DE3446968C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsverfahren (die auch als "Tinten­ strahlaufzeichnungsverfahren" bezeichnet werden) ermöglichen eine hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit bei geringer Geräuschentwicklung. Die Aufzeichnung kann auf Normalpapier durchgeführt werden, ohne daß eine besondere Behandlung wie z. B. ein Fixieren erforderlich ist.

Ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsverfahren, das aus der JP-OS 51 837/1979 und der DE-OS 28 43 064 bekannt ist, unterscheidet sich von anderen Verfahren dadurch, daß einer Aufzeichnungsflüssigkeit bzw. -tinte (nachstehend als "Flüssigkeit" bezeichnet) Wärme zugeführt wird, um eine Antriebskraft für den Ausstoß von Flüssigkeitströpfchen zu erzeugen. D. h., durch die Zuführung von Wärmeenergie zu der Flüssigkeit wird eine plötzliche Zunahme des Flüssigkeitsvolumens bewirkt, und die Flüssigkeit wird aus einer am vorderen Ende eines Flüssigkeitsstrahlaufzeich­ nungskopfes befindlichen Öffnung ausgestoßen, wodurch "fliegende" Flüssigkeitströpfchen erzeugt werden, die auf einen Auf­ zeichnungsträger auftreffen und daran anhaften.

Insbesondere ist das aus der DE-OS 28 43 064 bekannte Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsverfahren nicht nur besonders geeignet für eine Aufzeichnung mit "Tröpfchenabgabe auf Anforderung", sondern es ermöglicht auch die einfache Verwirklichung eines Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes mit einer Vielzahl von Öffnungen hoher Dichte vom Vollzeilentyp, so daß daher Bilder mit hoher Auflösung und hoher Qualität mit hoher Geschwindigkeit erzeugt werden können.

Der Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf einer für das vorstehend erwähnte Aufzeichnungsverfahren verwendeten Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsvorrichtung weist einen Flüssigkeitsausstoßabschnitt, der aus einer Öffnung zum Ausstoßen von Flüssigkeit und einem Flüssigkeitskanal besteht, der als Teil seines Aufbaus einen Wärmeeinwirkungsabschnitt aufweist, der mit der Öffnung in Verbindung steht und in dem der Flüssigkeit Wärmeenergie zum Ausstoß von Flüssigkeitströpfchen zugeführt wird, und einen elektrothermischen Wandler zur Erzeugung der Wärmeenergie auf.

Zwei Elektroden sind mit einer Widerstandsheizschicht leitend verbunden, und ein zwischen den Elektroden angeordneter Abschnitt der Widerstandsheizschicht bildet den elektrothermischen Wandler.

Eine typische Ausführungsform eines derartigen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes ist in der Fig. 1 A, dargestellt.

Der Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf 100 weist eine Öffnung 104 und einen Flüssigkeitsausstoßabschnitt 105 auf, die dadurch hergestellt worden sind, daß die Oberfläche eines mit einem elektrothermischen Wandler 101 versehenen Substrates 102 mit einer Rillenplatte 103 verbunden worden ist, die eine vorgegebene Anzahl von Rillen mit einer vorgegebenen Breite und Tiefe in einer vorgegebenen Zeilendichte aufweist, so daß die Rillenplatte das Substrat abdeckt.

Der Flüssigkeitsausstoßabschnitt 105 besitzt eine Öffnung 104 zum Ausstoßen von Flüssigkeit am Ende und einen Wärmeeinwirkungsabschnitt 106, in dem der Flüssigkeit durch den elektrothermischen Wandler 101 erzeugte Wärmeenergie zugeführt wird, um infolge einer Volumenexpansion und Volumenschrumpfung eine Blase und eine plötzliche Zustandsänderung zu erzeugen.

Der Wärmeeinwirkungsabschnitt 106 ist über dem Wärme­ erzeugungsabschnitt 107 des elektrothermischen Wandlers 101 angeordnet. Eine Wärmeeinwirkungsfläche 108, an der der Wärmeerzeugungsabschnitt 107 mit der Flüssigkeit in Kontakt steht, stellt die Bodenfläche des Wärmeeinwirkungsabschnittes 106 dar.

Der Wärmeerzeugungsabschnitt 107 besteht aus einer auf einem Schichtträger 115 vorgesehenen unteren Schicht 109, einer auf der unteren Schicht 109 vorgesehenen Wider­ standsheizschicht 110 und einer ersten Schutzschicht 111, die auf der Widerstandsheizschicht 110 vorgesehen ist. Die Widerstandsheizschicht 110 ist mit Elektroden 113 und 114 leitend verbunden, so daß zur Erzeugung von Wärme elektrischer Strom zu der Widerstandsheizschicht 110 fließen kann. Bei der Elektrode 113 handelt es sich um eine den Wärmeerzeugungsabschnitten aller Flüssigkeitsaus­ stoßabschnitte gemeinsame Elektrode, während die Elektrode 114 eine Wählelektrode zum Auswählen des Wärmeerzeugungsabschnittes eines jeden Flüssigkeits­ ausstoßabschnittes zur Erzeugung der entsprechenden Wärmeenergie darstellt, die entlang dem Flüssigkeitskanal eines jeden Flüssigkeitsausstoßabschnittes vorgesehen ist.

Die erste Schutzschicht 111 dient dazu, die Widerstands­ heizschicht 110 chemisch und physikalisch gegen die am Wärmeerzeugungsabschnitt 107 befindliche Flüssigkeit zu schützen, indem sie die Widerstandsheizschicht 110 gegenüber der im Flüssigkeitskanal am Flüssig­ keitsausstoßabschnitt 105 befindlichen Flüssigkeit isoliert.

Ferner verhindert die erste Schutzschicht 111 ein Kurzschließen der Elektroden 113 und 114 über die Flüssigkeit und dient somit zum Schutz der Widerstandsheizschicht 110 und ferner zur Verhinderung elektrischer Lecks zwischen benachbarten Elektroden. Es ist besonders wichtig, elektrische Lecks zwischen den Wählelektroden und eine elektrolytische Korrosion der Elektroden zu verhindern, die darauf zurückzuführen ist, daß infolge eines Kontaktes einer unter dem Flüssigkeitsströmungskanal befindlichen Elektrode mit der Flüssigkeit elektrischer Strom fließt, was manchmal vorkommt. Daher ist die eine solche Schutzfunktion ausübende erste Schutzschicht 111 wenigstens auf einer Elektrode vorgesehen, die unter einem Flüssigkeitskanal angeordnet ist.

Die Schichten, die auf der unteren Schicht vorgesehen sind (einschließlich der ersten Schutzschicht und ausschließlich der Widerstandsheizschicht und der Elektroden), die nachstehend als "obere Schicht" bezeichnet werden, sollten je nach der Lage, in der sie angeordnet sind, verschiedenartige Eigenschaften besitzen. Beispielsweise werden am Wärmeerzeugungsabschnitt 107 die folgenden Eigenschaften gefordert:

• 1. Hitzebeständigkeit,
• 2. Flüssigkeitsbeständigkeit,
• 3. Beständigkeit gegen ein Eindringen von Flüssigkeit,
• 4. Wärmeleitfähigkeit,
• 5. Oxidationsbeständigkeit,
• 6. Isolationseigenschaften und
• 7. Bruchfestigkeit.

In anderen Bereichen als dem Wärmeerzeugungsabschnitt 107 werden eine ausreichend hohe Beständigkeit gegen ein Eindringen von Flüssigkeit, eine ausreichend hohe Flüssigkeitsbeständigkeit und eine ausreichend hohe Bruchfestigkeit gefordert, während die Hitzebeständigkeit nicht so gut sein muß.

Gegenwärtig steht jedoch kein Material für die obere Schicht zur Verfügung, das in ausreichender Weise alle vorstehend erwähnten Eigenschaften 1-7 besitzt. Gegenwärtig werden einige der Eigenschaften 1-7 vernachlässigt. Beispielsweise werden für den Wärmeerzeugungsabschnitt 107 Materialien ausgewählt, bei denen den Eigenschaften 1, 4 und 5 Priorität eingeräumt wird, während für andere Bereiche als den Wärmeerzeugungsabschnitt 107, beispielsweise für die Elektrodenbereiche, Materialien ausgewählt werden, bei denen den Eigenschaften 2, 3 und 7 Priorität eingeräumt wird. Diese ausgewählten Materialien werden auf den Oberflächen der entsprechenden Bereiche angeordnet, um die obere Schicht auszubilden.

Bei einem Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf mit einer Vielzahl von Öffnungen wird die Ausbildung einer jeden Schicht des Substrates und die Entfernung eines Teils der geformten Schicht wiederholt, da gleichzeitig eine Reihe von feinen elektrothermischen Wandlern auf dem Substrat ausgebildet wird, was zur Folge hat, daß die Oberfläche, auf der jede Schicht der oberen Schicht ausgebildet werden soll, zu einer unebenen Fläche mit Stufenrandabschnitten wird. Daher ist das Stufenabdeckvermögen der Schichten innerhalb der oberen Schicht von großer Bedeutung. Mit anderen Worten, wenn das Stufenabdeckvermögen schlecht ist, dringt in diesen Abschnitten Flüssigkeit ein und führt zu einer elektrolytischen Korrosion oder einem dielektrischen Durchschlag. Da darüber hinaus mit großer Wahrscheinlichkeit in der oberen Schicht durch die Herstellung Fehler erzeugt werden, führt das Eindringen von Flüssigkeit durch den fehlerhaften Bereich zu einer starken Verkürzung der Lebensdauer des elektrothermischen Wandlers.

Es ist demnach erforderlich, daß die obere Schicht ein gutes Stufenabdeckvermögen in bezug auf den Stufenrand besitzt, daß Fehler wie z. B. feine Löcher nur mit einer geringen Wahrscheinlichkeit in der oberen Schicht auftreten und daß selbst beim Auftreten von solchen Fehlern ihre Zahl vernachlässigbar klein ist.

Um diesen Erfordernissen gerecht zu werden, wurde bislang die obere Schicht dadurch hergestellt, daß eine aus einem anorganischen Isolationsmaterial bestehende erste Schutzschicht und eine aus einem organischen Material bestehende dritte Schutzschicht übereinandergeschichtet wurden oder daß zwischen einer aus einem anorganischen Isolationsmaterial bestehenden ersten Schutzschicht und einer aus einem organischen Material bestehenden dritten Schutzschicht eine zweite Schutzschicht aus einem anorganischen Material mit hoher Zähigkeit und relativ guter mechanischer Festigkeit, z. B. aus einem Metall, die Adhäsion und Kohäsion gegenüber der ersten und der dritten Schutzschicht zeigt, angeordnet wurde oder daß man eine erste und eine dritte Schutzschicht übereinanderschichtete und die dritte Schutzschicht mit einer aus einem anorganischen Material, beispielsweise aus einem Metall, bestehenden zweiten Schutzschicht überlagerte.

Obwohl die aus einem organischen Material bestehende dritte Schutzschicht ein ausgezeichnetes Überzugsvermögen besitzt, ist die Hitzebeständigkeit schlecht, so daß die dritte Schutzschicht nicht auf der Wider­ standsheizschicht am Wärmeerzeugungsabschnitt vorgesehen werden kann. Im Gegensatz dazu wird die aus einem anorganischen Material, beispielsweise einem Metall, bestehende zweite Schutzschicht auf der gesamten Oberfläche als äußerste Oberflächenschicht des Substrates oder wenn die Dauer der Befeuchtung mit der Flüssigkeit groß ist, vorgesehen. Wenn die zweite Schutzschicht vorgesehen wird, die dritte Schutzschicht 112 jedoch die zweite Schutzschicht 116 nicht überlappt, befindet sich am Abschnitt b nur die erste Schutzschicht, so daß auf diese Weise ein ausreichender Schutz nicht erreicht werden kann. Darüber hinaus sind an diesem Abschnitt örtliche Spannungskonzentrationen vorhanden, und letztlich beginnt sich die Elektrodenschicht auf- bzw. abzulösen, d. h., der Korrosionswiderstand nimmt ab. Selbst wenn die dritte Schutzschicht die zweite Schutzschicht überlappt, dringt die Flüssigkeit, nur auf der Widerstandsheizschicht des Wärme­ erzeugungsabschnittes ein, und treten Spannungs­ konzentrationen auf, wenn die Überlappungsbreite gering ist, wie in der Fig. 1A (gemäß der nicht vorveröffentlichten DE-OS 34 14 937) dargestellt. Daher tritt eine Auflösung des Elektrodenbereichs auf. Wenn im Gegensatz dazu die Überlappungsbreite zu groß ist, treten die folgenden Probleme auf.

Andererseits wird die Flüssigkeit durch Erhitzen im Wärmeeinwirkungsabschnitt 106 verdampft. Der Dampf wird jedoch sofort abgekühlt und kondensiert, da es sich um ein Sieden bei Unterkühlung handelt und die Zeit zum Erhitzen kurz ist. Daher werden in der Nachbarschaft der Wärmeeinwirkungsfläche 108 die Blasenbildung und die Kondensation mit einer hohen Frequenz von einigen tausend Malen pro Sekunde wiederholt, und die an dieser Stelle verursachte Druckveränderung führt oft zu einem Bruch des Substrates (Kavitationskorrosion).

In neuerer Zeit werden gedruckte Buchstaben oder Zeichen mit hoher Bildqualität und hoher Dichte gefordert. Daher ist eine genauere Bearbeitung von Miniaturteilen, beispielsweise Elektroden, Widerstandsheizschichten, zugehörigen Schutzschichten u. ä., erforderlich.

Aus der DE-OS 32 31 431 ist ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf bekannt. Bei dem in Fig. 2B der DE-OS 32 31 431 dargestellten Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf sind oberhalb einer öff­ nungsseitigen Elektrode 209, die einem elektrothermischen Wandler 201 zugeordnet ist, sowie oberhalb des Wandlers aufeinanderfolgend eine erste anorganische Schutzschicht 216 und eine zweite anorganische Schutzschicht 217 angeordnet, während oberhalb einer öffnungsfernen Elektrode 210, die dem Wandler zugeordnet ist, aufeinanderfolgend eine dritte, organische Schutzschicht 214 die erste anorganische Schutzschicht und die zweite anorganische Schutzschicht angeordnet sind. Bei diesem bekannten Flüs­ sigkeitsstrahlaufzeichnungskopf traten nach mittlerer bis längerer Betriebsdauer Störungen am Öffnungsbereich auf.

Aus der US-PS 43 35 389 ist ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf bekannt, bei dem auf der Oberfläche der Elektroden und auf der Oberfläche der Widerstandsheizschicht im Wärmeerzeugungsbereich aufeinanderfolgend eine Zwischenschicht aus einem Oxid, einem Nitrid oder einem Oxidborid und eine Oberflächenschicht aus einem Metall, einer Legierung oder einem Carbid, Nitrid, Borid oder Silicid oder einer Mischung davon, die mit der Aufzeichnungsflüssigkeit in Kontakt kommt, angeordnet sind.

Aus der DE-OS 30 11 919 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Aufzeichnungskopfes bekannt, bei dem auf einer Elektrodenschicht und einer Widerstandsschicht eine erste Schutzschicht aus einem Oxid, einem Carbid, einem Nitrid, einem Borid oder einem Sulfid oder aus einem wärmebeständigen Harz, die auch aus mehreren Schichten zusammengesetzt sein kann, und auf der ersten Schutzschicht eine zweite Schutzschicht aus einem Harz oder durch Plasmapolymerisation verschiedener organischer Monomere gebildet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeits­ strahlaufzeichnungskopf gemäß dem Oberbegriff von Patentan­ spruch 1 bereitzustellen, der eine gute Haltbarkeit in bezug auf einen sich häufig wiederholenden Gebrauch und auf einen kontinuierlichen Gebrauch über einen langen Zeitraum besitzt sowie in beständiger Weise die zu Beginn vorhandene ausgezeichnete Fähigkeit zur Bildung von Flüssigkeitströpfchen lange aufrechterhalten kann.

Diese Aufgabe wird durch einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf mit den im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Die Fig. 1A zeigt den Aufbau eines herkömmlich ausgebildeten Flüssigkeitsstrahlauf­ zeichnungskopfes, während die Fig. 1B und C den Aufbau eines erfindungsgemäß ausgebildeten Flüssig­ keitsstrahlaufzeichnungskopfes zeigen. In der Fig. 1A ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der eine zweite Schutzschicht eine dritte Schutzschicht überlappt.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen der Überlappungsbreite b zwischen einer zweiten Schutzschicht und einer dritten Schutzschicht und dem prozentualen Anteil des Auftretens von Leitungsunterbrechung dargestellt ist.

Fig. 3A zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Überlappungsbreite b dem prozentualen Anteil des Auf­ tretens von Kurzschlüssen in einem Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf, bei dem eine dritte Schutzschicht eine zweite Schutzschicht überlappt, wiedergibt. Fig. 3 B ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Überlappungsbreite b und dem prozentualen Anteil des Auftretens eines Abblättern des Filmes bei einem Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf, bei dem eine zweite Schutzschicht eine dritte Schutzschicht überlappt, darstellt.

Die Fig. 1B und C zeigen eine erste Schutzschicht 111 aus einem anorganischen Isolationsmaterial, beispielsweise aus einem anorganischen Oxid wie SiO₂ oder einem anorganischen Nitrid wie Si₃N₄. Die zweite Schutzschicht 116 besitzt eine gute Zähigkeit und eine relativ große mechanische Festigkeit. Darüber hinaus besteht die zweite Schutzschicht vorzugsweise aus einem anorganischen Material, das gegenüber der ersten Schutzschicht Adhäsion und Kohäsion zeigt, beispielsweise aus einem metallischen Material wie Ta, wenn die erste Schutzschicht aus SiO₂ besteht. Wenn die zweite Schutzschicht aus einem anorganischen Material, beispielsweise aus einem Metall, besteht, das relativ zäh ist und eine gute mechanische Festigkeit aufweist, können infolge von Kavitation durch das Ausstoßen der Flüssigkeit verursachte Stoßbelastungen, die insbesondere an der Wärmeeinwirkungsfläche 108 auftreten, in ausreichender Weise absorbiert werden, und die Lebensdauer des elektrothermischen Wandlers 101 kann stark erhöht werden.

Als Materialien für die erste Schutzschicht 111 werden vorzugsweise anorganische Isolationsmaterialien mit einer relativ guten thermischen Leitfähigkeit und Hitzebeständigkeit eingesetzt, beispielsweise anorganische Oxide, wie SiO₂, Übergangsmetalloxide wie Titanoxid, Vanadiumoxid, Nioboxid, Molybdänoxid, Tantaloxid, Woframoxid, Chromoxid, Zirkoniumoxid, Hafniumoxid, Lanthanoxcid, Yttriumoxid oder Manganoxid, Metalloxide, z.B. Aluminiumoxid, Calciumoxid, Strontiumoxid, Bariumoxid oder Siliciumocid oder Mischungen davon, Nitride mit hohem elektrischem Widerstand wie z.B. Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid oder Tantalnitrid oder Mischungen dieser Oxide und Nitride, und Materialien, die nach einem Dünnfilmverfahren aufgebracht werden, z.B. Halbleitermaterialen wie amorphes Silicium oder amorphes Selen, die im kompakten Zustand einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweisen, jedoch z.B. durch Sprühverfahren, CVD-Verfahren, Aufdampfen, Gasphasenreaktionsverfahren oder Flüssigkeitsbeschichtungsverfahren einen hohen elektrischen Widerstand erhalten können.

Als Materialen für die Herstellung der zweiten Schutzschicht 116 können zusätzlich zu dem vorstehend erwähnten Ta folgende Materialen verwendet werden: Elemente der Gruppe IIIa des Periodensystems, beispielsweise Sc oder Y, Elemente der Gruppe IVa wie Ti, Zr oder Hf, Elemente der Gruppe Va wie V oder Nb, Elemente der Gruppe VIa wie Cr, Mo oder W, Elemente der Gruppe VIII wie Fe, Co oder Ni, Legierungen der vorstehend erwähnten Metalle wie Ti-Ni, Ta-W, Ta-Mo-Ni- Ni-Cr, Fe-Co, Ti-W, Fe-Ti, Fe-Ni, Fe-Cr oder Fe-Ni-Cr, Boride der vorstehend erwähnten Metalle wie Ti-B, Ta-B, Hf-B oder W-B, Carbide der vorstehend erwähnten Metalle wie Ti-C, Zr-C, V-C, Ta-C, Mo-C, Ni-C oder Cr-C, Silicide der vorstehend erwähnten Metalle wie Mo-Si, W-Si oder Ta-Si oder Nitride der vorstehend erwähnten Metalle wie Ti-N, Nb-N oder Ta-N. Unter Verwendung dieser Materialien kann die zweite Schutzschicht z.B. durch Aufdampfen, Sprühverfahren oder CVD-Verfahren hergestellt werden. Die zweite Schutzschicht kann aus den vorstehend erwähnten Materialien allein oder in Kombination bestehen.

Die dritte Schutzschicht besteht aus einem organischen Material, das eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen ein Eindringen von Flüssigkeit und eine ausgezeichnete Flüssigkeitsbeständigkeit aufweist. Dieses organische Material besitzt vorzugsweise die folgenden Eigenschaften:

• (1) Gutes Filmbildungsvermögen,
• (2) dichte Struktur und Fehlen von feinen Löchern,
• (3) kein Aufquellen und Lösen in der Flüssigkeit,
• (4) gute Isolationseigenschaften in Filmform
• (5) hohe Hitzebeständigkeit.

Als organische Materialien können auch beispielsweise die folgenden Materialien verwendet werden:
Siliconharz, Fluorharz, aromatische Polyamide, Polyimide vom Additionspolymerisationstyp, Polybenzimidazol, Metallchelatpolymer, Titansäureester, Epoxidharz, Phthalsäureharz, hitzehärtbares Phenolharz, p-Vinylphenolharz, Ziroxharz, Triazinharz oder BT-Harz (Additionspolymerisationsharz von Triazinharz und Bismaleimid). Alternativ dazu ist es auch möglich, die dritte Schutzschicht durch Aufdampfen von Polyxylylenharz und Derivaten davon herzustellen.

Die dritte Schutzschicht kann darüber hinaus auch durch Filmbildung mittels Plasmapolymerisation unter Verwendung von verschieden organischen Monomeren wie beispielsweise Thioharnstoff, Thioacetamid, Vinylferrocen, 1,3,5-Trichlorbenzol, Chlorbenzol, Styrol, Ferrocen, Pyrrolin, Naphthalin, Pentamethylbenzol, Nitrotoluol, Acrylnitril, Diphenylselenid, p-Toluidin, p-Xylol, N,N-Dimethyl-p-toluidin, Toluol, Anilin, Diphenylquecksilber, Hexamethylbenzol, Malonsäuredinitril, Tetracyanoethylen, Thiophen, Benzolselenol, Tetrafluorethylen, Ethylen, N-Nitrosodiphenylamin, Acetylen, 1,2,4-Trichlorbenzol oder Propen hergestellt werden.

Wenn jedoch ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf mit einer Vielzahl von Öffnungen mit hoher Dichte hergestellt wird, ist es abgesehen von den vorstehend erwähnten organischen Materialien wünschenswert, solche organischen Materialien zur Herstellung der dritten Schutzschicht zu verwenden, die sich auf äußerst einfache Weise durch mikrophotolithographische Verfahren verarbeiten lassen.

Vorzugsweise können hierzu die folgenden organischen Materialien verwendet werden: Polyimidoisoindolochinazolindion, cyclisiertes Polybutadein sowie lichtempfindliche Polyimidharze.

Der Schichtträger 115 besteht z.B. aus Silicium, Glas oder Keramik.

Die untere Schicht 109 dient in erster Linie dazu, die Übertragung der am Wärmeerzeugungsabschnitt 107 erzeugten Wärmeenergie auf den Schichtträger 115 zu steuern. Das entsprechende Material für die Schicht sowie die Dicke der Schicht sind so ausgewählt, daß die am Wärmeerzeugungsabschnitt 107 erzeugte Wärmeenergie mehr zur Seite des Wärmeeinwirkungsabschnittes 106 als zu anderen Bereichen strömt, wenn dem Wärmeeinwirkungsabschnitt 106 Wärme zugeführt wird, und daß die am Wärmeerzeugungsabschnitt 107 verbleibende Wärmeenergie rasch zur Seite des Schichtträgers 115 abströmt, wenn der dem elektrothermischen Wandler 101 zugeführte elektrische Strom abgeschaltet wird.

Als Material für die untere Schicht 109 können anorganische Materialien eingesetzt werden, beispielsweise Metalloxide wie SiO₂, Zirkoniumoxid, Tantaloxid oder Magnesiumoxid.

Als Material für die Bildung der Widerstandsheizschicht 110 können die meisten Materialien verwendet werden, die in der Lage sind, durch fließenden elektrischen Strom Wärme zu erzeugen.

Von diesen Materialien werden bevorzugt: Tantalnitrid, Nichrom, Silber-Palladium-Legierungen, Siliciumhalbleitermaterialien, Metalle wie Hafnium, Lanthan, Zirkonium, Titan, Tantal, Wolfram, Molybdän, Niob, Chrom oder Vanadium oder Legierungen oder Boride davon.

Von den für die Widerstandsheizschicht 110 geeigneten Materialien besitzen Metallboride besonders gute Eigenschaften. Von diesen Boriden stellt Hafniumborid das beste Material dar, wonach in der Reihenfolge ihrer Eignung Zirkoniumborid, Lanthanborid, Tantalborid, Vanadiumborid und Niobborid folgen.

Unter Verwendung der vorstehend erwähnten Materialien kann die Widerstandsheizschicht 110 z. B. durch Elektronenstrahlverfahren oder Zerstörungsverfahren hergestellt werden.

Als Materialien für die Elektroden 113 und 114 können die meisten herkömmlichen Elektrodenmaterialien in wirksamer Weise eingesetzt werden, beispielsweise Al, Ag, Au, Pt oder Cu. Die Elektroden können z.B. durch Aufdampfen an einer vorgegebenen Stelle mit einer vorgegebenen Größe, Form und Dicke hergestellt werden.

Die Elektroden können über oder unter der Widerstandsheizschicht vorgesehen sein, obwohl sie in den Figuren auf der Widerstandsheizschicht dargestellt sind.

Als Materialien für die Herstellung der Rillenplatte 103 und der am stromaufwärts gelegenen Bereich des Wärmeeinwirkungsabschnittes 106 vorgesehenen gemeinsamen Flüssigkeitskammer können die meisten der Materialien verwendet werden, die die nachfolgenden Bedingungen erfüllen:

• i) Die Gestalt darf während der Herstellung des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes oder während seines Betriebes nur wenig oder überhaupt nicht thermisch beeinflußt werden;
• ii) es muß eine genaue Feinbearbeitung durchgeführt werden können, und die Oberflächengenauigkeit muß in einfacher Weise erreicht werden können; und
• iii) die entstehenden Flüssigkeitskanäle müssen so behandelt werden können, daß sich eine glatte Strömung der Flüssigkeit in den Kanälen ergibt.

Hierfür können vorzugsweise die folgenden Materialien eingesetzt werden: Keramik, Glas, Metalle, Kunststoffe oder Siliciumplättchen. Insbesondere werden Glas und Siliciumplättchen bevorzugt, da sie in einfacher Weise bearbeitet werden können und eine geeignete Hitzebeständigkeit, einen geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine geeignete Wärmeleitfähigkeit besitzen. Es ist wünschenswert, die Außenfläche des Umfangs der Öffnung 104 wasserabstoßend zu machen, wenn es sich um eine wäßrige Flüssigkeit handelt, und ölabstoßend zu machen, wenn es sich um eine nichtwäßrige Flüssigkeit handelt, um auf diese Weise zu verhindern, daß die Flüssigkeit austritt und zur Außenseite der Öffnung 104 strömt.

Die Reihenfolge der Überlappung der dritten Schutzschicht und der zweiten Schutzschicht ist nicht entscheidend. Irgendeine dieser Schichten kann die andere überlappen, solange wie die Überlappungsbreite 10 µm bis 500 µm beträgt. Es ist nicht erforderlich, daß die Überlappungsbreite in allen Bereichen in der Nachbarschaft der elektrothermischen Wandler gleich ist. Sie kann von Bereich zu Bereich verschieden sein, solange sie 10 µm bis 500 µm beträgt.

Das folgende Beispiel dient zur Erläuterung der Erfindung.

Beispiel

Es wurde ein erfindungsgemäßer Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf in der nachfolgenden Weise hergestellt.

Durch thermische Oxidation eines Si-Plättchens wurde ein SiO₂-Film mit einer Dicke von 5 µm hergestellt. Auf den SiO₂-Film wurde durch Zerstäubung eine 300,0 nm dicke Widerstandsheizschicht aus HfB₂ aufgebracht. Danach wurden mittels Elektrodenstrahlabscheidung eine Ti-Schicht mit einer Dicke von 5,0 nm und eine Al-Schicht mit einer Dicke von 1000 nm kontinuierlich aufgebracht.

Das Muster der Elektroden 113 und 114 wurde nach einem photolithographischen Verfahren hergestellt. Die Wärmeeinwirkungsfläche besaß eine Breite von 50 µm und eine Länge von 150 µm.

Ein 2,8 µm dicke erste Schutzschicht 111 und SiO₂ wurde durch Zerstäubung mit hoher Geschwindigkeit abgeschieden.

Als nächstes wurde eine zweite Schutzschicht 116 in der folgenden Weise ausgebildet. Es wurde eine 0,5 µm dicke Schicht eines Polyimidharzes als Photoresistschicht für das Abheben einer Ta-Schicht ausgebildet, mit Ausnahme des Umfangs eines ausgeschnittenen Teiles (400 µm × 300 µm). Danach wurde ein Ta-Film mit einer Dicke von 0,5 µm durch Magnetronzerstäuben hergestellt. Nach der Ausbildung des Ta-Filmes wurde eine Abhebe-Musterbildung durchgeführt, indem das Polyimidharz unter Verwendung eines flüssigen Ablösemittels entfernt wurde, um den Ta- Film auf dem ausgeschnittenen Teil zurückzulassen.

Ein lichtempfindliches Polyimidharz wurde mittels Schleuderbeschichtung aufgebracht, und ein Muster wurde entwickelt, um einen ausgeschnittenen Teil (300 × 200 µm) im Umfang der Wärmeeinwirkungsfläche herzustellen. Dadurch wurde eine dritte Schutzschicht 112 erzeugt. Die Überlappungsbreite zwischen der dritten Schutzschicht und der zweiten Schutzschicht betrug 50 µm. Ferner wurde ein Substrat für den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf durch Brennen bzw. Sintern hergestellt.

Ein impulsförmiges Signal mit 23 V, einer Impulsbreite von 10 µs und einer Frequenz von 800 Hz wurde an den auf diese Weise hergestellten elektrothermischen Wandler des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes angelegt. In Abhängigkeit von dem angelegten Signal wurde eine Flüssigkeit in Tröpfchenform ausgestoßen, und es wurden in beständiger Weise "fliegende" Tröpfchen ausgebildet.

Um die Beziehung zwischen dem prozentualen Fehleranteil des Flüssigkeitskopfes und der Überlappungsbreite zu klären, wurde eine Pt-Elektrode in eine Flüssigkeit eingeführt, so daß die Flüssigkeit geerdet wurde. An den Flüssigkeitskopf wurden +40 V angelegt. Der Fehleranteil wurde geprüft, indem man den Flüssigkeitskopf 200 h lang stehen ließ, wobei eine Flüssigkeitstemperatur von 80° C aufrechterhalten wurde.

In Fig. 2 ist das Ergebnis der Überprüfung des prozentualen Anteils des Auftretens von Leistungsunterbrechung infolge einer Ablösung der Elektrode dargestellt, wobei die Überlappungsbreite b von einem negativen Wert bis etwa 0 reichte, wie in Fig. 1B gezeigt. Wenn die Überlappungsbreite b einem negativen Wert entsprach (keine Überlappung), wurde die Elektrode von einem fehlerhaften Teil einer anorganischen Isolationsschicht (fehlerhafte Stufenabdeckung, feine Löcher) abgelöst, was zu einer Leistungsunterbrechung führte.

Wenn die Überlappungsbreite b geringer war als etwa 10 µm, trat eine Leistungsunterbrechung infolge eines Eindringens der Flüssigkeit in einen überlappten Grenzbereich auf.

Wenn die Überlappungsbreite einem positiven Wert (Überlappung) entsprach, wie in den Fig. 1A, B, C, dargestellt, und die aus einem anorganischen Material bestehende zweite Schutzschicht unter der dritten Schutzschicht, wie in der Fig. 1B, gezeigt, entstand das Problem eines Kurzschlusses zwischen der zweiten Schutzschicht und der Elektrode (dem fehlerhaften Teil der anorganischen Isolationsschicht). Insbesondere wenn b 500 µm oder mehr betrug, nahm die Ausbeute extrem stark ab. Wenn ein Wärmepotentialinfiltrationstest in der vorstehend erwähnten Flüssigkeit durchgeführt wurde, wurde durch Oxidation der Oberfläche der anorganischen Schicht ein stabiler Strahl erzeugt.

Als die zweite Schutzschicht die aus einem organischen Material bestehende dritte Schutzschicht überlagerte, wie in den Fig. 1A, und C gezeigt, wurden eine Filmabblätterung, durch mechanische Spannungen der zweiten Schutzschicht (d.h. der oberen, anorganischen Schicht), ein Aufquellen der dritten Schutzschicht (d.h. der unteren, organischen Schicht) und mechanische Spannungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Schichten hervorgerufen. Die Filmabblätterung wurde durch eine Stufe der organischen Schicht und durch die fehlerhafte Ausbildung der anorganischen Schicht verursacht. Daher tritt bei einer geringen Überlappungsbreite eine Filmabblätterung in einem gewissen Ausmaß auf. Insbesondere bei einer Überlappungsbreite von 500 µm oder mehr tritt vom Endbereich der anorganischen Schicht her eine vollständige Abblätterung auf. Es handelt sich hierbei um ernste Probleme.

Wenn daher eine Überlappungsbreite von 10-500 µm Anwendung findet, kann ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf mit einer ausgezeichneten Zuverlässigkeit und einer ausgezeichneten Flüssigkeitsbeständigkeit erhalten werden, der mit einer guten Ausbeute produziert werden kann.

Claims (11)

1. Flüssigkeitstrahlaufzeichnungskopf (100) mit wenigstens einem Flüssigkeitskanal, dem eine Widerstandsheizschicht (110) und Elektroden (113, 114), die mit der Widerstandsheizschicht leitend verbunden sind, zugeordnet sind, wobei ein zwischen den Elektroden angeordneter Abschnitt der Widerstandsheizschicht einen elektrothermischen Wandler (101) bildet, mit einer ersten Schutzschicht (111), die ein anorganisches Isolationsmaterial umfaßt, mit einer zweiten Schutzschicht (116), die ein anorganisches Material umfaßt, und mit einer dritten Schutzschicht (112), die ein organisches Material umfaßt, wobei im Bereich des Wandlers die erste Schutzschicht den Wandler und die zweite Schutzschicht die erste Schutzschicht überlagert und im Bereich der unter dem Flüssigkeitskanal angeordneten Elektroden die dritte Schutzschicht die erste Schutzschicht überlagert, wobei die zweite und die dritte Schutzschicht einander im Bereich des Übergangs des Wandlers zu den Elektroden überlappen, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlappungsbreite zwischen der zweiten Schutzschicht und der dritten Schutzschicht von 10 µm bis 500 µm reicht.

2. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schutzschicht (111) aus einem anorganischen Oxid, einem Übergangsmetalloxid, einem Metalloxid oder einer Mischung daraus besteht.

3. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schutzschicht (111) aus einem Nitrid mit hohem elektrischem Widerstand besteht.

4. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schutzschicht (111) aus einer Mischung aus zwei oder mehr als zwei anorganischen Oxiden, Übergangsmetalloxiden, Metalloxiden und Nitriden mit hohem elektrischem Widerstand besteht.

5. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erstes Schutzschicht (111) nach einem Dünnfilmverfahren aufgebracht worden ist.

6. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schutzschicht (116) ein Element, das aus den Gruppen IIIa, IVa, Va, VIa und VIII des Periodensystems ausgewählt ist, oder eine Legierung dieser Elemente enthält oder daraus besteht.

7. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schutzschicht (116) aus einem Material besteht, das aus Boriden, Carbiden, Siliciden und Nitriden von Metallen der Gruppen IIIa, IVa, Va, VIa und VIII des Periodensystems ausgewählt ist.

8. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schutzschicht (112) aus einem Harz besteht.

9. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schutzschicht (112) nach einem mikrophotolithographischen Verfahren aus einem lichtempfindlichen Polyimidharz hergestellt worden ist.

10. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schutzschicht (116) aus Ta, Ta-haltigen Legierungen oder einem Borid, Carbid, Silicid oder Nitrid von Ta besteht.

11. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Wärmeerzeugungsabschnitte (107) durch eine durchgehende zweite Schutzschicht (116) abgedeckt sind.