PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004021855A1 25.05.2005
Titel Mikroinjektor mit einem geerdeten Übertragungskanal
Anmelder Benq Corp., Kweishan, Taoyuan, TW
Erfinder Huang, Tsung-Wei, Taipei, TW;
Chou, Chung-Cheng, Tao-Yuan Hsien, TW
Vertreter Hoefer & Partner, 81545 München
DE-Anmeldedatum 04.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004021855
Offenlegungstag 25.05.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.05.2005
IPC-Hauptklasse B05B 1/00
Zusammenfassung Ein Mikroinjektor (50) umfasst eine Kammer (54) zum Einschließen von Fluid, eine Öffnung (60) in Fluidverbindung mit der Kammer (54), wobei die Öffnung (60) über der Kammer (54) angeordnet ist, ein Stellglied, das unmittelbar benachbart zur Öffnung (60) und außerhalb der Kammer (54) angeordnet ist, zum Ausspritzen von Fluid aus der Kammer (54), eine Metallschicht (80), die über der Kammer (54) angeordnet ist, und einen Leitungskanal (86), der zwischen der Metallschicht (80) und der Erdung angeschlossen ist, zum Verhindern einer parasitären Kapazität.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikroinjektor eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

In den letzten Jahren wurde ein Mikroinjektor zum Ausspritzen von Fluiden, wie z.B. Gas, Tinte, chemischen Lösungen und anderen flüssigen Materialien, weit verbreitet auf Fluidausspritzvorrichtungen wie einen Tintenstrahldruckkopf in einem Tintenstrahldrucker angewendet. Da Mikroinjektoren preiswerter und zuverlässiger werden und da Fluide mit hoher Qualität für hohe Frequenz und räumliche Auflösung auf den Markt kommen, wird der Mikroinjektor immer populärer und weist eine breite Anzahl von Anwendungen auf. Ein Mikroinjektor kann beispielsweise auf eine Vielzahl von industriellen Gebieten angewendet werden, wie z.B. ein Kraftstoffeinspritzsystem, ein Zellensortiersystem, ein Arzneimittelabgabesystem, ein Mikrodüsen-Antriebssystem und Drucklithographie.

Leider weist eine Metallschicht im Mikroinjektor gewöhnlich eine große Fläche und eine entsprechende große parasitäre Kapazität auf. Eine solche große parasitäre Kapazität führt dazu, dass die Metallschicht eine große Menge an Ladung ansammelt. Diese Ladung koppelt leicht mit Schaltungen im Mikroinjektor, was Rechteckwellen, die vom Mikroinjektor erzeugt werden, verformt. Die verformten Ausgangswellen wirken sich nachteilig auf die Leistung des Mikroinjektors aus.

Im Gedanken daran zielt die vorliegende Erfindung auf die Bereitstellung eines entsprechenden Mikroinjektors mit einem geerdeten Übertragungskanal zum Verhindern, dass sich Ladung auf Metallschichten ansammelt, ab.

Dies wird durch einen Mikroinjektor nach Anspruch 1 erreicht. Die abhängigen Ansprüche betreffen entsprechende Weiterentwicklungen und Verbesserungen.

Wie aus der nachstehend folgenden ausführlichen Beschreibung deutlicher zu sehen ist, umfasst der beanspruchte Mikroinjektor nicht nur eine Metallplatte, sondern umfasst auch einen Leitungskanal, um die Metallplatte mit der Erdung zu verbinden. Der Leitungskanal verhindert das Problem der parasitären Kapazität und verbessert die Leistung des Mikroinjektors.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft weiter erläutert, wobei auf die zugehörigen Zeichnungen Bezug genommen wird. In diesen gilt

1 ist ein schematisches Diagramm eines Mikroinjektors gemäß dem Stand der Technik,

2 ist ein weiteres schematisches Diagramm des in 1 gezeigten Mikroinjektors gemäß dem Stand der Technik,

3 ist ein schematisches Diagramm eines Siliziumwafers, der dazu bereit ist, zu dem in 1 gezeigten Mikroinjektor gemäß dem Stand der Technik geätzt zu werden,

4 ist ein Diagramm einer Wellenform mit haifischflossenförmiger Überschwingung einer Rechteckwelle gemäß dem Stand der Technik,

5 ist ein Querschnittsdiagramm eines erfindungsgemäßen Mikroinjektors,

6 ist ein Ersatzschaltplan eines Stellgliedes des in 5 gezeigten Mikroinjektors gemäß der vorliegenden Erfindung, und

7 ist ein Diagramm einer Wellenform einer Rechteckwelle gemäß der vorliegenden Erfindung.

Man nehme bitte auf 1 Bezug, die ein schematisches Diagramm eines Mikroinjektors 10 gemäß dem Stand der Technik ist. Der Mikroinjektor 10 ist in einem US-Patent, Nr. 6 102 530, "Apparatus and method for using bubbles as virtual value in microinjector to eject fluid", offenbart. Der Mikroinjektor 10 umfasst eine Kammer 12, einen Rohrverteiler 14, der mit der Kammer 12 verbunden ist, eine Öffnung 16, die oberhalb der Kammer 12 angeordnet ist, eine erste Heizvorrichtung 18, eine zweite Heizvorrichtung 20 und eine SiO2-Schicht (nicht dargestellt). Die erste und die zweite Heizvorrichtung 18 und 20 sind beide unmittelbar benachbart zur Öffnung 16 und außerhalb der Kammer 12 angeordnet. Die erste und die zweite Heizvorrichtung 18 und 20 sind typischerweise Elektroden, die mit einer gemeinsamen Elektrode (nicht dargestellt) in Reihe geschaltet sind. Die Kammer 12 und der Rohrverteiler 14 des Mikroinjektors 10 sind mit Fluid (nicht dargestellt) gefüllt.

Die erste Heizvorrichtung 18 weist eine Querschnittsfläche auf, die kleiner ist als jene der zweiten Heizvorrichtung 20, und die erste Heizvorrichtung 18 weist folglich einen Wärmewirkungsgrad auf, der höher ist als jener der zweiten Heizvorrichtung 20. Durch dieselbe gemeinsame Elektrode angesteuert, erzeugt die erste Heizvorrichtung 18 daher eine erste Blase 22 früher als die zweite Heizvorrichtung 20 eine zweite Blase 24 erzeugt. Es ist zu sehen, dass die erste Blase 22 ein größeres Volumen als jenes der zweiten Blase 24 aufweist.

Die erste Heizvorrichtung 18 erzeugt die erste Blase 22, die groß genug ist, um ein virtuelles Ventil zu bilden, um zu verhindern, dass das im Rohrverteiler 14 enthaltene Fluid in die Kammer 12 gelangt, um einen Kreuzkopplungseffekt zwischen der Kammer 12 und anderen Kammern, die zur Kammer 12 benachbart sind, welcher sich auf die Kammer 12 des Mikroinjektors 10 auswirkt, zu verringern. Gleichzeitig spritzt die zweite Blase 24 mit einem zunehmenden Volumen, das durch die zweite Heizvorrichtung 20 angetrieben wird, das in der Kammer 12 eingeschlossene Fluid durch die Öffnung 16 allmählich in einen Bereich außerhalb der Kammer 12 aus.

Man nehme bitte auf 2 Bezug, die ein weiteres schematisches Diagramm des Mikroinjektors 10 gemäß dem Stand der Technik ist. Wenn die zweite Blase 24 wächst und ein Volumen aufweist, das groß genug ist, um mit der ersten Blase 22 in Kontakt zu kommen, ist die erste Blase 22 in Kombination mit der zweiten Blase 24 in der Lage zu verhindern, dass Fluid, das in einen Bereich 26 gegenüber der Öffnung 16 eingeschlossen ist, in einen Bereich außerhalb der Kammer 12 ausgespritzt wird, wobei die Satellitentröpfchen unterlassen werden.

Nachdem das Fluid durch die Kombination der ersten und der zweiten Blase 22 und 24 in einen Bereich außerhalb der Kammer 12 ausgespritzt wurde, stoppt die gemeinsame Elektrode das Ansteuern der ersten und der zweiten Heizvorrichtung 18 und 20. Daher nehmen die Volumina der ersten und der zweiten Blase 22 und 24 allmählich ab und die Kammer 12 wird wieder mit Fluid gefüllt.

Man nehme bitte auf 3 Bezug, die ein schematisches Diagramm eines Siliziumwafers 30 ist, der bereit ist, um zu dem Mikroinjektor 10 gemäß dem Stand der Technik geätzt zu werden. Der Siliziumwafer 30 umfasst ein Phosphosilikatglas (PSG) 32 als Opferschicht und ein spannungsarmes Siliziumnitrid 34 als obere Oberfläche der Kammer 12. Bei einem Masseätzprozess für den Siliziumwafer 30 wird der Siliziumwafer 30 in einer Lösung aus Kaliumhydroxid (KOH) geätzt, während die Opferschicht 32 des Siliziumwafers 30 durch Fluorwasserstoffsäure (HF) entfernt wird. Experimente zeigen, dass die obere Oberfläche 34 der Kammer 12, die durch das spannungsarme Siliziumnitrid gebildet ist, zerbrechlich ist und leicht bricht. Die KOH-Lösung ätzt wahrscheinlich eine Oberfläche des Siliziumwafers 30 und verringert daher eine Dehnungsrate des Siliziumwafers 30 oder beschädigt den Siliziumwafer 30 sogar.

Die Experimente zeigen auch, dass das Siliziumnitrid 34, das ferner mit einer Metallschicht überzogen ist, wie z.B. Gold und Nickel, nicht nur eine steifere Struktur aufweist, das Siliziumnitrid 34 hat auch eine zusätzliche Strahlungsfunktion, um die Herstellung des Rohrverteilers 14 und der Öffnung 16 gleichmäßig zu machen.

In dem Mikroinjektor 10 weist die SiO2-Schicht eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 3,9–4,5 und eine Dicke von 0,5 &mgr;m auf, während das Siliziumnitrid 34 eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 6–8 und eine Dicke von 0,5 &mgr;m aufweist. Die Metallschicht, die auf das Siliziumnitrid 34 aufgetragen ist, weist eine große Fläche und eine entsprechende große parasitäre Kapazität auf. Eine solche große parasitäre Kapazität führt dazu, dass die Metallschicht eine große Menge an Ladung ansammelt. Diese Ladung koppelt leicht mit Schaltungen, die in einem Bereich unter dem Siliziumnitrid 34 angeordnet sind, wobei eine Rechteckwelle, die den Mikroinjektor 10 ansteuert, so verformt wird, dass sie eine Wellenform mit haifischflossenförmiger Überschwingung aufweist, wie in 4 gezeigt. Die Rechteckwelle mit der Überschwingung beschädigt wahrscheinlich die erste und die zweite Heizvorrichtung 18 und 20 nacheinander oder einen MOS-Transistor im Mikroinjektor 10. Eine zu große parasitäre Kapazität begleitet überdies auch eine zunehmende RC, wodurch die Ansteuerfrequenz sowie die Druckeffizienz verringert werden, was ein Problem der Signalverzögerung erzeugt.

Man nehme bitte auf 5 Bezug, die ein Querschnittsdiagramm eines erfindungsgemäßen Mikroinjektors 50 ist. Der Mikroinjektor 50 umfasst ein Siliziumsubstrat 52, das mit der Erdung verbunden ist, eine Kammer 54, die auf dem Siliziumsubstrat 52 ausgebildet ist, zum Einschließen von Fluid, einen Rohrverteiler 56, der zwischen einem Fluidbehälter und der Kammer 54 ausgebildet ist, um Fluid vom Fluidbehälter zur Kammer 54 zu leiten, ein spannungsarmes Siliziumnitrid 58, das auf einer oberen Oberfläche der Kammer 54 angebracht ist, und eine Öffnung 60 in Fluidverbindung mit der Kammer 54, wobei die Öffnung 60 über der Kammer 54 angeordnet ist. Der Mikroinjektor 50 umfasst auch eine erste Heizvorrichtung 62 und eine zweite Heizvorrichtung 64, die beide unmittelbar benachbart zur Öffnung 60 und außerhalb der Kammer 54 angeordnet sind, zum Ausspritzen von Fluid aus der Kammer 54, einen dotierten P-Potentialmuldenbereich 66, ein Feldoxid 68, einen MOSFET 70 als Ansteuerschaltung, der auf dem dotierten P-Potentialmuldenbereich 66 ausgebildet ist, zum Steuern der ersten und der zweiten Heizvorrichtung 62 und 64, und eine erste und eine zweite SiO2-Schicht 72 und 74, die beide so ausgebildet sind, dass sie die erste und die zweite Heizvorrichtung 62 und 64 bedecken. Der Mikroinjektor enthält eine SixNy-Schicht 76, die so ausgebildet ist, dass sie die zweite SiO2-Schicht 74 bedeckt, eine Metallkontaktstelle 78, eine Metallschicht 80, die zwischen der ersten und der zweiten SiO2-Schicht 72 und 74 ausgebildet ist, eine erste Metallverbindungsvorrichtung, die in der Metallschicht 80 ausgebildet ist, zum Verbinden der ersten und der zweiten Heizvorrichtung 62 und 64 und der Metallkontaktstelle 78, eine P+-Ionenimplantation 82 als Schutzring, die benachbart zum MOSFET 70 ausgebildet ist, zum Aufnehmen von Löchern, die vom MOSFET 70 emittiert werden, welcher unter einem elektrischen Feld hoher Elektrizität funktioniert, eine Metallplatte 88, die so ausgebildet ist, dass sie die SixNy-Schicht 76 bedeckt, eine Passivierungsöffnung 84, die in einem Bereich ausgebildet ist, in dem die Metallplatte 88 die P+-Ionenimplantation 82 überlappt, und einen Leitungskanal 86, der die Passivierungsöffnung 84 mit der P+-Ionenimplantation 82 verbindet.

Man nehme bitte auf 6 Bezug, die ein Ersatzschaltplan eines Stellgliedes des erfindungsgemäßen Mikroinjektors 50 ist, wobei das Stellglied die erste und die zweite Heizvorrichtung 62 und 64 umfasst. Die erste Metallverbindungsvorrichtung verbindet nacheinander die Metallkontaktstelle 78, die zweite Heizvorrichtung 64, die erste Heizvorrichtung 62, den MOSFET 70 und die Erdung.

Der MOSFET 70 umfasst einen schwach dotierten Drainpol (oder doppeldiffundierten Drainpol) 90, der mit einer Programmierleitung (nicht dargestellt) verbunden ist, eine Sourceimplantation 92 und ein Polysiliziumgate 94, das mit einer Adressenleitung (nicht dargestellt) verbunden ist. Der Mikroinjektor 50 kann einen Bipolartransistor, einen JEFT-Transistor oder eine P-N-Diode verwenden, um den MOSFET 70 zu ersetzen. Die Metallschicht 80 besteht aus einem Metall, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Gold, Kupfer, Wolfram und Legierungen von Al-Si-Cu besteht. Der Mikroinjektor 50 umfasst ferner eine zweite Metallverbindungsvorrichtung, die in der Metallschicht 80 ausgebildet ist, zum Verbinden der Metallplatte 88 und der P+-Ionenimplantation 82 mit der Erdung. Die Ansteuerschaltung 70 kann auch alternativ Bipolartransistoren, JFET-Transistoren oder Dioden umfassen.

Die P+-Ionenimplantation 82 des Mikroinjektors 50 empfängt Löcher, die vom MOSFET 70 emittiert werden, und überträgt die Löcher über die zweite Metallverbindungsvorrichtung zur Erdung, um den MOSFET 70 von Rauschen zu isolieren. In einem Prozess zur Herstellung der Passivierungsöffnung 84 werden die zweite SiO2-Schicht 74 und die SixNy-Schicht 76 auf der Metallschicht 80 geätzt. Daher schließt die Metallplatte 88, die aus Gold oder Nickel besteht, nacheinander über die Passivierungsöffnung 84 und den Leitungskanal 86 zuerst mit der zweiten Metallverbindungsvorrichtung in der Metallschicht 80 und dann mit der Erdung kurz und funktioniert als Äquivalenzerdungsplatte.

Die Operationen des Mikroinjektors 50 werden wie folgt beschrieben: Wenn der Mikroinjektor 50 angesteuert wird, um Fluid auszuspritzen, und der MOSFET 70 dann durchgesteuert wird, fließt ein Strom, der von einer externen Quelle geliefert wird, von der Metallkontaktstelle 78 nacheinander über die erste Metallverbindungsvorrichtung in der Metallschicht 80, durch den Sourcepol 92 und den Drainpol 90 des durchgesteuerten MOSFET 70 zur ersten und zweiten Heizvorrichtung 62 und 64 und schließlich zur Erdung, um zu ermöglichen, dass die erste und die zweite Heizvorrichtung 62 und 64 Wärme erzeugen. Folglich wird das in der Kammer 54 enthaltene Fluid aufgeheizt und die erste und die zweite Blase 22 und 24 (mit Bezug auf 2) werden nacheinander erzeugt, um das Fluid durch die Öffnung 60 in einen Bereich außerhalb der Kammer 54 auszuspritzen.

Man nehme bitte auf 7 Bezug, die ein Diagramm einer Wellenform einer Rechteckwelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Es ist ersichtlich, dass die Rechteckwelle eine perfekte Wellenform aufweist.

Im Gegensatz zum Stand der Technik kann die vorliegende Erfindung einen Mikroinjektor 50 mit einer Metallplatte 88 als Äquivalenzerdungsplatte, einer Passivierungsöffnung 84 und einen Leitungskanal 86 bereitstellen, wobei die Passivierungsöffnung 84 und der Leitungskanal 86 beide zum Übertragen der parasitären Kapazität, die auf der Metallplatte 88 angesammelt wird, zur Erdung dienen. Der Mikroinjektor 50 weist zumindest die folgenden Vorteile auf:

  • (1) Da die erste und die zweite Heizvorrichtung 62 und 64, die die erste SiO2-Schicht 72 bedecken, beide sehr schlechte Wärmeleitungskonstanten von 1,4 W/mK aufweisen und die Metallplatte 88 jedoch eine gute Wärmeleitungskonstante von 318 W/mK aufweist, kann sich die Metallplatte 88 mit dem Siliziumsubstrat 52, welches auch eine gute Wärmeleitungskonstante von 160 W/mK aufweist, kombinieren, um Wärme, die von der ersten und der zweiten Heizvorrichtung 62 und 64 erzeugt wird, durch eine Vielzahl von Strahlungsableitungen abstrahlen, die durch eine Kombination der Passivierungsöffnung 84 und des Leitungskanals 86 ausgebildet sind;
  • (2) Die Metallplatte 88 verstärkt die Struktur des spannungsarmen Siliziumnitrids 58; und
  • (3) Das Kurzschließen der Metallplatte 88 mit der Erdung über die zweite Metallverbindungsvorrichtung in der Metallschicht 80 verringert nicht nur die parasitäre Kapazität der Metallplatte 88, so dass die zum Ansteuern der ersten und der zweiten Heizvorrichtung 62 und 64 verwendete Rechteckwelle eine perfekte Wellenform aufweisen kann, es macht auch die Metallplatte 88 zu einer großen Äquivalenzerdungsplatte, wobei eine Kombination der Metallplatte 88 und des Siliziumsubstrats 52 als weitere Erdungsplatte in der Lage sind, Schaltungen im Mikroinjektor 50 von Rauschen zu isolieren (Abschirmeffekt). Abschließend stellt der Mikroinjektor 50 eine gute Druckqualität, eine hohe Druckgeschwindigkeit und eine lange Lebensdauer bereit.

Der Mikroinjektor 50 kann nicht nur auf einen Tintenstrahldruckkopf eines Schwarz-Weiß- oder Farbtintenstrahldruckers angewendet werden, er kann auch auf eine Vielzahl von industriellen Gebieten angewendet werden, wie z.B. ein Kraftstoffeinspritzsystem, ein Zellensortiersystem, ein Arzneimittelabgabesystem, ein Mikrodüsen-Antriebssystem und Drucklithographie.


Anspruch[de]
  1. Mikroinjektor (50) mit:

    einer Kammer (54) zum Einschließen von Fluid;

    einer Öffnung (60) in Fluidverbindung mit der Kammer (54), wobei die Öffnung (60) über der Kammer (54) angeordnet ist;

    einem Stellglied, das unmittelbar benachbart zur Öffnung (60) und außerhalb der Kammer (54) angeordnet ist, zum Ausspritzen von Fluid aus der Kammer (54);

    einer Metallplatte (88), die über der Kammer (54) angeordnet ist; und

    gekennzeichnet durch einen Leitungskanal (86) zum Verbinden der Metallplatte (88) mit der Erdung.
  2. Mikroinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied eine erste Betätigungskomponente (62) und eine zweite Betätigungskomponente (64) zum sequentiellen Erzeugen einer ersten Blase bzw. einer zweiten Blase umfasst.
  3. Mikroinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betätigungskomponente (62) eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als jene der zweiten Betätigungskomponente (64).
  4. Mikroinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroinjektor (50) ferner einen Rohrverteiler (56) zwischen einem Fluidbehälter und der Kammer (54) umfasst, um Fluid vom Fluidbehälter zur Kammer (54) zu leiten.
  5. Mikroinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroinjektor (50) ferner eine Ansteuerschaltung (70), die mit dem Stellglied elektrisch verbunden ist, zum Steuern des Stellgliedes umfasst, wobei ein Ende der Ansteuerschaltung (70) über eine Metallverbindungsvorrichtung (80) mit dem Stellglied verbunden ist.
  6. Mikroinjektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallverbindungsvorrichtung (80) aus einem Metall besteht, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Gold, Kupfer, Wolfram und Legierungen von Al-Si-Cu besteht.
  7. Mikroinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroinjektor (50) ferner einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) (70) umfasst, der über eine Metallverbindungsvorrichtung (80) elektrisch mit dem Stellglied verbunden ist.
  8. Mikroinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskanal (86) aus einem Metall besteht, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold und Nickel besteht.
  9. Mikroinjektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (70) MOSFETs, Bipolartransistoren, JFET-Transistoren oder Dioden umfasst.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

  Patente PDF

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com