CN101663097B - 微机械加工的流体喷射器以及用于喷射微流体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有流体贮液腔的微机械加工的流体喷射器阵列，该流体贮液腔的一侧为具有设置于同心压电换能器之间的可伸缩孔口阵列的弹性薄膜，其另一侧则是由围壁支撑的顶盖。通过致动相邻的同心压电换能器，所述设置于被致动的相邻同心压电换能器之间的可伸缩孔口阵列发生偏转，从而喷出流体液滴。本发明还公开了一种具有流体贮液腔的微机械加工的流体喷射器，该流体贮液腔的一侧为具有设置于同心压电换能器之间的可伸缩孔口阵列的弹性薄膜，其另一侧为由围壁支撑的具有压电层的顶盖。一个压电层粘结在所述顶盖上。通过致动粘结在所述顶盖上的压电层，所述设置于相邻同心压电换能器之间的可伸缩孔口阵列同相位地发生偏转，从而喷出流体液滴。

Description

微机械加工的流体喷射器以及用于喷射微流体的方法

相关申请的交差引用

本申请要求由Yunlong Wang在2007年3月31日提交的题为微机械加工(micromachine)的流体喷射器的在先美国实用专利申请11/694943的优先权及其利益。该在先申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。 

技术领域

本发明涉及用于测定方法和测定装置中的流体喷射器阵列。装置包括在同心换能器之间具有喷嘴的薄膜，所述薄膜被安装在流体贮液腔和空腔之间。致动所述换能器可使所述薄膜弯曲，从而使流体从所述贮液腔喷出并流入所述空腔。特定的方法涉及对分析物的分析，其中，经过反应的分析物从孔口阵列喷出并喷到一个用于检测的表面上。所述装置可以包括与位于空腔上方的喷射器阵列流体接触的反应室，该喷射器阵列用于将反应产物喷射到用于采集和/或检测的表面上。 

背景技术

在微流体领域，人们遇到了许多流体处理方面的问题。特定的力，例如表面张力和静电，在微型装置中变得相对重要起来。诸如流体分散、使死体积最小化、精确流体体积分配以及流动控制等问题需要用新方法来处理。目前的微流体处理技术可能还不适用于解决在微流体分析中所面临的独特问题。 

流体液滴喷射器通常是与打印业务相关的。各种不同的喷嘴已在许多出版物中进行了报导并得到了商业应用。这些喷嘴典型地用于形 成和控制小墨水液滴，从而带来了按要求的高质量打印。典型地，墨水打印头具有孔口和喷嘴，墨水液滴从该孔口和喷嘴中喷出并喷到打印介质上，并且墨水在内部以确定的路线通过打印头。用于将墨水喷射到打印介质上的常规方法包括压电换能器和由热脉冲形成的气泡，以驱使流体从喷嘴喷出的。在打印头包括多个喷嘴的情况下，如果希望选择性地使墨水液滴从特定的喷嘴喷出而不是从其他的喷嘴喷出，在本领域中已知的常规解决方案要求各个喷嘴通过长窄通道相互分离，从而使阻尼压力在由公共源提供到喷嘴的墨水流体中突增(surge)。加热器还可以位于各个喷嘴处，以减少在特定喷嘴处的墨水粘度。因此，当液滴要从特定的喷嘴喷出时，在该喷嘴处的加热器被激活，以加热该喷嘴处的墨水，从而使得当压力脉冲被施加到墨水流体时，在该喷嘴处的墨水粘度被减少到足以使墨水液滴从该喷嘴喷出的程度，而在其他喷嘴处的(较冷的)墨水仍旧保持足够高的粘度，以防止墨水液滴从那些其他的喷嘴喷出。 

在授予Dante的美国专利6712455中，提供了一种具有公共墨水室或墨水贮液腔的打印头，该公共墨水室或墨水贮液腔的一侧上的边界由具有喷嘴孔口的薄膜界定。所述薄膜形成所述打印头的打印工作面。压电元件位于在喷嘴附近的所述薄膜上。所述压电元件使在喷嘴周围的薄膜段弯曲，以将墨水液滴从单独的喷嘴孔口喷出。在所述薄膜上还提供了凸纹(ribs)，该凸纹定义了相应于喷嘴的各个薄膜段的边界。所述凸纹可以以两种方式将每个喷嘴与其他的喷嘴分离开来。第一种方式，所述凸纹用作加劲纹，从而使得当与一个薄膜段连接的压电元件弯曲该薄膜段时，其他的薄膜段不会被弯曲得很严重。第二种方式，在薄膜内表面上的凸纹壁使压力脉冲向上偏转入被致动的薄膜段，并且使其偏转远离相邻的薄膜段/喷嘴。 

在授予 

等人的美国专利6445109和6474786中，还报导了微机械加工的液滴喷射器。这些类型的液滴喷射器包括圆柱形贮液腔，其一端用包含至少一个孔口的弹性薄膜进行封闭，另一端具有用于致动流体通过孔口喷出的体致动器(bulk actuator)。喷射器阵列是 一种微机械加工的二维阵列液滴喷射器。所述喷射器包括具有孔口的弹性薄膜的二维矩阵阵列，其中，该孔口用于封闭圆柱形流体贮液腔的端口。喷射器中的流体被该流体中的压力波体致动(bulk actuated)，从而使得流体在各个孔口处形成具有几乎足以离开该孔口的能量的弯液面(meniscus)。然后，通过致动在特定薄膜位置上的压电换能器，可以选择性地将液滴从个别孔口中喷出。在另一种可选择的操作模式中，体压力波具有足以喷出液滴的幅度，同时个别薄膜致动器被致动，从而选择性地防止液滴从特定的孔口中喷出。 

这些常规的微机械加工的打印头或流体喷射器具有各种缺点，特别是在微流体装置领域。第一，它们通常需要较大的相互连接的贮液腔，以贮存墨水或流体。流体只能在贮液腔被完全注满时才能被喷出，这通常会造成较大的浪费，因为这些流体被认为是死体积。第二，打印头或喷射器阵列具有许多用于将墨水传送到特定喷嘴的长窄通道。第三，许多这类的打印头或流体喷射器是专门用于从一个特定的喷嘴喷出选择性的流体的，但并不适合用于从多个喷嘴统一均匀地喷出。此外，这些喷射器不适合用于均匀地喷射在典型的微流体装置中皮升体积的流体。 

鉴于以上内容，需要提供一种能以皮升水平控制流体喷射的可以可靠地应用于生物化学测定和/或诊断测定的流体喷射器。人们渴望获得带有具有更小隔室死体积的流体喷射器的装置，以更有效地处理较小的样本尺寸和昂贵的试剂。此外，实现能均匀地通过多个孔口喷射流体液滴，例如不产生伴生液滴(satellite drop)，的流体喷射器也是有益的。通过以下内容，本发明提供的这些和其他特征将显而易见。 

发明内容

本发明包括使用流体喷射器阵列的方法和装置，例如用以将测定反应产物分散到用于采集或检测的表面上。所述装置可以包括与流体喷射器阵列流体接触的反应室。所述喷射器阵列可以被设置在具有采集表面结构面的空腔上方。所述喷射器可以均匀地将反应室的反应产 物分散到所述用于采集和/或检测的采集表面上。本发明的方法包括将样本分析物引入到在喷射器阵列一侧的测定试剂，并将反应产物喷射到所述阵列另一侧的用于检测的表面上。 

本发明的一个目的在于提供一种适合使用在微流体测定芯片中的微机械加工的流体喷射器。本发明的另一个目的在于提供一种具有更小死体积的微机械加工的流体喷射器阵列。本发明进一步的一个目的在于提供一种微机械加工的流体喷射器阵列，该微机械加工的流体喷射器阵列包括压电致动的弯张换能器的同心阵列。 

在本发明的另一个目的中，提供了一种微机械加工的流体喷射器阵列，该微机械加工的流体喷射器阵列包括压电致动的弯张换能器的同心阵列。在相邻的同心弯张换能器之间填入可伸缩的孔口阵列。通过致动这些相邻的换能器，所述可伸缩的孔口阵列喷出流体液滴。本发明进一步的一个目的在于，提供一种微机械加工的流体喷射器阵列，该微机械加工的流体喷射器阵列包括压电致动的弯张换能器的同心阵列，其中，相邻同心弯张换能器的喷射器阵列可以单独地从各个孔口喷出流体液滴，或者所有的弯张换能器被配置成致动后喷射器阵列能同时从所有孔口中喷出流体液滴。本发明的另一个目的在于，提供一种具有流体贮液腔的微机械加工的流体喷射器，该流体贮液腔的一端的边界由弯张薄膜限定，从而使得所述薄膜可被压电致动，以喷射流体液滴。本发明的另一个目的还在于，提供一种微机械加工的流体喷射器阵列流体贮液腔，该流体贮液腔的另一端的边界由盖子(cover)限定，该盖子具有一个由例如压电材料制成的体致动器，压电材料的电致动使得相关联的流体喷射器阵列将流体液滴同相位地从所有孔口中喷出。 

上述本发明的目的以及其他目的，可以通过一端的边界由微机械加工的流体喷射器阵列实现，该流体喷射器阵列一端由可静电变形的弯张薄膜界定的，而另一端的边界由一盖子(cover)限定。压电致动器层可以被粘在顶盖的顶部。压电换能器的同心阵列可以被设置在弯张薄膜上。可伸缩的孔口阵列可以被光刻地应用于弯张薄膜。致动相 邻的同心压电换能器可以将流体液滴从位于这些换能器之间的孔口中喷出。同时致动所有的同心压电换能器可使所有的孔口喷出流体液滴，例如根据一个驱动频率。致动粘在顶盖顶部的压电换能器层可使所有的孔口同相位地喷出流体液滴。 

本发明的装置例如包括微机械加工的流体喷射器，该微机械加工的流体喷射器包括具有两个或两个以上同心压电换能器的薄膜，并且该微机械加工的流体喷射器还包括两个或两个以上穿过所述薄膜的设置在所述两个或两个以上同心换能器之间的喷嘴通道。典型地，在所述薄膜的一侧设有流体贮液腔，而在所述薄膜的另一侧设有空腔。典型地，所述喷嘴不通过设置在薄膜的流体贮液腔侧的凸纹(例如隔膜或壁)而相互隔离，因为这对于该装置的一般功能来说并不是必要的。所述贮液腔可以包括与所述薄膜平行对齐并包含体致动器的盖子，所述体致动器可以是例如压电致动器、压阻致动器、静电致动器、电容致动器、磁致伸缩致动器、热致动器、气动致动器等等。 

本发明的方法包括，例如通过如下方法进行微流体喷射：提供包括两个或两个以上同心压电换能器的薄膜，其中，在所述两个或两个以上同心压电换能器之间设置两个或两个以上喷嘴，提供位于所述薄膜第一侧面的流体贮液腔，并将电压施加到一个或多个所述换能器，以使一个或多个所述喷嘴偏转，从而将一个或多个所述贮液腔流体的液滴从所述一个或多个喷嘴中喷出。可以例如通过将电压同时施加到所述两个或两个以上压电换能器实现喷射。本发明的方法可以包括提供具有体致动器并与所述薄膜平行对齐的贮液腔盖子，并且致动所述体致动器，例如以喷射流体液滴，或者将该流体先行置到所述喷嘴中，以做好换能器激活而进行喷射的准备。例如，在一些实施例中，通过激活所述体致动器来生成具有足够大的可使液滴同时从两个或两个以上喷嘴中喷出的幅度的体压力波。 

定义

除了在此处或在本说明书以下剩余部分中进行了定义，所有在这 里使用的技术或科学术语具有可被属于本发明的技术领域的普通技术人员普遍理解的含义。 

在对本发明进行详细描述之前，应当理解本发明并不限定于特定的装置或生物系统，当然这些装置或生物系统是可以变化的。还应理解，在这里所使用的术语仅是出于描述特定实施例的目的，而并不意欲进行限定。在本说明书和所附的权利要求书中，除非内容清楚地指定，未作个数限定的名词包括其单数及其复数。因此，例如“元件”可以包括两个或两个以上元件的组合；“流体”可以包括多个流体的混合物，等等。 

尽管有许多与在此处所描述的方法和材料相似的、改进的或等效的方法和材料可以在无须进行过多的试验的情况下在本发明的实施中使用，在此处还是对优选的材料和方法进行了描述。在对本发明进行描述和权利要求时，根据如下所做的定义来使用下列术语。 

在这里所说的“孔口”和“喷嘴”是指贯穿薄膜的流体通道或孔口，在致动本发明的薄膜换能器和/或体致动器时，流体液滴可以从所述流体通道或孔口中喷出。 

“凸纹”是指在本发明的薄膜的流体贮液腔侧被提升的隔膜。 

“换能器”是指可将输入能量转换成运动或力的装置或材料。例如，压电换能器可将输入电压转换成机械力或一段距离上的力，例如用以弯曲、振动或收缩相关联的薄膜。 

在本发明中的“同心的”是指一种条件，例如，在该条件下，一个换能器包围另一个在薄膜上的换能器。在许多情况下，对于所述两个或两个以上“同心换能器”来说，几何中心与质量中心基本上是相同的。例如，几何中心与质量中心可以是完全相同的，或者周围的换能器的中心可以在内部的换能器的边界之内。 

附图说明

通过结合附图阅读以下描述，本发明上述的和其他的目的将变得更易理解。 

图1示出了根据本发明的一个优选实施例的微机械加工的流体喷射器阵列的横截面示意图。例如，图1可以表示贯穿图4所示的喷射器的横截面。 

图2示出了根据本发明另一个优选实施例的微机械加工的电容流体喷射器阵列沿着图4中的线A-A’的横截面示意图。 

图3示出了根据本发明的一个优选实施例的微机械加工的流体喷射器阵列的横截面示意图，该微机械加工的流体喷射器包括安装在贮液腔盖子上的体致动器。 

图4示出了根据本发明的一个优选实施例的在薄膜上的微机械加工的流体喷射器阵列的俯视图，该薄膜包括在其间具有喷嘴的同心换能器环。 

图5示出了根据本发明一个优选实施例的微机械加工的流体喷射器阵列进行流体喷射的横截面示意图。通过致动径向的同心换能器可以选择性地将流体液滴同时从两个喷嘴喷入空腔。 

图6示出了根据本发明另一个优选实施例的微机械加工的流体喷射器阵列进行流体喷射的横截面示意图。通过致动体积换能器使流体液滴同时从所有喷嘴喷出。 

发明详述 

在许多新兴的生物医学和生物技术领域中，需要有快速可靠的用于调配微升、纳升、皮升或飞升流体体积的方法。还需要在基于液滴的精密制造和材料合成中的有机聚合物沉积技术的替代技术，例如对用于平板显示器的有机发光装置的掺杂有机聚合物进行沉积，以及对用于半导体制造的低k电解质进行沉积。此外还需要可靠的和低成本的能在高喷射频率和高空间分辨率下提供例如均匀液滴大小和无伴生液滴喷射的高质量液滴的液滴喷射器。 

本发明包括用于微喷射流体液滴的方法和装置。所述装置一般包括有弹性的具有运动换能器同心环的薄膜，所述运动换能器同心环环绕一个流体喷射孔口的径向阵列。所述方法一般包括提供一种具有 同心换能器环的装置，所述同心换能器环环绕流体喷射孔口，以及致动所述换能器，以移动所述薄膜并驱使流体液滴从所述孔口喷出。 

微液滴喷射装置 

本发明的微喷射装置可以包括，例如位于流体贮液腔和空腔之间的薄膜。所述薄膜可以在同心换能器(例如压电环)之间具有孔口(例如喷头)。所述流体贮液腔还可以通过盖子封闭，并且可以通过输入通道接收一种或多种流体。所述盖子可以包括体致动器，以大量地为所述流体提供能量。 

本发明的薄膜例如是包括运动换能器和孔口的材料薄板。所述薄膜典型地被安装在位于有盖的流体贮液腔和用于接收已喷射流体液滴的空腔之间的装置中。所述薄膜典型地并不是完全刚性的，而是可以功能性地弯曲到足以在喷射液滴任务中与换能器产生的力进行相互作用。 

优选地，所述带孔口的薄膜例如由氮化硅或硅形成。然而，所述薄膜还可以用其他薄的可弯曲的材料来制造，例如塑料、玻璃、金属或其他优选地不会与待喷射的流体发生反应的材料。 

所述薄膜的厚度可以为约1毫米～约0.1微米，或为约0.5毫米～约1微米，或为约0.25毫米～0.05毫米，或为约0.1毫米。所述薄膜典型地是一个平面，其长度与宽度可以为约20毫米～约1毫米，或为约10毫米～约2毫米，或为约7毫米～约3毫米，或为约4毫米。所述薄膜可以是凹状或凸状的，但在非工作状态时(例如无致动器或换能器被激活时)优选平坦的。 

所述薄膜具有至少一个从该薄膜的贮液腔侧延伸到该薄膜的空腔侧的孔口。在优选实施例中，所述薄膜可以具有多于2个的孔口，或4个或4个以上的孔口，或7个或7个以上的孔口，或25个或25个以上的孔口，或57个或57个以上的孔口，或100个或100个以上的孔口。所述孔口被典型地设置成位于所述薄膜上的两个或两个以上同心换能器之间的辐射状图形中，通常，在内换能器环中具有一个孔 口。可选地，所述孔口可被设置在位于所述换能器之间的其他几何图形中。典型地，与液滴相比(孔口的大小)，所述薄膜的厚度可以是较小的，这导致了来自空气流体接口的已喷射液滴的破坏和夹断。 

所述各个孔口的直径，例如穿透所述薄膜的空腔侧的孔口的直径，可以是完全相同的，或可以是不同的。所述孔口的直径例如可以为2毫米或2毫米以上～约0.1微米或0.1微米以下，或为约0.5毫米～约1微米，或为约0.25毫米～0.05毫米，或为约0.1毫米。所述直径可以通过经验和/或计算获得，以提供用于特定应用场合所希望的喷射定时、液滴大小和阈值喷射能量。在一个实施例中，所述薄膜在其中心处的弯曲度要大于其在外围位置处的弯曲度，因此，更接近中心的孔口具有比外围孔口更小的直径，以从所有的孔口中获得一致的液滴喷射。 

典型地，换能器以同心环的模式被包含在所述薄膜内或所述薄膜上，其中，在该同心环之间具有喷嘴空间。可选地，所述同心换能器可以是具有其他形状的适用于特定应用场合和全部薄膜或空腔形状的图形，例如波状环、正方形、椭圆形、矩形等。 

所述薄膜的同心换能器可以是任意类型的，但出于其简单性、反应性和易于制造性，优选地使用压电换能器。所述换能器可以被安装在所述薄膜的贮液腔侧、在所述薄膜的空腔侧和/或嵌入在所述薄膜中。作为对电压做出的响应，所述压电换能器可以在一个或多个维度上膨胀或收缩。例如，作为对电压做出的响应，环状换能器可以沿着其中心轴膨胀，以增加该环的总直径。可选地，所述换能器可以在垂直于和/或平行于所述薄膜平面的维度上伸缩，以在所述薄膜中引起运动。作为对所述换能器在维度上的变化做出的响应，在所述薄膜中可能引起驻波，在薄膜表面的选定区域中可能引起弯曲，或者整个薄膜可以在同一个方向上移动，以同时均匀地弯曲。对压电换能器来说，可以例如在与所述薄膜相对的一侧上、在所述薄膜中，或在所述薄膜的同侧上提供具有适当绝缘性的电导线。 

所述经换能和穿孔的薄膜典型地是组合物的一部分，该组合物在 所述薄膜的一侧为装置提供了液体流体贮液腔，并在另一侧为装置提供了注满气体(例如空气)的空腔。在一个典型实施例中，所述薄膜被安装在一个框架中的外围边缘处，该框架包括，例如在一侧的液体贮液腔的围护结构和在另一侧的空腔侧壁的围护结构。例如，所述薄膜外周可以作为一个层被保持在流体贮液腔的侧壁和空腔侧壁之间。在某些实施例中，空腔的侧壁可以是装置衬底的一部分，该装置衬底例如还包括整个工作装置中其他的微机械加工的部件。尽管已对具有空腔的硅衬底或硅基体进行了描述，但应清楚，所述衬底或基体可以是其他类型的半导体材料、塑料、玻璃、金属或其他在其中可形成圆柱形贮液腔的固体材料。 

接受喷射液滴的空腔典型地位于所述薄膜下方，从而使得被喷射的液滴远离所述薄膜滴下。然而，在一些实施例中，相对于重力场，所述空腔可以在所述薄膜的上方或侧方。所述空腔可以是需要已喷射液滴的任何空间的全部或该空间的一部分。例如，所述空腔可以是燃烧室、位于喷墨和打印纸之间的空间、半导体沉积室或生物测定芯片中的室。 

所述流体贮液腔典型地在所述薄膜上方，例如因此通过重力可使流体与所述薄膜的贮液腔侧进行功能接触。可选地，所述贮液腔并不直接位于所述薄膜上方，但该贮液腔注满了液体流体，从而使得没有气泡与所述孔口接触。一个或多个通道典型地通到所述贮液腔，以将所希望的液体(例如样本、墨水、反应产物、燃料等)送入所述贮液腔。所述贮液腔典型地在平行于所述薄膜的方向上的尺寸大于垂直于该薄膜的方向上的尺寸，例如，以使体积最小化并增加对体压力波的反应性。在许多实施例中，位于所述薄膜对面的贮液腔的壁是一种刚性的(或可选地，半刚性的或可弯曲的)盖子。所述盖子可以包括体致动器，以如希望的那样将体压力波引入流体中。 

在所述流体贮液腔中的流体可以是任何希望用于流体喷射器的特定应用场合的流体。在本发明的装置中用于喷射的典型流体包括，例如，墨水、燃料、生物样本、测定试剂、无机元素或盐、半导体等 等。典型地，所述流体是水溶液或悬浮液。可选地，所述“流体”可以是在其他溶剂中，或者甚至在干粉颗粒的悬浮液中。本发明的装置可以与具有较宽粘度范围的流体一同工作，以提供体积为约10微升～10飞升，或1微升～1皮升，或0.1微升～1纳升，或约10纳升的喷射液滴。 

可选地，一个或多个体致动器可以与所述流体贮液腔相关联，例如以将压力或压力波引入流体中。所述致动器可以是任何适用于将力施加到所述贮液腔表面上以改变贮液腔容积和/或改变贮液腔流体压力的致动器。例如，所述体致动器可以是压电致器、压阻致动器、静电致动器、电容致动器、磁致伸缩致动器、热致动器、气动致动器等等。在一个实施例中，所述体致动器为安装在贮液腔盖子上的压电层。 

喷射微液滴的方法 

当所述致动器被提供了能量时，流体液滴可以通过位于同心换能器之间的孔口，从在薄膜一侧的贮液腔喷出，并进入所述薄膜另一侧的空腔中。所述方法可以包括为本发明的装置提供两个或两个以上位于薄膜上两个或两个以上同心换能器之间的喷嘴，在所述薄膜一侧的贮液腔中提供流体，并为至少一个所述换能器提供能量，以使所述薄膜偏转，从而使得压力和/或动量引起一个或多个流体液滴从所述薄膜的另一侧喷出并进入空腔。然后，所述流体液滴可以在空腔中与气体相互作用或与所述空腔另一侧上的表面接触。 

如前文所述，可以提供装置。在一个典型实施例中，通过顺序刻蚀、沉积和/或使用材料和结构(例如微机械加工的结构)将所述装置制造成具有分层结构。例如，具有空腔的基底可以从塑料中模塑而得，或由硅坯刻蚀得到。所述薄膜可以应用在所述基底和空腔上方。可以通过掩模来沉积所述流体贮液腔的通道和壁，或者例如通过使用粘合剂将所述流体贮液腔的通道和壁应用到所述薄膜上方。可以应用顶盖，以封闭所述流体贮液腔。 

可以使用任何合适的方式将流体引入到流体贮液腔中。例如，可 以通过毛细作用、施加外部压力到流体中、由重力产生的流动、在出口通道应用相对的真空等类似方式经输入通道充注所述流体贮液腔。 

薄膜布置和换能器致动模式的组合可以提供多种有用的液滴喷射结果。例如，在一个实施例中，可以同时为所述两个或两个以上同心换能器提供能量，以均匀地弯曲所述整个薄膜，从而使液滴同时从所有孔口中注入。在其他一些实施例中，可以同时为相邻的几对同心换能器提供能量，以在其中间的薄膜中引起弯曲，从而仅使那些位于所述两个被提供能量的换能器之间的孔口喷出液滴。在其他还有一些实施例中，以导致形成穿过所述薄膜的波浪或纹波的模式为所述两个或两个以上换能器提供能量，从而导致从所述孔口喷出液滴的相应模式。 

在许多实施例中，体致动器可以用于从多个孔口中进行前置喷射或同步喷射。例如，可以激活体致动器，以弯曲贮液腔的盖子，从而在所述贮液腔流体中提供压力。所述压力可以导致从孔口中喷出流体，或在略低于可以克服表面张力的压力下将流体预先注入所述孔口。此类预置可使液滴在响应薄膜换能器激活时能更有能量地和/或更快地喷出。 

在许多实施例中，所述被喷射的流体液滴与在所述空腔内的表面接触。所述装置可以喷射流体，例如液体、悬浮液、小的固体颗粒和/或气相材料。更典型地，所述被喷射的流体是液体。所述液滴喷射器可以用于喷墨打印、生物医学、给药、药物筛选、生物芯片的制造、燃料注入和半导体制造。例如，所述流体可以是墨水，并与打印纸接触，例如以形成打印文本或图像的一部分。在其他实施例中，所述液滴可以接触衬底，例如通过掩模中的开孔口，以将半导体材料，或结构材料沉积到所述衬底上。 

所述流体可以被喷射到化学或生物医学测定装置的反应表面和/或检测表面上。例如，所述流体可以是样本分析物和含有反应产物的试剂的混合物。在所述反应产物通过废液通道从所述空腔流出之前，可以喷射该反应产物，以使其接触在可检测到反应产物(例如通过光 吸收或荧光)的空腔底部处的表面。可选地，所述流体是样本，该样本被均匀地喷射到对样本分析物进行采集或样本分析物与试剂进行反应的表面上。 

具体实施方式

以下实施例用于说明而非限定所要求保护的本发明。 

实施例1-具有同心换能器的微流体喷射器 

一种液滴喷射器被设计成在薄膜上的相邻同心压电换能器之间具有最大位移。所述振动的薄膜具有设置在所述相邻同心压电换能器之间的可伸缩的孔口阵列。这些换能器是以成对的方式被致动的，从而使得设置在它们之间的孔口振动，以喷出流体液滴。纵向厚度模式的压电材料被用作致动机制。在这种情况下，当所有换能器被激活时，所有在薄膜上的孔口会同相位地喷射流体液滴。 

所述同心压电换能器在液体-空气接触面处建立毛细波，并在一部分周期期间将流体中的压力提升到大气压之上(1.5兆帕)，并且如果通过足够的压力能使该压力升高并保持足够长时间地大于大气压，那么流体惯性和表面张力可以得到克服，以将液滴从所述薄膜的一个或多个孔口中喷出。如果薄膜位移幅度太小的话，则在所述孔口中的弯液面可能仅会上下振荡而不会喷出流体液滴。如果频率太快，则在流体中的压力可能不能足够长时间地保持在大气压之上，从而无法喷出液滴。 

图1示出了根据本发明优选实施例的微机械加工的流体喷射器阵列的横截面图。所述喷射器阵列包括由硅衬底11支撑的弹性薄膜13，并且该喷射器阵列具有以穿过所述薄膜表面方式设置的数量可扩展(功能性可变的)的孔口14。在薄膜13的顶部均匀地设有压电换能器16(在深度维度上是同心的)。如图2所示，压电换能器16包括被顶部电极31和底部电极33所覆盖的压电层32。在顶部电极31的上方覆盖了绝缘层17，以防止电极与待喷射的流体进行直接的电接触。弹性薄膜13可以是导电的，例如作为用于换能器16的一般电极 (例如接地)。弹性薄膜13的一侧提供了流体贮液腔15的边界。流体贮液腔15可以贮存待喷射的流体，该流体贮液腔15的边界进一步由侧壁18和顶盖12限定。在侧壁的一端提供了流体入口19，以使流体被输入贮液腔15中。侧壁18和顶盖19都可由塑料、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、丙烯酸树脂或其他非导电材料制得，并都可被粘结在微机械加工的的硅基上。可选地，可以通过牺牲性的刻蚀使侧壁18和顶盖19达到微机械加工的效果。在微机械加工期间，可以通过刻蚀掉一部分主体硅片来形成空腔20。 

实施例2-主体流体供能 

在另一个优选实施例中，如图3所示，压电体致动器层25被粘结在顶盖12上，例如以在位于贮液腔内的流体中产生体压力波。在本实施例中，压电体致动器层25可以弯曲地振动，以引起顶盖12上下弯曲。 

在一个操作模式中，所述体致动波可以具有足够大的幅度，从而即使在没有薄膜压电换能器致动的情况下，如图6所示，也能通过孔口14同相位地喷射流体液滴。通过将电信号施加到压电层25上生成所述体致动波。所述交替的电信号引起顶盖12交替地上下(位置24)振荡。所述顶盖12的振荡在位于贮液腔15内的流体中生成了体压力波。如果该体压力足够大到例如能克服使流体保持在孔口14中的毛细作用力，则液滴21会从孔口14喷出。 

体致动器可以是压电致动器、压阻致动器、静电致动器、电容致动器、磁致伸缩致动器、热致动器、气动致动器等。可选地，可以在用于换能器阵列元件的致动中使用压电、静电、磁、电容或磁致伸缩致动。纵向模式或剪切模式的厚度模式压电致动器可以被用于体致动。单个或多个(例如阵列)厚度模式的压电致动器可以用于体致动。可以通过选择性地激活与孔阵列14相关联的同心压电换能器16来致动初始的阵列元件，以用作可打开或关闭液滴喷射的开关。所述孔口的弯液面可以总在振动(但保持在喷射阈值以下)，例如以降低暂态 响应和/或减少流体的烘干并防止在孔口附近已喷射流体的自汇合(self-assembling)。根据应用场合不同，对多个和个别阵列单元进行致动的激励频率可以是相同的或不同的。 

实施例3-选择性地喷射液滴 

对薄膜换能器和/或盖罩致动器进行选择性的或顺序的致动可能会导致液滴以不均匀的方式从孔口喷出。图4示出了根据本发明优选实施例的微机械加工的流体喷射器阵列的俯视图。压电换能器16a、16b、16c和16d形成了环绕流体喷射器阵列中心的同心环。这些压电换能器可以具有相同或不同的宽度。在相邻的压电换能器16之间，存在一个在弹性薄膜13上钻孔得到的可伸缩的孔口阵列14a、14b、14c和14d。根据特定应用场合，孔口14的直径可以是相同的或不同的。孔口14被均匀地设置在相邻压电换能器16之间。 

在一种操作模式中，如图5所示，相邻的压电换能器16a和16b被施加了电压，以引起弹性薄膜13向上和/或向下偏转。设置在压电换能器16a和16b之间的孔口14a发生振动，从而喷出流体液滴21。相似地，如果分别致动换能器16b和16c，16c和16d，则其他的孔口14b和14c也可以被偏转，从而喷出流体液滴。如果所有压电换能器16都被致动了，则所有孔口14会以驱动压电换能器16的相同频率喷射流体液滴。如果并不是所有的换能器都被致动了，或者致动器驱动得不同相位，则可选择性地从一些孔口而不是从其他孔口中喷出液滴。 

应当理解，在本文中所描述的例子和实施例仅用于解释本发明，本领域的技术人员可以根据这些例子和实施例做出各种修改或变形，而这些修改或变形仍包括在本发明的精神和范围以及所附权利要求的范围之内。上文对本发明特定实施例所做的描述是出于解释和说明目的的。而并不意欲穷尽本发明或将本发明限定于所公开的精确形式中。根据上文的教导，显然可以做出许多修改和变形。所选择和所描述的实施例用于能最好地解释本发明的原理及其实际应用，通过这些 实施例，可使本领域的技术人员能最好地使用本发明并对实施例做出各种适用于所设想的特定应用场合的修改。本发明的范围由权利要求及其等同物限定。 

所有在本申请中引用的出版物、专利、专利申请和/或其他文件以其各自全文引用的方式并入本文以用于所有目的，就像每个单独的出版物、专利、专利申请和/或其他文件以引用的方式并入本文以用于所有目的。 

Claims (14)

1.一种微机械加工的流体喷射器，包括：

包括两个以上同心的压电换能器的薄膜，其中，在同心的条件下，一个压电换能器包围另一个在薄膜上的压电换能器；以及

两个以上穿过所述薄膜并设置于所述两个以上同心的压电换能器之间的孔口。

2.根据权利要求1所述的喷射器，还包括位于所述薄膜的第一侧面的流体贮液腔。

3.根据权利要求2所述的喷射器，其中，所述孔口不被在所述薄膜的所述第一侧面上的凸纹相互隔离。

4.根据权利要求2所述的喷射器，还包括平行对齐于所述薄膜的盖子以及包括体致动器。

5.根据权利要求4所述的喷射器，其中，所述体致动器从由以下致动器构成的组中选择：压电致动器、压阻致动器、静电致动器、电容致动器、磁致伸缩致动器、热致动器和气动致动器。

6.根据权利要求2所述的喷射器，还包括在所述贮液腔中的流体。

7.根据权利要求6所述的喷射器，其中所述流体包括墨水、药物或燃料。

8.根据权利要求2所述的喷射器，其中，所述薄膜的第二侧面与空腔相连，所述流体以液滴的形式从所述孔口喷出并进入该空腔。

9.一种用于喷射微流体的方法，该方法包括：

提供包括两个以上同心的压电换能器的薄膜，其中，在同心的条件下，一个压电换能器包围另一个在薄膜上的压电换能器；所述薄膜还包括两个以上设置在所述两个以上同心的压电换能器之间的孔口；

在所述薄膜的第一侧面上提供流体贮液腔；以及

将电压施加到一个或多个所述压电换能器；

从而偏转一个或多个孔口并从所述一个或多个以上孔口喷出一个或多个所述贮液腔流体的液滴。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电压被同时施加到所述两个以上同心的压电换能器上。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述两个以上孔口不被在所述薄膜的所述第一侧面上的凸纹相互隔离。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述流体包括墨水、药物或燃料。

13.根据权利要求9所述的方法，还包括：

提供平行对齐于所述薄膜并包括体致动器的盖子；以及，

致动所述体致动器。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述致动包括生成体致动波，该体致动波的特征在于具有足够大的幅度，以使液滴从所述两个以上孔口喷出。

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