专利名称：可精确测量加热元件温度的喷墨打印头及其测量方法
技术领域：
本发明涉及具有精确测量每个加热元件温度功能的喷墨打印头；本发明还涉及对喷墨打印机头每个加热元件的温度进行测量的方法。
就目前的打印机而言，最主要的有激光打印机和喷墨打印机，而这两种打印机的打印技术各有其优缺点，其中，在彩色打印方面，主要还是以喷墨打印技术为主。在喷墨打印技术中，热气泡式喷墨打印头是利用加热元件(加热电阻)对墨水瞬间施以高热而产生气泡，并进而喷出墨水。墨水喷出量的均匀性对被打印产品的质量有很大的影响，特别是对高解析度的喷墨打印头来说更是如此。而喷出墨水量的多少除了和所施予的能量有关之外，也和加热元件施加能量前的原始温度有关。由于加热元件的温度会受到周围环境以及使用情况的影响，例如，连续喷墨时温度便会提高，因此需要根据此温度来调整驱动喷墨的方式。
公知的作法仅是测量如
图1所示的喷墨芯片10的平均温度，其中，标号102表示电极接点区、103表示温度感测电阻、104表示喷墨电路区、105表示驱动元件区、106表示加热元件区、107表示墨水补充开口。该喷墨芯片是在原有的金属层上制作出一条绕着芯片外围的细线，并以此作为温度感测电阻103，此电阻103会随温度变化而改变，从而根据此细线电阻103的变化可以推算出芯片10平均温度的改变。
目前一般的产品或专利等文献，如美国专利4,791,435、4,910,528、5,107,276、5,168,284、5,175,565、5,475,405和5,736,995等)对温度的感测与控制方式均只考虑到平均温度，其都是根据喷墨芯片平均温度的反馈，进而通过预热的方式使加热元件在使用时能维持在一定的温度之上；至于温度太高时，也可让打印机暂停以冷却打印头的温度，如美国专利4,910,528所示。这种只考虑平均温度的方式的缺点在于，由于每个加热元件的使用状况可能不一样，所以平均温度未必具有代表性。
在高解析度的喷墨打印头中，通常带有较多的加热元件，也因此常会在喷墨芯片上制作驱动电路，亦即为MOS类的半导体开关线路，如美国专利5,045,870和5,211,812所示。如图2所示，其是公知的测量喷墨打印头加热元件温度的装置中的MOS半导体附近的剖视图。其中，标号21表示硅芯片底材、22表示场氧化层、23表示热氧化层、24表示多晶硅栅极、27表示加热电阻层、28表示导电层。公知的作法是在喷墨元件下先制作MOS驱动元件，然后喷墨电路的一端会搭上MOS的漏极，另一端接驱动电压，当在MOS的栅极给予高电位时即可使此加热元件电路通畅，进而产生高热喷出墨滴。为了得到良好的打印品质，此类喷墨打印头通常也是利用温度测量反馈来适当地驱动加热电阻，而这样会产生一定大小的墨滴。
在传统的喷墨打印头上，虽然有可能在每个加热元件附近制作温度感测装置，然而欲读取各元件的温度，仍需要在喷墨芯片上提供和元件数量相等的接点来和打印机电路相接，这对于具有动轧数十个以致数百个加热元件的喷墨打印头而言，是很不实际的。
为此，本发明的目的是提供具有精确测量每个加热元件温度功能的喷墨打印头；本发明的又一目的是提供对喷墨打印头每个加热元件温度进行测量的方法。
为了达上述目的，本发明主要是在具有驱动元件的喷墨芯片上制作额外的金属层或半导体层，以便精确测量每个加热元件温度。此额外的金属或半导体可绕线至加热电阻下方或附近，配合线宽的控制以及和原有的驱动元件的连接，该喷墨打印头可测量任一加热元件在即将喷墨时的温度，并且在喷墨芯片上只需一个和打印连通的接点，就足以让任一加热元件的温度感测信号传递到打印机。且以此技术为基础可更准确地控制每个加热元件所喷出的墨滴大小，进而得到高品质的打印效果。
本发明的一种具有测量每个加热元件温度功能的喷墨打印头，其包括一喷墨元件，该喷墨元件包括一用以对墨水加热的加热元件；一半导体驱动元件，该驱动元件用以驱动一半导体，从而控制所述喷墨用加热元件是否加热；及一温度感测电阻层，该电阻层位于所述半导体驱动元件和所述喷墨元件之间，且该温度感测电阻层主要是位于加热元件的下方，其一端接半导体，另一端与和打印机相接的电极接点相连，所述喷墨元件通过所述温度感测电阻层和所述半导体驱动元件相接。
本发明的另一种具有测量每个加热元件温度功能的喷墨打印头，其包括一喷墨元件，该喷墨元件包括一用以对墨水加热的加热元件；一半导体驱动元件，该驱动元件用以驱动一半导体，从而控制所述喷墨用加热元件是否加热；及一温度感测电阻层，该电阻层位于所述半导体驱动元件和所述喷墨元件之间，且该温度感测电阻层主要是位于加热元件的附近，其一端接半导体，另一端与和打印机相接的电极接点相连，所述喷墨元件通过所述温度感测电阻层和所述半导体驱动元件相接。
本发明的再一种具有测量每个加热元件温度功能的喷墨打印头，其具有可将喷墨打印头的驱动元件和喷墨元件分配到不同线宽水平和材料专长的设备上或工厂中制造的特性，其包括
一喷墨元件，该喷墨元件用以喷出墨滴；一半导体驱动元件，该驱动元件用以控制所述喷墨元件是否喷出墨滴；及一作为介面用的介面层，该介面层位于半导体驱动元件和喷墨元件之间，其在一处以较细的线宽和半导体驱动元件相接，在另一处再以较宽的线宽和喷墨元件相接。
本发明的一种对喷墨打印头每个加热元件的温度进行测量的方法，其包括以下步骤(ⅰ)在加热元件下方或附近制作温度感测电阻；(ⅱ)使所述温度感测电阻的一端接半导体，另一端与和打印机相接的温度感测电极接点相连，使半导体的另一端接到接地控制端点，当半导体导通且接地控制端点接地时，即形成一个回路；(ⅲ)对于每个温度感测电阻，其对应的半导体以矩阵结构接到不同的半导体导通开关接点和接地控制接点，其中，每一对半导体导通开关接点和接地控制接点仅能构成一个从温度感测电极接点，经温度感测电阻，然后接到地的回路；及(ⅳ)通过对半导体导通开关接点和接地控制接点的选择，在温度感测电极接点上可测量到特定温度感测电阻的阻值从而得知加热元件的温度。
本发明的另一种对喷墨打印头每个加热元件的温度进行测量的方法，其包括以下步骤(ⅰ)在加热元件下方或附近制作温度感测电阻；(ⅱ)使所述温度感测电阻的一端接半导体，另一端与和打印机相接的温度感测电极接点相连，使半导体的另一端经加热元件而接到电源电极端点，当半导体导通且电源电极端点接地时，即形成一个回路；
(ⅲ)对于每个温度感测电阻，其对应的半导体以矩阵结构接到不同的半导体导通开关接点和经加热元件而接到电源电极接点，其中，每一对半导体导通开关接点和电源电极接点仅能构成一个从温度感测电极接点，经温度感测电阻，然后接到地的回路；及(ⅳ)通过对半导体导通开关接点和电源电极接点的选择，在温度感测电极接点上可测量到特定温度感测电阻的阻值从而得知加热元件的温度。
以下结合附图和实施例对本发明的可精确测量每个加热元件温度的喷墨打印头及其测量方法做进一步地描述。
图1是公知的测量喷墨打印头加热元件温度的装置的示意图；图2是公知的测量喷墨打印头加热元件温度的装置中半导体附近的剖视图；图3a是本发明的一个实施例的可精确测量加热元件温度的喷墨打印头中半导体附近的剖视图；图3b是本发明的另一个实施例的可精确测量加热元件温度的喷墨打印头中半导体附近的剖视图；图4a是图3a所示的喷墨打印头中加热元件附近的布局图；图4b是图3b所示的喷墨打印头中加热元件附近的布局图；图5是本发明的可精确测量加热元件温度的喷墨打印头的一个等效电路图；图6是本发明的可精确测量加热元件温度的喷墨打印头的另一等效电路图；图7是本发明的可精确测量加热元件温度的喷墨打印头的又一等效电路图；图8是本发明的可精确测量加热元件温度的喷墨打印头的再一等效电路图。
实施例如图3a所示的本发明的一种可精确测量每个加热元件温度的喷墨打印头，其包括一喷墨元件310a，该喷墨元件包括用于对墨水加热的一加热电阻37a及一导电层38a；一半导体驱动元件300，该驱动元件用以驱动半导体，从而控制所述喷墨元件310a是否加热；及一温度感测电阻层35a，该电阻层位于所述半导体驱动元件300和所述喷墨元件310a之间，且该温度感测电阻层35a主要是位于加热电阻37a的下方，其一端接半导体(MOS)，另一端与和打印机相接的电极接点(TSR)相连，所述喷墨元件310a通过温度感测电阻层35a和半导体驱动元件300相接。
其中，所述温度感测层35a是形成在喷墨元件310a和驱动元件300之间的一层额外的金属层或半导体层。所述喷墨元件310a包括加热电阻层37a及导电层38a。所述驱动元件300包括形成于硅芯片底材31上的场氧化层32、热氧化层33及多晶硅栅极34。且在所述温度感测层35a和喷墨元件310a间形成有一电介质层36a，其可由氮化硅、氧化硅、有机玻璃、硼磷硅玻璃、氧化铝、氧化钽和氧化钛中的一层或多层组合构成。由于做为温度感测层35a的金属层或半导体层和喷墨元件310a在不同层，因此可制作出绕至加热元件下方的电阻线路。又如图4a所示，温度感测层35a在喷墨用加热元件320a下方的线路较其他位置的温度感测层细而且长，因此温度感测层35a的电阻变化主要由其在喷墨用加热元件320a下方的线路决定。但由于在喷墨用加热元件320a的下方制作温度感测层会使得喷墨用加热元件320a表面的平坦度不佳，从而影响到喷出墨滴的均匀性，这是该实施例的一个缺点。
如图3b所示的本发明的又一种可精确测量每个加热元件温度的喷墨打印头，其包括一喷墨元件310b，该喷墨元件包括用以对墨水加热的一加热电阻37b及一导电层38b；一半导体驱动元件300，该驱动元件用以驱动半导体，从而控制所述喷墨元件310b是否加热；及一温度感测电阻层35b，该电阻层位于所述半导体驱动元件300和所述喷墨元件310b之间，且该温度感测电阻层35b主要是位于加热电阻37b的附近，其一端接半导体，另一端与和打印机相接的电极相连，所述喷墨元件310b通过温度感测电阻层35b和半导体驱动元件300相接。
其中，所述温度感测层35b是形成在喷墨元件310b和驱动元件300之间的一层额外的金属层或半导体层。所述喷墨元件310b包括加热电阻层37b及导电层38b。所述驱动元件300包括形成于硅芯片底材31上的场氧化层32、热氧化层33及多晶硅栅极34。且在所述温度感测层35b和喷墨元件310b间形成有一电介质层36b，其与电介质层36a相同。由于做为温度感测层35b的金属层或半导体层和喷墨元件310b位于不同层，因此可制作出围绕于加热元件周围的电阻线路。又如图4b所示，温度感测层35b在喷墨用加热元件320b附近的线路较其他位置的温度感测层细而且长，因此温度感测层35b的电阻变化主要由其在喷墨用加热元件320b周围的线路决定。
本发明采用额外金属层或半导体层，其具有驱动元件和喷墨元件可分工制作的好处。一般而言，MOS驱动元件的制程线宽要求较细，而喷墨元件的线宽虽较宽但却需使用到一般半导体厂少用或不适合用的材料。通过该额外的金属层或半导体层，可以在驱动元件和喷墨元件间引入一个介面，使得一般半导体厂可以在完成了此额外薄膜层或其上的电介质层后，再将其交给其他专业的喷墨元件制造厂来制作。由于此额外的金属层或半导体层和喷墨元件的接点已经很大，所以后段喷墨元件可以很容易地对准，并且该操作可在较便宜的设备上完成。这就是使用此额外介面层后在制作上带来的好处。
本发明的喷墨打印头每个加热元件温度的测量方法，其包括下列步骤(ⅰ)在加热元件下方或附近制作温度感测电阻；(ⅱ)使所述温度感测电阻的一端接半导体，另一端与和打印机相接的温度感测电极接点相连，使半导体的另一端接到接地控制端点，当半导体导通且接地控制端点接地时，即形成一个回路形成；(ⅲ)对于每个温度感测电阻，其对应的半导体以矩阵结构接到不同的半导体导通开关接点和接地控制接点上，其中，每一对半导体导通开关接点和接地控制接点仅能造成一个从温度感测电极接点，经温度感测电阻，然后接到地的回路；及(ⅳ)通过对半导体导通开关接点和接地控制接点的选择，在温度感测电极接点上可测量到特定温度感测电阻的阻值从而得知加热元件的温度。
为了减少和打印机间的接点，可利用已有的MOS驱动线路300，使额外的温度感测层35a或35b直接和MOS的电极相接，如此即可利用对MOS栅极的高低电位和源极的接地或开路的选择来测量对应的温度测量电阻。整个喷墨芯片的逻辑电路如图5的矩阵结构所示，其中如果只有栅极电极A1为高电位，其他的栅极电极A2-An为低电位，并且接地电极G1为接地，其他的接地电极G2-Gm为开路，则可通过对温度感测电阻T11的测量而得知单一加热元件H11的温度。
在电路布局的设计上，温度感测层35a或35b在欲测量的加热元件附近其线宽较小，而在其他地方线宽较大，如此可使电阻大部分落在欲测量的加热元件附近，使得温度电阻的变化大致反应的是加热元件而非其他地方温度的变化。温度电阻在室温下的阻值为50欧姆以上，优选为100欧姆以上。
以上仅是本发明的较佳实施例，并非用以限制本发明，本领域的熟练技术人员可由此发展出很多不同的实施方式。例如，将图3a或图3b所示的温度感测层35a或35b分别接至芯片上的温度感测电极接点(TSR)和接地电极接点(G)，然而这并不表示温度感测层35a或35b必须直接接到那两个电极接点上，事实上也可通过某些片段的喷墨元件金属层(如37a、37b或38a、38b)或其组合来接到电极接点上。
又如，加热电阻也未必需如图5所示要位于电源电极P和MOS漏极之间，它也可以在MOS源极和接地电极之间。在此情况下，温度感测电阻(TSR)的一端就要从MOS漏极移至源极，而温度的测量则是根据对应的栅极在高电位时，由TSR至对应的P之间的电阻决定，如图6所示。
在另一个实施例中，为了使同一时刻由于可测量的加热电阻增多而带来的测量电路速度的减慢，我们可以增加TSR的数量。例如，我们可使每一个接地电极G所控制的测量元件都接到和该接地电极G所对应的TSR，如图7所示，则选择一个栅极电极A为高电位和至多m个接地电极G为接地，便至多可同时测量到m个加热元件的温度。又如我们还可使每一个栅极电极A所控制的测量元件都接到和该栅极电极对应的TSR，如图8所示，则选择一个接地电极G为接地和至多个n个栅极电极A为高电位，便至多可同时测量到n个加热元件的温度。
本发明的优点如下首先，利用高解析度喷墨打印头现有的驱动电路，在一个单一的电极上可得到任何一个加热元件的温度，因此使得根据对每个加热元件的温度来进行喷墨的精准控制得以实现；再者，使用额外的金属层或半导体层可以在允许的较大的对准精度下，将驱动元件和喷墨元件分别由不同专长的芯片厂制作，具有充分发挥现有设备优势的好处。
权利要求
1．一种具有测量每个加热元件温度功能的喷墨打印头，其包括一喷墨元件，该喷墨元件包括一用以对墨水加热的加热元件；一半导体驱动元件，该驱动元件用以驱动一半导体，从而控制所述喷墨用加热元件是否加热；及一温度感测电阻层，该电阻层位于所述半导体驱动元件和所述喷墨元件之间，且该温度感测电阻层主要是位于加热元件的下方，其一端接半导体，另一端与和打印机相接的电极接点相连，所述喷墨元件通过所述温度感测电阻层和所述半导体驱动元件相接。
2．一种具有测量每个加热元件温度功能的喷墨打印头，其包括一喷墨元件，该喷墨元件包括一用以对墨水加热的加热元件；一半导体驱动元件，该驱动元件用以驱动一半导体，从而控制所述喷墨用加热元件是否加热；及一温度感测电阻层，该电阻层位于所述半导体驱动元件和所述喷墨元件之间，且该温度感测电阻层主要是位于加热元件的附近，其一端接半导体，另一端与和打印机相接的电极接点相连，所述喷墨元件通过所述温度感测电阻层和所述半导体驱动元件相接。
3．根据权利要求1或2所述的喷墨打印头，其特征在于，所述温度感测电阻层由金属构成。
4．根据权利要求1或2所述的喷墨打印头，其特征在于，所述温度感测电阻层由半导体构成。
5．根据权利要求1或2所述的喷墨打印头，其特征在于，所述温度感测电阻层在所述喷墨用加热元件附近线宽较细，在其他位置线宽较宽。
6．根据权利要求1或2所述的喷墨打印头，其特征在于，所述温度感测电阻层和所述喷墨元件之间有一电介质层。
7．根据权利要求6所述的喷墨打印头，其特征在于，所述电介质层包括氮化硅、氧化硅、有机玻璃、硼磷硅玻璃、氧化铝、氧化钽和氧化钛的一层或多层的组合。
8．一种具有测量每个加热元件温度功能的喷墨打印头，其包括一喷墨元件，该喷墨元件用以喷出墨滴；一半导体驱动元件，该驱动元件用以控制所述喷墨元件是否喷出墨滴；及一作为介面用的介面层，该介面层位于半导体驱动元件和喷墨元件之间，其在一处以较细的线宽和半导体驱动元件相接，在另一处再以较宽的线宽和喷墨元件相接。
9．一种对喷墨打印头每个加热元件的温度进行测量的方法，其包括以下步骤(ⅰ)在加热元件下方或附近制作温度感测电阻；(ⅱ)使所述温度感测电阻的一端接半导体，另一端与和打印机相接的温度感测电极接点相连，使半导体的另一端接到接地控制端点，当半导体导通且接地控制端点接地时，即形成一个回路；(ⅲ)对于每个温度感测电阻，其对应的半导体以矩阵结构接到不同的半导体导通开关接点和接地控制接点，其中，每一对半导体导通开关接点和接地控制接点仅能构成一个从温度感测电极接点，经温度感测电阻，然后接到地的回路；及(ⅳ)通过对半导体导通开关接点和接地控制接点的选择，在温度感测电极接点上可测量到特定温度感测电阻的阻值，从而得知加热元件的温度。
10．根据权利要求9所述的对喷墨打印头每个加热元件温度进行测量的方法，其特征在于，所述温度测量电阻在室温时阻值在50欧姆以上。
11．根据权利要求9所述的对喷墨打印头每个加热元件温度进行测量的方法，其特征在于，至少有一个温度感测电极接点，在同一时刻可测量的加热元件的最大数目和温度感测电极的接点数目相同。
12．一种对喷墨打印头每个加热元件的温度进行测量的方法，其包括以下步骤(ⅰ)在加热元件下方或附近制作温度感测电阻；(ⅱ)使所述温度感测电阻的一端接半导体，另一端与和打印机相接的温度感测电极接点相连，使半导体的另一端经加热元件接到电源电极端点，当半导体导通且电源电极端点接地时，即有一个回路形成；(ⅲ)对于每个温度感测电阻，其对应的半导体以矩阵结构接到不同的半导体导通开关接点和经加热元件而接到电源电极接点，其中，每一对半导体导通开关接点和电源电极接点仅能构成一个从温度感测电极接点，经温度感测电阻，然后接到地的回路；及(ⅳ)通过对半导体导通开关接点和电源电极接点的选择，在温度感测电极接点上可测量到特定温度感测电阻的阻值，从而得知加热元件的温度。
13．根据权利要求12所述的对喷墨打印头每个加热元件温度进行测量的方法，其特征在于，所述温度测量电阻在室温时的阻值在50欧姆以上。
14．根据权利要求12所述的对喷墨打印头每个加热元件温度进行测量的方法，其特征在于，至少有一个温度感测电极接点，在同一时刻可测量的加热元件的最大数目和温度感测电极的接点数目相同。
全文摘要
可精确测量加热元件温度的喷墨打印头,其包括:一喷墨用加热元件,该喷墨元件包括一用于对墨水加热的加热电阻;一半导体驱动元件,该驱动元件用于驱动一半导体,从而控制喷墨用加热元件是否加热;及一温度感测电阻层,该电阻层一端接半导体,另一端与和打印机相接的电极接点相连,所述加热元件是通过所述温度感测电阻层和半导体驱动元件相接。本发明还涉及精确测量喷墨打印头加热元件温度的方法。
文档编号B41J2/05GK1309020SQ0010089
公开日2001年8月22日 申请日期2000年2月18日 优先权日2000年2月18日
发明者张智超, 王介文, 苏士豪 申请人:财团法人工业技术研究院