TWI712508B - 懸臂式微型閥與使用該閥之噴墨印表機 - Google Patents

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吉爾森查理斯
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傑森保羅Ｃ
金梅林湯姆士Ｅ
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Abstract

一種微型閥包括：一孔板，該孔板包括一孔；以及一懸臂式橫桿，該懸臂式橫桿相關於該孔板係耦接成有間隔的，且該懸臂式橫桿可移動於該懸臂式橫桿將該孔關閉與打開的位置之間。該懸臂式橫桿包括一或更多個壓電層，該一或更多個壓電層回應於施加一或更多個電信號至該一或更多個壓電層，可促成彎曲該懸臂式橫桿。分別回應於該一或更多個電信號施加至該一或更多個壓電層以及停止施加至該一或更多個壓電層，該懸臂式橫桿：從與該孔板間隔的一開始位置移動朝向該孔板以及返回至與該孔板間隔的該開始位置；或者從與該孔板相鄰的一開始位置移動遠離該孔板以及返回至與該孔板相鄰的該開始位置。

Description

懸臂式微型閥與使用該閥之噴墨印表機 【相關申請案之交互參照】
本申請案主張美國臨時專利申請案序號61/821,915的利益，其申請於2013年5月10日，其內容在此以引用之方式併入本文。
本發明係關於懸臂式微型閥與噴墨印表機中該閥之使用，且更特定地，係關於噴墨印表機印刷頭中該閥之使用。
具有實質上對周遭打開的孔之印刷頭(印刷頭包括許多熱性與壓力性或電性推式幫浦型噴墨頭)具有的問題通常稱為「去蓋化(decap)」。去蓋化基本上係如此導致：墨承載流體(溶劑)蒸發，導致增加的黏性及/或噴嘴中墨成分的非牛頓式行為。這至少導致較少的墨滴體積、較差的軌線、與隨機的小滴行為，且最嚴重的情形是噴嘴變得完全堵塞並且再也無法分配任何墨。水性墨受去蓋化影響的程度係取決於裝載的染料與顏料以及使用的共溶劑而改變。100%有機溶劑式墨(例如，使用純甲醇或MEK的那些墨)比水性墨經歷 遠遠更嚴重的去蓋化，因為在印刷溫度時(周遭溫度，或通常更高溫)有遠遠較高的蒸發率。
具有實質上對周遭打開的孔之印刷頭還具有各種問題是如此導致的：空氣帶有的汙染物慣於落在孔上並且被孔附近與孔中的殘留墨的「黏性」所捕捉住。最簡單的情形時，此捕捉的「塵埃」會導致打開的孔周圍的混凝。若塵埃(與墨汙染物)留在孔凸出部附近的表面上，塵埃(與墨汙染物)會導致小滴的軌線錯誤。在嚴重的情形時，在墨滴噴射循環的再填充部分期間，塵埃會被吸入噴嘴中，導致軌線錯誤、較少的墨滴重量、與甚至完全阻塞。
將墨滴推出打開的孔之印刷頭會呈現的問題通常稱為「吞咽(gulping)」。吞咽是如此導致：在「倒吸」或流體流回孔或噴嘴中被捕捉的空氣/氣體並未在射墨事件期間「脫離」。空氣被拉回到射墨腔室中，且空氣甚至可能行進更遠到達噴嘴上游的流體再填充區域。被捕捉的空氣可能導致少的墨滴體積(因為流動阻礙的影響)，且甚至可能導致壓力驅動的與熱噴墨頭兩者的射墨腔室的完全蒸汽鎖塞。仰賴聲波的壓力噴墨頭中的被捕捉氣體會導致劣化，因為增加的順應性降低了流體通道中的聲波速度。這影響正確的墨滴形成與速度。當設計用於全濕的射墨腔室之時間脈衝被第二(氣體)相的增加的順應性所中斷時，會導致此缺點。
針對熱噴墨裝置，射墨電阻器附近所捕捉的氣體會導致在射墨脈衝期間不佳的熱傳遞，產生弱的驅動泡沫，這同時導致少的墨滴質量與慢的墨滴速度。少的墨滴質量直接 影響所設計的墨滴散布屬性。慢的墨滴速度通常導致軌線錯誤，軌線錯誤會影響最大的分配距離。
現存的「巨型」閥噴射器的問題包括：●商業上可用的、螺線管驅動的噴墨閥之頻率限制；●螺線管驅動閥之受限的噴嘴密度；及●螺線管驅動閥之大的墨滴尺寸。
連續噴墨(CIJ,continuous inkjet)的問題包括：●相較於不連續的小滴噴墨裝置，CIJ的問題是缺少印刷品質。這是因為對於墨滴位移與墨滴體積具有較少的控制。
本文揭示一噴墨印表機，其中墨滴噴射功能係藉由加壓的流體氣室，加壓的流體氣室具有一流體入口側與一流體出口側，流體出口側包括一或更多個不連續的噴嘴(或孔)。可使用任何一般的加壓流體的機構，例如幫浦。每一孔可被獨立地密封，此係藉由在未發射狀態中的壓力式懸臂式橫桿透過機械偏移、電性偏移、或者較高的氣室內部壓力相對於外部周遭壓力的壓差所導致的靜態壓力梯度而達成。這稱為「正常關閉」位置，且所欲的是不需供電給該懸臂式橫桿。
當需要墨滴噴射時，一電信號傳送至(或保留於)該懸臂式橫桿，這導致該懸臂式橫桿傾斜且彎曲遠離將噴嘴密封的正常關閉位置，而到該孔打開的打開位置。這促成流 體(例如，液體或氣體)流動於該懸臂式橫桿的端部周圍並且流出該孔。
在一定量的撓曲(由流體力學決定)時，該懸臂式橫桿不再需要克服靜態壓力梯度，因為流體完全圍繞該懸臂式橫桿，且靜態壓力係平衡的。該懸臂式橫桿所做出的轉變係從「靜態」行為轉變至由複雜動態流體與懸臂式橫桿力學所主導的行為。當噴嘴在打開位置之後、驅動信號停止時，該懸臂式橫桿係處於受應力狀態中，使得該懸臂式橫桿傾向返回至關閉位置而不用輸入額外的能量。
利用本文所述的懸臂式橫桿，墨滴體積係噴嘴打開時間的強函數，且促成墨滴體積的調變而不用改變噴嘴的尺寸。此性能在熱噴墨中係難以達成，且熱噴墨通常需要超過一個的電阻器在腔室中射墨。但是，利用預先的驅動波形塑形，可以在位移式壓電噴墨印表機中達成此性能。本文所述的懸臂式橫桿不需要複雜的波形-其僅需要使方波或其他簡單的電脈衝「開啟」達較長持續時間即可。
更具體地，本文揭示的一種微型閥系統包括：一孔板，該孔板包括一孔；以及一懸臂式橫桿，該懸臂式橫桿相關於該孔板係耦接成有間隔的，且該懸臂式橫桿可移動於該懸臂式橫桿將該孔關閉與打開的位置之間。該懸臂式橫桿包括一或更多個壓電層，該一或更多個壓電層回應於施加一或更多個電信號至該一或更多個壓電層，可促成彎曲該懸臂式橫桿。分別回應於該一或更多個電信號施加至該一或更多個壓電層以及停止施加至該一或更多個壓電層，該懸臂式橫 桿：從與該孔板間隔的一開始位置移動朝向該孔板以及返回至與該孔板間隔的該開始位置；或者從與該孔板相鄰的一開始位置移動遠離該孔板以及返回至與該孔板相鄰的該開始位置。
該懸臂式橫桿可包括一對壓電層，該對壓電層彼此間隔並且與該孔板間隔。該懸臂式橫桿可回應於：一第一電信號施加至該對壓電層之一者，以從與該孔板間隔的該開始位置彎曲朝向該孔板，以及該第一電信號停止施加並且一第二電信號施加至該對壓電層之另一者，以返回至與該孔板間隔的該開始位置；或者一第一電信號施加至該對壓電層之一者，以從與該孔板相鄰的該開始位置彎曲遠離該孔板，以及該第一電信號停止施加並且一第二電信號施加至該對壓電層之另一者，以返回至與該孔板相鄰的該開始位置。
該懸臂式橫桿的一單式版本包括在一支撐層的一側上的一單一壓電層，支撐層例如是一層的矽或惰性材料，例如(非限制的)鎳。該懸臂式橫桿的一雙式版本包括在該支撐層的相對側上的一對壓電層。
該懸臂式橫桿在其近端處可耦接於該孔板，且該懸臂式橫桿在其遠端處係可移動於該孔被關閉與打開的位置之間。
該懸臂式橫桿可彎曲朝向該孔板，並且關閉該孔。
該懸臂式橫桿可進一步包括一層材料，該層材料導致該懸臂式橫桿在沒有該一或更多個電信號施加至該一或更多個壓電層時具有一彎曲。在沒有該一或更多個電信號施加 至該一或更多個壓電層時，該層材料的較厚與較薄厚度可導致該懸臂式橫桿分別具有較多與較少的彎曲。並且或替代地，在一或更多個層中累積的應力可刻意地調變至一所欲值，且這可用於與厚度選項結合地或分別地使該靜態橫桿彎曲或「捲曲」。
該懸臂式橫桿可包括複數個層。以平面的視角，該懸臂式橫桿的該等層的至少一者可具有下述形狀之一者或一組合：矩形、梯形、多邊形與曲線。
該微型閥系統可進一步包括當該懸臂式橫桿彎曲朝向該孔板時，用於密封該孔的機構。用於密封該孔的該機構可包括下述的至少一者：在該懸臂式橫桿的該遠端上的一凸起表面；及/或在該孔板上的一凸起表面，該凸起表面圍繞該孔。
該微型閥系統可進一步包括在該孔板中的複數個孔；以及複數個懸臂式橫桿，該複數個懸臂式橫桿相關於該孔板係設置成有間隔的，其中每一懸臂式橫桿可移動於該懸臂式橫桿將該複數個孔之一者關閉與打開的位置之間。
該複數個懸臂式橫桿可配置成並列、互成角度配置的、或一xy陣列。
該微型閥系統可進一步包括一輸出歧管，該輸出歧管耦接於該孔板相對於該懸臂式橫桿的一側。
該輸出歧管可包括一或更多個路徑，該一或更多個路徑的每一者係配置成以一預定方向導引流體輸出通過與該路徑連通的每一孔。
該等壓電層的至少一者不延伸至該懸臂式橫桿的一遠端。
本文也揭示一種印刷頭，包括：一輸入歧管；以及複數個微型閥，該複數個微型閥耦接於該輸入歧管，其中該複數個微型閥包括一孔板與複數個懸臂式橫桿，該孔板包括複數個孔，該複數個懸臂式橫桿相關於該孔板係設置成有間隔的，其中每一懸臂式橫桿可移動於該懸臂式橫桿將該複數個孔之一者關閉與打開的位置之間。每一懸臂式橫桿包括一或更多個壓電層，該一或更多個壓電層回應於施加一或更多個電信號至該一或更多個壓電層，可促成彎曲該懸臂式橫桿。分別回應於該一或更多個電信號施加至該一或更多個壓電層以及停止施加至該一或更多個壓電層，該懸臂式橫桿：從與該孔板間隔的一開始位置移動朝向該孔板以及返回至與該孔板間隔的該開始位置；或從與該孔板相鄰的一開始位置移動遠離該孔板以及返回至與該孔板相鄰的該開始位置。
至少一懸臂式橫桿可包括一對壓電層，該對壓電層彼此間隔並且與該孔板間隔。該懸臂式橫桿可回應於：一第一電信號施加至該對壓電層之一者，以從與該孔板間隔的該開始位置彎曲朝向該孔板，以及該第一電信號停止施加並且一第二電信號施加至該對壓電層之另一者，以返回至與該孔板間隔的該開始位置；或者一第一電信號施加至該對壓電層之一者，以從與該孔板相鄰的該開始位置彎曲遠離該孔板，以及該第一電信號停止施加並且一第二電信號施加至該對壓電層之另一者，以返回至與該孔板相鄰的該開始位置。
每一懸臂式橫桿在其近端處可耦接於該孔板與該輸入歧管之間，且每一懸臂式橫桿在其遠端處係可移動於該等孔之一者被關閉與打開的位置之間。
每一懸臂式橫桿可彎曲朝向該孔板，以關閉該等孔之一者。
每一懸臂式橫桿可進一步包括一第一層的矽或惰性材料，該第一層在其上包括一第二層的材料，該第二層的材料導致該懸臂式橫桿在沒有該電信號施加至該懸臂式橫桿時彎曲。
該惰性材料可為鎳，但是，可設想到使用本領域中熟知的其他壓電惰性材料(例如但不限於，玻璃、陶瓷、氧化矽等)。該第二層材料可為氧化物層。該氧化物層的較厚與較薄厚度可導致該懸臂式橫桿在沒有該一或更多個電信號施加至該懸臂式橫桿時，分別彎曲得較多與較少。並且或替代地，在一或更多個層中累積的應力可刻意地調變至一所欲值，且這可用於與厚度選項結合地或分別地使該靜態橫桿彎曲或「捲曲」。
以平面的視角，該第一層可具有下述形狀之一者或一組合：矩形、梯形、多邊形與曲線。
該印刷頭可進一步包括當該等懸臂式橫桿之一者彎曲朝向該孔板時，用於密封每一孔的機構。用於密封每一孔的該機構包括下述的至少一者：在該一懸臂式橫桿上的一凸起表面；或在該孔板上的一凸起表面，該凸起表面圍繞該孔。
該輸入歧管與該複數個微型閥可形成一氣室。
該複數個懸臂式橫桿係配置成並列、互成角度配置的、或一xy陣列。
該等壓電層的至少一者不延伸至該懸臂式橫桿的一遠端。
2‧‧‧微型閥
4‧‧‧輸入歧管
6‧‧‧載體
8‧‧‧氣室或貯存器
10‧‧‧流體
12‧‧‧基板
14‧‧‧控制器
16‧‧‧密封
18、18’‧‧‧懸臂式橫桿
20‧‧‧孔板
22‧‧‧孔
24‧‧‧箭頭
26、26’‧‧‧虛線
28‧‧‧黏著劑
28-1、28-2‧‧‧區段
30‧‧‧縫隙
32‧‧‧矽層
34‧‧‧TOX層
36、36’‧‧‧ZrO2層
38、38’‧‧‧鈦層
40、40’‧‧‧鉑層
42、42’‧‧‧壓電材料層
44、44’‧‧‧鈦層
46、46’‧‧‧鉑層
48‧‧‧黏著劑
50、50’‧‧‧驅動墊
52、52’‧‧‧接地墊
54、54’‧‧‧凹口
62‧‧‧開孔
70‧‧‧Si層(晶圓)
86、88‧‧‧凸起表面
90‧‧‧寬端
92‧‧‧虛線
94‧‧‧長度
96‧‧‧層
98‧‧‧印刷頭
100‧‧‧電介面
102‧‧‧對準表面
104‧‧‧流體介面
106‧‧‧輸出歧管
第1圖為噴墨印表機的方塊圖，噴墨印表機包括微型閥(或彎曲閥)陣列，微型閥陣列係透過歧管而耦接於載體；第2圖係沿著第1圖的線II-II所取的剖面圖，繪示了微型閥的單一實例，微型閥包括第一示例性示例性懸臂式橫桿，該懸臂式橫桿可移動於關閉位置(由虛線顯示，密封了噴嘴)與打開位置(與該噴嘴間隔)之間；第3圖係沿著第1圖的線II-II所取的視圖(類似第2圖)，但是包括控制器，用於控制所例示的微型閥的第一示例性示例性懸臂式橫桿的位置；第4圖係第2圖與第3圖的孔板的噴嘴與微型閥的頂或遠端之單獨視圖，繪示在微型閥的頂或遠端上的選擇性的凸起表面及/或在噴嘴周圍的選擇性的凸起表面；第5圖係第2圖與第3圖繪示的微型閥的底部的單獨平面視圖，具有選擇性的梯形形狀相對於矩形形狀；第6圖係微型閥組裝至載體的橫剖面圖，其中微型閥包括第二示例性懸臂式橫桿，其中第一示例性懸臂式橫桿中的壓電層與壓電層之上的多個層的部分已經從第二示例性懸臂式橫桿中的懸臂式橫桿的頂或遠端移除； 第7圖為定位成並列的微型閥陣列的單獨平面視圖；第8圖為微型閥陣列的單獨平面視圖，微型閥陣列具有兩列的懸臂式橫桿，該等懸臂式橫桿係形成為它們的基部遠離彼此且該等懸臂式橫桿的頂端為互成角度配置的；第9圖係沿著第1圖的線II-II所取的剖面圖，繪示了微型閥的單一實例，微型閥包括第三示例性懸臂式橫桿，該懸臂式橫桿具有一對間隔的壓電層，其中該懸臂式橫桿可移動於關閉位置(由虛線顯示，密封了噴嘴)與打開位置(與該噴嘴間隔)之間；第10圖係剖面圖(類似第9圖)，繪示了微型閥的單一實例，微型閥包括第四示例性懸臂式橫桿，該懸臂式橫桿具有一對間隔的壓電層，其中該懸臂式橫桿可移動於關閉位置(由虛線顯示，密封了噴嘴)與打開位置(與該噴嘴間隔)之間，其中頂部壓電層與頂部壓電層之上的多個層的部分以及底部壓電層與底部壓電層之下的多個層的部分已經從第三示例性懸臂式橫桿中的懸臂式橫桿的頂或遠端移除；及第11圖係沿著第1圖的線II-II所取的視圖(類似第3圖)，但是包括輸出歧管，輸出歧管可耦接於孔板的輸出側，以收集每一微型閥的輸出並且將該輸出導引至其他位置，例如混合腔室或輸出埠。
本發明現在將參照所附圖式來敘述，其中類似的元件符號對應於類似的元件。
參見第1圖，本文揭示的噴墨印表機包括微型閥系統，微型閥系統包括單一微型閥2或微型閥陣列2(在下文討論)係透過輸入歧管4而耦接於載體6。微型閥陣列2(也稱為彎曲閥)可為任何合適及/或所欲的配置。例如，微型閥陣列可為微型閥的XxY陣列，其中X≧1且Y≧0。但是，這不構成限制本發明。
參見第2圖與第3圖且繼續參見第1圖，第1圖中沿著線II-II所取的橫剖面繪示了輸入歧管4與一或更多個微型閥2(在第2圖與第3圖中僅繪示單一微型閥2)界定氣室或貯存器8，氣室或貯存器8係配置來接收與保持流體10(例如，液體或氣體，例如液體墨)，以由一或更多個微型閥2來分配。
載體6可由任何合適及/或所欲的材料來形成，例如但不限於，塑膠或陶瓷。載體6的目的係作用為輸入歧管4與微型閥2相關於基板12操作時的支撐；在控制器14(第3圖)的控制之下，以下文敘述的方式，一或更多個微型閥2操作來存放流體10於基板12上。
墨輸入歧管4係預形成為合適的形狀與結構，以作用為一或更多個微型閥2與載體6之間的介面，且墨輸入歧管4與其共同合作而形成用於流體10的貯存器8。在一非限制的實施例中，輸入歧管4係由500微米厚的玻璃形成，該玻璃已經藉由合適的蝕刻處理(例如但不限於，噴沙)形成為歧管的形態。但是，輸入歧管4係由玻璃製成的本文敘述並不構成限制本發明。相似的，歧管為500微米厚的敘述並 不構成限制本發明。在此方面，輸入歧管4可為合適及/或所欲的厚度，且可由本領域中熟習技藝者認為合適及/或所欲的任何材料製成。
輸入歧管4透過密封16耦接於載體6。密封16可由黏著材料或O型環形成。密封16的目的係在載體6與輸入歧管4之間形成防流體的密封，以避免流體10從貯存器8逃脫或蒸發。
每一微型閥2包括一懸臂式橫桿18係設置於輸入歧管4與孔板20之間，孔板20所欲地係由矽形成，但不限於矽。
為了例示的目的，圖式中圖示的輸入歧管4的厚度與形成各種示例性微型閥2的材料/層係圖示為高度放大的。這對於懸臂式橫桿18特別為真，懸臂式橫桿18實際上足夠薄，以允許懸臂式橫桿18的至少一遠端移動或彎曲朝向與遠離孔板20中的孔22，如同所示，例如，藉由第2圖的箭頭24。
在一實施例中，歧管8中的流體10受到足夠的加壓，使得流體10將懸臂式橫桿18偏移相抵於孔22，如同第2圖的虛線26所示。在此實施例中，懸臂式橫桿18在其未偏移(鬆弛)狀態中係間隔於孔22，如同第2圖與第3圖的實線形式所示。在另一實施例中，懸臂式橫桿18係配置成使得在其未偏移(鬆弛)狀態中，懸臂式橫桿18係偏移相抵於孔22，如同第2圖的虛線26所示。因此，懸臂式橫桿可設計成使得在其未偏移(鬆弛)狀態中，懸臂式橫桿係間隔於孔22 或接觸於孔22。
若需要的話，在懸臂式橫桿18接觸於孔22的介面處可形成合適的防流體密封。或者，形成孔板20與懸臂式橫桿18接觸於孔板20的該部分之材料可選擇成使得這些材料及/或其形狀將孔22密封，且當懸臂式橫桿18在第2圖的虛線26所示的位置時，避免流體10的非預期通過其間。
如同第4圖所示，懸臂式橫桿18面向孔22的頂或遠端可包括選擇性的凸起表面86，凸起表面86可藉由添加式(例如，微影術)處理技術及/或減去式(例如，蝕刻)處理技術形成。例如，凸起表面86可在合適的時間點藉由蝕刻矽層32而形成(在下文討論)。並且或替代地，凸起表面86可在合適的時間點藉由沉積軟的順應性材料(例如但不限於，金)於矽層32上而形成。也可設想到，結合添加式與減去式處理來形成凸起表面86。
並且或替代地，且也如同第4圖所示，藉由本領域中熟知之添加式及/或減去式處理技術，可形成凸起表面88於孔22面向懸臂式橫桿18的該側的周圍。例如，凸起表面88可藉由形成孔板20之矽層70的減去式處理來形成。並且或替代地，凸起表面88可藉由在孔板20的處理期間在合適的時間點沉積順應性材料(例如但不限於，金)於孔22周圍來形成。也可設想到，結合添加式與減去式處理來形成凸起表面88。在下文，為了簡化的目的，將不再敘述凸起表面86與88。但是，可瞭解到，凸起表面86、凸起表面88、或凸起表面86與88兩者的使用可用於本文所述的微型閥的每一實 例。
藉由任何一般的加壓流體10機構(例如，流體幫浦(未圖示))，貯存器8內的流體10可處於升高的壓力。替代地，流體10可處於大氣壓力。使流體10處於大氣壓力或處於升高的壓力的決定係由此決定：在其鬆弛狀態中的懸臂式橫桿18是否在第2圖與第3圖的實線所示的打開狀態或第2圖的虛線26所示的關閉狀態。
繼續參見第2圖與第3圖，懸臂式橫桿18(特別是懸臂式橫桿18的遠端)係定位成間隔於、操作上相關於孔板20的孔22，例如透過懸臂式橫桿18的近端處的黏著劑28。黏著劑28可用界定黏著劑28的區段28-1與28-2的方式形成或沉積，這可促成組裝時孔板20與懸臂式橫桿18之間的縫隙30的形成。縫隙30促成相鄰於孔22的懸臂式橫桿18的頂或遠端移動於雙頭箭頭24(第2圖)所示的方向中，以在第2圖的虛線26所示的下位置時密封孔22，且在第2圖與第3圖的實線所示的上位置時透過孔22來分配流體10。
懸臂式橫桿18的一範例性、非限制實施例包括一15微米厚的矽層32、一1.2微米厚的熱濕氧化物(TOX,wet-thermal oxide)層34、一100奈米厚的氧化鋯(ZrO2)層36、一10奈米厚的鈦層38、一100奈米厚的鉑層40、一3-50微米厚的壓電材料層42(例如但不限於，鋯鈦酸鉛(PZT,lead zirconate titanate))、另一10奈米厚的鈦層44、以及最後一250奈米厚的鉑層46。層34-40、44與46可用任何合適及/或所欲的方式來沉積或形成或耦接在一起。層32-46的上述厚 度不構成限制本發明。鉑層46透過黏著劑48耦接於輸入歧管4的玻璃。
驅動墊50與接地墊52分別形成為電接觸於鉑層46與鉑層40。在第2圖與第3圖所示的實施例中，接地墊52透過在相反於孔22之懸臂式橫桿18的近端(或附接端)處的壓電層42、鈦層44、以及鉑層46中界定的凹口54，而接觸於鉑層40。驅動墊50形成為接觸於在相反於孔22之懸臂式橫桿18的近端上的鉑層46。驅動墊50與接地墊52界定用於施加一或更多個電性偏壓至壓電層42的接觸，一或更多個電性偏壓導致壓電層42將懸臂式橫桿18移動(彎曲)於覆蓋孔22的關閉位置(第2圖的虛線26所示)與打開位置(第2圖與第3圖的實線所示)之間，該打開位置允許貯存器8中的加壓流體10流動通過孔22，或反之亦然。
已經觀察到，當懸臂式橫桿18並未被施加至驅動墊50與接地墊52的電性偏壓偏移時，TOX層34的厚度將影響懸臂式橫桿18的撓曲。例如，當懸臂式橫桿18的壓電層42並未被電性偏壓時(亦即，在鬆弛狀態中)，較薄的TOX層34將導致懸臂式橫桿18位於第2圖與第3圖的實質上所示的位置中。相反的，當壓電層42並未被電性偏壓時(亦即，在鬆弛狀態中)，較厚的TOX層34將導致懸臂式橫桿位於虛線26實質上所示的位置中(覆蓋孔22)。因此，藉由控制TOX層34的厚度，可控制在沒有電性偏壓施加至壓電層42時懸臂式橫桿18的曲率或彎曲(或沒有彎曲)。在一特定的所欲實施例中，當壓電層42並未被電性偏壓時，懸臂式橫桿 18位於覆蓋孔22的關閉位置中(第2圖的虛線26所示)，且當壓電層42被電性偏壓時，懸臂式橫桿18假定係在第2圖與第3圖的實線所示的位置中。但是，這不構成限制本發明，因為可設想到，當壓電層42並未被偏壓與被偏壓時，懸臂式橫桿18分別位於打開狀態與關閉狀態的相反關係。
並且或替代地，在懸臂式橫桿18的一或更多個層中累積的應力可刻意地調變至一所欲值，且這可用於與厚度選項結合地或分別地使該靜態橫桿彎曲或「捲曲」。
ZrO2層36作用為阻障，抵抗Pt層40與矽層32之間的遷移汙染。但是，層36由ZrO2形成的揭示並不構成限制，因為可設想到可以作用為阻障來抵抗Pt層40與矽層32之間的遷移汙染的任何其他合適及/或所欲的材料，用來取代ZrO2作為層36的材料。Ti層38作用為種子或阻障層，用於鉑層40的沉積。Ti層38促成Pt層40的黏著。Ti層38與Pt層40界定懸臂式橫桿18的第一電極。
壓電層42可由多層任何合適及/或所欲的壓電材料形成，例如但不限於鋯鈦酸鉛(PZT,lead zirconate titanate)，例如透過濺射或其他薄膜沉積處理或已知的溶膠-凝膠處理來沉積於層中。在壓電層42已經沉積至足夠厚度之後，Ti層44與Pt層46相繼沉積在壓電層42的頂部上。Ti層44作用為Pt層46與壓電層42之間的黏著層。Ti層44與Pt層46界定懸臂式橫桿18的第二電極。
開孔或孔62(第2圖與第3圖)可用任何合適及/或所欲的方式形成於層32-46中，且凹口54(第3圖)係藉 由移除相反於開孔62所形成的層32-46而形成。
一旦形成懸臂式橫桿18，輸入歧管4(所欲的係玻璃製成，例如已經預形成為輸入歧管4形式的硼矽酸鹽玻璃)透過黏著劑48而安裝於Pt層46。
孔板20係由已經蝕刻形成所欲尺寸及/或維度的孔22之晶圓70或矽層形成。
在合適的時間點，孔板20安裝於黏著劑28的區段28-1與28-2，其中孔22係定位成操作上對準於懸臂式橫桿18的頂或遠端。所欲的，至黏著劑28的區段28-1與孔22的左邊之層32-46的堆疊(形成懸臂式橫桿18)的尺寸經過設計，其中形成有縫隙30，且縫隙30由Si層32與Si層70的相對表面來界定，Si層32與Si層70藉由黏著劑28的區段28-1而維持成間隔的關係。在一非限制實施例中，孔板20以及因此孔22具有小於100微米的厚度，且孔22具有小於100微米的直徑。
如同上面討論的，使用標準MEM及/或半導體處理技術，單一微型閥2可製造為單獨的裝置，或者可同時製造並列(第7圖)或互成角度配置的(第8圖)的數個微型閥2。複數個微型閥2可設計與製造成使得每一微型閥從相同的氣室8接收流體10。換句話說，可使用單一氣室8作為用於複數個微型閥2的流體10源。
使用上，藉由設計(例如，透過TOX層34的厚度)或回應於氣室中的加壓流體10，所欲的是每一懸臂式橫桿18接觸於且覆蓋孔板20中的對應孔22(如同第2圖的虛線26 所示)。當所欲的是分配流體10(例如，墨滴)至基板12上時，控制器14施加(或保持)合適的驅動信號至(或來自)驅動墊50，同時接地墊52耦接於控制器14的回送路徑。回應於施加(或保持)此驅動信號，壓電層42導致懸臂式橫桿18移動或彎曲遠離孔22至第2圖與第3圖的實線所示的位置，此時氣室8中的流體10離開孔22。回應於停止施加(或重新施加)該驅動信號，懸臂式橫桿18返回第2圖的虛線26所示的位置，關閉孔22並且終止流體10通過孔22的流動。
其中懸臂式橫桿18係設計成在第2圖的虛線26所示的曲形或彎曲位置中來覆蓋與密封孔22時，在氣室8中可使用處於大氣壓力的流體10，藉此避免需要使用加壓的流體10。
在此，已經相關於向下分配流體10來敘述微型閥2。但是，這不構成限制本發明，因為可設想到，微型閥2可相關於氣室8中的加壓流體10來使用，其中流體10可從孔22分配於任何方向中，包括向上。另外，雖然已經相關於分配流體10(例如，液體，例如墨)來敘述本發明，可瞭解到，微型閥2可用於分配任何其他合適及/或所欲的流體，包括氣體。在微型閥2用於分配氣體的實例中，可設想到，接觸於孔22且覆蓋孔22的懸臂式橫桿18將形成氣密密封。
可瞭解到，本文所述的微型閥2可為使用合適的半導體及/或MEM處理技術而同時形成於共同結構上的數個微型閥2的一者。若需要的話，此共同結構可用任何合適及/或所欲的方式分離，以提供個別的微型閥2或微型閥2的XxY 陣列。
在上面的敘述中，層32係敘述為矽層。並且或替代地，層32可由電性沉積的金屬製成，例如鎳。因此，層32可完全由矽、電性沉積鎳、或矽層上的電性沉積鎳層來形成。也可設想到用於層32的其他材料的使用。
孔22周圍的孔板20部分(其中懸臂式橫桿18接觸於孔板20)可為平坦表面(第2圖與第3圖)或可具有凸起表面88(第4圖)。並且或替代地，圍繞孔22的區域(其中懸臂式橫桿18接觸於孔板20)可包括順應性材料(作為平坦表面的部分或凸起表面88的部分(第4圖))，以改良懸臂式橫桿18在關閉位置中時的密封。
如同上面討論的，藉由適當地選擇TOX層34的厚度，當電性偏壓並未施加至壓電層材料42時，微型閥2可形成為兩狀態之一者，亦即，懸臂式橫桿覆蓋孔22的正常關閉狀態(如同第2圖的虛線26所示)，或者懸臂式橫桿18間隔於孔22的正常打開狀態(如同第2圖與第3圖的實線所示)。回應於透過墊50與54而分別施加適當的電性偏壓至鉑層46與40，電性偏壓可施加至壓電層42，這可導致懸臂式橫桿18分別從正常關閉狀態(如同第2圖的虛線26所示)或正常打開狀態(如同第2圖與第3圖的實線所示)轉移或彎曲至打開或關閉狀態。回應於停止施加電性偏壓至鉑層46與40，懸臂式橫桿18將返回(彎曲)至其正常關閉或正常打開狀態，視狀況而定。
所欲的，懸臂式橫桿18的質量與剛性係設計成允許 懸臂式橫桿18在關閉位置(密封孔22)與打開位置(允許流體10透過孔22來分配)之間的高頻移動。此高頻操作可大於10kHz，且所欲的是大於20kHz。為了促成此高頻操作，矽層32所欲的是具有小於20微米的厚度。
所欲的，懸臂式橫桿18具有梯形形狀(如同第5圖所示)，以改良操作頻率。當懸臂式橫桿18具有梯形形狀(例如，第5圖所示的梯形形狀)時，梯形形狀的寬端90所欲的是為設置於孔22之上的氣室8中的懸臂式橫桿18的遠端。
如同第4圖所示，懸臂式橫桿18可包括凸起表面86，及/或凸起表面88可形成於孔22周圍，以改良孔22的密封，並且減少懸臂式橫桿18與孔22周圍的孔板20的區域之間所需的對準。
如同第4圖的虛線92所示，孔22可選擇性地形成有錐形，具有面向氣室8的寬端與面離氣室8的窄端。
如同第5圖所示，懸臂式橫桿18的總長度94所欲的是少於1500微米，更所欲的是少於1000微米，且最所欲的長度94是700-1000微米之間。
在前述中，孔22形成於由矽層70製成的孔板20中。因此，用於懸臂式橫桿18的底座係為矽層70。但是，可設想到，可使用一聚合體或多個聚合體作為懸臂式橫桿18的底座，來取代矽層70。也可設想到，圍繞孔22之至少孔板20的該區域可選擇性地包括一金屬層(不需要是凸起表面88)係作用為懸臂式橫桿18的底座，以促成形成防流體的密封於接觸孔板20的懸臂式橫桿18，而密封孔22。此金屬閥底座 可由已經雷射溶化或化學蝕刻的金屬層形成。並且或替代地，此金屬閥底座可電性形成。
ZrO2層36作用為阻障，以防止矽層32與壓電層42之間的化學遷移。雖然已經相關於100奈米厚的ZrO2層36來敘述懸臂式橫桿的範例實施例，可設想到，ZrO2層36可為40與120微米之間的厚度。
雖然懸臂式橫桿18係設計成在孔22之上係在正常關閉狀態中(第2圖的虛線26所示)，所欲的是壓電層42係設計成且配置成將懸臂式橫桿18移動至打開狀態，以對抗15psi(103,421N/m2)的流體壓力或氣室8中更大的壓力。
所欲的，壓電層42可以透過層40與46將施加至其的電場維持成高達每微米20伏特。
第1圖的噴墨印表機包含透過輸入歧管4耦接於載體6的微型閥2陣列。此噴墨印表機也包括額外的元件，在本文中並未圖示及/或敘述，本領域中熟習技藝者可輕易認知是實施噴墨印表機所必需的，例如，支撐微型閥、載體6、輸入歧管4與控制器14(第3圖)的框架。控制器14可包括介面硬體與軟體來促成控制器14連接至一或更多個外部裝置(例如，PC、路由器、與類似者)，以從外部裝置接收要由噴墨印表機印刷的資料。
第1圖的微型閥2、載體6與輸入歧管4的組合界定了多閥組件，該多閥組件包含微型閥2陣列。可設想到，實際上，此多閥組件可為噴墨印表機的可置換物品。因此，當用盡了第一多閥組件的氣室8中的流體10時，該第一多閥 組件可從噴墨印表機移除並且用第二多閥組件來置換，第二多閥組件包括完全充滿的流體(例如，墨)10在其氣室8中。
在具有微型閥的XxY陣列的多閥組件中，其中X≧1且Y≧2，可設想到，該等微型閥所欲的是具有≧90微型閥/吋(每釐米35個微型閥)的間隔，較佳地≧150微型閥/吋(每釐米59個微型閥)，且最所欲的是≧180微型閥/吋(每釐米71個微型閥)。
參見第6圖，第二示例性微型閥2省略了例如第2圖與第3圖所示的實施例中壓電層42、鈦層44與鉑層46設置於氣室8中的部分。為此，比較第2圖與第3圖所示的第一示例性微型閥2與第6圖所示的第二示例性微型閥2，可看出，在第2圖與第3圖所示的第一示例性微型閥2中，在懸臂式橫桿18的遠(或頂)端處的壓電層42、鈦層44與鉑層46的區段已經在第6圖中省略了。相信，省略了第6圖中壓電層42、鈦層44與鉑層46的這些部分將增加懸臂式橫桿18移動進與出接觸於孔22的操作頻率性能。除了第6圖所示的第二示例性微型閥2中的壓電層42、鈦層44與鉑層46的該等部分的移除之外，第2圖、第3圖與第6圖所示的第一與第二示例性微型閥2係相同的。
除了在上面段落相關於第6圖討論的省略在懸臂式橫桿18的遠(或頂)端處的層42、44與46的該等部分之外，也可設想到(但未繪示於第6圖)，也可省略在懸臂式橫桿18的遠(或頂)端處的ZrO2層36、Ti層38、及/或Pt層40的一或更多者的多個部分，例如，用第6圖所示的針對層42、 44與46的省略部分之相似方式。但是，這不構成限制。
參見第9圖，第三示例性微型閥2包括懸臂式橫桿18’，懸臂式橫桿18’除了壓電層42之外還包括另一壓電層42’，壓電層42’在矽層32之相對於壓電層42的一側上。更具體地，懸臂式橫桿18’包括在矽層32與黏著區段28-1之間的下述層：ZrO2層36’、Ti層38’、Pt層40’、壓電層42’、Ti層44’、及Pt層46’。在矽層32與黏著區段28-1之間的層36’-46’實質上係在矽層32的另一側上的層36-46的鏡像。以相似的方式，層34-46與層36’-46’設置於矽層32對準於黏著區段28-2的該部分的相反側上。
第9圖所示的懸臂式橫桿18’的實施例包括驅動墊50與接地墊52係分別接觸於鉑層46與鉑層40，就像第2圖與第3圖所示的懸臂式橫桿18的實施例。另外，懸臂式橫桿18’包括驅動墊50’與接地墊52’係分別接觸於鉑層46’與鉑層40’。比較第9圖的懸臂式橫桿18’與第3圖的懸臂式橫桿18，可看出，第9圖的懸臂式橫桿18’的各種層32-46與36’-46’比第3圖所示的懸臂式橫桿18的實施例中的層32-46延伸更左邊，以提供間隙來用於將控制器14連接至驅動墊50’與接地墊52’。換句話說，層36’-46’延伸足夠至第9圖的左邊，且層42’-46’具有凹口54’形成於其中，以促成驅動墊50’與接地墊52’無間隙地分別安裝至Pt層46’與Pt層40’。
驅動墊50與接地墊52係繪示為垂直對準於驅動墊50’與接地墊52’。但是，這不構成限制本發明，因為可設想到，為了懸臂式橫桿18，驅動墊50與接地墊52可耦接於第 9圖所示的該等位置與第3圖所示的該等位置之間的任何合適及/或所欲的位置處。
懸臂式橫桿18’的操作類似於上述的懸臂式橫桿18的操作，除了控制器14可施加(或保持)一或更多個合適的驅動信號至驅動墊50、驅動墊50’、或驅動墊50與驅動墊50’兩者，而接地墊52與52’耦接於控制器14的一或更多個回送路徑。回應於施加(或保持)此驅動信號至驅動墊50、驅動墊50’、或驅動墊50與50’兩者(同時)，壓電層42、壓電層42’、或壓電層42與42’一起導致懸臂式橫桿18’從開始位置移動或彎曲至朝向(且接觸於)或遠離孔22的位置。回應於停止施加(或重新施加)驅動信號至驅動墊50、驅動墊50’、或驅動墊50與50’兩者，懸臂式橫桿18’返回其開始位置，亦即，間隔於孔22或接觸於且覆蓋孔22。更具體地，回應於個別施加與停止施加電信號至壓電層42或壓電層42’，懸臂式橫桿18’(1)從與孔板20間隔的開始位置移動朝向孔板20以及返回至與孔板間隔的其開始位置，或(2)從與孔板20相鄰的開始位置移動遠離孔板20以及返回至與孔板20相鄰的該開始位置。
替代地，懸臂式橫桿18’回應於第一電信號施加至該對壓電層16或16’之一者，(1)以從與孔板20間隔的該開始位置彎曲朝向孔板20，以及第一電信號停止施加並且第二電信號施加至該對壓電層16或16’之另一者，以返回至與孔板20間隔的該開始位置；或(2)第一電信號施加至該對壓電層16或16’之一者，以從與孔板20相鄰的該開始位置彎曲遠離 孔板20，以及第一電信號停止施加並且第二電信號施加至該對壓電層16或16’之另一者，以返回至與孔板20相鄰的該開始位置。
類似於上面討論的懸臂式橫桿18的實施例，懸臂式橫桿18’的實施例中的TOX層34的厚度可選擇成使得懸臂式橫桿18’的遠端間隔於孔22或懸臂式橫桿18’的遠端(具體地為鉑層46’)接觸且密封孔22，如同第9圖的虛線26所示。因此，藉由適當地選擇TOX層34的厚度，懸臂式橫桿18’可設計成使得在其位於偏移(鬆弛)狀態中時，懸臂式橫桿18’間隔於孔22或接觸且密封孔22。
參見第10圖，第四示例性微型閥2省略了第9圖所示的懸臂式橫桿18’的實施例中壓電層42與42’、鈦層44與44’、與鉑層46與46’設置於氣室8中的部分。為此，比較第9圖與第10圖所示的第三與第四示例性懸臂式橫桿18’，可看出，已經從第10圖所示的第四示例性懸臂式橫桿18’省略了第9圖中在第三示例性懸臂式橫桿18’的遠(或頂)端處的壓電層42與42’、鈦層44與44’、與鉑層46與46’的區段。相信，第10圖中省略了壓電層42與42’、鈦層44與44’、與鉑層46與46’的這些部分將增加第四示例性懸臂式橫桿18’(第10圖)移動進與出接觸於孔22的操作頻率性能。除了第10圖所示的第四示例性懸臂式橫桿中的壓電層42與42’、鈦層44與44’、與鉑層46與46’的該等部分的移除之外，第9圖與第10圖所示的第三與第四示例性懸臂式橫桿18’係相同的。或者，第四示例性懸臂式橫桿18’可包括層42’-46’延伸 至層34、36、32、36’、38’、與40’的遠端，其中僅層38-46從第10圖所示的懸臂式橫桿18’的端部省略。
第7圖為複數個微型閥2的單獨平面視圖，複數個微型閥2包括複數個懸臂式橫桿18或18’定位成並列的、在形成於孔板20中的噴嘴22(以虛線顯示)之上。第8圖為複數個微型閥2的單獨平面視圖，複數個微型閥2包括複數個互成角度配置的懸臂式橫桿18或18’定位在形成於孔板20中的噴嘴22(以虛線顯示)之上。使它們的懸臂式橫桿形成為它們的基部遠離彼此且懸臂式橫桿的頂端為互成角度配置的之微型閥2的該後一種配置可以促成每一微型閥之間的間隔大於150微型閥/每吋(每釐米59個微型閥)。第7圖至第8圖所示的懸臂式橫桿為矩形。但是，這不構成限制本發明，因為每一微型閥可具有本領域中熟習技藝者認為合適及/或所欲的任何形狀，包括第5圖所示的梯形、多邊形、曲線形、或該等形狀的某種組合。
返回第4圖，若需要的話，一或多個微型閥2可包括被動層96(以虛線顯示)形成於將接觸流體10的其內部表面上。層96允許微型閥2(包括本文所述的任何示例性懸臂式橫桿)用於多種流體或氣體10。
上面討論的微型閥系統(包含複數個微型閥、載體6與輸入歧管4)可建構成可置換的或可移除的印刷頭98(第1圖)，印刷頭98包括一或更多個電介面100、一或更多個對準表面102以及選擇性的一或更多個流體介面104。一或更多個電介面100促成微型閥系統電連接至一或更多個外部裝 置。一或更多個對準表面102促成微型閥系統在裝置(例如噴墨印表機)的框架或機架中的對準。最後，一或更多個流體介面104促成微型閥系統選擇性地連接至要分配的流體源。
最後，相信，微型閥2的上述實施例可以分配具有1-600微微升(picoliter)之間的體積的墨滴。
如同可見的，本文揭示的噴墨印表機包括微型閥系統，微型閥系統包括一或更多個微型閥2係透過輸入歧管4耦接於載體6。每一微型閥2包括懸臂式橫桿18或18’係設置於輸入歧管4與孔板20之間。每一懸臂式橫桿18或18’所欲的是定位成對準於孔板20中的一或更多個孔22。在圖式中，為了例示的目的，歧管14的厚度與形成微型閥2的材料/層的厚度係圖示為高度放大的。這對於懸臂式橫桿18與18’的每一實例特別為真，懸臂式橫桿18與18’實際上足夠薄，以允許懸臂式橫桿的至少一遠端移動或彎曲朝向與遠離孔板20中對準於懸臂式橫桿的每一孔22，如同第2圖、第9圖與第10圖針對單一孔22藉由箭頭24所示的。
在一實施中，回應於歧管8中的加壓流體10，本文敘述的懸臂式橫桿18與18’的每一實施例可偏移相抵於對準於該懸臂式橫桿的一或更多個孔22(如同第2圖、第9圖與第10圖針對單一孔22藉由虛線26與26’所示的)。在此實施中，每一示例性懸臂式橫桿18與18’在其未偏移(鬆弛)狀態中係間隔於一或更多個孔22。在另一實施中，懸臂式橫桿18與18’的每一實例係配置成使得在其未偏移狀態中，該懸臂式橫桿相抵於(且密封)對準於該懸臂式橫桿的每一孔22。
合適的密封可形成於每一示例性懸臂式橫桿18與18’接觸於對準於該懸臂式橫桿的每一孔22之介面處。或者，形成孔板20與懸臂式橫桿18或18’接觸於孔板20的該部分之材料可選擇成使得這些材料及/或其形狀將對準於該懸臂式橫桿的每一孔22密封，且當懸臂式橫桿在如同第2圖、第9圖與第10圖的虛線26所示的位置時，避免流體10的非預期通過其間。
每一示例性懸臂式橫桿18或18’面向每一孔22的頂或遠端可包括選擇性的凸起表面，凸起表面可藉由添加式及/或減去式處理技術形成。並且或替代地，如同所示，例如在第4圖中，藉由添加式及/或減去式處理技術，可形成凸起表面88於每一孔22面向任何示例性懸臂式橫桿18與18’之該側的周圍。
在第9圖與第10圖所示的懸臂式橫桿18’的實施例中，除了引入層36’-46’、驅動墊50’、與接地墊52’之外，形成第2圖與第6圖所示的懸臂式橫桿18的實施例之材料層係相同於第9圖與第10圖所示的懸臂式橫桿18’的實施例。當然，第9圖與第10圖所示的懸臂式橫桿18’的實施例可具有不同於第2圖與第6圖所示的懸臂式橫桿18的實施例之其他幾何外形，這種不同可從圖式清楚看出。
上面討論的層36-46的範例厚度也可應用至層36’-46’。但是，本文所述的層36-46的厚度以及因此層36’-46’的厚度並不構成限制本發明。
在第9圖與第10圖所示的第三與第四示例性懸臂式 橫桿18’中，ZrO2層36及/或ZrO2層36’作用為阻障，抵抗Pt層40與40’與矽層32之間的遷移。Ti層38’促成Pt層40’的黏著。類似的，Ti層44’作用為Pt層46’與壓電層42’之間的黏著層。Ti層38與Pt層40界定懸臂式橫桿18’的第一電極。Ti層44與Pt層46界定懸臂式橫桿18’的第二電極。Ti層38’與Pt層40’界定懸臂式橫桿18’的第三電極。Ti層44’與Pt層46’界定懸臂式橫桿18’的第四電極。
在第9圖與第10圖所示的懸臂式橫桿18’的實施例中，開孔或孔62可用任何合適及/或所欲的方式形成於層32-46與36’-46’中，且凹口54’係藉由移除相反於開孔62所形成的層42’-46’而形成。
繼續參見第9圖與第10圖，一旦形成懸臂式橫桿18’的每一實施例，輸入歧管4可透過黏著劑48而安裝於Pt層46。在合適的時間點，孔板20(包括一或更多個孔22)安裝於黏著劑28的區段28-1與28-2，其中每一孔22係定位成操作上對準於第9圖與第10圖所示的懸臂式橫桿18’的一實例的頂或遠端。所欲的，至黏著劑28的區段28-1與孔22的左邊之層32-46與36’-46’的堆疊(形成第9圖與第10圖所示的每一示例性懸臂式橫桿18’)的尺寸經過設計，其中形成有縫隙30，且縫隙30由Pt層46’與Si層70的相對表面來界定，Pt層46’與Si層70藉由黏著劑28的區段28-1而維持成間隔的關係。在一非限制實施例中，孔板20以及因此孔22具有小於100微米的厚度，且孔22具有小於100微米的直徑。
使用標準MEM及/或半導體處理技術，單一微型閥 2可製造為單獨的裝置，或者包括懸臂式橫桿18及/或18’的數個微型閥2可製造為並列的(第7圖)或互成角度配置的(第8圖)。所欲的，可使用單一氣室8作為用於複數個微型閥2的流體源。但是，這並不構成限制本發明。
其中第9圖與第10圖所示的懸臂式橫桿18’的實施例係設計成在曲形或彎曲位置中(藉由虛線26所示，覆蓋且密封孔22)時，在氣室8中可使用處於大氣壓力的流體10，藉此避免需要使用加壓的流體。
本文所述的各種示例性微型閥2可用於向下分配流體。流體10在氣室8中被加壓時，本文所述的每一示例性微型閥2(包括不同示例性懸臂式橫桿18或18’)可用於在任何方向中從一或更多個孔22分配流體，包括向上。可瞭解到，本文所揭示的每一示例性懸臂式橫桿18或18’界定不同示例性微型閥。例如，第一示例性微型閥2包括第2圖與第3圖所示的懸臂式橫桿18；第二示例性微型閥包括第6圖所示的懸臂式橫桿18；第三示例性微型閥包括第9圖所示的懸臂式橫桿18’；最後，第四示例性微型閥包括第10圖所示的懸臂式橫桿18’。
每一示例性微型閥2可用於分配任何合適及/或所欲的流體10。其中微型閥2的一實施例用於分配氣體，可設想到，每一示例性懸臂式橫桿18與18’(在其未偏移狀態中)將接觸於且覆蓋一或更多個孔22，以形成與每一孔22的氣密密封。本文所述的每一示例性微型閥2可為使用合適的半導體及/或MEM處理技術而同時形成為共同基板的數個微型閥 2的一者。若需要的話，此共同結構可用任何合適及/或所欲的方式分離，以提供個別的微型閥2或微型閥2的XxY陣列。
如同上面討論的，層32可完全由矽、電性沉積鎳、或矽層上的電性沉積鎳層來形成。每一孔22周圍的孔板20部分(其中任何示例性懸臂式橫桿18與18’將接觸於孔板20)可為平坦表面或可具有凸起表面，例如第4圖的凸起表面88。並且或替代地，圍繞每一孔22的區域(其中任何示例性懸臂式橫桿18與18’將接觸於孔板20)可包括順應性材料(作為平坦表面的部分或凸起表面的部分，例如第4圖的凸起表面88)，以改良懸臂式橫桿在關閉位置中時的密封。
本文所述的每一示例性微型閥18與18’的TOX層34厚度的適當選擇可促成：當電性偏壓並未施加至壓電材料42、壓電材料42’、或壓電材料42與42’時，對應的微型閥可形成於兩狀態之一者，亦即，懸臂式橫桿覆蓋一或更多個孔22的正常關閉狀態(如同藉由第2圖、第9圖與第10圖的虛線26針對單一孔22所示的)，或者懸臂式橫桿間隔於一或更多個孔22的正常打開狀態(如同第2圖、第3圖、第9圖與第10圖的實線所示)。
所欲的，每一示例性懸臂式橫桿18與18’的質量與厚度係設計成允許懸臂式橫桿在關閉位置(密封一或更多個孔22)與打開位置(允許流體10透過一或更多個孔22來分配)之間的高頻移動。此高頻操作可大於10kHz，且所欲的是大於20kHz。為了促成此高頻操作，矽層所欲的是具有小於20微米的厚度。
每一示例性懸臂式橫桿18與18’可具有梯形形狀(第5圖)，以改良操作頻率。針對懸臂式橫桿具有梯形形狀的實施例，梯形形狀的寬端90所欲的是為設置於至少一孔22之上的氣室8中的懸臂式橫桿的遠端。每一示例性懸臂式橫桿的總長度94所欲的是少於1500微米，更所欲的是少於1000微米，且最所欲的長度94是700-1000微米之間。
在前述中，每一孔22形成於由矽層70製成的孔板20中。因此，用於每一示例性懸臂式橫桿18與18’的底座係為矽層70。但是，可設想到，可使用一聚合體或多個聚合體作為懸臂式橫桿18的底座，來取代矽層70。也可設想到，圍繞每一孔22之至少孔板20的該區域可包括一金屬層(未圖示)係作用為懸臂式橫桿的底座，以促成形成防流體的底座於接觸孔板20的懸臂式橫桿，而密封孔22。此金屬閥底座可由已經雷射溶化、化學蝕刻、或電性形成的金屬層形成。
當一示例性懸臂式橫桿18或18’(在其未偏移狀態)係設計成在一或更多個孔22之上的正常關閉狀態中(第2圖、第9圖與第10圖的虛線26所示)，一或更多個壓電層42及/或42’可設計成且配置成將懸臂式橫桿18或18’移動至打開狀態，以對抗15psi(103,421N/m2)的流體壓力或氣室8中更大的壓力。所欲的，每一壓電層42及/或42’可以將施加至其的電場維持成高達每微米20伏特。
第1圖的噴墨印表機的每一微型閥2可包含本文所述的任一示例性懸臂式橫桿18或18’。也可設想到，具有不同示例性懸臂式橫桿18與18’之不同示例性微型閥2的任何 組合。例如，微型閥2陣列的一微型閥2可包括第2圖所示的第一示例性懸臂式橫桿18；微型閥2陣列的另一微型閥2可包括第6圖所示的第二示例性懸臂式橫桿18；微型閥2陣列的另一微型閥2可包括第9圖所示的第三示例性懸臂式橫桿18’；及/或微型閥2陣列的另一微型閥2可包括第10圖所示的第四示例性懸臂式橫桿18’。
參見第11圖，輸出歧管106可耦接於本文所討論的任一示例性微型閥2中的孔板20的輸出側，以收集每一微型閥2的輸出並且將該輸出導引至其他位置，例如混合腔室(未圖示)或輸出埠(未圖示)。在此方面，可設想到，輸出歧管106可分段，其中輸出歧管106的每一段保持一不同的流體10。分段的輸入歧管4的每一段中的流體可透過耦接至其的一或更多個微型閥2來分配至輸出歧管106，以在混合腔室中混合或在輸出埠中結合。
本發明已經參照範例實施例來敘述。在閱讀與瞭解前述詳細說明後的人士將可有明顯的修改與替換。所打算的是，本發明將解釋為包括所有此種修改與替換，只要此種修改與替換落入所附申請專利範圍或其均等物的範圍內時。
2‧‧‧微型閥
4‧‧‧輸入歧管
6‧‧‧載體
12‧‧‧基板
98‧‧‧印刷頭
100‧‧‧電介面
102‧‧‧對準表面
104‧‧‧流體介面
106‧‧‧輸出歧管

Claims (25)

  1. 一種微型閥系統，包括：一孔板，該孔板包括一孔；及一懸臂式橫桿，該懸臂式橫桿相關於該孔板係耦接成有間隔的，且該懸臂式橫桿可移動於該懸臂式橫桿將該孔關閉與打開的位置之間，其中：該懸臂式橫桿包括一或更多個壓電層，該一或更多個壓電層回應於施加一或更多個電信號至該一或更多個壓電層，可促成彎曲該懸臂式橫桿；該懸臂式橫桿的移動是由該懸臂式橫桿在一圍繞流體內的流體力學所決定，該圍繞流體是在一流體氣室中且該流體氣室內部壓力高於外部壓力；分別回應於該一或更多個電信號施加至該一或更多個壓電層以及停止施加至該一或更多個壓電層，該懸臂式橫桿從與該孔板相鄰的一開始位置移動遠離該孔板以及返回至與該孔板相鄰的該開始位置；及該懸臂式橫桿進一步包括一層材料，該層材料導致該懸臂式橫桿在沒有該一或更多個電信號施加至該一或更多個壓電層時具有一彎曲。
  2. 如請求項1所述之微型閥系統，其中該懸臂式橫桿包括一對壓電層，該對壓電層彼此間隔並且與該孔板間隔，其中該懸臂式橫桿回應於一第一電信號施加至該對壓電層之一者，以從與該孔板相鄰的該開始位置彎曲遠離該孔板，以及 該第一電信號停止施加並且一第二電信號施加至該對壓電層之另一者，以返回至與該孔板相鄰的該開始位置。
  3. 如請求項1所述之微型閥系統，其中該懸臂式橫桿在該懸臂式橫桿的一近端處係耦接於該孔板，且該懸臂式橫桿在該懸臂式橫桿的一遠端處係可移動於該孔被關閉與打開的位置之間。
  4. 如請求項1所述之微型閥系統，其中移動朝向該孔板的該懸臂式橫桿關閉該孔。
  5. 如請求項1所述之微型閥系統，其中在沒有該一或更多個電信號施加至該一或更多個壓電層時，該層材料的較厚與較薄厚度導致該懸臂式橫桿分別具有較多與較少的彎曲。
  6. 如請求項1所述之微型閥系統，其中：該懸臂式橫桿包括複數個層；及以平面的視角，該懸臂式橫桿的該等層的至少一者具有下述形狀之一者或一組合：矩形、梯形、多邊形與曲線。
  7. 如請求項1所述之微型閥系統，進一步包括當該懸臂式橫桿移動朝向該孔板時，用於密封該孔的機構。
  8. 如請求項7所述之微型閥系統，其中用於密封該孔的該 機構包括下述的至少一者：在該懸臂式橫桿的該遠端上的一凸起表面；及/或在該孔板上的一凸起表面，該凸起表面圍繞該孔。
  9. 如請求項1所述之微型閥系統，進一步包括：在該孔板中的複數個孔；及複數個懸臂式橫桿，該複數個懸臂式橫桿相關於該孔板係設置成有間隔的，其中每一懸臂式橫桿可移動於該懸臂式橫桿將該複數個孔之一者關閉與打開的位置之間。
  10. 如請求項9所述之微型閥系統，其中該複數個懸臂式橫桿係配置成並列的、互成角度配置的、或一xy陣列。
  11. 如請求項1所述之微型閥系統，進一步包括一輸出歧管，該輸出歧管耦接於該孔板相對於該懸臂式橫桿的一側。
  12. 如請求項11所述之微型閥系統，其中該輸出歧管包括一或更多個路徑，該一或更多個路徑的每一者係配置成以一預定方向導引流體輸出通過與該路徑連通的每一孔。
  13. 如請求項1所述之微型閥系統，其中該等壓電層的至少一者不延伸至該懸臂式橫桿的一遠端。
  14. 一種印刷頭，包括： 一輸入歧管；及複數個微型閥，該複數個微型閥耦接於該輸入歧管，其中該複數個微型閥包括一孔板與複數個懸臂式橫桿，該孔板包括複數個孔，該複數個懸臂式橫桿相關於該孔板係設置成有間隔的，其中每一懸臂式橫桿可移動於該懸臂式橫桿將該複數個孔之一者關閉與打開的位置之間，其中：每一懸臂式橫桿包括一或更多個壓電層，該一或更多個壓電層回應於施加一或更多個電信號至該一或更多個壓電層，可促成彎曲該懸臂式橫桿；該懸臂式橫桿的移動是由該懸臂式橫桿在一圍繞流體內的流體力學所決定，該圍繞流體是在一流體氣室中且該流體氣室內部壓力高於外部壓力；及分別回應於該一或更多個電信號施加至該一或更多個壓電層以及停止施加至該一或更多個壓電層，該懸臂式橫桿從與該孔板相鄰的一開始位置移動遠離該孔板以及返回至與該孔板相鄰的該開始位置；及每一懸臂式橫桿進一步包括一第一層的矽或惰性材料，該第一層在其上包括一第二層的材料，該第二層的材料導致該懸臂式橫桿在沒有該電信號施加至該懸臂式橫桿時彎曲。
  15. 如請求項14所述之印刷頭，其中至少一懸臂式橫桿包括一對壓電層，該對壓電層彼此間隔並且與該孔板間隔，其中該懸臂式橫桿回應於一第一電信號施加至該對壓電層之一者，以從與該孔板相鄰的該開始位置彎曲遠離該孔板，以及 該第一電信號停止施加並且一第二電信號施加至該對壓電層之另一者，以返回至與該孔板相鄰的該開始位置。
  16. 如請求項14所述之印刷頭，其中每一懸臂式橫桿在該懸臂式橫桿的一近端處係耦接於該孔板與該輸入歧管之間，且每一懸臂式橫桿在其遠端處係可移動於該等孔之一者被關閉與打開的位置之間。
  17. 如請求項14所述之印刷頭，其中移動朝向該孔板的每一懸臂式橫桿關閉該等孔之一者。
  18. 如請求項14所述之印刷頭，其中：該惰性材料係鎳或一壓電惰性材料；及該第二層材料係一氧化物層、一SiNx層、或SiCx層。
  19. 如請求項14所述之印刷頭，其中：該第二層材料係一氧化物層；及該氧化物層的較厚與較薄厚度導致該懸臂式橫桿在沒有該一或更多個電信號施加至該懸臂式橫桿時，分別彎曲得較多與較少。
  20. 如請求項14所述之印刷頭，其中以平面的視角，該第一層具有下述形狀之一者或一組合：矩形、梯形、多邊形與曲線。
  21. 如請求項15所述之印刷頭，進一步包括當該等懸臂式橫桿之一者移動朝向該孔板時，用於密封每一孔的機構。
  22. 如請求項21所述之印刷頭，其中用於密封每一孔的該機構包括下述的至少一者：在該一懸臂式橫桿上的一凸起表面或凸塊；或在該孔板上的一凸起表面或凸塊，該凸起表面或凸塊圍繞該孔。
  23. 如請求項15所述之印刷頭，其中該輸入歧管與該複數個微型閥形成一氣室。
  24. 如請求項16所述之印刷頭，其中該複數個懸臂式橫桿係配置成並列的、互成角度配置的、或一xy陣列。
  25. 如請求項15所述之印刷頭，其中該等壓電層的至少一者不延伸至該懸臂式橫桿的一遠端。
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