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Dokumentenidentifikation DE69836519T2 13.09.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000888888
Titel Magnetisch betätigte Tintenstrahldruckvorrichtung
Anmelder Xerox Corp., Rochester, N.Y., US
Erfinder Genovese, Frank C., Fairport, New York 14450, US;
Kubby, Joel A., Rochester, NY 14622, US;
Peeters, Eric, Mountain View, California 94041, US;
Chen, Jingkuang, Ann Arbor, MI 48105, US;
Hays, Dan A., Fairport, New York 14450, US;
Pond, Stephen F., Gainesville, Virginia 20155, US
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69836519
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 02.06.1998
EP-Aktenzeichen 983043340
EP-Offenlegungsdatum 07.01.1999
EP date of grant 29.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.09.2007
IPC-Hauptklasse B41J 2/045(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft Tintenstrahldruckköpfe, im Besonderen Tintenstrahldruckköpfe, die Drop-On-Demand-Technik bereitstellen und magnetbetätigte Einrichtungen zum Ausstoßen von Tintentropfen besitzen.

Die Art von Tintenstrahldruckköpfen, die Drop-On-Demand bereitstellt, wird im Allgemeinen durch die Einrichtung gekennzeichnet, die zum Ausstoßen der Tintentropfen genutzt wird, das heißt, thermischer Tintenstrahl oder Bubble Jet, piezoelektrischer Tintenstrahl und akustischer Tintenstrahl. Bei thermischen Tintenstrahldruckern wird eine Tinte auf Wasserbasis verwendet, ein Heizelement neben einer Düse verdampft als Reaktion auf an das Heizelement angelegte elektrische Impulse vorübergehend die Tinte, die Kontakt mit dem Heizelement hat. Sobald ein Dampfblasenkern gebildet wurde, bewirken das Ausdehnen und Zusammenziehen der Dampfblase einen Tropfenausstoß-Prozess, der unabhängig von zusätzlichen elektrischen Steuersignalen abläuft, und somit gibt es keinen Mechanismus zum Steuern des Tropfenvolumens, wie es beispielsweise für eine Graustufensteuerung mit variabler Tropfengröße wünschenswert wäre, außer dem Verändern der Temperatur des Druckkopfes oder der Tinte, was nicht einfach zu steuern ist. Ein Beispiel für thermische Tintenstrahldruckköpfe wird im US-Patent US-A-4,638,337 genannt. Piezoelektrische Tintenstrahldruckköpfe besitzen piezoelektrische Vorrichtungen, die sich ausdehnen oder zusammenziehen, wenn ein elektrisches Signal angelegt wird, um den zum Ausstoßen eines Tropfens oder zum Nachfüllen der Kammer erforderlichen Druck zu erzeugen. Im Gegensatz zu der Ausstoßvorrichtung des thermischen Tintenstrahldruckers steht das Ausdehnen und Zusammenziehen des Volumens der Kammer eines piezoelektrischen Druckkopfes unter ständiger elektrischer Steuerung, wodurch das Tropfenvolumen gesteuert werden kann, was das Graustufendrucken mit variabler Tropfengröße ermöglicht. Ein Beispiel für piezoelektrische Tintenstrahldruckköpfe wird im US-Patent US-A-4,584,590 genannt. Der Druckkopf eines akustischen Tintenstrahldruckers benötigt eine Hochfrequenz-Energieversorgung zum Erzeugen der akustischen Energie, die zum Ausstoßen eines Tropfens erforderlich ist. Eine derartige HF-Energieversorgung ist teuer und kann zu unerwünschten HF-Emissionen führen. Die akustische Energie muss genau auf die Tintenoberfläche fokussiert werden, um einen Tintentropfen auszustoßen, dies erfordert sehr enge Toleranzen bei der Fertigung des Druckkopfes und bewirkt, dass der Druckkopf schwierig herzustellen ist. Ein Beispiel für einen akustischen Tintenstrahldruckkopf wird im US-Patent US-A-4,751,530 genannt.

Aktuelle thermische Tintenstrahldruckköpfe benötigen etwa 5–10 &mgr;J Energie über eine Zeitdauer von 2,7 &mgr;s und somit eine Leistung von 3,5 Watt, um einen Tropfen von 20 pl mit 10 m/s auszustoßen. Ein derartiger Tropfen besitzt eine kinetische Energie von 1 nJ und eine Oberflächenenergie von 0,2 nJ, somit werden also 99,98 % der Ausstoßenergie des Tropfens in Abwärme umgewandelt. Die thermische Unwirtschaftlichkeit thermischer Tintenstrahldruckköpfe führt zu einer Reihe von Begrenzungen der Leistungsfähigkeit; zum Beispiel wird die Temperaturverwaltung problematisch, und dies um so mehr, je größer die Arrays der Düsen sind. Darüber hinaus gibt es Schwierigkeiten mit der Temperaturverwaltung hinsichtlich der Bildqualität. Wenn sich der thermische Tintenstrahl-Druckkopf aufheizt, verändern sich die Eigenschaften der Tinte (zum Beispiel die Viskosität der Tinte), wodurch die Größe des ausgestoßenen Tropfens verändert und somit die Bildqualität beeinflusst wird. Eine weitere Einschränkung thermischer Tintenstrahldruckköpfe ist die Beschränkung auf Tinten auf Wasserbasis, da eine Wasserdampfblase als Antriebsmittel für die Tintentropfen verwendet wird. Tinten auf Wasserbasis begrenzen die Einsatzbreite der Tinte, was zu Beschränkungen der Druck- oder der Bildqualität, beispielsweise der Bildbeständigkeit, der Wasserfestigkeit, der Wischfestigkeit und des Farbspektrums, führt.

Sowohl piezoelektrische Tintenstrahl- als auch akustische Tintenstrahldruckköpfe vermeiden diese Einschränkungen durch Verwendung nicht-thermischer Einrichtungen zum Ausstoßen von Tropfen. Dies führt zwar zu einer breiteren Einsetzbarkeit der Tinte und beseitigt die Probleme hinsichtlich der Temperaturverwaltung, bei jeder dieser Techniken tritt jedoch eine Reihe anderer Probleme auf. Bei piezoelektrischen Tintenstrahlvorrichtungen können die piezoelektrischen Betätigungsvorrichtungen nur eine sehr kleine Verlagerungsbewegung durchführen, deswegen muss die Vorrichtung zum Ausstoßen von Tropfen sehr groß sein, wodurch die Anzahl der Düsen in einem Array begrenzt und somit die Druckqualität und/oder -produktivität beeinträchtigt wird. Piezoelektrische Vorrichtungen zum Ausstoßen von Tropfen werden derzeit einzeln hergestellt, dazu werden Losfertigungstechnologien ohne integrierte Schaltkreise genutzt, wodurch die Kosten pro Düse sehr hoch sind, verglichen mit Vorrichtungen zum Ausstoßen von Tropfen, die mit Losfertigungstechnologien mit integrierten Schaltkreisen hergestellt werden, beispielsweise die Techniken, die für thermische Tintenstrahlvorrichtungen genutzt werden. Beim Drucken mit einem akustischen Tintenstrahldrucker wird eine Hochfrequenz-Energieversorgung zum Erzeugen der akustischen Energie, die zum Ausstoßen eines Tropfens erforderlich ist, benötigt, derartige HF-Energieversorgungen sind jedoch teuer. Die HF-Leistungsverteilung auf den Köpfen der Vorrichtung zum Ausstoßen von Tropfen ist schwierig zu steuern. Darüber hinaus verwenden akustische Tintenstrahl-Druckvorrichtungen Fertigungsprozesse und -materialien, die nicht standardmäßig eingesetzt werden, bei denen sich die mechanischen Toleranzen in Größenordnungen von wenigen Mikrometern in allen drei Richtungen bewegen und über große Bereiche hinweg gleichmäßig sein müssen, weswegen sie weder von den Einsparungsmöglichkeiten durch Silizium noch durch Losfertigungstechnologien mit integrierten Schaltkreisen profietieren können.

Ein elektromechanisch betätigter Tintenstrahldruckkopf wird in dem Artikel mit dem Titel, "An Ink Jet Head Using a Diaphragm Microactuator" von Susumu Hirata et al., Proceedings of the Ninth Annual International Workshop on Mikrometer Electro Mechanical Systems, San Diego, California, Februar 1996, S. 418 bis 423, offenbart. Diese Vorrichtung verwendet Hitze zum Ausdehnen und Verformen einer Membran zum Ausstoßen von Tintentropfen. Die erforderliche Energie betrug 80 &mgr;J, das ist weniger energieeffizient als thermische Tintenstrahlvorrichtungen, die etwa 10 &mgr;J benötigen.

In dem US-Patent US-A-5,402,163 wird ein Tintenstrahldruckkopf offenbart, der eine elektrisch leitfähige Tinte und eine elektrisch leitfähige Schiene zum Erzeugen einer elektrodynamischen Kraft zum Ausstoßen von Tintentropfen nutzt. Diese Vorrichtung erfordert jedoch eine für den elektrischen Strom leitfähige Tinte und weist somit unter anderem auch Einschränkungen hinsichtlich der Einsatzbreite der Tinte auf.

Das US-Patent US-A-4,983,883 offenbart einen Tintenstrahldruckkopf, der ein Element nutzt, das eine magnetische Kraft erzeugt, um auf eine magnetische Tinte einzuwirken und Tropfen auszustoßen. Da die Tinte magnetisch sein muss, bedeutet diese Anforderung neben weiteren Nachteilen eines derartigen Druckkopfes erhebliche Einschränkungen für die Einsatzbreite der Tinte.

Das US-Patent US-A-4,845,517 offenbart einen Tintenstrahldruckkopf, bei dem in jedem Tintenkanal ein leitfähiger Quecksilberfaden positioniert und senkrecht zu dem Kanal ein Magnetfeld angelegt wird. Fließt ein elektrischer Strom durch den Faden, wird der Faden elektromagnetisch verformt und dadurch ein Tropfen ausgestoßen. Eine offensichtliche Einschränkung dieses Konzeptes ist, dass die Tinte dem Quecksilberfaden ausgesetzt wird, was zu Problemen mit der Einsatzbreite der Tinte führt.

In den US-Patenten US-A-4,620,201, US-A-4,633,267, und US-A-4,544,933 wird ein magnetischer Antrieb für eine Tintenstrahldruckvorrichtung offenbart, in dem viele Stromschleifen, die alle eine Auslassdüse besitzen, in einer gemeinsamen Tintenkammer liegen. Die Stromschleifen sind unter dem Einfluss eines Magnetfeldes beweglich und dienen zum Bewegen von Tropfen. Da die Stromschleifen jedoch auf eine gemeinsaure Tintenkammer einwirken, kann es zu Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Stromschleifen kommen, was zwischen den Vorrichtungen zum Ausstoßen von Tropfen zu Übersprechen führt. Da sich darüber hinaus bei dieser Konstruktion die Wände der Kammer weit von den Düsen entfernt befinden und es nur geringe Abstände für korrektes Funktionieren (compliance gaps) zwischen den Düsen gibt, ist die mechanische Effizienz der Stromschleifen zum Ausstoßen von Flüssigkeitstropfen begrenzt.

Das US-Patent US-A-4,455,127 offenbart eine Tauchkolbenpumpe von kompakter Größe, in der Kolben von einem Tauchkolben, der mit einem elektromagnetischen Magnetventil verbunden ist, angetrieben werden, so dass sie eine Hin- und Herbewegung ausführen. Da in diesem Konzept ein elektromagnetisches Magnetventil verwendet wird, bietet es sich für eine Losfertigungstechnologie, die integrierte Schaltkreise nutzt, nicht an, somit ist das Konzept für die Nutzung in einer Tintenstrahldruckkopf-Umgebung wirtschaftlich nicht geeignet.

Das US-Patent US-A-4,415,910 offenbart eine Tintenstrahldruckvorrichtung zum Ausstoßen von Tropfen, in der unter Druck stehende Tinte auf Anforderung durch das Bewegen eines Elektromagneten freigegeben wird, der betrieben wird, um eine magnetische Kugel aus ihrem Sitz herauszubewegen, die auf einer Druckkopfdüse sitzt. In diesem Konzept wird ein magnetisch betätigtes Ventil verwendet, das sich für eine Fertigungstechnologie, die integrierte Schaltkreise nutzt, nicht anbietet, und somit ist das Konzept für die Nutzung in einer Tintenstrahldruckkopf-Umgebung wirtschaftlich nicht geeignet.

Die US-Patente US-A-4,057,807 and US-A-4,032,929 offenbaren einen Tintenstrahldruckkopf, der aus einer Vielzahl von Tintenkammern besteht, die alle eine Düse besitzen, jede Kammer besitzt eine Membran als äußere Begrenzung, und ein Elektromagnet, der selektiv angesteuert werden kann, befindet sich gegenüber jeder Membran. Wird die Membran einem Magnetfeld ausgesetzt, verformt sie sich und verringert das Volumen der Kammer, wodurch ein Tropfen aus den Düsen ausgestoßen wird. Dieses Konzept ist für die Silizium-Losfertigungstechnologie, die integrierte Schaltkreise nutzt, nicht nutzbar, so dass es nicht rentabel in der Fertigung ist, darüber hinaus kann es auch an die Mikroelektromechaniktechnologie nicht angepasst werden, die für eine praktikable, kostengünstige Tintenstrahldruckvorrichtung unabdingbar ist.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue, kostengünstige, magnetbetätigte Tintenstrahldruckvorrichtung bereitzustellen, die die Vielzahl von Problemen der oben aufgeführten thermischen, piezoelektrischen und akustischen Tintenstrahldruckvorrichtungen umgeht.

In einem Aspekt der Erfindung wird eine magnetbetätigte Tintenstrahldruckvorrichtung zur Verwendung in einem Tintenstrahldrucker bereitgestellt, die umfasst:

ein Substrat (32) mit parallel gegenüberliegenden Seiten und ersten und zweiten parallelen Oberflächen (33, 34), wobei die zweite Substratoberfläche (34) wenigstens eine Vertiefung (76) darin hat; wenigstens eine flexible Membran (38);

eine Elektrode (40) für jede Membran, ausgebildet auf dem Substrat (32), wobei ein Teil der Elektrode (40) auf der Membran (38) aufliegt und an dieser befestigt ist;

ein Element (44) für jede Membran, auf der ersten Substratoberfläche (33) ausgebildet, mit wenigstens einer internen Kavität (49), die sich an der ersten Substratoberfläche (33), die einen Teil davon bildet, öffnet, wobei die Kavität (49) als ein Tintenbehälter dient, die Kavität (49) eine Düse (46) und einen Tinteneinlass hat und die Düse (46) mit der Membran (38) fluchtend ist; wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung, die angrenzend an das Substrat (32) angeordnet ist und die ausgerichtet ist, um über den Membranen (38) ein Magnetfeld einer vorgegebenen Stärke und Richtung relativ zu den Elektroden (40) über den Membranen (38) zu erzeugen;

eine Tintenzuführung, die an den Tinteneinlass der Kavität (49) angeschlossen ist, um die genannte Kavität mit Tinte zu füllen; und

eine Einrichtung (42) zum selektiven Anlegen von elektrischem Strom auf jede Elektrode, (40), wobei der Strom durch die Elektrode (40), die in dem Magnetfeld liegt, eine Kraft erzeugt, die eine vorübergehende Verformung der Membran (38) mit der Elektrode in eine Richtung auf die Düse (46) und anschließend von dieser weg bewirkt, wobei jede vorübergehende Verformung der Membran (38) und der Elektrode (40) in Richtung auf die Düse (46) und anschließend von der Düse (46) weg einen Tintentropfen aus der Düse ausstößt; dadurch gekennzeichnet, dass die Substratdicke der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Substratoberfläche (33, 34) ist, die erste Substratoberfläche 33 eine Schutzschicht (69) darauf besitzt; jede Vertiefung (76) eine Tiefe hat, die der Substratdicke gleich ist, so dass die Vertiefung die Schutzschicht (69) freilegt; und jede Membran (38) ein Teil der durch die Vertiefung (36) freigelegten Schutzschicht (69) ist.

Zum Verändern der Tropfengröße für das Graustufendrucken kann die Richtung des Stroms unmittelbar nach einem Anfangsstrom umgekehrt werden, wodurch sich die Membran in die entgegengesetzte Richtung und von der Düse weg verformt, wodurch das in der Kammer enthaltene Tintenvolumen vergrößert wird. In einer anderen Ausführungsform bewirkt ein Dauerstrom durch die der Membran aufliegende Elektrode, während sich die Elektrode in einem Magnetfeld befindet, das Erzeugen einer Kraft auf die Membran, die die Membran in Richtung der Düse verformt hält, Tropfen werden jedoch nur dann ausgestoßen, wenn der Strom erhöht und dann auf Nullstrom abgesenkt wird.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Fertigen einer magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtung bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:

  • a) Bereitstellen eines ebenen Substrats (32) mit ersten und zweiten parallelen Oberflächen (33, 34);
  • b) Ausbilden eines Arrays von Metallelektroden (40) auf der ersten Oberfläche (33) des Substrats (32), jede Elektrode (40) mit einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss;
  • c) Passivieren der Elektroden (40);
  • d) Aufbringen einer Opferschicht aus Material (64) auf der ersten Oberfläche (33) des, Substrats und über die passivierten Elektroden (40);
  • e) Strukturieren der Opferschicht (64), um eine Form eines Tintenraumes (49) auf der ersten Substratoberfläche (33) für jede Elektrode (40) auszubilden;
  • f) Aufbringen einer Schicht von Düsenplattenmaterial (44) auf der ersten Substratoberfläche und über die strukturierte Opferschicht (64);
  • g) Ausbilden einer flexiblen Membran (38) für jede Elektrode (40), wobei die Membranen (38) vorgegebene Abmessungen und Orte haben, so dass sich ein Teil jeder Elektrode (40) auf jeder Membran (38) befindet;
  • h) Strukturieren des Düsenplattenmaterials (44), um eine Düsenplatte mit einer Düse (46) für jede Membran (38) auszubilden und um das Düsenplattenmaterial (44) von den Elektrodenanschlüssen (45, 42) zu entfernen;
  • i) Entfernen der Opferschicht (64), um die Tintenräume (49) auszubilden; und
  • j) Befestigen einer Magnetfelderzeugungseinrichtung angrenzend an wenigstens eine Seite des Substrats (32) und der Düsenplatte darauf, so dass ein dadurch erzeugtes Magnetfeld eine Feldrichtung senkrecht zu den Elektrodenteilen (40) hat, die sich auf den genannten Membranen (38) befinden.
  • k) Bereitstellen eines strukturierten Ätzstopps (66) auf der ersten Oberfläche (33) des Siliziumsubstrats durch Dotieren, um die Orte der Membranen (38) zu definieren;
  • l) Aufbringen einer ätzresistenten Schicht (63, 69) auf den ersten und zweiten Oberflächen (33, 34) des Siliziumsubstrats (32) vor dem Ausbilden der Elektroden (40), wobei jede ätzresistente Schicht (63) strukturiert ist, um dann Lücken auf der zweiten Oberfläche (34) des Siliziumsubstrats bereitzustellen, die im Anschluss für anisotropes Ätzen der freigelegten zweiten Oberfläche (34) des Siliziumsubstrats genutzt werden; und dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzstopp (66) ätzstoppfreie Bereiche enthält, die die Abmessung der genannten Membranen (38) haben, so dass das anisotrope Ätzen in den ätzstoppfreien Bereichen durch das Siliziumsubstrat (32) ätzt, um vorgegebene Teile der ätzresistenten Schicht (69) auf der ersten Oberfläche (33) des Siliziumsubstrats freizulegen, wobei die freigelegten Oberflächenteile der ätzresistenten Schicht (69) als Membranen verwendet werden.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei gleiche Referenznummern auf gleiche Elemente verweisen, und in denen:

1 eine schematische, isometrische Teilansicht eines Druckers zeigt, der die magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtungen der vorliegenden Erfindung besitzt;

2 eine isometrische Ansicht einer Siliziumscheibe (Wafer) zeigt, die an ihrer Oberfläche eine Vielzahl der magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtungen aus 1 besitzt und die Trennkanten zum Trennen der Vorrichtungen voneinander zeigt;

3 eine einzelne, magnetbetätigte Tintenstrahldruckvorrichtung in isometrischer Darstellung nach der Trennung von der Siliziumscheibe aus 2 zeigt;

Die 4 bis 6 den Fertigungsprozess von nur einer der Vielzahl magnetbetätigter Tintenstrahldruckvorrichtungen in der Siliziumscheibe aus 2 in einer Schnittdarstellung zeigen;

7 eine schematische Schnittdarstellung zeigt, die das Arbeitsprinzip einer magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtung offenbart;

8 eine Unteransicht einer magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtung zeigt;

9 eine Ansicht von oben einer magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtung zeigt;

10 eine Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform der magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtung zeigt, die der in 6 gezeigten Ansicht ähnlich ist;

11 eine isometrische Ansicht einer magnetbetätigten Vielfarb-Tintenstrahldruckvorrichtung zeigt, wobei vier Düsenarrays in einer einzigen Druckvorrichtung gefertigt werden;

12 eine Unteransicht der magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtung aus 11 zeigt;

13 einen Grundriss einer Ausführungsform der die Membran der magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtung überdeckenden Elektrode zeigt, die die Vorrichtung betätigt und den Tropfen ausstößt;

14 eine Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform der magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtung zeigt, die der in 6 gezeigten Schnittdarstellung ähnlich ist; und

15 eine Wellenform des Stroms ist, der in einer Ausführungsform der magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtung durch die Elektrode auf der Membran fließt, und einen Dauerstrom zeigt, der zum Ausstoßen eines Tintentropfens erhöht und abgesenkt wird.

In 1 wird eine schematische, isometrische Teilansicht eines Vielfarb-Tintenstrahldruckers 10 gezeigt, der die magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtungen 12 der vorliegenden Erfindung besitzt, diese werden mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Der Vielfarbdrucker umfasst vier Druckerpatronen 14, eine für jede Farbe und jeweils mit einer eingebauten Druckvorrichtung 12 versehen, die auf einem seitwärts verschieblichen Schlitten 16 lösbar befestigt sind. Die Druckerpatronen besitzen eine Tintenzuführungs-Sammelleitung 18 und Tinteneinlassverbinder 20 zum Verbinden der Tintenzuführungsleitungen (nicht dargestellt), die die Einrichtung bereitstellen, die bewirkt, dass die Sammelleitungen mit Tinte aus einem Hauptbehälter (nicht dargestellt) gefüllt bleiben, der sich an einem anderen Ort in dem Drucker befindet. Der Schlitten besitzt einen Rahmen 22, auf dem die Patronen mit verschieblichen Führungen 24 befestigt sind, die von einer Drucker-Steuereinheit (nicht dargestellt) gesteuert werden und sich in Richtung des Pfeils 27 entlang von Führungsschienen 26 hin und her bewegen. Die Druckvorrichtungen oder Druckköpfe drucken mit Tintentropfen 30, die aus den Düsen der Druckvorrichtung, die in dieser Ansicht nicht dargestellt ist, ausgestoßen werden, Streifen von Bildern auf ein Aufzeichnungsmedium 28, beispielsweise Papier. Das Aufzeichnungsmedium wird stationär gehalten, während der jeweilige Streifen des Bildes gedruckt wird, danach wird das Aufzeichnungsmedium in einer Richtung, die zu der Translationsrichtung des Schlittens senkrecht ist, wie durch den Pfeil 29 gezeigt, um eine Entfernung weitertransportiert, die im Allgemeinen der Höhe des gedruckten Bildstreifens entspricht. Die Druckvorrichtungen stoßen auf Anforderung der Drucker-Steuereinheit über das Flachbandkabel 31 Tropfen aus. Alternativ dazu kann der Druckkopf vergrößert werden, so dass er eine vollständige Seitenbreite abdeckt, indem die Anzahl der Tropfen-Ausstoßvorrichtungen erhöht wird. In dieser Durchführung kann der Druckkopf (nicht dargestellt) stationär gehalten werden, während das Medium mit einer gleich bleibenden Geschwindigkeit daran vorbeigeführt wird. Ein solches Array mit der Breite einer Seite erhöht die Produktivität des Druckers erheblich.

Eine Konzeptzeichnung, die das Arbeitsprinzip einer magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtung 12 zeigt, ist in 7 dargestellt. Die Druckvorrichtung 12 umfasst eine Siliziumplatte 32, die zwei parallele Oberflächen 33, 34 besitzt. Die Siliziumplatte ist ein Teil einer (100) Siliziumscheibe, die eine Dicke von etwa 20 mil oder 500 &mgr;m besitzt und anisotropisch aus der Oberfläche 34 geätzt wurde, um eine Vertiefung 36 darin bereitzustellen. Alternativ dazu kann an Stelle der Siliziumscheibe ein Glas- oder Keramik-Schichtstoffverbund (Laminat) (nicht dargestellt) verwendet und die Vertiefung 36 dann durch einen geeigneten Prozess, beispielsweise durch Pressformen oder Laserabtragen, bereitgestellt werden. Die Vertiefung 36 besitzt eine Unterseite 37, die im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche 33 der Siliziumplatte ist und eine vorgegebene Entfernung von der Oberfläche besitzt, vorzugsweise etwa 1 &mgr;m, so dass eine relativ dünne Siliziummembran ausgebildet wird, die als Membran 38 verwendet wird. Der Oberflächenbereich der Oberfläche der Unterseite der Vertiefung und somit der Oberflächenbereich der Membran ist vorgegeben, um die geeignete Verformung zu ermöglichen, und in der bevorzugten Ausführungsform beträgt er etwa 320 &mgr;m im Quadrat, oder, falls er kreisförmig ist, etwa 320 &mgr;m im Durchmesser. Die obere Oberfläche 33 der Siliziumplatte besitzt eine darauf aufgebrachte Aluminiumelektrode 40, die so gefluchtet ist, dass ein Teil der Elektrode über der Membran liegt. Alternativ dazu, jedoch nicht dargestellt, kann die Elektrode auch auf der Unterseite 34 der Siliziumplatte und der Vertiefung 36 aufgebracht und gefluchtet sein, so dass ein Teil der Elektrode auf der Unterseite der Membran liegt. Auf der Oberfläche 33 der Siliziumplatte ist eine Düsenplatte 44 ausgebildet, in der eine innere Kavität 49 ausgebildet ist. Die Kavität ist gegen die Oberfläche 33 der Siliziumplatte offen und fluchtet mit der Membran und der darüber oder darunter angeordneten Elektrode. Die Düsenplatte besitzt eine Düse 46, die mit der Mitte der Membran fluchtet. Die Kavität wird durch einen Einlass (nicht dargestellt) mit Tinte 43 gefüllt.

Erste elektrische Stromimpulse "I" werden über einen Transistor 42, der auf der Oberfläche 33 der Siliziumplatte integral ausgebildet sein kann, selektiv an die Elektrode 40 angelegt. Ein vorgegebenes Magnetfeld B (nicht dargestellt), das eine Feldrichtung besitzt, die sich von der Oberfläche der in 7 gezeigten Zeichnung direkt nach oben ausdehnt, bewirkt, dass immer dann eine Kraft F erzeugt wird, wenn ein vorgegebener Strom von links nach rechts durch die Elektrode, wie in 7 gezeigt, hindurchfließt, wie von den Koordinaten X, Y, Z dargestellt wird, wobei der Strom I für die X-Richtung steht, die Kraft F für die Y-Richtung und das Magnetfeld für die Z-Richtung. Die erzeugte Kraft F, die durch den Pfeil 41 angegeben wird, verformt die Membran nach oben in Richtung der Düse 46, wie mit der gestrichelten Linie dargestellt, wodurch sich der Druck auf die Tinte in der Kavität, die als Tintenbehälter dient, vergrößert, dadurch wird der Prozess des Ausstoßens der Tinte eingeleitet. Ein Tropfen 30 wird aus der Düse 46 ausgestoßen, wenn sich die Membran von der Düse wegbewegt, nachdem sie sich auf die Düse zu bewegt hat, was beispielsweise dann eintritt, wenn an der Elektrode kein Strom mehr anliegt. Das Volumen oder die Größe des Tropfens können verändert werden, indem ein entsprechend zeitlich festgelegter Stromimpuls über einen zweiten Transistor 45 in die entgegengesetzte Richtung angelegt wird, um die Membran durch eine entgegengesetzt gerichtete Kraft in die Richtung von der Düse weg zu bewegen und dadurch das Volumen der Kammer zu vergrößern, statt es zu verringern. Das zugrunde liegende Arbeitsprinzip ist also das allseits bekannte Gesetz der Physik, dass eine Kraft erzeugt wird, wenn durch einen Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet, ein Strom fließt.

Graustufen werden erzielt, indem das Tintenvolumen in der Druckkopfkavität 49 vergrößert wird und somit größere Tropfen ausgestoßen werden. Dies wird erzielt, indem zunächst ein Stromimpuls in einer Richtung durch die Elektrode geleitet wird, um eine Kraft auf die Membran auszuüben, die die Membran in eine Richtung von der Düse weg verformt. Auf diese Weise wird die Kavität vorübergehend vergrößert, danach übt ein Stromimpuls in der entgegengesetzten Richtung eine Kraft auf die Membran aus, die die Membran in Richtung der Düse verformt. Wenn sich die Tinte durch die Düse bewegt, wird der Strom entfernt oder seine Richtung wird umgekehrt, wodurch die Membran selbständig in ihre Ausgangslage zurückkehren kann oder in die Ausgangslage zurück bewegt wird.

Der erforderliche Pumpendruck an der Düse 46 wird durch die folgende Formel angegeben:

P = Pviskos + POberflächenspannung + Pdynamischer Druck = 32 &mgr;LU/A(&tgr;)d2 + 4&ggr;/d + (S)&rgr;u2, wobei: &mgr;/&rgr; = kinetische Viskosität (0,018 cm2/s für H2O); L = Düsenkanallänge; A(&tgr;) = transienter Strömungskoeffizient; u = Tropfengeschwindigkeit = 10 m/s; d = Düsendurchmesser; &ggr; = Oberflächenenergie = 60 mJ/m2 für H2O; und &rgr; = Dichte (Masse pro Volumeneinheit) = 1 g/cm3 für H2O, so dass P = 1,0 Atmosphären (atm) + 0,1 atm + 0,5 atm = 1,6 atm für einen Wassertropfen beträgt, der aus einer Düse mit einer Düsenkanallänge L = 100 &mgr;m und einem Düsendurchmesser d = 30 &mgr;m ausgestoßen wird. Somit ist die erforderliche Kraft F zum Ausstoßen eines Wassertropfens gleich dem Pumpendruck P geteilt durch die Düsenfläche, oder F = (1,6 atm) × [&pgr;(d/2)2] = (1,6 × 105 n/m2) × [3,14 × (1 × 10–10 m2)] = 50 × 10–6 N. Die durch die Membran verfügbare Kraft der magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtung kann mit Hilfe der Lorenz-Gleichung für die Kraft, die auf ein ladungstragendes Teilchen einwirkt, das sich in einem Magnetfeld bewegt, berechnet werden: F = qv × B = ILB; wobei q = Ladung des Teilchens; v = Geschwindigkeit des Teilchens; B = Magnetfeld; I = Strom (Ladung pro Zeiteinheit); und L = Länge der Elektrode, so dass für I = 400 mA in einem Feld mit B = 0,8 Tesla die Kraft F pro Längeneinheit 4,0 × 10–1 N/m betragen würde. Für F = 50 × 10–6 N beträgt die Länge der Elektrode mindestens 125 &mgr;m.

Die Druckvorrichtungen 12 können mit einer Silizium-Losfertigungstechnologie mit integrierten Schaltkreisen gefertigt werden. Wie in 2 gezeigt, wird eine Vielzahl von magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtungen oder Druckköpfen 12 vor der Trennung in eine Vielzahl von individuellen Druckvorrichtungen gezeigt. Alternativ dazu können Array-Druckvorrichtungen für die gesamte Seitenbreite auf großen Substraten, wie beispielsweise Glas oder Keramikverbundstoffen, hergestellt werden. In dieser Ausführungsform werden die Druckvorrichtungen aus einer (100) Siliziumscheibe 48 und einer Schicht 50 eines fotostrukturierbaren Materials wie beispielsweise Polyimid hergestellt. Die Schicht des fotostrukturierbaren Materials ist so strukturiert, dass sie längliche Gräben 51 ausbildet, die die Kontaktanschlüsse für die Elektroden freilegen (siehe 3). Jede der Druckvorrichtungen 12 besitzt ein Array von Düsen 46 und zueinander senkrecht stehende Trennkanten 52, die mit gestrichelten Linien gezeigt werden und später dazu dienen, die Druckvorrichtungen voneinander zu trennen.

In 3 wird eine einzelne Druckvorrichtung 12 mit zwei Magnetfelderzeugungseinrichtungen (die mit gestrichelten Linien gezeigt werden), wie beispielsweise zwei Magneten 54 mit einer ausreichenden magnetischen Flussdichte oder Feldstärke, die auf gegenüberliegenden Seiten davon angeordnet sind, in einer isometrischen Ansicht gezeigt. Seltenerdmagneten, wie beispielsweise Kobalt-Samarium-Magneten, die jeweils ein Magnetfeld mit einer Stärke von 0,82 Tesla oder 8.200 Gauß besitzen und so orientiert sind, dass sich ihre Felder ergänzen, sind ausreichend, um die erforderliche Tropfenausstoßkraft F für 600 spi mit einem Abstand von 42 &mgr;m zu erzeugen, wenn elektrische Stromimpulse von 250 mA an die Elektroden auf der Membran 38 (siehe 7) angelegt werden. Die Druckvorrichtung umfasst einen Teil einer Siliziumscheibe, die als Siliziumplatte 32 bezeichnet wird, Elektroden 40, die eine Membran für jede Düse 46 überdecken, und eine strukturierte Schicht 50 eines fotostrukturierbaren Materials, das als Düsenplatte 44 bezeichnet wird. Die Kavitäten 49, die als Tintenvorratsbehälter für jede Düse dienen, und eine gemeinsame Tintensammelleitung 56, die die Kavitäten mit dem Einlass 58 verbindet, werden durch Ätzen durch die Siliziumplatte hindurch bereitgestellt und mit gestrichelten Linien dargestellt. Die Elektrodenkontaktanschlüsse 60, 61 für den Eingang beziehungsweise die gemeinsame Rückführung werden durch das Strukturieren der Düsenplatte freigelegt gezeigt. Um die Ausrichtung der Druckvorrichtung mit Bezug auf das Magnetfeld und die Richtung des Stroms zu verdeutlichen, wird ein Koordinatensystem bereitgestellt, in dem die Koordinaten X, Y und Z den Strom I, die durch die Kraft erzeugte Richtung F beziehungsweise das Magnetfeld B darstellen.

Die 4 bis 6 zeigen den Losfertigungsprozess mit integrierten Schaltkreisen für die magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtungen 12. Obwohl der Fertigungsprozess auf der Ebene der Siliziumscheibe abläuft, ist der dargestellte Teil der Siliziumscheibe 48 (siehe 2) zur einfacheren Erläuterung eine Schnittdarstellung von lediglich einer Druckvorrichtung. In 4 besitzt der Teil einer n-leitenden (100) Siliziumscheibe, die hierin im Folgenden als Siliziumplatte 32 bezeichnet wird, eine Dicke von etwa 20 mil (500 &mgr;m), eine Oberfläche 33 wurde durch eine oder mehrere Masken dotiert, um für jede Düse der Druckvorrichtung einen strukturierten, p-leitenden Ätzstopp 62 mit einer Oberflächengröße von 320 &mgr;m × 320 &mgr;m oder einem Durchmesser von 320 &mgr;m und einer Konzentration von etwa 1019 Bor-Ionen pro cm3 bis zu einer Tiefe von etwa 1 &mgr;m bereitzustellen. Alternativ dazu kann ein in der Branche allgemein bekannter elektrochemischer Ätzstopp mit einer wesentlich geringeren Konzentration von Dotierungs-Ionen genutzt werden, um die hohe Belastung zu vermeiden, die in der Membran durch eine hohe Konzentration von Bor-Ionen erzeugt wird. Siehe hierzu beispielsweise T. N. Jackson, M. A. Tischler, K. D. Wise, IEEE Electron Device Letters, Band EDL-2, Nr. 2, Februar 1981. Jeder dieser Ätzstopps 62 definiert im Folgenden die flexiblen Membranen 38 (siehe 6 und 7), die zum Ausstoßen von Tintentropfen genutzt werden. Darüber hinaus wird ein zweiter Bereich 66, der alle Ätzstopps 62 der Membran umschließt und umgibt, auf dieselbe Konzentration, jedoch bis in eine größere Tiefe, nämlich 18 &mgr;m, p-dotiert.

Für eine Druckvorrichtung mit acht Düsen würde ein zweiter, p-dotierter Bereich 66 eine Oberfläche von etwa 2700 &mgr;m × 650 &mgr;m besitzen. Die gegenüberliegende Oberfläche 34 oder optional jede der Oberflächen 33, 34 der Siliziumplatte wird durch eine schützende, ätzresistente Schicht 63, wie beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, mit einer Dicke zwischen etwa 1000 Ångström und 1 &mgr;m geschützt. Die ätzresistente Schicht 69 auf der Oberfläche 33 der Siliziumplatte wird nur in der in 14 offenbarten Ausführungsform gezeigt. Optional kann auf der Oberfläche 33 der Siliziumplatte während dieser Stufe des Prozesses ein integraler Halbleiter-Transistor oder ein CMOS-Schalter 42 ausgebildet werden, der als Schalter zum selektiven Anlegen eines elektrischen Stroms an die danach ausgebildete Elektrode Verwendung findet. Auf die Oberfläche 33 der Siliziumplatte werden Metallelektroden 40 aus Metallen wie beispielsweise Aluminium aufstrukturiert, so dass jede Elektrode auf einem Ätzstopp 62 aufliegt und so ausgerichtet ist, dass der elektrische Strom in eine bestimmte Richtung fließen muss. In 4 ist die Flussrichtung des Stroms entweder von links nach rechts oder von rechts nach links. Da wenigstens ein Teil jeder Elektrode 40 Tinte ausgesetzt sein wird, wird die Elektrode außer an den Elektrodenenden, die als Kontaktanschlüsse 60, 61 genutzt werden (siehe auch 9) mit einer Passivierungsschicht (nicht dargestellt) passiviert. Darauf wird auf die Oberfläche 33 der Siliziumplatte und die darauf angebrachten passivierten Elektroden 40 eine 20 bis 30 &mgr;m starke Opferschicht 64 aufgebracht. Für das Aufbringen der Opferschicht ist ein Niedertemperaturverfahren erforderlich, so dass die sich darunter befindenden Metallelektroden nicht angegriffen werden. Mehrere geeignete Fotolacke, wie beispielsweise AZ4620TM, ein im Handel erhältlicher Fotolack von Shipley, können bis zu der erforderlichen Tiefe bei einer Temperatur von weniger als 400 °C, die die Metallelektroden nicht angreift, mit Kathodenzerstäubung aufgetragen oder aufgeschleudert werden. Die weitere Aufgabe der Opferschicht ist, dass sie durch Chemikalien selektiv entfernt werden muss, die das Düsenplattenmaterial, in der bevorzugten Ausführungsform Polyimid, nicht angreifen. Die Opferschicht wird danach strukturiert, um die Bereiche für den Tintenraum 49 (siehe 6 und 7) und die Tintenflussdurchlässe wie beispielsweise die gemeinsame Sammelleitung 56 (siehe 6) und Durchlässe aufzubauen, die die Tintenräume 49 mit der Sammelleitung verbinden. Im nächsten Schritt werden eine oder mehrere Schichten eines Materials, beispielsweise einer lichtempfindlichen Polyimidschicht 50, mit einer Dicke von etwa dem Doppelten der Opferschicht oder etwa 40 bis 60 &mgr;m aufgebracht und später mit typischen fotolithografischen Schritten strukturiert, um die Düsenplatte 44 auszubilden. Falls erforderlich, kann über die Schicht 50 eine ätzresistente Schicht (nicht dargestellt) aufgebracht werden, um sie vor dem folgenden Schritt des anisotropischen Ätzens zu schützen.

In 5 ist die ätzresistente Schutzschicht 63 auf der rückwärtigen Oberfläche 34 der Siliziumplatte so strukturiert, dass darin Lücken 65 bereitgestellt werden; zum Ätzen der Vertiefung 36 und des durchgeätzten Loches 58 mit einer offenen Unterseite 59 wird ein anisotropisches Ätzmittel, beispielsweise Kaliumhydroxid (KOH) oder Ethylendiamin-Pyrocatechol (EDP) verwendet. Die Ätzstopps 62, 66 verhindern weiteres Ätzen. Der Ätzstopp 62 betrifft die Membranen 38. Das durchgeätzte Loch 58 dient später als ein Tinteneinlass für die durch Entfernen der Opferschicht bereitgestellte gemeinsame Sammelleitung. Im nächsten Schritt wird die Schicht 50 strukturiert, um die Düsen 46 und die Düsenplatte 44 auszubilden und die Schicht über den Elektrodenanschlüssen 60, 61 zu entfernen, damit diese zugänglich sind. Wird für die Schicht 50 lichtempfindliches Polyimid verwendet, wird diese durch in dem Industriezweig allgemein bekannte Mittel fotolithografisch strukturiert. Im letzten Schritt wird die Opferschicht 64 durch selektives Nassätzen entfernt, danach wird, falls notwendig, die strukturierte Schicht 50 gehärtet, um die Düsenplatte 44, wie in 6 gezeigt, auszubilden. Bei einem Prozess, in dem vollständige Siliziumscheiben bearbeitet werden, wird eine Vielzahl von Druckvorrichtungen integral auf einer Siliziumscheibe mit einem Durchmesser von 10,16 bis 12,7 cm (4 bis 5 Zoll) ausgebildet, die Siliziumscheibe wird entlang der Trennkanten 52 (siehe 2) getrennt, um die Druckvorrichtungen in eine Vielzahl von individuellen Druckvorrichtungen zu unterteilen. Jede individuelle Druckvorrichtung 12 wird danach auf eine Tintenzuführungs-Sammelleitung 18 gebondet, die in 6 mit einer gestrichelten Linie dargestellt wird; die Öffnung 67 der Sammelleitung ist mit dem durchgeätzten Loch 58 gefluchtet, so dass die Tinte in der Tintenzuführungs-Sammelleitung mit den Düsen 46 in der Düsenplatte 44 durch eine Strömungsstrecke über die gemeinsame Sammelleitung 56 und somit mit den Kavitäten oder Tintenvorratsbehältern 49 verbunden ist, die mit den Düsen verbunden sind (siehe ebenfalls 3). Bei einer Druckvorrichtung in Seitenbreite (nicht dargestellt) können die Druckvorrichtungen 12 direkt aneinander angrenzen oder versetzt über die gewünschte Länge angeordnet sein, oder, wie oben erwähnt, können das die Membran tragende Substrat 32 und die Düsenplatte 44, ebenso wie die Magnetfelderzeugungseinrichtung 54, die in Abständen entlang der Länge der Druckvorrichtung angeordnet ist, Seitenbreite besitzen.

8 zeigt eine Unteransicht der magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtung 12. Diese Druckvorrichtung wurde in Übereinstimmung mit dem oben behandelten Fertigungsprozess und wie in den 4 bis 6 gezeigt, hergestellt. Auf der Siliziumplatte 32 werden der Einfachheit halber nur acht Membranen 38 gezeigt, eine tatsächliche Druckvorrichtung besitzt jedoch sehr viel mehr Druckvorrichtungen in einem Array mit einem Abstand von 600 spi. In dieser Ansicht wird die anisotropisch durch die Oberfläche der Siliziumplatte 34 geätzte Hauptvertiefung 36 gezeigt, deren Tiefe von dem Ätzstopp 66 definiert wird, so dass die Oberfläche der Unterseite der Vertiefung 37 bei dem 18 &mgr;m tiefen Ätzstopp 66 ausgebildet wird. Alle Membranen 38 werden von dem Ätzstopp 62 festgelegt und sind 1 &mgr;m tief, so dass die Membranen eine Dicke von 1 &mgr;m haben. Jede Düse 46 besitzt eine Membran, die Düsen werden durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Zum besseren Verständnis der Erfindung werden einige der Adressierelektroden 40, integralen Transistoren 42 und Eingangsanschlüsse 60 von gestrichelten Linien dargestellt. Darüber hinaus wird der gemeinsame Rückführungsanschluss 61 mit einer gestrichelten Linie dargestellt. An einem Ende der Siliziumplatte befindet sich die durchgeätzte Vertiefung 58 und die offene Unterseite 59, die als Einlass zu der gemeinsamen Sammelleitung 56 der Düsenplatte 44 dient (siehe 3).

In 9 wird eine Ansicht von oben der magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtung 12 gezeigt. Die Düsen 46 sind in einer Spalte angeordnet und haben einen gleichmäßigen Mitte-zu-Mitte-Abstand 'b' und sind zueinander um eine Größe 'a' versetzt, so dass das Array leicht geneigt ist. Die Entfernung 'b' beträgt etwa 320 &mgr;m, die Größe 'a' beträgt etwa 42 &mgr;m. Die Membranen 38 sind durch gestrichelte Linien unterhalb jeder Düse dargestellt. Die Schicht 50 des Düsenplattenmaterials, beispielsweise Polyimid, wurde strukturiert, so dass die Anschlüsse 60, 61 auf der Oberfläche 33 der Siliziumplatte 32 freigelegt sind, zum Ausbilden der Düsen 46 wird die Düsenplatte 44 ebenfalls strukturiert. Der geätzte Tinteneinlass 59 wird darüber hinaus der Einfachheit halber mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Die Magnetfelderzeugungseinrichtungen 54, beispielsweise Permanentmagneten, werden mit gestrichelten Linien dargestellt, die Orientierung des Magnetfeldes B wird durch Pfeile angezeigt. Das Magnetfeld kann in jeder ebenen Richtung orientiert sein, so lange die Elektrodenteile, die an die Membranen angrenzen, sich innerhalb des Magnetfeldes befinden und zu der Richtung des Magnetfeldes senkrecht stehen.

Eine alternative Konstruktion wird in 10 gezeigt, die der Schnittdarstellung aus 6 ähnelt. Der Unterschied zwischen den beiden Druckvorrichtungen besteht dann, dass in 10 die durchgeätzte Vertiefung 58 mit einer offenen Unterseite 59 weggelassen wurde und stattdessen die Opferschicht strukturiert wurde, so dass sich beim Strukturieren des Düsenplattenmaterials durch die Seite der Schicht 50 eine durchgehende Öffnung bildet. Wenn die Opferschicht entfernt wird, durchdringt ein offener Durchlass 68 die Seite 57 der Düsenplatte 44. Eine Leitungsverbindung 70 wird auf die Düsenplatte gebondet und eine Leitung 72 daran angeschlossen. Die Fertigungsverfahren der 4 bis 6 sind ansonsten identisch; das heißt, zum Ausbilden der Ätzstopps 62, 66 wird die Oberfläche 33 der Siliziumplatte 32 auf eine Konzentration von 1019 Bor-Ionen/cm3 und bis in die jeweiligen Tiefen von 1 &mgr;m beziehungsweise 18 &mgr;m dotiert. Die ätzresistente Schutzschicht 63 aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxid wird auf die Unterseite 34 der Siliziumplatte aufgebracht. Der integrale Transistor oder Halbleiter-Schalter 42 kann zu diesem Zeitpunkt optional in der oberen Oberfläche 33 der Siliziumplatte hergestellt werden, gefolgt von dem Strukturieren der Metallelektroden 40 und dem Aufbringen der Opferschicht 64 (siehe 5). Danach wird die relativ dicke Schicht des Düsenplattenmaterials auf der Oberfläche 33 der Siliziumplatte einschließlich der Opferschicht 64 aufgebracht, danach wird die Schutzschicht 63 strukturiert, um Lücken 65 für das anisotrope Ätzen der Vertiefung 36 bereitzustellen, die die Membranen 38 bilden. Im letzten Schritt wird die Schicht 50 des Düsenplattenmaterials strukturiert, um die Elektrodenanschlüsse 60, 61 freizulegen und die Düsen 46 zu erzeugen.

Der Vielfarbdrucker aus 1 besitzt vier Druckvorrichtungen aus 3, jeweils eine. für die Farben Gelb, Cyan, Magenta und Schwarz. 11 zeigt eine isometrische Ansicht einer Vielfarbdruckvorrichtung 80, die sich von der Druckvorrichtung mit einem einzelnen Array von Düsen aus 3 nur dadurch unterscheidet, dass sich die vier Düsenarrays auf einer einzigen Platte 32 befinden, so dass das Ausrichten der Düsen für jede Farbe entfällt. Die Platte ist größer, um die höhere Anzahl der Elektroden 40 und der Elektrodenanschlüsse 60, 61 und die höhere Anzahl Düsen unterzubringen; die Platte kann aus jedem geeigneten Material bestehen, beispielsweise aus Keramik oder Glas, sie besteht jedoch vorzugsweise aus Silizium. Das Düsenplattenmaterial 50 ist strukturiert, um die Düsenplatte 44 und die vier Düsenarrays 46 bereitzustellen und alle Elektrodenanschlüsse freizulegen. Die Magnetfelderzeugungseinrichtungen 54 werden mit gestrichelten Linien dargestellt, es wird ein X-Y-Z-Koordinatensystem gezeigt, um die Orientierung der Magnetfelder, die Richtung des Stroms in den Elektroden über den Membranen und die daraus resultierende erzeugte Kraft F darzustellen, die die Membranen auf die Düsen zu und dann von ihnen weg verformt, um die Tintentropfen auszustoßen.

Eine Ansicht von unten der Vielfarbdruckvorrichtung aus 11 wird in 12 gezeigt. Diese Ansicht zeigt vier Arrays mit jeweils acht Membranen, wobei jede Membran 38 eine Düse 46 besitzt, die mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist. Die Mittelpunkte der Düsen besitzen zueinander die Abstände 'b' und 'c', hierbei beträgt 'b' etwa 320 &mgr;m und 'c' beträgt etwa 640 &mgr;m. Der Versatz der Düsen in jeder Spalte wird durch die Größe 'a' dargestellt, die mit der Größe des einzelnen Düsenarrays der Druckvorrichtung aus 3 identisch ist und etwa 42 &mgr;m beträgt. Somit umfasst die geätzte Vertiefung 36, die bis zu dem dotierten Ätzstopp 66 geätzt wird, in ihrem Boden 37 die Arrays der geätzten Vertiefungen, die tiefer geätzt sind, nämlich bis zu den Ätzstopps 62, die die Dicke der Membranen 38 festlegen. Der Ätzstopp 66 ist 18 &mgr;m tief, der Ätzstopp 62 ist 1 &mgr;m tief, beides jeweils von der oberen Oberfläche 33 der Siliziumplatte 32 aus gerechnet, so dass der Boden der Hauptvertiefung 37 von der oberen Oberfläche der Siliziumplatte um die Dicke des Ätzstopps 66 und entfernt ist; die Böden der Vertiefungen, die die Membranen 38 festlegen, sind von der oberen Oberfläche der Siliziumplatte um die Dicke des Ätzstopps 62 entfernt. Optional können in der Vertiefung 36 Verstärkungslamellen 86 bereitgestellt werden, indem eine separate Lücke (nicht dargestellt) in der ätzresistenten Schicht 63 für jedes Array von Membranen 38 genutzt wird, so dass jedes Array von Membranen eine separate Vertiefung 36 besitzt.

Eine alternative Ausführungsform der Elektrode, die auf jeder Membran oder auf ihrer Unterseite liegt, wird in 13 gezeigt. Die Elektrode besteht aus zwei getrennten Drahtwicklungen 82, 84, die auf die Membran 38 aufstrukturiert werden, so dass jeder Draht mehrmals über die Membran führt und ein Stromimpuls durch die Drahtwicklungen den Strom in derselben Richtung durchlässt. Eine derartige Konfiguration von Drähten wird oft "Tauchspule" (Voice Coil) genannt. In den oben beschrieben Ausführungsformen, in denen die Düsen einen Mittenabstand oder Abstand (Pitch) von 42 &mgr;m besitzen und Drähte mit 2 &mgr;m mit einem Pitch von 2 &mgr;m genutzt werden, läuft derselbe Draht pro Pitch zehn Mal über die Membran, der Strom in den Drähten über der Membran 38 fließt in die durch einen Pfeil dargestellte Richtung des Stroms. Somit wird die Stromlast in der Drahtspule auf etwa 50 mA verringert. Dieser Strom ist geringer als die normalerweise üblichen Antriebsströme von etwa 80 mA, die in thermischen Tintenstrahldruckköpfen eingesetzt werden, so dass der Strom mit Transistoren unter Verwendung der NMOS-Technologie geschaltet werden kann.

Werden zwei Magnete eingesetzt, die so angeordnet sind, dass sich ihre Magnetfelder addieren, wodurch die Feldstärke verdoppelt wird, wie in den oben genannten Ausführungsformen gezeigt, wird damit der Strombedarf halbiert. Der resultierende Strombedarf kann noch einmal halbiert werden, indem eine zweite Wicklungsschicht (nicht dargestellt) in einer zweiten Metallisierungsschicht (wie die typischerweise in CMOS-Verfahren genutzte) darüber aufgebracht wird. Eine derartige Bauart verdoppelt die Anzahl der Drahtwicklungen in jedem Pitch von 10, wie in 13 gezeigt, auf 20 Drahtüberkreuzungen auf der Membran, wodurch der Strombedarf halbiert wird. Durch Verdoppeln der Drahtüberkreuzungen kann der für das Ausstoßen eines Tropfens erforderliche Strom auf 12,5 mA gesenkt werden. Alternativ dazu kann der Strom in einer derartigen Bauform bei 50 mA gehalten werden, so dass die entwickelte Kraft dadurch auf das Vierfache ansteigt. Der Kraftanstieg um den Faktor vier führt zu einer viermal stärkeren Verformung der Membran. Ein derartiger Anstieg der Verformung der Membran kann wünschenswert sein, um schlechte Übereinstimmung der Wände zu kompensieren, die das Volumen der Kammer bilden, denn durch eine schlechte Kompleanz könnte eine Verringerung des ausgestoßenen Tropfenvolumens ausgelöst werden.

In der bevorzugten Ausführungsform wird für eine einfachere Bauform und ein einfacheres Verfahren eine Blechelektrode genutzt. Die Kraft F pro Fläche einer aktuellen Blechelektrode kann mit der Formel F/A = &xgr;B berechnet werden; wobei B das Magnetfeld in Tesla (T) ist und &xgr; ist die Stromdichte des Bleches in A/m2. Bei einer Feldstärke von 0,8 T und einem Stromfluss von 500 mA durch die Blechelektrode mit einer Breite von 120 &mgr;m beträgt &xgr; = 4,2 × 103 A/m2, die Kraft pro Fläche beträgt 3,33 × 103 N/m2. Um die erforderliche Kraft zum Ausstoßen eines Tropfens von 50 &mgr;N zu erzeugen, benötigt die Membran eine Fläche von 1,5 × 10–8 m2. Das entspricht einer Fläche von etwa 120 &mgr;m × 120 &mgr;m, die bei einem Versatz um 42 &mgr;m leicht einen Düsenabstand von 600 spi ermöglichen kann. Die Leistungsabgabe der magnetbetätigten Membran kann mit der Formel P = I2R bestimmt werden, wobei I der Strom und R der Widerstand des Strom leitenden Bleches ist. Der Widerstand eines etwa 0,5 &mgr;m dicken Aluminiumbleches beträgt etwa 56 m&OHgr;. Bei einem Stromimpuls von 500 mA beträgt die Leistungsabgabe entsprechend der Formel P = I2R = (0,5 A)2 (56 × 10–3 &OHgr;) = 14 mW. Folglich gibt ein Stromimpuls mit einer Dauer von 60 &mgr;s etwa 0,84 &mgr;J ab. Das entspricht einer viel geringeren Leistung und Energie als der, die bei herkömmlichen thermischen Tintenstrahldruckköpfen zum Ausstoßen eines Tropfens benötigt wird, diese benötigen eine Leistung in der Größenordnung von 3 Watt und eine Leistung von etwa 10 &mgr;J.

Die Mittenbewegung w einer quadratischen Membran mit L Metern pro Seite, die an den Seiten befestigt ist und eine Dicke von h Metern besitzt, wird durch die folgende Formel angegeben: w = (1,638 × 10–3) 12 (I – v2)/E (L4/h3)P wobei E der Elastizitätsmodul für Polyimid (5 GPa), v die Poissonzahl für Polyimid (0,35) und P der angelegte Druck von 50 &mgr;N/(120 &mgr;m)2 = 3,5 × 103 Pa ist. Daher ergibt sich w = 0,3 &mgr;m. Der Elastizitätsmodul von Silizium beträgt 165 GPa, die Poissonzahl beträgt 0,28. Der Elastizitätsmodul von Siliziumnitrid beträgt 270 GPa, die Poissonzahl beträgt 0,27.

Zum Ausstoßen eines Tropfens von 2 pl mit einer Membran von 120 &mgr;m × 120 &mgr;m wird eine Verlagerungsbewegung von 0,14 &mgr;m benötigt, vorausgesetzt, dass das Verhältnis von Tropfenvolumen zu Kammervolumenänderung gleich 1 ist. Die Größe der Membran kann nach Bedarf angepasst werden, um Verluste des ausgestoßenen Tropfenvolumens auszugleichen, die im Zusammenhang mit der Kompleanz in der Ausstoßkammer auftreten. Eine kleine Größenänderung der Membran führt zu einer großen Änderung der Verlagerungsbewegung, da die Bewegung die vierte Potenz der Größe ist. Das ausgestoßene Tropfenvolumen kann darüber hinaus durch Veränderung der Stärke oder der Form des Stromimpulses, das Bereitstellen eines größeren oder kleineren Membrandruckes P und somit einer größeren oder kleineren Membranverlagerungsbewegung w auch für Graustufen genutzt werden. Tropfen können darüber hinaus auch, wie vorstehend erläutert, moduliert werden, indem das Vorzeichen des Stromimpulses geändert wird, um die Membran von der Düse wegzulenken und dadurch das Kammervolumen zu vergrößern.

Eine Ausführungsform einer magnetbetätigten Druckvorrichtung 12 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird in 14 gezeigt. Diese ist der in 6 gezeigten Druckvorrichtung ähnlich, unterscheidet sich jedoch von dieser dadurch, dass die strukturierten Ätzstopps 62 weggelassen werden und eine ätzresistente Schicht 69 wie beispielsweise Siliziumnitrid auf die obere Oberfläche 33 der Siliziumplatte 32 aufgebracht wird. Die ätzresistente Schicht 69 ist so strukturiert, dass sie Lücken 79 zum Freilegen der oberen Oberfläche 33 in Bereichen freilässt, die später für die integralen Transistoren 42 und Transistoren 45, falls diese zum Einsatz kommen, und für den Tinteneinlass 59 genutzt werden. Die Metallelektrode 40 ist auf der ätzresistenten Schicht 69 und der freigelegten Oberfläche der Siliziumplatte 33 ausgebildet. Die Elektrode wird beispielsweise durch eine zweite ätzresistente Schicht aus Siliziumnitrid (nicht dargestellt) passiviert, wodurch die Elektrode zwischen den elektrisch isolierenden Schichten eingeschlossen wird. Ohne den Ätzstopp 62 ermöglicht das anisotrope Ätzen der Vertiefung 36 das Ätzen einer zweiten Vertiefung 76. Die zweite Vertiefung 76 wird vollständig durch die Bereiche hindurchgeätzt, die nicht mehr durch die strukturierten Ätzstopps 62 geschützt werden, so dass die Membranen 38 durch die freigelegten, ätzresistenten Schichten 69 bereitgestellt werden. Alternativ dazu kann die ätzresistente Schicht entfernt und durch eine Schicht Polyimid oder eines für die Membran geeigneten Materials ersetzt werden.

Eine alternative Ausführungsform einer Stromwellenform wird in 15 gezeigt, in der der Strom während des Druckmodus für die magnetbetätigte Tintenstrahldruckvorrichtung dauerhaft fließt. In dieser Ausführungsform sind die Membranen durch einen Dauerstrom von 100 mA immer in Richtung der Düsen verformt, wie durch die gestrichelte Linie in 7 gezeigt wird, die Tropfen werden jedoch nur dann ausgestoßen, wenn der Strom vorübergehend auf beispielsweise 200 mA erhöht, dadurch die erzeugte Kraft vergrößert und die Membran stärker in Richtung der Düse bewegt wird; danach wird der Strom beispielsweise im Wesentlichen auf null reduziert, so dass sich sämtliche Membranen sofort von der Düse wegbewegen. Somit wird der Druck der Tinte enthaltenden Kavitäten oder Vorratsbehälter mit ihren jeweiligen Düsen jeweils selektiv erhöht und dann abgesenkt, um einen Tintentropfen mit einem vorgegebenen Volumen auszustoßen. Die entsprechende Zeitabstimmung des Erhöhens und Absenkens des Stroms bewirkt die Modulation des Tropfenvolumens und somit den Graustufendruck. Die Wellenform wird für eine vereinfachte Erklärung dieser Ausführungsform der Erfindung als einfacher Rechteck-Wellenimpuls dargestellt, tatsächlich wird jedoch eine komplexere Wellenform genutzt, um das Tropfenausstoßverfahren zu steuern.


Anspruch[de]
Magnetbetätigte Tintenstrahldruckvorrichtung zur Verwendung in einem Tintenstrahldrucker, die umfasst:

ein Substrat (32) mit parallel gegenüberliegenden Seiten und ersten und zweiten parallelen Oberflächen (33, 34), wobei die zweite Substratoberfläche (34) wenigstens eine Vertiefung (76) und wenigstens eine flexible Membran (38), die mit der wenigstens einen Vertiefung fluchtend ist, darin hat;

eine Elektrode (40), ausgebildet auf dem Substrat (32), für jede Membran, wobei ein Teil der Elektrode (40) auf der Membran (38) aufliegt und an dieser befestigt ist;

ein Element (44), auf der ersten Substratoberfläche (33) ausgebildet, für jede Membran und mit wenigstens einer internen Kavität (49), die sich an der ersten Substratoberfläche (33), die einen Teil davon bildet, öffnet, wobei die Kavität (49) als ein Tintenbehälter dient, die Kavität (49) eine Düse (46) und einen Tinteneinlass hat und die Düse (46) mit der Membran (38) fluchtend ist;

wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung, die angrenzend an das Substrat (32) angeordnet ist und die ausgerichtet ist, um über den Membranen (38) ein Magnetfeld einer vorgegebenen Stärke und Richtung relativ zu den Elektroden (40) zu erzeugen;

eine Tintenzuführung, die an den Tinteneinlass der Kavität (49) angeschlossen ist, um die Kavität mit Tinte zu füllen, und

eine Einrichtung (42) zum selektiven Anwenden von elektrischem Strom auf jede Elektrode (40), wobei der Strom durch die Elektrode (40), die in dem Magnetfeld liegt, eine Kraft erzeugt, die vorübergehende Verformung der Membran (38) mit der Elektrode in eine Richtung auf die Düse (46) und anschließend von dieser weg bewirkt, wobei jede vorübergehende Verformung der Membran (38) und der Elektrode (40) in Richtung auf die Düse (46) und anschließend von der Düse (46) weg einen Tintentropfen aus der Düse ausstößt, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratdicke der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Substratoberfläche (33, 34) ist, die erste Substratoberfläche (33) eine Schutzschicht (69) darauf hat, jede Vertiefungen eine Tiefe hat, die der Substratdicke gleich ist, so dass die Vertiefung die Schutzschicht (69) freilegt und jede Membran (38) ein Teil der durch die Vertiefung (36) freigelegten Schutzschicht (69) ist.
Druckvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Substrat (32) eine Vielzahl von Membranen (38) und eine gleiche Anzahl von gefluchteten Vertiefungen (76) hat und wobei die gleiche Anzahl von gefluchteten Vertiefungen (76) in einer weiteren Vertiefung (36), in der zweiten Substratoberfläche (34), angeordnet sind und die weitere Vertiefung (36) eine Tiefe hat, die geringer als die Substratdicke ist. Druckvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Vertiefung (76) die wenigstens eine Membran (38) als Bodenfläche hat und wobei das Element fotostrukturierbar ist. Druckvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Substrat (32) aus Silizium ist, wobei das fotostrukturierbare Element (44) fotoempfindliches Polyimid ist und wobei die wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (54) ein Paar von Permanentmagneten (54) ist, die auf gegenüberliegenden Seiten der Druckvorrichtung in einer gleichen Orientierung angeordnet sind, so dass die dadurch erzeugten Magnetfelder additive sind. Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strom auf die wenigstens eine Elektrode (40) durch einen Transistor oder durch mehrere Transistoren (45, 42) angewendet wird und wobei die Transistoren auf einer der Substratoberflächen integral ausgebildet sind. Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (45, 42) zum Anwenden von elektrischem Strom einen Stromimpuls in einer ersten Richtung, gefolgt von einem Stromimpuls in einer zweiten entgegengesetzten Richtung, durch die Elektroden (40) bereitstellt und die erste und die zweite Richtung des Stroms jede in entgegengesetzter Richtung eine Kraft auf die Membran (38) erzeugen, um das Volumen des ausgestoßenen Tropfens zu kontrollieren. Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (45, 42) zum Anwenden von elektrischem Strom einen kontinuierlichen Strom von einem vorgegebenen Wert bereitstellt, wenn die Druckvorrichtung im Druckbetrieb ist, und durch zuerst vorübergehendes Erhöhen des kontinuierlichen Stromwertes, gefolgt von einem Verringern des Stromwertes unter den kontinuierlichen Stromwert, ein Tropfen aus der Elementdüse (46) ausgestoßen wird. Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Elektrode (44) zwei separate Drahtspulen (82, 84) hat, die so auf der Membran (38) strukturiert sind, dass jeder Draht mehrmals über die Membran geht und jeder Teil der Spulen auf der Membran Strom in dieselbe Richtung leitet. Verfahren zum Fertigen einer magnetbetätigten Tintenstrahldruckvorrichtung, das die folgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellen eines ebenen Substrats (32) mit ersten und zweiten parallelen Oberflächen (33, 34);

b) Ausbilden eines Arrays von Metallelektroden (40) auf der ersten Oberfläche (33) des Substrats (32), jede Elektrode (40) mit einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss;

c) Passivieren der Elektroden (40);

d) Aufbringen einer Opferschicht aus Material (64) auf der ersten Oberfläche (33) des Substrats und über die passivierten Elektroden (40);

e) Strukturieren der Opferschicht (64), um eine Form eines Tintenraumes (49) auf der ersten Substratoberfläche (33) für jede Elektrode (40) auszubilden;

f) Aufbringen einer Schicht von Düsenplattenmaterial (44) auf der ersten Substratoberfläche und über die strukturierte Opferschicht (64);

g) Ausbilden einer flexiblen Membran (38) für jede Elektrode (40), wobei die Membranen (38) vorgegebene Abmessungen und Orte haben, so dass sich ein Teil jeder Elektrode (40) auf jeder Membran (38) befindet;

h) Strukturieren des Düsenplattenmaterials (44), um eine Düsenplatte mit einer Düse (46) für jede Membran (38) auszubilden und um das Düsenplattenmaterial (44) von den Elektrodenanschlüssen (45, 42) zu entfernen;

i) Entfernen der Opferschicht (64), um die Tintenräume (49) auszubilden, und

j) Befestigen einer Magnetfelderzeugungseinrichtung angrenzend an wenigstens eine Seite des Substrats (32) und der Düsenplatte darauf, so dass ein dadurch erzeugtes Magnetfeld eine Feldrichtung senkrecht zu den Elektrodenteilen (40) hat, die sich auf den Membranen (38) befinden;

k) Bereitstellen eines strukturierten Ätzstopps (66) auf der ersten Oberfläche (33) des Siliziumsubstrats durch Dotierung, um die Orte der Membranen (38) zu definieren;

l) Aufbringen einer ätzresistenten Schicht (63, 69) auf den ersten und zweiten Oberflächen (33, 34) des Siliziumsubstrats (32) vor dem Ausbilden der Elektroden (40), wobei jede ätzresistente Schicht (63) strukturiert ist, um darin Lücken auf der zweiten Oberfläche (34) des Siliziumsubstrats bereitzustellen, die im Anschluss für anisotropes Ätzen der freigelegten zweiten Oberfläche (34) des Siliziumsubstrats genutzt werden, und dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzstopp (66) ätzstoppfreie Bereiche enthält, die die Abmessung der Membranen (38) haben, so dass das anisotrope Ätzen in den ätzstoppfreien Bereichen durch das Siliziumsubstrat (32) ätzt, um vorgegebene Teile der ätzresistenten Schicht (69) auf der ersten Oberfläche (33) des Siliziumsubstrats freizulegen, wobei die freigelegten Oberflächenteile der ätzresistenten Schicht (69) zur Verwendung als Membranen sind.






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