TWI507302B - 壓電噴墨晶粒堆疊體 - Google Patents

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Tsuyoshi Yamashita
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Description

壓電噴墨晶粒堆疊體
本發明係有關於壓電噴墨晶粒堆疊體。
 發明背景
應需滴落噴墨式印表機常見地依據在噴墨列印頭內部的墨水滴形成的兩個機制中之一者歸類。熱泡噴墨式印表機使用熱噴墨列印頭，具有加熱元件致動器氣化墨水填充腔室內的墨水(或其它流體)，來產生氣泡將墨水小滴逼出列印頭噴嘴之外。壓電噴墨式印表機使用壓電噴墨列印頭，具有壓電陶瓷致動器在墨水填充腔室內產生壓力脈衝來將墨水小滴(或其它流體)逼出列印頭噴嘴之外。
當使用可噴射流體，諸如UV可硬化列印墨水，其較高黏度及/或化學組成妨礙熱噴墨列印頭的使用時，壓電噴墨列印頭係優於熱噴墨列印頭。熱噴墨列印頭限制用於可噴射流體，其配方可耐受沸騰溫度而不會經驗機械或化學降級。由於壓電列印頭利用機電位移(而非蒸氣氣泡)來形成壓力，將噴墨列印頭逼迫出噴嘴，壓電列印頭可因應較為寬廣的可噴射材料之選擇。因此，壓電列印頭被運用來列印在更為寬廣的多種媒體上。
壓電噴墨列印頭常見係由多層堆疊體製成。正在進行中的改良壓電噴墨列印頭的努力涉及減低壓電堆疊體的製造成本與材料成本，同時提高其效能及穩健程度。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種壓電噴墨晶粒堆疊體包含堆疊在一基體晶粒上的一電路晶粒；堆疊在該電路晶粒上之一壓電致動器晶粒；及堆疊在該壓電致動器晶粒上之一帽晶粒；其中從該電路晶粒至該帽晶粒，各個晶粒係依序地比前一個晶粒更窄。
圖式簡單說明
現在將參考附圖舉例說明本實施例，附圖中：第1圖顯示依據一實施例的流體噴射裝置，具體實施為適用以結合如此處揭示之具有一壓電晶粒堆疊體的流體噴射總成的噴墨式列印系統；第2圖顯示依據一實施例，於PIJ列印頭中壓電晶粒堆疊體實例之部分剖面側視圖；第3圖顯示依據一實施例，於PIJ列印頭中壓電晶粒堆疊體實例之剖面側視圖；第4圖顯示依據一實施例，於壓電晶粒堆疊體實例中之晶粒層的俯視圖；第5圖顯示依據一實施例，於電路晶粒頂上含括一致動器晶粒之一部分晶粒堆疊體的俯視圖；第6圖顯示依據一實施例，含括一致動器晶粒其具有致動器但非分裂致動器之一部分晶粒堆疊體的俯視圖；第7圖顯示依據一實施例，於具有另一種軌跡線佈局的壓電晶粒堆疊體實例中之晶粒層的俯視圖。
 詳細說明 問題與解決之綜論
如前述，改良式壓電噴墨列印頭可涉及更廉價開發、更高效能、及更穩健的矽晶粒堆疊體。作為此種正在進行中之趨勢的一部分，漸增地將多顆矽晶粒用在堆疊體中的多層，原因在於可在矽中蝕刻更精細且更緊密堆積的特徵。矽晶粒堆疊體發展上的多項議題包括各個結構的妥適垂直排齊，諸如歧管隨形性、驅動電子裝置、及壓力腔的多個墨水進給。其它議題包括縮短晶粒與外部信號纜線間的電連結長度及改良電連結之良率。減低堆疊體中某些晶粒的高成本乃持續不斷的挑戰。
先前改良壓電噴墨列印頭之嘗試包括：使用具有打線接合附接至晶粒背側的晶粒堆疊體設計；晶粒槽道讓驅動導線通過於晶粒各層間；環繞晶粒層而非貫穿晶粒層的流體工程學；晶粒堆疊體內部之不等形狀的及相同形狀的晶粒；在晶粒堆疊體附近但非整合一體的控制電路晶粒。
本文揭示之實施例透過壓電墨水滴噴射器(列印頭)，其包括具有薄膜壓電致動器及驅動電路的多層MEMS晶粒堆疊體而解決此等問題。該堆疊體中的各個晶粒係比其下方晶粒更窄，來許可在組裝期間直捷的對齊與互連。如此協助歧管隨形性、驅動電子裝置、多個墨水進給等等妥適匹配至相鄰晶粒上的相對特徵結構。該晶粒堆疊體設計額外地縮小堆疊體內的較為昂貴層諸如壓電致動器晶粒及噴嘴板的寬度，結果導致成本的減低。該晶粒堆疊體設計許可壓電致動器定位在壓力腔的與噴嘴同側上。如此又轉而許 可腔室的墨水入口及出口定位在腔室的正下方，許可腔室長度縮短。電路晶粒具有控制電路(例如特定應用積體電路(ASIC))來控制壓電致動器驅動電晶體。電路晶粒的部分表面形成壓力腔的底板，且包括入口孔及出口孔，墨水經由該等孔口而進出腔室。
於一個實施例中，壓電噴墨晶粒堆疊體包括一基體晶粒，堆疊在一基體晶粒上的一電路晶粒，堆疊在該電路晶粒上之一壓電致動器晶粒，及堆疊在該壓電致動器晶粒上之一帽晶粒。從該電路晶粒至該帽晶粒各個晶粒係依序地比前一個晶粒更窄。
於另一個實施例中，壓電噴墨列印頭包括形成於壓電致動器晶粒內之一壓力腔。該壓力腔之一頂板包括一膜及於該膜上之一壓電致動器。一電路晶粒係黏附至該致動器晶粒且形成該壓力腔之底板且係與該頂板相對。控制電路(例如ASIC)係製作在壓力腔底板的電路晶粒上，來藉作動該壓電致動器而以控制式撓曲該膜。
較佳實施例之詳細說明
第1圖顯示依據一實施例的流體噴射裝置，具體實施為適用以結合如此處揭示之具有一矽晶粒堆疊體的流體噴射總成(亦即列印頭)的噴墨式列印系統100。於本實施例中，流體噴射總成係揭示為流體液滴噴射列印頭114。噴墨式列印系統100包括一噴墨列印頭總成102、一墨水供給總成104、一安裝總成106、一媒體轉運總成108、一電子印表機控制器110、及供給電力給噴墨式列印系統100的各個電子 組件之至少一個電源供應器112。噴墨列印頭總成102包括至少一個流體噴射總成114(列印頭114)，列印頭114將墨水滴通過多個孔口或噴嘴116朝向列印媒體118噴射因而列印在列印媒體118上。列印媒體118可為任何型別的適當片材或卷材，諸如紙張、紙板材、透明片、聚酯、合板、發泡板、織物、帆布等。噴嘴116典型地係排列成一或多個行列或陣列，使得當噴墨列印頭總成102與列印媒體118係相對於彼此移動時，從噴嘴116適當排序的墨水噴射造成字元、符號、及/或其它圖形或影像被列印在列印媒體118上。
墨水供給總成104供給流體墨水給列印頭總成102，且包括用以儲存墨水的貯槽120。墨水係從貯槽120流至噴墨列印頭總成102。墨水供給總成104及噴墨列印頭總成102可形成單向墨水輸送系統或循環墨水輸送系統。於單向墨水輸送系統中，供給噴墨列印頭總成102的墨水實質上全部在列印期間耗盡。但於循環墨水輸送系統中，只有部分供給列印頭總成102的墨水係在列印期間耗用。在列印期間未耗用的墨水則回送至墨水供給總成104。
於一個實施例中，墨水供給總成104係於正壓下經由墨水調理總成105，透過介面連結諸如供應管，供給墨水至噴墨列印頭總成102。墨水供給總成104例如包括一貯槽、泵浦、及壓力調節器。於墨水調理總成105中的調理可包括過濾、預熱、壓力湧浪吸收、及除氣。墨水係在負壓下從列印頭總成102汲取至墨水供給總成104。在噴墨列印頭總成102的入口與出口間的壓力差係經選擇可達成在噴嘴116的 正確反壓，且通常為負1吋至負10吋水壓間的負壓。墨水供給總成104的貯槽120可經移開、置換、及/或重新填充。
安裝總成106將噴墨列印頭總成102相對於媒體轉運總成108定位，媒體轉運總成108將列印媒體118相對於噴墨列印頭總成102定位。如此，一列印區段122係界定相鄰於噴嘴116在噴墨列印頭總成102與列印媒體118間之區域。於一個實施例中，噴墨列印頭總成102為掃描型列印頭總成。因此，安裝總成106包括一載具，用以相對於媒體轉運總成108移動噴墨列印頭總成102來掃描列印媒體118。於另一個實施例中，噴墨列印頭總成102為非掃描型列印頭總成。因此，安裝總成106將噴墨列印頭總成102固定在相對於媒體轉運總成108的規定位置。如此，媒體轉運總成108定位列印媒體118相對於噴墨列印頭總成102。
電子印表機控制器110典型地包括一處理器、韌體、軟體、一或多個記憶體組件包括依電性及非依電性記憶體組件、及用來與噴墨列印頭總成102、安裝總成106、與媒體轉運總成108通訊且控制該等總成的其它印表機電子裝置。電子控制器110從主機系統接收資料124，及暫時儲存資料124於記憶體。典型地，資料124係沿電子、紅外線、光學、或其它資訊傳輸路徑而發送至噴墨式列印系統100。資料124表示例如欲列印的文件及/或檔案。因此，資料124針對噴墨式列印系統100形成一列印工作且包括一或多個列印工作指令及/或指令參數。
於一個實施例中，電子印表機控制器110控制噴墨列印 頭總成102用以從噴嘴116噴射墨水滴。如此，電子控制器110界定噴射墨水滴的圖案，在列印媒體118上形成字元、符號、及/或其它圖形或影像。噴射墨水滴的圖案係由得自資料124的列印工作指令及/或指令參數決定。於一個實施例中，電子控制器110包括儲存於控制器110的記憶體之溫度補償與控制模組126。溫度補償與控制模組126係在電子控制器110(亦即控制器110之處理器)上執行，及載明在晶粒堆疊體(例如ASIC)內的電路維持用以列印的溫度。於晶粒堆疊體中的溫度係藉晶粒上電路局部控制，該晶粒上電路包括於流體噴射總成(亦即列印頭)114之壓力腔內的溫度感測電阻器及加熱器元件。更明確言之，控制器110執行得自模組126的指令，來透過在相鄰於壓力腔的晶粒上電路上的溫度感測電阻器及加熱器元件之控制而感測與維持壓力腔內之墨水溫度。
於一個實施例中，噴墨式列印系統100為應需滴落壓電噴墨列印系統，具有包含一壓電噴墨(PIJ)列印頭114的流體噴射總成114。該PIJ列印頭114包括多層MEMS晶粒堆疊體，於該處於該晶粒堆疊體中的各個晶粒係比下方晶粒更窄。晶粒堆疊體包括薄膜壓電致動器噴射元件、及控制與驅動電路係經組配來在壓力腔內產生壓力脈衝而將墨水滴逼出噴嘴116之外。於一個體現中，噴墨列印頭總成102包括單一PIJ列印頭114。於另一個體現中，噴墨列印頭總成102包括一寬廣的PIJ列印頭114陣列。
第2圖顯示依據本文揭示之一實施例，於PIJ列印頭114 中壓電晶粒堆疊體102實例之部分剖面側視圖。一般而言，PIJ列印頭114包含多個晶粒層，各層具有不同功能。晶粒堆疊體200的總體形狀為金字塔形，於該堆疊體中的各個晶粒係比下方晶粒更窄(亦即指稱第2圖之晶粒202作為底晶粒)。換言之，始於底基體晶粒202，各個晶粒當其於晶粒堆疊體中朝向噴嘴層(噴嘴板)210向上前進時漸進地縮窄。於若干實施例中，當在晶粒末端期望有額外空間來用於對齊標記、軌跡線路由、接合襯墊、流體通道等時，上一層的晶粒也可比下方晶粒的長度更短。晶粒堆疊體200從底至頂的晶粒變窄及/或變短在晶粒的側邊(及偶爾在末端)上產生梯階效應，使得晶粒層具有電路欲透過在暴露梯級上的襯墊間的打線接合而連結。
晶粒堆疊體200中之該等層包括一第一(亦即底)基體晶粒202、一第二電路晶粒204(或ASIC晶粒)、一第三致動器/腔室晶粒206、一第四帽晶粒208、及一第五噴嘴層210(或噴嘴板)。於若干實施例中，帽晶粒208與噴嘴層210係整合成為單層。在噴嘴層210頂上通常也有一不濕潤層(圖中未顯示)，包括斥水性被覆層來輔助防止噴嘴116周圍的墨水堵塞。晶粒堆疊體200中的各層典型地係由矽製成，但不濕潤層及偶爾噴嘴層210除外。於若干實施例中，噴嘴層210可由不鏽鋼或耐用性化學惰性聚合物諸如聚醯亞胺或SU8製成。各層係以化學惰性黏著劑諸如環氧樹脂(圖中未顯示)黏合在一起。於該具體實施例中，多個晶粒層具有流體通道，諸如開槽、通道或孔洞用以導引墨水來去於壓力腔 212。各個壓力腔212包括位在腔室底板218(亦即與該腔室的噴嘴側相對)的兩個埠口(入口埠口214、出口埠口216)，該等埠口係與墨水分配歧管(入口歧管220、出口歧管222)作流體連通。壓力腔212的底板218係由電路層204的表面形成。兩個埠口(214、216)係位在壓力腔212底板218的兩相對側上，於該處埠口刺穿電路層204晶粒，且使得墨水可藉在墨水供給總成104的外部泵浦而循環通過該腔室。壓電致動器224係在可撓性膜上，該可撓性膜係用作為腔室的頂板，且係定位成與腔室底板218相對。因此，壓電致動器224係位在壓力腔212的與噴嘴116同側上(亦即在腔室的頂板或頂側上)。
仍係參考第2圖，底基體晶粒202包含矽，其包括流體通道226，經由該等通道墨水可透過墨水分配歧管(入口歧管220、出口歧管222)而流進與流出壓力腔212。基體晶粒202支持一薄型隨形膜228，該隨形膜228係經組配來例如，緩和由於起始瞬變導致脈衝墨水流經墨水分配歧管所造成的壓力湧浪，及減輕相鄰噴嘴的墨水噴射。隨形膜228對於相鄰噴嘴間的流體串擾具有阻尼效應，以及用作為貯槽來確保於高體積列印期間當從墨水供應源建立流體流時有墨水可用。當隨形膜228係由聚合物諸如聚酯或PPS(聚伸苯基硫化物)製成時厚約為5至10微米。隨形膜228跨越基體晶粒202中之一間隙，該間隙係在該隨形膜的背側上形成一空腔或一氣隙230，來允許回應於歧管裡的流體壓力湧浪而自由地脹大。氣隙230典型地但非必要地與周圍通風。於任一種 情況下，氣隙230係經組配來加壓或抽真空，許可隨形膜228容易在氣隙230上下移動且吸收墨水壓力湧浪。隨形膜與空腔230底板間之典型間隙為100至300微米。隨形膜的墨水通道側上存在有相似的間隙。1毫米至2毫米間之寬度提供足夠的隨形膜。若沈積隨形膜，則可能獲得小於1毫米寬度而厚度1至2微米。隨形膜228a係比隨形膜228b更窄，原因在於隨形膜228a服務的埠口數目(亦即一個出口埠口216)只有隨形膜228b(亦即兩個入口埠口214)的半數。
電路晶粒204為晶粒堆疊體200中的第二晶粒且係位在基體晶粒202上方。電路晶粒204係黏附於基體晶粒202且係比基體晶粒202更窄。於若干實施例中，電路晶粒204的長度也可比基體晶粒202更短。電路晶粒204包括墨水分配歧管，其包含墨水入口歧管220及墨水出口歧管222。入口歧管220提供墨水透過入口埠口214而流進腔室212內，而出口埠口216許可墨水從腔室212流出而進入出口歧管222內部。電路晶粒204也包括流體旁路通道232，其許可若干墨水進入入口歧管220來繞道壓力腔212，及通過旁路232而直接流進出口歧管222內部。如後文就第3圖以進一步細節討論，旁路通道232包括合宜尺寸的限流器，其讓通道縮窄，因而於壓力腔212內部可達成期望的墨水流，因而維持入口埠口214與出口埠口216間足夠的壓差。
電路晶粒204也包括於ASIC 234體現的且係製造於其上表面上相鄰該致動器/腔室晶粒206的CMOS電路234。ASIC 234包括噴射控制電路，其控制壓電致動器224的壓力 脈衝(亦即發射)。至少部分ASIC 234係直接位在壓力腔212的底板218上。因ASIC 234係製造在腔室底板218上，故可與壓力腔212內部的墨水直接接觸。但ASIC 234係埋設在薄膜鈍化層(圖中未顯示)下方，該薄膜鈍化層包括電介質材料來提供絕緣與保護免於接觸腔室212的墨水。含括於ASIC 234的電路者為一或多個溫度感測電阻器(TSR)及加熱器元件，諸如電阻薄膜。ASIC 234內的TSR及加熱器係經組配來維持腔室212的墨水於有利於經由噴嘴116噴射墨水滴期望的且一致的程度。於一個實施例中，ASIC 234內的TSR及加熱器的設定溫度係藉在控制器110上執行的溫度補償與控制模組126載明，來感測與調整壓力腔212內部之墨水溫度。若墨水係在進入列印頭總成102的升高溫度，則控溫模組126將接合墨水調理總成105內部的預熱器。
電路晶粒204也包括製作在打線接合238外側的晶粒204邊緣上的壓電致動器驅動電路/電晶體236(例如場效電晶體(FET))。如此，驅動電晶體236係在ASIC 234控制電路的相同電路晶粒204上且係屬ASIC 234的一部分。驅動電晶體236係藉ASIC 234裡的控制電路控制(亦即導通與關斷)。壓力腔212及致動器224的效能係對溫度變化敏感，具有在電路晶粒204邊緣上的驅動電晶體236維持電晶體236所產生的熱量遠離腔室212及致動器224。
晶粒堆疊體200中位在電路晶粒204上方的下一層是致動器/腔室晶粒206(後文稱作「致動器晶粒206」)。致動器晶粒206係黏著至電路晶粒204且比電路晶粒204更窄。於若 干實施例中，致動器晶粒206的長度也可比電路晶粒204更短。致動器晶粒206包括壓力腔212，具有包含相鄰電路晶粒204的腔室底板218。如前記，腔室底板218額外地包含控制電路，諸如ASIC 234製作在形成腔室底板218的電路晶粒204上。致動器晶粒206額外地包括薄膜可撓性膜240，諸如二氧化矽，位在與腔室底板218相對用作為腔室頂板。於可撓性膜240上方且黏著至可撓性膜者為壓電致動器224。壓電致動器224包含薄膜壓電材料，諸如壓電陶瓷材料，其係回應於所施加的電壓而產生機械應力。當作動時，壓電致動器224實體地膨脹或收縮，造成壓電陶瓷與膜240的層合物撓曲。此項撓曲移位在腔室內的墨水，在壓力腔212內產生壓力波，通過噴嘴116射出墨水滴。於第2圖所示之實施例中，可撓性膜240及壓電致動器224係藉延伸在壓力腔212與噴嘴116間的下垂件242分裂。如此壓電致動器224為一分裂壓電致動器224，在腔室212的各側上各有一節段。但於若干實施例中，下垂件242及噴嘴116係位在腔室212的同側上，使得壓電致動器224及膜240不分裂。
帽晶粒208係黏著在致動器晶粒206上方。帽晶粒208係比致動器206更窄，且於若干實施例中，長度也可比致動器晶粒206更短。帽晶粒208形成在壓電致動器224上方包封致動器224的一帽腔244。帽腔244為保護致動器224的密封空腔。雖然帽腔244不通風，但其提供的密閉空間係經組配有足夠開放體積及餘隙來許可壓電致動器224撓曲而不影響致動器224的移動。帽腔244具有與致動器224相對的一有肋 上表面246，增加空腔的體積及表面積(用以增加對水及不利於薄膜pzt長期效能的其它分子的吸收)。有肋上表面246的設計係強化帽腔244上表面，使得能更佳地對抗列印頭處置及服務(例如掃掠)的毀損。肋條輔助減小帽晶粒208的厚度及縮短下垂件242的長度。
帽晶粒208也包括該下垂件242。下垂件242係在帽晶粒208中延伸在壓力腔212與噴嘴116間的一槽道，使得在由來自致動器224的壓力波所造成的射出事件期間，使得墨水從腔室212前進及送出噴嘴116之外。如前記，於第2圖之實施例中，下垂件242及噴嘴116係取中定位於腔室212內部，將壓電致動器224及可撓性膜240分裂在腔室212的兩側間。噴嘴116係形成在噴嘴層210或噴嘴板內。噴嘴層210黏著至帽晶粒208頂部且典型地具有與帽晶粒208相同大小(亦即長度及寬度，但厚度並非必要)。
第2圖只顯示於PIJ列印頭114中晶粒堆疊體200之部分(亦即左側)剖面圖。但晶粒堆疊體200繼續前進至右側，通過第2圖所示虛線258。此外，晶粒堆疊體200為對稱性，因此包括在其右側(未顯示於第2圖)上的結構係為在第2圖左側顯示的結構的鏡像。舉例言之，第2圖中顯示在晶粒堆疊體200左側的墨水入口歧管220及墨水出口歧管222鏡像對映在晶粒堆疊體200右側上，未顯示於第2圖。墨水分配歧管的額外結構諸如鏡像映射的入口歧管及出口歧管係顯示於第3圖。
第3圖顯示依據本文揭示之一實施例，於PIJ列印頭114 中壓電晶粒堆疊體200實例之剖面側視圖。為了討論目的，前文參考第2圖描述的多項特徵係並未含括於第3圖所示晶粒堆疊體200之例示說明或討論中。第3圖顯示晶粒堆疊體200之完整剖面側視圖，但當額外歧管、腔室、及噴嘴出現於晶粒堆疊體200實例諸如前文就第2圖討論之實施例中的全寬時，主要意圖例示說明之。於第3圖之晶粒堆疊體200中，有四列壓力腔212及相對應噴嘴116橫過晶粒堆疊體200的全寬。五個流體通道226貫穿基體晶粒202，導引墨水(例如來自墨水供給總成104)流經該等通道來去於電路晶粒204中的五個相對應歧管。更明確言之，三個出口歧管222，其中兩個在晶粒堆疊體200邊緣及一個在晶粒堆疊體200中央，將墨水導引出晶粒堆疊體200的壓力腔212。三個出口歧管222提供通道給墨水，來經由在腔室212內的四個相對應出口埠口216流出四個壓力腔212(亦即四列壓力腔)之外。晶粒堆疊體內部的兩個入口歧管220提供通道給墨水，來經由在腔室212內的四個相對應入口埠口214流入四個壓力腔212(亦即四列壓力腔)內。
也如第3圖之晶粒堆疊體200顯示，流體旁路通道232(例如232a、232b)係形成於電路晶粒204中。如前文討論，旁路通道232許可部分墨水流進入口歧管220，來通過旁路232而直接流入出口歧管222，而未首先通過壓力腔212。各個旁路通道232包括一限流器300，有效地縮窄通道來限制從入口歧管220至出口歧管222的墨水流。藉旁路通道232中的限流器300所造成的限流輔助在壓力腔212內部 達成適當流速。限流器300也協助在入口埠口214與出口埠口216間維持足夠的壓差。注意第3圖所示限流器300僅係為了討論目的，而非必要例示說明實際限流器的實體代表圖。藉控制旁路通道本身(例如232a、232b)的長度及寬度而建立實際限流。如此舉例言之，旁路通道232a的長度及寬度可與旁路通道232b的長度及寬度不同，來達成通過通道的不同流速及腔室212內的不同壓力。
第4圖顯示依據一實施例，於壓電晶粒堆疊體200實例中之晶粒層的俯視圖。於第4圖之晶粒堆疊體200中，基體晶粒202係顯示在堆疊體底部，有個較小的(亦即較窄且較短的)電路晶粒204在基體晶粒202的頂上。在電路晶粒204頂上有個較小型(亦即較窄且較短的)致動器晶粒206。對齊基準400係顯示於基體晶粒202的角隅邊緣。大致上參考第4及2圖，漸進縮小的晶粒形成金字塔形或階梯形晶粒堆疊體200，在晶粒邊緣提供空間讓對齊基準400變成可見，接合襯墊250及導線238的數目增加，及接合襯墊250間之軌跡線路由(並未顯示全部接合襯墊、導線、及軌跡線)。在晶粒邊緣的額外空間也支持封裝材料252，來保護導線238及接合襯墊250免於受損，通常於組裝期間允許直捷的對齊與互連，來確保歧管隨形膜、驅動電子裝置、及多個墨水進料口的妥適垂直匹配。電路晶粒204相鄰於(亦即在正下方)致動器晶粒206，許可導線238的長度縮短，減少在製造期間的損傷，及減少欲藉封裝保護的暴露出的材料量。在晶粒邊緣的額外表面積也給保護罩256與晶粒堆疊體200間的密 封劑254提供空間。密封劑254減低墨水穿透入晶粒堆疊體200中的電氣連結的機會。
仍然參考第2及4圖，顯示可撓性纜線248係連結至晶粒堆疊體200，在基體晶粒202的表面側緣。但於其它實施例中，可撓性纜線248可耦接至晶粒堆疊體200的另一晶粒層，諸如電路晶粒204。可撓性纜線248包括約30條線，攜載來自信號源諸如控制器110的低電壓數位控制信號、來自電源供應器112的電源、及地電位。透過可撓性纜線248中的電線接收的串聯數位控制信號係藉電路晶粒204上的ASIC 234中的控制電路而轉成(多工化)並聯類比致動信號，該信號開關切換驅動電晶體236，作動個別的壓電致動器224。因此，相當少數的導線(例如導線238a)係從基體晶粒202附接至電路晶粒204，而攜載串聯控制信號及電力從可撓性纜線248，至電路晶粒204上的ASIC控制電路及驅動電晶體236。但遠更多根導線(例如導線238b)係附接在電路晶粒204的接合襯墊250a與致動器晶粒206的相對應接合襯墊250b間，來攜載來自電路晶粒204上的ASIC 234的多個並聯控制信號，沿著個別導線238b，至致動器晶粒206上的個別壓電致動器224(未顯示於第4圖)。注意並非全部接合襯墊250a與250b間的導線238b皆已例示說明於第4圖，所示導線238b僅為代表性實例。於本實施例中，每吋每列的接合襯墊密度可高達200個襯墊，二偏位列具有多達每吋400個襯墊。
於如第4圖所示之一個實施例中，接地軌跡線402從可 撓性纜線248伸出，且沿基體晶粒202的一個側緣延伸至接地襯墊404。導線238c係接合至接地襯墊404且向上延伸至上方相鄰電路晶粒204上的接地襯墊406。接地軌跡線408從接地襯墊406沿電路晶粒204的二端緣延伸至位在電路晶粒204中心端緣上的接地襯墊410。導線238d係接合至電路晶粒204上的接地襯墊410且向上延伸至在致動器晶粒206的中心端緣上的接地襯墊412。接地匯流排414係在致動器晶粒206的兩相對端緣間沿晶粒206的中心向下前進。如此，來自可撓性纜線248的地電位初步係耦接至基體晶粒202上的晶粒堆疊體200，及沿基體晶粒202及電路晶粒204的側緣及端緣，路徑安排向上前進至致動器晶粒206。從中心接地匯流排414，接地軌跡線向外朝向致動器晶粒206側緣延伸來連結壓電致動器224(未顯示於第4圖)，如下文參考第5及6圖之討論。
第5圖顯示依據本文揭示之一實施例，於電路晶粒204頂上含括一致動器晶粒206之一部分晶粒堆疊體200的俯視圖。顯示於致動器晶粒206上者為沿晶粒206的兩個縱側緣前進的打線接合襯墊250b。在接合襯墊250b間在晶粒206上的空間具有至少四列壓電致動器224。但於其它實施例中，致動器224之列數例如可增至6、8或更多列。於本實施例中，在中心接地匯流排414的兩端間所做接地連結(亦即透過來自電路晶粒204的導線238d)維持匯流排沿線電阻低於可容許的最大位準，同時輔助最小化匯流排寬度。如第5圖所示，接地軌跡線500從中心接地匯流排414伸出，朝向致 動器晶粒206的兩個側緣向外延伸。如此，接地軌跡線500為「內外翻轉」接地軌跡線在成列致動器間行進，且提供從中心接地匯流排414至各個致動器224的接地連結。來自接地軌跡線500的接地連結502典型地(但非必要地)係與壓電致動器224上的底電極作成連結。驅動信號軌跡線504在致動器晶粒206側緣從接合襯墊250b伸出，及朝向晶粒206中心向內延伸。如此，驅動軌跡線504為「外內翻轉」驅動軌跡線，在成列致動器間前進，各個驅動軌跡線504提供驅動信號來作動一壓電致動器224。來自驅動軌跡線504的驅動軌跡線連結506典型地(但非必要)製作成壓電致動器224上的頂電極。
於不同實施例中，具有「內外翻轉」接地軌跡線500及「外內翻轉」驅動軌跡線504的軌跡線佈局使得軌跡線更緊密堆積方案，允許有更多列致動器224。此外，軌跡線佈局使得接地軌跡線及驅動軌跡線係在同一個製作高度，或在相同的或共用的製作平面。換言之，於製作期間，用來製作驅動軌跡線的相同製作圖樣及沈積過程也用來同時製作接地軌跡線。如此免除製程步驟，同時也消除驅動軌跡線與接地軌跡線間的絕緣層。
第5圖之致動器晶粒206上也顯示者為為壓力腔212，於下方電路晶粒204的入口埠口及出口埠口(214、216)，及分別地在上方帽晶粒208及噴嘴層210的下垂件242及噴嘴116。於第5圖及第2圖之實施例中，各個腔室212具有分裂致動器224。致動器224係藉位在腔室中央的下垂件242及噴 嘴116而分裂成兩個節段。於此種設計中，分裂致動器224的兩個節段係耦接至接地軌跡線500及驅動軌跡線504。針對具有「內外翻轉」接地軌跡線500及「外內翻轉」驅動軌跡線504的軌跡線佈局的更緊密堆積方案，更佳地適應此種分裂致動器設計。
第6圖顯示依據本文揭示之一實施例，含括一致動器晶粒206其具有致動器224但非分裂致動器之一部分晶粒堆疊體200的俯視圖。於本實施例中，下垂件242及噴嘴116係位在腔室212的一側，而非如同第5圖實施例之分裂致動器設計係位在腔室212中央。如此使得單一致動器224跨據腔室212的寬度成為單一元件。因而此項設計具有的對致動器224所做接地軌跡線500及驅動軌跡線504連結數目為第5圖之接地軌跡線500及驅動軌跡線504數目的半數。因此，在致動器晶粒206上成列致動器間有較少軌跡線占據較少空間。
第7圖顯示依據本文揭示之一實施例，於壓電晶粒堆疊體200實例中之晶粒層的俯視圖。第7圖係類似前文討論的第4圖，但該具體實施例顯示從基體晶粒202上的可撓性纜線248直至致動器晶粒206上的中心接地匯流排414之接地連結的路徑安排的另一種佈局。於本實施例中，中心接地匯流排414包括於匯流排414各端上的一垂直節段700。垂直節段700於兩個方向垂直地延伸遠離匯流排414末端朝向致動器晶粒的二側緣。於晶粒堆疊體200的不同體現中，諸如當電路晶粒204及致動器晶粒206具有相同長度時，或比較 前文討論之實施例更接近相同長度時，垂直節段700輔助接地連結至中心接地匯流排414。於此等體現中，在電路晶粒204的端緣可能沒有足夠空間來配置接合襯墊或接地襯墊，或跑接地軌跡線。如此將妨礙第4圖所示特定接地路由方案，該方案係從電路晶粒204直接接地至致動器晶粒206上的中心接地匯流排414。因此，於電路晶粒204的端緣可能沒有足夠空間的體現中，第7圖之實施例提供從可撓性纜線248直至致動器晶粒206上的中心接地匯流排414的接地連結的替代路徑安排。
於第7圖之實施例中，接地軌跡線402從可撓性纜線248射出且沿著基體晶粒202的一個側緣延伸至接地襯墊404。導線238c的一端係接合至接地襯墊404，且向上延伸至電路晶粒204，於該處其另一端係接合至接地襯墊406。導線702從電路晶粒204上的接地襯墊406，接合直至致動器晶粒206端緣上的垂直節段700，提供接地連結至中心接地匯流排414。於若干實施例中，致動器晶粒206上的垂直節段700也可用來提供接地連結至電路晶粒204的另一側緣。於此種情況下，如第7圖所示，導線704係接合至垂直節段700的另一側，且向下延伸回電路晶粒204的另一側緣，於該處導線704係接合至接地襯墊706。如此，除了提供從可撓性纜線248直至致動器晶粒206上的中心接地匯流排414的接地連結的替代路徑安排外，於致動器晶粒206上方，垂直節段700至中心接地匯流排414也使得從電路晶粒204一側至另一側的接地連結。此等替代接地軌跡線路由路徑特別地可用在晶 粒堆疊體200體現，於該處在電路晶粒204端緣的空間可能不足，諸如當電路晶粒204與致動器晶粒206具有相同的或相似的長度時。
大致上參考第4至第7圖，於替代實施例中，中心接地匯流排及個別驅動軌跡線的角色可能顛倒。如此取而代之，接地匯流排414係在峰值驅動電壓。因此，例如就第4圖而言，於此等替代實施例中，先前描述的從可撓性纜線248射出且沿著基體晶粒202的一個側緣延伸的接地軌跡線402反而變成峰值驅動電壓軌跡線。同理，接地襯墊404、406、410及412，及導線238c及238d將攜載峰值驅動電壓而非地電位。如此，驅動電壓軌跡線(而非接地軌跡線)將從中心匯流排414朝向致動器晶粒206側緣向外延伸來連結壓電致動器224。此外，壓電致動器224係藉個別並聯軌跡線504，經由在致動器晶粒206側緣的接合襯墊250b，及然後藉驅動電晶體236而接地。經由此一軌跡線路徑實施例，驅動電晶體236交替地解除連結與連結壓電致動器224接地來作動致動器224。因此，於此等替代實施例中，驅動軌跡線為「內外翻轉」驅動軌跡線，從中心匯流排414延伸至各列致動器間的各個致動器224，來提供驅動電壓而作動壓電致動器224；而接地軌跡線為「外內翻轉」接地軌跡線，係在各列致動器間延伸來經由驅動電晶體236提供接地連結至各個致動器224。
100‧‧‧噴墨式列印系統
102‧‧‧噴墨列印頭總成
104‧‧‧墨水供給總成
105‧‧‧墨水調理總成
106‧‧‧安裝總成
108‧‧‧媒體轉運總成
110‧‧‧電子印表機控制器
112‧‧‧電源供應器
114‧‧‧列印頭、流體噴射總成
116‧‧‧噴嘴、孔口
118‧‧‧列印媒體
120‧‧‧貯槽
122‧‧‧列印區段
124‧‧‧資料
126‧‧‧溫度補償與控制模組
200‧‧‧晶粒堆疊體
202‧‧‧基體晶粒
204‧‧‧電路晶粒
206‧‧‧致動器/腔室晶粒
208‧‧‧帽晶粒
210‧‧‧噴嘴層
212‧‧‧壓力腔
214‧‧‧入口埠口
216‧‧‧出口埠口
218‧‧‧底板
220‧‧‧入口歧管
222‧‧‧出口歧管
224‧‧‧壓電致動器
226‧‧‧流體通道
228、228a-b‧‧‧隨形膜
230‧‧‧空腔、氣隙
232、232a-b‧‧‧旁路通道
234‧‧‧特定應用積體電路(ASIC)、COMS電路
236‧‧‧驅動電晶體、壓電致動器驅動電路/電晶體
238、238a-d‧‧‧打線接合、導線
240‧‧‧可撓性膜
242‧‧‧下垂件
244‧‧‧帽空腔
246‧‧‧有肋上表面
248‧‧‧可撓性纜線
250、250a-b‧‧‧接合襯墊
252‧‧‧封裝材料
254‧‧‧密封劑
256‧‧‧保護罩
258‧‧‧虛線
300‧‧‧限流器
400‧‧‧對齊基準
402、408、500‧‧‧接地軌跡線
404、406、410、412、706‧‧‧接地襯墊
414‧‧‧接地匯流排
502‧‧‧接地連結
504‧‧‧驅動信號軌跡線、驅動軌跡線
506‧‧‧驅動軌跡線連結
700‧‧‧垂直節段
702、704‧‧‧導線
第1圖顯示依據一實施例的流體噴射裝置，具體實施為 適用以結合如此處揭示之具有一壓電晶粒堆疊體的流體噴射總成的噴墨式列印系統；第2圖顯示依據一實施例，於PIJ列印頭中壓電晶粒堆疊體實例之部分剖面側視圖；第3圖顯示依據一實施例，於PIJ列印頭中壓電晶粒堆疊體實例之剖面側視圖；第4圖顯示依據一實施例，於壓電晶粒堆疊體實例中之晶粒層的俯視圖；第5圖顯示依據一實施例，於電路晶粒頂上含括一致動器晶粒之一部分晶粒堆疊體的俯視圖；第6圖顯示依據一實施例，含括一致動器晶粒其具有致動器但非分裂致動器之一部分晶粒堆疊體的俯視圖；第7圖顯示依據一實施例，於具有另一種軌跡線佈局的壓電晶粒堆疊體實例中之晶粒層的俯視圖。
116‧‧‧噴嘴
200‧‧‧晶粒堆疊體
202‧‧‧基體晶粒
204‧‧‧電路晶粒
206‧‧‧致動器/腔室晶粒
208‧‧‧帽晶粒
210‧‧‧噴嘴層
212‧‧‧壓力腔
214‧‧‧入口埠口
216‧‧‧出口埠口
218‧‧‧底板
220‧‧‧入口歧管
222‧‧‧出口歧管
224‧‧‧壓電致動器
226‧‧‧流體通道
228、228a-b‧‧‧隨形膜
230‧‧‧空腔或氣隙
232、232a-b‧‧‧旁路通道
234‧‧‧特定應用積體電路(ASIC)
236‧‧‧驅動電晶體、壓電致動器驅動電路/電晶體
238‧‧‧打線接合
240‧‧‧可撓性膜
242‧‧‧下垂件
244‧‧‧帽空腔
246‧‧‧有肋上表面
248‧‧‧可撓性纜線
250‧‧‧接合襯墊
252‧‧‧封裝材料
254‧‧‧密封劑
256‧‧‧保護罩幕
258‧‧‧虛線

Claims (20)

  1. 一種壓電噴墨晶粒堆疊體，其係包含：堆疊在一基體晶粒上的一電路晶粒；堆疊在該電路晶粒上之一壓電致動器晶粒；及堆疊在該壓電致動器晶粒上之一帽晶粒；其中從該電路晶粒至該帽晶粒，各個晶粒係依序地比前一個晶粒更窄。
  2. 如申請專利範圍第1項之晶粒堆疊體，其中一額外晶粒係插置於該堆疊體內，該額外晶粒具有的寬度係與在堆疊體中於其上方的該晶粒相等或更寬。
  3. 如申請專利範圍第1項之晶粒堆疊體，其係進一步包含一流體通道延伸通過各個晶粒來使得流體從該基體晶粒流至該帽晶粒及回流。
  4. 如申請專利範圍第3項之晶粒堆疊體，其中該流體通道係包含：在該晶粒堆疊體邊緣彼此相對的兩個出口歧管；在該晶粒堆疊體邊緣與中心間彼此相對的兩個入口歧管；及在該晶粒堆疊體中心的一個出口歧管。
  5. 如申請專利範圍第1項之晶粒堆疊體，其係進一步包含：於該壓電致動器晶粒中之一壓力腔；在該電路晶粒中之一入口歧管及進口埠口來供應墨水給該壓力腔；在該電路晶粒中之一出口歧管及出口埠口來許可 墨水出離該壓力腔；及在該入口歧管與出口歧管間之一旁路通道來使得墨水繞道繞過該壓力腔。
  6. 如申請專利範圍第5項之晶粒堆疊體，其中該旁路通道係包含一限流器來限制該墨水流。
  7. 如申請專利範圍第1項之晶粒堆疊體，其係進一步包含：在該帽晶粒內來保護一壓電致動器之一帽腔；於該帽腔中與該壓電致動器相對之一有肋上表面。
  8. 如申請專利範圍第4項之晶粒堆疊體，其係進一步包含：一隨形薄膜跨據於該基體晶粒中之一間隙且形成一通風氣隙，該隨形薄膜係經組配來於一入口歧管內部一墨水壓力湧浪期間彎曲進入該氣隙。
  9. 如申請專利範圍第1項之晶粒堆疊體，其係進一步包含：於該壓電致動器晶粒內之一壓力腔；及該壓力腔之一底板其係包含一特定應用積體電路(ASIC)控制電路。
  10. 如申請專利範圍第9項之晶粒堆疊體，其中該壓力腔係包含：與該底板相對的一可撓性膜頂部；及相鄰該頂部可使該可撓性膜撓曲之一壓電致動器。
  11. 如申請專利範圍第10項之晶粒堆疊體，其係進一步包含形成於該帽晶粒中之一空腔來密封該壓電致動器。
  12. 如申請專利範圍第11項之晶粒堆疊體，其係進一步包含該空腔之一有肋上表面來提供強度給該空腔。
  13. 如申請專利範圍第9項之晶粒堆疊體，其係進一步包含：具有一噴嘴之一噴嘴層，其堆疊在該帽晶粒上；及於該帽晶粒內與該壓力腔之該底板相對之一下垂件，來提供該壓力腔與該噴嘴間之流體連通。
  14. 如申請專利範圍第13項之晶粒堆疊體，其中該下垂件係位在該腔室頂部的中央，使得該壓電致動器成為一分裂致動器，具有在該下垂件之一側上的一第一致動器節段及在該下垂件之另一側上的一第二致動器節段。
  15. 如申請專利範圍第9項之晶粒堆疊體，其係進一步包含一鈍化層覆蓋該ASIC控制電路且係經組配來與該壓力腔內的墨水直接接觸。
  16. 如申請專利範圍第9項之晶粒堆疊體，其係進一步包含一溫度感測電阻器及一加熱器元件作為該ASIC控制電路的一部分以控制該壓力腔內的墨水溫度。
  17. 如申請專利範圍第9項之晶粒堆疊體，其中該ASIC控制電路係在該電路晶粒上，該晶粒堆疊體係進一步包含在該電路晶粒之一緣上的驅動電晶體。
  18. 如申請專利範圍第9項之晶粒堆疊體，其係進一步包含：耦接至該基體晶粒之一緣的一撓曲纜線；從該基體晶粒之該緣至該電路晶粒之該緣的打線接合；及從該電路晶粒之該緣至該致動器晶粒之該緣的打線接合。
  19. 一種壓電噴墨列印頭，其係包含： 形成於一壓電致動器晶粒內之一壓力腔；該壓力腔之一頂部，其包含一膜及於該膜上之一壓電致動器；附接至該致動器晶粒且對該壓力腔形成一底板之一電路晶粒，該底板係與該頂部相對；及製作於該電路晶粒上在該壓力腔之該底板處的控制電路，來藉由作動該壓電致動器而可控式地撓曲該膜。
  20. 如申請專利範圍第19項之列印頭，其係進一步包含：位在該頂部中央之一下垂件，使得該膜及該致動器分別地包含一分裂膜及一分裂致動器；及位在該下垂件之一端與該壓力腔相對的一噴嘴，該下垂件許可該壓力腔與該噴嘴間作流體連通。
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