DE69609284T2

DE69609284T2 - Verfahren zum Herstellen eines Drop-on-demand Druckkopfs mit Heizvorrichtungen für die Düsen

Info

Publication number: DE69609284T2
Application number: DE69609284T
Authority: DE
Inventors: Kia Silverbrook
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1996-10-09
Publication date: 2001-01-25
Anticipated expiration: 2016-10-10
Also published as: JPH09164686A; US6217155B1; EP0771658A2; EP0771658A3; US5871656A; DE69609284D1; AUPN623895A0; EP0771658B1

Description

Die Erfindung bezaht sich auf das Gebiet computergesteuerter Druckvorrichtungen. Insbesondere betrifft sie das Gebiet der Verfahren zum Herstellen thermisch aktivierter "Drop-on-demand"-Druckköpfe (DOD-Druckköpfe).
Es wurden bereits die unterschiedlichsten digital gesteuerten Drucksysteme erfunden, und viele von ihnen werden derzeit auch hergestellt. Diese Drucksysteme arbeiten mit den unterschiedlichsten Betätigungsmechanismen, Tintenarten und Aufzeichnungsmedien. Beispiele heute in Benutzung befindlicher Drucksysteme sind unter anderem: Elektrografische Laser-Drucker, elektrografische LED-Drucker, Punktmatrix-Impact- Drucker, Thermopapierdrucker, Filmaufzeichnungsgeräte, Thermowachsdrucker, Farbdiffusions-Thermotransferdrucker und Tintenstrahldrucker. Bisher haben diese elektronischen Drucksysteme die mechanischen Druckmaschinen jedoch nicht in wesentlichem Umfang verdrängt, obwohl dieses herkömmliche Verfahren aufwendige Einrichtarbeiten erfordert und selten wirtschaftlich durchführbar ist, wenn nicht einige tausend Kopien einer gegebenen Seite zu drucken sind. Es besteht daher ein Bedarf an verbesserten digital gesteuerten Drucksystemen, die zum Beispiel in der Lage sind, Farbbilder hoher Qualität mit hoher Geschwindigkeit, kostengünstig und unter Verwendung von Normalpapier herzustellen.
Heute ist der Tintenstrahldruck zum Beispiel wegen seiner berührungsfreien Arbeitsweise, geringen Geräuschentwicklung, der Verwendung von Normalpapier und auch weil keine Tonerübertragung und keine Fixierung stattfinden, als herausragende Option im Bereich des digital gesteuerten elektronischen Drucks anerkannt.
Es wurden bereits viele Arten von Tintenstrahldruckmechanismen entwickelt. Diese lassen sich unterteilen in solche, die mit einem kontinuierlichen Tintenstrahl arbeiten (CIJ) und solche, bei denen Tintentropfen nach Bedarf abgegeben werden (DOD). Das CIJ-Tintenstrahldruckverfahren ist bereits mindestens seit 1929 bekannt: US-A- 1,941,001.
US A-3,373,437 beschreibt eine Anordnung von CIJ-Tintenstrahldüsen, bei der die aufzubringenden Tintentropfen selektiv geladen und in Richtung des Aufzeichnungsmediums abgelenkt werden. Diese Technik ist als CIJ-Verfahren mit binärer Ablenkung bekannt und wird von mehreren Herstellern, darunter Elmjet und Scitex, eingesetzt.
US-A-3,416,153 beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen von in variabler optischer Dichte gedruckten Punkten beim CIJ-Druckverfahren, wobei durch elektrostatische Dispersion eines geladenen Tropfenstromes die Anzahl der durch eine kleine Öffnung passierenden Tropfen moduliert wird. Diese Technik wird in den von Iris Graphics hergestellten Tintenstrahldruckern eingesetzt.
US-A-3,946,398 beschreibt einen DOD-Tintenstrahldrucker, der eine hohe Spannung an einen piezoelektrischen Kristall anlegt und dadurch den Kristall veranlasst, sich zu biegen und damit Druck auf einen Tintenvorrat anzulegen und Tropfen nach Bedarf auszustoßen. Inzwischen wurden viele unterschiedliche piezoelektrische Drop-ondemand-Drucker erfunden, die die Biege-, Schiebe-, Scher- und Quetschwirkung piezoelektrischer Kristalle ausnutzen. Piezoelektrische DOD-Drucker haben mit heißschmelzenden Tinten (z. B. Tektronix- und Dataproducts-Drucker) und bei Bildgeschwindigkeiten bis zu 720 dpi bei Heim- und Bürodruckern (Seiko Epson) wirtschaftliche Erfolge erzielt. Piezoelektrische DOD-Drucker weisen den Vorteil auf, dass sie mit unterschiedlichsten Tinten arbeiten können. Allerdings erfordern piezoelektrische Druckwerke normalerweise komplexe Treiberschaltungen hoher Spannung und große piezoelektrische Kristallanordnungen, und dies ist bezüglich der Produktionseigenschaften und der Leistung von Nachteil.
GB-A-2,007,162 beschreibt einen elektrothermischen DOD-Tintenstrahldrucker, der einen Stromimpuls an einen mit Tinte in einer Düse in thermischem Kontakt stehenden elektrothermischen Wandler (Heizelement) anlegt. Das Heizelement heizt die Tinte auf Wasserbasis rasch stark auf, woraufhin eine kleine Menge Tinte schnell verdampft und sich eine Blase bildet. Diese Blasenbildung führt zu einer Druckwelle, wodurch die Tintentropfen durch kleine, entlang der Kante des Trägers der Heizelemente angeordnete Öffnungen ausgestoßen werden. Diese Technologie ist als BubblejetTM-Verfahren (Warenzeichen der Canon K. K., Japan) bekannt und findet in zahlreichen Drucksystemen der Firmen Canon, Xerox und anderer Hersteller Anwendung.
US-A-4,490, 728 beschreibt ein elektrothermisches Tropfenausstoßsystem, das ebenfalls mit Blasenbildung arbeitet. Bei diesem System werden die Tropfen in einer zur Ebene des Trägers der Heizelemente senkrechten Richtung durch Düsen ausgestoßen, die in einer oberhalb des Heizelements positionierten Düsenplatte ausgebildet sind. Dieses System ist als Thermotintenstrahl-System bekannt und wird von Hewlett- Packard hergestellt. Im folgenden wird der Begriff Thermotintenstrahl-System sowohl für das Hewlett-Packard-System als auch für die üblicherweise unter der Bezeichnung BubblejetrM bekannten Systeme verwendet.
Beim Thermotintenstrahl-Drucken werden normalerweise zum Ausstoßen eines Tropfens etwa 20 uJ während eines Zeitraums von etwa 2 us benötigt. Die aktive Stromaufnahme von 10 W jedes Heizelements ist an sich schon nachteilig; darüber hinaus erfordert sie spezielle Tinten, kompliziert die Treiberelektronik und beschleunigt die Verschlechterung der Heizelemente.
Weitere Tintenstrahl-Drucksysteme wurden zwar in der technischen Literatur beschrieben, sind aber derzeit nicht kommerziell im Einsatz. Zum Beispiel beschreibt US-A- 4,275,290 ein System, bei dem durch das gleichzeitige Anlegen von Wärmeimpulsen und hydrostatischem Druck an vorbestimmte Druckkopfdüsen die Tinte frei auf das unterhalb des Druckkopfs gerade hindurchgeführte, durch Abstandshalter in einem Abstand gehaltene Papier fließen kann. Die Europäische Patentanmeldung 0 498 292 A2, US-A-4,737,803 und 4,748,458 beschreiben Tintenstrahl-Aufzeichnungssysteme, bei denen das gleichzeitige Anlegen von Wärmeimpulsen und eines elektrostatischen Anziehungsfeldes an Tinte in Druckkopfdüsen das Ausstoßen der Tintentropfen auf ein zu bedruckendes Blatt bewirkt.
Die vorstehend beschriebenen Tintenstrahldrucksysteme haben sämtlich Vorteile und Nachteile. Es besteht jedoch weiterhin ein allgemein anerkannter Bedarf an einer verbesserten Lösung für ein Tintenstrahldrucksystem, die zum Beispiel Vorteile bezüglich Kosten, Schnelligkeit, Qualität, Zuverlässigkeit, Stromverbrauch, Einfachheit der Bauweise und des Betriebes, Dauerhaftigkeit und der Verbrauchsmaterialien bietet.
Meine ältere Anmeldung mit dem Titel "Druckvorrichtung und System für Flüssigtinte" beschreibt neue Verfahren und Geräte, die wesentliche Verbesserungen hinsichtlich der Überwindung der vorstehend beschriebenen Probleme des Standes der Technik bieten. Diese Erfindungen bieten bedeutende Vorteile, zum Beispiel bezüglich Tropfengröße und Platzierungsgenauigkeit, erreichbarer Druckgeschwindigkeit, Stromverbrauch, Dauerhaftigkeit und der im Betrieb auftretenden thermischen Beanspruchungen sowie weiterer Drucker-Leistungsmerkmale und bezüglich der Herstellbarkeit und der Eigenschaften der verwendbaren Tinten. Ein wichtiger, in den beiliegenden. Ansprüchen definierter Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, die in jener Anmeldung beschriebenen Strukturen und Verfahren weiter zu verbessern und damit zum Fortschritt der Drucktechnologie beizutragen.
Eine wichtige Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Herstellungsverfahrens für die Herstellung von Düsenstrukturen für thermisch aktivierte Drop-on-demand Druckköpfe. Gemäß einem Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines thermisch aktivierten Drop-on-demand Druckkopfs mit den folgenden Schritten vor: 1) Ausbilden einer Vielzahl von Elektroden auf einem Substrat, 2) Ausbilden einer Oberflächenschicht auf der vorderen Fläche des Substrats, 3) Ätzen einer Vielzahl von die Elektroden schneidenden, spitz zulaufenden Düsenlöchern durch die Elektrodenschicht hindurch, 4) Beschichten der spitz zulaufenden Düsenlöcher mit einem Heizmaterial derart, dass zwischen den Elektroden und dem Heizmaterial ein elektrischer Kontakt entsteht, und 5) Entfernen des Heizmaterials aus allen Bereichen, außer den spitz zulaufenden Düsenlöchern.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung umfasst das Herstellungsverfahren ferner das Ätzen eines Teils der Oberflächenschicht derart, dass die Heizschicht einen von der Oberflächenschicht abstehenden Rand bildet.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung umfasst das Herstellungsverfahren ferner das Beschichten der Heizschicht mit einer Passivierungsschicht vor dem Entfernen des Heizmaterials von Bereichen, nicht jedoch von den Düsenlöchern, und das Entfernen der Passivierungsschicht von Bereichen, nicht jedoch von den Düsenspitzen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung besteht die Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung umfasst das Herstellungsverfahren ferner das gleichzeitige Ätzen einer Vielzahl von zylinderförmigen Löchern, wobei das Ätzmittel durch die spitz zulaufenden Düsenlöcher auf die vordere Fläche des Substrats einwirkt.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung umfasst das Herstellungsverfahren ferner das anisotrope Ätzen eines oder mehrerer Kanäle von der Unterseite des Substrats aus.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung besteht das Substrat aus einem Einzelkristallsilizium.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung besteht das Substrat aus einem Einzelkristallsilizium-Wafer mit einer < 100> kristallografischen Orientierung.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung besteht die Oberflächenschicht im wesentlichen aus Siliziumdioxid.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung wird das spitz zulaufende Düsenloch mit einem Radius von weniger als 50 Mikron hergestellt.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung besteht das Substrat aus einem Einzelkristallsilizium, und die Tintenkanäle werden derart geätzt, dass sie {111} kristallografische Flächen des Substrats freilegen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung wird die Treiberschaltung auf dem gleichen Substrat hergestellt wie die Düsen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 (a) ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Druckvorrichtung;
Fig. 1 (b) einen Querschnitt durch eine Art einer erfindungsgemäßen Düsenspitze;
Fig. 2(a) bis 2(f) flüssigkeitsdynamische Simulationen der Tropfenauswahl;
Fig. 3(a) eine flüssigkeitsdynamische Finitelement-Simulation einer in Betrieb befindlichen erfindungsgemäßen Düse;
Fig. 3(b) aufeinanderfolgende Meniskuspositionen während der Auswahl und des Ablösens eines Tropfens;
Fig. 3(c) die Temperaturen an verschiedenen Punkten während eines Tropfenauswahlzyklus;
Fig. 3(d) Kurven der Oberflächenspannung in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Tintenzusätze;
Fig. 3(e) die Stromimpulse, die zum Erzeugen der Temperaturkurven gemäß Fig. 3(c) an die Düsen-Heizelemente angelegt werden;
Fig. 4 ein Blockdiagramm der Druckkopftreiberschaltung zur Ausführung der Erfindung;
Fig. 5 geplante Produktionsausbeuten bei einem Merkmale der Erfindung enthaltenden Farbdruckkopf in der Breite einer A4-Seite mit und ohne Fehlertoleranz;
Fig. 6 ein verallgemeinertes Blockdiagramm eines Drucksystems mit einem LIFT-Druckkopf;
Fig. 7 eine Düsenanordnung für einen kleinen Druckkopf-Abschnitt;
Fig. 8 ein Detail der Anordnung zweier Düsen und zweier Treiber-Transistoren;
Fig. 9 die Anordnung einer Anzahl auf einem Standard-Siliziumwafer hergestellter Druckköpfe;
Fig. 10-21 Querschnitte des Druckkopfs in einem kleinen Bereich an der Spitze einer Düse in verschiedenen Stadien des Herstellungsverfahrens;
Fig. 22 eine perspektivische Ansicht der Rückseite eines Druckkopf-Chips;
Fig. 23(a) - 23(e) das gleichzeitige Ätzen der Düsen und Abtrennen des Chips; diese schematischen Darstellungen sind nicht maßstabsgetreu.
Fig. 24 die Abmessungen der Anordnung einer einzelnen Tintenkanal-Senke mit 24 Hauptdüsen und 24 redundanten Düsen;
Fig. 25 die Anordnung und die Abmessungen von 8 Tintenkanalsenken und ihrer entsprechenden Düsen in einem Druckkopf;
Fig. 26 32 Tintenkanalsenken an einem Ende eines Vierfarben-Druckkopfs;
Fig. 27(a) und 27(b) die Enden zweier angrenzender Druckkopfchips (Module), die zur Ausbildung längerer Druckköpfe stumpf gestoßen werden;
Fig. 28 die vollständige Anordnung von Tintenkanalsenken auf einem monolithischen 4" (100 mm) Druckkopfmodul.
Allgemein stellt die Erfindung einen Drop-on-demand-Druckmechanismus dar, bei dem die Mittel zur Auswahl der aufzubringenden Tropfen eine Positionsdifferenz zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen erzeugen, die jedoch für die Tintentropfen nicht ausreicht, die Oberflächenspannung der Tinte zu überwinden und sich von der Masse der Tinte abzulösen, wobei alternative Mittel vorgesehen sind, durch die die Ablösung der ausgewählten Tropfen von der Masse der Tinte bewirkt wird.
Durch die Trennung der Tropfenauswahlmittel von den Tropfenablösemitteln wird die erforderliche Energie für die Auswahl der aufzubringenden Tintentropfen beträchtlich verringert, da jetzt nur die Tropfenauswahlmittel durch die den einzelnen Düsen zugeführten Signale betätigt werden müssen. Bei den Tropfenauswahlmitteln kann es sich um ein Feld oder einen Zustand handeln, das/der gleichzeitig an alle Düsen angelegt wird.
Unter anderem können die Mittel zur Tropfenauswahl aus der folgenden Liste ausgewählt werden:
1) Elektrothermische Reduzierung der Oberflächenspannung von unter Druck stehender Tinte.
2) Elektrothermische Erzeugung von Blasen, wobei das Blasenvolumen nicht ausreicht, den Tropfenausstoß zu bewirken.
Die Mittel zum Ablösen der Tropfen können unter anderem aus folgender Liste ausgewählt werden:
1) Proximity-Verfahren (Aufzeichnungsmedium befindet sich nahe am Druckkopf).
2) Proximity-Verfahren mit schwingendem Tintendruck.
3) Elektrostatische Anziehung.
4) Magnetische Anziehung.
In der Tabelle "Ziele der DOD-Drucktechnologie" sind einige wünschenswerte Merkmale der Drop-on-demand-Drucktechnologie dargestellt. Außerdem sind in der Tabelle einige Verfahren aufgeführt, mittels derer einige hierin oder in anderen meiner verwandten Anmeldungen beschriebene Ausführungsformen Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik ermöglichen.

Ziele der DOD-Drucktechnologie

Ziel Verfahren zur Erzielung von Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik
Sehr schnelle Arbeitsweise Praktische, kostengünstige, seitenbreite Druckköpfe mit mehr als 10.000 Düsen. Monolithische Druckköpfe in der Breite einer A4-Seite können unter Verwendung von Standard-Siliziumwafer von 300 mm (12") hergestellt werden.
Hohe Bildqualität Hohe Auflösung (800 dpi sind für die meisten Anwendungen ausreichend), Sechs-Farben-Verfahren für geringeres Bildrauschen.
Vierfarbendruck Rasterfarbdruckverfahren mit 800 dpi mittels stochasischer Rasterung.
Flexibilität bei der Tinte Niedrige Betriebs-Tintentemperatur, keine Blasenbildung erforderlich.
Geringer Strombedarf Dadurch, dass die Tropfenauswahlmittel die Tropfen nicht vollständig ausstoßen müssen, ergibt sich ein geringer Strombedarf.
Niedrige Kosten Monolithischer Druckkopf ohne Düsenplatte, hohe Produktionsgeschwindigkeit, geringe Anzahl elektrischer Anschlüsse, Einsatz modifizierter, vorhandener CMOS- Herstellungsanlagen.
Hohe Produktionsausbeute Im Druckkopf integrierte Fehlertoleranz.
Hohe Zuverlässigkeit Im Druckkopf integrierte Fehlertoleranz. Keine Cavitation und Kogation. Verringerung von Thermoschocks.
Geringe Anzahl elektrischer Schieberegister, Steuerlogik und Treiberschaltungen Anschlüsse können mittels Standard-CMOS-Verfahren in einen monolithischen Druckkopf integriert werden.
Einsatz vorhandener VLSI- CMOS-Kompatibilität. Diese kann dadurch erreicht Produktionsanlagen werden, dass die Antriebsleistung des Heizelements weniger als 1% der Antriebsleistung eines Thermo- Tintenstrahl-Heizelements beträgt.
Elektronische Kollationierung Ein neues Seiten-Komprimiersystem kann mit nur unbedeutender Bildverschlechterung eine 100 : 1-Komprimierung erreichen, wodurch eine komprimierte Datenrate erzielt wird, die gering genug ist, um das Drucken jeder beliebigen Kombination von Tausenden auf einer kostengünstigen Magnetplatte gespeicherter Seiten zu ermöglichen.
Bei Thermo-Tintenstrahl- (TIJ) und piezoelektrischen Tintenstrahldrucksystemen wird eine Tropfengeschwindigkeit von etwa 10 m/s bevorzugt, damit die ausgewählten Tropfen die Oberflächenspannung der Tinte überwinden, sich von der Masse der Tinte ablösen und auf das Aufzeichnungsmedium gelangen können. Diese Systeme weisen eine sehr geringe Effizienz bei der Umsetzung elektrischer Energie in kinetische Tropfenenergie auf. Die Effizienz von TIJ-Systemen liegt bei etwa 0,02%. Dies bedeutet, dass die Antriebsschaltungen der TIJ-Druckköpfe hohe Ströme schalten müssen. Die Antriebsschaltungen piezoelektrischer Tintenstrahldruckköpfe müssen entweder hohe Spannungen schalten oder stark kapazitive Lasten treiben. Auch die Gesamtstromaufnahme seitenbreiter TIJ-Druckköpfe ist sehr hoch. Ein mit 800 dpi druckender Vierfarben-TIJ-Druckkopf in der Breite einer A4-Seite, der ein Vierfarbenbild in einer Sekunde druckt, würde etwa 6 kW elektrischen Strom verbrauchen, wovon der größte Teil in überschüssige Wärme umgewandelt wird. Die Schwierigkeiten der Abführung dieser Wärmemenge verhindern die Herstellung kostengünstiger, kompakter, mit hoher Auflösung arbeitender seitenbreiter Hochleistungs-TIJ-Systeme.
Ein wichtiges Merkmal erfindungsgemäßer Ausführungsformen besteht in der Möglichkeit, die für die Auswahl der aufzubringenden Tintentropfen erforderliche Energie wesentlich zu verringern. Dies wird dadurch erreicht, dass die Mittel zur Auswahl der Tintentropfen von den Mitteln getrennt werden, die dafür sorgen, dass die ausgewählten Tropfen sich von der Masse der Tinte ablösen und Punkte auf dem Aufzeichnungsmedium ausbilden. Nur die Tropfenauswahlmittel müssen von den den einzelnen Düsen zugeführten Signalen angetrieben werden. Die Mittel für die Ablösung der Tropfen können aus einem gleichzeitig an alle Düsen angelegten Feld oder Zustand bestehen.
In der Tabelle "Tropfenauswahlmittel" sind einige der erfindungsgemäßen Möglichkeiten zum Auswählen von Tropfen dargestellt. Die Tropfenauswahlmittel müssen nur eine Veränderung der Position der ausgewählten Tropfen derart bewirken, dass die Tropfenablösemittel zwischen ausgewählten und nicht ausgewählten Tropfen unterscheiden können. Tropfenauswahlmittel
Außerdem können noch weitere Tropfenauswahlmittel eingesetzt werden.
Bevorzugtes Mittel zur Auswahl der Tropfen ist für Tinten auf Wasserbasis das Verfahren 1: "Elektrothermische Reduzierung der Oberflächenspannung unter Druck stehender Tinte". Dieses Mittel zur Tropfenauswahl bietet gegenüber anderen System zahlreiche Vorteile, darunter: Geringer Stromverbrauch (etwa 1% des Verbrauchs von TIJ- Systemen), Kompatibilität mit der CMOS VLSI-Chipherstellung, Betrieb mit niedriger Spannung (etwa 10 V); hohe Düsendichte, Funktion bei niedriger Temperatur und Eignung zahlreicher unterschiedlicher Tintenarten. Die Tinte muss bei steigender Temperatur eine Verringerung der Oberflächenspannung aufweisen.
Bevorzugtes Mittel zur Tropfenauswahl bei heißschmelzenden Tinten oder Tinten auf Ölbasis ist das Verfahren 2: "Elektrothermische Reduzierung der Tintenviskosität in Kombination mit schwingendem Tintendruck". Dieses Tropfenauswahlmittel ist besonders für den Einsatz bei Tinten geeignet, die mit steigender Temperatur eine starke Abnahme der Viskosität, aber nur eine geringe Reduzierung der Oberflächenspannung aufweisen. Dies ist insbesondere bei nicht polaren Tintenträgern mit relativ hohem Molekulargewicht der Fall. Und es trifft insbesondere für heißschmelzende Tinten und Tinten auf Ölbasis zu.
In der Tabelle "Mittel zum Ablösen der Tropfen" sind einige Möglichkeiten zusammengestellt, mit denen ausgewählte Tintentropfen von der Tintenmasse abgelöst werden können und sichergestellt werden kann, dass die ausgewählten Tropfen Punkte auf dem Druckmedium ausbilden. Die Tropfenablösemittel unterscheiden zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen und stellen sicher, dass nicht ausgewählte Tropfen keine Punkte auf dem Druckmedium ausbilden. Mittel zum Ablösen der Tropfen
Es können jedoch auch andere Mittel zum Ablösen der Tropfen eingesetzt werden. Welches Tropfenablösemittel bevorzugt wird, hängt von dem beabsichtigten Verwendungszweck ab. Für die meisten Anwendungen sind das Verfahren 1: "Elektrostatische Anziehung" oder das Verfahren 2: "Elektrisches Wechselfeld" am besten geeignet. Bei Anwendungen, die mit glattem beschichtetem Papier oder Film arbeiten und bei denen eine sehr hohe Geschwindigkeit nicht wichtig ist, kann auch das Verfahren 3: "Proximity-Verfahren" zweckmäßig sein. Für mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Qualitätssysteme ist das Verfahren 4: "Proximity-Übertragung" einsetzbar. Das Verfahren 6: "Magnetische Anziehung" eignet sich für tragbare Drucksysteme, bei denen das Druckmedium für das Drucken im Proximity-Verfahren zu rau ist und die für die elektrostatische Tropfenablösung erforderlichen hohen Spannungen nicht wünschenswert sind. Es gibt also kein eindeutig unter allen Umständen "bestes" Mittel zum Ablösen der Tropfen.
Fig. 1 (a) zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines bevorzugten erfindungsgemäßen Drucksystems.
Als Bildquelle 52 können von einem Scanner oder Computer gelieferte Rasterbilddaten oder Konturbilddaten in Form einer Seitenbeschreibungssprache (PDL) oder andere Formen der digitalen Bildwiedergabe dienen. Die Bilddaten werden von dem Bildverarbeitungssystem 53 in eine Pixelmap-Bildseite umgewandelt. Dabei kann es sich im Falle von PDL-Bilddaten um einen Rasterbildprozessor (RIP) oder bei Rasterbilddaten um eine Pixelbildmanipulation handeln. Die von der Bildverarbeitungseinheit 53 erzeugten Halbtondaten werden gerastert. Das Rastern erfolgt mittels der digitalen Rastereinheit 54. Die gerasterten Bitmapbilddaten werden im Bildspeicher 72 gespeichert. Je nach Konfiguration des Druckers und des Systems kann der Bildspeicher 72 ein Ganzseitenspeicher oder ein Streifenspeicher sein. Steuerschaltungen 71 für die Heizelemente lesen Daten aus dem Bildspeicher 72 aus und legen zeitlich variierende elektrische Impulse an die einen Teil des Druckkopfs 50 bildenden Düsen-Heizelemente (103 in Fig. 1 (b)) an. Die Impulse werden jeweils derart zum richtigen Zeitpunkt an die richtige Düse angelegt, dass ausgewählte Tropfen Punkte an der von den Daten im Bildspeicher 72 bezeichneten richtigen Position auf dem Aufzeichnungsmedium 51 ausbilden.
Das Aufzeichnungsmedium 51 wird bezüglich des Druckkopfs 50 mittels eines Papiertransportsystems 65 bewegt, das von einem Papiertransport-Steuerungssystem 66 elektrisch gesteuert wird, wobei letzteres seinerseits von einer Mikrosteuerung 315 gesteuert wird. Fig. 1(a) zeigt nur eine schematische Darstellung eines Papiertrans portsystems, wobei viele verschiedene mechanische Konfigurationen möglich sind. Bei seitenbreiten Druckköpfen ist es am zweckmäßigsten, das Aufzeichnungsmedium 51 an einem stationären Druckkopf 50 vorbei zu transportieren. Bei Abtastdrucksystemen ist es jedoch üblicherweise am zweckmäßigsten, den Kopf 50 in einer relativen Rasterbewegung entlang einer Achse (in der Neben-Abtastrichtung) und das Druckmedium 51 entlang der dazu senkrecht stehenden Achse (der Haupt-Abtastrichtung) zu transportieren. Die Mikrosteuerung 315 kann auch den Tintendruckregler 53 und die Steuerschaltungen 71 der Heizelemente steuern.
Beim Drucken mit Reduzierung der Oberflächenspannung ist die Tinte unter Druck in einem Tintenbehälter 64 aufgenommen. Im Ruhezustand (wenn kein Tintentropfen ausgestoßen wird) reicht der Tintendruck nicht aus, die Oberflächenspannung der Tinte zu überwinden und einen Tropfen auszustoßen. Ein konstanter Tintendruck kann dadurch erzielt werden, dass gesteuert von einem Tintendruckregler 63 ein Druck an den Tintenbehälter 64 angelegt wird. Alternativ kann der Tintendruck bei größeren Drucksystemen sehr präzise dadurch erzeugt und gesteuert werden, dass die Oberfläche der Tinte im Behälter 64 um einen bestimmten Stand über dem Druckkopf 50 gehalten wird. Dieser Tintenfüllstand kann durch ein einfaches (nicht dargestelltes) Schwimmersystem geregelt werden.
Beim Drucken mit Reduzierung der Viskosität befindet sich die Tinte unter Druck in einem Tintenbehälter 64, und der Tintendruck wird zum Schwingen gebracht. Dieses Schwingen des Drucks kann durch ein in den Tintenleitungen montiertes (nicht dargestelltes) piezoelektrisches Betätigungselement bewirkt werden.
Bei ordnungsgemäßer Anordnung in Verbindung mit den Tropfenablösemitteln bilden ausgewählte Tropfen dann Punkte auf dem Aufzeichnungsmedium 51 aus, während nicht ausgewählte Tropfen sich nicht von der Tintenmasse ablösen.
Die Tinte wird der hinteren Oberfläche des Druckkopfs 50 über eine Tintenverteilereinrichtung 75 zugeführt. Die Tinte fließt vorzugsweise durch in das Siliziumwafer des Druckkopfs 50 geätzte Schlitze und/oder Öffnungen zur vorderen Fläche, an der sich die Düsen und Betätigungselemente befinden. Im Falle der thermischen Auswahl sind die Düsen-Betätigungselemente elektrothermische Heizelemente.
Bei manchen erfindungsgemäßen Druckertypen ist ein externes Feld 74 erforderlich, damit sich der ausgewählte Tropfen von der Masse der Tinte ablöst und sich in Richtung des Aufzeichnungsmediums 51 bewegt. Zweckmäßig als externes Feld 74 ist ein konstantes elektrisches Feld, da die Tinte in einfacher Weise elektrisch leitend gemacht werden kann. In diesem Fall kann die Papierführung oder Druckplatte 67 aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt und als das elektrische Feld erzeugende Elektrode verwendet werden. Als andere Elektrode kann der Kopf 50 selbst dienen. Bei anderen Ausführungsformen dient die Nähe des Druckmediums als Mittel zur Unterscheidung zwischen ausgewählten Tropfen und nicht ausgewählten Tropfen.
Bei kleinen Tropfengrößen ist die auf den Tintentropfen wirkende Schwerkraft sehr klein, etwa 10&supmin;&sup4; der Oberflächenspannungskräfte, so dass die Schwerkraft in den meisten Fällen außer Betracht bleiben kann. Damit ist es möglich, den Druckkopf 50 und das Aufzeichnungsmedium 51 in jeder beliebigen Richtung relativ zum örtlichen Schwerkraftfeld auszurichten. Dies ist für tragbare Drucker wichtig.
Fig. 1 (b) zeigt eine Ausschnittsvergrößerung eines Querschnitts durch eine einzelne, mikroskopisch kleine erfindungsgemäße Düsenspitze, die mittels eines modifizierten CMOS-Verfahrens hergestellt wurde. Die Düse wird in einen Träger 101 geätzt, der aus Silizium, Glas, Metall oder jedem anderen geeigneten Material bestehen kann. Wenn Träger verwendet werden, die nicht aus Halbleitermaterial bestehen, kann ein Halbleitermaterial (zum Beispiel amorphes Silizium) auf den Träger aufgebracht werden, und die integrierten Treibertransistoren und Datenverteilerschaltungen können dann in der halbleitenden Oberschicht ausgebildet werden. Einkristall-Siliziumsubstrate (SCS) bieten verschiedene Vorteile, darunter:
1) In SCS lassen sich Treibertransistoren hoher Leistung und andere Schaltungen herstellen.
2) Die Druckköpfe können in vorhandenen Anlagen unter Verwendung normaler VLSI-Verarbeitungseinrichtungen hergestellt werden.
3) SCS weist hohe mechanische Festigkeit und Starrheit auf, und
4) SCS besitzt hohe Wärmeleitfähigkeit.
Bei diesem Beispiel ist die Düse zylindrisch, wobei das Heizelement 103 als Ring ausgebildet ist. Die Düsenspitze 104 besteht aus Siliziumdioxidschichten 102, die wäLend der Herstellung der CMOS-Treiberschaltung aufgebracht werden. Die Spitze ist mit Siliziumnitrid passiviert. Die vorstehende Düsenspitze bestimmt den Berührungspunkt der unter Druck stehenden Tinte 100 auf der Druckkopfoberfläche. Außerdem ist die Druckkopfoberfläche hydrophobiert, um ein unkontrolliertes Ausbreiten der Tinte auf der Druckkopfvorderseite zu verhindern.
Möglich sind auch viele andere Düsenausbildungen, und die erfindungsgemäßen Düsenausführungen können in Form, Abmessungen und verwendeten Materialien variieren. Monolithische Düsen, die in den Träger geätzt werden, auf dem das Heizelement und die Treiberelektronik ausgebildet werden, bieten den Vorteil, dass sie keine Düsenöffnungsplatte benötigen. Der Wegfall der Düsenöffnungsplatte führt zu beträchtlichen Kosteneinsparungen in Herstellung und Montage. Zu den jüngsten Verfahren, durch die Düsenöffnungsplatten überflüssig werden, gehören unter anderem der Einsatz von "Wirbel"-Betätigungseinrichtungen der Art, wie sie in US-A-4,580,158 und US-A-5,371,527 beschrieben sind. Diese sind jedoch kompliziert zu betätigen und schwierig herzustellen. Die bevorzugte Möglichkeit, Düsenöffnungsplatten bei erfindungsgemäßen Druckköpfen überflüssig zu machen, besteht darin, die Öffnung in den Träger des Betätigungselements zu integrieren.
Dieser Düsentyp ist bei Druckköpfen einsetzbar, die mit den unterschiedlichsten Techniken für die Ablösung des Tropfens arbeiten.

Arbeitsweise mit elektrostatischer Tropfenablösung

Fig. 2 zeigt als erstes Beispiel die Arbeitsweise mit thermischer Reduzierung der Oberflächenspannung und elektrostatischer Tropfenablösung.
In Fig. 2 sind die Ergebnisse der mittels FIDAP, einem von Fluid Dynamics Inc., Illinois, USA, vertriebenen kommerziellen Flüssigkeitsdynamik-Simulationssoftwarepaket, durchgeführten Simulationen des Energietransports und der Flüssigkeitsdynamik dargestellt. Diese Simulation bezieht sich auf eine Ausführungsform einer thermischen Tropfenauswahldüse mit einem Durchmesser von 8 um und einer Umgebungstemperatur von 30ºC. Die an das Heizelement angelegte Gesamtenergie beträgt 276 nJ und wird in Form von 69 Impulsen von je 4 nJ angelegt. Der Flüssigkeitsdruck liegt um 10 kPa über dem Umgebungsluftdruck, und die Viskosität der Tinte bei 30ºC beträgt 1,84 cPs. Die Tinte auf Wasserbasis enthält ein 0,1%iges Palmitinsäuresol, wodurch eine verbesserte Abnahme der Oberflächenspannung bei steigender Temperatur erreicht wird. Dargestellt ist ein Querschnitt der Düsenspitze von der Mittelachse der Düse bis zu einem radialen Abstand von 40 um. Der Wärmefluss in den verschiedenen Düsenmaterialien, darunter Silizium, Siliziumnitrid, amorphes Siliziumdioxid, kristallines Siliziumdioxid, und der Tinte auf Wasserbasis werden mittels entsprechender Dichten, Wärmekapazitäten und Wärmeleitfähigkeiten der Materialien simuliert. Der Zeitschritt der Simulation beträgt 0,1 us.
In Fig. 2(a) ist der Ruhezustand unmittelbar vor Betätigung des Heizelements dargestellt. Dadurch, dass man dafür sorgt, dass der Tintendruck zuzüglich des externen elektrostatischen Feldes nicht ausreicht, die Oberflächenspannung der Tinte bei der Umgebungstemperatur zu überwinden, wird ein Gleichgewichtszustand hergestellt derart, dass im Ruhezustand keine Tinte aus der Düse austritt. Im Ruhezustand ragt der Meniskus der Tinte nicht wesentlich über die Druckkopfoberfläche hinaus, so dass das elektrostatische Feld am Meniskus nicht wesentlich konzentriert ist.
In Fig. 2(b) sind die thermischen Linien in 5ºC-Schritten 5 us nach Beginn des Aktivierimpulses für das Heizelement dargestellt. Bei Aktivierung des Heizelements wird die mit der Düsenspitze in Berührung stehende Tinte rasch aufgeheizt. Die Reduzierung der Oberflächenspannung führt dazu, dass der erwärmte Bereich des Meniskus sich gegenüber dem kühleren Tintenmeniskus rasch ausdehnt. Dadurch entsteht eine konvektive Strömung, die diese Wärme schnell über einen Teil der freien Oberfläche der Tinte an der Düsenspitze transportiert. Die Wärme muss sich über die Tintenoberfläche und nicht nur in dem Bereich verteilen, in dem die Tinte mit dem Heizelement in Berührung steht. Denn die direkt mit dem Heizelement in Berührung stehende Tinte wird durch zähe Reibung in dem festen Heizelement daran gehindert, sich zu bewegen.
Fig. 2(c) zeigt die thermischen Linien in 5ºC-Schritten 10 us nach Beginn des Aktivierungsimpulses für das Heizelement. Die Temperaturerhöhung verursacht eine Reduzierung der Oberflächenspannung und stört damit das Kräftegleichgewicht. Wenn der gesamte Meniskus erwärmt ist, beginnt die Tinte zu fließen.
Fig. 2(d) zeigt die thermischen Linien in 5ºC-Schritten 20 us nach Beginn des Aktivierungsimpulses für das Heizelement. Durch den Druck der Tinte hat der Meniskus eine neue Position eingenommen und ragt jetzt aus dem Druckkopf hervor. Das elektrostatische Feld wird durch den hervorragenden leitfähigen Tintentropfen konzentriert.
Fig. 2(e) zeigt die thermischen Linien in 5ºC-Schritten 30 us nach Beginn des Aktivierungsimputses für das Heizelement, d. h. 6 us nach Ende des Impulses für das Heizelement, da die Impulsdauer für das Heizelement 24 us beträgt. Die Düsenspitze hat sich aufgrund der Wärmeableitung durch die Oxidschichten und der Wärmeleitung in die fließende Tinte rasch abgekühlt. Tatsächlich ist die Düsenspitze durch die Tinte "wassergekühlt". Durch elektrostatische Anziehung beginnt der Tintentropfen sich in Richtung des Aufzeichnungsmediums zu beschleunigen. Wäre der Impuls für das Heizelement wesentlich kürzer (in diesem Fall kürzer als 16 us), würde sich die Tinte nicht in Richtung des Druckmediums beschleunigen, sondern in die Düse zurückziehen.
Fig. 2(f) zeigt die thermischen Linien in 5ºC-Schritten 26 us nach Ende des Impulses für das Heizelement. Die Temperatur an der Düsenspitze liegt jetzt weniger als 5ºC über der Umgebungstemperatur. Dadurch erhöht sich die Oberflächenspannung um die Düsenspitze herum. Wenn die Geschwindigkeit, mit der die Tinte aus der Düsenspitze herausgezogen wird, die durch die Zähigkeit begrenzte Tintenfließgeschwindigkeit durch die Düse übersteigt, schnürt sich die Tinte im Bereich der Düsenspitze ein, und der ausgewählte Tropfen löst sich von der Masse der Tinte ab. Dadurch gelangt der ausgewählte Tropfen unter dem Einfluss des externen elektrostatischen Feldes auf das Aufzeichnungsmedium. Der Meniskus der Tinte an der Düsenspitze zieht sich dann in die Ruhestellung zurück, in Erwartung des nächsten Wärmeimpulses zur Auswahl des nächsten Tintentropfens. Bei jedem Wärmeimpuls wird ein Tintentropfen ausgewählt, abgelöst und bildet einen Punkt auf dem Aufzeichnungsmedium ab. Da die Wärmeimpulse elektrisch gesteuert werden, kann so ein Drop-on-demand-Tintenstrahldruckbetrieb erreicht werden.
In Fig. 3(a) sind aufeinanderfolgende Meniskusstellungen während des Tropfenauswahlzyklus in 5 us-Schritten, beginnend mit dem Einsetzen des Aktivierungsimpulses für das Heizelement, dargestellt.
Fig. 3(b) zeigt in einer Grafik der Meniskusstellung in Abhängigkeit von der Zeit die Bewegung des Punktes in der Mitte des Meniskus. Der Impuls für das Heizelement beginnt 10 us nach Beginn der Simulation.
Fig. 3(c) zeigt die resultierende Temperatur/Zeit-Kurve an verschiedenen Punkten der Düse. Dabei ist auf der vertikalen Achse die Temperatur in Einheiten von 100ºC aufgetragen. Die horizontale Achse gibt die Zeit in Einheiten von 10 us wieder. Die in Fig. 3(b) dargestellte Temperaturkurve wurde mittels FIDAP in 0,1 us-Zeitschritten berechnet. Die Umgebungstemperatur beträgt 30ºC. Dargestellt sind die Temperaturentwicklungen an drei Punkten:
A - Düsenspitze: Diese Kurve gibt die Temperaturentwicklung am Berührungskreis zwischen Passivierungsschicht, Tinte und Luft wieder.
B - Meniskus-Mitte: Hierbei handelt es sich um einen Kreis des Tintenmeniskus in der Mitte zwischen Düsenspitze und Meniskusmittelpunkt.
C - Chip-Oberfläche: Diese Kurve bezieht sich auf einen Punkt auf der Druckkopfoberfläche 20 um entfernt vom Düsenmittelpunkt. Die Temperatur steigt nur um wenige Grade an. Dies weist darauf hin, dass die aktiven Schaltungen sehr nahe an den Düsen angeordnet werden können, ohne dass sich dadurch die Leistung oder Lebensdauer wegen hoher Temperaturen verschlechtert.
Fig. 3(e) gibt den an das Heizelement angelegten Strom wieder. Für eine optimale Funktion ist es erforderlich, dass zu Beginn des Aktivierungsimpulses für das Heizelement die Temperatur scharf ansteigt, während der Impulsdauer etwas unterhalb des Siedepunktes der Tinte gehalten wird und zum Ende des Impulses rasch wieder abfällt. Hierzu wird die an das Heizelement angelegte mittlere Energie über die Impulsdauer hinweg verändert. Im vorliegenden Fall wird diese Veränderung durch Impulsfrequenzmodulation in Teilimpulsen von 0,1 us mit einer Energie von jeweils 4 nJ erreicht. Der an das Heizelement angelegte Spitzenstrom beträgt 40 mW, der über die Dauer des Impulses für das Heizelement angelegte mittlere Strom beträgt 11,5 mW. Die Teilimpulsfrequenz beträgt in diesem Fall 5 MHz. Diese kann ohne weiteres verändert werden, ohne die Arbeitsweise des Druckkopfs wesentlich zu beeinträchtigen. Eine höhere Teilimpulsfrequenz ermöglicht eine feinere Steuerung des an das Heizelement angelegten Stromes. Geeignet ist eine Teilimpulsfrequenz von 13,5 MHz, da diese Frequenz auch geeignet ist, den Effekt von Hochfrequenzstörungen (RFI) zu minimieren.

Tinten mit einem negativen Temperaturkoeffizienten der Oberflächenspannung

Die Bedingung, dass die Oberflächenspannung der Tinte mit steigender Temperatur abnehmen muss, ist keine wesentliche Einschränkung, da die meisten reinen Flüssigkeiten und viele Mischungen diese Eigenschaften aufweisen. Exakte Gleichungen, die die Oberflächenspannung für beliebige Flüssigkeiten zur Temperatur in Beziehung setzen, gibt es nicht. Für viele Flüssigkeiten ist die folgende empirische Gleichung, die von Ramsay und Shields abgeleitet wurde, jedoch ausreichend:
worin yr die Oberflächenspannung bei der Temperatur T, k eine Konstante, Tc die kritische Temperatur der Flüssigkeit, M die molare Masse der Flüssigkeit, x der Assoziationsgrad der Flüssigkeit und p die Dichte der Flüssigkeit ist. Aus dieser Gleichung geht hervor, dass die Oberflächenspannung der meisten Flüssigkeiten auf Null absinkt, wenn die Temperatur die kritische Temperatur der Flüssigkeit erreicht. Bei den meisten Flüssigkeiten liegt die kritische Temperatur wesentlich über dem Siedepunkt unter atmosphärischem Druck, so dass die Zugabe von oberflächenaktiven Mitteln empfohlen wird, um eine Tinte zu erhalten, die bei geringer Temperaturänderung um eine praktische Ausstoßtemperatur herum eine starke Veränderung der Oberflächenspannung aufweist.
Wichtig ist die Wahl des oberflächenaktiven Mitteis. Zum Beispiel enthalten Tinten auf Wasserbasis für thermische Tintenstrahldrucker oftmals Isopropylalkohol (2-Propanol) zur Reduzierung der Oberflächenspannung und Begünstigung des schnellen Trocknens. Der Siedepunkt von Isopropylalkohol liegt bei 82,4ºC, also unter dem von Wasser. Mit steigender Temperatur verdampft der Alkohol schneller als Wasser, womit sich die Alkoholkonzentration verringert und die Oberflächenspannung zunimmt. Um diesen Effekt umzukehren, kann man ein oberflächenaktives Mittel wie 1-Hexanol (Siedepunkt 158ºC) verwenden und erreichen, dass die Oberflächenspannung mit der Temperatur leicht abnimmt. Allerdings ist eine relativ starke Verringerung der Oberflächenspannung mit der Temperatur erwünscht, um die Funktionsbreite zu maximieren. Bevorzugt ist eine Abnahme der Oberflächenspannung von 20 mN/m über einen Temperaturbereich von 30ºC hinweg, um breite Funktionsbereiche zu erreichen, wobei jedoch 10 mN/m für die erfindungsgemäße Funktion des Druckkopfs ausreichen.

Tinten mit starker negativer Veränderung der Oberflächenspannung

Um eine starke negative Veränderung der Oberflächenspannung bei steigender Temperatur zu erreichen, werden verschiedene Methoden, darunter die beiden folgenden, angewandt:
1) Die Tinte kann ein Sol eines oberflächenaktiven Mittels geringer Konzentration enthalten, das bU Umgebungstemperaturen fest ist, bei einer Schwellentemperatur jedoch schmilzt. Wünschenswert sind Partikelgrößen unter 1.000 Å. Geeignete Schmelzpunkte für oberflächenaktive Mittel liegen bei einer Tinte auf Wasserbasis zwischen 50ºC und 90ºC, vorzugsweise zwischen 60ºC und 80ºC.
2) Die Tinte kann eine Öl/Wasser-Mikroemulsion mit einer Phasenumkehrtemperatur (PIT) enthalten, die über der höchsten Umgebungstemperatur, aber unter dem Siedepunkt der Tinte liegt. Im Sinne der Stabilität liegt die PIT der Mikroemulsion vorzugsweise mindestens 20ºC über der maximalen Nichtbetriebstemperatur, der die Tinte ausgesetzt ist. Geeignet ist eine PIT von etwa 80ºC.

Tinten mit oberflächenaktivem Sol

Tinten können als Sol kleiner Partikel eines oberflächenaktiven Mittels hergestellt werden, die im gewünschten Betriebstemperaturbereich schmelzen. Beispiel derartiger oberflächenaktiver Mittel sind unter anderem Carbonsäuren mit zwischen 14 und 30 Kohlenstoffatomen wie:
Da der Schmelzpunkt von Solen mit kleiner Partikelgröße üblicherweise geringfügig unter dem des entsprechenden Trockenguts liegt, wählt man vorzugsweise eine Carbonsäure, deren Schmelzpunkt geringfügig über der gewünschten Tropfenablösetemperatur liegt. Ein gutes Beispiel hierfür ist Arachinsäure.
Diese Carbonsäuren sind in hoher Reinheit und preisgünstig zu haben. Die erforderliche Menge des oberflächenaktiven Mittels ist sehr gering, so dass die Kosten der Beigabe des Mittels zur Tinte unbedeutend sind. Um die Schmelzpunkte über einen Temperaturbereich zu verteilen, kann man eine Mischung von Carbonsäuren etwas unterschiedlicher Kettenlängen verwenden. Derartige Mischungen kosten normalerweise weniger als die reine Säure.
Die Auswahl des oberflächenaktiven Mittels braucht nicht auf einfache, unverzweigte Carbonsäuren beschränkt zu werden. Einsetzbar sind auch oberflächenaktive Mittel mit verzweigten Ketten oder Phenylgruppen oder anderen hydrophoben Komponenten. Es muss nicht unbedingt eine Carbonsäure verwendet werden. Für das hydrophile Ende des oberflächenaktiven Mittels sind viele hochpolare Komponenten geeignet. Das polare Ende sollte in Wasser ionisierbar sein, so dass die Oberfläche der oberflächenaktiven Partikel geladen werden kann, um die Dispersion zu unterstützen und ein Ausflocken zu vermeiden. Bei Carbonsäuren kann dies durch Zugabe eines Alkali, etwa Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid erreicht werden.

Herstellung von Tinten mit oberflächenaktiven Solen

Das oberflächenaktive Sol kann getrennt in hoher Konzentration hergestellt und der Tinte in der erforderlichen Konzentration zugegeben werden.
Zum Beispiel kann bei der Herstellung eines oberflächenaktiven Sols wie folgt vorgegangen werden:
1) Zugeben der Carbonsäure zu gereinigtem Wasser in sauerstofffreier Atmosphäre.
2) Erwärmen der Mischung auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt der Carbonsäure. Das Wasser kann zum Sieden gebracht werden.
3) Behandlung der Mischung mit Ultraschall, bis die typische Größe der Carbonsäuretröpfchen zwischen 100Å und 1.000Å liegt.
4) Abkühlenlassen der Mischung.
5) Entfernen der größeren Partikel im oberen Bereich der Mischung durch Dekantieren.
6) Zugeben eines Alkali, wie NaOH, um die Carbonsäuremoleküle an der Oberfläche der Partikel zu ionisieren. Geeignet ist ein pH-Wert von etwa 8. Dieser Schritt ist nicht unbedingt nötig, hilft aber das Sol zu stabilisieren.
7) Zentrifugieren des Sols. Da Carbonsäure eine niedrigere Dichte hat als Wasser, sammeln sich kleinere Partikel außen an der Zentrifuge, größere Partikel in der Mitte.
8) Filtrieren des Sols durch ein mikroporöses Filter, um Partikel über 5.000Å zu eliminieren.
9) Zugeben des oberflächenaktiven Sols zur vorbereiteten Tinte. Das Sol ist nur in sehr stark verdünnter Konzentration erforderlich.
Die vorbereitete Tinte enthält außerdem entweder Farbstoff(e) oder Pigment(e), bakterizide Mittel, Mittel zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der Tinte im Falle der elektrostatischen Tropfenablösung, Benetzungsmittel und nach Bedarf noch weitere Stoffe.
Schaumverhinderungsmittel sind normalerweise nicht erforderlich, da während des Ausstoßens der Tropfen keine Bläschenbildung stattfindet.

Kationische oberflächenaktive Sole

Mit anionischen oberflächenaktiven Solen hergestellte Tinten sind im allgemeinen zur Verwendung in Verbindung mit kationischen Farbstoffen oder Pigmenten nicht geeignet, denn der kationische Farbstoff bzw. das Pigment könnten mit dem anionischen oberflächenaktiven Mittel ausfällen oder ausflocken. Wenn kationische Farbstoffe und Pigmente verwendet werden sollen, ist ein kationisches oberflächenaktives Mittel erforderlich. Geeignet für diesen Zweck ist die Familie der Alkylamine.
In der folgenden Tabelle sind verschiedene geeignete Alkylamine aufgeführt:
Das Verfahren der Zubereitung kationischer oberflächenaktiver Sole entspricht im wesentlichen jenem für anionische oberflächenaktive Sole mit der Ausnahme, dass zum Einstellen des pH-Gleichgewichts und zur Erhöhung der Ladung der oberflächenaktiven Partikel anstelle eines Alkali eine Säure verwendet wird. Geeignet ist ein mittels HCl eingestellter pH-Wert von 6.

Tinten auf Mikroemulsionsbasis

Eine andere Möglichkeit, eine starke Reduzierung der Oberflächenspannung bei einem bestimmten Temperaturschwellwert zu erreichen, besteht in der Formulierung der Tinte auf Basis einer Mikroemulsion. Dabei wählt man eine Mikroemulsion mit einer Phasenumkehrtemperatur (PIT) im Bereich der gewünschten Schwellentemperatur für den Tropfenausstoß. Unterhalb der Phasenumkehrtemperatur liegt die Mikroemulsion als Öl-in-Wasser-Emulsion (O/W), oberhalb der Phasenumkehrtemperatur als Wasserin-Öl-Emulsion (W/O) vor. Bei niedrigen Temperaturen bevorzugt das die Mikroemulsion bildende oberflächenaktive Mittel eine stark gekrümmte Oberfläche um Öl, bei wesentlich über der Phasenumkehrtemperatur liegenden Temperaturen bevorzugt es eine stark gekrümmte Oberfläche um Wasser. Bei Temperaturen in der Nähe der Phasenumkehrtemperatur bildet die Mikroemulsion einen kontinuierlichen "Schwamm" aus topologisch verbundenem Wasser und Öl aus.
Die Oberflächenspannung wird dabei durch zwei Mechanismen verringert. Um die Phasenumkehrtemperatur herum bevorzugt das oberflächenaktive Mittel nur sehr gering gekrümmte Oberflächen. Infolgedessen wandern die Moleküle des oberflächenaktiven Mittels zur Grenzfläche Tinte/Luft, deren Krümmung sehr viel geringer ist als die Krümmung der Ölemulsion. Dadurch sinkt die Oberflächenspannung des Wassers. Oberhalb der Phasenumkehrtemperatur verändert sich die Mikroemulsion von O/W nach W/O, womit sich auch die Grenzfläche Tinte/Luft von Wasser/Luft zu Öl/Luft ändert. Die Grenzfläche Öl/Luft hat eine geringere Oberflächenspannung.
Für die Herstellung von Tinten auf Mikroemulsionsbasis gibt es vielerlei Möglichkeiten.
Um ein schnelles Ausstoßen der Tropfen zu erreichen, wählt man vorzugsweise ein Öl geringer Viskosität.
In vielen Fällen ist Wasser ein geeignetes polares Lösungsmittel. In manchen Fällen können jedoch auch andere polare Lösungsmittel nötig sein. In diesen Fällen sollten polare Lösungsmittel mit einer hohen Oberflächenspannung gewählt werden, so dass eine starke Abnahme der Oberflächenspannung erreichbar ist.
Das oberflächenaktive Mittel kann so gewählt werden, dass man eine Phasenumkehrtemperatur im gewünschten Bereich erhält. Zum Beispiel können oberflächenaktive Mittel der Gruppe Poly(oxyethylen)alkylphenylether (ethoxylierte Alkyphenole, allgemeine Formel: CnH2n+1C&sub4;H&sub6;(CH&sub2;CH&sub2;O)mOH) verwendet werden. Durch Erhöhung von m kann die Hydrophilie, durch Erhöhung von n die Hydrophobie erhöht werden. Geeignet sind Werte für m von etwa 10 und für n von etwa 8.
Kostengünstige handelsübliche Präparate erhält man durch Polymerisation von Ethylenoxid und Alkylphenolen in unterschiedlichen molaren Verhältnissen, wobei die exakte Zahl der Oxyethylengruppen um den gewählten Mittelwert herum schwankt. Diese handelsüblichen Präparate sind ausreichend, hochreine oberflächenaktive Mittel mit einer bestimmten Anzahl von Oxyethylengruppen sind nicht erforderlich.
Die Formel für dieses oberflächenaktive Mittel lautet: C&sub8;H&sub1;&sub7;C&sub4;H&sub6;(CH&sub2;CH&sub2;O)nOH (Durchschnitt n = 10).
Als Synonyme können unter anderem genannt werden: Octoxynol-10, PEG-10 Octylphenylether und PEO (10) Octylphenylether.
Das hydrophile/lipophile Gleichgewicht (HLB) liegt bei 13,6, der Schmelzpunkt bei 7ºC und der Trübungspunkt bei 65ºC.
Handelsübliche Zubereitungen dieses oberflächenaktiven Mittels sind unter verschiedenen Markennamen erhältlich. In der folgenden Tabelle sind Lieferanten und Markennamen zusammengestellt:

Handelsbezeichnung Lieferant

Akyporox OP100 Chem-Y GmbH
Alkasurf OP-10 Rhone-Poulenc Surfactants and Specialties
Dehydrophen POP 10 Pulcra SA
Hyonic OP-10 Henkel Corp.
lconol OP-10 BASF Corp.
Igepal O Rhone-Poulenc France
Macol OP-10 PPG Industries
Malorphen 810 Huls AG
Nikkol OP-10 Nikko Chem. Co. Ltd.
Renex 750 ICI Americas Inc.
Rexol 45/10 Hart Chemical Ltd.
Synperonic OP10 ICI PLC
Terric X10 ICI Australia
Diese Materialien sind in großen Mengen kostengünstig erhältlich (für weniger als einen Dollar pro Ib.) und tragen so weniger als 10 Cent je Liter zur zubereiteten Tinte auf Mikroemulsionsbasis mit einer 5%igen Konzentration des oberflächenaktiven Mittels bei.
Weitere geeignete ethoxylierte Alkylphenole sind unter anderem:
Tinten auf Mikroemulsionsbasis haben außer der Steuerung der Oberflächenspannung noch weitere Vorteile:
1) Mikroemulsionen sind thermodynamisch stabil und entmischen sich nicht. Daher können sie sehr lange gelagert werden. Dies ist besonders wichtig bei Bürodruckern und tragbaren Druckern, die möglicherweise nur dann und wann eingesetzt werden.
2) Die Mikroemulsion bildet spontan eine bestimmte Tropfengröße aus und muss nicht gerührt, zentrifugiert oder gefiltert werden, um einen bestimmten Tropfengrößenbereich des emulgierten Öls zu erhalten.
3) Der Anteil von Öl an der Tinte kann recht hoch sein, so dass Farbstoffe, die in Öl oder in Wasser oder in beidem löslich sind, verwendet werden können.
Außerdem ist es möglich, eine Mischung von Farbstoffen zu verwenden, von denen einer in Wasser, der andere in Öl löslich ist, um ganz bestimmte Farben zu erhalten.
4) Das Ausflocken von mit Öl mischbaren Pigmenten wird verhindert, da sie in den Öl-Mikrotröpfchen eingeschlossen sind.
5) Die Verwendung einer Mikroemulsion kann das Vermischen verschiedener Farben auf der Oberfläche des Druckmediums verringern.
6) Die Viskosität von Mikroemulsionen ist sehr gering.
7) Das Erfordernis der Zugabe von Benetzungsmitteln kann verringert werden oder ganz entfallen.

Farbstoffe und Pigmente in Tinten auf Mikroemulsionsbasis

Öl-in-Wasser-Mischungen können sehr hohe Ölanteile - bis zu 40% - enthalten und immer noch O/W-Mikroemulsionen bilden. Dies ermöglicht einen hohen Farbstoff oder Pigmentanteil.
Es können auch Mischungen von Farbstoffen und Pigmenten verwendet werden. Eine Tintenmischung auf Mikroemulsionsbasis, die sowohl Farbstoff als Pigmente enthält, kann zum Beispiel wie folgt zusammengesetzt sein:
1) 70% Wasser
2) 5% wasserlöslicher Farbstoff
3) 5% oberflächenaktives Mittel
4) 10% Öl
5) 10% mit Öl mischbares Pigment
In der folgenden Tabelle sind die neun Grundkombinationen von farbgebenden Mitteln in der Öl- und der Wasserphase der verwendbaren Mikroemulsion zusammengefasst:
Die neunte Kombination ohne farbgebende Mittel ist zum Drucken transparenter Beschichtungen, von UV-Tinte und selektiver Glanzeffekte nützlich.
Da viele Farbstoffe amphiphil sind, können große Farbstoffmengen auch in der Öl/Wasser-Grenzschicht gelöst werden, da diese Schicht eine sehr große Oberfläche hat.
Außerdem können mehrere Farbstoffe oder Pigmente in jeder Phase und auch eine Mischung von Farbstoffen und Pigmenten in jeder Phase vorliegen.
Bei Verwendung mehrerer Farbstoffe oder Pigmente stellt das Absorptionsspektrum der resultierenden Tinte den gewichteten Durchschnitt der Absorptionsspektren der verschiedenen verwendeten farbgebenden Mittel dar. Dies wirft zwei Probleme auf:
1) Das Absorptionsspektrum wird durch die Mittelung der Absorptionsspitzen beider farbgebenden Stoffe eher breiter, und dadurch ergibt sich eine Tendenz zu "schmutzigen" Farben. Um brillante Farben zu erhalten, müssen Farbstoffe und Pigmente sorgfältig nach ihren Absorptionsspektren, nicht nur nach ihrer vom Menschen wahrnehmbaren Farbe, ausgewählt werden.
2) Die Farbe der Tinte kann auf verschiedenen Substraten unterschiedlich erscheinen. Wenn ein Farbstoff und ein Pigment in Kombination eingesetzt werden, wird die Farbe des Farbstoffs bei Papieren mit stärkerer Absorption in der Farbe der gedruckten Tinte eher geringer vertreten erscheinen, da der Farbstoff vom Papier absorbiert wird, während das Pigment mehr "auf dem Papier" verbleibt. Dies kann in manchen Fällen als Vorteil genutzt werden.

Oberflächenaktive Mittel mit Krafft-Punkt im Tropfenauswahl-Temperaturbereich

Bei ionischen oberflächenaktiven Mitteln gibt es eine Temperatur (der Krafft-Punkt), unterhalb derer die Löslichkeit sehr gering ist und die Lösung im wesentlichen keine Miszellen enthält. Oberhalb der Krafft-Temperatur wird die Bildung von Miszellen möglich, und die Löslichkeit des oberflächenaktiven Mittels steigt rasch an. Wenn die kritische Miszellen-Konzentration (CMC) die Löslichkeit eines oberflächenaktiven Mittels bei einer bestimmten Temperatur übersteigt, wird die Mindestoberflächenspannung am Punkt der höchsten Löslichkeit und nicht bei der kritischen Miszellen-Konzentration Da viele Farbstoffe amphiphil sind, können große Farbstoffmengen auch in der Öl/Wasser-Grenzschicht gelöst werden, da diese Schicht eine sehr große Oberfläche hat.
Außerdem können mehrere Farbstoffe oder Pigmente in jeder Phase und auch eine Mischung von Farbstoffen und Pigmenten in jeder Phase vorliegen.
Bei Verwendung mehrerer Farbstoffe oder Pigmente stellt das Absorptionsspektrum der resultierenden Tinte den gewichteten Durchschnitt der Absorptionsspektren der verschiedenen verwendeten farbgebenden Mittel dar. Dies wirft zwei Probleme auf:
1) Das Absorptionsspektrum wird durch die Mittelung der Absorptionsspitzen beider farbgebenden Stoffe eher breiter, und dadurch ergibt sich eine Tendenz zu "schmutzigen" Farben. Um brillante Farben zu erhalten, müssen Farbstoffe und Pigmente sorgfältig nach ihren Absorptionsspektren, nicht nur nach ihrer vom Menschen wahrnehmbaren Farbe, ausgewählt werden.
2) Die Farbe der Tinte kann auf verschiedenen Substraten unterschiedlich erscheinen. Wenn ein Farbstoff und ein Pigment in Kombination eingesetzt werden, wird die Farbe des Farbstoffs bei Papieren mit stärkerer Absorption in der Farbe der gedruckten Tinte eher geringer vertreten erscheinen, da der Farbstoff vom Papier absorbiert wird, während das Pigment mehr "auf dem Papier" verbleibt. Dies kann in manchen Fällen als Vorteil genutzt werden.

Oberflächenaktive Mittel mit Krafft-Punkt im Tropfenauswahl-Temperaturbereich

Bei ionischen oberflächenaktiven Mitteln gibt es eine Temperatur (der Krafft-Punkt), unterhalb derer die Löslichkeit sehr gering ist und die Lösung im wesentlichen keine Miszellen enthält. Oberhalb der Krafft-Temperatur wird die Bildung von Miszellen möglich, und die Löslichkeit des oberflächenaktiven Mittels steigt rasch an. Wenn die kritische Miszellen-Konzentration (CMC) die Löslichkeit eines oberflächenaktiven Mittels bei einer bestimmten Temperatur übersteigt, wird die Mindestoberflächenspannung am Punkt der höchsten Löslichkeit und nicht bei der kritischen Miszellen-Konzentration erreicht. Unterhalb des Krafft-Punktes sind oberflächenaktive Mittel normalerweise sehr viel weniger wirksam.
Man kann diesen Faktor dazu nutzen, eine verstärkte Reduzierung der Oberflächenspannung mit steigender Temperatur zu erreichen. Bei Umgebungstemperaturen befindet sich nur ein Teil des oberflächenaktiven Mittels in Lösung. Wird das Düsen- Heizelement eingeschaltet, steigt die Temperatur, und es geht ein größerer Teil des oberflächenaktiven Mittels in Lösung, womit die Oberflächenspannung abnimmt.
Das gewählte oberflächenaktive Mittel sollte einen Krafft-Punkt aufweisen, der in der Nähe des oberen Temperaturbereichs liegt, auf den die Tinte angehoben wird. Dadurch erhält man eine maximale Spanne zwischen der bei Umgebungstemperaturen vorhandenen Konzentration des oberflächenaktiven Mittels und der bei der Tropfenauswahltemperatur vorhandenen Konzentration des in Lösung befindlichen oberflächenaktiven Mittels.
Die Konzentration des oberflächenaktiven Mittels sollte am Krafft-Punkt etwa der CMC entsprechen. Auf diese Weise wird die Oberflächenspannung bei erhöhten Temperaturen auf den maximalen Wert, bei Umgebungstemperaturen auf einen minimalen Wert reduziert.
In der folgenden Tabelle sind einige handelsübliche oberflächenaktive Mittel zusammengefaßt, deren Krafft-Punkte in dem gewünschten Bereich liegen: Formel Krafft-Punkt
C&sub1;&sub6;H&sub3;&sub3;SO&sub3;&supmin;Na&spplus; 57ºC
C&sub1;&sub8;H&sub3;&sub7;SO&sub3;&supmin;Na&spplus; 70ºC
C&sub1;&sub6;H&sub3;&sub3;SO&sub4;&supmin;Na&spplus; 45ºC
Na←O&sub4;S(CH&sub2;)&sub1;&sub6;SO&sub4;&supmin;Na&spplus; 44,9ºC
K←O&sub4;S(CH&sub2;)&sub1;&sub6;SO&sub4;&supmin;K&spplus; 55ºC
C&sub1;&sub6;H&sub3;&sub3;CH(CH&sub3;)C&sub4;H&sub6;SO&sub3;&supmin;Na&spplus; 60,8ºC

Oberflächenaktive Mittel mit Trübungspunkt im Tropfenauswahl-Temperaturbereich

Zur Herstellung einer Tinte, bei der die Oberflächenspannung mit zunehmender Temperatur sinkt, können nichtionische oberflächenaktive Mittel mit Polyoxyethylen (POE)-Ketten verwendet werden. Bei niedrigen Temperaturen ist die POE-Kette hydrophil und hält das oberflächenaktive Mittel in Lösung. Mit steigender Temperatur wird die Wasserstruktur um den POE-Teil des Moleküls gestört, und der POE-Teil wird hydrophob. Mit weiter steigenden Temperaturen wird das oberflächenaktive Mittel zunehmend vom Wasser abgestoßen, und dies führt zu einer zunehmenden Konzentration des oberflächenaktiven Mittels an der Luft/Tinten-Grenzfläche und damit zu geringerer Oberflächenspannung. Die Temperatur, bei der der POE-Teil eines nichtionischen oberflächenaktiven Mittels hydrophil wird, steht mit dem Trübungspunkt des oberflächenaktiven Mittels in Beziehung. POE-Ketten an sich sind nicht besonders geeignet, da der Trübungspunkt im allgemeinen über 100ºC liegt.
Um den Trübungspunkt von POE-Ketten zu senken, ohne eine starke Hydrophobie bei geringen Temperaturen zu bewirken, kann man Polyoxypropylen (POP) mit POE zu POEIPOP-Blockpolymeren kombinieren.
Symmetrische POEIPOP-Blockpolymere stehen in zwei Hauptkonfigurationen zur Verfügung, nämlich:
1) Oberflächenaktive Mittel mit POE-Segmenten an den Enden der Moleküle und einem POP-Segment in der Mitte, wie zum Beispiel die oberflächenaktiven Mittel der Poloxymer-Klasse (generisch CAS 9003-11-6),
2) oberflächenaktive Mittei mit POP-Segmenten an den Enden der Moleküle und einem POE-Segment in der Mitte, wie zum Beispiel die oberflächenaktiven Mittel der Meroxapol-Klasse (generisch CAS 9003-11-6).
In der folgenden Tabelle sind einige handelsübliche Poloxamer- und Meroxapol-Abarten mit hoher Oberflächenspannung bei Raumtemperatur in Kombination mit einem Trübungspunkt über 40º und unter 100ºC zusammengefasst:
Andere Poloxamer- und Meroxapol-Abarten können mit Hilfe bekannter Techniken in einfacher Weise synthetisch hergestellt werden. Wünschenswert ist eine möglichst hohe Oberflächenspannung bei Raumtemperatur und ein Trübungspunkt zwischen 40ºC und 100ºC, vorzugsweise zwischen 60ºC und 80ºC.
Geeignet können zum Beispiel Abarten von Meroxapol [HO(CHCH&sub3;CH&sub2;O)x(CH&sub2;CH&sub2;O)y(CHCH&sub3;CH&sub2;O)&sub2;OH] sein, bei denen die durchschnittlichen x- und z-Werte etwa bei 4 und der durchschnittliche γ-Wert bei etwa 15 liegen.
Wenn zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Tinte Salze eingesetzt werden, muss auch die Wirkung des Salzes auf den Trübungspunkt des oberflächenaktiven Mittels berücksichtigt werden.
Der Trübungspunkt von oberflächenaktiven Mitteln des POE-Typs wird durch Ionen, die die Wasserstruktur (zum Beispiel 1) stören, erhöht, da dadurch mehr Wassermoleküle verfügbar werden, die Hydrogen-Verbindungen mit freien POE-Sauerstoffpaaren eingehen können. Der Trübungspunkt von oberflächenaktiven Mitteln des POE-Typs wird durch die Wasserstruktur bildende Ione (z. B. Cl&supmin;OH&supmin;) gesenkt, da weniger Wassermoleküle zur Verfügung stehen, um Wasserstoffverbindungen einzugehen. Bromidione haben eine relativ geringe Auswirkung. Die Zusammensetzung der Tinte kann in der Weise speziell auf einen Temperaturbereich abgestimmt werden, dass man die Längen der POE- und POP-Ketten in einem als oberflächenaktives Mittel dienenden Blockpolymer durch entsprechende Auswahl der zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zugegebenen Salze verändert (z. B. Cl&supmin; zu Br zu I&supmin;). Die beste Wahl von Salzen zur Erhöhung der Leitfähigkeit der Tinte ist wegen des geringen Preises und der Ungiftigkeit wahrscheinlich NaCl. NaCl senkt den Trübungspunkt nichtionischer oberflächenaktiver Mittel leicht ab.

Heißschmelzende Tinten

Die Tinte braucht bei Raumtemperatur nicht flüssig zu sein. Wenn man den Druckkopf und den Tintenbehälter über den Schmelzpunkt der Tinte aufheizt, können auch feste, heißschmelzende Tinten verwendet werden. Die heißschmelzende Tinte muss so aufgebaut sein, dass die Oberflächenspannung der geschmolzenen Tinte mit sinkender Temperatur abnimmt. Für viele Zubereitungen unter Verwendung von Wachsen und anderen Substanzen ist eine Reduzierung von etwa 2 mN/m typisch. Um in Fällen, die auf die Reduzierung der Oberflächenspannung und nicht auf die Reduzierung der Viskosität abstellen, gute Betriebsspannen zu erreichen, ist jedoch eine Reduzierung der Oberflächenspannung um etwa 20 mN/m wünschenswert.
Die Temperaturdifferenz zwischen der Ruhetemperatur und der Tropfenauswahltemperatur kann bei heißschmelzenden Tinten größer sein als bei Tinten auf Wasserbasis, da Tinten auf Wasserbasis eine Einschränkung durch den Siedepunkt des Wassers erfahren.
Die Tinte muss bei Ruhetemperatur flüssig sein. Die Ruhetemperatur muss höher sein als die höchste Umgebungstemperatur, der die gedruckte Seite voraussichtlich ausgesetzt sein kann. Außerdem muss die Ruhetemperatur auch möglichst niedrig sein, um den zum Aufheizen des Druckkopfs benötigten Strom zu reduzieren und eine größtmögliche Spanne zwischen Ruhetemperatur und Tropfenausstoßtemperatur zu erhalten. Eine Ruhetemperatur zwischen 60ºC und 90ºC ist im allgemeinen zweckmäßig, wobei jedoch auch andere Temperaturen möglich sind. Als Tropfenausstoßtemperatur ist ein Bereich zwischen 160ºC und 200ºC im allgemeinen geeignet.
Die verstärkte Reduzierung der Oberflächenspannung bei steigender Temperatur lässt sich auf unterschiedliche Weise erreichen.
1) Zugabe einer Dispersion mikrofeiner Partikel eines oberflächenaktiven Mittels mit einem Schmelzpunkt wesentlich über der Ruhetemperatur, aber wesentlich unter der Tropfenausstoßtemperatur zur heißschmelzenden Tinte in deren flüssiger Phase.
2) Eine polare/nichtpolare Mikroemulsion mit einer Phasenumkehrtemperatur, die vorzugsweise um mindestens 20ºC über den Schmelzpunkten der polaren und nichtpolaren Verbindungen liegt.
Um eine starke Reduzierung der Oberflächenspannung mit der Temperatur zu erreichen, sollte der heißschmelzende Tintenträger vorzugsweise eine hohe Oberflächenspannung (über 30 mN/m) bei Ruhetemperatur aufweisen. Dies schließt im allgemeine Alkane, zum Beispiele Wachse, aus. Geeignete Materialien weisen im allgemeinen starke intermolekulare Anziehung auf, die durch Mehrfach-Wasserstoffbindungen erreicht werden kann, wie zum Beispiel bei Polyolen, etwa Hexantetrol, das einen Schmelzpunkt von 88ºC aufweist.

Reduzierung der Oberflächenspannung verschiedener Lösungen

Fig. 3(d) zeigt die gemessene Auswirkung der Temperatur auf die Oberliächenspannung verschiedener wässriger Zubereitungen mit den folgenden Zusätzen;
1) 0,1%iges Stearinsäuresol
2) 0,1%iges Palmitinsäuresol
3) 0,1%iges Pluoric 10R5-Lösung (BASF-Warenzeichen)
4) 0,1%iges Pluoric L35-Lösung (BASF-Warenzeichen)
5) 0,1%iges Pluoric L44-Lösung (BASF-Warenzeichen)

Arbeitsweise mit Reduzierung der Viskosität

Als zweites Beispiel soll im folgenden die Arbeitsweise einer Ausführungsform mit thermischer Reduzierung der Viskosität und Proximity-Tropfenablösung in Kombination mit einer heißschmelzenden Tinte beschrieben werden. Vor dem Betrieb des Druckers wird die feste Tinte im Behälter 64 geschmolzen. Der Behälter, die Tintenleitung zum Druckkopf, die Tintenkanäle 75 und der Druckkopf 50 werden auf einer Temperatur gehalten, bei der die Tinte 100 flüssig ist, aber eine relativ hohe Viskosität (z. B. etwa 100 cP) aufweist. Die Tinte 100 wird durch die Oberflächenspannung der Tinte in der Düse zurückgehalten. Die Tinte 100 ist derart aufgebaut, dass ihre Viskosität mit steigender Temperatur abnimmt. Der Tintendruck schwingt mit einer Frequenz, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Tropfenausstoßfrequenz aus der Düse ist. Das Schwingen des Tintendrucks führt zu einem Schwingen des Tintenmeniskus an den Düsenspitzen, wobei dieses Schwingen wegen der hohen Viskosität der Tinte jedoch gering ist. Bei normaler Betriebstemperatur sind diese Schwingungen nicht stark genug, um zu einer Ablösung des Tropfens zu führen. Wird das Heizelement 103 eingeschaltet, wird die den ausgewählten Tropfen bildende Tinte aufgeheizt, so dass sich die Viskosität auf einen Wert verringert, der vorzugsweise unter 5 cP liegt. Die verringerte Viskosität führt dazu, dass der Tintenmeniskus sich weiter durch den Hochdruckteil des Tintendruckzyklus bewegt. Das Aufzeichnungsmedium 51 befindet sich so nahe am Druckkopf 50, dass die ausgewählten Tropfen mit dem Aufzeichnungsmedium 51 in Berührung gelangen, andererseits jedoch so weit von ihm entfernt, dass die nicht ausgewählten Tropfen mit dem Aufzeichnungsmedium 51 nicht in Berührung gelangen. Bei Berührung des Aufzeichnungsmediums 51 erstarrt ein Teil des ausgewählten Tropfens und bleibt an dem Aufzeichnungsmedium haften. Mit fallendem Tintendruck beginnt die Tinte, sich wieder in die Düse zurückzuziehen. Die Masse der Tinte löst sich von der am Aufzeichnungsmedium haften gebliebenen Tinte. Der Tintenmeniskus 100 an der Düsenspitze beginnt wieder, mit geringerer Amplitude zu schwingen. Mit der Ableitung der noch vorhandenen Wärme in die Tintenmasse und den Druckkopf steigt die Viskosität der Tinte wieder auf die Viskosität im Ruhezustand an. Bei jedem Wärmeimpuls erfolgt die Auswahl eines Tintentropfens, der sich von der Masse der Tinte ablöst und einen Punkt auf dem Aufzeichnungsmedium 51 ausbildet. Da die Wärmeimpulse elektrisch gesteuert sind, kann so ein Drop-on-demand- Tintenstrahldruckbetrieb erreicht werden.

Bildverarbeitung für Druckköpfe

Eine Aufgabe der erfindungsgemäßen Drucksysteme besteht darin, eine Druckqualität entsprechend jener zu erreichen, an die die Menschen von Qualitäts-Farbdrucken her gewöhnt sind, die mittels des Offsetverfahrens gedruckt wurden. Dies kann durch einen hochaufgelösten Druck mit etwa 1.600 dpi erreicht werden. Allerdings ist das Drucken mit 1.600 dpi schwierig und teuer. Man kann vergleichbare Ergebnisse auch beim Drucken mit 800 dpi mit 2 Bits je Pixel für Cyan und Magenta und einem Bit je Pixel für Gelb und Schwarz erreichen. Im folgenden wird dieses Farbmodell als CC'MM'YK bezeichnet. Wenn auch einfarbige Bilder hoher Qualität gedruckt werden sollen, können auch zwei Bits je Pixel für Schwarz verwendet werden. Dieses Farbmodell wird im folgenden als CC'MM'YKK' bezeichnet.

Anwendungen unter Verwendung erfindungsgemäßer Druckköpfe

Die erfindungsgemäßen Druckvorrichtungen und Verfahren eignen sich für vielerlei Anwendungen, darunter (unter anderem): Den Farb- und Einfarben-Bürodruck, den digitalen Druck mit geringer Auflage, den digitalen Hochleistungs-Druck, den Mehrfarbendruck, den Schmuckfarbendruck, Offset-Beilagendruck, kostengünstige Drucker mit Abtast-Druckköpfen, Hochleistungsdrucker mit seitenbreiten Druckköpfen, tragbare Farb- und Monochromdrucker, Farb- und Monochromkopierer, Farb- und Monochrom- Telefaxgeräte, kombinierte Druck-, Telefax- und Kopiergeräte, Etikettendrucker, großformatige Plotter, fotografische Vervielfältigungsgeräte, Drucker für die digitale Fotoverarbeitung, in digitale Sofortkameras integrierte tragbare Drucker, den Videodruck, das Drucken von Photo-CD-Bildern, tragbare Drucker für "digitale persönliche Assistenten", den Tapetendruck, den Schilder- und Plakatdruck für den Innen- und Außeneinsatz und den Stoffdruck.

Ausgleich von Druckköpfen bezüglich der Umweltbedingungen

Bei Drop-on-demand-Drucksystemen sollten die Tropfen stets eine gleichbleibende und vorhersagbare Tropfengröße und Position aufweisen. Unerwünschte Schwankungen der Größe und Position der Tintentropfen führen zu Unterschieden in der optischen Dichte des erhaltenen Drucks und damit zugeringerer sichtbarer Druckqualität. Daher müssen diese Schwankungen innerhalb eines geringen Verhältnisses zum Nennvolumen des Tintentropfens bzw. Zum Pixelabstand gehalten werden. Dabei können viele Umweltvariablen ausgeglichen werden, um ihre Auswirkung auf ein unbeachtliches Maß zu reduzieren. Bei einigen Faktoren kann ein aktiver Ausgleich durch Veränderung des an das Düsenheizelement angelegten Stroms erreicht werden.
Bei einem optimalen Temperaturprofil einer Ausführungsform eines Druckkopfs wird der aktive Bereich der Düsenspitze schnell auf die Ausstoßtemperatur aufgeheizt, während der Impulsdauer auf der Ausstoßtemperatur gehalten und anschließend rasch wieder auf die Umgebungstemperatur abgekühlt.
Dieses Optimum ist wegen der gespeicherten Wärmekapazitäten und der Wärmeleitfähigkeiten der verschiedenen, für die Herstellung der erfindungsgemäßen Düsen verwendeten Materialien nicht erreichbar. Eine verbesserte Leistung kann jedoch dadurch erreicht werden, daß die Kurve des Stromimpulses durch schrittweise Verfeinerung der Finitelement-Simulation des Druckkopfs abgeleitet wird. Der an das Heiz element angelegte Strom kann zeitlich mittels verschiedener Techniken variiert werden, unter anderem durch
1) Variieren der an das Heizelement angelegten Spannung,
2) Modulieren der Breite einer Reihe kurzer Impulse (PWM),
3) Modulieren der Frequenz einer Reihe kurzer Impulse (PFM).
Um genaue Ergebnisse zu erhalten, ist ferner eine Kurzzeit-Simulation der Flüssigkeitsdynamik mit Abbildung der freien Oberfläche erforderlich, da die Konvektion in der Tinte und das Fließen der Tinte einen wesentlichen Einfluß auf die mit einer bestimmten Stromkurve erzielbare Temperatur haben.
Durch Integration entsprechender digitaler Schaltungen in den Druckkopfträger ist es möglich, den an jede Düse angelegten Strom einzeln zu steuern. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, eine Vielzahl unterschiedlicher digitaler Impulsfolgen über den gesamten Druckkopf-Chip hinweg zu senden und die entsprechende Impulsfolge für die einzelnen Düsen durch Multiplexschaltungen auszuwählen.
Beispiele der Umweltfaktoren, die ausgeglichen werden können, sind in der Tabelle "Ausgleich für Umweltfaktoren" zusammengefaßt. In dieser Tabelle ist auch angegeben, welche Umweltfaktoren am besten global (für den gesamten Druckkopf), je Chip (bei zusammengesetzten Mehrchip-Druckköpfen für jeden Chip einzeln) und je Düse ausgeglichen werden können. Ausgleich für Umweltfaktoren
Bei den meisten Anwendungen wird nicht der Ausgleich aller dieser Variablen erforderlich sein. Manche Variablen haben nur geringere Auswirkungen, und dann wird ein Ausgleich nur nötig sein, wenn eine sehr hohe Bildqualität gefordert ist.

Druckkopf-Treiberschaltungen

Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der elektronischen Funktion eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Druckkopf-Treiberschaltung. Diese Steuerschaltung verwendet zur Modulation des an das Heizelement angelegten Stromes die analoge Modulation der an den Druckkopf angelegten Spannung der Stromversorgung; eine Einzelsteuerung des an die einzelnen Düsen angelegten Stroms ist nicht vorgesehen.
Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems mit einem seitenbreiten 800 dpi- Druckkopf für den Farbdruck mittels des CC'MM'YK-Farbmodells. Der Druckkopf 50 besitzt insgesamt 79.488 Düsen mit 39.744 Hauptdüsen und 39.744 redundanten Düsen. Die Hauptdüsen und die redundanten Düsen sind in sechs Farben unterteilt, wobei jede Farbe in acht Treiberphasen unterteilt ist. Jede Treiberphase besitzt ein Schieberegister, das die von einer ASIC 400 der Kopfsteuerung kommenden seriellen Daten in parallele Daten zur Aktivierung der Treiberschaltungen des Heizelements umwandelt. Insgesamt sind 96 Schieberegister vorhanden, die jeweils 828 Düsen mit Daten versorgen. Jedes Schieberegister besteht aus 828 Schieberegisterstufen 217, deren Ausgaben logisch über ein NAND-Gate 215 mit dem Phasenaktiviersignal nach UND verknüpft sind. Die Ausgabe des NAND-Gates 215 steuert einen Umkehrpuffer 216 an, der seinerseits den Ansteuerungstransistor 201 steuert. Der Ansteuerungstransistor 201 aktiviert das elektrothermische Heizelement 200, bei dem es sich um ein Heizelement 103 der in Fig. 1 (b) dargestellten Art handeln kann. Um die Gültigkeit der verschobenen Daten während des Aktivierungsimpulses aufrechtzuerhalten, wird der Taktgeber des Schieberegisters mittels einer Taktgebersperre 218, die der Klarheit halber als einfaches Gate dargestellt ist, vorzugsweise aber aus einer beliebigen glitchfreien Taktgeber-Steuerschaltung aus einer bekannten Gruppe solcher Schaltungen bestehen kann, angehalten und der Aktivierungsimpuls aktiv gehalten. Durch das Anhalten des Taktgebers des Schieberegisters wird ein paralleler Datenspeicher im Druckkopf überflüssig, wobei allerdings die Steuerschaltungen für die ASIC 400 der Kopfsteuerung etwas komplizierter werden. Die Daten werden je nach dem Zustand des entsprechenden Signals auf dem Fehlerstatus-Bus über den Datenrouter 219 entweder den Hauptdüsen oder den redundanten Düsen zugeführt.
In Fig. 4 ist der Druckkopf vereinfacht dargestellt; die verschiedenen Mittel zur Verbesserung der Produktionsausbeute, etwa die Blockfehlertoleranz, sind nicht dargestellt. Treiberschaltungen für unterschiedliche Druckkopfausbildungen können ohne weiteres von der hierin beschriebenen Vorrichtung abgeleitet werden.
Die digitalen, auf dem Aufzeichnungsmedium zu druckende Punktemuster repräsentierenden Informationen werden im Seiten- oder Streifenspeicher 1513 gespeichert, der mit dem in Fig. 1(a) dargestellten Bildspeicher 72 identisch sein kann. Die in 32 Bitwörtern, die Punkte einer Farbe repräsentieren, enthaltenen Daten werden mittels Adressen, die vom Adreß-MUX 417 und mittels von der Speicherschnittstelle 418 erzeugter Steuersignale ausgewählt werden, aus dem Seiten- oder Streifenspeicher 1513 ausgelesen. Die Adressen werden von Adreßgeneratoren 411 erzeugt, die Bestandteil der "Einzelfarbenschaltungen" 410 sind, von denen es für jede der sechs Farbkomponenten eine gibt. Die Adressen werden auf der Basis der Positionen der Düsen relativ zum Druckmedium erzeugt. Da die relative Position der Düsen bei verschiedenen Druckköpfen unterschiedlich sein kann, sind die Adreßgeneratoren 411 vorzugsweise programmierbar. Die Adreßgeneratoren 411 erzeugen normalerweise die Adressen entsprechend der Position der Hauptdüsen. Wenn jedoch fehlerhafte Düsen vorliegen, können die Positionen von Fehler enthaltenden Düsenblöcken im Fehlermap- RAM 412 markiert werden. Der Fehlermap-RAM 412 wird während des Druckens der Seite ausgelesen. Wenn der Speicher einen Fehler im Düsenblock anzeigt, wird die Adresse verändert, und die Adreßgeneratoren 411 erzeugen die Adresse entsprechend der Position der redundanten Düsen. Die aus dem Seiten- oder Streifenspeicher 1513 ausgelesenen Daten werden im Zwischenspeicher 413 zwischengespeichert und vom Multiplexer 414 in vier fortlaufende Bytes umgewandelt. Das Timing dieser Bytes wird im FIFO 415 dem Timing der andere Farben repräsentierenden Daten angepaßt. Anschließend werden die Daten im Puffer 430 zur Ausbildung des 48-Bit- Hauptdatenbus zum Druckkopf 50 gepuffert. Das Puffern der Daten geschieht deshalb, weil der Druckkopf relativ weit von der ASIC der Druckkopfsteuerung entfernt angeordnet sein kann. Auch die vom Fehlermap-RAM 412 kommenden Daten werden in den FIFO 416 eingegeben. Das Timing dieser Daten wird der Datenausgabe des FIFO 415 angepaßt, und die Gaten werden zur Ausbildung des Fehlerstatus-Bus im Puffer 431 gepuffert.
Der Druckkopf 50 wird von der programmierbaren Stromversorgung 320 mit Strom versorgt. Die Spannung der Stromversorgung 320 wird vom DAC 313 gesteuert, der Bestandteil einer RAM- und DAC-Kombination (RAMDAC) 316 ist. Der RAMDAC 316 enthält einen Zweiweg-RAM 317. Der Inhalt des Zweiweg-RAMs 317 wird über die Mikrosteuerung 315 programmiert. Die Temperatur wird in der Weise ausgeglichen, daß man den Inhalt des Zweiweg-RAMs 317 verändert. Die Werte werden von der Mikrosteuerung 315 anhand der vom Wärmesensor 300 erfaßten Temperatur errechnet. Das Signal des Wärmesensors 300 wird dem Analog/Digital-Wandler (ADC) 311 zugeführt. Der ADC 311 ist vorzugsweise in die Mikrosteuerung 315 integriert.
Die ASIC 400 der Kopfsteuerung enthält Steuerschaltungen für den Ausgleich der Wärmeträgheit und Druckdichte. Für den Ausgleich der Wärmeträgheit ist es erforderlich, daß die Spannung der Stromversorgung des Kopfs 50 eine sich zeitlich verändernde und mit dem Aktivierungsimpuls für das Heizelement synchronisierte Spannung ist. Dies wird dadurch erreicht, daß man die programmierbare Stromversorgung 320 entsprechend programmiert, um diese Spannung zu erhalten. Der DAC 313 erzeugt aus den aus dem Zweiweg-RAM 317 ausgelesenen Daten eine analoge, sich zeitlich verändernde Programmierspannung. Dabei werden die Daten entsprechend einer vom Zähler 403 erzeugten Adresse ausgelesen. Der Zähler 403 erzeugt während der Dauer eines Aktivierungsimpulses einen vollständigen Adressenzyklus. Diese Synchronisierung ist dadurch sichergestellt, daß der Zähler 403 von dem Systemtaktgeber 408 getaktet wird und der oberste Zählimpuls des Zählers 403 dazu dient, den Aktivierungszähler 404 zu schalten. Der Wert des Aktivierungszählers 404 wird dann durch den Decoder 405 decodiert und im Puffer 432 gepuffert, um die Aktivierungsimpulse für den Kopf 50 zu erzeugen. Wenn die Anzahl der Zustände im Zählwert geringer ist als die Anzahl der Taktperioden in einem Aktivierungsimpuls, kann der Zähler 403 einen Vorteiler aufweisen. Für den präzisen Ausgleich der Wärmeträgheit des Heizelements sind sechzehn Spannungszustände ausreichend. Diese sechzehn Zustände können durch Verwendung einer Vier-Bit-Verbindung zwischen dem Zähler 403 und dem Zweiweg-RAM 317 vorgegeben werden. Allerdings dürfen diese sechzehn Zustände zeitlich nicht gleichmäßig beabstandet sein. Um ein nichtlineares Timing dieser Zustände zu ermöglichen, kann der Zähler 403 auch einen ROM oder eine andere Vorrichtung umfassen, die den Zähler 403 veranlaßt, nichtlinear zu zählen. Alternativ können auch weniger als sechzehn Zustände verwendet werden.
Zum Ausgleich der Druckdichte wird die Druckdichte dadurch erfaßt, daß man die Anzahl der Pixel zählt, für die in jeder Aktivierungsperiode ein Tropfen zu drucken ist ("aktive Pixel"). Die "aktiven Pixel" werden durch den Zähler 402 für aktive Pixel gezählt. Für jede der acht Aktivierungsphasen ist ein Zähler 402 für aktive Pixel vorhanden. Die Anzahl der Aktivierungsphasen in einem erfindungsgemäßen Druckkopf ist abhängig von der jeweiligen Konstruktion. Zweckmäßig sind 4, 8 und 16, aber die Anzahl der Aktivierungsphasen muß nicht einer Potenz von zwei entsprechen. Bei den Zählern 402 für aktive Pixel kann es sich um kombinatorische logische Pixelzähler 420 handeln, die feststellen, wie viele Bits in einem Daten-Halbbyte aktiv sind. Die Anzahl wird dann im Addierer 421 und im Akkumulator 422 akkumuliert. Ein Zwischenspeicher 423 hält den akkumulierten Wert während der Dauer des Aktivierungsimpulses aktiv. Der Multiplexer 401 wählt den Ausgang des Zwischenspeichers 423, der der vom Aktivierungszähler 404 bestimmten aktuellen Aktivierungsphase entspricht. Die Ausgabe des Multiplexers 401 bildet einen Teil der Adresse des Zweiweg-RAMs 317. Eine exakte Zählung der Anzahl der aktiven Pixel ist nicht nötig, ausreichend sind die vier höchstwertigen Bits des Zählwerts.
Die Kombination der vier Bits der Adresse für den Wärmeträgheitsausgleich und der vier Bits der Adresse für den Druckdichteausgleich bedeutet, daß der Zweiweg-RAM 317 eine Acht-Bit-Adresse haben muß. Dies bedeutet, daß der Zweiweg-RAM 317 256 Zahlen in einer zweidimensionalen Anordnung enthält. Die zwei Dimensionen sind Zeit (für den Wärmeträgheitsausgleich) und Druckdichte. Außerdem kann eine dritte Dimension - Temperatur - vorgesehen werden. Da die Umgebungstemperatur des Kopfs sich nur langsam verändert, hat die Mikrosteuerung 315 ausreichend Zeit, eine Matrix von 256 Zahlen zum Ausgleich der Wärmeträgheit und der Druckdichte bei der aktuellen Temperatur zu berechnen. In periodischen Abständen (zum Beispiel einige Male pro Sekunde) erfaßt die Mikrosteuerung die aktuelle Druckkopftemperatur und berechnet diese Matrix.
Der Takt des Druckkopfs 50 wird, ausgehend vom Systemtaktgeber 408, vom Druckkopf-Taktgenerator 407 erzeugt und im Puffer 406 gepuffert. Zum leichteren Testen der ASIC der Druckkopfsteuerung können auch JTAG-Testschaltungen 499 vorgesehen sein.
Der Takt des LIFT-Druckkopfs 50 wird, ausgehend vom Systemtaktgeber 408, vom Druckkopf-Taktgenerator 407 erzeugt und im Puffer 406 gepuffert. Zum leichteren Testen der ASIC der Druckkopfsteuerung können auch JTAG-Testschaltungen 499 vorgesehen sein.

Vergleich mit der Thermotintenstrahl-Technologie

In der Tabelle "Vergleich zwischen der Thermotintenstrahl-Technologie und der vorliegenden Erfindung" werden die Aspekte des erfindungsgemäßen Druckens mit der Thermotintenstrahl-Technologie verglichen.
Der direkte Vergleich zwischen der vorliegenden Erfindung und der Thermotintenstrahl- Technologie erfolgt deshalb, weil es sich bei beiden Technologien um Drop-on-demand- Systeme handelt, die mit Wärmeaktivierung und flüssiger Tinte arbeiten. Wenn diese beiden Technologien auch ähnlich erscheinen, arbeiten sie doch nach unterschiedlichen Prinzipien.
Thermotintenstrahldrucker arbeiten nach dem folgenden Grund-Betriebssystem: Ein durch eine elektrische Widerstandsheizung erzeugter Wärmeimpuls führt zur plötzlichen Bildung einer Blase in der flüssigen Tinte. Die schnelle und gleichbleibende Blasenbildung kann durch Überhitzung der Tinte derart bewirkt werden, daß genügend Wärme an die Tinte übertragen wird, bevor die Blasenbildung abgeschlossen ist. Bei Tinte auf Wasserbasis sind dafür Temperaturen von etwa 280ºC bis 400ºC erforderlich. Die Blasenbildung erzeugt eine Druckwelle, die einen Tintentropfen mit hoher Geschwindigkeit durch die Düsenöffnung herausdrückt. Dann fällt die Blase in sich zusammen, wodurch Tinte zum Wiederauffüllen der Düse aus dem Behälter angesaugt wird. Der Thermotintenstrahldruck ist wegen der hohen Düsenpackungsdichte und des Einsatzes bekannter Fertigungstechniken für integrierte Schaltungen wirtschaftlich sehr erfolgreich. Allerdings sieht sich die Thermotintenstrahl-Technologie großen technischen Problemen gegenüber, zum Beispiel im Zusammenhang mit der Präzisionsfertigung der vielen Teile, der Produktionsausbeute, dem Prasselgeräusch, der Druckgeschwindigkeit, dem Treibertransistor-Strom, der Leistungsverlust-Ableitung, der Bildung von Nebentröpfchen, der Wärmebeanspruchung, unterschiedlicher Wärmedehnung, Kogitation, Cavitation, der gerichteten Diffusion und Schwierigkeiten bei der Formulierung der Tinte.
Das erfindungsgemäße Druckverfahren bietet viele der Vorteile des Thermotintenstrahl- Druckverfahrens und überwindet - vollständig oder in wesentlichem Umfang - viele der der Thermotintenstrahl-Technologie eigenen Probleme. Vergleich zwischen dem Thermotintenstrahlverfahren und der Erfindung

Ausbeute und Fehlertoleranz

In den meisten Fällen können monolithische integrierte Schaltungen nicht repariert werden, wenn sie bei der Herstellung nicht voll funktionsfähig sind. Als Ausbeute bezeichnet man den Prozentsatz der funktionsfähigen Vorrichtungen, die in einem Platinen-Produktionsgang hergestellt werden. Die Ausbeute hat einen direkten Einfluß auf die Herstellungskosten. Eine Vorrichtung mit einer Ausbeute von 5% ist effektiv 10mal teurer in der Herstellung als eine gleiche Vcc richtung mit einer Ausbeute von 50 %.
Die Ausbeute wird in drei wichtigen Schritten bemessen:
1) Fertigungsausbeute
2) Ausbeute der Platinensortierung
3) Ausbeute der Abschlußprüfung
Bei großen Formen ist es normalerweise die Ausbeute der Platinensortierung, die die Gesamtausbeute am stärksten beeinflußt. Erfindungsgemäße seitenbreite Farbdruckköpfe sind im Vergleich zu typischen VLSI-Schaltungen sehr groß. Eine gute Ausbeute bei der Platinensortierung ist für die kosteneffektive Herstellung der Druckköpfe von entscheidender Bedeutung.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Ausbeute der Platinensortierung in Abhängigkeit von der Fehlerdichte für einen monolithischen, seitenbreiten A4-Farbdruckkopf gemäß der Erfindung. Der Kopf ist 215 mm lang und 5 mm breit. Die Ausbeute 198 ohne Fehlertoleranz wird nach der Murphy-Methode berechnet, die verbreitet für die Vorausberechnung der Ausbeute Anwendung findet. Bei einer Fehlerdichte von einem Fehler je cm² ergibt die Murphy-Methode eine Ausbeute von weniger als 1%. Dies bedeutet, daß mehr als 99% der hergestellten Köpfe ausgesondert werden müßten. Diese geringe Ausbeute ist höchst unerwünscht, da die Herstellungskosten des Druckkopfs dadurch unannehmbar hoch werden.
Bei der Murphy-Methode wird die Auswirkung einer ungleichen Fehlerverteilung durch Näherung bestimmt. Fig. 5 enthält ferner eine Ausbeutekurve 197 ohne Fehlertoleranz, die die Ballung von Fehlern explizit dadurch abbildet, daß sie einen Fehlercluster-Faktor berücksichtigt. Der Fehlercluster-Faktor ist kein in der Herstellung steuerbarer Parameter, sondern ein Merkmal des Herstellungsverfahrens. Der Fehlercluster-Faktor für Herstellungsverfahren kann mit etwa 2 angenommen werden; in diesem Fall entsprechen die Ausbeute-Voraussagen ziemlich genau der Murphy-Methode.
Eine Lösung des Problems der geringen Ausbeute besteht darin, durch Integration redundanter Funktionseinheiten in den Chip die fehlerhaften Funktionseinheiten ersetzen zu können und so eine Fehlertoleranz einzubauen.
Bei Speicherchips und den meisten in Halbleiterplättchen integrierten Vorrichtungen (WSI-Vorrichtungen) ist die physische Position redundanter Teileinheiten auf dem Chip nicht von Bedeutung. Bei Druckköpfen kann jedoch die redundante Teileinheit ein Druckelement oder mehrere enthalten. Und diese müssen in einer festen räumlichen Beziehung zu der zu druckenden Seite stehen. Um einen Punkt an derselben Position drucken zu können wie ein fehlerhaftes Element, dürfen die redundanten Elemente nicht in einer nicht der Abtastrichtung entsprechenden Richtung versetzt sein. Dagegen können fehlerhafte Elemente durch in Abtastrichtung versetzte redundante Elemente ersetzt werden. Um sicherzustellen, daß das redundante Element den Punkt an derselben Position druckt wie das fehlerhafte Element, kann durch Veränderung des Timings der dem redundanten Element zugeführten Daten der Versatz in Abtastrichtung ausgeglichen werden.
Damit alle Düsen ersetzt werden können, muß ein vollständiger Satz Ersatzdüsen vorhanden sein, so daß sich eine Redundanz von 100% ergibt. Das Erfordernis einer 100%igen Redundanz würde normalerweise die Chipfläche mehr als verdoppeln, wodurch sich die Ausbeute vor dem Ersatz durch die redundanten Einheiten zunächst dramatisch verringern würde und die Vorteile der Fehlertoleranz weitgehend zunichte gemacht würden.
Bei erfindungsgemäßen Druckkopf-Ausführungen werden die physischen Mindestabmessungen des Druckkopf-Chips durch die Breite der zu druckenden Seite, die Empfindlichkeit des Druckkopf-Chips und die Zwänge bei der Herstellung der Tintenkanäle, die die Tinte zur Rückseite des Chips führen, bestimmt. Die praktische Mindestgröße eines seitenbreiten Vollfarbendruckkopfs zum Drucken einer A4-Seite beträgt etwa 215 mm · 5 mm. Die Größe erlaubt bei Einsatz einer 1,5 um-CMOS- Fertigungstechnologie eine 100%ige Redundanz, ohne daß sich dadurch die Chipfläche wesentlich vergrößert. Daher kann eine hohe Fehlertoleranz vorgesehen werden, ohne daß sich die Primärausbeute wesentlich verringert.
Bei Vorrichtungen mit Fehlertoleranz sind die üblichen Ausbeute-Gleichungen nicht anwendbar. Statt dessen müssen die Mechanismen und der Grad der Fehlertoleranz speziell analysiert und in der Ausbeute-Gleichung berücksichtigt werden. Fig. 5 zeigt die fehlertolerante Sortierungs-Ausbeute 199 für einen seitenbreiten A4-Farbdruckkopf mit unterschiedlichen Formen der Fehlertoleranz, die in die Ausbeute-Gleichung eingebaut wurden. Die Kurve gibt die vorausgesagte Ausbeute in Abhängigkeit sowohl von der Fehlerdichte als auch von der Fehlerclusterbildung wieder. Aus der in Fig. 5 dargestellten Ausbeute-Vorhersage ist ersichtlich, daß durch eine gründlich implementierte Fehlertoleranz die Platinen-Sortierausbeute von unter 1% auf mehr als 90% bei gleichen Herstellungsbedingungen angehoben werden kann. Damit lassen sich die Herstellungskosten um den Faktor 100 verringern.
Um die Ausbeute und Zuverlässigkeit von Druckköpfen, die Tausende von Druckdüsen enthalten, zu verbessern und damit seitenbreite Druckköpfe in der Praxis möglich zu machen, wird die Integration einer Fehlertoleranz dringend empfohlen. Allerdings ist die Fehlertoleranz kein wesentlicher Bestandteil der Erfindung.

Ausführungsformen von Drucksystemen

Fig. 6 zeigt ein Diagramm eines digitalen elektronischen Drucksystems mit einem erfindungsgemäßen Druckkopf. Dabei druckt ein monolithischer Druckkopf 50 ein aus einer Vielzahl von Tintentröpfchen bestehendes Bild 60 auf ein Aufzeichnungsmedium 51. Das Medium besteht normalerweise aus Papier, es kann sich aber auch um Overhead-Folien, Stoff oder zahlreiche andere, im wesentliche flache Oberflächen handeln, die Tintentropfen aufnehmen können. Das zu druckende Bild wird von einer Bildquelle 52 geliefert; dabei kann es sich um ein Bild beliebiger Art handeln, das in eine zweidimensionale Pixelanordnung umwandelbar ist. Typische Bildquellen sind Bildscanner, digital gespeichert Bilder, in einer Seitenbeschreibungssprache (PDL) wie Adobe Postscript, Adobe Postscript level 2 oder Hewlett-Packard PCL 5, die mittels eines Rastergerätes auf Prozedurabrufbasis, wie Apple QuickDraw, Apple Quickdraw GX oder Microsoft GDI, erzeugte Bilder oder Text in elektronischer Form, etwa ASCII. Die Bilddaten werden dann von einem Bildverarbeitungssystem 53 in eine für das jeweilige Drucksystem geeignete zweidimensionale Pixelanordnung umgewandelt. Das Drucksystem kann ein Farb- oder Monochrom-Drucksystem sein, und die Daten haben normalerweise in Abhängigkeit von der Bildquelle und den Spezifikationen des Drucksystems zwischen 1 und 32 Bit je Pixel. Wenn es sich bei der Bildquelle um eine Seitenbeschreibung handelt, kann das Bildverarbeitungssystem ein Rasterbildprozessor (RIP) sein oder aber, wenn das Bild von einem Scanner kommt, ein zweidimensionales Bildverarbeitungssystem.
Wenn Halbtonbilder gewünscht werden, ist ein Rastersystem 54 erforderlich. Geeignete Rasterarten basieren auf der geordneten Streupunkt Zitterbewegung oder Fehlerstreuung. Geeignet sind Abwandlungen dieser Systeme, die allgemein als stochastische Rasterung oder Frequenzmodulations-Rasterung bekannt sind. Das üblicherweise für den Offset-Druck verwendete Rastersystem - die geordnete Punktoluster-Zitterbewegung - wird nicht empfohlen, da bei dieser Technik unnötig effektive Bildauflösung verlorengeht. Die Ausgabe des Rastersystems ist ein binäres Monochrom- oder Farbbild mit der Auflösung des erfindungsgemäßen Drucksystems.
Das binäre Bild wird von einer Datensynchronisierschaltung 55 verarbeitet (die gemäß Fig. 4 in die ASIC 400 der Kopfsteuerung integriert werden kann), die die Pixeldaten den Datenschieberegistern 56 in der korrekten Folge zuführt. Das Bilden von Datenfolgen ist zum Ausgleich für die Düsenanordnung und die Papierbewegung nötig. Wenn die Daten in die Schieberegister 56 geladen sind, werden sie den Treiberschaltungen 57 der Heizelemente parallel zugeführt. Die Treiberschaltungen 57 verbinden dann die entsprechenden Heizelemente 58 zum richtigen Zeitpunkt elektronisch mit dem von der Impulsformerschaltung 61 und dem Spannungsregler 62 erzeugten Spannungsimpuls. Die Heizelemente 58 heizen die Spitze der Düsen 59 auf, wodurch die physikalischen Eigenschaften der Tinte verändert werden. Aus den Düsen treten Tintentropfen 60 in einem Muster aus, das den an die Treiberschaltungen der Heizelemente angelegten digitalen Impulsen entspricht. Der Druck der Tinte im Tintenbehälter 64 wird durch die Druckregelung 63 geregelt. Ausgewählte Tintentropfen 60 lösen sich durch die gewählten Tropfenablösemittel von der Masse der Tinte und gelangen mit dem Aufzeichnungsmedium 51 in Berührung. Während des Druckens wird das Aufzeichnungsmedium 51 kontinuierlich durch das Papiertransportsystem 65 relativ zum Druckkopf 50 bewegt. Wenn der Druckkopf 50 sich über die gesamte Breite des Druckbereichs des Aufzeichnungsmediums 51 erstreckt, braucht das Aufzeichnungsmedium 51 nur in einer Richtung bewegt zu werden, und der Druckkopf 50 kann feststehen. Bei Verwendung eines kleineren Druckkopfs 50 muß ein Rasterabtastsystem realisiert werden. Dies geschieht normalerweise in der Weise, daß der Druckkopf 50 eine Abtastbewegung entlang der kürzeren Abmessung des Aufzeichnungsmediums 51 vollführt, während das Aufzeichnungsmedium 51 in Richtung seiner längeren Dimension bewegt wird.

Mehrfachdüsen in einem monolithischen Druckkopf

Ein neues Druckkopfsystem, das zum Einsatz in Geräten wie Bürodruckern oder Fotokopiergeräten bestimmt ist, sollte in der Lage sein, schnell zu drucken. Eine Druckgeschwindigkeit von 60 A4-Seiten pro Minute (1 Seite pro Sekunde) ist für viele Anwendungen ausreichend. Allerdings ist es nicht einfach, eine elektronisch gesteuerte Druckgeschwindigkeit von 60 Seiten pro Minute zu erreichen.
Die Mindestzeit für das Drucken einer Seite ist gleich der Anzahl von Punktpositionen auf der Seite, multipliziert mit der zum Drucken eines Punktes erforderlichen Zeit, dividiert durch die Anzahl der Punkte jeder Farbe, die gleichzeitig gedruckt werden können.
Die erreichbare Bildqualität wird durch die Gesamtzahl der Farbpunkte beeinflusst, die für die Erzeugung eines Bildes verwendet werden kann. Für den Vierfarbendruck in Zeitschriftqualität mit digitaler Rasterung feinstverteilter Punkte sind etwa 800 Punkte pro Zoll (31,5 Punkte pro mm) nötig. Der Abstand zwischen den Punkten auf dem Papier beträgt 31,75 um.
Die Größe einer A4-Seite beträgt 210 mm · 297 mm. Bei 31,5 Punkten pro mm sind 61.886.632 Punkte für eine einfarbige A4-Seite mit umlaufender Beschnittzugabe nötig. Der Qualitäts-Farbdruck erfordert vier Farben - Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz. Die Gesamtzahl der erforderlichen Punkte beläuft sich daher auf 247.546.528. Zwar kann man diese Zahl dadurch etwas reduzieren, dass man den Druck in einem schmalen Bereich am Papierrand unterbindet, dennoch ist die Gesamtzahl der benötigten Punkte außerordentlich groß. Wenn die zum Drucken eines Punktes benötigte Zeit 144 us beträgt und nur eine Düse je Farbe vorgesehen ist, dauert das Drucken einer einzigen Seite länger als zwei Stunden.
Um mit meinem vorstehend beschriebenen Drucksystem mit hoher Geschwindigkeit und in hoher Qualität drucken zu können, sind Druckköpfe mit vielen kleinen Düsen erforderlich. Eine A4-Farbseite mit 800 dpi lässt sich in einer Sekunde drucken, wenn der Druckkopf sich über die gesamte Breite des Papiers erstreckt. Der Druckkopf kann feststehend ausgebildet sein, wobei das Papier sich dann im Zeitraum einer Sekunde daran vorbei bewegt. Ein Vierfarben-Druckkopf mit 800 dpi und einer Breite von 210 mm benötigt 26.460 Düsen.
Ein derartiger Druckkopf kann 26.460 aktive Düsen und 26.460 redundante (Ersatz-) Düsen, also insgesamt 52.920 Düsen, aufweisen. Für jede der Farben Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz stehen 6.615 aktive Düsen zur Verfügung.
Druckköpfe mit vielen Düsen lassen sich kostengünstig herstellen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass man unter Verwendung von Halbleiter-Herstellungsverfahren gleichzeitig viele tausend Düsen in einem Siliziumwafer herstellt. Um Probleme mit der mechanischen Ausrüstung und unterschiedlicher Wärmeausdehnung zu vermeiden, die entstehen könnten, wenn der Druckkopf in mehreren Teilen hergestellt und anschließend montiert würde, kann der Druckkopf aus einem einzigen Siliziumteil hergestellt werden. Die Düsen und die Tintenkanäle werden in das Silizium geätzt. Die Heizelemente werden durch Aufdampfen eines ohmschen Materials und anschließende Fotolithografie unter Verwendung von Standard-Verfahren für die Halbleiterherstellung ausgebildet.
Um die große Anzahl von Verbindungen zu vermeiden, die an einom Druckkopf mit Tausenden von Düsen erforderlich wären, können auch Datenverteilungsschaltungen und Treiberschaltungen auf dem Druckkopf integriert sein.
Die Druckkopfbreite wird bestimmt durch die Anzahl der Farben, die Anordnung der Düsen, den Abstand zwischen den Düsen und die für die Treiberschaltungen und die Verbindungen untereinander erforderliche Kopffläche. Bei einem Einfarben-Druckkopf würde die Breite etwa 2 mm betragen. Bei einem Vierfarben-Druckkopf würde die entsprechende Breite etwa 4 mm betragen. Bei einem CC'MM'YK-Farbdruckkopf würde die entsprechende Druckkopfbreite etwa 8 mm betragen. Die Länge des Druckkopfs ist von der Anwendung abhängig. Bei sehr preisgünstigen Anwendungen können kurze Köpfe verwendet werden, die über eine Seite hinweg geführt werden müssen. Bei Hochgeschwindigkeits-Anwendungen sind monolithische oder Mehrchip-Druckköpfe mit fester Seitenbreite einsetzbar. Ein typischer Längenbereich von Druckköpfen liegt zwischen 1 cm und 21 cm, wobei jedoch Drückköpfe mit einer Länge über 21 cm für den Mengen-Papierdruck oder -Stoffdruck geeignet sind.

Herstellungsverfahren für einen Druckkopf mit Düsenrand-Heizelementen

Die Herstellung monolithischer Drückköpfe gemäß der Erfindung ist der Herstellung von integrierten Standard-Silizumschaltungen vergleichbar. Allerdings muss der normale Prozessablauf in mehreren Punkten modifiziert werden. Dies ist für die Ausbildung der Düsen, der Heizelemente und der Düsenspitzen wichtig. Es gibt mehrere unterschiedliche Halbleiterverfahren, von denen die Herstellung monolithischer Druckköpfe als Basis ausgehen kann. Bei jedem dieser Halbleiterverfahren bestehen mehrere Möglichkeiten, den Grund-Prozess für die Ausbildung der erforderlichen Strukturen zu modifizieren.
Das Herstellungsverfahren für integrierte Druckköpfe kann < 100> Wafers zur Standard- CMOS-Verarbeitung verwenden. Die Verarbeitung entspricht im wesentlichen der Standard-CMOS-Verarbeitung, da alle MEMS-spezifischen Schritte nach der Herstellung der CMOS VLSI-Bauelemente ausgeführt werden können.
Die Wafers können bis zum Oxid auf der zweiten Metallschicht mittels des Standard- CMOS-Prozessablaufs verarbeitet werden. Anschließend folgen dann einige besondere Prozessschritte, die ebenfalls mittels der Standard-CMOS-Prozessanlagen ausgeführt werden können. Das abschließende Ätzen der Düsen durch den Chip hindurch kann in einer MEMS-Anlage in nur einem lithografischen Verfahrensschritt erfolgen, bei dem nur eine 10 um-Lithografie erforderlich ist.
Ein Plasma-Ätzen des Siliziums ist bei dem Verfahren nicht erforderlich; das Silizium- Ätzen erfolgt ausschließlich mittels eines EDP-Nassätzverfahrens nach Herstellung der aktiven Bauelemente.
Der Düsendurchmesser beträgt zum Beispiel 16 um bei einem Tropfenvolumen von etwa 8 pl. Das Verfahren lässt sich in einfacher Weise an einen großen Düsendurchmesserbereich anpassen, und zwar sowohl über als auch unter 16 um.
Bei dem Verfahren werden gleichzeitig die Tintenkanäle und die Düsenzylinder durch anisotropes Ätzen in ein < 100> Siliziumwafer eingebracht. Prozessschritte mit hohen Temperaturen, etwa Diffusion und LPCVD, werden während des Prozesses zur Ausbildung der Düsen vermieden.

Anordnungsbeispiel

Fig. 7 zeigt ein Anordnungsbeispiel an einem kleinen Abschnitt eines 800 dpi-Druckkopfs. Darin ist die Anordnung der Düsen und der Treiberschaltungen von 48 in einer einzelnen Tintenkanal-Senke vorhandenen Düsen zu erkennen. Die schwarzen Kreise in dieser schematischen Darstellung geben die Positionen der Düsen an, die grauen Bereiche die Positionen der aktiven Schaltungen.
Diem 48 Düsen umfassen 24 Hauptdüsen 2000 und 24 redundante Düsen 2001. Ebenfalls dargestellt sind die Positionen der MOS-Haupttreiber-Transistoren 2002 und der redundanten Treiber-Transistoren 2003. Die Tintenkanalsenke 2010 weist die Gestalt eines eus der Unterseite des Wafers geätzten rechteckigen Pyramidenstumpfs auf. Die Flächen der pyramidenförmigen Senke folgen den {111} Flächen des Einzelkristallsiliziumwafers. Die Düsen befinden sich am Boden der pyramidenförmigen Senken, wo das Wafer am dünnsten ausgebildet ist. In den dickeren Bereichen des Wafers, etwa den schrägen Wandungen der Tintenkanalsenken in den Bereichen zwischen den Senken, können keine Düsen angeordnet werden. Diese Bereiche können für die Datenverteilung und für Fehlertoleranz-Schaltungen verwendet werden. Bei Einsatz eines CMOS-Prozesses von 2 um oder darunter steht ausreichend Raum für umfangreiche Zusatz- und Fehlertoleranzelemente bei Schieberegistern, Taktverteilung und anderen verwendeten Schaltungen zur Verfügung. Fig. 7 zeigt eine zweckmäßige Anordnung der Hauptschieberegister 2004, der redundanten Schieberegister 2005 und der Fehlertoleranz-Schaltungen 2006.
Fig. 8 zeigt als Detail die Anordnung eines Düsenpaars (eine Hauptdüse und die redundante Düse) mit den Treiber-Transistoren für das Düsenpaar. Die Anordnung wurde für einen 1,5 um VLSI-Prozess gewählt. Sie zeigt zwei Düsen mit ihren entsprechenden Treiber-Transistoren. Die Hauptdüsen und die redundanten Düsen sind um eine Pixelbreite in Druckabtastrichtung voneinander beabstandet. Die Hauptdüsen und die redundanten Düsen können ohne elektrostatische oder fluidische Störungen nebeneinander angeordnet werden, da die beiden Düsen ja niemals gleichzeitig aktiviert werden. Die Treiber-Transistoren können sehr nahe an den Düsen positioniert werden, da der aus der Tropfenauswahl resultierende Temperaturanstieg bereits in kurzer Entfernung vom Heizelement sehr gering ist.
Die hohen V+- und V-Ströme werden in einer den Chip bedeckenden Matrix breiter Metallleitungen der ersten und zweiten Ebene geführt. Die V&spplus;- und V&supmin;-Anschlüsse erstrecken sich über die gesamten beiden langen Chipkanten.

Ausrichtung nach den kristallografischen Flächen

Das beschriebene erfindungsgemäße Herstellungsverfahren macht für die Steuerung des Ätzens von den kristallografischen Flächen des Einzelkristallsiliziumwafers Gebrauch. Die Ausrichtung der Maskierverfahren nach den {111} Flächen muss präzise gesteuert werden. Normalerweise entspricht die Orientierung der Haupt-Flächen eines Siliziumwafers der entsprechenden Kristallfläche nur mit einer Genauigkeit von ± 1º. Wichtig ist, dass diese Winkeltoleranz bei der Auslegung der Maske und der Herstellungsprozesse berücksichtigt wird. Auch die Oberflächenorientierung des Wafers ist nur mit einer Toleranz von ± 1º genau. Da jedoch das Wafer vor dem Ätzen der Tintenkanäle auf etwa 300 um verdünnt wird, trägt ein Ausrichtfehler der Oberfläche um ± 1º beim Ätzen durch die Tintenkanäle hindurch maximal 5,3 um zu einer etwaigen Positionsungenauigkeit bei. Dies kann dann bei der Auslegung der Maske für das Ätzen der Unterseite ausgeglichen werden.

Zusammenfassende Beschreibung des Herstellungsverfahrens

Als Ausgangsbasis kann ein 6" Standard-Siliziumwafer verwendet werden, wobei jedoch ein beidseitig poliertes Wafer erforderlich ist.
Fig. 9 zeigt ein 6" Wafer mit 12 Vierfarben-Druckköpfen mit jeweils einer Druckbreite von 105 mm. Zwei dieser Druckköpfe können zu einem seitenbreiten Druckkopf für A4/US-Briefpapierformat zusammengesetzt werden, vier können zu einem kommerziellen 17" Rollendruckkopf kombiniert werden, oder die Druckköpfe können einzeln zum Drucken im Fotoformat verwendet werden, zum Beispiel in digitalen "Minilabs", A6- Format-Druckern oder digitalen Kameras.
Das Wafer kann zum Beispiel die folgenden Spezifikationen aufweisen:
Größe 150 mm (6")
Kristallorientierung < 100>
Dotierung n/n+ epitaxial
Poliert doppelseitig
Nenndicke 625 Mikron
Winkel zu den Kristallflächen ± 1

Wichtigste Herstellungsschritte:

1) Ausführung des CMOS-Prozesses, Herstellung der Treiber-Transistoren, Schieberegister, Taktverteilerschaltungen und Fehlertoleranz-Schaltungen nach dem normalen CMOS-Prozessablauf. Bevorzugt ist ein zweistufiger Metall-CMOS-Prozess mit Leitungsbreiten von 1,5 um oder darunter. Der CMOS-Prozess wird bis zum Oxid über der zweiten Metallebene ausgeführt.
Fig. 10 zeigt einen Querschnitt eines Wafers im Bereich einer Düsenspitze nach Ausführung des Standard-CMOS-Prozessablaufs.
Zu erkennen sind in dieser schematischen Darstellung das Siliziumwafer 2020, das Feldoxid 2021, die erste Oxid-Zwischenschicht 2022, die erste Metallschicht 2023, die zweite Oxid-Zwischenschicht 2024, die zweite Metallschicht 2025 und die Oxid-Passivierungsschicht 2026.
Bei diesem Beispiel weisen die Schichten die folgenden Schichtdicken auf
a) Feldoxid 2021 : 1 um
b) Erste Oxid-Zwischenschicht 2022 : 0,5 um
c) Erste Metallschicht 2023 : 1 um
d) Zweite Oxid-Zwischenschicht 2024 : 1,5 um, planarisiert
e) Zweite Metallschicht 2025 : 1 um
f) Oxid-Passivierungsschicht 2026 : 2 um, planarisiert
Zwei Zwischenschicht Verbindungslöcher an der Düsenspitze verbinden in der Darstellung die erste Metallschicht 2023 und einen kleinen Fleck der zweiten Metallschicht 2025.
2) Maskieren der Düsenspitze mit einem Abdeckmittel. Das Düsenspitzenloch wird in der Weise ausgebildet, dass die Zwischenschicht-Verbindungslöcher an der Düsenspitze hälftig durchgeschnitten werden. Dadurch wird eine "höhere" Verbindung zum Heizelement hergestellt. In derselben Maske, in der sich die Düsenspitzenlöcher befinden, sind auch die Chipkante begrenzende Öffnungen vorhanden. Diese dienen dem Ätzen der Chipgrenze auf der Vorderfläche zum Zweck des Abtrennens des Chips vom Wafer. Das Abtrennen des Chips vom Wafer erfolgt gleichzeitig mit dem Ätzen der Tintenkanäle und der Düsen.
3) Plasma-Ätzen der Düsenspitze und der Chipbegrenzung auf der Vorderfläche.
Hierbei handelt es sich um ein anisotropes Plasma-Ätzen der Oxid-Oberflächenschichten. Dabei werden etwa 5 um SiO&sub2; entfernt. Die Seitenwände sollten so steil wie möglich geätzt werden. Im vorliegenden Fall werden Seitenwände mit 85º angenommen. Der Ätzvorgang wird bis zum Erreichen des Siliziums durchgeführt.
Fig. 11 zeigt einen Querschnitt durch den Düsenspitzenbereich nach dem Ätzen der Düsenspitze.
4) Aufbringen einer dünnen Schicht Heizschichtmaterial 2027. Die Schichtdicke ist abhängig von dem spezifischen Widerstand des gewählten Heizschichtmaterials. Verwendbar sind zahlreiche unterschiedliche Heizschichtmaterialien, darunter Nichrom, Tantal/Aluminium-Legierungen, Wolfram, mit Bor dotiertes Polysilizium, Zirkoniumdiborid, Hafniumdiborid und andere. Der Schmelzpunkt des Heizschichtmaterials muss nicht sehr hoch sein, so dass auch Heizschichtmaterialien gewählt werden können, die nicht gesputtert werden müssen, sondern aufgedampft werden können. Fig. 12 zeigt einen Querschnitt durch den Düsenspitzenbereich nach dem Aufbringen dieser Schicht.
5) Chemisches Verdünnen des Wafers auf eine Dicke von etwa 300 Mikron.
6) Aufbringen einer 0,5 Mikron starken Schicht PECVD Si&sub3;N&sub4; 2028 auf die Vorder- und Rückseite des Wafers. Fig. 13 zeigt einen Querschnitt durch den Düsenspitzenbereich nach dem Aufbringen dieser Schicht.
7) Aufbringen der Abdeckschicht auf die untere Fläche des Wafers mittels des Spin- Verfahrens. Maskieren der Unterseite des Wafers für das anisotrope Ätzen der Tintenkanäle und Abtrennen des Chips (Zerteilen). Die Maske weist konkave rechteckige Löcher zur Ausbildung der Tintenkanäle und Löcher für die Begrenzung der Chipkante auf. Da manche Winkel der Chipkantenbegrenzung konvex verlaufen, weist die Maske Hinterschnitte auf Die Form der Chipkante kann dadurch ausgeglichen werden, dass an konvexen Ecken Vorsprünge an den Masken angebracht werden. Die Masken-Muster werden nach den (111) Flächen ausgerichtet. Das Abdeckmaterial dient dazu, das Ätzen des zuvor auf die untere Fläche des Wafers aufgebrachten PECVD-Nitrids zu maskieren. Ätzen des Nitrids auf der unteren Waferfläche und Entfernen der Abdeckschicht.
8) Ätzen des Wafers in EDP bei 110ºC, bis die Wafer-Dicke im Düsenspitzenbereich etwa 100 um beträgt. Die Ätzdauer sollte etwa 4 Stunden betragen. Die Dauer dieses Ätzvorgangs und die sich ergebende Dicke des Siliziums im Düsenbereich können zur Steuerung der Geometrie der Kammer hinter der Düsenspitze (des Düsenzylinders) entsprechend angepasst werden. Zwar soll die Ätzung schließlich durch das gesamte Wafer hindurch gehen, der Ätzvorgang wird aber nach einem Teil des Vorgangs unterbrochen, und es wird dann mit dem Ätzen sowohl von der Oberfläche als auch von der unteren Fläche des Wafers aus begonnen. Dieser zweistufige Ätzvorgang ermöglicht die präzise Steuerung des Betrages des auftretenden Hinterschnitts im Düsenspitzenbereich. Ein Hinterschnitt von zwischen 1 Mikron und 8 Mikron ist wünschenswert, wobei ein Hinterschnitt von etwa 3 Mikron bevorzugt ist. Dieser Ätzvorgang wird im Schritt 12 abgeschlossen.
9) Anisotropes Ätzen des Oberflächennitrids 2028 und der Heizschichten 2027. Dieses anisotrope Ätzen kann mittels eines Reaktiv-Ionenplasma-Ätzverfahrens (RIE) erfolgen. Bei diesem Ätzschritt sollte das gesamte Heizschichtmaterial 2027 und Nitrid 2028 von den horizontalen Flächen entfernt werden, während auf der nahen vertikalen Fläche der Düsenspitze das meiste Nitrid 2028 und das gesamte Heizschichtmateria) 2027 verbleiben soll. Fig. 14 zeigt einen Querschnitt durch den Düsenspitzenbereich nach diesem Ätzschritt.
10) Freilegen der Kontaktflächen mittels Standard-Lithografie- und Ätzverfahren.
11) Isotropes Ätzen von 1 Mikron SiO&sub2; 2026 ohne Maske. Dies kann mit einem Nassätzverfahren erreicht werden, das gegenüber Si&sub3;N&sub4; sehr selektiv ist. Dadurch wird ein Siliziurnnitridrand um die Düsenspitze herum ausgebildet. Fig. 15 zeigt einen Querschnitt durch den Düsenspitzenbereich nach diesem Ätzschritt.
12) Abschließen des in Schritt 8 begonnenen Ätzvorgangs mittels EDP bei 110ºC. Dieses Ätzverfahren geht von beiden Seiten des Wafers aus: Durch die Düsenspitzenlöcher von der Vorderseite und durch die Tintenkanallöcher von der Rückseite. In der folgenden Tabelle sind die ungefähren Ätzraten angegeben:
Nassätzmittel EDP Typ S. Etyhlendiamin - 11 Wasser -133 ml Brenzcatechin - 160 g Pyrazin - 6 g
Atztemperatur 110ºC
Atzrate - Silizium [100] 55 um pro Stunde
Atzrate - Silizium [111] 1,5 um pro Stunde
Ätzrate - SiO&sub2; 60 Å pro Stunde
Diese Ätzraten sind H. Seidel "Die Mechanismen des anisotropen Siliziumätzens und ihre Bedeutung für die Mikrobearbeitung", Messwertgeber '87, 4. Internationalen Konferenz über Halbleiter-Sensoren und -Betätigungselemente, 1978, S. 120-125, entnommen.
Da es einen Ätz-Stopp nicht gibt, ist die Ätzzeit kritisch, und da die Ätzrate bei jeder Ätzcharge etwas variiert, sollten die Wafers gegen Ende der Ätzzeit regelmäßig überprüft werden. Der Ätzvorgang ist annähernd abgeschlossen, wenn zum ersten Mal Licht durch die Düsenspitzenlöcher zu scheinen beginnt. Von diesem Stadium aus setzt man den Ätzvorgang noch weitere 6 Minuten fort. Zweckmäßig ist es, wenn die gleichzeitig verarbeiteten Wafer gleiche Wafer-Dicken aufweisen.

Das Ätzverfahren in drei Stufen:

a) In den ersten 10 Minuten findet der Ätzvorgang mit der < 100> Ätzgrate sowohl von der Vorderseite (durch die Düsenspitze) als auch von der Rückseite des Wafers her statt. Die Tiefe der Ätzung von der Vorderseite ist gleich dem Radius des Düsenspitzenlochs/÷2 (etwa 10 um bei einem Düsenspitzenloch-Radius von 7 um). Fig. 16 zeigt einen Querschnitt durch den Düsenspitzenbereich zu diesem Zeitpunkt.
b) Während der nächsten etwa 1 Stunde und 40 Minuten wird der Ätzvorgang mit der < 100> Ätzrate von der unteren Fläche des Wafers her, durch die Düsenspitzenlöcher aber mit der < 111> Ätzrate fortgesetzt. Die Ätztiefe durch die Löcher auf der unteren Fläche beträgt etwa 90 um, die Ätztiefe durch die Düsenspitzenlöcher beträgt etwa 2,5 um in den [111] Richtungen (etwa 3 um in der < 100> Richtung). Fig. 17 zeigt einen Querschnitt durch den Düsenspitzenbereich zu diesem Zeitpunkt.
Zu diesem Zeitpunkt treffen die Düsenspitzenlöcher auf die Tintenkanallöcher, was zu freiliegenden konvexen Siliziumoberflächen führt, bei relativ hohen Ätzraten. Während der nächsten 6 Minuten setzt sich der Ätzvorgang mit der < 100> Ätzrate in den Tintenkanälen und um das konvexe Silizium herum mit verschiedenen schnelleren Ätzraten fort. Fig. 18 zeigt einen Querschnitt durch den Düsenspitzenbereich zu diesem Zeitpunkt.
Der Betrag des Hinterschnitts der Düsenspitze kann durch Veränderung des relativen Betrages verändert werden, der von der Vorderfläche und der unteren Fläche weggeätzt wird. Dies lässt sich in einfacher Weise dadurch bewerkstelligen, dass der Ätzvorgang auf der unteren Fläche etwas vor Beginn des Äztvorgangs auf der Vorderfläche begonnen wird. Da die Gesamt-Ätzdauer in Stunden gemessen wird, ist es ohne weiteres möglich, die Zeitdauer präzise einzustellen, während der das Wafer zunächst in EDP geätzt wird, bevor Nitrid aus dem Düsenspitzenbereich entfernt wird.
Dieses Verfahren kann sowohl unterschiedliche Waferdicken als auch unterschiedliche < 111> /< 100> Ätzfaktoren des Ätzmittels ausgleichen und ermöglicht ein hohes Maß an Steuerung der Dicke der Siliziummembran und des Hinterschnittbetrages des Heizschichtmaterials.
An diesem Punkt sind auch die Chipkanten geätzt, da die Chipkantenätzung gleichzeitig mit dem Ätzen des Tintenkanals erfolgt. Die Auslegung des Chipkanten-Maskenmusters kann derart angepasst werden, dass die Chips am Ende des Ätzvorgangs noch am Wafer gehalten sind und noch dünne "Brücken" bestehen, die leicht abgebrochen werden können, ohne die Chips zu beschädigen. Alternativ können die Chips in diesem Stadium aber auch vollständig vom Wafer getrennt werden.
Damit die Chips während des EDP-Ätzvorgangs vollständig abgetrennt werden, ist der Vorgang von beiden Seiten des Wafers her auszuführen.
Die Masken-Schlitze auf der Vorderseite des Wafers können sehr viel enger sein als jene auf der Unterseite des Wafers (geeignet ist ein Schlitz von 10 um Breite). Dadurch wird die verlorene Waferfläche zwischen den Chips auf ein unbedeutendes Maß verringert.
13) Aufbringen einer Passivierungsschicht von der unteren Fläche des Chips her. Geeignet ist ein Mikron PECVD Si&sub3;N&sub4;. Fig. 19 zeigt einen Querschnitt durch den Düsenspitzenbereich nach diesem Schritt.
14) Füllen des Druckkopfs mit Wasser 2030 unter leichtem positivem Druck (etwa 10 kPa). Dabei muss darauf geachtet werden, dass keine Wassertröpfchen und kein Kondensat auf die Vorderseite des Wafers gelangen, da dies den Hydrophobierprozess blockieren würde.
Einwirken von Dämpfen eines Hydrophobiermittels, zum Beispiel fluorinierten Alkylchlorsilans, auf den Druckkopf. Geeignete Hydrophobiermittel sind unter anderem (in steigender Reihenfolge bevorzugt):
1) Dimethyldichlorsilan (CH&sub3;)&sub2;SiCl&sub2; (nicht bevorzugt)
2) (3,3,3-Trifluorpropyl)-Trichlorsilan CF&sub3;(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3;
3) Pentafluortetrahydrobutyl-Trichlorsilan CF&sub3;CF&sub2;(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3;
4) Heptafluortetrahydropentyl-Trichlorsilan CF&sub3;(CF&sub2;)&sub2;(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3;
5) Nonafluortetrahydrohexyl-Trichlorsilan CF&sub3;(CF&sub2;)&sub3;(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3;
6) Undecafluortetrahydroheptyl-Trichlorsilan CF&sub3;(CF&sub2;)&sub4;(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3;
7) Tridecafluortetrahydrooctyl-Trichlorsilan CF&sub3;(CF&sub2;)&sub5;(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3;
8) Pentadecafluortetrahydrononyl-Trichlorsilan CF&sub3;(CF&sub2;)&sub6;(CH&sub2;)&sub2;SiCl&sub3;
Außerdem stehen viele weitere Alternativen zur Verfügung. Eine fluorinierte Oberfläche ist einer alkylierten Oberfläche vorzuziehen, um die physikalische Adsorption des oberflächenaktiven Mittels der Tinte zu verringern.
Dank des Wassers werden die Innenoberflächen des Druckkopfs durch das Hydrophobiermittels nicht beeinträchtigt, so dass der Druckkopf sich durch Kapillarwirkung füllen kann. Fig. 20 zeigt einen Querschnitt durch eine Düse während des Hydrophobiervorgangs.
15) Zusammenbauen und Verdrahten. Jetzt kann das Bauelement an die Tintenversorgung angeschlossen werden, der Tintendruck angelegt werden, und die Funktionstests können durchgeführt werden. Fig. 21 zeigt einen Querschnitt durch eine mit Tinte gefüllte Düse 2031 im Ruhezustand.
Fig. 22 zeigt eine perspektivische Ansicht der Tintenkanäle, von der Rückseite eines Chips aus gesehen.
Fig. 23(a)-23(e) zeigen Querschnitte des Wafers, aus denen das gleichzeitige Ätzen der Düsen und Chipränder für das Abtrennen des Chips ersichtlich ist. Diese schematischen Darstellungen sind nicht maßstabsgetreu. Fig. 23(a) zeigt zwei Bereiche des Chips, den Düsenbereich und den Chipkantenbereich vor dem Ätzen, sowie die maskierten Bereiche der Düsenspitzen, Tintenkanäle und Chipkanten. Fig. 23b zeigt das Wafer nach dem Ätzen der Düsenspitzenlöcher mit der < 100> Ätzrate und dem Ausbilden der pyramidenförmigen Senken. Zu diesem Zeitpunkt wird die Ätzrate der Düsenspitzenlöcher auf die < 111> Ätzrage verlangsamt. Gleichzeitig erfolgt das Ätzen der Chipränder und der Tintenkanäle. Fig. 23c zeigt ein Wafer zu dem Zeitpunkt, an dem die gerade an der Chipkante von der Vorderseite des Wafers her geätzte Senke auf die von der Rückseite des Wafers geätzte Senke trifft. Fig. 23d zeigt das Wafer zu dem Zeitpunkt, an dem die Tintenkanalsenke auf die Düsenspitzensenke trifft. Das Ätzen der Waferränder ist gleichzeitig mit der < 100> Ätzrate in horizontaler Richtung erfolgt. Fig. 23(e) zeigt das Wafer nach Abschluss des Ätzvorgangs und Ausbildung der Düsen.
Fig. 24 zeigt die Abmessungen einer Anordnung einer einzelnen Tintenkanalsenke mit 24 Hauptdüsen und 24 redundanten Düsen, die mittels des hierin beschriebenen Verfahrens hergestellt wurden.
Fig. 25 zeigt eine Anordnung und die Abmessungen von 8 Tintenkanalsenken und ihren entsprechenden Düsen in einem Druckkopf.
Fig. 26 zeigt 32 Tintenkanalsenken an einem Ende eines Vierfarben-Druckkopfs. Für jede der vier Druckfarben Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz stehen zwei Reihen von Tintenkanalsenken zur Verfügung.
Fig. 27(a) und 27(b) zeigen die Enden von zwei aneinander angrenzenden, zur Herstellung längerer Drückköpfe stumpf gestoßener Druckkopf-Chips (Module). Die präzise Ausrichtung der Druckkopf-Chips derart, dass die Druckkopf-Chips in Abtastrichtung nicht gegeneinander versetzt sind, ermöglicht das Drucken ohne sichtbare Fugen zwischen gedruckten Punkten einer Seite.
Fig. 28 zeigt die gesamte Gruppe der Tintenkanalsenken eines monolithischen 4" (100 mm) Druckkopf-Moduls.
Vorstehend wurden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Für den Fachmann ist jedoch ersichtlich, dass Modifikationen möglich sind, ohne den in den beiliegenden Zeichnungen definierten Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines thermisch aktivierten Drop-on-demand Druckkopfs, mit den Schritten:

(a) Ausbilden mindestens einer im allgemeinen planen Elektrodenschicht auf der Oberfläche eines Substrats,

(b) Ätzen eines Düsenlochs durch die Elektrodenschicht hindurch, um separate Elektrodenabschnitte zu bilden und

(c) Ausbilden einer ohmschen Heizschicht auf den Oberflächen des Düsenlochs derart, dass zwischen jedem Elektrodenabschnitt und der Heizschicht ein elektrischer Kontakt entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass die ohmsche Heizschicht sich bis zur Öffnung des Düsenlochs erstreckt, wo sie den Tintenmeniskus erwärmt.

2. Monolithischer Drop-on-demand Druckkopf, mit

(a) einem Silizium-Wafersubstrat mit einer planen Oberfläche,

(b) einer oberen Schicht, die mindestens eine Metallelektrodenschicht aufweist, über der Substratoberfläche ausgebildet ist und mindestens ein Düsenloch umfaßt, das sich durch die Substratoberfläche hindurch in eine im allgemeinen zur planen Oberfläche senkrecht verlaufende Richtung und bis zu einem Punkt erstreckt, der die Elektrodenschicht in separate Elektrodenabschnitte aufteilt, und

(c) einer ohmschen Heizschicht, die auf den Innenflächen des Düsenlochs ausgebildet und mit jedem der Elektrodenabschnitte verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ohmsche Heizschicht bis zur Öffnung des Düsenlochs erstreckt, wo sie den Tintenmeniskus erwärmt.

3. Monolithischer Drop-on-demand Druckkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schicht um die Öffnung des Düsenlochs herum einen erhabenen Randabschnitt aufweist und dass die Heizschicht sich um den Randabschnitt herum erstreckt.

4. Verfahren zum Herstellen eines thermisch aktivierten Drop-on-demand Druckkopfs mit den Schritten:

(a) Ausbilden einer Vielzahl von Elekroden auf einem Silizium-Wafersubstrat,

(b) Ausbilden einer Oberflächenschicht auf der Oberseite des Substrats,

(c) Ätzen einer Vielzahl von spitz zulaufenden flüsenlöchern durch die Oberflächenschicht hindurch und dadurch Kreuzen der Elektroden,

(d) Beschichten der spitz zulaufenden Düsenlöcher mit einer ohmschen Heizschicht derart, dass zwischen den Elektroden und der ohmschen Heizschicht ein elektrischer Kontakt entsteht, und

(e) wahlweises Entfernen der ohmschen Heizschicht von Bereichen, nicht jedoch von den spitz zulaufenden Düsenlöchern, dadurch gekennzeichnet, dass die ohmsche Heizschicht sich bis zur Öffnung der spitz zulaufenden Düsenlöcher erstreckt, wo sie den Tintenmeniskus erwärmt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Ätzen eines Teils der Oberflächenschicht derart, dass die ohmsche Heizschicht einen von der Oberflächenschicht abstehenden Rand bildet.

6. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Beschichten der ohmschen Heizschicht mit einer Passivierungsschicht vor dem Entfernen der ohmschen Heizschicht von Bereichen, nicht jedoch von den Düsenlöchern, und Entfernen der Passivierungsschicht von Bereichen, nicht jedoch von den Düsenlöchern.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Ätzen einer Vielzahl von zylinderförmigen Düsenlöchern, wobei das Ätzmittel durch die spitz zulaufenden Düsenlöcher hindurch auf die Oberseite des Substrats einwirkt.

9. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch anisotropes Ätzen eines oder mehrerer Tintenkanäle von der Unterseite des Substrats aus.

10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Einzelkristallsilizium besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Einzelkristallsiliziumwafer mit einer < 100> kristallografischen Ausrichtung ist.

12. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht aus Siliziumdioxid besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das spitz zulaufende Düsenloch mit einem Radius von weniger als 50 Micron hergestellt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem Einzelkristallsilizium besteht und die Tintenkanäle derart geätzt werden, dass sie {111} kristallografische Ebenen des Substrats freilegen.

15. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung auf dem gleichen Substrat hergestellt wird wie die Düsen.