TINTENSCHREIBKOPF FÜR EINE NACH DEM THERMALWANDLERPRINZIP ARBEITENDE FLÜSSIGKEITSSTRAHLAUFZEICHNUNGSVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Tintenschreibkopf für eine nach dem Thermalwandlerprinzip arbeitende Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsvorrichtung sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 11.

[0002] Bekannte Aufzeichnungsköpfe, die nach dem Thermalwandler-Prinzip (Bubble-Jet-Prinzip) arbeiten, weisen eine Vielzahl von Austrittsöffhungen Einzeldüsen)auf, aus denen unter Einwirkung einer elektronischen Steuerung Einzeltröpfchen definierter Größe (im Bereich von 10 bis 200 µm Durchmesser) erzeugt und in einem definierten Muster in Richtung eines Aufzeichnungsträgers ausgestoßen werden.

[0003] Die zu druckenden Zeichen (z.B. Buchstaben oder grafische Muster) werden durch jeweils mehrere Tintentropfen erzeugt; die Muster für jedes Zeichen sind in einer sog. Matrix festgelegt.

[0004] Zweckmäßigerweise druckt man eine volle Spalte einer solchen Matrix gleichzeitig, um die Forderungen nach hoher Druckgeschwindigkeit und gleichmäßigem Schriftbild zu erfüllen.

[0005] Ein Tintendruckkopf, der sich für das geschilderte Druckverfahren eignet, muß also mehrere (gleiche) Elemente vereinigen, die in der Lage sind, Tintentropfen im Bedarfszeitpunkt auszustoßen ("Drop-on-Demand"-Prinzip). Charakteristisches Merkmal dieser Technologie ist, daß sich in einer mit Aufzeichnungsflüssigkeit, beispielsweise Tinte gefüllten Kapillaren, und zwar in der Nähe ihrer Öffnung ein als Heizelement ausgebildeter elektrischer Widerstand befindet. Wird diesem Heizelement bei Bedarf mittels eines kurzen Stromimpulses eine bestimmte Wärmeenergie zugeführt, entsteht durch äußerst schnelle Wärmeübertragung auf die Tintenflüssigkeit (Filmsieden) zuerst eine sich rasch expandierende Tintendampfblase, die dann nach Wegfall der Energiezuführung nach Abkühlung der Tintenflüssigkeit relativ schnell in sich zusammenfällt. Die durch die Dampfblase im Inneren der Kapillaren entstehende Druckwelle läßt einen Tintenstrahl begrenzter Masse aus der Austrittsöffnung auf die Oberfläche eines nahen Aufzeichnungsträgers austreten.

[0006] Ein Vorteil dieses Bubble-Jet-Prinzips ist der, daß durch Ausnutzung des Phasenwechsels flüssig-gasförmig-flüssig der Tintenflüssigkeit die zum Tintenausstoß notwendige, relativ große und schnelle Volumenänderung aus einer sehr kleinen aktiven Wandlerfläche (typisch 0,01 mm²) gewonnen wird. Die kleinen Wandlerflächen wiederum erlauben bei Anwendung moderner Herstellungsverfahren, wie hochpräzise fotolithografische Verfahren in Schichttechnik, einen relativ einfachen und kostengünstigen Aufbau von Tintendruckköpfen, die sich durch hohe Schreibspurendichte und geringe Abmessungen auszeichnen.

[0007] Eine Basiskonfiguration für eine nach dem Bubble-Jet-Prinzip arbeitende Einrichtung ist in der DE 32 28 887 A1 beschrieben. Bei der auch unter der Bezeichnung "Edgeshooter" bekannten Anordnung (Randspritzanordnung) sind ebenfalls die Heizflächen, die elektrischen Leitungen und Kontaktstellen auf einem Chip vereinigt. Die Kanalstruktur kann noch im Nutzen als Photoresiststruktur aufgebracht werden. Die Austrittsöffnungen werden erst durch Abdecken der Kanalstruktur mit einem Deckblättchen erzielt, das gemeinsam mit dem Substrat und der Kanalstruktur bei jedem Chip einzeln einer mechanischen Feinstbearbeitung unterzogen werden muß, um die notwendige Oberflächenqualität und Kantenschärfe an der Ausstoßöffnung zu erreichen. Erst nach dieser Bearbeitung kann eine Beschichtung der Austrittsfläche mit einer schwer benetzbaren Oberflächenschicht erfolgen. Eine Variation der Tropfengröße ist nur in begrenztem Maße durch Variation der Strukturimpulse an einem Heizelement möglich.

[0008] Aus der DE 30 12 698 A1 ist eine Anordnung bekannt, die nach dem sog. "Side shooting"-Prinzip (Seitenspritzanordnung) arbeitet. Bei einer solchen Anordnung sind die Heizflächen und die dafür notwendigen elektrischen Leitungen sowie die Kontaktstellen auf einem Substrat vereinigt. Die Kanalstruktur und die Zuordnungen zu den Austrittsöffnungen, den Düsen, entstehen durch passungsgenaues Aufkleben einer Düsenplatte auf das Substrat.

[0009] Aus der EP-A1-0-367 303 sind ein Tintenschreibkopf und ein Verfahren zu seiner Herstellung der eingangs genannten Art bekannt. Der bekannte, nach dem Thermalwandlerprinzip arbeitende Tintenschreibkopf enthält eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen, denen jeweils mindestens ein individuell ansteuerbares elektrothermisches Wandlerelement zugeordnet ist, und ein tintenflüssigkeitsspeicherndes Vorratsgefäß, das über Versorgungsleitungen mit den Austrittsöffnungen in Fließverbindung steht. Bei diesem bekannten Tintenschreibkopf und dem bekannten Verfahren wird die vorstehend geschilderte Notwendigkeit des passungsgenauen Aufklebens einer Düsenplatte auf ein Substrat dadurch vermieden, daß sowohl die elektrothermischen Wandlerelemente und die elektrischen Zuleitungen für die Wandlerelemente als auch die Austrittsöffnungen im gleichen Chip auf einem Substrat ausgebildet werden. Die Austrittsöffnungen werden auf einer zuvor auf das Substrat aufgebrachten Leiterschicht durch eine gezielte galvanische Nickelabscheidung (Elektroplattieren) erzeugt. Als Rahmen und Form für die zu erzeugenden Austrittsöffnungen dienen zuvor präzise auf dem Substrat positionierte, kreisringförmige Blöcke und eine Deckscheibe. Der bekannte Tintenschreibkopf erfordert daher eine prinzipbedingte (Seitenspritzanordnung) vergleichsweise aufwendige Fertigungsstruktur mit vielen verhältnismäßig kritischen Prozeßschritten.

[0010] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, für einen Tintenschreibkopf der eingangs genannten Art Maßnahmen anzugeben, die es erlauben, daß möglichst viele Funktionselement eines solchen Schreibkopfes, wie Heizflächen, Tintenkanäle, Austrittsöffnungen, Tintenzufuhr und Ansteueranschlüsse und die genaue Zuordnung dieser Funktionselemente in planaren Prozeßschritten an einer Vielzahl von Schreibköpfen im Nutzen gleichzeitig erfolgen kann und bei der Montage der einzelnen Chips möglichst wenig genaue Passungen einzuhalten und möglichst wenig mechanische Nachbehandlungen nötig sind.
Darüber hinaus soll die Größe der Tropfen, die aus ein und derselben Austrittsöffnung ausgestoßen werden, mit einfachen Mitteln variiert werden können.

[0011] Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0012] Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Düse, Hohlraum und Heizelement wird ein Tintendruckkopf vorgestellt, der sich durch einfache und damit kostengünstige Herstellungsschritte auszeichnet. Insbesondere können sämtliche Feinbearbeitungsschritte planar im Nutzen erfolgen und sind auf einem Element vereint, die Größe der Tropfen aus der gleichen Düse kann auf einfache Weise variiert und die Tintenzufuhr kann auf sehr einfache Weise angekoppelt werden.

[0013] Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, wozu auf die Darstellungen verwiesen wird.

[0014] Dort zeigen

Figur 1 und Figur 2 Prinzipdarstellungen von Schreibköpfen nach dem Stand der Technik (Edge-shooting-Prinzip Figur 1, Side-shooting-Prinzip Figur 2),

Figur 3 in schematischer Weise eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Schreibkopfaufbaus,

Figur 4 einen Schnitt durch den Chip eines solchen Schreibkopfes gemäß der Linie I-I in Figur 3 und

Figur 5 einen vergrößerten Ausschnitt von Figur 4.

[0015] In den Figuren 1 und 2 sind in schematischer Darstellung die Prinzipien des Tröpfchenausstoßes gemäß dem Stand der Technik gezeigt, wobei in Figur 1 ein sog. Edge-shooter (Randspritzanordnung) und in Figur 2 ein Side-shooter (Seitenspritzanordnung) dargestellt ist. Die beiden Prinzipien unterscheiden sich im wesentlichen durch die Lage des Heizelementes in der Tintenkapillare bezüglich der Austrittsöffnung. In den Figuren 1 und 2 sind gleichwirkende Funktionselemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Eine Tintenkapillare 1 wird in der mit dem Pfeilsymbol gekennzeichneten Tintenzufuhr 7 mit Tintenflüssigkeit 8 gespeist. Auf einem Substrat 3(z.B. aus Glas)ist in der Tintenkapillare 1 ein Heizelement 4 in Form eines elektrischen Widerstandes angeordnet. Bei der Konfiguration nach Figur 1 ist das Heizelement 4 in der Tintenkapillare 1 derart angeordnet, daß die Ausbreitungsrichtung der Tintendampfblase 5 im wesentlichen um 90° versetzt zu der Ausstoßrichtung der Tintentröpfchen 6 liegt (Edge-shooter). Die Tintenkapillare 1 ist nach oben mit einer Deckplatte 2 abgeschlossen. Bei einer sog. Seitenspritzanordnung (Side-shooter) gemäß Figur 2 liegt das Heizelement 4 unmittelbar unter der Austrittsöffnung, so daß die Hauptausbreitungsrichtung der Tintendampfblase 5 mit der Ausstoßrichtung der Tintentröpfchen 6 zusammenfällt und geometrisch gesehen eine Linie bildt. Die Richtung der Tintenzufuhr 7 in die Tintenkapillare 1 erfolgt hierbei seitlich versetzt zu der Lage der Austrittsöffnung. Die Deckplatte 2 übernimmt hierbei die Funktion einer Düsenplatte, die vorzugsweise aufgeklebt ist und in der die Düsenöffnungen eingelassen sind.

[0016] Die Figur 3 zeigt in perspektivischer Darstellung den Aufbau des Tintenschreibkopfes gemäß der Erfindung. Dieser besteht im wesentlichen nur aus zwei miteinander zu verbindenden Teilen, nämlich einem Chip, der sowohl die Heizelemente, die elektrischen Zuleitungen und die Kontaktstellen für den elektrischen Anschluß als auch die Austrittsöffnungen (Düsen) beinhaltet und als Abschluß auf einem Vorratsgefäß befestigt und kontaktiert wird. Die in diesem Prinzipbild nicht dargestellten Heizelemente, die elektrischen Zuleitungen, die Kontaktstellen 9 und die Austrittsöffnungen 10 können dabei in einem einzigen, beispielsweise aus Silizium bestehenden Chip 11 im Nutzen durch planare Bearbeitungsschritte erzeugt werden.

[0017] Das Vorratsgefäß 12 weist eine quaderförmige Gestalt auf, in das ein mit Tintenflüssigkeit getränktes Medium, z.B. ein Schwamm 13 eingebracht ist. Als Tintenspeicher können aber auch Schäume, wie Melamin-Formaldehyd-Schaum (MF) oder ähnliche Schaumstoffe Verwendung finden.

[0018] An der dem Chip zugewandten Oberseite des Vorratsgefäßes 12 sind mit Filtern 14 versehene Austrittsöffnungen in Form von zwei Versorgungskanälen 15 vorgesehen. Diese Versorgungskanäle 15 verlaufen parallel zueinander in Längsrichtung des Versorgungsgefäßes 12 derart, daß sie bei montiertem Chip 11 über noch näher zu beschreibende Hohlräume 16 in Fließverbindung mit den Austrittsöffnungen 10 stehen. Die Montage des Chips 11 auf das Vorratsgefäß 12 geschieht auf einfache Weise, ohne daß passungsgenaue Teile und eine aufwendige Justage notwendig werden, durch an den Längsseiten des Vorratsgefäßes 12 angeordnete Montageklammern 17, die sowohl die mechanische Verbindung als auch über die Kontaktstellen 9 die elektrische Kontaktierung übernehmen.

[0019] Die Figur 4 stellt einen Schnitt durch den Chip 11 gemäß der Schnittlinie I-I in Figur 3 dar. Insbesondere ist hier die geometrische Ausgestaltung eines Hohlraumes 16 zu erkennen, der parallele Wände und schräge Auslaufzonen 18 aufweist. Die Herstellung dieser Hohlräume 18 sowie der detaillierte Aufbau des Chip 11 werden nun anhand der Figur 5 erläutert, die einen vergrößerten Ausschnitt der Figur 4 darstellt.

[0020] Als Substratmaterial 19 wird dotiertes Silizium verwendet. Die Hohlraumstruktur 16 wird durch anisotropes Ätzen gebildet, wobei als Substrat vorzugsweise monokristallines Silizium in der Orientierung (110) benutzt wird und die Maskierung beim Ätzen durch eine langgestreckte Öffnung mit parallelen Seitenkanten erfolgt, so daß Hohlräume 16 mit parallelen Wänden, gebildet aus (111)-Ebenen,und schräge Auslaufzonen 18 entstehen. Dadurch wird eine enge Aneinanderreihung von solchen Hohlräumen ermöglicht. In diesem Ätzvorgang wird gleichzeitig eine dünne Trägerschicht (Membran) 20, die erforderlich ist, um die Wärmeleitung vom Heizelement 4 zum tintengefüllten Hohlraum 16 zu garantieren, ausgebildet, indem das Silizium 19 vor dem Ätzen dünnschichtig so dotiert wird, daß der Ätzvorgang beim Erreichen des dotierten Bereichs gestoppt wird.

[0021] Zum Schutz des Siliziums vor chemischen Einflüssen der Tintenflüssigkeit und vor Kavitationsschäden durch den Verdampfungsvorgang ist das Substrat 19 mit einer Kavitationsschutzschicht 21 versehen. Das Heizelement 4 ist durch eine SiO₂-Schutzschicht 22 gekapselt. Für die Kavitationsschutzschicht 21 kann Siliziumnitrit verwendet werden, das z.B. durch Gasphasenabscheidung abgeschieden wird.

[0022] Die Heizelemente 4 sind auf der Austrittsseite des Substrats 19 neben den Austrittsöffnungen 10 über den Hohlräumen 16 angeordnet, während die Hohlräume 16 selbst durch anisotropes Ätzen von der Rückseite ausgebildet werden. Zur Begrenzung der Hohlraumtiefe wird ein sog. Ätzstop eingesetzt, so daß der Hohlraum 16 zur Austrittsseite hin durch die Trägerschicht (Membran) 20 abgeschlossen ist. Der Ätzstop kann dabei entweder durch eine geeignet dotierte Siliziumschicht mit guter Wärmeleitung oder durch einen Isolator eines geeigneten Silicon-On-Insulator-(SOI)-Systems realisiert sein. Auch eignen sich bezüglich Spannungskompensation und Wärmeausdehnung an Silizium angepaßte Systeme aus dielektrischen Schichten für den Ätzstop. Ferner können einer Austrittsdüse 10 mehrere Heizelemente 4 zugeordnet sein, die zur verbesserten Tropfenvolumen-Modulation unterschiedliche geometrische Ausmaße aufweisen und an verschiedenen Seiten der Austrittsöffnung 10 angeordnet sind. Durch die Anordnung der Heizelemente 4 seitlich der Austrittsöffnung 10 ist die Ausbreitungsrichtung der Dampfblase 5 entgegengesetzt der Tintenausstoßrichtung (Back-shooter-Prinzip). Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, mehrere Einheiten aus Austrittsöffnungen 10 und Heizelementen 4 auf einem Chip 11 unterzubringen, z.B. mehrere versetzte Reihen von Düsenöffnungen für Tintenflüssigkeit einer Farbe oder Düsenreihen für verschieden eingefärbte Tintenflüssigkeiten. Die Heizelemente 4 können gemäß einer Weiterbildung auch strukturiert sein, um eine homogene Temperaturverteilung auf der darunterliegenden Siliziumzunge zu erreichen.

[0023] Die Ausstoßseite des Chips 11 ist mit einer schwer benetzbaren Oberflächenschicht 23 versehen, um der Bildung von störenden Tintenseen auf der Außenseite des Tintendruckkopfes vorzubeugen. Die Beschichtung erfolgt noch vor der Durchätzung der Austrittsöffnung (Düsenöffnung)10, wodurch dem Eindringen der Entnetzungsschicht in die Hohlraumstruktur 16, das bei herkömmlichen Druckköpfen ein Problem darstellt, vorgebeugt wird.

[0024] Die Anzahl der benötigten Austrittsöffnungen (Düsen) 10 bei hochauflösenden Druckern beträgt 50...100 und einer Düse 10 sind u.U. mehrere Heizelemente 4 zugeordnet. Dadurch sind in der Regel bis zu einige Hundert Zuleitungen erforderlich.

[0025] Neben dem Aufwand für die elektrische Kontaktierung spielt der Platzbedarf für die Zuleitungen und die Kontaktflächen eine große Rolle. So beträgt beispielsweise bei einem hochauflösenden Druckkopf mit 50 Düsen der Platzbedarf für die Zuleitungen und Kontaktierungsflächen ca. 96 % der Gesamtfläche des Chip 11. Durch eine auf dem Substrat integrierte, an sich bekannte Diodenschaltung (Koinzidenzschaltung) gemäß einer Weiterbildung der Erfindung läßt sich die Anzahl der erforderlichen Kontakte auf einen Wert von

reduzieren, wobei n gleich der Anzahl der anzusteuernden Heizelemente ist. Gleichzeitig läßt sich der Platzbedarf für die Zuleitungen senken.

[0026] Eine noch drastischere Reduzierung der elektrischen Kontakte und des Platzbedarfes bis auf zwei Versorgungs- und zwei oder drei Signalleitungen läßt sich erreichen, wenn auf dem Substrat Endverstärker und Elemente der Signalverarbeitung wie Serien-Parallel-Umsetzer und/oder ein Zeichengenerator integriert werden.

Ansprüche

1. Tintenschreibkopf (24) für eine nach dem Thermalwandlerprinzip arbeitende Tintendruckeinrichtung mit einer Mehrzahl von Austrittsöffnungen (10), denen jeweils mindestens ein individuell ansteuerbares elektrothermisches Wandlerelement (4) zugeordnet ist, wobei im Druckbetrieb diese Wandlerelemente (4) eine Tintenflüssigkeit lokal erhitzen und durch eine dabei entstehende Tintendampfblase (5) Tintenflüssigkeit aus den Austrittsöffnungen (10) ausgestoßen wird, mit einem Tintenflüssigkeit (8) speichernden Vorratsgefäß (12), das über Versorgungsleitungen (15) mit den Austrittsöffnungen (10) in Fließverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrothermischen Wandelerelemente (4) in Ausstoßrichtung der Tintentropfen (6) gesehen seitlich versetzt zu den Austrittsöffnungen (10) derart angeordnet sind, daß die Ausbreitungsrichtung der Tintendampfblase (5) der Tintenausstoßrichtung entgegengesetzt ist.

2. Schreibkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Austrittsöffnung (10) zugeordneten Wandlerelemente (4) zur verbesserten Tropfenvolumen-Modulation unterschiedliche geometrische Abmessungen aufweisen.

3. Schreibkopf nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (4) an verschiedenen Seiten der Austrittsöffnung (10) angeordnet sind.

4. Schreibkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einheiten, bestehend aus Austrittsöffnung (10) und Wandlerelementen (4), auf einem Chip (11) in mehreren zueinander versetzten Reihen für Austrittsöffnungen (10) einer Farbe und/oder Düsenreihen für verschiedenfarbige Tintenflüssigkeiten angeordnet sind.

5. Schreibkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den elektrischen Zuleitungen für die Wandlerelemente (4) Dioden einer Koinzidenzschaltung zur Reduzierung der erforderlichen elektrischen Kontakte angeordnet sind.

6. Schreibkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Chip Endverstärker und Elemente der Signalverarbeitung, insbesondere Serienparallelumsetzer, Zeichengenerator und/oder Rastergenerator monolithisch integriert sind, wodurch die Anzahl der nach außen erforderlichen Kontakte reduziert wird.

7. Schreibkopf nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (4) auf der Austrittsseite des als Grundmaterial für den Chip (11) dienenden Substrats (3) neben den Austrittsöffnungen (10) über Hohlräumen (16) angeordnet sind.

8. Schreibkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (4) zur Erreichung einer homogenen Temperaturverteilung auf dem darunterliegenden Siliziummaterial strukturiert sind.

9. Schreibkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (4) auf der Hohlraumseite mit einer Kavitationsschutzschicht (21) abgedeckt sind.

10. Schreibkopf nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavitationsschutzschicht (21) aus Siliziumnitrit besteht, die durch Niederdruck-Gasphasenabscheidung abgeschieden wird.

11. Verfahren zum Herstellen eines nach dem Thermalwandlerprinzip arbeitenden Tintenschreibkopfes (24) mit einer Mehrzahl von Austrittsöffnungen (10), denen jeweils mindestens ein individuell angesteuerbares elektrothermisches Wandlerelement (4) zugeordnet ist, und mit einem Tintenflüssigkeit (8) speichernden Vorratsgefäß (12), das über Versorgungsleitungen (15) mit den Austrittsöffnungen (10) in Fließverbindung bringbar ist,

- bei dem sowohl die elektrothermischen Wandlerelemente (4), die elektrischen Zuleitungen für die Wandlerelemente (4) und deren Kontaktstellen (9), als auch die Austrittsöffnungen (10) im gleichen Chip (11) auf einem Substrat (3) im Nutzen durch planare Bearbeitungsschritte erzeugt werden dadurch gekennzeichnet, daß die elektrothermischen Wandlerelemente (4) auf der den Austrittsöffnungen (10) zugewandten Austrittsseite des Substrats (3) seitlich neben den Austrittsöffnungen (10) oberhalb Hohlräumen (16) erzeugt werden.

12. Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (16) durch anisotropes Ätzen erzeugt werden.

13. Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (3) monokristallines Silizium in der Orientierung (110) benutzt wird und die Maskierung durch eine langgestreckte Öffnung mit parallelen Seitenkanten erfolgt, so daß Hohlräume mit parallelen Wänden, gebildet aus (111) Ebenen und schrägen Auslaufzonen (18), entstehen.

14. Verfahren nach Patentanspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Hohlraumtiefe ein Ätzstop eingesetzt wird, so daß der Hohlraum (16) zur Austrittsseite hin durch eine Membran (20) abgeschlossen wird.

15. Verfahren nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzstop durch eine geeignet dotierte Siliziumschicht mit guter Wärmeleitung gebildet wird.

16. Verfahren nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzstop der Isolator eines geeigneten Silicon-On-Insulator (SOI)-Systems eingesetzt wird.

17. Verfahren nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzstop bezüglich Spannungskompensation und Wärmeausdehnung an Silizium angepaßte Systeme aus dielektrischen Schichten verwendet werden.

18. Verfahren nach Patentanspruch 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Ätzstop definierte Trägerschicht (Membran) (20) der elektrothermischen Wandlerelemente (4) auf der Hohlraumseite (16) mit einer Kavitationsschutzschicht (21) belegt ist.

19. Verfahren nach Patentanspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Kavitationsschicht Siliziumnitrit verwendet wird, das durch Niederdruck-Gasphasenabscheidung abgeschieden wird.

20. Verfahren nach Patentanspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (10) von der Austrittsseite des Chips (11) aus geätzt werden.

21. Verfahren nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung bzw. die Oberflächenbehandlung der Austrittsseite des Substrats (3) mit einer schwer benetzbaren Oberflächenschicht (23) bereits vor dem Anätzen der Austrittsöffnungen (10) erfolgt.

Claims

1. An ink recording head (24) for an ink printing apparatus operating according to the thermal transducer principle, comprising a plurality of outlet openings (10), with each of which there is associated at least one individually controllable electrothermal transducing element (4), these transducing elements (4) locally heating an ink liquid during printing operation and ink liquid being ejected from the outlet openings (10) by an ink vapour bubble (5) which arises, and comprising a supply vessel (12) storing ink liquid, which supply vessel (12) is in fluid connection with the outlet openings (10) via supply lines (15), characterized in that the electrothermal transducing elements (4) are arranged laterally displacedly, when viewed in the ejection direction of the ink drop (6), with respect to the outlet openings (10) in such a way that the expansion direction of the ink vapour bubble (5) is the opposite of the ink ejection direction.

2. A recording head according to claim 1, characterized in that the transducing elements (4) associated with an outlet opening (10) are of varying geometric dimensions for improved drop volume modulation.

3. A recording head according to claim 1 or claim 2, characterized in that the transducing elements (4) are arranged on different sides of the outlet opening (10).

4. A recording head according to claim 1, characterized in that a plurality of units, consisting of outlet opening (10) and transducing elements (4) are arranged on a chip (11) in several rows, staggered with respect to one another, for outlet openings (10) of one colour and/or nozzle rows for differently coloured ink liquids.

5. A recording head according to claim 1, characterized in that diodes of a coincidence circuit are arranged in the electrical supply lines for the transducing elements (4) to reduce the electrical contacts required.

6. A recording head according to claim 1, characterized in that power amplifiers and signal processing elements, especially series/parallel converters, character generators and/or grid generators are monolithically integrated on the chip, whereby the number of contacts needed externally is reduced.

7. A recording head according to claims 1 to 3, characterized in that the transducing elements (4) are arranged on the outlet side of the substrate (3) serving as basic material for the chip (11) next to the outlet openings (10) over the cavities (16).

8. A recording head according to claim 1, characterized in that the transducing elements (4) are structured on the silicon material therebelow to achieve homogeneous temperature distribution.

9. A recording head according to claim 1, characterized in that the transducing elements (4) are covered on the cavity side by a cavitation protection layer (21).

10. A recording head according to claim 9, characterized in that the cavitation protection layer (21) consists of silicon nitrite, which is deposited by low-pressure chemical vapour deposition.

11. A process for manufacturing an ink recording head (24) operating according to the thermal transducer principle, comprising a plurality of outlet openings (10), with each of which there is associated at least one individually controllable electrothermal transducing element (4), and comprising a supply vessel (12) storing ink liquid (8), which supply vessel (12) may be brought into fluid connection with the outlet openings (10) via supply lines (15),

- in which the electrothermal transducing elements (4), the electrical supply lines for the transducing elements (4) and their contact points (9) as well as the outlet openings (10) are generated in the same chip (11) on a substrate (3) advantageously by planar processing steps, characterized in that the electrothermal transducing elements (4) are generated on the outlet side of the substrate (3) facing the outlet openings (10) laterally next to the outlet openings (10) above cavities (16).

12. A process according to claim 11, characterized in that the cavities (16) are generated by anisotropic etching.

13. A process according to claim 11, characterized in that monocrystalline silicon in the orientation (110) is used as the substrate (3) and masking is effected by an elongate opening with parallel side edges, such that cavities with parallel balls arise, formed of (111) planes and inclined discharge zones (18).

14. A process according to claim 12 or claim 13, characterized in that an etch stop is used to limit the cavity depth, such that the cavity (16) is sealed towards the outlet side by a membrane (20).

15. A process according to claim 14, characterized in that the etch stop is formed by a suitably doped silicon layer with good thermal conduction.

16. A process according to claim 14, characterized in that the insulator of a suitable silicon-on-insulator (SOI) system is used as the etch stop.

17. A process according to claim 14, characterized in that systems of dielectric layers and adapted to silicon with respect to voltage compensation and thermal extension are used as the etch stop.

18. A process according to claims 14 to 17, characterized in that the carrier layer (membrane) (20), defined by the etch stop, of the electrothermal transducing elements (4) is coated on the cavity side (16) with a cavitation protection layer (21).

19. A process according to claim 18, characterized in that silicon nitrite is used as the cavitation layer, said silicon nitrite being deposited by low-pressure chemical vapour deposition.

20. A process according to claim 11 or claim 12, characterized in that the outlet openings (10) are etched from the outlet side of the chip (11).

21. A process according to claim 13, characterized in that the coating or surface treatment of the outlet side of the substrate (3) is effected with a hard-to-wet surface coat (23) before etching-on of the outlet openings (10).

Revendications

1. Tête d'écriture à jet d'encre (24) pour un dispositif d'impression à jet d'encre travaillant selon le principe de transformation thermique, comportant une pluralité d'ouvertures de sortie (10), auxquelles est associé à chaque fois au moins un élément de transformation électrothermique (4) pouvant être déclenché individuellement, lors de l'impression ces éléments de transformation (4) échauffant localement un liquide d'encre, et du liquide d'encre étant éjecté à travers les ouvertures de sortie (10) par une bulle de vapeur d'encre (5) créée dans ce cas, comportant un réservoir (12) de stockage de liquide d'encre (8) qui se trouve en liaison d'écoulement avec les ouvertures de sortie (10) par l'intermédiaire de liaisons d'alimentation (15), caractérisée en ce que les éléments de transformation électrothermiques (4) sont agencés, dans le sens d'éjection des gouttelettes d'encre (6), de façon décalée latéralement aux ouvertures de sortie (10) de sorte que le sens d'élargissement de la bulle de vapeur d'encre (5) est opposé au sens d'éjection de l'encre.

2. Tête d'écriture selon la revendication 1,
caractérisée en ce que les éléments de transformation (4) associés à une ouverture de sortie (10) présentent des dimensions géométriques différentes pour une modulation de volume de gouttelettes améliorée.

3. Tête d'écriture selon l'une des revendications 1 ou 2,
caractérisée en ce que les éléments de transformation (4) sont agencés sur des faces différentes de l'ouverture de sortie (10).

4. Tête d'écriture selon la revendication 1,
caractérisée en ce que plusieurs unités constituées d'une ouverture de sortie (10) et d'éléments de transformation (4) sont agencées sur une microplaquette (11) en plusieurs rangées décalées les unes par rapport aux autres pour des ouvertures de sortie (10) d'une encre et/ou dans des rangées de buses pour des liquides d'encre de différentes couleurs.

5. Tête d'écriture selon la revendication 1,
caractérisée en ce que dans les liaisons électriques pour les éléments de transformation (4) sont agencées des diodes d'un circuit de coïncidence pour réduire les contacts électriques nécessaires.

6. Tête d'écriture selon la revendication 1,
caractérisée en ce que sur la microplaquette sont intégrés de façon monolithique des amplificateurs d'extrémité et des éléments de traitement de signaux, en particulier des transformateurs en série/en parallèle, des générateurs de signes et/ou des générateurs de trames, grâce à quoi le nombre de contacts nécessaires vers l'extérieur est réduit.

7. Tête d'écriture selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisée en ce que les éléments de transformation (4) sont agencés sur la face de sortie du substrat (3) servant de matériau de base pour la microplaquette (11), à côté des ouvertures de sortie (10) au-dessus de pièces creuses (16).

8. Tête d'écriture selon la revendication 1,
caractérisée en ce que les éléments de transformation (4) sont structurés sur le matériau de silicium qui se trouve au-dessous pour obtenir une répartition de température homogène.

9. Tête d'écriture selon la revendication 1,
caractérisée en ce que les éléments de transformation (4) sont recouverts sur la face de la pièce creuse d'une couche de protection de cavitation (21).

10. Tête d'écriture selon la revendication 9,
caractérisée en ce que la couche de protection de cavitation (21) est constituée de nitrite de silicium qui est séparé par une séparation en phase gazeuse à basse pression.

11. Procédé pour réaliser une tête d'écriture à jet d'encre (24) travaillant selon le principe de transformation thermique, comportant une pluralité d'ouvertures de sortie (10), auxquelles est associé à chaque fois au moins un élément de transformation électrothermique (4) pouvant être entraîné individuellement, et un réservoir (12) stockant un liquide d'encre (8) et pouvant être amené en liaison d'écoulement avec les ouvertures de sortie (10) par l'intermédiaire de liaisons d'alimentation (15),

- dans lequel aussi bien les éléments de transformation électrothermiques (4), les liaisons électriques pour les éléments de transformation (4) et leurs zones de contact (9), que les ouvertures de sortie (10), sont créés sur la même microplaquette (11) sur un substrat (3) si utile par des étapes de traitement planaire,
caractérisé en ce que les éléments de transformation électrothermiques (4) sont créés sur la face de sortie du substrat (3) en regard des ouvertures de sortie (10), latéralement à côté des ouvertures de sortie (10), au-dessus de pièces creuses (16).

12. Procédé selon la revendication 11,
caractérisé en ce que les pièces creuses (16) sont créées par décapage anisotrope.

13. Procédé selon la revendication 11,
caractérisé en ce que l'on utilise comme substrat (3) du silicium monocristallin dans l'orientation (110) et le masquage est effectué par une ouverture allongée présentant des bords latéraux parallèles de sorte que des pièces creuses, présentant des parois parallèles formées de plans (111) et de zones de sortie inclinées (18), sont créées.

14. Procédé selon l'une des revendications 12 ou 13,
caractérisé en ce que pour limiter la profondeur de la pièce creuse on utilise un arrêt de décapage de sorte que la pièce creuse (16) est fermée vers la face de sortie par une membrane (20).

15. Procédé selon la revendication 14,
caractérisé en ce que l'arrêt de décapage est formé par une couche de silicium dopée de façon appropriée et présentant une bonne conductibilité thermique.

16. Procédé selon la revendication 14,
caractérisé en ce que l'on utilise comme arrêt de décapage l'isolateur d'un système approprié à isolant à silicium (SOI).

17. Procédé selon la revendication 14,
caractérisé en ce que l'on utilise comme arrêt de décapage, relativement à la compensation de la tension et à la propagation de la chaleur, des systèmes de couches diélectriques adaptés au silicium.

18. Procédé selon l'une des revendications 14 à 17,
caractérisé en ce que la couche de support (membrane) (20) définie par l'arrêt de décapage des éléments de transformation électrothermiques (4) est recouverte sur la face (16) de la pièce creuse d'une couche de protection de cavitation (21).

19. Procédé selon la revendication 18,
caractérisé en ce que l'on utilise comme couche de cavitation du nitrite de silicium séparé par une séparation en phase gazeuse à basse pression.

20. Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12,
caractérisé en ce que les ouvertures de sortie (10) sont décapées à partir de la face de sortie de la microplaquette (11).

21. Procédé selon la revendication 13,
caractérisé en ce que le revêtement ou le traitement superficiel de la face de sortie du substrat (3) est effectué par une couche superficielle (23) difficilement mouillable, déjà avant le décapage des ouvertures de sortie (10).

Zeichnung