CN1865006A - 流体喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流体喷射装置，包括多个M组流体喷射单元，各个流体喷射单元包括多个N个喷头，各个喷头连接一驱动元件。一控制单元，各自地传送一信号至各个驱动元件，使M组流体喷射单元中，同时各驱动一个喷头。其中，未被驱动的喷头所对应的该驱动元件中，无寄生双极结型晶体管触发该多个未被驱动的喷头。

Description

流体喷射装置

技术领域

本发明有关于一种流体喷射装置技术，特别有关于一种可防止寄生双极结型晶体管被触发的喷射装置。

背景技术

目前流体喷射装置大多运用于应用于喷墨打印机(inkjet printer)，或相关的设备例如传真机及多功能事务机等。亦可作为生物芯片(bio-chip)的微流道(micro-channel)系统。此外，流体喷射装置亦可用于燃料喷射系统(fuel injection system)，或药剂注射(drug delivery system)等元件上。

图1显示一种公知美国专利第6,471,338号的单石化的流体喷射装置。利用微机电(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)系统制造工艺，加上标准半导体的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)制造工艺结合所制成的微流体喷射装置10。以一硅衬底38作为本体，且在硅衬底38与场氧化层(field oxide)50上形成一结构层42。在硅衬底38、场氧化层50和结构层42之间形成一流体腔14，用以容纳流体。流体腔14经由流体通道16连接流体储存槽。喷孔17介于加热器20、22之间与流体腔14连通。在结构层42上设有第一加热器20以及第二加热器22。加热器20、22经由信号传输线路44与驱动元件连接。驱动元件为一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)包括漏极(drain)107、栅极(gate)105、源极(source)106，且漏极(drain)107与信号传输线路44相连接。一保护层46覆盖该流体喷射装置与驱动元件。

随着技术的演进，流体喷射装置技术正朝向高密度排列、多孔同时发射等趋势发展，以达到增加打印效果同时顾及打印速度。然而，为求快速打印，传统上采用矩阵式电路设计，以利同时间内进行多个流体喷射的效果。流体喷射装置内的集成电路(IC)，采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)设计，当流体喷射装置处于多孔同时喷射状态下，并且当同时发射的孔数增加至某一数目以上时，则会产生其寄生双极结型晶体管(parasitic bipolarjunction transistor，BJT)被触发的问题。此现象所造成的不正常驱动电流信号，除影响流体的喷射效果外，其产生的过热能量，对芯片亦减少使用寿命。

基于上述缺点，因此业界亟需要一种可防止寄生双极结型晶体管被触发的喷墨头设计，经由驱动电路的设计与半导体制作条件，提供各孔于高密度排列下，与多孔同时进行流体喷射时的正确电流波形，以达到的喷墨质量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一具有低掺杂浓度的金属氧化物半导体场效应晶体管的流体喷射装置，经由驱动电路的设计与半导体制作条件，降低漏极对衬底的结电容值，以避免寄生双极结型晶体管触发未被驱动的喷头，以达到最佳的喷墨质量。

根据上述目的，本发明提供一种流体喷射装置，包括多个M组流体喷射单元，各个流体喷射单元包括多个N个喷头，各个喷头连接一驱动元件；以及一控制单元，各自地传送一信号至各个驱动元件，使M组流体喷射单元中，同时各驱动一个喷头。其中，未被驱动的喷头所对应的驱动元件中，无寄生双极结型晶体管触发未被驱动的喷头。

应注意的是，喷头包括：一结构层，设置在一衬底上、一流体腔，形成该结构层与衬底之间、一通道，连接流体腔、至少一流体致动装置，设置于结构层上且于流体腔的相对侧、以及一喷孔，邻近气泡产生装置且穿透保护层与结构层，且与该流体腔连通。

根据上述目的，本发明另提供一种流体喷射装置，包括多个M组流体喷射单元，各个流体喷射单元包括多个N个喷头，各个喷头连接一金属氧化物半导体场效应晶体管，包括一漏极、一栅极、一源极及一衬底，其中漏极经由一信号传送线路连接喷头，且漏极对衬底的结电容值小于或等于1.139×10^-14(F/μm²)；以及一控制单元，各自地传送一信号至各个金属氧化物半导体场效应晶体管，使M组流体喷射单元中，同时各驱动一个喷头；其中，未被驱动的喷头所对应的金属氧化物半导体场效应晶体管中，无寄生双极结型晶体管触发未被驱动的喷头。

以下配合附图以及较佳实施例，以更详细地说明本发明。

附图说明

图1为显示一种公知的单石化的流体喷射装置的剖面示意图；

图2为显示本发明实施例的流体喷射装置；

图3为显示根据本发明实施例单石化的流体喷射装置的一喷头的剖面示意图；

图4为显示本发明流体喷射装置的矩阵式驱动电路示意图；

图5为显示本发明流体喷射装置的驱动信号的示意图；

图6为显示根据本发明实施例的流体喷射装置的喷头的等效电路示意图；

图7A及7B分别显示在CS接脚“ON”的情况下的情况下，只要驱动负载小于9条P-line同时接通的话，其电压、电流就呈现近乎完美的方波；

图7C及7D分别显示在CS接脚“OFF”的情况下，其300个C_db并联(P₁到P₁₆全接通)与169个C_db并联(P₁到P₉全接通)不同大小的过冲电流结果；以及

图8为显示在正常的N-型掺杂浓度以及-20％和+20％的N-型掺杂浓度下，其结电容(junction capacitance)大小与贡献衬底的电荷量(I_d2)的关系。]

公知部分(图1)

10-流体喷射装置；38-硅衬底；42-结构层；50-场氧化层；14-流体腔；16-流体通道；17-喷孔；20-第一加热器；22-第二加热器；44-信号传输线路；106-源极；105-栅极；107-漏极；46-保护层。

本发明部分(图2到8)

100-流体喷射装置；P₁到P₁₆-流体喷射单元；A₁到A₁₉-喷头；150-控制单元；338-硅衬底；342-结构层；350-场氧化层；314-流体腔；316-流体通道；317-喷孔；320-第一加热器；322-第二加热器；344-信号传输线路；306-源极；305-栅极；307-漏极；346-保护层；203、204、205-开关；215-MOSFET元件；C_db-漏极衬底结电容；I_os-过冲电流。

具体实施方式

图2为显示本发明实施例的流体喷射装置100。本发明实施例的流体喷射装置以300个喷头为例说明本发明，但并非限定本发明，其他高密度的流体喷射装置亦可用于本发明。流体喷射装置100包括M组(例如16组)流体喷射单元P₁到P₁₆，各个流体喷射单元P₁到P₁₆包括多个N个(例如19个)喷头A₁到A₁₉，各个喷头A₁到A₁₉连接一驱动元件(未图示)。一控制单元150，各自地传送一信号至各个驱动元件，使M组流体喷射单元P₁到P₁₆中，同时各驱动一个喷头A₁到A₁₉。其中，未被驱动的喷头A₁到A₁₉所对应的驱动元件中，无寄生双极结型晶体管触发未被驱动的喷头。

图3为显示根据本发明实施例单石化的流体喷射装置100的一喷头A₁的剖面示意图。利用微机电(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)系统制造工艺，加上标准半导体的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)制造工艺结合所制成的喷头A₁。以一硅衬底338作为本体，且在硅衬底338与场氧化层(field oxide)350上形成一结构层342。在硅衬底338、与场氧化层(fieldoxide)350和结构层342之间形成一流体腔314，用以容纳流体。流体腔314经由一流体通道316连接流体储存槽。喷孔317介于加热器320、322之间与流体腔314连通。在结构层342上设有第一加热器320以及第二加热器322。加热器320、322经由一信号传输线路344与驱动元件连接。驱动元件为一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)包括漏极(drain)307、栅极(gate)305、源极(source)306，且漏极(drain)307与信号传输线路344相连接。经由降低源极306及漏极307的掺杂浓度可降低漏极对衬底的结电容值，以避免寄生双极结型晶体管触发未被驱动的喷头，以达到最佳的喷墨质量。源极306及漏极307的NDDD区域的较佳掺杂浓度范围大抵介于10²⁰到10²¹原子/立方厘米(atoms/cm³)，可控制漏极对衬底的结电容值小于或等于1.139×10^-14(F/μm²)。一保护层346覆盖该流体喷射装置与驱动元件。

图4为显示本发明流体喷射装置的矩阵式驱动电路示意图。图5为显示本发明流体喷射装置的驱动信号的示意图。在本发明实施例中，将流体喷射装置100分成16个P群(包含P₁至P₁₆)，每个P群又包含有19个地址(包含A₁至A₁₉)。为了缩减外部软板(TAB)的信号接脚(I/O pads)以达到降低成本(cost down)的目的，所以又将19个地址(address)再分由3个接脚(AG1、AG2、AG3)来加以控制。请参考图4的矩阵式驱动电路图，可任意选择要接通哪个地址(A₁至A₁₉)以及供电给哪个P群(P₁至P₁₆)。举例而言，当我们选择驱动如图4的流体喷射头时，控制单元150会供电给CS接脚将开关203、204、205接通(turn on)，接着AG1、AG2、AG3会依序的供电将19个地址(A₁至A₁₉)开关也依序接通。此时若供电给A19，即AG3群的A3接脚，并将MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)元件215接通(turn on)，且供电P1，则此时MOSFET元件215上的加热器209将会有电流流过并依照设定的时间完成加热以及流体喷射的操作。

基于成本上的考虑，打印机上的彩色与黑色喷墨头共用AG1、AG2、AG3、A₁到A₈以及P₁到P₂₄的接脚，至于要驱动黑色或彩色喷墨头时则只靠不同的黑色或彩色的CS接脚来定义。因此，不管驱动的是黑色或彩色喷墨头，其两者都会接受到约12V的驱动电压。并且每个NMOS(N-channel金属氧化物半导体场效应晶体管)元件215都有一个如图6所示的等效电路模型，所以当CS接脚关掉时(turn off)，且若是在P₁到P₁₆同时看到

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=\frac{12V}{2\mathrm{us}}$

的驱动电压/驱动时间时，因此整个衬底(substrate)就会看到300个如图6所示的C_db并联在一起，而且假设衬底(substrate)有一R_b的电阻值，此时只要流到衬底(substrate)的电流I_d2过大，让其与R_b的乘积大于寄生NPN BJT的正向偏压(V_be到0.76V)时，就会造成寄生NPN BJT被触发(turn on)。且若充电至到衬底(substrate)的电荷，若没有马上被衬底引导接地，则其寄生NPN BJT被触发的时间就会拉长，而造成流体喷射装置的寿命变短或烧毁。图7A-D的I’与II’分别表示在CS接脚“OFF”的情况下，其300个C_db并联(P₁到P₁₆全接通)与169个C_db并联(P₁到P₉全接通)不同大小的过冲电流I_os(overshoot current)结果，此因不同负载(loading)下所造成寄生NPN BJT被触发(turn on)的现象。

图7A-D的I与II则分别说明在CS接脚“ON”的情况下的情况下，图中可看出只要驱动负载(driving load)小于9条P-line同时接通的话，其电压、电流就呈现近乎完美的方波。实验中也发现若以没有过冲I_os(overshootcurrent)的电流去加热加热器209，除了不会有多余的热功率消耗外，也可维持较佳的喷墨质量。反之，只要驱动负载(driving load)大于9条P-line同时接通的话，其过冲电流I_os不但造成多余的热功率消耗外，更严重到影响其喷墨质量。除此之外，热载子效应(hot carrier effect)对寄生NPN BJT触发所造成的贡献也需列入考虑。

表1说明在不改N-型掺杂浓度下，在驱动负载(driving load)小于9个P-line同时启动时，其驱动电流可维持良好的方波，此时单一NMOS(N-channel金属氧化物半导体场效应晶体管)元件215的漏极结电容(drain junction capacitance)可为C_JD＝1.139×10^-14(F/um²)。表2说明当减少20％的N-型掺杂浓度后，其驱动负载(driving load)可增加至10个P-line同时接通并维持良好的电流波形，此时C_JD＝1.059×10^-14(F/um²)。表3说明当增加20％的N-型掺杂浓度后，其驱动负载(driving load)将减少至只能8个P-line同时接通并维持良好的电流波形，此时C_JD＝0.991×10^-14(F/um²)。图8为显示在正常的N-型掺杂浓度以及-20％和+20％的N-型掺杂浓度下，其因为结电容(junction capacitance)大小的改变而导致贡献衬底的电荷量(I_d2)也不同。不过，为了增加打印的速度，有时必须以100％负载下(P₁到P₁₆同时接通)进行打印，又由图6及表2、3可知：

$C_{\mathrm{db}}=C_{\mathrm{JD}}\×A_D,C_{\mathrm{JD}}=\frac{C_{j0}}{\sqrt{1+\frac{V_{\mathrm{DB}}}{{\mathrm{\φ}}_0}}},C_{j0}=\sqrt{\frac{q{K}_s{\mathrm{\ϵ}}_0{N}_D}{{2\mathrm{\φ}}_0}}$

其中，C_JD为漏极结的耗尽型电容(Depletion capacitance of the drainjunction)，A_D为漏极结的面积(Area of the drain junction)，φ₀为内建电压(build-in voltage)，q为1.602×10^-19C，ε₀为8.854×10^-12F/m，K_s为硅的介电常数(relative permittivity of silicon)，N_D为掺杂浓度(dopingconcentration)。

因此，在驱动喷墨条件(加热电压、时间)固定下，欲使其驱动负载(driving load)符合在P₁到P₁₆同时启动，且单一MOS开关元件的C_JD小于1.139×10^-14(F/um²)时，即NDDD的掺杂浓度下降为10²⁰到10²¹原子/立方厘米，即可保证在此快速打印模式下(P₁到P₁₆同时接通)，通过各加热器的电流波形皆能维持良好驱动波形的效果。除此之外，另一种降低C_db的方法即减少其漏极区域的面积(A_D)。不过此法必须减少接触窗至栅极的距离(contact via topoly-gate)，易造成其EOS(electric open/short)的问题发生。

本发明特征及效果

本发明的特征与效果在于一具有低掺杂浓度的金属氧化物半导体场效应晶体管的流体喷射装置，经由驱动电路的设计与半导体制作条件，降低漏极对衬底的结电容值，以避免寄生双极结型晶体管触发未被驱动的喷头。此外，可提供各孔于高密度排列下，与多孔同时进行流体喷射时的正确电流波形，以达到最佳的喷墨质量。

本发明虽以优选实施例公开如上，然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的情况下，可进行更动与修改，因此本发明的保护范围以所提出的权利要求所限定的范围为准。

                                                                                                 表1

	1P	2P	3P	4P	5P	6P	7P	8P	9P	10P	11P	12P	13P	14P	15P	16P
																	ΔV4(V)	0.6	0.6	0.64	0.68	0.72	0.72	0.72	0.72	0.72	0.76	0.76	0.76	0.76	0.8	0.8	0.84
Id(mA)	47	47	47	49	50	55	60	64	74	78	86	94	105	105	119	137
																	时间(ns)	105	105	105	110	112	115	120	150	180	200	220	265	305	355	385	415
Q(10-13)	4935	4935	4935	5390	5600	6325	7200	9600	13320	15600	18920	24910	32025	37275	35815	56855
																	CJD(10-14F/μm2)	0.426	0.426	0.425	0.462	0.479	0.541	0.616	0.821	1.139	1.330	1.466	1.770	2.100	2.263	2.596	3.010

                                                                     表2

	1P	2P	3P	4P	5P	6P	7P	8P	9P	10P	11P	12P	13P	14P	15P	16P
																	ΔV4(V)	0.56	0.56	0.56	0.64	0.68	0.68	0.7	0.72	0.72	0.72	0.76	0.76	0.84	0.88	0.96	0.96
Id(mA)	46	46	46	46	48	49	52	54	64	72	78	88	100	102	113	136
																	时间(ns)	92	92	92	92	92	95	100	110	152	172	197	232	265	310	340	362
Q(10-13)	4232	4232	4232	4232	4416	4655	5200	5940	9728	12384	15366	20416	26500	31620	38420	49232
																	CJD(10-14F/μm2)	0.366	0.366	0.366	0.364	0.379	0.399	0.445	0.508	0.832	1.059	1.191	1.450	1.727	1.907	2.150	2.582

                                                                         表3

	1P	2P	3P	4P	5P	6P	7P	8P	9P	10P	11P	12P	13P	14P	15P	16P
																	ΔV4(V)	0.6	0.6	0.6	0.68	0.76	0.76	0.76	0.76	0.76	0.76	0.76	0.8	0.84	0.88	0.96	0.96
Id(mA)	47	47	47	49	56	59	64	75	88	100	105	121	133	143	167	190
																	时间(ns)	95	95	95	95	102	102	117	155	180	217	270	310	350	377	417	447
Q(10-13)	4465	4465	4465	4655	5712	6018	7488	11625	15840	21700	28350	37510	46550	53911	69639	84930
																	CJD(10-14F/μm2)	0.385	0.385	0.385	0.399	0.487	0.513	0.638	0.991	1.350	1.850	2.197	2.656	3.033	3.252	3.896	4.455

Claims (20)

1.一种流体喷射装置，包括：

多个M组流体喷射单元，各个流体喷射单元包括多个N个喷头，各个喷头连接一驱动元件；以及

一控制单元，各自地传送一信号至各个该驱动元件，使该多个M组流体喷射单元中，同时各驱动一个喷头；

其中，未被驱动的喷头所对应的该驱动元件中，无寄生双极结型晶体管触发该多个未被驱动的喷头。

2.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中M的数目为1到16。

3.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中N的数目为1到19。

4.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中该喷头与该驱动元件形成于单一硅衬底中。

5.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中该驱动元件为一金属氧化物半导体场效应晶体管，包括一漏极、一栅极、一源极及一衬底，其中该漏极经由一信号传送线路连接该喷头。

6.如权利要求5所述的流体喷射装置，其中该金属氧化物半导体场效应晶体管为N-通道金属氧化物半导体场效应晶体管。

7.如权利要求5所述的流体喷射装置，其中该漏极对该衬底的结电容值小于或等于1.139×10^-14法/平方微米，以避免寄生双极结型晶体管触发该多个未被驱动的喷头。

8.如权利要求5所述的流体喷射装置，其中该漏极及该源极的NDDD区域的掺杂浓度值介于10²⁰到10²¹原子/立方厘米，以避免寄生双极结型晶体管触发该多个未被驱动的喷头。

9.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中该喷头包括：

一结构层，设置在一衬底上；

一流体腔，形成该结构层与该衬底之间；

一通道，连接该流体腔；

至少一流体致动装置，设置于该结构层上且于该流体腔的相对侧；以及

一喷孔，邻近该气泡产生装置且穿透该保护层与该结构层，且与该流体腔连通。

10.如权利要求9所述的流体喷射装置，其中该流体致动装置为一气泡产生装置。

11.如权利要求9所述的流体喷射装置，其中该结构层为低应力氮化硅。

12.一种流体喷射装置，包括：

多个M组流体喷射单元，各个流体喷射单元包括多个N个喷头，各个喷头连接一金属氧化物半导体场效应晶体管，包括一漏极、一栅极、一源极及一衬底，其中该漏极经由一信号传送线路连接该喷头，且该漏极对该衬底的结电容值小于或等于1.139×10^-14法/平方微米；以及

一控制单元，各自地传送一信号至各个该金属氧化物半导体场效应晶体管，使该多个M组流体喷射单元中，同时各驱动一个喷头；

其中，未被驱动的喷头所对应的该金属氧化物半导体场效应晶体管中，无寄生双极结型晶体管触发该多个未被驱动的喷头。

13.如权利要求12所述的流体喷射装置，其中M的数目为1到16。

14.如权利要求12所述的流体喷射装置，其中N的数目为1到19。

15.如权利要求12所述的流体喷射装置，其中该喷头与该驱动元件形成于单一硅衬底中。

16.如权利要求12所述的流体喷射装置，其中该金属氧化物半导体场效应晶体管为N-通道金属氧化物半导体场效应晶体管。

17.如权利要求12所述的流体喷射装置，其中该漏极及该源极的NDDD区域的掺杂浓度值介于10²⁰到10²¹原子/立方厘米。

18.如权利要求12所述的流体喷射装置，其中该喷头包括：

一结构层，设置在一衬底；

一流体腔，形成该结构层与该衬底之间；

一通道，连接该流体腔；

至少一流体致动装置，设置于该结构层上且于该流体腔的相对侧；以及

一喷孔，邻近该气泡产生装置且穿透该保护层与该结构层，且与该流体腔连通。

19.如权利要求18所述的流体喷射装置，其中该流体致动装置为一气泡产生装置。

20.如权利要求18所述的流体喷射装置，其中该结构层为低应力氮化硅。

Images