DE60033214T2

DE60033214T2 - Substrat für flüssigkeitsausstossenden Kopf, flüssigkeitsausstossender Kopf, mit diesen Elementen bestückter flüssigkeitsausstossender Apparat, Herstellungsverfahren für den flüssigkeitsausstossenden Kopf und Antriebsverfahren für diesen

Info

Publication number: DE60033214T2
Application number: DE60033214T
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Ohta-ku Imanaka; Sadayuki Ohta-ku Sugama; Ichiro Ohta-ku Saito; Hiroyuki Ohta-ku Ishinaga; Akihiro Ohta-ku Yamanaka; Masahiko Ohta-ku Kubota
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2020-06-03
Also published as: EP1057641A2; EP1057641B1; US6688729B1; EP1057641A3; DE60033214D1; US20040036743A1; US6945633B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Fachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsausstoßkopf, der dazu bestimmt ist, auf der Erzeugung von Bläschen, die durch Zuführung von Wärmeenergie zu der Flüssigkeit auftritt, basierend eine gewünschte Flüssigkeit auszustoßen, ein dafür angewendetes Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat, ein Verfahren zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes, ein Verfahren zur Ansteuerung desselben und ein Flüssigkeitsausstoßgerät, das mit dem Flüssigkeitsausstoßkopf ausgestattet ist. Im Einzelnen betrifft die Erfindung einen Flüssigkeitsausstoßkopf mit einem Funktionselement, das aus einem ferroelektrischen Material hergestellt ist, ein dafür angewendetes Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat, ein Verfahren zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes, ein Verfahren zur Ansteuerung desselben und ein Flüssigkeitsausstoßgerät, das mit dem Flüssigkeitsausstoßkopf ausgestattet ist.
Die Erfindung kann auf Geräte wie z.B. Drucker, Kopiergeräte, Faksimilegeräte, die ein Datenübertragungssystem haben, Text(automaten)systeme, die einen Druckerabschnitt haben, o.dgl., die zur Durchführung einer Aufzeichnung auf einem Aufzeichnungsträger, der aus Papier, Fäden, Faserstoff, Tuch bzw. Gewebe, Metall, Kunststoff, Glas, Holz, Keramik o.dgl. hergestellt ist, dienen, und auch auf industrielle Flüssigkeitsausstoßgeräte, die zusammengesetzt mit verschiedenen Verarbeitungseinheiten kombiniert sind, angewendet werden.
Im Rahmen der Erfindung bedeutet der Ausdruck "Aufzeichnung" nicht nur, dass die Aufzeichnungsträger mit Bildern, die eine bestimmte Bedeutung haben, wie z.B. (Schrift)zeichen, Buchstaben, Zahlzeichen, Graphen bzw. Diagrammen o.dgl., versehen werden, sondern auch, dass sie mit Bildern wie z.B. Mustern o.dgl., die keine bestimmte Bedeutung haben, versehen werden.
Verwandter Stand der Technik
Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren, bei dem eine Bilderzeugung durchgeführt wird, indem einer Tinte Energie wie z.B. Wärmeenergie o.dgl. zugeführt wird, um eine Zustandsänderung zu bewirken, die von einer raschen Volumenänderung der Tinte (Erzeugung von Bläschen) begleitet ist, die Tinte durch eine Wirkkraft, die wegen der Zustandsänderung erzeugt wird, aus einer Ausstoßöffnung ausgestoßen wird und die Tinte dann auf einen Aufzeichnungsträger aufgebracht bzw. darauf abgeschieden wird, ist üblicherweise bekannt gewesen. Wie in Druckschriften wie z.B. der US-Patentschrift Nr. 4 723 129 offenbart ist, umfasst ein Aufzeichnungsgerät, bei dem so ein Aufzeichnungsverfahren angewendet wird, typischerweise eine Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Tinte, einen Tintendurchflussweg bzw. -kanal, der mit der Ausstoßöffnung in Verbindung steht, und einen elektrothermischen Wandler, der als Energieerzeugungseinrichtung zum Ausstoßen von Tinte in dem Tintendurchflussweg angeordnet ist. Das Aufzeichnungsgerät dieser Art ist in der Hinsicht, dass es möglich ist, mit hoher Geschwindigkeit und niedrigem Geräusch ein Bild von hoher Qualität aufzuzeichnen, dass es möglich ist, ein Aufzeichnungsgerät gedrungener Bauart mit hohem Auflösungsvermögen bereitzustellen, und in vielen anderen Hinsichten vorteilhaft. Die Anwendung solcher Aufzeichnungsgeräte hat deshalb in den letzten Jahren z.B. bei Büromaschinen wie z.B. Druckern, Kopiergeräten, Faksimilegeräten o.dgl. und sogar bei industriellen Systemen wie z.B. Textildruckmaschinen o.dgl. weite Verbreitung erlangt.
In der US-Patentschrift 5 550 988 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahl-Wandlers mit einer Perowskitdünnschicht beschrieben, der aus einem Siliciumwafer, der mit einer durch Oxidation erhaltenen Schicht als dielektrischer Schicht versehen ist, Elektroden, die auf der erwähnten Schicht gebildet sind, Schichten aus mit Perowskit-Keimteilchen behandeltem PZT-Material, die eine piezoelektrische Dünnschicht bilden, anderen Elektroden und Tintenkammern, die selektiv in das Siliciumsubstrat eingeätzt sind, aufgebaut ist. Das Wandlersubstrat ist zur Bildung eines Tintenstrahlkopfes mit einer Düsen- bzw. Öffnungsplatte ausgestattet.
1 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Aufzeichnungskopfes. Wie in 1 veranschaulicht ist, enthält der Flüssigkeitsausstoßkopf ein Elementsubstrat 1 mit einer Vielzahl von Heizelementen 2 (wobei in 1 nur eines gezeigt ist), die parallel zueinander angeordnet sind und dazu dienen, einer Flüssigkeit Wärmeenergie für die Erzeugung von Bläschen zuzuführen, eine Deckplatte 3, die oberhalb des Elementsubstrats 1 angefügt ist, und eine Düsen- bzw. Öffnungsplatte 4, die mit den Stirnseiten des Elementsubstrats 1 und der Deckplatte 3 verbunden ist. Die Deckplatte 3 hat Rillen, von denen jede in einer Lage gebildet ist, die einem von allen Heizelementen 2 entspricht. Durch Verbinden des Elementsubstrats 1 und der Deckplatte 3 werden Flüssigkeitsdurchflusswege 7 gebildet, die jeweils einem von allen Heizelementen 2 entsprechen.
Das Elementsubstrat 1 wird hergestellt, indem auf einem Substrat aus Silicium o.dgl. zur Isolation oder zur Wärmespeicherung eine Siliciumoxidschicht oder eine Siliciumnitridschicht gebildet wird und darauf Widerstandsschichten und Verdrahtungen, die die Heizelemente 2 bilden, strukturiert werden. Durch Anlegen einer Spannung von der Verdrahtung an die Widerstandsschicht und Zuführung eines Stromes zu der Widerstandsschicht wird bewirkt, dass das betreffende Heizelement 2 Wärme erzeugt. Auf der Verdrahtung und der Widerstandsschicht ist zum Schutz dieser Bereiche gegen Tinte eine Schutzschicht gebildet. Ferner ist auf der Schutzschicht zum Schutz gegen Kavitation, die durch das Verschwinden von Tintenbläschen verursacht wird, eine kavitationsbeständige Schicht gebildet.
Die Deckplatte 3 bildet eine Vielzahl von Flüssigkeitsdurchflusswegen 7 und eine gemeinsame Flüssigkeitskammer 8, die dazu dient, jedem Flüssigkeitsdurchflussweg 7 Flüssigkeit zuzuführen, und Seitenwände 9 der Durchflusswege sind derart angeordnet, dass sie sich mit der Deckplatte zusammenhängend vom Deckenbereich aus zwischen den Heizelementen 2 erstrecken. Die Deckplatte 3 wird aus einem Material auf Siliciumbasis hergestellt und kann gebildet werden, indem die Strukturen der Flüssigkeitsdurchflusswege 7 und der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8 durch Ätzen gebildet werden, auf dem Siliciumsubstrat durch ein weithin bekanntes Schichtbildungsverfahren wie z.B. ein CVD-Verfahren o.dgl. ein Material, das aus Siliciumnitrid, Siliciumoxid usw. ausgewählt ist, für die Seitenwände 9 der Durchflusswege abgeschieden bzw. aufgedampft wird und dann der Bereich der Flüssigkeitsdurchflusswege 7 geätzt wird.
Die Öffnungsplatte 4 hat eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen 5, die entsprechend den jeweiligen Flüssigkeitsdurchflusswegen 7 gebildet werden und jeweils über die Flüssigkeitsdurchflusswege 7 mit der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8 in Verbindung stehen. Auch die Öffnungsplatte 4 wird aus einem Material auf Siliciumbasis hergestellt und beispielsweise gebildet, indem das Siliciumsubstrat mit den Ausstoßöffnungen 5 bis zu einer im Bereich von 10 bis 150 μm eingestellten Dicke abgeschabt wird. Die Öffnungsplatte 4 ist nicht immer ein notwendiges Bauelement für die Erfindung. Anstelle der Öffnungsplatte 4 kann somit eine mit Ausstoßöffnungen versehene Deckplatte 3 bereitgestellt werden, indem an der Endfläche der Deckplatte 3 eine Wand, die der Dicke der Öffnungsplatte 4 äquivalent ist, belassen wird, wenn die Flüssigkeitsdurchflusswege 7 in der Deckplatte 3 gebildet werden, und die Ausstoßöffnungen in diesem Bereich gebildet werden.
Wenn auf der vorstehend erwähnten Anordnung basierend bewirkt wird, dass das Heizelement 2 Wärme erzeugt, wird der Flüssigkeit eines Bläschenerzeugungsbereichs 10, der dem Heizelement 2, das sich in dem Flüssigkeitsdurchflussweg 7 befindet, gegenüberliegt, Wärme zugeführt, und dadurch werden auf einem Filmsiedephänomen basierend an dem Heizelement 2 Bläschen erzeugt und vergrößert. Die Ausbreitung eines auf der Erzeugung von Bläschen basierenden Druckes und die Vergrößerung der Bläschen selbst werden zu der Seite der Ausstoßöffnung 5 geleitet, und aus den Ausstoßöffnungen 5 wird Flüssigkeit ausgestoßen.
Wenn die Bläschen andererseits in den Vorgang des Verschwindens eintreten, wird zum Ausgleich des verminderten Volumens der Bläschen in dem Bläschenerzeugungsbereich 10 und des Volumens der ausgestoßenen Flüssigkeit bewirkt, dass Flüssigkeit von der stromaufwärts gelegenen Seite, d.h., von der Seite der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8, einfließt, wodurch der Flüssigkeitsdurchflussweg 7 wieder gefüllt (aufgefüllt) wird.
Der beschriebene Flüssigkeitsausstoßkopf enthält außerdem eine Schaltung und ein Bauelement, die bereitgestellt werden, um das Heizelement 2 anzusteuern und diese Ansteuerung zu steuern. Die Schaltung und das Bauelement sind in aufgeteilter Weise auf dem Elementsubstrat 1 und der Deckplatte 3 angeordnet. Die Schaltung und das Bauelement können einfach und fein durch Anwendung eines Halbleiterwafer-Bearbeitungsverfahrens gebildet werden, weil das Elementsubstrat 1 und die Deckplatte 3 aus Siliciummaterialien hergestellt sind.
Bei dem in 2 gezeigten Aufzeichnungsgerät, bei dem der vorstehend erwähnte Kopf angewendet wird, sind ein Kopfwagen 1001, an dem der Flüssigkeitsausstoßkopf angebracht ist, und ein Druckerkörper 1002 über ein Kabel 1003 miteinander verbunden, und eine Aufzeichnung wird durchgeführt, indem der Kopfwagen 1001 in einer Unterabtastrichtung auf der Aufzeichnungsoberfläche eines Aufzeichnungsträgers bewegt wird. Im Fall so eines Aufbaus ist nicht zu vermeiden, dass eine Verdrahtung für die Zuführung eines Stromes zu dem elektrothermischen Wandler (Heizelement) des Flüssigkeitsausstoßkopfes länger wird. Wie vorstehend beschrieben wurde, tritt somit im Fall des Flüssigkeitsausstoßkopfes unter Anwendung einer Tintenstrahlaufzeichnung, bei der das Heizelement durch rasche bzw. steile Stromzuführung zu dem Heizelement angesteuert wird, das Problem auf, dass es wegen der Wechselwirkung der Verdrahtungsinduktivität leicht zur Erzeugung von Stromrauschen kommt. Außerdem fließt im Fall der Ansteuerung aller Düsen des Flüssigkeitsausstoßkopfes zwischen dem Kopf und dem Druckerkörper, d.h., zu dem Kabel 1003, sofort ein Strom von mehreren Ampere, was zum parallelen Durchgang eines logischen Signals durch das Kabel 1003 führt. Wegen in duktiver Kopplung tritt somit das Problem des Stromrauschens auf, das auf einem Signalleiter getragen wird. Solchen Stromrauschproblemen ist herkömmlicherweise dadurch begegnet worden, dass als Gegenmassnahme gegen Stromrauschen an dem Wagen oder einem Relaissubstrat ein Kondensator angebracht wurde.
Andererseits ist mit dem Fortschritt der hohen Aufzeichnungsdichte in den letzten Jahren die auf einmal ausgestoßene Tintenmenge immer stärker vermindert worden, und es sind Untersuchungen über verschiedene Mechanismen zur Durchführung eines stabilen und sehr genauen Flüssigkeitsausstoßes angestellt worden.
Ein typisches Gerät kann eines sein, das dazu bestimmt ist, in einem Flüssigkeitsausstoßkopf einen Temperaturfühler bereitzustellen und die Kopftemperatur dann entsprechend dem Messergebnis des Temperaturfühlers in einem vorgeschriebenen Bereich zu halten.
Ein anderes typisches Gerät kann eines sein, das dazu bestimmt ist, an einem Flüssigkeitsausstoßkopf einen leistungsunabhängigen Speicher anzubringen, in dem Speicher Kopfdaten in Bezug auf das Flüssigkeitsausstoßverhalten, den Kopfzustand usw. zu speichern und die Ansteuerung des Kopfes dann entsprechend solchen Daten zu steuern. In diesem Fall wird als Speicher zum Speichern der Kopfdaten ein EEPROM, ein Flash-Speicher o.dgl. angewendet.
Der elektrothermische Wandler, der zur Erzeugung von Energie zum Ausstoßen von Tinte bereitgestellt wird, kann durch Anwendung eines Halbleiterherstellungsverfahrens hergestellt werden. Der Aufzeichnungskopf der vorstehend erwähnten Art zum Ausstoßen von Tinte unter Anwendung des elektrothermischen Wandlers wird somit hergestellt, indem auf dem Elementsubstrat 1, das aus einem Siliciumsubstrat hergestellt wird, der elektrothermische Wandler gebildet wird und die Deckplatte, die aus einem Harz wie z.B. Polysulfon o.dgl. oder aus Glas hergestellt wird, mit dem Elementsubstrat 1 verbunden wird, wobei die Deckplatte Rillen für die Bildung von Tintendurchflusswegen hat.
Ein anderes verfügbares Gerät kann eines sein, das auf dem Elementsubstrat 1 zusätzlich zu dem elektrothermischen Wandler ein Ansteuerelement zum Ansteuern des elektrothermischen Wandlers, einen Temperaturfühler, der angewendet wird, wenn der elektrothermische Wandler entsprechend der Temperatur des Kopfes gesteuert wird, eine Ansteuerungsssteuereinheit dafür usw. enthält, die darauf basierend, dass das Elementsubstrat aus dem Siliciumsubstrat hergestellt wird, alle auf dem Elementsubstrat 1 angeordnet sind (Japanische Offengelegte Patentanmeldung Nr. 7-52387 o.dgl.). Der Kopf, der das Ansteuerelement, den Temperaturfühler, die Ansteuerungsssteuereinheit dafür usw. enthält, ist der praktischen Anwendung zugeführt worden, wodurch ein Beitrag zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Aufzeichnungskopfes und zur Miniaturisierung des Geräts geleistet wurde.
Die Stromrauschen beseitigende Wirkung des Kondensators ist in Richtung auf den Bereich (Heizelement), der Stromenergie verbraucht, höher. Wegen der hohen Kapazität, die der Kondensator benötigt, der als Gegenmaßnahme gegen Stromrauschen bereitgestellt wird, ist jedoch bisher ein großer Kondensator erforderlich gewesen. Infolgedessen musste im Allgemeinen ein Platz für den Einbau des Kondensators eingerichtet werden, und der als Gegenmaßnahme gegen Stromrauschen dienende Kondensator wurde in dem Wagen oder in dem Relaissubstrat bereitgestellt.
Zur wirksamen Beseitigung von Stromrauschen ist es notwendig, dass der Kondensator bei einem Bereich, der dem Heizelement näher ist, z.B. an dem Elementsubstrat für den Flüssigkeitsausstoßkopf, angeordnet wird. Im Einzelnen ist mit der höheren Geschwindigkeit des Flüssigkeitsausstoßkopfes und der höheren Aufzeichnungsdichte in den letzten Jahren die Strommenge (Strom für die Ansteuerung des Heizelements), die sofort zu dem Kopfsubstrat fließt, immer mehr vergrößert worden. In so einer Situation war es als Gegenmassnahme gegen Stromrauschen notwendig, eine hohe Kapazität des Kondensators einzustellen und den Kondensator in einem dem Heizelement näheren Bereich anzuordnen, jedoch sind keine spezifischen Lösungen verfügbar gewesen.
Andererseits sind als Folge der niedrigeren Kosten der Flüssigkeitsausstoßgeräte in den letzten Jahren die Bemühungen auch auf eine Senkung der Kosten für Flüssigkeitsausstoßköpfe ausgedehnt worden. Eine Kostensenkung ist jedoch schwierig gewesen, weil der vorstehend erwähnte EEPROM und der leistungsunabhängige Speicher wie z.B. ein Flash-Speicher als separate Bauteile auf dem Kopfsubstrat angeordnet werden.
Vor kurzem ist ein Versuch zur Steuerung der Ansteuerbedingungen für ein Flüssigkeitsausstoß-Heizelement durch Anordnung verschiedener Messfühler in dem Kopf und Rückführung der Messergebnisse davon in Echtzeit gemacht worden. In diesem Fall ist es jedoch wegen der häufigen Notwendigkeit des Schreibens/Lesens von Daten aus dem Speicher schwierig gewesen, die höhere Geschwindigkeit des Kopfes, die in den letzten Jahren erzielt wurde, durch den leistungsunabhängigen Speicher zu bewältigen.
Ferner wurde der vorstehend erwähnte in das Elementsubstrat eingebaute Temperaturfühler hauptsächlich zur Messung der Temperatur des Elementsubstrats bereitgestellt. Mit der höheren (Aufzeichnungs)dichte des Flüssigkeitsausstoßkopfes in den letzten Jahren ist jedoch die Wirkung des Zustandes der Tinte selbst wie z.B. der Temperatur, der Konzentration o.dgl. oder der Art der Tinte auf die Aufzeichnung größer gewesen als die Wirkung der Temperatur des Substrats. Die Messfühlerfunktion muss somit eine hohe Genauigkeit haben.
3 zeigt einen anderen Kopf, der einen anderen Aufbau hat als der vorstehend erwähnte Kopf. 3 zeigt im Einzelnen einen Schnitt der Kopfstruktur entlang einem Flüssigkeitsdurchflussweg. Dieser Kopf (nachstehend als Flüssigkeitsausstoßkopf oder als Aufzeichnungskopf bezeichnet) enthält ein Elementsubstrat 1 mit einer Vielzahl von parallel angeordneten Heizelementen 2 (von denen in 3 nur eines gezeigt ist) als Ausstoßenergieerzeugungselementen für die Zuführung von Wärmeenergie zur Erzeugung von Bläschen in der Flüssigkeit, eine Deckplatte 3, die oberhalb des Elementsubstrats 1 damit verbunden ist, eine Öffnungsplatte 4, die mit den Stirnseiten des Ele mentsubstrats 1 und der Deckplatte 3 verbunden ist, und ein bewegliches Teil.
Die Anordnung des Elementsubstrats 1, der Deckplatte 3, der Öffnungsplatte 4 usw. ist der in 1 gezeigten im Wesentlichen ähnlich, so dass ihre Beschreibung unterlassen wird.
Der Flüssigkeitsausstoßkopf, der in 3 gezeigt ist, ist mit einem auslegerbalkenförmigen beweglichen Teil 6 ausgestattet, das dem Heizelement 2 gegenüberliegend derart angeordnet ist, dass der Flüssigkeitsdurchflussweg 7 in einen ersten Flüssigkeitsdurchflussweg 7a, der mit der Ausstoßöffnung 5 in Verbindung steht, und einen zweiten Flüssigkeitsdurchflussweg 7b, der das vorstehend beschriebene Heizelement 2 hat, aufgeteilt werden kann. Das bewegliche Teil 6 ist eine Dünnschicht, die aus einem Material auf Siliciumbasis wie z.B. Siliciumnitrid, Siliciumoxid o.dgl. hergestellt ist.
Das bewegliche Teil 6 ist an einer dem Heizelement 2 gegenüberliegenden Stelle in einem vorgeschriebenen Abstand von dem Heizelement 2 entfernt derart angeordnet, dass es das Heizelement 2 bedeckt und dass eine Drehachse 6a an der stromaufwärts gelegenen Seite eines großen Flüssigkeitsstromes, der durch den Flüssigkeitsausstoßvorgang aus der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8 an dem beweglichen Teil 6 vorbei zu der Ausstoßöffnung 5 geleitet wird, angeordnet werden kann und ein freies Ende 6b an einer von der Drehachse 6a stromabwärts gelegenen Seite angeordnet ist. Der Bläschenerzeugungsbereich 10 wird zwischen dem Heizelement 2 und dem beweglichen Teil 6 gebildet.
Wenn das Heizelement 2 bei der vorstehend erwähnten Anordnung Wärme erzeugt, wird die Wärme dem Bläschenerzeugungsbereich 10 zwischen dem beweglichen Teil 6 und dem Heizelement 2 zugeführt. Dies hat zur Folge, dass auf dem Heizelement 2 wegen eines Filmsiedephänomens Bläschen erzeugt und vergrößert werden. Ein Druck, der im Anschluss an die Vergrößerung der Bläschen erzeugt wird, wird bevorzugt auf das bewegliche Teil 6 ausgeübt. Wie in 3 durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist, wird das bewegliche Teil 6 dann um die Drehachse 6a herum verlagert, so dass es sich zu der Seite der Ausstoßöffnung 5 weit öffnet. In Abhängigkeit von der Verlagerung des beweglichen Teils 6 oder von seinem Verlagerungszustand wird die Ausbreitung des Druckes oder die Vergrößerung der Bläschen selbst, die auf der Erzeugung der Bläschen basieren, zu der Seite der Ausstoßöffnung 5 geleitet, und die Flüssigkeit wird aus der Ausstoßöffnung 5 ausgestoßen.
Mit anderen Worten, weil das bewegliche Teil 6 derart angeordnet ist, dass es eine Drehachse 6a hat, die sich an der stromaufwärts gelegenen Seite (der Seite der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8) des Flüssigkeitsstromes in dem Flüssigkeitsdurchflussweg 7 befindet, und ein freies Ende 6b hat, das sich an der stromabwärts gelegenen Seite (der Seite der Ausstoßöffnung 5) befindet, wird die Druckausbreitungsrichtung der Bläschen stromabwärts geleitet, wodurch bewirkt wird, dass der Druck der Bläschen einen direkten und wirksamen Beitrag zu den Ausstoßvorgängen leistet. Außerdem wird die Vergrößerungsrichtung der Bläschen selbst wie im Fall der Druckausbreitungsrichtung stromabwärts geleitet, so dass sich die Bläschen an der stromabwärts gelegenen Seite stärker vergrößern als an der stromaufwärts gelegenen Seite. In dieser Weise ist es durch Anwendung des beweglichen Teils zur Steuerung der Vergrößerungsrichtung der Bläschen selbst und ihrer Druckausbreitungsrichtung möglich, grundlegende Ausstoßeigenschaften einschließlich Ausstoßwirkungsgrad, Ausstoßgeschwindigkeit usw. zu verbessern.
Wenn die Bläschen andererseits in den Vorgang des Verschwindens eintreten, verschwinden die Bläschen durch Wechselwirkung mit der elastischen Kraft des beweglichen Teils 6 schnell, und schließlich kehrt auch das bewegliche Teil 6 in seine Ausgangsstellung zurück, wie in 3 durch eine durchgezogene Linie gezeigt ist. In diesem Fall wird zum Ausgleich des verminderten Volumens der Bläschen in dem Bläschenerzeugungsbereich 10 und des Volumens der ausgestoßenen Flüssigkeit von der stromaufwärts gelegenen Seite, d.h., von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8, Flüssigkeit zugeführt, wodurch der Flüssigkeitsdurch flussweg 7 gefüllt wird (Auffüllen). Dieses Auffüllen von Flüssigkeit wird im Anschluss an die Rückkehrbewegung des beweglichen Teils 6 in einer wirksamen, rationellen und stabilen Weise durchgeführt.
Bei dem Flüssigkeitsausstoßkopf mit dem beschriebenen Aufbau war es jedoch unmöglich, das bewegliche Teil aktiv zu verlagern, obwohl eine Verlagerung davon als Folge der Vergrößerung und des Verschwindens der Bläschen auftrat. Infolgedessen hing die Verlagerungsgeschwindigkeit des beweglichen Teils von den Geschwindigkeiten ab, mit denen die Bläschen größer wurden und verschwanden, was zur Folge hatte, dass es unmöglich war, das bewegliche Teil mit einer über diese Geschwindigkeiten hinaus gehenden Geschwindigkeit zu verlagern. Es war somit unmöglich, das Ansprechvermögen des beweglichen Teils zu verbessern, und infolgedessen unmöglich, mit dem Flüssigkeitsausstoßkopf eine hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit zu erzielen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Flüssigkeitsausstoßkopf, der in ausreichendem Maße Stromrauschen beseitigen und Kosten verringern kann, ein dafür angewendetes Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat und ein Flüssigkeitsausstoßgerät, das mit dem Flüssigkeitsausstoßkopf ausgestattet ist, bereitzustellen.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen Flüssigkeitsausstoßkopf, der eine Speicherstruktur hat, mit der eine hohe Kopfgeschwindigkeit und niedrige Kosten erzielt werden können, ein dafür angewendetes Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat und ein Flüssigkeitsausstoßgerät, das mit dem Flüssigkeitsausstoßkopf ausgestattet ist, bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Flüssigkeitsausstoßkopf, der durch genaue Messung bzw. Ermittlung des Zustands einer auszustoßenden Flüssigkeit die Durchführung eines stabilen Ausstoßens erlaubt, ein dafür angewendetes Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat und ein Flüssigkeitsausstoßgerät, das mit dem Flüssigkeitsausstoßkopf ausgestattet ist, bereitzustellen.
Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, einen Flüssigkeitsausstoßkopf, mit dem das Ansprechvermögen eines beweglichen Teils, das in dem Aufzeichnungskopf angeordnet ist, verbessert und eine hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit erzielt werden kann, und ein Verfahren zur Ansteuerung des Flüssigkeitsausstoßkopfes bereitzustellen.
Zur Lösung der vorstehend erwähnten Aufgabe umfasst ein Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat der Erfindung, das für einen Flüssigkeitsausstoßkopf angewendet wird, der zum Ausstoßen von Flüssigkeit durch Zuführung von Ausstoßenergie zu der Flüssigkeit bestimmt und mit einem Halbleitersubstrat ausgestattet ist, das ein Energiewandlerelement zur Umwandlung von elektrischer Energie in die Ausstoßenergie enthält, ein Funktionselement, das aus einem ferroelektrischen Material hergestellt ist und in dem Halbleitersubstrat gebildet ist.
Ein Flüssigkeitsausstoßkopf der Erfindung umfasst ein erstes und ein zweites Substrat, die durch Verbindung miteinander eine Vielzahl von Flüssigkeitsdurchflusswegen (bzw. -kanälen) bilden, die jeweils mit der betreffenden einer Vielzahl von Ausstoßöffnungen zum Ausstoßen von Flüssigkeit verbunden sind, und ein Funktionselement, das aus einem ferroelektrischen Material hergestellt ist und das in dem ersten oder dem zweiten Substrat und alternativ in dem ersten und dem zweiten Substrat gebildet ist.
Bei dem Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat und bei dem Flüssigkeitsausstoßkopf sollte das Funktionselement vorzugsweise gebildet werden, indem mindestens eine erste Sperrschicht, eine Schicht aus ferroelektrischem Material und eine zweite Sperrschicht auf das Halbleitersubstrat geschichtet werden.
Wenn die Schicht aus ferroelektrischem Material in eine reduzierende Umgebung gebracht wird, besteht die Möglichkeit, dass die Schicht leicht reduziert wird, so dass sie ihre Haltbarkeit verliert, wodurch es unmöglich gemacht wird, dass sie für eine lange Zeit mit hoher Zuverlässigkeit funktionsfähig ist. Beispielsweise wird im Fall der Anwendung eines CVD-Verfahrens als Schichtbildungsverfahren zur Herstellung eines Aufzeichnungskopfes durch eine Atmosphäre mit Wasserstoffionen o.dgl., die erzeugt werden, wenn eine Schutzschicht (z.B. eine SiN-Schicht) für den Aufzeichnungskopf gebildet wird, eine reduzierende Umgebung eingestellt. Alternativ wird in einer Kontaktgrenzfläche zwischen Elektroden und der Schicht aus ferroelektrischem Material eine reduzierende Umgebung eingestellt, wenn die Schicht aus ferroelektrischem Material zwischen üblicherweise verwendeten Pt-Elektroden gehalten wird. Infolgedessen wird die Schicht aus ferroelektrischem Material leicht einer Reduktion unterzogen. Die vorstehend erwähnte Anordnung, bei der die Schicht aus ferroelektrischem Material zwischen Sperrschichten gehalten wird, ist somit eine bevorzugte Anordnung zur Verhinderung so einer reduzierenden Umgebung.
In diesem Fall sollten vorzugsweise die erste und die zweite Sperrschicht zur Bildung des Flüssigkeitsausstoßkopfes aus Oxid- und Nitridschichten, die eine gegen Wärmeerzeugung beständige Schicht in Form einer Wärme erzeugenden Widerstandsschicht und eine kavitationsbeständige Schicht enthalten, hergestellt werden.
Im Einzelnen umfasst die Herstellung einer Kopfstruktur, bei der ein zum Flüssigkeitsausstoß beitragendes Heizelement angewendet wird, den Schritt der Bildung der Wärme erzeugenden Widerstandsschicht durch Zerstäubung eines Heizelementmaterials aus TaSiN oder TaN. Der Schritt der Schichtbildung durch Zerstäubung erlaubt die Bildung der Sperrschichten für die Schicht aus ferroelektrischem Material während der Bildung der Wärme erzeugenden Widerstandsschicht oder der kavitationsbeständigen Schicht ohne die Einstellung von reduzierenden Umgebungen, weil im Unterschied zum Fall des CVD-Schichtbildungsschrittes keine Wasserstoffionen erzeugt werden, und ohne dass die Schicht aus ferroelektrischem Material einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt wird. Außerdem wird der Wärme erzeugenden Widerstands schicht und der kavitationsbeständigen Schicht eine ausreichende Haltbarkeit als Aufzeichnungskopfeigenschaft erteilt. Die Anwendung solcher Schichten als Sperrschichten für die Schicht aus ferroelektrischem Material wird somit hinsichtlich der Haltbarkeit wegen der stabilen Zusammensetzung bevorzugt.
Wenn die Sperrschichten der Schicht aus ferroelektrischem Material während der Bildung der Wärme erzeugenden Widerstandsschicht oder der kavitationsbeständigen Schicht gleichzeitig gebildet werden, kann die Zahl der Fertigungsschritte im Vergleich zu dem Fall der getrennten Bildung dieser Schichten vermindert werden und kann auch dieselbe Herstellungsvorrichtung angewendet werden. Durch die gemeinsame Anwendung der Herstellungsvorrichtung können somit die Fertigungskosten gesenkt werden. Mit anderen Worten, es ist möglich, dass die Sperrschichten der Schicht aus ferroelektrischem Material durch Anwendung desselben Verfahrens wie für die Wärme erzeugende Widerstandsschicht oder die kavitationsbeständige Schicht gebildet werden, und es ist auch möglich, dass die Wärme erzeugende Widerstandsschicht und das Material der kavitationsbeständigen Schicht direkt als Sperrschichten angewendet werden.
Nun werden Betrachtungen über die gemeinsame Anwendung der Herstellungsvorrichtung angestellt. In Fall der Bildung eines Heizwiderstandes durch Zerstäubung von TaSiN wird z.B. ein TaSiN-Target in einer N-Atmosphäre zerstäubt, jedoch kann durch Anwendung derselben Vorrichtung ein hochstabiles Si-Target hergestellt und in einer N-Atmosphäre zerstäubt werden, und eine dadurch gebildete Si-Schicht (eine Schicht, die keinen Wasserstoff enthält, der bei dem Schichtbildungsschritt erzeugt wurde) kann als Sperrschicht für die Schicht aus ferroelektrischem Material verwendet werden. Außerdem kann durch Anwendung der Zerstäubungsvorrichtung zur Bildung einer Heizelementschicht ein aus einem Metall wie z.B. Ti bestehendes Target hergestellt und in einer N-Atmosphäre zerstäubt werden, und eine dadurch gebildete TiN-Schicht kann als Sperrschicht für die Schicht aus ferroelektrischem Material verwendet werden. Durch Reaktion verschiedener Metalle mit Stickstoff und Sauerstoff kann eine sta bile Schicht gebildet werden. In dieser Weise ist es möglich, eine wirksame Sperrschicht zu bilden, indem die Schichtbildungsvorrichtung für den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf angewendet und nur das Target ausgetauscht wird. Eine stabile Schicht kann auch gebildet werden, ohne dass sie einer reduzierenden Umgebung von Wasserstoffionen o.dgl. ausgesetzt wird.
Zusätzlich zu der Bildung der Heizelementschicht kann die Sperrschicht auch gebildet werden, indem z.B. direkt ein für die kavitationsbeständige Schicht verwendetes Material wie Ta o.dgl. verwendet wird, wobei die Schichtbildungsvorrichtung für die kavitationsbeständige Schicht angewendet wird, und dann eine Zerstäubung in einer N-Atmosphäre durchgeführt wird. Das Schichtbildungsverfahren ist eine Zerstäubung, bei der im Unterschied zu dem CVD-Verfahren keine Wasserstoffionen erzeugt werden und bei der eine Sperrschicht gebildet wird, indem dasselbe stabile Material wie für die Schicht aus kavitationsbeständigem Material mit Stickstoff und Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird, ohne dass die Schicht aus ferroelektrischem Material einer reduzierenden Umgebung ausgesetzt wird. Auf diese Weise kann eine stabile Sperrschicht gebildet werden. Da das Target der Zerstäubungsvorrichtung dasselbe ist wie das Target für die kavitationsbeständige Schicht und die Sperrschicht unter Anwendung derselben Vorrichtung und in demselben Schritt gebildet werden kann, können eine hohe Massenproduktivität und eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens erzielt werden.
Zerstäubung wird auch für eine Schicht durchgeführt, die gebildet wird, um ein Hügelbildungsphänomen zu verhindern, das durch Wärme verursacht wird, die in einer Verdrahtungsschicht aus TiW, TaN oder Aluminium erzeugt wird, die als obere Schicht der Verdrahtungsschicht, die an der Unterseite der Heizelementschicht angeordnet ist, angewendet wird. Alternativ kann zur Bildung einer Sperrschicht für die Schicht aus ferroelektrischem Material eine Zerstäubung in einer Stickstoff- und Sauerstoffatmosphäre durchgeführt werden. Das Schichtbildungsverfahren ist eine Zerstäubung, bei der im Unterschied zu dem CVD-Verfahren keine Wasserstoffionen erzeugt werden und bei der eine Sperr schicht gebildet wird, indem dasselbe stabile Material wie für die Hügelverhinderungsschicht mit Stickstoff und Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird, ohne dass die Schicht aus ferroelektrischem Material einer reduzierenden Umgebung ausgesetzt wird. Auf diese Weise kann eine stabile Sperrschicht gebildet werden. Da das Target der Zerstäubungsvorrichtung dasselbe ist wie das Target für die Hügelverhinderungsschicht und die Sperrschicht unter Anwendung derselben Vorrichtung und in demselben Schritt gebildet werden kann, können eine hohe Massenproduktivität und eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens erzielt werden.
Im Fall eines Aufzeichnungskopfes, der derart aufgebaut ist, dass als Klebeschicht, die bereitgestellt wird, wenn eine Heizelementschicht aus HfB₂ o.dgl. hergestellt wird und die Haftung zwischen der Heizelementschicht und ihrer Schutzschicht aus SiN oder SiO verhältnismäßig schlecht ist, eine Metallschicht aus Ti o.dgl. gebildet wird, kann eine Sperrschicht gebildet werden, indem eine Metallschicht aus Ti o.dgl., die die Klebeschicht bildet, durch Zerstäubung in einer Sauerstoffatmosphäre für die Schicht aus ferroelektrischem Material gebildet wird. Das Schichtbildungsverfahren ist eine Zerstäubung, bei der im Unterschied zu dem CVD-Verfahren keine Wasserstoffionen erzeugt werden und bei der eine Sperrschicht gebildet wird, indem dasselbe stabile Material wie für die Klebeschicht mit Stickstoff oder Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird, ohne dass die Schicht aus ferroelektrischem Material einer reduzierenden Umgebung ausgesetzt wird. Auf diese Weise kann eine stabile Sperrschicht gebildet werden. Da das Target der Zerstäubungsvorrichtung dasselbe ist wie das Target für die Klebeschicht und die Sperrschicht unter Anwendung derselben Vorrichtung und in demselben Schritt gebildet werden kann, können eine hohe Massenproduktivität und eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens erzielt werden.
Für die erste und die zweite Sperrschicht sollte der Gehalt an Sauerstoff und Stickstoff in der Schichtdickenrichtung der Oxid- und der Nitridschicht, die die Heizwiderstandsschicht und die kavitationsbeständige Schicht enthalten, vorzugsweise der art eingestellt werden, dass er in Bereichen, die der Schicht aus ferroelektrischem Material näher sind, hoch ist. Außerdem kann der Gehalt an Sauerstoff und Stickstoff in der Schichtdickenrichtung der Sperrschichten kontinuierlich oder absatzweise verändert werden.
Das Funktionselement kann die Form eines Funktionselements annehmen, das aus einem Kondensator, einem leistungsunabhängigen Speicher, einem piezoelektrischen Element und einem beweglichen Teil ausgewählt ist.
Ein Flüssigkeitsausstoßgerät der Erfindung führt eine Aufzeichnung durch Anwendung des vorstehend erwähnten Flüssigkeitsausstoßkopfes zum Ausstoßen von Flüssigkeit auf einen Aufzeichnungsträger durch.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes bereitgestellt. In diesem Fall enthält der Flüssigkeitsausstoßkopf eine Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen, einen Flüssigkeitsdurchflussweg, der mit der Ausstoßöffnung in Verbindung steht, um der Ausstoßöffnung Flüssigkeit zuzuführen, ein Substrat mit einem Bläschenerzeugungselement zur Erzeugung von Bläschen in der den Flüssigkeitsdurchflussweg füllenden Flüssigkeit und ein bewegliches Teil, das an einer Stelle angeordnet ist, die dem Bläschenerzeugungselement des Substrats gegenüberliegt, wobei es mit dem Substrat einen Zwischenraum bildet und an dem Substrat derart gestützt und befestigt wird, dass seine der Ausstoßöffnung zugewandte Seite als freies Ende eingerichtet ist. Das freie Ende des beweglichen Teils wird durch einen Druck, der durch die Erzeugung der Bläschen erzeugt wird, in einer dem Substrat entgegengesetzten Richtung verlagert, und aus der Ausstoßöffnung werden Tröpfchen der Flüssigkeit ausgestoßen, indem der Druck zu der Ausstoßöffnung geleitet wird. Das bewegliche Teil enthält eine Dünnschicht, die aus einem ferroelektrischen Material hergestellt ist, und Elektroden, die sich an beiden Oberflächen der Dünnschicht befinden, und das freie Ende wird beim Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden zu dem Elementsubstrat verlagert oder alternativ in einer dem Elementsubstrat entgegengesetzten Richtung verlagert. Das Verfahren zur Ansteuerung dieses Flüssigkeitsausstoßkopfes umfasst den Schritt der Ansteuerung eines Heizelements und der Ansteuerung des beweglichen Teils, die unabhängig voneinander durchgeführt werden.
Da das ferroelektrische Material, mit dem das vorstehend erwähnte Funktionselement gebildet wird, eine hohe relative Dielektrizitätskonstante hat, kann ein Kondensator mit einer hohen Kapazität gebildet werden und kann der Einbauplatz für seine Bildung in dem Substrat verkleinert werden. Da das Funktionselement gemäß der Erfindung als Gegenmaßnahme gegen Stromrauschen direkt als Kondensator in dem Substrat des Kopfes gebildet wird, kann die Gegenmaßnahme gegen Stromrauschen für einen Bereich, der dem Heizelement näher ist, ergriffen werden. Avßerdem kann sein Einbauplatz verkleinert werden. Ferner kann wegen der hohen Kapazität das Problem des Stromrauschens, das auf die Zunahme der Stromstärke folgt, wie es vorstehend im Zusammenhang mit dem verwandten Stand der Technik beschrieben wurde, bewältigt werden.
Es ist bekannt, dass ein leistungsunabhängiger Speicher, der unter Verwendung eines ferroelektrischen Materials gebaut wird, im Vergleich zu dem herkömmlichen leistungsunabhängigen Speicher, für den ein EEPROM oder ein Flash-Speicher typisch ist, eine höhere Geschwindigkeit, einen niedrigeren Energieverbrauch und eine höhere Integration liefern kann. Gemäß der Erfindung kann wegen der Anwendung des leistungsunabhängigen Speichers, der unter Verwendung des ferroelektrischen Materials mit den vorstehend erwähnten Eigenschaften gebaut wird, durch Anordnung verschiedener Messfühler in dem Kopf und Rückführung der Messergebnisse der Messfühler in Echtzeit eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit zum Steuern der Kopfansteuerung, beispielsweise zum Steuern der Heizelement-Ansteuerbedingungen für den Flüssigkeitsausstoß, erzielt werden. Es ist somit möglich, mit der in jüngerer Zeit höheren Kopfgeschwindigkeit, wie sie vorstehend im Zusammenhang mit dem verwandten Stand der Technik beschrieben wurde, fertigzuwerden.
Das ferroelektrische Material kann wegen seiner piezoelektrischen Eigenschaften als piezoelektrisches Element angewendet werden. Durch die Erfindung wird eine Anordnung bereitgestellt, bei der die Änderung eines in der Flüssigkeit übertragenen Druckes unter Anwendung des aus dem ferroelektrischen Material hergestellten Funktionselements als piezoelektrisches Element ermittelt wird. Durch Anwendung des Ergebnisses so einer Ermittlung bzw. Messung ist somit die Durchführung einer feineren Kopfansteuerung möglich.
Andererseits kann das Auftreten einer Verlagerung durch Anlegen einer Spannung an das ferroelektrische Material ausgenutzt werden. Im Einzelnen kann die Verlagerung zum Ausstoßen von Tinte, zum Steuern des Meniskus der Ausstoßöffnung usw. angewendet werden. Zum Erleichtern einer Verlagerung kann ein bewegliches Teil bereitgestellt werden und kann das ferroelektrische Material darin bereitgestellt werden. Da diese Anordnung im Wesentlichen dieselbe ist wie die Anordnung bei der Durchführung einer Steuerung des Druckvorgangs durch Ermittlung des Drucks von Tinte, kann eine kombinierte Anordnung bereitgestellt werden. Zur Verstärkung der Verlagerung kann auch von einer Schichtstruktur Gebrauch gemacht werden.
Bei dem Flüssigkeitsausstoßkopf der Erfindung, der das aus dem ferroelektrischen Material hergestellte bewegliche Teil enthält, kann das bewegliche Teil unabhängig von einer durch den Druck von Bläschen verursachten Verlagerung aktiv verlagert werden. Da das Ansprechvermögen des beweglichen Teils verbessert werden kann, indem das bewegliche Teil vor der Erzeugung von Bläschen oder vor ihrem Verschwinden in einer vorgeschriebenen Richtung verlagert wird, kann somit durch den Flüssigkeitsausstoßkopf eine hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit erzielt werden.
Das ferroelektrische Material der Dünnschicht sollte vorzugsweise aus Pb-Zr_x-Ti_1–xO₃, (Pb, La)-(Zr, Ti)O₃, Sr-Bi₂-Ta₂O₉, SrTiO₃, BaTiO₃ und (Ba-Sr)TiO₃ ausgewählt werden.
Ferner kann der Verlagerungsbetrag des beweglichen Teils erhöht werden, indem auf einer Oberfläche von einer der zwei Elektroden eine Verlagerungshilfsschicht angeordnet wird, wobei die Verlagerungshilfsschicht aus einem Material hergestellt wird, das sogar in einem elektrischen Feld keine Verformung hervorruft.
Da das Funktionselement bei dem Verfahren zur Herstellung des Substrats (Elementsubstrat, Deckplatte) des Kopfes gleichzeitig gebildet werden kann, sind für die Bildung des Funktionselements keine besonderen Schichtbildungsvorrichtungen notwendig.
Von den vorstehend erwähnten Anordnungen der Erfindung ist im Fall einer Anordnung, bei der die erste und die zweite Sperrschicht für die Bildung des Funktionselements aus Oxid und Nitrid hergestellt werden und die kavitationsbeständige Schicht und die Heizwiderstandsschicht enthalten, bei dem Verfahren zur Herstellung des Substrats (Elementsubstrat, Deckplatte) des Kopfes ebenfalls die Anwendung der Schichten zulässig. Es ist somit möglich, die Zahl der Fertigungsschritte und die Kosten zu verringern.
Es sollte beachtet werden, dass die in dieser Beschreibung angewendeten Ausdrücke "stromaufwärts gelegene Seite" und "stromabwärts gelegene Seite" in Bezug auf die Richtung eines Flüssigkeitsstromes von der Flüssigkeitszuführungsquelle durch den Bläschenerzeugungsbereich (oder an dem beweglichen Teil vorbei) zu der Ausstoßöffnung angewendet werden. Alternativ bezeichnen diese Ausdrücke Richtungen bei der Anordnung so eines Aufbaus.
Außerdem werden gemäß dem Ansteuerungsverfahren der Erfindung das Heizelement und das bewegliche Teil unabhängig voneinander angesteuert.
Es ist infolgedessen möglich, das Ansprechvermögen des beweglichen Teils zu verbessern und eine hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit für den Flüssigkeitsausstoßkopf zu erzielen, indem das bewegliche Teil unabhängig aktiv angesteuert wird, so dass es vor der Erzeugung von Bläschen oder vor ihrem Verschwinden in einer vorgeschriebenen Richtung verlagert wird.
Vorzugsweise sollte vor der Ansteuerung des Heizelements das bewegliche Teil derart angesteuert werden, dass sein freies Ende in einer dem Elementsubstrat entgegengesetzten Richtung verlagert wird. Da sich in dieser Weise die Flüssigkeitsoberfläche der aus der Ausstoßöffnung herausragenden Flüssigkeit um eine bestimmte Strecke in den Flüssigkeitsdurchflussweg zurückzieht, kann die Flüssigkeitsausstoßmenge für jeden Flüssigkeitsausstoßvorgang stabilisiert werden. Da der Flüssigkeitsstrom zu der stromaufwärts gelegenen Seite abgeschnitten wird, so dass ein wirksames Strömen der Flüssigkeit zu der Ausstoßöffnung an der stromabwärts gelegenen Seite bewirkt wird, kann außerdem der Wirkungsgrad des Flüssigkeitsausstoßes aus der Ausstoßöffnung verbessert werden.
Bevor das Heizelement angesteuert wird, um ein Verschwinden der in der Flüssigkeit erzeugten Bläschen zu bewirken, wird ferner das bewegliche Teil derart angesteuert, dass sein freies Ende zu der Seite des Elementsubstrats verlagert wird. Da in dieser Weise für jeden Ausstoßvorgang dieselbe Flüssigkeitsmenge von der Seite der Ausstoßöffnung in den Flüssigkeitsdurchflussweg zurückgebracht wird, ist es möglich, das Nachlaufphänomen, das im Anschluss an den Flug von Flüssigkeitskörpern (Tröpfchen) in der Nähe der Ausstoßöffnung auftreten kann, oder das Phänomen des Fluges von kleinen Flüssigkeitströpfchen als Begleittröpfchen, die nach den Hauptflüssigkeitströpfchen auftreten können, zu verhindern. Außerdem kann ein Auffüllen der Flüssigkeit von der stromaufwärts gelegenen Seite her mit einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden.
Entsprechend der Aufgabe der Erfindung wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes bereitgestellt. In diesem Fall enthält der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf ein Flüssigkeitsausstoßenergie-Erzeugungselement und ein Funktionselement, das aus einem ferroelektrischen Material hergestellt ist. Das Ansteuerungsverfahren umfasst den Schritt der Bildung von Sperrschichten, die für das ferroelektrische Material aufzuschichten sind, wenn das Flüssigkeitsausstoßenergie-Erzeugungselement gebildet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittzeichnung, die einen Flüssigkeitsausstoßkopf eines bestimmten Typs zeigt.
2 ist eine Zeichnung, die schematisch den Aufbau eines "Bläschenstrahl"-(Bubble-Jet-)Aufzeichnungsgeräts zeigt.
3 ist eine Schnittzeichnung, die einen Flüssigkeitsausstoßkopf eines anderen Typs zeigt.
4 ist eine Schnittzeichnung, die schematisch den Aufbau eines aus einem ferroelektrischen Material hergestellten Funktionselements zeigt, das auf dem Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat der Erfindung gebildet wird.
5 ist eine Schnittzeichnung, die Hauptbereiche eines für einen Flüssigkeitsausstoßkopf verwendeten Elementsubstrats zeigt.
6 ist eine Ausschnittzeichnung eines Elementsubstrats 1, die schematisch einen Senkrechtschnitt von Hauptbauelementen des Elementsubstrats 1 zeigt.
7A und 7B sind Zeichnungen, die eine Schaltkreisstruktur des Flüssigkeitsausstoßkopfes veranschaulichen, wobei 7A eine Draufsicht des Elementsubstrats und 7B eine Draufsicht einer Deckplatte ist.
8A und 8B sind Zeichnungen, die den Aufbau von Schaltkreiselementen zeigen, die auf dem Elementsubstrat eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gebildet sind, wobei 8A eine Grundrisszeichnung jedes Schaltkreiselements für den Fall ist, dass das Elementsubstrat von einer oberen Ebene her betrachtet wird, und 8B eine Schnittzeichnung ist, die den Aufbau des Überlappungsbereichs einer Stromversorgungsschicht und einer Erdungsschicht zeigt.
9 ist eine Zeichnung, die schematisch eine Ersatzschaltung des in 8A und 8B gezeigten Elementsubstrats zeigt.
10 ist eine Zeichnung, die den Aufbau eines auf dem Elementsubstrat eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer anderen Ausführungsformn der Erfindung gebildeten Schaltkreiselements zeigt.
11A, 11B und 11C sind Zeichnungen, die jeweils den Zellenaufbau eines ferroelektrischen Speichers zeigen.
12A und 12B sind Zeichnungen, die jeweils ein Beispiel für den Aufbau eines Flüssigkeitsausstoßkopfes zeigen, an dessen Deckplattenseite ein FeRAM gebildet ist.
13 ist eine Schnittzeichnung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes entlang der Richtung eines Flüssigkeitsdurchflussweges gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
14A und 14B sind typische Schnittzeichnungen, die eine Düse zeigen, die mit einem beweglichen Teil, das einen Druckmessfühler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat, ausgestattet ist, wobei 14A einen Zustand des beweglichen Teils vor der Verlagerung zeigt und 14B einen auf eine Bläschenbildung folgenden Verlagerungszustand des beweglichen Teils zeigt.
15 ist eine Schnittzeichnung, die eine elektrische Verdrahtung für einen Druckmessfühler des in jedem Flüssigkeitsdurchflussweg angeordneten beweglichen Teils zeigt und in einer dem Elementsubstrat parallelen Richtung ausgeschnitten ist.
16A, 16B, 16C und 16D sind Zeichnungen, die Schritte eines Verfahrens zur Bildung eines beweglichen Teils mit einem Druckmessfühler auf dem Elementsubstrat veranschaulichen.
17A, 17B, 17C und 17D sind Zeichnungen, die Schritte eines Verfahrens zur Bildung eines beweglichen Teils mit einem Druckmessfühler auf dem Elementsubstrat veranschaulichen.
18 ist eine Zeichnung, die ein Beispiel für eine Schaltung zur Überwachung eines Ausgangssignals aus einem Druckmessfühler zeigt.
19 ist eine perspektivische Zeichnung, die ein anderes Beispiel für die Anordnung einer dreidimensionalen Struktur in dem Flüssigkeitsdurchflussweg zeigt.
20 ist eine Schnittzeichnung entlang der Richtung eines Flüssigkeitsdurchflussweges und veranschaulicht den grundlegenden Aufbau eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
21 ist eine perspektivische Ausschnittzeichnung, die einen Bereich des in 20 gezeigten Flüssigkeitsausstoßkopfes zeigt.
22 ist eine Draufsicht, die eine Flüssigkeitsausstoßkopfeinheit mit dem daran angebrachten Flüssigkeitsausstoßkopf von 20 zeigt.
23A, 23B, 23C, 23D, 23E, 23F und 23G sind Schnittzeichnungen entlang der Richtung eines Flüssigkeitsdurchflussweges und zeigen Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines beweglichen Teils bei dem in 20 gezeigten Flüssigkeitsausstoßkopf.
24 ist eine Zeichnung, die schematisch eine ECR-Plasma-CVD-Vorrichtung zeigt, die für ein anderes Verfahren zur Herstellung eines beweglichen Teils bei dem Flüssigkeitsausstoßkopf der Erfindung angewendet wird.
25A, 25B, 25C, 25D und 25E sind Schnittzeichnungen entlang der Richtung eines Flüssigkeitsdurchflussweges, die jeweils ein Ausstoßverfahren für den Flüssigkeitsausstoßkopf der Erfindung veranschaulichen.
26 ist ein Takt- bzw. Zeitablaufdiagramm von Signalen, die zum Verwirklichen des in 25A bis 25E gezeigten Ausstoßprinzips der Erfindung in einen Elektrodenabschnitt o.dgl., der in dem Heizelement oder dem beweglichen Teil bereitgestellt wird, eingegeben werden.
27A und 27B sind Zeichnungen, die jeweils eine Schaltkreisstruktur eines typischen Elementsubstrats oder einer Deckplatte zeigen, die zur Steuerung der Energie, die einem Heizelement entsprechend einem Messfühler-Ausgangssignal zugeführt wird, bereitgestellt wird.
28 ist eine perspektivische Zeichnung, die eine Flüssigkeitsausstoßkopfkassette mit dem daran angebrachten Flüssigkeitsausstoßkopf der Erfindung zeigt.
29 ist eine perspektivische Zeichnung, die schematisch den Aufbau eines Flüssigkeitsausstoßgeräts mit dem daran angebrachten Flüssigkeitsausstoßkopf der Erfindung zeigt.
30 ist eine Schnittzeichnung, die schematisch den Schichtaufbau eines Wärmezuführungsbereichs X und eines Kondensatorbereichs Y des Flüssigkeitsausstoßkopfes der Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Als Nächstes werden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
4 ist eine Schnittzeichnung, die schematisch den Aufbau eines aus einem ferroelektrischen Material hergestellten Funktionselements zeigt, das auf dem Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat der Erfindung gebildet wird. Dieses Funktionselement enthält Sperrschichten 33, die als Schutzschichten an der Oberseite und der Unterseite einer Schicht 32 aus ferroelektrischem Material, die aus Pb(Zr, Ti)O₃ (PZT: Bleizirkonattitanat) o.dgl. hergestellt ist, gebildet sind, und Elektroden (nicht gezeigt), die darauf an der Oberseite und der Unterseite gebildet sind, und bildet einen Kondensator, einen FeRAM, ein piezoelektrisches Element und/oder ein bewegliches Teil.
Die Anwendung des vorstehend erwähnten Funktionselements als Kondensator, der dafür bestimmt ist, Rauschen zu verhindern, ist als Gegenmaßnahme gegen Stromrauschen bei der Heizelementansteuerung besonders wirksam, weil das ferroelektrische Material eine hohe relative Dielektrizitätskonstante hat. In diesem Fall kann ein Kondensator mit einer Kapazität von mehreren μF gebildet werden. Ferner erlaubt die Anwendung des Funktionselements als FeRAM die Bildung eines Speichers, der mit einer hohen Kopfgeschwindigkeit, die vorstehend im Zusammenhang mit dem verwandten Stand der Technik beschrieben wurde, zurechtkommen kann, weil seine Aufzeichnungsgeschwindigkeit im Vergleich zu einem herkömmlichen leistungsunabhängigen Speicher, für den ein EEPROM oder ein Flash-Speicher typisch ist, viel schneller ist. Des weiteren erlaubt die Anwendung des Funktionselements als piezoelektrisches Element die Durchführung einer stabileren Ausstoßsteuerung, weil die Änderung eines in einer Flüssigkeit übertragenen Druckes ermittelt werden kann. Außerdem ermöglicht die Anwendung des Funktionselements als bewegliches Teil die Erzielung einer höheren Aufzeichnungsgeschwindigkeit, weil das Ansprechvermögen des beweglichen Teils auf einen Tintenausstoßvorgang verbessert werden kann.
Nun wird ein bestimmter Aufbau eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, der mit dem vorstehend erwähnten Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat ausgestattet ist, beschrieben.
Als Aufbau eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, der auf die Erfindung anwendbar ist, wird zuerst ein Flüssigkeitsausstoßkopf beschrieben, der eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen zum Ausstoßen von Flüssigkeit, ein erstes und ein zweites Substrat, die durch Verbindung miteinander eine Vielzahl von Flüssigkeitsdurchflusswegen bilden, die jeweils mit der betreffenden der Vielzahl von Ausstoßöffnungen verbunden sind, eine Vielzahl von Energiewandlerelementen, die in den betreffenden Flüssigkeitsdurch flusswegen angeordnet sind und zur Umwandlung von elektrischer Energie in Ausstoßenergie für die in den Flüssigkeitsdurchflusswegen enthaltene Flüssigkeit dienen, und eine Vielzahl von Bauelementen oder elektrischen Schaltungen mit verschiedenen Funktionen, die zur Steuerung der Ansteuerbedingungen für die Energiewandlerelemente bereitgestellt sind, umfasst. Die Bauelemente oder die elektrischen Schaltungen sind entsprechend ihren Funktionen auf das erste und das zweite Substrat verteilt.
1 zeigt den Grundaufbau eines Typs des auf die Erfindung anwendbaren Flüssigkeitsausstoßkopfes. Da 1 bereits beschrieben worden ist, werden Erläuterungen in dieser Hinsicht unterlassen.
Nun wird die Bildung eines Kopfelementsubstrats 1 beschrieben, die unter Anwendung eines Halbleiterwafer-Bearbeitungsverfahrens durchgeführt wird.
5 ist eine Schnittzeichnung, die Hauptbereiche eines für den in 1 gezeigten Flüssigkeitsausstoßkopf verwendeten Elementsubstrats zeigt. Wie in 5 gezeigt ist, sind bei dem Elementsubstrat 1 des Flüssigkeitsausstoßkopfes von diesem Typ auf der Oberfläche eines Siliciumsubstrats 301 eine durch thermische Oxidation erhaltene Oxidschicht 302 und eine Zwischenschicht 303, die auch als Wärmespeicherschicht dient, in dieser Reihenfolge aufgeschichtet. Als Zwischenschicht 303 wird eine SiO₂-Schicht oder eine SigN₄-Schicht angewendet. Auf einem Teil der Oberfläche der Zwischenschicht 303 ist eine Widerstandsschicht 304 gebildet, und auf einem Teil der Oberfläche der Widerstandsschicht 304 ist eine Verdrahtung 305 gebildet. Als Verdrahtung 305 wird eine Verdrahtung aus einer Al-Legierung wie z.B. Al, Al-Si oder Al-Cu angewendet. Auf den Oberflächen der Verdrahtung 305, der Widerstandsschicht 304 und der Zwischenschicht 303 ist eine Schutzschicht 306 gebildet, die aus einer SiO₂-Schicht oder einer Si₃N₄-Schicht hergestellt ist. In einem Bereich der Oberfläche der Schutzschicht 306, der der Widerstandsschicht 304 entspricht, und um diese herum ist eine kavitationsbeständige Schicht 307 gebildet, um die Schutzschicht 306 gegen chemische oder physikalische Einflüsse, von denen die Wärmeerzeugung in der Widerstandsschicht 304 begleitet ist, zu schützen. Der Bereich der Oberfläche der Widerstandsschicht 304, wo die Verdrahtungsschicht 305 nicht gebildet ist, ist ein Wärmezuführungsbereich 308, dem die Wärme von der Widerstandsschicht 304 zugeführt wird.
Die Schichten des Elementsubstrats 1 werden durch ein Halbleiterfertigungsverfahren der Reihe nach auf der Oberfläche des Siliciumsubstrats 301 gebildet, und das Siliciumsubstrat 301 wird mit dem Wärmezuführungsbereich 308 ausgestattet.
6 ist eine Ausschnittzeichnung des Elementsubstrats 1, die schematisch einen Senkrechtschnitt von Hauptbauelementen des in 5 gezeigten Elementsubstrats 1 zeigt.
Wie in 6 gezeigt ist, werden auf einem Teil der Oberflächenschicht des Siliciumsubstrats 301 als p-Leiter ein n-Muldenbereich 422 und ein p-Muldenbereich 423 bereitgestellt. Dann wird durch Anwendung der allgemeinen MOS-Technik zur Einführung oder Diffundierung von Störstellen wie z.B. durch Ionenimplantation in dem n-Muldenbereich 422 ein p-MOS 420 bereitgestellt und in dem p-Muldenbereich 423 ein n-MOS 421 bereitgestellt. Der p-MOS 420 enthält einen Quellen- und einen Senkenbereich 425 bzw. 426, die durch Einführung von n- oder p-Störstellen in einen Teil der Oberflächenschicht des n-Muldenbereichs 422 gebildet werden, und eine Torverdrahtung 435, die über eine Torisolatorschicht 428 mit einer Dicke von einigen hundert Å auf die Oberfläche des n-Muldenbereichs 422 mit Ausnahme der Bereiche des Quellen- und des Senkenbereichs 425 bzw. 426 aufgedampft worden ist. Der n-MOS 421 enthält einen Quellen- und einen Senkenbereich 425 bzw. 426, die durch Einführung von n- oder p-Störstellen in einen Teil der Oberflächenschicht des p-Muldenbereichs 423 gebildet werden, und eine Torverdrahtung 435, die über eine Torisolatorschicht 428 mit einer Dicke von einigen hundert Å auf die Oberfläche des p-Muldenbereichs 423 mit Ausnahme der Bereiche des Quellen- und des Senkenbereichs 425 bzw. 426 aufgedampft worden ist. Die Torverdrahtung 435 wird aus Polysilicium mit einer Dicke von 4000 bis 5000 Å hergestellt, das durch ein CVD-Verfahren aufgedampft wird. Aus dem p-MOS 420 und dem n-MOS 421 wird eine c-MOS-Logikschaltung gebildet.
In dem Bereich des p-Muldenbereichs 423, der sich von dem n-MOS 421 unterscheidet, ist ein n-MOS-Transistor 430 bereitgestellt, der zum Ansteuern eines elektrothermischen Wandlerelements angewendet wird. Der n-MOS-Transistor 430 enthält auch einen Quellen- und einen Senkenbereich 432 bzw. 431, die durch Einführung und Diffundierung von Störstellen auf einem Teil der Oberflächenschicht des p-Muldenbereichs 423 bereitgestellt werden, und eine Torverdrahtung 433, die über eine Torisolatorschicht 428 auf die Oberfläche des p-Muldenbereichs 423 mit Ausnahme der Bereiche des Quellen- und des Senkenbereichs 432 bzw. 431 aufgedampft worden ist.
Bei der beschriebenen Ausführungsform wird als Transistor zum Ansteuern des elektrothermischen Wandlerelements der n-MOS-Transistor 430 angewendet. Anstelle dieses Transistors 430 kann jeder Transistor angewendet werden, solange er eine Vielzahl von elektrothermischen Wandlerelementen einzeln ansteuern und einen Feinaufbau wie den vorstehend beschriebenen bereitstellen kann.
Zwischen den jeweiligen Bauelementen, z.B. zwischen dem p-MOS 420 und dem n-MOS 421 oder zwischen dem n-MOS 421 und dem n-MOS-Transistor 430, wird durch Feldoxidation ein Oxidationsschicht-Isolatorbereich 424 in einer Dicke von 5000 bis 10.000 Å gebildet. Alle Bauelemente werden durch den Oxidationsschicht-Isolatorbereich 424 voneinander getrennt. Der Bereich des Oxidationsschicht-Isolatorbereichs 424, der dem Wärmezuführungsbereich 308 entspricht, dient als Wärmespeicherschicht 434, die eine erste Schicht ist, wenn sie von der Oberflächenseite des Siliciumsubstrats 301 her betrachtet wird.
Auf den Oberflächen der Bauelemente, die den p-MOS 420, den n-MOS 421 und den n-MOS-Transistor 430 umfassen, wird durch ein CVD-Verfahren eine Zwischenisolatorschicht 436 gebildet, die aus einer PSG-Schicht oder einer BPSG-Schicht mit einer Dicke von etwa 7000 Å hergestellt wird. Nachdem die Zwischenisolatorschicht 436 durch eine Wärmebehandlung eingeebnet worden ist, wird über eine Kontaktöffnung, die durch die Zwischenisolatorschicht 436 und die Torisolatorschicht 428 hindurchdringt, durch eine Al-Elektrode 437, die als erste Verdrahtungsschicht anzuwenden ist, eine Verdrahtung aufgebracht. Auf den Oberflächen der Zwischenisolatorschicht 436 und der Al-Elektrode 437 wird durch ein CVD-Verfahren eine Zwischenisolatorschicht 438 gebildet, die aus einer SiO₂-Schicht mit einer Dicke von 10.000 bis 15.000 Å hergestellt wird. Auf den Bereichen der Oberfläche der Zwischenisolatorschicht 438, die dem Wärmezuführungsbereich 308 und dem n-MOS-Transistor 430 entsprechen, wird durch ein Gleichstrom-Zerstäubungsverfahren eine Widerstandsschicht 304 gebildet, die aus einer TaN_0,8[hex]-Schicht mit einer Dicke von etwa 1000 Å hergestellt wird. Diese Widerstandsschicht 304 wird über ein Durchkontaktloch, das in der Zwischenisolatorschicht 438 gebildet ist, mit der Al-Elektrode 437 in der Mähe des Senkenbereichs 431 elektrisch verbunden. An der Oberfläche der Widerstandsschicht 304 wird eine Al-Verdrahtung 305 gebildet, die als zweite Verdrahtungsschicht für die Verdrahtung jedes elektrothermischen Wandlerelements dient.
Die Schutzschicht 306 auf den Oberflächen der Verdrahtung 305, der Widerstandsschicht 304 und der Zwischenisolatorschicht 438 wird durch ein Plasma-CVD-Verfahren aus einer Si₃N₄-Schicht mit einer Dicke von 10.000 Å hergestellt. Die kavitationsbeständige Schicht 307, die auf der Oberfläche der Schutzschicht 306 gebildet wird, wird durch ein Zerstäubungsverfahren unter Verwendung eines Ta-Targets o.dgl. in Form einer Schicht aus Ta o.dgl. mit einer Dicke von etwa 2500 Å hergestellt.
Als Nächstes wird die Anordnung der Verteilung von Schaltungen oder Bauelementen auf das Elementsubstrat 1 und die Deckplatte 3 beschrieben.
7A und 7B sind Zeichnungen, die die Schaltkreisstruktur des Flüssigkeitsausstoßkopfes veranschaulichen, wobei im Einzelnen 7A eine Draufsicht des Elementsubstrats ist und 7B eine Draufsicht der Deckplatte ist, die jeweils gegenüberliegende Oberflächen zeigen.
Wie in 7A gezeigt ist, enthält das Elementsubstrat 1 eine Vielzahl von parallel angeordneten Heizelementen 2, ein Ansteuerelement 11 zum Ansteuern der Heizelemente 2 entsprechend Bilddaten, einen Bilddatenübertragungsabschnitt 12 zur Ausgabe der eingegebenen Bilddaten an das Ansteuerelement 11 und einen Messfühler 13 zur Ermittlung des Zustandes einer charakteristischen Flüssigkeit, der notwendig ist, um die Ansteuerbedingungen der Heizelemente 2 zu steuern. In dem Kopf der Ausführungsform ist für jeden Flüssigkeitsdurchflussweg 7, der dem betreffenden Heizelement 2 entspricht, ein Messfühler 13 bereitgestellt, un für jeden Flüssigkeitsdurchflussweg 7 einen Zustand oder eine Eigenschaft einer Flüssigkeit zu ermitteln.
Der Bilddatenübertragungsabschnitt 12 enthält ein Schieberegister zur Ausgabe von Bilddaten, die in Serie in die jeweiligen Ansteuerelemente 11 eingegeben werden, und eine Zwischenspeicherschaltung zur Zwischenspeicherung von Daten, die aus dem Schieberegister ausgegeben werden. Der Bilddatenübertragungsabschnitt 12 kann dafür bestimmt sein, Bilddaten auszugeben, die den einzelnen Heizelementen 2 entsprechen, oder Bilddaten auszugeben, die Blockeinheiten entsprechen, indem die Anordnung der Heizelemente 2 in eine Vielzahl von Blöcken eingeteilt wird. Im Einzelnen kann leicht eine höhere Druckgeschwindigkeit erzielt werden, indem für einen Kopf eine Vielzahl von Schieberegistern bereitgestellt wird und von dem Aufzeichnungsgerät übertragene Daten verteilt und in die Vielzahl von Schieberegistern eingegeben werden.
Wie in 7B gezeigt ist, enthält die Deckplatte 3 andererseits zusätzlich zu Rillen 3a und 3b für die Bildung der Flüssigkeitsdurchflusswege und der gemeinsamen Flüssigkeitskammer, wie sie vorstehend beschrieben wurden, einen Messfühleransteue rungsabschnitt 17 zum Ansteuern des Messfühlers 13, der sich in dem Elementsubstrat 1 befindet, und eine Heizelementsteuereinheit 16 zur Steuerung der Ansteuerbedingungen der Heizelemente 2 anhand eines Messergebnisses aus dem Messfühler, der durch den Messfühleransteuerungsabschnitt 17 angesteuert wird. In der Deckplatte 3 ist eine Zuführungsöffnung 3c, die mit der gemeinsamen Flüssigkeitskammer in Verbindung steht, geöffnet, um der gemeinsamen Flüssigkeitskammer von außen Flüssigkeit zuzuführen.
In den gegenüberliegenden Bereichen der miteinander verbundenen Oberflächen des Elementsubstrats 1 und der Deckplatte 3 sind Verbindungskontaktstellen 14 und 18 zur elektrischen Verbindung der Schaltungen o.dgl., die in dem Elementsubstrat 1 gebildet sind, mit den Schaltungen o.dgl., die in der Deckplatte 3 gebildet sind, vorhanden. Das Elementsubstrat 1 enthält auch eine Außenkontaktstelle 15, die als Eingangsanschluss für ein elektrisches Signal von außen bereitgestellt wird. Das Elementsubstrat 1 ist größer als die Deckplatte 3, und die Außenkontaktstelle 15 ist derart angeordnet, dass sie nicht durch die Deckplatte 3 bedeckt wird, wenn das Elementsubstrat 1 und die Deckplatte 3 miteinander verbunden werden.
Wenn das Elementsubstrat 1 und die Deckplatte 3, die jeweils in der vorstehend erwähnten Weise aufgebaut sind, in der richtigen Lage ausgerichtet und miteinander verbunden werden, ist jedes Heizelement 2 entsprechend dem betreffenden Flüssigkeitsdurchflussweg angeordnet, und die Schaltungen o.dgl., die in dem Elementsubstrat 1 und der Deckplatte 3 gebildet sind, werden über die Verbindungsstellen 14 und 18 miteinander elektrisch verbunden. Für diese elektrische Verbindung steht eine Methode zur Verfügung, bei der auf den Verbindungsstellen 14 und 18 Goldbondhügel angeordnet werden, jedoch können auch alle anderen Methoden angewendet werden. In dieser Weise kann durch elektrische Verbindung des Elementsubstrats 1 mit der Deckplatte 3 über die Verbindungsstellen 14 und 18 gleichzeitig eine elektrische Verbindung der Schaltungen durchgeführt werden, wenn das Elementsubstrat 1 und die Deckplatte 3 miteinander verbunden werden. Nach der Verbindung des Elementsubstrats 1 und der Deckplatte 3 wird die Öffnungsplatte 4 am Ende der Flüssigkeitsdurchflusswege 7 befestigt, und dann wird der Flüssigkeitsausstoßkopf fertiggestellt.
Als Nächstes werden Merkmale der Erfindung beschrieben, und zwar im Einzelnen Beispiele für die Herstellung des Kondensators als Gegenmaßnahme gegen Stromrauschen, des leistungsunabhängigen Speichers, des piezoelektrischen Elements und des beweglichen Teils, die jeweils aus ferroelektrischen Materialien wie z.B. PZT gebildet werden.
<Beispiel für einen aus ferroelektrischem Material hergestellten Kondensator>
8A und 8B sind Zeichnungen, die den Aufbau eines Schaltkreiselements zeigen, das auf dem Elementsubstrat eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gebildet ist, wobei 8A eine Grundrisszeichnung jedes Schaltkreiselements für den Fall ist, dass das Elementsubstrat von einer oberen Ebene her betrachtet wird, und 8B eine Schnittzeichnung ist, die den Aufbau des Überlappungsbereichs einer Stromversorgungsschicht und einer Erdungsschicht zeigt.
Wie in 8A gezeigt ist, enthält das Elementsubstrat 1 eine Reihe von Heizelementen 2', in der eine Vielzahl von Heizelementen 2 (nicht gezeigt) angeordnet sind, ein Ansteuerelement 11 zum Ansteuern dieser Heizelemente und eine Stromversorgungsschicht 30 und eine Erdungssschicht (GND-Schicht) 31, die mit den vorstehend erwähnten Schaltkreiselementen verbunden sind.
Wie in 8B gezeigt ist, ist in dem Überlappungsbereich 34 der Stromversorgungsschicht 30 und der GND-Schicht 31 dazwischen eine Schicht aus ferroelektrischem Material 32 gebildet, wodurch der Kondensator gebildet wird. In den Grenzflächen der Schicht aus ferroelektrischem Material 32 mit der Stromversorgungsschicht 30 und der GND-Schicht 31 sind jeweils Sperrschichten 33 gebildet. Ein Grund für die Bereitstellung der Sperrschichten 33 ist wie folgt.
Das ferroelektrische Material wird bei seiner Reaktion mit Wasserstoff reduziert, was zu einer auffälligen Verschlechterung seiner ferroelektrischen Eigenschaften führt. So eine reduzierende Atmosphäre wird während der Bildung einer Zwischenisolatorschicht oder einer Schutzschicht nach der Bildung der Schicht aus ferroelektrischem Material leicht erzeugt. Bei der Bildung des Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrats wird vom Standpunkt der Massenproduktivität und des Schutzes vor Tinte als Zwischenisolatorschicht oder als Schutzschicht im Allgemeinen eine SiN-Schicht angewendet, zu deren Bildung ein Plasma-CVD-Verfahren angewendet wird, das in einer reduzierenden Atmosphäre, die SiH₄ (Silan) oder NH₃ (Ammoniak) enthält, durchgeführt wird. In diesem Fall wird ein Wasserstoffplasma erzeugt, und gleichzeitig wird in die Schicht leicht Wasserstoff aufgenommen, der eine Verschlechterung der ferroelektrischen Eigenschaften bewirkt. Die Sperrschichten 33 werden gebildet, um so eine Situation zu verhindern.
9 zeigt schematisch eine Ersatzschaltung des in der vorstehend erwähnten Weise aufgebauten Elementsubstrats. Wie aus 9 ersichtlich ist, ist zwischen eine Heizelement-Versorgungsleitung und eine GND-Leitung ein Kondensator 34' eingefügt, der in dem vorstehend erwähnten Überlappungsbereich 34 gebildet worden ist. Dieser Kondensator 34' kann wegen der Verwendung der Schicht aus ferroelektrischem Material in einem eingeschränkten Raum eine hohe Kapazität haben. Bei dieser Anordnung kann der Kondensator 34' in einem Bereich gebildet werden, der dem Heizelement näher ist, und Stromrauschen bei Ansteuerung des Heizelements kann durch den Kondensator 34' zufriedenstellend beseitigt werden.
Wie vorstehend beschrieben wurde, hat das Elementsubstrat 1 einen in 5 und 6 gezeigten Aufbau, und jedes Schaltkreiselement wird durch Anwendung der Halbleiterbearbeitung gebildet. Bei diesem Herstellungsverfahren kann der Kondensator 34' gleichzeitig in den Elementsubstrat 1 gebildet werden, wodurch die Kosten stark gesenkt werden. Ferner kann in diesem Fall die Sperrschicht 33, die als Schutzschicht für die Schicht aus ferro elektrischem Material 32, die den Kondensator 34' bildet, dient, aus einer Oxidschicht oder einer Nitridschicht gebildet werden und enthält die kavitationsbeständige Schicht 307 und die Widerstandsschicht 304, die bereitgestellt werden, um die Schutzschicht 306 gegen chemische und physikalische Einflüsse, die der Wärmeerzeugung durch die Widerstandsschicht 304 folgen, zu schützen, wie in 6 gezeigt ist. Infolgedessen können die Kosten stärker gesenkt werden. Mit anderen Worten, zur Verhinderung einer Verschlechterung der ferroelektrischen Eigenschaften kann das Verfahren zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrats angewendet werden, wodurch eine Zunahme der Zahl der Fertigungsschritte verhindert wird und Kosten gesenkt werden.
Der vorstehend erwähnte Punkt wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlicher beschrieben. 30 ist eine Schnittzeichnung, die schematisch den Schichtaufbau eines Wärmezuführungsbereichs X und eines Kondensatorbereichs Y zeigt. Wie in 30 gezeigt ist, enthält der Wärmezuführungsbereich X der Reihe nach von der unteren Seite ausgehend eine untere Verdrahtungsschicht 601, eine Hügelverhinderungsschicht 602 zur Verhinderung von Hügeln der Verdrahtungsschicht, eine Zwischenschicht 603, eine Heizwiderstandsschicht 604 und eine obere Verdrahtungsschicht 605, die auf das Substrat aufgeschichtet sind. Andererseits enthält der Kondensatorbereich Y der Reihe nach von der unteren Seite ausgehend eine untere Verdrahtungsschicht 601, eine darauf gebildete Hügelverhinderungsschicht 602 zur Verhinderung von Hügeln der Verdrahtungsschicht in dem Wärmezuführungsbereich, wobei die Schicht 602 auch als Sperrschicht 602a zum Schutz der Verdrahtungsschicht der auf ihrer Oberfläche gebildeten ferroelektrischen Schicht gebildet wird, eine ferroelektrische Schicht 606, die auf ihrer Oberfläche angeordnet ist, eine darauf in dem Wärmezuführungsbereich gebildete Heizwiderstandsschicht 604, wobei die Schicht 604 auch als Sperrschicht 604a zum Schutz der darunterliegenden ferroelektrischen Schicht 606 gebildet wird, und eine darauf gebildete obere Verdrahtungsschicht 605, die auf das Substrat aufgeschichtet sind. Tatsächlich werden darauf ferner eine Schutz schicht, eine kavitationsbeständige Schicht und andere Schichten gebildet. Diese Bereiche sind jedoch in 30 weggelassen, weil der Hauptzweck hier die Erläuterung der gleichzeitigen Bildung des Wärmezuführungsbereichs und des Kondensatorbereichs in demselben Schritt ist.
Die Schichten, die einander in dem Wärmezuführungsbereich und dem Kondensatorbereich entsprechen, werden gleichzeitig in demselben Schritt gebildet. Im Einzelnen wird die untere Verdrahtungsschicht gebildet, damit auf dem Substrat der Wärmezuführungsbereich gebildet wird. Die Hügelverhinderungsschicht wird darauf gebildet, um Hügel der Verdrahtungsschicht zu verhindern. Dann wird die Zwischenschicht gebildet, und in einem Teil für die Bildung des Kondensatorbereichs wird die Schicht aus ferroelektrischem Material gebildet. Anschließend wird die Heizwiderstandsschicht gebildet und wird die obere Verdrahtungsschicht gebildet. Zu dieser Zeit wirkt die Hügelverhinderungsschicht des Wärmezuführungsbereichs als Sperrschicht für den unteren Teil der Schicht aus ferroelektrischem Material und wirkt die Heizwiderstandsschicht als Sperrschicht für ihren oberen Teil. Infolgedessen können die Schichten für die Bildung des Wärmezuführungsbereichs des Aufzeichnungskopfes und insbesondere die Hügelverhinderungsschicht und die Heizwiderstandsschicht direkt als Sperrschichten für die Verdrahtungsschichten der Schicht aus ferroelektrischem Material angewendet werden. In dieser Weise können die Sperrschichten des Kondensatorbereichs durch direkte Anwendung des Schrittes zur Herstellung des Wärmezuführungsbereichs gebildet werden.
Wegen der Hochtemperaturbehandlung, die für die Bildung der ferroelektrischen Schicht notwendig ist, sollte als Material der Verdrahtungsschicht vorzugsweise ein Material mit hohem Schmelzpunkt, z.B. ein Metall wie Cu, Cu-Si, Pt, Ir, Ni oder Au oder ein Oxid wie IrO₂ oder RuO₂, verwendet werden. Im Einzelnen sollte im Fall einer Schichtbildung, die gleichzeitig mit der Bildung einer Schicht für den Wärmezuführungsbereich nach der Bildung des Halbleiterbauelements durchgeführt wird, zur Verhinderung einer Beschädigung der Verdrahtungsschicht, die durch eine hohe Temperatur verursacht wird, vorzugsweise ein Material mit hohem Schmelzpunkt verwendet werden. Außerdem wird das Vorhandensein der Sperrschichten, die bereitgestellt werden, um eine Reduktion und somit eine Verschlechterung der ferroelektrischen Schicht, die durch ihren direkten Kontakt mit den Verdrahtungsschichten verursacht wird, zu verhindern, wirksamer und ist die Ausführung gemäß der Erfindung, d.h., ihre gleichzeitige Bildung mit der Herstellung des Wärmezuführungsbereichs, mehr vorzuziehen.
Bei der Kopfstruktur, bei der das Heizelement als Ansteuerelement, das zum Flüssigkeitsausstoß beiträgt, angewendet wird, wird die Heizwiderstandsschicht gebildet, indem ein Heizelementmaterial wie z.B. TaSiN oder TaN zur Schichtbildung einer Zerstäubung unterzogen wird. Der Schritt dieser Schichtbildung durch Zerstäubung erlaubt die Bildung einer Sperrschicht für die Schicht aus ferroelektrischem Material, ohne dass Wasserstoffionen, die eine reduzierende Umgebung herbeiführen, erzeugt werden und ohne dass die Schicht aus ferroelektrischem Material während der Bildung der Heizwiderstandsschicht und der kavitationsbeständigen Schicht einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt wird. Außerdem haben die Heizwiderstandsschicht und die kavitationsbeständige Schicht hinsichtlich der Aufzeichnungskopfeigenschaften eine ausreichende Haltbarkeit. Die Verwendung solcher Schichten als Sperrschicht für die Schicht aus ferroelektrischem Material ist somit wegen der stabilen Zusammensetzung und der Haltbarkeit vorzuziehen.
Die Bildung der Sperrschicht, die gleichzeitig mit der Bildung der Heizwiderstandsschicht und der kavitationsbeständigen Schicht durchgeführt wird, erlaubt eine stärkere Verminderung der Zahl der Fertigungsschritte als die separate Bildung der einzelnen Schichten und die Anwendung derselben Herstellungsvorrichtung. Infolgedessen ist durch gemeinsame Anwendung derselben Herstellungsvorrichtung eine Senkung der Kosten der Vorrichtung möglich. Mit anderen Worten, die Sperrschicht für die Schicht aus ferroelektrischem Material kann durch dasselbe Verfahren gebildet werden wie die Heizwiderstandsschicht und die kavitations beständige Schicht, und die Heizwiderstandsschicht und die kavitationsbeständige Schicht können direkt als Sperrschichten angewendet werden.
Nun werden Betrachtungen über die gemeinsame Anwendung der Herstellungsvorrichtung angestellt. In Fall der Bildung eines Heizwiderstandes durch Zerstäubung von TaSiN wird z.B. ein TaSi-Target in einer N-Atmosphäre zerstäubt, jedoch kann durch Anwendung derselben Vorrichtung ein hochstabiles Si-Target hergestellt und in einer N-Atmosphäre zerstäubt werden, und eine dadurch gebildete Si-Schicht (eine Schicht, die keinen Wasserstoff enthält, der bei dem Schichtbildungsschritt erzeugt wurde) kann als Sperrschicht für die Schicht aus ferroelektrischem Material verwendet werden. Außerdem kann durch Anwendung der Zerstäubungsvorrichtung zur Bildung einer Heizelementschicht ein aus einem Metall wie z.B. Ti bestehendes Target hergestellt und in einer N-Atmosphäre zerstäubt werden, und eine dadurch gebildete TiN-Schicht kann als Sperrschicht für die Schicht aus ferroelektrischem Material verwendet werden. Durch Reaktion verschiedener Metalle mit Stickstoff und Sauerstoff kann eine stabile Schicht gebildet werden. In dieser Weise ist es möglich, eine wirksame Sperrschicht zu bilden, indem die Schichtbildungsvorrichtung für den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf angewendet und nur das Target ausgetauscht wird. Eine stabile Schicht kann auch gebildet werden, ohne dass sie einer reduzierenden Umgebung von Wasserstoffionen o.dgl. ausgesetzt wird.
Zusätzlich zu der Bildung der Heizelementschicht kann die Sperrschicht auch gebildet werden, indem z.B. direkt ein für die kavitationsbeständige Schicht verwendetes Material wie Ta o.dgl. verwendet wird, wobei die Schichtbildungsvorrichtung für die kavitationsbeständige Schicht angewendet wird, und dann eine Zerstäubung in einer N-Atmosphäre durchgeführt wird. Das Schichtbildungsverfahren ist eine Zerstäubung, bei der im Unterschied zu dem CVD-Verfahren keine Wasserstoffionen erzeugt werden und bei der eine Sperrschicht gebildet wird, indem dasselbe stabile Material wie für die Schicht aus kavitationsbeständigem Material mit Stickstoff und Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird, ohne dass die Schicht aus ferroelektrischem Material einer reduzierenden Umgebung ausgesetzt wird. Auf diese Weise kann eine stabile Sperrschicht gebildet werden. Da das Target der Zerstäubungsvorrichtung dasselbe ist wie das Target für die kavitationsbeständige Schicht und die Sperrschicht unter Anwendung derselben Vorrichtung und in demselben Schritt gebildet werden kann, können eine hohe Massenproduktivität und eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens erzielt werden.
Zerstäubung wird auch für eine Schicht durchgeführt, die gebildet wird, um ein Hügelbildungsphänomen zu verhindern, das durch Wärme verursacht wird, die in einer Verdrahtungsschicht aus TiW, TaN oder Aluminium erzeugt wird, die als obere Schicht der Verdrahtungsschicht, die an der Unterseite der Heizelementschicht angeordnet ist, angewendet wird. Alternativ kann zur Bildung einer Sperrschicht für die Schicht aus ferroelektrischem Material eine Zerstäubung in einer Stickstoff- und Sauerstoffatmosphäre durchgeführt werden. Das Schichtbildungsverfahren ist eine Zerstäubung, bei der im Unterschied zu dem CVD-Verfahren keine Wasserstoffionen erzeugt werden und bei der eine Sperrschicht gebildet wird, indem dasselbe stabile Material wie für die Hügelverhinderungsschicht mit Stickstoff und Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird, ohne dass die Schicht aus ferroelektrischem Material einer reduzierenden Umgebung ausgesetzt wird. Auf diese Weise kann eine stabile Sperrschicht gebildet werden. Da das Target der Zerstäubungsvorrichtung dasselbe ist wie das Target für die Hügelverhinderungsschicht und die Sperrschicht unter Anwendung derselben Vorrichtung und in demselben Schritt gebildet werden kann, können eine hohe Massenproduktivität und eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens erzielt werden.
Im Fall eines Aufzeichnungskopfes, der derart aufgebaut ist, dass als Klebeschicht, die bereitgestellt wird, wenn eine Heizelementschicht aus HfB₂ o.dgl. hergestellt wird und die Haftung zwischen der Heizelementschicht und ihrer Schutzschicht aus SiN oder SiO verhältnismäßig schlecht ist, eine Metallschicht aus Ti o.dgl. gebildet wird, kann eine Sperrschicht gebildet werden, indem eine Metallschicht aus Ti o.dgl., die die Klebeschicht bildet, durch Zerstäubung in einer Sauerstoffatmosphäre für die Schicht aus ferroelektrischem Material gebildet wird. Das Schichtbildungsverfahren ist eine Zerstäubung, bei der im Unterschied zu dem CVD-Verfahren keine Wasserstoffionen erzeugt werden und bei der eine Sperrschicht gebildet wird, indem dasselbe stabile Material wie für die Klebeschicht mit Stickstoff oder Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird, ohne dass die Schicht aus ferroelektrischem Material einer reduzierenden Umgebung ausgesetzt wird. Auf diese Weise kann eine stabile Sperrschicht gebildet werden. Da das Target der Zerstäubungsvorrichtung dasselbe ist wie das Target für die Klebeschicht und die Sperrschicht unter Anwendung derselben Vorrichtung und in demselben Schritt gebildet werden kann, können eine hohe Massenproduktivität und eine Vereinfachung des Rerstellungsverfahrens erzielt werden.
Für die erste und die zweite Sperrschicht sollte der Gehalt an Sauerstoff und Stickstoff in der Schichtdickenrichtung der Oxid- und der Nitridschicht, die die Heizwiderstandsschicht und die kavitationsbeständige Schicht enthalten, vorzugsweise derart eingestellt werden, dass er in Bereichen, die der Schicht aus ferroelektrischem Material näher sind, hoch ist. Außerdem kann der Gehalt an Sauerstoff und Stickstoff in der Schichtdickenrichtung der Sperrschichten kontinuierlich oder absatzweise verändert werden.
Wenn die Stromversorgungsschicht für den Heizelementanschluss und die Stromversorgungsschicht für den Logikschaltungsanschluss separat gebildet werden, sollte vorzugsweise auch zwischen der Versorgungsleitung und der GND-Leitung der Logikschaltung ein Kondensator bereitgestellt werden, der denselben Aufbau wie der Kondensator 34' hat.
Bei dieser Ausführungsform wird der Kondensator 34' direkt in dem Elementsubstrat 1 gebildet, jedoch kann der Gestaltungsspielraum vergrößert werden, wenn der Kondensator 34' an der Seite der Deckplatte 3, die mehr Platz zum Einbau hat, gebildet wird. In diesem Fall muss der an der Seite der Deckplatte 3 ge bildete Kondensator wegen des Verbindungsaufbaus über die Kontaktstellen zwischen der Versorgungsleitung und der GND-Leitung des Heizelements oder der Logikschaltung, die an der Seite des Elementsubstrats 1 gebildet ist, angeschlossen werden.
<Beispiel für einen aus ferroelektrischem Material hergestellten leistungsunabhängigen Speicher>
10 ist eine Zeichnung, die den Aufbau eines Schaltkreiselements zeigt, das auf dem Elementsubstrat eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung gebildet ist.
Das Elementsubstrat 1 enthält eine Heizelementreihe 2', in der Heizelemente 2 angeordnet sind, ein Ansteuerelement 11 zum Ansteuern der Heizelemente 2, einen Messfühler 13 zur Ermittlung eines Zustands oder einer Eigenschaft einer Flüssigkeit, die zur Steuerung der Ansteuerbedingungen der Heizelemente 2 notwendig ist, eine Ansteuerschaltung 36 zur Überwachung des Ausgangssignals des Messfühlers 13 und zur Steuerung der jedem Heizelement zugeführten Energie entsprechend einem Messergebnis, einen FeRAM 35 zur Speicherung eines Kodeausdrucks, der entsprechend dem Messergebnis des Messfühlers 13 eingestuft wird, und einer vorher gemessenen Flüssigkeitsausstoßmengen-Kenngröße jedes Heizelements 2 (der Flüssigkeitsausstoßmenge in dem Fall, dass bei einer bestimmten Temperatur ein vorgegebener Impuls zugeführt wird) als Kopfdaten und zur anschließenden Ausgabe der Kopfdaten an die Ansteuerschaltung 36 und einen Messfühler-Verarbeitungsabschnitt 37 zum Ansteuern des Messfühlers 13 und zur Speicherung eines Messergebnisses als Ausgangssignal davon in dem FeRAM 35.
Die Ansteuerschaltung 36 enthält einen Impulsgenerator, einen Puffer usw. Als Messfühler 13 wird ein Messfühler zur Ermittlung eines Zustands oder einer Eigenschaft einer Flüssigkeit, einer Änderung der Temperatur der Flüssigkeit, ihres Drucks, eines darin enthaltenen Bestandteils oder des Wasserstoffionenkonzentrationsindex (pH) in der Flüssigkeit angewendet.
Der FeRAM 35 ist ein ferroelektrischer Speicher, der aus einem Funktionselement mit einem in 4 gezeigten Aufbau besteht. Jede der 11A bis 11C zeigt als Beispiel für den ferroelektrischen Speicher den Zellenaufbau eines in "Development of ferroelectric memory made of Pb(Zr, Ti)O₃ film", Bd. 67, Nr. 11 von T. Nakamura (1998) offenbarten ferroelektrischen Speichers.
Wie in 11A gezeigt ist, wird der Zellenaufbau dieses ferroelektrischen Speichers derart hergestellt, dass auf dem Halbleitersubstrat zusammen mit einer Bitleitung 353 und einer Wortleitung 354 ein ferroelektrischer Kondensator gebildet wird, der eine Plattenleitung (untere Elektrode) 352, ein Ferroelektrikum 350 und eine obere Elektrode 351 enthält, die der Reihe nach geschichtet sind. Unter Anwendung dieses Zellenaufbaus können eine Zelle vom 1T1C-Typ, die in 11B gezeigt ist, und eine Zelle vom 2T2C-Typ, die in 11C gezeigt ist, gebildet werden. Jede der Bezugszahlen 357 und 358 bezeichnet ein Ferroelektrikum.
In den miteinander verbundenen Oberflächen des Elementsubstrats 1 und der Deckplatte 3, die in der vorstehend erwähnten Weise gebildet worden sind, sind Schaltungen o.dgl., die in dem jeweiligen Substrate gebildet sind, über eine Verbindungskontaktstelle miteinander verbunden. Ein Flüssigkeitsausstoßkopf wird fertiggestellt, indem das Elementsubstrat 1 und die Deckplatte ausgerichtet (justiert) und diese Bauelemente dann miteinander verbunden werden.
Bei dem auf diese Weise aufgebauten Flüssigkeitsausstoßkopf wird zuerst durch den Messfühler 13 für jeden Flüssigkeitsdurchflussweg ein Flüssigkeitszustand ermittelt, und sein Ergebnis wird in dem FeRAM 35 gespeichert. Die Ansteuerschaltung 36 bestimmt dann entsprechend Daten, die in dem FeRAM 35 gespeichert sind, die Vorheizimpulsdauer jedes Heizelements 2 und auch entsprechend einem eingegebenen Bilddatensignal den Ansteuerungsimpuls jedes Heizelements 2. Wenn dem Heizelement 2 der Vorheizimpuls, den die Ansteuerschaltung 36 bestimmt hat, und ein vorgegebener Heizimpuls zugeführt werden, wird das Heizelement 2 vorgeheizt und nimmt dann Energie auf, die zur Bildung von Bläschen in der Flüssigkeit zugeführt wird. Auf diese Weise ist es durch Steuerung der Vorheizdauer entsprechend dem Messergebnis des Messfühlers möglich, die Ausstoßmenge der Flüssigkeit bei jeder Ausstoßöffnung unabhängig von dem Flüssigkeitszustand konstant zu halten.
Die Kopfdaten, die in dem FeRAM 35 gespeichert werden, können zusätzlich zu dem vorstehend erwähnten Flüssigkeitszustand die Art der auszustoßenden Flüssigkeit enthalten (wobei im Fall einer Tintenflüssigkeit die Tintenfarbe o.dgl. enthalten sein kann). Dies liegt daran, dass physikalische Eigenschaften variieren und das Ausstoßverhalten in Abhängigkeit von der Art der Flüssigkeit verschieden ist. Wenn eine Vielzahl von Messfühlern 13 bereitgestellt wird (z.B. durch jede Düseneinheit einer bereitgestellt wird), können zum Ausgleich eines stabilen Unterschiedes zwischen den Kenndaten der jeweiligen Messfühler die Kenndaten jedes Messfühlers in dem FeRAM 35 als Kopfdaten vorgespeichert werden, und dann können die Ansteuerbedingungen durch Anwendung der Daten während der Ansteuerung gesteuert werden. Die Speicherung solcher Kopfdaten in dem FeRAM 35 kann nach dem Einbau des Flüssigkeitsausstoßkopfes in einer nicht-flüchtigen Weise erfolgen oder kann durchgeführt werden, indem die Daten von der Geräteseite her übertragen werden, nachdem das Flüssigkeitsausstoßgerät mit dem daran angebrachten Flüssigkeitsausstoßkopf in Betrieb genommen worden ist.
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist der FeRAM 35 in dem Elementsubstrat 1 gebildet, jedoch kann er in der Deckplattenseite, die mehr Platz hat, gebildet werden. 12A und 12B sind Zeichnungen, die jeweils ein Beispiel für den Aufbau eines Flüssigkeitsausstoßkopfes mit einem in seiner Deckplattenseite gebildeten FeRAM zeigen.
In dem Beispiel, das in jeder von 12A und 12B gezeigt ist, wird ein Heizelement 132 vorgeheizt (wobei in der Flüssigkeit durch das Vorheizen keine Bläschen gebildet werden), bevor dem Heizelement 132 die zur Bläschenbildung dienende Energie zuge führt wird. Die Vorheizimpulsdauer für das Heizelement 132 wird entsprechend dem Messergebnis eines zur Messung der Temperatur der Flüssigkeit dienenden Messfühlers (in 12A und 12B nicht gezeigt) gesteuert.
Wie aus dem in 12A gezeigten Schnittaufbau ersichtlich ist, enthält ein Elementsubstrat 131 Heizelemente 132, die in einer Reihe angeordnet sind, Leistungstransistoren 141, die als Ansteuerelemente dienen, UND-Schaltungen 139 zum Steuern der Ansteuerung des betreffenden Leistungstransistors 141, eine Ansteuertaktsteuerungs-Logikschaltung 138 zur Steuerung der Ansteuertaktung der Leistungstransistoren 141, eine Bilddatenübertragungsschaltung 142, die aus einem Schieberegister und einer Zwischenspeicherschaltung besteht, und einen Messfühler zur Ermittlung der Temperatur der Flüssigkeit, die alle durch Anwendung der Halbleiterbearbeitung gebildet werden. Der Messfühler wird für jeden Flüssigkeitsdurchflussweg, mit anderen Worten, für jedes Heizelement 132, bereitgestellt.
Die Ansteuertaktsteuerungs-Logikschaltung 138 ist dazu bestimmt, die Stromzuführungskapazität eines Geräts zu vermindern, indem nicht alle Heizelemente 132 gleichzeitig gespeist (unter Strom gesetzt) werden, sondern die Heizelemente 132 mit zeitlicher Verschiebung, die auf geteilter Ansteuerung basiert, gespeist werden. Von jedem der Freigabesignal-Eingangsanschlüsse 145k bis 145n, die als Außenkontaktstellen dienen, wird ein Freigabesignal zum Ansteuern der Ansteuertaktsteuerungs-Logikschaltung 138 eingegeben.
Als Außenkontaktstellen, die sich in dem Elementsubstrat 131 befinden, sind zusätzlich zu den Freigabesignal-Eingangsanschlüssen 145k bis 145n ein Eingangsanschluss 145a als Steuerleistungszuführungsanschluss für die Heizelemente 132, ein Erdanschluss 145b für die Leistungstransistoren 141, Eingangsanschlüsse 145c bis 145e für Signale, die notwendig sind, um die Energie zu steuern, von der zur Ansteuerung der Heizelemente 132 Gebrauch gemacht wird, ein Steuerleistungszuführungsanschluss 145f für die Logikschaltung, ein Erdanschluss 145g, ein Ein gangsanschluss 145i für serielle Daten, die in das Schieberegister der Bilddatenübertragungsschaltung 142 eingegeben werden, ein Eingangsanschluss 145h für ein damit synchronisiertes serielles Taktsignal und ein Eingangsanschluss 145j für ein Speichertaktsignal, das in die Zwischenspeicherschaltung eingegeben wird, vorhanden.
Wie in 12B gezeigt ist, enthält die Deckplatte 133 andererseits eine Ansteuersignalsteuerschaltung 146, die dazu dient, die Taktung der Ansteuerung der Heizelemente 132 zu bestimmen, ein Ausgangssignal aus dem Messfühler 143 zu überwachen und entsprechend dem Ergebnis davon die Vorheizdauer der Heizelemente 132 zu bestimmen, und einen FeRAM 149 zur Speicherung von Auswahldaten für die Auswahl einer Vorheizdauer entsprechend jedem Heizelement als Kopfdaten und zur Ausgabe der Daten an die Ansteuersignalsteuerschaltung 146. Der FeRAM 149 hat einen ähnlichen Aufbau wie der vorstehend unter Bezugnahme auf 10 beschriebene FeRAM.
Als Verbindungskontaktstellen sind in dem Elementsubstrat 131 und der Deckplatte 133 ein Eingangsanschluss 145c für ein Signal, das notwendig ist, um die Energie zu steuern, und zur Ansteuerung der Heizelemente 132 von außen angewendet wird, Anschlüsse 144b bis 144d und 148b bis 148d zur Verbindung des Eingangsanschlusses 145e mit der Ansteuersignalsteuerschaltung 146 und ein Anschluss 148a zur Eingabe des Ausgangssignals der Ansteuersignalsteuerschaltung 146 in einen Eingangsanschluss der UND-Schaltungen 139 vorhanden.
Bei der vorstehend erwähnten Anordnung wird zuerst durch den Messfühler die Temperatur der Flüssigkeit für jeden Flüssigkeitsdurchflussweg ermittelt, und das Messergebnis wird in dem FeRAM 149 gespeichert. In der Ansteuersignalsteuerschaltung 146 wird entsprechend Temperaturdaten und Auswahldaten, die in dem FeRAM 149 gespeichert sind, die Vorheizimpulsdauer jedes Heizelements 132 bestimmt, und diese wird dann durch die Anschlüsse 148a und 144a an die UND-Schaltungen 139 ausgegeben. Andererseits werden seriell eingegeben Bilddatensignale in dem Schieberegister der Bilddatenübertragungsschaltung 142 gespeichert, durch ein Speicher- bzw. Haltesignal in der Zwischenspeicherschaltung gespeichert und dann durch Sie Ansteuertaktsteuerungs-Logikschaltung 138 an die UND-Schaltung ausgegeben.
Bei der Eingabe der Bilddatensignale in die UND-Schaltung 139 werden dem Heizelement 132 ein Vorheizimpuls, der durch die Ansteuersignalsteuerschaltung 146 bestimmt wird, und ein vorgegebener Heizimpuls zugeführt. Dann wird das Heizelement 132 vorgeheizt, und dann wird ihm Energie für die Bildung von Bläschen in der Flüssigkeit zugeführt. In dieser Weise ist es durch Steuerung der Vorheizdauer entsprechend dem Messergebnis des Messfühlers möglich, die Ausstoßmenge der Flüssigkeit bei jeder Ausstoßöffnung konstant zu halten.
Der vorstehend unter Bezugnahme auf 12A und 12B beschriebene Flüssigkeitsausstoßkopf enthält ferner Einstufungs-Heizelemente 143, die auf dem Elementsubstrat 131 wie im Fall der Heizelemente 132 als Widerstandswert-Messfühler gebildet sind, und eine in der Deckplatte 133 gebildete Messfühler-Ansteuerschaltung 147 zum Ansteuern der Einstufungs-Heizelemente 143. Zur Verbindung der Messfühler-Ansteuerschaltung 147 mit den Einstufungs-Heizelementen 143 sind in dem Elementsubstrat 131 und in der Deckplatte 133 Anschlüsse 144g, 144h, 148g und 148h gebildet. Diese werden bereitgestellt, um auf Basis eines Widerstandswertes, der durch jedes Einstufungs-Heizelement 143 ermittelt wird, die Dauer eines dem Heizelement 132 zugeführten Impulses zu bestimmen, und die Ansteuersignalsteuerschaltung 146 überwacht ein Ausgangssignal aus dem Einstufungs-Heizelement 143 und steuert entsprechend dem Ergebnis davon die Energie, die dem Heizelement 132 zugeführt wird. Der FeRAM 149 speichert Widerstandswertdaten, die durch das Einstufungs-Heizelement 143 ermittelt werden, oder einen Kodeausdruck, der anhand des Widerstandswertes eingestuft wird, und eine vorher gemessene Flüssigkeitsausstoßmengen-Kenngröße jedes Heizelements 132 (die Flüssigkeitsausstoßmenge in dem Fall, dass bei einer bestimmten Temperatur ein vorgegebener Impuls zugeführt wird) als Kopfdaten und gibt die Daten dann an die Ansteuersignalsteuerschaltung 146 aus.
Nun wird die Steuerung der dem Heizelement 132 zugeführten Energie unter Anwendung des Einstufungs-Heizelements 143 beschrieben. Zuerst wird der Widerstandswert des Einstufungs-Heizelements 143 emittelt, und sein Ergebnis wird in dem FeRAM 149 gespeichert. Da das Einstufungs-Heizelement 143 in derselben Weise wie das Heizelement 132 gebildet wird, ist sein Widerstandswert dem des Heizelements 132 im Wesentlichen ähnlich. Der Widerstandswert des Einstufungs-Heizelements 143 wird somit als Widerstandswert des Heizelements 132 angenommen. In der Ansteuersignalsteuerschaltung 146 werden entsprechend Widerstandswertdaten und der Flüssigkeitsausstoßmengen-Kenngröße, die in dem FeRAM 149 gespeichert ist, Anstiegsdaten und Abfalldaten eines Ansteuerungsimpulses für das Heizelement 132 bestimmt und durch die Anschlüsse 148a und 144a an die UND-Schaltung 139 ausgegeben. In dieser Weise wird die Dauer eines Heizimpulses bestimmt, und Bilddaten werden aus der Bilddatenübertragungsschaltung 142 durch die Ansteuertaktsteuerungs-Logikschaltung 138 an die UND-Schaltung 139 ausgegeben. Infolgedessen wird dem Heizelement 132 auf der Impulsdauer, die durch die Ansteuersignalsteuerschaltung 146 bestimmt wird, basierend elektrischer Strom zugeführt. Dies hat zur Folge, dass dem Heizelement 132 im Wesentlichen konstante Energie zugeführt wird.
<Beispiel für einen aus ferroelektrischem Material hergestellten Druckmessfühler>
Durch die Erfinder wird ein Flüssigkeitsausstoßkopf bereitgestellt, der ein bewegliches Teil hat, das in dem Flüssigkeitsdurchflussweg angeordnet ist, um die Druckausbreitungsrichtung von Bläschen zu der stromabwärts gelegenen Seite zu leiten, wie in 3 gezeigt ist. In diesem Abschnitt wird ein Beispiel für einen Flüssigkeitsausstoßkopf beschrieben, der in dem beweglichen Teil einen Druckmessfühler hat, der aus einem ferroelektrischen Material hergestellt wird.
13 ist eine Schnittzeichnung des Flüssigkeitsausstoßkopfes als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Richtung des Flüssigkeitsdurchflussweges. In der schematischen Zeichnung sind dieselben Bauelemente wie die vorstehend in 1 (3) erwähnten mit denselben Bezugszahlen bezeichnet.
Der Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat einen Aufbau, bei dem der vorstehend erwähnte Flüssigkeitsausstoßkopf, der in 1 gezeigt ist, mit dem beweglichen Teil 6, das dazu dient, die Druckausbreitungsrichtung der durch das Heizelement 2 erzeugten Bläschen zu der stromabwärts gelegenen Seite zu leiten, versehen ist. Das bewegliche Teil 6 (dessen Grundaufbau dem in 3 gezeigten äquivalent ist) umfasst eine auslegerförmige Dünnschicht, die derart angeordnet ist, dass sie dem Heizelement 2 gegenüberliegt, so dass der Flüssigkeitsdurchflussweg 7 in einen ersten Flüssigkeitsdurchflussweg 7a, der mit der Ausstoßöffnung 5 in Verbindung steht, und einen zweiten Flüssigkeitsdurchflussweg 7b, der das Heizelement 3 hat, aufgeteilt ist. Das bewegliche Teil 6 wird aus einem Material auf Siliciumbasis wie z.B. Siliciumnitrid oder Siliciumoxid hergestellt. Das bewegliche Teil 6 hat den Stützpunkt 6a an der stromaufwärts gelegenen Seite des großen Flüssigkeitsstromes, der durch den Flüssigkeitsausstoßvorgang aus der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8 über das bewegliche Teil 6 zu der Ausstoßöffnung 5 fließt. Das Teil 6 ist an einer Stelle angeordnet, an der es dem Heizelement 2 mit einem vorgegebenen Abstand von dem Heizelement 2 gegenüberliegt, so dass es das freie Ende 6b an der von dem Stützpunkt 6a stromabwärts gelegenen Seite hat und das Heizelement 2 bedeckt. Aus dem Zwischenraum zwischen dem Heizelement 2 und dem beweglichen Teil 6 wird der Bläschenerzeugungsbereich 10.
Wenn auf Basis des vorstehend beschriebenen Aufbaus bewirkt wird, dass das Heizelement 2 Wärme erzeugt, wirkt die Wärme auf die Flüssigkeit in dem Bläschenerzeugungsbereich 10 zwischen dem beweglichen Teil 6 und dem Heizelement 2 ein, so dass auf dem Filmsiedephänomen an dem Heizelement 2 basierend ein Bläschen erzeugt wird und sich vergrößert. Die Vergrößerung des Bläschens ist von einem Druck begleitet, der bevorzugt auf das bewegliche Teil 6 einwirkt. Infolgedessen wird das bewegliche Teil 6 dadurch, dass der Stützpunkt 6a als Mittelpunkt festgelegt ist, derart verlagert, dass es sich zu der Seite der Ausstoßöffnung 5 weit öffnet, wie in 13 durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist. Aufgrund der Verlagerung des beweglichen Teils 6 oder des Verlagerungszustandes wird die Druckausbreitung, die auf der Erzeugung des Bläschens oder auf der Vergrößerung des Bläschens selbst basiert, zu der Seite der Ausstoßöffnung 5 geleitet, so dass die Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung 5 ausgestoßen wird.
Mit anderen Worten, das bewegliche Teil 6, das den Stützpunkt 6a an der stromaufwärts gelegenen Seite (der Seite der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8) des Flüssigkeitsstromes in dem Flüssigkeitsdurchflussweg 7 und das freie Ende 6b an der stromabwärts gelegenen Seite (der Seite der Ausstoßöffnung 5) hat, wird an dem Bläschenerzeugungsbereich 10 bereitgestellt, um die Druckausbreitungsrichtung des Bläschens zu der stromabwärts gelegenen Seite zu leiten, so dass der Druck des Bläschens direkt und wirksam zu dem Ausstoß beiträgt. Die Vergrößerungsrichtung des Bläschens selbst wird ähnlich wie die Druckausbreitungsrichtung in die Stromabwärtsrichtung geleitet, so dass sich das Bläschen an der stromabwärts gelegenen Seite im Vergleich zu der stromaufwärts gelegenen Seite stärker vergrößert. Wie vorstehend erwähnt wurde, wird die Vergrößerungsrichtung des Bläschens selbst durch das bewegliche Teil gesteuert, um die Druckausbreitungsrichtung des Bläschens zu steuern, so dass wesentliche Ausstoßeigenschaften wie z.B. Ausstoßwirkungsgrad, Ausstoßkraft und Ausstoßgeschwindigkeit verbessert werden können.
Wenn das Bläschen andererseits einem Entschäumungsvorgang ausgesetzt wird, wird das Bläschen wegen einer synergistischen Wirkung mit den elastischen Eigenschaften des beweglichen Teils 6 schnell entschäumt, und das bewegliche Teil 6 kehrt schließlich in die Ausgangstellung zurück, wie in 13 durch eine durchgezogene Linie gezeigt ist. Zu dieser Zeit fließt die Flüssigkeit von der stromaufwärts gelegenen Seite, d.h., von der Seite der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8, zur Ergänzung des geschwundenen Bläschenvolumens in dem Bläschenerzeugungsbereich 10 und zur Ergänzung eines Volumens, das so groß wie das Volumen der ausgestoßenen Flüssigkeit ist, so dass der Flüssigkeitsdurchflussweg 7 mit der Flüssigkeit (auf)gefüllt wird. Die Auffüllung mit der Flüssigkeit wird in Verbindung mit dem Rückkehrvorgang des beweglichen Teils 6 wirksam, rationell und stabil durchgeführt.
Für das bewegliche Teil 6 wird ein Druckmessfühler 200 bereitgestellt, der dazu dient, den Druck des Bläschens zu ermitteln, wenn aus der Flüssigkeit durch die Verlagerung des beweglichen Teils 6 ein Bläschen gebildet wird. Der Druckmessfühler 200 ist ein Druckmessfühler, der aus einem ferroelektrischen Material besteht und ähnlich wie der vorstehend erwähnte, in 4 gezeigte Druckmessfühler aufgebaut ist. Als Reaktion auf die Verformung des beweglichen Teils 6 werden polarisierte Ladungen verändert, und der Änderungsbetrag wird durch den Druckmessfühler 200 als Änderung des auf die Flüssigkeit ausgeübten Druckes ermittelt. Das Messergebnis, das durch den Druckmessfühler 200 erhalten wird, wird zu der vorstehend erwähnten, in 7A und 7B gezeigten Heizelementsteuereinheit und zu der in 12A und 12B gezeigten Ansteuerschaltung zurückgeführt, um das Heizelement zu steuern, so dass eine Steuerung des Ausstoßvorganges stabil durchgeführt werden kann.
Das bewegliche Teil 6 mit dem Druckmessfühler, das derart angeordnet ist, dass es dem Bläschenerzeugungsbereich 10 gegenüberliegt, wird nun unter Bezugnahme auf 14A und 14B und 15 beschrieben.
14A ist eine Schnittzeichnung entlang der Durchflusswegrichtung senkrecht zu dem Elementsubstrat 1 und zeigt eine Düse mit dem beweglichen Teil 6, das den Druckmessfühler enthält. 14B zeigt die Lage des beweglichen Teils 6, das in Verbindung mit der Erzeugung des Bläschens in der Flüssigkeit durch das Heizelement 2 in 14A verlagert worden ist. 15 ist eine Schnittzeichnung entlang einer zu dem Elementsubstrat 1 parallelen Richtung und zeigt Drähte für den Druckmessfühler des beweglichen Teils 6, die in jedem Flüssigkeitsdurchflussweg angeordnet sind.
Wie in 14A und 14B gezeigt ist, ist in dem beweglichen Teil 6 der Druckmessfühler 200 gebildet, in dem an beiden Enden Elektroden 201 gebildet sind, die jeweils mit den betreffenden Zuleitungsdrähten 202 verbunden sind. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein Anteil des beweglichen Teils, der sich oberhalb des Druckmessfühlers 200 befindet, in der in 14 gezeigten Weise beseitigt worden, so dass der Messfühler wirksam gebogen wird. Wie in 15 gezeigt ist, ist eine der Elektroden 201, die an beiden Enden des Druckmessfühlers 200 in dem beweglichen Teil 6 in jedem Flüssigkeitsdurchflussweg gebildet sind, zusammen mit einer der Elektroden der anderen Druckmessfühler mit einem gemeinsamen Draht 202a verbunden, und die andere Elektrode ist mit einem Segmentdraht 202b verbunden, der für jedes bewegliche Teil einzeln bereitgestellt ist.
Nun wird das Verfahren zur Herstellung des beweglichen Teils 6 mit dem Druckmessfühler durch das Photolithographieverfahren beschrieben.
16A bis 16D und 17A bis 17D sind schematische Zeichnungen zur Erläuterung eines Beispiels für das Verfahren zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes, der das in 13 und 14A und 14B gezeigte bewegliche Teil enthält. 16A bis 16D und 17A bis 17D zeigen Querschnitte entlang der Durchflusswegrichtung des in 13 und 14A und 14B gezeigten Flüssigkeitsdurchflussweges 7. Bei dem auf 16A bis 16D und 17A bis 17D basierend beschriebenen Herstellungsverfahren wird das Elementsubstrat 1, in dem das bewegliche Teil 6 gebildet worden ist, mit der Deckplatte, in der die Seitenwand des Durchflussweges gebildet worden ist, verbunden, wodurch der Flüssigkeitsausstoßkopf mit dem in 13 gezeigten Aufbau gebildet wird. Gemäß dem Herstellungsverfahren wird somit vor der Verbindung der Deckplatte mit dem Elementsubstrat 1, in dem das bewegliche Teil 6 gebildet worden ist, in der Deckplatte die Seitenwand des Durchflussweges gebildet.
Zuerst wird unter Bezugnahme auf 16A auf der gesamten Oberfläche der mit dem Heizelement 2 versehenen Seite des Elementsubstrats 1 durch das Zerstäubungsverfahren eine TiW-Schicht 76, die als erste Schutzschicht zum Schutz des Verbindungsstellenbereichs für die elektrische Verbindung mit dem Heizelement 2 dient, in einer Dicke von etwa 5000 Å gebildet.
Anschließend wird unter Bezugnahme auf 16B auf der Oberfläche der TiW-Schicht 76 durch das Zerstäubungsverfahren eine Al-Schicht zur Bildung eines Zwischenraumbildungselements 71a in einer Dicke von etwa 4 μm gebildet. Das Zwischenraumbildungselement 71a erstreckt sich bis zu einem Bereich, wo bei dem später beschriebenen Verfahrensschritt von 17C eine SiN-Schicht 72a geätzt wird.
Die gebildete Al-Schicht wird unter Anwendung des bekannten Photolithographieverfahrens strukturiert, wodurch nur ein Bereich der Al-Schicht, der dem Stütz- und Befestigungsabschnitt des beweglichen Teils 6 entspricht, beseitigt wird. In dieser Weise wird auf der Oberfläche der TiW-Schicht 76 das Zwischenraumbildungselement 71a gebildet. Infolgedessen wird der Bereich an der Oberfläche der TiW-Schicht 76, der dem Stütz- und Befestigungsabschnitt des beweglichen Teils 6 entspricht, freigelegt. Das Zwischenraumbildungselement 71a besteht aus der Al-Schicht zur Bildung eines Zwischenraumes zwischen dem Elementsubstrat 1 und dem beweglichen Teil 6. Das Zwischenraumbildungselement 71a wird in dem gesamten Bereich auf der Oberfläche der TiW-Schicht 76 gebildet, der die Stelle, die dem in 13 gezeigten Bläschenerzeugungsbereich 10 zwischen dem Heizelement 2 und dem beweglichen Teil 6 entspricht, einschließt und den Bereich, der dem Stütz- und Befestigungsabschnitt des beweglichen Teils 6 entspricht, ausschließt. Bei dem Bildungsverfahren wird das Zwischenraumbildungselement 71a somit sogar in dem Bereich gebildet, der der Seitenwand des Durchflussweges auf der Oberfläche der TiW-Schicht 76 entspricht.
Wie später beschrieben wird, wirkt das Zwischenraumbildungselement 71a als Ätzstoppschicht, wenn das bewegliche Teil 6 durch Trockenätzen gebildet wird. Der Grund dafür ist, dass die TiW-Schicht 76, eine als kavitationsbeständige Schicht dienende Ta-Schicht in dem Elementsubstrat 1 und eine SiN-Schicht, die als Schutzschicht auf dem Widerstand dient, durch ein Ätzgas, das zur Bildung des Flüssigkeitsdurchflussweges 7 verwendet wird, geätzt werden. Um zu verhindern, dass diese Schichten geätzt werden, wird auf dem Elementsubstrat 1 so ein Zwischenraumbildungselement 71a gebildet. Infolgedessen wird in dem Fall, dass die SiN-Schicht zur Bildung des beweglichen Teils 6 trockengeätzt wird, die Oberfläche der TiW-Schicht 76 nicht freigelegt, so dass das Zwischenraumbildungselement 71a eine Beschädigung der TiW-Schicht 76 und von Funktionselementen in dem Elementsubstrat 1, die durch das Trockenätzen verursacht werden kann, verhindert.
Unter Bezugnahme auf 16C wird auf der gesamten Oberfläche des Zwischenraumbildungselements 71a und auf der gesamten Oberfläche der freigelegten TiW-Schicht 76 durch Anwendung des Plasma-CVD-Verfahrens eine SiN-Schicht 72a als Materialschicht zur Bildung des beweglichen Teils 6 in einer Dicke von etwa 2,5 μm derart gebildet, dass sie das Zwischenraumbildungselement 71a bedeckt.
Anschließend werden auf einem Bereich auf der SiN-Schicht 72a, wo der Druckmessfühler 200 zu bilden ist, durch Anwendung der bekannten Halbleiterbearbeitung, d.h., durch das Zerstäubungsverfahren, eine erste und eine zweite Sperrschicht, die aus Ta und Ti bestehen, gebildet, und durch das Zerstäubungsverfahren oder ein CVD-Verfahren wird eine Schicht aus dielektrischem Material, die aus Pb(Zr, Ti)O₃ besteht, gebildet. Infolgedessen wird in der vorstehend beschriebenen Weise die als piezoelektrisches Element dienende Schicht 200a, die wie in 4 gezeigt geschichtet ist, gebildet.
Wie in 17A gezeigt ist, wird Al oder Cu/W derart strukturiert, dass an beiden Enden der als piezoelektrisches Element dienenden Schicht 200a die Zuleitungsdrähte 202a und 202b gebildet werden. Anschließend wird unter Bezugnahme auf 17B durch Anwendung des Plasma-CVD-Verfahrens auf der gesamten Oberfläche der SiN-Schicht 72a eine als Materialschicht zur Bildung des beweglichen Teils 6 dienende SiN-Schicht 72b in einer Dicke von etwa 2,0 μm derart gebildet, dass sie die als piezoelektrisches Element dienende Schicht 200a und die Zuleitungsdrähte 202a und 202b bedeckt.
Anschließend wird auf der Oberfläche der SiN-Schicht 72b durch das Zerstäubungsverfahren eine Al-Schicht in einer Dicke von etwa 6100 Å gebildet. Danach wird die gebildete Al-Schicht durch Anwendung des bekannten Photolithographieverfahrens strukturiert, wodurch auf dem Bereich, der dem beweglichen Teil 6 auf der Oberfläche der SiN-Schicht 72b entspricht, die Al-Schicht (nicht gezeigt) als zweite Schutzschicht zurückbleibt. Die Al-Schicht (nicht gezeigt), die als zweite Schutzschicht dient, bleibt auf einem Bereich der Oberfläche der SiN-Schicht 72b auf der als piezoelektrisches Element dienenden Schicht 200a nicht zurück, so dass ein Bereich der als piezoelektrisches Element dienenden Schicht 200a bei dem später beschriebenen Trockenätzen freigelegt wird. Die Al-Schicht, die als zweite Schutzschicht dient, wirkt als Schutzschicht (Ätzstoppschicht), d.h., als Maske, wenn die SiN-Schichten 72a und 72b zur Bildung des beweglichen Teils 6 trockengeätzt werden.
Unter Bezugnahme auf 17C werden die SiN-Schichten 72a und 72b unter Anwendung einer Ätzvorrichtung, bei der von induktiv gekoppeltem Plasma Gebrauch gemacht wird, und unter Anwendung der zweiten Schutzschicht als Maske strukturiert, so dass das bewegliche Teil 6, das aus den zurückgebliebenen Bereichen der SiN-Schichten 72a und 72b besteht, gebildet wird. Bei der Ätzvorrichtung wird eine Gasmischung aus CF₄ und O₂ verwendet. Bei dem Verfahren zur Strukturierung der SiN-Schichten 72a und 72b wird der nicht erforderliche Bereich der SiN-Schicht 72a beseitigt, so dass der Stütz- und Befestigungsabschnitt des beweglichen Teils 6 direkt an dem Elementsubstrat 1 befestigt wird, wie in 15 gezeigt ist. Das Material zur Bildung des Klebe schichtbereichs zwischen dem Stütz- und Befestigungsabschnitt des beweglichen Teils 6 und dem Elementsubstrat 1 enthält TiW als Material zur Bildung der Kontaktstellenschutzschicht und Ta als Material zur Bildung der kavitationsbeständigen Schicht des Elementsubstrats 1.
Unter Bezugnahme auf 17D werden die zweite Schutzschicht, die aus der in dem beweglichen Teil 6 gebildeten Al-Schicht besteht, und das Zwischenraumbildungselement 71a, das aus der Al-Schicht besteht, unter Verwendung einer Säuremischung aus Essigsäure, Phosphorsäure und Salpetersäure aufgelöst und beseitigt, wodurch auf dem Elementsubstrat 1 das bewegliche Teil 6 gebildet wird. Danach wird der Bereich der auf dem Elementsubstrat 1 gebildeten TiW-Schicht 76, der dem Bläschenerzeugungsbereich 10 und der Kontaktstelle entspricht, unter Verwendung von Wasserstoffperoxid entfernt.
Das Elementsubstrat 1, auf dem das bewegliche Teil 6 mit dem Druckmessfühler gebildet worden ist, wird in der vorstehend erwähnten Weise hergestellt. Die Herstellung des Elementsubstrats 1 ist in Bezug auf den Fall erläutert worden, dass der Stütz- und Befestigungsabschnitt des beweglichen Teils 6 direkt an dem Elementsubstrat 1 befestigt wurde, wie in 13 gezeigt ist. Durch Anwendung so eines Herstellungsverfahrens kann auch ein Flüssigkeitsausstoßkopf hergestellt werden, bei dem das bewegliche Teil durch ein Sockelteil an dem Elementsubstrat befestigt ist. In diesem Fall wird auf der Oberfläche der mit dem Heizelement versehenen Seite des Elementsubstrats vor dem in 16B gezeigten Verfahrensschritt zur Bildung des Zwischenraumbildungselements 71a das Sockelteil zum Befestigen des freien Endes und des anderen Endes an der entgegengesetzten Seite des beweglichen Teils an dem Elementsubstrat gebildet. Ferner sind in diesem Fall in dem Material zur Bildung des Klebeschichtbereichs zwischen dem Sockelteil und dem Elementsubstrat TiW als Material zur Bildung der Kontaktstellenschutzschicht und Ta als Material zur Bildung der kavitationsbeständigen Schicht des Elementsubstrats enthalten.
Danach wird auf der Deckplattenseite als dem anderen Elementsubstrat 3 auf der Oberfläche, auf der die elektrische Verbindungsstelle gebildet worden ist, ein Goldbondhügel o.dgl. gebildet, wodurch ein konvexer Elektrodenabschnitt gebildet wird. Obwohl es nicht gezeigt wird, wird durch Verwendung einer kristallinen eutektischen Metallmischung eine Verbindung zwischen der konvexen Elektrode an der Deckplattenseite und einer konkaven Elektrode an der Seite des Elementsubstrats 1 hergestellt. Wenn zu dieser Zeit als Metallart an beiden Elektroden dieselbe Metallart verwendet wird, können Temperatur und Druck beim Verbinden vermindert werden und kann die Verbindungsfestigkeit erhöht werden.
Schließlich wird ein Excimerlaser angewendet, um durch eine Kontaktmaske, die auf die gesamte Oberfläche der Stirnseite aufgesetzt wird, die Öffnung 5 zu bilden, wodurch der Flüssigkeitsausstoßkopf fertiggestellt wird.
Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel für das Herstellungsverfahren ist der Fall beschrieben worden, dass die Seitenwand 9 des Durchflusswegs an der Seite der Deckplatte 3 gebildet wurde. Die Seitenwand 9 des Durchflusswegs kann auch gleichzeitig mit der Bildung des beweglichen Teils 6 auf dem Elementsubstrat 1 an der Seite des Elementsubstrats 1 gebildet werden.
18 zeigt ein Beispiel für eine Schaltung zur Überwachung eines Ausgangssignals aus dem Druckmessfühler. Bei der in 18 gezeigten Schaltung wird durch ein Voltmeter 206 eine elektromotorische Kraft gemessen, von der die Verlagerung der als piezoelektrisches Element dienenden Schicht 200a, die auf den Druck zurückzuführen ist, der verursacht wird, wenn die Aufzeichnungsflüssigkeit ein Bläschen bildet, begleitet ist, so dass der Betrag der Verlagerung des beweglichen Teils 6 und der Bläschenbildungsdruck gemessen werden können. In der Schaltung zeigt die Spannung eines V_out-Anschlusses die elektromotorische Kraft der als piezoelektrisches Element dienenden Schicht 200a. Infolgedessen wird das V_out-Ausgangssignal zu dem FeRAM, der auf dem vorstehend erwähnten Elementsubstrat 1 gebildet ist, zurückgeführt. Ferner wird in diesem Fall durch die Ansteuersignalsteuerschaltung der Ansteuerungsimpuls auf Basis des zurückgeführten Signals eingeschaltet oder ausgewählt, so dass immer ein konstanter Bläschenbildungsdruck erzielt werden kann.
Wie vorstehend erwähnt wurde, tritt sogar in dem Fall, dass die Ansteuerung des Heizelements 2 gesteuert wird, damit eine feine Bildqualität erhalten wird, wie vorstehend erwähnt wurde, manchmal die Unannehmlichkeit auf, dass die Flüssigkeit zwar in der gemeinsamen Kammer vorhanden ist, jedoch nicht ausgestoßen wird, wenn in der gemeinsamen Flüssigkeitskammer Bläschen erzeugt werden und die Bläschen zusammen mit der Auffüllung der Flüssigkeit in den Flüssigkeitsdurchflussweg bewegt werden.
Zur Verhinderung der vorstehend erwähnten Unannehmlichkeit kann für das Elementsubstrat 1 oder für die Deckplatte 3 eine Verarbeitungsschaltung bereitgestellt werden, die derart arbeitet, dass die Schaltung im Fall der Ermittlung eines anomalen Bläschenbildungszustands durch den Druckmessfühler, der für das bewegliche Teil 6 in dem Flüssigkeitsdurchflussweg bereitgestellt ist, als Ergebnis ein Signal erzeugt, das einer Schaltung für die Steuerung eines später beschriebenen Absaugregenerierungsvorgangs zugeführt wird. Die Flüssigkeit, die sich in dem Flüssigkeitsausstoßkopf befindet, wird auf Basis des Ausgangssignals aus der Verarbeitungsschaltung durch eine Tintenabsaugeinrichtung, die an einem später beschriebenen Flüssigkeitsausstoß-Aufzeichnungsgerät angebracht ist, zwangsläufig aus der Ausstoßöffnung abgesaugt, so dass die Bläschen in dem Flüssigkeitsdurchflussweg beseitigt werden können.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Druckmessfühler 200 in das bewegliche Teil eingebaut. Es ist vorzuziehen, dass der Messfühler entsprechend dem Ermittlungsziel wie z.B. Änderung des Druckes, der wegen der Erzeugung eines Bläschens in Verbindung mit dem Filmsiedephänomen an dem Heizelement 2 auf die Flüssigkeit einwirkt, oder Stillstand des Tintenflusses an der optimalen Stelle der Deckplatte oder des Elementsubstrats angeordnet wird. Wie in 19 gezeigt ist, kann beispielsweise in dem Flüssigkeitsdurchflussweg 7 ein Druckmessfühler 200', der aus einem ferroelektrischen Material besteht, angeordnet werden. In diesem Fall wird der Druckmessfühler 200' vorzugsweise derart gebaut, dass er das Fließen der Flüssigkeit nicht behindert.
Der Flüssigkeitsausstoßkopf der vorstehend erwähnten Ausführungsform löst die folgenden herkömmlichen Probleme, die in den letzten Jahren in Verbindung mit der Verwirklichung einer hochintegrierten Anordnung des Flüssigkeitsausstoßkopfes verursacht werden.
Wegen der Verwirklichung der hochintegrierten Anordnung des Flüssigkeitsausstoßkopfes wird die Ausstoßmenge einer Flüssigkeit vermindert. Im Zusammenhang damit wird ein durch den Zustand der Tinte verursachter Unterschied in der Ausstoßmenge, der bisher kein großes Problem geworden ist, als Schwankung der Ausstoßmenge auffällig. Infolgedessen ist bei der Anordnung des Temperaturfühlers des herkömmlichen Flüssigkeitsausstoßkopfes eine genauere Ermittlung des Zustands der Tinte schwierig, und zwar aus dem folgenden Grund. Der Temperaturfühler des herkömmlichen Flüssigkeitsausstoßkopfes wird durch das Halbleiterwafer-Bearbeitungsverfahren zusammen mit einem elektrothermischen Wandler und einer Ansteuerungsssteuereinheit derart gebildet, dass er auf der Oberfläche des Elementsubstrats eben ist. Der Tintenfluss kommt in der Nähe der Oberfläche des Elementsubstrats leicht zum Stillstand. Der vorstehend erwähnte Umstand wird anscheinend dadurch verursacht, dass das Substrat wegen des Einflusses von Wärme aus dem elektrothermischen Wandler einen großen Temperaturgradienten hat. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Steuerung des Flüssigkeitsausstoßes ohne Stillstand des Tintenflusses und ohne den Einfluss von Wärme aus dem elektrothermischen Wandler genauer durchgeführt werden.
Obwohl der Druckmessfühler beschrieben worden ist, kann auch das Phänomen ausgenutzt werden, dass eine Verlagerung durch Anlegen einer Spannung an das ferroelektrische Material, das als piezoelektrisches Element dient, verursacht wird. Im Einzelnen kann durch Anwendung der Verlagerung die Tinte ausgestoßen werden oder der Meniskus in der Öffnung gesteuert werden. Zur einfachen Erzielung der Verlagerung wird eine Ventilstruktur gebildet, wobei für so einen Bereich mit der Ventilstruktur ein ferroelektrisches Material bereitgestellt werden kann. Da die Ventilstruktur im Wesentlichen in derselben Weise wie die Struktur, bei der zur Steuerung des Druckvorganges der Druck der Tinte ermittelt wird, verwirklicht werden kann, können diese Strukturen in Kombination gebaut werden. Zur Verstärkung der Verlagerung kann auch eine geschichtete Struktur angewendet werden.
<Beispiel für die Bildung eines beweglichen Teils durch Verwendung eines ferroelektrischen Materials>
Nun wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine Ausführungsform erläutert, bei der durch Verwendung des ferroelektrischen Materials eine bewegliche Wand gebildet wird.
5 zeigt eine Schnittzeichnung eines Bereichs, der einem Tintendurchflussweg des Elementsubstrats in dem Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Erfindung entspricht. Unter Bezugnahme auf 5 bezeichnet Bezugszahl 301 ein Siliciumsubstrat; 302 eine durch thermische Oxidation erhaltene Oxidschicht, die als Wärmespeicherschicht dient; 303 eine SiO₂- oder Si3N₄-Schicht als Zwischenschicht, die als Wärmespeicherschicht wirkt; 304 eine Widerstandsschicht; 305 einen Al-Legierungsdraht, der aus Al, Al-Si oder Al-Cu hergestellt ist; 306 eine SiO₂- oder Si₃N₄-Schicht, die als Schutzschicht dient; 307 eine kavitationsbeständige Schicht zum Schutz der Schutzschicht 306 gegen chemische oder physikalische Einflüsse, von denen die Wärmeerzeugung in der Widerstandsschicht 304 begleitet ist; und 308 einen Wärmezuführungsbereich für die Wärmezuführung durch die Widerstandsschicht 304 an einer Stelle, wo der Elektrodendraht 305 nicht gebildet ist.
Diese Ansteuerelemente werden durch das Halbleiterverfahren in einem Si-Substrat gebildet, und ferner wird auf demselben Substrat der Wärmezuführungsbereich gebildet.
6 ist eine schematische Schnittzeichnung, die einen Längsschnitt der Hauptbauelemente in dem Elementsubstrat des Flüssigkeitsausstoßkopfes zeigt.
Bei dem Si-Substrat 301, das einen p-Leiter umfasst, wird die allgemeine MOS-Technik angewendet, und zur Bildung eines p-MOS 420 in einem n-Muldenbereich 422 und eines n-MOS 421 in einem p-Muldenbereich 423 wird z.B. durch Ionenimplantation eine Einführung und Diffundierung von Störstellen durchgeführt. Der p-MOS 420 und der n-MOS 421 umfassen jeweils eine Torleitung 435 und über eine Torisolatorschicht 428 mit einer Dicke von einigen hundert A einen Quellenbereich 425 und einen Senkenbereich 426, in die jeweils n- oder p-Störstellen eingeführt worden sind und die aus Poly-Si bestehen, das durch das CVD-Verfahren in einer Dicke von 4000 Å oder mehr bis 5000 Å oder weniger aufgedampft worden ist. Aus dem p-MOS und dem n-MOS wird eine c-MOS-Logikschaltung gebildet.
Ein n-MOS-Transistor für die Bauelementansteuerung umfasst eine Torleitung 433 und einen Senkenbereich 431 und einen Quellenbereich 432, die in dem p-Muldensubstrat durch ein Verfahren zur Einführung und Diffundierung von Störstellen gebildet worden sind.
Im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform wird der Aufbau erläutert, bei dem der n-MOS-Transistor angewendet wird. Wenn es sich um einen Transistor handelt, der eine Vielzahl von Heizelementen einzeln ansteuern kann und eine Funktion hat, durch die der vorstehend erwähnte Feinaufbau durchgeführt werden kann, ist er nicht auf den n-MOS-Transistor beschränkt.
Zwischen den Bauelementen wird durch Feldoxidation ein Oxidationsschicht-Isolatorbereich 434 mit einer Dicke von 500 Å oder mehr bis 10.000 Å oder weniger gebildet, damit eine Isolation verwirklicht wird. Die Feldoxidationsschicht wirkt als Wärmespeicherschicht 434 der ersten Schicht unter dem Wärmezuführungsbereich 308.
Nach der Bildung der Bauelemente wird durch das CVD-Verfahren als Zwischenisolatorschicht 436 eine Schicht aus PSG (Phosphosilicatglas) oder eine Schicht aus BPSG (bordotiertem Phosphosilicatglas) in einer Dicke von etwa 7000 Å aufgedampft. Die Schicht wird durch Wärmebehandlung eingeebnet, und danach wird durch jede Kontaktöffnung mittels einer Al-Elektrode 437, die als erste Verdrahtungsschicht dient, eine Verdrahtung gebildet. Danach wird durch das Plasma-CVD-Verfahren eine Zwischenisolatorschicht 438, die aus einer SiO₂-Schicht besteht, in einer Dicke von 10.000 Å oder mehr bis 15.000 Å oder weniger aufgedampft. Ferner wird durch ein Durchkontaktloch eine TaNO_0,8;hex-Schicht, die als Widerstandsschicht 304 dient, in einer Dicke von etwa 1000 Å gebildet. Danach wird als zweite Verdrahtungsschicht, die als Draht bzw. Leitung für jedes Heizelement dient, eine Al-Elektrode gebildet.
Anschließend wird durch das Plasma-CVD-Verfahren eine Si₃N₄-Schicht, die als Schutzschicht 306 dient, in einer Dicke von etwa 10.000 Å gebildet. Als Deckschicht wird die kavitationsbeständige Schicht 307, die aus amorphem Tantal besteht, in einer Dicke von etwa 2500 Å abgeschieden. Als Material für die kavitationsbeständige Schicht 307 wird amorphes Metall gewählt, dessen Leitfähigkeit niedriger ist als die einer Metallschicht. Als Material für die kavitationsbeständige Schicht 307 ist auch ein Nitrid (BN, TiN) oder ein Carbid (WC, TiC, BC) als Isolatormaterial, dessen Leitfähigkeit niedrig und dessen Dielektrizitätskonstante verhältnismäßig hoch ist, verwendbar.
20 ist eine Schnittzeichnung entlang der Richtung des Flüssigkeitsdurchflussweges zur Erläuterung des grundlegenden Aufbaus einer Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung. 21 ist eine perspektivische Zeichnung, die den in 20 gezeigten Flüssigkeitsausstoßkopf zeigt, bei dem ein Teil des Kopfes abgeschnitten ist.
Der Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Elementsubstrat 1, in dem die Vielzahl von Heizelementen 2 (wobei in 20 nur ein Heizelement gezeigt ist), die als Bläschenerzeugungselemente für die Zuführung von Wärmeenergie dienen, um zu bewirken, dass die Flüssigkeit Bläschen erzeugt, parallel angeordnet sind; und die Deckplatte 3, die mit dem Elementsubstrat 1 verbunden ist.
Das Elementsubstrat 1 wird derart gebildet, dass auf einem Substrat, das aus Silicium hergestellt ist, eine Siliciumoxidschicht oder eine Siliciumnitridschicht, die zur Isolation oder zur Wärmespeicherung dient, gebildet wird und auf der vorstehend erwähnten Schicht eine Widerstandsschicht und eine Verdrahtungselektrode, die das Heizelement 2 bilden, strukturiert werden. Von der Verdrahtungselektrode wird an die Widerstandsschicht Spannung angelegt, wodurch der Widerstandsschicht ein Strom zugeführt wird, so dass das Heizelement 2 Wärme erzeugt.
Die Deckplatte 3 wird angewendet, um die gemeinsame Flüssigkeitskammer 8, die dazu dient, der Vielzahl von Flüssigkeitsdurchflusswegen 7, die den Heizelementen 2 entsprechen, die Flüssigkeit zuzuführen, und jeden Flüssigkeitsdurchflussweg 7 zu bilden. Die Deckplatte ist derart aufgebaut, dass die Seitenwand 9 des Durchflussweges, die sich vom Deckenbereich bis zu jedem Bereich zwischen den Heizelementen 2 erstreckt, damit zusammenhängt. Die Deckplatte 3 besteht aus einem Material auf Siliciumbasis. Die Deckplatte kann derart gebildet werden, dass die Struktur der Flüssigkeitsdurchflusswege 7 und der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8 durch Ätzen gebildet wird und das Material wie z.B. Siliciumnitrid oder Siliciumoxid, das als Seitenwand 9 des Durchflusswegs dient, durch ein bekanntes Schichtbildungsverfahren wie z.B. CVD auf dem Siliciumsubstrat abgeschieden wird und danach der Bereich, der jedem Flüssigkeitsdurchflussweg 7 entspricht, geätzt wird.
An der Stirnseite der Deckplatte 3 ist ein Wandbereich vorhanden. In dem Wandbereich wird die Vielzahl von Ausstoßöffnungen 5 gebildet, von denen jede einem der Flüssigkeitsdurchflusswege 7 entspricht und durch den Flüssigkeitsdurchflussweg 7 mit der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8 in Verbindung steht.
Ferner wird für den Aufzeichnungskopf ein auslegerförmiges bewegliches Teil 6, das derart angeordnet ist, dass es den Flüssigkeitsdurchflussweg 7 in einen ersten Flüssigkeitsdurchflussweg 7a und einen zweiten Flüssigkeitsdurchflussweg 7b aufteilt, bereitgestellt. Das bewegliche Teil 6 hat eine ferroelektrische Dünnschicht 6a; Elektroden 6b, die auf den beiden Oberflächen der Dünnschicht angeordnet sind; und eine auf der Oberfläche der oberen Elektrode 6b gebildete Deckschicht 6c, die als Verlagerungshilfsschicht dient. Die Deckschicht 6c wird aus SiN oder SiO₂ als einem Material, das sogar in dem Fall, dass es in einem elektrischen Feld angeordnet ist, nicht verformt wird, hergestellt. Die Verlagerungshilfsschicht kann auch auf der Oberfläche der unteren Elektrode 6b gebildet werden.
An der stromaufwärts gelegenen Seite eines starken Flüssigkeitsstromes, der wegen des Flüssigkeitsausstoßvorgangs von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8 am oberen Bereich des beweglichen Teils 6 vorbei zu der Seite der Ausstoßöffnung 5 fließt, hat das bewegliche Teil 6 den Stützpunkt 6d in der Nähe des an dem Elementsubstrat 1 befestigten Stütz- und Befestigungsabschnitts des beweglichen Teils 6. Das bewegliche Teil ist an dem Elementsubstrat 1 derart angeordnet, dass es sein freies Ende 6e an der von dem Stützpunkt 6d stromabwärts gelegenen Seite hat. Der Bläschenerzeugungsbereich 10 befindet sich oberhalb des Heizelements 2.
In diesem Fall werden "stromaufwärts" und "stromabwärts" als Ausdrücke angewendet, die sich auf die Flüssigkeitsströmungsrichtungen von einer Flüssigkeitszuführungsquelle in Richtung auf die Ausstoßöffnung 5 über den oberen Bereich des Bläschenerzeugungsbereichs 10 (oder des beweglichen Teils 6) oder auf die Richtungen beim Aufbau beziehen.
Anschließend wird nun die Verteilung der Schaltungen und Bauelemente auf Elementsubstrat 1 und Deckplatte 3 beschrieben.
7A und 7B sind schematische Zeichnungen zur Erläuterung der Schaltkreisstruktur des in 20 gezeigten Flüssigkeitsausstoßkopfes. 7A ist eine Draufsicht des Elementsubstrats, und 7B ist eine Draufsicht der Deckplatte. 7A und 7B zeigen die Ebenen, die einander gegenüberliegen.
Wie in 7A gezeigt ist, sind in dem Elementsubstrat 1 eine Vielzahl von parallel angeordneten Heizelementen 2, ein Ansteuerelement 11 zum Ansteuern der Heizelemente 2 als Reaktion auf Bilddaten, ein Bilddatenübertragungsabschnitt 12 für die Erzeugung von Bilddaten, die in das Ansteuerelement 11 eingegeben werden, und ein Messfühler 13 zur Messung von Parametern, die notwendig sind, um die Ansteuerbedingungen des Heizelements 2 zu steuern, gebildet.
Der Bilddatenübertragungsabschnitt 12 umfasst ein Schieberegister zur Erzeugung der Bilddaten, die parallel in jedes der Ansteuerelemente 11 seriell eingegeben werden; und eine Zwischenspeicherschaltung zur Zwischenspeicherung der aus dem Schieberegister ausgegebenen Daten. Der Bilddatenübertragungsabschnitt 12 kann Bilddaten derart ausgeben, dass sie den Heizelementen 2 einzeln entsprechen. Die Anordnung der Heizelemente 2 ist in eine Vielzahl von Blöcken eingeteilt, und auch der Übertragungsabschnitt kann Bilddaten für die Heizelemente auf Blockeinheitsbasis erzeugen. Im Einzelnen kann man in dem Fall, dass für einen Kopf eine Vielzahl von Schieberegistern bereitgestellt wird und Daten, die von dem Aufzeichnungsgerät übertragen werden, derart eingegeben werden, dass sie auf die Vielzahl von Schieberegistern verteilt werden, der Verwirklichung eines schnellen Druckens leicht gerecht werden.
Als Messfühler 13 wird ein Temperaturfühler zur Messung der Temperatur in der Nähe des Heizelements 2 oder ein Widerstandsfühler zur Überwachung des Widerstandswerts des Heizelements 2 angewendet.
Was die Ausstoßmenge der auszustoßenden Tröpfchen anbetrifft, so hat die Ausstoßmenge hauptsächlich mit dem Volumen eines Bläschens in der Flüssigkeit zu tun. Das Bläschenvolumen in der Flüssigkeit ändert sich entsprechend der Temperatur des Heizelements 2 und seiner Umgebungstemperatur. Die Temperatur des Heizelements 2 und seine Umgebungstemperatur werden durch den Temperaturfühler gemessen. Vor der Zuführung von Heizimpulsen für den Flüssigkeitsausstoß als Reaktion auf das (Mess)ergebnis werden (Vorheiz)impulse zugeführt, die eine so geringe Energie haben, dass die Flüssigkeit nicht ausgestoßen wird, und die Impulsdauer des Vorheizimpulses und die Ausgabetaktung werden zum Steuern der Temperatur des Heizelements 2 und seiner Umgebungstemperatur verändert. In dieser Weise werden konstante Tröpfchen ausgestoßen, so dass die Bildqualität aufrechterhalten wird.
Was die Energie in dem Heizelement 2, die zur Bildung von Bläschen aus der Flüssigkeit erforderlich ist, anbetrifft, so wird die Energie auch in dem Fall, dass die Abstrahlungsbedingungen konstant sind, durch das Produkt der je Flächeneinheit eingeführten Energie, die für das Heizelement 2 erforderlich ist, und der Fläche des Heizelements 2 ausgedrückt. Infolgedessen können die Spannung, die über das Heizelement 2 angelegt wird, der Strom, der durch das Heizelement 2 fließt, und die Impulsdauer auf Werte eingestellt werden, bei denen die notwendige Energie erzielt werden kann. In diesem Fall kann die Spannung, die an das Heizelement 2 anzulegen ist, im Wesentlichen konstant gehalten werden, indem die Spannung von einem Netzanschluss des Hauptkörpers des Flüssigkeitsausstoßgeräts zugeführt wird. Andererseits schwankt für den Strom, der durch das Heizelement 2 fließt, der Widerstandswert des Heizelements 2 in Abhängigkeit von Veränderungen der Schichtdicke des Heizelements 2 bei dem Verfahren zur Herstellung des Elementsubstrats 1, des Fertigungsloses oder des Elementsubstrats 1. Infolgedessen nimmt in dem Fall, dass die Dauer des zuzuführenden Impulses auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird und der Widerstandswert des Heizelements 2 größer als ein Sollwert ist, der Stromstärkewert des fließenden Stromes ab und wird die Menge der in das Heizelement 2 einzuführenden Energie nicht erreicht, so dass aus der Flüssigkeit nicht richtig Bläschen gebildet werden können. Im Gegensatz dazu ist der Stromstärkewert in dem Fall, dass der Widerstandswert des Heizelements 2 vermindert wird, sogar in dem Fall, dass eine Spannung angelegt wird, die der vorstehend erwähnten äquivalent ist, größer als der Sollwert. In diesem Fall erzeugt das Heizelement 2 übermäßige Energie, was zu einer Beschädigung oder zu einer kurzen Lebensdauer des Heizelements 2 führen kann. Infolgedessen gibt es auch eine Methode, bei der der Widerstandsfühler immer den Widerstandswert des Heizelements 2 überwacht und die Netzanschlussspannung oder die Heizimpulsdauer entsprechend dem Widerstandswert verändert wird, damit dem Heizelement 2 im Wesentlichen eine konstante Energie zugeführt wird.
Wie in 7B gezeigt ist, sind in der Deckplatte 3 andererseits zusätzlich zu den Rillen 3a und 3b, die die Flüssigkeitsdurchflusswege und die gemeinsame Flüssigkeitskammer formen, wie sie vorstehend erwähnt wurden, die Messfühleransteuerungseinheit 17 zum Ansteuern des für das Elementsubstrat 1 bereitgestellten Messfühlers 13 und die Heizelementsteuereinheit 16 für die Steuerung der Ansteuerbedingungen des Heizelements 2 auf Basis des Ausgabeergebnisses aus dem Messfühler, der durch die Messfühleransteuerungseinheit 17 angesteuert wird, vorhanden. In der Deckplatte 3 ist die Zuführungsöffnung 3c, die mit der gemeinsamen Flüssigkeitskammer in Verbindung steht, geöffnet, um der gemeinsamen Flüssigkeitskammer von außen Flüssigkeit zuzuführen.
Ferner sind auf den miteinander verbundenen Oberflächen des Elementsubstrats 1 und der Deckplatte 3 in den Bereichen, die einander gegenüberliegen, die Verbindungskontaktstellen 14 und 18 zur elektrischen Verbindung der Schaltungen, die in dem Elementsubstrat 1 gebildet sind, mit denen, die in der Deckplatte 3 gebildet sind, gebildet. In dem Elementsubstrat 1 sind die Außenkontaktstellen 15 als Eingangsanschlüsse für das elektrische Signal von außen gebildet. Das Elementsubstrat 1 ist größer als die Deckplatte 3. Die Außenkontaktstellen 15 sind an Stellen angeordnet, die nicht durch die Deckplatte 3 bedeckt sind, sondern freiliegen, wenn das Elementsubstrat 1 mit der Deckplatte 3 verbunden ist.
In diesem Fall wird nun ein Beispiel für das Verfahren zur Bildung der Schaltungen in dem Elementsubstrat 1 und der Deckplatte 3 beschrieben.
Was das Elementsubstrat 1 anbetrifft, so werden auf dem Siliciumsubstrat zuerst unter Anwendung des Halbleiterwafer-Bearbeitungsverfahrens die Schaltungen gebildet, die das Ansteuerelement 11, den Bilddatenübertragungsabschnitt 12 und den Messfühler 13 bilden. Anschließend werden in der vorstehend erwähnten Weise die Heizelemente 2 gebildet. Schließlich werden die Verbindungskontaktstellen 14 und die Außenkontaktstellen 15 gebildet.
Für die Deckplatte 3 werden auf dem Siliciumsubstrat zuerst unter Anwendung des Halbleiterwafer-Bearbeitungsverfahrens die Schaltungen gebildet, die die Heizelementsteuereinheit 16 und die Messfühleransteuerungseinheit 17 bilden. Wie vorstehend erwähnt wurde, werden anschließend durch das Schichtbildungsverfahren und Ätzen die Rillen 3a und 3b, die die Flüssigkeitsdurchflusswege und die gemeinsame Flüssigkeitskammer formen, und die Zuführungsöffnung 3c gebildet. Am Ende werden die Verbindungskontaktstellen 18 gebildet.
Wenn das Elementsubstrat 1 und die Deckplatte 3, die in der vorstehend erwähnten Weise aufgebaut sind, derart miteinander verbunden werden, dass sie zueinander ausgerichtet sind, ist jedes der Heizelemente 2 derart angeordnet, dass es dem betreffenden Flüssigkeitsdurchflussweg entspricht, und die Schaltungen u.dgl., die auf dem Elementsubstrat 1 gebildet sind, werden mit denen der Deckplatte 3 durch die Verbindungsstellen 14 und 18 elektrisch verbunden. Für die elektrische Verbindung gibt es beispielsweise eine Methode, bei der die elektrische Verbindung durchgeführt wird, indem auf den Verbindungsstellen 14 und 18 Goldbondhügel angeordnet werden. Es kann auch eine andere Methode als die vorstehend erwähnte angewendet werden. Wie vorstehend erwähnt wurde, wird das Elementsubstrat 1 durch die Verbindungskontaktstellen 14 und 18 elektrisch mit der Deckplatte 3 verbunden, so dass die vorstehend erwähnten Schaltun gen gleichzeitig mit der Verbindung des Elementsubstrats 1 mit der Deckplatte 3 miteinander elektrisch verbunden werden können. Nachdem das Elementsubstrat 1 mit der Deckplatte 3 verbunden worden ist, wird die Öffnungsplatte 4 mit den Stirnseiten der Flüssigkeitsdurchflusswege 7 verbunden, so dass der Flüssigkeitsausstoßkopf fertiggestellt wird.
Der Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Ausführungsform hat ein bewegliches Teil 6, wie es in 20 gezeigt ist. Was das bewegliche Teil 6 anbetrifft, so wird das bewegliche Teil unter Anwendung des Photolithographieverfahrens auf dem Elementsubstrat 1 gebildet, nachdem die Schaltungen u.dgl. in der vorstehend erwähnten Weise auf dem Elementsubstrat gebildet worden sind. Nachstehend wird nun das Verfahren zur Bildung des beweglichen Teils 6 beschrieben.
Wenn der Flüssigkeitsausstoßkopf, der in der vorstehend erwähnten Weise erhalten worden ist, an der Kopfkassette oder dem Flüssigkeitsausstoßgerät angebracht wird, wie es in 22 gezeigt ist, wird der Kopf an dem Trägersubstrat 22, an dem die Leiterplatte 23 angebracht ist, befestigt, um die Flüssigkeitsausstoßkopfeinheit 20 zu bilden. Unter Bezugnahme auf 22 ist auf der Leiterplatte 23 eine Vielzahl von Leiterzugführungen 24 gebildet, die mit der Kopfsteuereinheit des Flüssigkeitsausstoßgeräts elektrisch verbunden sind. Die Leiterzugführungen 24 sind über die Bonddrähte 25 elektrisch mit den Außenkontaktstellen 15 verbunden. Da die Außenkontaktstellen 15 nur auf dem Elementsubstrat 1 gebildet sind, kann die elektrische Verbindung des Flüssigkeitsausstoßkopfes 21 mit der Außenseite in einer ähnlichen Weise verwirklicht werden wie bei dem herkömmlichen Flüssigkeitsausstoßkopf. Obwohl die Beschreibung in diesem Fall in Bezug auf das Beispiel erfolgt, bei dem die Außenkontaktstellen 15 auf dem Elementsubstrat 1 gebildet sind, ist es auch möglich, dass sie nicht auf dem Elementsubstrat, sondern nur auf der Deckplatte 3 gebildet werden.
Da die verschiedenen Schaltungen zum Ansteuern und zur Steuerung der Heizelemente 2 unter Berücksichtigung ihrer elektri schen Verbindung auf dem Elementsubstrat 1 und der Deckplatte 3 verteilt sind, wie vorstehend beschrieben wurde, sind diese Schaltungen nicht auf einem Substrat dicht angeordnet, so dass der Flüssigkeitsausstoßkopf miniaturisiert werden kann. Die Schaltungen, die auf dem Elementsubstrat 1 gebildet sind, sind durch die Verbindungskontaktstellen 14 und 18 mit denen, die auf der Deckplatte 3 gebildet sind, elektrisch verbunden, so dass die Zahl der Bereiche zur elektrischen Verbindung mit der Außenseite des Kopfes veringert ist. Infolgedessen kann die Zuverlässigkeit verbessert werden, kann die Zahl der Teile vermindert werden und kann die Miniaturisierung des Kopfes weiter verbessert werden.
Die vorstehend erwähnten Schaltungen sind auf das Elementsubstrat 1 und die Deckplatte 3 verteilt, so dass die Ausbeute des Elementsubstrats 1 verbessert werden kann. Infolgedessen können die Fertigungskosten des Flüssigkeitsausstoßkopfes gesenkt werden. Da das Elementsubstrat 1 und die Deckplatte 3 aus demselben Material auf Siliciumbasis hergestellt werden, ist ferner der Wärmeausdehnungskoeffizient des Elementsubstrats 1 dem der Deckplatte 3 äquivalent. Infolgedessen tritt sogar in dem Fall, dass das Elementsubstrat 1 und die Deckplatte 3 durch Ansteuerung der Heizelemente 2 eine Wärmeausdehnung erfahren, zwischen ihnen keine Abweichung auf, so dass die Justiergenauigkeit zwischen jedem Heizelement 2 und dem betreffenden Flüssigkeitsdurchflussweg 7 in vorzuziehender Weise aufrechterhalten wird.
Im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform werden die vorstehend beschriebenen Schaltungen unter Berücksichtigung ihrer Funktionen verteilt. Vorstellungen bezüglich der Verteilung werden nun nachstehend beschrieben.
Die Schaltungen, die den Heizelementen 2 einzeln oder auf Blockeinheitsbasis in der elektrischen Verbindung durch Verdrahtung entsprechen, sind auf dem Elementsubstrat 1 gebildet. Bei dem in 7A und 7B gezeigten Beispiel entsprechen das Ansteuerelement 11 und der Bilddatenübertragungsabschnitt 12 den vorstehend erwähnten Schaltungen. Da die Ansteuersignale den Heizelementen 2 parallel zugeführt werden, ist die Zahl der zu führenden Drähte bzw. Leitungen notwendigerweise so hoch wie die Zahl der Signale. Infolgedessen nimmt im Fall der Bildung solcher Schaltungen auf der Deckplatte 3 die Zahl der Verbindungsbereiche zwischen dem Elementsubstrat 1 und der Deckplatte 3 zu, so dass die Möglichkeit des Auftretens von Verbindungsfehlern zunimmt. Wenn die Schaltungen auf dem Elementsubstrat 1 gebildet werden, können Verbindungsfehler zwischen den Heizelementen 2 und den Schaltungen verhindert werden.
Da ein Abschnitt wie eine Steuerschaltung, der leicht in einer analogen Weise arbeitet, dem Einfluss von Wärme ausgesetzt ist, ist so ein Abschnitt auf der Platte, auf der sich keine Heizelemente 2 befinden, d.h., auf der Deckplatte 3, angeordnet. Bei dem in 23A bis 23G gezeigten Beispiel entspricht die Heizelementsteuereinheit 16 dem vorstehend erwähnten Abschnitt.
Der Messfühler 13 kann nötigenfalls auf dem Elementsubstrat 1 angeordnet werden oder kann auf der Deckplatte 3 angeordnet werden. Z.B. ist im Fall des Widerstandsfühlers dieser sinnlos oder verschlechtert sich die Messgenauigkeit, wenn er nicht auf dem Elementsubstrat 1 gebildet ist. Er wird infolgedessen auf dem Elementsubstrat 1 bereitgestellt. Wenn im Fall des Temperaturfühlers ein Temperaturanstieg ermittelt wird, der auf einen anomalen Zustand der Heizelement-Ansteuerschaltung zurückzuführen ist, ist es erwünscht, dass der Messfühler auf dem Elementsubstrat 1 angeordnet wird. Wenn es erwünscht ist, den Zustand der Tinte auf Basis des Temperaturanstiegs durch die Tinte zu ermitteln, was später beschrieben wird, ist es vorzuziehen, dass der Messfühler auf der Deckplatte 3 oder sowohl auf dem Elementsubstrat 1 als auch auf der Deckplatte 3 angeordnet wird.
Die anderen Schaltungen, die nicht den Heizelementen 2 einzeln oder auf Blockeinheitsbasis in der elektrischen Verbindung durch Verdrahtung entsprechen, Schaltungen, die nicht immer auf dem Elementsubstrat 1 gebildet werden können, und Messfühler, die sogar in dem Fall, dass sie auf der Deckplatte 3 gebildet werden, in Bezug auf die Messgenauigkeit kein Problem zeigen, werden auf dem Elementsubstrat 1 oder nötigenfalls auf der Deckplatte 3 gebildet, so dass sie auf keinem davon dicht angeordnet sind. Bei dem in 7A und 7B gezeigten Beispiel entspricht die Messfühleransteuerungseinheit 17 der vorstehend erwähnten Schaltung.
Da die Schaltungen und Messfühler auf Basis der vorstehend dargelegten Vorstellungen auf dem Elementsubstrat 1 und der Deckplatte 3 bereitgestellt werden, können die Schaltungen und Messfühler derart verteilt werden, dass sie gut ausgewogen sind, während die elektrischen Verbindungsbereiche zwischen dem Elementsubstrat 1 und der Deckplatte 3 auf eine möglichst geringe Zahl vermindert werden.
Anschließend wird nun unter Bezugnahme auf 23A bis 23G das Verfahren zur Herstellung des beweglichen Teils bei dem Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 23A bis 23G sind Schnittzeichnungen entlang der Flüssigkeitsdurchflussrichtung, die jeweils einen Schritt des Verfahrens zur Herstellung des beweglichen Teils bei dem in 20 gezeigten Flüssigkeitsausstoßkopf zeigen.
Wie in 23A gezeigt ist, wird auf einer kavitationsbeständigen Schicht 501, die sich auf dem Elementsubstrat 1 befindet, eine Verdrahtungsschicht 502, die als ein Elektrodenleiter für die Zuführung eines Ansteuersignals zum Ermöglichen einer Verlagerung des beweglichen Teils 6 dient und aus Cu-Si besteht, in einer Schichtdicke von 3000 Å gebildet. Die Verdrahtungsschicht 502 wird strukturiert und geätzt, wodurch ein gewünschter Elektrodenleiter gebildet wird. Anschließend wird auf der Verdrahtungsschicht 502 eine 3000 Å dicke Zwischenschicht 503, die aus einer SiN-Schicht besteht, gebildet.
Wie in 23B gezeigt ist, wird auf der gesamten Oberfläche des Elementsubstrats 1 durch das CVD-Verfahren unter der Bedingung, dass die Temperatur auf 350°C eingestellt ist, eine PSG-Schicht 504 gebildet. Die Schichtdicke der PSG-Schicht 504 wird auf 1 bis 20 μm eingestellt. Die Schichtdicke entspricht dem Zwischenraum zwischen dem Elementsubstrat 1 und dem beweglichen Teil 6. Da die Schichtdicke der PSG-Schicht 504 in dem vorstehend erwähnten Bereich eingestellt wird, werden unter dem Gesichtspunkt des Gleichgewichts der gesamten Flüssigkeitsdurchflusswege in dem Aufzeichnungskopf auffallende Wirkungen gezeigt, die auf eine Verbesserung des Flüssigkeitsausstoßwirkungsgrades durch das bewegliche Teil 6 zurückzuführen sind.
Anschließend wird auf die Oberfläche der PSG-Schicht 504 zur Strukturierung der PSG-Schicht 504 durch Schleuderauftrag ein Resist aufgebracht. Danach erfolgen Belichtung und Entwicklung, wodurch der Resist in einem Bereich, der dem Bereich entspricht, wo das bewegliche Teil 6 befestigt wird, entfernt wird. Die PSG-Schicht 504 wird in dem Bereich, der nicht durch den Resist bedeckt wird, durch nasschemisches Ätzen mit gepufferter Flusssäure beseitigt. Danach wird der Resist, der auf der Oberfläche der PSG-Schicht 504 zurückgeblieben ist, durch Veraschen mit einem Sauerstoffplasma oder durch Einweichen des Elementsubstrats 1 in einem Resistentfernungsmittel beseitigt. Infolgedessen wird ein Teil der PSG-Schicht 504 auf der Oberfläche des Elementsubstrats 1 zurückgelassen, und bei einem Prozess, der später durchgeführt wird, wird ein Formelement gebildet, das einem Zwischenraum zwischen dem beweglichen Teil 6 und dem Elementsubstrat 1 entspricht.
Wie in 23C gezeigt ist, wird eine Schutzschicht 505, die aus SiN besteht, in einer Schichtdicke von 5000 Å gebildet. Die vorstehend erwähnte Zwischenschicht 503 und die Schutzschicht 505 werden strukturiert und geätzt.
Anschließend wird unter Bezugnahme auf 23D durch das Zerstäubungsverfahren eine Elektrodenschicht 506, die aus Cu-Si besteht und dazu dient, das Ansteuersignal des beweglichen Teils 6 zuzuführen, in einer Schichtdicke von 3000 Å gebildet und in ähnlicher Weise strukturiert und geätzt. Infolgedessen wird die Elektrodenschicht 506 mit der Verdrahtungsschicht 502 verbunden, wodurch die untere Elektrode 6b (siehe 20) gebildet wird.
Nachdem durch Zerstäubung eine Sperrschicht 511 zum Schutz einer ferroelektrischen Schicht 507, die anschließend gebildet wird, gebildet worden ist, wie in 23E gezeigt ist, wird durch das HF-Zerstäubungsverfahren die ferroelektrische Schicht 507, die aus Pb(Zr_0,5Ti_0,5)O₃ besteht, in einer Schichtdicke von 1 μm gebildet. Die gebildete ferroelektrische Schicht 507 wird strukturiert und geätzt, so dass die Schicht 507 in einer Gestalt, die dem beweglichen Teil 6 entspricht, gebildet wird.
Auf der ferroelektrischen Schicht 507 wird durch Zerstäubung eine Sperrschicht 512 als Schutzschicht für eine Elektrodenschicht 508 gebildet. Wie in 23F gezeigt ist, wird danach unter Verwendung von Cu-Si die Elektrodenschicht 508, die dazu dient, das Ansteuersignal des beweglichen Teils 6 zuzuführen, und die andere Elektrode 6b an der oberen Seite bildet, derart gebildet, dass die Schichtdicke 3000 Å beträgt. Zum Schutz der Elektrodenschicht 508 wird eine Schutzschicht 509, die aus SiN besteht, in einer Schichtdicke von 3000 Å gebildet. Anschließend wird zur weiteren Verstärkung der Verlagerung des beweglichen Teils 6 eine Deckschicht 510, die aus SiN besteht, in einer Schichtdicke von 6000 Å gebildet.
Schließlich wird zur Bildung des Bereichs, der dem Bläschenerzeugungsbereich 10 (siehe 20) zwischen dem Elementsubstrat 1 und dem beweglichen Teil 6 entspricht, die PSG-Schicht 504, die als Formelement zurückgeblieben ist, durch nasschemisches Ätzen unter Verwendung von gepufferter Flusssäure entfernt. Wie in 23G gezeigt ist, wird somit zwischen dem Elementsubstrat 1 und dem beweglichen Teil 6 ein Zwischenraum gebildet.
Das bewegliche Teil 6 der vorliegenden Ausführungsform wird durch die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte gebildet.
In diesem Fall wird nun unter Bezugnahme auf 24 ein anderes Verfahren zur Herstellung des beweglichen Teils bei dem Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert. 24 zeigt eine schematische Zeichnung eines ECR-Plasma-CVD-Geräts, das bei dem vorliegenden Herstellungsverfahren angewendet wird.
Bei dem vorliegenden Herstellungsverfahren wird die ferroelektrische Dünnschicht 6a des beweglichen Teils 6 aus (Ba-Sr)TiO₃ hergestellt. Die Schicht wird durch das ECR-Plasma-CVD-Verfahren gebildet. Mit Ausnahme der vorstehend erwähnten Bedingungen wird das Herstellungsverfahren in einer Weise durchgeführt, die der unter Bezugnahme auf 23A to 23G beschriebenen ähnlich ist.
Als Materialien für die ferroelektrische Dünnschicht 6a, die durch das ECR-Plasma-CVD-Verfahren gebildet wird, werden Ba(DPM)₂ [Bariumbisdipivaloylmethanat], Sr(DPM)₂, Ti(O-i-C₃H₇)₄ und O₂ verwendet. Wie in 24 gezeigt ist, werden sowohl Ba(DPM)₂ als auch Sr(DPM)₂ unter Verwendung eines Ar-Gases als Trägergas einer in dem Gerät befindlichen Kammer 100 bei einer hohen Temperatur, die in der Nähe ihres Schmelzpunkts liegt, zugeführt. Für die Einführung von Ti(O-i-C₃H₇)₄ in die in dem Gerät befindliche Kammer lässt man Ar-Gas als Trägergas hindurchperlen. Andererseits wird auch ein O₂-Gas in die Kammer eimgeführt.
Bezugszahl 104 bezeichnet eine Magnetspule.
Anschließend werden in die Kammer Mikrowellen mit 2,54 GHz eingeführt, damit diese Materialien in einen Plasmazustand versetzt werden. Diese Materialien erreichen die Oberfläche eines in der Kammer angeordneten Substrats 102, wodurch die ferroelektrische Dünnschicht 6a, die aus den ferroelektrischen Materialien besteht, gebildet wird.
Vorstehend ist das Verfahren zur Bildung der ferroelektrischen Dünnschicht 6a des beweglichen Teils 6 unter Anwendung des Zerstäubungsverfahrens oder des ECR-Plasma-CVD-Verfahrens beschrieben worden, jedoch ist die Bildung der ferroelektrischen Dünnschicht 6a nicht auf diese Herstellungsverfahren eingeschränkt.
Zusätzlich zu diesen Verfahren kann die Schicht auch unter Anwendung des Plasma-CVD-Verfahrens, eines thermischen CVD-Verfahrens oder eines MOCVD-Verfahrens (molekularen organischen CVD-Verfahrens) gebildet werden.
PZT: Pb-Zr_x-Ti_1–xO₃, SBT: Sr-Bi₂-Ta₂O₉, SrTiO₃, BaTiO₃ und PLZT: (Pb, La)-(Zr, Ti)O₃ können zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Materialien als Materialien für die ferroelektrische Dünnschicht 6a verwendet werden. Die Zusammensetzung der ferroelektrischen Dünnschicht 6a kann kontinuierlich oder intermittierend in Bezug auf die Richtung der Schichtdicke verändert werden.
[Grundprinzip des Flüssigkeitsausstoßes durch den Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Ausführungsform]
Der Grundbegriff des Flüssigkeitsausstoßes durch den Flüssigkeitsausstoßkopf, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung offenbart ist, wird nun im Einzelnen unter Bezugnahme auf 25A bis 25E erläutert.
25A bis 25E sind Schnittzeichnungen zur Erläuterung des Ausstoßverfahrens mit dem Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Erfindung in Richtung der Durchflusswege.
Wie in 25A bis 25E gezeigt ist, ist die Ausstoßöffnung 5 im Endbereich des Flüssigkeitsdurchflussweges 7 angeordnet, und das bewegliche Teil 6 ist an der stromaufwärts von der Ausstoßöffnung 5 gelegenen Seite angeordnet. Der Flüssigkeitsdurchflussweg 7, der direkt mit der Ausstoßöffnung 5 in Verbindung steht, ist mit der Flüssigkeit gefüllt, die aus der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8 zuzuführen ist. Zwischen der oberen und der unteren Elektrode 6b, die in dem beweglichen Teil 6 gebildet sind, wird eine Spannung angelegt, wodurch in der ferroelektrischen Dünnschicht 6a eine Verformungskraft erzeugt wird, so dass das bewegliche Teil 6 verlagert werden kann. Im Einzelnen wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Länge der ferroelektrischen Dünnschicht 6a in der Flussrichtung der Flüssig keit vergrößert oder verkürzt, wenn zwischen der oberen und der unteren Elektrode 6b eine Spannung angelegt wird, wobei jedoch die Länge der Deckschicht 6c unabhängig vom Anlegen der Spannung an den Bereich zwischen den Elektroden 6b konstant gehalten wird. Infolgedessen wird durch einen Unterschied zwischen der Länge der Dünnschicht 6a und der Länge der Deckschicht 6c in dem beweglichen Teil 6 eine Verformungskraft hervorgerufen, so dass das bewegliche Teil 6 stark verlagert werden kann.
Wenn zwischen den Elektroden 6b eine Spannung mit einer bestimmten Polarität angelegt wird, zieht sich die Dünnschicht 6a zusammen, so dass das bewegliche Teil 6 zu der Seite des Elementsubstrats 1 verlagert wird. Wenn zwischen den beiden Elektroden 6b eine Spannung mit einer Polarität, die der Polarität der Spannung in dem vorstehend erwähnten Fall entgegengesetzt ist, angelegt wird, dehnt sich die Dünnschicht 6a aus, so dass das bewegliche Teil 6 zu der Seite der Deckglatte 3 verlagert wird. Das bewegliche Teil 6 kann im Zusammenhang mit der Vergrößerung und der Schrumpfung des Bläschens, das in dem Bläschenerzeugungsbereich 10 erzeugt wird, zu der Seite der Deckplatte 3 oder zu der Seite des Elementsubstrats 1 verlagert werden.
Zuerst ragt die Flüssigkeit in einem Anfangszustand, der in 25A gezeigt ist, wegen der Oberflächenspannung, die die Flüssigkeit selbst hat, leicht aus der Ausstoßöffnung 5 heraus.
Anschließend zieht sich die ferroelektrische Dünnschicht 6a durch Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Elektroden 6b zusammen. Wie in 25B gezeigt ist, wird das bewegliche Teil 6 zu der Seite des Elementsubstrats 1 verlagert. Im Zusammenhang mit der Verlagerung zieht sich die Oberfläche der aus der Ausstoßöffnung 5 herausragenden Flüssigkeit um eine vorgegebene Strecke in den Flüssigkeitsdurchflussweg 7 zurück. Infolgedessen kann die Ausstoßmenge der Flüssigkeit für jeden Flüssigkeitsausstoßvorgang stabilisiert werden.
Unter Bezugnahme auf 25C wird dem Heizelement 2 Wärmeerzeugungsenergie zugeführt. Unmittelbar vor der Erzeugung des Bläschens 50 in dem Bläschenerzeugungsbereich 10 wird zwischen den beiden Elektroden 6b des beweglichen Teils 6 ein Potenzial, das dem Potenzial im Fall von 25B entgegengesetzt ist, angelegt, wodurch die ferroelektrische Dünnschicht 6a in der entgegengesetzten Richtung verformt wird, so dass das bewegliche Teil 6 zu der Seite der Deckplatte 3 verlagert wird. Danach wird das vergrößerte Bläschen 50 an der Rückseite (der stromaufwärts gelegenen Seite) des beweglichen Teils 6, das unmittelbar vorher verlagert worden ist und als Sperre dient, angehalten. Die Flüssigkeit, die wegen der Erzeugung einer Druckwelle fließt, fließt nicht zu der Rückseite des beweglichen Teils 6.
Mit anderen Worten, es ist vorzuziehen, dass zwischen den beiden Elektroden 6b vor dem Erhitzen und der Bläschenbildung durch die Flüssigkeit eine Spannung angelegt wird, deren Potenzial dem Potenzial des vorstehend erwähnten Falls entgegengesetzt ist, damit das bewegliche Teil 6 vorher zu der Seite der Deckplatte 3 verlagert wird. Infolgedessen wird der Flüssigkeitsstrom in Richtung auf die stromaufwärts gelegene Seite angehalten und kann die Flüssigkeit wirksam der Ausstoßöffnung 5 an der stromabwärts gelegenen Seite zugeführt werden, so dass der Wirkungsgrad des Flüssigkeitsausstoßes aus der Ausstoßöffnung 5 verbessert werden kann.
Wenn sich das Bläschen, das auf der gesamten Oberfläche des Heizelements 2 erzeugt worden ist, schnell vergrößert, nimmt das Bläschen schließlich einen filmartigen Zustand an. Danach dehnt sich das Bläschen durch einen Druck, der am Anfang der Bläschenerzeugung äußerst hoch ist, kontinuierlich aus, wobei sich der Durchmesser des Bläschens wie bei dem in 25C gezeigten Bläschen 50 bis zu dem maximalen Bläschendurchmesser vergrößert.
Wenn eine fliegende Flüssigkeit (Tröpfchen) in der Ausstoßöffnung 5 von der Oberfläche der Flüssigkeit abgetrennt wird, wird zwischen den beiden Elektroden 6b eine Spannung, die dasselbe Potenzial wie die Spannung am Anfang hat, angelegt, damit das bewegliche Teil 6 zu der Seite des Elementsubstrats 1 verlagert wird, wie es in 25D gezeigt ist. Wegen dieses Vorgangs wird bei jedem Ausstoßvorgang dieselbe Menge der Flüssigkeit von der Seite der Ausstoßöffnung 5 zu dem Flüssigkeitsdurchflussweg 7 zurückgebracht. Infolgedessen können das Phänomen, dass die Flüssigkeit in der Nähe der Ausstoßöffnung 5 zurückbleibt, so dass sie der fliegenden Flüssigkeit (Tröpfchen) 11 folgt, oder das Phänomen, dass anschließend an ein Haupttröpfchen kleine Tröpfchen als Begleittröpfchen fliegen, beseitigt werden. Ferner erfolgt das Auffüllen der Flüssigkeit von der stromaufwärts gelegenen Seite mit einer hohen Geschwindigkeit.
Während eines Zeitraums zwischen den in 25C und 25D gezeigten Zuständen wird zwischen den beiden Elektroden 6b die Spannung, die dasselbe Potenzial wie die Spannung am Anfang hat, angelegt, so dass der Zeitraum, während dessen der in 25C gezeigte Zustand zu dem in 25D gezeigten Zustand verändert wird, d.h., der Zeitraum bis zur Verlagerung des beweglichen Teils 6 zu der Seite des Elementsubstrats 1 nach der Verlagerung des beweglichen Teils 6 zu der Seite der Deckplatte 3, so stark wie möglich verkürzt werden kann. Infolgedessen kann die Flüssigkeitsausstoßhäufigkeit verbessert werden.
Schließlich kehrt das bewegliche Teil 6 wegen seiner eigenen Flexibilität in die ursprüngliche Lage zurück, so dass der Flüssigkeitsausstoßkopf wieder in den Anfangszustand zurückgebracht wird.
26 zeigt Takt- bzw. Zeitablaufdiagramme von Signalen, die zum Verwirklichen des in 25A bis 25E gezeigten Ausstoßprinzips der vorliegenden Erfindung in das Heizelement 2 und in die in dem beweglichen Teil 6 bereitgestellten Elektroden 6b einzugeben sind.
Im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform wird ein VALVE-Signal (Ventilsignal) in den logischen Zustand H (nachstehend als "H- Pegel" bezeichnet) geschaltet, und das bewegliche Teil 6 wird als Ventil auf den GND-Pegel (Massepegel) gesetzt. Wenn ein Vorheizsignal zugeführt wird, wird das Ventil zu der Seite des Heizelements 2 verlagert, wodurch der Meniskus in die Ausstoßöffnung zurückgezogen wird. Dann wird die Zuführung des Vorheizsignals beendet. Danach wird das VALVE-Signal zum Entladen der Ladungen der dielektrischen Schicht 6a des Ventils in den logischen Zustand L (nachstehend als "L-Pegel" bezeichnet) geschaltet. Das Ventil wird auf den GND-Pegel gesetzt, wodurch das Ventil in die ursprüngliche Lage zurückgebracht wird.
Anschließend wird ein Hauptheizsignal zum Ausstoßen der Tröpfchen aus der Ausstoßöffnung 5 zugeführt. Zu dieser Zeit wirkt das Ventil derart, dass es die Vergrößerung des Bläschens in Richtung auf die Rückseite anhält.
Das VALVE-Signal wird auf den H-Pegel gesetzt, und das Ventil wird auf den GND-Pegel gesetzt. Wenn das Vorheizsignal zugeführt wird, wird das Ventil zu der Seite des Heizelements verlagert, wodurch die Auffüllgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu dem Flüssigkeitsdurchflussweg erhöht wird. Danach wird das VALVE-Signal auf den L-Pegel gesetzt, wodurch das Ventil in die ursprüngliche Lage zurückgebracht wird.
Die Ausführungsform ist in Bezug auf den grundlegenden Aufbau der vorliegenden Erfindung beschrieben worden. Nachstehend wird nun ein besonderes Beispiel hinsichtlich der vorstehend erwähnten Schaltungen erläutert.
<Beispiel für die Steuerung der dem Heizelement zugeführten Energie>
27A und 27B sind schematische Zeichnungen, die Schaltkreisstrukturen in dem Elementsubstrat und der Deckplatte bei dem Beispiel für die Steuerung der jedem Heizelement als Reaktion auf ein Messfühler-Ausgangssignal zugeführten Energie zeigen.
Unter Bezugnahme auf 27A sind auf einem Elementsubstrat 131 Heizelemente 132, die in einer Reihe angeordnet sind, Leistungstransistoren 141, die als Ansteuerelemente arbeiten, UND-Schaltungen 139, die jeweils zum Steuern der Ansteuerung des betreffenden Leistungstransistors 141 dienen, eine Ansteuertaktsteuerungs-Logikschaltung 138 zur Steuerung der Ansteuertaktung jedes Leistungstransistors 141, eine Bilddatenübertragungsschaltung 142, die ein Schieberegister und eine Zwischenspeicherschaltung umfasst, und ein Einstufungs-Heizelement 143 für die Ausstoßheizelemente, das als Messfühler zur Ermittlung des Widerstandswertes der Heizelemente 132 dient, gebildet.
Zur Verminderung der Stromzuführungskapazität des Geräts speist die Ansteuertaktsteuerungs-Logikschaltung 138 die Heizelemente 132 nicht alle gleichzeitig, sondern werden die Heizelemente 132 geteilt angesteuert, so dass sie mit zeitlicher Verschiebung gespeist werden. Von Freigabesignal-Eingangsanschlüssen 145k bis 145n, die als Außenkontaktstellen dienen, wird ein Freigabesignal zum Ansteuern der Ansteuertaktsteuerungs-Logikschaltung 138 eingegeben.
Als Außenkontaktstellen, die auf dem Elementsubstrat 131 gebildet sind, sind zusätzlich zu den Freigabesignal-Eingangsanschlüssen 145k bis 145n ein Eingangsanschluss 145a für die Zuführung einer Steuerleistung zu den Heizelementen 132, ein Erdanschluss 145b für die Leistungstransistoren 141, Eingangsanschlüsse 145c bis 145e für Signale, die notwendig sind, um die Energie zur Ansteuerung der Heizelemente 132 zu steuern, ein Steuerleistungszuführungsanschluss 145f für die Logikschaltung, ein Erdanschluss 145g, ein Eingangsanschluss 145i für serielle Daten, die in das Schieberegister der Bilddatenübertragungsschaltung 142 einzugeben sind, ein Eingangsanschluss 145h für ein mit den seriellen Daten synchronisiertes serielles Taktsignal und ein Eingangsanschluss 145j für ein Speichertaktsignal, das in die Zwischenspeicherschaltung einzugeben ist, vorhanden.
Wie in 27B gezeigt ist, sind andererseits auf einer Deckplatte 133 eine Messfühler-Ansteuerschaltung 147 zum Ansteuern des Einstufungs-Heizelements 143 für die Ausstoßheizelemente, eine Ansteuersignalsteuerschaltung 146 zur Überwachung eines Ausgangssignals aus dem Einstufungs-Heizelement 143 für die Ausstoßheizelemente zur Steuerung der Energie, die den Heizelementen 132 als Reaktion auf das Ergebnis zuzuführen ist, und ein Speicher 149 zur Speicherung eines Kodeausdrucks, der anhand von Widerstandswertdaten eingestuft wird, oder von Widerstandswerten, die durch das Einstufungs-Heizelement 143 für die Ausstoßheizelemente ermittelt werden, und einer vorher gemessenen Flüssigkeitsausstoßmengen-Kenngröße für jedes Heizelement 132 (der Flüssigkeitsausstoßmenge in dem Fall, dass bei einer bestimmten Temperatur ein vorgegebener Impuls zugeführt wird) als Kopfdaten und zur Ausgabe der Daten an die Ansteuersignalsteuerschaltung 146 gebildet.
Als Verbindungskontaktstellen sind auf dem Elementsubstrat 131 und der Deckplatte 133 Anschlüsse 144g, 144h, 148g und 148h zur Verbindung des Einstufungs-Heizelements 143 für die Ausstoßheizelemente mit der Messfühler-Ansteuerschaltung 147, Anschlüsse 144b bis 144d und 148b bis 148d zur Verbindung der Eingangsanschlüsse 145c bis 145e für Signale, die zur Steuerung der Energie zum Ansteuern der Heizelemente 132 von außen notwendig sind, mit der Ansteuersignalsteuerschaltung 146 und ein Anschluss 148a für die Zuführung des Ausgangssignals der Ansteuersignalsteuerschaltung 146 zu einem Eingangsanschluss der UND-Schaltungen 139 vorhanden.
Bei dem vorstehend erwähnten Aufbau wird zuerst der Widerstandswert jedes Heizelements 132 durch das Einstufungs-Heizelement 143 für die Ausstoßheizelemente ermittelt, und das Ergebnis wird in dem Speicher 149 abgespeichert. Die Ansteuersignalsteuerschaltung 146 legt entsprechend dem Widerstandswert und der Flüssigkeitsausstoßmengen-Kenngröße, die in dem Speicher 149 gespeichert ist, Vorderflankendaten und Rückflankendaten für die Ansteuerungsimpulse zu den Heizelementen 132 fest und gibt die festgelegten Daten über die Anschlüsse 148a und 144a an die UND-Schaltungen 139 aus. Andererseits werden seriell eingegebene Bilddaten in dem Schieberegister der Bilddatenüber tragungsschaltung 142 gespeichert, auf dem Speicher- bzw. Haltesignal basierend in der Zwischenspeicherschaltung gespeichert und durch die Ansteuertaktsteuerungs-Logikschaltung 138 an die UND-Schaltungen 139 ausgegeben. Die Impulsdauer des Heizimpulses wird somit entsprechend den Vorderflankendaten und Rückflankendaten festgelegt. Die Speisung der Heizelemente 132 wird auf der Impulsdauer basierend durchgeführt. Infolgedessen wird den Heizelementen 132 im Wesentlichen konstante Energie zugeführt.
In der vorstehenden Beschreibung ist das Einstufungs-Heizelement 143 für die Ausstoßheizelemente als Widerstandsfühler erläutert worden. Es kann beispielsweise als Temperaturfühler zur Ermittlung der Temperatur des Elementsubstrats 131 oder des Wertes der in den Heizelementen 132 gespeicherten Wärme angewendet werden. Entsprechend dem Messergebnis durch den Temperaturfühler kann auch die Vorheizimpulsdauer gesteuert werden.
In diesem Fall legt die Ansteuersignalsteuerschaltung 146 nach dem Einschalten des Netzanschlusses des Flüssigkeitsausstoßgeräts entsprechend der vorher gemessenen Flüssigkeitsausstoßmengen-Kenngröße und den durch das Einstufungs-Heizelement 143 für die Ausstoßheizelemente ermittelten Temperaturdaten die Vorheizdauer jedes Heizelements 132 fest. In dem Speicher 149 sind Auswahldaten zur Auswahl der Vorheizdauer entsprechend jedem Heizelement 132 gespeichert worden. Tatsächlich wird beim Vorheizen das Vorheizsignal entsprechend den in dem Speicher 149 gespeicherten Auswahldaten ausgewählt und das Heizelement 132 als Reaktion auf das ausgewählte Signal vorgeheizt. In dieser Weise kann der Vorheizimpuls derart festgelegt und zugeführt werden, dass die Ausstoßmenge der Flüssigkeit in jeder Ausstoßöffnung unabhängig von dem Temperaturzustand auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird. Es genügt, dass die Auswahldaten zur Festlegung der Vorheizdauer nur einmal gespeichert werden, beispielsweise wenn das Flüssigkeitsausstoßgerät aktiviert wird.
In dem Beispiel, das in 27A und 27B gezeigt ist, wird die Erläuterung für den Fall durchgeführt, dass ein Einstufungs- Heizelement 143 für die Ausstoßheizelemente vorhanden ist. Es können zwei Messfühler wie z.B. ein Widerstandsfühler und ein Temperaturfühler bereitgestellt und sowohl der Heizimpuls als auch der Vorheizimpuls als Reaktion auf die Ausgangssignale der Messfühler gesteuert werden, so dass die Bildqualität weiter verbessert werden kann.
Ferner können als Kopfdaten, die in dem Speicher 149 gespeichert werden, zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Widerstandswertdaten der Heizelemente auch die Art der auszustoßenden Flüssigkeit (in dem Fall, dass die Flüssigkeit eine Tinte ist, die Farbe der Tinte) enthalten sein. Der Grund dafür ist, dass in Abhängigkeit von der Art der Flüssigkeit ihre physikalischen Eigenschaften verschieden sind und auch das Ausstoßverhalten verschieden ist. Die Abspeicherung dieser Kopfdaten in den Speicher 149 kann nach dem Einbau des Flüssigkeitsausstoßkopfes in einer nichtflüchtigen Weise erfolgen oder kann auch durchgeführt werden, indem die Daten nach der Aktivierung des Flüssigkeitsausstoßgeräts, an dem der Flüssigkeitsausstoßkopf angebracht ist, von der Geräteseite übertragen werden.
Bei dem in 27A und 27B gezeigten Beispiel befindet sich das Einstufungs-Heizelement 143 für die Ausstoßheizelemente auf dem Elementsubstrat 131. Wenn das Einstufungs-Heizelement 143 für die Ausstoßheizelemente ein Temperaturfühler-Heizelement ist, kann es auf der Deckplatte 133 gebildet werden. Ferner ist es möglich, dass der Speicher 149 nicht auf der Deckplatte 133, sondern auf dem Elementsubstrat 131 bereitgestellt wird, wenn auf dem Elementsubstrat 131 Platz ist.
Wie vorstehend erwähnt wurde, tritt sogar in dem Fall, dass die Ansteuerung des Heizelements 132 derart gesteuert wird, dass eine vorzuziehende Bildqualität erhalten wird, manchmal die Unannehmlichkeit auf, dass die Flüssigkeit zwar in der gemeinsamen Flüssigkeitskammer vorhanden ist, die Flüssigkeit jedoch nicht ausgestoßen wird, wenn in der gemeinsamen Flüssigkeitskammer ein Bläschen erzeugt und zusammen mit der Auffüllung in den Flüssigkeitsdurchflussweg bewegt wird.
Zur Verhinderung der vorstehend erwähnten Unannehmlichkeit kann ein Messfühler zur Ermittlung des Vorhandenseins oder des Fehlens der Flüssigkeit in jedem Flüssigkeitsdurchflussweg (insbesondere in der Nähe jedes Heizelements 132) bereitgestellt werden, wobei dies jedoch später ausführlich beschrieben wird. Ferner kann auf der Deckplatte 133 auch eine Verarbeitungsschaltung bereitgestellt werden, die in dem Fall, dass durch den Messfühler das Fehlen der Flüssigkeit ermittelt wird, das Messergebnis nach außen ausgibt. Wenn die Flüssigkeit, die sich in dem Flüssigkeitsausstoßkopf befindet, auf dem Ausgangssignal aus der Verarbeitungsschaltung basierend zwangsläufig aus der Ausstoßöffnung an der Seite des Flüssigkeitsausstoßgeräts abgesaugt wird, kann das in dem Flüssigkeitsdurchflussweg vorhandene Bläschen beseitigt werden. Als der vorstehend erwähnte Messfühler zur Ermittlung des Vorhandenseins oder des Fehlens der Flüssigkeit kann ein Messfühler, der die Ermittlung auf der Basis einer Änderung des Widerstandswertes durch die Flüssigkeit durchführt, oder ein Messfühler, der dazu dient, in dem Fall, dass keine Flüssigkeit vorhanden ist, einen anomalen Temperaturanstieg bei dem Heizelement zu ermitteln, angewendet werden.
Nun wird unter Bezugnahme auf 28 eine Flüssigkeitsausstoßkopfkassette, an der der vorstehend beschriebene Flüssigkeitsausstoßkopf angebracht ist, schematisch erläutert. 28 ist eine perspektivische Zeichnung, die die Flüssigkeitsausstoßkopfkassette zeigt, an der der vorstehend erwähnte Flüssigkeitsausstoßkopf angebracht ist.
Eine Flüssigkeitsausstoßkopfkassette 571 gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat einen Flüssigkeitsausstoßkopf 572, wie er vorstehend erwähnt wurde, und einen Flüssigkeitsbehälter 573 zur Aufnahme einer Flüssigkeit wie z.B. einer Tinte, die dem Flüssigkeitsausstoßkopf 572 zuzuführen ist. Die Flüssigkeit, die in dem Flüssigkeitsbehälter 573 enthalten ist, wird der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8 (nicht gezeigt, siehe 1) des Flüssigkeitsausstoßkopfes 572 durch einen Flüssigkeitszuführungsweg bzw. -kanal (nicht gezeigt) zugeführt.
Nachdem die Flüssigkeit verbraucht ist, kann der Flüssigkeitsbehälter 573 wieder mit der Flüssigkeit gefüllt und angewendet werden. Zu diesem Zweck ist es erwünscht, dass in dem Flüssigkeitsbehälter 573 eine Flüssigkeitseinspritzstelle gebildet wird. Der Flüssigkeitsausstoßkopf 572 und der Flüssigkeitsbehälter 573 können derart gebildet werden, dass sie eingebaut sind, oder können abnehmbar gebildet werden.
Die Bauart des Flüssigkeitsausstoßkopfes, auf den der Aufbau von jeder der vorstehend erwähnten Ausführungsformen angewendet wird, ist nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten Bauarten eingeschränkt, sondern er kann auf verschiedene Flüssigkeitsausstoßköpfe angewendet werden, bei denen von Wärmeenergie Gebrauch gemacht wird. Er kann beispielsweise auf einen Aufzeichnungskopf angewendet werden, der als Aufzeichnungelemente Heizelemente für die Erzeugung von Wärmeenergie zum Ausstoßen von Flüssigkeit oder Heizelemente für die Erzeugung von Wärmeenergie zum Anfärben eines Aufzeichnungsblattes oder zur Tintenübertragung oder -sublimation von einem Tintenträgerelement enthält.
Vorstehende Erläuterung betrifft die Ausführungsformen, bei denen der Kondensator, der FeRAM, das piezoelektrische Element und das bewegliche Teil unter Anwendung der aus dem ferroelektrischen Material hergestellten Funktionselemente separat bereitgestellt werden. Der Flüssigkeitsausstoßkopf kann durch Kombination des Aufbaus dieser Ausführungsformen gebildet werden.
Die Funktionselemente, die das ferroelektrische Material umfassen, können auf der Deckplatte und/oder auf dem Elementsubstrat bereitgestellt werden. In Anbetracht dessen, dass die Dielektrizitätskonstante des ferroelektrischen Materials in Abhängigkeit von der Temperatur beeinflusst wird, ist es erwünscht, dass die Funktionselemente an der Seite der Deckplatte, wo der Einfluss der Temperatur verhältnismäßig gering ist, angeordnet werden.
Das Flüssigkeitsausstoßgerät, an dem der vorstehend erwähnte Flüssigkeitsausstoßkopf angebracht ist, wird nun unter Bezug nahme auf 29 beschrieben. 29 ist eine perspektivische Zeichnung, die den schematischen Aufbau des Flüssigkeitsausstoßgeräts zeigt, an dem der vorstehend erwähnte Flüssigkeitsausstoßkopf angebracht ist.
Bei einem Flüssigkeitsausstoßgerät 581 der vorliegenden Ausführungsform ist die Flüssigkeitsausstoßkopfkassette 571, die unter Bezugnahme auf 28 erläutert wurde, an einem Wagen 587 angebracht, der mit einer Spiralnut 586 einer Leitspindel 585, die sich durch Antriebszahnräder 583 und 584 in Abhängigkeit von der Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung eines Antriebsmotors 582 dreht, im Eingriff ist. Die Flüssigkeitsausstoßkopfkassette 571 wird durch die Kraft des Antriebsmotors 582 zusammen mit dem Wagen 587 entlang der Führung 588 in den durch Pfeile a und b gezeigten Richtungen hin- und herbewegt. Eine Blattanpressplatte 590 zum Anpressen eines Aufzeichnungsträgers P, der durch eine Aufzeichnungsträgerzuführungsvorrichtung (nicht gezeigt) auf einer Schreibwalze 589 transportiert wird, presst den Aufzeichnungsträger P über den gesamten Bewegungsbereich des Wagens 587 an die Schreibwalze 589 an.
In der Nähe von einem Ende der Leitspindel 585 sind Photokoppler 591 und 592 angeordnet. Die Photokoppler sind Ausgangsstellungssensoren zum Bestätigen des Vorhandenseins eines Hebels 587a des Wagens 587 in diesem Bereich für eine Umschaltung der Drehrichtung des Antriebsmotors 582. Unter Bezugnahme auf 29 bezeichnet Bezugszahl 593 ein Halteteil zum Halten eines Abdeckteils 594, das die Stirnfläche des Flüssigkeitsausstoßkopfes der Flüssigkeitsausstoßkopfkassette 571 dort abdeckt, wo die Ausstoßöffnungen gebildet sind. Bezugszahl 595 bezeichnet eine Tintenabsaugeinrichtung zum Absaugen von Tinte, die müßig aus dem Flüssigkeitsausstoßkopf ausgestoßen und im Inneren des Abdeckteils 594 gesammelt wird. Die Tintenabsaugeinrichtung 595 führt durch eine Öffnung (nicht gezeigt) in dem Abdeckteil eine Absaugregenerierung für den Flüssigkeitsausstoßkopf durch.
Bezugszahl 596 bezeichnet eine Reinigungsrakel. Bezugszahl 597 bezeichnet ein Bewegungselement, das dazu dient, die Reinigungs rakel 596 derart einzurichten, dass sie vorwärts und rückwärts (in der Richtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Wagens 587) bewegbar ist. Ein Hauptkörper-Halteelement 598 hält die Reinigungsrakel 596 und das Bewegungselement 597. Die Form der Reinigungsrakel 596 ist nicht auf die vorstehend beschriebene beschränkt. Es kann auch eine andere bekannte Reinigungsrakel angewendet werden. Bezugszahl 599 bezeichnet einen Hebel zur Einleitung des Absaugvorgangs bei dem Absaugregenerierungsvorgang. Der Hebel 599 bewegt sich im Zusammenhang mit der Bewegung eines Nockens 600, der mit dem Wagen 587 im Eingriff ist. Die Antriebskraft, die von dem Antriebsmotor 582 übertragen wird, wird durch eine bekannte Übertragungseinrichtung wie z.B. eine Schaltkupplung bewegt und gesteuert. Bei dem Flüssigkeitsausstoßgerät 581 befindet sich in dem Hauptkörper des Geräts eine Aufzeichnungssteuereinheit (nicht gezeigt) als Aufzeichnungssignalzuführungseinrichtung für die Zuführung des Ansteuersignals, das zum Bewirken des Ausstoßens der Flüssigkeit mittels der Heizelemente 2 (siehe 1), die für den Flüssigkeitsausstoßkopf bereitgestellt sind, und zum Ansteuern und zur Steuerung des vorstehend erwähnten Mechanismus dient.
Bei dem Flüssigkeitsausstoßgerät 581 stößt der Flüssigkeitsausstoßkopf die Flüssigkeit zu dem Aufzeichnungsträger P, der durch eine Aufzeichnungsträger-Transportvorrichtung (nicht gezeigt) auf der Schreibwalze 589 befördert wird, aus, während sich der Kopf über die gesamte Breite des Aufzeichnungsträgers P hin- und herbewegt, und die ausgestoßene Flüssigkeit haftet an dem Aufzeichnungsträger P an, wodurch der Vorgang der Aufzeichnung auf dem Aufzeichnungsträger P durchgeführt wird.
Da gemäß der vorliegenden Erfindung in der Nähe des Heizelements eine Gegenmaßnahme gegen das Stromrauschen durchgeführt werden kann, wie vorstehend erwähnt wurde, kann Stromrauschen ausreichend beseitigt werden. Infolgedessen kann der Einfluss des Stromrauschens auf Schaltungen oder Bauelemente, die auf dem Kopfsubstrat gebildet sind, wirksamer verhindert werden und kann die Steuerung des Flüssigkeitsausstoßes stabiler mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Da in einem eingeschränkten Raum ein Kondensator mit einer hohen Kapazität gebildet werden kann, kann zusätzlich starkes Stromrauschen gemeistert und eine Miniaturisierung des Kopfes verwirklicht werden.
Da gemäß der vorliegenden Erfindung durch Verwendung des ferroelektrischen Materials ein leistungsunabhängiger Speicher mit einer hohen Speicherkapazität, der hinsichtlich der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit ausgezeichnet ist, gebildet werden kann, kann der Aufzeichnungsvorgang mit einer höheren Geschwindigkeit als bei dem herkömmlichen Kopf durchgeführt werden. In dem Kopf sind verschiedene Messfühler angeordnet, und auch der Vorgang der Steuerung der Ansteuerbedingungen für die Heizelemente zum Flüssigkeitsausstoß kann mit einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden, während das Messergebnis in Echtzeit zurückgeführt wird. Infolgedessen kann zusätzlich zu der schnellen Aufzeichnung die Steuerung des Flüssigkeitsausstoßes stabiler durchgeführt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ermittelt das piezoelektrische Element, das aus dem ferroelektrischen Material besteht, den Zustand der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsdurchflussweg derart, dass die Beeinflussung durch den Flüssigkeitsstrom oder die Beeinflussung durch die Wärme, die durch das Energieerzeugungselement erzeugt wird, gering ist. Da der Zustand der Flüssigkeit mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann, wie vorstehend erwähnt wurde, kann die Flüssigkeit stabil ausgestoßen werden, so dass das Steuern der Ansteuerung des Kopfes noch feiner durchgeführt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hat das bewegliche Teil die Dünnschicht, die aus dem ferroelektrischen Material besteht, und die Elektroden, die auf den beiden Oberflächen der Dünnschicht gebildet sind, und ist derart aufgebaut, dass das freie Ende des beweglichen Teils beim Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Elektroden zu der Seite des Elementsubstrats oder zu der dem Elementsubstrat entgegengesetzten Seite verlagert wird. Da das bewegliche Teil unabhängig von der Verlagerung, die auf den Druck des Bläschens zurückzuführen ist, aktiv verlagert werden kann, wird somit das Ansprechverhalten des beweglichen Teils verbessert, so dass eine Verbesserung der Aufzeichnungsgeschwindigkeit verwirklicht werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Sperrschicht, die als Schutzschicht für die Schicht aus ferroelektrischem Material, die das vorstehend erwähnte Funktionselement bildet, dient, durch eine Oxidationsschicht oder eine Nitridschicht hergestellt und. enthält eine kavitationsbeständige Schicht oder eine Widerstandsschicht, die gebildet wird, um die Schutzschicht gegen chemische oder physikalische Einflüsse, von denen die Wärmeerzeugung in der Widerstandsschicht begleitet ist, zu schützen, so dass die Kosten weiter gesenkt werden können. Mit anderen Worten, das Verfahren zur Herstellung des Substrats für den Flüssigkeitsausstoßkopf wird aktiviert, um eine Verschlechterung der ferroelektrischen Eigenschaften zu verhindern, so dass eine Zunahme der Zahl der Verfahrensschritte verhindert wird und die Kosten gesenkt werden können.
Ferner wird die Hügelverhinderungsschicht zur Verhinderung von Hügeln, die durch in der Verdrahtungsschicht erzeugte Wärme verursacht werden, durch Zerstäubung oder durch Zerstäubung in einer Stickstoff- oder Sauerstoffatmosphäre gebildet oder wird Metall zur Bildung der Klebeschicht in einer Stickstoff- oder Sauerstoffatmosphäre zerstäubt, so dass die Sperrschicht in demselben Verfahren wie für die Hügelverhinderungsschicht oder die Klebeschicht durch Anwendung desselben Targets und desselben Geräts, die zur Bildung der Hügelverhinderungsschicht und der Klebeschicht angewendet werden, gebildet werden kann. Infolgedessen ist die Massenfertigungsleistung ausgezeichnet und kann eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens verwirklicht werden.
Ein Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat, das für einen Flüssigkeitsausstoßkopf angewendet wird, ist für das Ausstoßen von Flüssigkeit durch Zuführung von Ausstoßenergie zu der Flüssigkeit bestimmt und hat ein Halbleitersubstrat, das ein Energiewandlerelement zur Umwandlung von elektrischer Energie in die Ausstoßenergie enthält. In diesem Fall umfasst das Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat ein aus einem ferroelektrischen Material hergestelltes Funktionselement, das in dem Halbleitersubstrat gebildet ist.

Claims

Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat (1), das für einen Flüssigkeitsausstoßkopf angewendet wird, der zum Ausstoßen von Flüssigkeit durch Zuführung von Energie zu der Flüssigkeit bestimmt und auf einem Halbleitersubstrat (2, 301) gebildet ist, wobei das erwähnte Halbleitersubstrat (301) mit einem durch ein ferroelektrisches Material gebildeten Funktionselement versehen ist, wobei das erwähnte Funktionselement ein Kondensator, ein leistungsunabhängiger Speicher oder ein piezoelektrisches Element ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte ferroelektrische Material zwischen einer ersten Sperrschicht (33) und einer zweiten Sperrschicht (33), die durch Zerstäubung in einer Stickstoffatmosphäre gebildet worden sind, angeordnet ist.
Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat nach Anspruch 1, bei dem von der erwähnten erstes und der erwähnten zweiten Sperrschicht (33) eine aus einer Schicht hergestellt ist, die ein Material einer kavitationsbeständigen Schicht (307) enthält, das bereitgestellt ist, um das Substrat des Flüssigkeitsausstoßkopfes zu schützen.
Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat nach Anspruch 1, bei dem von der erwähnten ersten und der erwähnten zweiten Sperrschicht (33) eine aus einer Schicht hergestellt ist, die ein gegen Wärmeerzeugung beständiges Material enthält, das bereitgestellt ist, um das Substrat des Flüssigkeitsausstoßkopfes zu schützen.
Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat nach Anspruch 1, bei dem von der erwähnten ersten und der erwähnten zweiten Sperrschicht (33) eine aus einer Schicht hergestellt ist, die ein Material einer Hügelverhinderungsschicht (602) enthält, das bereitgestellt ist, um eine Verdrahtungsschicht (305, 502, 601, 605) für die Übertragung eines Signals zur Ansteuerung eines Ausstoßenergieerzeugungselements des Flüssigkeitsausstoßkopfes zu schützen.
Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat nach Anspruch 1, bei dem von der erwähnten ersten und der erwähnten zweiten Sperrschicht (33) eine aus einer Schicht hergestellt ist, die ein Klebeschichtmaterial enthält, das bereitgestellt ist, um die Haftfähigkeit einer Schutzschicht (306) zum Schutz eines Wärmezuführungsbereichs (308) in einem Aufzeichnungskopf, der dazu dient, in einer Flüssigkeit durch Zuführung von Wärme Bläschen zu bilden und die Bläschen zusammaen mit der Flüssigkeit auszustoßen, zu verbessern.
Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat nach Anspruch 3, bei dem das erwähnte Material einer gegen Wärmeerzeugung beständigen Schicht eines ist, das aus TaN und TaSiN ausgewählt ist.
Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat nach Anspruch 2, bei dem die erwähnte Schicht, die das Material einer kavitationsbeständigen Schicht (307) enthält, mindestens Stickstoff enthält.
Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat nach Anspruch 3, bei dem die erwähnte Schicht, die das gegen Wärmeerzeugung beständige Material enthält, mindestens Stickstoff enthält.
Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat nach Anspruch 1, bei dem der erwähnte Kondensator (34) gebildet ist, um eine Versorgungsleitung und eine Erdungsleitung, die auf dem Halbleiteraubstrat gebildet ist, miteinander zu verbinden.
Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat nach Anspruch 9, bei dem die erwähnte Versorgungsleitung für das Energiewandlerelement bereitgestellt ist.
Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat nach Anspruch 9, bei dem die erwähnte Versorgungsleitung für eine Logikschaltung (138) bereitgestellt ist, die angeordnet ist, um die Ansteuerung des auf dem Halbleitersubstrat gebildeten Energiewandlerelements zu steuern.
Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat nach Anspruch 9, bei dem eine Stromversorgungsschicht (30), die die Versorgungsleitung bildet, und eine Erdungsschicht, die die Erdungsleitung bildet, laminiert sind und der Kondensator (34) im Überlappungsbereich dieser Schichten gebildet ist.
Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat nach Anspruch 1, bei dem der erwähnte leistungsunabhängige Speicher ein FeRAM (35, 149) ist.
Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat nach Anspruch 1, bei dem der erwähnte leistungsunabhängige Speicher Kopfdaten speichert, die angewendet werden, um die Ansteuerbedingungen des Energiewandlerelements zu steuern.
Flüssigkeitsausstoßkopf-Substrat nach Anspruch 1, bei dem das erwähnte piezoelektrische Element einen Druck ermittelt, der auf die in dem Flüssigkeitsausatoßkopf (21) befindliche Flüssigkeit ausgeübt wird.