass die elektrischen Stromleiter (14) für die Kontaktierung der ein­ zelnen Biegewandler (2) auf oder in der Silizium-Grundplatte (10) oder der Si­ lizium-Rahmenplatte (11) verdeckt unter dem Gehäuserand (1a) hindurch ge­ führt sind.

2. Tropfenerzeuger für Mikrotropfen, insbesondere für den Düsenkopf eines Tin­ tendruckers, mit in einem umschließenden Gehäuse angeordneten, piezo­ elektrisch betätigbaren Biegewandler, der einen Biegekamm aufweist, dessen vorderer, den Düsen zugeordneter Bereich, den aktiven, aus parallelen Biege­ zungen bestehenden Aktor bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) mittels eines gestuften Gehäuserandes (1a) einesteils im Bereich der Düsen (28) und andernteils auf einem den Düsen (28) abge­ wandten Streifen (8) ohne durchgehende Metallisierung auf der Piezokeramik­ schicht (13) dichtend aufliegt und dass Drahtbonds (19) außerhalb des Ge­ häuses (1) von der Piezokeramikschicht (13) zur Silizium-Rahmenplatte (11) und zu den elektrischen Stromleitern (14) verlaufen.

3. Tropfenerzeuger für Mikrotropfen, insbesondere für den Düsenkopf eines Tintendruckers, mit in einem umschließenden Gehäuse angeordneten, piezo­ elektrisch betätigbaren Biegewandler, der einen Biegekamm aufweist, dessen vorderer, den Düsen zugeordneter Bereich, den aktiven, aus parallelen Biege­ zungen bestehenden Aktor bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) mittels eines Gehäuserandes (1a) im Bereich der Dü­ sen (28) auf der Silizium-Rahmenplatte (11) und die Länge der Piezokeramik­ schicht (13) übergreifend im Bereich der Kontaktierung auf der Silizium-Rah­ menplatte (11) dichtend aufliegt, dass die Piezokeramikschicht (13) auf die Si­ lizium-Rahmenplatte (11) elektrisch leitend aufgeklebt ist, dass im vorderen Bereich (35a) und im hinteren Bereich (35b) jeweils zwischen der Piezokera­ mikschicht (13) und der Silizium-Rahmenplatte (11) Kontaktflächen (34) vor­ gesehen sind und dass die mit der Piezokeramikschicht (13) verbundenen, verdeckten Stromleiter (14) außerhalb des Gehäuses (1) mit einem auf der Ebene der Silizium-Rahmenplatte (11) angeordneten ASIC (7) verbunden sind.

4. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanschluss-Streifen auch die hintere Stirnfläche (2a) des Bie­ gewandlers (2) bedeckt.

5. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einer Silizium-Grundplatte (10) und in einer verbundenen Silizi­ um-Rahmenplatte (11) aufgeklebten Biegewandler (2) abwechselnd jeweils aus einer Metallisierungsschicht (12) und der aktiven Piezokeramikschicht (13) aufgebaut sind, wobei in der Silizium-Grundplatte (10) und in der Silizium- Rahmenplatte (11) verdeckte Stromleiter (14) im Silizium geführt sind.

6. Tropfenerzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungsschichten (12; 12a) im Inneren der Biegezungen (4) mit den Masseanschluss-Streifen (9) verbunden sind und dass die Metallisie­ rungsstreifen (12a) vor dem Masseanschluss-Streifen (9) bzw. vor dem Trennschnittende enden.

7. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Schichten des Multilayers auf die Länge der Biegezunge (4) mit einem festbestimmten Randabstand zur Breite (4a) der Biegezunge (4) eingebracht sind.

8. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleiter (14) auf dem Silizium der Silizium-Grundplatte (10) oder der Silizium-Rahmenplatte (11) mittels einer abgeschiedenen Deckschicht (16) geschützt und isoliert sind.

9. Tropfenerzeuger nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleiter (14) zu einem ASIC auf demselben Silizium-Substrat geführt sind.

10. Tropfenerzeuger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das ASIC in einem abgegrenzten Bereich auf demselben Silizium- Substrat wie die Silizium-Rahmenplatte (11) hergestellt ist.

11. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Klebepunkte (17) für den Biegekamm (3) mittels eines Stempels oder durch Siebdruck auf den Klebeflächen (18) der Silizium-Grundplatte (10) und/­ oder des Biegekamms (3) auftragbar sind.

12. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Biegezungen (4) hinter der Gehäuserand-Auflagefläche (5a) mittels eines Drahtbonds (19) mit dem Masseanschluss-Streifen (9) ver­ bunden sind.

13. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der den Kontaktflächen zugewandte Gehäuserand (1a) etwa über dem Biegekamm (3) des Biegewandlers (2) dicht aufliegt, dass die Biegezungen (4) jeweils mittels einzelnen Kontaktdrähten (20), Flexprintleitungen oder Spider angeschlossen sind.

14. Tropfenerzeuger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennschlitz (6) zwischen den Biegezungen (4) jeweils bis zum Ende vor dem hinteren Gehäuserand (1a) geführt ist.

15. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Biegekamm (3), ausgenommen die Kontaktflächen, allsei­ tig mit einer Passivierungsschicht (21) überzogen ist.

16. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennschlitz (6) zwischen den Biegezungen (4) eine Breite von etwa 40 µm bis 80 µm aufweist.

17. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung der Biegezunge (4) auf der Silizium-Grundplatte (10) mittels elektrisch leitfähigem Klebstoff (22) bewirkt ist, der zwischen Begren­ zungswänden (23) und der Silizium-Rahmenplatte (11) eingebracht ist.

18. Tropfenerzeuger nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Klebstoff (22) auf dem Biegewandler (2) im Be­ reich einer Lagerstelle (3c) aufgebracht ist.

19. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich hinter dem Biegekamm (3) eine Brücke (24) aus PZT gebildet ist und dass in diesem Bereich die Kontaktierung bei der Herstellung des PZT-Multilayers nur partiell aufgetragen ist.

20. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Flächenbereich (25) zwischen dem Ende der Trennschlitze (6) und den Kontaktflächen eine Dichtfläche (26) für den hinteren Gehäuserand (1a) gebildet ist.

21. Tropfenerzeuger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennschnittende mit dem Ende des Streifens ohne Metallisierung (8) etwa 0,05-0,5 mm überlappend vorgesehen ist.