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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf mikroelektromechanische (MEM)
Vorrichtungen zum Ausstoßen
von Flüssigkeiten
auf Anforderung (DOD-Vorrichtungen), etwa Tintenstrahldrucker, und insbesondere
auf Vorrichtungen dieser Art, die mit einem elektrostatischen Betätigungselement
zum Ausstoßen
der Flüssigkeit
aus der Vorrichtung arbeiten.
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DOD-Vorrichtungen
mit elektrostatischen Betätigungselementen
zum Ausstoßen
von Flüssigkeiten
sind bei Tintendrucksystemen bekannt. US-A-5 644 341 und 5 668 579,
erteilt an Fujii et al. am 1. Juli 1997 bzw. am 16. September 1997,
beschreiben Vorrichtungen dieser Art, deren elektrostatische Betätigungselemente
aus einer Membran und einer gegenüberliegenden Elektrode bestehen. Durch
Anlegen einer ersten Spannung an die Elektrode wird die Membran
verformt. Bei Entspannung der Membran wird ein Tintentröpfchen aus
der Vorrichtung ausgestoßen.
Andere Vorrichtungen, die nach dem Prinzip der elektrostatischen
Anziehung arbeiten, sowie deren Herstellungsverfahren, sind in US-A-5
739 831, 6 127 198, 6 357 865, 6 328 841 und der US-Offenlegungsschrift
Nr. 2001/0023523 beschrieben. Bei Vorrichtungen dieser Art ist zur
Betätigung
typischerweise eine hohe Spannung erforderlich, da der Spalt zwischen
der Membran und der gegenüberliegenden
Elektrode ausreichend groß sein
muss, damit die Membran sich weit genug durchbiegen kann, um eine
wesentliche Veränderung des
Volumens der Flüssigkeitskammer
zu bewirken. Große
Spalte sind zwar wegen ihrer Unempfindlichkeit für Fertigungstoleranzen günstig, verlangen
aber für
den Tropfenausstoß hohe
Betriebsspannungen, und dies wiederum zieht durch die hohe Spannung der
Schaltungen bedingte höhere
Kosten nach sich.
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Um
die erforderliche Spannung zu verringern, kann der Spalt auch klein
ausgelegt werden, jedoch muss dann die Fläche der Vorrichtung groß sein,
damit das Gesamtvolumen der während
des Tropfenausstoßes
verdrängten
Flüssigkeit
konstant bleibt. Außerdem
sind für
Vor richtungen mit kleinem Spalt auch sehr präzise Fertigungsverfahren nötig. Vorrichtungen
dieser Art wurden zum Beispiel in einem Papier mit dem Titel "Kleiner elektrostatisch
betriebener Tintenstrahldruckkopf geringer Leistungsaufnahme für den kommerziellen
Einsatz" von S. Darmisuki
et al. von der Seiko Epson Corporation, Protokoll der IEEE-Konferenz "MEMS 1998", 25.–29. Jan.,
Heidelberg, Deutschland, beschrieben. Dieses Papier beschreibt ein
Verfahren zur Herstellung einer elektrostatischen Vorrichtung zum
Ausstoßen
von Flüssigkeitstropfen
mit kleinem Spalt, wobei drei Substrate, eines aus Glas und eines
aus Silicium, anodisch miteinander zu einer Tintenausstoßdüse verbunden
sind. Die Tropfen werden aus einer Tintenkammer durch eine Düsenöffnung in
einer rückseitigen
Glasplatte ausgestoßen,
wenn eine im Siliciumsubstrat ausgebildete Membran durch den Spalt
abwärts
gezogen wird, mit einem Leiter auf der vorderen Glasplatte in Kontakt
kommt und dann freigegeben wird. Da der Spalt klein ist, nimmt die
Vorrichtung eine große
Fläche
ein, und wegen des komplexen Fertigungsverfahrens sind die einzelnen
Düsen teuer in
der Herstellung.
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Nach
einem anderen entsprechenden Fertigungsverfahren hergestellte Vorrichtungen
verwenden Tinte als dielektrisches Material. Dadurch wird die Betriebsspannung
verringert, ohne dass die Spalte klein ausgebildet sein müssen, weil
der effektive elektrische Spalt durch die hohe Dielektrizitätskonstante
der Tinte verringert wird. Zum Beispiel beschreibt US-A-6 345 884
eine Vorrichtung mit einer elektrostatisch verformbaren Membran,
wobei die Membran eine Tintennachfüllöffnung aufweist und zum Ablenken
der Membran ein elektrisches Feld an die Tinte angelegt wird. Die
Betriebsspannung ist bei dieser Vorrichtung geringer. Allerdings
muss bei dieser Vorrichtung, wie auch bei anderen Vorrichtungen, bei
denen die Dielektrizitätskonstanten
durch die Tinte verstärkt
werden, das elektrische Feld an die Tinte angelegt werden, und dies
verringert die Zuverlässigkeit.
Außerdem
sind die Tinten-Arten eingeschränkt, was
die Bereiche der Dielektrizitätskonstanten
und Leitfähigkeit
betrifft.
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Bekannte
elektrostatische Tropfenausstoßvorrichtungen
erfordern aber nicht nur hohe Spannungen, große Flächen und/oder komplexe Fertigungstechniken,
sie sind auch empfindlich, was die elastischen Eigenschaften der
Membranen anbelangt, aus denen sie bestehen. Insbesondere ist es wichtig,
dass verformte Membranen wieder in ihre Ausgangspositionen zurückkehren.
Dafür reichen
die Eigenschaften der Membranen nicht immer aus, insbesondere bei
solchen Membranen, die sich für
eine kostengünstige
Herstellung eignen. Im einzelnen können Membranen bei Kontakt
mit anderen Oberflächen
in unzuverlässiger
Weise anhaften, und die elastischen Eigenschaften der Membranen,
etwa Spannung und Steifigkeit, sind wegen Ungleichmäßigkeiten
der Aufbringungen zwischen den verschiedenen Membranen nicht immer
gleich. Vorrichtungen, bei denen die Betriebsspannungen ohne Vergrößerung des
Geräts
verringert werden und die darüber
hinaus die Abhängigkeit
der Bewegung der Membran von ihren elastischen Eigenschaften verringern,
basieren auf einem Verfahren, das die getrennte Spannungsregelung
an mehreren Elektroden gestattet und damit den Einsatz eines elektrischen Feldes
für die
Rückführung der
Membranen in deren Ausgangsposition erlaubt. Diese Vorrichtungen
sind mit einer nicht planaren mittigen Elektrode, auch als Dorn
bezeichnet, ausgestattet. Zwar sind sie für ihren Verwendungszweck effektiv,
eine nicht-planare mittige Elektrode erfordert aber in einem frühen Fertigungsstadium
zusätzliche
Fertigungsschritte. Und da die Membranen bei der ersten Betätigung gestreckt werden
und der Betrag der Streckung stark von der Anfangsstreckspannung
der Membran abhängt,
ist auch die erforderliche Betätigungsspannung
abhängig
vom Herstellungsverfahren.
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Bekannte
elektrostatische Tropfenausstoßvorrichtungen,
selbst jene, die mit verringerten Spannungen arbeiten, und auch
jene, deren Fertigungsverfahren die Herstellungstoleranzen minimieren soll,
erfordern beim Packen komplizierte elektrische Zusammenschaltungen.
Zusammenschaltungen erfordern typischerweise eine dielektrische
Passivierung der Vorderseite (Düsenseite)
des Druckkopfs. Da die für
elektrostatische Vorrichtungen benötigten Spannungen in jedem
Fall über
ein oder zwei Volt liegen, sind die Zusammenschaltungen auf der
Vorderseite der Korrosion durch austretende Tinte ausgesetzt. Die
Herstellung der normalerweise von der Rückseite der Vorrichtungen kommenden
Tintenkanäle
erhöht
die Herstellungskosten, und die hergestellten Tintenkanäle sind
typischerweise anfällig
für Verstopfen.
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Es
besteht daher ein Bedürfnis,
die Betriebsspannung elektrostatischer Tropfenausstoßvorrichtungen
zu verringern, ohne dass dies auf Kosten der Zuverlässigkeit
oder der Herstellungskosten geht, und die Pack-Komplexität, einschließlich der
elektrischen Zusammenschaltungen, zu verringern.
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Eine
Vorrichtung zum Ausstoßen
eines Flüssigkeitstropfens
weist eine Tintenkammer und eine Düsenöffnung auf. Bei Anlegen einer
Kraft an eine erste Membran in einer ersten Richtung erhöht sich das
Kammervolumen, so dass Flüssigkeit
in die Kammer angesaugt wird.
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Durch
eine an eine zweite Membran in einer zweiten Richtung angelegte
Kraft verringert sich das Kammervolumen, so dass ein Flüssigkeitstropfen durch
die Düsenöffnung ausgestoßen wird.
Zwischen der ersten und der zweiten Membran ist ein Dorn vorgesehen,
so dass (1) bei Anlegen einer Differenzspannung zwischen der ersten
Membran und dem Dorn die erste Membran in einer ersten Richtung
bewegt wird, so dass sich das Kammervolumen erhöht, und (2) bei Anlegen einer
Differenzspannung zwischen einer zweiten Membran und dem Dorn die zweite
Membran in der zweiten Richtung bewegt wird, so dass das Kammervolumen
abnimmt. Der Dorn weist im Wesentlichen planare, gegenüberliegende,
jeweils zur ersten und zweiten Membran weisende Oberflächen auf,
wobei mindestens eine der ersten und zweiten Membranen in einem
ersten Bereich der mindestens einen Membran vom Dorn im Wesentlichen
entfernt ist und an dem Dorn in einem zweiten Bereich der mindestens
einen Membran im Wesentlichen anliegt, so dass bei Bewegung der
ersten Membran in die erste Richtung sich der Kontakt zwischen der
ersten Membran und dem Dorn zunehmend verstärkt und bei Bewegung der zweiten
Membran in die zweite Richtung sich der Kontakt zwischen der zweiten
Membran und dem Dorn zunehmend verstärkt.
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Nach
einem Merkmal der Erfindung wird ein derartiges mehrschichtiges,
mikroelektromechanisches, elektrostatisches Betätigungselement dadurch erzeugt,
dass man eine Schicht eines ersten dielektrischen Materials auf
ein Substrat aufbringt. Ein Bereich des Substrats gegenüber der
Schicht des dielektrischen Materials wird entfernt, um eine erste Elektrode
auszubilden. Auf die Schicht des dielektrischen Materials wird an
einer dem Substrat gegenüberliegenden
Position eine erste Schicht eines Schutzmaterials aufgebracht. Auf
der ersten Schicht des Schutzmaterials wird an einer der Schicht
des ersten dielektrischen Materials gegenüberliegenden Position eine
speziell geformte Elektrode, hierin als "Dorn" bezeichnet,
ausgebildet. Anschließend
wird eine nachfolgende Schicht des Schutzmaterials auf den Dorn
aufgebracht, so dass ein elektrisch isolierter planarer, von einem
Schutzmaterial umgebener Dorn entsteht. Dann wird eine gekrümmte Linse
auf der Folgeschicht des Schutzmaterials ausgebildet und ein Bereich
der dielektrischen Materialschicht durch die Folgeschicht und die
erste Schicht des Schutzmaterials hindurch freigelegt. Auf der gekrümmten Linse
und auf der Folgeschicht des Schutzmaterials wird eine zweite dielektrische
Materialschicht ausgebildet, wobei diese zweite dielektrische Materialschicht
sich bis zu dem freigelegten Bereich der Schicht des ersten dielektrischen
Materials erstreckt. Bestimmte Bereiche der ersten und nachfolgenden
Schicht des Schutzmaterials und der gekrümmten Linse werden entfernt,
so dass sich um den Dorn herum durch eine Struktur miteinander verbundene
Hohlräume
ausbilden. Auf die zweite Schicht des dielektrischen Materials wird
eine zweite Elektrode aufgebracht, so dass die erste Elektrode und
die zweite Elektrode durch die Struktur so angebracht sind, dass
die erste Elektrode, die Struktur und die zweite Elektrode sich
gemeinsam bezüglich
des Dorns frei bewegen können.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung;
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2 eine
Querschnittsansicht eines Teils der DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung
gemäß 1;
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3–5 Draufsichten
alternativer Ausführungsformen
einer Düsenplatte
der DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung
gemäß 1 und 2;
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6 eine
Querschnittsansicht der DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung
gemäß 2 in
einer zweiten Funktionsphase;
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7 einen
Querschnitt eines elektrostatischen SOI (Silicon on insulator =
Silicium auf Isolierstoff) Druckkopfsubstrats eines ersten Leitfähigkeitstyps
mit einer unteren Siliciumschicht, einem Nitridisolator, einem Schutzoxid
und einer oberen Siliciumschicht;
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8a und 8b Querschnitte
in der Seiten- bzw. Draufsicht des elektrostatischen Druckkopfs
gemäß 7 nach
einem weiteren Verfahrensschritt;
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9 einen
Querschnitt des Druckkopfs gemäß 8 mit
einer durch Fließen
hergestellten Linse;
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10 einen
Querschnitt des Druckkopfs nach dem Ausbilden und Ätzen eines
vollständig durch
die Linse und den Dorn führenden
Verbindungskanals;
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11 einen
Querschnitt des Druckkopfs nach dem Abscheiden einer zweiten Nitridschicht, die
in unmittelbarem Kontakt zur ersten Nitridschicht steht;
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12 einen
Querschnitt des Druckkopfs nach dem Entfernen der durch Fließen hergestellten Linse
und von Teilen der ersten und dritten Schutz-Oxidschichten;
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13a und 13b Querschnitte
in der Seiten- bzw. Draufsicht des elektrostatischen Druckkopfs
gemäß 7 nach
einem weiteren Verfahrensschritt, während 13c eine
Ansicht ähnlich 13c darstellt, die Düsenplatte in diesem Fall aber mehrere
DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtungen
aufweist;
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14 einen
Querschnitt des Druckkopfs nach dem Abscheiden eines oberen Schutzfilms
und dem Entfernen eines Teils der unteren Siliciumschicht des SOI-Substrats;
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15 einen
Querschnitt des Druckkopfs nach dem Anbringen einer Düsenplatte
und dem Ätzen
von Teilen des oberen Schutzfilms;
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16 eine
Draufsicht auf mehrere verbundene Tintennachfüllkanäle;
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17 einen
Querschnitt des Druckkopfs mit elektrischen Kontakten und einer
Entlastungsöffnung
im oberen Schutzfilm;
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18 einen
Querschnitt des Druckkopfs mit einer am Schutzfilm angebrachten
elektronischen Treiberschaltung; und
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19 eine
Seitenansicht der fertigen Tintenausstoßvorrichtung mit einem Tinten-Verteilungskanal,
wobei die gekoppelte Membran in entspannter Stellung dargestellt
ist.
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Wie
im Folgenden noch im Detail beschrieben wird, stellt die Erfindung
ein Verfahren zum Herstellen auf elektrostatischen Betätigungselementen basierender
DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtungen bereit.
DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtungen
werden häufig
als Druckköpfe
in Tintenstrahl-Drucksystemen eingesetzt. Es gibt heute jedoch immer
mehr Anwendungen, die von Vorrichtungen ähnlich einem Tintenstrahldruckkopf
Gebrauch machen, jedoch andere Flüssigkeiten als Tinte ausstoßen, welche
fein dosiert und mit großer
räumlicher
Präzision
aufgebracht werden müssen.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß zu betätigenden
DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung 10,
etwa eines Tintenstrahldruckers. Das System weist eine Datenquelle 12 (zum
Beispiel für
Bilddaten) auf, deren Signale von einer Steuerung 14 als
Befehle für
den Tropfenausstoß interpretiert
werden. Die Steuerung 14 sendet Signale an eine Quelle 16 elektrischer
Energieimpulse, die wiederum einer DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung,
etwa einem Tintenstrahldrucker 18, zugeführt werden.
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Die
DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung 10 weist
eine Vielzahl elektrostatischer Tropfenausstoß-Mechanismen 20 auf,
wobei 2 eine Querschnittsdarstellung eines dieser elektrostatisch
betätigten
Tropfenausstoß-Mechanismen
zeigt. In einer Düsenplatte 24 ist
für jeden
Mechanismus 20 eine Düsenöffnung 22 ausgebildet.
Jeder Tropfenausstoß-Mechanismus 20 wird
von einer oder mehreren Wandungen 26 begrenzt.
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Der äußere Umfang
einer elektrisch adressierbaren Elektrodenmembran 28 (im
Folgenden als "vordere" Membran bezeichnet)
ist dichtend an der Wandung 26 befestigt und bildet so
eine Kammer 30 für
die Aufnahme von durch die Düsenöffnung 22 auszustoßender Flüssigkeit,
etwa Tinte, aus. Die Flüssigkeit
wird durch eine oder mehrere Nachfüllöffnungen 32 aus einem
nicht dargestellten Vorrat in die Kammer 30 gesaugt und
bildet typischerweise einen Meniskus in der Düsenöffnung aus. Die Auslegung der Öffnungen 32 wird
im Folgenden noch besprochen. Ein Bereich 34 zwischen der
vorderen Membran 28 und einer rückseitigen Membran 36 wird
von einem dielektrischen Fluid ausgefüllt. Das dielektrische Fluid
besteht vorzugsweise aus Luft oder einem anderen dielektrischen
Gas, kann aber auch eine dielektrische Flüssigkeit sein.
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Die
rückseitige
Membran 36 zwischen der Kammer 30 und einem Hohlraum 37 ist
getrennt von der vorderen Membran 28 elektrisch adressierbar. Die
adressierbaren Membranen 28 und 36 sind mindestens
teilweise flexibel und zwischen gegenüberliegenden Seiten eines einzelnen
mittigen Elektrodendorns 38 derart angeordnet, dass die
beiden Membranen und der Dorn mit der Düsenöffnung 22 allgemein
axial ausgerichtet sind.
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Normalerweise
bestehen die vordere und die rückseitige
Membran 28 und 36 aus einem etwas flexiblen leitfähigen Material,
etwa Polysilicium, oder bei der bevorzugten Ausführungsform aus einer Schichtenkombination
mit einer mittleren leitfähigen Schicht,
die von einer rückseitigen
und einer vorderen Isolierschicht umgeben ist. Zum Beispiel weist eine
bevorzugte Kombination einen dünnen
Polysiliciumfilm über
einer Nitridschicht auf, um der Membran strukturelle Steifigkeit
zu verleihen. Der Dorn 38 besteht vorzugsweise aus einem
leitfähigen
mittleren Körper,
der von einem dünnen
Isoliermaterial gleichmäßiger Dicke,
zum Beispiel Siliciumoxid oder Siliciumnitrid, umgeben und mit den
Wandungen 26 starr verbunden ist. Die axial beabstandeten
Oberflächen des
Dorns 38 sind flach ausgebildet. Jeder den einzelnen Düsen zugeordnete
Dorn ist getrennt elektrisch adressierbar.
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Die
rückseitige
Membran 36 ist derart ausgebildet, dass ihr äußerer Umfang
sich nahe der rückseitigen
Oberfläche
des Dorns 38 oder in mechanischem Kontakt mit dieser befindet
und ihr mittlerer Bereich einen Abstand zur rückseitigen Oberfläche des
Dorns aufweist, so dass das Raumvolumen mindestens gleich dem Volumen
eines auszustoßenden Tropfens
ist. Die vordere Membran 28 befindet sich mindestens an
ihrem äußeren Umfang
im wesentlichen nahe der vorderen Oberfläche des Dorns 38 oder
in mechanischen Kontakt mit diesem. Entlang des Randes der Membranen
ist der Anlagewinkel zwischen Membranen und Dorn sehr klein, vorzugsweise
kleiner als 5°.
Dies wird bei der vorderen Membran 28 dadurch erreicht,
dass sie in gleichmäßig geringem
Abstand zur vorderen Oberfläche
des Dorns angeordnet und damit planar ist. Bei der rückseitigen Membran 36 wird
dies dadurch erreicht, dass man sie vom Dorn weg konvex ausbildet.
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Die
beiden adressierbaren Membranen sind konstruktiv über ein
starres Kopplungselement 40 verbunden. Dieses Kopplungselement
ist elektrisch isolierend, wobei darunter auch ein Koppler aus leitfähigem Material
mit einer nicht leitfähigen
Unterbrechung verstanden werden kann. Das Kopplungselement 40 verbindet
die beiden adressierbaren Membranen konstruktiv und isoliert sie,
so dass beide unterschiedliche Spannungen führen können. Das Kopplungselement
kann aus formentsprechend abgeschiedenem Siliciumdioxid bestehen.
Wegen der Kopplung der Membra nen, und weil die Membranen jeweils
in einem Spannungszustand aufgebracht werden, bewegen sich die entspannten
gekoppelten Membranen in einen Gleichgewichtszustand, in dem sich
die Membranen jeweils um den äußeren Umfang herum
in der Nähe
des Dorns oder in mechanischem Kontakt mit ihm befinden und im mittleren
Bereich des Betätigungselements
vom Dorn in Wesentlichen beabstandet sind.
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Bei
der DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung der
beschriebenen Ausführungsform
der Erfindung sind die elektrischen Verbindungen von den Fluid-Verbindungen
entfernt angeordnet. Dabei befinden sich die elektrischen Verbindungen
vorzugsweise auf der der Düse
gegenüberliegenden
Seite des Druckkopfs.
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3–5 zeigen
Draufsichten der Düsenplatte 24,
in denen verschiedene alternative Ausführungsformen der Anordnung
der verschiedenen Düsenöffnungen 22 eines
Druckkopfs dargestellt sind. Dabei ist anzumerken, dass in 2 und 3 die
Innenfläche
der Wandungen 26 ringförmig
ist, während
die Wandungen 26 in 5 rechteckige Kammern
ausbilden.
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Ausgehend
vom Gleichgewichtszustand, in dem sich jede Membran im mittleren
Bereich des Betätigungselements
im Wesentlichen in einem Abstand zum Dorn befindet, wird zum Ausstoßen eines Tropfens
ein elektrostatisches Potential zwischen leitfähigen Bereichen der vorderen
Membran 28 und des Dorns 38 oder mit diesen zusammenwirkenden leitfähigen Bereichen
angelegt. Dabei werden die Potentiale des mittleren Dorns 38 und
der rückseitigen Membran 36 auf
gleichem Wert gehalten. Die vordere Membran 28 drückt die
rückseitige
Membran 36 über
das starre Kopplungselement 40 nach unten, wodurch die
rückseitige
Membran 36, wie dargestellt, verformt wird und das elastische
Energiepotential im System speichert. Da die vordere Membran 28 einen Wandungsbereich
der Flüssigkeitskammer 30 hinter der
Düsenöffnung ausbildet,
wird die Kammer durch die Bewegung der vorderen Membran 28 von
der Düsenplatte 24 weg
ausgeweitet, und es wird Flüssigkeit
durch die Öffnungen 32 in
die sich ausweitende Kammer angesaugt. An die rückseitige Membran 36 wird
keine elektrostatische Ladung angelegt, das heißt ihre Spannung ist gleich
der Spannung des mittleren Dorns 38, und sie bewegt sich
zusammen mit der vorderen Membran 28. Nach einem Merkmal der
Erfindung beträgt
der Anlagewinkel zwischen der vorderen Oberfläche der adressierbaren Membran 28 und
der rückseitigen
Oberfläche
des mittleren Dorns 38 weniger als 10°, vorzugsweise weniger als 5°. Dies garantiert,
dass nur eine kleine Spannungsdifferenz erforderlich ist, um die
adressierbare Membran 28 abwärts zu ziehen und am mittleren
Dorn 38 in Anlage zu bringen.
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Danach
(zum Beispiel einige Mikrosekunden später) wird die vordere Membran 28 deaktiviert,
indem ihr Potential auf das Potential des Dorns 38 gebracht
wird. Gleichzeitig wird die rückseitige
Membran 36 durch Anlegen eines Differenzpotentials zwischen
den leitfähigen
Bereichen der rückseitigen Membran 36 und
des Dorns aktiviert. Aufgrund dessen wird die rückseitige Membran 36 bei
gleichzeitiger Entlastung des gespeicherten elastischen Energiepotentials
in Richtung des mittleren Dorns 38 gezogen. Die Deaktivierung
der Membran 28 und die Aktivierung der Membran 36 können gleichzeitig
erfolgen, oder es kann eine kurze Wartezeit dazwischen liegen, so
dass die Struktur sich ausschließlich durch die Kraft des im
System gespeicherten elastischen Energiepotentials von der in 2 dargestellten
Position in die in 6 dargestellte Position zu bewegen
beginnt. Wenn die gekoppelten Membranen 28 und 36 sich
in einer ersten Richtung zur Düsenöffnung 22 hin
bewegen, nimmt der Anlagebereich zwischen der rückseitigen Membran 36 und dem
Dorn 38 progressiv zu, während die Oberfläche der
rückseitigen
Membran progressiv kleiner wird, weil ja ihre Krümmung abnimmt. Gleichzeitig
wird der Anlagebereich zwischen der vorderen Membran 28 und
dem Dorn zunehmend kleiner, und der Oberflächenbereich der vorderen Membran
nimmt progressiv zu. Wie in 2 zu sehen
ist, wird dadurch die Flüssigkeit
in der Kammer 30 hinter der Düsenöffnung zusammengedrückt, so
dass ein Tropfen aus der Düsenöffnung ausgestoßen wird.
Um sowohl das Nachfüllen
als auch den Tropfenausstoß zu
optimieren, sollten die Öffnungen 32 – wie bei
der Konstruktion von Tintenstrahldruckköpfen bekannt – so ausgelegt
werden, dass ein ausreichend geringer Strömungswiderstand entsteht, damit
das Füllen
der Kammer 30 bei Aktivierung der Membran 28 nicht wesentlich
behindert wird, dabei aber ein ausreichend hoher Widerstand gegen
Rückfluss
der Flüssigkeit
durch die Öffnung
während
des Tropfenausstoßes
besteht.
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In 7 ist
ein SOI-Substrat 50 mit einer Substratschicht 52,
die typischerweise aus Einkristall-Silicium besteht, darauf aber nicht
beschränkt
ist, ferner einer ersten Membranschicht 54 vorzugsweise aus
Siliciumnitrid oder Kombinationen von Siliciumnitrid, Siliciumoxid
und Polysilicium, einer ersten Schutzschicht 56, die vorzugsweise
aus Siliciumdioxid besteht, darauf aber nicht beschränkt ist,
und einer vorzugsweise aus dotiertem Einkristall-Silicium bestehenden
Dornschicht 58 dargestellt. Wie in der Herstellung von
SOI-Substraten bekannt, können diese
Schichten zum Beispiel durch chemische Dampfabscheidungstechniken
aufgebracht oder durch Übertragung
von Hilfssubstraten aus Silicium und entsprechenden Materialien
gebondet werden. Bei dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung liegen die typischen Schichtdicken der Substratschicht 52 im
Bereich zwischen 10 und 1000 Mikron. Die Dicke der ersten Membranschicht 54 kann
zwischen 0,1 und 10 Mikron, die Dicke der ersten Schutzschicht 56 zwischen
0,1 und 10 Mikron, die Dicke der Dornschicht 58 zum Beispiel
zwischen 1 und 100 Mikron liegen. Diese Dicken werden bei der SOI-Substratherstellung üblicherweise
erreicht.
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In 8a und 8b wurden
eine mittige Rinne 59 und eine periphere Rinne 62 in
die Dornschicht 58 geätzt
und mit einem Schutzmaterial, vorzugsweise Siliciumdioxid, gefüllt. Anschließend wird das
Schutzmaterial planarisiert, so dass ein ringförmiger Dorn 62 entsteht.
Die mittige Rinne 59 sorgt für die Verbindung zwischen später aufgebrachten Schichten
und der ersten Membranschicht 54, während die periphere Rinne 60 für die elektrische
Isolierung des Dorns 62 sorgt.
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Für den Fachmann
auf dem Gebiet der Halbleitergerätefertigung
ist ersichtlich, dass Materialeinlagen der in 8a und 8b dargestellten
Art auch dadurch hergestellt werden können, dass man ein SOI-Substrat
mit einer Substratschicht, normalerweise aus Einkristall-Silicium,
einer ersten Membranschicht, vorzugsweise aus Siliciumnitrid oder
Kombinationen von Siliciumnitrid, Siliciumoxid und Polysilicium,
und einer dicken ersten Schutzschicht, vorzugsweise aus Siliciumdioxid,
vorsieht. Die Schutzschicht wird in den Bereichen, in denen der
Dorn ausgebildet werden soll, geätzt,
wonach das Material des Dorns aufgebracht und planarisiert wird,
um das Dornmaterial von der oberen Fläche (8) der ersten
Schutzschicht, wo nicht geätzt
wurde, vollständig zu
entfernen.
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In 9 ist
eine optionale Schutzschicht 64, die zum Beispiel aus demselben
Material bestehen kann wie die erste Schutzschicht 56,
auf die planarisierte Oberfläche
aufgebracht. Auf diese Weise ist der Dorn 62 vollständig von
Schutzmaterial umgeben. Die optionale Schutzschicht 64 stellt
eine obere Elektrode mit größerem freiem
Bereich dar, wie dies nachstehend noch beschrieben wird. Wenn der
Dorn aus Silicium besteht, kann die optionale Schutzschicht auch
durch Züchten
von Siliciumoxidkristallen auf dem Dorn 62 aufgebracht
werden.
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Danach
wird, wie in 9 dargestellt, eine gekrümmte Linse 66 mit
einem Anlagewinkel von vorzugsweise mehr als 170° über dem Dorn 62 ausgebildet.
Eine Linse dieser Art kann zum Beispiel so hergestellt werden, dass
man ein im Querschnitt rechteckig ausgebildetes Polymer Lösungsmitteldämpfen aussetzt
oder ein geformtes Polymer einer Wärmeeinwirkung aussetzt, wie
dies auf dem Gebiet der Herstellung optischer Linsen bekannt ist.
Auf dem Gebiet der Herstellung von Mikrostrukturen bekannte alternative
Verfahren zur Herstellung gekrümmter Linsen
sind zum Beispiel die Grauskalenmasken-Belichtung eines Fotolacks
und das Laminieren eines in Linsenform gepressten Materials, etwa
eines Polymers.
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Gemäß 10 wird
nach der Ausbildung der Linse 66 eine Verbindungsöffnung 68 in
die Linse, in die optionale Schutzschicht 64, das Schutzmaterial
in der mittigen Rinne 59 und in eine zweite Schutzschicht 64 geätzt. Die
Verbindungsöffnung
wird zum Beispiel durch Maskieren der Linse mit einer harten Maske
und anisotropes Ätzen
der Linse und der mittigen Rinne ausgebildet, wobei bis zur ersten
Schicht 54 herunter geätzt
wird.
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Gemäß 11 wird
dann eine zweite, vorzugsweise aus Siliciumnitrid bestehende Schutzschicht 70 formgerecht
etwa durch plasmaunterstützte
chemische Dampfabscheidung auf die optionale Schutzschicht 64,
die Linse 66 und die Wandungen der mittigen Rinne 59 aufgebracht.
Die aufgebrachte zweite Membranschicht 70 verbindet sich
mit der ersten Membranschicht 54 in der durch die mittige
Rinne geätzten Öffnung.
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In 12 wurden
das Schutzmaterial in der mittigen Rinne 59 und Bereiche
der ersten Schutzschicht 56 und der zweiten Schutzschicht 64 zum Beispiel
durch Dampfätzen
entfernt. Der Ätzvorgang wird
am besten, wie auf dem Gebiet der Herstellung von Mikrostrukturen
bekannt, durch (nicht dargestellte) kleine Öffnungen hindurch ausgeführt, die
später durch
chemische Dampfabscheidung gefüllt
werden können.
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Gemäß 13a–13c wird eine erste Elektrodenschicht 72,
zum Beispiel eine leitfähige Schicht,
etwa aus dotiertem Polysilicium, formentsprechend auf die zweite
Membranschicht 70 aufgebracht. Die Kombination aus erster
Elektrodenschicht und zweiter Membranschicht wird in einem Bereich des
Dorns durch Ätzen
entfernt, so dass ein Kontaktbereich 74 entsteht.
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Gemäß 14 wird
als nächstes
eine Schutzschicht 76 gegenüber dem Substrat aufgebracht,
um das Substrat während
der weiteren Bearbeitung handhaben zu können. In 14 ist
auch ein Ergebnis der weiteren Bearbeitung zu sehen, nämlich die
Ausbildung eines Tintenhohlraums 78 durch induktives Tiefätzen eines
Bereichs der Substratschicht 52. Das anisotrope Plasma-Tiefätzen ist
auf dem Gebiet der Mikrobearbeitung für viele Materialien bekannt.
Wie aus 14 ersichtlich ist, wird das reaktive
Tiefätzen
nicht vollständig
bis zur ersten Membranschicht durchgeführt, sondern es bleibt ein Bereich
des Substrats 52 ungeätzt,
der die zweite, mit der ersten Membranschicht 54 im mittleren
Bereich des Betätigungselements
in Kontakt befindliche Elektrode 59 ausbildet. In diesem
Fall besteht das Substrat aus Silicium, und die zweite Elektrodenschicht 54 ist
wegen seiner Dotierung leitfähig.
Darüber
hinaus sind noch viele weitere Methoden der Ausbildung des Tintenhohlraums
bekannt, zum Beispiel die Mikro-Elektroerosionsbearbeitung, wenn das
Substrat aus einem metallischen Material besteht. Alternativ könnte der
Tintenhohlraum auch in das Substrat 59 geprägt und eine
zweite Elektrodenschicht 79 durch Abscheiden einer leitfähigen Schicht
aufgebracht werden. Da die zweite Elektrodenschicht und die erste
Membranschicht so dünn sind,
dass sie flexibel sind, und da die zweite Membranschicht mit der
ersten Membranschicht in Kontakt steht, sind die ersten und die
zweiten Membranen und die zugehörigen
ersten und zweiten Elektrodenschichten so ausgebildet, dass sie
sich gemeinsam bezüglich
des Dorns bewegen.
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In 15 ist
eine Düsenplatte 80 vorzugsweise
aus Silicium zu sehen, die eine Düsenbohrung 82 aufweist,
durch die aufgrund der gemeinsamen Bewegung der Elektrodenschichten
Tinte ausgestoßen
wird. Ein Ausrichtelement 84 in der Düsenplatte 80 sorgt
für die
Ausrichtung der Düsenbohrung
zum Tintenhohlraum 78. Wie auf dem Gebiet der Tintenstrahl-Ausstoßvorrichtungen
bekannt ist, kann die Düsenplatte
mittels einer Epoxy-Bindung oder durch anodisches Bonden am Substrat
angebracht sein. Die Düsenplatte
weist Kanäle 86 – 16 – für die Zuführung von
Tinte zum Tintenhohlraum auf.
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15 zeigt
ferner die Ausbildung von Kontaktöffnungen 88 für die elektrische
Verbindung des Dorns 62 und der ersten Elektrodenschicht 72 durch Abscheiden
von in 17 dargestellten Durchgangsverbindungen 90.
Mittels dieser elektrischen Verbindungen können der Dorn 62 und
die zweite Elektrodenschicht 79 mit elektronischen Schaltungen verbunden
sein, die zum Beispiel auf einem mit den Durchgangsverbindungen
verbundenen CMOS-Substrat 92 vorgesehen sein können – siehe 18.
In 19 wurde die Schutzschicht 76 zum Beispiel durch
Plasmaätzen
entfernt, um die ungehinderte Bewegung der ersten und zweiten Membranschichten
und der ersten und zweiten Elektrodenschichten bezüglich des
Dorns zu ermöglichen,
wenn durch die Durchgangsverbindungen Spannungen an den Dorn und
die erste Elektrodenschicht angelegt werden. Es wird davon ausgegangen,
dass das Substrat und das CMOS-Substrat, wie allgemein üblich, dasselbe
Potential aufweisen.