专利名称：流体喷射装置及其系统以及检测该装置中墨水存量的方法
技术领域：
本发明涉及一种流体喷射装置，特别是涉及一种具有压电感测器的流体喷射装置及其系统，以检测墨水腔中墨水存量。
背景技术：
微流体喷射装置近来已广泛地运用于信息产业，例如喷墨打印机或类似设备中。随着微系统工程(micro system engineering)的逐步开发，此种流体喷射装置逐渐有其它众多领域的应用，例如燃料喷射系统(fuel injectionsystem)、细胞筛选(cell sorting)、药物释放系统(drug delivery system)、喷印光刻技术(print lithography)及微喷射推进系统(micro jet propulsion system)等。在上述各应用领域中，较为成功的一种设计是使用热驱动气泡方式以喷射出液滴的方法。由于其设计简单且成本低廉，因此在使用上也最为普遍。
在打印数据时，传统的喷墨装置依墨水喷出的方式，可区分成连续式(continuous)与选择喷射式(drop-on-demand)两种形式。但不论何者打印形式，检测墨腔内的墨水残存量，以提供墨水匣更换的依据，为重要的研究课题。若墨匣内存墨过少，除造成低劣的打印品质外，对墨滴的驱动喷射装置，如加热器而言，也会因空烧现象而对喷墨装置造成伤害。
针对检测墨水匣内的墨水残存量的需求，美国专利U.S.Pat.No.5,699,090号专利Wade等人揭露一种热气泡(thermal bubble)驱动式喷墨装置，通过一喷墨芯片内的热感测器测量电阻变化相对于温度变化的关系。
请参阅图1，控制器111在接收及处理打印数据后，传送一打印控制信号至喷墨头驱动装置113。电压控制电源供应器115提供一控制电压Vs至喷墨头驱动装置113，控制电压Vs的大小由电压控制电源供应器115所控制。由控制器111所控制的喷墨头驱动装置113提供一驱动电压脉冲VP至一热驱式喷墨头119的加热器电阻117，进行流体喷射。接着，利用喷墨芯片的温度感测电阻(temperature sensing resistor)123，对比做为喷墨芯片中各加热器电阻117的参考值，而输出一模拟信号至模拟/数字转换装置125，进而对控制器111做最佳化的喷墨条件设定。
依据习知技术，于墨水喷射过程中所测得残墨量与温度变化趋势的关系，如图2所示。由此得到墨水匣内墨水存量的检测结果可做为后续喷墨的依据。然而，现有技术中，对电阻感测器的材料选用，线路布局与感测位置的选取，都会影响测量结果。此外，感测器本身为温度感测器，其电路因电流通过所造成的加热效应，也会造成测量温度的误差。所以，此种通过电阻式感测器温度变化趋势，转换成电压输出，进而测得墨水匣中墨水存量的检测效果，实有先天上的限制性。更遑论将此类感测原理，无法用于非热气泡式的喷墨装置。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有压电感测器的流体喷射装置，以感测流体腔上方的结构层的共振特性。
本发明的另一目的在于提供一种检测流体喷射装置中墨水存量的方法，通过结构层在填充墨水与无填充墨水状态下的振动特性不同，以一压电感测器，可同步检测墨水腔中墨水存量。
根据上述目的，本发明提供一种具有感测器的流体喷射装置，包括一流体喷射装置以及一感测器。流体喷射装置包括一流体腔于一基底中，用以容纳流体其上有一第一层；至少一气泡产生装置，设置在该第一层上且于该流体腔的相对侧；及一喷孔，邻近该气泡产生装置且穿透该与该第一层，且与该流体腔连通。该感测器包括压电感测器或薄膜共振器设置于该第一层上，用以测量该流体腔流体的存量。
本发明另提供一种流体喷射系统，包括一墨水储存槽、一流体喷射芯片包括多个流体喷射装置、以及至少一感测器。各个流体喷射装置包括一流体腔连通该墨水储存槽，用以容纳一流体，其上有一第一层；至少一气泡产生装置，设置在该第一层上且于该流体腔的相对侧；及一喷孔，邻近该气泡产生装置且穿透该与该第一层，且与该流体腔连通。该至少一感测器设置于该些流体喷射装置，其中之一的该第一层上，用以测量该流体腔流体的存量。
本发明又提供一种检测流体喷射装置中墨水存量的方法，该流体喷射装置包括一流体腔其上有一结构层与至少一流体致动装置设置于该结构层上。该检测方法包括利用一压电感测装置测量该结构层的共振性质，并输出一信号；以及接收该信号，据以驱动该流体致动装置。
以下配合图式以及较佳实施例，以更详细地说明本发明。
图1为现有检测流体喷射装置方法的方块图；图2为现有墨水喷射过程中所测得残墨量与温度变化趋势的关系图；图3A为本发明实施例的压电感测器的上视图；图3B为压电感测器设置于流体腔上方的剖面示意图；图3C为图3B的流体感测单元于填充墨水状态的剖面示意图；图4为本发明实施例的流体喷墨系统的示意图；图5为图4中喷墨芯片的结构示意图；图6A-图6B为喷墨芯片于流体填充状态时，沿AA切割线的的剖面示意图；图7A-图7B为本发明实施例的具压电感测器的喷墨芯片于流体填充状态时，沿BB切割线的剖面示意图；图8A为本发明实施例的压电感测器于无墨水填充流体腔时，所测得反射损失与共振频率的示意图；图8B为本发明实施例的感测器于墨水填充时所测得反射损失与共振频率的示意图；图9为本发明另一实施范例的喷墨芯片的上视图；图10为本发明又一实施例的喷墨芯片的上视图；图11为图10的具压电感测器的喷墨芯片于流体填充状态时，沿CC切割线的剖面示意图；图12为本发明实施例的检测流体喷射装置中墨水存量的方法的方块图。
具体实施例方式
以下为本发明所述的具有压电感测器的流体喷射装置及控制其喷射品质的方法的实施例，兹配合附图及标号，详细说明如下。
图3A显示根据本发明实施例的压电感测器的上视图。图3B显示压电感测器设置于流体喷射装置上的剖面示意图。图3C显示图3B的流体喷射装置于填充墨水状态的剖面示意图。
请参阅图3A与图3B，单石化(monolithic)流体感测单元10S包括一基底1，例如单晶硅晶片，在基底1中形成一流体腔5。基底1与流体腔5上有一结构层3。结构层3为一低应力的薄膜，例如低应力的氮化硅(low stressSi3N4)薄膜。
接着，在结构层3上，形成一第一电极22，例如金、铝、铂或其它导电金属或合金。在第一电极22上方，设置一压电材料层4，例如氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、钛酸铅(PT)、钛酸缌钡(BST)、锆酸铅(PZT)、或上述材料的组合。而压电材料层4上方，接着镀着第二电极21，例如金、铝、铂或其它导电金属或合金。
压电感测器2即由第一电极22、压电材料层4与第二电极21所组成。压电感测器2通过压电层4处的开孔(via)23进行信号测量。由于单石化流体感测单元的流体腔内有无墨水存量与压电层的弹性波波速高低有直接关系。因此，通过关压电感测器2直接测量弹性波于压电层上波速变化的差异，做为判定流体腔5中是否有流体存在的依据。接下来，就本发明实施例详细述说明具有压电感测器的流体喷射装置。
图4显示根据本发明实施例的流体喷墨系统的示意图。流体喷墨系统30包括一喷墨芯片7与一墨水匣8。包括多个流体喷射单元10A，流体由该墨水匣8，经过滤网(filter)、导墨管(stand pipe)引导进入喷墨芯片7的歧管(manifold)11，再进入流体喷射装置10的墨水腔5内以供喷墨。各个流体喷射单元的流体腔5与岐管11的距离各不相同。
图5显示图4中喷墨芯片7的结构示意图。喷墨芯片7为单石化流体喷射结构，利用微机电(MEMS)制作工艺，光刻蚀刻单晶硅晶片完成。喷墨芯片7包括多个流体喷射单元10A。流体由该墨水储存槽，经由岐管11填充至各个流体喷射单元的流体腔中。各个流体喷射单元10A的流体腔与岐管11距离各不相同。压电感测器2设置于最远离该岐管11的流体腔上方，以形成一流体感测单元。
图6A-图6B显示喷墨芯片于流体填充状态时，沿AA切割线的的剖面示意图。请参阅图6A，当墨水匣内的墨水含量充足时，墨水回填顺畅，加热器15加热流体腔内墨水，驱动液滴12自喷孔16喷出，液滴12的大小均匀，且飞行轨迹都可维持特定方向。反之，请参阅图6B，当墨水匣内墨水不足时，各流体腔5内的墨水回填状况无法掌握，所造成的现象，轻则墨点不均、方向不一12’，重则根本无法喷出墨滴。
图7A-图7B显示本发明实施例的具压电感测器2的喷墨芯片7于流体填充状态时，沿BB切割线的剖面示意图。由下电极22、压电材料4、及上电极21叠层结构所构成的感测器2，用以检测墨水于流体腔中的存量。喷墨芯片7结构的制造方法，包括单晶硅晶片基底1上，依序沉积牺牲层(未图标)、结构层3、加热器15与蚀刻形成歧管11、流体腔5及喷孔16，以形成流体喷射单元。若流体腔上方以压电感测器2取代加热器与喷孔，则形成流体感测单元10S。
感测器2的制造方法步骤包括制作下电极22于结构层上、沉积压电层于下电极上、接着再形成上电极21于压电层上，最后在压电层4上开一小孔23以方便测量。整个感测器的结构层下方，填充墨水的流体腔5，以提供墨水流入进行检测。
请参阅图7A，压电感测器2设置在最远离该岐管11中线的流体腔上。亦即Dh＜Ds，其中Dh、Ds分别为歧管11中线至距离最远的流体腔的喷孔16、与歧管11中线至感测器2的距离。
请参阅图7B，由于压电感测器2设置在距歧管7最远的流体腔上。当墨水逐渐减少之际，感测器2下方的流体腔5，会比其它距歧管较近的流体腔5，先发生墨水填充不足的现象。
前述的压电感测器2，也可视为一薄膜共振器(thin film bulk acousticresonator，简称FBAR)，且压电感测器2的共振频率，与波速及波长的关系如下f=vλ=v2d]]>式一其中，f为无墨水存在时薄膜共振器的共振频率、v为无墨水存在时，压电层的纵波波速(longitudinal wave velocity)、λ为波长、d为压电薄膜厚度。第8A图系显示根据本发明实施例之压电感测器2于无墨水填充流体腔时，所测得反射损失(return loss)S11与共振频率的示意图。标号41乃为无墨水存在时的反射损失(return loss)S11信号示意图。
由于上述振荡模态是由于纵波共振所造成，因此在压电材料层上方若有墨水存在，则会造成重量变化(mass loading)，而产生类似阻尼效应(damping effect)一般，造成侧体波波速变化，而使得薄膜共振器的共振频率偏移，以及品质系数(Q factor)的下降f′=v′λ=v′2d]]>式二其中，f′为墨水存在时薄膜共振器的共振频率、v′为墨水存在时的纵波波速、λ为波长、d为压电薄膜厚度。图8B为显示根据本发明实施例的感测器于墨水填充时所测得反射损失(return loss)S11与共振频率的示意图。标号51为墨水存在时的反射损失S11信号示意图。利用上述原理，即可通过感测器感测的波速、共振频率或品质系数的变化，提供墨水腔内是否含墨的检测结果。
图9根据本发明另一实施范例的喷墨芯片的上视图。请参阅图9，至少一个压电感测器，例如三个压电感测器61、62、63分别设置于不同长度的墨水腔91、92、93上方。其中墨水腔91与92距离歧管中线的长度，分别为全部墨水腔中距歧管11最短与最长者。而墨水腔93的长度，则超过墨水腔92。故当感测器63的共振频率发生变化时，可知墨水匣内的墨水已有减少，且略有影响回填之虞。当感测器62也发生频率变化时，可推得喷墨机制内已有部分墨水腔，会因墨水填充不足，而造成不良的打印现象。当全部感测器61、62、63，都产生频率变化时，即需提醒使用者，进行墨水匣更换动作。前述所测量的信号，更可经回授处理后，例如经模拟/数字转换装置传送至控制器，提供流体喷射系统，做为变更驱动喷墨条件的依据。相反地，只需将压电感测器进行逆向检测，亦即检测频率变化顺序变更为由压电感测器61至压电感测器62至压电感测器63，即可应用于喷墨装置的灌墨制作工艺检测。
图10显示根据本发明又一实施例的喷墨芯片的上视图。图11显示图10的具压电感测器的喷墨芯片在流体填充状态时，沿CC切割线的剖面示意图。请参阅图10，一虚置流体感测单元10S’，具有一流体腔94不与该岐管11连通，其中该虚置流体感测单元10’离该岐管的距离大于或等于最远离该岐管11的流体喷射单元10。并且，在流体腔94上制作一压电感测器74。由于流体腔94并不与歧管11相连接，且不注入墨水，故流体腔94并不会有墨水填充于其内，如图11所示。因此，可以流体腔94上方的压电感测器74作为频率测量的比较基准。
当喷墨芯片未填充墨水前，四组压电感测器61、62、63、74都表现相同的共振频率响应。在填充墨水之后，也可通过感测器74与其它感测器61、62、63的共振频率比较，得知各流体喷射装置墨水腔内墨水的填充效果。而墨水匣在后续使用过程中，同样可通过各感测器61、62、63与感测器74的频率测量比较，得知墨水匣残墨量的推估。
本发明又提供一种检测流体喷射装置中墨水存量的方法。请参阅图12，一喷墨打印系统200具有以下各装置一控制器220在接收及处理打印数据后，传送一打印控制信号至一喷墨头驱动装置230。一电压控制电源供应器240提供一控制电压Vs至喷墨头驱动线路，控制电压Vs的大小由电压控制电源供应器240所控制。由控制器220所控制的喷墨头驱动装置提供一驱动电压脉冲VP至流体喷射装置210的致动器214，例如热驱式喷墨头的加热器电阻，进行流体喷射。
接着，利用一压电感测装置216测量流体喷射装置210的结构层的共振性质，并输出一信号。由于流体喷射装置的流体腔中是否填充墨水直接影响压电感测装置的共振频率，因此压电感测装置所测量的输出信号可做为驱动流体喷射装置210的依据。接着，通过一模拟/数字信号转换装置250转换成数字信号至控制器220，据以驱动该流体喷射装置210。
本发明特点及效果本发明的特点与效果在于通过一内置于喷墨芯片的压电感测器，对喷墨芯片的流体腔内墨水存量进行有效判断。通过非热电阻式的残墨量检测机制，例如内置一压电感测器(piezoelectric sensor)在流体腔上方，对流体腔内墨水含量进行检测，以避免加热器空烧效应对喷墨组件所造成的影响。
由于压电感测器的操作原理是利用纵波测量，故无论是热气泡，抑或压电致动等流体喷射装置，都可应用本发明，作为实时提醒使用者更换墨水匣或喷墨装置的灌墨制作工艺检测的依据。
虽然结合以上较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作更动与润饰，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种具有感测器的流体喷射装置，包括一流体喷射装置，其包括多个流体腔于一基底中，用以容纳流体其上有一结构层；至少一流体致动装置，设置于该结构层上且位于至少一流体腔的相对侧；及一喷孔，邻近该流体致动装置且穿透该与该结构层，且与该流体腔连通；以及一压电感测器，设置于该结构层上且位于另一流体腔的相对侧，用以检测该流体腔中流体的存量。
2.如权利要求1所述的具有感测器的流体喷射装置，其中该流体致动装置包括一热气泡驱动式流体喷射装置。
3.如权利要求1所述的具有感测器的流体喷射装置，其中该结构层包括一低应力氮化硅层。
4.如权利要求1所述的具有感测器的流体喷射装置，其中该压电感测器包括一第一电极、一压电材料层、及第二电极所构成的叠层结构。
5.如权利要求4所述的具有感测器的流体喷射装置，其中该压电材料层的材质包括氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、钛酸铅(PT)、钛酸缌钡(BST)、锆酸铅(PZT)、或上述材料的组合。
6.一种流体喷射系统，包括一墨水储存槽；一流体喷射芯片，包括多个流体喷射单元，各个流体喷射单元包括一流体腔连通该墨水储存槽，用以容纳一流体，其上有一结构层；至少一流体致动装置，设置于该结构层上且位于该流体腔的相对侧；及一喷孔，邻近该流体致动装置且穿透该与该结构层，且与该流体腔连通；以及至少一具有压电感测器的流体感测单元，在该流体感测单元中，压电感测器置于结构层上，用以测量结构层下方的流体腔中流体的存量。
7.如权利要求6所述的流体喷射系统，其中该些流体致动装置包括一热气泡驱动式流体喷射装置。
8.如权利要求6所述的流体喷射系统，其中该结构层包括一低应力氮化硅层。
9.如权利要求6所述的流体喷射系统，其中该压电感测器包括一第一电极、一压电材料层、及第二电极所构成的叠层结构。
10.如权利要求9所述的流体喷射系统，其中该压电材料层的材质包括氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、钛酸铅(PT)、钛酸缌钡(BST)、锆酸铅(PZT)、或上述材料的组合。
11.如权利要求6所述的流体喷射系统，其中该流体由该墨水储存槽，经由一岐管流入各个流体喷射单元与流体感测单元的该流体腔中；以及其中各个流体腔与该岐管的距离可各不相同。
12.如权利要求11所述的流体喷射系统，其中该压电感测器设置于最靠近该岐管的流体腔上。
13.如权利要求11所述的流体喷射系统，其中该压电感测器设置于最远离该岐管的流体腔上。
14.如权利要求11所述的流体喷射系统，还包括一虚置流体感测单元，具有一流体腔与该岐管连通，其中该虚置流体感测单元离该岐管的距离大于最远离该岐管的流体喷射单元。
15.如权利要求14所述的流体喷射系统，其中该虚置流体感测单元上设置一比较压电感测器。
16.如权利要求11所述的流体喷射系统，更包括一虚置流体感测单元，具有一流体腔不与该岐管连通，其中该虚置流体感测单元离该岐管的距离大于最远离该岐管的流体喷射单元。
17.如权利要求16所述的流体喷射系统，其中该虚置流体感测单元上设置一比较压电感测器。
18.如权利要求6所述的流体喷射系统，更包括一模拟/数字转换器与该压电感测器连接，将该压电感测器测量该结构层的共振信号转换成一数字信号；以及一控制器，比较该数字信号与无墨水填充时测量得到的共振信号，控制该流体致动装置。
19.一种检测流体喷射装置中墨水存量的方法，该流体喷射装置包括一流体腔其上有一结构层与至少一流体致动装置设置于该结构层上，该方法包括下列步骤利用一压电感测装置测量该结构层的共振性质，并输出一信号；以及接收该信号，据以驱动该流体致动装置。
20.如权利要求19所述的检测流体喷射装置中墨水存量的方法，其中该压电感测器包括一第一电极、一压电材料层、及第二电极所构成的叠层结构。
全文摘要
本发明提供一种具有感测器的流体喷射装置，包括一流体喷射装置及一感测器设置。流体喷射装置包括多个流体腔于一基底中，用以容纳流体其上有一第一层；至少一气泡产生装置，设置于该第一层上且在至少一流体腔的相对侧；及一喷孔，邻近该气泡产生装置且穿透该与该第一层，且与具有气泡产生装置的流体腔连通，以形成一流体喷射单元。一感测器包括一压电感测器或薄膜共振器设置在该第一层上且在另一流体腔的相对侧，以形成一流体感测单元，用以测量此另一流体腔内流体的存量。
文档编号B41J2/175GK1966268SQ200510124
公开日2007年5月23日 申请日期2005年11月14日 优先权日2005年11月14日
发明者周忠诚, 林志明 申请人:明基电通股份有限公司