DE4413237A1 - Schreibeinrichtung zum gesteuerten Aufbringen von Ladungsträgern auf ein Substrat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schreibeinrichtung zum gesteuerten Aufbringen von Ladungsträgern auf ein Substrat, wobei eine Ladungsträgerquelle zur Erzeugung der Ladungsträger an einen ersten Pol und an einen zweiten Pol einer Spannungsquelle angeschlossen ist, wodurch ein Stromkreis ausgebildet wird, in dem sich eine Steuereinrichtung befindet, und mit einem dritten Pol der Spannungsquelle, der ein vorbestimmbares elektrisches Potential auf dem Substrat erzeugt, so daß dort durch entsprechendes Ansteuern der Steuereinrichtung die Ladungsträger aufbringbar sind.

Schreibeinrichtungen der eingangs genannten Art sind bekannt. Sie dienen dazu, in definierter Weise Ladungsträger auf ein Substrat aufbringen zu können, um beispielsweise an diese aufgebrachten Ladungsträger ein Farbmittel zu binden, das dann auf einen Bedruckstoff, beispielsweise auf Papier oder dergleichen, übertragen wird. Um ein möglichst hochwertiges Schreibergebnis zu erzielen, ist es erforderlich, das Farbmittel mit einer sehr hohen Auflösung pro Flächeneinheit auf den Bedruckstoff zu übertragen. Mithin ist eine möglichst hohe Integration der einzelnen Komponenten der Schreibeinrichtung erforderlich, die jedoch hinsichtlich der Isolationsabstände an Grenzen stößt. Überdies ist die elektronische Bauteile, insbesondere Halbleiter, aufweisende Schreibeinrichtung stets der Gefahr ausgesetzt, daß aufgrund hoher Potentialdifferenzen ungewollte Durchschläge auftreten, die zu einer Funktionsunfähigkeit führen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schreibeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Höchstintegration zuläßt und eine hohe Funktionssicherheit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuereinrichtung dem ersten oder dem zweiten Pol zugeordnet ist und sich etwa auf 0-Volt-Potential (0-V-Potential) befindet. Aufgrund dieser Ausgestaltung weisen die Komponenten der elektronischen Steuereinrichtung somit Potentiale auf, die im Bereich des 0-Volt-Potentials liegen, also etwa gegenüber der Umgebung ein gleiches Potential aufweisen, das üblicherweise als Masse-Potential bezeichnet wird. Das Wort "etwa" im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs verdeutlicht, daß die Aussage "0-Volt-Potential" nicht bedeuten kann, daß kein Spannungshub mehr für die Steuerfunktion zur Verfügung steht, sondern zeigt auf, daß die einzelnen Bauteile und Komponenten der Steuereinrichtung im Bereich dieses 0-Volt-Potentials liegen, beispielsweise im Bereich von 30 Volt, sofern eine derartige Steuerspannung zum Einsatz kommt. Insgesamt ist aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung somit sichergestellt, daß die einzelnen Baugruppen der Steuereinrichtung gegenüber dem sie umgebenden Masse-Potential nur einer geringen Spannungsdifferenz unterliegen, so daß sehr enge Abstände ausreichen, um dennoch eine hinreichende Spannungsfestigkeit sicherzustellen. Es ist somit eine Höchstintegration möglich, ohne daß Durch- bzw. Überschläge zu befürchten sind. Nicht nur die direkt der Steuerung der Ladungsträger dienenden Baugruppen, sondern auch dieser vorgeschaltete Elemente, beispielsweise Mikroprozessoren, mit denen die Ansteuerung der Schreibeinrichtung erfolgt, können sich aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung im Bereich des 0-Volt-Potentials befinden; sie unterliegen somit den gleichen bereits vorstehend erwähnten Vorteilen. Aufgrund der durch die Erfindung ermöglichten hohen Integration sind durch die kleinen Abstände sehr kurze Schaltzeiten möglich, das heißt, es läßt sich eine im wesentlichen verzögerungsfreie Ansteuerung durchführen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ladungsträgerquelle eine Ionenquelle ist. Dies hat den Vorteil, daß die für das Beschreiben verwendeten Ladungsträger Ionen sind, die eine - gegenüber Elektronen - wesentlich geringere Beweglichkeit aufweisen und daher am Ablagerungsort auf dem Substrat verharren.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der erste Pol eine Anode bildet. Insbesondere ist vorgesehen, daß der zweite Pol eine Katode bildet. Der dritte Pol ist vorzugsweise mit einem positiven Potential versehen, wobei dieses positive Potential jedoch wesentlich kleiner als das positive Potential der Anode ist.

Besonders bevorzugt ist, wenn die Steuereinrichtung zwischen der Katode und dem etwa 0-Volt-Potential liegt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Anode ein Potential von < + 200 Volt aufweist. Demgegenüber besitzt die Katode ein Potential von circa 0 Volt, das heißt, sie befindet sich auf dem elektrischen Potential der Steuereinrichtung. Mithin ist die Steuereinrichtung der Katode zugeordnet.

Der dritte Pol, der mit dem Substrat in Verbindung steht, weist vorzugsweise ein Potential von < 40 Volt auf.

Die Erfindung betrifft ferner eine Schreibeinrichtung zum gesteuerten Aufbringen von Ladungsträgern auf ein Substrat, wobei eine Landungsträgerquelle zur Erzeugung der Ladungsträger und eine Steuereinrichtung vorhanden ist, wobei die Ladungsträgerquelle auf eine Anodenspannung U zum Zünden der Ladungsträgerquelle mit dem Wert U_max gebracht wird, die größer als eine Spannung U_spitze an der Anode ist. Auf diese Art und Weise wird die Ladungsträgerquelle, die eine Plasmastrecke aufweist, gezündet. Anschließend wird dann für einen Stand-by-Betrieb (statischer Zustand) eine Spannung U_stat an der Anode angenommen, die kleiner als die Spannung U_spitze ist.

Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau der Schreibeinrichtung,

Fig. 2 ein Strom-Spannungsdiagramm einer Ladungsträgerquelle der Schreibeinrichtung,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild der Schreibeinrichtung und

Fig. 4 eine Selbstschutz-Einrichtung der Schaltung der Fig. 3.

Die Fig. 1 zeigt eine Schreibeinrichtung 1, die eine Ladungsträgerquelle 2 besitzt, die über einen Stromkreis 3 an eine nicht näher dargestellte Spannungsquelle 4 angeschlossen ist, die einen ersten Pol 5, einen zweiten Pol 6 und einen dritten Pol 7 aufweist. Der erste Pol 5 bildet eine Anode 8 und der zweite Pol 6 eine Katode 9.

Die Anordnung ist derart getroffen, daß beim Überschreiten einer zwischen Anode 8 und Katode 9 liegenden Zündspannung in der Ladungsträgerquelle 2 eine Plasmastrecke 10 gezündet wird, wodurch freie Ladungsträger, nämlich Ionen, erzeugt werden. Im Stand-by-Betrieb bildet sich im Stromkreis 3 ein Ruhestrom aus, der den Plasma-Stromfluß aufrecht erhält. Durch eine Steuereinrichtung (die in der Fig. 1 nicht dargestellt ist) lassen sich die Stromverhältnisse verschieben, wodurch Ionen in Richtung des Pfeiles 11 den Stromkreis 3 verlassen und auf ein Substrat 12 treffen, wodurch ein gezieltes Beschreiben des Substrats mit Ionen möglich ist. Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Ladungsträgerquellen 2 vorgesehen, die - eng beabstandet zueinander, das heißt, hoch integriert - dem Substrat 12 gegenüberliegen und jeweils mittels Ansteuerung Ionen auf der Oberfläche des Substrats 12 anlagern können. Das Substrat 12 ist als Dielektrikum aufgebaut, das mit einer leitenden Schicht versehen ist, die den Pol 7 bildet. Auf diese Art und Weise läßt sich durch entsprechende Ansteuerung ein Ladungsbild auf der Oberfläche des Substrats 12 erzeugen, das - in einem weiteren, in der Fig. 1 nicht dargestellten Verfahrensschritt - dann mit einem Farbmittel in Kontakt tritt, wodurch das Farbmittel entsprechend dem zu schreibenden Sujet gebunden und anschließend einem Bedruckstoff (zu. Beispiel Papier) zugeführt wird.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Anode 8 ein Potential von < + 200 Volt, insbesondere < + 300 Volt, auf. Die Katode 9 besitzt erfindungsgemäß ein Potential, das im 0-Volt-Potentialbereich und darüber liegt. Das Potential des Substrats 12, das über den dritten Pol 7 der Spannungsquelle 4 zugeführt wird, ist vorzugsweise < 40 Volt, insbesondere etwa 60 Volt, groß.

In der Fig. 2 ist - lediglich der Übersicht halber - ein Strom-Spannungsdiagramm der Plasmastrecke 10 der Ladungsträgerquelle 2 dargestellt. Es ist erkennbar, daß beim Steigern der Spannung U die Plasmastrecke zündet und sich dann unter Verringerung der nötigen Ruhespannung (um den Plasmastromfluß aufrecht zu erhalten) erheblich erniedrigt, wobei schon geringe Spannungsänderungen zu sehr großen Stromänderungen führen. Für den Betrieb der erfindungsgemäßen Schreibeinrichtung ist somit erforderlich, zunächst die einzelnen Plasmastrecken 10 zu zünden. Erst dann können mittels der zugehörigen Steuereinrichtungen Spannungssprünge im Stromkreis 3 erzeugt werden, die dazu führen, daß sich Ionen auf dem Substrat 12 ablagern.

Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Schreibeinrichtung 1. Es ist erkennbar, daß an die Anode 8 ein Spannungsimpuls 13 gelegt wird, der dazu dient, sämtliche Plasmastrecken 10 zu zünden. Ist die Zündung erfolgt, so befinden sich die Ladungsträgerquellen 2 im bereits vorstehend erwähnten Stand-by-Betrieb. Die Spannungsverhältnisse sind dabei so gewählt, daß keine Ionen auf das Substrat treffen. Vergleicht man den Spannungsimpuls 13 mit der Darstellung der Fig. 2, so wird deutlich, daß es für das Zünden der Plasmastrecken 10 erforderlich ist, zunächst an der Anode 8 die Spannung U_max aufzubringen, die größer als die Spannung U_spitze gemäß Fig. 2 ist. Ist dann die Zündung erfolgt, so liegt der statische Betrieb vor, der eine Spannung U_stat erfordert, die kleiner als die Spannung U_spitze ist. Die Spannung U_stat ist - gemäß Fig. 2 - größer als die etwa parallel zur I-Achse verlaufende Anodenspannung U_min (Fig. 2). Insgesamt ergibt sich durch diese Spannungsverhältnisse der Vorteil, daß in der Steuerstrecke der Steuereinrichtung 17 nur niedrige Spannungsabfälle auftreten, was für eine hohe Integrationsdichte der Schaltung wichtig ist.

Ein Schalter S dient als Ein-Ausschalter, das heißt, er wird für den Betrieb geschlossen. Jeder Ladungsträgerquelle 2 ist gegebenenfalls im Bereich der Anode 8 vorteilhaft ein Vorwiderstand Rv zugeordnet, der dazu dient, die einzelnen Plasmastrecken 10 annähernd identisch zueinander abzugleichen. Der Ruhestrom wird somit überall konstant eingestellt. An einen den Gegenpol zur Anode bildenden Anschluß 14 der Plasmastrecke 10, der die Katode 9 darstellt, ist ein elektrischer Leiter 15 angeschlossen der zu einer Endstufe 16 der bereits erwähnten Steuereinrichtung 17 führt, die ferner eine Logik 18 und einen Mikroprozessor 19 aufweist. Die Steuereinrichtung 17 besitzt eine Masseleitung 20, die das Bezugspotential der Elektronik bildet, das heißt, sie befindet sich hinsichtlich der Spannungsquelle 4 etwa auf 0-Volt-Potential. Zwischen dem Leiter 15 - und damit der Katode 9 - und der Masseleitung 20 ist ein elektronisches Steuerelement (nicht dargestellt), insbesondere ein Transistor oder dergleichen, geschaltet, wodurch das Potential des Leiters 15 und damit Katode 9 veränderbar, insbesondere auch bis auf das Potential der Masseleitung 20 "herunterziehbar" ist. Dieses Steuerelement kann auch ein steuerbarer Widerstand oder dergleichen sein. Diese Variationsmöglichkeit stellt die Steuermöglichkeit der Steuereinrichtung 17 dar. Durch entsprechende Potentialveränderung ist es - wie bereits vorstehend zur Fig. 1 erläutert - möglich, Ionen in Richtung des Pfeiles 11 auf das Substrat 12 aktiv zu übertragen.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß sich die Steuereinrichtung und damit die zugehörigen Vorteile, insbesondere auch die Elektronikbauteile der Logik 18 und auch des Mikroprozessors 19 in einem Potentialbereich befinden, der dem Massepotential entspricht, so daß die herrschenden Spannungen gegenüber dem Massebereich relativ niedrig, nämlich im Bereich von Steuerspannungen sind. Auf diese Art und Weise können Über- und Durchschläge vermieden werden und es läßt sich eine optimale Hoch-Integration der Bauteile realisieren. Kleinste Abstände sind möglich, wodurch extrem kurze Schaltzeiten erzielt werden können.

In der Fig. 4 ist ein Schaltungsausschnitt verdeutlicht, der einen Schalttransistor 21 aufweist, welcher zwischen der Leitung 15 und der Masseleitung 20 liegt und somit die Steuerfunktion ausführen kann. Seine Basis steht mit einer Zener-Diode 22 in Verbindung, die zum Kollektor des Schalttransistors 21 führt. Parallel zur Zener-Diode 22 liegt eine Kollektor-Emitter-Strecke eines weiteren Transistors 23, der als Treiber dient. Würde - aufgrund eines unzulässigen Betriebszustandes - dem Kollektor des Schalttransistors 21 eine zu große Spannung zugeführt werden, so kommt der Treiber-Transistor 23 in den Durchbruch und steuert in entsprechender Weise den Schalttransistor 21 an, so daß sich insgesamt ein Selbstschutz der Elektronik einstellt.

Claims (10)

1. Schreibeinrichtung zum gesteuerten Aufbringen von Ladungsträgern auf ein Substrat, wobei eine Ladungsträgerquelle zur Erzeugung der Ladungsträger an einen ersten Pol und an einen zweiten Pol einer Spannungsquelle angeschlossen ist, wodurch ein Stromkreis ausgebildet wird, in dem sich eine Steuereinrichtung befindet, und mit einem dritten Pol der Spannungsquelle, der ein vorbestimmbares elektrisches Potential auf dem Substrat erzeugt, so daß dort durch entsprechendes Ansteuern der Steuereinrichtung die Ladungsträger aufbringbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (17) dem ersten oder dem zweiten Pol (5, 6) zugeordnet ist und sich etwa auf 0-Volt-Potential befindet.

2. Schreibeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgerquelle (2) eine Ionenquelle ist.

3. Schreibeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Pol (5) eine Anode (8) bildet.

4. Schreibeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Pol (6) eine Katode (9) bildet.

5. Schreibeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Pol (7) ein positives Potential gegenüber dem Katodenpotential aufweist.

6. Schreibeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (17) zwischen der Katode (9) und dem etwa 0-Volt-Potential liegt.

7. Schreibeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (8) ein Potential von < + 200 Volt aufweist.

8. Schreibeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Katode (9) ein Potential von circa 0 Volt aufweist.

9. Schreibeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Pol (7) ein Potential von < + 40 Volt aufweist.

10. Schreibeinrichtung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenspannung (U) zum Zünden der Ladungsträgerquelle (2) auf eine Spannung U_max gebracht wird, die größer als eine Spannung U_spitze an der Anode (8) ist (Fig. 2) und daß dann für einen Stand-by-Betrieb (statischer Zustand) eine Spannung U_stat angenommen wird, die kleiner als U_spitze ist.