流體噴射裝置的制作方法

專利名稱：流體噴射裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種噴墨打印設備，特別是涉及一種流體噴射裝置。
背景技術：
近年來，在高科技產業的帶動下，所有的電子相關產業均蓬勃發展，各項現代化的產品，如計算機、計算機周邊、家電及事務機器等，不論功能或外觀，相比以往均有長足的進步。以打印機為例，才不過幾年功夫，打印技術便已從撞針式、黑白激光進步到彩色噴墨及彩色激光等，可謂一日千里。目前一般的家庭使用者，由于打印大量文件的機會不多，所以在選購打印機時，為兼顧打印質量與價格二者間的平衡，仍以彩色噴墨打印機為首選；若預算充裕，便另添購黑白激光打印機以做為文件打印之用。
目前市面上的噴墨打印機，大多采用氣泡式或是壓電式噴墨頭以將墨水散布至紙張上完成打印工作。對氣泡式噴墨頭而言，其主要構件包括有加熱器、墨水及噴孔(nozzle)。加熱器的作用在于加熱墨水以產生氣泡，并使氣泡逐漸漲大而推擠墨水，遭擠壓的墨水則經由噴孔噴出，落在紙張上形成墨點。在打印時，僅需控制墨水的濃度及落點，即可將眾多墨點組合成所需的文字或圖形。在分辨率方面，目前彩色噴墨打印機的入門機種，分辨率約為720×720dpi或1440×720dpi，分辨率越高，表示墨點越細致，而墨點的細致程度，則與墨點的表面張力(Surface Tension)與墨水的粘稠度(Viscosity)有關。接著請參照圖1，其繪示一種傳統墨水匣的噴墨頭結構(請參考美國專利第6,102,530號)。就目前而言，制作噴墨頭100時會先在半導體基底，例如是硅基底140上形成結構層120，而后再利用蝕刻技術對硅基底140進行各向異性蝕刻，以形成歧管150及噴墨室130；逐步將加熱器160、加熱器165及噴孔110等結構一一形成后，噴墨頭100即告完成。基本上，噴墨頭100上的噴孔110會以數組(array)形式整齊排列，用以將墨水190噴出，由于在實務上每一噴孔的幾何結構均相同，故圖式中僅代表性地繪出數個噴孔并加以說明。以此圖為例，每一噴孔110位于噴墨室(chamber)130的上方，而每一噴墨室130均與歧管(manifold)150連通，如此，墨水匣內的墨水190即可通過歧管150的導引充滿于每一噴墨室130中，以使墨水190可通過各噴孔110向外噴出。需要注意的是，每一噴孔110周圍都配置有加熱器，例如加熱器160與加熱器165，用以對該噴孔110所處的噴墨室130加熱；加熱器被加熱后，便可使噴墨室130中的墨水溫度上升并形成氣泡，當氣泡逐漸漲大后，即可迫使墨水自噴孔中噴出，以提供顯像時所需的墨滴，下文中，將針對墨滴的形成情形加以說明。
請參照圖2，其繪示圖1的噴墨頭的剖面結構。如圖所示，噴孔110旁設有加熱器160與加熱器165，兩加熱器被加熱后便會分別形成圖式中的氣泡210與氣泡215，此時若持續對加熱器加熱，兩氣泡便會以箭號P的方向外漲大，并擠壓墨水使其自噴孔110噴出，如同圖式中所繪示一般；因此，被擠出的墨水便會沿箭號F的方向噴出并落在紙張上形成墨點。
簡單地說，若要驅動某一特定噴孔使其噴出墨水，會先致能該噴孔所相對應的加熱器，以使該噴孔所屬的噴墨室內墨水溫度升高并產生氣泡將墨水噴出。換句話說，若在加熱器被加熱前噴墨室內的墨水溫度早已偏高(例如在此之前該噴孔即已多次噴墨)，此時若再度用相同的功率對加熱器加熱，勢必將使墨水被過度加熱而降低其粘稠性，因此打印的分辨率變差；反之，若在加熱器被加熱前噴墨室內的墨水溫度過低(例如在此之前該噴孔已許久未噴墨)，此時若不增加饋入加熱器的功率便無法使墨水達到預定的溫度，造成墨水無法正常噴出。故而在打印時勢必需要將噴墨室內的墨水溫度準確地控制在預定的溫度范圍內，才能保有完美的打印質量；因此要如何檢測墨水溫度并有效地加以補償，便成為研發人員需要克服的難題。
在噴墨頭的墨水溫度檢測方面，在前案美國專利第5,696,543號-“Recording head which detects temperature of an element chip and correctsfor variations in that detected temperature，and cartridge and apparatus havingsuch a head，”中提到利用一電阻器作為芯片(Chip)上的溫度檢測元件，并在芯片外部作一調校的電阻以形成惠斯通電橋(Wheatstone bridge)的檢測電路，此種作法不但檢測時麻煩，在成本上更是昂貴，實在不適于作大量生產。因此，提供一個實際可行、成本較低，且具有較靈敏感測效果的溫度感測器實為一刻不容緩的趨勢。

發明內容
本發明的目的在于提供一種流體噴射裝置，并設有一種歧管及溫度調整元件，由此提高打印質量。
本發明的目的是這樣實現的，即提供一種流體噴射裝置，包括一歧管，該歧管是由一半導體基底蝕刻而成且充填有一流體；以及一溫度調整元件，用以加熱該半導體基底以使該流體的溫度上升。
本發明還提供一種流體噴射裝置，基于半導體基底，包括一歧管，該歧管是通過在該半導體基底上進行蝕刻而成且充填有一流體；以及一溫度調整元件，設置于該歧管上，用以加熱該半導體基底以使該流體的溫度上升，其中該溫度調整裝置大致上是一環狀。
本發明還提出一種壓阻式溫度感測器包括有感測片及壓阻元件，并設置于噴墨頭處，用以感測噴墨頭內的墨水溫度。實際操作時，可在噴墨頭四周設置加熱器以加熱硅基底，使噴墨頭內的墨水溫度能保持在工作溫度的范圍內，并利用半導體材料在噴墨頭處形成矩形的感測區域后，在感測區域各邊緣的中心點設置壓阻元件(例如多晶硅)，以承受因應力產生而造成壓阻元件形變從而產生電阻值變化的情形。當墨水溫度上升時，感測區域所在的平面(即噴墨頭表面)會因為受熱而隆起，故感測器也隨之形變，使壓阻元件感受到強大的應力而使其電阻值改變；若將各壓阻元件以電橋型態(例如惠斯登電橋)相互耦接，便能使各壓阻元件的電阻值變化被轉換為電壓信號輸出，如此即可依據電壓信號的大小得知墨水溫度的高低。再者，制作壓阻元件時可在多晶硅中摻雜，例如摻雜硼離子或磷離子，以提高各壓阻元件的度量因素，使感測信號能更強烈。當然壓阻元件的材質并不以多晶硅為限，也可利用金屬來制作各壓阻元件，此各金屬可選自于鋁、金、銅、鎢、鈦及鋁硅銅合金、氮化鎢、氮化鈦所構成族群中的任一種，也可具備壓阻元件的特性。


下面結合附圖，詳細說明本發明的實施例，其中圖1為現有墨水匣的噴墨頭結構示意圖；圖2為圖1中噴墨頭的剖面結構示意圖；圖3A為本發明一較佳實施例所提供的噴墨頭結構示意圖；圖3B為圖3A中噴墨頭的剖面結構示意圖；圖3C為具有兩個溫度感測器及兩個加熱器的噴墨頭示意圖；圖3D為具有三個溫度感測器及三個加熱器的噴墨頭示意圖；圖4為較佳實施例中的壓阻式溫度感測器示意圖；圖5為圖4中壓阻式溫度感測器的壓阻元件產生向上位移的輪廓線示意圖；圖6為圖4中壓阻式溫度感測器的惠斯通電橋等效電路圖。
具體實施例方式
為了能使打印質量不因墨水溫度的差異而有所影響，在作法上，可將墨水的溫度保持在一預定的溫度范圍內，例如介于溫度值T1至溫度值T2之間，如此便可確保每個墨滴噴出的質量；因此，可稱溫度值T1至溫度值T2為適合墨水噴出的工作溫度。在設計時，研發人員可依據墨水的特性，預先設定工作溫度的范圍，工作溫度確定后，打印時只要墨水的實際溫度低于溫度值T1時便可將加熱器開啟，而在墨水溫度高于溫度值T2或介于溫度值T1與溫度值T2之間時讓加熱器關閉，即可使墨水溫度保持在預定的溫度范圍內，以確保打印質量。
那么該如何維持墨水的溫度呢？本發明的作法是在噴墨頭四周圍繞一或多個溫度調整元件，例如是加熱器，用來對墨水加熱，并利用設于歧管上方的溫度感測器來檢測噴墨頭的溫度，如此，即可依據溫度感測器的感測結果來決定是否需要將加熱器開啟，從而使墨水溫度能保持在工作溫度之內；當然，若墨水溫度已保持在預定的溫度范圍內，加熱器就不必開啟。接著請參照圖3A，其繪示一種能實現上述說法的噴墨頭結構。此圖為噴墨頭的上視圖，可將溫度感測器31設置于噴墨頭100的結構層120上，位于歧管150的上方，以感測噴墨頭100內的墨水溫度。需要注意的是，由于歧管150內充滿有墨水且結構層120的厚度非常小，因此結構層120的溫度與墨水溫度相當接近；換句話說，雖然溫度感測器31并沒有與墨水直接接觸，但也可由結構層120的溫度間接得知墨水溫度，在實際操作上并無困難。再者，當墨水溫度過低時，即可將加熱器310開啟，使能夠在瞬間將大電流饋入加熱器310以加熱硅基底140，使硅基底140的溫度立即竄升；硅基底140被加熱后，也會使墨水的溫度即刻升高，當墨水溫度上升至工作溫度后，即可將加熱器310關閉，使墨水溫度能穩定在工作溫度之內。另一方面，若將圖3A沿切線3B-3B切下，所形成的剖面圖則如圖3B所繪示；由于結構層120的厚度非常薄，因此當墨水溫度上升時，溫度感測器31所處的位置會因為受熱而向上隆起，使溫度感測器31產生形變，故依據溫度感測器31的形變程度，即可推知噴墨頭內的墨水溫度，從而控制加熱器310的開啟時機。
在相同的發明精神下，為求能更精準地控制噴墨時的溫度以確保墨點質量，可在歧管處分別設置溫度感測器32與溫度感測器33，并設置與溫度感測器相對應的加熱器320與加熱器330，如圖3C所繪示；由于圖3C是采用與圖3A相同的噴墨頭結構，故而未將歧管及噴孔等結構繪出以使圖式簡明易懂。在此各結構下，可依據溫度感測器32測得的溫度來決定加熱器320開或關，也可利用溫度感測器33測得的溫度來決定加熱器330開或關，換句話說，也就是把整個歧管的墨水分成兩部分來個別控制，使噴墨頭內的墨水溫度分布能更均勻。再者，實質上也可設置溫度感測器34，35，36以分別控制加熱器340，350，360的開啟時機，如圖3D所繪示，以使墨水溫度的控制能更加精確。當然，在設計噴墨頭時，溫度感測器或加熱器的個數并不以上述數目為限，設計人員可按實際需求來決定溫度感測器及加熱器的個數或排列方式，以期望在溫控效果與生產成本之間取得最佳的平衡。下文中，將針對溫度感測器的結構及工作原理加以說明。
在參考文獻Smith，C.S.，-“Piezoresistive effect in germanium and silicon，”Phys.Rev.，Vol.94，pp.42-49(1954)中證實，硅(Silicon)和鍺(Germanium)的壓阻效應(Piezoresistive effect)比金屬導線高出100倍，且國立臺灣大學機械工程學研究所的戴慶良先生的博士論文-“以標準集成電路制作技術制作微機電感測器的研究，”pp.38-48(1997)中曾提到，若要壓阻元件能夠產生較大的感測信號，除了壓阻元件本身要有高的測量因素(Gauge factor)外，另一方面，就是必需將壓阻元件植入(Implant)于感測區域能產生最大應力的地方，即矩形感測區域四邊的中央邊緣處，以提高感測效果。因此，為能將上述理論充分應用在噴墨頭的溫度感測上，本發明便利用半導體材料，例如多晶硅，在噴墨頭處形成數個壓阻元件構成一感測區域，以作為溫度感測之用；為提高壓阻元件的度量因素，實際操作時也可在壓阻元件中摻雜，例如摻雜硼離子或磷離子，使感測信號能更強烈。當然，壓阻元件的材質并不以多晶硅為限，也可利用金屬材料制作壓阻元件，在材質的選擇上可選自于鋁、金、銅、鎢、鈦及鋁硅銅合金、氮化鎢、氮化鈦所構成族群中的任一種。接著請參照圖4，其繪示依照本發明一較佳實施例所提供的壓阻式溫度感測器示意圖。壓阻式溫度感測器400的感測區域410的幾何形狀可以是如圖所示的矩形形狀，并在感測區域410的邊緣配置壓阻元件41，42，43，44，以作為溫度感測用。需要注意的是，感測區域410在一均布的壓力下，其最大的變形發生在感測區域410的中心點處，即感測區域410的中央會向上隆起，因此在墨水溫度上升后，壓阻元件41，42，43，44均會產生向上位移情形的輪廓(Profile)，如圖5所示，使各壓阻元件的電阻值改變；且由于感測區域410形變后最大應力集中在各邊緣的中心點處，所以各壓阻元件41，42，43，44所感受到的應力最為強大，感測效果也最好。
在實際應用上，為了能將壓阻元件41，42，43，44的變動量檢出，可利用電阻作為各壓阻元件，并將各壓阻元件以一電橋型態，例如惠斯通電橋(Wheatstone bridge)型態相互耦接，使各壓阻元件的電阻值變化能被轉換為電壓信號輸出，如此即可依據電壓信號的大小得知墨水溫度的高低。接著請參照圖6，其繪示惠斯通電橋的等效電路，E為輸入電壓，V為輸出電壓。圖6中各電阻R1，R2，R3，R4分別與圖4中的各壓阻元件41，42，43，44等效，也就是電阻R1與壓阻元件41等效，電阻R2與壓阻元件42等效，電阻R3與壓阻元件43等效，電阻R4與壓阻元件44等效。在設計時，假設各電阻的電阻值均相同(即R1＝R2＝R3＝R4＝R)且當感測區域410受到一向上彎矩時各電阻的電阻值都產生△R的變化量，則由于電阻R1及電阻R3的方向與感測區域410的邊緣垂直，故其電阻值是增加△R；反之，由于電阻R2及電阻R4的方向與感測區域410的邊緣平行，故其電阻值是減少△R，因此輸出電壓值的改變量ΔV可記為ΔV＝(△R/R)E。
由此可知，墨水溫度改變可使感測區域410產生形變，造成壓阻元件41，42，43，44的電阻值R1，R2，R3，R4變化，而電阻值R1，R2，R3，R4的變化可得到輸出電壓V的改變，故可利用輸出電壓值的改變量ΔV得知墨水溫度的高低，并無技術上的困難。
由上文敘述可知，本發明的精神，是利用溫度的變化使感測區域產生形變，感測區域形變后壓阻元件的電阻值也隨之改變，故可將此變動量檢出，以得知溫度的變化。需要注意的是，雖上文是以噴墨頭的溫度感測器為例說明，然而本發明的適用領域應不以噴墨頭為限，也可適用于其它種內含流體的腔型裝置中，只要任一腔型裝置內的流體溫度變化能造成感測區域的形變即符合本發明的適用條件，而不脫離本發明的精神。當然，感測區域及壓阻元件的制作方法也不限于半導體制作工藝，不論制作方法為何，只要能實現符合上述發明精神的感測區域及壓阻元件即可達到壓阻式溫度感測器的設計需求，但以現今的技術而言，利用半導體制作工藝的作法確為兼顧成本低廉與便利有效的最佳選擇。
本發明裝置的優點在于1.制作工藝是完全利用標準集成電路電路工藝所制作完成，無須另外加上其它額外的制作步驟，具備有可大量生產的能力，且所制作出的感測器的精確度及良率都有一定的水準。
2.利用原先所需的后制作工藝(Post-processing)蝕穿硅基材以制作出歧管的步驟，事先在歧管上方完成其壓阻式溫度感測元件薄膜，故可在不增加成本的情況下即可制成此一感測器。
3.利用此溫度感測器配合加熱器來做整個噴墨環境溫度的控制，可控制溫度在一預先決定的范圍內，以達成打印質量良好的效果。
綜上所述，雖然結合以上一較佳實施例揭露了本發明，然而其并非用以限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護范圍應以權利要求所界定的為準。
權利要求
1.一種流體噴射裝置，包括一歧管，該歧管是由一半導體基底蝕刻而成且充填有一流體；以及一溫度調整元件，用以加熱該半導體基底以使該流體的溫度上升。
2.如權利要求1所述的流體噴射裝置，其中該半導體基底為硅基底。
3.如權利要求1所述的流體噴射裝置，其中該流體噴射裝置為噴墨頭。
4.如權利要求1所述的流體噴射裝置，其中該流體為墨水。
5.如權利要求1所述的流體噴射裝置，其中該溫度調整元件為加熱器。
6.如權利要求1所述的流體噴射裝置，其中該溫度調整元件圍繞于該歧管的四周邊緣。
7.如權利要求1所述的流體噴射裝置，其中該溫度調整元件圍繞于該半導體基底的四周邊緣。
8.如權利要求1所述的流體噴射裝置，還包括多個溫度感測器，設于該歧管的上方，用于偵測該流體的溫度。
9.如權利要求8所述的流體噴射裝置，其中該溫度調整元件被區分隔成多個部分，該每個部分圍繞著相應的溫度感測器。
10.一種流體噴射裝置，是基于一半導體基底之上，包括一歧管，該歧管是透過在該半導體基底上進行蝕刻而成，且充填有一流體；以及一溫度調整元件，設置于該歧管的上方，用以加熱該半導體基底以調整該流體的溫度，其中該溫度調整裝置大致上是一環狀。
11.如權利要求10所述的流體噴射裝置，其中該半導體基底為硅基底。
12.如權利要求10所述的流體噴射裝置，其中該流體噴射裝置是噴墨頭。
13.如權利要求10所述的流體噴射裝置，其中該流體是墨水。
14.如權利要求10所述的流體噴射裝置，其中該溫度調整元件是加熱器。
15.如權利要求10所述的流體噴射裝置，其中該溫度調整元件是圍繞于該歧管的四周邊緣。
16.如權利要求10所述的流體噴射裝置，其中該溫度調整元件是圍繞于該半導體基底的四周邊緣。
17.如權利要求10所述的流體噴射裝置，還包括多個溫度感測器，位于該歧管的上方，用于偵測該流體的溫度。
18.如權利要求17所述的流體噴射裝置，其中該溫度調整元件被分隔成多個部分，該每個部分圍繞著相應的溫度感測器。
19.如權利要求10所述的流體噴射裝置，其中該溫度調整元件大致上是矩形。
全文摘要
一種流體噴射裝置，基于半導體基底，包括一歧管，該歧管是通過在該半導體基底上進行蝕刻而成且充填有一流體；以及一溫度調整元件，設置于該歧管上，用以加熱該半導體基底以使該流體的溫度上升，其中該溫度調整裝置大致上是一環狀。由此可控制打印時的噴墨溫度，以確保墨點質量。
文檔編號B41J2/05GK1593923SQ0315849
公開日2005年3月16日 申請日期2001年3月27日 優先權日2001年3月27日
發明者黃宗偉, 陳志清 申請人:明基電通股份有限公司