JPH1034931A - Thermal ink jet printing head - Google Patents

Thermal ink jet printing head

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Publication number
JPH1034931A
JPH1034931A JP9587297A JP9587297A JPH1034931A JP H1034931 A JPH1034931 A JP H1034931A JP 9587297 A JP9587297 A JP 9587297A JP 9587297 A JP9587297 A JP 9587297A JP H1034931 A JPH1034931 A JP H1034931A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
heater
insulating layer
heat insulating
printhead
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP9587297A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
A Teria Thomas
エイ テリアー トーマス
Ron Wan Yao
ロン ワン ヤオ
V Bandeboreek Sophie
ブイ バンデボレーク ソフィー
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xerox Corp
Original Assignee
Xerox Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xerox Corp filed Critical Xerox Corp
Publication of JPH1034931A publication Critical patent/JPH1034931A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently use heat generated by the heater in the injector of a printing head for thermal ink jet printer in the evaporation of liquid ink. SOLUTION: A heater 14 evaporating liquid ink is formed on a non-doped silicon substrate as a polysilicon layer and a heat insulating layer 24 containing either one of silicon dioxide and silicon nitride doped with either one of indium, lead, phosphorus, antimony, boron and arsenic is provided between the heater 14 and the substrate. A dopant destructs the lattice of the heat insulating layer 24 to lower the heat conductivity thereof. The heat generated in the heater 14 is suppressed in the diffusion to the substrate by the heat insulating layer 24 and liquid ink is efficiently heated.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、サーマルインクジ
ェットプリンタ用のプリントヘッドに関し、特にプリン
トヘッドに設けられた加熱手段および加熱手段付近の構
造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a print head for a thermal ink jet printer, and more particularly to a heating means provided on the print head and a structure near the heating means.

【0002】[0002]

【発明が解決しようとする課題】現在広く行われている
インクジェットプリントヘッド設計においては、ヒータ
はシリコンチップ表面に抵抗として形成される。このよ
うにヒータをチップ主表面に配置することはプリントヘ
ッドの製造上は好都合であるが、高速印刷や長時間にわ
たる印刷を行うなどプリントヘッドを過酷に使用する場
合には実用上の問題点が生じることがわかっている。つ
まり、プリントヘッドから液体インクを噴射させるのに
利用されるのは、プリントヘッド中のヒータが発する熱
の一部だけであり、ヒータが発生する熱の約半分は、直
接液体インクを加熱することなく、半導体チップに吸収
されてチップ全体を加熱してしまう。これはエネルギの
浪費に他ならず、ページ幅全体に柄のある原稿の印刷な
どに用いられる超大型プリントヘッドでは特に致命的な
問題である。また、プリントヘッドの連続加熱はプリン
トヘッドの寿命を大幅に短くしてしまうおそれがある。
In current widespread ink jet printhead designs, the heater is formed as a resistor on the silicon chip surface. Although arranging the heater on the main surface of the chip in this manner is convenient for manufacturing the print head, there is a practical problem when the print head is used severely, for example, for high-speed printing or long-time printing. It is known to happen. In other words, only a part of the heat generated by the heater in the print head is used to eject the liquid ink from the print head, and about half of the heat generated by the heater is to directly heat the liquid ink. Instead, it is absorbed by the semiconductor chip and heats the entire chip. This is a waste of energy, and is particularly fatal in a very large print head used for printing a document having a pattern over the entire page width. Also, continuous heating of the printhead can significantly reduce the life of the printhead.

【0003】米国特許第5,264,874号は、多数
の熱電変換要素が基板上に形成されたインクジェットプ
リントヘッドを開示している。基板中には不純物原子の
拡散によってさまざまな半導体領域が形成される。該特
許の図5Aおよび図5Bに関する記載によれば、拡散さ
せる不純物にはリン、アンチモン、砒素などがある。
[0003] US Patent No. 5,264,874 discloses an ink jet printhead in which a number of thermoelectric conversion elements are formed on a substrate. Various semiconductor regions are formed in the substrate by diffusion of impurity atoms. According to the description of FIG. 5A and FIG. 5B, the impurities to be diffused include phosphorus, antimony, and arsenic.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、少なく
とも1つのイジェクタを備えるサーマルインクジェット
プリントヘッドが提供される。そのイジェクタはプリン
トヘッド内部の液体インクに熱を伝達するよう構成され
た主表面を規定する加熱手段を含む。加熱手段に隣接し
て、その主表面と反対側には断熱層が配置される。この
断熱層は二酸化シリコンおよび窒化シリコンからなるグ
ループから選択される材料を含む。前記材料は材料の格
子を破壊するドーパントでドーピングされる。
According to the present invention, there is provided a thermal ink jet printhead having at least one ejector. The ejector includes heating means defining a major surface configured to transfer heat to the liquid ink inside the printhead. A heat insulation layer is arranged adjacent to the heating means and on the side opposite the main surface. The heat insulating layer includes a material selected from the group consisting of silicon dioxide and silicon nitride. The material is doped with a dopant that breaks the lattice of the material.

【0005】[0005]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態(以
下、実施形態と記す)を図面に従って説明する。
Embodiments of the present invention (hereinafter, referred to as embodiments) will be described below with reference to the drawings.

【0006】図1は本発明を適用したサーマルインクジ
ェットプリントヘッド用のイジェクタの一部を大幅に簡
略化した斜視図である。図示するイジェクタは1つだけ
であるが、実際のサーマルインクジェットプリントヘッ
ドは図示するようなイジェクタを100個以上含み、普
通は1インチあたり300個から600個のイジェクタ
が間隔をあけて配置される。図1に示すイジェクタの構
成はいわゆるサイドシュータプリントヘッド(side-shoo
ter printhead)として知られるもので、イジェクタ群を
形成する通路が互いに結合された2つのチップ間に設け
られる。プリントヘッドはヒータチップ10を含む。こ
のヒータチップ10は、その主表面において点線12で
示すいわゆるチャネルチップ(channel chip)と接合され
る。ヒータチップ10の設計は当該技術分野で公知の半
導体チップ設計であり、その主表面上に参照番号14で
示すような任意の数のヒータが形成されている。通常、
プリントヘッドの各イジェクタごとに加熱手段としての
ヒータ14が1つ設けられる。ヒータチップ10の主表
面上の各ヒータ14に対向する位置には通路16が設け
られる。この通路はチャネルチップ12に溝として形成
される。チャネルチップ12は、当該技術分野で公知の
金属材料、セラミック、プラスチックのうち任意の材料
から形成できる。ヒータチップ10とチャネルチップ1
2とを当接させると、各通路16は隣接するヒータチッ
プ10の表面によって完全な通路となり、このように形
成された通路の内側のヒータ14上にはヒータ面が図1
に示すように配置される。
FIG. 1 is a greatly simplified perspective view of a part of an ejector for a thermal ink jet print head to which the present invention is applied. Although only one ejector is shown, an actual thermal ink jet printhead would include more than 100 ejectors as shown, and typically 300 to 600 ejectors per inch would be spaced apart. The structure of the ejector shown in FIG. 1 is a so-called side-shooter print head.
Known as ter printhead, a passage forming an ejector group is provided between two chips joined together. The print head includes a heater chip 10. The heater chip 10 is joined on its main surface to a so-called channel chip indicated by a dotted line 12. The design of the heater chip 10 is a semiconductor chip design known in the art, with an arbitrary number of heaters formed on its major surface as indicated by reference numeral 14. Normal,
One heater 14 is provided as a heating means for each ejector of the print head. A passage 16 is provided on the main surface of the heater chip 10 at a position facing each heater 14. This passage is formed as a groove in the channel chip 12. The channel chip 12 can be formed from any of metal materials, ceramics, and plastics known in the art. Heater chip 10 and channel chip 1
2, each passage 16 becomes a complete passage by the surface of the adjacent heater chip 10, and a heater surface is provided on the heater 14 inside the passage thus formed as shown in FIG.
Are arranged as shown in FIG.

【0007】図2は図1のA−A線に沿った縦断面図で
あり、本発明を組み入れる実際のヒータ14に不可欠な
層群を詳細に示す。上述のとおり、ヒータ14は好まし
くはドーピングされて抵抗の働きをするポリシリコン層
である。ヒータ14は電圧がかかると発熱し、その熱は
ヒータ表面よりプリントヘッド内部の液体インクへ伝え
られる。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view taken along the line AA of FIG. 1 and shows in detail the layers that are integral to the actual heater 14 incorporating the present invention. As mentioned above, heater 14 is preferably a polysilicon layer that is doped and acts as a resistor. The heater 14 generates heat when voltage is applied, and the heat is transmitted from the surface of the heater to the liquid ink inside the print head.

【0008】一般には、基本となるポリシリコン層に加
えて、これを保護する1層以上の保護層が設けられる。
この保護層は、ヒータ14に抗して通路16中に残留す
る液体インクにより、ヒータ14が損傷を受けたり、侵
食されることを防止する。典型的な保護層は、窒化層2
0とスパッタリングしたタンタルからなる最上層22を
含む。これら複数の保護層のうちの1層以上の層はヒー
タチップ10を形成する基板の主表面と同平面に形成さ
れてもよく、またはヒータチップ10の主表面から上方
に突き出してもよく、さらにはポリイミド等からなる任
意の枚数の平面化層(図示せず)をさらに設けてもよ
い。サーマルインクジェットプリントヘッドの一般的な
例では、蒸気泡形成効率をあげるために、ヒータ14は
ポリイミド層で形成される小さな窪み(pit)中に設けら
れる。
Generally, in addition to a basic polysilicon layer, one or more protective layers for protecting the same are provided.
The protective layer prevents the heater 14 from being damaged or eroded by the liquid ink remaining in the passage 16 against the heater 14. A typical protective layer is a nitride layer 2
0 and a top layer 22 of sputtered tantalum. One or more of the plurality of protective layers may be formed on the same plane as the main surface of the substrate on which the heater chip 10 is formed, or may protrude upward from the main surface of the heater chip 10. May further be provided with an arbitrary number of planarizing layers (not shown) made of polyimide or the like. In a typical example of a thermal ink jet printhead, the heater 14 is provided in a small pit formed by a polyimide layer to increase vapor bubble formation efficiency.

【0009】本実施形態においては、ヒータ14を形成
するポリシリコンと、ヒータチップ10の基板の大部分
を形成している未ドープシリコンとの間に、断熱層24
が設けられる。好適には、この断熱層24は断熱層とし
てのみ機能し、ヒータチップ10上の各構造に電気的に
接続されることはまったくない。この断熱層24は単に
熱伝導率のやや低い領域を提供するだけであり、これに
よりヒータ14で発生した熱が、ヒータチップ10の大
部分を形成している末ドープシリコン中へ大量に流れ込
むことを防止できる。好適には、断熱層24は耐熱材
料、好ましくは二酸化シリコンまたは窒化シリコンから
構成される。この耐熱材料はドーパントでドーピングさ
れる。好適なドーパントにはインジウム、鉛、リン、ア
ンチモンおよび砒素がある。以下に説明するように、こ
れらドーパントは耐熱材料の熱伝導率を下げる上で重要
な効果をもつ。
In the present embodiment, a heat insulating layer 24 is provided between polysilicon forming the heater 14 and undoped silicon forming the majority of the substrate of the heater chip 10.
Is provided. Preferably, the heat insulating layer 24 functions only as a heat insulating layer, and is not electrically connected to each structure on the heater chip 10 at all. This thermal insulation layer 24 merely provides a region of lower thermal conductivity, which allows the heat generated by the heater 14 to flow in large quantities into the doped silicon which forms the majority of the heater chip 10. Can be prevented. Suitably, the thermal insulation layer 24 is comprised of a refractory material, preferably silicon dioxide or silicon nitride. This refractory material is doped with a dopant. Suitable dopants include indium, lead, phosphorus, antimony and arsenic. As described below, these dopants have an important effect in lowering the thermal conductivity of a heat-resistant material.

【0010】ある絶縁体の熱伝導率Kは理論的には次の
式で表される。
The thermal conductivity K of an insulator is theoretically expressed by the following equation.

【0011】K=(CVSL)/3 ただしCVは材料固有の単位体積の熱容量、VSは材料を
通過する平均音速、Lは材料を通過するフォノンの平均
自由行路を示す。
K = (C V V S L) / 3 where C V is the heat capacity of a unit volume specific to the material, V S is the average speed of sound passing through the material, and L is the mean free path of phonons passing through the material.

【0012】二酸化シリコン等のシリコン結晶中で通常
見られる格子は、結晶中の音波の伝達に好都合な経路と
なる。結晶中で音波を散乱させるものは該材料中を伝わ
るフォノンの平均自由行路を短くし、上記の式に従って
熱伝導率Kを小さくする。二酸化シリコンまたは窒化シ
リコンに導入されるリン、鉛、アンチモン、または砒素
等のドーパントは格子内でフォノンの散乱の中心とな
り、熱伝導率を下げる。同様に、粒界やそれによって生
じる材料の非均一性によっても熱伝導率は小さくなる。
Lattice normally found in silicon crystals, such as silicon dioxide, provides a convenient path for transmitting sound waves through the crystal. Those that scatter sound waves in the crystal shorten the mean free path of phonons propagating in the material and reduce the thermal conductivity K according to the above equation. Dopants such as phosphorus, lead, antimony, or arsenic introduced into silicon dioxide or silicon nitride become centers of phonon scattering in the lattice and reduce thermal conductivity. Similarly, thermal conductivity is also reduced by grain boundaries and the resulting non-uniformity of the material.

【0013】二酸化シリコンまたは窒化シリコンをドー
パントでドーピングする場合、電子または正孔などの熱
キャリヤをさらに形成することは避けた方がよい。断熱
層24中の好適なドーピングレベルは10%つまり10
20/cm3 以下である。
When doping silicon dioxide or silicon nitride with a dopant, it is better to avoid further formation of thermal carriers such as electrons or holes. A preferred doping level in the insulating layer 24 is 10% or 10%.
20 / cm 3 or less.

【0014】ヒータ14とヒータチップ10の未ドープ
シリコンとの間の断熱層の厚さは2μm未満または1μ
m未満でもよい。厚さ0.5μmの断熱層24の熱絶縁
特性は、ほぼその3倍の厚さの未ドープ二酸化シリコン
層と同じであることがわかっている。
The thickness of the heat insulating layer between the heater 14 and the undoped silicon of the heater chip 10 is less than 2 μm or 1 μm.
m. It has been found that the thermal insulation properties of the 0.5 μm thick thermal insulation layer 24 are similar to an undoped silicon dioxide layer approximately three times as thick.

【0015】上記の例では断熱層24のヒータチップ1
0表面上での面積はヒータ14とほぼ同じだが、断熱層
24をヒータ14の境界を越えて広げたり、または反対
にヒータ14の一部の下側だけに設けてもよい。
In the above example, the heater chip 1 of the heat insulating layer 24
The area on the zero surface is almost the same as that of the heater 14, but the heat insulating layer 24 may extend beyond the boundary of the heater 14, or may be provided only on the lower side of a part of the heater 14.

【0016】以上の構造を用いて本発明を説明したが、
本発明はこの実施形態だけに限らず、前掲の特許請求の
範囲に含まれる変形や変更が可能である。
Although the present invention has been described using the above structure,
The present invention is not limited to this embodiment, but can be modified and changed within the scope of the appended claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 サーマルインクジェットプリントヘッドに設
置されうるイジェクタの1つを単純化した斜視図であ
る。
FIG. 1 is a simplified perspective view of one of the ejectors that can be installed in a thermal inkjet printhead.

【図2】 本発明に従う熱絶縁された加熱要素の主要部
分を示す、図1のA−A線に沿った縦断面図である。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view, taken along line AA of FIG. 1, showing the main parts of a heat-insulated heating element according to the invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 ヒータチップ、12 チャネルチップ、14 ヒ
ータ、24 断熱層。
10 heater chips, 12 channel chips, 14 heaters, 24 heat insulating layers.

フロントページの続き (72)発明者 ソフィー ブイ バンデボレーク アメリカ合衆国 ニューヨーク州 ペンフ ィールド パインブロック サークル 58Continued on the front page (72) Inventor Sophie Buoy Bandeborake Pennfield Pineblock Circle, New York, USA 58

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも1つのイジェクタを備えるサ
ーマルインクジェットプリントヘッドであって、前記イ
ジェクタは、 前記プリントヘッド内部の液体インクに熱を伝達するよ
う構成された主表面を規定する加熱手段と、 前記加熱手段に隣接し、前記加熱手段の主表面の反対側
に配置され、結晶格子を破壊するドーパントでドーピン
グされた二酸化シリコンおよび窒化シリコンからなるグ
ループから選択される材料を含む断熱層と、 を含み、前記ドーパントはインジウム、鉛、リン、アン
チモン、ボロンおよび砒素からなるグループから選択さ
れる、プリントヘッド。
1. A thermal inkjet printhead comprising at least one ejector, the ejector comprising: heating means defining a major surface configured to transfer heat to liquid ink within the printhead; A thermal insulation layer disposed adjacent to the means and opposite the major surface of the heating means and comprising a material selected from the group consisting of silicon dioxide and silicon nitride doped with a dopant that disrupts the crystal lattice; The printhead, wherein the dopant is selected from the group consisting of indium, lead, phosphorus, antimony, boron and arsenic.
【請求項2】 請求項1に記載のプリントヘッドにおい
て、前記断熱層中のドーパントの割合は10%以下であ
ることを特徴とするプリントヘッド。
2. The print head according to claim 1, wherein a ratio of the dopant in the heat insulating layer is 10% or less.
【請求項3】 請求項1に記載のプリントヘッドにおい
て、前記断熱層には電気的正孔が存在しないことを特徴
とするプリントヘッド。
3. The printhead according to claim 1, wherein the heat insulating layer has no electrical holes.
JP9587297A 1996-06-17 1997-04-14 Thermal ink jet printing head Withdrawn JPH1034931A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US66470396A 1996-06-17 1996-06-17
US08/664,703 1996-06-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH1034931A true JPH1034931A (en) 1998-02-10

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ID=24667104

Family Applications (1)

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JP9587297A Withdrawn JPH1034931A (en) 1996-06-17 1997-04-14 Thermal ink jet printing head

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JP (1) JPH1034931A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004503377A (en) * 2000-07-13 2004-02-05 セントレ・ナショナル・デ・ラ・レシェルシェ・サイエンティフィーク Thermal injection proportional head, method of manufacturing this head, and functionalized or addressing system equipped with this head
CN102198753A (en) * 2010-03-26 2011-09-28 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 Heating grid region structure and production method in ink-jet printer

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2004503377A (en) * 2000-07-13 2004-02-05 セントレ・ナショナル・デ・ラ・レシェルシェ・サイエンティフィーク Thermal injection proportional head, method of manufacturing this head, and functionalized or addressing system equipped with this head
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Effective date: 20040706