CN1159571C - 压阻式温度感测器 - Google Patents

Abstract

一种压阻式温度感测器，包括感测装置及压阻元件，以感测喷墨头内的墨水温度，操作时，可用半导体材料在喷墨头处形成矩形的感测区域，在感测区域各边缘中心点设置压阻元件，以承受因压阻元件形变而产生的应力。当墨水温度上升后，喷墨头表面会因受热而隆起，故感测装置也随之形变，使压阻元件受到大应力而使其电阻值改变；若将各压阻元件以电桥型态相互耦接，便使各电阻值变化被转换为电压信号输出，以得知墨水温度。

Description

压阻式温度感测器

本发明涉及一种温度感测器，特别是涉及一种检测腔型装置内流体温度的感测器。

近年来，在高科技产业的带动下，所有的电子相关产业均蓬勃发展，各项现代化的产品，如计算机、计算机周边、家电及事务机器等，不论功能或外观，相比以往均有长足的进步。以打印机为例，才不过几年功夫，打印技术便已从撞针式、黑白激光进步到彩色喷墨及彩色激光等，可谓一日千里。目前一般的家庭使用者，由于打印大量文件的机会不多，所以在选购打印机时，为兼顾打印质量与价格二者间的平衡，仍以彩色喷墨打印机为首选；若预算充裕，便另添购黑白激光打印机以做为文件打印之用。

目前市面上的喷墨打印机，大多采用气泡式或是压电式喷墨头以将墨水散布至纸张上完成打印工作。对气泡式喷墨头而言，其主要构件包括有加热器、墨水及喷孔(nozzle)。加热器的作用在于加热墨水以产生气泡，并使气泡逐渐涨大而推挤墨水，遭挤压的墨水则经由喷孔喷出，落在纸张上形成墨点。在打印时，仅需控制墨水的浓度及落点，即可将众多墨点组合成所需的文字或图形。在分辨率方面，目前彩色喷墨打印机的入门机种，分辨率约为720×720dpi或1440×720dpi，分辨率越高，表示墨点越细致，而墨点的细致程度，则与墨点的表面张力(Surface Tension)与墨水的粘稠度(Viscosity)有关。接着请参照图1，其绘示一种传统墨水匣的喷墨头结构(请参考美国专利第6,102,530号)。就目前而言，制作喷墨头100时会先在半导体基底，例如是硅基底140上形成结构层120，而后再利用蚀刻技术对硅基底140进行各向异性蚀刻，以形成歧管150及喷墨室130；逐步将加热器160、加热器165及喷孔110等结构一一形成后，喷墨头100即告完成。基本上，喷墨头100上的喷孔110会以数组(array)形式整齐排列，用以将墨水190喷出，由于在实务上每一喷孔的几何结构均相同，故图式中仅代表性地绘出数个喷孔并加以说明。以此图为例，每一喷孔110位于喷墨室(chamber)130的上方，而每一喷墨室130均与歧管(manifold)150连通，如此，墨水匣内的墨水190即可通过歧管150的导引充满于每一喷墨室130中，以使墨水190可通过各喷孔110向外喷出。需要注意的是，每一喷孔110周围都配置有加热器，例如加热器160与加热器165，用以对该喷孔110所处的喷墨室130加热；加热器被加热后，便可使喷墨室130中的墨水温度上升并形成气泡，当气泡逐渐涨大后，即可迫使墨水自喷孔中喷出，以提供显像时所需的墨滴，下文中，将针对墨滴的形成情形加以说明。

请参照图2，其绘示图1的喷墨头的剖面结构。如图所示，喷孔110旁设有加热器160与加热器165，两加热器被加热后便会分别形成图式中的气泡210与气泡215，此时若持续对加热器加热，两气泡便会以箭号P的方向外涨大，并挤压墨水使其自喷孔110喷出，如同图式中所绘示一般；因此，被挤出的墨水便会沿箭号F的方向喷出并落在纸张上形成墨点。

简单地说，若要驱动某一特定喷孔使其喷出墨水，会先致能该喷孔所相对应的加热器，以使该喷孔所属的喷墨室内墨水温度升高并产生气泡将墨水喷出。换句话说，若在加热器被加热前喷墨室内的墨水温度早已偏高(例如在此之前该喷孔即已多次喷墨)，此时若再度用相同的功率对加热器加热，势必将使墨水被过度加热而降低其粘稠性，因此打印的分辨率变差；反之，若在加热器被加热前喷墨室内的墨水温度过低(例如在此之前该喷孔已许久未喷墨)，此时若不增加馈入加热器的功率便无法使墨水达到预定的温度，造成墨水无法正常喷出。故而在打印时势必需要将喷墨室内的墨水温度准确地控制在预定的温度范围内，才能保有完美的打印质量；因此要如何检测墨水温度并有效地加以补偿，便成为研发人员需要克服的难题。

在喷墨头的墨水温度检测方面，在前案美国专利第5,696,543号-“Recording head which detects temperature of an element chip and correctsfor variations in that detected temperature，and cartridge and apparatus havingsuch a head，”中提到利用一电阻器作为芯片(Chip)上的温度检测元件，并在芯片外部作一调校的电阻以形成惠斯通电桥(Wheatstone bridge)的检测电路，此种作法不但检测时麻烦，在成本上更是昂贵，实在不适于作大量生产。因此，提供一个实际可行、成本较低，且具有较灵敏感测效果的温度感测器实为一刻不容缓的趋势。

本发明的目的在于提供一种压阻式温度感测器，并配合环形加热器来控制流体的温度在一预先决定的范围，以达到提高打印质量的目的。

本发明的目的是这样实现的，即提供一种压阻式温度感测器，配置于内含一流体的腔型装置处，用以感测该腔型装置内的流体温度，该压阻式温度感测器包括：一感测区域，位于该腔型装置处；以及一压阻元件，配置于该感测区域处；其中，该感测区域的几何形状追随该流体的温度变化而改变，由此使该压阻元件的电阻值产生变化以感测该流体的温度。

本发明还提供一种压阻式温度感测器，配置于内含一流体的腔型装置处，用以感测该腔型装置内的流体温度，该压阻式温度感测器包括：一感测区域，配置于该腔型装置处；以及多个压阻元件，配置于该感测区域的边缘且以一电桥型态相互耦接；其中，该感测区域的几何形状追随该流体的温度变化而改变，由此使该各压阻元件的电阻值产生变化以感测该流体的温度。

综上所述，上述的压阻式温度感测器包括有感测片及压阻元件，并设置于喷墨头处，用以感测喷墨头内的墨水温度。实际操作时，可在喷墨头四周设置加热器以加热硅基底，使喷墨头内的墨水温度能保持在工作温度的范围内，并利用半导体材料在喷墨头处形成矩形的感测区域后，在感测区域各边缘的中心点设置压阻元件(例如多晶硅)，以承受因应力产生而造成压阻元件形变从而产生电阻值变化的情形。当墨水温度上升时，感测区域所在的平面(即喷墨头表面)会因为受热而隆起，故感测器也随之形变，使压阻元件感受到强大的应力而使其电阻值改变；若将各压阻元件以电桥型态(例如惠斯登电桥)相互耦接，便能使各压阻元件的电阻值变化被转换为电压信号输出，如此即可依据电压信号的大小得知墨水温度的高低。再者，制作压阻元件时可在多晶硅中掺杂，例如掺杂硼离子或磷离子，以提高各压阻元件的度量因素，使感测信号能更强烈。当然压阻元件的材质并不以多晶硅为限，也可利用金属来制作各压阻元件，此各金属可选自于铝、金、铜、钨、钛及铝硅铜合金、氮化钨、氮化钛所构成族群中的任一种，也可具备压阻元件的特性。

下面结合附图，详细说明本发明的实施例，其中：

图1为现有墨水匣的喷墨头结构示意图；

图2为图1中喷墨头的剖面结构示意图；

图3A为本发明一较佳实施例所提供的喷墨头结构示意图；

图3B为图3A中喷墨头的剖面结构示意图；

图3C为具有两个温度感测器及两个加热器的喷墨头示意图；

图3D为具有三个温度感测器及三个加热器的喷墨头示意图；

图4为较佳实施例中的压阻式温度感测器示意图；

图5为图4中压阻式温度感测器的压阻元件产生向上位移的轮廓线示意图；

图6为图4中压阻式温度感测器的惠斯通电桥等效电路图。

为了能使打印质量不因墨水温度的差异而有所影响，在作法上，可将墨水的温度保持在一预定的温度范围内，例如介于温度值T1至温度值T2之间，如此便可确保每个墨滴喷出的质量；因此，可称温度值T1至温度值T2为适合墨水喷出的工作温度。在设计时，研发人员可依据墨水的特性，预先设定工作温度的范围，工作温度确定后，打印时只要墨水的实际温度低于温度值T1时便可将加热器开启，而在墨水温度高于温度值T2或介于温度值T1与温度值T2之间时让加热器关闭，即可使墨水温度保持在预定的温度范围内，以确保打印质量。

那么该如何维持墨水的温度呢？本发明的作法是在喷墨头四周围绕一或多个温度调整元件，例如是加热器，用来对墨水加热，并利用设于歧管上方的温度感测器来检测喷墨头的温度，如此，即可依据温度感测器的感测结果来决定是否需要将加热器开启，从而使墨水温度能保持在工作温度之内；当然，若墨水温度已保持在预定的温度范围内，加热器就不必开启。接着请参照图3A，其绘示一种能实现上述说法的喷墨头结构。此图为喷墨头的上视图，可将温度感测器31设置于喷墨头100的结构层120上，位于歧管150的上方，以感测喷墨头100内的墨水温度。需要注意的是，由于歧管150内充满有墨水且结构层120的厚度非常小，因此结构层120的温度与墨水温度相当接近；换句话说，虽然温度感测器31并没有与墨水直接接触，但也可由结构层120的温度间接得知墨水温度，在实际操作上并无困难。再者，当墨水温度过低时，即可将加热器310开启，使能够在瞬间将大电流馈入加热器310以加热硅基底140，使硅基底140的温度立即窜升；硅基底140被加热后，也会使墨水的温度即刻升高，当墨水温度上升至工作温度后，即可将加热器310关闭，使墨水温度能稳定在工作温度之内。另一方面，若将图3A沿切线3B-3B切下，所形成的剖面图则如图3B所绘示；由于结构层120的厚度非常薄，因此当墨水温度上升时，温度感测器31所处的位置会因为受热而向上隆起，使温度感测器31产生形变，故依据温度感测器31的形变程度，即可推知喷墨头内的墨水温度，从而控制加热器310的开启时机。

在相同的发明精神下，为求能更精准地控制喷墨时的温度以确保墨点质量，可在歧管处分别设置温度感测器32与温度感测器33，并设置与温度感测器相对应的加热器320与加热器330，如图3C所绘示；由于图3C是采用与图3A相同的喷墨头结构，故而未将歧管及喷孔等结构绘出以使图式简明易懂。在此各结构下，可依据温度感测器32测得的温度来决定加热器320开或关，也可利用温度感测器33测得的温度来决定加热器330开或关，换句话说，也就是把整个歧管的墨水分成两部分来个别控制，使喷墨头内的墨水温度分布能更均匀。再者，实质上也可设置温度感测器34，35，36以分别控制加热器340，350，360的开启时机，如图3D所绘示，以使墨水温度的控制能更加精确。当然，在设计喷墨头时，温度感测器或加热器的个数并不以上述数目为限，设计人员可按实际需求来决定温度感测器及加热器的个数或排列方式，以期望在温控效果与生产成本之间取得最佳的平衡。下文中，将针对温度感测器的结构及工作原理加以说明。

在参考文献Smith，C.S.，-“Piezoresistive effect in germanium and silicon，”Phys.Rev.，Vol.94，pp.42-49(1954)中证实，硅(Silicon)和锗(Germanium)的压阻效应(Piezoresistive effect)比金属导线高出100倍，且国立台湾大学机械工程学研究所的戴庆良先生的博士论文-“以标准集成电路制作技术制作微机电感测器的研究，”pp.38-48(1997)中曾提到，若要压阻元件能够产生较大的感测信号，除了压阻元件本身要有高的测量因素(Gauge factor)外，另一方面，就是必需将压阻元件植入(Implant)于感测区域能产生最大应力的地方，即矩形感测区域四边的中央边缘处，以提高感测效果。因此，为能将上述理论充分应用在喷墨头的温度感测上，本发明便利用半导体材料，例如多晶硅，在喷墨头处形成数个压阻元件构成一感测区域，以作为温度感测之用；为提高压阻元件的度量因素，实际操作时也可在压阻元件中掺杂，例如掺杂硼离子或磷离子，使感测信号能更强烈。当然，压阻元件的材质并不以多晶硅为限，也可利用金属材料制作压阻元件，在材质的选择上可选自于铝、金、铜、钨、钛及铝硅铜合金、氮化钨、氮化钛所构成族群中的任一种。接着请参照图4，其绘示依照本发明一较佳实施例所提供的压阻式温度感测器示意图。压阻式温度感测器400的感测区域410的几何形状可以是如图所示的矩形形状，并在感测区域410的边缘配置压阻元件41，42，43，44，以作为温度感测用。需要注意的是，感测区域410在一均布的压力下，其最大的变形发生在感测区域410的中心点处，即感测区域410的中央会向上隆起，因此在墨水温度上升后，压阻元件41，42，43，44均会产生向上位移情形的轮廓(Profile)，如图5所示，使各压阻元件的电阻值改变；且由于感测区域410形变后最大应力集中在各边缘的中心点处，所以各压阻元件41，42，43，44所感受到的应力最为强大，感测效果也最好。

在实际应用上，为了能将压阻元件41，42，43，44的变动量检出，可利用电阻作为各压阻元件，并将各压阻元件以一电桥型态，例如惠斯通电桥(Wheatstone bridge)型态相互耦接，使各压阻元件的电阻值变化能被转换为电压信号输出，如此即可依据电压信号的大小得知墨水温度的高低。接着请参照图6，其绘示惠斯通电桥的等效电路，E为输入电压，V为输出电压。图6中各电阻R1，R2，R3，R4分别与图4中的各压阻元件41，42，43，44等效，也就是电阻R1与压阻元件41等效，电阻R2与压阻元件42等效，电阻R3与压阻元件43等效，电阻R4与压阻元件44等效。在设计时，假设各电阻的电阻值均相同(即R1＝R2＝R3＝R4＝R)且当感测区域410受到一向上弯矩时各电阻的电阻值都产生ΔR的变化量，则由于电阻R1及电阻R3的方向与感测区域410的边缘垂直，故其电阻值是增加ΔR；反之，由于电阻R2及电阻R4的方向与感测区域410的边缘平行，故其电阻值是减少ΔR，因此输出电压值的改变量ΔV可记为：ΔV＝(ΔR/R)E。

由此可知，墨水温度改变可使感测区域410产生形变，造成压阻元件41，42，43，44的电阻值R1，R2，R3，R4变化，而电阻值R1，R2，R3，R4的变化可得到输出电压V的改变，故可利用输出电压值的改变量ΔV得知墨水温度的高低，并无技术上的困难。

由上文叙述可知，本发明的精神，是利用温度的变化使感测区域产生形变，感测区域形变后压阻元件的电阻值也随之改变，故可将此变动量检出，以得知温度的变化。需要注意的是，虽上文是以喷墨头的温度感测器为例说明，然而本发明的适用领域应不以喷墨头为限，也可适用于其它种内合流体的腔型装置中，只要任一腔型装置内的流体温度变化能造成感测区域的形变即符合本发明的适用条件，而不脱离本发明的精神。当然，感测区域及压阻元件的制作方法也不限于半导体制作工艺，不论制作方法为何，只要能实现符合上述发明精神的感测区域及压阻元件即可达到压阻式温度感测器的设计需求，但以现今的技术而言，利用半导体制作工艺的作法确为兼顾成本低廉与便利有效的最佳选择。

本发明装置的优点在于：

1.制作工艺是完全利用标准集成电路电路工艺所制作完成，无须另外加上其它额外的制作步骤，具备有可大量生产的能力，且所制作出的感测器的精确度及良率都有一定的水准。

2.利用原先所需的后制作工艺(Post-processing)蚀穿硅基材以制作出歧管的步骤，事先在歧管上方完成其压阻式温度感测元件薄膜，故可在不增加成本的情况下即可制成此一感测器。

3.利用此温度感测器配合加热器来做整个喷墨环境温度的控制，可控制温度在一预先决定的范围内，以达成打印质量良好的效果。

综上所述，虽然结合以上一较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的为准。

Claims (30)

1.一种压阻式温度感测器，配置于内含一流体的腔型装置处，用以感测该腔型装置内的流体温度，该压阻式温度感测器包括：

一感测区域，位于该腔型装置处；以及

一压阻元件，配置于该感测区域处；

其中，该感测区域的几何形状追随该流体的温度变化而改变，由此使该压阻元件的电阻值产生变化以感测该流体的温度。

2.如权利要求1所述的压阻式温度感测器，其中该感测区域为矩形形状。

3.如权利要求1所述的压阻式温度感测器，其中该压阻元件设置于该感测区域的边缘。

4.如权利要求1所述的压阻式温度感测器，其中该腔型装置是喷墨头。

5.如权利要求1所述的压阻式温度感测器，其中该流体是墨水。

6.如权利要求1所述的压阻式温度感测器，其中该感测区域利用半导体制作工艺形成于该腔型装置处。

7.如权利要求1所述的压阻式温度感测器，其中该压阻元件利用半导体制作工艺形成于该感测区域。

8.如权利要求7所述的压阻式温度感测器，其中该压阻元件的材质为一多晶硅。

9.如权利要求8所述的压阻式温度感测器，其中该多晶硅内掺杂有硼离子。

10.如权利要求8所述的压阻式温度感测器，其中该多晶硅内掺杂有磷离子。

11.如权利要求1所述的压阻式温度感测器，其中该压阻元件的材质为一金属。

12.如权利要求11所述的压阻式温度感测器，其中该金属的材质为选自于铝、金、铜、钨、钛、氮化钨、氮化钛及铝硅铜合金所构成族群中的任一种。

13.一种压阻式温度感测器，配置于内含一流体的腔型装置处，用以感测该腔型装置内的流体温度，该压阻式温度感测器包括：

一感测区域，配置于该腔型装置处；以及

多个压阻元件，配置于该感测区域的边缘且以一电桥型态相互耦接；

其中，该感测区域的几何形状追随该流体的温度变化而改变，由此使该各压阻元件的电阻值产生变化以感测该流体的温度。

14.如权利要求13所述的压阻式温度感测器，其中该电桥型态为惠斯通电桥型态。

15.如权利要求14所述的压阻式温度感测器，其中该惠斯通电桥型态是以四个压阻元件相互耦接而成。

16.如权利要求15所述的压阻式温度感测器，其中该各压阻元件的电阻值均相同。

17.如权利要求15所述的压阻式温度感测器，其中该各压阻元件分别设置于该感测区域各边缘的中心点处。

18.如权利要求13所述的压阻式温度感测器，其中该各压阻元件分别设置于该感测区域各边缘的中心点处。

19.如权利要求13所述的压阻式温度感测器，其中该各压阻元件的电阻值均相同。

20.如权利要求13所述的压阻式温度感测器，其中该感测区域为矩形形状。

21.如权利要求13所述的压阻式温度感测器，其中该各压阻元件的电阻值改变时该压阻式温度感测器的输出电压也随之改变。

22.如权利要求13所述的压阻式温度感测器，其中该腔型装置为喷墨头。

23.如权利要求13所述的压阻式温度感测器，其中该流体为墨水。

24.如权利要求13所述的压阻式温度感测器，其中该感测区域利用半导体制作工艺形成于该腔型装置处。

25.如权利要求13所述的压阻式温度感测器，其中该各压阻元件利用半导体制作工艺形成于该感测区域处。

26.如权利要求25所述的压阻式温度感测器，其中该各压阻元件的材质为一多晶硅。

27.如权利要求26所述的压阻式温度感测器，其中该多晶硅内掺杂有硼离子。

28.如权利要求26所述的压阻式温度感测器，其中该多晶硅内掺杂有磷离子。

29.如权利要求13所述的压阻式温度感测器，其中该各压阻元件的材质为一金属。

30.如权利要求29所述的压阻式温度感测器，其中该金属的材质选自于铝、金、铜、钨、钛、氮化钨、氮化钛及铝硅铜合金所构成族群中的任一种。

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