CN1289297C - 结合流体密封的微机电墨水喷嘴设备 - Google Patents

结合流体密封的微机电墨水喷嘴设备 Download PDF

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Abstract

一种结合流体密封的微机电墨水喷嘴设备包括：具有驱动电路的基底；墨水腔壁，位于基底上并限定容纳墨水的墨水腔和从其喷出墨水滴的喷嘴孔；操纵臂，一端固定到基底上以与驱动电路电连接，相对端可在静止和操作位置之间移动，操纵臂通过孔延伸进墨水腔；桨叶，连接到操纵臂并位于墨水腔中通过操纵臂向和从喷嘴孔移动；和块部件，位于操纵臂上并当操纵臂处于静止状态中时基本关闭墨水腔中的孔，块部件和墨水腔壁具有互补表面，其在操纵臂在静止状态时彼此接近而操作状态时彼此间隔开，构造互补表面使得当墨水腔装满墨水时在互补表面之间形成弯月形部分以限定流体密封，从而在操纵臂和部件在静止和操作位置之间移动时阻止墨水从表面之间泄漏。

Description

结合流体密封的微机电墨水喷嘴设备
技术领域
本发明涉及微机电(MEM)设备中的密封。本发明可应用于一种类型的喷嘴中，制造这种类型的喷嘴时将可应用于微机电系统(MEM)和金属氧化物半导体(“CMOS”)集成电路中的技术结合起来，以及今后在该应用的上下文中描述本发明。然而，应该理解，本发明能够更广泛地应用于其他类型的MEM设备内的密封。
共同未决的专利申请
在下面共同未决的专利申请中公开了与本发明相关的各种方法，系统与设备，这些共同未决的专利申请是本发明的申请人或者受让人与本发明申请同时递交申请的：
PCT/AU00/00518，    PCT/AU00/00519，    PCT/AU00/00520，
PCT/AU00/00521，    PCT/AU00/00522，    PCT/AU00/00523，
PCT/AU00/00524，    PCT/AU00/00525，    PCT/AU00/00526，
PCT/AU00/00527，    PCT/AU00/00528，    PCT/AU00/00529，
PCT/AU00/00530，    PCT/AU00/00531，    PCT/AU00/00532，
PCT/AU00/00533，    PCT/AU00/00534，    PCT/AU00/00535，
PCT/AU00/00536，    PCT/AU00/00537，    PCT/AU00/00538，
PCT/AU00/00539，    PCT/AU00/00540，    PCT/AU00/00541，
PCT/AU00/00542，    PCT/AU00/00543，    PCT/AU00/00544，
PCT/AU00/00545，    PCT/AU00/00547，    PCT/AU00/00546，
PCT/AU00/00554，    PCT/AU00/00556，    PCT/AU00/00557，
PCT/AU00/00558，    PCT/AU00/00559，    PCT/AU00/00560，
PCT/AU00/00561，    PCT/AU00/00562，    PCT/AU00/00563，
PCT/AU00/00564，    PCT/AU00/00565，    PCT/AU00/00566，
PCT/AU00/00567，    PCT/AU00/00568，    PCT/AU00/00569，
PCT/AU00/00570，    PCT/AU00/00571，    PCT/AU00/00572，
PCT/AU00/00573，    PCT/AU00/00574，    PCT/AU00/00575，
PCT/AU00/00576，    PCT/AU00/00577，    PCT/AU00/00578，
PCT/AU00/00579，    PCT/AU00/00581，    PCT/AU00/00580，
PCT/AU00/00582，    PCT/AU00/00587，    PCT/AU00/00588，
PCT/AU00/00589，    PCT/AU00/00583，    PCT/AU00/00593，
PCT/AU00/00590，    PCT/AU00/00591，    PCT/AU00/00592，
PCT/AU00/00584，    PCT/AU00/00585，    PCT/AU00/00586，
PCT/AU00/00594，    PCT/AU00/00595，    PCT/AU00/00596，
PCT/AU00/00597，    PCT/AU00/00598，    PCT/AU00/00516，
PCT/AU00/00517，    PCT/AU00/00511，    PCT/AU00/00501，
PCT/AU00/00502，    PCT/AU00/00503，    PCT/AU00/00504，
PCT/AU00/00505，    PCT/AU00/00506，    PCT/AU00/00507，
PCT/AU00/00508，    PCT/AU00/00509，    PCT/AU00/00510，
PCT/AU00/00512，    PCT/AU00/00513，    PCT/AU00/00514，
PCT/AU00/00515。
这些共同未决的专利申请的公开内容在这里被交叉引用。
背景技术
美国专利No.5,905,517描述了所需打印头上的用于热操作液滴的各种喷嘴布置，其中在单个基板上形成了多个喷嘴。在每个所描述的喷嘴布置中，通过在喷嘴中加热墨或通过使用压电元件来执行喷墨。
本发明申请人最近开发了一种高速页宽喷墨打印机。它通常采用51,200数量级的墨水喷嘴在A4尺寸的纸张上打印以便提供1,600dpi的照相质量图像。为达到此喷墨密度，制造这种类型的喷嘴时将MEMS-CMOS技术结合起来，以及上下文能够参考由本发明申请人申请的题为“热操纵器”的国际专利申请号PCT/AU00/00338。
在这些高速页宽喷墨打印机中，从电阻材料中部分地形成一个操纵器并且将电流施加于该杆上以便相对于基底移动该杆，从而在一张纸张上产生一个图像。该杆连至一个桨叶以便当该杆移动时将该桨叶移动从而将一滴墨水滴喷至纸上。为喷出墨水滴，该桨叶伸展入一个具有喷嘴孔的喷嘴腔，桨叶的移动促使墨水滴从喷嘴孔内喷出。因此操纵器和桨叶必须相对于喷嘴腔移动以便喷出墨水滴。此外，考虑到操纵器和桨叶相对于喷嘴腔的移动的必要性，必须在操纵器伸入喷嘴腔的地方进行密封，以便在打印机操作时墨水不至于欺骗性地从腔内泄漏。
发明内容
然而，在现有技术中，在微机电设备的尺寸上难于制作对移动部件的机械密封，且更具体地，难于把机械密封的制造包括到MEMS技术工艺中。进一步地，所有的机械密封，都会随着打印喷嘴的使用，由于部件的相对运动，而发生退化。
根据本发明，提供一种微机电墨水喷嘴设备，其包括：具有驱动电路的基底；墨水腔壁，位于所述基底上并限定一个容纳墨水的墨水腔和从其喷出墨水滴的喷嘴孔；操纵臂，其一端固定到所述基底上以与所述驱动电路电连接，其相对端相对于所述基底可在静止位置和操作位置之间移动，所述操纵臂通过在所述墨水腔壁中限定的孔延伸进所述墨水腔；桨叶，连接到所述操纵臂并位于所述墨水腔中，通过操纵臂向喷嘴孔移动和从喷嘴孔移开以从所述喷嘴孔喷出墨水滴；和块部件，位于所述操纵臂上并成形为当操纵臂处于静止状态中时，基本关闭所述墨水腔中的孔，所述块部件和墨水腔壁具有形状上互补的互补表面，其在操纵臂处于静止状态时彼此接近，而在操纵臂处于操作状态时彼此间隔开，构造所述互补表面使得当墨水腔装满墨水时在互补表面之间形成一个弯月形部分以限定流体密封，从而在操纵臂以及由此块部件在静止和操作位置之间移动时阻止墨水从所述互补表面之间泄漏。
优选地，本发明中所述墨水腔壁通常为圆柱形，墨水腔壁的互补表面在墨水腔壁中限定一个空穴，同时，块部件具有限定块部件的互补表面的壁，所述壁的形状构造为当操纵臂位于静止位置时与所述空穴对准。
优选地，所述墨水腔壁和块部件的壁都具有位于其上的唇边，所述唇边限定所述互补表面的边缘以阻止墨水浸润。
优选地，一个支撑凸缘位于所述基底上，使得操纵臂的一部分插入到所述块部件和所述支撑凸缘之间，所述支撑凸缘和操纵臂的所述部分构造为：当操纵臂处于静止状态中时操纵臂被支撑在支撑凸缘上，而当操纵臂处于操作状态中时在支撑凸缘和操纵臂之间形成弯月形部分以限定又一个流体密封，从而当操纵臂在操作和非操作位置之间移动时阻止墨水从墨水腔中泄露。
附图说明
以下参照附图通过例子描述本发明实施例，附图中：
图1是一个打印机墨水喷嘴的本发明实施例的平面图；
图2是图1中喷嘴实施例的沿着图1中线2-2的剖面图；
图3是类似于本发明实施例图2的更详细剖面图，其中操纵器处于极端位置以及一滴墨水被显示正被从喷嘴喷出；
图4是图1至3中所示优选实施例的一部分的透视图；
图5是根据本发明实施例的沿着图4中线5-5的剖面图；及
图6是根据本发明另一个实施例的沿着图4中线5-5的视图。
具体实施方式
如图1和其他相关附图中大约放大3000倍的图形所表示的，单个墨水喷嘴设备1被显示为通过将MEMS和CMOS技术相结合而制造的芯片的一部分。该完整的喷嘴设备包括一个支撑结构，它具有一个硅基底20、一个金属氧化物半导体层21、一个钝化层22和一个非腐蚀介质镀层/腔形成层29。可以参照以上确认的国际专利申请号PCT/AU00/00338的关于喷嘴设备制造的公开内容。在由相同的本发明申请人提出申请的题为“微机电设备中的移动传感器”(MJ12)的共同未决申请中更全面地公开了该设备的操作。这两个申请的公开内容在说明书中被用作参考。
该喷嘴设备包括一个连至一个墨水源(未示出)的墨水腔24。如以下将描述的，层29形成一个腔壁23，它具有一个用于将墨水滴自包含于腔24内的墨水25中喷出的喷嘴孔13。如图1中所示，壁23一般是圆柱形配置，该喷嘴孔13实际上位于圆柱形壁23的中部。该壁23具有一个部分圆形内凹的圆形边缘部分10，它形成壁23的周围部分。
如图3中所示，该腔24也由一个周围侧壁23a、一个下侧壁23b、一个基壁(未示出)和一个基底20的直边缘部分39所形成。一个操纵杆28形成于层22上，及支撑部分23c形成于操纵杆28的一端。
操纵杆28在制造设备时被淀积，以及能够相对于基底20和支撑部分23c通过铰链转动。操纵杆28包括上半和下半杆部分31和32。操纵杆28的上半部分31是一个与CMOS层21接触的电触点，用于向部分32提供电流以便通过热弯曲将操纵杆28自图2中所示位置移动至图3中所示位置，以使墨水滴通过喷嘴孔13喷至纸上(未示出)。因此，层22包括用于向部分32和其他电路提供电流的电源电路，以便操作附图中所示喷嘴，如同以上共同未决的专利申请中所描述的那样。
一个块8安装于操纵杆28上并且包括一个凸缘部分50，该凸缘部分50伸展穿过部分32中的开口52以便于将该块8固定于操纵杆28上。操纵杆28携带一个安排于腔24内的桨叶27，它可如图1和3中所示地随着操纵杆移动，以便喷出墨水滴D。
周围侧壁23a、腔壁23、块8和支撑部分23c全部都通过将用于形成层29的材料进行淀积和将保护材料腐蚀而形成，从而形成腔24、喷嘴孔13、分离的块8、以及块8与支撑部分23c之间的空间。在基底20上淀积时也形成下半壁部分23b。
层22的端边22a与壁23的部分圆形边缘部分10之间的空间形成一个操纵器孔54，当操纵杆28处于如图1和2中所示静止状态中时，它实际上全部被块8上的壁9所包围。当处于图1和2中所示静止位置中时，壁23的圆形边缘部分10离开壁9一段距离，该距离小于1微米，以便形成壁9与圆形边缘部分10之间的细槽。
该部分圆形边缘部分10形成一个部分圆形空穴11以及该部分圆柱形块8与空穴11对准以使圆柱形壁9相对于圆形边缘部分10保持紧密靠近关系。该部分圆形边缘部分10与部分圆形壁9围绕图1中所示轴A是同中心线的，该轴A伸展入和伸展出图1中所示纸张平面。部分圆柱形块8可以具有一个中央空穴90和一个形成于空穴11之外的盒状桁架结构92。该空穴90可以填以保护材料，该材料完全将空穴填实以致它在形成喷嘴的过程中不被腐蚀。桁架结构92内的空穴也可以填以保护材料，该材料在形成喷嘴的过程中也不被腐蚀。空穴90和桁架结构内其他空穴内的保护材料能够增强块8的强度。
当操纵杆28上下移动以便自腔24中喷射墨水滴D时，平面壁9相对于壁23的圆形边缘部分10上下移动，从而保持与壁23的圆形边缘部分10的紧密相距关系。考虑到壁9与圆形边缘部分10的邻近性，当壁9相对于圆形边缘部分10上下移动时，在壁9与圆形边缘部分10之间形成一个弯月形部分M。该弯月形部分M的形成在壁9与圆形边缘部分10之间形成一个密封，从而能够减少自腔24内泄漏和浸润墨水的可能性。在层22上形成的支撑凸缘56与在其上形成块8的操纵杆28的部分58之间也形成一个弯月形部分M2。该弯月形部分M2的形成也能减少操纵杆28和桨叶27移动时墨水泄漏和浸润的可能性。在操纵器孔54的各边(未示出)与用于形成操纵器孔54的周围侧壁23a的各边(未示出)之间也形成一个弯月形部分(未示出)。
如图3中所示，圆形边缘部分10可以携带一个唇边80，以及壁9也可携带一个唇边82，以便进一步减少墨水自腔24中浸润至块8或壁23的上表面的可能性。唇边80可以完全伸展在壁23周围，以及类似的唇边也可被提供于喷嘴孔13上。
参照图5和6，该桨叶27通过一个自块8向外伸展的结构部分120连至操纵杆28的其余部分。该结构部分120能够包括一个增强结构以便增强结构部分120的强度，因而也增强桨叶27与操纵杆28其余部分的连接部分的强度。
图5显示增强结构的一个实施例，在此实施例中该部分120由包围于保护材料124周围的氮化钛层122和123所形成。在图6中所示第二实施例中，该层122是一个包围于保护材料126、127和128周围的波纹状层。图5和6中所示结构能够增强用于连接块8与桨叶27的结构部分120的强度。

Claims (4)

1.一种微机电墨水喷嘴设备，其包括：
具有驱动电路的基底；
墨水腔壁，位于所述基底上并限定一个容纳墨水的墨水腔和从其喷出墨水滴的喷嘴孔，其特征在于该喷嘴设备还包括：
操纵臂，其一端固定到所述基底上以与所述驱动电路电连接，其相对端相对于所述基底可在静止位置和操作位置之间移动，所述操纵臂通过在所述墨水腔壁中限定的孔延伸进所述墨水腔；
桨叶，连接到所述操纵臂并位于所述墨水腔中，通过操纵臂向喷嘴孔移动和从喷嘴孔移开以从所述喷嘴孔喷出墨水滴；和
块部件，位于所述操纵臂上并成形为当操纵臂处于静止状态中时，基本关闭所述墨水腔中的孔，所述块部件和墨水腔壁具有形状上互补的互补表面，其在操纵臂处于静止状态时彼此接近，而在操纵臂处于操作状态时彼此间隔开，构造所述互补表面使得当墨水腔装满墨水时在互补表面之间形成一个弯月形部分以限定流体密封，从而在操纵臂以及由此块部件在静止和操作位置之间移动时阻止墨水从所述互补表面之间泄漏。
2.根据权利要求1所述的微机电墨水喷嘴设备，其中所述墨水腔壁为圆柱形，墨水腔壁的互补表面在墨水腔壁中限定一个空穴，同时，块部件具有限定块部件的互补表面的壁，所述壁的形状构造为当操纵臂位于静止位置时与所述空穴对准。
3.根据权利要求2所述的微机电墨水喷嘴设备，其中墨水腔壁和块部件的壁都具有位于其上的唇边，所述唇边限定所述互补表面的边缘以阻止墨水浸润。
4.根据权利要求1所述的微机电墨水喷嘴设备，其中一个支撑凸缘位于所述基底上，使得操纵臂的一部分插入到所述块部件和所述支撑凸缘之间，所述支撑凸缘和操纵臂的所述部分构造为：当操纵臂处于静止状态中时操纵臂被支撑在支撑凸缘上，而当操纵臂处于操作状态中时在支撑凸缘和操纵臂之间形成弯月形部分以限定又一个流体密封，从而当操纵臂在操作和非操作位置之间移动时阻止墨水从墨水腔中泄露。
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