CN117774515A - 液体排放头和液体排放装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供液体排放头和液体排放装置。该液体排放头包括：绝缘构件，其布置在基板上；电阻加热元件，其布置在绝缘构件中并且构造成产生用于排放液体的热能；气泡室，其设置在绝缘构件上方，构造成基于热能产生液体的气泡；以及温度检测元件，其能够检测气泡室中的温度，其中，温度检测元件布置在电阻加热元件和气泡室之间，位于相对于绝缘构件设置的多个导电层中最接近气泡室的导电层中。
Description
本申请是名称为“液体排放头和液体排放装置”、申请日为2021年5月25日、申请号为202110568828.7的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明主要涉及液体排放头。
背景技术
以喷墨打印机等为代表的液体排放装置的液体排放头能够利用例如电热转换型或压电型的构造。电热转换型的液体排放头包括多个液体排放喷嘴和与之对应的多个电阻加热元件(也称为电热换能器等)，并且利用通过驱动各个电阻加热元件产生的热能而将液体从对应喷嘴排放。这种电热转换型的构造能够同时减小电阻加热元件的尺寸并且提高发热效率，因此有利于增加电阻加热元件的密度。
在一些液体排放装置中，温度检测元件(温度传感器)设置在液体排放头上，并且基于温度检测元件的检测结果进行电阻加热元件的驱动控制(日本专利特开No.2019-72999和No.2009-196265)。
可以说，在温度检测元件的检测准确度提高时，能够基于温度检测元件的检测结果以更高的准确度进行电阻加热元件的驱动控制。在这方面，日本专利特开No.2019-72999和No.2009-196265的构造存在结构改进的空间。
发明内容
本发明的一个示例性目的在于提供一种有利于提高温度检测元件的检测准确度的技术。
本发明的一个方面提供一种液体排放头，包括：绝缘构件，其布置在基板上；电阻加热元件，其布置在绝缘构件中并且构造成产生用于排放液体的热能；气泡室，其设置在绝缘构件上方，构造成基于热能产生液体的气泡；以及温度检测元件，其能够检测气泡室中的温度，其中，温度检测元件布置在电阻加热元件和气泡室之间，位于相对于绝缘构件设置的多个导电层中最接近气泡室的导电层中。
从以下参照附图对示例性实施例的描述将清楚本发明的其他特征。
附图说明
图1A是液体排放头的示意性平面图；
图1B是液体排放头的示意性剖视图；
图1C是液体排放头的示意性剖视图；
图2A是液体排放头的示意性平面图；
图2B是液体排放头的示意性剖视图；
图3A是液体排放头的示意性平面图；
图3B是液体排放头的示意性剖视图；
图4A是液体排放头的示意性平面图；
图4B是液体排放头的示意性剖视图；
图5A是液体排放头的示意性平面图；
图5B是液体排放头的示意性剖视图；
图6A是示出气泡室中的液体状态的示意图；
图6B是示出气泡室中的液体状态的示意图；并且
图7是示出由温度检测元件检测的温度变化的图。
具体实施方式
下文将参考附图详细描述实施例。注意，以下实施例不旨在限制本发明的范围。在实施例中描述了多个特征，但是发明不限于需要所有这些特征，可以适当地组合多个这些特征。此外，在附图中，相同或类似的构造标有相同的附图标记，并省略其重复描述。
<第一实施例>
图1A是在根据第一实施例的液体排放头1中包括的头部基板11的示意性平面图。图1B是沿图1A中的切割线d1-d1剖取的示意性剖视图。图1C是沿图1A中的切割线d2-d2剖取的示意性剖视图。液体排放头1设置在以喷墨打印机等为代表的液体排放装置中，并且能够将诸如墨滴的液体施加到预定目标。
注意，为了容易说明，图1B和1C的上侧(排放液体方向上的一侧)被定义为液体排放头1和头部基板11的上侧，相反侧定义为下侧。
头部基板11能够通过已知的半导体制造工艺制造，并且通过例如在半导体(例如单晶硅)制成的基板100上设置多个元件而形成。首先，绝缘层101布置在基板100上。
对于绝缘层101，例如使用诸如二氧化硅的无机材料。绝缘层101将多个电阻加热元件102(稍后描述)和构造成驱动各个电阻加热元件102的一个或多个元件(例如MOS晶体管)或电路部分彼此电绝缘。通常，绝缘层101由多个层形成，形成各个元件的多个导电层或半导体层可以布置在这些层之间、之上和/或之下。绝缘层101可以称为绝缘构件。
在绝缘层101中，布置电阻加热元件102、连接构件103和配线构件104。电阻加热元件102是通过通电驱动的电热换能器并且产生热能。连接构件103也称为触点插头、通路等。配线构件104也称为线图案(或简称为图案)等。
电阻加热元件102经由连接构件103连接到配线构件104。电阻加热元件102能够由例如具有较大电阻的金属(例如氮化硅钽、氮化钨或硅)制成。
构件103和104由具有较低电阻的金属制成。通常，例如钨、铜等能够用于连接构件103，并且例如铝、铜等能够用于配线构件104。
温度检测元件105布置在绝缘层101上而位于电阻加热元件102上方。此外，连接构件106和配线构件107布置在绝缘层101中。温度检测元件105用于基于检测结果进行电阻加热元件102的驱动控制，并且能够检测气泡室112中的温度，如下详细描述的那样。即，通过控制单元(也称为驱动控制单元或打印控制单元，未示出)获取温度检测元件105的检测结果，并且控制单元基于检测结果进行电阻加热元件102的驱动控制。
温度检测元件105在平面图中与电阻加热元件102重叠并且设置直到电阻加热元件102的外边缘的外侧。连接构件106也称为触点插头、通路等。配线构件107也称为线图案(或简称为图案)等。
温度检测元件105经由连接构件106连接到配线构件107。温度检测元件105能够由例如具有较大电阻温度系数的金属(例如铱、钽、钛、钨、硅、氮化硅钽或氮化硅钨)或其合金制成。温度检测元件105可由单层形成，或者可通过堆叠多个层而形成。此外，温度检测元件105优选由能够用作抗气蚀膜的材料制成。
构件106和107由具有较低电阻的金属制成，与构件103和104相似。通常，例如钨、铜等能够用于连接构件106，并且例如铝、铜等能够用于配线构件107。
绝缘层101的上表面优选平整化。平整化处理通常能够通过CMP(化学机械抛光)进行。注意，平整化处理在形成连接构件106之后且在形成温度检测元件105之前进行，但是可以在用于形成上述元件102至107的各个处理之间进行。
在该实施例中，连接构件103和106通过彼此独立的制造工艺单独形成。因此，连接电阻加热元件102和配线构件104的(多个)连接构件103一体设置，并且连接温度检测元件105和配线构件107的(多个)连接构件106一体设置。
在该实施例中，形成电阻加热元件102的金属膜的膜厚为约10至50nm。形成配线构件104的金属膜的膜厚为约500至1000nm。此外，在温度检测元件105和电阻加热元件102之间的绝缘层101的膜厚(即，从形成电阻加热元件102的金属膜的上表面到形成温度检测元件105的金属膜的下表面之间的距离)为约50至200nm。
根据该实施例，可以较容易地减小电阻加热元件102和温度检测元件105之间的距离，并且与温度检测元件布置在电阻加热元件下方的结构相比，可以减小该距离。而且，根据该实施例，使得温度检测元件105也用作抗气蚀膜，从而可以提高液体排放头1的质量并且降低制造成本。
液体供应端口108设置在基板100的下表面侧上。而且，喷嘴形成构件110和由感光树脂等制成的膜109设置在基板100的上表面侧上。喷嘴形成构件110形成孔口(喷嘴)111和气泡室112。
如下详细描述的那样，气泡室112是通过使得从供应端口108流动的液体发泡而有助于排放液体的空间或区域，并且在平面图中形成直到电阻加热元件102的外边缘的外侧。在图中，气泡室112由喷嘴形成构件110和过滤器109分隔。
通过上述构造，液体排放头1利用电阻加热元件102的热能将气泡室112中的液体从孔口111排放。如果被排放液体的一部分从孔口111返回到气泡室112(所谓的拖尾)，液体从供应端口108新供应到气泡室112，并且气泡室112被液体填充。由温度检测元件105检测的温度符合从孔口111返回到气泡室112的液体与从供应端口108新供应的液体的比率。因此可以基于温度检测元件105的检测结果来确定液体排放形式(排放是否正常进行)。
例如，在液体从孔口111适当排放的情况下以及在液体未从孔口111适当排放的情况下温度检测元件105的检测结果将在下面参照图6A、6B和7进行描述。
图6A是示出了液体未从孔口111适当排放的情况的示意图，图6B是示出了液体从孔口111适当排放的情况的示意图。
从电阻加热元件102的加热起经过的时间定义为时间t。当t＝t1时，在图6A和图6B所示的两种情况下，通过电阻加热元件102的加热在温度检测元件105上产生气泡。气泡接触温度检测元件105的上表面或覆盖上表面。
在之后的t＝t2处，在图6A的情况下，气泡留在温度检测元件105上。另一方面，在图6B的情况下，从孔口111返回到气泡室112的液体的一部分分离并且接触温度检测元件105的上表面。
图7示出了在图6A和6B的上述情况下温度检测元件105的检测结果、以及主要由温度检测元件105检测的温度(下文称为检测温度)的变化形式。在图7中，横坐标代表时间t，纵坐标代表检测温度。
从图7中清楚，在图6A的情况下，在t＝t2之后，由于气泡接触温度检测元件105的上表面，检测温度以较温和的变化降低。另一方面，在图6B的情况下，在t＝t2之后，由于温度检测元件105的上部的热被液体的一部分吸收，检测温度(与图6A的情况相比)较急剧地降低。
根据该实施例，从图1B和1C清楚可见，温度检测元件105布置在电阻加热元件102和气泡室112之间，并且靠近气泡室112中的液体定位。温度检测元件105优选使用半导体制造工艺布置在形成于绝缘层101的多个导电层的最上层(最接近气泡室112的导电层)中。而且，从图1A能够看到，温度检测元件105在平面图中位于气泡室112中。根据该结构，温度检测元件105能够以高灵敏度获取检测结果。
注意在该实施例中，可以进行改变而不脱离其范围。例如，温度检测元件105只需要是在气泡室112正下方的最上层，并且绝缘层101可以在与气泡室112分开的位置处进一步包括另一上层。换言之，温度检测元件105只需要布置在最接近气泡室112的导电层中，并且只需要在平面图中与气泡室112重叠的区域内位于最上层中。
如上所述，根据该实施例，能够提高温度检测元件105的检测准确度，并且能够通过相对简单的构造基于温度检测元件105的检测结果进行电阻加热元件102的适当的驱动控制。这样可以例如基于检测温度的变化以更高的准确度进行电阻加热元件102的驱动控制。
<第二实施例>
温度检测元件105连接到例如恒定电流源，并且能够向温度检测元件105供应恒定电流(预定电流值的电流)。因此，获取能够在温度检测元件105中产生的电势差作为检测结果，并且控制单元(未示出)基于检测结果进行电阻加热元件102的驱动控制。在上述第一实施例(见图1A)中，温度检测元件105(形成温度检测元件105的金属膜)示出为矩形。然而，温度检测元件105可以形成为另一形状以提高检测准确度。
图2A是在根据第二实施例的液体排放头1中包括的头部基板12的示意性平面图。图2B是沿图2A中的切割线d3-d3剖取的示意性剖视图。在该实施例中，温度检测元件(为了区别，温度检测元件205)在电阻加热元件102上方设置成弯曲形状，这使得温度检测元件205的电阻值较高。因此，当向温度检测元件205施加恒定电流时能够在温度检测元件205中产生的电势差变大，并且温度检测元件205的检测准确度升高。
作为另一实施例，温度检测元件205可以变窄并且线性布置。温度检测元件205在平面中可以以经过电阻加热元件102中的温度容易变得较高的中央部分的方式沿着电阻加热元件102的通电方向布置，或者可以沿着正交于通电方向的方向布置。
如上所述，根据该实施例，能够获得与第一实施例中相同的效果，并且能够通过增加温度检测元件205的电阻值提高温度检测元件205的检测准确度。
<第三实施例>
在上述第一实施例中，使得温度检测元件105也用作抗气蚀膜。然而，温度检测功能和抗气蚀膜功能可以分开提供。即，温度检测元件105(形成温度检测元件105的金属膜)和抗气蚀膜可以彼此独立地设置。
图3A是在根据第三实施例的液体排放头1中包括的头部基板13的示意性平面图。图3B是沿图3A中的切割线d4-d4剖取的示意性剖视图。在该实施例中，温度检测元件(为了区别，温度检测元件305)和抗气蚀膜313彼此独立地设置。
如上所述，通过电阻加热元件102的热能在液体中产生气泡。抗气蚀膜保护电阻加热元件102免于气蚀，气蚀可能由于气泡的重复产生和消失导致的冲击以及液体的电化学腐蚀而产生。通常，抗气蚀膜对于气蚀的耐久性随着温度变高而降低。
因此，抗气蚀膜313优选布置在电阻加热元件102中的温度容易升高的区域的正上方。在平面图中，抗气蚀膜313优选布置成至少与电阻加热元件102的从外边缘向内约5μm的区域重叠，该区域对应于电阻加热元件的温度变高的有效功能部分。
从图3A和3B清楚可见，在该实施例中，抗气蚀膜313布置在电阻加热元件102的中央部分的正上方，并且在平面图中延伸直到电阻加热元件102的外边缘的外侧。
温度检测元件305和抗气蚀膜313彼此电隔离。抗气蚀膜313可以浮动，或者可以向其施加预定电压。而且，如图3B所示，电阻加热元件102和温度检测元件305优选设置成使得两者之间的距离(基板100的水平方向上的距离)Da变小，例如，距离Da变为2μm以下。为此，温度检测元件305和抗气蚀膜313优选形成为使得两者之间的距离变为在半导体制造工艺中允许的最小值。
如上所述，根据该实施例，当温度检测元件305和抗气蚀膜313分开设置时，能够获得与第一实施例中相同的效果。而且，根据该实施例，由于温度检测元件305和抗气蚀膜313彼此靠近设置，能够提高温度检测元件305抗气蚀的耐久性，同时适当地保持温度检测元件305的检测准确度。
注意在该实施例中，温度检测元件305和抗气蚀膜313通过已知的半导体制造工艺一次形成，因此能够一起布置在相同的层中并且由相同材料制造。
<第四实施例>
在上述第三实施例中，例示了温度检测元件305布置在抗气蚀膜313一侧上的形式。然而，温度检测元件305也可以布置在抗气蚀膜313的另一侧上。
图4A是在根据第四实施例的液体排放头1中包括的头部基板14的示意性平面图。图4B是沿图4A中的切割线d5-d5剖取的示意性剖视图。在该实施例中，温度检测元件305布置在抗气蚀膜313的一侧上，另一温度检测元件(为了区别，温度检测元件415)也布置在另一侧上。即，一对温度检测元件305和415布置在抗气蚀膜313的两侧上。
根据该实施例，由于能够获取两个温度检测元件305和415的检测结果，与第三实施例相比能够进一步提高检测准确度。
温度检测元件415经由连接构件416连接到配线构件417。独立于温度检测元件305的检测结果获取检测结果，并且能够独立执行用于检测结果的信号处理。因此可以例如基于温度检测元件305和415之间的灵敏度差检测液体排放方向的偏差(液体附着到目标的位置偏差)。
注意在本实施例中，例示了针对单个电阻加热元件102布置两个温度检测元件305和415的形式。然而，温度检测元件的数量可以是三个以上。
此外，已经描述了能够独立获取温度检测元件305和温度检测元件415的检测结果的构造。然而，温度检测元件305和温度检测元件415可以串联连接。在后一情况下，由于温度检测元件的电阻值变高，能够提高检测准确度。
<第五实施例>
在上述第三和第四实施例中，温度检测元件305和抗气蚀膜彼此靠近地分开设置，提高了温度检测元件305抗气蚀的耐久性，同时适当地保持温度检测元件305的检测准确度。为了进一步提高检测准确度，可以对温度检测元件305进行结构改变。
图5A是在根据第五实施例的液体排放头1中包括的头部基板15的示意性平面图。图5B是沿图5A中的切割线d6-d6剖取的示意性剖视图。在该实施例中，与第三和第四实施例中一样，温度检测元件(为了区别，温度检测元件505)和抗气蚀膜(为了区别，抗气蚀膜513)独立地设置，并且温度检测元件505构造成包括线图案。
在该实施例中，形成温度检测元件505的线图案在平面图中沿着电阻加热元件102的外边缘的外周布置在该外边缘的外侧。根据该实施例，使得温度检测元件505的电阻值比第三和第四实施例更高，从而进一步增加温度检测元件505的检测准确度。此时，如上所述(参见第三实施例)，电阻加热元件102和温度检测元件505优选设置成使得两者之间的距离Da变小。
此外，抗气蚀膜513和温度检测元件505可以局部(优选在一个点处)彼此电连接。在这种情况下，能够使抗气蚀膜513的热传递到温度检测元件505而不会明显影响流到温度检测元件505的电流，并且能够进一步增加温度检测元件505的检测准确度。
此外，抗气蚀膜513和温度检测元件505可由彼此不同的材料制成。这样可以分别升高抗气蚀膜513抵抗气蚀的耐久性以及提高温度检测元件505的检测准确度。例如，优选使用铱、钽等用于抗气蚀膜513并且使用氮化硅钽、氮化硅钨等用于温度检测元件505。
如图5B所示，温度检测元件505和抗气蚀膜513在相同层中形成。而且，至少温度检测元件505靠近气泡室112中的液体定位。因此可以以高灵敏度获取检测结果。因此，温度检测元件505优选布置在相对于绝缘层101设置的多个导电层的最上层中。
注意，抗气蚀膜513和温度检测元件505使用彼此不同的材料也可以应用于第三和第四实施例。
如上所述，根据该实施例，可以获得与第一实施例中相同的效果，并且能够进一步提高温度检测元件505和抗气蚀膜513抗气蚀的耐久性，同时进一步提高温度检测元件505的检测准确度.
<其他实施例>
实施例中示出的液体排放头1设置在以喷墨打印机等为代表的液体排放装置中。喷墨打印机可以是仅具有打印功能的单功能打印机，或者可以是具有诸如打印功能、传真功能和扫描功能的多个功能的多功能打印机。可选地，喷墨打印机可以是用于通过预定打印方法制造例如滤色器、电子装置、光学装置、微结构等的制造设备。
此外，“打印”应当以更宽泛的意义理解。因此，“打印”可以呈任何形式，无论在打印介质上要形成的对象是不是重要信息(例如字符或图形图案)，也无论该对象是否已经显见而由人能视觉感知。
液体排放头1的液体施加目标也可以称为打印介质，“打印介质”应当与“打印”一样以更宽泛的意义理解。因此，“打印介质”的概念可不仅包括一般使用的纸张，而且包括能够接收墨的任何构件，包括织物、塑料膜、金属板、玻璃、陶瓷、树脂、木材和皮革材料。
液体的典型示例是墨。注意，“液体”的概念不仅可包括在施加到打印介质上时形成图像、设计、图案等的液体，而且包括可以提供以处理打印介质或处理墨(例如使墨中的色材凝结或不溶解)的任何附加液体。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被给予最广泛的解释，以涵盖所有这些修改以及同等结构和功能。
Claims (9)
1.一种液体排放头，包括：
绝缘构件，其布置在基板上；
电阻加热元件，其布置在绝缘构件中并且构造成产生用于排放液体的热能；
气泡室，其设置在绝缘构件上方，构造成基于热能产生液体的气泡；以及
温度检测元件，其相对于至少所述电阻加热元件设置，能够检测气泡室中的温度，
其中，
在剖视图中，温度检测元件布置在电阻加热元件和气泡室之间，位于相对于绝缘构件设置的多个导电层中最接近气泡室的导电层中，
在平面图中，温度检测元件至少部分布置在气泡室中。
2.根据权利要求1所述的液体排放头，其中，温度检测元件检测由于电阻加热元件的热导致的温度变化。
3.根据权利要求1所述的液体排放头，其中，温度检测元件确定排放液体的状态。
4.根据权利要求1所述的液体排放头，其中，温度检测元件和抗气蚀膜由相同材料制成。
5.根据权利要求1所述的液体排放头，其中，温度检测元件和抗气蚀膜被电隔离。
6.根据权利要求1所述的液体排放头，其中，在平面图中，温度检测元件布置在电阻加热元件的外侧。
7.根据权利要求6所述的液体排放头，其中，在平面图中，温度检测元件布置成使得距电阻加热元件的距离等于或小于2μm。
8.根据权利要求1所述的液体排放头，其中，多个温度检测元件与电阻加热元件对应地布置。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的液体排放头，其中，在平面图中，温度检测元件至少部分布置在电阻加热元件的内侧。
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