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Die
Erfindung betrifft allgemein den Bereich der digital gesteuerten
Druckvorrichtungen und insbesondere Flüssigtintendruckköpfe mit
mehreren Düsen
auf einem einzelnen Substrat, in denen ein Flüssigkeitstropfen für das Drucken
mit thermomechanischen Mitteln ausgewählt wird.
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Das
Tintenstrahldrucken hat sich im Bereich des digital gesteuerten
elektronischen Druckens aufgrund verschiedener Faktoren durchgesetzt,
wie beispielsweise der berührungslose,
geräuscharme
Betrieb und die Einfachheit des Systems. Aus diesen Gründen ist
Tintenstrahldruckern ein kommerzieller Erfolg im privaten, gewerblichen
und in sonstigen Bereichen beschieden.
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Tintenstrahldruckmechanismen
lassen sich als kontinuierliche (CIJ) oder als Drop-on-Demand-Mechanismen
kategorisieren (DOD). In US-A-3,946,398 beschreiben Kyser et al.
1970einen Drop-on-Demand-Tintenstrahldrucker, der eine hohe Spannung
an ein piezoelektrisches Kristall anlegt, wodurch sich das Kristall
biegt und Druck auf einen Tintenbehälter ausübt, worauf Tintentropfen auf
Bedarf ausgeworfen werden. Piezoelektrische DOD-Drucker sind im Bereich der Bildauflösung von mehr
als 720 dpi für
Heim- und Bürodrucker
erfolgreich. Allerdings benötigen
piezoelektrische Druckmechanismen normalerweise komplexe Hochspannungsschaltkreise
und sperrige piezoelektrische Kristall-Arrays, die in Bezug auf
die Anzahl von Düsen
je Längeneinheit
des Druckkopfes unvorteilhaft sind, ebenso wie die Länge des
Druckkopfes selbst. Typischerweise enthalten piezoelektrische Druckköpfe höchstens
einige hundert Düsen.
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Endo
et al. beschreiben 1979 in dem britischen Patent 2,007,162 einen
elektrothermischen Drop-on-Demand-Tintenstrahldrucker, der einen
Energieimpuls an ein Heizelement anlegt, das in thermischem Kontakt
mit wasserbasierender Tinte in einer Düse steht. Eine kleine Menge
der Tinte verdampf schnell und bildet eine Blase, die bewirkt, dass
ein Tintentropfen aus kleinen Öffnungen
entlang einer Kante eines Heizsubstrats ausgestoßen wird. Diese Technologie
ist als thermische Tintenstrahl- oder Bubble-Jet-Technologie bekannt.
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Die
thermische Tintenstrahldrucktechnik erfordert, dass die Heizelemente
einen Energieimpuls erzeugen, der groß genug ist, um die Tinte auf
eine Temperatur von nahezu 400°C
zu erzeugen, wodurch sich schnell eine Blase (Bubble) bildet. Die
mit dieser Vorrichtung benötigten
hohen Temperaturen machen die Verwendung spezieller Tinten erforderlich,
setzen eine komplizierte Treiberelektronik voraus und ziehen eine
Verschlechterung der Heizelemente durch Kavitation und Kogation
nach sich. Unter Kogation ist die Ansammlung von Nebenprodukten
der Tintenverbrennung zu verstehen, durch die sich Verkrustungen
auf dem Heizelement bilden. Derartige Verkrustungen beeinträchtigen
den thermischen Wirkungsgrad des Heizelements und verkürzen somit
die Lebensdauer des Druckkopfes. Der hohe aktive Stromverbrauch
jedes Heizelements steht zudem der Herstellung kostengünstiger,
schneller und seitenbreiter Druckköpfe entgegen.
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Das
kontinuierliche Tintenstrahldrucken geht mindestens auf das Jahr
1929 zurück.
In dem besagten Jahr wurde das US-Patent 1,941,001 an Hansell erteilt.
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US-A-3,373,437,
erteilt im März
1968 an Sweet et al., beschreibt eine Anordnung kontinuierlicher
Tintenstrahldüsen,
worin zu druckende Tintentropfen wahlweise geladen und gegen das
Aufzeichnungsmedium abgelenkt werden. Diese Technik ist als binäre kontinuierliche
Tintenstrahl-Ablenkdrucktechnik bekannt und wird von mehreren Herstellern verwendet,
wie beispielsweise Elmjet und Scitex.
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US-A-3,416,153
wurde im Dezember 1968 an Hertz et al. erteilt. Dieses Patent beschreibt
ein Verfahren zur Erzielung einer variablen optischen Dichte gedruckter
Punkte beim kontinuierlichen Tintenstrahldrucken. Die elektrostatische
Dispersion eines geladenen Tropfenstroms dient zur Modulation der
Anzahl von Tröpfchen,
die durch eine kleine Apertur treten. Diese Technik wird in Tintenstrahldruckern
verwendet, die von Iris gefertigt werden.
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US-A-4,346,387
mit dem Titel METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING THE ELECTRIC
CHARGE ON DROPLETS AND INK JET RECORDER INCORPORATING THE SAME wurde am
24. August 1982 an Carl H. Hertz erteilt. Dieses Patent beschreibt
ein CIJ-System zur Steuerung der elektrostatischen Aufladung von
Tröpfchen.
Die Tröpfchen
werden durch Aufbrechen eines unter Druck stehenden Flüssigkeitsstroms
an einem Tropfenbildungspunkt gebildet, der sich innerhalb eines elektrostatischen
Ladungstunnels befindet, der ein elektrisches Feld aufweist. Die
Tropfenbildung wird an einem Punkt in dem elektrischen Feld bewirkt,
das einer nach Wunsch vorbestimmten Ladung entspricht. Zusätzlich zu
Ladungstunneln werden Ablenkplatten verwendet, um die Tropfen abzulenken. Das
System nach US-A-4,346,387 setzt voraus, dass die erzeugten Tröpfchen aufgeladen
und dann in eine Rinne oder auf das Druckmedium abgelenkt werden. Die
Ladungs- und Ablenkungsmechanismen sind sperrig und begrenzen die
Zahl der Düsen
je Druckkopf erheblich.
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Bis
vor kurzem verwendeten konventionelle kontinuierliche Tintenstrahltechniken
in der einen oder anderen Form elektrostatische Ladungstunnel, die
nahe der Stelle angeordnet waren, an der die Tropfen in dem Strom
gebildet werden. In den Tunneln können einzelne Tropfen wahlweise
geladen werden. Die gewählten
Tropfen werden durch das Vorhandensein von Ablenkplatten, zwischen
denen eine vorbestimmte elektrische Potenzialdifferenz herrscht,
geladen und nach unten abgelenkt. Eine Rinne (auch als "Catcher" bezeichnet) wird
normalerweise verwendet, um die geladenen Tropfen abzufangen und
einen Nicht-Druckbetrieb einzurichten, während die ungeladenen Tropfen
ungehindert in einem Druckbetrieb auf das Aufzeichnungsmedium treffen
können,
während
der Tintenstrom dabei zwischen dem „Nicht-Druckbetrieb" und dem „Druckbetrieb" abgelenkt wird.
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Üblicherweise
werden die Ladungstunnel und die Tropfenablenkplatten in kontinuierlichen
Tintenstrahldruckern bei hohen Spannungen betrieben, beispielsweise
bei 100 V und mehr, im Vergleich mit den Spannungen, die üblicherweise
als schädlich
für konventionelle
CMOS-Schaltungen
gelten, nämlich 25
V und weniger. Außerdem
ist es notwendig, dass die Tinten in elektrostatischen, kontinuierlichen
Tintenstrahldruckern leitend sind und Ladung tragen. Wie in der
Technik der Halbleiterfertigung bekannt, ist es unter dem Gesichtspunkt
der Zuverlässigkeit
nicht wünschenswert,
stromführende
Flüssigkeiten
in Kontakt mit Halbleiterflächen
zu bringen. Die Herstellung kontinuierlicher Tintenstrahldruckköpfe wurde
daher allgemein nicht mit der Herstellung von CMOS-Schaltungen integriert.
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Jüngst wurde
ein neuartiges kontinuierliches Tintenstrahldruckersystem entwickelt,
das auf die vorstehend beschriebenen elektrostatischen Ladungstunnel
verzichtet. Zusätzlich
dient es dazu, die Funktionen der (1) Tröpfchenbildung und (2) Tröpfchenablenkung
besser zu koppeln. Das System wird in der Parallelanmeldung US-A-6,079,821
mit dem Titel CONTINUOUS INK JET PRINTER WITH ASYMMETRIC HEATING
DROP DEFLECTION beschrieben, eingereicht im Namen von James Chwalek,
Dave Jeanmaire und Constantine Anagnostopoulos, dessen Inhalt durch
Nennung als hierin aufgenommen betrachtet wird. Das Patent beschreibt
eine Vorrichtung zur Steuerung der Tinte in einem kontinuierlichen
Tintenstrahldrucker. Die Vorrichtung umfasst einen Tintenversorgungskanal,
eine Quelle unter Druck stehender Tinte in Verbindung mit dem Tintenversorgungskanal
sowie eine Düse,
die mit einer Bohrung versehen ist und sich in den Tintenversorgungskanal öffnet, aus
dem ein kontinuierlicher Tintenstrom fließt. Das periodische Anlegen schwacher
Wärmeimpulse
an den Tintenstrom durch ein Heizelement veranlasst, den Tintenstrom
in eine Vielzahl von Tröpfchen
aufzuteilen, und zwar synchron mit dem Anlegen von Wärmeimpulsen
und an einer zur Düse
beabstandeten Position. Die Tintentröpfchen werden von Wärmeimpulsen
aus einem Heizelement (in einer Düsenbohrung) abgelenkt, wobei
das Heizelement eine wahlweise betätigte Sektion aufweist, d.h.
dass die Sektion nur einem Teil der Düsenbohrung zugeordnet ist.
Die selektive Betätigung
einer bestimmten Heizelementsektion begründet eine sogenannte asymmetrische
Anwendung von Wärme
auf den Tintenstrom. Durch Wechsel der Sektionen lässt sich
ein Wechsel der Richtung durchführen,
in der diese asymmetrische Wärme
angelegt wird, die dann dazu dient, die Tintentropfen abzulenken,
u.a. zwischen einer „Druckrichtung" (auf ein Aufzeichnungsmedium)
und einer „Nicht-Druckrichtung" (zurück in eine
Rinne). In US-A-6,079,821 beschreiben Chwalek et al. ein Flüssigkeitsdrucksystem,
das erhebliche Verbesserungen in Bezug auf die Lösung von Problemen nach dem
Stand der Technik bietet, was die Zahl der Düsen je Druckkopf, die Druckkopflänge, den
Energieverbrauch und die Charakteristik der verwendbaren Tinten
angeht.
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Die
asymmetrisch angelegte Wärme
bewirkt eine Tintenstromablenkung, deren Größe von mehreren Faktoren abhängt, z.B.
den geometrischen und thermischen Eigenschaften der Düsen, der
Menge der angewandten Wärme,
des angewandten Drucks und der physischen, chemischen und thermischen Eigenschaften
der Tinte. Obwohl lösungsmittelbasierende
Tinten (insbesondere alkoholbasierende Tinten) recht gute Ablenkungsmuster
aufweisen (siehe diesbezüglich
US-A-6,247,801 B1, eingereicht im Namen von Trauernicht et al) und
eine hohe Bildqualität
in asymmetrisch erwärmten
kontinuierlichen Tintenstrahldruckern erzielen, sind wasserbasierende Tinten
problematischer. Die wasserbasierenden Tinten weisen keine so große Ablenkung
auf, so dass deren Betrieb nicht so robust ist. Um die Größe der Tintentropfenablenkung
innerhalb des kontinuierlichen Tintenstrahlstroms mit asymmetrisch
beheizten Drucksystemen zu verbessern, beschreiben Delametter et
al. in der Parallelanmeldung
EP 1 110 732 A2 einen kontinuierlichen Tintenstrahldrucker
mit verbesserter Tintentropfenablenkung, insbesondere für wasserbasierende
Tinten, indem durch geometrische Hindernisse innerhalb des Tintenversorgungskanals verbesserte
seitliche Fließeigenschaften
vorgesehen werden.
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Chwalek
et al. beschreiben in
EP 10606890 einen
kontinuierlichen Tintenstrahldrucker mit einem Druckkopf, worin
Tinte einen Meniskus über
einer Düsenöffnung bildet
und sich entlang einer Oberseite des Druckkopfes ausbreitet. Der
Druckkopf umfasst ein Substrat mit einer oberen Fläche, einem
Tintenversorgungskanal unter dem Substrat sowie einer Düsenöffnung durch
das Substrat und einer Öffnung unterhalb
des Substrats in dem Tintenversorgungskanal, um eine Tintenströmungsbahn
zu bilden. Ein Widerstandsheizelement ist mindestens um einen Teil
der Heizungsöffnung
herum angeordnet.
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Die
hier beschriebene Erfindung baut auf der Arbeit von Chwalek et al.
und Delametter et al. bezüglich
der Konstruktion kontinuierlicher Tintenstrahldruckköpfe auf,
die für
die kostengünstige
Herstellung geeignet sind, vorzugsweise für Druckköpfe, die seitenbreit hergestellt
werden können.
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Zwar
ist die Erfindung auch mit Tintenstrahldruckköpfen verwendbar, die nicht
als seitenbreite Druckköpfe
vorgesehen sind, aber es bleibt ein verbreiteter Bedarf nach verbesserten
Tintenstrahldrucksystemen, die beispielsweise Vorteile in Bezug auf
Kosten, Größe, Geschwindigkeit,
Qualität,
Zuverlässigkeit,
kleine Düsenöffnungsgröße, kleine
Tröpfchengröße, geringen
Energieverbrauch, einfache Konstruktion im Betrieb, Haltbarkeit
und Fertigungsfreundlichkeit bieten. In dieser Hinsicht besteht
seit langem Bedarf nach der Fähigkeit,
seitenbreite, hochauflösende
Tintenstrahldruckköpfe
herzustellen. In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Begriff „seitenbreit" auf Druckköpfe mit
einer Mindestlänge
von ca. 10 cm (4 Zoll). Eine hohe Auflösung impliziert für jede Tintenfarbe
eine Düsendichte von
mindestens ca. 300 Düsen
je Zoll bis höchstens ca.
2400 Düsen
je Zoll.
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Um
die Vorteile seitenbreiter Druckköpfe in Bezug auf eine höhere Druckgeschwindigkeit
voll nutzen zu können,
müssen
diese eine große
Zahl von Düsen
aufweisen. Beispielsweise kann ein konventioneller, verfahrbarer
Druckkopf nur wenige hundert Düsen
je Tintenfarbe aufweisen. Ein Druckkopf in 10 cm (4 Zoll) Breite,
der für
das Drucken von Fotografien geeignet ist, sollte einige tausend
Düsen aufweisen.
Während
die Druckgeschwindigkeit eines verfahrbaren Druckkopfes durch die
mechanische Verfahrbewegung über
der Seite begrenzt ist, ist ein seitenbreiter Druckkopf stationär, so dass
das Papier an ihm vorbeigeführt
werden muss. Das Bild kann theoretisch in einem einzigen Durchgang
gedruckt werden, wodurch sich die Druckgeschwindigkeit wesentlich
erhöht.
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Es
gibt zwei Hauptschwierigkeiten für
die Realisierung seitenbreiter Tintenstrahldruckköpfe mit hoher
Produktivität.
Die erste besteht darin, dass die Düsen eng zueinander beabstandet
sein müssen, und
zwar im Bereich von 10 bis 80 μm
von Mitte zu Mitte. Die zweite besteht darin, dass die Treiber,
die die Heizelemente und die Elektronik zur Steuerung jeder Düse versorgen,
in jede Düse
integriert sein müssen,
da es derzeit nicht praktikabel ist, Tausende von Verbindungen oder
andere Arten von Anschlüssen
zu externen Schaltungen herzustellen.
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Eine
Möglichkeit,
diese Aufgaben zu lösen, ist
die Konstruktion von Druckköpfen
auf Siliciumscheiben (Wafer) unter Verwendung der VLSI-Technologie
und die Integration der CMOS-Schaltungen mit den Düsen auf
demselben Siliciumsubstrat.
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Während ein
spezieller Prozess, wie in US-A-5,880,759 von Silverbrook beschrieben,
entwickelt werden kann, um die Druckköpfe zu fertigen, ist es unter
Kosten- und Fertigungsgesichtspunkten wünschenswert, zunächst die
Schaltungen mithilfe eines nahezu standardisierten CMOS-Prozesses
in konventioneller VLSI-Bauweise zu fertigen. Anschließend werden
die Scheiben in einer separaten MEMS-Einrichtung (mikroelektromechanische
Systeme) für
die Herstellung der Düsen
und Tintenkanäle verarbeitet.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Ausbildung eines
kontinuierlichen Tintenstrahldruckkopfes nach Anspruch 1 bereitgestellt.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden Fachleuten beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung
in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich, in denen Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt und beschrieben werden.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische und fragmentarische Draufsicht eines erfindungsgemäß konstruierten
Druckkopfes.
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1A eine
vereinfachte Draufsicht einer Düse
mit einem „schlitzartigen" Heizelement für einen
CIJ-Druckkopf gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1B eine
vereinfachte Draufsicht einer Düse
mit einem geteilten Heizelement für einen CIJ-Druckkopf gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1C eine
vereinfachte Draufsicht einer Düse
mit einem oberen und zwei unteren „schlitzartigen" Heizelementen für einen
CIJ-Druckkopf gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1D eine
vereinfachte Draufsicht einer Düse
mit einem oberen und einem einzelnen unteren „schlitzartigen" Heizelement für einen
CIJ-Druckkopf gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1E eine
vereinfachte Draufsicht einer Düse
mit einem oberen und zwei unteren „schlitzartigen" Heizelementen für einen
CIJ-Druckkopf, die unabhängig
voneinander angesteuert werden, gemäß der vorliegenden Erfindung.
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1F eine
vereinfachte Draufsicht einer Düse
mit einem oberen und einem einzelnen unteren „schlitzartigen" Heizelement für einen
CIJ-Druckkopf, die unabhängig
voneinander angesteuert werden, gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 eine
Schnittansicht der Düse
mit einem schlitzartigen Heizelement, wobei die Schnittansicht entlang
der Linie B-B von 1A verläuft.
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3 eine
vereinfachte schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B von 1D zur Darstellung
des Düsenbereichs
unmittelbar nach Abschluss aller konventionellen CMOS-Fertigungsschritte
gemäß einem
ersten Beispiel.
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4 eine
vereinfachte schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B von 1D in dem
Düsenbereich
nach Ausbildung einer großen Bohrung
in dem Oxidblock unter Verwendung der in 3 ausgebildeten
Vorrichtung.
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5 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B des Düsenbereichs
nach Aufbringung und Planen der Platzhalterschicht und Aufbringung
und Ausbildung der Passivierungs- und Heizschichten sowie Ausbildung
der Düsenöffnung.
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6 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B des Düsenbereichs
nach Ausbildung der Tintenkanäle
und Entfernung der Platzhalterschicht.
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7 eine
vereinfachte Darstellung der Draufsicht einer kleinen Anordnung
von Düsen,
die nach dem in 6 dargestellten Fertigungsverfahren hergestellt
wurden, und Darstellung eines aus dem Siliciumblock geformten zentralen,
rechtwinkligen Tintenkanals.
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8 eine
Ansicht ähnlich
der aus 7 zur Darstellung von Rippenstrukturen,
die in der Siliciumscheibe ausgebildet sind und die Düsen jeweils
voneinander trennen und dem Tintenkanal eine höhere bauliche Festigkeit bei
verringerter Wellenbildung verleihen. Die Rippenstrukturen sind
in einer Draufsicht eigentlich nicht sichtbar.
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9A eine
vereinfachte schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B von 1C zur Darstellung
des Düsenbereichs
unmittelbar nach Abschluss aller konventionellen CMOS-Fertigungsschritte
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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9B eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie B-B des Düsenbereichs
aus 1C nach Ausbildung eines Oxidblocks für seitliche
Strömung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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10 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie B-B des Düsenbereichs
aus 1C nach weiterer Ausbildung des Oxidblocks für seitliche Strömung.
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11 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie A-A des Düsenbereichs
aus 1C nach Ausbildung des Oxidblocks für seitliche
Strömung.
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12 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B des Düsenbereichs
nach Ausbildung des für
seitliche Strömung
verwendeten Oxidblocks.
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13 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie B-B des Düsenbereichs
nach Planen der Platzhalterschicht und Aufbringung und Ausbildung
der Passivierungs- und
Heizschichten sowie Ausbildung der Düsenöffnung.
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14 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B des Düsenbereichs
nach Planen der Platzhalterschicht und Aufbringung und Ausbildung
der Passivierungs- und
Heizschichten sowie Ausbildung der Düsenöffnung.
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15 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B in dem Düsenbereich
nach Ausbildung der Ätzung
der Tintenkanäle
in der Siliciumscheibe und Entfernung der Platzhalterschicht.
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16 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B in dem Düsenbereich
zur Darstellung der oberen und doppelten unteren Heizelemente zur
Bereitstellung eines Betriebs der Heizelemente bei niedrigeren Temperaturen
und erhöhter Ablenkung
des Tintenstrahlstroms.
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17 eine
schematische Schnittansicht ähnlich
der aus 16, jedoch entlang der Linie
B-B.
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18 eine
perspektivische Ansicht eines Teils des CMOS/MEMS-Druckkopfes mit
nur einem oberen Heizelement zur Darstellung einer Rippenstruktur
und einer Oxidblockstruktur.
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19 eine
perspektivische Ansicht zur Darstellung einer näheren Ansicht der Oxidblockstruktur.
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20 ein
schematisches Diagramm eines exemplarischen kontinuierlichen Tintenstrahldruckkopfes
und einer Düsenanordnung
und eines Druckmediums (z.B. Papierrollen) unter dem Tintenstrahldruckkopf.
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21 eine
perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß ausgebildeten und CMOS/MEMS-Druckkopfes,
angeordnet auf einem Halteelement, das mit Tinte gespeist wird.
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Die
vorliegende Beschreibung betrifft insbesondere Elemente, die einen
Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bilden oder direkt damit zusammen wirken. Es sei darauf hingewiesen,
dass nicht ausdrücklich
gezeigte oder beschriebene Elemente verschiedene Formen annehmen
können,
die einschlägigen
Fachleuten bekannt sind.
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20 zeigt
ein kontinuierliches Tintenstrahldrucksystem 10. Der Druckkopf 10a,
aus dem sich eine Anordnung von Düsen 20 erstreckt,
umfasst die (nicht gezeigten) Heizungssteuerungsschaltkreise.
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Die
Heizungssteuerungsschaltkreise lesen Daten aus einem Bildspeicher
aus und senden zeitlich aufeinanderfolgende elektrische Impulse
an die Heizelemente der Düsen
der Düsenanordnung 20.
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Diese
Impulse werden über
einen geeigneten Zeitraum an die geeignete Düse angelegt, so dass Tropfen
aus einem kontinuierlichen Tintenstrahlstrom Punkte auf einem Aufzeichnungsmedium 13 an
der entsprechenden Position bilden, wie von den aus dem Bildspeicher
gesendeten Daten bezeichnet. Die unter Druck stehende Tinte bewegt
sich aus einem (nicht gezeigten) Tintenreservoir zu einem Tintenversorgungskanal,
der in dem Element 14 ausgebildet ist, und durch die Düsenanordnung 20 entweder
zum Aufzeichnungsmedium 13 oder zur Rinne 19.
Die Rinne 19 ist derart konfiguriert, dass sie unabgelenkte
Tintentröpfchen 11 ablenkt,
während
abgelenkte Tintentröpfchen 12 das
Aufzeichnungsmedium erreichen können.
Die allgemeine Beschreibung des kontinuierlichen Tintenstrahldrucksystems aus 20 ist
ebenfalls zur Verwendung als allgemeine Beschreibung des erfindungsgemäßen Drucksystems
geeignet.
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1 zeigt
eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckkopfes.
Der Druckkopf umfasst eine Anordnung aus Düsen 1a–1d,
die in einer Linie oder in einer versetzten Konfiguration angeordnet
sind. Jede Düse
wird von einem AND-Verknüpfungsglied
(2a–2d)
adressiert, welches jeweils eine Logikschaltung und einen (nicht
gezeigten) Heizungstreibertransistor umfasst. Die Logikschaltung bewirkt,
dass sich ein entsprechender Treibertransistor einschaltet, wenn
ein entsprechendes Signal an einer entsprechenden Dateneingangsleitung
(3a–3d) zum
AND-Verknüpfungsglied
(2a–2d)
und zu den entsprechenden Freigabetaktleitungen (5a–5d),
welche an das Verknüpfungsglied
angeschlossen sind, beide logisch EINS sind. Die Signale auf den
Freigabetaktleitungen (5a–5d) bestimmen die
Zeitdauer des Stromflusses durch die Heizelemente in den jeweiligen
Düsen 1a–1d.
Die Daten zur Ansteuerung des Heizungstreibertransistors können aus
verarbeiteten Bilddaten bereitgestellt werden, die in ein Datenschieberegister 6 eingegeben
werden. Das Speicherregister 7a–7d empfängt in Abhängigkeit
von einem Verriegelungstakt die Daten aus der entsprechenden Schieberegisterstufe
und stellt auf den Leitungen 3a–3d ein Signal zur
Verfügung,
das dem jeweiligen verriegelten Signal (logisch EINS oder NULL)
entspricht, das besagt, dass ein Punkt auf einem Empfangselement
gedruckt oder nicht gedruckt werden soll. In der dritten Düse bestimmen
die Leitungen A-A und B-B die Richtung, in der die Schnittansichten
aufgenommen sind.
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1A–1F zeigen
detaillierte Draufsichten von zwei in CIJ-Druckköpfen verwendeten Heizungstypen
(„schlitzartiges
Heizelement" und „geteiltes
Heizelement"). Sie
erzeugen eine asymmetrische Aufheizung des Tintenstrahls und bewirken
somit eine Tintenstrahlablenkung. Die asymmetrische Anwendung von
Wärme bedeutet
lediglich, dass im Falle eines schlitzartigen Heizelements elektrischer Strom
unabhängig
entweder an den einen oder den anderen Bereich des Heizelements
angelegt wird.
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Im
Falle eines schlitzartigen Heizelements bewirkt der an das schlitzartige
Heizelement angelegte Strom inhärent
eine asymmetrische Erwärmung der
Tinte. 1A zeigt eine Draufsicht einer
Tintenstrahl-Druckkopfdüse
mit einem schlitzartigen Heizelement. Das Heizelement ist benachbart
zur Ausgangsöffnung
der Düse
ausgebildet. Das Material des Heizelements umfasst im Wesentlichen
die Düsenöffnung bis
auf einen sehr kleinen schlitzartigen Bereich, der gerade groß genug
ist, eine elektrische Unterbrechung zu bewirken. Die Düsenöffnungen und
die zugehörigen
Heizungskonfigurationen sind als kreisförmig dargestellt, können aber
auch nicht kreisförmig
sein, wie von Jeanmaire et al. in der Parallelanmeldung US-A-6,203,145
B1 beschrieben. Wie zuvor unter Bezug auf 1 erwähnt, ist
eine Seite jedes Heizelements an eine gemeinsame Busleitung angeschlossen,
die ihrerseits an eine Stromversorgung von typischerweise +5 Volt
angeschlossen ist. Die Außenseite
jedes Heizelements ist mit einem AND-Verknüpfungsglied verbunden, in dem
sich ein MOS-Transistortreiber befindet, der einen Strom von bis
zu 30 mA an das Heizelement liefern kann. Das AND-Verknüpfungsglied
hat zwei logische Eingänge.
Einer stammt aus dem Speicherregister 7a–d, worin
die Informationen aus der jeweiligen Schieberegisterstufe erfasst
sind, die anzeigen, ob das jeweilige Heizelement während der
aktuellen Leitungszeit aktiviert oder nicht aktiviert wird. Der
andere Eingang ist der Freigabetakt, die die Zeitdauer und Folge
der an das jeweilige Heizelement angelegten Impulse bestimmt. Typischerweise
sind zwei oder mehr Freigabetakte in dem Druckkopf vorhanden, so
dass benachbarte Heizelemente zu etwas unterschiedlichen Zeiten
eingeschaltet werden können,
um thermische oder sonstige Übersprecheffekte
zu vermeiden.
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1B zeigt
die Düse
mit einem darin angeordneten geteilten Heizelement, worin sich im
Wesentlichen zwei halbkreisförmige
Heizelemente befinden, die die Düsenöffnung benachbart
zur Ausgangsöffnung
umgeben. Für
die oberen und unteren Segmente jedes Halbkreises sind getrennte
Leiter vorhanden, wobei darauf hingewiesen sei, dass sich in diesem
Fall „oben" und „unten" auf Elemente in derselben
Ebene bezieht. Es sind Durchgangsleitungen vorgesehen, die die Leiter
elektrisch mit Metallschichten verbinden, die jedem dieser Leiter
zugeordnet sind. Diese Metallleiter sind ihrerseits mit der Treiberschaltung
verbunden, die auf einem Siliciumsubstrat ausgebildet ist, wie nachfolgend
beschrieben wird.
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1C, 1D, 1E und 1F zeigen Düsen mit
mehreren schlitzartigen Heizelementen, die auf unterschiedlicher
Höhe entlang
der Tintenströmungsbahn
angeordnet sind. Es sind Durchgangsleitungen vorgesehen, die die
Leiter elektrisch mit Metallschichten verbinden, die jedem Kontaktfeld zugeordnet
sind. Diese Metallleiter sind ihrerseits mit der Treiberschaltung
verbunden, die auf einem Siliciumsubstrat ausgebildet ist, wie nachfolgend
beschrieben wird.
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Die
oberen und unteren Heizelemente können parallel angeschlossen
sein und werden somit gleichzeitig ausgelöst, oder sie weisen eigene
Leitungen auf, so dass sie sich zu unterschiedl ichen Zeiten aktivieren
lassen. Wenn sie nicht gleichzeitig ausgelöst werden, werden die unteren
Heizelemente vorzugsweise etwas vor den oberen Heizelementen ausgelöst.
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In 2 wird
eine vereinfachte Schnittansicht einer Düse im Betrieb entlang der Richtung
B-B gezeigt. Wie zuvor erwähnt,
ist unter den Düsenöffnungen
zur Versorgung mit Tinte ein Tintenkanal ausgebildet. Die Tintenversorgung
steht unter einem Druck von typischerweise 1,03 bar bis 1,72 bar
für einen
typischen Öffnungsdurchmesser
von ca. 8,8 μm und
bei Verwendung einer typischen Tinte mit einer Viskosität von max.
4 cP. Die Tinte in dem Versorgungskanal tritt aus einem unter Druck
stehenden (nicht gezeigten) Reservoir aus, wobei die Tinte in dem
Kanal unter Druck bleibt. Dieser Druck ist derart bemessen, dass
die Flüssigkeitsströme, die
aus den Düsen
austreten, die gewünschte
Geschwindigkeit erzielen. Der konstante Druck kann durch Einsatz
eines (nicht gezeigten) Tintendruckreglers erreicht werden. Wenn
kein Strom am Heizelement anliegt, bildet sich ein gerader Tintenstrahl,
der direkt in die Rinne fließt.
Auf der Oberfläche
des Druckkopfes bildet sich um jede Düse ein symmetrischer Meniskus, der
im Durchmesser einige Mikrometer größer als die Bohrung ist. Wenn
an das Heizelement ein Stromimpuls angelegt wird, zieht sich der
Meniskus auf der erwärmten
Seite nach innen und der Tintenstrahl wird vom Heizelement abgelenkt.
Die sich bildenden Tröpfchen
umgehen die Rinne und landen auf dem Empfangselement. Wenn der an
das Heizelement anliegende Strom auf null gestellt wird, wird der
Meniskus wieder symmetrisch und der Tintenstrahl gerade. Die Vorrichtung
könnte
ohne weiteres in entgegengesetzter Weise arbeiten, d.h. dass die
abgelenkten Tröpfchen
in die Rinne gelenkt werden und der Druck auf das Empfangselement
mit den nicht abgelenkten Tröpfchen
erfolgt. Es ist zudem nicht erforderlich, dass alle Düsen in einer
Linie angeordnet sind. Es ist einfacher, eine Rinne zu bauen, die
im Wesentlichen eine gerade Kante bildet, anstatt eine Rinne, die
versetzt ist und die versetzte Düsenanordnung
nachempfindet.
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In
einem typischen Betrieb beträgt
der Widerstand des Heizelements ca. 400 Ohm für Heizelemente mit 8,8 μm Durchmesser,
die Amplitude beträgt
zwischen 10 und 20 mA, die Impulsdauer beträgt ca. 2 μm und der resultierende Ablenkungswinkel
für reines
Wasser beträgt
einige Grad, wobei diesbezüglich
auf US-A-6,213,595 B1 mit dem Titel "Continuous Ink Jet Print Head Having
Power-Adjustable Segmented Heaters" und auf US-A-6,217,163 B1 mit dem Titel "Continuous Ink Jet
Print Head Having Multi-Segment Heaters" Bezug genommen wird, die beide am 28.
Dezember 1998 eingereicht wurden.
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Die
Anwendung periodischer Stromimpulse bewirkt, dass sich der Tintenstrahl
synchron zu den angelegten Impulsen in Tröpfchen aufteilt. Diese Tröpfchen bilden
sich ca. 100 bis 200 μm
beabstandet zur Oberfläche
des Druckkopfes, wobei deren Volumen für einen Öffnungsdurchmesser von 8,8
um und eine 2 μm
breite Impulsrate von 200 kHz üblicherweise
3 bis 4 pl beträgt.
Das erzeugte Tropfenvolumen ist eine Funktion der Impulsfrequenz,
des Öffnungsdurchmessers
und der Strahlgeschwindigkeit. Die Strahlgeschwindigkeit bestimmt
sich durch den angelegten Druck für einen gegebenen Öffnungsdurchmesser
und eine Flüssigkeitsviskosität, wie zuvor
angegeben. Der Öffnungsdurchmesser
kann zwischen 1 μm
und 100 μm
betragen, wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 6 μm und 16 μm liegt.
Die Heizelement-Impulsfrequenz
wird somit derart gewählt,
dass das gewünschte
Tropfenvolumen erzielt wird.
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Die
in 3 gezeigte Schnittansicht entlang der Schnittlinie
A-B stellt eine unvollständige
Stufe zur Herstellung eines Druckkopfes dar, in dem Düsen später in Form
eines Arrays ausgebildet werden sollen, wobei der CMOS-Schaltkreis
in dasselbe Siliciumsubstrat integriert ist.
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Wie
bereits erwähnt,
wird die CMOS-Schaltung zunächst
auf den Siliciumscheiben als eine oder mehrere integrierte Schaltungen
hergestellt. Der CMOS-Prozess kann ein üblicher 0,5-μm-Mischsignalprozess
sein, der zwei Schichten aus Polysilicium und drei Metallschichten
auf einer Scheibe von 15,24 cm (6 Zoll) Durchmesser umfasst. Die
Scheibendicke beträgt üblicherweise
675 μm.
In 3 ist dieser Prozess durch drei Metallschichten
dargestellt, die über Durchgangsleitungen
miteinander verbunden sind. Darüber
hinaus werden die Polysiliciumebene 2 und ein N+ Drain sowie ein
Kontakt zur Metallschicht 1 gezeichnet, um die aktive Schaltung
in dem Siliciumsubstrat zu bezeichnen. Die Steuerelektroden der CMOS-Transistorvorrichtungen
werden anhand einer der Polysiliciumschichten ausgebildet.
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Wegen
der Notwendigkeit, die Metallschichten elektrisch zu isolieren,
werden dielektrische Schichten zwischen diesen angeordnet, wodurch
die Gesamtdicke des Films auf der Siliciumscheibe ca. 4,5 μm beträgt.
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Die
in 3 dargestellte Struktur würde grundsätzlich die notwendigen Anschlüsse, Transistoren
und logischen Verknüpfungsglieder
zur Bereitstellung der in 1 dargestellten
Komponenten bereitstellen.
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Als
Ergebnis der konventionellen CMOS-Herstellungsschritte entsteht
ein Siliciumsubstrat von ca. 675 μm
Dicke und ca. 15,24 cm (6 Zoll) Durchmesser. Siliciumscheiben mit
größerem oder kleinerem
Durchmesser sind gleichermaßen
verwendbar. Mithilfe konventioneller Schritte zur wahlweisen Aufbringung
verschiedener Materialien zur Herstellung dieser Transistoren, wie
in der Technik bekannt ist, wird eine Vielzahl von Transistorvorrichtungen
in dem Siliciumsubstrat ausgebildet. Auf dem Siliciumsubstrat befinden
sich eine Reihe von Schichten, die schließlich eine Oxid-/Nitridisolationsschicht
bilden, die aus einer oder mehreren darin nach einem gewünschten
Muster gebildeten Polysiliciumschichten und Metallschichten besteht.
Zwischen den verschiedenen Schichten werden nach Bedarf Durchgangsleitungen
bereitgestellt, ebenso wie Öffnungen
in der Oberfläche,
um den Zugang zu den Metallschichten zu ermöglichen und Verbindungsstellen
vorzusehen. Die verschiedenen Verbindungsstellen werden bereitgestellt,
um Anschlüsse für Daten,
Verriegelungstakt, Freigabetakte und Spannung von einer Leiterkarte
herzustellen, die benachbart zum Druckkopf angeordnet ist.
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4 zeigt
eine ähnliche
Ansicht wie 3 ebenfalls entlang der Linie
A-B, wobei auf der Vorderseite der Scheibe eine Maske aufgebracht
und ein Fenster von 22 μm
Durchmesser ausgebildet worden ist. Die dielektrischen Schichten
in dem Fenster wurden dann bis zur Siliciumoberfläche durchgeätzt, die eine
natürliche Ätzgrenze
darstellt, wie in 4 gezeigt.
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5 zeigt
die Kombination einer Reihe von Schritten. In dem ersten Schritt
wird in das Fenster, das im vorausgehenden Schritt geöffnet worden
ist, eine Platzhalterschicht eingesetzt, beispielsweise aus amorphem
Silicium oder Polyimid. Die Platzhalterschicht wird ausreichend
dick aufgebracht, um die zwischen der Vorderseite der Oxid-/Nitrid-Isolationsschicht
und dem Siliciumsubstrat ausgebildeten Aussparungen vollständig zu
bedecken. Diese Filme werden bei einer Temperatur unterhalb von
450°C aufgebracht,
um ein Schmelzen der vorhandenen Aluminiumschichten zu vermeiden.
Dann wird die Scheibe geplant.
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Eine
ca. 0,35 μm
dünne Schutzschicht,
beispielsweise aus PECVD Si3N4, wird anschließend aufgetragen, worauf die
Durchgänge3
zu der Metall3-Schicht geöffnet
werden. Die Durchgangsleitungen können mit Ti/TiN/W gefüllt und
geplant werden, oder sie werden geätzt und mit geneigten Seitenwänden versehen,
so dass die Heizschicht, die als nächstes aufgetragen wird, die
Metall3-Schicht direkt kontaktieren kann. Die Heizschicht aus ca.
0,005 μm Ti
und 0,06 μm
TiN wird aufgetragen und dann bemustert. Anschließend wird
eine letzte dünne
Schutzschicht (die üblicherweise
als Passivierungsschicht bezeichnet wird) aufgetragen. Diese Schicht
muss ebenso wie die Schicht unterhalb der Heizschicht Eigenschaften
aufweisen, die die Heizschicht gegen die korrodierende Wirkung der
Tinte schützt,
darf durch die Tinte nicht leicht verschmutzt werden und muss sich
im Falle einer Verschmutzung leicht reinigen lassen. Sie sieht zudem
einen Schutz gegen mechanischen Abrieb vor.
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Dann
wird eine Maske zur Herstellung der Öffnung hergestellt, und die
Passivierungsschichten werden geätzt,
um die Öffnung
(Bohrung) und die Verbindungsstellen zu öffnen. 5 zeigt
eine Schnittansicht der Düse
in dieser Stufe. Selbstverständlich
können
entlang des Silicium-Arrays viele Düsenöffnungen gleichzeitig geätzt werden.
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Die
Siliciumscheibe wird dann von ihrer ursprünglichen Dicke von 675 μm auf 300 μm verdünnt, siehe 6,
worauf eine Maske zur Öffnung
der Tintenkanäle
auf die Rückseite
der Scheibe aufgebracht und das Silicium in einer STS-Ätzmaschine
bis zur Vorderseite des Siliciums geätzt wird. Anschließend wird
die Platzhalterschicht von der Rückseite
und der Vorderseite geätzt,
wodurch die in 6 gezeigte fertige Vorrichtung
entsteht. In 6 ist zu erkennen, dass die
Vorrichtung nun eine flache Oberseite aufweist, die leichter zu
reinigen ist, wobei die Öffnung flach
genug ist, um die Düsenablenkung
zu verstärken.
Die Öffnungsdurchmesser
D können
zwischen 1 μm
und 100 μm
betragen, wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 6 μm und 16 μm liegt.
Die Dicke der resultierenden Membran t kann im Bereich von 0,5 μm bis 6 μm liegen,
wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 0,5 μm und 2,5 μm liegt Die Temperatur während der
Nachverarbeitung wurde unterhalb der Glühtemperatur des Heizelements
von 420°C
gehalten, so dass der Widerstand über lange Zeit konstant bleibt.
Wie in 6 gezeigt, umgibt das eingebettete Heizelement
die Düsenöffnung und
ist zur Düsenöffnung benachbart,
um die Temperatur zu reduzieren, die das Heizelement zur Erwärmung des
Tintenstrahls in der Öffnung
benötigt.
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In 6 ist
die Druckkopfstruktur so dargestellt, dass die untere Polysiliciumschicht,
die sich bis zum Tintenkanal in der Oxidschicht erstreckt, ein unteres
Polysiliciumheizelement bildet. Das untere Heizelement wird benutzt,
um die Tinte zunächst
vorzuheizen, wenn sie in den Tintenkanalabschnitt der Oxidschicht
eintritt. Diese Struktur wird während
des CMOS-Prozesses erzeugt. Nach den weiteren Aspekten der vorliegenden
Erfindung sind die in der Polysiliciumschicht ausgebildeten ergänzenden
Heizelemente jedoch nicht wesentlich.
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7 zeigt
den im Siliciumsubstrat ausgebildeten Tintenkanal als einen rechtwinkligen
Hohlraum, der mittig unter dem Düsen-Array
durchtritt. Ein langer Hohlraum in der Mitte der Düse bewirkt
allerdings tendenziell eine strukturelle Schwächung des Druckkopf-Arrays,
so dass die Membran reißen könnte, wenn
der Array Verdrehungskräften
ausgesetzt würde,
wie dies bei der Verpackung geschieht. Außerdem können Druckschwankungen in den
Tintenkanälen
aufgrund niederfrequenter Druckwellen ein Düsenflackern (Jitter) verursachen.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf eine erfindungsgemäß verbesserte
Konstruktion. Diese verbesserte Konstruktion besteht darin, dass
zwischen jeder Düse des
Düsen-Arrays
während
des Ätzens
der Tintenkanäle
eine Siliciumbrücke
oder eine Siliciumrippe belassen wird. Diese Brücken erstrecken sich von der Rückseite
der Siliciumscheibe zur Vorderseite der Siliciumscheibe. Das in
der Rückseite
der Scheibe ausgebildete Tintenkanalmuster ist daher nicht länger eine
lange, rechtwinklige Aussparung, die parallel zur Richtung der Düsenreihe
verläuft,
sondern eine Reihe kleinerer, rechtwinkliger Hohlräume, die
jeweils eine einzelne Düse
speisen. Um den Strömungswiderstand
zu reduzieren, wird jeder einzelne Tintenkanal so gefertigt, dass
er rechtwinklig 20 μm
in Richtung der Düsenreihe
und 120 μm
orthogonal in Richtung zur Düsenreihe
verläuft,
wie in 8 gezeigt.
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Wie
zuvor erwähnt,
ist es in einem CIJ-Drucksystem wünschenswert, dass die Strahlablenkung
weiter verstärkt
werden kann, indem der Teil der Tinte vergrößert wird, der in die Öffnung der
Düse mit
seitlicher statt mit axialer Bewegung eintritt. Dies lässt sich
erreichen, indem ein Teil der Flüssigkeit
mit axialer Bewegung abgeriegelt wird, indem in der Mitte jeder
Düse unmittelbar
unter der Düsenöffnung ein Block
vorgesehen wird.
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Nach
einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachstehend ein Verfahren zur Konstruktion einer
seitlichen Strömungsstruktur
beschrieben. Obwohl sich die folgende Beschreibung auf die Herstellung
einer einzelnen Düse
bezieht, ist der Prozess selbstverständlich gleichermaßen auf eine
ganze Reihe von Düsen
anwendbar, die in einer geraden oder versetzten Reihe entlang der
Scheibe ausgebildet werden.
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Nach
einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachstehend ein Verfahren zur Konstruktion eines
Düsen-Arrays
mit einer Rippenstruktur sowie mit einer seitlichen Strömungsstruktur
beschrieben. 9A zeigt, wie vorstehend erwähnt, eine
Schnittansicht der Siliciumscheibe in Nähe der Düse am Schluss der CMOS-Fertigungsfolge.
Der erste Schritt in der Nachverarbeitungsfolge besteht darin, eine
Maske auf die Vorderseite der Scheibe in dem Bereich jeder auszubildenden
Düsenöffnung aufzubringen.
Für eine
bestimmte Implementierung des Konzepts der seitlichen Strömungsvorrichtung wird
die Maske derart geformt, dass ein Ätzmittel so eintreten kann,
dass es 6 μm
breite, halbkreisförmige Öffnungen
erzeugen kann, die mit der zu bildenden Düsenöffnung cozentrisch angeordnet
sind. Die äußeren Ränder dieser Öffnungen
entsprechen einem Kreis von 22 μm
Durchmesser. Die dielektrischen Schichten in den Halbkreisbereichen
werden dann vollständig
bis zur Siliciumoberfläche
geätzt
werden, wie in 9B gezeigt. Dann wird eine zweite
Maske aufgebracht, deren Form es ermöglicht, den in 10 gezeigten
Oxidblock wahlweise zu ätzen. Beim Ätzen mit
vorhandener zweiter Maske wird der Oxidblock bis zu einer endgültigen Dicke
oder Höhe b
aus dem Siliciumsubstrat geätzt,
das zwischen 0,5 μm
bis 3 μm
dick sein kann, wobei eine typische Dicke bei ca. 1,5 μm liegt,
wie in 10 für einen Schnitt entlang der
Schnittlinie B-B und in 11 für einen
Schnitt entlang der Schnittlinie A-A- gezeigt. 12 zeigt
eine Schnittansicht des Düsenbereichs entlang
der Linie A-A.
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Anschließend werden
die Öffnungen
in der dielektrischen Schicht mit einer Platzhalterschicht gefüllt, beispielsweise
mit amorphem Silicium oder Polyimid, worauf die Scheiben geplant
werden.
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Eine
ca. 0,35 μm
dünne Schutzmembran oder
Passivierungsschicht, beispielsweise aus PECVD Si3N4, wird anschließend aufgetragen,
worauf die Durchgänge3
zu der Metall3-Schicht
(mtl3) geöffnet
werden. Siehe auch 13 und 14. Dann
wird eine dünne
Schicht aus Ti/TiN über
der gesamten Scheibe aufgetragen, gefolgt von einer wesentlich dickeren
Schicht W. Die Oberfläche
wird dann in einem chemisch-mechanischen Polierverfahren geplant,
bei dem W (Wolfram) und Ti/TiN Schichten überall entfernt werden, mit
Ausnahme in den Durchgängen3.
Alternativ hierzu können
die Durchgänge3
unter Bildung geneigter Seitenwände geätzt werden,
so dass die Heizschicht, die als anschließend aufgetragen wird, die
Metall3-Schicht direkt kontaktieren kann. Die Heizschicht aus ca.
0,005 μm
Ti und 0,06 μm
TiN wird aufgetragen und dann bemustert. Anschließend wird
eine letzte dünne Schutzschicht
(die üblicherweise
als Passivierungsschicht bezeichnet wird) aufgetragen. Diese Schicht muss
ebenso wie die Schicht unterhalb der Heizschicht Eigenschaften aufweisen,
die die Heizschicht gegen die korrodierende Wirkung der Tinte schützt, darf
durch die Tinte nicht leicht verschmutzt werden und muss sich im
Falle einer Verschmutzung leicht reinigen lassen.
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Sie
sieht zudem einen Schutz gegen mechanischen Abrieb vor und den gewünschten
Kontaktwinkel zur Tinte. Um diese Anforderungen zu erfüllen, kann
die Passivierungsschicht aus einem Stapel von Filmen aus verschiedenen
Materialien bestehen. Die Dicke t der letzten Membran, die die Heizung
umfasst, liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 2,5 μm, wobei
eine typische Dicke ca. 1,5 μm
beträgt. Der
resultierende Spalt G zwischen der Oberseite des Oxidblocks und
der Unterseite der Membran, die die Heizung umfasst, kann im Bereich
von 0,5 μm
bis 5 μm
liegen, wobei ein typischer Spalt 3 μm misst. Anschließend wird
eine Öffnungsmaske
auf die Vorderseite der Scheibe aufgebracht, und die Passivierungsschichten
werden geätzt,
um die Öffnung
für jede
Düse und
die Verbindungsstellen herzustellen. Die Öffnungsdurchmesser D können zwischen
1 μm und
100 μm betragen,
wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 6 μm und 16 μm liegt. 13 und 14 zeigen
jeweils Schnittansichten jeder Düse
in dieser Stufe. Es wird zwar nur eine der Verbindungsstellen gezeigt,
aber selbstverständlich
können
mehrere Verbindungsstellen in dem Düsen-Array ausgebildet werden.
Die verschiedenen Verbindungsstellen werden bereitgestellt, um Anschlüsse für Daten,
Verriegelungstakt, Freigabetakte und Spannung von einer Leiterkarte
herzustellen, die benachbart zum Druckkopf oder zu einem anderen
Ort angeordnet ist.
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Die
Siliciumscheibe wird dann von ihrer ursprünglichen Dicke von 675 μm auf ca.
300 μm verdünnt. Anschließend wird
eine Maske zur Öffnung der
Tintenkanäle
auf die Rückseite
der Scheibe aufgebracht, und das Silicium wird in einer STS-Siliciumätzmaschine
ganz bis zur Vorderseite der Siliciums geätzt. Schließlich wird die Platzhalterschicht
von der Rückseite
und der Vorderseite geätzt,
wodurch die in 15, 18 und 19 gezeigte
fertige Vorrichtung entsteht. Die Ausrichtung der Tintenkanalöffnungen
auf der Rückseite
der Scheibe zum Düsen-Array
auf der Vorderseite der Scheibe kann durch ein Ausrichtsystem hergestellt
werden, beispielsweise mit dem 1X System von Karl Süss.
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Wie
in 16 und 17 gezeigt,
ist die Polysiliciumheizung unten in dem dielektrischen Stapel jeder
Düse benachbart
zu einer Zugangsöffnung
zwischen einem primären
Tintenkanal, der in dem Siliciumsubstrat ausgebildet ist, und einem
sekundären Tintenkanal,
der in den Oxidisolationsschichten ausgebildet ist, integriert.
Diese Heizungen tragen auch zur asymmetrischen Senkung der Viskosität der Tinte bei.
Wie in 17 gezeigt, wird ein Tintenstrom,
der durch die Zugangsöffnung
an der rechten Seite der Absperrstruktur strömt, erwärmt, während ein Tintenstrom, der
durch die Zugangsöffnung
an der linken Seite der Absperrstruktur strömt, nicht erwärmt wird. Diese
asymmetrische Vorheizung des Tintenstroms trägt tendenziell zur Reduzierung
der Viskosität
der Tinte bei, die die seitlichen Bewegungskomponenten aufweist,
die zur Ablenkung erwünscht
sind; weil bei reduzierter Viskosität mehr Tinte strömen kann,
ist die Ablenkung der Tinte in die gewünschte Richtung tendenziell
stärker,
d.h. weg von den zur Öffnung
benachbarten Heizelementen. Die Polysilicium-Heizelemente können eine ähnliche
Konfiguration wie die primären
Heizelemente benachbart zur Öffnung
aufweisen. Wenn Heizelemente oben und unten an jeder Düsenöffnung verwendet
werden, wie in diesen Figuren gezeigt, lässt sich die Temperatur an
jedem einzelnen Heizelement drastisch senken. Die Zuverlässigkeit
der TiN-Heizelemente wird stark verbessert, wenn sie bei Temperaturen
deutlich unterhalb ihrer Glühtemperaturen
arbeiten können.
Die mit dem Oxidblock erzeugte seitliche Strömungsstruktur ermöglicht es,
den Oxidblock innerhalb von 0,02 μm in
Bezug zur Düsenöffnung auszurichten.
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Wie
schematisch in 17 gezeigt, wird die Tintenströmung in
die Öffnung
durch die seitlichen Bewegungskomponenten dominiert, was für eine stärkere Tröpfchenablenkung
wünschenswert
ist.
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Vorzugsweise
wird das Siliciumsubstrat so geätzt,
dass eine Siliciumbrücke
oder Siliciumrippe zwischen jeder Düse des Düsen-Arrays während des Ätzens des
Tintenkanals belassen wird. Diese Brücken erstrecken sich von der
Rückseite
der Siliciumscheibe zur Vorderseite der Siliciumscheibe. Das auf der
Rückseite
der Scheibe ausgebildete Tintenkanalmuster besteht daher aus einer
Reihe kleiner rechtwinkliger Hohlräume, die jeweils eine einzelne
Düse speisen.
Die Tintenhohlräume
können
jeweils einen primären
Kanal umfassen, der in dem Siliciumsubstrat ausgebildet ist, und
einen sekundären
Tintenkanal, der in den Oxid-/Nitridschichten
ausgebildet ist, wobei die primären
und sekundären
Tintenkanäle durch
eine Zugangsöffnung
in der Oxid-/Nitridschicht in Verbindung stehen. Diese Zugangsöffnungen
benötigen
einen unter Druck stehenden Tintenstrom zwischen den primären und
den sekundären
Kanälen und
die Entwicklung seitlicher Strömungskomponenten,
weil der direkte axiale Zugang zu dem sekundären Tintenkanal durch den Oxidblock
wirksam gesperrt ist. Der sekundäre
Tintenkanal steht mit der Düsenöffnung in
Verbindung.
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21 zeigt
den fertigen CMOS/MEMS-Druckkopf 120 nach einem der zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispiele
auf einer Trägerhalterung 110 mit
zwei Tintenversorgungsleitungen 130L, 130R, die
benachbart zu Endabschnitten der Halterung angeschlossen sind, um
Tinte zu den Enden eines sich in Längsrichtung erstreckenden Kanals
zu speisen, der in der Trägerhalterung
ausgebildet ist. Der Kanal ist der Rückseite des Druckkopfes 120 gegenüber angeordnet
und steht somit in Verbindung mit dem Array aus Tintenkanälen, die
in dem Siliciumsubstrat des Druckkopfes 120 ausgebildet
sind. Die Trägerhalterung,
die ein Keramiksubstrat sein könnte,
umfasst Befestigungslöcher
an den Enden, um diese Struktur an einem Druckersystem zu befestigen.
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Es
wurde ein verbesserter Tintenstrahldruckkopf sowie Verfahren zum
Betreiben und Ausbilden desselben beschrieben. Die Tintenstrahldruckköpfe sind
gekennzeichnet durch ihre relativ einfache Herstellung und/oder
durch relativ plane Oberflächen, die
eine Reinigung und Wartung des Druckkopfes erleichtern, sowie eine
oder mehrere relativ dünne
Isolationsschichten, wie eine oder mehrere Passivierungsschichten,
in die die Düsenöffnung eingebracht ist.
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Benachbart
zu jeder Düsenöffnung befindet sich
ein entsprechendes asymmetrisches Heizelement. Der hier beschriebene
Druckkopf ist zur Herstellung in einer konventionellen CMOS-Einrichtung geeignet,
und die Heizelemente und Kanäle
sowie die Düsenöffnung können in
einer konventionellen MEMS-Einrichtung hergestellt werden.
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Obwohl
die Erfindung mit besonderem Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern
kann innerhalb des Geltungsbereichs Änderungen und Abwandlungen
unterzogen werden, wobei alle derartigen Änderungen und Abwandlungen
in den Geltungsbereich der Erfindung fallen, wie in den anhängenden
Ansprüchen
dargelegt.