IT201700019431A1

IT201700019431A1 - Dispositivo microfluidico mems di stampa ad attuazione piezoelettrica

Info

Publication number: IT201700019431A1
Application number: IT102017000019431A
Authority: IT
Inventors: Domenico Giusti; Mauro Pasetti
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2018-08-21
Also published as: CN108452967A; US10857792B2; CN108452967B; CN207667862U; US20190160816A1; US20180236445A1; US10232615B2

Description

del brevetto per invenzione industriale dal titolo: "DISPOSITIVO MICROFLUIDICO MEMS DI STAMPA AD ATTUAZIONE PIEZOELETTRICA"

La presente invenzione è relativa ad un dispositivo microfluidico MEMS di stampa ad attuazione piezoelettrica.

Come noto, per la spruzzatura di inchiostri e/o aromi, per esempio profumi, è stato proposto l'uso di dispositivi microfluidici di piccole dimensioni, realizzabili con le tecniche di fabbricazione microelettronica.

Ad esempio, il brevetto statunitense US 9.174.445 descrive un dispositivo microf luidico adatto per la spruzzatura termica di inchiostro su carta.

Un altro tipo di dispositivo microfluidico adatto per la spruzzatura di fluidi si basa sul principio piezoelettrico. In particolare, i dispositivi con attuazione piezoelettrica possono essere classificati in base al modo di oscillazione, longitudinale o flessionale. In seguito, si farà riferimento a dispositivi operanti in modo flessionale, senza che l'invenzione sia limitata a tale categoria di dispositivi.

Un esempio di realizzazione di un dispositivo microfluidico con attuazione piezoelettrica di tipo flessionale è descritto ad esempio in US 2014/0313264 ed è mostrato in figura 1, riferita ad un singolo elemento eiettore, indicato con 30 e integrato in un dispositivo microfluidico 1.

L'elemento eiettore 30 di figura 1 comprende una porzione inferiore, una porzione intermedia ed una porzione superiore, sovrapposte e incollate ("bonded") reciprocamente .

La porzione inferiore è costituita da una prima regione 32, di materiale semiconduttore, presentante un canale di ingresso 40.

La porzione intermedia è formata da una seconda regione 33, di materiale semiconduttore, che delimita lateralmente una camera di contenimento fluido 31. La camera di contenimento fluido 31 è inoltre delimitata inferiormente dalla prima regione 32 e superiormente da uno strato di membrana 34, ad esempio di ossido di silicio. La zona dello strato di membrana 34 al di sopra della camera di contenimento fluido 31 forma una membrana 37. Lo strato di membrana 34 è realizzato di spessore tale da potersi deflettere, ad esempio di circa a 2,5 μπι.

La porzione superiore è formata da una terza regione 38, di materiale semiconduttore, che delimita una camera attuatore 35, sovrapposta alla camera di contenimento fluido 31 e alla membrana 37. La terza regione 38 presenta un canale passante 41, in comunicazione con la camera di contenimento fluido 31 attraverso una corrispondente apertura 42 nello strato di membrana 34.

Un attuatore piezoelettrico 39 è disposto al di sopra della membrana 37, nella camera attuatore 35. L'attuatore piezoelettrico 39 è costituito da una coppia di elettrodi 43, 44, reciprocamente sovrapposti, fra i quali si estende uno strato di materiale piezoelettrico 29, ad esempio PZT (Pb, Zr, Ti03).

Una piastra ugelli 36 è disposta al di sopra della terza regione 38, incollata ("bonded") a questa tramite uno strato di incollaggio 47. La piastra ugelli 36 è dotata di un foro 48, disposto al di sopra e collegato fluidicamente con il canale 41 attraverso un'apertura 46 nello strato di incollaggio 47. Il foro 48 costituisce un ugello di un canale di emissione goccia, indicato complessivamente con 49 e comprendente anche il canale passante 41 e le aperture 42, 46.

In uso, un fluido o liquido da eiettare viene fornito alla camera di contenimento fluido 31 attraverso il canale di ingresso 40 e un dispositivo di comando esterno genera segnali di comando di attuazione, applicando opportune tensioni fra gli elettrodi 43, 44. In particolare, in una prima fase, gli elettrodi 43, 44 vengono polarizzati in modo da provocare una deflessione della membrana 37 verso l'esterno della camera di contenimento fluido 31. La camera di contenimento fluido 31 aumenta di volume e si riempie quindi di liquido. In una seconda fase, l’attuatore piezoelettrico 39 viene comandato in direzione opposta, in modo da deflettere la membrana 37 verso l'interno della camera di contenimento fluido 31, causando un movimento del fluido presente nella camera di contenimento fluido 31 verso il canale di emissione goccia 49. Viene così generata l'espulsione controllata di una goccia, come rappresentato dalla freccia 45. In seguito, viene eseguita la prima fase in modo da aumentare nuovamente il volume della camera di contenimento fluido 31, richiamando ulteriore fluido attraverso il canale di ingresso di ingresso 40.

I dispositivi microfluidici con attuazione piezoelettrica sono particolarmente vantaggiosi per quanto riguarda la qualità di stampa, i bassi costi e dimensione minima della goccia, che consente di ottenere una stampa con elevato dettaglio e/o elevata definizione, oltre che una elevata densità di nebulizzazione.

In generale, ciascun dispositivo microfluidico comprende un elevato numero di elementi eiettori, disposti affiancati fra loro, in modo da fornire le caratteristiche di stampa desiderate. Ad esempio, la figura 2 mostra schematicamente la disposizione di una pluralità di elementi eiettori 30, disposti affiancati su diverse file.

Un problema esistente con i dispositivi microfluidici di tipo piezoelettrico considerati consiste nel fatto che ciascun elemento eiettore può essere comandato singolarmente, tramite uno specifico segnale di comando fornito dall'esterno del dispositivo microfluidico.

Ciò fa sì che il dispositivo microfluidico debba prevedere un numero di piazzole di contatto ("pad") pari al numero di singoli elementi eiettori. Ad esempio, i dispositivi attuali presentano 600 elementi eiettori e relative piazzole di contatto, e si desidera aumentare il numero di elementi eiettori (e quindi delle relative piazzole di contatto) fino a 1500 e oltre.

Ne consegue che l'area del dispositivo deve essere sufficientemente grande da poter alloggiare tutte le piazzole di contatto, il che può essere svantaggioso in alcune applicazioni in cui sono richieste dimensioni ridotte. Inoltre, l'elevato numero di piazzole rende complesse le operazioni di connessione elettrica. Infatti, il dispositivo viene generalmente fissato ad una struttura di supporto (ad esempio di tipo flessibile) e le piazzole di contatto vengono collegate ad un dispositivo di comando esterno, realizzato generalmente come ASIC (dall'inglese "Application Specific Integrateci Circuit"), tramite connessione a filo ("wire bonding"). D'altra parte la realizzazione di un elevato numero di connessioni a filo è costoso, complicato e ha un elevato impatto sulla resa generale.

Scopo della presente invenzione è realizzare un dispositivo microfluidico che superi gli inconvenienti della tecnica nota.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un dispositivo microf luidico, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 è una sezione trasversale di un elemento eiettore di un dispositivo microfluidico di tipo piezoelettrico noto;

- la figura 2 è una vista dall'alto semplificata rappresentante la disposizione di una pluralità di elementi eiettori in un dispositivo microfluidico;

- la figura 3 è una sezione trasversale di un elemento eiettore del presente dispositivo microfluidico;

- la figura 4 è una vista prospettica in esploso del dispositivo di figura 3;

le figure 5, 6 schemi elettrici semplificati di diverse forme di realizzazione del presente dispositivo;

- la figura 7 mostra l'andamento di segnali elettrici dello schema di figura 6; e

- le figure 8-10 mostrano schemi elettrici semplificati di altre forme di realizzazione del presente dispositivo.

Le figure 3 e 4 mostrano un dispositivo microfluidico 50 alloggiante una pluralità di elementi eiettori 51, uno solo dei quali è mostrato in dettaglio in figura 3.

Il dispositivo microfluidico 50 comprende un corpo di contenimento 50A formato da una piastra ugelli 52, una piastra attuatori 53 ed una piastra di distribuzione 54, reciprocamente sovrapposte e incollate ("bonded") .

La piastra ugelli 52 è realizzata ad esempio di materiale semiconduttore, e forma una pluralità di ugelli 58. In particolare, la piastra ugelli 52 può essere costituita da un primo ed un secondo strato ugelli 55, 56, di silicio, incollati reciprocamente tramite uno strato di incollaggio ugelli 57, di ossido di silicio. La piastra ugelli 52 può avere uno spessore di circa 100 |lm.

La piastra attuatori 53 comprende qui uno strato strutturale 59, ad esempio di materiale semiconduttore con spessore di ad esempio 70 |lm, ed uno strato di membrana 60, di materiale e spessore tali da potersi flettere, ad esempio di silicio con spessore compreso fra 1 e 4 μπι, ad esempio 2,5 |Im, coperto superiormente e inferiormente da strati di ossido di silicio, non mostrato. Lo strato strutturale 59 forma una pluralità di camere di contenimento fluido 61, una per ogni elemento eiettore 51, ed è fissato alla piastra ugelli 52 attraverso uno strato di incollaggio intermedio 65, ad esempio di ossido di silicio. Le camere di contenimento fluido 61 sono formate passanti attraverso lo strato strutturale 59 e sono chiuse, verso la piastra di distribuzione 54, dallo strato di membrana 60. Ciascuna camera di contenimento fluido 61 è in collegamento fluidico con un rispettivo ugello 58.

La zona dello strato di membrana 60 al di sopra della camera di contenimento fluido 61 forma una membrana 79.

Lo strato di membrana 60 porta una pluralità di attuatori 66; ciascun attuatore 66 è disposto sopra una rispettiva membrana 79, è allineato ad una rispettiva camera di contenimento fluido 61 e comprende un primo elettrodo 67, uno strato piezoelettrico 68, ad esempio di PZT (Pb, Zr, Ti03), ed un secondo elettrodo 69. Il primo e il secondo elettrodo 67, 68 sono collegati elettricamente a rispettive prime e seconde linee di contatto elettrico 70, 71; regioni isolanti 72, ad esempio di ossido di silicio, si estendono al di sopra degli elettrodi 67, 69 per isolare elettricamente le varie strutture conduttive.

La piastra di distribuzione 54, avente spessore di ad esempio 400 |lm, è realizzata ad esempio di materiale semiconduttore, quale silicio, è incollata ad una superficie superiore 53a dello strato di membrana 60 attraverso uno strato di incollaggio di membrana 74, ad esempio di ossido di silicio, e forma una pluralità di camere attuatore 75, una per ogni elemento eiettore 51, sovrapposte ciascuna ad una rispettiva camera di contenimento fluido 61 (figura 3). In particolare, ciascuna camera attuatore 75 ha spessore di ad esempio 100 |lm, circonda un rispettivo attuatore 66 e ne consente il movimento durante il funzionamento del dispositivo microfluidico 50.

La piastra di distribuzione 54 presenta una pluralità di canali passanti 76, uno per ogni elemento eiettore 51, in comunicazione con una rispettiva camera di contenimento fluido 61 attraverso corrispondenti aperture 77 nello strato di membrana 60 e nello strato di incollaggio di membrana 74.

Ciascun canale passante 76 e l'apertura 77 associata formano un ingresso fluido dell'elemento eiettore 51.

Lo strato di membrana 60, lateralmente alla zone dove sono realizzate le membrane 79, alloggia un circuito di comando 80, rappresentato solo schematicamente nelle figure 3 e 4. In particolare, come visibile in figura 4, il circuito di comando 80 può essere disposto in una o più zone periferiche della piastra attuatori 53.Ad esempio, in figura 4, in cui il dispositivo microfluidico 50, in vista in pianta, ha forma rettangolare presentante lati lunghi, il circuito di comando 80 è disposto in prossimità di entrambi i lati lunghi del dispositivo microfluidico 50.

Il circuito di comando 80 è collegato agli attuatori 66 attraverso le linee di contatto elettrico 70, 71, come mostrato schematicamente in figura 3.

Nella forma di realizzazione mostrata, la piastra di distribuzione 54 presenta larghezza (in direzione parallela ai lati corti del dispositivo microfluidico 50) inferiore rispetto alla piastra attuatori 53 in modo che una parte della superficie superiore 53a della piastra attuatori 53 stessa sia accessibile dall'esterno. Una pluralità di piazzole di contatto 81 è realizzata sulla parte accessibile della superficie superiore 53a per consentire la connessione elettrica del dispositivo microfluidico 50 con l'esterno.

Il circuito di comando 80 può essere realizzato in diversi modi.

Ad esempio, la figura 5 mostra uno schema elettrico equivalente di una forma di realizzazione di un dispositivo microfluidico, indicato con 150, ed evidenzia la struttura generale del circuito di comando, qui indicato con 180, le connessioni fra gli attuatori 66 e il circuito di comando 180.

Il circuito di comando 180 di figura 5 comprende una unità di decodifica 181 e uno stadio di pilotaggio 182.

L'unità di decodifica 181 è collegata ad un primo gruppo di piazzole (piazzole di indirizzamento 81A), destinate a ricevere, in uso, segnali di indirizzamento dei singoli elementi eiettori 51 (e quindi dei rispettivi attuatori 66). Un'ulteriore piazzola di contatto (piazzola di massa 81B) è collegata a massa; due piazzole di attivazione ("fire") 81C sono destinate a ricevere un segnale di attivazione F e una piazzola di alimentazione 81D riceve una tensione di alimentazione Vcc. L'unità di decodifica 181 presenta una pluralità di uscite 01, 02, ..., Oi, ..., ON, in numero pari al numero di singoli attuatori 66, e collegate allo stadio di pilotaggio 182.

Lo stadio di pilotaggio 182 comprende una pluralità di interruttori 86, aventi ciascuno un terminale di comando collegato ad una rispettiva uscita 01, 02, ..., Oi, ..., ON dell'unità di decodifica 181. Ciascun interruttore 86 è inoltre collegato alla piazzola di massa 81B e presenta un'uscita collegata ad un rispettivo attuatore 66 attraverso una linea di connessione 87. L'insieme degli attuatori 66 è qui indicato come unità attuatori 183.

Gli interruttori 86 possono essere realizzati tramite transistori di pilotaggio, ad esempio di tipo LDMOS, come mostrato nel dettaglio ingrandito. In questo caso, il terminale di porta di ciascun transistore di pilotaggio è collegato ad una rispettiva uscita 01, 02, ..., Oi, ..., ON dell'unità di decodifica 181, il terminale di sorgente di ciascun transistore di pilotaggio è collegato alla piazzola di massa 81B e il terminale di pozzo di ciascun transistore di pilotaggio è collegato ad una rispettiva prima linea di connessione 87.

Ciascuna prima linea di connessione 87 è collegata ad uno degli elettrodi di un attuatore 66 di un rispettivo attuatore 66, ad esempio al secondo elettrodo 69 (figura 3) e costituisce quindi una delle seconde linee di contatto elettrico 71 di figura 3. Come mostrato in figura 5, ciascun attuatore 66, è anche collegato alla piazzola di attivazione 81C attraverso seconde linee di connessione 88; nell'esempio considerato, quindi, le seconde linee di connessione 88 corrispondono alle prime linee di contatto elettrico 70 di figura 3 e sono collegate ai primi elettrodi 67).

In una forma di realizzazione, le seconde linee di connessione 88 sono linee metalliche realizzate in un livello di metallizzazione del dispositivo microfluidico 50 e si estendono al di sopra della piastra attuatori 53; le prime linee di connessione 87 così come le linee che collegano gli interruttori 86 alla piazzola di massa 81B e alle uscite 01, 02, ..., Oi, ..., ON dell'unità di decodifica 85 possono essere realizzate tramite percorsi conduttivi integrati all'interno della stessa piastra attuatori 53.

Nel dispositivo microfluidico 150 di figura 5, l'unità di decodifica 181 riceve segnali di indirizzo dalle piazzole di indirizzamento 81A, li decodifica e abilita selettivamente uno o più interruttori 86, fornendo opportuni segnali sulle rispettive uscite 01, 02, ..., Oi, ..., ON. Gli interruttori 86 abilitati a loro volta abilitano i rispettivi attuatori 66 che, al ricevimento del segnale di attivazione F, provocano la deflessione della rispettiva membrana 79 (figura 3), determinando l'emissione di una goccia e il successivo riempimento della camera di contenimento fluido 61, in modo noto e descritto sopra con riferimento alla figura 1.

Le due piazzole di attivazione 81C sono utili per distribuire meglio il segnale di attivazione F, in modo da evitare picchi di corrente sui fronti del segnale di attivazione F, in particolare quando sono attivati contemporaneamente più attuatori 66. Le due piazzole di attivazione 81C possono essere collegate a tutti gli attuatori 66. In alternativa, ciascuna piazzola di attivazione 81C può essere collegata a solo metà degli attuatori 66. Tuttavia, la presenza di due piazzole di attivazione 81C non è indispensabile e potrebbe essere presente una sola piazzola di attivazione 81C o anche potrebbero essere presenti più di due piazzole di attivazione 81C.

L'unità di decodifica può essere realizzata in diversi modi. Ad esempio, la figura 6 mostra una forma di realizzazione di un dispositivo microfluidico 250 avente una unità di decodifica, qui indicata con 281, in cui i segnali di indirizzamento vengono forniti in parallelo sulle piazzole di indirizzamento 81A e l'unità di decodifica 281 abilita solo un attuatore 66 per volta.

In dettaglio, in figura 6, l'unità di decodifica 281 comprende una pluralità di linee indirizzamento Al-AM (ad esempio tredici), collegate ciascuna ad una rispettiva piazzola di indirizzamento 81A ed una pluralità di circuiti di decodifica 90 (uno solo mostrato), in numero pari al numero di attuatori 66 e quindi di interruttori 86, che possono essere realizzati come mostrato in figura 5.

Il circuito di decodifica 90 comprende tre transistori PMOS 91 e tre transistori NMOS 92. I transistori PMOS 91 sono collegati fra loro in serie fra una prima linea di abilitazione 93 e il terminale di porta di un rispettivo interruttore 86. Il terminale di porta di ciascun transistore PMOS 91 è collegato ad una linea di indirizzamento Al-AM secondo una logica di indirizzamento. I transistori NMOS 92 sono collegati ciascuno fra un rispettivo terminale di pozzo dei transistori PMOS 91 e le seconde linee di connessione 88; i terminali di porta dei transistori NMOS 92 sono collegati ad una seconda linea di abilitazione 94.

La prima e la seconda linea di abilitazione 93, 94 sono collegate con l'esterno attraverso ulteriori piazzole di abilitazione 81D-1 e 81D-2 per ricevere segnali di comando per i transistori PMOS 91 e per gli interruttori NMOS 92. In particolare, come mostrato in figura 7, illustrante l'andamento di alcuni segnali nell'unità di decodifica 281 e l'elemento eiettore 51i, 522, ..., 52Ndi volta in volta attuato, durante il funzionamento del dispositivo microfluidico 250, la prima linea di abilitazione 93 fornisce un segnale logico allo stato logico alto, ad esempio 3,3 V, abilitando i transistori PMOS 91, e le linee di indirizzamento Al-AM forniscono impulsi di attivazione. In questa fase, la seconda linea di abilitazione 94 continua a commutare fra un livello alto e un livello basso. In dettaglio, la seconda linea di abilitazione 94 fornisce un segnale basso e spegne transistori NMOS 92 durante gli impulsi di attivazione forniti sulle linee di indirizzamento Al-AM e fornisce un segnale logico alto negli intervalli fra gli impulsi di attivazione, cioè quando le linee Al-AM sono tutte alte allo stesso potenziale della prima linea di abilitazione 93. Negli intervalli fra gli impulsi di attivazione, i transistori PMOS 91 sono quindi spenti, i transistori NMOS 92 sono attivati e scaricano i nodi flottanti fra i transistori PMOS 91 e il terminale di porta del rispettivo interruttore 86. Il segnale logico sulla prima linea di abilitazione 93 è allo stato logico basso quando l'unità di decodifica 281 è a riposo.

Con la soluzione di figura 6, quindi, un solo circuito di decodifica 90 è abilitato ogni volta, sulla base dei segnali di indirizzamento forniti alle linee indirizzamento Al-AM attraverso le piazzole di indirizzamento 81A e della logica cablata tramite le connessioni fra le linee di indirizzamento Al-AM e i transistori PMOS 91, e fornisce un corrispondente segnale di accensione al rispettivo interruttore 86.

La forma di realizzazione di figura 6 dell'unità di decodifica 281 consente anche di misurare le caratteristiche di ciascun attuatore 66 attraverso la piazzola di attivazione 81C. Infatti, la piazzola di attivazione 81C consente di collegare direttamente con l'esterno 1'attuatore 66 di volta in volta abilitato tramite il rispettivo interruttore 86. Questo consente di effettuare diverse misure, ad esempio perdite, capacità o impedenza, al fine di rilevare le caratteristiche dell'attuatore 66 stesso, in particolare dello strato piezoelettrico 68, ad esempio durante la fase di test a livello di fetta (test di EWS, "Electrical Wafer Sort") o a livello del dispositivo microfluidico 250 finito e/o montato in un apparecchio elettronico. In questo modo, ogni attuatore 66 può essere caratterizzato e controllato, verificandone la qualità di funzionamento, a tempo zero e/o durante la vita del prodotto (sul campo).

La figura 8 mostra un dispositivo microfluidico 350 in cui l'unità di decodifica, indicata qui con 381, riceve i segnali di indirizzamento in modo seriale, su un'unica piazzola di indirizzamento 81A. L'unità di decodifica 381, non mostrata in dettaglio, è costituita sostanzialmente da registri di scorrimento 317 ed elementi di memoria (latch) 318 ed è inoltre collegata ad una piazzola di temporizzazione 81E, ricevente un segnale di orologio CLK, ad una piazzola di abilitazione 81F, ricevente un segnale di abilitazione EN, ad una piazzola di reset 81G, ricevente un segnale di reset R, e ad una piazzola di uscita 81H, per fornire verso l'esterno segnali e/o comandi, in particolare nel caso di collegamento in cascata di più dispositivi fluidici 350.

Per il resto, il dispositivo microfluidico 350 di figura 8 è simile al dispositivo microfluidico 150 di figura 5 e non verrà ulteriormente descritto.

Nel dispositivo microfluidico 350 di figura 8, l'indirizzo dell'elemento o degli elementi eiettori 51 (e quindi dei rispettivi attuatori 66) abilitati contemporaneamente viene introdotto in modo seriale attraverso la piazzola di indirizzamento 81A, fatti scorrere attraverso i registri di scorrimento 317 e memorizzati attraverso i latch 318, che abilitano selettivamente gli interruttori 86, fornendo opportuni segnali sulle rispettive uscite 01, 02, ..., Oi, ..., ON.

La figura 9 mostra un dispositivo microfluidico 450 ricevente gli indirizzi in modo seriale, analogamente alla soluzione di figura 8; in figura 9 l'unità di decodifica, indicata qui con 481, ha struttura tale da ridurre il numero di registri di scorrimento previsti. In particolare, nella forma di realizzazione di figura 9, sulla piazzola di indirizzamento 81A vengono forniti quattro bit di indirizzamento e sedici bit di dato. Nell'esempio illustrato, l'unità di decodifica 481 comprende un registro di scorrimento parola 417 a sedici bit, collegato in ingresso alla piazzola o alle piazzole di indirizzamento 81A e collegato in uscita a sedici elementi di memoria dato 418 (ad esempio, latch) e a un registro di scorrimento indirizzo 419, a quattro bit. Il registro di scorrimento indirizzo 419 è collegato ad un elemento di memoria di indirizzo 420. L'elemento di memoria di indirizzo 420 è collegato in uscita ad un decodificatore indirizzi 421 avente sedici uscite di colonna C1-C16. L'elemento di memoria dato 418 presenta sedici uscite di riga RI-RI6.

Inoltre, analogamente alla figura 8, il dispositivo microfluidico 450 è collegato alle piazzole 81B-81H per ricevere/trasmettere corrispondenti segnali e fornire le tensioni previste.

Le uscite di riga RI-RI6 e le uscite di colonna C1-C16 sono collegate agli interruttori, qui indicati come 486, uno dei quali è mostrato a titolo esemplificativo nel dettaglio ingrandito. In particolare, ciascun interruttore 486 comprende una porta di prodotto logico 487 e un transistore di pilotaggio 488, di tipo LDMOS. Ogni porta di prodotto logico 487 è collegata alla piazzola di abilitazione 81F, nonché ad una rispettiva uscita di riga Ri e ad una rispettiva uscita di colonna Cj; le varie combinazioni di connessioni degli ingressi delle porte di prodotto logico 487 degli interruttori 486 con le uscite di riga RI-RI6 e le uscite di colonna C1-C16 consentono quindi di selezionare indipendentemente un attuatore 66 o una pluralità di attuatori 66 collegati ad una stessa uscita di colonna C1-C16.

La forma di realizzazione di figura 9 consente quindi di comandare contemporaneamente fino a sedici attuatori 66.

La figura 10 mostra un dispositivo microfluidico 550 in cui l'unità di decodifica 581 comprende un registro a scorrimento parola 517 a sedici bit, collegato in ingresso alla piazzola o alle piazzole di indirizzamento 81A e in uscita a un registro di scorrimento indirizzo 519, a quattro bit. Le uscite del registro di scorrimento indirizzo 519 sono collegate ad un decodificatore indirizzi 521 avente sedici uscite di colonna C1-C16. Il registro a scorrimento parola 517 presenta sedici uscite di riga RI-RI6.

Le uscite di riga e di colonna RI-RI6, C1-C16 sono collegate ad una matrice di indirizzamento 530 avente una pluralità di porte di prodotto logico disposte ciascuna ad rispettivo nodo di incrocio fra le uscite di riga R1-R16 e le uscite di colonna C1-C16. Nell'esempio considerato di sedici righe e sedici colonne, la matrice di indirizzamento 530 presenta quindi 16x16 = 256 nodi, ciascuno dei quali fornisce uno stato di abilitazione di un rispettivo interruttore 586. Tali stati sono memorizzati in una memoria stati 531, ad esempio costituita da un latch a 256 bit. Le uscite della memoria stati 531 sono collegate ciascuna ad un rispettivo interruttore 586, ad esempio realizzato tramite un transistore LDMOS, come mostrato in figura 5.

Il dispositivo microfluidico 450 di figura 10 può quindi essere realizzato con meno registri di scorrimento rispetto al dispositivo microfluidico 450 di figura 9, a fronte di un maggior numero di celle di memoria. In questo modo, inoltre è possibile comandare in parallelo sedici attuatori 66 (ovvero gli attuatori 66 comandati da una stessa riga della matrice di indirizzamento 530) rendendo più rapido il ciclo di eiezione del liquido e quindi di stampa.

Il dispositivo microfluidico qui descritto presenta numerosi vantaggi.

Innanzitutto, esso consente di ridurre drasticamente il numero di piazzole di contatto esterno, riducendo la complessità delle operazioni di connessione a filo e aumentando quindi la resa.

Inoltre, viene ridotta l'area necessaria per la realizzazione delle piazzole.

L'assemblaggio è notevolmente più semplice rispetto ai dispositivi microfluidici noti, a parità di elementi eiettori, e quindi i costi di assemblaggio sono ridotti.

L'integrazione della elettronica di decodifica e pilotaggio non è critica dal punto di vista del bilancio termico, dato che l'inchiostro o liquido eiettato agisce come fluido di raffreddamento.

Risulta infine chiaro che al dispositivo microfluidico descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, l'unità di decodifica può essere realizzata in qualunque modo desiderato.

Inoltre, il dispositivo microfluidico descritto può essere utilizzato in apparecchi differenti. In particolare, oltre che in un apparecchio di stampa a getto di inchiostro, esso può essere utilizzato per nebulizzatori di inchiostri e/o aromi, in cui sia desiderato controllare in modo selettivo almeno gruppi di elementi eiettori.

Il dispositivo microfluidico descritto può essere altresì utilizzato ad esempio in apparecchi di tipo biologico o biomedico, per l'applicazione locale di materiale biologico (es., DNA) durante la fabbricazione di sensori per analisi biologici, e/o per la somministrazione di medicinali.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo microfluidico (50; 150; 250; 350; 450; 550), comprendente un corpo di contenimento (50A) alloggiente una pluralità di elementi eiettori (51) disposti reciprocamente affiancati, ciascun elemento eiettore comprendendo un ingresso liquido (76, 77), una camera di contenimento (61), un attuatore piezoelettrico (66), ed un ugello di eiezione (58), gli attuatori piezoelettrici (66) di ciascun elemento eiettore essendo collegato ad una unità di comando (80; 180; 280; 380; 480) configurata per generare segnali di attuazione, in cui l'unità di comando (80; 180; 280; 380; 480) è integrata all'interno del corpo di contenimento (50A).
2. Dispositivo microfluidico (50; 150; 250; 350; 450; 550) secondo la rivendicazione 1, in cui il corpo di contenimento (50A) comprende una regione di distribuzione (54), una regione di attuazione (53) ed una regione ugelli (52), in cui la regione di distribuzione (54) alloggia gli ingressi liquidi (77), la regione di attuazione (53) porta gli attuatori piezoelettrici (66) e la regione ugelli (52) forma gli ugelli di eiezione (58) degli elementi eiettori (51), l'unità di comando (80; 180; 280; 380; 480) essendo integrata nella regione di attuazione (53).
3. Dispositivo microfluidico (50; 150; 250; 350; 450; 550) secondo la rivendicazione 2, in cui la regione di attuazione (53) presenta una prima larghezza e almeno una fra la regione di distribuzione (54) e la regione ugelli (52) presenta una seconda larghezza inferiore alla prima larghezza.
4. Dispositivo microfluidico (50; 150; 250; 350; 450; 550) secondo la rivendicazione 3, in cui la regione di attuazione (53) presenta una porzione di superficie accessibile (53a) e l'unità di comando (80; 180; 280; 380; 480) è collegata elettricamente a piazzole di contatto (81; 81A-81H) formate sulla porzione di superficie accessibile (53a).
5. Dispositivo microfluidico (50; 150; 250; 350; 450; 550) secondo la rivendicazione 4, in cui la porzione di superficie accessibile (53a) è una porzione periferica.
6. Dispositivo microfluidico (50; 150; 250; 350; 450; 550) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-5, in cui la regione di distribuzione (54), la regione di attuazione (53) e la regione ugelli (52) sono costituite da piastre distinte, incollate reciprocamente.
7. Dispositivo microfluidico (50; 150; 250; 350; 450) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'unità di comando (80; 180; 280; 380; 480) comprende uno stadio di decodifica (181; 281; 381; 481; 581) ed uno stadio di pilotaggio (182; 282; 382; 482; 582).
8. Dispositivo microfluidico (50; 150; 250; 350; 450) secondo la rivendicazione 7, in cui lo stadio di decodifica (181; 281) presenta ingresso parallelo.
9. Dispositivo microfluidico (50; 150; 250; 350; 450; 550) secondo la rivendicazione 7, in cui lo stadio di decodifica (381; 481; 581) presenta ingresso seriale.
10. Dispositivo microfluidico (50; 150; 250; 350; 450; 550) secondo la rivendicazione 9, in cui lo stadio di decodifica (481; 581) comprende registri a scorrimento e elementi di memoria.
11. Dispositivo microfluidico (50; 250; 150; 350; 450; 550) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7-10, in cui lo stadio di pilotaggio (182; 282; 382; 482; 582) comprende una pluralità di interruttori (86; 486; 586), ciascun interruttore essendo collegato ad un rispettivo attuatore piezoelettrico (66) ed avendo un ingresso di comando accoppiato allo stadio di decodifica (181; 281; 381; 481; 581).
12. Dispositivo microfluidico (450) secondo la rivendicazione 11, in cui gli interruttori (86; 486) comprendono transistori LDMOS (488).
13. Dispositivo microfluidico (450) secondo la rivendicazione 12, in cui lo stadio di pilotaggio comprende inoltre una pluralità di porte logiche (487), ciascuna porta logica avendo ingressi collegati allo stadio di decodifica (481) ed un'uscita collegata ad un terminale di porta di un rispettivo transistore LDMOS (488).