DE2556655A1

DE2556655A1 - Thermischer druckkopf

Info

Publication number: DE2556655A1
Application number: DE19752556655
Authority: DE
Inventors: W S Henrion
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1974-12-16
Filing date: 1975-12-16
Publication date: 1976-07-01
Also published as: FR2294853B1; JPS6055315B2; JPS51105833A; FR2294853A1; GB1527257A; US3988569A

Description

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway
Dallas. Texas, V.St.A.

Thermischer Druckkopf

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Druckkopf und insbesondere auf eine Halteschaltung für die Verwendung in den einzelnen Druckinseln eines thermischen Druckkopfs.

Ein derartiger thermischer Druckkopf ist bereits in der US-PS 3 601 669 beschrieben. Das Druckelement eines solchen thermischen Druckkopfs besteht aus einem Halbleiterplättchen' mit einer allgemein rechtwinkligen Fläche, die in mehrere thermisch und elektrisch voneinander isolierte Inseln aus Halbleitermaterial unterteilt ist, die anschließend mit "Mesas" bezeichnet werden. In einem typischen Druckkopf sind fünf Spalten vorgesehen, die Jeweils sieben solche Mesas enthalten. Mit dem Abschnitt des Halbleiterplättchens, der die Mesas enthält, wird ein wärmeempfindliches Papier in Kontakt gebracht. Jeder der Mesas enthält in Form einer integrierten Schaltung einen Heiztransistor, der beim Einschalten mit Hilfe eines äußeren Digitalsignals dient dazu, an der Oberfläche des Mesas einen heißen Punkt zu erzeugen.

Schw/Ba

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An jeden Mesa kann ein getrenntes externes Digitalsignal angelegt werden, so daß eine unabhängige Steuerung'der Erzeugung eines befesen Punkte in den verschiedenen Mesas ermöglicht wird. Durch richtige Auswahl der zu erregenden Mesas kann ein alphanumerisches Zeichen .oder auch ein anderes Zeichen auf eiern wärmeempfindlichen Papier gedruckt werden. ■■--"----^T""--"^^-/-.¹^ _r -

In einem Druckkopf der oben angegebenen Art mit einer Matrix aus 5x7 Mesas sind zum individuellen Steuern der Erregung *- der verschiedenen Mesas 35 Signalleitungen erforderlich. In einem typischen Anwendungsfall befindet sich der thermische Druckkopf in einem Schlitten, der bezüglich des wärmeempfindlichen Papiers seitlich beweglich ist. Die zum " Koppeln der 35 Signalleitungen an den übersetzenden Druckkopf dieser Art notwendige Anordnung ist ein beträchtlicher Faktor der Gesamtkosten des Systems. Die Erfahrung hat auch gezeigt, daß diese Kopplungsanordnung ein einschränkender Faktor hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems ist.

Mit Hilfe der Erfindung soll demgemäß ein thermischer Druckkopf geschaffen werden, b^i dem die Anzahl der erforderlichen Signalleitungen wesentlich unter die bei bisher verfügbaren Druckköpfen benötigte Anzahl "herabgesetzt wird. Außerdem soll mit Hilfe der Erfindung eine thermische Druckkopfmatrix geschaffen werden,'bei der die ' einzelnen Mesas mittels einer X-Y-Koinzidenzadressierung eingeschaltet werden können. Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende thermische Druckkopf matrix soll so ausge-^rii' "staltet sein, daß die einzelnen Mesas, wenn sie einmal eingeschaltet worden sind, solange eingeschaltet bleiben, ^r bis die Versorgungsenergie abgeschaltet ^^J:

ι Nach der Erfindung wird dies mit Hilfe einer neuartigen

Ausgestaltung der Heizschaltung innerhalb jedes einzelnen :; 3 Mesas erzielt. Das Heizelement in jedem Mesa besteht aus

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einer Halteschaltung, die, wenn sie einmal eingeschaltet ist, eingeschaltet bleibt, auch wenn das Eingangssignal nicht mehr anliegtj das sie eingeschaltet hat. Als Folge davon kann beispielsweise eine X-Y-Koinzidenzadressierung angewendet werden, wenn ein Zeichen mit einer .Matrixanordnung aus 5x7 Mesas gedruckt werden soll. Während einer relativ kurzen Adressierungsperiode werden die Spalten der Mesas nacheinander von Signalen in den "Ein"-Zustand geschaltet, die an den fünf Spalteneingangsleitungen erscheinen. Venn jede Spalte abgetastet ist, werden diejenigen Mesas in der Spalte, die aufgeheizt werden sollen, von Signalen eingeschaltet, die an den sieben Zeüeneingangsleitungen erscheinen. Nachdem alle fünf Spalten abgetastet worden sind, bleiben die Mesas, die adressiert worden sind, für eine Druckperiode eingeschaltet, die lang im Vergleich zur Adressierungsperiode ist. Nach der Druckperiode wird die Versorgungsspannung von allen Mesas abgeschaltet, wodurch diese zur Vorbereitung des Drückens des nächsten Zeichens ausgeschaltet werden. Die Anwendung der neuartigen Mesa-Heizelemente ermöglicht die Steuerung einer aus 35 Elementen bestehenden Matrix mit 12 Eingangsleitungen an Stelle der 35 Leitungen, die bei bisher verfügbaren thermischen Druckköpfen erforderlich waren. Es können auch weitere Adressierungsverfahren angewendet werden; beispielsweise können vollständig codierte Signale eingesetzt werden, die nur sechs Adressierungsleitungen erfordern. Dieses Verfahren erfordert Decodierschaltungen am Druckkopf ,selbst.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die selbsthaltende Heizschaltung einen PNP-und eine NPN-Transistor, Der Emitter des NPN-Transistors ist.über einen Abschnitt eines Heizwiderstandes mit einer Versorgungsspannung Vqc verbunden. Die Basis des NPN-Transistors, die in der Mesa-Struktur auch den Kollektor des PNP-Transistors

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"bildet, ist über geeignete Impedanzen an die X-und Y-Adressierungssignale gelegt. Der Kollektor des NPN-Transistors, der auch die Basis des PNP-Transistors bildet, ist über denHeizwiderstand an die Versorgungsspannung V_cc angeschlossen. Der an einem Abschnitt des Heizwiderstandes auf Grund des durch den NPN-Transistor fliessenden Stroms erzeugte Spannungsabfall bewirkt eine Vorspannung des PNP-Transistors in den leitenden Zustand, wodurch ein Transistoransteuerstrom zum Ansteuern der Basis des NPN-Transistors erzeugt wird. Diese Rückkopplungswirkung tritt rasch ein, und sie hält die Ansteuerung des NPN-Transistors in den leitenden Zustand unabhängig von nachfolgenden Änderungen der Signalwerte der Digitalsignale aufrecht.

ILe Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1a und 1b den Aufbau eines thermischen Druckkopfs,

Fig.2 ein Schaltbild der Heizschaltung nach der Erfindung,

Fig.3a und 3b einen Mesa mit einer selbsthaltenden Heizschaltung,

Fig.4 ein Metallisierungsmuster für den thermischen Druckkopf und

Fig.5a bis 5g Darstellungen zur Veranschaulichung der Herstellung des thermischen Druckkopfs.

In Fig.1a ist ein 5x7-Heizelementfeld aus Halbleitermesas dargestellt, das innerhalb des Fensters 3 angeordnet ist. Zur Bildung einer dynamischen Informationsanzeige, wie sie in der US-PS 3 323 341 beschrieben ist, in der die beschriebenen thermochromen Materialien verwendet werden, wird über

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dem Heizelementfeld ein wärmeempfindliches Papier angebracht; zur Bildung einer dauerhaften Informationsanzeige oder eines Druckers gemäß der US-PS 3 496 333 wird über das Feld ein speziell behandeltes wärmeempfindliches Material geführt. -Fig.1b zeigt einen Schnitt der Anordnung längs der Linie AA von Fig.1a.

Ein Plättchen 2 aus monokristallinem Halbleitermaterial ist auf einem größeren isolierenden Träger 1 aus geeignetem Material wie Keramik, Glas oder Saphir mittels eines isolierenden Klebstoffs mit guten thermischen und elektrischen Isolationseigenschaften wie Epoxydharz befestigt.

Jedes Heizelement des Feldes besteht aus einem mesaförmigen Körper aus monokristallinem Halbleitermaterial; es enthält ein Heizelement, das an der Unterseite des Mesas angrenzend an den Träger 1 gebildet ist, so daß bei seiner Erregung der Mesa erwärmt wird, damit auf dem darüber befindlichen wärmeempfindlichen Material ein lokalisierter Punkt erzeugt wird. Eine Gruppe in ausgewählter Weise erregter Heizelemente bildet eine Gruppe von Punkten auf dem wärmeempfindlichen Material, die eine Zeichen- oder Informationsdarstellung definieren, die auf dem wärmeempfindlichen Material angezeigt wird.

Die das Heizelementfeld bildenden Mesas sind mittels Luft voneinander isoliert; mittels eines metallischen Verbindungsmusters, das unterhalb der Mesas zwischen dem Halbleiterplättchen 2 und dem Träger 1 angebracht ist, sind die Mesas miteinander verbunden. Das Verbindungsmuster bewirkt die Verbindung der Heizelemente in den Mesas in der gewünschten Schaltungsanordnung. Das Halbleiterplättchen 2 ist außer innerhalb des Fensters 3 einteilig ausgeführt, in dem die mittels Luft voneinander isolierten Heizelemente liegen, so

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daß die Oberfläche des Halbleiterplättchens 2 eine gute gleichmäßigere Auflage für das Anbringen oder das Vorbeiführen des wärmeempfindlichen Materials über dem Heizelementfold darstellt.

Das zwischen dem Halbleiterplättchen 2 und dem Träger 1 angebrachte metallische Verbindungsmuster erstreckt sich nach außen zu Bondflächen, die über den Öffnungen 4 und im Träger 1 liegen, so daß durch diese Öffnungen an der Unterseite des Trägers externe Anschlußverbindungen zu diesen Bondflächen hergestellt werden können, die dadurch von dem auf den Mesas angebrachten wärmeempfindlichen Material entfernt liegen. Das zwischen dem Halbleiterplättchen 2 und dem Träger 1 angebrachte metallische Verbindungsmuster bewirkt eine mechanische und elektrische Verbindung der mittels Luft Voneinander isolierten Mesas und der Bondflächen, und es wird in dem zwischen dem Halbleiterplättchen 2 und dem Träger 1 befindlichen Epoxydharz-Klebstoff gehalten.

Jeder Mesa enthält· eine Transistorheizschaltung, die in ausgewählter Weise so erregt wird, daß die Verlustleistung der Schaltung einen heißen Fleck auf der Oberfläche des ausgewählten Mesas erzeugt. Die Schaltung in jedem Mesa ergibt eine aktive Steuer- oder Verstärkungsfunktion in der Weise, daß die von ihr erzeugte Wärme die Schaffung des heißen Flecks erleichtert; die Schaltung kann direkt mittels typischer Logikschaltungen, beispielsweise TTL-Schaltungen angesteuert werden. Außerdem arbeitet die Heizschaltung in der Weise mit Rückkopplung, daß sie, wenn sie mit Hilfe der logischen Eingangssignale einmal eingeschaltet worden ist, unabhängig von nachfolgenden Änderungen der Werte der logischen Eingangssignale weiterhin einen heißen Fleck erzeugt, bis die Versorgungsspannung abgeschaltet wird. Die in jedem Mesa angebrachte Heizschaltung

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ist in Fig.2 schematisch dargestellt. Das X-Eingangssignal wird über einen Widerstand 10 an die Basis des NPN-Heiztransistors 12 angekoppelt. Ein Y-Eingangssignal wird direkt an die Basis des Transistors 12 angekoppelt. Der Bewertungswiderstand für das Y-Eingangssignal, der dem Bewertungswiderstand 10 des X-Eingangssignals entspricht, befindet sich auf dem Halbleiterplättchen des Druckkopfs, jedoch nicht im Mesa selbst. Der Emitter des Transistors 12 liegt an Masse, und sein Kollektor ist über einen Kollektorwiderstand 16 an eine positive VersDr,gungsspannung V angeschlossen. Ein PNP-Transistor 14 enthält einen Kollektor, der mit der Basis des Transistors 12 verbunden ist, sowie eine Basis, die mit dem Kollektor des Transistors 12 verbunden ist. Der Emitter-Basis-Übergang des Transistors 14 liegt parallel zu einem Teil des Kollektorwiderstandes 16.

Im Verlauf von Ruheperioden haben im Betrieb entweder eines oder beide der X-und Y-Eingangssignale niedrige Signalwerte, und. der Heiztransistpr 12 ist gesperrt. An der Basis des Transistors 12 erfolgt eine bewertete Summierung deu X-und Y-Eingangssignalwerte, und es sind beide Eingangssignale erforderlich, damit der hohe Signalwert zur Auslösung der Einschaltung des Transistors 12 erzielt wird. Wenn beide X-und Y-Eingangssignale auf den hohen Signalwert umschalten, beginnt im Kollektorkreis des Transistors 12 Strom zu fließen. Dies hat einen Spannungsabfall an dem Abschnitt des Widerstandes 16 zur Folge, der parallel zum Emitter-Basis-Übergang des Transistors 14 liegt. Dieser Spannungsabfall hat die richtige Polarität , um den Emitter-Basis-Übergang des Transistors 14 in Durchlaßrichtung vorzuspannen, so daß dieser Transistor in den leitenden Zustand versetzt wird. Der Kollektorstrom des Transistors 14 ergibt eine zusätzliche Bassisansteuerung des Transistors 12, was zur Folge hat, daß dieser Transistor 12 noch stärker leitet. Diese Rückkopplungs-

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wirkung verursacht einen raschen Aufbau des Kollektorstroms des Transistors 12 bis der Sattigungszustand erreicht ist. Die Rückkopplungswirkung hält den Transistor 12 abhängig von Änderungen der Werte der X- und Y-Eingangssignale im leitenden Zustand. Der Heiztransistor 12 hört nur dann auf zu.leiten, wenn die Versorgungsspannung V_cc abgeschaltet wird* Es sei hier bemerkt, daß auf Grund der Rückkopplungswirkung zur Auslösung des Einschaltens nur ein sehr kleiner Ansteuerstrom aus den X- und Y-Eingangssignalen erforderlich ist. Folglich können diese Eingangssignale von herkömmlichen Logikschaltungen geliefert werden.

Fig.3 zeigt eine Unteransicht eines typischen Mesas zur Veranschaulichung der Ausführung der in Fig.2 schematisch dar-, gestellten Heizschaltung.Das Hauptmaterial des Mesas 20 ist η-leitendes monokristallines Tilizium. An der Unterfläche des Mesas sind mehrere noch zu erörternde Diffusionszonen gebildet. Wie in der Technik bekannt ist, ist die gesamte Unterfläche des Mesas einschließlich der Diffusionszonen mit einer dünnen Schicht aus isolierendem Material wie Siliziumdioxid überzogen. Die Siliziumdioxidschicht ist nur in denjenigen Bereichen durch Ätzen entfernt, in denen ein Kontakt mit dem darunterliegenden Halbleitermaterial hergestellt werden soll. Eine dünne Schicht aus metallischem Leitermaterial wird über ausgewählten Bereichen der isolierenden Schicht erzeugt, dait elektrische Verbindungen zu und zwischen Bereichen des darunterliegenden Halbleitermaterials erzielt werden. In Fig.3a sind diejenigen Bereiche des Mesas, an denen diese metallischen Leitermuster vorhanden sind, durch eine einfache Schraffur angegeben. Kreuzweise schraffierte Bereiche zeigen an, daß die isolierende Schicht durch Ätzen entfernt worden ist, damit die darüberliegende Metallschicht einen ohmschen Kontakt mit dem

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darunterliegenden Halbleitermaterial bilden kann.

Der Widerstand 10 von Fig.2wird von einer Diffusionszone 22 gebildet, die p-leitendes Silizium eithält. Wie Fig.3a zeigt, ist zwischen einem Ende der Diffusionszone 22 und der das X-Eingangssignal für den Mesa führenden metallischen Leiterbahn 24 ein ohmscher Kontakt gebildet. Das andere Ende der Diffusionszone 22 steht mit einer zweiten p-leitenden Diffusionszone 26 in Verbindung, die die Basis des Transistors 12 bildet. Es ist hier wichtig zu beachten, daß die Diffusionszone 26dem Bereich 28 nicht enthält. Zwischen der Basisdiffusionszone 26 und der das Y-Eingangssignal für den Mesa führenden metallischen Leiterbahn 30 ist ein ohmscher Kontakt gebildet.Die den Widerstand 10 und die Basis des Transistors 12 bildenden Diffusionszonen 22 bzw. 26 werden gleichzeitig hergestellt, wodurch gewährleistet wird, daß ein ohmscher Kontakt zwischen diesen zwei Schaltungselementen besteht. Während dieses gleichen Diffusionsschritts wird eine dritte p-leitende Diffusionszone im Bereich 32 gebildet. Die Diffusionszone 32 bildet den Emitter des Transistors 14 von Fig.2. . ■ ·

Mittels eines zweiten Diffusionsschritts wird an ausgewählten Punkten des Mesas eine Reihe von (n+)-dotierten Zonen erzeugt. Die erste dieser Zonen, nämlich die Zone 34, bildet den Emitter des Transistors 12. Es ist zu erkennen, daß sie innerhalb der p-Diffusionszone 26 erzeugt wird, die die Basis des Transistors 12 und den Kollektor des Transistors 14 bildet. Der Transistor 12 besteht somit aus einem Emitter, der der Bodenfläche des Mesas am nächsten liegt, einer Basiszone unterhalb der Emitterzone und um diese herum, sowie einen Kollektor, der den Hauptkörper aus n-leitendem Material des Mesas unterhalb der Basiszone und um diese Zone bildet. Das η-leitende Material im Bereich 28 bildet insbe-

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sondere den Kollektor des Transistors 12. Das n-leitende Material im Bereich 28 bildet auch die Basis des Transistors 14, die nach Fig.2 mit dem Kollektor des Transistors 12 verbunden ist. In gleicherweise bildet die Basiszone 26 des Transistors 12 auch den Kollektor des Transistors 14. Der Transistor 14 besteht somit in seitlicher Lage an der Unterfläche des Mesas 20 aus einer p-leitenden diffundierten Kollektorzone 26, einer η-leitenden Basiszone 28 und einer p-leitenden diffundierten Emitterzone 32. Wie Fig.3a zeigt, ist zwischen der Massefläche 36 und der Emitterzone 34 des Transistors 12 ein ohmscher Kontakt gebildet.

Eine mittels des zweiten Diffusionsschritts gebildete zweite Zone aus (n+)-leitendem Material ist mit dem Bezugszeichen 38 gekennzeichnet. Diese (n+)-leitende Zone ermöglicht die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der die Versorgungsspannung V_cc führenden Fläche 40 und dem darunterliegenden n-leitenden , Material, wobei es schwierig ist, zwischen den metallischen Leiter und dem η-leitenden Material einen ohmschen Kontakt direkt zu bilden. Eine leitende Bahn im Hauptkörper des Mesas 20 verläuft von der die Basisdiffusion 26 umgebenden Kollektorzone des Transistors 12 zur (n+)-leitenden Zone 38. Diese leitende Bahn bildet den Widerstand 16 von Fig.2.

,Mittels des zweiten Diffusionsschritts wird eine dritte (n+)-dotierte Zone 42 gebildet. Die (n+)-dotierte Diffusionszone 42 bildet die elektrische Verbindung:zwischen der Leiterbahn 44 und einem in der Mitte der Längenausdehnung des Widerstandes 16 liegenden Punkt des Hauptkörpers. Entsprechend dem Schaltbild von Fig.2 ist dieser Zwischenpunkt längs des Widerstandes 16 mit Hilfe der Leiterbahn 44 mit dem Emitter des Transistors 14, also mit der Emitterdiffusion 32 verbunden.

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Fig.3b zeigt einen Schnitt längs der Linie BB von Fig.3a. Im η-leitenden Hauptkörpermaterial des Mesas 20 ist die p-leitende Basisdiffusiohszone 26 des Transistors 12 gebildet, die in dieser Schnittansicht an zwei Stellen erscheint. Die Emitterdif£usionszoiB32 des Transistors 14 und die Diffusionszone 22 des Widerstandes 10 erscheinen ebenfalls in dieser Schnittansicht, Zwischen der Emitterdiffusion des Transistors 12 und der Masseleiterbahn 36 ist ein ohmscher Kontakt gebildet. Die Leiterbahn 44 verbindet die Emitterdiffusion 32 des Transistors 14 elektrisch mit dem unter der (n+)-Diffusionszone 42 liegenden Punkt des Widerstandes 10. Die die Versorgungsspannung V«« führende Leiterbahn 40 bildet mit der (n+)-dotierten Zone 38 und daher mit dem unter der Zone 38 liegenden Ende des Widerstandes einen ohmschen Kontakt.

Die Figuren 3a und 3b zeigen den Aufbau eines typischen Mesas des Druckkopfs. Die genaue Lage der verschiedenen Diffusionszonen und Metallisierungsmuster ändert sich sich abhängig von der relativen Lage im Druckkopf geringfügig von Mesa zu Mesa. Es ist zu erkennen, daß zur Zuführung der Y-Eingangssignale zu weiteren Mesas des Druckkopfs zusätzliche Leiterbahnen an den Unterseiten einiger Mesas gebildet sind. Dies läßt sich aus der Betrachtung des in Fig.4 dargestellten Metallisierungsmusters für einen gesamten Druckkopf deutlicher erkennen.

Das Metallisierungsmuster von Fig.4 ist für einen Druckkopf mit einer 5x7-Matrix aus Mesas vorgesehen, die (Jeweils die erfindungsgemäße Heizschaltung enthalten. Eine repräsentative Lage eines Mesas ist mittels des gestrichelten Rechtecks angegeben. Externe Verbindungen zum Druckkopf werden mit Hilfe mehrererBondflächen in zwei Bereichen gebildet, die den Bereichen 4 und 5 von Fig.1a entsprechen. Beispielsweise ist der X5-Eingang an die Bondfläche 52 und von dieser aus mittels

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der Leiterbahn 80 an den Mesa 50 sowie an die sechs weiteren Mesas der fünften Spalte der Matrix angelegt. In gleicher Weise sind die X-Eingänge für die Spalten 1 bis 4 der Matrix jeweils an die Bondflächen 53 bis 56 angeschlossen. Das Y4-Eingangssignal, dah. das Y-Eingangssignal für die erste Zeile der Matrix ist an die Bondfläche 58 angelegt. Wie aus Fig.4 zu erkennen ist, ist keine durchgehende Leiterbahn vorgesehen, die die Bondfläche 58 mit der Mesaflache des Druckkopfs verbindet, da eine solche Leiterbahn Bereiche überkreuzen müßte, die von anderen Leiterbahnen besetzt sind. Die Bondfläche 58 ist an die Leiterbahn 59 angeschlossen, die sich im wesentlichen über die gesamte Oberfläche des Druckkopfs erstreckt. Die entsprechende Leiterbahn an einem der Mesas ist mittels der Leiterbahn 61 angegeben. Zur Vollendung der Verbindung ist an der Oberfläche des Halbleiterplättchens 2 eine p-leitende Diffusionszone 60 gebildet. Ohmsche Kontakte zur dotierten Diffusionszone sind an Punkten gebildet, an denen die Leiterbahnen 59 und 61 über der Zone 60 liegen. Die dotierte Diffusionszone 60 wirkt als Bewertungswiderstand für das an die Bondfläche 58 angelegte Y-Eingangssignal. Entsprechende leitende tunnelartige Verbindungen sind zwischen der Leiterbahn 59 und jeder der Leiterbahnen 62 bis 65 gebildet. Auf diese Weise erscheint das an die Bondfläche 58 angelegte Yl-Eingangssignal an jedem Mesä in der ersten Zeile der Matrix. Die Y-Eingangssignale für die Zeilen 2 bis 7 der Matrix sind jeweils an die Bondflächen 70 bis 75 angelegt. Jeder dieser Bondflächen ist eine Leiterbahn zugeordnet, die sich im wesentlichen entweder über die Oberseite oder die Unterseite der Druckkopfanordnung erstreckt und die mittels einer der tunnelartigen Diffusionsζone 6o gleichenden tunnelartigen Leiterverbindung an die Mesafläche des Druckkopfs angeschlossen ist. Das Massebezugspotential für den Druckkopf ist an die Bondfläche 76 angeschlossen. Die

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Versorgungsspannung V_cc des Druckkopfs ist an die Bondflächen 77, 78 und 79 angelegt..

Verfahren zur Herstellung von Anordnungen wie der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in der Technik bekannt. Ein derartiges Verfahren ist in der US-PS 3 769 562 beschrieben. Dieses Verfahren wird hier kurz zusammengefaßt unter Bezugnahme auf die Figuren 5a bis 5g beschrieben. Wie Fig.5a zeigt, werden die Mesas in einem Plättchen 100 aus η-leitendem monokristallinen Silizium gebildet. Die Oberfläche des Siliziumplättchens 100 wird zur Bildung einer Schicht 102 aus Siliziumdioxid oxidiert. Die Oxidschicht 102 wird dann mittels des bekannten photolithographischen Verfahrens unter Verwendung eines Photoresistmaterials selektiv entfernt. Kurz zusammengefaßt wird bei diesem Verfahren die oxidierte Oberfläche mit einer dünnen Schicht 104 aus Photoresistlack überzogen. Über .der Schicht 104 aus Photoresistlack wird eine photographische Maske angebracht, die in diejenigen Bereichen 106 lichtundurchlässig ist, von denen die Oxidschicht 102 entfernt werden soll. Nach der Belichtung des Photoresistlacks mit Ultraviolettlicht wird der Photoresistlack unterhalb der lichtundurchlässigen Bereiche 106 mit Hilfe eines Lösungsmittels entfernt; nach dem Erwärmen zum Aushärten des übrigen Photoresistlacks wird das Halbleiterplättchen in eine Flußsäurelösung eingetaucht, damit das Siliziumdioxid weggeätzt und in der Schicht 102 zwei öffnungen 108 und 110 gebildet werden (Fig.5b).

Das maskierte Halbleiterplättchen wird dann einer richtungsabhängig ätzenden Lösung zur Bildung von V-förmigen Vertiefungen 114 ausgesetzt, die der Bildung der Mesas dienen (.Fig.5c). Nach dem Bilden der Mesas kann das übrige

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Fotoresistmaterial entfernt werden, und die Oberfläche des Halbleiterplättchens wird mit einem Überzug 116 bedeckt, der gegen Abnützung und gegen ein Silizium angreifendes Ätzmittel beständig ist (Fig.5d). Der Überzug kann ein Material wie Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Silizium- ' dioxid oder auch eine Kombination dieser Materialien sein. Dieser Überzug kann durch Aufwachsen auf der Siliziumdioxidschicht 102 (Fig.5c) oder direkt auf dem Plättchenmaterial nach'Entfernen der Schicht 102 gebildet werden.

Nach dem Aufwachsen des Überzugs 116 auf den Mesas 112 und den Vertiefungen 114 wird auf der Oberfläche des Halbleiterplättchens 100 angrenzend an den Überzug 116 zur Bildung einer mechanisch festen Struktur eine Schicht 144 (Fig.5e) gebildet, die beispielsweise aus polykristallinem Halbleitermaterial besteht. Das für diese Abscheidung übliche Verfahren wird durch Reduktion von Siliziumtetrachlorid mit Wasserstoff ausgeführt, einem Verfahren das in der Technik bekannt ist und hier keiner weiteren Erörterung bedarf.

Im nächsten Herstellungsschritt des thermischen Druckkopfs wird das Halbleiterplättchen 100 von Fig.5e an seiner Unterfläche geläppt und poliert, damit das ursprüngliche SiIMummaterial mit Ausnahme desjenigen Anteils entfernt wird, der innerhalb der von den Vertiefungen definierten Mesas verbleibt. Das Lappen und das Polieren werden fortgesetzt, bis von der Unterfläche des Halbleiterplättchens 100 genügend Material abgetragen worden ist, damit die Überzugsschicht an den Böden der Vertiefungen sichtbar freigelegt werden.

Der nächste Schritt besteht darin, die Gesamtanordnung umzudrehen. Die umgedrehte Anordnung erscheint in Fig,5f_f wenn die Fläche, die in Fig.5e die Unterfläche des Plättchens

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bildete, nunmehr als die obere Fläche der Einheit angesehen wird. Die Mesabereiche 112 dienen nun als die Bereiche, in denen anschließend Diffusionen oder Implantationen oder auf denen epitaktische Abscheidungen durchgeführt werden, damit die Schaltung jedes Heizelements hergestellt wird. In der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform werden zur Verwirklichung der Schaltung Diffusionsvorgänge angewendet; eine Betrachtung der Figuren 3a und 3b zeigt, daß pro Druckkopf nur zwei Diffusionsvorgänge erforderlich sind. Es sei daran erinnert, daß das Plättchenmaterial der bevorzugten Ausführungsform aus η-leitendem Silizium besteht. Eine erste Diffusion erzeugt die p-leitende Widerstandszone 22, die Basiszone 26 und die Emitterzone 32, wie in Fig.5f symbolisch bei 146 und 148 angegeben ist. Eine zweite Diffusion erzeugt die (n+)-leitende Emitterzone 34 sowie Kontaktzonen 38 und 42. Diese sind in Fig.5f bei 150, 152 und dargestellt.

Wie Fig.5g zeigt, wird nach der Durchführung der Diffusionen das metallische Leitermuster von Fig.5 auf dem Druckkopf an der Rückseite der Mesas abgeschieden. Das metallische Material 156 ist mit Hilfe einer dünnen isolierenden Oxidschicht 158 vom Siliziummaterial der Mesas isoliert, öffnungen, die in der Oxidschicht 158 in selektiver Weise angebracht sind, erlauben dem metallischen Material 156, ohmsche Kontakte mit entsprechend ausgewählten Bereichen der Diffusionszone zu bilden. Die Verfahren zur Herstellung der Diffusionszonen und des metallischen Verbindungsmusters sind in der Technik bekannt, so daß sie hier nicht näher beschrieben werden.

Wie aus Fig.5g ferner hervorgeht, wird das Feld der Mesas dann auf einem beispielsweise ausKeramik bestehenden Träger 160 mittels eines geeigneten Klebstoffs 162 wie einem Epoxydharz befestigt. Schließlich wird die polykristalline Schicht teilweise oder vollständig entfernt, so daß sich die Anordnung von Fig.5g ergibt, wodurch die von den Mesas gebildeten

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thermischen Druckelemente mit Hilfe der beispielsweise aus Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid bestehenden dielektrischen Schicht sowie des in den Vertiefungen 114 verbleibenden polykristallinem Siliziums voneinander isoliert werden.

Es ist hier ein thermischer Druckkopf beschrieben worden, bei dem innerhalb jedes einzelnen Mesas des Druckkopfs eine neuartige Heizschaltung verwendet wird. Diese Heizschaltung hat eine Haltefunktion, die darin besteht, daß die Schaltung nach einem einmaligen Einschalten fortgesetzt einen heißen Fleck in dem Mesa unabhängig von anschließenden Änderungen der Eingangssignalwerte erzeugt. Die Schaltung erzeugt einen heißen Fleck solange, bis ihre Versorgungsspannnng abgeschaltet wird. Die Erfindung ist zwar im Zusammenhang mit einem Druckkopf beschrieben worden, der ein rechtwinkliges Feld aus Mesas aufweist, doch sind auch andere Anwendungen möglich. Beispielsweise ist es möglich, einen Zeilendrucker aufzubauen, der nur eine einzige Zeile aus Mesas aufweist. Wenn der Drucker hundert Zeichenpositionen quer zur Seite haben soll, dann kann in diesem Fall eine Zeile mit 500 Mesas angewendet werden, die in Fünfergruppen entsprechend jedem Zeichen unterteilt sind. Das wärmeempfindliche Papier, das über dem Druckkopf liegt, könnte dann aufeinanderfolgend in sieben Schritten zum Drucken einer Zeile der Zeichen vorwärtsbewegt werden. Nach jedem Schritt werden ausgewählte Mesas zur Erzeugung eines Abdrucks auf dem Papier eingeschaltet. Während die Mesas in einem solchen Fall nicht in der räumlichen Anordnung einer Matrix angeordnet sind, können sie doch vom Prinzip her so betrachtet werden, als würden sie eine Matrix bilden. Es ist daher zu erkennen, daß auch in einem solchen Anwendungsfall die mittels der erfindungsgemäßen Heizschaltung ermöglichte X-Y-Koinzidenaadressierung anwendbar ist.

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Die Erfindung ist hier zwar im Zusammenhang mit einem speziellen Ausführungsbeispiel beschrieben worden, doch ist für den Fachmann offensichtlich, daß im Rahmen der Erfindung auch weitere Abwandlungen und Änderungen möglich sind.

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Claims

Patentansprüche

f 1· {Thermischer Druckkopf mit mehreren Halbleiter-Mesas, die V^^/jeweils abhängig von wenigstens einem Eingangssignal an einer Oberfläche einen heißen Fleck erzeugen, gekennzeichnet durch

a) eine Heizvorrichtung in jedem der Halbleitern^sas zum Umsetzen elektrischer Energie in Wärmeenergie zur Erzeugung eirae heißen Flecks, und

b) eine Halteanordnung in federn der Halbleiter-Mesas, an die dieses eine Eingangssignal zum Erregen der Heizvorrichtung abhängig von vorgewählten Werten dieses einen Eingangs-

' - signals angelegt ist und die die Heizvorrichtung trotz anschliessender Änderungen der Werte dieses einen Eingangssignals im erregten Zustand hält.
2. Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung von* elektrischer Energie zu den Mesas eine von dem Eingangssignal unabhängige Spannungsversorgung vorgesehen ist, und daß die Heizvorrichtungen, wenn sie einmal erregt sind, durch Abschalten der Spannungsversorgung abschaltbar sind.
3· Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Halteanordnung in jedem der Mesas zwei Eingangssignale angelegt sind.
4. Heizschaltung mit Haltefunktion für die Verwendung in einem Mesa eines thermischen Druckkopfs, gekennzeichnet durch

a) einen Heiztransistor, dem wenigstens ein Eingangssignal zugeführt wird und der abhängig von vorgewählten Werten dieses einen Eingangssignals beginnt, einen Heizstrom zu leiten, und 6Q9827/066Q

b) eine Rückkopplungsschaltungsanordnung, die abhängig von dem Heizstrom eine unabhängige Ansteuerung des Heiztransistors erzeugt, so daß der Heizstrom, nachdem er einmal ausgelöst ist, bis zu einem Sättigungswert ansteigt und trotz anschließender Änderungen der Werte des einen Eingangssignals auf dem Sättigungswert verbleibt.
5. Heizschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Eingangssignal an die Basis des Heiztransistors angelegt ist, daß der Emitter an einem ersten Bezugspotential liegt und daß der Kollektor über einen Kollektorwiderstand an einem zweiten Bezugspotential liegt.
6. Heizschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltungsanordnung aus einem zweiten Transistor besteht, dessen Emitter -Basis-Übergang parallel zu wenigstens einem Teil des Kollektorwiderstandes liegt, und dessen Kollektor mit der Basis des Heiztransistors verbunden ist.
7. Thermischer Druckkopf mit mehreren Halbleiter-Mesas, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Halbleiter-Mesa von einem Ruhezustand in einen Wärme abgebenden Zustand abhängig von einer Koinzidenzadressierung mittels wenigstens zwei Eingangssignalen umschaltbar ist und daß jeder Halbleiter-Mesa Anordnungen enthält, mit deren Hilfe er trotz Änderungen der wenigstens zwei Eingangssignale im Anschluß an die Koinzidenzadressierung im Wärme abgebenden Zustand gehalten wird.

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