DE60304519T2

DE60304519T2 - Thermisches Betätigungselement mit reduzierter Extremtemeperatur und Verfahren zum Betreiben desselben

Info

Publication number: DE60304519T2
Application number: DE60304519T
Authority: DE
Inventors: David P. Trauernicht; Edward P. Furlani; John A. Lebens
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2002-08-14
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2023-08-05
Also published as: JP2004082723A; EP1389527A1; US6886920B2; US6685303B1; DE60304519D1; EP1566272B1; EP1389527B1; EP1566272A3; EP1566272A2; JP4368154B2; US20040155917A1

Description

Die Erfindung betriff allgemein mikro-elektromechanische Vorrichtungen und insbesondere mikro-elektromechanische thermische Betätigungselemente von der Art, wie sie in Tintenstrahlgeräten und anderen Flüssigkeitstropfenausstoßvorrichtungen 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. Mikroelektromechanische Vorrichtungen können aufgrund der Anwendung mikroelektronischer Fertigungsverfahren mit geringen Kosten hergestellt werden. Wegen der Kleinheit von MEMS-Vorrichtungen werden dafür auch ständig neue Anwendungsmöglichkeiten entdeckt.
Zahlreiche mögliche Anwendungen der MEMS-Technik arbeiten zur Erzeugung der in solchen Vorrichtungen benötigten Bewegung mit thermischer Betätigung. So werden beispielsweise in zahlreichen Stellgliedern, Ventilen und Positionierern thermische Betätigungselemente zur Erzeugung der Bewegung eingesetzt. Bei einigen Anwendungen wird die erforderliche Bewegung gepulst. So könnte beispielsweise eine schnelle Verstellung aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung mit nachfolgender Rückstellung des Stellglieds in die erste Stellung dazu benutzt werden, Druckimpulse in einer Flüssigkeit zu erzeugen oder einen Mechanismus um eine Wegstreckeneinheit oder Umdrehung pro Betätigungsimpuls vorwärts zu bewegen. Mit Tropfen auf Anforderung arbeitende Flüssigkeitstropfenausstoßvorrichtungen stoßen mit Hilfe diskreter Druckimpulse diskrete Flüssigkeitsmengen aus einer Düse aus.
Mit Tropfen auf Anforderung (DOD = Drop-On-Demand) arbeitende Flüssigkeitsausstoßvorrichtungen sind als Tintendruckvorrichtungen in Tintenstrahldrucksystemen seit vielen Jahren bekannt. Diese Vorrichtungen basierten anfangs auf piezoelektrischen Betätigungselementen wie sie beispielsweise von Kyser u.a. in US-A-3 946 398 und Stemme in US-A-3 747 120 offenbart werden. Eine zur Zeit beliebte Form des Tintenstrahldrucks, der Thermotintenstrahl (oder „Blasenstrahl"), erzeugt mit elektroresistiven Heizelementen Dampfblasen, die das Ausstoßen von Tropfen verursachen, wie von Harer u.a. in US-A-4 296 421 erörtert.
Betätigungselemente mit elektroresistiven Heizelementen bieten im Vergleich zu piezoelektrischen Betätigungselementen Kostenvorteile in der Fertigung, weil sie mit gut entwickelten mikroelektronischen Prozessen hergestellt werden können. Andererseits verlangt der thermische Tintenstrahltropfenausstoßmechanismus, dass die Tinte einen verdampfbaren Bestandteil aufweist, und erhitzt die Tinte örtlich weit über den Siedepunkt dieses Bestandteils. Diese Temperaturbelastung bedingt strenge Grenzwerte für die Zusammensetzung der Tinten und anderer Flüssigkeiten, die von thermischen Tintenstrahlvorrichtungen zuverlässig ausgestoßen werden können. Piezoelektrisch betätigte Vorrichtungen verlangen weniger strenge Grenzwerte für die auszustoßenden Flüssigkeiten, weil die Flüssigkeit mechanisch mit Druck beaufschlagt wird.
Von den Lieferanten von Tintenstrahlvorrichtungen durchgeführte Verbesserungen hinsichtlich der Betriebssicherheit, Kosten und technischen Leistung haben auch Interesse an diesen Vorrichtungen für andere Anwendungen geweckt, bei denen Flüssigkeiten in extrem kleinen Mengen zugemessen werden müssen. Zu diesen neuen Anwendungen gehören die Abgabe von Spezialchemikalien für die mikroanalytische Chemie, wie von Pease u.a. in US-A-5 599 695 offenbart; die Abgabe von Beschichtungsmaterialien für die Herstellung elektronischer Geräte, wie von Naka u.a. in US-A-5 902 648 offenbart; und die Abgabe von Mikrotropfen für die medizinische Inhalierungstherapie, wie von Psaros u.a. in US-A-5 771 882 offenbart. Vorrichtungen und Verfahren zum Ausstoßen mikrometergroßer Tropfen der verschiedensten Flüssigkeiten auf Anforderung werden für das Drucken von Bildern höchster Qualität benötigt, aber auch für im Entstehen begriffene Anwendungen, bei denen die Abgabe der Flüssigkeit eine Monodispersion ultrakleiner Tropfen, eine genaue Platzierung und zeitliche Steuerung und winzige Inkremente erfordert.
Benötigt wird eine kostengünstige Lösung für das Ausstoßen von Mikrotropfen, die für eine Vielzahl von Flüssigkeiten unterschiedlicher Zusammensetzung geeignet ist. Die benötigten Geräte und Verfahren müssen die Vorteile der mikroelektronischen Fertigung für thermische Tintenstrahldrucker mit dem Spielraum vereinigen, den piezoelektromechanische Vorrichtungen hinsichtlich der Zusammensetzung der Flüssigkeit bieten.
Eine DOD-Tintenstrahlvorrichtung mit einem thermomechanischen Betätigungselement wurde in der am 21. Juli 1988 eingereichten Japanischen Patentanmeldung JP 2 030 543 von T. Kitahara offenbart. Das Betätigungselement ist als in einer Tintenstrahlkammer bewegbares zweischichtiges freitragendes Element konfiguriert. Der Ausleger wird von einem Widerstand erwärmt, der infolge der ungleichen Wärmeausdehnung der Schichten eine Durchbiegung verursacht. Durch Bewegung des freien Endes des Auslegers wird die Tinte an der Düse mit Druck beaufschlagt, sodass ein Tropfen ausgestoßen wird. Ähnliche thermomechanische DOD-Tintenstrahlkonfigurationen sind kürzlich von K. Silverbrook in US-A-6 067 797; US-A-6 087 638; US-A-6 239 821 und US-A-6 243 113 offenbart worden. Verfahren für die Herstellung thermomechanischer Tintenstrahlvorrichtungen nach mikroelektronischen Prozessen sind von K. Silverbrook in US-A 6 180 427; US-A-6 254 793 und US-A-6 274 056 offenbart worden.
Als kostengünstige Vorrichtungen, die mit mikroelektronischen Materialien und Anlagen in großen Stückzahlen gefertigt und mit Flüssigkeiten betrieben werden können, die in einer thermischen Tintenstrahlvorrichtung nicht zuverlässig genug wären, stellen thermomechanisch betätigte Tropfenausstoßvorrichtung mit einem freitragenden Element eine viel versprechende Entwicklung dar. Auslegung und Betrieb von thermischen Betätigungselementen und Tropfenausstoßvorrichtungen mit einem freitragenden Element erfordern jedoch eine sorgfältige Beachtung der Stellen potentieller Überhitzung, so genannter „Heißpunkte", insbesondere innerhalb des freitragenden Elements, wo sie in die Nähe der Arbeitsflüssigkeit gelangen können. Wenn der Ausleger durch Anlegen elektrischer Energieimpulse an einen eingebauten Heizwiderstand umgelenkt wird, ist es am zweckmäßigsten, den Impulsstrom der beweglichen (umlenkbaren) Konstruktion zuzuführen und von dieser wegzuführen, an welcher der Ausleger an einem Träger verankert ist. Der Strom ändert seine Richtung dann an Stellen auf dem freitragenden Element. Wenn an den Stellen, an denen der Strom seine Richtung ändert, eine höhere Stromdichte und Leistungsdichte vorhanden ist, bilden sich Heißpunkte.
An Heißpunkten können Zuverlässigkeitsprobleme unterschiedlicher Art auftreten, wie zum Beispiel Verlust des spezifischen elektrischen Widerstands oder sprunghaftes Schmelzen resistiver Materialien, Elektromigration von Ionen und dadurch bedingte Veränderungen der mechanischen Eigenschaften, Delaminierung benachbarter Schichten, Riss- und Mikrorissbildung in schützenden Materialien und beschleunigte chemische Wechselwirkungen mit Bestandteilen der Arbeitsflüssigkeit. Ein zusätzliches Problem bei einer thermomechanisch betätigten Tropfenausstoßvorrichtung ist die Möglichkeit der Erzeugung von Dampfblasen in der Arbeitsflüssigkeit in unmittelbarer Nähe eines Heißpunktes. Bei thermischen Tintenstrahlvorrichtungen wird dieses Phänomen gezielt zur Erzeugung von Druckimpulsen eingesetzt, die ausreichen, Tintentropfen auszustoßen. Bei einer thermomechanisch betätigten Tropfenausstoßvorrichtung ist eine solche Dampfblasenbildung jedoch unerwünscht, weil sie anomale, erratische Veränderungen in der Zeitfolge, dem Volumen und der Geschwindigkeit der Tropfenausstoßvorgänge verursacht. Mit der Blasenbildung kann auch eine hoch aggressive Beschädigung durch Zusammenfall der Blasen und ein Aufbau zersetzter Bestandteile der Arbeitsflüssigkeit auf dem freitragenden Element einhergehen.
Konstruktionen für Heizwiderstände zur Bildung thermischer Tintenstrahlblasen, die Stromverdichtungen reduzieren, sind von Giere u.a. in US-A-6 280 019; Cleland in US-A-6 123 419 und US-A-6 290 336; und von Prasad u.a. in US-A-6 309 052 offenbart worden. Die von diesen Offenbarungen im Zusammenhang mit thermischen Tintenstrahldruckern angesprochenen physikalischen Prozesse, Gerätekomponentenkonfigurationen und Konstruktionsrandbedingungen unterscheiden sich technisch wesentlich von einem thermomechanischen Betätigungselement und Tropfenausstoßer mit einem freitragenden Element. Die thermische Tintenstrahlvorrichtung muss Dampfblasen erzeugen, um Tropfen auszustoßen, während bei einer thermomechanischen Tropfenausstoßvorrichtung die Bildung von Dampfblasen nach Möglichkeit vermieden wird.
EP-A-1 211 072 enthält den Oberbegriff des Anspruchs 1.
Benötigt werden Konfigurationen und Arbeitsweisen für thermische Betätigungselemente mit einem freitragenden Element, die unter Vermeidung von Überhitzungen und Dampfblasenbildung mit hohen Folgefrequenzen und maximaler Betätigungskraft betrieben werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein thermomechanisches Betätigungselement zu schaffen, das keine Stellen aufweist, an denen exzessive, schwächende Temperaturen auftreten, und das mit hohen Folgefrequenzen und mehrere millionenmal ohne Ausfall betätigt werden kann.
Die Erfindung hat ferner die Aufgabe, eine Flüssigkeitstropfenausstoßvorrichtung zu schaffen, die von einem thermomechanischen Betätigungselement betätigt wird, das keine Stellen aufweist, an denen Temperaturen erreicht werden, die eine Dampfblasenbildung in der Arbeitsflüssigkeit verursachen.
Diese und zahlreiche weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Verwirklicht werden diese Merkmale, Aufgaben und Vorteile durch die Konfigurierung eines thermischen Betätigungselements für eine mikro-elektromechanische Vorrichtung mit einem Träger und einem freitragenden Element, das sich vom Träger aus erstreckt und sich im Ruhezustand vor Aktivierung in einer ersten Stellung befindet. Das freitragende Element weist eine erste Schicht auf, die aus einem elektrisch resistiven Material, wie zum Beispiel Titanaluminid, besteht, in dem durch Bemusterung ein erstes Widerstandssegment und ein zweites Widerstandssegment ausgebildet werden, die sich jeweils vom Träger aus erstrecken. Das freitragende Element weist ferner ein Kopplungssegment auf, das in dem elektrisch resistiven Material ein Muster bildet, oder eine in einem elektrisch aktiven Material ausgebildete Kopplungsvorrichtung, die Strom seriell zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstandssegment führt. Eine zweite Schicht aus einem dielektrischen Material, das einen niedrigen Koeffizienten thermischer Ausdehnung bezüglich des Materials der ersten Schicht aufweist, ist an der ersten Schicht befestigt. Eine an das erste Widerstandssegment angeschlossene erste Elektrode und eine an das zweite Widerstandssegment angeschlossene zweite Elektrode dienen zum Anlegen eines elektrischen Spannungsimpulses zwischen die erste und zweite Elektrode, was zu einer Aktivierungsleistungsdichte im ersten und zweiten Widerstandssegment führt und zu einem Leistungsdichte-Höchstwert innerhalb des Kopplungssegments oder der Kopplungsvorrichtung, was eine Umlenkung des freitragenden Elements in eine zweite Stellung bewirkt, wobei der Leistungsdichte-Höchstwert kleiner ist als das Vierfache der Aktivierungsleistungsdichte. Das Kopplungssegment kann auch in einem Abschnitt der ersten Schicht ausgebildet werden, in dem das elektrisch resistive Material dick oder so modifiziert worden ist, dass es eine wesentlich höhere Leitfähigkeit aufweist.
Die Erfindung eignet sich besonders für ein thermisches Betätigungselement für Flüssigkeitstropfenausstoßvorrichtungen, die als Druckköpfe für den DOD-Tintenstrahldruck eingesetzt werden. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform befindet sich das thermische Betätigungselement in einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer, die mit einer Düse zum Ausstoßen der Flüssigkeit versehen ist. Das thermische Betätigungselement weist ein freitragendes Element auf, das sich von einer Wand der Kammer bis zu einem freien Ende in einer ersten Stellung in der Nähe der Düse erstreckt. Das Anlegen eines Wärmeimpulses an das freitragende Element bewirkt eine Umlenkung des freien Endes, derart, dass Flüssigkeit aus der Düse gedrückt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Tintenstrahlsystems;
2 eine Aufsicht einer Anordnung von erfindungsgemäßen Tintenstrahleinheiten oder Flüssigkeitstropfenausstoßereinheiten;
3(a) und 3(b) vergrößerte Aufsichten einer einzelnen, in 2 dargestellten Tintenstrahleinheit;
4(a) und 4(b) Seitenansichten, welche die Bewegung eines erfindungsgemäßen thermischen Betätigungselements veranschaulichen;
5 eine perspektivische Ansicht der Anfangsstufen eines für die Herstellung eines erfindungsgemäßen thermischen Betätigungselements geeigneten Prozesses, bei denen eine erste Schicht elektrisch resistiven Materials des freitragenden Elements gebildet wird;
6 eine perspektivische Ansicht einer nächsten Prozessstufe für einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, bei der eine dritte Schicht aus einem elektrisch aktiven Material hinzugefügt und in dieser eine Kopplungsvorrichtung ausgebildet wird;
7 eine perspektivische Ansicht der nächsten Stufen des in 5 oder 6 dargestellten Prozesses, bei denen eine zweite Schicht aus einem dielektrischen Material des freitragenden Elements gebildet wird;
8 eine perspektivische Ansicht der nächsten Stufen des in 5–7 dargestellten Prozesses, bei denen eine Opferschicht in Form der eine Kammer eines erfindungsgemäßes Tropfenausstoßers ausfüllenden Flüssigkeit gebildet wird;
9 eine perspektivische Ansicht der nächsten Stufen des in 5–8 dargestellten Prozesses, bei denen eine Flüssigkeitskammer und eine Düse eines erfindungsgemäßen Tropfenausstoßers gebildet werden;
10(a)–10(c) Seitenansichten der Endstufen des in 5–9 dargestellten Prozesses, bei denen eine Flüssigkeitszuführungsbahn gebildet und die Opferschicht entfernt wird, um einen erfindungsgemäßen Flüssigkeitstropfenausstoßer zu vervollständigen;
11(a) und 11(b) Seitenansichten, welche die Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Tropfenausstoßers veranschaulichen;
12(a)–12(c) perspektivische Ansichten und eine Aufsicht einer Auslegung der ersten Schicht und einer Ersatzschaltung, die das Auftreten eines unerwünschten Heißpunktes veranschaulicht;
13 ein Diagramm der Stromdichten am Innenradius von Stromkopplungssegmenten mit einem bogenförmigen Abschnitt für zwei Schichtdickenverhältnisse;
14 ein Diagramm des Stromdichte-Höchstwerts und des höchsten Temperaturanstiegs am Innenradius eines Stromkopplungssegments mit einem bogenförmigen Abschnitt;
15 eine Aufsicht eines Kopplungssegments nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindungen;
16 eine Aufsicht einer alternativen Auslegung mit einem Kopplungssegment nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindungen;
17(a) und 17(b) eine perspektivische Ansicht und eine Aufsicht einer Kopplungsvorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindungen.
Die Erfindung wird hier anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass Variationen und Modifikationen in den Schutzumfang der Erfindung fallen.
Wie im Folgenden ausführlich beschrieben, schafft die Erfindung ein Gerät für ein thermisches Betätigungselement und eine mit Tropfen auf Anforderung arbeitende Flüssigkeitsausstoßvorrichtung. Die bekanntesten Vorrichtungen dieser Art werden als Druckköpfe in Tintenstrahldrucksystemen eingesetzt. Zahlreiche weitere Anwendungen sind im Entstehen begriffen, bei denen zwar auch von Vorrichtungen Gebrauch gemacht wird, die Tintenstrahldruckköpfen ähneln, bei denen jedoch statt Tinten andere Flüssigkeiten ausgestoßen werden, die fein dosiert und mit hoher räumlicher Präzision aufgebracht werden müssen. Die Begriffe Tintenstrahl und Flüssigkeitstropfenausstoßer oder Flüssigkeitstropfenausstoßvorrichtung werden hier austauschbar verwendet. Die im Folgenden beschriebenen Erfindungen schaffen auf thermomechanischen Betätigungselementen basierende Tropfenausstoßvorrichtungen, die so konfiguriert und betrieben werden, dass keine Überhitzungen, so genannte Heißpunkte, die ein erratisches Betriebsverhalten und einen frühen Ausfall der Vorrichtung verursachen könnten, auftreten.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Tintenstrahldrucksystems, das für den Einsatz eines erfindungsgemäßen Geräts geeignet ist und erfindungsgemäß betrieben werden kann. Das System beinhaltet eine Bilddatenquelle 400, welche Signale liefert, die von einer Steuereinrichtung 300 als Befehle zum Drucken von Tropfen empfangen werden. Die Steuereinrichtung 300 gibt an eine Quelle 200 elektrischer Impulse Signale aus. Die Impulsquelle 200 erzeugt ihrerseits ein elektrisches Spannungssignal aus elektrischen Energieimpulsen, die an den einzelnen thermomechanischen Betätigungselementen 15 in dem Tintenstrahldruckkopf 100 zugeordnete elektrisch resistive Mittel angelegt werden. Die elektrischen Energieimpulse veranlassen ein thermomechanisches Betätigungselement 15 (im Folgenden als „thermisches Betätigungselement" bezeichnet), sich rasch durchzubiegen und dadurch Tinte 60 an einer Düse 30 mit Druck zu beaufschlagen, sodass ein Tintentropfen 50 ausgestoßen wird, der auf einem Empfangsmaterial 500 landet.
2 zeigt eine Aufsicht eines Abschnitts eines Tintenstrahldruckkopfs 100. Eine Anordnung thermisch betätigter Tintenstrahleinheiten 110 mit mittig fluchtenden Düsen 30 und Tintenkammern 12 wird hier interdigitiert in zwei Reihen dargestellt. Die Tintenstrahleinheiten 110 werden nach mikroelektronischen Fertigungsverfahren auf und in einem Substrat 10 ausgebildet. Ein Beispiel einer für die Ausbildung von Tropfenausstoßern 110 geeigneten Fertigungsfolge wird in der an den Zessionar der vorliegenden Erfindung abgetretenen, am 30. November 2000 eingereichten Parallelanmeldung mit der laufenden Nummer 09/726 945, "Thermal Actuator", beschrieben.
Jeder Tropfenausstoßereinheit 110 sind elektrische Leitungskontakte 42, 44 zugeordnet, die mit einem in 2 gestrichelt gezeichneten Heizwiderstandsabschnitt 25 ausgebildet oder an diesen elektrisch angeschlossen werden. In der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform wird der Heizwiderstandsabschnitt 25 in einer ersten Schicht des thermischen Betätigungselements 15 ausgebildet und ist an den thermomechanischen Wirkungen beteiligt, wie im Folgenden beschrieben. Das Element 80 des Druckkopfs 100 ist eine Befestigungskonstruktion, die eine Aufnahmefläche für das mikroelektronische Substrat 10 und andere Mittel für den Anschluss der Flüssigkeitsversorgung, elektrischer Signale und mechanischer Schnittstellenelemente bereitstellt.
3a zeigt eine Aufsicht einer einzelnen Tropfenausstoßereinheit 110, 3b eine zweite Aufsicht nach Entfernung des Flüssigkeitskammerdeckels 28 einschließlich der Düse 30.
Das in 3a gestrichelt gezeichnete thermische Betätigungselement 15 ist in 3b mit durchgezogenen Linien dargestellt. Das freitragende Element 20 des thermischen Betätigungselements 15 beginnt an der Kante 14 der in dem Substrat 10 ausgebildeten Flüssigkeitskammer 12. Der Verankerungsabschnitt 26 des freitragenden Elements ist mit dem Substrat 10 gebondet und verankert das freitragende Element.
Das freitragende Element 20 des Betätigungselements hat die Form eines Paddels. Dabei endet ein kragender flacher Schaft in einer Scheibe, deren Durchmesser größer ist als die Schaftbreite. Diese Form hat nur beispielhaften Charakter. Freitragende Betätigungselemente können auch in zahlreichen anderen Formen verwendet werden. Die Paddelform gewährleistet die Ausrichtung der Düse 30 mit dem Mittelpunkt des freien Endabschnitts 27 des freitragenden Elements. Die Flüssigkeitskammer 12 weist bei 16 einen gekrümmten Wandabschnitt auf, welcher der Krümmung des freien Endabschnitts 27 entspricht und von diesem beabstandet ist, um einen Freiraum für die Bewegung des Betätigungselements zu schaffen.
3(b) zeigt schematisch die Befestigung der elektrischen Impulsquelle 200 an dem Heizwiderstand 25 an den Verbindungsklemmen 42 und 44. An die Spannungsklemmen 42 und 44 angelegte Spannungsunterschiede bewirken eine Widerstandsheizung über den U-förmigen Widerstand 25. Dies wird als Ganzes von einem Pfeil mit einem Strom I angezeigt. In den Aufsichten in 3 bewegt sich der freie Endabschnitt 27 des Betätigungselements beim Pulsen auf den Betrachter zu. Dabei werden aus der Düse 30 im Deckel 28 Tropfen in Richtung des Betrachters ausgestoßen. Diese Betätigungs- und Tropfenausstoßgeometrie wird in zahlreichen Tintenstrahloffenbarungen als „Roof Shooter" bezeichnet.
Die Seitenansichten in 4(a) und 4(b) zeigen ein freitragendes thermisches Betätigungselement 15 nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In 4a befindet sich das Betätigungselement in einer ersten Stellung, während es in 4(b) in eine zweite Stellung nach oben umgelenkt worden ist. Das freitragende Element 20 erstreckt sich von einer Verankerung 14 des Trägers 10 aus über eine Länge L. Das freitragende Element 20 besteht aus mehreren Schichten. Die erste Schicht 22 bewirkt durch thermische Dehnung bezüglich der anderen Schichten in dem freitragenden Element 20 die Umlenkung nach oben. Sie besteht aus einem elektrisch resistiven Material, vorzugsweise intermetallischem Titanaluminid, das einen hohen Koeffizienten thermischer Ausdehnung aufweist. Die erste Schicht 22 hat eine Dicke von h₁.
Das freitragende Element 20 weist außerdem eine an der ersten Schicht 22 befestigte zweite Schicht 23 auf. Die zweite Schicht 23 besteht aus einem Material, das einen niedrigen Koeffizienten thermischer Ausdehnung bezüglich des Materials der ersten Schicht 22 aufweist. Die Dicke der zweiten Schicht 23 wird so gewählt, dass die gewünschte mechanische Steifigkeit gegeben ist und die Umlenkung des freitragenden Elements für eine gegebene Wärmeenergieaufnahme maximiert wird. Die zweite Schicht 23 kann auch als dielektrischer Isolator ausgebildet werden, um die in der ersten Schicht oder in einem für einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung verwendeten dritten Material ausgebildeten Heizwiderstandssegmente und Stromkopplungsvorrichtungen und -segmente elektrisch zu isolieren. Die zweite Schicht kann dazu herangezogen werden, als Abschnitte der ersten Schicht 22 ausgebildete Elektrowiderstands- und Kopplungssegmente teilweise zu definieren. Die zweite Schicht 23 hat eine Dicke von h₂.
Zur Optimierung von Funktionen der Wärmeflusssteuerung, der galvanischen Trennung und der starken Kontaktierung der Schichten des freitragenden Elements 20 kann die zweite Schicht 23 aus Teilschichten, Schichtungen aus mehr als einem Material, zusammengesetzt werden.
Die in 4 gezeigte Passivierungsschicht 21 soll die erste Schicht 22 chemisch und elektrisch schützen. Ein solcher Schutz ist für einige Anwendungen erfindungsgemäßer thermischer Betätigungselemente möglicherweise nicht erforderlich und kann dann entfallen. Flüssigkeitstropfenausstoßer mit thermischen Betätigungselementen, die an einer oder an mehreren Flächen von der Arbeitsflüssigkeit berührt werden, können eine Passivierungsschicht 21 erfordern, die gegenüber der Arbeitsflüssigkeit chemisch und elektrisch inert ist.
Das Anlegen eines Wärmeimpulses an die erste Schicht 22 bewirkt einen Temperaturanstieg und eine Dehnung der Schicht. Die zweite Schicht 23 dehnt sich aufgrund ihres kleineren Koeffizienten thermischer Ausdehnung und der Zeit, welche die Wärme braucht, um aus der ersten Schicht 22 in die zweite Schicht 23 zu diffundieren, deutlich weniger. Der Längenunterschied zwischen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 23 bewirkt die in 4b dargestellte Umlenkung des freitragenden Elements 20 nach oben. Wenn das freitragende Element 20 als Betätigungselement in einer Tropfenausstoßvorrichtung verwendet wird, muss die Durchbiegung so schnell erfolgen, dass die Flüssigkeit an der Düse ausreichend mit Druck beaufschlagt wird. Typischerweise werden elektroresistive Heizungen weniger als 4 μs und vorzugsweise weniger als 2 μs, mit Wärmeimpulsen und elektrischen Impulsen beaufschlagt.
5 bis einschließlich 10 zeigen die Fertigungsprozessschritte für die Ausbildung eines einzelnen Flüssigkeitstropfenausstoßers nach einigen der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung. Für diese Ausführungsformen wird die erste Schicht 22 aus einem elektrisch resistiven Material, wie zum Beispiel Titanaluminid, hergestellt und zum Teil durch Musterbildung zu einem Widerstand für den elektrischen Strom I geformt.
5 zeigt eine erste Schicht 22 eines freitragenden Elements in einer ersten Fertigungsstufe. Die dargestellte Struktur wird mit üblichen mikroelektronischen Aufdampf- und Musterbildungsverfahren auf einem Substrat 10, beispielsweise einem Monokristallsilicium, geformt. Ein Teil des Substrats 10 dient außerdem als Träger, an dem das freitragende Element 20 beginnt. Intermetallisches Titanaluminid kann beispielsweise durch RF-Magnetronsputtern oder durch gepulstes DC-Magnetronsputtern aufgedampft werden. Ein Beispiel eines für Titanaluminid geeigneten Aufdampfprozesses wird in der an den Zessionar der vorliegenden Erfindung abgetretenen, am 30. November 2000 eingereichten Parallelanmeldung mit der laufenden Nummer 09/726 945, „Thermal Actuator", beschrieben.
Die erste Schicht 22 wird mit einer Dicke von h₁ aufgedampft. Das erste Widerstandssegment 62 und das zweite Widerstandssegment 64 werden in der ersten Schicht 22 durch Entfernen eines Musters des elektrisch resistiven Materials ausgebildet. Zusätzlich wird in dem Material der ersten Schicht ein Stromkopplungssegment 66 geformt, das Strom seriell zwischen dem ersten Widerstandssegment 62 und dem zweiten Widerstandssegment 64 führt. Der Strompfad wird von einem Pfeil und dem Buchstaben „I" angezeigt. Wenn das in dem elektrisch resistiven Material ausgebildete Kopplungssegment 66 Strom führt, erwärmt es auch das freitra gende Element. Da diese Kopplungswärmeenergie an der Spitze des freitragenden Elements eingeführt wird, ist sie jedoch für die Umlenkung des thermischen Betätigungselements weder relevant noch notwendig. Das Kopplungssegment 66 hat primär die Aufgabe, die Richtung des Stroms umzukehren.
Zeichnungsgemäß werden in der ersten Schicht 22 auch elektrische Adressleitungen 42 und 44 ausgebildet. Die Leitungen 42, 44 können an vorher im Trägersubstrat 10 ausgebildete Schaltungen angeschlossen oder mit anderen üblichen elektrischen Anschlussverfahren, wie zum Beispiel automatisches Folienbonden oder Drahtbonden, extern kontaktiert werden. Vor dem Aufdampfen und Bemustern des Materials der ersten Schicht 22 wird auf dem Substrat 10 eine Passivierungsschicht 21 ausgebildet. Diese Passivierungsschicht kann unter der ersten Schicht 22 und weiteren nachträglich aufgebrachten Strukturen verbleiben oder in einem späteren Musterbildungsprozess entfernt werden.
6 zeigt einen nächsten Fertigungsschritt für einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen. Eine aus einem elektrisch aktiven Material bestehende dritte Schicht 24 wird hinzugefügt und durch Musterbildung zu einer Kopplungsvorrichtung 68 geformt, die Aktivierungsstrom zwischen dem ersten Widerstandssegment 62 und dem zweiten Widerstandssegment 64 führt. Das elektrisch aktive Material ist vorzugsweise wesentlich leitfähiger als das für die erste Schicht 22 verwendete elektrisch resistive Material. Die Schicht 24 wird typischerweise aus einem Metallleiter, wie zum Beispiel Aluminium, geformt. Der Auslegung des Fertigungsprozesses insgesamt kann jedoch mit anderen, für höhere Temperaturen geeignete Materialien, wie zum Beispiel Siliciden, die eine geringere Leitfähigkeit als Metall, aber eine wesentlich höhere Leitfähigkeit als das elektrisch resistive Material aufweisen, besser gedient sein. Wie im Folgenden erklärt, soll die Ausbildung der Kupplungsvorrichtung 68 in einem guten Leiter die Leistungsdichte senken und dadurch schwächende Heißpunkte eliminieren.
7 zeigt eine über der vorher ausgebildeten Schicht 22 des thermischen Betätigungselements aufgedampfte und bemusterte zweite Schicht 23. Bei der in 6 dargestellten alternativen Ausführungsform würde die zweite Schicht 23 auch den Kupplungsvorrichtungsteil einer verbleibenden Schicht 24 abdecken. Die zweite Schicht 23 wird über der ersten Schicht 22 ausgebildet und deckt das verbleibende Widerstandsmuster ab. Die zweite Schicht 23 wird mit einer Dicke von h₂ aufgedampft. Das Material der zweiten Schicht 23 hat im Vergleich zum Material der ersten Schicht einen niedrigen Koeffizienten thermischer Ausdehnung. Die zweite Schicht 23 kann beispielsweise aus Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder einer mehrlagigen Schichtung dieser Materialien oder dergleichen bestehen.
Zum chemischen und elektrischen Schutz können jetzt zusätzliche Passivierungsmaterialien über der zweiten Schicht 23 aufgebracht werden. Ferner wird die erste Passivierungsschicht 21 aus Bereichen, durch die Flüssigkeit aus im Substrat 10 zu ätzenden Öffnungen strömen soll, durch Bemusterung entfernt.
In 8 kommt eine Opferschicht 29 hinzu, welche die Form des Inneren einer Kammer eines Flüssigkeitstropfenausstoßers erhält. Ein für diesen Zweck geeignetes Material ist Polyimid. Polyimid wird auf das Vorrichtungssubstrat in einer Tiefe aufgebracht, die ausreicht, auch die Oberfläche zu planarisieren, welche die in 5–7 dargestellte Topografie der ersten Schicht 22, der zweiten Schicht 23 und der optionalen dritten Schicht 24 aufweist. Für die Herstellung der Opferstruktur 29 eignet sich jedes Material, das bezüglich der benachbarten Materialien selektiv entfernt werden kann.
9 zeigt die durch Aufdampfen eines konformen Materials, wie zum Beispiel durch Plasmaaufdampfen über der Opferschichtstruktur 29 aufgebrachtes Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder dergleichen, geformten Wände und den Deckel der Flüssigkeitskammer eines Tropfenausstoßers. Zur Ausbildung der Tropfenausstoßerkammer 28 wird diese Schicht mit einem Muster versehen. Die Düse 30 wird in der Tropfenausstoßerkammer ausgebildet, die mit der Opferschicht 29 in Verbindung steht, wobei diese auf dieser Stufe der Fertigungsfolge in der Tropfenausstoßerkammer 28 verbleibt.
10(a)–10(c) zeigen eine Seitenansicht der Vorrichtung in einem in 9 mit A-A bezeichneten Schnitt. In 10a wird die Opferschicht 29 mit Ausnahme der Düsenöffnung 30 von den Tropfenausstoßerkammerwänden 28 umschlossen. Wie ebenfalls aus 10a ersichtlich, ist das Substrat 10 intakt. Die Passivierungsschicht 21 wurde im Spaltbereich 13 und am Umfang des freitragenden Elements 20 von der Oberfläche des Substrats 10 entfernt.
Das Entfernen der Schicht 21 an diesen Stellen erfolgte auf einer Fertigungsstufe vor der Ausbildung der Opferstruktur 29.
In 10b wird das Substrat 10 unter dem freitragenden Element 20 und den Flüssigkeitskammerbereichen um und neben dem freitragenden Element 20 entfernt. Dazu eignet sich ein anisotropisches Ätzverfahren, wie zum Beispiel reaktives Ionenätzen (RIE-Prozess), oder orientierungsabhängiges Ätzen, wenn es sich bei dem verwendeten Substrat um ein Monokristallsilicium handelt. Zur Herstellung eines thermischen Betätigungselements allein sind die Opferstruktur- und Flüssigkeitskammerschritte nicht erforderlich, sodass dieser Schritt des Wegätzens des Substrats 10 dazu verwendet werden kann, das freitragende Element 20 freizulegen.
In 10c wurde die Opferschicht 29 durch Trockenätzen mit Sauerstoff- und Fluorquellen entfernt. Die Ätzmittelgase treten über die Düse 30 und aus dem vorher von der Rückseite des Substrats 10 aus geätzten, neu geöffneten Flüssigkeitsvorratskammerbereich 12 ein. Dieser Schritt legt das freitragende Element 20 frei und vervollständigt die Fertigung einer Flüssigkeitstropfenausstoßerkonstruktion.
11(a) und 11(b) zeigen eine Seitenansicht einer Flüssigkeitstropfenausstoßerkonstruktion nach einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung. 11a zeigt das freitragende Element 20 in einer ersten Stellung in der Nähe der Düse 30. 11b veranschaulicht die Umlenkung des freien Endes 27 des freitragenden Elements 20 zur Düse 30 hin. Durch rasche Umlenkung des freitragenden Elements in diese zweite Stellung wird die Flüssigkeit 60 mit Druck beaufschlagt, sodass ein Tropfen 50 ausgestoßen wird.
Im Betrieb kann sich das freitragende Element 20 eines Ausstoßers mit freitragendem Element der in der Zeichnung dargestellten Art in der Ruhestellung (erste Stellung) teilweise durchbiegen, statt die in 11a dargestellte waagerechte Stellung einzunehmen. Infolge der nach einem oder nach mehreren mikroelektronischen Aufdampf- oder Härtungsprozessen verbleibenden inneren Spannungen kann das Betätigungselement bei Raumtemperatur nach oben oder nach unten gebogen werden. Die Vorrichtung kann für verschiedene Zwecke, u.a. thermische Auslegung und Beherrschbarkeit der Tinteneigenschaften, bei einer höheren Tempe ratur betrieben werden. Wenn dies der Fall ist, kann die Durchbiegung des freitragenden Elements in der ersten Stellung den in 11b dargestellten Grad erreichen.
Im Sinne der vorliegenden Beschreibung der Erfindung befindet sich das freitragende Element in der Ruhestellung bzw. in seiner ersten Stellung, wenn sich das freie Ende in der umgelenkten Stellung nicht wesentlich verändert. Zum besseren Verständnis wurde die erste Stellung in 4a und 10a horizontal abgebildet. Die Möglichkeit, dass sich thermische Betätigungselemente in einer ersten Stellung durchbiegen, ist jedoch bekannt und berücksichtigt worden und liegt durchaus im Rahmen der vorliegenden Erfindungen.
5 bis einschließlich 10 veranschaulichen eine bevorzugte Fertigungsfolge. Zahlreiche andere Lösungen unter Einsatz bekannter mikroelektronischer Fertigungsprozesse und -materialien sind jedoch möglich. Zur Verwirklichung der vorliegenden Erfindung ist jede Lösung geeignet, die zur Fertigung eines freitragenden Elements mit einer ersten Schicht 22, einer zweiten Schicht 23 und einer optionalen dritten Schicht 24 führt. Ferner wurden bei der in 5 bis einschließlich 10 dargestellten Folge die Flüssigkeitskammer 28 und die Düse 30 eines Flüssigkeitstropfenausstoßers in situ auf dem Substrat 10 ausgebildet. Stattdessen könnte ein thermisches Betätigungselement auch getrennt hergestellt und zum Bilden eines Flüssigkeitstropfenausstoßers mit einer Flüssigkeitskammerkomponente gebondet werden.
Es hat sich gezeigt, dass bei Betrieb eines Flüssigkeitstropfenausstoßers, der über ein thermisches Betätigungselement mit einem freitragenden Element verfügt, Dampfblasen in der Arbeitsflüssigkeit an Stellen erzeugt werden können, die Heißpunkten auf dem freitragenden Element benachbart sind. 12(a) und 12(b) veranschaulichen das beobachtete Phänomen. 12a zeigt eine in einem für die erste Schicht 22 eines thermischen Betätigungselements mit einem freitragendem Element verwendeten elektrisch resistiven Material ausgebildete U-förmige Heizwiderstandsanordnung. Die Widerstandsanordnung umfasst zwei längliche Abschnitte, ein erstes Widerstandssegment 62 und ein zweites Widerstandssegment 64, die sich parallel von dem Ort 14, an dem das freitragende Element verankert ist, zu den Orten 63 bzw. 65 erstrecken, wo sie mit dem bogenförmigen Kopplungssegment 66 verbunden sind. Das Anlegen elektrischer Impulse zwischen der ersten Elektrode 42 und der zweiten Elektrode 44 bewirkt eine ohmsche Beheizung der ersten Schicht 22, die eine Umlenkung des freitragenden Elements zur Folge hat.
12b zeigt eine Ersatzschaltung, die zum besseren Verständnis der in 12a dargestellten Widerstandsanordnung beiträgt. Das erste Widerstandssegment 62 wird hier als erster Widerstand R₁, das zweite Widerstandssegment 64 als zweiter Widerstand R₂ und das Kopplungssegment 66 als R_c bezeichnet. Das Anlegen einer Spannung V₀ zwischen der ersten Elektrode 42 und der zweiten Elektrode 44 bewirkt, dass ein elektrischer Strom I um die Ersatzschaltung fließt. Die tatsächlich an dem jeweils an der Verankerung 14 beginnenden ersten und zweiten Widerstandssegment und an dem Kopplungssegment anliegende Spannung wird durch parasitische Widerstände, die in der ersten und der zweiten Elektrode und den Materiallängen bis zur Verankerung 14 vorhanden sein können, reduziert. Diese werden zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindungen hier ignoriert. Der Spannungsabfall an dem Kopplungssegment 66 wird in dem Ersatzschaltplan in 12b als V_c bezeichnet.
12c zeigt eine vergrößerte Aufsicht des Endes der ersten Schicht 22 des freitragenden Elements mit dem Kopplungssegment 66 und Teilabschnitten des ersten Widerstandssegments 62 und des zweiten Widerstandsegments 64. Das erste Widerstandssegment 62 hat an der Verbindung 63 mit dem Kopplungssegment 66 eine Breite w₁. Das zweite Widerstandssegment 64 hat an der Verbindung 65 mit dem Kopplungssegment 66 eine Breite w₂. Das erste Widerstandssegment 62 und das zweite Widerstandssegment 64 werden in der ersten Schicht 22 ausgebildet, die eine Dicke von h₁ hat und aus einem elektrisch resistiven Material mit einer Nennleitfähigkeit von σ₀ besteht. Das erste Widerstandssegment 62 und das zweite Widerstandssegment 64 haben in 12 eine im Wesentlichen rechteckige Form und erstrecken sich mit einer Länge L₀ zwischen der Verankerung 14 und den Verbindungen 63 bzw. 65 mit dem Kopplungssegment. Der erste und zweite Widerstand in der Ersatzschaltung haben daher folgende Werte:
Das Kopplungssegment 66 ist als Halbring mit einem Innenradius r₀ und einem Außenradius r₁ dargestellt. Der Widerstand ändert sich vom Innenradius zum Außenradius, weil der Strompfad bei r₀ kürzer ist als bei r₁. Da der Spannungsabfall V_c für alle Pfade den gleichen Wert hat, ist die Stromdichte J = Strom/Fläche am Innenradius höher als am Außenradius. In
12c wird dies dadurch veranschaulicht, dass sich die Stromlinien zum Innenradius r₀ hin verdichten.
Die Stromdichte ist insofern eine wichtige Größe, als sich der Temperaturanstieg proportional zum Quadrat der Stromdichte verhält. Für ein Volumen eines elektrisch aktiven Materials mit einer Länge L, einer Querschnittsfläche A, einer Materialleitfähigkeit σ, einer Massendichte ρ, einer Wärmekapazität c und einem Durchlassstrom I ist die Stromdichte J daher: J = I/A. (2)
Wenn, in erster Ordnung, angenommen wird, dass die zugeführte elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird, dann beträgt der Temperaturanstieg des betrachteten Volumens mit einer Masse m ΔT in einem Zeitabschnitt dt:
Wärmeenergie = Q = mcΔT = pALcΔT; (4) Wärmeenergie = Elektrische Energie;
Gleichung 6 zeigt, dass sich der Temperaturanstieg, in erster Ordnung, proportional zum Quadrat der Stromdichte J² verhält. Die Größe J²/σ in Gleichung 6 ist die elektrische Leistungsdichte PD, definiert als zugeführte elektrische Leistung/Volumen:
Somit trägt eine Analyse der Strom- und Leistungsdichten in den Bereichen der Stromverdichtung zu einem besseren Verständnis von Heißpunkten in einem thermischen Betätigungselement mit einem freitragenden Element bei.
Der in der in 12b dargestellten Ersatzschaltung fließende Strom I₀ hat den Wert:
wobei R₁ und R₂ weiter oben in Gleichung 1 angegeben werden. Zur Vereinfachung der Analyse und zum besseren Verständnis der folgenden Beschreibung sei angenommen, dass w₁ = w₂ = w₀ und R₁ = R₂ = R₀ ist.
Der Ersatzwiderstand des Kopplungssegments R_c kann durch Integration über die Halbringform wie folgt bestimmt werden:
Hier ist h_c die Dicke des elektrisch aktiven Materials in dem Kopplungssegment oder der Kopplungsvorrichtung und σ_c die Leitfähigkeit des elektrisch aktiven Materials, aus dem das Kopplungssegment oder die Kopplungsvorrichtung hergestellt wird. Für ein in der in 5 und 12b abgebildeten ersten Schicht 22 ausgebildetes Kopplungssegment 66 ist h_c = h₁ und σ_c = σ₀. Für eine in der in 6 und 17 abgebildeten dritten Schicht 24 ausgebildete Kopplungsvorrichtung 68 ist h_c = h₃, wenn ein elektrisch aktives Material mit einer Leitfähigkeit σ_c >> σ₀ verwendet wird. Für andere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung kann die zusätzliche dritte Schicht 24 aus demselben elektrisch resistiven Material wie die erste Schicht bestehen. In diesem Fall ist h_c = h₁ + h₃ und σ_c = σ₀.
Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen werden die Strom- und Leistungsdichten in der Kopplungsvorrichtung oder dem Kopplungssegment durch Erhöhen der Dicke des elektrisch resistiven Materials im Kopplungssegment, h_c > h₁ reduziert, bei anderen geschieht dies durch Erhöhen der Leitfähigkeit des Materials in dem Kopplungssegment oder der Kopplungsvorrichtung, σ_c > σ₀. Eine erhöhte Leitfähigkeit kann durch In-Situ-Bearbeitung des elektrisch resistiven Materials der ersten Schicht 22 zur örtlichen Erhöhung der Leitfähigkeit oder durch Verwendung einer dritten Schicht 24 aus einem elektrisch aktiven Material mit einer höheren Leitfähigkeit erzielt werden. Beispiele für eine In-Situ-Bearbeitung zur Erhöhung der Leitfähigkeit sind Laserglühen, Ionenimplantation durch eine Maske oder ohmsche Selbstheizung durch Anlegen elektrischer Impulse hoher Energie.
Die Stromdichte J(r) am Radius r innerhalb der in 12c dargestellten Halbringform ergibt sich aus dem Strom I(r) und dem Widerstand R(r), wenn man beachtet, dass die Spannung V_c an allen Bogeninkrementen dr der Ringform anliegt:
mit V_c = I₀R_c. Durch Normieren dieser Stromdichte auf die Nennstromdichte im ersten und zweiten Widerstandssegment, d.h. J₀ = I₀/h₁w₀, und Einsetzen des in Gleichung 10 für R_c angegebenen Ausdrucks ergibt sich die normierte Stromdichte als:
Diese Gleichung 13 zeigt, dass die größte Stromdichte J_max in dem Kopplungssegment oder der Kopplungsvorrichtung ihren Höchstwert am Innenradius r = r₀ erreicht,
Um Überhitzungen, so genannte Heißpunkte, zu vermeiden, kann die Größe von J_max durch die Wahl geeigneter Werte für die Verhältnisse der geometrischen Faktoren in Gleichung 14, d.h. h₁/h_c, w₀/r₀ und r₁/r₀, reduziert oder begrenzt werden.
13 veranschaulicht die Abhängigkeit der nach Gleichung 14 aufgetragenen Werte von J_max für einige repräsentative Geometrien mit der Gesamtformgebung des in 12 dargestellten ersten Widerstandssegments 62, zweiten Widerstandssegments 64 und Kopplungssegments 66. Die Gesamtformgebung ist gekennzeichnet durch w₁ = w₂ = w₀ und r₁ = r₀ + w₀. Für die Kurven 210 und 212 in 13 wird r₀ in Einheiten von w₀ ausgedrückt, d.h. r₀ = xw₀, wobei x = 0,2 bis 1,0. Für die Kurve 210 hat das Schichtdickenverhältnis den Wert 1,0, d.h. h₁ = h_c. Für die Kurve 212 entspricht die Kopplungsdicke dem Zweifachen der nominalen Dicke der ersten Schicht, d.h., h_c = 2h₁. Daher wird für die beiden Schichtdickenverhältnisse in 13 für J_max(x) folgender Ausdruck aufgetragen
Aus der Kurve 210 in 13, wo das Kopplungssegment 66 die gleiche Dicke hat wie die Nenndicke des ersten Widerstandssegments 62 und des zweiten Widerstandssegments 64, ist ersichtlich, dass der Stromdichte-Höchstwert J_max des Kopplungssegments größer ist als das Zweifache der nominalen Stromdichte J₀, wenn der Innenradius r₀ kleiner ist als etwa die Hälfte der nominalen Breite w_o des ersten und des zweiten Widerstandssegments. Wenn die Dicke des Kopplungssegments dem Zweifachen der nominalen Dicke entspricht, wie dies bei der Kurve 212 in 13 der Fall ist, dann kann der Innenradius auf ein Zehntel der nominalen Breite verkürzt werden, bevor der Stromdichte-Höchstwert das Zweifache der Nennstromdichte überschreitet.
Der Temperaturanstieg eines mit elektrischer Energie beaufschlagten Widerstandsvolumens verhielt sich in Gleichung 6 proportional zum Quadrat der Stromdichte und in Gleichung 8 proportional zur Leistungsdichte. Wie aus Gleichung 7 ersichtlich, unterscheidet sich das Quadrat der Stromdichte von der Leistungsdichte durch die Leitfähigkeit des Widerstandsvolumenmaterials. Der Leistungsdichte-Höchstwert PD_max in der Kopplungsvorrichtung oder dem Kopplungssegment und der größte Temperaturanstieg ΔT_max in der Kopplungsvorrichtung oder dem Kopplungssegment ergeben sich für die zur Erstellung der Gleichung 15 und der Kurven 210 und 212 in 13 verwendeten repräsentativen Geometrien durch Einsetzen des Ausdrucks für den Stromdichte-Höchstwert des Kopplungselements gemäß Gleichung 15 in die oben aufgeführten Gleichungen 6–8 wie folgt:
Hier ist PD₀ die Nennstromdichte und ΔT₀ der Nenntemperaturanstieg in dem ersten Widerstandssegment 62 und dem zweiten Widerstandssegment 64 in 12c. ρ₀, c₀, ρ_c und c_c geben die Massendichte und die Wärmekapazität für das für das erste Widerstandssegment 62 und das zweite Widerstandssegment 64 verwendete elektrisch resistive Material und das für das Kopplungssegment 66 oder die Kopplungsvorrichtung 68 verwendete elektrisch aktive Material an. Der Beitrag der geometrischen Faktoren der Teilringform der Kopplungsvorrichtung oder des Kopplungssegments kommt in Gleichung 17 durch die Termen zum Ausdruck, die von x abhängig sind, wobei, wie oben, r₀ = xw₀ und r₁ = r₀ + w₀.
Den Formfaktorbeitrag zum Leistungsdichte-Höchstwert PD_max und zum größten Temperaturanstieg DT_max veranschaulicht die Kurve 220 in 14. Die Kurve 220 in 14 gilt für einen Fall, bei dem die Materialeigenschaften und die Schichtdicke den gleichen Wert haben, sodass die Quotiententermen in den Gleichungen 16 und 17 gleich 1,0 sind. Entweder der Leistungsdichte-Höchstwert oder der größte Temperaturanstieg in dem Kopplungssegment kann von der Ordinate der Kurve 220 in normierten Einheiten abgelesen werden. Die Kurve 220 in 14 stellt einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen dar, bei denen die Stromkopplung durch Ausbildung eines Kopplungssegments in dem elektrisch resistiven Material der ersten Schicht 22 erfolgt. Die Materialeigenschaften und die Dicke des Kopplungssegments haben nominal dieselben Werte wie die entsprechenden Parameter des ersten und des zweiten Widerstandssegments.
Die Kurve 220 in 14 zeigt, dass der größte Temperaturanstieg des Kopplungselements oder der Leistungsdichte-Höchstwert des Kopplungselements am Innenradius der Bogenform des Kopplungssegments mehr als dem Vierfachen der an anderer Stelle auf dem freitragenden Element auftretenden Nominalwerte entspricht, wenn der Innenradius kleiner ist als 0,4 mal die Nennbreite w₀ des ersten und des zweiten Widerstands. 15 zeigt ein Kopplungssegment 66, das für einen Innenradius r₀ ausgelegt ist, der etwa halb so groß wie die Breite des ersten Widerstandssegments 62 oder des zweiten Widerstandssegments 64 ist. Eine solche Auslegung würde den größten Temperaturanstieg, also die größte Heißpunkttemperatur, auf etwa 3,3 ΔT₀ begrenzen.
Eine Schwierigkeit, die bei Verwendung eines großen Werts für den Innenradius des Stromkopplungssegments auftritt, ist die Eliminierung des Materials der ersten Schicht. Bei erfindungsgemäßen thermischen Betätigungselementen mit einem freitragenden Element trägt die Gesamtbreite des Materials der ersten Schicht wesentlich zur Größe der thermomechanischen Kraft bei, die erzeugt werden kann, wenn sich das Betätigungselement durchbiegt. Die thermische Ausdehnung der ersten Schicht liefert die in dem Betätigungselement verfügbare mechanische Grundkraft. Für eine gegebene Länge des freitragenden Elements ist die nutzbare Kraft umso größer, je breiter sich das Material der ersten Schicht ausdehnt.
16 zeigt eine alternative Auslegung einer Widerstands- und Kopplungselementkonfiguration für ein freitragendes Element, bei dem zwei Stromschleifen zur Anwendung kommen. Zwischen der mit dem ersten Widerstandsegment 62 verbundenen ersten Elektrode 42 und der mit dem zweiten Widerstandssegment 64 verbundenen zweiten Elektrode 44 wird ein Spannungsimpuls angelegt. Die beiden anderen Schenkel der Doppelschleife, das dritte Segment 67 und das vierte Segment 69, werden mittels einer gemeinsamen Elektrode 46 von dem freitragenden Element abgekoppelt. Das freitragende Element geht von dem Träger 10 aus und beginnt an der Ankerkante 14. Ein Heißpunkt könnte zwar an der nicht mit dem freitragenden Element verbundenen gemeinsamen Elektrode 46 entstehen, diese kann jedoch problemlos so angeordnet werden, dass sie sich nicht in der Nähe der Arbeitsflüssigkeit eines Tropfenausstoßers oder einer anderen Flüssigkeitshandhabungsvorrichtung befindet. Zum Verständnis der vorliegenden Erfindungen kann man sich die Segmente 67 und 69 zusammen als ein Kopplungssegment vorstellen, bei dem die höchste Stromdichte am Innenradius des Segments 67, dem kleinsten Innenradius, auftritt.
Bei der in 16 dargestellten Zweischleifenausführung kann der Innenradius r₀ einem wesentlichen Bruchteil der Breiten des ersten Widerstandssegments 62 und des zweiten Widerstandssegments 64 entsprechen, ohne dass genau soviel Material der ersten Schicht entfernt werden muss. Der Gesamtwiderstand der Schaltung wird annähernd verdoppelt, sodass ein größerer Spannungsimpuls erforderlich ist, um einen Nennwert PD₀ der Stromdichte einzuführen, der dem einer Einschleifenanordnung entspricht. Im Sinne der vorliegenden Erfindungen kann eine Widerstandskonfiguration mit mehreren Schleifen ähnlich analysiert werden, wenn die an den Eingangsspannungsklemmen befestigten Widerstandselemente als erstes und zweites Widerstandssegment und die dazwischen liegenden Widerstandssegmente als Stromkopplungsvorrichtung aufgefasst werden.
17(a) und 17(b) veranschaulichen in perspektivischer Darstellung und einer vergrößerten Aufsicht die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kopplungsvorrichtung 68. Eine in 17 schraffiert dargestellte dritte Schicht 24 aus elektrisch aktivem Material wird hinzugefügt und durch Musterbildung zu einer Kopplungsvorrichtung 68 geformt. Die Hinzufügung einer dritten Schicht 24 bietet die Möglichkeit, den Leistungsdichte-Höchstwert über das Leitfähigkeitsverhältnis σ₀/σ_c, das Quadrat des Dickenverhältnisses (h₁/h_c)² und, mit geringerer praktischer Wirkung, die Wärmekapazität und Massendichteverhältnisse, wie in Gleichung 16 bezeichnet, zu reduzieren. Für die Ausbildung der dritten Schicht 24 und der Kopplungsvorrichtung 68 kann das gleiche elektrisch resistive Material verwendet werden wie für die Ausbildung der ersten Schicht. In diesem Fall haben die Materialeigenschaftsverhältnisse den Wert 1,0, während das Dickenverhältnis vorteilhaft beeinflusst wird. Durch Erhöhung der Dicke der Schicht aus elektrisch resistivem Material im Kopplungssegment um 41% werden der Leistungsdichte-Höchstwert und der größte Temperaturanstieg für denselben Innenradius r₀ um den Faktor 2 reduziert. Wenn andererseits das zur Bildung der dritten Schicht 24 hinzugefügte elektrisch aktive Material eine wesentlich höhere Leitfähigkeit hat als das für die erste Schicht verwendete elektrisch resistive Material, kann der Leistungsdichte-Höchstwert bei noch kleinerem Innenradius signifikant reduziert werden.
Aus den Gleichungen 16 und 17 und der Kurve 220 in 14 ist ersichtlich, dass die Parameter zur Steuerung des Leistungsdichte-Höchstwerts und des größten Temperaturanstiegs des heißesten Punktes auf einer Stromkopplungsvorrichtung oder einem Stromkopplungssegment auf dem freitragenden Element auf vielfältige Weise kombiniert werden können.
Die hier beschriebene Analyse gilt auch für einen allgemeineren Fall, bei dem eine Kopplungsvorrichtung eine andere Formgebung aufweist als in 12, 15–17 dargestellt. Überhitzungen können in einer Heizwiderstandskonfiguration überall dort auftreten, wo der Strom die Richtung ändern muss. Solche Stellen haben eine kleinste Pfadlänge, die als kleinster Innenradius eines bogenförmigen Abschnitts der Stromkopplungsvorrichtung aufgefasst werden kann. Die Breite des dem bogenförmigen Abschnitt unmittelbar vorausgehenden geradlinigen Abschnitts, d.h. die Stromeintrittsbreite, kann zum Normieren oder „Skalieren" des Innenradius herangezogen werden. Von dieser Möglichkeit wurde Gebrauch gemacht, um die oben aufgeführte Gleichung 15 zu erhalten. Bei Widerstandskonfigurationen mit mehreren Stromrichtungsänderungsbereichen tritt der heißeste Punkt wahrscheinlich an der Stelle auf, an der der normierte Innenradius eines Strompfads am kleinsten ist. Durch Verwendung eines Materials mit höherer Leitfähigkeit an diesen Stellen kann die Leistungsdichte reduziert werden. Wenn sich Materialien, Dicken, Eintrittsbreiten und Innenradien an verschiedenen Orten unterscheiden, bieten die Gleichungen 16 und 17 eine brauchbare Möglichkeit für den Vergleich des Potentials für Heißpunkte in einer Dünnfilmheizungskonfiguration.
Es hat sich gezeigt, dass Thermoelemente mit einem freitragenden Element, die im Betrieb mit einer Flüssigkeit in Berührung stehen, die Erzeugung von Dampfblasen verursachen können, die in der Heizwiderstandskonfiguration zuerst an den Stellen erscheinen, an denen die Leistungsdichte am höchsten ist. Eine solche Blasenbildung ist hinsichtlich des voraussagbaren und zuverlässigen Betriebsverhaltens der Vorrichtung höchst unerwünscht. Es ist wohl nicht möglich, eine thermomechanische Betätigungsvorrichtung in einer Flüssigkeit mit einer annehmbaren Anzahl von Arbeitsspielen zu betreiben, wenn an den Heißpunkten Dampfblasen erzeugt werden. Daher stellt das Verhältnis der Leistungsdichte zwischen dem Ort des Leistungsdichte-Höchstwerts und der nominalen Leistungsdichte in den Hauptabschnitten der Betätigungswiderstände eine wesentliche Begrenzung für den Spielraum dar, mit dem solche Vorrichtungen betrieben werden können. Wenn beispielsweise die Heißpunkt-Leistungsdichte 10 mal höher wäre als die nominale Leistungsdichte, dann könnte die Vorrichtung zuverlässig nur mit einem Nenntemperaturanstieg betrieben werden, der kleiner ist als 1 Zehntel der Temperatur, bei der Dampfblasen entstehen.
Aus einer Vielzahl praktischer Gründe, wie zum Beispiel chemische Sicherheit von Flüssigkeiten, Temperaturgrenzen für in Arbeitsflüssigkeiten und bei der Herstellung der Vorrichtung verwendete organische Materialbestandteile, liegen die oberen Temperaturgrenzen für Heißpunkte wahrscheinlich im Bereich von 300°C bis 400°C. Wasser wird, primär aus Umweltschutzgründen, als Lösungsmittel in Arbeitsflüssigkeiten für MEMS-Vorrichtungen am häufigsten verwendet. Zahlreiche große organische Moleküle, wie zum Beispiel die beim Tintenstrahldruck verwendeten Farbstoffe, zersetzen sich bei Temperaturen oberhalb 300°C. Die meisten der als Kleber oder Schutzüberzüge verwendeten organischen Materialien zersetzen sich bei Temperaturen oberhalb 400°C.
Andererseits steht die Umlenkkraft, die von einem realen thermischen Betätigungselement mit einem freitragenden Element erzeugt werden kann, in einem direkten Zusammenhang mit dem nutzbaren gepulsten Temperaturanstieg. Dieser Temperaturanstieg steht in einem direkten Zusammenhang mit der nominalen Leistungsdichte, mit der die Betätigungswiderstände, beispielsweise das erste Widerstandssegment 62 und das zweite Widerstandssegment 64 in 17, beaufschlagt werden. In der Regel dürfte ein Temperaturanstieg von mindestens 50°C erforderlich sein, um in einem MEMS-basierten thermischen Betätigungselement eine nutzbare mechanische Betätigung zu erzeugen. Für thermische Betätigungselemente, die in Flüssigkeitstropfenausstoßvorrichtungen, wie zum Beispiel Tintenstrahldruckköpfen, verwendet werden, sollte der gepulste Temperaturanstieg vorzugsweise 100°C–150°C betragen.
Die oben beschriebenen Randbedingungen einer Mindestnennleistungsdichte zur Erzielung eines annehmbaren mechanischen Betriebsverhaltens und einer oberen Leistungsdichte zur Vermeidung von Dampfblasenbildung führen zu einer bevorzugten Auslegung der Heizwiderstandskonfiguration für ein thermisches Betätigungselement mit einem freitragenden Element. Als bevorzugte Ausführungsform hat sich eine Auslegung erwiesen, bei welcher der Leistungsdichte-Höchstwert des Kopplungselements am kleinsten Innenradius bogenförmiger Abschnitte von Kopplungsvorrichtungen das Vierfache der in den Hauptheizungswiderstandssegmenten auftretenden nominalen Leistungsdichte nicht übersteigt. Wenn als Stromkopplungsvorrichtung ein Kopplungssegment aus derselben elektrisch resistiven Schicht verwendet wird, aus der die Hauptheizungswiderstandssegmente gebildet werden, wird die Stromdichte des Kopplungselements an Heißpunkten vorzugsweise auf das Zweifache der nominalen Stromdichte begrenzt. Wie bereits erwähnt, können diese Begrenzungen der höchsten Stromdichte und der höchsten Leistungsdichte mit den verschiedensten Kombinationen von Material, Dicke und geometrischen Faktoren verwirklicht werden.
Es hat sich ferner gezeigt, dass es sich für einen optimalen Betrieb erfindungsgemäßer Flüssigkeitsstropfenausstoßer empfiehlt, zuerst experimentell für jede gewünschte Arbeitsflüssigkeit die Impulsleistungs- und Energieaufnahmebedingungen zu bestimmen, bei denen die Blasenbildung (Blasensieden) einsetzt. Bei normalem Betrieb werden dann die Impulsenergie- und Leistungsaufnahme auf Werte begrenzt, die mindestens 10% unter den für den Beginn des Blasensiedens bestimmten Werten liegen. Dampfblasenbildung kann in Prüfvorrichtungen, die hinsichtlich des freitragenden Elements und der Flüssigkeitskammer dieselben Merkmale aufweisen, aber so ausgerüstet sind, dass sie eine optische Beobachtung bekannter Heißpunktbereiche des freitragenden Elements ermöglichen, unmittelbar beobachtet werden. Bildung und Zusammenfall von Dampfblasen können auch akustisch erkannt werden.
Ungeachtet der Tatsache, dass hier vorwiegend Konfiguration und Arbeitsweise eines einzelnen thermischen Betätigungselements oder Tropfenausstoßers beschrieben wurden, eignet sich die vorliegende Erfindung auch für die Bildung von Anordnungen und Baugruppen mehrerer thermischer Betätigungselemente und Tropfenausstoßereinheiten. Ferner versteht es sich, das erfindungsgemäße thermische Betätigungsvorrichtungen gleichzeitig mit anderen elektronischen Bauelementen und Schaltungen hergestellt oder vor oder nach der Fertigung elektronischer Bauelemente und Schaltungen auf demselben Substrat ausgebildet werden können.

Claims

Thermisches Betätigungselement (15) für eine mikro-elektromechanische Vorrichtung, mit: a) einem Träger (10); b) einem freitragenden Element (20), das sich vom Träger aus erstreckt und sich in einer ersten Stellung befindet, wobei das freitragende Element eine erste Schicht (22) aufweist, die aus einem elektrisch resistiven Material (Widerstandsmaterial) besteht, einem ersten (62) und zweiten Widerstandssegment (64), die sich jeweils vom Träger aus erstrecken und im elektrisch resistiven Material ein Muster bilden, einem Kopplungssegment (66, 68), das Strom seriell zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstandssegment führt, die im elektrisch resistiven Material ein Muster bilden, und mit einer zweiten Schicht (23) aus einem dielektrischen Material, das einen niedrigen Koeffizienten thermischer Ausdehnung bezüglich des Materials der ersten Schicht (22) aufweist und an der ersten Schicht befestigt ist; und c) einer an das erste Widerstandssegment angeschlossenen ersten Elektrode (42) und einer an das zweite Widerstandssegment angeschlossenen zweiten Elektrode (44) zum Anlegen eines elektrischen Spannungsimpulses zwischen die erste und zweite Elektrode, was zu einer Aktivierungsleistungsdichte im ersten und zweiten Widerstandssegment fuhrt und zu einem Leistungsdichte-Höchstwert innerhalb des Kopplungssegments, was eine Umlenkung des freitragenden Elements in eine zweite Stellung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsdichte-Höchstwert kleiner ist als das Vierfache der Aktivierungsleistungsdichte.
Thermisches Betätigungselement nach Anspruch 1, worin die zweite Schicht über der ersten Schicht ausgebildet ist und das erste Widerstandssegment, das zweite Widerstandssegment und das Kopplungssegment abdeckt.
Thermisches Betätigungselement nach Anspruch 1, worin ein elektrischer Spannungsimpuls eine Aktivierungsstromdichte im ersten und zweiten Widerstandssegment und einen Stromdichte-Höchstwert innerhalb des Kopplungselements erzeugt und worin der Stromdichte-Höchstwert kleiner ist als das Zweifache der Aktivierungsstromdichte.
Thermisches Betätigungselement nach Anspruch 3, worin das erste Widerstandssegment eine erste Breite an einem ersten Verbindungspunkt mit dem Kopplungssegment und das zweite Widerstandssegment eine zweite Breite an einem zweiten Verbindungspunkt mit dem Kopplungssegment aufweist und das Kopplungssegment einen bogenförmigen Abschnitt mit einem kleinsten Innenradius umfasst, der größer ist als Halbfache der kleineren der ersten und zweiten Breite.
Thermisches Betätigungselement nach Anspruch 1, worin das elektrisch resistive Material der ersten Schicht eine nominale Dicke in einem Widerstandsabschnitt der ersten Schicht aufweist, wo das erste und zweite Widerstandssegment ein Muster haben, und eine Kopplungsdicke in einem benachbarten Abschnitt der ersten Schicht aufweist, wo das Kopplungssegment ausgebildet ist, wobei die Kopplungsdicke mindestens zweimal so groß ist wie die nominale Dicke.
Thermisches Betätigungselement nach Anspruch 1, worin das elektrisch resistive Material der ersten Schicht eine nominale Leitfähigkeit in einem Widerstandsabschnitt dieser Schicht aufweist, wo das erste und zweite Widerstandssegment ein Muster haben, und eine im Wesentlichen höhere Kopplungsleitfähigkeit in einem benachbarten Abschnitt der ersten Schicht aufweist, wo das Kopplungssegment ausgebildet ist, wobei die im Wesentlichen höhere Kopplungsleitfähigkeit das Ergebnis einer lokalisierten Modifikation des elektrisch resistiven Materials im benachbarten Abschnitt ist.