CN107848302A - 串扰降低的流体喷射装置 - Google Patents

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Abstract

一种流体喷射设备包括多个流体喷射器。每个流体喷射器包括泵送室和致动器，致动器配置为使得流体从泵送室喷射。流体喷射设备包括流体连接到每个泵送室的供给通道；以及形成在供给通道的表面中的至少一个柔性结构。所述至少一个柔性结构具有比供给通道的表面低的柔量。

Description

串扰降低的流体喷射装置
技术领域
本公开总体上涉及流体喷射装置。
背景技术
在一些流体喷射装置中，流体小滴从一个或多个喷嘴喷射到介质上。喷嘴流体连接到包括流体泵送室的流体路径。流体泵送室可以由致动器致动，致动器引起流体小滴的喷射。介质可以相对于流体喷射装置移动。从特定喷嘴喷射流体小滴的时间随着介质的移动而定时，以将流体小滴放置在介质上的期望位置处。喷射均匀大小和速度并且在相同方向上的流体小滴能够使流体小滴均匀沉积到介质上。
发明内容
当流体喷射器的致动器被激活时，压力波动可以从泵送室传播到连接的入口和出口供给通道。该压力波动可以传播到连接到相同的入口或出口供给通道的其他流体喷射器。这种流体串扰会对打印质量产生不利影响。
为了减轻压力波动的传播，可以在入口供给通道、出口供给通道或两者的一个或多个表面中形成柔性微结构。供给通道中柔性微结构的存在增加了供给通道表面中可用的柔量(compliance)，从而减弱了供给通道中出现的压力波动。在一些示例中，柔性微结构包括形成在供给通道的底表面中的凹部。膜覆盖凹部并响应于供给通道中的压力增加而偏转到凹部中，由此减小压力波动。在一些示例中，柔性微结构包括形成在供给通道的底表面中的喷嘴状结构。当供给通道中的压力增加时，每个喷嘴状结构的向外面向的开口处的弯月面可以减弱压力波动。这种柔性微结构的存在因此可以减少连接到相同入口或出口供给通道的流体喷射器之间的流体串扰，从而稳定从每个流体喷射器喷射的流体的小滴尺寸和速度，并且能够实现精确和精准的打印。
一般而言，流体喷射设备包括多个流体喷射器。每个流体喷射器包括泵送室和致动器，致动器配置为使流体从泵送室喷射。流体喷射设备包括流体地连接到每个泵送室的供给通道；以及形成在供给通道的表面中的至少一个柔性结构。所述至少一个柔性结构具有比供给通道的表面低的柔量。
实施例可以包括以下特征中的一个或多个。
所述至少一个柔性结构包括形成在供给通道的表面中的多个凹部；以及设置在凹部上方的膜。在某些情况下，膜密封凹部。在某些情况下，每个凹部的深度小于供给通道的表面的厚度。在一些情况下，膜被配置为响应于供给通道中的流体压力的增加而偏转到凹部中。在一些情况下，凹部形成在供给通道的底壁或顶壁中的一个或多个中。在一些情况下，凹部形成在供给通道的侧壁中。
所述至少一个柔性结构包括形成在供给通道的表面中的一个或多个虚拟喷嘴。在一些情况下，每个虚拟喷嘴包括在所述表面的内表面上的第一开口以及在所述表面的外表面上的第二开口。在一些情况下，响应于供给通道中的流体压力的增加，凸形弯月面形成在第二开口处。在一些情况下，每个流体喷射器包括形成在喷嘴层中的喷嘴，并且其中，虚拟喷嘴形成在喷嘴层中。在一些情况下，虚拟喷嘴与所述喷嘴的尺寸基本相同。
每个流体喷射器包括形成在喷嘴层中的喷嘴，并且其中，喷嘴层包括供给通道的表面。
每个流体喷射器包括致动器和喷嘴，并且其中，致动器中的一个的致动导致流体从相应的喷嘴喷射。在一些情况下，致动器中的一个的致动引起供给通道中的流体压力的变化，并且其中，所述至少一个柔性结构被配置为至少部分地衰减供给通道中的流体压力的变化。
在一般方面，一种方法包括：在喷嘴层中形成多个喷嘴；在所述喷嘴层中形成至少一个柔性结构，其中所述至少一个柔性结构具有比所述喷嘴层低的柔量；以及将所述喷嘴层附接到包括多个流体喷射器的基板，每个流体喷射器包括泵送室和致动器，所述致动器配置为使得流体从所述泵送室被喷射。
实施例可以包括以下特征中的一个或多个。
在喷嘴层中形成至少一个柔性结构包括：在喷嘴层中形成多个凹部；以及在凹部上设置膜。在一些情况下，在凹部上设置膜包括：在所述喷嘴层的顶表面上沉积膜层；以及去除每个喷嘴上的膜层的一部分。
形成多个喷嘴包括在第一层中形成所述多个喷嘴，并且其中形成至少一个柔性结构包括：在第二层中形成所述至少一个柔性结构；以及将第一层附接到第二层。
在喷嘴层中形成至少一个柔性结构包括：在第一层中形成所述至少一个柔性结构；以及将第一层附接到其中形成有所述多个喷嘴的第二层，其中所述第一层和所述第二层一起形成所述喷嘴层。
在喷嘴层中形成至少一个柔性结构包括在喷嘴层中形成一个或多个虚拟喷嘴。
一般而言，一种方法包括致动流体喷射设备中的流体喷射器。流体喷射器的致动引起流体连接到流体喷射器的供给通道中的流体压力的变化。该方法包括响应于供给通道中的流体压力的变化而将膜偏转到形成在供给通道的表面中的凹部中。
实施例可以包括以下特征中的一个或多个。
将膜偏转到凹部中包括可逆地偏转膜。
这里描述的方法可以具有以下一个或多个优点。供给通道的表面中的柔性微结构(例如凹部或虚拟喷嘴)的存在可以减轻流体连接到该供给通道的流体喷射器之间的流体串扰。例如，柔性微结构可以增加供给通道的表面中可用的柔量，从而允许由流体喷射器中的致动器的致动引起的压力波动的能量衰减。结果，可以减小连接到该供给通道的其他流体喷射器的压力波动的影响。通过减少打印头中的流体喷射器之间的流体串扰，可以稳定从流体喷射器喷射的流体的小滴尺寸和速度，从而实现精确和精准的打印。
在附图和下面的描述中阐述了一个或多个实施例的细节。其他特征、方面和优点将从描述、附图和权利要求中变得显而易见。
附图说明
图1是打印头的横截面图。
图2是打印头的一部分的横截面图。
图3是流体喷射器的横截面图。
图4A是沿着图2中的线B-B截取的打印头的一部分的横截面图。
图4B是沿着图2中的线C-C截取的打印头的一部分的横截面图。
图5A和5B分别是具有凹部的供给通道的俯视图和侧视图。
图6A-6F是制造具有凹部的流体喷射器的方法的图。
图7是流程图。
图8A-8F是制造具有凹部的流体喷射器的方法的图。
图9是流程图。
图10是具有侧壁柔性微结构的流体喷射器的横截面图。
图11是具有虚拟喷嘴的供给通道的侧视图。
图12是制造具有虚拟喷嘴的流体喷射器的方法的图。
各个附图中相同的附图标记和标号表示相同的元件。
具体实施方式
参考图1，打印头100可用于将诸如墨水、生物液体、聚合物、用于形成电子部件的液体或其它类型的流体的流体小滴喷射到表面上。打印头100包括具有内部容积的外壳410，内部容积例如通过上分隔件530和下分隔件440分成流体供应室432和流体返回室436。
流体供应室432和流体返回室436的底部由插入组件的顶表面限定。插入组件可以例如通过粘结、摩擦或其他附接机构附接到下打印头外壳410。插入组件可以包括上插入件420以及位于上插入件420和基板110之间的下插入件430。
上插入件420包括流体供应入口422和流体返回出口428。例如，流体供应入口422和流体返回出口428可以形成为上插入件420中的孔。流动路径474形成在上插入件420、下插入件430和基板110中。流体可以沿着流动路径474从供应室432流入流体供应入口422并流到一个或多个流体喷射装置(在下面更详细地描述)以从打印头100喷射。流体还可以沿着流动路径474从一个或多个流体喷射装置流入流体返回出口428并进入返回室436。在图1中，为了说明的目的，单个流动路径474示出为笔直的通道，然而，打印头100可以包括多个流动路径474，并且流动路径474不一定是直的。
参考图2和3，基板110可以是单片半导体本体，例如硅基板。穿过基板110的通道限定了流体通过基板110的流动路径。特别地，基板入口12接收来自供应室432的流体，延伸穿过膜66(在下面更详细地讨论)，并且将流体供应到一个或多个入口供给通道14。每个入口供给通道14通过相应的入口通道(未示出)将流体供应到多个流体喷射器150。为了简单起见，图2和图3中仅示出一个流体喷射器150。每个流体喷射器包括形成在喷嘴层11中的喷嘴22，喷嘴层11设置在基板110的底表面上。在一些示例中，喷嘴层11是基板110的整体部分；在一些示例中，喷嘴层11是沉积在基板110的表面上的层。流体可以从一个或多个流体喷射器150的喷嘴22选择性地喷射以打印到表面上。
流体沿着喷射器流动路径475流过每个流体喷射器150。喷射器流动路径475可以包括泵送室入口通道17、泵送室18、下降器20和出口通道26。泵送室入口通道17将泵送室18流体连接到入口供给通道14，并且可以包括例如上升器16和泵送室入口15。下降器20流体连接到对应的喷嘴22。出口通道26将下降器20连接到出口供给通道28，出口供给通道28通过基板出口(未示出)与返回室436流体连接。
在图2和3的示例中，诸如基板入口12、入口供给通道14和出口供给通道28的通道示出在共同的平面中。在一些示例中(例如，在图3A和3B的示例中)，基板入口12、入口供给通道14和出口供给通道28中的一个或多个不与其它通道位于共同的平面中。
参考图4A和4B，基板110包括形成在其中并且彼此平行延伸的多个入口供给通道14。每个入口供给通道14与垂直于入口供给通道14延伸的至少一个基板入口12流体连通。基板110还包括形成在其中并且彼此平行延伸的多个出口供给通道28。每个出口供给通道28与垂直于出口供给通道28延伸的至少一个基板出口(未示出)流体连通。在一些示例中，入口供给通道14和出口供给通道28以交替的排布置。
基板包括多个流体喷射器150。流体沿相应的喷射器流动路径475流过每个流体喷射器150，喷射器流动路径475包括上升器16、泵送室入口15、泵送室18和下降器20。每个上升器16流体地连接到入口供给通道14中的一个。每个上升器16也通过泵送室入口15流体连接到相应的泵送室18。泵送室18流体连接到相应的下降器20，下降器20通向相关的喷嘴22。每个下降器20也通过相应的出口通道26连接到出口供给通道28中的一个。例如，图3的流体喷射器的横截面图是沿着图4A的线2-2截取的。
这里描述的特定流动路径配置是流动路径配置的示例。这里描述的方法也可以用于其他流动路径配置。
在一些示例中，打印头100包括以平行的列23布置的多个喷嘴22。给定列23中的喷嘴22可以全部流体连接到相同的入口供给通道14和相同的出口供给通道28。也就是说，例如，给定列中的所有上升器16可以连接到相同的入口供给通道14，并且给定列中的所有下降器可以连接到相同的出口供给通道28。
在一些示例中，相邻列中的喷嘴22可以全部流体连接到相同的入口供给通道14或相同的出口供给通道28，但不是两者。例如，在图4A的示例中，列23a中的每个喷嘴22流体连接到入口供给通道14a和出口供给通道28a。相邻列23b中的喷嘴22也连接到入口供给通道14a，但连接到出口供给通道28b。在一些示例中，喷嘴22的列可以以交替模式连接到相同的入口供给通道14或相同的出口供给通道28。关于打印头100的进一步细节可以在美国专利号7,566,118中找到，其内容通过引用整体并入本文。
再次参照图2，每个流体喷射器150包括相应的致动器30，诸如压电换能器或电阻加热器。每个流体喷射器150的泵送室18都靠近相应的致动器30。每个致动器30可以被选择性地致动以加压相应的泵送室18，从而从连接到加压泵送室的喷嘴22喷射流体。
在一些示例中，致动器30可以包括压电层31，诸如钛酸铅锆(PZT)层。压电层31可以具有约50μm以下，例如约1μm至约25μm，例如约2μm至约5μm的厚度。在图2的示例中，压电层31是连续的。在一些示例中，压电层31可以制造成不连续的，例如通过制造期间的蚀刻或锯切步骤。压电层31夹在驱动电极64和接地电极65之间。驱动电极64和接地电极65可以是金属，例如铜，金，钨，铟锡氧化物(ITO)，钛，铂或金属的组合。驱动电极64和接地电极65的厚度例如可以为2μm以下，例如约0.5μm。
膜66设置在致动器30和泵送室18之间，并将接地电极65与泵送室18中的流体隔离。在一些示例中，膜66是分离的层；在一些示例中，膜与基板110是一体的。在一些示例中，致动器30不包括膜66，并且接地电极65形成在压电层31的背侧上，使得压电层31直接暴露于泵送室18中的流体。
为了致动压电致动器30，可以在驱动电极64和接地电极65之间施加电压，以向压电层31施加电压。施加的电压导致压电层31偏转，这又导致膜66偏转。膜66的偏转引起泵送室18的容积的变化，在泵送室18中产生压力脉冲(也被称为发射脉冲)。压力脉冲通过下降器20传播到相应的喷嘴22，从而导致从喷嘴22喷射流体小滴。
膜66可由单层硅(例如，单晶硅)，另一种半导体材料，一层或多层氧化物(例如氧化铝(AlO2)或氧化锆(ZrO2))，玻璃，氮化铝，硅碳化物，其他陶瓷或金属，绝缘体上的硅或其他材料形成。例如，膜66可以由具有柔量的惰性材料形成，使得致动器30的致动导致膜66的弯曲足以引起流体小滴喷射。在一些示例中，膜66可以用粘合层67固定到致动器30。在一些示例中，基板110、喷嘴层11和膜66中的两个或更多个可以形成为整体。
在一些情况下，当一个流体喷射器150的致动器30被致动时，压力波动可以通过流体喷射器150的上升器16传播并进入入口供给通道14。同样，来自压力波动的能量也可以通过流体喷射器150的下降器20传播并进入出口供给通道28。在一些情况下，本申请通常将入口供给通道14和出口供给通道28称为供给通道14,28。因此，在连接到致动的流体喷射器150的一个或多个供给通道14,28中可以产生压力波动。在一些情况下，这些压力波动可以传播到连接到相同供给通道14,28的其他流体喷射器150的喷射器流动路径475中。这些压力波动可能不利地影响从这些流体喷射器150喷射的液滴的液滴体积和/或液滴速度，从而降低打印质量。例如，液滴体积的变化可能导致喷射的流体量变化，并且液滴速度的变化可能导致喷射液滴沉积到印刷表面上的位置改变。流体喷射器中引起的压力波动被称为流体串扰。
在一些示例中，流体串扰可以由供给通道14,28中的压力波动的缓慢耗散引起。在一些示例中，流体串扰可由在供给通道14,28中形成的驻波引起。例如，当一个流体喷射器150的致动器30被致动时，传播到供给通道14,28中的压力波动可以发展成驻波。当以增强驻波的频率发生流体喷射时，供给通道14,28中的驻波可引起压力振荡传播到连接到相同供给通道14,28的其他流体喷射器150的喷射器流动路径475中，引起那些流体喷射器150之间的流体串扰。
流体串扰还可以由流体流过供给通道14,28的突然变化引起。通常，当流动通道中的流体被迫停止或突然改变方向时，压力波可以在流动通道中传播(有时称为“水锤”效应)。例如，当连接到相同供给通道14,28的一个或多个流体喷射器150突然关闭时，水锤效应导致压力波传播到流动通道14,28中。该压力波可以进一步传播到连接到相同供给通道14,28的其他流体喷射器150的喷射器流动路径475中，引起那些流体喷射器150之间的流体串扰。
流体串扰可以通过在流体喷射器中提供更好的柔量来减小压力波动而减小。通过增加流体喷射器中可获得的柔量，来自在一个流体喷射器中产生的压力波动的能量可以被衰减，从而减小压力波动对相邻流体喷射器的影响。
流体喷射器及其相关的流体流动通道中的柔量可用于流体、喷嘴处的弯月面以及流体流动通道的表面(例如入口供给通道14、泵送室入口通道17、下降器20、出口通道26、出口供给通道28和其他流体流动通道)。
供给通道中流体的柔量由下式给出
其中V是供给通道中流体的体积，B是流体的体积模量。
单个弯月面的柔量由下式给出
其中r是弯月面的半径，σ是表面张力。
矩形表面(例如入口或出口供给通道的表面)的柔量由下式给出(对于固定的最终条件)
其中l，w和tw分别是表面的长度、宽度和厚度。入口和出口供给通道的每个表面都具有一定的柔量。在一些流体喷射器中，供给通道的最柔性表面是由硅喷嘴层11形成的底表面。
在一个具体的示例中，打印头具有供应16个流体喷射器(因此存在与供给通道相关联的16个弯月面)的供给通道(例如入口供给通道14或出口供给通道28)。供给通道的宽度为0.39mm，深度为0.27mm，长度为6mm。硅喷嘴层11的厚度为30μm，喷嘴层的模量为186E9Pa。每个弯月面的半径是7μm。水基墨水的典型体积模量约为B＝2E9Pa，典型的表面张力约为0.035N/m。
在这个示例中，供给通道中的流体、16个弯月面和供给通道中的喷嘴层的柔量在表1中给出。值得注意的是，供给通道中的喷嘴层具有最低的柔量。
表1供给通道中流体、由供给通道供给的16个喷嘴的弯月面、以及供给通道的喷嘴层的柔量值。
增加流体喷射器150及其相关联的流体流动通道中的柔量可以有助于缓解流体喷射器150之间的流体串扰。通过增加可用的柔量，从特定流体喷射器150到相邻的流体喷射器150的压力波动的传播可以在流体喷射器150或流体喷射器150连接的入口和/或出口供给通道14,28内被衰减，从而减小压力波动对其他流体喷射器150的影响。例如，供给通道14,28的柔量可以增加以减轻连接到该供给通道14,28的流体喷射器150之间的流体串扰。
再次参考图3，通过在入口供给通道14和/或出口供给通道28的一个或多个表面上形成柔性微结构50，可以将柔量添加到入口供给通道14、出口供给通道28或两者28。例如，在图3的示例中，柔性微结构50形成在入口供给通道14的底表面52和出口供给通道的底表面54中。在该示例中，底表面52,54由喷嘴层11形成。由供给通道14,28中的柔性微结构50提供的附加柔量减弱了来自连接到该供给通道14,28的特定流体喷射器150中的压力波动的能量。结果，该压力波动对连接到同一供给通道14,28的其他流体喷射器150的影响可以减小。
参考图5A和5B，在一些实施例中，在入口供给通道14和/或出口供给通道28的喷嘴层11中形成的柔性微结构50可以是由薄膜502覆盖的凹部500。膜502设置在凹部500上，使得面向供给通道14,28的喷嘴层11的内表面504基本上是平坦的。在一些情况下，例如当在凹部500中存在真空时，膜502可以稍微偏转到凹部500中。在一些示例中，凹部500可以形成在喷嘴层11中，我们也将其称为入口或出口供给通道14,28的底壁。在一些示例中，凹部500可形成在入口或出口供给通道的顶壁中，顶壁是与底壁相对的壁。在一些示例中，凹部500可形成在入口或出口供给通道14,28的一个或多个侧壁中，这些侧壁是与顶壁和底壁相交的壁。
当压力波动传播到供给通道14,28中时，膜502可以偏转到凹部中，减小压力波动并减轻连接到该供给通道14,28的相邻流体喷射器150之间的流体串扰。膜502的偏转是可逆的，使得当供给通道14,28中的流体压力减小时，膜502返回到其初始配置。
凹部500可具有在约50μm与约150μm之间(例如，约100μm)的横向尺寸(例如，半径)。例如，凹部500的横向尺寸可以在供给通道表面的宽度的约10％和约75％之间，例如供给通道表面的宽度的约50％。凹部500可以具有在约5μm与约15μm之间的深度，例如约6-10μm。凹部500可以以约10个凹部/mm2和约50个凹部/mm2之间的密度提供，例如约20个凹部/mm2。在图5A和5B的示例中，凹部500是圆形的。在一些示例中，凹部500可以是其他形状，例如椭圆形、椭形或其他形状。例如，凹部500可以被成形为使得不存在机械应力可以集中的尖角。尽管这不是必需的，但是凹部500可以按照有序的阵列例如行和列来定位。例如，凹部500可以是随机分布的。
在一些示例中，膜502可以由硅形成。在一些示例中，膜502可以由诸如SiO2的氧化物形成。在一些示例中，膜502可以由金属(例如溅射金属层)形成。通常，膜502足够薄以能够响应于供给通道14,28中的压力波动而偏转。另外，膜502足够厚以耐用。膜502的总体弹性模量应该足够使得膜在操作中预期的压力波动下不会一直偏转到凹部500的底部506，否则膜502可能破裂或结合到凹部500的底部506。例如，膜可具有在约0.5μm和约5μm之间，例如约1μm，约2μm或约3μm的厚度。
每个供给通道14,28中的多个凹部500的存在可以有助于确保即使一个或多个膜502失效(例如，通过破裂或结合到凹部500的底部506)，也可以减小供给通道14,28中的喷嘴层11的柔量。
膜502可以密封凹部500抵抗诸如液体(例如墨水)和气体(例如空气)的流体。在一些示例中，凹部500在制造期间被排空，然后被密封，使得在凹部中获得期望的压力，例如，大气压力(atm)，1/2大气压或另一压力。在一些示例中，凹部500未被排空，使得凹部中存在真空。凹部500中的真空的存在可以增加膜502上的应力并且可以减小由凹部500提供的附加柔量。
包括48个凹部的供给通道中的喷嘴层11的柔量可以通过下式计算
其中N是凹部的数量，并且a是每个凹部的半径。D由下式给出
其中E是膜的模量，tm是膜的厚度，并且是膜的泊松比。
膜的中心偏转可以通过下式计算
其中q是膜的设计压力负载。该中心偏转表达式适用于偏转很小的情况，例如偏转膜厚度的约5％。在一些示例中，更大的偏转可能偏离该表达式。例如，2μm厚的示例膜502偏转3.2μm并且比该表达预测的硬度高3.5倍。
膜502中的拉伸应力可以通过下式计算
在一个具体示例中，在具有上述尺寸和模量的供给通道14,28中的喷嘴层11中形成了半径为100μm的48个凹部。覆盖凹部的膜502由SiO2热氧化物形成，其厚度为2.0μm，模量为75E9Pa，泊松比为0.17。凹部500不通风。设计压力负载q被设定为150000Pa，以便在凹部中的真空度为1个大气压，在供给通道的清洗压力下为0.5个大气压。
对于这个示例，在表2第一列中给出了喷嘴层11的顺应性、膜502的中心偏转以及膜502中的拉伸应力。值得注意的是，48个凹部的存在使喷嘴层的柔量相对于没有凹部的喷嘴层(上面和表1中所讨论的)增加约九倍。
柔性膜 标准膜
柔量C 15.3E-18m3/Pa 6.1E-18m3/Pa
中心偏转yc -4.6μm -2.5μm
拉伸应力σ 281E6Pa 264E6Pa
表2供给通道中的喷嘴层的顺应性、膜的中心偏转以及膜中的拉伸应力
在一些情况下，膜502在压缩应力下沉积，这可以增加中心偏转yc超过表2中给出的。例如，膜502的中心偏转可以变成超过膜厚度的一半。在这些情况下，膜的刚度增加，并且对于给定负载的应力较小(在第7版的“Roark应力和应变公式”第11.11节中更详细地描述，其内容通过引用整体并入本文)。例如，在上面给出的示例中，膜的中心偏转是膜的厚度的2.3倍。因此，膜的刚度增加2.5倍。在表2的第二列中给出了考虑到这种增加的刚度的柔量、中心偏转和拉伸应力。具有凹部的喷嘴层的柔量相对于没有凹部的喷嘴层仍然增加3.5倍。
这些计算表明，在喷嘴层11中存在凹部500可以显着提高喷嘴层11的柔量。具有这种凹部500的喷嘴层11因此可以比平坦的喷嘴层11更有效地衰减供给通道14,28中的压力波动，从而减轻连接到该供给通道14,28的流体喷射器150之间的流体串扰。
图6A-6F示出了制造具有形成在喷嘴层11中的凹部500的流体喷射器150的一种方法。参考图6A和7，喷嘴晶片60(例如，硅晶片)包括喷嘴层11(例如，硅喷嘴层)、蚀刻停止层62(例如氧化物或氮化物蚀刻停止层，诸如SiO2或Si3N4)、以及处理层64(例如，硅处理层)。在一些示例中，喷嘴晶片60不包括蚀刻停止层62。在一些示例中，喷嘴晶片80是绝缘体上硅(SOI)晶片，并且SOI晶片的绝缘层用作蚀刻停止层84。
将提供喷嘴22的开口例如使用包括光刻和蚀刻的标准微制造技术通过喷嘴层11形成(700)。
例如使用包括光刻和蚀刻的标准微制造技术，还形成部分地但不完全延伸穿过喷嘴层11的凹部500(702)。例如，可以将第一层抗蚀剂沉积到未图案化的喷嘴层11上并进行光刻图案化。喷嘴层11可以例如用深反应离子蚀刻(DRIE)蚀刻以形成喷嘴22。可以剥离第一层抗蚀剂，然后可以将第二层抗蚀剂沉积到喷嘴层11上并且进行光刻图案化。可以根据图案化的抗蚀剂例如使用湿法蚀刻或干法蚀刻对喷嘴层11进行蚀刻以形成凹部500。
参考图6B和7，具有处理层69和膜70的将提供膜502的第二晶片68结合到喷嘴晶片60。特别地，膜层70例如使用热结合或另一种晶片结合技术结合到喷嘴晶片60的喷嘴层11(704)。层膜70可以是氧化物(例如SiO2热氧化物)。
参考图6C和7，例如通过研磨和抛光、湿法蚀刻、等离子体蚀刻或其它去除工艺去除处理层69，仅留下膜层70(706)。参考图6D和7，例如使用包括光刻和蚀刻的标准微制造技术来对膜层70进行掩模和蚀刻以暴露喷嘴22(708)。保留的膜层70的部分形成凹部500上方的膜502。
具有凹部500和形成在其中的喷嘴22的图案化的喷嘴晶片60可以进一步处理，例如如美国专利号7,566,118中所述，其内容通过引用整体并入本文，以形成打印头100的流体喷射器150。参考图6E和7，在一些示例中，图案化的喷嘴晶片60的顶部面74可以被结合到流动路径晶片76(710)，流动路径晶片76具有流动通道，诸如下降器20和其它流动通道(未示出)、致动器(未示出)以及形成在其中的其它元件。例如，喷嘴晶片60的顶部面74可以使用低温结合(例如与环氧树脂(例如，苯并环丁烯(BCB)的结合)或使用低温等离子体活化结合来结合到流动路径晶片76。
参考图6F和7，例如通过研磨和抛光、湿法蚀刻、等离子体蚀刻或其它去除工艺可以去除处理层64(712)。蚀刻停止层62(如果存在的话)被去除(如图6F所示)或者例如使用包括光刻和蚀刻的标准微制造技术来掩蔽和蚀刻，以暴露喷嘴(714)。
在一些示例中，可以使用厚喷嘴晶片60(例如，30μm，50μm或100μm厚)。使用厚的喷嘴晶片使喷嘴制造工艺将喷嘴晶片变薄到喷嘴晶片变弱的程度的风险最小化。
图8A-6D示出了制造具有在喷嘴层中的凹部500的流体喷射器150的另一种方法。参考图8A和9，喷嘴晶片80(例如，硅晶片)包括喷嘴层82(例如，硅喷嘴子层)、蚀刻停止层84(例如氧化物或氮化物蚀刻停止层，诸如SiO2或Si3N4)、以及处理层86(例如，硅处理层)。在一些示例中，喷嘴晶片80不包括蚀刻停止层84。在一些示例中，喷嘴晶片80是绝缘体上硅(SOI)晶片，并且SOI晶片的绝缘层用作蚀刻停止层84。
将提供喷嘴22的开口例如使用包括光刻和蚀刻的标准微制造技术通过喷嘴子层82形成(900)。
参考图8B和9，第二晶片86包括喷嘴层88、蚀刻停止层90(例如氧化物或氮化物蚀刻停止层，诸如SiO2或Si3N4)、以及硅处理层92。顶层88可以由与喷嘴子层82相同的材料(例如，硅)形成。例如使用包括光刻和蚀刻的标准微制造技术，将凹部500蚀刻到(例如通过)SOI晶片86的顶层88中(902)。在一些示例中，第二晶片86是SOI晶片，并且SOI晶片的绝缘层用作蚀刻停止层90。
参考图8C和9，SOI晶片86例如使用热结合或另一种晶片结合技术结合到喷嘴晶片80(904)，使得SOI晶片86的顶层88与喷嘴晶片80的喷嘴子层82接触。例如通过利用在SOI晶片86和喷嘴晶片80上制造的结合对准目标(未示出)来对准凹部500和喷嘴22。例如，对准目标可以包括诸如游标的对准指示器，以显示SOI晶片86与喷嘴晶片80之间的未对准量。在一些示例中，SOI晶片86和喷嘴晶片80与利用诸如红外照相机的相机的对准工具对准，以通过硅晶片观察对准目标。
参考图8D和9，例如通过研磨和抛光、湿法蚀刻、等离子体蚀刻或其它去除工艺可以去除SOI晶片86的处理层92(906)。参考图8E和9，例如使用包括光刻和蚀刻的标准微制造技术来对绝缘层90和顶层88进行掩模和蚀刻以暴露喷嘴22(908)。保留的绝缘层88形成凹部500上方的膜502。
在图8A-8E的方法中，喷嘴子层82和顶层88一起形成喷嘴层11。图案化的喷嘴晶片80可被进一步处理以形成打印头的流体喷射器150(910)，例如，如图6E和6F所示，并且如在美国专利号7,566,118中所述，其内容通过引用整体并入本文。
参照图8F，在一些示例中，凹部500可以被排空，使得凹部中的空气处于大气压力下。为了制造通气凹部，在将喷嘴晶片80与SOI晶片86结合之前，将直孔通孔95蚀刻到喷嘴晶片80的喷嘴子层82中。通孔95被蚀刻穿过喷嘴子层82的厚度并被蚀刻到蚀刻停止层84。直孔通孔95定位成使得当喷嘴晶片80与SOI晶片86结合时，通孔95将与凹部500对准。当通过去除处理层86和蚀刻停止层84而打开喷嘴22时，通孔95将向大气开放，从而使凹部500的内部空间通气。
参考图10，在一些示例中，柔性微结构可以被添加到入口供给通道14和/或出口供给通道28的侧壁172,174。例如，可以在一个或两个侧壁172,174附近形成一个或多个凹槽170，在凹槽170和供给通道28的内部之间留下侧壁膜176。响应于压力波动，侧壁膜176可偏转到凹槽170中，以衰减供给通道14,28中的压力。在一些示例中，凹槽170可以在将喷嘴层11结合到基板110之前通过基板110的DRIE垂直蚀刻形成。在一些示例中，凹槽170可以使用向外逐渐变细的各向异性蚀刻或DRIE蚀刻来形成，其中蚀刻通过刻蚀停止层停止，例如在侧壁172,174上生长的热氧化物。
参照图11，在一些实施例中，在入口供给通道14和/或出口供给通道28的喷嘴层11中形成的柔性微结构50(图3)可以是喷嘴状结构120，本申请有时将其称为虚拟喷嘴120。(为了清楚起见，我们有时将流体喷射器150的喷嘴22称为发射喷嘴。)虚拟喷嘴120位于供给通道14,28中，并且不直接连接到任何单独的流体喷射器150或与任何单独的流体喷射器150相关联，并且不具有相应的致动器。供给通道14,28中的流体压力通常不足以在正常操作期间引起流体从虚拟喷嘴120喷射。例如，流体喷射器150可以在几个大气压(例如，大约1-10个大气压)的喷射压力下操作，并且用于喷射的阈值压力可以是操作压力的大约一半。
虚拟喷嘴120延伸穿过喷嘴层11的整个厚度并且提供增加喷嘴层11的柔量的自由表面。每个虚拟喷嘴120包括在喷嘴层11的内表面124上的面向内的开口122和在喷嘴层11的外表面128(例如，面向打印表面的表面)上的面向外的开口126。流体的弯月面130形成在每个虚拟喷嘴120的面向外的开口126处(在图11中仅示出一个虚拟喷嘴120)。在一些示例中，供给通道14,28被负压加压，使得在没有压力波动的情况下，弯月面130从开口126向内拉(例如凹弯月面)。当压力波动传播到供给通道14,28中时，弯月面130凸出(例如，凸弯月面)，从而衰减压力波动并减轻连接到该供给通道14,28的相邻流体喷射器150之间的流体串扰。
在一些示例中，虚拟喷嘴120的尺寸和/或形状与发射喷嘴22相似。例如，虚拟喷嘴120可以是具有恒定直径的大致圆柱形的路径，其中面向内的开口122和面向外的开口126具有相同的尺寸。虚拟喷嘴120可以是从较大的面向内的开口122延伸到较小的面向外的开口126的渐缩的圆锥形路径。虚拟喷嘴120可以包括从较大的面向内的开口122延伸到较小的面向外的开口126的曲线二次形路径。虚拟喷嘴120可以包括具有朝向面向外的开口126逐渐变小的直径的多个圆柱形区域。
当虚拟喷嘴120的尺寸与发射喷嘴22相似时，虚拟喷嘴120和发射喷嘴22的气泡压力也相似。然而，因为供给通道14,28中的流体压力通常低于流体喷射器150中的流体压力，所以可以从发射喷嘴22喷射流体而不引起通过虚拟喷嘴120的意外排出。在一些示例中，虚拟喷嘴120可以具有与发射喷嘴22不同的尺寸。
在一些示例中，虚拟喷嘴120的厚度(例如，喷嘴层11的厚度)与面向外的开口128的直径的比率可以是约0.5或更大，例如约1至4，或约1到2。例如，面向外的开口128的半径可以在约5μm与约80μm之间，例如约10μm至约50μm。对于锥形形状，虚拟喷嘴120的圆锥形路径的锥角可以例如在约5°与约45°之间。通常，虚拟喷嘴120足够小，使得能够阻塞发射喷嘴22的大的污染物颗粒不能通过虚拟喷嘴120进入供给通道14,28。
在一些示例中，打印头100可以在高流体压力下被清洗，例如以清洁流体流动通道。清洗期间的高流体压力可以导致流体从虚拟喷嘴120喷射。为了在这样的清洗期间减少通过虚拟喷嘴120的流体损失，可以在每个供给通道14,28中形成少量的虚拟喷嘴120。例如，可以在每个供给通道14,28中形成1至20个虚拟喷嘴120，例如，每个发射喷嘴约1个、2个或4个虚拟喷嘴。在一些示例中，虚拟喷嘴120可以在清洗期间被盖住，使得通过虚拟喷嘴120损失很少流体或没有流体损失。
图12示出了制造具有形成在喷嘴层11中的虚拟喷嘴120的流体喷射器150的示例性方法。喷嘴晶片140包括喷嘴层11、蚀刻停止层142(例如氧化物或氮化物蚀刻停止层，诸如SiO2或Si3N4)、以及处理层124(例如，硅处理层)。在一些示例中，喷嘴晶片120不包括蚀刻停止层122。
发射喷嘴和虚拟喷射例如使用包括光刻和蚀刻的标准微制造技术通过喷嘴层11形成。在一些实施方式中，例如使用相同的蚀刻步骤同时在喷嘴层11中形成发射喷嘴22和虚拟喷嘴120。
在形成发射喷嘴22和虚拟喷嘴120之后，制造过程可以基本上如图6B-6F所示和所述进行，尽管虚拟喷嘴120代替凹部500。
因为虚拟喷嘴120已经发生的处理步骤期间形成发射喷嘴22，几乎不存在与形成虚拟喷嘴120相关的成本影响。在所示的示例中，发射喷嘴22和虚拟喷嘴120的尺寸相同。在一些示例中，发射喷嘴22和虚拟喷嘴120可以具有不同的尺寸。
描述了特定实施例。其他实施例在所附权利要求的范围内。

Claims (23)

1.一种流体喷射设备，包括：
多个流体喷射器，每个流体喷射器包括：
泵送室，以及
致动器，所述致动器配置为使得流体从所述泵送室喷射；
流体连接到每个泵送室的供给通道；以及
形成在所述供给通道的表面中的至少一个柔性结构，其中，所述至少一个柔性结构具有比所述供给通道的表面低的柔量。
2.根据权利要求1所述的流体喷射设备，其中，所述至少一个柔性结构包括：
形成在所述供给通道的表面中的多个凹部；以及
设置在凹部上方的膜。
3.根据权利要求2所述的流体喷射设备，其中，所述膜密封所述凹部。
4.根据权利要求2所述的流体喷射设备，其中，每个凹部的深度小于所述供给通道的表面的厚度。
5.根据权利要求2所述的流体喷射设备，其中，所述膜被配置为响应于所述供给通道中的流体压力的增加而偏转到凹部中。
6.根据权利要求2所述的流体喷射设备，其中，所述凹部形成在所述供给通道的底壁或顶壁的一个或多个中。
7.根据权利要求2所述的流体喷射设备，其中，所述凹部形成在所述供给通道的侧壁中。
8.根据权利要求1所述的流体喷射设备，其中，所述至少一个柔性结构包括形成在所述供给通道的表面中的一个或多个虚拟喷嘴。
9.根据权利要求8所述的流体喷射设备，其中，每个虚拟喷嘴包括在所述表面的内表面上的第一开口以及在所述表面的外表面上的第二开口。
10.根据权利要求9所述的流体喷射设备，其中，响应于所述供给通道中的流体压力的增加，凸形弯月面形成在所述第二开口处。
11.根据权利要求8所述的流体喷射设备，其中，每个流体喷射器包括形成在喷嘴层中的喷嘴，并且其中，所述虚拟喷嘴形成在所述喷嘴层中。
12.根据权利要求11所述的流体喷射设备，其中，所述虚拟喷嘴与所述喷嘴的尺寸基本相同。
13.根据权利要求1所述的流体喷射设备，其中，每个流体喷射器包括形成在喷嘴层中的喷嘴，并且其中，所述喷嘴层包括所述供给通道的表面。
14.根据权利要求1所述的流体喷射设备，其中，每个流体喷射器包括致动器和喷嘴，并且其中，致动器中的一个的致动导致流体从相应的喷嘴喷射。
15.根据权利要求14所述的流体喷射设备，其中，所述致动器中的一个的致动引起所述供给通道中的流体压力的变化，并且其中，所述至少一个柔性结构被配置为至少部分地衰减所述供给通道中的流体压力的变化。
16.一种方法，包括：
在喷嘴层中形成多个喷嘴；
在所述喷嘴层中形成至少一个柔性结构，其中，所述至少一个柔性结构具有比所述喷嘴层低的柔量；以及
将所述喷嘴层附接到包括多个流体喷射器的基板，每个流体喷射器包括泵送室和致动器，所述致动器配置为使得流体从所述泵送室被喷射。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在喷嘴层中形成至少一个柔性结构包括：在喷嘴层中形成多个凹部；以及在凹部上设置膜。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，在凹部上设置膜包括：在所述喷嘴层的顶表面上沉积膜层；以及去除每个喷嘴上的膜层的一部分。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，形成多个喷嘴包括在第一层中形成所述多个喷嘴，并且其中，形成至少一个柔性结构包括：在第二层中形成所述至少一个柔性结构；以及将所述第一层附接到所述第二层。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，在喷嘴层中形成至少一个柔性结构包括：在第一层中形成所述至少一个柔性结构；以及将所述第一层附接到其中形成有所述多个喷嘴的第二层，其中所述第一层和所述第二层一起形成所述喷嘴层。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，在喷嘴层中形成至少一个柔性结构包括在喷嘴层中形成一个或多个虚拟喷嘴。
22.一种方法，包括：
致动流体喷射设备中的流体喷射器，其中，所述流体喷射器的致动引起流体连接到所述流体喷射器的供给通道中的流体压力的变化；以及
响应于所述供给通道中的流体压力的变化而将膜偏转到形成在所述供给通道的表面中的凹部中。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，将膜偏转到凹部中包括可逆地偏转所述膜。
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