具有集成的墨水液位传感器的液体喷射设备的制造方法

具有集成的墨水液位传感器的液体喷射设备的制造方法
【专利摘要】在实施例中，一种液体喷射设备包括：形成于打印头管芯中的液体馈送槽以及多个打印头集成墨水液位传感器(PILS)。液体喷射设备可以包括第一PILS和第二PILS，所述第一PILS用于感测与液体馈送槽液体连通的第一腔室的墨水液位，所述第一PILS用于在所述液体喷射设备处于第一墨水液位状态时检测所述第一腔室的空墨水液位，所述第二PILS用于感测与液体馈送槽液体连通的第二腔室的墨水液位，所述第二PILS用于在液体喷射设备处于第二墨水液位状态时检测第二腔室的空墨水液位，该第二墨水液位状态不同于第一墨水液位状态。
【专利说明】具有集成的墨水液位传感器的液体喷射设备
【背景技术】
[0001] -些打印系统可以具有用于确定贮液器或其它液体腔室中的液体(例如，墨水)的 液位的设备。例如，棱镜可以用于反射或折射墨盒中的光束，以生成电气墨水液位指示和/ 或用户可见的墨水液位指示。一些系统可以使用背压指示器来确定贮液器中的墨水液位。 作为确定墨水液位的方式，其它打印系统可以对从喷墨打印机墨盒喷射的墨水液滴的数量 进行计数。还有其它系统可以使用墨水的导电性作为打印系统中的墨水液位指示器。
【附图说明】
【具体实施方式】 [0002] 部分参考了附图，在附图中：
[0003] 图1是适用于并入打印头集成墨水液位传感器(PILS)的液体喷射系统的示例的框 图；
[0004] 图2是适用于并入PILS的示例性液体喷射墨盒的透视图；
[0005] 图3是包括有液体馈送槽和PILS的打印头的底视图；
[0006] 图4是包括有液体馈送槽和PILS的另一个打印头的底视图；
[0007] 图5是包括有液体馈送槽和PILS的另一个打印头的底视图；
[0008] 图6是示例性液滴生成器的横截面视图；
[0009] 图7是示例性感测结构的横截面视图；
[0010] 图8是用于驱动打印头的非重叠性时钟信号的时序图；
[00?1 ]图9是不例性墨水液位传感器电路；
[0012] 图10是具有感测电容器和内在寄生电容两者的示例性感测结构的横截面视图；
[0013] 图11是包括有寄生消除元件的示例性感测结构的横截面视图；
[0014] 图12是包括有寄生消除元件、清洁电阻器电路和移位寄存器的示例性PILS墨水液 位传感器电路；
[0015] 图13是处理多个PILS信号的移位寄存器的示例；
[0016] 图14是与使用多个PILS来对液体喷射设备的墨水液位状态进行感测有关的示例 性方法的流程图；
[0017] 在所有的附图中可以实施各种实施例。
[0018] 在附图中示出并在下文中详细描述了示例。附图不必按比例，并且为了清楚和/或 简明，可以成比例放大地示出或者示意性地示出附图的各种特征和视图。贯穿附图，相同的 部分附图标记可以表示相同或相似的部分。
【具体实施方式】
[0019] 如上所述，存在可用于确定贮液器或其它液体腔室中的液体(例如，墨水）的液位 的许多技术。出于很多原因，可能期望用于很多类型的喷墨打印机的墨水供给贮液器中的 准确的墨水液位感测。例如，感测墨水的正确液位并提供对墨盒中剩下的墨水的量的相对 应的指示，允许打印机用户准备更换用完的墨盒。准确的墨水液位指示还有助于避免浪费 墨水，因为不准确的墨水液位指示常常导致过早的更换依然含有墨水的墨盒。此外，打印系 统可以使用墨水液位感测来触发某些动作，这些动作有助于防止可能因不充足的供给液位 而导致的低质量打印。
[0020] 本文中所描述的是打印头集成墨水液位传感器(PILS)和感测技术以及具有这种 PILS和/或感测技术的装置和系统的各种实施方式。在各种实施方式中，PILS可以在片上集 成有热喷墨(TIJ)打印头管芯。感测电路可以实施样本并且支持通过电容传感器来捕获液 体喷射设备的墨水液位状态的技术。电容传感器的电容可以随墨水的液位而改变。对于每 个PILS，位于电容传感器上的电荷可以在电容传感器与参考电容器之间共享，从而在评估 晶体管的栅极处产生参考电压。打印机专用集成电路(ASIC)中的电流源可以在晶体管漏极 处供给电流。ASIC可以测量电流源处所得到的电压，并且计算评估晶体管的相对应的漏极-源极电阻。ASIC然后可以基于由评估晶体管所确定的电阻来确定液体喷射设备的墨水液位 状态。
[0021] 在各种实施方式中，可以通过使用被集成在打印头管芯上的多个PILS来提高准确 度。例如，液体喷射设备可以包括第一 PILS和第二PILS，该第一 PILS用于感测与液体馈送槽 液体连通的第一腔室的墨水液位，该第二PILS用于感测与液体馈送槽液体连通的第二腔室 的墨水液位。第一 PILS可以在液体喷射设备处于第一墨水液位状态时检测第一腔室的空墨 水液位，而第二PILS可以在液体喷射设备处于第二墨水液位状态时检测第二腔室的空墨水 液位，该第二墨水液位状态不同于第一墨水液位状态。在这些实施方式中的各种实施方式 中，可以基于被不同地配置的PILS的不同状态来确定多个墨水液位状态，这可以允许更加 明确的墨水液位感测。移位寄存器可以充当选择电路来处理多个PILS，并且使得ASIC能够 测量多个电压并且基于在打印头管芯上的各种位置处得到的测量结果来确定墨水液位状 态。在各种实施方式中，与液体喷射设备的液体馈送槽液体连通的腔室可以包括清洁电阻 器电路以清洁墨水的腔室。
[0022] 在各种实施方式中，处理器可读介质可以存储表示指令的代码，所述指令在被处 理器执行时将引起处理器开始与液体喷射设备的液体馈送槽液体连通的第一腔室的第一 打印头集成墨水液位传感器(PILS)的操作以及与液体馈送槽液体连通的第二腔室的第二 PILS的操作。可以控制移位寄存器以将来自第一 PILS和第二PILS的输出多路复用至公共ID 线上。根据所述输出，可以基于由第一PILS和第二PILS所感测的不同墨水液位来确定液体 喷射设备的墨水液位状态。
[0023] 在各种实施方式中，处理器可读介质可以存储表示指令的代码，所述指令在被处 理器执行时将引起处理器激活清洁电阻器电路以清除感测腔室中的墨水，将预充电电压Vp 施加到腔室内的感测电容器，以利用电荷Q1来为感测电容器充电。电荷Q1可以在感测电容 器与参考电容器之间共享，从而在评估晶体管的栅极处产生参考电压Vg。可以确定由Vg产 生的评估晶体管的从漏极至源极的电阻。在实施方式中，可以在激活清洁电阻器电路之后 提供延迟，以使得来自液体槽的墨水能够在施加预充电电压Vp之前流回到感测腔室中。
[0024] 现在转到图1，所例示的是适用于并入如本文所公开的包括有打印头集成墨水液 位传感器(PILS)的液体喷射设备的示例性液体喷射系统100的框图。在各种实施方式中，液 体喷射系统100可以包括喷墨打印机或者打印系统。液体喷射系统100可以包括打印头组件 102、液体供给组件104、安装组件106、介质传输组件108、电子控制器110以及至少一个电源 112,电源112可以向液体喷射系统100的各种电气部件提供电力。
[0025] 打印头组件102可以包括至少一个打印头114。例如，打印头114可以包括打印头管 芯，打印头管芯具有沿着打印头管芯的长度的液体馈送槽，以向诸如管口或喷嘴之类的多 个液滴喷射器116供给诸如墨水之类的液体。多个液滴喷射器116可以朝向打印介质118喷 射液体的液滴，从而打印至打印介质118上。打印介质118可以是任何类型的适当的片材或 卷材，例如纸张、卡片纸、透明片、聚酯纤维、胶合板、泡沫板、织物、画布等。液滴喷射器116 可以被布置成一个或多个列或阵列，以使得从液滴喷射器116的适当的顺序液体喷射可以 使字符、符号和/或其它图形或图像随着打印头组件112和打印介质118相对于彼此移动而 被打印在打印介质118上。
[0026] 液体供给组件104可以向打印头组件102供给液体，并且可以包括用于存储液体的 贮液器120。通常，液体可以从贮液器120流到打印头组件102，并且液体供给组件104和打印 头组件102可以形成单向液体输送系统或者再循环液体输送系统。在单向液体输送系统中， 被供给至打印头组件102的基本上全部液体可以在打印期间被消耗。然而，在再循环液体输 送系统中，被供给至打印头组件102的液体的仅部分可以在打印期间被消耗。未在打印期间 消耗的液体可以回到液体供给组件104。可以移除、更换和/或重新填充液体供给组件104的 贮液器120。
[0027] 安装组件106可以相对于介质传输组件108来放置打印头组件102,并且介质传输 组件108可以相对于打印头组件102来放置打印介质118。在这个配置中，可以在打印头组件 102与打印介质118之间的区域中与液滴喷射器116相邻地限定打印区124。在一些实施方式 中，打印头组件102是扫描类型的打印头组件。因此，安装组件106可以包括用于相对于介质 传输组件108来移动打印头组件102以扫描打印介质118的墨盒。在其它实施方式中，打印头 组件102是非扫描类型的打印头组件。因此，安装组件106可以相对于介质传输组件108将打 印头组件102固定在规定的位置。因此，介质传输组件108可以相对于打印头组件102来放置 打印介质118。
[0028]电子控制器110可以包括处理器(CPU)138、存储器140、固件、软件以及其它电子设 备，所述其它电子设备用于与打印头组件102、安装组件106和介质传输组件108通信并且对 它们进行控制。存储器140可以包括易失性(例如，RAM)存储器部件和非易失性(例如，R0M、 硬盘、软盘、CD-ROM等)存储器部件两者，存储器140包括提供对计算机/处理器可执行编码 指令、数据结构、程序模块和用于打印系统100的其它数据的存储的计算机/处理器可读介 质。电子控制器110可以从主系统(例如，计算机)接收数据130,并且将数据130暂时地存储 在存储器140中。典型地，可以沿着电子路径、红外路径、光学路径或其它信息传递路径来将 数据130发送到打印系统100。数据130例如可以表示待打印的文档和/或文件。因此，数据 130可以形成打印系统100的打印作业，并且可以包括一个或多个打印作业命令和/或命令 参数。
[0029] 在各种实施方式中，电子控制器110可以控制用于从液滴喷射器116喷射液体液滴 117的打印头组件102。因此，电子控制器110可以限定在打印介质118上形成字符、符号和/ 或其它图形或图像的所喷射的液体液滴117的图案。可以通过来自数据130的打印作业命令 和/或命令参数来确定所喷射的液体液滴117的图案。
[0030] 在各种实施方式中，电子控制器110可以包括打印机专用集成电路(ASIC)126,以 基于来自一个或多个打印头集成墨水液位传感器(PILS) 122的电阻值来确定液体喷射设 备/打印头114中的墨水的液位。打印头AS IC 126可以包括电流源130以及模数转换器(ADC) 132 ASIC 126可以转换电流源130处所存在的电压以确定电阻，并且然后通过ADC 132来确 定相对应的数字电阻值。通过存储器140中的电阻感测模块128内的可执行指令来实施的可 编程算法可以使得能够确定电阻并且能够通过ADC132进行随后的数字转换。在各种实施方 式中，电子控制器110的存储器140可以包括通过墨水清洁模块134内的可执行指令来实施 的可编程算法，该墨水清洁模块134包括可由控制器110的处理器138来执行的指令，该指令 用以激活集成打印头114上的清洁电阻器电路来将墨水和/或墨水剩余物清除出PILS腔室。 在其中打印头114包括多个PILS的另一个实施方式中，电子控制器110的存储器140可以包 括通过PILS选择模块136内的可执行指令来实施的可编程算法，该可执行指令可由控制器 110的处理器138来执行以控制，该移位寄存器用于选择要用于感测墨水液位以确定液体喷 射设备的墨水液位状态的个体PILS。
[0031]在各种实施方式中，打印系统100是具有热喷墨(TIJ)打印头114的按需滴墨式热 喷墨打印系统，该热喷墨(TIJ)打印头114适用于实施如本文所描述的具有多个PILS 122的 打印头管芯114。在一些实施方式中，打印头组件102可以包括单个TIJ打印头114。在其它实 施方式中，打印头组件102可以包括宽的TIJ打印头114阵列。尽管与TIJ打印头相关联的制 造过程非常适于集成本文中所描述的打印头管芯，但是诸如压电打印头之类的其它打印头 类型也可以实施具有多个PILS 122的打印头管芯114。
[0032]在各种实施方式中，打印头组件102、液体供给组件104以及贮液器120可以一起容 纳在诸如集成打印头墨盒之类的可更换设备中。图2是根据本公开内容的实施方式的示例 性喷墨墨盒200的透视图，该喷墨墨盒200可以包括打印头组件102、墨水供给组件104以及 贮液器120。
[0033]除了一个或多个打印头114之外，喷墨墨盒200可以包括电接触件205以及墨水(或 其它液体)供给腔室207。在一些实施方式中，墨盒200可以具有供给腔室207,其存储一种颜 色的墨水，并且在其它实施方式中墨盒200可以具有多个腔室207,其中的每个腔室存储不 同颜色的墨水。电接触件205可以携带电信号往来于控制器(例如，本文参考图1所描述的电 控制器110)并携带电力（来自本文参考图1所描述的电源112)，从而引起通过液滴喷射器 216来喷射墨水液滴并且进行墨水液位测量。
[0034]图3-5示出了TIJ打印头114的各种示例性实施方式的底视图。如图3中所示，根据 各种实施方式，打印头114可以包括在硅管芯/基板344中形成的液体槽342。如下文将更加 详细地讨论的，被集成在打印头管芯/基板344上的各部件可以包括液体液滴生成器346、多 个打印头集成墨水液位传感器(PILS) 122和相关电路、以及耦合到每个PILS 122以实现对 个体PILS122的多路复用选择的移位寄存器348。尽管打印头114被示为具有单个液体槽 342,但是本文中所讨论的原理在其应用方面不限于具有仅一个槽342的打印头。相反，其它 打印头配置也是可能的，例如具有两个或更多液体馈送槽的打印头。在TIJ打印头114中，管 芯/基板344位于具有液体腔室350的腔室层以及具有形成于其中的喷嘴116的喷嘴层下方， 如以下参考图6讨论的。然而，出于例示的目的，假设图3-5中的腔室层和喷嘴层是透明的， 以便显示出下层基板344。因此，在图3-5中使用虚线来例示腔室350。
[0035] 液体馈送槽342可以是形成于基板344中的细长槽。液体馈送槽342可以与诸如图1 中所示的液体贮液器120之类的液体供给源(未示出）液体连通。液体馈送槽342可以包括多 个PILS 122以及沿液体馈送槽342的两侧布置的多个液体液滴生成器346。在各种实施方式 中，如所示的，PILS122可以通常被设置为沿着液体馈送槽342的任一侧朝向液体馈送槽342 端部。例如，在一些实施方式中，液体喷射设备的每个液体馈送槽342可以包括四个PILS 122，每个PILS 122通常位于液体馈送槽342的四个角中的一个附近，朝向液体馈送槽342的 端部。在其它实施方式中，液体喷射设备的每个液体馈送槽342可以包括多于四个PILS 122，至少一个PILS 122通常位于液体馈送槽342的四个角中的一个附近，朝向液体馈送槽 342的端部。例如，如图所示，打印头114的每个液体馈送槽342包括八个PILS 122,其中两个 PILS 122通常位于液体馈送槽342的四个角中的一个附近，朝向液体馈送槽342的端部。在 本公开内容的范围内，各种其它配置是可能的。
[0036]尽管每个PILS 122典型地位于液体馈送槽342的端部角附近，如图3-5中所示，但 是这并不是要作为对PILS 122的其它可能的位置的限制。因此，PILS 122可以位于液体馈 送槽342周围其它区域中，例如液体馈送槽342的端部之间的中部。在一些实施方式中，PILS 122可以位于液体馈送槽342的一个端部上，以使得其从液体馈送槽342的端部向外延伸而 不是从液体馈送槽342的侧边缘向外延伸。然而，如图2中所示，由于PILS 122通常位于液体 馈送槽342的端部角附近，所以这可以有利于在PILS 122的平行板感测电容器(C感则)352(例 如，平行板感测电容器352的一个边缘)与液体馈送槽342的端部之间维持一定的安全距离。 维持最小安全距离可以有助于确保不存在因液体流动速率降低的可能性(在液体馈送槽 342的端部可能遇到这种情况)而导致的来自感测电容器(C^i)352的信号恶化。在一些实施 方式中，要在平行板感测电容器(?麵)352与液体馈送槽342的端部之间维持的最小安全距 离可以是至少40μηι，并且在一些实施方式中，至少约50μηι。
[0037] PILS 122中的每一个可以与液体馈送槽342液体连通，并且可以被配置为感测其 各自的液体腔室350的墨水液位，如在此更加全面地描述的。在各种实施方式中，打印头114 可以包括多个PILS 122，以检测液体喷射设备的不同的墨水液位状态。例如，液体喷射设备 可以包括一个或多个PILS122,其类似地被配置为检测它们各自的腔室350的空墨水液位 (例如，当PILS 122检测到其各自的腔室350没有液体时），这可以指示液体喷射设备的特定 墨水液位状态。例如，由PILS 122检测各自的腔室350的空墨水液位可以指示液体喷射设备 处于空墨水液位状态或者非空墨水液位状态(例如，几乎为空的墨水液位状态）。在一些实 施方式中，一个或多个PILS 122可以在液体喷射设备处于第一墨水液位状态时检测它们各 自的腔室350的空墨水液位，而其它一个或多个PILS 122可以在液体喷射设备处于第二墨 水液位状态时检测它们各自的腔室的空墨水液位，第二墨水液位状态不同于第一墨水液位 状态。在这些实施方式中的各种实施方式中，可以基于被不同地配置的PILS 122的不同状 态来确定液体喷射设备的多个墨水液位状态，这可以允许更明确的墨水液位感测。
[0038] 如图3中所示，例如，所有的PILS 122都位于离液体馈送槽342相同距离cU但相对 于它们的电容器板352不同距离处。位于最靠近液体馈送槽342的端部处的四个PILS 122类 似地被配置有相同的电容器板长度Li，而其它四个PILS 122被类似地配置有电容器板长度 L2，L2小于L!。在该配置中，具有较短电容器板352(例如，具有电容器板长度L2)的PILS 122 可以比具有较长电容器板(具有电容器板长度的PILS 122更快地感测到空状态。换言 之，对于液体喷射设备的给定墨水液位状态，PILS 122可以在它们各自的腔室350中感测不 同的墨水液位（在这个示例中，两个不同的墨水液位）。尽管具有带有大体上相同配置的 PILS 122的打印头114的实施方式的所感测的墨水液位可以指示打印头114的墨水液位状 态，但是实施PILS 122的不同配置可以允许更加细微差别的墨水液位状态感测，其具有更 加明确的墨水液位状态。例如，在时刻^，第一PILS可以检测其各自的腔室的空墨水液位， 而第二PILS可以检测其各自的腔室的非空墨水液位，并且这个状态组合可以指示液体喷射 设备的特定墨水液位状态(例如，墨水的第一剩余百分比）。在这个相同示例中，在时刻t 2， 第一PILS和第二PILS两者可以检测其各自的腔室的空墨水液位，并且这个状态组合可以指 示液体喷射设备的另一墨水液位状态(例如，墨水的第二剩余百分比，其小于墨水的第一剩 余百分比）。使用相同数量的更多PILS的读数的各种其它组合在本公开内容的范围内是可 能的。在许多实施方式中，相比于使用相同配置的PILS 122的实施方式，具有不同配置的 PILS 122的打印头144可以提供更加准确的墨水液位状态感测。
[0039] 在一些实施方式中，除了或者替代于实施具有不同电容器板长度的打印头114， PILS 122可以位于离液体馈送槽342不同距离处，以提供本文中所描述的改进的墨水液位 状态感测。如图4中所示的，例如，打印头114可以包括具有电容器板352的PILS 122,该电容 器板352具有相同的电容器板长度1^但是具有不同的离液体馈送槽342的距离cU/cb。在图5 中所示的又一实施例中，打印头114可以包括具有电容器板352的PILS 122,该电容器板352 具有不同的电容器板长度U/L2/L3,并且具有不同的离液体馈送槽342的距离cU/cb。在本公 开内容的范围内，各种其它配置是可能的。
[0040] 现在转到图6,继续参考图5,所例示的是根据各种实施方式的示例性液体液滴生 成器346的横截面视图。如图所示，液滴生成器346可以包括喷嘴116、液体腔室350以及设置 在液体腔室350中的激发元件(firing element)354。喷嘴116可以形成于喷嘴层356中，并 且通常可以被布置为沿液体馈送槽342的侧面形成喷嘴列。激发元件354可以是由双金属层 金属板(例如，钽-铝TaAl和铝铜AlCu、或者氮硅化钨WSiN和AlCu)形成的热电阻器，其位于 硅基板344的顶表面上的绝缘层356(例如，多晶硅玻璃PSG)上。位于激发元件354之上的钝 化层360可以保护激发元件354免受腔室350中的墨水影响，并且可以充当机械钝化或保护 性汽蚀阻挡结构来吸收塌陷的气泡的冲击。腔室层362可以具有壁和腔室350,它们将基板 358与喷嘴层356分隔开。
[0041 ]在操作期间，可以通过相对应的喷嘴116从腔室350喷射液体液滴，并且然后可以 将腔室350重新填充有循环自液体馈送槽352的液体。具体而言，电流可以穿过电阻器激发 元件354,导致元件的快速加热。邻近激发元件354之上的钝化层360的液体薄层可能过热并 被蒸发，在相对应的激发腔室350中产生气泡。快速扩展的气泡可以是出自相对应的喷嘴 116的液体液滴。当加热元件冷却时，气泡可以快速塌陷，从液体馈送槽342向激发腔室350 中汲取更多的液体，以准备从喷嘴116喷射另一液滴。
[0042]继续参考图1-6,图7示出了根据各种实施方式的示例性PILS 122的部分的横截面 视图。如图3-5中所示的，PILS 122通常可以包括被集成在打印头114上的感测结构364、传 感器电路366以及清洁电阻器电路368 JILS122的感测结构364通常可以按照与液滴生成器 356相同的方式来配置，但是感测结构364包括清洁电阻器电路368和地370以通过PILS腔室 350中的物质(例如，墨水、墨水-空气、空气)为感测电容器(Qi麵)352提供地。因此，如典型的 液滴生成器356，感测结构364包括喷嘴116、液体腔室350、导电元件（例如，设置在液体/墨 水腔室350内的金属板元件354)、板元件354之上的钝化层360、以及位于硅基板344的顶表 面上的绝缘层356(例如，多晶硅玻璃、PSG)。然而，如上参考图1所讨论的，PILS 122可以另 外采用电流源130以及来自未被集成至打印头114上的打印机ASIC126的模数转换器(ADC) 132。反之，打印机ASIC 126例如可以位于打印机系统100的打印机墨盒或电子控制器110 上。
[0043] 在感测结构364内，感测电容器(Q_j)352可以由金属板元件354、钝化层660以及腔 室350的物质或内容来形成。传感器电路366可以将感测电容器(Qi鰂)352并入感测结构352 内。感测电容器352的值可以随腔室350内的物质的改变而改变。腔室350中的物质可以全是 墨水、可以是墨水和空气、或者只是空气。因此，感测电容器352的值随腔室350中的墨水的 液位而改变。当腔室350中存在墨水时，感测电容器352具有良好的到地370的导电性，因此 电容值最高(例如，100%)。然而，当在腔室350中不存在墨水(例如，只有空气)时，感测电容 器352的电容降至非常小的值，该值理想地接近于零。当腔室包含墨水和空气时，感测电容 器352的电容值可以是零与100%之间的值。使用感测电容器352的变化的值，墨水液位传感 器电路366可以使得能够确定墨水液位。通常，腔室350中的墨水液位可以指示打印机系统 100的贮液器120中的墨水的墨水液位状态。
[0044] 在一些实施方式中，清洁电阻器电路368可以用于在利用传感器电路366测量墨水 液位之前从PILS感测结构364的腔室350清除墨水和/或墨水剩余物。此后，到贮液器120中 存在墨水的程度，墨水可以流回到腔室中以实现准确的墨水液位测量。如图3-5中所示，在 各种实施方式中，清洁电阻器电路368可以包括包围感测电容器(C_ a)352的金属板元件354 的四个清洁电阻器。每个清洁电阻器368可以与感测电容器(C_〇352的金属板元件354的四 个侧面相邻。清洁电阻器368可以包括热电阻器，其例如由如上所讨论的钽-铝或TaAl和铝 铜或AlCu形成，热电阻器可以提供对墨水的快速加热以产生迫使墨水离开PILS腔室350的 气泡。清洁电阻器电路368可以从腔室350清除墨水，并且从感测电容器(Qi鰂)352去除剩余 的墨水。从液体馈送槽342流回到PILS腔室350中的墨水然后可以通过感测电容器(Q_j) 352 来实现对墨水液位的更准确的感测。在一些实施方式中，在激活清洁电阻器电路368之后控 制器110可以提供延迟，以便在感测PILS腔室350中的墨水液位之前为墨水从液体馈送槽 342流回到PILS腔室350中提供时间。尽管具有包围感测电容器(Qi鰂)352的四个电阻器的清 洁电阻器电路368可以具有为来自感测电容器352和PILS腔室350的墨水提供显著的清洁的 优势，但是还设想了可以在更小或更大的程度上提供对墨水的清洁的其它清洁电阻器配 置。例如，清洁电阻器电路368可以被配置有直线式电阻器配置，其中清洁电阻器彼此成直 线，在PILS腔室350的远离液体馈送槽342的后侧处与感测电容器(Qi鰂)352的金属板元件 354的后边缘相邻。
[0045] 图8是根据各种实施方式的具有用于驱动打印头114的、带有同步数据和激发信号 的非重叠时钟信号（S1-S4)的部分时序图800的示例。时序图800中的时钟信号还可以用于 驱动PILS墨水液位传感器电路366和移位寄存器348的操作，如下所讨论的。
[0046] 图9是根据各种实施方式的PILS 122的示例性墨水液位传感器电路366。通常，传 感器电路366可以采用电荷共享机制来确定PILS腔室350中的墨水的不同液位。传感器电路 366可以包括被配置为开关的两个第一晶体管Tl(Tla、Tlb)。参考图8和图9,在传感器电路 366的操作期间，在第一步骤中时钟脉冲S1用于闭合晶体管开关Tla和Tlb，以将存储器节点 Ml和M2耦合到地并且对感测电容器352和参考电容器900放电。参考电容器900可以是节点 M2与地之间的电容。在这个示例中，参考电容器900可以被实施为评估晶体管T4的固有栅极 电容，并且因此使用虚线来例示。参考电容器900可以另外包括相关联的寄生电容(例如，栅 极-源极重叠电容），而T4栅极电容是参考电容器900中的主电容。使用晶体管T4的栅极电容 作为参考电容器900通过避免在节点M2与地之间制造的特定参考电容器来减少传感器电路 366中的部件的数量。然而，在其它实施方式中，通过包括从M2到地制造的特定电容器（例 如，除了 T4的固有栅极电容)来调节参考电容器900的值可以是有益的。
[0047] 在第二步骤中，S1时钟脉冲终止，断开了 Tla开关和Tib开关。直接在T1开关断开之 后，S2时钟脉冲用于闭合晶体管开关T2。闭合T2将节点Ml耦合到预充电电压Vp(例如，大约+ 15伏特），并且根据等式Q1 = (?麵)*(Vp)而跨感测电容器366放置电荷Q1。此时，M2节点依然 处于零电压电势，因为S3时钟脉冲被关断。在第三步骤中，S2时钟脉冲终止，断开了T2晶体 管开关。直接在断开T2开关之后，S3时钟脉冲闭合晶体管开关T3,将节点Ml和M2耦合到彼此 并且在感测电容器352与参考电容器900之间共享电荷Q1。根据以下等式，在感测电容器212 与参考电容器900之间共享的电荷Q1在节点M2处产生参考电压Vg，该节点M2也位于评估晶 体管T4的栅极处：
[0048]
[0049] Vg保持在M2处，直到另一个周期从时钟脉冲S1使存储器节点Ml和M2接地开始为 止。M2处的Vg接通评估晶体管T4,其在ID 902(晶体管T4的漏极)处实现测量。在这个实施方 式中，假设晶体管T4被偏置成线性操作模式，其中T4充当其值与栅极电压Vg(例如，参考电 压)成比例的电阻器。通过在ID 902处推动小电流(例如，约为1毫安的电流)来确定从漏极 到源极(耦合到地）的T4电阻。另外参考图1，ID 902耦合到电流源，例如打印机ASIC 126中 的电流源130。当在ID处施加电流源时，通过ASIC 126测量ID 902处的电压(VID)。诸如在控 制器110或ASIC 126上执行的1?鰂模块128之类的固件可以使用ID 902处的电流和VID将VID 转换成从T4晶体管的漏极到源极的电阻Rds。打印机ASIC 126中的ADC132随后确定电阻Rds 的相对应的数字值。电阻Rds基于晶体管T4的特性实现了关于Vg的值的推断。基于Vg的值， 可以根据以上所示的用于Vg的等式来找到(?麵的值。然后可以基于化麵的值来确定墨水的液 位。
[0050] 一旦确定了电阻Rds，则存在可以找到墨水液位的各种方式。例如，可以将所测量 的Rds值与Rds的参考值或者实验确定的与特定墨水液位相关联的Rds值的表格进行比较。 在没有墨水(例如，"干"信号）或者非常低的墨水液位的情况下，感测电容器352的值非常 低。这导致非常低的Vg(约为1.7伏特），并且评估晶体管T4关断或者接近关断(例如，T4被切 断或者处于亚阈值操作区）。因此，穿过T4从ID到地的电阻Rds将非常高(例如，1.2mA的ID电 流，Rds典型地高于12k欧姆）。相反，在高墨水液位(例如，"湿"信号）的情况下，感测电容器 352的值接近其值的100%，导致Vg的高值(约为3.5伏特）。因此，电阻Rds为低。例如，在高墨 水液位的情况下，Rds低于lk欧姆，并且典型地为几百欧姆。
[0051] 图10是根据各种实施方式的可以形成感测电容器352的部分的示例性PILS感测结 构364的横截面视图，示例性PILS感测结构364例示了感测电容器352和金属板354下方的内 在寄生电容Cpl(1072)两者。内在寄生电容Cpl 1072可以由金属板354、绝缘层356以及基板 344形成。如本文所描述的，PILS 122可以基于感测电容器352的电容值来确定墨水液位。当 电压(例如，Vp)被施加至金属板354时，对感测电容器354充电，然而，Cpl 1072电容器也进 行充电。由于这个原因，寄生电容Cpl 1072可以贡献为感测电容器352所确定的电容的约 20%。这个百分比可以取决于绝缘层356的厚度和绝缘材料的介电常数而变化。然而，在 "干"状态下(例如，不存在墨水的情况下)寄生电容Cpl 1072中剩下的电荷可能足以接通评 估晶体管T4。因此，寄生Cpl 1072可以减弱干/湿信号。
[0052]图11是根据各种实施方式的包括寄生消除元件1174的示例性感测结构364的横截 面视图。寄生消除元件1176可以包括导电层1176,例如被设计用于消除寄生电容Cpl 1072 的影响的多晶硅层。在这个配置中，当电压(例如，Vp)被施加至金属板354时，其也可以被施 加至导电层1174。在各种实施方式中，这可以防止电荷在Cpl 1072上发展，以使Cpl被有效 地从对感测电容器212电容的确定中去除/使Cpl与对感测电容器212电容的确定隔离。Cp2 元件1178可以是来自寄生消除元件1174的内在电容。Cp21178可以减缓寄生消除元件1174 的充电速度，并且可以对Cpl 1072的去除/隔离不具有影响，因为存在为元件1174提供的充 足的充电时间。
[0053]图12是根据各种实施方式的具有寄生消除电路1280、清洁电阻器电路368以及移 位寄存器348的示例性PILS墨水液位传感器电路366。如本文中所述，可以在于ID 902处测 量传感器电路366之前激活清洁电阻器电路368,以将墨水和/或墨水剩余物清除出PILS腔 室350。清洁电阻器R1、R2、R3和R4可以如典型的TIJ激发电阻器一样地进行操作。因此，它们 可以通过动态存储器多路复用（DMUX) 1282来进行寻址并且由连接到火线1286的功率FET 1284来驱动。控制器110(图1)例如可以通过执行来自清洁模块134的特定激发指令来控制 穿过火线1286和DMUX 1282的清洁电阻器电路368的激活。
[0054] 典型地，来自多个PILS 122的多个传感器电路366可以连接到公共ID902线。例如， 具有若干液体馈送槽342的彩色打印头管芯/基板344可以具有十二个或更多PILS 122(例 如，每个槽342具有八个PILS 122,如图3-6中所示）。移位寄存器348可以实现将多个PILS传 感器电路366的输出多路复用至公共ID 902线上。在控制器110上执行的PILS选择模块136 可以控制移位寄存器348来提供多个PILS传感器电路366到公共ID 902线上的顺序输出或 者其它有序的输出。图13示出了根据各种实施方式的对多个PILS 122信号进行寻址的移位 寄存器348的另一个示例。在图13中，移位寄存器348包括PILS块选择电路，以对来自十二个 PILS 122的多个PILS信号进行寻址。在彩色管芯上存在三个槽342(342a、342b、342c)，其中 每个槽342具有四个PILS 122。对于包括多于十二个PILS 122的实施方式(例如，每个槽342 包括八个PILS 122的实施方式），移位寄存器348可以被类似地配置为用于对另外的PILS 122进行寻址。通过移位寄存器348来寻址多个PILS信号可以通过检查管芯上的各位置来提 高墨水液位测量的准确度。通常，通过采用移位寄存器348,例如可以通过ASIC 126对源自 多个PILS 122中的被类似地配置的PILS 122(例如，具有相同的电容器板长度和与液体馈 送槽的距离的PILS 122)的测量结果进行比较、取平均或者以其它方式进行数学操控，以便 在确定相应腔室中的墨水液位以及液体喷射设备的墨水液位状态方面提供较高的准确度。
[0055]图14是根据本文中所描述的各种实施方式的与利用打印头集成墨水液位传感器 (PILS)来对液体喷射设备的墨水液位状态进行感测相关的示例性方法1400的流程图。方法 1400可以与本文中参考图1-13所描述的各种实施方式相关联，并且在方法1400中所示的操 作的细节可以在这些实施方式的相关讨论中找到。方法1400的操作可以被体现为被存储在 计算机/处理器可读介质（例如，参考图1所描述的存储器140)上的编程指令。在实施方式 中，方法1400的操作可以通过由处理器(例如，本文中参考图1所描述的处理器138)读取并 执行这种编程指令来实现。注意到，所讨论和/或所例示的各种操作通常可以被称为依次的 多个分立操作，以帮助理解各种实施方式。描述的顺序不应当被解释为暗示这些操作是依 赖于顺序的，除非明确申明。此外，一些实施方式可以包括与所描述的操作相比更多或更少 的操作。
[0056] 方法1400可以起始于或者继续开始多个PILS(例如，第一PILS和第二PILS)的操 作，以感测液体喷射设备在液体喷射设备的打印头管芯的相对应的多个区域处的墨水液位 状态(框1401)。多个PILS可以位于打印头管芯的一个或多个液体馈送槽周围，并且PILS可 以被配置为在液体喷射设备处于不断变化的墨水液位状态时对相应腔室的空墨水液位进 行检测。例如，第一 PILS可以对与液体馈送槽液体连通的第一腔室的墨水液位进行感测，并 且可以在液体喷射设备处于第一墨水液位状态时对第一腔室的空墨水液位进行检测。第二 PILS可以对与液体馈送槽液体连通的第二腔室的墨水液位进行感测，并且可以在液体喷射 设备处于第二墨水液位状态时对第二腔室的空墨水液位进行检测，该第二墨水液位状态不 同于第一墨水液位状态。
[0057]在各种实施方式中，PILS的操作可以包括多个操作，例如包括激活清洁电阻器电 路以从感测腔室清除墨水。在这些实施方式中的一些实施方式中，方法1400可以包括在激 活清洁电阻器电路之后提供延迟，以便使墨水能够从液体馈送槽流回到感测腔室。在从感 测腔室清除墨水之后，方法1400可以继续以将电荷置于存储器节点Ml处的感测电容器上 (例如参见图9和图12以及伴随的描述），并且将Ml耦合到第二存储器节点M2以在感测电容 器与参考电容器之间共享电荷。共享的电荷可以在M1、M2处以及晶体管栅极处产生参考电 压Vg。然后可以确定跨晶体管漏极至源极的电阻，并且然后可以将该电阻与参考值进行比 较以确定液体喷射设备的墨水液位状态。
[0058]在各种实施方式中，PILS的操作还可以包括移除或消除PILS中所存在的内在寄生 电容(例如参见图10-12以及伴随的描述）。可以通过将电压Vp施加到Ml以将电荷置于感测 电容器上并且然后同时将Vp施加至节点Mp以防止寄生电容电荷在Ml与Mp之间发展来实现 这一点。
[0059]方法1400可以继续至框1403,控制液体喷射设备上的移位寄存器来将来自多个 PILS的输出多路复用至公共ID线上。在框1405处，然后可以通过使用来自多个PILS的输出 来确定PILS的墨水液位以及液体喷射设备的墨水液位状态。这例如可以通过在由AS IC 126 或控制器110所执行的算法中将来自多个PILS中的被类似地配置的PILS(例如，具有相同的 电容器板长度以及离液体馈送槽的距离的PILS)的多个输出进行取平均来实现。例如，在一 些实施方式中，方法1400可以包括：当第一PILS感测到与液体馈送槽液体连通的第一腔室 的非空墨水液位并且第二PILS感测到与液体馈送槽液体连通的第二腔室的非空墨水液位 时确定第一墨水液位状态，当第一PILS感测到第一腔室的空墨水液位并且第二PILS感测到 第二腔室的非空墨水液位时确定第二墨水液位状态，并且当第一 PILS感测到第一腔室的空 墨水液位并且第二PILS感测到第二腔室的空墨水液位时确定第三墨水液位状态。
[0060]尽管本文中已经例示并描述了某些实施方式，但是本领域技术人员意识到，被计 算以实现相同目的的多种替代和/或等同的实施方式可以被替换为所示和所描述的实施方 式，而不偏离本公开内容的范围。本领域技术人员很容易意识到，可以以各种方式来实施实 施方式。本申请旨在涵盖本文中所讨论的实施方式的任何添加或变形。因此，其显然旨在仅 由权利要求及其等同形式来限制实施方式。
【主权项】
1. 一种液体喷射设备，包括： 液体馈送槽，所述液体馈送槽形成于打印头管芯中； 第一打印头集成墨水液位传感器(PILS)，所述第一打印头集成墨水液位传感器(PILS) 用于感测与所述液体馈送槽液体连通的第一腔室的墨水液位，所述第一 PILS用于在所述液 体喷射设备处于第一墨水液位状态时检测所述第一腔室的空墨水液位;以及 第二PILS，所述第二PILS用于感测与所述液体馈送槽液体连通的第二腔室的墨水液 位，所述第二PILS用于在所述液体喷射设备处于第二墨水液位状态时检测所述第二腔室的 空墨水液位，所述第二墨水液位状态不同于所述第一墨水液位状态。2. 根据权利要求1所述的液体喷射设备，其中，所述第一PILS包括具有第一板长度的第 一感测电容器板，并且其中，所述第二PILS包括具有第二板长度的第二感测电容器板，所述 第二板长度不同于所述第一板长度。3. 根据权利要求2所述的液体喷射设备，其中，所述第一感测电容器板和所述第二感测 电容器板离所述液体馈送槽的边缘的距离相同。4. 根据权利要求2所述的液体喷射设备，其中，所述第一感测电容器板离所述液体馈送 槽的边缘第一距离，并且其中，所述第二感测电容器板离所述液体馈送槽的所述边缘第二 距离，所述第二距离不同于所述第一距离。5. 根据权利要求1所述的液体喷射设备，其中，所述第一PILS包括第一感测电容器板， 所述第一感测电容器板离所述液体馈送槽的边缘第一距离，并且其中，所述第二PILS包括 第二感测电容器板，所述第二感测电容器板离所述液体馈送槽的所述边缘第二距离，所述 第二距离不同于所述第一距离。6. 根据权利要求5所述的液体喷射设备，其中，所述第一感测电容器板和所述第二感测 电容器板具有相同的板长度。7. 根据权利要求1所述的液体喷射设备，还包括移位寄存器，所述移位寄存器用于在所 述第一 PILS与所述第二PILS之间选择至公共ID线上的输出。8. 根据权利要求1所述的液体喷射设备，还包括第三PILS和第四PILS，其中，所述第一 PILS、所述第二PILS、所述第三PILS和所述第四PILS位于所述液体馈送槽的周围，所述第一 PILS、所述第二PILS、所述第三PILS和所述第四PILS中的每个位于所述液体馈送槽的不同 角的附近。9. 根据权利要求1所述的液体喷射设备，其中，所述第一墨水液位状态是空墨水液位状 态，并且所述第二墨水液位状态是非空墨水液位状态。10. 根据权利要求1所述的液体喷射设备，其中，所述第一PILS和所述第二PILS中的每 个都包括： 感测电容器，所述感测电容器的电容随所述腔室中的墨水液位而改变； 开关T2,所述开关T2用于将电压Vp施加至所述感测电容器，将电荷置于所述感测电容 器上； 开关T3,所述开关T3用于在所述感测电容器与参考电容器之间共享电荷，产生参考电 压Vg;以及 评估晶体管，所述评估晶体管被配置为提供与所述参考电压成比例的漏极至源极电 阻。11. 一种液体喷射设备，包括： 多个打印头集成墨水液位传感器(PILS)，所述多个打印头集成墨水液位传感器(PILS) 包括第一 PILS和第二PILS，所述第一 PILS用于感测与液体馈送槽液体连通的第一腔室的墨 水液位，所述第一 PILS用于在所述液体喷射设备处于第一墨水液位状态时检测所述第一腔 室的空墨水液位，所述第二PILS用于感测与所述液体馈送槽液体连通的第二腔室的墨水液 位，所述第二PILS用于在所述液体喷射设备处于第二墨水液位状态时检测所述第二腔室的 空墨水液位，所述第二墨水液位状态不同于所述第一墨水液位状态； 移位寄存器，所述移位寄存器用于在所述第一 PILS与所述第二PILS之间选择至公共ID 线上的输出；以及 控制器，所述控制器用于控制所述移位寄存器，以在所述第一PILS与所述第二PILS之 间选择至公共ID线上的输出。12. 根据权利要求11所述的液体喷射设备，还包括清洁电阻器电路，所述清洁电阻器电 路设置在所述第一腔室内以清洁腔室的墨水，并且其中，所述控制器用于控制对所述清洁 电阻器电路的激活。13. 一种制造品，包括： 处理器可读非暂态存储介质；以及 多个编程指令，所述多个编程指令存储在所述存储介质中，以响应于由处理器执行所 述编程指令而使液体喷射设备执行多个操作，所述多个操作包括： 开始对与所述液体喷射设备的液体馈送槽液体连通的第一腔室的第一打印头集成墨 水液位传感器(PILS)以及与所述液体馈送槽液体连通的第二腔室的第二PILS的操作，以感 测所述液体喷射设备的墨水液位状态； 控制所述液体喷射设备上的移位寄存器，以将来自所述第一 PILS和所述第二PILS的输 出多路复用至公共ID线上；以及 基于由所述第一 PILS和所述第二PILS所感测的不同墨水液位，根据所述输出来确定所 述液体喷射设备的所述墨水液位状态。14. 根据权利要求13所述的制造品，其中，所述确定包括:基于由所述第一PILS所感测 的非空墨水液位以及由所述第二PILS所感测的空墨水液位来确定所述液体喷射设备的液 位状态。15. 根据权利要求13所述的制造品，其中，所述确定包括：当所述第一PILS感测到所述 第一腔室的非空墨水液位并且所述第二PILS感测到所述第二腔室的非空墨水液位时确定 第一墨水液位状态，当所述第一 PILS感测到所述第一腔室的空墨水液位并且所述第二PILS 感测到所述第二腔室的非空墨水液位时确定第二墨水液位状态，并且当所述第一 PILS感测 到所述第一腔室的空墨水液位并且所述第二PILS感测到所述第二腔室的空墨水液位时确 定第三墨水液位状态。
【文档编号】B41J2/04GK105873765SQ201480072035
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年1月3日
【发明人】葛宁, P·伦纳德
【申请人】惠普发展公司，有限责任合伙企业