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TECHNISCHES
GEBIET DER OFFENBARUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Druckköpfe und insbesondere auf Barriere-/Öffnungsstrukturentwürfe zur
verbesserten Leistungsfähigkeit.
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HINTERGRUND
DER OFFENBARUNG
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Eine
exemplarische Anwendung für
die in dem vorliegenden Dokument offenbarten Verfahren ist die des
Tintenstrahldruckens. Beispielsweise arbeiten Thermotintenstrahldrucker
dadurch, dass sie ein kleines Tintenvolumen durch eine Mehrzahl
kleiner Düsen
oder Öffnungen
in einer Oberfläche
auswerfen, die in der Nähe
eines Mediums gehalten wird, auf das Markierungen oder ein Druck
aufgebracht werden sollen bzw. soll. Diese Düsen sind derart in der Oberfläche angeordnet,
dass das Auswerfen eines Tintentröpfchens aus einer bestimmten
Anzahl von Düsen
relativ zu einer bestimmten Position des Mediums zur Erzeugung eines
Abschnitts eines gewünschten
Schriftzeichens oder Bildes führt.
Ein gesteuertes Neupositionieren des Substrats oder des Mediums
und ein weiteres Auswerfen von Tintentröpfchen setzt die Erstellung
weiterer Pixel des gewünschten
Schriftzeichens oder Bildes fort. Tinten ausgewählter Farben können mit
einzelnen Anordnungen von Düsen
gekoppelt sein, so dass ein ausgewähltes Abfeuern der Öffnungen
ein mehrfarbiges Bild seitens des Tintenstrahldruckers erzeugen
kann.
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Das
Auswerfen des Tintentröpfchens
bei einem herkömmlichen
Thermotintenstrahldrucker ist eine Folge eines raschen thermischen
Erhitzens der Tinte auf eine Temperatur, die den Siedepunkt des
Tintenlösungsmittels überschreitet
und eine Dampfphasenblase aus Tinte erzeugt. Ein rasches Erhitzen
der Tinte kann dadurch erzielt werden, dass ein Recht eckpuls eines
elektrischen Stroms durch einen Widerstand geleitet wird, üblicherweise
0,5 bis 5 Mikrosekunden lang. Jede Düse ist mit einer kleinen eindeutig
bestimmten Tintenabfeuerungskammer gekoppelt, die mit Tinte gefüllt ist
und die den einzeln adressierbaren Heizelementwiderstand aufweist,
der thermisch mit der Tinte gekoppelt ist. Während die Blase entsteht und
sich ausdehnt, verdrängt
sie ein Tintenvolumen, das aus der Düse hinausgedrückt und
auf das Medium aufgebracht wird. Dann fällt die Blase zusammen, und
das verdrängte
Tintenvolumen wird mittels Tintenspeisungskanälen aus einem größeren Tintenreservoir
wieder aufgefüllt.
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Nach
der Deaktivierung des Heizwiderstands und nach dem Auswerfen von
Tinte aus der Abfeuerungskammer fließt Tinte zurück in die
Abfeuerungskammer, um das Volumen, das durch die ausgeworfene Tinte
geleert wurde, zu füllen.
Es ist wünschenswert,
dass die Tinte die Kammer so rasch wie möglich wieder auffüllt, wodurch
ein sehr rasches Abfeuern der Düsen
des Druckkopfes ermöglicht
wird. Der Tintenfluss in die Kammer erfolgt durch einen Eintrittskanal.
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Die
EP0913257 A2 offenbart
eine Vorrichtung zum Erzeugen einer hochfrequenten Tintenausstoßung und
Wiederauffüllung
der Tintenkammer. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat, auf dem
sich eine Barriereschicht und eine Anzahl von Tintenausstoßelementen
befinden. Ein flexibles Band, in dem eine Anzahl von Düsen geformt
ist, überlagert
diese Anordnung. Tinte wandert um die Ränder des Substrats herum von
einer Tintenkammer in Tintenausstoßkammern, in denen die Tintenausstoßelemente
angeordnet sind, von denen sie ausgeworfen wird. Jedes Tintenausstoßelement
kann in einer Spalte von Elementen durch Halbinseln von jedem anderen
Tintenausstoßelement
getrennt sein. Alle Tintenausstoßelemente in einer derartigen
Spalte können
nicht gleichzeitig mit Energie versorgt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER OFFENBARUNG
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Es
wird ein Fluidausstoßdruckkopf
gemäß Anspruch
1 beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung eines exemplarischen Ausführungsbeispiels derselben gemäß der Veranschaulichung
in den beiliegenden Zeichnungen noch offensichtlicher. Es zeigen:
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1 eine
isometrische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
einer Druckkassette, die jeglichen der hierin beschriebenen Druckköpfe beinhalten
kann;
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2 eine
isometrische weggeschnittene Ansicht eines Teils eines Ausführungsbeispiels
eines Druckkopfes gemäß Aspekten
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
isometrische Ansicht der Unterseite des in 2 gezeigten
Druckkopfes;
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4 eine
Querschnittsansicht, die entlang der Linie 4-4 der 2 genommen
ist;
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5 eine
diagrammatische Ansicht eines Teils des Druckkopfes der 1,
die einen Aspekt der Erfindung veranschaulicht;
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6 eine
diagrammatische Querschnittsansicht, die entlang der Linie 6-6 der 5 genommen
ist;
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7 ein
vereinfachtes schematisches Diagramm, das einen weiteren Aspekt
der Erfindung veranschau licht, in einer diagrammatischen Draufsicht
auf einen Teil des Druckkopfes;
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8 eine
schematische Darstellung eines repräsentativen Ausführungsbeispiels
der Architektur eines Tintenstrahldruckkopfes, das Aspekte der vorliegenden
Erfindung verkörpert;
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9 eine
vereinfachte diagrammatische Querschnittsansicht, die entlang der
Linie 9-9 der 8 genommen ist;
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10 eine
schematische Veranschaulichung benachbarter Düsenpaare mit jeweiligen verbundenen Tintenspeisungspfaden;
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11 ein
schematisches Druckkopfdiagramm, das ein Überspringungsabfeuerungsmuster
zeigt;
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12 ein
stark vereinfachtes schematisches Diagramm, das ein Drucksystem
veranschaulicht, das einen oder mehrere der Druckköpfe einsetzen
kann, die Aspekte der Erfindung verkörpern; und
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13 eine
schematische Darstellung einer alternativen Druckkopfarchitektur,
um ein 2400npi-Düsenarray
zu ermöglichen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Art von Tintenstrahldruckkassette 10,
die die Druckkopfstrukturen der vorliegenden Erfindung beinhalten
kann. Die Druckkassette 10 der 1 ist der
Typ, der eine beträchtliche
Tintenmenge in seinem Körper 12 enthält, eine
andere geeignete Druckkassette kann jedoch ein Typ sein, der Tinte
von einem externen Tintenvorrat empfängt, der entweder an dem Druck kopf
angebracht oder über
eine Schlauchleitung mit dem Druckkopf verbunden ist.
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Die
Tinte wird an einen Druckkopf 14 geliefert. Der Druckkopf 14 leitet
die Tinte in Tintenabfeuerungskammern, wobei jede Kammer ein Tintenausstoßelement
enthält.
Elektrische Signale werden an Kontakte 16 geliefert, um
die Tintenausstoßelemente
einzeln dahin gehend mit Energie zu versorgen, ein Tintentröpfchen durch
eine zugeordnete Düse 18 auszustoßen. Die
Struktur und Funktionsweise herkömmlicher
Druckkassetten sind hinreichend bekannt.
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Bei
einer beispielhaften Anwendung bezieht sich die Erfindung auf den
Druckkopfabschnitt einer Druckkassette oder einen Druckkopf, der
dauerhaft in einem Drucker installiert sein kann und somit von dem Tintenzufuhrsystem,
das Tinte an den Druckkopf liefert, unabhängig ist. Die Erfindung ist
ferner unabhängig von
dem jeweiligen Drucker, in den der Druckkopf integriert ist.
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Obwohl
eine exemplarische Anwendung für
die vorliegende Erfindung Drucksysteme sind, muss man verstehen,
dass die Erfindung nicht auf Drucksysteme beschränkt ist, da sie auch bei Nicht-Druckanwendungen
und vor allem bei Anwendungen nützlich
sein kann, die das Ausstoßen
von präzise
gesteuerten Fluidtröpfchen
nutzen, z.B. medizinische Anwendungen zum Ausstoßen von Tröpfchen eines Medikaments.
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2 ist
eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Druckkopfes der 1,
die entlang der Linie 2-2 in 1 genommen
ist. Ein Druckkopf weist üblicherweise
viele Düsen,
z.B. 300 oder mehr Düsen,
und zugeordnete Tintenausstoßkammern
auf. Viele Druckköpfe
können
auf einem einzigen Siliziumwafer gebildet und anschließend unter
Verwendung herkömmlicher
Techniken voneinander getrennt werden.
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Bei 2 sind
auf einem Siliziumsubstrat 20 verschiedene Dünnfilmschichten 22 gebildet,
die im Folgenden manchmal als „Membran" bezeichnet werden.
Die Dünnfilmschichten 22 umfassen
eine widerstandsbehaftete Schicht zum Bilden von Widerständen 24.
Andere Dünnfilmschichten
erfüllen
verschiedene Funktionen, beispielsweise ein Liefern einer elektrischen
Isolierung von dem Substrat 20, ein Liefern eines wärmeleitfähigen Pfades
von den Heizwiderstandselementen zu dem Substrat 20, und
ein Liefern von elektrischen Leitern an die Widerstandselemente.
Ein elektrischer Leiter 25 ist gezeigt, der zu einem Ende
eines Widerstands 24 führt.
Ein ähnlicher
Leiter führt
zu dem anderen Ende des Widerstands 24. Bei einem tatsächlichen Ausführungsbeispiel
würden
die Widerstände
und Leiter in einer Kammer durch überlagernde Schichten verdeckt.
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Tintenspeisungslöcher 26 sind
vollständig
durch die Dünnfilmschichten 22 hindurch
gebildet.
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Eine Öffnungsschicht 28 ist über der
Oberfläche
der Dünnfilmschichten 22 aufgebracht
und geätzt,
um Tintenausstoßkammern 30,
eine Kammer pro Widerstand 24, zu bilden. Düsen 34 können unter
Verwendung einer Maske und herkömmlicher
Photolithographieverfahren mittels Laserablation gebildet werden.
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Das
Siliziumsubstrat 20 wird geätzt, um einen Graben 36 zu
bilden, der sich entlang der Länge
der Reihe von Tintenspeisungslöchern 26 erstreckt,
so dass Tinte 38 von einem Tintenreservoir in die Tintenspeisungslöcher 26 eintreten
kann, um Tinte an die Tintenausstoßkammern 30 zu liefern.
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Bei
einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
ist jeder Druckkopf etwa einen halben Zoll lang und enthält vier
versetzte Düsenreihen,
wobei jede Reihe 304 Düsen
enthält,
was pro Druckkopf insgesamt 1.216 Düsen ergibt. Die Düsen in jeder
Reihe weisen einen Abstand von 600 dpi auf, und die Reihen sind
versetzt, um unter Verwendung beider Reihen eine Druckauflösung von
2.400 dpi zu liefern. Der Druckkopf kann somit bei einer Einfachdurchlaufauflösung von
2.400 Punkten pro Zoll (dpi – dots
per Inch) entlang der Richtung der Düsenreihen drucken, oder kann
bei mehreren Durchläufen
mit einer höheren
Auflösung
drucken. Höhere
Auflösungen
können
auch entlang der Bewegungsrichtung des Druckkopfes gedruckt werden.
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Im
Betrieb wird ein elektrisches Signal an den Heizwiderstand 24 geliefert,
der einen Teil der Tinte verdampft, um eine Blase in einer Tintenausstoßkammer 30 zu
bilden. Die Blase treibt ein Tintentröpfchen durch eine zugeordnete
Düse 34 auf
ein Medium. Anschließend
wird die Tintenausstoßkammer
mittels Kapillarwirkung wieder aufgefüllt.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht der Unterseite des Druckkopfes der 2,
die den Graben 36 und Tintenspeisungslöcher 26 zeigt. Bei
dem bestimmten Ausführungsbeispiel
der 3 liefert ein einziger Graben 36 einen
Zugang zu zwei Reihen von Tintenspeisungslöchern 26.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist die Größe jedes
Tintenspeisungslochs 26 geringer als die Größe einer
Düse 34,
so dass Partikel in der Tinte durch die Tintenspeisungslöcher 26 gefiltert
werden und eine Düse 34 nicht
verstopfen. Das Verstopfen eines Tintenspeisungslochs 26 hat
eine geringe Auswirkung auf die Wiederauffüllgeschwindigkeit einer Kammer 30,
da es mehrere Tintenspeisungslöcher 26 gibt,
die Tinte an jede Kammer 30 liefern. Bei einem Ausführungsbeispiel
gibt es mehr Tintenspeisungslöcher 26 als
Tintenausstoßkammern 30.
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4 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 der 2. 4 zeigt
die einzelnen Dünnfilmschichten.
Bei dem bestimmten Ausführungsbeispiel
der 4 beträgt
die Dicke des gezeigten Abschnitts des Siliziumsubstrats 20 etwa
10 Mikrometer.
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Eine
Feldoxidschicht 40, die eine Dicke von 1,2 Mikrometern
aufweist, wird unter Verwendung herkömmlicher Verfahren ü ber dem
Siliziumsubstrat 20 gebildet. Eine Schicht aus Phosphorsilicatglas
(PSG) 42, die eine Dicke von 0,5 Mikrometern aufweist,
wird anschließend über die
Oxidschicht 40 aufgebracht.
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Eine
Schicht aus Bor-PSG oder Bor-TEOS (BTEOS) kann statt der Schicht 42 verwendet
werden, jedoch auf ähnliche
Weise wie die Schicht 42 geätzt sein.
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Eine
widerstandsbehaftete Schicht aus z.B. Tantalaluminium (TaAl), die
eine Dicke von 0,1 Mikrometern aufweist, wird anschließend über der
PSG-Schicht 42 gebildet. Andere bekannte widerstandsbehaftete Schichten
können
ebenfalls verwendet werden. Wenn die widerstandsbehaftete Schicht
geätzt
wird, bildet sie Widerstände 24.
Die PSG- und die Oxidschicht 42 und 40 liefern
eine elektrische Isolierung zwischen den Widerständen 24 und dem Substrat 20,
liefern einen Ätzstopp
beim Ätzen
des Substrats 20 und liefern eine mechanische Stütze für den Überhangsabschnitt 45.
Die PSG- und die
Oxidschicht isolieren ferner Transistorengatter aus Polysilizium
(nicht gezeigt), die dazu verwendet werden, Energieversorgungssignale
zu den Widerständen 24 zu
koppeln.
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Bei
einem Druckkopftyp ist es schwierig, die rückseitige Maske (zum Bilden
des Grabens 36) perfekt mit den Tintenspeisungslöchern 26 auszurichten.
Somit ist der Herstellungsprozess dahin gehend entworfen, einen
variablen Überhangsabschnitt 45 zu
liefern, statt zu riskieren, dass das Substrat 20 die Tintenspeisungslöcher 26 beeinträchtigt.
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Nicht
in 4, sondern in 2 gezeigt
ist eine strukturierte Metallschicht, z.B. eine Aluminium/Kupfer-Legierung, die die
widerstandsbehaftete Schicht überlagert,
um eine elektrische Verbindung zu den Widerständen zu liefern. Bahnen sind
in das AlCu und TaAl geätzt,
um eine erste Widerstandsabmessung (z.B. eine Breite) zu definieren.
Eine zweite Widerstandsabmessung (z.B. eine Länge) wird durch Ätzen der
AlCu-Schicht definiert, um zu bewirken, dass ein widerstandsbehafteter
Abschnitt an zwei Enden von AlCu-Bahnen kontaktiert wird. Dieses
Verfahren des Bildens von Widerständen und elektrischen Leitern
ist in der Technik hinreichend bekannt.
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Über den
Widerständen 24 und
der AlCu-Metallschicht ist eine Schicht aus Siliziumnitrid (Si3N4) 46 gebildet,
die eine Dicke von 0,5 Mikrometern aufweist. Diese Schicht liefert
eine Isolierung und Passivierung. Bevor die Nitridschicht 46 aufgebracht
wird, wird die PSG-Schicht 42 geätzt, um die PSG-Schicht 42 aus
dem Tintenspeisungsloch 26 zurückzuziehen, damit sie nicht
mit Tinte in Kontakt steht. Dies ist wichtig, da die PSG-Schicht 42 in
Bezug auf bestimmte Tinten und auf das zum Bilden des Grabens 36 verwendete Ätzmittels anfällig ist.
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Ein
Zurückätzen einer
Schicht, um die Schicht vor Tinte zu schützen, kann auch für die Polysilizium- und
Metallschichten in dem Druckkopf gelten.
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Über der
Nitridschicht 46 ist eine Schicht 48 aus Siliziumcarbid
(SiC) gebildet, die eine Dicke von 0,25 Mikrometern aufweist, um
eine zusätzliche
Isolierung und Passivierung zu liefern. Die Nitridschicht 46 und
die Carbidschicht 48 schützen nun die PSG-Schicht 42 vor
der Tinte und dem Ätzmittel.
Statt Nitrid und Carbid können
auch andere dielektrische Schichten verwendet werden.
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Die
Carbidschicht 48 und die Nitridschicht 46 werden
geätzt,
um Abschnitte der AlCu-Bahnen bezüglich eines Kontakts mit anschließend gebildeten
Masseleitungen (aus dem Feld der 4 heraus)
freizulegen.
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Auf
der Carbidschicht 48 ist eine Haftschicht 50 aus
Tantal (Ta) gebildet, die eine Dicke von 0,6 Mikrometern aufweist.
Das Tantal fungiert auch als Blasenhohlraumbildungsbarriere über den
Widerstandselementen. Diese Schicht 50 kontaktiert die
leitfähigen
AlCu-Bahnen durch die Öffnungen
in der Nitrid-/Carbidschicht.
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Gold
(nicht gezeigt) wird über
die Tantalschicht 50 aufgebracht und geätzt, um Masseleitungen zu bilden,
die mit bestimmten der AlCu-Bahnen elektrisch verbunden sind. Derartige
Leiter können
herkömmlicher Art
sein.
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Die
AlCu- und Goldleiter können
mit auf der Substratoberfläche
gebildeten Transistoren gekoppelt sein. Derartige Transistoren sind
in der US-Patentschrift 5,648,806 beschrieben. Die Leiter können an
Elektroden entlang Rändern
des Substrats 20 enden.
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Eine
(nicht gezeigte) flexible Schaltung weist Leiter auf, die mit den
Elektroden auf dem Substrat 20 gebondet sind und zum Zweck
einer elektrischen Verbindung mit dem Drucker in Kontaktanschlussflächen 16 enden
(1).
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Die
Tintenspeisungslöcher 26 werden
durch Ätzen,
z.B. Plasmaätzen,
durch die Dünnfilmschichten hindurch
gebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel
wird eine einzige Speisungslochmaske verwendet. Bei einem anderen
Ausführungsbeispiel
werden mehrere Maskierungs- und Ätzschritte
verwendet, während
die verschiedenen Dünnfilmschichten
gebildet werden.
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Ein
Vorteil besteht darin, dass die Tintenspeisungslöcher anhand eines Dünnfilmstrukturierungsprozesses
gebildet werden können,
was die Fähigkeit
zur Bildung von kleinen und sehr präzise platzierten Speisungslöchern liefert.
Dies ist wichtig dafür,
den hydraulischen Durchmesser der Speisungslöcher sowie die Entfernung zwischen
den Speisungslöchern
und den zugeordneten Widerständen
präzise
abzustimmen. Im Gegensatz dazu ist ein Bilden von Tintenspeisungslöchern anhand
eines Ätzens
durch Silizium nicht so präzise.
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Die Öffnungsschicht
28 wird
anschließend
aufgebracht und gebildet, worauf das Ätzen des Grabens
36 folgt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
wird die Grabenätzung
vor der Herstellung der Öffnungsschicht
durchgeführt.
Bei einem Ausführungsbeispiel
kann die Öffnungsschicht
28 unter
Verwendung eines aufgeschleuderten Epoxids, das als SU8 bezeichnet
und von Micro-Chem, Newton, MA, vermarktet wird, hergestellt werden.
Exemplarische Verfahren zum Herstellen der Barriere-/Öffnungsschicht
28 unter
Verwendung von SU8 oder anderen Polymeren sind in der
US 6,162,589 beschrieben. Die Öffnungsschicht
beträgt
bei einem Ausführungsbeispiel
etwa 20 Mikrometer. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Schicht
28 aus
zwei separaten Schichten gebildet sein, d.h. einer Barriereschicht
wie z.B. einer Trockenfilmphotoresist-Barriereschicht und einer
Metallöffnungsschicht
wie z.B. einer Nickel/Gold-Öffnungsplatte,
die auf einer Außenoberfläche der
Barriereschicht gebildet ist. Andere Ausführungsbeispiele der Barriere-/Öffnungsschicht 28
können
ebenfalls verwendet werden.
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Falls
notwendig, kann ein rückseitiges
Metall aufgebracht werden, um Wärme
von dem Substrat 20 besser zu der Tinte zu leiten.
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Repräsentative
Abmessungen der Elemente für
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
können
wie folgt lauten: Tintenspeisungslöcher 26 betragen 10
Mikrometer × 20
Mikrometer; Tintenausstoßkammern 30 betragen
20 Mikrometer × 40
Mikrometer; Düsen 34 haben
einen Durchmesser von 16 Mikrometern; Heizwiderstände 24 betragen
15 Mikrometer × 15
Mikrometer; und ein Verteilerstück 32 weist
eine Breite von etwa 20 Mikrometern auf. Die Abmessungen variieren
je nach der verwendeten Tinte, der Betriebstemperatur, der Druckgeschwindigkeit,
der gewünschten
Auflösung
und anderen Faktoren.
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Es
versteht sich, dass der Druckkopf der 1–4 ein
exemplarischer Druckkopf ist, dass die Erfindung jedoch mit anderen
Arten von Druckköpfen
oder unter Verwendung von anderen Parametern oder Materialien als
den in Bezug auf 1–4 oben beschriebenen
eingesetzt werden kann.
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5 ist
eine schematische Draufsicht eines Abschnitts eines Druckkopfes,
die einen Aspekt der Erfindung veranschaulicht. Gemäß diesem
Aspekt der Erfindung verwenden Gruppen von Tropfengeneratoren, von
denen jeder Düsen
aufweist (bei diesem Beispiel Paare von Tropfengeneratoren und Düsen) gemeinsame Tintenpfade,
sind jedoch auf der oberen Oberfläche des Substrats von den übrigen Tropfengeneratoren
in der Spalte, die das Barriere-/Öffnungsmaterial 28 verwendet,
fluidisch getrennt. Somit sind die Düsen 34A und 34B zu
einer ersten Untergruppe gruppiert, die die Tintenspeisungslöcher 26A und 26B gemeinsam
verwenden. Desgleichen sind die Düsen 34C und 34D zu
einer zweiten Untergruppe gruppiert, die Tintenspeisungslöcher 26C und 26D gemeinsam
verwenden. Die Gruppierung wird bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
dadurch bewerkstelligt, dass ein unter der Oberfläche befindlicher
Hohlraum in der Barriere/Öffnungsschicht 28 neben
der Dünnfilmschicht 22 gebildet
wird, so dass die den Hohlraum definierende Seitenwand die gruppierten
Düsen und
die gemeinsam verwendeten Tintenspeisungslöcher einschließt. Somit
weist eine in der Barriereschicht 28 gebildete Seitenwand 28B einen
Umfang auf, der sich um die Düsen
und die Tintenspeisungslöcher
der ersten Untergruppe herum erstreckt, und eine in der Barriereschicht
gebildete Seitenwand 28C weist einen Umfang auf, der sich
um die Düsen
und die Tintenspeisungslöcher
der zweiten Untergruppe herum erstreckt.
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6 ist
eine diagrammatische Querschnittsansicht, die entlang der Linie
6-6 der 5 genommen ist und ferner den
unter der Oberfläche
liegenden Hohlraum 28C1 veranschaulicht, der die zweite
Untergruppe bildet. Die Düsen
jeder Untergruppe sind von Düsen
der anderen Untergruppen oben auf dem Substrat 20 fluidisch
getrennt, sind jedoch üblicherweise
mit dem Speisungsschlitz 36 auf der Unterseite des Substrats
verbunden.
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7 ist
ein vereinfachtes schematisches Diagramm, das einen weiteren Aspekt
veranschaulicht. 7, eine diagrammatische Draufsicht
auf einen Teil eines Druckkopfes, zeigt eine spaltenartige Gruppe
von Tropfengeneratoren, die auf dem Substrat gebildet ist, wobei
jeder Tropfengenerator eine Düse
und einen Widerstand umfasst. Bei diesem vereinfachten Diagramm
liegen drei Tropfengeneratoren 29A–29C vor, die eine Düse 24A und
einen Widerstand 34A, eine Düse 24B und einen Widerstand 34B bzw.
eine Düse 24C und
einen Widerstand 34C umfassen. Bezüglich dieses Aspekts können die
Tropfengeneratoren in Untergruppen gruppiert werden, wie oben unter
Bezugnahme auf 5-6 beschrieben
wurde, um eine fluidische Trennung von anderen Untergruppen zu liefern,
oder sie werden vielleicht auch nicht in Untergruppen gruppiert,
je nach der Anwendung. Man wird sehen, dass die Tropfengeneratoren
in der spaltenartigen Gruppe bezüglich einer
vertikalen Achse versetzt sind und eine variierende Entfernung von
dem Innenrand 36A des in dem Substrat gebildeten Tintenspeisungsschlitzes
aufweisen. Somit ist der Tropfengenerator 29A bei diesem
Beispiel am weitesten von dem Innenrand 36A entfernt angeordnet,
und der Tropfengenerator 29C ist am nächsten bei dem Innenrand angeordnet.
Diese variierenden Entfernungen können Unterschiede bezüglich des
Tintenflusses zwischen den entsprechenden Tintenspeisungsöffnungen
und den jeweiligen Tropfengeneratoren bewirken. Um dazu beizutragen,
die variierenden Entfernungen zu versetzen, weisen die den jeweiligen
Tropfengeneratoren zugeordneten Tintenspeisungslöcher 26 eine variierende Öffnungsgeometrie
auf. Für
den Tropfengenerator 29A, der mit der größten Entfernung
von dem Innenrand des Tintenspeisungsschlitzes angeordnet ist, weist
das Tintenspeisungsloch in einer Richtung, die sich von der Arrayachse 31 zu
dem Tropfengenerator erstreckt, eine relativ längere Ausdehnung oder Länge auf.
Entsprechend weist das Tintenspeisungsloch 26-3 für den Tropfengenerator 29C eine
relativ kürzere
Länge auf.
Jedoch weist jedes der Tintenspeisungslöcher im Wesentlichen denselben
hydraulischen Durchmesser auf, um einen im Wesentlichen konstanten
flui dischen Druckabfall zwischen dem Tintenspeisungsschlitz und
den Tintenspeisungsöffnungen
aufrechtzuerhalten. Der hydraulische Durchmesser einer Öffnung ist
als das Verhältnis
der Querschnittsfläche
der Öffnung
zu ihrem benetzten Umfang definiert.
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8 ist
eine schematische Darstellung eines repräsentativen Ausführungsbeispiels
der Architektur des Tintenstrahldruckkopfes 14, das Aspekte
dieser Erfindung verkörpert.
Zwei Tropfengenerator- oder Düsenspalten 60, 70 mit
einem Abstand von 600 Düsen
pro Zoll (npi – nozzles
per Inch) sind durch die Barrierestruktur 28 und die Membran
der Dünnfilmschichten 22 auf
dem Substrat gebildet. Die Membran weist eine Mittelachse 98 auf,
und die Spalten sind auf gegenüberliegenden
Seiten der Mittelachse angeordnet. Der Druckkopf 14 kann
bei einem Drucksystem mit einem sich bewegenden Druckkopfwagen,
der entlang einer Bewegungsachse (Y-Achse) getrieben wird, verwendet
werden. Die Spalten 60, 70 sind um die Mittelachse herum
relativ zueinander versetzt, um ein 1200npi-Düsenarray zu erzeugen. Der Druckkopf 14 kann
auch bei anderen Drucksystemen, z.B. bei einer im Wesentlichen feststehenden
Seitenbreite-Druckkopfkonfiguration, verwendet
werden, bei denen die Druckmedien relativ zu dem Druckkopf bewegt
werden, um die relative Bewegung zwischen dem Druckkopf und dem
Druckmedium zu bewirken.
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Übersprechen
bezieht sich auf unerwünschte
fluidische Interaktionen zwischen benachbarten Düsen. Auf Grund bestimmter Aspekte
der in 8 veranschaulichten Architektur ist die Vermeidung
eines Übersprechens
eine Herausforderung. Erstens platziert die Tatsache, dass Düsen innerhalb
einer Düsenspalte
in einem Abstand einer hohen Dichte, z.B. einem 600npi-Abstand,
angeordnet sind, die Düsen
in eine größere Nähe als bei
vielen bisherigen Architekturen. Damit hängt zusammen, dass die höhere Düsendichte
ohne eine Verringerung von Abfeuerungsfrequenzzielen ein Erfordernis
hoher Tintenflussraten und somit einer hohen Wiederauffüllung er zeugt.
Traditionell sind vom Gesichtspunkt des Übersprechens her betrachtet
die einzigen Nachbarn diejenigen Düsen, die in benachbarten Positionen
innerhalb einer Düsenspalte
angeordnet sind, da Düsenspalten
allgemein durch eine ausreichende Entfernung getrennt sind, so dass
sie nicht fluidisch interagieren. Bei der veranschaulichten Architektur
finden sich benachbarte Düsen
sowohl innerhalb der Düsenspalten als
auch in der Düse,
die auf der gegenüberliegenden
Seite des Speisungsschlitzes oder Grabens 36 angeordnet
ist. Folglich kann eine Verringerung des Übersprechens in zwei Dimensionen
statt lediglich einer Dimension betrachtet werden.
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Um
die Nähe „innerhalb
einer Spalte" anzugehen,
werden in die Abfeuerungssequenz üblicherweise Überspringungsmuster
eingebaut, so dass benachbarte Düsen
nicht nacheinander abgefeuert werden, wodurch die zeitliche Trennung
von Abfeuerungen maximiert wird. Zusätzlich zu dieser zeitlichen
Verbesserung kann eine fluidische Trennung, üblicherweise in Form von Halbinseln,
die sich zwischen benachbarten Düsen erstrecken,
dazu verwendet werden, das Übersprechen
weiter zu verringern. Diese Verringerung des Übersprechens erfolgt auf Kosten
der Wiederauffüllung;
es wurde gezeigt, dass entlang der Länge des Halbleiterstücks ein
beträchtlicher
Tintenfluss erfolgt. Als solches verringern Merkmale des Verringerns
des Übersprechens
das Potential eines lateralen Flusses, und sie können Wiederauffüllgeschwindigkeiten
potentiell verlangsamen, was für
Entwürfe
einer hohen Düsendichte,
z.B. 600 npi oder mehr, besonders problematisch ist.
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Dünnfilmmembranen
sind anfällig
dafür,
Risse zu bekommen, da sie sehr dünn
sind (in der Größenordnung
von 1–2 μm). Inhärente Beanspruchungen
in den Dünnfilmen,
Herstellungsbeanspruchungen oder ein Fallenlassen der Druckköpfe können eine
Rissbildung initiieren. Da die Risse, wenn sie erst einmal entstanden sind,
sich zu elektrisch funktionellen Regionen des Halbleiterstücks ausbreiten
können,
ist es wünschenswert, dass
man verhindert, dass sie überhaupt
erst entstehen.
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Ferner
ist es wünschenswert,
dass die Druckkopfarchitekturen partikeltolerant sind. Partikeltolerante Architekturen
(PTA = particle tolerant architectures) verbessern die Zuverlässigkeit,
indem sie Verunreinigungssubstanzen einfangen, während sie gleichzeitig einen
Tintenfluss in die Abfeuerungskammern ermöglichen.
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Die
Architektur der 8 weist eine Reihe von Vorteilen
auf. Abweichend von der Tradition, wie allgemein in Bezug auf 5 und 6 oben
beschrieben wurde, verwenden Untergruppen von Tropfengeneratordüsen gemeinsame
Tintenpfade, sind jedoch von den übrigen Düsen in der Spalte unter Verwendung
der in dem Barriere-/Öffnungsmaterial 28 gebildeten
Hohlräume
getrennt. Wie in 8 veranschaulicht ist, umfasst die
Spalte 60 somit ein spaltenartiges Array von Tropfengeneratoren 63A, 63B, 63C,
... 63N, und die Spalte 70 umfasst ein spaltenartiges
Array von Tropfengeneratoren 73A, 73B, 73C,
... 73N. Jeder Tropfengenerator umfasst eine Düse, eine
Abfeuerungskammer und einen Abfeuerungswiderstand. Die Tropfengeneratoren 63A, 63B umfassen
jeweilige Düsen 62A, 62B und
Abfeuerungskammern 64A, 64B und sind gemäß einem Aspekt
der Erfindung dahin gehend angeordnet, eine Untergruppe von Tropfengeneratoren
oder Düsenuntergruppe
zu bilden, bei diesem beispielhaften Fall ein Paar. Man sollte verstehen,
dass die Tropfengeneratoren bei anderen Ausführungsbeispielen zu Dreier-,
Vierer- oder sogar noch größeren Untergruppen
gruppiert sein können. Überdies
ist es nicht notwendig, dass alle Untergruppen dieselbe Anzahl von
Düsen aufweisen.
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Die
exemplarische Tropfengenerator-Untergruppe, 63A, 63B,
wird durch einen getrennten Tintenspeisungspfad 65 gespeist,
der einen Pfadzweig 65A, der die Abfeuerungskammer 64A speist,
und einen Pfadzweig 65B, der die Abfeuerungskammer 64B speist,
aufweist. Der Speisungspfad für
jede Un tergruppe in einer Spalte ist von den Speisungspfaden für die anderen
Tropfengeneratoren in der Spalte fluidisch getrennt. Ein Paar von
Tintenspeisungslöchern 66A speist
den ersten Pfadzweig 65A, und ein Paar von Tintenspeisungslöchern 66B speist
den zweiten Pfadzweig 65B. Der Tintenspeisungspfad wird
durch einen Hohlraum oder eine Öffnung,
der bzw. die in der Barrierestruktur 28 gebildet ist, die
einen Seitenwandumfang 68 aufweist, und die in der Dünnfilmschicht 22 gebildeten
Tintenspeisungslöcher
definiert. Die Barriereöffnung
ermöglicht
ein „gemeinsames
Verwenden" der Tintenspeisungslöcher 66A, 66B,
während
sie die Düsenuntergruppe 62A, 62B von
den Tintenspeisungspfaden der anderen Düsen in der Spalte 60 trennt.
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Bei
diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel
werden die Gruppierungs- und Tintenpfadkonfiguration für die anderen
Tropfengeneratordüsen
in der Spalte 60 und für
die Düsenpaare
in der zweiten Spalte 70 kopiert. Somit umfassen die Tropfengeneratoren 73A, 73B der
Spalte 70 Düsen 72A bzw. 72B und
Abfeuerungskammern 74A bzw. 74B, um eine Tropfengenerator-
oder Düsenuntergruppe
zu bilden. Die Untergruppe wird durch einen Tintenspeisungspfad 75 gespeist,
der einen Pfadzweig 75A, der die Abfeuerungskammer 74A speist,
und einen Pfadzweig 75B, der die Abfeuerungskammer 74B speist,
aufweist. Ein Paar von Tintenspeisungslöchern 76A speist den
ersten Pfadzweig 75A, und ein Paar von Tintenspeisungslöchern 76B speist den
zweiten Pfadzweig 75B. Der Tintenspeisungspfad wird durch
einen Hohlraum, der einen in der Barrierestruktur 28 gebildeten
Seitenwandumfang 78 aufweist, und die in der Dünnfilmschicht 22 gebildeten
Tintenspeisungslöcher
definiert. Die Barriereöffnung
ermöglicht
ein „gemeinsames
Verwenden" der Tintenspeisungslöcher 76A, 76B,
während
sie das Düsenpaar 72A, 72B von
den Tintenspeisungspfaden der anderen Düsen in der Spalte 70 trennt.
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Die
Barrierestruktur 28 definiert ferner einen zentralen Rippenabschnitt 28A,
der die zwei Spalten von Düsen 60, 70 teilt,
wodurch eine fluidische Spaltentrennung und ein Dünnfilmmembranträger geliefert
wird. 9 veranschaulicht in einer vereinfachten diagrammatischen
Querschnittsansicht den zentralen Rippenabschnitt 28A der
Barrierestruktur 28 und exemplarische Tintenspeisungslöcher 66B, 76B,
die durch die Dünnfilmstruktur 22 hindurch
gebildet sind, um eine fluidische Kommunikation mit dem Tintenspeisungsschlitz
oder Graben 36 zu liefern. Beispielhafte Düsen 62A, 72A sind
auf gegenüberliegenden
Seiten des zentralen Rippenabschnitts über den jeweiligen Abfeuerungskammern 64B, 74B gezeigt.
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Die
Verbindung von Düsentintenspeisungspfaden
liefert Vorteile bezüglich
des Widerauffüllens
und der Partikeltoleranz, die nicht verwirklicht werden würden, wenn
vereinzelte Düsen,
das Ultimative bei der Verringerung des Übersprechens, verwendet würden. Bei
diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel
ist das elektrische Druckkopflayout derart entworfen, dass der Druckkopf
nicht benachbarte Düsen
gleichzeitig abfeuern darf. Üblicherweise
wird die Düsenabfeuerungsreihenfolge
durch die auf dem Halbleiterstück
befindliche Steuerschaltungsanordnung bestimmt. Bei manchen Thermotintenstrahlanwendungen
ist die Halbleiterstück-Schaltungsanordnung
derart entworfen, dass die Abfeuerungsreihenfolge programmierbar
ist. Bei anderen Anwendungen ist die Abfeuerungsreihenfolge bei
dem Entwurf der auf dem Halbleiterstück befindlichen Schaltungsanordnung „fest verdrahtet". In beiden Fällen ist
das physische Layout der Abfeuerungswiderstände auf der Bewegungsachse
versetzt, um während
des Druckens eine vertikale Geradlinigkeit zu ermöglichen. Alternativ
dazu kann der Druckertreiber oder die Druckersteuerung dahin gehend
konfiguriert sein, nicht zu ermöglichen,
dass benachbarte Düsen
gleichzeitig abgefeuert werden. Da jegliche Düse lediglich während eines geringen
Prozentsatzes der Zeit wieder aufgefüllt wird, liefern Tintenauffülllöcher, die
einer getrennten Abfeuerungskammer zugeordnet sind, lediglich während eines
geringen Prozentsatzes der Zeit einen Tintenfluss und arbeiten somit
nicht mit einer Spitzeneffizienz.
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Wenn
Düsentintenspeisungspfade
fluidisch verbunden sind, kann eine Düse unter Verwendung von Tinte,
die durch die Tintenspeisungslöcher
gezogen wird, die verbundenen Düsen
zugeordnet sind, wieder aufgefüllt
werden, wodurch ermöglicht
wird, dass die Tintenspeisungslöcher
effizienter genutzt werden, und was die Wiederauffüllgeschwindigkeiten
erhöht.
Dieses Merkmal ist in 10 veranschaulicht, die schematisch das
Düsenpaar 72A, 72B mit
verbundenen Tintenspeisungspfaden 75A, 75B veranschaulicht.
Wenn die Düse 72A abgefeuert
wird, fließt
Tinte von den Tintenauffülllöchern 76A zu
der Abfeuerungskammer 74A, wie durch Pfeile 77A gezeigt
ist, und ferner von dem zweiten Tintenauffüllloch 76B, wie durch
Pfeil 77B gezeigt ist. Wenn die Düse 72B abgefeuert
wird, fließt
Tinte von den Tintenauffülllöchern 76B zu
der Abfeuerungskammer 74B, wie durch Pfeile 79A gezeigt
ist, und ferner von dem ersten Tintenauffüllloch 76A, wie durch
Pfeil 79B gezeigt ist.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil ergibt sich daraus, dass die Verwendung verbundener Düsen einen
gewissen Grad an Partikeltoleranz liefert; in dem Fall, in dem die
Tintenspeisungslöcher,
die einer bestimmten Düse
zugeordnet sind, blockiert werden, kann das Wiederauffüllen beibehalten
oder ergänzt
werden, indem Tinte von benachbarten Tintenspeisungslöchern herangezogen
wird, was ermöglicht,
dass die Düse
den Betrieb fortsetzt.
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Ein
weiteres Merkmal ist die Verwendung eines durchgehenden Barriere-/Öffnungsmaterialmerkmals, das
bei diesem Ausführungsbeispiel
durch die Rippe 28A geliefert wird, entlang der Mittelachse 98 der
Membran, das den Effekt aufweist, Düsen auf gegenüberliegenden
Seiten der Achse fluidisch zu trennen. Über die fluidische Trennung
hinaus weist dieses mittige Rippenmerkmal den Vorteil auf, dass
die durchgehende Ausdehnung des Barriere-/Öffnungsmaterials der Membran,
die die Dünnfilmstruktur 22 und
die Barriere/Öffnungsschicht 28 umfasst,
zusätzliche
Festigkeit und Steifheit verleiht, wodurch deren Robustheit bezüglich einer
Rissbildung erhöht
wird.
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Die
Architektur der 8 kann mehrere Vorteile vom
Gesichtspunkt der Herstellung her liefern. Während eines exemplarischen
Barriere-/Öffnungsmaterialentwicklungsprozesses
für eine
Barriere-/Öffnungsstruktur 28,
die unter Verwendung eines Polymermaterials wie z.B. SU8 hergestellt
wird, wird ein unvernetztes Barriere-/Öffnungsmaterial durch ein Entwicklerfluid
beseitigt, wobei der gesamte Fluss durch die Düsenbohrungen erfolgt. Als solches
wird die Verarbeitung dadurch vereinfacht, dass das Volumen des
unvernetzten Barriere-/Öffnungsmaterials
verringert wird. Über
den durch das verringerte Volumen verwirklichten Nutzen hinaus liegt
auch ein auf die Konfiguration bezogener Nutzen vor. Da das Entwicklungsfluid
in dem Beispiel des SU8-Materials aufgeschleudert wird, ermöglichen
Entwürfe,
bei denen alle Düsen
fluidisch verbunden sind, dass das Entwicklerfluid an der Länge des
Halbleiterstücks
entlangfließt.
Dies hat den Effekt, dass ermöglicht wird,
dass das Fluid ohne weiteres zu den Rändern des einzelnen Halbleiterstücks sowie
zu den Rändern
des Wafers fließt.
Dies hat zur Folge, die Variabilität von Barriere/Öffnungsmaterialmerkmalen
sowohl innerhalb eines Halbleiterstücks als auch über einen
Wafer hinweg zu erhöhen.
Dadurch, dass die Kontinuität
von Düsenverbindungen
entlang der Länge
des Halbleiterstücks
durchbrochen wird, ist diese Quelle der Variabilität verringert.
Die Herstellungsausbeute während
dieser exemplarischen Verarbeitung zum Bilden der Barriere-/Öffnungsstruktur 28 kann
dadurch verbessert werden, dass vereinzelte Teilsätze von
Düsen erzeugt
werden. Wenn die Abfeuerungskammern alle verbunden sind, ist es
schwieriger, Rückstände des
Materials, das die Schicht 28 bildet, effektiv aus den
Düsen,
die sich an den Enden des Halbleiterstücks befinden, herauszuwaschen.
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Ein
weiterer Vorteil dessen, dass die Düsen einer Spalte in Untergruppen
konfiguriert werden, besteht in der Verringe rung des Übersprechens.
Da die einzige Verbindung zwischen nicht gruppierten Düsen außerhalb
einer bestimmten Gruppierung durch das Tintenreservoir erfolgt,
ist das Potential für
eine fluidische Interaktion mit Düsen außerhalb einer bestimmten Gruppierung
minimiert. Ein Übersprechen
zwischen Düsen
in einer beliebigen bestimmten Gruppierung wird dadurch minimiert,
dass das verwendete Überspringungsabfeuerungsmuster
eine Situation erzeugt, in der Düsen
innerhalb einer Untergruppe niemals nacheinander abfeuern. Das Überspringungsabfeuerungsmuster
wird unter Bezugnahme auf das schematische Druckkopfdiagramm der 11 beschrieben.
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Üblicherweise
werden Überspringungsmuster
in die Abfeuerungssequenz eingebaut, so dass die Düsen innerhalb
eines Grundelements nicht nacheinander abgefeuert werden, d.h. um
ein Abfeuern innerhalb eines Grundelements zeitlich zu verteilen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
werden Düsenpaare
unter Verwendung des Barriere-/Öffnungsmaterials
getrennt, wie in 8 gezeigt ist. Da das Überspringungsmuster
vorab bestimmt wird, erfolgt das Paaren von Widerständen auf
eine Weise, die gewährleistet,
dass eine Barrierestruktur vorliegt, die nacheinander abfeuernde
Kammern trennt.
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Ein
Grundelement ist eine Gruppe von Düsen in einer gegebenen Spalte. 11 veranschaulicht
ein Grundelement 100, das acht Düsen 62A–62H umfasst,
wobei eine entsprechende Abfeuerungssequenz 6, 3, 8, 5, 2, 7, 4,
1 vorliegt. Die Verbindung von Tintenspeisungspfaden kann über das
gezeigte Ausführungsbeispiel
hinaus optimiert werden, indem die Anzahl verbundener Kammern in
Abhängigkeit
von dem Versetzungsmuster ausgewählt
wird. Bei einer „Keine-Überspringung"-Konfiguration, d.h.
wenn die Abfeuerungsreihenfolge innerhalb eines Grundelements aufeinander
folgend ist (1, 2, 3, 4, ...) und benachbarte Düsen nacheinander abfeuern,
ist eine getrennte Kammer wünschenswert,
da unmittelbare Nachbarn nacheinander abfeuern und eine fluidische
Trennung benötigen.
Bei einem „Überspringe
1"-Muster, z.B.
einer Abfeuerungsreihenfolge von 1, 3, 5, 7, 2, 4, 6, 8 in dem Grundelement
feuern unmittelbare Nachbarn niemals nacheinander ab. Somit ermöglicht die
zeitliche Trennung der Düsen
die Verbindung von Düsentintenspeisungspfaden
in Paaren; da Abfeuerungen der verbundenen Düsen zeitlich getrennt sind,
ist das Potential, dass ein Übersprechen
Probleme verursacht, verringert, und die Wiederauffüll- und
Partikeltoleranzvorteile verbundener Tintenspeisungspfade können erlangt
werden. Durch Erweiterung desselben Prinzips können das Wiederauffüllverhalten
und die Partikeltoleranz für
einen Entwurf maximiert werden, indem die Tintenspeisungspfade so
vieler Düsen
wie möglich
verbunden werden, ohne dass Düsen,
die nacheinander abfeuern, verbunden werden. Für die üblicherweise verwendeten einheitlichen Überspringungsmuster
gilt:
Maximale Anzahl verbundener Düsen = Anzahl von Düsen, die
zwischen aufeinander folgenden Abfeuerungen übersprungen werden, + 1.
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Bei 11 ist
die Abfeuerungsreihenfolge von Düsen
innerhalb eines Grundelements 100 veranschaulicht. Dieser
Entwurf verwendet ein Überspringe-2-Abfeuerungsmuster.
Das Überspringungsmuster
wird bei diesem Ausführungsbeispiel
durch das elektrische Layout des Druckkopfes bestimmt und kann somit
nicht allein durch Prüfung
der Barriere/Öffnungsstruktur
bestimmt werden. Die gepaarte Düse
feuert bezüglich
ihres Düsenpaares
niemals sequentiell ab. 11 demonstriert
ferner die Gelegenheit des Verbindens von Dü sen auf dem Substrat in Dreiergruppen
ohne den Verlust einer zeitlichen Trennung, wobei die Gruppe 110A die Düsen 62A, 62B, 62C umfasst,
die Gruppe 110B die Düsen 62D, 62E, 62F umfasst,
und die Gruppe 110C die Düsen 62G, 62H, 62I umfasst.
Für Konfigurationen
mit einem uneinheitlichen Überspringungsmuster
gilt dasselbe Prinzip des fluidischen Trennens von nacheinander
abfeuernden Düsen
und des gleichzeitigen Maximierens eines gemeinsamen Verwendens
von Tintenspeisungspfaden, es wird jedoch dadurch verkompliziert, dass
es an manchen Stellen notwendig sein wird, die Anzahl von Düsen, die
gemeinsame Tintenspeisungspfade verwenden, zu verringern.
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12 ist
ein stark vereinfachtes schematisches Diagramm, das ein Drucksystem 300 veranschaulicht,
das einen oder mehrere der Druckköpfe 10, die Aspekte
der Erfindung verkörpern,
verwenden kann. Das System umfasst einen Wagenantrieb 302 zum
Treiben eines Wagens entlang einer Wagenbewegungsachse. In dem Wagen
sind der Druckkopf bzw. die Druckköpfe 10 angebracht.
Ein Medienantriebssystem 304 positioniert ein Druckmedium
relativ zu einer Druckzone und kann das Druckmedium von einer Eingabemedienquelle
zu einer Medienausgabeposition oder einem Medienausgabefach treiben.
Eine Druckauftragsquelle 306, die üblicherweise außerhalb
des Drucksystems vorliegt, liefert Auftragsdaten zum Drucken von
Aufträgen.
Eine Steuerung 308 spricht auf die Druckauftragsquelle
an und steuert das Wagenantriebs- und das Medienantriebssystem dahin
gehend, die Druckaufträge
zu drucken. Die Steuerung liefert ferner ein Abfeuern von Signalen
an den Druckkopf bzw. an die Druckköpfe 10 dahin gehend,
den Betrieb des Druckkopfes bzw. der Druckköpfe zu steuern. Der Druckkopf 10 umfasst
allgemein eine Druckkopfelektronik 10A, die auf die Abfeuerungssignale
von der Steuerung dahin gehend anspricht, die Tropfengeneratorwiderstände, die
die Tropfengeneratoren 10B umfassen, mit Energie zu versorgen.
Eine Fluidquelle 10C liefert ein Fluid, z.B. flüssige Tinte, an
die Tropfengeneratoren. Die Fluidquelle kann ein in dem Gehäuse des
Druckkopfes 10 ent haltenes Fluidreservoir sein. Ein externer
Fluidvorrat 310 kann optional vorgesehen sein, um den Fluidvorrat 10C durch
einen Fluidpfad 312 hindurch wieder aufzufüllen, wobei
der Fluidpfad 312 eine Fluidleitung sein kann, die während Druckvorgängen mit
dem Druckkopf verbunden ist, oder eine intermittierende Verbindung
sein kann, die lediglich während
Wiederauffüllvorgängen verwendet
wird.
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Bei
manchen Ausführungsbeispielen
liefern die Druckkopfelektronik
10A und die Steuerung
308 zusammen
das Überspringungsabfeuerungsmuster,
und bei typischeren Ausführungsbeispielen
ist die eingebaute Druckkopfelektronik dahin gehend konfiguriert,
die Überspringungsabfeuerungsmuster
zu liefern. Die Druckkopfelektronik
10A ist bei diesem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
dahin gehend angepasst, das Überspringungsabfeuerungsmuster
zu implementieren, um zu gewährleisten,
dass Abfeuerungspulse an die Tropfengeneratoren geliefert werden,
derart, dass die Tropfengeneratoren in einer spaltenartigen Gruppe
(d.h. einem Grundelement) zeitlich gesehen einzeln aktiviert werden,
und so dass nicht zwei Tropfengeneratoren in derselben Untergruppe,
z.B. in demselben Paar, nacheinander aktiviert werden. Eine Druckkopfelektronik,
die für
den Zweck geeignet oder ohne weiteres anpassbar ist, ist beispielsweise
in der anhängigen
Anmeldung 09/798,330, PROGRAMMABLE NOZZLE FIRING ORDER FOR INKJET
PRINTHEAD ASSEMBLY, Schloeman et al., die am 2. März 2001
eingereicht wurde; in der anhängigen
Anmeldung 09/253,377, Barbou et al., SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING
FIRING OPERATIONS OF AN INKJET PRINTHEAD, die am 19. Februar 1999
eingereicht wurde; in der
US
5,648,806 und in der
US
5,648,805 beschrieben.
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Die
Architektur der 8 ermöglicht eine „intelligente" Beseitigung eines
Düsenübersprechens,
indem Überspringungsmuster
mit dem Entwurf der Barriere/Öffnungsschichtstruktur
kombiniert werden. Die Architektur sieht eine erhöhte Toleranz
bezüglich
eines Blockierens von Düsenspeisungslöchern vor,
indem sie eine gemeinsame Ver wendung ermöglicht. Ferner ermöglicht die
Architektur verbesserte Herstellungsausbeuten auf Grund einer Membranversteifung,
die durch die Konfiguration der Barriere/Öffnungsstruktur geliefert wird. Überdies
kann die Architektur eine höhere
Einheitlichkeit von Merkmalen der Barriere-/Öffnungsstruktur innerhalb eines
Halbleiterstücks
und über
einen Wafer hinweg ermöglichen.
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Düsen innerhalb
eines Grundelements sind auf der Bewegungsachse (Y-Achse) versetzt,
um die vertikale Geradlinigkeit zu verbessern, wie in 8 veranschaulicht
ist. Um einheitliche Wiederauffüllraten
für alle Kammern
in einem versetzten Entwurf zu fördern,
sollten die Entfernung zwischen dem vorderen Rand der Tintenspeisungslöcher und
der Mitte des Abfeuerungswiderstands, die Querschnittsfläche der
Tintenspeisungslöcher
und der benetzte Umfang der Tintenspeisungslöcher als Konstanten für alle Abfeuerungskammern
auf dem Druckkopf gehalten werden. Eine Entfernung D1 (10)
veranschaulicht diese Entfernung von dem vorderen Rand eines Tintenspeisungsloches 76A zu
der Mitte der Abfeuerungskammer für die Düse 72A.
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Außerdem ist
es zum Zweck einer verbesserten Herstellbarkeit und Ausbeute wünschenswert,
den hinteren Rand der Tintenspeisungslöcher zu der Mittellinie 98 der
Membran hin zu verlängern.
Um zu gewährleisten,
dass die Widerstandsdünnfilme
während
des Ätzens
des Grabens nicht „unterschnitten" werden, wird außerdem eine
Beabstandung D2 (8), bei diesem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
z.B. 20 μm,
zwischen dem Rand des innersten Widerstands und dem äußersten
Tintenspeisungsloch aufrechterhalten. Wenn die Dünnfilme 22 unterschnitten
werden sollten, würde
unter den Widerständen
kein Silizium vorliegen, und die Widerstände wären anfällig für eine Überhitzung. Um die Herstellbarkeit
zu verbessern, ist es außerdem
wünschenswert,
eine Entfernung D3 (8) von etwa 80 μm oder mehr
zwischen dem vorderen Rand des äußersten
Tintenspeisungsloches und dem vorderen Rand des äußersten Tintenspeisungsloches
auf der gegenüberliegenden Seite
der Membran (d.h. Membranbreite) aufrechtzuerhalten. Diese Entwurfsziele
können
alle bei dem in 8 gezeigten exemplarischen Ausführungsbeispiel
erzielt werden, das eine Entfernung D3 von 76,1 μm implementiert. Die minimale
Entfernung D3 von 80 μm
wird für
exemplarische Ausführungsbeispiele
in Anbetracht der Herstellbarkeit und Ausbeute gewählt. Es
ist inhärent
schwierig, einen typischen Grabenätzvorgang zum Bilden des Tintenspeisungsschlitzes
mit großer
Präzision
zu steuern. Eine größere minimale
Entfernung D3, z.B. 80 μm,
liefert einen größeren Spielraum.
Ein Verringern der nominellen minimalen Entfernung würde es schwieriger
machen, die angestrebte Grabendurchbruchsöffnung zu erzielen, und wenn
der Graben beträchtlich überätzt wird,
ist unter der Dünnfilmschicht
eventuell kein Silizium mehr übrig.
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Obwohl
Dünnfilmmembranen
anfällig
für eine
Rissbildung sind, liefern schmale Membranen einen Spielraum gegen
eine Rissbildung. Tests haben gezeigt, dass Membranen einer Breite
von unter ~100 um zuverlässiger
sind als Membranen einer Breite von ungefähr 400 um. Eine exemplarische
Breite der in 8 gezeigten Membran beträgt ungefähr 76 um.
Außerdem
verleiht die Barriererippe 28A, die entlang der Mitte der Membran
verläuft,
der zarten Membran zusätzliche
Festigkeit, wodurch ihre Robustheit gegenüber einer Rissbildung erhöht wird.
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Die
Barriere-/Öffnungsstruktur 28 und
die Dünnfilmschichten 22 sind
derart entworfen, dass für
jeden Tropfengenerator die mehreren Tintenpfade durch die Dünnfilme 22 und
die Barriere-/Öffnungsschicht 28 hindurch
erzeugt werden können.
Für das
exemplarische Ausführungsbeispiel
der 8 liegen zwei Tintenspeisungslöcher pro Abfeuerungskammer
vor. Wenn diese beiden Löcher
durch Verunreinigungssubstanzen verstopft werden, könnte zusätzlich Tinte
durch benachbarte Tintenspeisungslöcher hindurch in die Abfeuerungskammer
eingespeist werden.
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Der
Druckkopf der 8 kann dahin gehend entworfen
sein, einheitliche Wiederauffüllraten
für versetzte
Entwürfe
einer hohen Düsenpackungsdichte
zu ermöglichen.
Dies kann durch Speisungsloch-Querschnittsflächen-, Benetzte-Tintenspeisungslochumfangs-
und Tintenpfadlängenparameter
bewerkstelligt werden, die nominell als Konstanten für alle Abfeuerungskammern
gehalten werden. Diese Parameter sind alle in 10 gezeigt.
Beispielsweise ist die Querschnittsfläche des Speisungslochs 76A die
Fläche
A innerhalb des benetzten Umfangs 76A1, die durch die Wand
des Speisungslochs definiert ist. Die Querschnittsfläche des Speisungslochs 76B ist
die Fläche
B innerhalb des benetzten Umfangs 76B1, die durch die Wand
des Speisungslochs definiert ist. Die Fläche A ist gleich der Fläche B, und
die Länge
des gesamten benetzten Umfangs 76A1 ist gleich der Länge des
gesamten benetzten Umfangs 76B1. Überdies ist die Entfernung
zwischen dem inneren Rand beider Speisungslöcher und der Mitte der jeweiligen
Abfeuerungskammern gleich, d.h. D1.
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Die
Druckkopfarchitektur kann Druckköpfe
mit einer hohen Düsenpackungsdichte
ermöglichen,
die sich in geringeren Kosten pro Düse niederschlagen. Überdies
ermöglicht
die Druckkopfarchitektur zwei Pegel von Partikeltoleranz, d.h. von
der Verwendung mehrerer Tintenspeisungslöcher pro Abfeuerungskammer
sowie von vereinzelten Gruppierungen von Tropfengeneratoren.
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Eine
Mehrzahl von Dünnfilmmembranen
kann auf einem einzigen Halbleiterstück gebildet sein, wobei Düsenspalten
auf den jeweiligen Membranen versetzt sind, um sehr hohe Düsendichten
zu erzeugen. 13 ist eine schematische Veranschaulichung
einer alternativen Druckkopfarchitektur eines Druckkopfes 200 mit zwei
Membranen 210, 220 und vier Düsenspalten 230–236,
um ein 2400npi-Düsenarray
zu ermöglichen.
Somit sind auf der Membran 210 Düsenspalten 230, 232 gebildet,
und auf der Membran 220 sind Düsenspalten 234, 236 gebildet. 13 veranschaulicht
lediglich ein Düsengrund element
für jede
Spalte, und somit wird man verstehen, dass jede Spalte zusätzliche
Düsengrundelemente
umfasst. 13 ist nicht maßstabsgetreu, sondern
veranschaulicht, wie die vier Düsen
relativ zueinander versetzt sind und wie ein Überspringungsmuster funktioniert.
Jede Spalte weist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Breitenabmessung
(entlang der Y-Achse) von 1/1200 Zoll auf, und jedes Grundelement
weist acht versetzte Düsen
auf. Beispielsweise weist das Grundelement 2 (Spalte 230)
geradzahlige Düsen 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 auf,
wobei die Y-Achse-Positionen der Düsen innerhalb der Spalte wie
veranschaulicht versetzt sind.
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Die
zwei Membranen 210, 220 sind um die Mittelachse 202 des
Substrats für
den Druckkopf herum angeordnet, und jede wird durch einen in dem
Substrat gebildeten Graben mit Tinte gespeist. Die Membran 210 wird
durch einen Graben gespeist, der eine Mitte entlang der Linie 204 aufweist,
und die Membran 220 wird durch einen Graben gespeist, der
eine Mitte entlang der Linie 206 aufweist. Für dieses
Ausführungsbeispiel
beträgt
die Entfernung (D4) zwischen der Mitte des Halbleiterstücks 202 und
der Mitte jedes Grabens (204, 206) 950 μm. Überdies
beträgt
die Spaltenbeabstandung auf jeder Membran 169,3 μm. Diese Abmessungen gelten
selbstverständlich
für eine
bestimmte Implementierung und variieren je nach anwendungsspezifischen
Parametern und Entwurfsauswahlen.
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Jede
Zelle weist eine Abmessung in der vertikalen Achse (X-Achse) von 1/2400
Zoll auf; die Zellen auf der horizontalen Achse (Y-Achse) sind nicht
maßstabsgetreu.
Ferner ist zu beachten, dass die Düsen der Spalte 230 auf
der X-Achse um 1/1200 Zoll relativ zu den Düsen der Spalte 232 auf
der Membran 210 versetzt sind. Desgleichen sind die Düsen der
Spalte 234 um 1/1200 Zoll auf der X-Achse relativ zu den
Düsen der
Spalte 236 auf der Membran 220 versetzt. Ferner
sind die Düsen
der Spalte 234 in der X-Richtung um 1/2400 Zoll von den
Düsen der
Spalte 230 und 232 versetzt. Somit erzeugt das
Grundelementversetzungsmuster in der X-Richtung eine Düsenbeabstandung
aller Düsen
in den vier Spalten von 1/2400 npi.
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Bei
einer typischen Anwendung kann der Druckkopf an einem Wagen angebracht
sein, der entlang einer Bewegungsachse (Y-Achse) getrieben wird. Die Düsen in jedem
Grundelement sind entlang der Y-Achse versetzt. Die Düsen in jedem
Grundelement werden mit einem Überspringungsmuster
abgefeuert, wie oben erörtert
wurde. Beispielsweise kann ein Überspringe-2-Muster verwendet
werden. Für
ein Überspringe-2-Muster
wird die Düse 2 abgefeuert,
die Düsen 4 und 6 werden übersprungen,
Düse 8 wird
abgefeuert, Düsen 10 und 12 werden übersprungen,
Düse 14 wird
abgefeuert, Düsen 16 und 2 werden übersprungen,
Düse 4 wird abgefeuert,
Düsen 6 und 8 werden übersprungen,
Düse 10 wird
abgefeuert, Düsen 12 und 14 werden übersprungen,
Düse 16 wird
abgefeuert, Düsen 2 und 4 werden übersprungen,
Düse 6 wird
abgefeuert, Düsen 8 und 10 werden übersprungen,
und Düse 12 wird
abgefeuert. Die Überspringe-2-Abfeuerungsreihenfolge
für das
Grundelement 2 beträgt 2, 8, 14, 4, 10, 16, 6, 12.
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Die
Untergruppierung von Düsen
innerhalb einer Spalte, wie sie oben in Bezug auf 5 und 6 beschrieben
wurde, und die Überlegungen
bezüglich
der Entfernung zwischen den Speisungslöchern und der Mitte von Widerständen und
bezüglich
der effektiven hydraulischen Durchmesser der Speisungslöcher, die oben
in Bezug auf 7 beschrieben wurden, können auf
die Architektur der 13 angewandt werden, was einen
Druckkopf mit einer sehr hohen Düsenpackungsdichte
ermöglicht.
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Obwohl
die Ausführungsbeispiele
der 8 und 13 spaltenartige Gruppen (Grundelemente)
verwenden, bei denen die Druckkopfelektronik zeitlich gesehen immer
nur eine Düse
innerhalb jeder Gruppe abfeuert, können Aspekte der Erfindung
auch bei Anwendungen eingesetzt werden, bei denen manche oder alle Düsen in einem
gegebenen Grundelement gleichzeitig abgefeuert werden.
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Es
versteht sich, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele die möglichen
spezifischen Ausführungsbeispiele,
die Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen können, lediglich
veranschaulichen sollen. Gemäß diesen
Prinzipien können
Fachleute ohne weiteres andere Anordnungen ersinnen, ohne von dem
Schutzumfang der Erfindung, wie er in den beigehängten Ansprüchen offenbart ist, abzuweichen.
