CN110869216A - 具有减少的串扰的流体喷射设备 - Google Patents
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Abstract
一种流体喷射装置包括流体喷射器,所述流体喷射器包括泵送腔室、联接到泵送腔室的喷射喷嘴、以及被配置成使流体通过所述喷射喷嘴从所述泵送腔室喷射致动器。所述流体喷射装置包括:第一顺应性组件,其在入口进给通道的表面中形成,所述入口进给通道流体地连接到所述泵送腔室的流体入口;和第二顺应性组件,其在出口进给通道的表面中形成,所述出口进给通道流体地连接到所述泵送腔室的流体出口。所述第一顺应性组件的顺应性不同于所述第二顺应性组件的顺应性。
Description
技术领域
本公开总体上涉及流体喷射设备。
背景技术
在一些流体喷射设备中,液滴从一个或多个喷嘴喷射到介质上。喷嘴流体地连接到包括流体泵送腔室的流动路径。流体泵送腔室可以由致动器致动,该致动器引起液滴的喷射。介质可以相对于流体喷射设备运动。从特定喷嘴喷射液滴的时间与介质的运动同步,以将液滴放置在介质上的所需位置。在相同方向上喷射具有均匀的大小和速度的液滴可以使液滴均匀地沉积到介质上。
发明内容
当启动流体喷射器的致动器时,压力波动会可能从泵送腔室传播到所连接的入口和出口进给通道中。该压力波动可传播到连接到相同入口或出口进给通道的其他流体喷射器中。这种流体串扰会不利地影响打印质量。
为了减轻压力波动的传播,可以在入口进给通道、出口进给通道或两者的一个或多个表面中形成顺应性微结构。进给通道中顺应性微结构的存在增加了进给通道的表面中可用的顺应性,从而减弱了在该进给通道中发生的压力波动。在一些示例中,顺应性微结构包括形成在进给通道的底表面中的喷嘴状结构。当进给通道中的压力增加时,在每个喷嘴状结构的朝外面向的开口处的弯液面可以减弱压力波动。这样的顺应性微结构的存在因此可以减少连接到相同入口或出口进给通道的流体喷射器之间的流体串扰,从而稳定从每个流体喷射器喷射的流体的液滴尺寸和速度,并使得能够进行精确和准确的打印。在一些示例中,可以在流体喷射器的灌注期间通过顺应性微结构来喷射流体。为了减少流体损失,同时仍然允许顺应性微结构减轻流体串扰,入口进给通道中顺应性微结构的布置可以与出口进给通道中顺应性微结构的布置不同。例如,顺应性微结构的几何形状、数量和/或分布在入口进给通道和出口进给通道之间可以不同。
在一方面,一种流体喷射装置包括流体喷射器,所述流体喷射器包括泵送腔室、联接到泵送腔室的喷射喷嘴、以及被配置成使流体通过所述喷射喷嘴从所述泵送腔室喷射的致动器。所述流体喷射装置包括:第一顺应性组件,其在入口进给通道的表面中形成,所述入口进给通道流体地连接到所述泵送腔室的流体入口;和第二顺应性组件,其在出口进给通道的表面中形成,所述出口进给通道流体地连接到所述泵送腔室的流体出口。所述第一顺应性组件的顺应性不同于所述第二顺应性组件的顺应性。
实施例可以包括以下特征中的一个或多个。
所述第一顺应性组件的顺应性小于所述第二顺应性组件的顺应性。所述喷射喷嘴的顺应性大于所述第一顺应性组件的顺应性和所述第二顺应性组件的顺应性。所述第一顺应性组件的气泡压力大于所述喷射喷嘴的气泡压力。所述第二顺应性组件的气泡压力小于所述喷射喷嘴的气泡压力。
所述第一顺应性组件包括第一顺应性喷嘴,并且所述第二顺应性组件包括第二顺应性喷嘴。所述第一顺应性喷嘴具有与所述第二顺应性喷嘴不同的尺寸。所述第一顺应性喷嘴的宽度小于所述第二顺应性喷嘴的宽度。所述第一顺应性喷嘴的长度大于所述第二顺应性喷嘴的长度。所述第一顺应性喷嘴的长度大于所述第一顺应性喷嘴的宽度。所述喷射喷嘴的尺寸与所述第一顺应喷嘴、第二虚拟喷嘴或两者的尺寸不同。所述喷射喷嘴的宽度大于所述第一顺应性喷嘴的宽度和所述第二顺应性喷嘴的宽度。所述喷射喷嘴的长度小于所述第一顺应性喷嘴的长度和所述第二顺应性喷嘴的长度。所述第一顺应性喷嘴的宽度小于所述第二顺应性喷嘴的宽度。所述第一顺应性喷嘴的长度大于所述第二顺应性喷嘴的长度。所述第一顺应性组件包括多个第一顺应性喷嘴,并且所述第二顺应性组件包括多个第二顺应性喷嘴。所述第一顺应性喷嘴的数量与所述第二顺应性喷嘴的数量不同。所述多个第一顺应性喷嘴不均匀地分布在所述入口进给通道的表面上和/或所述多个第二顺应性喷嘴不均匀地分布在所述出口进给通道的表面上。所述第一顺应性喷嘴的形状不同于所述第二顺应性喷嘴的形状。所述第一顺应性喷嘴在所述入口进给通道的表面的内表面上限定内部开口,并且在所述入口进给通道的表面的外部面上限定外部开口。所述第二顺应性喷嘴在所述出口进给通道的表面的内部面上限定内部开口,并且在所述出口进给通道的表面的外表面上限定外部开口。
所述流体喷射装置包括限制元件,所述限制元件形成在所述入口进给通道与所述第一顺应性组件之间的流体路径中。所述喷射喷嘴形成在喷嘴层中,并且其中,所述喷嘴层包括所述入口通道的表面和所述出口通道的表面。
在一方面,一种方法包括:在流体喷射装置中致动流体喷射器以使流体通过喷射喷嘴喷射,其中,致动流体喷射器引起流体地连接到流体喷射器的入口进给通道和流体地连接到流体喷射器的出口进给通道中的流体压力变化;响应于所述入口进给通道和所述出口进给通道中的流体压力的变化,在形成于所述入口进给通道的表面中的第一顺应性组件中以及在形成于所述出口进给通道的表面中的第二顺应性组件中形成流体的凸形弯液面。所述第一顺应性组件的顺应性不同于所述第二顺应性组件的顺应性。
实施例可以包括以下特征中的一个或多个。
所述第一顺应性组件的顺应性小于所述第二顺应性组件的顺应性。在所述第一顺应性组件和所述第二顺应性组件中形成流体的凸形弯液面包括不从所述第一顺应性组件或所述第二顺应性组件喷射流体。致动所述流体喷射器使得所述入口进给通道中的流体压力保持在所述第一顺应组件的气泡压力以下,并且使得所述出口进给通道中的流体压力保持在所述第二顺应性组件的气泡压力以下。所述方法包括将设置在所述入口进给通道或所述出口供给通道的表面的外部面上的流体接收到所述第一顺应性组件中、所述第二顺应性组件中、或者所述第一顺应性组件和所述第二顺应性组件二者中。
在一方面,一种方法包括:在喷嘴层中形成喷射喷嘴、第一顺应性组件和第二顺应性组件,其中,所述第一顺应性组件的顺应性不同于所述第二顺应性组件的顺应性;和将所述喷嘴层附接到包括流体喷射器的基板以形成流体喷射装置,所述流体喷射器包括泵送腔室和致动器,所述致动器配置为使流体通过喷嘴从泵送腔室喷射。在所述流体喷射装置中,所述第一顺应性组件形成在所述喷嘴层的限定了流体地连接到所述泵送腔室的流体入口的入口进给通道的壁的部分中,所述第二顺应性组件形成所述喷嘴层的限定了流体地连接到所述泵送腔室的流体出口的出口进给通道的壁的部分中。
实施例可以具有以下特征中的一个或多个。
形成所述第一顺应性组件包括通过所述喷嘴层形成第一顺应性喷嘴,并且其中,形成所述第二顺应性组件包括通过所述喷嘴层形成第二顺应性喷嘴。所述第一顺应性喷嘴的长度大于所述第一顺应性喷嘴的宽度。形成所述第二顺应性喷嘴包括形成具有与所述第一顺应性喷嘴不同的尺寸的顺应性喷嘴。所述第一顺应性喷嘴的宽度小于所述第二顺应性喷嘴的宽度。所述第一顺应性喷嘴的长度大于所述第二顺应性喷嘴的长度。形成所述第一和第二顺应性喷嘴包括形成具有与所述喷射喷嘴不同的尺寸的顺应性喷嘴。形成所述第一顺应性组件包括通过所述喷嘴层形成多个第一顺应性喷嘴,并且其中,形成所述第二顺应性组件包括通过所述喷嘴层形成多个第二顺应性喷嘴,所述第一顺应性喷嘴的数量与所述第二顺应性喷嘴的数量不同。
在附图和下面的描述中阐述了一个或多个实施例的细节。根据说明书、附图和权利要求书,其他特征、方面和优点将显而易见。
附图说明
图1是打印头的剖视图。
图2是打印头的一部分的横截面图。
图3A是沿着图2中的线B-B截取的打印头的一部分的横截面图。
图3B是沿着图2中的线C-C截取的打印头的一部分的横截面图。
图4是流体喷射器的图。
图5是矩形喷嘴的图。
图6是流体回路的示意图。
图7A-7E是示例性流体喷射器的图。
图8是流体喷射器的制造图。
具体实施方式
参照图1,打印头100可以用于将诸如墨、生物液体、聚合物、用于形成电子部件的液体或其他类型的流体的液滴喷射到一表面上。打印头100包括具有内部容积的外壳410,该内部容积例如通过上部分隔件530和下部分隔件440被划分为流体供应腔室432和流体返回腔室436。
流体供应腔室432和流体返回腔室436的底部由***件组件的顶表面限定。***件组件可以例如通过粘结、摩擦或另外的附接机构附接到下部打印头壳体410。***件组件可以包括上***件420和位于上***件420与基底110之间的下***件430。
上***件420包括流体供应入口422和流体返回出口428。例如,流体供应入口422和流体返回出口428可以形成为上***件420中的孔。在上***件420、下***件430和基底110中形成流动路径474。流体可以沿着流动路径474从供应腔室432流入流体供应入口422中并流到一个或多个流体喷射设备(在下面进行更详细的描述)以从打印头100喷射。流体还可以沿着流动路径474从一个或多个流体喷射设备流入流体返回出口428中和返回腔室436中。在图1中,出于说明的目的,单个流动路径474被示出为直通路;然而,打印头100可以包括多个流动路径474,并且流动路径474不必是直的。
参照图2,基底110可以是单片半导体本体,例如硅基底。穿过基底110的通路限定了流体通过基底110的流动路径。具体地,基底入口12从供应腔室432接收流体,延伸穿过膜66(在下文中更详细地讨论),并且将流体供应到一个或多个入口进给通道14。每个入口进给通道14通过相应的入口通路(未示出)将流体供应到多个流体喷射器150。为了简单起见,在图2中仅示出了一个流体喷射器150。每个流体喷射器包括形成在喷嘴层11中的喷嘴22,该喷嘴层11设置在基底110的底表面上。在一些示例中,喷嘴层11是基底110的整体部分;在一些示例中,喷嘴层11是沉积在基底110的表面上的层。可以从一个或多个流体喷射器150的喷嘴22选择性地喷射流体以打印到表面上。
流体沿着喷射器流动路径475流过每个流体喷射器150。喷射器流动路径475可包括泵送腔室18,该泵送腔室18通过上升器16流体连接至入口进给通道14。喷射器流动路径475还可包括下降器20,该下降器20将泵送腔室18流体连接至相应的喷嘴22。出口通路26将下降器20连接到出口进给通道28,该出口进给通道28通过基底出口(未示出)与返回腔室436流体连接。我们有时将入口进给通道14和出口进给通道28统称为进给通道14、28。
在图2的示例中,诸如基底入口12、入口进给通道14和出口进给通道28之类的通路在同一平面中示出。在一些示例中,基底入口12、入口进给通道14和出口进给通道28中的一个或多个与一个或多个其他通路不在同一平面中。
基底包括多个流体喷射器150。流体沿着相应的喷射器流动路径475流过每个流体喷射器150,该喷射器流动路径475包括上升器16、泵送腔室18和下降器20。每个上升器16将入口进给通道14中的一个流体连接到相应的泵送腔室18。泵送腔室18流体连接到相应的下降器20,该下降器20通向相关的喷嘴22。每个下降器20还通过相应的出口通路26连接到出口进给通道28中的一个。
参照图3A和3B,基底110包括形成在其中并彼此平行延伸的多个入口进给通道14。每个入口进给通道14与垂直于入口进给通道14延伸的至少一个基底入口12流体连通。基底110还包括形成在其中并彼此平行延伸的多个出口进给通道28。每个出口进给通道28与垂直于出口进给通道28延伸的至少一个基底出口(未示出)流体连通。在一些示例中,入口进给通道14和出口进给通道28以交替的行布置。
在一些示例中,打印头100包括布置成平行的行的多个喷嘴22。给定行中的喷嘴22可以全部流体连接到相同的入口进给通道14和相同的出口进给通道28。结果,给定行中的所有上升器16可以连接到相同的入口进给通道14,给定行中的所有下降器可以连接到相同的出口进给通道28。在一些示例中,相邻行中的喷嘴22可以全部流体地连接到相同的入口进给通道14或相同的出口进给通道28,但是不能全部流体地连接到两者。在一些示例中,成行的喷嘴22可以以交替的方式连接到相同的入口进给通道14或相同的出口进给通道28。关于打印头100的更多细节可以在美国专利No.7,566,118中找到,该专利的全部内容通过引用并入本文。
这里描述的特定的流动路径配置是流动路径配置的示例。这里描述的方法也可以在其他流动路径配置中使用。
再次参考图2,每个流体喷射器150包括相应的致动器30,例如压电换能器或电阻加热器。每个流体喷射器150的泵送腔室18非常靠近相应的致动器30。每个致动器30可以被选择性地致动以对相应的泵送腔室18加压,从而从与加压的泵送腔室连接的喷嘴22喷射流体。
在一些示例中,致动器30可以包括压电层31,例如钛酸铅锆(PZT)层。压电层31可具有约50μm或更小的厚度,例如约1μm至约25μm,例如约2μm至约5μm。在图2的示例中,压电层31是连续的。在一些示例中,可以例如在制造过程中通过蚀刻或锯切步骤使压电层31不连续。压电层31夹在驱动电极64和接地电极65之间。驱动电极64和接地电极65可以是金属,例如铜、金、钨、铟锡氧化物(ITO)、钛、铂或金属的组合。驱动电极64和接地电极65的厚度可以是例如大约2μm或更小,例如大约0.5μm。
膜66设置在致动器30和泵送腔室18之间,并且将接地电极65与泵送腔室18中的流体隔离。在一些示例中,膜66是单独的层;在一些示例中,膜与基底110是一体的。在一些示例中,致动器30不包括膜66,并且接地电极65形成在压电层31的背侧上,使得压电层31直接暴露于泵送腔室18中的流体。
为了致动压电致动器30,可以在驱动电极64和接地电极65之间施加电压,以向压电层31施加电压。所施加的电压使压电层31偏转,这进而引起膜66偏转。膜66的偏转引起泵送腔室18的容积变化,从而在泵送腔室18中产生压力脉冲(也称为点火脉冲)。压力脉冲通过下降器20传播到相应的喷嘴22,从而使液滴从喷嘴22喷射。
膜66可以由单层的硅(例如,单晶硅),另外的半导体材料,一层或多层诸如氧化铝(AlO2)或氧化锆(ZrO2)的氧化物,玻璃,氮化铝,碳化硅,其他陶瓷或金属,绝缘体上硅,或其他材料形成。例如,膜66可以由惰性材料形成,该惰性材料具有顺应性,使得致动器30的致动引起膜66的足以引起液滴喷射的挠曲。在一些示例中,膜66可以通过粘合剂层67固定到致动器30。在一些示例中,基底110、喷嘴层11和膜66中的两个或更多个可以形成为一体。
在一些情况下,当流体喷射器150中的一个的致动器30被致动时,压力波动可传播通过流体喷射器150的上升器16并进入入口进给通道14中。同样,来自压力波动的能量可以传播通过流体喷射器150的下降器20并进入出口进给通道28中。因此,在连接到致动的流体喷射器150的一个或多个进给通道14、28中会产生压力波动。在一些情况下,这些压力波动可传播到连接到相同进给通道14、28的其他流体喷射器150的喷射器流动路径475中。这些压力波动会不利地影响从那些流体喷射器150喷射的液滴的液滴体积和/或液滴速度,从而降低打印质量。例如,液滴体积的变化可以导致喷射的流体量的变化,并且液滴速度的变化可以使喷射的液滴沉积在打印表面上的位置变化。在流体喷射器中引起压力波动的现象被称为流体串扰。
在一些示例中,流体串扰可能是由进给通道14、28中的压力波动的缓慢耗散引起的。在一些示例中,流体串扰可能是由进给通道14、28中产生的驻波引起的。例如,当流体喷射器150中的一个的致动器30被致动时传播到进给通道14、28中的压力波动可以发展为驻波。当以增强驻波的频率发生流体喷射时,进给通道14、28中的驻波会导致压力振荡传播到连接到相同进给通道14、28的其他流体喷射器150的喷射器流动路径475中,从而在那些流体喷射器150之间引起流体串扰。
流体串扰也可能是由于通过进给通道14、28的流体流量突然变化引起的。通常,当在流动通道中运动的流体被迫突然停止或改变方向时,压力波会在流动通道中传播(有时称为“水锤”效应)。例如,当突然关闭连接到相同进给通道14、28的一个或多个流体喷射器150时,水锤效应会导致压力波传播到流动通道14、28中。该压力波可以进一步传播到连接到相同进给通道14、28的其他流体喷射器150的喷射器流动路径475中,从而在那些流体喷射器150之间引起流体串扰。
通过在流体喷射器中提供更大的顺应性以减小压力波动,可以减少流体串扰。通过增加流体喷射器中可用的顺应性,可以减小来自流体喷射器中的一个中产生的压力波动的能量,从而减小压力波动对相邻流体喷射器的影响。流体喷射器及其相关的流体流动通路中的顺应性在流体中、喷嘴处的弯液面和流体流动通路(例如,入口进给通道14、上升器16、下降器20、出口通路26、出口进给通道28和其他流体通路)的表面中是可用的。增加流体喷射器150及其相关的流体流动通路中的顺应性可以帮助减轻流体喷射器150之间的流体串扰。通过增加可用的顺应性,可以减小在流体喷射器150或流体喷射器150连接到的进给通道14、28内从特定流体喷射器150到相邻流体喷射器150的压力波动的传播,从而减小了该压力波动对其他流体喷射器150的影响。例如,可以增加进给通道14、28的顺应性,以减轻连接到该进给通道14、28的流体喷射器150之间的流体串扰。
参照图4,通过在入口进给通道14的一个或多个表面上形成入口顺应性微结构50和/或在出口进给通道28的一个或多个表面上形成出口顺应性微结构60,可以将顺应性添加至入口进给通道14和出口进给通道28。在图4的示例中,入口顺应性微结构50形成在入口进给通道14的底表面52中,而出口顺应性微结构60形成在出口进给通道28的底表面54中。在该示例中,底表面52、54由喷嘴层11形成。由对应的进给通道14、28中的入口和出口顺应性微结构50、60提供的附加顺应性减小了来自连接到该进给通道14、28的特定流体喷射器150中的压力波动的能量。结果,可以减小该压力波动对连接到那些相同的供给通道14、28的其他流体喷射器150的影响。
在一些示例中,顺应性微结构50、60可以是形成在入口进给通道14和出口进给通道28的喷嘴层11中的喷嘴状结构。有时我们将类似喷嘴的顺应性结构50、60称为顺应性喷嘴。(为了清楚起见,有时将流体喷射器150的喷嘴22称为喷射喷嘴。)顺应性喷嘴50、60分别位于进给通道14、28中,不直接连接至任何单独的流体喷射器150或与之相关联,并且不具有相应的致动器。进给通道14、28中的流体压力通常不高到足以导致在流体喷射器150的正常操作期间从顺应性喷嘴50、60喷射出流体。例如,流体喷射器150可以在几个大气压(例如,大约1-10atm)的喷射压力下操作,并且用于从顺从性喷嘴50、60喷射的阈值压力可以是大约操作压力的一半。
顺应性喷嘴50、60延伸穿过喷嘴层11的整个厚度并提供自由表面,该自由表面增加喷嘴层11的顺应性。在每个顺应性喷嘴50、60的开口处形成流体的弯液面。在一些示例中,弯液面是凸出的凸形弯液面。在一些示例中,进给通道14、28可以被负压作用,使得在不存在压力波动的情况下,弯液面被向内抽吸(例如为凹形弯液面)。当压力波动传播到进给通道14、28中时,弯液面凸出成凸形弯液面,从而减弱了压力波动并减轻了连接到该进给通道14、28的相邻流体喷射器150之间的流体串扰。
可在2015年4月24日提交的美国申请No.14/695,525号中找到顺应性喷嘴和诸如膜覆盖的凹部的其他顺应性微结构的进一步描述,其全部内容通过引用并入本文。
在一些示例中,流体喷射器150可以在高流体压力下被净化,例如以清洁流体流动通道或喷射喷嘴22。此净化过程有时称为灌注(priming)。在灌注过程期间的高流体压力会导致流体通过顺应性喷嘴50、60喷射。灌注期间流体的这种喷射可能是浪费的,并且可能导致流体积聚在喷嘴层11的朝外的表面上。
为了减少在灌注期间通过顺应性喷嘴50、60的墨水损失,顺应性喷嘴50、60可以被设计成具有比灌注期间的流体压力高的气泡压力。喷嘴的气泡压力是高于喷嘴中的弯液面破裂从而导致通过喷嘴的墨水流建立的压力的压力。当顺应性喷嘴50、60的气泡压力大于灌注期间的流体压力时,顺应性喷嘴中的流体的弯液面将在灌注期间保持完好无损,从而减少了流体浪费并有助于保持喷嘴层11的朝外表面的清洁度。
喷嘴的气泡压力取决于喷嘴的几何形状,例如喷嘴的尺寸和形状。参考图5,对于矩形喷嘴500,气泡压力与喷嘴的较小尺寸(称为宽度)成反比:
“气泡压力”∝γ/w
其中,γ是流体的表面张力,w是矩形喷嘴500的宽度。因此,不管喷嘴的长度如何,较窄的矩形喷嘴都比较宽的喷嘴具有更高的气泡压力。
喷嘴的顺应性也取决于喷嘴的几何形状,例如喷嘴的尺寸和形状。仍然参考图5,矩形喷嘴500的顺应性与喷嘴的较大尺寸(称为长度)成正比,与喷嘴宽度的立方成正比:
“顺应性”∝γ·Lw3
其中,L是矩形喷嘴的长度。
从气泡压力和喷嘴的顺应性的几何依赖性可以看出,设计喷嘴以实现期望的气泡压力可以影响喷嘴的顺应性,这进而可以影响喷嘴可以如何有效地减轻流体串扰。但是,由于对喷嘴宽度的相反依赖性并且仅顺应性是喷嘴长度的函数,因此可以分别调节气泡压力和喷嘴的顺应性。分别调节气泡压力和顺应性的能力使喷嘴能够被设计为既具有足够的顺应性可以减轻流体串扰,又可以具有足够高的气泡压力以减少灌注期间的墨水损失。
在一示例中,可以在流体喷射器的入口和/或出口进给通道中形成一个或多个长的窄的矩形顺应性喷嘴。顺应性喷嘴的窄的宽度可以使喷嘴的气泡压力高于灌注的流体压力。顺应性喷嘴的增加的长度可以至少部分地补偿由于窄的宽度而导致的顺应性损失。在一些示例中,为了向入口和/或出口进给通道引入附加的顺应性,可以形成多个长而窄的矩形顺应性喷嘴。顺应性是附加性质,因此,附加顺应性喷嘴的存在可以增加入口和/或出口进给通道的总体顺应性,而不会影响各个顺应性喷嘴的气泡压力。
在一些示例中,在入口进给通道中形成的入口顺应性喷嘴的几何形状和/或数量可以与在出口进给通道中形成的出口顺应性喷嘴的几何形状和/或数量不同。这些差异可用于例如解决入口进给通道和出口进给通道中的不同流体压力。例如,入口顺应性喷嘴可以比出口顺应性喷嘴更长和更窄,或者出口顺应性喷嘴可以比入口顺应性喷嘴更长和更窄。
参照图4和图6,流体回路的示意图表示在打印期间流体通过流体喷射器的流动路径。流体以流体压力Pin流入入口进给通道中。当流体流经入口进给通道时,流体阻力导致流体压力下降。在入口顺应性喷嘴处,入口进给通道中的流体压力为Pcn_inlet。在喷射喷嘴处,流体压力为Pjn。在出口顺应喷嘴处,出口进给通道中的流体压力为Pcn_return。当流体通过出口进给通道离开流体喷射器时,流体处于流体压力Pout。
从射流回路可以看出
Pin>PCN_inlet>PJN>PCN_return>Pout
因此,为了避免在灌注期间从入口和出口顺应性喷嘴两者损失流体,可以将入口顺应性喷嘴设计成具有大于出口顺应性喷嘴的气泡压力的气泡压力。气泡压力的这种差异可以通过形成具有与出口顺应性喷嘴的尺寸或形状不同的尺寸或形状的入口顺应性喷嘴来实现。例如,入口顺应性喷嘴可以比出口顺应性喷嘴更窄,从而使入口顺应性喷嘴比出口顺应性喷嘴具有更高的气泡压力。为了补偿由于宽度减小而发生的顺应性损失,入口顺应性喷嘴也可以比出口顺应性喷嘴更长。
在一些示例中,入口顺应性喷嘴的数量可以与出口顺应性喷嘴的数量不同。例如,流体喷射器可以具有比出口顺应性喷嘴更多的入口顺应性喷嘴,或者可以具有比入口顺应性喷嘴更多的出口顺应性喷嘴。在某些情况下,流体喷射器可以仅具有入口顺应性喷嘴而没有出口顺应性喷嘴,或者可以仅具有出口顺应性喷嘴而没有入口顺应性喷嘴。
在一些示例中,流体串扰主要仅通过流体喷射器的进给通道中的一个进行连通,例如仅通过入口进给通道或仅通过出口进给通道。例如,在某些流体喷射器设计中,流体串扰主要通过出口进给通道发生。在这些设计中,与入口顺应性喷嘴相比,出口适应性喷嘴可以被设计为具有较低的气泡压力(由于出口进给通道中的流体压力较低)和较高的顺应性(由于发生串扰)。在其中主要通过流体喷射器的入口进给通道发生流体串扰的其他流体喷射器设计中,可以将入口顺应性喷嘴设计成比出口顺应性喷嘴具有更高的气泡压力和更高的顺应性。
可以基于流体喷射器和流体的特性(例如灌注压力、沿流动路径的内部阻力、喷射喷嘴的大小、流体的表面张力和/或其他特性)确定入口和出口顺应性喷嘴的实际尺寸。
参照图7A至图7E,在特定示例中,在具有在其他方面相似的几何形状(包括具有相似尺寸和形状的喷射喷嘴以及相似尺寸和形状的入口和出口进给通道)的流体喷射器中制造了入口和出口顺应性喷嘴的各种构造。图7A-7E示出了用于每种喷嘴构造的单个流体喷射器的喷嘴层的底视图。表1列出了每种构造的喷射喷嘴和顺从性喷嘴的尺寸。在该示例的流体喷射器中,流体串扰主要通过出口进给通道连通。对于每种构造,定性评估了灌注期间的串扰性能和喷射的流体体积。
参照图7A,流体喷射器700的第一构造包括喷射喷嘴702,但是不包括顺应性入口或出口喷嘴。流体喷射器700的串扰性能很差,这与以下理解一致:在入口和/或出口进给通道中存在顺应性喷嘴会增加进给通道中的顺应性,从而减轻了流体串扰的影响。在灌注期间损失的流体体积可忽略不计,考虑到流体喷射器700不包括可以从其损失流体的顺应性喷嘴,这是被预期的。
参照图7B,流体喷射器710的第二构造包括喷射喷嘴712、单个入口顺应性喷嘴714和单个出口顺应性喷嘴716。入口顺应性喷嘴714和出口顺应性喷嘴716都是方形的并且具有相同的尺寸。流体喷射器710的串扰性能良好,表明顺应性喷嘴714、716的存在可以减轻流体串扰的影响。然而,在灌注期间大体积的流体通过顺应性喷嘴714、716损失。
参照图7C,流体喷射器720的第三构造包括喷射喷嘴722、两个入口顺应性喷嘴724和两个出口顺应性喷嘴726。入口和出口顺应性喷嘴724、726是矩形的并且具有相同的尺寸。与图7B的顺应性喷嘴714、716相比,顺应性喷嘴724、726的宽度更窄且长度更长,因此比顺应性喷嘴714、716具有更高的气泡压力。如预期的那样,在较高的气泡压力的情况下,在灌注期间通过顺应性喷嘴724、726损失了较小体积的流体。流体喷射器720的串扰性能仍然良好,证明了这种尺寸的矩形顺应性喷嘴可以减轻流体串扰。
参照图7D,流体喷射器730的第四构造包括喷射喷嘴732、两个入口顺应性喷嘴734和两个出口顺应性喷嘴736。入口和出口顺应性喷嘴734、736是矩形的并且具有相同的尺寸。与图7C的顺应性喷嘴724、726相比,顺应性喷嘴734、736明显更窄和更长,因此比顺应性喷嘴724、726具有更高的气泡压力。因此,在灌注期间,通过顺应性喷嘴734、736损失的流体体积可忽略不计。然而,这种流体喷射器的串扰性能很差,表明由于喷嘴变窄而损失的顺应性太大,以致于不能通过增加长度来成功地抵消。
参照图7E,流体喷射器740的第五构造包括喷射喷嘴742、两个矩形的入口顺应性喷嘴744和两个矩形的出口顺应性喷嘴746。入口顺应性喷嘴744具有与图7D的顺应性喷嘴734的尺寸相似的尺寸,这给入口顺应性喷嘴744提供了高的气泡压力但是相对较低的顺应性。出口顺应性喷嘴746的尺寸类似于图7C的顺应性喷嘴724的尺寸,因此比入口顺应性喷嘴744具有更低的气泡压力和更高的顺应性。即,在图7E的流体喷射器740中,入口顺应性喷嘴744的气泡压力大于出口顺应性喷嘴746的气泡压力,并且入口进给通道中的顺从性低于出口进给通道中的顺从性。灌注期间,流体喷射器740表现出良好的串扰性能和可忽略的流体损失。
这些结果表明,可以调整进口和出口顺应性喷嘴的几何形状,以减轻流体串扰并减少灌注期间的流体损失。
尽管这些结果证明了矩形顺应性喷嘴的性能,但也可以使用其他形状的顺应性喷嘴,例如圆形、椭圆形、分形或其他形状。
在一些示例中,可以调节顺应性喷嘴的分布以获得期望的串扰和/或流体损失性能。例如,顺应性喷嘴可以沿着进给通道的长度均匀分布,可以随机分布,或者可以集中在进给通道的一个或多个区域(例如,进给通道的上游端、下游端或中间)。在一些示例中,入口和出口顺应性喷嘴的分布可以是相似的;在一些示例中,入口顺应性喷嘴的分布可以与出口顺应性喷嘴的分布不同。
图8示出了用于制造具有在喷嘴层11中形成的顺应性喷嘴120的流体喷射器150的示例方法。喷嘴晶片140包括喷嘴层11、蚀刻停止层142(例如,氧化物或氮化物蚀刻停止层,例如SiO2或Si3N4)和处理层124(例如,硅处理层)。在一些示例中,喷嘴晶片120不包括蚀刻停止层122。
例如使用包括光刻和蚀刻的标准微加工技术,通过喷嘴层11形成喷射喷嘴22和顺应性喷嘴120。在一些实施方式中,例如使用相同的蚀刻步骤在喷嘴层11中同时形成喷射喷嘴22和顺应性喷嘴120。
在形成喷射喷嘴22和顺应性喷嘴120之后,可以根据制造流体喷射器的各种方法中的任何一种来进行制造。
由于在形成喷射喷嘴22的进行步骤期间会形成顺应性喷嘴120,因此与顺应性喷嘴120形成相关的成本影响很小甚至没有。
在一些示例中,顺应性微结构可以是膜覆盖的凹部,例如,如2015年4月24日提交的美国申请系列No.14/695,525中所述,其内容通过引用整体并入本文。入口和出口进给通道中的膜覆盖的凹部的尺寸可以不同和/或数量可以不同,以实现所需的性能。这些方法也可以应用于其他顺应性来源,例如被捕获的气泡(例如MEMjet),内部顺应性或其他顺应性来源。
已经描述了特定的实施例。其他实施例在所附权利要求的范围内。
Claims (33)
1.一种流体喷射装置,包括:
流体喷射器,包括:
泵送腔室,
喷射喷嘴,其联接到泵送腔室,以及
致动器,其被配置成使流体通过所述喷射喷嘴从所述泵送腔室喷射;
第一顺应性组件,其在入口进给通道的表面中形成,所述入口进给通道流体地连接到所述泵送腔室的流体入口;和
第二顺应性组件,其在出口进给通道的表面中形成,所述出口进给通道流体地连接到所述泵送腔室的流体出口,
其中,所述第一顺应性组件的顺应性不同于所述第二顺应性组件的顺应性。
2.根据权利要求1所述的流体喷射装置,其中,所述第一顺应性组件的顺应性小于所述第二顺应性组件的顺应性。
3.根据权利要求1或2所述的流体喷射装置,其中,所述喷射喷嘴的顺应性大于所述第一顺应性组件的顺应性和所述第二顺应性组件的顺应性。
4.根据权利要求1所述的流体喷射装置,其中,所述第一顺应性组件的气泡压力大于所述喷射喷嘴的气泡压力。
5.根据权利要求1所述的流体喷射装置,其中,所述第二顺应性组件的气泡压力小于所述喷射喷嘴的气泡压力。
6.根据前述权利要求中任一项所述的流体喷射装置,其中,所述第一顺应性组件包括第一顺应性喷嘴,并且所述第二顺应性组件包括第二顺应性喷嘴。
7.根据权利要求6所述的流体喷射装置,其中,所述第一顺应性喷嘴具有与所述第二顺应性喷嘴不同的尺寸。
8.根据权利要求7所述的流体喷射装置,其中,所述第一顺应性喷嘴的宽度小于所述第二顺应性喷嘴的宽度。
9.根据权利要求7或8所述的流体喷射装置,其中,所述第一顺应性喷嘴的长度大于所述第二顺应性喷嘴的长度。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的流体喷射装置,其中,所述第一顺应性喷嘴的长度大于所述第一顺应性喷嘴的宽度。
11.根据权利要求6至9中的任一项所述的流体喷射装置,其中,所述喷射喷嘴的尺寸与所述第一顺应喷嘴、第二虚拟喷嘴或两者的尺寸不同。
12.根据权利要求11所述的流体喷射装置,
其中,所述喷射喷嘴的宽度大于所述第一顺应性喷嘴的宽度和所述第二顺应性喷嘴的宽度,并且
其中,所述喷射喷嘴的长度小于所述第一顺应性喷嘴的长度和所述第二顺应性喷嘴的长度。
13.根据权利要求12所述的流体喷射装置,
其中,所述第一顺应性喷嘴的宽度小于所述第二顺应性喷嘴的宽度,并且
所述第一顺应性喷嘴的长度大于所述第二顺应性喷嘴的长度。
14.根据权利要求6至13中任一项所述的流体喷射装置,其中,所述第一顺应性组件包括多个第一顺应性喷嘴,并且所述第二顺应性组件包括多个第二顺应性喷嘴。
15.根据权利要求14所述的流体喷射装置,其中,所述第一顺应性喷嘴的数量与所述第二顺应性喷嘴的数量不同。
16.根据权利要求14或15所述的流体喷射装置,其中,(i)所述多个第一顺应性喷嘴不均匀地分布在所述入口进给通道的表面上,(ii)所述多个第二顺应性喷嘴不均匀地分布在所述出口进给通道的表面上,或者(iii)(i)和(ii)两者。
17.根据权利要求6至16中任一项所述的流体喷射装置,其中,所述第一顺应性喷嘴的形状与所述第二顺应性喷嘴的形状不同。
18.根据前述权利要求6至17中的任一项所述的流体喷射装置,其中,
所述第一顺应性喷嘴在所述入口进给通道的表面的内表面上限定内部开口,并且在所述入口进给通道的表面的外部面上限定外部开口;并且
所述第二顺应性喷嘴在所述出口进给通道的表面的内表面上限定内部开口,并且在所述出口进给通道的表面的外部面上限定外部开口。
19.根据前述权利要求中任一项所述的流体喷射装置,包括限制元件,所述限制元件形成在所述入口进给通道与所述第一顺应性组件之间的流体路径中。
20.根据前述权利要求中任一项所述的流体喷射装置,其中,所述喷射喷嘴形成在喷嘴层中,并且其中,所述喷嘴层包括所述入口通道的表面和所述出口通道的表面。
21.一种方法,包括:
在流体喷射装置中致动流体喷射器以使流体通过喷射喷嘴喷射,其中,致动流体喷射器引起流体地连接到流体喷射器的入口进给通道中和流体地连接到流体喷射器的出口进给通道中的流体压力变化;
响应于所述入口进给通道和所述出口进给通道中的流体压力的变化,在形成于所述入口进给通道的表面中的第一顺应性组件中以及在形成于所述出口进给通道的表面中的第二顺应性组件中形成流体的凸形弯液面,
其中,所述第一顺应性组件的顺应性不同于所述第二顺应性组件的顺应性。
22.根据权利要求21所述的方法,其中,所述第一顺应性组件的顺应性小于所述第二顺应性组件的顺应性。
23.根据权利要求21或22所述的方法,其中,在所述第一顺应性组件和所述第二顺应性组件中形成流体的凸形弯液面包括不从所述第一顺应性组件或所述第二顺应性组件喷射流体。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法,其中,致动所述流体喷射器使得所述入口进给通道中的流体压力保持在所述第一顺应性组件的气泡压力以下,并且使得所述出口进给通道中的流体压力保持在所述第二顺应性组件的气泡压力以下。
25.根据权利要求21至24中的任一项所述的方法,包括将设置在所述入口进给通道或所述出口供给通道的表面的外部面上的流体接收到所述第一顺应性组件中、所述第二顺应性组件中、或者所述第一顺应性组件和所述第二顺应性组件二者中。
26.一种方法,包括:
在喷嘴层中形成喷射喷嘴、第一顺应性组件和第二顺应性组件,其中,所述第一顺应性组件的顺应性不同于所述第二顺应性组件的顺应性;和
将所述喷嘴层附接到包括流体喷射器的基板以形成流体喷射装置,所述流体喷射器包括泵送腔室和致动器,所述致动器配置为使流体通过喷嘴从泵送腔室喷射,
其中,在所述流体喷射装置中,所述第一顺应性组件形成在所述喷嘴层的限定了流体地连接到所述泵送腔室的流体入口的入口进给通道的壁的部分中,所述第二顺应性组件形成所述喷嘴层的限定了流体地连接到所述泵送腔室的流体出口的出口进给通道的壁的部分中。
27.根据权利要求26所述的方法,其中,形成所述第一顺应性组件包括通过所述喷嘴层形成第一顺应性喷嘴,并且其中,形成所述第二顺应性组件包括通过所述喷嘴层形成第二顺应性喷嘴。
28.根据权利要求27所述的方法,其中,所述第一顺应性喷嘴的长度大于所述第一顺应性喷嘴的宽度。
29.根据权利要求27或28所述的方法,其中,形成所述第二顺应性喷嘴包括形成具有与所述第一顺应性喷嘴不同的尺寸的顺应性喷嘴。
30.根据权利要求29所述的方法,其中,所述第一顺应性喷嘴的宽度小于所述第二顺应性喷嘴的宽度。
31.根据权利要求29或30所述的方法,其中,所述第一顺应性喷嘴的长度大于所述第二顺应性喷嘴的长度。
32.根据权利要求27至31中任一项所述的方法,其中,形成所述第一顺应性喷嘴和所述第二顺应性喷嘴包括形成具有与所述喷射喷嘴不同的尺寸的顺应性喷嘴。
33.根据权利要求26至32中任一项所述的方法,其中,形成所述第一顺应性组件包括通过所述喷嘴层形成多个第一顺应性喷嘴,并且其中,形成所述第二顺应性组件包括通过所述喷嘴层形成多个第二顺应性喷嘴,所述第一顺应性喷嘴的数量与所述第二顺应性喷嘴的数量不同。
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