液体水平传感器和相关方法
【专利摘要】在实施例中，液体水平传感器包括传感器板和电流源。液体水平传感器还包括算法，该算法用于对电流源进行偏置使得应用于传感器板的电流引起干传感器板条件与湿传感器板条件之间的响应电压的最大差。
【专利说明】液体水平传感器和相关方法
【背景技术】
[0001]出于多种原因，期望用于各种类型的喷墨打印机的墨水供应贮存器中准确的墨水水平感测。例如，感测正确的墨水水平并提供A液体盒中剩下的墨水量的对应指示允许打印机用户准备替换耗尽的墨盒。准确的墨水水平指示还有助于避免浪费墨水，因为不准确的墨水水平指示经常导致对仍包含墨水的墨盒的过早替换。另外，打印系统可以使用墨水水平感测来触发某些动作，这些动作有助于防止可能由于不足的供应水平而导致的低质量打印。
[0002]尽管存在多种可用于确定贮存器或液体室中的液体水平的技术，但是关于它们的准确性和成本仍然存在各种挑战。
【专利附图】
【附图说明】
[0003]现在将通过示例的方式参照附图来描述本实施例，其中:
图1示出根据实施例的体现为喷墨打印系统的液体喷射设备，其适于并入液体水平传感器；
图2示出根据实施例的具有形成在硅片(silicon die)衬底中的单个液体槽的TIJ打印头的一端的底视图；
图3示出根据实施例的示例液体液滴生成器的横截面视图；
图4示出根据实施例的当在灌注(priming)操作期间在传感器板上收回墨水时MEMS结构在不同阶段的部分顶视图和侧视图；
图5不出根据实施例的墨水水平传感器电路的闻级框图的不例；
图6示出根据实施例的范围选择电路；
图7示出根据实施例的作为黑盒元件的墨水水平传感器；
图8示出根据实施例的干响应曲线、湿响应曲线和在输入激励的范围上的差异曲线； 图9示出根据实施例的弱干响应曲线、弱湿响应曲线和弱差异曲线；
图10示出根据实施例的影响弱湿和干响应曲线的处理和环境变化的示例；
图11根据实施例重叠来自图10的湿-干差异信号并示出针对激励绘制的差异，其图示由处理和环境引起的漂移；
图12示出根据实施例的基于响应而非激励的差异信号曲线；
图13和14示出根据实施例的感测液体水平的示例方法的流程图。
【具体实施方式】
[0004]问题和方案概览
如上文所提到的，存在多种可用于确定贮存器或液体室中的液体水平的技术。例如，棱镜已经用于在墨盒中反射或折射光束以生成电和/或用户可视的墨水水平指示。反压指示器是用于确定贮存器中的液体水平的另一种方式。一些打印系统对从喷墨打印盒喷射的滴数进行计数作为确定墨水水平的方式。又一种技术使用液体的电传导性作为打印系统中的水平指示器。然而，关于改进液体水平感测系统和技术的准确性和成本，仍然存在挑战。
[0005]本公开的实施例提供了对现有墨水水平感测技术进行改进的液体水平传感器和相关方法。所公开的传感器和方法包括具有液体元件、传感器电路和偏置技术的MEMS结构，所述偏置技术用于在最优操作点处对电路进行偏置。对电路进行偏置的操作点使能干墨水条件(即，不存在墨水)和湿墨水条件(即，墨水存在)之间的最大输出差异信号。传感器电路包括在液体通道中的传感器板。(例如当喷吐(spitting)或灌注时)施加在通道中的墨水上的反压从喷嘴收回墨水并将其通过传感器板上的通道拉回，从而将板暴露于空气。该电路包括电流源，用于向传感器板供应电流并引起跨该板的电压响应。跨该板测量的电压响应提供板是湿的(即，指示液体通道中存在墨水)还是干的(即，指示在液体通道中存在空气)的指示。偏置技术采用算法来在最优点处对电流源进行偏置，在最优点处，供应给传感器板的电流量在弱信号条件下引起在湿和干板条件之间的跨传感器板的最大差动电压(differential voltage) 口向应。
[0006]所公开的液体水平传感器和相关方法的优点包括对来自MEMS结构(例如，液体通道和墨水室)中留下的残渣的污染的高容限，这使能在湿和干条件之间的准确指示。传感器成本是受控制的，因为其对放置在现有热喷墨打印头上的电路和MEMS结构的使用。电路的大小使得其可以放置在几个喷墨喷嘴的空间中。
[0007]在一个实施例中，液体水平传感器包括具有传感器板和电流源的传感器电路。液体水平传感器还包括具有处理器可执行指令的算法，用于对电流源进行偏置使得从电流源应用于传感器板的电流引起在干传感器板条件与湿传感器板条件之间响应电压的最大差
巳
[0008]在一个实施例中，液体水平传感器包括电流源和用于将输入代码转换成用于电流源的偏置电压的DAC (数模转换器)。传感器还包括传感器板和用于从电流源向传感器板应用电流的开关。测量模块通过将传感器板上的响应电压与阈值进行比较来确定湿或干传感器板条件。
[0009]在另一实施例中，感测液体水平的方法包括在湿和干条件下向传感器电路应用激励电压。激励电压具有从最小至最大电压的范围。该方法包括测量激励范围上的湿响应和干响应。确定湿和干响应之间的差异响应，并在差异响应中定位峰值差异。该方法然后确定对应于峰值差异的峰值激励电压。
[0010]在另一实施例中，感测液体水平的方法包括对电流源进行偏置使得电流将引起在湿传感器板条件与干传感器板条件之间跨传感器板的最大电压变化。该方法还包括将电流应用于传感器板、对跨传感器板的响应电压进行采样、将响应电压与阈值电压进行比较，以及基于比较来确定干传感器板条件。
[0011]说明性实施例
图1图示了根据本公开的实施例的体现为喷墨打印系统100的液体喷射设备，其适于实现本文所公开的液体水平传感器和方法。在该实施例中，将液体喷射组件公开为液体液滴喷出打印头114。喷墨打印系统100包括喷墨打印头组件102、墨水供应组件104、安装组件106、介质运送组件108、电子打印机控制器110，以及向喷墨打印系统100的各种电气部件提供功率的至少一个电源112。喷墨打印头组件102包括至少一个液体喷射组件114(打印头114)，其通过多个孔口或喷嘴116朝打印介质118喷射墨滴从而在打印介质118上进行打印。打印介质118可以是任何类型的合适片材或卷料，诸如纸张、卡片材料(cardstock)、透明胶片(transparencies)、聚酯、胶合板、泡沫板、织物、帆布等等。喷嘴116典型地布置在一个或多个列或阵列中，使得来自喷嘴116的墨水的适当连续喷射使得当喷墨打印头组件102与打印介质118相对于彼此移动时将字符、符号和/或其他图形或图像打印在打印介质118上。
[0012]墨水供应组件104向打印头组件102供应液体墨水并且包括用于存储墨水的贮存器120。墨水从贮存器120流到喷墨打印头组件102。墨水供应组件104和喷墨打印头组件102可以形成单向墨水传递系统或再循环墨水传递系统。在单向墨水传递系统中，在打印期间消耗供应到喷墨打印头组件102的基本上所有墨水。然而，在再循环墨水传递系统中，在打印期间仅消耗供应到打印头组件102的墨水的一部分。在打印期间未消耗的墨水返回到墨水供应组件104。
[0013]在一个实施例中，墨水供应组件104经由诸如供应管的接口连接在正压下通过墨水调节组件105将墨水供应到喷墨打印头组件102。例如，墨水供应组件104包括贮存器120、泵和压力调整器(未具体图示)。可以移除、替换和/或重新填充贮存器120。墨水调节组件105中的调节可以包括过滤、预加热、压力波动(pressure surge)吸收以及排气。在负压下将墨水从打印头组件102吸取到墨水供应组件104。选择至打印头组件102的入口和出口之间的压力差以在喷嘴116处实现正确的反压，并且该压力差通常是介于负1〃和负10〃H20之间的负压。然而，当(例如贮存器120中的)墨水供应接近其寿命终止时，在打印或灌注操作期间施加的反压增加。增加的反压足够强以从喷嘴116收回墨水弯液面(meniscus)并向后通过MEMS结构的液体通道。在一个实施例中，打印头114包括墨水水平传感器206 (图2)，其对于墨水供应的寿命终止而使用增加的反压和收回的弯液面来提供准确的墨水水平指不。
[0014]安装组件106相对于介质运送组件108来定位喷墨打印头组件102，并且介质运送组件108相对于喷墨打印头组件102来定位打印介质118。因此，打印区122被限定相邻于喷墨打印头组件102与打印介质118之间的区域中的喷嘴116。在一个实施例中，喷墨打印头组件102是扫描类型的打印头组件。这样，安装组件106包括滑动架(carriage)，用于相对于介质运送组件108移动喷墨打印头组件102以扫描打印介质118。在另一实施例中，喷墨打印头组件102是非扫描类型的打印头组件。这样，安装组件106相对于介质运送组件108将喷墨打印头组件102固定在规定位置，而介质运送组件108相对于喷墨打印头组件102来定位打印介质118。
[0015]电子打印机控制器110典型地包括处理器、固件、软件、包括易失性和非易失性存储器部件的一个或多个存储器部件，以及用于与喷墨打印头组件102、安装组件106和介质运送组件108通信并控制它们的其他打印机电子设备。电子控制器110从诸如计算机的主机系统接收数据124，并将数据124临时存储在存储器中。典型地，数据124沿着电子、红夕卜、光学或其他信息传送路径被发送到喷墨打印系统100。数据124例如表示要打印的文档和/或文件。这样，数据124形成喷墨打印系统100的打印工作并包括一个或多个打印工作命令和/或命令参数。
[0016]在一个实施例中，电子打印机控制器110控制喷墨打印头组件102来进行从喷嘴116的墨滴喷射。因此，电子控制器110限定喷射的墨滴的模式，所述喷射的墨滴在打印介质118上形成字符、符号和/或其他图形或图像。喷射的墨滴的模式由来自数据124的打印工作命令和/或命令参数来确定。在一个实施例中，电子控制器110包括偏置算法126，其具有在控制器110上执行的可执行指令。偏置算法126执行以控制墨水水平传感器206(图2)并确定最优操作/偏置点，该最优操作/偏置点产生来自传感器206的在湿条件(SP，当存在墨水时)与干条件(当存在空气时)之间的最大电压响应。电子控制器110附加地包括测量模块128，其具有在控制器110上执行的可执行指令。在确定最优偏置点之后，测量模块128执行以启动测量周期，该测量周期控制墨水水平传感器206并基于测量的时间段来确定墨水水平，在所述测量的时间段期间，干条件在MEMS结构的液体通道中持续。
[0017]在所描述的实施例中，喷墨打印系统100是按需滴墨(drop-on-demand)热喷墨打印系统，其具有适于实现本文所公开的墨水水平传感器的热喷墨(TIJ)打印头114。在一种实现中，喷墨打印头组件102包括单个TIJ打印头114。在另一种实现中，喷墨打印头组件102包括TIJ打印头114的宽阵列。尽管与TIJ打印头相关联的制造工艺很好地适于所公开的墨水水平传感器的集成，但是诸如压电打印头的其他打印头类型也可以实现此类墨水水平传感器。因此，所公开的墨水水平传感器并不限于TIJ打印头114中的实现。
[0018]图2示出了根据本公开的实施例的具有形成在硅片衬底202中的单个液体槽200的TIJ打印头114的一端的底视图。尽管将打印头114示出为具有单个液体槽200，但是本文讨论的原理并不限于它们对具有刚好一个槽200的打印头的应用。相反，其他打印头配置也是可能的，诸如具有两个或更多液体槽的打印头或使用用于将墨水带入液体通道和室的各种大小的孔的打印头。液体槽200是在衬底202中形成的长槽，其与诸如液体贮存器120的液体供应液体连通。液体槽200具有沿槽两侧布置的液体液滴生成器300，其包括液体室204和喷嘴116。如下文参照图3所讨论的，衬底202位于室层和喷嘴层之下，所述室层具有液体室204，所述喷嘴层具有形成在其中的喷嘴116。然而，出于说明的目的，假设图2中的室层和喷嘴层是透明的以便示出下面的衬底202。因此，使用虚线图示图2中的室204和喷嘴116。
[0019]除了沿槽200的侧布置的液滴生成器300，TIJ打印头114还包括一个或多个液体(墨水)水平传感器206。液体水平传感器206 —般地包括MEMS结构和集成的传感器电路208。MEMS结构例如包括液体槽200、液体通道210、液体室204和喷嘴116。传感器电路208包括位于液体通道210底部(floor)上的传感器板212和其他电路214。其他电路214例如包括电流源、缓冲放大器、DAC (数模转换器)、ADC (模数转换器)和测量电路。传感器板212是例如由钽形成的金属板。其他电路214的部分，诸如ADC和测量电路，可以不全都在衬底202上的一个位置，而代之以可以在衬底202上分布在不同位置。下文参照图4和5来更详细地讨论液体传感器206和传感器电路208。
[0020]图3示出了根据本公开的实施例的示例液体液滴生成器300的横截面视图。每个液滴生成器300包括喷嘴116、液体室204和安置在液体室204中的点火(firing)元件302。喷嘴116形成在喷嘴层310中并且一般布置为沿液体槽200的侧形成喷嘴列。点火元件302是在硅衬底202的顶表面上的绝缘层304 (例如，多晶硅玻璃，PSG)上由金属板(例如，招化钽，TaAl)形成的热敏电阻器。在点火元件302上的钝化层306保护点火元件以免受室204中的墨水的影响，并且充当机械钝化或保护空穴(cavitation)屏障结构以吸收坍塌的气泡的冲击。室层308具有壁和室204，其将衬底202与喷嘴层310分离。[0021]在打印期间，通过对应喷嘴116从室204喷射液体液滴，并且然后用从液体槽200循环的液体来重新填充室204。更具体地，电流经过电阻器点火元件302，从而导致该元件的快速加热。使与钝化层306相邻的覆盖点火元件302的薄液体层过热且将其汽化，从而在对应点火室204中产生汽泡。快速膨胀的汽泡迫使液体液滴从对应喷嘴116离开。当加热元件冷却时，汽泡快速坍塌，从而从液体槽200吸取更多液体到点火室204中来准备从喷嘴116喷射另一液滴。
[0022]图4示出根据本公开的实施例的当在灌注操作期间在传感器板上收回墨水时MEMS结构在不同阶段的部分顶视图和侧视图。如上文所提到的，液体水平传感器206 —般包括MEMS结构，其具有液体通道210、液体室204和专用传感器喷嘴116。液体水平传感器206还包括传感器电路208，其具有位于液体通道210的底部上的传感器板212。传感器电路208操作来检测在灌注操作期间液体通道中液体(墨水)的存在或缺失。当贮存器120中的墨水供应接近其寿命终止时，在打印或灌注操作期间施加的反压变得足够强以从喷嘴116收回墨水弯液面并向后通过液体通道210，从而将传感器板212暴露在空气中。图4 (a)示出正常状态，其中墨水400填充室204并在喷嘴116内形成墨水弯液面402。在该状态中，传感器板212处于湿条件中，因为其被填充液体通道210的墨水覆盖。在灌注操作或正常的墨滴喷射打印操作期间，在液体通道210中的墨水上施加反压，该反压从喷嘴收回墨水弯液面402并将其拉回到通道内，如图4 (b)中所示。当贮存器120中的墨水供应接近其寿命终止时，该反压增加，墨水流回到通道210和喷嘴116中所花费的时间也增加。如图4(c)中所示，增加的反压将墨水弯液面拉回到通道210中足够远，从而传感器板212暴露在通过喷嘴116吸取进入的空气中。如下文所讨论的，传感器电路208使用暴露的传感器板212来确定接近墨水供应的寿命终止的准确墨水水平。
[0023]图5示出根据本公开的实施例的液体水平传感器电路208的高级框图的示例。传感器电路208包括DAC (数模转换器)500、输入S&H (采样和保持元件)502、电流源504、传感器板212、开关506、输出S&H 508、ADC (模数转换器)510、状态机512、时钟514以及诸如寄存器0xD0-0xD6的多个寄存器516。传感器电路208的操作从当开关506闭合以使传感器板212短路时用DAC 500和输入S&H 502配置(B卩，偏置)电流源504开始。下文更详细讨论的偏置算法126在控制器110上执行以确定应用于寄存器0xD2的激励(输入代码)，该激励从DAC 500产生最优偏置电压，用该最优偏置电压来对电流源504进行偏置。
[0024]在电流源504被偏置之后，测量模块128在控制器110上执行并启动液体水平测量周期，其在该液体水平测量周期期间通过状态机512来控制传感器电路208。当是测量的时候时，状态机512通过使电路208步进通过若干阶段来协调测量，该若干阶段即:准备电路、进行测量以及使电路返回为空闲。在第一步骤中，状态机512启动灌注事件。灌注事件从喷嘴116喷吐或喷射墨水以清理喷嘴和室204中的墨水，并在液体通道210中产生反压尖峰(backpressure spike)。然后,状态机512提供延迟时段。延迟时段是可变的,但是典型地持续在介于2和32微秒之间的量级上。在延迟之后，第一电路准备步骤断开开关506，从而从电流源504向传感器板212应用电流。所应用的电流对板电容充电并引起跨板的电压响应。
[0025]注意，从电流源504供应的电流基于以下关系:I G (Vgs-V,)2
其中VgS是来自DAC 500的偏置电压。Vgs是栅极至源极电压，并且Vt是电流源504的电流产生晶体管的栅极阈值电压。电流源504包括在图6中一般地示出的范围选择电路，其使得来自DAC 500的电压能够应用于三个电流产生晶体管600、602、604之一，这三个电流产生范围1X、10X和100X的电流。一旦选择了晶体管来产生电流，就在所选晶体管的栅极处应用来自DAC 500的电压，该电压确定电流源504供应的电流的量。
[0026]在第二电路准备步骤中，状态机512断开开关506并提供第二延迟时段，该第二延迟时段再次持续在介于2和32微秒之间的量级上。在第二延迟之后，状态机512使得输出SM!元件508对传感器板212处的模拟响应电压进行采样(即，测量)并对其进行保持。然后，状态机512通过ADC 510来启动转换，ADC 510将经采样的模拟响应电压转换成存储在寄存器0xD6中的数字值。寄存器保持数字响应电压，直到测量模块128读取寄存器为止。然后，将电路208置于空闲模式，直到启动另一测量周期为止。
[0027]测量模块128将经数字化的响应电压与Rdetert阈值进行比较以确定传感器板是否处于干条件中。如果所测量的响应超过Rdetot，则干条件存在。否则，湿条件存在。(下文讨论Rdrtert阈值的计算)。检测到干条件指示反压已经将液体通道210中的墨水拉回足够远而将传感器板212暴露在空气中。通过附加的测量周期，干条件(即，当传感器板暴露在空气中时)持续的时间长度被测量并用于对产生干条件的反压的量值进行内插。因为反压朝墨水供应的寿命终止可预测地增加，所以然后可以做出对墨水水平的准确确定。
[0028]如上文所提到的，偏置算法126在控制器110上执行以确定来自DAC 500的最优偏置电压，用该最优偏置电压来对电流源504进行偏置。偏置算法126在确定偏置电压时控制液体水平传感器206 (即，传感器电路208和MEMS结构)。从偏置算法126的视角来看，如图7中所示，液体水平传感器206是黑盒元件，其接收输入或激励并提供输出或响应。使用应用于传感器电路2 08的寄存器0xD2的0-255 (8比特)数(输入代码)来设置输入电压。寄存器0xD2中的输入数或代码是应用于DAC 500的激励，并且从DAC输出的模拟电压是该激励乘以10mV。因此，来自DAC 500的可用于对电流源504进行偏置的模拟偏置电压的范围是0-2.55V。来自传感器电路208的输出或响应是存储在8比特寄存器0xD6中的数字代码。
[0029]偏置算法使用传感器电路208在输入代码与输出代码之间的激励-响应关系来提供在当传感器板212是湿的时(B卩，当墨水存在于MEMS液体通道210中并且覆盖板时)与当传感器板212是干的时(B卩，当已经从MEMS液体通道210拉出墨水并且空气围绕板时)之间的最优输出增量(delta)信号(即，最大响应电压)。如图8中所示，当激励(输入代码)从其最小扫描到其最大预充电电压计数(即，0-255 ；Smin到Smax)时，响应(输出代码)生成响应波形，该响应波形进展通过三个不同区域:关闭(Off )、活跃(Active)和饱和(Saturated)。这三个区域一起形成懒(lazy) “S”的形状。图8示出了干响应曲线800、湿响应曲线802和差异曲线804，差异曲线804指示在输入激励的范围上湿和干响应曲线之间的差异。图8的响应曲线描绘了其中响应强的有利条件。一般地，最大信号增量(即，最大差异响应曲线)发生在其中通道充满墨水的传感器板212全湿的情况与其中完全接触通道中的空气的传感器板212全干的情况之间。[0030]尽管响应曲线在液体/墨水的存在与缺失之间(即，在湿和干条件之间)变化，但是当在MEMS结构中存在很少或没有污染时变化量较强，所述污染诸如传导残渣(conductivedebris)和墨水残留物。因此，如图8中强响应曲线所示，响应初始是强的。然而，随着时间过去，MEMS结构可能开始被液体通道和室中的墨水残留物污染，并且干响应尤其将降级并变得更接近湿响应。污染引起干情况中的传导，其使得干响应弱，这导致干和湿响应之间的弱差异。图9示出了弱干900、湿902和差异904响应曲线，其中诸如MEMS结构中的污染的不利条件已经使响应降级。如可以在图9中看到的，弱湿和弱干响应曲线之间的差异比图8的强响应曲线中示出的差异小得多。图8中示出的强差异曲线804提供了湿和干条件之间的强不同，可以容易地评估该强不同。然而，在弱响应条件下，找到湿和干条件之间的不同由于弱差异而更有挑战性。偏置算法126找到弱响应差异曲线904 (即，图9中所示)中的最优差异点，在该最优差异点处，液体/墨水水平测量将提供湿和干条件之间的最大响应。
[0031]图10 (a.1、a.2、a.3、b.l、b.2、b.3、c.1、c.2、c.3)示出了根据本公开的实施例的弱干响应曲线1000和弱湿响应曲线1002以及它们响应于诸如制造工艺、电源电压和温度(PV&T)的工艺和环境条件的差异的变化的示例。图10 (a.1)、(a.2)和(a.3)分别示出在最坏(W)情况处理条件:5.5伏供应和15摄氏度温度(在图中标为“W;5.5V; 15C”)，在输入激励范围1X、10X和100X上的示例曲线。图10 (b.l)、(b.2)和(b.3)分别示出在最好情况(B)处理条件:4.5伏供应和110摄氏度温度(在图中标为“B;4.5V; 110C”)，在输入激励范围1X、10X和100X上的示例曲线。图10 (c.l)、(c.2)和(c.3)分别示出在典型(T)处理条件:5.0伏供应和60摄氏度温度(在图中标为“T; 5.0V;60C”)，在输入激励范围IX、IOX和100X上的示例曲线。在一些情况中，响应曲线的活跃区域归因于PV&T的变化而改变斜率。在其他情况中，响应曲线的活跃区域改变它们的放置，在关闭区域中较早或较晚开始。在图10 (a)、(b)和(c)中的干和湿响应曲线示出了可以由变化的PV&T条件导致的斜率和开始点的此类变化。在图10 (a)、(b)和(c)中的差异曲线1004示出了湿和干响应曲线在输入激励的范围上和在PV&T条件的变化上的差异。
[0032]图11示出了根据本公开的实施例的针对激励绘制的干响应与湿响应之间的差异。重叠图10中示出的差异曲线1004来形成图11。意图图示差异曲线的峰值高度、曲线的逼近和衰减的斜率以及激励轴沿曲线的中心的放置，都跨PV&T而变化。
[0033]图12示出了根据本公开的实施例的针对湿响应绘制的合成差异信号曲线1200。通过将差异曲线的基础变为响应来取代激励，实现了与PV&T差异相隔离的测量。偏置算法126找到其中在弱差异情况中定位最优差异点的方案，该最优差异点提供湿和干条件之间的最大墨水水平测量响应。因此，该方案应当容忍PV&T的此类变化以及提供尽可能大的容限。因此，如图12中所示，通过将差异曲线1004视为湿响应曲线1002的函数而非输入激励的函数来移除PV&T变化的大的量。这是因为对于给定激励，在工艺、电压和温度(PV&T)上存在输出值的大变化。然而，干条件(无墨水)与湿条件(墨水存在)之间的差异在PV&T上并不这样大地变化，所以使用该差异减掉了很多PV&T引起的变化。差异曲线的合成涵盖了通过重叠跨所有工艺和环境(PV&T)条件而确定的许多差异曲线来形成的区域。因此，合成差异之上的区域表示独立于PV&T条件的可行(viable)信号响应区。合成差异的中央表示这样的位置，在该位置应当做出墨水水平测量以便实现使干条件与湿条件之间的电压响应最大化的峰值响应(Rpeak)。Rpeak响应的位置被表达为最小和最大湿响应Rmin和Rmax之间的跨度的百分比。因此，合成差异曲线1200上的Rpeak的位置称为RP(K。另外，在测量周期期间，合成差异曲线1200在位置Rpdst处的峰值高度表示当干条件存在时预期的最小差异(作为Rmin和Rmax之间的跨度的百分比)并可以称为DmM。
[0034]偏置算法126确定输入激励值Speak,输入激励值Speak产生合成差异曲线1200上位于Rpd%处的峰值响应Rpeak。该算法输入在寄存器0xD2处的最小激励(Smin)并对寄存器0xD6中的响应进行采样。该算法还输入寄存器0xD2处的最大激励(Smax)并对寄存器0xD6中的响应进行采样。寄存器0xD6中的这两个值分别是响应的极值1?_和1?_。然后，可以计算峰值响应值Rpeak如下:
Rpeak = Rniin + ( Rpel% (Rma* Rrnin))
然后，可以通过各种手段来找到对应激励值sPMk。例如，可以从Smin到Smax扫描激励，当响应达到Rpeak时停止。另一手段是使用二进制搜索。产生峰值响应Rpeak的激励值Speak是应用于寄存器0xD2的输入代码以最优地对传感器电路208中的电流源504进行偏置使得可以跨传感器板212测量在干板条件与湿板条件之间的最大响应。
[0035]如上文所提到的，在测量周期中，测量模块128通过将跨板测量的响应电压与RdrtW阈值进行比较来确定传感器板212是否处于干条件中。如果所测量的响应超过Rdetot,则干条件存在。否则，湿条件存在。通过以下等式来计算Rdrtert阈值:
RdeieCi _ Rpeak + ((Rrnax — Rmin) (0咖％ I 2)}
响应电压中预期的最小差异Dminst被分开(即，除以2)以在干条件情况与湿条件情况之间共享噪声容限。
[0036]图13示出根据本公开的实施例的感测液体水平的示例方法1300的流程图。方法1300与上文参照图1-12讨论的实施例相关联。方法1300在框1302处从在湿和干条件中向传感器电路应用激励电压开始。所应用的激励电压具有从最小到最大电压的范围。在框1304处,在激励范围上测量湿响应和干响应。测量包括对跨包含液体的液体通道中的传感器板的电压进行采样，以及对跨已经通过应用的反压从中撤出了液体的液体通道中的传感器板的电压进行采样。方法1300在框1306处继续找到湿和干响应之间的差异响应，并在框1308处定位差异响应中的峰值差异。在框1310处，确定对应于峰值差异的峰值激励。该步骤包括确定对应于峰值差异的湿响应值，以及将该湿响应值与峰值激励电压进行互相关。在方法1300的框1312处，使用峰值激励对传感器电路的电流源进行偏置，并且在框1314处，将来自电流源的电流应用于传感器板。在框1316处，对跨传感器板的电压响应进行采样。在框1318处将传感器板电压与阈值电压进行比较以确定干板条件，并且在框1320处测量干板条件持续的时间段。在方法1300的框1322处，基于该时间段来确定液体水平。
[0037]图14示出根据本公开的实施例的感测液体水平的另一示例方法1400的流程图。方法1400与上文参照图1-12讨论的实施例相关联。方法1400在框1402处开始，其中对电流源进行偏置使得来自电流源的电流将引起在湿传感器板条件与干传感器板条件之间跨传感器板的最大电压变化。对电流源进行偏置包括确定产生最大电压变化的输入偏置电压，以及将该输入偏置电压应用于电流源的晶体管栅极。找到输入偏置电压包括针对湿传感器板条件和干传感器板条件二者，向电流源应用从最小激励电压到最大激励电压的激励的范围。应用激励包括向DAC应用范围从零到255的8比特数，并提供来自DAC的输出为该8比特数乘以模拟电压(例如，lmvUOmvUOOmv)。找到输入偏置电压还包括确定在激励范围上跨传感器板的湿条件电压响应和干条件电压响应，确定湿条件电压响应和干条件电压响应之间的差异响应，从差异响应确定峰值差异响应，以及定位产生峰值差异响应的峰值激励电压。
[0038]在方法1400的框1404处，将从偏置后的电流源产生的电流应用于传感器板，并且在框1406处对跨传感器的响应电压进行采样。在框1408处将响应电压与阈值电压进行比较以如在框1410处所示那样确定干板条件。在框1412处，在进行采样之前，应用反压以从喷嘴收回弯液面并越过液体通道内的传感器板。通过对喷嘴灌注来应用反压，这产生反压尖峰。在框1414处，测量干传感器板条件持续的时间长度，并且在框1416处基于该时间长度来确定贮存器中的液体水平。
【权利要求】
1.一种液体水平传感器，包括: 传感器电路，其具有传感器板和电流源；以及 具有处理器可执行指令的算法，用于对电流源进行偏置使得应用于传感器板的电流引起干传感器板条件与湿传感器板条件之间的响应电压的最大差异。
2.如权利要求1所述的液体水平传感器，其中，传感器电路还包括: 输入寄存器，所述算法向其应用作为激励的输入代码； DAC (数模转换器)，用于将输入代码转换成用于对电流源进行偏置的模拟偏置电压； ADC (模数转换器)，用于将响应电压转换成输出代码；以及 输出寄存器，用于保持输出代码直到其被所述算法读取。
3.如权利要求2所述的液体水平传感器，其中，传感器电路还包括: 第一采样和保持元件，用于对电流源处的偏置电压进行采样和保持；以及 第二采样和保持电路，用于对响应于所应用的电流跨传感器板发展的响应电压进行采样和保持。
4.如权利要求1所述的液体水平传感器，其中，电流源包括范围选择电路，用于使能在多个电流范围内对电流的选择。
5.如权利要求5所述的液体水平传感器，其中，范围选择电路包括多个单独可选择的电流产生晶体管，每个电流产 生晶体管用于基于偏置电压和对应乘数来产生电流量。
6.一种液体水平传感器，包括: 电流源； DAC (数模转换器)，用于将输入代码转换成用于电流源的偏置电压； 传感器板； 开关，用于向传感器板应用来自电流源的电流；以及 测量模块，用于通过将传感器板上的响应电压与阈值进行比较来确定湿或干传感器板条件。
7.如权利要求6所述的液体水平传感器，还包括偏置算法，用于确定输入代码使得响应电压在当传感器板是干的时与当传感器板是湿的时之间具有最大变化。
8.如权利要求6所述的液体水平传感器，还包括: 液体通道，传感器板位于其中； 喷嘴，其通过液体耦合到液体通道；以及 测量模块，用于在液体通道中产生反压以从喷嘴收回液体并向后通过通道，从而将传感器板暴露在空气中。
9.一种感测液体水平的方法，包括: 在湿和干条件中向传感器电路应用激励电压，激励电压具有从最小到最大电压的范围； 测量在激励范围上的湿响应和干响应； 找到湿和干响应之间的差异响应； 定位差异响应中的峰值差异；以及 确定对应于峰值差异的峰值激励。
10.如权利要求9所述的方法，其中，确定峰值激励包括:确定对应于峰值差异的湿响应值；以及 将湿响应值与峰值激励电压进行互相关。
11.如权利要求9所述的方法，其中，测量湿响应包括对跨包含液体的液体通道中的传感器板的电压进行采样。
12.如权利要求9所述的方法，其中，测量干响应包括对跨已经通过应用的反压从中撤出了液体的液体通道中的传感器板的电压进行采样。
13.如权利要求9所述的方法，还包括: 用峰值激励对传感器电路的电流源进行偏置； 向传感器板应用来自电流源的电流； 对传感器板电压进行采样；以及 将传感器板电压与阈值电压进行比较以确定干板条件。
14.如权利要求9所述的方法，还包括: 测量干板条件持续的时间段；以及 基于所述时间段来确定液体水平。
15.—种感测液体水平的方法，包括: 对电流源进行偏置使得电流将引起在湿传感器板条件与干传感器板条件之间跨传感器板的最大电压变化； 向传感器板应用电流； 对跨传感器的响应电压进行采样； 将响应电压与阈值电压进行比较；以及 基于比较来确定干传感器板条件。
16.如权利要求15所述的方法，还包括:在进行采样之前，应用反压以从喷嘴收回液体弯液面并越过通道内的传感器板。
17.如权利要求16所述的方法，其中，应用反压包括对喷嘴进行灌注以产生反压尖峰。
18.如权利要求15所述的方法，还包括: 测量干传感器板条件持续的时间长度；以及 基于所述时间长度来确定液体水平。
19.如权利要求15所述的方法，其中，对电流源进行偏置包括: 确定产生最大电压变化的输入偏置电压；以及 将输入偏置电压应用于电流源的晶体管栅极。
20.如权利要求19所述的方法，其中，确定输入偏置电压包括: 针对湿传感器板条件和干传感器板条件二者，向电流源应用从最小激励电压到最大激励电压的激励的范围； 确定在激励范围上跨传感器板的湿条件电压响应和干条件电压响应； 确定湿条件电压响应和干条件电压响应之间的差异响应； 从差异响应确定峰值差异响应； 定位产生峰值差异响应的峰值激励电压。
21.如权利要求20所述的方法，其中，应用激励的范围包括: 向DAC (数模转换器)应用范围从零到255的8比特数；提供来自DAC的输出，所述输出等于所述8比特数乘以模拟电压。
22.如权利要求9所述的方法，其中，确定峰值激励包括:确定激励范围上的湿响应的跨度；以及确定对应于湿响应跨度的 预定百分比的激励值。
【文档编号】B41J29/393GK103702838SQ201180072598
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2011年7月27日 优先权日:2011年7月27日
【发明者】A.L.范布罗克林, P.A.利伯特, A.L.古蔡尔, S.A.林 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业