DE10211559B4

DE10211559B4 - Piezo-resistive thermische Erfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10211559B4
Application number: DE2002111559
Authority: DE
Inventors: Tsung-Wei Huang; Chih-Ching Chen
Original assignee: BenQ Corp
Current assignee: BenQ Corp
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2022-03-16
Also published as: DE10211559A1

Abstract

Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung, angeordnet auf einer mit einer Flüssigkeit (190) gefüllten Hohlraumvorrichtug, zum Erfassen einer Temperatur der Flüssigkeit in der Holraumvorrichtung, wobei die piezoresistive thermische Erfasungvorrichtung umfasst:
einen Erfassungsbereich, welcher auf der Hohlraumvorrichtung angeordnet ist, und
eine piezoresistive Vorrichtung (31) zur Erfassung thermischer Änderungen der Flüssigkeit (190), wobei die piezoresistive Vorrichtung (31) auf dem Erfassungsbereich angeordnet ist, und
wobei eine Form des Erfassungsbereichs sich in Reaktion auf eine Änderung der Temperatur der Flüssigkeit (190) ändert, so dass sich die Form der piezoresistiven Vorrichtung (31) ändert und sich der Widerstandswert der piezoresistiven Vorrichtung (31) ändert, wodurch die Temperatur der Flüssigkeit (190) erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft generell eine Vorrichtung zur thermischen Erfassung, von Temperaturen einer Flüssigkeit in einer Hohlraumvorrichtung.
Beschreibung des Standes der Technik
Die meisten Tintenstrahldrucker verwenden heute einen thermischen Tintenstrahldruckkopf zum Ausstoßen von Tintentröpfchen auf ein Blatt eines Mediums, wie etwa Papier, zum Drucken. Der thermische Tintenstrahldruckkopf umfasst Tinte, Heizvorrichtungen und Düsen. Die Heizvorrichtungen erwärmen die Tinte, um Blasen zu erzeugen, bis sich die Blasen genügend ausdehnen, so dass Tintentröpfchen durch die Düsen auf das Papierblatt gefeuert werden, um Punkte zu bilden. Ein Ändern der Größen und der Anordnungen der Tintentröpfchen kann verschiedene Text- und Grafikzeichen auf einem Papierblatt bilden.

Die thermische Tintenstrahltechnologie und Auflösung eines Tintenstrahldruckers bestimmen die Qualität, welche der Tintenstrahldrucker liefern kann. Derzeitige Farbdrucker auf Einsteigerniveau liefern eine maximale Auflösung von 720 mal 720 Punkte je Zoll (dpi) bzw. 1440 mal 720 dpi. Die Größe der Tröpfchen steht in Zusammenhang mit der Oberflächenspannung und der Viskosität der Tinte, und eine feinere Größe der Tröpfchen liefert eine höhere Druckauflösung. Was die thermische Tintenstrahltechnologie anbelangt, so ist eine im US-Patent Nr. 6 102 530 A von Kim et al. offenbarte Druckkopfstruktur in 1 dargestellt. Zur Herstellung eines Druckkopfs 100 wird zuerst eine Strukturschicht 120 ausgebildet auf einem Halbleitersubstrat, wie etwa einem Siliciumwafer 140, und anschließend werden ein Verteiler bzw. Manifold 150 und eine Kammer 130 durch ein anisotropes Ätzen auf dem Siliciumwafer 140 ausgebildet. Danach werden Tintenausstoßvorrichten schrittweise ausgebildet, und jede der Tintenausstoßvorrichtungen umfasst eine erste Heizvorrichtung 160, eine zweite Heizvorrichtung 165 und eine Düse 110, wie in 1 dargestellt. Gruppen der Tintenausstoßvorrichtungen sind auf dem Druckkopf 100 angeordnet, um Tinte 190 auszustoßen. Da jede Struktur der Tintenausstoßvorrichtungen in der Praxis identisch ist, sind um der Kürze willen in 1 lediglich einige Tintenausstoßvorrichtungen dargestellt. Wie in 1 dargestellt, ist die Düse 110 über der Kammer 130 angeordnet, und die Kammer 130 befindet sich neben und in Flussverbindung mit dem Verteiler 150. So füllt die Tinte 190 von einem (nicht dargestellten) Behälter jede Kammer 130, indem sie durch den Verteiler 150 fließt, und es wird ein Ausstoßen der Tinte 190 über jede Düse 110 ermöglicht. Es sei darauf hingewiesen, dass jede Düse 110 mit Heizvorrichtungen, wie etwa der ersten Heizvorrichtung 160 und der zweiten Heizvorrichtung 165, ausgestattet ist, um die entsprechende Kammer 130 zu erwärmen und somit die Temperatur der Tinte 190 in der Kammer 130 zu erhöhen. Wenn die Temperatur der Tinte 190 in der Kammer 130 ansteigt, so bilden sich darin Blasen, welche sich entsprechend ausdehnen. Die Blasen dehnen sich derart aus, dass Tintentröpfchen zum Ausstoß über die Düse 110 auf ein Druckmedium gezwungen werden. Nachfolgend wird der Entstehungsprozess der Tintentröpfchen beschrieben.

2 ist eine Querschnittsansicht des Druckkopfs 100 in 1. In 2 sind die erste Heizvorrichtung 160 und die zweite Heizvorrichtung 165 um die Düse 110 angeordnet. Die beiden Heizvorrichtungen führen eine Erwärmung durch, um Bla sen 210 und 215 zu bilden. Die Blasen 210 und 215 dehnen sich in der Richtung von Pfeilen P aus, wenn die beiden Heizvorrichtungen eine fortgesetzte Erwärmung durchführen, und die Tinte 190 in der Kammer 130 wird unter Druck gesetzt, so dass bewirkt wird, dass die Tinte 190 über die Düse 110 als ein Tintentröpfchen in einer Richtung F, wie in 2 dargestellt, ausgestoßen wird.

Kurz ausgedrückt werden, wenn eine spezifische Düse, wie etwa die Düse 110, Tintentröpfchen ausstoßen soll, die Heizvorrichtungen 160 und 165, welche um die Düse 110 angeordnet sind, aktiviert, um die Tinte 190 in der dazugehörigen Kammer 130 zu erwärmen und somit Blasen 210 und 215 zu bilden, so dass Tintentröpfchen von der Düse 110 auf ein Druckmedium ausgestoßen werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Tinte 190 in der Kammer 130 eine Temperatur erreichen kann, welche größer als ein Maximalwert ist, beispielsweise nach Verwenden der Düse 110 für einen Tintenausstoß über eine Zeitspanne. In diesem Fall erfolgen, wenn die Tinte 190 bei der hohen Temperatur durch die Heizvorrichtungen 160 und 165 weiter erwärmt wird und den Heizvorrichtungen 160 und 165 dieselbe Leistung wie bei der Normalsituation zugeführt wird, eine Überhitzung der Tinte 190 und eine Verringerung der Viskosität der Tinte 190, was zu der Verschlechterung der Druckqualität führt. Umgekehrt kann die Tinte 190 in der Kammer 130 eine Temperatur erreichen, welche niedriger ist als ein Minimalwert, beispielsweise nachdem die Düse 110 im Hinblick auf einen Tintenausstoß über eine Zeitspanne inaktiv war. Im Falle der Tinte 190 mit der niedrigen Temperatur wird die Tinte 190, wenn die den Heizvorrichtungen 160 und 165 zugeführte Leistung nicht erhöht wird und nicht größer ist als die in der Normalsituation verwendete Leistung, eine erforderliche Temperatur nicht erreichen, und die Tintentröpfchen können nicht ausgestoßen werden. Daher sollte zur Aufrechterhaltung einer guten Druck qualität die Tinte 190 in den Kammern 130 derart gesteuert werden, dass sie innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.

Dementsprechend ist die Technik zum Erfassen einer Temperatur von Tinte und Durchführen eines thermischen Ausgleichs in Reaktion auf die erfasste Temperatur im Hinblick auf die Druckqualität wichtig. Ein Verfahren zur Erfassung einer Tintentemperatur ist beschrieben in dem US-Patent Nr. 5 696 543 „Recording head which detects temperature of an element chip and corrects for variations in that detected temperature, and cartridge and apparatus having such a head" von Koizumi et al. Bei diesem Verfahren verwendet ein Chip einen Widerstand als Temperatursensor und einen Einstellwiderstand, verwendet außerhalb des Chips, zum Bilden einer Temperaturerfassungsschaltung in Form einer Wheatstone-Brückenschaltungsanordnung. Dieses, Verfahren weist die Nachteile auf, dass es im Hinblick auf die Erfassung eine hohe Komplexität sowie hohe Produktionskosten aufweist, so dass es zur Serienproduktion ungeeignet ist. Daher wird eine andere Temperaturerfassungsvorrichtung benötigt, welche eine höhere Empfindlichkeit, geringere Komplexität und niedrige Herstellkosten aufweist.

Aus der EP 0034807 A1 ist ein Halbleiter-Dehnungsmeßgerät bekannt, welches vier piezoresistive Elemente umfasst, die auf einem Diaphragma angeordnet sind. Die piezoresistiven Elemente umfassen dabei eine unterschiedliche Anzahl von Verunreinigungen bzw. Störstellen. Das Messgerät dient dabei zur Aufnahme eines Drucks, wobei der Druck von der Seite ausgeübt wird, in welcher die piezoresistiven Elemente angeordnet sind.

Die EP 0127176 A2 offenbart einen integrierten Drucksensor, welcher ein Diaphragma aufweist, das in eine Siliciumchip integriert ist. Der Drucksensor nimmt dabei einen Druck auf, wobei Messwiderstände auf dem Diaphragma angeordnet sind.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der Temperatur einer Flüssigkeit in einer Hohlraumvorrichtung sowie eine Vorrichtung zum Ausstoßen einer Flüssigkeit zu schaffen, so dass die Flüssigkeitstemperatur innerhalb eines vorbestimmten Bereichs mittels Heizvorrichtungen, wie etwa ringartigen Heizvorrichtungen, gesteuert werden kann, so dass die Verbesserung der Druckqualität ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch eine piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 13 bzw. eine Vorrichtung zum Ausstoßen einer Flüssigkeit mit den Merkmalen des Anspruchs 29 gelöst. Die Unteransprüche zeigen jeweils bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung löst die oben genannte Aufgabe durch Vorsehen einer piezoresistiven Temperaturerfassungsvorrichtung mit einem Erfassungsbereich und einer Vielzahl piezoresistiver Vorrichtungen zum Erfassen der Temperatur einer Flüssigkeit in einer Hohlraumvorrichtung, wie etwa einem Tintenstrahldruckkopf. Im Falle eines Tintenstrahldruckkopfs kann in der Praxis dessen Tintentemperatur innerhalb eines vorbestimmten Betriebstemperaturbereichs gesteuert werden unter Verwendung von Heizvorrichtungen, welche um die Kanten des Druckkopfs angeordnet sind. Der Erfassungsbereich, beispielsweise ein rechteckiger Erfassungsbereich aus einem Halbleitermaterial, ist auf dem Druckkopf ausgebildet. Die piezoresistiven Vorrichtungen, beispielsweise Widerstände aus Polysilicium, sind auf den Mitten von Kanten des Erfassungsbereichs angeordnet, wobei die piezoresistiven Vorrichtungen ihre Widerstandswerte in Reaktion auf die Verformung der piezoresistiven Vorrichtungen infolge von Spannungen, welche auf diese wirken, ändern. Wenn die Tintentemperatur ansteigt, so wölbt sich die Fläche, auf welcher der Erfassungsbereich angeordnet ist (das heißt, die Fläche des Druckkopfs), nach außen, was zu der Verformung der piezoresistiven Vorrichtungen führt. Die Widerstandswerte der piezoresistiven Vorrichtungen ändern sich daher infolge der auf die piezoresistiven Vorrichtungen wirkenden Spannungen. Die piezoresistiven Vorrichtungen, wie etwa Widerstände, können in Form einer Brückenschaltung, wie etwa einer Wheatstone-Brückenschaltungsanordnung, zusammengeschaltet werden, so dass ein Spannungssignal, welches die Änderungen der Widerstandswerte der piezoresistiven Vorrichtungen anzeigt, ausgegeben werden kann. Auf diese Weise kann die Tintentemperatur auf der Grundlage des ausgegebenen Spannungssignals erhalten werden. Zur Verbesserung des Messfaktors der piezoresistiven Vorrichtungen und somit zur Erzeugung eines größeren Erfassungssignals können die piezoresistiven Vorrichtungen beispielsweise mit Bor- bzw. Phosphor-Ionen während eines Herstellprozesses der piezoresistiven Vorrichtungen dotiert werden. Zusätzlich zu Polysilicium können die piezoresistiven Vorrichtungen aus Metall hergestellt werden, wie etwa aus einem Material, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Gold, Kupfer, Wolfram, Titan, Wolframnitrid, Titannitrid und Legierungen von Aluminium-Silicium-Kupfer besteht.

Bevorzugte, jedoch nicht einschränkende Ausführunsbeispiele der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibund unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung, deutlich hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

1 (Stand der Technik) ist eine perspektivische Ansicht eines Tintenstrahldruckkopfs.

2 (Stand der Technik) ist eine Querschnittsansicht des in 1 dargestellten Tintenstrahldruckkopfs.

3A zeigt einen Druckkopf gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

3B ist eine Querschnittsansicht des in 3A dargestellten Druckkopfs längs der Linie 3B-3B.

3C zeigt einen Druckkopf der Erfindung mit zwei thermischen Sensoren und zwei Heizvorrichtungen.

3D zeigt einen Druckkopf der Erfindung mit drei thermischen Sensoren und drei Heizvorrichtungen.

4 zeigt die piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

5 zeigt das Ausdehnungsprofil zur oberen Richtung (z-Achse) der in 4 dargestellten piezoresistiven thermischen Erfassungsvorrichtung.

6 zeigt eine Ersatzschaltung einer Wheatstone-Brücke, gebildet durch die in 4 dargestellte piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Um zu erreichen, dass die Tintenstrahldruckqualität nicht einer Änderung der Tintentemperatur unterliegt, und um die Qualität von Tintentröpfchen, welche ausgestoßen werden, aufrechtzuerhalten, muss in der Praxis die Tintentemperatur innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gehalten werden, beispielsweise zwischen einer Temperatur 1 und einer Temperatur T2 (T1 < T2) in der Praxis. Der vorbestimmte Bereich der Tintentemperatur ist ein Temperaturbereich, innerhalb welchem das Tintenausstoßverhalten stabil ist und welcher als Betriebstemperaturbereich bezeichnet wird. Bei der Gestaltung kann ein Betriebstemperaturbereich vorbestimmt werden auf der Grundlage der Eigenschaft der angewandten Tinte. Ist einmal der Betriebstemperaturbereich definiert, so können auf dem Druckkopf angeordnete Heizvorrichtungen aktiviert werden, um einen Tintenausstoß durchzuführen, wenn die momentane Tintentemperatur niedriger ist als die Temperatur T1; und die Heizvorrichtungen können deaktiviert werden, wenn die Tintentemperatur höher ist als die Tintentemperatur T2 oder sich innerhalb des Betriebstemperaturbereichs befindet. Auf diese Weise wird die Temperatur innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten, so dass die Druckqualität aufrechterhalten wird.

Zum Erreichen der erfindungsgemäßen Steuerung der Tintentemperatur wird die Tintentemperatur erfasst. Eine oder mehr Temperatureinstellvorrichtungen, wie etwa Heizvorrichtun gen, sind um die Kanten des Druckkopfs angeordnet, um die Tinte zu erwärmen, und thermische Sensoren sind über einem Verteiler des Druckkopfs angeordnet, um die Temperatur der Tinte zu erfassen. Auf diese Weise kann eine Bestimmung dahingehend, ob die Heizvorrichtungen aktiviert werden, anhand der erfassten Tintentemperatur erfolgen, so dass die Tintentemperatur innerhalb des Wärmebereichs gehalten werden kann. Selbstverständlich müssen die Heizvorrichtungen, wenn die Tintentemperatur sich bereits in dem vorbestimmten Temperaturbereich befunden hat, nicht aktiviert werden.

3A zeigt einen oben beschriebenen Druckkopf gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Ansicht. In 3A ist ein thermischer Sensor 31 angeordnet auf einer Strukturschicht 120 (dargestellt in 3B) eines Druckkopfs 100 und über einem Verteiler 150 und wird verwendet zum Erfassen der Temperatur einer Tinte 190 innerhalb des Druckkopfs 100. Es sei darauf hingewiesen, dass die Temperatur der Strukturschicht 120 im Wesentlichen gleich der Tintentemperatur ist, da der Verteiler 150 mit der Tinte 190 gefüllt ist und die Strukturschicht 120 eine geringe Dicke aufweist. Anders ausgedrückt, kann die Tintentemperatur indirekt über die Strukturschicht 120 erfasst werden, obwohl der thermische Sensor 31 nicht in Kontakt mit der Tinte ist. Wenn die Tintentemperatur niedriger ist als ein Minimalwert, so wird eine Heizvorrichtung 310 zum Erwärmen eines Siliciumsubstrats 140 aktiviert durch Einspeisen eines großen Stroms in die Heizvorrichtung 310 in einer kurzen Zeit, was zu einem schnellen Anstieg der Temperatur des Siliciumsubstrats 140 führt. Die Tintentemperatur steigt ebenfalls infolge des schnellen Anstiegs der Temperatur des Siliciumsubstrats 140 an. Wenn die Tintentemperatur auf eine Temperatur innerhalb des Betriebstemperaturbereichs erhöht ist, wird die Heizvorrichtung 310 deaktiviert. 3B zeigt eine Querschnittsansicht des Druckkopfs in 3A längs einer Linie 3B-3B. Da die Strukturschicht 120 eine geringe Dicke aufweist, erfolgt eine Ausdehnung des Bereichs, wo der thermische Sensor 31 angeordnet ist, zu der oberen Richtung mit ansteigender Tintentemperatur, was zu der Verformung des thermischen Sensors 31 führt. Anhand des Verformungsgrads des thermischen Sensors 31 wird die Temperatur der Tinte 190 innerhalb des Druckkopfs 100 bestimmt, und so wird die Zeit zum Aktivieren der Heizvorrichtung 310 gesteuert.

Es kann so die Tintentemperatur genauer gesteuert werden, so dass die Qualität der Tintentröpfchen aufrechterhalten wird. Thermische Sensoren 32 und 33 sind über dem Verteiler angeordnet, und dazugehörige- Heizvorrichtungen 320 und 330 sind um die thermischen Sensoren 32 und 33 angeordnet, wie in 3C dargestellt. Da der in 3C darge- stellte Druckkopf denselben Aufbau wie der in 3A dargestellte Druckkopf 100 aufweist, sind der Verteiler und die Dizsen in 3C um der Kürze und Einfachheit willen nicht dargestellt. Durch diese Struktur kann die Aktivierung der Heizvorrichtungen 320 und 330 bestimmt werden anhand der durch die thermischen Sensoren 32 bzw. 33 erfassten Tintentemperaturen. Anders ausgedrückt, kann die Tinte in dem Verteiler unterteilt werden in zwei temperatursteuerbare Abschnitte, um eine gleichmäßigere Verteilung der Tintentemperatur für den Druckkopf zu erreichen. In der Praxis, wie bei einem anderen, in 3D dargestellten Beispiel, kann eine genauere Temperatursteuerung erreicht werden unter Verwendung von thermischen Sensoren 34, 35 und 36, welche über dem Verteiler angeordnet sind, um die Zeit zum Aktivieren der dazugehörigen Heizvorrichtungen 340, 350 und 360 zu steuern. Selbstverständlich ist bei der Druckkopfgestaltung die Anzahl von thermischen Sensoren bzw. Heizvorrichtungen nicht auf die oben beschriebene beschränkt. Vielmehr können die Annrdnung bzw. die Anzahl von thermischen Sensoren bzw. Heizvorrichtungen gemäß tatsächlichen Anforderungen bestimmt werden, so dass ein optimales Gleichgewicht zwischen der Wirkung einer Temperatursteuerung und Herstellkosten erreicht wird.

Nachfolgend werden der Aufbau und die Wirkungsweise der thermischen Sensoren beschrieben.

Um die Erfassungswirkung zu verbessern, ist ein großes Erfassungssignal, erzeugt durch die thermische Erfassung, erwünscht. Gemäß Smith, C.S., „Piezoresistive effect in germanium and silicon", Phys. Rev., Vol. 94, S. 42–49, 1954, ist die piezoresistive Wirkung in Silicium und Germanium 100 Mal höher als in Metallleitungen. Außerdem muss gemäß Dai, Ching-Liang, „Fabrication of Micro Electro Mechanical sensors Using the standard IC Process", S. 38–48, PhD. thesis, department of mechanical engineering, National Taiwan University, 1997, die piezoresistive Vorrichtung, wenn es erforderlich ist, dass eine piezoresistive Vorrichtung in der Lage ist, ein großes Erfassungssignal zu erzeugen, einen hohen Messfaktor aufweisen und ist in einem Erfassungsbereich angeordnet, wo eine maximale Spannung auftritt, wie beispielsweise in der Mitte jeder Seite eines rechteckigen Erfassungsbereichs, um die Erfassungswirkung zu verbessern.

Daher wird zur Anwendung der oben erwähnten Theorien auf die thermische Erfassung eines Druckkopfs bei der Erfindung ein Halbleitermaterial, wie etwa Polysilicium, verwendet zum Bilden eines Erfassungsbereichs mit einer Vielzahl von piezoresistiven Vorrichtungen auf dem Druckkopf zum Erfassen der Temperatur des Druckkopfs. Zum Verbessern des Messfaktors der piezoresistiven Vorrichtungen können in der Praxis die piezoresistiven Vorrichtungen beispielsweise mit Bor- bzw. Phosphor-Ionen dotiert werden, um ein größeres Erfassungssignal zu erzeugen. Zusätzlich zu Polysilicium können die piezoresistiven Vorrichtungen aus Metall hergestellt werden, wie etwa aus einem Material, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Gold, Kupfer, Wolfram, Titan, Wolframnitrid, Titannitrid und Legierungen aus Aluminium-Silicium-Kupfer besteht.

Eine piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung 400 ist gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in 4 dargestellt. Die piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung 400 umfasst einen Erfassungsbereich 410, beispielsweise in der Form eines Rechtecks, und piezoresistive Vorrichtungen 41, 42, 43 und 44 zur Temperaturerfassung. Es sei darauf hingewiesen, dass unter einem gleichmäßig verteilten Druck der Erfassungsbereich 410 eine maximale Verformung in seiner Mitte aufweist. Das heißt, der Erfassungsbereich 410 steht in der Mitte am stärksten nach außen vor. Daher bewirkt ein Ansteigen der Tintentemperatur ein Vorstehen der piezoresistiven Vorrichtungen 41, 42, 43 und 44, was zu Änderungen ihrer Widerstandswerte und zu dem in 5 dargestellten Ausdehnungsprofil führt. Ferner können die piezoresistiven Vorrichtungen 41, 42 43 und 44 aufgrund der Tatsache, dass die Verformung des Erfassungsbereichs 410 ein Wirken maximaler Spannungen auf die Mitten von Kanten davon bewirkt, die maximalen Spannungen erfahren, so dass optimale Erfassungsergebnisse erzeugt werden.

In der Praxis können zur Bestimmung der Änderungen von Widerständen der piezoresistiven Vorrichtungen 41, 42, 43 und 44 piezoresistive Vorrichtungen, wie etwa Widerstände, in Form einer Brückenschaltung, wie etwa einer Wheatstone-Brückenschaltungsanordnung, zusammengeschaltet werden, so dass ein Spannungssignal ausgegeben werden kann, welches die Änderungen der Widerstandswerte der piezoresistiven Vorrichtungen anzeigt. Auf diese Weise kann die Tintentemperatur erhalten werden auf der Grundlage des ausgegebenen Spannungssignals.

6 zeigt eine Ersatzschaltung einer Wheatstone-Brückenschaltungsanordnung, welche vier Widerstände Ru1, R2, R3, R4 und eine Eingangsspannungsquelle E umfasst und eine Ausgangsspannung V ausgibt. Die vier Widerstände R1 bis R4 entsprechen jeweils den piezoresistiven Vorrichtungen 41 bis 44, dargestellt in 4. Es sei angenommen, dass jeder der vier Widerstände R1 bis R4 denselben Widerstandswert R (das heißt, R1 = R2 = R3 = R4 = R) aufweist und jeder der Widerstände R1 bis R4, wenn der Erfassungsbereich 410 ein Aufwärtsbiegemoment erfährt, eine Änderung des Widerstandswerts aufweist, welche mit ΔR bezeichnet ist. In 4 weisen die piezoresistiven Vorrichtungen 41 und 43 aufgrund der Tatsache, dass die piezoresistiven Vorrichtungen 41 und 43 (entsprechend den Widerständen R1 und R3) vertikal zu ihren dazugehörigen Kanten des Erfassungsbereichs 410 angeordnet sind, jeweils eine Änderung des Widerstandswerts von ΔR auf. Hingegen weisen aufgrund der Tatsache, dass die piezoresistiven Vorrichtungen 42 und 44 (entsprechend den Widerstanden R2 und R4) in einer Richtung horizontal zu ihren dazugehörigen Kanten des Erfassungsbereichs 410 angeordnet sind, die piezoresistiven Vorrichtungen 42 und 44 jeweils eine Änderung des Widerstandswerts von –ΔR auf. Daher beträgt die Änderung der Ausgangsspannung gleich ΔV und kann ausgedrückt werden als ΔV = (ΔR/R) E.

Wie oben beschrieben, wird bei der Erfindung die Tintentemperatur erhalten durch die Beziehung zwischen der Tintentemperatur, der Verformung des Erfassungsbereichs und den Änderungen des Widerstandswerts der piezoresistiven Vorrichtungen. Genauer bewirkt die Änderung der Tintentemperatur die Verformung des Erfassungsbereichs 410, was zu den Änderungen der Widerstandswerte der piezoresistiven Vorrichtungen 41, 42, 43, und 44, das heißt, zu den Änderungen der Widerstandswerte R1, R2, R3 und R4, führt. Die Änderungen der Widerstandswerte R1, R2, R3 und R4 führen zu der Änderung der Ausgangsspannung V, bezeichnet durch ΔV. Schließlich kann die Tintentemperatur durch die Änderung der Ausgangsspannung ΔV einfach bestimmt werden.

Wie oben beschrieben, verformt die Änderung der Temperatur den Erfassungsbereich, was zu den Änderungen der Widerstandswerte der piezoresistiven Vorrichtungen führt. Daher wird bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Änderung der Tintentemperatur erhalten durch Erfassen der Änderungen der Widerstandswerte der auf dem Erfassungsbereich angeordneten piezoresistiven Vorrichtungen. Es sei darauf hingewiesen, dass zusätzlich zu Tintenstrahldruckköpfen die Erfindung angewandt werden kann auf eine beliebige Hohlraumvorrichtung mit einer Flüssigkeit, wenn die Temperatur der Flüssigkeit innerhalb der Hohlraumvorrichtung die Verformung von deren Erfassungsbereich bewirken kann. Selbstverständlich können zusätzlich zu einem Halbleiterherstellprozess der Erfassungsbereich und die piezoresistiven Vorrichtungen durch einen anderen Herstellprozess hergestellt werden, vorausgesetzt, dass der hergestellte Erfassungsbereich und die hergestellten piezoresistiven Vorrichtungen das oben beschriebene Wesen der Erfindung erfüllen können. Bei dem derzeitigen Stand der Technologie wird der Halbleiterherstellprozess vorzugsweise angewandt auf die Herstellung einer piezoresistiven thermischen Erfassungsvorrichtung, um niedrige Herstellkosten und Wirksamkeit der Herstellung zu erreichen.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die durch die Erfindung vorgesehene piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung mindestens die nachfolgend genannten Vorteile auf.

(1) Die thermische Erfassungsvorrichtung kann vollständig hergestellt werden durch einen Standardhalbleiterherstellprozess, ohne Hinzufügen anderer Herstellverfahren, so dass sie in Serie hergestellt werden kann und sowohl Genauigkeit als auch Ausbeute auf bestimmten Niveaus aufweist.
(2) Die Herstellung der thermischen Erfassungsvorrichtung stellt keinen wesentlichen Aufschlag auf die Gesamtherstellkosten einer Vorrichtung dar, auf welcher die thermische Erfassungsvorrichtung herzustellen ist. Es sei angenommen, dass die Vorrichtungen ursprünglich eine Nachbearbeitung eines Ätzens des Siliciumsubstrats aufweist. Während des Herstellens der Halbleitervorrichtung wird die Nachbearbeitung ebenfalls verwendet, um den Verteiler der thermischen Erfassungsvorrichtung auszubilden. Außerdem werden vor der Nachbearbeitung Dünnfilme der piezoresistiven thermischen Vorrichtungen auf der oberen Fläche des Verteilers erzeugt. Daher verzeichnen die Gesamtherstellkosten der Vorrichtung keinen wesentlichen Anstieg.
(3) Die Temperatursteuerung zum Tintenausstoß kann erreicht werden durch Anwenden der thermische Erfassungsvorrichtung mit Heizvorrichtungen auf den Tintenstrahldruckkopf. Daher kann die Tintentemperatur innerhalb eines bestimmten Bereichs für eine gewünschte Druckqualität gesteuert werden.

Während die Erfindung beispielhaft und anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Vielmehr ist es beabsichtigt, verschiedene Abwandlungen sowie ähnliche Anordnungen und Verfahren abzudecken, so dass dem Umfang der beiliegenden Ansprüche die größtmögliche Interpretation gewährt werden sollte, um all diese Abwandlungen sowie ähnliche Anordnungen und Verfahren darin einzuschließen.

Claims

Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung, angeordnet auf einer mit einer Flüssigkeit (190) gefüllten Hohlraumvorrichtug, zum Erfassen einer Temperatur der Flüssigkeit in der Holraumvorrichtung, wobei die piezoresistive thermische Erfasungvorrichtung umfasst: einen Erfassungsbereich, welcher auf der Hohlraumvorrichtung angeordnet ist, und eine piezoresistive Vorrichtung (31) zur Erfassung thermischer Änderungen der Flüssigkeit (190), wobei die piezoresistive Vorrichtung (31) auf dem Erfassungsbereich angeordnet ist, und wobei eine Form des Erfassungsbereichs sich in Reaktion auf eine Änderung der Temperatur der Flüssigkeit (190) ändert, so dass sich die Form der piezoresistiven Vorrichtung (31) ändert und sich der Widerstandswert der piezoresistiven Vorrichtung (31) ändert, wodurch die Temperatur der Flüssigkeit (190) erfasst wird.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Form des Erfassungsbereichs eine Rechteckform ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die piezoresistive Vorrichtung (31) auf Kanten des Erfassungsbereichs angeordnet ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Hohlraumvorrichtung ein Tintenstrahldruckkopf ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Flüssigkeit (190) Tinte ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Erfassungsbereich durch einen Halbleiterherstellprozess auf der Hohlraumvorrichtung ausgebildet ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die piezoresistive Vorrichtung (31) durch einen Halbleiterherstellprozess auf dem Erfassungsbereich ausgebildet ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die piezoresistive Vorrichtung (31) aus Polysilicium hergestellt ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Polysilicium mit Bor-Ionen dotiert ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Polysilicium mit Phosphor-Ionen dotiert ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach An- spruch 1, wobei die piezoresistive Vorrichtung (31) aus einem Metall hergestellt ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Metall ein Material ist, welches ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Aluminium, Gold, Kupfer, Wolfram, Titan, Wolframnitrid, Titannitrid und Legierungen von Aluminium-Silicium-Kupfer besteht.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung, angeordnet auf einer mit einer Flüssigkeit (190) gefüllten Hohlraumvorrichtung, zum Erfassen einer Temperatur der Flüssigkeit innerhalb der Holraumvorrichtung, wobei die piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung umfasst: einen Erfassungsbereich, angeordnet auf der Hohlraumvorrichtung; und eine Vielzahl von piezoresistiven Vorrichtungen (41, 42, 43, 44), angeordnet an Kanten des Erfassungsbereichs und zusammengeschaltet in Form einer Brückenschaltung, wobei eine Form des Erfassungsbereichs sich mit einer Anderung der Temperatur der Flüssigkeit (190) ändert, so dass sich die Form der piezoresistiven Vorrichtungen (41, 42, 43, 44) ändert und sich Widerstandswerte der piezoresistiven Vorrichtungen (41, 42, 43, 44) ändern, wodurch die Temperatur der Flüssigkeit (190) erfasst wird.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Brückenschaltung eine Wheatstone-Brücke ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei die piezoresistiven Vorrichtungen (41, 42, 43, 44) vier piezoresistive Vorrichtungen umfassen und die Wheatstone-Brücke aus vier piezoresistiven Vorrichtungen gebildet ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Widerstandswerte der piezoresistiven Vorrichtungen (41, 42, 43, 44) gleich sind.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die piezoresistiven Vorrichtungen (41, 42, 43, 44) an den Mitten der Kanten des Erfassungsbereichs angeordnet sind.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Form des Erfassungsbereichs eine Rechteckform ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei eine Ausgangsspannung der piezoresistiven thermischen Erfassungsvorrichtung sich mit einer Änderung der Widerstandswerte der piezoresistiven Vorrichtung (41, 42, 43, 44) andert.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die Hohlraumvorrichtung ein Tintenstrahldruckkopf ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei die Flüssigkeit (190) eine Tinte ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei der Erfassungsbereich durch einen Halbleiterherstellprozess auf der Hohlraumvorrichtung ausgebildet ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, wobei die piezoresistiven Vorrichtungen (41, 42, 43, 44) durch einen Halbleiterherstellprozess auf dem Erfassungsbereich ausgebildet sind.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 23, wobei die piezoresistiven Vorrichtungen (41, 42, 43, 44) aus Polysilicium hergestellt sind.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 24, wobei das Polysilicium mit Bor-Ionen dotiert ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 24, wobei das Polysilicium mit Phosphor-Ionen dotiert ist.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die piezoresistiven Vorrichtungen (41, 42, 43, 44) aus einem Metall hergestellt sind.
Piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 27, wobei das Metall ein Material ist, welches ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Aluminium, Gold, Kupfer, Wolfram, Titan, Wolframnitrid, Titannitrid und Legierungen von Aluminium-Silicium-Kupfer besteht.
Vorrichtung zum Ausstoßen einer Flüssigkeit, basierend auf einem Halbleitersubstrat, umfassend: einen Verteiler (150), welcher durch ein Halbleiterätzverfahren auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, um mit einer Flüssigkeit gefüllt zu werden, eine Temperatureinstellvorrichtung, welche über dem Verteiler (150) angeordnet ist, zum Erwärmen des Halb leitersubstrats und somit zum Erwärmen der Flüssigkeit, und eine piezoresistive thermische Erfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei das Halbleitersubstrat ein Siliciumsubstrat ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, wobei die Vorrichtung zum Ausstoßen einer Flüsigkeit ein Tintenstrahldruckkopf ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, wobei die Flüssigkeit (190) eine Tinte ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 32, wobei die Temperatureinstellvorrichtung eine Heizvorrichtung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 33, wobei die Temperatureinstellvorrichtung um Kanten des Verteilers (150) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 34, wobei die Temperatureinstellvorrichtung um Kanten des Halbleitersubstrats angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatureinstellvorrichtung im Wesentlichen die Form einer Schleife aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatureinstellvorrichtung im Wesentlichen eine Rechteckform aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatureinstellvorrichtung in eine Vielzahl von Teilen unterteilt ist und jedes der Teile die piezoresistive Vorrichtung (41, 42, 43, 44) der piezoresistiven thermischen Erfassungsvorrichtung entsprechend umgibt.