DE19604268A1 - Tintenstrahlaufzeichnungskopf - Google Patents
TintenstrahlaufzeichnungskopfInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Aufzeichnungseinrichtung zur Verwendung von thermischer
Energie zur Ausstoßung von Tintentröpfchen auf ein
Aufzeichnungsmedium.
Die japanischen Patentanmeldungen (KOKAI) Nr. SHO-48-9622 und
Nr. SHO-54-51837 beschreiben
Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtungen, die Wärmepulse auf
Tinte abgeben, wodurch ein Teil der Tinte schnell verdampft
und ein Tintentröpfchen aus einer Öffnung ausgestoßen wird,
wobei die Ausdehnung der verdampften Tinte ausgenutzt wird.
Wie auf Seite 58 in der 12/28/1992-Ausgabe von Nikei
Mechanical und in der August 1988-Ausgabe des Hewlett
Packard-Journals beschrieben ist, ist das einfachste
Verfahren zur Abgabe von Wärmepulsen auf Tinte die Erregung
thermischer Widerstände, auch bekannt als Heizkörper. Die
übliche Anordnung dieser herkömmlichen Heizkörper schließt
einen Dünnfilmwiderstand, einen Dünnfilmleiter, eine
Antioxidationsschicht, die auf diesen dünnen Filmen
ausgebildet ist, und eine Antikavitationsschicht, die auf der
Antioxidationsschicht zur Verhinderung von deren Kavitation
ausgebildet ist, ein.
Die japanische Patentanmeldung (KOKAI) Nr. HEI-06-71888
beschreibt einen schutzfilmlosen Heizkörper, der aus einem
Dünnfilmwiderstand und einem Dünnfilmleiter gebildet wird.
Der Dünnfilmwiderstand ist aus einer Legierung aus Cr-Si-SiO
oder aus Ta-Si-SiO hergestellt, und der Dünnfilmleiter ist
aus Nickel. Die exzellente Pulsbetriebseigenschaft und die
exzellenten Antioxidations- und Antigalvanisations-
Eigenschaften dieser Materialien beseitigen den Bedarf für
die Antioxidationsschicht und die Antikavitationsschicht, so
daß der schutzschichtlose Heizkörper eine viel einfachere
Konfiguration aufweist. Da die Tinte in direktem Kontakt mit
dem Dünnfilmwiderstand steht, kann wesentlich schneller
Blasenverdampfung erreicht werden. Der schutzschichtlose
Heizkörper besitzt eine stark verbesserte thermische
Effizienz. Ein mit den schutzschichtlosen Heizkörpern
bestückter Kopf besitzt eine verbesserte thermische
Effizienzcharakteristik und ist in der Lage, Tintentröpfchen
mit einer höheren Ausstoßfrequenz auszustoßen.
Da Tintentröpfchen mit weit weniger Energie ausgestoßen
werden können, als für herkömmliche Heizkörper erforderlich
ist, können die schutzschichtfreien Heizkörper in der Nähe
von aktiven Elementen auf einem LSI-Chip zum Antrieb der
schutzschichtlosen Heizkörper ausgebildet werden, ohne daß
eine Erhitzung und Temperaturerhöhung der LSI-Einheit
befürchtet werden muß. Wie in den japanischen
Patentanmeldungen Kokai Nr. HEI-6-238901 und HEI-6-297714
beschrieben kann dadurch, daß die schutzschichtlosen
Heizkörper auf demselben LSI-Chip ausgebildet werden können,
ein monolithischer LSI-Kopf mit einer einfachen Konfiguration
hergestellt werden. Ein Tropfen-bei-Bedarf-,
Tintenstrahldruckkopf mit einer Mehrzahl von Ausstoßdüsen
kann in einer zweidimensionalen, integrierten und hochdichten
Struktur hergestellt werden. Dieser Kopf kann zur Herstellung
eines Vollfarbtintenstrahldruckers verwendet werden, der in
der Lage ist, mit hohen Geschwindigkeiten zu drucken.
Die hiesigen Erfinder führten Vollfarbdrucken unter
Verwendung der oben beschriebenen, mit verschiedenen, auf
Wasser basierenden Tinten gefüllten, integrierten Druckköpfe
durch. Die hiesigen Erfinder entdeckten, daß die Lebensdauer
einiger Köpfe geringer war als erwartet. Nach weiteren
Untersuchungen entdeckten die hiesigen Erfinder weiterhin,
daß die problemfreien Köpfe mit Tinte gefüllt waren, die
einen relativ hohen spezifischen Widerstand und einen
praktisch neutralen pH-Wert aufwiesen. Die Problemköpfe mit
geringerer Lebensdauer als erwartet waren mit Tinte gefüllt,
die geringe spezifische Widerstände von 10² bis 10³ Ωcm und
pH-Werte von 8 bis 9 aufwiesen.
Es ist daher ein erfindungsgemäßer Gegenstand, die oben
beschriebenen Probleme zu beseitigen und einen Druckkopf und
Heizkörper bereitzustellen, die dieselben Heiz- und
Blasenbildungseigenschaften wie die schutzschichtlosen
Heizkörper besitzen, aber auch bei Verwendung mit Tinte, die
einen niedrigen spezifischen Widerstand besitzt und von nicht
neutraler Natur ist, eine lange Lebensdauer besitzen.
Zur Erzielung des Gegenstandes und anderer Gegenstände stellt
die vorliegende Erfindung einen Tintenaustoßdruckkopf zur
Ausstoßung von Tintentröpfchen zum Drucken eines Bildes
bereit, der Druckkopf umfaßt: ein Silicium-Substrat, eine
Trennwand, die auf dem Silicium-Substrat bereitgestellt ist,
die eine Mehrzahl von individuellen Tintenkanälen definiert,
eine Mehrzahl von Heizkörpern in den individuellen
Tintenkanälen, jeder Heizkörper ist aus einem
Dünnfilmwiderstand und einem Dünnfilmleiter hergestellt, die
auf dem Silicium-Substrat ausgebildet sind, eine Oberfläche
von jedem Dünnfilmwiderstand besitzt eine elektrisch
isolierende Schicht, die durch thermische
Hochtemperaturoxidation des Dünnfilmwiderstandes gebildet
wird; und einen Ausstoßdüsenanteil, der mit einer Mehrzahl
von Öffnungen ausgestattet ist, die in Positionen befindlich
sind, die mit den Heizkörpern korrespondieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird erfindungsgemäß ein
Tintenstrahldrucker zum Drucken eines Bildes mit
ausgestoßener Tinte bereitgestellt, der Drucker umfaßt: einen
Druckkopf, der ein Silicium-Substrat, eine auf dem Silicium-
Substrat bereitgestellte Trennwand zur Definition einer
Mehrzahl individueller Tintenkanäle, eine Mehrzahl von in den
individuellen Tintenkanälen bereitgestellten Heizkörpern,
wobei jeder Heizkörper aus einem Dünnfilmwiderstand und einem
Dünnfilmleiter, die auf dem Silicium-Substrat ausgebildet
sind, hergestellt ist, eine Oberfläche von jedem
Dünnfilmwiderstand besitzt eine elektrisch isolierende
Schicht, die durch thermische Hochtemperaturoxidation auf dem
Dünnfilmwiderstand ausgebildet wurde, und einen
Ausstoßdüsenanteil, der mit einer Mehrzahl von Düsen in
Positionen ausgebildet ist, die mit den Heizkörpern
korrespondieren; Halteeinrichtungen zum Halten des
Bildaufzeichnungsmediums in einer Position, die der Mehrzahl
an Düsen des Druckkopfes gegenüberstehen; und
Bewegungseinrichtungen zur Erzielung einer relativen Bewegung
zwischen Druckkopf und Unterstützungseinheiten in einer
Richtung, die senkrecht zu der Richtung ist, in der die
Mehrzahl an Düsen ausgerichtet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird erfindungsgemäß ein
Verfahren zur Herstellung eines Tintenausstoßkopfes
bereitgestellt, das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
Bereitstellung einer Mehrzahl an Heizkörpern auf einer
Oberfläche eines Silicium-Substrats, jeder Heizkörper
schließt einen Dünnfilmwiderstand und einen Dünnfilmleiter
ein; Durchführung eines thermischen Oxidationsprozesses an
jedem Dünnfilmwiderstand, wodurch eine elektrisch isolierende
Schicht auf einer exponierten Oberfläche des
Dünnfilmwiderstandes gebildet wird; Ausbildung einer
Trennwand auf der Oberfläche des Silicium-Substrats, die
Trennwand ist ausgebildet mit einer Mehrzahl an Tintenkanälen
in Übereinstimmung mit der Mehrzahl an Heizkörpern; und
Ausbildung einer Öffnungsplatte auf der Oberfläche des
Silicium-Substrats, die Öffnungsplatte ist mit einer Mehrzahl
an Düsen ausgebildet.
Während des thermischen Oxidationsverfahrens kann die
Mehrzahl von Dünnfilmwiderständen pulsweise in einer
oxidierenden Atmosphäre angeregt werden. Das thermische
Oxidationsverfahren kann die folgenden Schritte einschließen:
Verfolgung der Widerstandswerte der jeweiligen
Dünnfilmwiderstände während die Dünnfilmwiderstände pulsweise
angeregt werden; und Einstellung der pulsweisen Anregung, die
auf die jeweiligen Dünnfilmwiderstände ausgeübt wird,
basierend auf den gemessen Ergebnissen, wodurch die
Widerstandswerte aller Dünnfilmwiderstände auf im
wesentlichen gleiche Werte gesteuert wird.
Die obigen und anderen Gegenstände, Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden durch die Lektüre der folgenden Beschreibung
der bevorzugten Ausführung in Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen deutlich, worin:
Fig. 1 eine vergrößerte Schnittansicht eines
Tintenstrahldruckkopfes einer ersten erfindungsgemäßen
Ausführungsform ist;
Fig. 2(a) ist eine Querschnittansicht des
Tintenstrahldruckkopfes einer ersten Ausführung entlang einer
Linie IIA-IIA′ in Fig. 2(b);
Fig. 2(b) ist eine Schnittansicht des
Tintenstrahldruckkopfes der ersten Ausführungsform entlang
Linie IIB-IIB′ in Fig. 2(a);
Fig. 3(a) illustriert Beobachtungsergebnisse und zeigt,
wie sich Blasen und Tintentröpfchen in der Düse der
vorliegenden Ausführungsform bewegen;
Fig. 3(b) illustriert Beobachtungsergebnisse und zeigt,
wie sich Blasen und Tintentröpfchen in der Düse des
Vergleichsbeispiels bewegen;
Fig. 4 ist ein Graph, der zeigt, wie sich der
Widerstand eines Ta-Si-SiO-Legierungs-Dünnfilmwiderstandes in
der oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 500°C
verändert, und
Fig. 5 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines
Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Ein Tintenstrahldruckkopf in erfindungsgemäß bevorzugten
Ausführungen wird unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, worin gleiche Teile und Komponenten
durch dieselben Referenznummern bezeichnet werden, wodurch
eine Vervielfältigung der Beschreibung vermieden wird.
Eine erste Ausführung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1
bis 4 im folgenden beschrieben.
In einem Tintenstrahldruckkopf der ersten Ausführung, wie in
den Fig. 2(a) und 2(b) gezeigt, ist eine Trennwand 8 über
einem Silicium-Substrat 1 zur Ausbildung einer Mehrzahl von
individuellen Tintenkanälen 9 und einem gemeinsamen
Tintenkanal 10 bereitgestellt. Eine Düsenplatte 11 ist
weiterhin über der Trennwand 8 bereitgestellt. Die
Düsenplatte 11 ist mit einer Mehrzahl von Tintenausstoßdüsen
12 ausgebildet, die auf einer Linie nebeneinander angeordnet
sind. Die Düsen 12 stehen in Flüssigkeitsverbindung mit den
korrespondierenden individuellen Tintenkanälen 9. Der
gemeinsame Tintenkanal 10 verbindet die Tintenkanäle 9
miteinander. Ein Dünnfilmwiderstand 3 ist am Ende von jedem
Tintenkanal 9 gegenüber von der Düse 12 ausgebildet. Zwei
Dünnfilmleiter 4 und 5 sind mit jedem Heizkörper 3 verbunden.
Der Dünnfilmleiter 5 dient als gemeinsame Elektrode für alle
Widerstände 3. Der Dünnfilmleiter 4 dient als individuelle
Elektrode für den korrespondierenden Widerstand 3.
Die Trennwand 8, die die Tintenkanäle 10 und 9 bildet,
bedeckt alle individuellen Leiter 4 und bedeckt weiterhin
Teile der Heizkörper 3. Die Trennwand 8 besitzt eine Dicke
von weniger als 30 µm. Mit anderen Worten ist der Tintenkanal
9 in einer Höhe von weniger als 30 µm ausgebildet. Die
Düsenplatte 11 besitzt eine Dicke von weniger als 80 µm.
Dementsprechend besitzt die Düse 12 eine gerade zylindrische
Form mit einer Tiefe von weniger als 80 µm. Der Heizkörper 3
ist in quadratischer Form ausgebildet. Das Ventil 12 und der
Heizkörper 3 sind so geformt und ausgerichtet, daß der innere
Rand der Düse 12 an ihrem dem Heizkörper nächsten Ende um
nicht mehr als 5 µm über den Rand des Heizkörpers 3
hinausragt, wenn er auf den Heizkörper projiziert wird.
In einem repräsentativen Beispiel besitzt jede Düse 12 einen
Durchmesser von 50 µm. Die Tintenkanäle 9 sind in einer Höhe
von 25 µm ausgebildet. Jeder Heizkörper 3 ist in
quadratischer Form mit einer Breite von 50 µm ausgebildet.
Die Trennwand 8 ist bevorzugterweise aus einem
wärmebeständigen Harz wie Polyimid hergestellt, das eine
thermische Zersetzungsanfangstemperatur von 400°C oder mehr
aufweist. Die Düsenplatte 11 kann aus demselben Material wie
die Trennwand 8 hergestellt sein.
Wie in den Fig. 2(a) und 2(b) gezeigt, ist eine Antriebs-
LSI-Einheit 2 auf dem Silicium-Substrat 1 ausgebildet. Die
Antriebs-LSI-Einheit 2 ist aufgebaut aus einem
Schieberegisterschaltkreis und einer Mehrzahl an
Antriebsschaltkreisen. Jeder Leiter 4 ist mit einem
korrespondierenden Antriebsschaltkreis verbunden, indem er
durch ein Durchgangsloch 6 hindurchgeht. Diese Konfiguration
erlaubt den sequenziellen Antrieb der Widerstände 3 durch ein
externes Signal, das auf die Einrichtung 2 gegeben wird.
Der Heizkörper 3 und die Leiter 4 und 5 werden im folgenden
detaillierter unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Fig.
1 ist eine vergrößerte Querschnittansicht, die die Umgebung
um eine der Tintenausströmdüsen 12, die in den Fig. 2(a)
und 2(b) gezeigt sind, zeigt.
Die Heizkörper 3 und die Leiter 4 und 5 sind über einer
ungefähr 1 bis 2 µm dicken SiO₂-Isolierschicht 17
bereitgestellt, die über dem Silicium-Substrat 1
bereitgestellt ist. Diese SiO₂-Schicht 17 dient zur
Isolierung des Silicium-Wafers 1 von der durch die Heizkörper
3 erzeugten Wärme. Jeder Heizkörper 3 ist beispielsweise
ausgebildet in einer Dicke von ungefähr 0,2 µm aus einer
Ta-Si-SiO-Legierung, die sehr stabil ist für Pulsbetrieb bei
einer Temperatur von bis zu ungefähr 400°C. Die Leiter 4 und
5 sind aus 1 µm dicken Nickel(Ni)-Dünnfilmleitern
ausgebildet.
Die obere Oberfläche des Ta-Si-SiO-Legierungs-
Dünnfilmheizkörpers 3 ist thermisch zu einer oxidierten
Schicht 3′ oxidiert. Dieser oxidierte Film 3′ besitzt
elektrisch isolierende Eigenschaften und besitzt eine gute
Antigalvanisationseigenschaft gegen elektrolytische Tinte,
die in den Tintenkanal 9 eingefüllt ist. Der oxidierte Film
3′ schützt den nichtoxidierten inneren Anteil des Heizkörpers
3 vor dem direkten Kontakt mit elektrolytischer Tinte, die in
den Tintenkanal 9 eingefüllt ist. Dementsprechend wird die
Lebensdauer von jedem Ta-Si-SiO-Legierungs-Dünnfilmheizkörper
3 nicht durch Galvanisation verkürzt. Da der oxidierte Anteil
3′ extrem dünn ist wird Wärme genau so gut auf die Tinten
übertragen wie in dem Fall, daß der Heizkörper 3 nicht mit
dem oxidierten Anteil 3′ ausgestattet ist.
Der oxidierte Film 3′ wird im folgenden detaillierter
beschrieben.
Der Ta-Si-SiO-Legierungs-Dünnfilmwiderstand besitzt eine
gewisse thermische Oxidationseigenschaft. Gemäß dieser
thermischen Oxidationseigenschaft nimmt der Widerstand des
Ta-Si-SiO-Legierung-Dünnfilmwiderstandes langsam zu, wenn der
Widerstand bei einer hohen Temperatur von mehr als 500°C in
einer Luftatmosphäre plaziert wird. Genauer ist der Ta-Si-
SiO-Legierungs-Dünnfilmwiderstand sogar dann stabil, wenn er
in einer Sauerstoffatmosphäre auf eine Temperatur von weniger
als 400°C erhitzt wird. Wenn jedoch die Temperatur so
zunimmt, daß sie den Bereich von 450°C und 500°C erreicht, so
beginnt der Ta-Si-SiO-Legierung-Dünnfilmwiderstand an seiner
Oberfläche zu oxidieren. Wenn der Ta-Si-SiO-Legierung-
Dünnfilmwiderstand in einem oxidierenden Gas wie Luft oder
Sauerstoff unter 500°C für 10 min erhitzt wird, so wird der
Ta-Si-SiO-Legierung-Dünnfilmwiderstand an seiner Oberfläche
in einer Tiefe im Bereich von 100 bis 200 Å oxidiert. Mit
anderen Worten wird der Ta-Si-SiO-Legierung-
Dünnfilmwiderstand mit einer elektrisch isolierenden Schicht
mit einer Dicke im Bereich von 100 bis 200 Å gebildet. Der so
mit der Isolierschicht bedeckte Ta-Si-SiO-Legierung-
Dünnfilmwiderstand ist stabil, wenn er nicht weiter bei einer
Temperatur von mehr als 500°C erhitzt wird. Wenn der mit der
Isolierschicht bedeckte Ta-Si-SiO-Legierung-
Dünnfilmwiderstand in dem Druckkopf verwendet wird, wird der
Widerstand auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 350°C
oder weniger erhitzt, wenn er mit Pulsen für
Tintenstrahltröpfchen belastet wird. Dementsprechend wird der
Film den Tintenstrahldruckvorgang stabil ausführen.
Die hiesigen Erfinder haben die folgenden Messungen
vorgenommen.
Der Widerstand ungefähr 400 Å dicker Ta-Si-SiO-Legierungs-
Dünnfilmwiderstände (im folgenden als Widerstände bezeichnet)
wurde gemessen, wobei die Widerstände in einer Luftatmosphäre
bei 500°C gehalten wurden. Fig. 4 zeigt die beobachteten
Veränderungen während dieser Messungen in Angaben des Ro/R-
Verhältnisses, wobei Ro den ursprünglichen Widerstand des
Widerstandes repräsentiert und R repräsentiert den Widerstand
des Widerstandes nach diesem thermischen Oxidationsprozeß.
Wie in Fig. 4 gezeigt, fällt das Ro/R-Verhältnis linear ab,
wodurch angezeigt wird, daß die thermischen
Oxidationsprozesse die Oberfläche des Widerstandes mit einer
Geschwindigkeit und in eine Tiefe von der Oberfläche aus
oxidieren, die der Zeit des thermischen Prozesses
proportional ist. Es wurde ferner bestätigt, daß die gesamten
Oberflächen aller Widerstände durch die thermischen
Oxidationsprozesse zu elektrisch isolierenden Oxiden oxidiert
wurden.
Nach Beendigung der Oxidationsprozesse wurden die Widerstände
für eine lange Zeit in einer Luftatmosphäre von 350°C
aufbewahrt und der Widerstand erneut gemessen. Es wurde
bestätigt, daß der Widerstand des Widerstandes in der
Luftatmosphäre von 350°C unverändert blieb. Die Heizkörper
wurden ebenso 100 Millionenmal oder mehr in einer
Luftatmosphäre thermischen Pulsen von 350°C ausgesetzt. Es
wurde weiterhin bestätigt, daß der Widerstand des
Widerstandes unverändert blieb, selbst wenn dieser ferner mit
thermischen Pulsen erhitzt wurde.
Die hiesigen Erfinder führten ferner die folgenden Messungen
durch.
Ein Ta-Si-SiO-Legierungswiderstand wurde den oben
beschriebenen thermischen Oxidationsprozessen unterzogen, so
daß der Widerstand mit einem thermisch oxidierten Isolierfilm
von ungefähr 1000 Å Dicke bedeckt war. Der Widerstand wurde
dann in eine elektrolytische Tinte mit einem pH-Wert von 8
bis 9 gegeben. Der Widerstand wurde hinsichtlich seiner
Anfälligkeit für galvanische Korrosion durch Anlegung eines
Potentialgradienten von 30 V/50 µm für 10 min oder mehr
getestet. Es wurde bestätigt, daß in dem Widerstand keine
Veränderungen beobachtet wurden. Das zeigt, daß, obwohl der
Isolierfilm 3′ nur in einer extrem dünnen Dicke von 1000 Å
gebildet wurde, der Isolationsfilm 3′ ohne Defekte wie
beispielsweise Pinholes gebildet wurde. Der Film 3′ kann nur
durch die thermische Oxidationsprozesse erhalten werden und
kann homogen gebildet werden.
Folglich kann der oxidierte Isolierfilm 3′ den nicht
oxidierten Anteil des Heizelements 3 vor Galvanisierung durch
die elektrolytische Tinte schützen und die Lebensdauer des
Heizelementes 3 verlängern.
Zusätzlich kann der Film 3′ aufgrund seiner extrem geringen
Dicke Hitze mit hoher Effizienz auf die Tinte übertragen, die
ausreicht, Tinte mit fluktuierender Blasenbildung zum Sieden
zu bringen, und das Siedeverhalten ist ähnlich wie in dem
Falle, in dem der Widerstand 3 ohne solche Filme ausgebildet
ist. Gemäß dem fluktuierenden Blasenbildungssieden wird eine
Mehrzahl kleiner Blasen gleichförmiger Größer über die
gesamte Oberfläche des Heizelementes mit gleichförmiger
Verteilung gebildet. Die Anzahl der Blasen nimmt rasch zu.
Die Blasen koppeln aneinander unter Bildung eines Blasenfilms
auf der Oberfläche des Heizelements. Daher ist es möglich,
Tinte mit hoher Ausstoßfrequenz auszustoßen. Details des
Fluktuationsblasensiedens sind auf Seite 334 in "Collection
of Presentations from the 27th Japan Thermal Transmission
Symposium 1990-5" beschrieben.
Wie oben beschrieben und in den Fig. 2(a) und 2(b)
gezeigt, bedeckt die Trennwand 8 alle individuellen Leiter 4
und bedeckt ferner einen Teil der Heizelemente 3, die mit den
Leitern 4 verbunden sind. Die Tinte wirkt wie ein Elektrolyt
mit demselben Potential wie der gemeinsame Leiter 5. Die
individuellen Leiter 4 haben eine höheres (oder niedrigeres)
Potential als die Tinte. Da die Leiter 4 jedoch von der Tinte
durch die Trennwand 8 separiert sind, besteht keine
Möglichkeit, daß die Leiter 4 durch Galvanisation mit der
Tinte beeinflußt werden. Andererseits muß der gemeinsame
Leiter 5 nicht von der Trennwand 8 bedeckt sein, da der
Leiter 5 und die Tinte auf demselben Potential befindlich
sind, so daß der Leiter 5 nicht korrodiert. Obwohl die
Heizelemente 3 teilweise von der Trennwand 8 bedeckt sind,
sind die Heizelemente 3 nur ungefähr 5 bis 8 µm über die
Spitze der korrespondierenden Elektroden 4 hinaus von der
Trennwand 8 bedeckt. Dies reduziert die thermische Effizienz
der Heizelemente 3 um nur 10 bis 15%. Daher erlaubt die oben
beschriebene Anordnung die Konstruktion eines Kopfes, der mit
elektrolytischer Tinte sehr zuverlässig funktioniert und
gleichzeitig eine hohe thermische Effizienz der Heizelemente
3 beibehält.
Die Trennwand 8 ist aus einem wärmebeständigem Harz wie
beispielsweise Polyimid gefertigt, das einen thermischen
Zersetzungsstartpunkt von ungefähr 400°C oder mehr besitzt.
Damit das Fluktuationsblasensieden zur Bereitstellung
hochfrequenter Ausstoßoperation durchgeführt werden kann,
müssen die Heizelemente auf ungefähr 310°C erhitzt werden.
Unter Berücksichtigung der Variationen innerhalb der
Heizelemente 3 und im Antriebsschaltkreis können die
Heizelemente 3 innerhalb des Bereiches von 310°C bis 370°C
gesteuert werden. Die Temperatur in dem Teil der Trennwand 8,
die dem Widerstand 3 am nächsten ist, wird daher maximal 360
bis 370°C erreichen. Während der Lebensdauer des Kopfes wird
der Widerstand 3 durch Pulse einer Pulslänge von ungefähr
0,2 µs beim maximaler Temperatur ungefähr 100 Millionenmal
angeregt. Dementsprechend hält die maximale Temperatur für
nur ungefähr 20 s (= 0,2 µs × 100 Millionen) während der
gesamten Lebensdauer des Druckkopfes an. Dementsprechend
werden Probleme, die die Lebensdauer der Trennwand 8
betreffen, nicht auftreten, solange die Trennwand 8 aus einem
wärmebeständigen Harz, wie beispielsweise Polyimid gebildet
wird, dessen Zersetzung bei Temperaturen von 400°C oder mehr
beginnt.
Im Gegensatz dazu wurde bestätigt, daß eine herkömmliche
Trennwand aus einem photoempfindlichen Resist oder einem
anderen Material mit geringer Wärmetoleranz durch galvanische
Korrosion nach ungefähr 10 Millionen Ausstößen zerstört wird.
Durch Bildung der Trennwand 8 aus einem wärmebeständigen Harz
ist der Kopf auch dann zuverlässig, wenn die Trennwand 8
ungenau positioniert ist, so daß sie teilweise mit den
Heizelementen 3 in Richtung der Breite der individuellen
Tintenkanäle 9 überlappt. Dadurch wird ein gewisser Spielraum
bezüglich der Ausrichtungspräzision ermöglicht, wenn die
Komponenten während des Zusammenbaus des Kopfes ausgerichtet
werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführung wird der
Tintenversorgungskanal 9 in einer Höhe von weniger als 30 µm
ausgebildet. Die Düse 12 besitzt eine gerade zylindrische
Form. Die Düse 12 und das Heizelement 3 sind so ausgerichtet,
daß der innere Umfang der Düse 12 an dessen dem Heizelement 3
nächsten Ende um nicht mehr als 5 µm über den Umfang des
Heizelementes 3 hinausgeht, wenn er auf das Heizelement
projiziert wird. Die Höhe oder Tiefe der Düse 12 ist weniger
als 80 µm. Gemäß diesen Maßen kann eine auf dem Heizelement 3
gebildete Blase wachsen, so daß sie die höchste Apertur-
Position der Düse 12 erreicht und mit der äußeren Atmosphäre
in Verbindung steht. Dies verhindert, daß die Blase
kollabiert.
Dieses Phänomen wird im folgenden genauer beschrieben.
Wenn das Heizelement 3 zur Blasenbildung durch
Fluktuationsblasensieden betrieben wird, expandiert die Blase
aufwärts, ohne mehr als 5 bis 10 µm über die Kanten des
Heizelementes 3 hinauszuwachsen, und die Höhe der Blase ist
ungefähr 30 µm im maximalen Wachstumszustand. Damit wird
verständlich, daß, falls die Höhe des Tintenkanals 9 höher
ist als 30 µm, oder falls der Umfang des Heizelementes 3 und
der innere Umfang der Düse 12 an dessen dem Heizelement 3
nächsten Ende um 5 µm aus der Ausrichtung heraus sind, der
Anteil der Flüssigkeit, der oberhalb der auszustoßenden Blase
befindlich ist, und die Flüssigkeit, die in dem Tintenkanal 9
verbleibt, verbunden sind. Dies verhindert, daß die Blase bis
zur höchsten Apertur-Position der Düse 12 anwächst.
Die hiesigen Erfinder führten die folgenden Messungen zur
Bestätigung dieses Phänomens durch.
Die hiesigen Erfinder stellten einen Druckkopf der
vorliegenden Ausführungsform her, worin die
Tintenausstoßdüsen 12 eine gerade zylindrische Form, wie in
Fig. 3(a) gezeigt, besaßen. Genauer wurden die Heizelemente
3 mit einer Fläche von 50 × 50 µm² ausgebildet. Die Trennwand
8 wurde aus Polyimid in einer Höhe von 25 µm gebildet, so daß
ein 25 µm hoher Tintenkanal 9 gebildet wurde. Die
Öffnungsplatte 11 wurde durch Ankleben und Aushärten eines
Polyimid-Films mit einer Dicke von ungefähr 50 µm auf die
Oberfläche der Trennwand 8 gebildet. Tintenausstoßaperturen
oder Düsen 12 wurden in dem Polyimid-Film 11 mit einem
Durchmesser von 50 µm direkt über den Dünnfilmheizelementen 3
unter Anwendung von Phototrockenätztechniken gebildet.
Die hiesigen Erfinder stellten auch einen Vergleichsdruckkopf
her. Wie in Fig. 3(b) gezeigt, war der Vergleichsdruckkopf
dem in Fig. 3(a) gezeigten gleich, mit der Ausnahme, daß
sich die Tintenausströmdüse 12 in der Öffnungsplatte 11 in
Richtung des Endes, das dem Heizelement 3 gegenüberliegt,
aufweitete.
Da Polyimid praktisch durchsichtig ist, kann die
Blasenbildung und das Ausstoßen von Tröpfchen, das auftritt,
wenn die Widerstände 3 angeregt werden, durch Befüllung der
Kanäle mit Wasser und Anregung der Heizelemente und
Photographieren mit stroboskopischer Photographie beobachtet
werden. Beobachtungsergebnisse während und nach der Anregung
der Heizelemente mit einem 2 µs langen Puls sind in den
Fig. 3(a) und 3(b) gezeigt.
In dem Druckkopf der vorliegenden Ausführung, wie in Fig.
3(a) gezeigt, wurden zwischen 2 und 3 µs nach dem Beginn der
Anregung eine Blase mit einem inneren Druck von nahezu Null
gebildet, und das Wasser in der Düse 12 hat gerade begonnen,
sich mit einer Geschwindigkeit von zwischen 12 und 15 m/s zu
bewegen. Das Wasser im Tintenkanal 9 hat jedoch noch nicht
begonnen, sich zu bewegen. Nach Ablauf von 6 µs seit Beginn
der Anregung hat das hintere Ende des Wasserkörpers, das zum
ausgestoßenen Tröpfchen wird, sich der oberen Apertur-
Position der Düse 12 angenähert. Andererseits hat eine
Druckdifferenz von einer Atmosphäre zwischen der äußeren
Atmosphäre und der Blase in der Düse begonnen, das Wasser in
dem Tintenkanal 9 in Richtung des Heizelementes 3 zu ziehen.
Nach 9 µs nach dem Beginn der Anregung hat der Druck
innerhalb der Düse 12 Atmosphärendruck erreicht, wodurch die
Druckdifferenz auf Null reduziert wird, so daß die Bewegung
des Wassers im Tintenkanal 9 langsam wird. Anschließend
werden ungefähr 70 µs zur Wiederauffüllung des Wassers in der
Düse 12 benötigt. Wie aus diesen Beobachtungen deutlich
wurde, war der Anteil der Flüssigkeit, die oberhalb der
ausgestoßenen Blase befindlich war, nicht mit der Flüssigkeit
verbunden, die in dem Tintenkanal 9 verblieb. Die Blase wuchs
bis zum Erreichen der höchsten Apertur-Position der Düse 12
und wurde mit der äußeren Atmosphäre verbunden.
Dementsprechend trat das Phänomen des Vakuumblasenkollapses
nicht auf. Die damit verbundenen Stoßwellen, die eine Quelle
von Kavitation sind, traten ebenfalls nicht auf.
Wenn die Düsenbasis, wie in Fig. 3(b) gezeigt, stark
aufgeweitet war, war im Gegensatz dazu die Wassermasse, die
ausgestoßen werden sollte, vollständig mit dem Wasser im
Tintenkanal 9 verbunden, was zur Bildung einer Stoßwelle
führt, wenn die Vakuumblase ungefähr 9 µs nach dem Beginn der
Anregung verschwindet. Dieses Stoßwelle war nicht so stark,
daß ein Rückstoß erzeugt wurde, wodurch Sekundärblasen
gebildet werden. Diese Stoßwelle übt jedoch einen teilweisen
Stoß auf den zentralen Anteil des Heizelementes 3 aus, der
das Heizelement 3 zerstören kann, wie es auf Seite 41 der
Februar 1994-Ausgabe des Hewlett-Packard-Journals beschrieben
ist.
Die hiesigen Erfinder führten ferner Experimente zur
Bestimmung der Lebensdauer der oben beschriebenen Köpfe der
Fig. 3(a) und 3(b) durch, wenn diese mit einer
elektrolytischen Tinte gefüllt sind. In diesen Experimenten
füllten die hiesigen Erfinder die elektrolytische Tinte in
einer Mehrzahl von Köpfen von jedem Typ aus den Fig. 3(a)
und 3(b) ein und setzten die Köpfe einer großen Anzahl von
Pulsen aus.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen, daß der Kopf mit der
Düsenkonfiguration aus Fig. 3(a) in der Lage war,
100 Millionen Pulsen zum Ausstoßen der elektrolytischen Tinte
oder mehr widerstehen konnte. Dies ist deutlich der in Fig.
3(b) gezeigten Konfiguration überlegen, die nur von einer
Million Pulsen oder weniger bis zu ungefähr 10 Millionen
Pulsen widerstehen konnte. Die Lebensdauer der Köpfe der
Fig. 3(b) ist demzufolge weitverteilt von einer Million
Pulsen oder weniger bis zu ungefähr 10 Millionen Pulsen.
Die hiesigen Erfinder detektierten direkt die Gegenwart oder
Abwesenheit des oben beschriebenen Stoßes durch Verwendung
eines AE-Sensors (acoustic emission sensor), der an der
Unterseite des Kopfsubstrates befestigt war. Es wurde
bestätigt, daß der üblicherweise zum Zeitpunkt des
Blasenkollapes beobachtete Stoß in keinem Fall beobachtet
wurde, was zeigt, daß der Blasenkollaps eliminiert wurde.
Selbst der bei der Blasenbildung in dem erfindungsgemäßen
Kopf gemessene Stoß war ein Zehntel oder weniger desjenigen
Stoßes, der während der Bildung und des Zusammenbruches der
Blase während des Betriebes in einem offenen Behälter
gemessen wurde.
Die hiesigen Erfinder bestätigen weiterhin, daß wenn die
Öffnungsplatte 11 in einer Dicke von 80 µm oder mehr
ausgebildet wurde, manchmal Tinte die Fläche oberhalb des
Heizelementes 3 vollständig wiederauffüllte, bevor die
auszustoßende Tinte von der Düse 12 abgetrennt wurde. Dadurch
wurden Stoßwellen und ebenso damit verbundene Kavitation
erzeugt, die die Lebensdauer des Heizelementes verringerten.
Daher wird erfindungsgemäß der Tintenversorgungskanal 9 in
einer Höhe von weniger als der maximalen Höhe der Blase, also
von weniger als 30 µm, ausgebildet. Die Düse 12 und das
Heizelement 3 sind so geformt und ausgerichtet, daß der
innere Umfang der Düse 12 an dessen dem Heizelement 3
nächsten Ende um nicht mehr als 5 µm über den Umfang des
Heizelementes 3 hinausragt, wenn er auf das Heizelement
projiziert wird. Mit dieser Anordnung kann eine auf dem
Heizelement 3 gebildete Blase bis zum oberen Ende der Düse 12
anwachsen und mit der äußeren Atmosphäre in Verbindung
treten. Die Blase kollabiert nicht und bildet keine Stoßwelle
aus. Da die Tiefe der Düse 12 weniger als 80 µm beträgt, wird
die Fläche oberhalb des Heizelementes 3 nicht vollständig mit
Tinte wieder aufgefüllt sein, bevor die auszustoßende Tinte
von der Düse 12 abgetrennt ist. Es werden keine Stoßwellen
gebildet.
Ein Verfahren zur Herstellung des wie oben strukturierten
erfindungsgemäßen Druckkopfes wird im folgenden beschrieben.
Unter Verwendung einer leichten Abwandlung eines Standard-
Bipolar-LSI-Herstellungsverfahrens wird die Steuer-LSI-
Einheit 2 auf einer Oberfläche des Silicium-Substrates 1
ausgebildet. Der SiO₂-Film 17 wird auf der Oberfläche des
Silicium-Substrates 1 während diese LSI-
Herstellungsverfahrens gebildet.
Ein ungefähr 0,2 µm dicker Ta-Si-SiO-Legierungs-
Dünnfilmwiderstand und ein ungefähr 1 µm dicker Nickel-
Dünnfilm werden über dem SiO₂-Film 17 unter Verwendung von
Sputter-Techniken gebildet. Genauer wird der Legierungs-
Dünnfilmwiderstand unter Verwendung von reaktiven Sputter-
Techniken in einer sauerstoffhaltigen Argon-Atmosphäre
gebildet. Der Nickel-Dünnfilm wird unter Verwendung von
Hochgeschwindigkeitssputter-Techniken in einem hohen
magnetischen Feld gebildet. Dann werden die
Dünnfilmheizelemente 3, die individuellen Verdrahtungsleiter
4 und die gemeinsamen Dünnfilmleiter 5 unter Anwendung von
Photoätztechniken gebildet.
Der so hergestellte Kopf wird in einen mit Luft oder
Sauerstoffgas gefüllten Ofen gegeben und die Heizelemente 3
werden den thermischen Oxidationsprozessen unterzogen, so daß
die Isolierfilme 3′ auf der Oberfläche der Heizelemente 3 in
der folgenden Weise gebildet werden.
Der oben beschriebene monolithische LSI-Kopf kann nicht in
seiner Gesamtheit den thermischen Oxidationsprozessen bei
400°C oder höher ausgesetzt werden. Die thermischen
Oxidationsverfahren können möglicherweise auch die Nickel-
Dünnfilmleiter 4 und 5 oxidieren. Daher werden in diesem
Beispiel die thermischen Oxidationsprozesse durch Anregung
der Legierungs-Dünnfilmwiderstände 3 durch Pulse
durchgeführt, so daß nur der Widerstand 3 selber pulsierend
auf ungefähr 550 bis 600°C erhitzt wird.
Die effektivste Methode zur Durchführung der thermischen
Oxidationsprozesse ist die Anregung des Widerstandes 3 mit
langen Pulsen, so daß eine hohe Temperatur am Widerstand 3
für ungefähr 1 ms aufrecht erhalten wird. Dies kann leicht
durch gepulstes Betreiben der Widerstände 3 unter Verwendung
einer externen Steuereinheit durchgeführt werden. Das
bedeutet, daß thermische Oxidationsprozesse unter Verwendung
einer Pulsbreite von ungefähr 1 ms durchgeführt werden, was
ungefähr 10³mal länger ist als die Pulslänge (1 bis 2 µs),
die zur tatsächlichen Betreibung der Widerstände verwendet
wird. Selbst Aufwärmung der Widerstände 3 während der
thermischen Oxidationsprozesse auf eine Temperatur, die
ungefähr 200 bis 250°C heißer ist als die Temperatur, die
tatsächlich zum Betrieb der Widerstände 3 verwendet wird,
erfordert weit weniger als die Nennleistung des Antriebs-LSI
und kann daher ohne jegliches Problem durchgeführt werden.
Während dieser Pulsaufheizprozesse kann der Ofen zur
Aufheizung der Silicium-Basis 1 auf eine Temperatur von
ungefähr 100°C verwendet werden.
Diese thermischen Oxidationsprozesse erhöhen die
Beständigkeit des Dünnfilmwiderstandes 3 um 30 bis 40%.
Erfindungsgemäß wird der Widerstand des Dünnfilmwiderstandes
3 während der thermischen Oxidationsprozesse gleichzeitig
gemessen und aufgezeichnet, so daß alles auf dem Kopf
montierten Widerstände 3 einen gleichförmigen Widerstand
besitzen. Genauer werden in dem thermischen Oxidationsprozeß
die Widerstandswerte aller Dünnfilmwiderstände aufgezeichnet,
während die Dünnfilmwiderstände pulsierend angeregt werden.
Basierend auf den aufgezeichneten Ergebnissen werden die auf
die jeweiligen Dünnfilmwiderstände angelegten Pulse so
eingestellt, daß die Widerstandswerte aller
Dünnfilmwiderstände im wesentlichen gleich sind.
Beispielsweise kann die Anzahl der auf die jeweiligen
Widerstände ausgeübten Pulse eingestellt werden.
Die hiesigen Erfinder führten die folgenden Experimente
durch. Während Pulse an die Widerstände 3 angelegt wurden,
wurden die Widerstandswerte der Widerstände 3 aufgezeichnet.
Die Pulse wurden gemäß den aufgezeichneten Ergebnissen
eingestellt. Als Ergebnis wurden die Widerstandswerte aller
Widerstände innerhalb ± 1% eingestellt. Dies steht im
Gegensatz zu der ± 5% Variation, die für die
Widerstandswerte einer Reihe von Widerständen gefunden werden
können, die in herkömmlichen Druckköpfen befindlich sind.
Durch den gleichen Widerstand heizen alle Widerstände die
Tinte auf eine gleichförmige Temperatur im tatsächlichen
Betrieb und überflüssiges Aufheizen wird eliminiert. Dadurch
wird die Zuverlässigkeit des Kopfes verbessert. Es wird keine
Tinte verkocht und die Lebensdauer der Widerstände wird
erhöht.
Nachdem so die isolierenden Filme 3′ auf den Oberflächen der
Heizelemente 3 gebildet wurden, wird Polyimid auf der
Oberfläche des Silicium-Substrates 1 aufgebracht, und eine
Trennwand 8 wird durch Ätzen des Polyimids ausgebildet,
wodurch die individuellen Tintenkanäle 9 und der gemeinsame
Tintenkanal 10 definiert werden. Dann wird ein Polyimid-Film
11 über der Oberfläche der Trennwand 8 bereitgestellt, und
Tintenausströmaperturen 12 werden in dem Polyimid-Film direkt
oberhalb der Dünnfilmheizelemente 3 ausgebildet.
Eine zweite erfindungsgemäße Ausführung wird im folgenden
detaillierter unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben.
Diese Ausführung ist besonders wirksam, wenn die Widerstände
3 nicht aus Ta-Si-SiO-Legierung gebildet werden, sondern aus
einem Material, in dem ein Isolations-Oxidationsfilm 3′
dadurch gebildet werden kann, daß das Material den
thermischen Oxidationsprozessen unterzogen wird, der
gebildete Isolations-Oxidationsfilm 3′ jedoch leichte Defekte
durch Pinholes aufweist. Gemäß dieser Ausführung wird eine
zusätzliche Isolierschicht 7 über sowohl den Heizelementen 3
als auch den Leitern 4 und 5 zum Schutz des Isolierfilms 3′
bereitgestellt. Die Dicke der Schicht 7 ist im wesentlichen
identisch mit der Dicke der Dünnfilmwiderstände 3. Die
Schicht 7 ist daher hinreichend dünn zur Bereitstellung
thermischer Effizienz, die so hoch ist wie im Falle wenn die
Schicht 7 nicht bereitgestellt wird.
Die Isolierschicht 7 kann aus einem beliebigen
Isoliermaterial mit guten Abdichtungs- und
Abdeckungscharakteristiken gebildet werden. Beispielsweise
kann die Isolierschicht 7 aus einer SiO₂-Schicht, einer
Ta₂O₅-Schicht oder einer Si₂N₄-Schicht unter Anwendung von
RF-Sputtertechniken, einer Si₃N₄-Schicht unter Anwendung von
Plasma CVD-Techniken, einer Al₂O₃-Schicht unter Anwendung von
Zorger-Beschichtungstechniken oder aus einem SOG-Film unter
Anwendung herkömmlich verwendeter Halbleiterprozesse gebildet
werden. Die hiesigen Erfinder zeigten, daß es wirksam ist,
die gesamte Oberfläche des Heizelementes 3 mit der
Isolierschicht 7 zu bedecken.
Aufgrund der geringen Dicke der Schicht 7 ist die
erforderliche Anregungsenergie zur Induzierung von
Fluktuationsblasensieden immer noch gering. Wenn die
Anregungsenergie in Pulsen von 2 µs angelegt wird, ist die
erforderliche Anregungsenergie zur Induzierung des
Fluktuationsblasensiedens nur ungefähr 1,5-mal so hoch wie die
für ein blankes oder schutzschichtloses Heizelement
erforderliche Energie. Dies ist immer noch ein Siebtel bis
ein Zehntel der Energiemenge, die zum Antrieb herkömmlicher
Heizelemente mit einer dicken Zweischichtkonstruktion
aufgebracht werden muß. Diese exzellente Wärmeeffizienz
erlaubt die integrale Ausbildung des Antriebsschaltkreises
und der Heizelemente auf demselben Silicium-Substrat in hoher
Dichte. Dies erlaubt die Herstellung eines
Hochgeschwindigkeits-Vollfarbtintenstrahldruckers mit diesem
hochdichten Kopf.
Wie oben beschrieben, trennt gemäß den erfindungsgemäßen
Ausführungen die extrem dünne thermische Oxidationsschicht 3′
(und eine darauf zusätzlich ausgebildete dünne Isolierschicht
7) den Widerstand 3 von der elektrolytischen Tinte. Die
wärmebeständigen Wände 8 trennen alle individuellen
Elektroden vollständig von der elektrolytischen Tinte. Die
Düsen 12 sind in einer Form ausgebildet, die durch
Blasensieden gebildete Blasen am Verschwinden hindert, so daß
die dünne Isolierschicht 3′ vor Zerstörung durch Kavitation
geschützt ist. Die dünne Isolierschicht 3, ermöglicht eine
nahezu vollständige Verhinderung von Beschädigungen des
Heizelementes 3 durch galvanische Korrosion, ohne die
Heizeffizienz des Heizelementes 3 zu reduzieren. Dies erlaubt
die Herstellung eines hochzuverlässigen, hochdichten Kopfes
und eines Hochgeschwindigkeits-Vollfarbtintenstrahldruckers,
der in der Lage ist, mit einer elektrolytischen Tinte zu
drucken.
Obwohl die Erfindung detailliert und unter Bezugnahme auf
deren spezifische Ausführungen beschrieben wurde, ist es dem
Fachmann klar, daß verschiedene Veränderungen und
Modifikationen darin vorgenommen werden können, ohne vom
Grundgedanken der Erfindung abzuweichen, deren Reichweite
durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
Ein langer linienförmiger Kopf (long line head) kann
hergestellt werden durch Verbinden der Enden von zwei
Druckköpfen der obigen Ausführungen entlang einer
düsenausgerichteten Richtung. In diesem Falle können die
Düsen von jedem Druckkopf in Richtung der Verbindungsenden
geneigt sein. Ebenso sollten in diesem Falle die Düsen und
die Heizelemente so positioniert sein, daß der innere Umfang
jeder Düse an dem dem entsprechenden Heizelement nächsten
Ende um nicht mehr als 5 µm über dem Umfang des Heizelementes
hinausgeht, wenn er auf das Heizelement projiziert wird.
Obwohl dies nicht in den Zeichnungen gezeigt ist, kann in
einem Tintenausstoßdrucker ein Bildaufzeichnungsmedium in
einer Position gehalten werden, die der Vielzahl der Düsen
des erfindungsgemäßen Druckkopfes gegenüberliegt. Zwischen
dem Druckkopf und dem Bildaufzeichnungsmedium wird eine
relative Bewegung erzielt, deren Richtung senkrecht zu der
Richtung ist, entlang derer die Vielzahl an Düsen
ausgerichtet ist.
Wie oben beschrieben, wird erfindungsgemäß eine Vielzahl von
Heizelementen auf einem Silicium-Substrat in einer Vielzahl
von individuellen Tintenkanälen bereitgestellt. Jedes
Heizelement ist aus einem Dünnfilmwiderstand und einem
Dünnfilmleiter aufgebaut. Der Dünnfilmwiderstand ist
ausgebildet mit einer elektrischen isolierenden Schicht auf
seiner oberen Oberfläche. Die elektrische Isolierschicht wird
gebildet, indem der Dünnfilmwiderstand einem thermischen
Hochtemperatur-Oxidationsprozeß unterzogen wird. Der
Dünnfilmwiderstand mit der elektrischen Isolierschicht kann
mit einer zusätzlichen Isolierschicht bedeckt werden, deren
Dicke im wesentlichen der des Dünnfilmwiderstandes identisch
ist.
Claims (20)
1. Tintenausstoßdruckkopf zum Ausstoßen von Tintentröpfchen
zum Drucken eines Bildes, der folgendes umfaßt:
ein Silicium-Substrat;
eine Trennwand, die auf dem Silicium-Substrat bereitgestellt ist, zur Definierung einer Vielzahl individueller Tintenkanäle;
eine Vielzahl an Heizelementen, die in den individuellen Tintenkanälen bereitgestellt werden, jedes Heizelement ist hergestellt aus jeweils einem auf dem Silicium- Substrat ausgebildeten Dünnfilmwiderstand und Dünnfilmleiter, eine Oberfläche von jedem Dünnfilmwiderstand besitzt eine elektrische Isolierschicht, die durch thermische Hochtemperatur- Oxidation des Dünnfilmwiderstandes gebildet wird; und
einen Ausstoßdüsenanteil, der mit einer Vielzahl von Düsen in Positionen ausgebildet ist, die mit der Vielzahl an Heizelementen korrespondieren.
ein Silicium-Substrat;
eine Trennwand, die auf dem Silicium-Substrat bereitgestellt ist, zur Definierung einer Vielzahl individueller Tintenkanäle;
eine Vielzahl an Heizelementen, die in den individuellen Tintenkanälen bereitgestellt werden, jedes Heizelement ist hergestellt aus jeweils einem auf dem Silicium- Substrat ausgebildeten Dünnfilmwiderstand und Dünnfilmleiter, eine Oberfläche von jedem Dünnfilmwiderstand besitzt eine elektrische Isolierschicht, die durch thermische Hochtemperatur- Oxidation des Dünnfilmwiderstandes gebildet wird; und
einen Ausstoßdüsenanteil, der mit einer Vielzahl von Düsen in Positionen ausgebildet ist, die mit der Vielzahl an Heizelementen korrespondieren.
2. Tintenausstoßaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, worin
jede der Vielzahl an Düsen sich in einer Richtung
ausdehnt, die im wesentlichen senkrecht zu der oberen
Oberfläche des korrespondierenden Heizelementes ist.
3. Tintenausstoßaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, worin
die Vielzahl an Dünnfilmleitern eine gemeinsame
Elektrode, die an die gesamte Vielzahl an Heizelementen
angeschlossen ist, und eine Vielzahl an individuellen
Elektroden, die mit den entsprechenden Heizelementen
verbunden sind, einschließt, worin die Trennwand aus
einem wärmebeständigen Harz hergestellt ist, das auf dem
Substrat bereitgestellt wird, die Trennwand bedeckt die
gesamten Anteile aller individuellen Elektroden, wodurch
die individuellen Tintenkanäle definiert werden.
4. Tintenausstoßaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 3, worin
die Trennwand weiterhin Teile der Dünnfilmwiderstände
bedeckt.
5. Tintenausstoßaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, worin
die Trennwand weiterhin einen gemeinsamen Tintenkanal
definiert, der auf dem Silicium-Substrat in flüssiger
Verbindung mit allen individuellen Tintenkanälen
bereitgestellt wird.
6. Tintenausstoßaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 2, worin
die Trennwand die individuellen Tintenkanäle in einer
Höhe von weniger als 30 µm ausbildet.
7. Tintenausstoßaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 6, worin
jedes Heizelement und eine korrespondierende Düse so
ausgebildet sind, daß der innere Umfang der Düse
innerhalb von 5 µm von der Kante des Heizelementes
ausgerichtet ist, wenn er auf das Heizelement projiziert
wird.
8. Tintenausstoßaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 3, worin
das wärmebeständige Harz zur Bildung der Trennwand eine
thermische Zersetzungsstarttemperatur von 400°C oder
mehr besitzt.
9. Tintenausstoßaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, worin
der Ausstoßdüsenanteil eine Dicke von weniger als 80 µm
besitzt, wodurch eine Tiefe der Ausstoßdüse von weniger
als 80 µm bereitgestellt wird.
10. Tintenausstoßaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, worin
jeder der Vielzahl an Dünnfilmwiderständen aus einem Ta-
Si-SiO-Legierungs-Dünnfilmwiderstand gebildet wird.
11. Tintenausstoßaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, worin
jeder der Dünnfilmleiter aus einem Nickelmetall-
Dünnfilmleiter hergestellt ist.
12. Tintenausstoßaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, worin
die Dünnfilmwiderstände und die Dünnfilmleiter mit einer
zusätzlichen Isolierschicht bedeckt sind, die eine Dicke
aufweist, die im wesentlichen der Dicke entspricht, in
der die Dünnfilmwiderstände ausgebildet sind.
13. Tintenausstoßdrucker zum Drucken eines Bildes mit
ausgestoßener Tinte, der Drucker umfaßt:
einen Druckkopf, der folgendes einschließt: ein Silicium-Substrat, eine Trennwand, die auf dem Silicium- Substrat zur Definierung einer Vielzahl von individuellen Tintenkanälen bereitgestellt ist, eine Vielzahl an Heizelementen, die in den individuellen Tintenkanälen bereitgestellt sind, jedes Heizelement wird aus einem Dünnfilmwiderstand und einem Dünnfilmleiter hergestellt, die auf dem Silicium- Substrat ausgebildet sind, eine Oberfläche von jedem Dünnfilmwiderstand besitzt eine elektrische Isolierschicht, die durch thermische Hochtemperatur- Oxidation auf dem Dünnfilmwiderstand ausgebildet wird, und einen Ausstoßdüsenanteil, der mit einer Vielzahl an Düsen ausgebildet ist, die sich in Positionen entsprechend der Vielzahl an Heizelementen befinden;
Haltevorrichtungen zum Halten eines Bildaufzeichnungsmediums in einer Position, die der Vielzahl an Düsen des Druckkopfes gegenüberliegt; und
Bewegungsvorrichtungen zur Erzielung einer relativen Bewegung zwischen dem Druckkopf und den Haltevorrichtungen in einer Richtung, die senkrecht ist zu der Richtung entlang derer die Vielzahl an Düsen ausgerichtet ist.
einen Druckkopf, der folgendes einschließt: ein Silicium-Substrat, eine Trennwand, die auf dem Silicium- Substrat zur Definierung einer Vielzahl von individuellen Tintenkanälen bereitgestellt ist, eine Vielzahl an Heizelementen, die in den individuellen Tintenkanälen bereitgestellt sind, jedes Heizelement wird aus einem Dünnfilmwiderstand und einem Dünnfilmleiter hergestellt, die auf dem Silicium- Substrat ausgebildet sind, eine Oberfläche von jedem Dünnfilmwiderstand besitzt eine elektrische Isolierschicht, die durch thermische Hochtemperatur- Oxidation auf dem Dünnfilmwiderstand ausgebildet wird, und einen Ausstoßdüsenanteil, der mit einer Vielzahl an Düsen ausgebildet ist, die sich in Positionen entsprechend der Vielzahl an Heizelementen befinden;
Haltevorrichtungen zum Halten eines Bildaufzeichnungsmediums in einer Position, die der Vielzahl an Düsen des Druckkopfes gegenüberliegt; und
Bewegungsvorrichtungen zur Erzielung einer relativen Bewegung zwischen dem Druckkopf und den Haltevorrichtungen in einer Richtung, die senkrecht ist zu der Richtung entlang derer die Vielzahl an Düsen ausgerichtet ist.
14. Verfahren zur Herstellung eines Tintenausstoßkopfes, das
Verfahren umfaßt die Schritte:
Bereitstellung einer Vielzahl an Heizelementen an einer Oberfläche eines Silicium-Substrats, jedes Heizelement schließt einen Dünnfilmwiderstand und einen Dünnfilmleiter ein;
Durchführung eines thermischen Oxidationsverfahrens an jedem Dünnfilmwiderstand, wodurch eine elektrische Isolierschicht auf einer offenliegenden Oberfläche des Dünnfilmwiderstandes ausgebildet wird;
Ausbildung einer Trennwand auf der Oberfläche des Silicium-Substrates, die Trennwand ist ausgebildet mit einer Vielzahl von Tintenkanälen in Übereinstimmung mit der Vielzahl an Heizelementen; und
Ausbildung einer Öffnungsplatte auf der Oberfläche des Silicium-Substrates, die Öffnungsplatte ist ausgebildet mit einer Vielzahl an Düsen.
Bereitstellung einer Vielzahl an Heizelementen an einer Oberfläche eines Silicium-Substrats, jedes Heizelement schließt einen Dünnfilmwiderstand und einen Dünnfilmleiter ein;
Durchführung eines thermischen Oxidationsverfahrens an jedem Dünnfilmwiderstand, wodurch eine elektrische Isolierschicht auf einer offenliegenden Oberfläche des Dünnfilmwiderstandes ausgebildet wird;
Ausbildung einer Trennwand auf der Oberfläche des Silicium-Substrates, die Trennwand ist ausgebildet mit einer Vielzahl von Tintenkanälen in Übereinstimmung mit der Vielzahl an Heizelementen; und
Ausbildung einer Öffnungsplatte auf der Oberfläche des Silicium-Substrates, die Öffnungsplatte ist ausgebildet mit einer Vielzahl an Düsen.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, worin das thermische
Oxidationsverfahren die Vielzahl an Dünnfilmwiderständen
in einer Oxidationsatmosphäre aufheizt.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, worin die Vielzahl an
Dünnfilmwiderständen in einer oxidierenden Atmosphäre
pulsierend angeregt werden.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, worin das mit der Vielzahl
an Heizelementen ausgebildete Substrat in einem Ofen,
der mit einem oxidierenden Gas angefüllt ist, erhitzt
wird.
18. Verfahren gemäß Anspruch 16, worin die Pulsweite länger
ist als diejenige, die auf die Dünnfilmwiderstände zur
Ausstoßung von Tinte angelegt werden.
19. Verfahren gemäß Anspruch 15, worin die Vielzahl an
Dünnfilmwiderständen pulsierend angeregt werden, während
sie in einem Ofen, der mit einem oxidierenden Gas
gefüllt ist, erhitzt werden.
20. Verfahren gemäß Anspruch 16, worin der thermische
Oxidationsprozeß folgende Schritte einschließt:
Messung der Widerstandswerte der jeweiligen Dünnfilmwiderstände während diese Filmwiderstände pulsierend angeregt werden; und
Einstellung der pulsierenden Anregung, die auf die jeweiligen Dünnfilmwiderstände ausgeübt wird, basierend auf den aufgezeichneten Ergebnissen, wodurch die Widerstandswerte aller Dünnfilmwiderstände auf im wesentlichen gleichförmige Werte gesteuert werden.
Messung der Widerstandswerte der jeweiligen Dünnfilmwiderstände während diese Filmwiderstände pulsierend angeregt werden; und
Einstellung der pulsierenden Anregung, die auf die jeweiligen Dünnfilmwiderstände ausgeübt wird, basierend auf den aufgezeichneten Ergebnissen, wodurch die Widerstandswerte aller Dünnfilmwiderstände auf im wesentlichen gleichförmige Werte gesteuert werden.
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DE19604268C2 DE19604268C2 (de) | 1999-03-25 |
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