專利名稱：具有集成移動傳感器的微型機電器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在微型機電(MEM)器件中檢測故障并且如果合適的話就排除此故障的方法。本發明可應用在墨水噴嘴類型方面，這些噴嘴通過結合可用于微型機電系統(MEMS)的技術以及輔助金屬氧化物半導體(CMOS)集成電路而制造，并且本發明以下按此應用的情況進行描述。然而，應該理解，本發明具有更廣泛的應用，可在各種類型的MEM器件中排除故障。
共同未決的申請涉及本發明的各種方法、系統和裝置在由本發明申請人或受讓人與本申請同時提交的下列共同未決的申請中公開PCT/AU00/00518，PCT/AU00/00519，PCT/AU00/00520，PCT/AU00/00521，PCT/AU00/00522，PCT/AU00/00523，PCT/AU00/00524，PCT/AU00/00525，PCT/AU00/00526，PCT/AU00/00527，PCT/AU00/00528，PCT/AU00/00529，PCT/AU00/00530，PCT/AU00/00531，PCT/AU00/00532，PCT/AU00/00533，PCT/AU00/00534，PCT/AU00/00535，PCT/AU00/00536，PCT/AU00/00537，PCT/AU00/00538，PCT/AU00/00539，PCT/AU00/00540，PCT/AU00/00541，PCT/AU00/00542，PCT/AU00/00543，PCT/AU00/00544，PCT/AU00/00545，PCT/AU00/00547，PCT/AU00/00546，PCT/AU00/00554，PCT/AU00/00556，PCT/AU00/00557，PCT/AU00/00558，PCT/AU00/00559，PCT/AU00/00560，PCT/AU00/00561，PCT/AU00/00562，PCT/AU00/00563，PCT/AU00/00564，PCT/AU00/00565，PCT/AU00/00566，PCT/AU00/00567，PCT/AU00/00568，
PCT/AU00/00569，PCT/AU00/00570，PCT/AU00/00571，PCT/AU00/00572，PCT/AU00/00573，PCT/AU00/00574，PCT/AU00/00575，PCT/AU00/00576，PCT/AU00/00577，PCT/AU00/00578，PCT/AU00/00579，PCT/AU00/00581，PCT/AU00/00580，PCT/AU00/00582，PCT/AU00/00587，PCT/AU00/00588，PCT/AU00/00589，PCT/AU00/00583，PCT/AU00/00593，PCT/AU00/00590，PCT/AU00/00591，PCT/AU00/00592，PCT/AU00/00584，PCT/AU00/00585，PCT/AU00/00586，PCT/AU00/00594，PCT/AU00/00595，PCT/AU00/00596，PCT/AU00/00597，PCT/AU00/00598，PCT/AU00/00516，PCT/AU00/00517，PCT/AU00/00511，PCT/AU00/00501，PCT/AU00/00502，PCT/AU00/00503，PCT/AU00/00504，PCT/AU00/00505，PCT/AU00/00506，PCT/AU00/00507，PCT/AU00/00508，PCT/AU00/00509，PCT/AU00/00510，PCT/AU00/00512，PCT/AU00/00513，PCT/AU00/00514，PCT/AU00/00515。
這些共同未決申請的內容在此作為交叉參考。
背景技術：
近來，本申請人已開發高速頁寬噴墨打印機。此打印機一般使用大約51200個墨水噴嘴在A4大小的紙上打印，提供1600dpi的照片質量圖象打印。為了達到此噴嘴密度，噴嘴通過結合MEMS-CMOS技術來制造。
在此打印機制造中的困難是沒有確保所有遍布打印頭的噴嘴或事實上位于給定芯片上的噴嘴進行完全相同操作的簡便方式，并且當由不同圓片獲得的芯片需要組裝成給定打印頭時此問題進一步惡化。而且，在從多個芯片制造完整的打印頭之后，難以確定驅動單個噴嘴所需的能級，從而難以評估給定噴嘴的持續性能和難以檢測單個噴嘴中的任何故障。
發明內容
本發明可廣泛定義為提供一種在微型機電器件中檢測故障的方法，此種器件具有支撐結構、可相對于支撐結構移動的致動臂以及與致動臂相關聯的移動傳感器，在此，致動臂的移動是流經致動臂的熱感應電流所引起的；其中，此方法包括以下步驟(a)在致動臂中通過至少一個具有預定周期tp的電流脈沖；以及(b)檢測致動臂的移動是否達到預定水平。以上定義的方法允許在微型機電(MEM)器件使用中檢測故障。如果在預定周期的電流脈沖通過致動臂后沒檢測到預定的移動水平，就可假定致動臂的移動受阻，原因例如為致動臂中已存在故障或致動臂的移動被阻擋。
如果得出結論在MEM器件中存在堵塞形式的故障，就可在致動臂中進一步通過至少一個電流脈沖(具有更高的能級)而嘗試清除此故障。
因而，本發明還進一步定義為提供一種在MEM器件中檢測并排除故障的方法，此兩階段方法包括以下步驟(a)按以上定義的方式檢測故障；以及(b)在致動臂中進一步通過至少一個其能級比故障檢測電流脈沖更高的電流脈沖而排除此故障。如果此排除步驟不能糾正故障，MEM器件就可能過了維修期并且/或者需要返回供貨商進行維修。
此故障檢測方法可按后述實施在致動臂中通過一個具有預定周期tp的電流脈沖并檢測致動臂的移動是否達到預定水平。可替換地，在時間跨度t內，為了試圖使致動臂移動的程度連續增加，可在致動臂中通過一系列其周期tp連續增加的電流脈沖。接著，在預定的時間窗口tw內檢測致動臂的移動是否達到預定水平，在此t＞tw＞tp。
本發明的優選特征本發明的故障檢測方法優選應用于液體噴射器形式的MEM器件中，并最優選地應用于墨水噴嘴形式的MEM器件中，在致動臂被驅動時墨水噴嘴可噴射墨滴。在本發明的后一優選形式中，致動臂的第二端優選耦合到整體形成的閘門，此閘門用于從墨水室中噴出墨水，致動臂延伸進此室中。
致動臂最優選地由兩個相似形狀的臂部分形成，這兩個臂部分以內搭接的關系互連。在本發明的這個實施例中，臂的第一部分與電源連接，并布置得用于被單個電流脈沖或被多個周期為tp的電流脈沖加熱。然而，臂的第二部分用于限制致動臂作為一個整體單元而線性膨脹，第一臂部分被熱引發的伸長使彎曲沿著致動臂的長度方向發生。因而，隨著致動臂的第一部分的加熱和冷卻，致動臂相對于支撐結構有效地旋轉。
從以下對應用于墨水噴嘴的故障檢測方法優選實施例的描述中，將更加完全地理解本發明，附圖中示出墨水噴嘴。
在附圖中圖1示出墨水噴嘴一部分被高度放大的橫截面視圖；圖2示出圖1墨水噴嘴的平面視圖；圖3示出致動臂和墨水噴射閘門或墨水噴嘴的外部的透視圖，致動臂和閘門以獨立于噴嘴的其它元件的方式示出；圖4示出與圖3相似但與致動臂內部有關的布置；圖5示出與圖3和4相似但與整個致動臂有關的布置，完整的致動臂包括圖3和4中所示的外部和內部；圖6示出圖5圓圈內所示的移動傳感器布置的詳細部分；圖7示出圖1中噴嘴在充墨之前的橫截面視圖；圖8示出圖7噴嘴的橫截面視圖，但其中致動臂和閘門被驅動到測試位置；圖9示出當噴嘴在故障清除操作下被驅動時噴嘴的墨水噴射；圖10示出當致動臂和閘門被驅動到一般足以從噴嘴噴射墨水的程度時噴嘴被堵塞的狀況；圖11示出噴嘴內所包含的一部分電路的示意圖；圖12示出可用于噴嘴致動臂正常(噴墨)驅動的激勵-時間圖；圖13示出可用于噴嘴致動臂測試驅動的激勵-時間圖；
圖14示出可用于圖12和13所示激勵-時間圖的比較性位移-時間曲線；圖15示出可用于故障檢測程序的激勵-時間圖；圖16示出可用于噴嘴致動臂的溫度-時間圖，此圖對應于圖15的激勵時間圖；以及圖17示出可用于噴嘴致動臂的偏移-時間圖，此圖對應于圖15和16的激勵/加熱-時間圖。
具體實施例方式
如在圖1和其它相關附圖中以大約3000x放大倍數所例示的，單墨水噴嘴器件為芯片的一部分示出，此芯片通過結合MEMS和CMOS技術而制造。完整的噴嘴器件包括具有硅基片的支撐結構20、金屬氧化物半導體層21、鈍化層22和非腐蝕性介電涂層/室確定層23。
噴嘴器件包括連接到墨水源(未示出)的墨水室24以及位于所述室上方的噴嘴室25。在室確定層23中設有噴嘴開孔26以允許墨滴噴出到紙上或其它介質上(未示出)，墨水將淀積在紙或其它介質上。如圖1和7所示，閘門27位于兩個室24和25之間，并且當處于靜止位置時，閘門27有效地分隔開兩個室24和25。
閘門27通過閘門延伸端29和介電涂層23的橋接部分30耦合到致動臂28。
致動臂28形成(即在器件的制造過程中淀積)得相對于支撐結構或基片20是可旋轉的。亦即，致動臂具有耦合到支撐結構的第一端和可相對于此支撐結構向外移動的第二端38。致動臂28包括外、內臂部分31和32。在圖3所示的透視圖中，外臂部分31被詳細示出并與噴嘴器件的其它部件是隔離的。在圖4中以相似的方式示出內臂部分32。在圖5透視圖以及圖1、7、8、9和10中示出完整的致動臂28。
致動臂28的內部分32在噴嘴器件形成過程中由鈦鋁氮化物(TiAl)N淀積形成，并且如圖11示意性示出的，內部分32電連接到CMOS結構內的電源33。在接線端34和35上進行電連接，施加到接線端上的脈沖激勵(驅動)電壓導致脈沖電流只流經致動臂28的內部分。電流在致動臂的內部分32內產生迅速的電阻加熱，結果導致臂的此部分瞬間伸長。
致動臂28的外臂部分31通過柱36機械耦合到內臂部分32上，但與之是電隔絕的。在外臂部分31內不產生電流引發的熱，結果，電壓感應的電流流經內臂部分32使整個致動臂28以圖8、9和10所示的方式產生瞬間彎曲。致動臂28的此種彎曲等效于此臂相對于基片20的旋轉運動，并導致閘門27在室24和25內產生位移。
在器件中設置集成的移動傳感器，以便確定致動臂28旋轉運動的程度或速度并且允許在器件中進行故障檢測。
移動傳感器包括移動接觸元件37，元件37與致動臂28的內部分32整體形成并且當電流流經致動臂的內部分時是可被電激勵的。移動接觸元件37與致動臂的第二端38相鄰布置，因此，隨著電壓V施加到接線端34和35上時，移動接觸元件的電勢大約為V/2。移動傳感器還包括固定接觸元件39，元件39與CMOS層22整體形成并定位得當致動臂28向上旋轉預定程度時與移動接觸元件37接觸。固定接觸元件電連接到放大器元件40和微處理器結構41，這兩者都在圖11中示出并且其組成元件包括在器件的CMOS層22內。
如圖1和7所示，當致動臂28，以及因此當閘門27處于靜止位置時，在移動和固定接觸元件37和39之間沒有接觸。在另一極限情況下，如圖8和9所示，當致動臂和閘門發生過度的移動時，在移動和固定接觸元件37和39之間發生接觸。當致動臂28和閘門27被驅動到足以從噴嘴噴出墨水的正常程度時，在移動和固定接觸元件之間沒有接觸。亦即，當從室25正常噴射墨水時，致動臂28和閘門27移動到處于圖7和8所示位置之間的途中位置上。此(中間)位置如圖10所示，盡管這是噴嘴被堵塞的結果而不是在墨水從噴嘴正常噴出的過程中。
圖12示出激勵-時間圖，此圖可用于使致動臂28和閘門27從靜止位置驅動到低于正常的墨水噴射位置。從圖12激勵所產生的閘門27位移在圖14中由下曲線42表示，從圖中可看出，位移的最大值小于位移線43所示的最佳水平。
圖13示出延長的激勵-時間圖，此圖可用于使致動臂28和閘門27被過度驅動，如圖8和9所示。從圖13激勵所產生的閘門27位移在圖14中由上曲線44表示，從圖中可看出，最大位移水平大于位移線43所示的最佳水平。
圖15、16和17示出施加到致動臂28的激勵周期連續增加時，激勵電壓、致動臂溫度和閘門偏移相對于時間的曲線圖。這些圖與噴嘴器件中的故障檢測有關聯。
當在噴嘴器件中或在噴嘴器件陣列的每個器件中檢測故障狀況時，在時間跨度t內，一系列其周期tp連續增加的電流脈沖被引導流經致動臂28。控制周期tp使其以圖15圖形所示的方式增加。
每個電流脈沖在致動臂內引發瞬間加熱，結果導致溫度上升，隨后在脈沖周期終止時溫度下降。如圖16所示，隨著圖15所示的脈沖周期增加，溫度升高到連續更高的水平。
結果，如圖17所示，在正常情況下，致動臂28會在連續增加的程度上發生移動(旋轉)，有時會低于使移動和固定接觸元件37和39之間產生接觸所要求的水平而其它時候則會高于使移動和固定接觸元件之間產生接觸所要求的水平。這由圖17中的“測試水平”線表示。然而，如果在噴嘴器件中發生堵塞，如圖10所示，閘門27，以及因而致動臂28將被限制而不能移動到從噴嘴噴射墨水所需的正常的完全程度。結果，致動臂正常的完全移動將不會發生并且在移動和固定接觸元件37和39之間不會產生接觸。
如果當預定周期tp的電流脈沖流經致動臂時不產生此種接觸，就可得出結論在噴嘴器件中已發生堵塞。然后這可通過使進一步的電流脈沖流經致動臂28而得到排除，這進一步的電流脈沖具有比正常流經致動臂的脈沖明顯更高的能級。如果這能有效除去堵塞，就會發生圖9所示的噴墨。
作為用于故障檢測的更簡單的替代程序，如圖12所示的單個電流脈沖可被引導流經致動臂，并且可簡單地檢測致動臂的移動是否足以使移動和固定接觸元件之間產生接觸。
只要不偏離后附權利要求的范圍，可對上述作為本發明優選實施例而描述的器件作各種改變和變更。
權利要求
1.微型機電器件，包括支撐結構；臂，在流經至少部分臂的熱感應電流的影響下相對于所述支撐結構可移動；移動傳感器，用于確定所述臂相對于所述支撐結構的移動，所述移動傳感器包括與所述臂成為一體或安裝在所述臂上的第一部分。
2.如權利要求1所述的器件，包括與所述支撐結構成為一體或安裝在所述支撐結構上的第二部分。
3.如權利要求1所述的器件，其中所述移動傳感器確定至少一個移動量、移動速度和預定量的移動。
4.如權利要求1所述的器件，其中所述移動傳感器包括與所述臂成為一體或安裝在所述臂上的第一部分和與所述支撐結構成為一體或安裝在所述支撐結構上的第二部分，并且利用第一和第二部分的相對移動確定所述臂的移動。
5.如權利要求4所述的器件，其中所述臂的預定量的移動使第一和第二部分相互接觸。
6.如權利要求1所述的器件，其中在確定所述臂的移動中所述移動傳感器利用施加電流到所述臂和所述第一部分與第二部分的接觸之間的時間延遲。
7.如權利要求1所述的器件，其中所述移動傳感器檢測所述第一和第二部分之間的容量以確定所述臂的移動。
全文摘要
本發明涉及一種具有集成移動傳感器的微型機電器件，包括一支撐結構和一個臂，該臂在流經至少部分臂的熱感應電流的影響下相對于所述支撐結構可移動。該微型機電器件包括一個移動傳感器，所述移動傳感器具有與可移動臂成為一體或安裝在可移動臂上的至少一部分。移動傳感器檢測臂相對于基底的移動量、移動速度和預定量的移動。這可以通過設置兩個電觸點來實現，一個電觸點在臂上，另一個電觸點在支撐結構上，當臂移動時它們彼此嚙合。
文檔編號B41J2/05GK1519118SQ20031011318
公開日2004年8月11日 申請日期2000年5月24日 優先權日1999年6月30日
發明者卡·西爾弗布魯克, 卡 西爾弗布魯克 申請人:西爾弗布魯克研究股份有限公司