JP3647317B2 - Liquid discharge head substrate, liquid discharge head, method for manufacturing liquid discharge head substrate, and method for manufacturing liquid discharge head - Google Patents

Liquid discharge head substrate, liquid discharge head, method for manufacturing liquid discharge head substrate, and method for manufacturing liquid discharge head Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを液体に作用させることで起こる気泡の発生によって所望の液体を吐出する液体吐出ヘッド及びその製造方法に関し、特に、熱エネルギーを発生させるための熱エネルギー発生素子等が形成された基板及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱等のエネルギーをインクに与えることで、インクに急峻な体積変化（気泡の発生）を伴う状態変化を生じさせ、この状態変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行なうインクジェット記録方法、いわゆるバブルジェット記録方法が従来知られている。このバブルジェット記録方法を用いる記録装置には、米国特許第４,７２３,１２９号明細書等の公報に開示されているように、インクを吐出するための吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、インク流路内に配されたインクを吐出するためのエネルギー発生手段としての電気熱変換体が一般的に配されている。
【０００３】
この様な記録方法によれば、品位の高い画像を高速、低騒音で記録することができるとともに、この記録方法を行うヘッドではインクを吐出するための吐出口を高密度に配置することができるため、小型の装置で高解像度の記録画像、さらにカラー画像をも容易に得ることができるという多くの優れた点を有している。このため、このバブルジェット記録方法は、近年、プリンタ、複写機、ファクシミリ等の多くのオフィス機器に利用されており、さらに、捺染装置等の産業用システムにまで利用されるようになってきている。
【０００４】
ところで、インクを吐出するためのエネルギーを発生させるための電気熱変換体は、半導体製造プロセスを用いて作製することができる。そのため、バブルジェット技術を利用した従来のヘッドは、シリコン基板からなる素子基板上に電気熱変換体を形成し、その上に、インク流路を形成するための溝を形成した、ポリサルフォン等の樹脂やガラス等からなる天板を接合した構成となっている。
【０００５】
また、素子基板がシリコン基板からなることを利用し、電気熱変換体を素子基板上に構成するだけでなく、電気熱変換体を駆動するためのドライバや、電気熱変換体をヘッドの温度に応じて制御する際に用いられる温度センサおよびその駆動制御部等を素子基板上に構成したものもある（特開平７−５２３８７号公報等）。このようにドライバや温度センサおよびその駆動制御部等を素子基板上に構成したヘッドは実用に供されており、記録ヘッドの信頼性の向上及び装置の小型化に寄与している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
素子基板に温度センサを設けた従来の液体吐出ヘッドでは、温度センサは主に素子基板の温度を測定することが目的であった。しかし、近年の高密度記録が進む中、１回で吐出されるインクの量はますます少なくなり、基板の温度よりもインク自身の温度や濃度等の状態あるいは種類が記録に与える影響が大きくなってきた。つまり、吐出量が少なくなるにつれて、従来では大きな問題とはならなかったようなインクの状態等に起因する吐出量の差が、吐出量のばらつきとして目立つようになってきた。
【０００７】
このような状況の中、従来の液体吐出ヘッドの温度センサの配置では、より正確なインクの状態等を検出することが困難であった。その理由は、従来の液体吐出ヘッドの温度センサは、電気熱変換体、駆動制御部とともに、半導体ウェハプロセス技術を用いて素子基板の表面に平面的に形成されていたものであるが、素子基板の表面近傍は、インクの流れが淀み易く、また、電気熱変換体からの熱の影響により大きな温度勾配をもつためであると考えられる。
【０００８】
本発明の目的は、吐出する液体の状態を精度よく検出することによって、安定した吐出を可能とする液体吐出ヘッド、及びそれに用いられる液体吐出ヘッド用基板、さらには、それらの製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の液体吐出ヘッド用基板は、液体に吐出エネルギーを与えることにより液流路を介して液体を吐出させる液体吐出ヘッドに用いられ、電気エネルギーを前記吐出エネルギーに変換するためのエネルギー変換素子が形成された半導体基板からなる液体吐出ヘッド用基板において、該液体吐出ヘッド用基板は、該基板の前記エネルギー変換素子を有する面から突出し、前記液流路を構成する壁面とは異なる支柱と、該支柱に支持される梁部材と、を備える立体構造部を有し、該梁部材に前記液体吐出ヘッド内での液体の状態を検出するためのセンサの検出部が配置されていることを特徴とする。
【００１０】
上記の本発明の液体吐出ヘッド用基板によれば、液体の状態を検出するためのセンサの検出部が立体構造部の梁部材に設けられているので、液体吐出ヘッドに使用されたとき、基板との境界部での液体の流れの影響やエネルギー発生素子が発する熱の影響が少ない状態で液体の状態が検出される。
【００１１】
本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する複数の吐出口と、互いに接合されることでそれぞれ前記吐出口と連通する複数の液流路を構成するための第１の基板および第２の基板と、電気エネルギーを前記液流路内の液体の吐出エネルギーに変換するために前記各液流路内に配された複数のエネルギー変換素子とを有する液体吐出ヘッドにおいて、前記液流路は、該液流路を構成する壁面から突出し、該液流路を構成する壁面とは異なる支柱と、該支柱に支持される梁部材と、を備える立体構造部を有し、該梁部材に前記液体吐出ヘッド内での液体の状態を検出するためのセンサの検出部が配置されていることを特徴とする。
【００１２】
上記の本発明の液体吐出ヘッドによれば、液体の状態を検出するためのセンサの検出部が、液流路内の立体構造部の梁部材に設けられているので、液流路の壁面との境界部での液体の流れの影響やエネルギー発生素子が発する熱の影響が少ない状態で液体の状態が検出される。
【００１３】
上記センサは、第１の基板に設けられていてもよいし、第２の基板に設けられていてもよい。また、液体の吐出効率の向上のために、エネルギー変換素子が、液体に熱エネルギーを作用させることで液体に気泡を発生させるものであり、このエネルギー発生素子に対面して配され、気泡によって変位する可動部材を有する場合には、この可動部材を立体構造部の梁部材として利用してもよい。
【００１４】
本発明の液体吐出装置は、上記本発明の液体吐出ヘッドと、この液体吐出ヘッドから液体を吐出させるための駆動信号を前記液体吐出ヘッドに供給する駆動信号供給手段を有する。
【００１５】
本発明の液体吐出ヘッド用基板の製造方法は、液体に吐出エネルギーを与えることにより液体を吐出させる液体吐出ヘッドに用いられ、電気エネルギーを前記吐出エネルギーに変換するためのエネルギー変換素子とが形成された半導体基板を有する液体吐出ヘッド用基板の製造方法において、
前記半導体基板上に、半導体材料を含む基材層を所定のパターンで形成する工程と、
前記基材層上に、検出すべき液体の状態に応じて電気的特性が変化する検出部、及び前記検出部を前記半導体基板に形成された電気回路と電気的に接続する配線を形成する工程と、
前記検出部及び前記配線が形成された基材層上に、前記配線を保護するための、半導体材料を含む保護層を形成する工程とを有する。
【００１６】
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、液体を吐出する複数の吐出口と、互いに接合されることでそれぞれ前記吐出口と連通する複数の液流路を構成するための第１の基板および第２の基板と、電気エネルギーを前記液流路内の液体の吐出エネルギーに変換するために前記各液流路内に配された複数のエネルギー変換素子とを有する液体吐出ヘッドの製造方法において、前記第１の基板及び前記第２の基板の少なくとも一方に、半導体材料を含む基材層を所定のパターンで形成する工程と、前記基材層上に、検出すべき液体の状態に応じて電気的特性が変化する検出部、及び前記検出部に電気的に接続する配線を形成する工程と、前記検出部及び前記配線が形成された基材層上に、前記配線を保護するための、半導体材料を含む保護層を形成する工程とを有する。
【００１７】
上記の製造方法によれば、フォトリソグラフィ技術を用いて本発明の液体吐出ヘッド用基板及び液体吐出ヘッドを、容易に製造することができる。
【００１８】
なお、本発明の説明で用いる「上流」「下流」とは、液体の供給源から気泡発生領域（または可動部材）を経て、吐出口へ向かう液体の流れ方向に関して、またはこの構成上の方向に関しての表現として用いられる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に適用可能な一実施形態として、液体を吐出する複数の吐出口と、互いに接合されることでそれぞれ吐出口と連通する複数の液流路を構成するための第１の基板および第２の基板と、電気エネルギーを液流路内の液体の吐出エネルギーに変換するために各液流路内に配された複数のエネルギー変換素子と、エネルギー変換素子の駆動条件を制御するための、機能が異なる複数の素子あるいは電気回路とを有し、上記素子あるいは電気回路がその機能に応じて第１の基板と第２の基板とに振り分けられている液体吐出ヘッドの説明を行う。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態である液体吐出ヘッドの液流路方向に沿った断面図である。
【００２１】
図１に示すように、この液体吐出ヘッドは、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを与える複数個（図１では１つのみ示す）の発熱体２が並列に設けられた素子基板１と、この素子基板１上に接合された天板３と、素子基板１および天板３の前端面に接合されたオリフィスプレート４とを有する。天板３には、各発熱体２に対応する位置にそれぞれ溝が形成されており、素子基板１と天板３とが接合されることで、各発熱体２にそれぞれ対応する液流路７が形成される。
【００２２】
素子基板１は、シリコン等の基板上に絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜または窒化シリコン膜を成膜し、その上に、発熱体２を構成する電気抵抗層および配線をパターニングしたものである。この配線から電気抵抗層に電圧を印加し、電気抵抗層に電流を流すことで発熱体２が発熱する。
【００２３】
天板３は、各発熱体２に対応した複数の液流路７および各液流路７に液体を供給するための共通液室８を構成するためのもので、天井部分から各発熱体２の間に延びる流路側壁９が一体的に設けられている。天板３はシリコン系の材料で構成され、液流路７および共通液室９のパターンをエッチングで形成したり、シリコン基板上にＣＶＤ等の公知の成膜方法により窒化シリコン、酸化シリコンなど、流路側壁９となる材料を堆積した後、液流路７の部分をエッチングして形成することができる。
【００２４】
オリフィスプレート４には、各液流路７に対応しそれぞれ液流路７を介して共通液室８に連通する複数の吐出口５が形成されている。オリフィスプレート４もシリコン系の材料からなるものであり、例えば、吐出口５を形成したシリコン基板を１０〜１５０μｍ程度の厚さに削ることにより形成される。なお、オリフィスプレート４は本発明には必ずしも必要な構成ではなく、オリフィスプレート４を設ける代わりに、天板３に液流路７を形成する際に天板３の先端面にオリフィスプレート４の厚さ相当の壁を残し、この部分に吐出口５を形成することで、吐出口付きの天板とすることもできる。
【００２５】
上記構成に基づき、発熱体２を発熱させると、液流路７内の発熱体２と対面する領域である気泡発生領域１０の液体に熱が作用し、これにより発熱体２上に膜沸騰現象に基づく気泡が発生し、成長する。この気泡の発生に基づく圧力の伝搬や気泡自身の成長が吐出口５側に導かれ、吐出口５から液体が吐出する。
【００２６】
一方、気泡が消泡工程に入ると、気泡発生領域１０での気泡の収縮体積を補うため、また、吐出された液体の体積分を補うために、上流側すなわち共通液室８側から液体が流れ込み、液流路７への液体の充填（リフィル）が行われる。
【００２７】
また、本実施形態の液体吐出ヘッドは、発熱体２を駆動したりその駆動を制御するための回路や素子を有する。これら回路や素子は、その機能に応じて素子基板１または天板３に分担して配置されている。また、これら回路や素子は、素子基板１および天板３がシリコン材料で構成されていることから、半導体ウェハプロセス技術を用いて容易かつ微細に形成することができる。
【００２８】
以下に、半導体ウェハプロセス技術を用いて形成された素子基板１の構造について説明する。
【００２９】
図２は、図１に示す液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の要部の断面図である。図２に示すように、本実施形態の液体吐出ヘッドに用いられる素子基板１では、シリコン基板３０１の表面に、蓄熱層としての熱酸化膜３０２および、蓄熱層を兼ねる層間膜３０３がこの順番で積層されている。層間膜３０３としては、ＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜が用いられている。層間膜３０３の表面に部分的に抵抗層３０４が形成され、抵抗層３０４の表面に部分的に配線３０５が形成されている。配線３０５としては、Ａｌまたは、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−ＣｕなどのＡｌ合金配線が用いられている。この配線３０５、抵抗層３０４および層間膜３０３の表面に、ＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜から成る保護膜３０６が形成されている。保護膜３０６の表面の、抵抗層３０４に対応する部分およびその周囲には、抵抗層３０４の発熱に伴う化学的および物理的な衝撃から保護膜３０６を守るための耐キャビテーション膜３０７が形成されている。抵抗層３０４表面の、配線３０５が形成されていない領域は、抵抗層３０４の熱が作用する部分となる熱作用部３０８である。
【００３０】
この素子基板１上の膜は半導体の製造技術によりシリコン基板３０１の表面に順に形成され、シリコン基板３０１に熱作用部３０８が備えられている。
【００３１】
図３は、図２に示す素子基板１の主要素子を縦断するように素子基板１を切断した模式的断面図である。
【００３２】
図３に示すように、Ｐ導電体であるシリコン基板３０１の表層にはＮ型ウェル領域４２２およびＰ型ウェル領域４２３が部分的に備えられている。そして、一般的なＭｏｓプロセスを用いてイオンプラテーションなどの不純物導入および拡散によって、Ｎ型ウェル領域４２２にＰ−Ｍｏｓ４２０が、Ｐ型ウェル領域４２３にＮ−Ｍｏｓ４２１が備えられている。Ｐ−Ｍｏｓ４２０は、Ｎ型ウェル領域４２２の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域４２５およびドレイン領域４２６や、Ｎ型ウェル領域４２２の、ソース領域４２５およびドレイン領域４２６を除く部分の表面に厚さ数百Åのゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３５などから構成されている。また、Ｎ−Ｍｏｓ４２１は、Ｐ型ウェル領域４２３の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域４２５およびドレイン領域４２６や、Ｐ型ウェル領域４２３の、ソース領域４２５およびドレイン領域４２６を除く部分の表面に厚さ数百Åのゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３５などから構成されている。ゲート配線４３５は、ＣＶＤ法により堆積した厚さ４０００Å〜５０００Åのポリシリコンから成るものである。これらのＰ−Ｍｏｓ４２０およびＮ−Ｍｏｓ４２１からＣ−Ｍｏｓロジックが構成されている。
【００３３】
Ｐ型ウェル領域４２３の、Ｎ−Ｍｏｓ４２１と異なる部分には、電気熱変換素子駆動用のＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０が備えられている。Ｎ−Ｍｏｓトランジスタ４３０も、不純物導入および拡散などの工程によりＰ型ウェル領域４２３の表層に部分的に備えられたソース領域４３２およびドレイン領域４３１や、Ｐ型ウェル領域４２３の、ソース領域４３２およびドレイン領域４３１を除く部分の表面にゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３３などから構成されている。
【００３４】
本実施形態では、電気熱変換素子駆動用のトランジスタとしてＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０を用いたが、複数の電気熱変換素子を個別に駆動できる能力を持ち、かつ、上述したような微細な構造を得ることができるトランジスタであれば、このトランジスタに限られない。
【００３５】
Ｐ−Ｍｏｓ４２０とＮ−Ｍｏｓ４２１との間や、Ｎ−Ｍｏｓ４２１とＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０との間などの各素子間には、５０００Å〜１００００Åの厚さのフィールド酸化により酸化膜分離領域４２４が形成されており、その酸化膜分離領域４２４によって各素子が分離されている。酸化膜分離領域４２４の、熱作用部３０８に対応する部分は、シリコン基板３０１の表面側から見て一層目の蓄熱層４３４としての役割を果たす。
【００３６】
Ｐ−Ｍｏｓ４２０、Ｎ−Ｍｏｓ４２１およびＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０の各素子の表面には、厚さ約７０００ÅのＰＳＧ膜またはＢＰＳＧ膜などから成る層間絶縁膜４３６がＣＶＤ法により形成されている。熱処理により層間絶縁膜４３６を平坦化した後に、層間絶縁膜４３６およびゲート絶縁膜４２８を貫通するコンタクトホールを介して第１の配線層となるＡｌ電極４３７により配線が行われている。層間絶縁膜４３６およびＡｌ電極４３７の表面には、厚さ１００００Å〜１５０００ÅのＳｉＯ2膜から成る層間絶縁膜４３８がプラズマＣＶＤ法により形成されている。層間絶縁膜４３８の表面の、熱作用部３０８およびＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０に対応する部分には、厚さ約１０００ÅのＴａＮ0.8,hex膜から成る抵抗層３０４がＤＣスパッタ法により形成されている。抵抗層３０４は、層間絶縁膜４３８に形成されたスルーホールを介してドレイン領域４３１の近傍のＡｌ電極４３７と電気的に接続されている。抵抗層３０４の表面には、各電気熱変換素子への配線となる第２の配線層としての、Ａｌの配線３０５が形成されている。
【００３７】
配線３０５、抵抗層３０４および層間絶縁膜４３８の表面の保護膜３０６は、プラズマＣＶＤ法により形成された厚さ１００００ÅのＳｉ3Ｎ4膜から成るものである。保護膜３０６の表面に形成された耐キャビテーション膜３０７は、厚さ約２５００ÅのＴａなどの膜から成るものである。
【００３８】
次に、素子基板１および天板３への回路や素子の振り分け構成について説明する。
【００３９】
図４は、図１に示した液体吐出ヘッドの回路構成を説明するための図であり、同図（ａ）は素子基板の平面図、同図（ｂ）は天板の平面図である。なお、図４（ａ）および（ｂ）は、互いの対向面を表わしている。
【００４０】
図４（ａ）に示すように、素子基板１には、並列に配列された複数の発熱体２と、画像データに応じてこれら発熱体２を駆動するドライバ１１と、入力された画像データをドライバ１１に出力する画像データ転送部１２と、発熱体２の駆動条件を制御するために必要な、液体の状態または特性を検出するセンサ１３とが設けられている。本実施形態では、センサ１３は、液流路７ごとの液体の状態または特性を検出するために、各発熱体２に対応して液流路７ごとに設けられている。
【００４１】
画像データ転送部１２は、シリアルに入力される画像データを各ドライバ１１にパラレルに出力するシフトレジスタ、およびシフトレジスタから出力されるデータを一時記憶するラッチ回路で構成される。なお、画像データ転送部１２は、各発熱体２に個別に対応して画像データを出力するものでもよいし、発熱体２の並びを複数のブロックに分け、ブロック単位に対応して画像データを出力するものでもよい。特に、１つのヘッドについて複数のシフトレジスタを備え、記録装置からのデータの転送を複数のシフトレジスタに振り分けて入力するようにすることで、印字速度の高速化に容易に対応することもできる。
【００４２】
センサ１３としては、詳しくは後述するが、液体の状態または特性として、液体の温度の変化、液体の圧力、液体中に含まれる成分、または液体の水素イオン濃度指数（ＰＨ）等を検出するセンサが用いられる。
【００４３】
一方、図４（ｂ）に示すように、天板３には、前述したように液流路および共通液室を構成する溝３ａ，３ｂが形成される他に、素子基板１に設けられたセンサ１３を駆動するセンサ駆動部１７と、センサ駆動部１７により駆動されたセンサからの出力結果に基づいて発熱体２の駆動条件を制御する発熱体制御部１６とが設けられている。なお、天板３には、外部から共通液室に液体を供給するために、共通液室に連通した供給口３ｃが開口している。
【００４４】
さらに、素子基板１および天板３の接合面の、互いの対向する部位にはそれぞれ、素子基板１に形成された回路等と天板３に形成された回路等とを電気的に接続するための接続用コンタクトパッド１４，１８が設けられている。また、素子基板１には、外部からの電気信号の入力端子となる外部コンタクトパッド１５が設けられている。素子基板１の大きさは天板３の大きさよりも大きく、外部コンタクトパッド１５は、素子基板１と天板３とを接合したときに天板３から露出する位置に設けられている。
【００４５】
上記のように構成された素子基板１と天板３とを位置合わせして接合すると、各液流路に対応して発熱体２が配置されるとともに、それぞれの接続用パッド１４，１８を介して素子基板１および天板３に形成された回路等が電気的に接続される。この電気的接続は例えば、接続用パッド１４，１８に金バンプ等を載せて行う方法があるが、それ以外の方法でもよい。このように、素子基板１と天板３との電気的接続を接続用コンタクトパッド１４，１８によって行うことで、素子基板１と天板３との接合と同時に、上述した回路同士の電気的接続を行うことができる。素子基板１と天板３との接合後に、液流路７の先端にオリフィスプレート４を接合し、これにより液体吐出ヘッドが完成する。
【００４６】
このようにして得られた液体吐出ヘッドをヘッドカートリッジや液体吐出装置に搭載する場合には、図５に示すように、プリント配線基板２３が搭載されたベース基板２２上に固定し、液体吐出ヘッドユニット２０とされる。図５において、プリント配線基板２３には、液体吐出装置のヘッド制御部と電気的に接続される複数の配線パターン２４が設けられ、これら配線パターン２４は、ボンディングワイヤー２５を介して外部コンタクトパッド１５と電気的に接続される。外部コンタクトパッド１５は素子基板１のみに設けられているので、液体吐出ヘッド２１と外部との電気的接続は、従来の液体吐出ヘッドと同様にして行うことができる。ここでは、外部コンタクトパッド１５を素子基板１に設けた例について説明したが、素子基板１ではなく天板３のみに設けてもよい。
【００４７】
以上説明したように、発熱体２の駆動や制御のための各種回路等を素子基板１と天板３とに両者の電気的接合を考慮した上で振り分けることで、これらの回路等が１つの基板に集中しなくなるので、液体吐出ヘッドの小型化が可能になる。また、素子基板１に設けられた回路等と天板３に設けられた回路等との電気的接続を接続用コンタクトパッド１４，１８によって行うことで、ヘッド外部への電気的接続部の数が減り、信頼性の向上、部品点数の削減、ヘッドのより一層の小型化を実現することができる。
【００４８】
また、上述した回路等を素子基板１と天板３とに分散させることで、素子基板１の歩留まりを向上させることができ、その結果、液体吐出ヘッドの製造コストを下げることができる。さらに、素子基板１および天板３を、シリコンという同一材料をベースとした材料で構成しているため、素子基板１と天板３との熱膨張係数が等しくなる。その結果、発熱体２の駆動により素子基板１および天板３が熱膨張しても両者にずれは生じなくなり、発熱体２と液流路７との位置精度が良好に維持される。
【００４９】
ここで、本発明の大きな特徴の一つである、センサ１３に関する事項及び本発明の適用例について詳細に説明する。
【００５０】
（１）センサの形態
図１にも簡単に示しているが、センサ１３は、素子基板１の表面から突出した位置に設けられている。本発明で用いられるセンサの形態には、その代表的な例として、単体検出部型と、基準電極ペア型とが挙げられる。単体検出部型とは、検出すべき液体の状態等に応じて電気抵抗あるいは電圧が変化する検出部を有するものである。単体検出部型のセンサとしては、温度センサ、圧力センサ等がある。基準電極ペア型とは、上記の検出部に加え、検出すべき液体の状態等に対して変化しない、基準となる電極を設けたものである。基準電極ペア型のセンサとしては、インク中のＰＨを検出するセンサ、インク中の成分を検出するセンサ等がある。
【００５１】
（１ａ）単体検出部型のセンサ
図６に、本発明に適用可能な単体検出部型のセンサの一例の模式的拡大図を示す。
【００５２】
図６に示すように、センサ１３は、素子基板１から液流路７中に突出した立体構造部１３１と、立体構造部１３１に設けられた検出部１３２と、検出部１３２と素子基板１の配線（不図示）とを接続する配線１３３とを有する。これら立体構造部１３１、検出部１３２、及び配線１３３は、前述のようにして素子基板１に回路等を形成した後、半導体素子製造プロセスのリソグラフィ技術を用いて素子基板１上に形成される。
【００５３】
立体構造部１３１は、素子基板１から突出した支柱１３１ａと、この支柱の上端部に素子基板１の上面に沿ってカンチレバー状に支持された梁１３１ｂとで構成される。検出部１３２は、液体の検出する対象となる状態等に応じて電気的な特性や状態が変化する材料からなり、立体構造部１３１の梁１３１ｂの部分に配置されている。このような構成をとることより、検出部１３２の位置は素子基板１の表面から離れた位置となる。また、検出部１３２が設けられた部分は周囲の大半が液体で囲まれており、一面すなわち一方向だけでなく複数の方向で液体と接触し、素子基板１の表面に直接設けられた場合と比較して大きな面積で液体と接触している。
【００５４】
次に、素子基板１へのセンサ１３の形成方法の一例について、温度により電気抵抗値が変化する測温抵抗体を用いた温度センサを形成する場合を例に挙げて、図７を参照して説明する。
【００５５】
まず、図７（ａ）に示すように、機能素子や回路等が形成された素子基板１上に、Ａｌを約１μｍの厚さでスパッタリング法で成膜した後、フォトリソグラフィ法及びドライエッチングによって所定の形状にパターニングし、電極１３５を形成する。さらに、電極１３５が形成された素子基板１上に電極保護層１３６として、ＳｉＮ膜をＣＶＤ法を用いて約１μｍの厚さに形成する。なお、図面上は電極１３５は１本しか描かれていないが、１つのセンサに対して電極１３５は図面の奥行き方向に２本並んで形成される。また、図面には示していないが、この電極保護層１３６の表面にさらに、耐キャビテーション膜としてＴａ膜を形成するのが望ましい。
【００５６】
次いで、素子基板１と図６に示した梁１３１ｂとの間の間隙を形成するために、図７（ｂ）に示すように、スパッタリング法によりＡｌを数〜十数μｍの厚さに形成した後、フォトリソグラフィ法及びドライエッチングによって所定の形状にパターニングし、犠牲層としての間隙形成部材１３７を形成する。
【００５７】
この間隙形成部材１３７は、後述するようにドライエッチングにより立体構造部１３１を形成する際のエッチングストップ層として機能する。これは、素子基板１における耐キャビテーション膜としてのＴａ膜や電極保護層１３６が、液流路７を形成するために使用するエッチングガスによりエッチングされてしまうからであり、それらの層や膜のエッチングを防止するために、このような間隙形成部材１３７を素子基板１上に形成する。これにより、後述のドライエッチングによる素子基板１内の機能素子の損傷が防止される。
【００５８】
そして、図７（ｃ）に示すように、電極保護層１３６及び間隙形成部材１３７を覆って、立体構造１３１（図６参照）の基材層としてＳｉＮ膜１３８を形成し、これを、間隙形成部材１３７が形成された部位とされていない部位とを跨る位置で立体構造部１３１の平面形状にパターニングする。さらに、ＳｉＮ膜１３８の、立体構造部１３１の支柱１３１ａ（図６参照）となる部分に、電極１３５に対応するスルーホール１３８ａを形成し、電極１３５を露出させる。
【００５９】
次いで、図７（ｄ）に示すように、ＳｉＮ膜１３８上に、スパッタリング法、フォトリソグラフィ法及びドライエッチングにより、Ａｌからなる配線１３３をパターニング形成する。この配線１３３は素子基板１上に設けられた電極１３５に対応して図面の奥行き方向に２本並んで形成され、それぞれスルーホール１３８ａを介して電極１３５と接続される。そして、この２本の配線１３９を跨ぐように、測温抵抗体１４０をパターニング形成する。この測温抵抗体１４０が、図６に示した検出部１３２として作用する。
【００６０】
次いで、図７（ｅ）に示すように、上記の全ての構成を覆って、配線１３９を保護する保護層としてＳｉＮ膜１４１を形成し、これを立体構造部１３１の平面形状にパターニングする。最後に、間隙形成部材１３７をウェットエッチングによって除去する。
【００６１】
これによって、ＳｉＮ膜１３８，１４１からなる立体構造部１３１に、配線１３３、及び測温抵抗体１４０からなる検出部１３２が設けられたセンサ１３を、素子基板１上に容易に形成することができる。
【００６２】
素子基板１の表面から検出部１３２までの高さは、素子基板１から梁１３１ｂまでの位置、すなわち間隙形成部材１３７の厚さによって決定される。例えば、液体吐出ヘッドをインクジェット記録ヘッドとして用いた場合、梁１３１ｂの位置が素子基板１の表面から数〜十数μｍの範囲であれば、後述するようなフレッシュな状態の液体を検出の対象とすることができる。なお、この梁１３１ｂの位置は、間隙形成部材１３７の厚さを変更して任意に設定することができる。
【００６３】
前述したように、本実施形態の液体吐出ヘッドは、発熱体２を駆動したりその駆動を制御するための回路や機能素子が、その機能に応じて素子基板１と天板３とに振り分けられている。センサ１３により液流路７内での液体の状態を調べたい場合、液体の状態は、素子基板１や天板３に設けられた回路等から発生する熱の影響を受ける。特に素子基板１には発熱体２が設けられているので、センサ１３が素子基板１に設けられている場合には、インクの状態に与える影響は大きい。また、素子基板１の表面や天板３の表面の近傍では、液体の粘性により、他の領域に比べて液体の流れが小さくなっている。
【００６４】
そこで、センサ１３を立体構造部１３１に設け、素子基板１の表面から離れた部位で、また、周囲の大部分を液体に囲まれた状態で液体の状態を検出することで、素子基板１や天板３の熱の影響を受け難く、滞留していないフレッシュな状態の液体を検出の対象とすることができる。これにより、素子基板１の表面で液体の状態を検出する場合に比べて、より高精度に液体の状態を検出することができる。また特に本実施形態では、立体構造部１３１は、支柱１３１ａと梁１３１ｂとで構成されており、素子基板１と接している面積が小さくなっているので、素子基板１上で発生したノイズの影響を低減することもできる。
【００６５】
（１ｂ）基準電極ペア型のセンサ
液体中のイオン、分子等と応答して液体との界面の電圧が変化することを利用して、液体のＰＨ等を検出する構成の場合、検出の対象となる液体のイオン、分子等に電圧が変化しない電極が必要となる。そのような場合に、基準電極ペア型のセンサが用いられる。
【００６６】
図８に、本発明に適用可能な基準電極ペア型のセンサの一例の模式的拡大図を示す。なお、図８において図６と同一の構成部分については図６と同一の符号を付している。
【００６７】
図８に示すように、このセンサ１３’は、接触している液体の検出対象となる成分に応じた電圧を発生しそれを検出する部材からなる検出部１３２ａと、接触している液体の検出対象となる成分に対して電圧が変化しない、あるいは検出部１３２ａと異なる電圧を発生する部材からなる基準部１３２ｂとを有する。検出部１３２ａ及び基準部１３３ａは、素子基板１の表面から突出した立体構造部１３１の梁１３１ｂに配置されており、それぞれ配線１３３ａ，１３３ｂを介して素子基板１の配線（不図示）と接続されている。また、梁１３１ｂには検出部１３２ａ及び基準部１３２ｂに対応する位置にそれぞれ開口１３１ｃ，１３１ｄが設けられており、検出部１３２ａ及び基準部１３２ｂの上面の一部が露出している。
【００６８】
このようなセンサ１３’の構造は、単体検出部型のセンサと同様に、半導体素子製造プロセスを用いて製造することができる。この場合、検出部１３２ａ及び基準部１３２ｂの上面の開口１３１ｃ，１３１ｄは、例えば、図７に示したような手順でセンサ１３’を形成するとすれば、図７（ｅ）に示した工程の後に、ＳｉＮ膜１４１をフォトリソグラフィ法及びエッチングにより所定の形状に除去することで形成することができる。
【００６９】
詳しくは後述するが、このように検出部１３２ａ及び基準部１３２ｂを設けることで、液体を介しての、検出部１３２ａと基準部１３２ｂとの間の電位差を検出することにより、液体のＰＨなどを検出することができる。
【００７０】
図８に示した基準電極ペア型のセンサ１３’においても、前述した単体検出部型のセンサと同様に、検出部１３２ａ及び基準部１３２ｂが立体構造部１３１に設けられているので、液体の成分等を、素子基板１の表面で検出する場合に比べて、より高精度に検出することができるとともに、素子基板１上で発生したノイズの影響を低減することができる。
【００７１】
以上、本発明に適用可能なセンサの形態について２つの代表的な形態を例に挙げて説明したが、立体構造部１３１の形状は、検出部が素子基板１の表面から離れた位置にあり、一面だけでなく複数の面がインクに囲まれるような形状であれば、図６や図８に示したものに限られるものではなく、例えば立方体形状であってもよい。
【００７２】
特に、図６や図８に示したような形状は、梁１３１ｂの上面及び下面が液体と接触し、液体との接触面積を大きくするという点では好ましいものであるが、このように梁１３１ｂを有する形状とした場合であっても、液流路７中における梁１３１ｂの向きは図１に示したものに限定されない。例えば、図１に示した配置においては、梁１３１ｂの先端部を液体の流れ方向に関して下流側に向けているが、図９に示すような配置であってもよい。
【００７３】
図９に示す例では、立体構造部１３１’の形状は図６等に示したものと同じであるが、支柱１３１ａ’は液流路７の幅方向の中心に対してオフセットして設けられ、梁１３１ｂ’は、支柱１３１ａ’での支持部から液流路７の幅方向と平行に延びて形成されている。なお、図９では示していないが、図６に示した検出部１３２、あるいは図８に示した検出部１３２ａ，基準部１３２ｂは、梁１３１ｂ’の部分に形成されている。このように立体構造部１３１’を配置することで、センサを立体構造としても、センサによって液流路７内での液体の流れが阻害されることを抑えることができる。図９に示す立体構造部１３１’も、その形成に際して間隙形成部材やＳｉＮ膜等のパターニング形状を変えることによって、図７に示したのと同じ方法で形成することができる。
【００７４】
また、センサが設けられる部材についても、上述した例では素子基板１に設けた例を示したが、天板３に設けても構わない。天板３が半導体基板からなるものであれば、センサを天板３に設ける場合でも、半導体ウェハプロセスを用いてセンサを形成することができる。
【００７５】
（２）センサの種類
本発明では液体の状態等を検出するセンサが用いられるが、本発明で用いられるセンサの代表的な種類について、図１等を参照しつつ説明する。
【００７６】
（２ａ）液体の温度の変化を検出する場合
吐出特性に影響を及ぼす液体の状態の一つに液体の粘性がある。液体の粘性は、吐出する液体の種類によって異なり、また、水分の蒸発等によっても経時的に変化する。従って、微小量の液体の吐出においては液体の粘性も大きく影響し、安定した吐出のためには、液体吐出ヘッドの駆動条件を液体の種類や経時的な変化に応じて制御する必要がある。
【００７７】
液体の粘性を推測する目安の一つが液体の温度である。液体の温度を活用して吐出制御を行う場合は、発熱部分の影響を最小限にするのが望ましい。前述したように、素子基板１や天板３は様々な機能素子を有し、発熱体２を駆動しているときはもちろんであるが、駆動していないときでもこれらの機能素子は少なからず電力を消費しており、熱を発生している。そのため、素子基板１や天板３の表面との境界部での液体の温度は、吐出される液体の大部分の温度よりも高くなっている。従って、吐出される液体の粘性を知るためには、素子基板１や天板３の表面から離れた位置で温度を検出するのが望ましい。
【００７８】
そこで、図６に示したような、立体構造部１３１に検出部１３２を有する温度センサを用いることで、吐出される液体の温度をより正確に検出することができる。温度センサとしては、検出部１３２を立体構造部１３１に設けることができるものであれば特に限定されず、前述したような測温抵抗体を用いたセンサや、多結晶シリコンを用いたセンサ（多結晶シリコンの不純物量をコントロールすることで温度によって抵抗値が変わる）、サーミスタ等を用いることができ、その中でも特に、半導体素子製造プロセス技術を用いて配線１３３とともに素子基板１上に形成できるものが望ましい。また、検出部１３２と接続される配線１３３には、電気抵抗が小さく、検出部１３２の温度特性に対して影響を与えない材料、例えばＡｌ、を用いればよい。
【００７９】
ところで、液体の基板との境界部に大きな温度勾配がある場合は、液体の流れによって、基板との境界部の熱を持っていくことができる。そこで、温度センサに近接してヒータを配置し、このヒータの駆動により液体を局所的に加熱することで液体に温度差を形成し、液体の流れにより持っていく熱が異なることを利用して液体の流量を検出する手法もある。
【００８０】
このようにして流量センサを構成した場合においても、基板の表面に温度センサ及びヒータを配置した構成では、液体を局所的に加熱しても熱が基板に逃げるとともに、液体の粘性により基板表面近傍では液体の流れが小さくなり、微小な流路においては精度よく流量を検出できない。
【００８１】
そこで、図６に示すような、素子基板１の表面から突出した立体構造部１３１に温度センサ及びヒータを設け、これらの周囲の大部分を液体で囲まれるようにすることで、ヒータの熱は基板へ逃げにくくなるとともに、液体の流れ自身も素子基板１の表面に比べて大きくなることから、液体の流れの差の検出精度を大きく向上させることができる。
【００８２】
（２ｂ）液体の圧力を検出する場合
発熱体２を駆動して液体を急激に加熱し、液体に膜沸騰に伴う気泡を発生させて液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいては、気泡の発生に基づく圧力が液体に作用する。従って、液体の状態のひとつとして、液体に作用する圧力を検出し、この検出結果に基づいて液体吐出ヘッドの駆動条件を制御することも、吐出特性を安定させる一つの手段である。
【００８３】
そこで、図６に示した検出部１３２の部分に、液体の圧力により抵抗値が変化したり電圧が発生する素子を導入すれば、液体に作用する圧力を検出する圧力センサを構成することができる。しかも、上記の素子は立体構造部１３１に配置され、周囲の大部分が液体に囲まれているので、素子基板１の表面に配置した場合に比べて液体の圧力が良好に作用し、より正確な検出が可能となる。
【００８４】
（２ｃ）液体中に含まれる成分を検出する場合
液体吐出ヘッドにおいては、吐出する液体に含まれる成分によっても吐出特性が変化する。そこで、液体中に含まれるイオン、分子等と反応し、その平衡状態で電位差が発生する膜を、例えば図６に示したような立体構造部１３１の検出部１３２として配置することで、液体中に含まれる成分の変化や状態を検出することができる。この場合には、図６に示した検出部１３２を覆っている立体構造部１３１の一部を除去して検出部１３２を露出させ、検出部１３２が液体に接触する構造とする。
【００８５】
このようにして液体中に含まれる成分を検出する場合も、液体の基板との境界部においては液体の流れが悪く安定した液体の平衡状態を得にくいので、図６に示したような立体構造１３１を構成することで、周囲の大部分が液体に覆われることとなり、また、検出部１３２が液体の流れのある部分に配置されるので、液体中の成分を安定して検出することができる。
【００８６】
（２ｄ）液体中のＰＨを検出する場合
液体中の水素イオン濃度に反応する膜の一つに酸化シリコン膜がある。酸化シリコン膜を、図８に示した検出部１３２ａとして設けると、酸化シリコン膜の液体との境界面には液体の水素イオン濃度に応じて電位差が発生する。この電位差を検出することで、液体中のＰＨを検出することができる。ただし、酸化シリコン膜自身は絶縁膜であることから、電位差を検出するためには電極を設け、この電極とは別の電極である基準電極を、図８に示した基準部１３２ｂとして設ける。そして、液体を介しての、酸化シリコン膜（検出部１３２ａ）と基準電極（基準部１３２ｂ）との間の電位差を、ＦＥＴ（電圧効果トランジスタ）等を用いて低インピーダンス化して検出することができる。
【００８７】
検出部１３２ａとして形成する膜を、酸化シリコン膜に代えて、水素イオン濃度とは異なる成分に反応する膜とすれば、所望の液体成分の状態を検出することができる。
【００８８】
このように、素子基板１の表面から吐出した立体構造部１３１に検出部１３２ａ及び基準部１３２ｂを設けることで、滞留していないフレッシュな状態で液体の成分を検出することができるので、素子基板１の表面に設けた場合に比べて検出精度を大きく向上させることができる。
【００８９】
上記の基準電極すなわち基準部１３２ｂについては、検出したい液体の成分に対して電気的特性が変化しない、あるいは検出部１３２ａとは異なる変化を示すものであれば、特に検出部１３２ａと同一の立体構造部１３１に設ける必要はない。すなわち、検出部１３２ａを有する立体構造部と基準部１３２ｂを有する立体構造部とを別々に設けてもよい。ただし、図８に示したように、同一の立体構造部１３１に検出部１３２ａ及び基準部１３２ｂを設けることは、局所的な部分のインクの状態を精度よく検出できるので、より望ましい構成である。
【００９０】
（３）センサ及び回路の振り分け
上述の各回路等をその機能に応じて振り分けているが、この振り分けの基準となる考え方について以下に述べる。
【００９１】
各発熱体２に個別またはブロック単位に電気配線接続で対応する回路は、素子基板１に形成する。図４に示した例では、ドライバ１１および画像データ転送部１２がこれに相当する。各発熱体２には駆動信号がパラレルに与えられるので、その信号分だけ配線の引き回しが必要となる。従って、このような回路を天板３に形成すると、素子基板１と天板３との接続数が多くなり接続不良が発生する可能性が高くなるが、素子基板１に形成することで、発熱体２と上記回路との接続不良が防止される。
【００９２】
制御回路などアナログ的な部分は、熱の影響を受け易いことから、発熱体２が設けられていない基板すなわち天板３に設ける。図４に示した例では、発熱体制御部１６がこれに相当する。
【００９３】
センサ１３は、液体と接触する位置であれば、素子基板１に設けてもよいし、天板３に設けてもよい。ただし、液体の温度に基づいて液体の状態を検出するものである場合には、できるだけ発熱体２の熱の影響が少ない位置に設けることが好ましい。
【００９４】
その他、各発熱体２に個別にもブロック単位にも電気配線接続で対応していない回路、必ずしも素子基板１に設けなくてもよい回路、天板３に設けても測定精度には影響しないセンサ等は、素子基板１および天板３のいずれか一方に集中しないように必要に応じて素子基板１または天板３に形成する。図４に示した例では、センサ駆動部１７がこれに相当する。
【００９５】
上記の考え方に基づいて各回路やセンサ等を素子基板１と天板３とに設けることで、素子基板１と天板３との電気的接続数をできるだけ少なくしつつも、各回路やセンサ等をバランスよく振り分けることができる。
【００９６】
（４）液体吐出ヘッドの制御例
センサで検出されたインクの状態は、より安定した液体吐出のために発熱体の駆動制御に利用される。発熱体の駆動制御の一例として、液体の温度を検出する温度センサを用いた場合の発熱体の駆動制御の例について説明する。
【００９７】
図１０は、液体の温度に応じて発熱体の駆動条件を制御する例の素子基板および天板の回路構成を示す図であり、図１０に示す例では、発熱体３２に発泡エネルギーを与える前に発熱体３２をプレヒート（液体を発泡させない程度の予備的な加熱）するもので、液体の温度を検出するセンサ（図１０では不図示）での検出結果に応じて、発熱体３２のプレヒートパルス幅を制御する。
【００９８】
図１０（ａ）に示すように、素子基板３１には、一列に配列された発熱体３２と、ドライバとして機能するパワートランジスタ４１と、パワートランジスタ４１の駆動を制御するためのＡＮＤ回路３９と、パワートランジスタ４１の駆動タイミングを制御するための駆動タイミング制御ロジック回路３８と、シフトレジスタおよびラッチ回路で構成される画像データ転送回路４２と、液体の温度を検出するセンサとが、半導体プロセスを用いて形成されている。センサは、各液流路ごと、すなわち発熱体３２ごとに、立体構造として設けられている。
【００９９】
駆動タイミング制御ロジック回路３８は、装置の電源容量を少なくする目的で、全ての発熱体３２を同時に通電するのではなく発熱体３２を分割駆動して時間をずらして通電するためのものであり、この駆動タイミング制御ロジック回路３８を駆動するイネーブル信号は、外部コンタクトパッドであるイネーブル信号入力端子４５ｋ〜４５ｎから入力される。
【０１００】
また、素子基板３１に設けられる外部コンタクトパッドとしては、イネーブル信号入力端子４５ｋ〜４５ｎの他に、発熱体３２の駆動電源の入力端子４５ａ、パワートランジスタ４１の接地端子４５ｂ、発熱体３２を駆動するエネルギーを制御するために必要な信号用の入力端子４５ｃ〜４５ｅ、ロジック回路の駆動電源端子４５ｆ、接地端子４５ｇ、画像データ転送回路４２のシフトレジスタに入力されるシリアルデータの入力端子４５ｉおよびこれに同期するシリアルクロック信号の入力端子４５ｈ、ラッチ回路に入力されるラッチクロック信号の入力端子４５ｊがある。
【０１０１】
一方、図６（ｂ）に示すように、天板３３には、発熱体３２の駆動タイミングを決定するとともにセンサ４３からの出力をモニタしその結果に応じて画発熱体３２のプレヒート幅を決定する駆動信号制御回路４６と、各発熱体に対応するプレヒート幅を選択するための選択データをヘッド情報として記憶し駆動信号制御回路４６に出力するメモリ４９とが形成されている。
【０１０２】
また、接続用コンタクトパッドとして、素子基板３１および天板３２には、外部から上記発熱体３２を駆動するエネルギーを制御するために必要な信号用の入力端子４５ｃ〜４５ｅと駆動信号制御回路４６とを接続する端子４４ｂ〜４４ｄ，４８ｂ〜４８ｄ、駆動信号制御回路４６の出力をＡＮＤ回路３９の一方の入力端子に入力させるための端子４８ａ等が設けられている。
【０１０３】
以上の構成において、まず、液体の温度がセンサにより各液流路ごとに検出され、その結果がメモリ４９に記憶される。駆動信号制御回路４６では、メモリ４３に記憶された温度データおよび選択データに応じて、各発熱体３２のプレヒートパルス幅を決定し、端子４８ａ，４４ａを介してＡＮＤ回路３９に出力する。一方、シリアルで入力された画像データ信号は、画像データ転送回路４２のシフトレジスタに記憶され、ラッチ信号によりラッチ回路にラッチされて、駆動タイミング制御回路３８を介してＡＮＤ回路３９に出力される。
【０１０４】
画像データ信号がＡＮＤ回路３９に出力されることで、駆動信号制御回路４６で決定されたプレヒートパルス、及び予め決められたヒートパルスが発熱体３２に与えられる。これにより発熱体３２は、プレヒートされた後、液体を発泡させるためのエネルギーが与えられる。このようにして、センサでの検出結果に応じてプレヒート幅を制御することで、温度状態にかかわらず液体の吐出量を各吐出口で一定にすることができる。
【０１０５】
さらに、メモリ４９に記憶されるヘッド情報としては、上述した温度データの他に、吐出する液体の種類（液体がインクの場合には、インクの色等）も含めることもできる。液体の種類によってはその物性が異なり、吐出特性が異なるからである。これらのヘッド情報のメモリ４９への記憶は、この液体吐出ヘッドの組立後に不揮発的に行ってもよいし、この液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置の立ち上げ後に装置側から転送されることで行ってもよい。
【０１０６】
なお、図１０で説明した液体吐出ヘッドでは、さらに、抵抗値センサとして発熱体３２と同様にして素子基板３１に形成されたランクヒータ４３と、天板３３に形成された、ランクヒータ４３を駆動するためのセンサ駆動回路４７とを有する。そして、センサ駆動回路４７とランクヒータ４３とを接続する端子４４ｇ，４４ｈ，４８ｇ，４８ｈが、素子基板３１及び天板３３に形成されている。これは、ランクヒータ４３で検出された抵抗値に基づいて発熱体３２に印加するパルスのパルス幅を決定するためのものであり、駆動信号制御回路４６は、ランクヒータ４３からの出力をモニタし、その結果に応じて発熱体３２への印加エネルギーを制御する。また、メモリ４９は、ランクヒータ４３で検出された抵抗値データあるいは抵抗値からランク分けされたコード値、および予め測定されている各発熱体３２による液体吐出量特性（一定温度で、所定のパルスを印加したときの液体吐出量）をヘッド情報として記憶し、駆動信号制御回路４６に出力する。
【０１０７】
ランクヒータ４３を利用した発熱体３２への印加エネルギーの制御について説明する。まず、ランクヒータ４３の抵抗値が検出され、その結果がメモリ４３に記憶される。ランクヒータ４３は発熱体３２と同様にして形成されたものであるので、その抵抗値は実質的には発熱体３２と同じであり、ランクヒータ４３の抵抗値を発熱体３２の抵抗値とみなす。駆動信号制御回路で４６では、メモリ４３に記憶された抵抗値データ及び液体吐出量特性に応じて発熱体３２の駆動パルスの立ち上がりデータ及び立ち下がりデータを決定し、端子４８ａ，４４ａを介してＡＮＤ回路３９に出力する。これによりヒートパルスのパルス幅が決定され、画像データが、画像データ転送回路４２から駆動タイミング制御回路３８を介してＡＮＤ回路３９に出力されることで、駆動信号制御回路４６で決定したパルス幅で発熱体３２への通電が行われる。その結果、発熱体３２には、ほぼ一定のエネルギーが印加される。
【０１０８】
（５）液体吐出ヘッドの他の例
図１に示した例では、液流路７を構成するための溝は天板３に形成し、吐出口５が形成された部材（オリフィスプレート４）も素子基板１及び天板３とは別の部材で構成した例を示したが、本発明が適用される液体吐出ヘッドの構造は、これに限られるものではない。
【０１０９】
例えば、天板の端面にオリフィスプレートの厚さ相当の壁を残しておき、この壁に、イオンビーム加工や電子ビーム加工等により吐出口を形成すれば、オリフィスプレートを用いずに液体吐出ヘッドを構成することができる。また、天板に溝を形成することによってではなく素子基板に流路側壁を形成すれば、発熱体に対する液流路の位置精度が向上し、かつ、天板の形状を簡易なものとすることができる。可動部材はフォトリソグラフィプロセスを利用して天板に形成することができるが、このように素子基板に流路側壁を設けた構成とした場合には、素子基板への可能部材の形成と同時に素子基板を形成することもできる。これについては後述する。
【０１１０】
さらに、本出願人は、液流路内に、気泡の圧力伝搬方向を下流側へ導く可動部材を設けた液体吐出ヘッドを提案している。次に、可動部材を有する液体吐出ヘッドに本発明を適用した例を説明する。
【０１１１】
図１１は、本発明の他の実施形態である液体吐出ヘッドの液流路方向に沿った断面図である。図１１において、図１と同一の構成部分については図１と同一の符号を付している。
【０１１２】
図１１に示す液体吐出ヘッドは、基本的には図１に示した液体吐出ヘッドと同じであるが、素子基板１に可動部材６が設けられており、この可動部材６の一部にセンサ６３を構成している点が異なる。
【０１１３】
可動部材６は、液流路７を吐出口５に連通した第１の液流路７ａと、発熱体２を有する第２の液流路７ｂとに分けるように、発熱体２に対面して、半導体ウェハプロセスを利用して形成された片持ち梁状の薄膜である。この可動部材６は、液体の吐出動作によって共通液室８から可動部材６を経て吐出口５へ流れる大きな流れの上流側に支点６ａを持ち、この支点６ａに対して下流側に自由端６ｂを持つように、発熱体２に面した位置に発熱体２を覆うような状態で発熱体２から所定の距離を隔てて配されている。図１１に示した例では、この発熱体２と可動部材６との間が気泡発生領域１０となる。
【０１１４】
上記構成に基づき、発熱体２を発熱させると、可動部材６と発熱体２との間の気泡発生領域１０の液体に熱が作用し、これにより発熱体２上に膜沸騰現象に基づく気泡が発生し、成長する。この気泡の成長に伴う圧力は可動部材６に優先的に作用し、可動部材６は図１１に破線で示されるように、支点６ａを中心に吐出口５側に大きく開くように変位する。可動部材６の変位もしくは変位した状態によって、気泡の発生に基づく圧力の伝搬や気泡自身の成長が吐出口５側に導かれ、吐出口５から液体が吐出する。
【０１１５】
つまり、気泡発生領域１０上に、液流路７内の液体の流れの上流側（共通液室８側）に支点６ａを持ち下流側（吐出口５側）に自由端６ｂを持つ可動部材６を設けることによって、気泡の圧力伝搬方向が下流側へ導かれ、気泡の圧力が直接的に効率よく吐出に寄与することになる。そして、気泡の成長方向自体も圧力伝搬方向と同様に下流方向に導かれ、上流より下流で大きく成長する。このように、気泡の成長方向自体を可動部材によって制御し、気泡の圧力伝搬方向を制御することで、吐出効率や吐出力または吐出速度等の根本的な吐出特性を向上させることができる。
【０１１６】
一方、気泡が消泡工程に入ると、可動部材６の弾性力との相乗効果で気泡は急速に消泡し、可動部材６も最終的には図１１に実線で示した初期位置に復帰する。このとき、気泡発生領域１０での気泡の収縮体積を補うため、また、吐出された液体の体積分を補うために、上流側すなわち共通液室８側から液体が流れ込み、液流路７への液体の充填（リフィル）が行われるが、この液体のリフィルは、可動部材６の復帰作用に伴って効率よく合理的かつ安定して行われる。
【０１１７】
以上が、可動部材６を有する液体吐出ヘッドの動作原理であるが、図１１に示した例では、可動部材６が素子基板１の表面に形成された部材であることを利用して、可動部材６の一部の特に素子基板１から離れている部位にセンサ６３を構成している。つまり、可動部材６そのものを立体構造部として用い、可動部材６内に、図６に示したような検出部１３２及び配線１３３、または図７に示したような検出部１３２ａ、基準部１３２ｂ及び配線１３３ａ，１３３ｂが形成されている。
【０１１８】
このように可動部材６の一部にセンサ６３を構成することで、前述したのと同様に、液流路７の壁面での液体の流れの淀みや、素子基板１の発熱の影響が少ない状態で、液体の状態等を検出することができる。しかも、可動部材６を有するので、液体の根本的な吐出特性及びリフィル効率を向上させることができる。
【０１１９】
可動部材６への検出部等の形成位置は、素子基板１の表面から離れた位置であり液体の所望の状態等を検出できる位置であれば特に限定されるものではない。ただし、可動部材６は発熱体２と対面して設けられ、発熱体２の熱の影響を受け易いので、センサ６３が温度センサの場合には、発熱体２の熱の影響が少ない位置、例えば、発熱体２からできるだけ離れた位置、より好ましくは液体の流れ方向に関して上流側に設けたほうがよい。また、センサ６３が圧力センサである場合は、気泡の発生に伴う圧力を直接的に受ける可動部材６は、圧力センサを設ける位置として最も好ましい。
【０１２０】
ここで、素子基板１への可動部材６の形成方法の例を説明する。
【０１２１】
図１２は、図１１に示した液体吐出ヘッドへの可動部材６の形成方法の一例を説明するための図であり、図１２では、図１１に示した液流路７の流路方向に沿った断面が示されている。図１２に基づいて説明する製造方法では、素子基板１上に可動部材６を形成してなるものと、天板に流路側壁を形成してなるものとを接合することで、図１１に示した構成の液体吐出ヘッドを製造する。従って、この製造方法では、可動部材６が作り込まれた素子基板１に天板を接合する前に、天板に流路側壁が作り込まれる。
【０１２２】
まず、図１２（ａ）では、素子基板１の発熱体２側の面全体に、発熱体２との電気的な接続を行うための接続用パッド部分を保護するための第１の保護層としてのＴｉＷ膜７６をスパッタリング法によって厚さ約５０００Å形成する。なお、図示していないが、ＴｉＷ膜７６の形成前に、センサ６３（図１１参照）の配線と接続する配線、及びその保護層であるＳｉＮ膜が、素子基板１上に形成されている。
【０１２３】
次に、図１２（ｂ）では、ＴｉＷ膜７６の表面に、間隙形成部材７１ａを形成するためのＡｌ膜をスパッタリング法によって厚さ約４μｍ形成する。間隙形成部材７１ａは、後述する図１２（ｄ）の工程において、ＳｉＮ膜７２ａがエッチングされる領域までに延在されている。
【０１２４】
形成されたＡｌ膜を、周知のフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングすることで、そのＡｌ膜の、可動部材６の支持固定部に対応する部分のみを除去し、ＴｉＷ膜７６の表面に間隙形成部材７１ａを形成する。従って、ＴｉＷ膜７６表面の、可動部材６の支持固定部に対応する部分が露出することになる。この間隙形成部材７１ａは、素子基板１と可動部材６との間の間隙を形成するための、Ａｌ膜からなるものである。間隙形成部材７１ａは、図１１に示した発熱体２と可動部材６との間の気泡発生領域１０に対応する位置を含む、ＴｉＷ膜７６の表面の、可動部材６の支持固定部に対応する部分を除く部分全てに形成されている。従って、この製造方法では、ＴｉＷ膜７６の表面の、流路側壁に対応する部分にまで間隙形成部材７１ａが形成されている。この間隙形成部材７１ａは、後述するようにドライエッチングにより可動部材６を形成する際のエッチングストップ層として機能する。
【０１２５】
次に、図１２（ｃ）では、間隙形成部材７１ａの表面全体および、ＴｉＷ膜７６の、露出した面全体に、プラズマＣＶＤ法を用いて、可動部材６を構成するＳｉＮ膜７２ａを形成する。プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉＮ膜７２ａを形成する際には、図１３を参照して次に説明するように、素子基板１を構成するシリコン基板などを介して、素子基板１に備えられたＴａからなる耐キャビテーション膜を接地する。これにより、プラズマＣＶＤ装置の反応室内でのプラズマ放電により分解されたイオン種およびラジカルの電荷に対して素子基板１内の発熱体２やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。
【０１２６】
図１３に示すように、ＳｉＮ膜７２ａを形成するためのプラズマＣＶＤ装置の反応室８３ａ内には、所定の距離をおいて互いに対向するＲＦ電極８２ａおよびステージ８５ａが備えられている。ＲＦ電極８２ａには、反応室８３ａの外部のＲＦ電源８１ａによって電圧が印加される。一方、ステージ８５ａのＲＦ電極８２ａ側の面上には素子基板１が取り付けられており、素子基板１の発熱体２側の面がＲＦ電極８２ａと対向している。ここで、素子基板１が有する、発熱体２の面上に形成されたＴａからなる耐キャビテーション膜は、素子基板１のシリコン基板と電気的に接続されており、間隙形成部材７１ａは、素子基板１のシリコン基板、およびステージ８５ａを介して接地されている。
【０１２７】
このように構成されたプラズマＣＶＤ装置においては、前記耐キャビテーション膜が接地された状態で供給管８４ａを通して反応室８３ａ内にガスを供給し、素子基板１とＲＦ電極８２ａとの間にプラズマ４６を発生させる。反応室８３ａ内でのプラズマ放電により分解されたイオン種やラジカルが素子基板１上に堆積することで、ＳｉＮ膜７２ａが素子基板１上に形成される。その際、イオン種やラジカルにより素子基板１上に電荷が発生するが、上述したように耐キャビテーション膜が接地されていることにより、素子基板１内の発熱体２やラッチ回路などの機能素子がイオン種やラジカルの電荷によって損傷することが防止される。次に、図１２（ｄ）では、ＳｉＮ膜７２ａの表面に、スパッタリング法によりＡｌ膜を厚さ約６１００Å形成した後、形成されたＡｌ膜を、周知のフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングし、ＳｉＮ膜７２ａ表面の、可動部材６に対応する部分に第２の保護層としてのＡｌ膜（不図示）を残す。その第２の保護層としてのＡｌ膜は、可動部材６を形成するためにＳｉＮ膜７２ａのドライエッチングを行う際の保護層（エッチングストップ層）すなわちマスクとなる。
【０１２８】
そして、誘電結合プラズマを使ったエッチング装置を用い、前記第２の保護層をマスクにしてＳｉＮ膜７２ａをパターニングすることで、そのＳｉＮ膜７２ａの残った部分で構成される可動部材６を形成する。そのエッチング装置ではＣＦ4とＯ2の混合ガスを用いており、ＳｉＮ膜７２ａをパターニングする工程では、図１１に示したように可動部材６の支持固定部が素子基板１に直接固定されるようにＳｉＮ膜７２ａの不要な部分を除去する。可動部材６の支持固定部と素子基板１との密着部の構成材料には、パッド保護層の構成材料であるＴｉＷ、および素子基板１の耐キャビテーション膜の構成材料であるＴａが含まれる。
【０１２９】
ドライエッチング装置を用いてＳｉＮ膜７２ａをエッチングする際には、図１４を参照して次に説明するように素子基板１などを介して間隙形成部材７１ａを接地する。これにより、ドライエッチングの際にＣＦ4ガスの分解により生じるイオン種およびラジカルの電荷が間隙形成部材７１ａに留まることを防止して、素子基板１の発熱体２やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。また、このエッチングの工程において、 ＳｉＮ膜７２ａの不要な部分を除去することで露出する部分、すなわちエッチングされる領域には、上述したように間隙形成部材７１ａが形成されているため、ＴｉＷ膜７６の表面が露出することがなく、間隙形成部材７１ａによって素子基板１が確実に保護される。
【０１３０】
図１４に示すように、ＳｉＮ膜７２ａをエッチングするためのドライエッチング装置の反応室８３ｂ内には、所定の距離をおいて互いに対向するＲＦ電極８２ｂおよびステージ８５ｂが備えられている。ＲＦ電極８２ｂには、反応室８３ｂの外部のＲＦ電源８１ｂによって電圧が印加される。一方、ステージ８５ｂのＲＦ電極８２ｂ側の面上には素子基板１が取り付けられており、素子基板１の発熱体２側の面がＲＦ電極８２ｂと対向している。ここで、Ａｌ膜からなる間隙形成部材７１ａは、素子基板１に備えれたＴａからなる耐キャビテーション膜と電気的に接続されており、かつ、その耐キャビテーション膜は、前述したように素子基板１のシリコン基板と電気的に接続されており、間隙形成部材７１ａは、素子基板１の耐キャビテーション膜やシリコン基板、およびステージ８５ｂを介して接地されている。
【０１３１】
このように構成されたドライエッチング装置において、間隙形成部材７１ａが接地された状態で供給管８４ａを通して反応室８３ａ内にＣＦ4とＯ2の混合ガスを供給し、ＳｉＮ膜７２ａのエッチングを行う。その際、ＣＦ4ガスの分解により生じるイオン種やラジカルによって素子基板１上に電荷が発生するが、上述したように間隙形成部材７１ａが接地されていることにより、素子基板１内の発熱体２やラッチ回路などの機能素子がイオン種やラジカルの電荷によって損傷することが防止される。
【０１３２】
本実施形態では、反応室８３ａの内部に供給するガスとして、ＣＦ4とＯ2の混合ガスを用いたが、Ｏ2が混合されていないＣＦ4ガスまたはＣ2Ｆ6ガス、あるいはＣ2Ｆ6とＯ2の混合ガスなどを用いてもよい。
【０１３３】
以上のようにしてＳｉＮからなる可動部材６が形成されるが、この際のＳｉＮ膜７２ａの形成工程に始まる可動部材６の形成過程で、例えば図７（ｃ）〜図７（ｅ）に示すようにして、可動部材６に検出部や配線等を形成する。
【０１３４】
次に、図１２（ｅ）では、酢酸、りん酸および硝酸の混酸を用いて、可動部材６に形成したＡｌ膜からなる前記第２の保護層や、Ａｌ膜からなる間隙形成部材７１ａを溶出して除去し、素子基板１上に可動部材６を作り込む。その後、過酸化水素を用いて、素子基板１に形成したＴｉＷ膜７６の、気泡発生領域１０およびパッドに対応する部分を除去する。
【０１３５】
以上のようにして、可動部材６が設けられた素子基板１が製造される。ここでは、図１に示したように可動部材６の支持固定部が素子基板１に直接固定されているものを製造する場合で説明したが、この製造方法を適用して、可動部材が台座部を介して素子基板に固定された液体吐出ヘッドを製造することもできる。この場合、図１２（ｂ）に示した間隙形成部材７１ａを形成する工程の前に、可動部材の、自由端と反対側の端部を素子基板に固定するための台座部を素子基板の発熱体側の面上に形成する。この場合でも、台座部と素子基板との密着部の構成材料には、パッド保護層の構成材料であるＴｉＷ、および素子基板の耐キャビテーション膜の構成材料であるＴａが含まれる。
【０１３６】
上述した例では、流路側壁９を天板３に形成した場合について説明したが、フォトリソグラフィプロセスを用いて、素子基板１への可動部材６の形成と同時に、流路側壁９を素子基板１に形成することもできる。
【０１３７】
以下に、素子基板１に可動部材６及び流路側壁９を設けた場合の、可動部材６及び流路側壁の形成工程の一例について、図１５及び図１６を参照して説明する。なお、図１５及び図１６は、可動部材及び流路側壁が形成される素子基板の液流路方向と直交する方向に沿った断面を示している。また、図１５及び図１６に示す例においても、図１２を参照して説明した例と同様に可動部材６に検出部や配線等が形成されるものであるが、それらの形成方法については図７を用いて説明した例と同様であるので、以下の説明では、可動部材６及び流路側壁９の形成を中心に説明し、可動部材６への検出部や配線等についての説明は省略する。
【０１３８】
まず、図１５（ａ）では、素子基板１の発熱体２側の面全体に、発熱体２との電気的な接続を行うための接続用パッド部分を保護するための第１の保護層として、不図示のＴｉＷ膜をスパッタリング法によって厚さ約５０００Å形成する。この素子基板１の発熱体２側の面に、間隙形成部材７１を形成するためのＡｌ膜をスパッタリング法によって厚さ約４μｍ形成する。形成されたＡｌ膜を、周知のフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングし、図１１に示した発熱体２と可動部材６との間の気泡発生領域１０に対応する位置に、素子基板１と可動部材６との間の間隙を形成するための、Ａｌ膜からなる間隙形成部材７１を複数形成する。それぞれの間隙形成部材７１は、後述する図１６（ｂ）の工程において、可動部材６を形成するための材料膜であるＳｉＮ膜７２がエッチングされる領域まで延在されている。間隙形成部材７１は、後述するドライエッチングにより液流路７および可動部材６を形成する際のエッチングストップ層として機能する。そのため、ドライエッチングにより液流路７を形成する際に素子基板１の発熱体２側の面や、素子基板１上のＴｉＷ層が露出しないように、それぞれの間隙形成部材７１における液流路７の流路方向と直行する方向の幅は、後述する図１６（ｂ）の工程で形成される液流路７の幅よりも広くなっている。
【０１３９】
さらに、ドライエッチング時には、ＣＦ4ガスの分解によりイオン種およびラジカルが発生し、素子基板１の発熱体２や機能素子にダメージを与えることがあるが、Ａｌからなる間隙形成部材７１は、これらイオン種やラジカルを受け止めて素子基板１の発熱体２や機能素子を保護するものとなっている。
【０１４０】
次に、図１５（ｂ）では、間隙形成部材７１の表面、および素子基板１の間隙形成部材７１側の面上に、プラズマＣＶＤ法を用いて、可動部材６を形成するための材料膜であるＳｉＮ膜７２を、間隙形成部材７１を被覆するように形成する。ここで、プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉＮ膜７２を形成する際には、図１３を参照して説明したように、素子基板１を構成するシリコン基板などを介して、素子基板１に備えられたＴａからなる耐キャビテーション膜を接地する。これにより、プラズマＣＶＤ装置の反応室内でのプラズマ放電により分解されたイオン種およびラジカルの電荷に対して素子基板１内の発熱体２やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。
【０１４１】
次に、図１５（ｃ）では、ＳｉＮ膜７２の表面に、スパッタリング法によりＡｌ膜を厚さ約６１００Å形成した後、形成されたＡｌ膜を、周知のフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングし、ＳｉＮ膜７２表面の、可動部材６に対応する部分、すなわちＳｉＮ膜７２表面の可動部材形成領域に第２の保護層としてのＡｌ膜７３を残す。Ａｌ膜７３は、ドライエッチングにより液流路７を形成する際の保護層（エッチングストップ層）となる。
【０１４２】
次に、図１６（ａ）では、ＳｉＮ膜７２およびＡｌ膜７３の表面に、流路側壁９を形成するためのＳｉＮ膜７４を、マイクロ波ＣＶＤ法を用いて厚さ約５０μｍ形成する。ここで、マイクロ波ＣＶＤ法によるＳｉＮ膜７４の成膜に使用するガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ4）、窒素（Ｎ2）およびアルゴン（Ａｒ）を用いた。そのガスの組み合わせとしては、上記以外にも、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）やアンモニア（ＮＨ3）などとの組み合わせや、混合ガスを用いてもよい。また、周波数が２．４５［GHz］のマイクロ波のパワーを１．５［ｋＷ］とし、ガス流量としてはモノシランを１００［sccm］、窒素を１００［sccm］、アルゴンを４０［sccm］でそれぞれのガスを供給して、圧力が５［mTorr］の高真空下でＳｉＮ膜７４を形成した。また、ガスのそれ以外の成分比でのマイクロ波プラズマＣＶＤ法や、ＲＦ電源を使用したＣＶＤ法などでＳｉＮ膜７４を形成してもよい。
【０１４３】
ＣＶＤ法によりＳｉＮ膜７４を形成する際には、図１３に基づいて前述したようなＳｉＮ膜７２を形成する方法と同様に、発熱体２の面上に形成されているＴａからなる耐キャビテーション膜を素子基板１のシリコン基板を介して接地する。これにより、ＣＶＤ装置の反応室内でのプラズマ放電により分解されたイオン種およびラジカルの電荷に対して素子基板１内の発熱体２やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。
【０１４４】
そして、ＳｉＮ膜７４の表面全体にＡｌ膜を形成した後に、形成されたＡｌ膜を、フォトリソグラフィなどの周知の方法を用いてパターニングして、ＳｉＮ膜７４の表面の、液流路７に対応する部分を除く部分にＡｌ膜７５を形成する。前述したように、それぞれの間隙形成部材７１における液流路７の流路方向と直行する方向の幅は、次の図１６（ｂ）の工程で形成される液流路７の幅よりも広くなっているので、Ａｌ膜７５の側部が間隙形成部材７１の側部の上方に配置されている。
【０１４５】
次に、図１６（ｂ）では、誘電結合プラズマを使ったエッチング装置を用いてＳｉＮ膜７４およびＳｉＮ膜７２をパターニングして流路側壁９および可動部材６を同時に形成する。そのエッチング装置では、ＣＦ4とＯ2の混合ガスを用いて、Ａｌ膜７３，２５および間隙形成部材７１をエッチングストップ層すなわちマスクとして、ＳｉＮ膜７４がトレンチ構造となるようにＳｉＮ膜７４およびＳｉＮ膜７２のエッチングを行う。このＳｉＮ膜７２をパターニングする工程では、図１に示したように可動部材６の支持固定部が素子基板１に直接固定されるようにＳｉＮ膜７２の不要な部分を除去する。可動部材６の支持固定部と素子基板１との密着部の構成材料には、パッド保護層の構成材料であるＴｉＷ、および素子基板１の耐キャビテーション膜の構成材料であるＴａが含まれる。
【０１４６】
ここで、ドライエッチング装置を用いてＳｉＮ膜７２および２４をエッチングする際には、図１４を参照して説明したように素子基板１などを介して間隙形成部材７１を接地する。これにより、ドライエッチングの際にＣＦ4ガスの分解により生じるイオン種およびラジカルの電荷が間隙形成部材７１に留まることを防止して、素子基板１の発熱体２やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。また、このエッチングの工程で形成される液流路７の幅よりも間隙形成部材７１の幅の方が広くなっているため、ＳｉＮ膜７４の不要な部分を除去した際に素子基板１の発熱体２側の面が露出することがなく、間隙形成部材７１によって素子基板１が確実に保護される。
【０１４７】
次に、図１６（ｃ）では、酢酸、りん酸および硝酸の混酸を用いてＡｌ膜７３および２５を加温エッチングすることで、Ａｌ膜７３および７５や、Ａｌ膜からなる間隙形成部材７１を溶出して除去し、素子基板１上に可動部材６および流路側壁９を作り込む。その後、過酸化水素を用いて、素子基板１に形成したパッド保護層としてのＴｉＷ膜の、気泡発生領域１０およびパッドに対応する部分を除去する。素子基板１と流路側壁９との密着部にも、パッド保護層の構成材料であるＴｉＷ、および素子基板１の耐キャビテーション膜の構成材料であるＴａが含まれている。
【０１４８】
（６）液体吐出ヘッドの適用例
次に、上述した液体吐出ヘッドを搭載する液体吐出装置の概略について説明する。
【０１４９】
図１７は、本発明の液体吐出ヘッドを装着して適用することのできる液体吐出装置の一例であるインクジェット記録装置６００の概略斜視図である。
【０１５０】
図１７において、インクジェットヘッドカートリッジ６０１は、上述した液体吐出ヘッドとこの液体吐出ヘッドに供給するインクを保持するインクタンクとが一体となったものである。このインクジェットヘッドカートリッジ６０１は、駆動モータ６０２の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア６０３，６０４を介して回転するリードスクリュ６０５の螺旋溝６０６に対して係合するキャリッジ６０７上に搭載されており、駆動モータ６０２の動力によってキャリッジ６０７とともにガイド６０８に沿って矢印ａ，ｂ方向に往復移動される。被記録材Ｐは、図示しない被記録材搬送手段によってプラテンローラ６０９上を搬送され、紙押え板６１０によりキャリッジ６０７の移動方向にわたってプラテンローラ６０９に対して押圧される。
【０１５１】
リードスクリュ６０５の一端の近傍には、フォトカプラ６１１，６１２が配設されている。これらはキャリッジ６０７のレバー６０７ａのこの域での存在を確認して駆動モータ６０２の回転方向切り換え等を行うためのホームポジション検知手段である。
【０１５２】
支持部材６１３は、上述のインクジェットヘッドカートリッジ６０１の吐出口のある前面（吐出口面）を覆うキャップ部材６１４を支持するものである。また、インク吸引手段６１５は、キャップ部材６１４の内部にインクジェットヘッドカートリッジ６０１から空吐出等されて溜まったインクを吸引するものである。このインク吸引手段６１５によりキャップ内開口部６１６を介してインクジェットヘッドカートリッジ６０１の吸引回復が行われる。インクジェットヘッドカートリッジ６０１の吐出口面を払拭するためのクリーニングブレード６１７は、移動部材６１８により前後方向（上記キャリッジ６０７の移動方向に直交する方向）に移動可能に設けられている。これらクリーニングブレード６１７及び移動部材６１８は、本体支持体６１９に支持されている。クリーニングブレード６１７は、この形態に限らず、他の周知のクリーニングブレードであってもよい。
【０１５３】
液体吐出ヘッドの吸引回復操作にあたって、吸引を開始させるためのレバー６２０は、キャリッジ６０７と係合するカム６２１の移動に伴って移動し、駆動モータ６０２からの駆動力がクラッチ切り換え等の公知の伝達手段で移動制御される。インクジェットヘッドカートリッジ６０１の液体吐出ヘッドに設けられた発熱体に信号を付与したり、前述した各機構の駆動制御を司ったりするインクジェット記録制御部は装置本体側に設けられており、ここには図示しない。
【０１５４】
上述の構成を有するインクジェット記録装置６００は、図示しない被記録材搬送手段によりプラテンローラ６０９上を搬送される被記録材Ｐに対し、インクジェットヘッドカートリッジ６０１は被記録材Ｐの全幅にわたって往復移動しながら記録を行う。
【０１５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の液体吐出ヘッド用基板及び液体吐出ヘッドによれば、基板との境界部での液体の流れの影響やエネルギー発生素子が発する熱の影響が少ない状態で液体の状態を検出することができる。その結果、センサでの検出結果に応じて、インクの状態に合せた吐出制御が可能となり、液体を安定して吐出させることができる。また、エネルギー発生素子が、液体に熱エネルギーを作用させることで液体に気泡を発生させるものであり、立体構造部の梁部材を、このエネルギー発生素子に対面して配され、気泡によって変位する可動部材とすることで、液体の吐出特性を向上させることができる。
【０１５６】
また、本発明の液体吐出ヘッド用基板の製造方法、及び液体吐出ヘッドの製造方法によれば、フォトリソグラフィ技術を用いて、上記の立体構造部として設けられたセンサを、基板上に容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である液体吐出ヘッドの液流路方向に沿った断面図である。
【図２】図１に示す液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の要部の断面図である。
【図３】図２に示す素子基板１の主要素子を縦断するように素子基板１を切断した模式的断面図である。
【図４】図１に示した液体吐出ヘッドの回路構成を説明するための、素子基板の平面図（ａ）、及び天板の平面図（ｂ）である。
【図５】図１に示す液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出ヘッドユニットの平面図である。
【図６】本発明に適用可能な単体検出部型のセンサの一例の模式的拡大図を示す。
【図７】図６に示すセンサの製造工程の一例を説明するための図である。
【図８】本発明に適用可能な基準電極ペア型のセンサの一例の模式的拡大図を示す。
【図９】液流路内における立体構造部の配置の他の例を説明する斜視図である。
【図１０】液体の温度に応じて発熱体の駆動条件を制御する例の素子基板（ａ）および天板（ｂ）の回路構成を示す図である。
【図１１】本発明の他の実施形態である液体吐出ヘッドの液流路方向に沿った断面図である。
【図１２】図１１に示した液体吐出ヘッドへの可動部材６の形成方法の一例を説明するための図である。
【図１３】プラズマＣＶＤ装置を用いて素子基板上にＳｉＮ膜を形成する方法を説明するための図である。
【図１４】ドライエッチング装置を用いてＳｉＮ膜を形成する方法を説明するための図である。
【図１５】素子基板上に可動部材及び流路側壁を形成する方法を説明するための図である。
【図１６】素子基板上に可動部材及び流路側壁を形成する方法を説明するための図である。
【図１７】本発明の液体吐出ヘッドを装着して適用することのできる液体吐出装置の一例であるインクジェット記録装置の概略斜視図である。
【符号の説明】
１ 素子基板
２ 発熱体
３ 天板
４ オリフィスプレート
５ 吐出口
６ 可動部材
７ 液流路
８ 共通液室
９ 流路側壁
１３、１３’、６３ センサ
２０ 液体吐出ヘッドユニット
２１ 液体吐出ヘッド
７１、７１ａ、１３７ 間隙形成部材
７２、７２ａ、１３８、１４１ ＳｉＮ膜
１３１，１３１’ 立体構造部
１３１ａ，１３１ａ’ 支柱
１３１ｂ，１３１ｂ’ 梁
１３１ｃ 開口
１３２、１３２ａ 検出部
１３２ｂ 基準部
１３３、１３３ａ、１３３ｂ 配線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid discharge head that discharges a desired liquid by generating bubbles generated by applying thermal energy to the liquid and a method for manufacturing the same, and more particularly, a thermal energy generating element for generating thermal energy is formed. The present invention relates to a substrate and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
By applying energy such as heat to the ink, the ink undergoes a change in state accompanied by a steep volume change (bubble generation), and the ink is discharged from the discharge port by the action force based on this change in state, and this is recorded 2. Description of the Related Art An ink jet recording method for forming an image by adhering to a medium, a so-called bubble jet recording method is conventionally known. In a recording apparatus using this bubble jet recording method, as disclosed in US Pat. No. 4,723,129, etc., an ejection port for ejecting ink and a communication with the ejection port are provided. In general, an ink flow path and an electrothermal converter as an energy generating means for discharging ink disposed in the ink flow path are disposed.
[0003]
According to such a recording method, a high-quality image can be recorded at high speed and with low noise, and the ejection ports for ejecting ink can be arranged with high density in the head that performs this recording method. Therefore, it has many excellent points that a high-resolution recorded image and a color image can be easily obtained with a small apparatus. For this reason, in recent years, this bubble jet recording method has been used in many office devices such as printers, copiers, and facsimiles, and has also been used in industrial systems such as textile printing apparatuses. .
[0004]
Incidentally, an electrothermal converter for generating energy for ejecting ink can be manufactured using a semiconductor manufacturing process. Therefore, the conventional head using the bubble jet technology is a resin such as polysulfone in which an electrothermal transducer is formed on an element substrate made of a silicon substrate, and a groove for forming an ink flow path is formed thereon. And a top plate made of glass or the like.
[0005]
In addition to utilizing the fact that the element substrate is made of a silicon substrate, not only the electrothermal transducer is configured on the element substrate, but also a driver for driving the electrothermal transducer and the electrothermal transducer to the head temperature. In some cases, a temperature sensor used for control according to the control and a drive control unit thereof are configured on an element substrate (JP-A-7-52387, etc.). As described above, a head in which a driver, a temperature sensor, a drive control unit thereof, and the like are configured on an element substrate has been put to practical use, and contributes to improvement of the reliability of the recording head and miniaturization of the apparatus.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In a conventional liquid discharge head in which a temperature sensor is provided on an element substrate, the temperature sensor is mainly intended to measure the temperature of the element substrate. However, as the recent high-density recording progresses, the amount of ink ejected at one time becomes smaller and the effect of the state or type of ink itself, such as temperature and density, on the recording becomes larger than the temperature of the substrate. I came. That is, as the discharge amount decreases, the difference in discharge amount due to the state of ink, which has not been a major problem in the past, has become conspicuous as variations in the discharge amount.
[0007]
Under such circumstances, it is difficult to detect a more accurate ink state or the like with the conventional arrangement of the temperature sensor of the liquid discharge head. The reason is that the temperature sensor of the conventional liquid discharge head is formed flat on the surface of the element substrate using the semiconductor wafer process technology together with the electrothermal converter and the drive control unit. It is considered that the vicinity of the surface of the ink tends to stagnate the ink and has a large temperature gradient due to the influence of heat from the electrothermal converter.
[0008]
An object of the present invention is to provide a liquid discharge head that enables stable discharge by accurately detecting the state of the liquid to be discharged, a liquid discharge head substrate used therefor, and a method for manufacturing the same. That is.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the substrate for a liquid ejection head according to the present invention provides ejection energy to a liquid. Through the liquid flow path A semiconductor substrate used in a liquid discharge head for discharging liquid and having an energy conversion element for converting electric energy into the discharge energy Consist of In the liquid discharge head substrate, The substrate for the liquid discharge head includes a column that protrudes from the surface of the substrate having the energy conversion element and is different from the wall that forms the liquid flow path, and a beam member that is supported by the column. And detecting the state of the liquid in the liquid discharge head on the beam member A sensor detection unit is arranged.
[0010]
According to the liquid discharge head substrate of the present invention, the sensor for detecting the liquid state The detection part of Three-dimensional structure To the beam member Therefore, when used in a liquid discharge head, the liquid state is detected in a state where the influence of the liquid flow at the boundary with the substrate and the influence of the heat generated by the energy generating element are small.
[0011]
The liquid discharge head according to the present invention includes a first substrate and a second substrate for configuring a plurality of discharge ports that discharge a liquid and a plurality of liquid flow paths that are connected to each other to communicate with the discharge ports, respectively. And a plurality of energy conversion elements arranged in each liquid flow path for converting electrical energy into liquid discharge energy in the liquid flow path, The liquid channel has a three-dimensional structure provided with a column that protrudes from a wall surface that configures the liquid channel and is different from the wall surface that configures the liquid channel, and a beam member supported by the column. For detecting the liquid state in the liquid discharge head on the beam member; A sensor detection unit is arranged.
[0012]
According to the liquid discharge head of the present invention, the sensor for detecting the liquid state Detector But liquid flow path Inside Three-dimensional structure To the beam member Since it is provided, the liquid state is detected in a state where the influence of the liquid flow at the boundary with the wall surface of the liquid flow path and the influence of the heat generated by the energy generating element are small.
[0013]
The sensor may be provided on the first substrate or may be provided on the second substrate. In addition, in order to improve the liquid discharge efficiency, the energy conversion element generates bubbles in the liquid by applying thermal energy to the liquid. The energy conversion element is arranged facing the energy generation element and displaced by the bubbles. If the movable member has a three-dimensional structure Beam member It may be used as
[0014]
The liquid ejection apparatus according to the present invention includes the liquid ejection head according to the present invention, and a drive signal supplier that supplies the liquid ejection head with a drive signal for ejecting liquid from the liquid ejection head. Step Have.
[0015]
The method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head according to the present invention is used in a liquid discharge head that discharges liquid by applying discharge energy to the liquid, and an energy conversion element for converting electric energy into the discharge energy is formed. In a method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head having a semiconductor substrate,
Forming a base material layer containing a semiconductor material in a predetermined pattern on the semiconductor substrate;
A step of forming, on the base material layer, a detection portion whose electrical characteristics change according to the state of the liquid to be detected, and a wiring that electrically connects the detection portion to an electric circuit formed on the semiconductor substrate. When,
Forming a protective layer containing a semiconductor material for protecting the wiring on the substrate layer on which the detection portion and the wiring are formed.
[0016]
The method of manufacturing a liquid discharge head according to the present invention includes a first substrate and a first substrate for forming a plurality of discharge ports that discharge liquid and a plurality of liquid flow paths that are joined to each other and communicate with the discharge ports, respectively. In a method of manufacturing a liquid discharge head, comprising: a substrate of 2; and a plurality of energy conversion elements arranged in each liquid flow path for converting electric energy into liquid discharge energy in the liquid flow path. At least one of the first substrate and the second substrate , Forming a base material layer containing a semiconductor material in a predetermined pattern, and on the base material layer, A step of forming a detection unit whose electrical characteristics change according to the state of the liquid to be detected, and a wiring electrically connected to the detection unit, and a substrate layer on which the detection unit and the wiring are formed And a step of forming a protective layer containing a semiconductor material for protecting the wiring.
[0017]
According to said manufacturing method, the board | substrate for liquid discharge heads and liquid discharge head of this invention can be easily manufactured using a photolithographic technique.
[0018]
The terms “upstream” and “downstream” used in the description of the present invention are related to the flow direction of the liquid from the liquid supply source to the discharge port through the bubble generation region (or the movable member), or the direction in this configuration. It is used as an expression.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, as an embodiment applicable to the present invention, a first substrate for configuring a plurality of discharge ports that discharge liquid and a plurality of liquid flow paths that are connected to each other and communicate with the discharge ports, respectively. And a second substrate, a plurality of energy conversion elements arranged in each liquid flow path for converting electrical energy into liquid discharge energy in the liquid flow path, and for controlling the driving conditions of the energy conversion elements A liquid discharge head having a plurality of elements or electric circuits having different functions and having the elements or electric circuits distributed to the first substrate and the second substrate according to the functions will be described.
[0020]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a liquid discharge head according to an embodiment of the present invention along a liquid flow path direction.
[0021]
As shown in FIG. 1, this liquid ejection head includes an element substrate 1 provided with a plurality of heating elements 2 (only one is shown in FIG. 1) for providing thermal energy for generating bubbles in the liquid. The top plate 3 joined to the element substrate 1 and the orifice plate 4 joined to the element substrate 1 and the front end face of the top plate 3 are provided. Grooves are formed in the top plate 3 at positions corresponding to the respective heating elements 2, and the liquid flow paths 7 respectively corresponding to the respective heating elements 2 are formed by joining the element substrate 1 and the top plate 3. Is formed.
[0022]
The element substrate 1 is formed by forming a silicon oxide film or a silicon nitride film for insulation and heat storage on a substrate such as silicon, and patterning an electric resistance layer and wiring constituting the heating element 2 thereon. is there. The heating element 2 generates heat by applying a voltage from the wiring to the electric resistance layer and causing a current to flow through the electric resistance layer.
[0023]
The top plate 3 is for constituting a plurality of liquid flow paths 7 corresponding to the respective heat generating elements 2 and a common liquid chamber 8 for supplying liquid to the respective liquid flow paths 7. A channel side wall 9 extending between the two is integrally provided. The top plate 3 is made of a silicon-based material, and a pattern of the liquid flow path 7 and the common liquid chamber 9 is formed by etching, or silicon nitride, silicon oxide, etc. are formed on a silicon substrate by a known film formation method such as CVD. After depositing the material to be the channel side wall 9, the liquid channel 7 can be formed by etching.
[0024]
In the orifice plate 4, a plurality of discharge ports 5 corresponding to the respective liquid flow paths 7 and communicating with the common liquid chamber 8 through the respective liquid flow paths 7 are formed. The orifice plate 4 is also made of a silicon-based material. For example, the orifice plate 4 is formed by cutting a silicon substrate on which the discharge ports 5 are formed to a thickness of about 10 to 150 μm. The orifice plate 4 is not necessarily required for the present invention. Instead of providing the orifice plate 4, the thickness of the orifice plate 4 is formed on the top surface of the top plate 3 when the liquid flow path 7 is formed on the top plate 3. By leaving a considerable wall and forming the discharge port 5 in this portion, a top plate with a discharge port can be obtained.
[0025]
Based on the above configuration, when the heating element 2 is heated, heat acts on the liquid in the bubble generation region 10, which is a region facing the heating element 2 in the liquid flow path 7, thereby causing a film boiling phenomenon on the heating element 2. Based on this, bubbles are generated and grow. The propagation of pressure and the growth of the bubble itself based on the generation of the bubble are guided to the discharge port 5 side, and the liquid is discharged from the discharge port 5.
[0026]
On the other hand, when the bubbles enter the defoaming process, in order to supplement the contraction volume of the bubbles in the bubble generation region 10 and to supplement the volume of the discharged liquid, the liquid flows from the upstream side, that is, the common liquid chamber 8 side. The liquid flows into the liquid flow path 7 and is refilled.
[0027]
In addition, the liquid discharge head according to the present embodiment includes circuits and elements for driving the heating element 2 and controlling the driving thereof. These circuits and elements are allocated to the element substrate 1 or the top board 3 according to their functions. These circuits and elements can be easily and finely formed using a semiconductor wafer process technique because the element substrate 1 and the top plate 3 are made of silicon material.
[0028]
Hereinafter, the structure of the element substrate 1 formed using the semiconductor wafer process technology will be described.
[0029]
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of an element substrate used in the liquid discharge head shown in FIG. As shown in FIG. 2, in the element substrate 1 used in the liquid discharge head of the present embodiment, a thermal oxide film 302 as a heat storage layer and an interlayer film 303 also serving as a heat storage layer are arranged in this order on the surface of the silicon substrate 301. Are stacked. The interlayer film 303 is made of SiO. 2 Film or Si Three N Four A membrane is used. A resistance layer 304 is partially formed on the surface of the interlayer film 303, and a wiring 305 is partially formed on the surface of the resistance layer 304. As the wiring 305, Al or Al alloy wiring such as Al-Si, Al-Cu is used. On the surfaces of the wiring 305, the resistance layer 304, and the interlayer film 303, SiO 2 Film or Si Three N Four A protective film 306 made of a film is formed. A cavitation-resistant film 307 for protecting the protective film 306 from chemical and physical impact caused by heat generation of the resistive layer 304 is formed on and around the portion corresponding to the resistive layer 304 on the surface of the protective film 306. Yes. The region where the wiring 305 is not formed on the surface of the resistance layer 304 is a heat application portion 308 that is a portion where the heat of the resistance layer 304 acts.
[0030]
The film on the element substrate 1 is sequentially formed on the surface of the silicon substrate 301 by a semiconductor manufacturing technique, and the silicon substrate 301 is provided with a heat acting portion 308.
[0031]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the element substrate 1 cut so that main elements of the element substrate 1 shown in FIG.
[0032]
As shown in FIG. 3, an N-type well region 422 and a P-type well region 423 are partially provided on the surface layer of the silicon substrate 301 that is a P conductor. Then, P-Mos 420 is provided in the N-type well region 422 and N-Mos 421 is provided in the P-type well region 423 by introducing and diffusing impurities such as ion plating using a general Mos process. The P-Mos 420 includes a source region 425 and a drain region 426 in which N-type or P-type impurities are partially introduced into the surface layer of the N-type well region 422, and a source region 425 and a drain region of the N-type well region 422. The gate wiring 435 is deposited on the surface of the portion excluding 426 through a gate insulating film 428 having a thickness of several hundreds of liters. The N-Mos 421 includes a source region 425 and a drain region 426 obtained by partially introducing an N-type or P-type impurity into the surface layer of the P-type well region 423, and the source region 425 and the P-type well region 423. The gate wiring 435 is deposited on the surface of the portion excluding the drain region 426 through a gate insulating film 428 having a thickness of several hundreds of liters. The gate wiring 435 is made of polysilicon having a thickness of 4000 mm to 5000 mm deposited by the CVD method. These P-Mos 420 and N-Mos 421 constitute a C-Mos logic.
[0033]
A portion of the P-type well region 423 that is different from the N-Mos 421 is provided with an N-Mos transistor 430 for driving an electrothermal conversion element. The N-Mos transistor 430 also includes a source region 432 and a drain region 431 partially provided in the surface layer of the P-type well region 423 by processes such as impurity introduction and diffusion, and a source region 432 and a drain of the P-type well region 423. The gate wiring 433 is deposited on the surface of the portion excluding the region 431 via the gate insulating film 428.
[0034]
In the present embodiment, the N-Mos transistor 430 is used as a transistor for driving the electrothermal conversion element. However, the N-Mos transistor 430 has an ability to individually drive a plurality of electrothermal conversion elements, and obtains a fine structure as described above. Any transistor that can be used is not limited to this transistor.
[0035]
An oxide film isolation region 424 is formed by field oxidation with a thickness of 5000 mm to 10,000 mm between each element such as between the P-Mos 420 and the N-Mos 421 and between the N-Mos 421 and the N-Mos transistor 430. Each element is isolated by the oxide film isolation region 424. A portion of the oxide film isolation region 424 corresponding to the heat acting portion 308 serves as the first heat storage layer 434 when viewed from the surface side of the silicon substrate 301.
[0036]
On the surface of each element of the P-Mos 420, the N-Mos 421, and the N-Mos transistor 430, an interlayer insulating film 436 made of a PSG film or a BPSG film having a thickness of about 7000 mm is formed by a CVD method. After the interlayer insulating film 436 is planarized by heat treatment, wiring is performed by an Al electrode 437 serving as a first wiring layer through a contact hole that penetrates the interlayer insulating film 436 and the gate insulating film 428. The surface of the interlayer insulating film 436 and the Al electrode 437 has a thickness of 10,000 to 15000 SiO. 2 An interlayer insulating film 438 made of a film is formed by a plasma CVD method. A portion of the surface of the interlayer insulating film 438 corresponding to the thermal action portion 308 and the N-Mos transistor 430 has a TaN thickness of about 1000 mm. 0.8, hex A resistive layer 304 made of a film is formed by DC sputtering. The resistance layer 304 is electrically connected to the Al electrode 437 in the vicinity of the drain region 431 through a through hole formed in the interlayer insulating film 438. On the surface of the resistance layer 304, an Al wiring 305 is formed as a second wiring layer serving as a wiring to each electrothermal transducer.
[0037]
The protective film 306 on the surface of the wiring 305, the resistance layer 304, and the interlayer insulating film 438 is made of Si with a thickness of 10000 mm formed by plasma CVD. Three N Four It consists of a membrane. The anti-cavitation film 307 formed on the surface of the protective film 306 is made of a film such as Ta having a thickness of about 2500 mm.
[0038]
Next, a configuration for distributing circuits and elements to the element substrate 1 and the top plate 3 will be described.
[0039]
4A and 4B are diagrams for explaining the circuit configuration of the liquid discharge head shown in FIG. 1, in which FIG. 4A is a plan view of an element substrate, and FIG. 4B is a plan view of a top plate. 4 (a) and 4 (b) show the opposing surfaces.
[0040]
As shown in FIG. 4A, the element substrate 1 includes a plurality of heating elements 2 arranged in parallel, a driver 11 that drives the heating elements 2 according to image data, and input image data. An image data transfer unit 12 that outputs to the driver 11 and a sensor 13 that detects the liquid state or characteristics necessary for controlling the driving conditions of the heating element 2 are provided. In the present embodiment, the sensor 13 is provided for each liquid flow path 7 corresponding to each heating element 2 in order to detect the liquid state or characteristics for each liquid flow path 7.
[0041]
The image data transfer unit 12 includes a shift register that outputs image data input serially to each driver 11 in parallel, and a latch circuit that temporarily stores data output from the shift register. The image data transfer unit 12 may output image data individually corresponding to each heating element 2, or the arrangement of the heating elements 2 is divided into a plurality of blocks, and the image data corresponding to each block is output. It may be output. In particular, it is possible to easily cope with the increase in printing speed by providing a plurality of shift registers for one head and distributing and inputting data transfer from the recording apparatus to the plurality of shift registers.
[0042]
As will be described later in detail, the sensor 13 detects a change in the temperature of the liquid, the pressure of the liquid, a component contained in the liquid, or a hydrogen ion concentration index (PH) of the liquid, etc. Is used.
[0043]
On the other hand, as shown in FIG. 4B, the top plate 3 is provided on the element substrate 1 in addition to the grooves 3a and 3b forming the liquid flow path and the common liquid chamber as described above. A sensor driving unit 17 that drives the sensor 13 and a heating element control unit 16 that controls the driving condition of the heating element 2 based on the output result from the sensor driven by the sensor driving unit 17 are provided. The top plate 3 has a supply port 3c that communicates with the common liquid chamber in order to supply liquid from the outside to the common liquid chamber.
[0044]
Furthermore, in order to electrically connect a circuit or the like formed on the element substrate 1 and a circuit or the like formed on the top plate 3 to the mutually facing portions of the joint surface of the element substrate 1 and the top plate 3 respectively. Contact pads 14 and 18 are provided. The element substrate 1 is provided with external contact pads 15 that serve as input terminals for external electric signals. The size of the element substrate 1 is larger than the size of the top plate 3, and the external contact pad 15 is provided at a position exposed from the top plate 3 when the element substrate 1 and the top plate 3 are joined.
[0045]
When the element substrate 1 and the top plate 3 configured as described above are aligned and joined, the heating element 2 is arranged corresponding to each liquid flow path, and via the connection pads 14 and 18. Thus, the circuits formed on the element substrate 1 and the top plate 3 are electrically connected. For example, the electrical connection may be performed by placing gold bumps or the like on the connection pads 14 and 18, but other methods may be used. Thus, the electrical connection between the element substrate 1 and the top plate 3 is performed by the connection contact pads 14, 18, so that the above-described circuits are electrically connected simultaneously with the joining of the element substrate 1 and the top plate 3. It can be performed. After the element substrate 1 and the top plate 3 are joined, the orifice plate 4 is joined to the tip of the liquid flow path 7, thereby completing the liquid ejection head.
[0046]
When the liquid discharge head thus obtained is mounted on a head cartridge or a liquid discharge device, as shown in FIG. 5, the liquid discharge head is fixed on a base substrate 22 on which a printed wiring board 23 is mounted. The unit 20 is used. In FIG. 5, a printed wiring board 23 is provided with a plurality of wiring patterns 24 that are electrically connected to the head controller of the liquid ejection device. These wiring patterns 24 are connected to the external contact pads 15 via bonding wires 25. And electrically connected. Since the external contact pad 15 is provided only on the element substrate 1, the electrical connection between the liquid discharge head 21 and the outside can be performed in the same manner as a conventional liquid discharge head. Here, an example in which the external contact pads 15 are provided on the element substrate 1 has been described, but the external contact pads 15 may be provided only on the top plate 3 instead of the element substrate 1.
[0047]
As described above, various circuits for driving and controlling the heating element 2 are distributed to the element substrate 1 and the top plate 3 in consideration of the electrical connection between them, so that these circuits and the like are combined into one circuit. Since it does not concentrate on the substrate, the liquid discharge head can be downsized. Further, the electrical connection between the circuit and the like provided on the element substrate 1 and the circuit and the like provided on the top plate 3 is performed by the connection contact pads 14 and 18, so that the number of electrical connection portions to the outside of the head can be reduced. It is possible to reduce, improve reliability, reduce the number of parts, and further reduce the size of the head.
[0048]
In addition, by dispersing the above-described circuit and the like on the element substrate 1 and the top plate 3, the yield of the element substrate 1 can be improved, and as a result, the manufacturing cost of the liquid ejection head can be reduced. Furthermore, since the element substrate 1 and the top plate 3 are made of a material based on the same material called silicon, the thermal expansion coefficients of the element substrate 1 and the top plate 3 are equal. As a result, even if the element substrate 1 and the top plate 3 are thermally expanded by driving the heating element 2, there is no deviation between them, and the positional accuracy between the heating element 2 and the liquid flow path 7 is maintained well.
[0049]
Here, the matter regarding the sensor 13, which is one of the major features of the present invention, and an application example of the present invention will be described in detail.
[0050]
(1) Sensor configuration
Although simply shown in FIG. 1, the sensor 13 is provided at a position protruding from the surface of the element substrate 1. Representative examples of the sensor used in the present invention include a single detection unit type and a reference electrode pair type. The single detection unit type has a detection unit whose electrical resistance or voltage changes according to the state of the liquid to be detected. Examples of the single detection unit type sensor include a temperature sensor and a pressure sensor. In the reference electrode pair type, in addition to the detection unit described above, a reference electrode that does not change with respect to the state of the liquid to be detected is provided. As a reference electrode pair type sensor, there are a sensor for detecting PH in ink, a sensor for detecting components in ink, and the like.
[0051]
(1a) Single sensor type sensor
FIG. 6 is a schematic enlarged view of an example of a single detection unit type sensor applicable to the present invention.
[0052]
As shown in FIG. 6, the sensor 13 includes a three-dimensional structure 131 protruding from the element substrate 1 into the liquid flow path 7, a detection unit 132 provided in the three-dimensional structure 131, and the detection unit 132 and the element substrate 1. And a wiring 133 for connecting the wiring (not shown). The three-dimensional structure 131, the detection unit 132, and the wiring 133 are formed on the element substrate 1 by using a lithography technique of a semiconductor element manufacturing process after forming a circuit or the like on the element substrate 1 as described above.
[0053]
The three-dimensional structure 131 includes a column 131a protruding from the element substrate 1 and a beam 131b supported in a cantilever shape along the upper surface of the element substrate 1 at the upper end of the column. The detection unit 132 is made of a material whose electrical characteristics and state change according to a state to be detected by the liquid, and is disposed at the beam 131b of the three-dimensional structure unit 131. By adopting such a configuration, the position of the detection unit 132 is away from the surface of the element substrate 1. In addition, the portion where the detection unit 132 is provided is mostly surrounded by the liquid, is in contact with the liquid not only in one side, that is, in one direction but also in a plurality of directions, and provided directly on the surface of the element substrate 1. Compared with the liquid in a large area.
[0054]
Next, as an example of a method for forming the sensor 13 on the element substrate 1, an example of forming a temperature sensor using a resistance temperature detector whose electric resistance value varies with temperature will be described with reference to FIG. 7. explain.
[0055]
First, as shown in FIG. 7A, an Al film is formed with a thickness of about 1 μm on the element substrate 1 on which functional elements, circuits, and the like are formed, and then by photolithography and dry etching. An electrode 135 is formed by patterning into a predetermined shape. Further, an SiN film is formed as an electrode protection layer 136 on the element substrate 1 on which the electrode 135 is formed to a thickness of about 1 μm using a CVD method. Although only one electrode 135 is drawn on the drawing, two electrodes 135 are formed side by side in the depth direction of the drawing for one sensor. Although not shown in the drawings, it is desirable to further form a Ta film as a cavitation resistant film on the surface of the electrode protection layer 136.
[0056]
Next, in order to form a gap between the element substrate 1 and the beam 131b shown in FIG. 6, as shown in FIG. 7B, Al was formed to a thickness of several to tens of micrometers by sputtering. Thereafter, patterning is performed into a predetermined shape by a photolithography method and dry etching to form a gap forming member 137 as a sacrificial layer.
[0057]
The gap forming member 137 functions as an etching stop layer when forming the three-dimensional structure 131 by dry etching as will be described later. This is because the Ta film as the anti-cavitation film in the element substrate 1 and the electrode protective layer 136 are etched by the etching gas used to form the liquid flow path 7, and the etching of these layers and films is performed. In order to prevent this, such a gap forming member 137 is formed on the element substrate 1. Thereby, damage to the functional elements in the element substrate 1 due to dry etching described later is prevented.
[0058]
Then, as shown in FIG. 7C, an SiN film 138 is formed as a base material layer of the three-dimensional structure 131 (see FIG. 6) so as to cover the electrode protective layer 136 and the gap forming member 137, and this is formed into a gap forming portion. Patterning is performed on the planar shape of the three-dimensional structure 131 at a position straddling a portion where the member 137 is formed and a portion where the member 137 is not formed. Further, a through hole 138a corresponding to the electrode 135 is formed in a portion of the SiN film 138 that becomes the column 131a (see FIG. 6) of the three-dimensional structure 131, and the electrode 135 is exposed.
[0059]
Next, as shown in FIG. 7D, a wiring 133 made of Al is patterned on the SiN film 138 by sputtering, photolithography, and dry etching. Two wires 133 are formed side by side in the depth direction of the drawing corresponding to the electrodes 135 provided on the element substrate 1, and are connected to the electrodes 135 through the through holes 138a, respectively. Then, the resistance temperature detector 140 is formed by patterning so as to straddle the two wirings 139. This resistance temperature detector 140 acts as the detection unit 132 shown in FIG.
[0060]
Next, as shown in FIG. 7E, an SiN film 141 is formed as a protective layer for protecting the wiring 139 so as to cover all the above-described structures, and is patterned into a planar shape of the three-dimensional structure 131. Finally, the gap forming member 137 is removed by wet etching.
[0061]
Accordingly, the sensor 13 in which the wiring 133 and the detection unit 132 made of the resistance temperature detector 140 are provided on the three-dimensional structure 131 made of the SiN films 138 and 141 can be easily formed on the element substrate 1. .
[0062]
The height from the surface of the element substrate 1 to the detection unit 132 is determined by the position from the element substrate 1 to the beam 131b, that is, the thickness of the gap forming member 137. For example, when the liquid discharge head is used as an ink jet recording head, if the position of the beam 131b is in the range of several to several tens of micrometers from the surface of the element substrate 1, a fresh liquid as will be described later is detected. can do. The position of the beam 131b can be arbitrarily set by changing the thickness of the gap forming member 137.
[0063]
As described above, in the liquid discharge head according to the present embodiment, circuits and functional elements for driving the heating element 2 and controlling the driving thereof are distributed to the element substrate 1 and the top plate 3 according to the function. ing. When it is desired to check the state of the liquid in the liquid flow path 7 by the sensor 13, the state of the liquid is affected by heat generated from a circuit or the like provided on the element substrate 1 or the top plate 3. In particular, since the heating element 2 is provided on the element substrate 1, when the sensor 13 is provided on the element substrate 1, the influence on the ink state is large. Further, in the vicinity of the surface of the element substrate 1 and the surface of the top plate 3, the liquid flow is smaller than in other regions due to the viscosity of the liquid.
[0064]
Therefore, by providing the sensor 13 in the three-dimensional structure 131 and detecting the liquid state at a position away from the surface of the element substrate 1 and in a state where most of the periphery is surrounded by the liquid, A liquid in a fresh state which is not easily affected by the heat of the top plate 3 and does not stay can be detected. As a result, the liquid state can be detected with higher accuracy than when the liquid state is detected on the surface of the element substrate 1. In particular, in the present embodiment, the three-dimensional structure 131 includes the support 131a and the beam 131b, and since the area in contact with the element substrate 1 is small, the influence of noise generated on the element substrate 1 is affected. Can also be reduced.
[0065]
(1b) Reference electrode pair type sensor
In the case of detecting the pH of the liquid by utilizing the change in the voltage at the interface with the liquid in response to ions, molecules, etc. in the liquid, the voltage is applied to the ions, molecules, etc. of the liquid to be detected. An electrode that does not change is required. In such a case, a reference electrode pair type sensor is used.
[0066]
FIG. 8 is a schematic enlarged view of an example of a reference electrode pair type sensor applicable to the present invention. In FIG. 8, the same components as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
[0067]
As shown in FIG. 8, the sensor 13 ′ generates a voltage corresponding to a component that is a detection target of the liquid in contact with the detection unit 132a including a member that detects the voltage, and detects the liquid in contact with the sensor 13 ′. It has a reference part 132b made of a member that generates a voltage that does not change with respect to the target component or that is different from the detection part 132a. The detection unit 132a and the reference unit 133a are arranged on the beam 131b of the three-dimensional structure 131 protruding from the surface of the element substrate 1, and are connected to the wiring (not shown) of the element substrate 1 via the wirings 133a and 133b, respectively. ing. The beam 131b is provided with openings 131c and 131d at positions corresponding to the detection part 132a and the reference part 132b, respectively, and a part of the upper surface of the detection part 132a and the reference part 132b is exposed.
[0068]
Such a structure of the sensor 13 ′ can be manufactured by using a semiconductor element manufacturing process, as in the case of the single detection unit type sensor. In this case, the openings 131c and 131d on the upper surfaces of the detection unit 132a and the reference unit 132b may be formed after the process shown in FIG. 7E if the sensor 13 ′ is formed by the procedure shown in FIG. The SiN film 141 can be formed by removing it into a predetermined shape by photolithography and etching.
[0069]
As will be described in detail later, by providing the detection unit 132a and the reference unit 132b as described above, by detecting the potential difference between the detection unit 132a and the reference unit 132b via the liquid, the pH of the liquid can be reduced. Can be detected.
[0070]
Also in the reference electrode pair type sensor 13 ′ shown in FIG. 8, since the detection unit 132a and the reference unit 132b are provided in the three-dimensional structure unit 131 as in the case of the single detection unit type sensor described above, the liquid component And the like can be detected with higher accuracy than the case of detecting the above on the surface of the element substrate 1, and the influence of noise generated on the element substrate 1 can be reduced.
[0071]
As described above, the sensor form applicable to the present invention has been described by taking two typical forms as an example. However, the shape of the three-dimensional structure 131 is such that the detection unit is located away from the surface of the element substrate 1. As long as not only one surface but also a plurality of surfaces are surrounded by ink, the shape is not limited to those shown in FIGS. 6 and 8, and may be, for example, a cubic shape.
[0072]
In particular, the shape as shown in FIG. 6 or FIG. 8 is preferable in that the upper and lower surfaces of the beam 131b are in contact with the liquid and the contact area with the liquid is increased. Even in the case of having the shape, the direction of the beam 131b in the liquid flow path 7 is not limited to that shown in FIG. For example, in the arrangement shown in FIG. 1, the tip of the beam 131b is directed downstream with respect to the flow direction of the liquid. However, the arrangement shown in FIG.
[0073]
In the example shown in FIG. 9, the shape of the three-dimensional structure 131 ′ is the same as that shown in FIG. 6 and the like, but the support 131 a ′ is provided offset with respect to the center in the width direction of the liquid flow path 7. The beam 131b ′ is formed to extend in parallel with the width direction of the liquid flow path 7 from the support portion at the support 131a ′. Although not shown in FIG. 9, the detection unit 132 shown in FIG. 6 or the detection unit 132a and the reference unit 132b shown in FIG. 8 are formed in the beam 131b ′. By arranging the three-dimensional structure 131 ′ in this way, it is possible to suppress the liquid flow in the liquid flow path 7 from being obstructed by the sensor even if the sensor has a three-dimensional structure. The three-dimensional structure 131 ′ shown in FIG. 9 can also be formed by the same method as shown in FIG. 7 by changing the patterning shape of the gap forming member, the SiN film, or the like.
[0074]
In addition, in the example described above, the member provided with the sensor is also provided on the element substrate 1, but may be provided on the top plate 3. If the top plate 3 is made of a semiconductor substrate, the sensor can be formed using a semiconductor wafer process even when the sensor is provided on the top plate 3.
[0075]
(2) Sensor type
In the present invention, a sensor for detecting a liquid state or the like is used. A typical type of sensor used in the present invention will be described with reference to FIG.
[0076]
(2a) When detecting a change in the temperature of the liquid
One of the liquid states that affect the ejection characteristics is the viscosity of the liquid. The viscosity of the liquid varies depending on the type of liquid to be discharged, and also changes with time due to evaporation of moisture and the like. Therefore, in the discharge of a minute amount of liquid, the viscosity of the liquid also greatly affects, and for stable discharge, it is necessary to control the driving conditions of the liquid discharge head according to the type of liquid and changes with time.
[0077]
One measure for estimating the viscosity of a liquid is the temperature of the liquid. When performing discharge control utilizing the temperature of the liquid, it is desirable to minimize the influence of the heat generation part. As described above, the element substrate 1 and the top board 3 have various functional elements, not to mention when the heating element 2 is driven. And is generating heat. Therefore, the temperature of the liquid at the boundary with the surface of the element substrate 1 or the top plate 3 is higher than the temperature of most of the discharged liquid. Therefore, in order to know the viscosity of the discharged liquid, it is desirable to detect the temperature at a position away from the surfaces of the element substrate 1 and the top plate 3.
[0078]
Therefore, by using a temperature sensor having the detection unit 132 in the three-dimensional structure unit 131 as shown in FIG. 6, the temperature of the discharged liquid can be detected more accurately. The temperature sensor is not particularly limited as long as the detection unit 132 can be provided in the three-dimensional structure unit 131, and a sensor using a resistance temperature detector as described above, or a sensor using polycrystalline silicon (multiple The resistance value varies depending on the temperature by controlling the amount of impurities in the crystalline silicon), thermistor, etc. can be used. Among them, the one that can be formed on the element substrate 1 together with the wiring 133 by using the semiconductor element manufacturing process technology. desirable. The wiring 133 connected to the detection unit 132 may be made of a material that has a small electrical resistance and does not affect the temperature characteristics of the detection unit 132, such as Al.
[0079]
By the way, when there is a large temperature gradient at the boundary with the liquid substrate, the heat of the boundary with the substrate can be taken by the flow of the liquid. Therefore, a heater is arranged in the vicinity of the temperature sensor, and a temperature difference is formed in the liquid by locally heating the liquid by driving the heater. There is also a method for detecting the flow rate of the liquid.
[0080]
Even when the flow rate sensor is configured in this way, in the configuration in which the temperature sensor and the heater are arranged on the surface of the substrate, even if the liquid is heated locally, the heat escapes to the substrate, and the vicinity of the substrate surface due to the viscosity of the liquid. Then, the flow of the liquid becomes small, and the flow rate cannot be detected accurately in a minute flow path.
[0081]
Therefore, as shown in FIG. 6, a temperature sensor and a heater are provided in the three-dimensional structure 131 protruding from the surface of the element substrate 1, and most of the surroundings are surrounded by liquid, so that the heat of the heater is increased. Since it becomes difficult to escape to the substrate and the liquid flow itself is larger than the surface of the element substrate 1, the detection accuracy of the difference in liquid flow can be greatly improved.
[0082]
(2b) When detecting the pressure of the liquid
In a liquid discharge head that drives the heating element 2 to rapidly heat the liquid and generates liquid bubbles due to film boiling in the liquid to discharge the liquid, pressure based on the generation of bubbles acts on the liquid. Therefore, as one of the liquid states, detecting the pressure acting on the liquid and controlling the driving conditions of the liquid discharge head based on the detection result is also one means for stabilizing the discharge characteristics.
[0083]
Therefore, a pressure sensor that detects the pressure acting on the liquid can be configured by introducing an element that changes the resistance value or generates a voltage depending on the pressure of the liquid into the detection unit 132 shown in FIG. . In addition, since the above element is arranged in the three-dimensional structure 131 and most of the periphery is surrounded by the liquid, the liquid pressure works better than the case where it is arranged on the surface of the element substrate 1, and more accurate. Detection is possible.
[0084]
(2c) When detecting a component contained in a liquid
In the liquid discharge head, the discharge characteristics change depending on the components contained in the liquid to be discharged. Therefore, a film that reacts with ions, molecules, and the like contained in the liquid and generates a potential difference in the equilibrium state is disposed as a detection unit 132 of the three-dimensional structure 131 as shown in FIG. It is possible to detect changes and states of components included in the. In this case, the detection unit 132 is exposed by removing a part of the three-dimensional structure unit 131 covering the detection unit 132 shown in FIG. 6 so that the detection unit 132 contacts the liquid.
[0085]
Even when the components contained in the liquid are detected in this way, the liquid flow is poor and it is difficult to obtain a stable liquid equilibrium state at the boundary with the liquid substrate. By configuring 131, most of the surroundings are covered with the liquid, and the detection unit 132 is disposed in a portion where the liquid flows, so that the components in the liquid can be detected stably. .
[0086]
(2d) When detecting PH in liquid
One of the films that react to the hydrogen ion concentration in the liquid is a silicon oxide film. When the silicon oxide film is provided as the detection unit 132a illustrated in FIG. 8, a potential difference is generated at the boundary surface between the silicon oxide film and the liquid according to the hydrogen ion concentration of the liquid. By detecting this potential difference, PH in the liquid can be detected. However, since the silicon oxide film itself is an insulating film, an electrode is provided to detect a potential difference, and a reference electrode that is an electrode different from this electrode is provided as the reference portion 132b shown in FIG. Then, the potential difference between the silicon oxide film (detection unit 132a) and the reference electrode (reference unit 132b) through the liquid can be detected by reducing the impedance using an FET (voltage effect transistor) or the like. .
[0087]
If the film formed as the detector 132a is a film that reacts with a component different from the hydrogen ion concentration instead of the silicon oxide film, the state of the desired liquid component can be detected.
[0088]
As described above, since the three-dimensional structure 131 discharged from the surface of the element substrate 1 is provided with the detection unit 132a and the reference unit 132b, the liquid component can be detected in a fresh state that is not retained. The detection accuracy can be greatly improved as compared with the case of being provided on the surface of 1.
[0089]
The above-described reference electrode, that is, the reference portion 132b is particularly the same three-dimensional structure as the detection portion 132a as long as the electrical characteristics do not change with respect to the component of the liquid to be detected or if it shows a change different from the detection portion 132a. It is not necessary to provide in the part 131. That is, the three-dimensional structure having the detection unit 132a and the three-dimensional structure having the reference unit 132b may be provided separately. However, as shown in FIG. 8, it is more desirable to provide the detection unit 132a and the reference unit 132b in the same three-dimensional structure unit 131 because the state of ink in a local portion can be accurately detected.
[0090]
(3) Sensor and circuit distribution
Each of the above-described circuits is distributed according to their functions, and the concept that is the basis for this distribution will be described below.
[0091]
A circuit corresponding to each heating element 2 by electrical wiring connection individually or in units of blocks is formed on the element substrate 1. In the example shown in FIG. 4, the driver 11 and the image data transfer unit 12 correspond to this. Since the drive signals are given to each of the heating elements 2 in parallel, it is necessary to route the wiring by that amount. Therefore, when such a circuit is formed on the top plate 3, the number of connections between the element substrate 1 and the top plate 3 increases, and there is a high possibility that a connection failure will occur. Connection failure between the body 2 and the circuit is prevented.
[0092]
An analog portion such as a control circuit is easily affected by heat, and thus is provided on a substrate on which the heating element 2 is not provided, that is, the top plate 3. In the example shown in FIG. 4, the heating element controller 16 corresponds to this.
[0093]
The sensor 13 may be provided on the element substrate 1 or the top plate 3 as long as the sensor 13 is in contact with the liquid. However, in the case of detecting the liquid state based on the temperature of the liquid, it is preferable to provide it at a position where the influence of the heat of the heating element 2 is as small as possible.
[0094]
In addition, a circuit that does not correspond to each heating element 2 individually or in block units by electrical wiring connection, a circuit that does not necessarily need to be provided on the element substrate 1, or a sensor that does not affect the measurement accuracy even if provided on the top plate 3 Are formed on the element substrate 1 or the top plate 3 as necessary so as not to concentrate on either the element substrate 1 or the top plate 3. In the example shown in FIG. 4, the sensor drive unit 17 corresponds to this.
[0095]
By providing each circuit, sensor, and the like on the element substrate 1 and the top plate 3 based on the above concept, each circuit, sensor, etc., while minimizing the number of electrical connections between the element substrate 1 and the top plate 3 as much as possible. Can be distributed in a well-balanced manner.
[0096]
(4) Liquid discharge head control example
The ink state detected by the sensor is used for drive control of the heating element for more stable liquid ejection. As an example of drive control of the heating element, an example of drive control of the heating element when a temperature sensor that detects the temperature of the liquid is used will be described.
[0097]
FIG. 10 is a diagram showing a circuit configuration of the element substrate and the top plate in an example in which the driving condition of the heating element is controlled according to the temperature of the liquid. In the example shown in FIG. 10, before the foaming energy is given to the heating element 32, FIG. The preheating pulse of the heating element 32 is preheated (preliminary heating to the extent that the liquid is not foamed) according to the detection result of a sensor (not shown in FIG. 10) that detects the temperature of the liquid. Control the width.
[0098]
As shown in FIG. 10A, the element substrate 31 includes heating elements 32 arranged in a line, a power transistor 41 functioning as a driver, an AND circuit 39 for controlling driving of the power transistor 41, A drive timing control logic circuit 38 for controlling the drive timing of the power transistor 41, an image data transfer circuit 42 composed of a shift register and a latch circuit, and a sensor for detecting the temperature of the liquid are formed using a semiconductor process. Is formed. The sensor is provided as a three-dimensional structure for each liquid flow path, that is, for each heating element 32.
[0099]
The drive timing control logic circuit 38 is not for energizing all the heating elements 32 at the same time but for energizing the heating elements 32 in a divided manner by shifting the time for the purpose of reducing the power supply capacity of the apparatus. An enable signal for driving the drive timing control logic circuit 38 is input from enable signal input terminals 45k to 45n which are external contact pads.
[0100]
Further, as external contact pads provided on the element substrate 31, in addition to the enable signal input terminals 45k to 45n, the driving power source input terminal 45a of the heating element 32, the ground terminal 45b of the power transistor 41, and the heating element 32 are driven. Input terminals 45c to 45e for signals necessary for controlling energy, a drive power supply terminal 45f of the logic circuit, a ground terminal 45g, an input terminal 45i of serial data input to the shift register of the image data transfer circuit 42, and this There are an input terminal 45h for a serial clock signal to be synchronized and an input terminal 45j for a latch clock signal input to the latch circuit.
[0101]
On the other hand, as shown in FIG. 6B, the top plate 33 determines the drive timing of the heating element 32 and monitors the output from the sensor 43, and determines the preheat width of the image heating element 32 according to the result. And a memory 49 that stores selection data for selecting a preheat width corresponding to each heating element as head information and outputs it to the drive signal control circuit 46.
[0102]
Further, as the contact pads for connection, the element substrate 31 and the top plate 32 are provided with signal input terminals 45c to 45e and a drive signal control circuit 46 necessary for controlling the energy for driving the heating element 32 from the outside. Are connected to terminals 44b to 44d, 48b to 48d, a terminal 48a for inputting the output of the drive signal control circuit 46 to one input terminal of the AND circuit 39, and the like.
[0103]
In the above configuration, first, the temperature of the liquid is detected for each liquid flow path by the sensor, and the result is stored in the memory 49. The drive signal control circuit 46 determines the preheat pulse width of each heating element 32 according to the temperature data and selection data stored in the memory 43, and outputs the preheat pulse width to the AND circuit 39 via the terminals 48a and 44a. On the other hand, the serially input image data signal is stored in the shift register of the image data transfer circuit 42, latched in the latch circuit by the latch signal, and output to the AND circuit 39 via the drive timing control circuit 38.
[0104]
By outputting the image data signal to the AND circuit 39, the preheat pulse determined by the drive signal control circuit 46 and the predetermined heat pulse are given to the heating element 32. Thereby, the heating element 32 is preheated and then given energy for foaming the liquid. In this way, by controlling the preheat width according to the detection result of the sensor, the liquid discharge amount can be made constant at each discharge port regardless of the temperature state.
[0105]
Further, the head information stored in the memory 49 may include the type of liquid to be ejected (ink color or the like when the liquid is ink) in addition to the temperature data described above. This is because the physical properties differ depending on the type of liquid, and the ejection characteristics differ. The storage of the head information in the memory 49 may be performed in a non-volatile manner after the liquid discharge head is assembled, or may be transferred from the apparatus side after the liquid discharge apparatus equipped with the liquid discharge head is started up. You may go.
[0106]
In the liquid discharge head described with reference to FIG. 10, the rank heater 43 formed on the element substrate 31 and the rank heater 43 formed on the top plate 33 are driven as a resistance value sensor similarly to the heating element 32. And a sensor drive circuit 47 for performing the above. Terminals 44 g, 44 h, 48 g and 48 h that connect the sensor drive circuit 47 and the rank heater 43 are formed on the element substrate 31 and the top plate 33. This is for determining the pulse width of the pulse applied to the heating element 32 based on the resistance value detected by the rank heater 43, and the drive signal control circuit 46 monitors the output from the rank heater 43. The energy applied to the heating element 32 is controlled according to the result. Further, the memory 49 stores the resistance value data detected by the rank heater 43 or the code value ranked from the resistance value, and the liquid discharge amount characteristic (predetermined pulse at a constant temperature) by each heating element 32 measured in advance. Is stored as head information, and is output to the drive signal control circuit 46.
[0107]
Control of energy applied to the heating element 32 using the rank heater 43 will be described. First, the resistance value of the rank heater 43 is detected, and the result is stored in the memory 43. Since the rank heater 43 is formed in the same manner as the heating element 32, its resistance value is substantially the same as that of the heating element 32, and the resistance value of the rank heater 43 is regarded as the resistance value of the heating element 32. . In the drive signal control circuit 46, the rise data and fall data of the drive pulse of the heating element 32 are determined according to the resistance value data and the liquid discharge amount characteristic stored in the memory 43, and AND is provided via the terminals 48a and 44a. Output to the circuit 39. As a result, the pulse width of the heat pulse is determined, and the image data is output from the image data transfer circuit 42 to the AND circuit 39 via the drive timing control circuit 38, so that the pulse width determined by the drive signal control circuit 46 is obtained. Energization of the heating element 32 is performed. As a result, substantially constant energy is applied to the heating element 32.
[0108]
(5) Other examples of liquid ejection head
In the example shown in FIG. 1, grooves for forming the liquid flow path 7 are formed in the top plate 3, and the member (orifice plate 4) in which the discharge ports 5 are formed is also different from the element substrate 1 and the top plate 3. Although the example comprised by this member was shown, the structure of the liquid discharge head to which this invention is applied is not restricted to this.
[0109]
For example, if a wall corresponding to the thickness of the orifice plate is left on the end surface of the top plate, and a discharge port is formed on the wall by ion beam processing, electron beam processing, or the like, the liquid discharge head can be used without using the orifice plate. Can be configured. Also, if the channel side wall is formed on the element substrate rather than by forming a groove on the top plate, the position accuracy of the liquid channel with respect to the heating element is improved, and the shape of the top plate is simplified. Can do. The movable member can be formed on the top plate using a photolithographic process. However, when the element substrate is provided with the channel side wall as described above, the element is formed simultaneously with the formation of the possible member on the element substrate. A substrate can also be formed. This will be described later.
[0110]
Furthermore, the present applicant has proposed a liquid discharge head in which a movable member that guides the pressure propagation direction of bubbles to the downstream side is provided in the liquid flow path. Next, an example in which the present invention is applied to a liquid discharge head having a movable member will be described.
[0111]
FIG. 11 is a cross-sectional view along the liquid flow path direction of the liquid discharge head according to another embodiment of the present invention. 11, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
[0112]
The liquid discharge head shown in FIG. 11 is basically the same as the liquid discharge head shown in FIG. 1, but a movable member 6 is provided on the element substrate 1, and a sensor 63 is provided on a part of the movable member 6. Is different.
[0113]
The movable member 6 faces the heat generating body 2 so as to divide the liquid flow path 7 into a first liquid flow path 7a communicating with the discharge port 5 and a second liquid flow path 7b having the heat generating body 2. A cantilever-shaped thin film formed using a semiconductor wafer process. This movable member 6 has a fulcrum 6a on the upstream side of a large flow flowing from the common liquid chamber 8 to the discharge port 5 through the movable member 6 by the liquid discharge operation, and a free end 6b on the downstream side with respect to this fulcrum 6a. As shown, the heating element 2 is disposed at a position facing the heating element 2 at a predetermined distance from the heating element 2 so as to cover the heating element 2. In the example shown in FIG. 11, the bubble generation region 10 is between the heating element 2 and the movable member 6.
[0114]
Based on the above configuration, when the heating element 2 is heated, heat acts on the liquid in the bubble generation region 10 between the movable member 6 and the heating element 2, thereby causing bubbles on the heating element 2 based on the film boiling phenomenon. Generate and grow. The pressure accompanying the growth of the bubbles preferentially acts on the movable member 6, and the movable member 6 is displaced so as to open largely toward the discharge port 5 with the fulcrum 6a as the center, as shown by the broken line in FIG. Depending on the displacement or the displaced state of the movable member 6, the propagation of pressure based on the generation of bubbles and the growth of the bubbles themselves are guided to the discharge port 5, and the liquid is discharged from the discharge port 5.
[0115]
That is, on the bubble generation region 10, the movable member 6 having the fulcrum 6a on the upstream side (common liquid chamber 8 side) of the liquid flow in the liquid flow path 7 and the free end 6b on the downstream side (discharge port 5 side). By providing the bubble, the pressure propagation direction of the bubble is guided to the downstream side, and the pressure of the bubble directly and efficiently contributes to the discharge. The bubble growth direction itself is guided in the downstream direction in the same manner as the pressure propagation direction, and grows larger downstream than upstream. Thus, by controlling the bubble growth direction itself with the movable member and controlling the bubble pressure propagation direction, the fundamental discharge characteristics such as discharge efficiency, discharge force, or discharge speed can be improved.
[0116]
On the other hand, when the bubble enters the defoaming step, the bubble rapidly disappears due to a synergistic effect with the elastic force of the movable member 6, and the movable member 6 finally returns to the initial position shown by the solid line in FIG. . At this time, in order to supplement the contraction volume of the bubbles in the bubble generation region 10 and also to supplement the volume of the discharged liquid, the liquid flows from the upstream side, that is, the common liquid chamber 8 side, and enters the liquid flow path 7. Liquid filling (refilling) is performed, and this liquid refilling is efficiently and reasonably and stably performed along with the return action of the movable member 6.
[0117]
The above is the principle of operation of the liquid ejection head having the movable member 6. In the example shown in FIG. 11, the movable member 6 is a member formed on the surface of the element substrate 1. A sensor 63 is formed in a part of 6 in particular away from the element substrate 1. That is, the movable member 6 itself is used as a three-dimensional structure, and the detection unit 132 and the wiring 133 as shown in FIG. 6 or the detection unit 132a, the reference unit 132b and the wiring as shown in FIG. 133a and 133b are formed.
[0118]
By configuring the sensor 63 in a part of the movable member 6 in this manner, a state in which the stagnation of the liquid flow on the wall surface of the liquid flow path 7 and the heat generation of the element substrate 1 are less affected as described above. Thus, the liquid state or the like can be detected. In addition, since the movable member 6 is provided, the fundamental discharge characteristics and refill efficiency of the liquid can be improved.
[0119]
The formation position of the detection part or the like on the movable member 6 is not particularly limited as long as it is a position away from the surface of the element substrate 1 and can detect a desired state of the liquid. However, since the movable member 6 is provided facing the heating element 2 and is easily influenced by the heat of the heating element 2, when the sensor 63 is a temperature sensor, the position where the influence of the heat of the heating element 2 is small, for example, It is better to provide it at a position as far as possible from the heating element 2, more preferably on the upstream side in the liquid flow direction. Further, when the sensor 63 is a pressure sensor, the movable member 6 that directly receives the pressure accompanying the generation of bubbles is most preferable as a position where the pressure sensor is provided.
[0120]
Here, an example of a method for forming the movable member 6 on the element substrate 1 will be described.
[0121]
FIG. 12 is a diagram for explaining an example of a method of forming the movable member 6 on the liquid discharge head shown in FIG. 11, and in FIG. 12, along the flow direction of the liquid flow path 7 shown in FIG. A cross section is shown. In the manufacturing method described based on FIG. 12, the structure in which the movable member 6 is formed on the element substrate 1 and the structure in which the channel side wall is formed on the top plate are joined to each other. The liquid discharge head having the above configuration is manufactured. Therefore, in this manufacturing method, before the top plate is joined to the element substrate 1 in which the movable member 6 is formed, the channel side wall is formed in the top plate.
[0122]
First, in FIG. 12A, as a first protective layer for protecting the connection pad portion for electrical connection with the heating element 2 over the entire surface of the element substrate 1 on the heating element 2 side. The TiW film 76 of about 5000 mm thick is formed by sputtering. Although not shown, before the TiW film 76 is formed, a wiring connected to the wiring of the sensor 63 (see FIG. 11) and a SiN film as a protective layer thereof are formed on the element substrate 1.
[0123]
Next, in FIG. 12B, an Al film for forming the gap forming member 71a is formed on the surface of the TiW film 76 by a sputtering method to a thickness of about 4 μm. The gap forming member 71a extends to a region where the SiN film 72a is etched in the step of FIG.
[0124]
By patterning the formed Al film using a well-known photolithography process, only the portion of the Al film corresponding to the support fixing part of the movable member 6 is removed, and a gap forming member is formed on the surface of the TiW film 76. 71a is formed. Therefore, a portion of the surface of the TiW film 76 corresponding to the support fixing portion of the movable member 6 is exposed. The gap forming member 71 a is made of an Al film for forming a gap between the element substrate 1 and the movable member 6. The gap forming member 71a corresponds to the support fixing portion of the movable member 6 on the surface of the TiW film 76 including the position corresponding to the bubble generation region 10 between the heating element 2 and the movable member 6 shown in FIG. It is formed on all parts except the part. Therefore, in this manufacturing method, the gap forming member 71a is formed up to the portion of the surface of the TiW film 76 corresponding to the flow path side wall. The gap forming member 71a functions as an etching stop layer when the movable member 6 is formed by dry etching as will be described later.
[0125]
Next, in FIG. 12C, the SiN film 72a constituting the movable member 6 is formed on the entire surface of the gap forming member 71a and the entire exposed surface of the TiW film 76 by plasma CVD. When the SiN film 72a is formed using the plasma CVD apparatus, the Ta provided on the element substrate 1 is interposed via a silicon substrate constituting the element substrate 1 as will be described next with reference to FIG. Ground the anti-cavitation film consisting of Thereby, the functional elements such as the heating element 2 and the latch circuit in the element substrate 1 can be protected against ion species and radical charges decomposed by plasma discharge in the reaction chamber of the plasma CVD apparatus.
[0126]
As shown in FIG. 13, an RF electrode 82a and a stage 85a that are opposed to each other at a predetermined distance are provided in a reaction chamber 83a of a plasma CVD apparatus for forming the SiN film 72a. A voltage is applied to the RF electrode 82a by an RF power source 81a outside the reaction chamber 83a. On the other hand, the element substrate 1 is mounted on the surface of the stage 85a on the RF electrode 82a side, and the surface of the element substrate 1 on the heating element 2 side faces the RF electrode 82a. Here, the cavitation-resistant film made of Ta formed on the surface of the heating element 2 included in the element substrate 1 is electrically connected to the silicon substrate of the element substrate 1, and the gap forming member 71 a One silicon substrate and the stage 85a are grounded.
[0127]
In the plasma CVD apparatus configured as described above, a gas is supplied into the reaction chamber 83a through the supply pipe 84a in a state where the cavitation resistant film is grounded, and the plasma 46 is generated between the element substrate 1 and the RF electrode 82a. generate. By depositing ion species and radicals decomposed by plasma discharge in the reaction chamber 83a on the element substrate 1, a SiN film 72a is formed on the element substrate 1. At this time, charges are generated on the element substrate 1 by ionic species and radicals. As described above, since the anti-cavitation film is grounded, the functional elements such as the heating element 2 and the latch circuit in the element substrate 1 are provided. Damage from ionic species and radical charges is prevented. Next, in FIG. 12D, an Al film having a thickness of about 6100 mm is formed on the surface of the SiN film 72a by a sputtering method, and then the formed Al film is patterned using a well-known photolithography process. An Al film (not shown) as a second protective layer is left on the surface of the film 72a corresponding to the movable member 6. The Al film as the second protective layer serves as a protective layer (etching stop layer), that is, a mask when the SiN film 72a is dry-etched to form the movable member 6.
[0128]
Then, by using an etching apparatus using dielectric coupling plasma, the SiN film 72a is patterned using the second protective layer as a mask, thereby forming the movable member 6 composed of the remaining portion of the SiN film 72a. . In the etching equipment, CF Four And O 2 In the step of patterning the SiN film 72a, unnecessary portions of the SiN film 72a are formed so that the support fixing portion of the movable member 6 is directly fixed to the element substrate 1 as shown in FIG. Remove. The constituent material of the close contact portion between the support fixing portion of the movable member 6 and the element substrate 1 includes TiW, which is a constituent material of the pad protective layer, and Ta, which is a constituent material of the anti-cavitation film of the element substrate 1.
[0129]
When the SiN film 72a is etched using a dry etching apparatus, the gap forming member 71a is grounded through the element substrate 1 and the like as will be described next with reference to FIG. This enables CF during dry etching. Four By preventing the ionic species and radical charges generated by the decomposition of the gas from remaining in the gap forming member 71a, the functional elements such as the heating element 2 and the latch circuit of the element substrate 1 can be protected. In this etching process, since the gap forming member 71a is formed in the portion exposed by removing the unnecessary portion of the SiN film 72a, that is, the region to be etched, the TiW film 76 is formed. The element substrate 1 is reliably protected by the gap forming member 71a.
[0130]
As shown in FIG. 14, in a reaction chamber 83b of a dry etching apparatus for etching the SiN film 72a, an RF electrode 82b and a stage 85b facing each other with a predetermined distance are provided. A voltage is applied to the RF electrode 82b by an RF power source 81b outside the reaction chamber 83b. On the other hand, the element substrate 1 is mounted on the surface of the stage 85b on the RF electrode 82b side, and the surface of the element substrate 1 on the heating element 2 side faces the RF electrode 82b. Here, the gap forming member 71a made of an Al film is electrically connected to the anti-cavitation film made of Ta provided on the element substrate 1, and the anti-cavitation film is formed on the element substrate 1 as described above. The gap forming member 71a is grounded via the anti-cavitation film of the element substrate 1, the silicon substrate, and the stage 85b.
[0131]
In the dry etching apparatus configured as described above, the CF forming member 71a is grounded into the reaction chamber 83a through the supply pipe 84a while being grounded. Four And O 2 Then, the SiN film 72a is etched. At that time, CF Four Electric charges are generated on the element substrate 1 due to ion species and radicals generated by the decomposition of the gas. Since the gap forming member 71a is grounded as described above, the heating element 2 and the latch circuit in the element substrate 1 are The functional element is prevented from being damaged by ionic species or radical charges.
[0132]
In the present embodiment, the gas supplied into the reaction chamber 83a is CF. Four And O 2 A mixed gas of 2 CF not mixed Four Gas or C 2 F 6 Gas or C 2 F 6 And O 2 A mixed gas or the like may be used.
[0133]
The movable member 6 made of SiN is formed as described above. In the process of forming the movable member 6 starting from the process of forming the SiN film 72a at this time, for example, as shown in FIGS. 7C to 7E. In this manner, a detection unit, wiring, and the like are formed on the movable member 6.
[0134]
Next, in FIG. 12E, the second protective layer made of the Al film formed on the movable member 6 and the gap forming member 71a made of the Al film are eluted using a mixed acid of acetic acid, phosphoric acid and nitric acid. Then, the movable member 6 is formed on the element substrate 1. Thereafter, the portion corresponding to the bubble generation region 10 and the pad of the TiW film 76 formed on the element substrate 1 is removed using hydrogen peroxide.
[0135]
As described above, the element substrate 1 provided with the movable member 6 is manufactured. Here, as shown in FIG. 1, the case where the supporting and fixing portion of the movable member 6 is directly fixed to the element substrate 1 has been described. However, by applying this manufacturing method, the movable member is a pedestal portion. It is also possible to manufacture a liquid discharge head fixed to the element substrate via In this case, before the step of forming the gap forming member 71a shown in FIG. 12B, the pedestal for fixing the end of the movable member opposite to the free end to the element substrate is heated by the element substrate. It is formed on the body side surface. Even in this case, the constituent material of the contact portion between the pedestal portion and the element substrate includes TiW which is a constituent material of the pad protective layer and Ta which is a constituent material of the cavitation resistant film of the element substrate.
[0136]
In the example described above, the case where the flow path side wall 9 is formed on the top plate 3 has been described. However, the flow path side wall 9 is formed on the element substrate 1 simultaneously with the formation of the movable member 6 on the element substrate 1 using a photolithography process. It can also be formed.
[0137]
Below, an example of the formation process of the movable member 6 and the flow path sidewall when the movable member 6 and the flow path side wall 9 are provided on the element substrate 1 will be described with reference to FIGS. 15 and 16. 15 and 16 show a cross section along a direction orthogonal to the liquid flow path direction of the element substrate on which the movable member and the flow path side wall are formed. Also, in the example shown in FIGS. 15 and 16, as in the example described with reference to FIG. 12, the detection part, the wiring, and the like are formed on the movable member 6. 7 is the same as the example described with reference to FIG. .
[0138]
First, in FIG. 15A, as a first protective layer for protecting a connection pad portion for electrical connection with the heating element 2 over the entire surface of the element substrate 1 on the heating element 2 side. A TiW film (not shown) is formed to a thickness of about 5000 mm by sputtering. An Al film for forming the gap forming member 71 is formed on the surface of the element substrate 1 on the heating element 2 side by a sputtering method to a thickness of about 4 μm. The formed Al film is patterned using a well-known photolithography process, and the element substrate 1 and the movable member are placed at positions corresponding to the bubble generation region 10 between the heating element 2 and the movable member 6 shown in FIG. A plurality of gap forming members 71 made of an Al film are formed to form gaps between the gaps 6 and 6. Each gap forming member 71 extends to a region where the SiN film 72 which is a material film for forming the movable member 6 is etched in the step of FIG. The gap forming member 71 functions as an etching stop layer when the liquid flow path 7 and the movable member 6 are formed by dry etching described later. Therefore, when the liquid flow path 7 is formed by dry etching, the liquid flow path 7 in each gap forming member 71 is not exposed so that the surface on the heating element 2 side of the element substrate 1 and the TiW layer on the element substrate 1 are not exposed. The width in the direction perpendicular to the direction of the flow path is wider than the width of the liquid flow path 7 formed in the step of FIG.
[0139]
Furthermore, during dry etching, CF Four Ion species and radicals are generated by the decomposition of the gas, and the heating element 2 and the functional element of the element substrate 1 may be damaged. However, the gap forming member 71 made of Al receives the ion species and radicals and receives the element substrate. The heating element 2 of 1 and the functional element are protected.
[0140]
Next, in FIG. 15B, a material film for forming the movable member 6 using the plasma CVD method on the surface of the gap forming member 71 and the surface of the element substrate 1 on the gap forming member 71 side. A certain SiN film 72 is formed so as to cover the gap forming member 71. Here, when the SiN film 72 is formed using the plasma CVD apparatus, as described with reference to FIG. 13, the SiN film 72 is provided on the element substrate 1 via a silicon substrate constituting the element substrate 1. A cavitation-resistant film made of Ta is grounded. Thereby, the functional elements such as the heating element 2 and the latch circuit in the element substrate 1 can be protected against ion species and radical charges decomposed by plasma discharge in the reaction chamber of the plasma CVD apparatus.
[0141]
Next, in FIG. 15C, an Al film having a thickness of about 6100 mm is formed on the surface of the SiN film 72 by a sputtering method, and then the formed Al film is patterned using a well-known photolithography process. An Al film 73 as a second protective layer is left in a portion corresponding to the movable member 6 on the surface of the film 72, that is, in a movable member forming region on the surface of the SiN film 72. The Al film 73 becomes a protective layer (etching stop layer) when the liquid flow path 7 is formed by dry etching.
[0142]
Next, in FIG. 16A, a SiN film 74 for forming the channel side wall 9 is formed on the surfaces of the SiN film 72 and the Al film 73 with a thickness of about 50 μm using a microwave CVD method. Here, as a gas used for forming the SiN film 74 by the microwave CVD method, monosilane (SiH Four ), Nitrogen (N 2 ) And argon (Ar). In addition to the above, combinations of the gases include disilane (Si 2 H 6 ) And ammonia (NH Three ) Or a mixed gas may be used. The microwave power with a frequency of 2.45 [GHz] is 1.5 [kW], and the gas flow rates are 100 [sccm] for monosilane, 100 [sccm] for nitrogen, and 40 [sccm] for argon. The SiN film 74 was formed under a high vacuum at a pressure of 5 [mTorr]. Alternatively, the SiN film 74 may be formed by a microwave plasma CVD method using a component ratio other than that of the gas or a CVD method using an RF power source.
[0143]
When the SiN film 74 is formed by the CVD method, a cavitation-resistant film made of Ta formed on the surface of the heating element 2 is formed in the same manner as the method of forming the SiN film 72 as described above with reference to FIG. Is grounded through the silicon substrate of the element substrate 1. Thereby, the functional elements such as the heating element 2 and the latch circuit in the element substrate 1 can be protected against ion species and radical charges decomposed by plasma discharge in the reaction chamber of the CVD apparatus.
[0144]
Then, after forming an Al film on the entire surface of the SiN film 74, the formed Al film is patterned using a well-known method such as photolithography to correspond to the liquid flow path 7 on the surface of the SiN film 74. An Al film 75 is formed on the portion except the portion to be formed. As described above, the width of each gap forming member 71 in the direction perpendicular to the flow direction of the liquid flow path 7 is wider than the width of the liquid flow path 7 formed in the next step of FIG. Therefore, the side portion of the Al film 75 is disposed above the side portion of the gap forming member 71.
[0145]
Next, in FIG. 16B, the SiN film 74 and the SiN film 72 are patterned by using an etching apparatus using dielectrically coupled plasma to simultaneously form the channel side wall 9 and the movable member 6. In the etching equipment, CF Four And O 2 The SiN film 74 and the SiN film 72 are etched so that the SiN film 74 has a trench structure using the Al gas 73 and 25 and the gap forming member 71 as an etching stop layer, that is, a mask. In the step of patterning the SiN film 72, unnecessary portions of the SiN film 72 are removed so that the support fixing portion of the movable member 6 is directly fixed to the element substrate 1 as shown in FIG. The constituent material of the close contact portion between the support fixing portion of the movable member 6 and the element substrate 1 includes TiW, which is a constituent material of the pad protective layer, and Ta, which is a constituent material of the anti-cavitation film of the element substrate 1.
[0146]
Here, when the SiN films 72 and 24 are etched using the dry etching apparatus, the gap forming member 71 is grounded via the element substrate 1 and the like as described with reference to FIG. This enables CF during dry etching. Four By preventing the ionic species and radical charges generated by the decomposition of the gas from remaining in the gap forming member 71, the heating element 2 of the element substrate 1 and the functional elements such as the latch circuit can be protected. In addition, since the width of the gap forming member 71 is wider than the width of the liquid flow path 7 formed in this etching process, the heat generation of the element substrate 1 when the unnecessary portion of the SiN film 74 is removed. The surface on the body 2 side is not exposed, and the element substrate 1 is reliably protected by the gap forming member 71.
[0147]
Next, in FIG. 16C, the Al films 73 and 25 are heated and etched using a mixed acid of acetic acid, phosphoric acid and nitric acid, whereby the Al films 73 and 75 and the gap forming member 71 made of the Al film are formed. The movable member 6 and the channel side wall 9 are formed on the element substrate 1 by elution and removal. Thereafter, the portion corresponding to the bubble generation region 10 and the pad of the TiW film as the pad protective layer formed on the element substrate 1 is removed using hydrogen peroxide. The close contact portion between the element substrate 1 and the channel side wall 9 also contains TiW, which is a constituent material of the pad protective layer, and Ta, which is a constituent material of the cavitation resistant film of the element substrate 1.
[0148]
(6) Application example of liquid ejection head
Next, an outline of a liquid discharge apparatus equipped with the above-described liquid discharge head will be described.
[0149]
FIG. 17 is a schematic perspective view of an ink jet recording apparatus 600 which is an example of a liquid ejecting apparatus that can be applied with the liquid ejecting head of the present invention.
[0150]
In FIG. 17, an ink jet head cartridge 601 is formed by integrating the above-described liquid discharge head and an ink tank that holds ink supplied to the liquid discharge head. The inkjet head cartridge 601 is mounted on a carriage 607 that engages with a spiral groove 606 of a lead screw 605 that rotates via driving force transmission gears 603 and 604 in conjunction with forward and reverse rotation of a driving motor 602. Then, it is reciprocated in the directions of arrows a and b along the guide 608 together with the carriage 607 by the power of the drive motor 602. The recording material P is conveyed on the platen roller 609 by a recording material conveying means (not shown), and is pressed against the platen roller 609 by the paper pressing plate 610 in the moving direction of the carriage 607.
[0151]
Photocouplers 611 and 612 are disposed in the vicinity of one end of the lead screw 605. These are home position detecting means for confirming the presence of the lever 607a of the carriage 607 in this region and switching the rotation direction of the drive motor 602.
[0152]
The support member 613 supports the cap member 614 that covers the front surface (discharge port surface) where the above-described inkjet head cartridge 601 has the discharge port. The ink suction means 615 sucks the ink that has been discharged from the inkjet head cartridge 601 and accumulated in the cap member 614. The ink suction means 615 performs suction recovery of the inkjet head cartridge 601 through the opening 616 in the cap. A cleaning blade 617 for wiping the discharge port surface of the inkjet head cartridge 601 is provided so as to be movable in the front-rear direction (a direction orthogonal to the moving direction of the carriage 607) by a moving member 618. The cleaning blade 617 and the moving member 618 are supported by the main body support 619. The cleaning blade 617 is not limited to this form, and may be another known cleaning blade.
[0153]
In the suction recovery operation of the liquid ejection head, the lever 620 for starting suction moves with the movement of the cam 621 engaged with the carriage 607, and the driving force from the driving motor 602 is a known transmission such as clutch switching. The movement is controlled by means. An ink jet recording control unit for providing a signal to a heating element provided in the liquid discharge head of the ink jet head cartridge 601 and for controlling driving of each mechanism described above is provided on the apparatus main body side. Not shown.
[0154]
In the inkjet recording apparatus 600 having the above-described configuration, the inkjet head cartridge 601 moves back and forth over the entire width of the recording material P with respect to the recording material P conveyed on the platen roller 609 by a recording material conveyance means (not shown). Make a record.
[0155]
【The invention's effect】
As described above, according to the liquid discharge head substrate and the liquid discharge head of the present invention, the liquid state is less affected by the flow of liquid at the boundary with the substrate and the heat generated by the energy generating element. Can be detected. As a result, according to the detection result of the sensor, it is possible to perform the discharge control according to the ink state, and the liquid can be stably discharged. In addition, the energy generating element generates bubbles in the liquid by applying thermal energy to the liquid. Beam members The liquid discharge characteristics can be improved by using a movable member that is disposed facing the energy generating element and that is displaced by bubbles.
[0156]
Further, according to the method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head and the method for manufacturing a liquid discharge head according to the present invention, the sensor provided as the three-dimensional structure can be easily manufactured on the substrate by using a photolithography technique. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a liquid discharge head according to an embodiment of the present invention along a liquid flow path direction.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of an element substrate used in the liquid discharge head shown in FIG.
3 is a schematic cross-sectional view in which the element substrate 1 is cut so that main elements of the element substrate 1 shown in FIG. 2 are vertically cut.
4A is a plan view of an element substrate and FIG. 4B is a plan view of a top plate for explaining the circuit configuration of the liquid discharge head shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a plan view of a liquid discharge head unit on which the liquid discharge head shown in FIG. 1 is mounted.
FIG. 6 is a schematic enlarged view of an example of a single detection unit type sensor applicable to the present invention.
7 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of the sensor shown in FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is a schematic enlarged view of an example of a reference electrode pair type sensor applicable to the present invention.
FIG. 9 is a perspective view for explaining another example of the arrangement of the three-dimensional structure in the liquid channel.
FIG. 10 is a diagram showing a circuit configuration of an element substrate (a) and a top plate (b) in an example in which driving conditions of a heating element are controlled according to the temperature of a liquid.
FIG. 11 is a cross-sectional view taken along a liquid flow path direction of a liquid discharge head according to another embodiment of the present invention.
12 is a diagram for explaining an example of a method for forming the movable member 6 on the liquid ejection head shown in FIG. 11. FIG.
FIG. 13 is a diagram for explaining a method of forming a SiN film on an element substrate using a plasma CVD apparatus.
FIG. 14 is a diagram for explaining a method of forming a SiN film using a dry etching apparatus.
FIG. 15 is a view for explaining a method of forming a movable member and a channel side wall on an element substrate.
FIG. 16 is a view for explaining a method of forming a movable member and a channel side wall on an element substrate.
FIG. 17 is a schematic perspective view of an ink jet recording apparatus which is an example of a liquid ejecting apparatus to which the liquid ejecting head of the present invention can be attached and applied.
[Explanation of symbols]
1 Element substrate
2 Heating element
3 Top plate
4 Orifice plate
5 Discharge port
6 Movable members
7 Liquid flow path
8 Common liquid chamber
9 Channel side wall
13, 13 ', 63 Sensor
20 Liquid discharge head unit
21 Liquid discharge head
71, 71a, 137 Gap forming member
72, 72a, 138, 141 SiN film
131,131 'Three-dimensional structure part
131a, 131a 'strut
131b, 131b 'beams
131c opening
132, 132a detector
132b Reference part
133, 133a, 133b wiring

Claims (15)

液体に吐出エネルギーを与えることにより液流路を介して液体を吐出させる液体吐出ヘッドに用いられ、電気エネルギーを前記吐出エネルギーに変換するためのエネルギー変換素子が形成された半導体基板からなる液体吐出ヘッド用基板において、
該液体吐出ヘッド用基板は、該基板の前記エネルギー変換素子を有する面から突出し、前記液流路を構成する壁面とは異なる支柱と、該支柱に支持される梁部材と、を備える立体構造部を有し、
該梁部材に前記液体吐出ヘッド内での液体の状態を検出するためのセンサの検出部が配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。By giving discharge energy to the liquid through the liquid flow path used in the liquid discharge head for discharging liquid, liquid discharge head comprising a semiconductor substrate of the energy conversion elements are formed for converting electrical energy to said discharge energy In the substrate for
The substrate for the liquid discharge head includes a column that protrudes from a surface of the substrate having the energy conversion element and is different from a wall that forms the liquid flow path, and a beam member that is supported by the column. Have
A substrate for a liquid discharge head, wherein a detecting portion of a sensor for detecting a state of a liquid in the liquid discharge head is disposed on the beam member . 液体を吐出する複数の吐出口と、互いに接合されることでそれぞれ前記吐出口と連通する複数の液流路を構成するための第１の基板および第２の基板と、電気エネルギーを前記液流路内の液体の吐出エネルギーに変換するために前記各液流路内に配された複数のエネルギー変換素子とを有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記液流路は、該液流路を構成する壁面から突出し、該液流路を構成する壁面とは異なる支柱と、該支柱に支持される梁部材と、を備える立体構造部を有し、
該梁部材に前記液体吐出ヘッド内での液体の状態を検出するためのセンサの検出部が配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。A first substrate and a second substrate for forming a plurality of discharge ports for discharging a liquid, and a plurality of liquid flow paths which are connected to each other to communicate with the discharge ports; In a liquid discharge head having a plurality of energy conversion elements arranged in each liquid flow path in order to convert into liquid discharge energy in the path,
The liquid flow path has a three-dimensional structure portion that includes a column that protrudes from a wall surface that forms the liquid flow channel and that is different from the wall surface that forms the liquid flow channel, and a beam member that is supported by the column.
A liquid discharge head, wherein a detection unit of a sensor for detecting a state of liquid in the liquid discharge head is disposed on the beam member . 前記エネルギー変換素子の駆動条件を制御するための、機能が異なる複数の素子あるいは電気回路を有し、
前記素子あるいは電気回路は、その機能に応じて前記第１の基板と前記第２の基板とに振り分けられている、請求項２に記載の液体吐出ヘッド。A plurality of elements or electric circuits having different functions for controlling the driving conditions of the energy conversion element;
The liquid ejection head according to claim 2 , wherein the element or the electric circuit is distributed between the first substrate and the second substrate according to a function thereof. 前記検出部は、検出すべき液体の状態に応じて電気的特性が変化するものであり、前記センサは、前記検出部と、前記検出部に電気的に接続された配線とを、前記立体構造部に有する、請求項２または３に記載の液体吐出ヘッド。The detection unit has an electrical characteristic that changes according to a state of a liquid to be detected. The liquid discharge head according to claim 2 , wherein the liquid discharge head is provided in a portion. 前記検出部は、液体と接触して配置され検出すべき液体の状態に応じて電気的特性が変化するものであり、前記センサは、前記検出部と、液体と接触して配置され液体と接触しても電気的特性が変化しないか又は前記検出部と異なる電気的特性を示す基準部と、前記検出部及び前記基準部にそれぞれ電気的に接続された配線とを、前記立体構造部に有する、請求項２または３に記載の液体吐出ヘッド。The detection unit is arranged in contact with the liquid, and an electric characteristic is changed according to a state of the liquid to be detected, and the sensor is arranged in contact with the detection unit and the liquid and is in contact with the liquid. Even if the electrical characteristics do not change or the reference part showing the electrical characteristics different from the detection part, and the wiring electrically connected to the detection part and the reference part respectively, the solid structure part has The liquid discharge head according to claim 2 or 3 . 前記基準部が、前記液流路の壁面から離れた位置に配置されている、請求項５に記載の液体吐出ヘッド。The liquid ejection head according to claim 5 , wherein the reference portion is disposed at a position away from the wall surface of the liquid flow path. 前記エネルギー変換素子及び前記センサは前記第１の基板に設けられている、請求項２ないし６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。It said energy conversion element and the sensor is first provided on the substrate, the liquid discharge head according to any one of claims 2 to 6. 前記エネルギー発生素子は前記第１の基板に設けられ、前記センサは前記第２の基板に設けられている、請求項２ないし６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。Said energy generating element is provided on the first substrate, the sensor is the second is provided on the substrate, the liquid discharge head according to any one of claims 2 to 6. 前記前記エネルギー変換素子は、液体に熱エネルギーを作用させることで液体に気泡を発生させるものであり、
前記立体構造部の前記梁部材は、前記エネルギー変換素子に対面して配され、気泡によって変位する可動部材である、請求項２ないし６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。The energy conversion element generates bubbles in the liquid by applying thermal energy to the liquid,
The beam member of the three-dimensional structure, the disposed facing the energy conversion element, a movable member displaced by the bubble, the liquid discharge heads according to any one of claims 2 to 6. 前記可動部材は、液体の流れの方向の上流側が固定され下流側端が自由端となって可動する部材である、請求項９に記載の液体吐出ヘッド。The liquid ejecting head according to claim 9 , wherein the movable member is a member that is movable with an upstream side in a liquid flow direction being fixed and a downstream side end being a free end. 請求項２ないし１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、該液体吐出ヘッドから液体を吐出させるための駆動信号を前記液体吐出ヘッドに供給する駆動信号供給手段とを有する液体吐出装置。A liquid discharge head according to any one of claims 2 to 10, a liquid ejection apparatus and a driving signal supplying means for supplying to said liquid ejecting head a driving signal for discharging the liquid from the liquid discharging head. 液体に吐出エネルギーを与えることにより液体を吐出させる液体吐出ヘッドに用いられ、電気エネルギーを前記吐出エネルギーに変換するためのエネルギー変換素子とが形成された半導体基板を有する液体吐出ヘッド用基板の製造方法において、
前記半導体基板上に、半導体材料を含む基材層を所定のパターンで形成する工程と、
前記基材層上に、検出すべき液体の状態に応じて電気的特性が変化する検出部、及び前記検出部を前記半導体基板に形成された電気回路と電気的に接続する配線を形成する工程と、
前記検出部及び前記配線が形成された基材層上に、前記配線を保護するための、半導体材料を含む保護層を形成する工程とを有する、液体吐出ヘッド用基板の製造方法。A method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head, comprising: a semiconductor substrate that is used in a liquid discharge head that discharges liquid by applying discharge energy to the liquid, and on which an energy conversion element for converting electric energy into the discharge energy is formed In
Forming a base material layer containing a semiconductor material in a predetermined pattern on the semiconductor substrate;
A step of forming, on the base material layer, a detection portion whose electrical characteristics change according to the state of the liquid to be detected, and a wiring that electrically connects the detection portion to an electric circuit formed on the semiconductor substrate. When,
Forming a protective layer containing a semiconductor material for protecting the wiring on a base material layer on which the detection section and the wiring are formed. 前記保護層の形成工程の前に、前記基材層上に、液体と接触しても電気的特性が変化しないか又は前記検出部とは異なる電気特性を示す基準部と、前記基準部を前記半導体基板に形成された回路と電気的に接続する配線とを形成する工程を有し、
前記保護層の形成工程の後に、前記保護層で覆われている前記検出部及び前記基準部の一部を露出させる工程を有する、請求項１２に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。Before the step of forming the protective layer, on the base material layer, a reference part that does not change in electrical characteristics even when it comes into contact with a liquid or shows an electrical characteristic different from the detection part, and the reference part Forming a wiring electrically connected to a circuit formed on the semiconductor substrate;
The method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head according to claim 12 , further comprising a step of exposing a part of the detection portion and the reference portion covered with the protective layer after the step of forming the protective layer. 前記基材層の形成工程の前に、前記半導体基板上に前記基材層の一部と前記半導体基板との間に間隙を形成するための間隙形成部材を形成する工程を有し、
前記基材層を形成する工程は、前記間隙形成部材が形成された部位と前記間隙形成部材が形成されていない部位とを跨る領域に形成することを含み、
前記保護層の形成工程の後に、前記間隙形成部材を除去する工程を有する、請求項１２または１３に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。Before forming the base material layer, including a step of forming a gap forming member on the semiconductor substrate for forming a gap between a part of the base material layer and the semiconductor substrate;
The step of forming the base material layer includes forming in a region straddling a portion where the gap forming member is formed and a portion where the gap forming member is not formed,
The method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head according to claim 12 , further comprising a step of removing the gap forming member after the step of forming the protective layer. 液体を吐出する複数の吐出口と、互いに接合されることでそれぞれ前記吐出口と連通する複数の液流路を構成するための第１の基板および第２の基板と、電気エネルギーを前記液流路内の液体の吐出エネルギーに変換するために前記各液流路内に配された複数のエネルギー変換素子とを有する液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記第１の基板及び前記第２の基板の少なくとも一方に、半導体材料を含む基材層を所定のパターンで形成する工程と、
前記基材層上に、検出すべき液体の状態に応じて電気的特性が変化する検出部、及び前記検出部に電気的に接続する配線を形成する工程と、
前記検出部及び前記配線が形成された基材層上に、前記配線を保護するための、半導体材料を含む保護層を形成する工程とを有する、液体吐出ヘッドの製造方法。A first substrate and a second substrate for forming a plurality of discharge ports for discharging a liquid, and a plurality of liquid flow paths which are connected to each other to communicate with the discharge ports; In a method of manufacturing a liquid discharge head having a plurality of energy conversion elements arranged in each liquid flow path in order to convert into liquid discharge energy in a path,
Forming a base material layer containing a semiconductor material in a predetermined pattern on at least one of the first substrate and the second substrate ;
On the base material layer, a step of forming a detection unit whose electrical characteristics change according to the state of the liquid to be detected, and a wiring electrically connected to the detection unit,
Forming a protective layer containing a semiconductor material for protecting the wiring on the base material layer on which the detection section and the wiring are formed.
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