TW201425056A - 具有整合式墨水液位感測器之流體噴出裝置 - Google Patents

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Abstract

在一實施例中，一流體噴出裝置包含一個形成在一個噴頭晶粒中的墨水槽。該流體噴出裝置還包含一個整合於噴頭之墨水液位感測器(PILS)來感測與該槽有流體連通的一腔室其墨水液位，以及一個被設置在該腔室之中的清除電阻電路用以清除該墨水腔室。

Description

具有整合式墨水液位感測器之流體噴出裝置
本發明係有關於一種具有整合式墨水液位感測器之流體噴出裝置。
發明背景
對於多種類型的噴墨印表機來說，在墨水供給儲存器中精確的墨水液位感測在許多方面都是理想的特質。舉例來說，感測出該墨水正確的液位，並提供一個對應的指示來反應該殘留在一墨水匣中的墨水量，可讓印表機的用戶準備更換已用完的墨水匣。精確的墨水液位感測也有助於避免墨水浪費，因為不準確的墨水量指示往往會導致用戶過早地更換一個仍有墨水的墨水匣。此外，列印系統可以使用墨水液位感測來觸發某些特定的動作，其有助於防止由於供應液位不足所可能導致的低品質列印文件。
雖然已有許多的技術可用於確定在一個儲存器或流體腔室中的該墨水液位，但顧及它們的準確度和成本，仍然存在有各種的挑戰。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種流體噴出 裝置，其包含有：一個形成在一個噴頭晶粒中的墨水槽；一個整合於噴頭之墨水液位感測器(PILS)來感測與該槽有流體連通的一個腔室的墨水液位；以及一個被設置在該腔室之中的清除電阻電路用以清除該墨水腔室。
100‧‧‧一噴墨列印系統
102‧‧‧具有PILS的噴墨噴頭組件
103‧‧‧整合式噴墨噴頭墨水匣
104‧‧‧墨水供應組件
105‧‧‧電氣觸點
106‧‧‧安裝組件
107‧‧‧供應腔室
108‧‧‧介質輸送組件
110‧‧‧電子控制器
111‧‧‧墨水調節組件
112‧‧‧電源供應器
114‧‧‧噴頭
116‧‧‧噴嘴
118‧‧‧列印介質
120‧‧‧儲存器
122‧‧‧列印區
124‧‧‧從主機系統來的資料
126‧‧‧ASIC
128‧‧‧電阻感測(Rsense)模組
130‧‧‧電流源
132‧‧‧類比到數位轉換器(ADC)
134‧‧‧墨水清除模組
136‧‧‧PILS選擇模組
138‧‧‧處理器(CPU)
140‧‧‧記憶體
200‧‧‧流體槽
202‧‧‧矽晶粒/基片
203‧‧‧安全距離「d」
204‧‧‧流體腔室
206‧‧‧PILS
208‧‧‧感測結構
210‧‧‧感測器電路
212‧‧‧感測電容
214‧‧‧清除電阻電路
216‧‧‧接地點
218‧‧‧移位暫存器
300‧‧‧液滴產生器
302‧‧‧點火元件
304‧‧‧絕緣層
306‧‧‧鈍化層
308‧‧‧腔室層
310‧‧‧噴嘴層
500‧‧‧一時序圖
600‧‧‧參考電容
602‧‧‧ID
700‧‧‧固有寄生電容Cp1
800‧‧‧寄生消除元件，為一導電(多晶矽)層
802‧‧‧Cp2(gox)
900‧‧‧寄生消除電路
1000‧‧‧動態記憶體多工器(DMUX)
1002‧‧‧功率FET
1004‧‧‧點火線
1200‧‧‧一流程圖
1202~1210‧‧‧方塊
1300‧‧‧一流程圖
1302~1318‧‧‧方塊
透過示例的方式並請參照該等所附圖示，本發明所呈現的實施例現在將要被描述，其中：依據一實施例，圖1a圖示出一個適合納入一流體噴出裝置的噴墨列印系統，該裝置包含一整合於噴頭之墨水液位感測器(PILS)和如本發明所揭露的清除電阻電路；依據一實施例，圖1b圖示出一個示例噴墨墨水匣的透視圖，該墨水匣包含一個噴墨頭組件、墨水供應組件、和儲存器；依據一實施例，圖2a、2b、和2c圖示出一TIJ噴頭的底視圖，該噴頭具有一個形成在一矽晶粒/基片中的單一流體槽；依據一實施例，圖3圖示出一示例性的流體液滴產生器的一剖視圖；依據一實施例，圖4圖示出一示例性感測結構的一剖視圖；依據一實施例，圖5圖示出使用來驅動一噴頭的非重疊定時信號的一個時序圖；依據一實施例，圖6圖示出一個示例性的墨水液位感測器電路； 依據一實施例，圖7圖示出一個示例性的感測結構的橫截面圖，該結構同時具有一感測電容和一固有寄生電容；依據一實施例，圖8圖示出一個示例性的感測結構的橫截面圖，該結構具有一寄生消除元件；依據一實施例，圖9圖示出一個示例性的墨水液位感測器電路，該電路具有一寄生消除電路；依據一實施例，圖10圖示出一個示例性的PILS墨水液位感測器電路，該電路具有一寄生消除電路、一清除電阻電路、和移位暫存器；依據一實施例，圖11圖示出了可定址多個PILS信號的一個移位暫存器示例；依據一實施例，圖12和13展示出示例性方法的流程圖，該方法係有關於以一個流體噴出裝置之一整合於噴頭之墨水液位感測器(PILS)來感測一墨水液位。
詳細說明
正如上文所述，已有許多的技術可用於確定一流體，諸如墨水，在一個儲存器或其他流體腔室中的液位。舉例來說，棱鏡已被使用在墨水匣中反射或折射光束以產生電氣的和/或用戶能夠看到的墨水液位指示。背壓指示器是用來確定在一個儲存器中墨水液位的另一種方式。有些列印系統會計算從噴墨列印墨水匣所噴出的該墨滴數量來當作確定墨水液位的一種方法。還有其他的技術使用該墨 水的電導率作為在列印系統中的一種墨水液位指示器。然而，對於墨水液位感測系統和技術而言，若欲改善其準確度和成本，挑戰仍然存在。
一般來說，本發明的實施例透過一流體噴出裝置(舉例來說，噴頭)改進了之前的墨水液位感測器和感測技術，該裝置包含一個整合於噴頭之墨水液位感測器(PILS)。該PILS採用了一個電容性的、電荷共享的感測電路，以及一個清除電阻電路以從該感測器腔室中清除殘留墨水。一個或多個PILS和清除電阻電路都被整合在一個熱噴墨(TIJ)噴頭晶粒上。該感測電路實現了一種取樣和保持技術，該技術透過一個電容性的感測器來捕獲該墨水液位的狀態。該電容性感測器的電容值會隨著該墨水的液位來發生變化。放置在該電容性感測器中的一電荷量會在該電容性感測器和一個參考電容之間被共享，而會在一評估電晶體的該閘極處產生一個參考電壓。在一個印表機特定應用積體電路(ASIC)中的一個電流源提供電流給該電晶體的汲極。該ASIC在該電流源處測量該產生的電壓，並計算該評估電晶體其對應的汲極到源極電阻值。該ASIC然後基於從該評估電晶體所確定的該電阻值確定該墨水液位的狀態。在一實施例中，精確度的改善是透過使用整合於一噴頭晶粒的多個PILS。一個移位暫存器作為一選擇電路以定址該多個PILS並致能該ASIC來測量多個電壓，並基於在該噴頭晶粒其不同位置上所進行的測量來確定該墨水液位的狀態。
在一示例實施例中，一流體噴出裝置包含一個在 一噴頭晶粒中所形成的墨水槽，和一個整合於噴頭之墨水液位感測器(PILS)來感測與該墨水槽有流體連通的一個腔室中的墨水液位。該流體噴出裝置包含被設置在該腔室之中用來清除該墨水腔室的一清除電阻電路。在一種實施方式中，該流體噴出裝置包含多個PILS以感測與該槽有流體連通的多個腔室中的墨水液位，並有一個移位暫存器來從該等多個PILS之間做選擇以輸出到一條共同的ID線。
在另一實施例中，一處理器可讀取的媒體儲存有 代表指令的程式碼，當該程式碼被一處理器執行時，會使得該處理器激活一清除電阻電路來清除一感測腔室中的墨水，施加一預先充電的電壓Vp到在該腔室中的一感測電容以用一電荷量Q1對該感測電容進行充電。該電荷量Q1在該感測電容和一參考電容之間被共享，會在一評估電晶體的閘極處產生一個參考電壓Vg。該評估電晶體其汲極到源極的電阻值會被確定，該電阻乃源自於Vg。在一種實施方式中，在施加該預先充電的電壓Vp之前，在激活該清除電阻電路使得墨水能從一流體槽回流到該感測腔室中之後，可提供一個延遲。
在另一實施例中，一處理器可讀取的媒體儲存有 代表指令的程式碼，當該程式碼被一處理器執行時，會使得該處理器啟動多個PILS(整合於噴頭之墨水液位感測器)的運作，以感測一流體噴出裝置其多個區域處的墨水液位。在該流體噴出裝置上有一移位暫存器被控制來把從該等多個PILS的輸出多工到一個共同的ID線上。
較佳實施例之詳細說明
依據本發明的一實施例，圖1a圖示出一個適合納入一流體噴出裝置的噴墨列印系統，該裝置包含一整合於噴頭之墨水液位感測器(PILS)和如本發明所揭露的清除電阻電路。在本實施例中，一流體噴出裝置被實現為一流體液滴噴出噴頭114。噴墨列印系統100包含一噴墨噴頭組件102、一墨水供應組件104、一安裝組件106、一介質輸送組件108、一電子控制器110、以及至少一個電源供應器112，其提供電源給噴墨列印系統100的各種電氣元件。噴墨噴頭組件102包含有至少一個流體噴出組件114(噴頭114)，該組件可透過數個孔口或噴嘴116朝向列印介質118噴出墨滴以便列印到該列印介質118。列印介質118可以是任何類型的合適的薄片或卷材，諸如紙張、卡紙、透明片、聚酯、膠合板、泡沫板、織物、帆布、等等。噴嘴116通常被排成一個或多個的行或陣列，使得當噴墨噴頭組件102和列印介質118彼此相對移動時，以正確的順序從噴嘴116處噴出的墨水會使得字元、符號和/或其他的圖形或影像將被列印在列印介質118上。
墨水供應組件104提供流體墨水到噴頭組件102，並且包含一用於儲存墨水的儲存器120。在一種實施方式中，該噴墨噴頭組件102、墨水供應組件104、以及儲存器120被一起整合在一個可替換的裝置中，諸如一個整合式的噴墨噴頭墨水匣103，如圖1b所示。依據本發明的一實施例，圖1b圖示出一個示例性噴墨墨水匣103的透視圖，其 包含噴墨噴頭組件102、墨水供應組件104、以及儲存器120。除了一個或多個噴頭114之外，墨水匣103包含電氣觸點105和一墨水(或其他流體)的供應腔室107。在一些實施方式中，墨水匣103可以具有一儲存一種顏色墨水的供應腔室107；而在其他實施方式中，墨水匣103可以具有每一個都儲存不同顏色墨水的數個腔室107。電氣觸點105和控制器110互通電氣信號，舉例來說，以使得墨滴可透過噴嘴116噴出並可執行墨水液位的測量。
一般而言，墨水會從儲存器120流入到噴墨噴頭 組件102，而墨水供應組件104和噴墨噴頭組件102可以形成一種單向的墨水輸送系統或是一種再循環墨水輸送系統。 在一種單向墨水輸送系統中，基本上所有供應到噴墨噴頭組件102中的墨水會在列印的過程中被消耗掉。然而，在一種再循環墨水輸送系統中，該被供應到噴頭組件102的墨水僅有一部分會在列印的過程中被消耗掉。在列印的過程中不被消耗掉的墨水會返回到墨水供應組件104中。墨水供應組件104的儲存器120可以被移除、替換和/或重新裝填。
在一種實施方式中，墨水供應組件104透過一墨 水調節組件111在正壓力下藉由一個介面連接，諸如一個供應管，供應墨水給噴墨噴頭組件102。墨水供應組件104包含，舉例來說，一個儲存器、泵和壓力調節器。在該墨水調節組件111中的調節可以包含濾波、預加熱、壓力突波吸收、和脫氣。墨水是在負壓力下從該噴頭組件102把墨水抽到該墨水供應組件104。連接到該噴頭組件102的該入口和 出口之間的該壓力差被選擇以使得在該噴嘴116處有該正確的背壓，並且通常是一個負壓力，在H2O的負1”和負10”之間。
安裝組件106相對於介質輸送組件108定位噴墨 噴頭組件102，而介質傳送組件108相對於噴墨噴頭組件102定位置列印介質118。因此，一列印區122被定義為在噴墨噴頭組件102和列印介質118之間鄰近噴嘴116的一個區域。在一種實施方式中，噴墨噴頭組件102是一種掃描型態的噴頭組件。就其本身而論，安裝組件106包含一滑架，用於相對於介質輸送組件108移動噴墨噴頭組件102以掃描列印介質118。在另一種實施方式中，噴墨噴頭組件102是一種非掃描型態的噴頭組件。就其本身而論，安裝組件106會把噴墨噴頭組件102固定在相對於介質輸送組件108的一預先指定的位置上。因此，介質輸送組件108相對於噴墨噴頭組件102定位列印介質118。
電子控制器110通常包含一處理器(CPU)138、一 記憶體140、韌體、軟體、和其他的電子設備以通訊並控制噴墨噴頭組件102、安裝組件106、以及介質傳送組件108。 記憶體140可以包含揮發性(舉例來說，RAM)和非揮發性(舉例來說，ROM、硬碟、軟碟、CD-ROM，等等)之含有計算機/處理器可讀取媒介的記憶體元件，其可供儲存可由計算機/處理器執行的編程指令、資料結構、程式模組和其他用於噴墨列印系統100的資料。電子控制器110接收從主機系統來的資料124，諸如一台電腦，並暫時儲存資料124在一 記憶體中。在通常的情況下，資料124沿著一條電子、紅外線、光學、或其他資訊傳輸路徑被傳送到噴墨列印系統100。資料124代表了，舉例來說，一份將要被列印的文件和/或檔案。就其本身而論，資料124形成了噴墨列印系統100的一個列印工作，並包含一個或多個列印工作命令和/或命令參數。
在一種實施方式中，電子控制器110控制噴墨噴 頭組件102以從噴嘴116噴出墨滴。因此，電子控制器110會定義一種噴出墨滴的圖案，其會在列印介質118上形成字元、符號、和/或其他的圖形或圖像。該噴出墨滴的圖案是由來自資料124的列印工作命令和/或命令參數來決定的。 在另一種實施方式中，電子控制器110包含一印表機應用特定積體電路(ASIC)126，其基於來自一個或多個整合於噴頭之墨水液位感測器，PILS 206(圖2)，其電阻值來確定在該流體噴出裝置/噴頭114中該墨水的液位，而該PILS是整合在該噴頭晶粒/基片202(圖2)上。印表機ASIC 126包含一電流源130和一類比到數位轉換器(ADC)132。ASIC 126可以換算出現在電流源130處的電壓以確定出一電阻值，然後透過該ADC 132確定一對應的數位電阻值。在記憶體140的一電阻感測模組128中，儲存有以可執行指令所實現的一可編程演算法其透過該ADC 132，致能了該電阻值的確定以及後續的數位轉換。在另一種實施方式中，電子控制器110的記憶體140包含一個墨水清除模組134，其包含可被控制器110的一處理器138來執行的指令，以激活在整合式噴頭114 上的一個清除電阻電路來把墨水和/或墨水殘留從一PILS腔室中清除出。在另一種實施方式中，其中噴頭114包含多個PILS，電子控制器110的記憶體140包含一PILS選擇模組136，其可被控制器110的一處理器138來執行以控制一移位暫存器，以選擇出將被使用來感測墨水液位的某個PILS。
在該等描述的實施例中，噴墨列印系統100是一 具有一熱噴墨(TIJ)噴頭114(液體噴出裝置)的按需噴墨熱噴墨列印系統，該噴頭適於實施一如本發明所揭露之整合於噴頭之墨水液位感測器(PILS)。在一種實施方式中，噴墨噴頭組件102包含一單一的TIJ噴頭114。在另一種實施方式中，噴墨噴頭組件102包含TIJ噴頭114的一個寬陣列。雖然該關聯於TIJ噴頭該製程非常地適合該PILS整合，但其他類型的噴頭，諸如一壓電噴頭，也可以實現這樣子的一種墨水液位感測器。因此，本發明所揭露的PILS並不侷限於實施在一個TIJ噴頭114之中。
依據本發明的實施例，圖2(圖2a、2b、2c)圖示出 一具有一單一流體槽200的TIJ噴頭114的仰視圖，該流體槽被形成在一矽晶粒/基片202之中。整合於該噴頭晶粒/基片202上的各種組件，包含流體液滴產生器300、一個或多個整合於噴頭之墨水液位感測器(PILS)206和相關的電路、以及一個移位暫存器218用來致能個別PILS的多工選擇，會在下面做更詳細的討論。雖然噴頭114被顯示為具有單一一個流體槽200，但在此所討論的原理並不會把它們的應用侷限在只有單槽200的噴頭。反而是，其他的噴頭組態也是有可 能的，諸如具有兩個或更多的墨水槽的噴頭。在該TIJ噴頭114中，該晶粒/基片202位於一具有流體腔室204的腔室層和一具有噴嘴116的噴嘴層的下方，如以下對於圖3的討論。然而，為了說明的目的，在圖2中的該腔室層以及噴嘴層會被假設為透明的，以顯示出該位於下方的基片202。因此，在圖2中的腔室204會使用虛線圖示出。
該流體槽200是一個形成於該基片202中的細長 槽，其與一流體供給(圖中未示出)，諸如一個流體儲存器120，是流體連通的。該流體槽200具有多個沿著該槽的兩側安置的流體液滴產生器300，以及有一個或多個沿著該槽的任一側朝向該槽端部安置的PILS 206。舉例來說，在一種實施方式中，每一個槽200有四個PILS 206，每一個PILS 206一般位於靠近該槽200四個角中其中的一個，朝向該槽200的端部，如圖2a所示。在其他種實施方式中，每一個槽可能有其他數目的PILS 206，諸如每一個槽有兩個PILS 206，或每一個槽200有一個PILS 206，分別如圖2b和2c所示。雖然每一個PILS 206通常位於一個槽200其端角附近，如圖2所示，但吾人並不意圖限制了一PILS 206其他可能的位置。因此，PILS 206可以被安置在圍繞一個槽200四周的其他區域中，諸如位於該槽兩端的中間。在一些實施例中，PILS 206甚至可以被設置在該槽200的一端，使得它是從該槽的端部而不是從該槽的側邊緣向外延伸。然而，如在圖2中所示，對於大約位在一槽200端角附近的PILS 206來說，如此安置可能有利於在該PILS 206的板感測電容 (Csense)212(即，在該板感測電容212的一個邊緣)與該槽200的端部之間保持一特定的安全距離「d」203。在該槽200的端部有面臨降低流體流速的可能性，因而造成該感測電容(Csense)212信號的衰減，保持一安全距離「d」203有助於確保不會發生該情況。在一種實現方式中，在該板感測電容(Csense)212與該槽200端部之間要保持的一個安全距離「d」203約為40微米至50微米。
依據本發明的一實施例，圖3展示出一個示例性 流體液滴產生器300的一橫截面圖。每一個液滴產生器300包含一個噴嘴116、一流體腔室204、和設置在該流體腔室204中的一個點火元件302。噴嘴116被形成在噴嘴層310，一般來說會沿著該流體槽200的該等側面被排列成噴嘴行。點火元件302是在該矽基片202頂端表面上的一層絕緣層304(舉例來說，多晶矽玻璃，PSG)上面的一金屬板(舉例來說，鉭化鋁，TaAl)所形成的一個熱電阻。覆蓋在該點火元件302上的一個鈍化層306可保護該點火元件不會接觸到在腔室204中的墨水，並充當一機械鈍化或保護氣蝕阻擋層結構，來吸收該塌陷蒸汽泡的衝擊。一腔室層308具有可隔開該基片202和該噴嘴層310的內壁和腔室204。
在操作過程中，一流體液滴通過一對應的噴嘴 116從一腔室204被噴出，而該腔室204然後用從流體槽200循環出的流體重新填充。更特別的是，一電流流經一電阻點火元件302會導致該元件的快速加熱。鄰接在該點火元件302上方之鈍化層306其旁邊的一薄層流體會被過度加熱和 蒸發，而會在該對應的點火腔室204中產生一蒸汽泡。該迅速擴大的蒸汽泡會迫使一流體液滴離開該對應的噴嘴116。當該加熱元件冷卻時，該蒸汽泡會很快地塌陷，會把更多的流體從流體槽200抽到該點火腔室204中，為該噴嘴116要噴出的另一個液滴做準備。
依據本發明的一實施例，圖4展示出一個示例性 PILS 206的一部分其一橫截面圖。現在請參考圖2和4這兩個圖，一個PILS 206通常包含一感測結構208、感測器電路210、和一個清除電阻電路214，整合在該噴頭114晶粒/基片202上。PILS 206的該感測結構208通常和一液滴產生器300有相同的配置方式，但是還包含有一個清除電阻電路214和一個接地點216，該接地點是透過在該PILS腔室204中的物質(例如，墨水、墨-空氣、空氣)為該感測電容(Csense)212提供接地。因此，就像是一典型的液滴產生器300，該感測結構208在該矽基片202的頂端表面上包含一個噴嘴116、一流體腔室204、一設置在該流體/墨水腔室204中諸如一金屬板元件的導電元件302、一在該板件302上面的鈍化層306、和一絕緣層304(例如，多晶矽玻璃，PSG)。 然而，如以上所討論的，一個PILS 206還採用了一電流源130和類比到數位轉換器(ADC)132，它們是來自於一並未整合到噴頭114的印表機ASIC 126。取而代之的是，該印表機ASIC 126的位置，舉例來說，是在該印表機滑架或該印表機系統100的電子控制器110上。
在該感測結構208之中，一感測電容(Csense)212 是由該金屬板元件302、該鈍化層306、和該腔室204中的物質或內容所構成。該感測器電路210納入了在該感測結構208之中的感測電容(Csense)212。該感測電容212的電容值會隨著在該腔室204中物質的改變來變化。在該腔室204中的物質可以是全為墨水、墨水和空氣、或是全為空氣。因此，該感測電容212的電容值會隨著在該腔室204中的墨水液位來變化。當墨水出現在該腔室204中時，該感測電容212具有良好的電導接到接地點216，因此該電容值是最高的(即，100%)。然而，當在該腔室204中沒有墨水時(即，只有空氣)，感測電容212的該電容值會掉到一個非常小的值，其理想上接近於零。當該腔室中包含墨水和空氣時，感測電容212的該電容值會介於零到100%之間。使用該感測電容212的該變化值，該墨水液位感測器電路210可致能該墨水液位的一種判定。一般而言，在該腔室204中的該墨水液位指的是在印表機系統100儲存器120中的該墨水液位。
在一些實施方式中，在使用感測器電路210測量 該墨水液位之前，一個清除電阻電路214被使用來清除在該PILS感測結構208其腔室204中的墨水和/或墨水殘留。之後，就出現在該儲存器120中的墨水來說，它流回到該腔室以致能一種準確的墨水液位測量。如在圖2中所示，在一種實施方式中，一清除電阻電路214包含4個清除電阻，它們包圍在感測電容(Csense)212的該金屬板元件302四周。每一個清除電阻相鄰於感測電容(Csense)212的四個側面金屬板 元件302中的一個。清除電阻器包含，舉例來說，由鉭化鋁即TaAl所形成的熱電阻，如以上所討論的，其能夠提供該墨水的快速加熱來產生可迫使墨水離開PILS腔室204的蒸汽氣泡。該清除電阻電路214從該腔室204中清除墨水並從感測電容(Csense)212的該金屬板元件302處移除殘餘墨水。墨水從槽200回流到該PILS腔室204，然後透過感測電容(Csense)212致能該墨水液位的一個更為精確的感測。在一些實現方式中，在激活該清除電阻電路214之後，可以由控制器110提供一個延遲，以在感測該PILS腔室的墨水液位之前，提供時間來讓墨水從槽200流回到該PILS腔室。雖然以四個電阻包圍該感測電容(Csense)212四周的這種清除電阻電路214具有可為該感測電容212和PILS腔室204提供一種墨水顯著清除的優勢，但是其他種的清除電阻配置也都還可以被設想，以提供墨水的清除到一更低或更高的程度。舉例來說，一種把電阻排成一行的清除電阻電路配置214被展示在圖2左下角的該PILS 206之中。在這個電阻電路214中，該清除電阻彼此排成一行，鄰接位於該PILS腔室204其後側面處的感測電容(Csense)212其金屬板元件302的該後緣，離開該槽200的方向。
依據本發明的一實施例，圖5展示出一部分時序 圖500的一個示例，該時序圖具有不重疊的定時信號(S1-S4)，配合同步化的資料和點火信號，其可以被用來驅動一噴頭114。在時序圖500中的定時信號也可被用來驅動該PILS墨水液位感測器電路210和移位暫存器218的操作， 如以下所討論。
依據本發明的一實施例，圖6展示出一PILS 206 的一個示例性墨水液位感測器電路210。一般來說，感測器電路210採用了一種電荷共享的機制來確定在一PILS腔室204中不同的液位墨水。感測器電路210包含兩個一開始的電晶體T1(T1a，T1b)，被配置為開關。參照圖5和6，在該感測器電路210的操作過程中，在第一步驟中，一定時脈衝S1被使用來閉合該電晶體開關T1a和T1b，耦合記憶體節點M1和M2到接地點並放電該感測電容器212和該參考電容600。參考電容600是節點M2和接地點之間的電容。在本實施例中，參考電容600被實現為評估電晶體T4的該固有閘極電容，因此它是使用虛線示出。參考電容600還包含相關的寄生電容，諸如閘極-源極重疊電容，但在參考電容600中，該T4閘極電容是該主要的電容。使用電晶體T4的該閘極電容作為參考電容600可減少在感測器電路210的該元件數量，因為不用在節點M2和接地點之間製造一個特定的參考電容。然而，在其他的實施例中，透過在M2和接地點之間製造一個特定的參考電容(即，除了T4的固有閘極電容之外，再做一個電容)，可能有利於調整該參考電容600的值。
在第二步驟中，該S1定時脈衝終止，放開了T1a 和T1b的開關。在該T1開關放開之後的同時，一個S2定時脈衝被使用來閉合電晶體開關T2。閉合T2會耦合節點M1到一個已預先充電的電壓，Vp(舉例來說，15伏特的數量級)，而一個依據等式Q1=(Csense)(Vp)的電荷量Q1會被充電到 橫跨感測電容212上。此時，該節點M2保持在零電壓勢，因為該S3定時脈衝是關的。在第三步驟中，該S2定時脈衝終止，放開了T2電晶體開關。在該T2開關放開之後的同時，該S3定時脈衝閉合了開關電晶體T3，節點M1和M2彼此耦合並共享在感測電容212和參考電容600之間的電荷量Q1。 在感測電容212和參考電容600之間的該共享電荷量Q1會導致出一個參考電壓，Vg，產生在節點M2處，其也是在該評估電晶體T4的閘極處，該電壓值乃依據下列公式產生：
Vg會保持在M2處直到另一個週期開始，即定時 脈衝S1又接地了記憶體節點M1和M2。在M2的Vg會導通評估電晶體T4，從而致能在ID 602(電晶體T4的該汲極)處的一個測量。在本實施例中，吾人假定電晶體T4被偏壓在該線性操作模式中，其中T4的行為像是一顆電阻，其值正比於該閘極電壓Vg(即，參考電壓)。該T4汲極到源極(被耦合到接地點)電阻值是透過在ID 602處發出一小電流(即，1毫安量級的電流)來確定的。ID 602被耦合到一電流源，諸如在印表機ASIC 126中的電流源130。當套用在ID處的該電流源時，該電壓(VID)會被該ASIC 126在ID 602處測量。韌體，諸如在控制器110或ASIC 126上執行的Rsense模組128，可以使用在ID 602處的電流和VID把VID轉換為該T4電晶體其汲極到源極的一個電阻Rds。在印表機ASIC 126中的該ADC 132隨後會確定該電阻Rds其對應的一個數位數值。該電阻 Rds使吾人可基於電晶體T4的該等特性來推論出該Vg的值。基於Vg的一個值，吾人可從如上所示之Vg的方程式來求出Csense的一個值。然後，吾人可以基於該Csense值來確定一墨水液位。
一旦該電阻Rds被確定，有各種不同的方式可以 求出該墨水液位。舉例來說，該所測得的Rds值可以比較Rds的一個參考值，或比較Rds值的一個表，該值或該表已被實驗確定為關聯於特定的墨水液位。當無墨水(即一個「乾的」信號)，或只有一非常低的墨水液位時，該感測電容212值是非常低的。這將會導致出一個非常低的Vg(在1.7伏特的量級)，而該評估電晶體T4會處於截止或幾乎截止狀態(即，T4是在截止或次臨界工作區)。因此，T4從ID到接地點之間的該電阻Rds將會是非常高的(舉例來說，以1.2mA的ID電流，Rds通常會高於12K歐姆)。反過來說，當有高墨水液位(即一個「濕的」信號)時，該感測電容212值會接近其值的100%，從而導致出Vg的一個高值(在3.5伏特的量級)。因此，該電阻Rds是低值的。舉例來說，具有高墨水液位的Rds會低於1k歐姆，通常是幾百歐姆。
依據本發明的一實施例，圖7展示出一個示例性 PILS感測結構208的一個橫截面圖，其圖示出了兩個電容，一感測電容212和一位於該金屬板302下方的固有寄生電容Cp1(700)，後者也形成感測電容212的一部分。該固有寄生電容Cp1 700是由該金屬板302、該絕緣層304、和該基片202所形成的。如以上所描述的，一個PILS 206是基於感測電 容212的該電容值來確定一墨水液位的。然而，當一個電壓(即Vp)被施加到該金屬板302時，充電該感測電容212，該Cp1 700電容亦開始充電。由於這個原因，感測電容212的該確定電容值中有20%的數量級是由該寄生電容Cp1 700所貢獻出的。這個百分比將根據該絕緣層304的厚度和該絕緣材料的該介電常數來做變化。然而，在一個「乾的」狀態(即，沒有墨水的存在)中，在該寄生電容Cp1 700中該剩餘的電荷量足以導通該評估電晶體T4。因此，該寄生Cp1 700會削弱該乾/濕信號。
依據本發明的一實施例，圖8展示出一示例性感 測結構208的一個橫截面圖，其包含一個寄生消除元件800。該寄生消除元件是一個導電層800，諸如一多晶矽層，被設計來消除該寄生電容Cp1 700的影響。在本設計中，當一電壓(即Vp)被施加到該金屬板302時，它也被施加到該導電層800。這可以防止電荷跑到Cp1 700上，使得Cp1會在該感測電容212的電容值確定過程中被有效地移除/隔離。 Cp2，即元件802，是來自該消除寄生元件800(導電多晶矽層800)的該固有電容。Cp2 802減緩了該寄生消除元件800的充電速度，但對於該Cp1 700的移除/隔離是沒有影響的，因為對於元件800已提供有充分的充電時間。
依據本發明的一實施例，圖9展示出一個示例性 PILS墨水液位感測器電路210，其具有一個寄生消除電路900。在圖9中，該寄生電容器Cp1 700被示為耦合在該金屬板302(節點M1)和該導電層800(節點Mp)之間。參照圖8和 9，該具有寄生消除電路900的墨水液位感測器電路210是由不重疊的定時信號來驅動，諸如在圖5中所示的時序圖500。在第一步驟中，一個定時脈衝S1被使用來閉合該等電晶體開關T1a、T1b和Tp1。閉合開關T1a、T1b和Tp1會耦合記憶體節點M1、M2和Mp到接地點，放電該感測電容(Csense)212、該參考電容(Cref)600和該寄生電容(Cp1)700。在第二步驟中，該S1定時脈衝終止，放開了該T1a、T1b和Tp1開關。在該T1a、T1b和Tp1開關放開之後的同時，一個S2定時脈衝被使用來閉合開關電晶體T2和Tp2。 閉合T2和Tp2會分別耦合節點M1和Mp到一個已預先充電的電壓，Vp。這會在感測電容(Csense)212兩側上放置一電荷量Q1。然而，因為節點M1和Mp都處於相同的電壓，Vp，故在寄生電容(Cp1)700的兩側沒有儲存電荷量。
該墨水液位感測器電路210然後繼續發揮如以上 圖6的作用。因此，在第三步驟中，當該S2定時脈衝終止時，會放開該等T2和Tp2電晶體開關。在該等T2和Tp2開關放開之後的同時，該S3定時脈衝會閉合開關電晶體T3和Tp3。閉合開關T3會使節點M1和M2彼此耦合，並共享在感測電容212和參考電容600之間的電荷量Q1。在感測電容212和參考電容600之間的該共享電荷量Q1會導致出一個參考電壓，Vg，產生在節點M2處，其也是在評估電晶體T4的該閘極處。閉合開關Tp3會把寄生電容(Cp1)700耦合到接地點。在該S3定時脈衝期間，在Cp1 700上的寄生電荷量會被放電，只留下將以該評估電晶體T4進行評估的該感測電容器 212。由於該寄生電容(Cp1)700的該影響已被除去了，對於一乾的信號來說，在導通T4方面，寄生貢獻已大大的降低。
依據本發明的一實施例，圖10展示出一個示例性 PILS墨水液位感測器電路210，其具有一個寄生消除電路900、清除電阻電路214、和移位暫存器218。正如以上所述，清除電阻電路214可以被激活來在測量該感測器電路210的ID 602之前，清除一PILS腔室204的墨水和/或墨水殘留。該等清除電阻R1、R2、R3和R4，其操作行為像是典型的TIJ點火電阻。因此，它們是由動態記憶體多工器(DMUX)1000來指定，並由一連接到一點火線1004的功率FET 1002來驅動。控制器110可透過點火線1004和DMUX 1000來控制一清除電阻電路214的激活，舉例來說，透過從清除模組134執行特定的點火指令。
通常，從多個PILS 206來的多個感測器電路210 將被連接到一個共同的ID 602線。舉例來說，具有數個槽200的一彩色噴頭晶粒/基片202可具有12個或更多的PILS 206(即，每一個槽200有四個PILS，如在圖2中所示)。移位暫存器218使得多個PILS感測器電路210的該等輸出端可以多工到該共同的ID 602線上。執行在控制器110上的一個PILS選擇模組136上可以控制移位暫存器218以提供一循序的輸出，或該等多個PILS感測器電路210的其他有序輸出，到該共同的ID 602線上。依據一實施例，圖11展示出可以指定多個PILS 206信號的移位暫存器218的另一個示例。在圖11中，一移位暫存器218包含一個PILS區塊選擇電路，以 從六個PILS 206指定多個PILS信號。在一個彩色晶粒202上，有三個槽200(200a、200b、200c)，每一個槽200有兩個PILS 206。透過移位暫存器218指定該等多個PILS信號可藉由檢查在該晶粒上的不同位置而增加了該墨水液位測量的準確性。在一般情況下，藉由採用移位暫存器218，從多個PILS 206所得的該等測量結果可以進行比較、平均、或是，舉例來說，其他可由ASIC 126所執行的數學運算，以在確定墨水液位方面提供更高的精準度。
依據本發明的實施例，圖12和13展示出示例方法 1200和1300的流程圖，它們係有關於使用一流體噴出裝置其整合於噴頭之墨水液位感測器(PILS)來感測一墨水液位的方法。方法1200和1300係相關於在以上所討論的該等實施例，並相關於圖1-11，在方法1200和1300中所示出的該等步驟細節可以在該等實施例的相關討論中找到。方法1200和1300的該等步驟可以被實現為儲存在一計算機/處理器可讀取媒體，諸如圖1的記憶體140，之中的編程指令。 在一實施例中，方法1200和1300其該等步驟的實現是藉由一處理器，諸如圖1的一處理器138，讀出並執行如此的編程指令來達成的。方法1200和1300可包含一種以上的實施方式，而且方法1200和1300其不同的實現方式不一定需要採用在該個別流程圖中所給出的每一步驟。因此，雖然方法1200和1300的步驟是以一種特定的順序來呈現的，但是該呈現的順序並不意味著限制該等步驟實際上可被實現的順序，或者限制是否所有的步驟都必須要被實現才行。舉 例來說，方法1200的一種實施方式可能可只需要一些初始步驟的該效能來達成，而無需執行一個或多個後續的步驟；而方法1200的另一種實施方式則可能需要所有步驟的效能方可達成。
圖12的方法1200，始於方塊1202，在那裡所示出 的第一步驟是激活一清除電阻電路以清除一感測腔室中的墨水。在方塊1204，在激活該清除電阻電路以使墨水從一流體槽流回到該感測腔室中之後，該方法1200續以提供一延遲。方法1200在方塊1206處續以施加一已預先充電的電壓Vp到在該腔室中的一感測電容，以充電該感測電容使之有電荷量Q1。該電荷量Q1然後會在該感測電容和一個參考電容之間被共享，從而導致出一參考電壓Vg產生在一評估電晶體的閘極處，如方塊1208所示。在方塊1210，該方法1200終止於確定出該評估電晶體其汲極到源極的一電阻值，該電阻值乃肇因於Vg所產生。
圖13的方法1300，始於方塊1302，在那裡所示出 的第一步驟是啟動多個PILS(整合於噴頭之墨水液位感測器)的操作，以感測出在一個流體噴出裝置之多個區域處的墨水液位。該等多個PILS可以被安置成圍繞一個或多個流體槽四周。該PILS的操作包含一些步驟，包含放置一電荷量在一感測電容上，其位於一記憶體節點M1處，如在方塊1304所示。如在方塊1306所示，一PILS的操作還包含耦合M1到一個第二記憶體節點M2，以共享在該感測電容和一參考電容之間的電荷量。該共享的電荷量會使一參考電壓， Vg，產生在M1、M2、和一電晶體的閘極處。然後該電晶體其汲極到源極的一電阻值會被確定，如方塊1308所示，並且在方塊1310該電阻值會和一個參考值做比較，以確定一墨水液位。一PILS的操作還可以包含去除或消除在該PILS中一固有寄生電容的存在。如方塊1312和1314所示，要實現這一點，可透過施加一電壓Vp到M1上以把該電荷量放到該感測電容上，然後同時施加Vp到一個節點Mp以防止該寄生電容電荷量出現在M1和Mp之間來達成。
方法1300續在方塊1316以控制在該流體噴出裝 置上的一移位暫存器來把來自該等多個PILS的輸出多工到一條共同的ID線上。在方塊1318，該墨水液位可以藉由使用來自該等多個PILS的輸出來確定。要實現這一點，舉例來說，可以透過使用一演算法計算來自該等多個PILS的該等個輸出的平均來達成，該演算法是由ASIC 126或控制器110來執行。
114‧‧‧一噴頭
200‧‧‧流體槽
202‧‧‧矽晶粒/基片
203‧‧‧安全距離「d」
204‧‧‧流體腔室
206‧‧‧PILS
208‧‧‧感測結構
210‧‧‧感測器電路
212‧‧‧感測電容
214‧‧‧清除電阻電路
216‧‧‧接地點
218‧‧‧移位暫存器
300‧‧‧液滴產生器

Claims (15)

  1. 一種流體噴出裝置，該裝置包含有：一個形成在一噴頭晶粒中的墨水槽；一個整合於噴頭之墨水液位感測器(PILS)，用以感測與該槽有流體連通的一腔室其墨水液位；以及一個被設置在該腔室之中的清除電阻電路，用以清除該墨水腔室。
  2. 如請求項1中之一種流體噴出裝置，其中該清除電阻電路包含有四個電阻圍繞在該PILS其感測電容板的四周，每一個電阻鄰近並平行排列於該感測電容板的某一不同的側面。
  3. 如請求項1中之一種流體噴出裝置，其中該PILS包含多個PILS用以感測與該槽有流體連通的多個腔室中的墨水液位，該流體噴出裝置更包含有：一個移位暫存器以在該等多個PILS之間做選擇以輸出到一共同的ID線。
  4. 如請求項3中之一種流體噴出裝置，其中該等多個PILS包含圍繞一單一槽四周的四個PILS，該等四個PILS的每一個被安置在靠近該槽之某一個不同的端角。
  5. 如請求項4中之一種流體噴出裝置，在該裝置的每一個PILS中更包含有一感測電容板，其中每一個感測電容板距離該槽的某一個端部都約有40至50微米的最小安全距離。
  6. 如請求項3中之一種流體噴出裝置，該裝置更包含有一控制器以控制該清除電阻電路的激活，並控制該移位暫存器以在該等多個PILS之間做選擇以輸出到一共同的ID線。
  7. 如請求項1中之一種流體噴出裝置，其中該PILS包含有：一感測電容其電容值會隨著在該腔室中的墨水液位做變化；一開關T2用以施加一電壓Vp到該感測電容，放置一電荷量到該感測電容上；一開關T3用以共享在該感測電容和一參考電容之間的電荷量，從而產生一參考電壓Vg；以及一評估電晶體被配置成可提供一個會正比於該參考電壓的汲極到源極電阻。
  8. 如請求項1中之一種流體噴出裝置，該裝置更包含有一個寄生消除電路以消除該PILS的固有寄生電容。
  9. 一種處理器可讀取媒體，該媒體儲存有程式碼，當該等程式碼所代表的指令被一處理器執行時，會致使該處理器可以：激活一清除電阻電路，以清除一感測腔室中的墨水；施加一已預先充電的電壓Vp到在該腔室中的一感測電容，以充電該感測電容使之有一電荷量Q1；共享在該感測電容和一個參考電容之間的電荷量Q1，從而導致一參考電壓Vg產生在一評估電晶體的閘 極處；以及確定出該評估電晶體其汲極到源極的一電阻值，該電阻乃肇因於Vg所產生。
  10. 如請求項9中之一種處理器可讀取媒體，其中該等指令更使得該處理器可以：在激活該清除電阻電路以使墨水從一流體槽流回到該感測腔室中之後，在施加該已預先充電的電壓Vp之前，提供一延遲。
  11. 一種處理器可讀取媒體，該媒體儲存有程式碼，當該等程式碼所代表的指令被一處理器執行時，會致使該處理器可以：啟動多個PILS(整合於噴頭之墨水液位感測器)的操作，以感測在一流體噴出裝置之多個區域處的墨水液位；控制在該流體噴出裝置上的一移位暫存器以把來自該等多個PILS的輸出多工到一條共同的ID線上。
  12. 如請求項11中之一種處理器可讀取媒體，其中該等指令更使得該處理器可以使用來自該等多個PILS的輸出來確定該墨水液位。
  13. 如請求項12中之一種處理器可讀取媒體，其中確定該墨水液位包含有求出來自該等多個PILS輸出的平均。
  14. 如請求項11中之一種處理器可讀取介質，其中一PILS的操作包含有：放置一電荷量在位於一記憶體節點M1處的一感測 電容上；耦合M1到一個第二記憶體節點M2以共享在該感測電容和一參考電容之間的電荷量，該共享的電荷量會造成一參考電壓Vg產生在M1、M2、和一電晶體的閘極處；確定該電晶體汲極到源極的一電阻值，以及比較該電阻值和一個參考值，以確定一墨水液位。
  15. 如請求項14中之一種處理器可讀取介質，其中一PILS的操作更包含有：施加一電壓Vp到M1上以放置該電荷到該感測電容上；以及同時施加Vp到一個節點Mp以防止一寄生電容電荷出現在M1和Mp之間。
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