DE3685653T2

DE3685653T2 - Tintenstrahlschutzschicht und lochplattedruckkopf und herstellung.

Info

Publication number: DE3685653T2
Application number: DE8787900407T
Authority: DE
Inventors: S Chan; R Hay
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1985-11-22
Filing date: 1986-11-21
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2006-11-22
Also published as: JPS63502015A; US4716423A; EP0249625B1; DE3685653D1; EP0249625A4; US4694308A; JPH0729437B2; JPH09183228A; EP0249625A1; WO1987003364A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft allgemein das thermische Tintenstrahldrucken und insbesondere eine Tintenstrahldruckkopf- Sperrschicht und -Düsenplatte mit verbesserter Geometrie zum Verlängern der Lebensdauer des Druckkopfes. Diese Erfindung ist auch auf ein neues Verfahren zum Herstellen der Sperrschicht und Düsenplatte gerichtet.

Stand der Technik

Es ist auf dem Gebiet des thermischen Tintenstrahldruckens bekannt, kontrollierte und lokalisierte Wärmeübertragung zu einem definierten Tintenvolumen zu bewerkstelligen, welches benachbart einer Tintentstrahlausströmöffnung angeordnet ist. Diese Wärmeübertragung reicht dazu aus, Tinte in einem solchen Volumen zu verdampfen und zu expandieren, um dadurch Tinte aus der Ausströmöffnung während des Druckens von Buchstaben auf ein Druckmedium auszutreiben. Das oben definierte Tintenvolumen ist gewöhnlich in einer sogenannten Sperrschicht untergebracht, welche mit einer Anzahl von Tintenreservoiren darin versehen ist. Diese Reservoire sind zwischen mehreren Heizwiderstandelementen und einer entsprechenden Anzahl von Ausströmöffnungssegmenten zum Ausstoßen von Tinte vorgesehen.
Ein Zweck dieser Reservoire besteht darin, die expandierende Tintenblase und Druckwelle aufzunehmen und das Tintenaustreiben wirkungsvoller zu gestalten. Zusätzlich wird die Reservoirwand dazu benutzt, die durch die kollabierende Tintenblase erzeugte Kavitation zu verlangsamen.
Zur weiteren Diskussion dieses Druckwellenphänomens sei auf das Buch F.G. Hammitt mit dem Titel "Cavitation and Multiphase Flow Phenomena", McGraw-Hill 1980, S. 167 ff. verwiesen.
Die Lebensdauer solcher Tintenstrahldruckkopf-Anordnungen nach dem Stand der Technik ist durch den kavitationsbedingten Verschleiß verkürzt, welcher durch die in der Anordnung erzeugte Druckwelle hervorgerufen wird, wenn eine Tintenblase beim Ausstoßen aus der Ausströmöffnung kollabiert. Diese Druckwelle erzeugt eine signifikante und wiederholte Kraft auf die einzelnen Heizwiderstandselemente und erzeugt somit Verschleiß und schließlich Versagen eines oder mehrerer Heizwiderstandselemente nach einer wiederholten Anzahl von Tintenstrahlbetätigungen. Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Problem des Heizwiderstandsverschleißes und- versagens wurden Tintenstrahldruckkopf-Anordnungen nach dem oben angegebenen Stand der Technik unter Verwendung von Polymer- Werkstoffen wie solche, die unter den Warenbezeichnungen RISTON und VACREL auf dem Markt sind, gebaut. Während solche Polymer-Werkstoffe sich in vieler Hinsicht als zufriedenstellend erwiesen haben, zeigten sie gelegentlich unakzeptabel hohe Ausfallraten, wenn sie wesentlichem Verschleißangriff aufgrund von Druckwellen ausgesetzt waren, welche von beim Tintenstrahldrucken durch Kollabieren von Tintenblasen erzeugten Druckwellen hervorgerufen wurden. Zusätzlich erwiesen sich solche Polymer-Werkstoffe bei einigen Druckanwendungen, bei denen der Drucker extremen Umweltbedingungen und/oder Verschleiß ausgesetzt war, als anschwellend und von einem darunter liegenden Substrat abhebend, wodurch die Druckkopfanordnung nicht mehr betätigbar war.
Die DE-A-3 225 578 offenbart einen Tintenstrahldruckkopf mit einem Auslaß, einem gekrümmten Tintenkanal, einem Erregerabschnitt und einem Heizer zur Bildung von Tintentröpfchen zur Übertragung zu dem Erregerabschnitt. Der Tintenkanal hat Bestandteile, welche als Schwellen oder Barrieren zum Vermindern des Einflusses von Druckwellen dienen, welche während des Ausstoßens von Tinte erzeugt werden.
Die US-A-3 211 088 betrifft einen Exponentialspitzendrucker, bei welchem jedes Druckelement eine Öffnung in Gestalt eines Exponential-Hornes hat, dessen dünnes Ende nächst der Druckoberfläche plaziert ist.
Die US-A-4 513 298 offenbart einen thermischen Tintenstrahldruckkopf mit einer schützenden Passivierungsstruktur, welche eine Schicht aus Siliziumnitrid und eine Schicht aus Siliziumkarbid umfaßt. Das Siliziunkarbid hat gute Verschleiß- und Härteeigenschaften gegenüber Tintenblasen- Kavitation.
Gemäß der Erfindung ist eine thermische Tintenstrahldruckkopf-Anordnung mit mehreren Widerstands-Heizelementen, die auf einer Dünnschicht-Widerstandsstruktur aufgebracht sind, mehreren Tinten-Reservoiren, die auf den Widerstandsheizelementen ausgebildet sind, einer Sperrschicht umfassend eine diskontinuierliche Schicht aus Metall mit mehreren unterbrochenen Abschnitten, welche entsprechende Hohlräume bilden, die axial bezüglich der Heizelemente und bezüglich der Richtung des Tintenflusses ausgerichtet sind, wobei jeder Hohlraum mit eingeengten Tintenflußöffnungen verbunden ist, welche wesentlich kleinere Weiten als die Durchmesser der Hohlräume haben, und einer Düsenschicht umfassend eine kontinuierliche Schicht aus Metall, welche an die diskontinuierliche Schicht angrenzt und mehrere Auslaßdüsen aufweist, die axial mit den Hohlräumen ausgerichtet sind und Auslaßmündungen kleinerer Durchmesser als diejenigen der Hohlräume haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßdüsen ferner sanft konturierte Wände haben, die sich von den Umfängen der Hohlräume zu den Auslaßmündungen erstrecken, und die diskontinuierliche Schicht gezahnte Außenwände aufweist, was zum Vermindern von Kreuzkopplung und reflektierenden akustischen Wellen dient.
Ferner ist gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Sperrschicht und einer Düsenplattenstruktur für einen thermischen Tintenstrahldruckkopf vorgesehen, welches umfaßt: (a) Formen einer Maske einer vorbestimmten begrenzten Dicke auf einem ausgewählten metallischen Substrat, (b) Elektroformen einer ersten Schicht aus Nickel auf dem Substrat und Ausformen in eine konturierte Oberflächengeometrie in Kontakt mit der Maske und Bilden einer Düsen-Auslaßmündung, (c) Formen einer zweiten Maske auf der ersten Maske, wobei die zweite Maske wesentlich dicker als die erste Maske ist und vertikale Wände aufweist, die sich im wesentlichen oberhalb der Oberfläche der ersten Schicht aus Nickel erstrecken, (d) Elektroformen einer zweiten Schicht aus Nickel auf der ersten Schicht und benachbart der vertikalen Wände der zweiten Maske, um einen Tinten-Reservoir- Hohlraum zu bilden, der durch die von den Rändern der konturierten Oberflächengeometrie der ersten Schicht aufragende vertikale Wände begrenzt ist, und (e) Entfernen der ersten und der zweiten Masken und des ausgewählten metallischen Substrates, wodurch die ersten und zweiten Nickel-Schichten intakt in einer zusammengesetzten Schicht-Konfiguration zurückbleiben, in der die vertikalen Wände der zweiten Schicht die Begrenzungen der Tinten-Reservoire der Struktur bilden.
Der generelle Zweck dieser Erfindung besteht darin, die Lebensdauer dieser Art von Tintenstrahl-Druckkopfanordnungen zu erhöhen. Dieser Zweck wird durch Vermindern der Intensität der Druckwellen erreicht, welche durch kollabierende Tintenblasen erzeugt werden, während gleichzeitig die Struktur-Integrität der Sperrschicht und der Düsenplatte und die Festigkeit der die genannten Bauteile enthaltenden Materialien erhöht wird. Zusätzlich erhöht die neue, sanft konturierte Geometrie der Ausströmöffnung die maximal erzielbare Betriebsfrequenz fmax.
Die Verringerung der Druckwellen-Intensität, die Erhöhung der Sperrschicht-Festigkeit und -Integrität und die Erhöhung von fmax werden durch eine neue Sperrschicht- und Düsenplatten-Geometrie erzielt, welche eine diskontinuierliche Metallschicht mit mehreren getrennten Sektionen aufweist. Diese Sektionen sind so konturiert, daß sie eine entsprechende Vielzahl von zentralen Hohraumgebieten bilden, welche axial bezüglich der Richtung des von der Druckkopf-Anordnung ausgestrahlten Tintenstromes ausgerichtet sind. Jeder dieser zentralen Hohlraumgebiete ist mit einem Paar verengten Titenflußöffnungen einer Weitenabmessung verbunden, die wesentlich kleiner als der Durchmesser der zentralen Hohlraumgebiete ist. Schließlich haben diese Sektionen Außenwände gezahnter Konfiguration, was zum Verringern der relektierenden akustischen Wellen in der Anordnung dient, um Kreuzkopplung zwischen benachbarten Ausströmöffnungen zu vermindern und dadurch die maximale Betriebsfrequenz und die Druckqualität zu erhöhen.
Eine kontinuierliche Metallschicht schließt an die Schicht mit diskontinuierlichen Metallsektionen an und umfaßt mehrere Ausströmöffnungen, die axial mit den Hohlräumen in der diskontinuierlichen Metallschicht ausgerichtet sind. Diese Ausströmöffnungen haben Durchmesser, welche kleiner als die Durchmesser der Hohlräume in der diskontinuierlichen Schicht sind. Sie umfassen ferner konturierte Wände, welche eine konvergente Auslaßöffnung bilden und zu den Umfängen der Hohlräume reichen. Diese konvergente Ausströmöffnungs- Geometrie dient zum Vermindern des Luft-"Schluckens", welche den kontinuierlichen, glatten Betrieb des Tintenstrahldruckkopfes stört. "Schlucken" ist eine Erscheinung der Induzierung von Luftblasen während des Blasen-Kollabierens.
Durch Begrenzen der Weite der Tintenflußöffnungen, die sich von den durch die diskontinuierliche Metallschicht erzeugten Hohlräumen erstrecken, wird die Widerstandsfähigkeit gegenüber druckwellenbedingten Kräften in der Anordnung erhöht. Dieses Merkmal vermindert und minimalisiert die Menge an "Schlucken" und Kavitation (und somit kavitationserzeugenden Verschleißes) an den individuellen Heizwiderstandselementen in der Anordnung. Zusätzlich dient die begrenzte Weite dieser Tintenflußöffnungen dazu, die Wirksamkeit des Tintenausstoßes zu erhöhen und die Wiederauffüllzeit für die Tintenreservoire zu begrenzen, was Kavitationsschäden weiter vermindert. Ferner wird aufgrund der Verwendung einer geschichteten Nickel-Sperrschichtstruktur anstelle von Polymer-Werkstoffen die Gesamtfestigkeit und -integrität der Druckkopfanordnung wesentlich erhöht.
Es ist demgemäß ein Ziel der Erfindung, die Lebensdauer von thermischen Tintenstrahldruckkopfanordnungen dadurch zu erhöhen, daß der durch Kavitation erzeugte Verschleiß an den einzelnen Widerstandsheizelementen vermindert wird.
Ein anderes Ziel besteht darin, die Lebensdauer solcher Anordnungen durch Erhöhen der Festigkeit und Integrität der Sperrschicht und der Düsenplattenschicht der Tintenstrahldruckkopfanordnung zu erhöhen.
Ein weiteres Ziel ist es, die maximal erreichbare Betriebsfrequenz fmax der Tintenstrahldruckkopfanordnung zu erhöhen.
Ein Merkmal dieser Erfindung besteht darin, daß ein sanft konturierte Wand sich zwischen den einzelnen Tintenreservoiren in der Sperrschicht und den Auströmöffnungen der Düsenplatte erstreckt. Diese konturierte Wand bildet eine konvergente Ausströmöffnung und dient dazu, die Rate der Tintenblasen-Kollapse sowie eine Überschneidung oder "Interferenz" mit der nächstfolgenden Tintenstrahlbetätigung zu vermindern.
Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung besteht darin, daß ein wirtschaftliches und verläßliches Herstellverfahren beim Herstellen der Nickel-Sperrschicht und der Düsenplattenanordnung eingesetzt wird, welches eine verhältnismäßig geringe Anzahl individuellen Verfahrensschritten aufweist.
Ein anderes Merkmal der Erfindung stellt die präzise Kontrolle der Sperrschicht- und der Düsenplattenstärke durch den Einsatz eines Elektroform-Prozesses wie beschrieben dar. Diese und andere Ziele und Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung der angefügten Zeichnungen noch deutlicher.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Figuren 1A bis 1H zeigen schematische Querschnittdarstellungen, welche die Schrittfolge bei der Herstellung der Sperrschicht- und Düsenplattenanordnung gemäß der Erfindung illustrieren.
Fig. 2 ist eine isometrische Ansicht der Sperrschicht- und Düsenplattenanordnung nach der Erfindung einschließlich zweier benachbarter Tintenreservoir-Hohlräume und Ausströmöffnungen.
Fig. 3 ist eine geschnittene isometrische Ansicht, welche den Aufbau der Sperrschicht- und Düsenplattenanordnung auf einer Dünnfilm-Widerstandsstruktur einer thermischen Tintenstrahldruckkopfanordnung zeigt.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist in Fig. 1A ein Substrat 10 aus rostfreiem Stahl gezeigt, welches typisch eine Stärke von 0,762 bis 1,524 mm (30 bis 60 mils) und eine polierte Oberfläche zur Vorbereitung der Ablagerung einer positiven Photoresistschicht 12 gemäß Fig. 1B hat. Die positive Photoresistschicht 12 ist durch traditionelles Maskierungs-Ätzen und zugehörige photolithographische Verfahrensschritte, die dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind, behandelt, um eine Photoresist-Maske 14 gemäß Fig. 1C zu schaffen. Unter Verwendung eines positiven Photoresist und üblicher Photolithographie wird der Maskenabschnitt 14 mit ultraviolettem Licht belichtet und danach polyinerisiert, um auf der Oberfläche des Substrates 10 aus rostfreiem Stahl gemäß Fig. 1C intakt zu bleiben. Die verbleibenden nicht ausgesetzten Abschnitte der Photoresistschicht 12 werden unter Verwendung eines üblichen chemischen Photoresist-Entwicklers entwickelt.
Im nächsten Schritt wird die Struktur nach Fig. 1C zu einer Elektroform-Metallablagerungsstation übertragen, wo eine erste kontinuierliche Schicht 16 aus Nickel gemäß Fig. 1D abgelagert wird, die sanft konturierte Wände 18 bildet, welche sanft nach unten dorthin streben, wo schließlich die Ausströmöffnung 19 der Düsenplatte zu liegen kommen soll. Diese Kontur 18 wird dadurch erreicht, daß die elektrogeformte erste Nickelschicht 16 die Außenkante der Photoresistmaske 14 überlappt. Dies geschieht deshalb, weil eine gewisse Elektroforn-Reaktion über die äußeren Kanten der Photoresistmaske 14 hinweg stattfindet. Dies geschieht aufgrund der kleinen Dicke der Photoresistmaske 14 (3 µm) und aufgrund der Tatsache, daß der Elektroform-Prozeß die dünne Maske 14 mindestens um ihren Außenrand penetriert und so die dargestellte konvergente Kontur bildet.
Elektroformen ist allgemeiner bekannt als eine Abart von Elektroplattieren. Das Elektroplattieren wird durch Plazieren des zu plattierenden Werkstückes in einem Tank (nicht gezeigt) bewerkstelligt, der die Plattierlösung und eine Anode enthält. Die Plattierlösung enthält Ionen des auf das zu plattierende Werkstück aufzubringenden Metalles, und die Anode ist ein Stück aus eben diesem Metall. Das zu plattierende Werkstück bildet die Kathode. Darauf wird durch Anlegen einer Spannung ein direkter Stromfluß zwischen Anode und Kathode erzeugt, welcher die in der Lösung befindlichen Metallionen zum Wandern zur Kathode und zur Ablagerung darauf veranlaßt. Die Anode löst sich mit der gleichen Geschwindigkeit auf, wie das Metall auf der Kathode abgelagert wird. Dieses System (nicht gezeigt) wird eine Elektoplattier-Zelle genannt.
An der Anode verlieren die Metallatome Elektronen und treten als Kationen in die Plattierlösung ein. Der umgekehrte Vorgang findet an der Kathode statt, wo die Metallionen in der Plattierlösung Elektronen von der Kathode aufnehmen und sich selbst als metallische Beschichtung darauf ablagern. Die chemischen Reaktionen der Anode und der Kathode sind wie folgt, wobei M das Plattiermetall bedeutet:
Anode: M T M&spplus; + e&supmin;
Kathode: M&spplus; + e&supmin; T M
Elektroformen ist ähnlich dem Elektroplattieren. Bein Elektroform-Verfahren wird jedoch ein Gegenstand mit einem Metall plattiert, worauf das Metall anschließend von dem Gegenstand entfernt wird. Die Plattierung selbst stellt das Fertigprodukt dar, und in den meisten Fällen ist der Gegenstand oder das Substrat 10 mehrfach wiederverwendbar. Wie sich aus der folgenden Beschreibung ergibt, behält die entfernte Plattierung die Grundform der Substratoberfläche und der darauf angeordneten Maske.
Im nächsten Schritt gemäß Figur 1E wird eine dicke Schicht aus einem laminierten Photoresist 20 mit einer typischen Stärke von 76,2 µm (3 mils) auf der Oberfläche der ersten Schicht 16 aus Nickel aufgebracht und darauf die beschichtete Struktur zu einer photolithographischen Maskier- und Entwicklungsstation überführt, wo eine zweite Photoresistmaske 22 auf der ersten Photoresistmaske 14 geformt wird und den konturierten Wandäbschnitt 18 der ersten Nickelschicht 16 abdeckt. Diese zweite Photoresistmaske 22 umfaßt vertikale Seitenwände 24 bedeutender vertikaler Dicke, und diese steilen Wände verhindern jegliches Elektroformen über die vertikalen Randgebiete hinaus beim nächsten Elektroformschritt gemäß Fig. 1G.
Beim zweiten Plattier- und Elektroformschritt gemäß Fig. 1G wird eine zweite diskontinuierliche Schicht 26 aus Nickel wie gezeigt auf der Oberfläche der ersten Nickelschicht 16 ausgebildet, und die Gesamtstärke der beiden Nickelschichten 16 und 26 beträgt etwa 102 µm (4 mils). Die Stärke der Schicht 16 beträgt etwa 63,5 µm (0,0025 Zoll), und die Stärke der Schicht 26 beträgt etwa 38,1 bis 50,8 µm (0,0015 bis 0,0020 Zoll). Die zweite Photoresist-Maske 22 ist so gestaltet, daß sie die diskontinuierliche und gezackte Schichtgeometrie gemäß Fig. 1H aufweist, einschließlich der gekrümmten Hohlraumwände 31 und 33, die sich wie gezeigt zwischen den Tintenflußöffnungen 35 und 37 erstrecken. Die gezahnten Wandabschnitte 30 der diskontinuierlichen zweiten Metallschicht 26 dienen zum Vermindern akustischer Reflexionswellen und reduzieren somit Kreuzkopplung zwischen benachtbarten Ausströmöffnungen 32.
Ein wesentlicher Vorteil des Benutzens des oben beschriebenen Elektroform-Verfahrens liegt darin begründet, daß die Stärke der Nickelschicht genau auf jedes gewünschte Mab gebracht werden kann. Dies steht im Gegensatz zum Einsatz von VACREL- und RISTON-Polymeren, welche gewöhnlich von verschiedenen Firmen nur in gestuften Stärken erhältlich sind.
Wenn die Sperrschicht und die zusammengesetzte Düsenplattenstruktur 28 gemäß Fig. 1G fertiggestellt ist, wird die Struktur nach Fig. 1G zu einer chemischen Abstreifbehandlungsstation überführt, wo die Struktur in einen zweckentsprechenden Photoresist-Abstreifer getaucht wird, der sowohl die erste als auch die zweite Photoresist-Maske 22, 24 entfernt, wobei auch das Substrat 10 aus rostfreiem Stahl weggenommen wird. Vorteilhaft wurde dieses Substrat 10 (oder eine "Unterlage") für die beschriebenen beiden Elektroformschritte benutzt und kann in nachfolgenden Elektroformprozessen wieder eingesetzt werden. Somit ist die vollendete Sperrschicht- und Düsenplattenanordnung 28 nun bereit zur Überführung in ein Gold-Plattierbad, wo sie in dieses Bad für eine Zeitdauer von etwa einer Minute getaucht wird, um eine dünne Goldschicht von etwa 20 µm Stärke auf der Nickeloberfläche auszubilden.
Dieser Goldplattierschritt ist für sich im Stand der Technik bekannt und wird vorteilhaft dazu benutzt, eine inerte Beschichtung zur Verhinderung von Korrosion durch Tinte zu schaffen und außerdem eine exzellente Haftfläche für das nachfolgende thermosonische (Anwendung von Wärme und Ultraschallenergie) Heften von Lötflecken auf der darunterliegenden und stützenden Dünnschicht-Widerstandsstruktur bereitzustellen. Somit macht die Tatsache, daß die metallene Düsenplatten- und Sperrschichtanordnung goldplattiert sein kann, um eine inerte Schutzschicht darauf zu schaffen, diese Struktur höchst angepaßt an den nachfolgenden Lötprozeß, der anschließend zum Heften der Sperrschicht an die darunterliegende Passivier-Deckschicht des Dünnfilm-Widerstandssubstrates durchgeführt wird. Nicht mit Gold plattiertes Nickel ist nämlich einer Oberflächenoxydation ausgesetzt, welche die Ausbildung von guten, festen Lötflecken verhindert. Auch der Einsatz von Polymer-Sperrschichtwerkstoffen nach dem Stand der Technik verhindert das Goldplattieren und macht die Struktur unverträglich mit einer guten Löthaftung.
Fig. 2 zeigt eine isometrische Ansicht mit Blickrichtung nach oben durch die Ausströmöffnungen der zusammengesetzten Sperrschicht- und Düsenplattenanordnung 28. Die konturierten Wände 18 erstrecken sich zwischen den Ausströmöffnungen und der zweiten Nickelschicht 26 und dienen zum Erhöhen der maximal erzielbaren Betriebsfrequenz fmax des Tintenstrahldruckkopfes im Vergleich zu Sperrschicht-Konfigurationen nach dem Stand der Technik ohne eine solche Konturierung. Zusätzlich dient die Nickel-/Nickel-Sperrschicht- und Düsenplattenanordnung und -geometrie dazu, "Luftschlucken" zu verhindern, Kavitation zu vermindern und eine Herstellung mit hoher Geschwindigkeit zu ermöglichen, wobei ausgezeichnete Löthafteigenschaften erzielt werden, wie oben beschrieben.
Die Weite der verengten Tintenflußöffnungen 58 liegt bei etwa 38,1 µm (0,0015 Zoll) oder etwa der Hälfte des Durchmessers des Tintenreservoirs 59. Dieser Durchmesser liegt typisch im Bereich zwischen 76,2 und 127 µm (0,003 bis 0,005 Zoll). Der Durchmesser der Tintenausströmöffnung 32 liegt etwa bei 63,5 µm (0,0025 Zoll).
Gemäß Fig. 3 wird die zusammengesetzte Sperrschicht- und Düsenplattenanordnung 28 auf einer Dünnfilm-Widerstandsstruktur 38 angeordnet, welche ein darunterliegendes Siliziumsubstrat 40 mit einer typischen Stärke von 0,5 mm (20 mils) aufweist und eine dünne Oberflächenpassivierschicht 42 aus Siliziumdioxid trägt. Eine Schicht aus elektrisch resistivem Werkstoff 44 ist auf der Oberfläche der SiO&sub2;-Schicht 42 aufgebracht, und der Werkstoff dieser Schicht ist typisch Tantal-Aluminium oder Tantal-Nitrid. Darauffolgend wird unter Einsatz von bekannten Metalleiter- Ablagerungs- und Maskierungsschritten ein leitendes Muster 46 aus Aluminium auf der resistiven Schicht 44 geformt, welches beispielsweise ein Paar Öffnungen 47 und 49 enthält, welche ihrerseits ein Paar elektrisch aktive Widerstandsheizelemente (Widerstände) bildet, die in Fig. 3 mit 50 und 52 bezeichnet sind.
Auf dem leitenden Muster 46 ist eine obere Passivierschicht 53 aufgebracht, die vorzugsweise aus einem stark inerten Werkstoff wie Siliziumkarbid, SiC, oder Siliziumnitrid, Si&sub3;N&sub4;, besteht und dazu dient, eine gute physische Isolation zwischen den Heizwiderständen 50 und 52 und der in den Reservoiren oberhalb der Widerstände angeordneten Tinte zu schaffen.
Als nächstes wird eine Schicht (oder ein Flecken) 55 aus Lötmittel zwischen der Deckfläche der Passivierschicht 53 und der Bodenfläche der Nickel-Sperrschicht 26 angeordnet, die wie vorher beschrieben eine exzellente Haftung zwischen den goldplattierten Flächen der darunterliegenden Passivierschicht 53 und der darüberliegenden Nickel-Sperrschicht 26 schafft.
Wie in dem Gebiet des thermischen Tintenstrahldruckens wohl bekannt, erzeugen an die Aluminiumleiter 46 angelegte elektrische Impulse ein Widerstandsheizen der Heizelemente 50 und 52 und sorgen somit für eine Übertragung von Wärmeenergie von diesen Heizelementen 50 und 52 zu der Oberflächenpassivierschicht 53 und somit zu der in den Reservoiren in der Nickelschicht 26 enthaltenen Tinte.
Das Siliziumsubstrat 40 wird an einen Leitungskopf (nicht gezeigt) unter Verwendung üblichen Silizium-Haftformens angeheftet. Vorzugsweise kann dieser Kopf aus einem ausgewählten Kunststoff bestehen, der zum Aufnehmen von Leitungen 46 vorgeformt ist, welche vorher aus einem Leitungsrahmen (nicht gezeigt) ausgestanzt sind. Dieser Leiterrahmen ist dem Stand der Technik als bandautomatisiert gehefteter (TAB) flexibler Schaltkreis beschrieben, wie er in der EP-A-0249626 (US-A-4635073) von Gary Hanson beschrieben ist.
Im Betrieb wird Wärme über die Passivierschicht 53 übertragen und sorgt für ein schnelles Heizen der in den Hohlräumen der Sperrschicht- und Düsenplattenstruktur 28 gespeicherten Tinte. Wenn dies geschieht, wird die in den Hohlräumen gespeicherte Tinte schnell bis zum Sieden aufgeheizt und expandiert durch die Ausströmöffnung 32. Wenn jedoch die expandierende Tintenblase anschließend aufgrund von Kavitation an den Tintenausströmöffnungen 32 kollabiert, dienen die Kontur der konvergenten Ausströmöffnungen und die verminderte Weite der verengten Tintenflußöffnungen 58 dazu, das Kollabieren der Tintenblase zu verzögern und dadurch die Intensität der Kavitation zu vermindern und dadurch erzeugte Schäden zu begrenzen. Dieses zuletzt genannte Merkmal resultiert aus einer hohen Widerstandfähigkeit gegenüber diesem kavitationserzeugten, nach unten auf die Widerstandsheizelemente 50 und 52 wirkenden Druckkräfte.
Somit wurden eine neue Sperrschicht- und Düsenplattenanordnung für thermische Tintenstrahldruckköpfe sowie ein neues Herstellverfahren dafür beschrieben. Zahlreiche Abwandlungen der beschriebenen Ausführung der Erfindung können gemacht werden, ohne von dem Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Thermische Tintenstrahldruckkopf-Anordnung mit mehreren Widerstandsheizelementen (50,52), die auf einer Dünnschicht-Widerstandsstruktur (40,42,44) aufgebracht sind;

mehreren Tinten-Reservoiren (59), die auf den Widerstandsheizelementen ausgebildet sind;

einer Sperrschicht umfassend eine diskontinuierliche Schicht (26) aus Metall mit mehreren unterbrochenen Abschnitten (58), welche entsprechende Hohlräume (59) bilden, die axial bezüglich der Heizelemente (50,52) und bezüglich der Richtung des Tintenflusses ausgerichtet sind;

wobei jeder Hohlraum (59) mit eingeengten Tintenflußöffnungen (58) verbunden ist, welche wesentlich kleinere Weiten als die Durchmesser der Hohlräume haben; und

einer Düsenschicht umfassend eine kontinuierliche Schicht (16) aus Metall, welche an die diskontinuierliche Schicht angrenzt und mehrere Auslaßdüsen (32) aufweist, die axial mit den Hohlräumen (59) ausgerichtet sind und Auslaßmündungen kleinerer Durchmesser als diejenigen der Hohlräume haben;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Auslaßdüsen (32) ferner sanft konturierte Wände (18) haben, die sich von den Umfängen der Hohlräume (59) zu den Auslaßmündungen (32) erstrecken; und

die diskontinuierliche Schicht (26) gezahnte Außenwände (30) aufweist, was zum Vermindern von Kreuzkopplung und reflektierenden akustischen Wellen dient.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die kontinuierlichen und diskontinuierlichen Schichten (16,26) aus Nickel elektrogeformt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die kontinuierlichen und diskontinuierlichen Schichten (16,26) aus goldplattiertem Nickel bestehen, was sie unmittelbar zu einer guten, festen Löthaftung mit einem darunterliegenden Dünnschicht-Widerstandssubstrat (40,42,44) befähigt.

4. Verfahren zum Herstellen einer Sperrschicht und einer Düsenplattenstruktur (28) für einen thermischen Tintenstrahldruckkopf, umfassend:

(a) Formen einer Maske (14) einer vorbestimmten begrenzten Dicke auf einem ausgewählten metallischen Substrat (10),

(b) Elektroformen einer ersten Schicht (16) aus Nickel auf dem Substrat (10) und Ausformen in eine konturierte Oberflächengeometrie (18) in Kontakt mit der Maske und Bilden einer Düsen-Auslaßmündung (19),

(c) Formen einer zweiten Maske (22) auf der ersten Maske (14), wobei die zweite Maske wesentlich dicker als die erste Maske ist und vertikale Wände (24) aufweist, die sich im wesentlichen oberhalb der Oberfläche der ersten Schicht (16) aus Nickel erstrecken,

(d) Elektroformen einer zweiten Schicht (26) aus Nickel auf der ersten Schicht (16) und benachbart der vertikalen Wände (24) der zweiten Maske (22), um einen Tinten-Reservoir-Hohlraum zu bilden, der durch die von den Rändern der konturierten Oberflächengeometrie der ersten Schicht aufragende vertikale Wände begrenzt ist, und

(e) Entfernen der ersten und der zweiten Masken (14,22) und des ausgewählten metallischen Substrates (10), wodurch die ersten und zweiten Nickel-Schichten (16,26) intakt in einer zusammengesetzten Schicht-Konfiguration (28) zurückbleiben, in der die vertikalen Wände der zweiten Schicht (26) die Begrenzungen der Tinten-Reservoire der Struktur bilden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die zweite Maske (22) mit diskontinuierlich gekrümmten Seitenwandabschnitten (31,33) ausgebildet ist, welche Öffnungen (37) bilden, die als Tintenflußöffnungen zum Passierenlassen von Tinte von der Außenseite der zweiten Nickelschicht (26) zu den besagten Auslaßmündungen (32) fungieren.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die erste Maske (14) eine konturierte Geometrie hat und eine zylindrische Auslaßdüsenöffnung bildet und bei der die zweite Maske (22) eine gezahnte Wandgeometrie aufweist, welche sich negativ dazu in der äußeren Wandgeometrie (30) der zweiten Nickelschicht (26) wiederholt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Sperrschicht und die Düsenplattenstruktur (28) ausgerichtet und auf einer Dünnschicht-Widerstandsstruktur umfassend ein Feld von Widerstandsheizelementen (50,52) montiert wird, wobei die genannten Elemente axial auf die Tinten-Reservoire (59) in der Sperrschicht und auf die Düsenplattenstruktur (28) ausgerichtet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, das ferner das Form-Bonden der Dünnschicht-Widerstrandsstruktur (40,42,44) an einen Kopf umfaßt, wobei auch elektrische Leitungsanschlüsse, die sich von den Widerstandsheizelementen (50,52) in der Dünnschicht-Widerstandsstruktur erstrecken, eingebettet werden.