CN108452967A - 具有压电致动的微流体mems印刷设备 - Google Patents

Abstract

一种微流体设备，具有容纳多个彼此相邻布置的喷射元件的容器本体。每个喷射元件具有液体入口、容器室、压电致动器和喷射喷嘴。每个喷射元件的压电致动器连接至控制单元，该控制单元被配置成生成致动信号并且被集成在容器本体中。

Description

具有压电致动的微流体MEMS印刷设备

技术领域

本公开涉及一种具有压电致动的微流体MEMS印刷设备。

背景技术

众所周知，为了喷涂油墨和/或香料，例如，香精，已经提出使用小尺寸的微流体设备，该设备可以使用微电子制造技术来制造。

例如，US 9,174,445公开了一种微流体设备，其被设计成用于将打印机墨水热喷涂到纸上。

适用于喷射流体的另一类微流体设备是基于压电原理的。特别地，压电致动设备可以根据振荡模式(纵向或弯曲)进行分类。在下文中，将参考在弯曲振荡模式下操作的设备，而公开内容不限于此。

例如，在US 2014/0313264中描述了并且在图1中示出了一种具有弯曲类型压电致动的微流体设备的一个实施例，其是关于以30指示并且集成在微流体设备1中的单个喷射元件。

图1中的喷射元件30包括相互重叠和粘结的下部部分、中间部分和上部部分。

下部部分通过由半导体材料制成的第一区域32形成，该第一区域具有入口通道40。

中间部分通过由半导体材料制成的第二区域33形成，该第二区域横向地界定流体容器室31。此外，流体容器室31的底部由第一区域32界定，顶部由例如由氧化硅制成的膜层34界定。流体容器室31顶部上的膜层34的区域形成膜37。膜层34由这样的厚度(例如，约2.5μm)形成，使得其能够弯曲。

上部部分通过由半导体材料制成的第三区域38形成，该第三区域38界定致动器室35，其叠加在流体容器室31和膜37上。第三区域38具有贯穿通道41，其经由膜层34中的对应开口42与流体容器室31连通。

压电致动器39布置在致动器室35内的膜37的顶部上。压电致动器39由相互叠加的一对电极43，44形成，并且压电材料层29(例如，PZT(Pb、Zr、TiO₃))在该对电极之间延伸。

喷嘴板36布置在第三区域38的顶部上，通过粘结层47粘结在其上。喷嘴板36具有孔48，其布置在通道41的顶部上并且经由粘结层47中的开口46与通道41流体地连接。孔48形成液滴发射通道的喷嘴，其整体上以49指示，并且还包括贯穿通道41和开口42，46。

在使用中，要喷射的流体或液体通过入口通道40被供应到流体容器室31，并且外部控制设备生成致动控制信号，从而在电极43，44之间施加适当的电压。特别地，在第一阶段中，电极43，44被偏置以使得膜37朝向流体容器室31的外侧偏转。流体容器室31的体积增加，因此填满液体。在第二阶段中，压电致动器39在相反方向上被控制，以便使膜37朝向流体容器室31的内部偏转，从而导致流体容器室31中的流体朝向液滴发射通道移动。因此，如箭头45所示，导致了液滴的受控排出。随后，执行第一阶段，以便再次增加流体容器室31的体积，从而通过入口通道40吸入更多的流体。

就打印质量、低成本和液滴的最小尺寸而言，具有压电致动的微流体设备是特别有利的，其除了高喷涂密度之外，还允许以非常详细和/或高清晰度获得印刷物。

一般而言，每个微流体设备包括彼此相邻的大量喷射元件，以具有期望的印刷特性。例如，图2示意性地示出了多个喷射元件30的布置，其被彼此相邻布置成各个行。

所讨论的压电类型的微流体设备的一个现有问题在于，每个喷射元件可以通过从微流体设备的外部供应的特定控制信号来单独控制。

这意味着微流体设备必须提供若干个接触焊盘，其数目等于个体喷射元件的数目。例如，当前设备具有600个喷射元件和相关联的焊盘，并且期望将喷射元件(以及因而相关联的接触焊盘)的数目增加到1500个以上。

从而，设备的面积应当足够大以能够容纳所有接触焊盘，其在需要减小的尺寸的一些应用中可能是个缺点。此外，由于焊盘的数目较多，所以电连接操作复杂。事实上，该设备通常固定到支撑结构(例如，挠性类型的)上，并且接触焊盘通过引线粘结连接至通常具有ASIC(专用集成电路)的形式的外部控制设备。另一方面，形成大量有线连接昂贵且复杂，并且对总产率具有很大影响。

发明内容

本公开的一个或多个实施例提供了一种克服现有技术的缺点的微流体设备。

根据本公开的一个或多个实施例，微流体设备包括：

容器本体；

多个喷射元件，其被布置成彼此相邻并且容纳在容器本体中，每个喷射元件包括液体输入、容器室、压电致动器和喷射喷嘴；以及

控制单元，其被配置成生成致动压电致动器的致动信号，其中该控制单元集成在容器本体中。

附图说明

为了更好地理解本公开内容，现在参照附图，仅通过非限制性示例对其优选实施例进行描述，其中

图1是已知压电类型的微流体设备的喷射元件的横截面；

图2是示出了微流体设备中多个喷射元件的布置的简化顶视图；

图3是本发明的微流体设备的喷射元件的横截面；

图4是图3的设备的透视分解图；

图5和图6是本设备的不同实施例的简化电路图；

图7示出了图6的电路图的电信号的行为；以及

图8至图10示出了本设备的其他实施例的简化电路图。

具体实施方式

图3和图4示出了容纳多个喷射元件51的微流体设备50，在图3中仅详细示出了关于这些喷射元件的一个。

微流体设备50包括容器本体50A，其由喷嘴板52、致动器板53和分配板54形成，它们互相叠加并且粘结在一起。

喷嘴板52例如由半导体材料制成，并且形成多个喷嘴58。特别地，喷嘴板52可以通过由硅制成的第一喷嘴层55和第二喷嘴层56形成，该第二喷嘴层55和第二喷嘴层56借助于氧化硅制成的喷嘴粘结层57互相粘结。喷嘴板52的厚度可以大约100μm。

致动器板53这里包括结构层59，其由厚度例如为70μm的半导体材料制成；以及膜层60，其由便于被弯曲的材料和厚度制成，例如厚度介于1μm和4μm之间(例如，2.5μm)的硅，该膜层的顶部和底部被氧化硅层覆盖(未示出)。结构层59形成多个流体容器室61，每个喷射元件51对应一个流体容器室，并且通过例如由氧化硅制成的中间粘结层65固定到喷嘴板52上。流体容器室61延伸穿过结构层59并且在朝向分配板54的方向上被膜层60封闭。每个流体容器室61与相应的喷嘴58流体连接。

膜层60在流体容器室61的顶部上的区域形成膜79。

膜层60承载多个致动器66；每个致动器66布置在相应的膜79上方，与相应的流体容器室61对齐，并且包括第一电极67、例如由PZT(PbZrTiO₃)制成的压电层68、以及第二电极69。第一电极67和第二电极68电连接至相应的第一电接触线70和第二电接触线71；绝缘区域72，例如由氧化硅制成，在电极67，69的顶部上延伸，以使各种导电结构电绝缘。

具有厚度例如为400μm的分配板54，例如由半导体材料(诸如硅)制成，通过膜粘结层74(例如，氧化硅)粘结到膜层60的上部表面53a，并且形成多个致动器室75，每个喷射元件51对应一个致动器室，每个致动器室分别叠加在相应的流体容器室61(图3)上。特别地，每个致动器室75具有的厚度例如为100μm，围绕相应的致动器66并且允许其在微流体设备50的操作期间移动。

分配板54具有多个贯穿通道76，每个喷射单元51对应一个贯穿通道，该贯穿通道经由膜层60和膜粘结层74中的对应开口77与相应的流体容器室61连通。

每个贯穿通道76和相关联的开口77形成用于喷射元件51的流体入口。

在膜79的区域的侧面，膜层60容纳控制电路80，其在图3和图4中仅示意性地示出。特别地，可以在图4看出，控制电路80可以布置在致动器板53的一个或多个外围区域中。例如，在图4中，其中微流体设备50在平面图中具有矩形形状，其具有长边，控制电路80布置成接近微流体设备50的两个长边。

如图3所示意性地示出的，控制电路80通过电接触线70，71连接至致动器66。

在所示的实施例中，分配板54的宽度比致动器板53短(在与微流体设备50的短边平行的方向上)，使得致动器板53的上部表面53a的一部分从外部可接入(accessible)。多个接触焊盘81形成在上部表面53a的可接入部分上，以便允许微流体设备50与外部电连接。

控制电路80可以以各种方式形成。

例如，图5示出了以150指示的微流体设备的实施例的等效电路图，并且突出显示了这里以180指示的控制电路的总体结构、致动器66和控制电路180之间的连接。

图5中的控制电路180包括解码单元181和驱动级182。

解码单元181连接至第一焊盘(寻址焊盘81A)组，其被设计成在使用中接收用于个体喷射元件51(并且因而用于相应的致动器66)的寻址信号。另一接触焊盘(接地焊盘81B)接地；两个激活或“点火”焊盘81C被设计成接收点火信号F，而电源焊盘81D接收电源电压V_CC。解码单元181具有多个输出O1，O2，...，Oi，...，ON，其数目等于个体致动器66的数目，并且连接至驱动级182。

驱动级182包括多个开关86，每个开关86具有连接至解码单元181的相应输出O1，O2，...，Oi，...，ON的控制端子。每个开关86进一步连接至接地焊盘81B并且具有通过连接线87连接至相应致动器66的输出。致动器66的集合这里被指示为致动器单元183。

如放大细节所示，开关86可以由驱动晶体管(例如，横向扩散的金属氧化物半导体(LDMOS)类型)制成。在这种情况下，每个驱动晶体管的栅极端子连接至解码单元181的相应输出O1，O2，...，Oi，...，ON，每个驱动晶体管的源极端子连接至接地焊盘81B，并且每个驱动晶体管的漏极端子连接至相应的第一连接线87。

每个第一连接线87连接至相应的致动器66的致动器66的电极中的一个电极，例如，连接至第二电极69(图3)，因此形成图3的第二电接触线71中的一个电接触线。如图5所示，每个致动器66还通过第二连接线88连接至点火焊盘81C；因此，在所考虑的示例中，第二连接线88与图3的第一电接触线70相对应并且连接至第一电极67。

在实施例中，第二连接线88是形成在微流体设备50的金属层中并且在致动器板53上延伸的金属线；第一连接线87以及将开关86连接至接地焊盘81B以及解码单元85的输出O1，O2，...，Oi，...，ON的线可以由集成在同一致动器板53内部的导电路径形成。

在图5中的微流体设备150中，解码单元181从寻址焊盘81A接收寻址信号，对它们进行解码，并且选择性地使能一个或多个开关86，从而在相应的输出O1，O2，...，Oi，...，ON上供应适当的信号。如上文参考图1所描述的，所使能的开关86又使能相应的致动器66，该致动器在接收到激活信号F时，导致相应的膜79(图3)的偏转，从而以已知方式导致液滴发射以及液体容器室61的连续填充。

两个激活焊盘81C对于更好地分配激活信号F是有用的，以便避免激活信号F的前沿上的电流峰值，特别是当几个致动器66被同时激活时。两个激活焊盘81C可以连接至所有致动器66。作为备选，每个点火焊盘81C可以仅连接至致动器66中的一半致动器。然而，两个激活焊盘81C的存在不是强制性的，并且可以提供单个点火焊盘81C，或可以提供多于两个的激活焊盘81C。

解码单元可以以各种方式实现。例如，图6示出了具有解码单元(这里以281指示)的微流体设备250的实施例，其中寻址信号被并行地供应给寻址焊盘81A，并且解码单元281每次仅使能一个致动器66。

详细地，在图6中，解码单元281包括多个(例如，13个)寻址线A1至AM，每个寻址线连接至相应的寻址焊盘81A；以及多个解码电路90(仅示出一个)，其数目与致动器66(并且因而与开关86)的数目相同，该解码电路可以如图5所示被实现。

解码电路90包括三个PMOS晶体管91和三个NMOS晶体管92。PMOS晶体管91相互串联连接在第一使能线93和相应的开关86的栅极端子之间。每个PMOS晶体管91的栅极端子根据寻址逻辑连接至寻址线A1至AM。NMOS晶体管92各自连接在PMOS晶体管91的相应的漏极端子和第二连接线88之间；NMOS晶体管92的栅极端子连接至第二使能线94。

第一使能线93和第二使能线94通过另外的使能焊盘81D-1和81D-2与外部连接，用于接收用于PMOS晶体管91和NMOS开关92的控制信号。特别地，如图7所示，其图示了在微流体设备250的操作期间解码单元281和每次被致动喷射元件51₁，52₂，...，52_N中的一些信号的行为，第一使能线93供应处于高逻辑状态(例如，3.3V)的逻辑信号，使能PMOS晶体管91；并且寻址线A1至AM供应激活脉冲。在该阶段中，第二使能线94持续在高电平和低电平之间切换。具体地，第二使能线94供应低信号并且在激活脉冲在寻址线A1至AM上被供应期间关断NMOS晶体管92，并且在激活脉冲之间的间隔内(即，当线A1至AM在第一使能线93处都处于相同的高电势时)提供高逻辑信号。在激活脉冲之间的间隔内，PMOS晶体管91因此被关断，NMOS晶体管92被导通，并且使PMOS晶体管91和相应的开关86的栅极端子之间的浮动节点放电。当解码单元281处于静止状态时，第一使能线93上的逻辑信号处于低逻辑状态。

因此，通过图6中的解决方案，每次仅使能一个解码电路90，取决于经由寻址焊盘81A供应给寻址线A1至AM的寻址信号，以及通过寻址线A1至AM和PMOS晶体管91之间的连接布线的逻辑，，并且向相应的开关86供应对应的点火信号。

图6中的解码单元281的实施例还允许通过点火焊盘81C测量每个致动器66的特性。事实上，点火焊盘81C允许所使能的致动器66通过相应的开关86与外部直接连接。这允许执行各种测量(例如，损耗、电容或阻抗)，以便检测致动器66(特别是压电层68)的特性，例如，在EWS(电气晶片排序)测试期间，或在所完成的微流体设备250的层上，和/或当后者被安装在电子装置中时。这样，可以对每个致动器66进行表征和控制，从而在时间零点和/或产品的使用寿命期间(现场)验证其操作质量。

图8示出了微流体设备350，其中这里以381指示的解码单元在单个寻址焊盘81A上以串行模式接收寻址信号。未详细示出的解码单元381基本上由移位寄存器317和存储器元件(锁存器)318形成，并且还连接至定时焊盘81E，从而接收时钟信号CLK；连接至使能焊盘81F，从而接收使能信号EN；连接至复位焊盘81G，从而接收复位信号R；以及连接至输出焊盘81H，以输出信号和/或控制命令，特别是当几个流体设备350级联连接时。

对于其余部分，图8的微流体设备350类似于图5的微流体设备150，不再进一步描述。

在图8的微流体设备350中，同时使能的喷射元件或多个喷射元件51(以及从而相应的致动器66)的地址通过寻址焊盘81A以串行模式被引入，通过移位寄存器317被移位，并且被锁存器318存储，该锁存器选择性地使能开关86，从而在相应的输出O1，O2，...，Oi，...，ON上供应适当的信号。

图9示出了类似于图8的解决方案的以串行模式接收地址的微流体设备450；在图9中，这里以481指示的解码单元具有减少移位寄存器的数目的结构。特别地，在图9的实施例中，在寻址焊盘81A上供应四个寻址位和十六个数据位。在所图示的示例中，解码单元481包括十六位字移位寄存器417，其输入连接至寻址焊盘81A，并且其输出连接至十六个数据存储器元件418(例如，锁存器)，并且连接至四位地址移位寄存器419。该地址移位寄存器419连接至地址存储器元件420。地址存储器元件420的输出连接至具有十六列输出C1至C16的地址解码器421。数据存储器元件418具有十六行输出R1至R16。

此外，类似于图8，微流体设备450连接至焊盘81B至81H，以便接收/传送对应的信号并且供应所提供的电压。

行输出R1至R16和列输出C1至C16连接至这里被指示为486的开关，其中一个开关以示例详细放大显示。特别地，每个开关486包括AND门487和LDMOS类型的驱动晶体管488。每个AND门487连接至使能焊盘81F，并且还连接至相应的行输出Ri以及相应的列输出Cj；具有行输出R1至R16和列输出C1至C16的、开关486的AND门487的输入各种连接组合因此允许独立地选择致动器66，或连接至相同的列输出C1至C16的多个致动器66。

因此，图9的实施例允许同时控制多达十六个致动器66。

图10示出了微流体设备550，其中解码单元581包括十六位字移位寄存器517，其输入连接至寻址焊盘81A并且其输出连接至四位地址移位寄存器519。地址移位寄存器519的输出连接至具有十六列输出C1至C16的地址解码器521。字移位寄存器517具有十六行输出R1至R16。

行输出R1至R16和列输出C1至C16连接至具有多个AND门的寻址矩阵530，每个AND门被布置在行输出R1至R16和列输出C1至C16之间的相应的交叉节点处。因此，在十六行和十六列的本例中，寻址矩阵530具有16×16＝256个节点，其中每个节点为相应的开关586供应使能状态。这些状态存储在状态存储器531中，该状态存储器531例如包括256位锁存器。如图5所示，状态存储器531的每个输出连接至相应的开关586，其例如由LDMOS晶体管形成。

因此，与图9的微流体设备450相比较，图10的微流体设备450可以用较少的移位寄存器来实现，然而需要较大数目个存储器单元。这样，还可以并行地控制十六个致动器66(即，由寻址矩阵530的相同行控制的致动器66)加速液体喷射循环并且由此进行打印。

这里所描述的微流体设备具有许多优点。

首先，它允许大幅度减少外部接触焊盘的数目，从而降低布线操作的复杂性，因此提高产率。

此外，减少了形成焊盘所需的面积。

对于相同数目个喷射元件，与已知的微流体设备相比较，组装显著地更为简单，因此组装成本降低。

由于所喷射的墨水或液体充当冷却液，所以解码和驱动电子器件的集成从热量预算的角度来看并不重要。

最后，明显的是，在不背离本公开的范围的情况下，修改和变型可以应用于所描述和说明的微流体设备。

特别地，解码单元可以以任何期望的方式形成。

此外，所描述的微流体设备可以用在不同的装置中。特别地，除了在喷墨打印机装置中之外，它还可以用于油墨和/或香料喷雾器，其中期望选择性地控制喷射元件的至少一组。

所描述的微流体设备还可以用于例如生物或生物医学类型的装置中、用于在制造用于生物分析的传感器期间局部应用生物材料(例如，DNA)、和/或用于药物的给药。

可以组合上文所描述的各种实施例以提供其他实施例。可以根据上文所详述的描述对实施例进行这些和其他改变。一般而言，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求书中公开的具体实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所授权的等同物的全部范围。因而，权利要求不受公开内容的限制。

Claims (18)

1.一种微流体设备，包括：

容器本体；

多个喷射元件，被布置成彼此相邻布置并且被容纳在所述容器本体中，每个喷射元件包括液体入口、容器室、压电致动器和喷射喷嘴；以及

控制单元，被配置成生成致动信号，所述致动信号致动所述压电致动器，其中所述控制单元被集成在所述容器本体中。

2.根据权利要求1所述的微流体设备，其中所述容器本体包括分配区域、致动区域和喷嘴区域，其中所述分配区域容纳所述液体入口，所述致动区域承载所述压电致动器，并且所述喷嘴区域形成所述喷射元件的所述喷射喷嘴，所述控制单元被集成到所述致动区域中。

3.根据权利要求2所述的微流体设备，其中所述分配区域、所述致动区域和所述喷嘴区域由单独的相互接合的板形成。

4.根据权利要求2所述的微流体设备，其中所述致动区域具有第一宽度，并且所述分配区域和所述喷嘴区域中的至少一个区域具有第二宽度，所述第二宽度小于所述第一宽度。

5.根据权利要求4所述的微流体设备，其中所述致动区域具有可接入表面部分，所述微流体设备包括接触焊盘，所述接触焊盘被形成在所述可接入表面部分上并且被电连接至所述控制单元。

6.根据权利要求5所述的微流体设备，其中所述可接入表面部分是外围部分。

7.根据权利要求1所述的微流体设备，其中所述控制单元包括解码级和驱动级。

8.根据权利要求7所述的微流体设备，其中所述解码级具有并行输入。

9.根据权利要求7所述的微流体设备，其中所述解码级具有串行输入。

10.根据权利要求9所述的微流体设备，其中所述解码级包括移位寄存器和存储器元件。

11.根据权利要求7所述的微流体设备，其中所述驱动级包括分别被耦合至所述压电致动器的多个开关，每个开关具有被耦合至所述解码级的控制输入。

12.根据权利要求11所述的微流体设备，其中所述开关包括LDMOS晶体管。

13.根据权利要求12所述的微流体设备，其中所述驱动级还包括多个逻辑门，每个逻辑门具有被连接至所述解码级的输入，以及被连接至所述LDMOS晶体管中的相应LDMOS晶体管的栅极端子的输出。

14.一种微流体设备，包括：

喷嘴板，包括被彼此相邻布置的多个喷射元件的相应的多个喷射喷嘴；

致动器板，耦合至所述喷嘴板并且包括所述多个喷射元件的相应的多个容器室以及所述多个喷射元件的相应的多个压电致动器；

分配板，耦合至所述致动器板并且包括所述多个喷射元件的相应的多个流体入口；

控制单元，被配置成生成致动所述压电致动器的致动信号，其中所述控制单元被集成在所述喷嘴板、所述致动器板和所述分配板中的一个中。

15.根据权利要求14所述的微流体设备，其中所述控制单元被集成在所述致动器板中。

16.根据权利要求14所述的微流体设备，其中所述致动器板具有可接入表面部分，所述微流体设备包括接触焊盘，所述接触焊盘被形成在所述可接入表面部分上并且被电连接至所述控制单元。

17.根据权利要求15所述的微流体设备，其中所述控制单元包括：

驱动级，被配置成个别地驱动所述压电致动器；和

解码级，被配置成接收用于所述喷射元件的寻址信号，并且使得所述驱动级基于所述寻址信号来驱动所述压电致动器。

18.根据权利要求17所述的微流体设备，其中所述驱动级包括分别被耦合至所述压电致动器的多个开关，每个开关具有被耦合至所述解码级的控制输入。