DE68921126T2 - Flüssigkeitshandhabungsvorrichtung mit Filter und Verfahren zu deren Herstellung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft relativ kleine Fluidfilter-Geräte und deren Herstellvorgänge und insbesondere einen Tintenstrahl- Druckkopf mit einem im wesentlichen flachen laminierten Filter und ein Verfahren zur Herstellung des Druckkopfes mit einem derartigen Filter.
• Es gibt viele gut bekannte, relativ kleine Fluidhandhabungs- Geräte, welche ein Filter enthalten, um zu verhindern, daß durch ein Fluid mitbeförderte Verunreinigungen in das Gerät eintreten. Allgemein werden die Filter einzeln während der Herstellung in jedes Gerät eingebaut oder an das jeweilige Gerät angebaut. Ein typisches Beispiel für ein kleines Fluid-Handhabungsgerät ist ein thermischer Tintenstrahl-Druckkopf.
• Ein typisches, durch thermische Betätigung auf Anforderung Tropfen abgebendes Tintenstrahl-Drucksystem benutzt thermische Energieimpulse, um in einem tintengefüllten Kanal Dampfbläschen zu erzeugen, welche aus den Kanalmündungen des Druckkopfes des Drucksystems Tropfen ausstoßen. Derartige Druckköpfe besitzen einen oder mehrere tintengefüllte Kanal/Kanäle, die an einem Ende mit einer relativ kleinen Tintenvorratskanmer in Verbindung stehen und an dem gegenüberliegenden Ende eine Mündung besitzen, welche auch als eine Düse bezeichnet wird. Ein Thermoenergie-Generator, üblicherweise ein Widerstand, ist in dem Kanal in der Nähe der Düse mit einem vorbestimmten Abstand zustromseitig von dieser angeordnet. Die Widerstände werden individuell mit einem Stromimpuls adressiert, um die Tinte augenblicklich zum Verdampfen zu bringen und ein Bläschen zu bilden, welches einen Tintentropfen ausstößt. An jeder Düse wird ein Meniskus mit einem geringen Unterdruck ausgebildet, um Tinte daran zu hindern, davon auszulaufen.
• US-A-4 639 748 offenbart einen thermischen Tintenstrahl-Druckkopf, der zusammengesetzt ist aus zwei miteinander ausgerichteten und verbundenen Teilen. Ein Teil ist ein im wesentlichen flaches Substrat, das an seiner Oberfläche eine Linearanordnung von Heizelementen und Adressier-Elektroden enthält. Das andere Teil ist ein flaches Substrat mit einer Reihe von miteinander geätzten Vertiefungen in einer Fläche. Die Reihe von Vertiefungen enthält eine Parallelanordnung länglicher Vertiefungen zur Verwendung als kapillare gefüllte Tintenkanäle mit Tintentropfen abgebenden Düsen an einem Ende und mit einer Verbindung zu einer gemeinsamen Tintenzufuhr-Verteilervertiefung an den anderen Enden. Die Verteilervertiefung enthält eine integrale geschlossene Wand, welche eine Kammer innerhalb der Verteilervertiefung und eine Tintenfüllöffnung bestimmt. Kleine Durchlässe sind in der oberen Kante der inneren Kammerwände ausgebildet, um einen Durchtritt von Tinte von da in den Verteiler zuzulassen. Jeder Durchlaß besitzt eine kleinere Strömungs- Querschnittsfläche als die Düse, um die Tinte zu filtern, während die gesamte Querschnitts-Strömungsfläche der Durchlässe größer ist als die gesamte Querschnitts-Strömungsfläche der Düsen. Viele Druckköpfe können gleichzeitig hergestellt werden durch Erzeugen einer Vielzahl von Sätzen von Heizelement-Anordnungen mit ihren Adressier-Elektroden an einem Silizium-Plättchen (wafer) und durch Ansetzen von Ausrichtmarken an vorbestimmten Stellen desselben. Eine entsprechende Vielzahl von Sätzen von Kanälen und zugeordneter Verteiler mit internen Filtern wird in einem zweiten Silizium-Wafer erzeugt und bei einer Ausführung werden an vorbestimmten Orten Ausrichtöffnungen daran geätzt. Die beiden Wafer werden über die Ausrichtöffnungen und -Markierungen ausgerichtet, dann miteinander verbunden und in eine Vielzahl getrennter Druckköpfe zerteilt.
• US-A-4 251 824 offenbart einen thermischen Tintenstrahl-Druckkopf mit einem Filter an dem Tintenzuführeinlaß zum Druckkopf. US-A-4 380 770 offenbart einen Tintenstrahl-Druckkopf mit einer in Fig. 6 gezeigten Ausführung, die eine Linearanordnung von Nuten zum Filtern der Tinte benutzt. Die genannten Schriften zum Stand der Technik offenbaren die Anordnung von Einzelfiltern für jeden Druckkopf oder die Aufnahme von integralen Filtern, die komplizierte photolithographisch gemusterte Druckkopfteile erfordern.
• US-A-4 673 955 offenbart einen Tintenbehälter für einen auf Anforderung Tropfen abgebenden Tintenstrahl-Drucker. Der Behälter enthält eine relativ große Tintenvorratskammer und eine kleinere Tintenkammer. Tinte von der kleineren Kammer steht mit dem Tintenstrahl-Druckkopf in Verbindung. Die größere Tintenvorratskammer ist hermetisch abgedichtet und steht über ein Filter mit der kleineren Kammer in Verbindung.
• Die vorliegende Erfindung ist dazu bestimmt, ein Fluid-Filter- und -Handhabungsgerät zu schaffen, das einfacher aufgebaut und weniger kostspielig zu erzeugen ist als die bisher bekannten derartigen Geräte.
• Die Erfindung schafft dementsprechend ein Fluid-Filtrier- und Handhabungsgerät, das erhalten wird durch Zerteilen von zwei oder mehr Schichten aus miteinander verbundenem Material, und das umfaßt zwei oder mehr miteinander ausgerichtete und verbundene im wesentlichen flache Substrate, wobei mindestens eines der Substrate eine Vielzahl von Sätzen von Vertiefungen oder Löchern enthält, welche eine Vielzahl von Sätzen von Fluidlenk-Durchlässen bilden; ein im wesentlichen flaches Filter mit einer vorbestimmten Dicke, Fluiddurchlaß-Porengröße und einem vorbestimmten Außenumfang, welches Filter auf die Außenfläche eines ersten der Substrate laminiert wurde, wobei der Umfang des Filters der gleiche wie oder größer als der des Substrates ist, auf das es laminiert wurde.
• Die vorliegende Erfindung schafft ein Fluidfiltersystem für jedes aus einer Vielzahl von Fluidfiltergeräten durch Laminieren eines im wesentlichen flachen wafergroßen Filters zu der Fluideinlaßseite eines wafergroßen Fluidhandhabungs-Substrats, das eine Vielzahl von Fluidhandhabungs-Geräten enthält. Nach Laminierung des Filters auf das Substrat wird die aus Substrat und Filter bestehende Anordnung in eine Vielzahl separater Geräte zerteilt.
• Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Tintenfiltersystem für jeden Druckkopf aus einer Vielzahl von Tintenstrahl-Druckköpfen durch Laminieren eines im wesentlichen flachen wafergroßen Filters auf das Tinteneinlaßsubstrat oder -Wafers, welcher eine Vielzahl von Tintenkanal-Platten enthält. Das Laminieren des Filters auf den Kanalwafer kann vor oder nach dem Zusammenbau mit dem Substrat gleicher Größe durchgeführt werden, welches die Vielzahl von Heizelementsätzen und den zugehörigen Adressierelektroden enthält, wie durch die vorher angeführte US-A-4 639 748 gelehrt. Einzelne Druckköpfe werden typischerweise durch Zerteilen der Wafer/Filter-Anordnung gebildet.
• Ein im wesentlichen flaches Filter kann benutzt werden mit einem Aufbau, der den Verschleiß der Zerteilungs-Trennscheibe minimal hält, die Dicke des erforderlichen Klebers minimal hält und ein bequemes Abdichten z.B. mit Tintenvorrats-Patronen des in US-A-4 571 599 beschriebenen Typs ermöglicht.
• Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Vielzahl von Tintenstrahl-Druckköpfen mit laminierten Filtern aus zwei (100)- Siliziumwafern erzeugt, wobei die Druckköpfe repräsentativ für ein typisches relativ kleines Fluidhandhabungs-Gerät sind. Eine Vielzahl von Heizelementsätzen und ihren einzelnen Adressier- Elektroden wird auf der Oberfläche eines der Wafer ausgebildet und eine entsprechende Vielzahl von Sätzen von parallelen Kanälen in einer Oberfläche des anderen Wafers, wobei jede Reihe von Kanälen mit einem vertieften Verteiler in Verbindung steht. Eine Füllbohrung für jeden Verteiler und Mittel zum Ausrichten werden in der anderen Fläche des Wafers mit den Kanälen ausgebildet. Ausrichtmarkierungen werden an vorbestimmten Orten an der Waferoberfläche mit den Heizelementen ausgebildet. Ein wafergroßes flaches Membranfilter wird mit den Füllbohrungen auf die Waferfläche laminiert. Die Waferoberfläche mit den Kanälen wird mit den Heizelementen mit Hilfe des Ausrichtmittels und der Ausrichtmarkierungen ausgerichtet und miteinander verbunden. Das Filter kann auf die Waferoberfläche mit den Füllbohrungen laminiert werden, bevor oder nachdem dieser Wafer mit dem Heizelement-Wafer verbunden ist. Eine Vielzahl von einzelnen Druckköpfen wird erzielt durch gleichzeitiges Zerteilen der beiden verbundenen Wafer und des laminierten Filters. Jeder Druckkopf wird dichtend mit einer Tintenvorrats- Patrone verbunden, während die andere Seite des Druckkopfes an einer Hilfsplatine angebracht wird, wie durch US-A-4 639 748 gelehrt.
• Bei einem solchen Tintenstrahl-Druckkopf, wie er vorstehend beschrieben ist, besitzen die Düsen sehr kleine Strömungsflächen. Dieses macht die Verwendung eines Feinfiltrierungssystems notwendig, um zu verhindern, daß Verunreinigungspartikel die Druckkopfdüsen zusetzen. Zur maximalen Wirksamkeit sollte die Tintenfiltrierung an der Verbindungsstelle des Druckkopfes mit dem Tintenvorrat geschehen, um so nahe an den Düsen wie möglich zu filtern und trotzdem den Tintenstrom nicht zu begrenzen. Zur vollen Wirksamkeit muß das wafergroße flache Filter einen Aufbau besitzen, der einen Trennscheiben-Verschleiß minimalisiert. Bei der bevorzugten Ausführung ist das Filter elektrogeformt.
• Die vorliegende Erfindung schafft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Fluidfilter- und -Handhabungsgeräts, welches die Schritte umfaßt des Ausformens einer Vielzahl von Sätzen von Vertiefungen in einem im wesentlichen flachen ersten Substrat mit parallelen ersten und zweiten Flächen, wobei eine der Vertiefungen eine Durchgangsöffnung ist oder mit einer solchen in Verbindung steht, die so einen Einlaß in der zweiten Fläche bildet; des Ausrichtens und Verbindens einer ersten Fläche eines im wesentlichen flachen zweiten Substrats, das zu der ersten Fläche des ersten Substrats parallele erste und zweite Flächen besitzt; des Laminierens eines im wesentlichen flachen Filters auf die zweite Fläche des ersten Substrats, wobei das Filter eine vorbestimmte Dicke und Fluiddurchlaß-Porengröße besitzt und einen Außenumfang, der gleich groß wie oder größer als der der zweiten Fläche des ersten Substrats ist, so daß die gesamte zweite Fläche einschließlich der Einlässe des ersten Substrats bedeckt wird; und des gleichzeitigen Zerteilens der verbundenen Substrate und des laminierten Filters, um eine Vielzahl von Fluidfiltrier- und Handhabungsgeräten zu erzeugen.
• Zusätzlich zum Filtrieren von Verunreinigungen aus der Tinte und dem Tintenversorgungssystem während des Druckens hält das laminierte Filter auch Staub und andere Verunreinigungen ab beim Zusammenbauen des Druckkopfes in die großen Tinteneinlässe einzudringen.
• Die vorstehenden Merkmale und andere Ziele werden offenbar beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, bei denen gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen tragen.
• Fig. 1 ist eine schematische isometrische Ansicht eines Tinteneinlaßsubstrats und eines gleichgroßen, im wesentlichen flachen Filters nach der vorliegenden Erfindung, mit Abstand voneinander dargestellt.
• Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht auf eine von einer Vielzahl von Tinteneinlaßplatten, die in dem Wafer in Fig. 1 enthalten sind, und die ihre Füllöffnung zeigen.
• Fig. 3 ist eine vergrößerte Draufsicht auf einen Teil des im wesentlichen flachen Filters der Fig. 1.
• Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung des Filters, längs Linie 4-4 der Fig. 3 gesehen.
• Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführung des Filters.
• Fig. 6 ist eine vergrößerte isometrische Teilansicht eines Einzeldruckkopfes mit dem erfindungsgemäßen Filter und zeigt die Tintentröpfchen aussendenden Düsen.
• Fig. 7 ist eine Teildraufsicht auf die Ausgestaltung nach Fig. 6.
• Fig. 8 ist eine vergrößerte teilweise gezeigte isometrische Darstellung eines Einzeldruckkopfes mit einer "Roofshooter"-(roofshooter = mehrgeschossiges Flachdachgebäude mit zurückgesetztem Obergeschoß) mit dem Filter der vorliegenden Erfindung, der die Tintenfüllöffnung bedeckt.
• Fig. 9 ist eine teilweise gezeigte vergrößerte isometrische Ansicht einer alternativen Ausführung des Druckkopfes nach Fig. 8.
• In Fig. 1 wird ein zweiseitig polierter (100)-Siliziumwafer 16 benutzt, um eine Vielzahl von oberen Substraten oder Kanalplatten 31 für den Druckkopf 10 nach Fig. 6 zu erzeugen. Nachdem der Wafer chemisch gereinigt ist, wird an beiden Seiten eine pyrolytische CVD-Siliziumnitrid-Schicht (nicht dargestellt) abgeschieden. Unter Benutzung üblicher Photolithographie wird ein Weg für eine Füllöffnung 25 für jede der Vielzahl von Kanalplatten 31 und werden mindestens zwei Wege für Ausrichtöffnungen oder -Gruben (nicht dargestellt) an vorbestimmten Orten auf die in dieser Figur gezeigte Waferseite aufgedruckt. Das Siliziumnitrid wird von den vorgegebenen, Füllöffnungen und Ausrichtöffnungen darstellenden Wegen durch Plasma-Ätzung abgetragen. Wie in der bereits erwähnten US-A- 4 639 748 oder dem U.S. Reissue-Patent Re. 32 572 geoffenbart, wird eine Kaliumhydroxid(KOH)-Anisotropie-Ätzung zum Ätzen der Füllöffnungen und Ausrichtöffnungen benutzt. In diesem Fall bilden die (111)-Ebenen des (100)-Wafers einen Winkel von 54,70 mit der Oberfläche 33 des Wafers. Die in Fig. 2 gezeigte Füllöffnung hat die Form eines kleinen Quadrats von etwa 0,5 mm Seitenlänge, und die (nicht gezeigten) Ausrichtöffnungen sind Quadrate mit etwa 1,5 bis 2,0 mm. So werden die Ausrichtöffnungen vollständig durch den 0,5 mm dicken Wafer hindurchgeätzt, während die Füllöffnungen bis zu einem Endscheitel von ungefähr der Hälfte bis drei Vierteln durch das Wafer geätzt werden. Die relativ kleine quadratische Füllöffnung ist invariant zu weiterer Größenzunahme bei fortgesetzter Ätzung, so daß die Ätzungen der Ausrichtöffnungen und der Füllöffnungen nicht bedeutsam zeitbeschränkt sind. Diese Ätzung dauert etwa zwei Stunden, und viele Wafer können gleichzeitig bearbeitet werden. Die Kanalplatte kann auch durch eine einseitige Photolithographie und einen Mehrschritt-Atzvorgang hergestellt werden, wie es in der anhängigen EP-Anmeldung 89 308 476.4 beschrieben ist.
• Als nächstes wird die gegenüberliegende Seite des Wafers 16 mit einem Photolithographie-Muster versehen unter Benutzung der vorher geätzten Ausrichtöffnungen als Referenz, um die relativ große rechteckige Vertiefung 20 und die zugeordnete Vielzahl von dreieckigen Kanalnuten 22 (siehe Fig. 2) auszubilden, die dann ggf. der Tintenverteiler bzw. die Tintenkanäle des Druckkopfes werden.
• Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht auf einen Abschnitt des Silizium-Wafers 16, das eine der Vielzahl von in dem Wafer enthaltenen geätzten Kanalplatten darstellt und die Verteilervertiefung 20 und die Vielzahl von Tintenkanal-Vertiefungen 22 gestrichelt zeigt. Der Herstellvorgang für den Druckkopf ist in dem U.S. Reissue-Patent Re. 32 572 und in US-A-4 678 529 geoffenbart. Alternativ kann der einseitige mehrstufige Ätzvorgang benutzt werden, wie er in der bereits erwähnten anhängigen EP-Anmeldung 89 308 476.4 beschrieben ist, um die Kanalplatten zu bilden. Diese Schritte des Öffnens der Tintenkanäle 22 zu der Verteilervertiefung 20 und des Öffnens des Füllöffnung vom Behälter in die Verteilervertiefung 20 sind in diesen Patentschriften vollständig beschrieben. Typischerweise werden der Kanal-Wafer und der Heizelement-Wafer so miteinander ausgerichtet und verbunden, wie in US-A-4 678 529 beschrieben ist, bevor das Filter laminiert wird. Die Oberfläche 33 des Silizium- Wafers wird vorbereitet, um den gleich großen Filter 14 daran anzubringen, in der gleichen Weise, wie in US-A-4 678 529 (Drake u.a.) beschrieben. Grundsätzlich wird die Verbindung Filters 14 mit dem Kanal-Wafer 16 dadurch bewirkt, daß ein flexibles (nicht dargestelltes) Substrat mit einer relativ dünnen gleichförmigen Kleberschicht versehen wird, die eine nicht klebrige Zwischenaushärtestufe besitzt mit einer Lagerbeständigkeit von etwa einem Monat, um die Teile leichter ausrichten zu können und das Lagern der Bestandteile mit daran befindlichem Kleber zu erleichtern. Etwa die Hälfte der Kleberschicht an dem flexiblen Substrat wird innerhalb einer vorbestimmten Zeit auf die Oberfläche 33 des Wafers des Beschichtens des flexiblen Substrats übertragen, indem es in Berührung mit diesem gesetzt und eine vorbestimmte Temperatur und ein vorbestimmter Druck auf das flexible Substrat angewendet wird, bevor es von dem Kanal-Wafer abgeschält wird. Dadurch bleibt der Kleber auch im flüssigen Zustand daran hängen und es ist sichergestellt, daß etwa die Hälfte der Dicke der Kleberschicht an dem flexiblen Substrat verbleibt und damit beseitigt wird, während eine sehr dünne gleichförmige Kleberschicht an der Oberfläche 33 des Kanal-Wafers verbleibt, ohne daß der Kleber in die Kanten der Füllöffnung fließt. Die übertragene, an der Waferfläche verbleibende Kleberschicht tritt in einen nichtklebrigen Zwischen-Aushärtezustand ein, um das darauffolgende Ausrichten des Filters zu unterstützen. Das Filter 14 und der Ätzkanal-Wafer 16 werden ausgehärtet, um die Verbindung des Filters mit diesem zu vervollständigen.
• Fig. 3 ist eine vergrößerte teilweise gezeigte Draufsicht auf ein elektrogeformtes Filter. Die massiv schwarzen Quadrate 24 stellen Durchgangslöcher dar, die in der Filterindustrie als Poren bezeichnet werden. Das Filter kann eine Dicke von 1-100 µm besitzen und schafft Porengrößen gleich den oder kleiner als die Strömungsflächen der Druckkopfdüsen. Dies gibt typischerweise eine Strömungsfläche von 50% durch das Filter. Ein elektrogeformtes Filter kann selbst hergestellt oder im Handel erworben werden. Das Filtermaterial muß ein plattierbares Material sein, das gegen Tinte korrosionsfest, trennbar und genügend robust zur Hantierbarkeit ist. Nickel ist ein solches Material.
• Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht des Filters, längs Linien 4-4 der Fig. 3 gesehen, und zeigt, daß zwischen den Poren 24 des Filters kein Querlecken (seitliche Undichtheit) besteht.
• Fig. 5 ist eine alternative Ausführung des Filters 14, es ist ein ebenfalls auf den Wafer 16 laminiertes feinmaschiges Siebfilter. Wegen des Korrosionswiderstandes kann ein Edelstahl- Webmaschenfilter benutzt werden, jedoch sind auch andere Webmaterialien wie Nylon mögliche Alternativen. Es werden hier jedoch seitliche Luftspalte 18 dort gebildet, wo die das Filter bildende Edelstahldrähte einander überqueren. Demzufolge muß ein Webfilter sowohl um die Füllöffnung wie auch um den Tintenvorratspatronen-Auslaß gut abgedichtet werden.
• Ein außerordentlicher Trennscheiben-Verschleiß kann mit der Filtergestaltung nach Fig. 3 vermieden werden, da das Filtermaterial beispielsweise Nickel statt einem Material wie Edelstahl sein kann, das doppelt so hart wie die die Diamantteilchen an der Trennscheibe haltende Trennscheibenmatrix ist. Die elektrogeformten Filter sind von guter Festigkeit und können extrem dünn sein. Für einen Druckkopf mit 12 Punkten pro mm wird typischerweise eine Filterkorngröße von 5-30 µm verwendet. Ein solches Filter ist im Handel beispielsweise von Buckbee-Mears erhältlich. Es besitzt eine Dicke von 4-7 µm und hat eine gleichmäßige Porengröße, die absolute Filtrierung ergibt, da es durch die Photolithographie eines positiven Photoresists gesteuert wird. Diese Filter sind leicht abzudichten, da ihre Grundtopographie extrem flach ist, und solange das Dichtungsgebilde etliche Male breiter als die Porengröße ist, tritt kein seitliches Durchlecken auf. Der Fluidwiderstand ist sehr niedrig, da das Filter extrem dünn ist und mit realtiv hohen Durchgangswerten hergestellt werden kann. Ein elektrogeformtes Filter von 4 µm Dicke mit einem quadratischen Gittermuster von 40 Linien pro mm und Porengröße von 18 µm im Quadrat besitzt einen Durchgangswert von 50%. Andere Porenformen sind zulässig, solange die Porenfläche etwa 300 µm² beträgt. Das ist etwa das Doppelte des Durchgangswertes von kommerziell erhältlichen feinmaschig gewebten Filtern nach Fig. 5. Aus diesem Grunde werden wegen des erhöhten Fluiddurchlasses elektrogeformte Flachfilter allgemein als wünschenswerter für kleine Fluidfiltergeräte angesehen.
• Zusätzlich zum Ausfiltern von Verunreinigungen aus der Tinte und dem Tintenvorrats-System während des Druckens hält das Filter auch Staub und andere Verschmutzungen davon ab, während des Druckkopf-Zusammenbauens in die relativ großen Einlässe einzudringen. Auf diese Weise ist es möglich, weniger peinlich saubere und deshalb weniger teure Montageräume für die Druckkopfherstellung zu benutzen, nachdem das Filter an seinen Ort angefügt wurde. Betätigungen bis zum Zusammenbau des Filters mit den miteinander verbundenen Kanal- und Heizer-Wafern müssen in einem sauberen Raum unter einer Sauberkeitshaube (Handschuhkasten) geschehen, während die darauffolgenden Betätigungen einige Kompromisse in Bezug auf Sauberkeit zulassen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das laminierte Filter eine Verstärkung für die rasiermesserscharfen und brüchigen Kanten der richtungsabhängig geätzten Löcher im Silizium ergibt.
• In Fig. 6 ist eine schematische Darstellung des Druckkopfs 10 nach der vorliegenden Erfindung teilweise in isometrischer Darstellung gezeigt, wobei Auswurfbahnen 11 und Tröpfchen 12 gestrichelt eingezeichnet sind. Der Druckkopf umfaßt eine permanent mit einer Heizerplatte 28 verbundene Kanalplatte 31. Die Kanalplatte besteht aus Silizium und die Heizerplatte kann aus jedem isolierenden oder halbleitenden Material sein, wie es in dem angeführten Reissue-Patent von Hawkins u.a. geoffenbart ist. Die Kanalplatte 31 enthält eine gestrichelt eingezeichnete geätzte Vertiefung 20 in einer Fläche, die mit der Heizplatte 28 zusammengebaut einen Tintenvorrat oder Verteiler bildet. Eine Vielzahl von strichpunktiert eingezeichneten identischen Parallelnuten 22 mit dreieckigem Querschnitt sind in die gleiche Fläche der Kanalplatte eingeätzt, wobei eines der Nutenenden die Frontfläche 29 dieser Platte durchdringt. Die anderen Enden der Nuten münden in die Vertiefung 20. Wenn die Kanalplatte und die Heizerplatte zusammengebaut sind, ergeben die Nutdurchdringungen durch die Seitenfläche 29 die Düsen 27, und die Nuten 22 dienen als Tintenkanäle, welche den Verteiler mit den Düsen verbinden. Die obere Fläche 30 der Heizplatte 28 enthält eine Vielzahl von Sätzen von Heizelementen (17, 19) und Adressier-Elektroden 32, wobei jeweils ein Heizelement mit einem jeweiligen Tintenkanal ausgerichtet und in ihm mit vorbestimmtem Abstand zustromseitig von den Düsen 27 sitzt. Eine Öffnung 25 in der Kanalplatte ergibt ein Mittel, den Tintenvorrat im Verteiler von einer (nicht gezeigten) Tintenzuführquelle aufzufüllen. Das Filter 14 nach der vorliegenden Erfindung wurde durch das Kleber-Übertragungsverfahren nach US -A-4 678 529 mit der Füllbohrungsseite der Kanalplatte klebend verbunden. Eine vergrößerte Draufsicht auf einen Abschnitt des Filters 14 in der Umgebung der Füllöffnung 25 ist in Fig. 7 gezeigt. Die Filterporen 24 überdecken frei die Füllöffnung 25, jedoch ist in den Bereichen, wo sie die Kanalplattenfläche 33 berühren, der Kleber in die Filterporen 24 eingedrungen und das Filter mit der Kanalplatte verbunden. Das elektrogeformte Filtersieb 14 nach der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise in der Größe eines vollständigen Waferdurchmessers benutzt und nach der Verbindung mit der Fläche eines eine Vielzahl von Kanalplatten 31 enthaltenden Wafers wird das sich ergebende Laminat mit einer Ausbeute von 100% in Einzeldruckköpfe getrennt. Das Filter bedeckt weiterhin die gesamte Oberfläche jeder abgetrennten Kanalplatte.
• Fig. 8 ist eine vergrößerte isometrische Ansicht eines Druckkopfes nach einer zweiten Ausführung der Erfindung, wobei der Druckkopf 50 die erwähnte Roofshooter-Gestaltung (die Form eines mehrgeschossigen Flachdach-Gebäudes mit abgesetztem Obergeschoß) besitzt, wobei die Tintentröpfchen auswerfenden Düsen 53 mit dem länglichen Tintenfüllschlitz und dem gestrichelt eingezeichneten Teilbehälter dargestellt sind, zusammen mit dem Filter 14 nach der vorliegenden Erfindung, vorzugsweise einem elektrogeformten Filter, das am Boden desselben angebracht ist, um die in den Behälter 56 eintretende Tinte zu filtern. Beim Roofshooter-Druckkopf 50 sind teilweise Pfeile 11 dargestellt, welche die Auswurfbahnen von aus den Mündungen oder Düsen 53 ausgeworfenen Tröpfchen 12 abbilden. Der Druckkopf 50 umfaßt ein permanent an der Heizplatte 54 angebrachtes Bauteil 58. Das Material des Heizersubstrats kann beispielsweise Silizium sein wegen der Massenherstellfähigkeit mit geringen Kosten für solche Platten, wie erwähnt in der U.S. Reissue-Patentschrift (Hawkins u.a.) Das Heizsubstrat 54 enthält eine gestrichelt gezeichnete geätzte Vertiefung 56, die beim Zusammenbau mit dem Bauteil 58 einen Tinteneinlaß und -Behälter oder -Verteiler bildet. Elektrodenklemmen 38 erstrecken sich über das Bauelement 58 und liegen an der Kante der Fläche 55 des Heizersubstrats 54 frei. Das Bauteil 58 umfaßt zwei miteinander laminierte Teile. Eines ist eine Tintenstrom-Lenkschicht 51, die aus einem Material besteht, das durch Photosensivierung, Belichtung und Entwicklung liniert ist. Es kann entweder durch Naß- oder Trockenätzung mittels einer gemusterten Maske mit Linien versehen werden. Die Schicht 51 ist so ausgebildet, daß sie Tintenstrom-Richtwände bestimmt, welche ein übertreten zwischen den einzeln adressierten Heizelementen verhindert. Das andere Teil ist eine Düsenplatte 52, die allgemein eine auf die bemusterbare Materialschicht 51 gesetzte Trockenfilm-Photoresistschicht ist, die ausgerichtet, abgebildet und entwickelt wird zur Ausbildung einer oberen Schicht mit darin befindlichen Düsen 53. Wiederum bedeckt das Filter 14 den ganzen Boden des Druckkopfes 50, der den Tinteneinlaß 56 enthält.
• Fig. 9 ist eine vergrößerte isometrische Ansicht eines Druckkopfs nach einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei der Druckkopf 60 eine alternative Roofshooter-Gestaltung aufweist. Der Unterschied zwischen dem Druckkopf 60 und dem Druckkopf 50 nach Fig. 8 besteht darin, daß das Heizsubstrat 65 des Druckkopfes 60 aus zwei Teilen 61 und 62 besteht, die durch jeweils gestrichelt gezeigte Bohrungen 63 bzw. 64 ausgerichtet sind. Teil 61 ist die Heizplatte, welche die Heizelemente enthält, während Teil 62 die Tinteneinlaßplatte ist. Das Filter 14 ist zwischen die beiden gesetzt, indem es zuerst mit einer der beiden einander gegenüberliegenden Flächen der Teile 61, 62 verbunden wurde. So wird die Vielzahl von einzelnen Druckköpfen mit Filtern ebenfalls erhalten durch eine Schnittbetätigung wie Zertrennen der verschieden gemusterten Schichten 51, 52, 61 und 62 plus Filter 14.
• Zusammengefaßt benutzt die Erfindung ein im wesentlichen flaches Filter von der Größe eines Silizium-Wafers, das an ein wafergroßes Fluid-Handhabungssubstrat mit Kleber angebracht wird. Das Filter kann mit dem Fluidbehandlungssubstrat oder Wafer vor dem Ausrichten und Verbinden mit dem Heizelement- Wafer, während dieses Vorgangs oder nach demselben verbunden werden. Die Vielzahl von einzelnen Druckköpfen wird in der üblichen Art des Zertrennens der miteinander verbundenen Druckkopfschichten erhalten, wobei der Unterschied darin besteht, daß das Filter bereits angeklebt (verbunden) ist und gleichzeitig getrennt werden muß. Das Filter bedeckt die gesamte Fläche der Fluidbehandlungsschicht des Druckkopfes. Im allgemeinen wird dieses Konzept auf jeden Druckkopf mit einer oder mit mehreren Wafersubstratschichten angewendet, wobei das Filter von Wafergröße an eine dieser Schichten laminiert wird. Das Filter kann ein gewebtes Maschenfilter oder vorzugsweise ein Membranfilter sein, wie es beispielsweise durch Elektroformen oder einen anderen photolithographisch definierbaren Vorgang erzeugt werden kann.
• Zusätzlich zum Ausfiltern von Verunreinigungen aus der Tinte und dem Tintenvorratssystem während des Druckes hält das Filter auch Schmutz und andere Verunreinigungsteilchen davon ab, während der Montage des Druckkopfs in die relativ großen Einlässe einzudringen.
• Viele Abwandlungen und Veränderungen ergeben sich aus der vorstehenden Beschreibung der Erfindung innerhalb des Schutzbereiches der angefügten Ansprüche.

Claims (10)

1. Fluid-Filtrier- und -Handhabungsgerät, das erhalten wird durch Zerteilen von zwei oder mehr Schichten aus miteinander verbundenem Material, und das umfaßt:

zwei oder mehr miteinander ausgerichtete und verbundene im wesentlichen flache Substrate (28, 31; 51, 52, 54; 51, 52, 61, 62), wobei mindestens eines (31; 51, 52, 54; 51, 52, 61, 62) der Substrate eine Vielzahl von Sätzen von Vertiefungen (20, 22; 56; 63, 64) oder Löchern (53) enthält, welche eine Vielzahl von Sätzen von Fluidlenk-Durchlässen bilden;

ein im wesentlichen flaches Filter (14) mit einer vorbestimmten Dicke, Fluiddurchlaß-Porengröße und einem vorbestimmten Außenumfang, welches Filter auf die Außenfläche eines ersten (31; 54; 61) der Substrate laminiert wurde, wobei der Umfang des Filters (14) der gleiche wie oder größer als der des Substrates (31; 54; 61) ist, auf das es laminiert wurde.

2. Fluid-Filtrier- und -Handhabungsgerät nach Anspruch 1, bei dem die Substrate jeweils erste und zweite zueinander parallele Flächen besitzen, in der ersten Fläche mindestens des ersten (31) der Substrate eine Vielzahl von Sätzen von Vertiefungen (22) ausgebildet ist, die ersten Flächen der Substrate miteinander ausgerichtet und verbunden sind, so daß die Sätze von Vertiefungen eine Vielzahl von Sätzen von Fluidlenk-Durchlässen bilden, und die zweite Fläche des ersten Substrats (31) eine Vielzahl von Einlässen (25) besitzt, jeder Einlaß mit einem jeweiligen Satz von Fluidlenk-Durchlässen in Verbindung steht, und wobei das Filter (14) auf die zweite Fäche des ersten Substrats (31) laminiert ist.

3. Tintenstrahl-Druckkopf, der das Fluid-Filtrier- und -Handhabungsgerät nach Anspruch 2 umfaßt, wobei die Sätze von Durchlässen längliche Tintenkanäle sind, ein Ende jedes Tintenkanals mit einem zugeordneten Verteiler (20) in Verbindung steht, wobei jeder Einlaß (25) mit einem jeweiligen Verteiler in Verbindung ist und wobei das dem mit dem Verteiler in Verbindung stehenden Ende gegenüberliegende Ende jedes Tintenkanals nach außen offen ist, um dadurch als eine Tinte aussendende Düse zu dienen.

4. Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 3, wobei der Druckkopf ein thermisch betätigter auf Bedarf Tropfen abgebender Tintenstrahl-Druckkopf ist, und wobei die erste Fläche (30) eines zweiten Substrats (28; 51), das dem ersten Substrat (31; 54; 61) gegenüberliegt, eine Vielzahl von Sätzen von Heizelementen (17, 19) und Adressier-Eleketroden (32) enthält, wobei je ein Heizelement mit einem jeweiligen Tintenkanal (22) ausgerichtet ist und sich in einem jeweiligen der Tintenkanäle (22) mit einem vorbestimmten Abstand zustromseitig zu dessen Düse (27) befindet.

5. Fluid-Filtrier- und -Handhabungsgerät nach Anspruch 1, mit der Ausgestaltung eines thermischen Tintenstrahl-Druckkopfs (50; 60) des Typs mit einer Roof shooter-Gestaltung, wobei der Druckkopf Heizelemente und Düsen (53) besitzt, welche bei Bedarf Tröpfchen in einer Richtung senkrecht zu den Heizelementen ausstoßen, der Druckkopf ein elektrisch isolierendes flaches Substrat (54; 61) besitzt mit Heizelementen, die an einer Fläche (55; 66) desselben benachbart einer Durchgangsöffnung (56; 63) ausgebildet sind, welche sowohl als Einlaß wie als Vorratsraum dient,

wobei das Filter (14) mit der der Fläche mit den Heizelementen gegenüberliegenden Druckkopf-Substratfläche verbunden ist.

6. Fluid-Filtrier- und -Handhabungsgerät des Tintenstrahldruckkopfs nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Filtermaterial Nickel, die Dicke 4 µm, die Porengröße 18 µm und die Tintendurchgangsfläche des Filters etwa 50% ist.

7. Verfahren zum Herstellen eines Fluid-Filtrier und -Handhabungsgerätes, welches die Schritte umfaßt:

Ausformen einer Vielzahl von Sätzen von Vertiefungen (20, 22; 56; 63) in einem im wesentlichen flachen ersten Substrat (31; 54; 61) mit parallelen ersten und zweiten Flächen, wobei eine der Vertiefungen (20; 56; 63) eine Durchgangsöffnung ist oder mit einer solchen in Verbindung steht, die so einen Einlaß (25) in der zweiten Fläche bildet;

Ausrichten und Verbinden einer ersten Fläche (30) eines im wesentlichen flachen zweiten Substrats (28; 51; 61), das zu der ersten Fläche (56; 66) des ersten Substrats (31; 54; 61) parallele erste und zweite Flächen besitzt;

Laminieren eines im wesentlichen flachen Filters (14) auf die zweite Fläche des ersten Substrats (31; 54; 61), wobei das Filter eine vorbestimmte Dicke und Fluiddurchlaß-Porengröße besitzt und einen Außenumfang, der gleich groß oder größer als der der zweiten Fläche des ersten Substrats (31; 54; 61) ist, so daß die gesamte zweite Fläche des ersten Substrats bedeckt wird, einschließlich der Einlässe (25); und

gleichzeitiges Zerteilen der verbundenen Substrate (28; 31; 51, 54; 51, 61) und des laminierten Filters (14), um eine Vielzahl von Fluidfiltrier- und Handhabungsgeräten (10; 50; 60) zu erzeugen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das erste Substrat (31) Silizium ist, wobei jeder Satz von Vertiefungen eine Vielzahl von parallelen, länglichen Tintenkanälen (22) mit ersten und zweiten Enden und einen Verteiler (20) enthält, der mit den zweiten Enden der Tintenkanäle in Verbindung ist, jeder Verteiler (20) die als Einlaß dienende Durchgangsbohrung enthält; und wobei das gleichzeitige Zerteilen des verbundenen Substrats und Filters bewirkt wird durch Zerteilen nach Art eines Halbleiter-Plättchens, wobei das Zerteilen gleichzeitig die ersten Enden (27) jeder Reihe von Tintenkanälen öffnet, um die Tintenauswurfdüsen (27) eines Tintenstrahl-Druckkopfs auszubilden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das zweite Substrat (28; 51) elektrisch isolierend oder halbleitend ist und die erste Fläche (30) des zweiten Substrats eine Vielzahl von Sätzen von Heizelementen (17, 19) und Adressier-Elektroden (32) enthält, wodurch nach Ausrichten und Verbinden der beiden Substrate (28, 31; 51, 54; 51, 61) miteinander jeder Tintenkanal (22) ein Heizelement enthält, das mit einem vorbestimmten Abstand zustromseitig von seinem offenen Kanalende (27) liegt, so daß das Gerät als thermisch aktivierter Tintenstrahl-Druckkopf dienen kann.

10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, bei dem das Filter (14) auf die Fläche des Substrats (31; 54; 61) mit den Einlässen (25) laminiert ist durch Aufbringen einer relativ dünnen Kleberschicht auf die gesamte FLäche des Filters (14), die mit der Substratfläche zu kontaktieren ist, welche Kleberschicht eine vorbestimmte Dicke besitzt, die zum Verbinden des Filters (14) mit dem Substrat ausreicht und doch nicht den Durchlaß von durch das Filter in die Druckkopf-Einlässe einströmendem Tintenfluid reduziert.