專利名稱：具有高效邏輯和驅(qū)動(dòng)電路的微流體噴出裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微流體噴出裝置，尤其涉及包含高效邏輯和驅(qū)動(dòng)電路的用于噴出裝置的噴頭。
背景技術(shù)：
諸如噴墨打印機(jī)之類的微流體噴出裝置持續(xù)被廣泛接受為激光打印機(jī)的經(jīng)濟(jì)替代者。對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這樣的噴墨打印機(jī)一般比激光打印機(jī)更通用。隨著噴墨打印機(jī)的能力被提高，從而以提高的打印速率提供更高質(zhì)量的圖像，作為噴墨打印機(jī)的主要打印組件的噴頭不斷發(fā)展，變得更復(fù)雜。隨著噴頭的復(fù)雜性的增大，生產(chǎn)噴頭的成本也增大。然而，仍然需要具有增強(qiáng)能力，包括增強(qiáng)的質(zhì)量和更高的吞吐率的微流體噴出裝置。打印質(zhì)量和價(jià)格方面的競(jìng)爭(zhēng)壓力促進(jìn)了以更經(jīng)濟(jì)的方式生產(chǎn)能力增強(qiáng)的噴頭的需要。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述和其它目的和優(yōu)點(diǎn)，提供一種用于微流體噴頭的半導(dǎo)體基板。所述基板包括布置在基板上的多個(gè)流體噴出致動(dòng)器。多個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管被布置在基板上，用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)流體噴出致動(dòng)器。每個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管具有約為1000-小于15000μm2的有效面積。包括至少一個(gè)邏輯晶體管的多個(gè)邏輯電路與驅(qū)動(dòng)晶體管耦接。驅(qū)動(dòng)晶體管和邏輯晶體管由高密度的MOS晶體管陣列形成，其中至少邏輯晶體管的柵極長(zhǎng)度約為0.1-小于3微米。
在另一實(shí)施例中，提供一種用于微流體噴出裝置的微流體噴出盒。盒體具有流體供給源和附到盒體上與流體供給源流體連通的噴頭。噴頭包括其上布置有多個(gè)流體噴出致動(dòng)器的半導(dǎo)體基板。多個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管布置在基板上，用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)流體噴出致動(dòng)器。每個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管具有約為100-小于400微米的有效面積寬度。包括至少一個(gè)邏輯晶體管的多個(gè)邏輯電路在操作上與驅(qū)動(dòng)晶體管耦接。驅(qū)動(dòng)晶體管和邏輯晶體管由高密度的MOS晶體管陣列形成，其中至少邏輯晶體管具有約為0.1-小于3微米的柵極長(zhǎng)度。噴嘴板被附到半導(dǎo)體基板上，用于在受到流體噴出致動(dòng)器的激勵(lì)時(shí)，從其噴出流體。
在另一實(shí)施例中，提供一種用于噴墨打印頭的半導(dǎo)體基板。所述基板包括布置在基板上的多個(gè)加熱電阻器。加熱電阻器具有厚度約為1000-3000埃的由類金剛石碳構(gòu)成的保護(hù)層。多個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管被布置在基板上，用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)流體噴出致動(dòng)器。包括至少一個(gè)邏輯晶體管的多個(gè)邏輯電路與驅(qū)動(dòng)晶體管耦接。驅(qū)動(dòng)晶體管和邏輯晶體管由高密度的MOS晶體管陣列形成，其中至少邏輯晶體管具有約為0.1-小于3微米的柵極長(zhǎng)度。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于它為要求相當(dāng)小的基板面積，然而提供增強(qiáng)功能的微流體噴出裝置提供微流體噴頭。半導(dǎo)體基板可被用于各種應(yīng)用，包括噴墨打印頭，微流體冷卻裝置，劑量受控的藥物制劑的輸送等。在噴墨打印機(jī)應(yīng)用中，本發(fā)明的基板能夠顯著降低包含噴頭的打印頭的制造成本和原材料成本。


結(jié)合圖解說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)非限制性方面，參考優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，在下面的附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似的元件圖1是包含根據(jù)本發(fā)明的微流體噴頭的微流體噴出裝置盒(未按比例繪制)；圖2是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選微流體噴出裝置的透視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的微流體噴頭的一部分的橫截面(未按比例繪制)；圖4是根據(jù)本發(fā)明的邏輯電路的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的邏輯電路的反相器的示意圖；
圖6是根據(jù)本發(fā)明的邏輯電路晶體管的一部分的橫截面圖(未按比例繪制)；圖7和8是根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)晶體管的一部分的橫截面圖(未按比例繪制)；圖9是根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)晶體管的一部分的平面圖(未按比例繪制)；圖10是根據(jù)本發(fā)明的微流體噴頭的基板上的典型布局的平面圖(未按比例繪制)；圖11是根據(jù)本發(fā)明的微流體噴頭的有效面積的一部分的平面圖(未按比例繪制)；圖12是根據(jù)本發(fā)明的微流體噴出裝置的邏輯圖的局部示意圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，圖中圖解說(shuō)明了微流體噴出裝置的流體盒10。盒10包括用于向流體噴頭14供給流體的盒體12。流體可被容納在盒體12中的存儲(chǔ)區(qū)中，或者可從遠(yuǎn)程來(lái)源供給盒體。
流體噴頭14包括半導(dǎo)體基板16和包含噴嘴孔20的噴嘴板18。盒最好可拆卸地固定在微流體裝置，比如噴墨打印機(jī)22(圖2)上。因此，在柔性電路26上設(shè)置電觸點(diǎn)24，用于與微液體噴出裝置電連接。柔性電路26包括與流體噴頭14的基板16連接的電跡線28。
圖3中圖解說(shuō)明了流體噴頭14的一部分的放大圖(未按比例繪制)。這種情況下，流體噴頭14包含加熱元件30，作為流體噴出致動(dòng)器，用于加熱在基板16和噴嘴孔20之間在噴嘴板18中形成的流體容室32中的流體。但是，本發(fā)明并不局限于包含加熱元件30的流體噴頭14。就加熱元件30來(lái)說(shuō)，加熱元件是最好具有由類金剛石碳構(gòu)成的厚度約為1000-3000埃的保護(hù)層的發(fā)熱電阻器。其它流體噴出致動(dòng)器，例如壓電器件也可被用于提供根據(jù)本發(fā)明的流體噴頭。
通過基板16中的開孔或槽34，并通過連接槽34與流體容室32的流體通道36，流體被提供給流體容室32。噴嘴板18最好通過粘接層36被粘附到基板16上。如圖3中所示，包括流體容室32和流體通道36的流動(dòng)部件形成于噴嘴板18中。但是，流動(dòng)部件也可提供在獨(dú)立的厚膜層中，其中只包含噴嘴孔的噴嘴板被附著到厚膜層上。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中，流體噴頭14是熱或壓電噴墨打印頭。但是，本發(fā)明并不局限于噴墨打印頭，因?yàn)槔酶鶕?jù)本發(fā)明的微流體噴出裝置可噴出其它流體。
重新參見圖2，流體噴出裝置最好是噴墨打印機(jī)22。打印機(jī)22包含保持一個(gè)或多個(gè)盒10，并在介質(zhì)42，例如紙張上方移動(dòng)盒10，以便把流體從盒10沉積在介質(zhì)42上的滑架40。如上所述，盒上的觸點(diǎn)24與滑架40上的觸點(diǎn)配合，提供打印機(jī)22和盒10之間的電連接。打印機(jī)22中的微控制器控制滑架40橫越介質(zhì)42的移動(dòng)，并轉(zhuǎn)換來(lái)自諸如計(jì)算機(jī)之類外部裝置的模擬和/或數(shù)字輸入，以便控制打印機(jī)22的操作。流體噴頭14上的邏輯電路和打印機(jī)22中的控制器一起控制從流體噴頭14的流體的噴出。
圖4和5圖解說(shuō)明了流體噴頭14的優(yōu)選邏輯電路44。邏輯電路44包括具有來(lái)自微流體噴出裝置或打印機(jī)22的輸入48和到反相器50的輸出的NAND(“與非”)門46。優(yōu)選的反相器50是圖5中圖解說(shuō)明的CMOS邏輯電路，包括P型襯底中的NMOS晶體管52和由P型襯底中的NWELL(N阱)提供的相鄰的PMOS晶體管54。反相器50的輸出與驅(qū)動(dòng)流體致動(dòng)器，這種情況下為加熱元件30的驅(qū)動(dòng)晶體管58的柵極56連接。鄰近每個(gè)加熱元件30，存在至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管58。加熱元件30是電阻優(yōu)選約為70-150歐姆或者更大，最好約為100-120歐姆的電阻器。
圖6中圖解說(shuō)明了如上所述的反相器50的橫截面圖(未按比例繪制)。如上所述，反相器50包括NMOS晶體管52和PMOS晶體管54。晶體管52和54都優(yōu)選具有柵極長(zhǎng)度約為0.1-小于3微米，最好約為0.1-1.5微米的柵極60和62。同樣地，襯底64或NWELL 66中的溝道最好具有約為0.1-小于3微米的溝道長(zhǎng)度。通過形成較小的柵極和溝道長(zhǎng)度，可為包含邏輯電路44的基板的區(qū)域提供密度更高的晶體管52和54。晶體管52和54的其它特征是常規(guī)特征，反相器50由常規(guī)的半導(dǎo)體加工技術(shù)生產(chǎn)。
圖7和8中圖解說(shuō)明了優(yōu)選的驅(qū)動(dòng)晶體管68和70的橫截面圖(未按比例繪制)。圖9是驅(qū)動(dòng)晶體管68的簡(jiǎn)化平面圖。圖7是具有輕微摻雜的漏極區(qū)72的驅(qū)動(dòng)晶體管68，而驅(qū)動(dòng)晶體管70包含輕微摻雜的源極區(qū)74和輕微摻雜的漏極區(qū)76。另外，驅(qū)動(dòng)晶體管68和70最好包括柵極長(zhǎng)度LG約為0.1-小于3微米，最好約為0.1-1.5微米的柵極78和80，以及溝道長(zhǎng)度LC(圖9)約為0.1-小于3微米的溝道。驅(qū)動(dòng)晶體管68和70的柵極長(zhǎng)度LG使驅(qū)動(dòng)晶體管具有較低的電阻。一般來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)晶體管68和70的電阻小于加熱電阻器30、邏輯電路44、驅(qū)動(dòng)晶體管68或70以及相關(guān)的連接電路在電路中形成的總電阻的10％。這樣的驅(qū)動(dòng)晶體管68和70優(yōu)選在大于8伏，最好在約為8-12伏的電壓下工作。
驅(qū)動(dòng)晶體管68或70包括襯底82，襯底82最好是P型硅襯底。區(qū)域84和86是晶體管68和70的N摻雜源極區(qū)和漏極區(qū)。區(qū)域88是向晶體管源極觸點(diǎn)90和92提供0電位的P摻雜區(qū)。驅(qū)動(dòng)晶體管68和70的其它特征是常規(guī)特征，晶體管68和70用常規(guī)的半導(dǎo)體加工技術(shù)生產(chǎn)。最好驅(qū)動(dòng)晶體管68或70具有小于約20歐姆，最好約為1-小于20歐姆的導(dǎo)通電阻。
圖10中表示了流體噴頭14的平面圖(未按比例繪制)。流體噴頭14包括半導(dǎo)體基板16和附著在基板16上的噴嘴板18。圖中表示了半導(dǎo)體基板16的器件區(qū)的布局，所述器件區(qū)為邏輯電路44、驅(qū)動(dòng)晶體管58和加熱電阻器30提供優(yōu)選的位置。如圖10中所示，基板16包括單一的狹槽34，向布置在狹槽34兩側(cè)的加熱電阻器30提供流體，比如墨。但是，本發(fā)明并不局限于具有單一狹槽34的基板16，或者局限于布置在狹槽34兩側(cè)的流體噴出致動(dòng)器，例如加熱電阻器30。根據(jù)本發(fā)明的其它基板可包括多個(gè)狹槽，流體噴出致動(dòng)器被布置在狹槽的一側(cè)或兩側(cè)。基板也可不包括狹槽34，從而流體圍繞基板16的邊緣流到致動(dòng)器?；?6可包括多個(gè)狹槽或者開孔，每個(gè)狹槽或開孔用于一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器，而不是只包括一個(gè)狹槽34。最好由耐墨材料，比如聚酰亞胺制成的噴嘴板18附到基板16上。
在圖11的有效面積94的平面圖中詳細(xì)圖解說(shuō)明了驅(qū)動(dòng)晶體管58所需的有效面積94。圖11表示了典型的加熱器陣列和有效面積的一部分。基板16的有效面積94的寬度尺寸W最好約為100-400微米，總的長(zhǎng)度尺寸D約為6300微米-26000微米。以約10微米-84微米的間距P設(shè)置驅(qū)動(dòng)晶體管58。設(shè)置接地總線96和電源總線98，以便向有效面積94中的器件提供電力，和向加熱電阻器30提供電力。
在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中，半導(dǎo)體基板16中的單一驅(qū)動(dòng)晶體管58的區(qū)域具有約為100-小于400微米的有效面積寬度，最好具有小于約15000μm2的有效面積。通過使用如上所述的柵極長(zhǎng)度和溝道長(zhǎng)度約為0.1-小于3微米的驅(qū)動(dòng)晶體管58，使較小的有效面積94成為可能。同樣地，由于柵極長(zhǎng)度約為0.1-小于3微米的晶體管52和54的使用，邏輯電路44(圖10)需要較小的區(qū)域。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的微流體噴出裝置，例如打印機(jī)22(圖2)的局部簡(jiǎn)化邏輯圖。所述裝置包括與流體噴頭14連接的主控制系統(tǒng)100。如上參考圖10所述，流體噴頭14包括邏輯電路44，器件驅(qū)動(dòng)器58和與器件驅(qū)動(dòng)器58連接的流體噴出致動(dòng)器30?？删幊檀鎯?chǔ)器102可位于噴頭14或者在打印機(jī)22的控制系統(tǒng)100中。打印機(jī)22包括電源104和AC-DC轉(zhuǎn)換器106。AC-DC轉(zhuǎn)換器106向噴頭14以及向模-數(shù)轉(zhuǎn)換器108提供電力。模-數(shù)轉(zhuǎn)換器108接受來(lái)自外部源，比如計(jì)算機(jī)的信號(hào)110，并把信號(hào)提供給打印機(jī)22中的控制器112?？刂破?12包含邏輯器件，用于控制噴頭14的功能?？刂破?12還包含本地存儲(chǔ)器和邏輯電路，用于對(duì)噴頭14上的存儲(chǔ)器102(如果有的話)進(jìn)行編程和讀取。
根據(jù)前面的說(shuō)明和附圖，預(yù)期在本發(fā)明的實(shí)施例中可做出各種修改和變化，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)這是明顯的。因此，上述說(shuō)明和附圖只是對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的舉例說(shuō)明，而不是對(duì)其的限制，本發(fā)明的精神和范圍由附加的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于微流體噴頭的半導(dǎo)體基板，所述基板包括布置在基板上的多個(gè)流體噴出致動(dòng)器；布置在基板上的多個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管，用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)流體噴出致動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管具有約為1000-小于15000μm2的有效面積；和與驅(qū)動(dòng)晶體管耦接的多個(gè)邏輯電路，所述邏輯電路包括至少一個(gè)邏輯晶體管，其中所述驅(qū)動(dòng)晶體管和邏輯晶體管均由高密度的MOS晶體管陣列形成，其中至少邏輯晶體管的柵極長(zhǎng)度約為0.1-小于3微米。
2.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體基板，其中流體噴出致動(dòng)器包含加熱電阻器。
3.按照權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體基板，其中加熱電阻器的電阻約為70-150歐姆。
4.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體基板，其中驅(qū)動(dòng)晶體管包含具有輕微摻雜的漏極區(qū)的晶體管。
5.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體基板，其中驅(qū)動(dòng)晶體管具有約為100-小于400微米的有效面積寬度。
6.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體基板，其中邏輯電路被配置成選擇用于驅(qū)動(dòng)噴出致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)晶體管的柵極。
7.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體基板，其中驅(qū)動(dòng)晶體管具有小于約20歐姆的導(dǎo)通電阻。
8.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體基板，其中驅(qū)動(dòng)晶體管包含具有輕微摻雜的源極區(qū)和漏極區(qū)的晶體管。
9.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體基板，其中驅(qū)動(dòng)晶體管包含柵極長(zhǎng)度約為0.1-小于3微米的晶體管。
10.按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體基板，其中驅(qū)動(dòng)晶體管包含溝道長(zhǎng)度約為0.1-小于3微米的晶體管。
11.一種包含按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體基板的用于噴墨打印機(jī)用的打印頭。
12.按照權(quán)利要求11所述的打印頭，其中流體噴出致動(dòng)器包含加熱電阻器，所述加熱電阻器具有厚度約為1000-3000埃的由類金剛石碳構(gòu)成的保護(hù)層。
13.一種用于微流體噴出裝置的微流體噴出盒，包括盒體，所述盒體具有流體供給源和附到盒體上與流體供給源流體連通的噴頭，所述噴頭包括其上布置有多個(gè)流體噴出致動(dòng)器的半導(dǎo)體基板；布置在基板上的多個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管，用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)流體噴出致動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管具有約為100-小于400微米的有效面積寬度；和與驅(qū)動(dòng)晶體管耦接的多個(gè)邏輯電路，所述邏輯電路包括至少一個(gè)邏輯晶體管，其中所述驅(qū)動(dòng)晶體管和邏輯晶體管均由高密度的MOS晶體管陣列形成，其中至少邏輯晶體管具有約為0.1-小于3微米的柵極長(zhǎng)度；和附在半導(dǎo)體基板上的噴嘴板，用于在受到流體噴出致動(dòng)器的激勵(lì)時(shí)，從其噴出流體。
14.按照權(quán)利要求13所述的微流體噴出盒，其中流體噴出致動(dòng)器包括電阻約為70-150歐姆的加熱電阻器。
15.按照權(quán)利要求13所述的微流體噴出盒，其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管的基板的有效面積約為1000-小于15000μm2。
16.按照權(quán)利要求13所述的微流體噴出盒，其中驅(qū)動(dòng)晶體管包含具有輕微摻雜的漏極區(qū)的晶體管。
17.按照權(quán)利要求13所述的微流體噴出盒，其中邏輯電路被配置成選擇用于驅(qū)動(dòng)噴出致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)晶體管的柵極。
18.按照權(quán)利要求13所述的微流體噴出盒，其中驅(qū)動(dòng)晶體管具有小于約20歐姆的導(dǎo)通電阻。
19.按照權(quán)利要求13所述的微流體噴出盒，其中驅(qū)動(dòng)晶體管包含具有輕微摻雜的源極區(qū)和漏極區(qū)的晶體管。
20.按照權(quán)利要求12所述的微流體噴出盒，其中流體噴出致動(dòng)器包含加熱電阻器，所述加熱電阻器具有厚度約為1000-3000埃的由類金剛石碳構(gòu)成的保護(hù)層。
21.按照權(quán)利要求12所述的微流體噴出盒，其中驅(qū)動(dòng)晶體管包含柵極長(zhǎng)度約為0.1-小于3微米的晶體管。
22.一種用于噴墨打印頭的半導(dǎo)體基板，所述基板包括布置在基板上的多個(gè)加熱電阻器，加熱電阻器具有厚度約為1000-3000埃的由類金剛石碳構(gòu)成的保護(hù)層；布置在基板上的多個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管，用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)流體噴出致動(dòng)器；和與驅(qū)動(dòng)晶體管耦接的多個(gè)邏輯電路，所述邏輯電路包括至少一個(gè)邏輯晶體管，其中所述驅(qū)動(dòng)晶體管和邏輯晶體管均由高密度的MOS晶體管陣列形成，其中至少邏輯晶體管具有約為0.1-小于3微米的柵極長(zhǎng)度。
23.按照權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體基板，其中加熱電阻器具有約為70-150歐姆的電阻。
24.按照權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體基板，其中驅(qū)動(dòng)晶體管包含具有輕微摻雜的漏極區(qū)的晶體管。
25.按照權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體基板，其中驅(qū)動(dòng)晶體管具有約為100-小于400微米的有效面積寬度。
26.按照權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體基板，其中邏輯電路被配置成選擇用于驅(qū)動(dòng)噴出致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)晶體管的柵極。
27.按照權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體基板，其中驅(qū)動(dòng)晶體管具有小于約20歐姆的導(dǎo)通電阻。
28.按照權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體基板，其中驅(qū)動(dòng)晶體管包含具有輕微摻雜的源極區(qū)和漏極區(qū)的晶體管。
29.按照權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體基板，其中驅(qū)動(dòng)晶體管包含柵極長(zhǎng)度約為0.1-小于3微米的晶體管。
30.按照權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體基板，其中驅(qū)動(dòng)晶體管包含溝道長(zhǎng)度約為0.1-小于3微米的晶體管。
全文摘要
一種用于微流體噴頭的半導(dǎo)體基板。所述基板包括布置在基板上的多個(gè)流體噴出致動(dòng)器。多個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管被布置在基板上，用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)流體噴出致動(dòng)器。每個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管具有約為1000小于15000μm
文檔編號(hào)B41J2/145GK1890102SQ200480036516
公開日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2004年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月14日
發(fā)明者約翰·G·艾德林, 喬治·K·帕里什, 克里斯蒂·M·羅為 申請(qǐng)人:萊克斯馬克國(guó)際公司