用於微型機電器件的熱彎曲致動器的製作方法

2023-08-01 08:49:36 2

專利名稱：用於微型機電器件的熱彎曲致動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於微型機電(MEM)器件的熱彎曲致動器。本發明可應用在噴嘴類型方面，這些噴嘴通過將可用於微型機電系統(MEMS)的技術和輔助金屬氧化物半導體(CMOS)集成電路相結合而製造，並且本發明以下按此應用的情況進行描述。然而，應該理解，本發明可更廣泛地應用於其它類型MEM器件的熱彎曲致動器中。共同未決的申請涉及本發明的各種方法、系統和裝置在由本發明申請人或受讓人與本申請同時提交的下列共同未決的申請中公開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。
這些共同未決申請的內容在此作為交叉參考。
背景技術：
近來，本申請人已開發高速頁寬噴墨印表機。此印表機一般使用大約51200個墨水噴嘴在A4大小的紙上列印，提供1600dpi的照片質量圖象列印。為了達到此噴嘴密度，噴嘴通過結合MEMS-CMOS技術來製造，並且在這裡，本申請人提交的題為「熱致動器」的國際專利申請PCT/AU00/00338引作參考。
致動臂的局部由電阻性材料形成並通過向所述臂施加電流而使臂產生移動，使得熱彎曲致動臂相對基片移動，從而這些高速頁寬噴墨印表機在紙上生成圖象。此臂連接到閘門上，以便在臂移動時，此閘門移動而把墨滴噴射到紙上。為了噴射墨滴，閘門延伸進具有噴嘴開孔的噴嘴室中，閘門的移動使墨滴從噴嘴開孔噴出。致動臂固定到一端上，當電流施加到此臂上時，此臂產生彎曲，這又移動閘門而從噴嘴開孔噴射墨滴。為了使閘門正確移動以噴射墨滴，要求致動臂向上彎曲並一般繞致動臂的固定端旋轉。通過向臂施加電流而使臂的一部分相對於臂的另一部分伸長，由此使臂產生彎曲。為了保證致動臂正確彎曲，需要控制臂的彎曲模式，這些模式有可能導致閘門不正確的移動，而閘門的不正確移動會影響墨滴從噴嘴室的噴射。例如，致動臂的一部分相對於另一部分伸長不是使致動臂按照要求向上彎曲，而是使致動臂在兩側捲起形成大致為盤狀的形狀或者彎曲成正弦波形狀或其它捲曲形狀。這些彎曲模式導致閘門的不正確移動，如上所述，這會影響墨滴從噴嘴室噴射的方式。
因而，根據本發明的這個方面，提供與致動器部分互連的連接部分和與連接部分互連的扭力部件以減少在熱彎曲致動器被加熱時有可能發生的彎曲模式，由此迫使致動器根據所需模式彎曲，保證熱彎曲致動器的正確移動。
本發明還致力於一種微型機電器件，其中包括用於貯存流體的流體室；在所述室中允許流體從所述室排出的出口；用於從所述室通過出口開孔分配流體的熱彎曲致動器，此熱彎曲致動器具有第一致動器部分；第二致動器部分，此部分與第一致動器部分分隔開並且是可導熱的以使熱彎曲致動器產生彎曲；與第一和第二部分互連的第一連接部件；與第一和第二部分互連的第二連接部件；以及耦合到第一和第二連接部件並與之互連的扭力部件。本發明的優選特徵優選地，每個致動器部分至少有兩個分隔開的指狀物，所述第一連接部件與第一和第二致動器部分的第一指狀物互連，並且第二連接部件與第一和第二致動器部分的第二指狀物互連。
優選地，每個指狀物設置有接片，並且各個連接部件耦合到每個指狀物的接片。
優選地，每個指狀物具有第一邊緣和第二邊緣，在每個指狀物的第一邊緣和第二邊緣上形成多個接片，並且連接部件在第一致動器部分的指狀物上的各個接片和第二致動器部分的指狀物上的各個接片之間延伸。
優選地，連接部件延伸通過一個致動器部分的接片並具有與所述一個致動器部分分隔開的端部，而且，所述扭力部件與各對連接部件的端部互連。
優選地，連接部件包括連接柱。
優選地，扭力部件包括扭力棒。
優選地，熱致動器包括位於所述室內的閘門，當熱致動器彎曲時，此閘門是可移動的以便從所述室通過噴嘴開孔噴射液滴。
優選地，所述室具有上壁，扭力部件與所述室的上壁同時澱積形成。
優選地，扭力部件通過澱積形成，首先，在設置在一個致動器部分上的接片中形成開孔並澱積材料，以便此材料通過所述開孔澱積到與第一或第二致動器部分中另一個相關的接片上，以便與此致動器部分互連；所述材料被澱積形成連接部件，從而連接部件具有基本上與所述室的上壁在相同高度的自由端。
優選地，連接部件在熱彎曲致動器的中間端部上形成。
噴嘴器件包括連接到墨水源(未示出)的墨水室24。在其它以下將描述的部件中，層29形成室壁23，室壁23具有用於從貯存在室24內的墨水25噴射墨滴的噴嘴開孔13。如

圖1所最佳示出的，壁23一般為圓柱形狀，並且開孔13基本上在圓柱形壁23的中部形成。壁23具有為部分圓環形的凹緣部分10，凹緣部分10形成壁23的部分外圍。
如圖3所最佳示出的，室24還由外側壁23a、下側壁23b、基礎壁(未示出)以及基片20的邊緣部分39確定。致動臂28(在圖3中示意性地示出而在圖4-6中詳細示出)在層22上形成，並且支撐部分23c在致動臂28的一端上形成。
致動臂28在器件製造過程中被澱積，並且對於基片20和支撐23c是可旋轉的。致動臂28包括上、下臂部分31和32。臂28的下部32與CMOS層21電接觸，CMOS層21用於向部分32提供電流，通過熱彎曲而使臂28從圖2所示位置向圖3所示位置移動，以便通過開孔13噴射墨滴D而附著在紙(未示出)上。因此，如前面共同未決的申請所述的，層22包括用於向部分32提供電流的電源電路和其它用於操作圖示噴嘴的電路。
框體8安裝在致動臂28上。致動器28承載閘門27，如圖1-3所示的，閘門27布置在室24內並且隨致動器是可移動的以便噴射墨滴D。
外圍壁23a、室壁23、框體8和支撐部分23c都是通過形成層29的材料的澱積並蝕刻犧牲材料而形成的，從而確定室24、噴嘴開孔13、離散框體8以及框體8和支撐部分23c之間的空間。下壁部分23b也在澱積基片20的過程中形成。
框體8包括大致成T形的部分50(當在平面視圖中觀察時)，T形部分50具有外壁10。室24的上壁23具有由壁23的邊緣部分52確定的大致成T形的槽60，槽60用於安裝框體8的T形部分50。致動器28承載閘門27，如圖1-3所示的，閘門27布置在室24內並且隨致動器是可移動的以便噴射墨滴D。
在層22的端部邊緣22a和壁23的邊緣部分50之間的空間確定致動器開孔54，如圖1和2所示，當致動器28處於空閒或靜止狀態時開孔54基本上被框體8的T形部分50完全封閉。在如圖1和2所示的靜止狀態中，部分50的壁10與邊緣52是分離的，其間距小於1微米以便確定邊緣57和壁10之間的細槽。
當致動臂28向上和向下移動而從室24噴射墨滴D時，框體8和壁10相對於壁23的槽60的邊緣52向上和向下移動，同時保持與壁23的邊緣52之間的密排關係。由於壁10和邊緣52非常接近，當壁10相對於邊緣52向上和向下移動時，在壁10和邊緣52之間形成彎液面M。保持彎液面M就形成邊緣52和壁10之間的密封，並因此減少墨水從室24洩漏或吸出的機會。在層22上形成的支撐法蘭56和其上形成有框體8的致動器28的部分58之間也形成彎液面M2。當為靜止狀態時，部分58擱置在法蘭54上。彎液面M2的形成也減少在致動臂28和閘門27移動過程中墨水的洩漏和吸出。在致動器開孔54的側邊(未示出)和確定開孔54的壁23a的邊緣(未示出)之間也形成彎液面(未示出)。
如圖3所示，邊緣部分10可承載唇部80並且壁9也可承載唇部82，進一步減少墨水從室24吸出到框體8或壁23上表面上的可能性。唇部80可完全延伸到壁23外圍附近，並且在開孔13上也設置相似的唇部。
參見圖4-6，詳細示出熱彎曲致動器28。在圖6中，為了說明的簡單性和儘可能詳細地示出致動臂28起見，未示出框體8和支撐部分23c。
致動臂包括前述的下臂32和上臂31。如圖4所最佳示出的，下臂32和上臂31都包括第一指狀物80和第二指狀物82，指狀物80和82都由基礎段84接合。指狀物80和82遠離基礎段84的端部固定在支撐結構23c中，以便臂28可象圖3所示那樣相對於支撐結構23c旋轉。指狀物80和82分別具有側緣80a和80b及82a和82b。側緣80a、80b、82a和82b分別具有整體接片或卡板88、90、92和94。如圖4所示，在側緣80a、80b、82a和82b的每個上都設置5個這樣的接片。
臂31上的接片在澱積臂31時與臂31的其它部分整體形成。如圖2、3、5和6所清楚示出的，下臂32與前述的臂31相同並布置在上臂31之下。
上臂31中的接片88、90、92和94設置有圓孔100。孔100通過後述形成在接片88-94內掩蔽和澱積犧牲材料並接著蝕刻除去犧牲材料而留下貫穿接片88-92的孔100。澱積柱102以便從下臂32上的接片88-92(未示出)延伸穿過上臂31的接片88-92的孔100。柱102具有自由端104，當臂28處於如圖1和2所示的靜止位置時，自由端104與室24的上壁23基本為相同高度。因而，臂32的接片92與臂31的接片92互連，臂31的接片92就在臂32的接片92緊上方。各個臂31和32的每個接片88、90、92和94通過柱102以相同的方式連接。
參照圖4-6將是顯而易見的，因此，設置五組柱102，每組包括四個柱102，在圖4中這些柱102分別在標號為L1-L5的直線中對準布置。直線L1中的柱102在其自由端104與扭力棒110互連。直線L2中的柱與扭力棒112互連。直線L3中的柱與扭力棒114互連。直線L4中的柱與扭力棒116互連並且直線L5中的柱與扭力棒118互連。扭力棒110-118可與層29同時澱積，上壁23、框體8和支撐結構23c都從層29形成。因此，扭力棒110-118與指狀物82和80的側邊互連，當電流施加到臂32時，防止側緣捲起或向上尖拱以致於致動臂形成盤形或山谷形。因而，扭力棒110-118減少熱彎曲致動器在操作過程中任何捲起的機會，並減少在致動臂32加熱時可能的彎曲模式數量。此趨勢迫使臂只以圖3所示的方式彎曲，以便閘門以正確的方式移動而從噴嘴開孔13正確地噴射墨滴D。
在指狀物80a-82b的每個邊緣上設置五個柱還保證防止臂彎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的兩個邊緣結合在一起，並具體地把指狀物88-94的側緣結合在一起，從而防止致動臂捲起或彎成弓形，沿指狀物80-82端部中間邊緣80a-80b布置的多個柱102通過減少臂彎曲成正弦形或波浪形的可能性而進一步減少可能的彎曲模式。
權利要求
1.一種用於微型機電器件的熱彎曲致動器，其中包括第一致動器部分；第二致動器部分，此部分與第一致動器部分分隔開並且是可導熱的以使熱彎曲致動器產生彎曲；與第一和第二部分互連的第一連接部件；與第一和第二部分互連的第二連接部件；以及耦合到第一和第二連接部件並與之互連的扭力部件。
2.如權利要求1所述的致動器，其中，每個致動器部分至少有兩個分隔開的指狀物，所述第一連接部件與第一和第二致動器部分的第一指狀物互連，並且第二連接部件與第一和第二致動器部分的第二指狀物互連。
3.如權利要求2所述的致動器，其中，每個指狀物設置有接片，並且各個連接部件耦合到每個指狀物的接片。
4.如權利要求3所述的致動器，其中，每個指狀物具有第一邊緣和第二邊緣，在每個指狀物的第一邊緣和第二邊緣上設置多個接片，並且連接部件在第一致動器部分的指狀物上的各個接片和第二致動器部分的指狀物上的各個接片之間延伸。
5.如權利要求4所述的致動器，其中，連接部件延伸通過一個致動器部分的接片並具有與所述一個致動器部分分隔開的端部，而且，所述扭力部件與各對連接部件的端部互連。
6.如權利要求1所述的致動器，其中，連接部件包括連接柱。
7.如權利要求1所述的致動器，其中，扭力部件包括扭力棒。
8.一種微型機電器件，其中包括用於貯存流體的流體室；在所述室中允許流體從所述室排出的出口；用於從所述室通過出口開孔分配流體的熱彎曲致動器，此熱彎曲致動器具有第一致動器部分；第二致動器部分，此部分與第一致動器部分分隔開並且是可導熱的以使熱彎曲致動器產生彎曲；與第一和第二部分互連的第一連接部件；與第一和第二部分互連的第二連接部件；以及耦合到第一和第二連接部件並與之互連的扭力部件。
9.如權利要求8所述的器件，其中，每個致動器部分至少有兩個分隔開的指狀物，所述第一連接部件與第一和第二致動器部分的第一指狀物互連，並且第二連接部件與第一和第二致動器部分的第二指狀物互連。
10.如權利要求9所述的器件，其中，每個指狀物設置有接片，並且各個連接部件耦合到每個指狀物的接片。
11.如權利要求10所述的器件，其中，每個指狀物具有第一邊緣和第二邊緣，在每個指狀物的第一邊緣和第二邊緣上設置多個接片，並且連接部件在第一致動器部分的指狀物的各個接片和第二致動器部分的指狀物的各個接片之間延伸。
12.如權利要求11所述的器件，其中，連接部件延伸通過一個致動器部分的接片並具有與所述一個致動器部分分隔開的端部，而且，所述扭力部件與各對連接部件的端部互連。
13.如權利要求8所述的器件，其中，連接部件包括連接柱。
14.如權利要求8所述的器件，其中，扭力部件包括扭力棒。
15.如權利要求8所述的器件，其中，熱致動器包括位於所述室內的閘門，當熱致動器彎曲時，此閘門是可移動的以便從所述室通過噴嘴開孔噴射液滴。
16.如權利要求8所述的器件，其中，所述室具有上壁，扭力部件與所述室的上壁同時澱積形成。
17.如權利要求12所述的器件，其中，連接部件通過澱積形成，首先，在設置在一個致動器部分上的接片中形成開孔並澱積材料，以便此材料通過所述開孔澱積到與第一或第二致動器部分中另一個相關的接片上，以便與此致動器部分互連；所述材料被澱積形成連接部件，從而連接部件具有基本上與所述室的上壁在相同高度的自由端。
18.如權利要求8所述的器件，其中，連接部件在熱彎曲致動器的中間端部上形成。
全文摘要
本發明涉及微型機電器件的熱彎曲致動器,該熱彎曲致動器(28)具有兩個分隔開的臂(31、32),這兩個臂通過柱元件(102)連接。柱元件(102)通過扭力棒(110、112、114、116、118)互連。一個臂(32)是可導熱的,在施加電流時使致動器(28)產生彎曲。柱元件(102)和扭力棒(110、112、114、116、118)減少發生不需要的彎曲模式的可能性,而這些不需要的彎曲模式會使致動器(28)產生不正確的移動。致動器(28)可用於移動在噴墨器件的噴嘴室中的墨水排出閘門。
文檔編號B41J2/14GK1364140SQ00810822
公開日2002年8月14日 申請日期2000年5月24日 優先權日1999年6月30日
發明者卡·西爾弗布魯克 申請人:西爾弗布魯克研究股份有限公司