專(zhuān)利名稱(chēng)：改進(jìn)的mems流體致動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明針對(duì)將諸如圖像或其它標(biāo)記的圖案打印到表面上，更特別地，針對(duì)利用至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)致動(dòng)器將圖案打印到表面上。本發(fā)明的示例性形式利用焦耳加熱，以驅(qū)動(dòng)能夠從室中使墨水轉(zhuǎn)移并轉(zhuǎn)移到打印介質(zhì)的表面上的桁條(beam)。

背景技術(shù)：
存在兩種基本類(lèi)型的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)致動(dòng)器單一材料致動(dòng)器和復(fù)合材料致動(dòng)器。兩種類(lèi)型的致動(dòng)器都基于焦耳加熱的原理以使微機(jī)械加工材料熱膨脹以產(chǎn)生需要的位移。
參照?qǐng)D14，公知的Guckel致動(dòng)器是單一材料MEMS致動(dòng)器10的例子。致動(dòng)器10可以從硅或多晶硅微機(jī)械加工得到，并且，當(dāng)在器件的錨定(anchored)端施加電壓時(shí)，薄臂12具有比寬臂14高得多的電流密度。由于電流密度，薄臂12溫度升高得比寬臂14高，因此，薄臂14趨于比寬臂16膨脹得更多。薄臂14和寬臂16之間的差異膨脹向?qū)挶?6提供凈移動(dòng)。
據(jù)報(bào)道，示例性的單一材料致動(dòng)器包含1575歐姆致動(dòng)器，該致動(dòng)器2200微米長(zhǎng)、薄/寬臂分別40/255微米寬(University of Pennsylvania，NSF Grant DMI-97-33196)。當(dāng)在該單一材料致動(dòng)器兩端施加9伏電壓時(shí)，焦耳加熱導(dǎo)致約230℃的平均溫度上升。薄臂和寬臂之間的溫差為約50℃，并且不同的熱膨脹產(chǎn)生約8微米的凈偏轉(zhuǎn)或移動(dòng)。
在NSF Grant ECS-9734421(University of California atBerkeley)中公開(kāi)了單一材料MEMS致動(dòng)器的另一例子。在該例子中，致動(dòng)器從多晶硅微機(jī)械加工得到，并具有2×2×100微米的尺寸，該致動(dòng)器的各端被安裝到錨定點(diǎn)上。由于錨定點(diǎn)在桁條的端部限制膨脹，-因此多晶硅的熱膨脹導(dǎo)致桁條鼓脹。作者報(bào)道了通過(guò)桁條的4.2mA的連續(xù)電流導(dǎo)致900℃的穩(wěn)定狀態(tài)ΔT，從而導(dǎo)致3微米的偏轉(zhuǎn)。
與單一材料的例子相反，復(fù)合材料致動(dòng)器可使用由具有兩種不同的熱膨脹系數(shù)的兩種不同材料構(gòu)成的桁條結(jié)構(gòu)。焦耳加熱用于升高桁條的溫度，并且，由于兩種材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，因此導(dǎo)致沿一個(gè)或更多個(gè)方向的凈移動(dòng)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)將圖案打印到表面上，更特別地，針對(duì)利用至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)致動(dòng)器將圖案打印到表面上。本發(fā)明包括設(shè)計(jì)、制造和實(shí)現(xiàn)利用焦耳加熱以驅(qū)動(dòng)能夠從液池使流體轉(zhuǎn)移并轉(zhuǎn)移到表面上的桁條。
本發(fā)明的第一方面是，提供一種微機(jī)電流體噴射器的設(shè)計(jì)方法，該方法包括考慮噴射器的電阻體層的三維測(cè)量、將被供給電阻體層上的電壓和電阻體層的材料性能計(jì)算電流密度；和通過(guò)使用計(jì)算的電流密度設(shè)計(jì)微機(jī)電流體噴射器。
在第一方面的更詳細(xì)的實(shí)施例中，該方法還包括考慮電流密度計(jì)算驅(qū)動(dòng)微機(jī)電流體噴射器的脈沖持續(xù)時(shí)間，其中，計(jì)算電流密度的動(dòng)作考慮微機(jī)電流體噴射器將在被驅(qū)動(dòng)時(shí)消耗的能量值。
本發(fā)明的第二方面是，提供一種用于將流體選擇性沉積到表面上的裝置的制造方法，該方法包括通過(guò)在具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料上層疊具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料形成可變位致動(dòng)器，該第一熱膨脹系數(shù)比該第二熱膨脹系數(shù)大，該第一材料和該第二材料中的至少一個(gè)形成為在沿可變位致動(dòng)器的長(zhǎng)度隔開(kāi)的第一點(diǎn)和第二點(diǎn)之間表現(xiàn)出不均勻的電流密度；和安裝可變位致動(dòng)器，以允許可變位致動(dòng)器在液池內(nèi)移動(dòng)，該液池包含適于允許從其選擇性排出流體并排出到表面上的孔；其中，可變位致動(dòng)器適于位移大于1微微升每微焦。
本發(fā)明的第三方面是，提供一種具有用于使特定體積的流體發(fā)生位移的微機(jī)電流體噴射器的打印裝置的操作方法，該方法包括(a)監(jiān)視關(guān)于要被打印到表面上的圖案的打印指令；(b)基于要被打印的圖案確定從打印裝置的預(yù)定噴嘴噴射的流體的體積；和(c)響應(yīng)確定要被噴射的流體的體積的動(dòng)作，操縱施加到與預(yù)定噴嘴連通的微機(jī)電流體噴射器上的脈沖寬度，以將具有預(yù)定體積的流體的液滴噴射到表面上。
本發(fā)明的第四方面是，提供一種具有用于使特定體積的流體發(fā)生位移的微機(jī)電流體噴射器的打印裝置的操作方法，該方法包括(a)監(jiān)視關(guān)于要被打印到表面上的圖案的打印指令；(b)基于要被打印的圖案確定從打印裝置的預(yù)定噴嘴噴射的流體的體積；和(c)響應(yīng)確定要被噴射的流體的體積的動(dòng)作，操縱施加到與預(yù)定噴嘴連通的微機(jī)電流體噴射器上的電壓，以將具有預(yù)定體積的流體的液滴噴射到表面上。
本發(fā)明的第五方面是，提供一種操作微機(jī)電流體噴射器以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的機(jī)械偏轉(zhuǎn)的方法，該方法包括(a)通過(guò)獲知(acknowledge)將驅(qū)動(dòng)微機(jī)電流體噴射器的電壓、電阻體層的相關(guān)的體積和作為被驅(qū)動(dòng)的結(jié)果的微機(jī)電流體噴射器的溫度場(chǎng)的期望的變化，計(jì)算驅(qū)動(dòng)微機(jī)電流體噴射器的電阻體層以提供預(yù)定的機(jī)械偏轉(zhuǎn)的脈沖寬度；和(b)通過(guò)使用計(jì)算的脈沖寬度操作微機(jī)電流體噴射器，以從噴嘴噴射流體的液滴，這里，液滴在預(yù)定的體積范圍內(nèi)。
在第五方面的另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，計(jì)算動(dòng)作包含(i)計(jì)算電阻體層的電流密度；和(ii)通過(guò)至少部分利用電流密度、電阻體層的體積、電壓、脈沖寬度和微機(jī)電流體噴射器的溫度場(chǎng)的期望的變化，計(jì)算微機(jī)電流體噴射器的機(jī)械偏轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的第六方面是，提供一種微機(jī)電流體噴射器的操作方法，該方法包括(a)通過(guò)使用微機(jī)電流體噴射器的形狀、將被用于驅(qū)動(dòng)微機(jī)電流體致動(dòng)器的電流、電流的脈沖寬度和構(gòu)成微機(jī)電流體噴射器的各材料的材料性能，計(jì)算微機(jī)電流體噴射器的周期；和(b)通過(guò)使用計(jì)算的周期操作微機(jī)電流體噴射器，以從噴嘴噴射流體的液滴，其中，液滴在預(yù)定的體積范圍內(nèi)。
在第六方面的另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，操作機(jī)電流體噴射器的動(dòng)作包含以約20KHz～約25KHz的頻率操作機(jī)電流體噴射器。
本發(fā)明的第七方面是，提供一種用于將流體選擇性沉積到表面上的熱變形工具，該熱變形工具包括包含鄰近具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料的具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料的可變位致動(dòng)器，該第一熱膨脹系數(shù)比該第二熱膨脹系數(shù)大，可變位致動(dòng)器被制造為在沿可變位致動(dòng)器的長(zhǎng)度隔開(kāi)的第一點(diǎn)和第二點(diǎn)之間表現(xiàn)出不均勻的電流密度，這里，可變位致動(dòng)器的最大偏轉(zhuǎn)點(diǎn)與到第一點(diǎn)相比更接近第二點(diǎn)，并且，可變位致動(dòng)器受到導(dǎo)致第一材料以比第二材料大的速率膨脹或收縮的溫度變化，并且可變位致動(dòng)器適于位移大于百萬(wàn)分之一升每微焦。
在第七方面的更詳細(xì)的實(shí)施例中，第二材料包含夾住第一材料的第一層和第二層，這里，第一層的厚度比第二層的厚度的大十倍。
本發(fā)明的第八方面是，提供一種用于將流體選擇性沉積到諸如打印介質(zhì)或襯底的表面的表面上的裝置，該裝置包括(a)可適應(yīng)桁條，該可適應(yīng)桁條包含沿其長(zhǎng)度包含第一材料的第一層、第二材料的第一層和第一材料的第二層的截面，這里，第一材料的第一層的厚度比第一材料的第二層的厚度的大十倍，并且，第二材料的熱膨脹系數(shù)比第一材料的熱膨脹系數(shù)大；和(b)適于在其中至少部分容納可適應(yīng)桁條的室，該室還適于包含至少一個(gè)孔以允許通過(guò)在受到溫度變化時(shí)可適應(yīng)桁條的致動(dòng)從室中排出流體。
在第八方面的更詳細(xì)的實(shí)施例中，第二材料是導(dǎo)體，并且第一材料是絕緣體。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，第一材料包含二氧化硅，并且第二材料包含鈦和鋁中的至少一種。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，第一材料的第一層為約4微米～約5微米，并且第一材料的第二層為約0.1微米～約0.4微米。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，第一材料的第一層為約3微米～約7微米，并且第一材料的第二層為約0.03微米～約0.6微米。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，可適應(yīng)桁條適于位移大于1微微升每微焦。
本發(fā)明的第九方面是，提供一種用于將流體選擇性沉積到表面上的裝置的制造方法，該方法包括(a)形成包含至少三個(gè)層的可變位致動(dòng)器(i)包含具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料的第一層；(ii)包含具有第三熱膨脹系數(shù)的第三材料的第三層；和(iii)包含具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料的第二層，這里，第二層至少部分將第一層與第三層分開(kāi)，并且，第一層的厚度比第三層的厚度的大十倍；和(b)將可變位致動(dòng)器安裝到液池內(nèi)，以在致動(dòng)器通過(guò)電阻加熱受到溫度變化時(shí)允許其移動(dòng)，以允許通過(guò)液池的孔選擇性排出流體并將其排出到表面上。
在第九方面的更詳細(xì)的實(shí)施例中，第一層和第三層可用于封裝第二層。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，第二層至少部分置于第一層和第三層之間。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，可變位致動(dòng)器適于位移大于1微微升每微焦。
本發(fā)明的第十方面是，提供一種用于將流體選擇性沉積到表面上的裝置的操作方法，該方法包括(a)向液池供給流體，該液池包含至少一個(gè)孔，以允許從液池排出流體，該液池至少部分在其中容納致動(dòng)器；和(b)對(duì)致動(dòng)器進(jìn)行電阻加熱，以將致動(dòng)器從第一位置變位到第二位置，這里，第二位置比第一位置更接近該孔，該致動(dòng)器包含第一絕緣層、第一導(dǎo)電層和第二絕緣層，第一絕緣層比第二絕緣層的厚度的大十倍，第一導(dǎo)電層至少部分將第一絕緣層與第二絕緣層分開(kāi)，第一絕緣層比第二絕緣層更接近該孔，并且致動(dòng)器適于位移大于1微微升每微焦。
本發(fā)明的第十一方面是，提供一種用于將流體選擇性沉積到表面上的熱變形工具，該熱變形工具包括包含至少部分被具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料包圍的具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料的可適應(yīng)桁條，該第一熱膨脹系數(shù)比第二熱膨脹系數(shù)大，可適應(yīng)桁條具有比其寬度和高度大的長(zhǎng)度，沿可適應(yīng)桁條的長(zhǎng)度的截面包含第一材料的第一層、第二材料的第一層和第一材料的第二層，這里，第一材料的第一層的厚度比第一材料的第二層的厚度的大十倍。
在第十一方面的更詳細(xì)的實(shí)施例中，第一材料是絕緣體，并且第二材料是導(dǎo)體。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，第一材料包含二氧化硅，并且第二材料包含鈦和鋁中的至少一種。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，第一材料的第一層為約3微米～約7微米，并且第一材料的第二層為約0.03微米～約0.7微米。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，第一材料的第一層為約4微米～約5微米，并且第一材料的第二層為約0.1微米～約0.4微米。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，可適應(yīng)桁條適于位移大于1微微升每微焦。
本發(fā)明的第十二方面是，提供一種適于將流體選擇性沉積到表面上的裝置的操作方法，該方法包括使可變位桁條在第一位置和第二位置之間振蕩，以通過(guò)可變位桁條的移動(dòng)允許通過(guò)孔從室中排出流體，該室適于在其中至少一部分容納可變位桁條，并且可變位桁條包含鄰近具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料的具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料，該第一熱膨脹系數(shù)比該第二熱膨脹系數(shù)小，這里，振蕩的動(dòng)作包含加熱可變位桁條，使得可變位桁條的表面溫度不超過(guò)約300℃。
在第十二方面的更詳細(xì)的實(shí)施例中，可變位桁條適于位移大于1微微升每微焦。
本發(fā)明的第十三方面是，提供一種用于將流體選擇性沉積到表面上的裝置，該裝置包括(a)包含鄰近具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料的具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料的振蕩桁條，該第一熱膨脹系數(shù)比該第二熱膨脹系數(shù)小，這里，振蕩桁條具有不均勻的電流密度，并具有深度小于約0.1微米～約0.01微米的表面微孔；和(b)適于在其中至少部分容納可適應(yīng)桁條的室，該室還適于包含至少一個(gè)孔，用于通過(guò)振蕩桁條的致動(dòng)從室中排出流體。
在第十三方面的更詳細(xì)的實(shí)施例中，振蕩桁條包含范圍為約0.07微米～約0.01微米的表面微孔。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，振蕩桁條包含范圍為約0.06微米～約0.02微米的表面微孔。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，振蕩桁條適于位移大于1微微升每微焦。
本發(fā)明的第十四方面是，提供一種操作微機(jī)電流體噴射器以噴射特定體積的流體的方法，該方法包括(a)通過(guò)考慮微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的電流密度和微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的焦耳加熱，計(jì)算施加到微機(jī)電致動(dòng)器以使來(lái)自打印裝置的噴嘴的預(yù)定體積的液滴發(fā)生位移的電壓；和(b)將計(jì)算的電壓施加到微機(jī)電致動(dòng)器，以從噴嘴噴射流體的液滴，這里，液滴在預(yù)定的體積范圍內(nèi)。
在第十四方面的更詳細(xì)的實(shí)施例中，該方法還包括計(jì)算微機(jī)電致動(dòng)器中的電場(chǎng)；向微機(jī)電致動(dòng)器的各元件分配電阻系數(shù)值；通過(guò)使用電阻系數(shù)和電場(chǎng)，計(jì)算微機(jī)電致動(dòng)器的電流密度分布；基于電流密度計(jì)算通過(guò)微機(jī)電致動(dòng)器的電流；和通過(guò)使用電流密度，計(jì)算微機(jī)電致動(dòng)器的瞬時(shí)溫度場(chǎng)，這里，瞬時(shí)溫度場(chǎng)被計(jì)算在內(nèi)，以確定焦耳加熱。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，計(jì)算微機(jī)電致動(dòng)器中的電場(chǎng)的動(dòng)作包含使用等式這里，ρ＝電阻系數(shù)值，Ф＝電勢(shì)，并且計(jì)算微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的電流密度的動(dòng)作包含使用等式，這里，J＝電流密度，ρ＝電阻系數(shù)值，Ф是電勢(shì)梯度。
本發(fā)明的第十五方面是，提供一種操作微機(jī)電流體噴射器以噴射特定體積的流體的方法，該方法包括(a)考慮微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的焦耳加熱，計(jì)算要被施加到微機(jī)電致動(dòng)器以使來(lái)自打印裝置的噴嘴的預(yù)定體積的液滴發(fā)生位移的脈沖寬度，其中，微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的電流密度被考慮以確定焦耳加熱；和(b)通過(guò)使用計(jì)算的脈沖寬度將脈沖施加到微機(jī)電致動(dòng)器上，以從噴嘴噴射流體的液滴，其中，液滴在預(yù)定的體積范圍內(nèi)。
在第十五方面的更詳細(xì)的實(shí)施例中，焦耳加熱由以下動(dòng)作確定(i)向微機(jī)電致動(dòng)器的各元件分配電阻系數(shù)值；和(ii)考慮微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的電流密度和微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的電阻系數(shù)值，計(jì)算流過(guò)微機(jī)電致動(dòng)器的電流，這里，考慮流過(guò)微機(jī)電致動(dòng)器的電流確定微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的焦耳加熱。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，確定電流密度的動(dòng)作包含計(jì)算不均勻的電流密度。在另一更詳細(xì)的實(shí)施例中，確定電流密度的動(dòng)作包含使用等式計(jì)算微機(jī)電致動(dòng)器中的電場(chǎng)，這里，ρ＝電阻系數(shù)值，Ф＝電勢(shì)，并且計(jì)算微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的電流密度的動(dòng)作包含使用等式這里，J＝電流密度，ρ＝電阻系數(shù)值，Ф是電勢(shì)梯度。
本發(fā)明的第十六方面是，提供一種操作微機(jī)電流體噴射器以噴射特定體積的流體的方法，該方法包括(a)原位測(cè)量微機(jī)電流體噴射器的電阻；(b)和調(diào)整傳輸給微機(jī)電流體噴射器的電壓和施加到微機(jī)電流體噴射器上的脈沖寬度中的至少一個(gè)，以使微機(jī)電流體噴射器的焦耳加熱保持在預(yù)定的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的第十七方面是，提供一種適用于將流體選擇性沉積到表面上的裝置，該裝置包括被配置為在操作上提供至少每英寸300點(diǎn)的垂直分辨率的多個(gè)微加工流體噴射器，這里，各個(gè)微加工流體噴射器包含至少部分被具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料包圍的具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料，該第一熱膨脹系數(shù)大于該第二熱膨脹系數(shù)，并且，各個(gè)微加工流體噴射器具有比其寬度和高度大的長(zhǎng)度，沿可適應(yīng)桁條的長(zhǎng)度的截面包含第一材料的第一層、第二材料的第一層，這里，第一材料的第一層的厚度比第一材料的第二層的厚度的大十倍。



圖1是現(xiàn)有的復(fù)合材料致動(dòng)器的透視截面圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一示例性MEMS致動(dòng)器的俯視透視圖； 圖3是圖2的MEMS致動(dòng)器的俯視透視圖； 圖4是根據(jù)本發(fā)明的MEMS致動(dòng)器的示例性陣列的俯視圖； 圖5a和圖5b是表示根據(jù)本發(fā)明的示例性MEMS致動(dòng)器的電流密度的俯視圖； 圖6a和圖6b分別是圖5a和圖5b的示例性MEMS致動(dòng)器的電流密度與到致動(dòng)器的錨定點(diǎn)的距離的關(guān)系圖； 圖7a和圖7b分別是圖5a和圖5b的示例性MEMS致動(dòng)器的示例層的溫度分布的關(guān)系圖； 圖8a和圖8b分別是表示圖5a和圖5b的示例性MEMS致動(dòng)器的電阻體層和絕緣層的位移與到致動(dòng)器的錨定點(diǎn)的距離的關(guān)系圖； 圖9是表示由根據(jù)本發(fā)明的示例性MEMS致動(dòng)器移動(dòng)(displace)的相對(duì)體積與鈍化層厚度的關(guān)系圖； 圖10a是表示根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)示例性MEMS致動(dòng)器的桁條尖端位移與鈍化層厚度和電阻層厚度的關(guān)系圖； 圖10b是表示根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)示例性MEMS致動(dòng)器的掃過(guò)的體積位移與鈍化層厚度和電阻層厚度的關(guān)系圖； 圖11是表示根據(jù)本發(fā)明的示例性MEMS致動(dòng)器的表面缺陷尺寸與激活溫度的關(guān)系圖； 圖12是表示絕緣和電阻體層的平均溫度與時(shí)間的關(guān)系的根據(jù)本發(fā)明的曲線(xiàn)圖； 圖13是表示桁條致動(dòng)器、其支撐結(jié)構(gòu)和包圍的流體的溫度輪廓圖的根據(jù)本發(fā)明的曲線(xiàn)圖； 圖14是現(xiàn)有的Guckel致動(dòng)器在其缺省位置以及在其位移位置的側(cè)示圖。

具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的示例性實(shí)施例在下面被描述和解釋為包含復(fù)合材料微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)致動(dòng)器和這種致動(dòng)器的相關(guān)設(shè)計(jì)、制造和操作方法。更特別地，本發(fā)明可與用于將材料選擇性沉積到表面(如這里使用的，表面可以為例如介質(zhì)或襯底的表面或處于介質(zhì)/襯底的表面上的諸如墨水的材料的表面)上的諸如打印機(jī)或能夠打印的多功能設(shè)備的打印裝置一起使用。當(dāng)然，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的是，以下討論的優(yōu)選實(shí)施例在本質(zhì)上是示例性的，并可在不背離本發(fā)明的精神和范圍的條件下被重新配置。但是，為了更加清楚、精確，以下討論的示例性實(shí)施例可包含本領(lǐng)域技術(shù)人員可認(rèn)識(shí)到不必落在本發(fā)明的范圍內(nèi)的任選步驟和/或特征。另外，為了更加簡(jiǎn)潔，以下說(shuō)明會(huì)省略討論本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的主題，諸如但不限于有限元技術(shù)。
參照?qǐng)D1，復(fù)合材料致動(dòng)器10使用由至少兩種不同的材料12、14構(gòu)成的桁條結(jié)構(gòu)。一般稱(chēng)為絕緣層的第一材料層12包含顯著小于一般為導(dǎo)電層的第二材料層14的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，導(dǎo)電層可執(zhí)行與電阻體類(lèi)似的功能，但是，與絕緣層相比，導(dǎo)電層將是較好的電導(dǎo)體?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中反復(fù)出現(xiàn)的主題教導(dǎo)通過(guò)以下的關(guān)系確定由兩種材料12、14構(gòu)成的復(fù)合材料致動(dòng)器的最佳厚度比 (式1) 這里， h1＝導(dǎo)電層14的厚度 h2＝絕緣體層12的厚度 Y1＝導(dǎo)電層14的楊氏模量 Y2＝絕緣體層12的楊氏模量 但是，根據(jù)本發(fā)明，發(fā)現(xiàn)式1不導(dǎo)致兩種材料12、14的最佳厚度比。為了確定最佳厚度比，需要比只考慮厚度和楊氏模量考慮更多的性能。
對(duì)于復(fù)合材料致動(dòng)器10，電場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力位移場(chǎng)的耦合本質(zhì)十分復(fù)雜。為了定量評(píng)價(jià)復(fù)合材料致動(dòng)器10，應(yīng)考慮楊氏模量以外的材料性能。在可被考慮的材料性能中，有密度、比熱、熱導(dǎo)率、泊松比、熱膨脹系數(shù)和電阻系數(shù)。在表1中對(duì)于兩種示例性材料TiAl和SiO2給出這些材料性能以及楊氏模量的示例值。使用這些相關(guān)的材料性能以及致動(dòng)器結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以示出復(fù)合致動(dòng)器10的絕緣層12的最佳厚度比由式1預(yù)測(cè)的值以及在現(xiàn)有技術(shù)中表達(dá)的那些值大。
參照?qǐng)D2，根據(jù)本發(fā)明的示例性致動(dòng)器20包含具有陰極區(qū)24的TiAl導(dǎo)電/電阻體(resistor)層22，并且陽(yáng)極區(qū)是26。根據(jù)報(bào)道，如P.M.Hall，Resistance Calculations for Thin Film Patterns，Thin SolidFilms，1，1967，p277-295和M.Horowitz，R.W.Duton，ResistanceExtraction from Mask Layout Data，IEEE Transactions onComputer-Aided Design，Vol CAD-2，No.3，July 1983觀(guān)察到的那樣，在導(dǎo)電路徑中的彎曲附近出現(xiàn)電流密集，在此包含它們的公開(kāi)作為參考。如圖2所示，TiAl層22中的導(dǎo)電路徑在桁條尖端附近形成急轉(zhuǎn)的U形彎。為了減小該U形彎附近的電流密集，在本示例性實(shí)施例中由鋁制成的橋體28連接接近桁條尖端的陽(yáng)極26和陰極24區(qū)域。橋體28用作U形彎附近的短路條以減小TiAl層22中的電流密集和過(guò)量的電流密度。
致動(dòng)器10也可包含鄰接電阻體層22的電介質(zhì)/絕緣層30，該電介質(zhì)/絕緣層30包含諸如但不限于SiO2。示例性TiAl層22被稱(chēng)為電阻體層的至少一部分原因是，與諸如鋁、銅和金的一般導(dǎo)體相比它具有電阻性。但是，由于示例性TiAl層22與SiO2層30相比具有導(dǎo)電性，因此它也被稱(chēng)為導(dǎo)電體層。絕緣層30提供多種功能，諸如但不限于向電阻體層22提供熱絕緣和提供用于在層22的膨脹或收縮過(guò)程中引導(dǎo)電阻體層22的移動(dòng)的襯底。絕緣層30也可在打印操作中保護(hù)電阻體層22在被浸入墨水池中時(shí)不受墨水腐蝕。
在另一詳細(xì)的示例性實(shí)施例中，致動(dòng)器20還可包含與絕緣層30一起起作用的第二電介質(zhì)層(未示出)以將電阻體層22夾在其間，這里，雙電介質(zhì)層包含鈍化層。
雖然圖2示出錐形(tapered)的桁條，但利用諸如但不限于大致為矩形的桁條或具有沙漏形狀的桁條的各種結(jié)構(gòu)和尺寸的桁條都在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。
絕緣層30可包含熱膨脹系數(shù)比電阻體層22小的任何材料。如上面解釋的那樣，絕緣層也可以具有電阻性以防止電流流過(guò)其中以及具有熱絕緣性。在致動(dòng)器20的操作中，要不是絕緣層30的存在，電阻體層22實(shí)際上會(huì)表現(xiàn)出足以從圍繞的液體介質(zhì)產(chǎn)生氣泡的熱能的增加。如下面討論的那樣，預(yù)定厚度范圍的絕緣層30將抑制頂部桁條表面36達(dá)到足以促進(jìn)氣泡在致動(dòng)器20的噴嘴側(cè)形成的溫度。除了金剛石以外，電絕緣的材料也具有熱絕緣性。用作絕緣層30的示例性的材料包含但不限于SiO2。用作電阻體層22的示例性材料包含但不限于金屬和諸如TiAl的金屬合金。電阻體層22和絕緣層30中的一個(gè)或兩者可被安裝到諸如但不限于噴墨打印頭的硅襯底的襯底34上。襯底34提供致動(dòng)器20適于從電阻體層22的膨脹和收縮振蕩所圍繞的錨定點(diǎn)(anchor)。
參照?qǐng)D3，示例性致動(dòng)器20包含具有長(zhǎng)度L和接近襯底34的較寬的寬度Ww和接近致動(dòng)器20的另一端的較窄的寬度Wn。用于本發(fā)明的桁條結(jié)構(gòu)38的示例性長(zhǎng)度L可為約100微米。示例性的較寬的寬度Ww包括約30微米，并且示例性的較窄的寬度Wn包括10微米。如上面討論的那樣，致動(dòng)器可包含錐形桁條實(shí)施例以外的其它配置或尺寸，諸如但不限于包括100微米的示例性長(zhǎng)度和20微米的示例性寬度的矩形桁條實(shí)施例21(參見(jiàn)圖5b)。
如圖4所示，致動(dòng)器20′的示例性陣列可被配置在打印頭上，以提供每條帶(swath)預(yù)定的每英寸點(diǎn)數(shù)(dpi)。圖4的虛線(xiàn)代表致動(dòng)器20′的桁條38′在其中操作的示例性流體池邊界40。致動(dòng)器20′被配置為共享共用的流體池以及致動(dòng)器被操作為改變通過(guò)打印機(jī)的噴嘴的液滴體積也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。致動(dòng)器20′的示例性陣列被交錯(cuò)以提供約300dpi。
本發(fā)明的示例性致動(dòng)器20、20′、21利用焦耳加熱，該焦耳加熱是電流密度的平方的函數(shù)。由沿桁條結(jié)構(gòu)38、38′的長(zhǎng)度的電流密度產(chǎn)生的電場(chǎng)看起來(lái)服從可以用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的有限元技術(shù)求解的式2。
(式2) 這里， ρ＝電阻系數(shù)值 Ф＝電勢(shì) 在(x，y)坐標(biāo)中編織桁條結(jié)構(gòu)38、38′的2D域(domain)。桁條結(jié)構(gòu)38、38′的各元素的厚度然后被指定為材料厚度(z)的函數(shù)。該處理導(dǎo)致在三維中桁條結(jié)構(gòu)38、38′的各個(gè)有限元的描述。桁條結(jié)構(gòu)38、38′的各個(gè)元素還被賦予電阻系數(shù)值(ρ)。電勢(shì)(Ф)被設(shè)為在陽(yáng)極上等于1、在陰極上等于0，使得可以在域中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上對(duì)Ф(x，y)求解式2。知道Ф(x，y)允許計(jì)算Grad(Ф)。Grad(Ф)然后導(dǎo)出在下式中闡述的桁條結(jié)構(gòu)38、38′的各元素中的電流密度(J) (式3) 注意 當(dāng)在陽(yáng)極26和陰極24之間施加1伏時(shí)，在陽(yáng)極截面上對(duì)電流密度(J)積分產(chǎn)生通過(guò)電阻體層22的電流(i)。也可然后直接計(jì)算加熱器電阻(R)。然后從片電阻(Rsheet)計(jì)算電阻體層22塊(squares)(Sq) (式4) 這里， ρ＝電阻系數(shù)值 thk＝電阻體層22的厚度 R＝加熱器電阻 應(yīng)當(dāng)理解，不是實(shí)施本發(fā)明的所有方面都需要利用式4。更特別地，式4對(duì)于電路工程師設(shè)計(jì)用于MEMS致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電路和電源以得到桁條結(jié)構(gòu)38、38′的加熱器電阻(R)和塊(squares)(Sq)是十分重要的。
圖5a和圖6a示出對(duì)于錐形桁條實(shí)施例20、20′的式2和3的解。調(diào)用微分式2的解在陽(yáng)極上施加1伏而在陰極上施加0伏。因此，如果電阻體在陽(yáng)極和陰極之間被施加10伏，那么可以通過(guò)將畫(huà)出的值乘以因子10獲得實(shí)際的電流密度值。圖5a和圖6a均指示，隨著錐形桁條38、38′截面線(xiàn)性減小，電流密度非線(xiàn)性增加。如下面討論的那樣，這種非線(xiàn)性電流密度效果將導(dǎo)致不均勻的加熱。
圖5b和圖6b示出矩形桁條實(shí)施例21中的電流密度分布。注意，與錐形桁條實(shí)施例20、20′相反，電流密度在矩形桁條實(shí)施例21中的錨定位置34″和電流耦合器件28″之間的區(qū)域中是均勻的。如下面討論的那樣，這種均勻的電流密度分布將導(dǎo)致均勻的加熱。
在對(duì)于桁條結(jié)構(gòu)38、38′、38″知道電流密度分布后，可以計(jì)算瞬時(shí)溫度場(chǎng)T(x，y，t)。由于式5的形式與式2類(lèi)似，因此，可以使用相同的數(shù)值方法，包括利用有限元技術(shù)，以計(jì)算桁條結(jié)構(gòu)38、38′、38″的溫度場(chǎng)和電場(chǎng)如下 (式5) 這里， T＝溫度 k＝kx＝ky＝熱導(dǎo)率 Q＝焦耳加熱項(xiàng) λ＝(密度×比熱) t＝時(shí)間 為了利用有限元方法，將桁條域分成互連的節(jié)點(diǎn)和元素的網(wǎng)格。桁條結(jié)構(gòu)38、38′、38″的各個(gè)有限元的焦耳加熱可被計(jì)算如下 q(e)＝(V1-2J(e))2Vol(e)ρ(e)(式6) 這里， q(e)＝元素(e)中分布的功率(瓦) V1-2＝陽(yáng)極-陰極兩端的電壓 (伏) J(e)＝元素(e)中的電流密度/伏(安培/μm2/伏) Vol(e)＝元素(e)的體積(μm3) ρ(e)＝元素(e)的電阻系數(shù)(歐姆-μm) 在以下的各傳熱計(jì)算中，桁條結(jié)構(gòu)38、38′、38″的域被網(wǎng)格化(mesh)，使得諸如墨水的流體包圍示例性實(shí)施例20、20′、21的整個(gè)偏轉(zhuǎn)區(qū)域，而桁條結(jié)構(gòu)38、38′、38″的沒(méi)有明顯偏轉(zhuǎn)的方面(aspect)被安裝到諸如硅的襯底34、34″上。
示例性矩形桁條實(shí)施例21具有60.2歐姆的計(jì)算的電阻。本示例性實(shí)施例中的電阻體層22″為約0.8微米厚，并且絕緣體層(未示出)為約4.0微米厚。使用2微秒的示例性脈沖時(shí)間，7伏的示例性電壓和圖5b和圖6b中所示的電流密度分布，可以對(duì)于各有限元中的焦耳加熱功率(q(e))求解式6。這些數(shù)值被用于近似式5的有限元網(wǎng)格中，以確定整個(gè)域的溫度場(chǎng)。式5的有限元解指示，該示例性脈沖條件導(dǎo)致矩形桁條實(shí)施例21的電阻體層22″溫度升高150℃。在示例性脈沖時(shí)間內(nèi)對(duì)電阻體層22″中的所有有限元積分(q(e))指示消耗了1.63微焦。換句話(huà)說(shuō)，電流的脈沖在2微秒中消耗了1.63微焦以使示例性實(shí)施例21中的電阻體層22″的中間溫度升高150℃。但是，知道整個(gè)桁條結(jié)構(gòu)38″的溫度場(chǎng)有助于計(jì)算機(jī)械偏轉(zhuǎn)，可通過(guò)使用式5實(shí)現(xiàn)這種計(jì)算。圖13是由有限元方法產(chǎn)生的式5的示例性溫度場(chǎng)解。
施加到示例性矩形實(shí)施例21上的示例性1.63微焦脈沖導(dǎo)致絕緣層(SiO2)和電阻體層(TiAl)22″之間的差異熱膨脹。這種熱膨脹的凈結(jié)果是，桁條結(jié)構(gòu)38″垂直于長(zhǎng)度L偏轉(zhuǎn)約1微米。當(dāng)在墨水池內(nèi)實(shí)現(xiàn)時(shí)，致動(dòng)器21部分基于可用于計(jì)算三維位移的三維特征、當(dāng)在7伏下被驅(qū)動(dòng)2微秒時(shí)在理論上能夠移動(dòng)約1.9微微升(picoliter)的掃過(guò)的體積。因此，一種可能的改變桁條結(jié)構(gòu)38″的偏轉(zhuǎn)的方法包含改變脈沖持續(xù)時(shí)間和/或改變電壓，這里，增加脈沖時(shí)間一般提供偏轉(zhuǎn)量的增加。
圖7a和圖8a是上述示例性矩形桁條實(shí)施例21的溫度升高與到桁條38″在襯底34″上的錨定點(diǎn)的距離的關(guān)系圖以及示例性實(shí)施例21的桁條38″的位移與到桁條38″在襯底34″上的錨定點(diǎn)的距離的關(guān)系圖。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)是用以7.0伏驅(qū)動(dòng)2微秒的示例性矩形實(shí)施例21得出的。桁條38″一般包含在各圖中畫(huà)出的三種成分(component)，并包含較厚的絕緣層、電阻體層22″和較薄的絕緣層，這里，電阻體層22″置于絕緣層之間。
類(lèi)似地，有限元技術(shù)用于錐形桁條實(shí)施例20、20′。錐形桁條實(shí)施例20、20′可被假定為除了Ww為30微米且Wn為10微米以外具有與矩形桁條實(shí)施例21相同的表面積和長(zhǎng)度L。式2、3和4的依次的解表明，錐形桁條實(shí)施例20、20′具有約67.6歐姆的電阻。圖5a和圖6a示出錐形桁條實(shí)施例20、20′的電流密度分布。為了在2微秒脈沖時(shí)間內(nèi)維持相同的1.63微焦的能量，由于錐形桁條38、38′具有比矩形桁條38″稍高的電阻，施加到錐形電阻體上的電壓從7伏增加到7.42伏。
圖7b是表示錐形桁條電阻體層22中的溫度以及絕緣層的頂面(噴嘴側(cè))和底面(電阻體側(cè))上的溫度的曲線(xiàn)圖，而圖8b是表示桁條38、38″位移的曲線(xiàn)圖。注意，由于錐形桁條實(shí)施例20、20′在接近桁條尖端的位置產(chǎn)生較高的溫度，因此錐形桁條實(shí)施例20、20′產(chǎn)生比具有相同的長(zhǎng)度和表面積的矩形桁條實(shí)施例21高的尖端偏轉(zhuǎn)。因此，錐形桁條實(shí)施例20、20′產(chǎn)生比矩形桁條實(shí)施例21大12％(1.19微米對(duì)1.06微米)的尖端偏轉(zhuǎn)。
監(jiān)視要被打印到襯底上的圖像以辨別流體的可變體積液滴是否會(huì)是有利的也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉用于在一串?dāng)?shù)字打印指令內(nèi)對(duì)邊界進(jìn)行評(píng)價(jià)和監(jiān)視的技術(shù)。在示例性的形式中，例如在邊界要在分開(kāi)的顏色之間或只是在襯底的裸露方面和將在其上沉積流體的襯底的那些方面之間出現(xiàn)的情況下，本發(fā)明利用這些邊界條件以通過(guò)在接近邊界的位置利用更小體積的流體液滴改變從打印機(jī)的噴嘴噴射的液滴的體積，以減小畸變并保持鮮明的邊界。實(shí)施本發(fā)明的該方面的一個(gè)示例性方式是要改變供給致動(dòng)器20、20′、21的電壓和/或脈沖，以提供不同的位移，從而導(dǎo)致不同體積液滴。但是，有了這里提供的教導(dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將很容易知道用于實(shí)施本發(fā)明的該方面的其它技術(shù)和方法。
參照?qǐng)D9，如果在電阻體層22、22″的兩側(cè)均存在絕緣材料，那么電阻體將向較厚的絕緣材料層偏轉(zhuǎn)，并且相對(duì)的較薄的絕緣材料將延遲桁條38、38′、38″向較厚的絕緣層(即，向噴嘴)的偏轉(zhuǎn)。因此，為了使桁條38、38′、38″偏轉(zhuǎn)/移動(dòng)最大化，在與較厚的絕緣層30相對(duì)的位置上不應(yīng)有絕緣材料。但是，如上討論的那樣，與較厚的絕緣層30相對(duì)的絕緣層會(huì)提供多種值得考慮的益處，諸如但不限于保護(hù)電阻體層22、22″不受墨水腐蝕；向電阻體層22、22″提供熱絕緣；和在層22、22″的膨脹或收縮過(guò)程中提供用于引導(dǎo)電阻體層22、22″的移動(dòng)的襯底。
如所期望的那樣，當(dāng)絕緣層在頂層和底層之間被均勻分開(kāi)時(shí)，沒(méi)有明顯的桁條38、38′、38″或電阻體層22、22″偏轉(zhuǎn)。假定形成各層的絕緣材料包含相同的熱膨脹材料性能，那么，當(dāng)絕緣夾層的一側(cè)包含具有比相對(duì)一側(cè)更大的厚度的絕緣材料(即，大于總絕緣體厚度的50％)時(shí)，桁條38、38′、38″或電阻體層22、22″位移朝向具有較大的厚度的絕緣材料。桁條38、38′、38″或電阻體層22、22″位移的程度在50～100％之間繼續(xù)增加，使得僅當(dāng)存在一個(gè)絕緣層即沒(méi)有絕緣夾層時(shí)出現(xiàn)桁條的最大位移。
參照?qǐng)D10a，兩個(gè)矩形桁條致動(dòng)器21以及兩個(gè)錐形桁條致動(dòng)器20、20′分別具有約0.8μm和約1.0μm的示例性電阻體層22、22″厚度。從圖10a可清楚地看出，對(duì)于錐形桁條致動(dòng)器20、20′，桁條尖端位移最大。另外，可以觀(guān)察到，對(duì)于分別具有0.8和1.0微米的電阻體層的錐形致動(dòng)器20、20′和矩形致動(dòng)器21，SiO2層的最佳厚度均為約4～5微米。該發(fā)現(xiàn)清楚地駁倒了僅使用式1的現(xiàn)有技術(shù)的教導(dǎo)。并且，通過(guò)根據(jù)圖9分配SiO2，很明顯SiO2厚度應(yīng)強(qiáng)烈偏向桁條的噴嘴側(cè)。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很顯然可以使用比4～5微米范圍更薄或更厚的SiO2的絕緣層制造功能致動(dòng)器。
參照?qǐng)D10b，矩形致動(dòng)器21和錐形致動(dòng)器20、20′的掃過(guò)的體積位移均關(guān)于絕緣層30厚度改變。與圖10a一致，SiO2層30被允許從約0.7到約15微米改變，并且TiAl層22、22′為1.0或0.8微米厚。
從曲線(xiàn)圖可以清楚地看出，4～5微米的厚度提供致動(dòng)器20、20′、21的最佳或最大位移。如上面討論的那樣，制造對(duì)于尖端位移或掃過(guò)的體積不是最佳的以及示例性形式包含在2～3微米之間的SiO2的絕緣層30的致動(dòng)器也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
圖10a中畫(huà)出的示例性實(shí)施例20、20′、21中的每一個(gè)都用1.63微焦驅(qū)動(dòng)。因此，4～5微米厚SiO2層30使得能夠用矩形實(shí)施例21實(shí)現(xiàn)約1.5微微升每微焦的抽吸效力以及用錐形實(shí)施例20、20′實(shí)現(xiàn)約1.3微微升每微焦的抽吸效力。這些值表明，與在電阻體層22的噴嘴側(cè)利用2微米厚SiO2層30并在電阻體層22的與噴嘴側(cè)相對(duì)的一側(cè)使用0.2微米厚SiO2層30的現(xiàn)有技術(shù)MEMS致動(dòng)器相比，抽吸效力大大提高。
如前面討論的那樣，本發(fā)明的示例性實(shí)施例20、20′、21適于通過(guò)熱致桁條偏轉(zhuǎn)使流體位移。這與利用爆發(fā)性沸騰的流體的一部分的相變以促進(jìn)流體的另一部分的位移的現(xiàn)有技術(shù)大大不同。因此，為了更精確地控制通過(guò)本發(fā)明的致動(dòng)器位移的流體的可測(cè)容積流動(dòng)(volumetric flow)，爆發(fā)性沸騰的減輕以及限制爆發(fā)性沸騰的可能性的形核條件是相關(guān)的考慮。
參照?qǐng)D11，通過(guò)組合Clausius-Clapeyron公式與理想氣體定律(Ideal Gas Law)和Laplace-Young公式計(jì)算根據(jù)本發(fā)明的激活曲線(xiàn)。圖11以圖示的方法表示激活溫度與表面缺陷尺寸的關(guān)系圖，這里，鄰近較大的表面缺陷的液體需要較低的激活溫度以形成氣泡。如激活曲線(xiàn)所示，對(duì)于具有大于0.01μm的缺陷的表面可以利用低于300℃的溫度以抑制爆發(fā)性沸騰。由于操作中的示例性實(shí)施例將在相對(duì)較熱和較冷的溫度之間循環(huán)以提供必要的振蕩，因此，對(duì)于具有大于0.01μm的表面缺陷尺寸的桁條，與桁條38、38′、38″的膨脹變形相關(guān)的升高的溫度應(yīng)保持在300℃之下。應(yīng)當(dāng)理解，這里討論的表面缺陷是指在數(shù)值上可覺(jué)察的量的這種缺陷。
因此，如圖11證明的那樣，桁條38、38′、38″的表面應(yīng)基本上平坦以減少爆發(fā)性沸騰。防止爆發(fā)性沸騰條件將有助于防止否則會(huì)干擾可預(yù)測(cè)、可重復(fù)的液滴噴射的氣泡的形成。另外，可減少可由氣穴現(xiàn)象(cavitation)產(chǎn)生的桁條38、38′、38″的侵蝕，由此延長(zhǎng)致動(dòng)器20、20′、21的使用壽命和/或效率。
參照?qǐng)D12，通過(guò)使用有限元技術(shù)，絕緣層30和電阻體層22、22″的平均溫度的曲線(xiàn)圖提供關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的致動(dòng)器20、20′、21的可用周期的信息。只要在絕緣層30和電阻體層22、22″之間存在溫度變化，那么熱膨脹就將使桁條從其平衡位置發(fā)生位移。絕緣層30和電阻體層22、22″不必接近室溫；只是希望兩個(gè)層30、22、22″之間的溫度變化接近零。如果本發(fā)明在兩層的溫度被允許達(dá)到室溫的情況下被操作，那么致動(dòng)器20、20′、21的周期不會(huì)比每200μs一次快。如上面討論的那樣，本發(fā)明不需要在各層達(dá)到室溫的情況下被操作。圖12清楚地表示，在約40～50μs，各層之間的溫差接近零。因此，本發(fā)明可具有接近40～50μs的周期。因此，致動(dòng)器20、20′、21可在最高為約20～25KHz的頻率下被操作。
眾所周知，諸如TiAl和SiO2的薄膜層的沉積將導(dǎo)致殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力作為膜形成的自然結(jié)果被引入薄膜中。這樣，由于殘余應(yīng)力將增加到在桁條被加熱時(shí)出現(xiàn)的熱應(yīng)力上，這會(huì)直接影響桁條的位移，因此可預(yù)測(cè)的操作變得更加困難。一種減小殘余應(yīng)力的技術(shù)是退火，但是，對(duì)膜進(jìn)行退火會(huì)具有改變層22、22″的電阻系數(shù)的不希望有的結(jié)果。由于希望通過(guò)施加電壓和脈沖寬度產(chǎn)生精確的可測(cè)容積位移，因此可由退火產(chǎn)生的電阻系數(shù)的可變性是所關(guān)心的。一種解決殘余應(yīng)力和可變電阻系數(shù)問(wèn)題的方式是退火以減小殘余應(yīng)力然后允許變寬的電阻系數(shù)指標(biāo)(specification)。然后，測(cè)量桁條的電阻和調(diào)整電壓或脈沖寬度中的至少一個(gè)會(huì)使由桁條耗散的焦耳加熱標(biāo)準(zhǔn)化。作為退火的結(jié)果電阻系數(shù)可能逐步(from lot to lot)改變，因此，多種測(cè)量桁條電阻的有效手段中的一種是在打印機(jī)中原位(in-situ)測(cè)量?？梢酝ㄟ^(guò)施加已知的通過(guò)電阻體層22、22″的電流并測(cè)量其兩端電壓降，實(shí)施桁條電阻的原位測(cè)量。或者，通過(guò)在電阻體層22、22″兩端的施加已知電壓并測(cè)量通過(guò)它的電流，也可以測(cè)量桁條電阻。使用任一種方法，以電壓/電流的比率的形式給出桁條電阻。一旦被退火的桁條的電阻已知，就可相應(yīng)地通過(guò)打印機(jī)調(diào)整向其傳輸?shù)碾妷夯蛳蚱鋫鬏數(shù)拿}沖寬度。
從以上說(shuō)明和發(fā)明內(nèi)容得出，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，很顯然，雖然這里說(shuō)明的方法和裝置構(gòu)成本發(fā)明的示例性實(shí)施例，但這里包含的本發(fā)明不限于該精確的實(shí)施例，并且在不背離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例提出修改。另外，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明由權(quán)利要求限定，并且描述這里闡述的示例性實(shí)施例的任何限制或要素的意圖不在于要被加入對(duì)任何權(quán)利要求要素的解釋中，除非這種限制或要素被明確聲明。類(lèi)似地，應(yīng)當(dāng)理解，由于本發(fā)明由權(quán)利要求限定，并且由于盡管在這里沒(méi)有明確討論但會(huì)存在本發(fā)明的固有和/或意料之外的優(yōu)點(diǎn)，因此不必為了落在任何權(quán)利要求的范圍內(nèi)滿(mǎn)足這里公開(kāi)的本發(fā)明的任何或全部被驗(yàn)明的優(yōu)點(diǎn)或目標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種具有電阻體層的微機(jī)電流體噴射器的設(shè)計(jì)方法，該方法包括
考慮電阻體層的三維測(cè)量、將被供到電阻體層的電壓和電阻體層的材料性能計(jì)算電流密度；和
通過(guò)使用計(jì)算的電流密度設(shè)計(jì)微機(jī)電流體噴射器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括考慮電流密度計(jì)算驅(qū)動(dòng)微機(jī)電流體噴射器的脈沖持續(xù)時(shí)間，其中，計(jì)算電流密度的動(dòng)作考慮微機(jī)電流體噴射器在被驅(qū)動(dòng)時(shí)將消耗的能量值。
3.一種用于將流體選擇性沉積到表面上的裝置的制造方法，該方法包括
通過(guò)在具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料上層疊具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料形成可變位致動(dòng)器，該第一熱膨脹系數(shù)比該第二熱膨脹系數(shù)大，該第一材料和該第二材料中的至少一個(gè)形成為在沿可變位致動(dòng)器的長(zhǎng)度隔開(kāi)的第一點(diǎn)和第二點(diǎn)之間表現(xiàn)出不均勻的電流密度；和
安裝可變位致動(dòng)器，以允許可變位致動(dòng)器在液池內(nèi)移動(dòng)，該液池包含適于允許從其選擇性排出流體并排出到表面上的孔；
其中，可變位致動(dòng)器適于位移大于1微微升每微焦。
4.一種具有微機(jī)電流體噴射器的打印裝置的操作方法，所述微機(jī)電流體噴射器用于使特定體積的流體發(fā)生位移，該方法包括
監(jiān)視關(guān)于要被打印到表面上的圖案的打印指令；
基于要被打印的圖案確定從打印裝置的預(yù)定噴嘴噴射的流體的體積；和
響應(yīng)確定要被噴射的流體的體積的動(dòng)作，操縱施加到與預(yù)定噴嘴連通的微機(jī)電流體噴射器的脈沖寬度，以將具有預(yù)定體積的流體的液滴噴射到表面上。
5.一種具有微機(jī)電流體噴射器的打印裝置的操作方法，所述微機(jī)電流體噴射器用于使特定體積的流體發(fā)生位移，該方法包括
監(jiān)視關(guān)于要被打印到表面上的圖案的打印指令；
基于要被打印的圖案確定從打印裝置的預(yù)定噴嘴噴射的流體的體積；和
響應(yīng)確定要被噴射的流體的體積的動(dòng)作，操縱施加到與預(yù)定噴嘴連通的微機(jī)電流體噴射器的電壓，以將具有預(yù)定體積的流體的液滴噴射到表面上。
6.一種操作微機(jī)電流體噴射器以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的機(jī)械偏轉(zhuǎn)的方法，該方法包括
通過(guò)獲知將驅(qū)動(dòng)微機(jī)電流體噴射器的電壓、電阻體層的相關(guān)的體積和作為被驅(qū)動(dòng)的結(jié)果的微機(jī)電流體噴射器的溫度場(chǎng)的期望的變化，計(jì)算驅(qū)動(dòng)微機(jī)電流體噴射器的電阻體層以提供預(yù)定的機(jī)械偏轉(zhuǎn)的脈沖寬度；以及
通過(guò)使用計(jì)算的脈沖寬度操作微機(jī)電流體噴射器，以從噴嘴噴射流體的液滴，其中，液滴在預(yù)定的體積范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，計(jì)算動(dòng)作包含
計(jì)算電阻體層的電流密度；和
通過(guò)至少部分利用電流密度、電阻體層的體積、電壓、脈沖寬度和微機(jī)電流體噴射器的溫度場(chǎng)的期望的變化，計(jì)算微機(jī)電流體噴射器的機(jī)械偏轉(zhuǎn)。
8.一種微機(jī)電流體噴射器的操作方法，該方法包括
通過(guò)使用微機(jī)電流體噴射器的形狀、將被用于驅(qū)動(dòng)微機(jī)電流體致動(dòng)器的電流、電流的脈沖寬度和構(gòu)成微機(jī)電流體噴射器的各材料的材料性能，計(jì)算微機(jī)電流體噴射器的周期；和
通過(guò)使用計(jì)算的周期操作微機(jī)電流體噴射器，以從噴嘴噴射流體的液滴，其中，液滴在預(yù)定的體積范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中，操作機(jī)電流體噴射器的動(dòng)作包含以約20KHz～約25KHz的頻率操作機(jī)電流體噴射器。
10.一種用于將流體選擇性沉積到表面上的熱變形工具，包括
包含鄰近具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料的具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料的可變位致動(dòng)器，該第一熱膨脹系數(shù)比該第二熱膨脹系數(shù)大，該可變位致動(dòng)器被制造為在沿可變位致動(dòng)器的長(zhǎng)度隔開(kāi)的第一點(diǎn)和第二點(diǎn)之間表現(xiàn)出不均勻的電流密度，其中，可變位致動(dòng)器的最大偏轉(zhuǎn)點(diǎn)與到第一點(diǎn)相比更接近第二點(diǎn)，并且，可變位致動(dòng)器受到導(dǎo)致第一材料以比第二材料大的速率膨脹或收縮的溫度變化，并且可變位致動(dòng)器適于位移大于1微微升每微焦。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的熱變形工具，其中，第二材料包含夾住第一材料的第一層和第二層，并且，第一層的厚度比第二層的厚度大十倍。
12.一種用于將流體選擇性沉積到表面上的裝置，該裝置包括
可適應(yīng)桁條，該可適應(yīng)桁條包含沿其長(zhǎng)度包含第一材料的第一層、第二材料的第一層和第一材料的第二層的截面，其中，第一材料的第一層的厚度比第一材料的第二層的厚度的大十倍，并且，第二材料的熱膨脹系數(shù)比第一材料的熱膨脹系數(shù)大；和
適于在其中至少部分容納可適應(yīng)桁條的室，該室還適于包含至少一個(gè)孔以允許通過(guò)在受到溫度變化時(shí)可適應(yīng)桁條的致動(dòng)從室中排出流體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中，
第二材料是導(dǎo)體；并且
第一材料是絕緣體。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的裝置，其中，
第一材料包含二氧化硅；并且
第二材料包含鈦和鋁中的至少一種。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中，
第一材料的第一層為約4微米～約5微米；并且
第一材料的第二層為約0.1微米～約0.4微米。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中，
第一材料的第一層為約3微米～約7微米；并且
第一材料的第二層為約0.03微米～約0.6微米。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中，可適應(yīng)桁條適于位移大于1微微升每微焦。
18.一種用于將流體選擇性沉積到表面上的裝置的制造方法，該方法包括
形成包含至少三個(gè)層的可變位致動(dòng)器
包含具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料的第一層；
包含具有第三熱膨脹系數(shù)的第三材料的第三層；和
包含具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料的第二層，其中，第二層至少部分將第一層與第三層分開(kāi)，
其中，第一層的厚度比第三層的厚度的大十倍；和
將可變位致動(dòng)器安裝到液池內(nèi)，以在致動(dòng)器通過(guò)電阻加熱受到溫度變化時(shí)允許其移動(dòng)，以允許通過(guò)液池的孔選擇性排出流體并將其排出到表面上。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，第一層和第三層可用于封裝第二層。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，第二層至少部分置于第一層和第三層之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，可變位致動(dòng)器適于位移大于1微微升每微焦。
22.一種用于將流體選擇性沉積到表面上的裝置的操作方法，該方法包括
向液池供給流體，該液池包含至少一個(gè)孔，以允許從液池排出流體，該液池至少部分在其中容納致動(dòng)器；和
對(duì)致動(dòng)器進(jìn)行電阻加熱，以將致動(dòng)器從第一位置變位到第二位置，其中，第二位置比第一位置更接近該孔，該致動(dòng)器包含第一絕緣層、第一導(dǎo)電層和第二絕緣層，第一絕緣層比第二絕緣層的厚度的大十倍，第一導(dǎo)電層至少部分將第一絕緣層與第二絕緣層分開(kāi)，第一絕緣層比第二絕緣層更接近該孔，并且致動(dòng)器適于位移大于1微微升每微焦。
23.一種用于將流體選擇性沉積到表面上的熱變形工具，包括
包含至少部分被具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料包圍的具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料的可適應(yīng)桁條，該第一熱膨脹系數(shù)比第二熱膨脹系數(shù)大，可適應(yīng)桁條具有比其寬度和高度大的長(zhǎng)度，沿可適應(yīng)桁條的長(zhǎng)度的截面包含第一材料的第一層、第二材料的第一層和第一材料的第二層，其中，第一材料的第一層的厚度比第一材料的第二層的厚度的大十倍。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的工具，其中，
第一材料是絕緣體；并且
第二材料是導(dǎo)體。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的工具，其中，
第一材料包含二氧化硅；并且
第二材料包含鈦和鋁中的至少一種。
26.根據(jù)權(quán)利要求23的工具，其中，
第一材料的第一層為約3微米～約7微米；并且
第一材料的第二層為約0.03微米～約0.7微米。
27.根據(jù)權(quán)利要求23的工具，其中，
第一材料的第一層為約4微米～約5微米；并且
第一材料的第二層為約0.1微米～約0.4微米。
28.根據(jù)權(quán)利要求23的工具，其中，可適應(yīng)桁條適于位移大于1微微升每微焦。
29.一種適于將流體選擇性沉積到表面上的裝置的操作方法，該方法包括
使可變位桁條在第一位置和第二位置之間振蕩，以通過(guò)可變位桁條的移動(dòng)允許通過(guò)孔從室中排出流體，該室適于在其中至少一部分容納可變位桁條，并且可變位桁條包含鄰近具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料的具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料，該第一熱膨脹系數(shù)比該第二熱膨脹系數(shù)??；
其中，振蕩的動(dòng)作包括加熱可變位桁條，使得可變位桁條的表面溫度不超過(guò)約300℃。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中，可變位桁條適于位移大于1微微升每微焦。
31.一種用于將流體選擇性沉積到表面上的裝置，該裝置包括
包含鄰近具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料的具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料的振蕩桁條，該第一熱膨脹系數(shù)比該第二熱膨脹系數(shù)小，其中，振蕩桁條具有不均勻的電流密度，并具有深度小于約0.1微米～約0.01微米的表面微孔；和
適于在其中至少部分容納可適應(yīng)桁條的室，該室還適于包含至少一個(gè)孔，用于通過(guò)振蕩桁條的致動(dòng)從室中排出流體。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的裝置，其中，振蕩桁條包含范圍為約0.07微米～約0.01微米的表面微孔。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的裝置，其中，振蕩桁條包含范圍為約0.06微米～約0.02微米的表面微孔。
34.根據(jù)權(quán)利要求31的裝置，其中，振蕩桁條適于位移大于1微微升每微焦。
35.一種操作微機(jī)電流體噴射器以噴射特定體積的流體的方法，該方法包括
通過(guò)考慮微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的電流密度和微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的焦耳加熱，計(jì)算施加到微機(jī)電致動(dòng)器以使來(lái)自打印裝置的噴嘴的預(yù)定體積的液滴發(fā)生位移的電壓；和
將計(jì)算的電壓施加到微機(jī)電致動(dòng)器，以從噴嘴噴射流體的液滴，其中，液滴在預(yù)定的體積范圍內(nèi)。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，還包括
計(jì)算微機(jī)電致動(dòng)器中的電場(chǎng)；
向微機(jī)電致動(dòng)器的各元件分配電阻系數(shù)值；
通過(guò)使用電阻系數(shù)和電場(chǎng)，計(jì)算微機(jī)電致動(dòng)器的電流密度分布；
基于電流密度計(jì)算通過(guò)微機(jī)電致動(dòng)器的電流；和
通過(guò)使用電流密度，計(jì)算微機(jī)電致動(dòng)器的瞬時(shí)溫度場(chǎng)；
其中，瞬時(shí)溫度場(chǎng)被考慮，以確定焦耳加熱。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中，
計(jì)算微機(jī)電致動(dòng)器中的電場(chǎng)的動(dòng)作包含使用等式這里，ρ＝電阻系數(shù)值，Φ＝電勢(shì)；并且
計(jì)算微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的電流密度的動(dòng)作包含使用等式這里，J＝電流密度，ρ＝電阻系數(shù)值，Φ是電勢(shì)梯度。
38.一種操作微機(jī)電流體噴射器以噴射特定體積的流體的方法，該方法包括
考慮微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的焦耳加熱，計(jì)算要被施加到微機(jī)電致動(dòng)器以使來(lái)自打印裝置的噴嘴的預(yù)定體積的液滴發(fā)生位移的脈沖寬度，其中，各元件的電流密度被考慮以確定焦耳加熱；和
通過(guò)使用計(jì)算的脈沖寬度將脈沖施加到微機(jī)電致動(dòng)器，以從噴嘴噴射流體的液滴，其中，液滴在預(yù)定的體積范圍內(nèi)。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中，焦耳加熱由以下動(dòng)作確定
向微機(jī)電致動(dòng)器的各元件分配電阻系數(shù)值；和
考慮微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的電流密度和微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的電阻系數(shù)值，計(jì)算流過(guò)微機(jī)電致動(dòng)器的電流；
其中，考慮流過(guò)微機(jī)電致動(dòng)器的電流確定微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的焦耳加熱。
40.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中，確定電流密度的動(dòng)作包含計(jì)算不均勻的電流密度。
41.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中，
確定電流密度的動(dòng)作包含使用等式計(jì)算微機(jī)電致動(dòng)器中的電場(chǎng)，這里，ρ＝電阻系數(shù)值，Φ＝電勢(shì)；并且
計(jì)算微機(jī)電致動(dòng)器的各元件的電流密度的動(dòng)作包含使用等式這里，J＝電流密度，ρ＝電阻系數(shù)值，Φ是電勢(shì)梯度。
42.一種操作微機(jī)電流體噴射器以噴射特定體積的流體的方法，該方法包括
原位測(cè)量微機(jī)電流體噴射器的電阻；和
調(diào)整傳輸給微機(jī)電流體噴射器的電壓和施加到微機(jī)電流體噴射器上的脈沖寬度中的至少一個(gè)，以使微機(jī)電流體噴射器的焦耳加熱保持在預(yù)定的范圍內(nèi)。
43.一種適用于將流體選擇性沉積到表面上的裝置，該裝置包括
被配置為在操作上提供至少每英寸300點(diǎn)的垂直分辨率的多個(gè)微加工流體噴射器，其中，各個(gè)微加工流體噴射器包含至少部分被具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料包圍的具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料，該第一熱膨脹系數(shù)大于該第二熱膨脹系數(shù)，并且，各個(gè)微加工流體噴射器具有比其寬度和高度大的長(zhǎng)度，沿可適應(yīng)桁條的長(zhǎng)度的截面包含第一材料的第一層、第二材料的第一層，其中，第一材料的第一層的厚度比第一材料的第二層的厚度的大十倍。
全文摘要
本發(fā)明針對(duì)將諸如圖像或其它標(biāo)記的圖案打印到表面上，更特別地，針對(duì)利用至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)致動(dòng)器將圖案打印到表面上。本發(fā)明的示例性形式利用焦耳加熱，以驅(qū)動(dòng)能夠從室中使墨水轉(zhuǎn)移并轉(zhuǎn)移到打印介質(zhì)的表面上的桁條。本發(fā)明包括用于設(shè)計(jì)、制造和操作根據(jù)這里討論的教導(dǎo)的MEMS致動(dòng)器的方法。
文檔編號(hào)B41J2/05GK101132917SQ200580033736
公開(kāi)日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2005年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
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