CN100434276C - 具有高效逻辑和驱动电路的微流体喷出装置 - Google Patents

具有高效逻辑和驱动电路的微流体喷出装置 Download PDF

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Abstract

一种用于微流体喷头的半导体基板。所述基板包括布置在基板上的多个流体喷出致动器。多个驱动晶体管被布置在基板上，用于驱动多个流体喷出致动器。每个驱动晶体管具有约为1000-小于15000μm2的有效面积。包括至少一个逻辑晶体管的多个逻辑电路与驱动晶体管耦接。驱动晶体管和逻辑晶体管由高密度的MOS晶体管阵列形成，其中至少逻辑晶体管具有约0.1-小于3微米的栅极长度。

Description

具有高效逻辑和驱动电路的微流体喷出装置
技术领域
本发明涉及微流体喷出装置，尤其涉及包含高效逻辑和驱动电路的用于喷出装置的喷头。
背景技术
诸如喷墨打印机之类的微流体喷出装置持续被广泛接受为激光打印机的经济替代者。对于一些应用来说，这样的喷墨打印机一般比激光打印机更通用。随着喷墨打印机的能力被提高，从而以提高的打印速率提供更高质量的图像，作为喷墨打印机的主要打印组件的喷头不断发展，变得更复杂。随着喷头的复杂性的增大，生产喷头的成本也增大。然而，仍然需要具有增强能力，包括增强的质量和更高的吞吐率的微流体喷出装置。打印质量和价格方面的竞争压力促进了以更经济的方式生产能力增强的喷头的需要。
发明内容
考虑到上述和其它目的和优点，提供一种用于微流体喷头的半导体基板。所述基板包括布置在基板上的多个流体喷出致动器。多个驱动晶体管被布置在基板上，用于驱动多个流体喷出致动器。每个驱动晶体管具有约为1000-小于15000μm2的有效面积。包括至少一个逻辑晶体管的多个逻辑电路与驱动晶体管耦接。驱动晶体管和逻辑晶体管由高密度的MOS晶体管阵列形成，其中至少逻辑晶体管的栅极长度约为0.1-小于3微米。
在另一实施例中，提供一种用于微流体喷出装置的微流体喷出盒。盒体具有流体供给源和附到盒体上与流体供给源流体连通的喷头。喷头包括其上布置有多个流体喷出致动器的半导体基板。多个驱动晶体管布置在基板上，用于驱动多个流体喷出致动器。每个驱动晶体管具有约为100-小于400微米的有效面积宽度。包括至少一个逻辑晶体管的多个逻辑电路在操作上与驱动晶体管耦接。驱动晶体管和逻辑晶体管由高密度的MOS晶体管阵列形成，其中至少逻辑晶体管具有约为0.1-小于3微米的栅极长度。喷嘴板被附到半导体基板上，用于在受到流体喷出致动器的激励时，从其喷出流体。
在另一实施例中，提供一种用于喷墨打印头的半导体基板。所述基板包括布置在基板上的多个加热电阻器。加热电阻器具有厚度约为1000-3000埃的由类金刚石碳构成的保护层。多个驱动晶体管被布置在基板上，用于驱动多个流体喷出致动器。包括至少一个逻辑晶体管的多个逻辑电路与驱动晶体管耦接。驱动晶体管和逻辑晶体管由高密度的MOS晶体管阵列形成，其中至少逻辑晶体管具有约为0.1-小于3微米的栅极长度。
本发明的优点在于它为要求相当小的基板面积，然而提供增强功能的微流体喷出装置提供微流体喷头。半导体基板可被用于各种应用，包括喷墨打印头，微流体冷却装置，剂量受控的药物制剂的输送等。在喷墨打印机应用中，本发明的基板能够显著降低包含喷头的打印头的制造成本和原材料成本。
附图说明
结合图解说明本发明的一个或多个非限制性方面，参考优选实施例的详细说明，本发明的其它优点将变得明显，在下面的附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件：
图1是包含根据本发明的微流体喷头的微流体喷出装置盒(未按比例绘制)；
图2是根据本发明的优选微流体喷出装置的透视图；
图3是根据本发明的微流体喷头的一部分的横截面(未按比例绘制)；
图4是根据本发明的逻辑电路的示意图；
图5是根据本发明的逻辑电路的反相器的示意图；
图6是根据本发明的逻辑电路晶体管的一部分的横截面图(未按比例绘制)；
图7和8是根据本发明的驱动晶体管的一部分的横截面图(未按比例绘制)；
图9是根据本发明的驱动晶体管的一部分的平面图(未按比例绘制)；
图10是根据本发明的微流体喷头的基板上的典型布局的平面图(未按比例绘制)；
图11是根据本发明的微流体喷头的有效面积的一部分的平面图(未按比例绘制)；
图12是根据本发明的微流体喷出装置的逻辑图的局部示意图。
具体实施方式
参考图1，图中图解说明了微流体喷出装置的流体盒10。盒10包括用于向流体喷头14供给流体的盒体12。流体可被容纳在盒体12中的存储区中，或者可从远程来源供给盒体。
流体喷头14包括半导体基板16和包含喷嘴孔20的喷嘴板18。盒最好可拆卸地固定在微流体装置，比如喷墨打印机22(图2)上。因此，在柔性电路26上设置电触点24，用于与微液体喷出装置电连接。柔性电路26包括与流体喷头14的基板16连接的电迹线28。
图3中图解说明了流体喷头14的一部分的放大图(未按比例绘制)。这种情况下，流体喷头14包含加热元件30，作为流体喷出致动器，用于加热在基板16和喷嘴孔20之间在喷嘴板18中形成的流体容室32中的流体。但是，本发明并不局限于包含加热元件30的流体喷头14。就加热元件30来说，加热元件是最好具有由类金刚石碳构成的厚度约为1000-3000埃的保护层的发热电阻器。其它流体喷出致动器，例如压电器件也可被用于提供根据本发明的流体喷头。
通过基板16中的开孔或槽34，并通过连接槽34与流体容室32的流体通道36，流体被提供给流体容室32。喷嘴板18最好通过粘接层36被粘附到基板16上。如图3中所示，包括流体容室32和流体通道36的流动部件形成于喷嘴板18中。但是，流动部件也可提供在独立的厚膜层中，其中只包含喷嘴孔的喷嘴板被附着到厚膜层上。在一个特别优选的实施例中，流体喷头14是热或压电喷墨打印头。但是，本发明并不局限于喷墨打印头，因为利用根据本发明的微流体喷出装置可喷出其它流体。
重新参见图2，流体喷出装置最好是喷墨打印机22。打印机22包含保持一个或多个盒10，并在介质42，例如纸张上方移动盒10，以便把流体从盒10沉积在介质42上的滑架40。如上所述，盒上的触点24与滑架40上的触点配合，提供打印机22和盒10之间的电连接。打印机22中的微控制器控制滑架40横越介质42的移动，并转换来自诸如计算机之类外部装置的模拟和/或数字输入，以便控制打印机22的操作。流体喷头14上的逻辑电路和打印机22中的控制器一起控制从流体喷头14的流体的喷出。
图4和5图解说明了流体喷头14的优选逻辑电路44。逻辑电路44包括具有来自微流体喷出装置或打印机22的输入48和到反相器50的输出的NAND(“与非”)门46。优选的反相器50是图5中图解说明的CMOS逻辑电路，包括P型衬底中的NMOS晶体管52和由P型衬底中的NWELL(N阱)提供的相邻的PMOS晶体管54。反相器50的输出与驱动流体致动器，这种情况下为加热元件30的驱动晶体管58的栅极56连接。邻近每个加热元件30，存在至少一个驱动晶体管58。加热元件30是电阻优选约为70-150欧姆或者更大，最好约为100-120欧姆的电阻器。
图6中图解说明了如上所述的反相器50的横截面图(未按比例绘制)。如上所述，反相器50包括NMOS晶体管52和PMOS晶体管54。晶体管52和54都优选具有栅极长度约为0.1-小于3微米，最好约为0.1-1.5微米的栅极60和62。同样地，衬底64或NWELL 66中的沟道最好具有约为0.1-小于3微米的沟道长度。通过形成较小的栅极和沟道长度，可为包含逻辑电路44的基板的区域提供密度更高的晶体管52和54。晶体管52和54的其它特征是常规特征，反相器50由常规的半导体加工技术生产。
图7和8中图解说明了优选的驱动晶体管68和70的横截面图(未按比例绘制)。图9是驱动晶体管68的简化平面图。图7是具有轻微掺杂的漏极区72的驱动晶体管68，而驱动晶体管70包含轻微掺杂的源极区74和轻微掺杂的漏极区76。另外，驱动晶体管68和70最好包括栅极长度LG约为0.1-小于3微米，最好约为0.1-1.5微米的栅极78和80，以及沟道长度LC(图9)约为0.1-小于3微米的沟道。驱动晶体管68和70的栅极长度LG使驱动晶体管具有较低的电阻。一般来说，驱动晶体管68和70的电阻小于加热电阻器30、逻辑电路44、驱动晶体管68或70以及相关的连接电路在电路中形成的总电阻的10％。这样的驱动晶体管68和70优选在大于8伏，最好在约为8-12伏的电压下工作。
驱动晶体管68或70包括衬底82，衬底82最好是P型硅衬底。区域84和86是晶体管68和70的N掺杂源极区和漏极区。区域88是向晶体管源极触点90和92提供0电位的P掺杂区。驱动晶体管68和70的其它特征是常规特征，晶体管68和70用常规的半导体加工技术生产。最好驱动晶体管68或70具有小于约20欧姆，最好约为1-小于20欧姆的导通电阻。
图10中表示了流体喷头14的平面图(未按比例绘制)。流体喷头14包括半导体基板16和附着在基板16上的喷嘴板18。图中表示了半导体基板16的器件区的布局，所述器件区为逻辑电路44、驱动晶体管58和加热电阻器30提供优选的位置。如图10中所示，基板16包括单一的狭槽34，向布置在狭槽34两侧的加热电阻器30提供流体，比如墨。但是，本发明并不局限于具有单一狭槽34的基板16，或者局限于布置在狭槽34两侧的流体喷出致动器，例如加热电阻器30。根据本发明的其它基板可包括多个狭槽，流体喷出致动器被布置在狭槽的一侧或两侧。基板也可不包括狭槽34，从而流体围绕基板16的边缘流到致动器。基板16可包括多个狭槽或者开孔，每个狭槽或开孔用于一个或多个致动器，而不是只包括一个狭槽34。最好由耐墨材料，比如聚酰亚胺制成的喷嘴板18附到基板16上。
在图11的有效面积94的平面图中详细图解说明了驱动晶体管58所需的有效面积94。图11表示了典型的加热器阵列和有效面积的一部分。基板16的有效面积94的宽度尺寸W最好约为100-400微米，总的长度尺寸D约为6300微米-26000微米。以约10微米-84微米的间距P设置驱动晶体管58。设置接地总线96和电源总线98，以便向有效面积94中的器件提供电力，和向加热电阻器30提供电力。
在一个特别优选的实施例中，半导体基板16中的单一驱动晶体管58的区域具有约为100-小于400微米的有效面积宽度，最好具有小于约15000μm2的有效面积。通过使用如上所述的栅极长度和沟道长度约为0.1-小于3微米的驱动晶体管58，使较小的有效面积94成为可能。同样地，由于栅极长度约为0.1-小于3微米的晶体管52和54的使用，逻辑电路44(图10)需要较小的区域。
图12是根据本发明的微流体喷出装置，例如打印机22(图2)的局部简化逻辑图。所述装置包括与流体喷头14连接的主控制系统100。如上参考图10所述，流体喷头14包括逻辑电路44，器件驱动器58和与器件驱动器58连接的流体喷出致动器30。可编程存储器102可位于喷头14或者在打印机22的控制系统100中。打印机22包括电源104和AC-DC转换器106。AC-DC转换器106向喷头14以及向模-数转换器108提供电力。模-数转换器108接受来自外部源，比如计算机的信号110，并把信号提供给打印机22中的控制器112。控制器112包含逻辑器件，用于控制喷头14的功能。控制器112还包含本地存储器和逻辑电路，用于对喷头14上的存储器102(如果有的话)进行编程和读取。
根据前面的说明和附图，预期在本发明的实施例中可做出各种修改和变化，对本领域的技术人员来说这是明显的。因此，上述说明和附图只是对优选实施例的举例说明，而不是对其的限制，本发明的精神和范围由附加的权利要求限定。

Claims (30)

1、一种用于微流体喷头的半导体基板，所述基板包括：
布置在基板上的多个流体喷出致动器；
布置在基板上的多个驱动晶体管，用于驱动多个流体喷出致动器，每个驱动晶体管具有为1000-15000μm2的有效面积；和
与所述多个驱动晶体管耦接的多个逻辑电路，每一个逻辑电路包括至少一个逻辑晶体管，
其中所述多个驱动晶体管和所述多个逻辑电路中的逻辑晶体管均由高密度的MOS晶体管阵列形成，其中至少所述逻辑晶体管的栅极长度为0.1-3微米。
2、按照权利要求1所述的半导体基板，其中流体喷出致动器包含加热电阻器。
3、按照权利要求2所述的半导体基板，其中加热电阻器的电阻为70-150欧姆。
4、按照权利要求1所述的半导体基板，其中驱动晶体管包含具有轻微掺杂的漏极区的晶体管。
5、按照权利要求1所述的半导体基板，其中驱动晶体管具有100-400微米的有效面积宽度。
6、按照权利要求1所述的半导体基板，其中逻辑电路被配置成选择用于驱动流体喷出致动器的驱动晶体管的栅极。
7、按照权利要求1所述的半导体基板，其中驱动晶体管具有小于20欧姆的导通电阻。
8、按照权利要求1所述的半导体基板，其中驱动晶体管包含具有轻微掺杂的源极区和漏极区的晶体管。
9、按照权利要求1所述的半导体基板，其中驱动晶体管包含栅极长度为0.1-3微米的晶体管。
10、按照权利要求1所述的半导体基板，其中驱动晶体管包含沟道长度为0.1-3微米的晶体管。
11、一种包含按照权利要求1所述的半导体基板的用于喷墨打印机用的打印头。
12、按照权利要求11所述的打印头，其中流体喷出致动器包含加热电阻器，所述加热电阻器具有厚度为1000-3000埃的由类金刚石碳构成的保护层。
13、一种用于微流体喷出装置的微流体喷出盒，包括：
盒体，所述盒体具有流体供给源和附到盒体上与流体供给源流体连通的喷头，所述喷头包括：
其上布置有多个流体喷出致动器的半导体基板；
布置在基板上的多个驱动晶体管，用于驱动多个流体喷出致动器，每个驱动晶体管具有100-400微米的有效面积宽度；和
与所述多个驱动晶体管耦接的多个逻辑电路，每一个逻辑电路包括至少一个逻辑晶体管，
其中所述多个驱动晶体管和所述多个逻辑电路中的逻辑晶体管均由高密度的MOS晶体管阵列形成，其中至少所述逻辑晶体管具有0.1-3微米的栅极长度；和
附在半导体基板上的喷嘴板，用于在受到流体喷出致动器的激励时，从其喷出流体。
14、按照权利要求13所述的微流体喷出盒，其中流体喷出致动器包括电阻为70-150欧姆的加热电阻器。
15、按照权利要求13所述的微流体喷出盒，其中每个驱动晶体管的基板的有效面积为1000-15000μm2。
16、按照权利要求13所述的微流体喷出盒，其中驱动晶体管包含具有轻微掺杂的漏极区的晶体管。
17、按照权利要求13所述的微流体喷出盒，其中逻辑电路被配置成选择用于驱动流体喷出致动器的驱动晶体管的栅极。
18、按照权利要求13所述的微流体喷出盒，其中驱动晶体管具有小于20欧姆的导通电阻。
19、按照权利要求13所述的微流体喷出盒，其中驱动晶体管包含具有轻微掺杂的源极区和漏极区的晶体管。
20、按照权利要求13所述的微流体喷出盒，其中流体喷出致动器包含加热电阻器，所述加热电阻器具有厚度为1000-3000埃的由类金刚石碳构成的保护层。
21、按照权利要求13所述的微流体喷出盒，其中驱动晶体管包含栅极长度为0.1-3微米的晶体管。
22、一种用于喷墨打印头的半导体基板，所述基板包括：
布置在基板上的多个加热电阻器，所述加热电阻器用作流体喷出致动器并具有厚度为1000-3000埃的由类金刚石碳构成的保护层；
布置在基板上的多个驱动晶体管，用于驱动多个加热电阻器；和
与所述多个驱动晶体管耦接的多个逻辑电路，每一个逻辑电路包括至少一个逻辑晶体管，
其中所述多个驱动晶体管和所述多个逻辑电路中的逻辑晶体管均由高密度的MOS晶体管阵列形成，其中至少所述逻辑晶体管具有0.1-3微米的栅极长度。
23、按照权利要求22所述的半导体基板，其中加热电阻器具有70-150欧姆的电阻。
24、按照权利要求22所述的半导体基板，其中驱动晶体管包含具有轻微掺杂的漏极区的晶体管。
25、按照权利要求22所述的半导体基板，其中驱动晶体管具有100-400微米的有效面积宽度。
26、按照权利要求22所述的半导体基板，其中逻辑电路被配置成选择用于驱动加热电阻器的驱动晶体管的栅极。
27、按照权利要求22所述的半导体基板，其中驱动晶体管具有小于20欧姆的导通电阻。
28、按照权利要求22所述的半导体基板，其中驱动晶体管包含具有轻微掺杂的源极区和漏极区的晶体管。
29、按照权利要求22所述的半导体基板，其中驱动晶体管包含栅极长度为0.1-3微米的晶体管。
30、按照权利要求22所述的半导体基板，其中驱动晶体管包含沟道长度为0.1-3微米的晶体管。
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