DE3941317A1 - Thermischer tintenstrahldruckkopf - Google Patents
Thermischer tintenstrahldruckkopfInfo
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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
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 (7)
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.
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