DE60222447T2

DE60222447T2 - Tintenzufuhranordnung für einen tragbaren tintenstrahldrucker

Info

Publication number: DE60222447T2
Application number: DE60222447T
Authority: DE
Inventors: Kia Balmain Silverbrook
Original assignee: Silverbrook Research Pty Ltd
Current assignee: Silverbrook Research Pty Ltd
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: CA2458597C; US20040207687A1; EP1432582A1; DE60222447D1; JP4216188B2; EP1432582A4; IL160622A; CN1578732A; US20030137567A1; CN1321818C; US6652082B2; US6644793B2; US20030142175A1; JP2005500190A; US7070256B2; KR20040045427A; CA2458597A1; IL160622A0; KR100628361B1; AU2002304986B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tintenzufuhranordnung zur Versorgung eines Druckers mit Tinte. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Tintenkanalverteilerbalkenstruktur zur Versorgung eines tragbaren, seitenbreiten Tintenstrahldruckkopfchips mit Tinte. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf diese spezifische Anwendung beschränkt ist und auch bei anderen Druckertypen und Konfigurationen sowie bei nicht tragbaren Druckern zum Einsatz kommen kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei einem tragbaren System zur Steuerung des Tintenflusses zu einem Tintenstrahldruckkopf muss dafür gesorgt werden, dass der Druckkopf, auch wenn er infolge seiner Tragbarkeit in Bewegung gesetzt wird, weiterhin funktioniert und Tinte erhält. Zu den Beispielen für tragbare Systeme gehören die vor Kurzem von der vorliegenden Anmelderin eingereichten PCT-Anmeldungen Nr. PCT/AU98/00550 und Nr. PCT/AU98/00549.
Bei Einsatz in einem Kamerasystem mit eingebautem Drucker sind zum Beispiel Vorkehrungen zur ordnungsgemäßen Funktion und zum ordnungsgemäßen Tintenfluss bei Bewegung des tragbaren Kamerasystems wünschenswert. Außerdem soll ein derartiges System so preisgünstig und effizient wie möglich zur Verfügung gestellt werden. Das ist besonders dann der Fall, wenn die Kamera während des Druckens auf tragbare Art und Weise benutzt wird.
WO00/28379 beschreibt eine Tintenzufuhreinheit für ein Mobiltelefon mit Tintenstrahldrucker. Die Tintenzufuhreinheit weist eine Tintenkammer mit Ablenkwänden auf.
AUFGABE DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Tintenzufuhranordnung zur Versorgung der Druckanordnung eines tragbaren Druckers mit Tinte, die einen oder mehrere Nachteile des Standes der Technik überwindet oder vermindert oder wenigstens eine brauchbare Alternative hierzu darstellt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein tragbarer Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1 vorgesehen; in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Tintenzufuhreinheit nach Anspruch 10 vorgesehen.
Die Tintendruckanordnung liegt vorzugsweise in Form eines Druckkopfes vor, der direkt mit einer Tintenzufuhranordnung in Form einer Tintenzufuhreinheit mit einem Tintenverteilerbalken in Verbindung steht, der Tinte über eine Vielzahl von Auslässen an entsprechende Tintenzufuhrdurchlässe am Druckkopf liefert.
In der bevorzugten Form ist der Druckkopf ein länglicher seitenbreiter Druckkopfchip und sind die Ablenkwände in der Tintenzufuhr so konfiguriert, dass sie die Beschleunigung der Tinte entlang der Längsrichtung des Druckkopfes und der zugehörigen Tintenzufuhreinheit reduzieren. Die Tintenzufuhreinheit weist vorzugsweise eine Reihe von Vorratskammern für verschiedenfarbige Tinten auf.
Die Tintenvorratskammer(n) besteht (bestehen) vorzugsweise aus zwei oder mehr miteinander verbundenen formwerkzeuggeformten Komponenten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden beispielsweise anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben; von diesen zeigen:
1 ein Schema einer einzelnen Tintendüse bzw. Tintenstrahldüse in Ruhestellung;
2 ein Schema einer einzelnen Tintendüse in Abschussstellung;
3 ein Schema einer einzelnen Tintendüse in Nachfüllstellung;
4 einen zweischichtigen Kühlprozess;
5 einen einschichtigen Kühlprozess;
6 eine Draufsicht auf eine gefluchtete Düse;
7 eine Schnittansicht einer ausgerichteten Düse;
8 eine Draufsicht auf eine ausgerichteten Düse;
9 eine Schnittansicht einer ausgerichteten Düse;
10 eine Schnittansicht eines Prozesses beim Aufbau einer Tintendüse;
11 eine Schnittansicht eines Prozesses beim Aufbau einer Tintendüse nach chemisch-mechanischer Planarisierung;
12 die bei der bevorzugten Ausführungsform beim Vorwärmen der Tinte zur Anwendung kommenden Schritte;
13 den normalen Drucktaktzyklus;
14 die Nutzung eines Vorwärmzyklus;
15 ein Schaubild einer wahrscheinlichen Betriebstemperatur des Druckkopfes;
16 ein Schaubild einer wahrscheinlichen Betriebstemperatur des Druckkopfes;
17 eine Form des Ansteuerns eines Druckkopfes zum Vorwärmen;
18 eine Schnittansicht eines Teils eines Wafers, auf dem eine Tintendüsenstruktur gebildet werden soll;
19 die Maske für n-Wannenbearbeitung (N-well processing);
20 eine Schnittansicht eines Teils des Wafers nach n-Wannenbearbeitung;
21 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach n-Wannenbearbeitung;
22 die aktive Kanalmaske;
23 eine Schnittansicht des Feldoxids;
24 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach dem Aufbringen von Feldoxid;
25 die Polymaske;
26 eine Schnittansicht des aufgebrachten Poly;
27 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach dem Aufbringen von Poly;
28 die n+-Maske;
29 eine Schnittansicht des n+-Implantats;
30 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach n+-Implantation;
31 die p+-Maske;
32 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der Wirkung des p+-Implantats;
33 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach p+-Implantation;
34 die Kontaktmaske;
35 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der Wirkung des Aufbringens von ILD 1 und des Ätzens von Kontaktlöchern (contact vias);
36 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach dem Aufbringen von ILD 1 und dem Ätzen von Kontaktlöchern;
37 die Maske für Metall 1;
38 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der Wirkung des Aufbringens der Metall 1-Schicht;
39 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach Aufbringen von Metall 1;
40 die Maske für Kontaktlöcher 1;
41 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der Wirkung des Aufbringens von ILD 2 und des Ätzens von Kontaktlöchern;
42 die Maske für Metall 2;
43 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der Wirkung des Aufbringens der Metall 2-Schicht;
44 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach Aufbringen von Metall 2;
45 die Maske für Kontaktlöcher 2;
46 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der Wirkung des Aufbringens von ILD 3 und des Ätzens von Kontaktlöchern;
47 die Maske für Metall 3;
48 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der Wirkung des Aufbringens der Metall 3-Schicht;
49 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach Aufbringen von Metall 3;
50 die Maske für Kontaktlöcher 3;
51 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der Wirkung des Aufbringens von Passivierungsoxid und Nitrid und des Ätzens von Löchern;
52 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach Aufbringen von Passivierungsoxid und Nitrid und nach dem Ätzen von Löchern;
53 die Heizungsmaske;
54 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der Wirkung des Aufbringens der Titannitridschicht der Heizung;
55 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach Aufbringen der Titannitridschicht der Heizung;
56 die Maske für Aktor/Biegekompensator;
57 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der Wirkung des Aufbringens des Aktorglases und des Biegekompensator-Titannitrids nach dem Ätzen;
58 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach Aufbringen und Ätzen der Aktorglas- und Biegekompensator-Titannitrid-Schichten;
59 die Düsenmaske;
60 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der Wirkung des Aufbringens der Opferschicht und des Ätzens der Düsen;
61 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach Aufbringen und anfänglichem Ätzen der Opferschicht;
62 die Düsenkammermaske;
63 eine Schnittansicht der geätzten Kammern in der Opferschicht;
64 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach weiterem Ätzen der Opferschicht;
65 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der aufgebrachten Schicht der Düsenkammerwände;
66 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach weiterem Aufbringen der Düsenkammerwände;
67 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Prozesses der Bildung von selbst ausgerichteten Düsen durch chemisch-mechanische Planarisierung (Chemical Mechanical Planarization (CMP));
68 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach der CMP der Düsenkammerwände;
69 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der auf einem unbeschichteten Wafer montierten Düse;
70 die Maske für Abätzen des Einlasses;
71 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Abätzens der Opferschichten;
72 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach dem Abätzen der Opferschichten;
73 eine teilweise entlang einer anderen Schnittlinie geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Einzeldüse nach dem Abätzen der Opferschichten;
74 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung einer mit Tinte gefüllten Düse;
75 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Tinte ausstoßenden Einzeldüse;
76 ein Schema der Steuerlogik für eine Einzeldüse;
77 eine CMOS-Realisierung der Steuerlogik für eine Einzeldüse;
78 eine Legende oder einen Schlüssel zu den diversen Schichten, die bei der beschriebenen CMOS/MEMS-Realisierung zur Anwendung kommen;
79 die CMOS-Ebenen bis zur Polyebene;
80 die CMOS-Ebenen bis zur Ebene Metall 1;
81 die CMOS-Ebenen bis zur Ebene Metall 2;
82 die CMOS-Ebenen bis zur Ebene Metall 3;
83 die CMOS- und MEMS-Ebenen bis zur MEMS-Heizungsebene;
84 die Aktorschutzebene;
85 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht eines Teils eines Tintenstrahlkopfes;
86 eine vergrößerte teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht eines Teils eines Tintenstrahlkopfes;
87 eine Anzahl von Schichten, die beim Aufbau einer Serie von Aktoren gebildet werden;
88 einen Teil der Rückseite eines Wafers mit den Tintenzufuhrkanälen durch dem Wafer;
89 die Anordnung der Segmente in einem Druckkopf;
90 ein Schema eines nach Abschussfolge numerierten Einzelelements;
91 ein Schema eines nach logischer Folge numerierten Einzelelements;
92 ein Schema eines Einzeldreierblocks mit einem Element einer jeden Tintenfarbe;
93 ein Schema einer Einzelelementgruppe mit 10 Dreierblöcken;
94 ein Schema des Verhältnisses zwischen Segmenten, Abschussgruppen und Dreierblöcken;
95 das Takten für AEnable und BEnable in einem typischen Druckzyklus;
96 eine aufgelöste perspektivische Ansicht des Einbaus eines Druckkopfes in eine Tintenkanal-Stützstruktur nach einer Ausführungsform der Erfindung;
97 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht der Tintenkanal-Stützstruktur nach einer Ausführungsform der Erfindung;
98 eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht einer Druckwalze, eines Druckkopfes und einer Platte; und
99 eine perspektivische Seitenansicht einer Druckwalze, eines Druckkopfes und einer Platte;
100 eine perspektivische Seitenansicht einer Druckwalze, eines Druckkopfes und einer Platte in Explosionsdarstellung;
101 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht zur Veranschaulichung des Anbringen eines Druckkopfes an einen in 96 und 97 gezeigten Tintenkanalverteilerbalken;
102 eine geöffnete Vorderansicht der Außenseite der in 97 gezeigten automatisch foliengebondeten Films; und
103 die Rückseite der geöffneten in 102 gezeigten automatisch foliengebondeten Films.
Beschreibung von bevorzugten und anderen Ausführungsformen
Die bevorzugte Ausführungsform ist ein modularer monolithischer 1600-dpi-Druckkopf, der für Einbau in verschiedenartige seitenbreite Drucker und in Kamerasysteme mit Sofortdruck auf Anforderung geeignet ist. Der Druckkopf wird mittels der Technologie der mikroelektromechanischen Systeme (Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS)) hergestellt, ein Begriff, der sich auf im Mikronmaßstab gebaute mechanische Systeme bezieht, wobei gewöhnlich eine für die Herstellung von integrierten Schaltungen entwickelte Technologie zur Anwendung kommt.
Da ein seitenbreiter 1600-dpi-A4-Drucker von Fotoqualität mehr als 50 000 Düsen erfordert, ist im Interesse der Kostensenkung die Integration der Steuerelektronik auf dem selben Chip wie der Druckkopf unerlässlich. Mittels Integration kann die Anzahl der Außenanschlüsse an den Druckkopf von 50 000 auf rund 100 reduziert werden. Zur Bereitstellung der Steuerelektronik integriert die bevorzugte Ausführungsform CMOS-Logik und Treibertransistoren auf dem selben Wafer wie die MEMS-Düsen. MEMS hat anderen Herstellungsverfahren gegenüber einige wichtige Vorteile aufzuweisen:
mechanische Bauelemente können mit Abmessungen und mit einer Genauigkeit im Mikronmaßstab gebaut werden;
Millionen von mechanischen Bauelementen können gleichzeitig auf ein und demselben Siliziumwafer hergestellt werden; und
die mechanischen Bauelemente können Elektronik enthalten.
Der im vorliegenden Text verwendete Begriff „Druckkopf IJ46" bezieht sich auf gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellte Druckköpfe.
Funktionsprinzip
Die bevorzugte Ausführungsform basiert auf dem Einsatz eines wärmebetätigten Hebelarms zum Ausstoßen der Tinte. Die Düsenkammer, aus der die Tinte ausgestoßen wird, weist einen dünnen Düsenrand auf, auf dem sich ein Meniskus bildet. Ein Düsenrand wird unter Anwendung eines selbstausrichtenden Auftragmechanismus gebildet. Die bevorzugte Ausführungsform weist auch das vorteilhafte Merkmal eines Überflutungsschutzrandes rund um die Tintenausstoßdüse auf.
Die Funktionsprinzipien des Tintenstrahldruckkopfes der bevorzugten Ausführungsform werden im Folgenden anfänglich unter Bezugnahme auf 1 bis 3 erklärt. 1 zeigt eine einzelne Düsenanordnung 1 mit einer Düsenkammer 2, die über einen Tintenzufuhrkanal 3 so versorgt wird, dass sich rund um einen Düsenrand 5 ein Meniskus 4 bildet. Ein vorgesehener thermischer Aktormechanismus 6 weist ein Endpaddel 7 auf, das eine runde Form haben kann. Das Paddel 7 steht mit einem Aktorarm 8 in Verbindung, der schwenkbar an einer Säule 9 montiert ist. Der Aktorarm 8 enthält zwei Schichten 10, 11 aus einem leitfähigen Material hoher Steifheit, wie zum Beispiel Titannitrid. Die untere Schicht 10 bildet einen mit der Säule 9 verschalteten leitenden Stromkreis und weist in der Nähe der Endsäule 9 einen dünneren Abschnitt auf. Wenn also ein Strom durch die untere Schicht 10 fließt, wird diese im Bereich neben der Säule 9 erwärmt. Ohne diese Erwärmung sind die beiden Schichten 10, 11 im Zustand des thermischen Gleichgewichts. Die Erwärmung der unteren Schicht 10 veranlasst den Aktormechanismus 6 im Ganzen zum Aufwärtsbiegen, so dass das Paddel 7, wie in 2 gezeigt, rasch nach oben fährt. Diese rasche Aufwärtsbewegung erhöht den Druck rund um den Düsenrand 5, wodurch der Meniskus 4 allgemein gedehnt wird, während Tinte aus der Kammer fließt. Daraufhin wird die Stromzuleitung zur unteren Schicht 10 unterbrochen, und der Aktorarm 6 beginnt sich, wie in 3 gezeigt, wieder in Ruhestellung zu begeben. Die Folge ist eine Abwärtsbewegung des Paddels 7. Diese führt ihrerseits zu einem allgemeinen Zurücksaugen der Tinte um die Düse 5. Das Vorwärtsmoment der Tinte außerhalb der Düse führt zusammen mit dem Rückwärtsmoment der Düse innerhalb der Düsenkammer zur Bildung eines Tropfens 14 infolge der Verengung und des Bruchs des Meniskus 4. Danach wird infolge der Oberflächenspannung des Meniskus 4 Tinte aus dem Tintenzufuhrkanal 3 in die Düsenkammer 2 gesaugt.
Die Wirkungsweise der bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich durch eine Reihe von wichtigen Merkmalen aus. Das erste davon ist der oben erwähnte Ausgleich der Schichten 10, 11. Der Einsatz einer zweiten Schicht 11 macht die thermische Wirkung des Aktorelements 6 effizienter. Außerdem sorgt die zweischichtige Funktion dafür, dass thermische Spannungen nach dem Abkühlen bei der Herstellung nicht zum Problem werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit der Ablösung während der Fertigung reduziert wird. Das wird in 4 und 5 veranschaulicht. 4 zeigt den Prozess des Abkühlens eines thermischen Aktorarms mit zwei ausgeglichenen Materialschichten 20, 21, die eine mittlere Materialschicht 22 umgeben. Der Kühlvorgang beeinflusst die beiden Schichten 20, 21 gleich stark, woraus sich eine stabile Konfiguration ergibt. 5 zeigt einen thermischen Aktorarm mit nur einer leitenden Schicht 20. Beim Abkühlen nach der Herstellung biegt sich die obere Schicht 20 relativ zur mittleren Schicht 22. Das verursacht wahrscheinlich Probleme infolge der Instabilität der fertigen Anordnung und infolge von Dickeunterschieden in den diversen Schichten, die ein unterschiedliches Maß an Biegung zur Folge haben.
Die mit Bezugnahme auf 1 bis 3 beschriebene Anordnung umfasst ferner einen Rand 25 (1), der das Ausbreiten des Tintenstrahls verhindert und so gebaut ist, dass er einen Graben 26 rund um den Düsenrand 5 bildet. Außerhalb des Düsenrandes 5 fließende Tinte wird ggf. im Graben 26 rund um den Rand aufgefangen und kann daher nicht über die Oberfläche des Tintenstrahldruckkopfes fließen und dessen Funktion beeinträchtigen. Diese Anordnung ist in 11 deutlich zu sehen.
Der Düsenrand 5 und der das Ausbreiten der Tinte verhindernde Rand 25 werden außerdem unter Anwendung eines einzigartigen chemisch-mechanischen Planarisierungsverfahrens gebildet. Diese Anordnung wird durch 6 bis 9 verständlich. Im Idealfall ist der Rand einer Tintenausstoßdüse, wie bei 30 in 6 gezeigt, ganz symmetrisch in der Form. Zur Zeit des Tintenausstoßes ist ein dünner und höchst regelmäßiger Rand erwünscht. 7 zeigt zum Beispiel den Ausstoß eines Tropfens aus einem Rand während des Verengungs- und Bruchvorgangs. Dieser Verengungs- und Bruchvorgang ist hochempfindlich, da komplexe chaotische Kräfte zur Wirkung kommen. Sollte der Düsenrand mittels normaler Lithografie gebildet werden, kann seine Regelmäßigkeit oder Symmetrie wahrscheinlich nur innerhalb eines gewissen Bereichs gewährleistet werden, der dem zur Anwendung kommenden Lithografieverfahren entspricht. Das kann die bei 35 in 8 gezeigten Unterschiede in der Randform ergeben. Diese haben, wie bei 35 in 8 gezeigt, einen asymmetrischen Rand 35 zur Folge. Das verursacht wahrscheinlich bei der Bildung eines Tröpfchens Probleme. Das Problem ist in 9 veranschaulicht, wo der Meniskus 36 an der Oberfläche 37 entlang kriecht, wo sich der Rand zu einer größeren Breite ausbaucht. Der ausgestoßene Tropfen weist also wahrscheinlich eine stärker schwankende Ausstoßrichtung auf.
Dieses Problem wird bei der bevorzugten Ausführungsform durch ein selbstausrichtendes chemisch-mechanisches Planarisierungsverfahren (Chemical Mechanical Planarization (CMP)) gelöst. Das in 10 in vereinfachter Form dargestellte Verfahren wird im Folgenden besprochen. 10 zeigt ein Siliziumsubstrat 40, auf das eine erste Opferschicht (sacrificial layer) 41 und eine dünne Düsenschicht 42, die übertrieben dargestellt sind, aufgebracht werden. Die Opferschicht wird zuerst aufgebracht und so geätzt, dass sie einen „Rohling" für die Düsenschicht 42 bildet, die konform auf alle Oberflächen aufgebracht wird. In einem alternativen Herstellungsverfahren kann auf die Düsenschicht 42 eine weitere Opferschicht aufgebracht werden.
Darauf folgt der kritische Schritt der chemisch-mechanischen Planarisierung der Düsenschicht und der Opferschichten bis zu einer ersten Ebene, z.B. 44. Das chemisch-mechanische Planarisierungsverfahren dient effektiv zum „Abschneiden" der Oberschichten bis zu Ebene 44. Aus diesem konformen Aufbringen entsteht ein regelmäßiger Rand. Das Ergebnis der chemisch-mechanischen Planarisierung ist in 11 zu sehen.
Die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wendet sich jetzt einem vorzugsweise bei einem Druckkopf IJ46 zum Einsatz kommenden Vorwärmschritt für den Tintenstrahl zu.
Vorwärmen der Tinte
Bei der bevorzugten Ausführungsform kommt ein Tintenvorwärmschritt zur Anwendung, um die Temperatur der Druckkopfanordnung in einen vorgegebenen Bereich zu bringen. Die dabei zum Einsatz kommenden Schritte sind bei 101 in 12 zu sehen. Bei 102 wird anfänglich die Einleitung eines Druckvorgangs entschieden. Vor Beginn des Druckens wird die aktuelle Temperatur des Druckkopfes ermittelt, um zu bestimmen, ob sie oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt. Wenn die Heiztemperatur zu niedrig ist, kommt ein Vorwärmzyklus 104 zur Wirkung, der den Druckkopf durch Erwärmen des thermischen Aktuators bzw. Betätigungsmechanismus über eine vorgegebene Betriebstemperatur hinaus erwärmt. Bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur beginnt der normale Druckzyklus 105.
Der Einsatz des Vorwärmschrittes 104 führt zu einer allgemeinen Verringerung von möglichen Schwankungen in Faktoren, wie zum Beispiel Viskosität etc., wodurch ein engerer Betriebsbereich für das Bauelement ermöglicht und beim Ausstoßen der Tinte weniger Wärmeenergie benötigt wird.
Der Vorwärmschritt kann verschiedene Formen annehmen. Wo die Tinte von einem thermischen Biegeelement ausgestoßen wird, würde dieses, wie in 13 gezeigt, eine Reihe von Taktimpulsen erhalten, wobei der Tintenausstoß Taktimpulse 110 einer vorgegebenen Breite erfordert, um genug Energie zum Ausstoßen zu liefern.
Wenn die Möglichkeit des Vorwärmens erwünscht ist, kann dieses, wie in 14 gezeigt, durch eine Reihe von kürzeren Impulsen, z.B. 111, ausgelöst werden, die zwar dem Druckkopf Wärmeenergie bereitstellen, aber nicht das Ausstoßen der Tinte aus der Tintenausstoßdüse veranlassen.
16 ist ein Beispiel eines Schaubildes der Temperatur des Druckkopfes während des Druckens. Angenommen, dass der Druckkopf längere Zeit nicht in Betrieb war, hat er anfänglich Umgebungstemperatur 115. Wenn gedruckt werden soll, wird ein Vorwärmschritt (104 in 12) durchgeführt, so dass die Temperatur, wie bei 116 gezeigt, auf eine Betriebstemperatur T2 bei 117 ansteigt, wonach der Druck beginnen kann und die Temperatur den gegebenen Anforderungen gemäß variieren darf.
Als Alternative kann die Temperatur des Druckkopfes, wie in 16 gezeigt, ständig so überwacht werden, dass bei Unterschreiten eines Schwellenwertes, z.B. 120, eine Reihe von Vorwärmzyklen in den Druckprozess eingebracht wird, um die Temperatur über eine vorgegebene Schwelle hinaus auf 121 zu erhöhen.
Angenommen, dass die Eigenschaften der Tinte im Wesentlichen denen von Wasser gleichen, kann der Vorwärmschritt aus den erheblichen Viskositätsschwankungen der Tinte mit der Temperatur Nutzen ziehen. Es können natürlich auch andere Betriebsfaktoren einen Einfluss ausüben, und die Stabilisierung auf einen engeren Temperaturbereich hat eine vorteilhafte Wirkung. Da sich die Viskosität mit der Temperatur ändert, versteht es sich, dass das Ausmaß der Erwärmung über die Umgebungstemperatur hinaus von der Umgebungstemperatur selbst und von der Gleichgewichtstemperatur des Druckkopfes während des Betriebs abhängt. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, kann daher das Ausmaß des Vorwärmens der gemessenen Umgebungstemperatur angepasst werden.
17 zeigt ein einfaches Funktionsschema mit einem Druckkopf 130, der eine eingebaute Reihe von Temperaturfühlern aufweist, die an eine Temperaturbestimmungseinheit 131 zur Bestimmung der aktuellen Temperatur angeschlossen sind; diese sendet ihrerseits ein Signal an einen Tintenausstoßantrieb 132, das bestimmt, ob in einem spezifischen Stadium Vorwärmen erforderlich ist. Bei den Temperaturfühlern auf dem Chip (Druckkopf) kann es sich um einfache MEMS-Temperaturfühler handeln, deren Aufbau dem Fachmann bekannt ist.
Herstellungsverfahren
Die Herstellung eines Bauelements IJ46 kann sich aus einer Kombination von normaler CMOS-Bearbeitung und MEMS-Nachbearbeitung zusammensetzen. Im Idealfall kommen bei der MEMS-Stufe keine Werkstoffe zur Anwendung, die nicht bereits bei der CMOS-Bearbeitung gängig sind. Die einzigen MEMS-Werkstoffe in der bevorzugten Ausführungsform sind PECVD-Glas, gesputtertes TiN und ein Opferwerkstoff (etwa Polyimid, PSG, PBSG, Aluminium oder Sonstiges). Das ideale Verfahren zur Montage von entsprechenden Steuerschaltungen zwischen den Düsen ohne Vergrößern der Chipfläche ist ein 0,5-Mikron-Einpoly-3-Metall-CMOS-Verfahren mit Aluminiummetallisierung. Es kann jedoch auch ein fortschrittlicheres Verfahren zur Anwendung kommen. Mögliche Alternativen sind NMOS-, bipolare, BiCMOS- und sonstige Verfahren. CMOS wird lediglich angesichts seiner vorwiegenden Anwendung in der Industrie und der großen verfügbaren CMOS-Fertigungskapazität empfohlen.
Für einen 100-mm-Fotodruckkopf, der mit dem Farbmodell des CMY-Prozesses arbeitet, implementiert CMOS eine einfache Schaltung mit 19 200 Stufen Schieberegister, 19 200 Bits Übertragungsregister, 19 200 Freigabegates und 19 200 Treibertransistoren. Dazu kommen einige Taktpuffer und Freigabedecoder. Die Taktfrequenz eines Fotodruckkopfes beträgt nur 3,8 MHz, und ein 30 Seiten pro Minute druckender A4-Druckkopf hat nur 14 MHz, so dass die CMOS-Leistung nicht kritisch ist. Der CMOS-Prozess einschließlich der Passivierung und des Öffnens der Bondinseln ist abgeschlossen, bevor der MEMS-Prozess beginnt. Die CMOS-Bearbeitung kann also in einer normalen CMOS-Fertigungsanlage erfolgen, während die MEMS-Bearbeitung in einer separaten Anlage erfolgt.
Gründe für die Prozessauswahl

Der Fachmann im Bereich Fertigung von MEMS-Bauelementen ist sich der Tatsache bewusst, dass für die Herstellung eines Druckkopfes IJ46 zahlreiche verschiedene Prozessabläufe zur Wahl stehen. Der hier beschriebene Prozessablauf basiert auf einem „gattungsgemäßen" 0,5-Mikron n-Wannen-CMOS-Prozess (gezeichnet) mit einer Polyschicht und drei Metallschichten. Die unten stehende Tabelle führt die Gründe für einige der Entscheidungen im Rahmen dieses „Nennprozesses" auf, um die Bestimmung der Auswirkungen von etwa gewählten Alternativen zu erleichtern.

Nennprozess	Grund
CMOS	Allgemeine Verfügbarkeit
0,5 Mikron oder weniger	0,5 Mikron zum Anbringen der Steuerelektronik unter den Aktoren erforderlich
0,5 Mikron oder mehr	Vollamortisierte Fertigung, niedrige Kosten
n-Wanne	Leistung eines n-Kanals wichtiger als p-Kanal-Transistoren
6-Zoll-Wafer	Praktisches Minimum für monolithische 4-Zoll-Druckküpfe
1 Polysiliziumschicht	2 Polyschichten nicht benötigt, da Niederstrom-Anschlussfähigkeit gering ist
3 Metallschichten	Für Hochstrom - der Großteil von Metall 3 liefert auch Opferstrukturen
Aluminiummetallisier ung	Niedrige Kosten, Standard für 0,5-Mikron-Prozesse (Kupfer kann effizienter sein)

Zusammenfassung der Masken

Maske Nr.	Maske	Vermerke	Typ	Struktur	Fluchten mit	Krit. Ab messung
1	n-Wanne		CMOS 1	Hell	Flach	4 μm
2	Aktiv	Einschl. Düsenkammer	CMOS 2	Dunkel	n-Wanne	1 μm
3	Poly		CMOS 3	Dunkel	Aktiv	0,5 μm
4	N+		CMOS 4	Dunkel	Poly	4 μm
5	P+		CMOS 4	Hell	Poly	4 μm
6	Kontakt	Einschl. Düsenkammer	CMOS 5	Hell	Poly	0,5 μm
7	Metall		CMOS 6	Dunkel	Kontakt	0,6 μm
8	Kontaktloch 1	Einschl. Düsenkammer	CMOS 7	Hell	Metall 1	0,6 μm
9	Metall 2	Einschl. Opferaluminium	CMOS 8	Dunkel	Kontaktloch 1	0,6 μm
10	Kontaktloch 2	Einschl. Düsenkammer	CMOS 9	Hell	Metall 2	0,6 μm
11	Metall 3	Einschl. Opferaluminium	CMOS 10	Dunkel	Poly	1 μm
12	Kontaktloch 3	Deckschicht, aber 0,6-μm kritische Abmessung	CMOS 11	Hell	Poly	0,6 μm
13	Heizung		MEMS 1	Dunkel	Poly	0,6 μm
14	Aktor		MEMS 2	Dunkel	Heizung	1 μm
15	Düse	Für CMP-Steuerung	MEMS 3	Dunkel	Poly	2 μm
16	Kammer		MEMS 4	Dunkel	Düse	2 μm
17	Einlass	Tiefe Siliziumätzung auf Rückseite	MEMS 5	Hell	Poly	4 μm

Beispiel eines Prozessablaufs (einschl. CMOS-Schritte)
Es können zwar zahlreiche CMOS- und andere Prozesse zur Anwendung kommen, aber die vorliegende Prozessbeschreibung ist mit einem Beispiel eines CMOS-Prozesses kombiniert und soll zeigen, wo MEMS-Merkmale in die CMOS-Maske integriert werden und wo der CMOS-Prozess angesichts von geringen Leistungsanforderungen vereinfacht werden kann.
Die unten beschriebenen Prozessschritte bilden einen Teil des „gattungsgemäßen" 0,5-Mikron-CMOS-Prozesses IP3M.

1. Wie 18 zeigt, beginnt der Prozess mit einem normalen 6-Zoll-p-Wafer <100> (ein 8-zoll-Wafer kann ebenfalls verwendet werden und würde den Primärertrag erheblich steigern).
2. Die n-Wannen(n-well)-Transistorteile 210 aus 20 werden unter Anwendung der n-Wannenmaske aus 19 implantiert.
3. Durch Aufwachsen einer dünnen Schicht SiO₂ und Aufbringen von Si₃N₄ wird eine harte Feldoxidmaske gebildet.
4. Das Nitrid und das Oxid werden mittels der aktiven Maske aus 22 geätzt. Die Maske hat Übermaß für den Vogelkopf des LOCOS-Verfahrens. Der Bereich der Düsenkammer ist in dieser Maske enthalten, da Feldoxid von der Düsenkammer ausgeschlossen ist. Das Ergebnis ist eine Reihe 212 von in 23 gezeigten Oxidbereichen.
5. Der Kanalstop wird mittels der n-Wannenmaske mit negativem Resist oder mittels eines Komplements der n-Wannenmaske implantiert.
6. Die vom CMOS-Prozess vorgeschriebenen Kanalstops werden ggf. implantiert.
7. Unter Anwendung von LOCOS wird 0,5 Mikron Feldoxid aufgewachsen.
8. Die Schwellenspannung des n/p-Transistors wird nach Bedarf eingestellt. Je nach den Kennlinien des CMOS-Prozesses können sich die Schwelleneinstellungen erübrigen. Das ist der niedrigen Betriebsfrequenz von 3,8 MHz zu verdanken, und die Qualität der p-Bauelemente ist nicht kritisch. Die Schwelle des n-Transistors ist wichtiger, da der Einschaltwiderstand des n-Kanal-Treibertransistors einen bedeutenden Einfluss auf die Effizienz und den Stromverbrauch beim Drucken hat.
9. Das Gateoxid wird aufgewachsen.
10. 0,3 Mikron Poly werden aufgebracht und mittels der in 25 gezeigten Polymaske so strukturiert, dass die in 26 gezeigten Polyteile 214 gebildet werden.
11. n+, wie z.B. bei 216 in 29 gezeigt, wird mittels der in 28 gezeigten n+-Maske implantiert. Technische Drainprozesse, wie z.B. LDD sollten sich erübrigen, da die Leistung der Transistoren nicht kritisch ist.
12. p+ wird, wie bei 218 in 32 gezeigt, mittels eines Komplements der in 31 gezeigten n+-Maske oder mittels der n+-Maske mit negativem Resist implantiert. Der Bereich der Düsenkammer wird n+- oder p+-dotiert, je nachdem, ob er in der n+-Maske enthalten ist oder nicht. Die Dotierung dieses Siliziumbereichs ist nicht relevant, da er nachträglich geätzt wird, und beim empfohlenen STS ASE-Ätzverfahren wird kein Bor als Ätzstop eingesetzt.
13. 0,6 Mikron PECVD TEOS-Glas werden wie z.B. bei 220 in 35 zur Bildung von ILD 1 aufgebracht.
14. Die Kontaktschnitte werden mittels der Kontaktmaske aus 34 geätzt. Der Düsenbereich wird als einzelner großer Kontaktbereich behandelt und keinen typischen Entwurfskontrollen unterzogen. Dieser Bereich wird daher aus der Entwurfsregelprüfung ausgeschlossen.
15. 0,6 Mikron Aluminium werden zur Bildung von Metall 1 aufgebracht.
16. Das Aluminium wird mittels der Maske für Metall 1 aus 37 so geätzt, dass Metallbereiche wie z.B. 224 in 38 gebildet werden. Der Metallbereich der Düsen wird mit Metall 1, z.B. 225, bedeckt. Dabei handelt es sich um Opferaluminium 225, das im Rahmen der MEMS-Folge geätzt wird. Metall 1 in der Düse ist nicht unerlässlich, trägt jedoch zur Reduktion der Stufe im verengten Bereich des Hebelarmes des Aktors bei.
17. 0,7 Mikron PECVD TEOS-Glas werden wie z.B. bei 228 in 41 zur Bildung von ILD 2-Bereichen aufgebracht.
18. Die Kontaktschnitte werden mittels der Maske für Kontaktlöcher 1 aus 40 geätzt.
Der Düsenbereich wird als einzelner großer Kontaktbereich behandelt und ebenfalls keiner Entwurfsregelprüfung DRC unterzogen.
19. 0,6 Mikron Aluminium werden zur Bildung von Metall 2 aufgebracht.
20. Das Aluminium wird mittels der Maske für Metall 2 aus 42 so geätzt, dass Metallbereiche wie z.B. 230 in 43 gebildet werden. Der Düsenbereich 231 wird 2 bedeckt. Dabei handelt es sich umganz mit Metall Opferaluminium, das im Rahmen der MEMS-Folge geätzt wird. Metall 2 in der Düse ist nicht unerlässlich, trägt jedoch zur Reduktion der Stufe im verengten Bereich des Hebelarmes des Aktors bei. Opfermetall 2 kommt auch bei einem anderen Aspekt der Fluidsteuerung zur Anwendung. Im verengten Bereich 233 der Düsenkammer ist ein relativ großes Rechteck Metall 2 vorgesehen. Dieses steht mit dem Opfermetall 3 in Verbindung und wird daher beim MEMS-Ätzen des Opferaluminiums ebenfalls entfernt. Das hinterschneidet den unteren Rand des Eintritts der Düsenkammer für den Aktor (aus ILD 3 gebildet). Der Hinterschnitt vergrößert den Winkel der Fluidsteuerfläche um 90 Grad und steigert daher die Fähigkeit des Randes, das flächige Ausbreiten der Tinte zu verhindern.
21. 0,7 Mikron PECVD TEOS-Glas werden zur Bildung von ILD 3 aufgebracht.
22. Die Kontaktschnitte werden mittels der Maske für Kontaktlöcher 2 aus 45 so geätzt, dass Teile, wie z.B. die bei 236 in 46 gezeigten, zurückbleiben. Wie auch die Düsenkammer werden die Fluidsteuerränder in ILD 3 gebildet. Sie werden ebenfalls keiner Entwurfsregelprüfung DRC unterzogen.
23. 1.0 Mikron Aluminium werden zur Bildung von Metall 3 aufgebracht.
24. Das Aluminium wird mittels der Maske für Metall 3 aus 47 so geätzt, dass Metallbereiche wie z.B. 238 in 48 zurückbleiben. Der Großteil des Metalls 3, z.B. 239, ist eine Opferschicht zum Trennen des Aktors und Paddels von der Chipoberfläche. Metall 3 dient auch zum Verteilen von V+ über den Chip. Der Düsenbereich ist ganz mit Metall 3, z.B. 240, bedeckt. Dabei handelt es sich um Opferaluminium, das im Rahmen der MEMS-Folge geätzt wird. Metall 3 in der Düse ist nicht unerlässlich, trägt jedoch zur Reduktion der Stufe im verengten Bereich des Hebelarmes des Aktors bei.
25. 0,5 Mikron PECVD TEOS-Glas werden zur Bildung der Glasbeschichtung aufgebracht.
26. 0,5 Mikron Si₃N₄ werden zur Bildung der Passivierungsschicht aufgebracht.
27. Die Passivierungsschicht und die Beschichtung werden mittels der Maske für Kontaktlöcher 3 aus 50 so geätzt, dass die in 51 gezeigte Anordnung gebildet wird. Diese Maske hat einen Zugang 242 zur Opferschicht aus Metall 3 sowie Kontaktlöcher, z.B. 243, zum Heizungsaktor. Anstelle der normalerweise gelockerten Lithografie, die beim Öffnen der Bondinseln zur Anwendung kommt, hat die Lithografie bei diesem Schritt eine kritische Abmessung von 0,6 Mikron (für die Kontaktlöcher der Heizung). Das ist der einzige Schritt, der sich vom normalen CMOS-Prozess unterscheidet. Je nach der Anordnung der Fertigungsanlage und den Transportanforderungen kann er entweder den letzten Schritt des CMOS-Prozesses oder den ersten Schritt des MEMS-Prozesses bilden.
28. Wafersonde. In diesem Stadium kann der Großteil der Funktionalität des Chips, aber nicht die ganze Funktionalität bestimmt werden. Wenn in diesem Stadium eine vollständigere Prüfung erforderlich ist, kann auf dem Chip eine aktive Blindlast für jeden Treibertransistor vorgesehen werden. Die Einbuße an Chipfläche ist nur geringfügig, und dieses Vorgehen ermöglicht die vollständige Prüfung der CMOS-Schaltung.
29. Die Wafer werden aus der CMOS-Anlage zur MEMS-Anlage gebracht. Diese kann in der selben Fertigungsanlage oder in einiger Entfernung angeordnet sein.
30. 0,9 Mikron von mit Magnetron gesputtertem TiN werden aufgebracht. Die Spannung beträgt -65 V, die Stromstärke des Magnetrons 7,5A, der Druck des Argongases 0,3 Pa und die Temperatur 300°C. Daraus ergeben sich ein Wärmeausdehnungskoeffizient von 9,4 × 10^-6/°C und ein E-Modul (Young's modulus) von 600 GPa (Thin Solid Films 270 S. 266, 1995), die Schlüsseleigenschaften für Dünnschichten sind.
31. Das TiN wird mittels der Heizungsmaske aus 53 geätzt. Diese Maske definiert das Heizelement, den Paddelarm und das Paddel. 54 zeigt einen schmalen Spalt 247 zwischen der Heizung und der TiN-Schicht des Paddels und des Paddelarms. Dieser verhindert eine elektrische Verbindung zwischen Heizung und Tinte sowie mögliche Elektrolyseprobleme. Dieser Schritt erfordert Genauigkeit im Submikronbereich, wenn die Heizungskennlinien über den ganzen Wafer gleichförmig sein sollen. Das ist der Hauptgrund, warum die Heizung nicht gleichzeitig mit den anderen Aktorschichten geätzt wird. Die kritische Abmessung CD für die Heizungsmaske beträgt 0,5 Mikron. Die Überdeckungsgenauigkeit beträgt +/- 0,1 Mikron. Die Bondinseln werden ebenfalls mit dieser TiN-Schicht bedeckt. Das verhindert ihr Wegätzen beim Ätzen des Opferaluminiums. Es verhindert auch die Korrosion der Bondinseln aus Aluminium während des Betriebs. TiN ist ein ausgezeichneter Korrosionsschutz für Aluminium. Der spezifische Widerstand von TiN ist so niedrig, dass er bezüglich des Widerstandes der Bondinseln keine Probleme verursacht.
32. 2 Mikron PECVD-Glas werden aufgebracht. Zur Minimierung der Eigenspannungen im Glas erfolgt das vorzugsweise bei einer Temperatur von rund 350°C bis 400°C. Thermische Spannungen könnten durch eine niedrigere Temperatur reduziert werden, aber thermische Spannungen sind an sich vorteilhaft, da das Glas zwischen zwei Schichten TiN liegt. Die dreischichtige Anordnung TiN/Glas/TiN verhindert durch thermische Spannung verursachtes Biegen und setzt das Glas unter konstante Druckspannung, was die Effzienz des Aktors steigert.
33. 0,9 Mikron von mit Magnetron gesputtertem TiN werden aufgebracht. Diese Schicht verhindert Biegen infolge der unterschiedlichen thermischen Spannung der unteren TiN- und der Glasschicht und verhindert auch das Einrollen des aus dem Opfermaterial freigegebenen Paddels. Diese Schicht wird gemäß den selben Kennlinien aufgebracht wie die erste TiN-Schicht.
34. TiN und Glas werden mittels der Aktormaske aus 56 dem anisotropen Plasmaätzen unterzogen. Diese Maske definiert den Aktor und das Paddel. Die kritische Abmessung CD für die Aktormaske beträgt 1 Mikron, die Überdeckungsgenauigkeit +/- 0,1 Mikron. Die Ergebnisse des Ätzprozesses sind in 57 zu sehen, in welcher die Glasschicht 250 zwischen zwei TiN-Schichten 248, 251 liegt.
35. Jetzt kann die elektrische Prüfung des Wafers erfolgen. Alle CMOS-Prüfungen und die Funktionalitäts- und Widerstandsprüfungen können an der Wafersonde ausgeführt werden.
36. 15 Mikron Opfermaterial werden aufgebracht. In dieser Hinsicht stehen viele verschiedene Materialien zur Wahl. Unerlässlich sind nur die Möglichkeit des Aufbringens einer 15-Mikron-Schicht ohne unzulässiges Verzerren des Wafers und eine hohe Ätzempfindlichkeit gegen PECVD-Glas und TiN. Zu den möglichen Materialien gehören Phosphorsilikatglas (PSG), Borphosphorsilikatglas (BPSG) sowie Polymere wie Polyimid und Aluminium. Erforderlich ist entweder eine gute Übereinstimmung des Wärmeausdehnungskoefizients mit Silizium (BPSG mit der richtigen Dotierung, gefülltes Polyimid) oder ein niedriger E-Modul (Aluminium). Dieses Beispiel verwendet BPSG. Spannung ist die wichtigste Frage angesichts der extremen Schichtdicke. BPSG hat normalerweise einen weit unter Silizium liegenden Wärmeausdehnungskoeffizienten, woraus sich erhebliche Druckspannungen ergeben. Der CTE von BPSG lässt sich jedoch durch Variieren der Zusammensetzung gut an den von Silizium anpassen. Da das BPSG eine Opferschicht ist, sind die elektrischen Eigenschaften nicht relevant, und es können Zusammensetzungen zur Anwendung kommen, die sonst nicht für ein CMOS-Dielektrikum geeignet waren. Niedrige Dichte, hohe Porosität und hoher Wassergehalt sind vorteilhaft, da sie bei Einsatz einer wasserfreien HF-Ätzung die Ätzempfindlichkeit selektiv gegenüber PECVD-Glas erhöhen.
37. Die Opferschicht wird mittels der Düsenmaske nach der Definition von 59 so auf eine Tiefe von 2 Mikron geätzt, dass die im Schnitt in 60 gezeigte Struktur 254 gebildet wird. Die Maske aus 59 definiert alle Bereiche, wo eine später aufgebrachte Deckschicht durch chemisch-mechanische Planarisierung entfernt werden soll. Das umfasst die Düsen selbst sowie diverse andere Fluidsteuereinrichtungen. Die kritische Abmessung CD für die Düsenmaske beträgt 2 Mikron, die Überdeckungsgenauigkeit +/- 0,5 Mikron.
38. Die Opferschicht wird mittels der Kammermaske aus 62 dem anisotropen Plasmaätzen bis zur CMOS-Passivierungsschicht unterzogen. Diese Maske definiert die Düsenkammer und die Aktorabdeckung einschließlich der in 63 gezeigten Schlitze 255. Die kritische Abmessung CD für die Kammermaske beträgt 2 Mikron, die Überdeckungsgenauigkeit +/- 0,2 Mikron.
39. 0,5 Mikron von ziemlich konformem Deckmaterial 257 aus 65 werden ausgebracht. Die elektrischen Eigenschaften dieses Materials sind irrelevant, und es kann ein Leiter, ein Isolator oder ein Halbleiter sein. Das Material muss chemisch inert und fest sein, gegenüber dem Opfermaterial sehr selektiv auf Ätzen reagieren, für chemisch-mechanische Planarisierung CMP und für konformes Aufbringen bei Temperaturen unter 500°C geeignet sein. Zu den geeigneten Materialien gehören PECVD-Glas, MOCVD TiN, ECR CVD TiN, PECVD Si₃N₄ und viele andere. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kommt PECVD TEOS-Glas zur Anwendung. Bei Einsatz von BPSG als Opfermaterial und wasserfreiem HF als Opferätzmittel muss dieses einen sehr niedrigen Wassergehalt haben, um eine Ätzselektivität des BPSG gegenüber TEOS-Glas von 1000:1 zu erreichen. Die konforme Deckschicht 257 bildet eine Schutzhülle um die Betriebsteile des thermischen Biegeaktors, erlaubt aber dessen Bewegung innerhalb der Hülle.
40. Der Wafer wird mittels chemisch-mechanischer Planarisierung aus 67 auf eine Tiefe von 1 Mikron planarisiert. Bei der chemisch-mechanischen Planarisierung ist eine Genauigkeit von +/- 0,5 Mikron über die Waferoberfläche einzuhalten. Die Einsenkung des Opfermaterials ist nicht relevant. Das öffnet die Düsen 259 und die Fluidsteuerbereiche, z.B. 260. Einer der Schlüsselfaktoren bei der Wahl des Opfermaterials ist die Steifheit der Opferschicht im Verhältnis zu den Düsenkammerstrukturen bei der chemisch-mechanischen Planarisierung CMP.
41. Der Druckkopfwafer wird umgekehrt und die Oberseite wird sicher an einem in 69 gezeigten oxidierten unbeschichteten Siliziumwafer 262 mit oxidierter Oberfläche 263 befestigt. Hierzu kann Leim 265 verwendet werden. Diese Wafer 262 können recycled werden.
42. Der Druckkopfwafer wird mittels Schleifen der Rückseite (oder Ätzen) auf 300 Mikron verdünnt und poliert. Dieses Verdünnen des Wafers reduziert die Dauer des späteren Tiefätzens des Siliziums von rund 5 Stunden auf rund 2,3 Stunden. Die Genauigkeit des Tiefätzens wird ebenfalls verbessert, und die Dicke der Hartmaske wird auf 2,5 Mikron reduziert. Zur Verkürzung der Ätzdauer und zur Verbesserung der Leistung des Druckkopfes könnten die Wafer weiter verdünnt werden. Begrenzt wird die Waferdicke durch die Zerbrechlichkeit des Druckkopfes nach dem Ätzen des Opfer-BPSG.
43. Eine SiO₂-Hartmaske (2,5 Mikron PECVD-Glas) wird auf die Rückseite des Wafers aufgebracht und mittels der Einlassmaske aus 67 strukturiert. Die Hartmaske aus 67 dient zum späteren Tiefätzen des Siliziums auf eine Tiefe von 315 Mikron mit einer Selektivität der Hartmaske von 150:1. Diese Maske definiert die Tinteneinlässe, die durch den Wafer geätzt werden. Die kritische Abmessung CD für die Einlassmaske beträgt 4 Mikron, die Überdeckungsgenauigkeit +/- 2 Mikron. Die Einlassmaske hat beidseitig 5,25 Mikron Untermaß für einen einspringenden Ätzwinkel von 91 Grad über eine Ätztiefe von 300 Mikron. Bei der Lithografie für diesen Schritt kommt anstelle eines Steppers ein Maskenjustierer zum Einsatz. Justiert wird nach Strukturen auf der Vorderseite des Wafers. Für die Justierung der Vorder- und Rückseitenstrukturen stehen diverse Geräte zur Verfügung.
44. Daraufhin wird die Rückseite des Wafers durch die zuvor aufgebrachte Hartmaske ganz durchätzt (z.B. mittels einer ASE Advanced Silicion Etcher von Surface Technology Systems). Die STS ASE kann hochgenaue Löcher mit einem Seitenverhältnis von 30:1 und Seitenwänden von 90 Grad durch den Wafer ätzen. In diesem Fall gilt ein einspringender Seitenwandwinkel von 91 Grad als Nennwert. Ein einspringender Winkel wird deshalb gewählt, weil die ASE mit einem leicht einspringenden Winkel mehr leistet und bei gegebener Genauigkeit schneller ätzt. Einspringendes Ätzen kann außerdem durch Untermaß der Maskenlöcher kompensiert werden. Nicht einspringende Ätzwinkel lassen sich nicht so leicht kompensieren, da die Maskenlöcher ineinander übergehen würden. Bei diesem Ätzvorgang wird der Wafer vorzugsweise auch zersägt. Das Endergebnis einschließlich der abgeätzten Tintenkanalteile 264 ist in 69 zu sehen.
45. Das gesamte freiliegende Aluminium wird geätzt. Aluminium dient in allen drei Schichten an gewissen Stellen als Opferschicht.
46. Das gesamte Opfermaterial wird geätzt. Dabei werden die Düsenkammern frei, und das Ergebnis ist in 71 zu sehen. Bei Verwendung von BPSG als Opfermaterial kann dieses ohne Ätzen der CMOS-Glasschichten oder des Aktorglases entfernt werden. Dabei kann eine Selektivität von 1000:1 gegenüber nicht dotiertem Glas, wie z.B. TEOS, erzielt werden, und zwar bei Einsatz von wasserfreiem HF bei 1500 sccm in einer N₂-Atmosphäre bei 60°C (L. Chang et al., „Anhydrous HF etch reduces processing steps for DRAM capacitors", Solid State Technology, Band 41 Nr. 5, S. 71-76, 1998). Die Aktoren werden frei und die Chips werden durch diesen Ätzvorgang voneinander und vom urbeschichteten Wafer getrennt. Wenn anstelle von BPSG Aluminium als Opferschicht verwendet wird, wird dessen Entfernen mit dem vorhergehenden Schritt kombiniert, und der vorliegende Schritt entfällt.
47. Die losen Druckköpfe werden mittels Vakuumsonde aufgenommen und am Gehäuse angebracht. Dabei ist Vorsicht geboten, da die nicht verpackten Druckköpfe zerbrechlich sind. Die Vorderseite des Wafers ist besonders zerbrechlich und darf nicht berührt werden. Dieser Prozess sollte manuell ablaufen, da er sich nicht leicht automatisieren lässt. Das Gehäuse ist ein kundenspezifisches Spritzgussgehäuse mit Tintenkanälen zur Zufuhr von Tinte der richtigen Farbe zu den Tinteneinlässen auf der Rückseite des Druckkopfes. Das Gehäuse stützt den Druckkopf außerdem mechanisch ab. Es ist spezifisch so ausgelegt, dass es den Chip unter minimale Spannung setzt und diese Spannung gleichmäßig über die Länge des Gehäuses verteilt. Der Druckkopf wird mit einem entsprechenden Dichtmittel wie z.B. Silikon in das Gehäuse geklebt.
48. Am Druckkopfchip werden die Außenanschlüsse hergestellt. Für eine Verbindung in flacher Bauform mit minimaler Unterbrechung des Luftstroms kann automatisiertes Folienbonden (Tape automated bonding) (TAB)) verwendet werden. Bei ausreichendem Abstand zwischen Drucker und Papier während des Betriebs kann auch Drahtbonden zum Einsatz kommen. Alle Bondinseln (bond pads) sind an einem 100mm-Rand des Chips angeordnet. Insgesamt sind 504 Bondinseln in 8 Gruppen zu je 63 vorgesehen (der Chip wird unter Anwendung von 8 aneinander gereihten Stepperschritten hergestellt). Die Bondinseln sind jeweils 100 Mikron × 100 Mikron groß, und die Teilung beträgt 200 Mikron. 256 der Bondinseln bilden Strom- und Masseanschlüsse für die Aktoren, da der Spitzenstrom bei 3 V 6,58 A beträgt. Der ganze Druckkopf hat insgesamt 40 Signalverbindungen (24 Daten und 16 Steuerung), die zum Großteil über einen Bus mit den acht identischen Teilen des Druckknopfes verbunden sind.
49. Die Vorderseite des Druckknopfes wird hydrophob gemacht. Zu diesem Zweck können 50 oder mehr nm Polytetrafluorethylen (PTFE) im Vakuum aufgedampft werden. Es stehen jedoch auch andere Möglichkeiten zur Wahl. Da das Fluid zur Gänze von den in den vorhergehenden Schritten gebildeten mechanischen Höckern gesteuert wird, ist die hydrophobe Schicht „Sonderausstattung" zur Vermeidung des Ausbreitens der Tinte auf der Oberfläche, falls der Druckkopf verstaubt werden sollte.
50. Schließlich werden die Druckköpfe in die Buchsen gesteckt. Diese liefern Strom, Daten und Tinte. Die Tinte füllt den Druckkopf mittels Kapillarwirkung. Der fertige Druckkopf wird mit Tinte aufgefüllt und geprüft. 74 veranschaulicht das Einfüllen der Tinte 268 in die Düsenkammer.

Prozessparameter für die vorliegende beispielhafte Implementierung

Die zur Anwendung kommenden CMOS-Prozessparameter können an einen beliebigen CMOS-Prozess mit Abmessungen von 0,5 Mikron oder besser angepasst werden. Die MEMS-Prozessparameter dürfen nicht über die unten aufgeführten Toleranzen hinaus verändert werden. Einige dieser Parameter beeinflussen die Aktorleistung und die Fluidik, während das Verhältnis bei anderen weniger klar ist. Die Waferverdünnungsstufe beeinflusst zum Beispiel die Kosten und Genauigkeit des Tiefätzens des Siliziums, die Dicke der rückseitigen Hartmaske und die Abmessungen der zugehörigen Tintenkanäle aus Kunststoff. Die folgenden Prozessparameter werden empfohlen:

Parameter	Typ	Min.	Nenn	Max.	Einheit	Tol.
Spezifischer Widerstand des Wafers	CMOS	15	20	25	Ω cm	±25%
Waferdicke	CMOS	600	650	700	Mikron	±8%
Tiefe des n-Wannenübergangs	CMOS	2	2,5	3	Mikron	±20%
Tiefe des n+-Übergangs	CMOS	0,15	0,2	0,25	Mikron	±25%
Tiefe des p+-Übergangs	CMOS	0,15	0,2	0,25	Mikron	±25%
Dicke des Feldoxids	CMOS	0,45	0,5	0,55	Mikron	±10%
Dicke des Gateoxids	CMOS	12	13	14	Mikron	±7%
Polydicke	CMOS	0,27	0,3	0,33	Mikron	±10%
Dicke ILD 1 (PECVD-Glas)	CMOS	0,5	0,6	0,7	Mikron	±16%
Dicke Metall 1 (Aluminium)	CMOS	0,55	0,6	0,65	Mikron	±8%
Dicke ILD 2 (PECVD-Glas)	CMOS	0,6	0,7	0,8	Mikron	±14%
Dicke Metall 2 (Aluminium)	CMOS	0,55	0,6	0,65	Mikron	±8%
Dicke ILD 3 (PECVD-Glas)	CMOS	0,6	0,7	0,8	Mikron	±14%
Dicke Metall 3 (Aluminium)	CMOS	0,9	1,0	1,1	Mikron	±10%
Deckschicht (PECVD-Glas)	CMOS	0,4	0,5	0,6	Mikron	±20%
Passivierung (Si₃N₄)	CMOS	0,4	0,5	0,6	Mikron	±20%
Dicke der Heizung (TiN)	MEMS	0,85	0,9	0,95	Mikron	±5%
Dicke des Aktors (PECVD-Glas)	MEMS	1,9	2,0	2,1	Mikron	±5%
Dicke des Biegekompensators (TiN)	MEMS	0,85	0,9	0,95	Mikron	±5%
Dicke der Opferschicht (entspanntes BPSG)	MEMS	13,5	15	16,5	Mikron	±10%
Düsenätzung (BPSG)	MEMS	1,6	2,0	2,4	Mikron	±20%
Düsenkammer und Abdeckung (PECVD-Glas)	MEMS	0,3	0,5	0,7	Mikron	±40%
Tiefe der chemisch-mechanischen Passivierung CMP der Düse	MEMS	0,7	1	1,3	Mikron	±30%
Waferverdünnung (Hinterschleifen + Polieren)	MEMS	295	300	305	Mikron	±1,6%
Abätzen der Hartmaske (SiO₂)	MEMS	2,25	2,5	2,75	Mikron	±10%
STS ASE Hinterätzung (Stopp bei Aluminium)	MEMS	305	325	345	Mikron	±6%

Steuerlogik
76 zeigt die zugehörige Steuerlogik für eine einzelne Tintenstrahldüse. Die Steuerlogik 280 dient im Bedarfsfall zur Aktivierung des Heizelements 281. Die Steuerlogik 280 weist ein Schieberegister 282, ein Übertragungsregister 283 und ein Abschusssteuergate 284 auf. Die Grundfunktion besteht im Schieben von Daten von einem Schieberegister 282 zum nächsten, bis sie an der richtigen Stelle sind. Daraufhin werden die Daten nach Aktivierung eines Übertragungsfreigabesignals 286 zu einem Übertragungsregister 283 übertragen. Die Daten werden im Übertragungsregister 283 gespeichert, und nachfolgend aktiviert ein Steuersignal 289 für die Abschussphase ein Gate 284 zur Ausgabe eines Heizpulses zum Heizen eines Elements 281.
Da alle Steuerschaltungen der bevorzugten Implementierung in einer CMOS-Schicht realisiert sind, wird im Folgenden eine geeignete Form der CMOS-Realisierung der Steuerschaltung beschrieben. 77 ist ein Blockdiagramm der zugehörigen CMOS-Schaltung. Zuerst nimmt ein Schieberegister 282 eine invertierte Dateneingabe auf und hält sie unter der Steuerung der Schiebetaktsignale 291, 292. Die Dateneingabe 290 wird an das nächste Schieberegister ausgegeben 294 und von einem Übertragungsregister 283 unter der Steuerung der Übertragungsfreigabesignale 296, 297 ebenfalls gehalten. Das Freigabegate 284 wird unter der Steuerung des Freigabesignals 299 so aktiviert, dass es einen Leistungstransistor 300 ansteuert, der die Widerstandsheizung des Widerstandes 281 ermöglicht. Das Schieberegister 282, das Übertragungsregister 283 und das Freigabegate 284 und deren Funktionalität sind CMOS-Standardelemente, die dem Fachmann auf dem Gebiet der CMOS-Schaltungskonstruktion bekannt sind.
Replikateinheiten
Der Tintenstrahldruckkopf kann aus einer großen Zahl von Replikatzellen bestehen, die jeweils grundsätzlich gleich gebaut sind. Diese Konstruktion wird im Folgenden besprochen.
78 zeigt zunächst einen allgemeinen Schlüssel oder eine Legende zu den diversen im Folgenden beschriebenen Materialschichten.
79 zeigt die Einheitszelle 305 auf einem 1-Mikron-Raster 306. Die Einheitszelle 305 wird vielmals kopiert und repliziert, und 79 zeigt die Diffusion und die Polyschichten sowie Kontaktlöcher, z.B. 308. Die Signale 290, 291, 292, 296, 297 und 299 entsprechen der obigen Beschreibung von 77. Zu den wichtigen Aspekten von 79 gehört die allgemeine Anordnung der Einheit, einschließlich des Schiebe- und Übertragungsregisters, des Gates und des Treibertransistors. Wichtig ist, dass der Treibertransistor 300 eine obere Polyschicht, z.B. 309, aufweist, die mit einer großen Zahl von senkrechten Leiterzügen, z.B. 312, versehen ist. Die senkrechten Leiterzüge sorgen dafür, dass die über dem Leistungstransistor 300 gebildete wellige Beschaffenheit des Heizelements einen welligen Boden mit allgemein senkrecht zum Leiterzug 312 verlaufenden Wellen aufweist. Am besten ist das in 69, 71 und 74 zu sehen. Die Beschaffenheit und Richtung der Wellen, die unvermeidbar aus der darunter liegenden CMOS-Verdrahtung entstehen, ist für die Effizienz des endgültigen Aktors von Bedeutung. Im Idealfall wird der Aktor durch Einfügen eines Planarisierschrittes auf der Oberseite des Substrats vor der Bildung des Aktors ohne Wellen hergestellt. Der beste Kompromiss zur Vermeidung des zusätzlichen Prozessschrittes ist jedoch die Gewährleistung, dass sich die Wellen, wie in den Beispielen gezeigt, quer zur Biegeachse des Aktors erstrecken, die vorzugsweise entlang der Längserstreckung konstant bleibt. Daraus ergibt sich ein Aktor, der ggf. um nur 2% weniger effizient ist als ein flacher Aktor, was in vielen Situationen annehmbar ist. Im Gegensatz dazu würden Wellen in Längsrichtung die Effizienz gegenüber einem flachen Aktor um 20% reduzieren.
80 veranschaulicht das Hinzufügen der Metallschicht der ersten Ebene mit Freigabeleitungen 296, 297.
81 veranschaulicht das Hinzufügen der Metallschicht der zweiten Ebene mit Dateneingangsleitung 290, Leitung SClock 291, SClock 292, Q 294, TEn 296 und TEn 297, V- 320, V_DD 321, V_SS 322 sowie mit den zugehörigen reflektierten Bauelementen 323 bis 328. Die Teile 330 und 331 dienen zum Opferätzen.
82 veranschaulicht die Metallschicht der dritten Ebene mit einem Teil 340, der eine Opferschicht zum Abätzen unter dem Heizungsaktor bildet. Teil 341 bildet einen Teil der Aktorstruktur, während die Teile 342 und 343 bei der elektrischen Verschaltung Anwendung finden.
83 veranschaulicht die flache Schicht der Heizungsschaltung einschließlich der Heizungsarme 350 und 351, die mit den unteren Schichten verbunden sind. Die Heizungsarme werden beidseitig eines kegeligen Schlitzes gebildet und sind daher schmaler am festen oder proximalen Ende des Aktorarms, woraus sich in diesem Bereich ein höherer Widerstand und somit Heizung und Ausdehnung ergeben. Der zweite Teil der Heizungsschicht 352 ist durch eine Unterbrechung 355 elektrisch von den Armen 350 und 351 getrennt und bildet eine Stütze für das Hauptpaddel 356. Die Unterbrechung kann eine beliebige geeignete Form annehmen, ist jedoch im typischen Fall, wie bei 355 gezeigt, ein schmaler Schlitz.
84 veranschaulicht die Teile der Abdeckung und Düsenschicht, einschließlich der Abdeckung 353 und der äußeren Düsenkammer 354.
85 veranschaulicht einen Teil 360 einer Matrix von Tintenausstoßdüsen in drei Gruppen 361-363, die zum vollen Dreifarbendruck jeweils separate Farben liefern (Cyan, Magenta und Gelb). Eine Reihe von normalen Taktpuffern und Adressdecodierern 364 ist ebenfalls vorgesehen; dazu kommen Bondinseln 365 zur Verschaltung mit externen Stromkreisen.
Die Farbgruppen 361, 363 bestehen jeweils aus zwei beabstandeten Reihen von Tintenausstoßdüsen, z.B. 367, die jeweils ein Heizungsaktorelement aufweisen.
87 ist eine Schnittansicht einer allgemeinen Anordnung mit einem ersten Bereich 370, der die Schichten bis zur Polysiliziumebene veranschaulicht. Ein zweiter Bereich 371 veranschaulicht die Schichten bis zur ersten Metallebene, der Bereich 372 die Schichten bis zur zweiten Metallebene und Bereich 373 die Schichten bis zur Schicht des Heizungsaktors.
Die Tintenausstoßdüsen zerfallen in zwei Gruppen von je 10 Düsen und haben jeweils einen gemeinsamen Tintenkanal durch den Wafer. 88 zeigt die Rückseite des Wafers mit einer Reihe von Tintenzufuhrkanälen 380 zur Zufuhr von Tinte zu einer Vorderseite.
Replikation
Die Einheitszelle wird 19200-mal in der Hierarchie der unten stehenden Tabelle der Replikationshierarchie am 4-Zoll-Druckkopf repliziert. Der Layoutraster ist 1/21 bei 0,5 Mikron (0,125 Mikron). Viele der idealen Transformiertenabstände fallen genau auf einen Rasterpunkt. Wo das nicht der Fall ist, wird der Abstand zum nächsten Rasterpunkt aufgerundet. Die aufgerundeten Zahlen werden durch ein Sternchen gekennzeichnet. Die Transformierten werden in allen Fällen von der Mitte der zugehörigen Düsen aus gemessen. Die Transformation einer Gruppe von fünf geradzahligen Düsen in fünf ungeradzahlige Düsen setzt auch eine Drehung um 180° voraus. Die Transformation für diesen Schritt erfolgt von einer Position aus, in der die Mitten aller fünf Düsenpaare zusammenfallen. Tabelle der Replikationshierarchie
Zusammensetzung
Mit Bezugnahme auf ein Beispiel eines für Fotodruck geeigneten 4-Zoll Druckkopfes gemäß 89 besteht ein 4-Zoll-Druckkopf 380 aus 8 Segmenten, z.B. 381, die jeweils ½ Zoll lang sind. Jedes Segment druckt also Bi-Level-Punkte Cyan, Magenta und Gelb auf einen verschiedenen Teil der Seite zur Herstellung des endgültigen Bildes. Die Anordnung der 8 Segmente ist in 89 gezeigt. Im vorliegenden Beispiel soll der Druckkopf 1600 Punkte pro Zoll (dpi) drucken, wobei jeder Punkt einen Durchmesser von 15,875 Mikron hat. Jedes ½-Zoll-Segment druckt also 800 Punkte, wobei die 8 Segmente den in der unten stehenden Tabelle gezeigten Positionen entsprechen:

Segment Erster Punkt Letzter Punkt

0 0 799

1 800 1599

2 1600 2399

3 2400 3199

4 3200 3999

5 4000 4799

6 4800 5599

7 5600 6399
Obwohl jedes Segment 800 Punkte des endgültigen Bildes ergibt, wird jeder Punkt von einer Kombination von Bi-Level Cyan, Magenta und Gelb gebildet. Angesichts des Bi-Level-Drucks sollte das Eingabebild zur Optimierung der Ergebnisse gedithert oder fehlerdiffundiert werden.
Jedes Segment 381 enthält 2400 Düsen: je 800 Cyan, Magenta und Gelb. Ein 4-Zoll-Druckkopf besteht aus 8 derartigen Segmenten und somit aus 19 200 Düsen.
Die Düsen innerhalb eines einzigen Segments werden jeweils zwecks mechanischer Stabilität und Minimierung des Stromverbrauchs beim Drucken gruppiert. Hinsichtlich der Stabilität zeigt 88 Gruppen zu je 10 Düsen, die sich den selben Tintenbehälter teilen. Hinsichtlich des Stromverbrauchs sind die Düsen so gruppiert, dass vom ganzen Druckkopf jeweils immer nur 96 Düsen gleichzeitig ausgelöst werden können. Da die 96 Düsen einen möglichst großen Abstand haben sollen, werden aus jedem Segment 12 Düsen aktiviert. Zum Auslösen aller 19200 Düsen müssen 200 Sätze von je 96 Düsen aktiviert werden.
90 zeigt in schematischer Ansicht einen Einzelblock 395 aus 10 Düsen Nummer 1 bis 10 mit gemeinsamer Tintenzufuhr. 5 Düsen sind in einer Reihe angeordnet, 5 Düsen in einer zweiten. Die Düsen liefern jeweils Punkte mit einem Durchmesser von 15,875 μm. Sie sind in der Reihenfolge numeriert, in der sie ausgelöst werden müssen.
Obwohl die Düsen in dieser Reihenfolge abgeschossen werden, ist das Verhältnis zwischen den Düsen und der körperlichen Anordnung der Punkte auf der gedruckten Seite anders. Die Düsen aus einer Reihe bilden die geradzahligen Punkte aus einer Zeile der Seite, während die Düsen der anderen Reihe die ungeradzahligen Punkte aus der Nachbarzeile der betreffenden Seite bilden. 91 zeigt den selben Block 395 mit Düsen, die in der Reihenfolge des Ladens numeriert sind.
Die Düsen innerhalb eines Blocks sind daher logisch um die Breite eines Punktes voneinander getrennt. Der genaue Abstand zwischen den Düsen hängt von den Eigenschaften des Tintenstrahl-Abschussmechanismus ab. Im besten Fall könnte der Druckkopf mit an den Papierfluss angepassten versetzten Düsen ausgestattet sein. Im schlimmsten Fall liegt ein Fehler von 1/3200 Punkten pro Zoll (dpi) vor. Dieser Fehler ist für ganz gerade Linien zwar unter einem Mikroskop zu sehen, aber im Fotobild sicherlich nicht sichtbar.
Wie 92 zeigt, sind die Blöcke für Cyan, 398, Magenta 397 und Gelb 396 zu einem Dreierblock 400 gruppiert. Ein Dreierblock bildet den selben waagerechten Satz von 10 Punkten, aber auf verschiedenen Zeilen. Der genaue Abstand zwischen verschiedenfarbigen Blöcken hängt von den Betriebsparametern des Tintenstrahls ab und kann von Fall zu Fall variieren. Der Abstand kann als eine konstante Zahl von Punktbreiten betrachtet werden und ist daher beim Drucken zu berücksichtigen: die von den Cyan-Düsen gedruckten Punkte sind für andere Zeilen bestimmt als die von den Magenta- oder Gelb-Düsen. Der Druckalgorithmus muss einem veränderlichen Abstand bis zu ca. 8 Punktbreiten Rechnung tragen.
Wie 93 zeigt, sind jeweils 10 Dreierblöcke, z.B. 404, zur Bildung einer einzigen Blockgruppe 405 organisiert. Da jeder Dreierblock 30 Düsen enthält, enthält jede Blockgruppe 300 Düsen: 100 Cyan, 100 Magenta und 100 Gelb. Das Schema in 93 weist Dreierblöcke Nummer 0 bis 9 auf. Der Abstand zwischen benachbarten Dreierblöcken wurde der Klarheit halber übertrieben.

Wie 94 zeigt, sind jeweils zwei Blockgruppen (Blockgruppe A 410 und Blockgruppe B 411) zur Bildung einer einzigen Abschuß- bzw. Auslösegruppe 414 organisiert, mit 4 Abschussgruppen je Segment 415. Jedes Segment 415 enthält 4 Abschussgruppen. Der Abstand zwischen benachbarten Abschussgruppen wurde der Klarheit halber übertrieben.

Name der Gruppe	Zusammensetzung	Replikationsverhältnis	Düsenzahl
Düse	Grundeinheit	1:1	1
Block	Düsen je Block	10:1	10
Dreierblock	Blöcke je CMY-Dreierblock	3:1	30
Blockgruppe	Dreierblöcke je Blockgruppe	10:1	300
Abschussgruppe	Blockgruppen je Abschussgruppe	2:1	600
Segment	Abschussgruppen je Segment	4:1	2400
Druckkopf	Segmente je Druckkopf	8:1	19200

Lade- und Druckzyklen
Der Druckkopf enthält insgesamt 19200 Düsen. Bei einem Druckzyklus werden je nach der zu druckenden Information bis zu alle dieser Düsen abgeschossen. Beim Ladezyklus wird der Druckkopf mit der beim nachfolgenden Druckzyklus zu druckenden Information geladen.
Jede Düse verfügt über ein NozzleEnable-Bit (289 in 76), das bestimmt, ob die betreffende Düse im Druckzyklus abschießen wird oder nicht. Die NozzleEnable-Bits (eines je Düse) werden über einen Satz von Schieberegistern geladen.
Logisch sind drei Schieberegister mit Tiefe 800 je Farbe vorgesehen. Während Bits in das Schieberegister geschoben werden, werden sie bei abwechselnden Pulsen den unteren und oberen Düsen zugeleitet. Innen besteht jedes 800-tiefe Schieberegister aus zwei 400-tiefen Schieberegistern: einem für die oberen und einem für die unteren Düsen. Die Bits werden abwechselnd in diese Innenregister geschoben. Hinsichtlich der äußeren Schnittstelle ist jedoch ein einziges 800-tiefes Schieberegister vorgesehen.
Nach dem vollständigen Laden aller Schieberegister (800 Pulsen) werden alle Bits parallel zu den entsprechenden NozzleEnable-Bits übertragen. Das entspricht einer einzelnen Parallelübertragung von 19200 Bits. Nach der Übertragung kann der Druckzyklus beginnen. Der Druckzyklus und der Ladezyklus können gleichzeitig ablaufen, vorausgesetzt, dass das parallele Laden aller NozzleEnable-Bits am Ende des Druckzyklus erfolgt.
Zum Drucken eines 6 Zoll × 4 Zoll großen Bildes mit 1600 Punkten pro Zoll in z.B. 2 Sekunden muss der 4-Zoll-Druckkopf 9600 Zeilen (6 × 1600) drucken. Aus den aufgerundeten 10000 Zeilen in 2 Sekunden ergibt sich eine Zeilenzeit von 200 Mikrosekunden. Innerhalb dieser Zeit müssen ein einzelner Druckzyklus und ein einzelner Ladezyklus zu Ende kommen. Außerdem muss das Papier außerhalb des Druckkopfes mit mechanischen Mitteln um das richtige Maß verschoben werden.
Ladezyklus
Der Ladezyklus betrifft das Laden der Schieberegister des Druckkopfes mit den NozzleEnable-Bits für den nächsten Druckzyklus.
Jedes Segment hat 3 Eingänge, die direkt mit den Schieberegisterpaaren Cyan, Magenta und Gelb verbunden sind. Diese Eingänge sind CDataIn, MDataIn und YDataIn. Da 8 Segmente vorhanden sind, gibt es insgesamt 24 Farbeingangsleitungen je Druckkopf. Ein Einzelpuls auf der Leitung SRClock (gemeinsam für alle 8 Segmente) überträgt 24 Bits in die betreffenden Schieberegister. Die Pulse senden abwechselnd Bits zu den unteren und oberen Düsen. Da 19200 Düsen vorhanden sind, werden zur Übertragung insgesamt 800 Pulse benötigt. Nach der Übertragung aller 19200 Bits veranlasst ein Einzelpuls auf der gemeinsamen Leitung PTransfer die Paralleleübertragung der Daten von den Schieberegistern zu den betreffenden NozzleEnableBits. Die Parallelübertragung über einen Puls auf PTransfer muss nach dem Abschluss des Druckzyklus erfolgen. Anderenfalls sind die NozzleEnableBits für die zu druckende Zeile nicht richtig.
Da alle 8 Segmente mit einem einzigen Puls SRClock geladen werden, muss die Drucksoftware die Daten in der richtigen Reihenfolge für den Druckkopf produzieren. Der erste Puls SRClock überträgt zum Beispiel die Bits C, M und Y für die Punkte 0, 800, 1600, 2400, 3200, 4000, 4800 und 5600 für den nächsten Druckzyklus. Der zweite Puls SRClock überträgt die Bits C, M und Y für die Punkte 0, 801, 1601, 2401, 3201, 4001, 4801 und 5601 für den nächsten Druckzyklus. Nach 800 Pulsen SRClock kann der Puls PTransfer abgegeben werden.

Dabei ist zu beachten, daß zwar die ungerad- und geradzahligen Ausgänge C, M und Y während des selben Druckzyklus gedruckt werden, aber nicht auf der selben körperlichen Ausgangszeile erscheinen. Die körperliche Trennung der ungerad- und geradzahligen Düsen innerhalb des Druckkopfes und die Trennung zwischen Düsen verschiedener Farben sorgen dafür, dass Punkte auf verschiedenen Zeilen der Seite entstehen. Dieser relative Unterschied muss beim Laden der Daten in den Druckkopf berücksichtigt werden. Der tatsächliche Zeilenunterschied hängt von den Kennlinien des Tintenstrahls im Druckkopf ab. Die Unterschiede werden durch die Variablen D₁ und D₂ definiert, wobei D₁ der Abstand zwischen Düsen verschiedener Farben (wahrscheinlicher Wert 4 bis 8) und D₂ der Abstand zwischen Düsen der gleichen Farbe (wahrscheinlicher Wert 1) ist. Tabelle 3 führt die bei den ersten 4 Pulsen auf Segment n eines Druckkopfes übertragenen Punkte auf.

Impuls	Gelb		Magenta		Cyan
	Zeile	Punkt	Zeile	Punkt	Zeile	Punkt
1	N	800S	N + D₁	800S	N + 2D₁	800S
2	N + D₂	800S + 1	N + D₁ + D₂	800S + 1	N + 2D₁ + D₂	800S + 1
3	N	800S + 2	N + D₁	800S + 2	N + 2D₁	800S + 2
4	N + D₂	800S + 3	N + D₁ + D₂	800S + 3	N + 2D₁ + D₂	800S + 3

Und so weiter für alle 800 Pulse. Die 800 Pulse SRClock (jeder Taktpuls überträgt 24 Bits) müssen innerhalb einer Zeit von 200 Mikrosekunden erfolgen. Die Durchschnittszeit zur Berechnung des Bitwerts für jede der 19200 Düsen darf also 200 Mikrosekunden/19200 = 10 Nanosekunden nicht überschreiten. Daten können mit maximal 10 MHz in den Druckkopf getaktet werden, der die Daten in 80 Mikrosekunden laden wird. Bei Eintakten von Daten mit 4 MHz werden die Daten in 200 Mikrosekunden geladen.
Druckzyklus
Der Druckkopf enthält 19200 Düsen. Gleichzeitiges Abschießen würde zu viel Strom verbrauchen und Probleme beim Nachfüllen der Tinte sowie gegenseitiges Stören der Düsen verursachen. Ein Druckzyklus besteht daher aus 200 verschiedenen Phasen. In jeder Phase werden 96 maximal beabstandete Düsen abgeschossen, was insgesamt 19200 Düsen ergibt.

• 4 TripodSelect-Bits (wählen 1 von 10 Dreierblöcken aus einer Abschussgruppe aus)

Von den 96 in jeder Runde abgeschossenen Düsen entfallen auf jedes Segment 12 (da alle Segmente zur Aufnahme der selben Drucksignale verdrahtet sind). Die 12 Düsen aus einem gegebenen Segment sind gleichmäßig unter den Abschussgruppen verteilt. Da 4 Abschussgruppen vorhanden sind, schießen aus jeder Abschussgruppe 3 Düsen ab. Dabei handelt es sich um eine je Farbe. Die Düsen werden bestimmt durch:

• 4 NozzleSelect-Bits (wählen 1 von 10 Düsen aus einem Block aus)

Die Dauer des Abschusspulses wird von AEnable- und BEnable-Leitungen bestimmt, welche die Düsen der Blockgruppe A und Blockgruppe B aus allen Abschussgruppen zum Abschießen bringen. Die Pulsdauer hängt von der Viskosität der Tinte (von Temperatur und Tintenkennlinien abhängig) und von der für den Druckkopf verfügbaren Leistung ab. AEnable und BEnable sind separate Leitungen, so dass die Abschusspulse einander überlappen können. Die 200 Phasen eines Druckzyklus bestehen also aus 100 A-Phasen und 100 B-Phasen, woraus sich 100 Sätze A-Phase und B-Phase ergeben.
Wenn eine Düse abschießt, braucht sie zum Wiederfüllen ca. 100 Mikrosekunden. Das ist kein Problem, denn der ganze Druckzyklus dauert 200 Mikrosekunden. Das Abschießen einer Düse verursacht kurzzeitig auch Störungen im gemeinsamen Tintenkanal des betreffenden Düsenblocks. Diese können sich störend auf das Abschießen einer anderen Düse im selben Block auswirken. Das Abschießen von Düsen innerhalb eines Blocks sollte daher wenigstens um dieses Maß versetzt erfolgen. Zur Lösung des Problems werden daher drei Düsen aus einem Dreierblock (eine Düse pro Farbe) abgeschossen, worauf der nächste Dreierblock innerhalb der Blockgruppe an die Reihe kommt. Da jede Blockgruppe 10 Dreierblöcke enthält, müssen 9 weitere Dreierblöcke abschießen, bevor der ursprüngliche Dreierblock die nächsten drei Düsen abschießt. Die 9 Abschussintervalle von 2 Mikrosekunden geben der Tinte 18 Mikrosekunden zum Stabilisieren.
Die Abschussfolge sieht also wie folgt aus:

• TripodSelect 0, NozzleSelect 0 (Phasen A und B)
• TripodSelect 1, NozzleSelect 0 (Phasen A und B)
• TripodSelect 2, NozzleSelect 0 (Phasen A und B)
• ...
• TripodSelect 9, NozzleSelect 0 (Phasen A und B)
• TripodSelect 0, NozzleSelect 1 (Phasen A und B)
• TripodSelect 1, NozzleSelect 1 (Phasen A und B)
• TripodSelect 2, NozzleSelect 1 (Phasen A und B)
• ...
• TripodSelect 8, NozzleSelect 9 (Phasen A und B)
• TripodSelect 9, NozzleSelect 9 (Phasen A und B)

Phasen A und B können einander überlappen. Die Impulsdauer variiert auch mit dem Batteriestrom und der Tintenviskosität (die sich mit der Temperatur ändert). 95 zeigt AEnable und BEnable in einem typischen Druckzyklus.
Feedback vom Druckkopf
Der Druckkopf ergibt mehrere Feedback-Leitungen (aus den 8 Segmenten angehäuft). Diese können zur Zeiteinstellung der Abschusspulse verwendet werden. Obwohl das Feedback aus allen Segmenten gleich ist, teilen sich die Segmente die selben Dreizustands-Busleitungen. Es kann also jeweils nur ein Segment Feedback liefern. Wenn ein Impuls auf der SenseEnable Leitung mit Daten auf CYAN durch UND verbunden wird, werden die Abfrageleitungen für das betreffende Segment freigegeben. Für Feedback sind die folgenden Abfrageleitungen vorgesehen:

• Tsense informiert die Steuerung, wie warm der Druckkopf ist. Das befähigt diese zur Zeiteinstellung der Abschusspulse, da die Temperatur die Viskosität der Tinte beeinflusst.
• Vsense informiert die Steuerung über die für den Aktor verfügbare Spannung. Das befähigt diese zur Kompensation für eine leere Batterie oder Hochspannungsquelle durch Einstellen der Pulsbreite.
• Rsense informiert die Steuerung über den spezifischen Widerstand (Ohm je Quadrat) der Aktorheizung. Das befähigt diese zur Einstellung der Pulsbreiten zur Erhaltung einer konstanten Energie ungeachtet des spezifischen Widerstandes der Heizung.
• Wsense informiert die Steuerung über die Breite des kritischen Teils der Heizung, die infolge von Unterschieden in der Lithografie und beim Ätzen um +/- 5% variieren kann. Das befähigt diese zur entsprechenden Einstellung der Pulsbreite.

Vorwärmmodus
Der Druckprozess neigt stark zur Erhaltung der Gleichgewichtstemperatur. Um zu gewährleisten, dass der erste Abschnitt des gedruckten Fotos eine gleichmäßige Punktgröße hat, wird die Gleichgewichtstemperatur im Idealfall vor dem Drucken von Punkten hergestellt. Das wird mittels eines Vorwärmmodus erzielt.
Im Vorwärmmodus läuft ein einzelner Ladezyklus für alle Düsen mit 1 s ab (d.h., es werden alle Düsen zum Abschießen gebracht), und jede Düse erhält eine Reihe von kurzen Abschusspulsen. Die Pulsdauer darf nicht zum Abschießen der Tropfen ausreichen, muss aber lang genug sein, um die Tinte in der Umgebung der Heizung zu erwärmen. Insgesamt werden rund 200 Pulse für jede Düse benötigt, und zwar mit der selben Abfolge wie bei einem normalen Druckzyklus.
Feedback im Vorwärmmodus wird von Tsense geliefert, und der Modus läuft bis zum Erreichen der Gleichgewichtstemperatur (ca. 30°C über Umgebungstemperatur). Der Vorwärmmodus kann rund 50 Millisekunden dauern und kann der Zusammensetzung der Tinte angepasst werden.
Zusammenfassung der Druckkopfschnittstelle

Der Druckkopf hat die folgenden Anschlüsse:

Name	Pinzahl	Beschreibung
TripodSelect	4	Wählt den Dreierblock (0-9), der abschießen soll
NozzleSelect	4	Wählt die Düse (0-9) aus dem Block, die abschießen soll
AEnable	1	Abschusspuls für Blockgruppe A
BEnable	1	Abschusspuls für Blockgruppe B
CDataIn[0-7]	8	Eingabe Cyan in Cyan-Schieberegister der Segmente 0-7
MDataIn[0-7]	8	Eingabe Magenta in Magenta-Schieberegister der Segmente 0-7
YDataIn[0-7]	8	Eingabe Gelb in Gelb-Schieberegister der Segmente 0-7
SRClock	1	Ein Impuls auf SRClock (ShiftRegisterClock = Schieberegister Takt) lädt die aktuellen Werte von CDataIn[0-7], MDataIn[0-7] und YDataIn[0-7] in die 24 Schieberegister
PTransfer	1	Parallele Übertragung der Daten von den Schieberegistern zu den internen NozzleEnable-Bits (eines je Düse)
SenseEnable	1	Ein Impuls auf SenseEnable durch UND mit den Daten auf CDataIn[n] verbunden gibt die Abfrageleitungen für Segment n frei
Tsense	1	Abfrage der Temperatur
Vsense	1	Abfrage der Spannung
Rsense	1	Abfrage des spezifischen Widerstandes
Wsense	1	Abfrage der Breite
Logic GND	1	Logikerde
Logic PWR	1	Logikleistung
V-	Stromschiene
V+
INSGESAMT	43

Innerhalb des Druckkopfes weist jedes Segment die folgenden Anschlüsse an die Bondinseln auf:
Inselanschlüsse (Pad Connections)

Obwohl ein kompletter Druckkopf insgesamt 504 Anschlüsse aufweist, enthält die Maskenanordnung nur 63. Das liegt daran, dass der Chip aus acht identischen und separaten Abschnitten besteht, die jeweils 12,7 Mikron lang sind. Jeder dieser Abschnitte weist 63 Inseln (pads) mit einer Teilung von 200 Mikron auf. An beiden Enden einer Gruppe von 63 Inseln sind jeweils 50 zusätzliche Mikron vorgesehen, was einen genauen Wiederholabstand von 12 700 Mikron (12,7 Mikron, ½ Zoll) ergibt. Inseln

Nr.	Name	Funktionen
1	V-	Negative Aktorversorgung
2	V_ss	Negative Logikversorgung
3	V+	Positive Aktorversorgung
4	V_dd	Positive Logikversorgung
5	V-	Negative Aktorversorgung
6	SClk	Übertragungstakt für serielle Daten
7	V+	Positive Aktorversorgung
8	TEn	Freigabe parallele Übertragung
9	V-	Negative Aktorversorgung
10	EPEn	Freigabe geradlinige Phase
11	V+	Positive Aktorversorgung
12	OPEn	Freigabe ungeradzahlige Phase
13	V-	Negative Aktorversorgung
14	NA[0]	Düsenadresse [0] (im Block)
15	V+	Positive Aktorversorgung
16	NA[1]	Düsenadresse [1] (im Block)
17	V-	Negative Aktorversorgung
18	NA[2]	Düsenadresse [2] (im Block)
19	V+	Positive Aktorversorgung
20	NA[3]	Düsenadresse [3] (im Block)
21	V-	Negative Aktorversorgung
22	PA[0]	Blockadresse [0] (1 von 10)
23	V+	Positive Aktorversorgung
24	PA[1]	Blockadresse [1] (1 von 10)
25	V-	Negative Aktorversorgung
26	PA[2]	Blockadresse [2] (1 von 10)
27	V+	Positive Aktorversorgung
28	PA[3]	Blockadresse [3] (1 von 10)
29	V-	Negative Aktorversorgung
30	PGA[0]	Adresse der Blockgruppe [0]
31	V+	Positive Aktorversorgung
32	FGA[0]	Adresse der Abschussgruppe [0]
33	V-	Negative Aktorversorgung
34	FGA[1]	Adresse der Abschussgruppe [1]
35	V+	Positive Aktorversorgung
36	Sen	Freigabe Abfragung
37	V-	Negative Aktorversorgung
38	Tsense	Abfrage der Temperatur
39	V+	Positive Aktorversorgung
40	Rsense	Abfrage des spezifischen Widerstandes des Aktors
41	V-	Negative Aktorversorgung
42	Wsense	Abfrage der Breite des Aktors
43	V+	Positive Aktorversorgung
44	Vsense	Abfrage der Versorgungsspannung
45	V-	Negative Aktorversorgung
46	N/C	Unbelegt
47	V+	Positive Aktorversorgung
48	D[C]	Serielle Daten für Cyan ein
49	V-	Negative Aktorversorgung
50	D[M]	Serielle Daten für Magenta ein
51	V+	Positive Aktorversorgung
52	D[Y]	Serielle Daten für Gelb ein
53	V-	Negative Aktorversorgung
54	Q[C]	Daten für Cyan aus (für Prüfung)
55	V+	Positive Aktorversorgung
56	Q[M]	Daten für Magenta aus (für Prüfung)
57	V-	Negative Aktorversorgung
58	Q[Y]	Daten für Gelb aus (für Prüfung)
59	V+	Positive Aktorversorgung
60	V_ss	Negative Logikversorgung
61	V-	Negative Aktorversorgung
62	V_dd	Positive Logikversorgung
63	V+	Positive Aktorversorgung

Fertigungs- und Betriebstoleranzen

Parameter	Grund der Schwankung	Kompensation	Min.	Nenn	Max.	Einheit
Umgebungstemperatur	Umwelt	Echtzeit	-10	25	50	°C
Düsenradius	Lithografie	Helligkeitseinstellung	5,3	5,5	5,7	Mikron
Düsenlänge	Bearbeitung	Helligkeitseinstellung	0,5	1,0	1,5	Mikron
Kontaktwinkel Düsenspitze	Bearbeitung	Helligkeitseinstellung	100	110	120	°
Paddelradius	Lithografie	Helligkeitseinstellung	9,8	10,0	10,2	Mikron
Spalt Paddel/Kammer	Lithografie	Helligkeitseinstellung	0,8	1,0	1,2	Mikron
Kammerradius	Lithografie	Helligkeitseinstellung	10,8	11,0	11,2	Mikron
Einlassfläche	Lithografie	Helligkeitseinstellung	5500	6000	6500	Mikron²
Einlasslänge	Bearbeitung	Helligkeitseinstellung	295	300	305	Mikron
Einlassätzwinkel	Bearbeitung	Helligkeits	90,5	91	91,5	Grad
(einspringend)		einstellung
Dicke der Heizung	Bearbeitung	Echtzeit	0,95	1,0	1,05	Mikron
Spezifischer Widerstand der Heizung	Materialien	Echtzeit	115	135	160	μΩ-cm
E-Modul der Heizung	Materialien	Maskenkonstruktion	400	600	650	GPa
Dichte der Heizung	Materialien	Maskenkonstruktion	5400	5450	5500	kg/cm³
Wärmeausdehnungs-koeffizient der Heizung CTE	Materialien	Maskenkonstruktion	9,2	9,4	9,6	10^-6/°C
Breite der Heizung	Lithografie	Echtzeit	1,15	1,25	1,35	Mikron
Länge der Heizung	Lithografie	Echtzeit	27,9	28,0	28,1	Mikron
Glasdicke des Aktors	Bearbeitung	Helligkeitseinstellung	1,9	2,0	2,1	Mikron
E-Modul des Glases	Materialien	Maskenkonstruktion	60	75	90	GPa
Wärmeausdehnungs-koeffizient CTE des Glases	Materialien	Maskenkonstruktion	0,0	0,5	1,0	10^-6/°C
Wandwinkel des Aktors	Bearbeitung	Maskenkonstruktion	85	90	95	Grad
Spalt Aktor/Substrat	Bearbeitung	Nicht erforderlich	0,9	1,0	1,1	Mikron
Biegekompensator-schicht	Bearbeitung	Helligkeitseinstellung	0,95	1,0	1,05	Mikron
Länge des Hebelarms	Lithografie	Helligkeitseinstellung	87,9	88,0	88,1	Mikron
Höhe der Kammer	Bearbeitung	Helligkeitseinstellung	10	11,5	13	Mikron
Wandwinkel der Kammer	Bearbeitung	Helligkeitseinstellung	85	90	95	Grad
Auf Farbe bezogene Tintenviskosität	Materialien	Maskenkonstruktion	-20	Nenn	+20
Oberflächenspannung der Tinte	Materialien	Programmiert	25	35	65	mN/m
Tintenviskosität bei 25°C	Materialien	Programmiert	0,7	2,5	15	cP
Farbstoffkonzentration der Tinte	Materialien	Programmiert	5	10	15
Tintentemperatur (relativ)	Betrieb	Keine	-10	0	+10	°C
Tintendruck	Betrieb	Programmiert	-10	0	+10	kPa
Trocknen der Tinte	Materialien	Programmiert	+0	+2	+5	cP
Aktorspannung	Betrieb	Echtzeit	2,75	2,8	2,85	V
Breite des Steuerpulses	Xtal Osc.	Nicht erforderlich	1,299	1,300	1,301	μs
Widerstand des Treibertransistors	Bearbeitung	Echtzeit	3,6	4,1	4,6	W
Fertigungstemperatur (TiN)	Bearbeitung	Berichtigung durch Konstruktion	300	350	400	°C
Batteriespannung	Betrieb	Echtzeit	2,5	3,0	3,5	V

Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur
Die wichtigste Folge von Änderungen in der Umgebungstemperatur ist die Änderung der Tintenviskosität und der Oberflächenspannung. Da der Biegeaktor nur auf den Temperaturunterschied zwischen Aktorschicht und Biegekompensatorschicht anspricht, hat die Umgebungstemperatur einen ganz geringen Einfluss auf den Biegeaktor. Der spezifische Widerstand der TiN-Heizung ändert sich nur ganz wenig mit der Temperatur. Die folgenden Simulationen beziehen sich auf wässrige Tinte im Temperaturbereich 0°C bis 80°C.
Tropfengeschwindigkeit und -volumen ändern sich im Gegensatz zu allen Erwartungen nicht monoton bei steigender Temperatur. Das lässt sich leicht erklären: bei steigender Temperatur sinkt die Viskosität schneller als die Oberflächenspannung. Wenn die Viskosität abnimmt, wird die Tinte etwas leichter aus der Düse geschleudert. Noch mehr ändert sich jedoch die Bewegung der Tinte um das Paddel - von der Hochdruckzone vor dem Paddel zur Niederdruckzone hinter dem Paddel. Bei höheren Temperaturen und niedrigerer Viskosität wird also die Tintenbewegung in stärkerem Ausmaß „kurzgeschlossen".
Die Temperatur des Druckkopfes IJ46 wird so geregelt, dass Tropfenvolumen und Tropfengeschwindigkeit möglichst gleich bleiben. Die Temperatur wird auf dem Chip für jedes Segment gemessen. Das Abfragesignal für Temperatur (Tsense) ist an einen gemeinsamen Ausgang Tsense angeschlossen. Das betreffende Tsense-Signal wird durch Anlegen von SenseEnable (Sen) und Auswahl des betreffenden Segments mittels der Leitungen D[C_0-7] ausgewählt. Das Tsense-Signal wird vom Treiber-ASIC digitalisiert, und die Breite des Steuerpulses wird zum Ausgleich von Änderungen in der Tintenviskosität variiert. Daten zur Angabe des Verhältnisses zwischen der Viskosität und Temperatur der Tinte werden in dem zur Tinte gehörigen Beglaubigungschip gespeichert.
Abhängigkeit vom Düsenradius
Der Düsenradius hat einen starken Einfluss auf das Tropfenvolumen und die Tropfengeschwindigkeit. Aus diesem Grund wird er durch 0,5-Mikron-Lithografie genau gesteuert. Die Düse wird durch 2-Mikron-Ätzen des Opfermaterials gebildet; darauf folgen das Aufbringen des Materials der Düsenwand und chemisch-mechanische Planarisierung CMP. Im letzteren Schritt werden die Düsenstrukturen planarisiert, wobei der obere Teil der Deckschicht entfernt und das innen liegende Opfermaterial freigelegt wird. Nach dem Entfernen des Opfermaterials bleiben eine selbstausgerichtete Düse und ein Düsenrand zurück. Die Genauigkeit des Innenradius der Düse wird in erster Linie von der Genauigkeit der Lithografie und der Gleichmäßigkeit des Seitenwandwinkels beim 2-Mikron-Ätzen bestimmt.
Die folgende Tabelle veranschaulicht die Funktion bei verschiedenen Düsenradien. Bei zunehmendem Düsenradius nimmt die Tropfengeschwindigkeit stetig ab. Das Tropfenvolumen erreicht jedoch seinen Spitzenwert bei einem Radius von ca. 5,5 Mikron. Der Nennradius der Düse ist 5,5 Mikron, und die Betriebstoleranz erlaubt eine Abweichung von +/- 4% von diesem Radius, woraus sich ein Bereich von 5,3 bis 5,7 Mikron ergibt. Die Simulation umfasst auch Extreme außerhalb des normalen Betriebsbereichs (5,0 und 6,0 Mikron). Die meisten Schwankungen im Düsenradius entstehen aus der Kombination des Ätzens des Opfermaterials und der chemisch-mechanischen Planarisierung. Das bedeutet, dass es sich wahrscheinlich nicht um örtliche Schwankungen handelt, sondern Unterschiede zwischen Wafern und Unterschiede zwischen der Mitte und dem Umfang eines Wafers. Die Unterschiede zwischen den Wafern werden durch Einstellen der „Helligkeit" kompensiert. Unterschiede innerhalb des Wafers sind nicht wahrnehmbar, solange sie nicht zu plötzlich sind.
Tintenzufuhrsystem
Dies bildet eine Ausführungsform der Erfindung.
Ein unter Anwendung der oben beschriebenen Verfahren gebauter Druckkopf kann in einem Druckkamerasystem zum Einsatz kommen, das mit PCT-Patentanmeldung Nr. PCT/AU98/00544 gleichartig ist. Im Folgenden werden ein Druckkopf und eine Tintenzufuhranordnung für Einsatz in einem Kamerasystem mit Sofortdruck auf Anforderung beschrieben. 96 und 97 zeigen zunächst Teile einer Tintenzufuhranordnung in der Form einer Tintenzufuhreinheit 430. Die Zufuhreinheit kann so konfiguriert werden, dass sie drei Tintenvorratskammern 521 aufweist, die Tinten in drei Farben zur Rückseite eines Druckkopfes leiten, der in der bevorzugten Ausführungsform einen Druckkopfchip 431 bildet. Die Tinte fließt zum Druckkopf über einen Tintenkanalverteilerbalken 433 mit einer Reihe von Schlitzen, z.B. 434, durch welche Tinte über Tintenauslässe 432 mit geringer Toleranz zur Rückseite des Druckkopfes 431 fließt. Die Auslässe 432 sind sehr klein mit einer Breite von rund 100 Mikron und müssen daher mit wesentlich höherer Genauigkeit gefertigt werden als die damit zusammenwirkenden Nachbarteile der Tintenzufuhreinheit, wie zum Beispiel das unten beschriebene Gehäuse 495.
Der Druckkopf 431 hat einen länglichen Aufbau und kann mittels Silikongel oder eines ähnlichen elastischen Klebers 520 an der Druckkopföffnung 435 befestigt werden.
Der Druckkopf wird vorzugsweise auf der Rückseite 438 und den Seiten 439 durch Auftragen von Kleber auf die Innenflächen der Druckkopföffnung 435 befestigt. Auf diese Weise wird der Kleber nur auf die Verbindungsflächen der Öffnung und des Klebers aufgetragen, wodurch die Gefahr, dass die genauen Tintenzufuhrdurchlässe 380 auf der Rückseite des Druckkopfchips 431 (siehe 88) verstopft werden könnten, minimiert wird. Ein um den Verteilerbalken 433 passender Filter 436 ist ebenfalls vorgesehen und filtert die durch den Balken 433 fließende Tinte.
Der Tintenkanalverteilerbalken 433 und der Filter 436 werden ihrerseits innerhalb einer Ablenkeinheit 437 eingefügt, die ebenfalls durch Auftragen eines Silikon-Dichtmittels auf die Grenzfläche 438 so befestigt wird, dass die Tinte zum Beispiel durch Löcher 440 in den Wänden der Ablenkeinheit und dann durch die mit den Löchern 440 fluchtenden Schlitze 434 fließen kann. Die Ablenkeinheit 437 kann eine Spritzgusseinheit aus Kunststoff sein, die aus einer Reihe von beabstandeten Ablenkwänden oder Leisten 441-443 besteht. Die in den Tintendurchlässen gebildeten Ablenkwände reduzieren die Beschleunigung der Tinte in den Vorratskammern 521, die ggf. durch die Bewegung des tragbaren Druckers verursacht wird, die bei der bevorzugten Ausführungsform entlang der Längserstreckung des Druckers am störendsten wirken würde, während sie gleichzeitig bei aktivem Bedarf den Zufluss von Tinte zum Druckkopf erlauben. Die Ablenkwände kommen beim Tragen der Tinte zur Wirkung und minimieren Störungen durch Schwenkungen bei der Handhabung.
Die Ablenkeinheit 437 ist in einem Gehäuse 445 untergebracht. Das Gehäuse 445 kann durch Ultraschallschweißen an der Ablenkeinheit 437 befestigt werden, um diese in drei separate Tintenkammern 521 hinein abzudichten. Die Ablenkeinheit 437 umfasst ferner eine Reihe von durchstechbaren Stirnwandteilen 450-452, die zum Zufluss von Tinte in die drei Kammern von einer entsprechenden Tintenzufuhrleitung durchstochen werden können. Das Gehäuse 445 weist auch eine Reihe von Öffnungen 455 auf, die mittels Klebstreifen oder auf ähnliche Weise hydrophob abgedichtet sind, um die Luft innerhalb der drei Kammern der Ablenkeinheit entweichen zu lassen, während die Tinte infolge der hydrophoben Beschaffenheit der Öffnungen, z. B. 455, in den Ablenkkammern bleibt.
Durch Herstellen des Tintenverteilers als drei separate, zusammenwirkende Bauteile, wie oben beschrieben, können trotz der an der Grenzfläche mit dem Druckkopf erforderlichen hohen Genauigkeit relativ konventionelle Formverfahren zur Anwendung kommen. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Maßgenauigkeitsanforderungen in Stufen aufgeteilt werden, indem zunehmend kleinere Bauteile verwendet werden und nur das kleinste letzte Element den Tintenkanalverteilerbalken bildet oder nur das zweite Element nach den engeren Toleranzen hergestellt werden muss, die für genaues Zusammenwirken mit den Tintenzufuhrdurchlässen 380 am Chip erforderlich sind.
Das Gehäuse 445 weist eine Reihe von Positionierhöckern, z.B. 460-462, auf. Eine erste Reihe von Höckern dient zur genauen Positionierung der Verbindungsmittel in Form eines automatisch foliengebondeten Films (TAB) 470; dazu kommen erste und zweite Strom- und Erdschienen 465 und 466, die an zahlreichen verschiedenen Stellen entlang der Oberfläche des TAB-Films 470 mit diesem verbunden sind, um Strom und Erdung mit geringem Widerstand entlang der Oberfläche des TAB-Films 470 zu verteilen, die ihrerseits mit dem Druckkopfchip 431 verbunden ist.
Der TAB-Film 470, der detaillierter in einem geöffneten Zustand in 102 und 103 zu sehen ist, ist doppelseitig, mit einem Daten/Signalbus in Form einer Vielzahl von längs verlaufenden Zwischenverbindungen 550 für Steuerleitungen auf der Außenseite, die lösbar an eine entsprechende Vielzahl von externen Steuerleitungen angeschlossen werden können. Außerdem sind auf der Außenseite Stromschienenkontakte in Form von aufgebrachten Edelmetallstreifen 552 vorgesehen.
Die Innenseite des TAB-Films 470 weist eine Vielzahl von sich in Querrichtung erstreckenden Verbindungsleitungen 553 auf, welche die Stromversorgung abwechselnd über die Stromschienen und die Steuerleitungen 550 mit Bondinseln am Druckkopf über Bereich 554 verbinden. Die Verbindung mit den Steuerleitungen erfolgt über Kontaktlöcher 556 durch den TAB-Film. Einer der vielen Vorteile des TAB-Films ist darin zu sehen, dass er ein flexibles Mittel zum Verbinden der starren Stromschienen mit dem zerbrechlichen Druckkopfchip 431 bildet.
Die Stromschienen 465, 466 sind ihrerseits mit Kontakten 475, 476 verbunden, die mittels der Abdeckeinheit 478 an den Stromschienen 465, 466 festgeklemmt sind. Die Abdeckeinheit 478 kann auch ein Spritzgussteil umfassen und weist einen Schlitz 480 zum Einschieben einer Aluminiumstange auf, um das Abschneiden einer Druckseite zu erleichtern.
98 ist eine geschnittene Ansicht der Druckkopfeinheit 430, der zugehörigen Platte 490, der Druckwalze und der Tintenzufuhreinheit 491 und des Antriebskraftverteilers 492, der mit den Einheiten 430, 490 und 491 verschaltet ist.
Der Formatschneider 495 kann von einem ersten Motor entlang dem Aluminiummesser 498 angetrieben werden, um das Bild 499 nach dem Drucken zu schneiden. Die Funktion des Systems nach 98 gleicht weitgehend der in PCT-Patentanmeldung Nr. PCT/AU98/00544 beschriebenen. Tinte wird im Kernteil 500 eines Druckwalzentrichters 501 gespeichert, um den ein Druckmedium 502 gewickelt ist. Das Druckmedium wird unter der Steuerung eines Elektromotors 494 zwischen der Platte 290 und der Druckkopfeinheit 490 zugeführt, während die Tinte über Tintenkanäle 505 mit der Druckkopfeinheit 430 in Verbindung steht. Die Druckwalzeneinheit 491 entspricht der oben genannten PCT-Anmeldung. 99 zeigt die einzelne Druckereinheit 510 im zusammengebauten Zustand.
Merkmale und Vorteile
Der Druckkopf IJ46 hat anderen Drucktechnologien gegenüber zahlreiche Merkmale und Vorteile aufzuweisen. In einigen Fällen ergeben sich diese aus neuen Fähigkeiten. In anderen Fällen ergeben sich die Vorteile aus der Vermeidung von Problemen, die mit Technologien nach dem Stand der Technik verbunden sind. Einige dieser Vorteile werden im Folgenden besprochen.
Hohe Auflösung
Die Auflösung des Druckkopfes IJ46 liegt sowohl in Scanrichtung als auch quer dazu bei 1600 Punkten pro Zoll (dpi). Das ergibt Farbbilder in voller Fotoqualität und hochwertigen Textdruck (einschl. Kanji). Höhere Auflösungen sind möglich: für besondere Anwendungen wurden 2400 und 4800 dpi untersucht, aber 1600 dpi wird als Ideallösung für die meisten Anwendungen betrachtet. Die wahre Auflösung von fortschrittlichen handelsüblichen piezoelektrischen Geräten beträgt rund 120 dpi, die von thermischen Tintenstrahldruckern rund 600 dpi.
Ausgezeichnete Bildqualität
Hohe Qualität setzt hohe Auflösung und die genaue Platzierung der Tropfen voraus. Die monolithische seitenbreite Beschaffenheit des Druckkopfes IJ46 ermöglicht das Platzieren von Tropfen mit Submikron-Genauigkeit. Hohe Genauigkeit ergibt sich auch aus der Vermeidung von fehlgerichteten Tropfen, elektrostatischer Ablenkung und Luftwirbeln, sowie aus der Erhaltung eines gleichmäßigen Tropfenvolumens und einer gleichmäßigen Tropfengeschwindigkeit. Die Bildqualität wird auch durch eine ausreichende Auflösung gewährleistet, wodurch der Bedarf an mehreren verschiedenen Tintendichten vermieden wird. 5- oder 6-Farben-„Foto"-Tintenstrahlsysteme können Halbtonartefakte in Mitteltöne (wie zum Beispiel Fleischtöne) einführen, wenn die Wechselwirkung der Farbstoffe und die Tropfengrößen nicht absolut perfekt sind. Dieses Problem wird durch binäre Dreifarbensysteme der im Druckkopf IJ46 zum Einsatz kommenden Art ausgeschaltet.
Hohe Geschwindigkeit (30 Seiten pro Minute je Druckkopf)
Die seitenbreite Beschaffenheit des Druckknopfes erlaubt Schnellbetrieb, da kein Scannen erforderlich ist. Eine vollfarbige A4-Seite wird in weniger als 2 Sekunden gedruckt, was je Druckkopf ganze 30 Seiten pro Minute (ppm) ausmacht. Für 60, 90, 120 etc. Seiten pro Minute können Mehrfach-Druckköpfe verwendet werden. Die Druckköpfe IJ46 sind kostengünstig und kompakt, und Mehrfach-Druckköpfe sind daher eine praktische Lösung.
Niedrige Kosten
Da der Druckkopf IJ46 eine sehr hohe Düsendichte aufweist, kann die Chipfläche je Druckkopf klein gehalten werden. Das senkt die Herstellungskosten, da zahlreiche Druckkopfchips auf ein und demselben Wafer untergebracht werden können.
Volldigitaler Betrieb
Die hohe Auflösung des Druckknopfes erlaubt volldigitalen Betrieb mit digitalen Halbtönen. Das schaltet die Nichtlinearität der Farben aus (ein Problem bei Halbtondruckem) und vereinfacht die Konstruktion der Steuer-ASICs.
Kleines Tropfenvolumen
Eine wahre Auflösung von 1600 Punkten pro Zoll setzt eine kleine Tropfengröße voraus. Die Tropfengröße eines Druckkopfes IJ46 ist ein Pikoliter (1 pl). Die Tropfengröße von modernen piezoelektrischen und thermischen Tintenstrahldruckern ist rund 3 bis 30 pl.
Genaue Regelung der Tropfengeschwindigkeit
Da der Tropfenauswurf ein mechanisch genauer Mechanismus und nicht auf Blasenkeimbildung angewiesen ist, kann die Tropfengeschwindigkeit genau gesteuert werden. Das ermöglicht Arbeit mit niedrigen Tropfengeschwindigkeiten (3-4 m/s) in Anwendungen, wo Medium und Luftstrom gesteuert werden können. Die Tropfengeschwindigkeit kann innerhalb eines ausgedehnten Bereichs genau variiert werden, indem die Energieversorgung des Aktors variiert wird. Hohe Tropfengeschwindigkeiten (10-15 m/s), die für Normalpapier und relativ ungesteuerte Bedingungen geeignet sind, lassen sich durch Variieren der Abmessungen der Düsenkammer und des Aktors erreichen.
Schnelles Trocknen
Aus einer Kombination von sehr hoher Auflösung mit sehr kleinen Tropfen und hoher Farbstoffdichte ergibt sich ein Vollfarbendruck, bei dem wesentlich weniger Wasser ausgestoßen wird. Ein 1600-dpi-Druckkopf IJ46 stößt nur ca. 33% des Wassers eines thermischen 600-dpi-Tintenstrahldruckers aus. Das ermöglicht schnelles Trocknen und schaltet Randwelligkeit fast ganz aus.
Großer Temperaturbereich
Druckköpfe IJ46 sollen Schwankungen in der Umgebungstemperatur unwirksam machen. Die Funktion wird nur von temperaturbedingten Änderungen in den Tinteneigenschaften beeinflusst, und diese können elektronisch kompensiert werden. Für Wassertinten ist ein Temperaturbereich von 0°C bis 50°C zu erwarten.
Keine besonderen Fertigungseinrichtungen erforderlich
Der Fertigungsprozess für die Druckköpfe IJ46 basiert zur Gänze auf der bekannten Halbleiterindustrie. Bei den meisten Tintenstrahlsystemen ist der Übergang vom Labor zur Produktion mit größeren Schwierigkeiten und Kosten verbunden, da hochgenaue besondere Fertigungseinrichtungen benötigt werden.
Hohe verfügbare Produktionskapazität
Eine 6-Zoll-CMOS-Fertigungsanlage mit 10000 Waferstarts pro Monat kann jedes Jahr rund 18 Millionen Druckköpfe herstellen. Eine 8-Zoll-CMOS-Fertigungsanlage mit 20000 Waferstarts pro Monat kann jedes Jahr rund 60 Millionen Druckköpfe herstellen. Gegenwärtig gibt es zahlreiche derartige CMOS-Fertigungsanlagen auf der ganzen Welt.
Niedrige Rüstkosten im Werk
Die Rüstkosten im Werk sind niedrig, da vorhandene 0,5-Mikron-6-Zoll-CMOS-Fertigungsanlagen zur Anwendung kommen können. Diese könnten ganz amortisiert und im Wesentlichen für die Produktion von CMOS-Logik veraltet sein. Die Massenfertigung kann also in „alten" vorhandenen Anlagen erfolgen. Der Großteil der MEMS-Nachbearbeitung kann ebenfalls in der CMOS-Fertigungsanlage ablaufen.
Gute Lichtechtheit
Da die Tinte nicht erwärmt wird, unterliegen die verwendeten Farbstoffe nur ganz wenigen Einschränkungen. Bei der Auswahl der Farbstoffe kann also optimale Lichtechtheit berücksichtigt werden. Einige vor Kurzem entwickelte Farbstoffe von Firmen wie zum Beispiel Avecia und Hoechst haben eine Lichtechtheit 4. Das gleicht der Lichtechtheit von vielen Pigmenten und liegt erheblich über der von bisher beim Foto- und Tintenstrahldruck verwendeten Farbstoffen.
Gute Wasserbeständigkeit
Wie im Fall der Lichtechtheit ermöglicht das Fehlen von thermischen Einschränkungen die Auswahl von Farbstoffen unter Berücksichtigung von Eigenschaften wie Wasserbeständigkeit. Für extrem hohe Wasserbeständigkeit (für waschbare Textilien erforderlich) können Reaktivfarbstoffe verwendet werden.
Ausgezeichnete Farbskala
Der Einsatz von transparenten Farbstoffen mit hoher Farbreinheit ermöglicht eine wesentlich breitere Farbskala als beim Offsetdruck und bei der Silberhalogenid-Fotografie. Insbesondere beim Offsetdruck ist die Farbskala beschränkt infolge der Lichtstreuung von den verwendeten Farbstoffen. Bei Dreifarbensystemen (CMY) oder Vierfarbensystemen (CMYK) wird die Skala notwendigerweise auf das vierflächige Volumen der Farbscheitelpunkte begrenzt. Die Farbstoffe Cyan, Magenta und Gelb müssen daher so spektral rein wie möglich sein. Eine etwas breitere „Hexkonus"-Skala mit reinem Rot, Grün und Blau lässt sich mit einem 6-Farben-Modell (CMYRBG) erzielen. Ein derartiger Sechsfarben-Druckkopf kann kostengünstig hergestellt werden, da eine Chipbreite von nur 1 mm erforderlich ist.
Vermeidung von Farbbluten
Bluten zwischen Farben entsteht, wenn die verschiedenen Primärfarben gedruckt werden, während die vorherige Farbe noch nass ist. Obwohl das Bild bei 1600 dpi im typischen Fall durch das Bluten der Tinte kaum unscharf wird, können die Mitteltöne eines Bildes „trüb" werden. Dieses Bluten kann durch auf Mikroemulsion basierende Tinte ausgeschaltet werden, wofür die Druckköpfe IJ46 ausgezeichnet geeignet sind. Durch den Einsatz von Mikroemulsionstinte kann auch das Verstopfen der Düsen verhindert und die Stabilität der Tinte auf lange Sicht gewährleistet werden.
Hohe Düsenzahl
Ein monolithischer CMY-Dreifarben-Fotodruckkopf IJ46 hat 19 200 Düsen. Diese Anzahl ist zwar im Vergleich mit anderen Druckköpfen groß, aber klein im Vergleich mit der Zahl der Bauelemente, die gewöhnlich bei der Massenfertigung in CMOS-VLSI-Chips integriert werden. Sie liegt auch um 3% unter der Zahl der beweglichen Spiegel, die Texas Instruments unter Anwendung von ähnlichen CMOS- und MEMS-Prozessen in das digitale Mikrospiegel-Bauelement (DMD) der Firma integriert.
51200 Düsen je A4-Druckkopf
Ein Vierfarbendruckkopf (CMYK) IJ46 für seitenbreiten A4/US-Briefdruck arbeitet mit zwei Chips. Jeder 0,66-cm²-Chip hat 25600 Düsen, was insgesamt 51200 Düsen ausmacht.
Integration der Steuerschaltungen
In einem Druckkopf mit 51200 Düsen müssen die Datenverteilungsschaltungen (Schieberegister), die zeitliche Steuerung der Daten und die Treibertransistoren unbedingt mit den Düsen integriert werden, da sonst mindestens 51201 externe Anschlüsse erforderlich wären. Das bildet bei piezoelektrischen Tintenstrahldruckern ein schwerwiegendes Problem, da die Steuerschaltungen nicht auf piezoelektrischen Substraten integriert werden können. Bei CMOS-VLSI-Chips, die mit hohem Ertrag in großen Mengen hergestellt werden, werden oft Millionen von Anschlüssen integriert. Zu begrenzen ist die Zahl der außerhalb des Chips liegenden Anschlüsse.
Monolithische Herstellung
Die Druckköpfe IJ46 werden als monolithischer CMOS-Einzelchip hergestellt, so dass sich die Präzisionsmontage erübrigt. Die Fertigung erfolgt durchwegs unter Anwendung von normalen CMOS-VLSI- und MEMS-(Micro-Electro-Mechanical Systems)Prozessen und Materialien. Bei thermischen und gewissen piezoelektrischen Tintenstrahlsystemen ist der Zusammenbau der Düsenplatte mit dem Druckkopfchip eine der Hauptursachen für geringen Ertrag, begrenzte Auflösung und begrenzte Größe. Außerdem bestehen seitenbreite Anordnungen im typischen Fall aus mehreren kleineren Chips. Die Montage und Ausrichtung dieser Chips ist eine aufwendige Arbeit.
Modular, erweiterungsfähig für große Druckbreite
Lange seitenbreite Druckköpfe können durch Aneinanderfügen von zwei oder mehr 100-mm-Druckköpfen IJ46 hergestellt werden. Der Rand des Druckkopfchips IJ46 ist für automatisches Ausrichten mit Nachbarchips ausgelegt. Ein Druckkopf ergibt einen Drucker in Fotogröße, zwei ergeben einen A4-Drucker und vier einen A3-Drucker. Für digitalen Schnelldruck, seitenbreiten Druck im Breitformat und Textildruck können mehr Druckköpfe zusammengefügt werden.
Duplexbetrieb
Duplexdruck mit voller Druckgeschwindigkeit ist eine praktische Lösung. Die einfachste Methode ist die Bereitstellung von zwei Druckköpfen - einem auf jeder Seite des Papiers. Die Bereitstellung von zwei Druckköpfen kostet weniger und ist weniger kompliziert als mechanische Systeme zum Umkehren des Papierbogens.
Gerade Papierbahn
Da keine Trommeln erforderlich sind, kann die Gefahr des Papierstaus durch eine gerade Papierbahn reduziert werden. Das gilt besonders für Duplexdrucker im Büro, wo der komplizierte Mechanismus zum Umkehren der Seiten eine der Hauptursachen des Papierstaus bildet.
Hoher Wirkungsgrad
Thermische Tintenstrahldruckköpfe haben einen Wirkungsgrad von nur rund 0,01% (elektrische Energieaufnahme verglichen mit kinetischer Energie und erhöhter Oberflächenenergie). Der Wirkungsgrad des Druckkopfes IJ46 ist mehr als 20-mal so hoch.
Selbstkühlender Betrieb
Die zum Ausstoßen eines Tropfens erforderliche Energie ist 160 nJ (0,16 Mikrojoule), nur ein Bruchteil des für thermische Tintenstrahldrucker erforderlichen Werts. Dank diesem geringen Energiebedarf kann der Druckkopf vollständig von der ausgestoßenen Tinte gekühlt werden, wobei die Tintentemperatur auch im schlimmsten Fall nur um 40°C ansteigt. Eine Wärmeabführung erübrigt sich.
Niedriger Druck
Der in einem Druckkopf IJ46 entstehende Maximaldruck beträgt rund 60 kPa (0,6 Atmosphären). Bei der Blasenkeimbildung und beim Kollaps in thermischen Tintenstrahl- und Bubblejet-Systemen entsteht im typischen Fall ein Druck von mehr als 10 MPa (100 Atmosphären), das 160-fache des Maximaldrucks des Druckkopfes IJ46. Die hohen Drücke in Bubblejet- und thermischen Tintenstrahldruckern haben hohe mechanische Spannungen zur Folge.
Niedrige Leistung
Ein 30 Seiten pro Minute druckender A4-Druckkopf IJ46 braucht bei Dreifarben- und Schwarzdruck rund 67 Watt. Bei einer Deckung von 5% liegt die durchschnittliche Leistungsaufnahme bei nur 3,4 Watt.
Niederspannungsbetrieb
Die Druckköpfe IJ46 kommen mit einer einzigen 3-V-Versorgung aus, was den typischen Treiber-ASICs entspricht. Thermische Tintenstrahldrucker brauchen im typischen Fall mindestens 20 V, piezoelektrische oft mehr als 50 V. Der Aktor des Druckkopfes IJ46 ist für Betrieb mit einer Nennspannung von 2,8 V ausgelegt, woraus sich unter Berücksichtigung eines Spannungsabfalls von 0,2 V über den Treibertransistor ein 3-V-Chipbetrieb ergibt.
Betrieb mit 2 oder 4 AA-Batterien
Der Stromverbrauch ist so gering, dass der Fotodruckkopf IJ46 von AA-Batterien gespeist werden kann. Der Druck eines typischen 6 × 4-Zoll-Fotos erfordert weniger als 20 Joule (einschließlich der Treibertransistorverluste). Wenn das Foto in 2 Sekunden gedruckt werden soll, sind vier AA-Batterien zu empfehlen. Bei einer Druckzeit von 4 Sekunden genügen zwei AA-Batterien.
Batteriespannungsausgleich
Die Druckköpfe IJ46 können mit ungeregelter Batterieversorgung betrieben werden, um die mit einem Spannungsregler verbundenen Leistungsverluste auszuschalten. Zuverlässige Leistung muss also über einen großen Versorgungsspannungsbereich gewährleistet werden. Der Druckkopf IJ46 ermittelt die Versorgungsspannung und stellt den Aktor entsprechend auf ein gleichmäßiges Tropfenvolumen ein.
Kleine Aktor- und Düsenfläche
Die Düse, der Aktor und die Steuerschaltung des Druckkopfes IJ46 kommen mit einer Fläche von 1764 μm² aus. Das ist weniger als 1% der von piezoelektrischen Tintenstrahldüsen benötigten Fläche und rund 5% der von Bubblejet-Düsen benötigten. Die Aktorfläche hat einen direkten Einfluss auf die Herstellungskosten des Druckkopfes.
Kleine Baugröße des Druckkopfes
Eine ganze Druckkopf-Baugruppe (einschließlich der Tintenzufuhrkanäle) für einen 30 Seiten pro Minute druckenden A4-Vierfarbendruckkopf mit 1600 dpi ist nur 210 mm × 12 mm × 7 mm groß. Diese kleine Größe gestattet Einbau in Notebooks und Minidrucker. Ein Fotodrucker ist 106 mm × 7 mm × 7 mm groß und kann daher in digitale Taschenkameras, Palmtops, Mobiltelefone/Faxgeräte und so weiter eingefügt werden. Der Großteil dieses Volumens entfällt auf die Tintenzufuhrkanäle. Der Druckkopfchip selbst ist nur 102 mm × 0,55 mm × 0,3 mm groß.
Düsenabdecksystem in Miniaturausführung
Für die Druckköpfe IJ46 wurde ein Düsenabdecksystem in Miniaturausführung entwickelt. Bei einem Fotodrucker ist dieses Düsenabdecksystem nur 106 mm × 5 mm × 4 mm groß, und die Bewegung des Druckkopfes erübrigt sich.
Hoher Fertigungsertrag
Der voraussichtliche Fertigungsertrag (nach Reife) der Druckköpfe IJ46 liegt bei mindestens 80%, da es sich um einen digitalen CMOS-Chip mit einer Fläche von nur 0,55 cm² handelt. Die meisten modernen CMOS-Prozesse bieten einen hohen Ertrag mit Chipflächen über 1 cm². Bei weniger als 1 cm² großen Chips sind die Kosten ungefähr proportional zur Chipfläche. Zwischen 1 cm² und 4 cm² steigen die Kosten schnell, und größere Chips als das bilden nur selten eine praktische Lösung. Eine Chipfläche von weniger als 1 cm² lohnt sich. Bei thermischen und Bubblejet-Druckköpfen beträgt die Chipbreite meistens rund 5 mm, was die kosteneffiziente Chiplänge auf ca. 2 mm beschränkt. Eines der Hauptziele der Entwicklung des Druckkopfes IJ46 war die möglichst starke Verringerung der Chipbreite, woraus sich kosteneffiziente monolithische seitenbreite Druckköpfe ergeben.
Geringe Komplexität des Prozesses
Bei der Herstellung von digitalen Schaltungen hat die Komplexität der Maske des Bauelements praktisch keinen Einfluss auf die Kosten oder Schwierigkeit der Herstellung. Die Kosten sind der Anzahl der Prozessschritte und den kritischen lithografischen Abmessungen proportional. Die Druckköpfe IJ46 werden in einem normalen CMOS-Fertigungsprozess mit einer Polyschicht und drei Metallschichten sowie mit zusätzlichen 5 MEMS-Maskenschritten hergestellt. Das macht den Fertigungsprozess weniger komplex als ein typischer 0,25-Mikron-CMOS-Logikprocess mit Metall auf 5 Ebenen.
Einfache Prüfung
Die Druckköpfe IJ46 umfassen Prüfschaltungen, welche die Durchführung der meisten Prüfungen im Stadium der Wafersonde ermöglichen. Alle elektrischen Eigenschaften einschließlich des Widerstandes des Aktors können in diesem Stadium geprüft werden. Die Aktorbewegung kann jedoch erst nach dem Lösen aus den Opfermaterialien geprüft werden, weshalb die Abschlussprüfung am Verbundchip erfolgen kann.
Kostengünstiges Gehäuse
Die Druckköpfe 1146 kommen in einem im Spritzguss hergestellten Polycarbonatgehäuse. Alle Anschlüsse werden mittels automatischem Folienbonden (TAB) hergestellt (wahlweise kann jedoch auch Drahtbonden zur Anwendung kommen). Alle Anschlüsse sind an einem Rand des Chips angeordnet.
Keine Empfindlichkeit gegen Alphateilchen
Alphastrahlung muss beim Entwurf des Gehäuses nicht berücksichtigt werden, da abgesehen von statischen Registern keine Speicherelemente vorhanden sind und eine Zustandsänderung infolge von Alphateilchen wahrscheinlich nur den Druck eines einzigen zusätzlichen Punktes (oder auch nicht) auf dem Papier verursacht.
Gelockerte kritische Abmessungen
Die kritische Abmessung (CD) der CMOS-Steuerschaltungen des Druckkopfes IJ46 beträgt 0,5 Mikron. Moderne digitale integrierte Schaltungen wie zum Beispiel Mikroprozessoren arbeiten mit kritischen Abmessungen von 0,25 Mikron, was die Anforderungen des Druckkopfes IJ46 um zwei Elementgenerationen übersteigt. Bei den meisten MEMS-Nachbearbeitungsschritten betragen die kritischen Abmessungen mindestens 1 Mikron.
Wenig Spannung bei der Herstellung
Der Bruch von Bauelementen bei der Herstellung wird sowohl bei thermischen Tintenstrahlals auch bei piezoelektrischen Bauelementen zum Problem. Das begrenzt die Größe des Druckkopfes, der hergestellt werden kann. Die bei der Herstellung des Druckkopfes IJ46 auftretenden Spannungen sind nicht höher als die für CMOS-Fertigung erforderlichen.
Keine Scan-Streifenbildung
Da die Druckköpfe IJ46 seitenbreit sind, scannen sie nicht. Das löst eines der wichtigsten Bildqualitätsprobleme von Tintenstrahldruckern. Streifenbildung aus anderen Gründen (fehlgeleitete Tropfen, Fluchten des Druckkopfes) ist bei seitenbreiten Druckköpfen gewöhnlich ein schwerwiegendes Problem. Die Ursachen der Streifenbildung wurden ebenfalls angegangen.
„Perfekte" Düsenausrichtung
Alle Düsen innerhalb eines Druckkopfes werden von dem für die Lithografie des verwendeten 0,5-Mikron-Stepper mit Submikrongenauigkeit ausgerichtet. Die Düsenausrichtung von zwei 4-Zoll-Druckköpfen zur Herstellung eines seitenbreiten A4-Druckkopfes wird mittels mechanischer Ausrichtungseinrichtungen auf den Druckkopfchips erzielt. Das erlaubt automatisiertes mechanisches Ausrichten (einfach durch Zusammenschieben von zwei Druckkopfchips) innerhalb von 1 Mikron. Wenn bei besonderen Anwendungen eine feinere Ausrichtung benötigt wird, können die 4-Zoll-Druckköpfe optisch ausgerichtet werden.
Keine Satellitentropfen
Die extrem geringe Tropfengröße (1 pl) und die mäßige Tropfengeschwindigkeit (3 m/s) schalten Satellitentropfen aus, die zahlreiche Bildqualitätsprobleme verursachen können. Bei rund 4 m/s bilden sich Satellitentropfen, die sich jedoch dem Haupttropfen anschließen. Bei rund 4,5 m/s entstehen Satellitentropfen mit verschiedenen Geschwindigkeiten im Verhältnis zum Haupttropfen. Ein besonderes Problem bilden Satellitentropfen mit negativer Geschwindigkeit im Verhältnis zum Druckkopf, die sich daher oft auf dessen Oberfläche ablagern. Das lässt sich bei hohen Tropfengeschwindigkeiten (rund 10 m/s) nur schwer vermeiden.
Laminare Luftströmung
Die niedrige Tropfengeschwindigkeit setzt laminare Luftströmung ohne Wirbel voraus, wenn die Tropfen richtig auf das Druckmedium fallen sollen. Das wird durch entsprechende Konstruktion des Gehäuses des Druckkopfes erzielt. Für „Normalpapier" und beim Bedrucken von anderen „rauhen" Flächen sind höhere Tropfengeschwindigkeiten wünschenswert. Durch Variieren der Konstruktionsmaße lassen sich Tropfengeschwindigkeiten bis zu 15 m/s verwirklichen. Fotodruckköpfe für Dreifarbendruck und Druckköpfe für Normalpapier und Vierfarbendruck mit einer Tropfengeschwindigkeit von 15 m/s können mit einer Tropfengeschwindigkeit von 4 m/s auf dem selben Wafer hergestellt werden. Es kommen nämlich in beiden Fällen die selben Prozessparameter zur Anwendung.
Keine fehlgeleiteten Tropfen
Fehlgeleitete Tropfen werden durch einen dünnen Rand rund um die Düse ausgeschaltet, der das Ausbreiten des Tropfens über die Oberfläche des Druckkopfes in Bereichen verhindert, wo die hydrophobe Beschichtung beeinträchtigt ist.
Keine thermische Kreuzkopplung
Wenn bei Bubblejet- oder anderen thermischen Tintenstrahlsystemen benachbarte Aktoren unter Strom gesetzt werden, breitet sich die Wärme von einem Aktor zu den anderen aus und beeinflusst ihre Abschusskennlinien. Bei den Druckköpfen IJ46 beeinflusst die Wärmeausbreitung von einem Aktor zu benachbarten Aktoren die Heizungsschicht und die Biegekompensatorschicht im gleichen Maße und hat daher keine Wirkung auf die Paddelposition. Thermische Kreuzkopplung wird daher praktisch ganz ausgeschaltet.
Keine fluidische Kreuzkopplung
Alle gleichzeitig abschießenden Düsen sind am Ende eines 300 Mikron langen Tinteneinlasses angeordnet, der durch den (verdünnten) Wafer geätzt wird. Diese Tinteneinlässe stehen mit großen Tintenkanälen mit geringem fluidischem Widerstand in Verbindung. Infolge dieser Anordnung hat das Ausstoßen eines Tropfens von einer Düse praktisch keine Wirkung auf andere Düsen.
Keine bauliche Kreuzkopplung
Dieses Problem tritt bei piezoelektrischen Druckköpfen häufig auf. Es entfällt bei den Druckköpfen IJ46.
Bleibender Druckkopf
Die Druckköpfe IJ46 können bleibend installiert werden. Das senkt die Produktionskosten von Verbrauchsmaterial erheblich, da das Verbrauchsmaterial keinen Druckkopf enthalten muß.
Keine Kogation
Kogation (Rückstände von verbrannter Tinte, Lösungsmitteln und Verunreinigungen) ist bei Bubblejet- und anderen thermischen Tintenstrahldruckköpfen ein schwerwiegendes Problem. Dieses Problem tritt bei den Druckköpfen IJ46 nicht auf, da die Tinte nicht direkt erwärmt wird.
Keine Kavitation
Erosion infolge des plötzlichen Kollapses von Blasen ist ein weiteres Problem, das die Lebensdauer von Bubblejet- und anderen thermischen Tintenstrahldruckköpfen beschränkt. Dieses Problem tritt bei den Druckköpfen IJ46 nicht auf, da sich hier keine Blasen bilden.
Keine Elektrowanderung
Die Aktoren oder Düsen des Druckkopfes IJ46 enthalten keine Metalle, sondern sind ganz keramisch. In den Tintenstrahlelementen selbst gibt es daher keine mit Elektrowanderung verbundenen Probleme. Die CMOS-Metallisierungsschichten ertragen die nötigen Ströme ohne Elektrowanderung. Das lässt sich leicht verwirklichen, denn die Stromüberlegungen ergeben sich aus dem Treiberstrom der Heizung, nicht aus dem CMOS-Schnellschalten.
Zuverlässige Stromanschlüsse
Während die Druckköpfe IJ46 nur ein Fünfzigstel der Energie eines thermischen Tintenstrahldruckkopfes verbrauchen, ergibt sich aus der hohen Druckgeschwindigkeit und der niedrigen Spannung ein ziemlich hoher Verbrauch an elektrischem Strom. Im schlimmsten Fall verbraucht ein Fotodruckkopf IJ46, der aus einer 3-V-Versorgung in zwei Sekunden druckt, 4,9 A. Dieser Strom wird über Kupferschienen zu 256 Bondinseln am Rand des Chips geleitet. Jede Bondinsel führt maximal 40 mA. Kontakte auf dem Chip und Kontaktlöcher zu den Treibertransistoren führen 1,3 Millisekunden einen Spitzenstrom von 1,5 mA und einen maximalen Durchschnittsstrom von 12 mA.
Keine Korrosion
Die Düse und der Aktor bestehen zur Gänze aus Glas und Titannitrid (TiN), einem leitfähigen Keramikwerkstoff, der bei CMOS-Bauelementen weitgehend als Metallisierungssperrschicht Einsatz findet. Beide Materialien sind höchst korrosionsbeständig.
Keine Elektrolyse
Da die Tinte nicht mit elektrischen Potential in Kontakt ist, tritt keine Elektrolyse auf.
Keine Ermüdung
Da alle Aktorbewegungen innerhalb der Elastizitätsgrenzen erfolgen und durchwegs keramische Materialien zur Anwendung kommen, tritt keine Ermüdung auf.
Keine Reibung
Da keine bewegten Flächen miteinander in Kontakt sind, tritt keine Reibung auf.
Keine Haftreibung
Der Druckkopf IJ46 ist auf Vermeidung von Haftreibung ausgelegt, ein Problem, das bei vielen MEMS-Bauelementen auftritt. Der englische Begriff „Stiction" kombiniert „Haften" mit „Reibung" und ist infolge der relativen Skalierung der Kräfte besonders bei MEMS von Bedeutung. Im Druckkopf IJ46 hängt das Paddel über einem Loch im Substrat, wodurch die anderenfalls zwischen Paddel und Substrat entstehende Haftreibung ausgeschaltet wird.
Keine Rissausbreitung
Die auf die Werkstoffe einwirkenden Spannungen sind nur 1% der zu Rissausbreitung führenden Spannung bei der typischen Oberflächenrauheit der TiN- und Glasschichten. Die Ecken sind zur Minimierung von „Spannungsspitzen" abgerundet. Das Glas steht also immer unter Druckspannung, die wesentlich weniger Rissausbreitung verursacht als Zugspannung.
Kein elektrisches Polen erforderlich
Piezoelektrische Materialien müssen nach dem Einfügen in den Aufbau des Druckkopfes gepolt werden. Das erfordert eine sehr hohe elektrische Feldstärke von rund 20000 V/cm. Dieser hohe Spannungsbedarf begrenzt im typischen Fall die Größe des Druckkopfes auf rund 5 cm, und zum Polen werden 100000 Volt benötigt. Beim Druckkopf IJ46 ist kein Polen erforderlich.
Keine gerichtete Diffusion
Gerichtete Diffusion - die Bildung von Blasen infolge von zyklischen Druckschwankungen - ist besonders bei piezoelektrischen Tintenstrahlen ein Problem. Die Druckköpfe IJ46 verhindern gerichtete Diffusion, da der Tintendruck niemals unter null absinkt.
Vermeidung der Sägestraße
Die Sägestraße zwischen Chips auf einem Wafer ist gewöhnlich 200 Mikron breit. Das würde 26% der Waferfläche ausmachen. Anstelle dessen braucht man bei Plasmaätzen nur 4% der Waferfläche. Dadurch wird auch Bruch beim Sägen ausgeschaltet.
Lithografie mit normalen Stepper
Obwohl die Druckköpfe IJ46 100 mm lang sind, kommen normale Stepper (im typischen Fall mit einem Bildfeld von 20 mm × 20 mm) zum Einsatz. Der Druckkopf wird nämlich unter Anwendung von acht identischen Belichtungen „geheftet". Die Ausrichtung zwischen den Stichen ist nicht kritisch, da zwischen den Stichbereichen keine elektrischen Anschlüsse vorhanden sind. Von 32 Druckköpfen wird jeweils ein Segment bei jeder Stepperbelichtung bebildert, woraus sich ein „Durchschnitt" von 4 Druckköpfen je Belichtung ergibt.
Integration des Vollfarbendrucks auf einem Chip
Die Druckköpfe IJ46 integrieren alle nötigen Farben auf einem Chip. Das ist in der seitenbreiten „Kantenschuss"-Tintenstrahltechnologie nicht möglich.
Zahlreiche verschiedene Tinten
Die Druckköpfe IJ46 sind beim Ausstoß der Tropfen nicht nur auf die Eigenschaften der Tinte angewiesen. Tinten können auf Wasser, Mikroemulsionen, Ölen, diversen Alkoholen, MEK, Heißschmelzwachs oder anderen Lösungsmitteln basieren. Die Druckköpfe IJ46 können auf Tinten in einem breiten Viskositäts- und Oberflächenspannungsbereich „abgestimmt" werden. Das ist ein wichtiger Faktor, der einen großen Anwendungsbereich erschließt.
Laminarer Luftstrom ohne Wirbel
Das Gehäuse des Druckkopfes ist so ausgelegt, dass es für einen laminaren Luftstrom sorgt und Wirbel ausschaltet. Das ist wichtig, denn Wirbel und Turbulenz können infolge der kleinen Tropfengröße die Bildqualität beeinträchtigen.
Tropfenwiederholfrequenz
Die Nenntropfenwiederholfrequenz eines Fotodruckkopfes IJ46 beträgt 5 kHz, was eine Druckgeschwindigkeit von 2 Sekunden je Foto ergibt. Bei einem A4-Druckkopf für 30+ Seiten pro Minute beträgt sie 10 kHz. Die maximale Tropfenwiederholfrequenz wird in erster Linie von der Nachfüllgeschwindigkeit der Düsen bestimmt, die bei Betrieb mit nicht unter Druck stehenden Tinten ihrerseits von der Oberflächenspannung abhängt. Bei Überdruck der Tinte (ca.. 20 kPa) sind Tropfenwiederholfrequenzen von 50 kHz möglich. 34 Seiten pro Minute genügen jedoch für die meisten kostengünstigen Verbraucheranwendungen. In Hochgeschwindigkeitsanwendungen, wie zum Beispiel kommerzielles Drucken, können mehrfache Druckköpfe in Verbindung mit schnellem Papiertransport zum Einsatz kommen. Beim Niederleistungsbetrieb (zum Beispiel mit 2 AA-Batterien) kann die Tropfenwiederholfrequenz reduziert werden, um Strom zu sparen.
Niedrige Kopf-zu-Papier-Geschwindigkeit
Die Nenngeschwindigkeit Kopf-zu-Papier beträgt bei einem Fotodruckkopf IJ46 nur 0,076 m/s, bei einem A4-Druckkopf nur 0,16 m/s, was nur ca. ein Drittel der typischen Scangeschwindigkeit eines Tintenstrahlkopfes ausmacht. Diese niedrige Geschwindigkeit vereinfacht die Konstruktion des Druckers und verbessert die Genauigkeit der Tropfenplatzierung. Diese Kopf-zu-Papier-Geschwindigkeit genügt jedoch angesichts des seitenbreiten Druckkopfes für 34 Seiten pro Minute. Höhere Geschwindigkeiten lassen sich im Bedarfsfall leicht erreichen.
Hochgeschwindigkeits-CMOS nicht erforderlich
Die Taktrate der Schieberegister eines 30 Seiten pro Minute druckenden A4/Briefdruckkopfes beträgt nur 14 MHz. Beim Fotodrucker beträgt sie nur 3,84 MHz. Das ist wesentlich weniger als die potentielle Geschwindigkeit des zur Anwendung kommenden CMOS-Prozesses. Das vereinfacht die CMOS-Konstruktion und schaltet beim Drucken von fast weißen Bildern Verlustleistungsprobleme aus.
Völlig statische CMOS-Konstruktion
Die Schiebe- und Übertragungsregister sind ganz statisch gestaltet. Eine statische Konstruktion erfordert 35 Transistoren je Düse, im Gegensatz zu rund 13 für eine dynamische Konstruktion. Die statische Konstruktion hat jedoch viele Vorteile zu bieten, darunter höhere Störfestigkeit, geringeren Ruhestromverbrauch und größere Verarbeitungstoleranzen.
Breiter Leistungstransistor
Das Verhältnis zwischen der Breite und Länge des Leistungstransistors beträgt 688. Das ermöglicht einen Betriebswiderstand von 4 Ohm, wobei der Treibertransistor bei Betrieb mit einer 3-V-Stromquelle 6,7% der Aktorleistung verbraucht. Ein Transistor dieser Größe passt unter den Aktor, zusammen mit dem Schieberegister und der restlichen Logik. Ein ausreichender Treibertransistor belegt also zusammen mit den zugehörigen Datenverteilungsschaltungen lediglich die bereits vom Aktor benötigte Chipfläche.
Der prozentuelle Stromverbrauch des Transistors kann mit verschiedenen Mitteln reduziert werden: Erhöhung der Steuerspannung, so dass weniger Strom benötigt wird, Reduzieren der Lithografie auf weniger als 0,5 Mikron, Einsatz von BiCMOS oder einer anderen Hochstromtechnologie oder Vergrößerung der Chipfläche, um Platz für Treibertransistoren zu schaffen, die nicht unter dem Aktor untergebracht sind. Der 6,7%-Verbrauch der vorliegenden Ausführung gilt jedoch als optimaler Kompromiss zwischen Kosten und Leistung.
Anwendungsbereich
Die hierin offenbarte Technologie des Tintenstrahldrucks ist für zahlreiche verschiedene Drucksysteme geeignet:

1: Bürodrucker für Farb- und Schwarzweißdruck
2: SOHO-Drucker
3: Drucker für Heim-PC
4: Farb- und Schwarzweißdrucker mit Netzanschluss
5: Abteilungsdrucker
6: Fotodrucker
7: In Kameras eingebaute Drucker
8: Drucker in 3G-Mobiltelefonen
9: Tragbare und Notebook-Drucker
10: Drucker für Breitformat
11: Farb- und Schwarzweißkopierer
12: Farb- und Schwarzweißfaxgeräte
13: Multifunktionsdrucker mit Druck-, Fax-, Scan- und Kopierfunktion
14: Digitale kommerzielle Drucker (digital commercial Printers)
15: Digitale Drucker für Kurzauflagen
16: Verpackungsdrucker
17: Textildrucker
18: Digitale Drucker für Kurzauflagen
19: Hilfsdrucker für Offsetpressen
20: Kostengünstige Lesedrucker
21: Seitenbreite Schnelldrucker
22: Notebook-Computer mit eingebauten seitenbreiten Druckern
23: Tragbare Farb- und Schwarzweißdrucker
24: Etikettdrucker
25: Ticketdrucker
26: Quittungsdrucker
27: CAD-Drucker für Großformat
28: Zielfotodrucker
29: Videodrucker
30: Foto-CD-Drucker
31: Tapetendrucker
32: Laminatdrucker
33: Drucker für Innenschilder
34: Werbeflächendrucker
35: Drucker für Videospiele
36: Drucker für Fotokiosk
37: Drucker für Visitenkarten
38: Drucker für Glückwunschkarten
39: Buchdrucker
40: Zeitungsdrucker
41: Zeitschriftendrucker
42: Formulardrucker
43: Digitale Fotoalbumdrucker
44: Medizinische Drucker
45: Kfz-Drucker
46: Drucker für Haftetikette
47: Farbandrucker
48: Fehlertolerante Anordnungen von kommerziellen Druckern (commercial Printer arrays)

Tintenstrahltechnologien nach dem Stand der Technik
Druckköpfe mit ähnlichem Leistungspotential werden von gut eingeführten Herstellern von Tintenstrahldruckern in der näheren Zukunft höchstwahrscheinlich nicht angeboten. Der Grund hierfür liegt darin, dass die beiden Hauptarten - thermischer und piezoelektrischer Tintenstrahldruck - bei der Erfüllung der Anforderungen dieser Anwendung schwerwiegende Probleme haben.
Das schwerwiegendste Problem beim thermischen Tintenstrahldruck ist der Stromverbrauch. Dieser beträgt ca. das 100-fache des für diese Anwendungen erforderlichen und ergibt sich aus der geringen Energieausbeute der Mittel zum Ausstoßen der Tropfen. Dieses erfordert das rasche Sieden von Wasser zur Bildung einer Dampfblase, welche die Tinte ausstößt. Wasser hat ein sehr hohes Wärmeaufnahmevermögen und muss bei thermischen Tintenstrahldruckern überhitzt werden. Der hohe Stromverbrauch begrenzt die Düsendichte.

Das schwerwiegendste Problem beim piezoelektrischen Tintenstrahldruck ist Größe und Kosten. Piezokristalle haben bei tragbaren Steuerspannungen eine sehr geringe Ablenkung und brauchen daher für jede Düse eine große Fläche. Außerdem muss jeder Aktor auf einem separaten Substrat an seine Steuerschaltung angeschlossen werden. Das ist bei der gegenwärtigen Grenze von rund 300 Düsen je Druckkopf kein größeres Problem, kann aber die Herstellung von seitenbreiten Druckköpfen mit 19200 Düsen stark behindern. Vergleich zwischen den Druckköpfen IJ46 und einem thermischen Tintenstrahldruckmechanismus (Thermal Ink Jet (TIJ))

Faktor	TIJ-Druckköpfe	Druckköpfe IJ46	Vorteil
Auflösung	600	1600	Fotografische Bildqualität und hochwertiger Text
Druckertyp	Scannen	Seitenbreit	Druckköpfe IJ46 scannen nicht, daher schnellerer Druck und kleinere Größe
Druckgeschwindigkeit	< 1 Seite pro Minute	30 Seiten pro Minute	Der seitenbreite Druckkopf IJ46 arbeitet > 30-mal so schnell
Düsenzahl	300	51200	> 100-mal so viele Düsen, daher hohe Druckgeschwindigkeit
Tropfenvolumen	20 Pikoliter	1 Pikoliter	Weniger Wasser auf dem Papier, Druck wird sofort trocken, keine „Randwelligkeit"
Aufbau	Mehrteilig	Monolithisch	Beim Zusammenbau der Druckköpfe IJ46 keine hohe Genauigkeit erforderlich
Wirkungsgrad	< 0,1%	2%	20-fache Steigerung im Wirkungsgrad ermöglicht Betrieb mit geringer Leistung
Stromquelle	Netzstrom	Batterien	Batteriebetrieb erlaubt tragbare Drucker, z.B. in Kameras, Telefonen
Spitzendruck	> 100 atü	0,6 atü	Zuverlässigkeitsprobleme beim thermischen Tintenstrahldruck infolge des hohen Drucks
Tintentemperatur	+300°C	+50°C	Hohe Tintentemperatur verursacht Ablagerung von verbrannten Farbstoffen (Kogation)
Kavitation	Problem	Kein Problem	Kavitation (Erosion durch Blasenkollaps) begrenzt die Lebensdauer des Druckkopfes
Lebensdauer des Druckkopfes	Begrenzt	Permanent	TIJ-Druckköpfe müssen bei Kavitation und Kogation erneuert werden
Betriebsspannung	20 V	3 V	Erlaubt Betrieb mit kleineren Batterien, wichtig bei tragbaren und Taschendruckern
Energie je Tropfen	10 μJ	160 nJ	< 1/50 der Tropfenausstoßenergie ermöglicht Batteriebetrieb
Chipfläche je Düse	40000 μm²	1764 μm²	Kleine Größe ermöglicht kostengünstige Herstellung

Dem Fachmann ist klar, dass zahlreiche Varianten der und Änderungen an der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne von dem in den angehängten Ansprüchen dargelegten Umfang der Erfindung abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als Anschauungsmaterial und nicht als einschränkend zu betrachten.

Claims

Tragbarer Tintenstrahldrucker, umfassend: einen länglichen seitenbreiten Druckkopf (431) mit mehreren Tintenzufuhrdurchlässen, einen länglichen seitenbreiten Tintenkanal-verteilerbalken (433), der mit dem Druckkopf verbunden ist und im Wesentlichen deckungsgleich zu diesem ist, wobei der Verteilerbalken mehrere Tintenauslässe (432) umfasst, die den Tintenzufuhrdurchlässen an dem Druckkopf entsprechen, und weiter mehrere entlang dem Verteilerbalken positionierte Tinteneinlässe (434) umfasst, eine längliche seitenbreite Tintenzufuhreinheit (430), die mit dem Verteilerbalken verbunden und im Wesentlichen deckungsgleich zu diesem ist und mindestens eine längliche seitenbreite Vorratskammer (521) zum Enthalten von Tinte zur Zufuhr zu dem Verteilerbalken beinhaltet, wobei die Vorratskammer eine Serie von Ablenkwänden (441-443) beinhaltet, die entlang der Vorratskammer voneinander beabstandet sind und sich in einer Querrichtung erstrecken, um Kammerteile zu definieren, die jedes eine mit den Tinteneinlässen gefluchtete Öffnung aufweisen und durch welche Tinte in den Kammerteilen zu dem Verteilerbalken fließen kann, wobei die Ablenkwände so wirken, dass sie eine übermäßige Beschleunigung von Tinte entlang der Vorratskammer von einem solchen Kammerteil zu einem anderen, wie sie durch Bewegung des tragbaren Druckers veranlasst sein könnte, reduzieren, während sie in Reaktion auf aktive Anforderung von dem Druckkopf Flüsse der Tinte von den Kammerteilen zu den Verteilerbalkeneinlässen durch diese Öffnungen zulassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Tintenzufuhreinheit ein Gehäuse (445) umfasst, das eine Serie hydrophob abgedichteter Ventilationsöffnungen (455) aufweist.
Drucker gemäß Anspruch 1, wobei die Tintenzufuhreinheit eine Serie von Vorratskammern (521) zum Enthalten getrennter Farbtinten aufweist.
Drucker gemäß Anspruch 1, wobei der Druckkopf (431) ein Druckkopfchip ist.
Drucker gemäß Anspruch 1, wobei die Tintenvorratskammer aus formwerkzeuggeformten Komponenten konstruiert ist.
Drucker gemäß Anspruch 4, aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Komponenten konstruiert.
Ducker gemäß Anspruch 5, wobei die Tintenzufuhreinheit (430) drei oder mehr besagte Tintenvorratskammern (521) beinhaltet, wobei in jeder besagte Ablenkwände angeordnet sind.
Drucker gemäß Anspruch 1, wobei mindestens eine der Ablenkwände (441) sich in Richtungen quer zur Längsausdehnung des Druckkopfs erstreckt.
Drucker gemäß Anspruch 4, wobei die Komponenten durch Spritzguss hergestellt sind.
Drucker gemäß Anspruch 6, einschließlich eines durchstechbaren Wandteils (450-452) in jeder besagten Tintenvorratskammer (452) zum damit Verbinden einer Tintenzufuhrleitung, die an eine großvolumige Tintenzufuhrquelle anschließt.
Längliche seitenbreite Tintenzufuhreinheit (430), welche eine Serie im Wesentlicher deckungsgleicher länglicher seitenbreiter Vorratskammern (521) zum Enthalten getrennter Farbtinten zur Zufuhr zu einem länglichen seitenbreiten Druckkopf (431) beinhaltet, wobei die Tintenzufuhreinheit umfasst: eine Serie von Ablenkwänden (441-443), die entlang jeder Kammer voneinander beabstandet sind und sich in einer Querrichtung erstrecken, um Kammerteile zu definieren, die jedes eine Öffnung aufweisen, durch welche Tinte aus der Tintenzufuhreinheit austreten kann, wobei die Ablenkwände so wirken, dass sie einen Hochgeschwindigkeitsfluidfluss innerhalb der Kammern einschränken, während sie gleichzeitig Flüsse mit niedriger Geschwindigkeit durch die Kammern zulassen, wenn Tinte von dem Druckkopf aus den Kammerteilen durch die Öffnungen angesaugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Tintenzufuhreinheit ein Gehäuse (445) umfasst, das eine Serie hydrophob abgedichteter Ventilationsöffnungen (455) aufweist.
Tintenzufuhreinheit, wie in Anspruch 10 beansprucht, wobei die Kammern formwerkzeuggeformt sind und zwei getrennte Teile umfassen, die dichtend miteinander verbunden werden, um die Tintenzufuhreinheit zu bilden.