制造流体喷射芯片的方法、打印头、流体喷射芯片和喷墨式打印机与流程

本发明大致涉及热喷墨式打印机及其形成方法，尤其涉及不同分辨率的热喷墨式打印头及利用通用热喷射芯片设计形成不同分辨率的热喷墨式打印头的方法。

背景技术：

喷墨式打印机从打印头向纸之类的记录媒介上喷射液体墨滴，该打印头相对于记录媒介移动(反之亦然)。打印头大致包括一个或多个热喷射芯片，每一个热喷射芯片都包括半导体衬底，所述半导体衬底上布置有一个或多个用于向液态墨中传递热能的加热元件(例如电阻器)。液态墨被加热，使得墨中出现由于液态向气态的转变所导致的迅速的体积变化，因而，墨成为墨滴从打印头中被强制喷射到记录媒介上。

在典型的喷射芯片设计中，首先需要固定下来的变量之一是墨滴布置的垂直分辨率，即从喷射芯片中喷射的墨滴之间的垂直间隔。根据该出发点，可以定义诸如加热器寻址矩阵、输入数据寄存器长度和芯片时钟速度之类的其它特性。利用该方法，具有相似特性(不包括垂直分辨率)的多个喷射芯片通常具有不同的电接口，其需要特定部件来操作，例如，针对每种设计的独特ASIC、驱动板卡和/或载板等。虽然这可以为特定设计提供划算的材料账单，但此类节约可能被增长的研发资源和投放市场的时间所抵消。因此，这种设计方法最适合具有长产品生命周期的高容量设计。

技术实现要素：

技术问题

本发明的一个目的是提供一种改进的芯片架构，该芯片架构能够使得研发周期更短并实现适应个体用户需求的定制设计。

本发明的另一个目的是提供一种通用基础芯片，该基础芯片上可以实现多种热喷射芯片配置(结构)。

技术方案

根据示例性实施例，公开了一种制造流体喷射芯片的方法及所形成的流体喷射芯片。所述方法包括：(a)提供衬底；(b)在所述衬底上形成多个驱动元件；(c)形成多个驱动元件组，每个组包括所述多个驱动元件中的并联电耦接的至少两个驱动元件；(d)在所述衬底上形成多个流体喷射器件；以及(e)将所述多个流体喷射器件中的每个流体喷射器件与所述多个驱动元件组中的相应组电耦接，使得所述多个驱动元件根据图像数据选择性地激活所述多个流体喷射器件，以使流体从打印头中排出。

在示例性实施例中，所述方法包括在所述衬底上形成用于在所述流体喷射器件与流体源之间提供流体连通的通道的步骤。

在示例性实施例中，所述多个驱动元件包括多个晶体管。

在示例性实施例中，将每个流体喷射器件与驱动元件的相应组电耦接的步骤包括在所述衬底上沉积电互连部件。

在示例性实施例中，每个组包括四个驱动元件

根据示例性实施例，公开了一种流体喷射芯片，该流体喷射芯片包括：衬底；多个驱动元件组，形成在所述衬底上；以及多个流体喷射器件，布置在所述衬底上。每个驱动元件组包括至少两个并联电耦接的驱动元件。所述多个流体喷射器件中的每个流体喷射器件与所述多个驱动元件组中的相应组电耦接，使得所述多个驱动元件根据图像数据选择性地激活所述多个流体喷射器件，以使流体从打印头中排出。

在示例性实施例中，所述衬底还包括用于在所述流体喷射器件与流体源之间提供流体连通的通道。

在示例性实施例中，所述多个流体喷射器件中的每个流体喷射器件与沿着所述通道相邻的流体喷射器件在竖直方向上间隔开。

在示例性实施例中，所述多个流体喷射器件形成两个列，各列位于所述通道的相对侧。

在示例性实施例中，所述多个流体喷射器件中的每个流体喷射器件与沿着所述通道竖直相邻的流体喷射器件在竖直方向上间隔开统一距离。

在示例性实施例中，每个列相对于另一个列在竖直方向上偏移。

在示例性实施例中，每个列相对于另一个列在竖直方向上偏移一距离，所述距离是所述多个流体喷射器件中的各竖直相邻的流体喷射器件之间的统一竖直距离的一半。

在示例性实施例中，所述多个驱动元件组包括多个晶体管。

在示例性实施例中，每个组包括四个并联电耦接的驱动元件。

根据示例性实施例，公开了一种喷墨式打印机，该喷墨式打印机包括打印头，所述打印头包括流体喷射芯片。该流体喷射芯片包括衬底；多个驱动元件组，形成在所述衬底上；以及多个流体喷射器件，布置在所述衬底上。每个驱动元件组包括至少两个并联电耦接的驱动元件。所述多个流体喷射器件中的每个流体喷射器件与所述多个驱动元件组中的相应组电耦接，使得所述多个驱动元件根据图像数据选择性地激活所述多个流体喷射器件，以使流体从打印头中排出。

发明的有益效果

根据本发明的制造流体喷射芯片的方法能够提供一种改进的芯片架构，该芯片架构能够使得研发周期更短并实现适应个体用户需求的定制设计。

附图说明

结合附图考虑，参考下文中本发明示意性实施例的详细描述可以更加充分地理解本发明的特征和优点，其中：

图1是常规热喷墨式打印头的透视图；

图2是常规喷墨式打印机的透视图；

图3A是根据本发明示例性实施例的制造期间的热喷射芯片的第一顺序框图；

图3B是该热喷射芯片的第二顺序框图；

图3C是图3B中所示的热喷射芯片的电路图；

图4A是根据本发明另一个示例性实施例的制造期间的热喷射芯片的第一顺序框图；

图4B是该热喷射芯片的第二顺序框图；

图4C是图4B中所示的热喷射芯片的电路图；

图5A是根据本发明另一个实施例的制造期间的热喷射芯片的第一顺序框图；

图5B是该热喷式芯片的第二顺序框图；

图5C是图5B中所示的热喷射芯片的电路图；

图6是根据本发明示例性实施例的在FEOL处理之后但在BEOL处理之前的打印头芯片的N沟道金属氧化物半导体(NMOS)场效应晶体管(FET)的布局图；

图7A是根据本发明示例性实施例示出的布置在衬底上以形成基础芯片的图6中FET的局部布局图；

图7B是根据本发明示例性实施例的在BEOL处理之后用于形成1200dpi分辨率打印头芯片的基础芯片的局部布局图；以及

图7C是根据本发明示例性实施例的在BEOL处理之后用于形成600dpi分辨率打印头芯片的基础芯片的局部布局图。

具体实施方式

此处使用的标题仅仅是出于组织结构方面的目的，并非意在限制说明书或权利要求的范围。正如本申请通篇所使用的，词语“可以”和“能够”以宽松的含义(即，意味着具有可能性)使用，而不是强制性的含义(即，意味着必须)。相似地，词语“包括”、“包含”及其变形是指“包括但不限于”。为了便于理解，在合适的地方使用相似的标号来表示附图所共有的相似元素。

参考图1，本发明涉及到的常规喷墨式打印头大致用10表示。打印头10具有由任何适当材料制成的外壳12，该外壳12用于容纳墨。其形状可以变化且通常取决于承载或容纳该打印头的外部装置。外壳具有至少一个用于容纳初始或可重复装填的墨源的内部隔室16。在一个实施例中，该隔室具有单个腔且容纳黑墨、感光墨、青墨、品红墨或黄墨的墨源。在其他实施例中，隔室具有多个腔并容纳多种墨源。优选地，隔室包括青色、品红色和黄色的墨。在另外的实施例中，隔室容纳多种黑墨、感光墨、青墨、品红墨或黄墨。可以理解的是，尽管隔室16被示出为局部地集成在打印头的外壳12中，但其也可以选择性地连接至远端墨源并且例如从管道接收供应。

粘附至外壳12的一个表面18的是柔性电路的一部分19，具体地，所述柔性电路是带式自动接合(TAB)电路20。TAB电路20的另一部分21被粘附至外壳的另一个表面22。在该实施例中，这两个表面18和22围绕外壳的边缘23相互垂直地布置。

TAB电路20支持多个输入/输出(I/O)连接器24，所述I/O连接器24用于在使用期间将加热器芯片25连接至诸如打印机、传真机、复印机、照片打印机、绘图仪、多合一设备等的外部设备。多个电导体26在TAB电路20上用于使I/O连接器24与加热器25的输入端子(接合焊盘28)连接并短路。本领域技术人员了解多种用于促成这类连接的技术。尽管图1示出了八个I/O连接器24、八个电导体26和八个接合焊盘28，但是应当理解的是，可以设置任何连接的数量和/或配置。

加热器芯片25包含多个流体点火元件的列34，这些流体点火元件用于在使用期间从隔室16喷射墨。流体点火元件可以实现为电阻式加热元件，其形成为硅衬底上的薄膜层。在实施例中，可以使用诸如具有压电元件的其它类型的配置。列34中的多个流体点火元件示出为邻近墨通道32的排成一排的五个点，但实际上可以包括成百上千个流体点火元件。如下所述，多个流体点火元件中竖直地相邻的流体点火元件可以具有或不具有横向间隔间隙或彼此交错。通常，流体点火元件具有与其所在的打印机的每英寸点数分辨率相当的竖直间距间隔。一些示例包括1/300英寸、1/600英寸、1/1200英寸或1/2400英寸等大小的沿着通道的纵长范围的间距。为了形成该通道，已知有多种工艺，这些工艺切割或蚀刻出贯穿加热器芯片的厚度的通道32。一些更加优选的工艺包括喷砂处理或诸如干蚀刻、湿蚀刻、反应离子蚀刻、深反应离子蚀刻等之类的蚀刻。喷嘴板(未示出)中具有与各个加热器对准的孔口，以便在使用期间喷射墨。可以用粘合剂或环氧基树脂贴附喷嘴板，或者喷嘴板可以制造成薄膜层。

参考图2，喷墨式打印机形式的容纳打印头10的外部设备大致用40表示。打印机40包括滑动架42，该滑动架42具有多个用于容纳一个或更多打印头10的插槽44。滑动架42通过提供至驱动带50的动力沿着轴48在打印区域46上方(依照控制器57的输出59)进行往复运动。相对于诸如一张纸52之类的打印媒介执行滑动架42的往复运动，该纸沿着从输入托板54、通过打印区域46、再到输出托板56的纸张路径在打印机40中行进。

当在打印区域中时，滑动架42在通常垂直于如箭头所示的纸张52行进的行进方向的往复运动方向上做往复运动。在这种时刻，依照打印机微处理器或其他控制器57的命令，促使来自隔室16(图1)的墨滴从加热器芯片25喷射。墨滴发射时序对应正在打印的图像的像素图案。通常，这种图案是在电连接至控制器57的设备中产生(经由Ext输入(Ext.input))，该装置装配在打印机的外部，例如电脑、扫描仪、照相机、可视显示单元或个人数据助理等。

为了打印或发射单个墨滴，以少量电流对流体点火元件(图1中，列34的各点)进行唯一寻址，以便快速加热少量的墨。这使得墨在加热器和喷嘴板之间的局部墨腔中蒸发，并通过喷嘴板朝打印媒介喷射，变为由喷嘴板投射。发射这种墨滴所需的点火脉冲可以实现为单个或分离的点火脉冲，并基于接合焊盘28、电导体26、I/O连接器24和控制器57之间的连接在加热器芯片的输入端子(例如，接合焊盘28)处接收。内部加热器芯片布线从输入端子向一个或多个流体点火元件传送点火脉冲。

许多打印机配备有具有用户选择界面60的控制面板58，作为控制器57的输入62，以便提供额外的打印机能力和鲁棒性。

应当理解的是，上述喷墨式打印头10和喷墨式打印机40是示例性的，对于其它喷墨式打印头和/或喷墨式打印机配置也可以使用本发明的各实施例。

现在转到图3A，示出了根据本发明示例性实施例的制造期间的热喷射芯片100(图3B)的框图。热喷射芯片100包括衬底110，该衬底110将该热喷射芯片100的其它组件支撑其上。衬底110由一种或多种材料形成，所述材料至少是部分导电的，并且优选地具有可以根据热喷射芯片100的一种或多种性能需求来操作的导电特性。在示出的示例性实施例中，衬底110由诸如硅的半导体材料形成。在实施例中，衬底110可以由附加的和/或可替代的材料形成，例如碳、锌、锗和/或镓等。

如图所示，衬底110被大致设置为长方体形状，例如可以已经由硅晶片形成以具有这样的配置，或可以对衬底110进行一个或多个成形工艺，例如划片或切割。在实施例中，衬底110可以被设置成大体上未经加工的配置，例如，具有一个或多个表面瑕疵和/或具有非对称配置。

可以对衬底110进行一个或多个工艺，该工艺在衬底110内和/或沿着衬底110形成流体通道并且该工艺沿着衬底110的各个部限定和/或沉积有源电路元件或驱动元件。这类工艺(称作前段(FEOL)工艺)可以包括例如半导体掺杂、蚀刻、喷砂处理、化学机械平坦化、一层或多层材料的沉积和/或光刻法图案化等。

在本文所述的示例性实施例中，FEOL处理用于沿着衬底110的部分形成中心布置的墨通道112。墨通道112可以与例如打印头10的隔间16(图1)之类的液态墨容器流体连通，这样墨通道112可以为热喷射芯片100提供本地液态墨源。在实施例中，根据该图所示，墨通道112可以具有不同的布置和/或配置。

衬底110的FEOL处理还布置一些驱动元件，例如沿着热喷射芯片100的场效应晶体管(FET)120。每个FET 120可以包括栅极端子、源极端子以及漏极端子，施加在栅极端子和源极端子之间的电势差影响导电通道，电子沿着该导电通道在源极端子和漏极端子之间流动。应当理解的是，除了FET120之外，和/或替代FET 120，也可以使用晶体管的可替代配置。在实施例中，FEOL处理可以在衬底上产生附加的和/或可选的有源电路元件或驱动元件，例如二极管、硅控整流器装置(SCR)和/或逻辑单元等。正如本文进一步描述的那样，在FEOL处理结束时，衬底110和FET 120的配置提供了基础芯片150，可以通过后续处理步骤在该基础芯片150上选择性地形成热喷射芯片的多种配置。

FEOL处理之后的这样一组后续处理步骤被称为后段(BEOL)工艺，BEOL工艺包括提供一种或多种互连电气元件，例如，限定在半导体衬底110和/或其多个部分上的电气元件和/或电路之间的金属布线和/或触点。因此，BEOL处理步骤可以包括在衬底110上沉积诸如导体材料、电阻材料和/或绝缘材料等之类的材料。就此而言，在BEOL处理结束的时候形成了一个或多个完整的电子电路。上述EFOL和BEOL工艺可以变化，例如，可以用不同数量的处理步骤和/或可替代的处理步骤来实现期望的结果。

参考图3B，示出了BEOL处理之后的热喷墨芯片100的框图，使得多个加热器130(流体喷射元件)中的每个加热器130被布置在相应的FET 120与墨通道112的任意一侧之间。加热器130可以是诸如电热转换元件(例如电阻器)之类的流体喷射致动器，该流体喷射致动器可以在衬底110上形成为薄膜元件。再参考图3C的电路图，当电流流经(例如在热喷射芯片100的两个导电元件之间的)各加热器130时，由相应的加热器130产生热能。应当理解的是，加热器130可以沿着衬底110的内部布置，例如沿着在衬底110的表面与墨通道112之间延伸的流体通道布置，这样，加热器130被激活后，热能可以传递至流经加热器130的液态墨。

如图所示，多个加热器130布置成列L和R，使得单个列中竖直相邻的多个加热器130以统一的距离D沿着墨通道112彼此分开。在所示的示例性实施例中，单各列的各竖直相邻的加热器130彼此间隔开大约42.3μm。然而，墨通道112左侧的列L中的每个加热器130相对于墨通道112右侧的列R中的每个对应加热器130在竖直方向上偏移大约统一竖直距离D一半的竖直距离(例如D/2)。在所示的示例性实施例中，每个加热器130与对侧加热器130列中的相应加热器130在竖直方向上间隔大约21.2μm的距离。可以使用这样的配置以限定1200dpi的打印头。

就此而言，列L中的各加热器130相对于列R中的各加热器130在竖直方向上偏移，使得各加热器130沿着墨通道112具有竖直交错(在竖直方向上交错)的布置，从而在衬底110上沿着墨通道112呈现出最少量的空白空间(例如，没有加热器130的空间)。因此，通过有利地利用墨通道112相对侧的加热器130列L和R的对称性，液态墨滴可以沿着热喷射芯片100被快速蒸发并喷射在更大数量的竖直位置处(例如，两倍的竖直位置)。

现在转向图4A，示出了在BEOL处理期间热喷射芯片(大致表示为200(图4B))的可替代实施例的框图，与上述热喷射芯片100相比，该热喷射芯片使用的布置在衬底110上的加热器130的数量更少。在所示的示例性实施例中，各竖直相邻的加热器130彼此间隔开84.7μm的距离，列L中的加热器130相对于列R中的相应加热器偏移大约42.3μm。可以使用这样的配置(例如，每单位长度的加热器130的布置)来限定例如600dpi分辨率的打印头。

基于特定喷墨式打印应用和/或出于与所形成的热喷射芯片的制造工艺相关的考虑(例如，时间、成本、材料和/或管理控制方面的考虑)，沿着热喷射芯片200布置的加热器130数量的这种减少可能是合乎需要的。例如，当在生产环境中，在盒子或其他非传统表面上打印时可能期望降低分辨率。在更低分辨率的情况下以更大的液滴打印可以更好地服务工业应用。这提供了改进的投影距离(打印头与对象之间的可接受距离)并能够使整体的打印速度更高。

在传统打印头生产工艺中，由于在FEOL处理期间完成FET的布置和排列，因而依赖于打印头的所需分辨率，FEOL处理必须针对加热器的后续BEOL处理而特别制定。由于需要针对不同应用而重新配置制造及装配工艺，因而热喷射芯片制造方法中的这种脱节(disjoint)可能导致例如更多的金钱和/或时间成本。使用本发明所述的方法，具有通用基础芯片的晶片存货可以在后端工艺被配置以服务多种市场。例如，相同的基础芯片可以被配置成用于办公打印机的1200dpi装置，或配置成用于工业应用的300dpi装置。

因此，需要提供一种由FEOL处理形成的热喷射芯片，其可以之后在BEOL期间被定制，使得喷射芯片可以被用作基础“模板”来实现各种热生成轮廓。

现在转向图4B，例如使用在BEOL处理期间所添加的布线或触点，多个个体FET 120并联电连接以形成驱动单元140。如图所示，驱动单元140包括一对FET 120，这一对FET 120一起为每个相应的加热器130提供电力。图4C示出了所形成的具有驱动单元140的热喷射芯片100的电子电路图。以并联方式将驱动单元140中的各FET 120与加热器130电耦接从而从该对FET 120可以向加热器130输出多个电输出。例如，从控制器可以产生点火脉冲，以便激活两个FET 120中的一个或两个。在实施例中，可以调节驱动单元140的FET 120对中的一个或两个FET 120以输出所需电量，例如在0到两倍的两个FET 120的最大电力输出之间的电量(并包括0及两倍的两个FET 120的最大电力输出)。

就此而言，驱动单元140提供了激活一个或两个相连的FET 120以实现相应加热器130的期望性能的选项。因此，可以提供与特定喷墨式打印操作所需数量相比更多数量的FET 120，并提供选项以允许超过部分的FET 120保持不起作用(inactive)和/或允许调节驱动单元140中相连的FET 120对以传送单个FET 120的标准电力输出。因而，通过诸如电互连部件的沉积之类的BEOL处理步骤为用户提供了定制基础芯片150(图3A)的选项，从而将两个或更多FET 120耦接成与一种或多种打印分辨率相关的加热器130布置一致的配置。这种配置也不需要针对不同分辨率打印头的定制FET。

现在转向图5A，示出了在BEOL处理期间的热喷射芯片(大致表示为300)的可替代实施例的框图，与上述热喷射芯片100和200相比，该热喷射芯片具有的布置在衬底110上的加热器130的数量更少。在所示的示例性实施例中，在单个列中，各竖直相邻的加热器130彼此间隔开169.3μm的距离，列L中的各加热器130相对于列R中的相应加热器偏移大约84.7μm。可以使用这样的配置(例如，每单位长度的加热器130的布置)以限定例如300dpi分辨率的打印头。

如上所述，基于特定喷墨式打印应用和/或出于与所形成的热喷射芯片的制造工艺相关的考虑，沿着热喷射芯片100布置的加热器130数量的这种减少可能是合乎需要的。

现在转向图5B，例如使用在BEOL处理期间所添加的布线或触点，多个个体FET 120并联电耦接以形成驱动单元240。如图所示，驱动单元240包括四个FET 120的组，该四个FET 120的组一起为每个相应的加热器130提供电力。图5C示出了具有驱动单元240的热喷射芯片300的电子电路图。以并联方式将驱动单元240中的各FET 120与加热器130连接，使得四个FET120组合起来的组可以为加热器130提供多个电力输出。例如，从控制器可以产生点火脉冲，以便激活驱动单元240的FET 120中的一个、两个、三个或四个。在实施例中，可以调制驱动单元240的FET 120组中的一个或多个，以输出所需量的电量。

就此而言，可以使用应用于基础芯片150(图3A)的BEOL处理步骤来将四个FET 120电耦接成驱动单元240，从而为上述加热器130的特定配置提供期望的电力分布。

根据本文所述的示例性实施例，提供了通用的基础芯片设计150(图3A)并且可以电耦接两个或更多FET 120，以便可以通过后续的BEOL处理步骤选出多个加热器130布置中的一个(即，打印头分辨率)。

应当理解的是，通用基础芯片设计不限于上述FET 120的数量和/或配置。在实施例中，基础芯片上的FET 120的数量和/或配置可以由垂直液滴配置的最高分辨率决定，即基础芯片可以包括的FET 120的数量可以以一比一的比率对应于加热器130的最大期望数量(最高分辨率的情况)，并且可以针对更低分辨率的情况将各FET 120耦接成驱动单元。

图6示出了根据本发明示例性实施例的在FEOL处理之后但在BEOL处理之前的打印头芯片中NMOS FET(大致由附图标号1000表示)的布局图。FET 1000可以形成在P型硅衬底中，并包括多晶硅栅极1002、与触点1005形成第一源极区域1004的第一N+注入物、与触点1007形成第一漏极区域1006的第二N+注入物以及与触点1009形成第二源极区域1008的第三N+注入物。如图7A所示，若干这样的FET 1000₁和1000₂可以布置在衬底上以形成基础芯片150。

图7B示出了根据本发明示例性实施例的在BEOL处理之后用来形成1200dpi分辨率打印头芯片的基础芯片150的局部布局图。BEOL处理导致加热器130的形成和金属化，从而形成电源、接地和FET连接。

如图7C所示，可以对基础芯片150的BEOL处理进行改型，以形成具有600dpi分辨率的打印头芯片。具体地，每个加热器130被电连接至两个FET形成的组(FET 1000₁和FET 1000₂)。相似地，为了产生300dpi的打印头芯片，可以对BEOL处理进行改型。使得每个加热器130被电连接至四FET 1000形成的组。

尽管已经结合上述实施例概述描述了本发明，但应当清楚的是，对于本领域技术人员而言，多种替代方案、改型和变化是显而易见的。因此，上文给出本发明的示例性实施例旨在用于说明而并非用于限制。在不脱离本发明精神和范围的情况下可以做出多种变化。

附图标号列表

10：打印头

12：外壳

16：隔室

18、22：表面

19、21：部(或部分)

20：带式自动接合电路(TAB)

23：边缘

24：I/O连接器

25：加热器芯片

26：电导体

28：接合焊盘

32：墨通道

34：列

40：喷墨式打印机

42：滑动架

44：插槽

46：打印区域

48：轴

50：驱动带

52：纸

54：输入托盘

56：输出托盘

57：控制器

58：控制面板

59：输出

60：用户选择界面

62：输入

100：热喷射芯片

110：衬底

112：墨通道

120、1000：FET

130：加热器

140、240：驱动单元

150：基础芯片

1002：多晶硅栅极

1004：第一源极区域

1005、1007、1009：触点

1006：第一漏极区域

1008：第二源极区域