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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
kontinuierliche Tintenstrahldruck als solcher ist seit mindestens
1929 bekannt. Siehe US-A-1 941
001, erteilt an Hansell in jenem Jahr.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
jüngster
Zeit wurde ein neuartiges kontinuierlich arbeitendes Tintenstrahldrucksystem
entwickelt, das die vorstehend beschriebenen elektrostatischen Ladetunnels
unnötig
macht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht eines Teils eines erfindungsgemäß aufgebauten
Druckkopfs;
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1A eine
vereinfachte Draufsicht einer Düse
mit einem "geschlitzten" Heizelement für einen erfindungsgemäßen CIJ-Druckkopf;
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1B eine
vereinfachte Draufsicht einer Düse
mit einem geteilten Heizelement für einen erfindungsgemäßen CIJ-Druckkopf;
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2 eine
Querschnittsansicht der Düse
mit geschlitztem Heizelement entlang der Linie B-B in 1A;
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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;
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3B eine
Ansicht ähnlich 3A,
jedoch nach Fertigstellung aller CMOS-Fertigungsschritte gemäß der Erfindung;
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4 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B einer erfindungsgemäß hergestellten
CMOS-kompatiblen Düse;
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5 eine
schematische Draufsicht des Düsenbereichs,
in der jedoch ein sich durch das Siliciumsubstrat hindurch erstreckender
zentraler Kanal dargestellt ist;
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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;
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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;
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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
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9 eine
perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß ausgebildeten und auf einem
Aufnahmesubstrat aufgenommenen CMOS/MEMS-Druckkopfs, dem Tinte zugeführt wird.
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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.
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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.
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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.
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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 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 (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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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".
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
in 3A dargestellte Aufbau weist im Grunde die erforderlichen
Transistoren und logischen Gates für die in 1 dargestellten
Steuerungskomponenten auf.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Danach
werden die Scheiben, ausgehend von ihrer Standard-Dicke von etwa
675 Mikrometer, durch Schleifen und Polieren ihrer Rückseiten
auf etwa 300 Mikrometer verdünnt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.