用于喷流加速式离子投射成像系统的打印头的制作方法

专利名称:用于喷流加速式离子投射成像系统的打印头的制作方法
本发明涉及喷流加速式离子投射电记录打印设备，特别是集成在一块基片上的，包括离子调制电极、多路驱动电路和薄膜晶体管开关元件的打印头。多路驱动电路把调制电极阵列与为数不多的地址线和数据线连接起来，以把“写入”控制信号加在电极上。
这里所用的那种喷流加速式离子投射印制机已在共同转让的美国专利第4463363号上公开，题为“喷流加速式离子投射印制”，申请人为Robert.W.Gundlack和Richand L.Bergen，批准日期为一九八四年七月三十一日。这种印制机利用紧密排列成直线阵列的微型空气喷咀，将影象电荷加到像纸那样的移动式薄片接收板上。这种包含单极离子(最好是正离子)的电荷是通过高压电晕放电的方法在电离室中产生的，然后被传送到喷咀并且通过喷咀。在每一个“喷咀”结构内，电晕放电是通过加在那儿的调制电极上的电位来进行电控制的。调制电极阵中的调制电极的控制是选择性的，使电荷点和无电荷点沉积在接收板上，随后成象。
这种印制机的一个典型调制结构公开于共同未决的美国专利申请第481132号，申请日是一九八三年四月一日，申请人是Nicholas.K.Sheridon和Michacl.A.Berkovitz，题为“喷流加速式离子投射印制设备的调制结构”。与现有发明一样，亦已转让给同一个受让人。一个平板型的打印头被安装在离子发生器的外壳上，上面的每个电极采用分别寻址的方式，以独立地调制每个“喷咀”。
如果打印头的造价可以显著降低，那么上面两个共同未决的专利申请中提到的那种印制机是可以廉价地制造出来的。打印头的宽度应与一页纸差不多，例如8.5英寸宽。对于高质量的印制，要求分辨率达到每英寸200-400个象点。所以，一个打印头要包括1700-3400个调制电极。为了简化装置，从而降低成本，打印装置应包括一个多路寻址电路。这种电路需要使用与每个调制电极连接的开关元件。所以，一个低成本的打印头要包括电极阵列、地址线、数据线和薄膜有源开关元件，所有这些都制造在一块低成本的基片上。
现代印刷电路技术可以容易地将电极阵列、地址线和数据线制造在一块印刷电路板上或一块等效的廉价基片上。但是，把有源元件装在同一块基片上并不经济。尽管集成电路技术可以容易地将开关元件做在晶体硅片上，但晶体硅技术通常受尺寸限制。如果把集成电路芯片装到印刷电路板的打印头上，最实用的安装方法是用标准的连线技术把芯片与电极连接起来。另一方面，用大面积的晶体硅技术也许能造出较大的电路，可能象一页纸那样大。然而，由于成本是一个重要因素，不论是集成电路途径还是大规模晶体硅途径，经济上都是不可行的。前者是与连线工艺有关的成本问题，后者是由于这种新技术成本太高。
于是，本发明的基本目的是提供一个廉价的打印头，在此装置上集成了调制电极、地址总线和数据总线以及薄膜有源器件。
本发明的另一个目的是提供一个用非晶硅薄膜晶体管作为开关元件的打印头。这些薄膜晶体管可以和现有印刷过程所需要的“写入”时间最佳地兼容，并且可以用标准的薄膜淀积工艺廉价而容易地制造出大面积的阵列。
本发明还有一个目的是把多路电极负载电路装在打印头上，这样就可以在一段很短的“行写入”时间内将调制电极调至预定的电压，而允许在其余的“行写入”时间里继续完成印制过程。
本发明可以通过提供一个喷流加速式电记录打印装置来实现，按照成象图案将静电荷移到一块接收板表面上。此装置包括传输流体源(例如空气)，这些流体被送到工作室的引入管道里。工作室中流体的上游为离子产生区，下游为离子调制区。这一装置的离子调制结构位于调制区内，调制区与根据成象图案控制离子流从工作室排出的引出管道相邻。离子调制结构包括一个打印头，上面装有一个能贮存电荷的电极阵列。这些电极可划分为若干部分，安装在流体传输通道上。此外，离子调制结构还包括向成象图案相应电极提供荷电电压的数据总线以及地址总线及其相连开关，以便有选择地和有次序地把待荷电的电极与数据总线连接起来，并将未选中的电极与数据总线隔开。打印头包括一块基片，上面集成有电荷存贮电极、数据总线、地址总线和有源薄膜开关。所以，选中的电极与数据总线连通后，被迅速地加上预定的控制电压。当它们与数据总线隔开后，仍能在余下的(基本上是全部)行扫描时间内保持这一电压。
本发明的其余目的、进一步的特征及优越性可以从以下较详细的叙述以及附图中看出图1是表示喷流加速式离子投射印制设备的部分剖面图。
图2是表示“写入”的调制结构示意图。
图3是表示禁止“写入”的调制结构示意图。
图4是表示本发明打印头的示意图，包括调制电极、开关元件和多路驱动电路。
仔细参考各图，图1表示喷流加速式离子投射印制设备的工作室10，此设备就是受让者的共同未决美国专利申请第481132号。工作室10里有一个离子产生区域，包括一个导电的圆柱形工作室12、一根基本上与此圆柱形工作室同轴的电晕线14、加到电晕线14上的具有几千伏直流电压的高压源16和参考电压源18，可以使室壁12接地。在导线周围的电晕放电产生一定极性的离子源(最好是正离子)，这些离子受接地的室壁吸引，各带一个空间电荷，充塞工作室内。
一个轴向伸展的引入通道20将加压后的传输流体(最好是空气)从一个适当的流体源传送到工作室12，如管道22所示。另一个轴向伸展的引出通道24将传输流体从电晕放电室12传到工作室10的外部，在此过程中先通过离子调制区域26。在传输流体通过并离开工作室12、然后经引出通道24排出的过程中，流体中携带着一定量的离子经过安置在打印头29上的调制电极28，这些都是在调制区域26中进行的。
那些经引出通道24完全通过并离开了工作室10的离子受背面加速电极30的影响，而电极30与高压源32相连，高压源32具有与电晕放电电源16符号相反的几千伏的直流高压。一个电荷的接收器34在背电极30的上方移动，并且把离子收集到它的表面上。然后，荷电粒子的潜象图形可以用适当的显影装置显示出来(图上没有标出)。另一种办法是用一个传输系统，把电荷图案传到一个绝缘介质表面上，例如，传到一个介质鼓上。在这种情况下，电荷的潜象图案可以通过显影在介质鼓的表面显示出来，然后再传到一张图形接收版上去。
一旦离子被传输流体扫进引出通道24，就必须使装载离子的流体能被识别。这一过程是在调制区里由可以分别开关的电极28完成的。每个电极通过开关38连到一个低压源36上(通常是10-20伏的直流电压)或者连到参考电位37上(可能是地电位)。图2和图3是调制区的示意图。调制电极28与和它对面的接地壁40形成一个电容，此电容横跨引出通道的间隙，当接通开关38后，就可被加上一个由电源36提供的低电位。于是，在给定的调制电极28与其对面的接地壁40之间，有选择地形成一个与传输流体流垂直的电场。
对选中点的“写入”过程是通过把调制电极连到参考电源37上实现的。这样，穿过电极与对面的接地壁之间的离子束不致受两者之间的电场的影响。这种情形示于图2。相反，如果接通开关38，给电极28加上一个低电压36，形成调制电场，这样，与电离样品同符号的电荷就被加到电极上。离子束受到排斥作用(见图3)，并且被推到对面的接地导电壁40上，在那里复合成不带电的或中性的空气分子。在这些形成流束的区域，从离子投射装置排出的传输流体中并不携带“写入”离子。于是，通过选择性地控制阵列中的每一个调制电极，形成影象图形，这样，离子束按照预先的要求，或者排出，或者滞留在工作室中。
本发明的打印头29包括一些元件(见图4)。这些元件装在一块平面型的基片42上(图中虚线所示)，包括调制电极阵列(E)28以及多路传输的数据入口和负载电路，电路包括为数不多的地址总线(A)44和数据总线(D)46。由于本发明的目的是提供一个廉价的印制系统，在此系统中，阵列里每一个调制电极可以分别开关，同时又减少了电极与外部驱动电路接口所需的数。薄膜开关元件38直接装在电极28与数据总线46之间，打印头上，所以不需要线连。
为了简化一页纸那么宽的大面积装接制造工艺，开关元件38可以由很多材料制造，例如多晶硅、激光退火硅、硫化镉、碲和氧化锌等，但最好采用非晶体硅薄膜晶体管(a-Si∶H TFTS)。如图4所示，每一个调制电极28被连接到薄膜晶体管的漏极48，地址总线44被连接到栅极50，数据总线46被连接到源极52。由于应用多路传输线路技术(下面将谈到)，数据总线和地址总线都减至很小的数量，从而使连线接头减至最少。在外部集成电路地址驱动器54与地址总线44之间以及外部集成电路数据线驱动器56与数据总线46之间必须使用连线接头。
由N个调制电极与N个a-Si∶H薄膜晶体管组成的打印头阵列的多路传输配置包括由若干对电极/开关组成的P个组，每个组里有q个电极/开关对(这里N＝p×q);P根地址总线用来寻找所选组之地址，q根数据总线被用来使选定组的调制电极达到预定的电压。在每一个组里，所有a-Si∶H薄膜晶体管的栅极被连接到地址总线44上，这样就可以同时控制该组内开关元件的“开”(导电状态)和“关”(非导电状态)。每个组里相应的非晶体硅薄膜晶体管的源极52与同一数据总线46连接，即每个组内第n个a-Si∶H薄膜晶体管的源极与本组内第n根数据总线Dn相连，这里1≤n≤q。
在一个时刻只有一根地址总线被接通。所以当一个启动信号加到第m根(1≤m≤p)地址总线44(Am)上时，第m组中的q个a-Si∶H薄膜晶体管都被打开，而其它组内薄膜晶体管处于关断状态。组m中的q个调制电极被充电或放电，其电位因电流通过q个a-Si∶H薄膜晶体管而与对应的q根数据线D1-Dq上的电位相等。然后，组m中的a-Si∶H薄膜晶体管通过地址线Am接地而被同时关断。组m+1中的薄膜晶体管通过地址线Am+1接至正电位而被打开。与此同时，新的数据被送至并出现在地址线Dl-Dq上，这样，组m+1内的调制电极被充电或放电到与数据总线上的新数据对应的电位。
这里有几个定义是重要的“充电时间”(或放电时间)，指足量电流通过a-Si∶H晶体管开关将调制电极充电至各自数据总线上电位的90%所需的时间;“加载时间”是指每一组寻址所需的时间，寻址完成后，该组与数据总线隔开，即“行扫描时间”除以组数，而“行扫描时间”是指印制一行信息需要的时间，亦即每个组从一次寻址到下一次寻址之间的时间间隔。薄膜晶体管的电流特性决定了充电时间小于加载时间，由此决定了对选择薄膜晶体管开关元件的时间限制。
当预定信号电压加到所选组的调制极上之后，该组的a-Si∶H薄膜晶体管就被关断。根据现有印制过程的特性，每个调制电极在相应的开关再次打开并且加上下一行信息之前保持原电位不变。这是因为在关断状态下电荷可以保持在调制极上，薄膜晶体管基本上不传导电流，另外是因为在“写入”过程中调制电极不支取电流。在“写入”期间由传输流体携带的离子，或者不受任何影响地穿过调制电极与其对面接地壁之间的空间，或者被斥向对面的接地壁。所以，现有印制过程是连续的，差不多在整个行扫描时间里，甚至在隔断了外加电源以后，“写入”过程仍在持续进行。
因为只有加载信息部分的时间是复用的，而“写入”过程是连续的，所以我们就可以利用整个行扫描时间而不是其中的一部分时间来控制离子流过引出通道。时间的增加可以降低为了在纸上印出一个满意的象点所需要的离子密度。这大大降低了对离子室产生离子能力的要求，从而进一步降低了该系统的制造成本。
由于薄膜晶体管只需要很少的电荷就能把调制电极加至所需的电压，并且在“写入”过程中没有电流流过，a-Si∶H薄膜晶体管的比较小的传导电流能力就完全可以胜任分配给它的加载信息的任务。通常，也许有人希望使用速度快得多的晶体硅晶体管开关，它们可以使调制电极的充电在微秒量级的时间里完成。然而，充电时间在毫秒量级(与上面的充电时间相差一千倍)的a-Si∶H薄膜晶体管显然很适宜于本发明之目的。
考虑到可以使用a-Si∶H薄膜晶体管开关元件，大面积的(8.5英寸或更大幅面)的单片打印头可以应用标准的薄膜沉积工艺容易地制造出来，其中的低温a-Si∶H制造工艺可以在一个很大的范围里自由选择衬底材料，例如可以选用玻璃陶瓷材料、以及印刷电路板材料等廉价的非晶材料。衬底材料最好使用玻璃，调制电极、地址总线、数据总线以及其它连线最好用金属制成。
使流过引出通道的传输流体中的离子完全偏转所需要的正电压值由下列因素决定离子调制电极与其对面的接地壁之间的间隙、离子运动速度以及调制电极的长度。通常，调制电压与调制电极的长度成反比，而与离子速度成正比。此外，调制电压还将影响充电时间。调制电极的典型长度为30密耳(mils)，调制电压为10～30伏。
充电时间受到由调制电极与它对面的接地壁组成的电容器的电容量的影响。电容(C)由下式表示C＝εA/d式中ε是介电常数(这里用作空气的介电常数)，A为调制电极的面积，d为两个电容板面间的间隙距离(从调制电极到接地极板，跨过引出通道)。一个有代表性的尺度示例为电极宽度为2.4密耳(对应于典型的每英寸300个象点的印制机)，电极长度为30密耳，调制电极与其对面的接地极板之间的间隙为5密耳，于是应用下式ε(空气)＝8.86×10-14法拉/厘米A＝(2.4×30)(25×10-4)2平方厘米d＝(5)(25×10-4)厘米计算得到电容值为3.2×10-15法拉这样小的电容用一微安的电流在小于1微秒之内就可以被充至预定的20伏电压。这完全在a-Si∶H薄膜晶体管的性能特性范围之内，因此可以把这些有源器件直接安装在打印头上。尽管a-Si∶H薄膜晶体管充电放电速度是系统响应时间里的最慢环节，但还是足够快的。其他印制头元件、地址总线、数据总线由具有大电流驱动能力的外部集成电路芯片来驱动，这样，可以如此快地升、降至所需的电位，以致不构成对系统的限制。
对于一个每英寸300个象点的印制机(印制速度为每秒1.5英寸)，分配给印制一行信息的时间为2毫秒(行扫描时时间)。若考虑一个具有50组(q)的多路电路，对每个组将调制电极充电或放电至预定电压的时间是40微秒(加载时间)。由于充电时间仅需一微秒，所以有足够的时间去完成对每个组中电极的加载工作。余下的2毫秒行扫描时间用于“写入”过程。
以上叙述了一个廉价的打印头，包括集成在一块廉价的衬底上的调制电极、薄膜开关器件、地址总线和数据总线。这种印刷头包括a-Si∶H薄膜晶体管。由于这种晶体管开关传导电流能力较小，导致响应时间相对较慢，所以在一般高速印制机中是不用的。然而，把这种晶体管用于喷流加速式离子投射成象电印装置中，已证明极其匹配。这是由于a)喷流加速式离子投射印制过程由在“写入”过程中不汲取电流的调制电极控制，并且在行扫描时间内调制电极保持住它上面的电荷;b)在关断状态下，a-Si∶H薄膜晶体管开关阻止电荷泄漏，并且充电时间小于系统的加载时间。
应该明白，本文只是给出一个示例，只要不背离下面权利要求
所述的本发明的实质和范围，可以变动有关各部分的构造、组成和配置的细节。
权利要求
1.一种将静电荷按照影象图案移至电荷的接收板表面的喷流加速式电印制设备，包括传输流体源以及具有流体的上游为离子产生区域、下游为离子调制区域的工作室，所述工作室包括引入装置和引出装置，引入装置从所述流体源中接收传输流体，设置所述上游离子产生区和位于所述离子调制区离子调制装置，引出装置使传输流体离开所述工作室，所述离子调制装置的特征在于包括电荷贮存设备，安装在所述离子调制区域内所述传输流体经过的通道附近，用来控制离开所述工作室的离子的通过，所述电荷贮存装置又分为若干部分；充电设备，用来将与所述影象图案的所述对应部分充至预定的电压；有顺序、有选择地将给定区域的所述存贮电荷设备耦合到所述充电设备上的装置，将未选中的部分脱离开所述充电设备的装置，从而在耦合期间所述存贮电荷设备在给定区域被充至预定电位，在隔离期间则保持预定电位不变，以控制离开所述工作室的离子流过；所述电荷贮存设备、所述充电设备和所述顺序选择耦合装置被集成做在同一块衬底上。
2.根据权利要求
1所定义的喷流加速式电印设备，其特征在于所述电荷存贮装置包括一个可导电的电极阵列。
3.根据权利要求
1所定义的喷流加速式电印设备，其特征在于所述电荷存贮装置包括一个电容器阵列，所述电容器阵列横跨于所述引出通道装置上，所述引出通道装置包括位于其一侧的一个导电电极阵列。
4.根据权利要求
2所定义的喷流加速式电印设备，其特征在于所述顺序选择耦合装置，包括一个开关阵列，所述开关阵列与所述电极阵列数量相等并与所述电极阵列馈联，还包括若干地址总线，所述地址总线与所述开关阵列馈联，使所述开关阵列和所述电极阵列分为所述若干部分。
5.根据权利要求
2所定义的喷流加速式电印设备，其特征在于包括N个电极，所述电极分为P组，每组有q个电极，所述充电装置包括q根数据总线，所述顺序选择耦合装置包括N个开关，所述开关分为P组，每组q个开关，其中每个开关都与一个电极相连，还包括P根地址总线，每根都与电极相连并且控制一个开关组。
6.根据权利要求
5定义的喷流加速式电印设备，其特征在于所述开关是一些非晶硅薄膜晶体管。
7.根据权利要求
6所定义的喷流加速式电印设备，其特征在于所述地址总线与所述薄膜晶体管的栅极相连，所述电极与所述数据总线分别与所述薄膜晶体管的源极与漏极连接。
8.根据权利要求
1所定义的喷流加速式电印设备，其特征在于所述顺序选择耦合装置包括薄膜有源器件。
9.根据权利要求
8所定义的喷流加速式电印设备，其特征在于所述薄膜有源器件包括一些非晶硅晶体管。
10.根据权利要求
1所定义的喷流加速式电印设备，其特征在于所述顺序选择耦合装置包括若干非晶硅薄膜晶体管开关。
11.利用分为几组的电荷贮存元件阵列，将静电荷按照影象图案置于电荷接收板表面的印制过程，其特征在于所述过程是时间复用的，每一行的扫描时间包括下列步骤对作为所述行扫描时间之一部分的第一段时间里，同时有顺序地对所述电极阵列的一个组寻址;在所述第一段时间内将预定电压按照影象图案顺序地加到所述地址部分的所述存贮电荷元件上;对作为所述行扫描时间之余下部分的第二段时间内，通过电荷贮存元件来控制静电荷移至电荷接收板表面;对随后各行重复以上步骤顺序。
12.根据权利要求
11所定义的印制过程，其特征在于所述行扫描时间指的是从对某一区域寻址到下一次再对此区域寻址之间的时间间隔。
13.根据权利要求
12所定义的印制过程，其特征在于所述第二段时间远大于所述第一段时间。
14.根据权利要求
11所定义的印制过程，其特征在于所述行扫描时间包括对所述阵列中每一个存贮电荷元件寻址所用的时间。
15.根据权利要求
11所定义的印制过程，其特征在于还包括下列步骤在工作室中产生大量的静电荷;传输这些静电荷，并使这些静电荷通过和排出工作室;使这些静电荷从电荷存贮元件的行阵列附近通过;控制这些静电荷移动的步骤包括或者允许这些静电负排出工作室并沉积在电荷接收板表面，或者禁止这些静电荷排出工作室。
专利摘要
喷流加速式离子投射电印图像设备包括经过集成的打印头，被分为几组的调制电极阵列，地址线、数据线以及合适的薄膜开关，用来不断地在行扫描时间里将被选中区域中的电极置至预定电位。未选中的区域中的电极连同薄膜开关一起在其余的行扫描时间里保持原电位，以此来控制离子流离开装置。
文档编号G03G15/02GK85105105SQ85105105
公开日1986年12月31日 申请日期1985年7月4日
发明者盛千屯, 汤普森 申请人:施乐公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan