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Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet digital gesteuerter Druckvorrichtungen
und insbesondere mit flüssiger
Tinte arbeitende Druckköpfe,
bei denen eine Vielzahl von Düsen
auf einem gemeinsamen Substrat zusammengefasst wird und bei denen für die Auswahl
eines Flüssigkeitstropfens
zum Drucken thermomechanische Mittel eingesetzt werden.
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Tintenstrahldrucker
haben sich im Markt für digital
gesteuerte elektronische Druckvorrichtungen u.a. deswegen durchgesetzt,
weil sie berührungsfrei und
geräuscharm
arbeiten und sich durch die Einfachheit ihres Systemaufbaus auszeichnen.
Aus diesen Gründen
haben sie breite Akzeptanz bei privaten Benutzern, im Büro und in
anderen Bereichen gefunden.
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Tintenstrahldrucker
lassen sich einteilen in Drucker, die mit kontinuierlichem Strahl
arbeiten (CIJ = Continuous Ink Jet) und Drucker, die einen Tropfen auf
Anforderung ausstoßen
(DOD = Drop-on-Demand). US-A-3 946 398, Kyser u.a., 1970, offenbart einen
DOD-Tintenstrahldrucker, bei dem an einen piezoelektrischen Kristall
eine hohe Spannung angelegt wird, sodass sich der Kristall biegt,
dadurch ein Tintenreservoir mit Druck beaufschlagt und Tropfen auf
Anforderung ausstößt. Piezoelektrische DOD-Drucker
werden mit Bildauflösungen
von mehr als 720 Punkten pro Zoll(dpi = dots per inch) wirtschaftlich
erfolgreich für
den privaten Gebrauch und im Büro
eingesetzt. Piezoelektrische Drucker erfordern jedoch im Allgemeinen
komplexe Hochspannungsansteuerungen und sperrige piezoelektrische Kristallanordnungen,
was hinsichtlich der Anzahl der Düsen pro Längeneinheit des Druckkopfs
sowie der Länge
des Druckkopfs ein Nachteil ist. Typische piezoelektrische Druckköpfe weisen
bestenfalls ein paar Hundert Düsen
auf.
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GB-A-2
007 162, Endo u.a. 1979, offenbart einen nach dem Drop-on-demand-Verfahren
(Tropfen auf Anforderung) arbeitenden elektrothermischen Tintenstrahldrucker,
bei dem eine Heizeinrichtung, die mit Tinte auf wässriger
Basis in einer Düse
in thermischer Berührung
steht, mit einem elektrischen Impuls beaufschlagt wird. Durch rasche
Verdampfung einer kleinen Tintenmenge wird eine Blase erzeugt, die
bewirkt, dass aus kleinen Öffnungen
entlang einer Kante eines Heizsubstrats ein Tintentropfen ausgestoßen wird.
Diese Technik ist als Thermotintenstrahl- oder Dampfblasenstrahldruck
bekannt. Beim Thermotintenstrahldruck muss die Heizeinrichtung in der
Regel einen Energieimpuls erzeugen, der ausreicht, die Tinte auf
eine Temperatur von annähernd 400°C aufzuheizen,
um eine rasche Blasenbildung zu erzielen. Die für diese Vorrichtung erforderlichen hohen
Temperaturen bedingen die Verwendung von Spezialtinten, komplizieren
die Treiberelektronik und beschleunigen die Zustandsverschlechterung
von Heizelementen durch Kavitation und Kogation. Kogation ist die
Ansammlung von bei der Tintenverbrennung entstehenden Nebenprodukten,
welche die Heizeinrichtung verkrusten. Solche Verkrustungen beeinträchtigen
den thermischen Wirkungsgrad der Heizeinrichtung und verkürzen dadurch
die Betriebslebensdauer des Druckkopfs. Außerdem steht der hohe Stromverbrauch
für den
Betrieb der einzelnen Heizeinrichtungen der Herstellung kostengünstiger Hochleistungsdruckköpfe im Seitenbreitenformat entgegen.
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Der
Tintenstrahldruck mit kontinuierlichem Strahl als solcher geht mindestens
auf das Jahr 1929 zurück,
wie das in diesem Jahr Hansell erteilte US-Patent 1 941 001 zeigt.
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US-A-3
373 437, Sweet u.a., März
1968, offenbart eine Anordnung von kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldüsen, bei
der die zu druckenden Tropfen wahlweise elektrisch aufgeladen und
auf das Aufzeichnungsmedium umgelenkt werden. Diese als kontinuierlicher
Tintenstrahldruck mit binärer
Umlenkung bekannte Technik wird von mehreren Herstellern verwendet,
darunter Elmjet und Scitex.
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USA-3
416 153, Hertz u. a., Dezember 1968, offenbart ein Verfahren zur
Variierung der optischen Dichte gedruckter Punkte für den Tintenstrahldruck mit
kontinuierlichem Strahl. Durch elektrostatische Auflösung eines
Stroms aufgeladener Tropfen wird die Anzahl der durch eine kleine Öffnung gelangenden
Tröpfchen
moduliert. Diese Technik wird bei Tintenstrahldruckern des Herstellers
Iris eingesetzt.
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Das
Carl H. Hertz am 24. August 1982 erteilte US-Patent Nr. 4 346 387
mit dem Titel METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING THE ELECTRIC
CHARGE ON DROPLETS AND INK JET RECORDER INCORPORATING THE SAME offenbart
ein CIJ-System zum Steuern der elektrostatischen Ladung von Tröpfchen.
Die Tröpfchen
werden durch Aufbrechen eines mit Druck beaufschlagten Flüssigkeitsstroms
an einer Tropfenbildungsstelle in einem elektrostatischen Ladetunnel
mit einem elektrischen Feld gebildet. Die Tropfenbildung erfolgt
an einer Stelle im elektrischen Feld, die der jeweils gewünschten
vorgegebenen Ladung entspricht. Zusätzlich zu Ladetunneln werden
für die
eigentliche Umlenkung der Tropfen Umlenkbleche eingesetzt. Bei dem
Hertz-System müssen
die erzeugten Tröpfchen
elektrisch geladen und dann in eine Rinne oder auf das Druckmedium
umgelenkt werden. Die Lade- und Umlenkeinrichtungen benötigen viel
Platz und schränken
die Anzahl von Düsen
pro Druckkopf drastisch ein.
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Bis
in jüngster
Zeit arbeiteten alle herkömmlichen
kontinuierlichen Tintenstrahltechniken in der einen oder anderen
Form mit elektrostatischen Ladetunneln, die in unmittelbarer Nähe der Stelle,
an der die Tropfen im Strom gebildet werden, angeordnet wurden.
In den Tunneln können
Tropfen wahlweise individuell aufgeladen werden. Die ausgewählten Tropfen
werden aufgeladen und stromabwärts
von Umlenkblechen, zwischen denen ein hoher Potentialunterschied
besteht, umgelenkt. In der Regel wird eine (manchmal auch als "Fangeinrichtung" bezeichnete) Rinne
verwendet, um die aufgeladenen Tropfen abzufangen und den Drucker
in einen nichtdruckenden Modus zu versetzen, während die nicht aufgeladenen
Tropfen nach Umlenkung des Tintenstroms zwischen dem nichtdruckenden
Modus und dem druckenden Modus im druckenden Modus ungehindert auf
das Aufzeichnungsmedium gelangen können.
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Im
Vergleich zu der Spannung, die für
herkömmliche
CMOS-Schaltungen allgemein als schädlich angesehen wird, in der
Regel 25 Volt oder weniger, arbeiten die Ladetunnel und Tropfenumlenkbleche
kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldrucker bei hohen Spannungen,
z.B. 100 Volt oder mehr. Außerdem
müssen
die Tinten in kontinuierlich arbeitenden elektrostatischen Tintenstrahldruckern
leitend sein und Strom führen.
Wie der Fachmann weiß,
ist es in der Halbleiterfertigung unter dem Gesichtspunkt der Zuverlässigkeit
nicht wünschenswert,
stromführende Flüssigkeiten
mit Halbleiterflächen
in Berührung
gelangen zu lassen. Aus diesem Grunde wurde die Herstellung von
CMOS-Schaltungen bisher nicht generell in die Herstellung von kontinuierlich
arbeitenden Tintenstrahldruckköpfen
integriert.
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Kürzlich wurde
ein neues, mit einem kontinuierlichen Tintenstrahl arbeitendes Tintenstrahldruckersystem
entwickelt, das die oben beschriebenen elektrostatischen Ladetunnel überflüssig macht.
Es stellt außerdem
eine bessere Verbindung zwischen den Funktionen (1) Tropfenbildung
und (2) Tropfenumlenkung her. Das System wird in dem von James Chwalek
u.a. eingereichten, gemeinsam abgetretenen US-Patent 6 079 821 mit
dem Titel CONTINUOUS INK JET PRINTER WITH ASYMMETRIC HEATING DROP
DEFLECTION offenbart, dessen Inhalt hiermit durch Verweis zu einem
Bestandteil der vorliegenden Anmeldung erklärt wird. Dieses Patent offenbart
ein Gerät
zum Steuern der Tinte in einem mit kontinuierlichem Strahl arbeitenden
Tintenstrahldrucker. Das Gerät
umfasst einen Tintenzuführungskanal,
eine Quelle mit Druck beaufschlagter Tinte, die mit dem Tintenzuführungskanal
in Verbindung steht, und eine Düse
mit einem in den Tintenzuführungskanal
mündenden
Loch, aus dem ein kontinuierlicher Tintenstrom austritt. Durch periodische
Beaufschlagung des Stroms mit schwachen Wärmeimpulsen mittels einer Heizeinrichtung
wird der Tintenstrom synchron mit den angelegten Wärmeimpulsen
und mit Abstand zur Düse
in eine Vielzahl von Tröpfchen aufgelöst. Um die
Tröpfchen
umzulenken, werden die von der Heizeinrichtung (im Düsenloch)
abgegebenen Wärmeimpulse
verstärkt.
Die Heizeinrichtung weist einen wahlweise zu betätigenden Abschnitt auf, der
nur einem Teil des Düsenlochs
zugeordnet ist. Durch wahlweise Betätigung eines bestimmten Abschnitts
der Heizeinrichtung wird der Strom asymmetrisch mit Wärme beaufschlagt.
Durch abwechselnde Betätigung
der einzelnen Abschnitte kann die Richtung, in der diese asymmetrische
Wärme zugeführt wird,
verändert
werden. Von dieser Möglichkeit
wird Gebrauch gemacht, um u. a. Tintentropfen zwischen einer "druckenden" Richtung (auf das
Aufzeichnungsmedium) und einer "nichtdruckenden" Richtung (zurück in eine "Fangeinrichtung") umzulenken. Das
Patent von Chwalek u. a. schafft somit ein Flüssigkeitsdrucksystem, das hinsichtlich
der Überwindung
der bei den bekannten Druckvorrichtungen zu verzeichnenden Probleme
bezüglich
der Anzahl der Düsen
pro Druckkopf, der Länge
des Druckkopfs, des Stromverbrauchs und der Eigenschaften brauchbarer
Tinten erhebliche Verbesserungen bietet.
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Asymmetrisch
aufgebrachte Wärme
bewirkt eine Umlenkung des Tintenstroms, deren Größe von mehreren
Faktoren, wie zum Beispiel den geometrischen und thermischen Eigenschaften
der Düsen, der
aufgebrachten Wärmemenge,
der Druckbeaufschlagung und den physikalischen, chemischen und thermischen
Eigenschaften der Tinte, abhängt.
Während
Tinten auf Lösungsmittelbasis
(insbesondere Alkoholbasis) sich recht gut umlenken lassen (siehe diesbezüglich US-A-6
247 801 B1, Trauernicht u. a.) und in asymmetrisch beheizten Tintenstrahldruckern mit
kontinuierlichem Strahl Bilder hoher Qualität liefern, ist dies bei Tinten
auf wässriger
Basis schwieriger. Tinten auf wässriger
Basis lassen sich nicht im gleichen Maße umlenken und sind daher
störanfälliger.
Zur Verstärkung
der Tintentropfenumlenkung in asymmetrisch beheizten Drucksystemen
mit kontinuierlichem Tintenstrahl wird in dem von Delametter u.a.
eingereichten, gemeinsam abgetretenen Patent
EP 1 110 732 A2 ein mit
kontinuierlichem Strahl arbeitender Tintestrahldrucker offenbart,
bei dem zur Verbesserung der Tintentropfenumlenkung, insbesondere
für Tinten
auf wässriger
Basis, durch ein geometrisches Hindernis im Tintenzuführungskanal bessere
Querströmungseigenschaften
erzielt werden.
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Ferner
offenbart
EP 106 0890
A2 eine Vorrichtung zum Steuern von Tinte. Ein Tintenstrahldrucker
umfasst einen Druckkopf, in dem die Tinte über einem Düsenloch einen Meniskus bildet
und sich entlang einer oberen Fläche
des Druckkopfs ausbreitet. Der Druckkopf weist ein Substrat mit
einer oberen Fläche,
einen Tintenzuführungskanal
unter dem Substrat und ein sich durch das Substrat erstreckendes Düsenloch
auf. Eine Öffnung
unter dem Substrat stellt eine Bahn her, über die Tinte in den Tintenzuführungskanal
fließt.
Eine Quelle mit Druck beaufschlagter Tinte steht mit dem Tintenzuführungskanal in
Verbindung, derart, dass die Tinte tendenziell an der oberen Fläche des
Heizelements einen Meniskus bildet. Ein Widerstandsheizelement umschließt mindestens
einen Teil des Düsenlochs.
Das Heizelement weist eine obere Fläche auf, die koplanar zum umschließenden Teil
der oberen Fläche
des Substrats verläuft,
sodass der Druckkopf in Bereichen entlang einer Linie, an der die
Tinte des Meniskus den Festkörper
berührt,
plan ausgebildet ist.
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Die
vorliegende Erfindung baut insofern auf der Arbeit von Chwalek u.a.
und Delametter u.a. auf, als sie mit kontinuierlichem Strahl arbeitende
Tintenstrahldruckköpfe
schafft, die sich kostengünstig
und vorzugsweise im Seitenbreitenformat herstellen lassen.
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Obwohl
die Erfindung auch mit Tintenstrahldruckköpfen in einem anderen Format
verwirklicht werden kann, bleibt festzuhalten, dass der Bedarf für verbesserte
Tintenstrahldrucksysteme, die beispielsweise Vorteile hinsichtlich
Kosten, Größe, Geschwindigkeit,
Qualität,
Zuverlässigkeit,
kleiner Düsenmündung, kleiner
Tropfengröße, geringem
Stromverbrauch, einfachem Aufbau, Haltbarkeit und Herstellbarkeit
bieten, nach wie vor groß ist.
Insbesondere die Möglichkeit,
hoch auflösende
Tintenstrahldruckköpfe
im Seitenbreitenformat herstellen zu können, ist seit langem gefragt.
Mit Druckköpfen "im Seitenbreitenformat" sind hier Druckköpfe mit
einer Mindestlänge
von etwa 4 Zoll gemeint. Mit hoher Auflösung ist hier für jede Tintenfarbe
eine Düsendichte von
mindestens etwa 300 Düsen
pro Zoll bis maximal etwa 2400 Düsen
pro Zoll gemeint.
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Um
die Vorteile von Druckköpfen
im Seitenbreitenformat hinsichtlich höherer Druckgeschwindigkeit
voll zu nutzen, müssen
diese eine große
Anzahl von Düsen
enthalten. Ein herkömmlicher
scannender Druckkopf weist möglicherweise
nur ein paar Hundert Düsen
pro Tintenfarbe auf. Ein für
den Ausdruck von Fotos geeigneter vier Zoll breiter Druckkopf im
Seitenbreitenformat sollte ein paar Tausend Düsen aufweisen. Während ein
scannender Druckkopf langsamer ist, weil er mechanisch über die
Seite bewegt werden muss, muss sich ein Druckkopf im Seitenbreitenformat
nicht bewegen, weil das Papier an ihm vorbeigeführt wird. Das Bild kann theoretisch in
einem einzigen Durchlauf gedruckt werden, was die Druckgeschwindigkeit
wesentlich erhöht.
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Bei
der Realisierung von Hochleistungstintenstrahldruckköpfen im
Seitenbreitenformat stellen sich vor allem zwei Probleme. Zum einen
müssen
die Düsen
sehr eng zueinander, mit einem Mittenabstand in der Größenordnung
von 10 bis 80 μm,
angeordnet werden. Zum anderen müssen
die Treiber, welche die Heizeinrichtungen und die Steuerelektronik
für jede
Düse mit
Strom versorgen, jeweils in die Düse integriert werden, weil
die Herstellung tausender von Kontaktierungen oder anderen Verbindungen mit
externen Schaltkreisen zur Zeit eine unlösbare Aufgabe darstellt.
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Eine
Möglichkeit,
diese Probleme zu lösen, besteht
darin, die Druckköpfe
in VLSI-Technik auf Siliciumscheiben aufzubauen und die CMOS-Schaltkreise
auf demselben Siliciumsubstrat mit den Düsen zu integrieren.
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Für die Herstellung
der Druckköpfe
kann zwar ein eigener Prozess entwickelt werden, wie in dem Silverbrook-Patent
US-A-S 880 759 vorgeschlagen, kostengünstiger und fertigungstechnisch
einfacher ist jedoch eine Lösung,
bei der zuerst in einer herkömmlichen
VLSI-Anlage die Schaltkreise mit einem annähernd normalen CMOS-Prozess
hergestellt werden. Die Scheiben können dann in einer getrennten
MEMS(mikroelektromechanischen)-Anlage für die Herstellung der Tintenkanäle weiter
verarbeitet werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tintenstrahldruckkopf
zu schaffen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zum Betreiben eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckkopfs
zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung
eines Verfahrens zum Ausbilden eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckkopfs.
Gelöst
werden diese Aufgaben durch die in den folgenden Ansprüchen definierte Erfindung.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Teilaufsicht eines erfindungsgemäß hergestellten Druckkopfs.
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1A eine
vereinfachte Aufsicht einer Düse
mit einem "Kerb"-Heizelement für einen
erfindungsgemäßen CIJ-Druckkopf.
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1B eine
vereinfachte Aufsicht einer Düse
mit einem geteilten Heizelement für einen erfindungsgemäß hergestellten
CIJ-Druckkopf.
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2 eine
Querschnittsansicht einer Düse mit
einem Kerb-Heizelement und die Arbeitsweise einer Ablaufrinne zum
Auffangen nicht umgelenkter Tropfen.
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3 eine
vereinfachte schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B in 1A,
die den Düsenbereich
am Ende des Fertigungsablaufs in einer nicht erfindungsgemäßen VLSI-CMOS-Anlage zeigt.
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4 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B einer erfindungsgemäß hergestellten
CMOS-kompatiblen Düse.
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5 eine
schematische perspektivische Ansicht der in 4 dargestellten
Düse mit
einem mittigen Kanal, der sich durch das Siliciumsubstrat erstreckt.
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6 eine
Ansicht, die der in 5 dargestellten Ansicht ähnelt, jedoch
in der Siliciumscheibe ausgebildete Rippenkonstruktionen zeigt,
welche die einzelnen Düsen
trennen und die Festigkeit der Konstruktion erhöhen und die Bildung von Wellen
im Tintenkanal verringern.
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7 eine
Ansicht, die der in 4 dargestellten Ansicht ähnelt, jedoch
die in 6 dargestellten in der Siliciumscheibe ausgebildeten
Rippenkonstruktionen zeigt.
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8 eine
vereinfachte Darstellung der Aufsicht eines Tintenstrahldruckkopfs
mit einer kleinen Anordnung von Düsen, die das Konzept der Bereitstellung
von Siliciumrippen in den Tintenkanälen zwischen benachbarten Düsen und
einer Querströmungsblockierkonstruktion
im Siliciumsubstrat gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht. Die Rippenkonstruktion und die Blockierkonstruktion
sind in dieser Ansicht an sich nicht sichtbar, aber zum besseren
Verständnis
ebenfalls dargestellt.
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9 eine
schematische perspektivische Ansicht der in 8 dargestellten
Ausführungsform, die
einen Tintenstrahldruckkopf mit Siliciumrippenkonstruktionen und
einer Querströmungsblockierkonstruktion
aus Silicium zeigt.
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10 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie A-A im Düsenbereich
gemäß 1A nach
weiterer Ausbildung der Querströmungsblockiervorrichtung
aus Silicium gemäß der in 9 dargestellten
Ausführungsform.
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11 eine
schematische Querschnittsansicht entlang der Linie B-B im Düsenbereich
gemäß 1A nach
Ausbildung des Siliciumblocks zur Erzeugung der Querströmung unter
Verwendung eines "Footing"-Effekts zum Entfernen
von Silicium am oberen Ende der Blockierkonstruktion.
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12 eine
schematische Querschnittsansicht entlang der Linie B-B im Düsenbereich
nach Ausbildung des Siliciumblocks zur Erzeugung der Querströmung bei
Einsatz eines oberseitigen Fertigungverfahrens.
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13 eine
schematische Ansicht eines beispielhaften kontinuierlich arbeitenden
Tintenstrahldruckkopfs und einer Düsenanordnung während ein Druckmedium
(z.B. Papier) unter dem Tintenstrahldruckkopf durchrollt oder transportiert
wird.
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14 eine
perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß ausgebildeten CMOS/MEMS Druckkopfs
auf einem Stützsubstrat,
in das Tinte gefördert wird.
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15 eine
schematische Ansicht einer Reihe von Düsenlöchern und deren jeweiliger
Anordnung in einer Ausnehmung in einer Isolierschicht bzw. Isolierschichten,
die das Siliciumsubstrat überlagert
bzw. überlagern.
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Die
folgende Beschreibung konzentriert sich auf Elemente, die Bestandteil
des erfindungsgemäßen Geräts sind
oder mit diesem unmittelbar zusammenwirken.
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Im
Einzelnen hier nicht dargestellte oder beschriebene Elemente können die
verschiedensten, dem Fachmann bekannten Formen annehmen.
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In 13 wird
ein mit einem kontinuierlichem Strahl arbeitendes Tintenstrahldruckersystem als
Ganzes mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. In den Druckkopf 10a,
von dem eine Anordnung von Düsen 20 ausgeht,
sind Heizelement-Steuerschaltungen eingebaut (nicht dargestellt).
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Die
Heizelement-Steuerschaltungen lesen Daten aus einem Bildspeicher
aus und senden getaktete elektrische Impulse an die Heizelemente
der Düsen
der Düsenanordnung 20.
Mit diesen Impulsen wird die entsprechende Düse während einer entsprechenden
Zeitdauer beaufschlagt, sodass aus einem kontinuierlichen Tintenstrahlstrom
gebildete Tropfen auf einem Empfangsmedium 13 an der von
den Daten aus dem Bildspeicher bestimmten richtigen Stelle Punkte
bilden. Unter Druck stehende Tinte strömt aus einem Tintenreservoir
(nicht darge stellt) zu einem im Element 14 ausgebildeten
Tintenzuführungskanal
und durch die Düsenanordnung 20 weiter
zum Aufzeichnungsmedium 13 oder zu der Rinne 19.
Die Tintenrinne 19 ist so konfiguriert, dass nicht umgelenkte
Tintentröpfchen 11 eingefangen
werden, während
umgelenkte Tröpfchen 12 auf
ein Aufzeichnungsmedium gelangen können. Die allgemeine Beschreibung
des mit kontinuierlichem Strahl arbeitenden Tintenstrahldruckersystems
gemäß 13 kann auch
als allgemeine Beschreibung des erfindungsgemäßen Druckersystems dienen.
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1 zeigt
eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckkopfs.
Der Druckkopf umfasst eine Anordnung von Düsen 1a–1d in
einer geradlinigen oder gestaffelten Konfiguration. Jede Düse wird
von einem logischen UND-Glied (2a–2d) adressiert, das
jeweils eine logische Schaltung und einen Treibertransistor (nicht
dargestellt) für
das Heizelement enthält.
Die logische Schaltung bewirkt, dass sich ein entsprechender Treibertransistor
einschaltet, wenn ein entsprechendes Signal auf einer entsprechenden
Dateneingangsleitung (3a–3d) zum UND-Glied
(2a-2d) und den mit dem logischen Glied verbundenen entsprechenden
Freigabetaktleitungen (5a–5d) sich beide im
logischen Zustand EINS befinden. Ferner bestimmen Signale auf den
Freigabetaktleitungen (5a–5d) die jeweilige
Zeitdauer, während
der elektrischer Strom durch die Heizelemente in den entsprechenden
Düsen 1a–1d fließt. Daten zum
Ansteuern des Treibertransistors für das Heizelement können aus
den in ein Daten-Schieberegister 6 eingegebenen verarbeiteten
Bilddaten bereitgestellt werden. Das Verriegelungsregister 7a–7d empfängt in Abhängigkeit
von einem Verriegelungs-Taktgeber die Daten aus einer entsprechenden
Schieberegisterstufe und stellt auf den Leitungen 3a–3d ein für das jeweilige
verriegelte Signal repräsentatives Signal
(logisch EINS oder NULL) bereit, das bestimmt, ob ein Punkt auf
einem Empfangsmaterial gedruckt werden soll oder nicht. In der dritten
Düse definieren
die Linien A-A und B-B die Richtung, in der die Querschnittsansichten
verlaufen.
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1A und 1B zeigen
detailliertere Aufsichten der beiden in CIJ Druckköpfen verwendeten Heizelementausführungen
("mit Kerbe" und "geteilt"). Sie erzeugen eine
asymmetrische Aufheizung und infolgedessen Umlenkung des Tintenstrahls.
Bei einem geteilten Heizelement bedeutet asymmetrische Aufheizung
lediglich, dass dem einen oder dem anderen Abschnitt des Heizelements
unabhängig
elektrischer Strom zugeführt
wird. Bei einem Heizelement mit Kerbe heizt der zugeführte Strom
die Tinte ausführungsbedingt
asymmetrisch auf. 1A zeigt eine Aufsicht einer
Düse eines
Tintenstrahldruckkopfs mit einem Heizelement mit Kerbe. Das Heizelement
ist angrenzend an die Austrittsöffnung
der Düse
ausgebildet. Mit Ausnahme einer sehr kleinen Kerbe, die gerade ausreicht,
den Fluss des elektrischen Stroms zu unterbrechen, umschließt das Material
des Heizelements im Wesentlichen das gesamte Düsenloch. Diese Düsenlöcher und
die zugehörigen
Heizelemente sind kreisförmig
dargestellt, können
aber auch nicht kreisförmig
ausgebildet sein, wie in der am 17. Dezember 1999 eingereichten,
gemeinsam abgetretenen US-Anmeldung Lfd. Nr. 09/466,346, deren Inhalt
hiermit durch Verweis zu einem Bestandteil der vorliegenden Anmeldung
erklärt wird,
von Jeanmaire u.a. offenbart. Wie ebenfalls aus 1 ersichtlich,
ist eine Seite eines jeden Heizelements mit einer gemeinsamen Sammelleitung
verbunden, die ihrerseits mit der Stromversorgung, in der Regel
+5 V, verbunden ist. Die andere Seite eines jeden Heizelements ist
mit einem logischen UND-Glied verbunden, in dem sich ein MOS-Treibertransistor
befindet, der das Heizelement mit Strom bis zu einer Stromstärke von
30 mA versorgen kann. Das UND-Glied weist zwei logische Eingänge auf. Ein
Eingang kommt von der Verriegelung 7a–d, in der Daten von der entsprechenden
Schieberegisterstufe erfasst sind, die angeben, ob das betreffende
Heizelement während
der aktuellen Zeilenzeit aktiviert werden soll oder nicht. Der andere
Eingang stellt den Freigabe-Taktgeber
dar, der die Zeitdauer und Impulsfolge bestimmt, mit denen das betreffende
Heizelement beaufschlagt wird. In der Regel werden im Druckkopf
mindestens zwei Freigabe-Taktgeber
vorgesehen, damit benachbarte Heizelemente mit geringen Zeitunterschieden
eingeschaltet werden können, um
thermische und andere Kreuzkopplungseffekte zu vermeiden.
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1B zeigt
die Düse
mit einer geteilten Heizung, bei der im Wesentlichen zwei halbkreisförmige Heizelemente
das Düsenloch
an dessen Austrittsöffnung
umschließen.
Getrennte elektrische Leiter verlaufen zu den oberen und unteren
Segmenten eines jeden Halbkreises, wobei mit oberen und unteren
Elementen hier Elemente in derselben Ebene gemeint sind.
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Verbindungslöcher (Durchkontaktierungen) verbinden
die Leiter elektrisch mit den ihnen jeweils zugeordneten Metallschichten.
Diese Metallschichten sind ihrerseits mit einer auf einem Siliciumsubstrat
ausgebildeten Treiberschaltung verbunden, wie im Folgenden beschrieben.
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2 zeigt
eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Düse im Betrieb. Die Düse bewirkt, dass
Tröpfchen
umgelenkt oder nicht umgelenkt werden. Wie oben erwähnt, ist
unter den Düsenlöchern ein
Tintenkanal für
die Zuführung
der Tinte ausgebildet. Die Tintenzuführung erfolgt bei einem Lochdurchmesser
von etwa 8,8 μm
in der Regel mit einem Druck von 15 bis 25 psi unter Verwendung
einer typischen Tinte mit einer Viskosität von max. 4 Zentipoise. Die
Tinte im Zuführungskanal
kommt aus einem druckbeaufschlagten Reservoir (nicht dargestellt)
und steht daher unter Druck. Dieser Druck wird so eingestellt, dass
sich für
die aus den Düsen
austretenden Flüssigkeitsströme die gewünschte Geschwindigkeit
ergibt. Der Druck kann mit einem Tintendruckregler (nicht dargestellt)
konstant gehalten werden. Wenn dem Heizelement kein Strom zugeführt wird,
bildet sich ein geradliniger Strahl, der direkt in die Rinne fließt. An der
Oberfläche
des Druckkopfs bildet sich um jede Düse ein symmetrischer Meniskus,
dessen Durchmesser ein paar μm
größer ist
als der Lochdurchmesser. Wenn das Heizelement mit einem elektrischen
Impuls beaufschlagt wird, verkürzt
sich der Meniskus auf der beheizten Seite, sodass der Strahl in
die vom Heizelement wegführende Richtung
abgelenkt wird. Die sich bildenden Tröpfchen umgehen dann die Rinne
und landen auf dem Empfangsmaterial. Wenn der durch das Heizelement fließende elektrische
Strom auf null zurückgestellt wird,
wird der Meniskus wieder symmetrisch, sodass der Strahl wieder geradlinig
verläuft.
Die Vorrichtung könnte
ebenso gut auch umgekehrt arbeiten. In dem Fall würden die
abgelenkten Tröpfchen
in die Rinne gelenkt werden und der Druck auf dem Empfangsmaterial
mit den nicht abgelenkten Tröpfchen
erfolgen. Es müssen
auch nicht unbedingt alle Düsen
in einer Linie angeordnet werden. Es ist jedoch einfacher, eine
Rinne zu bauen, die eine im Wesentlichen gerade Kante aufweist,
als eine Rinne, deren Kante entsprechend der gestaffelten Düsenanordnung
gestuft ist.
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Im
typischen Betrieb beträgt
der Heizwiderstand für
ein Heizelement, das einem Lochdurchmesser von 8,8 μm angepasst
ist, etwa 400 Ohm, die Stromamplitude 10 bis 20 mA, die Impulsdauer
etwa 2 Mikrosekunden und der sich dabei ergebende Umlenkungswinkel
für reines
Wasser nur wenige Grade. Diesbezüglich
wird auf US-A-6 213 595 B1 mit dem Titel "Continuous Ink Jet Printhead Having
Power-Adjustable Segmented Heaters" und auf US-A-6 217 163 B1 mit dem Titel "Continuous Ink Jet
Printhead Having Multi-Segment Heaters", verwiesen. Bei Beaufschlagung mit
periodischen elektrischen Impulsen löst sich der Strahl synchron
zu den angelegten Impulsen in Tröpfchen
auf. Diese Tröpfchen bilden
sich in einem Abstand von etwa 100 bis 200 μm von der Oberfläche des
Druckkopfs und haben bei einem Düsenlochdurchmesser
von 8,8 μm
und einer Impulsbreite von etwa 2 ms und Impulsfrequenz von 200
kHz typischerweise ein Volumen von 3 bis 4 pL. Das erzeugte Tropfenvolumen
ist abhängig
von der Impulsfrequenz, dem Lochdurchmesser und der Geschwindigkeit
des Strahls. Bei einem gegebenen Lochdurchmesser und einer gegebenen
Viskosität der
Flüssigkeit
wird die Geschwindigkeit des Strahls, wie bereits erwähnt, von
dem angelegten Druck bestimmt. Der Lochdurchmesser kann 1 μm bis 100 μm betragen
und beträgt
vorzugsweise 6 μm
bis 16 μm. Folglich
wird die Impulsfrequenz des Heizelements so gewählt, dass sich das gewünschte Tropfenvolumen
ergibt.
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Die
Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie A-B in 3 zeigt
eine unvollständige
Stufe in der Herstellung eines Druckkopfs, in dem später Tintenkanäle auf demselben
Siliciumsubstrat ausgebildet werden, auf dem die CMOS-Schaltungen
bereits ausgebildet worden sind.
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Wie
bereits erwähnt,
werden die CMOS-Schaltungen als eine oder mehrere integrierte Schaltungen
zuerst auf den Siliciumscheiben hergestellt. Der CMOS-Prozess kann
dabei als normaler 0,5 μm
Mischsignalprozess mit 2 Polysiliciumebenen und drei Metallebenen
auf einer Scheibe mit einem Durchmesser von 6 Zoll ausgeführt werden.
Die typische Scheibendicke beträgt
675 μm.
In 3 wird dieser Prozess von den drei durch elektrisch
leitfähige
Verbindungslöcher
miteinander verbundenen Metallschichten dargestellt. Die Polysiliciumebene 2 und eine
N+ Diffusion und Kontaktierung der Metallschicht 1 zeigen
die aktive Schaltung im Siliciumsubstrat. Gate-Elektroden für die CMOS-Transistoren werden
aus einer der Polysiliciumschichten ausgebildet.
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Weil
die Metallschichten elektrisch isoliert werden müssen, werden zwischen ihnen
dielektrische Schichten aufgebracht. Dadurch ergibt sich an der
Oberseite der Siliciumscheibe eine Gesamtschichtdicke von etwa 4,5 μm.
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Der
in 3 dargestellte Aufbau würde grundsätzlich die erforderlichen Transistoren
und Verknüpfungsglieder
für die
in 1 dargestellten Steuerungskomponenten bereitstellen.
Zusätzlich stellt
der CMOS-Prozess erfindungsgemäß auch eine
Polysiliciumschicht als Heizelement für die asymmetrische Beheizung
der Tinte an einer Düsenöffnung bereit.
Außerdem
wird gleichzeitig mit dem Ätzen
der Oxid/Nitrid-Schicht über
den Kontaktflecken eine Ausnehmung über dem Düsenloch geätzt, wobei die Düsenlöcher anschließend fotolithografisch definiert
und geätzt
werden, da diese Schritte mit einer VLSI CMOS-Bearbeitung kompatibel
sind.
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Die
herkömmlichen
CMOS-Fertigungsschritte ergeben ein Siliciumsubstrat mit einer Dicke
von ca. 675 μm
und einem Durchmesser von etwa 6 Zoll. Siliciumscheiben mit größerem oder
kleinerem Durchmesser können
ebenfalls verwendet werden. In dem Siliciumsubstrat wird in bekannten
herkömmlichen
Schritten durch gezieltes Aufbringen verschiedener Werkstoffe eine
Vielzahl von Transistoren ausgebildet. Auf dem Siliciumsubstrat
sind mehrere Schichten gelagert, die später eine Oxid/Nitrid-Isolierschicht
bilden, in der entsprechend dem gewünschten Muster eine oder mehrere
Polysilicium- und Metallschichten ausgebildet werden. Zwischen den
verschiedenen Schichten und zu den Kontaktflecken werden nach Bedarf
elektrisch leitfähige
Verbindungslöcher
vorgesehen. Die verschiedenen Kontaktflecken dienen zur Herstellung
von Verbindungen für
Daten, einen Verriegelungstaktgeber, Freigabetaktgeber und elektrischen
Strom, der bzw. die von einer neben dem Druckkopf angeordneten oder
entfernt von diesem angebrachten und mit dem Druckkopf verbundenen
Schaltkarte bereitgestellt werden. In der Düsenanordnung werden natürlich mehrere Kontaktflecken
ausgebildet, auch wenn in der Zeichnung nur einer dargestellt ist.
Wie in 3 angegeben, ist die Oxid/Nitrid-Isolierschicht etwa
4,5 μm dick.
Der in 3 dargestellte Aufbau würde grundsätzlich die erforderlichen Verbindungen,
Transistoren und Verknüpfungsglieder
für die
in 1 dargestellten Steuerungskomponenten sowie die
Düsenkonstruktion über der
Siliciumscheibe bereitstellen.
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Je
nach Lochdurchmesser und tolerierbarer Größe des zusätzlichen Widerstandes und der
Energiedissipation kann die in 4 dargestellte
Ausnehmung über
dem Düsenloch
die verschiedensten Größen und
Formen aufweisen. Der zusätzliche
Widerstand ist durch die Länge
des Polysiliciums bedingt, das sich von dem Metall und Kontaktbereich
des Verbindungslochs bis zu dem Heizelement am Rand des Düsenlochs
erstrecken muss. Wenn die Ausnehmung kreiszylindrisch ausgebildet
ist, kann die Ausnehmung im Durchmesser 10 μm bis 100 μm größer sein als der Durchmesser
des Düsenlochs.
Natürlich kann
die Ausnehmung jedoch nicht so groß sein, dass sie auf eine benachbarte
Düse stößt oder
die Unversehrtheit der Metallschichten und Verbindungslöcher beeinträchtigt.
Der typische Ausnehmungsdurchmesser für den typischen Düsenlochdurchmesser
von 8,8 μm
beträgt
22 μm.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Ausnehmung nicht kreisförmig ausgebildet. In der in 15 dargestellten
schematischen Aufsicht des Druckkopfs ist die Ausnehmung annähernd elliptisch
ausgebildet und so ausgerichtet, dass eine Gerade durch die Mitte
der Ellipse entlang der längeren
Symmetrierichtung der Ellipse (längerer Durchmesser)
annähernd
rechtwinklig zu einer Geraden durch die Düsenreihe verläuft. Wenn
sich in dieser Ausnehmung Flüssigkeit
ansammelt, steht für diese
Flüssigkeit
mehr Raum zur Verfügung,
sodass die Auswirkungen einer solchen Flüssigkeitsansammlung auf die
Leistung der Düse
minimal sind und die Düsen
trotzdem mit hoher Dichte entlang der Düsenreihe angeordnet werden
können.
Elliptisch ist natürlich
nur eine von mehreren möglichen
länglichen
und trotzdem symmetrischen Formen für diese Ausnehmung. Die Angabe
der Ellipse ist daher nicht als Begrenzung hinsichtlich der Ausnehmung
aufzufassen.
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Unabhängig von
der Form der Ausnehmung beträgt
deren typische Tiefe etwa 3,5 μm,
was eine typische Lochmembrandicke von 1,0 μm ergibt. Die Ausnehmungstiefe
kann von 1 μm
bis 3,5 μm,
die Lochmembrandicke von 3,5 μm
bis 1 μm
reichen. Entlang der Siliciumanordnung werden natürlich zahlreiche
Düsenlöcher gleichzeitig
geätzt.
Das eingebettete Heizelement erstreckt sich wirksam um das jeweilige
Düsenloch
und ist in der Nähe
des Düsenlochs
angeordnet, was die Anforderung an die zum Aufheizen der Tintentropfen
im Loch erforderliche Temperatur verringert.
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Jetzt
werden die Siliciumscheiben aus der CMOS-Anlage entnommen. Zuerst
wird ihre Dicke von anfangs 675 μm
auf etwa 300 μm
verringert. Dann wird an der Rückseite
der Scheiben eine Maske zum Öffnen
von Tintenkanälen
angelegt und das Silicium in einer SDS-Ätzvorrichtung bis zur Vorderseite
des Siliciums geätzt.
Zum Ausrichten der Tintenkanalöffnungen
in der Rückseite
der Scheibe zu der Düsenanordnung
in der Vorderseite der Scheibe kann ein Ausrichtsystem, wie zum
Beispiel das Ausrichtsystem Karl Suss 1X, verwendet werden.
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5 zeigt
den im Siliciumsubstrat ausgebildeten Tintenkanal als rechteckigen
Hohlraum, der mittig unter der Düsenanordnung
durchläuft.
Ein länglicher
Hohlraum in der Mitte des Chip kann jedoch die konstruktive Festigkeit
der Druckkopfanordnung schwächen,
sodass bei Torsionsbeanspruchung der Anordnung, beispielsweise während der Bestückung, die
Membran reißen
könnte.
Außerdem können durch
niederfrequente Druckwellen verursachte Druck schwankungen in den
Tintenkanälen entlang
der Druckköpfe
dazu führen,
dass der Tintenstrahl zittert. Eine verbesserte Ausführung wird
im Folgenden beschrieben. Diese Verbesserung besteht darin, dass
man beim Ätzen
des Tintenkanals zwischen den einzelnen Düsen der Düsenanordnung eine Siliciumbrücke oder
-rippe stehen lässt.
Diese Brücken
erstrecken sich durchgehend von der Rückseite zur Vorderseite der
Siliciumscheibe. Infolgedessen besteht der in der Rückseite
der Scheibe ausgebildete Tintenkanal nicht aus einer länglichen
rechteckförmigen
Ausnehmung parallel zur Richtung der Düsenreihe, sondern aus einer
Reihe kleinerer rechteckiger Hohlräume, die jeweils nur eine Düse mit Tinte
versorgen, siehe 6 und 7. Durch
die Verwendung dieser Rippen wird die Festigkeit der Siliciumkonstruktion
verbessert, wohingegen der längliche
Hohlraum in der Mitte des Chips die konstruktive Festigkeit des
Druckkopfs schwächen
kann. Außerdem
verringern die Rippen oder Brücken
tendenziell durch niederfrequente Druckwellen verursachte Druckschwankungen
in den Tintenkanälen,
die, wie oben erwähnt,
dazu führen
können,
dass der Strahl zittert. In diesem Beispiel wird jeder Tintenkanal
als Rechteck mit einer Abmessung von 20 μm entlang der Richtung der Düsenreihe
und einer Abmessung von 120 μm
in der quer und vorzugsweise rechtwinklig zur Düsenreihe verlaufenden Richtung
hergestellt.
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Wie
oben erwähnt,
ist es bei einem CIJ-Drucksystem wünschenswert, die Strahlumlenkung
dadurch weiter zu verstärken,
dass mehr Tinte mit quergerichteten Bewegungsenergiekomponenten
in das Düsenloch
eintritt als mit axial gerichteten Bewegungsenergiekomponenten.
Erreicht werden kann dies durch Ausbildung einer Sperre in der Mitte eines
jeden Düsenelements
unmittelbar unter dem Düsenloch.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird im Folgenden anhand von 8–12 ein
Verfahren zur Herstellung einer Düsenanordnung mit einer gerippten
Konstruktion der oben beschriebenen Art beschrieben, die jedoch außerdem eine
Querströmungskonstruktion
aufweist.
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In 10 zeigt
die Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie A-A die Seitenströmungssperre und
Siliciumrippen. 11 zeigt eine Querschnittsansicht
entlang der Schnittlinie B-B. Ein erstes Verfahren zum Ausbilden
der Siliciumsperre basiert auf einem als "Footing" bezeichneten Phänomen des STS-Ätzers. Wenn
die Siliciumätzung
die Schnittstelle zwischen Silicium und Siliciumdioxid erreicht,
erfolgt dabei eine hochschnelle seitliche Ätzung, weil das Oxid aufgeladen
wird und die auftreffenden reaktionsfähigen Siliciumätzionen
seitlich abgelenkt werden. Diese schnelle seitliche Ätzung erstreckt
sich über
etwa 5 μm.
Anschließend
werden die Scheiben in eine herkömmliche
Plasmaätzkammer
verbracht, in der das Silicium in der Mitte des Düsenlochs
anisotropisch in einem Bereich von etwa 3 μm bis etwa 6 μm, typisch
etwa 5 μm,
ausgeätzt
wird. Die Querschnittsansichten in 10 und 11 zeigen
die sich auf diese Weise ergebende Konstruktion. In dem schraffierten
Bereich in 11 wurde das Silicium entfernt,
um eine Zugangsöffnung
zwischen einem in dem Siliciumsubstrat ausgebildeten primären Tintenkanal
und dem Düsenloch
zu schaffen.
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Bei
einem zweiten Verfahren wird von dem "Footing"-Effekt nicht Gebrauch gemacht. Stattdessen
wird das Silicium im Düsenloch
isotropisch von der Vorderseite der Scheibe in einem Bereich von etwa
3 μm bis
etwa 6 μm,
typisch etwa 5 μm,
ausgeätzt.
Anschließend
wird durch die isotropische Ätzung
Silicium sowohl seitlich als auch senkrecht entfernt, sodass schließlich das
im Querschnitt in 12 gezeigte Silicium nicht mehr
vorhanden ist und eine fluidische Berührung zwischen dem Tintenkanal
und dem Düsenloch
möglich
wird. Bei dieser Lösung
ist die Sperre kürzer,
weil die Ätzung
von oben nach unten erfolgt und der schraffierte Siliciumbereich
dabei entfernt wird.
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Wie
schematisch in 11 und 12 dargestellt,
wird der dominierende Einfluss auf die in das Düsenloch einströmende Tinte
von seitlichen Bewegungsenergiekomponenten ausgeübt, was für eine verstärkte Tropfenumlenkung
wünschenswert
ist. Bei den oben beschriebenen Ätzprozessen
kann zum Ausrichten der Tintenkanalöffnungen in der Rückseite
der Scheibe zu der Düsenanordnung
in der Vorderseite der Scheibe ein Ausrichtsystem, wie zum Beispiel
das Ausrichtsystem von Karl Suss, verwendet werden.
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9 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Düsenanordnung mit einer silicicumbasierten
Sperre. Die Oxid/Nitrid-Schicht wurde teilweise entfernt, um die
Sperre unter dem Düsenloch
sichtbar zu machen. Das Düsenloch
ist über
eine Zugangsöffnung
von der Oberseite der Sperre beabstandet. Wie aus 11, 12 ersichtlich,
veranlasst die im Siliciumsubstrat ausgebildete Sperre die im Tintenhohlraum
unter Druck stehende Tinte, um die Sperre herum zu fließen und
seitliche Bewegungsenergiekomponenten zu entwickeln. Diese seitlichen
Bewe gungsenergiekomponenten können
durch asymmetrische Beheizung ungleich gestaltet werden, was dann
zu der in 11 und 12 dargestellten
Umlenkung des Tintenstroms führt.
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Obwohl
sich die vorangehende Beschreibung auf die Ausbildung nur einer
Düse bezieht,
eignet sich der Prozess natürlich
für eine
ganze Reihe von in einer Reihe entlang der Scheibe ausgebildeten Düsen. Die
Anordnung kann in einer geraden Linie oder, weniger bevorzugt, in
abgestufter Ausbildung erfolgen.
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Die
Polysilicium-Heizelemente tragen zur asymmetrischen Reduzierung
der Viskosität
der Tinte bei. So wird zum Beispiel in der Darstellung gemäß 11 und 12 die
durch die Zugangsöffnung strömende Tinte
auf der linken Seite der Sperre beheizt, während die durch die Zugangsöffnung strömende Tinte
auf der rechten Seite der Sperre nicht beheizt wird. Durch dieses
asymmetrische Vorheizen des Tintenstroms wird die Viskosität der Tinte
mit den seitlichen Bewegungsenergiekomponenten in einer für die Umlenkung
wünschenswerten
Weise tendenziell reduziert und weil tendenziell mehr Tinte in den Bereich
der reduzierten Viskosität
fließt,
wird die Tendenz zur Umlenkung der Tinte in die gewünschte Richtung,
d.h. weg von den Heizelementen am Düsenloch, verstärkt.
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Wie
in 11 und 12 schematisch
gezeigt, wird die in das Düsenloch
einströmende
Tinte in einer für
eine verstärkte
Tropfenumlenkung wünschenswerten
Weise dominierend von den seitlichen Bewegungsenergiekomponenten
beeinflusst. Die Zugangsöffnungen
zwingen die Tinte, unter Druck zwischen dem Kanal und der Düsenöffnung oder dem
Düsenloch
zu fließen.
Dadurch entwickelt die Tinte seitliche Strömungskomponenten, weil der
direkte axiale Zugang zu dem sekundären Tintenkanal von der Siliziumsperre
wirksam blockiert wird.
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Somit
kann erfindungsgemäß Polysilicium oder
ein anderes als Heizelement geeignetes Material, das während der
CMOS-Bearbeitung der integrierten Schaltungen verarbeitet und definiert
werden kann, als Heizelement zum asymmetrischen Aufheizen des Tintenstroms
in einem kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker eingesetzt
werden. Dies ermöglicht
eine minimale Nachbearbeitung, weil während des MEMS-Prozesses keine
Heizelemente oder Düsenöffnungen
auf dem Druckkopf ausgebildet werden müssen, da diese bereits während der vorangehenden
CMOS-Bearbeitung ausgebildet worden sind. Die Verwendung von Poly silicium-Heizelementen
im Gegensatz zu TiN-Heizelementen, die während der MEMS-Bearbeitung
hinzugefügt
werden können,
hat den Vorteil, dass die Heizelemente mit einer höheren Temperatur
betrieben werden könnten,
sodass ein höheres
Potential für
die Umlenkung des Tintenstroms zur Verfügung steht, was für die Auslegung
eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckers ein wichtiger
Gesichtspunkt ist.
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In 14 ist
der fertige CMOS/MEMS-Druckkopf 120 in einer beliebigen
der hier beschriebenen Ausführungsformen
auf einer Halterung 110 mit zwei in der Nähe von Endabschnitten
der Halterung angeschlossenen Tintenzuführungsleitungen 130L, 130R zur
Zuführung
von Tinte zu den Enden eines in Längsrichtung verlaufenden, in
der Halterung ausgebildeten Kanals montiert. Der Kanal ist der Rückseite
des Druckkopfs 120 zugewandt und steht daher mit der im
Siliciumsubstrat des Druckkopfs 120 ausgebildeten Tintenkanalanordnung
in Verbindung.
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Die
Halterung, beispielsweise ein keramisches Substrat, ist an ihren
Enden mit Befestigungsbohrungen für die Befestigung an einem
Druckersystem versehen.