壓阻式溫度感測器的製作方法
2024-02-12 09:17:15 1
專利名稱：壓阻式溫度感測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種溫度感測器，特別是涉及一種檢測腔型裝置內流體溫度的感測器。
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。以印表機為例，才不過幾年功夫，列印技術便已從撞針式、黑白雷射進步到彩色噴墨及彩色雷射等，可謂一日千裡。目前一般的家庭使用者，由於列印大量文件的機會不多，所以在選購印表機時，為兼顧列印質量與價格二者間的平衡，仍以彩色噴墨印表機為首選；若預算充裕，便另添購黑白雷射印表機以做為文件列印之用。
目前市面上的噴墨印表機，大多採用氣泡式或是壓電式噴墨頭以將墨水散布至紙張上完成列印工作。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)。加熱器的作用在於加熱墨水以產生氣泡，並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。在列印時，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。在解析度方面，目前彩色噴墨印表機的入門機種，解析度約為720×720dpi或1440×720dpi，解析度越高，表示墨點越細緻，而墨點的細緻程度，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，製作噴墨頭100時會先在半導體基底，例如是矽基底140上形成結構層120，而後再利用蝕刻技術對矽基底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等結構一一形成後，噴墨頭100即告完成。基本上，噴墨頭100上的噴孔110會以陣列(array)形式整齊排列，用以將墨水190噴出，由於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並加以說明。以此圖為例，每一噴孔110位於噴墨室(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的導引充滿於每一噴墨室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；加熱器被加熱後，便可使噴墨室130中的墨水溫度上升並形成氣泡，當氣泡逐漸漲大後，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165，兩加熱器被加熱後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，並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的方向噴出並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並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，因此列印的解析度變差；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。故而在列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範圍內，才能保有完美的列印質量；因此要如何檢測墨水溫度並有效地加以補償，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 andcorrects for variations in that detected temperature，and cartridgeand apparatus having such a head，」中提到利用一電阻器作為晶片(Chip)上的溫度檢測元件，並在晶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，實在不適於作大量生產。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。
本發明的目的在於提供一種壓阻式溫度感測器，並配合環形加熱器來控制流體的溫度在一預先決定的範圍，以達到提高列印質量的目的。
本發明的目的是這樣實現的，即提供一種壓阻式溫度感測器，配置於內含一流體的腔型裝置處，用以感測該腔型裝置內的流體溫度，該壓阻式溫度感測器包括一感測區域，位於該腔型裝置處；以及一壓阻元件，配置於該感測區域處；其中，該感測區域的幾何形狀追隨該流體的溫度變化而改變，由此使該壓阻元件的電阻值產生變化以感測該流體的溫度。
本發明還提供一種壓阻式溫度感測器，配置於內含一流體的腔型裝置處，用以感測該腔型裝置內的流體溫度，該壓阻式溫度感測器包括一感測區域，配置於該腔型裝置處；以及多個壓阻元件，配置於該感測區域的邊緣且以一電橋型態相互耦接；其中，該感測區域的幾何形狀追隨該流體的溫度變化而改變，由此使該各壓阻元件的電阻值產生變化以感測該流體的溫度。
本發明還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。
綜上所述，上述的壓阻式溫度感測器包括有感測片及壓阻元件，並設置於噴墨頭處，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矽基底，使噴墨頭內的墨水溫度能保持在工作溫度的範圍內，並利用半導體材料在噴墨頭處形成矩形的感測區域後，在感測區域各邊緣的中心點設置壓阻元件(例如多晶矽)，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，製作壓阻元件時可在多晶矽中摻雜，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並不以多晶矽為限，也可利用金屬來製作各壓阻元件，此各金屬可選自於鋁、金、銅、鎢、鈦及鋁矽銅合金、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。
為了能使列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範圍內，例如介於溫度值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範圍，工作溫度確定後，列印時只要墨水的實際溫度低於溫度值T1時便可將加熱器開啟，而在墨水溫度高於溫度值T2或介於溫度值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範圍內，以確保列印質量。
那麼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，並利用設於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範圍內，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設置於噴墨頭100的結構層120上，位於歧管150的上方，以感測噴墨頭100內的墨水溫度。需要注意的是，由於歧管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並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，在實際操作上並無困難。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以加熱矽基底140，使矽基底140的溫度立即竄升；矽基底140被加熱後，也會使墨水的溫度即刻升高，當墨水溫度上升至工作溫度後，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；由於結構層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，並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；由於圖3C是採用與圖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並不以上述數目為限，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 andsilicon，」Phys.Rev.，Vol.94，pp.42-49(1954)中證實，矽(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—「以標準集成電路製作技術製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)於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，例如多晶矽，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，壓阻元件的材質並不以多晶矽為限，也可利用金屬材料製作壓阻元件，在材質的選擇上可選自於鋁、金、銅、鎢、鈦及鋁矽銅合金、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，並在感測區域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後，壓阻元件4l，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；且由於感測區域410形變後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，並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ΔR的變化量，則由於電阻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ΔR；反之，由於電阻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ΔR，因此輸出電壓值的改變量ΔV可記為ΔV＝(ΔR/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，並無技術上的困難。
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，感測區域形變後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，也可適用於其他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製作方法也不限於半導體製作工藝，不論製作方法為何，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，利用半導體製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於1.製作工藝是完全利用標準集成電路電路工藝所製作完成，無須另外加上其他額外的製作步驟，具備有可大量生產的能力，且所製作出的感測器的精確度及良率都有一定的水準。
2.利用原先所需的後製作工藝(Post-processing)蝕穿矽基材以製作出歧管的步驟，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製成此一感測器。
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範圍內，以達成列印質量良好的效果。
綜上所述，雖然結合以上一較佳實施例揭露了本發明，然而其並非用以限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍應以權利要求所界定的為準。
權利要求
1.一種壓阻式溫度感測器，配置於內含一流體的腔型裝置處，用以感測該腔型裝置內的流體溫度，該壓阻式溫度感測器包括一感測區域，位於該腔型裝置處；以及一壓阻元件，配置於該感測區域處；其中，該感測區域的幾何形狀追隨該流體的溫度變化而改變，由此使該壓阻元件的電阻值產生變化以感測該流體的溫度。
2.如權利要求1所述的壓阻式溫度感測器，其中該感測區域為矩形形狀。
3.如權利要求1所述的壓阻式溫度感測器，其中該壓阻元件設置於該感測區域的邊緣。
4.如權利要求1所述的壓阻式溫度感測器，其中該腔型裝置噴墨頭。
5.如權利要求1所述的壓阻式溫度感測器，其中該流體墨水。
6.如權利要求1所述的壓阻式溫度感測器，其中該感測區域利用半導體製作工藝形成於該腔型裝置處。
7.如權利要求1所述的壓阻式溫度感測器，其中該壓阻元件利用半導體製作工藝形成於該感測區域。
8.如權利要求7所述的壓阻式溫度感測器，其中該壓阻元件的材質為一多晶矽。
9.如權利要求8所述的壓阻式溫度感測器，其中該多晶矽內摻雜有硼離子。
10.如權利要求8所述的壓阻式溫度感測器，其中該多晶矽內摻雜有磷離子。
11.如權利要求1所述的壓阻式溫度感測器，其中該壓阻元件的材質為一金屬。
12.如權利要求11所述的壓阻式溫度感測器，其中該金屬的材質為選自於鋁、金、銅、鎢、鈦、氮化鎢、氮化鈦及鋁矽銅合金所構成族群中的任一種。
13.一種壓阻式溫度感測器，配置於內含一流體的腔型裝置處，用以感測該腔型裝置內的流體溫度，該壓阻式溫度感測器包括一感測區域，配置於該腔型裝置處；以及多個壓阻元件，配置於該感測區域的邊緣且以一電橋型態相互耦接；其中，該感測區域的幾何形狀追隨該流體的溫度變化而改變，由此使該各壓阻元件的電阻值產生變化以感測該流體的溫度。
14.如權利要求13所述的壓阻式溫度感測器，其中該電橋型態為惠斯通電橋型態。
15.如權利要求14所述的壓阻式溫度感測器，其中該惠斯通電橋型態是以四個壓阻元件相互耦接而成。
16.如權利要求15所述的壓阻式溫度感測器，其中該各壓阻元件的電阻值均相同。
17.如權利要求15所述的壓阻式溫度感測器，其中該各壓阻元件分別設置於該感測區域各邊緣的中心點處。
18.如權利要求13所述的壓阻式溫度感測器，其中該各壓阻元件分別設置於該感測區域各邊緣的中心點處。
19.如權利要求13所述的壓阻式溫度感測器，其中該各壓阻元件的電阻值均相同。
20.如權利要求13所述的壓阻式溫度感測器，其中該感測區域為矩形形狀。
21.如權利要求13所述的壓阻式溫度感測器，其中該各壓阻元件的電阻值改變時該壓阻式溫度感測器的輸出電壓也隨之改變。
22.如權利要求13所述的壓阻式溫度感測器，其中該腔型裝置為噴墨頭。
23.如權利要求13所述的壓阻式溫度感測器，其中該流體為墨水。
24.如權利要求13所述的壓阻式溫度感測器，其中該感測區域利用半導體製作工藝形成於該腔型裝置處。
25.如權利要求13所述的壓阻式溫度感測器，其中該各壓阻元件利用半導體製作工藝形成於該感測區域處。
26.如權利要求25所述的壓阻式溫度感測器，其中該各壓阻元件的材質為一多晶矽。
27.如權利要求26所述的壓阻式溫度感測器，其中該多晶矽內摻雜有硼離子。
28.如權利要求26所述的壓阻式溫度感測器，其中該多晶矽內摻雜有磷離子。
29.如權利要求13所述的壓阻式溫度感測器，其中該各壓阻元件的材質為一金屬。
30.如權利要求29所述的壓阻式溫度感測器，其中該金屬的材質選自於鋁、金、銅、鎢、鈦、氮化鎢、氮化鈦及鋁矽銅合金所構成族群中的任一種。
31.一種流體噴射裝置，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。
32.如權利要求31所述的流體噴射裝置，其中該半導體基底為矽基底。
33.如權利要求31所述的流體噴射裝置，其中該流體噴射裝置為噴墨頭。
34.如權利要求31所述的流體噴射裝置，其中該流體為墨水。
35.如權利要求31所述的流體噴射裝置，其中該溫度調整元件為加熱器。
36.如權利要求31所述的流體噴射裝置，其中該溫度調整元件圍繞於該歧管的四周邊緣。
37.如權利要求31所述的流體噴射裝置，其中該溫度調整元件圍繞於該半導體基底的四周邊緣。
全文摘要
一種壓阻式溫度感測器,包括感測裝置及壓阻元件,以感測噴墨頭內的墨水溫度,操作時,可用半導體材料在噴墨頭處形成矩形的感測區域,在感測區域各邊緣中心點設置壓阻元件,以承受因壓阻元件形變而產生的應力。當墨水溫度上升後,噴墨頭表面會因受熱而隆起,故感測裝置也隨之形變,使壓阻元件受到大應力而使其電阻值改變;若將各壓阻元件以電橋型態相互耦接,便使各電阻值變化被轉換為電壓信號輸出,以得知墨水溫度。
文檔編號G01K7/16GK1376903SQ0111203
公開日2002年10月30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:明碁電通股份有限公司