一种用于阵列打印喷头的集成式驱动和控制结构的制作方法

[0001]
本发明属于半导体集成电路和低功耗集成电路设计技术领域，具体涉及一种用于阵列打印喷头的集成式驱动和控制结构。


背景技术：

[0002]
压电式喷墨打印技术将许多微小的压电陶瓷放置在打印头喷嘴附近，由于逆压电效应，当特定驱动电压波形加到压电陶瓷上时，压电陶瓷的伸缩振动形变将随着驱动电压波形的变化而变化，并使喷头中的墨水均匀准确地喷出墨水。压电式喷墨打印技术对墨滴的控制能力强，打印分辨率高，几乎可以打印任何种类的墨水，因而可以打印较高粘度的墨水，实现3d打印。
[0003]
近年来mems制造工艺不断提高，高密度压电喷头得以实现，几百甚至上千喷孔构成的压电喷头阵列实现了高效率宽幅打印。为了获得度高密度、高质量的打印效果，需要对喷头的驱动电路进行优化设计。
[0004]
目前已有部分提高打印喷头驱动电路性能的设计与研究工作，但是对于宽幅阵列式打印喷头，越来越多的喷头阵列导致喷头与驱动器的连接线变多，而更多的连接线导致打印设备的尺寸变大、成本升高、可靠性下降。传统方案中驱动电路和打印头的连接通过柔性或刚性电路板实现，连接线尺寸较长，电路中的各种寄生也会随之增多。对于宽幅阵列式打印喷头，传统方案将产生大量连接线，影响整个系统的性能，降低系统可靠性。


技术实现要素：

[0005]
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于阵列打印喷头的集成式驱动和控制结构，针对宽幅阵列式打印喷头的喷头尺寸进行芯片电路与布局设计，综合考虑喷孔阵列的物理布局和芯片的引脚布局来实现最优的封装布局和电学特性。采用本发明的设计方案，将为mems打印喷头阵列通过硅转接基板与高压驱动芯片进行立体封装提供保证，喷孔与驱动芯片之间大量的连接线被硅转接基板替换，避免了传统结构中超宽尺寸排线的引入，增强了连接的可靠性，提升了电学性能。
[0006]
本发明采用以下技术方案：
[0007]
一种用于阵列打印喷头的集成式驱动和控制结构，包括硅转接基板，硅转接基板上设置有硅通孔，硅转接基板的一侧设置有高压驱动芯片，另一侧设置有mems打印喷头阵列，mems打印喷头阵列与硅转接基板之间对应设置有压电薄膜器件，高压驱动芯片内部集成有高压运放驱动模块，高压驱动芯片内部集成阵列开关，阵列开关通过硅转接基板与硅通孔后与压电薄膜器件的一端连接，压电薄膜器件的另一端接地，高压运放驱动模块包括高压运放，高压运放将芯片输入的低压信号转换为高压驱动信号，再将高压驱动信号连接至阵列开关，经阵列开关电路和硅转接基板驱动多通道多路mems打印喷头阵列。
[0008]
具体的，mems打印喷头阵列包括若干阵列设置的若干墨腔，压电薄膜器件对应设置在墨腔的一端，墨腔的另一端对应设置有喷嘴。
[0009]
具体的，高压驱动芯片与mems打印喷头阵列采用立体封装方式连接。
[0010]
具体的，高压驱动芯片内部集成有状态检测电路，状态检测电路的输入端与芯片内部的阵列开关电路输出端相连，用于检测驱动压电薄膜器件的自感应信号。
[0011]
进一步的，阵列开关电路和硅转接基板之间设置有打印喷头状态检测电路，状态检测电路的输入端与芯片内部的阵列开关电路输出端相连，检测驱动压电薄膜器件的自感应信号。
[0012]
进一步的，硅转接基板和压电薄膜器件之间设置有温度检测电路，用于实时监测墨腔内打印原材料的温度。
[0013]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0014]
本发明一种用于阵列打印喷头的集成式驱动和控制结构，使得高压驱动芯片与mems打印喷头阵列通过硅转接基板立体封装成为可能，极大减少了打印喷头模组对外连接引线的数量。该结构中芯片不仅具有驱动能力，由于其集成了喷头状态检测以及温度检测电路，因此还能实时检测打印头的工作状态，及时地发现打印喷头问题并上报给系统层。通过该发明中的高压驱动芯片与宽幅阵列式打印喷头的集成驱动和控制结构设计，可减小打印喷头模组尺寸，增加电路的稳定性，提升整个系统的打印性能。
[0015]
进一步的，采用立体封装方式设置避免了传统结构中超宽尺寸排线的引入，增强了连接的可靠性，提升了电学性能。
[0016]
进一步的，高压运放在设计中需要考虑硅转接基板和喷头寄生的影响，以保证打印头模组上升、下降波形满足压电器件的要求，实现所需的打印效果。
[0017]
进一步的，采用立体封装方式，减小了驱动信号到打印喷头的连线长度，从而减少了负载寄生效应，提升了打印喷头工作状态的稳定性。
[0018]
进一步的，高压驱动芯片内部集成有状态检测电路，能够实时检测打印头的工作状态，通过状态检测电路及时地发现这些问题上报给系统层，并进行修护将会有利于喷墨式打印机更为长久的良好工作。
[0019]
进一步的，高压驱动芯片内部集成有温度检测电路能实时检测墨腔内打印原材料的温度，以便温度过低时实时的对打印原材料加热至熔融状态、保持在合适的流动性，确保打印过程的顺利进行。
[0020]
综上所述，本发明减小了驱动芯片到打印喷头的连接线长度，从而减少了驱动信号源到压电打印喷头的寄生电阻、寄生电容，提升打印喷头的喷射效果，节省了系统的整体尺寸及成本，提升了整个系统的打印性能。
[0021]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0022]
图1为本发明中打印喷头阵列与驱动芯片立体封装横向剖面结构示意图；
[0023]
图2为本发明中立体封装等效电路示意图；
[0024]
图3为本发明中打印喷头阵列与高压驱动布局示意图a；
[0025]
图4为本发明中打印喷头阵列与高压驱动布局示意图b；
[0026]
图5为本发明中打印喷头阵列与多芯片布局示意图a
[0027]
图6为本发明中打印喷头阵列与多芯片布局示意图b。
[0028]
其中：1.高压驱动芯片；2.mems打印喷头阵列；3.硅通孔；4.阵列开关电路；5.打印喷头状态检测电路；6.温度检测电路；7.压电薄膜器件；8.硅转接基板；9.喷嘴；10.墨腔。
具体实施方式
[0029]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0030]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0031]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0032]
本发明提供了一种用于阵列打印喷头的集成式驱动和控制结构，将高压驱动芯片1通过硅转接基板8与mems打印喷头阵列2进行立体封装，单颗高压驱动芯片1只负责芯片周围mems打印喷头阵列2的驱动控制，高压驱动芯片1内部通过阵列开关电路4进而控制多通道多路mems打印喷头阵列2。
[0033]
请参阅图1，本发明提供了一种用于阵列打印喷头的集成式驱动和控制结构，包括高压驱动芯片1、mems打印喷头阵列2、压电薄膜器件7和硅转接基板8。
[0034]
高压驱动芯片1设置在硅转接基板8的一侧，硅转接基板8上阵列设置有硅通孔3，mems打印喷头阵列2设置在硅转接基板8的另一侧，mems打印喷头阵列2包括间隔设置的若干喷嘴9，每个喷嘴9连接有对应的墨腔10，压电薄膜器件7包括多个，位于硅转接基板8与mems打印喷头阵列2之间，对应墨腔10设置。
[0035]
高压驱动芯片1能够完成以下三个功能：
[0036]
一是接收并处理波形控制和喷头控制信号；
[0037]
二是低压控制信号经过电路放大、电压抬升，转换成控制打印头动作的高压驱动信号；
[0038]
三是根据喷孔工作状态信号实现打印头的工作状态检测、以及实时监测喷墨温度。
[0039]
对于mems打印喷头阵列2的开关控制，只需要输入低压串行驱动控制信号，大大减少了高压驱动信号的走线，从而减少了驱动信号源到压电打印喷头的寄生电阻、寄生电容，提升打印喷头的打印性能。
[0040]
请参阅图3、图4、图5和图6，高压驱动芯片1与mems打印喷头阵列2进行立体封装，单颗高压驱动芯片1只负责芯片周围打印喷头的驱动，以减小驱动芯片到打印喷头的连接线长度，从而减小寄生效应。根据高压驱动芯片1的尺寸大小、芯片引脚的分布情况以及电互联要求设计制造硅转接基板8，硅转接基板8通过再布层、再布线实现内部互连。高压驱动芯片1bonding在硅转接基板8的一侧表面上，mems打印喷头阵列2倒装在硅转接基板8的另一侧表面上。
[0041]
请参阅图2，为高压驱动芯片1与宽幅阵列式打印喷头的集成驱动和控制结构等效电路，高压驱动芯片1内部集成高压驱动模块、阵列开关电路4、打印喷头状态检测电路5和温度检测电路6。
[0042]
高压运放模块经阵列开关电路4和硅转接基板8的硅通孔3后与压电薄膜器件7的一端连接，压电薄膜器件7的另一端接地，打印喷头状态检测电路5与温度检测电路6集成在高压驱动芯片的内部。
[0043]
状态检测电路5输入端与芯片内部的阵列开关电路4输出端相连，检测驱动压电薄膜器件7的自感应信号，可实时检测打印喷头的健康状况；温度检测电路6与墨腔10连接，用于实时检测墨腔内打印原材料的温度，确保打印的原材料在打印头中被加热至熔融状态、保持在合适的流动性，以便打印打印过程的顺利进行。
[0044]
高压运放将芯片输入的低压信号转换为高压驱动信号，再将高压驱动信号连接至阵列开关。对于整体驱动芯片，其负载相当于硅转接基板8的寄生和压电薄膜器件7的电容。
[0045]
由于硅转接基板8的寄生和压电薄膜器件7电容会影响驱动电路的输出特性，因此在高压运放的设计中需要考虑硅转接基板和喷头寄生的影响，以保证打印头模组上升下降波形满足压电器件的要求，实现所需的打印效果。
[0046]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
根据高压驱动芯片1与mems打印喷头阵列2各自尺寸不同，高压驱动芯片1的布局方式也不同；根据实际压电薄膜器件7等效电容的大小不同，高压驱动芯片1的布局方式也有所不同。不同布局情况下单颗高压驱动芯片1的驱动mems打印喷头阵列2的通道数不同。
[0048]
请参阅图3和图5，单颗高压驱动芯片1驱动四通道共64路打印喷头，4通道共320路mems打印喷头阵列，由5颗高压驱动芯片控制，每颗芯片控制其附近的64路打印喷头。高压驱动芯片通过硅转接基板与压电薄膜器件实现互连，外部信号输入低压驱动信号vin，经过高压驱动模块，再通过开关实现每一路打印喷头的驱动和控制。根据喷头阵列的打印喷头数量，可增加或减少一定数目的高压驱动芯片。但当打印喷头尺寸相对高压驱动芯片1大或压电薄膜器件7的等效电容大时，单颗高压驱动芯片1驱动的打印喷头相应减少。
[0049]
请参阅图4和图6，单颗高压驱动芯片1驱动两通道共20路打印喷头，4通道200路mems打印喷头阵列共由10颗高压驱动芯片控制。每颗高压驱动芯片控制2通道20路的打印
喷头。根据喷头阵列的打印喷头数量，可增加或减少一定数目的高压驱动芯片。针对图6中mems打印喷头阵列与单颗高压驱动芯片布局对比，若采用图5中的芯片布局方式，则芯片到每个打印喷头的连线长度差异较大，在实际的打印过程中，可能会出现打印效果不佳现象。
[0050]
综上所述，本发明一种用于阵列打印喷头的集成式驱动和控制结构，避免了传统结构中超宽尺寸排线的引入，减小了打印喷头模组尺寸，增加了电路的稳定性，提升了整个系统的打印性能。
[0051]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。