CN111788073B - 液滴喷射器 - Google Patents

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Abstract

一种用于打印头的液滴喷射器，包括：具有安装表面和相对的喷嘴表面的基材；在基材的喷嘴表面的至少一部分上形成的喷嘴形成层；至少部分地由基材并且至少部分地由喷嘴形成层限定的流体腔室，该流体腔室具有至少部分地由所述喷嘴形成层的喷嘴部分限定的流体腔室出口，所述喷嘴部分包括内部部分和外部部分，内部部分更靠近流体腔室出口定位，外部部分更靠近喷嘴部分的周边定位；以及形成在喷嘴形成层的喷嘴部分的内部部分上的内部致动器布置和形成在喷嘴形成层的喷嘴部分的外部部分上的外部致动器布置中的任一个或两者。

Description

液滴喷射器
技术领域
本发明涉及用于打印头的液滴喷射器、包括液滴喷射器的打印头，包括具有液滴喷射器的打印头的打印机以及用于致动用于打印头的液滴喷射器的方法。
背景技术
喷墨打印机用于通过将墨滴推进到介质上来在打印介质(比如纸张)上重建数字图像。许多喷墨打印机结合有“按需滴落(按需喷墨)”技术，其中控制来自打印头的喷墨喷嘴的各个墨滴的顺序喷出。以足够的动量喷射墨滴，使其附着到介质。每个液滴根据施加的驱动信号喷射，这将按需滴落喷墨打印机与连续喷墨设备区分开，在连续喷墨设备中，通过将墨水泵送通过微观喷嘴产生连续的墨滴流。
商业上最成功的按需滴落技术中的两种是热喷墨打印机和压电喷墨打印机。热喷墨打印机要求打印流体包含诸如水之类的挥发性成分。加热元件在打印头内的挥发性流体中引起气泡的自发成核，从而迫使液滴通过喷嘴喷射。相反，压电喷墨打印机将压电致动器结合到流体腔室的壁中。压电元件的变形会导致压电致动器的变形，这会引起存储在流体腔室内的打印流体的压力变化，从而导致液滴通过喷嘴喷射。
热喷墨打印机只能用于喷射一小部分打印流体(因为流体必须表现出适当的挥发性)。热喷墨打印机还遭受结垢(kogation)的困扰，其中干墨水残留物沉积在加热元件上，这会缩短其使用寿命。
压电喷墨打印机可用于一系列流体，并且比热喷墨打印机具有更长的使用寿命，因为它们不会结垢。但是，与热喷墨打印头相比，使用现有的压电技术通常每个打印头只能有极少的喷嘴数量。
本发明的各方面旨在提供一种用于打印头的改进的压电液滴喷射器，其允许实现更高的喷嘴数量。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种用于打印头的液滴喷射器。该液滴喷射器包括：具有安装表面和相对的喷嘴表面的基材；在基材的喷嘴表面的至少一部分上形成的喷嘴形成层；以及至少部分地由基材并且至少部分地由喷嘴形成层限定的流体腔室。该流体腔室具有至少部分地由所述喷嘴形成层的喷嘴部分限定的流体腔室出口。
喷嘴形成层的喷嘴部分通常用作(例如形成或为)膜片，用于通过流体腔室出口喷射来自流体腔室的流体。膜片通常是可移动的。膜片通常是柔性的。膜片朝向(即进入)流体腔室的运动(例如弯曲)通常导致通过流体腔室出口排出流体。
液滴喷射器通常还包括至少一个致动器布置(例如，一个或多个致动器)，该致动器布置形成在喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的至少一部分上。该至少一个致动器布置(例如，一个或多个致动器)通常构造成(例如定位成)在致动时(即在使用中)移动或弯曲喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分。
该至少一个致动器布置(例如，一个或多个致动器)可包括内部致动器布置(例如由一个或多个内部致动器)(例如由内部致动器布置构成)。内部致动器布置(例如，一个或多个内部致动器)通常是在喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的邻近流体腔室出口的至少一部分上形成的致动器布置。即，内部致动器布置(例如，一个或多个内部致动器)通常是形成在喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的相比喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的周边(例如外周缘)更靠近流体腔室出口的至少一部分上的致动器布置。
该至少一个致动器布置(例如，一个或多个致动器)可包括外部致动器布置(例如由一个或多个外部致动器)(例如由外部致动器布置构成)。外部致动器布置(例如，一个或多个外部致动器)通常是在喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的邻近喷嘴形成层的喷嘴部分的周边(例如，外周缘)的至少一部分上形成的致动器布置。即，外部致动器布置(例如，一个或多个外部致动器)通常是形成在喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的相比流体腔室出口更靠近喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的周边(例如外周缘)的至少一部分上的致动器布置。
可能的是，液滴喷射器既包括内部致动器布置(例如，一个或多个内部致动器)又包括外部致动器布置(例如，一个或多个外部致动器)。替代地，液滴喷射器可包括内部致动器布置(例如，一个或多个内部致动器)或者包括外部致动器布置(例如，一个或多个外部致动器)，但不包括两者。。即，内部致动器布置(例如，一个或多个内部致动器)的存在并不一定暗示着外部致动器布置(例如，一个或多个外部致动器)的存在，反之亦然，外部致动器布置(例如，一个或多个外部致动器)的存在不一定意味着内部致动器布置(例如，一个或多个内部致动器)的存在。
喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分通常包括内部部分和外部部分(例如，由内部部分和外部部分构成)。
喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分通常是喷嘴部分的位于流体腔室出口附近的部分。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分通常是喷嘴部分的相比喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的周边(例如，外周缘)更靠近流体腔室出口定位的部分。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分可以是喷嘴部分的毗邻(即延伸到)流体腔室出口的部分。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分可以是喷嘴部分的至少部分地环绕流体腔室出口的部分。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分可以是喷嘴部分的完全环绕流体腔室出口的部分。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分可以是喷嘴部分的包括流体腔室出口的部分(即，流体腔室出口可以延伸穿过喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分)。
喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的外部部分通常是喷嘴部分的邻近喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的周边(例如，外周缘)设置的部分。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的外部部分通常是喷嘴部分的相比流体腔室出口设置成更靠近喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的周边(例如，外周缘)的部分。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的外部部分可以是喷嘴部分的毗邻(即，延伸到)喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分的部分。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的外部部分通常是喷嘴部分的至少部分地围绕喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分设置的部分。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的外部部分可以是喷嘴部分的至少部分地环绕喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分的部分。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的外部部分可以是喷嘴部分的完全环绕喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分的部分。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的外部部分可以是喷嘴部分的毗邻(即，延伸到)喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的周边(例如，外周缘)的部分。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的外部部分可以是喷嘴部分的在喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分和喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的周边(例如，外周缘)之间延伸的部分。
喷嘴形成层的喷嘴部分的内部部分通常是喷嘴形成层的在致动时弯曲的部分。喷嘴形成层的喷嘴部分的外部部分通常是喷嘴形成层的在致动时弯曲的部分。当在致动时弯曲时，所述外部和内部部分通常在相反的方向上(即，面向相反的方向)弯曲。因此，当从一个方向(例如，从流体腔室外部的点)观察时，在致动时，内部部分和外部部分中的一个通常看起来向内弯曲，而内部部分和外部部分中的另一个通常向外弯曲。
可能的是，至少一个致动器布置(例如，至少一个内部和/或外部致动器布置)和喷嘴形成层的喷嘴部分构造成使得喷嘴部分的内部部分在第一定向上弯曲，而喷嘴部分的外部部分在与所述第一定向相反的第二定向上弯曲(即，在激活时)。
喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分和外部部分可以一起形成喷嘴形成层的整个喷嘴部分(例如，膜片)。
可能的是，内部部分是喷嘴部分的内部一半，而外部部分是喷嘴部分的外部一半。内部部分和外部部分之间的边界可以围绕流体腔室出口延伸，大约是流体腔室出口与喷嘴部分的外周边之间距离的50％。
可能的是，内部部分包括喷嘴部分表面积的大约50％。外部部分可能包括喷嘴部分表面积的大约50％。内部部分可能包括少于喷嘴部分表面积的50％，而外部部分则包括超过喷嘴部分表面积的50％(内部部分和外部部分的面积通常构成喷嘴部分的总表面积)。内部部分可能包括喷嘴部分表面积的大约25％，而外部部分则包括喷嘴部分表面积的大约75％(内部部分和外部部分的面积通常构成喷嘴部分的总表面积)。
喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分和外部部分可以同轴地布置。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分和外部部分可以同心地布置。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分和外部部分可以在几何形状上彼此相似。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分和外部部分可以在几何形状上类似于喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分。喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分和外部部分可以围绕流体腔室出口同轴地(例如同心地)布置。
可能的是，喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分和外部部分各自沿喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的宽度(在所述喷嘴形成层(例如，膜片)的平面中、在沿着喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的主轴线的横截面中测量的)的大约50％延伸。例如，可能的是，喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分是基本上圆形的(例如，圆环形)，喷嘴形成层(例如，膜片)的内部部分和外部部分的每一个都是基本上圆环形的并且同心布置，外部部分围绕内部部分延伸，喷嘴形成层(例如隔膜)的内部部分所具有的外径约为喷嘴部分的外径的50％，而喷嘴形成层(例如，隔膜)的外部部分的所具有的内径约为喷嘴部分的外径的50％，并且外径近似等于喷嘴形成层(例如，隔膜)的喷嘴部分的外径。
内部致动器布置(例如，一个或多个内部致动器)，如果存在的话，通常是形成在喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分上的致动器布置(例如，一个或多个致动器)。外部致动器布置(例如，一个或多个外部致动器)，如果存在的话，通常是形成在喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的外部部分上的致动器布置(例如，一个或多个致动器)。
可能的是，液滴喷射器仅包括内部致动器布置(例如，一个或多个内部致动器)，并且液滴喷射器不包括外部致动器布置(例如，一个或多个外部致动器)。即，液滴喷射器可以包括形成在喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分上的至少一个致动器布置(例如，至少一个致动器)，并且液滴喷射器不包括形成在在喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的外部部分上的任何致动器布置(例如，致动器)。
替代地，可能的是，液滴喷射器仅包括外部致动器布置(例如，一个或多个外部致动器)，并且液滴喷射器不包括内部致动器布置(例如，一个或多个内部致动器)。即，液滴喷射器可以包括形成在喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的外部部分上的至少一个致动器布置(例如，至少一个致动器)，并且液滴喷射器不包括形成在在喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的内部部分上的任何致动器布置(例如，致动器)。
可能的是，内部致动器布置(例如，一个或多个内部致动器)形成在致动时变形的喷嘴形成层的小于50％、或更通常小于40％、或更通常小于30％的喷嘴部分上。
可能的是，外部致动器布置(例如，一个或多个外部致动器)形成在致动时变形的喷嘴形成层的小于50％、或更通常小于40％、或更通常小于30％的喷嘴部分上。
发明人已经发现，令人惊讶地，与其中横跨喷嘴形成层的喷嘴部分的大部分(例如，全部)提供单个致动器布置(即，喷嘴形成层的所述喷嘴部分的内部部分和外部部分重叠)的已知液滴喷射器相比，仅提供内部致动器布置或仅提供外部致动器布置能够提高液滴的喷射效率。
例如，在其中液滴喷射器仅包括内部致动器布置(例如，一个或多个内部致动器)的实施例中，液滴喷射器通常在使用中通过致动所述内部致动器布置以驱动喷嘴形成层的喷嘴部分的内部部分在第一方向(例如，第一定向)上直接偏转而起作用。因为喷嘴形成层的喷嘴部分通常在其周边(即，外周缘)处固定就位，所以喷嘴形成层的喷嘴部分的内部部分在第一方向(例如，第一定向)上的偏转通常引起喷嘴形成层的喷嘴部分的外部部分在与第一方向相反的第二方向(例如第二定向)上的补偿偏转。喷嘴形成层的喷嘴部分朝向(即，进入)流体腔室的偏转通常导致来自流体腔室的打印流体通过流体腔室出口喷射。因为致动器布置仅设置在内部部分上，所以在致动时，与如本领域中已知的横跨喷嘴形成层的喷嘴部分的大部分(例如，全部)设置单个致动器布置时所获得的相比，喷嘴部分以更大的体积偏转变形(例如，通过形成更复杂的形状)。特别地，发明人已经发现，可以将喷嘴部分变形为与使用类似材料的现有液滴喷射器相比允许施加更大的喷射力的形状(并且特别是具有S形横截面的形状)。这种增加的喷射力使致动器能够更有效地构造(并且例如，使用比喷墨打印机中通常使用的功率低的单个致动器，并且在压电液滴喷射器的情况下，使用不同的压电材料)。
类似地，在其中液滴喷射器仅包括外部致动器布置(例如，一个或多个外部致动器)的实施例中，几何形状约束确保喷嘴形成层的喷嘴部分在外部致动器布置的致动时以更大的体积偏转(例如，通过形成更复杂的形状)变形(比使用现有设备可能的变形更大)。
在替代实施例中，可能的是，液滴喷射器包括至少内部致动器布置(例如，一个或多个内部致动器)和至少一个外部致动器布置(例如，一个或多个外部致动器)。即，液滴喷射器可以包括形成在喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的至少一部分(例如，内部部分)上的至少一个(即，内部)致动器布置(例如，一个或多个致动器)，和形成在喷嘴形成层(例如，膜片)的喷嘴部分的至少一部分(例如，外部部分)上的、至少部分地环绕内部致动器布置的至少一个(即，外部)致动器布置(例如，一个或多个致动器)。
在既包括内部致动器布置又包括外部致动器布置的实施例中，内部致动器布置的致动通常导致喷嘴形成层的喷嘴部分的内部部分在第一方向(例如，第一定向)上偏转，并且外部致动器布置的致动通常导致喷嘴形成层的喷嘴部分的外部部分在第二方向(例如，第二定向)上偏转，该第二方向通常与所述第一方向(例如，第一定向)相反。喷嘴形成层的喷嘴部分的内部部分和外部部分两者的偏转通常导致来自流体腔室的打印流体通过流体腔室出口喷射。因为液滴喷射器既包括内部致动器布置又包括外部致动器布置，可以驱动喷嘴形成层的喷嘴部分的内部部分和外部部分两者的偏转(例如，同时)。同样，与在喷嘴形成层的喷嘴部分上仅设置单个致动器布置(并且特别是，横跨喷嘴形成层的喷嘴部分的大部分延伸的单个致动器装置，例如与所述喷嘴部分的内部部分和外部部分重叠)时所获得的相比，喷嘴部能够以更大的体积偏转变形(例如，通过形成更复杂的形状)。特别地，发明人已经发现，内部致动器布置和外部致动器布置的同时致动可用于将喷嘴部分变形为允许在打印流体上施加更大的喷射力的形状。再次，这使得致动器能够更有效地构造(例如，单独使用比喷墨打印机中通常使用的致动器功率更小的致动器)。
可能的是，液滴喷射器包括至少一个与基材集成在一起的电子部件。至少一个电子部件可以包括至少一个有源电子部件(例如，晶体管)。附加地或可替代地，至少一个电子部件可以包括至少一个无源电子部件(例如，电阻器)。该至少一个电子部件可以包括与基材集成在一起的至少一个CMOS(即，互补金属氧化物半导体)电子部件。
在包括内部致动器布置(即，与是否存在或缺少外部致动器布置无关)的实施例中，内部致动器布置通常至少部分地环绕流体腔室出口。即，内部致动器布置通常形成在喷嘴形成层的喷嘴部分的至少部分地环绕流体腔室出口的内部部分上。可能的是，内部致动器布置环绕流体腔室出口。可能的是，内部致动器布置完全地环绕流体腔室出口。可能的是，内部致动器布置围绕流体腔室出口连续地延伸。
可能的是，内部致动器布置由单个内部致动器组成。
可能的是，内部致动器布置包括两个或更多个内部致动器，每个内部致动器部分地环绕流体腔室出口。两个或更多个内部致动器通常彼此间隔开。两个或更多个内部致动器通常围绕流体腔室出口彼此间隔开(即，不是在径向上彼此间隔开)。因此，可能的是，内部致动器布置围绕流体腔室出口不连续地延伸。
可能的是，内部致动器布置是基本圆环形的(即，环形的)。可能的是，内部致动器布置对中在流体腔室出口上。可能的是，内部致动器布置包括两个或更多个基本上圆环形的内部致动器。可能的是，内部致动器布置包括两个或更多个内部致动器，每个内部致动器在形状上为部分圆环形(即，各自形成为形成圆环的一部分(例如，区段)(即，环的一部分))。可能的是，两个或更多个部分圆环形的内部致动器对中在流体腔室出口上(即，对称地围绕其布置)。
通过为液滴喷射器设置对中在流体腔室出口上的基本上圆环形的致动器布置，喷嘴形成层的喷嘴部分的偏转围绕流体腔室出口通常是均匀的(即对称的)，从而导致来自流体腔室出口的液滴的顺畅排出。
可能的是，内部致动器布置是压电致动器布置，例如内部压电致动器布置。
可能的是，内部致动器布置(即，内部压电致动器布置)包括一个或多个内部压电致动器。
一个或多个内部压电致动器中的至少一个通常包括设置在成对驱动电极(即，内部成对驱动电极)之间的压电本体(即，内部压电本体)。
可能的是，一个或多个内部压电致动器中的每个包括设置在相应的对的驱动电极之间的压电本体(即，设置在相应的内部成对驱动电极之间的内部压电本体)。
可能的是，内部压电致动器布置是基本圆环形的(即，环形的)。可能的是，内部压电致动器布置对中在流体腔室出口上。
可能的是，内部致动器布置由单个内部压电致动器组成。可能的是，单个内部压电致动器是基本圆环形的。可能的是，单个内部压电致动器对中在流体腔室出口上。
可能的是，内部致动器布置包括两个或更多个内部压电致动器。可能的是，内部致动器布置包括两个或更多个基本上圆环形的内部压电致动器。可能的是，内部致动器布置包括两个或更多个内部压电致动器，每个内部压电致动器在形状上为部分圆环形(即，各自形成为形成圆环的一部分(例如，区段)(即，环的一部分))。可能的是，两个或更多个部分圆环形的内部压电致动器对中在流体腔室出口上(即，对称地围绕其布置)。
可能的是，内部压电致动器由相同的连续内部压电本体的部分形成。然而，每个内部压电致动器通常包括其自身的相应成对内部驱动电极。
可能的是，内部压电本体不延伸到喷嘴形成层的喷嘴部分的外部部分中。
可能的是，喷嘴形成层的喷嘴部分包括内部部分和外部部分，以及形成在内部部分上的内部压电致动器布置，其中，外部部分没有布置在其上的压电致动器布置，其中，内部压电致动器布置的致动借助通过所述内部压电致动器布置直接施加到所述内部部分的力在第一定向(即，第一方向)上使内部部分变形，并且其中，借助于连接到内部部分并保持围绕所述外部部分的周边，使外部部分在相反的第二定向(即，相反的第二方向)上变形。
内部压电致动器布置通常形成为小于在操作期间(即，在致动所述内部压电致动器布置时)变形的喷嘴部分的表面积的50％、或更通常小于40％、或更通常小于30％。
可能的是，内部成对驱动电极电连接到驱动电路。驱动电路通常构造成选择性地(即，当被致动时(例如，当使用时，连接到电源(例如，电压信号线)并且响应于致动信号))在内部成对驱动电极之间施加电势差，以致使内部压电本体偏转。
可能的是，内部成对驱动电极中的一个或多个电极电连接到与基材集成在一起的至少一个电子部件。
在包括外部致动器布置(即，与是否存在或缺少内部致动器布置无关)的实施例中，外部致动器布置通常至少部分地环绕流体腔室出口。即，外部致动器布置通常形成在喷嘴形成层的喷嘴部分的至少部分地环绕流体腔室出口的外部部分上。
可能的是，外部致动器布置环绕流体腔室出口。可能的是，外部致动器布置完全环绕流体腔室出口。可能的是，外部致动器布置围绕流体腔室出口连续地延伸。
可能的是，外部致动器布置由单个外部致动器组成。
可能的是，外部致动器布置包括两个或更多个外部致动器，每个外部致动器部分地环绕流体腔室出口。两个或更多个外部致动器通常围绕流体腔室出口彼此间隔开(即，而不是在径向上间隔开)。因此，可能的是，外部致动器布置围绕流体腔室出口不连续地延伸。
可能的是，外部致动器布置是基本圆环形的(即，环形的)。可能的是，外部致动器布置对中在流体腔室出口上。可能的是，外部致动器布置包括两个或更多个基本上圆环形的外部致动器。可能的是，外部致动器布置包括两个或更多个外部致动器，每个外部致动器在形状上为部分圆环形(即，各自形成为形成圆环的一部分(例如，区段)(即，环的一部分))。可能的是，两个或更多个部分圆环形的外部致动器对中在流体腔室出口上(即，对称地围绕其布置)。
通过为液滴喷射器设置对中在流体腔室出口上的基本上圆环形的致动器布置，喷嘴形成层的喷嘴部分的偏转围绕流体腔室出口通常是均匀的(即对称的)，从而导致来自流体腔室出口的液滴的顺畅排出。
可能的是，外部致动器布置是压电致动器布置，例如外部压电致动器布置。
可能的是，外部致动器布置(即，外部压电致动器布置)包括一个或多个外部压电致动器。
一个或多个外部压电致动器中的至少一个通常包括设置在成对驱动电极(即，外部成对驱动电极)之间的压电本体(即，外部压电本体)。
可能的是，一个或多个外部压电致动器中的每个包括设置在相应的成对驱动电极之间的压电本体(即，设置在相应的外部成对驱动电极之间的外部压电本体)。
可能的是，外部压电致动器布置是基本圆环形的(即，环形的)。可能的是，外部压电致动器布置对中在流体腔室出口上。
可能的是，外部致动器布置由单个外部压电致动器组成。可能的是，单个外部压电致动器是基本圆环形的。可能的是，单个外部压电致动器对中在流体腔室出口上。
可能的是，外部致动器布置包括两个或更多个外部压电致动器。可能的是，外部致动器布置包括两个或更多个基本上圆环形的外部压电致动器。可能的是，外部致动器布置包括两个或更多个外部压电致动器，每个外部压电致动器在形状上为部分圆环形(即，各自形成为形成圆环的一部分(例如，区段)(即，环的一部分))。可能的是，两个或更多个部分圆环形的外部压电致动器对中在流体腔室出口上(即，对称地围绕其布置)。
可能的是，外部压电致动器由相同的连续外部压电本体的部分形成。然而，每个外部压电致动器通常包括其自身的相应成对的外部驱动电极。
可能的是，外部压电本体不延伸到喷嘴形成层的喷嘴部分的内部部分中。
可能的是，喷嘴形成层的喷嘴部分包括外部部分和内部部分，以及形成在外部部分上的外部压电致动器布置，其中，内部部分没有布置在其上的压电致动器布置，其中，外部压电致动器布置的致动借助通过所述外部压电致动器布置直接施加到所述外部部分的力在第一定向(即，第一方向)上使外部部分变形，并且其中，借助于连接到外部部分并保持在外部部分内，使内部部分在相反的第二定向(即，相反的第二方向)上变形。
外部压电致动器布置通常形成为小于在操作期间(即，在致动所述外部压电致动器布置时)变形的喷嘴部分的表面积的50％、或更通常小于40％、或更通常小于30％。
可能的是，外部成对驱动电极电连接到驱动电路(例如，内部成对驱动电极连接到的驱动电路，如果存在的话)。驱动电路通常构造成选择性地(即，当被致动时(例如，当使用时，连接到电源(例如，电压信号线)并且响应于致动信号))在外部成对驱动电极之间施加电势差，以致使外部压电本体偏转。
可能的是，外部成对驱动电极中的一个或多个电极电连接到与基材集成在一起的至少一个电子部件。
在既包括内部致动器布置又包括外部致动器布置的实施例中，外部致动器布置通常至少部分地环绕内部致动器布置。即，外部致动器布置通常形成在喷嘴形成层的喷嘴部分的外部部分上，至少部分地环绕形成在喷嘴形成层的喷嘴部分的内部部分上的内部致动器布置。
可能的是，外部致动器布置环绕内部致动器布置。可能的是，外部致动器布置完全环绕内部致动器布置。可能的是，外部致动器布置围绕内部致动器布置连续地延伸。
可能的是，外部致动器布置包括两个或更多个外部致动器，每个外部致动器部分地环绕内部致动器布置。两个或更多个外部致动器通常围绕内部致动器布置彼此间隔开。因此，可能的是，外部致动器布置围绕内部致动器布置不连续地延伸。
内部致动器布置通常被设置成(即，与外部致动器布置相比)更靠近流体腔室出口(例如，更靠近流体腔室出口的周边)，并且外部致动器布置通常设置成(即，与内部致动器布置相比)更远离流体腔室出口(例如，更远离流体腔室出口的周边)。
外部致动器布置通常与内部致动器布置(即，径向地)间隔开。
可能的是，内部致动器布置和外部致动器布置都对中在流体腔室出口上。可能的是，内部致动器布置和外部致动器布置同轴布置。可能的是，内部致动器布置和外部致动器布置同心布置。可能的是，内部致动器布置和外部致动器布置都围绕流体腔室出口对称地形成。可能的是，内部致动器布置和外部致动器布置同心地布置。
通过为液滴喷射器设置对中在流体腔室出口上的基本上圆环形的致动器布置，喷嘴形成层的喷嘴部分的偏转围绕流体腔室出口通常是均匀的(即对称的)，从而导致来自流体腔室出口的液滴的顺畅排出。
可能的是，内部致动器布置是压电致动器布置，例如，内部压电致动器布置，和/或外部致动器布置是压电致动器布置，例如外部压电致动器布置。将理解的是，通过将内部致动器布置称为内部压电致动器布置，并不意味着外部致动器布置必然是压电致动器布置(即，外部压电致动器布置)。类似地，将理解的是，通过将外部致动器布置称为外部压电致动器布置，并不意味着内部致动器布置必然是压电致动器布置(即，内部压电致动器布置)。例如，可能的是，内部致动器布置和外部致动器布置中的一个是压电致动器设备(即，内部压电致动器布置或外部压电致动器布置)，而内部致动器布置和外部致动器布置中的另一个是非压电致动器布置(即，外部非压电致动器布置或内部非压电致动器布置)。替代地，内部致动器布置和外部致动器布置都是压电致动器布置(即，内部压电致动器布置和外部压电致动器布置)。
可能的是，内部致动器布置(例如，内部压电致动器布置)包括一个或多个内部压电致动器，而外部致动器布置(例如，外部压电致动器布置)包括一个或多个外部压电致动器。通常，一个或多个外部压电致动器至少部分地环绕一个或多个内部压电致动器。
可能的是，一个或多个内部压电致动器中的每个包括设置在相应的成对驱动电极之间的压电本体(即，设置在相应的内部成对驱动电极之间的内部压电本体)。可能的是，一个或多个外部压电致动器中的每个包括设置在相应的成对驱动电极之间的压电本体(即，设置在相应的外部成对驱动电极之间的外部压电本体)。然而，将理解的是，通过将内部致动器布置的压电本体称为内部压电本体，并不意味着外部致动器布置必然包括外部压电本体(例如，外部致动器布置可以是非压电的)。类似地，将理解的是，通过将外部致动器布置的压电本体称为外部压电本体，并不意味着内部致动器布置必然包括内部压电本体(例如，内部致动器布置可以是非压电的)。
可能的是，内部压电本体和外部压电本体都由相同的连续内部压电本体的部分形成。替代地，可能的是，内部压电本体和外部压电本体是独立的(即，不连续的)压电本体。可能的是，内部压电本体和外部压电本体彼此间隔开。
可能的是，内部成对驱动电极和外部成对驱动电极都电连接到驱动电路。驱动电路通常构造成选择性地(即，当被致动时(例如，当使用时，连接到电源(例如，电压信号线)并且响应于致动信号))在内部成对驱动电极之间施加第一电势差，以致使内部压电本体在第一方向上偏转，并且在外部成对驱动电极之间施加第二电势差，以致使外部压电本体在与所述第一方向相反的第二方向上偏转。
驱动电路可以构造成，当液滴喷射器在使用中并且连接到电源(例如，电压信号线)时，在内部成对驱动电极之间施加第一电势差以致使内部压电本体在第一定向上弯曲，并且在外部成对驱动电极之间施加第二电势差，以致使外部压电本体在与所述第一定向相反的第二定向上弯曲。
第一电势差和第二电势差通常具有相似(例如，相同)的幅度。第一电势差和第二电势差通常具有相反的极性。
可能的是，内部成对驱动电极和外部成对驱动电极中的一个或多个电极电连接到与基材集成在一起的至少一个电子部件。
可能的是，一个或多个内部压电本体(如果存在的话)和/或一个或多个外部压电本体(如果存在)包括可在低于450℃的温度下处理的一种或多种压电材料(例如，由这些材料组成)。
高于300℃，集成的电子部件(例如，CMOS电子部件)通常会开始退化，从而损害设备的操作并降低效率。高于450℃，集成电子部件(例如，CMOS电子部件)通常会更加严重地退化。因此，使用可在低于450℃的温度下处理的压电材料允许压电致动器与电子部件(例如，驱动电路的电子部件)一起处理和集成，而不会实质性损坏所述电子部件。
可能的是，一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体包括可在低于300℃的温度下处理的一种或多种压电材料(例如，由这些材料组成)。因此，使用可在低于300℃的温度下处理的压电材料允许压电致动器与电子部件(例如，驱动电路的电子部件)一起处理和集成，而对所述电子部件的损坏甚至更少。使用可在低于300℃的温度下处理的压电材料通常允许从单个基材(例如，从单个基材晶片)大规模制造多个流体喷射器来实现更高产出功能的设备。
通过将压电致动器与电子部件(例如，驱动电子件)集成在一起，减少或消除了提供单独的液滴喷射器驱动电子件(通常与现有设备中的任何压电打印头微芯片分开提供)的需求。因此，大量的液滴喷射器可能会紧密靠近集成在一个芯片上，增加了每个芯片的喷嘴数量，减小了总体打印头尺寸，并且允许比现有的压电打印头所能达到的密度更高的打印头的喷嘴密度。与集成在单个打印头芯片上相关的其它益处包括：降低了最终制造成本、降低了打印机系统成本、模块化、提高了设备可靠性并改善了打印机系统，比如改善了冗余度和有效产出。
与需要在较高温度下进行处理的压电材料相比，可在低于450℃(或低于300℃)下处理的压电材料通常具有较差的压电性能(例如，较低的压电常数)。例如，由诸如锆钛酸铅(PZT)之类的高温可处理压电材料形成的压电致动器比由诸如氮化铝(AlN)之类的低温可处理压电材料形成的压电致动器能够施加更大数量级的力，所有其它因素均相同。
然而，发明人已经发现，通过提供内部压电致动器布置和/或外部压电致动器布置，可以充分提高液滴喷射器的液滴喷射效率(特别是与如在现有的压电液滴喷射器中所发现的，在远离流体腔室出口的流体腔室壁上设置压电致动器相比)，使得使用低温可处理压电材料变得可行。本发明中的液滴喷射器的特殊结构使得能够使用可低温处理的压电材料，然后压电材料本身允许液滴喷射器与驱动电子件集成。
特别地，在内部一对或多对驱动电极之间施加电场(即，电势差)通常引起一个或多个内部压电致动器的变形，并且在外部一对或多对驱动电极之间会施加电场(即，电势差)通常引起一个或多个外部压电致动器的变形，每个致使喷嘴形成层的喷嘴部分的振荡高度衰减。喷嘴形成层的喷嘴部分的振荡在流体腔室内建立了振荡压力场，从而驱动液滴通过流体腔室出口的喷射。通过使喷嘴形成层的喷嘴部分位移(而不是使设置成更远离流体室出口的流体室壁位移)，需要相对较小的流体压力，从而需要相对较小的致动力来喷射液滴，从而有利于使用具有较低压电常数的低温可处理的压电材料。
因为由包含低温可处理的压电材料的压电致动器施加的力相对较低(与使用包含高温可处理的压电材料的压电致动器的设备相比)，因此由于实现了相对低的流体压力，减少了在打印头上的相邻的流体腔室之间的声串扰(借助于声波传播通过打印头)。较低的压力降低了流体的可压缩性，从而使声串扰的可能性更低。较低的声串扰水平允许在打印头上更紧密地集成相邻的液滴喷射器，而不会降低打印质量。
压电材料的处理通常包括所述压电材料的沉积。压电材料的处理还可包括在沉积之后对压电材料的进一步处理(即，沉积的压电材料的后沉积处理或“后处理”)。压电材料的处理可以包括压电材料的(即，沉积后)退火。
可在低于450℃(或低于300℃)的温度下处理的压电材料通常是可在低于450℃(或低于300℃)的温度下沉积的压电材料。可在低于450℃(或低于300℃)的温度下处理的压电材料通常不需要在450℃或更高(或300℃或更高)的温度下进行任何后沉积处理(比如沉积后退火)。因此，可在低于450℃(或低于300℃)的温度下处理的压电材料通常是可在低于450℃(或低于300℃)的温度下退火(沉积后)的压电材料(即，如果需要使压电材料退火，以使压电本体具有压电性)。
一种或多种压电材料通常可在低于450℃(或低于300℃)的温度下进行处理(例如，沉积，以及如果需要的话退火)，以使压电致动器可在低于450℃(或低于300℃)的温度下制造。在低于450℃(或低于300℃)的温度下制造压电致动器通常允许将压电致动器与至少一个与基材集成的电子部件集成。
因此，一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体通常可在低于450℃(或低于300℃)的温度下形成(例如，通过一种或多种压电材料的沉积，并且如果需要的话退火)。
一种或多种压电材料通常可在低于450℃(或低于300℃)的基材温度下处理(例如，沉积，并且如果需要的话退火)。换言之，在一种或多种压电材料的处理(例如沉积，并且如果需要的话，退火)期间，基材的温度通常不会达到或超过450℃(或300℃)。在压电本体的形成期间，基材的温度通常不会达到或超过450℃(或300℃)。在压电致动器的制造期间，基材的温度通常不会达到或超过450℃(或300℃)。可能的是，在(例如整个)液滴喷射器的制造期间，基材的温度不会达到或超过450℃(或300℃)。
一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体通常可通过一种或多种(例如低温)物理气相沉积(PVD)方法沉积(例如，被沉积)。一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体通常可通过一种或多种(例如低温)物理气相沉积方法在低于450℃(或更佳地，低于300℃)的温度(即，基材温度)下沉积(例如，被沉积)。
可能的是，一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体包括(例如由一种或多种)PVD可沉积的压电材料(例如，由其形成)。可能的是，一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体包括一种或多种(例如，低温的)PVD沉积的压电材料(例如，由其形成)。
物理气相沉积方法(例如，低温物理气相沉积方法)可以包括以下一种或多种沉积方法：阴极电弧沉积、电子束物理气相沉积、蒸发沉积、脉冲激光沉积、溅射沉积。溅射沉积可以包括溅射来自单个或多个溅射靶的材料。
一种或多种压电材料通常具有低于450℃(或低于300℃)的沉积温度。一种或多种压电材料可具有低于450℃(或低于300℃)的PVD-沉积温度。一种或多种压电材料可具有低于450℃(或低于300℃)的溅射温度。一种或多种压电材料可具有低于450℃(或低于300℃)的沉积后退火温度。将理解的是，沉积温度、PVD沉积温度、溅射温度或退火温度通常是在相应工艺期间的基材温度。
一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体可以包括一种压电材料(例如，由一种压电材料形成)。替代地，一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体可以包括多于一种压电材料(例如，由多于一种压电材料形成)。
一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体可以包括陶瓷材料(例如，由陶瓷材料形成)，该陶瓷材料包括铝和氮以及可选地选自以下的一种或多种元素：钪、钇、钛、镁、铪、锆、锡、铬、硼。
一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体可以包括氮化铝(AlN)(例如，由氮化铝形成)。
一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体可以包括氧化锌(ZnO)(例如，由氧化锌形成)。
一种或多种压电材料可包括氮化铝和/或氧化锌(例如，由其组成)。
氮化铝可以由纯氮化铝组成。替代地，氮化铝可以包括一种或多种其它元素(即，氮化铝可以包括氮化铝化合物)。氮化铝可包含以下元素中的一种或多种：钪、钇、钛、镁、铪、锆、锡、铬、硼。
一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体可以包括钪氮化铝(ScAlN)(例如，由钪氮化铝形成)。通常将钪在钪氮化铝中的百分比选择成在可制造性的范围内优化d31压电常数。例如，ScxAl1-xN中的x值通常选自范围0＜x≤0.5。钪的更大的分数通常会导致d31的值更大(即，更强的压电效应)。钪氮化铝中的钪的质量百分比(即重量百分比)通常大于5％。钪氮化铝中的钪的质量百分比(即重量百分比)通常大于10％。钪氮化铝中的钪的质量百分比(即重量百分比)通常大于20％。钪氮化铝中的钪的质量百分比(即重量百分比)通常大于30％。钪氮化铝中的钪的质量百分比(即重量百分比)通常大于40％。钪氮化铝中的钪的质量百分比(即重量百分比)可以小于或等于50％。
包括氮化铝化合物(特别是钪氮化铝)的氮化铝和氧化锌是压电材料，它们可以在450℃以下，或更佳地在300℃以下沉积。包括氮化铝化合物(特别是钪氮化铝)的氮化铝和氧化锌是压电材料，可以通过物理气相沉积(例如溅射)在450℃以下，或更佳地在300℃以下沉积它们。包括氮化铝化合物(特别是钪氮化铝)的氮化铝和氧化锌是压电材料，它们通常在沉积后不需要退火。
一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体可以包括在450°以下或更佳地在300℃以下通过物理气相沉积而沉积的氧化锌和/或氮化铝(例如，氮化铝化合物，例如钪氮化铝)(例如，由其形成)。
一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体可以包括一种或多种III-V族和/或III-VI族半导体(即，包括来自元素周期表的III和V族和/或II和VI族元素的化合物半导体)。这样的III-V族和II-VI族半导体通常以六方纤锌矿晶体结构结晶。六方纤锌矿晶体结构中结晶的III-V族和II-VI族半导体由于其非中心对称的晶体结构而通常具有压电性。
一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体可以包括非铁电压电材料(例如，由非铁电压电材料形成或组成)。一种或多种压电材料可以是一种或多种非铁电压电材料。铁电材料通常需要在强施加的电场下进行极化(即，后沉积)。非铁电压电材料通常不需要极化。
一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体通常具有的压电常数d31具有小于30pC/N、或更典型地小于20pC/N、甚至更典型地小于10pC/N的量级。一种或多种压电材料通常具有的压电常数d31具有小于30pC/N、或更典型地小于20pC/N、甚至更典型地小于10pC/N的量级。
一种或多种压电材料通常是CMOS兼容的。这样，将理解的是，一种或多种压电材料通常不包含会损坏CMOS电子结构的物质，或者通常是可处理的(例如，可沉积的，如果需要的话，可退火的)，而不使用会损坏CMOS电子结构的物质。例如，一种或多种压电材料的处理(例如沉积，并且如果需要的话，退火)通常不包括使用(例如强)酸(比如盐酸)和/或(例如强)碱(比如氢氧化钾)。
可能的是，喷嘴形成层包括喷嘴板。喷嘴板可以由单层材料组成。替代地，喷嘴板可以由两层或更多层(例如，不同的)材料的层压结构组成。喷嘴板通常由一种或多种材料形成，每种材料所具有的杨氏模量(即拉伸弹性模量)在70GPa至300GPa之间。喷嘴板可以由以下中的一种或多种形成：二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiO3N4)、碳化硅(SiC)、氮氧化硅(SiOxNy)。
可能的是，喷嘴形成层包括电互连层。电互连层通常包括通常被电绝缘体环绕的一个或多个电连接件(例如，电线材)。一个或多个电连接件(例如，电线材)通常由金属或金属合金形成。合适的金属包括铝、铜和钨及其合金。电绝缘体通常由诸如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiO3N4)或氮氧化硅(SiOxNy)的介电材料形成。
可能的是，在基材和喷嘴板之间设置(例如形成)电互连层。可能的是，电互连层设置(例如形成)在基材的第二表面上，并且喷嘴板设置(例如形成)在电互连层上。喷嘴板可包括一个或多个孔，通过这些孔可形成到电互连层的电连接。
可能的是，电互连层的喷嘴部分形成喷嘴形成层的喷嘴部分的至少一部分。可能的是，电互连层的喷嘴部分由介电材料组成。替代地，可能的是，电互连层不形成喷嘴形成层的喷嘴部分的部分。
内部成对驱动电极和外部成对驱动电极通常包括一层或多层金属(比如钛、铂、铝、钨、钼或其合金)。内部成对驱动电极和外部成对驱动电极可以层压。例如，内部成对驱动电极和外部成对驱动电极可以由铝-钼(Al/Mb)层压堆叠形成。内部成对驱动电极和外部成对驱动电极通常通过(例如，低温)PVD在低于450℃(或更通常低于300℃)的温度下(即，在基材温度下)沉积。
可能的是，内部成对驱动电极和外部成对驱动电极中的一个或多个电连接到至少一个电子部件。可能的是，内部成对驱动电极和外部成对驱动电极中的每一个电连接到至少一个电子部件。
液滴喷射器可以包括驱动电路。替代地，驱动电路可以形成包括液滴喷射器的打印头的部分。驱动电路通常产生操作内部致动器布置和外部致动器布置所需的电势差。
液滴喷射器可以包括控制电路。替代地，控制电路可以形成包括液滴喷射器的打印头的部分。控制电路通常确定何时操作驱动电路。
在其中液滴喷射器包括驱动电路的实施例中，所述驱动电路通常与基材集成在一起。至少一个电子部件通常形成驱动电路的部分。可能的是，内部成对驱动电极和/或外部成对驱动电极中的一个或多个电连接到驱动电路。可能的是，内部成对驱动电极和外部成对驱动电极中的每一个电连接到驱动电路。
可能的是，至少一个电子部件构造成在内部一对或多对驱动电极之间，如果存在的话(即，在使用中)，提供(例如，可变的)电势差(即，电压)。可能的是，至少一个电子部件构造成在内部一对或多对驱动电极之间(即，在使用中)改变电势差(即，电压)。
可能的是，至少一个电子部件构造成在外部一对或多对驱动电极对之间，如果存在的话(即，在使用中)，提供(例如，可变的)电势差(即，电压)。可能的是，至少一个电子部件构造成在外部一对或多对驱动电极之间(即，在使用中)改变电势差(即，电压)。
可能的是，至少一个电子部件构造成在内部一对或多对驱动电极之间提供第一电势差，并且在外部一对或多对驱动电极之间提供第二电势差。可能的是，至少一个电子部件构造成同时提供所述第一电势差和第二电势差。第一电势差和第二电势差通常具有相似(例如，相同)的幅度。第一电势差和第二电势差通常具有相反的极性。
驱动电路可以包括与基材集成在一起的CMOS电路(例如，CMOS电子件)。通常借助标准CMOS制造方法在基材上形成(例如生长)CMOS电子部件(例如，形成CMOS电路的部分的CMOS电子部件，即CMOS电子件)。例如，可以借助以下一种或多种方法来沉积集成的CMOS电子部件：物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积、分子束外延、原子层沉积、离子注入、光图案化、反应性离子蚀刻、等离子体暴露。
可能的是，液滴喷射器还包括覆盖内部致动器布置和外部致动器布置以及喷嘴形成层的保护层。该保护层通常是化学惰性的、不可渗透的和/或排斥流体的。保护层应具有低的杨氏模量(即，拉伸弹性模量)。保护层的杨氏模量应显著小于杨氏模量喷嘴形成层(并且特别是喷嘴板)和/或压电本体的模量。保护层通常具有小于50GPa的杨氏模量。保护层可以由一种或多种聚合材料形成，比如聚酰亚胺或聚四氟乙烯(PTFE)、类金刚石碳(DLC)、负性或正性光致抗蚀剂或环氧基光致抗蚀剂(比如Su-8，BCB)、或其任何组合。保护层可以包括两层或更多层具有不同流体润湿特性的这种不同材料。
液滴喷射器通常是整体式的。液滴喷射器通常是集成的(即，集成的液滴喷射器)。基材、喷嘴形成层、致动器布置、流体腔室、至少一个电子部件(例如，驱动电子件的电子部件)和保护层通常被集成(即，彼此集成)。液滴喷射器通常通过一种或多种沉积工艺通过整体地形成基材、喷嘴形成层、致动器布置、至少一个电子部件(例如，驱动电子设备的电子部件)和保护层来制造。液滴喷射器通常不是通过将一个或多个单独形成的部件(例如，单独形成的基材、喷嘴形成层、致动器布置、电子部件和/或保护层)结合在一起来制造的。
可能的是，基材的安装表面包括与流体腔室流体连通的流体入口孔。
流体腔室可以是大致细长的。流体腔室通常从基材的安装表面延伸到喷嘴表面。流体腔室通常沿着基本垂直于安装表面和/或喷嘴表面的方向延伸。流体腔室通常在流体入口孔和流体腔室出口之间延伸。
流体腔室在穿过基材的平面的横截面中可以是基本上圆形的。流体腔室在穿过基材平面的横截面中可以是基本上多边形的(例如，流体腔室的横截面可以是基本上正方形的)。流体腔室在穿过基材的平面的横截面中可以是多侧面的。
流体腔室的形状可以基本上是棱柱形的。基本上棱柱形的流体腔室的纵向轴线通常沿着基本垂直于安装表面和/或喷嘴表面的方向延伸。
流体腔室的形状可以基本上是圆柱形的。基本上圆柱形的流体腔室的纵向轴线通常沿着基本垂直于安装表面和/或喷嘴表面的方向延伸。
喷嘴形成层的喷嘴部分通常是喷嘴形成层的横跨流体腔室延伸的部分，从而形成流体腔室的至少一个壁。
喷嘴形成层的喷嘴部分通常突出超出基材，并且因此可独立于基材弯曲。
可能的是，喷嘴形成层的喷嘴部分是基本上圆环形的。
可能的是，流体腔室是基本上圆柱形的，而喷嘴形成层的喷嘴部分是基本上圆环形的。
流体腔室通常由一个或多个流体腔室壁界定。一个或多个流体腔室壁中的至少一个通常由基材的一部分形成。一个或多个流体腔室壁中的至少一个通常基本上垂直于(即，正交于)所述基材的安装表面和/或喷嘴表面延伸。垂直(即正交)的流体腔室壁通常允许将多个相邻的流体腔室(以及因此液滴喷射器)更紧密地封装到单个打印头上，从而增加喷嘴密度。垂直(即正交)的流体腔室壁通常通过深反应离子蚀刻(DRIE)方法形成，比如使用博世(Bosch)工艺。
可能的是，喷嘴形成层的喷嘴部分的周缘是基本上多边形的。可能的是，喷嘴形成层的喷嘴部分的周缘是多侧面的。喷嘴形成层的喷嘴部分可以是菱形的。喷嘴形成层的喷嘴部分可以是正方形的。然而，可能的是，喷嘴形成层的喷嘴部分(例如，喷嘴形成层的多边形、多面菱形和/或正方形的喷嘴部分)可以具有圆角。喷嘴形成层的喷嘴部分通常包括孔。孔可以是基本上圆形的。孔可以是基本上多边形的。孔可以是多侧面的。
可能的是，流体腔室的横截面在基材平面中的形状与喷嘴形成层的喷嘴部分的形状基本上相似。例如，可能的是，在喷嘴形成层的喷嘴部分为具有圆角的正方形的情况下，流体腔室的横截面为具有圆角的正方形。
可能的是，喷嘴形成层的喷嘴部分(即，喷嘴形成层的横跨流体腔室延伸的部分，从而形成流体腔室的至少一个壁)的形状在基材平面中的横截面中基本上类似于流体腔室的形状。例如，在流体腔室为基本上圆柱形(即，横截面为基本上圆形)的情况下，喷嘴形成层的喷嘴部的周缘为基本上圆形的。
该打印头可以是喷墨打印头。液滴喷射器可以是用于(例如，构造成用于)喷墨打印头的液滴喷射器。液滴喷射器可以是喷墨液滴喷射器。
打印头可构造成打印诸如功能性流体之类的流体(即液体)，以用于制造打印电子件。
该打印头可以构造成打印生物流体。生物流体通常包含生物大分子，例如诸如DNA或RNA之类的多核苷酸、微生物和/或酶。该打印头可以构造成打印用于生物学或生物技术应用中的其它流体，比如稀释剂或试剂。
该打印头可以是体素打印头(即，构造成用于例如增材打印的3D打印中的打印头)。
本发明的第二方面提供了一种打印头，该打印头包括多个根据本发明的第一方面的液滴喷射器。可能的是，多个液滴喷射器(例如，其中的一些或每一个)共享共用的基材。例如，可能的是，将多个液滴喷射器集成在所述共用基材上。
该打印头可以是喷墨打印头。多个液滴喷射器中的每一个可以是喷墨液滴喷射器。
打印头可构造成打印功能性流体，比如用于制造打印电子件。
该打印头可以构造成打印生物流体。生物流体通常包含生物大分子，例如诸如DNA或RNA之类的多核苷酸、微生物和/或酶。该打印头可以构造成打印用于生物学或生物技术应用中的其它流体，比如稀释剂或试剂。
该打印头可以是体素打印头(即，构造成用于例如增材打印的3D打印中的打印头)。
本发明的第三方面提供了一种打印机，该打印机包括一个或多个根据本发明的第二方面的打印头。
本发明的第四方面提供了一种致动根据本发明的第一方面的液滴喷射器的方法。该方法通常包括致动内部致动器布置和/或致动外部致动器布置，从而致使喷嘴形成层的喷嘴部分的至少一部分的移位，并因此通过流体腔室出口喷射来自流体腔室的流体。
可能的是，液滴喷射器包括内部致动器布置和外部致动器布置(即，该方法是致动液滴喷射器的方法，该液滴喷射器包括：具有安装表面和相对的喷嘴表面的基材；在基材的喷嘴表面的至少一部分上形成的喷嘴形成层；至少部分地由基材并且至少部分地由喷嘴形成层限定的流体腔室，该流体腔室具有至少部分地由所述喷嘴形成层的喷嘴部分限定的流体腔室出口，形成在喷嘴形成层的喷嘴部分的至少一部分上的内部致动器布置；以及形成在喷嘴形成层的喷嘴部分的至少部分地环绕内部致动器布置的至少一部分上的外部致动器布置。
可能的是，该方法包括同时致动内部致动器布置和外部致动器布置。内部致动器布置和外部致动器布置两者的致动通常致使喷嘴形成层的喷嘴部分的至少一部分的偏置，并因此致使来自流体腔室的流体通过流体腔室出口喷射(即，当流体存储在流体腔室中时)。因此，该方法通常包括在流体腔室中提供流体(即，液体)。
致动内部致动器布置和致动外部致动器布置的步骤通常同时地发生(即，在相同时间)。
驱动电路通常致动内部致动器布置和外部致动器布置两者。
在其中内部致动器布置包括一个或多个内部压电致动器的实施例中，可能的是，该方法包括在内部一对或多对驱动电极之间施加第一电势差(即，电压)，以致使一个或多个内部压电本体偏转。在其中外部致动器布置包括一个或多个外部压电致动器的实施例中，可能的是，该方法包括在外部一对或多对驱动电极之间施加第二电势差(即，电压)，以致使一个或多个外部压电本体偏转。可能的是，该方法包括同时地(即，在相同时间)施加第一电势差和第二电势差。驱动电路通常施加第一电势差和第二电势差。
可能的是，第一电势差和第二电势差具有相似(例如，相同)的幅度。可能的是，第一电势差和第二电势差具有相反的极性。具有相反极性的第一电势差和第二电势差的施加通常导致内部压电本体和外部压电本体在相反方向上的偏转。
可能的是，该方法包括：首先，(例如同时地)致动内部致动器布置和外部致动器布置，以使喷嘴形成层的喷嘴部分的至少一部分在第一方向上偏转；以及第二，(例如同时地)致动内部致动器布置和外部致动器布置，以使喷嘴形成层的喷嘴部分的至少一部分在与所述第一方向相反的第二方向上偏转。喷嘴形成层在第一方向上的偏转通常致使流体被吸入流体腔室中，而喷嘴形成层在第二方向上的偏转通常致使来自流体腔室的流体通过流体腔室出口的喷射。喷嘴形成层在第二方向上的偏转之前在第一方向上的偏转通常还允许通过在喷射时喷嘴部分位移更大的距离而在流体上施加更大的喷射力。
本发明任何一方面的可选或较佳特征可以是本发明任何其它方面的可选或较佳特征。
附图说明
现在将参考以下附图说明本发明的示例实施例，附图中：
图1是根据第一实施例的包括集成流体、电子电路、喷嘴和致动器的整体式液滴喷射器设备的视图；
图2是沿着图1所示的线F2的整体式液滴喷射器设备的剖视图；
图3是喷嘴的平面图，示出了图1所示的整体式液滴喷射器的特征，其中去除了保护涂层；
图4(a)和4(b)示出了图1的液滴喷射器设备的驱动脉冲实施方式的示意图；
图5是用于制造图1的液滴喷射器设备的制造工艺流程的示意图；
图6是示出根据本发明的第二示例实施例的电极结构的替代实施方式的剖视图；
图7是示出用于图6的液滴喷射器设备的替代驱动脉冲实施方式的示意图；
图8是示出根据本发明的第三示例实施例的喷嘴结构的替代实施方式的横截面的示意图；
图9是示出根据本发明的第四示例实施例的结合焊盘结构的替代实施方式的剖视图；
图10是在致动图1、图6、图8或图9的任何液滴喷射器设备时通过喷嘴结构的剖视图；
图11提供了横剖视图和平面图，其示出了根据本发明的第五示例实施例的仅具有内部致动器布置的替代的整体式液滴喷射器；
图12是在图11的液滴喷射器设备致动时通过喷嘴结构的剖视图；
图13提供了横剖视图和平面图，其示出了根据本发明的第六示例实施例的仅具有外部致动器布置的替代的整体式液滴喷射器；
图14是在图13的液滴喷射器设备致动时通过喷嘴结构的剖视图；
图15是示出了由液滴喷射器设备的膜片扫掠的体积与致动器布置的位置的关系曲线图；
图16以3D形式示出了根据图1、6、8、9、11和13的液滴喷射设备的膜片在致动时呈现的形状；
图17是示出针对四种不同致动实施方式的液滴喷射器膜片的偏转的曲线图；以及
图18是示出两种不同的致动器构造的液滴喷射器膜片的偏转与膜片上的致动器布置的位置的关系曲线图。
具体实施方式
第一示例实施例
参照图1至图5以及图10和图11描述第一示例实施例。
图1示出了根据本发明的第一示例实施例的整体式液滴喷射器设备1，其包括集成流体、电子电路、喷嘴和致动器。图2是沿着图1所示的线F2的整体式液滴喷射器设备1的剖视图；
如图1和图2所示，液滴喷射器设备是整体式芯片，其包括基材100、流体入口通道101、电子电路200、包括配线的互连层300、内部压电致动器400、外部压电致动器450、喷嘴板500、保护性前表面600、喷嘴601和结合焊盘700。图1示出了结合焊盘区域102和喷嘴区域103。
基材100的厚度通常在20至1000微米之间。互连层300、内部压电致动器400、外部压电致动器450、喷嘴板500和保护性前表面600的厚度通常在0.5至5微米之间。喷嘴601的直径通常在3至50微米之间。流体入口通道103的特征尺寸在50至800微米之间。
图1所示的整体式芯片包括4行喷嘴。每行以交替模式相对于相邻行偏移。不同构造的任何数量的喷嘴行都是可实现的。喷嘴在芯片上的布置构造成实现目标打印密度(即，每英寸的点数(dpi))、目标发射频率和/或目标打印速度。可以实现一系列不同的喷嘴构造，以满足特定打印要求。通过布置单独的喷嘴和喷嘴专用的驱动电子件201和202，可以实现不同的打印头喷嘴构造。
基材100由硅晶片形成，并且包括支承体102、流体入口通道101和电子电路200。
流体入口通道101通过基材100的厚度形成，在流体入口103处的一个表面处具有开口，并且在另一端处由喷嘴板500和喷嘴601终止。流体入口通道101的壁具有穿过基材100和互连层300的类似横截面。流体入口通道101是基本上圆柱形的(即，在基材平面内的横截面是基本上圆形的)。在与喷嘴板的界面处和在流体入口界面处的流体入口通道101的角部被倒圆以使应力集中最小化。
电子电路200形成在基材100的与包括流体入口103的表面相对的表面上。电子电路200可以包括数字和/或模拟电路。电子电路的部分201和202借助通过互连层300的线材301和302直接连接到内部压电致动器400和外部压电致动器450，并且位于致动器400和450附近以优化驱动波形应用。电极致动器线材互连件301和302可以是连续的单个结构，或者它们可以由多层线材构成。驱动电子件可以构造成在设定的时间段内向压电致动器施加设定电压或整形电压。
电子电路的部分203与整个整体式液滴喷射器设备的总体操作相关联，并且可以与致动器驱动电路201和202分开放置。与芯片的一般操作相关联的电路203能够执行一系列功能，包括数据路由、身份验证、芯片监控(例如芯片温度监控)、生命周期管理、产出信息处理和/或死喷嘴监控。电路203通过互连层300连接到结合焊盘700以及特定电极驱动电路201和202。芯片驱动电子件203可以包括模拟和/或数字电路，该模拟和/或数字电路构造成执行诸如数据缓存、数据路由、总线管理、通用逻辑、同步、安全性、身份验证、电源路由和/或输入/输出之类的不同功能。芯片驱动电子件203可以包括诸如定时电路、接口电路、传感器和/或时钟之类的电路部件。
在芯片的不同部分中，例如在喷嘴行之间或围绕芯片的周边，可能有许多通用的驱动电子件区域。
电子驱动电路包括CMOS驱动电路200。
互连层300直接形成在电子电路200和基材100的顶部上，并且包括电绝缘体和线材。互连层300中的线材将芯片电子电路203连接到结合焊盘700以及致动器电极驱动电路201和202两者。互连层300包括在喷嘴之间、围绕芯片的周边和/或在驱动电子设备上方引导的电源和数据路由。互连层300通常包括具有不同线材路径的多个层。
喷嘴板500形成在互连层300的顶部上。喷嘴板500由单一材料或多种材料的叠层形成。喷嘴板500连续横跨芯片的前表面，具有用于在下面的互连层300和上面的致动器电极401之间布线的电气开口。
喷嘴板500由一种或多种在沉积温度、组成和化学处理步骤方面必须可与CMOS电子驱动电路200一起制造的材料形成。喷嘴板材料还必须具有化学稳定性，并且不能渗透喷射的流体喷嘴板材料还必须与压电致动器的功能兼容。例如，合适材料的杨氏模量位于70GPa至300GPa的范围内。然而，能够通过改变喷嘴板500的厚度来适应杨氏模量的变化。示例喷嘴板材料包括二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)和氮氧化硅(SiOxNy)中的一种或多种(例如，包括其组合和/或叠层)。
每个外部压电致动器450包括第一电极451、压电层452和第二电极453的叠层。第一电极451附连到喷嘴板500。压电层452附连到第一电极451。第二电极403附连到与第一电极附连表面相对的压电层表面。第一电极451电连接到互连层300中的线材连接部301。第二电极453电连接到互连层300中的线材连接部302。第一电极451和第二电极453彼此电隔离。
每个内部压电致动器400包括第一电极401、压电层402和第二电极403的叠层。第一电极401附连到喷嘴板500。压电层402附连到第一电极401。第二电极403附连到与第一电极附连表面相对的压电层表面。第一电极401电连接到外部压电致动器的第二电极453。第二电极403电连接到外部压电致动器的第一电极451。内部压电致动器的第一电极401和第二电极403彼此电隔离。
电极材料是导电的，并且通常由金属或金属间化合物形成，比如由钛(Ti)、铝(Al)、铝化钛(TiAL)、钨(W)或铂(Pt)或其合金形成。这些材料可与CMOS驱动电路和压电层一起制造(就沉积温度和化学工艺兼容性而言)。
压电层402和452可由针对与CMOS和互连电路的制造兼容的而选择的材料形成。CMOS驱动电路通常能够承受高达约450℃的温度。然而，高产出制造需要低得多的峰值制造温度，通常为300℃。使CMOS驱动电子件经受超过持续时间的温度的沉积方法会降低性能，通常会影响掺杂剂迁移率和互连层内线材的性能。温度极限限制了压电层的沉积方法。合适的压电材料包括与CMOS电子件兼容的氮化铝(AlN)、氮化铝化合物(特别是钪氮化铝(ScAlN))和氧化锌(ZnO)。选择压电材料的成分以优化压电性能。例如，通常选择氮化铝化合物中任何其它元素的浓度(比如钪氮化铝中的钪浓度)以优化d31压电常数的大小。钪氮化铝中钪的浓度越高，d31的值通常越大。钪氮化铝中钪的质量百分比可以高达50％。
压电致动器材料在喷嘴板500的表面上不连续。压电材料主要位于喷嘴板的上方，并且包括许多开口，包括电极开口404和围绕喷嘴的区域405。
保护性前表面600形成在液滴喷射器设备100的外表面上，并且覆盖压电层402和452、电极401、403、451和453以及喷嘴板500。保护性前表面具有用于喷嘴601和用于结合焊盘700的开口。保护性前表面的材料是化学惰性的且不可渗透的。保护性前表面的材料也可以排斥要喷射的流体。仔细选择保护性前表面材料的机械性能，以最小化对压电致动器400和450以及喷嘴板500的施力作用的影响。将保护性前表面的材料选择为可利用CMOS兼容的工艺流程制造，例如在处理温度和化学工艺兼容性方面。保护性前表面600防止流体与任何电极或压电层接触。合适的保护性前表面材料包括聚酰亚胺、聚四氟乙烯(PTFE)、类金刚石碳(DLC)或相关材料。
图3是喷嘴的平面图，其示出了根据第一实施例的去除了保护涂层600的整体式液滴喷射器结构1的特征。虚线示出了流体入口103相对于压电内部致动器400和外部压电致动器450的下方位置。
在使用中，液滴喷射器设备1安装在能够将流体供应到流体入口103的基材上。流体压力在流体入口103处通常略微为负，并且流体入口通道101通常通过表面张力驱动的毛细作用“灌注”或填充有流体。一旦流体入口103被灌注，由于毛细作用，喷嘴601灌注到保护性前表面600的外表面。由于负流体压力和喷嘴601的几何形状的结合，流体不会经过喷嘴601移动到保护表面600的外表面上。
致动器驱动电路201和202根据来自整体驱动电路203的定时信号控制向驱动电极401、403、451和453的电压脉冲的施加。横跨压电材料层402和452施加电极电压形成两个电场。电场引起压电材料层402和452的变形。取决于电场相对于材料中极化的局部方向的取向，该变形可以是拉伸应变或压缩应变。由压电材料402和452的膨胀或收缩引起的感应应变通常会在喷嘴板500、压电致动器400和450以及保护性前层600的整个厚度上感应出应变梯度，从而引起喷嘴板相对于中间位置的移动或移位。
压电材料的压电特性可以部分地由横向压电常数d31表征。d31是压电系数张量的特定分量，其将在第一方向上横跨压电材料施加的电场与在垂直于所述第一方向的第二方向上在压电材料中感应的应变相关。所示的压电致动器400和450构造成使得所施加的电场在垂直于其中施加电场的方向的方向上在材料层中感应应变，并且因此由d31常数表征。
由于压电材料层402和452的厚度和成分均一，并且由于电极403和451与电极401和453之间的电交叉连接，恒定电压或电压脉冲的施加导致横跨内部致动器层施加第一电势差，并且横跨外部致动器层上施加第二电势差，其中第一电势差和第二电势差的大小相等，但极性相反。换言之，横跨内部致动器压电层建立电场E1，并且横跨外部致动器压电层建立电场E2，其中E1和E2大小相等，但作用方向相反。由于E1和E2的作用方向相反，因此内部致动器层和外部致动器层相反地变形。取决于E1和E2的极性，喷嘴板500的位移X相对于中间位置(即，当没有施加的电场时)为正或为负。在图4(a)的上部中示出了喷嘴板的正位移，而在该图的下部中示出了喷嘴板的负位移。
脉冲电场的施加能够引起喷嘴板500的振荡。喷嘴板的振荡通常在喷嘴板500下方的流体入口103中引起压力，该压力导致液滴从喷嘴601喷射出来。喷嘴板振荡的频率和幅度主要取决于压电致动器400和450、保护层600、喷嘴板500的质量和刚度特性、流体特性(例如流体密度、流体粘度(牛顿或非牛顿的)和表面张力)、喷嘴和流体入口的几何形状以及两个驱动脉冲的构造。
图4(a)和4(b)示出了两种驱动脉冲实施方式。在图中示出了横跨内致动器电极401和403的电压脉冲。将理解的是，大小相等但极性相反的电压脉冲同时横跨外部致动器电极451和453施加。
在第一实施方式中，横跨电极对施加稳态或DC电场引起压电层402和452的变形以及喷嘴板远离流体入口的稳态偏转，如在图4(a)的上部中所示的。喷嘴板下方的流体压力与流体入口的供应压力相同。应变能被存储在喷嘴板500、压电致动器400和450以及保护层600中。
然后去除电场，并施加反向电场脉冲，如图4(a)的下部中所示的。这不仅引起所存储的应变能的释放而且使压电材料在相反方向上进一步变形。喷嘴板朝向流体入口移动，这在流体入口和喷嘴区域中引起正压，并且液滴从喷嘴601喷射出来。反向电场脉冲可能会在去除直流电场后立即出现，或者会稍有延迟。
最终去除横跨压电材料的电场会使喷嘴板500返回到中间位置，而不会引起应变。
横跨内部致动器和外部致动器施加相反极性的电场会使喷嘴板变形为图10所示的形状。内部致动器区域中的喷嘴板相对于外部致动器区域内喷嘴板的曲率相反地弯曲，导致S形的横截面。与当喷嘴板仅设置有仅在一个定向上引起弯曲的致动器时可获得的位移相比，该特定形状显著增加了喷嘴板的喷嘴部距中间位置的最大位移。通过增加喷嘴板远离中间位置的最大位移，当去除施加的电场或极性反转时，可以施加更大的喷射力。这使得能够使用具有低d31常数的压电材料，由于这些材料能够产生的力较小，通常被认为不适合用于喷墨打印机。这些低d31材料通常可在较低温度下处理，从而使液滴喷射器与CMOS部件能够紧密集成。可获得的更大的喷射力还允许减小喷射器的总体尺寸，从而能够增加打印头喷嘴的密度。
在第二实施方式中，图4(a)中描述的直流电场构造具有如图4(b)中所示的脉冲场构造。这具有在较长的持续时间内使施加的应变影响最小化的优点。通过场脉冲切换应用的定时，可以实现双脉冲方法的另一个优点。第一脉冲的施加将引起初始喷嘴板移动离开流体入口的振荡，如图4(b)的上部中所示的。该振荡将在喷嘴板下方引入负流体压力，该负流体压力朝向喷嘴引入净流体流，这能够额外增强通过喷嘴的流体喷射流。
图5是示出用于液滴喷射器设备的制造工艺流程的示意图。如图5(a)所示，第一制造步骤是在硅晶片基材的表面上创建驱动电路和互连层300，例如CMOS驱动电路和互连部。CMOS驱动电路是通过标准工艺形成的，例如，在p型或n型基材上进行离子注入，然后通过标准CMOS制作工艺(例如，离子注入、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、蚀刻、化学机械平面化(CMP)和/或电镀)产生线材互连层。
执行随后的制造步骤以限定整体式液滴喷射器设备的特征和结构。将后续步骤选择为不损坏在先前步骤中形成的结构。关键的制造参数是峰值处理温度。与在高温下处理CMOS相关的问题包括掺杂剂迁移率的下降和互连线材方案。已知CMOS电子件可承受450℃的温度。然而，为获得高产出，期望低得多的温度(即低于300℃)。
如图5(b)所示，喷嘴板500、压电致动器400和450、保护层600和结合焊盘700形成在互连层的顶部上。
使用CVD或PVD工艺沉积喷嘴板500。
CMOS兼容的压电材料402和452的形成是特别令人感兴趣的，因为这是致动器的关键驱动元件。表1列出了一些常见的压电材料和与它们相关的制造方法，以及典型的d31值。可以看出，具有最高d31值的材料与整体式CMOS结构的制造不兼容。与CMOS结构兼容的材料具有低的d31值，因此具有低得多的施力能力。
从该表中可以看出，尽管可以在低温下通过PVD(包括溅射)沉积锆钛酸铅(PZT)，但随后需要在高于CMOS允许温度的温度下进行后处理退火。也可以通过溶胶凝胶法沉积PZT，但这又需要在CMOS极限以上的高温退火。PZT还具有非常慢的沉积速率，这在商业上是不可行的。PZT还包含铅，这在环境上是不期望的。
可以使用不需要诸如退火之类的后处理的低温PVD工艺(例如溅射)来沉积ZnO、AlN和AlN化合物(比如ScAlN)材料。这些材料也不需要极化。PZT需要极化步骤，其中材料要经受很高的电场，该电场会使所有电偶极子在电场的方向上取向。
因此，ZnO、AlN和AlN化合物(例如ScAlN)材料是用于制作整体式液滴喷射器设备的商业上可行的材料。然而，这些材料的d31值显著低于PZT的d31值。提高喷射效率的喷嘴的特定构造(即可致动的喷嘴板)以及提高致动效率的两对控制电极的使用抵消了与这些材料相关的较低的d31值。
使用CMOS可兼容的工艺，比如PVD(包括低温溅射)来沉积致动器电极材料。典型的电极材料可以包括钛(Ti)、铂(Pt)、铝(Al)、钨(W)、钼(Mo)或其合金。电极通过标准的图案化和蚀刻方法来限定。
可以使用旋涂和固化方法沉积和图案化保护材料(适用于聚酰亚胺或其它聚合材料)。诸如PTFE之类的一些材料可能需要更特定的沉积和图案化方法。
使用诸如CVD或PVD(例如溅射)之类的方法来沉积结合焊盘。
如图5(c)所示，使用高长宽比深反应离子蚀刻(DRIE)方法来限定流体入口通道。使用晶片前后侧对准工具将流体入口与喷嘴结构对准。可以在前后对准和蚀刻步骤期间将晶片安装在操作晶片上。
DRIE方法也可用于使晶粒单个化，但是，也可使用其它方法，例如晶片锯。
第二示例实施例
图6是示出电极结构的替代实施方式的剖视图。在该实施例中，电极403和453通过线材302连接到接地线204而不是驱动电路。接地线204位于互连层300内，并且连接到驱动电路区域203或直接连接到接地的结合焊盘700。
第三示例实施例
图7是示出与该液滴喷射器设备兼容的替代驱动脉冲实施方式的示意图。如图7所示，电压脉冲仅施加到例如401和453的每个电极对中的一个电极。这通过压电致动器400和450产生电场，其产生喷嘴板500的向下整体移位。也可以将该设备构造为将驱动脉冲施加到电极403和451以及将接地电压施加到电极401和453。
第四示例实施例
图8是示出喷嘴结构的替代实施方式的横截面的示意图，并且示出在流体入口101附近附连到喷嘴板层500的互连层的延伸部304。互连层延伸部304可以仅包括电介质材料而没有任何线材。在另一种变型中，该设备没有喷嘴板层，而仅具有附连到压电致动器的互连层。
第五示例实施例
图9是示出结合焊盘结构的替代实施方式的剖视图。在结合焊盘701附近已经去除了保护性前表面。这种几何形状改善了外部线材方案的可及性，并降低了在芯片的高度上方接合的线材的总体高度。
第六和第七示例实施例
图11是示出喷嘴结构的替代实施方式的横截面和平面图的示意图，该喷嘴结构仅包括邻近流体出口601的内部压电致动器400。在该实施例中，压电材料仅在电极401和402之间延伸，且不会延伸超过喷嘴板层500其余部分上方的电极(即，不会延伸到可能期望放置外部压电致动器的区域450中)。
横跨内部致动器施加电场会引起喷嘴板变形为图12所示的形状。内部致动器的致动使喷嘴板的内部部分在第一定向上弯曲。喷嘴板的外部部分在相反的定向上相应地弯曲，导致S形的横截面。与当喷嘴板仅设置有通常仅在一个定向上引起弯曲的、在喷嘴板的大部分上方延伸的一个致动器时可获得的位移相比，该特定形状显著增加了喷嘴板的喷嘴部距中间位置的最大位移。
另外，图13是示出喷嘴结构的替代实施方式的横截面和平面图的示意图，该喷嘴结构仅包括邻近流体出口601的外部压电致动器450。在该实施例中，压电材料仅在电极401和402之间延伸，且不会延伸超过喷嘴板层500其余部分上方的电极(即，不会延伸到可能期望放置内部压电致动器的区域400中)。
横跨外部致动器施加电场会引起喷嘴板变形为图12所示的形状。外部致动器的致动使喷嘴板的外部部分在第一定向上弯曲。喷嘴板的内部部分在相反的定向上相应地弯曲，导致S形的横截面。与当喷嘴板仅设置有通常仅在一个定向上引起弯曲的、在喷嘴板的大部分上方延伸的一个致动器时可获得的位移相比，该特定形状显著增加了喷嘴板的喷嘴部距中间位置的最大位移。
图15示出了在致动时由喷嘴板扫掠的体积与围绕流体出口对称定位的单个圆环形致动器的径向位置的关系。在这种情况下，压电材料层横跨整个喷嘴板延伸，并且致动器的位置由第一致动器电极和第二致动器电极的位置限定。喷嘴板具有的外半径为125微米。从该图可以看出，对于位于喷嘴板的外周边(距中心105微米的位置处)附近的致动器，可以实现最大扫掠体积(以及因此的流体喷射)。图16示出了在更靠近外周边定位的单个圆环形致动器的致动时由喷嘴板所占据的3D形状。可以看到喷嘴板的内部部分在与喷嘴板的外部部分相反的定向上弯曲。
图17示出了在同时包括内部压电致动器和外部压电致动器两者的实施例中，喷嘴板从中间位置的偏转(即，在致动任何致动器之前)如何随着横跨喷嘴板的径向位置而变化的关系。该图示出了以下数据集：“反转的极性”(同时提供内部圆环形致动器和外部圆环形致动器两者，每个均由具有相反极性的电场同时致动)；“相似极性”(同时提供内部圆环形致动器和外部圆环形致动器两者，每个均由具有相同极性的电场同时致动)；“仅内部”(同时提供内部圆环形致动器和外部圆环形致动器两者，但仅内部致动器被致动)；以及“仅外部”(同时提供内部圆环形致动器和外部圆环形致动器两者，但仅外部致动器被致动)。在这样的实施例中，当具有相反极性的电场施加到内部致动器和外部致动器时，实现最大偏转。
图18还示出了对于仅包括单个压电致动器，其中压电材料不延伸超过所述压电致动器的实施例，喷嘴板从中间位置的偏转如何根据横跨喷嘴板的径向位置而变化的关系。在这样的实施例中，当提供内部致动器时，实现最大偏转。在不包含致动器的区域中缺少压电材料带来了增加的柔性，因此，与同时结合有内部压电致动器和外部压电致动器的喷射器相比，结合有单个圆环形压电致动器(内部或外部)的喷射器能够实现更大的偏转。
可以在本文公开的本发明的范围内做出进一步的变型和修改。
该设备可以形成在硅晶片基材上。替代地，基材可以包括绝缘体上硅晶片或III-V半导体晶片。
流体入口通道可以是基本上圆柱形的，因此在基材的平面中具有基本上圆形的横截面。替代地，流体入口通道可采取各种其它横截面，包括多边的、规则的或不规则的形状。流体入口通道的形状通常取决于整体式芯片设计的其它方面，比如喷嘴的布局、驱动电子件的放置以及互连层300中的布线。
还可以选择横截面形状以最小化打印头芯片的宽度，而不引入故障机制。故障机制可能是结构性的(例如，过多的流体入口可能会降低芯片的坚固性)，也可能是操作性的(例如，互连线可能不足以承载适当的电流)。减小打印头宽度是期望的，因为这增加了能够在单个晶片上制造的芯片数量。
可以在本文公开的本发明的范围内做出进一步的变型和修改。

Claims (33)

1.一种用于打印头的液滴喷射器，所述液滴喷射器包括：基材，所述基材具有安装表面和相对的喷嘴表面；喷嘴形成层，所述喷嘴形成层在所述基材的所述喷嘴表面的至少一部分上形成；流体腔室，所述流体腔室至少部分地由所述基材限定并且至少部分地由所述喷嘴形成层限定，所述流体腔室具有至少部分地由所述喷嘴形成层的喷嘴部分限定的流体腔室出口，所述喷嘴部分包括内部部分和外部部分，所述内部部分更靠近所述流体腔室出口定位，所述外部部分更靠近所述喷嘴部分的周边定位；以及形成在所述喷嘴形成层的所述喷嘴部分的所述内部部分上的内部致动器布置和形成在所述喷嘴形成层的所述喷嘴部分的所述外部部分上的外部致动器布置中的任一个或两者，
其中，所述内部致动器布置和/或所述外部致动器布置中的至少一个以及所述喷嘴形成层的所述喷嘴部分构造成使得，在激活时，所述喷嘴部分的所述内部部分在第一定向上弯曲，而所述喷嘴部分的所述外部部分在与所述第一定向相反的第二定向上弯曲。
2.根据权利要求1所述的液滴喷射器，其特征在于，所述喷嘴形成层的所述喷嘴部分的所述外部部分至少部分地环绕所述喷嘴形成层的所述喷嘴部分的所述内部部分。
3.根据权利要求1所述的液滴喷射器，其特征在于，所述内部致动器布置至少部分地环绕所述流体腔室出口。
4.根据权利要求1所述的液滴喷射器，其特征在于，所述内部致动器布置和/或所述外部致动器布置都是基本上圆环形的。
5.根据权利要求1所述的液滴喷射器，其特征在于，还包括与所述基材集成在一起的至少一个电子部件。
6.根据权利要求1所述的液滴喷射器，其特征在于，包括内部致动器布置，所述内部致动器布置包括一个或多个内部压电致动器，所述一个或多个内部压电致动器中的至少一个包括设置在内部成对驱动电极之间的内部压电本体。
7.根据权利要求6所述的液滴喷射器，其特征在于，所述内部致动器布置包括基本上圆环形的单个内部压电致动器。
8.根据权利要求7所述的液滴喷射器，其特征在于，包括外部致动器布置，所述外部致动器布置包括一个或多个外部压电致动器，所述一个或多个外部压电致动器中的至少一个包括设置在外部成对驱动电极之间的外部压电本体。
9.根据权利要求8所述的液滴喷射器，其特征在于，所述外部致动器布置包括基本上圆环形的单个外部压电致动器。
10.根据权利要求9所述的液滴喷射器，其特征在于，所述单个外部压电致动器环绕所述单个内部压电致动器。
11.根据权利要求8所述的液滴喷射器，其特征在于，所述内部成对驱动电极和所述外部成对驱动电极均电连接到驱动电路，所述驱动电路构造成在使用中并连接到电源时，在内部成对电极之间施加第一电势差以致使所述内部压电本体在第一方向上的偏转，并且在外部成对电极之间施加第二电势差，以致使所述外部压电本体在与所述第一方向相反的第二方向上偏转。
12.根据权利要求8所述的液滴喷射器，其特征在于，一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体包括能在低于450℃的温度下处理的一种或多种压电材料。
13.根据权利要求8所述的液滴喷射器，其特征在于，一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体包括能在低于450℃的温度下沉积的一种或多种压电材料。
14.根据权利要求12所述的液滴喷射器，其特征在于，所述一种或多种压电材料是PVD沉积的压电材料。
15.根据权利要求12所述的液滴喷射器，其特征在于，所述一种或多种压电材料包括氮化铝和/或氧化锌。
16.根据权利要求15所述的液滴喷射器，其特征在于，所述一种或多种压电材料还包括以下元素中的一种或多种：钪、钇、钛、镁、铪、锆、锡、铬、硼。
17.根据权利要求12所述的液滴喷射器，其特征在于，所述一种或多种压电材料包括陶瓷材料，所述陶瓷材料包括铝和氮。
18.根据权利要求17所述的液滴喷射器，其特征在于，所述一种或多种压电材料包括选自以下元素的一种或多种元素：钪、钇、钛、镁、铪、锆、锡、铬、硼。
19.根据权利要求12所述的液滴喷射器，其特征在于，所述一种或多种压电材料是非铁电压电材料。
20.根据权利要求8所述的液滴喷射器，其特征在于，一个或多个内部压电本体和/或一个或多个外部压电本体具有大小小于20pC/N的d31压电常数。
21.根据权利要求1所述的液滴喷射器，其特征在于，所述基材的所述安装表面包括与所述流体腔室流体连通的流体入口孔。
22.根据权利要求1所述的液滴喷射器，其特征在于，所述流体腔室是基本上圆柱形的，并且所述喷嘴形成层的所述喷嘴部分是基本上圆环形的。
23.根据权利要求1所述的液滴喷射器，其特征在于，还包括覆盖所述内部致动器布置和所述外部致动器布置以及所述喷嘴形成层的保护层。
24.一种包括多个根据任一前述权利要求所述的液滴喷射器的打印头。
25.根据权利要求24所述的打印头，其特征在于，所述液滴喷射器共享共用的基材。
26.一种包括一个或多个根据权利要求24或25所述的打印头的打印机。
27.一种致动根据权利要求1至20中任一项所述的液滴喷射器的方法，所述方法包括：致动所述内部致动器布置和/或致动所述外部致动器布置，从而引起所述喷嘴形成层的所述喷嘴部分的至少一部分的移位，并因此引起来自所述流体腔室的流体通过所述流体腔室出口的喷射。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述液滴喷射器包括内部致动器布置和外部致动器布置两者，所述方法包括：致动所述内部致动器布置和所述外部致动器布置两者，从而引起所述喷嘴形成层的所述喷嘴部分的至少一部分的移位，并因此引起来自所述流体腔室的流体通过所述流体腔室出口的喷射。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，致动所述内部致动器布置和致动所述外部致动器布置的步骤同时发生。
30.一种致动根据权利要求11所述的液滴喷射器的方法，所述方法包括：致动所述内部致动器布置和所述外部致动器布置，从而引起所述喷嘴形成层的所述喷嘴部分的至少一部分发生的移位，并因此引起来自所述流体腔室的流体通过所述流体腔室出口的喷射，其中，致动所述内部致动器布置包括在所述内部成对驱动电极之间施加第一电势差以引起所述内部压电本体偏转，并且其中，致动所述外部致动器布置包括在所述外部成对驱动电极之间施加第二电势差，以引起所述外部压电本体偏转。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述第一电势差和所述第二电势差具有相反的极性，使得所述内部压电本体和所述外部压电本体在相反的方向上偏转。
32.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，同时施加所述第一电势差和所述第二电势差。
33.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，致动所述内部致动器布置和致动所述外部致动器布置的步骤同时发生。
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