CN112020436B - 具有包括耐高电压晶体管的低电压监视电路的流体管芯 - Google Patents

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Abstract

一种流体管芯，包括流体腔室，每个流体腔室包括暴露于流体腔室内部的电极，并且每个流体腔室具有在第一电压电平下操作的对应流体致动器。在低于第一电压电平的第二电压电平下操作的监视电路包括用于每个流体腔室的选择晶体管和下拉晶体管，以选择性地耦合到电极，至少选择晶体管是耐高电压晶体管，以在正常操作状况下在第二电压下操作，并且具有大于第一电压电平的击穿电压电平，以便在流体致动器短路到电极的情况下防止故障电流在故障状况下从电极流入选择晶体管。

Description

具有包括耐高电压晶体管的低电压监视电路的流体管芯
背景技术
流体管芯可以包括喷嘴和/或泵的阵列，每个喷嘴和/或泵包括流体腔室和流体致动器，其中流体致动器可以被致动以引起腔室内的流体的位移。一些示例性流体管芯可以是打印头，其中流体可以对应于墨水。
附图说明
图1是示出根据一个示例的包括监视电路的流体管芯的框图和示意图；
图2是示出根据一个示例的包括监视电路的流体管芯的框图和示意图；
图3是根据一个示例的示意图，其示出了器件的平面图和流体管芯的线路布局；
图4是示出根据一个示例的包括耐高电压漏极扩展MOSFET的流体管芯的线路布局和器件的横截面视图的示意图；
图5是一般地示出根据一个示例的低电压MOSFET的示意图；
图6是示出根据一个示例的包括监视电路的流体管芯的框图和示意图；
图7是示出根据一个示例的包括耐高电压SGLDMOSFET的流体管芯的线路布局和器件的横截面视图的示意图；
图8是示出根据一个示例的高电压漏极扩展MOSFET的模拟低电压转移特性的曲线图；
图9是示出根据一个示例的高电压漏极扩展MOSFET的模拟低电压输出特性的曲线图；
图10是示出根据一个示例的高电压漏极扩展MOSFET的模拟高电压Ioff特性的曲线图。
贯穿附图，相同的附图标记表示相似的但不必相同的元素。附图不一定按比例，并且一些部件的尺寸可能被放大以更清楚地示出所示的示例。此外，附图提供了与说明书一致的示例和/或实现方式；然而，本说明书并不局限于附图中提供的示例和/或实现方式。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中通过图示的方式示出了可以实践本公开的具体示例。应当理解，在不脱离本公开范围的情况下，可以利用其他示例并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不应被理解为限制性的，并且本公开的范围由所附权利要求来限定。应当理解，除非另外特别指出，否则本文所述的各种示例的特征可以部分或整体地彼此组合。
流体管芯的示例可以包括流体致动器。流体致动器可以包括基于热电阻器的致动器、基于压电膜的致动器、静电膜致动器、机械/冲击驱动的膜致动器、磁致伸缩驱动致动器、或者可以响应于电致动而使流体位移的其他合适的设备。本文所述的流体管芯可包括多个流体致动器，其可被称为流体致动器阵列。如本文所使用的致动事件或发射事件可以指流体管芯的流体致动器的单个或同时致动以使流体位移。
在示例性流体管芯中，流体致动器阵列可以布置在流体致动器的组中，其中，每个这样的流体致动器的组可以被称为“基元”或“发射基元”。基元中的流体致动器的数量可以被称为基元的尺寸。基元的流体致动器组通常具有一组致动地址，每个流体致动器对应于该组致动地址中的不同致动地址。在一些示例中，流体管芯的电气和流体约束可限制每一基元的哪些流体致动器可针对给定致动事件而同时致动。基元便于对可针对给定致动事件而同时致动的流体致动器子组进行寻址和后续致动，以满足这样的约束。
为了通过示例的方式进行说明，如果流体管芯包括四个基元，其中，每个基元包括八个流体致动器(其中每个流体致动器对应于地址0至7中的不同的一个)，并且其中，电气和流体约束将致动限制到每个基元一个流体致动器，则对于给定的致动事件，可以有总共四个流体致动器(来自每个基元一个)被同时致动。例如，对于第一致动事件，可以致动与地址“0”相对应的每个基元的相应流体致动器。对于第二致动事件，可致动对应于地址“5”的每个基元的相应流体致动器。如应当理解的，提供的示例仅用于说明目的，使得本文设想的流体管芯可包括每个基元更多或更少的流体致动器以及每个管芯更多或更少的基元。
示例性流体管芯可包括流体腔室、孔口和/或其它特征，其可由通过蚀刻、微制造(例如，光刻)、微加工工艺或其它合适的工艺或其组合而在流体管芯的基板中制造的表面来限定。一些示例性基板可以包括硅基基板、玻璃基基板、砷化镓基基板和/或用于微制造器件和结构的其他此类合适类型的基板。如本文所使用的，流体腔室可以包括与流体可以从中喷射的喷嘴孔口以及流体可以通过其来输送的流体通道进行流体连通的喷射腔室。在一些示例中，流体通道可以是微流体通道，其中，如本文所使用的，微流体通道可以对应于足够小尺寸(例如，纳米尺寸尺度、微米尺寸尺度、毫米尺寸尺度等)的通道，以便于小体积的流体(例如，皮升尺度、纳升尺度、微升尺度、毫升尺度等)的输送。
在一些示例中，流体致动器可以被布置为喷嘴的一部分，其中，除了流体致动器之外，喷嘴还包括与喷嘴孔口流体连通的喷射腔室。流体致动器相对于流体腔室定位，使得流体致动器的致动引起流体腔室内的流体的位移，这可以引起流体液滴经由喷嘴孔口从流体腔室喷射。因此，有时将作为喷嘴的一部分而布置的流体致动器称为流体喷射器或喷射致动器。
在一个示例性喷嘴中，流体致动器包括通过绝缘层与流体腔室间隔开的热致动器，其中流体致动器的致动(有时称为“发射”)加热流体以在流体腔室内形成气态驱动气泡，该气态驱动气泡可以使流体滴从喷嘴孔口喷射，之后驱动气泡破裂。在一些示例中，气穴板被布置在流体腔室内，以便在流体致动器上方并且与腔室内的流体接触，其中气穴板保护流体腔室下面的材料，包括下面的绝缘材料和流体致动器，免受由驱动气泡的生成和破裂导致的气穴力。在示例中，气穴板可以是金属(例如，钽)。
在一些示例中，流体致动器可以被布置为泵的一部分，其中，除了流体致动器之外，泵还包括流体通道。例如，流体致动器相对于流体通道定位，使得流体致动器的致动在流体通道(例如，微流体通道)中产生流体位移，以在流体管芯内诸如在流体供应(例如，流体槽)与喷嘴之间输送流体。布置成在流体通道内输送流体的流体致动器有时可称为非喷射致动器。在一些示例中，类似于上面关于喷嘴所描述的，金属气穴板可在布置流体通道内流体致动器的上方，以保护流体致动器和下面的材料免受由流体通道内的驱动气泡的产生和破裂所导致的气穴力。
流体管芯可以包括流体致动器阵列(诸如流体致动器列)，其中阵列的流体致动器可以被布置为流体喷射器(即，具有带喷嘴孔口的对应流体喷射腔室)和/或泵(具有对应流体通道)，其中流体喷射器的选择性操作引起流体滴喷射，并且泵的选择性操作引起流体管芯内的流体位移。在一些示例中，流体致动器阵列可以被布置成基元。
在流体管芯的操作期间，可能出现不利地影响喷嘴正确地喷射流体滴和泵在管芯内正确地输送流体的能力的状况。例如，在喷嘴孔口、喷射腔室或流体通道中可能会出现堵塞，流体(或其成分)可能在流体腔室内的表面上(诸如在气穴板上)变得凝固，或者流体致动器可能不正常地运作。
为了确定何时会有这种状况，已经开发了使用感测电极来测量喷嘴和泵的各种操作参数(例如，阻抗、电阻、电流、电压)的技术，该感测电极被设置成暴露于流体腔室的内部。在一种情况下，除了保护流体致动器和其它元件免受气穴力之外，气穴板也可以用作这样的感测电极。在一个示例中，感测电极可以用于测量腔室内流体的阻抗，其中，例如，除其他外，这样的阻抗可以与流体的温度、流体成分、颗粒浓度和空气的存在相关。
驱动气泡检测(DBD)是一种测量指示流体腔室内驱动气泡的形成和破裂的参数以确定喷嘴或泵是否正常操作的技术。在一个示例中，对于给定的流体腔室，在致动事件期间，高电压(例如，15V)被施加到对应的流体致动器以使流体的至少一个组分(例如，水)蒸发，从而在流体腔室内形成驱动气泡。在一个示例中，在发射事件开始之后的一个或多个所选时间(例如，在形成开始之后但在驱动气泡破裂之前)，流体管芯的低电压(例如，5V)DBD监视电路选择性地耦合到流体腔室内的气穴板。在一个示例中，DBD监视电路向导电气穴板提供电流脉冲，该电流脉冲通过由喷射腔室内的驱动气泡的流体和/或气体材料形成的阻抗路径流向参考点(例如，地)。低电压DBD电路测量跨流体腔室的所得到的电压，其中该电压指示喷嘴或泵的操作状况(例如，喷嘴/泵正适当地操作，喷嘴孔口被阻塞等)。
在包括DBD监视电路的示例性监视电路布置中，气穴板(或流体腔室内的其它电极)连接到感测节点，其中监视电路的部分可以通过选择性地耦合到感测节点来选择性地耦合到气穴板。在一些示例中，DBD监视电路包括一个或多个可控开关(例如，nFET、pFET等)，其被启用以在感测操作期间选择性地耦合到感测节点，但是其否则被禁用以便从感测节点断开。
在示例中，包括一个或多个可控开关的监视电路相对于流体致动器操作的高电压电平(例如，15V)在低电压电平(例如，5V)下操作。尽管在发射事件期间，当高电压被施加到流体致动器时，包括可控开关的监视电路与感测节点断开，但是如果流体致动器与气穴板短路，使得流体致动器的高操作电压被施加到感测节点，则即使当与感测节点断开时，监视电路也可能被暴露于过压状况并被过压状况损坏。因为监视电路通常被实现为使流体管芯上所需的硅面积量最小化，所以来自这种故障电压的损坏可以不仅限于与故障气穴板相关联的监视电路的那些部分，而是由于紧凑的实现，可以级联到监视电路的其它部分。结果，由流体致动器短路引起的损坏不仅可能妨碍监视电路监视发生短路的喷嘴或泵的能力，而且也可能妨碍监视电路监视其他喷嘴和/或泵(诸如例如，基元的所有喷嘴和泵)。在一些情况下，损坏可级联到流体管芯的超出监视电路的部分，并且可致使流体管芯不能操作。
图1是一般地示出根据本公开的一个示例的流体管芯30的框图和示意图，该流体管芯具有多个流体腔室，每个流体腔室包括暴露于流体腔室内部的电极，并且每个流体腔室具有在高电压(例如，第一电压电平)下操作的对应的流体致动器。在一种情况下，每个电极包括气穴板。根据本公开的示例，流体管芯30包括相对于流体致动器在低电压(例如，第二电压电平)下操作的监视电路，用于经由对应的感测电极监视每个流体腔室的操作状况。在一个示例中，低电压监视电路可以包括DBD监视电路。
在一个示例中，对于每个流体腔室，监视电路包括选择晶体管和下拉晶体管，以在感测操作期间选择性地连接到电极。在一个示例中，至少选择晶体管是耐高电压(HV)晶体管，其在正常操作状况下暴露于监视电路的低操作电压，但是其具有大于流体致动器的高操作电压的击穿电压电平(即，漏极到源极电压，Vds)，以防止在故障状况下从电极流入选择晶体管的故障电流的出现，如果流体致动器短路到电极，则可能出现所述故障状况。尽管额定低电压器件(其比耐高电压器件更小且成本更低)将适于用作低电压监视电路中的选择晶体管，但是采用耐高电压器件防止在流体喷射器短路到电极的情况下故障电流从电极流入选择晶体管，并且从而也防止对选择晶体管以及潜在地对监视电路的其他部分的损坏，并且消除了对专用故障保护器件的需求。在其它示例中，如本文中将更详细描述，除了选择晶体管为耐HV器件之外，下拉晶体管也可以为耐HV器件。
在一个示例中，流体管芯30包括多个流体腔室40(示出为流体腔室40-1至40-n)，其中每个流体腔室40具有暴露于其内部的电极42(示出为电极42-1至42-n)。在一个示例中，电极42包括设置在流体腔室40底部的气穴板。每个流体腔室40具有对应的流体致动器44(图示为流体致动器44-1至44-n)，其诸如通过绝缘材料46(例如，氧化物层)与流体腔室40和电极42分离。在一个示例中，流体致动器44在第一电压48(例如，诸如例如32伏的高电压)下操作，并且当被致动时，可以引起流体腔室40内的流体汽化以在其中形成驱动气泡。在其中流体腔室40与喷嘴孔口流体连通的喷嘴的情况下，经由流体致动器44的致动形成驱动气泡可以导致流体液滴(例如，墨水)从流体腔室40经由喷嘴孔口喷射。在流体腔室40是泵的情况下，通过流体致动器44的致动形成驱动气泡可导致流体在流体管芯30内的输送(例如，到/从喷嘴)。
在一个示例中，流体管芯30包括用于监视多个流体腔室中的每个流体腔室40的操作状况的监视电路50，其中监视电路50在第二电压52(例如，低电压(相对于流体致动器44)，诸如例如5V)下操作，其中监视电路50的低电压52低于流体致动器44操作所处的高电压48。在一种情况下，监视电路50可以包括DBD监视电路。根据一个示例，对于每个流体腔室40，监视电路50具有包括选择晶体管60(图示为选择晶体管60-1至60-n)和下拉晶体管62(图示为下拉晶体管62-1至62-n)的晶体管对，其在感测操作期间操作以经由感测节点72(图示为感测节点72-1至72-n)选择性地连接到对应的气穴板42，其中每个感测节点72诸如通过连接80(图示为连接80-1至80-n)电连接到对应的气穴板42。
在一个示例中，选择和下拉开关60和62包括栅极(G)、源极区(S)和漏极区(D)，其中源极区(S)和漏极区(D)之一电连接到感测节点72。在一个示例中，如所示出的，每个选择和下拉晶体管60和62的漏极区(D)连接到感测节点72。在其他示例中，选择和下拉晶体管60和62的源极区(S)可以代替漏极区(D)耦合到感测节点72。
根据示例，在正常操作状况下，选择和下拉晶体管60和62暴露于监视电路50的低电压52（例如，诸如5伏）下并在该低电压下操作。尽管在监视电路50的低电压52下操作，但是在一个示例中，如将在此更详细描述的，至少选择晶体管60包括耐HV晶体管，其中连接到感测节点72的源极(S)和漏极(D)区中的一个具有大于对应流体腔室40的流体致动器44操作所处的高电压48的击穿电压(即，Vds，在其下源极/漏极区中的一个和衬底之间的通常不导电的pn结击穿并变得导电的电压)。
如上所述，尽管额定低电压(LV)器件(其比耐高电压器件更小且成本更低)将适合用作低电压监视电路50中的选择晶体管60，但是采用耐HV器件防止在对应的流体致动器44短路到电极42的情况下故障电流形成并从电极42流入选择晶体管60，从而防止对至少选择晶体管60以及也防止潜在地对监视电路50的其它部分的潜在损坏。
在一个示例中，如图1所示，下拉晶体管62包括具有小于流体致动器44操作电压的击穿电压的额定LV器件。在其他示例中，如将在此更详细描述的，除了选择晶体管60是耐HV器件之外，下拉晶体管62也可以是耐HV器件。
图2是一般地示出根据一个示例的流体管芯30的部分的框图和示意图，其中多个流体致动器44被布置来形成基元41。在一个示例中，流体致动器44的一部分可被布置为喷嘴的一部分，其中对应的流体腔室40与喷嘴孔口43流体连通(诸如例如由流体腔室40-2和40-n示出)，并且另一部分可被布置为泵的一部分(诸如例如由流体腔室40-1示出)。在一个示例中，每个气穴板42设置在对应的流体腔室40内，以便暴露于其内部，并且可以与流体45接触，如果其中存在(例如，墨水)的话。
在一个示例中，每个选择和下拉晶体管60和62是具有栅极(G)、源极区(S)和漏极区(D)的MOS FET(例如，NMOS、PMOS)，其中漏极区(D)连接到对应的感测节点72。在一个示例中，如图所示，每个选择和下拉晶体管60和62是具有漏极区(D)的耐HV器件，该漏极区(D)的击穿电压大于流体致动器44操作所处的高电压48。在一种情况下，例如，如以下通过图4更详细地示出和描述的，每个选择和下拉FET 60和62包括具有低电压源极(S)和具有大于流体致动器44的高电压48的击穿电压(漏极到源极电压，Vds)的高电压漏极(D)的漏极扩展nMOS。在其它示例中，源极区(S)可以连接到对应的感测节点72，在该情况下，源极区(S)将被布置成具有大于对应的流体致动器44的高电压的击穿电压。
在一个示例性的配置中，监视电路50包括感测电路90，其中每个选择FET 60的源极区(S)经由感测线92耦合到感测电路90，并且其中每个下拉FET 62的源极区(S)耦合到参考电压(例如，0V参考或地)。监视电路50还包括到每个选择FET 60的栅极(G)的感测选择信号(Sense_Sel)(图示为感测选择信号Sense_Sel-1到Sense_Sel-n)，以及到每个下拉FET62的栅极(G)的板下拉信号(Plate_PD)(图示为板下拉信号Plate_PD-1到Plate_PD-n)。
根据示例，在流体致动器44的喷射事件期间(例如，以经由喷嘴喷射流体并经由泵将流体输送到流体管芯30内)，监视电路50经由Plate_PD信号将下拉FET 62维持在启用状态(例如，闭合位置)以将气穴板42维持在“安全”电压(例如，接地)，并将选择FET 60维持在禁用状态(例如，断开位置)以便将感测电路90与气穴板42隔离。此外，在如以下所述的感测操作期间，在使得选择FET 60能够连接到气穴板42并启动感测测量之前，下拉FET 62确保感测节点72处于已知的初始参考电压。
在感测操作(例如DBD感测操作)期间，根据一个示例，监视电路50在给定时间监视基元41的一个所选流体腔室40。在一个示例中，在感测操作期间，感测电路90通过经由Sense_Sel信号使能对应的选择FET 60而连接到所选的流体腔室40的气穴板42。在一种情况下，在经由所选的流体腔室40的选择FET 60连接到气穴板42之后，感测电路90禁用对应的下拉FET 62以将气穴板42从参考电压(例如地)断开。在一个示例中，感测电路90然后经由气穴板42提供通过流体腔室40的至少一部分到参考点(例如，地)的感测电流(例如，电流脉冲)，在一些示例中包括通过所选流体腔室40内的流体45和/或其蒸发部分。感测电路90监视感测节点72上的所得到的电压以评估所选流体腔室40的操作状况。
空间在流体管芯30上受到限制，尤其是流体管芯30的靠近流体腔室40的区域中。在一个示例中，如下面更详细描述的，为了节省空间，在选择晶体管60和下拉晶体管62均为耐HV器件的情况下，用于每个流体腔室40的选择晶体管60和下拉晶体管62对可共享漏极区(D)。在其它示例中，为了进一步节省流体管芯30上的空间，相邻流体腔室40的选择FET 60可共享源极区(S)，并且相邻流体腔室40的下拉FET 62可共享源极区(S)。
图3是示出根据一个示例的图2的流体管芯30的一部分的简化布线和器件布局的平面图，其中选择FET 60和下拉FET 62都是具有大于流体致动器44操作所处的高电压48的击穿电压(Vds)的耐HV器件。分别以60-1至60-3和62-1至62-3表示的选择和下拉FET 60(例如，多晶硅材料)的栅极被示出为设置在流体管芯30的衬底102中的有源源极和漏极区100(注入区)上方，其中有源区交替作为源极区和漏极区(表示为“S”和“D”)。在选择和下拉FET60和62是NMOS FET的情况下，源极区和漏极区100包括p型衬底102内的n掺杂区。通常，如图所示，源极和漏极区100布置成具有宽度(Cw)的列，该宽度限定了选择和下拉FET 60和62的栅极宽度(其中栅极限定为上覆多晶硅材料与下覆有源区或注入区之间的重叠或相交区)。
在一个示例中，为了限制空间需求，包括感测电路90的监视电路50在基元41的流体腔室40之间共享，其中在给定时间，所选流体腔室40的仅一个气穴板42经由选择FET 60和下拉FET 62的控制而耦合到感测电路90。另外，如上所述，在感测FET 60和下拉FET 62在流体管芯30上以高电路密度区中示例化的情况下，在一些示例性布置中，相邻的感测FET60和下拉FET 62可共享漏极和源极区100以及对应的漏极和源极接触部，以使所需的电路空间最小化。
例如，如上所述，每个流体腔室40的感测FET 60和下拉FET 62的对共享漏极区(D)64和漏极接触部74，其中共享的漏极接触部74连接到对应的感测节点72，诸如由共享漏极区(D)（如64-1所示）的选择FET 60-1和下拉FET 62-1所示，所述共享漏极区（D）通过共享的漏极接触部74-1电连接到感测节点72-1。
在另一个示例中，相邻流体腔室40的选择FET 60对可共享源极区“S”和源极接触部66，诸如由共享源极区“S”的选择FET 60-1和60-2以及共享源接触部66-1所示。在一个示例中，共享接触部66连接到对应源极节点68，其继而通过通孔69连接到感测线92，例如由连接到对应的源极节点68-1继而通过通孔69-1连接到感测线92的选择FET 60-1和60-2的共享接触部66-1所示。
在另一示例中，相邻流体腔室40的下拉FET 对62共享源极区“S”和源极接触部76，诸如由共享源极区(S)的下拉FET 62-2和62-3所示。在一个示例中，共享源极接触部76连接到对应的参考电压节点77，其继而通过通孔78连接到参考电压线(例如，接地线) 79，诸如由连接到对应的参考节点77-2并且继而通过通孔78-2连接到参考电压线79的下拉FET 62-2和62-3的共享源极接触部76-2所示。
注意，根据惯例，水平和垂直延伸的导电迹线被布置在交替的金属层中。例如，根据一个示例，水平延伸的导电迹线被布置在金属1层(例如，感测节点72、源极节点68和接地节点77)中，并且垂直延伸的导电迹线被布置在金属2层(例如，接地线79和感测线92)中，等等。
图4是根据本公开的示例，一般地示出了图3的流体管芯30的一部分的简化器件和布线布局的横截面视图，其中感测FET 60和下拉FET 62包括漏极扩展的耐HV nMOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)。在所示的示例中，选择和下拉FET 60-2和62-2共享漏极区(D)和漏极接触部74-2，其中选择FET 60-2还与选择FET 60-1共享源极区(S)和源极接触部66-1，并且下拉FET 62-2与下拉FET 62-3共享源极区(S)和源极接触部76-2。选择开关60-1和60-2以及下拉开关62-2和62-3的多晶硅栅极分别以60-1-g、60-2-g、62-2-g和62-3-g示出。在一个示例中，如图所示，漏极扩展的nMOSFET具有共享的漏极区（D），包括临近共享的漏极接触部74-2的包围更高掺杂的n+区的n阱区。场氧化物层(FOX)104的一部分设置在低电压栅极和漏极区(D)之间。栅极氧化物层(未示出)进一步设置在多晶硅栅极材料和下面的材料之间。
虽然选择和下拉nMOSFET 60和62的源极区(S)是额定低电压(至少高于监视电路50的低操作电压52)，但是扩展的漏极区(D)是耐高HV的，并且提供大于流体致动器44的高操作电压48的击穿电压(Vds)。在一个示例中，击穿电压Vds是40V。在一个示例中，Vds是60V。
如图所示，源极接触部66-1将共享源极区(S)连接到源极节点68-1，该源极节点继而通过通孔69-1连接到感测线92。源极接触部76-2将下拉FET 62-2和62-3的共享源极区(S)连接到接地节点77-2，其继而通过通孔78-2连接到接地线79。漏极接触部74-2将选择FET 60-2和下拉FET 62-2的共享漏极区“D”连接到感测节点72-2。感测节点72-2经由通孔84-1和84-2通过金属2连接到设置在金属3中的导体80-2，其中导体80-2继而连接到流体腔室40-2的气穴板42-2。
参照图3和4，通过在相邻的选择和下拉FET 60和62之间共享源极“S”和漏极“D”接触部，可以减小流体管芯30上监视电路50的空间需求。虽然紧凑的布置减小了流体管芯30上所需的电路面积，但是这种紧凑的布置可能容易受到由于流体致动器44到气穴板42的短路而导致的过压状态的损坏，即使在监视电路50与感测节点72解耦合时(即，当选择和下拉FET 60和62“禁用”时)。
例如，在选择FET 60和下拉FET 62共享漏极区和漏极接触部74的情况下，如果流体致动器44短路到气穴板42，则共享的漏极接触部74可以经由感测节点72暴露于流体致动器44的高操作电压(即，故障电压)。参考图5，其一般地描绘了低电压FET 80的简化示例，如果漏极接触部82处的故障电压导致超过低电压FET 80的击穿电压(例如，Vds)，则故障电流(If)可以经由漏极接触部82流入漏极区，其中这样的故障电流可以潜在地损坏例如漏极接触部74、漏极区和多晶硅栅极。
参考图4，如果采用低电压(LV)FET(诸如图5所示)代替根据本申请的耐高电压nMOSFET用于选择FET 60-2和下拉FET 62-2，则流体致动器44-2到对应流体腔室40-2的气穴板42-2的短路可能导致高电压48经由导体80-2和感测节点72-2施加到共享漏极接触部74-2，其中这种高电压可能潜在地损坏选择FET 60-2和下拉FET 62-2二者。如果这种LV选择和下拉FET 60-2和62-2的栅极结构被损坏，则故障电流也可能潜在地经由Sense_Sel和Plate_PD信号线传播到并损坏监视电路50的其它部分，并且潜在地级联到流体管芯30上超出监视电路50的电路。
受损的栅极结构也可能导致相邻选择FET 60共享的源极区的损坏，包括共享的源极接触部66和源极节点68，这也可能潜在地导致感测电路90经由感测线92的损坏。此外，流过漏极区并进入下面的衬底的故障电流可能潜在地损坏衬底的该区并损坏相邻器件，诸如通过产生所谓的失控闭锁电流事件。
如果选择FET 60-1被损坏并且不能将感测电路90与感测节点72-2隔离，则监视电路50将不能执行对基元41的剩余操作流体腔室40的监视。然而，如果下拉FET 62-2被损坏并且致使不能操作，但是选择FET 60-1保持能够将感测电路90与感测节点72-2隔离，则如果监视电路50的其它部分，诸如例如感测电路90，保持仍未损坏，则监视电路50可以能够继续监视基元41的其它操作流体腔室40。
考虑到这一点，如图1所示，根据一个示例，诸如图4的漏极扩展的耐HV nMOSFET的耐HV FET被用于监视电路50的选择FET 60，而LV FET被用于下拉FET 62。这种布置防止了对耐HV选择FET 60的故障损害，同时从LV下拉FET 62所需的更小物理空间量中受益。
然而，如上所述，根据故障电压的电平，LV下拉FET 62的栅极结构可能被损坏，从而潜在地导致故障电流经由Plate_PD信号线传播通过LV下拉FET 60的栅极端子并损坏监视电路50的其他部分。在这种情况下，即使耐HV选择FET 62保持可操作并且能够将感测电路90与感测节点72隔离，也将使得监视电路50不能操作以继续监视剩余的操作流体腔室40。
考虑到这一点，根据一个示例，如图2-4所示，诸如图4的漏极扩展的耐HV nMOSFET之类的耐HV FET用于选择FET 60和下拉FET 62二者。通过使用具有超过流体致动器44的高操作电压48击穿电压的耐HV FET用于选择FET 60和下拉FET 62二者，消除了由于流体致动器44到气穴板42的短路而导致的潜在故障电流流入监视电路50。尽管耐HV FET比LV FET需要在流体管芯30上的更多物理空间，但耐HV FET消除了对单独的故障电流保护器件的需求。
图6是一般地示出了根据本公开的一个示例的包括低监视电路50的流体管芯30的框图和示意图。图6的监视电路50与图2的监视电路类似，其中选择和下拉FET 60和62是耐HV器件。然而，与图2的示例相比，下拉FET 62包括耐HV SGLDMOSFET(单栅极横向扩散金属氧化物场效应晶体管)器件来代替耐HV nMOSFET器件。
图7是示出了图3的流体管芯30的简化布线和器件布局的一部分的横截面视图，其中，耐HV SGLDMOSFET器件用于下拉FET62。特别地，图7示出了下拉FET62-2和62-3，其中，这种FET共享源极区(S)和源极接触部76-2。与至少用于选择FET60的耐HV漏极扩展nMOSFET相比，用于下拉FET62的耐HV SGLDMOSFET器件的本体接触部(未示出)被短路到源极接触部。结果，耐HV SGLDMOSFET器件包括背体二极管，如果源极接触部上的电压电平高于漏极接触部上的电压电平大于器件的阈值电压(Vth)(即，FET将导通并且电流将从源极流向漏极的电压)，则该背体二极管可以允许源极到漏极电流流动。因此，即使耐HV SGLDMOSFET器件在物理上更小并且需要比耐HV nMOSFET器件(诸如图4所示)更小的空间，但耐HV nMOSFET器件可能不被用于选择FET60，这是由于在感测电路90对所选流体腔室进行感测操作期间电流流过未选流体腔室40的选择FET60从而污染感测结果的可能性。然而，在下拉FET62的源极区(S)连接到接地的情况下，根据一些示例，将不会发生由于背体二极管的存在而引起的此类电流流动，使得耐HV SGLDMOSFET器件可用于下拉FET62而不会不利地影响感测电路90的感测结果。因此，在一个示例中，如图6所示，耐HV nMOSFET器件(诸如图4所示)用于选择FET60，并且更小(且成本更低)的耐HV SGLDMOSFET器件用于下拉FET62。
图8-10是示出了根据一个示例的诸如图2和4所示的耐HV漏极扩展nMOSFET的模拟操作特性的曲线图。图8是示出了漏极到源极电压(Vds)为100 mV情况下的模拟低电压转移特性的曲线图。根据这种模拟，nMOSFET的电压VTO(其与阈值电压Vth同义)大约为0.789V。在图8中，“gm”代表跨导，或示例性nMOSFET的漏极电流相对于栅极电压(Vgs)的变化率。
图9是根据一个示例的示出了耐HV漏极扩展nMOSFET的模拟低电压输出特性的曲线图。在栅极电压(Vgs)为5.0V的情况下，nMOSFET的漏极饱和电流Idsat约为142μA/μm。
图10是根据一个示例的示出了耐HV漏极扩展nMOSFET的模拟高电压Ioff特性的曲线图。根据这种模拟，耐HV漏极扩展nMOSFET提供超过40V(例如，根据一个示例，超过流体致动器44的32V操作电压)的高电压阻断阱。
尽管本文已经图示和描述了具体示例，但是在不脱离本公开范围的情况下，可以用各种替代和/或等效实现来代替所示出和描述的具体示例。本申请旨在覆盖本文讨论的具体示例的任何适应或变化。因此，意图在于本公开仅由权利要求及其等同替换物来限定。

Claims (15)

1.一种流体管芯，包括：
多个流体腔室，每个流体腔室包括暴露于流体腔室内部的电极，并且每个流体腔室具有在第一电压电平下操作的对应流体致动器；以及
监视电路，在低于所述第一电压电平的第二电压电平下操作，以监视每个流体腔室的状况，对于每个流体腔室，所述监视电路包括：
选择晶体管和下拉晶体管，以选择性地耦合到电极，至少所述选择晶体管是耐高电压晶体管，以在正常操作状况下在所述第二电压电平下操作，并且具有大于所述第一电压电平的击穿电压电平，以在所述流体致动器短路到所述电极的情况下防止故障电流在故障状况下从所述电极流入所述选择晶体管。
2.根据权利要求1所述的流体管芯，所述监视电路包括感测电路，所述选择晶体管选择性地将所述感测电路耦合到所述电极，并且所述下拉晶体管选择性地将所述电极耦合到参考电压。
3.根据权利要求1所述的流体管芯，所述选择晶体管与对应于相邻流体腔室的选择晶体管共享漏极区和源极区中的一个。
4.根据权利要求1所述的流体管芯，所述选择晶体管包括耐高电压漏极扩展MOSFET器件。
5.根据权利要求1所述的流体管芯，所述下拉晶体管包括额定用于在所述第二电压电平下操作的低电压晶体管。
6.根据权利要求1所述的流体管芯，所述下拉晶体管包括耐高电压晶体管，所述耐高电压晶体管具有大于所述第一电压电平的击穿电压，以在高电压流体喷射器短路到所述电极的情况下防止故障电流流入所述下拉晶体管中。
7.根据权利要求6所述的流体管芯，所述选择晶体管和下拉晶体管共享电连接到所述电极的漏极区和源极区中的一个。
8.根据权利要求6所述的流体管芯，所述下拉晶体管与对应于相邻流体腔室的下拉晶体管共享漏极区和源极区中的一个。
9.根据权利要求6所述的流体管芯，所述下拉晶体管包括耐高电压漏极扩展MOSFET器件。
10.根据权利要求7所述的流体管芯，所述下拉晶体管具有背体二极管，所述背体二极管具有连接到所述源极区和所述漏极区中的一个的阳极和连接到所述源极区和所述漏极区中的另一个的阴极，所述源极区和所述漏极区中所述阴极连接到的一个区电连接到所述电极，并且所述源极区和所述漏极区中的另一个区连接到参考电压。
11.根据权利要求10所述的流体管芯，所述参考电压包括接地。
12.根据权利要求10所述的流体管芯，所述源极区和漏极区中的另一个与对应于相邻流体腔室的下拉晶体管共享。
13.一种流体管芯，包括：
流体腔室，所述流体腔室包括电极，所述电极暴露于所述流体腔室内部并且具有在高电压下操作的对应的流体致动器；以及
低电压监视电路，包括选择晶体管和下拉晶体管，以经由连接到所述电极的共享漏极区选择性地耦合到所述电极，所述选择晶体管和下拉晶体管各自具有大于所述高电压的击穿电压，以防止在所述高电压流体致动器短路到所述电极的情况下故障电流从所述电极流入所述共享漏极区。
14.根据权利要求13所述的流体管芯，所述选择晶体管和下拉晶体管各自包括耐高电压漏极扩展MOSFET。
15.一种流体管芯，包括：
多个流体腔室，每个流体腔室包括气穴板并具有在高电压下操作的对应流体致动器；以及
监视电路，相对于所述流体致动器在低电压下操作，以监视每个流体腔室的状况，所述监视电路包括：
感测电路；以及
对于每个流体腔室：
选择晶体管，用以将电极选择性地耦合到所述感测电路；以及
下拉晶体管，用以选择性地将所述电极耦合到参考电压，所述选择晶体管和下拉晶体管各自包括耐高电压MOSFET，所述耐高电压MOSFET具有大于所述流体致动器的高电压的击穿电压。
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