DE69011559T2

DE69011559T2 - Wärmeanwendende Tintenstrahlvorrichtung.

Info

Publication number: DE69011559T2
Application number: DE69011559T
Authority: DE
Inventors: William G Hawkins
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1989-03-30
Filing date: 1990-03-07
Publication date: 1995-03-30
Anticipated expiration: 2010-03-08
Also published as: EP0390346B1; DE69011559D1; EP0390346A2; EP0390346A3; JPH0815788B2; US4935752A; JPH03202353A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft wärmeanwendende Tintenstrahldruckervorrichtungen.
Obwohl das Drucken mit einer wärmeanwendenden Tintenstrahlvorrichtung entweder von der Art mit einem kontinuierlichen Strom oder von einer Art mit dem Ausstoß eines Tropfens jeweils auf Anforderung sein kann, ist die zuletzt genannte Art am weitesten verbreitet. Bei der Art der Druckvorrichtung mit der Ausstoßung eines Tropfens auf Anforderung wird thermische Energie verwendet, um eine Dampfblase in einem mit Tinte gefüllten Kanal zu erzeugen, um ein Tröpfchen auszustoßen. Ein Generator für thermische Energie oder ein Heizelement, üblicherweise ein Widerstand, ist in jedem der Kanäle in der Nähe der Düse unter einem vorbestimmten Abstand angeordnet. Die Widerstände werden einzeln adressiert mit einem Strompuls beaufschlagt, um momentan die Tinte zu verdampfen und eine Blase zu bilden, die ein Tintentröpfchen ausstößt. Wenn die Blase wächst, beult sich die Tinte aus der Düse heraus und nimmt aufgrund der Oberflächenspannung der Tinte eine Meniskusform an. Wenn die Blase anfängt, wieder zusammenzufallen, beginnt die noch in dem Kanal zwischen der Düse und der Blase vorhandene Tinte sich zu der zusammenfallenden Blase hin zu bewegen, was in bezug auf das Volumen eine Kontraktion der Tinte an der Düse bewirkt und zur Abtrennung der sich nach außen wölbenden Tinte in Form eines Tröpfchens führt. Die Beschleunigung der Tinte aus der Düse während des Wachstums der Blase bestimmt den Impuls und die Geschwindigkeit des Tröpfchens in einer im wesentlichen geradlinigen Richtung zu dem Aufzeichnungsmedium, wie z.B. Papier.
Die Umgebungsbedingungen des Heizelements während des Vorgangs des Ausstoßens des Tröpfchens beinhalten hohe Temperaturen, frequenzbezogene thermische Spannungen, ein hohes elektrisches Feld und eine bedeutende Hohlsogspannung. Die durch das Zusammenbrechen der Dampfblase erzeugte mechanische Spannung in der Passivierungsschicht, die das Heizelement von der Tinte isoliert, ist groß genug, um zu Spannungsbrüchen und in Verbindung mit ionischen Tinten zu Erosions-/Korrosionsangriff auf das Passivierungsmaterial zu führen. Der anwachsende Schaden der Passivierungsschicht und den Heizelementen und die Materialentfernung aus diesen Teilen führt zur Bildung von Überhitzungsstellen und zum Ausfall des Heizelements.
Bei weiteren Untersuchungen hat sich herausgestellt, daß der Großteil aller Ausfälle von Heizelementen nicht bei dem die Tinte verdampfenden Widerstand auftritt, sondern eher an der Verbindung des Widerstands und der adressierenden Elektrode, die den Widerstand mit seinem Treiber verbindet. In der Seitschießanordnung, wo der Fluß der Tinte zu der Düse und die Trajektorie des ausgestoßenen Tröpfchens in der gleichen Richtung liegen und diese Richtung parallel zur Oberfläche des Widerstands ist, ist der besonders anfällige Übergang von der Elektrode zu dem Widerstand derjenige, der auf der Zustromseite des Widerstands gelegen ist. Der Übergang zu der Elektrode, die näher an der Düse ist, wird weniger von Hohlsogkräften beeinflußt.
Wenn der wärmeanwendende Tintenstrahlwandler mittels Herstellungsverfahren für integrierte Schaltkreise auf Silizium gefertigt wird, können vor der Wafer-Metallisierung (typischerweise mittels Aluminium oder einer seiner Legierungen) abgeschiedene Schichten Temperaturen von ungefähr 1000º C widerstehen. Eine sich direkt aus der Hochtemperaturverarbeitung ergebende Folge ist die Möglichkeit, dielektrische Filme, wie Silizimdioxid oder Siliziumnitrit mit hoher Qualität und sehr geringer Defektdichte abzuscheiden oder zu wachsen. Es ist relativ einfach, nadellochfreie dielektrische Filme mit ungefähr 100 nm Dicke abzuscheiden. Derartige dünne, qualitativ hochwertige dielektrische Filme sind ideal für die Wandlerpassivierung, weil sie eine ausgezeichnete elektrische Isolierung bilden, während sie gleichzeitig eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Andererseits werden auf die Aluminiummetallisierung folgend abgeschiedene dielektrische Filme bei Temperaturen unter 400º C abgeschieden, um ein Schmelzen des Aluminiums zu vermeiden, und weisen bekanntermaßen eine relativ geringe Qualität im Vergleich zu den Hochtemperaturfilmen auf.
Die Tinenstrahlindustrie hat erkannt, daß die Betriebslebensdauer eines Tintenstrahldruckkopfes direkt zur Zahl der Zyklen oder erzeugten und zusammengefallenen Blasen in Beziehung steht, denen das Heizelement vor seinem Ausfall standhalten kann. Verschiedene Vorschläge und Bauformen für das Heizelement sind in den folgenden Patentschriften offenbart, von denen jedoch bisher keines die hauptsächliche Anfälligkeit der Heizelemente gegen Ausfall wegen der harten Umgebungsbedingungen durch die Hohlsogspannung und den Erosions-/Korrosionsangriff durch ionische Tinten gelöst hat.
Die US 4 725 859 von Shibata et al offenbart einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf, der einen elektrothermischen Wandler aufweist mit einer wäremerzeugenden Widerstandsschicht und einem Paar von mit der Schicht verbundenen Elektroden, so daß ein wärmeerzeugender Bereich zwischen den Elektroden geschaffen wird. Die Elektroden sind in der Nähe des wärmeerzeugenden Bereichs dünner ausgebildet, um eine Dünnung der Passivierungsschicht an den Kanten einer Stufe auszuschließen, die durch die anliegenden Kanten der an den wärmeerzeugenden Bereich der Widerstandsschicht angrenzenden Elektroden gebildet werden.
Die US 4 567 493 und die US 4 686 544, die beide an Ikeda et al erteilt wurden, offenbaren einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit einem elektrothermischen Wandler, der ein Paar von an eine Widerstandsschicht angeschlossenen Elektroden umfaßt, um einen Wärmeerzeugungsbereich zu bestimmen. Die US 4 567 493 offenbart eine Passivierungsschicht 208, die einen Kurzschluß der Elektroden verhindert, und eine zweite Passivierungsschicht 209, die ein Eindringen von Tinte verhindert und die Widerstandsfähigkeit der Elektrodenpassivierungsschichten gegen Flüssigkeiten verbessert. Eine dritte Schicht 210 schützt den Wärmeerzeugungsbereich gegen Hohlsogkräfte. Die US 4 686 544 offenbart eine gemeinsame Rückführungselektrode, die die gesamte Oberfläche des Substrats 206 bedeckt und über einer isolierenden Schicht 207 liegt, die die Vielzahl von Wandlern enthält und Öffnungen aufweist zur Anordnung der Wärmeerzeugungsbereiche.
Die US 4 339 762 von Shirato et al offenbart einen Tinenstrahlaufzeichnungskopf, wobei der wärmeerzeugende Bereich des Wandlers einen solchen Aufbau hat, daß die bereitgestellte Wärmemenge von Stelle zu Stelle auf der Heizoberfläche unterschiedlich ist, um das Volumen der momentan erzeugten Blasen zu ändern, um eine Abstufung in der Druckinformation zu erzielen.
Die US 4 370 668 von Hara et al offenbart ein Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren, das einen elektrothermischen Wandler verwendet, der einen auf einem Substrat vorgesehenen Schichtaufbau hat, der eine Widerstandschicht und Adresselektroden beinhaltet. Eine Signalspannung wird der Widerstandsschicht zugeführt, während eine zweite Spannung von ungefähr der Hälfte der Signalspannung an eine elektrisch von dem Wandler durch eine Passivierungsschicht isolierte Tantalschutzschicht angelegt wird. Eine solche Anordnung erhöht die dielektrische Durchbruchspannung und vergrößert die Lebensdauer des Aufzeichnungskopfes.
Die US 4 532 530 von Hawkins offenbart einen wärmeanwendenden Tintenstrahldruckkopf mit Heizelementen, die aus dotiertem polykristallinem Silizium hergestellt sind. Glas-Mesa-Strukturen isolieren den aktiven Bereich des Heizelements thermisch von dem Siliziumträgersubstrat und von den Elektrodenverbindungspunkten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen wärmeanwendenden Tintenstrahldruckkopf zu schaffen, der Heizelemente mit längerer Lebensdauer hat, und bei dem die Menge der für das Ausstoßen eines Tintentröpfchens benötigten elektrischen Energie minimiert werden kann, während gleichzeitig eine längere Betriebslebensdauer erzielt wird.
Erfindungsgemäß weist ein wärmeanwendender Tintenstrahldruckkopf eine Heizelementbauform auf, die die den durch die Erzeugung und das Zusammenbrechen der die Tropfen ausstoßenden Blasen erzeugten Hohlsogkräften unterworfenen Heizelementstrukturen von den auf der Zuführungsseite gelegenen Elektrodenverbindungen des Heizelementes beabstandet. In einer Ausführungsform wird dies dadurch erzielt, daß der Widerstandsbereich, wo momentan die Dampfblase erzeugt wird, eingeengt wird, so daß ein Abschnitt mit niedrigerer Temperatur zwischen dem die Blase erzeugenden Bereich und dem Elektrodenverbindungspunkt gelegen ist. In einer weiteren Ausführungsform ist die Elektrode an der die Blase erzeugenden Widerstandsschicht durch einen dotierten Polysiliziumabsteiger angebracht. Eine dritte Ausführungsform beabstandet den die Blase erzeugenden Bereich des Heizelements von dem zuführungsseitig gelegenen Elektrodenübergang, der für die Hohlsogbeschädigung am meisten anfällig ist, durch Verwendung einer Widerstandsschicht mit zwei unterschiedlichen Widerstandsstärken.
Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung einen wärmeanrendenden Tintenstrahldruckkopf mit einem Substrat, auf dessen einer Oberfläche eine Vielzahl von Heizelementen und damit verbundene jeweilige Adreßelektroden ausgebildet sind, und mit einer an das Substrat angepaßten Struktur, um den Tintenfluß festlegende Kanäle zu bilden, die an ihrem einen Ende Tropfen emittierende Düsen aufweisen, wobei jedes Heizelement für einen jeweiligen Kanal zustromseitig von der Düse gelegen ist und die adressierenden Elektroden mit dem Heizelement an dessen zustrom- und abstromseitigen Kanten verbunden sind, wobei die selektive Anwendung von elektrischen Signalen an den Elektroden zum Aufheizen des Heizelements bewirkt, daß Blasen in der Tinte in dem Kanal erzeugt werden und zusammenstürzen, wodurch verursacht wird, daß Tintentröpfchen aus den jeweiligen Düsen ausgestoßen und vorangetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement einen Hochtemperaturbereich und einen Niedertemperaturbereich hat, von denen beim Erhitzen des Heizelements nur der Hochtemperaturbereich die Erzeugung von Blasen in der Tinte bewirkt, wobei der Hochtemperaturbereich an die abstromseitige Elektrode angrenzend angeordnet und mit dieser elektrisch verbunden ist; und der Niedertemperaturbereich zwischen dem Hochtemperaturbereich und der zustromseitigen Elektrode angeordnet ist.
Die Erfindung wird nun für beispielhafte Ausführungsformen in bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. In den Zeichnungen zeigen:
Fig.1 eine schematische, isometrische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Druckkopfes;
Fig.2 eine Teilansicht eines Druckkopfes, wie er entlang einer Sichtlinie 2-2 der Fig. 1 gesehen wird;
Fig.3 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils eines Druckkopfs nach dem Stand der Technik, die die Heizelemente in der gleichen Ausrichtung wie in der Darstellung in der Fig. 2 zeigt;
Fig.4A eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils eines Druckkopfes, der in der Fig. 2 gezeigt wird, und die zu Vergleichzwecken ähnlich zu der Ansicht der Fig. 3 ist;
Fig.4B eine Grundrißansicht der Widerstandschicht, die das Heizelement der Fig. 4A bildet;
Fig.5 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die ähnlich zu der Ansicht in der Fig. 4A ist;
Fig.6 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die ähnlich zu den Ansichten in den Figuren 4A und 5 ist.
In der Fig. 1 ist eine schematische teilweise Darstellung eines thermische Energie anwendenden Tintenstrahldruckkopfes 10 in einer isometrischen Ansicht gezeigt, wobei die Trajektorien 11 der Tintentröpfchen für von den Mündungen oder Düsen 14 auf Anforderung ausgestoßene Tröpfchen 12 mit strichlierten Linien gezeigt sind. Der Druckkopf umfaßt eine Kanalplatte oder ein Substrat 13, das dauerhaft mit einer Heizelementplatte oder einem Substrat 15 verbunden ist. Das Material der Kanalplatte ist Silizium, und die Heizelementplatte 15 kann aus einem beliebigen dielektrischen oder halbleitenden Material bestehen. Alternativ dazu kann die Kanalplatte eine direkt auf die Heizelementplatte durch ein Verfahren mit einem Dickfilm eines photoempfindlichen Materials oder durch andere in der Tintenstrahlindustrie wohlbekannte Vorgehensweisen angebrachte Struktur aufweisen. Wenn ein Halbleitermaterial für die Heizelementplatte verwendet wird, dann muß eine isolierende Schicht auf ihrer Oberfläche ausgebildet sein, wie später noch erläutert wird. Vorzugsweise ist das Material für beide Substrate Silizium aufgrund der geringen Kosten, der Möglichkeit in großen Chargen herzustellen, wie in dem US-Patent Re. 32 572 von Hawkins offenbart ist, und das durch Bezugnahme hier mit aufgenommen sein soll.
Die Kanalplatte 13 enthält eine geätzte Einsenkung 20, die mit strichlierten Linien gezeigt ist, in einer Oberfläche, die bei Zusammenfügung mit der Heizelementplatte 15 ein Tintenreservoir oder ein Verteilungssystem bildet. Eine Vielzahl von identischen parallelen Rillen 22, die mit strichlierten Linien dargestellt sind, und dreieckigen Querschnitt haben, sind in die gleiche Oberfläche der Kanalplatte geätzt, wobei eines ihrer Enden durch die Seitenkante 16 der Kanalplatte hindurchtritt. Die anderen Enden der Rillen öffnen sich in die Einsenkung oder das Verteilungssystem 20. Wenn die Kanalplatte und die Heizelementplatte zusammengefügt werden, erzeugen die Durchstöße der Rillen durch die Seitenkante 16 die Mündungen 14 und die Rillen 22 dienen als Tintenkanäle, die das Versorgungssystem mit den Mündungen verbinden. Die Öffnung 25 in der Kanalplatte schafft eine Vorrichtung zum Aufrechterhalten einer Versorgung mit Tinte in dem Verteilungssystem von einer Tintenversorgungsquelle (nicht gezeigt). Alternativ dazu kann das Verteilungssystem 20 durch eine durchstoßende Ätzung erzeugt werden (nicht gezeigt), bei der der offene Boden als Tinteneinlaß dienen würde.
Die Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Druckkopfes, wie sie entlang der Sichtlinie 2-2 der Fig. 1 gesehen wird, die eines der Heizelemente oder der Widerstände 18, deren jeweilige adressierende Elektrode 17 mit einem Anschluß 21 und die gemeinsame Rückführungselektrode 19 zeigt. Die Widerstände sind durch Strukturierungsverfahren auf der Oberfläche 23 der Heizelementplatte 15 ausgebildet, wobei für jeden Tintenkanal in der durch das oben erwähnte Patent von Hawkins et al beschriebenen Weise jeweils einer vorgesehen ist, und dann werden die Elektroden 17 und die gemeinsame Rückführungselektrode 19 darauf abgelagert. Die adressierenden Elektroden und die Rückführungselektrode sind mit jeweiligen Anschlüssen 21 in der Nähe der Heizelementplatte verbunden, was jedoch nicht für die Seitenkante 24 zutrifft, die mit der die Mündungen 14 (vgl. Fig. 2 ) enthaltenden Seitenkante 16 der Kanalplatte koplanar ist. Die geerdete gemeinsame Rückführung 19, die man besser in der Fig. 1 sehen kann, beabstandet notwendigerweise die Heizelemente 18 von der Seitenkante 24 der Heizelementplatte und somit von den Mündungen 14. Die adressierenden Elektroden und die Heizelemente sind beide innerhalb der Tintenkanäle angeordnet, was eine nadellochfreie Passivierung notwendig macht, wo immer auch die Tinte mit ihnen in Kontakt treten kann. Die Anschlüsse 21 werden zum Drahtbonden (nicht gezeigt) der adressierenden Elektroden und der gemeinsamen Rückführungselektrode an eine Spannungsversorgung verwendet, die für ein selektives Adressieren der Heizelemente mit einem digitalisierte Daten darstellenden Strompuls geeignet ist, wobei jeder Puls ein Tröpfchen von dem Druckkopf ausstößt und es entlang der Trajektorien 11 zu einem Aufzeichnungsmedium (nicht gezeigt) spritzt durch die Bildung, das Wachstum und den Zusammenbruch einer Blase 26. Die Öffnung 25 schafft eine Vorrichtung, um das Versorgungssystem 20 voll mit Tinte zu halten.
Wie in dem US-Patent 4 532 530 von Hawkins offenbart ist, beginnt die Betriebsfolge des Blasenstrahlsystems mit einem Strompuls durch das Widerstandsheizelement in dem mit Tinte gefüllten Kanal. Für die zufriedenstellende Funktion des Druckers muß die von dem Heizelement auf die Tinte übertragene Wärme von ausreichender Größe sein, um die Tinte weit über ihren normalen Siedepunkt zu überhitzen. Für auf Wasser basierende Tinten beträgt die Temperatur für die Blasenbildung ungefähr 280º C. Nachdem sich ein Blasenkein gebildet hat, isoliert die Blase oder Wasserdampf die Tinte thermisch von dem Heizelement, und keine weite Wärme kann auf die Tinte angewendet werden. Die Blase expandiert bis die gesamte in der Tinte gespeicherte, über den normalen Siedepunkt hinausgehende Wärme wegdiffundiert oder zur Umwandlung der Flüssigkeit in Dampf aufgebraucht ist. Die Expansion der Blasen 26 stößt ein Tintentröpfchen 12 aus der Düse 14 aus. Nachdem die Überschußwärme weggeführt ist, fällt die Blase an dem Heizelement zusammen, wodurch bedeutende Hohlsogspannungen erzeugt werden, die zu Spannungsbruch über der Betriebsdauer führen. Das Heizelement wird nun nicht länger geheizt, weil der Strompuls durchgetreten ist und gegenwärtig durch den Zusammenfall der Blase das Tröpfchen bei einer hohen Geschwindigkeit in der Richtung gegen das Aufzeichnungsmedium ausgestoßen wird. Die gesamte Abfolge der Blasenbildung und des Zusammenfalls ereignet sich in ungefähr 30 Mikrosekunden. Der Kanal kann erneut betrieben werden nach einer minimalen Verweilzeit von 100-500 Mikrosekunden, um zu ermöglichen, daß der Kanal neu gefüllt wird und daß dynamische Wiederbefüllungsfaktoren etwas gedämpft werden.
Ein typisches Heizelement 18 nach dem Stand der Technik mit einer Dampfblase 26, die in strichlierten Linien gezeigt ist, wird schematisch in der Fig. 3 dargestellt. Die Heizelementplatte 15 kann isolierend oder halbleitend, wie z.B. aus Silizium, sein. Wenn die Heizelementplatte aus Silizium ist, dann wird eine isolierende Schicht 27, beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrit, auf seiner Oberfläche 23 vor dem Bilden des Widerstandsmaterials 40 für die Heizelemente 18, der adressierenden Elektroden 17 und der gemeinsamen Rückführung 19 ausgebildet. Die Passivierungsschicht 28 isoliert die Elektroden und die gemeinsame Rückführung von der Tinte, bei der es sich normalerweise um eine auf Wasser basierende Tinte handelt (nicht gezeigt). Obwohl jegliches Widerstandsmaterial verwendet werden kann, ist dotiertes Polysilizium ein übliches Material, das dann im allgemeinen von der Hohlraumschutzschicht 29, wie z.B. Tantal, durch eine thermisch gewachsene Siliziumdioxidschicht 30 isoliert ist. Wie man sieht, grenzt die Blase 26 (in strichlierten Linien gezeigt) an die Elektrodenverbindung mit dem Widerstandsmaterial an, so daß beim Zusammenfallen die Tinte mit hoher Geschwindigkeit nicht nur auf die Oberfläche des Widerstandsmaterials und ihrer schützenden Abdeckschichten trifft, sondern auch die Elektrode 17 von dem Widerstandsmaterial 40 an der dazwischenliegenden Verbindung ablöst. Das Ausstoßen eines Tintentröpfchens verringert den hydrodynamischen Stoß an der stromabgelegenen Verbindung einer gemeinsamen Rückführung 19 mit dem Widerstandsmaterial, so daß die zustromseitig gelegene Verbindung der adressierenden Elektrode mit dem Widerstandsmaterial der am stärksten für den Angriff durch den Hohsogstreß aufgrund der zusammenfallenden Blase anfällige Bereich ist.
Eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht des Heizelementbereichs 18 des Druckkopfes der Fig. 2 wird in der Fig. 4A gezeigt. Die Fig. 4B ist eine Draufsicht auf das Widerstandsmaterial 31, das in der Fig. 4A gezeigt ist. Unter Bezugnahme auf die Figuren 4A und 4B wird der zustromseitige Übergang 36 zwischen der Elektrode und dem Widerstandsmaterial durch eine Bauformausbildung des Heizelementes geschützt, die den Blasenerzeugungs- und Zusammenfallbereich 35 des Heizelements 18 von dem zustromseitig gelegenen Übergang 36 zu der Elektrode beabstandet durch Zwischenlegung eines kühleren Bereichs 34 mit geringerem Widerstand aus Widerstandsmaterial 31.
Dies wird erzielt durch Einengen des Widerstandsmaterials 31, um einen Hochtemperaturbereich 33 zu erzeugen, an dem die in trichlierten Linien gezeigte Blase 26 auftritt. Der Bereich 34 des Widerstandsmaterials 31 ist nicht nur aufgrund seiner größeren Breite, sondern auch wegen seiner Länge kühler, die länger als der abstromseitige Bereich 32 ist. Durch die Länge des Bereichs 34 des Widerstandsmaterials 31 wird der Übergang 36 von der Elektrode zu dem Widerstandsmaterial von dem Blasenerzeugungs- und Zusammenfallhochtemperaturbereich 35, der durch den schmalen Bereich 33 des Widerstandsmaterials 31 erzeugt wird, beabstandet. Siliziumdioxid- oder Phosphorsilikatglasmesas 39 können wahlweise auf der isolierenden Schicht 27 und unter dem Blasenerzeugungs- und Zusammenfallbereich 35 ausgebildet sein, so daß nur der schmale Bereich 33 des Widerstandsmaterials 31, wie z.B. dotiertes Polysilizium, ausreichend heiß werden, um die Dampfblasen in der Tinte zu bilden. Die gesamte Struktur 32 zwischen den passivierten Elektroden 17, 19 wird von einer thermischen Oxidschicht 30 abgedeckt und liegt unter einer Schutzschicht 29 aus Tantal.
Die Fig. 5 ist eine vergrößerte, schematische Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform des Heizelementabschnitts 18 des Druckkopfes. Die isolierende Schicht 27, die beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid besteht, ist so strukturiert, daß offene Durchführungen 41 darin ausgebildet sind, die einen Zugang zu der vergrabenen leitfähigen Schicht 38 aus dotiertem Silizium in der Oberfläche 23 der Siliziumheizelementplatte 15 ermöglichen. Die adressierende Aluminiumelektrode 17 kontaktiert die vergrabene leitfähige Schicht 38 an einem Ende durch einen der Durchgänge und das Widerstandsmaterial 31 kontaktiert das andere Ende der vergrabenen Schicht durch einen anderen Durchgang, um eine Abstiegstruktur oder einen Durchverbindungsbereich 37 auf der Zustromseite des Heizelements 18 zu schaffen, um die in strichlierten Linien gezeigte Blase 26 und somit den Hochtemperatur-, Blasenerzeugungs- und Zusammenbruchbereich 35 von der zustromseitigen Verbindung der adressierenden Elektrode 17 mit dem Widerstandsmaterial des Heizelementes zu beabstanden. Die gemeinsame Rückführungselektrode 19 ist mit dem Widerstandsmaterial 31 an dem abstromseitigen Ende verbunden. Diese Elektroden sind durch eine isolierende Schicht 28 passiviert, und das Widerstandsmaterial ist durch eine thermisch gewachsene Siliziumdioxidschicht 30 passiviert, wenn sie, wie in der US 4 532 530 von Hawkins offenbart ist, aus dotiertem Polysilizium besteht. Wahlweise kann eine der Hohlsogwirkung widerstehende Schicht 29, die aus Tantal bestehen kann, dazu verwendet werden, die thermisch gewachsene Siliziumdioxidschicht 30 des Widerstandsmaterials des Heizelements abzudecken. Die Aufbauanordnung des Heizelements nach der Fig. 5 weist wegen der Verwendung des Absteigers oder der Verbindungsbauweise eine besondere thermische Effizienz auf, durch welche der Blasen erzeugende elektrische Impuls von der adressierenden Elektrode 17 zu dem Widerstandsmaterial 31 durch die dazwischenliegende vergrabene leitfähige Schicht 38 aus dotiertem Silizium geleitet wird. Die vergrabene leitfähige Schicht könnte wahlweise als ein Bereich zum Aufbauen einer zweiten gemeinsamen Leitung dienen (nicht gezeigt). In einer Ausführungsform der Heizelementstruktur nach der Fig. 5 hat die vergrabene Schicht 38 einen Flächenwiderstand von 5 bis 10 Ohm pro Quadrat, im Gegensatz zu dem Widerstandsmaterial aus dotiertem Polysilizium, das einen Flächenwiderstand von ungefähr 35 Ohm pro Quadrat hat.
In der Fig. 6 wird eine weitere Ausführungsform der Heizelementstruktur 18 in einer vergrößerten Querschnittsansicht gezeigt, die ähnlich zu der der Figuren 4A und 5 ist. In dieser Ausführungsform umfaßt das Widerstandsmaterial der Heizelementstruktur zwei zusammenhängende unterschiedliche Bereiche oder Niveaus aus dotiertem Silizium. Ein Niveau aus dotiertem Silizium 52 hat einen geringen Flächenwiderstand von ungefähr 15 Ohm pro Quadrat, und das andere Niveau aus dotiertem Polysilizium 54 hat einen hohen Flächenwiderstand von ungefähr 35 Ohm pro Quadrat. Das Material 54 mit höherem Widerstand ist stromab von dem Material 52 mit niedrigerem Widerstand angeordnet und ist mit der gemeinsamen, an die Düse 14 angrenzenden Rückführungselektrode 19 verbunden. Die adressierende Elektrode 17 ist mit dem zustromseitigen Ende des Widerstandsmaterials mit geringerem Widerstand verbunden, so daß dieses Niveau aus Widerstandsmaterial dazu wirkt, den Blasenerzeugungs- und Zusammenbruchbereich von der Elektrode 17 zu beabstanden, die besonders anfällig für Beschädigungen durch Hohlsogspannungen ist. Dies hat seine Ursache darin, daß die Düse einen Ausgangspunkt für gerichtete Kräfte schafft, die durch die explosive Blasenerzeugung und deren Zusammenbruch erzeugt werden, während die aufgebrachten Schichten für die adressierende Aluminiumelektrode 17 und die passivierende Siliziumdioxidschicht 28, die einen Übergang zu dem Widerstandsmaterial des Heizelements darstellen, der vollen Wucht der gleichen und einander entgegengerichteten Richtungskräfte widerstehen müssen. Somit wird durch Schaffen einer Heizelementstruktur, die den Hochtemperatur-, Blasenerzeugungsund Zusammenbruchbereich von dem zustromseitigen Elektrodenübergang zu dem Widerstandsmaterial des Heizelements beabstandet, der Bereich des Heizelements, der als erstes zum Ausfall neigt, geschützt und die Betriebslebensdauer des Heizelements und folglich des Druckkopfes kann verlängert werden.

Claims

1. Ein thermische Energie verwendender Tintenstrahldruckkopf mit einem Substrat (15), auf dessen einer Oberfläche eine Struktur mit einer Vielzahl von Heizelementen (18) und entsprechenden, damit verbundenen Elektroden (17) ausgebildet ist, und mit einem Bauteil (13), das an das Substrat angepaßt ist, um den Tintenfluß bestimmende Kanäle (22) zu bilden, die Tropfen ausstoßende Düsen (14) an einem ihrer Enden aufweisen, wobei jedes Heizelement in der Nähe eines jeweiligen Kanals stromaufwärts von der Düse angeordnet ist und die adressierenden Elektroden mit dem Heizelement an seinen zustrom- und abstromseitigen Kanten verbunden sind, wobei die selektive Anwendung von elektrischen Signalen von den Elektroden zum Heizen der Heizelemente die Entstehung und das Zusammenfallen von Blasen (26) in der Tinte in den Kanälen bewirkt und dadurch den Ausstoß und den Vortrieb von Tintentröpfchen (12) aus den jeweiligen Düsen bewirkt; dadurch gekennzeichnet, daß

das Heizelement einen Hochtemperaturabschnitt (33) und einen Niedertemperaturabschnitt (34) hat, von denen beim Heizen des Heizelements nur der Hochtemperaturabschnitt (33) die Erzeugung von Blasen in der Tinte bewirkt, wobei der Hochtemperaturabschnitt (33) angrenzend an die stromabwärts gelegene Elektrode gelegen und mit dieser verbunden ist; und der Niedertemperaturabschnitt (34) zwischen dem Hochtemperaturabschnitt (33) und der zustromseitig gelegenen Elektrode angeordnet ist.

2. Ein Druckkopf nach Anspruch 1, wobei jedes Heizelement eine Widerstandsschicht umfaßt, und wobei der Hochtemperaturabschnitt durch einen schmäleren Bereich der Widerstandsschicht bestimmt ist.

3. Ein Druckkopf nach Anspruch 2, wobei der Hochtemperaturabschnitt von dem Substrat durch eine thermisch isolierende Mesastruktur (39) thermisch isoliert ist.

4. Ein Druckkopf nach Anspruch 3, wobei das Substrat aus Silizium besteht und die thermisch isolierende Mesastruktur aus Siliziumdioxid oder Phosphorsilikatglas besteht.

5. Ein Druckkopf nach Anspruch 1, wobei der Hochtemperaturabschnitt eine Widerstandsschicht (31) umfaßt, und der Niedertemperaturabschnitt eine vergrabene leitfähige Schicht (38) in dem Substrat umfaßt.

6. Ein Druckkopf nach Anspruch 5, wobei das Substrat aus Silizium besteht und die vergrabene leitfähige Schicht aus dotiertem Silizium besteht.

7. Ein Druckkopf nach Anspruch 1, wobei jedes Heizelement eine Widerstandsschicht mit zwei Gebieten (52, 54) von unterschiedlichem Flächenwiderstand umfaßt, wobei das Gebiet (54) mit höherem Flächenwiderstand der Hochtemperaturabschnitt und das Gebiet (52) mit niedrigerem Flächenwiderstand der Niedertemperaturabschnitt ist.

8. Ein Druckkopf nach Anspruch 7, wobei die Widerstandsschicht aus dotiertem Polysiliziummaterial besteht.