CN102666107B - 具有嵌入式电极的压电致动器 - Google Patents

Abstract

一种压电致动器，包括：薄膜片材、第一电极、以及第二电极。所述薄膜片材响应于所述薄膜片材内感应的电场而发生物理变形。所述第一电极被嵌入所述薄膜片材中。所述第二电极被嵌入所述薄膜片材中，并与所述第一电极相互交错。通过向所述第一电极与第二电极施加电压，在所述薄膜片材内感应出电场。

Description

具有嵌入式电极的压电致动器

背景技术

流体喷射装置被用于喷射流体滴。例如，喷墨打印装置将墨滴喷射到介质例如纸上，从而在介质上形成图像。一种流体喷射装置是压电流体喷射装置。在压电流体喷射装置中，利用压电来喷射流体滴。具体地，在柔性压电材料片材中引入电场，使该片材发生物理变形。所述片材的物理变形引起一个或多个流体滴被喷射。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的压电流体喷射组件的横截面侧视图。

图2是根据本发明一个实施例的压电流体喷射组件的底视图。

图3是根据本发明一个实施例的压电流体喷射组件的致动器的横截面前视图。

图4是根据本发明另一实施例的压电流体喷射组件的致动器的一部分的横截面前视图。

图5是根据本发明又一个实施例的压电流体喷射组件的致动器的一部分的横截面前视图。

图6A和6B示出了根据本发明一个实施例，在相对的表面上具有电极的压电致动器中，与在同一表面上具有交错电极的压电致动器相比，物理变形是如何发生的。

图7是根据本发明一个实施例的制造压电流体喷射组件的致动器的方法的示意图。

图8是根据本发明一个实施例的代表性的流体喷射装置的方框图。

具体实施方式

如背景技术部分所述，在压电流体喷射装置中，在柔性压电材料片材内感应电场，使该片材发生物理变形。将片材的机械响应转换成对流体施加压力，从而使一个或多个流体滴被喷射出来。通过向设置在柔性片材上的电极施加电压，在片材内感应出电场。

传统上，电极以相对置的方式布置在片材上。第一电极连接到片材的顶表面，底部电极连接到片材的底表面。电极这种布局结构，对于电极之间施加的给定电压，能够提供来自片材的相对较大的机械响应。但是，制造具有以这种相对置的方式设置在片材上的电极的流体喷射装置意味着电极必须要有可靠的电连接，这较难实现，会导致制造成本较高。

因此，一种已经尝试过的低成本的将电极布置在片材上的方案是，将两个电极都定位在片材的同一表面上，例如以交错方式获得所谓的交错电极。实现具有设置在电极被布置在片材同一表面上的流体喷射装置中，形成到两个电极的电连接可以更容易地实现，因此降低了制造成本。但是，对于电极间施加的给定电压，电极的这种布局结构降低了片材内感应的机械响应。当压电材料是压电薄膜时，就能发现交错电极的另一个优势。在这种情况下，压电薄膜的一个表面上没有电极，这允许在薄膜的生长过程中，使用的排列晶体结构的晶种材料能够有更宽阔的范围。然而，使用这种交错电极时会导致相对较低的机械响应，这阻碍了目前交错电极的使用。

因此，目前技术水平下的压电流体喷射装置仍然以相对置的方式将电极设置在片材上。将电极设置在片材的同一表面上的做法在很大程度上已经不被考虑，因为对于电极间施加的给定电压，所能在片材内感应出的电场被认为太小而不能为此种装置提供期望的流体喷射效果，无论在速度还是其他性能特性方面。因此人们认为，例如，本领域今后的研发将集中在降低电连接到以相对置方式布置在片材上的电极的制造成本，而不是提高电极被布置在片材同一表面上的流体喷射装置的性能。

但是，发明人已经研制出了一种方案，根据该方案，电极可被布置在片材的同一表面，且同时仍能实现与电极以相对置方式布置在片材上时几乎相同的性能。在这一创造性的方案中，并没有将交错电极设置在片材的同一表面上，而是将它们嵌入到片材同一表面上的压电陶瓷片中。 发明人发现，与将电极布置在片材的相对表面上相比，将电极嵌入片材同一表面上的压电陶瓷片中仍能提供随后实现的方便的电连接以及进行此种电连接的高可靠性。更进一步地，与将电极布置在片材的相对表面相比，将电极嵌入片材的同一表面内能够在片材内感应出几乎相同的机械响应。

图1示出了根据本发明一个实施例的单晶片型压电流体喷射组件100的横截面侧视图。组件100包括具有出口104的刚性孔板102，流体滴通过出口104被喷射出。组件100进一步包括柔性膜片106，其具有入口108，以接收最终会通过出口104以微滴形式喷射出的流体。组件100还包括多个刚性侧壁110A、110B，统称为侧壁110，它们将孔板102与膜片106分隔开。

孔板102、膜片106以及侧壁110限定了组件100的流体腔室112，以容纳在流体滴从出口104喷射出之前通过入口108接收的流体。压电致动器114沿膜片106与流体腔室112相对置地设置。在致动器114内感应电场会导致致动器114发生物理变形，使得膜片106和致动器114弯曲至腔室112中，这又会使腔室112的体积减小，于是导致流体滴通过出口104喷射出。随后撤去电场，将允许致动器114松弛，这使膜片106以及致动器114恢复至未弯曲的状态。

图1中示出了x轴116、y轴118以及z轴120。在图1中，从左向右，x轴116地与压电致动器114的长度方向平行。在图1所处的平面中，y轴118与致动器114的宽度方向平行。在图1中，从下往上，z轴120与致动器114的高度方向平行。在一个实施例中，致动器114响应于在其内感应的电场，发生物理变形，导致致动器114沿x轴116与z轴120收缩，沿y轴118膨胀。

在图1中，柔性膜片106包括缺口122A、122B，统称为缺口122，这些缺口设置在压电致动器114的两侧。缺口122使膜片106更容易地沿x轴116收缩或膨胀。膜片106沿x轴增强这种运动性减少了其沿x轴被卡在致动器114上的可能性。如图1所示，缺口122并没有贯穿膜片106。但是在另一个实施例中，缺口122贯穿了膜片106，在此情形下，缺口122可由柔性密封剂密封住。

图2示出了根据本发明一个实施例的压电流体喷射组件100的底视图。图2特别地示出了柔性膜片106、入口108以及压电致动器114。致动器114包括交错电极202A、202B，统称为电极202。电极202被嵌入致动器114中。在电极202间施加电压会在致动器114内感应出电场，这会导致致动器114发生物理变形。

压电致动器114具有与x轴116平行的长度，与y轴118平行的宽度。电极202A具有多个沿致动器114的长度延伸的指状物204A，以及沿致动器114的宽度延伸且将指状物204A电连接在一起的杆条206A。类似地，电极202B也具有多个指状物204B，以及将指状物204B电连接在一起的杆条206B。指状物204A和204B统称为指状物204，杆条206A和206B统称为杆条206。电极202的杆条206设置在致动器的相对两侧。电极202B的指状物204B与电极202A的指状物204A交错，反之亦然。在这个意义上，电极202B被说成与电极202A交错，反之亦然。指状物202可以相同间隔设置，以在指状物202之间的区域中获得相同的电场分布，从而保证致动器114均匀变形。

图2示出了接触垫208A和208B，统称为接触垫208，以及导电迹线210A和210B，统称为导电迹线210。导电迹线210A将接触垫208A电连接至电极202A，导电迹线210B将接触垫208B电连接至电极202B。电压源212被电连接至接触垫208，以为电极202提供电压，从而在压电致动器114内感应电场。

图3详细示出了根据本发明一个实施例的压电致动器114的横截面前视图。更进一步地，图3甚至更详细地示出了致动器114的一部分，该部分已用虚线圈出。x轴116延伸到图3所在的平面。图3中，y轴118自左向右延伸。图3中，z轴120自下而上延伸。致动器114包括薄膜片材302，在薄膜片材的表面中形成有多个凹槽304A、304B，……，304M以及304N，统称为凹槽304。薄膜片材302是一薄膜，在一个实施例中，其厚度不大于10微米，在另一个实施例中，其厚度不大于5微米。由于电极202A和202B被设置在凹槽304内，因此它们被嵌入薄膜片材302中。

每个凹槽304在薄膜片材302内具有大致呈抛物线的轮廓。每个凹槽304的精确形状取决于用来从压电片302上除去材料形成凹槽304的蚀刻工艺。另外，微小的不规则特征，例如脊或坑，可能会沿着凹槽304的表面分布，因为晶粒界面与晶粒表面的蚀刻速率不同。发明人发现，凹槽304具有大致呈抛物线的轮廓是有利的。具体来说，这种轮廓使薄膜片材302中凹槽304上的定位件的尺寸最小化，而且在向电极202施加电压时，凹槽304中不会有电场产生。与此相比，要使得在向电极202施加电压时，凹槽中不会有电场产生，正方形或长方形的轮廓会使薄膜片材302中凹槽304上的定位件的尺寸变大。另一个优点是，由于弯角或急转弯产生的电场集中现象也得以消除。在循环使用时高电场区域比低电场区域衰减得更快。

在图3中，电极202涂覆了凹槽304的表面，但没有完全填满凹槽304。这种涂覆方式增强了电极202与凹槽304之间的附着力。但是，在凹槽304中留下这种相对较大的未填充的部分意味着薄膜片材302在响应于薄膜片材302内感应的电场发生物理变形时，部分变形会导致薄膜片材302膨胀到凹槽304中。这样，这部分变形就对流体滴从图1的出口104中喷射出没有贡献。

图4详细示出了根据本发明另一个实施例的压电致动器114的一部分的横截面前视图。在图4中，电极202完全填满凹槽304。这样，当薄膜片材302响应其内感应的电场发生物理变形时，防止了薄膜片材302膨胀到凹槽304中。但是，用电极202完全填满凹槽304降低了电极202附着于凹槽304的能力。薄膜片材302的重复收缩产生的机械应力会使电极202与凹槽304之间的界面出现疲劳，尤其在薄膜302由压电材料制成的情况下。

图5详细示出了根据本发明又一个实施例的压电致动器114的一部分的横截面前视图。在图5中，电极202没有完全填满凹槽304，但是电极202的厚度比图3中的电极厚度大。图5所示的实施例结合了图3-4的实施例。与图3相似但不同于图4，图5中的电极202充分地附着到凹槽304的表面上。与图4相似但不同于图3，薄膜片材302在发生物理变形过程中在凹槽304中的膨胀被最小化。因此，图3中电极202的厚度被选择成能够使薄膜片材302在发生物理变形过程中膨胀到凹槽304中量被最小化，但是仍然保持了电极202与凹槽304之间的附着力。对于具有已知弹性模量的给定电极材料以及凹槽304的期望尺寸，可利用有限元分析法确定电极202的最佳厚度。

图6A和6B示出了现有技术的压电致动器652在一种称作                                                的模式中如何发生物理变形，并比较了根据本发明一个实施例的压电致动器114在一种称为的模式中如何发生物理变形。在图6A中，现有技术的压电致动器652具有位于其相对表面上的电极654A和654B，统称为电极654。与之相比，图6B中的压电致动器114具有位于致动器652同一表面上的嵌入式交错电极202，如上文所述的那样。

在图6A中，电压源656在电极654之间施加电压。于是，压电致动器652沿z轴收缩，但是沿x、y轴膨胀。类似地，在图6B中，电压源212在电极202之间施加电压。于是，不同的是，压电致动器114沿z轴和x轴收缩，沿y轴膨胀。因此，在物理变形方面，现有技术的压电致动器652与压电致动器114的区别在于，压电致动器652沿x轴膨胀，而致动器114沿x轴收缩。需要注意的是，在物理变形过程中，压电致动器114和652的体积在第一阶次上是恒定的。这样，图6B的模式中膨胀量大约图6A的模式中膨胀量的2倍。

图7例示性地示出了根据本发明的一个实施例制造压电致动器114的方法。图7具体示出了在致动器114的一个凹槽中制造一个电极的过程，但这可表示和被描述成适于所有凹槽304内的两个电极202。在部分602A中，形成薄膜片材302的第一层604。注意，事实上，第一层604可被形成为多个单层，这里将它们统称为第一层604。随后，在部分602B中，停止层606被施加到第一层604上。停止层不与那些可与薄膜片材302反应的气体发生反应，。随后，在部分602C中，第二层608被施加到停止层606上。与第一层604一样，第二层608可被形成为多个单层，这里将它们统称为第二层608。这样，层604、606、608组成了压电致动器114的薄膜片材302。

接下来，在部分602D中，第二层608被选择性地暴露于气体或液体中，以在第二层608内蚀刻出凹槽304，往下一直蚀刻到停止层606，但是不包含停止层606，因为停止层606不与这些气体或液体反应。也就是说，第二层608被选择性地蚀刻以形成凹槽304。停止层606用于控制所形成的凹槽304的深度。接下来，在部分602E中，暴露在凹槽304底部的停止层606被蚀刻成使得凹槽304一直延伸到第一层604并且部分地延伸到第一层604中。在一个实施例中，凹槽304延伸穿过片材302的至少一半。最后，在部分602F中，将导电材料沉积在凹槽304中（即，沉积在凹槽304的表面上），以形成压电致动器114的电极202。凹槽304穿入层604中，足以使得凹槽304表面上发生最大弯曲的那些部分被暴露。

最后，图8示出了根据本发明一个实施例的基本的流体喷射装置700的方框图。流体喷射装置700包括控制器702以及压电流体喷射组件100。控制器702可以是软件、硬件或者二者的结合，其控制流体喷射装置700通过压电流体喷射组件100以期望方式喷射流体滴。

注意，流体喷射装置700可以是喷墨打印装置，其是一种将墨液喷射到介质（例如纸张）上以在介质上形成图像（其可包括文本）的装置，例如打印机。更上位地，流体喷射装置700是流体喷***确分配装置，其精确地分配流体，例如墨液。流体喷射装置700可以喷射颜料型墨液、染料型墨液、其他种类的墨液、或其他种类的流体。其他种类的流体的示例包括那些含有基于水的溶剂或水溶剂（aqueous solvents）的流体，以及那些含有非基于水的溶剂或非水溶剂的流体。因此，本公开的实施例可适合于分配基本上呈液态的流体的任何类型的流体喷***确分配装置。

因此，流体喷***确分配装置可以是一种按需喷滴的装置。在该装置中，通过精确地在精准指定位置处打印或分配，而且在将被打印或分配的地方留下或者不保留一具体图像，可以实现所讨论的基本上呈液态的流体的打印或者分配。流体喷***确分配装置之所以能够精确地打印或者分配基本上呈液态的流体，是因为后者基本上或主要地并不是由气体（例如空气）组成。对于喷墨打印装置来说，基本上呈液态的流体的例子包括墨液。另一些基本上呈液态的流体的例子包括药剂、细胞产品、有机物、燃料等等，它们基本上或主要不是由气体（例如空气以及其它类型的气体）组成，这是本领域技术人员均能理解的。

最后需注意，虽然本公开的实施例基本上是联系作为流体喷射装置压电流体喷射组件一部分的压电致动器进行描述的，但另一些实施例也可能不是这样的。这里描述的压电致动器可以是压电流体喷射组件的一部分，而压电流体喷射组件并不是流体喷射装置的一部分。另外，这里描述的压电致动器可以不是压电流体喷射组件或流体喷射装置的一部分。最上位地讲，压电致动器可以被称作压电弯曲器，通过向嵌入该致动器的电极施加电压，其响应于在其内感应的电场而发生物理变形。

Claims (12)

1.一种压电致动器，包括：

薄膜片材，其将响应于在所述薄膜片材内感应的电场而发生物理变形；

嵌入所述薄膜片材内的第一电极；

嵌入所述薄膜片材内的第二电极，所述第二电极与所述第一电极相互交错；以及

位于所述薄膜片材的表面内的多个凹槽，其中由于所述第一电极和第二电极位于所述凹槽内，所述第一电极和第二电极被嵌入所述薄膜片材，

其中，每个所述凹槽在所述薄膜片材中具有呈抛物线状的轮廓，并且

其中，通过向所述第一电极与第二电极施加电压，在所述薄膜片材内感应出电场。

2.根据权利要求1所述的压电致动器，其中所述薄膜片材是压电陶瓷薄膜片材。

3.根据权利要求1所述的压电致动器，其中所述第一电极和第二电极覆盖所述凹槽的表面而不完全填满所述凹槽。

4.根据权利要求3所述的压电致动器，其中覆盖所述凹槽的所述第一电极与第二电极具有预定厚度。

5.根据权利要求1所述的压电致动器，其中所述第一电极与第二电极完全填满所述凹槽。

6.根据权利要求1所述的压电致动器，其中所述薄膜片材将响应于在所述薄膜片材内感应的电场而发生物理变形，其中

所述薄膜片材将沿与其高度平行的z轴收缩；

所述薄膜片材将沿与其长度平行的x轴收缩；以及

所述薄膜片材将沿与其宽度平行的y轴膨胀。

7.根据权利要求1所述的压电致动器，其中所述薄膜片材具有长度和宽度，所述第一电极和第二电极均具有多个沿所述薄膜片材的长度延伸的指状物以及沿所述薄膜片材的宽度延伸以使所述指状物电连接到一起的杆条，所述第一电极的杆条与所述第二电极的杆条相比被设置在所述薄膜片材的相对的一侧，所述第二电极的指状物与所述第一电极的指状物相互交错。

8.一种压电流体喷射组件，包括：

具有出口的孔板，流体滴从所述出口被喷射出；

柔性膜片，其具有用来接纳流体的入口；

将所述孔板与所述膜片分隔开的多个侧壁；

由所述孔板、膜片以及侧壁限定的流体腔室，以容纳在流体滴从所述出口喷射出之前被所述入口接纳的流体；以及

沿所述柔性膜片与所述流体腔室相对地设置的压电致动器，所述压电致动器包括：

        薄膜片材，其将响应于在所述薄膜片材内感应的电场而发生物理变形，以暂时地缩减所述流体腔室的尺寸，从而引起流体滴从所述出口被喷射出；

        嵌入所述薄膜片材的第一电极；

        嵌入所述薄膜片材的第二电极，所述第二电极与所述第一电极相互交错；以及

        位于所述薄膜片材的表面内的多个凹槽，其中由于所述第一电极和第二电极位于所述凹槽内，所述第一电极和第二电极被嵌入所述薄膜片材，

其中，每个所述凹槽在所述薄膜片材中具有呈抛物线状的轮廓，并且

其中，通过向所述第一电极与第二电极施加电压，在所述薄膜片材内感应出电场。

9.根据权利要求8所述的压电流体喷射组件，其中所述膜片包括一个或多个缺口。

10.一种流体喷射装置，包括：

控制器，用于控制流体喷射装置以期望方式喷射流体滴；

压电流体喷射组件，包括：

        具有出口的孔板，所述流体滴通过所述出口被喷射出；

        柔性膜片，其具有用于接纳流体的入口；

        由孔板、膜片以及侧壁限定的流体腔室，以容纳在流体滴从所述出口喷射出之前被所述入口接纳的流体；以及

        沿所述柔性膜片与所述流体腔室相对地设置的压电致动器，所述压电致动器包括：

            薄膜片材，其将响应于在所述薄膜片材中感应的电场而发生物理变形，以暂时缩减所述流体腔室的尺寸，从而导致流体滴从所述出口被喷射出；

            嵌入所述薄膜片材的第一电极；

            嵌入所述薄膜片材的第二电极，所述第二电极与所述第一电极相互交错；以及

            位于所述薄膜片材的表面内的多个凹槽，其中由于所述第一电极和第二电极位于所述凹槽内，所述第一电极和第二电极被嵌入所述薄膜片材，

其中，每个所述凹槽在所述薄膜片材中具有呈抛物线状的轮廓，并且

其中，通过向所述第一电极与第二电极施加电压，在所述薄膜片材内感应出电场。

11.一种制造压电致动器的方法，包括：

形成压电致动器的薄膜片材的第一层，所述薄膜片材响应于在所述薄膜片材内感应的电场而发生物理变形；

在形成所述第一层后，将停止层施加到所述薄膜片材的所述第一层上，所述停止层不与那些可与所述薄膜片材反应的气体发生反应；

在向所述第一层施加所述停止层后，形成所述薄膜片材的第二层到所述停止层；

形成所述第二层后，选择性地将所述薄膜片材的第二层暴露在所述气体中，以在所述第二层中向下蚀刻到所述停止层，蚀刻出多个凹槽；

在选择性地将所述第二层暴露在所述气体中后，蚀刻暴露在所述凹槽的底部处的停止层，使所述凹槽延伸至所述薄膜片材的第一层；以及

在蚀刻所述停止层后，在所述凹槽中沉积导电材料以形成所述压电致动器的电极，其中

通过向所述电极施加电压，在所述薄膜片材内感应出电场。

12.根据权利要求11所述的方法，其中蚀刻暴露在所述凹槽的底部处的停止层以使所述凹槽延伸至所述薄膜片材的第一层的步骤包括：蚀刻暴露在所述凹槽的底部处的停止层，以使所述凹槽延伸穿过所述薄膜片材的至少一半。