DE3443560A1 - Fluessigkeitsstrahl-schreibkopf - Google Patents

Fluessigkeitsstrahl-schreibkopf

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopf, der ein Aufzeichnen ausführt, indem eine Flüssigkeit ausgespritzt wird, um fliegende Flüssigkeitströpfchen zu bilden.
Flüssigkeits- oder Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren finden in jüngerer Zeit verstärkte Aufmerksamkeit und Beachtung wegen solcher Vorteile, daß die Geräuschentwicklung während des Aufzeichnens oder Schreibens vernachlässigbar gering ist, daß ein Schreiben mit hoher Geschwindigkeit möglich ist und daß das Aufzeichnen auch auf sog. Glatt- oder Normalpapier ohne die Notwendigkeit für eine besondere Fixierungsbehandlung vorgenommen werden kann.
Unter diesen Verfahren weisen die in der JP-Patent-Offenlegungsschrift Nr. 51 837/1979 und in der DE-OS 28 43 064 beschriebenen Verfahren ein besonderes Merkmal auf, das sie von anderen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsverfahren unterscheidet, indem die Antriebskraft zum Ausstoßen der Flüssigkeitströpfchen dadurch erhalten wird, daß man Wärmeenergie auf eine Flüssigkeit einwirken läßt.
Im einzelnen macht gemäß den in den o.a. genannten Schriften offenbarten Verfahren die Flüssigkeit, auf die durch die Wärmeenergie eingewirkt worden ist, eine Zustandsänderung durch, die von einer abrupten Volumenvergrößerung begleitet ist, und durch die auf der Zustandsänderung beruhende und einwirkende Kraft wird Flüssigkeit durch eine Strahlöffnung an der Stirnseite eines Abschnitts des Schreibkopfes ausgestoßen, so daß fliegende Flüssigkeitströpfchen gebildet werden, die auf das zu beschriftende Material fest aufgebracht werden, womit also eine Aufzeichnung bewirkt wird.
Das in der DE-OS 28 43 064 offenbarte Aufzeichnungsverfahren ist insbesondere nicht nur mit hoher Wirksamkeit für das sog. Punktschrift-Aufzeichnungsverfahren anwendbar, sondern kann in einfacher Weise auch bei einem Aufzeichnungs- oder Schreibkopf verwirklicht werden, bei dem der aufzeichnende Teil des Kopfes mit vielen öffnungen, die dicht beieinander liegen, ausgestattet ist, der Kopf also von der Vollinien-Bauart ist, womit es möglich ist, Abbildungen mit einer hohen Auflösung sowie hohen Qualität bei hoher Geschwindigkeit zu erzeugen.
Der aufzeichnende Teil des Kopfes einer für das oben erwähnte Verfahren zur Anwendung kommenden Vorrichtung hat eine Flüssigkeitsauslaßsektion, die mit einer Strahlöffnung zum Ausstoßen von Flüssigkeit versehen ist, einen Flüs-
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sigkeitsströmungsweg, der mit der Strahlöffnung verbunden ist sowie ein durch Wärme wirkendes Bauteil, an dem thermische Energie auf die Flüssigkeit einwirkt, um Flüssigkeitströpfchen abzugeben, aufweist, und einen elektrothermischen Wandler als Einrichtung zur Erzeugung von Wärmeenergie.
Der elektrothermische Wandler hat ein Elektrodenpaar und eine wärmeerzeugende Widerstandslage oder -schicht, die mit den beiden Elektroden verbunden ist, sowie einen zwischen diesen Elektroden liegenden Bereich zur Wärmeerzeugung (Wärmeerzeugungsabschnitt).
Zur Erläuterung des Standes der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird auf die Fig. IA - IC der beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
Fig. IA eine Frontansicht eines Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopfes in einer typischen, beisoielhaften Ausführungsform mit Blick auf die Strahlöffnungen;
Fig. IB einen Querschnitt nach der Linie X - Y in der Fig. IA;
Fig. IC eine Draufsicht auf ein Substrat.
Der Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopf 100 weist Strahlöffnungen 104 sowie Flüssigkeitsauslaßsektionen 105 auf, welche durch Ankleben einer Nuten- oder Kehlenplatte 103 an ein Substrat 102 gebildet sind. Die Nutenplatte 103 weist eine bestimmte Zahl von Nuten bestimmter Tiefe und Breite auf, die in vorbestimmter Liniendichte zueinander angeordnet sind. Das Substrat 102 ist an seiner Oberfläche mit einem diese abdeckenden elektrothermischen Wandler 101 versehen. Der in den Fig. IA - IC dargestellte Schreibkopf hat eine Mehrzahl von Strahlöffnungen 104, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern kann auch bei
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einem Schreibkopf mit einer einzigen Strahlöffnung zur Anwendung kommen.
Die Flüssigkeitsauslaßsektion 105 geht an ihrem Frontende in die Strahlöffnung 104 über und hat ein durch Wärme wirkendes Bauteil 106, das im folgenden als wärmewirksames Bauteil bezeichnet wird und an dem vom elektrothermischen Wandler 101 erzeugte Wärmeenergie auf eine Flüssigkeit einwirkt, um eine Blase zu erzeugen sowie eine abrupte Zustandsänderung durch Expansion und Schrumpfung ihres Volumens zu bewirken.
Das wärmewirksame Bauteil 106 ist über dem Wärmeerzeugungsabschnitt 107 des Wandlers 101 angeordnet und hat eine durch Wärme wirkende (wärmewirksame) Fläche 108, die eine Bodenfläche darstellt, welche mit der Flüssigkeit im Abschnitt 107 in Berührung ist.
Der Wärmeerzeugungsabschnitt 107 besteht aus einer auf einem Träger 115 ruhenden unteren Lage 109, einer darauf befindlichen wärmeerzeugenden Widerstandslage 110 sowie einer wiederum auf dieser befindlichen ersten Schutzschicht 111. Die wärmeerzeugende Widerstandslage 110 ist an ihrer Oberfläche mit einen Strom durch die Lage 110 schickenden Elektroden 113 und 114 versehen. Die Elektrode 113 ist eine den Wärmeerzeugungsabschnitten der jeweiligen Flüssigkeitsauslaßsektionen gemeinsame Elektrode, während die Elektrode 114 eine Auswahlelektrode ist, um den Wärmeerzeugungsabschnitt jeder Flüssigkeitsauslaßsektion für eine Wärmeerzeugung auszuwählen, die längs des Strömungsweges der Flüssigkeitsauslaßsektion vorgesehen ist.
Die erste Schutzschicht 111 soll die Funktion erfüllen, die wärmeerzeugende Widerstands lage 110 von der den Strömungsweg der Auslaßsektion füllenden Flüssigkeit zu trennen, um die Widerstandslage 110 chemisch oder physikalisch gegen
die am Wärmeerzeugungsabschnitt 107 verwendete Flüssigkeit zu schützen, und sie hat eine Schutzfunktion für die wärmeerzeugende Widerstandslage, um einen Kurzschluß durch die Flüssigkeit zwischen den Elektroden 113 und 114 zu verhindern. Ferner dient diese erste Schutzschicht 111 auch der Verhinderung einer elektrischen Streuung zwsichen benachbarten Elektroden. Insbesondere ist eine Unterbindung einer elektrischen Streuung (eines Lecks) zwischen den jeweils ausgewählten Elektroden und/oder eine Unterbindung einer elektrischen Korrosion durch einen elektrischen Stromfluß zwischen der Elektrode unter jedem Strömungsweg und der Flüssigkeit, die aus welchem Grund auch immer miteinander in Kontakt kommen können, von Bedeutung, und zu diesem Zweck ist die eine solche Schutzfunktion ausübende erste Schutzschicht 111 wenigstens an der unter dem Strömungsweg für die Flüssigkeit befindlichen Elektrode vorgesehen.
Ferner ist der an jeder Flüssigkeitsauslaßsektion vorhandene Strömungsweg stromauf an eine (nicht gezeigte) gemeinsame Flüssigkeitskammer, die der Speicherung der dem Strömungsweg zuzuführenden Flüssigkeit dient, angeschlossen, und die mit dem elektrothermi.schen Wandler an jeder Flüssigkeitsauslaßsektion verbundene Elektrode wird gemeinhin aus Gründen der einfacheren Konstruktion oder Gestaltung so vorgesehen, daß sie unter der o.a. gemeinsamen Flüssigkeitskammer an der stromauf vom wärmewirksamen Bauteil liegenden Seite hindurchgeht. Demzufolge ist es allgemein übliche Praxis, die obere Schicht, d.h. die erste Schutzschicht, an diesem Teil eben auszubilden, um einen Kontakt zwischen der Elektrode und der Flüssigkeit zu verhindern.
Wie oben gesagt wurde, ist an der wärmeerzeugenden Widerstandslage 110 eine erste, obere Schutzschicht 111 vorgesehen, die die Widerstandsschicht chemisch und/oder
physikalisch gegen die verwendete Flüssigkeit schützen und einen Kurzschluß zwischen den Elektroden über die Flüssigkeit verhindern soll. Das Material für die Schutzschicht 111 sollte in bezug auf die Abdeckungseigenschaften vorzugsweise ein organisches Harz sein, das aber für den Wärmeerzeugungsabschnitt 107 auf Grund der geringen Hitzebeständigkeit nicht verwendet werden kann. Deswegen hat man, um die Hitzebeständigkeit zu verbessern, die Schicht dicker gemacht und aus organischen Oxyden, Metalloxyden usw., die recht ausgezeichnete Werte in bezug auf Wärmeleitfähigkeit und Hitzebeständigkeit bieten, durch Dampfabscheidungs-, Aufsprüh-, chemische Dampfniederschlagsverfahren usw. gebildet.
Wenngleich die Hitzebeständigketi durch eine dickere Schicht 111 verbessert werden kann, so wird jedoch die in der wärmeerzeugenden Widerstands lage 110 entwickelte Wärmeenergie in der oberen Schicht verlorengehen, womit die auf die Flüssigkeit einwirkende Wärmeenergie vermindert wird. Demzufolge muß, um zu gewährleisten, daß eine ausreichende Energiemenge auf die Flüssigkeit einwirkt, die erzeugte Energiemenge vergrößert werden, was wiederum - neben einem höheren Energieverbrauch - zu einer Beschleunigung in der Minderung oder Zerstörung der wärmeerzeugenden Widerstandsschicht führt.
Andererseits wird die Dicke der Elektroden so bestimmt, daß unter Berücksichtigung des Werts des Schaltungswiderstands und anderer Voraussetzungen oder Bedingungen die Zuverlässigkeit gewährleistet wird. Die obere Schicht 111 muß eine Dicke haben, die ausreichend ist, um die zwischen dem Wärmeerzeugungsabschnitt 107 und dem Teil, in dem die Elektroden angeordnet sind, erzeugte Höhendifferenz (Stufe) zu bedecken. Falls nun die Dicke der Elektroden größer wird, so muß demzufolge auch die Stärke der oberen
Schicht 111 dicker werden, wobei aber die die Stirn-oder Endbereiche der Elektroden abdeckende Schicht 111, wie Fig. IB erkennen läßt, das Bestreben hat, dünner zu werden. Solch ein dünner Teil der Schicht ist für die Entstehung von Rissen bei der Wärmeerzeugung empfindlich, womit sich ein Problem im Hinblick auf die Beständigkeit und Haltbarkeit auftut.
Die Erfindung geht von den oben herausgestellten, dem Stand der Technik eigenen Punkten aus und hat sich zum Ziel gesetzt, einen Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopf zu schaffen, der eine insgesamt ausgezeichnete Beständigkeit im häufig wiederholten oder dauernden Gebrauch für eine lange Zeit hat und die anfangs guten Eigenschaften in bezug auf eine Tröpfchenbildung für eine lange Zeitdauer stabil einhalten kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung eines Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopfes, der mit hoher Zuverlässigkeit bei der Herstellung bearbeitet werden kann, der trotz seiner hervorragenden Qualitäten im Betrieb unkompliziert gefertigt werden kann und der - auch als Schreibkopf der Bauart mit vielen Strahlöffnungen - eine hohe Schreibleistung bietet.
Der Flüssigketisstrahl-Schreibkopf gemäß der Erfindung mit einem elektrothermischen Wandler, der eine auf einem Substrat ausgebildete wärmeerzeugende Widerstandslage hat, mit einem Paar von elektrisch mit der Widerstandslage verbundenen Elektroden versehen ist, die einander gegenüber mit einem zwischenliegenden Spalt angeordnet sind und zwischen denen ein Wärmeerzeugungsabschnitt vorgesehen ist, der eine dem elektrothermischen Wandler entsprechende Flüssigkeitsauslaßsektion hat, die eine Strahlöffnung zur Bildung von fliegenden Flüssigkeitströpfchen und einen
mit dieser Strahlöffnung verbundenen Flüssigkeitsströmungsweg aufweist, in dem ein einen Teil dieses Weges bildendes wärmewirksames Bauteil angeordnet ist, an welchem Wärmeenergie auf eine Flüssigkeit zur Bildung der fliegenden Flüssigkeitströpfchen einwirkt, und der mit einer die dem Flüssigkeitströmungsweg zuzuführende Flüssigkeit speicherndenKammer versehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in der Nachbarschaft von wenigstens dem Teil, der mit dem Wärmeerzeugungsabschnitt in Berührung ist, dünner ausgebildet sind als in anderen Teilen der Elektroden.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen deutlich. Es zeigen:
Fig. 2A einen zu Fig. IB gleichartigen Querschnitt durch
einen Schreibkopf gemäß der Erfindung; Fig. 2B eine zu Fig. IC gleichartige Draufsicht auf einen
gemäß Fig. 2A ausgebidleten Schreibkopf; Fig. 3 und 4 zu Fig. 2A gleichartige Querschnitte von weiteren Ausführungsformen gemäß der Erfindung.
Der Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopf 200 weist als Hauptteil ein Substrat 202 auf, arbeitet mit Wärme zum Ausfördern von Flüssigkeit und ist mit einer gewünschten Anzahl von elektrothermischen Wandlern 201 sowie einer Kehlen- oder Nutenplatte 203 mit einer der Zahl der Wandler 201 entsprechenden Zahl von Nuten versehen.
Das BJ-Substrat 202 und die Nutenplatte 203 sind an vorbestimmten Stellen miteinander über einen Kleber oder andere Mittel haftend verbunden, wobei ein Flüssigkeitsströmungsweg 205 durch denjenigen Teil des Substrats 202, an dem der elektrothermische Wandler 201 vorgesehen ist, und den genuteten Teil der Nutenplatte 203 gebildet wird.
in dem ein einen Teil dieses Strömungsweges 205 bildendes, durch Wärme wirkendes (wärmewirksames) Bauteil 206 vorhanden ist.
Das BJ-Substrat 202 hat einen Träger 215, der aus Silizium, Glas, Keramik usw. besteht, und eine untere, aus SiO- od. dgl. gebildete, auf dem Träger 215 befindliche Lage 209, auf der eine wärmeerzeugende Widerstandslage 210 vorgesehen ist. Eine gemeinsame Elektrode 213 und eine längs des Strömungsweges 205 verlaufende Auswahlelektrode 214 sind auf der oberen Fläche der wärmeerzeugenden Widerstands lage 210 auf zwei Seiten vorgesehen, und eine erste Schutzschicht 211 bedeckt die Teile der Widerstandslage 210, die nicht von den Elektroden 213, 214 abgedeckt sind. Eine zweite Schutzschicht 212 ist oberhalb der Auswahlelektrode auf der oberen Fläche der ersten Schutzschicht 211 ausgebildet.
Der elektrothermische Wandler 201 hat als sein Hauptteil einen Wärmeerzeugungsabschnitt 207, der laminiert ist, wobei vom Träger 215 ausgehend die untere Lage 209, die wärmeerzeugende Widerstands lage 210 und die erste Schutzschicht 211 aufeinanderfolgen. Die obere Fläche der ersten Schutzschicht 211 ist die wärmewirksame Fläche und unmittelbar mit der den Strömungsweg 205 ausfüllenden Flüssigkeit in Berührung.
Die Oberfläche der Auswahlelektrode 214 ist dagegen von einer oberen Schicht abgedeckt, die in der Hauptsache aus der ersten Schutzschicht 211 und einer auf dieser befindlichen zweiten Schutzschicht 212 besteht, wobei diese obere Schicht in dieser Form auch an der Bodenseite der gemeinsamen, stromauf vom Strömungsweg 205 befindlichen Flüssigkeitskammer 216 vorgesehen ist.
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Da, wie Fig. 2A zeigt, die Elektroden 213 und 214 unter Berücksichtigung des Anstiegs im Widerstandswert und der Zuverlässigkeit in der Nachbarschaft desjenigen Teils, der mit dem Wärmeerzeugungsabschnitt 207 in Berührung ist, dünner ausgebildet sind als in ihren anderen Teilen, ist der Höhenunterschied oder die Stufe zwischen den Elektroden 213, 214 und der Oberfläche der wärmeerzeugenden Widerstandslage 210 klein, wie auch die Stufe zwischen dem dünneren und dem dickeren Teil der Elektroden gering ist. Deshalb kann die erste Schutzschicht 211 in zufriedenstellender, den Anforderungen genügender Weise ausgebildet werden, da nur solch kleine Stufen zu überdecken sind, so daß auch in der Schutzschicht selbst kein dünnes Teil (im Gegensatz zu Fig. IB) gebildet wird.
Im Fall des in Fig. 2A und 2B gezeigten Schreibkopfes 200 hat die auf der gemeinsamen Elektrode 213 befindliche Decklage einen Aufbau ohne eine zweite Schutzschicht 212. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht begrenzt, denn auch über dieser Elektrode 213 kann eine zweite Schutzschicht 212 wie über der Auswahlelektrode 214 ausgestaltet sein. Da jedoch im Fall des in Fig. 2A und 2B gezeigten Schreibkopfes die Stufe zwischen der den Flüssigkeitstromungsweg 205 auf der Strahlöffnungsseite bestimmenden Fläche in jeder Flüssigkeitsauslaßsektion und der Oberfläche der wärmewirksamen Fläche 208 klein sein kann, ist die Bodenfläche des Strömungsweges im Vergleich zu dem Fall, da auch auf der gemeinsamen Elektrode 213 eine zweite Schutzschicht vorgesehen wird, verhältnismäßig glatt, weshalb die Flüssigkeit ruhig fließen kann, was eine stabile Tröpfchenbildung ermöglicht. Wenn jedoch die Stufe zwischen der bestimmenden Fläche auf der Strahlöffnungsseite mit Bezug zur wärmewirksamen Fläche 208 im Vergleich mit der Strecke zwischen der oberen Fläche des Strömungsweges 205 und der wärmewirksamen Fläche 208 im wesentlichen vernachlässigbar klein ist, dann wird die Stabilität in der
Tröpfchenbildung dadurch nicht bemerkenswert beeinflußt. Demzufolge ist es innerhalb eines solchen Bereichs möglich, eine zweite Schutzschicht an der Decklage der gemeinsamen Elektrode an der Strahlöffnungsseite in bezug zur wärmewirksamen Fläche 208 anzubringen oder nicht.
Als Material zur Ausbildung der ersten Schutzschicht 211 kann in geeigneter Weise ein anorganisches Isoliermaterial mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit und Hitzebeständigkeit zur Anwendung kommen, z.B. anorganische Oxyde, wie SiO- usw; und es können verwendet werden: Übergangsmetalloxyde, wie Titan-, Vanadium-, Niob-, Molybdän-, Tantal-, Wolfram-, Chrom-, Zirkon-, Hafnium-, Lanthan-, Yttrium-, Manganoxyde od. dgl., Metalloxyde, wie Aluminium-, Kalzium-, Strontium-, Barium-, Siliziumoxyd und Komplexe davon, Nitride von hohem spezifischem Widerstand, wie Silizium-, Aluminium-, Bor-, Tantalnitrid usw. und Komplexe dieser Oxyde sowie Nitride, ferner Dünnschichtmaterialien, wie Halbleiter aus amorphem Silizium, Selen usw., die als Masse einen niedrigen Widerstand haben, jedoch über Fertigungsschritte als einen hohen Widerstand aufweisend ausgebildet werden können, z.B. durch ein Sprüh-, chemisches Aufdampf-, Dampfniederschlags-, Gasphasenreaktions-, Flüssigüberzugsverfahren und andere Verfahren.
Die zweite Schutzschicht 212 wird aus einem organischen Isoliermaterial gebildet, das ausgezeichnete Eigenschaften in bezug auf eine Unterbindung eines Flüssigkeitsdurchgangs und einen Flüssigkeitswiderstand hat. Ferner ist es erwünscht, daß dieses Material die folgenden physikalischen Eigenschaften hat: 1. eine gute Filmbildungsfähigkeit, 2. eine dichte Struktur mit nur wenigen feinen Löchern (Poren), 3. kein Quellen oder Lösen in der zur Anwendung gelangenden Flüssigkeit (Tinte), 4. eine gute Isolierfähigkeit im filmartigen Zustand und 5. eine hohe Wärmebestän-
digkeit. Derartige organische Materialien umfassen beispielsweise die folgenden Harze: Silikon-, Fluorharz, aromatische Polyamide, Ädditionspolymerisations-Polyimide, PoIybenzimidazol, Metallchelatpolyraeres, Titansäureester, Epoxyharz, Phthalsäureharz, wärmehärtbares Phenolharz, p-Vinylphenolharz, Ziroxharz, Triazinharz, BT-Harz (Triazinharz und Bismaleimid-Additionspolymerisatharz) und andere. Darüber hinaus ist es möglich, die zweite Schicht 212 durch Dampfniederschlag eines PolyxyIylenharzes oder Derivaten davon zu bilden.
Ferner kann die zweite Schutz-schicht212 auch durch eine Filmbildung gemäß Plasmapolymerisation unter Verwendung verschiedener organischer Monomere gebildet werden, die beispielsweise einschließen; Thioharnstoff, Thioazet - amid, Vinylferrozen, 1,3,5-Trichlorobenzol, Chlorbenzol, Vinylbenzol, Ferrozen, Pyrrolin, Naphthalen, Pentamethylbenzol, Nitrotoluol, Akrylonitril, Diphenylselenid, p-Toluidin, p-Dimethylbenzol, N,N-Dimethyl-p-Toluidin, Toluol, Aminobenzol, Diphenyl-Quecksilber, Hexamethylbenzol, Malononitril, Tetrazyanäthylen, Thiophen, Benzolselenol, Tetrafluoräthylen, Äthylen, N-Nitrosodiphenylamin, Azetylen, 1,2,4-Trichlorobenzol, Propan und andere.
Wenn jedoch ein Schrejbkopf mit vielen dicht beieinander liegenden Strahlöffnungen geschaffen werden soll, kann ein zu den oben genannten Materialien unterschiedliches Material zur Bildung der zweiten Schutzschicht 212 verwendet werden, das sehr leicht einem sehr genauen lithographischen Arbeitsvorgang unterworfen werden kann. Als Beispiele für solche organischen Materialien sind zu nennen ein Polyimidisoindoloqunazolindion (Handelsname: PIQ, hergestellt von Hitachi Kasei Co.), ein Polyimidharz (Handelsname: Pyralin, hergestellt von Du Pont), ein zyklisiertes Polybutadien (Handelsname: JSR-CBR, CBR-M9O1,
hergestellt von Japan Synthetic Rubber Co.), Photonith (Handelsname für ein von Toray Co. hergestelltes Produkt) und andere lichtempfindliche Polyimidharze als bevorzugte Materialien.
Es ist auch möglich, als äußerste Schicht noch eine dritte Schutzschicht aufzubringen, deren hauptsächliche Rolle darin zu sehen ist, einen Flüssigkeitswiderstand und eine Stärkung in der mechanischen Festigkeit zu vermitteln. Diese dritte Schicht wird als die äußerste vorgesehen, und zwar im wesentlichen über der gesa-mten Oberfläche des BJ-Substrats, die möglicherweise mit der Flüssigkeit in solchen Bereichen, wie dem Strömungsweg 205 und der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 216 in Berührung kommen kann, und diese Schicht wird aus einem Material gebildet, das zäh ist, verhältnismäßig ausgezeichente mechanische Festigkeit aufweist und eng mit der ersten sowie zweiten Schicht 211, 212 in Berührung sowie daran zum Haften gebracht werden kann, z.B. ein metallisches Material, wie Tantal, wenn die Schicht 211 aus SiO2 gebildet ist. Auf diese Weise kann durch Vorsehen der dritten Schicht aus einem anorganischen Material, das bei ausreichender mechanischer Festigkeit zäh ist, wie z.B. ein Metall, an der Oberflächenschicht des Substrats, insbesondere an der wärmewirksamen Fläche 208, der Stoß oder die Erschütterung aus einer bei Ausstoß der Flüssigkeit erzeugten Kavitationswirkung ausreichend weit absorbiert werden, um eine Verlängerung in der Standzeit des elektrothermischen Wandlers 201 in großem Ausmaß zu erreichen.
Als Material zur Bildung der dritten Schicht können neben dem bereits erwähnten Ta die Elemente der Gruppe IUa der Tabelle des periodischen Systems der Elemente, wie Se, Y und andere, die Elemente der Gruppe IVa, wie Ti, Zr, Hf u.a., die Elemente der Gruppe Va, wie V, Nb u.a., die Elemente der Gruppe VIa, wie Cr, Mo, W u.a., die Elemente
der Gruppe VIII, wie Fe, Co, Ni u.a., verwendet werden. Ferner können Legierungen der obigen Metalle, wie Ti-Ni, Ta-W, Ta-Mo-Ni, Ni-Cr, Fe-Co, Ti-W, Fe-Ti, Fe-Ni, Fe-Cr, Fe-Ni-Cr u.a., Boride der obigen Metalle, wie Ti-B, Ta-B, Hf-B, W-B u.a., Karbide der obigen Metalle, wie Ti-C, Zr-C, V-C, Ta-C, Mo-C, Ni-C u.a., Suizide der obigen Metalle, wie Mo-Si, W-Si, Ta-Si u.a., Nitride der obigen Metalle, wie T-N, Nb-N, Ta-N u.a., sowie weitere Materialien zur Anwendung kommen. Die dritte Schicht kann unter Verwendung dieser Materialien mittels eines Dampfniederschlags-, Sprüh-, eines chemischen AufdampfVerfahrens usw. gebildet werden. Die dritte Schicht kann, wie beschrieben wurde, eine einzelne Schicht sein oder es können alternativ einige dieser Materialien als Schichten kombiniert werden. Auch kann anstelle einer einzelnen Lage für die dritte Schicht diese Schutzschicht mit dem Material der ersten Schutzschicht kombiniert werden.
Die untere Lage 209 ist als eine Lage vorgesehen, die den Fluß der primär vom Wärmeerzeugungsabschnitt 207 hervorgerufenen Wärme zur Seite des Trägers 215 hin steuert. Die Wahl des Materials und das Auslegen der Stärke der unteren Lage 209 werden so getroffen, daß, wenn der Wärmeenergie die Möglichkeit gegeben wird, am wärmewirksamen Bauteil 206 auf die Flüssigkeit einzuwirken, die vom Wärmeerzeugungsabschnitt 207 hervorgerufene Wärme gesteuert werden kann, in größerer Menge zu fließen, während bei Abschalten des Stromes zum elektrothermischen Wandler 2Ol die im Wärmeerzeugungsabschnitt 207 verbleibende Wärme rasch zur Seite des Trägers 215 fließen kann. Als Beispiel für die der Ausbildung der unteren Lage 209 dienenden Materialien können neben dem bereits erwähnten SiO~ noch anorganische Materialien, in typischer Weise Metalloxyde, wie Zirkon-, Tantal-, Magnesium-, Aluminiumoxyd usw., genannt werden.
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Für das die wärmeerzeugende Widerstands lage 210 bildende Material ist es möglich, die meisten derjenigen Materialien zu verwenden, die durch einen elektrischen Stromfluß nach Wunsch Wärme erzeugen können.
Insbesondere kommen hierfür beispielsweise Materialien zur Anwendung, wie Tantalnitrid, Nickel-Chrom, Silber-Palladium-Legierung, Silizium-Halbleiter, oder Metalle, wie Hafnium, Lanthan, Zirkon, Titan, Tantal, Wolfram, Molybdän, Niob, Chrom, Vanadium usw., oder Legierungen sowie in bevorzugter Weise Boride von diesen.
Aus den die wärmeerzeugende Widerstandslage 210 bildenden Materialien sind vor allem Metallboride hervorzuheben, von denen eines als ganz ausgezeichnet zu erwähnen ist, und das ist Hafniumborid, das die besten Eigenschaften zeigt. Dieser Verbindung folgen dann Zirkon-, Lanthan-, Vanadium- und Niobborid in ihrer Güte in der angegebenen Reihenfolge.
Die wärmeerzeugende Widerstands lage 210 kann unter Verwendung der o.a. Materialien nach einem Elektronenstrahl-Auf dampf- oder Sprühverfahren gebildet werden.
Für die Elektroden 213 und 214 können die meisten der üblichen Elektrodenmaterialien mit guter Wirksamkeit verwendet werden, z.B. Metalle, wie Al, Ag, Au, Pt, Cu und andere. Zur Ausbildung der Elektroden kann ein Verfahren Anwendung finden, wonach die Elektroden zuerst durch Dampfniederschlag und dann die dünn auszubildenden Teile in einem Trockenoder Naßätzverfahren bearbeitet werden, ferner ein Verfahren, wonach die Elektroden zuerst dünn ausgestaltet werden, worauf eine Schichtenbildung unter Maskierung des dünn zu haltenden Teils ausgeführt wird, oder ein sog. lift-off-Verfahren (Formverfahren). Die Stärke am dünneren Teil
kann 30 - 3000 A betragen, während der gemäß üblicher
Praxis dicke Teil eine Stärke von 1000 A - lyum hat. Es
wird vorgezogen, die Dicke wenigstens auf dem Bereich innerhalb von 0,5jum vom Rand oder Endteil der wärmewirksamen Fläche 208 geringer zu machen.
Was die Materialien angeht, die als Bestandteil für die stromauf der Nutenplatte 203 und des wärmewirksamen Bauteils 206 liegende gemeinsame Flüssigkeitskammer 215 in Frage kommen, so sind die meisten Materialien hierfür verwendbar, solange sie im wesentlichen frei gegen eine Beeinflussung ihrer Gestalt durch die Wärme während des Arbeitens des Schreibkopfes sind, frei gegen Umwelteinflüsse im Gebrauch sind und in einem äußerst genauen Präzisionsbearbeitungsverfahren leicht bearbeitet werden können, wobei ihre Oberflächengüte und/oder-genauigkeit gut zu erhalten ist und wobei die Bearbeitung derartig möglich ist, daß die Flüssigkeit ungehindert und glatt durch die bei dieser Bearbeitung erzeugten Strömungskanäle fließen kann.
Typische Beispiele für solche Materialien sind Keramik, Glas, Metall, Kunststoff- oder Silizium-Plättchen (Wafer), von denen Glas oder Silizium als zu bevorzugende zu nennen sind, da hier eine leichte Bearbeitung, eine geeignete Wärmebeständigkeit, ein geeigneter Wärmedehnungskoeffizient und eine geeignete Wärmeleitfähigkeit gegeben sind. Um zu verhindern, daß die Außenseite der Strahlöffnung von Leckflüssigkeit umgeben wird, ist es vorzuziehen, an der die Strahlöffnung 204 umgebenden Außenfläche im Fall einer wäßrigen Flüssigkeit eine wasserabstoßende, im Fall einer nicht-wäßrigen Flüssigkeit eine ölabstoßende Behandlung vorzunehmen.
Die Strahlöffnung 204 kann in einem sequentiellen Verfahren gebildet werden, indem ein lichtempfindliches Harz auf das Substrat 202 aufgebracht wird, in einem photolithographischen Vorgang ein Schema ausgebildet und dann auf
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dieses eine Deckplatte aufgebracht ("aufgeputzt") wird.
Die Fig. 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsformen für den Erfindungsgegenstand. Bei der Ausführungsform von Fig. 3 weisen die dünn ausgestalteten Teile der Elektroden 213,214 einen doppellagigen Aufbau auf, wobei die obere Lage als eine ätzbeständige ausgeführt wird, um ein leichteres Ätzen der ferner daran ausgebildeten Elektrode zur gewünschten Größe und Gestalt zu bewirken. Ohne die A bildung der dünnen Teile der Elektroden als doppellagiger Aufbau kann ein ausgewähltes Ätzen von nur der oberen Lage auch ermöglicht werden, indem der dünne und der nicht-dünne Teil aus unterschiedlichen Arten von Materialien gebildet werden, und zwar wird ein Material mit einer Ätzbeständigkeit für den dünnen und ein relativ gut ätzbares Material für den dicken Teil gewählt.
Bei der Ausführungsform von Fig. 4 sind alle die unter dem Strömungsweg 205 ausgebildeten Teile der Elektroden dünn ausgestaltet. Dabei kann die Bildung der zweiten Schutzschicht unterbleiben, womit die Arbeitsschritte vermindert werden. Auch bei dieser Ausgestaltung können die Elektroden einen mehrlagigen Aufbau haben.
Zur Erläuterung der Erfindung wird ein Beispiel gegeben.
Der Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopf von Fig. 2 wurde gemäß den folgenden Verfahrensschritten hergestellt.
Ein Si-Wafer wurde thermisch oxydiert, so daß ein SiO--FiIm mit einer Stärke von 5^m gebildet wurde, der ein Substrat darstellen sollte. Auf diesem Substrat wurde durch Aufsprühen eine wärmeerzeugende Widerstandslage aus HfB9
O ^
mit einer Stärke von 1500 A gefertigt, woran sich eine
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Ablagerung einer Ti-Schicht von 50 A und einer Al-Schicht
von 5000 A gemäß einem Elektronenstrahl-Aufdampfverfahren anschloß.
Mit Hilfe photolithographischer Schritte wurde das in Fig. 2B gezeigte Schema gebildet, wobei die Größe der wärmewirksamen Fläche mit 30 ^m in der Breite und 150 /-im in der Länge bei einem Widerstand von 150 Ohm, einschließlich des Elektrodenwiderstands, ausgelegt wurde.
Anschließend wurden die Elektroden innerhalb eines Bereichs von 1 /jra vom Ende der wärmewirksamen Fläche durch Trocken-
ätzen auf eine Stärke von 2500 A gebracht.
Im nächsten Schritt wurde als die erste Schutzschicht 211 über die gesamte Oberfläche des Substrats SiO„ laminiert, und zwar durch ein Hochleistungsaufsprühen der Magnetronart. Die Dicke der ersten Schutzschicht war am Träger an den Teilen ohne wärmeerzeugende Widerstands lage und Elektroden 2,0/<m und l,8yum an der Widerstands lage und den Elektroden, womit sich eine in den Kennwerten ausgezeichnete Abdeckung an den Stufen ergab. Anschließend wurde Photonith (Handelsname, hergestellt von Toray Co.) als zweite Schutzschicht 212 an dem schraffierten Teil in Fig. 2B in einem photolithographischen Prozeß aufgebracht, um ein BJ-Substrat zu erhalten.
Auf diesem BJ-Substrat wurde dann eine genutete Glasplatte in bestimmter Weise angeklebt, d.h., es wurde, wie Fig. 2A zeigt, eine genutete Glasplatte (Nutenabmessung: Breite 50 um χ Tiefe 50yUm χ Länge 2 mm) zur Ausbildung von Tintenströmungswegen und eines wärmewirksamen Bauteils am BJ-Substrat festgeklebt.
Es hat sich gezeigt, daß der auf diese Weise gebildete Schreibkopf deutlich in bezug auf seine Merkmale im Hinblick auf eine Abdeckung des abgestuften Teils der Elektroden verbessert war. Ferner hat sich gezeigt, daß ein sehr geringer Anstieg im Wert des Schaltungswiderstands festzustellen war. Als Gesamtergebnis konnte festgestellt werden, daß der Schreibkopf ausgezeichnete Eigenschaften in bezug auf seine Beständigkeit insgesamt während häufig sich wiederholenden und während dauernden Einsatzes für eine lange Zeit bietet und daß die in der Anfangszeit vorhandenen guten Kennwerte bezüglich einer Tröpfchenbildung stabil über eine lange Zeit eingehalten werden können.
Durch die Erfindung wird es somit auch ermöglicht, Flüssigkeitsstrahl-Schreibköpfe mit hoher Zuverlässigkeit sowie Güte in den Fertigungsschritten und darüber hinaus mit einer hohen Produktionsleistung auch bei der Herstellung von Köpfen mit vielen Strahlöffnungen zu schaffen.
— Leerseite -

Claims (11)

TD.. If f*· - Patentanwälte und EDTKE - DUHLING - IVlNNE - JjlRtfPE Vertreter beim EPA λ /■* O Dipl.-Ing. H.Tiedtke PeLLMANN - IjlRAMS - OTRUIF Dipl.-Chem. G. Bühling Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Ing. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann 3443560 Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif Bavariaring 4, Postfach 8000 München 2 Tel.: 0 89-53 9653 Telex: 5-24 845 tipat Telecopier: 0 89-537377 cable: Germaniapatent Mund 29. November 1984 DE 4439 Patentansprüche
1. Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopf mit einem elektrothermischen Wandler, der eine auf einem Substrat ausgebildete wärmeerzeugende Widerstandslage hat, mit einem Paar von elektrisch mit der Widerstandslage verbundenen Elektroden, die einander gegenüber mit einem zwischenliegenden Spalt angeordnet sind und zwischen denen ein Wärmeerzeugungsabschnitt vorgesehen ist, mit einer dem elektrothermischen Wandler zugeordneten Flüssigkeitsauslaßsektion, die eine Strahlöffnung zur Bildung von fliegenden Flüssigkeitströpfchen und einen mit dieser Strahlöffnung verbundenen Flüssigkeitsströmungsweg aufweist, in dem ein einen Teil dieses Weges bildendes wärmewirksames Bauteil angeordnet ist, an welchem Wärmeenergie auf eine Flüssigkeit zur Bildung der fliegenden Flüssigkeitströpfchen einwirkt, und mit einer die dem
Dresdner Bank (München) Kto 3939844 Deutsche Bank (München! Kto 286 1060 Postscheckamt (München) Kto. 670-43-804
ζ
Flüssigkeitsströmungsweg zuzuführende Flüssigkeit speichernden Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (213, 214) in der Nachbarschaft von wenigstens dem Teil, der mit dem Wärmeerzeugungsabschnitt (207) in Berührung ist, im Vergleich zu anderen Teilen der Elektroden dünner ausgebildet sind.
2. Schreibkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Elektroden (213, 214) eine Schutzschicht angebracht ist.
3. Schreibkopf anch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus mehreren Lagen besteht.
4. Schreibkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (212) aus einem Harz gebildet ist.
5. Schreibkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (212) durch Plasma-Polymerisation eines organischen Monomeren gebildet ist.
6. Schreibkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (212) durch Polyimidoisoindoloquinazolinedion gebildet ist.
7. Schreibkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichent, daß die Schutzschicht (212) aus einem lichtempfindlichen Polyimidharz besteht.
8. Schreibkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Schutzschicht eine Metallschicht ist.
9. Schreibkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der wärmeerzeugenden Widerstandslage (210) des Wärmeerzeugungsabschnitts (207) eine Schutzschicht (211) ausgeb.1 ldet ist.
10. Schreibkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus mehreren Lagen besteht.
11. Schreibkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Schutzschicht eine Metallschicht ist.
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