TWI592313B - 流體噴出裝置及用以製造列印頭整合感測器之方法 - Google Patents

流體噴出裝置及用以製造列印頭整合感測器之方法 Download PDF

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Description

流體噴出裝置及用以製造列印頭整合感測器之方法
本發明係有關於具有暴露於流體腔室的接地電極之流體噴出裝置。
發明背景
有些列印系統可具有決定一貯槽或流體腔室內之一流體之位準的裝置。舉例言之，可使用稜鏡以反射或折射光束於墨水匣以產生電氣的及/或使用者可觀看的墨水位準指示。有些系統可使用反壓指示器以決定一貯槽內之墨水位準。其它列印系統可計數從噴墨列印匣中噴出之墨滴數目作為決定墨水位準之方式。尚有其它系統可使用該墨水之電氣傳導係數作為列印系統之墨水位準指示器。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種流體噴出裝置包含：形成於一列印頭晶粒中之一流體進給槽；形成於一噴嘴層與一鈍化層間之一流體腔室，該流體腔室流體耦合該流體進給槽與該噴嘴層之一噴嘴；及一列印頭整合感測器以感測在該流體腔室內之一流體之一性質，該感測器包括經由在該鈍化層之一通孔而暴露於該流體腔室之 一接地電極。
100‧‧‧流體噴出系統
102‧‧‧列印頭總成
104‧‧‧流體供應總成
106‧‧‧安裝總成
108‧‧‧媒體傳送總成
110‧‧‧電子控制器
112‧‧‧電源供應器
114‧‧‧列印頭、熱噴墨(TIJ)列印頭
116‧‧‧噴嘴
117‧‧‧流體液滴
118‧‧‧列印媒體
120‧‧‧貯槽
122‧‧‧感測器
124‧‧‧列印區段
126‧‧‧特定應用積體電路(ASIC)
128‧‧‧電阻感測模組
130‧‧‧電流源
132‧‧‧類比至數位轉換器(ADC)
134‧‧‧清除模組
136‧‧‧PILS選擇模組
138‧‧‧處理器(CPU)
140‧‧‧記憶體
200‧‧‧噴墨匣
205‧‧‧電氣接點
207‧‧‧墨水供應腔室
342‧‧‧流體進給槽、流體槽
342a-c‧‧‧槽
344‧‧‧列印頭晶粒/基體、矽晶粒/基體
346‧‧‧流體液滴產生器
348‧‧‧移位暫存器
350‧‧‧流體腔室
352‧‧‧感測電容器(Csense)
354‧‧‧發射元件
355‧‧‧金屬板
356‧‧‧絕緣層
357‧‧‧噴嘴層
358‧‧‧基體
360‧‧‧鈍化層
362‧‧‧腔室層
364‧‧‧感測結構
366‧‧‧感測器電路
368‧‧‧清除電阻器電路
370‧‧‧接地電極
371‧‧‧通孔
373‧‧‧第一金屬層
375‧‧‧第二金屬層
700‧‧‧部分時程圖
800‧‧‧參考電容器
802‧‧‧ID
972、1078‧‧‧寄生電容(Cp)
1074‧‧‧寄生去除元件
1076‧‧‧傳導層
1077‧‧‧氧化物
1180‧‧‧寄生去除電路
1182‧‧‧動態記憶體多工(DMUX)
1184‧‧‧功率FET
1186‧‧‧火線
1390、1392、1394、1395‧‧‧遮 罩
Cp1-2‧‧‧寄生電容
Cref‧‧‧參考電容
Csense‧‧‧感測電容器
GND‧‧‧接地
M1-2‧‧‧記憶體節點
Q1‧‧‧電荷
R1-4‧‧‧清除電阻器
Rds‧‧‧汲極至源極之電阻
S1-4‧‧‧時鐘脈衝
T1-4‧‧‧電晶體
T4‧‧‧評估電晶體
T1a-b‧‧‧電晶體開關
Vg‧‧‧參考電壓、閘極電壓
VID‧‧‧ID之電壓
Vp‧‧‧預充電電壓
詳細說明部分章節參考附圖，附圖中：圖1為適合用以結合列印頭整合感測器之一流體噴出裝置之一實施例之方塊圖；圖2為適合用以結合列印頭整合感測器之一流體噴出匣之一實施例之透視圖；圖3為包括一流體進給槽及列印頭整合墨水位準感測器(PILS)之一列印頭之底視圖；圖4為流體液滴產生器之一實施例之橫剖面圖；圖5為感測結構之一實施例之橫剖面圖；圖6為圖7之感測結構之一實施例之另一橫剖面圖；圖7為用以驅動一列印頭之非重疊時鐘信號之一時程圖；圖8為墨水位準感測器電路之一實施例；圖9為具有一感測電容器及一特性寄生電容之感測結構之一實施例之橫剖面圖；圖10為包括一寄生去除元件之感測結構之一實施例之橫剖面圖；圖11為包括一寄生去除電路一清除電阻器電路、及移位暫存器之PILS墨水位準感測器電路之一實施例；圖12為定址多個PILS信號之一移位暫存器之一實施例；及圖13-21例示用以製造一PILS之一感測結構之方法的各 個階段；其中皆可具現各種實施例。
實施例係顯示於附圖中及詳細說明如下。附圖並非必要照比例繪製，及附圖之各個特性件及視圖可在比例上或示意上誇大顯示以求清晰及/或精簡。附圖之各幅圖式間相同元件符號可表示相同的或相似的部件。
較佳實施例之詳細說明
有多項技術可用以決定在一貯槽或其它流體腔室內之流體諸如墨水的性質。由於多項理由故，例如針對許多型別之噴墨列印器可能期望準確地感測於墨水供應貯槽內之墨水位準。舉例言之，感測正確的墨水位準及提供在一墨水匣內剩餘墨水量之一相對應指示，許可列印器使用者準備更換用過的墨水匣。正確的墨水位準指示也有助於避免浪費墨水，原因在於不正確的墨水位準指示經常導致過早更換仍然含有墨水之墨水匣。此外，列印系統可運用墨水位準感測以觸發某些動作而有助於防止可能因墨水供應程度不適當所導致的列印品質低。
此處描述者為列印頭整合感測器及感測技術之各種具現，及具有此等感測器及/或感測技術之裝置及系統，其中該(等)感測器之一接地電極係暴露至該流體腔室用以直接接觸該流體腔室內之一流體。於各種具現中，該等感測器可感測該流體之一性質(例如流體位準、溫度等)且可在板上整合一熱噴墨(TIJ)列印頭晶粒。舉例言之，該等感 測器可包含列印頭整合墨水位準感測器(PILS)。於具現中之部分，該感測電路可具現一取樣及保留技術，其透過一電容感測器而得知該流體噴出裝置之墨水位準態。該電容感測器之電容可隨墨水位準改變。針對各個PILS，位在該電容感測器上之一電荷可為在一評估電晶體之閘極的電壓。在一列印器特定應用積體電路(ASIC)中之一電流源可在該電晶體汲極供應電流。該ASIC可度量在該電流源之所得電壓，及計算該評之相對應汲極至源極電阻。然後，該ASIC可根據自該評估電晶體決定的電阻而決定該流體噴出裝置之墨水位準態。
於各種具現中，暴露於該流體腔室之該接地電極可對該感測電路提供一接地。該接地電極可包括經由在該鈍化層之一通孔而暴露至該流體腔室之一第一金屬層，及在該第一金屬層上及連結至一晶粒上接地路徑之一第二金屬層。於各種具現中，該鈍化層可屏蔽該第二金屬層免於接近該流體腔室。
於各種具現中，透過使用整合於一列印頭晶粒上之多個PILS可改良準確度。舉例言之，一流體噴出裝置可包括一第一PILS以感測於與該流體進給槽流體連通之一第一流體腔室之一墨水位準，及一第二PILS以感測於與該流體進給槽流體連通之一第二流體腔室之一墨水位準。一移位暫存器可作為一選擇電路以定址該等多個PILS，及許可該ASIC度量多個電壓，及根據在該列印頭晶粒上之各個位置所取之度量而決定該墨水位準態。於各種具現中，與該 流體噴出裝置之一流體進給槽呈流體連通之一流體腔室可包括一清除電阻器電路以清除該流體腔室之墨水。
於各種具現中，一處理器可讀取媒體可儲存表示指令之碼，該等指令當由一處理器執行時使得該處理器起始與該流體噴出裝置之一流體進給槽呈流體連通之一第一流體腔室之一第一列印頭整合墨水位準感測器(PILS)及與該流體進給槽呈流體連通之一第二流體腔室之一第二PILS的操作。一移位暫存器可經控制以多工化自該第一PILS及該第二PILS之輸出至一共用ID線上。自該等輸出，基於藉該第一PILS及該第二PILS感測之不同墨水位準，可決定該流體噴出裝置之一墨水位準態。
於各種具現中，一處理器可讀取媒體可儲存表示指令之碼，該等指令當由一處理器執行時使得該處理器致動一清除電阻器電路以自一流體腔室內掃除墨水，施加一預充電電壓Vp給在該流體腔室內之一感測電容器以便以一電荷Q1充電該感測電容器。該電荷Q1可在該感測電容器與一參考電容器間分享，引起在一評估電晶體之該閘極之一參考電壓Vg。自該評估電晶體之汲極至源極可決定從Vg所得之一電阻。於一具現中，在施加該預充電電壓Vp之前，在致動該清除電阻器電路之後可提供一延遲，以許可墨水自一流體槽回流入該流體腔室內。
現在轉向參考圖1，例示適用以結合包含如此處揭示的列印頭整合感測器之一流體噴出裝置之一流體噴出系統100實施例之一方塊圖。於各種具現中，該流體噴出系 統100可包含一噴墨列印器或列印系統。該流體噴出系統100可包括一列印頭總成102、一流體供應總成104、一安裝總成106、一媒體傳送總成108、一電子控制器110、及至少一個電源供應器112其可供應給力給流體噴出系統100之各個電氣組件。
該列印頭總成102可包括至少一個列印頭114。該列印頭114可包含一列印頭晶粒具有一流體進給槽沿一列印頭晶粒之縱向，以供給一流體諸如墨水給多個噴嘴116。該等多個噴嘴116可朝向一列印媒體118噴出該流體之液滴因而列印在該列印媒體118上。該列印媒體118可為任何型別之合宜片材或卷材，諸如紙、卡片紙、透明片、聚酯、層板、發泡板、織物、帆布等。該等噴嘴116可排列成一或多行或陣列，使得流體自噴嘴116之經適當排序的噴出可使得當該列印頭總成102與列印媒體118相對彼此移動時，字符、符號、及/或其它圖形或影像被列印在該列印媒體118上。
該流體供應總成104可供應流體給該列印頭總成102，及可包括用以儲存流體之一貯槽120。大致言之，流體可自該貯槽120流至該列印頭總成102，及該流體供應總成104及該列印頭總成102可形成一單向流體遞送系統或一循環流體遞送系統。在一單向流體遞送系統中，實質上全部供給該列印頭總成102之該流體可在列印期間被耗用。但在一循環流體遞送系統中，只有部分供給該列印頭總成102之該流體可在列印期間被耗用。在列印期間不被耗用的流 體可回送至該流體供應總成104。該流體供應總成104之該貯槽120可被去除、更換、及/或重填。
該安裝總成106可將該列印頭總成102相對於該媒體傳送總成108定位，及該媒體傳送總成108可將該列印媒體118相對於該列印頭總成102定位。於此一組態中，一列印區段124可界定於在該列印頭總成102與列印媒體118間之一區相鄰該等噴嘴116。於若干具現中，該列印頭總成102為一掃描型列印頭總成。如此，該安裝總成106可包括一匣用以相對於該媒體傳送總成108移動該列印頭總成102以掃描該列印媒體118。於其它具現中，該列印頭總成102為一非掃描型列印頭總成。如此，該安裝總成106可將該列印頭總成102相對於該媒體傳送總成108固定於一規定位置。如此，該媒體傳送總成108可將該列印媒體118相對於該列印頭總成102定位。
該電子控制器110可包括一處理器(CPU)138、記憶體140、韌體、軟體、及用以通訊及控制列印頭總成102、安裝總成106、及媒體傳送總成108的其它電子電路。記憶體140可包括依電性(例如RAM)及非依電性(例如ROM、硬碟、軟碟、CD-ROM等)記憶體組件兩者包含電腦/處理器可讀取媒體，其提供針對該列印系統100之電腦/處理器可執行編碼指令、資料結構、程式模組、及其它資料之儲存。該電子控制器110可接收資料130自一主機系統諸如一電腦，及暫時性儲存該資料130於記憶體140。典型地，該資料130可沿一電子、紅外線、光、或其它資訊傳輸路徑發送 給該列印系統100。該資料130可表示例如欲列印之一文件及/或檔案。如此，該資料130可形成該列印系統100之一列印工作及可包括一或多個列印工作指令及/或指令參數。
於各種具現中，該電子控制器110可控制該列印頭總成102用以自該等噴嘴116噴出流體液滴117。如此，該電子控制器110可界定所噴出的流體液滴117之一圖案其形成字符、符號、及/或其它圖形或影像在該列印媒體118上。所噴出的流體液滴117之該圖案可由得自該資料130之該等列印工作指令及/或指令參數決定。
於各種具現中，該電子控制器110可包括一列印器特定應用積體電路(ASIC)126以決定在該流體噴出裝置/列印頭114中墨水之至少一個性質(例如流體位準、溫度等)。針對其中至少部分感測器122包含PILS之具現，該ASIC 126可根據得自一或多個PILS之電阻值而決定相對應流體腔室之一流體位準。該列印器ASIC 126可包括一電流源130及一類比至數位轉換器(ADC)132。該ASIC 126可轉換存在於一電流源130之該電壓以決定一電阻，及然後經由該ADC 132決定一相對應數位電阻。經由在記憶體140中之一電阻感測模組128內部之可執行指令具現的一可規劃演算法可致動該電阻之決定及隨後經由該ADC 132之數位轉換。於各種具現中，電子控制器110之該記憶體140可包括經由在一墨水清除模組134內部之可執行指令具現的一可規劃演算法，該清除模組134包含可由控制器110之該處理器138執行之指令以致動在該整合列印頭114上之一清除電阻器電 路而將墨水及/或墨水殘餘物掃除出一PILS流體腔室之外。於另一個具現中，於該處該列印頭114包含多個PILS，該電子控制器110之該記憶體140可包括在一PILS選擇模組136內部之可執行指令具現的一可規劃演算法，該PILS選擇模組136可由控制器110之該處理器138執行之指令以控制一移位暫存器，用以選擇欲用來感測墨水位準以決定該流體噴出裝置之一墨水位準狀態的個別PILS。
於各種具現中，該列印系統100為一應需滴落熱噴墨系統，具有一熱噴墨(TIJ)列印頭114適用以具現如此處描述之具有多個感測器122及用於該等感測器122之接地電極之一列印頭晶粒114。於若干具現中，該列印頭總成102可包括單一TIJ列印頭114。於其它具現中，該列印頭總成102可包括一寬廣陣列之TIJ列印頭114。雖然與TIJ列印頭相聯結的該等製程極為適合此處描述之該等列印頭晶粒的整合，但其它列印頭型別諸如壓電列印頭也可具現一列印頭晶粒114具有多個感測器122及相聯結的接地電極。
於各種具現中，該列印頭總成102、流體供應總成104、及貯槽120可一起罩在一可替換裝置諸如一整合列印頭匣內。圖2為依據本文揭示之該具現噴墨匣200之一實施例之一透視圖，該匣200可包括該列印頭總成102、流體供應總成104、及貯槽120。
除了一或多個列印頭114之外，噴墨匣200可包括電氣接點205及一墨水(或其它流體)供應腔室207。於若干具現中，該匣200可具有儲存一色墨水之供應腔室207，及於 其它具現中，其可具有各自儲存一不同色墨水之多個腔室207。該等電氣接點205可攜載電氣信號來去於一控制器(諸如此處參考圖1描述之該電子控制器110)，及攜載電力(自此處參考圖1描述之該電源供應器112)以使得墨滴經由該等噴嘴216噴出及做墨水位準度量。
圖3顯示包括感測器122包含PILS(後文稱作「PILS 122」)之一TIJ列印頭114之一具現實施例之底視圖。圖4、5、及6分別顯示由虛線4-4、5-5、及6-6指示之該TIJ列印頭114之各個剖面圖。如圖顯示，該列印頭114可包括依據各種具現，形成於一矽晶粒/基體344中之一流體進給槽342。整合於列印頭晶粒/基體344上之各種組件可包括流體液滴產生器346、多個PILS 122及相關電路、及耦接至各個PILS 122之一移位暫存器348以許可個別PILS 122之多工選擇，容後詳述。雖然該列印頭114顯示具有單一流體進給槽342，但此處討論之原理並不限於應用至具有一個槽342之一列印頭。反而，其它列印頭組態也屬可能，諸如有二或多個流體進給槽之列印頭。於該TIJ列印頭114中，該晶粒/基體344位在具有流體腔室350之一腔室層及具有噴嘴116形成於其中之一噴嘴層下方，如後文就圖4及圖5之討論。但為了例示目的，圖3中之該腔室層及噴嘴層係推定為透明以顯示下方基體344。因此，該等流體腔室350係使用虛線例示於圖3。
該流體進給槽342可為形成於該基體344之一細長槽。該流體進給槽342可為與一流體供應源(圖中未顯 示)，諸如圖1顯示之一流體貯槽120作流體連通。該流體進給槽342可包括沿該流體進給槽342之兩邊排列的多個流體液滴產生器346，以及多個PILS 122。該等PILS 122各自可與該流體進給槽342作流體連通，及可經組配以感測其個別流體腔室350之一墨水位準，容後詳述。於各種具現中，如圖顯示，該等PILS 122可沿該流體進給槽342之兩邊大致位在朝向該流體進給槽342末端。舉例言之，於若干具現中，一流體噴出裝置可包括每個流體進給槽342四個PILS 122，各個PILS 122大致上位置接近該流體進給槽342之四角中之一者，朝向該流體進給槽342末端。於其它具現中，一流體噴出裝置可包括每個流體進給槽342多於四個PILS 122，至少一個PILS 122大致上位置接近該流體進給槽342之四角中之一者，朝向該流體進給槽342末端。如圖顯示，舉例言之，該114包括每個流體進給槽342四個PILS 122，一個PILS 122大致上位置接近該流體進給槽342之四角中之一者，朝向該流體進給槽342末端。於本文揭示之範圍內，多種其它組態為可能。
雖然各個PILS 122典型地位置接近該流體進給槽342之一端角，如圖3顯示，此點並非意圖對一PILS 122之其它可能位置加諸限制。如此，PILS 122可位在環繞該流體進給槽342之其它區域，諸如該流體進給槽342之兩端間之中途。於若干具現中，一PILS 122可位在該流體進給槽342之一端上，使得其從該流體進給槽342之該端向外延伸，而非從該流體進給槽342之側緣延伸。但如圖3顯示， 針對位置大致上接近一流體進給槽342之端角的PILS 122，其係優異地在該PILS 122之該板感測電容器(Csense)352(例如在板感測電容器352之一緣)與該流體進給槽342之該端間維持某個安全距離。維持一最低安全距離可有助於確保不會因可能在該流體進給槽342末端遭逢的流體流速減低可能造成自該感測電容器(Csense)352之信號降級。於若干具現中，在該板感測電容器(Csense)352與該流體進給槽342之該端間維持一最低安全距離可為至少40微米，及於若干具現中，至少約50微米。
現在轉向圖4、5、及6，持續參考圖1-3，例示分別沿虛線4-4、5-5、及6-6所取該TIJ列印頭114之剖面圖。如圖4顯示，該液滴產生器346可包括一噴嘴116、一流體腔室350、及一金屬板354其形成配置於該流體腔室350內之一發射元件。該等噴嘴116可形成於一噴嘴層357且大致可排列以形成沿該流體進給槽342側邊之噴嘴行。該發射元件354可為在該矽基體344之一頂面上的一絕緣層356(例如磷矽酸鹽玻璃(PSG)、未經摻雜矽酸鹽玻璃(USG)、硼磷矽玻璃(BPSG)、或其組合)上由雙金屬層金屬板(例如鋁銅(AlCu)、鉭鋁(TaAl)、TaAl上AlCu、或氮化鎢矽(WSiN)上AlCu)所製成之一熱敏電阻器。在該發射元件354上方之一鈍化層360可保護該發射元件354免於接觸該流體腔室350內之墨水，及可用作為一機械鈍化或保護空腔室障壁結構以吸收癟陷蒸氣氣泡的震動。一腔室層362可具有壁面，及將該基體358與該噴嘴層357分開之流體腔室350。
在操作期間，一流體液滴可自一流體腔室350通過一相對應噴嘴116噴出，及然後該流體腔室350可以循環自流體進給槽352之流體重填。更明確言之，電流可通過一電阻器發射元件354導致該元件之快速加熱。相鄰於該發射元件354上方之該鈍化層360之一薄層流體可經超熱及汽化，在該相對應發射流體腔室350內形成一氣泡。該快速膨脹的氣泡可為噴出該相對應噴嘴116之一流體液滴。當該加熱元件冷卻時，該氣泡可快速癟陷，自流體進給槽342汲取更多流體進入該發射流體腔室350內準備自該噴嘴116噴出另一液滴。
圖5為依據各種具現一PILS 122之一感測結構364實施例之一部分剖面圖。如圖3顯示，該PILS 122大致上可包括整合於該列印頭114上的該感測結構364、感測器電路366、及一清除電阻器電路368。該PILS 122之該感測結構364大致上可以一液滴產生器346之相同方式組配，可包括一清除電阻器電路368及一接地電極370用於在該PILS流體腔室350內通過該物質(例如墨水、墨水-空氣、空氣)之該感測電容器(Csense)352。因此，類似一典型液滴產生器346，該感測結構364包括一噴嘴116、一流體腔室350、一傳導元件諸如配置於該流體/墨水腔室350內部之一金屬板355、在該金屬板355上方之一鈍化層360、及在該矽基體344之一頂面上的一絕緣層356(例如複晶矽玻璃，PSG)。但如前文就圖1之討論，一PILS 122可額外採用一電流源130及自非整合在該列印頭114上的一列印器ASIC 126之類比 至數位轉換器(ADC)132。取而代之，該列印器ASIC 126可位在例如該列印系統100之該列印器載具或電子控制器110上。
在該感測結構364內部，一感測電容器(Csense)352可由該金屬板355、該鈍化層360、及該流體腔室350之物質或內容形成。該感測器電路366可自該感測結構352內部結合感測電容器(Csense)352。該感測電容器352之數值可隨該流體腔室350內部物質的改變而改變。在該流體腔室350內部之物質可為全墨水、墨水及空氣、或只有空氣。如此，該感測電容器352之數值可隨該流體腔室350中之墨水位準的改變而改變。當墨水存在於該流體腔室350內時，該感測電容器352具有良好電感接地370，使得電容值為最高(例如100%)。但當該流體腔室350內無墨水(例如只有空氣)時，感測電容器352之電容降至一極小值，理想上接近於零。當該流體腔室350含有墨水及空氣時，該感測電容器352之電容值可在零與100%間。利用該感測電容器352之改變數值，該墨水位準感測器電路366許可決定該墨水位準。概略言之，該流體腔室350內之墨水位準可指示列印系統100之該貯槽120中之墨水位準狀態。
於若干具現中，一清除電阻器電路368可用以在使用該感測器電路366度量該墨水位準之前，自該PILS感測結構364之該流體腔室350掃除墨水及/或墨水殘餘物。因此至墨水存在於該貯槽120之程度，其可回流至該流體腔室內以許可一準確墨水位準度量。如圖3顯示，於各種具現中， 一清除電阻器電路368可包括環繞該感測電容器(Csense)352之該金屬板355的四個清除電阻器。各個清除電阻器368可相鄰該感測電容器(Csense)352之該金屬板355的四邊中之一者。該等清除電阻器368可包含諸如前文討論之例如由AlCu、TaAl、或TaAl上AlCu形成的熱敏電阻器，其可提供墨水之快速加熱以形成氣泡將墨水壓迫出該PILS流體腔室350之外。該清除電阻器電路368可自該流體腔室350掃除墨水，及自該感測電容器(Csense)352之該金屬板355去除殘餘墨水。然後自該流體進給槽342回流入該PILS流體腔室350之墨水許可更準確地經由感測電容器(Csense)352感測該墨水位準。於若干具現中，在一清除電阻器電路368致動之後，由控制器110可提供一延遲，以在感測該PILS流體腔室350中之墨水位準之前，提供時間給來自流體進給槽342之墨水回流入流體腔室350內。雖然具有四個電阻器環繞該感測電容器(Csense)352之該清除電阻器電路368可具有墨水自該感測電容器352及PILS流體腔室350顯著清除之優勢，但也預期涵蓋其它清除電阻器組態，其可提供墨水之清除至或多或少的程度。舉例言之，一清除電阻器電路368可經組配以一串聯電阻器組態，其中該等清除電阻器係彼此串聯，相鄰在該PILS流體腔室350之背離該流體進給槽342背側的之該感測電容器(Csense)352之該金屬板355後緣。
如圖所示，該感測結構364之該接地電極370可經由在該鈍化層360內之一通孔371暴露至流體腔室350。如圖 6顯示，該接地電極370可包括一第一金屬層373及在該第一金屬層373上之一第二金屬層375，在該鈍化層360內之通孔371暴露了部分第一金屬層373至該流體腔室350。該第二金屬層375可連接至電連接該第一金屬層373至接地的一晶粒上接地路徑(圖中未顯示)。
該接地電極370可以類似方式製造，及於至少若干具現中，在該等操作期間，至於該發射元件354及/或該感測電容器(Csense)352之該金屬板355，其可簡化或至少最小化於用以製造該列印頭之製程流中的額外複雜度。如圖6顯示，該接地電極370可包含相似該發射元件354之一雙金屬層結構，而該第二金屬層375具有自一濕蝕刻操作導致的一斜緣以暴露出該下方第一金屬層373，容後詳述。
雖然該第一金屬層373及該第二金屬層375可包含適合施用之任何傳導性材料(例如AlCu、TaAl、WSiN等)，於許多具現中，該接地電極370之該雙金屬層結構許可該第一金屬層373以對被流體腔室350內部之流體(例如墨水)腐蝕具有比較第二金屬層375之該金屬更高抗性之一金屬製造，如圖顯示，具有鈍化層360屏蔽該第二金屬層375免於接觸該流體腔室350。雖然若干具現可包括一接地電極370，其中該第一金屬層373及該第二金屬層375包含相同金屬或金屬合金，但其中接地電極370包含兩種不同金屬或金屬合金之其它具現許可更高設計彈性，其又轉而於可能時許可藉使用較廉價金屬或金屬合金而降低成本。此外，藉使用如同用於製造該發射元件354及/或該感測電容器 (Csense)352之該金屬板355之相同製程操作，用以製造該接地電極370可簡化該列印頭之總體製造。
圖7為依據各種具現具有非重疊時鐘信號(S1-S4)具有同步資料及發射信號其可用以驅動一列印頭114之一部分時程圖700之一實施例。於該時程圖700中之時鐘信號也可用以驅動該PILS墨水位準感測器電路366及移位暫存器348之操作，容後詳述。
圖8為依據各種具現一PILS 122之墨水位準感測器電路366之一實施例。概略言之，該感測器電路366可採用一電荷分享機制以決定在該PILS流體腔室350中之不同墨水位準。該感測器電路366可包括兩個第一電晶體T1(T1a、T1b)組配為開關。參考圖7及圖8，於感測器電路366之操作期間，於第一步驟，一時鐘脈衝S1用以閉路該電晶體開關T1a及T1b，耦合記憶體節點M1及M2接地，及放電該感測電容器352及該參考電容器800。該參考電容器800可為該節點M2與接地間之電容。於此一實施例中，該參考電容器800可具現為評估電晶體T4之特性閘極電容，因而以虛線例示。該參考電容器800可額外地包括相聯結的寄生電容，諸如閘-源重疊電容，但該T4閘極電容為參考電容器800中之顯性電容。使用該電晶體T4之閘極電容作為一參考電容器800，藉由避免在節點M2與接地間之一特定參考電容器而減少了感測器電路366中之組件數目。但於其它具現中，透過含括自M2至接地之一特定電容器(例如T4之特性閘極電容除外)，調整參考電容器800之該數值可能有利。
於一第二步驟中，該S1時鐘脈衝結束，開路該T1a及T1b開關。恰在該T1開關開路之後，一S2時鐘脈衝用以閉路電晶體開關T2。閉路T2耦合節點M1至一預充電電壓Vp(例如約為+15伏特)，及根據方程式Q1=(Csense)*(Vp)，一電荷Q1放置橫跨感測電容器352。此時，節點M2維持零電壓電位，原因在於S3時鐘脈衝為關閉故。於一第三步驟中，該S2時鐘脈衝結束，開路該T2電晶體開關。恰在該T2開關開路之後，一S3時鐘脈衝閉路電晶體開關T3。耦合節點M1及M2彼此，及在該感測電容器352與參考電容器800間分享該電荷Q1。根據下式，在該感測電容器352與參考電容器800間分享的該電荷Q1導致在節點M2之一參考電壓Vg，其也在評估電晶體T4之閘極在節點M2導致一參考電壓Vg：
Vg維持於M2直到另一週期開始，一時鐘脈衝S1將記憶體節點M1及M2接地。在M2之Vg導通了評估電晶體T4其許可在ID 802之度量(電晶體T4之汲極)。於此一具現中，推定電晶體T4在線性操作模式中被施加偏壓，於該處T4作為一電阻器，其值係與閘極電壓Vg(例如參考電壓)成正比。自汲極至源極(耦接地)之該T4電阻係由在ID 802施加一小電流決定(例如約為1毫安之一電流)。額外參考圖1，ID 802係耦接至一電流源，諸如列印器ASIC 126中之電流源130。當於ID施加該電流源時，該電壓(VID)係於ID 802藉該 ASIC 126測量。韌體諸如在控制器110或ASIC 126上執行的Rsense模組128可使用在ID 802之電流及VID而轉換VID成自該T4電晶體之汲極至源極的電阻Rds。隨後，在列印器ASIC 126中之該ADC 132決定針對電阻Rds之一相對應數位值。該電阻Rds許可根據電晶體T4之特性有關Vg值之一干擾。基於Vg之一值，自上示Vg之方程式可見Csense之一值。然後基於該Csense之值可決定一墨水位準。
一旦決定了電阻Rds，有多種方式可找出墨水位準。舉例言之，測得的Rds值可與Rds之一參考值或實驗上決定與特定墨水位準相聯結的Rds值之一表作比較。無墨水(例如「乾」信號)或極低墨水位準，感測電容器352之值為極低。如此導致極低Vg(約1.7伏特)，及該評估電晶體T4為關閉或近關閉(例如T4係在截除或低於臨界值操作區)。因此，通過T4自ID至接地的電阻Rds將為極高(例如1.2亳安之ID電流，Rds典型高於12千歐姆)。相反地，具有高墨水位準(例如一「濕」信號)，感測電容器352之值係接近其值之100%，結果導致Vg之一高值(約3.5伏)。因此，該電阻Rds為低。舉例言之，一高墨水位準Rds為低於1千歐姆，典型為數百歐姆。
圖9為依據各種具現PILS感測結構364之一實施例之橫剖面圖，例示該感測電容器352及在可形成感測電容器352之部件的該金屬板355下方之一特性寄生電容Cp1(972)兩者。該特性寄生電容Cp1 972可由該金屬板355、該絕緣層356、及基體344形成。如此處描述，一PILS 122可 基於感測電容器352之該電容值而決定一墨水位準。當一電壓(例如Vp)施加至該金屬板355時，充電該感測電容器352，但該Cp1 972也充電。因此理由故，該寄生電容Cp1 972可貢獻針對感測電容器352決定的該電容之約20%。此種百分比可隨絕緣層356之厚度及該絕緣材料之介電常數決定。但於「乾」態(例如不存在有墨水)留在該寄生電容Cp1 972之電荷可能足以導通該評估電晶體T4。因此寄生電容Cp1 972可能稀釋該乾/濕信號。
圖10為依據各種具現包括一寄生去除元件1074之感測結構364之一實施例之橫剖面圖。該寄生去除元件1074可包含一傳導層1076，諸如複晶矽層，其可形成於一氧化物1077(例如閘極氧化物層)上方，設計以去除該寄生電容Cp1 972之影響。於此一組態中，當一電壓(例如Vp)施加至該金屬板355時，其也可施用至該傳導層1076。於各種具現中，如此可防止一電荷在Cp1 972上發展，使得Cp1可有效地實質上與感測電容器352電容之決定分開。Cp2元件1078可為得自該寄生去除元件1074之特性電容。Cp2 1078可減慢該寄生去除元件1074之特性電容，但對Cp1 972之去除/分離無影響，原因在於對元件1074並未提供足夠充電時間故。
圖11為依據各種具現PILS墨水位準感測器電路366之一實施例，具有一寄生去除電路1180、清除電阻器電路368、及移位暫存器348。如此處所記，在ID 802測量感測器電路366之前，清除電阻器電路368可經致動以將墨水 及/或墨水殘餘物掃除出一PILS流體腔室350之外。該等清除電阻器R1、R2、R3、及R4可類似典型TIJ發射電阻器操作。如此，其可藉動態記憶體多工(DMUX)1182定址，及藉連結至一火線1186之一功率FET 1184驅動。該控制器110(圖1)例如可藉執行來自清除模組134之特殊發射指令而經由該火線1186及DMUX 1182控制清除電阻器電路368之致動。
典型地來自多個PILS 122之多個感測器電路366可連結至一共用ID 802線。舉例言之，具有數個流體進給槽342之一彩色列印頭晶粒/基體344可具有12或以上個PILS 122(例如每個槽342有四個PILS 122，如圖3)。該移位暫存器348許可多工化多個PILS感測器電路366之輸出至該共用ID 802線上。在該控制器110上執行的一PILS選擇模組136可控制該移位暫存器348以提供多個感測器電路366之一經排序輸出或其它有序輸出至該共用ID 802線上。
圖12顯示依據各種具現定址多個PILS 122信號之一移位暫存器348之另一實施例。於圖12中，一移位暫存器348包含一PILS區塊選擇電路以定址得自12個PILS 122之多個PILS信號。在一彩色晶粒上有三槽342(342a、342b、342c)，每個槽342有四個PILS 122。至於包括多於12個PILS 122之具現，該移位暫存器348可類似地組配用以定址該額外PILS 122。經由移位暫存器348定址該等多個PILS信號，可藉檢查在該晶粒上之各個位置而提高墨水位準度量之準確度。
用以形成包括暴露於流體腔室之流體噴出裝置之方法之各種操作係藉在該方法之各個階段該裝置之剖面圖而例示於圖13-21。須注意所討論及/或例示之各項操作通常稱作為多個分開操作以便有助於瞭解各個具現。除非另行明確陳述否則描述之順序不應解譯為暗示此等操作為順序相依性。再者，若干具現可包括比較描述者更多或更少的操作。
現在轉向參考圖13，該感測結構346之第一金屬層373可形成於該基體344上方，或為正上方或為在該基體344正上方之另一(多)層上方，及第二金屬層375可形成於第一金屬層373上方。例如，如圖顯示，第一金屬層373可形成於一絕緣層356上而其係在一基體344上。
於圖14，一遮罩1390可形成於第一金屬層373及第二金屬層375上方，及該等金屬層373、375可經蝕刻。於圖14之蝕刻操作可執行任何合宜蝕刻操作，包括例如電漿乾蝕刻。
雖然於圖13及圖14中未例示，但於各種具現中，該感測電容器352之該金屬板155可與形成該第一金屬層373及該第二金屬層375同時形成。於其它具現中，該感測電容器352之該金屬板155可與形成該第一金屬層373及該第二金屬層375分開形成。
於圖15，一遮罩1392可形成於基體344上方及於部分第二金屬層375上方，及然後於圖16，該第二金屬層375可經蝕刻使得一部分第一金屬層373通過該第二金屬層375 暴露出以許可該第一金屬層373暴露於此處描述之該流體腔室350。於各種具現中，該第二金屬層375可使用任何合宜蝕刻操作諸如濕蝕刻而予蝕刻。於圖17，該遮罩1392可被去除。
於圖18，該鈍化層360可形成於該等金屬層373、375上方(及該感測電容器352之該金屬板155上方，但圖中未顯示)，及於圖19，一遮罩1394可形成於該鈍化層360上方。如圖顯示，該遮罩1394包括至少一個開口相對應於該通孔371之形成位置。於圖20，該鈍化層360可經蝕刻以形成通孔371而暴露部分第一金屬層373以給該感測器之感測電路提供一接地電極。該遮罩1394可於圖21被去除及該方法可以一或多個操作繼續以至少部分地形成例如圖3-6、9、及10顯示的結構。舉例言之，該方法可包括在鈍化層360上方形成一噴嘴層357以形成在該噴嘴層357與該鈍化層360間之該流體腔室350，使得部分第一金屬層373暴露於流體腔室350，及該流體腔室350流體耦合該流體進給槽342至該噴嘴層357之一噴嘴。
雖然此處已經例示及描述某些具現，但熟諳技藝人士顯然易知不背離本文揭示之範圍，經計算可達成相同目的的寬廣多個替代及相當具現可替代所顯示及描述的該等具現。熟諳技藝人士容易瞭解可以寬廣多種方式實施該等具現。本案意圖涵蓋此處討論之具現之任何調適或變化。因此，意圖具現僅受申請專利範圍各項及其相當物所限。
116‧‧‧噴嘴
344‧‧‧晶粒/基體
350‧‧‧流體腔室
352‧‧‧流體進給槽
355‧‧‧金屬板
356‧‧‧絕緣層
357‧‧‧噴嘴層
360‧‧‧鈍化層
362‧‧‧腔室層
364‧‧‧感測結構
370‧‧‧接地電極
371‧‧‧通孔

Claims (15)

  1. 一種流體噴出裝置，其包含：形成於一列印頭晶粒中之一流體進給槽；形成於一噴嘴層與一鈍化層間之一流體腔室，該流體腔室流體耦合該流體進給槽與該噴嘴層之一噴嘴；及一列印頭整合感測器以感測在該流體腔室內之一流體之一性質，該感測器包括經由在該鈍化層之一通孔而暴露於該流體腔室之一接地電極。
  2. 如請求項1之流體噴出裝置，其中該接地電極包含一第一金屬層及在該第一金屬層上之一第二金屬層，該第二金屬層連結至一晶粒上接地路徑，其中在該鈍化層之該通孔暴露該第一金屬層之一部分。
  3. 如請求項2之流體噴出裝置，其中該第二金屬層係藉該鈍化層屏蔽而隔離該流體腔室。
  4. 如請求項2之流體噴出裝置，其中該第一金屬層包含鉭鋁。
  5. 如請求項2之流體噴出裝置，其中該第二金屬層包含鋁銅。
  6. 如請求項1之流體噴出裝置，其中該感測器包含一列印頭整合墨水位準感測器(PILS)以感測在該流體腔室內之該流體之一流體位準，該PILS包含一感測電容器，其電容隨該流體腔室內之流體之一位準改變，及該感測電容器包括一金屬板，其中該鈍化層係在該金屬板與該流體腔室間之該金屬板上方。
  7. 如請求項6之流體噴出裝置，其進一步包含另一個PILS 以感測形成於該噴嘴層與該鈍化層間之另一個流體腔室之一流體位準。
  8. 如請求項6之流體噴出裝置，其中該PILS為一第一PILS及其中該流體噴出裝置進一步包含一第二PILS、一第三PILS、及一第四PILS，其中該等第一、第二、第三、及第四PILS係位於該流體進給槽周圍。
  9. 如請求項8之流體噴出裝置，其中該等第一、第二、第三、及第四PILS中之各者係位在接近該流體進給槽之一不同角隅。
  10. 如請求項1之流體噴出裝置，其進一步包含一清除電阻器電路，該清除電阻器電路設置於該流體腔室內部以清除該流體腔室之流體。
  11. 一種流體噴出裝置，其包含：一噴嘴層，包括多個噴嘴；多個列印頭整合感測器，包括至少一個感測器以感測一流體腔室內之一流體之一性質，該流體腔室內之流體耦合該等多個噴嘴中之一者至一流體進給槽，該流體腔室形成於該噴嘴層與一鈍化層間，及該感測器包括一接地電極，該接地電極通過在該鈍化層中之一通孔暴露至該流體腔室；及一移位暫存器，用以在該等多個感測器間作選擇用以輸出至一共用ID線上。
  12. 如請求項11之流體噴出裝置，其中該等多個列印頭整合感測器包括多個列印頭整合墨水位準感測器(PILS)，各 個PILS包括一感測電容器，其電容隨該流體腔室內之流體之一位準而改變，及其中該流體噴出裝置進一步包含：一開關T2，用以施加一電壓Vp至該感測電容器，放置一電荷至該感測電容器上；一開關T3，用以在該感測電容器與一參考電容器間分享該電荷，結果導致一參考電壓Vg；及一評估電晶體，經組配以提供與該參考電壓成正比之一汲極至源極電阻。
  13. 如請求項11之流體噴出裝置，其進一步包含一控制器以控制該移位暫存器而在該等多個感測器間作選擇。
  14. 一種用以製造列印頭整合感測器以感測在與流體進給槽流體耦接之流體腔室內之流體之性質的方法，該方法包含：形成一第一金屬層於一基體上方及一第二金屬層於該第一金屬層上方使得該第一金屬層之一部分係經由該第二金屬層暴露出；在該第一金屬層及該第二金屬層上方形成一鈍化層，該鈍化層具有一通孔以暴露該第一金屬層之該部分以對該感測器提供一接地電極；及在該鈍化層上方形成一噴嘴層以在該噴嘴層與該鈍化層間形成該流體腔室使得該第一金屬層之該部分係暴露至該流體腔室，及該流體腔室流體耦接該流體進給槽至該噴嘴層之一噴嘴。
  15. 如請求項14之方法，其中該形成該第二金屬層於該第一 金屬層上方使得該第一金屬層之一部分經由該第二金屬層暴露出包含：形成該第二金屬層於該第一金屬層上方；及蝕刻該第二金屬層以暴露出該第一金屬層之該部分。
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