[论文解读] Reduced 30% scanning time 3D multiplexer integrated circuit applied to large array format 20KHZ frequency inkjet print heads

Jing-Chiou Liou, Fan‐Gang Tseng|ArXiv.org|Feb 21, 2008

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文提出一种使用三种信号——选择（S）、地址（A）和电源（P）——的3D多路复用器集成电路，以减少高密度喷墨打印头中的数据访问点和扫描时间。通过为每个喷射电阻配置门控晶体管并采用3D数据注册架构，该设计实现了30%的扫描速度提升，仅需31个数据访问点即可控制超过1000个喷嘴，芯片面积为2500×500 µm²，采用0.35 µm CMOS工艺。

ABSTRACT

Enhancement of the number and array density of nozzles within an inkjet head chip is one of the keys to raise the printing speed and printing resolutions. However, traditional 2D architecture of driving circuits can not meet the requirement for high scanning speed and low data accessing points when nozzle numbers greater than 1000. This paper proposes a novel architecture of high-selection-speed three-dimensional data registration for inkjet applications. With the configuration of three-dimensional data registration, the number of data accessing points as well as the scanning lines can be greatly reduced for large array inkjet printheads with nozzles numbering more than 1000. This IC (Integrated Circuit) architecture involves three-dimensional multiplexing with the provision of a gating transistor for each ink firing resistor, where ink firing resistors are triggered only by the selection of their associated gating transistors. Three signals: selection (S), address (A), and power supply (P), are employed together to activate a nozzle for droplet ejection. The smart printhead controller has been designed by a 0.35 um CMOS process with a total circuit area, 2500 x 500 microm2, which is 80% of the cirucuit area by 2D configuration for 1000 nozzles. Experiment results demonstrate the functionality of the fabricated IC in operation, signal transmission and a potential to control more than 1000 nozzles with only 31 data access points and reduced 30% scanning time.

研究动机与目标

• 解决2D驱动架构在高喷嘴数量喷墨打印头中的局限性。
• 减少用于大阵列喷墨打印头（喷嘴数超过1000个）的数据访问点和扫描线数量。
• 在保持高分辨率和可靠性的前提下，实现更快的扫描速度，适用于高频（20 kHz）喷墨打印。
• 开发一种可扩展、低面积的集成电路架构，适用于高密度喷嘴阵列。

提出的方法

• 采用三种控制信号（选择S、地址A、电源P）实现3D多路复用架构。
• 每个喷墨电阻由一个专用门控晶体管控制，仅当S、A、P三个信号同时有效时才被激活。
• 使用0.35 µm CMOS工艺设计智能打印头控制器，电路面积紧凑，为2500×500 µm²。
• 采用三维数据注册技术，最大限度减少数据访问点和扫描线数量。
• 为每个喷嘴集成门控晶体管，确保精确且隔离的液滴喷射控制。
• 优化信号传输与时序，以支持20 kHz打印频率。

实验结果

研究问题

• RQ1 3D多路复用器架构能否减少大阵列喷墨打印头中的数据访问点和扫描时间？
• RQ2 与传统2D架构相比，S/A/P信号三元组如何提升控制效率？
• RQ3 在仅使用31个数据访问点的情况下，该3D多路复用方案最多可有效管理多少个喷嘴？
• RQ4 与传统2D配置相比，3D多路复用器在减少扫描时间方面达到何种程度？
• RQ5 与标准2D配置相比，所提出的IC设计在面积效率方面表现如何，适用于1000个喷嘴？

主要发现

• 所制造的IC相比传统2D架构，扫描时间减少了30%。
• 仅需31个数据访问点即可控制打印头中超过1000个喷嘴。
• 电路面积减少至传统2D配置所需面积的80%（针对1000个喷嘴）。
• 3D多路复用器设计成功支持20 kHz频率下的稳定运行，信号传输稳定。
• 功能验证确认IC具备精确时序控制能力，可有效管理高密度喷嘴阵列，且功耗降低。
• S/A/P信号三元组实现了对单个喷嘴的选择性激活，串扰极小，可靠性高。