DE3439632A1

DE3439632A1 - Zeilenbreiter thermodruckkopf

Info

Publication number: DE3439632A1
Application number: DE19843439632
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Phys. 7031 Ehningen Russ; Erhard Dr.rer.nat. 7250 Leonberg Sailer; Johann Dr.rer.nat. 7307 Aichwald Springer
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1984-10-30
Filing date: 1984-10-30
Publication date: 1986-04-30

Description

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Zei lenbreiter Thermodruckkopf

Die Erfindung geht aus von einem Thermodruckkopf gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein derartiger Thermodruckkopf ist durch die DE-0S27 12 683 bekannt. Bei diesem Thermodruckkopf wird zuerst das gesamte Leitungsmuster in Dünnschichttechnik aus Widerstandsmaterial aufgebracht. An den Stellen der Heizelemente ist die Leitungsführung mäanderförmig. Anschließend werden die nicht als Heizelemente dienenden Teile des Leitungsmusters in einer anderen Technik mit einer hoch Leitenden Schicht versehen, über die notwendige Ansteuerschaltung der Heizelemente und deren Technologie ist nichts erwähnt.

Ein Beispiel einer Ansteuerschaltung eines Thermodruckkopfes mit einer Vielzahl von Heizelementen ist in der EP-B1 0 033 634 beschrieben. Die Schaltung umfaßt Schieberegister, Zwischenspeicher und Treiberstufen in integrierter Technik. Der Anschluß integrierter Schaltungen erfolgt mittels eines Bondverfahrens, das relativ teuer ist. Dieses wirkt sich bei einem zeilenbreiten Thermodruckkopf mit einer hohen Anzahl an Bondstellen negativ aus.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen zeilenbreiten Thermodruckkopf zu schaffen, der eine vereinfachte Herstellung ermöglicht und bei dem die Zahl der Bondstellen verringert ist.

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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes auf.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Teilungsabstand der Leiterbahnen doppelt so groß ist wie der Teilungsabstand der Heizelemente und daß die Hei ze lemente, die Leiterbahnen und die Transistoren der Treiberstufen einheitlich in Dünnschichttechnik auf das Substrat des Thermodruckkopfes aufgebracht werden. Durch die konsequente Anwendung der Dünnschichttechnik wird das Herstellungsverfahren vereinfacht. Durch die Ausführung der Treiberstufentransistoren in Dünnschichttechnik fällt die bisher notwendige Bondung weg. Durch die Maßnahme/ je zwei Heizelemente über eine Leiterbahn anzuschIießen, verringert sich die Zahl der erforderlichen Bondstellen zum Anschluß der Zwischenspeicher und Schieberegister in integrierter Technik gegenüber bekannten Ausführungen nochmals um etwa die Hälfte. Die Ausbildung der Heizelemente in Mäanderform gestattet eine Ver-Wendung von niederohmigen Widerstandsmaterialien, deren Widerstandswert aufgrund der geringeren Dotierung stabiler ist als der von hochohmigen Materialien. Durch dieabgleichbaren Vorwiderstände werden die in ihren Widerstandswerten streuenden Heizelemente auf eine gleiche Heizleistung eingestellt. Dadurch ist eine gleichmäßige Intensität der Aufzeichnung gewährleistet.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:

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Figur 1 das Schaltbild eines Thermodruckkopfes gemäß der Erfindung ,

Figur 2 die Schaltung der Figur 1 in einer praktischen Ausführung,

Figur 3 im Schnitt III-III den Schichtaufbau

eines Dünnschichttransistors nach Figur 2,

Figur 4 die vergrößerten Darstellung zweier Heizelemente in Mäanderform,

Figur 5 die Schaltung gemäß Figur 1 mit Vorwidei— ständen.

Figur 6 die Schaltung der Figur 5 in einer praktischen Ausführung,

Figur 7 die vergrößerte Darstellung einer praktischen Ausführung von zwei abgleichbaren Vorwiderständen in Keilform.

Figur 1 zeigt das Schaltbild eines Thermodruckkopfes in der Begrenzung auf einige von η in einer Reihe angeordneten Heizelementen HE,. bis HE₅, mit den ihnen zugeordneten

I ο

Treiberstufen. Diese stehen mit nicht dargestellten Zwichenspeiehern und Schieberegistern in Verbindung.

Die Heizelemente HE„ bis HE sind auf der einen Seite mit

Ί η

stromzuführenden Leiterbahnen l„ bis I und auf der ande-

Ί m

ren Seite mit stromabLeitenden Leiterbahnen I_ bis L„

I M

verbunden. Auf der Stromzuführungsseite sind außer dem

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ersten Heizelement HE₁ jeweils zwei benachbarte Heizelemente HE- und HE,, HE. und HE_C, HE, und HE-, bis HE _Λ und

C OH OO < Π" I

HE über eine Leiterbahn l_, I,, I bis I angeschlossen.

Γ1 £ «3 A Hl

Auf der Stromableitungsseite sind die Leiterbahnen L_, I-tt/· '•TTT/' Ι-τι/ bis I-M gegenüber den Leiterbahnen auf der Stromzuführungsseite, um ein Heizelement versetzt, ebenfalls mit je zwei benachbarten Heizelementen HE₁ und HE-/· HE, und

HE,, HE₁. und HE,, HE_ und HE- bis HE - und HE „ verbunden, ho οι ο x\-c n~1

Die Leiterbahnen l„ bis I sind mit ihrem anderen Ende über

ι m

Sammelschienen l_g mit dem neg ativen Pol -U einer Spannungsquelle verbunden, während die Leiterbahnen l_ bis l_M über eine Sammelschiene Ι_β mit dem positiven Pol +U der Spannungsquelle in Verbindung stehen. In jede Leiterbahn I. bis I und I- bis l_M ist je ein selbstsperrender Feldeffekttransistor (FET) T. bis T bzw. T₁. bis T_M eingeschleift.

ί m im

Auf der Stromzuführungsseite sind die Gate-Elektroden G

der FETs mit ungerader Ornungszahl T₁, T, bis T_m_<] mit einer ersten AnsteuerLeitung l_r1 und die Gate-Elektroden G der FETs mit gerader Ornungszahl T_?, T, bis T mit einer zweiten AnsteuerLeitung L-- verbunden. Dagegen sind auf der stromabLeitenden Seite die Gate-Elektroden G der FETs T_T bis T_M einzeln über Leitungen 1_- bis l__M ansteuerbar.

Die Treiberstufen der einzelnen Heizelemente HE₁ bis HE bestehen jeweils aus einem FET auf der Stromzuführungsseite und einem FET auf der Stromableitungsseite. Die.FETs gehören gleichzeitig zur Treiberstufe des links bzw. rechts benachbarten Heizelementes. Wie bereits erwähnt, erfolgt stromzuführungsseitig die Ansteuerung der FETs T₁ bis T gruppenweise über die Ansteuer Lei tungen 1_<. und Iq2" ^wa'h~

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rend die FETs T"_T bis T„ auf der st romabLei tenden Seite einzeln ansteuerbar sind. In Verbindung mit der um ein Heizelement versetzten Leiterbahnanordnung ist somit eine individuelle Ansteuerung jedes einzelnen Heizelementes HE möglieh.

Durch den Anschluß von je zwei Heizelementen HE,- bis HE über eine Leiterbahn l„ bis I bzw. L₁. bis l_M ist die Zahl

1 m im

der Leiterbahnen nur halb so groß/ wie die der Heizelemente. Dadurch können die Leiterbahnen so breit gemacht wei— den, daß die FETs. T₁ bis T und T bis T.. in Dünnschichttechnik im Bereich der Leiterbahnen L· bis I und l_T bis

ι m I

l„ angeordnet werden können, wie nachfolgend in Verbindung mit den Figuren 2 und 3 näher erläutert wird.

Figur 2 zeigt eine praktische Ausführung der vorbeschriebenen Schaltung in der Begrenzung auf den in Figur 1 dargestellten Schaltungsteil in Dünnschichttechnik. Figur 3 veranschaulicht den Schichtaufbau des FETs T_T der Figur 2 im Querschnitt III-III. Alle übrigen FETs sind in gleicher Weise aufgebaut. Der Träger ist ein elektrisch nicht leitendes Material, z.B. ein Keramiksubstrat Z, auf dem die gesamte Schaltung in einzelnen Schichten unter Hochvakuum aufgedampft ist. Die Heizelemente HE₁ bis HE haben je eine wirksame Länge von zwei Flächenquadraten. Unter Berücksichtigung der begrenzten Strombelastbarkeit von Dünnschicht-FETs müssen die Heizelemente HE,, bis HE einen

ι η

entsprechend hohen Widerstand haben. Dieser läßt sich z.B. durch die Verwendung von hochdotierten NiCr oder CrSi als Widerstandsmaterial erreichen.

Nach dem Aufdampfen der Heizelemente HE₁ bis HE werden die Ansteuer Lei tungen l_₄, l__o und l__T bis l__M in Form von

b I Kid al ui*l

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Leiterbahnen/ z.B. aus AL, auf das Substrat Z in Dünnschichttechnik aufgebracht. Im Bereich der Dünnschicht-FETs T,, bis T und T_T bis T_M biLden die Ansteuer Lei tungen die Gate-ELektroden G der Dünnschicht-FETs. Zur IsoLation gegenüber der jeweiLigen HaLbLeiterschicht HL und gegenüber den stromzuführenden und stromabLeitenden Leiterbahnen L. bis L und l_ bis L„ im Kreuzungs- bzw. Abdeckungsbereich sind die AnsteuerLeitungen voLLständig mit einer i so-Lierenden Oxidschicht OX, z.B. aus AL-O,/ versehen, wie Figur 3 im Schnitt zeigt. AnschLießend wird im Bereich der FETs die jeweilige HaLb Leiterschicht HL aufgebracht. Die nachfoLgend aufgedampften Leiterbahnen L₁ bis L und L₁ bis L„ sind durch überLappende Verbindung Leitend mit ihren jeweiLigen HeizeLementen HE verbunden. Die Leiterbahnen haben die Breite von zwei benachbarten Hei ze Lementen HE. Am anderen Ende gehen die Leiterbahnen L,, bis L und

τ m

L₁ bis L„ in gemeinsame Leiterbahnen L„ bzw. L.. über, die den SammeLschienen l„ und L der Figur 1 entsprechen.

Die Leiterbahnen L,, bis L und L_T bis L_M ,sind im Bereich

1 m I M der FETs T„ bis T bzw. T_T bis T_M stufenförmig unterbro-Im in

chen. Es entstehen dadurch gemäß Figur 2 jeweils zwei pai— aLLeL zueinander verlaufende Leiterstreifen, die beim FET T₁ mit L__s und L_ID bezeichnet sind. Das jeweilige Leiterstreifenpaar kontaktiert die zugehörige HaLb Leiterschicht HL in der in Figur 3 gezeigten Weise und bildet die Source- bzw. Drain-Elektrode des jeweiLigen FETs.

über die Ansteuer Lei tungen \-_ΓΛ, L__ und L__ bis l__M sind

Ql Gc GI GM

die Treiberstufen, wie eingangs erwähnt, mit den zugehörigen, nicht dargesteLLten Zwischenspeichern verbunden, die ihrerseits mit den vorerwähnten Schieberegistern in Vei— bindung stehen. Die Zwischenspeicher und die Schiebere-

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gister können in herkömmlicher Weise integrierte Bausteine sein, die auf dem Substrat Z befestigt sind und durch Bonden angeschlossen werden. Statt einer Hybridierung ist es aber auch möglich/ die Zwischenspeicher und die Schieberegister in der gleichen Weise wie die Treiberstufen in Dünnschichttechnik auszuführen.

Die gesamte Schaltung, zumindest aber der Bereich der Heizelemente HE. bis HE ist durch eine nicht dargestellte Schutzschicht gegen Oxidation abgedeckt. Die Schutzschicht ist insbesondere für Heizelemente aus einem hochdotierten Widerstandsmaterial wichtig, da bei diesen Materialen die Stabilität des Widerstandswertes nicht hoch ist. Es ist daher angebracht, für die Heizelemente HE ein möglichst gering dotiertes Widerstandsmaterial zu verwenden. Dieses ist aber entsprechend niederohmig. Um den vorgegebenen Widerstandswert zu erreichen, müssen die Heizelemente HE eine der erforderlichen Anzahl serieller Flächenquadrate entsprechende Länge haben. Die notwendige Länge läßt sich durch eine Mäanderform der Heizelemente HE_-, bis HE ei—

1 η

reichen. Eine Mäandrierung hat außerdem gegenüber der Flächenform den Vorteil einer besseren Wärmeverteilung. Letztere ist maßgebend für den Schwärzungsgrad der Aufzeichnung .

Handelsübliche zeilenbreite Thermodruckköpfe liefern ein Druckbild, das keine gleichmäßige Schwärzung hat. Die Ursache liegt in der Hauptsache in der Streuung der Widei— standswerte der einzelnen Heizelemente HE, die somit bei gleicher Versorgungsspannung unterschiedliche Endtemperaturen erreichen. Da die Endtemperatur eine Funktion der Heizleistung ist, muß dafür gesorgt werden, daß jedes Heizelement HE annähernd die gleiche Leistung aufnimmt.

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Dieses Läßt sich dadurch erreichen, daß jedem Heizelement HE ein abgLeichbarer Vorwiderstand zugeordnet ist.

Figur 5 zeigt in AbwandLung der Schaltung gemäß Figur 1 die HeizeLemente HE₁ bis HE„ in Reihenschaltung mit abgLeichbaren Vorwiderständen R₁ bis R„. Figur 6 zeigt die Schaltung der Figur 6 in einer praktischen Ausführung, bei der die als Flächenwiderstände ausgebildeten Vorwiderstände R. bis Ro in die Leiterbahnen I₁ bis l_y einbezogen sind. StromabLeitungsseitig sind die Heizelemente HE₁ bis HE. mit je einem schmalen Leiterstück I verbunden. Zwichen die beiden Leiterstücke I der anschLußmäßig einander zugeordneten Heizelemente HE₁ und HE_, HE- und HE,,

HE_C und HE,, HE-, und HE₀ ragt die als schmale Zunge I aus-JO(O y

gebildete Leiterbahn I₁ bis L ... Die jeweilige Zunge I steht mit den beiden zugehörigen Leiterstücken I über je

einen Schichtwiderstand von der Länge L in leitender Verbindung. Die Schichtwiderstände sind die Vorwiderstände R„ bis R₀. Ihr Widerstandswert beträgt im nicht abgegli-

I ο

chenen Zustand beispielsweise 5% des SolLwertes des Heizelementwiderstandes, um den LeistungsverLust in den Voi— widerständen gering zu halten. Dadurch ist auch die nicht zu vermeidende Streuung der Vorwiderstandswerte bezogen auf den Wert des jeweiligen Heizelementes vernachlässigbar gering.

Abgeglichen wird auf das Heizelement HE mit dem höchsten

Widerstand R dessen HeizLeistung sich bei einer vorge-HEo

gebenen Spannung U und unverändertem Vorwiderstand R aus ^PHEo^{= R}HEo^{X 1}O²

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ALLe übrigen HeizeLemente HE werden durch Vergrößern des jeweiLigen Vorwiderstandes R über LaserabgLeich so eingestellt, daß das Produkt R,. χ I 2 jeweils gleich der Heiz-Leistung '^=>υρ_ο''^st ■ &^er Abgleich der Vorwiderstände R kann während der elektrischen Messung erfolgen, da der Laser von der elektrischen Messung entkoppelt ist.

Die Abgleichkennlinie für Vorwiderstände R mit einer rechteckigen Fläche, wie in Figur 6 dargestellt/ hat keinen linearen Verlauf. Um eine zehnprozentige Abweichung eines Heizwiderstandes HE auszugleichen, müssen nahezu 50% der Widerstandsschicht des zugehörigen Vorwiderstandes R weggeschnitten werden. DiesesVerhäLtnis ist sehr ungünstig.

Figur 7 zeigt in vergrößerter Darstellung eine andere Ausführung von zwei in eine Leiterbahn I einbezogenen abgLeichbaren Vorwiderständen R. Während die Leiterstreifen L eine Form haben, die denen der Figur 6 entsprechen, hat die Zunge I eine Trapezform. Dadurch ist die Schicht der Vorwiderstände R oben breiter als unten. Bei einer im BreitenverhäLtnis von oben und unten optimal ausgelegten keilförmigen Widerstandsschicht ist der Verlauf der Abgleichkenn Li ni e annähernd Linear. Das bedeutet, daß nur etwa 15% der Länge L der Widerstandsschicht von der schmalen Seite her weggeschnitten werden müssen, um eine zehnprozentige Abweichung des Widerstandes R^^eines Heizelementes HE vom Basiswert R_u_ auszugleichen.

nt O

Die Maßnahme, die Heizelemente HE über Vorwiderstände R abgleichbar zu machen, ist nicht auf die Anwendung der Dünnschichttechnik beschränkt.

6 Blatt Zeichnungen

Claims

Standard Elektrik Lorenz 3Αοα632

Aktiengesei I schaft
Stuttgart

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Patentansprüche

1. Zeilenbreiter Thermodruckkopf mit einer Vielzahl von Heizelementen in Dünnschichttechnik, die über stromzuführende und stromableitende Leiterbahnen mit einer Treiberstufen enthaltenden Ansteuerschaltung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet/ daß die Heizelemente (HE₁ bis HE ), die stromzuführenden und die stromableitenden Leiterbahnen Cl₁ bis I und l_

ι m I

bis l„) und mindestens die Treiberstufen in Dünnschichttechnik ausgeführt und auf demselben Substrat (Z) aufgebracht sind.

2. Thermodruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der stromzuführenden und der stromab-Leitenden Leiterbahnen (I* bis I und l_T bis L_M) halb so groß ist wie die Anzahl der Heizelemente (HE₁ bis HE ), daß jede Leiterbahn (l„ bis L und l_T bis l_M) mit zwei

ImIM

Heizelementen verbunden ist und daß die stromab leitenden Leiterbahnen (I₁ bis L..) gegenüber den stromzuführenden

Leiterbahnen (L· bis I ) um ein Heizelement versetzt ange-Im

sch lossen si nd.

3. Thermodruckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (L· bis I und l_T bis l„)

ImIM

in ihrem Verlauf stufenförmig unterbrochen sind und im Unterbrechungsbereich (Leiterstreifen l_1s und I₁^ bzw.

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L_IS und L₁^) die Source- und Draiη-Elect roden (S und D) von FeLdeff ektt ransi stören (T^ bis T und T_T bis T„.) bi I-

i m I M.'

den, daß jeweils ein Feldeffekttransistor (T_-1 bis T )

auf der stromzuführenden Seite und ein Feldeffekttransis-

tor (T_T bis T_M) auf der stromableitenden Seite eine Trei-I M

berstufe bilden und daß im Bereich der stromzuführenden Leiterbahnen die Gate-Elektroden (G) der Feldeffekttransistoren (T.,, T bis T ^) mi.t ungerader Ordnungszahl ι 2 ' m— ι

mit einer ersten AnsteuerLeitung C L _G ^ > und die Gate-Elektroden (G) der Feldeffekttransistoren (T-,, T., bis T )

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mit gerader Ordnungszahl mit einer zweiten Ansteuerleitung (l_rp) verbunden sind.

4. Thermodruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (HE₁ bis HE ) Mäanderform haben.

5. Thermodruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Heizelement (HE₁ bis HE ) ein abgleichbarer Vorwiderstand (R₁ bis R ) zugeordnet ist, der in die jeweilige Leiterbahn (I₁ bis l_M) einbezogen ist.

6. Thermodruckkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Seite der Heizelemente (HE₁ bis HE )

Leiterstücke (I ) anschließen, daß in der Mitte zwischen χ

diesen Leiterstücken eine Zunge (I ) der zugehörigen Leiterbahn (l_T bis Ι«) angeordnet ist und daß zwischen den Leiterstücken (I ) und der Zunge (I ) die Vorwiderstände

χ y

(R) in Form von Schichtwiderständen angeordnet sind.

7. Thermodruckkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (I ) und/oder die Leiterstücke (L ) so

y χ

geformt sind, daß der Zwischenraum zwischen der Zunge und

den Leiterstücken keilförmig ist.

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