KR20090020569A - 잉크젯 헤드용 정전기 액추에이터 - Google Patents

잉크젯 헤드용 정전기 액추에이터 Download PDF

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헨드리쿠스 빌헬무스 레오나르두스 안토니우스 마리아 반 리로프
안토니우스 요하네스 마리아 넬리센
헤르만 소에메르스
요하네스 안토니우스 테오도루스 골라쯔
한스 레인텐
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
오쎄 테크놀로지 비브이
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Abstract

본 발명은 고품질 프린팅을 가능하게 하기 위해 고압을 잉크에 제공하는 정전기 잉크젯 헤드에 관한 것이다. 개구부(20)를 갖는 챔버(50)에서 잉크를 압축하는 막(200)에 압력을 제공하는 정전기 액추에이터는, 잉크를 갖는 챔버(50)를 덮는 막(200)의 영역에 의해 결정되지 않는 작동 전극(300) 및 이동가능 전극(500)의 겹침 영역을 특징으로 한다. 가해질 수 있는 최대 압력은 잉크를 갖는 챔버(50)를 덮는 막(200)의 영역(210)에 대한 2개의 전극의 겹침 영역(220)의 비율에 의해 적응될 수 있다. 본 발명은 주입 시스템에 사용된 액체 약품을 배출하기 위한 상기 헤드의 이용 방법에 대한 것이다.

Description

잉크젯 헤드용 정전기 액추에이터{ELECTROSTATIC ACTUATOR FOR INK JET HEADS}
본 발명은 특히 잉크젯 헤드용 정전기 액추에이터에 관한 것이다.
잉크젯 헤드용 정전기 액추에이터는 US 5,734,395에 기재되어 있다. US 5,734,395에 도시된 간격-차단(gap-closing) 유형의 정전기 액추에이터는 서로 근접해 있는 2개의 전극을 갖는다. 하나의 전극은 고정적인 반면, 다른 전극은 프린트 헤드의 배출 챔버의 일측을 덮는 격막이 병진 이동하거나 휘어질 수 있다. 전극 사이에 전위차(U)를 인가하는 것은 전계 및 이에 따라 흡입 압력(attractive pressure)(P)을 초래할 것이며, 이것은 부하(load)를 이동시키는데 사용될 수 있다. 프린트 헤드의 배출 챔버를 덮는 격막의 영역이 정전기 액추에이터의 유효 영역을 한정시킨다는 점으로 인해, 이러한 유형의 정전기 액추에이터에 의해 가해질 수 있는 최대 압력(P)은
Figure 112008079223465-PCT00001
에 의해 계산될 수 있다. 그러므로, 압력은 전극 사이에서 전계(E)의 세기 및 물질(예를 들어, 진공, 가스, 유체 또는 고체 압축가능 물질)의 상대 유전율(εr)에 의해 결정된다. 전계는 브레이크다운(breakdown) 현상으로 인해 한정되고; 공통 반도체 및 MEMS 물질을 이용하여, 75 내지 150 V/㎛의 범위에 있는 전계가 실현될 수 있어서, 0.25 내지 1 bar의 정전압을 초래한다. 이것은 고품질 잉크젯 프린팅에 충분하지 않다.
본 발명의 목적은 고-압력 배출을 위해 개선된 정전기 액추에이터를 제공하는 것이다.
본 목적은 정전기 액추에이터에 의해 달성되며, 이러한 정전기 액추에이터는 챔버의 적어도 하나의 측면 상에 적어도 하나의 개구부를 갖는 챔버와, 챔버의 경계의 부분인 유연한 막(membrane)과, 적어도 하나의 작동 전극과, 적어도 하나의 이동가능 전극과, 유연한 막과 이동가능 전극의 이동을 결합하는 압력 도포기(pressure applicator)와, 작동 전극과 이동가능 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 전압원을 포함한다. 유연한 막은 예를 들어 챔버의 한 측면을 덮고, 작동 전극은 막이 챔버를 덮는 측면 상에 위치한다. 작동 전극은 정전기 액추에이터의 동작 전체에 걸쳐 챔버 벽에 대해 고정된 위치에 있는 챔버 벽에 직접적으로 또는 간접적으로 부착된다. 압력 액추에이터는 챔버를 덮는 유연한 막의 적어도 부분 및 이동가능 전극에 직접적으로 또는 간접적으로 부착된다. 제 1 물리적 개체(entity)는, 제 1 물리적 개체의 적어도 부분이 제 2 물리적 개체에 직접적으로 연결되는 경우 다른 제 2 물리적 개체에 직접 부착된다. 제 1 물리적 개체와 제 2 물리적 개체 사이에 적어도 하나의 중간층이 있다면, 개체 모두는 서로 간접적으로 부착된다. 이동가능 전극의 적어도 부분은 작동 전극을 향하고, 전극은 본질적으로 서로 평행하다. 전압이 이동가능 전극과 고정된 작동 전극 사이에 인가되면, 이동가능 전극의 정전기 작동은 유연한 막에 결합된다. 유연한 막은 챔버의 부피 내부에서 이동하기 시작한다. 챔버에 채워진 배출될 유체가 있다면, 유연한 막은 배출될 유체 상에 압력을 가한다. 챔버에서의 압력은 유체의 배출이 개구부를 통해 배출된다. 배출될 유체는 예를 들어 튜브에 의해 배출될 유체로 채워진 용기(reservoir)에 연결된 챔버의 제 2 개구부에 의해 챔버에 채워질 수 있다. 배출될 유체는 이동가능 전극과 작동 전극 사이의 전압의 인가 동안 배출되어, 전압원에 의해 인가된 전압 펄스에 맞춰짐(tailoring)에 의해 물방울 역학(droplet dynamics)의 개선된 제어를 가능하게 한다. 이것은, 정전기 액추에이터에 전압이 인가되지 않을 때 배출될 유체가 배출되는 종래 기술에 비해 유리하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 이동가능 전극의 정전기 활성 영역은 챔버의 경계의 부분인 막의 영역의 부분보다 더 크다. 이동가능 전극의 정전기 활성 영역은 작동 영역에 직접적으로 향해 있는 이동가능 전극의 부분에 의해 한정되며, 이에 의해 양쪽 전극은 본질적으로 서로 평행하다. 정전기 액추에이터에 의해 가해질 수 있는 압력은 종래 기술에서와 같이 챔버를 덮는 막의 영역에 의해 한정되지 않는다. 압력은, 본질적으로 이동가능 전극의 정전기 활성 영역(A1)과 챔버를 덮는 막의 부분의 영역(A2) 사이의 비율(A1/A2)에 의해 결정되고, 더욱이 전계는 작동 전극과 이동가능 전극 사이에 위치한 물질의 유전율 및 인가된 전압으로부터 발생된다.
정전기 액추에이터의 작동 요소를 구성하는 한가지 가능성은, 작동 전극 및 이동가능 전극이 진공, 가스 또는 액체 유전체에 의해 분리되는 방식으로 작동 전극 및 이동가능 전극을 배열하는 것이다. 가스 또는 액체 유전체는 1보다 높은 유전율을 특징으로 하는 경우 진공에 비해 압력을 향상시킬 수 있다. 이러한 구성에서, 전극의 분리는 단락을 방지하기 위해 매우 적절한 방식으로 제어되어야 한다. 일반적으로, 몇몇 파라미터는 단락을 방지하기 위해 적응되어야 한다:
- 이동가능 전극과 작동 전극 사이에 인가된 전압
- 이동가능 전극과 작동 전극 사이의 거리
- 압력 도포기가 부착되는 유연한 막의 강도(stiffness) 및 크기
- 압력 도포기의 강도 및 크기
- 압력 도포기에 직접 부착되는 경우 이동가능 전극의 강도 및 크기
- 또는 이동가능 전극이 위치되는 기판의 강도 및 크기.
단락의 위험을 한정시키는 방법은 작동 전극과 이동가능 전극 사이에 위치한 유전 물질이다. 유전 물질은 작동 전극 또는 이동가능 전극 상에 또는 양쪽 모두의 전극 상에 직접 위치될 수 있다. 전기 브레이크다운이 발생하는 유전체 물질의 전계 및 유전 물질의 층의 두께는 작동 전극 및 이동가능 전극에 인가될 수 있는 최대 전압을 결정한다. 유전 물질이 없는 구성에서와 같이, 전압이 인가되지 않는 경우 작동 전극과 이동가능 전극 사이의 부피는 진공일 수 있거나, 가스 또는 액체로 채워질 수 있다. 작동 전극과 이동가능 전극 사이의 흡입력은, 작동 전극과 이동가능 전극 사이의 부피가 1보다 큰 유전율을 특징으로 하는 가스 또는 액체로 채워지는 경우 향상될 수 있다. 액체가 사용되면, 전압이 작동 전극 및 이동가능 전극에 인가되고 양쪽 전극 사이의 부피가 감소되는 경우 액체가 흐를 수 있는 압축가능 물질(바람직하게 가스)로 채워진 여분의 부피의 필요성을 초래하는 액체의 비압축성을 인식해야 한다.
추가 실시예에서, 작동 전극은 챔버의 하나의 측면 상에 챔버를 덮는 유연한 막 위에 적어도 부분적으로 연장한다. 작동 전극은, 어떠한 다른 층도 챔버를 덮지 않으면 챔버를 덮거나 막 자체를 구축하는 추가 층이 있는 경우 막의 부분인 유연한 막 전체 위에서 연장할 수 있다. 이러한 조치는 챔버를 덮는 유연한 막의 탄성 및 기계적 특성에 맞추는데 사용될 수 있다. 더욱이, 유연한 막을 향하는 챔버 내에 챔버 전극이 있을 수 있다. 전압이 작동 전극과 이동가능 전극 사이에 인가되면, 전압은 동시에 또는 다른 시간에 작동 전극과 챔버 전극 사이에 인가될 수 있다. 유연한 막 위에 연장하거나 심지어 유연한 막을 구축하는 작동 전극의 부분과, 챔버 전극은, 전술한 바와 같이 압력 도포기를 통해 유연한 막에 가해진 압력 이외에 전압이 인가되는 경우 유연한 막을 챔버에 잡아당기는 정전기 액추에이터를 구축한다. 이러한 추가 정전기 액추에이터는 유연한 막에 가해질 수 있는 힘을 증가시키는데 사용될 수 있다.
이동가능한 전극은 압력 도포기에 직접적으로 부착되는 전도성 기판의 부분일 수 있으며, 이것은, 이동가능 전극과 압력 도포기 사이에 직접적인 물리적 접촉이 이루어지고, 또는 예를 들어 작동 전극과 이동가능 전극 사이의 절연을 개선시키거나 심지어 보장하기 위해 압력 도포기와 전도성 기판 사이에 적어도 하나의 절연 층이 있는 경우, 전도성 기판의 부분인 이동가능 전극이 압력 도포기에 간접적으로 부착될 수 있다는 것을 의미한다. 대안적인 실시예에서, 이동가능 전극은 캐리어 기판에 직접적으로 또는 간접적으로 부착될 수 있다. 이동가능 전극이 캐리어 기판에 직접적으로 부착되는 경우, 이동가능 전극은 캐리어 기판과 직접적으로 물리적 접촉을 갖고, 캐리어 기판은 기생 커패시턴스로서 원하지 않는 기생 효과를 감소시키기 위해 전기적으로 절연 물질로 만들어지는 것이 바람직하다. 이동가능 전극이 캐리어 기판에 간접적으로 부착되는 경우, 적어도 하나의 층은 이동가능 전극과 캐리어 기판을 분리한다. 이러한 적어도 하나의 분리 층은, 캐리어 기판이 전도성 물질로 구성되는 경우 원하지 않은 기생 효과를 감소시키는 전기적으로 절연 층인 것이 바람직하다. 절연 층이 있거나 없는 단단한 캐리어 기판은 이동가능 전극과 압력 도포기 사이의 전력 송신을 제공한다.
추가 실시예에서, 이동가능 전극은 본질적으로 유연하지 않은 방식으로 챔버 벽에 직접적으로 또는 간접적으로 부착된 구조에 탄성 가이드에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 링크된다. 이동가능 전극 또는 이동가능 전극을 갖는 캐리어 기판은 챔버 벽과 직접적으로 또는 간접적으로 접촉하는 하나의 유형의 서스펜션을 갖는 스프링형 구조(탄성 가이드)에 의해 연결된다. 비탄성(탄성 가이드에 비해) 챔버 벽에 직접적으로 또는 간접적으로 연결된 이러한 유형의 스프링 서스펜션은 정전기 액추에이터의 신뢰도를 향상시키기 위해 이동가능 전극의 안정성을 제공한다. 직접 연결은, 서스펜션을 구축하는 구조가 챔버 벽과 직접적인 물리적 접촉을 갖는다는 것을 의미한다. 간접적이라는 것은, 서스펜션을 구축하는 구조와 챔버 벽 사이에 적어도 하나의 중간층이 있다는 것을 의미한다. 신뢰도 양상 외에도, 탄성 가이드는, 탄성 가이드가 구성하는 물질에서의 응력으로 인해 전압이 이동가능 전극 및 작동 전극에 인가된 후에 압력 도포기를 통해 유연한 막을 잡아당기도록 힘을 가한다. 유연한 가이드를 실현하는 한가지 특수한 실시예는, 이동가능 전극 또는 이동가능 전극이 부착되는 캐리어 기판과, 이동가능 전극을 위한 하나의 유형의 서스펜션을 구축하는 구조 또는 이동가능 전극이 부착되는 캐리어 기판 사이에서 연장하는 적어도 하나의 물질의 유연한 층이다. 층(들)의 물질(들) 및 두께(들)는, 한 편으로 탄성 가이드에 의해 가해진 잡아당기는 힘이 유연한 막을 잡아당기는데 충분하지만, 다른 한편으로 유연한 막에 의해 가해질 수 있는 압력이 중요한 방식으로 감소되지 않는 방식으로 적응될 수 있다. 잡아당기는 힘은 이동가능 전극 및 작동 전극에 의해 구축된 정전기 액추에이터에 의해 가해질 수 있는 힘에 비해 작아져야 한다. 유연한 가이드의 기계적 특성을 적응시키는 추가 조치는, 이동가능 전극(또는 이동가능 전극이 부착되는 캐리어 기판)과 이동가능 전극(또는 이동가능 전극이 부착되는 캐리어 기판)을 위한 하나의 유형의 서스펜션을 구축하는 구조를 연결하는 층(들)을 구조화하는 것이다. 이러한 구조화로 인해 유연한 브리지형 구조는 유연한 가이드를 구축한다. 이러한 방법은, 이동가능 전극(또는 이동가능 전극이 부착되는 캐리어 기판) 및 이동가능 전극(또는 이동가능 전극이 부착되는 캐리어 기판)을 위한 하나의 유형의 서스펜션을 구축하는 구조가 하나의 벌크(bulk) 물질로부터 만들어지는 경우 또한 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 이동가능 전극(또는 이동가능 전극이 부착되는 캐리어 기판) 및 이동가능 전극(또는 이동가능 전극이 부착되는 캐리어 기판)을 위한 하나의 유형의 서스펜션을 구축하는 구조 사이의 물질은 유연한 가이드를 구축하기 위해 가늘어진다. 이동가능 전극(또는 이동가능 전극이 부착되는 캐리어 기판)과 이동가능 전극(또는 이동가능 전극이 부착되는 캐리어 기판)을 위한 하나의 유형의 서스펜션을 구축하는 구조 사이에 이러한 가늘어진 물질의 구조화는 다시 유연한 브리지형 구조를 구축함으로써 유연한 가이드의 기계적 특성을 적응하는데 사용될 수 있다.
또 다른 목적은, 고압 배출을 위한 정전기 액추에이터를 포함하는 프린팅 시스템을 제공하는 것이다.
프린팅 시스템은 본 발명에 따른 정전기 액추에이터를 포함한다. 정전기 액추에이터는 고품질 프린팅을 위해 고압으로 잉크를 배출하기 위해 프린팅 시스템의 프린트 헤드에서 구현된다.
본 발명의 추가 목적은, 유체의 고압 배출을 위해 정전기 액추에이터를 구동하는 방법을 제공하는 것이다.
정전기 디바이스는 적어도 하나의 개구부를 갖는 챔버와, 챔버의 경계의 부분인 유연한 막과, 적어도 하나의 작동 전극과, 적어도 하나의 이동가능 전극과, 유연한 막 및 이동가능 전극의 이동을 결합하는 압력 도포기와, 이동가능 전극과 작동 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 전압원을 포함한다. 정전기 액추에이터를 구동하는 방법은,
- 이동가능 전극과 작동 전극 사이에 전압을 인가하는 단계와;
- 이동가능 전극을 작동시키는 단계와;
- 압력 도포기에 의해 유연한 막으로의 이동가능 전극의 이동을 전달하는 단계와;
- 유연한 막에 의해 챔버에 채워진 배출될 유체에 힘을 가하는 단계와;
- 개구부를 통해 챔버에 채워진 배출될 유체를 배출하는 단계를
포함한다.
배출될 유체에 가해진 힘은 배출될 유체의 배출을 야기하는 챔버에서의 압력을 증가시킨다. 제 2 개구부는 예를 들어 배출될 유체로 채워진 용기와 챔버를 연결하는 튜브에 의해 챔버를 다시 채우기 위해 제공될 수 있다. 챔버는, 유연한 막에 어떠한 힘도 가하지 않은 경우 유연한 막을 잡아당기는 유연한 막의 탄성 특성에 의해 야기된 챔버에서 하부의 팽창에 의해 배출될 유체로 다시 채워진다. 탄성 가이드가 제공되는 경우, 탄성 가이드의 탄성 특성에 따라 잡아당기는 힘이 지지된다.
본 발명의 추가 목적은 고압 배출을 위해 정전기 액추에이터를 갖는 디바이스를 제공하는 것이다.
정전기 액추에이터를 갖는 디바이스는 배출기 또는 펌프일 수 있다. 디바이스는 챔버의 적어도 하나의 개구부를 통해 유체를 배출하거나 펌핑하는데 사용될 수 있다. 챔버는 유체로 채워진 용기를 챔버의 제 2 개구부와 연결시키는 공급 파이프에 의해 유체로 채워질 수 있다. 챔버가 유체로 채워진 후에, 전압은 작동 전극 및 이동가능 전극에 인가되고, 챔버에서 유체의 압력을 향상시키는 유연한 막에 압력 도포기에 의해 힘이 가해져서, 최종적으로 적어도 하나의 개구부, 이 경우에 챔버의 제 1 개구부를 통해 유체를 배출하게 되고, 여기서 개구부는 노즐인 것이 바람직하다. 챔버는 유연한 막의 응력에 의해, 또는 추가적으로 탄성 가이드에 의해 그리고 선택적으로 유체 용기에 가해진 압력과 조합하여 유연한 막의 잡아당김을 이용하여 공급 파이프를 통해 다시 채워질 수 있다. 더욱이, 밸브와 같은 수단은, 유체가 챔버를 다시 채우는 동안 배출되는 개구부를 차단하기 위해 남겨질 수 있다. 정전기 액추에이터는 경피 투과형 약물 전달(transdermal drug delivery), 인쇄 회로 또는 인쇄 폴리LED에 사용될 수 있다. 챔버의 적어도 하나의 개구부는 노즐인 것을 특징으로 하고, 유체는 액체 약품 또는 약품을 갖는 용액, 액체 전도체 또는 폴리머이다. 정전기 액추에이터는 또한 프린팅 시스템에서 잉크를 배출하는데 사용될 수 있다. 다시 챔버의 적어도 하나의 개구부는 이 때 노즐인 것을 특징으로 하고, 유체는 잉크이다. 더욱이 정전기 액추에이터는 펌프로서 사용될 수 있다. 이 경우에, 적어도 2개의 개구부가 있는데, 하나의 개구부는 유체가 안으로 흐르고, 다른 하나의 개구부는 유체가 바깥으로 흐른다. 밸브와 같은 추가 수단은, 유체가 안으로 흐르는 개구부가 개방되는 한 유체가 바깥으로 흐르는 개구부를 차단하고, 이와 반대로도 이루어진다. 추가 파이프는 유체를 펌핑하기 위해 추가 개구부에 연결될 수 있다.
본 발명은 이제 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명될 것이고, 도면에서 유사한 부분은 동일한 참조 번호로 표시된다.
도 1은 정전기 액추에이터의 일실시예의 주요 부분을 도시한 도면.
도 2는 이동가능 전극의 정전기 활성 영역 및 챔버를 덮는 막의 영역을 도시한 도면.
도 3a 내지 도 3e는 이동가능 전극을 포함하는 웨이퍼의 처리를 도시한 도면.
도 4a 내지 도 4e는 막을 포함하는 웨이퍼의 처리를 도시한 도면.
도 5a 내지 도 5b는 2개의 웨이퍼의 조립체를 도시한 도면.
도 6a 내지 도 6e는 조립된 웨이퍼의 추가 처리를 도시한 도면.
도 7은 도 6e에 도시된 조립된 웨이퍼의 대안적인 실시예를 도시한 도면.
도 8은 노즐의 조립체를 도시한 도면.
도 9는 정전기 액추에이터의 전기 접촉을 도시한 도면.
도 10은 정전기 액추에이터의 추가 실시예의 주요 부분을 도시한 도면.
도 1은 정전기 액추에이터의 일실시예의 주요 구조가 도시되는 단면을 도시한다. 개구부(20)를 갖는 층(10)은 챔버(50)를 갖는 추가 층(100)에 부착된다. 층(100)이 구성하는 물질은 챔버(50)의 챔버 벽(105)을 구축한다. 층(10)에서의 개구부(20)는 챔버(50)의 개구부가 되도록 위치된다. 더욱이, 개구부(20)에 대해 대항 사이트(opposite site) 상에 챔버를 덮는 막(200)이 있다. 막(200)은 전체 층(100)에 걸쳐 연장한다. 압력 도포기(400)는, 막(200)이 챔버(50)를 덮는 막(200)에 부착된다. 작동 전극(300)은 또한 챔버(50)를 덮는 본질적으로 막(200)의 영역 주위에 막(200)에 부착된다. 더욱이, 작동 전극(300)으로부터 전기적으로 절연되는 서스펜션(700)은, 막의 타측 상에 층(100)이 챔버(50)의 챔버 벽(105)을 구성하는 막(200)에 부착되는 막에 부착된다. 이동가능 전극(500)은 일측 상에서 압력 도포기(400)에 부착되고, 타측 상에 탄성 가이드(들)(600)를 통해 서스펜션(700)에 부착된다. 탄성 가이드(들)(600)는 이동가능 전극(500) 및 서스펜션(700)의 적어도 부분과 동일한 물질로 구성된다. 물질은 가늘어지고, 가능하면 탄성 가이드들(단면에서 보이지 않음)과 같은 브리지를 구축하여 구성된다. 전압이 작동 전극(300)과 이동가능 전극(500) 사이에 인가되면, 작동 전극과 작동 전극을 향하는 이동가능 전극의 부분 사이의 결과적인 인력은 압력 도포기(400)를 통해 챔버(50)를 덮는 막(200)에 가해진다. 챔버(50)를 덮는 막(200)의 부분이 변형되고, 챔버(50)에 채워질 수 있는 유체에 압력을 가한다(공급 파이프 및 유체 용기는 도시되지 않는다). 챔버(50)에서의 압력은 개구부(20)를 통해 유체의 배출을 야기한다.
도 2는 챔버(50)를 덮는 막(200)의 영역(210), 및 이동가능 전극(500)의 정전기 활성 영역(220)을 도시한다. 압력 도포기(400)를 통해 막(200)에 가해질 수 있는 압력은 본질적으로 영역(220 및 210)의 비율에 의해 결정된다. 정전기 활성 영역(220)이 영역(210)에 비해 더 커질수록, 막(200)에 가해질 수 있고 마지막으로 챔버(50)의 유체에 가해질 수 있는 최대 압력은 더 커지게 된다.
도 3a 내지 도 3e는 정전기 디바이스의 처리의 부분을 도시한다. 이들 도면의 상부는 단면을 도시하고, 이들 도면의 하부는 단면에 대해 웨이퍼의 평면도를 도시한다. 도 3a에 도시된 바와 같이 약 400㎛의 두께를 갖는 제 1의 양면 연마된 Si 웨이퍼(510) 상에, 약 0.25㎛의 두께를 갖는 열 SiO2의 2개의 층(520 및 530)은 도 3b에 도시된 바와 같이 성장한다. 도 3b는, 정전기 디바이스가 위치하는 웨이퍼의 부분(A)과, 정전기 디바이스의 전기 접촉이 위치하는 부분(C)을 추가로 도시한다. 도 3c는 열 산화물(520 및 530)의 층의 상부에 약 0.25㎛ 낮은 응력의 LPCVD SiN의 증착을 도시하며, 여기서 낮은 응력의 LPCVD SiN의 상부 층은 540으로 지칭되고, 하부 층은 545로 지칭된다. 다음의 도 3d는 웨이퍼의 양 측면 상에 약 1.5㎛ 도핑된 폴리-Si를 증착한 후의 프로세스를 도시한다. 하부 층(570)은 이러한 프로세스 단계 동안 구조화되지 않은 채로 남아있으며, 상부 폴리-Si 층은 구조화되어, 폴리-Si가 에칭되고 낮은 응력의 LPCVD가 보이게 되는 이동가능 전극(500) 주위에 위치한 절연 영역(540) 및 이동가능 전극(500)을 구축하는 영역을 초래한다. 이러한 절연 영역(540) 사이의 폴리-Si는 마지막으로 탄성 가이드(600)를 구축한다. 이러한 탄성 가이드(600)는 이동가능 전극(500)에 전기적으로 연결되며, 폴리-Si의 외부 영역(560)은 접촉 영역(C)에 다시 전기적으로 연결된다. 도 3e에 도시된 다음의 프로세스 단계에서, 0.5㎛ 포토 BCB는 구조화된 폴리-Si 층의 상부에 웨이퍼(510)의 상부 측상에 증착되고, 구조화된다. 원형 패치(410)는 이동가능 전극(500)의 중간에 남아있고, 더욱이 잔여 BCB(420)는 구조화된 폴리-Si 층의 외부 영역(560)을 덮는다. 더욱이, 개구부(430)는 접촉 영역(C)에 형성되어, 폴리-Si와의 접촉을 가능하게 한다. 처리된 웨이퍼는 1000으로 지칭된다.
도 4a 내지 도 4e는 정전기 디바이스의 처리의 추가 부분을 도시한다. 이들 도면의 상부 측은 상이한 프로세스 단계에서 웨이퍼의 단면을 도시하고, 도면의 하부는 단면에 대해 웨이퍼의 하부 측을 도시한다. A는 다시 정전기 디바이스의 위치 를 나타내고, C는 다시 접촉 영역을 나타낸다. 약 400㎛의 두께를 갖는 제 2의 양면 연마된 Si 웨이퍼(110)는 도 4a에 도시된 바와 같이 약 0.25㎛의 두께를 갖는 열 SiO2의 층(120 및 130)을 갖는 양쪽 면 상에 덮인다. 도 4b는 층(120 및 130) 상에 약 0.25의 두께를 갖는 낮은 응력의 LPCVD SiN의 2개의 층(200 및 240)을 증착하는 다음 단계를 도시한다. 더욱이, 층(200)은, 마지막으로 접촉 영역(C)에서 SiN 층(200)을 통과하는 개구부(230 및 250)가 있는 방식으로 구조화된다. 도 4c에 도시된 다음 프로세스 단계에서, 약 1.5㎛ 도핑된 폴리-Si는 층(200 및 240)의 상부에 증착된다. 상부 층(330)은 구조화되지 않은 채로 남아있고, 하부 층은 구조화되어, 도핑된 폴리-Si 층의 부분(315)으로부터 전기적으로 절연되는 접촉점(340)에 대한 연결(305) 및 작동 전극(300)을 구축한다. 더욱이, 작동 전극(300)에 의해 둘러싸인 도핑된 폴리-Si의 전기적으로 절연된 원형 패치(310)가 있다. 접촉 영역(C)에서, 폴리-Si 층은, SiN 층(200)의 개구부(250)가 작동 전극(300)에 연결되고 주변의 폴리-Si(315)로부터 전기적으로 절연되는 접촉 전극(340)을 구축하는 폴리-Si로 채워지는 방식으로 구조화된다. 더욱이, SiN 층(200)에서 개구부(230) 위의 폴리-Si는 제거된다. 도 4d에서, 약 0.25㎛의 낮은 응력의 LPCVD SiN의 2개의 층(360 및 370)의 증착이 도시된다. SiN 층(370)은 폴리-Si 층(330)의 상부에 증착되고, SiN 층(360)은 하부 폴리-Si 층의 구조화된 부분(310, 300, 315, 340, 305)의 상부, 및 하부 폴리-Si 층이 제거된 제 1 하부 SiN 층(200)의 상부에 증착된다. 접촉 영역(C)에서, SiN 층(360)은 부분적으로 제거되고, 개구부(230)는 SiO2 층(130)으로 자유롭게 접근 가능하다. 제 2 웨이퍼(2000)는 제 2 하부 SiN 층(360)의 상부에 약 0.5㎛ BCB의 증착 및 구조화에 의해 완성된다. BCB 층은 작동 전극(300) 위 및 약간 그 주변에서 제거되어, BCB의 절연된 원형 패치(440) 및 잔여 BCB 층(450)을 초래한다{프로세스 흐름이 약간 변경될 때, 웨이퍼(2000) 상에 BCB 층이 없고, 웨이퍼(1000) 상에 약 1㎛의 하나의 BCB 층만이 있거나, 또는 그 반대로도 이루어진다). BCB(440)의 원형 패치는 본질적으로 제 1 웨이퍼(1000)의 상부에 BCB(410)의 원형 패치와 동일한 크기를 갖는다. 또한, 잔여 BCB 층(450)은 제 1 웨이퍼(1000)의 상부에 잔여 BCB 층(420)에 맞춰진다. 다시 BCB의 부분을 제거하는 것은 접촉 영역(C)에서 개구부(230)를 개방한다.
도 5a 및 도 5b는 2개의 웨이퍼(1000 및 2000)의 접착 프로세스를 도시한다. 웨이퍼(1000) 및 웨이퍼(2000)는, 웨이퍼(2000)의 하부측 상에 BCB(440)의 원형 패치가 원형 패치(410)와 정렬되는 방식으로 위치한다. 더욱이, 제 2 웨이퍼(2000) 상의 잔여 BCB 층(450) 및 제 1 웨이퍼(1000) 상의 잔여 BCB 층(420) 뿐 아니라 제 2 웨이퍼(2000) 상의 개구부(230) 및 제 1 웨이퍼(1000) 상의 개구부(430)는 도 5a에 도시된 바와 같이 정렬된다. 정렬 이후에, 웨이퍼(1000 및 2000)는 함께 압착된다. 열 및 압력의 인가는 도 5b에 도시된 바와 같이 서로 위에 위치한 2개의 BCB 층의 강력한 접착을 초래한다. 원형 패치(410 및 440)는 서로 결합되어, 폴리-Si의 전기적으로 절연된 원형 패치(310)의 상부의 SiN 층(360) 및 폴리-Si의 전기적으로 절연된 패치(310)를 통해 SiN 층(200)에 간접적으로 부착된 압력 도포기(400)를 구축한다.
도 6a 내지 도 6e는 도 5b에 도시된 바와 같이 적층된 및 접착된 디바이스의 추가 처리를 도시한다. 도 6a는, 웨이퍼(2000)의 상부 SiN 층(370), 상부-폴리-Si 층(330), 제 2 SiN 층(240) 및 열 SiO2 층(120)의 구조화 및 제거와, 제 2 웨이퍼(2000)의 하부 열 SiO2 층(130)의 상부에 있는 Si 웨이퍼(110)의 후속하는 깊은 반응성 이온 에칭(DRIE: Deep Reactive Ion Etch)을 도시한다. 층들의 이러한 구조화 및 제거와 후속하는 DRIE-에칭에 의해, 제 1 오목부(55)는 작동 전극(300)의 경계 근처로 연장하는 압력 도포기(400) 위에 형성된다. 더욱이 2개의 채널(75 및 85)은 층(370, 330, 240, 120), 및 접촉점(340 및 430) 위의 Si 웨이퍼(110)에서 에칭된다. 도 6b에 도시된 다음 단계에서, 제 2 웨이퍼(2000)의 하부 SiO2 층(130)은 제 1 오목부(55) 및 채널(75 및 85)에서 에칭된다. 오목부(56)가 구축되고, 접촉 영역(C)에서, 작동 전극(300)에 접촉하는 접촉점(340)은 채널(80)을 통해 접근 가능할 뿐 아니라 이동가능 전극(500)에 접촉하는 접촉점(430)은 채널(70)을 통해 접근 가능하다. 오목부(56)를 통해 접근 가능한 SiN 층(200)은 정전기 디바이스의 유연한 막(200)을 구축한다. 도 6c는 이동가능 전극(500)의 릴리즈(release)의 중간 단계를 도시한다. 제 1 웨이퍼(1000)의 하부 폴리-Si 층(570), 하부 SiN 층(545) 및 하부 SiO2 층(530)이 구조화되고 에칭되고, 이에 후속하여 도 3d 및 도 3e의 상부에 도시된 유연한 가이드(600) 위의 링 형태 그루브(610)에서 이동가능 전극(500)의 경계에 따르는 제 1 웨이퍼(1000)의 상부 SiO2 층(520)에 있는 Si 웨이 퍼(510)의 DRIE 에칭이 이루어진다. 도 6d에 도시된 다음 단계에서, 상부 SiO2 층(520) 및 상부 SiN 층(540)은 링 형태 그루브(620)를 구축하는 반응성 이온 에칭(RIE)에 의해 에칭되고, 이동가능 전극(500)은 릴리즈되어, 이동가능 전극(500)의 우측 및 좌측상의 Si 웨이퍼 및 층의 적층에 의해 구축된 서스펜션에 폴리-Si로 이루어진 탄성 가이드를 통해 연결된다. 탄성 가이드(600)는 도 6d에 보이지 않는데, 이는, 단면이 폴리-Si가 에칭되는 라인을 따르기 때문이다. 도 6e는, 폴리-Si의 탄성 가이드가 보이는 도 6d에 도시된 정전기 디바이스의 약간 회전된 도면을 도시한다(또한 도 3d 및 도 3e에서 상부를 참조). 대안적인 실시예에서, SiN 층(540)은 에칭되지 않는다. 이것은 이동가능 전극과 작동 전극 사이에 밀폐 밀봉 공간을 초래한다.
도 7은 도 6e에 도시된 조립된 웨이퍼의 대안적인 실시예를 도시한다. 추가 벤팅 채널(venting channel)(800)은 이동가능 전극(500)의 영역에서 제 1 웨이퍼(1000)에 에칭된다. 이러한 벤팅 채널은 공기 댐핑과, 이동가능 전극(500)이 부착되는 기판의 질량을 감소시켜, 이동가능 전극의 더 높은 속도를 가능하게 한다. 이러한 벤팅 채널은 도 3c에 도시된 프로세스 단계 이후에 에칭된 약 5㎛의 직경을 갖는 작은 채널(801), 및 도 6c에 도시된 링 형태 그루브(610)와 함께 에칭된 약 50㎛의 직경을 갖는 더 큰 채널(802)로 구성된다. 채널의 깊이는 채널의 직경에 대한 링 형태 그루브(610)의 폭의 비율에 의해 제어될 수 있다. 직경이 더 커질수록, 특정 시간에 에칭된 채널이 더 깊어진다(도 7의 요인이 아님).
도 8은 도 6e에 도시된 바와 같이 정전기 디바이스의 상부에 붙여지거나 접착되는 개구부(20)에 연결된 오목부(900) 및 개구부(또는 노즐)(20)를 갖는 기판(10)의 조립체를 추가 단계로 도시한다. 기판(10)은 웨이퍼(1000 및 2000)의 처리와 유사한 별도의 웨이퍼로서 반도체 기술에 의해 처리될 수 있다. 도 7은 또한 막 층(200) 아래에 층의 적층에 의해 형성된 이동가능 전극(500)의 좌측 및 우측 상의 서스펜션(700)을 도시한다. 이러한 서스펜션은, 막(200) 위의 챔버 벽(105)이 구성하는 물질의 적층에 간접적으로 부착된다. 챔버(50)는 오목부(56) 및 기판(10)에 의해 구축된다. 이동가능 전극(500)은 실리콘 웨이퍼(510)의 부분에 의해 형성된 캐리어 기판(515)에 간접적으로 부착된다. 작동 전극(300) 및 이동가능 전극(500)은 작동 전극(300)의 상부에 SiN 층(360)에 의해 분리된다. BCB(410 및 420)의 결합된 원형 패치는 유연한 막(200)에 간접적으로 부착된 압력 도포기(400)를 구축한다.
도 9는, 전압이 작동 전극 및 이동가능 전극에 인가될 수 있는 전기 접촉점(430 및 340)을 도시한다.
도 10은, 정전기 액추에이터의 추가 실시예의 기본 구조가 도시되는 단면을 도시한다. 개구부(20)를 갖는 층(10)은 챔버(50)를 갖는 추가 층(100)에 부착된다. 층(100)을 구성하는 물질은 챔버(50)의 챔버 벽(105)을 구축한다. 층(10)에서의 개구부(20)는 챔버(50)의 개구부가 되는 방식으로 위치한다. 더욱이, 개구부(20)에 대해 대항 사이트 상에 챔버를 덮는 막(200)이 있다. 막(200)은 전체 층(100)에 걸쳐 연장한다. 압력 도포기(400)는, 막(200)이 챔버(50)를 덮는 막(200)에 부착된 다. 제 1 작동 전극(300)은 본질적으로 또한 챔버(50)를 덮는 막(200)의 영역 주위에 막(200)에 부착된다. 더욱이, 제 1 작동 전극(300)으로부터 전기적으로 절연되는 서스펜션(700)은, 막의 타측상에 챔버(50)의 챔버 벽(105)을 구성하는 층(100)이 막(200)에 부착되는 막에 부착된다. 이동가능 전극(500)은 일측상에서 압력 도포기(400)에 부착되고, 타측상에서 탄성 가이드(들)(600)를 통해 서스펜션(700)에 부착된다. 탄성 가이드(들)(600)는 이동가능 전극(500) 및 서스펜션(700)의 적어도 부분과 동일한 물질로 구성된다. 그 물질은 가늘어지고, 가능하면 구조화되어 탄성 가이드(600)와 같은 브리지(단면으로 보이지 않음)를 구축한다. 더욱이, 전기적으로 절연된 후면 기판(560)은 이동가능 전극(500)과 후면 기판(560) 사이에 공동(570)을 구축하는 서스펜션(700)의 이면(backside)에 부착된다. 제 2 작동 전극(550)은 이동가능 전극(500)에 향하는 후면 기판(560)에 부착되고, 공동(570)은 이동가능 전극(500) 및 제 2 작동 전극(550)을 분리한다. 선택적으로, 절연층은, 전압이 이동가능 전극(500)과 제 2 작동 전극(550) 사이에 인가되는 경우 단락을 방지하기 위해 이동가능 전극 및/또는 제 2 작동 전극(550)에 부착될 수 있다. 이동가능 전극(500)을 갖는 층은 제 1 작동 전극(300)과 제 2 작동 전극(550) 사이에 위치한다. 제 2 작동 전극(550)과 이동가능 전극(500) 사이에 전압이 인가되면, 제 2 작동 전극(550)과 제 2 작동 전극(550)에 향하는 이동가능 전극(500) 사이의 결과적인 흡입력은 압력 도포기(400)를 통해 챔버(50)를 덮는 막(200)에 가해진다. 챔버(50)를 덮는 막(200)의 부분은 바깥쪽으로 잡아 당겨져서, 챔버(50)의 부피를 확장하고, 유체 용기(미도시)에 연결된 공급 파이프를 통해 배출될 유체로 챔버를 채우게 된다. 제어된 방식으로 이동가능 전극(500)과 제 2 작동 전극(560) 사이에 인가된 전압을 릴리즈함으로써 막(200) 및 탄성 가이드(들)(600)의 탄성 특성으로 인해 배출될 유체에 압력을 가하게 된다. 더욱이, 전압은 이동가능 전극(500)과 제 1 작동 전극(300) 사이에 인가되어, 이동가능 전극을 챔버(50)를 향해 잡아당기고, 챔버(50)에서 압력을 추가로 증가시키는 압력 도포기(400)에 의해 챔버(50) 내부에 막(200)을 밀어낸다. 챔버(50)에서의 압력은 개구부(20)를 통해 유체의 배출을 야기한다. 이 실시예의 더 간단한 버전은 제 2 작동 전극(550)만을 포함한다. 이 경우에, 배출될 유체에 가해진 압력은 주로 막(200) 및 탄성 가이드(들)(600)의 기계적 특성에 의해 결정되는데, 이는 배출될 유체의 배출 동안 어떠한 추가 정전기 작동{제 1 작동 전극(300)}도 챔버(50)에서 압력을 증가시키지 않기 때문이다.
본 발명은 특정 실시예 및 특정 도면에 대해 기재되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 청구항에 의해서만 한정된다. 청구항에서 임의의 참조 번호는 그 범주를 한정하는 것으로 해석되지 않는다. 설명된 도면은 단지 개략적이고 제한적이지 않는다. 도면에서, 몇몇 요소의 크기는 과장될 수 있고, 예시적인 목적을 위해 축척대로 도시되지 않는다. "포함하는"이라는 용어가 본 상세한 설명 및 청구항에 사용되는 경우, 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 애매하거나 명확한 관사가 단일 명사를 언급할 때 사용되는 경우, 이것은 특별히 언급되지 않으면 복수 명사를 포함한다.
더욱이, 상세한 설명 및 청구항에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어는 유사한 요소 사이를 구별하는데 사용되고, 순차적 또는 연대순으로 기재할 필요가 없다. 이렇게 사용된 용어가 적절한 환경 하에 서로 교환되고, 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예가 설명되거나 예시된 것과는 다른 시퀀스로 동작할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
더욱이, 상세한 설명 및 청구범위에서 상부, 하부, 제 1, 제 2 등과 같은 용어는 설명을 위해 사용되고 반드시 상대적인 위치를 설명하기 위해 사용되지 않는다. 이러한 용어들이 적절한 환경 하에 상호 교환되고, 본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예가 본 명세서에 설명되거나 예시된 것과 다른 방향으로 작용할 수 있다는 것이 이해된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 고-압력 배출을 위한 개선된 정전기 액추에이터를 제공하는 것 등에 이용된다.

Claims (12)

  1. 정전기 디바이스로서,
    챔버(50)의 적어도 일측상에 적어도 하나의 개구부(20)를 갖는 챔버(50)와, 챔버(50)의 경계의 부분인 유연한 막(200)과, 적어도 하나의 작동 전극(300)과, 적어도 하나의 이동가능 전극(500)과, 유연한 막(200) 및 이동가능 전극(500)의 이동을 결합하는 압력 도포기(400)와, 작동 전극(300)과 이동가능 전극(500) 사이에 전압을 인가하기 위한 전압원을 포함하는, 정전기 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서, 이동가능 전극(500)의 정전기 활성 영역(220)은 챔버(50)의 경계의 부분인 상기 막(200)의 영역(210)의 부분보다 더 큰, 정전기 디바이스.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 절연 유전층(360)은 작동 전극(300)과 이동가능 전극(500) 사이에 위치하는, 정전기 디바이스.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 전극(300)은 상기 막(200) 위에 적어도 부분적으로 연장하는, 정전기 디바이스.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이동가능 전극(500)은 캐리어 기판(515)에 직접적으로 또는 간접적으로 부착되는, 정전기 디바이스.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이동가능 전극(500)은 탄성 가이드(600)에 의해, 챔버 벽(105)에 직접적으로 또는 간접적으로 부착된 서스펜션 구조(700)와 직접적으로 또는 간접적으로 링크되는, 정전기 디바이스.
  7. 제 6항에 있어서, 탄성 가이드(600)는 적어도 하나의 물질의 유연한 층에 의해 실현되는, 정전기 디바이스.
  8. 제 6항에 있어서, 탄성 가이드(600)는 유연한 브리지형 구조에 의해 실현되는, 정전기 디바이스.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 유체 배출 디바이스를 포함하는 프린팅 시스템.
  10. 정전기 디바이스를 구동하는 방법으로서, 상기 정전기 디바이스는, 적어도 하나의 개구부(20)를 갖는 챔버(50)와, 챔버(50)의 경계의 부분인 유연한 막(200)과, 적어도 하나의 작동 전극(300)과, 적어도 하나의 이동가능 전극(500)과, 유연한 막(200) 및 이동가능 전극(500)의 이동을 결합하는 압력 도포기(400)와, 작동 전극(300)과 이동가능 전극(500) 사이에 전압을 인가하기 위한 전압원을 포함하는, 정전기 디바이스를 구동하는 방법에 있어서,
    - 이동가능 전극(500)과 작동 전극(300) 사이에 전압을 인가하는 단계와;
    - 이동가능 전극(500)을 작동하는 단계와;
    - 압력 도포기(400)에 의해 유연한 막(200)으로의 이동가능 전극(500)의 이동을 전달하는 단계와;
    - 유연한 막(200)에 의해 챔버(50)에 채워진 배출될 유체에 힘을 가하는 단계와;
    - 개구부(20)를 통해 챔버(50)에 채워진 배출될 유체를 배출하는 단계를
    포함하는, 정전기 디바이스를 구동하는 방법.
  11. 챔버(50)의 적어도 하나의 개구부(20)를 통해 유체를 배출하는, 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 정전기 디바이스의 이용 방법으로서, 상기 유체는 프린팅 시스템에 사용된 잉크인, 정전기 디바이스의 이용 방법.
  12. 챔버(50)의 적어도 하나의 개구부(20)를 통해 유체를 배출하는, 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 정전기 디바이스의 이용 방법으로서, 상기 유체는 주입 시스템에 사용된 유체 약품(liquid drug)인, 정전기 디바이스의 이용 방법.
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