DE3941317A1

DE3941317A1 - Thermischer tintenstrahldruckkopf

Info

Publication number: DE3941317A1
Application number: DE3941317A
Authority: DE
Inventors: Alfred I Pan; Eric G Hanson
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1989-03-22
Filing date: 1989-12-14
Publication date: 1990-09-27
Also published as: JP2810759B2; DE3941317C2; US4965611A; JPH02279346A

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Tintenstrahl druckkopf mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Tin tenstrahldruckkopfes.

Die grundlegenden Verfahren zum Herstellen von koventio nellen thermischen Tintendruckköpfen sind den Fachleuten auf dem Gebiet des berührungslosen Druckens bekannt. Derzeit erhältliche thermische Tintendruckköpfe haben ein Feld von Heizelementen unterhalb von Kammern, welche je auf Öffnungen bzw. Düsen in einer Metallplatte oberhalb der Kammern ausgerichtet sind.

Innerhalb der Kammern befindliche Tinte wird schnell aufgeheizt und bildet überhitzte Blasen, die über die winzigen Öffnungen in der Platte in kontrollierten Explo sionsvorgängen der Tintenblasen ausgetrieben werden. Die feinen Tröpfchen, die durch jede Öffnung austreten, tref fen auf ein Blatt Papier auf, das unmittelbar vor der Metallplatte angeordnet ist. Komplexe Muster von Tinte, die durch den Druckkopf abgegeben wird, formen gedruckte Buchstaben und Zahlen auf dem Papier.

Herkömmliche thermische Tintendruckköpfe haben jedoch Passivierungsschichten, die sowohl auf die leitenden als auch auf die resistiven bzw. nichtleitenden Abschnitte des Druckkopfes aufgebracht werden. Diese Passivierungsschich ten sind normalerweise korrosionsbeständige dielektrische Schichten, welche gegen die Tinte abdichten und die Le bensdauer und die Zuverlässigkeit des Druckkopfes erhöhen.

Nachteile dieser Lösung bestehen sowohl in einer wesent lichen Verringerung des thermischen Wirkungsgrades als auch in einer Erhöhung der Herstellkosten des Endproduk tes. Die Entwicklung eines verhältnismäßig billigen Druck kopfes, der nicht den Nachteil des verminderten ther mischen Wirkungsgrades aufweist, würde einen wesentlichen technologischen Fortschritt auf dem Gebiet der Drucker für Computer bedeuten.

Um den thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen und die Her stellkosten konventioneller Druckköpfe zu vermindern, hat man versucht, die Passivierungsschichten zu vermeiden. Dazu wurde ein korrosionsbeständiges Edelmetall, wie Gold, anstatt Aluminium eingesetzt, das allgemein als leitender Werkstoff verwendet wird. Problematisch bei diesen Lösungsversuch ist, daß die ungeschützten leitenden Schichten durch die damit in Kontakt kommende Tinte ver schlechtert werden.

Die bei thermischen Tintendruckköpfen verwendeten Tinten haben die starke Tendenz, die leitende Schicht anzugrei fen, welche die oberste Schicht des Druckkopfes bildet. Wenn ein Druckkopf für eine verhältnismäßig kurze Zeit dauer der Tinte ausgesetzt wurde, beginnt die Tinte zu diffundieren und in die polykristalline Struktur der leitenden Goldschicht längs ihrer Korngrenzen einzudrin gen. Dieses Eindringen oder "Einwandern" greift die Ver bindungsstellen zwischen dem Gold und dem resistiven Werkstoff an und veranlaßt das Gold zum Trennen (Abblät tern) von der darunter befindlichen resistiven Schicht. Das Abblättern des Goldes von der Heizschicht verschlech tert die Leistung des Druckkopfes und zerstört ihn schließlich. Selbst bei Abwesenheit korrosiver Tinte kann Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft in das Gold eindringen und ähnliche Auflösungserscheinungen am Druckkopf hervor rufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ther mischen Tintenstrahldruckkopf der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so auszubilden, daß der ther mische Wirkungsgrad und die Lebensdauer bei geringen Herstellkosten erhöht sind.

Diese Aufgabe ist durch Anspruch 1 gelöst.

Bei der Erfindung sind Kaviationserscheinungen der resi stiven Schicht (Heizschicht) und ein Abblättern der lei tenden Schicht aus einem Edelmetall durch Feuchtigkeit der Umgebungsluft oder durch korrosive Tinten bei Druck köpfen ohne Passivierungsschichten vermieden. Dadurch wird in einfacher Weise und zu geringen Herstellkosten die Lebensdauer und die Verläßlichkeit eines thermischen Druckkopfes bei hohem thermischen Wirkungsgrad maßgeblich erhöht.

Konventionelle thermische Druckköpfe weisen ein Silizium- Substrat, eine Isolierschicht aus Siliziumdioxid auf dem Substrat, eine resistive Dünnschicht (Heizschicht) aus einer Tantal-Aluminium-Legierung (TaAl) auf der Silizium dioxid-Schicht, zwei getrennte leitende Zonen einer Gold schicht auf der resistiven Schicht und eine Passivier schicht auf der resistiven Schicht und den leitenden Zonen auf. Tinte wird durch Kapillarwirkung in einen Kanal gesaugt, der auf der Bodenseite durch die resistive Dünn schicht und auf der Kopfseite durch eine Düsenplatte mit den Austrittsöffnungen begrenzt ist. Wenn ein elektrisches Potential über das Paar leitende Zonen erzeugt wird, fließt ein Strom zwischen diesen durch die resistive Schicht. Die Tinte wird durch einen Widerstand erhitzt und in Form feiner Tröpfchen durch die Öffnungen der Düsenplatte ausgetrieben.

Die Erfindung gibt eine einfache Technik an, welche die dielektrischen Schichten vermeidet, ohne daß nachteilige Wirkungen aufgrund der Verschlechterung der leitenden Schichten durch korrodierende Tinte bewirkt werden. Die gemäß der Erfindung vorgesehene oberste Schicht aus einer amorphen Metallegierung, welche die Gold-Zonen überdeckt, hat beispielsweise eine Stärke von 10 nm (100 Å). Die amorphe Struktur dieser Schicht wirkt als Diffusionsbar riere gegen Wasser- und Tintenmoleküle, so daß ein Kontakt mit den leitenden Goldschicht-Zonen unterbunden ist.

So schafft die Erfindung einen thermischen Tintenstrahl druckkopf, der den Ingenieuren der Druckerindustrie wir kungsvollere, billigere und gleichzeitig verläßlichere Drucker zu konstruieren gestattet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Tintenstrahldruckkopfes nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 gegeben.

Ein Verfahren zum Herstellen eines thermischen Tinten strahldruckkopfes gemäß der Erfindung ist in Anspruch 7 angegeben.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeich nungen an einem Ausführungsbeispiel und im Vergleich zum Stand der Technik mit weiteren Einzelheiten näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem schematischen Teilquerschnitt einen thermischen Tintenstrahldruckkopf, der keine Passivierungsschichten aufweist;

Fig. 2 in einem schematischen Querschnitt einen Tinten strahldruckkopf gemäß der Erfindung; und

Fig. 3 ein Diagramm über Versuchsergebnisse, welche die dramatische Verlängerung der Lebensdauer eines Tintenstrahldruckkopfes mit einer amorphen Schicht gemäß der Erfindung zeigt, die als Diffusionsbar riere dient. In diesem Diagramm ist auf der Abs zisse die Zeitdauer aufgetragen, die ein Druckkopf zur Beschleunigung der Diffusions- und Korrosions- Mechanismen eingetaucht in einer auf 65°C erwärm ten Tinte verbracht hat (beschleunigte Alterungs- Zeitdauer, gemessen in Wochen), während auf der Ordinate die Anzahl der Heizzyklen bis zum Versa gen in Millionen Zyklen aufgetragen ist, wobei dieses Diagramm bei einer Lebensdaueruntersuchung eines Druckkopfes nach Vollendung der beschleunig ten jeweiligen Alterungszeitdauer aufgenommen wurde.

Der thermische Tintenstrahldruckkopf 20 gemäß der Erfin dung ist durch folgende Schritte hergestellt:

a) Bilden eines Substrates 12;
b) Aufbringen eines Isolierschicht 14 auf das Sub strat 12;
c) Ausbilden einer resistiven Dünnschicht 16 auf der Isolierschicht 14;
d) Schaffen einer leitenden Schicht 18 auf der resi stiven Schicht 16; und
e) Aufbringen einer korrosionsbeständigen, amorphen Metallegierungs-Schicht 22 auf der leitenden Schicht 18.

Fig. 1 zeigt einen kleinen Teilausschnitt eines nicht vorher passivierten thermischen Tintenstrahldruckkopfes 10. Ein Silizium-Substrat 12 bildet die Grundlage des Druckkopfes 10 und ist von einer Siliziumdioxid- Schicht 14 bedeckt. Diese Siliziumdioxid-Schicht 14 ist 1,7 µm stark und wirkt als Isolator.

Eine Dünnschicht 16 aus resistivem Werkstoff, wie einer Tantal-Aluminium-Legierung (TaAl), wird auf die Isolier schicht 14 aufgebracht. Die TaAl-Schicht ist normalerweise 200 nm (2000 Å) stark. Die oberste Schicht des Druckkopfes weist zwei getrennte Gold-Zonen 18 auf, die typisch 500 nm (5000 Å) stark sind. Eine wäßrige Tinte oder eine Tinte auf Wachsbasis wird in das Heizgebiet 19 oberhalb der resistiven Schicht 16 durch Kapillarwirkung aus einem Reservoir (nicht gezeigt) gesaugt.

Fig. 2 zeigt wie die Erfinder die Schwierigkeit von Haf tungsfehlern bei vorher nicht passivierten Druckköpfen in dem mehrlagigen Schichtaufbau von Dünnschichten vermie den haben. Gemäß der Erfindung ist eine dünne, beispiels weise 10 nm (100 Å) starke Schicht 22 aus einer Tantal- Aluminium-Legierung auf den Gold-Zonen 18 ausgebildet. Bei dem verbesserten Tintenstrahldruckkopf 20 nach der Erfin dung kann jegliche amorphe Metallegierung eingesetzt werden, welche eine Barriere oder Sperre gegen Tinte, Feuchtigkeit oder andere Verunreinigungen bietet, die sonst in die Gold-Zonen 18 eindiffundieren und Schäden am Druckkopf hervorrufen würden.

Wenngleich eine Tantal-Aluminium-Legierung bei der bevor zugten Ausführung der korrosionsbeständigen Schicht einge setzt ist, können Titan-Nitrid oder Titan-Wolfram mit gleichem Erfolg eingesetzt werden. Jegliche korrosionsbe ständige Substanz, die durch eine dichte Struktur ohne Korngrenzen gekennzeichnet ist, wäre für den gewünschten Zweck einsatzfähig. Tantal-Aluminium wird speziell deshalb bevorzugt, weil es gleichzeitig als resistive Schicht 16 dient. Diese Doppelfunktion vereinfacht die Herstellung und vermindert die Herstellkosten des Druckkopfes.

Die Funktion des Druckkopfes 20 ist im wesentlichen ähn lich derjenigen der bekannten thermischen Tintenstrahl druckköpfe. Wenn ein elektrisches Potential an dem Paar Gold-Zonen 18 angelegt wird, fließt Strom zwischen ihnen über die angrenzende resistive Schicht 16. Die Tinte wird aufgeheizt und in Form feiner Tröpfchen über eine Düsen platte mit den Öffnungen (nicht gezeigt) ausgetrieben, welche sich oberhalb des Gebietes 19 und zwischen den Gold-Zonen 18 befindet. Der neue Druckkopf 20 ist in bekannter Sputter-Technik hergestellt.

Das Diagramm nach Fig. 3 zeigt die dramatische Verlänge rung der nutzbaren Lebensdauer eines Druckkopfes mit einer TaAl-Legierungsschicht 22 im Vergleich zu einem vorher nicht passivierten Druckkopf. Längs der Abszisse und der Ordinate sind die oben in der Figurenkurzbeschrei bung angegebenen Größen aufgetragen.

Die durchgezogene Kurve 24 gemäß Fig. 3 verdeutlicht, daß die Gold-Zonen 18 eines herkömmlichen Druckkopfes 10, der acht Wochen lang in Tinte eingetaucht war, durch schnittlich nach ca. 100 000 Betriebs-Zyklen versagt. Die gestrichelte Kurve 26 verdeutlicht, daß ein ebenso in Tinte eingetauchter Druckkopf 20, der die neue Schutz schicht 22 aufweist, erfolgreich über eine Betriebsdauer von 10 Millionen Zyklen arbeitet, was eine Verlängerung der Lebensdauer um zwei Größenordnungen, d.h. um zwei Zehnerpotenzen, bedeutet.

Die Versuchsergebnisse wurden dadurch erhalten, daß die beiden unterschiedlichen Druckköpfe in Tinte einer Tempe ratur von 65°C eingetaucht wurden. Nach dem Eintauchen in die heiße Tinte wurde ein 3 KHz-Impuls-Eingang an die Druckköpfe mit auf Raumtemperatur befindlicher Tinte angelegt, was zu einem Ausstoß von 3000 Tintenblasen je Sekunde führte. Die Druckköpfe wurden ohne Düsenplatten oder Dickfilm-Barrieren betrieben, bis sie versagten. Der Betrieb ohne eine Düsenplatte oder eine Dickfilm-Barriere beschleunigt das Versagen der Druckköpfe, weil diese Betriebsweise die durch die Tintenblasen verursachte Beanspruchung erhöht, wenn die Blasen auf der resistiven Schicht kollabieren, welche die Tinte überhitzt hatte.

Die amorphe, eine Diffusionsbarriere bildende Schicht für thermische Tintenstrahldruckköpfe schafft ein billiges, hochverläßliches System, welches die Notwendigkeit von Passivierungsschichten vermeidet, Korrosion widersteht und eine lange Lebensdauer des Druckkopfes sicherstellt. Mit der Erfindung wird deshalb ein bedeutender Schritt vorwärts auf dem sich weiterentwickelnden Gebiet der Tintenstrahldrucker gemacht.

Bezugszeichenliste

10 bekannter thermischer Tintenstrahldruckkopf
12 Substrat
14 Isolierschicht
16 resistive Schicht
18 leitende Schicht
19 Aufheizkanal oder -zone der Tinte
20 thermischer Tintenstrahldruckkopf mit amorpher Metallegierungsschicht als Diffusionsbarriere
22 Diffusionsbarriere
24 Kurve der mittleren Lebensdauer eines bekannten Tintenstrahldruckkopfes ohne Diffusionsbarriere
26 Kurve der mittleren Lebensdauer eines Tintenstrahldruckkopfes mit Diffusionsbarriere

Claims

1. Thermischer Tintenstrahldruckkopf zum Austreiben von Tintentröpfchen aus einem beheizten Gebiet mit einem Substrat (12), einer Isolierschicht (14) auf dem Sub strat, einer resistiven Schicht (16), insbesondere einer Dünnschicht, auf der Isolierschicht (14) und einer leitenden Schicht (18) auf der resistiven Schicht (16), gekennzeichnet durch eine auf die leitende Schicht (18) aufgebrachte oberste Schicht (22) aus einer korrosionsbeständigen, amorphen Me tallegierung.

2. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Substrat (12) aus Silizium besteht.

3. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (14) aus Siliziumdioxid besteht.

4. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die resistive, als Heizschicht dienende Schicht (16) aus einer Tantal-Aluminium-Legierung besteht.

5. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (18) aus Gold besteht.

6. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Metallegierung (22) aus einer Tantal-Aluminium- Legierung besteht.

7. Verfahren zum Herstellen eines thermischen Tinten strahldruckkopfes zum Austreiben von Tintentröpfchen aus einem beheizten Gebiet, wobei ein Substrat geformt wird, eine Isolierschicht auf das Substrat aufgebracht wird, eine resistive Heizschicht als Dünnfilm auf die Isolierschicht aufgebracht wird und eine leitende Schicht auf die resistive Schicht aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus einer korrosionsbeständigen, amorphen Metallegierung auf die leitende Schicht aufgebracht wird.