CN1205112C - 改进的热致弯曲致动器 - Google Patents

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Abstract

一种热致弯曲致动器(6)，其设置有上支臂(23、25、26)和下支臂(27、28)，它们是非平面的，以便增大支臂的刚度。支臂(23、25、26、27、28)可以彼此横向间隔开，并且在平面图中彼此不重叠，从而使所有支臂能够通过淀积单独一个支臂形成材料层来形成。

Description

改进的热致弯曲致动器
技术领域
本发明涉及诸如喷墨打印机的微型机电装置领域，具体涉及一种用于微型机械或微型机电装置的热致动器。在此本发明将参照微型机电喷墨技术加以描述。然而，应理解到本发明确实具有应用于其他微型机电装置，如微型机电泵或微型机电推进器等的更广泛的用途。
背景技术
微型机电装置变得越来越普及，并一般包括利用半导体制造技术制造μm(微米)等级的装置。为了回顾目前微米机械装置，请参照1998年12月出版的IEEE系列第24到33页S.Tom Picraux和Paul J.McWhorter的文章“集成微型系统的大范围扫掠(The Broad Sweep of Integrated MicroSystems)”。
普遍使用的一种类型的微型机电装置为喷墨打印装置，在该装置中墨水从墨水喷嘴室喷出。公知有很多类型的喷墨装置。
已经发明了在喷墨打印及其相关装置上的多种不同技术。为了考察该领域，请参见编者为R Dubeck和S Sherr的输出硬拷贝装置(Output HardCopy Devices)中的J Moore的文章“非击打式打印：介绍以及历史展望(Non-Impact Printing：Introduction and Historical Perspective)”。
最近，已经由本申请人研制了一种新型的喷墨打印，其被称为微型机电喷墨(MEMJET)技术。在一种类型的MEMJET技术中，墨水利用机电致动器从墨水喷嘴室喷出，而机电致动器连接到叶片或柱塞上，而后者朝向该腔室的喷嘴移动，以用于从喷嘴室喷出墨滴。
在致动器先前的结构中，下支臂淀积为大致平面的单独一层，形成牺牲间隔层，然后上支臂淀积为大致平面层。
翼片半导体制造技术的制造成本的大部分取决于制造过程中要淀积的间隔层的数量。减小需要淀积的间隔层的数量会减小装置的成本。
热致动器的效率大致反比于致动器材料的质量。致动器支臂需要具有一定的刚度。如果在减小质量的同时保持支臂的硬度，那么可以改善致动器的效率。
本发明以其优选形式旨在解决上述问题中的一个或全部。
发明内容
在本发明的一个方面中，提供了一种热致动器，该致动器可以在单独一个步骤内由用于上支臂和下支臂组的材料制造。这是通过将各支臂布置成非重叠方式而实现的。
于是，在本发明一个方面中，提供了一种用于微型机械或微型机电装置的热致动器，该致动器包括：
支撑衬底；
致动器延伸部分；
至少一个第一支臂，该支臂在其第一端附着到衬底上，而在第二端附着到延伸部分上，在使用中第一支臂布置成可通过传导(conductively)加热；
至少一个第二支臂，该支臂在其第一端附着到支撑衬底上，而在第二端附着到延伸部分上，该第二支臂与第一支臂间隔开；
在使用中，第一支臂经历热膨胀，由此导致致动器向延伸部分施力；并且
其中，在平面图中，所述至少一个第一支臂和所述至少一个第二支臂不重叠。
在本发明第二方面中，提供了一种热致动器，该致动器具有至少一个包括加强装置的上支臂和下支臂。
于是，本发明第二方面提供了一种用于微型机械或微型机电装置的热致动器，该致动器包括：
支撑衬底；
致动器延伸部分；
至少一个第一支臂，该支臂在其第一端附着到衬底上，而在其第二端附着到延伸部分上，在使用中，第一支臂布置成可通过传导加热；
至少一个第二支臂，该支臂在其第一端附着到支撑衬底上，而在其第二端附着到延伸部分上，第二支臂与第一支臂间隔开；
在使用中，第一支臂经历热膨胀，由此导致致动器向延伸部分施力；并且
其中，在横截面图中，第一支臂和第二支臂中的至少一个为非线性的。
在横截面图中，第一支臂和第二支臂都可以是非线性的。
致动器优选地包括两个在第二端电互连的第一支臂，并优选地包括三个第二支臂。然而，其他上支臂和下支臂的组合也在本发明的范围内。
至少一个第一支臂和至少一个第二支臂可以相对彼此横向间隔开，并优选地在平面图中不重叠。
第一和第二支臂的边缘可以位于一个共同的平面内。
在第一和第二支臂的边缘位于一个共同平面内的情况下，第一支臂优选地具有位于该共同平面一侧的惯性中心，而第二支臂优选地具有位于共同平面另一侧的惯性中心。
在横截面图中，至少一个第一支臂和/或至少一个第二支臂可以包括远离其他支臂延伸的边缘部分。该边缘部分可以向内延伸。
在横截面图中，至少一个第一支臂或至少一个第二支臂、或者二者可以具有U、V、C或W型轮廓。
在本发明第三方面中，提供了一种制造热致动器的方法，其中用于上支臂和下支臂的材料在单独一个步骤中淀积。
于是，本发明的第三方面提供了一种形成热致动器的方法，其包括以下步骤：
a)淀积牺牲材料的第一层；
b)在第一层的一个选定部分或多个部分上至少淀积牺牲材料的第二层；
c)在牺牲层的第一和第二层上淀积致动器形成材料层；以及
d)选择性地去除致动器形成材料的各部分，以便形成淀积在第一层上的至少一个第一支臂和淀积在第二层至少局部上的至少一个第二支臂。
步骤b)可以包括在第二层选定各部分上淀积一层或多层牺牲材料的附加层。
附加层或各层可以仅淀积在第二层的一部分上。
如此形成的至少一个第一支臂可以为平面的或非平面的。在横截面图中，至少一个第一支臂或至少一个第二支臂、或二者可以具有U、V、C或W形轮廓。
各层在成形时可以淀积成至少一个第一支臂的横向边缘位于第一平面内，而至少一个第二支臂的横向边缘位于第二平面内。第一和第二平面可以位于共同平面内。
在平面图中，至少一个第一支臂和至少一个第二支臂可以重叠，或者彼此横向间隔开。
在平面图中，当具有至少两个第一或第二支臂时，各支臂交替。
在优选实施例中，改进的热致弯曲致动器通过淀积并蚀刻多个层，且致动器支臂成为波纹形式或为非线性结构，从而为增大弯曲方向上的刚度提供条件而形成。热致弯曲致动器的波纹状氮化钛层利用标准的平板印刷步骤限定，而在多个实施例中，为如此特性以至于掩膜边缘出现在相同的平面层上，从而所有边缘将同时处于步进电机(stepper)加工范围深度(depthof field)之内。
致动器支臂具有足够刚度以避免弯曲是至关重要的。对于给定的刚度，热致动器的效率大致反比于致动器材料的质量。利用波纹状或非线性结构为改善针对给定热质量(thermal mass)的刚度特性提供了条件。波纹在不增大厚度并由此增加致动器质量的前提下实现较高的刚度。这使得效率方面整体提高。总之，模拟试验表明效率有可能提高约50％。
在优选实施例中，热致弯曲致动器通过单层氮化钛的淀积而形成，以便形成间隔开的致动器支臂，该致动器支臂在垂直平面内不重合。利用平面致动器之外的单层的优点在于可以显著减少在该构件中淀积和构图的各层的数量。
附图说明
尽管还有会落入本发明范围内的其他形式，现在将参照附图仅以示例方式描述本发明优选形式，图中：
图1以示意形式示出热致弯曲致动器喷墨打印装置的工作；
图2示出本发明第一实施例的热致弯曲致动器的平面图；
图3示出本发明第一实施例的热致弯曲致动器的横截面；
图4示出本发明第二实施例的热致弯曲致动器的横截面；
图5示出制造过程中的根据第一实施例的热致弯曲致动器的横截面；
图6示出制造过程中的根据第二实施例的热致弯曲致动器的横截面；
图7示出通过与热致弯曲致动器的形成同时形成的喷嘴室的一部分的剖面图。
具体实施方式
将参照图1描述利用热致弯曲致动器装置6的液体部分的基本工作原理。应该理解到本发明的热致动器不局限于在这种液体喷射装置中使用。如图1所示，提供了一种喷墨结构1，该结构1包括喷嘴室2，该喷嘴室2通常填充有墨水，以便围绕具有升高的边沿的墨水喷嘴11形成弯液面10。喷嘴室2内的墨水借助于墨水供给通道3再补给。
墨水借助于热致动器7从喷嘴室2内喷出，热致动器7刚性连接到喷嘴叶片5上。热致动器7包括两个支臂8、9，且底部支臂9互连到电流源上，以便进行底部支臂9的传导加热。当需要从喷嘴室2内喷射墨滴时，加热底部支臂9，以便使得这个支臂9相对于顶部支臂8快速膨胀。快速膨胀又导致叶片5在喷嘴室2内快速向上运动。这个初始运动导致喷嘴室2内的压力明显增大，这又使得墨水流出喷嘴11之外，导致弯液面10起泡。接着，切断通向加热器9的电流，从而使得叶片5开始返回其初始位置。这导致喷嘴室2内的压力明显降低。喷嘴11边沿外侧的墨水的向前动量形成一个颈部，并断开弯液面，从而形成弯液面和墨水泡。该墨水泡随着叶片向其休止状态返回而持续向前，到达墨水打印介质上。然后弯液面返回到图1所示的位置，将墨水穿过叶片5吸入喷嘴室2内。喷嘴室2的侧壁形成孔，叶片5位于该孔中，且它们之间具有小的间隙。
图2和3示出根据本发明的热致弯曲致动器的第一实施例。
致动器具有两个下支臂27、28以及三个上支臂23、25和26。所有支臂形成为一体结构，并由一体的横支臂32连接。
如图3中所见，上支臂和下支臂的边缘位于共同平面33内。然而，下支臂27、28构造成延伸到共同平面33之下，而上支臂23、25、26延伸到共同平面之上。该结果为上支臂的纵向惯性中心在平面33之上，而下支臂的纵向惯性中心在平面之下，如线34和35分别表示的。
下支臂的自由端36、37选择性地连接到电源上，这使得电流从支臂27流过，进入横支臂32，并然后进入支臂28(反之亦然)，使得支臂27和28电阻加热。支臂23、25、26的自由端38、39、40未分别连接到电流上，从而电流未流入其中。从而，支臂23、25、26未被加热，而不会膨胀。端部36、37、38、39和40固定到固定块(未示出)上，以便下支臂27和28长度上的热膨胀导致致动器整体围绕固定块向上弯曲。这又导致连接到致动器上的任何装置，如喷墨叶片运动。
在横截面中，外部支臂23和26具有中心水平部分41和两个向下延伸部分42，后者对称地向下延伸到共同平面33。
在横截面中，中心支臂25具有两个外部44和两个内部45。两个内部45相对于彼此和支臂25的中线对称地向外并向上延伸。而外部44相对于两个内部向下并向外延伸，以延伸到共同平面33。
两个下支臂27和28相同，并且包括位于共同平面33内的中心部分46、从中心部分46向下延伸的两个中间部分47以及向上延伸到共同平面33的两个外部48。
两个下支臂27和28在中心上支臂25与外支臂26和23之间分别是等间隔的，以便支臂25位于致动器整体的中间。三个上支臂23、25和26的总的横截面积等于两个下支臂27和28的总的横截面积，但这不是主要的。可以理解到非平面的支臂具有更高的刚度，并由此与相同横截面积的支臂相比更耐弯曲。
图4示出第二实施例的横截面，其中提供了三个上支臂和两个下支臂。在平面图中，支臂的构型基本与用于第一实施例的图2中所示的相同。图4的实施例仅在上支臂和下支臂的横截面轮廓上有所不同。
外部上支臂80和81与第一实施例的支臂23和26具有相同的轮廓。中间上支臂82也类似于第一实施例的外支臂23和26，在于其具有中心部分，该中心部分带有两个向外并向下延伸的部分，后者终止在共同平面33处。应注意的是支臂82的中心部分85的宽度大于两个支臂80和81的，但是这不是主要的，而如果需要的话，三个上支臂可以横截面相同。
两个下支臂83和84类似于第一实施例中的，但是没有中心部分。代之以，外部86向内并向下从共同平面33延伸，从而与内部87相交，而内部87向外并向下从共同平面33延伸，以便形成W形状。
如图2和3所示，致动器支臂横截面的结构为如下方面提供条件，即与具有相同总横截面积的平面支臂的致动器相比，在不增大该层厚度前提下通过致动器臂的波纹特性来增加热致弯曲致动器的刚度，并降低热致弯曲致动器工作过程中的弯曲发生率。这使得横截面积及由此的质量得以减小，从而增加效率。另外，这允许在减小质量或不减小质量的前提下增大刚度，从而减小弯曲的风险。
由于上支臂和下支臂所有边缘位于相同平面内，这为增大暴露精度并允许致动器支臂比其他可能情况更紧密地形成到一起或者允许利用具有较小工作范围深度(depth of field)的设备(现代步进电机经常在大约0.5微米的工作范围深度上工作)提供了条件。另外，如下面将解释的，在优选实施例中，这也使得制造过程得以简化。
虽然在两个实施例中上支臂和下支臂的总横截面积类似，应理解到每个支臂的精确形状、横截面或者总横截面积不是关键，只要上支臂整体围绕一轴线弯曲，而该轴线垂直地远离下支臂围绕其弯曲的轴线即可。此外，虽然支臂的边缘优选地位于共同平面内，但是这不是主要的。
在所述的两个实施例中，上支臂的有效转动惯量和/或质量优选等于下支臂的，以用于使效率最佳。然而，这不是主要的，而两组支臂的有效转动惯量和/或质量可以不同。另外，两组支臂的惯性中心可以距共同平面33距离不等。
也应理解到本发明不局限于上支臂的数量与下支臂的数量为3∶2的比例。例如，在不限制本发明的范围前提下，2∶2、5∶3、4∶4的比例都是可以接受的。
将参照图5和图7描述根据本发明的热致弯曲致动器的制造，图7示出了利用根据本发明第一实施例的热致弯曲致动器的部分制造好的喷墨装置的横截面。图6也示出了根据本发明第二实施例的部分制造好的热致弯曲致动器。制造第一和第二实施例的加工步骤相同，且只是所使用的掩膜的结构导致最终产品有所区别。
参照图5，形成热致弯曲致动器的制造步骤包括如下步骤：
1.提供CMOS晶片20，该晶片具有在其上形成的所需电控结构；
2.淀积并蚀刻第一牺牲层22，以形成大致平面的衬垫层。该层22优选地通过层上旋涂(spinning on the layer)淀积成2微米厚的可光学成象聚酰胺层(PI)。然后该层通过第一掩膜曝光、显影并蚀刻，以便去除未曝光的区域，然后烤硬(hard-baked)。在烤硬阶段，PI收缩到1微米厚；
3.第二牺牲层21以与步骤2相同的方式但利用不同的掩膜淀积在第一层的选定区域上。第二层21不在所有第一层上延伸，而是设置成在各部分之间具有间隙19。在烘烤时，PI层如其特性那样收缩，其在间隙19每侧上形成相对大致水平平面倾斜成大约45度的侧壁。在图中，间隙19被示为在与第一层22交界处具有最小宽度。然而，应理解到间隙19可以在与第一层22交界处具有显著的宽度；
4.然后，第三牺牲层23淀积到第二层21的选定区域上，以形成三个支臂。同样，各边缘在烘烤时以与步骤2中相同的方式倾斜；
5.然后，淀积单独的0.25微米的氮化钛层18，以覆盖所有暴露的第一、第二和第三牺牲层21、22、23。然后，通过公知装置蚀刻氮化钛层，以去除所要形成的支臂之间的材料，并在各支臂之间形成间隙且构图氮化钛层18，从而根据先前步骤中掩膜图形的设计而形成具有图3或图4所示横截面的热致弯曲致动器；
6.然后淀积6微米厚的第四牺牲层59，以便形成用于喷嘴室的牺牲结构；
7.淀积1微米的介电材料层61，以形成喷嘴室2；
8.接着，淀积1微米的牺牲材料层，该层包括第五牺牲层(未示出)；
9.也淀积后续层(未示出)，以形成喷嘴边沿，且蚀刻优选地为非均质蚀刻，以便围绕喷嘴室留下较薄的喷嘴边沿结构；
10.如果需要的话，向衬底附着喷嘴保护结构(未示出)。该喷嘴保护结构可以独立地显微机械加工而成，以便与衬底匹配；
11.然后喷嘴保护结构固定到UV敏感的胶带上；
12.然后，利用Bosch蚀刻方法背部蚀刻CMOS晶片，以将晶片分隔成打印头区段，并形成通向喷嘴室的墨水供给通道；以及
13.然后，UV胶带曝光，以便降低其粘性，并留下单独的打印头区段，该区段可以为了测试而拾取并放置。
在上述过程中，用于两组支臂的氮化钛层在一个步骤内设置。这与依次淀积用于两组支臂的材料相比减少了加工步骤。此外，相邻支臂边缘的更大的间隔不会仅由所使用的步进电机的精度限制。
上述步骤同时形成热致弯曲致动器和喷嘴室及叶片。例如，在图7中，示出了喷嘴室的一部分50(该喷嘴室围绕轴线52对称)。在晶片20上形成CMOS层55。淀积并蚀刻第一牺牲层54，第二和第三牺牲层57和58也同样。在牺牲层顶部淀积氮化钛层60，该层包括形成叶片以及致动器的各部分。淀积并蚀刻随后的第四牺牲层59。这又随之以介电层61，该介电层61淀积并蚀刻成适当地形成喷嘴室。接着，蚀刻掉牺牲层，以便脱开(release)弯曲致动器，并同时脱开叶片结构。
本领域技术人员应理解到在不背离如广义描述的本发明的精髓或范围前提下可以如特定实施例中所示对本发明作出各种变型和/或修改。因此，本实施例在所有方面被认为是说明性的，而不是限制性的。

Claims (29)

1.一种用于微型机械或微型机电装置的热致动器，该致动器包括：
a)支撑衬底；
b)致动器延伸部分；
c)至少一个细长的第一支臂，该支臂在其第一端附着到衬底上，而在第二端附着到延伸部分上，第一支臂在使用时布置成可以通过传导加热；
d)至少一个细长的第二支臂，该支臂在其第一端附着到支撑衬底上，而在第二端附着到延伸部分上，第二支臂与第一支臂间隔开，
在使用中，至少一个第一支臂经历热膨胀，由此导致致动器向延伸部分施力，并且
其中，在横截面中，所述至少一个第一支臂和所述至少一个第二支臂中的至少一个为非线性的。
2.如权利要求1所述的致动器，其中，在横截面中，第一和第二支臂都是非线性的。
3.如权利要求1所述的致动器，其中，至少一个第一支臂和至少一个第二支臂相对彼此横向间隔开，并且在平面图中不重叠。
4.如权利要求1所述的致动器，其中，第一和第二支臂的横向边缘位于一共同平面内。
5.如权利要求4所述的致动器，其中，第一支臂具有位于该共同平面一侧的惯性中心，而第二支臂具有位于该共同平面另一侧的惯性中心。
6.如权利要求1所述的致动器，其中，在横截面中，第一支臂或第二支臂包括远离第二支臂和第一支臂中的另一个延伸的边缘部分。
7.如权利要求6所述的致动器，其中，在横截面中，所述边缘部分向内延伸。
8.如权利要求1所述的致动器，其中，第一支臂或第二支臂、或者二者在横截面中具有U、V、C或W形轮廓。
9.如权利要求1所述的致动器，其中，两个第一支臂在第二端电互连。
10.如权利要求1所述的致动器，包括三个第二支臂。
11.如权利要求1所述的致动器，其中，至少一个第一支臂和至少一个第二支臂形成为一体单元，所述第一和第二支臂在第二端连接到横向延伸的横支臂上。
12.一种用于微型机械或微型机电装置的热致动器，该致动器包括：
a)支撑衬底；
b)致动器延伸部分；
c)至少一个第一支臂，该支臂在其第一端附着到衬底上，而在其第二端附着到延伸部分上，第一支臂在使用中布置成可以通过传导加热；
d)至少一个第二支臂，该支臂在其第一端附着到支撑衬底上，而在其第二端附着到延伸部分上，第二支臂与第一支臂间隔开，
至少一个第一支臂在使用中经历热膨胀，由此导致致动器向延伸部分施力，并且
在平面图中，所述至少一个第一支臂和所述至少一个第二支臂不重叠，在横截面中，所述至少一个第一支臂和所述至少一个第二支臂中的至少一个为非线性的。
13.如权利要求12所述的致动器，其中，至少一个第一支臂和至少一个第二支臂的横向边缘位于共同平面内。
14.如权利要求13所述的致动器，其中，第一支臂具有位于该共同平面一侧的惯性中心，而第二支臂具有位于该共同平面另一侧的惯性中心。
15.如权利要求12所述的致动器，其中，在横截面中，第一支臂或第二支臂包括远离另一支臂延伸的边缘部分。
16.如权利要求15所述的致动器，其中，在横截面中，所述边缘部分向内延伸。
17.如权利要求12所述的致动器，其中，至少一个第一支臂或至少一个第二支臂、或二者在横截面中具有U、V、C或W形轮廓。
18.如权利要求12所述的致动器，包括在第二端电互连的两个第一支臂。
19.如权利要求12所述的致动器，包括三个第二支臂。
20.如权利要求12所述的致动器，其中，所述至少一个第一支臂与所述至少一个第二支臂形成为一体单元，所述第一和第二支臂在第二端连接到横向延伸的横支臂上。
21.一种形成热致动器的方法，包括以下步骤：
a)淀积牺牲材料的第一层；
b)在第一层的一个选定部分或多个部分上至少淀积牺牲材料的第二层；
c)在牺牲层的第一和第二层上淀积致动器形成材料层；以及
d)选择性地去除致动器形成材料的各部分，以便形成淀积在第一层上的至少一个第一支臂和淀积在第二层至少局部上的至少一个第二支臂。
22.如权利要求21所述的方法，其中，步骤b)包括在第二层选定部分上淀积一个或多个牺牲材料的附加层。
23.如权利要求21所述的方法，其中，所述一个或多个附加层仅淀积在第二层一部分上。
24.如权利要求21所述的方法，其中，至少一个第一支臂是非线性的。
25.如权利要求21所述的方法，其中，至少一个第二支臂是非线性的。
26.如权利要求21所述的方法，其中，在横截面中，所述至少一个第一支臂或所述至少一个第二支臂、或者二者具有U、V、C或W形轮廓。
27.如权利要求21所述的方法，其中，至少一个第一支臂的横向边缘在成形时位于第一平面内。
28.如权利要求21所述的方法，其中，至少一个第二支臂的横向边缘在成形时位于第二平面内。
29.如权利要求21所述的方法，其中，在成形时，至少一个第一支臂的横向边缘位于第一平面内，而至少一个第二支臂的横向边缘位于第二平面内，所述第一和第二平面处于共同平面内。
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