DE60113798T2 - Integrierter cmos/mems-tintenstrahldruckknopf mit lang gestrecktem düsenloch und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Integrierter cmos/mems-tintenstrahldruckknopf mit lang gestrecktem düsenloch und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

Info

Publication number
DE60113798T2
DE60113798T2 DE60113798T DE60113798T DE60113798T2 DE 60113798 T2 DE60113798 T2 DE 60113798T2 DE 60113798 T DE60113798 T DE 60113798T DE 60113798 T DE60113798 T DE 60113798T DE 60113798 T2 DE60113798 T2 DE 60113798T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
ink
insulating layer
hole
silicon substrate
nozzle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE60113798T
Other languages
English (en)
Other versions
DE60113798D1 (de
Inventor
Constantine N. Rochester Anagnostopoulos
Gilbert Allen Rochester Hawkins
John Andrew Rochester Lebens
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eastman Kodak Co
Original Assignee
Eastman Kodak Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eastman Kodak Co filed Critical Eastman Kodak Co
Publication of DE60113798D1 publication Critical patent/DE60113798D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE60113798T2 publication Critical patent/DE60113798T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/015Ink jet characterised by the jet generation process
    • B41J2/02Ink jet characterised by the jet generation process generating a continuous ink jet
    • B41J2/03Ink jet characterised by the jet generation process generating a continuous ink jet by pressure
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/07Ink jet characterised by jet control
    • B41J2/075Ink jet characterised by jet control for many-valued deflection
    • B41J2/08Ink jet characterised by jet control for many-valued deflection charge-control type
    • B41J2/09Deflection means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/015Ink jet characterised by the jet generation process
    • B41J2/02Ink jet characterised by the jet generation process generating a continuous ink jet
    • B41J2/03Ink jet characterised by the jet generation process generating a continuous ink jet by pressure
    • B41J2002/032Deflection by heater around the nozzle
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2202/00Embodiments of or processes related to ink-jet or thermal heads
    • B41J2202/01Embodiments of or processes related to ink-jet heads
    • B41J2202/22Manufacturing print heads

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.
  • 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.
  • 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.
  • 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. 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.
  • Der kontinuierliche Tintenstrahldruck als solcher ist seit mindestens 1929 bekannt. Siehe US-A-1 941 001, erteilt an Hansell in jenem Jahr.
  • 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-3 416 153 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-4 346 387 mit dem Titel VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR STEUERUNG DER ELEKTRISCHEN LADUNG VON TROPFEN UND DAMIT ARBEITENDER TINTENSTRAHLDRUCKER wurde am 24. August 1982 an Carl 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.
  • 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 "Ablaufeinrichtung" 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. Normalerweise arbeiten die Ladetunnels und Tropfenablenkplatten kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldrucker, verglichen mit Spannungen von normalerweise 25 V oder darunter, die allgemein als für herkömmliche CMOS-Schaltungen schädlich angesehen werden, mit hohen Spannungen, etwa 100 V oder mehr. Außerdem müssen die Tinten in elektrostatischen, kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckern leitfähig sein und Strom führen. Wie auf dem Gebiet der Halbleiter-Herstellung bekannt ist, ist es unter dem Gesichtspunkt der Zuverlässigkeit unerwünscht, stromführende Flüssigkeiten in Kontakt mit Halbleiteroberflächen zu führen. In die Herstellung kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldruckköpfe ist also bisher die Herstellung von CMOS-Schaltungen nicht generell integriert.
  • 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 et al. beschrieben. Dieses Patent beschreibt eine Vorrichtung zur Steuerung 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 "Ablaufeinrichtung") abgelenkt werden. Das Patent von Chwalek et al. stellt damit ein Flüssigkeitsdrucksystem bereit, das wesentliche Verbesserungen zur Überwindung der nach dem Stand der Technik bekannten Probleme bezüglich der Anzahl der Düsen je Druckkopf, der Druckkopflänge, des Stromverbrauchs und der Eigenschaften geeigneter Tinten bietet.
  • 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.
  • EP 10 606 890 , eingereicht von Chwalek et al., beschreibt einen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker mit einem Druckkopf, bei dem die Tinte über einer Düsenöffnung einen Menis kus 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 Düsenöffnung auf, die sich unterhalb des Substrats in den Tintenzuführkanal öffnet und so eine Tintenströmungsbahn definiert. Mindestens ein Teil der Öffnung ist von einem Widerstandsheizelement umgeben.
  • Die hier zu beschreibende Erfindung baut auf der Arbeit von Chwalek et al. auf, was die Konstruktion kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldruckköpfe betrifft, die kostengünstig herzustellen sind und vorzugsweise seitenbreit ausgebildet werden können.
  • 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.
  • 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 Breite 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 (mikro-elektromechanisches System) zu bearbeiten.
  • 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.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines CIJ-Druckkopfs, der ein lang gestrecktes Düsenloch aufweist, mit dessen Hilfe ein geraderer Strahl des Tintenstroms erreicht wird.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Tintenstrahldruckkopf bereitgestellt mit einem Siliciumsubstrat mit darin ausgebildeten integrierten Schaltungen zum Steuern des Betriebes des Druckkopfs, wobei das Siliciumsubstrat mindestens einen entlang dem Substrat ausgebildeten Tintenkanal aufweist, mindestens einer Isolierschicht, die das Siliciumsubstrat überlagert und eine Reihe lang gestreckter Düsenlöcher aufweist, von denen jedes in der Isolierschicht bzw. den Isolierschichten ausgebildet ist, wobei sich jedes Loch von der Oberfläche der Isolierschicht bzw. der Isolierschichten zu einem Tintenkanal im Siliciumsubstrat erstreckt, wobei in der Nähe eines jeden Lochs und in der Nähe der Oberfläche der Isolierschicht bzw. der Isolierschichten ein Heizelement angeordnet ist und das Loch eine Länge von 4 bis 10 Mikrometern aufweist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckkopfs der unmittelbar vorstehend beschriebenen Art bereitgestellt, wobei die Isolierschicht bzw. die Isolierschichten eine relativ lang gestreckte Öffnung mit einer Lochlänge von 4 bis 10 Mikrometern aufweist.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckkopfs angegeben, wobei der Tintenstrahldruckkopf eine relativ lang gestreckte Öffnung mit einer Lochlänge von 4 bis 10 Mikrometern aufweist.
  • 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.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Draufsicht eines Teils eines erfindungsgemäß aufgebauten Druckkopfs;
  • 1A eine vereinfachte Draufsicht einer Düse mit einem "geschlitzten" Heizelement für einen erfindungsgemäßen CIJ-Druckkopf;
  • 1B eine vereinfachte Draufsicht einer Düse mit einem geteilten Heizelement für einen erfindungsgemäßen CIJ-Druckkopf;
  • 2 eine Querschnittsansicht der Düse mit geschlitztem Heizelement entlang der Linie B-B in 1A;
  • 3A eine vereinfachte schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B in 1A, in der der Düsenbereich unmittelbar nach Fertigstellung aller herkömmlichen CMOS-Fertigungsschritte, mit Ausnahme der Ausbildung der Heizelemente, einer Heizelement-Passivierungsschicht und der Ätzung einer Düsenöffnung, dargestellt ist;
  • 3B eine Ansicht ähnlich 3A, jedoch nach Fertigstellung aller CMOS-Fertigungsschritte gemäß der Erfindung;
  • 4 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B einer erfindungsgemäß hergestellten CMOS-kompatiblen Düse;
  • 5 eine schematische Draufsicht des Düsenbereichs, in der jedoch ein sich durch das Siliciumsubstrat hindurch erstreckender zentraler Kanal dargestellt ist;
  • 6 eine Ansicht ähnlich 5, in der jedoch im Siliciumsubstrat ausgebildete Rippenstrukturen zu erkennen sind, die die einzelnen Düsen voneinander trennen, die Festigkeit der Struktur verbessern und die Ausbildung von Schwingungen im Tintenkanal vermindern, wobei die Rippenstrukturen in dieser Ansicht nicht wirklich sichtbar, sondern nur zur Illustration angedeutet sind;
  • 7 eine perspektivische schematische Ansicht des Tintenstrahldruckkopfs mit einer kleinen Düsenanordnung, in der das Konzept der in Tintenkanälen zwischen benachbarten Düsen angeordneten Siliciumrippen zu erkennen ist;
  • 8 ein schematisches Diagramm eines beispielhaften kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckkopfs und einer Düsenanordnung während des Durchlaufs oder Transports eines Aufzeichnungsmediums (etwa Papier) unter dem Tintenstrahldruckkopf hindurch; und
  • 9 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß ausgebildeten und auf einem Aufnahmesubstrat aufgenommenen CMOS/MEMS-Druckkopfs, dem Tinte zugeführt wird.
  • 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.
  • In 8 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.
  • 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 in dem Element 14 ausgebildeten Tintenzuführkanal und durch eine Düsenanordnung 20 entweder auf das Aufzeichnungsmedium 13 oder in die Ablaufrinne 19 transportiert. Die Ablaufrinne 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 13 kann auch als allgemeine Beschreibung des erfindungsgemäßen Druckersystems dienen.
  • 1 zeigt eine Draufsicht eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß der Lehre der Erfindung. Der Druckkopf weist eine Anordnung von in einer Reihe oder versetzt angeordneten Düsen 1a1d auf. Jede Düse wird über ein logisches UND-Gate (2a2d) adressiert, das jeweils 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 (3a3d) zum UND-Gate (2a2d) und den entsprechenden, mit dem logischen Gate verbundenen Freigabetaktgeber-Leitungen (5a5d) beide den Zustand logisch EINS aufweisen. Darüber hinaus bestimmen auf den Freigabetaktgeber-Leitungen (5a5d) anliegende Signale die Zeitdauer, während der jeweils Strom durch die Heizelemente in den betreffenden Düsen 1a1d 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 3a3d 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.
  • 1A und 1B zeigen detailliertere Draufsichten der beiden in CIJ-Druckköpfen verwendeten asymmetrischen Heizelement-Typen (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 Düse 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. Diese Düsenöffnungen und zugehörigen Heizelement-Ausbildungen sind in der Zeichnung rund dargestellt, können aber auch eine nicht runde Form aufweisen, wie dies von Jeanmaire et al. in der gemeinsam abgetretenen US-Anmeldung Nr. 09/466 346, eingereicht am 17. Dezember 1999, beschrieben ist, deren Inhalt durch Verweis hierin aufgenommen wird. 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. 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.
  • 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.
  • 2 zeigt einen vereinfachten Querschnitt einer in Betrieb befindlichen Düse quer zur Richtung B-B. Wie bereits erwähnt wurde, ist unter den Düsenlöchern ein Tintenkanal für die Zuführung der Tinte ausgebildet. Dabei wird die Tinte unter einem Druck von normalerweise zwischen 103 kPa bis 172 kPa (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 Ablaufrinne 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 des Lochs. 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 Ablaufrinne 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 Ablaufrinne 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 Ablaufrinne mit einer geraden Kante auszubilden, als ihr eine einer versetzten Düsenanordnung entsprechende gestufte Kante zu geben.
  • 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 US-A-6 213 595 B1 mit dem Titel "Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldruckkopf mit Multisegment-Heizelementen mit einstellbarer Stromstärke" sowie auf US-A-6 217 163 595 B1 mit dem Titel "Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldruckkopf mit Multisegment-Heizelementen".
  • 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 einem Loch von 8,8 Mikrometer Durchmesser und einer Impulsbreite von etwa 2 Mikrosekunden und einer Impulsrate von 200 kHz ein Volumen von typischerweise 3 bis 4 pL auf, können aber auch je nach Lochgröße und Frequenz (Pulsrate der Strom-Impulse) größer oder kleiner sein.
  • 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.
  • Wie bereits erwähnt wurde, bildet man zuerst die CMOS-Schaltungen als mindestens eine Schaltung auf der Siliciumscheibe aus. Bei dem CMOS-Verfahren kann es sich um ein 0,5 Mikrometer-Standardverfahren mit gemischten Signalen mit zwei Polysilicium-Ebenen 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. Die Gate-Elektroden für die CMOS-Transistoren werden aus einer der Polysiliciumschichten ausgebildet. Im Sinne dieser Beschreibung wird unter "Polysilicium" ein leitfähiges dotiertes Polysilicium verstanden, das als Gate-Elektrode für CMOS-Transistoren dienen kann.
  • 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.
  • Der in 3A dargestellte Aufbau weist im Grunde die erforderlichen Transistoren und logischen Gates für die in 1 dargestellten Steuerungskomponenten auf.
  • 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 sind nach Bedarf Durchgangslöcher und zu den Kontaktflecken führende Öffnungen vorgesehen. Die verschiedenen Kontaktflecke sind für die jeweiligen Verbindungen mit Daten, dem Speicherregister-Taktgeber, den Freigabe-Taktgebern und dem Strom vorgesehen, der von einer angrenzend an den Druckkopf oder an einer entfernten Position vorgesehenen gedruckten Schaltungen geliefert wird. Zwar ist nur einer der Kontaktflecke dargestellt, es versteht sich jedoch, dass in der Düsenanordnung eine Vielzahl von Kontaktflecken ausgebildet ist. Wie in 3A 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.
  • Im Folgenden wird auf die in 3B dargestellte Struktur der Düsenanordnung Bezug genommen. Auf die Oberfläche der Scheibe wird eine dielektrische Schicht, etwa aus Si3N4 oder SiO2, aufgebracht, wonach mittels eines chemisch-mechanischen Poliervorgangs (CMP) eine ebene Oberfläche hergestellt wird. Anschließend werden Durchgangsöffnungen (via3) in der obersten dielektrischen Schicht oberhalb der Metallschicht 3 ausgebildet, wonach ein dünner Ti/TiN-Film und anschließend ein sehr viel dickerer W-Film (Wolfram) aufgebracht werden. Schließlich wird die Oberfläche mittels eines CMP-Prozesses (chemisch-mechanischer Polierprozess) planarisiert, wodurch die W- und TiN-Filme an allen Stellen, außer an der Innenseite der Durchgangslöcher via3, entfernt werden.
  • Anschließend wird eine neue Ti/TiN-Schicht mit etwa 50 Ångström Ti und 600 Ångström TiN aufgebracht. Dieser Verbundfilm, der etwa 20 Minuten in Formgas bei 420° Celsius getempert wird, erreicht einen Filmwiderstand von etwa 20 Ohm/Quadrat. Als nächstes folgen Lithografie- und Ätzschritte zur Ausbildung des Heizelemente-Musters. Anschließend werden die Scheiben zum Schutz der Heizelemente gegen chemischen Angriff oder mechanischen Abrieb mit PECVD SiO2 in einer Filmstärke von 3000 Ångström und PECVD SiO2 in einer weiteren Filmstärke von 3500 Ångström beschichtet.
  • Danach werden mindestens zwei Lithografie- und Ätzschritte durchgeführt, der erste zum Freilegen der Kontaktflecke, der zweite zur Herstellung des Lochs. Beim Ätzen des Oxid/Nitrid-Lochs besteht ein Vorteil darin, dass das Silicium als natürliche Sperre für den Ätzprocess dient, mit dem das Loch ausgebildet wird. Tintenstrahldüsenöffnungen weisen Lochquerschnitte mit allgemein über die gesamte Öffnung hinweg gleich bleibenden Abmessungen und vorzugsweise runder Form auf, und die Lochdurchmesser liegen etwa im Bereich von 1 Mikrometer bis 100 Mikrometer, bei einem bevorzugten Bereich von 6 Mikrometer bis 16 Mikrometer.
  • Danach werden die Scheiben, ausgehend von ihrer Standard-Dicke von etwa 675 Mikrometer, durch Schleifen und Polieren ihrer Rückseiten auf etwa 300 Mikrometer verdünnt.
  • Danach wird auf die Rückseiten der Scheiben eine dicke Fotolackschicht aufgebracht und das Kanalmuster definiert. Das Muster wird auf Kennmarken in den Vorderseiten der Scheiben ausgerichtet, so dass die Lochöffnung und der Tintenkanal korrekt ausgerichtet werden. Diese Ausrichtung zwischen Vorder- und Rückseite weist bei Verwendung des Karl-Suss-1X-Ausrichtsystems eine Ausrichttoleranz von etwa 2 Mikrometer auf. Schließlich werden die Tintenkanäle im STS-Silicizumtiefätzsystem geätzt.
  • In 4 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht entlang der Linie A-B einer fertigen Düse dargestellt. Die dargestellte Düse weist ein tiefes Loch von vorzugsweise 4 Mikrometer bis 10 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 6 Mikrometer und 10 Mikrometer, Länge und im Allgemeinen gleichmäßigem Durchmesser auf und erzeugt einen stark axial ausgerichteten Strahl, sofern die Strömung nicht durch asymmetrische Erwärmung abgelenkt wird.
  • In 5 ist der im Siliciumsubstrat ausgebildete Tintenkanal als mittig unter der Düsenanordnung hindurch führender rechteckiger Hohlraum dargestellt. Ein langer Hohlraum in der Mitte der Form hat jedoch die Tendenz, die Druckkopfanordnung strukturell zu schwächen, so dass die Membran leicht reißen könnte, wenn die Anordnung, etwa beim Packen, Torsionsspannungen ausgesetzt wird. Außerdem können aufgrund niedrigfrequenter Druckwellen entlang den Druckköpfen auftretende Druckschwankungen in den Tintenkanälen zu Pulszittern führen. Im Folgenden soll eine verbesserte Konstruktion beschrieben werden. Bei dieser verbesserten Konstruktion bleibt beim Ätzen des Tintenkanals eine Siliciumbrücke oder -rippe zwischen den einzelnen Düsen der Düsenanordnung zurück. Diese Brücken erstrecken sich über die gesamte Strecke von der Rückseite der Siliciumscheibe bis zu deren Vorderseite. Das in der Rückseite der Scheibe ausgebildete Tintenkanalmuster besteht daher nicht mehr aus einer langen rechteckigen Ausnehmung parallel zur Richtung der Düsenreihe, sondern aus einer Reihe kleinerer rechteckiger Hohlräume oder Kanäle, die jeweils nur eine Düse versorgen, siehe 4, 6 und 7. Durch diese Rippen wird die Festigkeit des Siliciums im Vergleich zu dem langen Hohlraum in der Mitte der Form, der – wie bereits erwähnt – die Struktur des Druckkopfs schwächen könnte, verbessert. Außerdem vermindern diese Rippen oder Brücken durch niederfrequente Druckwellen erzeugte Druckschwankungen in den Tintenkanälen, die – wie bereits erwähnt – zu Pulszittern führen können. Bei diesem Beispiel wird jeder Tintenkanal als Rechteck von 20 Mikrometer Länge in Längsrichtung und 120 Mikrometer Länge in Querrichtung, vorzugsweise in orthogonaler Richtung, zur Düsenreihe ausgebildet.
  • Zwar richtet sich die vorstehende Beschreibung auf die Ausbildung einer einzelnen Düse, es versteht sich jedoch, dass das Verfahren natürlich auch zur Ausbildung einer ganzen Serie von in der Scheibe in einer Reihe ausgebildeten Düsen geeignet ist. Dabei kann diese Reihe entweder gerade oder, was weniger bevorzugt ist, versetzt sein.
  • Erfindungsgemäß wird daher ein kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldrucker mit einer relativ flachen Oberfläche bereitgestellt, die im Wesentlichen eben ausgebildet und daher für Wartungs- oder Reinigungszwecke bestens geeignet ist. Der Druckkopf kann im Wesentlichen in einer herkömmlichen CMOS-Fertigungsanlage hergestellt werden, in der die integrierten Schaltungen zur Steuerung der Heizelemente für die Erwärmung des Tintenstroms ausgebildet werden. Anschließend werden dann die Heizelemente, Löcher und sonstigen Strukturen, etwa die Tintenkanäle, in einer MEMS-Fertigungsanlage hinzugefügt.
  • In 9 wird der fertige CMOS/MEMS-Druckkopf 120 gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen auf einer Aufnahme 110 mit einem Paar Tintenzuführleitungen 130L, 130R montiert, welche benachbart zu Endabschnitten der Aufnahme angeschlossen sind und den Enden eines sich in Längsrichtung erstreckenden Kanals in der Aufnahme Tinte zuführen. Der Kanal weist zur Rückseite des Druckkopfs 120 und steht daher mit der im Siliciumsubstrat des Druckkopfs 120 ausgebildeten Tintenkanalanordnung in Flüssigkeitsverbindung. Die Aufnahme, bei der es sich um ein Keramiksubstrat handeln kann, weist an den Enden Befestigungslöcher für das Anbringen dieser Struktur am Drucker auf.

Claims (22)

  1. Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldruckkopf mit: einem Siliciumsubstrat mit darin ausgebildeten integrierten Schaltungen zum Steuern des Betriebs des Druckkopfs, wobei das Siliciumsubstrat mindestens einen entlang dem Substrat ausgebildeten Tintenkanal aufweist; einer Isolierschicht oder Isolierschichten, die das Siliciumsubstrat überlagert bzw. überlagern und eine Reihe lang gestreckter Tintenstrahl-Düsenlöcher aufweist bzw. aufweisen, von denen jedes in der Isolierschicht oder den Isolierschichten ausgebildet ist; wobei in der Nähe eines jeden Lochs und in der Nähe der Oberfläche der Isolierschicht oder der Isolierschichten ein Heizelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich jedes Loch über eine Länge von einer Außenfläche der Isolierschicht oder Isolierschichten aus in einen Tintenkanal im Siliciumsubstrat erstreckt, damit die Länge des Lochs 4 bis 10 Mikrometer beträgt.
  2. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, worin die Isolierschicht oder die Isolierschichten eine Reihe vertikal getrennter Ebenen von elektrisch leitfähigen Anschlüssen und elektrisch leitfähigen Verbindungslöchern aufweist bzw. aufweisen, die mindestens einige der Ebenen verbinden.
  3. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 oder 2, worin die Isolierschicht oder die Isolierschichten aus einem Oxid besteht oder bestehen und ihre Außenfläche im Allgemeinen planar ist.
  4. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die integrierten Schaltungen CMOS Elemente aufweisen.
  5. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin eine Ablaufrinne vorgesehen und in einer Position angebracht ist, derart, dass sich darin Tropfen sammeln, die zum Drucken nicht ausgewählt sind.
  6. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Düsenlöcher entlang einer geraden oder abgestuften Linie angeordnet sind und das Siliciumsubstrat Rippen aufweist, die sich quer zur Linie erstrecken, um entlang dem Substrat ausgebildete Tintenkanäle zu bilden, und worin jedes Loch mit einem Tintenkanal in Verbindung steht.
  7. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 6, worin eine Vielzahl von Kanälen im Siliciumsubstrat vorgesehen ist.
  8. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das Heizelement eine Einkerbung zum asymmetrischen Aufheizen von Tinte im Loch aufweist.
  9. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin das Loch einen Öffnungsbereich mit gleichförmigem Querschnitt hat.
  10. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin das Loch einen kreisrunden Querschnitt aufweist, der einen Durchmesser von 6 bis 16 Mikrometern hat.
  11. Verfahren zum Betreiben eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckkopfs mit den Schritten: Bereitstellen von unter Druck stehender flüssiger Tinte in einem in einem Siliciumsubstrat ausgebildeten Tintenkanal, wobei das Substrat eine Reihe darin ausgebildeter integrierter Schaltungen aufweist zum Steuern des Betriebs des Druckkopfs; Aufheizen der Tinte an einer Düsenöffnung oder in der Nähe einer Düsenöffnung, wobei jede Düsenöffnung mit einem Tintenkanal in Verbindung steht und die Düsenöffnungen eine Anordnung bilden, die sich in einer vorbestimmten Richtung erstreckt; und wobei jede Düse als im Allgemeinen lang gestrecktes Düsenloch in der das Siliciumsubstrat bedeckenden Isolierschicht oder den Isolierschichten ausgebildet ist; und Zuordnen einer jeden Düsenöffnung zu einem Heizelement, das in der Nähe der Oberfläche der Isolierschicht oder Isolierschichten angeordnet ist und dafür sorgt, dass die Tinte bei ihrem Austritt aus der Düsenöffnung aufgeheizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jedes lang gestreckte Loch an einer Fläche der Isolierschicht oder Isolierschichten endet, damit sich die Tinte entlang einer Lochlänge von 4 bis 10 Mikrometern bewegen kann.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, worin eine Ablaufrinne Tintentropfen sammelt, die zum Drucken nicht ausgewählt sind.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, worin die integrierten Schaltungen CMOS Elemente aufweisen, die zur Steuerung des Betriebs der Heizelemente dienen.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, worin die Isolierschicht oder die Isolierschichten eine Reihe vertikal getrennter Ebenen mit elektrisch leitfähigen Anschlüssen und elektrisch leitfähigen Verbindungslöchern aufweist bzw. aufweisen, die mindestens einige der Ebenen verbinden, und worin Signale von den im Substrat ausgebildeten CMOS Elementen durch die elektrisch leitfähigen Verbindungslöcher übertragen werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, worin die Oberfläche der Isolierschicht oder Isolierschichten im Allgemeinen planar ist, um deren Reinigung zu erleichtern.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, worin die Heizelemente die Tinte an einer Düsenöffnung asymmetrisch aufheizen.
  17. Verfahren zum Ausbilden eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckkopfs mit den Schritten: 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 elektrische Konduktoren umfasst bzw. umfassen, welche elektrisch mit im Siliciumsubstrat ausgebildeten Schaltkreisen verbunden sind, in der Isolierschicht oder den Isolierschichten Ausbilden einer Reihe von Anordnungen von lang gestreckten Tintenstrahl-Düsenlöchern in einer geraden Linie oder einer abgestuften Konfiguration; und Ausbilden eines Heizelements in der Nähe eines jeden Lochs auf der Oberfläche der Isolierschicht oder der Isolierschichten, dadurch gekennzeichnet, dass sich jedes Loch über eine Länge von der Oberfläche der Isolierschicht oder der Isolierschichten aus in einen Tintenkanal im Siliciumsubstrat erstreckt, wobei jedes Loch 4 bis 10 Mikrometer lang ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, worin die integrierten Schaltkreise CMOS Elemente aufweisen.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, worin die Isolierschicht oder die Isolierschichten eine Reihe vertikal getrennter Ebenen von elektrisch leitfähigen Anschlüssen und elektrisch leitfähigen Verbindungslöchern aufweist bzw. aufweisen, die mindestens einige der Ebenen verbinden.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, worin ein Heizelement derart ausgebildet ist, dass es Tinte im Loch asymmetrisch aufheizt.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, worin im Siliciumsubstrat Rippen ausgebildet sind, die sich ausdehnen und quer verlaufende Tintenkanäle bilden, um Tinte zu den Reihen von Tintenstrahllöchern zu fördern.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, worin die Oberfläche der Isolierschicht oder Isolierschichten im Allgemeinen planar ausgebildet ist.
DE60113798T 2001-02-22 2001-12-19 Integrierter cmos/mems-tintenstrahldruckknopf mit lang gestrecktem düsenloch und verfahren zu dessen herstellung Expired - Lifetime DE60113798T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US791315 2001-02-22
US09/791,315 US6491385B2 (en) 2001-02-22 2001-02-22 CMOS/MEMS integrated ink jet print head with elongated bore and method of forming same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE60113798D1 DE60113798D1 (de) 2005-11-10
DE60113798T2 true DE60113798T2 (de) 2006-07-13

Family

ID=25153332

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE60113798T Expired - Lifetime DE60113798T2 (de) 2001-02-22 2001-12-19 Integrierter cmos/mems-tintenstrahldruckknopf mit lang gestrecktem düsenloch und verfahren zu dessen herstellung

Country Status (4)

Country Link
US (1) US6491385B2 (de)
EP (1) EP1234668B1 (de)
JP (1) JP2002254652A (de)
DE (1) DE60113798T2 (de)

Families Citing this family (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7029085B2 (en) * 2001-09-27 2006-04-18 Fuji Photo Film Co., Ltd. Ink jet head and ink jet printer
US7052117B2 (en) 2002-07-03 2006-05-30 Dimatix, Inc. Printhead having a thin pre-fired piezoelectric layer
US6932451B2 (en) * 2003-02-18 2005-08-23 T.S.D. Llc System and method for forming a pattern on plain or holographic metallized film and hot stamp foil
US8491076B2 (en) 2004-03-15 2013-07-23 Fujifilm Dimatix, Inc. Fluid droplet ejection devices and methods
US7281778B2 (en) 2004-03-15 2007-10-16 Fujifilm Dimatix, Inc. High frequency droplet ejection device and method
US7549298B2 (en) * 2004-12-04 2009-06-23 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Spray cooling with spray deflection
WO2006074016A2 (en) 2004-12-30 2006-07-13 Fujifilm Dimatix, Inc. Ink jet printing
US20060226442A1 (en) * 2005-04-07 2006-10-12 An-Ping Zhang GaN-based high electron mobility transistor and method for making the same
US7249830B2 (en) * 2005-09-16 2007-07-31 Eastman Kodak Company Ink jet break-off length controlled dynamically by individual jet stimulation
US7434919B2 (en) * 2005-09-16 2008-10-14 Eastman Kodak Company Ink jet break-off length measurement apparatus and method
US7364276B2 (en) * 2005-09-16 2008-04-29 Eastman Kodak Company Continuous ink jet apparatus with integrated drop action devices and control circuitry
US7673976B2 (en) 2005-09-16 2010-03-09 Eastman Kodak Company Continuous ink jet apparatus and method using a plurality of break-off times
AU2005337419B2 (en) * 2005-10-10 2009-12-10 Memjet Technology Limited Printhead with elongate nozzles
US7445317B2 (en) * 2005-10-11 2008-11-04 Silverbrook Research Pty Ltd Inkjet printhead with droplet stem anchor
US7465037B2 (en) * 2005-10-11 2008-12-16 Kia Silverbrook Printhead with rectifying valve at ink chamber inlet
US7661800B2 (en) * 2005-10-11 2010-02-16 Silverbrook Research Pty Ltd Inkjet printhead with multiple heater elements and cross bracing
US7735971B2 (en) * 2005-10-11 2010-06-15 Silverbrook Research Pty Ltd Printhead with elongate nozzles
US7597425B2 (en) * 2005-10-11 2009-10-06 Silverbrook Research Pty Ltd Inkjet printhead with multiple heater elements in parallel
US7712869B2 (en) * 2005-10-11 2010-05-11 Silverbrook Research Pty Ltd Inkjet printhead with controlled drop misdirection
US7549735B2 (en) * 2005-10-11 2009-06-23 Silverbrook Research Pty Ltd Inkjet printhead with quadrupole actuators
US7431432B2 (en) * 2005-10-11 2008-10-07 Silverbrook Research Pty Ltd Printhead that combines ink from adjacent actuators
US20080055364A1 (en) * 2006-09-06 2008-03-06 Eastman Kodak Company Large area array print head ejector actuation
US20080055363A1 (en) 2006-09-06 2008-03-06 Eastman Kodak Company Large area array print head
US7559620B2 (en) * 2006-09-27 2009-07-14 Eastman Kodak Company Printhead assembly having replaceable printhead
US7635179B2 (en) * 2006-10-05 2009-12-22 Eastman Kodak Company Array printhead with three terminal switching elements
US20080122896A1 (en) * 2006-11-03 2008-05-29 Stephenson Iii Stanley W Inkjet printhead with backside power return conductor
US7988247B2 (en) 2007-01-11 2011-08-02 Fujifilm Dimatix, Inc. Ejection of drops having variable drop size from an ink jet printer
US20090002422A1 (en) * 2007-06-29 2009-01-01 Stephenson Iii Stanley W Structure for monolithic thermal inkjet array
US20090079774A1 (en) * 2007-09-24 2009-03-26 Stephenson Iii Stanley W Motion compensation for monolithic inkjet head
US7922313B2 (en) * 2007-11-29 2011-04-12 Silverbrook Research Pty Ltd Printhead with pressure-dampening structures
US8011773B2 (en) * 2007-11-29 2011-09-06 Silverbrook Research Pty Ltd Printer with minimal distance between pressure-dampening structures and nozzles
US7901057B2 (en) * 2008-04-10 2011-03-08 Eastman Kodak Company Thermal inkjet printhead on a metallic substrate
WO2011149469A1 (en) 2010-05-27 2011-12-01 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Printhead and related methods and systems

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1941001A (en) 1929-01-19 1933-12-26 Rca Corp Recorder
US3373437A (en) 1964-03-25 1968-03-12 Richard G. Sweet Fluid droplet recorder with a plurality of jets
GB1143079A (en) 1965-10-08 1969-02-19 Hertz Carl H Improvements in or relating to recording devices for converting electrical signals
US3946398A (en) 1970-06-29 1976-03-23 Silonics, Inc. Method and apparatus for recording with writing fluids and drop projection means therefor
US3949410A (en) * 1975-01-23 1976-04-06 International Business Machines Corporation Jet nozzle structure for electrohydrodynamic droplet formation and ink jet printing system therewith
CA1127227A (en) 1977-10-03 1982-07-06 Ichiro Endo Liquid jet recording process and apparatus therefor
CA1158706A (en) 1979-12-07 1983-12-13 Carl H. Hertz Method and apparatus for controlling the electric charge on droplets and ink jet recorder incorporating the same
US6019457A (en) * 1991-01-30 2000-02-01 Canon Information Systems Research Australia Pty Ltd. Ink jet print device and print head or print apparatus using the same
JP3222593B2 (ja) * 1992-12-28 2001-10-29 キヤノン株式会社 インクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録ヘッド用モノリシック集積回路
US5880759A (en) 1995-04-12 1999-03-09 Eastman Kodak Company Liquid ink printing apparatus and system
WO1996032284A1 (en) * 1995-04-12 1996-10-17 Eastman Kodak Company Monolithic printing heads and manufacturing processes therefor
US5710070A (en) * 1996-11-08 1998-01-20 Chartered Semiconductor Manufacturing Pte Ltd. Application of titanium nitride and tungsten nitride thin film resistor for thermal ink jet technology
US6079821A (en) 1997-10-17 2000-06-27 Eastman Kodak Company Continuous ink jet printer with asymmetric heating drop deflection
US6217163B1 (en) * 1998-12-28 2001-04-17 Eastman Kodak Company Continuous ink jet print head having multi-segment heaters
US6158845A (en) * 1999-06-17 2000-12-12 Eastman Kodak Company Ink jet print head having heater upper surface coplanar with a surrounding surface of substrate

Also Published As

Publication number Publication date
EP1234668A2 (de) 2002-08-28
US6491385B2 (en) 2002-12-10
JP2002254652A (ja) 2002-09-11
DE60113798D1 (de) 2005-11-10
EP1234668B1 (de) 2005-10-05
US20020113848A1 (en) 2002-08-22
EP1234668A3 (de) 2003-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60113798T2 (de) Integrierter cmos/mems-tintenstrahldruckknopf mit lang gestrecktem düsenloch und verfahren zu dessen herstellung
DE60111716T2 (de) Integrierter cmos/mems-tintenstrahldruckkopf mit seitenstromdrüsen-architektur auf oxidbasis und verfahren zu dessen herstellung
DE60115592T2 (de) Integrierter CMOS/MEMS Tintenstrahldruckkopf mit während der CMOS-Bearbeitung ausgebildeten Heizelementen und Verfahren zum Ausbilden derselben
DE60111813T2 (de) Verbesserter, seitenbreiter Tintenstrahldruck
DE19836357B4 (de) Einseitiges Herstellungsverfahren zum Bilden eines monolithischen Tintenstrahldruckelementarrays auf einem Substrat
DE69835409T2 (de) Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldrucker mit Tropfenumlenkung durch asymmetrisches Anlegen von Wärme
DE60010638T2 (de) Kontinuierlich arbeitender tintenstrahldrucker mit mikroventil-umlenkmechanismus und verfahren zur herstellung desselben
DE2945658C2 (de)
DE69820835T2 (de) Vorrichtung zur Erzeugung des Tintenausstosses und des Nachfüllens der Tintenkammer mit hoher Frequenz
DE60027526T2 (de) Verbesserung der Umlenkung für kontinuierlich arbeitende Tintenstrahldrucker
DE60222447T2 (de) Tintenzufuhranordnung für einen tragbaren tintenstrahldrucker
DE69817511T2 (de) Flüssigkeitsausstosskopf, Kopfkassette und Flüssigkeitsausstossgerät
DE69909342T2 (de) Hybrides Drucksystem unter Verwendung von Mehrfachströpfen und Mehrfach-Durchlauf
DE60115159T2 (de) Tintenstrahldruckkopf mit Substratdurchführungen zum Unterbringen von elektrischen Leitern
DE69925960T2 (de) Tintenstrahlaufzeichnungskopf und diesen Kopf tragende Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung
DE602004005080T2 (de) Tintenausstossverfahren und Tintenstrahldruckkopf dafür
DE60028308T2 (de) Vollintegrierter thermischer Tintenstrahldruckkopf mit einer rückgeätzten Phosphosilikatglasschicht
DE60109880T2 (de) Einbau von Zusatzheizeinrichtungen in die Tintenkanäle eines integrierten CMOS/MEMS-Tintenstrahldruckkopfs und Verfahren zum Ausbilden desselben
DE60115589T2 (de) Verfahren und Vorrichtung für den kontinuierlichen Tintenstrahldruck mit Tropfenmaskierung
DE60034742T2 (de) Vollintegrierter thermischer Tintenstrahldruckkopf mit Halterung welche eine dünne Filmschicht beinhaltet
DE4400094A1 (de) Tintenstrahl-Druckkopf für Halbton- und Textdruck
DE2944005A1 (de) Fluessigkeitsstrahl-aufzeichnungsvorrichtung
DE60033214T2 (de) Substrat für flüssigkeitsausstossenden Kopf, flüssigkeitsausstossender Kopf, mit diesen Elementen bestückter flüssigkeitsausstossender Apparat, Herstellungsverfahren für den flüssigkeitsausstossenden Kopf und Antriebsverfahren für diesen
DE60225491T2 (de) Druckkopfdüsengruppierung
DE60115714T2 (de) Widerstandselement für Flüssigkeitsstrahldruckkopf und Verfahren für dessen Herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition