CN108081756B - 用于喷射小液滴的微流体设备 - Google Patents

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Abstract

公开了用于喷射小液滴的微流体设备。一种微流体设备(50)，该微流体设备设置于安置流体容纳腔室(52)的本体(100)中。流体进入通道(66)和液滴喷射通道(54)在该本体(100)内形成，并且与该流体容纳腔室流体连接，以便通过具有出口截面的喷嘴(54)形成流向该本体外侧(100)的流体路径。致动器(53)操作性地耦合至该流体容纳腔室(52)，并且被配置成用于在该微流体设备的运行状况下通过该液滴喷射通道(54)喷出流体液滴。该液滴喷射通道包括面积小于该喷嘴的该出口截面的缩小截面部分。

Description

用于喷射小液滴的微流体设备
技术领域
本发明涉及一种用于喷射小液滴的微流体设备。具体地，本发明适用于经由喷雾器来喷射具有并非公知成分的液体，从而产生非常小的液滴。
背景技术
如已知的，为了喷射油墨和/或香料等，已经提出了使用具有较小尺寸的微流体设备，这些设备可以利用微电子制造技术来获得。
例如，US 9 174 445描述了一种适用于在纸上热喷射油墨的微流体设备。
图1示出了用于热喷射油墨和香料的微流体设备10的单元11，该微流体设备与上述专利中所描述的设备类似。
图1中所示的单元11包括用于盛装流体的腔室19，该腔室形成于腔室层12内，并且在底部由采用电介质材料的薄层13所界定而在顶部由喷嘴板14所界定。
喷嘴15被设置穿过喷嘴板14并且具有面向流体容纳腔室19的第一部分15A以及面向相反方向(朝向微流体设备10的外部)的第二部分15B。第一部分15A明显比第二部分15B更宽。加热器20设置在薄层13内，与流体容纳腔室19相邻并且与喷嘴15垂直对准。加热器20可具有大约40×40μm2的面积，并且生成例如3.5μJ的能量，并且能够在2μs内达到450℃的最高温度。
流体容纳腔室19还设置有流体进入部21，该流体进入部21使得液体进入流体容纳腔室19中并在其中传输液体，如箭头L所指示的。多个柱状物(图1中不可见)可以形成在流体进入部21中，并且具有防止体积大的颗粒堵塞流体进入部21的功能。
微流体设备10可包括多个单元11，这些单元通过流体进入部21连接至液体供应系统(未示出)。
图2A至图2E为单元11的操作的示意图。液体L经过流体进入部21到达流体容纳腔室19(图2A)，以便形成例如具有0.3μm厚度的液体层16。加热器20将液体层16加热达到预设温度(图2B)。基于所使用的液体来选择此温度，以允许液体瞬间达到沸点，例如接近300℃的温度。在这种情形下，压力升高到较高水平(例如大约5大气压)，从而形成蒸汽泡17，该蒸汽泡在几微秒(例如，10μs-15μs)之后消失。由此生成的压力推送液滴18穿过喷嘴15，如图2C至图2D所示，然后液体层16返回至其初始状况(图2E)。
另一种适用于热喷射流体的微流体设备基于压电原理。例如，在US 2014/0313264中描述了并且在如图3示出了这种类型的微流体设备30的实施例。
图3的微流体设备30包括安排在彼此顶部上并且被粘合在一起的底部部分、中间部分和顶部部分。
该底部部分由采用半导体材料的第一区域32形成，该第一区域具有入口通道40。
中间部分由采用半导体材料的第二区域33形成，该第二区域横向地界定流体容纳腔室31。流体容纳腔室31进一步在底部由第一区域32界定，并且在顶部由薄膜层34(如采用氧化硅)界定。薄膜层34在流体容纳腔室31上方的区域形成薄膜37。薄膜层34的厚度允许其弯偏转例如大约2.5μm。
顶部部分由采用半导体材料的第三区域38形成，该第三区域界定致动器腔室35，覆盖于流体容纳腔室31上。第三区域38具有贯通通道41，该贯通通道通过薄膜层34中的相应开口42与流体容纳腔室31连通。
压电致动器39在致动器腔室35内设置在薄膜37上方。该压电致动器39由安排在彼此顶部上的一对电极43、44以及采用压电材料29(例如PZT(Pb，Zr，TiO3))的中间层形成。
喷嘴板36安排在第三区域38的顶部上，通过粘合层47而被粘合至该第三区域。喷嘴板36具有孔48，该孔通过粘合层47中的开口46设置在通道41上方并与其流体连接。孔48构成液滴喷射通道的喷嘴，该液滴喷射通道总体上由49来指定并且还包括贯通通道41和开口42、46。
使用时，利用有待通过入口通道40喷出的流体或液体来填充流体容纳腔室31。然后，在第一步骤中，控制压电致动器39使薄膜37朝向流体容纳腔室31的内部偏转。该偏转使得流体容纳腔室31内所存在的流体朝向液滴喷射通道49移动，并且生成对液滴的受控排出，如箭头45所表示的。在第二步骤中，在反方向上控制该压电致动器39，以便增加流体容纳腔室31内的体积，从而通过入口通道40收回另外的流体。
在任何一种情况下(热致动或压电致动)，当前的微流体设备均能够生成中等至较大的大小的液滴，这些液滴远远超过作为喷雾器使用时所要求的大小。
例如，当前的高密度打印头(高达1200dpi)产生具有最小大小为2皮升(2pl＝2·10-15m3)的液滴，这相当于直径约7.8μm的球状液滴。目前，利用现有技术，可以生产具有最小大小为约6μm的喷嘴。另一方面，对于喷雾器，期望的是生成具有更小直径(小至1μm)的液滴，对应于大约为0.0045pl(4.5·10-18m3)的体积。要实现此目的，有必要具有亚光刻直径的喷嘴，即，具有远小于可利用在半导体制造中所使用的当前光刻技术获得的喷嘴的尺寸。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够喷出非常小的液滴的微流体设备。
根椐本发明，提供了一种如所附权利要求书中所限定的微流体设备。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式参照附图描述本发明的优选实施例，在附图中：
-图1是热型的已知微流体设备的腔室的透视横截面；
-图2A至图2E示出了图1的腔室的操作；
-图3是压电型的已知微流体设备的腔室的横截面；
-图4是图1的热型微流体设备的腔室的简化俯视平面视图，其中多个部分采用透视图；
-图5是本发明的热型微流体设备的一个实施例的简化俯视平面视图，其中多个部分采用透视图；
-图6是图5的微流体设备的单元的透视横截面(沿图5的剖面VI-VI截取)；
-图7是图5中腔室的横截面(沿剖面VII-VII截取)；
-图8是图5中腔室的横截面(沿剖面VIII-VIII截取)；
-图9以透视图示意性地示出了在图1的已知单元中生成液滴；
-图10以透视图示意性地示出了在图5的单元中生成液滴；
-图11为本发明设备的实施例的一部分的简化俯视平面视图，该部分包括多个单元；
-图12A至图12D为图5中的腔室的不同实施例的简化俯视平面视图；以及
-图13A和图13B(类似于与图3)是本发明微流体设备的不同实施例(具有压电型致动)的部分或单元的横截面。
具体实施方式
本发明设备基于以下原理：将该液滴喷射通道的一部分形成为具有面积小于液滴喷射通道的其余部分的横截面的有效横截面。这通过以下方式来获得：将液滴喷射通道的一部分(例如，喷嘴)形成为相对于液滴喷射通道的其余部分而部分偏移，覆盖于其上或在其下面。实际上，在本发明设备中，喷嘴的面积与液滴喷射通道的其余面积具有非零相交部，该非零相交部的面积小于整个喷嘴面积。这样，可以在液滴喷射通道内获得阻断，即，小于利用现有或未来制造技术可实现的液滴喷射面积的有用液滴喷射面积。
通过对图4和图5进行比较来强化上述原理，这些附图以简化方式分别示出了在具有根据现有技术以及根据本发明设备的实施例的发热的微流体设备的情况下喷嘴相对于流体容纳腔室的位置。
在图4中，以简化方式表示了图1的单元11，并由此使用相同的参考号，喷嘴15基本上相对于流体容纳腔室19的顶部以及加热器20的顶部而被安排在中间。
图5以简化方式示出了微流体设备50的单元51。单元51形成于具有微米尺寸的本体100中，并且包括流体容纳腔室52、连接至流体供应通道67的流体入口66、加热器53、以及液滴喷射通道(这里由喷嘴54形成)。喷嘴54相对于流体容纳腔室52被偏移设置，并且确切地，其横截面(底座区域)不再包括在流体容纳腔室52的区域内，但是这两个区域之间的相交区域仍然存在(由57指定，并且在图5中以阴影线表示)，该相交区域的大小小于喷嘴54面积。
可如图6至图8中所示的那样来制造单元51。这里，设备50由基板60(例如采用半导体材料)制成，由例如采用二氧化硅的绝缘层61所覆盖。腔室层63在绝缘层61(例如采用如干膜等聚合材料)之上延伸。
在单元51中，加热器53形成于绝缘层61内，并形成了致动器。流体容纳腔室52形成于腔室层63内，在加热器62上方，面向绝缘层61。这里的流体容纳腔室52具有带有大致长方形的底座的平行六面体形状，平行于笛卡尔坐标系XYZ的平面XY，高度(在方向Z上)小于腔室层63的厚度。流体容纳腔室52由限定流体容纳腔室52的侧表面的各个壁65横向界定。在腔室层63中形成的流体进入66将流体容纳腔室52与流体供应通道67连接，在图5中示意性地表示了流体进入，并且在图7的横截面中可见。流体进入66可以具有图5中示意性示出的形状，该流体进入的第一部分66A(其较宽)与流体供应通道67邻接，并且第二部分66B(其较窄)与流体容纳腔室52邻接。在第一部分66A中，可存在柱状物(未示出)，用于防止较大颗粒阻塞流体进入66。
喷嘴54(其在此具有带有圆形底座的圆柱形形状)形成于腔室层63的顶部分中，并且设置于流体容纳腔室52的一个顶角处，从而使得各个壁65的表面的一部分延伸穿过其底座区域。具体地，这里相交部57的面积约为喷嘴54的底座面积的四分之一。
单元51可通过如下方法制造：首先在基板60上形成流体进入66以及流体供应通道67的牺牲结构(该牺牲结构的形状对应于流体容纳腔室52)，然后沉积旨在用于形成腔室层63的聚合材料。具体地，可以使用层压技术和回流技术、采用微型注射器技术中本身已知的方式来形成腔室层63。接下来，经由选择性蚀刻并且使用通用光刻技术对腔室层63进行穿孔，以便形成喷嘴54。
替代性地，腔室层63可以单独成型并粘合在绝缘层61上，或者形成于下挖硅结构中，粘合至绝缘层61。根据不同实施例，腔室层63可由粘合在一起的两个独立层或区域形成。
相交部57使喷嘴54的有用面积相比于利用当前平板印刷限定工艺可获得的物理尺寸而被减小，并且允许获得相比于使用相同的技术进行微机械加工得到的设备而言较小尺寸的液滴，如同样在图9和图10的仿真中所示的，这些图分别示出了利用图4的单元11、以及利用图5的单元51生成相同流体的液滴。
流体容纳腔室52可能会形成并排安排并连接至同一流体供应通道67的液滴生成腔室52的阵列的一部分(如图11所示)，从而形成喷雾器70。
喷嘴54与流体容纳腔室52可能会具有不同形状并且需要相互安排。例如，流体容纳腔室52根据需要可以具有圆柱形形状或多面体形状(或者规则或者不规则)，其中喷嘴被安排为用于与底座的圆周或周边相交(以俯视平面视图)。另外，可以为每个流体容纳腔室设置多个喷嘴。
例如，图12A示出了在具有微米尺寸的本体150中形成的单元51A，该单元具有带有方形底座的流体容纳腔室52A，该方形底座具有安排在其每个顶角上的喷嘴541-544。以此方式，每个喷嘴541-544与流体容纳腔室52A之间的相交部57面积小于对应喷嘴541-544，这从而喷射出具有较小大小的液滴，但是总体上这四个相交部的面积约等于已知单元11，从而提高了由每个流体容纳腔室52A所喷射的液滴的密度。
图12B示出了具有流体容纳腔室52B的单元51B，该流体容纳腔室具有同样是方形的底座，该底座具有沿对角线方向从方形的每个顶角延伸的突起80。图12B中的单元51B包括与多个突起80部分重叠的四个喷嘴541-544。喷嘴541-544的直径可以大于突起80的宽度，因为由于不同制造技术而导致这些突起的尺寸可能小于喷嘴。
图12C示出了具有星形流体容纳腔室52C的单元51C，该流体容纳腔室具有五个点，在其中每个点上形成对应喷嘴541-545。
图12D示出了具有三角形形状的流体容纳腔室52D的单元51D，该三角形形状具有三个顶点，在这三个顶点上形成喷嘴541-543。
同样，在单元51B至51D中，实现了对所喷射的液滴的体积的减小，而并未过分影响所喷射的液体密度。
图13A示出了压电型的微流体设备90的单元99的一部分。微流体设备90具有与图3的微流体设备30相同的底座结构，并且因此仅被部分地表示(采用相同参考号)，并且关于液滴喷射通道(这里由91指定)的配置与图3的实施例有所不同。详细地，在微流体设备90中，除了贯通通道41以外，液滴喷射通道91还包括：开口42、46；以及喷嘴板36中的孔48(后面的项在下文中被简称为第一孔48和第一板36)；第二孔92。第二孔92被安排成与第一孔48部分偏移，从而形成面积小于孔48、92的相交部，如针对图5的相交部57所描述的。第二孔92在这里形成于粘合到喷嘴板36上的第二喷嘴板93上(下文被指定为第一喷嘴板36)，并且液滴喷射嘴(这里由95所指定)由这两个孔48、92形成。因此，液滴喷射嘴95由部分未对准的两个通道部分形成，从而减少了由于薄膜37偏转所导致的从腔室31中排出的液滴的出口截面，像图5的液滴生成单元52那样。
图13B示出了与图13A微流体设备90类似的压电型的微流体设备96。与此不同的是，微流体设备96具有单个喷嘴板(这里由43’指定)。液滴喷射通道(这里由91’指定)具有由喷嘴板43’中的孔48’所形成的喷嘴97，该喷嘴相对于第三区域38中的贯通通道41偏置。以此方式，喷嘴97具有小尺寸的有效横截面，像图13A的微流体设备90那样。
最后，清楚的是，可以对本文中所描述和展示的微流体设备做出修改和变化，而不会由此脱离如在所附权利要求中限定的本发明的范围。例如，可以组合各个所描述的实施例，以便提供进一步解决方案。
另外，喷嘴底座的形状可不同于所示的形状；例如，其可以为椭圆形或多边形的。
在具有压电致动的微流体设备中，通过适当使贯通通道41的入口嘴相对于流体容纳腔室31交错，可以在通道41的嘴处实现对有用截面的减小。
另外，同样在具有压电致动的微流体设备中，流体容纳腔室35可以采用任何形状，例如具有带有突出顶点、点或部分的多面体形状。同样在这种情况下，流体路径上可包括与各个突出的顶点、点或部分发生部分重叠的多个喷嘴，从而形成具有减小面积的相交部。
同样针对具有压电致动的微流体设备，可以彼此并排地安排图13A和图13B中所示类型的多个单元，其中入口通道40连接至公共供应通道，以便形成喷雾器。
另外，在所有微流体设备中，流体容纳腔室可具有带有圆形或椭圆形底座的圆柱形形状，并且该一个或多个喷嘴可以被布置横跨圆形或椭圆形底座的圆周。

Claims (20)

1.一种微流体设备，包括：
本体，所述本体容置以下各项：
流体容纳腔室；
流体进入通道，所述流体进入通道与所述流体容纳腔室流体连接；
液滴喷射通道，所述液滴喷射通道被配置成用于在所述流体容纳腔室与本体外侧之间提供流体路径，所述液滴喷射通道包括形成具有第一面积的出口截面的喷嘴；以及
致动器，所述致动器操作性地耦合至所述流体容纳腔室，并在所述微流体设备的运行状况下通过所述液滴喷射通道喷出流体液滴；
其中，所述液滴喷射通道包括面积小于所述第一面积的缩小截面部分。
2.根据权利要求1所述的微流体设备，其中，所述液滴喷射通道包括相对于所述流体路径的其余部分横向偏移的部分，并且交错的部分与所述流体路径的所述其余部分之间的相交部形成了所述缩小截面部分。
3.根据权利要求1或2所述的微流体设备，其中，所述喷嘴具有带有底座的圆柱形形状，所述底座与所述流体容纳腔室部分相交。
4.根据权利要求3所述的微流体设备，其中，所述流体容纳腔室由与所述喷嘴的所述底座相交的侧表面横向界定。
5.根据权利要求3所述的微流体设备，其中，所述流体容纳腔室具有带有底座的多面体形状，所述底座具有顶点或顶角，并且所述喷嘴被安排为与所述顶点或顶角之一部分地重叠。
6.根据权利要求1或2所述的微流体设备，其中，所述液滴喷射通道包括在容置所述流体容纳腔室的第一本体区域内形成的贯通通道，并且所述喷嘴在覆盖于所述第一本体区域上的第二本体区域内形成，其中，所述喷嘴部分地未与所述贯通通道对准。
7.根据权利要求1或2所述的微流体设备，其中，所述液滴喷射通道包括在容置所述流体容纳腔室的本体区域内形成的贯通通道，并且所述喷嘴在覆盖于所述本体区域上并且具有部分地未彼此对准的孔的一对层内形成。
8.根据权利要求1、2、4和5中任一项所述的微流体设备，其中，所述流体路径包括多条液滴喷射通道，每条液滴喷射通道具有自身的缩小截面部分。
9.根据权利要求1、2、4和5中任一项所述的微流体设备，其中，所述致动器为热型，并且包括加热器，所述加热器在所述本体内邻近所述流体容纳腔室形成。
10.根据权利要求1、2、4和5中任一项所述的微流体设备，其中，所述致动器为压电型的，并且被安排在界定所述流体容纳腔室的主表面的薄膜上。
11.根据权利要求1、2、4和5中任一项所述的微流体设备，包括多个单元，所述多个单元各自包括自身的流体容纳腔室、自身的液滴喷射通道、自身的致动器以及自身的流体进入通道，所述多个单元的所述流体进入通道连接至供应通道。
12.一种喷雾器，包括根据以上权利要求中任一项所述的微流体设备。
13.一种微流体设备，包括：
本体；
流体室，在所述本体中被配置为保持流体；
喷嘴，具有第一面积并且被配置为从所述本体排出流体；
流体路径，将所述喷嘴放置为与所述流体室流体连接，所述流体路径具有第二面积，所述第二面积小于所述喷嘴的所述第一面积；以及
致动器，靠近所述流体室，所述致动器被配置为使所述流体通过所述喷嘴从所述本体排出。
14.根据权利要求13所述的微流体设备，其中所述喷嘴从所述流体室偏离并且与所述流体室部分地重叠，以形成所述流体路径。
15.根据权利要求13所述的微流体设备，其中所述喷嘴是多个喷嘴中的一个，所述多个喷嘴中的每个喷嘴从所述流体室偏离并且与所述流体室部分地重叠，其中所述流体路径为多个流体路径，每个流体路径将相应的喷嘴耦合到所述流体室。
16.根据权利要求13所述的微流体设备，其中所述致动器为加热器致动器或压电致动器。
17.一种喷射流体的方法，包括：
在半导体本体中形成流体容纳室；
形成从所述流体容纳室部分地偏离的喷嘴，所述喷嘴具有出口部分，所述出口部分具有第一面积，所述喷嘴通过流体路径与所述流体容纳室流体连通，所述流体路径具有第二面积，所述第二面积小于所述第一面积；以及
形成致动器，所述致动器可操作地耦合到所述流体容纳室并且被配置为使流体滴通过所述喷嘴喷射。
18.根据权利要求17所述的方法，其中形成所述喷嘴包括形成多个喷嘴，每个喷嘴从所述流体容纳室部分地偏离，所述多个喷嘴具有出口部分，所述出口部分具有第一面积，所述多个喷嘴中的每个喷嘴通过具有第二面积的多个流体路径与所述流体容纳室流体连通，所述第二面积小于所述第一面积。
19.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述多个喷嘴包括形成所述多个喷嘴以与所述流体容纳室的边缘部分地重叠。
20.根据权利要求17所述的方法，其中形成流体容纳室包括形成具有锥形入口的流体容纳室。
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