TW201200364A - Printhead and related methods and systems - Google Patents

Description

201200364 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域3 發明領域 一種列印頭及其相關方法與系統。 【先前技術3 發明背景 供需式喷墨印表機通常依據喷墨列印頭之液滴形成的 兩種方式分類。熱泡式喷墨印表機使用帶有加熱致動器的 熱式喷墨列印頭將列印頭管道中的墨汁（或其他液體）氣 化，形成一個氣泡，迫使喷嘴處的墨水滴出。壓電式喷墨 印表機使用帶有壓電致動器的壓電式喷墨列印頭在列印頭 管道中產生壓力脈衝將墨滴（或其他液體)推出喷嘴。 當使用高黏性或化學組成無法用於熱式喷墨列印頭的 喷墨墨水時，例如紫外線硬化型墨水，壓電式噴墨列印頭 會比熱式列印頭更受重用。熱式喷墨列印頭限用於能在沸 點溫度之下不產生物理或化學性變質的喷墨墨水。因為壓 電式列印頭用壓力（非熱)將墨水推出喷嘴，壓電式列印頭可 相容於更多種類的喷墨墨水。因此，壓電式列印頭被廣泛 的應用在各式媒材的列印上。 然而，壓電式列印頭其一困難是微機電與壓電制動器 驅動電路的架構型態以使列印系統的成本最小化。壓電式 列印頭有許多特性是需要以單一喷嘴為單元做電路控制 的。例如，調整個別喷嘴並減少鄰近喷嘴的串音干擾需要 每個喷嘴使用獨立的電路。然而為每個喷嘴提供電路需要 3 201200364 列印頭上額外的面積，因此而增加成本。因此製作具有高 喷嘴密度且省錢的的壓電式列印頭是一項仍在進行中的挑 戰。 【發明内容】 發明概要 如前所述，一項仍在進行中的挑戰是製作具有高喷嘴 密度且省錢的壓電式列印頭。困難點在於列印頭缺乏空間 容納控制每個喷嘴的獨立電路。 本揭露内容之實施例面對此項挑戰，大致上透過一壓 電式噴墨列印頭’其CMOS電路製作於可移動式薄膜上，用 於啟動列印頭。至少將一些C Μ O S電路製作在因喷墨微機電 機構啟動而變形的晶圓表面上，能更有效的利用列印頭的 面積並且降低了微機電製作的複雜度。製作CMOS電路且將

部分，也可減少連接壓力致動器和CMOS電路的成本。 在一實施例中，一列印頭包含一可移動式薄膜，一壓 電致動器用於移動薄膜，以及一配置於可移動式薄膜的電 子電路。在另一實施例中，一列印系統包含—列印頭，其 CMOS電路製作於可移動式薄膜的第一面。一墨水室的底部 組成可移動式薄膜的第二面。—壓電致動器製作於 電路上方，用於將可移動式薄膜移向墨水室内部。 在另-實施例中’製作喷墨列印頭的一種方法包括將 CMOS電路製作於電路晶_第_面一墨水室製作於電路 晶圓的第二面使得墨水室底部㈣—可移動式薄膜。製作 201200364 於電路晶圓第〜面的CMOS電路位於可移動式薄膜上面，與 製作於電路晶圓第二面的墨水室底部相對。 圖式簡單說明 有關本發明的具體實施方式將藉由實施例於下描述， 參照圖式，其中. 第1圖根據一具體實施例，說明一喷墨列印系統適用於 實現一列印頭。 第2圖根據一實施例，為一具有一 CMOS電路的壓電式 嘴墨列印頭的側視圖，該CMOS電路設置於一可移動式薄 膜。 第3圖根據一實施例說明壓電式列印頭的啟動，經由施 加一啟動電壓信號於各別管道上方的壓電材料上。 第4圖根據一實施例，為一壓電式列印頭的晶片堆疊上 視圖。 第5圖根據—實施例，說明製作一壓電式列印頭晶片堆 疊的一般處理程序。 t 方包】 較佳實施例之詳細說明 第1圖根據一實施例，說明適用於實現本案揭露之列印 頭或流體喷射襄置的-噴墨列印系統1GG。在本實施例中， 揭露之列印頌為—墨滴喷射列印頭1M。噴墨列印系統100 包含一喷墨列印頭組件1〇2，一墨水供應組件1〇4，一底座 組件106，一媒介輪送組件108, -電子控制器110,以及至 少—個電源供應系統112負責供應電源給喷墨列印系統i 〇 〇 201200364 中的各式電子元件。喷墨列印頭組件102包括至少一個列印 頭（流體喷射裝置）或列印頭晶粒114用於通過數個空洞或喷 嘴116向列印媒體118喷出墨滴，以便於列印媒體ns上列 印。列印媒體118是適當的薄片材質，例如紙，卡片，幻燈 片，邁勒膠片及類似物。典型地，喷嘴116是安排成一或多 列或陣列，所以當喷墨列印頭組件102和列印媒體118相對 運動時’從喷嘴116適當地順序喷墨使得文字、符號及/或 其他圖畫或影像列印在列印媒體118上。 墨水供應組件104供應液態墨水至列印頭組件1〇2且包 含一貯存槽120用於貯存墨水。墨水從貯存槽12〇流向喷墨 列印頭組件102。墨水供應組件104和喷墨列印頭組件1 〇2可 以做為一單方向墨水供應系統或循環式墨水供應系統。在 一單方向墨水供應系統中’實質上所有供應到喷墨列印頭 組件102的墨水都在列印過程中消耗完。然而，在一循環式 墨水供應系統，只有一部分送到列印頭組件102的墨水在列 印過程中被消耗掉。列印未用完的墨水會回到墨水供應系 統 104。 在一實施例中，喷墨列印頭組件102和墨水供應組件 104—起裝置在一墨水夾或筆中《在另一實施例，墨水供應 組件104從喷墨列印頭組件102分開並透過一介面連接，例 如供應管，以供應墨水到喷墨列印頭組件102。在此二實施 例中，墨水供應組件104的貯存槽120可被移除，取代且/或 再裝滿。在一實施例中喷墨列印頭組件1〇2和墨水供應組件 104一起裝置在一墨水夾，貯存槽120包括一位於墨水夾的 201200364 局部貯存槽’以及一與墨水夾分開的大貯存槽。該分開的 大貯存槽用於再填滿局部貯存槽。因此，大貯存槽及/或局 部貯存槽可被移除，取代及/或再填滿。 底座組件106將喷墨列印頭組件1〇2相對於媒介輸送組 件108固定，而媒介輸送組件108將列印媒體118相對於噴墨 列印頭組件102固定。因此，一列印區域122定義為鄰近噴 嘴116，且在噴墨列印頭1〇2和列印媒體118之間的區域。在 一實施例中，喷墨列印頭組件102是一掃描式列印頭組件。 在一掃描式列印頭組件中，底座組件106包含一滑動架用以 將喷墨列印頭組件1 〇 2相對於媒介輸送組件丨〇 8移動以掃描 列印媒體118。在另一實施例中，噴墨列印頭組件1〇2是一 非掃描式的列印頭組件。在一非掃描式的列印頭組件中， 底座組件106將喷墨列印頭組件1〇2固定在如前述相對於媒 介輸送組件108的位置。因此媒介輸送組件1〇8將列印媒體 118相對於喷墨列印頭組件102固定。 電子控制器或印表機控制器110通常包含一處理器，韌 體，和其他印表機電子設備用於通訊並控制喷墨列印頭組 件1〇2’底座組件106’和媒介輸送組件1〇8。電子控制器 從主機系統（例如電腦）接受資料124，並包含記憶體以暫 時儲存資料124。通常資料124經由一電子，紅外線’光學， 或其他資料傳輸路徑被送到喷墨列印系統1〇〇。資料124代 表，例如一將被列印的文件及/或檔案。本身而言，資料124 成為喷墨列印系統100的—列印任務而且包含一或多個列 印任務指令和/或指令參數。 7 201200364 在—實施例中，電子控制器110控制喷墨列印頭組件 用於從嗔嘴116喷出墨滴。因此，電子控制器11〇定義了 喷出墨滴的圖案，在列印媒體118上形成字母，符號和/或 ”他圖j或f彡像1嘴出墨滴的圖案是由列印任務指令和， 或指令參數所決定的。 在實施例中，喷墨列印組件1〇2包含一列印頭114。 在其他實施例中喷墨列印組件1〇2是一寬鬆陣列或多頭的 列印頭組件。在一寬鬆陣列實施例中，喷墨列印組件ι〇2包 含輸送架用於輸送列印頭晶粒114，提供列印頭晶粒114 和電子控制器11〇的電子通訊，並且於列印頭晶粒114和墨 水供應組件104間提供射流通訊。 在一實施例中，噴墨列印系統100是一供需式壓電喷墨 列印系統’其中列印頭114是一壓電喷墨列印頭，如第2圖 所示。根據一貫施例，第2圖為一壓電喷墨列印頭114的部 分側視圖，具有CMOS電路製作於可移動式薄膜上。壓電列 印頭114形成一晶片堆疊506 ’其通常包含一石夕電路晶圓5〇〇 和一矽微機電系統504，詳述於後，參閱第5圖。壓電喷墨 列印頭114提供一壓電喷射元件/致動器200於一墨水室 202以產生壓力脈衝將墨水或其他液滴推出喷嘴116。墨水 可透過墨水充填孔補充到墨水室200中。當一致動電壓 信號送至連結該墨水室的壓電材料200時，壓力室202產生 致動。 根據一實施例’第3圖說明透過施加一致動電壓信號到 位於個別墨水室202上方的壓電材料200，一壓電列印頭114 201200364 的壓力室202的致動。壓電列印頭114包含一製作成個別墨 水室202底部的可移動式薄膜2〇6。壓電材料2〇〇和可移動式 薄膜206連結(黏貼或塑形）。壓電材料2〇〇的致動造成材料 2〇〇向墨水室202方向變形使連接的可移動式薄膜2〇6朝向 墨水室202作相關的移位。（為了說明，第3圖誇大此變形和 移位）可移動式薄膜2〇6朝向墨水室2〇2的移位減少了墨水 室的體積’造成墨滴（或其他液體)從墨水室2〇2透過噴嘴116 的噴射。 參閱第2, 3圖，壓電列印頭114也包含製作於電路晶圓 500表面的電子式CM〇s電路2〇8(第5圖）。該CM〇s電路2〇8 透過標準CMOS製作程序製成，而且可以製作於電路晶圓 500的整個上表面，包含在可移動式薄膜2〇6上。因此，可 移動式薄膜206依靠壓電材料200的致動彈性地變形造成墨 滴喷射，一方面做為墨水室202的底面，另一方面做為矽的 實際基底，用來製作CMOS電路208。因此，如第3圖所示， 當壓電材料200致動時，CM0S電路2〇8製作在可移動式薄膜 206的部分跟隨可移動式薄膜2〇6的彈性變形而移動。 根據一實施例，第4圖為一壓電列印頭114矽晶片堆疊 的上視圖。CMOS電路208包含可移動式薄膜電路4〇〇和靜態 表面電路402。可移動式薄膜電路4〇〇製作於可移動式薄膜 206之上且包含，例如作為放大電路的驅動電路Q1Q4，配 置以驅動壓電致動器材料200。可移動式薄臈2〇6上的電路 400也可包含一植入電阻的應變感測器。 於操作中，薄膜206相對於電路晶圓5〇〇表面的平面作 201200364 上下移動，造成矽晶格受到張力。結果是修正半導體的載 子移動率》對於應變感測器電阻而言，其效果就是改變元 件的電阻值。對MOS電晶體而言（例如QhQ4)，在給定閘極 電壓下（VgS)，此“果影響元件的飽和電流，依據晶格張力 的指向或方向等效的讓電晶體更窄或更寬。然而此效果很 小（小於6%)，而且計算值顯示晶格張力在〇〇32到〇〇54間。 對於高精度和/或高速電路而言，此值是可以接受的，而對 目前用在最後階段驅動壓電致動器2〇〇的輸出驅動電晶體 之貫施方式而言’已纟卓缚有餘。 植入電阻的應變感測器可如傳統電阻一般使用，由佈 植摻雜進入可移動式薄膜2〇6的矽表面。此類電阻擁有高歐 姆/平方的電阻率，且透過佈植它們可以完全機械性地結合 在矽表面7基板。傳統的全電橋組態使用四個電阻《機構 上，電阻安排成兩個沿著張力方向，而兩個垂直於張力方 向。如此，張力信號就可直接從薄膜2〇6的移動中量測。此 張力#號可以用丨，例如將薄膜2〇6的位置回饋以做控制。 靜態的表面電路402包含各喷嘴電路區塊，其置於電路 晶圓500表面的靜止區域（第5圖）圍繞著可移動式薄膜2〇6。 該電路區塊包含-邏輯區，—信號產生器區和—放大器電 路區。這些區塊-起做為解多工器和功率輸出電路，驅動 壓電式致動器200。 根據一實施例，第5圖說明在晶片堆疊上製作壓電列印 頭114的一般處理步驟。該處理步驟在第5圖中分為步驟 A-E °在步驟A ’為一電路晶圓獅。該電路晶圓5〇〇是一 201200364 SOI(Silicon on insulator，矽絕緣體）晶圓，製作成全功能的 CMOS電路。電路晶圓5〇〇包含佈植入且形成於SOI晶圓上 的CMOS電路208。關於製作CMOS電路208於電路晶圓500 上的步驟是標準的CMOS製程，已被熟悉該技術領域的人所 熟知。 在步驟B中，一柄狀晶圓被加/黏(例如熱熔膠)到電路晶 圓500上。為了機械性的原因，柄狀晶圓502在處理過程中 暫時貼著。例如，柄狀晶圓5〇2允許工具機在處理過程中夾 住晶圓組件而不損傷到CMOS電路208。柄狀晶圓502也在接 下來的處理步驟中（例如蝕刻）提供機械強度。 在第5圖的步驟C中，墨水室202和可移動式薄膜206製 作在電路晶圓500上。墨水室202為蝕刻SOI電路晶圓500至 一深度，定義了可移動式薄膜的厚度。此步驟中，触刻深 度同常由SOI電路晶圓500的飯刻停止控制，例如二氧化石夕 層。蝕刻停止提供一機制可精準達成可移動式薄膜2〇6的深 度0

在第5圖的步驟D中，顯示一石夕為主的MEMS (microelectromechanical systems，微機電系統）晶圓 5〇4。 MEMS晶圓504製作成包含喷嘴116和墨水充填孔2〇4。 MEMS晶圓504無電子功能，和電路晶圓5〇〇相反。更確切 地說，MEMS晶圓504提供一液體-機械功能使墨水或其他液 體能從壓電列印頭114流過。就像電路晶圓5〇〇一樣，MEMS 晶圓504通常是一 SOI晶圓，擁有一或多個蝕刻停止，當製 作噴嘴116和墨水充填孔204可提供蝕刻精度。關於製作 11 201200364 MEMS晶圓504的步驟是標準的MEMS製程，已被熟悉該技 術領域的人所熟知。基礎的MEMS製程步驟包括，例如金 屬層沉積（如物理或化學沉積）’使用微影術製作各層圖案’ 和蝕刻（如乾或溼蝕刻）在晶圆上產生想要的形狀，例如喷嘴

116和墨水充填孔204。在步驟D中，電路晶圓5〇〇和MEMS 晶圓504的接合也以虛線顯示出來。 在步驟E中，顯示完整的晶圓堆疊506。在此步驟令， 電路晶圓500和MEMS晶圓504經由黏著互相接合(虛線），如 此墨水室202和喷嘴116能適當對齊。在步驟£中，明顯的當 電路晶圓500和MEMS晶圓504接合後，柄狀晶圓從電路晶 圓500上移開。在步驟E中’壓電致動器材料2〇〇也加在可移 動式薄膜206的面上。於是，製作於可移動式薄膜2〇6上的 CMOS電路2008被置於壓電材料2〇〇之下。壓電材料2〇〇由例 如PZT(鈦酸锆鉛）製成，且通常是塊狀處理，藉此預成形並 黏到電路晶圆500的表面。PZT也可以利用薄膜技術直接在 可移動式薄膜206的表面上成形^在薄膜技術中’ pZT旋置 在該電路晶圓500上以作為一液態薄膜塗佈然後在爐中處 理。該注意的是將pzt加到電路晶圓500的可移動式薄膜2〇6 的薄膜技術已接近CMOS電路所能承受高溫而不引起破壞 的工業標準極限。然而，除了PZT以外，薄膜技術可能更適 合用於壓電材料200。 【圖式簡單説明】 第1圖根據一具體實施例，說明一喷墨列印系統適用於 實現一列印頭。

12 201200364 第2圖根據一實施例，為一具有一 CMOS電路的壓電式 喷墨列印頭的側視圖，該CMOS電路設置於一可移動式薄 膜。 第3圖根據一實施例說明壓電式列印頭的啟動，經由施 加一啟動電壓信號於各別管道上方的壓電材料上。 第4圖根據一實施例，為一壓電式列印頭的晶片堆疊上 視圖。 第5圖根據一實施例，說明製作一壓電式列印頭晶片堆 疊的一般處理程序。 【主要元件符號說明】 100...壓電喷墨列印系統 124…資料 102...喷墨頭組件 200...壓電喷射元件/致動器 104...墨水供應組件 202...墨水室 106...底座組件 204...墨水充填孔 108...媒介輸送組件 206...可移動式薄膜 110...電子控制器 208...CMOS 電路 112...電源供應系統 400...可移動式薄膜電路 114...喷射列印頭 402...靜態表面電路 116...喷嘴 500...電路晶圓 118...列印媒體 502…柄狀晶圓 120...貯存槽 504...微機電系統晶圓 122…列印區域 506…晶片堆疊 13

Claims (1)

1. 201200364 七、申請專利範圍： 1·—種列印頭，包含： 一可移動式薄膜； 一壓電致動器，用以移動該薄膜；及 配置於该可移動式薄膜上的電子電路。 2·如請求項1之之列印頭，其中該電子電路配置於該壓電 致動器和該薄膜之間。 3. 如清求項1之之列印頭，其中該可移動式薄膜是一電路 晶圓的一可移動部分，該列印頭更包含： 配置在該電路晶圓之一靜止部分的電子電路。 4. 如睛求項1之之列印頭，其中該電子電路包含多個輸出 驅動器，用以驅動該壓電致動器。 5·如請求項1之之列印頭，其中該電子電路包含-感測 器，用於感測該薄膜的移動。 6·如請求項5之之列印頭，其中該感測器為一張力量測電 阻，用以透過電阻變化，顯示出石夕晶體晶格的張力。 .種製作一噴墨列印頭的方法，包含： 在一電路晶131的—第―面製造-CMOS電路；及 在該電路晶圓的一第二面形成一墨水室以致該墨 欠至的&部形成-可移動式薄膜且該CMOS電路配置 $於相對該墨水室底部的該可移動式薄膜上。 ★«月求項7之方法，更進_步包含將壓電致動器材料加 至"亥電路晶圓之第—面的該CMOS電路之上。 9.如請求項8之方法，其中施加壓電致動 器材料包含由一 201200364 系列所選出的程序，該系列由將預處理的壓電致動器材 料黏到該電路晶圓的第一面以及將壓電致動器材料旋 轉塗佈到該電路晶圓的第一面所組成。 10. 如請求項6之方法，其中該電路晶圓包含s〇I(SiUc〇n 〇n insulator，矽絕緣體）晶圓，且形成該墨水室包含蝕刻s〇i 晶圓到一由SOI晶圓内的二氧化矽層所定義的蝕刻停止 層。 11. 如請求項6之方法’其中CMOS電路製造在該電路晶圓的 第一面的靜止區域，非在該可移動式薄膜上。 12. 如請求項6之方法，更進一步包含接合到該電路晶圓的 MEMS (microelectromechanical systems ’ 微機電系統） 曰曰圓，包含一墨水填充孔和一喷嘴，以致該墨水室的上 方是開的直到該噴嘴的輸入端。 13. 如請求項12之方法，更進一步包含： 在形成該墨水室之前，黏著一柄狀晶圓到該電路晶 圓的第一面；及 在接合該電路晶圓與該MEMS晶圓之後，將該柄狀 晶圓從該電路晶元的第一面移除。 14·一列印系統，包含： 一列印頭’具有形成在一可移動式薄膜之—第一面 的CM〇s電路； 一墨水室’具有一底部，該底部包含該可移動式薄 膜的一第二面；及 —壓電致動器，形成於該CMOS電路上方且用於造 15 201200364 成該可移動式薄膜向該墨水室内部的位移。 15.如請求項14之方法，其中該墨水室和該可移動式薄膜製 造於一電路晶圓，該系統更進一步包含： 一成形在一MEMS晶圓上的喷嘴； 其中該電路晶圓和該MEMS晶圓接合在一起，以提 供校準和該墨水室與該喷嘴間的液體交流。

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