DE60108838T2

DE60108838T2 - INTEGRATED CMOS / MEMS INK JET PRINT HEAD WITH SILICONE BASED SIDE CIRCUIT ARCHITECTURE AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF

Info

Publication number: DE60108838T2
Application number: DE2001608838
Authority: DE
Inventors: Constantine N. Rochester Anagnostopoulos; John A. Rochester Lebens; David P. Rochester Trauernicht; Emmanuel K. Rochester Dokyi; James M. Rochester Chwalek; Gilbert A. Rochester Hawkins; Christopher N. Rochester Delametter
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: JP4142286B2; JP2002225279A; EP1219424A2; EP1219424B1; EP1219424A3; DE60108838D1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet digital gesteuerter Druckvorrichtungen und insbesondere auf Tintenstrahldruckköpfe, bei denen eine Vielzahl von Düsen auf einem Substrat integriert ist und bei denen ein Tintenstrahltropfen zum Drucken auf thermomechanischem Wege ausgewählt wird.The This invention relates generally to the field of digitally controlled Printing devices and in particular on inkjet printheads, in which a variety of nozzles is integrated on a substrate and where an inkjet droplet is selected for printing by thermomechanical means.

Heute ist der Tintenstrahldruck als herausragende Option im Bereich des digital gesteuerten elektronischen Drucks anerkannt, zum Beispiel wegen seiner berührungsfreien Arbeitsweise, geringen Geräuschentwicklung und der Einfachheit des Systems. Aus diesen Gründen sind Tintenstrahldrucker als Heim- und Bürodrucker und auch in anderen Bereichen erfolgreich im Einsatz.today Ink jet printing is considered an outstanding option in the field of digitally controlled electronic printing, for example because of its non-contact Operation, low noise and the simplicity of the system. For these reasons, inkjet printers are considered Home and office printers and also successfully used in other areas.

Die Tintenstrahldruckmechanismen lassen sich unterteilen in solche, die mit einem kontinuierlichen Tintenstrahl arbeiten (CIJ), und solche, bei denen Tintentropfen nach Bedarf abgegeben werden (DOD). US-A-3 946 398, erteilt 1970 an Kyser et al., beschreibt einen DOD-Tintenstrahldrucker, der eine hohe Spannung an einen piezoelektrischen Kristall anlegt und dadurch den Kristall veranlasst, sich zu biegen und damit Druck auf einen Tintenvorrat anzulegen und Tropfen nach Bedarf auszustoßen. Piezoelektrische DOD-Drucker sind mit Bildauflösungen bis zu 720 dpi bei Heim- und Bürodruckern wirtschaftlich erfolgreich. Allerdings erfordern piezoelektrische Druckwerke normalerweise komplexe Treiberschaltungen hoher Spannung und große piezoelektrische Kristallanordnungen, was bezüglich der Anzahl der Düsen je Längeneinheit des Druckkopfs und auch der Länge des Druckkopfs von Nachteil ist. Normalerweise weisen piezoelektrische Druckköpfe höchstens einige hundert Düsen auf.The Ink jet printing mechanisms can be subdivided into those which work with a continuous ink jet (CIJ), and those in which ink drops are delivered as needed (DOD). US-A-3,946,398, issued to Kyser et al. In 1970, describes a DOD ink jet printer, which applies a high voltage to a piezoelectric crystal and thereby cause the crystal to bend and thus pressure to put on an ink supply and eject drops as needed. piezoelectric DOD printers are up to image resolution 720 dpi for home and office printers economically successful. However, piezoelectric printing units require normally complex high voltage driver circuits and large piezoelectric crystal arrays, what about the number of nozzles per unit length the printhead and also the length the printhead is disadvantageous. Usually have piezoelectric printheads at the most a few hundred nozzles on.

GB 2 007 162, erteilt 1979 an Endo et al., beschreibt einen elektrothermischen DOD-Tintenstrahldrucker, der einen Stromimpuls an ein Heizelement anlegt, das mit Tinte auf Wasserbasis in einer Düse in thermischem Kontakt steht. Dabei verdampft eine kleine Tintenmenge rasch, wodurch sich eine Blase ausbildet, die dazu führt, dass ein Tintentropfen durch kleine, entlang des Trägers des Heizelements angeordnete Öffnungen ausgestoßen wird. Diese Technologie ist als Thermotintenstrahl- oder Bubblejet-Technik bekannt.GB No. 2,007,162, issued to Endo et al. In 1979, describes an electrothermal DOD ink jet printer which applies a current pulse to a heating element, which is in thermal contact with water-based ink in a nozzle. This evaporates a small amount of ink quickly, resulting in a Bubble forms, which leads to that an ink drop through small, along the carrier of the Heating element arranged openings pushed out becomes. This technology is called thermal inkjet or bubblejet technique known.

Beim Thermotintenstrahl-Drucken erzeugt das Heizelement normalerweise einen ausreichend großen Energieimpuls, um die Tinte auf eine nahe bei 400° Celsius liegende Temperatur aufzuheizen, die zur raschen Ausbildung einer Blase führt. Die bei diesem Gerät erforderlichen hohen Temperaturen erfordern den Einsatz spezieller Tinten, komplizieren die Treiberelektronik und beschleunigen die Verschlechterung der Heizelemente durch Kavitation und Kogation. Unter Kogation versteht man das Ansammeln von Nebenprodukten aus der Verbrennung der Tinte, die das Heizelement mit Abfall verkrusten. Dieser verkrustete Abfall stört die Wärmeleistung des Heizelements und verkürzt dadurch die Lebensdauer des Druckkopfs. Außerdem macht die aktive hohe Leistungsaufnahme der einzelnen Heizelemente die Herstellung kostengünstiger, schneller und seitenbreiter Druckköpfe unmöglich.At the Thermal inkjet printing normally produces the heating element a sufficiently large one Energy impulse to get the ink at a near 400 ° Celsius To heat up the underlying temperature, the rapid formation of a Bubble leads. The one with this device required high temperatures require the use of special Inks, complicate the driver electronics and accelerate the Deterioration of heating elements due to cavitation and kogation. Kogation is the accumulation of by-products the burning of the ink, which crusts the heating element with waste. This encrusted waste bothers the heat output of the heating element and shortened thereby the life of the printhead. It also makes the active high Power consumption of the individual heating elements the production cost-effective, fast and page-wide printheads impossible.

Der kontinuierliche Tintenstrahldruck als solcher ist seit mindestens 1929 bekannt. Siehe US-A-1 941 001, erteilt an Hansell in jenem Jahr.Of the continuous inkjet printing as such has been around for at least 1929 known. See US-A-1,941 001, issued to Hansell in that year.

US-A-3 373 437, erteilt im März 1968 an Sweet et al., beschreibt eine Anordnung von kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldüsen, bei der die zu druckenden Tintentropfen selektiv geladen und in Richtung des Aufzeichnungsmediums abgelenkt werden. Diese Technik ist als kontinuierlicher Tintenstrahldruck mit binärer Ablenkung bekannt und wird von mehreren Herstellern, darunter Elmjet und Scitex, eingesetzt.US-A-3 373 437, issued in March 1968 to Sweet et al. Describes an array of continuous working inkjet nozzles, in which the ink drops to be printed are selectively charged and toward of the recording medium are deflected. This technique is called Continuous inkjet printing with binary deflection is known and used by several manufacturers, including Elmjet and Scitex.

US-A-3 416 153 wurde im Dezember 1968 an Hertz et al. erteilt. Dieses Patent beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen von in variabler optischer Dichte gedruckten Punkten im kontinuierlichen Tintenstrahldruck. Dabei wird mittels elektrostatischer Dispersion eines geladenen Tropfenstromes die Anzahl der eine kleine Öffnung passierenden Tropfen moduliert. Diese Technik wird in den von Iris hergestellten Tintenstrahldruckern eingesetzt.US-A-3 416,153 was published in December 1968 to Hertz et al. granted. This patent describes a method for generating in variable optical density printed dots in continuous inkjet printing. there is by means of electrostatic dispersion of a charged drop stream the number of a small opening modulating passing drops. This technique is in the Iris established inkjet printers used.

US-A-4 346 387 mit dem Titel VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR STEUERUNG DER ELEKTRISCHEN LADUNG VON TROPFEN UND DAMIT ARBEITENDER TINTENSTRAHLDRUCKER wurde am 24. August 1992 an Karl H. Hertz erteilt. Dieses Patent beschreibt ein CIJ-System zur Steuerung der elektrostatischen Ladung von Tropfen. Die Tropfen werden in der Weise gebildet, dass man einen unter Druck stehenden Flüssigkeitsstrom an einem innerhalb eines elektrostatischen Ladetunnels mit einem elektrischen Feld gelegenen Tropfenbildungspunkt aufbricht. Je nach der gewünschten vorgegebenen Ladung erfolgt die Tropfenausbildung an einem entsprechenden Punkt im elektrischen Feld. Außer Ladetunnels werden auch Ablenkplatten zum Ablenken der Tropfen eingesetzt. Bei dem Hertz-System müssen die erzeugten Tropfen geladen und dann in eine Rinne oder auf das Aufzeichnungsmedium gelenkt werden. Die Lade- und Ablenkmechanismen sind jedoch groß und schränken die Anzahl der Düsen je Druckkopf stark ein.US-A-4 346 387 entitled METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING THE ELECTRICAL LOADING DROPS AND THUS WORKING INK JET PRINTER granted on August 24, 1992 to Karl H. Hertz. This patent describes a CIJ system for controlling the electrostatic charge of droplets. The drops are formed in such a way that one is under pressure standing liquid flow at one within an electrostatic charging tunnel with a electric field drop formation point breaks. Depending on the desired given charge takes place the formation of droplets on a corresponding Point in the electric field. Except Loading tunnels are also used baffles for deflecting the drops. In the Hertz system must the generated drops are loaded and then into a gutter or on that Be directed recording medium. The loading and deflection mechanisms however, are big and limit the number of nozzles per printhead strong.

Bis vor kurzem verwendeten noch alle herkömmlichen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahltechniken in der einen oder anderen Form elektrostatische Ladetunnels, die in der Nähe des Punktes angeordnet waren, an dem die Tropfen im Flüssigkeitsstrom erzeugt werden. In den Tunnels können einzelne Tropfen selektiv geladen werden. Die selektierten Tropfen werden geladen und anschließend durch Ablenkplatten abgelenkt, die unter einander eine große Potentialdifferenz aufweisen. Normalerweise dient eine Rinne manchmal auch "Auffangeinrichtung" genannt) dazu, die geladenen Tropfen aufzufangen und einen nicht druckenden Modus herzustellen, während die nicht geladenen Tropfen in einem druckenden Modus frei auf das Aufzeichnungsmedium auftreffen können, wobei der Tintenstrom auf diese Weise zwischen dem "nicht druckenden" und dem "druckenden" Modus umgelenkt wird.Until recently, all conventional continuous ink jet techniques, in one form or another, still used electrostatic Tables loading tunnels, which were arranged near the point where the drops are generated in the liquid flow. In the tunnels, individual drops can be selectively charged. The selected drops are charged and then deflected by baffles, which have a large potential difference among each other. Normally, a gutter is sometimes called a "catcher") to catch the charged droplets and produce a non-printing mode, while the uncharged droplets are free to impact the recording medium in a printing mode, the ink flow thus being not between "printing" and the "printing" mode is deflected.

In jüngster Zeit wurde ein neuartiges kontinuierlich arbeitendes Tintenstrahldrucksystem entwickelt, das die vorstehend beschriebenen elektrostatischen Ladetunnels unnötig macht. Daneben werden bei ihm die Funktionen (1) der Tropfenbildung und (2) der Tropfenablenkung besser gekoppelt. Das System wird in der gemeinsam abgetretenen US-A-6 079 821 mit dem Titel KONTINUIERLICH ARBEITENDER TINTENSTRAHLDRUCKER MIT ASYMMETRISCH AUFHEIZENDER TROPFENABLENKUNG, eingereicht auf die Namen James Chwalek, Dave Jeanmaire und Constantine Anagnostopoulos, beschrieben, dessen Inhalt durch Verweis hierin aufgenommen wird. Dieses Patent beschreibt eine Vorrichtung zur Steue rung der Tinte in einem kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker. Die Vorrichtung weist einen Tintenzuführkanal, eine mit dem Tintenzuführkanal in Verbindung stehende Quelle unter Druck stehender Tinte und eine Düse mit einer sich in den Tintenzuführkanal öffnenden Öffnung auf, aus der ein kontinuierlicher Tintenstrom fließt. Durch periodisches Anlegen schwacher Wärmeimpulse an den Tintenstrom mittels eines Heizelements wird der Tintenstrahl synchron mit den angelegten Wärmeimpulsen und an einem zur Düse beabstandeten Punkt in eine Vielzahl von Tropfen aufgebrochen. Die Tropfen werden durch stärkere Wärmeimpulse des Heizelements (in der Düsenöffnung) abgelenkt, wobei das Heizelement einen selektiv betätigbaren Abschnitt, d.h. einen nur einem Teil der Düsenöffnung zugeordneten Abschnitt, aufweist. Unter dem asymmetrischen Anlegen von Wärme an den Tintenstrom ist diese selektive Betätigung eines bestimmten Abschnitts des Heizelements zu verstehen. Durch Abwechseln der Abschnitte kann wiederum die Richtung gewechselt werden, in der diese asymmetrische Wärme zugeführt wird, mittels der die Tintentropfen unter anderem zwischen einer "druckende" Richtung (auf das Aufzeichnungsmedium) und einer "nicht druckenden" Richtung (zurück in eine "Auffangeinrichtung") abgelenkt werden. Das Patent von Chwalek et al. richtet sich auf die Überwindung der mit der Anzahl der Düsen je Druckkopf, der Druckkopflänge, dem Stromverbrauch und den Eigenschaften geeigneter Tinten verbundenen bekannten Problemen.In recently, Time became a novel continuous ink jet printing system developed the electrostatic charging tunnel described above unnecessary power. Along with it are the functions (1) of droplet formation and (2) better coupled to the droplet deflection. The system will be in commonly assigned US-A-6 079 821 entitled CONTINUOUS WORKING INK JET PRINTER WITH ASYMMETRIC HEATING DROP DOWN, filed on behalf of James Chwalek, Dave Jeanmaire and Constantine Anagnostopoulos, described the contents of which by reference herein is recorded. This patent describes a device for Controlling the ink in a continuous ink jet printer. The apparatus has an ink feed channel, one with the ink feed channel related source of pressurized ink and one Nozzle with an opening opening into the ink supply channel, from which flows a continuous stream of ink. By periodic creation weak heat pulses to the ink flow by means of a heating element is the ink jet synchronous with the applied heat pulses and at one to the nozzle broken point broken into a variety of drops. The Drops are made stronger heat pulses the heating element (in the nozzle opening) deflected, wherein the heating element is a selectively actuated Section, i. a section associated with only a part of the nozzle opening, having. Under the asymmetric application of heat to the ink stream, this is selective actuation to understand a particular section of the heating element. By Alternating the sections can in turn change the direction in which this asymmetric heat is supplied, by means of which the ink drops under between a "printing" direction (on the Recording medium) and a "not printing "direction (back be deflected into a "catcher"). The patent of Chwalek et al. is aimed at overcoming the one with the number of nozzles per printhead, the printhead length, the Power consumption and the properties of suitable inks known problems.

Das asymmetrische Anlegen von Wärme führt zur Ablenkung des Tintenstroms, wobei die Größe der Ablenkung von verschiedenen Faktoren abhängig ist, zum Beispiel den geometrischen und thermischen Eigenschaften der Düse, der Menge der angelegten Wärme, des an die Tinte angelegten Drucks und den physikalischen, chemischen und thermischen Eigenschaften der Tinte. Während Tinten auf Lösungsmittelbasis (insbesondere auf Alkoholbasis) recht gute Ablenkmuster aufweisen und in kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckern mit asymmetrischer Erwärmung Bilder hoher Qualität erzeugen, sind Tinten auf Wasserbasis problematischer. Tinten auf Wasserbasis werden nicht so stark abgelenkt, so dass das Arbeiten mit diesen Tinten nicht so robust ist. Um die Größenordnung der Tintentropfenablenkung in kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucksystemen mit asymmetrischer Erwärmung zu verbessern, wurde in der gemeinsam abgetretenen US-Patentanmeldung Nr. 09/470 638, eingereicht am 22. Dezember 1999 von Delametter et al., ein kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldrucker mit verbesserter Tintentropfenablenkung, insbesondere bei Tinten auf Wasserbasis, beschrieben, bei dem durch eine geometrische Blockierung im Tintenzuführkanal eine verbesserte seitliche Strömungscharakteristik erzielt wird.The asymmetric application of heat leads to Distraction of the ink flow, the size of the deflection of different Factors dependent is, for example, the geometric and thermal properties the nozzle, the amount of heat applied, the pressure applied to the ink and the physical, chemical and thermal properties of the ink. While solvent-based inks (especially alcohol-based) have quite good deflection patterns and in continuous-flow inkjet printers with asymmetric warming High quality pictures produce, water-based inks are more problematic. Inks on Water base are not so much distracted, so working not so robust with these inks. The order of magnitude of ink drop deflection in continuous-flow inkjet printing systems with asymmetric warming was improved in the commonly assigned US patent application No. 09 / 470,638 filed December 22, 1999 by Delametter et al., a continuous ink jet printer with improved ink drop deflection, in particular in water-based inks, described in which by a geometric blocking in the ink supply channel improved lateral flow characteristics is achieved.

EP 10 606 890 , eingereicht von Chwalek et al., beschreibt einen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker mit einem Druckkopf, bei dem die Tinte über einer Düsenbohrung einen Meniskus ausbildet und sich entlang der Oberfläche des Druckkopfs ausbreitet. Der Druckkopf weist ein Substrat mit einer oberen Fläche, einen Tintenzuführkanal unterhalb des Substrats und eine durch das Substrat hindurch gehende Düsenbohrung auf, die sich unterhalb des Substrats in den Tintenzuführkanal öffnet und so eine Tintenströmungsbahn definiert. Mindestens ein Teil der Bohrung ist von einem Widerstandsheizelement umgeben. EP 10 606 890 , by Chwalek et al., describes a continuous ink jet printer having a printhead in which the ink forms a meniscus over a nozzle bore and propagates along the surface of the printhead. The printhead includes a substrate having an upper surface, an ink feed channel beneath the substrate, and a nozzle bore extending through the substrate which opens below the substrate into the ink feed channel to define an ink flow path. At least a portion of the bore is surrounded by a resistance heating element.

Die hier zu beschreibende Erfindung baut auf der Arbeit von Chwalek et al. und Delametter et al. auf, was die Konstruktion kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldruckköpfe betrifft, die kostengünstig herzustellen sind und vorzugsweise seitenbreit ausgebildet werden können.The Invention to be described here builds on the work of Chwalek et al. and Delametter et al. on what the construction is continuous working inkjet printheads concerns that cost-effective are to be prepared and preferably formed sideways can.

Zwar ist die Erfindung auch in Verbindung mit Tintenstrahldruckköpfen einsetzbar, die nicht als seitenbreite Druckköpfe anzusehen sind, es besteht jedoch weiterhin ein anerkannter Bedarf an verbesserten Tintenstrahldrucksystem mit Vorteilen zum Beispiel in den Bereichen Kosten, Größe, Geschwindigkeit, Qualität, Zuverlässigkeit, kleine Größe der Düsenöffnung, kleine Tropfengröße, geringer Stromverbrauch, Einfachheit von Aufbau und Betrieb, Dauerhaftigkeit und Herstellbarkeit. In dieser Hinsicht besteht seit langem die besondere Notwendigkeit, seitenbreite Tintenstrahldruckköpfe mit hoher Auflösung herstellen zu können. Im Sinne dieser Beschreibung bezieht sich der Begriff "seitenbreit" auf Druckköpfe mit einer Mindestlänge von etwa 4 Zoll. Unter hoher Auflösung ist eine Düsendichte je Tintenfarbe von mindestens etwa 300 Düsen je Zoll bis höchstens etwa 2400 Düsen je Zoll zu verstehen.While the invention is also applicable to inkjet printheads which are not considered pagewidth printheads, there continues to be a recognized need for an improved inkjet printing system having advantages such as cost, size, speed, quality, reliability, small nozzle orifice size , small drop size, low power consumption, simplicity of construction and operation, duration liability and manufacturability. In this regard, there has long been a particular need to be able to produce pagewidth, high resolution inkjet printheads. For purposes of this description, the term "page width" refers to printheads having a minimum length of about 4 inches. By high resolution is meant a nozzle density per ink color of at least about 300 nozzles per inch to a maximum of about 2400 nozzles per inch.

Damit seitenbreite Druckköpfe ihren vollen Nutzen in Bezug auf die Verbesserung der Druckgeschwindigkeit entfalten können, müssen sie Düsen in großer Zahl aufweisen. Zum Beispiel hat ein herkömmlicher hin und her fahrender Druckkopf gegebenenfalls nur einige wenige hundert Düsen je Tintenfarbe. Ein zum Drucken von Fotografien geeigneter seitenbreiter Druckkopf von 4 Zoll sollte einige tausend Düsen aufweisen. Während ein hin und her fahrender Druckkopf durch die Notwendigkeit, ihn mechanisch über die Seite zu bewegen, verlangsamt wird, steht ein seitenbreiter Druckkopf fest, und das Papier wird an ihm vorbei bewegt. Das Bild kann theoretisch in einem einzigen Durchgang gedruckt werden, was die Druckgeschwindigkeit wesentlich erhöht.In order to pagewidth printheads their full benefit in terms of improving print speed can unfold have to they nozzles in big Number. For example, has a conventional reciprocating Printhead if necessary only a few hundred nozzles per ink color. A wide page printhead suitable for printing photographs by 4 inches should have several thousand nozzles. While a reciprocating printhead due to the need to move it mechanically over the Page to move, slowing down, is a page wide printhead stuck, and the paper is moved past him. The picture can theoretically can be printed in a single pass, reducing the printing speed significantly increased.

Bei der Realisierung seitenbreiter Tintenstrahldruckköpfe mit hoher Produktivität gibt es im wesentlichen zwei größere Schwierigkeiten. Zunächst einmal müssen die Düsen in engem Abstand zueinander, d.h. mit einem Mittenabstand in der Größenordnung von 10 bis 80 Mikrometer, angeordnet werden. Zum anderen müssen die Treiber, die die Heizelemente mit Strom versorgen, und die die einzelnen Düsen steuernden Elektroniken in jede Düse integriert werden, da eine Möglichkeit, Tausende von Verbindungen oder sonstigen Anschlüssen zu externen Leitungen herzustellen, praktisch nicht besteht.at the realization of page wide inkjet printheads with high productivity There are essentially two major difficulties. First once must the nozzles in close proximity to each other, i. with a center distance in the Magnitude from 10 to 80 microns. On the other hand, the Drivers that power the heating elements, and the individual ones Nozzles controlling Electronics integrated into each nozzle as a way Thousands of connections or other connections to external lines practically does not exist.

Eine Möglichkeit, diese Herausforderungen zu meistern, besteht darin, die Druckköpfe auf Siliciumscheiben mittels der VLSI-Technologie aufzubauen und die CMOS-Schaltkreise auf demselben Siliciumsubstrat wie die Düsen zu integrieren.A Possibility, To overcome these challenges is to open the printheads Build silicon wafers using VLSI technology and the Integrate CMOS circuits on the same silicon substrate as the nozzles.

Zwar kann hinsichtlich Kosten und Herstellbarkeit für die Herstellung der Druckköpfe ein spezielles Verfahren entwickelt werden, wie es in US-A-5 880 759, erteilt an Silverbrook, vorgeschlagen wird, vorzuziehen ist jedoch, die Schaltungen mittels eines annähernd standardisierten CMOS-Verfahrens in einer herkömmlichen VLSI-Einrichtung herzustellen und erst dann die Scheiben zur Herstellung der Düsen und Tintenkanäle in einer besonderen MEMS-Einrichtung (MEMS = mikroelektromechanische Systeme) zu bearbeiten.Though can in terms of cost and manufacturability for the production of the printheads special method are developed, as described in US-A-5 880 759, granted to Silverbrook, it is preferable, however, the circuits by means of an approximately standardized CMOS process in a conventional VLSI device and only then the discs for production the nozzles and ink channels in a special MEMS device (MEMS = microelectromechanical Systems).

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen CIJ-Druckkopf bereitzustellen, der im Vergleich zu den bekannten Tintenstrahldruckköpfen, die mehr spezielle Verarbeitungsmaßnahmen erfordern, kostengünstiger und mit besserer Herstellbarkeit gefertigt werden kann.task The invention therefore is to provide a CIJ printhead, in comparison to the known inkjet printheads, the more special processing measures require, more cost-effective and can be manufactured with better manufacturability.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines CIJ-Druckkopfs mit einer Struktur, die geeignet ist, der Flüssigkeit unter den Heizelementen seitliche Strömungskomponenten zu vermitteln, so dass die Flüssigkeitsstrahlen bei gleicher Wärmemenge stärker abgelenkt werden.A Another object of the invention is to provide a CIJ printhead with a structure that is suitable to the liquid to impart lateral flow components under the heating elements, so that the liquid jets with the same amount of heat stronger to get distracted.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldrucker mit einer Vielzahl von Düsen angegeben, wobei der Druckkopf folgende Elemente umfasst: Ein Siliciumsubstrat mit darin ausgebildeten integrierten Schaltungen zum Steuern des Betriebs des Druckkopfs, wobei das Siliciumsubstrat einen darin ausgebildeten Tintenkanal aufweist; eine Isolierschicht oder mehreren Isolierschichten, die das Siliciumsubstrat überlagert bzw. überlagern, wobei in den Isolierschichten jeweils eine Öffnung ausgebildet ist, die mit dem Tintenkanal in Verbindung steht, und wobei das Siliciumsubstrat an jeder Düse eine zwischen dem Tintenkanal und der Öffnung aus Silicium ausgebildete Blockiereinrichtung aufweist, wobei eine Zugangsöffnung zwischen dem Tintenkanal und der Öffnung vorgesehen ist, die es der Tinte ermöglicht, vom Tintenkanal um die Blockiereinrichtung herum und an einem Punkt in die Zugangsöffnung zu strömen, der gegenüber der Öffnung versetzt ist, um seitliche Strömungskomponenten für die in die Öffnung strömende Flüssigtinte zu erzeugen; und ein die Öffnung umgebendes Heizelement zum asymmetrischen Aufheizen des Tintenstroms und damit zum Umlenken oder Nichtumlenken des Tintenstroms.According to one The first aspect of the invention becomes a continuous one Ink jet printer specified with a variety of nozzles, the printhead comprising: a silicon substrate having formed therein integrated circuits for controlling the operation of the printhead, wherein the silicon substrate has an ink channel formed therein having; an insulating layer or a plurality of insulating layers, the superimposed on the silicon substrate or overlay, wherein in the insulating layers in each case an opening is formed, the communicating with the ink channel, and wherein the silicon substrate at each nozzle one formed between the ink channel and the opening of silicon Blocking device, wherein an access opening between the ink channel and the opening is provided, which allows the ink, from the ink channel the blocking device around and at a point in the access opening to stream, opposite the opening is offset to lateral flow components for the in the opening flowing liquid ink to create; and one the opening surrounding heating element for asymmetrically heating the ink flow and thus redirecting or not diverting the ink stream.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Verfahren zum Ausbilden eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckkopfs mit folgenden Schritten bereitgestellt:
Bereitstellen eines Siliciumsubstrats mit integrierten Schaltkreisen zum Steuern des Betriebs des Druckkopfs, wobei das Siliciumsubstrat eine darauf ausgebildete Isolierschicht oder darauf ausgebildete Isolierschichten aufweist, die darin ausgebildete elektrische Leiter umfasst bzw. umfassen, welche elektrisch mit im Siliciumsubstrat ausgebildeten Schaltungen verbunden sind;
Ausbilden einer Öffnung in der Isolierschicht oder den Isolierschichten; Ausbilden eines Tintenkanals im Siliciumsubstrat, welcher mit der Öffnung in Verbindung steht; Bereitstellen eines Heizelements um die Öffnung herum zum asymmetrischen Aufheizen des Tintenstroms und deshalb zum Umlenken oder Nichtumlenken des Tintenstroms und Ausbilden einer Blockiereinrichtung im Siliciumsubstrat zum Steuern der seitlichen Strömung von Tinte von dem im Siliciumsubstrat ausgebildeten Tintenkanal zu der in der Isolierschicht bzw. den Isolierschichten ausgebildeten Öffnung.According to another aspect of the invention, there is provided a method of forming a continuous ink jet printhead comprising the steps of:
Providing a silicon substrate with integrated circuits for controlling the operation of the printhead, the silicon substrate having an insulating layer formed thereon or insulating layers formed thereon including electrical conductors formed therein which are electrically connected to circuits formed in the silicon substrate;
Forming an opening in the insulating layer or layers; Forming an ink channel in the silicon substrate communicating with the opening; Providing a heating element around the opening for asymmetrically heating the ink stream and therefore deflecting or not deflecting the ink stream and forming a blocking means in the silicon substrate for controlling the lateral flow of ink from the ink channel formed in the silicon substrate to the ink stream formed in the insulating layer or the insulating layer opening.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich, in denen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind.These and other objects, features and advantages of the invention for the Those skilled in the art will appreciate the following detailed description in FIG Connection with the drawings can be seen in which exemplary embodiments the invention are shown and described.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The Invention will be described below with reference to an illustrated in the drawing embodiment explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Draufsicht eines Teils eines erfindungsgemäß aufgebauten Druckkopfs; 1 a schematic plan view of a portion of a printhead constructed according to the invention;

1A eine vereinfachte Draufsicht einer Düse mit einem "geschlitzten" Heizelement für einen erfindungsgemäßen CIJ-Druckkopf; 1A a simplified plan view of a nozzle with a "slotted" heating element for a CIJ printhead according to the invention;

1B eine vereinfachte Draufsicht einer Düse mit einem geteilten Heizelement für einen erfindungsgemäßen CIJ-Druckkopf; 1B a simplified plan view of a nozzle with a split heating element for a CIJ printhead according to the invention;

2 eine Querschnittsansicht der Düse mit geschlitztem Heizelement entlang der Linie B-B in 1A; 2 a cross-sectional view of the nozzle with slotted heating element along the line BB in 1A ;

3 eine vereinfachte schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B in 1A, in der der Düsenbereich unmittelbar nach Fertigstellung aller herkömmlichen CMOS-Fertigungsschritte dargestellt ist; 3 a simplified schematic sectional view taken along the line AB in 1A in which the nozzle area is shown immediately after completion of all conventional CMOS manufacturing steps;

4 eine vereinfachte Darstellung der Draufsicht eines Tintenstrahldruckkopfs mit kleiner Düsenanordnung, in der das Konzept der Anordnung von Siliciumrippen in den Tintenkanälen zwischen benachbarten Düsen und eine Struktur zum Blockieren einer seitlichen Strömung nach Art eines Siliciumsubstrats zu erkennen sind; 4 a simplified representation of the top view of an ink jet print head with small nozzle arrangement, in which the concept of the arrangement of silicon fins in the ink channels between adjacent nozzles and a structure for blocking a lateral flow in the manner of a silicon substrate can be seen;

5 eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie A-A im Düsenbereich der 1A nach weiterer Ausbildung der die seitliche Strömung blockierenden Silicium-Struktur; 5 a schematic cross-sectional view along the line AA in the nozzle area of 1A after further formation of the lateral flow blocking silicon structure;

6 eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie B-B im Düsenbereich der 1A nach Ausbildung der Silicium-Blockiereinrichtung für die seitliche Strömung, wobei zum Entfernen von Silicium im oberen Bereich der Blockiereinrichtung von einem "Sockelbildungs"-Effekt Gebrauch gemacht wird, 6 a schematic cross-sectional view taken along the line BB in the nozzle area of 1A after formation of the silicon blocking device for the lateral flow, wherein for the removal of silicon in the upper region of the blocking device use is made of a "bottoming" effect,

7 eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie B-B im Düsenbereich nach Ausbildung der Silicium-Blockiereinrichtung zur Erzeugung der seitlichen Strömung mittels Bearbeitung von oben; 7 a schematic cross-sectional view along the line BB in the nozzle area after formation of the silicon blocking device for generating the lateral flow by means of machining from above;

8 eine schematische perspektivische Ansicht der erfindungsgemäß hergestellten Düsenanordnung, in der die Blockierstruktur auf Siliciumbasis zur Erzeugung der seitlichen Strömung zu erkennen ist; 8th a schematic perspective view of the nozzle assembly according to the invention, in which the blocking structure is to recognize silicon-based for generating the lateral flow;

9 ein schematisches Diagramm eines beispielhaften kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckkopfs und einer Düsenanordnung während des Durchlaufs eines Aufzeichnungsmediums, etwa Papier, unter dem Tintenstrahldruckkopf und 9 a schematic diagram of an exemplary continuous ink jet print head and a nozzle assembly during the passage of a recording medium, such as paper, under the ink jet print head and

10 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß ausgebildeten und in einer Aufnahme aufgenommenen CMOS/MEMS-Druckkopfs, dem Tinte zugeführt wird. 10 a perspective view of inventively embodied and recorded in a recording CMOS / MEMS printhead, the ink is supplied.

Die Beschreibung richtet sich insbesondere auf jene Elemente, die Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind oder direkter mit ihr zusammenwirken. Es versteht sich, dass hier nicht besonders dargestellte oder beschriebene Elemente in unterschiedlicher, dem Fachmann bekannter Art ausgebildet sein können.The Description is particularly aimed at those elements that are part the device according to the invention are or interact more directly with her. It is understood that not particularly shown or described herein elements in may be formed of different, known to those skilled in the art.

In 9 ist ein kontinuierlich arbeitendes Tintenstrahldrucksystem allgemein mit 10 bezeichnet. In dem Druckkopf 10a, von dem eine Düsenanordnung 20 ausgeht, sind (nicht dargestellte) Heizelement-Steuerschaltungen integriert.In 9 is a continuous ink jet printing system generally with 10 designated. In the printhead 10a of which a nozzle arrangement 20 emanate, (not shown) heating element control circuits are integrated.

Die Heizelement-Steuerschaltungen lesen Daten aus einem Bildspeicher aus und führen den Heizelementen der Düsen der Düsenanordnung 20 elektrische Impulse in zeitlicher Folge zu. Diese Impulse werden während einer entsprechenden Zeitdauer an die entsprechende Düse angelegt, so dass aus einem kontinuierlichen Tintenstrahl gebildete Tropfen Punkte auf einem Aufzeichnungsmedium 13 genau an der Stelle ausbilden, die durch die vom Bildspeicher übermittelten Daten bestimmt wird. Von einem (nicht dargestellten) Tintenbehälter wird unter Druck stehende Tinte zu einem Tintenzuführkanal 14 und durch eine Düsenanordnung 20 entweder auf das Aufzeichnungsmedium 13 oder in die Auffangrinne 19 transportiert. Die Auffangrinne 19 ist so ausgebildet, dass sie die nicht abgelenkten Tintentropfen 11 auffängt, aber zulässt, dass abgelenkte Tropfen 12 das Aufzeichnungsmedium erreichen. Die allgemeine Beschreibung des kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucksystems gemäß 9 kann auch als allgemeine Beschreibung des erfindungsgemäßen Druckersystems dienen.The heater control circuits read data from an image memory and guide the heating elements of the nozzles of the nozzle assembly 20 electrical impulses in chronological order too. These pulses are applied to the appropriate nozzle for a corresponding period of time so that drops formed from a continuous stream of ink form dots on a recording medium 13 form exactly at the point that is determined by the data transmitted from the image memory. From an ink tank (not shown), pressurized ink becomes an ink supply channel 14 and through a nozzle assembly 20 either on the recording medium 13 or in the gutter 19 transported. The gutter 19 is designed to hold the undeflected drops of ink 11 captures, but allows distracted drops 12 reach the recording medium. The general description of the continuous ink jet printing system according to 9 may also serve as a general description of the printer system according to the invention.

1 zeigt eine Draufsicht eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß der Lehre der Erfindung. Der Druckkopf weist eine Anordnung von in einer Reihe oder versetzt angeordneten Düsen 1a – 1d auf. Jede Düse wird über ein logisches UND-Gate (2a – 2d) adressiert, das die logischen Schaltungen und einen (nicht dargestellten) Treibertransistor für ein Heizelement enthält. Die logischen Schaltungen bewirken des Einschalten des entsprechenden Treibertransistors, wenn ein entsprechendes Signal auf einer entsprechenden Dateneingangsleitung (3a – 3d) zum UND-Gate (2a – 2d) und den entsprechenden, mit dem logischen Gate verbundenen Freigabetaktgeber-Leitungen (5a – 5d) beide den Zustand logisch EINS aufweisen. Darüber hinaus bestimmen auf den Freigabetaktgeber-Leitungen (5a – 5d) anliegende Signale die Zeitdauer, während der jeweils Strom durch die Heizelemente in den betreffenden Düsen 1a – 1d fließt. Die für die Freigabe des Treibertransistors für die Heizelemente erforderlichen Daten können aus verarbeiteten Bilddaten stammen, die in ein Datenschieberegister 6 eingegeben werden. Gesteuert durch einen Speichertaktgeber empfängt das Signalspeicherregister die Daten von der jeweiligen Schieberegisterstufe und gibt auf den Leitungen 3a – 3d ein das betreffende gespeicherte Signal repräsentierendes Signal (logisch EINS oder NULL) aus, das aussagt, dass ein Punkt entweder auf einem Aufzeichnungsmedium gedruckt werden soll oder nicht. Die Linien A-A und B-B in der dritten Düse geben die Richtung an, in der die Schnitte angelegt wurden. 1 shows a plan view of an ink beam print head according to the teachings of the invention. The printhead has an array of nozzles arranged in a row or staggered 1a - 1d on. Each nozzle is controlled by a logical AND gate ( 2a - 2d ) containing the logic circuits and a driver transistor (not shown) for a heating element. The logic circuits cause the corresponding driver transistor to turn on when a corresponding signal on a corresponding data input line (FIG. 3a - 3d ) to the AND gate ( 2a - 2d ) and the corresponding enable clock lines connected to the logic gate ( 5a - 5d ) both have the state logical ONE. In addition, on the enable clock lines ( 5a - 5d ) applied signals the time duration during which each current through the heating elements in the respective nozzles 1a - 1d flows. The data required to enable the driver transistor for the heaters can come from processed image data stored in a data shift register 6 be entered. Controlled by a memory clock, the latch register receives the data from the respective shift register stage and outputs on the lines 3a - 3d a signal representing the stored signal concerned (logical ONE or NULL) indicating that a dot should either be printed on a recording medium or not. The lines AA and BB in the third nozzle indicate the direction in which the cuts were made.

1A und 1B zeigen detailliertere Draufsichten der beiden in CIJ-Druckköpfen verwendeten Heizelement-Typen, d.h. des "geschlitzten" Typs und des "geteilten"-Typs. Beide bewirken die asymmetrische Erwärmung und damit die Ablenkung des Tintenstrahls. Unter asymmetrischem Anlegen von Wärme ist nur zu verstehen, dass im Falle eines geteilten Heizelements elektrischer Strom unabhängig an den einen oder den anderen Abschnitt des Heizelements angelegt wird. Bei einem geschlitzten Heizelement bewirkt Strom, der an das geschlitzte Heizelement angelegt wird, von Haus aus eine asymmetrische Erwärmung der Tinte. 1A zeigt nun eine Draufsicht einer Tintenstrahldruckkopfdüse mit geschlitztem Heizelement. Das Heizelement ist angrenzend an die Austrittsöffnung der Düsenbohrung angeordnet. Abgesehen von einem sehr kleinen Schlitzbereich, der gerade groß genug ist, um eine elektrische Unterbrechung zu bewirken, ist die Düsenbohrung im Wesentlichen vollständig von dem Material des Heizelements umgeben. Wie auch in 1 zu erkennen ist, ist eine Seite jedes Heizelements mit einem gemeinsamen Bus verbunden, der seinerseits mit einer Stromversorgung von normalerweise +5 V verbunden ist. Die andere Seite jedes Heizelements ist mit einem logischen UND-Gate verbunden, in dem sich ein MOS-Transistortreiber befindet, der in der Lage ist, dem betreffenden Heizelement einen Strom von bis zu 30 mA zuzuführen. 1A and 1B Figure 12 shows more detailed plan views of the two types of heater used in CIJ printheads, ie, the "slotted" type and the "split" type. Both cause the asymmetric heating and thus the deflection of the ink jet. By asymmetric application of heat, it is to be understood that in the case of a split heater, electrical power is applied independently to one or the other portion of the heater. In a slotted heating element, current applied to the slotted heating element inherently causes asymmetric heating of the ink. 1A now shows a plan view of an ink jet printhead nozzle with slotted heating element. The heating element is arranged adjacent to the outlet opening of the nozzle bore. Apart from a very small slot area which is just large enough to cause an electrical break, the nozzle bore is substantially completely surrounded by the material of the heating element. As well as in 1 As can be seen, one side of each heating element is connected to a common bus, which in turn is connected to a power supply of normally +5 volts. The other side of each heating element is connected to a logical AND gate in which there is a MOS transistor driver capable of supplying a current of up to 30 mA to the relevant heating element.

Das UND-Gate hat zwei logische Eingänge. Einer kommt vom Signalspeicher 7a – d, der die von der entsprechenden Schieberegisterstufe kommenden Daten erfasst hat, die angeben, ob das betreffende Heizelement während der jeweiligen Taktzeit der Leitung aktiviert wird oder nicht. Der andere Eingang liefert den Freigabetakt, der die zeitliche Dauer und die Folge der dem betreffenden Heizelement zuzuführenden Impulse bestimmt. Normalerweise befinden sich zwei oder mehr Freigabetaktgeber im Druckkopf, so dass benachbarte Heizelemente zu leicht unterschiedlichen Zeiten eingeschaltet werden können, um thermische und sonstige Überlagerungseffekte zu vermeiden.The AND gate has two logical inputs. One comes from the latch 7a - d, which has detected the coming of the corresponding shift register stage data indicating whether the relevant heating element is activated during the respective cycle time of the line or not. The other input provides the enable clock, which determines the duration and the sequence of the pulses to be supplied to the relevant heating element. Normally, two or more enable clocks are in the printhead so that adjacent heaters can be turned on at slightly different times to avoid thermal and other interference effects.

In 1B ist die Düse mit einem geteilten Heizelement dargestellt, bei dem im Wesentlichen zwei halbkreisförmige Heizelemente die Düsenbohrung angrenzend an deren Austrittsöffnung umgeben. Zu den oberen und unteren Segmenten jedes Halbkreises führen eigene Leiter, wobei es sich versteht, dass die Wörter oben und unten sich in diesem Fall auf in derselben Ebene liegende Elemente beziehen. Verbindungslöcher sorgen für den elektrischen Kontakt zwischen den Leitern und jedem dieser Leiter zugeordneten Metallschichten. Diese Metallschichten ihrerseits sind mit auf einem Siliciumsubstrat ausgebildeten Treiberschaltungen verbunden, wie dies im einzelnen weiter unten noch beschrieben wird.In 1B the nozzle is shown with a split heating element in which essentially two semicircular heating elements surround the nozzle bore adjacent to its outlet opening. The upper and lower segments of each semicircle have their own conductors, it being understood that the words above and below in this case refer to in-plane elements. Vias provide electrical contact between the conductors and each metal layer associated with each of these conductors. These metal layers, in turn, are connected to driver circuits formed on a silicon substrate, as will be described in more detail below.

2 zeigt einen vereinfachten Querschnitt einer in Betrieb befindlichen Düse quer zur Richtung B-B. Wie bereits erwähnt wurde, ist unter den Düsenbohrungen ein Tintenkanal für die Zuführung der Tinte ausgebildet. Dabei wird die Tinte unter einem Druck von normalerweise zwischen 15 und 25 psi bei einem Düsendurchmesser von etwa 8,8 Mikrometer zugeführt. Die Tinte im Zuführkanal stammt aus einem unter Druck stehenden (nicht dargestellten) Vorrat, so dass auch die Tinte im Kanal unter Druck steht. Der konstante Druck kann mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Tintendruckreglers sichergestellt werden. Wenn kein Strom am Heizelement anliegt, bildet sich ein gerader Strahl aus, der direkt in die Auffangrinne fließt. Auf der Oberfläche des Druckkopfs bildet sich um die Düsen herum jeweils ein symmetrischer Meniskus aus, dessen Durchmesser um einige Mikron größer ist als der Durchmesser der Bohrung. Wird ein Stromimpuls an das Heizelement angelegt, zieht sich der Meniskus auf der beheizten Seite nach innen, und der Strahl wird vom Heizelement weg abgelenkt. Die sich dann ausbildenden Tropfen umgehen die Auffangrinne und landen auf dem Aufzeichnungsmedium. Geht der an das Heizelement angelegte Strom wieder auf Null, wird der Meniskus wieder symmetrisch, und der Strahl nimmt eine gerade Richtung an. Die Vorrichtung könnte ebenso umgekehrt arbeiten, so dass die abgelenkten Tropfen in die Auffangrinne gelenkt würde und das Drucken auf dem Aufzeichnungsmedium mittels der nicht abgelenkten Tropfen erfolgen würde. Auch müssen nicht unbedingt alle Düsen in einer Linie angeordnet sein. Nur ist es einfacher, die Auffangrinne mit einer geraden Kante auszubilden, als ihr eine einer versetzten Düsenanordnung entsprechende gestufte Kante zu geben. 2 shows a simplified cross-section of an operating nozzle transverse to the direction BB. As already mentioned, an ink channel for supplying the ink is formed below the nozzle bores. The ink is supplied at a pressure of typically between 15 and 25 psi with a nozzle diameter of about 8.8 microns. The ink in the feed channel comes from a pressurized supply (not shown), so that the ink in the channel is under pressure. The constant pressure can be ensured by means of an ink pressure regulator (not shown). When no current is applied to the heating element, a straight beam is formed which flows directly into the gutter. On the surface of the print head, a symmetrical meniscus is formed around the nozzles, the diameter of which is several microns larger than the diameter of the bore. When a current pulse is applied to the heating element, the meniscus on the heated side retracts inward and the beam is deflected away from the heating element. The then forming drops bypass the gutter and land on the recording medium. When the current applied to the heating element returns to zero, the meniscus becomes symmetrical again and the beam assumes a straight direction. The device could also work in reverse so that the deflected drops would be directed into the gutter and print the recording medium would be done by means of the undeflected drops. Also, not necessarily all nozzles must be arranged in a line. Only it is easier to form the gutter with a straight edge, as to give her a staggered nozzle arrangement corresponding stepped edge.

Im typischen Betrieb weist das Heizelement einen Widerstand in der Größenordnung von 400 Ohm auf, die Stromamplitude liegt zwischen 10 und 20 mA, die Impulsdauer beträgt etwa 2 Mikrosekunden, und der daraus resultierende Ablenkwinkel liegt bei reinem Wasser in der Größenordnung von einigen wenigen Graden. Hierzu wird verwiesen auf die US-Anmeldung Nr. 09/221 256 mit dem Titel "Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldruckkopf mit Segment-Heizelementen mit einstellbarer Stromstärke" sowie auf die US-Anmeldung Nr. 09/221 342 mit dem Titel "Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldruckkopf mit Multisegment-Heizelementen", beide eingereicht am 28. Dezember 1998.in the typical operation, the heating element has a resistance in the Magnitude from 400 ohms, the current amplitude is between 10 and 20 mA, the pulse duration is about 2 microseconds, and the resulting deflection angle is in the case of pure water in the order of a few Degrees. Reference is made to US application no. 09/221 256 titled "Continuous operating inkjet printhead with segmented heating elements with adjustable amperage "as well as the US application No. 09/221 342 entitled "Continuous working inkjet printhead with multi-segment heating elements ", both filed on December 28, 1998.

Durch das Anlegen periodischer Stromimpulse bricht der Strahl in zu den angelegten Impulsen synchrone Tropfen auf. Die Tropfen bilden sich etwa 100 bis 200 Mikrometer von der Druckkopfoberfläche entfernt aus und weisen bei einer Bohrung von 8,8 Mikrometer Durchmesser und einer Impulsbreite von 2 Mikrosekunden und einer Impulsrate von 200 kHz eine Größe von typischerweise 3 bis 4 pL auf.By the application of periodic current pulses breaks the beam into the applied pulses on synchronous drops. The drops form about 100 to 200 microns from the printhead surface out and point at a bore of 8.8 microns in diameter and a pulse width of 2 microseconds and a pulse rate of 200 kHz a size of typically 3 to 4 pL on.

Die in 3 dargestellte Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie A-B stellt ein Zwischenstadium der Herstellung eines Druckkopfs dar, dessen Düsen später in einer Anordnung ausgebildet werden sollen, wobei auf demselben Siliciumsubstrat CMOS-Schaltungen integriert sind.In the 3 The cross-sectional view taken along line AB represents an intermediate stage in the manufacture of a printhead whose nozzles are to be later formed in an array with integrated CMOS circuitry on the same silicon substrate.

Wie bereits erwähnt wurde, bildet man zuerst die CMOS-Schaltungen auf der Siliciumscheibe aus. Bei dem CMOS-Verfahren kann es sich um ein 0,5 Mikrometer-Standardverfahren mit gemischten Signalen mit zwei Polysilicium-Ebenen 2 und drei Metallebenen auf einer Scheibe von sechs Zoll Durchmesser handeln. Die Dicke der Scheibe beträgt normalerweise 675 Mikrometer. In 3 ist dieses Verfahren durch drei Metallschichten repräsentiert, die hier durch Verbindungslöcher verbunden sind. Außerdem sind eine Polysiliciumebene 2 und eine N⁺-Metallkontakt-Diffusionsschicht 1 dargestellt, um die aktiven Schaltungen im Siliciumsubstrat anzudeuten. In den Polysiliciumschichten können CMOS-Transistor-Gates ausgebildet sein.As already mentioned, one first forms the CMOS circuits on the silicon wafer. The CMOS process may be a standard 0.5 micron mixed signal two polysilicon level process 2 and three metal levels on a six inch diameter disc. The thickness of the disk is usually 675 microns. In 3 For example, this method is represented by three metal layers connected by vias. In addition, a polysilicon level 2 and an N ⁺ metal contact diffusion layer 1 shown to indicate the active circuits in the silicon substrate. CMOS transistor gates may be formed in the polysilicon layers.

Da die Metallschichten elektrisch isoliert werden müssen, werden zwischen ihnen dielektrische Schichten aufgebracht, wodurch sich eine Gesamtdicke des Films auf der Siliciumscheibe von etwa 4,5 Mikrometer ergibt.There The metal layers need to be electrically insulated between them applied dielectric layers, resulting in a total thickness of the film on the silicon wafer of about 4.5 microns.

Infolge der herkömmlichen CMOS-Fertigungsschritte erhält man ein Siliciumsubstrat von etwa 675 Mikrometer Dicke und etwa 6 Zoll Durchmesser. Es können jedoch ebenso gut auch Siliciumscheiben größeren oder kleineren Durchmessers verwendet werden. Im Siliciumsubstrat werden eine Vielzahl von Transistoren ausgebildet, indem man in bekannter Weise zur Ausbildung der Transistoren verschiedene Materialien selektiv aufbringt. Auf dem Siliciumsubstrat befinden sich eine Reihe von Schichten, die schließlich eine Oxid/Nitrid-Isolierschicht ausbilden, in der entsprechend dem gewünschten Muster eine oder mehrere Polysilicium- und Metallschichten ausgebildet sind. Zwischen verschiedenen Schichten können nach Bedarf Durchgangslöcher vorgesehen werden, und in der Oberfläche können im voraus Öffnungen angebracht werden, die Zugang zu Metallschichten als Kontaktflecken geben. Wie in 3 angedeutet ist, weisen die Oxid/Nitrid-Isolierschichten eine Dicke von etwa 4,5 Mikrometer auf. Der in 3 dargestellte Aufbau enthält im Wesentlichen die erforderlichen Verbindungen, Transistoren und logischen Gates für die in 1 dargestellten Steuerungskomponenten. In der Zeichnung ist zwar nur einer der Kontaktflecken dargestellt, es versteht sich jedoch, dass in der Düsenanordnung eine Vielzahl von Kontaktflecken ausgebildet sind. Die verschiedenen Kontaktflecken dienen der Herstellung der entsprechenden Verbindungen mit Daten, dem Speicherregister-Taktgeber, den Freigabe-Taktgebern und dem von einer angrenzend an den Druckkopf oder an einer entfernten Position vorgesehenen gedruckten Schaltung gelieferten Strom.As a result of the conventional CMOS fabrication steps, a silicon substrate about 675 microns thick and about 6 inches in diameter is obtained. However, larger or smaller diameter silicon wafers can be used as well. In the silicon substrate, a plurality of transistors are formed by selectively applying various materials in a known manner to form the transistors. On the silicon substrate are a series of layers which eventually form an oxide / nitride insulating layer in which one or more polysilicon and metal layers are formed according to the desired pattern. Through holes may be provided between different layers as required, and openings may be provided in the surface in advance to give access to metal layers as contact pads. As in 3 is indicated, the oxide / nitride insulating layers have a thickness of about 4.5 microns. The in 3 The structure shown essentially contains the required connections, transistors and logic gates for the in 1 shown control components. Although only one of the contact pads is shown in the drawing, it is understood that a plurality of contact pads are formed in the nozzle assembly. The various pads serve to establish the appropriate connections to data, the memory register clock, the enable clocks, and the power provided by a printed circuit adjacent the printhead or at a remote location.

Wie bereits erwähnt, ist es bei einem CIJ-Drucksystem wünschenswert, die Strahlablenkung durch Erhöhung jenes Anteils der Tinte zu verstärken, der nicht mit axialem, sondern mit seitlichem Bewegungsimpuls in die Düsenbohrung eintritt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein Teil der Flüssigkeit mit axialem Impuls blockiert wird, indem man in der Mitte jeder Düsenanordnung unterhalb der Düsenanordnung und mit dieser ausgerichtet eine Blockiereinrichtung vorsieht.As already mentioned, it is desirable in a CIJ printing system, the beam deflection by raising to amplify that portion of the ink not with axial, but with lateral movement pulse in the nozzle bore entry. This can be achieved by having a part of the liquid is blocked with axial impulse by putting in the middle of each nozzle assembly below the nozzle assembly and with this aligned provides a blocking device.

Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren für die Herstellung einer seitlichen Strömungsstruktur unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, die – wie bereits erwähnt – einen Querschnitt der Siliciumscheibe in der Nähe der Düse am Ende der CMOS-Fertigungsfolge darstellt. Es versteht sich natürlich, dass die Beschreibung der folgenden Absätze sich zwar auf die Ausbildung nur einer Düse bezieht, das Verfahren jedoch auch auf eine ganze Serie von in einer Reihe entlang der Scheibe auszubildenden Düsen anwendbar ist.In the following, an inventive method for the production of a lateral flow structure with reference to 3 described above, which - as already mentioned - represents a cross section of the silicon wafer in the vicinity of the nozzle at the end of the CMOS manufacturing sequence. It will of course be understood that while the description of the following paragraphs relates to the formation of only one nozzle, the method is also applicable to a whole series of nozzles to be formed in a row along the disk.

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die in 5 dargestellte Düsenanordnung. Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform wird als Heizfilm dieselbe Polysiliciumschicht verwendet, die auch der Ausbildung von Gates der MOS-Transistoren dient. Um die Strahlablenkung von der Düse zu unterstützen, ist es zweckmäßig, den dielektrischen Film über dem Heizelement auf etwa 0,35 Mikrometer zu reduzieren. Wie in 5 dargestellt ist, werden daher etwa 3,5 Mikrometer des dielektrischen Films entfernt, so dass ein Düsenbohrungsbereich zwischen dem Tintenkanal und einer relativ breiteren und tiefen Düseneinsenkung in der Oberfläche der Düsenanordnung entsteht. Die Düseneinsenkung wird mittels eines zeitlich gesteuerten Rückätzvorgangs ausgebildet. Die Filmdicke der endgültigen Bohrung beträgt etwa 1,0 Mikrometer.The following description refers to the in 5 illustrated nozzle arrangement. At the in 5 illustrated embodiment is called heating film uses the same polysilicon layer, which also serves to form gates of the MOS transistors. To assist in jet deflection from the nozzle, it is desirable to reduce the dielectric film over the heater to about 0.35 microns. As in 5 Therefore, about 3.5 micrometers of the dielectric film is removed to form a nozzle bore area between the ink channel and a relatively wider and deeper nozzle depression in the surface of the nozzle assembly. The nozzle recess is formed by means of a time-controlled Rückätzvorgangs. The film thickness of the final well is about 1.0 microns.

Anschließend werden die Siliciumscheiben ausgehend von ihrer ursprünglichen Dicke von 675 Mikrometer auf 300 Mikrometer reduziert. Danach wird eine Maske für die Herstellung von Kanälen auf die Rückseite der Scheibe aufgebracht, und das Silicium wird in einem STS-Ätzgerät bis zur vorderen Oberfläche des Siliciums weggeätzt. Die verwendete Maske ist derart ausgebildet, dass sie zwischen den einzelnen Düsen der Düsenanordnung während des Ätzens des Tintenkanals eine Siliciumbrücke zurücklässt. Diese Brücken erstrecken sich von der Rückseite der Siliciumscheibe bis zu ihrer Vorderseite. Das in der Rückseite der Scheibe ausgebildete Tintenkanalmuster besteht daher nicht aus einer langen rechteckigen Einsenkung, die parallel zur Richtung der Düsenreihe verläuft, sondern aus einer Reihe kleinerer, jeweils eine Düse aufweisender rechteckiger Hohlräume – siehe 4. Diese Rippen verbessern die Festigkeit des Siliciums im Vergleich zu einem langgestreckten Hohlraum in der Mitte der Form, die den Druckkopf strukturell schwächen würde, so dass die Membran im Falle einer Drehbeanspruchung der Anordnung, etwa während des Verpackens, reißen könnte. Bei langen Druckköpfen könnten Druckschwankungen in den Tintenkanälen, bedingt durch Druckwellen niedriger Frequenz, auch ein Strahlzittern verursachen.Subsequently, the silicon wafers are reduced from their original thickness of 675 microns to 300 microns. Thereafter, a mask for making channels is applied to the backside of the wafer, and the silicon is etched away in an STS etcher to the front surface of the silicon. The mask used is designed such that it leaves a silicon bridge between the individual nozzles of the nozzle assembly during the etching of the ink channel. These bridges extend from the back of the silicon wafer to its front. The formed in the back of the disc ink channel pattern is therefore not a long rectangular depression, which is parallel to the direction of the nozzle row, but from a series of smaller, each having a nozzle having rectangular cavities - see 4 , These ribs improve the strength of the silicon as compared to an elongate cavity in the center of the mold which would structurally weaken the printhead so that the membrane could crack in the event of rotational loading of the assembly, such as during packaging. For long print heads, pressure fluctuations in the ink channels, due to low frequency pressure waves, could also cause beam shake.

Wie bereits erwähnt, ist es bei einem CIJ-Drucksystem wünschenswert, die Strahlablenkung durch Erhöhung jenes Anteils der Tinte zu verstärken, der nicht mit axialem, sondern mit seitlichem Bewegungsimpuls in die Düsenbohrung eintritt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein Teil der Flüssigkeit mit axialem Impuls blockiert wird, indem man in der Mitte jeder Düsenanordnung unmittelbar unterhalb der Düsenanordnung eine Blockiereinrichtung aufbaut.As already mentioned, it is desirable in a CIJ printing system, the beam deflection by raising to amplify that portion of the ink not with axial, but with lateral movement pulse in the nozzle bore entry. This can be achieved by having a part of the liquid is blocked with axial impulse by putting in the middle of each nozzle assembly immediately below the nozzle assembly builds a blocking device.

Erfindungsgemäß wird im Folgenden ein Verfahren für den Aufbau einer Struktur zur Erzeugung der seitlichen Strömung unter Bezugnahme auf 5 – 8 beschrieben.In the following, a method for constructing a structure for generating the lateral flow will be described with reference to FIG 5 - 8th described.

In 5 zeigt die Querschnittsansicht entlang der Linie A-A die Blockiereinrichtung und die Siliciumrippen zur Erzeugung der seitlichen Strömung. In 6 ist ein Querschnitt entlang der Schnittlinie B-B dargestellt. Ein erstes Verfahren zur Ausbildung der Silicium-Blockiereinrichtung beruht auf einem als "Sockelbildungs"-Effekt bezeichneten Phänomen des STS-Ätzgeräts. Wenn danach die Siliciumätzung die Grenzfläche Silicium/Siliciumdioxid erreicht hat, tritt wegen der Aufladung des Oxids und der seitlichen Ablenkung der auftreffenden reaktiven Siliciumätzionen eine rasche seitliche Ätzung auf. Diese rasche seitliche Ätzung erstreckt sich etwa über 5 Mikrometer. Anschließend werden die Scheiben in eine herkömmliche Plasma-Ätzkammer eingebracht, und das Silicium in der Mitte der Bohrung wird anisotrop etwa 5 Mikrometer tief geätzt. 5 und 6 zeigen Querschnittsansichten der so erhaltenen Struktur. Dabei ist zu beachten, dass in 6 der schraffierte Bereich das Silicium darstellt, das entfernt wurde, um eine Zugangsöffnung zwischen einem im Siliciumsubstrat ausgebildeten Tintenkanal und der Düsenbohrung zu erhalten.In 5 the cross-sectional view along the line AA shows the blocking device and the silicon ribs for generating the lateral flow. In 6 is a cross section along the section line BB shown. A first method of forming the silicon blocking device is based on a phenomenon of the STS etching device referred to as a "pedestaling" effect. Thereafter, when the silicon etch reaches the silicon / silica interface, a rapid lateral etch occurs due to the charging of the oxide and the lateral deflection of the incident reactive silicon etch ions. This rapid lateral etch extends about 5 microns. The wafers are then placed in a conventional plasma etching chamber and the silicon in the center of the bore is anisotropically etched about 5 microns deep. 5 and 6 show cross-sectional views of the structure thus obtained. It should be noted that in 6 the hatched area represents the silicon removed to provide an access opening between an ink channel formed in the silicon substrate and the nozzle bore.

Ein zweites Verfahren beruht nicht auf dem Sockelbildungs-Effekt. Statt dessen wird das Silicium in der Bohrung isotrop von der Vorderseite der Scheibe her etwa 5 Mikrometer tief weg geätzt. Danach wird durch isotropes Ätzen auch das Silicium seitlich und vertikal entfernt, wodurch schließlich das im Querschnitt in 7 dargestellte Silicium entfernt wird, um den Flüssigkeitskontakt zwischen Tintenkanal und Bohrung zu erleichtern. Bei dieser Lösung ist die Blockiereinrichtung durch das Rückätzen von der Oberfläche her, durch das der schraffierte Siliciumbereich entfernt wird, kürzer.A second method is not based on the pedestaling effect. Instead, the silicon in the well is etched isotropically away from the front of the wafer about 5 microns away. Thereafter, the silicon is removed laterally and vertically by isotropic etching, whereby finally in cross section in 7 shown silicon is removed to facilitate the liquid contact between the ink channel and bore. In this solution, the blocking device is shorter by etching back from the surface through which the shaded silicon region is removed.

Wie schematisch in 6 und 7 dargestellt ist, wirken in der in die Bohrung fließenden Tinte hauptsächlich seitliche Strömungskomponenten, was ja gerade zur Verstärkung der Tropfenablenkung erwünscht ist. Bei vorstehend beschriebenen Ätzvorgängen kann die Ausrichtung der Tintenkanalöffnungen in der Rückseite der Scheibe mit der Düsenanordnung in der Vorderseite der Scheibe mit Hilfe eines Ausrichtsystems, etwa des Karl Suss-Ausrichtsystems, sichergestellt werden.As schematically in 6 and 7 is shown, act in the ink flowing into the bore mainly lateral flow components, which is indeed desirable just to enhance the droplet deflection. In the etching processes described above, the alignment of the ink channel openings in the back of the disk with the nozzle assembly in the front of the disk can be ensured by means of an alignment system, such as the Karl Suss alignment system.

8 zeigt eine perspektivische Darstellung der Düsenanordnung mit Blockiereinrichtung auf Siliciumbasis, wobei die Oxid/Nitrid-Schicht zur besseren Darstellung der Blockiereinrichtung unterhalb der Düsenbohrung teilweise entfernt ist. Die Düsenbohrung ist durch eine Zugangsöffnung von der Oberseite der Blockiereinrichtung beabstandet. Wie in 6 und 7 zu erkennen ist, bewirkt die Blockiereinrichtung im Siliciumsubstrat, dass die in der Tintenkammer unter Druck stehenden Tinte um die Blockiereinrichtung herum fließt und seitliche Strömungskomponenten entwickelt. Diese seitlichen Strömungskomponenten können durch asymmetrisches Aufheizen ungleich gestaltet werden, was – wie in 6 und 7 dargestellt – zu einer Ablenkung des Flüssigkeitsstroms führt. 8th shows a perspective view of the nozzle assembly with silicon-based blocking device, wherein the oxide / nitride layer for better representation of the blocking device is partially removed below the nozzle bore. The nozzle bore is spaced from the top of the blocking device by an access opening. As in 6 and 7 As can be seen, the blocking device in the silicon substrate causes the ink pressurized in the ink chamber to flow around the blocking device and develop lateral flow components. These lateral flow components can be asymmetri heating up to be uneven, which - as in 6 and 7 shown - leads to a deflection of the liquid flow.

In 10 ist der fertige CMOS/MEMS-Druckkopf 120 auf einer Aufnahme 110 montiert, die ein Paar Tintenleitungen 130L, 130R aufweist, die in der Nähe von Endbereichen der Aufnahme angeschlossen sind und den Enden eines langgestreckten, in der Aufnahme ausgebildeten Kanals Tinte zuführen. Der Kanal liegt an der Rückseite des Druckkopfs 120 und steht auf diese Weise mit allen im Siliciumsubstrat des Druckkopfs 120 ausgebildeten Tintenkanälen in Flüssigkeitsverbindung. Die Aufnahme, bei der es sich um ein Keramiksubstrat handeln kann, weist an ihren Enden Befestigungsöffnungen auf, mittels derer diese Struktur an einem Druckersystem montiert werden kann.In 10 is the finished CMOS / MEMS printhead 120 on a recording 110 mounted, which has a pair of ink pipes 130L . 130R which are connected in the vicinity of end portions of the receptacle and supply ink to the ends of an elongate channel formed in the receptacle. The channel is at the back of the printhead 120 and is in this way with all in the silicon substrate of the printhead 120 formed ink channels in fluid communication. The receptacle, which may be a ceramic substrate, has mounting apertures at the ends thereof by means of which this structure can be mounted on a printer system.

Claims

Continuous inkjet printhead with a variety of nozzles and with: a silicon substrate having integrated therein Circuits for controlling the operation of the printhead, wherein the silicon substrate having an ink channel formed therein; an insulating layer or a plurality of insulating layers overlying the silicon substrate or overlay and for every formed therein nozzle has an opening or communicate with the ink channel and stand, and a heating element, which is arranged around the opening for asymmetrically heating the ink stream and therefore for redirecting the ink stream or not; wherein the silicon substrate to every nozzle one formed between the ink channel and the opening of silicon Blocking device, wherein an access opening between the ink channel and the opening is provided, which allows the ink, from the ink channel the blocking device around in the access opening into a Point to flow, opposite the opening is offset to lateral flow components for the in the opening flowing liquid ink provide.

A printhead according to claim 1, wherein said one insulating layer or the insulating layers are a series of vertically separated planes of electrically conductive terminals and electrically conductive Communication passages have or connect at least some of the planes.

A printhead according to claim 1, wherein the opening in the insulating layer is formed and adjacent the heating element of the opening is formed in the insulating layer.

A printhead according to claim 3, wherein the heating element made of polysilicon.

A printhead according to claim 4, wherein a layer of Polysilicon in the insulating layer also as a gate for one CMOS transistor is usable.

A printhead according to claim 1, wherein the insulating layer or insulating layers consists of an oxide or exist.

Printhead according to claim 1, wherein the integrated Circuits CMOS elements have.

A printhead according to claim 1, wherein a plurality of Nozzles on the insulating layer is formed to a page wide printhead with high-resolution To provide printing elements.

A printhead according to claim 8, wherein the silicon substrate a rib structure that separates adjacent nozzles from each other.

Method for forming a continuous working Inkjet printhead, with the steps: Provide a Silicon substrate with integrated circuits for controlling the Operating the printhead with the silicon substrate on it formed insulating layer or insulating layers formed thereon comprises, which comprises electrical conductors formed therein or which are electrically formed with in the silicon substrate Circuits are connected; Forming an opening in the insulating layer or layers; Forming a Ink channel in the silicon substrate, which with the opening in Connection stands; Providing a heating element around the opening for asymmetrically heating the ink stream and therefore for redirecting the ink stream or not; and Forming a blocking device in the silicon substrate for controlling the lateral flow of Ink from the ink channel formed in the silicon substrate to the formed in the insulating layer or the insulating layer opening.

The method of claim 10, further comprising the step of: forming the heating element adjacent to a nozzle hole of the opening, wherein the heating element is covered by one of the insulating layers.

The method of claim 10, further comprising the step of: forming a blocking device by lateral etching of the silicon substrate.

The method of claim 12, comprising the step of: etching the Silicon substrate except for the silicon insulating layer or layers for forming the blocking device.

The method of claim 13, wherein an Zu The opening between the ink channel and the opening is provided by means of an etching through the opening.