专利名称：具有嵌入式存储器件的打印头的制作方法
技术领域：
本发明涉及喷墨打印头，尤其涉及包含嵌入打印头基板中的存储器件的喷墨打印头。
背景技术：
喷墨打印机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打印头不断发展，变得更复杂。随着打印头的复杂性的增大，生产打印头的成本也增大。然而，仍然需要具有增强能力的打印机。例如，附着有存储器的墨盒使打印机能够访问与墨盒有关的数据，并对应于墨盒的特性，调整打印活动。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打印头的需要。
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出装置的半导体基板。所述半导体基板包括布置在基板上的多个流体喷出器件。多个驱动晶体管被布置在基板上，用于驱动多个流体喷出器件。包含嵌入式可编程存储器件的可编程存储矩阵在操作上与微流体喷出装置连接，用于在半导体基板上收集和保存用于微流体喷出装置的操作的信息。
在另一实施例中，提供一种用于喷墨打印机的喷墨打印机墨盒。所述墨盒包括盒体，盒体具有墨供给源和附到盒体上与墨供给源流体连通的打印头。打印头包括其上布置有多个喷墨器件的半导体基板。多个驱动晶体管布置在基板上，用于驱动多个喷墨器件。包含嵌入式可编程存储器件的可编程存储矩阵在操作上与喷墨打印机连接，用于在半导体基板上收集和保存用于喷墨打印机的操作的信息。喷嘴板被附到半导体基板上，用于在受到喷墨器件的激励时，从其喷出墨。
本发明的优点在于它提供了具有增大的板上存储器的打印头，同时减小了部署存储器件所需的基板的面积。例如具有常规的熔丝或熔式二极管存储器件的打印头需要的基板表面积约为根据本发明的嵌入式存储器件所需基板表面积的4倍。因此，对于相同的基板表面积，对利用根据本发明的嵌入式存储器件的打印头来说，可提供更多的存储器。同样地，在包含同样数量的存储器的情况下，可使根据本发明的打印头基板明显小于包含熔式存储器件的基板。
对于本发明来说，术语“嵌入式”意味着与基板结合在一起，而不是与基板分开、只是通过导线和/或电迹线与基板物理连接。嵌入式存储器件是在用于向诸如喷墨打印头之类的微流体喷出装置提供流体喷出器件和驱动器的硅基板中形成的器件。
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半导体基板的微流体喷出装置盒(未按比例绘制)；图2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3是根据本发明的嵌入式存储矩阵的示意图；图4和5是根据本发明的嵌入式存储单元的示意图；图6和7是根据本发明的PMOS浮栅存储器件的示意图；图8是根据本发明的嵌入式存储器件的读电流与脉冲持续时间的曲线图；图9是包含根据本发明的存储矩阵的微流体喷头的平面图(未按比例绘制)；图10是包含根据本发明的喷头的微流体喷出装置的局部简化逻辑图；图11是根据本发明的微流体喷出装置的透视图。
具体实施例方式
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。因此，在柔性电路24上设置电触点22，用于与微液体喷出装置电连接。柔性电路24包括与流体喷头的基板16连接的电迹线26。
图2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28，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30中的流体。但是，本发明并不局限于包含加热元件28的流体喷头14。其它流体喷出器件，例如压电器件也可被用于构成根据本发明的流体喷头。
通过基板16中的开孔或槽32，并通过连接槽32与流体容室30的流体通道34，流体被提供给流体容室30。喷嘴板18最好通过粘接层36被粘附到基板16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。
在本发明的一个实施例中，半导体基板16包括嵌入基板16中的可编程存储器阵列38。在图3中示意地图解说明了32位可编程存储阵列38的一部分。如图3中所示，可编程存储器阵列38包括耦接在行传输晶体管42和列传输晶体管44之间的多个PMOS或NMOS浮栅晶体管40。浮栅晶体管40与传输晶体管42和44的组合定义一个存储单元。存储单元包括PMOS浮栅晶体管40或NMOS浮栅晶体管50(图5)。在图4中所示的实施例中，列传输晶体管44是PMOS晶体管，行传输晶体管42是NMOS晶体管。通过使用与传输晶体管44和42耦接的NMOS浮栅晶体管50，而不是PMOS浮栅晶体管40，可形成如图5中所示的NMOS浮栅存储单元48。
在一个特别优选的实施例中，浮栅晶体管40是在图6和7中的横截面图中示意表示的PMOS晶体管40。每个浮栅晶体管40包含能够保存电荷(电子)的电绝缘的多晶硅浮栅52。保存在浮栅52上的电子的数量改变浮栅晶体管40的行为。
浮栅晶体管40包括一对隔开一定距离的区域54和56(源极区和漏极区)，源极区54和漏极区56的电导类型与衬底58的电导类型相反。利用公知的半导体技术，可在衬底58上产生定义一对PN结的区域，一个PN结在区域54和衬底58之间，另一个PN结在区域56与衬底58之间。晶体管40的浮栅52空间上被布置在区域54和56之间，并且最好完全封闭在绝缘层60和62内，使得在栅级52和晶体管40的任何其它部分之间不存在电通路。线条64和66表示的金属触点分别被用于提供与源极区54和漏极区56的电触点。可利用已知的MOS或硅栅技术在半导体衬底58中产生晶体管40。
如图6中所示，衬底58包括N型硅衬底58，源极区54和漏极区56包含P型区，触点64和66包含铝或其它导电金属，栅极52包含硅或多晶硅。绝缘层60和62包含氧化硅，比如SiO和SiO2。N型区可以是P型衬底中的NWELL(N阱)区。
把栅极52与衬底58隔开的绝缘层60可以较厚；例如，它可以约为100埃-1000埃厚。利用目前的MOS技术易于获得该厚度。绝缘层62最好约为8000埃厚，最好由直接在栅极52上热生长的氧化硅和在热氧化物上化学气相沉积的掺硅玻璃组成。
晶体管40的栅极52可在不使用与栅极52连接的充电栅极或电极的情况下被充电。通过使用金属触点64和66以及衬底58，电荷被置于栅极52。借助源极54和栅极52之间的电容耦合、漏极感应势垒降低效应(DIBL)和穿通现象的组合，电荷通过绝缘层60被转移到栅极52。例如，源极区54可通过触点64与地耦接，漏极区56可通过触点56与负电压耦接，而衬底58也被接地。为了对栅极52充电，对触点66施加足够数量的负电压，使电流从漏极56流向源极54。漏极的高场区中的碰撞电离会产生热电子。电子被注入栅极氧化物60中，并累积在浮栅52中。对于每个存储单元的一位，晶体管40或者在浮栅52上具有很少的电荷(＜5000电子)，从而保存“1”，或者在浮栅52上具有大量的电荷(＞30000电子)，从而保存“0”。
一旦栅极52被充电，它将在较长的一段时间保持充电状态，因为栅极52内的累积电子没有任何放电通路。在从晶体管40除去电压之后，该结构中的唯一的另外电场是由在栅极52内累积的电荷造成的。栅极52上的电荷不足以电荷穿过绝缘层60。要认识到在衬底58和/或触点64被偏置到不同于接地电位的某一电位的情况下，按照如上所述相同的方式，栅极52可被充电。
通过在触点64和66检查晶体管40的特性，可确定栅极52上电荷的存在或不存在。这可例如通过在触点64和66之间施加电压来实现。该电压应比导致在栅极上电荷的累积所需的电压小。与由在其栅极52上没有电荷的晶体管40传导的电流相比，如果在栅极52上存在电荷，那么晶体管40更易于传导电流，从而充当耗尽晶体管。虽然上述浮栅晶体管40被描述成PMOS型晶体管，不过具有N型源极区和漏极区的P型衬底，即NMOS晶体管可提供相同的结构。利用和用于PMOS器件相同的编程方法，用热空穴注入对NMOS晶体管充以正电荷。
在一个优选实施例中，对浮栅晶体管40编程所需的编程电压大于约8伏，持续时间约100微秒或更长。读电压最好小于约3伏。因此，根据本发明的编程浮栅晶体管40最好在约2伏的读电压下通过约10-200微安的电流。未编程的浮栅晶体管40最好在约2伏的读电压下通过小于约100纳安的电流。图8中图解说明了2伏读电压下的电流与在8伏电压下对浮栅晶体管40编程的脉冲持续时间的曲线图。
借助各种方法，包括(但不限于)X射线辐射和紫外(UV)光，可除去栅极52上的电荷。例如，如果通过绝缘层62对晶体管40施加2×105rad的X射线辐射，那么栅极52上的电荷将被除去。同样地，通过绝缘层62，使栅极52暴露在波长低于400纳米的UV光之下，将使电荷从栅极52上被除去。另外，使晶体管40经受大于约100℃的温度将加速从栅极52的电荷损失。
为了保护可编程存储矩阵38中的浮栅晶体管40或50，避免无意的去编程(deprogramming)，至少半导体基板16的包含可编程存储矩阵38的区域最好包含与基板相对的层，该层足以阻挡UV光。该层可以选自各种材料，包括(但不限于)金属、光阻材料和聚酰亚胺材料。在一个优选实施例中，喷嘴板18(图2)最好由对UV光不透明的聚酰亚胺材料制成，喷嘴板18覆盖基板16的包含可编程存储矩阵38的区域。同样地，在可编程存储矩阵38上可设置金属，比如铜或金导体，以阻挡UV光。
图9中表示了包含可编程存储矩阵38、加热电阻器28和加热器驱动器70的半导体基板16的布局的平面图。可编程存储矩阵38被嵌入包含流体喷出器件28和驱动器70的基板16中。在图9中所示的器件14中，在基板16中形成单一的狭槽32，向布置在狭槽32两侧的墨喷出器件28提供流体，比如墨。但是，本发明并不局限于具有单一狭槽32的基板16，或者局限于布置在狭槽两侧的流体喷出器件28。最好由UV光不透明的材料，比如聚酰亚胺制成的喷嘴板18附到基板16上，并且最好覆盖基板的包含可编程存储矩阵38的区域，以防止使用中存储矩阵38的去编程。
包含可编程存储矩阵38所需的基板16的区域最好具有约100微米-5000微米的宽度尺寸W，和约100微米-5000微米的长度尺寸D。因此，半导体基板16上的存储密度最好大于约200位/平方毫米。这样的存储密度可有效地向微流体喷头14提供各种数据存储和数据传输功能。例如，存储矩阵38可被用于向微流体喷头14提供喷头的识别、对准特征、喷头14的流体性质(例如颜色)，并且/或者存储矩阵38可被增强，以提供液面或流体使用数据。存储矩阵38的数据存储功能实质上不受限制。
重新参考图3，下面说明读和/或写存储矩阵的方法。最初，阵列中的每个浮栅晶体管都是未编程的。为了对阵列的第1列、第1行中的浮栅晶体管FG1，1编程，通过电压输入V1对列晶体管C1，1施加至少约10伏的电压并持续足以对晶体管FG1，1的浮栅施加电荷的一段时间。这种情况下，FG1，1被充电，从而向矩阵38的行1中的传输晶体管R1提供电流通路。传输晶体管R1与读出放大器72连接，以便读出电流。如果当对电压输入V1施加约2伏的电压时，读出放大器读出约10-200微安的电流，那么浮栅晶体管FG1，1处于编程状态。这种情况下，读出放大器72读出的电流的存在或不存在向微流体喷出装置提供数字信号0。相反，如果读出放大器读出的电流小于约100纳安，那么浮栅晶体管FG1，1处于未编程状态。读出放大器72读出的电流的不存在向微流体喷出装置提供数字信号1。
列传输晶体管C1，1-Cn，m和行传输晶体管R1-Rn(其中m是列数，n是行数)可被用于选择浮栅晶体管FG1，1-FGn，m中的哪些由施加给V1-Vm的10伏电压编程。通过对V2-Vm施加电压，并选择适当的行和列传输晶体管，相同的处理可被用于对矩阵中的其它浮栅晶体管40编程。在一个特别优选的实施例中，存储矩阵包括含有上述存储单元46的至少128列和32行。
图10是根据本发明的微流体喷出装置74，例如打印机75(图11)的局部逻辑图。所述装置74包括与微流体喷头14连接的主控制系统76。如上参考图9所述，喷头14包括器件驱动器70和与器件驱动器70连接的流体喷出器件28。可编程存储矩阵38也位于喷头14上。喷出装置74包括电源78和AC-DC转换器80。AC-DC转换器80向喷头14以及向模-数转换器82提供电力。模-数转换器82接受来自外部源，比如计算机的信号84，并把信号提供给装置74中的控制器86。控制器86包含逻辑器件，用于控制驱动器70的功能。控制器86还包含本地存储器和逻辑电路，用于对存储矩阵38进行编程和读取。因此，可使装置74的操作适应从存储矩阵38接收的输入，从而改进装置74，比如喷墨打印机的操作。
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。
权利要求
1.一种用于微流体喷出装置的半导体基板，所述半导体基板包括布置在基板上的多个流体喷出器件；布置在基板上的多个驱动晶体管，用于驱动多个流体喷出器件；和包含嵌入式可编程存储器件的可编程存储矩阵，所述矩阵在操作上与微流体喷出装置连接，用于在半导体基板上收集和保存用于微流体喷出装置的操作的信息。
2.按照权利要求1所述的半导体基板，其中嵌入式可编程存储器件包含从由PMOS和NMOS浮栅晶体管构成的组中选择的晶体管。
3.按照权利要求1所述的半导体基板，其中嵌入式可编程存储器件具有大于约200位/平方毫米的存储密度。
4.按照权利要求1所述的半导体基板，其中可编程存储矩阵包含浮栅晶体管。
5.按照权利要求1所述的半导体基板，其中可编程存储矩阵包含多于128个的存储器件。
6.按照权利要求1所述的半导体基板，其中通过持续至少约100微秒施加大于约8伏的电压，嵌入式可编程存储器件可被编程。
7.按照权利要求1所述的半导体基板，其中在编程状态下，在大约2伏电压下，嵌入式可编程存储器件将通过约10-200微安的电流。
8.按照权利要求1所述的半导体基板，其中在未编程状态下，在大约2伏电压下，嵌入式可编程存储器件将通过小于3微安的电流。
9.按照权利要求1所述的半导体基板，还包括邻近可编程存储矩阵布置的层，所述层具有足以阻挡波长小于约400纳米的紫外光的性质。
10.一种包含按照权利要求9所述的半导体基板的用于喷墨打印机的打印头。
11.按照权利要求10所述的打印头，其中所述层包含从由光阻材料和金属层构成的组中选择的材料，所述层具有紫外光阻挡性质。
12.按照权利要求10所述的打印头，其中所述层包含聚酰亚胺喷嘴板。
13.一种用于喷墨打印机的喷墨打印机墨盒，所述墨盒包括盒体，所述盒体具有墨供给源和附到盒体上与墨供给源流体连通的打印头，所述打印头包括其上布置有多个喷墨器件的半导体基板；布置在基板上的多个驱动晶体管，用于驱动多个喷墨器件；包含嵌入式可编程存储器件的可编程存储矩阵，所述矩阵在操作上与喷墨打印机连接，用于在半导体基板上收集和保存用于喷墨打印机的操作的信息；和附到半导体基板上的喷嘴板，用于在受到喷墨器件的激励时，从其喷出墨。
14.按照权利要求13所述的喷墨打印机墨盒，其中嵌入式可编程存储器件包含从由PMOS和NMOS浮栅晶体管构成的组中选择的晶体管。
15.按照权利要求13所述的喷墨打印机墨盒，其中嵌入式可编程存储器件具有大于约200位/平方毫米的存储密度。
16.按照权利要求13所述的喷墨打印机墨盒，其中可编程存储矩阵包含浮栅晶体管。
17.按照权利要求13所述的喷墨打印机墨盒，其中可编程存储矩阵包含多于128个的存储器件。
18.按照权利要求13所述的喷墨打印机墨盒，其中通过持续至少约100微秒施加大于约8伏的电压，嵌入式可编程存储器件是可编程的。
19.按照权利要求13所述的喷墨打印机墨盒，其中在编程状态下，在大约2伏电压下，嵌入式可编程存储器件将通过约10-200微安的电流。
20.按照权利要求13所述的喷墨打印机墨盒，其中在未编程状态下，在大约2伏电压下，嵌入式可编程存储器件将通过小于3微安的电流。
21.按照权利要求13所述的喷墨打印机墨盒，还包括邻近可编程存储矩阵布置的光阻层，所述光阻层具有足以阻挡波长小于约400纳米的紫外光的性质。
22.按照权利要求13所述的喷墨打印机墨盒，其中喷嘴板包含聚酰亚胺喷嘴板，所述聚酰亚胺喷嘴板具有足以阻挡波长小于约400纳米的紫外光的性质。
全文摘要
一种用于微流体喷出装置的半导体基板，所述半导体基板包括布置在基板上的多个流体喷出器件。多个驱动晶体管被布置在基板上用于驱动多个流体喷出器件。包含嵌入式可编程存储器件的可编程存储矩阵在操作上与微流体喷出装置连接，用于在半导体基板上收集和保存用于微流体喷出装置的操作的信息。可编程存储矩阵提供嵌入在基板上的高密度存储位，用于收集和微流体喷出装置相关的信息。
文档编号B41J2/14GK1890101SQ200480036490
公开日2007年1月3日 申请日期2004年11月10日 优先权日2003年11月12日
发明者约翰·G·艾德林, 乔治·K·帕里什, 克里斯蒂·M·罗为 申请人:莱克斯马克国际公司