DE60130619T2

DE60130619T2 - Thermische Betätigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60130619T2
Application number: DE60130619T
Authority: DE
Inventors: Gregory S. Rochester Jarrold; John A. Rochester Lebens
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2001-11-19
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2021-11-20
Also published as: JP2002210951A; US20020093548A1; EP1211072B1; DE60130619D1; US6561627B2; EP1211072A2; JP4040288B2; EP1211072A3

Description

Die Erfindung betrifft allgemein mikro-elektromechanische Geräte und insbesondere mikro-elektromechanische thermische Betätigungsvorrichtungen von der Art, wie sie in Tintenstrahldruckköpfen verwendet werden.
Mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) sind eine relativ neue Entwicklung. Solche MEMS werden als Alternativen zu herkömmlichen elektromechanischen Vorrichtungen, wie zum Beispiel Stellgliedern, Ventilen und Positionierern, eingesetzt. Mikro-elektromechanische Vorrichtungen können aufgrund der Anwendung mikroelektronischer Fertigungsverfahren mit geringen Kosten hergestellt werden. Wegen der geringen Größe von MEMS-Vorrichtungen werden dafür auch ständig neue Anwendungsmöglichkeiten entdeckt.
WO 00/55089 A offenbart eine mit thermischer Biegung arbeitende Betätigungsvorrichtung, die zur Verwendung bei Tintenstrahl-Druckdüsen und anderen mikro-elektromechanischen Geräten geeignet ist. Die mit thermischer Biegung arbeitende Betätigungsvorrichtung weist zwei durch einen Spalt getrennte Arme auf. Der Spalt verbessert die thermischen Betriebseigenschaften und reduziert auf den Lastteil der Betätigungsvorrichtung einwirkende Scherspannungen. Die Herstellung der Betätigungsvorrichtung umfasst folgende Schritte: Aufdampfen einer leitfähigen Schicht auf ein Substrat; Aufdampfen einer ersten Opferschicht und eines mit der leitfähigen Schicht verbundenen ersten Arms; Aufdampfen einer zweiten Opferschicht und eines zweiten Arms; und Wegätzen der Opferschichten. Der leitfähigen Schicht zugeführter elektrischer Strom erwärmt den ersten Arm mit der Folge, dass sich die Betätigungsvorrichtung nach oben biegt.
WO 00/64805 A offenbart ein Betätigungsvorrichtungselement für ein mikro-elektromechanisches Gerät. Das Betätigungsvorrichtungselement weist einen bewegbaren Arm auf, der mindestens teilweise aus einer Titan-Aluminiumnitrid-Legierung besteht. Diese Legierung hat eine verhältnismäßig hohe Oxidationstemperatur, sodass in dem Betätigungsvorrichtungselement während eines kurzen Zeitraums eine hohe Temperatur erzeugt werden kann. Bei einer Ausführungsform ist das Betätigungsvorrichtungselement Bestandteil einer mit thermischer Biegung arbeitenden Betätigungsvorrichtung in einem Tintenstrahlgerät.
Ein bekannter feldbetätigter Tintenstrahl wird in WO 99/03680 A beschrieben. Titanlegierungen werden ausführlich in KIRK-OTHMER, Encyclopedia of chemical technology, Third Edition, New York, John Wiley & Sons, 1983, Band 23, Seite 98–107 (XP002242209) beschrieben.
Zahlreiche mögliche Anwendungen der MEMS-Technik arbeiten zur Erzeugung der in solchen Vorrichtungen benötigten Bewegungen mit thermischer Betätigung. So werden beispielsweise in zahlreichen Stellgliedern, Ventilen und Positionierern thermische Betätigungsvorrichtungen zur Erzeugung der Bewegung eingesetzt. Bei der Auslegung thermischer Betätigungsvorrichtungen ist es wünschenswert, sowohl die Bewegung als auch die bei Aktivierung von der Betätigungsvorrichtung ausgeübte Kraft zu maximieren. Gleichzeitig ist es auch wünschenswert, die durch die Bewegung der Betätigungsvorrichtung verbrauchte Energie zu minimieren.
Vorteilhaft ist ferner, dass sich bei freitragenden thermischen Betätigungsvorrichtungen die Innenspannung nicht ändert und die Bewegung der Betätigungsvorrichtung bei wiederholter thermischer Betätigung bei Temperaturen zwischen 20°C und 300°C wiederholbar ist. Auch ist es wünschenswert, dass die erhaltenen MEMS-Geräte unter Verwendung von Materialien, die sich für eine normale CMOS-Fertigung integrierter Schaltungen eignen, in Serie hergestellt werden können. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Fertigung von MEMS-Geräten, die sich durch Zuverlässigkeit, Wiederholbarkeit und geringe Kosten auszeichnen. Die Eignung für eine CMOS-Verarbeitung bietet auch die Möglichkeit, Steuerschaltungen mit der Betätigungsvorrichtung auf demselben Gerät zu integrieren, was die Geräte noch kostengünstiger und zuverlässiger macht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine thermische Betätigungsvorrichtung für ein mikromechanisches Gerät zu schaffen, bei dem ein Träger der Betätigungsvorrichtung eine größere Bewegungsfreiheit aufweist.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine thermische Betätigungsvorrichtung für ein mikromechanisches Gerät zu schaffen, bei dem ein Träger der Betätigungsvorrichtung bei Aktivierung eine höhere Kraft bereitstellt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer thermischen Betätigungsvorrichtung mit einem freitragenden Träger, der bei wiederholter thermischer Betätigung der Vorrichtung bei Temperaturen zwischen 20°C und 300°C im Wesentlichen keine Relaxation aufweist.
Diese Aufgaben werden von der Erfindung gelöst, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist.
Die Erfindung eignet sich besonders als thermische Betätigungsvorrichtung für einen Tintenstrahldrucker. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform befindet sich das freitragende Element der thermischen Betätigungsvorrichtung in einem Tintenbehälter oder einer Tintenkammer mit einer Öffnung oder Düse, durch welche Tinte ausgestoßen werden kann. Durch Betätigung der thermischen Betätigungsvorrichtung wird das freitragende Element in die Kammer gebogen und drückt dabei Tinte durch die Düse.
Das freitragende Element weist eine erste Schicht auf, die aus einem dielektrischen Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht. Mit „niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient" ist hier ein mittlerer Wärmeausdehnungskoeffizient gemeint, der kleiner oder gleich 1 ppm/°C ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Aufsicht eines Teils eines Tintenstrahldruckkopfs mit einer Vielzahl darin ausgebildeter erfindungsgemäßer thermischer Betätigungsvorrichtungen für ein Tintenstrahlgerät.
2 einen Seitenriss eines Teils des freitragenden Trägers der erfindungsgemäßen thermischen Betätigungsvorrichtung für ein Tintenstrahlgerät.
3 eine perspektivische Ansicht eines frühen Schritts in der Fertigung der thermischen Betätigungsvorrichtung für ein Tintenstrahlgerät, bei dem eine dünne, in der Regel aus Siliciumdioxid bestehende Schicht zuerst auf das Substrat aufgedampft und dann die intermetallische Titanaluminidschicht aufgedampft und in der unteren Schicht abgebildet wird.
4 eine perspektivische Ansicht der thermischen Betätigungsvorrichtung für ein Tintenstrahlgerät während eines Schritts in der Fertigung desselben, der später stattfindet als der in 3 abgebildete Schritt und bei dem eine dielektrische Schicht zur Bildung der oberen Schicht mit einem Muster versehen worden ist und das sich ergebende Muster dann durch die in 3 dargestellte dünne Schicht auf das Substrat aufgeätzt wird.
5 eine perspektivische Ansicht der thermischen Betätigungsvorrichtung für ein Tintenstrahlgerät während eines Schritts in der Fertigung desselben, der später stattfindet als der in 4 abgebildete Schritt und bei dem auf den in 4 abgebildeten Aufbau eine Opferschicht aufgedampft, mit einem Muster versehen und voll ausgehärtet worden ist.
6 eine perspektivische Ansicht der thermischen Betätigungsvorrichtung für ein Tintenstrahlgerät während eines Schritts in der Fertigung desselben, der später stattfindet als der in 5 abgebildete Schritt und bei dem als Nächstes eine obere Wandungsschicht auf die in 5 abgebildete dielektrische Schicht und Opferschicht aufgedampft wird.
7 eine perspektivische Schnittansicht der erfindungsgemäßen thermischen Betätigungsvorrichtung für ein Tintenstrahlgerät.
8 ein Diagramm, in dem die Schichtspannung als Funktion der Substratvorspannung (vor und nach Spannungsfreiglühen bei 300°) für die Titanaluminidschicht dargestellt ist.
9 ein Diagramm, in dem die Spannung als Funktion der Temperatur für eine aufgedampfte und spannungsfreigeglühte intermetallische Titanaluminidschicht dargestellt ist, gemessen an einer 6-inch Siliciumscheibe.
10 ein Diagramm, in dem die Spannung als Funktion der Temperatur für eine gesputterte Aluminiumschicht dargestellt ist, gemessen an einer 6-inch Siliciumscheibe.
11 ein Diagramm, in dem die Spannung als Funktion der Temperatur dargestellt ist und Spannungs-Temperatur-Kurven für intermetallisches Titanaluminid mit 7% Sauerstoffgehalt und für intermetallisches Titanaluminid ohne Sauerstoff, aufgedampft auf eine Siliciumscheibe, miteinander verglichen werden.
1 zeigt eine Aufsicht eines Teils eines Tintenstrahldruckkopfs 10 mit thermischen Betätigungsvorrichtungen. Eine Anordnung thermischer Betätigungsvorrichtungen 12 für ein Tintenstrahlgerät wird monolithisch auf einem Substrat 13 hergestellt. Jede thermische Betätigungsvorrichtung 12 für ein Tintenstrahlgerät besteht aus einem freitragenden Element oder Ausleger 14 in einer Tintenkammer 16. Durch eine Düse oder Öffnung 18 kann Tinte aus der Kammer 16 ausgestoßen werden. Die Düse oder Öffnung 18 befindet sich in einem Pumpabschnitt 20 der Kammer 16. Das freitragende Element 14 erstreckt sich so über die Kammer 16, dass sein freies Ende 22 sich im Pumpabschnitt 20 befindet. Das freitragende Element 14 sitzt mit enger Passung zwischen den Wandungen des Pumpabschnitts 20, ohne diese zu berühren. Durch Anordnung des freitragenden Elements 14 in unmittelbarer Nähe der Düse 18 und die enge Passung des freitragenden Elements 14 im Pumpabschnitt 20 wird der Wirkungsgrad des Tintentropfenausstoßvorgangs verbessert. Dem freitragenden Element 14 benachbarte offene Bereiche 26 der Kammer 16 ermöglichen ein schnelles Nachfüllen nach Ausstoßen eines Tropfens durch die Düse 18. Tinte wird der thermischen Betätigungsvor richtung 12 für ein Tintenstrahlgerät von einem durch das Substrat 13 unter der Tintenkammer 16 geätzten Tintenförderkanal 28 zugeführt (siehe 7). Zwei Adressierungselektroden 30, 32 erstrecken sich von dem freitragenden Element 14 aus.
2 zeigt das freitragende Element 14 im Querschnitt. Das freitragende Element 14 weist eine erste oder obere Schicht 34 aus einem Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie zum Beispiel Siliciumdioxid, Siliciumnitrid oder einer Kombination dieser beiden Materialien, auf. Das freitragende Element 14 weist ferner eine zweite oder untere Schicht 36 auf, die elektrisch leitfähig ist und einen hohen Wirkungsgrad hat, wie im Folgenden beschrieben. Vorzugsweise umfasst die zweite Schicht 36 intermetallisches Titanaluminid.
3 bis 6 veranschaulichen die Fertigungsschritte für eine thermische Betätigungsvorrichtung 12 für ein Tintenstrahlgerät. In 3 werden die beiden Adressierungselektroden 30, 32 mit der zweiten Schicht 36 verbunden. Wenn über die beiden Elektroden 30, 32 eine Spannung angelegt wird, fließt Strom durch die intermetallische Titanaluminidschicht 36 und erwärmt diese, sodass sich das freitragende Element 14 zur Düse 18 hin in den Pumpabschnitt 20 biegt. Auf diese Weise wird Tinte durch die Düse 18 ausgestoßen.
Um das Ausstoßen eines Tintentropfens in einer thermischen Betätigungsvorrichtung 12 für ein Tintenstrahlgerät zu optimieren, ist es wichtig, dass die Kraft und die Umlenkung des freitragenden Elements 14 optimiert werden. Die nachstehend aufgeführte Beziehung liefert eine dimensionslose Größe, die den Wirkungsgrad ε des Materials der zweiten Schicht 36 des freitragenden Elements 14 beschreibt:
wobei α der thermische Ausdehnungskoeffizient, Y der Elastizitätsmodul, ρ die Dichte und c_p die spezifische Wärme des Materials ist. Der Zähler enthält Materialeigenschaften, die der Kraft und der Verstellung einer thermischen Betätigungsvorrichtung proportional sind. Der Nenner enthält Materialeigenschaften, die zu der möglichen Wirksamkeit der Erwärmung der zweiten Schicht 36 beitragen.

Tabelle 1 zeigt ε-Werte für verschiedene Materialien, die für thermische Betätigungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik verwendet worden sind, im Vergleich zu der erfindungsgemäßen dünnen Schicht aus intermetallischem Titanaluminid. Mit Ausnahme der Materialwerte für die erfindungsgemäße dünne Schicht aus intermetallischem Titanaluminid, die experimentell ermittelt wurden, wurden die Materialeigenschaften der Literatur entnommen. Tabelle 1: Wirkungsgrad von Materialien für die thermische Betätigungsvorrichtung

Material	α(×10^–6)C^–1	Y(×10⁹)Pa	ρ(×10³)Kg/m³	c_p(J/Kg C)	ε
Al	23,1	69	2,7	900	0,66
Au	14,3	80	19,3	1260	0,047
Cu	16,5	128	8,92	380	0,62
Ni	13,4	200	8,91	460	0,65
Si	2,6	180	2,33	712	0,28
TiAl₃	15,5	188	3,32	780	1,13

Die Titanaluminidschicht hat einen um 70% höheren Wirkungsgrad als die nächst beste Schicht nach dem Stand der Technik. Der Elastizitätsmodul der intermetallischen Titanaluminidschicht wurde durch Anpassung an die Resonanzfrequenz von freitragenden Elementen aus Ti/Al-Siliciumoxid ermittelt. Zur Ermittlung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der intermetallischen Titanaluminidschicht wurden die freitragenden Elemente aus intermetallischem Titanaluminid-Siliciumoxid erwärmt und die Umlenkung als Funktion der Temperatur angepasst.
Das zur Realisierung der Erfindung für die zweite oder untere Schicht 36 verwendete Material hat einen Wirkungsgrad (ε), der größer ist als 1. Vorzugsweise hat dieses Material einen Wirkungsgrad (ε), der größer ist als 1,1.
Für eine thermische Betätigungsvorrichtung 12 mit einem freitragenden Element 14 wird ein zweilagiger Aufbau mit einer ersten Schicht 34 und einer zweiten Schicht 36 gebildet, wie oben erörtert. Die zweite Schicht 36 besteht vorzugsweise aus intermetallischem Titanalumi nid, und das Material der ersten Schicht 34 hat einen wesentlich niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Als Material für die erste Schicht 34 wird in der Regel Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid gewählt. Dem Fachmann dürfte jedoch klar sein, dass die Verstellung und Kraft für ein freitragendes Element 14 auch durch Änderung der Dicke und des Dickenverhältnisses der beiden für die Schichten 34, 36 gewählten Materialien optimiert werden kann. Insbesondere ist bekannt, dass das Dickenverhältnis des ersten und zweiten Materials für die maximale Umlenkung und Kraft im Gleichgewichtszustand von folgender Beziehung bestimmt wird:
wobei h₁, h₂ die Dicke der beiden Schichten 34, 36 und Y₁, Y₂ den Elastizitätsmodul der Materialien der beiden Schichten 34, 36 angeben.
Wie aus 3 ersichtlich, wird auf das Substrat 13 zuerst eine dünne Schicht 40 aufgedampft, die in der Regel aus Siliciumdioxid besteht und als untere Schicht zum Schutz der thermischen Betätigungsvorrichtung 12 für ein Tintenstrahlgerät vor der Tinte und zum elektrischen Isolieren der thermischen Betätigungsvorrichtung 12 für ein Tintenstrahlgerät gegen das Substrat 13 fungiert. Als Nächstes wird die intermetallische Titanaluminidschicht aufgedampft und mit einem Muster versehen, das die untere Schicht 36 und die abgehenden Adressierungselektroden 30, 32 zur Verbindung mit der Steuerschaltung auf dem Gerät bildet.
Durch Aufdampfen von Siliciumoxid oder einer Kombination von Siliciumoxid und Siliciumnitrid auf die dünne Schicht 40 und die untere Schicht 36 wird eine dielektrische Schicht 41 gebildet (siehe 4). Wie in 4 gezeigt, wird die dielektrische Schicht 41 mit einem Muster zur Bildung der oberen Schicht 34 versehen. Das so erhaltene Muster wird dann durch die dünne Schicht 40 auf das Substrat 13 geätzt. Die Musterung dieser Schicht 34 wird über das Muster der unteren Schicht 36 hinaus verlängert, um an den Seiten der unteren Schicht 36 eine schützende Oxid/Nitrid-Schicht zu hinterlassen. Diese Musterung und Ätzung definiert auch die offenen Bereiche 26 auf beiden Seiten des freitragenden Elements 14 zum Nachfüllen von Tinte sowie eine erste Schicht des Pumpabschnitts 20 um das freie Ende 22 des freitragenden Elements 14 herum zur Gewährleistung eines wirksamen Ausstoßens der Tropfen.
In 5 wird eine Opferschicht 42 aus Polyimid aufgedampft, mit einem Muster versehen und voll ausgehärtet. Die Opferschicht 42 aus Polyimid wird so ausgebildet, dass sie sich über das freitragende Element 14 hinaus erstreckt und die offenen Bereiche 26 und den Pumpabschnitt 20 ausfüllt. Die Ausbildung der Opferschicht 42 aus Polyimid im ausgehärteten Zustand bestimmt die Ausbildung der Tintenkammer 16. Das Polyimid ebnet auch die Oberfläche und stellt auf diese Weise eine flache obere Fläche 43 bereit. Die schrägen Seitenwände 45 des Polyimids erleichtern die Bildung der Tintenkammerwände.
Anschließend wird auf die obere dielektrische Schicht 41 eine obere Wandungsschicht 46 aufgedampft, wie in 6 gezeigt. Diese obere Wandungsschicht 46 besteht in der Regel aus durch Plasmabeschichtung aufgebrachtem Oxid und Nitrid, das sich konform über der Opferschicht 42 aus Polyimid ablagert. Die schrägen Seitenwände 45 der Opferschicht 42 aus Polyimid sind wichtig, um Rissbildung in der Kammerwandungsschicht 44 (die Bestandteil der oberen Wandungsschicht 46 ist) an der Oberkante zu verhindern. Das Düsenloch 18 wird durch die Kammerwandungsschicht 44 geätzt.
Darauf wird das Substrat 13 an der Rückseite mit einem Muster versehen, mit der Vorderseite ausgerichtet und durchgeätzt, um die Tintenförderleitung 28 zu bilden. Anschließend wird die die Tintenkammer 16 ausfüllende Opferschicht 42 aus Polyimid durch Trockenätzung mit Sauerstoff und Fluor entfernt. Dieser Schritt löst, und somit bildet, auch das freitragende Element 14. Durch Trennen in Chips (Chip Dicing) vor diesem Schritt kann verhindert werden, das Staub in die Tintenkammer 16 gelangt.
Ein Querschnitt des fertigen Aufbaus ist in 7 dargestellt. Der Querschnitt des freitragenden Elements 14 zeigt die untere Schutzschicht 40, die untere Schicht 36 der Betätigungsvorrichtung aus intermetallischem Titanaluminid und die obere Schicht 34 der Betätigungsvorrichtung. Das freitragende Element 14 befindet sich in der Tintenkammer 16, wird mit enger Passung von dem Umfang des freien Endes 22 in der Nähe des Düsenlochs 18 umschlossen und weist auf dem restlichen Teil seiner Länge beidseitig offene Füllbereiche 26 auf.
Um das Element 14 so gerade zu halten wie in 7 dargestellt, muss die Spannung des Materials des freitragenden Elements 14 beherrschbar sein. Spannungsunterschiede zwischen den Schichten 34, 36 des freitragenden Elements 14 verursachen eine Biegung des freitragen den Elements 14. Es ist daher wichtig, dass die Spannung einer jeden der beiden Schichten 34, 36 beherrschbar ist. Die obere Schicht 34 der Betätigungsvorrichtung wird vorzugsweise hauptsächlich aus Siliciumoxid gebildet, das nahezu spannungsfrei aufgedampft werden kann. Darüber wird ein zweites Material, wie zum Beispiel Siliciumnitrid, aufgedampft, das mit einer Zugspannung aufgebracht werden kann, die einer in der zweiten Schicht 36 gegebenenfalls vorhandenen Zugspannung entgegenwirkt. Zur Maximierung des Wirkungsgrads des Elements ist es jedoch wichtig, die Menge des benötigten Siliciumnitrids so gering wie möglich zu halten. Daher ist es wichtig, die Zugspannung der Schicht aus intermetallischem Titanaluminid auf ein Mindestmaß zu beschränken.
Die intermetallische Titanaluminidschicht wurde durch Hochfrequenz- oder gepulstes DC-Magnetron-Sputtern in Argongas aufgebracht. Für das TiAl₃-Sputter Target wurde eine Reinheit von 99,95% und eine Dichte größer als 99,8% zertifiziert. Optimale Schichteigenschaften wurden durch Veränderung der Aufdampfungsparameter Druck und Substratvorspannung erzielt. Für das gepulste DC-Magnetron-Sputtern wurde auch der Tastgrad variiert. Nach dem Aufdampfen wurde die Schicht bei 300°C–350°C langer als eine Stunde in einer Stickstoffatmosphäre spannungsfreigeglüht, bis keine weitere Veränderung der Eigenspannung der Schicht beobachtet wurde. Die spannungsfreigeglühte Schicht wies bei der Röntgenstrukturanalyse ein überwiegend fehlgeordnetes kubisch-flächenzentriertes Gefüge auf. Je nach den gewählten Sputterbedingungen weist die intermetallische Titanaluminidzusammensetzung bei Bestimmung durch Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie (RBS) einen Stoffmengenanteil von Titan zu Aluminium im Bereich von 65–85% Aluminium auf. Dies ergibt eine Schicht mit Eigenschaften, die denen aller anderen zur Zeit bekannten Schichten für die hier beschriebene thermische Betätigung überlegen sind. Dieses intermetallische Material enthält Titan und Aluminium in einer Verbindung, die durch folgende Beziehung gekennzeichnet werden kann: Al_4-xTi_x, wobei 0,6 ≤ x ≤ 1,4.
Wenn diese überwiegend kubisch-flächenzentrierte Schicht auf mehr als 450°C erwärmt wird, ändert sich die Kristallstruktur von der fehlgeordneten kubisch-flächenzentrierten zu einer überwiegend tetragonalen Ti₅Al₁₁-Struktur. Diese Strukturänderung wird von einer starken Zunahme der Kristallgröße und einer verminderten Zugfestigkeit begleitet, die Schichtrisse zur Folge haben kann.
8 zeigt als Versuchsergebnis die nach dem Aufdampfen gemessene Spannung und die Spannung nach Spannungsfreiglühen. Durch entsprechende Einstellung der Aufdampfparameter kann die Endspannung der Schicht auf null reduziert werden. Zu beachten ist hier, dass den dargestellten Daten ein Aufdampfdruck von 0,67 Pa (5mT) zugrunde liegt. Es hat sich ferner gezeigt, dass bei einer Senkung des Aufdampfdrucks auf weniger als 0,8 Pa (6mT) eine Zunahme der Druckspannung in der aufgedampften Schicht zu beobachten ist, die einer Erhöhung der Vorspannung ähnelt. Es wurde ferner festgestellt, dass beim DC-Magnetron-Sputtern die Spannung auch durch Veränderung des Tastgrads justiert werden kann. Durch eine geeignete Wahl der Substratvorspannung, des Aufdampfdrucks und des Tastgrads kann daher die Endspannung den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden.
Wichtig ist ferner auch, dass das Material bei wiederholter Betätigung wärmebeständig bleibt und keine bleibende Verformung oder Spannungsrelaxation zeigt. 9 zeigt die Spannung als Funktion der Temperatur für eine aufgedampfte und spannungsfreigeglühte intermetallische Titanaluminidschicht, gemessen an einer 6-inch Siliciumscheibe. Die Kurve weist keine Hysterese auf. Die in 10 gezeigte gleiche Messung einer Schicht aus reinem Aluminium zeigt eine große Hysterese und eine nichtlineare Kurve. An schichtweise hergestellten freitragenden Elementen 14 unter Einschluss der hier beschriebenen intermetallischen Titanaluminidschicht wurde nach mehreren Millionen Versuchsbetätigungen keine messbare Veränderung des Profils des freitragenden Elements oder des Wirkungsgrads der Betätigung festgestellt.
Es hat sich ferner gezeigt, dass die Zugabe von Sauerstoff oder Stickstoff zum Sputtergas zur Bildung von TiAl(N)- oder TiAl(O)-Verbindungen für die vorliegende Erfindung unvorteilhaft ist. So werden zum Beispiel in 11 die Spannungs-Temperaturkurven für auf eine Siliciumscheibe aufgedampftes intermetallisches Titanaluminid mit 7% Sauerstoffgehalt und ohne Sauerstoff verglichen. Durch Messen der Scheibenkrümmung kann die Spannung der Schicht nach der dem Fachmann bekannten Stoney-Gleichung bestimmt werden. Die Steigung der Kurve ist dem Elastizitätsmodul des Materials und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten proportional. Eine geringere Steigung ist daher ein Indiz für ein weniger wirksames Material der Betätigungsvorrichtung. Die Zugabe von Sauerstoff verschlechtert den Wirkungsgrad des Materials der Betätigungsvorrichtung.
Das für die Schicht 36 verwendete intermetallische Titanaluminidmaterial weist im Vergleich zu den für thermische Betätigungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik verwendeten Materialien signifikante Vorteile auf. Dieses Material hat einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem Grad der Umlenkung, die das freitragende Element 14 für einen gegebenen Temperaturanstieg erreichen kann, proportional ist. Der Koeffizient ist auch der Kraft proportional, die das freitragende Element 14 für einen gegebenen Temperaturanstieg ausüben kann. Darüber hinaus hat das intermetallische Titanaluminidmaterial einen hohen Elastizitätsmodul. Ein höherer Elastizitätsmodul bedeutet, dass die gleiche Kraft mit einem dünneren freitragenden Element 14 aufgebracht werden kann, was die Umlenkfähigkeit des freitragenden Elements 14 erhöht. Intermetallisches Titanaluminid hat auch eine geringe Dichte und eine niedrige spezifische Wärme. Zum Erwärmen des Materials auf eine gegebene Temperatur muss weniger Energie zugeführt werden. Diese Eigenschaften ermöglichen die Herstellung kleiner freitragender Elemente 14 für thermische Betätigungsvorrichtungen mit kurzen Ansprechzeiten, wie sie für eine Verwendung als Tintentropfen-Ausstoßeinrichtung zum Drucken erforderlich sind. So sind zum Beispiel erfindungsgemäße freitragende Elemente 14 mit einer Breite von 20 μm, einer Länge von 100 μm und einer Dicke von 2,8 μm erfolgreich hergestellt und in einem Tintenstrahl-Druckvorgang geprüft worden.
Das für die Schicht 36 verwendete intermetallische Titanaluminidmaterial zeigt bei wiederholter Erwärmung auf 300°C keine bleibende Relaxation oder Hysterese. Das freitragende Element 14 kann viele Millionen mal betätigt werden, ohne dass sich seine Eigenschaften verändern.
Dem Fachmann dürfte klar sein, dass thermische Betätigungsvorrichtungen, bei denen für die Schicht 36 das intermetallische Titanaluminidmaterial verwendet wird, zur Herstellung integrierter Steuerschaltungen auf CMOS-Scheiben integriert werden können. Ferner kann das Titanaluminidmaterial mit den für die Herstellung von CMOS-Scheiben verwendeten normalen Sputtersystemen aufgebracht werden. Darüber hinaus kann das Titanaluminidmaterial mit den für die Herstellung von CMOS-Scheiben üblicherweise verwendeten chlorbasierten Ätzsystemen geätzt und mit Muster versehen werden. Die Temperaturen, bei denen das Titan aluminidmaterial aufgebracht wird, liegen unter 350°C. Dies ermöglicht eine problemlose Integration der erfindungsgemäßen thermischen Betätigungsvorrichtung in das hintere Ende eines CMOS-Herstellungsprozesses.
Intermetallisches Titanaluminid hat einen spezifischen elektrischen Widerstand von 160 μ Ohm-cm, was für eine Heizeinrichtung ein vertretbarer Wert ist. Im Vergleich dazu haben reine Metalle einen wesentlich geringeren spezifischen elektrischen Widerstand. Das intermetallische Titanaluminidmaterial kann daher in der thermischen Betätigungsvorrichtung sowohl als Heizeinrichtung als auch als Biegelement verwendet werden.
Intermetallisches Titanaluminid hat einen sehr niedrigen Wärmewiderstandskoeffizienten von 10 ppm, was bedeutet, dass sich der Widerstand bei Erwärmung der Betätigungsvorrichtung nicht verändert. In der Praxis bedeutet dies, dass bei Anlegen eines Spannungsimpulses zur Erwärmung des Materials der Strom sich nicht ändert, was ein völlig lineares Ansprechverhalten ermöglicht.
Die erfindungsgemäße thermische Betätigungsvorrichtung kann auch für andere mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) verwendet werden, beispielsweise zur Herstellung eines thermisch betätigten Mikroventils zur Steuerung von Flüssigkeitsströmen. Die von der erfindungsgemäßen thermischen Betätigungsvorrichtung erzeugte Bewegung könnte für Feinsteinstellungs- oder Schaltungsaufgaben genutzt werden. Thermische Betätigungselemente anderer Art könnten ebenfalls nach den Prinzipien der bevorzugten Ausführungsform hergestellt werden. Auch eine knickende Betätigungsvorrichtung könnte aus intermetallischem Titanaluminid hergestellt werden.

Claims

Thermische Betätigungsvorrichtung (12) für ein mikro-elektromechanisches Gerät, mit: a) einem Träger (13; 40) b) einem freitragenden Element (14), das sich vom Träger aus erstreckt und eine erste Stellung einnimmt, wobei das freitragende Element eine erste (34) und eine zweite Schicht (36) aufweist; und c) zwei Elektroden (30, 32), die mit der zweiten Schicht derart verbunden sind, dass ein elektrischer Strom durch die zweite Schicht zu fließen vermag, wodurch die Temperatur der zweiten Schicht steigt; wobei die erste Schicht aus einem dielektrischen Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht und auf der zweiten Schicht abgelagert ist und die zweite Schicht einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der größer ist als der des dielektrischen Materials der ersten Schicht, wobei das freitragende Element in eine zweite Stellung umlenkbar ist als Folge des Temperaturanstiegs der zweiten Schicht und der Tatsache, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der zweiten Schicht größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient der ersten Schicht, und wobei das freitragende Element in seine erste Stellung zurückkehrt, wenn der elektrische Strom nicht mehr durch die zweite Schicht fließt und deren Temperatur sinkt, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht intermetallisches Titanaluminid umfasst, welches der Beziehung folgt: Al_4-xTi_x, wobei 0,6 ≤ x ≤ 1,4 ist.
Thermische Betätigungsvorrichtung für ein Tintenstrahlgerät (10), mit: a) einer in einem Substrat (13) ausgebildeten Tintenkammer (16); b) einem freitragenden Element (14), das sich von einer Wandung (7) der Tintenkammer aus erstreckt und im allgemeinen eine erste Stellung einnimmt, wobei das freitragende Element eine erste (34) und eine zweite Schicht (36) aufweist sowie ein freies Ende (7) umfasst, das sich in der Nähe einer Tintenausstoßöffnung (18) in der Tintenkammer befindet; und c) zwei Elektroden (30, 32), die mit der zweiten Schicht derart verbunden sind, dass ein elektrischer Strom durch die zweite Schicht zu fließen vermag, wodurch die Temperatur der zweiten Schicht steigt; wobei die erste Schicht aus einem dielektrischen Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht und auf der zweiten Schicht abgelagert ist und die zweite Schicht einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der größer ist als der des dielektrischen Materials der ersten Schicht, wobei das freitragende Element in eine zweite Stellung umlenkbar ist als Folge des Temperaturanstiegs der zweiten Schicht und der Tatsache, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der zweiten Schicht größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient der ersten Schicht, wobei das freitragende Element in seine erste Stellung zurückkehrt, wenn der elektrische Strom nicht mehr durch die zweite Schicht fließt und deren Temperatur sinkt, und wobei die Bewegung des freitragenden Elements bewirkt, dass Tinte in der Tintenkammer durch die Tintenausstoßöffnung ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht intermetallisches Titanaluminid umfasst, welches der Beziehung folgt: Al_4-xTi_x, wobei 0,6 ≤ x ≤ 1,4 ist.
Thermische Betätigungsvorrichtung für ein Tintenstrahlgerät nach Anspruch 2, worin: die Tintenkammer einen Pumpabschnitt (20) aufweist, in dem das freie Ende des freitragenden Elements lagert.
Thermische Betätigungsvorrichtung für ein Tintenstrahlgerät nach Anspruch 3, mit: a) mindestens einem offenen Bereich (26), welcher dem freitragenden Element benachbart ist; und b) einem Tintenförderkanal (7) im Substrat, der es Tinte ermöglicht, durch den mindestens einen offenen Bereich in die Tintenkammer gefördert zu werden.
Thermische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die zweite Schicht einen Umlenk-Wirkungsgrad (ε) von größer als 1 hat, wobei der Umlenk-Wirkungsgrad (ε) durch die Gleichung bestimmt ist: ε = Yα/c_pρ wobei Y ein Elastizitätsmodul, ρ die Dichte, α der thermische Ausdehnungskoeffizient und c_p die spezifische Wärme ist.
Thermische Betätigungsvorrichtung für ein Tintenstrahlgerät nach Anspruch 2, worin: die zweite Schicht einen Umlenk-Wirkungsgrad (ε) von größer als 1 hat, wobei der Umlenk-Wirkungsgrad (ε) durch die Gleichung bestimmt ist: ε = Yα/c_pρ wobei Y ein Elastizitätsmodul, ρ die Dichte, α der thermische Ausdehnungskoeffizient und c_p die spezifische Wärme ist.
Thermische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 5, worin: die zweite Schicht einen Umlenk-Wirkungsgrad (ε) von größer als 1,1 hat.
Thermische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, worin: die zweite Schicht einen Umlenk-Wirkungsgrad (ε) von größer als 1,1 hat.