專利名稱：在噴射液體的微型噴射器中用氣泡作為一個實際上的閥的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及液體噴射器，特別涉及從微型設備中噴射液體的裝置和方法。
背景技術：
在噴墨打印機的打印中廣泛使用液滴噴射器。液滴噴射器也用在很多其它可能的應用中，如燃料噴射系統(tǒng)、細胞分類(cell sorting)、供藥系統(tǒng)、直接印刷光刻(lithography)和微型噴射推進系統(tǒng)等。在所有這些應用方面有一個共同點，就是特別希望有一種可靠且成本低的液滴噴射器能夠以高頻率和高的空間分辨率提供高質(zhì)量的液滴。
僅有少數(shù)設備具有單個地并以一致的液滴大小噴射液滴的能力。在目前已知并使用的液滴噴射系統(tǒng)中，有一種利用加熱產(chǎn)生的氣泡推動噴射的系統(tǒng)由于其簡單且成本較低已經(jīng)應用得很成功。
熱生氣泡系統(tǒng)也稱為氣泡噴射系統(tǒng)，具有產(chǎn)生串擾效應和衍生液滴的缺點。氣泡噴射系統(tǒng)用一種電流脈沖加熱電極使腔中的液體沸騰。當液體沸騰時，氣泡在液體中形成并膨脹，其功能象一個泵，通過噴嘴從該腔噴射出液柱，這個液柱變成液滴。在電流脈沖終止時，氣泡破裂，由于毛細力作用液體再填充所述腔。這樣一個系統(tǒng)的性能可用噴射速度和方向、液滴大小、最大噴射頻率、在相鄰腔間的串擾現(xiàn)象、過噴射和在液體再填充時的彎月液面波動以及衍生液滴的出現(xiàn)來衡量。衍生液滴在打印時降低圖象的清晰度，并且在精確的液體控制中，它們降低流量測定的準確度。當氣泡噴射器排列布置得間距緊密時發(fā)生串擾現(xiàn)象，液滴從相鄰噴嘴噴射出。
大多數(shù)噴射系統(tǒng)在所述腔的底部設置一個加熱器，它把很大熱量傳給襯底。另外，一般用粘接(bonding)方法將噴嘴板固定到它的加熱器板上，由于存在裝配公差限制了噴嘴的空間分辨率。而且，粘接工藝可能與集成電路的工藝(IC precess)不兼容，如果希望把微型噴射排列組與控制電路集成，以減少布線和確保結構緊湊，這是很重要的問題。
為了解決串擾和過噴射的問題，一般的作法是增加通道的長度或附加腔頸以增大腔和儲缶間的液體阻力。但這些作法使液體再填充腔變得緩慢，并顯著降低設備的最高噴射頻率。
現(xiàn)有噴墨系統(tǒng)最麻煩的問題是衍生液滴，因為它造成圖象模糊。當打印頭和紙相對運動時，尾隨主液滴的衍生液滴在與主液滴稍不同的位置上打到紙面上。目前尚無容易采用且經(jīng)濟有效的裝置或方法解決衍生液滴問題。
因此，需要一種液滴噴射系統(tǒng)，在不使液體再填充速度變慢的情況下，它使串擾現(xiàn)象減到最低，從而保持高頻率的響應并消除衍生液滴，所有這些又不增加設計和制造的復雜性。本發(fā)明滿足了這些要求以及其它要求，并基本克服了現(xiàn)有技術的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種裝置和方法，它在微型噴射器的一個腔中形成一個氣泡，在腔和集流管間起一個閥門機構的作用，從而在噴嘴噴射液體時對從腔流到集流管的液體產(chǎn)生高的阻力，而在液體噴射完成和氣泡破裂后對液體向腔的再填充形成低的阻力。
總的來說，本發(fā)明的裝置包括一個微型噴射器，它具有一個腔和一個與之連通的集流管；一個噴嘴，與腔連通；至少一個在腔和集流管間形成氣泡的裝置；以及一個腔增壓裝置。
在腔的入口處形成氣泡時，從腔到集流管的液體流動受到限制。增壓裝置在氣泡形成后在腔內(nèi)形成壓力，腔內(nèi)的壓力增大，將液體推出噴嘴。在液體通過噴嘴噴出后，氣泡破裂，使液體能快速再填充到腔中。
在腔內(nèi)高壓時，由于氣泡阻塞了腔與集流管和相鄰腔之間的連通，也使串擾減到最小。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，形成氣泡的裝置包括靠近腔的第一加熱器。增壓裝置包括可在腔內(nèi)形成第二氣泡的第二加熱器。加熱器鄰近噴嘴，并裝有一個串接的電極，所述電極由于寬度不同具有不同的電阻。第一加熱器的電極比第二加熱器的窄，因而，即使施加一個相同的電信號，第一氣泡也在第二氣泡之前形成。
當?shù)谝缓偷诙馀菖蛎洉r，它們彼此接近，并最終合并，從而徹底地切斷通過噴嘴的液流，使衍生液滴消除或顯著減少。
本發(fā)明的一個目的是提供一種消除衍生液滴的微型噴射器裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種使串擾現(xiàn)象最小的微型噴射器裝置。
本發(fā)明的再一目的是提供一種微型噴射器裝置，在噴射液體后，液體可快速再填充到腔。
本發(fā)明的再一目的是提供一種從微型噴射器腔噴射液體的方法，它使衍生液滴最少。
本發(fā)明的再一目的是提供一種從微型噴射器腔噴射液體的方法，它使串擾現(xiàn)象最小。
本發(fā)明的再一目的是提供一種從微型噴射器腔噴射液體的方法，在噴射液體后，液體可快速再填充。
本發(fā)明進一步的目的和優(yōu)點將在下面的詳細說明中體現(xiàn)，其中的細節(jié)描述僅是為了揭示本發(fā)明的優(yōu)選實施例，而不是限定本發(fā)明。


參照后面的附圖可以更加全面徹底地理解本發(fā)明。附圖僅具有解釋的作用。
圖1是符合本發(fā)明的微型噴射器排列組的剖面的透視圖；圖2A是圖1所示微型噴射器排列組的一個腔和集流管的剖面圖；圖2B是圖2A所示一個腔和集流管的剖面圖，示出第一氣泡和隨后的第二氣泡的形成使液體向噴嘴外噴射；圖2C是圖2A所示一個腔和集流管的剖面圖，示出第一和第二氣泡結合使液體終止從噴嘴噴射；圖2D是圖2A所示一個腔和集流管的剖面圖，示出第一氣泡和隨后的第二氣泡的破裂使液體能再填充到腔；圖3是用于制造符合本發(fā)明的微型噴射器排列組的硅片的頂視平面圖；圖4是沿線4-4取的圖3的硅片的剖面圖；圖5是圖3所示的硅片的頂視平面圖，示出背面腐蝕形成一個集流管；圖6是沿線6-6取的圖5中所示的硅片剖面圖；圖7是圖5中所示的硅片頂視平面圖，示出腐蝕增大腔的深度；圖8是沿線8-8取的圖7中所示的硅片剖面圖；
圖9是圖7中所示的硅片頂視平面圖，上面裝有成型的電極；圖10是沿線10-10取的圖9中所示的硅片剖面圖；圖11是形成噴嘴的圖9所示的硅片的頂視平面圖；圖12是沿線12-12取的圖11中的硅片剖面圖。
具體實施例方式
具體參見附圖，為了具體說明，以在圖1-12中示出的裝置為本發(fā)明的實施例。但應理解，在不偏離本發(fā)明公開的基本思想的前提下，本裝置可在結構上和部件細節(jié)上進行改變。
首先參看圖1，圖中示出微型噴射器裝置12的排列組10。排列組10包括彼此相鄰的多個微型噴射器12。每個微型噴射器包括一個腔14；一個集流管16；一個噴嘴18；第一加熱器20；和第二加熱器22。第一加熱器20和第二加熱器22一般是與共用電極24串聯(lián)的電極。
再參看圖2A，腔14可注滿液體26。根據(jù)用途不同，液體26可包括墨水、汽油、油、化學制品、生物藥劑溶液、水等類似物，但不僅限于此。液體26的彎月形液面28一般穩(wěn)定在噴嘴18上。集流管16與腔14相鄰并連通。儲缶(未示出)中的液體經(jīng)過集流管16進入腔14。第一加熱器20和第二加熱器22的位置鄰近噴嘴18并在腔14上方，以防熱量流失到襯底上。第一加熱器20鄰近集流管16，而第二加熱器22鄰近腔14。從圖2A可見，第一加熱器20的橫截面比第二加熱器22的窄。
再參看圖2B，因為第一加熱器20和第二加熱器22串聯(lián)，可以用一個共用的電脈沖同時觸發(fā)第一加熱器20和第二加熱器22。由于第一加熱器20具有較窄的橫截面，消耗的電流脈沖功率較高，從而使得在共同的電流脈沖作用下第一加熱器20比具有較寬橫截面的第二加熱器22加熱快。這樣就不需要增加一個裝置來順序觸發(fā)第一加熱器20和第二加熱器22，使設計簡化。觸發(fā)第一加熱器使集流管16和腔14間形成一個第一氣泡30。當?shù)谝粴馀?0沿箭頭P的方向膨脹時，第一氣泡30開始阻止液體向集流管的流動，從而形成一個實際上的閥，隔離腔14，使相鄰的腔不出現(xiàn)串擾現(xiàn)象。在第一氣泡30形成后在第二加熱器22下形成一個第二氣泡32，當?shù)诙馀?2沿箭頭P的方向膨脹時，腔14的壓力增加，使液體26通過噴嘴18噴出，形成F方向的液柱36。
再參看圖2C，當?shù)谝粴馀?0和第二氣泡32繼續(xù)膨脹時，第一氣泡30和第二氣泡32彼此接近并終止液體通過噴嘴18的噴射。當?shù)谝粴馀?0和第二氣泡32開始結合在一起時，液柱36的尾34被迅速切斷，從而避免產(chǎn)生衍生液滴。
再參看圖2D，電脈沖的終止使第一氣泡30開始在P所示的方向破裂。第一氣泡30幾乎是瞬間的破裂使液體26能快速沿R的方向再填充到腔14，因為在集流管16和腔14之間沒有了對液體的阻隔。
由此可見，根據(jù)本發(fā)明從微型噴射器裝置12噴射液體26的方法大致有以下步驟(a)在微型噴射器裝置12的充滿液體的腔14中產(chǎn)生第一氣泡30；(b)增加腔14的壓力，從腔14噴射液體26，其中增壓步驟包括在腔14中產(chǎn)生第二氣泡32；(c)在腔14中的第一氣泡30增大，起到一個實際上的閥的作用，阻止液體在腔14和集流管16間的流動；(d)在腔14中的第二氣泡32增大，從而第一氣泡30和第二氣泡32接近，迅速終止液體從腔14的噴射；
(e)第一氣泡30破裂，液體快速向腔14再填充。
再參看圖3和圖4，不用任何薄片粘接工藝，而是用組合表面(combined surface)和體效應微型機械(bulk micromachine)技術在硅片38上制成一個微型噴射器排列組10。這個工藝過程開始于磷硅酸鹽-玻璃(PSG)沉積和造型形成腔的犧牲層40，并覆蓋一層低應力氮化硅形成腔頂層42。
然后如圖5和圖6所示，用氫氧化鉀(KOH)從背面44腐蝕硅片38，形成集流管16。用氫氟酸(HF)除掉犧牲層40的PSG。在圖7和圖8中可見到，通過精確的時間控制，再做一次KOH腐蝕使腔14的深度增大。在此步驟中必須格外小心，因為腔14的凸角部也會被腐蝕而變圓。
見圖9和圖10，第一加熱器20和第二加熱器22被裝上并制成型。第一加熱器20和第二加熱器22最好是鉑制的。制成金屬線44，頂部覆蓋氧化層46使其鈍化。第一加熱器20和共用電極24間的連接點48設置在氧化層46下。最后參見圖11和圖12，制成噴嘴18。假設光刻能力可達到3μm線寬度，則噴嘴18可以小到大約2μm，噴嘴18間的間距可以小到約15μm?？梢钥吹?，腔14的凸角部47明顯是腐蝕形成的結果。
由此可見，本發(fā)明提供了一種新型微型噴射器，它用氣泡限制液體在微型通道中的流動，從而在噴嘴噴射液體時，防止液體從腔逸出到集流管中。還可看到，利用與第一氣泡結合的第二氣泡可以迅速切斷通過噴嘴噴射的液柱，從而消除衍生液滴。
以上描述雖然含有許多特殊性，但不應看作是對本發(fā)明范圍的限定，而僅是對本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例的說明。本發(fā)明的范圍由權利要求和其等效條款確定。
權利要求
1.一種在噴射液體的微型噴射器中用氣泡作為實際上的閥的裝置，包括(a)盛裝液體的腔，所述腔包括一個頂層；(b)與所述頂層鄰近的一個鈍化層；(c)一個與所述腔連通的噴嘴，所述噴嘴位于所述腔的上方，通過所述鈍化層和所述頂層；(d)當所述腔充滿液體時，在所述腔中產(chǎn)生一個第一氣泡作為一個實際上的閥的裝置，該裝置緊鄰所述噴嘴并且位于所述鈍化層和頂層之間；(e)當所述腔充滿液體時，在所述腔中隨第一氣泡產(chǎn)生之后產(chǎn)生一個第二氣泡的裝置，從所述腔中噴射液體，該裝置緊鄰所述噴嘴并且位于所述鈍化層和頂層之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述第一氣泡產(chǎn)生裝置包括一個第一加熱器。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其中所述第二氣泡產(chǎn)生裝置包括一個第二加熱器。
4.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其中所述第一加熱器和第二加熱器是這樣設置的，使得所述第一氣泡和第二氣泡彼此相向地膨脹，迅速終止液體從所述腔的噴射。
5.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其中所述第一加熱器和第二加熱器適合由一個共用的信號驅(qū)動。
6.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其中所述第一加熱器和第二加熱器是串聯(lián)的。
7.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中第一氣泡的產(chǎn)生起到一個實際上的閥的作用，限制液體從所述腔中流出。
8.一種在噴射液體的微型噴射器中用氣泡作為實際上的閥的裝置，包括(a)一個腔，包括一個位于其上的頂層；(b)一個覆蓋頂層的鈍化層；(c)一個噴嘴，與所述腔連通；(d)第一氣泡產(chǎn)生裝置，緊鄰所述噴嘴，嵌入所述頂層和所述鈍化層之間；(e)第二氣泡產(chǎn)生裝置，緊鄰所述噴嘴，嵌入所述頂層和所述鈍化層之間，其中所述第一氣泡產(chǎn)生裝置用于在所述腔中產(chǎn)生一個第一氣泡，所述第一氣泡作為一個實際上的閥限制頁體從所述腔中流出。
9.根據(jù)權利要求8所述的裝置，其中所述第一氣泡產(chǎn)生裝置包括一個第一加熱器，所述第二氣泡產(chǎn)生裝置包括一個第二加熱器。
10.根據(jù)權利要求9所述的裝置，其中所述第一加熱器和第二加熱器適合由一個共用的信號驅(qū)動。
11.根據(jù)權利要求9所述的裝置，其中所述第一加熱器和第二加熱器是串聯(lián)的。
全文摘要
一種裝置和方法，它在微型噴射器的微型通道中形成一個氣泡，在腔和集流管間起一個閥門機構的作用，在噴嘴噴射液體時對通過集流管流出腔的液體產(chǎn)生高的阻力，而在液體噴射完成和氣泡破裂后對液體向腔的再填充形成低的阻力。它有效地減少相鄰腔間的串擾現(xiàn)象并提高微型噴射器的噴射頻率。在腔內(nèi)形成的第二氣泡與之前在腔和集流管間形成的第一氣泡結合，迅速終止液體噴出，從而消除衍生液滴。
文檔編號B05B1/14GK1550336SQ02155540
公開日2004年12月1日 申請日期1999年1月22日 優(yōu)先權日1998年1月23日
發(fā)明者金長勁, 鄧凡剛, 胡志明 申請人:明基電通股份有限公司, 明 電通股份有限公司