DE69214148T2

DE69214148T2 - Vielkanälige anordnung zum niederschlag von tröpfchen

Info

Publication number: DE69214148T2
Application number: DE69214148T
Authority: DE
Inventors: Mark Richard Shepherd; Stephen Temple
Original assignee: Xaar Ltd
Current assignee: Xaar Ltd
Priority date: 1991-06-17
Filing date: 1992-06-17
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2012-06-18
Also published as: SG46355A1; JPH06507853A; GB9113023D0; EP0589941B1; CA2111082A1; EP0589941A1; US5463414A; WO1992022429A1; KR940701340A; BR9206162A; ATE143312T1; KR100237073B1; US6991323B1; DE69214148D1; JP3211028B2; HK1000083A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Gerät mit einer vielkanäligen Anordnung zum Niederschlag von Tröpfchen und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Im europäischen Patent Nr. 0 277 703 und in dem europäischen Patent Nr. 0 278 590 ist ein Gerät mit vielkanäliger Anordnung zu Niederschlag von Tröpfchen offenbart, und zwar geeignet zur Verwendung als Tintenstrahldruckköpfe, die Tröpfchen auf Anforderung abgeben, und der Gestalt, daß es ein Feld paralleler Kanäle aufweist, die wechselseitig bzw. gegenseitig beabstandet sind, und zwar transversal zu den Kanälen in der Feld-Richtung bzw. Anordnungs-Richtung. Diese Druckköpfe verwenden piezoelektrische Betätigungseinrichtungen, die wenigstens einen Teil der kanaltrennenden Seitenwände als die Einrichtung zum Bewirken von Tröpfchenausstoß aus den Düsen, die jeweilig mit den Kanälen in Verbindung stehen, ausbilden. Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Druckkopfes umfaßt die Bereitstellung einer dünnen Basislage mit einer Schicht aus piezoelektrischem Material, das normal dazu gepolt ist, die Ausbildung einer Vielzahl von parallelen Rinnen in der Schicht des piezoelektrischen Materials, so daß das Material kanaltrennende Wände zwischen benachbarten Rinnen bzw. Rillen bietet, wobei die Tintenkanäle somit durch Rillen bzw. Rinnen bereitgestellt werden, das Ausbilden von Elektroden auf den Kanal zugewandten Oberflächen der Wände, so daß die betätigenden elektrischen Felder normal bzw. senkrecht zu der Richtung des Polens in der Feld-Richtung bzw. Anordnungs-Richtung angelegt werden, um eine Ablenkung bzw. Durchbiegung der Wände in der Richtung der angelegten Felder zu erzeugen, die Verbindung elektrischer Treiberschaltungen mit den Elektroden, die Befestigung einer oberen dünnen Lage an den Wänden bzw. die Verbindung einer oberen dünnen Lage mit den Wänden, um die Tintenkanäle abzuschließen, die Bereitstellung von Düsen für die jeweiligen Kanäle und weiter die Bereitstellung von Tintenvorratseinrichtungen, die mit den Kanälen verbunden sind.
Bei einer Ausgestaltung weisen die kanaltrennenden Wände piezoelektrische, sogenannte "Chevron"-Betätigungseinrichtungen auf, bei der die oberen und unteren Teile der Wände entgegengesetzt gepolt sind, und so transversal zu den entsprechenden Kanälen eine Durchbiegung bzw. Ablenkung in die Chevron-Gestalt zu bewirken. Ein Verfahren zur Ausgestaltung der dünnen Basislage, aus der die Kanäle und kanaltrennende Wandbetätigungseinrichtungen ausgebildet werden, besteht aus der Verwendung eines fünfschichtigen Laminats, wie es in der PCT-Anmeldung Nr. PCT/GB91/02093 offenbart ist. Bei einer alternativen Gestaltungsweise werden sogenannte "Cantilever"-Betätigungseinrichtungen verwendet, die in der europäischen Patentanmeldung Nr. 89 309 940.8 (Veröffentlichungsnummer 0 364 136) offenbart sind. In der PCT-Patentanmeldung Nr. PCT/GB91/00720 ist eine Anordnung von parallelen Tintenkanälen offenbart, die aus einer Anzahl von gleichen Modulen ausgebildet sind, von denen jeder eine Mehrzahl von parallelen Tintenkanälen umfaßt, wobei die Module in Reihe aneinandergefügt sind. Bei einer bevorzugten Ausführung bilden Paare der aneinandergefügten Module einen Tintenkanal bei dem Ort der Aneinanderfügung.
Es ist ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Vielkanalfeld bzw. eine Vielkanalanordnung, ein Gerät zum Niederschlagen von Tröpfchen mit einem verbesserten Aufbau und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung des Geräts bereitzustellen. Ein anderes Ziel ist es, die Bereitstellung eines Gerätes mit vielkanaliger Anordnung zum Niederschlag zu ermöglichen, das bei einer niedrigeren Spannung für eine gegebene Compliance der Kanalwand-Betätigungseinrichtungen arbeiten kann.
Es ist ein weiteres Ziel einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, ein Vielkanalfeld bzw. eine Vielkanalanordnung, ein Gerät zum Niederschlag von Tröpfchen und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, bei dem die Unversehrtheit der Chip- Verbindungen zu den Spuren bzw. Leiterbahnen, die den Anschluß zu den Kanalelektroden herstellen, nicht durch das thermische Pendeln bzw. thermische Durchlaufen von periodischen Vorgängen des Druckkopfes bedroht sind.
Die vorliegende Erfindung besteht aus folgendem:
Verfahren zur Herstellung eines Gerätes mit einer vielkanäliger Anordnung zum Niederschlag von Tröpfchen, das folgendes aufweist:
eine dünne Basis-Lage wird bereitgestellt, die eine Schicht aus piezoelektrischem Material aufweist, das normal zu der dünnen Lage gepolt ist, eine Anordnung bzw. ein Feld aus parallelen, am oberen Ende offenen bzw. oben gekappten Tröpfchenflüssigkeits-Kanälen in der dünnen Basis-Lagen-Schicht wird ausgebildet. so daß das piezoelektrische Material nach oben stehende bzw. aufrechte Wände bereitstellt, die aufeinanderfolgende Kanäle trennen, Elektroden werden auf kanalzugewandten Oberflächen der Wände ausgebildet, eine kanalabschließene dünne Lage wird an den Wänden befestigt bzw. mit diesen verbunden, Düsen werden vorgesehen, die jeweilig mit den Kanälen in Verbindung stehen, und eine Einrichtung wird vorgesehen, um eine Quelle bzw. einen Vorrat von Tröpfchenflüssigkeit mit den Kanälen zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalabschließende dünne Lage mit einer Anordnung bzw. einem Feld von parallelen, leitenden Spuren ausgebildet ist, die in Abständen bzw. Intervallen, die der Kanalbeabstandung entsprechen, beabstandet sind, die Kanäle werden in Positionen plaziert, die parallel und gegenüberliegend zu den Spuren sind, und die abschließende dünne Lage wird bezüglich der Kanalwände abgedichtet bzw. an diese befestigt, indem Bindungen bzw. Verbindungen ausgebildet werden, die jede Spur mechanisch und elektrisch mit den Elektroden auf den kanalzugewandten Seiten der Wände des dazu gegenüberliegenden Kanals verbinden.
Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren, daß Treiber-Strom-Schaltungsanordnungen mit den Spuren verbunden werden, bevor die Bindungen bzw. Verbindungen ausgebildet werden, um jede der Spuren mit den Elektroden auf den kanalzugewandten Seiten der Wände des dazu gegenüberliegenden Kanals verbunden werden.
Vorteilhaft beinhaltet das Verfahren, daß die Bindungen bzw. Verbindungen als Lötverbindungen bzw. Lötkontakte ausgebildet sind.
Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren, daß Lötmittel entweder auf den Spuren oder den Elektroden oder sowohl auf den Spuren als auch auf den Elektroden abgeschieden wird, die Kanäle gegenüber den Spuren plaziert werden und gleichzeitig die Bindungen bzw. Verbindungen ausgebildet werden, um jede der Spuren mit den Elektroden der kanalzugewandten Oberflächen der Wände der dazu gegenüberliegenden Kanäle zu verbinden.
Ebenso beinhaltet das Verfahren vorzugsweise, daß der Schritt, wonach die Bindungen bzw. Verbindungen ausgebildet werden, um jede der Spuren mit den Elektroden der kanalzugewandten Oberflächen der Wände zu verbinden, folgendes mit sich bringt: wenigsten das Lötmittel wird erhitzt, um dadurch zu verursachen, daß die Spuren und die angrenzenden Elektroden durch das Lötmittel befeuchtet werden, um dadurch einen Meniskus auszubilden, der die Spuren und angrenzende Elektroden überbrückt, und das Lötmittel wird abgekühlt, um die Bindungen bzw. Verbindungen auszubilden.
Vorteilhaft beinhaltet das Verfahren ebenso, daß die Spuren auf der kanalabschließenden dünnen Lage mit einer Breite ausgebildet werden, die sich derjenigen der Beabstandung der Elektroden auf den kanalzugewandten Wänden annähert.
Die Erfindung besteht weiterhin in einem Gerät mit einer vielkanäligen Anordnung zum Niederschlag von Tröpfchen, das folgendes aufweist:
eine dünne Basis-Lage, die eine Schicht aus piezoelektrischem Material aufweist, das normal dazu gepolt ist, eine Anordnung bzw. ein Feld aus parallelen, am oberen Ende offenen bzw. oben gekappten Tröpfchenflüssigkeits-Kanälen in der dünnen Basis- Lagen-Schicht, das durch nach oben stehende bzw. aufrechte kanaltrennende Wände bereitgestellt wird, die in der Schicht ausgebildet sind, Elektroden, die auf den kanalzugewandten Oberflächen der Wände bereitgestellt werden, eine kanalabschließende dünne Lage, die mit den Wänden verbunden ist bzw. an diesen befestigt ist, Düsen, die jeweilig mit den Kanälen und einer Einrichtung zur Lieferung von Tröpfchenflüssigkeit zu den Kanälen in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalabschließende dünne Lage ein Feld von parallelen leitenden Spuren darauf, die in Abständen bzw. Intervallen beabstandet sind, die der Kanalbeabstandung entsprechen und die parallel und gegenüberliegend zu den Kanälen angeordnet sind, und Bindung bzw. Verbindungen aufweist, die mechanisch und elektrisch jede Spur mit den Elektroden auf den kanalzugewandten Wänden des dazu gegenüberliegenden Kanals verbinden und die die abschließende dünne Lage bezüglich der Kanäle abdichten bzw. an diese befestigen. Geeigneterweise werden elektrische Treiber-Strom-Schaltungsanordnungen jeweils mit den Spuren verbunden.Vorteilhaft weisen die Spuren auf der kanalabschließenden dünnen Lage eine Breite auf, die derjenigen der Beabstandung zwischen den Elektroden auf den kanalzugewandten Wänden angenähert ist. Vorzugsweise sind die Bindungen bzw. Verbindungen, die die Spuren mit den Elektroden verbinden Lötverbindungen bzw. Lötkontakte. Vorteilhaft wird der Solidus bzw. der feste Zustand des Lötmittels der Bindungen bzw. Verbindungen in Hinblick auf die Werte des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt, um die relativen thermischen Spannungen der kanalabschließenden dünnen Lage und des piezoelektrischen Materials zu begrenzen. Das Lötmittel der Bindungen bzw. Verbindungen kann eine Legierung aus Blei und/oder Zinn und/oder Indium sein. Eine Legierung, die verwendet wird, kann Blei oder Zinn enthalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Lötmittel aus einer eutektischen Legierung, die Blei und Zinn beinhaltet. Bei einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Lötmittel Silber.
Geeigneterweise weist die kanalabschließende dünne Lage ein Glas oder eine Keramik auf, das bzw. die ein relativ hohes elastisches Modul, und zwar im Vergleich mit jenem der piezoelektrischen Keramik, und einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der an jenem des < 110> -Siliziums angepaßt ist. Ein bevorzugtes Material für die kanalabschließende dünne Lage ist ein Borosilikatglas. Diese Art von abschließender dünner Lage kann auf ihr abgeschieden eine Schicht aus kristallinem Silizium aufweisen, die die Breite der dünnen Lage in der Kanalanordnungs- bzw. Kanalfeld-Richtung ausdehnt, wobei die Schicht aus Silizium eine Multiplex-Treiber-Schaltungsanordnung darin ausgebildet aufweist, die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse aufweist, von denen die Ausgangsanschlüsse mit den leitenden Spuren auf der kanalabschließenden dünnen Lage verbunden sind.
Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten graphischen Darstellungen bzw. Figuren beschrieben, in denen:
Figur 1 einen Längsschnitt des Geräts zum Tröpfchenniederschlag zeigt, und zwar in der Ausgestaltung eines Tintenstrahldruckkopfs, der Tröpfchen auf Anforderung abgibt, bzw. eines "drop-on-demand"-Tintenstrahldruckkopfs, der in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebaut ist;
Figur 2 ein Schnitt in der Feld-Richtung bzw. Anordnungs-Richtung auf der Linie X-X der Figur 1 einer Ausgestaltung des Druckkopfes zeigt; und
Figur 3 einen Schnitt in der Feld-Richtung bzw. Anordnungs-Richtung auf der Linie X-X der Figur 1 einer anderen Ausgestaltung des Druckkopfes zeigt.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen Ausgestaltungen des Tintenstrahl-Feld-Druckkopfes, der gemäß den Grundsätzen der Erfindung zusammengebaut bzw. hergestellt ist. Die Druckköpfe sind von dem "drop-on-demand"-Typ bzw. von dem Typ, bei dem Tröpfchen auf Anforderung abgegeben werden, der kanalteilende Wandbetätigungseinrichtungen beinhaltet bzw. umfaßt. Diese Betätigungseinrichtungen werden in einer dünnen Lage aus piezoelektrischem Keramik ausgebildet, die in einer Richtung senkrecht zu der dünnen Lage gepolt ist und in einem Schermodus betrieben wird, so daß die Betätigungseinrichtungen in der Richtung des elektrischen Feldes, das daran angelegt wird, ablenken bzw. durchbiegen.
Die Zeichnungen erläutern einen Druckkopf 10, bei dem ein Feld aus Tintenkanälen 11(a) ... 11(h), die durch kanaltrennende Wand-Betätigungseinrichtungen 13(a) ... 13(g) getrennt werden, die in einer dünnen Lage aus piezoelektrischer Keramik 12 ausgebildet sind, an ein Substrat oder eine kanalabschließende dünne Lage 14 befestigt wird bzw. damit verbunden wird. Das Substrat umfaßt parallele leitende Spuren bzw. Leiterbahnen 16, die darauf mit denselben Abstandsintervallen wie die Tintenkanäle ausgebildet sind. Die Spuren bzw. Leiterbahnen 16 sind mit dem Antriebschip 27 bzw. Treiberchip 27 verbunden und leiten elektrische Treibersignale, die von dem Chip zu den Betätigungseinrichtungen geführt werden, und zwar allgemein so, wie im europäischen Patent Nr. 0 277 703 und in dem europäischen Patent 0 278 590 beschrieben ist, die die Klasse von Tröpfchen auf Anforderung abgebenden Druckköpfen bzw. "drop-on-demand"- Druckköpfen einführten und deren Inhalte hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen wird. Einige Aspekte der Konstruktion bzw. des Aufbaus sind weiter in der PCT- Patentanmeldung Nr. PCT/GB91/00720 offenbart, deren Inhalte ebenso hierin durch Bezugnahme aufgenommen werden. Der Treiberchip 27 ist ebenso mit den Spuren bzw. Leiterbahnen 18 an einem Ende der abschließenden dünnen Lage 14 verbunden, auf denen ein Eingangstakt, eine Leistungswellenform und Druckdatensignale bereitgestellt werden.
Die Tintenkanäle des Druckkopfes werden an dessen entsprechenden Enden durch Düsen 22 abgeschlossen, die in der Düsenplatte 20 ausgebildet sind, die an die piezoelektrische dünne Keramiklage 12 und an die kanalabschließende dünne Lage 14 angebracht ist, die von dem Chip 27 entfernt ist.
Ein Verteiler 21 ist an dem Ende der Kanäle angebracht bzw. angefügt, und zwar benachbart zu dem Treiberchip 27, um Tinte zu beinhalten und in die Druckkopfkanäle über den Querkanal 26 bzw. die Quer-Rohrleitung 26 zu liefern. Der Aufbau unter Betrieb typischer Ausgestaltungen des Druckkopfes in Übereinstimmung mit der Erfindung werden genauer unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 offenbart, die alternative Ausgestaltungen in Vergrößerungen entlang des Schnitts X-X der Figur 1 zeigen. Figur 2 zeigt einen Druckkopf, der eine Cantilever-Betätigungseinrichtung beinhaltet, wie es in der europäischen Patentanmeldung Nr. 89 309 940.8 (Veröffentlichungsnummer 0 364 136) beschrieben ist, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen ist und bei welchen die piezoelektrische Keramik senkrecht zu der piezoelektrischen dünnen Lage in einer einzigen Orientierung polarisiert ist und bei welchen die Elektroden 23 auf den Wandbetätigungseinrichtungen sich um etwa die Hälfte der Wandhöhe erstrecken: Und Figur 3 zeigt eine Chevron- Betätigungseinrichtung, die aus einem piezoelektrischen Laminat hergestellt ist, wie dies in der PCT-Anmeldung Nr. PCT/GB91/02093 offenbart ist, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen wird und bezüglich der sich die Elektroden 25 über die volle Höhe der Wandbetätigungseinrichtungen erstrecken, die aus zwei entgegengesetzt gepolten Teilen in den oberen und unteren Hälften der Wände ausgebildet sind, die in zwei piezoelektrischen keramischen dünnen Lagen ausgebildet sind, die in deren Dickenrichtung gepolt sind. Die Richtung des Polens ist durch den Pfeil 17 in der Figur 2 und durch die Pfeile 19 in der Figur 3 gegeben.
Ein wesentliches Merkmal des Aufbaues, das in den Figuren 2 und 3 erläutert ist, ist, daß die Spuren bzw. Leiterbahnen 16, die sich jeweils im wesentlichen über den Abstand zwischen, wie dies der Fall sein kann, den Elektroden 23 oder 25 erstrecken, mit einem Film von Lötmitteln 24 überzogen werden. Die Elektroden auf den Betätigungswänden können ebenso durch eine dünne Schicht aus Lötmittel überzogen werden. Diese Schicht unterstützt das Lötmittel, wenn es über seinen Liquidus erhitzt wird, um die Elektroden zu benetzen. Das Kanalfeld ist so angebracht bzw. aufgebaut, daß die Tintenkanäle parallel zu und jeweilig gegenüberliegend den gelöteten Spuren bzw. Leiterbahnen sich befinden und die Betätigungswände die Räume einnehmen, die die Spuren bzw. Leiterbahnen trennen. Wenn das Lötmittel erhitzt wird, schmilzt es und fließt unter Bildung eines Miniskus 28 aus Lötmittel, der elektrisch und mechanisch die Elektroden auf den Wänden auf beiden Seiten jeden Kanals mit den Spuren bzw. Leiterbahnen auf dem Substrat oder der abschließenden dünnen Lage 14 gleichzeitig verbindet, wobei die Tintenkanalwände gleichzeitig mit dem Substrat 14 in einer bezüglich der Tinte dichten Art und Weise dichtend bzw. abschließend verbunden werden.
Der Solidus des Lötmittels der Bond-Verbindung wird gewählt unter Berücksichtigung der Werte der thermischen Expansionskoeffizienten, um die relativen thermischen Spannungen der abschließenden dünnen Lage und des piezoelektrischen Materials zu beschränken, und es kann sich um eine Legierung aus Blei und/oder Zinn und/oder Indium handeln. Eine geeignete Legierung umfaßt Blei und Zinn und ist vorzugsweise eine eutektische Legierung daraus. Eine weitere geeignete Ausgestaltung der Lötmittel- Legierung beinhaltet Silber.
Die Vorteile dieses Aufbaus liegen darin, daß er Verbesserungen sowohl in der Herstellung als auch in der Leistungsfähigkeit des Druckkopfes liefert. Diese kombinieren, um die Druckkopfkosten zu verringern.
Bei der Herstellung wird dieser Aufbau geeigneterweise vereinfacht, weil er einen elektronischen Substratbestandteil und einen Druckkopfbestandteil verbindet, der getrennt fabriziert und getestet werden kann. Wenn beide im Test zufriedenstellend arbeiten, dann wird der Zusammenbau der arbeitenden Bestandteile durch eine Lötmittelverbindung bewerkstelligt: Dies ist ein schneller Schritt, der automatisierbar ist und eine hohe Ausbeute bei der Herstellung bringen kann. Weiter kann die Anordnung getestet werden. Da der Chip bei einer Ausgestaltung Teil des Substrats- Bestandteils sein kann, kann eine Verringerung der Bestandteil-Anzahl erreicht werden.
Ein Fehler, von dem beobachtet wurde, daß er auf einem Druckkopf-Bestandteil auftritt, ist der, daß die Kontinuität bzw. Durchgängigkeit des galvanischen Überzugs bzw. der Metallisierung auf einer kleinen Anzahl von Elektrodenwänden manchmal durch einen Riß oder durch eine lokale Abschattung der Elektroden und die Spur bzw. die Leiterbahnen während des Metallisierungsprozesses möglicherweise durch Staub unterbrochen wird. Weil das Lötmittel, falls es an die Elektroden angelegt wird, da es beide Elektroden, die der Spur bzw. der Leiterbahn zugeordnet sind, benetzt, diese Art von Fehler überbrücken wird, wird die vorliegende Konstruktion als selbstreparierend bezüglich dieses Fehlzustands angesehen. Bei vorhergehenden Ausgestaltungen waren die Chips an den vollständigen Druckkopf angeordnet bzw. angebracht. Infolgedessen verringerte eine fehlerhafte Verbindung oder ein fehlerhafter Chip die Ausbeute der Herstellung bzw. des Zusammenbaus. Die Anwendung der kanalabschließenden dünnen Lage durch Klebeverbindung nimmt ebenso Zeit für die Klebeverbindung in Anspruch, um auszuhärten, und erwies sich häufig als veränderlich in der Qualität. Die Ausbeute des Abdeckungs-Verbindungs-Prozesses war somit für die Gesamt-Zusammenbau- Ausbeute schädlich. Gebrochene Metallisierungen, die durch eine Untersuchung schwer zu finden sind, waren ebenso eine Ursache für eine fehlerhafte Herstellung. Ein Druckkopf-Zusammenbau, der einen Lötmittel-Verbindungsprozess, wie beschrieben, verwendet, vermeidet diese Fehler bzw. Defekte und weist folglich eine verbesserte Ausbeute auf.
Wo der Druckkopf ein Feld bzw. eine Anordnung ähnlicher Module umfaßt, wird man vorziehen, daß die den Substratkanal schließende dünne Lage im allgemeinen in einem Stück über die volle Breite des Feldes bzw. der Anordnung hergestellt wird. Die piezoelektrischen Bestandteile werden jedoch mit einer Breite ausgebildet, die für die Versorgung von piezoelektrischem Material (PZT)-Wafern und für die Ausbeute des Prozesses der Kanalausbildung und -metallisierung geeignet sind. Es wird klar sein, daß die Anzahl der Spuren bzw. Leiterbahnen, die durch jeden Chip auf der dünnen, das Substrat abschließenden Lage betrieben werden und die Breite der piezoelektrischen Bestandteile, die daran montiert werden, nun unabhängig gemacht werden können, ohne irgendeinen Breiten-Zusammenhang zwischen den Chips und den aktiven Komponenten bei den aneinandergefügten Verbindungen, was ein Merkmal der PCT-Patentanmeldung Nr. PCT/GB91/00720 war. Die Vielfachchips in dem Feld bzw. in der Anordnung können geeigneterweise durch einen Satz von Eingangs-Signalspuren 18 anstatt eines Satzes von Spuren pro Chip betrieben werden.
Ein weiterer Vorteil, der der Lötmittel-Bond-Verbindung eigen ist, ist, daß sie die Wände steif bzw. starr an der dünnen den Substratkanal abschließenden Lage hält, wobei die Bewegung der Betätigungswände sowohl bezüglich der Torsion in Durchbiegung als auch lateral in Scherung verhindert. Weiter wird eine Drehung der oberen Enden der Wände gesichert bzw. festgehalten, falls die Spuren auf einem starren bzw. steifen Substrat ausgebildet werden, wobei eine Spitzen-Durchbiegung verhindert wird. Für den Fall von Klebe-Verbindungen, die die Wände mit einer kanalabschließenden dünnen Lage dichtend verbinden, wurde jedoch beobachtet, daß die oberen Enden der Betätigungswände sich bis zu einem derartigen Grad deformieren, daß eine Stiftverbindung wirksam an den oberen Enden der Wände ausgebildet wird. Dies tritt aufgrund der relativ geringen Steifheit eines Klebers im Vergleich zu jener des Lötmittels und der Betätigungskeramik auf.
Der Vorteil einer steifen bzw. starren Verbindung im Gegensatz zu einer Stift- Verbindung wird durch die folgende Tabelle von Leistungsfähigkeits-Berechnungen für eine Chevron-Betätigungseinrichtung, wie sie in Figur 3 gezeigt ist, erläutert.
Berechnungen zeigen, daß die Wandhöhe der Betätigungseinrichtung, um ein spezifiziertes Compliance-Verhältnis zu erzielen, um etwa 13 % größer ist, wenn die Bond-Verbindung einer starren bzw. steifen Verbindung im Gegensatz zu einer Stift- Verbindung entspricht. Die Betätigungsspannung wird ebenso um ungefähr 27 % verringert.
Eine geringere Betätigungsspannung ermöglicht es, bei einer geringeren Betätigungsenergie zu arbeiten und ebenso einen Chip zu verwenden, der durch ein billigeres Verfabren hergestellt wird. Ebenso wird weniger Hitze in der Anordnung bzw. in dem Feld während der Betätigung erzeugt.
Um den besten Vorteil aus diesen Aspekten der Druckkopfausgestaltung zu ziehen, wird es bevorzugt, daß die dünne, den Substratkanal abschließende Lage 14 aus einem Material ausgebildet werden sollte, das einen relativ starren Elastizitätsmodul aufweist und einen thermischen Expansionskoeffizienten besitzt, der sowohl mit dem piezoelektrischen Keramik-Bestandteil als auch mit dem Silizium-Chip eng bzw. gut zusammenpaßt. Während das Elastizitätsmodul des PZT bei ungefähr 50 GPa liegt und das Modul des Lötmittels ebenso vergleichbar ist, ist dasjenige des Substrats vorzugsweise größer. Der Ausdehnungs- bzw. Expansions-Koeffizient des PZT neigt dazu in Abhängigkeit von der Versorgungsquelle und der Prozeßgeschichte veränderlich zu sein, aber er ist vorzugsweise an jenen des Substrats um ungefähr einen Teil pro 10&supmin;&sup6; pro ºC angepaßt. Diese thermischen Ausdehnungsziele werden durch die Verwendung eines Borosilicat-Glas-Substrats, wie z.B. Pyrex (Corning 7740) oder vergleichbaren Materialien erreicht. Da das Elastizitätsmodul dieses Glases 200 GPa überschreitet, ist das Substrat wirksam starr bzw. steif.
Wenn die dünne, den Substratkanal abschließende Lage, ein Borosilicat-Glas ist, dessen Ausdehnungskoeffizient mit jenem des Siliziums in der < 110> -Richtung übereinstimmt, kann der Chip auf dem Substrat integriert werden. Zuerst wird eine Schicht aus kristallinem Silizium über die Breite des Glassubstrats in der Region des Chips 27 abgeschieden. Die Logik- und Leistungs-Transistoren der Multiplexer-Driver- Schaltungen werden dann direkt auf der Siliziumschicht ausgebildet. Die Spuren 16 und 18 werden dann abgeschieden, so daß Verbindungen jeweilig mit den Eingangs- und Ausgangs-Anschlüssen der Driverschaltung hergestellt werden. Bei dieser Driverschaltung handelt es sich um eine Multiplexer-Schaltung, wie sie im wesentlichen in der europäischen Patentanmeldung Nr. 89 304 573.2 (Veröffentlichungsnummer 0 341 929) beschrieben ist. Auf diese Art und Weise wird die Driverschaltung direkt auf dem Glassubstrat ausgebildet, anstatt daß die Chips auf einem Silizium-Wafer hergestellt werden, der in getrennte Chips zerschnitten wird und als Bestandteile in die Spuren auf dem Substrat gebondet wird.
Die Abscheidung von Chips auf Glas wurde bei anderen Anwendungen, wie zum Beispiel Display-Erzeugnissen bzw. Anzeigeerzeugnissen durchgeführt und ist vorteilhaft, vorausgesetzt daß die Herstellungsausbeute für den Chip-auf-Glas-Prozeß ausreichend groß ist, so daß die Herstellung und Anordnung von getrennten Bestandteilen durch diskrete Chip-Zusammenbau-Prozesse ungerechtfertigt ist.
Ein weiterer Vorteil bei der Herstellung dünner piezoelektrischer Keramik-Lagen, die beschrieben wurden, ist, daß die Bearbeitungstoleranzen als entspannt gefunden wurden, wenn die Spuren auf einer getrennten dünnen, den Substratkanal abschließenden Lage, ausgebildet werden. Die Kanal-Tiefentoleranz ist größer als jene, die bei den Verfahren nach dem Stand der Technik möglich sind, auf die verwiesen wird, wo oberflächliche Verbindungsrinnen bzw. Verbindungsrillen in Ausrichtung mit den Kanälen ausgebildet werden und davon durch jeweilige Brückenabschnitte getrennt werden. Weil die Kanäle des Aufbaus, der hierin beschrieben ist, durchgehend eine gleichförmige Tiefe aufweisen, kann die Steuerung der Dickentoleranz der PZT-Schicht entspannt werden. Als ein Ergebnis braucht nur die obere Fläche der piezoelektrischen dünnen Lage zu einer Flachheit, die für das Bondieren geeignet ist, geschliffen werden. Die Steuerung der Parallelität zwischen gegenüberliegenden Flächen der PZT-Schicht kann ebenso entspannter betrieben werden. Die Kosten für das Schleifen einer Fläche sind geringer als jene für das parallele Läppen beider Flächen. Ein anderer Vorteil während des Zusammenbaus ist jener, daß das Verbinden des Substrats und der piezoelektrischen dünnen Lage mit einem Niedrigtemperatur-Lötmittel ein schneller Schritt ist, der das Schmelzen und Erstarren des Lötmittels mit umfaßt, anstelle, wie bei dem Stand der Technik, das Aushärten des Bond-Verbindungs-Materials, das eine wesentlich längere Zykluszeit erfordert: Gleichzeitig dazu, daß das Lötmittel benetzt, hält es die Spuren und die Elektroden jeden Teils automatisch in Ausrichtung und zieht sie mit einem Druck, der wenigen Atmosphären gleicht, zusammen, wobei das Erfordernis nach Zusammenbau-Hilfsmittel vermieden wird. Das Design bzw. die Ausgestaltung ermöglicht einen automatisierten Zusammenbau.
Der Aufbau bzw. die Konstruktion führt ebenso Merkmale ein, die eine verbesserte Ausbeute bei der Herstellung und eine verbesserte Verläßlichkeit während des Betriebs liefern. Eine Betrachtung ist jene, daß sowohl der Substratteil als auch das piezoelektrische Betätigungseinrichtungs-Teil in der Lage sind, vorgetestet zu werden, um herauszufinden, daß sie korrekt arbeitende Unterbestandteile sind, und zwar vor dem Zusammenbau.
Weiter ist die Anwendung bzw. der Einsatz von Lötmitteln als ein Bond- oder Verbindungsmaterial vorteilhaft, erstens weil es sich nicht in den Tinten hydrolisiert oder auflöst, wie dies bei den meisten Klebe-Verbindungen gefunden wurde: Ebenso kann es erneut erhitzt oder repariert werden, falls die Lötmittelverbindung nicht sauber hergestellt worden ist.
Es wird begrüßt, daß mit der beschriebenen Struktur bzw. mit dem beschriebenen Aufbau die Einheit, die Druckkopfkanäle und ihre abschließende dünne Lage umfaßt, ersetzt werden kann, ohne daß das Ersetzen des Chips 27 erforderlich ist. Da der Chip ein bedeutendes Element bezüglich der Kosten der Struktur darstellt und da er weniger verletzlich bezüglich Abnutzung und Beschädigung ist, als die Druckkopfkanäle, ist es wünschenswert, daß er nicht zusammen mit den Druckkopfkanälen ausgetauscht bzw. geändert werden muß.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Gerätes mit einer vielkanäliger Anordnung zum Niederschlag von Tröpfchen, das folgendes aufweist:

eine dünne Basis-Lage wird bereitgestellt, die eine Schicht aus piezoelektrischem Material aufweist, das normal zu der dünnen Lage gepolt ist, eine Anordnung bzw. ein Feld aus parallelen, am oberen Ende offenen bzw. oben gekappten Tröpfchenflüssigkeits- Kanälen in der dünnen Basis-Lagen-Schicht wird ausgebildet. so daß das piezoelektrische Material nach oben stehende bzw. aufrechte Wände bereitstellt, die aufeinanderfolgende Kanäle trennen, Elektroden werden auf kanalzugewandten Oberflächen der Wände ausgebildet, eine kanalabschließene dünne Lage wird an den Wänden befestigt bzw. mit diesen verbunden, Düsen werden vorgesehen, die jeweilig mit den Kanälen in Verbindung stehen, und eine Einrichtung wird vorgesehen, um eine Quelle bzw. einen Vorrat von Tröpfchenflüssigkeit mit den Kanälen zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalabschließende dünne Lage mit einer Anordnung bzw. einem Feld von parallelen, leitenden Spuren ausgebildet ist, die in Abständen bzw. Intervallen, die der Kanalbeabstandung entsprechen, beabstandet sind, die Kanäle werden in Positionen plaziert, die parallel und gegenüberliegend zu den Spuren sind, und die abschließende dünne Lage wird bezüglich der Kanalwände abgedichtet bzw. an diese befestigt, indem Bindungen bzw. Verbindungen ausgebildet werden, die jede Spur mechanisch und elektrisch mit den Elektroden auf den kanalzugewandten Seiten der Wände des dazu gegenüberliegenden Kanals verbinden.

2. Verfahren, das im Anspruch 1 beansprucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß Treiber-Strom-Schaltungsanordnungen mit den Spuren verbunden werden, bevor die Bindungen bzw. Verbindungen ausgebildet werden, um jede der Spuren mit den Elektroden auf den kanalzugewandten Seiten der Wände des dazu gegenüberliegenden Kanals verbunden werden.

3. Verfahren, das im Anspruch 1 oder 2 beansprucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindungen bzw. Verbindungen als Lötverbindungen bzw. Lötkontakte ausgebildet sind.

4. Verfahren, das im Anspruch 3 beansprucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß Lötmittel entweder auf den Spuren oder den Elektroden oder sowohl auf den Spuren als auch auf den Elektroden abgeschieden wird, die Kanäle gegenüber den Spuren plaziert werden und die Bindungen bzw. Verbindungen ausgebildet werden, um jede der Spuren mit den Elektroden der kanalzugewandten Oberflächen der Wände der dazu gegenüberliegenden Kanäle zu verbinden.

5. Verfahren, das im Anspruch 4 beansprucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt, wonach die Bindungen bzw. Verbindungen ausgebildet werden, um jede der Spuren mit den Elektroden der kanalzugewandten Oberflächen der Wände zu verbinden, folgendes mit sich bringt:

wenigsten das Lötmittel wird erhitzt, um dadurch zu verursachen, daß die Spuren und die angrenzenden Elektroden durch das Lötmittel befeuchtet werden, um dadurch einen Meniskus auszubilden, der die Spuren und angrenzende Elektroden überbrückt, und das Lötmittel wird abgekühlt, um die Bindungen bzw. Verbindungen auszubilden.

6. Verfahren, das in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spuren auf der kanalabschließenden dünnen Lage mit einer Breite ausgebildet werden, die sich derjenigen der Beabstandung der Elektroden auf den kanalzugewandten Wänden annähert.

7. Verfahren, das in irgendeinem der Ansprüche 2 bis 5 beansprucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiber-Strom-Schaltungsanordnungen in einem Treiberchip, der sich auf der kanalabschließenden dünnen Lage befindet, plaziert bzw. angeordnet sind.

8. Verfahren, daß im Anspruch 7 beansprucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Treiberchip ausgebildet wird, indem er auf der abschließenden dünnen Lage abgeschieden bzw. niedergeschlagen wird, um eine Treiber-Schaltungsanordnungseinrichtung bereitzustellen, die mit den Spuren verbunden ist.

9. Gerät mit einer vielkanäligen Anordnung zum Niederschlag von Tröpfchen, das folgendes aufweist:

eine dünne Basis-Lage, die eine Schicht aus piezoelektrischem Material aufweist, das normal dazu gepolt ist, eine Anordnung bzw. ein Feld aus parallelen, am oberen Ende offenen bzw. oben gekappten Tröpfchenflüssigkeits-Kanälen in der dünnen Basis-Lagen- Schicht, das durch nach oben stehende bzw. aufrechte kanaltrennende Wände bereitgestellt wird, die in der Schicht ausgebildet sind, Elektroden, die auf den kanalzugewandten Oberflächen der Wände bereitgestellt werden, eine kanalabschließende dünne Lage, die mit den Wänden verbunden ist bzw. an diesen befestigt ist, Düsen, die jeweilig mit den Kanälen und einer Einrichtung zur Lieferung von Tröpfchenflüssigkeit zu den Kanälen in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalabschließende dünne Lage ein Feld von parallelen leitenden Spuren darauf, die in Abständen bzw. Intervallen beabstandet sind, die der Kanalbeabstandung entsprechen und die parallel und gegenüberliegend zu den Kanälen angeordnet sind, und Bindung bzw. Verbindungen aufweist, die mechanisch und elektrisch jede Spur mit den Elektroden auf den kanalzugewandten Wänden des dazu gegenüberliegenden Kanals verbinden und die die abschließende dünne Lage bezüglich der Kanäle abdichten bzw. an diese befestigen.

10. Gerät, wie im Anspruch 9 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Treiber-Strom-Schaltungsanordnungen jeweils mit den Spuren verbunden werden.

11. Gerät, wie im Anspruch 9 oder 10 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die Spuren auf der kanalabschließenden dünnen Lage eine Breite aufweisen, die derjenigen der Beabstandung zwischen den Elektroden auf den kanalzugewandten Wänden angenähert ist.

12. Gerät, wie in irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindungen bzw. Verbindungen, die die Spuren mit den Elektroden verbinden Lötverbindungen bzw. Lötkontakte sind.

13. Gerät, wie im Anspruch 12 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß der Solidus bzw. der feste Zustand des Lötmittels der Bindungen bzw. Verbindungen in Hinblick auf die Werte des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt wird, um die relativen thermischen Spannungen der kanalabschließenden dünnen Lage und des piezoelektrischen Materials zu begrenzen.

14. Gerät, wie im Anspruch 12 oder Anspruch 13 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötmittel der Bindungen bzw. Verbindungen eine Legierung aus Blei und/oder Zinn und/oder Indium ist.

15. Gerät, wie im Anspruch 12 oder Anspruch 13 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötmittel der Verbindungen bzw. Bindungen eine eutektische Legierung ist, die Blei und Zinn beinhaltet.

16. Gerät, wie im Anspruch 12 oder 13 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötmittel der Bindungen bzw. Verbindungen eine Legierung ist, die Silber beinhaltet.

17. Gerät, wie in irgendeinem der Ansprüche 9 bis 16 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalabschließende dünne Lage ein Glas oder eine Keramik aufweist, das bzw. die ein relativ hohes elastisches Modul, und zwar im Vergleich mit jenem der piezoelektrischen Keramik und einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der an jenem des < 110> -Siliziums angepaßt ist.

18. Gerät, wie im Anspruch 17 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalabschließende dünne Lage ein Borosilikatglas ist.

19. Gerat, wie im Anspruch 18 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß auf der abschließenden dünnen Lage eine Schicht aus kristallinem Silizium abgeschieden ist, die die Breite der dünnen Lage in der Kanalanordnungs- bzw. Kanalfeld-Richtung ausdehnt und in der eine Multiplex-Treiber-Schaltungsanordnung ausgebildet ist, die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse aufweist, von denen die Ausgangsanschlüsse mit den leitenden Spuren auf der kanalabschließenden dünnen Lage verbunden sind.