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CN1227152C - 热弯曲致动器及微型机电器件 - Google Patents

热弯曲致动器及微型机电器件 Download PDF

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CN1227152C
CN1227152C CNB008108226A CN00810822A CN1227152C CN 1227152 C CN1227152 C CN 1227152C CN B008108226 A CNB008108226 A CN B008108226A CN 00810822 A CN00810822 A CN 00810822A CN 1227152 C CN1227152 C CN 1227152C
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Abstract

本发明涉及一种用于微型机电器件的热弯曲致动器，其中包括：第一致动器部分；第二致动器部分，此部分与第一致动器部分分隔开并且是可导热的以使热弯曲致动器产生弯曲；与第一和第二部分互连的第一连接部件；与第一和第二部分互连的第二连接部件；以及耦合到第一和第二连接部件并与之互连的扭力部件，该扭力部件在第一和第二连接部件之间提供基本刚性连接，使得第一和第二连接部件之间第一和第二致动器部分的弯曲被抑制。本发明的技术方案减少了发生不需要的弯曲模式的可能性，而这些不需要的弯曲模式会使致动器产生不正确的移动。致动器可用于移动在喷墨器件的喷嘴室中的墨水排出闸门。

Description

热弯曲致动器及微型机电器件
技术领域
本发明涉及一种用于微型机电(MEM)器件的热弯曲致动器。本发明可应用在喷嘴类型方面，这些喷嘴通过将可用于微型机电系统(MEMS)的技术和辅助金属氧化物半导体(CMOS)集成电路相结合而制造，并且本发明以下按此应用的情况进行描述。然而，应该理解，本发明可更广泛地应用于其它类型MEM器件的热弯曲致动器中。
共同未决的申请
涉及本发明的各种方法、系统和装置在由本发明申请人或受让人与本申请同时提交的下列共同未决的申请中公开：
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。
这些共同未决申请的内容在此作为交叉参考。
背景技术
近来，本申请人已开发高速页宽喷墨打印机。此打印机一般使用大约51200个墨水喷嘴在A4大小的纸上打印，提供1600dpi的照片质量图象打印。为了达到此喷嘴密度，喷嘴通过结合MEMS-CMOS技术来制造，并且在这里，本申请人提交的题为“热致动器”的国际专利申请PCT/AU00/00338引作参考。
致动臂的局部由电阻性材料形成并通过向所述臂施加电流而使臂产生移动，使得热弯曲致动臂相对基片移动，从而这些高速页宽喷墨打印机在纸上生成图象。此臂连接到闸门上，以便在臂移动时，此闸门移动而把墨滴喷射到纸上。为了喷射墨滴，闸门延伸进具有喷嘴开孔的喷嘴室中，闸门的移动使墨滴从喷嘴开孔喷出。致动臂固定到一端上，当电流施加到此臂上时，此臂产生弯曲，这又移动闸门而从喷嘴开孔喷射墨滴。为了使闸门正确移动以喷射墨滴，要求致动臂向上弯曲并一般绕致动臂的固定端旋转。通过向臂施加电流而使臂的一部分相对于臂的另一部分伸长，由此使臂产生弯曲。为了保证致动臂正确弯曲，需要控制臂的弯曲模式，这些模式有可能导致闸门不正确的移动，而闸门的不正确移动会影响墨滴从喷嘴室的喷射。例如，致动臂的一部分相对于另一部分伸长不是使致动臂按照要求向上弯曲，而是使致动臂在两侧卷起形成大致为盘状的形状或者弯曲成正弦波形状或其它卷曲形状。这些弯曲模式导致闸门的不正确移动，如上所述，这会影响墨滴从喷嘴室喷射的方式。
发明内容
本发明的第一方面是提供一种用于微型机电器件的热弯曲致动器，此致动器包括：
第一致动器部分；
与第一致动器部分分隔开的第二致动器部分，第二致动器部分是可导热的以使热弯曲致动器产生弯曲；
与第一和第二部分互连的第一连接部件；
与第一和第二部分互连的第二连接部件；以及
耦合到第一和第二连接部件并与之互连的扭力部件，该扭力部件在第一和第二连接部件之间提供基本刚性连接，使得第一和第二连接部件之间第一和第二致动器部分的弯曲被抑制。
因而，根据本发明的这个方面，提供与致动器部分互连的连接部分和与连接部分互连的扭力部件以减少在热弯曲致动器被加热时有可能发生的弯曲模式，由此迫使致动器根据所需模式弯曲，保证热弯曲致动器的正确移动。
本发明还致力于一种微型机电器件，其中包括：
用于贮存流体的流体室；
在所述室中允许流体从所述室排出的出口；
用于从所述室通过出口开孔分配流体的热弯曲致动器，此热弯曲致动器具有：
第一致动器部分；
第二致动器部分，此部分与第一致动器部分分隔开并且是可导热的以使热弯曲致动器产生弯曲；
与第一和第二部分互连的第一连接部件；
与第一和第二部分互连的第二连接部件；以及
耦合到第一和第二连接部件并与之互连的扭力部件，该扭力部件在第一和第二连接部件之间提供基本刚性连接，使得第一和第二连接部件之间第一和第二致动器部分的弯曲被抑制。
本发明的优选特征
优选地，每个致动器部分至少有两个分隔开的指状物，所述第一连接部件与第一和第二致动器部分的第一指状物互连，并且第二连接部件与第一和第二致动器部分的第二指状物互连。
优选地，每个指状物设置有接片，并且各个连接部件耦合到每个指状物的接片。
优选地，每个指状物具有第一边缘和第二边缘，在每个指状物的第一边缘和第二边缘上形成多个接片，并且连接部件在第一致动器部分的指状物上的各个接片和第二致动器部分的指状物上的各个接片之间延伸。
优选地，连接部件延伸通过一个致动器部分的接片并具有与所述一个致动器部分分隔开的端部，而且，所述扭力部件与各对连接部件的端部互连。
优选地，连接部件包括连接柱。
优选地，扭力部件包括扭力棒。
优选地，热致动器包括位于所述室内的闸门，当热致动器弯曲时，此闸门是可移动的以便从所述室通过喷嘴开孔喷射液滴。
优选地，所述室具有上壁，扭力部件与所述室的上壁同时淀积形成。
优选地，扭力部件通过淀积形成，首先，在设置在一个致动器部分上的接片中形成开孔并淀积材料，以便此材料通过所述开孔淀积到与第一或第二致动器部分中另一个相关的接片上，以便与此致动器部分互连；所述材料被淀积形成连接部件，从而连接部件具有基本上与所述室的上壁在相同高度的自由端。
优选地，连接部件在热弯曲致动器的中间端部上形成。
附图说明
以下借助实例并结合附图描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1为本发明在打印机墨水喷嘴中应用的一个实施例的平面视图；
图2为沿图1中直线2-2剖分的横截面视图；
图3为与图2相似但更详细的横截面视图，并且图中器件处于极限致动位置，表示正从喷嘴喷射墨滴；
图4为沿图2中直线4-4剖分的视图；
图5为沿图1中直线5-5剖分的视图；以及
图6为根据优选实施例的热弯曲致动器的透视图。
具体实施方式
如在图1和其它相关附图中以大约3000x放大倍数所例示的，单墨水喷嘴器件1为芯片的一部分，此芯片通过结合MEMS和CMOS技术而制造。完整的喷嘴器件包括具有硅基片的支撑结构20、金属氧化物半导体层21、钝化层22和非腐蚀性介电涂层/室确定层29。在此参考以上描述喷嘴器件制造的相同国际专利申请PCT/AU00/00338。所述器件的操作还在相同申请人的题为“微型机电器件中的移动传感器”(MJ12)的共同未决申请中更全面地描述。这两个申请的内容引入到本文中作为参考。
喷嘴器件包括连接到墨水源(未示出)的墨水室24。在其它以下将描述的部件中，层29形成室壁23，室壁23具有用于从贮存在室24内的墨水25喷射墨滴的喷嘴开孔13。如图1所最佳示出的，壁23一般为圆柱形状，并且开孔13基本上在圆柱形壁23的中部形成。壁23具有为部分圆环形的凹缘部分10，凹缘部分10形成壁23的部分外围。
如图3所最佳示出的，室24还由外侧壁23a、下侧壁23b、基础壁(未示出)以及基片20的边缘部分39确定。致动臂28(在图3中示意性地示出而在图4-6中详细示出)在层22上形成，并且支撑部分23c在致动臂28的一端上形成。
致动臂28在器件制造过程中被淀积，并且对于基片20和支撑23c是可旋转的。致动臂28包括上、下臂部分31和32。臂28的下部32与CMOS层21电接触，CMOS层21用于向部分32提供电流，通过热弯曲而使臂28从图2所示位置向图3所示位置移动，以便通过开孔13喷射墨滴D而附着在纸(未示出)上。因此，如前面共同未决的申请所述的，层22包括用于向部分32提供电流的电源电路和其它用于操作图示喷嘴的电路。
框体8安装在致动臂28上。致动器28承载闸门27，如图1-3所示的，闸门27布置在室24内并且随致动器是可移动的以便喷射墨滴D。
外围壁23a、室壁23、框体8和支撑部分23c都是通过形成层29的材料的淀积并蚀刻牺牲材料而形成的，从而确定室24、喷嘴开孔13、离散框体8以及框体8和支撑部分23c之间的空间。下壁部分23b也在淀积基片20的过程中形成。
框体8包括大致成T形的部分50(当在平面视图中观察时)，T形部分50具有外壁10。室24的上壁23具有由壁23的边缘部分52确定的大致成T形的槽60，槽60用于安装框体8的T形部分50。致动器28承载闸门27，如图1-3所示的，闸门27布置在室24内并且随致动器是可移动的以便喷射墨滴D。
在层22的端部边缘22a和壁23的T形部分50之间的空间确定致动器开孔54，如图1和2所示，当致动器28处于空闲或静止状态时开孔54基本上被框体8的T形部分50完全封闭。在如图1和2所示的静止状态中，部分50的壁10与边缘52是分离的，其间距小于1微米以便确定边缘52和壁10之间的细槽。
当致动臂28向上和向下移动而从室24喷射墨滴D时，框体8和壁10相对于壁23的槽60的边缘52向上和向下移动，同时保持与壁23的边缘52之间的密排关系。由于壁10和边缘52非常接近，当壁10相对于边缘52向上和向下移动时，在壁10和边缘52之间形成弯液面M。保持弯液面M就形成边缘52和壁10之间的密封，并因此减少墨水从室24泄漏或吸出的机会。在层22上形成的支撑法兰56和其上形成有框体8的致动器28的部分58之间也形成弯液面M2。当为静止状态时，部分58搁置在法兰56上。弯液面M2的形成也减少在致动臂28和闸门27移动过程中墨水的泄漏和吸出。在致动器开孔54的侧边(未示出)和确定开孔54的壁23a的边缘(未示出)之间也形成弯液面(未示出)。
如图3所示，边缘部分10可承载唇部70并且壁9也可承载唇部72，进一步减少墨水从室24吸出到框体8或壁23上表面上的可能性。唇部70可完全延伸到壁23外围附近，并且在开孔13上也设置相似的唇部。
参见图4-6，详细示出热弯曲致动器28。在图6中，为了说明的简单性和尽可能详细地示出致动臂28起见，未示出框体8和支撑部分23c。
致动臂包括前述的下臂32和上臂31。如图4所最佳示出的，下臂32和上臂31都包括第一指状物80和第二指状物82，指状物80和82都由基础段84接合。指状物80和82远离基础段84的端部固定在支撑结构23c中，以便臂28可象图3所示那样相对于支撑结构23c旋转。指状物80和82分别具有侧缘80a和80b及82a和82b。侧缘80a、80b、82a和82b分别具有整体接片或卡板88、90、92和94。如图4所示，在侧缘80a、80b、82a和82b的每个上都设置5个这样的接片。
臂31上的接片在淀积臂31时与臂31的其它部分整体形成。如图2、3、5和6所清楚示出的，下臂32与前述的臂31相同并布置在上臂31之下。
上臂31中的接片88、90、92和94设置有孔100。孔100通过后述形成：在接片88-94内掩蔽和淀积牺牲材料并接着蚀刻除去牺牲材料而留下贯穿接片88-92的孔100。淀积柱102以便从下臂32上的接片88-92(未示出)延伸穿过上臂31的接片88-92的孔100。柱102具有自由端104，当臂28处于如图1和2所示的静止位置时，自由端104与室24的上壁23基本为相同高度。因而，臂32的接片92与臂31的接片92互连，臂31的接片92就在臂32的接片92紧上方。各个臂31和32的每个接片88、90、92和94通过柱102以相同的方式连接。
参照图4-6将是显而易见的，因此，设置五组柱102，每组包括四个柱102，在图4中这些柱102分别在标号为L1-L5的直线中对准布置。直线L1中的柱102在其自由端104与扭力棒110互连。直线L2中的柱与扭力棒112互连。直线L3中的柱与扭力棒114互连。直线L4中的柱与扭力棒116互连并且直线L5中的柱与扭力棒118互连。扭力棒110-118可与层29同时淀积，上壁23、框体8和支撑结构23c都从层29形成。因此，扭力棒110-118与指状物82和80的侧边互连，当电流施加到臂32时，防止侧缘卷起或向上尖拱以致于致动臂形成盘形或山谷形。因而，扭力棒110-118减少热弯曲致动器在操作过程中任何卷起的机会，并减少在致动臂32加热时可能的弯曲模式数量。此趋势迫使臂只以图3所示的方式弯曲，以便闸门以正确的方式移动而从喷嘴开孔13正确地喷射墨滴D。
在指状物80a-82b的每个边缘上设置五个柱还保证防止臂弯曲成正弦形或波浪形的可能性。因此，扭力棒110-118把臂31和32的两个边缘结合在一起，并具体地把指状物88-94的侧缘结合在一起，从而防止致动臂卷起或弯成弓形，沿指状物80-82端部中间边缘80a-80b布置的多个柱102通过减少臂弯曲成正弦形或波浪形的可能性而进一步减少可能的弯曲模式。

Claims (18)

1.一种用于微型机电器件的热弯曲致动器，其中包括：
第一致动器部分；
第二致动器部分，此部分与第一致动器部分分隔开并且是可导热的以使热弯曲致动器产生弯曲；
与第一和第二部分互连的第一连接部件；
与第一和第二部分互连的第二连接部件；以及
耦合到第一和第二连接部件并与之互连的扭力部件，该扭力部件在第一和第二连接部件之间提供基本刚性连接，使得第一和第二连接部件之间第一和第二致动器部分的弯曲被抑制。
2.如权利要求1所述的致动器，其中，每个致动器部分至少有两个分隔开的指状物，所述第一连接部件与第一和第二致动器部分的第一指状物互连，并且第二连接部件与第一和第二致动器部分的第二指状物互连。
3.如权利要求2所述的致动器，其中，每个指状物设置有接片，并且各个连接部件耦合到每个指状物的接片。
4.如权利要求3所述的致动器，其中，每个指状物具有第一边缘和第二边缘，在每个指状物的第一边缘和第二边缘上设置多个接片，并且连接部件在第一致动器部分的指状物上的各个接片和第二致动器部分的指状物上的各个接片之间延伸。
5.如权利要求4所述的致动器，其中，连接部件延伸通过一个致动器部分的接片并具有与所述一个致动器部分分隔开的端部，而且，所述扭力部件与各对连接部件的端部互连。
6.如权利要求1所述的致动器，其中，连接部件包括连接柱。
7.如权利要求1所述的致动器，其中，扭力部件包括扭力棒。
8.一种微型机电器件，其中包括：
用于贮存流体的流体室；
在所述室中允许流体从所述室排出的出口；
用于从所述室通过出口开孔分配流体的热弯曲致动器，此热弯曲致动器具有：
第一致动器部分；
第二致动器部分，此部分与第一致动器部分分隔开并且是可导热的以使热弯曲致动器产生弯曲；
与第一和第二部分互连的第一连接部件；
与第一和第二部分互连的第二连接部件；以及
耦合到第一和第二连接部件并与之互连的扭力部件，该扭力部件在第一和第二连接部件之间提供基本刚性连接，使得第一和第二连接部件之间第一和第二致动器部分的弯曲被抑制。
9.如权利要求8所述的器件，其中，每个致动器部分至少有两个分隔开的指状物，所述第一连接部件与第一和第二致动器部分的第一指状物互连，并且第二连接部件与第一和第二致动器部分的第二指状物互连。
10.如权利要求9所述的器件，其中，每个指状物设置有接片，并且各个连接部件耦合到每个指状物的接片。
11.如权利要求10所述的器件，其中，每个指状物具有第一边缘和第二边缘，在每个指状物的第一边缘和第二边缘上设置多个接片，并且连接部件在第一致动器部分的指状物的各个接片和第二致动器部分的指状物的各个接片之间延伸。
12.如权利要求11所述的器件，其中，连接部件延伸通过一个致动器部分的接片并具有与所述一个致动器部分分隔开的端部，而且，所述扭力部件与各对连接部件的端部互连。
13.如权利要求8所述的器件，其中，连接部件包括连接柱。
14.如权利要求8所述的器件，其中，扭力部件包括扭力棒。
15.如权利要求8所述的器件，其中，热致动器包括位于所述室内的闸门，当热致动器弯曲时，此闸门是可移动的以便从所述室通过出口喷射液滴。
16.如权利要求8所述的器件，其中，所述室具有上壁，扭力部件与所述室的上壁同时淀积形成。
17.如权利要求12所述的器件，其中，连接部件通过淀积形成，首先，在设置在一个致动器部分上的接片中形成开孔并淀积材料，以便此材料通过所述开孔淀积到与第一或第二致动器部分中另一个相关的接片上，以便与此致动器部分互连；所述材料被淀积形成连接部件，从而连接部件具有基本上与所述室的上壁在相同高度的自由端。
18.如权利要求8所述的器件，其中，连接部件在热弯曲致动器的中间端部上形成。
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