DE60208617T2

DE60208617T2 - Druckkopf mit einer Dünnfilmmembran mit einem schwebenden Teil

Info

Publication number: DE60208617T2
Application number: DE60208617T
Authority: DE
Inventors: Matthew D. San Diego Giere; Jeffrey S. Corvallis Hess; Ulrich E. Corvallis Hess
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2022-10-26
Also published as: DE60208617D1; EP1308283A3; EP1308283B1; JP2003165225A; US6974548B2; US6626523B2; EP1308283A2; US20030081074A1; US20030189622A1; JP4299526B2

Description

Gebiet
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Schrift beziehen sich auf Drucker und insbesondere auf einen Druckkopf für einen Drucker.
Hintergrund
Drucker weisen normalerweise einen Druckkopf auf, der an einem Wagen befestigt ist, der sich über die Breite eines Blatts Papier hin- und herbewegt, während das Papier durch den Drucker geführt wird. Fluid von einem Fluidreservoir, das sich entweder in dem Wagen eingebaut oder bezüglich des Wagens extern befindet, wird in Fluidausstoßkammern an dem Druckkopf gespeist. Jede Fluidausstoßkammer enthält ein Fluidausstoßelement, wie z. B. einen Heizwiderstand oder ein piezoelektrisches Element, das unabhängig adressierbar ist. Ein Versorgen eines Fluidausstoßelements mit Energie bewirkt, dass ein Tröpfen Fluid durch eine Düse ausgestoßen wird, um einen kleinen Punkt auf dem Papier zu erzeugen. Das Muster von erzeugten Punkten bildet ein Bild oder einen Text.
Hewlett-Packard entwickelt Druckköpfe, die unter Verwendung von Integrierte-Schaltung-Techniken gebildet werden. Eine Dünnfilmmembran, die aus verschiedenen Dünnfilmschichten, einschließlich einer Widerstandsschicht, zusammengesetzt ist, ist an einer oberen Oberfläche eines Siliziumsubstrats gebildet, und eine Öffnungsschicht ist auf der Dünnfilmmembran gebildet. Die verschiedenen Dünnfilmschichten der Dünnfilmmembran werden geätzt, um leitfähige Anschlussleitungen zu Fluidausstoßelementen zu liefern, bei denen es sich um einen Heizwiderstand oder piezoelektrische Elemente handeln kann. Fluidzufuhrlöcher sind ebenfalls in den Dünnfilmschichten gebildet. Die Fluidzufuhrlöcher steuern den Fluss von Fluid zu den Fluidausstoßelementen. Das Fluid fließt von dem Fluidreservoir über eine untere Oberfläche des Siliziumsubstrats in einen Graben, der in dem Siliziumsubstrat gebildet ist, durch die Fluidzufuhrlöcher und in Fluidausstoßkammern, wo die Fluidausstoßelemente angeordnet sind. Siehe z. B. die EP 1 078 754 oder die US 6 003 977 .
Der Graben wird in die untere Oberfläche des Siliziumsubstrats geätzt, so dass das Fluid in den Graben und durch die Fluidzufuhrlöcher, die in der Dünnfilmmembran gebildet sind, in jede Fluidausstoßkammer fließen kann. Der Graben ätzt Teilstücke des Substrats nahe den Fluidzufuhrlöchern völlig weg, so dass die Dünnfilmmembran in der Nähe der Fluidzufuhrlöcher ein Schelf bildet.
Ein Problem, das während der Entwicklung dieser Druckköpfe aufgetreten ist, besteht darin, dass die Dünnfilmmembran und die Öffnungsschicht einen Verbund bilden, der Risse bilden kann, wenn derselbe einer Belastung unterworfen wird. Wenn der Verbund belastet wird, trägt die Dünnfilmmembran, die die Steifere der zwei Komponenten ist, den Großteil der Belastung. Wenn somit der Druckkopf gebogen oder anderweitig entweder während der Montage oder des Betriebs belastet wird, kann die Dünnfilmmembran, insbesondere in dem Schelfteilstück, das über dem Graben liegt, Risse bilden. Eine Rissbildung in der Dünnfilmmembran verursacht Zuverlässigkeitsprobleme bei diesen Druckköpfen. Das Problem von Biegung und Belastungen wird bei längeren Druckköpfen, die normalerweise größere Gräben aufweisen, verschlimmert.
Zusammenfassung
Hier beschrieben ist ein Druckkopf, der ein Druckkopfsubstrat und eine Dünnfilmmembran aufweist. Das Druckkopfsubstrat weist zumindest eine Öffnung auf, die in einer ersten Oberfläche gebildet ist, um einen Fluidpfad durch das Substrat zu liefern. Die Dünnfilmmembran ist an einer zweiten Oberfläche des Substrats gebildet und umfasst eine Mehrzahl von Fluidausstoßelementen. Die Dünnfilmmembran weist einen schwebenden und einen freitragenden Abschnitt auf, die voneinander durch einen Zwischenraum, der in der Dünnfilmmembran gebildet ist, getrennt und separiert sind. Der schwebende Abschnitt ist über der Öffnung des Substrats angeordnet, während der freitragende Abschnitt im Wesentlichen durch das Substrat gestützt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Durch Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung besser verstanden und ihre Merkmale und Vorteile für Fachleute ersichtlich gemacht werden, wobei gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile in den verschiedenen Zeichnungen verwendet werden.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Druckkassette, die den hier beschriebenen Druckkopf enthalten kann.
2 ist eine perspektivische Schnittansicht eines Teilstücks eines Druckkopfs, die allgemein entlang Linie 2-2 in 1 vorgenommen wurde.
3 ist eine perspektivische Ansicht der Unterseite des Druckkopfs, der in 2 gezeigt ist.
4 ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang Linie 4-4 in 3 vorgenommen wurde.
5 ist eine Ansicht des Druckkopfs von 2 von oben nach unten mit einer transparenten Öffnungsschicht.
6A–6C sind Querschnittsansichten eines Ausführungsbeispiels des Druckkopfs während verschiedener Stu fen eines Herstellungsprozesses zum Befestigen der Dünnfilmmembran des Druckkopfs an der Öffnungsschicht.
7 ist eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eins Druckkopfs ohne Fluidzufuhrlöcher.
8 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Druckers, in den die verschiedenen Ausführungsbeispiele von Drückköpfen zum Drucken auf einem Medium eingebaut werden können.
Detaillierte Beschreibung
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Typs einer Druckkassette 10, die die Druckkopfstruktur der vorliegenden Erfindung enthalten kann. Die Druckkassette 10 ist von dem Typ, der eine erhebliche Menge von Fluid in seinem Körper 12 enthält, aber eine andere geeignete Druckkassette kann von dem Typ sein, der Fluid von einem externen Fluidvorrat erhält, der entweder an dem Druckkopf befestigt ist oder mit dem Druckkopf über einen Schlauch verbunden ist.
Das Fluid wird an einen Druckkopf 14 geliefert. Der Druckkopf 14, der später genauer beschrieben wird, leitet das Fluid in Fluidausstoßkammern, wobei jede Kammer ein Fluidausstoßelement enthält. Elektrische Signale werden an Kontakte 16 geliefert, um die Fluidausstoßelemente einzeln mit Energie zu versorgen, um ein Tröpfchen Fluid durch eine zugeordnete Düse 18 auszustoßen. Die Struktur und der Betrieb von herkömmlichen Druckkassetten sind bekannt.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf das Druckkopfteilstück einer Druckkassette oder einen Druckkopf, der dauerhaft in einen Drucker eingebaut werden kann und somit von dem Fluidliefersystem unabhängig ist, das Fluid an den Druckkopf liefert. Die Erfindung ist auch von dem bestimmten Drucker unabhängig, in den der Druckkopf eingegliedert ist.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Teilstücks des Druckkopfs von 1, die allgemein entlang der Linie 2-2 in 1 vorgenommen wurde. Obwohl ein Druckkopf 300 oder mehr Düsen und zugeordnete Fluidausstoßkammern aufweisen kann, müssen die Details nur einer einzigen Fluidausstoßkammer beschrieben werden, um die Erfindung zu verstehen. Es sollte für Fachleute auch ersichtlich sein, dass viele Druckköpfe an einem einzigen Siliziumwafer gebildet werden und dann voneinander unter Verwendung herkömmlicher Techniken getrennt werden.
In 2 weist ein Siliziumsubstrat 20 eine Öffnung oder einen Graben 22 auf, die bzw. der in einer unteren Oberfläche desselben gebildet ist. Der Graben 22 liefert einen Pfad, damit Fluid entlang der unteren Oberfläche und durch das Substrat 20 fließen kann.
Auf dem Siliziumsubstrat 20 gebildet ist eine Dünnfilmmembran 24. Die Dünnfilmmembran 24 ist aus verschiedenen Dünnfilmschichten zusammengesetzt, die später im Detail beschrieben werden. Die Dünnfilmschichten umfassen eine Widerstandsschicht zum Bilden von Fluidausstoßelementen oder Widerständen 26. Andere Dünnfilmschichten führen verschiedene Funktionen aus, wie z. B. ein Bereitstellen einer elektrischen Isolierung von dem Substrat 20, ein Bereitstellen eines thermisch leitfähigen Pfades von den Heizwiderstandselementen zu dem Substrat 20 und ein Bereitstellen von elektrischen Leitern zu den Widerstandselementen. Ein elektrischer Leiter 28 ist so gezeigt, dass derselbe zu einem Ende eines Widerstands 26 führt. Ein ähnlicher Leiter führt zu dem anderen Ende des Widerstands 26. Bei einem tatsächlichen Ausführungsbeispiel wären die Widerstände und Leiter in einer Kammer durch darüberliegende Schichten verdeckt.
Die Dünnfilmmembran 24 umfasst Fluidzufuhrlöcher 30, die vollständig durch die Dünnfilmmembran 24 gebildet sind. Außerdem ist die Dünnfilmmembran 24 in einen freitragenden Abschnitt 32 und einen schwebenden Abschnitt 34 geteilt. Der freitragende Abschnitt 32 wird im Wesentlichen durch das Substrat 20 gestützt, während der schwebende Abschnitt 34 über dem Graben 22 hängt, der in dem Substrat 20 gebildet ist. Der schwebende Abschnitt 34 ist auf allen Seiten durch einen Zwischenraum 36, der in der Dünnfilmmembran 24 gebildet ist, von dem freitragenden Abschnitt 32 getrennt. Jeder Zwischenraum 36 weist eine Breite von etwa 0,1 Mikrometern auf. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Breite der Zwischenräume 36 optimiert werden kann, um den Fluss von Fluid durch den Druckkopf 14 zu steuern. Die Vorteile eines Teilens der Dünnfilmmembran 24 in freitragende und schwebende Abschnitte 32 bzw. 34 sind im Folgenden genauer beschrieben.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der schwebende Abschnitt 34 nicht auf allen Seiten von dem Rest der Dünnfilmschichten getrennt, sondern ist nur an einer oder beiden langen Seiten getrennt, um eine Belastung abzumildern.
Eine Öffnungsschicht 38 ist über der Oberfläche der Dünnfilmmembran 24 aufgebracht. Die Öffnungsschicht 38 ist an der oberen Oberfläche der Dünnfilmmembran 24 derart angehaftet, dass die beiden einen Verbund bilden. Die Haftung zwischen der Dünnfilmmembran 24 und der Öffnungsschicht 38 ist ausreichend dafür, dass die Öffnungsschicht 38 den schwebenden Abschnitt 34 der Dünnfilmmembran 24 über dem Graben 22 in dem Substrat 20 aufhängt, es können jedoch, wie es im Folgenden beschrieben ist, zusätzliche Strukturen verwendet werden, um die beiden ferner aneinander zu befestigen.
Die Öffnungsschicht 38 wird geätzt, um Fluidausstoßkammern 40, eine Kammer pro Widerstand 26, zu bilden. Ein Verteiler 42 wird ebenfalls in der Öffnungsschicht 38 gebildet, zum Liefern eines gemeinsamen Fluidkanals für eine Reihe von Fluidausstoßkammern 40. Die Innenkante des Verteilers 42 ist durch eine gestrichelte Linie 44 gezeigt. Düsen 46 können durch Laserablation unter Verwendung einer Maske und herkömmlicher Photolithographietechniken gebildet werden.
Der Graben 22 in dem Siliziumsubstrat 20 erstreckt sich entlang der Länge der Reihe von Fluidzufuhrlöchern 30, so dass Fluid 48 von einem Fluidreservoir in die Fluidzufuhrlöcher 30 eintreten und Fluid an die Fluidausstoßkammern 40 liefern kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist jeder Druckkopf etwa einen halben Zoll lang und enthält zwei versetzte Reihen von Düsen, wobei jede Reihe 150 Düsen für insgesamt 300 Düsen pro Druckkopf enthält. Der Druckkopf kann somit mit einer Eindurchgangsauflösung von 600 Punkten pro Zoll (dpi) entlang der Richtung der Düsenreihen drucken oder mit einer größeren Auflösung in mehreren Durchgängen drucken. Größere Auflösungen können auch entlang der Bewegungsrichtung des Druckkopfes gedruckt werden. Auflösungen von 1200 dpi oder mehr können unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
Bei Betrieb wird ein elektrisches Signal an den Heizwiderstand 26 geliefert, der einen Teil der Fluids verdampft, um eine Blase in einer Fluidausstoßkammer 40 zu bilden. Die Blase treibt ein Fluidtröpfchen durch eine zugeordnete Düse 46 auf ein Medium. Die Fluidausstoßkammer wird dann durch eine Kapillaraktion nachgefüllt.
3 ist eine perspektivische Ansicht der Unterseite des Druckkopfs von 2, die den Graben 22 in dem Substrat 20, die Zwischenräume 36, die den schwebenden Abschnitt 34 der Dünnfilmmembran 24 von dem freitragenden Abschnitt 32 trennen, und die Fluidzufuhrlöcher 30 in dem schwebenden Abschnitt 34 zeigt. Bei dem bestimmten Ausführungsbeispiel von 3 liefert ein einziger Graben 22 Zugang zu zwei Reihen von Fluidzufuhrlöchern 30. Der Graben 22 liefert auch Zugang zu den Zwischenräumen 36, derart, dass Fluid durch die Zwischenräume 36 und in die Fluidausstoßkammern 40 fließen kann. Der schwebende Abschnitt 34, der über dem Graben 22 hängt, weist bevorzugt Abmessungen auf, die kleiner als diejenigen des Grabens 22 sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Größe jedes Fluidzufuhrlochs 30 kleiner als die Größe einer Düse 46, so dass Partikel in dem Fluid durch die Fluidzufuhrlöcher 30 gefiltert werden und nicht die Düse 46 verstopfen. Das Verstopfen eines Fluidzufuhrloches hat wenig Wirkung auf die Nachfüllgeschwindigkeit einer Kammer, da mehrere Fluidzufuhrlöcher Fluid an jede Kammer 40 liefern. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel gibt es mehr Fluidzufuhrlöcher 30 als Fluidausstoßkammern 40.
4 ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang der Linie 4-4 in 2 vorgenommen wurde. 4 zeigt die einzelnen Dünnfilmschichten, die die Dünnfilmmembran 24 bilden. Bei dem bestimmten Ausführungsbeispiel von 4 ist das gezeigte Teilstück des Siliziumsubstrats 20 etwa 30 Mikrometer dick. Dieses Teilstück wird als die Brücke bezeichnet. Das Gesamtsilizium ist etwa 675 Mikrometer dick.
Eine Feldoxidschicht 50, die eine Dicke von 1,2 Mikrometern aufweist, wird unter Verwendung von herkömmlichen Techniken über dem Siliziumsubstrat 20 gebildet. Eine Tetraethylorthosilicat-(TEOS-)Schicht 52, die eine Dicke von 1,0 Mikrometern aufweist, wird dann über die Schicht aus Oxid 50 aufgebracht. Eine Bor-TEOS-(BTEOS-)Schicht kann stattdessen verwendet werden.
Eine Widerstandsschicht aus z. B. Tantalaluminium (TaAl), die eine Dicke von 0,1 Mikrometern aufweist, wird dann über der TEOS-Schicht 52 gebildet. Andere bekannte Widerstandsschichten können ebenfalls verwendet werden.
Eine strukturierte Metallschicht, wie z. B. eine Aluminium-Kupfer-Legierung, die eine Dicke von 0,5 Mikrometern aufweist, liegt über der Widerstandsschicht zum Liefern einer elektrischen Verbindung mit den Widerständen. Die leitfähigen AlCu-Bahnen werden geätzt, um Teilstücke der TaAl-Schicht freizulegen, um eine erste Widerstandsabmessung (z. B. eine Breite) zu begrenzen. Eine zweite Widerstandsabmessung (z. B. eine Länge) wird durch ein Ätzen der AlCu-Schicht begrenzt, um zu bewirken, dass ein Widerstandsteilstück durch AlCu-Bahnen an beiden Enden kontaktiert wird. Diese Technik des Bildens von Widerständen 26 und elektrischen Leitern ist bekannt.
Die TEOS-Schicht 52 und die Feldoxidschicht 50 liefern eine elektrische Isolierung zwischen den Widerständen 26 und dem Substrat 20 sowie eine Ätzbegrenzung, wenn das Substrat 20 geätzt wird. Außerdem liefern die TEOS-Schicht 52 und die Feldoxidschicht 50 eine mechanische Stütze für ein Überhangteilstück 54 des freitragenden Abschnitts 32 und für den schwebenden Abschnitt 34. Die TEOS- und die Feldoxidschicht isolieren auch Polysilizium-Gates von Transistoren (nicht gezeigt), die verwendet werden, um Energieversorgungssignale mit den Widerständen 26 zu koppeln.
Unter Rückbezug auf 4 wird über den Widerständen 26 und der AlCu-Metallschicht eine Siliziumnitrid-(Si₃N₄)Schicht 56 gebildet, die eine Dicke von 0,25 Mikrometern aufweist. Diese Schicht liefert Isolierung und Passivierung. Bevor die Nitridschicht 56 abgeschieden bzw. aufgebracht wird, werden die Widerstands- und die strukturierte Metallschicht geätzt, um beide Schichten von den Fluidzufuhrlöchern 30 zurückzuziehen, um nicht in Kontakt mit Fluid zu sein. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Widerstands- und die strukturierte Metallschicht gegenüber bestimmten Fluiden und dem Ätzmittel, das verwendet wird, um den Graben 22 zu bilden, anfällig sind. Ein Rückätzen einer Schicht, um die Schicht vor Fluid zu schützen, kann auch für die Polysiliziumschicht in dem Druckkopf gelten.
Über der Nitridschicht 56 wird eine Schicht 58 aus Siliziumkarbid (SiC) gebildet, die eine Dicke von 0,125 Mikrometern aufweist, um eine zusätzliche Isolierung und Passivierung zu liefern. Andere dielektrische Schichten können anstelle von Nitrid und Karbid verwendet werden.
Die Karbidschicht 58 und die Nitridschicht 56 werden ebenfalls geätzt, um Teilstücke der AlCu-Bahnen für einen Kontakt zu nachfolgend gebildeten Masseleitungen (außerhalb des Felds von 4) freizulegen.
Auf der Karbidschicht 58 wird eine Haftschicht 60 aus Tantal (Ta) gebildet, die eine Dicke von 0,3 Mikrometern aufweist. Das Tantal fungiert auch als eine Blasenkavitationsbarriere über den Widerstandselementen. Diese Schicht 60 kontaktiert die leitfähigen AlCu-Bahnen durch die Öffnungen in den Nitrid-/Karbidschichten.
Gold (nicht gezeigt) wird über der Tantalschicht 60 aufgebracht und geätzt, um Masseleitungen zu bilden, die elektrisch mit bestimmten der AlCu-Bahnen verbunden sind. Derartige Leiter können herkömmlich sein.
Die AlCu- und Goldleiter können mit Transistoren gekoppelt sein, die an der Substratoberfläche gebildet sind. Derartige Transistoren sind in dem US-Patent Nr. 5,648,806 beschrieben, das an den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen und hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die Leiter können an Elektroden entlang Kanten des Substrats 20 enden.
Eine flexible Schaltung (nicht gezeigt) weist Leiter auf, die mit den Elektroden an dem Substrat 20 verbunden sind und die in Kontaktanschlussflächen 16 (1) enden, zur elektrischen Verbindung mit dem Drucker.
Die Fluidzufuhrlöcher 30 und die Zwischenräume 36 werden durch ein Ätzen durch die Schichten gebildet, die die Dünnfilmmembran 24 bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine einzige Zufuhrloch- und Zwischenraummaske verwendet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden mehrere Maskier- und Ätzschritte verwendet, wenn die verschiedenen Dünnfilmschichten gebildet werden.
Die Öffnungsschicht 38 wird dann aufgebracht und gebildet, gefolgt von dem Ätzen des Grabens 22. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Grabenätzung vor der Öffnungsschichtherstellung durchgeführt. Die Öffnungsschicht 38 kann aus einem aufgeschleuderten Epoxid gebildet werden, das SU-8 genannt wird. Die Öffnungsschicht 38 bei einem Ausführungsbeispiel beträgt etwa 30 Mikrometer.
Ein Rückseitenmetall kann bei Bedarf aufgebracht werden, um Wärme von dem Substrat 20 besser zu dem Fluid zu leiten.
5 ist eine Ansicht der Struktur von 2 von oben nach unten. Die Abmessungen der Elemente können folgendermaßen sein: die Fluidzufuhrlöcher 30 sind 10 Mikrometer × 20 Mikrometer; die Fluidausstoßkammern 40 sind 25 Mikrometer × 25 Mikrometer; die Düsen 46 weisen einen Durchmesser von 16 Mikrometern auf; die Heizwiderstände 26 sind 20 Mikrometer × 20 Mikrometer; und der Verteiler 42 weist eine Breite von etwa 20 Mikrometern auf. Die Abmessungen variieren abhängig von dem verwendeten Fluid, der Betriebstemperatur, der Druckgeschwindigkeit, der gewünschten Auflösung und anderen Faktoren.
Die vorliegende Erfindung liefert einen Druckkopf mit einer verbesserten Zuverlässigkeit. Da der Verbund, der durch die Dünnfilmmembran 24 und die Öffnungsschicht 38 gebildet wird, aufgrund der Zwischenräume 36 in der Dünnfilmmembran 24 nicht ganz durchgehend ist, ist derselbe weniger empfindlich gegenüber den Belastungen, die durch ein Biegen des Druckkopfs 14 bewirkt werden. Wenn eine Biegung er folgt, stoppen die Zwischenräume 36 die Ausbreitung der Belastung durch die Dünnfilmmembran 24 und ermöglichen, dass das SU-8-Material niedrigeren Moduls der Öffnungsschicht die auferlegte Belastung trägt. Somit kann durch ein Isolieren des schwebenden Abschnitts 34 der Dünnfilmmembran 24 von Belastungen, die durch ein Biegen des Chips erzeugt werden, die Dünnfilmmembran über dem Graben 22 in dem Substrat bleiben, wodurch die kleineren Merkmale und engeren Toleranzen ausgenutzt werden, die durch Integrierte-Schaltung-Techniken geboten werden. Ein Einstellen der Breite der Zwischenräume 36 liefert auch eine Möglichkeit, ein Fluidnachfüllen anders als durch eine Barrierenarchitektur oder durch eine Schelflänge zu steuern. Außerdem erfordert die vorliegende Erfindung keine zusätzlichen Prozessschritte, da die Zwischenräume 36 gleichzeitig mit den Fluidzufuhrlöchern 30 gebildet werden können. Schließlich ermöglicht die vorliegende Erfindung die Verwendung der Dünnfilmmembran bei größeren Druckköpfen, die ein größeres Potential für ein Biegen aufweisen.
Wie bereits erörtert, ermöglicht eine Haftung zwischen der oberen Schicht der Dünnfilmmembran 24 und der Öffnungsschicht 38, dass die Öffnungsschicht 38 den schwebenden Abschnitt 34 der Dünnfilmmembran 24 über dem Graben 22 in dem Substrat 20 aufhängt. Die Öffnungsschicht 38 kann auch noch anderweitig an der Dünnfilmmembran 24 befestigt sein. Die 6A–6C veranschaulichen ein Verfahren zum Bilden von nietenartigen Strukturen, um die Öffnungsschicht 38 an der Dünnfilmmembran 24 zu befestigen. Diese Strukturen können nach Bedarf in dem schwebenden Abschnitt 34 der Dünnfilmmembran 24 gebildet werden. In 6A wird die Dünnfilmmembran 24 geätzt, um eine oder mehr Öffnungen 62 an gewünschten Orten für die Nieten zu bilden. Die Dünnfilmmembran 24 wird dann als eine Maske verwendet, und das Siliziumsubstrat 20 wird einem anisotropen Ätzmittel, wie z. B. TMAH, ausgesetzt. Das Ätzmittel greift das freiliegende Silizium an und unterschneidet die Dünnfilmmembran, wie es in 6B veranschaulicht ist. Dann wird SU-8, das Epoxid, das die Öffnungsschicht 38 bildet, aufgeschleudert. Das Epoxidmaterial fließt in den Hohlraum, der durch das Ätzmittel erzeugt wurde, wie es in 6C veranschaulicht ist. Das SU-8 wird dann belichtet und zum Härten gebacken, und die Niete ist fertig.
7 ist eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ohne Fluidzufuhrlöcher. Die Schichten der Dünnfilmmembran 24 sind denjenigen in 4 ähnlich. Anders als in 4 gibt es kein Fluidzufuhrloch 30. Stattdessen fließt das Fluid durch die Zwischenräume 36.
8 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Druckers 70, der verschiedene Ausführungsbeispiele von Druckköpfen enthalten kann. Zahlreiche andere Entwürfe von Druckern können ebenfalls verwendet werden. Mehr Einzelheiten eines Druckers sind in dem US-Patent Nr. 5,582,459 für Norman Pawlowski et al. zu finden, das hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Der Drucker 70 umfasst eine Eingabeablage 72, die Blätter Papier 74 enthält, die durch eine Druckzone 76 unter Verwendung von Rollen 78 vorgerückt werden, damit auf dieselben gedruckt wird. Das Papier 74 wird dann zu einer Ausgabeablage 80 vorgerückt. Ein bewegbarer Wagen 82 hält Druckkassetten 82, 84, 86 und 99, die cyanfarbenes (C), schwarzes (K), magentafarbenes (M) bzw. gelbes (Y) Fluid drucken.
Bei einem Ausführungsbeispiel werden Fluide in austauschbaren Fluidkassetten 92 ihren zugeordneten Druckkassetten über flexible Fluidschläuche 94 geliefert. Die Druckkassetten können auch von dem Typ sein, der einen erheblichen Vorrat von Fluid hält, und können nachfüllbar oder nicht nachfüllbar sein. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Fluidvorräte von den Druckkopfabschnitten getrennt und sind entfernbar an den Druckköpfen in dem Wagen 82 befestigt.
Der Wagen 82 wird entlang einer Bewegungsachse durch ein herkömmliches Riemen- und Riemenscheibensystem bewegt und gleitet entlang eines Gleitstabs 96. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Wagen feststehend und ein Array von feststehenden Druckkassetten druckt auf ein sich bewegendes Blatt Papier.
Drucksignale von einem herkömmlichen externen Computer (z. B. einem PC) werden durch den Drucker 70 verarbeitet, um eine Bitmap der zu druckenden Punkte zu erzeugen. Die Bitmap wird dann in Abfeuersignale für die Druckköpfe umgewandelt. Die Position des Wagens 82, wenn derselbe während des Druckens entlang der Bewegungsachse hin- und herläuft, wird aus einem optischen Codiererstreifen 98 bestimmt, der durch ein photoelektrisches Element an dem Wagen 82 erfasst wird, um zu bewirken, dass die verschiedenen Fluidausstoßelemente an jeder Druckkassette selektiv zu der geeigneten Zeit während einer Wagenbewegung abgefeuert werden.
Der Druckkopf kann resistive, piezoelektrische oder andere Typen von Fluidausstoßelementen verwenden.
Wenn sich die Druckkassetten in dem Wagen 82 über ein Blatt Papier bewegen, überlappen sich die Bänder, die durch die Druckkassetten gedruckt werden. Nach ein oder mehr Bewegungsläufen wird das Blatt Papier 74 in einer Richtung zu der Ausgabeablage 80 hin verschoben, und der Wagen 82 fährt mit dem Bewegen fort.
Die vorliegende Erfindung ist gleichermaßen bei alternativen Drucksystemen (nicht gezeigt) anwendbar, die alternative Medien- und/oder Druckkopfbewegungsmechanismen, wie z. B. diejenigen, die Körnungsrad-, Rollenzufuhr- oder Trommel- oder Vakuumriementechnologie umfassen, verwenden, um das Druckmedium relativ zu den Druckkopfanordnungen zu tragen und zu bewegen. Bei einem Körnungsradentwurf bewegen ein Körnungsrad und eine Klemmrolle das Medium entlang einer Achse hin und her, während ein Wagen, der eine oder mehr Druckkopfanordnungen trägt, sich entlang einer orthogonalen Achse an dem Medium vorbei bewegt. Bei einem Trommeldruckerentwurf wird das Medium an einer Drehtrommel befestigt, die entlang einer Achse gedreht wird, während ein Wagen, der eine oder mehr Druckkopfanordnungen trägt, sich entlang einer orthogonalen Achse an dem Medium vorbei bewegt. Bei beiden, dem Trommel- oder dem Körnungsradentwurf, erfolgt das Bewegen normalerweise nicht hin und her, wie es bei dem System der Fall ist, das in 8 gezeigt ist.
Mehrere Druckköpfe können auf einem einzigen Substrat gebildet sein. Ferner kann sich ein Array von Druckköpfen über die gesamte Breite einer Seite erstrecken, so dass kein Bewegen der Druckköpfe nötig ist; nur das Papier wird senkrecht zu dem Array verschoben.
Zusätzliche Druckkassetten in dem Wagen können andere Farben oder Fixiermittel umfassen.
Obwohl bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist es für Fachleute offensichtlich, dass Veränderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne von dieser Erfindung und ihren breiteren Aspekten abzuweichen, und deshalb sollen die angehängten Ansprüche in ihrem Schutzbereich alle derartigen Veränderungen und Modifizierungen, die in den Schutzbereich dieser Erfindung fallen, umfassen.

Claims

Druckkopf, der ein Druckkopfsubstrat umfasst, wobei das Substrat folgendes aufweist: eine erste Oberfläche, die darin mindestens eine Öffnung begrenzt, wobei die Öffnung dort hindurch einen Fluidpfad bereitstellt; und eine zweite Oberfläche mit einer daran ausgebildeten Dünnfilmmembran, wobei die Dünnfilmmembran eine Mehrzahl von Fluidausstoßelementen umfasst; mit einem freitragenden Abschnitt und einem schwebenden Abschnitt, wobei der freitragende Abschnitt und der schwebende Abschnitt durch einen Zwischenraum voneinander getrennt sind, der in der Dünnfilmmembran ausgebildet ist.
Druckkopf (14), der folgendes umfasst: ein Druckkopfsubstrat (20) mit mindestens einer in einer ersten Oberfläche ausgebildeten Öffnung (22), wobei die mindestens eine Öffnung (22) einen Fluidpfad (48) durch das Substrat (20) bereitstellt; und eine Dünnfilmmembran (24), die an einer zweiten Oberfläche des Substrats (20) ausgebildet ist, wobei die Dünnfilmmembran (24) eine Mehrzahl von Fluidausstoßelementen (26) aufweist, wobei die Dünnfilmmembran (24) einen freitragenden Abschnitt (32) und einen schwebenden Abschnitt (34) aufweist, wobei der schwebende Abschnitt (34) zumindest teilweise von dem freitragenden Abschnitt (32) getrennt und durch einen in der Dünnfilmmembran (24) ausgebildeten Zwischenraum (36) getrennt ist, wobei der schwebende Abschnitt (34) über zumindest einer Öffnung (22) in dem Substrat (20) angeordnet ist, wobei der freitragende Abschnitt (32) im Wesentlichen durch das Substrat (20) gestützt wird.
Druckkopf nach Anspruch 2, wobei sich der Zwischenraum (36), der die freitragenden (32) und schwebenden (34) Abschnitte der Dünnfilmmembran (24) voneinander trennt, in Fluidübertragungsverbindung mit dem Fluidpfad (48) befindet.
Druckkopf (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der schwebende Abschnitt (34) der Dünnfilmmembran (24) eine Mehrzahl von darin ausgebildeten Fluidzufuhrlöchern (30) aufweist, wobei sich die Fluidzufuhrlöcher (30) in Fluidübertragungsverbindung mit dem Fluidpfad (48) befinden.
Druckkopf (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich ein Teilstück des freitragenden Abschnitts (32) des Dünnfilmsubstrats (24) zumindest über eine Öffnung (22) in dem Substrat (20) erstreckt.
Druckkopf (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der schwebende Abschnitt (34) der Dünnfilmmembran (24) eine Feldoxidschicht (50) und eine Schutzschicht (52) umfasst, wobei die Schutzschicht (52) die Feldoxidschicht (50) überlagert.
Druckkopf (14) nach Anspruch 6, wobei die zumindest eine Öffnung (22) in dem Substrat (20) einen Graben (22) bildet, und wobei die Feldoxidschicht (50) beim Ätzen des Grabens (22) als Ätzbegrenzung fungiert.
Druckkopf (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei dieser ferner eine an der Dünnfilmmembran (24) ausgebildete Öffnungsschicht (38) umfasst, wobei die Öffnungsschicht (38) den schwebenden Abschnitt (34) über der mindestens einen Öffnung (22) in dem Substrat (20) stützt.
Druckkopf (14) nach Anspruch 8, wobei die Öffnungsschicht (38) eine Mehrzahl von Fluidausstoßkammern (40) begrenzt, wobei jede Kammer (40) darin ein zugeordnetes Fluidausstoßelement (26) aufweist, wobei die Öffnungsschicht (38) ferner eine Düse (46) für jede Fluidausstoßkammer (40) begrenzt.
Verfahren zum Herstellen einer Fluidausstoßeinrichtung, wobei das Verfahren folgendes umfasst: das Abscheiden einer Mehrzahl von Dünnfilmschichten (50–60) auf eine erste Oberfläche eines Druckkopfsubstrats (20), wobei die Mehrzahl von Dünnfilmschichten (50–60) eine Dünnfilmmembran (24) bildet, wobei mindestens eine der Schichten eine Mehrzahl von Fluidausstoßelementen (26) bildet; das Ätzen des Druckkopfsubstrats (20), um die Dünnfilmmembran (24) mit einem freitragenden Abschnitt (32) vorzusehen; das Ätzen der Mehrzahl von Dünnfilmschichten (50–60), um die Dünnfilmmembran (24) mit einem schwebenden Abschnitt (34) vorzusehen, wobei der schwebende Abschnitt zumindest teilweise von dem freitragenden Abschnitt (32) getrennt und durch einen Zwischenraum von diesem separiert ist; das Ausbilden einer Öffnungsschicht (38) auf der Dünnfilmmembran (24); und das Ausbilden mindestens einer Öffnung (22) in einer zweiten Oberfläche des Substrats (20), wobei die mindestens eine Öffnung (22) einen Fluidpfad (48) von der zweiten Oberfläche durch das Substrat (20) vorsieht; wobei die Öffnungsschicht (38) den schwebenden Abschnitt (34) der Dünnfilmmembran (24) über der zumindest einen Öffnung (22) in dem Substrat (20) stützt, wobei der freitragende Abschnitt (32) im Wesentlichen von dem Substrat (20) gestützt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Dünnfilmmembran (24) so geätzt wird, dass die Fluidausstoßelemente (26) an dem schwebenden Abschnitt (34) angeordnet sind und das Substrat (20) überlagern.