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    • 专利摘要:
    Ein Mikroinjektor (50) umfasst eine Kammer (54) zum Einschließen von Fluid, eine Öffnung (60) in Fluidverbindung mit der Kammer (54), wobei die Öffnung (60) über der Kammer (54) angeordnet ist, ein Stellglied, das unmittelbar benachbart zur Öffnung (60) und außerhalb der Kammer (54) angeordnet ist, zum Ausspritzen von Fluid aus der Kammer (54), eine Metallschicht (80), die über der Kammer (54) angeordnet ist, und einen Leitungskanal (86), der zwischen der Metallschicht (80) und der Erdung angeschlossen ist, zum Verhindern einer parasitären Kapazität.
    公开号:DE102004021855A1
    申请号:DE200410021855
    申请日:2004-05-04
    公开日:2005-05-25
    发明作者:Chung-Cheng Chou；Tsung-Wei Huang
    申请人:BenQ Corp；
    IPC主号:B41J2-14
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft einen Mikroinjektor eines Tintenstrahldruckkopfsgemäß dem Oberbegriffvon Anspruch 1.
    [0002] Inden letzten Jahren wurde ein Mikroinjektor zum Ausspritzen von Fluiden,wie z.B. Gas, Tinte, chemischen Lösungen und anderen flüssigen Materialien,weit verbreitet auf Fluidausspritzvorrichtungen wie einen Tintenstrahldruckkopfin einem Tintenstrahldrucker angewendet. Da Mikroinjektoren preiswerterund zuverlässigerwerden und da Fluide mit hoher Qualität für hohe Frequenz und räumlicheAuflösungauf den Markt kommen, wird der Mikroinjektor immer populärer undweist eine breite Anzahl von Anwendungen auf. Ein Mikroinjektorkann beispielsweise auf eine Vielzahl von industriellen Gebietenangewendet werden, wie z.B. ein Kraftstoffeinspritzsystem, ein Zellensortiersystem,ein Arzneimittelabgabesystem, ein Mikrodüsen-Antriebssystem und Drucklithographie.
    [0003] Leiderweist eine Metallschicht im Mikroinjektor gewöhnlich eine große Fläche undeine entsprechende großeparasitäreKapazitätauf. Eine solche großeparasitäreKapazitätführt dazu,dass die Metallschicht eine großeMenge an Ladung ansammelt. Diese Ladung koppelt leicht mit Schaltungenim Mikroinjektor, was Rechteckwellen, die vom Mikroinjektor erzeugtwerden, verformt. Die verformten Ausgangswellen wirken sich nachteiligauf die Leistung des Mikroinjektors aus.
    [0004] ImGedanken daran zielt die vorliegende Erfindung auf die Bereitstellungeines entsprechenden Mikroinjektors mit einem geerdeten Übertragungskanalzum Verhindern, dass sich Ladung auf Metallschichten ansammelt,ab.
    [0005] Dieswird durch einen Mikroinjektor nach Anspruch 1 erreicht. Die abhängigen Ansprüche betreffenentsprechende Weiterentwicklungen und Verbesserungen.
    [0006] Wieaus der nachstehend folgenden ausführlichen Beschreibung deutlicherzu sehen ist, umfasst der beanspruchte Mikroinjektor nicht nur eineMetallplatte, sondern umfasst auch einen Leitungskanal, um die Metallplattemit der Erdung zu verbinden. Der Leitungskanal verhindert das Problemder parasitärenKapazitätund verbessert die Leistung des Mikroinjektors.
    [0007] Imfolgenden wird die Erfindung beispielhaft weiter erläutert, wobeiauf die zugehörigenZeichnungen Bezug genommen wird. In diesen gilt
    [0008] 1 istein schematisches Diagramm eines Mikroinjektors gemäß dem Standder Technik,
    [0009] 2 istein weiteres schematisches Diagramm des in 1 gezeigtenMikroinjektors gemäß dem Standder Technik,
    [0010] 3 istein schematisches Diagramm eines Siliziumwafers, der dazu bereitist, zu dem in 1 gezeigten Mikroinjektor gemäß dem Standder Technik geätztzu werden,
    [0011] 4 istein Diagramm einer Wellenform mit haifischflossenförmiger Überschwingungeiner Rechteckwelle gemäß dem Standder Technik,
    [0012] 5 istein Querschnittsdiagramm eines erfindungsgemäßen Mikroinjektors,
    [0013] 6 istein Ersatzschaltplan eines Stellgliedes des in 5 gezeigtenMikroinjektors gemäß der vorliegendenErfindung, und
    [0014] 7 istein Diagramm einer Wellenform einer Rechteckwelle gemäß der vorliegendenErfindung.
    [0015] Mannehme bitte auf 1 Bezug, die ein schematischesDiagramm eines Mikroinjektors 10 gemäß dem Stand der Technik ist.Der Mikroinjektor 10 ist in einem US-Patent, Nr. 6 102530, "Apparatus andmethod for using bubbles as virtual value in microinjector to ejectfluid", offenbart.Der Mikroinjektor 10 umfasst eine Kammer 12, einenRohrverteiler 14, der mit der Kammer 12 verbundenist, eine Öffnung 16,die oberhalb der Kammer 12 angeordnet ist, eine erste Heizvorrichtung 18,eine zweite Heizvorrichtung 20 und eine SiO2-Schicht(nicht dargestellt). Die erste und die zweite Heizvorrichtung 18 und 20 sind beideunmittelbar benachbart zur Öffnung 16 undaußerhalbder Kammer 12 angeordnet. Die erste und die zweite Heizvorrichtung 18 und 20 sindtypischerweise Elektroden, die mit einer gemeinsamen Elektrode (nichtdargestellt) in Reihe geschaltet sind. Die Kammer 12 undder Rohrverteiler 14 des Mikroinjektors 10 sindmit Fluid (nicht dargestellt) gefüllt.
    [0016] Dieerste Heizvorrichtung 18 weist eine Querschnittsfläche auf,die kleiner ist als jene der zweiten Heizvorrichtung 20,und die erste Heizvorrichtung 18 weist folglich einen Wärmewirkungsgrad auf,der höherist als jener der zweiten Heizvorrichtung 20. Durch dieselbegemeinsame Elektrode angesteuert, erzeugt die erste Heizvorrichtung 18 daher eineerste Blase 22 früherals die zweite Heizvorrichtung 20 eine zweite Blase 24 erzeugt.Es ist zu sehen, dass die erste Blase 22 ein größeres Volumen alsjenes der zweiten Blase 24 aufweist.
    [0017] Dieerste Heizvorrichtung 18 erzeugt die erste Blase 22,die groß genugist, um ein virtuelles Ventil zu bilden, um zu verhindern, dassdas im Rohrverteiler 14 enthaltene Fluid in die Kammer 12 gelangt, umeinen Kreuzkopplungseffekt zwischen der Kammer 12 und anderenKammern, die zur Kammer 12 benachbart sind, welcher sichauf die Kammer 12 des Mikroinjektors 10 auswirkt,zu verringern. Gleichzeitig spritzt die zweite Blase 24 miteinem zunehmenden Volumen, das durch die zweite Heizvorrichtung 20 angetriebenwird, das in der Kammer 12 eingeschlossene Fluid durchdie Öffnung 16 allmählich in einenBereich außerhalbder Kammer 12 aus.
    [0018] Mannehme bitte auf 2 Bezug, die ein weiteres schematischesDiagramm des Mikroinjektors 10 gemäß dem Stand der Technik ist.Wenn die zweite Blase 24 wächst und ein Volumen aufweist, dasgroß genugist, um mit der ersten Blase 22 in Kontakt zu kommen, istdie erste Blase 22 in Kombination mit der zweiten Blase 24 inder Lage zu verhindern, dass Fluid, das in einen Bereich 26 gegenüber der Öffnung 16 eingeschlossenist, in einen Bereich außerhalbder Kammer 12 ausgespritzt wird, wobei die Satellitentröpfchen unterlassenwerden.
    [0019] Nachdemdas Fluid durch die Kombination der ersten und der zweiten Blase 22 und 24 ineinen Bereich außerhalbder Kammer 12 ausgespritzt wurde, stoppt die gemeinsameElektrode das Ansteuern der ersten und der zweiten Heizvorrichtung 18 und 20.Daher nehmen die Volumina der ersten und der zweiten Blase 22 und 24 allmählich abund die Kammer 12 wird wieder mit Fluid gefüllt.
    [0020] Mannehme bitte auf 3 Bezug, die ein schematischesDiagramm eines Siliziumwafers 30 ist, der bereit ist, umzu dem Mikroinjektor 10 gemäß dem Stand der Technik geätzt zu werden.Der Siliziumwafer 30 umfasst ein Phosphosilikatglas (PSG) 32 alsOpferschicht und ein spannungsarmes Siliziumnitrid 34 alsobere Oberflächeder Kammer 12. Bei einem Masseätzprozess für den Siliziumwafer 30 wird der Siliziumwafer 30 ineiner Lösungaus Kaliumhydroxid (KOH) geätzt,währenddie Opferschicht 32 des Siliziumwafers 30 durchFluorwasserstoffsäure(HF) entfernt wird. Experimente zeigen, dass die obere Oberfläche 34 derKammer 12, die durch das spannungsarme Siliziumnitrid gebildetist, zerbrechlich ist und leicht bricht. Die KOH-Lösung ätzt wahrscheinlicheine Oberflächedes Siliziumwafers 30 und verringert daher eine Dehnungsratedes Siliziumwafers 30 oder beschädigt den Siliziumwafer 30 sogar.
    [0021] DieExperimente zeigen auch, dass das Siliziumnitrid 34, dasferner mit einer Metallschicht überzogenist, wie z.B. Gold und Nickel, nicht nur eine steifere Strukturaufweist, das Siliziumnitrid 34 hat auch eine zusätzlicheStrahlungsfunktion, um die Herstellung des Rohrverteilers 14 undder Öffnung 16 gleichmäßig zu machen.
    [0022] Indem Mikroinjektor 10 weist die SiO2-Schichteine Dielektrizitätskonstantevon ungefähr3,9–4,5und eine Dicke von 0,5 μmauf, während dasSiliziumnitrid 34 eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 6–8 und eineDicke von 0,5 μmaufweist. Die Metallschicht, die auf das Siliziumnitrid 34 aufgetragenist, weist eine großeFlächeund eine entsprechende großeparasitäreKapazitätauf. Eine solche großeparasitäreKapazitätführt dazu,dass die Metallschicht eine großeMenge an Ladung ansammelt. Diese Ladung koppelt leicht mit Schaltungen,die in einem Bereich unter dem Siliziumnitrid 34 angeordnetsind, wobei eine Rechteckwelle, die den Mikroinjektor 10 ansteuert,so verformt wird, dass sie eine Wellenform mit haifischflossenförmiger Überschwingungaufweist, wie in 4 gezeigt. Die Rechteckwellemit der Überschwingungbeschädigtwahrscheinlich die erste und die zweite Heizvorrichtung 18 und 20 nacheinanderoder einen MOS-Transistor imMikroinjektor 10. Eine zu große parasitäre Kapazität begleitet überdiesauch eine zunehmende RC, wodurch die Ansteuerfrequenz sowie dieDruckeffizienz verringert werden, was ein Problem der Signalverzögerung erzeugt.
    [0023] Mannehme bitte auf 5 Bezug, die ein Querschnittsdiagrammeines erfindungsgemäßen Mikroinjektors 50 ist.Der Mikroinjektor 50 umfasst ein Siliziumsubstrat 52,das mit der Erdung verbunden ist, eine Kammer 54, die aufdem Siliziumsubstrat 52 ausgebildet ist, zum Einschließen vonFluid, einen Rohrverteiler 56, der zwischen einem Fluidbehälter undder Kammer 54 ausgebildet ist, um Fluid vom Fluidbehälter zurKammer 54 zu leiten, ein spannungsarmes Siliziumnitrid 58,das auf einer oberen Oberflächeder Kammer 54 angebracht ist, und eine Öffnung 60 in Fluidverbindungmit der Kammer 54, wobei die Öffnung 60 über derKammer 54 angeordnet ist. Der Mikroinjektor 50 umfasstauch eine erste Heizvorrichtung 62 und eine zweite Heizvorrichtung 64,die beide unmittelbar benachbart zur Öffnung 60 und außerhalbder Kammer 54 angeordnet sind, zum Ausspritzen von Fluidaus der Kammer 54, einen dotierten P-Potentialmuldenbereich 66,ein Feldoxid 68, einen MOSFET 70 als Ansteuerschaltung,der auf dem dotierten P-Potentialmuldenbereich 66 ausgebildetist, zum Steuern der ersten und der zweiten Heizvorrichtung 62 und 64,und eine erste und eine zweite SiO2-Schicht 72 und 74,die beide so ausgebildet sind, dass sie die erste und die zweiteHeizvorrichtung 62 und 64 bedecken. Der Mikroinjektorenthälteine SixNy-Schicht 76,die so ausgebildet ist, dass sie die zweite SiO2-Schicht 74 bedeckt,eine Metallkontaktstelle 78, eine Metallschicht 80,die zwischen der ersten und der zweiten SiO2-Schicht 72 und 74 ausgebildetist, eine erste Metallverbindungsvorrichtung, die in der Metallschicht 80 ausgebildet ist,zum Verbinden der ersten und der zweiten Heizvorrichtung 62 und 64 undder Metallkontaktstelle 78, eine P+-Ionenimplantation 82 alsSchutzring, die benachbart zum MOSFET 70 ausgebildet ist,zum Aufnehmen von Löchern,die vom MOSFET 70 emittiert werden, welcher unter einemelektrischen Feld hoher Elektrizität funktioniert, eine Metallplatte 88,die so ausgebildet ist, dass sie die SixNy-Schicht 76 bedeckt, eine Passivierungsöffnung 84,die in einem Bereich ausgebildet ist, in dem die Metallplatte 88 die P+-Ionenimplantation 82 überlappt,und einen Leitungskanal 86, der die Passivierungsöffnung 84 mit derP+-Ionenimplantation 82 verbindet.
    [0024] Mannehme bitte auf 6 Bezug, die ein Ersatzschaltplaneines Stellgliedes des erfindungsgemäßen Mikroinjektors 50 ist,wobei das Stellglied die erste und die zweite Heizvorrichtung 62 und 64 umfasst.Die erste Metallverbindungsvorrichtung verbindet nacheinander dieMetallkontaktstelle 78, die zweite Heizvorrichtung 64,die erste Heizvorrichtung 62, den MOSFET 70 unddie Erdung.
    [0025] DerMOSFET 70 umfasst einen schwach dotierten Drainpol (oderdoppeldiffundierten Drainpol) 90, der mit einer Programmierleitung(nicht dargestellt) verbunden ist, eine Sourceimplantation 92 und einPolysiliziumgate 94, das mit einer Adressenleitung (nichtdargestellt) verbunden ist. Der Mikroinjektor 50 kann einenBipolartransistor, einen JEFT-Transistoroder eine P-N-Diode verwenden, um den MOSFET 70 zu ersetzen.Die Metallschicht 80 besteht aus einem Metall, das auseiner Gruppe ausgewähltist, die aus Aluminium, Gold, Kupfer, Wolfram und Legierungen vonAl-Si-Cu besteht. Der Mikroinjektor 50 umfasst ferner einezweite Metallverbindungsvorrichtung, die in der Metallschicht 80 ausgebildetist, zum Verbinden der Metallplatte 88 und der P+-Ionenimplantation 82 mitder Erdung. Die Ansteuerschaltung 70 kann auch alternativBipolartransistoren, JFET-Transistoren oder Dioden umfassen.
    [0026] DieP+-Ionenimplantation 82 des Mikroinjektors 50 empfängt Löcher, dievom MOSFET 70 emittiert werden, und überträgt die Löcher über die zweite Metallverbindungsvorrichtungzur Erdung, um den MOSFET 70 von Rauschen zu isolieren.In einem Prozess zur Herstellung der Passivierungsöffnung 84 werdendie zweite SiO2-Schicht 74 unddie SixNy-Schicht 76 aufder Metallschicht 80 geätzt.Daher schließtdie Metallplatte 88, die aus Gold oder Nickel besteht,nacheinander überdie Passivierungsöffnung 84 undden Leitungskanal 86 zuerst mit der zweiten Metallverbindungsvorrichtungin der Metallschicht 80 und dann mit der Erdung kurz undfunktioniert als Äquivalenzerdungsplatte.
    [0027] DieOperationen des Mikroinjektors 50 werden wie folgt beschrieben:Wenn der Mikroinjektor 50 angesteuert wird, um Fluid auszuspritzen,und der MOSFET 70 dann durchgesteuert wird, fließt ein Strom,der von einer externen Quelle geliefert wird, von der Metallkontaktstelle 78 nacheinander über die ersteMetallverbindungsvorrichtung in der Metallschicht 80, durchden Sourcepol 92 und den Drainpol 90 des durchgesteuertenMOSFET 70 zur ersten und zweiten Heizvorrichtung 62 und 64 undschließlich zurErdung, um zu ermöglichen,dass die erste und die zweite Heizvorrichtung 62 und 64 Wärme erzeugen.Folglich wird das in der Kammer 54 enthaltene Fluid aufgeheiztund die erste und die zweite Blase 22 und 24 (mitBezug auf 2) werden nacheinander erzeugt,um das Fluid durch die Öffnung 60 ineinen Bereich außerhalbder Kammer 54 auszuspritzen.
    [0028] Mannehme bitte auf 7 Bezug, die ein Diagramm einerWellenform einer Rechteckwelle gemäß der vorliegenden Erfindungist. Es ist ersichtlich, dass die Rechteckwelle eine perfekte Wellenform aufweist.
    [0029] ImGegensatz zum Stand der Technik kann die vorliegende Erfindung einenMikroinjektor 50 mit einer Metallplatte 88 als Äquivalenzerdungsplatte,einer Passivierungsöffnung 84 und einenLeitungskanal 86 bereitstellen, wobei die Passivierungsöffnung 84 undder Leitungskanal 86 beide zum Übertragen der parasitären Kapazität, die aufder Metallplatte 88 angesammelt wird, zur Erdung dienen.Der Mikroinjektor 50 weist zumindest die folgenden Vorteileauf: (1) Da die erste und die zweite Heizvorrichtung 62 und 64,die die erste SiO2-Schicht 72 bedecken, beidesehr schlechte Wärmeleitungskonstanten von1,4 W/mK aufweisen und die Metallplatte 88 jedoch einegute Wärmeleitungskonstantevon 318 W/mK aufweist, kann sich die Metallplatte 88 mitdem Siliziumsubstrat 52, welches auch eine gute Wärmeleitungskonstantevon 160 W/mK aufweist, kombinieren, um Wärme, die von der ersten undder zweiten Heizvorrichtung 62 und 64 erzeugtwird, durch eine Vielzahl von Strahlungsableitungen abstrahlen,die durch eine Kombination der Passivierungsöffnung 84 und desLeitungskanals 86 ausgebildet sind; (2) Die Metallplatte 88 verstärkt die Struktur des spannungsarmenSiliziumnitrids 58; und (3) Das Kurzschließender Metallplatte 88 mit der Erdung über die zweite Metallverbindungsvorrichtungin der Metallschicht 80 verringert nicht nur die parasitäre Kapazität der Metallplatte 88,so dass die zum Ansteuern der ersten und der zweiten Heizvorrichtung 62 und 64 verwendeteRechteckwelle eine perfekte Wellenform aufweisen kann, es machtauch die Metallplatte 88 zu einer großen Äquivalenzerdungsplatte, wobeieine Kombination der Metallplatte 88 und des Siliziumsubstrats 52 alsweitere Erdungsplatte in der Lage sind, Schaltungen im Mikroinjektor 50 vonRauschen zu isolieren (Abschirmeffekt). Abschließend stellt der Mikroinjektor 50 einegute Druckqualität,eine hohe Druckgeschwindigkeit und eine lange Lebensdauer bereit.
    [0030] DerMikroinjektor 50 kann nicht nur auf einen Tintenstrahldruckkopfeines Schwarz-Weiß-oder Farbtintenstrahldruckers angewendet werden, er kann auch aufeine Vielzahl von industriellen Gebieten angewendet werden, wiez.B. ein Kraftstoffeinspritzsystem, ein Zellensortiersystem, einArzneimittelabgabesystem, ein Mikrodüsen-Antriebssystem und Drucklithographie.
    权利要求:
    Claims (9)
    [1] Mikroinjektor (50) mit: einer Kammer(54) zum Einschließenvon Fluid; einer Öffnung(60) in Fluidverbindung mit der Kammer (54), wobeidie Öffnung(60) überder Kammer (54) angeordnet ist; einem Stellglied,das unmittelbar benachbart zur Öffnung(60) und außerhalbder Kammer (54) angeordnet ist, zum Ausspritzen von Fluidaus der Kammer (54); einer Metallplatte (88),die überder Kammer (54) angeordnet ist; und gekennzeichnetdurch einen Leitungskanal (86) zum Verbinden der Metallplatte(88) mit der Erdung.
    [2] Mikroinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Stellglied eine erste Betätigungskomponente (62)und eine zweite Betätigungskomponente(64) zum sequentiellen Erzeugen einer ersten Blase bzw.einer zweiten Blase umfasst.
    [3] Mikroinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die erste Betätigungskomponente(62) eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner istals jene der zweiten Betätigungskomponente(64).
    [4] Mikroinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Mikroinjektor (50) ferner einen Rohrverteiler(56) zwischen einem Fluidbehälter und der Kammer (54)umfasst, um Fluid vom Fluidbehälterzur Kammer (54) zu leiten.
    [5] Mikroinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Mikroinjektor (50) ferner eine Ansteuerschaltung(70), die mit dem Stellglied elektrisch verbunden ist,zum Steuern des Stellgliedes umfasst, wobei ein Ende der Ansteuerschaltung(70) übereine Metallverbindungsvorrichtung (80) mit dem Stellgliedverbunden ist.
    [6] Mikroinjektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,dass die Metallverbindungsvorrichtung (80) aus einem Metallbesteht, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium,Gold, Kupfer, Wolfram und Legierungen von Al-Si-Cu besteht.
    [7] Mikroinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Mikroinjektor (50) ferner einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor(MOSFET) (70) umfasst, der über eine Metallverbindungsvorrichtung(80) elektrisch mit dem Stellglied verbunden ist.
    [8] Mikroinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Leitungskanal (86) aus einem Metall besteht, dasaus einer Gruppe ausgewähltist, die aus Gold und Nickel besteht.
    [9] Mikroinjektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,dass die Ansteuerschaltung (70) MOSFETs, Bipolartransistoren,JFET-Transistoren oder Dioden umfasst.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-05-25| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2010-03-25| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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