DE60317863T2

DE60317863T2 - Verjüngte thermische Bestätigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60317863T2
Application number: DE60317863T
Authority: DE
Inventors: Christopher N. Delametter; David P. Trauernicht; John A. Lebens; Edward P. Furlani; Stephen F. Pond
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2023-08-12
Also published as: DE60317863D1; EP1391305B1; US20040036739A1; JP4250482B2; US20040036741A1; US6820964B2; JP2004082733A; US6824249B2; EP1391305A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein mikroelektromechanische Vorrichtungen und insbesondere mikroelektromechanische thermische Betätigungsvorrichtungen, wie beispielsweise diejenigen, die in Tintenstrahlvorrichtungen und anderen Vorrichtungen zum Ausstoßen von Flüssigkeitstropfen zum Einsatz kommen.
Mikroelektromechanische Systeme (MEMS/Micro-Electro Mechanical Systems) sind eine relativ junge Entwicklung. Diese MEMS werden als Alternative gegenüber konventionellen elektromechanischen Vorrichtungen, wie Stellgliedern, Ventilen und Positionierern, verwendet. Mikroelektromechanische Vorrichtungen sind potenziell kostengünstige Vorrichtungen aufgrund der Verwendung mikroelektronischer Fertigungstechniken. Wegen der kleinen Baugröße der MEMS-Vorrichtungen werden zudem neuartige Anwendungen entdeckt.
Viele potenzielle Anwendungen der MEMS-Technologie nutzen die thermische Betätigung, um die in diesen Vorrichtungen nötige Bewegung bereitzustellen. Beispielsweise verwenden viele Betätigungsvorrichtungen, Ventile und Positionierer thermische Betätigungsvorrichtungen für Bewegungszwecke. In einigen Anwendungen ist die erforderliche Bewegung pulsförmig. Beispielsweise kann eine schnelle Bewegung aus einer ersten Position in eine zweite, gefolgt von der Rückführung der Bewegungseinrichtung in die erste Position, dazu benutzt werden, um Druckimpulse in einer Flüssigkeit zu erzeugen, oder um einen Mechanismus um eine Entfernungseinheit oder um eine Drehung per Betätigungsimpuls vorzuschieben. Drop-on-Demand-Flüssigkeitstropfen-Ausstoßeinrichtungen verwenden einzelne Druckimpulse, um diskrete Mengen einer Flüssigkeit aus einer Düse auszustoßen.
Drop-on-Demand-(DOD)-Flüssigkeitstropfen-Ausstoßeinrichtungen sind seit vielen Jahren als Tintendruckvorrichtungen in Tintenstrahldrucksystemen bekannt. Frühe Vorrichtungen basierten auf piezoelektrischen Betätigungsvorrichtungen, wie von Kyser et al. in US-A-3,946,398 und von Stemme in US-A-3,747,120 beschrieben. Eine derzeit beliebte Form des Tintenstrahldruckens, das thermische Tintenstrahldrucken (oder „Rubble-Jet"-Drucken) nutzt Elektrowiderstands-Heizelemente zur Erzeugung von Dampfblasen, welche den Tropfenausstoß bewirken, wie von Hara et al. in US-A-4,296,421 beschrieben.
Elektrowiderstands-Heizbetätigungsvorrichtungen weisen in Bezug auf die Fertigungskosten Vorteile gegenüber piezoelektrischen Betätigungsvorrichtungen auf, weil sie mithilfe hochentwickelter mikroelektronischer Prozesse gefertigt werden können. Andererseits setzen die thermischen Tintenstrahl-Tropfenausstoßmechanismen voraus, dass die Tinte eine verdampfungsfähige Komponente enthält und dass die Tintentemperatur lokal deutlich über den Siedepunkt dieser Komponente ansteigt. Die Formulierung der Tinten und sonstigen Flüssigkeiten, die von den thermischen Tintenstrahlvorrichtungen zuverlässig ausgestoßen werden können, ist aufgrund der vorherrschenden Temperaturen erheblichen Einschränkungen unterworfen. Piezoelektrisch betätigte Vorrichtungen unterwerfen die Flüssigkeiten, die ausgestoßen werden können, nicht derart großen Einschränkungen, weil die Flüssigkeit mechanisch unter Druck gesetzt wird.
Die Verbesserungen in Bezug auf Verfügbarkeit, Kosten und Leistung, die von den Herstellern der Tintenstrahlvorrichtungen erzielt worden sind, haben auch Interesse an diesen Vorrichtungen für andere Anwendungen geweckt, die einer Mikrodosierung von Flüssigkeiten bedürfen. Diese neuen Anwendungen umfassen die Abgabe spezieller Chemikalien für die mikroanalytische Chemie, wie von Pease et al. in US-A-5,599,695 beschrieben, die Abgabe von Beschichtungsmaterialien für die Fertigung elektronischer Vorrichtungen, wie von Naka et al. in US-A-5,902,648 beschrieben, und die Abgabe von Mikrotröpfchen für die medizinische Inhalationstherapie, wie von Psaros et al. in US-A-5,771,882 beschrieben. Vorrichtungen und Verfahren, die nach Bedarf mikroskopisch kleine Tröpfchen aus einem breiten Spektrum von Flüssigkeiten ausstoßen können, werden für das Drucken von Bildern mit höchster Qualität benötigt, aber auch für neuartige Anwendungen, in denen die Abgabe von Flüssigkeiten eine Monodispersion ultrakleiner Tröpfchen, eine genaue Anordnung und zeitliche Steuerung und winzige Inkremente erfordert.
Es besteht Bedarf nach einem kostengünstigen Ansatz für den Ausstoß von Mikrotropfen, der mit einem breiten Spektrum von Flüssigkeitsrezepturen verwendbar ist. Es besteht Bedarf nach einem Gerät und nach Verfahren, welche die Vorteile der mikroelektronischen Herstellung, wie sie für die thermische Tintenstrahltechnik verwendet wird, mit der Bandbreite von Flüssigkeitsmischungen kombinieren, die für piezoelektromechanische Vorrichtungen zur Verfügung stehen.
Eine Drop-on-Demand-Tintenstrahlvorrichtung (DOD-Tintenstrahlvorrichtung), die eine thermomechanische Betätigungsvorrichtung verwendet, wird von T. Kitahara in JP 2,030,543 , eingereicht am 21. Juli 1988, beschrieben. Die Betätigungsvorrichtung ist als zweischichtiges freitragendes Element oder als Ausleger konfiguriert, das bzw. der innerhalb einer Tintenstrahlkammer bewegbar ist. Der Ausleger wird von einem Widerstand beheizt, wodurch dieser aufgrund der ungleichen Wärmeausdehnung der Schichten abgelenkt wird. Das freie Ende des Auslegers bewegt sich und übt Druck auf die Tinte an der Düse aus, wodurch ein Tropfen ausgestoßen wird. In jüngster Zeit hat K. Silverbrook in US-A-6,067,797 ; 6,087,638 ; 6,239,821 und 6,243,113 eine ähnliche thermomechanische DOD-Tintenstrahlkonfiguration beschrieben. Verfahren zur Herstellung thermomechanischer Tintenstrahlvorrichtungen unter Verwendung mikroelektronischer Prozesse wurden von K. Silverbrook in US-A-6,180,427 ; 6,254,793 und 6,274,056 beschrieben. Die US-Patentanmeldung Nr. 2001/0028377 beschreibt eine thermische Betätigungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Thermomechanisch betätigte Tropfenausstoßeinrichtungen, die eine thermische Betätigungsvorrichtung verwenden, sind als kostengünstige Vorrichtungen interessant, die in Massen mithilfe mikroelektronischer Materialien und Geräte hergestellt werden können, und die einen Betrieb mit Flüssigkeiten ermöglichen, die in einer thermischen Tintenstrahlvorrichtung unzuverlässig wären. Allerdings bedürfen Konstruktion und Betrieb von thermischen Betätigungsvorrichtungen, die als Ausleger entworfen sind, und Tropfenausstoßvorrichtungen einer sorgfältigen Berücksichtigung der Energieeffizienz, um Spitzentemperaturausschläge zu handhaben und die Betätigungswiederholfrequenz zu maximieren. Konstruktionen, die eine vergleichbare Ablenkung und Ablenkungskraft erzeugen, jedoch weniger Eingangsenergie als bisherigen Konfigurationen benötigen, werden benötigt, um das kommerzielle Potenzial ver schiedener thermisch betätigter Vorrichtungen zu verbessern, insbesondere der von Tintenstrahldruckköpfen.
Es besteht Bedarf nach Konfigurationen für thermische Betätigungsvorrichtungen in Form von freitragenden Elementen, die auf eine Effizienz der Eingangsenergie optimiert sind und die bei hohen Wiederholfrequenzen und mit maximaler Betätigungskraft betreibbar sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermomechanische Betätigungsvorrichtung bereitzustellen, die mit verbesserter Energieeffizienz arbeitet.
Der vorliegenden Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, eine Ausstoßvorrichtung für Flüssigkeitstropfen bereitzustellen, die mit verbesserter Energieeffizienz arbeitet.
Die zuvor genannten und zahlreiche andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei Lesen der hier ausgeführten detaillierten Beschreibung, Ansprüche und Zeichnungen deutlich. Diese Merkmale, Aufgaben und Vorteile werden durch Konstruktion einer thermischen Betätigungsvorrichtung für eine mikroelektromechanische Vorrichtung verwirklicht, die einen Träger und ein freitragendes Element oder einen Ausleger umfasst, welcher einen thermomechanischen Biegeabschnitt umfasst, der sich von dem Träger und einem freien Endabschnitt in einer ersten Stellung erstreckt. Der thermomechanische Biegeabschnitt weist dem Träger benachbart eine Trägerendbreite w_b sowie dem freien Endabschnitt benachbart eine Endbreite w_f auf, wobei die Breite des Trägerendes im Wesentlichen größer ist als die Breite des freien Endes. Die thermische Betätigungsvorrichtung umfasst zudem ein Gerät zum Anlegen eines Wärmeimpulses direkt an den thermomechanischen Biegeabschnitt, wodurch der freie Endabschnitt des freitragenden Elements oder Auslegers in eine zweite Stellung umlenkbar ist. Die Breite des thermomechanischen Biegeabschnitts kann im Wesentlichen monoton als Funktion des Abstands vom Träger abnehmen oder, in alternativen Ausführungsbeispielen, in mindestens einer einstufigen Reduzierung. Das auf Anlegen eines Wärmeimpulses ausgelegte Gerät kann einen Dünnschichtwiderstand umfassen. Alternativ kann der thermomechanische Biegeabschnitt eine erste Schicht eines elektrischen Widerstandsmaterials mit einem darin ausgebildeten Wärmewiderstand umfassen, an den ein elekt rischer Impuls angelegt wird, wodurch eine schnelle Ablenkung des freien Endabschnitts bewirkt wird.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere verwendbar als eine thermische Betätigungsvorrichtung für Flüssigkeitstropfen-Ausstoßeinrichtungen, die als Druckköpfe für das DOD-Tintenstrahldrucken verwendet werden. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel befindet sich die thermische Betätigungsvorrichtung in einer flüssigkeitsgefüllten Kammer, die eine Düse zum Ausstoßen von Flüssigkeit enthält. Die thermische Betätigungsvorrichtung beinhaltet ein freitragendes oder Auslegerelement, das sich von einer Wandung der Kammer erstreckt, wobei ein freies Ende in einer ersten Stellung in Nähe der Düse verbleibt. Das Anlegen eines Wärmeimpulses an das freitragende oder Auslegerelement bewirkt eine Ablenkung des freien Endes und treibt Flüssigkeit aus der Düse.
Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Tintenstrahlsystems;
2 eine Draufsicht einer Anordnung aus erfindungsgemäßen Tintenstrahleinheiten oder Flüssigkeitstropfen-Ausstoßeinrichtungen;
3(a) und 3(b) vergrößerte Draufsichten einer in 2 gezeigten individuellen Tintenstrahleinheit;
4(a) und 4(b) seitliche Ansichten zur Darstellung der Bewegung einer erfindungsgemäßen thermischen Betätigungsvorrichtung;
5 eine perspektivische Ansicht der frühen Stufen eines Verfahrens, das zur Konstruktion einer erfindungsgemäßen thermischen Betätigungsvorrich tung geeignet ist, worin eine erste Schicht eines elektrischen Widerstandsmaterials des freitragenden Elements ausgebildet ist;
6 eine perspektivische Ansicht einer nächsten Stufe des in 5 dargestellten Verfahrens, ergänzt um eine Stromkupplungsvorrichtung;
7 eine perspektivische Ansicht der nächsten Stufen des in 5 dargestellten Verfahrens, worin eine zweite Schicht eines dielektrischen Materials des freitragenden Elements ausgebildet ist;
8 eine perspektivische Ansicht der nächsten Stufen des in 5 bis 7 dargestellten Verfahrens, worin eine Opferschicht in der Form der Flüssigkeit, welche eine Kammer einer erfindungsgemäßen Tropfenausstoßeinrichtung füllt, ausgebildet ist;
9 eine perspektivische Ansicht der nächsten Stufen des in 5 bis 8 dargestellten Verfahrens, worin eine Flüssigkeitskammer und Düse einer erfindungsgemäßen Tropfenausstoßeinrichtung ausgebildet sind;
10(a)–10(c) Seitenansichten der letzten Stufen des in 5 bis 9 dargestellten Verfahrens, worin eine Flüssigkeitsversorgungsbahn ausgebildet ist und die Opferschicht entfernt ist, um eine erfindungsgemäße Flüssigtropfenausstoßeinrichtung zu vervollständigen;
11(a) und 11(b) Seitenansichten zur Darstellung des Betriebs einer erfindungsgemäßen Tropfenausstoßeinrichtung;
12(a) und 12(b) Draufsichten einer Konstruktion für einen erfindungsgemäßen thermomechanischen Biegeabschnitt;
13(a) und 13(b) eine perspektivische und Draufsicht alternativer Konstruktionen für einen erfindungsgemäßen thermomechanischen Biegeabschnitt;
14 eine Kurve der Ablenkung eines freien Endes des thermomechanischen Biegeabschnitts unter einer einwirkenden Last für verjüngte thermomechanische Betätigungsvorrichtungen als eine Funktion des Verjüngungswinkels;
15(a) bis 15(c) Draufsichten alternativer Konstruktionen für einen erfindungsgemäßen thermomechanischen Biegeabschnitt;
16 eine Kurve der Ablenkung eines freien Endes des thermomechanischen Biegeabschnitts unter einer einwirkenden Last für abgestuft verjüngte thermomechanische Betätigungsvorrichtungen als eine Funktion der Breitenreduzierung;
17 Kurven des Anstiegs der Ablenkung der Auslegerspitze unter einer einwirkenden Last für drei abgestuft verjüngte thermomechanische Betätigungsvorrichtungen als eine Funktion einer Stufenverjüngungsposition;
18 eine numerische Simulation der Spitzenablenkung einer verjüngten thermomechanischen Betätigungsvorrichtung bei Betätigung als eine Funktion des Verjüngungswinkels.
Obwohl die Erfindung mit besonderem Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Geltungsbereichs Änderungen und Abwandlungen unterzogen werden.
Wie nachstehend detailliert beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung ein Gerät für eine thermische Betätigungsvorrichtung und eine DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung bereit. Die gängigsten dieser Vorrichtungen werden als Druckköpfe in Tintenstrahldrucksystemen verwendet. Es kommen viele weitere Anwendungen auf, die von Vorrichtungen, die Tintenstrahldruckköpfen ähnlich sind, Gebrauch machen, die allerdings Flüssigkeiten ausstoßen, die keine Tinten sind, und die fein dosiert und mit großer räumlicher Genauigkeit aufgebracht werden müssen. Die Begriffe Tintenstrahl- und Flüssigkeitstropfen-Ausstoßvorrichtung wer den hier austauschbar verwendet. Die nachstehend beschriebenen Erfindungen stellen Tropfenausstoßvorrichtungen auf der Grundlage thermomechanischer Betätigungsvorrichtungen bereit, die derart konfigurierbar und betreibbar sind, dass sie Orte mit übermäßiger Temperatur, sogenannte Hotspots, vermeiden, die ansonsten einen fehlerhaften Betrieb und einen vorzeitigen Ausfall der Vorrichtung bewirken könnten.
Bezugnehmend auf 1 wird eine schematische Darstellung eines Tintenstrahldrucksystems gezeigt, das ein erfindungsgemäßes Gerät zu nutzen vermag und erfindungsgemäß betreibbar ist. Das System umfasst eine Bilddatenquelle 400, die Signale bereitstellt, die von der Steuereinheit 300 als Befehle zum Drucken von Tropfen empfangen werden. Die Steuereinheit 300 gibt Signale an eine elektrische Impulsquelle 200 aus. Die Impulsquelle 200 erzeugt wiederum ein elektrisches Spannungssignal, das sich aus elektrischen Energieimpulsen zusammensetzt, die an elektrische Widerstandsmittel angelegt werden, die jeder thermomechanischen Betätigungsvorrichtung 15 innerhalb des Tintenstrahldruckkopfes 100 zugeordnet sind. Die elektrischen Energieimpulse bewirken, dass sich eine thermomechanische Betätigungsvorrichtung 15 (nachfolgend als „thermische Betätigungsvorrichtung" bezeichnet) schnell biegt, wodurch an der Düse 30 befindliche Tinte 60 unter Druck gesetzt wird und einen Tintentropfen 50 ausstößt, der auf dem Empfangselement 500 landet.
2 zeigt eine Draufsicht eines Teils des Tintenstrahldruckkopfes 100. Eine Anordnung thermisch betätigter Tintenstrahleinheiten 110 weist mittig ausgerichtete Düsen 30 und Tinten- oder Flüssigkeitskammern 12 auf, die in zwei Reihen mit Strichlinien dargestellt sind. Die Tintenstrahleinheiten 110 werden auf und in einem Träger 10 mittels mikroelektronischer Fertigungsverfahren gebildet. Eine exemplarische Fertigungsfolge, die zur Ausbildung von Tintenstrahleinheiten 110 verwendbar ist, wird in der Parallelanmeldung mit der Seriennummer 09/726,945, eingereicht am 30. November 2000 unter dem Titel „Thermal Actuator" (Thermische Betätigungsvorrichtung) beschrieben, erteilt an die Abtretungsempfängerin der vorliegenden Erfindung.
Jeder Tintenstrahleinheit 110 sind elektrische Kontakte 42, 44 zugeordnet, die mit einem Heizwiderstandsabschnitt 25 ausgebildet oder elektrisch damit verbunden sind, wie anhand der Phantomdarstellung in 2 gezeigt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Heizwiderstandsabschnitt 25 in einer ersten Schicht des freitragenden Elements 20 einer thermomechanischen Betätigungsvorrichtung ausgebildet und ist an den thermomechanischen Effekten beteiligt, wie nachstehend beschrieben wird. Das Element 80 des Druckkopfs 100 ist eine Befestigungsstruktur, die eine Befestigungsfläche für den mikroelektronischen Träger 10 und andere Mittel zum Anschließen der Flüssigkeitsversorgung, elektrischer Signale und mechanischer Anschlussmerkmale bereitstellt.
3a zeigt eine Draufsicht einer einzelnen Tropfenausstoßeinheit 110, während 3b eine zweite Draufsicht zeigt, bei der die Abdeckung der Flüssigkeitskammer 28 samt der Düse 30 entfernt ist.
Die in der Phantomdarstellung von 3a gezeigte thermomechanische Betätigungsvorrichtung 15 ist in 3b mit Volllinien dargestellt. Das freitragende Element 20 der thermischen Betätigungsvorrichtung 15 erstreckt sich vom Trägerrand 14 der Flüssigkeitskammer 12, die in dem Träger 10 ausgebildet ist. Der Ankerabschnitt 26 des freitragenden Elements ist mit dem Träger 10 verbunden und verankert den Ausleger.
Das freitragende Element 20 der Betätigungsvorrichtung hat die Form eines Paddels, also eines langgestreckten, sich verjüngenden flachen Schaftes, der in einer Scheibe ausläuft, deren Durchmesser größer als die endgültige Schaftbreite ist. Diese Form ist nur ein Beispiel für verwendbare Betätigungsvorrichtungen des freitragenden Elements, wobei viele andere Formen verwendbar sind, wie nachstehend dargelegt wird. Durch die Scheibenform ist die Düse 30 auf den Mittelpunkt des freien Endabschnitts 27 des freitragenden Elements ausgerichtet. Die Flüssigkeitskammer 12 weist im Teil 16 eine gekrümmte Wandung auf, die der Krümmung des freien Endabschnitts 27 entspricht und zu dieser beabstandet ist, um ausreichend Spiel für die Bewegung der Betätigungsvorrichtung zu haben.
3b zeigt schematisch den Anschluss der elektrischen Impulsquelle 200 an die Widerstandsheizung 25 an den Verbindungsanschlüssen 42 und 44. An den Spannungsanschlüssen 42 und 44 sind Spannungsdifferenzen angelegt, um über den Heizwiderstand 25 eine Widerstandserwärmung zu bewirken. Dies wird allgemein durch einen Pfeil angezeigt, der einen Strom I bezeichnet. In den Draufsichten von 3 bewegt sich der freie Endabschnitt 27 der Betätigungsvorrichtung bei Anlegen von Impulsen zum Betrachter, wobei Tropfen zum Betrachter aus der Düse 30 in der Abdeckung 28 ausgestoßen werden. Diese Geometrie von Betätigung und Tropfenausstoß wird in vielen Beschreibungen von Tintenstrahlgeräten als „Roof-Shooter" bezeichnet.
4(a) und 4(b) zeigen seitliche Ansichten zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen thermischen Betätigungsvorrichtung 15 des freitragenden Elements. In 4a befindet sich die Betätigungsvorrichtung in einer ersten Position, in 4b wird sie zu einer zweiten Position nach oben abgelenkt gezeigt. Das freitragende Element 20 erstreckt sich von einem Ankerpunkt 14 des Trägers 10. Das freitragende Element 20 ist aus mehreren Schichten aufgebaut. Die erste Schicht 22 bewirkt eine Ablenkung nach oben, wenn sie thermisch in Bezug zu anderen Schichten des freitragenden Elements 20 gestreckt wird. Sie ist aus einem elektrischen Widerstandsmaterial konstruiert, vorzugsweise aus intermetallischem Titanaluminid, das einen großen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
In der Seitenansicht von 4 ist eine Stromkupplungsvorrichtung 68 dargestellt. Die Stromkupplungsvorrichtung leitet Strom in Reihe zwischen zwei langgestreckten Widerstandssegmenten eines Heizwiderstands 25 und lässt sich durch Abscheiden und Strukturieren einer metallischen Schicht, wie Aluminium, oder durch Verwenden des elektrischen Widerstandsmaterials, ausbilden.
Das freitragende Element 20 umfasst zudem eine zweite Schicht 23, die auf die erste Schicht 22 aufgebracht ist. Die zweite Schicht 23 ist aus einem zweiten Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten konstruiert, bezogen auf das zur Konstruktion der ersten Schicht 22 verwendete Material. Die Dicke der zweiten Schicht 23 ist derart gewählt, dass die gewünschte mechanische Steifigkeit erzielt wird, und dass die Ablenkung des freitragenden Elements für eine gegebene Heizenergiebeaufschlagung maximiert wird. Die zweite Schicht 23 kann zudem ein dielektrischer Isolator sein, der eine elektrische Isolation für Widerstandsheizsegmente und Stromkupplungsvorrichtungen und Segmente erzeugt, die in der ersten Schicht oder in einem dritten Material ausgebildet sind, das in einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindungen verwendbar ist. Die zweite Schicht kann dazu dienen, teilweise einen Elektrowiderstand und Stromkupplungsvorrichtungen als Teil der ersten Schicht 22 oder in einer zusätzlichen Leitschicht zu bilden.
Die zweite Schicht 23 kann aus Unterschichten zusammengesetzt sein, d. h. aus Laminaten mehrerer Materialien, um eine Optimierung der Funktionen der Wärmeströmungsbehandlung, der elektrischen Isolierung und einer starken Haftung der Schichten des freitragenden Elements 20 zu ermöglichen.
Die in 4 gezeigte Passivierungsschicht 21 ist vorgesehen, um die erste Schicht 22 chemisch und elektrisch zu schützen. Ein derartiger Schutz ist ggf. für bestimmte Anwendungen erfindungsgemäßer thermischer Betätigungsvorrichtungen nicht erforderlich, so dass dieser in diesen Fällen entfallen kann. Flüssigkeitstropfen-Ausstoßvorrichtungen, die thermische Betätigungsvorrichtungen verwenden, die an einer oder mehreren Flächen von der Arbeitsflüssigkeit berührt werden, erfordern ggf. eine Passivierungsschicht 21, die gegenüber der Arbeitsflüssigkeit chemisch und elektrisch inert ist.
Die Gesamtdicke h des freitragenden Elements 20 ist in 4 dargestellt. In dem Zwischenbereich der Stromkupplungsvorrichtung 68 kann diese etwas dicker sein, wenn ein zusätzliches Material zur Ausbildung der Stromkupplung verwendet wird.
An die erste Schicht 22 wird ein Wärmeimpuls angelegt, wodurch diese eine höhere Temperatur und Ausdehnung erlangt. Die zweite Schicht 23 dehnt sich wegen ihres kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Zeit, die erforderlich ist, damit die Wärme von der ersten Schicht 22 in die zweite Schicht 23 diffundiert, nicht annähernd so stark aus. Die Längendifferenz zwischen der ersten Schicht 22 und der zweiten Schicht 23 bewirkt, dass sich das freitragende Element 20 nach oben um einen Betrag D biegt, wie in 4b gezeigt. Bei Verwendung als Betätigungsvorrichtung in einer Tropfenausstoßvorrichtung muss das Biegeansprechverhalten des freitragenden Elements 20 schnell genug sein, um die Flüssigkeit an der Düse ausreichend unter Druck zu setzen. Üblicherweise ist ein Elektrowiderstandsheizgerät auf das Anlegen von Wärmeimpulsen ausgelegt, und die elektrische Impulsdauer beträgt weniger als 4 μs und vorzugsweise weniger als 2 μs.
5 bis 10 zeigen die Fertigungsschritte zur Konstruktion einer einzelnen Flüssigkeitstropfen-Ausstoßvorrichtung nach einem der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Für diese Ausführungsbeispiele ist die erste Schicht 22 mit einem elektrischen Widerstandsmaterial, wie Titanaluminid, aufgebaut und ein Abschnitt ist in einem Widerstand zur Leitung elektrischen Stroms I strukturiert.
5 zeigt eine erste Schicht 22 eines Auslegers in einer ersten Fertigungsstufe. Die dargestellte Struktur ist mittels üblicher mikroelektronischer Abscheidungs- und Strukturierungsverfahren auf einem Träger 10 ausgebildet, beispielsweise auf Einkristallsilicium. Ein Teil des Trägers 10 dient zudem als Grundelement, von dem aus sich das freitragende Element 20 erstreckt. Das Abscheiden von intermetallischem Titanaluminid kann beispielsweise mittels HF- oder Impuls-Magnetron-Kathodenzerstäubung erfolgen. Ein exemplarisches Abscheidungsverfahren, das für Titanaluminid verwendbar ist, wird in der Parallelanmeldung mit der Seriennummer 09/726,945, eingereicht am 30. November 2000 unter dem Titel „Thermal Actuator" (Thermische Betätigungsvorrichtung) beschrieben, erteilt an die Abtretungsempfängerin der vorliegenden Erfindung.
Nachdem eine erste Schicht 22 abgeschieden ist, wird diese durch Entfernen von Material strukturiert, um gewünschte Formen für den thermomechanischen Betrieb sowie eine entsprechende elektrische Leiterbahn zum Anlegen eines Wärmeimpulses zu erzeugen. Es ist ein freier Endabschnitt 27 des freitragenden Elements dargestellt. Die elektrischen Adressieranschlüsse 42 und 44 sind in dem Material der ersten Schicht 22 ausgebildet dargestellt. Die Anschlüsse 42, 44 können einen Kontakt mit der zuvor in dem Träger 10 ausgebildeten Schaltung bilden oder extern mit anderen standardmäßigen elektrischen Verbindungsverfahren kontaktiert werden, wie beispielsweise dem automatischen Folienbondverfahren (TAB/Tape Automated Bonding). Eine Passivierungsschicht 21 wird auf dem Träger 10 vor dem Abscheiden und Strukturieren des Materials der ersten Schicht 22 ausgebildet. Diese Passivierungsschicht kann unter der ersten Schicht 22 und anderen nachfolgenden Strukturen verbleiben oder in einem nachfolgenden Strukturierungsverfahren entfernt werden.
6 stellt einen nächsten Schritt in dem Fertigungsverfahren dar, der dem zuvor dargestellten Schritt nachfolgt. In diesem Schritt wird eine Stromkupplungsvorrichtung 68 an der Stelle ausgebildet, an der sich der freie Endabschnitt 27 mit der Welle des freitragenden Elements verbindet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Stromkupplungsvorrichtung 68 durch Abscheiden und Strukturieren eines leitenden Materials ausgebildet, das Strom in Reihe zwischen langgestreckten Heizwiderstandssegmenten 66 leitet. Die Leiterbahn für die Heizimpulsaktivierung ist durch einen Pfeil und den Buchstaben „I" bezeichnet. Die Stromkupplungsvorrichtung 68 kehrt die Richtung des Stroms um und dient dazu, das äußere Ende des direkt erwärmten Abschnitts des freitragenden Elements zu bilden.
7 zeigt eine zweite Schicht 23, die über der zuvor ausgebildeten ersten Schicht 22 der thermischen Betätigungsvorrichtung abgeschieden und strukturiert wurde.
Die zweite Schicht 23 bedeckt zudem die Stromkupplungsvorrichtung 68. Die zweite Schicht 23 ist über der ersten Schicht 22 ausgebildet und bedeckt die übrige Widerstandsstruktur, einschließlich der Heizwiderstandssegmente 66. Das Material der zweiten Schicht 23 hat im Vergleich zum Material der ersten Schicht 22 einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Beispielsweise kann die zweite Schicht 23 Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder ein mehrschichtiges Laminat dieser Materialien oder Ähnliches sein.
In 7 ist ein trapezförmiger Abschnitt des freitragenden Elements dargestellt, der sich zwischen Punktlinien erstreckt. Der gezeigte Abschnitt ist eine thermomechanische Biegevorrichtung, die sich aus einer Schicht 22 mit hoher Wärmeausdehnung und einer Schicht 23 mit niedriger Wärmeausdehnung zusammensetzt. Bei Trennung vom Träger 10 biegt sich der thermomechanische Biegeabschnitt später nach oben, wenn ein elektrischer Impuls an den in der ersten Schicht 22 ausgebildeten Heizwiderstand 25 angelegt wird.
Für den chemischen und elektrischen Schutz können in dieser Stufe zusätzliche Passivierungsmaterialien über die zweite Schicht 23 aufgebracht werden. Die erste Passivierungsschicht 21 ist aus den Bereichen wegstrukturiert worden, durch die Flüssigkeit aus Öffnungen tritt, die in den Träger 10 zu ätzen sind.
8 zeigt das Hinzufügen einer Opferschicht 29, die als Form des Inneren einer Kammer einer Flüssigkeitstropfen-Ausstoßvorrichtung ausgebildet ist. Ein für diesen Zweck geeignetes Material ist Polyimid. Polyimid wird auf den Träger der Vorrichtung in ausreichender Tiefe aufgetragen, um die Oberfläche zu ebnen, die die Topografie der ersten und zweiten Schicht 22 bzw. 23 aufweist, wie in 5–7 gezeigt. Jedes Material, das wahlweise bezüglich der benachbarten Materialien entfernbar ist, lässt sich zur Konstruktion der Opferschichtstruktur 29 verwenden.
9 zeigt die Wände und Abdeckung der Kammer der Flüssigkeitstropfen-Ausstoßvorrichtung, die durch Abscheiden eines konformen Werkstoffs ausgebildet werden, beispielsweise durch Plasmaabscheidung von Siliciumoxid, Nitrid oder Ähnlichem über der Opferschichtstruktur 29. Diese Schicht ist so strukturiert, dass sie eine Tropfenausstoßkammer 28 bildet. Die Düse 30 ist in der Tropfenausstoßkammer ausgebildet und steht in Verbindung mit der Opferstrukturschicht 29, die zu diesem Zeitpunkt der Fertigungsfolge in der Tropfenausstoßkammer 28 verbleibt.
10 zeigt Seitenansichten der Vorrichtung durch einen mit A-A bezeichneten Schnitt in 9. In 10a ist die Opferschicht 29 in den Wandungen der Tropfenausstoßkammer 28 eingeschlossen, ausgenommen der Düsenöffnung 30. Wie in 10a gezeigt, ist der Träger 10 intakt. Die Passivierungsschicht 21 wurde von der Oberfläche des Trägers 10 im Spaltbereich 13 und um die Peripherie des freitragenden Elements 20 entfernt. Die Entfernung der Passivierungsschicht 21 an diesen Stellen erfolgte in einer Fertigungsstufe vor Ausbilden der Opferschichtstruktur 29.
In 10b ist der Träger 10 unterhalb des freitragenden Elements 20 und der Flüssigkeitskammerbereiche um und neben dem freitragenden Element 20 entfernt. Die Entfernung kann mittels eines anisotropen Ätzverfahrens erfolgen, beispielsweise durch reaktives Ionenätzen, oder durch orientierungsabhängiges Ätzen für den Fall, dass der verwendete Träger ein Einkristallsilicium ist. Um ausschließlich eine thermische Betätigungsvorrichtung zu konstruieren, werden die Schritte für Opferstruktur und Flüssigkammer nicht benötigt, und das Wegätzen des Trägers 10 kann dazu dienen, das freitragende Element 20 freizulegen.
In 10c wurde die Opferstrukturschicht 29 mit einem Trockenätzverfahren unter Verwendung von Sauerstoff und Fluor entfernt. Die Ätzgase treten über die Düse 30 und aus dem neu geöffneten Bereich der Flüssigkeitskammer 12 ein, der zuvor von der Rückseite des Trägers 10 aus geätzt worden ist. Dieser Schritt setzt das freitragende Element 20 frei und schließt die Fertigung einer Flüssigkeitstropfen-Ausstoßvorrichtung ab.
11(a) bis 11(b) zeigen Seitenansichten einer Flüssigkeitstropfen-Ausstoßvorrichtung gemäß einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung. 11a zeigt das freitragende Element 20 in einer ersten Stellung in Nähe der Düse 30. 11b zeigt die Ablenkung des freien Endes 27 des freitragenden Elements 20 zur Düse 30. Die schnelle Ablenkung des freitragenden Elements in diese zweite Stellung setzt die Flüssigkeit 60 unter Druck, wodurch ein Tropfen 50 ausgestoßen wird.
In einem Betriebszustand des dargestellten Typs von Auslegerelement kann sich der ruhige erste Teil in einem teilweise gebogenen Zustand des freitragenden Elements 20 statt in dem in 11a gezeigten horizontalen Zustand befinden. Die Betätigungsvorrichtung kann wegen innerer Spannungen, die nach einem oder mehreren mikroelektronischen Abscheidungs- oder Aushärtungsprozessen verbleiben, bei Raumtemperatur nach oben oder unten gebogen sein. Die Vorrichtung kann für verschiedene Zwecke bei erhöhter Temperatur betrieben werden, beispielsweise zur Wärmeleitung und zur Steuerung der Tinteneigenschaften. Wenn dies der Fall ist, kann die erste Stellung im Wesentlichen gebogen sein, wie in 11b gezeigt.
Zum Zwecke der Beschreibung der vorliegenden Erfindung sei davon ausgegangen, dass sich das freitragende Element in seiner ersten Ruhestellung befindet, wenn sich die abgelenkte Stellung des freien Endes nicht wesentlich ändert. Zum besseren Verständnis wird die erste Stellung in 4a und 11a horizontal dargestellt. Der Betrieb der thermischen Betätigungsvorrichtungen um eine erste gebogene Stellung ist den Erfindern der vorliegenden Erfindung bekannt, wird von diesen antizipiert und fällt vollständig in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindungen.
5 bis 10 zeigen eine bevorzugte Fertigungsfolge. Jedoch können auch viele andere Konstruktionsansätze mithilfe bekannter mikroelektronischer Fertigungsverfahren und Materialien verfolgt werden. Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung lässt sich jedes Fertigungskonzept verwenden, das zur Ausbildung eines freitragenden Elements mit einem thermomechanischen Biegeabschnitt führt. Der thermomechanische Biegeabschnitt ist zudem von einem anderen Gerät erwärmbar, das zum Anlegen eines Wärmeimpulses ausgelegt ist. Beispielsweise ist ein Dünnschichtwiderstand unter oder über dem thermomechanischen Biegeabschnitt ausbildbar und kann elektrisch gepulst werden, um Wärme anzulegen. Alternativ hierzu können Wärmeimpulse durch Lichtenergie oder elektromagnetische Kopplung an den thermomechanischen Biegeabschnitt angelegt werden.
In der in 5 bis 10 dargestellten Folge wurden die Flüssigkeitskammer 28 und die Düse 30 einer Flüssigtropfenausstoßvorrichtung vor Ort auf dem Träger 10 ausgebildet. Alternativ hierzu könnte eine thermische Betätigungsvorrichtung separat konstruiert und mit einer Flüssigkammerkomponente zur Bildung einer Flüssigkeitstropfen-Ausstoßvorrichtung verbunden werden.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die Effizienz einer thermischen Betätigungsvorrichtung mit freitragendem Element wesentlich von der Form des thermischen Biegeabschnitts beeinflusst wird. Das freitragende Element ist derart ausgelegt, dass es ausreichend lang ist, um eine Ablenkungsgröße zu erzielen, die ausreicht, um die Anforderungen einer mikroelektronischen Geräteanwendung zu erfüllen, sei es eine Tropfenausstoßvorrichtung, ein Schalter, ein Ventil, ein Lichtablenker oder ähnliches. Die Details der thermischen Ausdehnungsdifferenzen, Steifigkeit, Dicke und anderer Faktoren, die den Schichten des thermomechanischen Biegeabschnitts zugeordnet sind, werden bei der Bestimmung einer geeigneten Länge für das freitragende Element berücksichtigt.
Die Breite des freitragenden Elements ist zur Bestimmung der Kraft wichtig, die während der Betätigung erzielbar ist. In den meisten Anwendungen von thermischen Betätigungsvorrichtungen muss die Betätigung eine Masse bewegen und Gegenkräfte überwinden. In einer Flüssigtropfenausstoßvorrichtung muss die thermische Betätigungsvorrichtung beispielsweise eine Flüssigkeitsmasse beschleunigen und Gegendruckkräfte überwinden, um einen Druckimpuls zu erzeugen, der ausreicht, um einen Tropfen auszustoßen. Bei Verwendung in Schaltern und Ventilen muss die Betätigungsvorrichtung Materialien verdichten und guten Kontakt oder gute Abdichtung erzielen.
Für eine gegebene Länge und gegebene Materialschichtkonstruktion ist die Kraft, die erzeugbar ist, proportional zur Breite des thermomechanischen Biegeabschnitts des freitragenden Elements. Eine einfache Konstruktion für ein thermomechanisches Biegeelement ist daher ein rechtwinkliger Balken mit der Breite w₀ und der Länge L, wobei L derart gewählt ist, dass für einen gegebenen Satz aus thermomechanischen Materialien und Schichtenkonstruktionen eine adäquate Ablenkung erzielbar ist, und wobei w₀ derart gewählt ist, dass eine adäquate Betätigungskraft erzielt wird.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die zuvor genannte einfache rechtwinklige Form nicht die energieeffizienteste Form für das thermomechanische Biegeelement ist. Stattdessen wurde festgestellt, dass ein thermomechanischer Biegeabschnitt, der sich in seiner Breite von dem verankerten Ende des freitragenden Elements zu einer schmaleren Breite am freien Ende verjüngt, für eine gegebene Fläche des Biegeelements mehr Kraft erzeugt.
12a stellt ein freitragendes Element 20 und einen thermomechanischen Biegeabschnitt 63 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Der thermomechanische Biegeabschnitt 63 erstreckt sich vom Ankerpunkt 14 des Trägers zu einer Verbindungsstelle 18 zum freien Endabschnitt 27. Die Breite des thermomechanischen Biegeabschnitts ist am Trägerende w_b im Wesentlichen größer als das freie Ende w_f. In 12a nimmt die Breite des thermomechanischen Biegeelements linear von w_b nach w_f ab, wodurch ein trapezförmiger thermomechanischer Bindeabschnitt entsteht. Wie ebenfalls in 12a dargestellt, sind w_b und w_f derart gewählt, dass die Fläche des trapezförmigen thermomechanischen Biegeabschnitts 63 gleich der Fläche eines rechtwinkligen thermomechanischen Biegeabschnitts 63 mit derselben Länge L und Breite w₀ = ½(w_b + w_f) ist, wie in Phantomdarstellung in 12a gezeigt.
Die in 12a dargestellte, sich verjüngende Form ist ein Sonderfall einer allgemein sich verjüngenden Form gemäß den vorliegenden Erfindungen und wie in 12b dargestellt. Der in 12b dargestellte, sich allgemein verjüngende thermomechanische Biegeabschnitt 62 hat eine Breite w(x), die als eine Funktion des Abstands x zwischen w_b am Ankerpunkt 14 des Trägers 10 und w_f an der Verbindungsstelle 18 zum freien Endabschnitt 27 im Abstand L abnimmt. In 12b ist die Abstandsvariable x, über die die Breite des thermomechanischen Biegeabschnitts 62 monoton abnimmt, ausgedrückt als sich erstreckend über einen Bereich x = 0 → 1, d. h. in zur Länge L normalisierten Einheiten.
Der Vorteil eines sich verjüngenden thermomechanischen Biegeabschnitts 62 oder 63 wird bei Betrachtung des Biegewiderstands eines Auslegers mit einer derartigen Form deutlich. 13 zeigt eine erste Form, die analytisch in geschlossener Form untersucht werden kann. 13a zeigt ein freitragendes Element 20 in perspektivischer Ansicht, das sich aus einer ersten und zweiten Schicht 22 bzw. 23 zusammensetzt. Ein sich linear verjüngender (trapezförmiger) thermomechanischer Biegeabschnitt 63 erstreckt sich von dem Ankerpunkt 14 des Trägers 10 zu einem freien Endabschnitt 27. Eine Kraft P, die eine Last oder einen Gegendruck darstellt, wird rechtwinklig in der negativen y-Richtung in 13 an das freie Ende 18 des thermomechanischen Biegeabschnitts 63 angelegt, wo sich dieser mit dem freien Endabschnitt 27 des freitragenden Elements 20 vereinigt.
13b zeigt in Draufsicht die geometrischen Merkmale eines trapezförmigen thermomechanischen Biegeabschnitts 63, der in der nachfolgenden Analyse verwendet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass der Betrag der linearen Verjüngung in 13b als Winkel Θ und in 12b als Differenzbreite δw₀/2 ausgedrückt wird. Diese beiden Beschreibungen der Verjüngung stehen in folgender Beziehung zueinander: tanΘ = δw₀/L.
Der thermomechanische Biegeabschnitt 63, an dem Ankerpunkt 14 (x = 0) befestigt und mit einer Kraft P am freien Ende 18 beaufschlagt (x = L), erzielt seinen Gleichgewichtszustand auf der Grundlage der geometrischen Parameter, einschließlich der Gesamtdicke h und des effektiven Youngschen Elastizitätsmoduls E der Mehrschichtenstruktur. Die Ankerverbindung übt auf das freitragende Element eine Kraft aus, die der Kraft P entgegenwirkt, die dieses an einem Verschieben hindert. Das Nettomoment M(x), das auf den thermomechanischen Biegeabschnitt in einem Abstand x zum feststehenden Trägerende wirkt, ist somit: M(x) Px – PL (1)
Der thermomechanische Biegeabschnitt 63 widersteht dem Biegen in Ansprechen auf das angelegte Moment M(x) gemäß den geometrischen Formenfaktoren, die als die Auslegersteifigkeit I(x) und das Youngsche Elastizitätsmodul E ausgedrückt sind. Daher gilt:
wobeiI(x) = 112 w(x)h3. (3)
Kombiniert mit Gleichung 1:
Die vorstehende Gleichung 4 ist eine Differenzialgleichung in y(x), der Ablenkung des thermomechanischen Biegeabschnitts als eine Funktion der geometrischen Parameter, der Materialparameter und des Abstands vom festen Ankerpunkt x, ausgedrückt in Einheiten von L. Gleichung 4 ist für y(x) lösbar mithilfe der Grenzbedingungen y(0) = dy(0)/dx = 0.
Es ist sinnvoll, Gleichung 4 zunächst für einen rechtwinkligen thermomechanischen Biegeabschnitt zu lösen, um einen Basis- oder Nominalfall für Vergleichszwecke zu den erfindungsgemäßen Formen mit sich verjüngender Breite zu haben. Somit gilt für die in 12a in Phantomlinien dargestellte rechtwinklige Form w(x) = w0, 0 ≤ x ≤ 1,0, (5)
wobei
Am freien Ende des rechtwinkligen thermomechanischen Biegeabschnitts 63 ist x = 1,0, die Ablenkung des Strahls y(1) in Ansprechen auf eine Last P, weshalb gilt: y(1) = –13 C0. (9)
Die Ablenkung des freien Endes 18 eines rechtwinkligen thermomechanischen Biegeabschnitts y(1), ausgedrückt in der vorstehenden Gleichung 9, wird in der nachfolgenden Analyse als ein Normalisierungsfaktor verwendet. Der Betrag der Ablenkung unter einer Last P der thermomechanischen Biegeabschnitte mit abnehmenden Breiten gemäß den vorliegenden Erfindungen wird demnach analysiert und mit dem rechtwinkligen Fall verglichen. Es wird dargelegt, dass die erfindungsgemäßen thermomechanischen Biegeabschnitte von einer gleichen Last oder einem gleichen Gegendruck weniger stark abgelenkt werden als ein rechtwinkliger thermomechanischer Biegeabschnitt von gleicher Länge L und mittlerer Breite w₀. Weil die Formen der erfindungsgemäßen thermomechanischen Biegeabschnitte gegen Lastkräfte und Gegendruckkräfte stärkeren Widerstand bilden, ist – verglichen mit einem rechtwinkligen thermomechanischen Biegeabschnitt – mit derselben Wärmeenergie eine stärkere und kraftvollere Ablenkung erzielbar.
Die trapezförmigen thermomechanischen Biegeabschnitte, wie in 2, 3, 12 und 13 gezeigt, sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Der thermomechanische Biegeabschnitt 63 ist derart ausgelegt, dass er sich von einer Breite am Trägerende w_b zu einer Breite am freien Ende w_f in einer linearen Funktion von x verjüngt, also dem Abstand aus dem Ankerpunkt 14 des Trägers 10. Um die erzielten verbesserten Effizienzen zu verdeutlichen, ist der trapezförmige thermomechanische Biegeabschnitt derart ausgelegt, dass er dieselbe Länge L und Fläche w₀L aufweist wie der rechtwinklig geformte, zuvor in Gleichung 5 beschriebene, thermomechanische Biegeabschnitt. Die trapezförmige Breitenfunktion w(x) lässt sich ausdrücken als: w(x) = w0(ax + b), 0 ≤ x ≤ 1,0, (10)wobei (w_f + w_b)/2 = w₀, δ = (w_b – w_f)/2w₀, a = –2δ und b = (1 + δ).
Das Einsetzen der linearen Breitenfunktion, siehe Gleichung 10, in die Differenzialgleichung 4 ermöglicht die Berechnung der Ablenkung des trapezförmigen, thermomechanischen Biegeabschnitts 63, y(x), in Ansprechen auf eine Last P am freien Ende 18:
wobei C₀ in der vorstehenden Gleichung 12 die gleiche Konstante C₀ ist, wie sie in den Gleichungen 7 bis 9 für den Fall des rechtwinkligen thermomechanischen Biegeabschnitts zu finden ist. Die Quantität δ drückt den Betrag der Verjüngung in Einheiten von w₀ aus. Zudem reduziert sich die vorstehende Gleichung 12 auf die Gleichung 7 für den rechtwinkligen Fall δ → 0.
Die Vorteile eines sich verjüngenden thermomechanischen Biegeabschnitts lassen sich weiter verdeutlichen mit Betrachtung der durch die Last P am freien Ende 18 induzierten Ablenkung und durch Normalisieren um den Betrag der Ablenkung, –C₀/3, der für den Fall der recht winkligen Form gefunden wurde (siehe Gleichung 9). Die normalisierte Ablenkung am freien Ende wird bezeichnet mit y(1):
Die normalisierte Ablenkung am freien Ende, y(1), ist in 14 als eine Funktion von δ auf der Kurve 210 abgetragen. Die Kurve 210 in 14 zeigt, dass mit Zunahme von δ die Ablenkung des thermomechanischen Biegeabschnitts unter der angelegten Last P abnimmt. Aufgrund von Praxisimplementierungen kann δ nicht wesentlich über δ = 0,75 angehoben werden, weil die implizierte Verjüngung des freien Endes auch zu einem schwachen freien Ende 18 in dem freitragenden Element 20 führt, wo sich der thermomechanische Biegeabschnitt 63 mit dem freien Endabschnitt 27 vereint.
Die Kurve 210 in 14 der normalisierten Ablenkung des freien Endes zeigt, dass ein verjüngter oder trapezförmiger thermomechanischer Biegeabschnitt einer Last oder – im Falle einer Flüssigkeitsbewegungsvorrichtung – einem Gegendruck einer Betätigungsvorrichtung effizienter widersteht. Wenn sich beispielsweise ein typischer rechtwinkliger thermomechanischer Biegeabschnitt mit Breite w₀ = 20 μm und Länge L = 100 μm am freien Ende auf w_f = 10 μm verjüngt und am Trägerende auf w_b = 30 μm verbreitert, dann ist δ = 0,5. Ein derartiger verjüngter thermomechanischer Biegeabschnitt wird um ca. 18% weniger abgelenkt als der 20 μm breite rechtwinklige thermomechanische Biegeabschnitt mit derselben Fläche. Dieser verbesserte Lastwiderstand des verjüngten thermomechanischen Biegeabschnitts wird in eine Steigerung der Betätigungskraft und der Nettoablenkung am freien Ende umgesetzt, wenn er mit derselben Wärmeenergie impulsweise beaufschlagt wird. Alternativ hierzu ist der verbesserte Kraftwirkungsgrad der verjüngten Form verwendbar, um dieselbe Kraft bei niedrigerem Energiewärmeimpuls bereitzustellen.
Wie in 12b gezeigt, weist jede Form für den thermomechanischen Biegeabschnitt, die in der Breite vom Trägerende zum freien Ende monoton abnimmt, einen besseren Widerstand gegen die Betätigungslast oder den Gegendruck auf im Vergleich mit einem rechtwinkligen Biegeelement von vergleichbarer Fläche und Länge. Dies ist anhand von Gleichung 4 erkenn bar, in der deutlich wird, dass der Betrag der Änderung der Biegung des Auslegers, d²y/dx², größer wird, je stärker sich die Breite bei zunehmendem Abstand x zum Trägerende verjüngt. Hierfür gilt in Gleichung 4:
Im Vergleich zum rechtwinkligen Fall, wo w(x) = w₀, also eine Konstante, bewirkt eine monotone Abnahme w(x) einen größeren negativen Wert für den Anstieg der Änderungsgeschwindigkeit des Auslegers, der unter der angelegten Last P nach unten abgelenkt wird. Der Anstieg des Auslegers an jedem Punkt, also die Biegung, reduziert sich mit Zunahme von x, und der kumulierte Betrag der Auslegerablenkung am freien Ende, x = 1, ist kleiner. Eine vorteilhafte Verbesserung des Widerstands des thermomechanischen Biegeabschnitts gegen eine Last ist vorhanden, wenn die Breite des Trägerendes im Wesentlichen größer als die Breite des freien Endes ist. Der Begriff „im Wesentlichen größer" bezeichnet in diesem Zusammenhang mindestens 20% größer.
In 15(a)–15(c) werden zwei alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt. 15a zeigt einen thermomechanischen Biegeabschnitt 64 mit einer supralinearen Breitenreduzierung und in diesem Fall einer quadratischen Änderung der Breite von w_b zu w_f:
15b zeigt einen abgestuft verjüngten thermomechanischen Biegeabschnitt 65, der bei x = x_s eine einzelne Stufenreduzierung aufweist: w(x) = wb, 0 ≤ x ≤ xs = wf, xs ≤ x ≤ 1,0 (16)
Die supralineare Breitenfunktion aus Gleichung 15 ist zur Analyse von Ausdrücken in geschlossener Form nur bedingt geeignet. Die schrittweise Form aus Gleichung 16 ist jedoch zu einer Lösung in geschlossener Form geeignet, was zum Verständnis der vorliegenden Erfindungen weiter beiträgt.
15c zeigt ein alternatives Gerät, das zum Anlegen eines Wärmeimpulses direkt an den thermomechanischen Biegeabschnitt 65 mithilfe eines Dünnschichtwiderstands 46 ausgelegt ist. Ein Dünnschichtwiderstand kann auf dem Träger 10 vor Konstruktion des freitragenden Elements 20 und des thermomechanischen Biegeabschnitts 65, nach dessen Fertigstellung oder in einer Zwischenphase ausgebildet werden. Ein derartiges Wärmeimpulsanlegungsgerät ist mit beliebigen erfindungsgemäßen Konstruktionen des thermomechanischen Biegeabschnitts verwendbar.
Ein sich abgestuft verjüngender thermomechanischer Biegeabschnitt 65, der untersucht werden kann, ist einer, der sich an dem Mittenpunkt, x_s = 0,5x, in Einheiten von L reduziert. Das heißt: w(x) = w0(1 + δ), 0 ≤ x ≤ 0,5 = w0 (1 – δ), 0,5 ≤ x ≤ 1,0 (17)wobei δ = (w_b – w_f)/2 und die Fläche des thermomechanischen Biegeabschnitts 65 ist gleich einem rechtwinkligen Biegeelement mit der Breite w₀ und der Länge L. Gleichung 4 kann für eine Ablenkung y(x) unter einer Last P gelöst werden, die am freien Ende 18 des abgestuften thermomechanischen Biegeabschnitts 65 angelegt wird. Die Grenzbedingungen y(0) = dy (0)/dx = 0 werden durch die Forderung nach Kontinuität in y und dy/dx an Stufe x_s = 0,5 ergänzt. Die Ablenkung y(x) unter Last P ist daher:
Die Ablenkung des abgestuft verjüngten thermomechanischen Biegeabschnitts am freien Ende 18, normalisiert durch die Ablenkung des freien Endes des rechtwinkligen Biegeelements gleicher Fläche und Länge ist:
Gleichung 19 ist als Kurve 220 in 16 als eine Funktion von δ abgetragen. Es ist zu erkennen, dass der abgestufte thermomechanische Biegeabschnitt 65 einen verbesserten Widerstand gegenüber der Last P für Fraktionen bis ca. δ ~ 0,5 aufweist, wobei der Ausleger an diesem Punkt schwach wird und der Widerstand nimmt ab. Durch Wahl einer Stufenreduzierung von ca. 0,5w₀ wird der abgestufte Ausleger um ca. 16% weniger abgelenkt als ein rechtwinkliger thermomechanischer Biegeabschnitt gleicher Fläche und Länge. Der erhöhte Lastwiderstand ist mit dem für einen trapezförmig geformten thermomechanischen Biegeabschnitt mit einer Verjüngungsfraktion von δ = 0,5 (siehe Kurve 210, 14) vergleichbar.
16 zeigt, dass es eine optimale Breitenreduzierung für eine gegebene Stufenposition für abgestufte thermomechanische Biegeabschnitte gibt. Es kann zudem eine optimale Stufenposition x_s für eine gegebene fraktionale Breitenreduzierung des abgestuften thermomechanischen Biegeabschnitts geben. Der folgende allgemeine Fall mit einstufig reduzierter Breite wird analysiert: w(x) = wb =w0(1 – f + fxs)/xs), 0 ≤ x ≤ xs = wf = w0f, xs ≤ x ≤ 1,0. (20)wobei f die Fraktion der Breite des freien Endes ist, verglichen mit der Nennbreite w₀ für einen rechtwinkligen thermomechanischen Biegeabschnitt f = w_f/w₀. Gleichung 20 wird in die Differenzialgleichung 4 unter Verwendung der gleichen Grenzbedingungen wie zuvor substituiert, y(0) = dy(0)/dx = 0 und Kontinuität in y und dy/dx bei Stufe x_s. Die normalisierte Ablenkung am freien Ende 18 beträgt:
Die Steigung der Gleichung 21 als eine Funktion von x_s wird untersucht, um die optimalen Werte von x_s für eine Auswahl von f zu ermitteln:
Die Steigungsfunktion in Gleichung 22 beträgt null, wenn der Zähler in den geschweiften Klammern null ist. Dieser Zählerterm wird für drei Werte von f in 17 abgetragen. Kurve 222 in 17 steht für f = 0,25, Kurve 224 steht für f = 0,5 und Kurve 226 steht für f = 0,75. Die normalisierte Ablenkung y(1) des freien Endes 18 wird für den Wert von x_s minimiert, an dem die Steigung null ist. Daraus ergibt sich, dass zur Maximierung des Lastwiderstands die optimale Stufenposition x_s ca. 0,4 bis 0,7 für Reduzierungen abgestufter thermomechanischer Biegeabschnitte im Bereich von w_f ca. (0,25 bis 0,75) w₀ beträgt.
Die Reduzierung des Widerstands gegen die Last oder den Gegendruck, der mit der Verjüngung des freien Endes des thermomechanischen Biegeabschnitts einhergeht, bedeutet notwendigerweise, dass das Trägerende für eine konstante Fläche und Länge breiter wird. Der breitere Träger hat den zusätzlichen Vorteil, dass er eine breitere Wärmeübertragungsbahn bereitstellt, um die Betätigungswärme von dem freitragenden Element abzuleiten. An einem bestimmten Punkt kann ein breiteres Trägerende jedoch zu einem thermisch weniger effizienten Betätigungselement führen, wenn zuviel Wärme verloren geht, bevor das Betätigungselement seine vorgesehene Betriebstemperatur erreicht.
Numerische Simulationen der Aktivierung trapezförmiger thermomechanischer Biegeabschnitte, wie in 13 gezeigt, wurden mithilfe von Vorrichtungsabmessungen und Wärmeimpulsen durchgeführt, die für eine Anwendung einer Flüssigkeitstropfen-Ausstoßvorrichtung repräsentativ sind. Die Berechnungen gingen von einer gleichmäßigen Erwärmung über die Fläche des thermomechanischen Biegeabschnitts aus. Die erzielte simulierte Ablenkung des freien Endes 18 gegen einen repräsentativen Flüssigkeitsgegendruck wird als Kurve 230 in
18 für verjüngte thermomechanische Biegeabschnitte mit Verjüngungswinkeln Θ von ca. 0° bis 11° abgetragen. Der eingegebene Energieimpuls wurde konstant gehalten, ebenso die Längen und Gesamtflächen der thermomechanischen Biegeabschnitte mit unterschiedlichen Verjüngungswinkeln. Für die Kurve in 18 ist die Ablenkung größer für eine Vorrichtung mit mehr Widerstand gegen die Gegendrucklast. Aus Kurve 230 in 18 ist zu entnehmen, dass ein Verjüngungswinkel im Bereich von 3° bis 10° eine im Wesentlichen höhere Ablenkung oder Energieeffizienz gegenüber einem rechtwinkligen thermomechanischen Biegeabschnitt mit derselben Fläche und Länge aufweist. Die Leistung einer rechtwinkligen Vorrichtung leitet sich aus dem Wert Θ = 0° aus Kurve 230 her.
Der Abfall der Ablenkung bei Winkeln oberhalb von 6° in Kurve 230 ist auf thermische Verluste aufgrund der Verbreiterung der Trägerenden des thermomechanischen Biegeabschnitts zurückzuführen. Die stärker verjüngten Vorrichtungen erreichen die vorgesehenen Betriebstemperaturen aufgrund eines vorzeitigen Verlusts der Aktivierungswärme nicht. Eine Konstruktion mit optimaler Verjüngung oder Breitenreduzierung ist nach Testen auf diese Wärmeverlusteffekte auswählbar.
Obwohl ein großer Teil der vorstehenden Beschreibung die Konfiguration und den Betrieb einer einzelnen thermischen Betätigungsvorrichtung oder einer Tropfenausstoßeinrichtung betraf, ist die vorliegende Erfindung selbstverständlich auch auf die Bildung von Arrays und Baugruppen aus mehreren thermischen Betätigungsvorrichtungen und Tropfenausstoßeinrichtungen anwendbar. Zudem können die erfindungsgemäßen thermischen Betätigungsvorrichtungen gleichzeitig mit anderen elektronischen Komponenten und Schaltungen oder auf demselben Träger vor oder nach Fertigung der elektronischen Komponenten und Schaltungen gefertigt werden.

Claims

Thermische Betätigungsvorrichtung (15) für ein mikro-elektromechanisches Gerät, mit: a) einem Träger (10); b) einem freitragenden Element (20) mit einem thermomechanischen Biegeabschnitt (62, 63, 64, 65), der sich vom Träger weg erstreckt, und mit einem mit einem freien Ende versehenen Abschnitt (18), der sich in einer ersten Stellung befindet, wobei der thermomechanische Biegeabschnitt dem Träger benachbart eine Trägerendbreite w_b aufweist sowie dem freien Endabschnitt benachbart eine Endbreite w_f, und mit c) einem Gerät (25) zum Anlegen eines Wärmeimpulses direkt an den thermomechanischen Biegeabschnitt, wodurch der freie Endabschnitt des freitragenden Elements in eine zweite Stellung umlenkbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Trägerendes im Wesentlichen größer ist als die Breite des freien Endes.
Thermische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin das Verhältnis der Breite des Trägerendes zur Breite des freien Endes größer ist als 1,5, w_b/w_f > 1,5 ist.
Thermische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Breite des thermomechanischen Biegeabschnitts von der Breite des Trägerendes bis hin zur Breite des freien Endes in einer im Wesentlichen monotonen Funktion des Abstands vom Träger abnimmt.
Thermische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 3, worin die im Wesentlichen monotone Funktion eine lineare Funktion ist, die zu einem trapezförmig ausgebildeten, thermomechanischen Biegeabschnitt führt.
Thermische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 3, worin die im Wesentlichen monotone Funktion supralinear ist.
Thermische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Breite des thermomechanischen Biegeabschnitts von der Breite des Trägerendes bis hin zur Breite des freien Endes in mindestens einem Reduktionsschritt abnimmt.
Thermische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, worin der thermomechanische Biegeabschnitt eine Länge L hat und der mindestens eine Reduktionsschritt mit einem Abstand L_s vom Träger erfolgt, wobei 0,4L ≤ L_s ≤ 0,7L ist.
Thermische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin der thermomechanische Biegeabschnitt eine erste Schicht aufweist, die aus einem ersten Material mit einem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, und eine zweite Schicht, die an der ersten Schicht befestigt ist und aus einem zweiten Material mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht.
Ausstoßvorrichtung für einen Flüssigkeitstropfen, mit: a) einer in einem Substrat ausgebildeten Kammer (12), die mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und eine Düse zum Ausstoßen von Flüssigkeitstropfen umfasst; und mit b) der thermischen Betätigungsvorrichtung (15) nach Anspruch 1, worin der Träger (10) eine Wand der Kammer ist, die erste Stellung eine Stellung in der Nähe der Düse ist und das Gerät (25) einen Wärmeimpuls direkt auf den thermomechani schen Biegeabschnitt anzulegen vermag, der eine rasche Umlenkung des freien Endabschnitts und den Ausstoß eines Flüssigkeitstropfens bewirkt.
Ausstoßvorrichtung für einen Flüssigkeitstropfen nach Anspruch 9, worin die Ausstoßvorrichtung ein Drop-on-Demand Tintenstrahldruckkopf und die Flüssigkeit eine Tinte zum Drucken von Bilddaten ist.