DE3443560C2 - Flüssigkeitströpfchenschreibkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitströpfchenschreibkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Flüssigkeitströpfchenschreibköpfe dieser Art sind aus der DE 32 31 431 A1, der DE 30 11 919 A1 und der US 4 339 762 bekannt. Die in diesen Druckschriften beschriebenen Flüssigkeitströpfchenschreibkopfe weisen zum Zwecke der Erzeugung von aus einer Düsenöffnung fliegenden Flüssigkeitströpfchen einen innerhalb eines zu der Düsenöffnung führenden Flüssigkeitsströmungsweges angeordneten elektrothermischen Wandler auf. Dieser Wandler besteht aus einer auf einem Substrat aufgebrachten Widerstandslage, zwei auf der Widerstandslage voneinander beabstandet angeordneten Elektroden sowie einer die Elektroden und die dazwischenliegende Widerstandsschicht bedeckende Schutzschicht. Die Schutzschicht muß einerseits möglichst dünn (die Wärmeisolierung soll gering sein) und andererseits möglichst dick (es darf keine Flüssigkeit hindurchtreten) ausgebildet sein. Dies führt zu Schwierigkeiten in der Herstellung und bereitet Probleme bei der Benutzung des Schreibkopfs.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitströpfchenschreibkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß die herkömmliche Dicke der Schutzschicht reduzierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Demnach sind also die Elektroden stufenförmig ausgebildet. Auf diese Weise wird erreicht, daß die relativ große Stufe zwischen der Elektrode und der wärmewirksamen Zone in mehrere kleinere Stufen aufgeteilt wird. Die verringerte Stufenhöhe vermindert das Risiko der Bildung von Rissen in der darauf aufgebrachten Schutzschicht; die Dicke der Schutzschicht kann folglich verringert werden. Auf diese Weise wurde also ein Flüssigkeitströpfchenschreibkopf geschaffen, der im Bereich des elektrothermischen Wandlers eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweist und dabei dennoch die Widerstandsschicht und die Elektroden zuverlässig vor einer unmittelbaren Berührung mit der auszustoßenden Flüssigkeit schützt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1A einen Querschnitt durch einen Schreibkopf gemäß der Erfindung;

Fig. 1B eine Draufsicht auf einen gemäß Fig. 1A ausgebildteten Schreibkopf;

Fig. 2 und 3 Querschnitte von weiteren Ausführungsformen gemäß der Erfindung.

Der Flüssigkeitströpfchenschreibkopf 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 Zahl der Wandler 201 entsprechenden Zahl von Nuten versehen.

Das Substrat 202 und die Nutenplatte 203 sind an vorbestimmten Stellen miteinander über einen Kleber oder andere Mittel haftend verbunden, wobei ein Flüssigkeitsströmungsweg 205 durch den 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 Substrat 202 hat einen Träger 215, der aus Silizium, Glas, Keramik usw. besteht, und eine untere, aus SiO₂ 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 Widerstandslage 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 214 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 Widerstandslage 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.

Da, wie Fig. 1A 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 Elelektroden 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 zweite 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 zum Stand der Technik) gebildet wird.

Im Fall des in Fig. 1A und 1B gezeigten Schreibkopfes 200 hat die auf der gemeinsamen Elektrode 213 befindliche Decklage einen Aufbau ohne eine zweite Schutzschicht 212. Hierauf ist die Ausgestaltung 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. 1A und 1B gezeigten Schreibkopfes 200 die Stufe zwischen der den Flüssigkeitsströmungsweg 205 auf der Strahlöffnungsseite bestimmenden Fläche in jeder Flüssigkeitsauslaßsektion und der Oberfläche der wärmewirksamen Fläche 208 klein sein kann, ist die Bodenfläche des Strömungsweges 205 im Vergleich zu dem Fall, da auch auf der gemeinsamen Elektrode 213 eine zweite Schutzschicht 212 vorgesehen wird, verhältnismäßig glatt, weshalb die Flüssigkeit ruhig fließen kann, was eine stabile Tröpfchenbildung ermöglicht. Wenn jedoch die Stufe zwischen der bestimmten 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 212 an der Decklage der gemeinsamen Elektrode 213 an der Strahlöffnungsseite in bezug zur wärmewirksamen Fläche 208 anzubringen oder nicht.

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 213, 214 kann ein Verfahren Anwendung finden, wonach die Elektroden 213, 214 zuerst durch Dampfniederschlag und dann die dünn auszubildenden Teile in einem Trocken- oder Naßätzverfahren bearbeitet werden, ferner ein Verfahren, wonach die Elektroden 213, 214 zuerst dünn ausgestaltet werden, worauf eine Schichtenbildung unter Maskierung des dünn zu haltenden Teils ausgeführt wird, oder ein sogenanntes lift-off- Verfahren (Formverfahren). Die Stärke am dünneren Teil kann 30-3000 Å betragen, während der gemäß üblicher Praxis dicke Teil eine Stärke von 1000 Å-1 µm hat. Es wird vorgezogen, die Dicke wenigstens auf dem Bereich innerhalb von 0,5 µm vom Rand oder Endteil der wärmewirksamen Fläche 208 geringer zu machen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen weitere Ausführungsformen für den Erfindungsgegenstand. Bei der Ausführungsform von Fig. 2 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 Elektroden 213, 214 zur gewünschten Größe und Gestalt zu bewirken. Ohne die Ausbildung der dünnen Teile der Elektroden 213, 214 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. 3 sind alle die unter dem Strömungsweg 205 ausgebildeten Teile der Elektroden 213, 214 dünn ausgestaltet. Dabei kann die Bildung der zweiten Schutzschicht 212 unterbleiben, womit die Arbeitsschritte vermindert werden. Auch bei dieser Ausgestaltung können die Elektroden 213, 214 einen mehrlagigen Aufbau haben.

Zur Erläuterung der Erfindung wird ein Beispiel gegeben.

Der Flüssigkeitströpfchenschreibkopf von Fig. 1 wurde gemäß den folgenden Verfahrensschritten hergestellt.

Ein Si-Wafer wurde thermisch oxydiert, so daß ein SiO₂- Film mit einer Stärke von 5 µm gebildet wurde, der ein Substrat darstellen sollte. Auf diesem Substrat wurde durch Aufsprühen eine wärmeerzeugende Widerstandslage aus HfB₂ mit einer Stärke von 1500 Å gefertigt, woran sich eine Ablagerung einer Ti-Schicht von 50 Å und einer Al-Schicht von 5000 Å gemäß einem Elektronenstrahl-Aufdampfverfahren anschloß.

Mit Hilfe photolithographischer Schritte wurde die in Fig. 1B gezeigte Anordnung gebildet, wobei die Größe der wärmewirksamen Fläche mit 30 µm in der Breite und 150 µm in der Länge bei einem Widerstand von 150 Ohm, einschließlich des Elektronenwiderstands, ausgelegt wurde.

Anschließend wurden die Elektroden innerhalb eines Bereichs von 1 µm vom Ende der wärmewirksamen Fläche durch Trockenätzen auf eine Stärke von 2500 Å gebracht.

Im nächsten Schritte wurde als die erste Schutzschicht 211 über die gesamte Oberfläche des Substrats SiO₂ laminiert, und zwar durch ein Hochleistungsaufsprühen der Magnetronart. Die Dicke der ersten Schutzschicht war am Träger an den Teilen ohne wärmeerzeugende Widerstandslage und Elektroden 2,0 µm und 1,8 µm an der Widerstandslage 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. 1B in einem photolithographischen Prozeß aufgebracht, um ein Substrat zu erhalten.

Auf diesem Substrat wurde dann eine genutete Glasplatte in bestimmter Weise angeklebt, d. h., es wurde, wie Fig. 1A zeigt, eine genutete Glasplatte (Nutenabmessung: Breite 50 µm × Tiefe 50 µm × Länge 2 mm) zur Ausbildung von Tintenströmungswegen und eines wärmewirksamen Bauteils am 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 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.

Claims (5)

1. Flüssigkeitströpfchenschreibkopf mit einem elektrothermischen Wandler, der eine auf einem Substrat ausgebildete wärmeerzeugende Widerstandslage hat, zwei elektrisch mit der Widerstandslage verbundenen Elektroden, die einander im Abstand gegenüberliegen und zwischen denen eine wärmewirksame Fläche eines Wärmeerzeugungsabschnittes für die Einleitung von Wärme in die Flüssigkeit zur Bildung von fliegenden Flüssigkeitströpfchen ausgebildet ist, einer Schutzschicht, die die Elektroden und den elektrothermischen Wandler abdeckt, einem dem elektrothermischen Wandler zugeordneten Flüssigkeitsauslaßbereich, der durch eine Düsenöffnung zum Ausstoß der Flüssigkeitströpfchen gebildet ist, einem mit dieser Düsenöffnung verbundenen Flüssigkeitsströmungsweg, der die wärmewirksame Fläche enthält, und mit einer an den Flüssigkeitsströmungsweg angeschlossenen und die Flüssigkeit speichernden Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Elektroden (213, 214) in einem ersten Erstreckungsbereich, der an ihrem jeweiligen, die wärmewirksame Fläche (208) begrenzenden Rand beginnt und in Richtung ihrer Längserstreckung gesehen wenigstens 0,5·10^-6 m lang ist, eine konstante erste Dicke von höchstens 0,3·10^-6 m aufweisen,
• b) die Elektroden (213, 214) in einem an den ersten Erstreckungsbereich angrenzenden zweiten Erstreckungsbereich eine konstante zweite Dicke von höchstens 1·10^-6 m aufweisen, und
• c) die konstante erste Dicke der Elektroden (213, 214) in dem ersten Erstreckungsbereich kleiner ist als die konstante zweite Dicke in dem zweiten Erstreckungsbereich, so daß der Übergang von dem ersten zu dem zweiten Erstreckungsbereich eine Stufe bildet.

2. Flüssigkeitströpfchenschreibkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (213, 214) in ihrem ersten Erstreckungsbereich eine Dicke von mindestens 3·10^-9 m aufweisen.

3. Flüssigkeitströpfchenschreibkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Erstreckungsbereich kürzer ist als die Länge der wärmewirksamen Fläche (208), gemessen in Richtung des Flüssigkeitsströmungswegs (205).

4. Flüssigkeitströpfchenschreibkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der ersten Dicke und der zweiten Dicke in etwa 1 : 2 beträgt.

5. Flüssigkeitströpfchenschreibkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (213, 214) in ihrem zweiten Erstreckungsbereich eine Dicke von mindestens 0,1·10^-6 m aufweisen.