DE69712622T2

DE69712622T2 - Dreidimensionales drucken und herstellen von strukturen

Info

Publication number: DE69712622T2
Application number: DE69712622T
Authority: DE
Inventors: Stuart Speakman
Original assignee: Patterning Technologies Ltd
Current assignee: Patterning Technologies Ltd
Priority date: 1996-06-04
Filing date: 1997-06-04
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2017-06-05
Also published as: EP0915760B1; PT915760E; DK0915760T3; ES2176742T3; EP0915760A2; WO1997048557A2; GB9611582D0; ATE217580T1; AU2973597A; DE69712622D1; US6402403B1; WO1997048557A3; US6164850A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf dreidimensionales Drucken und auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, um dreidimensionale Strukturen auf Oberflächen auszubilden.
Die vorliegende Erfindung spricht das Problem der genauen und schnellen Formatierung von dreidimensionalen Merkmalen auf Oberflächen an. Dieses Problem ist wichtig in einem weiten Bereich von Gebieten, von denen eine Anzahl unten beschrieben sind.
In einem Beispiel sind Menschen, die Braille zur Kommunikation benutzen, durch einen Mangel an genauen und schnellen Mitteln zur Herstellung der Braille- Symbole besonders betroffen. Ein bekanntes Verfahren ist Anschlagsdrucker zu benutzen, um Papier mit erhöhten Abschnitten, die die Braille-Symbole repräsentieren, zu prägen. Verglichen mit herkömmlichen Druckern, können jedoch die Anschlagsdrucker wegen ihrer Komplexität teuer sein, wegen des konstanten Anschlagens des Druckerkopfs laut sein und wegen der hohen Anforderungen an die beweglichen Teile unzuverlässig sein.
Das Tropfen-nach-Bedarf-Drucken ist eine bekannte Drucktechnik, wobei ein Tintentröpfchen von einem Tintenstrahldruckkopf ausgestoßen wird. Das Tröpfchen schlägt auf eine Druckoberfläche auf, trocknet und bildet einen Punkt aus, der eine erkennbare Struktur bzw. ein erkennbares Muster, wie z. B. einen Buchstaben, ausbildet. Diese Technik hat sich als ein effektiver und wirtschaftlicher Weg des Druckens unter Verwendung von Tinte erwiesen und ihr Gebrauch ist nun weit verbreitet.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Ausbilden eines dreidimensionalen fühlbaren Merkmales auf einer Oberfläche unter Verwendung der Technik der Tropfenausstoßung bereit, um Tropfen eines Abscheidungsmaterials abzuscheiden, wobei das Verfahren aufweist, dass mehrere Tröpfchen auf der Oberfläche abgeschieden werden, um ein fühlbares Merkmal zu bilden, das mehrere diskrete Abschnitte aufweist, wobei zumindest zwei benachbarte Abschnitte aus unterschiedlichem Abscheidungsmaterial ausgebildet sind.
Vorzugsweise umfassen die Vielzahl der Tröpfchen zumindest ein Tröpfchen aus einem Material und zumindest ein Tröpfchen von einem anderen Material.
Die Anwendung der Erfindung ist breit. Zum Beispiel können fühlbare Symbolsätze für die Blinden, wie z. B. Braille, Dotsplus, ASTeR, Moonprint und dergleichen, so leicht wie herkömmliche Zeichensätze bzw. Symbolsätze ausgebildet werden. Dementsprechend erstreckt sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Ausbilden eines Braille-Symbols bzw. -Zeichens auf einer Oberfläche unter Verwendung der Technik der Tropfenausstoßung, um Tröpfchen eines Abscheidungsmaterials abzuscheiden, wobei das Verfahren aufweist, dass eine Vielzahl von Tröpfchen auf der Oberfläche abgeschieden werden, um ein Symbol zu bilden, das mehrere diskrete Abschnitte aufweist, wobei zumindest zwei benachbarte Abschnitte aus unterschiedlichem Abscheidungsmaterial ausgebildet sind.
Herkömmliche Druckaufgaben können unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden, einschließlich z. B. warnender Symbole, Produktwerbung, 'thermografisches' Drucken oder Tapetendrucken. Fühlbare Digitalfotografie ist für die Produktion von Reliefkarten bzw. Reliefplänen möglich. Das Foto wird aus Digitaldaten konstruiert, einschließlich der Höhe des Bodens, der als diskreter Schritt gespeichert ist, der die Größe oder Anzahl von Tropfen des Druckmaterials, das angewendet ist, definiert. Nach dem Auswurf oder dem Aushärten des Abscheidungsmaterials verbinden sich die einzelnen Tropfen mit benachbarten Tropfen, so dass die Höhe kontinuierlich und nicht in diskreten Schritten variiert. Verschiedene Abscheidungsmaterialien können auf die Oberfläche getropft werden, um verschiedene Beschaffenheiten bzw. Texturen zu geben bzw. zu verleihen.
Eine andere Anwendung ist die textile Musterung, wo z. B. Namen oder Embleme direkt auf T-Shirts oder Sweatshirts gedruckt werden. Alternativerweise kann eine Stoffrolle oder ein Teppich mit einem wiederkehrenden Muster bedruckt werden.
Eine andere Anwendung liegt in der Beschichtung von ganzen Bereichen, wobei die Dicke des Laminates gesteuert werden kann. Die besondere Nutzung bzw. Anwendung kann bei der Leiterplatten-Produktion, bei Klebstoffen, bei transparenten Elektroden (die z. B. copolyanylin-basierende Lösungen verwenden), bei optischen Elementen (z. B. Antireflexbeschichtung von Augenlinsen) und in dem Schutz von Anzeigefenstern bzw. Bildschirmfenstern gefunden werden. Alternativ kann die Beschichtung nur auf einem gewählten Bereich sein. Zum Beispiel das direkte Schreiben von Masken auf Leiterplatten, selektiven bzw. trennscharfen Klebstoffen und diskreten transparenten Elektroden. Die Düsen können zum Sprayen bzw. Sprühen des Abscheidungsmaterials angepasst sein, wobei der Abscheidungsbereich durch die Anzahl der Düsen, die aktiviert bzw. abgeschossen sind, diktiert bzw. bestimmt ist. Hochpräzisionsbeschichtungen sind unter Verwendung dieses Verfahrens des Auswurfs eines abdeckenden Materialbereichs möglich.
Eine wichtige Anwendung ist die Zusammensetzung bzw. Formung von Oberflächenstrukturen, wie z. B. Wellenleitern für Mikrowellen und für Licht. Im letzteren Fall kann ein ferroelektrischer optischer Hohlleiter mit Tropfen eines ferroelektrischen Materials gebaut werden, das zum Kristallisieren thermisch geglüht sein kann und die ferroelektrischen Eigenschaften setzt.
Dünnfilmtechniken, wie z. B. die Abscheidung amorphen Siliziums, die LCD- Anzeigenfabrikation, die Gassensorfabrikation und die Mikrolinsenzusammensetzung bzw. Mikrolinsenformung sind alles mögliche Anwendungen. Die Zusammensetzung bzw. Formung von nichtlinearen optischen Geräten und polymeren Transistorstrukturen sind auch mögliche Anwendungen.
Vorzugsweise umfassen die Abscheidungsmaterialien zwischen 20% und 60% festes Material. Vorteilhafterweise umfasst das Abscheidungsmaterial zwischen 30% und 50% festes Material bzw. Festkörpermaterial und noch vorteilhafter umfasst das Abscheidungsmaterial im Wesentlichen 40% festes Material.
Unter Verwendung solch eines Verfahrens kann ein spezifisches Merkmal mit einem wählbaren Profil abgeschieden werden, das nicht einzig bestimmt ist durch das abgeschiedene Material (z. B. Fließeigenschaft, Oberflächennässe bzw. Oberflächenfeuchte, Thixotropie). Das Verfahren erlaubt die Anwendung einer Vielzahl von Tropfen, die bei einem Punkt zusammenfallen, um das benötigte Merkmal aufzubauen.
Vorzugsweise besitzt das Abscheidungsmaterial eine dynamische Viskosität im Bereich von 1 cps und 1000 cps und noch bevorzugter zwischen 1 cps und 200 cps.
Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren weiter den Schritt, dass das Abscheidematerial vor, während oder nach der Abscheidung einer Strahlenbehandlung unterworfen wird. Die Druckoberfläche kann einer Strahlung unterworfen werden, um sie für das Abscheidematerial vorzubereiten. Eine eingesetzte lokale UV- und Infrarotstrahlungsbelichtung stellt einen beträchtlichen Umfang zur Modifizierung der Reaktion des Tropfens bereit, um das benötigte Merkmal und Profil zu erreichen.
Vorzugsweise ist die Strahlung ultraviolettes Licht. In diesem Fall umfasst das Abscheidematerial geeignete Oligomere, wie z. B. Epoxidacryle oder Urethanacryle, und noch geeigneter sind die Epoxidacryle mit Silikon angereichert. Die Silikonanreicherung verringert die Oberflächenenergie des gedruckten Materials und geben das Druckmaterial nicht klebend wieder. Alternativ umfasst das geeignete Abscheidungsmaterial Urethanacryle.
Vorzugsweise ist die Strahlung infrarotes Licht. In diesem Fall umfassen die geeigneten Abscheidungsmaterialien wassermischbare teilweise reagierte Polymere.
Vorzugsweise umfasst eine der Schichten eine Druckoberflächenbehandlungsschicht, die vorzugsweise Epoxidacryl umfasst.
Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren weiter den Schritt des Erhöhens der Temperatur des Abscheidungsmaterials vor der Abscheidung. Dies erniedrigt bzw. verringert die dynamische Viskosität des Abscheidungsmaterials, so dass es benutzt werden kann in dem Tropfen-nach-Bedarf-Verfahren. Solch ein Material ist ein heißschmelzendes Material.
Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren weiter die Nutzung eines Tropfens oder zusammenfallender Tropfen von einem kreuzverbindbaren bzw. vernetzbaren polymeren Material und die Initiierung der Vernetzung während des Fluges oder sofort nach der Abscheidung. Die Initiierung der Vernetzung kann durch chemische Mittel, die einen weiteren gleichzeitig ankommenden Tropfen benutzen, oder durch die Strahlungsbehandlung erfolgen.
Das Merkmal kann unter Verwendung einer Tröpfchenabscheidungsvorrichtung ausgebildet werden, der mehrere Tröpfchenabscheidungsdüsen zur Abscheidung von verschiedenen Abscheidungsmaterialien auf einer Druckoberfläche besitzt, um ein dreidimensionales Merkmal auszubilden, das mehrere diskrete Abschnitte aufweist, wobei benachbarte Abschnitte aus verschiedenen Abscheidungsmaterialien ausgebildet sind.
Die Düsen können in Richtung auf eine einzelne Tröpfchenabscheidungsstelle gerichtet sein. Vorzugsweise scheiden die Düsen verschiedene Abscheidungsmaterialien ab, um ein Merkmal auszubilden, das drei oder mehr Abschnitte umfasst, wobei die Abschnitte einen Abdichtungsabschnitt, einen Körperabschnitt und einen Abschnitt, der aus nicht klebendem bzw. nicht haftendem Material ausgebildet ist, umfassen.
Vorzugsweise umfasst die Tröpfchenabscheidungsvorrichtung weiterhin elektromagnetische Mittel zur Etablierung eines elektromagnetischen Feldes zur Behandlung des von den Düsen ausgestoßenen Materials. Die elektromagnetischen Mittel können zumindest einen Wellenleiter oder eine optische Faser aufweisen, die mit einem kontinuierlichen oder gepulsten Ultraviolett, sichtbarem Licht oder einer Infrarotquelle kommunizieren.
Die elektromagnetischen Mittel können bei zumindest zwei diskreten Wellenlängen betriebsbereit sein.
Die elektromagnetischen Mittel können weiter eine Fokussieranordnung zur Ausrichtung der elektromagnetischen Strahlung umfassen. Alternativerweise können die elektromagnetischen Mittel weiter eine abtastende Anordnung, wie z. B. einen rotierenden Spiegel, umfassen.
Vorzugsweise umfasst der Apparat bzw. die Vorrichtung eine Abscheidungskammer und einen betätigbaren Verschluß bzw. eine betätigbare Klappe, um das Material innerhalb der Kammer von einem elektromagnetischen Feld abzuschirmen.
Vorzugsweise umfasst der Apparat bzw. die Vorrichtung weiter eine Abscheidungskammer und eine Betätigungseinrichtung in der oder angrenzend an die Abscheidungskammer, zur Anwendung eines Druckimpulses auf die Abscheidungskammer, wobei die Betätigungseinrichtung ein bimorphes Laminat bzw. Schichtanordnung umfasst, das bzw. die zumindest zwei Schichten aus piezoelektrischem Material und zumindest zwei Metallschichten einschließt. Die Betätigungseinrichtung kann zumindest drei Bedienteile bzw. Aktoren umfassen, die angeordnet sind, um zusammen die Wand oder zumindest einen Teil der Kammer zu definieren.
Alternativ kann die Vorrichtung weiter eine Abscheidungskammer und eine Betätigungseinrichtung in der oder angrenzend an die Abscheidungskammer zur Anwendung eines Druckimpulses auf die Abscheidungskammer umfassen, wobei die Betätigungseinrichtung zumindest drei Bedienteile bzw. Aktoren umfasst, die angeordnet sind, um zusammen die Wand oder zumindest einen Teil der Kammer zu definieren.
Die Betätigungseinrichtung kann vier Bedienteile bzw. Aktoren umfassen, die für den Teil der Kammer einen rechtwinkligen Querschnitt bereitstellen.
Der Apparat bzw. die Vorrichtung kann weiter Mittel zum simultanen Abschuss bzw. zur simultanen Zündung des Bedienteils bzw. des Auslösers umfassen.
Vorzugsweise umfasst der Apparat bzw. die Vorrichtung weiter eine Düsenklappe bzw. einen Düsenschließer, der mit jeder jeweiligen Düse zum Schließen der Düse verbunden ist. Die Düsenklappe bzw. der Düsenschließer kann einen Kolben umfassen, der in der Abscheidungskammer untergebracht ist, und der zwischen einer geschlossenen Position, in welcher der Kopf des Kolbens sich mit der Lochblende bzw. dem Durchlass der Düsen ausrichtet, und einer geöffneten Position, in welcher der Kolben in die Abscheidungskammer zurückgezogen ist, beweglich ist. Vorzugsweise umfasst die Düsenklappe bzw. der Düsenschließer eine bimorphe Schichtanordnung, die zumindest zwei Schichten aus piezoelektrischem Material einschließt.
Die Vorrichtung kann weiter Mittel zur Variierung der Größe der Lochblende bzw. des Durchlasses von zumindest einer der Düsen umfassen. Die Mittel können eine Membran des Iristyps, die verbunden ist mit der oder jeder Düse, umfassen.
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nun nur anhand einer Darstellung und mit Bezug auf die Figuren gegeben, in welchen:
Fig. 1 mehrere Schichten des Abscheidungsmaterials an einer übereinstimmenden Tropfenstelle auf der Druckoberfläche zeigt;
Fig. 2 drei Abscheidungsköpfe zeigt, die auf eine übereinstimmende Tropfenstelle auf der Druckoberfläche gerichtet ist;
Fig. 3 drei Abscheidungsköpfe, die auf einen zusammenfallenden bzw. übereinstimmenden Punkt über einer Druckoberfläche gerichtet ist, zeigt;
Fig. 4 eine Anordnung von Abscheidungsköpfen zeigt;
Fig. 5 ein Braille-Symbol mit Oberflächentextur zeigt;
Fig. 6(a), 6(b) und 6(c) Stufen in der Zusammensetzung bzw. Formung von einer zugespitzten Düse durch Ätzen zeigen;
Fig. 7 einen 45º-Spiegel zeigt;
Fig. 8A, 8B und 8C Querschnitte von einem Doppelreihenabscheidungskopf entsprechend einer ersten Ausführungsform zeigen;
Fig. 9(a), 9(b), 9(c) und 9(d) verschiedene begrenzte Softwaremodellgrafiken zeigen, die Druckimpulse in einer Zuführungskammer und einer Abscheidungskammer zeigen;
Fig. 10A und 10B eine Draufsicht und einen Querschnitt von jeweils einem Verschluss eines Abscheidungskopfes entsprechend einer zweiten Ausführungsform zeigen;
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines Abscheidungskopfes entsprechend einer vierten Ausführungsform zeigt;
Fig. 12 eine Draufsicht eines Abscheidungskopfes mit vier Plattenaktoren entsprechend einer dritten Ausführungsform zeigt;
Fig. 13A und 13B eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer Anordnung von Abscheidungsköpfen zeigen;
Fig. 14 verschiedene Querschnittsansichten eines Stapelaktors zeigt;
Fig. 15 eine Querschnittsansicht eines Abscheidungskopfes in Kombination mit einer UV-Lichtquelle zeigt; und
Fig. 16 eine Explosionszeichnung einer weiteren Ausführungsform zeigt.
Bezugnehmend auf Fig. 1 sind dort mehrere Schichten eines Abscheidungsmaterials an einer zusammenfallenden bzw. übereinstimmenden Tropfenstelle auf einer Druckoberfläche ein dreidimensionales Merkmal ausbildend, gezeigt. Die erste Schicht 10 (unterste Schicht) ist eine oberflächen-vorbehandelte Schicht aus Epoxidacryl, die in die Papieroberfläche vertieft ist, um ein gutes Haftvermögen für die nächste Schicht bereitzustellen. Die zweite Schicht 12, dritte Schicht 14 und vierte Schicht 16 sind über der ersten Schicht aufgebaute bzw. zusammengesetzte Schichten. Die fünfte Schicht 18 (oberste Schicht) ist eine silikonangereicherte Schicht, die eine nicht klebende Oberfläche bereitstellt.
Das dreidimensionale Merkmal ist auf der Druckoberfläche unter Verwendung der Tropfen-nach-Bedarf-Technik ausgebildet, um mehrere Tröpfchen 20 von einem Abscheidungsmaterial von einem Abscheidungskopf 22 (Fig. 2) zu tropfen. Der Abscheidungskopf 22 hat eine Höhe über der Druckoberfläche zwischen 5 um und 1000 um. Der Abscheidungskopf 22 hält das Abscheidungsmaterial und stößt einen Tropfen auf Befehl auf die Druckoberfläche aus. Die Abscheidungsmaterialien umfassen mehr als 40% feste Substanz und können aus irgendeinem der Materialien, die in der Einleitung diskutiert sind, sein.
Das dreidimensionale Merkmal wird mit zumindest drei verschiedenen Abscheidungsmaterialien ausgebildet und folglich werden zumindest drei Abscheidungsköpfe 22A, 22B und 22C benötigt. Fig. 2 zeigt eine schematische Anordnung von drei Abscheidungsköpfen 22, die ihre jeweiligen Tröpfchen zu einer übereinstimmenden Tropfstelle 24 auf einer Druckoberfläche leiten bzw. führen. Ein Abscheidungskopf 22 umfasst einen Druckerzeugungshohlraum 26 mit einer profilierten zylindrischen Düse 28 in einer Wand des Hohlraums und einen bimorphen PZT- Aktor 30 in einer gegenüber liegenden Wand. Jede Düse 28 definiert eine Auswurflinie, die für den Weg, den ein Tröpfchen des Abscheidungsmaterials nach dem Ausstoßen nehmen wird, repräsentativ ist. Die drei Düsen 28 sind so geformt, dass ihre jeweiligen Auswurflinien in einem Punkt auf der Druckoberfläche bei einer bekannten Höhe unterhalb der Abscheidungsköpfe zusammenfallen. Eine zusammenfallende bzw. übereinstimmende Tropfstelle 24 erlaubt bzw. ermöglicht es dem dreidimensionalen Merkmal, ohne Bewegung der Anordnung der Köpfe ausgebildet zu werden. Dies löst das Problem der Ausrichtung verschiedener Abscheidungsköpfe 22 auf eine Tropfstelle 24. Ein erster Abscheidungskopf 22A tropft die erste Schicht 10 und eine kurze Zeit später tropft der zweite Abscheidungskopf 22B jeweils die zweite Schicht 12, die dritte Schicht 14 und die vierte Schicht 16. Danach tropft der dritte Abscheidungskopf 22C die fünfte und letzte Schicht 18.
In Fig. 3 sind drei schematische Abscheidungsköpfe 32A, 32B, 32C, die auf einen übereinstimmenden Punkt 34 über eine Druckoberfläche gerichtet sind, gezeigt. Diese Anordnung stellt eine Mischung 'im Flug' von verschiedenen ausgelassenen Materialien bereit.
Die Fig. 4 zeigt eine zweidimensionale Anordnung von schematischen Abscheidungsköpfen 36, wobei jeder eher wie ein herkömmlicher Druckkopf auf die jeweiligen Tropfstellen gerichtet ist. Diese zweidimensionale Anordnung gewährleistet die simultane Abscheidung mehrerer Tropfen, um Zeichen, wie z. B. Braille- Symbole, auszubilden.
Die Düsen können Mittel zur direkten Variierung der Größe der Düsenblende bzw. des Düsendurchlasses umfassen, wie z. B. eine Anordnung vom Iristyp. Durch Variierung der Größe der Blende bzw. des Durchlasses von zumindest einer der Düsen einer Mehrfachdüsentröpfchen-Abscheidungsvorrichtung, kann die Abscheidungsvorrichtung Tröpfchen von variierender Größe abscheiden. Dies berücksichtigt die Erzeugung eines dreidimensionalen Merkmals, z. B. eines Braille-Symbols, das eine gesteuerte Oberflächentextur besitzt. Fig. 5 zeigt solch ein Merkmal, in dem die Oberflächenabschnitte 40, 42, 44 und 46 auf der Oberfläche des Abschnitts 48 abgeschieden sind, der auf dem Substrat 50 ausgebildet ist. Der Abschnitt 48 kann in einer ähnlichen Art und Weise wie das dreidimensionale Merkmal, das in Fig. 1 gezeigt ist, ausgebildet sein. Die Oberflächenabschnitte 40, 42, 44 und 46 werden von den jeweiligen Düsen abgeschieden, die entweder dieselbe oder verschiedene Düsenblenden bzw. Düsendurchlässe besitzen, und können aus demselben Abscheidungsmaterial ausgebildet sein. Vorzugsweise hat dieses Abscheidungsmaterial in dem Abscheidungsmaterial, das den Abschnitt 48 ausbildet, eine gesteuerte Löslichkeit.
Durch Variierung der Anzahl und Größe (das heißt Höhe) der Oberflächenabschnitte haben die dreidimensionalen Merkmale einen weiten Bereich von Oberflächentexturen, die ausgebildet werden können. Dies findet besonders Anwendung bei der Produktion von Braille-Karten, in denen Merkmale Straßen, Flüsse, Küstenlinien repräsentieren und derart können sie gleichermaßen mit den jeweiligen Oberflächentexturen ausgebildet werden.
Eine andere Anwendung liegt in der Abscheidung von ausgeprägten Schichten der Materialien, die verschiedene Ätzraten für die Produktion einer breiten Vielfalt von Artikeln besitzen, z. B. eine mikroelektromechanisch hergestellte (MEMS) Struktur. Die selektive bzw. trennscharfe Bereichsabscheidung von verschiedenen Schichten des Materials auf demselben Substrat stellt die Fähigkeit, eine Vielfalt von Strukturen bzw. Formen in dem Substrat unter Verwendung eines oder mehrerer gemeinsamer trockener Ätzprozesse zu ätzen, bereit. Die Fig. 6 zeigt anhand von Beispielen die Zusammensetzung bzw. Struktur einer zulaufenden bzw. zugespitzten Düse in einem Substrat.
Fig. 6(a) zeigt zwei Schichten 60 und 62, die auf der Oberfläche eines Substrat 64 für die Zusammensetzung bzw. Formung solch einer Düse abgeschieden sind. Die Materialien, die abgeschieden sein können, um die Schichten 60 und 62 auszubilden, schließen Fotolacke bzw. lichtundurchlässige Lacke, organisch modifizierte Keramiken, Ormosile, metallorganische Lösungen (z. B. Aluminiumbutoxid), strahlungstrockenbare bzw. strahlungshärtbare Polymere (wie z. B. Acrylate, Urethane, Epoxide) und Polyimide ein. Geeignete Ätzmittel für diese Materialien hängen von der Natur der Anwendung, wie z. B. des Materials, das geätzt wird und der gewünschten resultierenden Struktur ab. Typische Ätzmittel schließen Plasma, das auf inaktiven Gasen (Argon, Helium usw.), fluorierten Gasen (CH&sub4;, CHF&sub3; usw.), chlorierten Gasen (CCl&sub2;, Cl&sub2; usw.), jodierten Gasen und bromierten Gasen basiert, ein.
In Fig. 6(a) bleibt ein Bereich 66 der oberen Oberfläche 68 des Substrats unbedeckt. Für das gewählte Ätzmittel hat das Abscheidungsmaterial, aus dem die Schicht 60 ausgebildet ist, eine niedrigere Ätzungsrate als für das, aus dem die Schicht 62 ausgebildet ist, und eine niedrigere Ätzungsrate als das Material, aus dem das Substrat 64 ausgebildet ist. Die Schicht 60 ist mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Dicke auf der Oberfläche der Schicht 62 abgeschieden. Die Schicht 62 ist derart abgeschieden, dass die Dicke der Schicht zu dem Bereich 66 des Substrates 64 abnimmt; dabei ist die Dicke der Schicht ausgewählt, um eine spezifische Verzögerungszeit bereitzustellen, um das gewünschte Profil des geätzten Merkmals zu steuern.
Wie in Fig. 6(b) gezeigt, bleibt die Schicht 62 unbelichtet, bis die Schicht 60 durch das Ätzmittel entfernt worden ist, wobei an dieser Stelle eine Wanne 70 in dem Substrat 64 durch das Ätzmittel ausgebildet wird. Während die Ätzung der Schicht 62 beginnt, wird ein erhöhter Bereich der oberen Oberfläche 68 des Substrates dem Ätzmittel ausgesetzt, was, wie in Fig. 6(c) gezeigt, in einer Reduzierung bzw. Zuspitzung der Seitenwände der Wanne 70 führt.
Mit der Abscheidung mehrerer Schichten variierender Dicke und variierenden Materialtyps ist es möglich, komplexe Ätzstrukturen zu erhalten.
Eine weitere Anwendung liegt in der Herstellung von optischen Mehrschichtgeräten, wie z. B. einem 45º-Spiegel, wie in Fig. 7 gezeigt. Der Spiegel umfasst eine erste Oberflächenschicht 80, die auf einem Substrat 82 abgeschieden ist, um die Anhaftung des Spiegels auf dem Substrat zu fördern bzw. zu begünstigen und/oder um die Oberflächennässe bzw. Oberflächenfeuchte zu steuern. Die Schichten 84, 86, 88 ... sind nachfolgend der Reihe nach in einer abgestuften Anordnung derart abgeschieden, dass die Seitenwand 90, 92, 94 ... von jeder Schicht in der Richtung des Pfeils 96 von der (den) angrenzenden Schicht(en) beabstandet ist. Die Schichtdicke und die Beabstandung der Seitenwände beeinflusst den Winkel des Spiegels und die Natur der Streuung des auf die Seitenwände einfallenden Lichtes; wobei es notwendig sein kann, die sich daraus ergebende Struktur einer Hitzebehandlung zu unterwerfen bzw. zu unterziehen, um die einzelnen Seitenwände 90, 92, 94 ... zu vereinigen bzw. zusammenzufügen, um eine weiche bzw. feine Wandstruktur bereitzustellen, um die gewünschten Reflexionen zu produzieren. Es ist deshalb möglich, unter Verwendung der obigen Abscheidungstechniken ein Merkmal mit einer variabel gewinkelten Wand abzuscheiden, um das Licht abzulenken, wie z. B. ein Oberflächenkollektor.
Komplexe Brechzahlmuster können auch mit der Ablagerung von Materialbereichen mit verschiedenen Brechzahlen erreicht werden, die ein Mittel zur Filterung oder Vorfilterung bzw. Zwischenfilterung von darauf einfallendem Licht bereitstellen können.
Die Fig. 8A, 8B und 8C zeigen einen ersten Vorschlag eines Abscheidungskopfes, wobei dies ein Doppelreihenabscheidungskopf 100 ist. Der Doppelreihenkopf 100 umfasst einen Kammerkörper 102, der eine Abscheidungskammer 104 und eine Zuführungskammer 106 besitzt, die darin ausgebildet und durch einen Kanal 108 verbunden sind. Wie in Fig. 8A (ein 'Aus-Werfer') umfasst in einer Variation des Vorschlags die Abscheidungskammer einen Auslass oder eine Düse 110 in einer Wand an einem Ende der Abscheidungskammer. Bei einer anderen Variation des Vorschlags, ist der Auslass oder die Düse 110 in einer Wand an der Seite der Abscheidungskammer in Fig. 8B und SC (ein 'Seiten-Werfer'). Die Zuführungskammer 106 umfasst einen Zugang bzw. Einlass 112 für das Abscheidungsmaterial, das in einem größeren Reservoir (nicht gezeigt) gespeichert ist. Die Membranen 114, 116 am oberen Ende und am unteren Ende definieren eine Wand oder eine Wand der Hohlräume, die mit dem Kammerkörper verbunden sind und durch den Kammerkörper getragen werden. Die Membranen 114, 116 sind flexibel und stabil, so dass durch sie ein Druckimpuls in die Hohlräume übertragen werden kann.
Die obere Membran 114 an der Abscheidungskammer 104 trägt einen Abscheidungsaktor bzw. eine Abscheidungsbetätigungseinrichtung 118, wobei die Membran am oberen Ende der Zuführungskammer einen Zuführungsaktor 120 trägt und die Membran am unteren Ende 116 der Zuführungskammer einen Aktor bzw. eine Betätigungseinrichtung 122 am unteren Ende trägt. Jeder Aktor 118, 120, 122 umfasst ein bimorphes Laminat, das zwei Schichten aus piezoelektrischem Material einschließt, das derart angeordnet ist, dass, wenn eine Potentialdifferenz zwischen ihnen angelegt ist, sich eine dehnt und die andere zusammenzieht, wobei eine Durchbiegungsaktion ungefähr wie bei einem Bimetallstreifen bereitgestellt wird. Wenn das Potential gepulst ist, dann stellt die Durchbiegungsaktion bzw. -betätigung einen einfallenden Druckimpuls auf die Membran bereit, der dann in die Kammer übertragen wird.
Bei einer anderen Variation des Vorschlags sind Doppelaktoren 124, 126, 128 auf den Membranen, wie in Fig. 8C gezeigt, bereitgestellt. Verwendet man mehr als einen Aktor parallel, vermindert sich die benötigte Spannung für einen gegebenen Druckimpuls. In Fig. 8C ist ein Aktor an jeder Seite der Membran positioniert bzw. befestigt, aber es ist auch möglich, zusammengesetzte bzw. verbundene Aktoren, wie in Fig. 14 gezeigt, zu haben. Es ist vorteilhaft, einen Aktor zu haben, der verschiedene dünnere Schichten aus piezoelektrischem Material als eine dicke Schicht umfasst, da die dünneren Schichten große Kapazitäten garantieren, die einen hohen Energietransfer bei niedriger Betriebsspannung begünstigen.
Ein Abscheidungszyklus ist folgendermaßen. Die Hohlräume sind anfänglich mit Abscheidungsmaterial gefüllt. Eine Spannungsdifferenz ist über den Abscheidungssteuerungsaktor angelegt und ein Druckimpuls wird in die Abscheidungskammer 104 übertragen. Der Druckimpuls treibt ein Tröpfchen des Abscheidungsmaterials aus der Abscheidungskammer 104 durch den Auslass 110 und auf eine Druckoberfläche, die an den Auslass 110 angrenzt.
Simultan oder gleich nachdem der Abscheidungssteuerungsaktor 118 gepulst wird, pulsiert ein synchrones Signal den Zuführungsaktor 120 und den Aktor 122 am unteren Ende, der das Abscheidungsmaterial von der Zuführungskammer 106 in den vakanten bzw. freien Raum in der Abscheidungskammer 104 treibt, der durch das ausgeworfene Tröpfchen ausgespart ist. Die Zuführungskammer 106 wird von dem Reservoir wieder aufgefüllt und ein neuer Abscheidungszyklus kann beginnen.
Mit diesem Abscheidungszyklus kann, wenn der Abscheidungssteuerungsaktor gepulst wird, das Abscheidungsmaterial in die Zuführungskammer 106 sowie durch den Auslass 110 getrieben werden. Auf jeden Fall wird der Druck, der in die Abscheidungskammer 104 induziert wird, in die Zuführungskammer 106 durch die Röhre bzw. Führung 108 transferiert, wie schematisch in dem begrenzten Differenzsoftwaremodelldiagramm dargestellt, das in Fig. 9(a) gezeigt ist, in der die Höhe der Säulen den Druck in der Abscheidungskammer, in der Zuführungskammer 106 und in der Röhre bzw. in der Führung 108 repräsentieren.
Dieser nachteilige "Verlust" des Druckes in der Abscheidungskammer 104 kann durch Betätigung der Zuführungskammer 106 eine kurze Zeitperiode vor der Betätigung der Abscheidungskammer 104, wie in Fig. 9(b) gezeigt, verhindert werden. Dies erzeugt einen Druckimpuls, der durch die Röhre bzw. Führung 108 in die Abscheidungskammer 104 fließt. Dieser Druckimpuls ermöglicht die Steuerung des Abscheidungsmaterials in der Abscheidungskammer 104 insbesondere in dem Meniskus des Abscheidungsmaterials an der Öffnung bzw. an dem Durchlass des Auslasses 110, wobei die resultierende Form bzw. Struktur des Meniskus von der Größe des Druckimpulses abhängt.
Die Betätigung des Abscheidungssteueraktors 118 kann zeitlich angepasst sein, um mit einer besonderen Druckbedingung zusammenzufallen, die in der Abscheidungskammer 104 durch die Betätigung des Zuführungsaktors 106 induziert ist. Fig. 9(c) zeigt den Druck in der Abscheidungskammer 104 und der Zuführungskammer 106, wenn gleiche Drücke an beiden Kammern angelegt sind. Der Druckausgleich findet auf beiden Seiten der Röhre bzw. Führung 108 statt, wobei dies nicht zu einer Nettoströmung des Abscheidungsmaterials durch die Röhre bzw. Führung führt. Dadurch, dass ein größerer Druckimpuls an die Zuführungskammer 106 angelegt wird, kann ein Fluss des Abscheidungsmaterials durch die Röhre bzw. Führung 108 zu dem Auslass sichergestellt werden.
Die Fig. 9(d) zeigt den Effekt des Druckimpulses auf das Tröpfchenabscheidungsmaterialreservoir 140, der schematisch in Fig. 9(b) gezeigt ist. Während einiger Druck von der Zuführungskammer 106 zu dem Reservoir 140 transferiert wird, kann dieser Verlust des Druckes durch Steuerung der Geometrie des Einlasses 112 gesteuert werden.
Wenn die Aktoren bzw. Betätigungseinrichtungen der Abscheidungskammer 104 und der Zuführungskammer 106 simultan betätigt werden, ist es besonders vorteilhaft, die stehenden Wellenmuster zu synchronisieren, die in der Flüssigkeit durch diese Aktoren konfiguriert sind, so dass eine konstruktive Störung bzw. Beeinträchtigung der Wellenmuster während des Ausstoßens eines Tröpfchens aus dem Auslass 110 stattfindet, um den Druck, der auf die Tröpfchen während des Ausstoßens einwirkt, zu maximieren und so dass eine destruktive Störung bzw. Beeinträchtigung der Wellenmuster während des "Abbrechens" der Tröpfchen von dem Abscheidungsmaterial stattfindet, die in der Abscheidungskammer 104 bleiben, um den Druck, der auf die Tröpfchen einwirkt, zu minimieren. Dies gewährleistet eine erhöhte Energieeffizienz des Tröpfchenabscheidungskopfes. Die Frequenz des Druckimpulses, der an die Abscheidungskammer 104 und an die Zuführungskammer 106 angelegt ist können unterschiedlich sein; wobei es bevorzugt ist, dass die Frequenz des Druckimpulses, der an der Zuführungskammer 106 angelegt ist, größer ist als die des Druckimpulses, der an die Abscheidungskammer 104 angelegt ist, um flüssige Trägheitseffekte der Flüssigkeit auf Tropfenausstöße zu eliminieren.
Ein zweiter Vorschlag einer einzelnen Kammerauswerferanordnung ist in Fig. 10 gezeigt. Ein Abscheidungskopf 150 umfasst eine längserstreckte Kammer, die sich von einem breiten Reservoirabschnitt 152 durch einen Druckerzeugungsabschnitt 154 zu einem schmalen Düsenabschnitt 156 verjüngt bzw. zuspitzt. Drei Aktoren sind bereitgestellt: wobei ein Transportunterstützungsaktor 158 auf den Reservoirabschnitt 152 einwirkt, ein Druck erzeugender Aktor 160 auf den Druck erzeugenden Abschnitt 154 einwirkt und ein Tröpfchensteuerungsaktor 162 auf den Düsenabschnitt 156 einwirkt. Der Düsenabschnitt 156 kommuniziert mit dem Druck erzeugenden Abschnitt 154 über eine Drossel 164, die als ein Einbahnventil für das Abscheidungsmaterial tätig ist. Die Düse ist eine zylindrische Zwangsdüse mit 1 mm Durchmesser. Der Reservoirabschnitt kommuniziert mit dem Druck erzeugenden Abschnitt 60B durch den Kanal bzw. die Leitung 66. Der Abscheidungszyklus ist dem der ersten Ausführungsform ähnlich. Die Hohlräume sind anfänglich voll und ein Druckimpuls ist an den Düsenabschnitt 156 angelegt, um ein Tröpfchen daraus auszustoßen. Synchronisierte Impulse sind jeweils an den Druckerzeugungsabschnitt 154 und an den Reservoirabschnitt 152 angelegt, so dass ein Fluss des Abscheidungsmaterials durch die Kammer konfiguriert ist, um den Düsenabschnitt 156 wieder aufzufüllen.
Ein dritter Vorschlag stellt einen Doppelkammerabscheidungskopf bereit, der eine Abscheidungskammer 167 und eine Zuführungskammer 168 umfasst, wie in Fig. 11 gezeigt. Die Abscheidungskammer 167 hat ein Abscheidungsaktor 170, der in einer obersten Wand der Kammer positioniert ist, und eine Düse auf der gegenüber liegenden Bodenwand. Die Seitenwände verjüngen sich von einem breiten oberen Abschnitt zu einem engen unteren Abschnitt. Ein Abscheidungsmaterialreservoir umfasst einen Aktor in einer Wand und einen Verteilerabschnitt 172, der mit der Abscheidungskammer durch zwei Röhren bzw. Führungen 174 kommunizieren, die mit dem oberen und unteren Abschnitt der Abscheidungskammer 167 verbunden sind. Ähnliche Druckimpulse können an diesen Abscheidungskopf, wie mit Bezug auf den Doppelreihenabscheidungskopf 100 beschrieben, angelegt werden. In einer alternativen Struktur dieser dritten Ausführungsform kann die Zuführungskammer 168 einen Teil eines abgedichteten "Hohlraums" ausbilden, der nicht mit Tröpfchenabscheidungsmaterial gefüllt zu sein braucht, aber mit irgendeinem geeigneten Material zur effizienten Übertragung von akustischer Energie zu den Abscheidungskammern. In dieser Struktur kann das Tröpfchenabscheidungsmaterial der Abscheidungskammer direkt zugeführt werden.
Ein vierter Vorschlag stellt einen Doppelreihenabscheidungskopf bereit, der eine Reservoirkammer besitzt, die vier Aktoren 176A, 176B, 176C, 176D an den Seitenwänden einschließt, wie in Draufsicht in Fig. 12 gezeigt. Die Zuführungskammer 168 kommuniziert mit einer Abscheidungskammer 167 durch eine Einschränkungsdrossel bzw. Beschränkungsdrossel 178. In dieser Anordnung können die vier Aktoren angepasst sein, um die Volumenänderung in der Reservoirkammer zu maximieren oder die Steuerungsspannung durch simultane Pulsung aller vier Aktoren zu minimieren.
Fig. 13 zeigt, wie eine erste 180A und zweite 180B zweidimensionale Anordnung von Abscheidungsköpfen in einer gestaffelten Anordnung positioniert ist, um eine Auflösung 183 von 250 Punkten pro Inch mit einem Düsendurchmesser von 150 um zu erreichen. Die erste Anordnung 180A umfasst Lücken oder Löcher 182 zwischen den Abscheidungsköpfen und die zweite Anordnung 180B ist über der ersten gestaffelt. Die Lücken oder Löcher 182 von der ersten Anordnung 180A sind zu den Düsen in der zweiten Anordnung ausgerichtet, so dass die Tröpfchen ohne Behinderung hindurch können.
Fig. 14 zeigt eine zusammengesetzte Aktorstruktur. Wie in Verbindung mit Fig. 8C erwähnt, reduziert mehr als ein paralleler Aktor die Spannung, die für einen gegebenen Druckimpuls benötigt wird. Ein Umformerstapel 184 stellt einen effizienteren Aktor bereit, der einen Aktor 30 mit sechs Schichten umfasst. Unter Verwendung schmaler Wandler werden die Schichten hohe Kapazitäten annehmen, die einen hohen Energietransfer bei niedriger Betriebsspannung begünstigen. Die Polungsrichtung ist durch einen Pfeil 186 gezeigt. Die elektrischen Kontakte 188A, 188B sind an dem oberen und unteren Ende von jedem Aktor 30 positioniert bzw. angebracht und zwischen den anderen Aktoren 30 in dem Stapel 184 eingelegt bzw. dazwischen gelegt.
Eine Spannung, die an eine Parallelverbindung 190 angelegt ist, verursacht eine Verstellung bzw. Verschiebung des Aktors. In dieser Ausführungsform wird der Umformerstapel 184 durch eine Metallmembran 196 getragen. Der Hohlraum 26 ist begrenzt durch die Membran 196 und eine Düsenplatte 192, die einen mehrfachen Düsenausgang 194 hat.
Fig. 15 zeigt einen Abscheidungskopf 22 als Teil eines X-Y-Plottersystems bzw. Koordinatenschreibersystems 198. Der Plotter bzw. Kurvenschreiber 198 schließt eine Quarzhalogenlampe 200, die UV-Licht durch eine optische Faser 202 zu der Druck-Oberfläche 204 liefert, auf der die Tröpfchen 206 abgeschieden werden, ein. Dieses System 198 unterwirft das Abscheidungsmaterial, nachdem es abgeschieden ist, einer Strahlungsbehandlung zum Zwecke der Aushärtung des Materials oder für eine andere Verarbeitung.
Die Düse 28 hat einen großen Einfluss auf die Weise, in der das Abscheidungsmaterial abgeschieden wird. Der Winkel der Düsen 28 in Bezug auf den Kammerkörper definiert die Auswurflinie des Tröpfchens 206, wie es mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 diskutiert worden ist. Die Struktur und die Oberfläche der Düse 28 bestimmt die Energie, die nötig ist, um das Tröpfchen aus der Düse auszustoßen. Eine geglättete bzw. polierte Düse 28 wird eine niedrigere Oberflächenenergie als eine ungeglättete bzw. nicht polierte Düse haben und wird deshalb ein Tröpfchen leichter auslassen.
Ein Düsenausgang mit niedriger Oberflächenenergie kann unter Verwendung einer Vielfalt von flüssigen Farbschichten bzw. Überzügen erreicht werden (das heißt Montedison Galydene), jedoch ist es ein praktikabler Weg, einen silikonangereicherten acrylatischen UV-aushärtenden Film auf der Vorderseite der Düsenplatte zu gravieren (dies weist eine Oberflächenenergie von weniger als oder gleich 19 dyn cm (190 uJoule) auf). Dies bedeutet im Wesentlichen eine Nicht-Befeuchtung bzw. Nicht-Durchnässung auf Epoxid und Urethanacrylabscheidungsmaterialien. Ein Vorteil der Benutzung derartiger Beschichtungsmaterialien ist, dass die Düse sowohl aus Kupfer (befeuchtend) als auch aus Laminatmaterial (befeuchtend oder nicht befeuchtend) hergestellt sein kann, was eine flexiblere Steuerung über die Richtung des Tropfenauswurfs gibt. Beide Materialien können in einer Vielfalt von Metall- und Laminatkerndicken erhalten werden.
Die Düse kann eine einstückige piezoelektrische biomorphe Düsenklappe bzw. einen einstückigen piezoelektrischen biomorphen Düsenverschluß (nicht gezeigt) enthalten, um für das in der Düse zurückbehaltene Abscheidungsmaterial wie ein Dichtungsmittel zu wirken. Dieses Merkmal verhindert das Eindringen von ultraviolettem Licht und Wasserdampf in die Düse, wenn sie nicht in Gebrauch ist. Die Klappe bzw. der Verschluss kann einen Kolben, der in der Abscheidungskammer des Abscheidungskopfes zurückbehalten ist, umfassen. Solch ein Kolbenmittel hat eine relativ koaxial gleitende Passform mit der Düse, wodurch ein Kolbenkopf der Düsenblende bzw. dem Düsendurchlass ausgerichtet ist, um die Düse zu schließen, und in einer offenen Position ist der Kolben in die Kammer zurückgezogen. Durch Steuerung der Position des Kolbenkopfes in Bezug auf die Düsenblende bzw. den Düsendurchlass kann die Größe der Abscheidungskammer gesteuert werden, wobei dadurch einem einstellbaren Tröpfchen des Abscheidungsmaterials erlaubt bzw. ermöglicht wird, ausgestoßen zu werden.
Fig. 16 zeigt einen weiteren Vorschlag eines Abscheidungskopfes in einer perspektivischen Explosionszeichnung. Niedrige tragende Strukturen 214 umfassen einen Reservoirabschnitt 152, einen Druckerzeugungsabschnitt 154 und einen Düsenabschnitt 156. Diese Abschnitte haben eine gemeinsame oberste Wand, die eine Aktormembran 216 umfasst und zur Aktivierung der Membran liegen auf der Membran die Elektrodenschichten 218A, 218B, 218C. Die obere tragende Struktur 220 umfasst ein Tintenreservoir, das den Reservoirabschnitt 152 beliefert.
Ein anderes zusätzliches Merkmal von irgendeinem der Vorschläge ist ein elektrischer Abscheidungssteuerungs-Feldgenerator (nicht gezeigt). Dieser erzeugt ein elektrisches Feld in der Nähe der Düsen, um die Form eines Meniskus des elektrisch reagierenden bzw. ansprechenden Abscheidungsmaterials zu steuern. Dies wird angewendet, um eine Zugkraft auf die Tröpfchen auszuüben, so dass weniger Energie durch den Aktor benötigt wird, um die Tröpfchen von der Düsenkammer auszustoßen.
Anhand von Beispielen ist veranschaulicht worden, die Anwendung zur Ausbildung einer fühlbaren Karte unter Verwendung eines UV-aushärtenden Polymers in Betracht zu ziehen, das von einem Einzelpunkt-Mehrfachtropfendruckkopf ausgegeben worden ist. Der Schreibtischplotter bzw. kurvenschreiber von Fig. 15 setzt digitale Abscheidungsservoantriebsmotoren für die x-Achsen-und y-Achsen- Transportbewegung ein. Ein ersetzbarer Polymer-Abscheidungskopf 22 befindet sich zusammen mit seiner (seinen) verbundenen Polymer-Reservoirpatrone(n) bzw. kartusche(n) 208 auf der Achsenantriebstransportplatte. In die Transportplatte sind eine Reihe von ringförmigen Fasern 202 integriert, die eine UV- und Infrarotbestrahlung in unmittelbarer Nähe zur Oberflächenvorbehandlung, zur Behandlung im Fluge und/oder zur Behandlung nach der Abscheidung zulassen. Die ringförmigen Strahlungsemitter werden von einer Faseroptik 202 gespeist, die an dem gegenüber liegenden Ende an eine geeignete Lichtquelle 200 angekoppelt ist. Die Oberfläche 204, die zu beschichten ist, ist elektrostatisch an dem Plotterabscheidungsrahmen befestigt. Der Gebrauch eines Kühlungsventilators 210 und eines kühlenden luftführenden Leitungsnetzes 212 hält den x-y-Plotter bzw. Kurvenschreiber auf Betriebstemperatur.
Die Merkmale der Karte bzw. der Abbildung, die zu produzieren ist, sind auf einem Computerbildschirm unter Verwendung eines geeigneten Zeichnungs- Einrichtungs-Softwarepakets gezeichnet oder sind unter Verwendung einer digital scannenden Einrichtung (mit integrierter Zeichenerkennungsfähigkeit, wie gefordert) in den Computerspeicher des Plotterantriebs geladen. Typische Dimensionen der Merkmale, die zu produzieren sind, sind:
Braille-Punktdurchmesser = 1,5 mm
Braille-Punkthöhe = 200 um (ideal 600 um)
Randbreite = 0,5 bis 3 mm
Randhöhe = 200 bis 300 um
Die fertige Karte bzw. Abbildung wird digitalisiert und die dazugehörigen x-y- Koordinaten werden in das Plotterinterface bzw. in die Plotterschnittstelle eingegeben, so dass das benötigte Oberflächenmerkmal an der angeforderten bzw. gewünschten Stelle ausgebildet wird. Die Antriebswellenform auf dem Tropfenausgabedruckgenerator bzw. Tropfenverteilerdruckgenerator (Polymerausgabekopf) ist synchronisiert mit den x-y-Platzierungskoordinaten, so dass das benötigte dreidimensionale Merkmal exakt platziert wird. Für spezifische Oberflächen ist es möglich, einen Klebstoff bzw. eine Anhaftung einzusetzen, die die flüssige Vorbehandlung vor der Abscheidung der benötigten polymeren Strukturen verbessert.
Die Tröpfchenabscheidungsvorrichtung kann weiter eine einstückige kontinuierliche oder gepulste UV-Lichtquelle (auch in Verbindung mit infrarotstrahlungsunterstützter thermischer Aushärtung) mit Beleuchtung des in Ausscheidung befindlichen verteilenden Tropfens über einen faseroptisch gespeisten fokussierenden Ringraum aufweisen, der in unmittelbarer Nähe zu dem Ausgabe- bzw. Verteilerkopf (oder Düsenanordnung) oder diesen umgebend angebracht ist. Es wird angemerkt, dass im Grenzfall (Anwendungen mit hohen Werten oder hohen Polymerausgabemengen bzw. -volumen) diese Lichtquelle ein Excimerlaser sein könnte, der eine rotierende Spiegelanordnung einsetzt, um einen feinlinigen UV-Lichtstrahl zu erzeugen, der kontinuierlich rotierend um einen wählbaren zirkularen bzw. kreisförmigen Radius oder um noch komplexere elliptische Strukturen bzw. Formen rotiert. Der Ringraum kann durch Verwendung einer geeigneten zurückspringenden Form in der y-Spinnen- bzw. -Strukturplatte und mit dem Gebrauch einer vorgeformten oberen Gusskappe bzw. Deckels ausgebildet sein, wobei PMMA oder ein alternatives Polymer in die Einheit für einen UV übertragenden Ringraum mit einer besonderen optischen Fokussierung eingespritzt werden kann. Es wird ins Auge gefasst, dass eine geeignete Lichtquelle hergestellt werden kann, die es ermöglichen würde, den Ringraum von einer Quelle zu speisen, das heißt auch fest eingebaut bzw. einstückig auf der y-Achsentransportplatte.
Die Abscheidungsmaterialien, die von primärem Interesse sind, basieren auf Epoxid und Urethanacrylaten (Oligomeren), kationischen Harzen und Probimid und thiolin-aromatischen Polymeren. Derartige Materialien sind in der Herstellung von Farben, Lacken, organisch modifizierten Keramiken (ORMOCERS), organisch modifizierten Silikaten (ORMOSILS), Flüssigkristallsiloxane, Fotowiderständen und anderen flüssigen Kunststoffen und Polymeren eingesetzt. Der Viskositätsbereich, der von Interesse ist, ist 1 bis 10.000 Centipoise (cps) basierend auf 100% - igen Festkörper- und Verdünnungssystemen. Die Oberflächenenergie (Spannung) solcher Materialien liegt typischerweise im Bereich von 30 bis 75 Dynes cm&supmin;¹ und konsequenterweise wird diese mit niedriger Oberflächenenergie benötigt, um die Oberflächennässe bzw. Oberflächenfeuchte zu minimieren und die Spannung wird benötigt, um einen Tropfen aus der Düse auszustoßen.
Eine derartige Düse kann ein Hohlraumdüsenkanal in dem Abscheidungskopf mit einer integrierten bzw. einstückigen erweiterten PTFE-basierenden niedrigen Energie der Oberflächennässe bzw. Oberflächenfeuchte sein, um die Steuerung über den Umfang bzw. das Ausmaß der Oberfläche, die befeuchtet bzw. benässt durch das austretende Polymer sein kann, zu erreichen. Das PTFE wird als ein dünner Film angewandt, der fotolithografisch strukturiert und nachfolgend trockengeätzt wird, um den gewünschten Zylinder mit der variablen Wanddicke zu erhalten. Dies stellt die reproduzierbare und zuverlässige Tropfenausstoßung und - platzierung sicher.
Mehrere Röhren bzw. Führungen für die Polymerzuführung, die Druckerzeugungs- und die Tröpfchensteuerungs(Rückkopplungsschleife)-Hohlräume versorgen, können die Strömungsleitungssteuerung (kritische Dämpfung), während die akustische Impedanzfehlanpassung bzw. unausgeglichenheit minimiert wird, bereitstellen.
Die Betätigung des Einlasshohlraumes des Polymerreservoirs kann bereitgestellt werden, um die Steuerung des Polymerauffüllungsprozessess bzw. Nachfüllungsprozessess zu vereinfachen.
Eine Verbesserung der Vorschläge wird durch Ausgabe des Materials in einem Vakuum bereitgestellt, um die Abscheidung von Tröpfchen mit einem Durchmesser, der wesentlich geringer als oder gleich 1 um ist, zu vereinfachen. Wenn dies in Luft versucht werden würde, dann würde die Zugkraft bzw. der Widerstand, der durch den Luftwiderstand induziert ist, den Tropfen deformieren und seine Abmessungsstabilität und genaue Platzierung beeinträchtigen. Dies würde die Fabrikation eines piezoelektrischen Dünnschichtaktors für das Nano-Ausspritzen von auf Polymer basierenden Materialien und anderen ausgabefähigen bzw. verteilbaren Lösungen nötig machen. Diese Aktorgestaltung setzt ferroelektrisches Dünn- und Dickschichtmaterial ein, um den Druckerzeugungshohlraum auszubilden.
Verschiedene Wege der Herstellung der Abscheidungskammer sind ins Auge gefasst worden.

A. Mechanisches Bearbeiten bzw. maschinelle Bearbeitung der mikroelektromechanischen Siliziumstruktur

Dies ist die bevorzugte Methode und die Schritte sind wie folgt.
1. Beide Seiten des Siliziumsubstrates der Cz-Schwebezone, das zu dem Kammerkörper ausgebildet wird, sind vorzubereiten und zu glätten bzw. zu polieren. Vorzugsweise ist das Substrat mit Bor p-Typ-dotiert, die Halbleiterscheibe 100 mm im Durchmesser und ein Wafer mit < 110 > -Orientierung. Die Halbleiterscheibe bzw. der Wafer ist vorzugsweise kantengenau bis +/- 0,1 und hat eine M1-92 SEMI-Oberflächengüte bzw. Endoberfläche. Die Dicke der Halbleiterscheibe ist vorzugsweise 525 +/- 15 um dick. Das Präparieren schließt die Behandlung mit einem Entfetter und einer Deionatspülung bzw. einer Spülung mit vollentsalztem Wasser, einer Lösungsmittelspülung und einer Deionatspülung bzw. einer Spülung mit vollentsalztem Wasser und dann einer gepufferten hochfrequenten Oberflächenoxidnassätzung ein.
2. Danach wird Bor unter Verwendung eines herkömmlichen thermischen Diffusionsrohrprozesses bzw. Diffusionstunnelprozesses bei 1000ºC thermisch in die Halbleiterscheibe eindiffundiert, um als Ätzstopp zu dienen. 3. Eine Polyimidmembran wird durch Rotationsbeschichtungs bzw. Aufschleuderung von Toray-Photoneece oder einem gleichwertigen fotoaktiven Flüssigpolyimide bis zu einer Dicke von 25 um abgeschieden.
4. Danach werden die Membranschichten und der PZT-Basiskontakt auf dem Polyimid z. B. durch eine Magnetronzerstäuberabscheidung einer Ti-Cu-Au- Dreierschicht abgeschieden. Die Dicken sind vorzugsweise Ti - 100 Å, Cu - 30 Å, Au - 100 Å.
5. Eine fotolithografische Strukturierung der Basiskontaktschicht wird erreicht durch z. B. Aufschleuderung bzw. Rotationsbeschichtung mit einem fotoaktiven AZ 1350 J Resist bzw. Photolack und anschließender Belichtung der Basismetallstruktur. Der Resist bzw. Photolack wird entwickelt und gespült vor der Trocken- oder Nassätzung der Struktur.
6. Eine schützende Silizium-Nitrid-Beschichtung kann dann durch PECVD abgeschieden werden. Zum Beispiel unter Verwendung der folgenden Parameter: SiH&sub4;+N&sub2;, Abscheidungsdruck = 200 mlorr, Energie der Auflagenplatte = 200 Watt, Abscheidungstemperatur = 325ºC, Abscheidungsrate = 1000 Å pro Minute und Filmdicke = 1 um. Ein Siliziumnitrid mit hoher Dichte, das stöchiometrisch ist und mit ECR-CVD aufgewachsen ist, ist als eine alternative schützende Barriere geeignet.
7. Das hintere Teil des Substrates ist mit einem fotoaktiven AZ 1350 J Resist durch Aufschleudern beschichtet.
8. Eine fotolithografische Strukturierung der kristallografischen Ätzstruktur wird durch Belichtung von kristallografischen Ätzfensterstrukturen und durch Entwicklung/Spülung und Nassätzung, die unter Verwendung einer BHF-Lösung - 10 : 1 bei 25ºC - ätzt, übertragen.
9. Eine kristallografische Ätzung der Hohlräume, der Transportführung und der Düse wird unter Verwendung einer orientierten Ausrichtung bis auf besser als 0,05º durchgeführt. Die Strukturübertragungsgenauigkeit sollte besser als 0,5 um sein. Das Substrat wird in die Ätzungslösung, die in einem Ätzungstank beinhaltet ist, um z. B. KOH (44 g), D.O.-Wasser (90 ml), IPA (10 ml) getaucht. Die Ätztemperatur sollte 85ºC und die Ätzrate 1 um pro Minute sein. Die geätzte Halbleiterscheibe sollte, nachdem die kristallografische Ätzung beendet ist, sauber gereinigt, in Deionat bzw. vollentsalztem Wasser gespült werden.
10. Die Siliziumnitridbeschichtung wird von beiden Oberflächen unter Verwendung einer H&sub3;PO&sub4; oder HF-basierenden Ätzungslösung abhängig von deren Verfahren entfernt, das benutzt wird, um die Siliziumnitridschutzbeschichtung abzuscheiden.
11. Der PZT(PZT: piezoelektrische Aktoren)-Stapel wird an dem strukturierten Basiskontakt unter Verwendung des elektrisch leitfähigen Einkomponentenepoxids (Epo-Tek H31) gebondet. Walzen übertragen Klebstoff und wenden Druck an, um eine sehr dünne Klebeverbindungslinie und die Aushärtung bei 120ºC nach zwei Stunden sicherzustellen.
12. Die zwei Hälften einer Siliziumträgerplatte (die die Struktur verschließt bzw. abdichtet) werden durch Abscheidung von mit Alkali angereicherten Oxiden auf einer Trägerplattenoberfläche elektrostatisch geklebt bzw. gebondet und die zwei Hälften werden unter Verwendung einer geeigneten Ausrüstung und einer optischen/infraroten Ausrichtung im Register platziert. Man wendet Druck an und legt eine hohe (über 450 Volt) Gleichspannung für fünf Minuten an.
13. Die fertigen bzw. vollendeten Halbleiterscheiben werden unter Verwendung eines herkömmlichen Hochgeschwindigkeits-Siliziumhalbleiterscheiben- Würfelschneiders, der angewendet wird, um die einzelnen Köpfe zu trennen, zu einzelnen Komponenten zerteilt.
14. Die Düsenausgangsseite der Komponente wird durch Halten der Komponenten in einer glättenden Ausrüstung und Glätten unter Verwendung einer auf Wasser basierenden Lösung, die Schleifmittel bzw. Poliermittel von der Größe nicht größer als 0,1 um beinhalten, abschließend geglättet.
15. Nicht benetzendes (niedrige Oberflächenenergie) Material wird über der Düsenspitze und dem umgebenden Bereich, unter Verwendung eines Walzensatzübertragungsverfahrens abgeschieden. Galydene hat eine niedrige Oberflächenenergie von < 18 Dynes cm². Fluorierter diamantenähnlicher Kohlenstoff kann in einem PECVD-Reaktor als eine Alternative zu dem Galydene abgeschieden werden.
16. In das Druckkopfgehäuse wird unter Verwendung des elektrisch leitfähigen Einkomponentenepoxids (Epo-Tek H31) eingeklebt bzw. gebondet. Der Klebstoff wird durch Walze(n) übertragen. Druck wird verwendet, um sehr dünne Klebeverbindungslinien, die bei 120ºC nach 2 Stunden aushärten, sicherzustellen.
17. Die externen Klebeverbindungen zu den Aktorkontakten werden an den Excimerlaser, der die Kontaktfinger definiert und die dünne Filmkontaktmetallisierung anpasst, angeschlossen.
18. Die den Aktor schützende Abdeckung ist eine gespritzte Kunststoffabdeckung und ist über dem ganzen Druckkopfzusammenbau bzw. Druckkopfaufbau geklebt bzw. gebondet oder geklippt, um einen Unfallschaden des Aktors und seiner externen Kontaktklebestellen zu vermeiden.

B. Extrusion

Dieses Fabrikationsverfahren macht von einem Polycarbonat oder eines ähnlich gespritzten Sektionsmaterials, das so designt ist, um die Tragesäulen und die flexiblen Membranen einer Form bereitzustellen, Gebrauch. Es ist möglich, dass Aluminium ein mögliches Bewerbermaterial sein könnte.
Sowohl Kunststoffinjektionsformung als auch die LIGA-Formungsverfahren werden für die Herstellung des Abschnittes in Betracht gezogen.

C. Leiterplatten-Mikrolithografischer - Polyamid geformter Körper mit integrierten Düsen

Ein Gerät wird wie folgt hergestellt:
1. Eine dicke (100 um bis 500 um) Polyimidplatte, die auf einer Seite metallisiert ist. Eine UBE-"S"-Polyimidplatte ist das bevorzugte Material, aber ein beliebiges Polyimid (z. B. Du Pont Kapton) würde akzeptiert sein.
2. Fotolithografische Strukturierung von Polyimid-Metall.
3. Nass- oder Trockenätzung des Polyimid-Metalls.
4. Ein PZT-Stapel wird auf Polyimid mit dem strukturierten Metall verklebt bzw. gebondet.
5. Die dreidimensionale Struktur wird mit Excimerlaser in die nicht metallisierte Seite der Polyimidplatte geätzt. Strukturieren, um eines oder mehreres des Folgenden einzuschließen: Reservoirkammer - zweite Aktorstelle; Druckerzeugungskammer - primäre Aktorstelle; Flüssigkeitstransportröhre bzw. Flüssigkeitstransportführung - variablen Querschnitt, um den Flüssigkeitsfluss zu steuern, der die umgekehrt zugespitzte Kreuzsektionen einschließt, um eine Blockierung bzw. Verstopfung zu vermeiden; vertiefte Düsenausgänge - Strukturierung bzw. Formung eines minimalen Ringraumbereichs, um die Tropfenanhängung zu unterstützen; verlängerte Vertiefung über die Düse hinaus - Ort bzw. Stelle der elektrostatischen Feldelektroden.
6. Excimerlaserätzung der Auswurfdüsen. Die Strukturierung bzw. Formung, um Folgendes einzuschließen: einzelner 0º-Winkelauswurf. Mehrfachdüsen, die Ätzwinkel einsetzen, um Tropfen auf eine einzelne Seite bzw. Stelle auf der Oberfläche zu leiten bzw. zu führen. Mehrfachdüsen, die Ätzwinkel einsetzen, um Tropfen auf eine einzelne Seite bzw. Stelle im Flug zu leiten bzw. zu führen. Angenommen sind Düsen, die nicht während der Strukturierung bzw. Formung der Komponenten ausgebildet sind, wie unter 5. oben definiert ist.
7. Trägerplatte, die mit der maschinell bzw. mechanisch hergestellten Struktur mit einem geeigneten Klebstoff dicht angebracht ist. Die komplementär strukturierte Polyimidplatte ist das bevorzugte Material, aber andere, die Metalle, Glas, Kunststoffe, Keramiken und Laminate einschließen, sind akzeptabel. Diese Trägerplatte braucht für das Gerät nicht strukturiert zu sein, um zu funktionieren.
8. Anordnen auf der nicht benetzenden Oberfläche mit dem Düsenbereich.
9. Klebung in dem Druckkopfgehäuse/Aufbau.
10. Die geklebten bzw. gebondeten externen TAB-Verbindungen werden an das grundlegend strukturierte Metall und den obersten Kontakt des PZT-Stapels angeschlossen.
11. Druckkopfaufbauschutzüberzug.
Ein alternatives Verfahren würde sein, das LIGA-Verfahren zu benutzen, um eine Kunststoff (auf Urethan basierende)-Form mit den Merkmalen auszubilden, wie unter 5. und 6. definiert, oben eingebaut sind.

D. Lithografie, Galvanoformung, Abformung (LIGA) oder Lithografie, Elektroplattierung bzw. Galvanik und Mikroformung

Ein Gerät kann wie folgt fabriziert werden:
1. Man bestrahlt das Formpolymer (z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polyurethan, Polyester, Acrylat) unter Verwendung einer geeigneten strukturierten Maske (Gold befestigt auf Diamantenfilm) und Synchrotron- (hochintensive parallele Röntgenstrahlenwellenlänge 0,2 nm bis 0,5 nm)- Bestrahlung.
2. Man entwickelt eine Struktur.
3. Magnetronabscheidung von Titan als Impfmetall und oxidieren, was die Elektrodenposition des metallischen Formmaterials erlaubt.
4. Galvanische Abscheidung von Metall (z. B. Nickel, Kupfer). Formung einer metallischen Form.
5. Man produziert die benötigte Kopie der Struktur aus dem Kopiermodell.
Dieses Fabrikationsverfahren könnte für die Herstellung von mikrogeformten Filtern mit exakten Poren, vordefinierter Größe in Frage kommen und so aufgebaut sein, dass sie weg von der Eingabeseite zugespitzt sind, um ein Verstopfen bzw. Blockieren zu vermeiden.
Piezoelektrische bimorphe angetriebene dreidimensionale geformte Ausleger bzw. Konsolen könnten in der Strukturentwicklung eingesetzt werden, um eine dynamisch gesteuerte Abdichtung der Flüssigtransportführung zu bewirken, die an den Druckerzeugungsimpuls angrenzt.
Es wird klar sein, dass die vorliegende Erfindung oben lediglich anhand von Beispielen beschrieben ist und Modifikationen von Details innerhalb des Umfangs der Erfindung, wie beansprucht, gemacht werden können.

Claims

1. Verfahren zum Ausbilden eines dreidimensionalen, fühlbaren Merkmales auf einer Oberfläche unter Verwendung der Technik der Tropfenausstoßung, um Tropfen eines Abscheidungsmaterials abzuscheiden, wobei das Verfahren aufweist, dass mehrere Tröpfchen auf der Oberfläche abgeschieden werden, um ein fühlbares Merkmal zu bilden, das mehrere diskrete Abschnitte aufweist, wobei zumindest zwei benachbarte Abschnitte aus unterschiedlichem Abscheidungsmaterial ausgebildet sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das fühlbare Merkmal ein fühlbares Symbol aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das fühlbare Symbol ein Braille-Symbol aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das fühlbare Merkmal ein Merkmal für eine fühlbare Abbildung bzw. Karte aufweist.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das fühlbare Merkmal zumindest einen Abschnitt aufweist, der ein Hauptprofil des fühlbaren Merkmals einrichtet und zumindest einen Abschnitt aufweist, der eine Textur des fühlbaren Merkmales einrichtet.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, das ferner den Schritt aufweist, die Tröpfchen des Abscheidungsmaterials einer Bestrahlungsbehandlung vor, während oder nach der Abscheidung auszusetzen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Tröpfchen des Abscheidungsmaterials Pulsen von elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt wird, das darauf einfällt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Pulse der elektromagnetischen Strahlung auf die Tröpfchen des Abscheidungsmaterials fokussiert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Tröpfchen des Abscheidungsmaterials von einer Düse abgeschieden werden, die in einer Fluid-Verbindung mit einer Abscheidungskammer eines Abscheidungsdruckkopfes steht, und die Pulse der elektromagnetischen Strahlung werden von einer Quelle der elektromagnetischen Strahlung, die integral mit dem Abscheidungsdruckkopf ausgebildet ist, ausgegeben.

10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, das ferner aufweist, dass ein Tröpfchen oder zusammenfallende Tröpfchen von vernetzbaren polymeren Material verwendet werden und die Vernetzung im Flug oder unmittelbar nach der Abscheidung durch chemische Mittel unter Verwendung eines weiteren zusammenfallenden Tropfens oder durch die Strahlungsbehandlung eingeleitet wird.