CN1153670C - 具有由弯月形膜所形成的密封的微机电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明解决了对通过微机电墨喷嘴的墨腔的壁延伸的可移动操纵器的密封问题。微机电设备具有用于移动一个喷墨水浆叶的操纵器，当热感应电流流过时操纵器被打开。该浆叶位于一个墨水腔内，操纵器穿过该腔内的操纵器孔。该腔部分地由墨水腔的上半壁上的一个圆柱形部分圆形内凹边缘部分所形成。操纵器携带用于覆盖操纵器孔的第二圆柱形壁，并对准部分圆形内凹边缘部分。当操纵器和浆叶移动以喷射墨水滴时，第二圆柱形壁能相对于边缘部分移动。当操纵器移动时，第二壁相对于边缘部分移动，在边缘部分与第二壁之间形成弯月形部分，后者在第二壁与腔壁的边缘部分之间形成密封。

Description

具有由弯月形膜所形成的 密封的微机电设备
技术领域
本发明涉及微机电(MEM)设备中的密封。本发明可应用于一种类型的喷嘴中，制造这种类型的喷嘴时将可应用于微机电系统(MEM)和金属氧化物半导体(“CMOS”)集成电路中的技术结合起来，以及今后在该应用的上下文中描述本发明。然而，应该理解，本发明能够更广泛地应用于其他类型的MEM设备内的密封。
共同未决的专利申请
在下面共同未决的专利申请中公开了与本发明相关的各种方法，系统与设备，这些共同未决的专利申请是本发明的申请人或者受让人与本发明申请同时递交申请的：
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，    PCI/AU00/00566，
PCT/AU00/00567，    PCT/AU00/00568，    PCT/AU00/00569，
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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，
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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。
这些共同未决的专利申请的公开内容在这里被交叉引用。
背景技术
本发明申请人最近开发了一种高速页宽喷墨打印机。它通常采用51,200数量级的墨水喷嘴在A4尺寸的纸张上打印以便提供1,600dpi的照相质量图像。为达到此喷墨密度，制造这种类型的喷嘴时将MEMS-CMOS技术结合起来，以及上下文能够参考由本发明申请人申请的题为“热操纵器”的国际专利申请号PCT/AU00/00338。
在这些高速页宽喷墨打印机中，从电阻材料中部分地形成一个操纵器并且将电流施加于该杆上以便相对于基底移动该杆，从而在一张纸张上产生一个图像。该杆连至一个浆叶以便当该杆移动时将该浆叶移动从而将一滴墨水滴喷至纸上。为喷出墨水滴，该浆叶伸展入一个具有喷嘴孔的喷嘴腔，浆叶的移动促使墨水滴从喷嘴孔内喷出。因此操纵器和浆叶必须相对于喷嘴腔移动以便喷出墨水滴。此外，考虑到操纵器和浆叶相对于喷嘴腔的移动的必要性，必须在操纵器伸入喷嘴腔的地方进行密封，以便在打印机操作时墨水不至于欺骗性地从腔内泄漏。
发明内容
然而，在现有技术中，在微机电设备的尺寸上难于制作对移动部件的机械密封，且更具体地，难于把机械密封的制造包括到MEMS技术工艺中。进一步地，所有的机械密封，都会随着打印喷嘴的使用，由于部件的相对运动，而发生退化。
本发明提供了一种微机电设备，包括：
一个液体腔，用于保存液体，该液体腔具有第一腔壁，该腔壁具有一个部分圆形内凹边缘部分，用于形成一个部分圆形空穴；
一个腔壁内的输出孔，用于允许液体从腔内喷出，
一个部分地由腔壁的所述边缘部分所形成的操纵器孔；
一个穿过操纵器孔伸入所述腔的操纵器，它能够移动以便自腔内通过输出孔投放液体；
一个在操纵器上形成的并且至少覆盖一部分所述操纵器孔的第二圆柱形壁，该第二圆柱形壁与部分圆形空穴对准以使第二圆柱形壁相对于部分圆形边缘部分保持紧密靠近关系以及当操纵器移动以便自腔内投放液体时能够相对于边缘部分而移动；及
当操纵器在腔内移动以便自腔内投放液体时，该第二壁相对于边缘部分保持紧密靠近关系，以便由腔内液体在边缘部分与第二壁之间形成一个弯月形膜，从而在边缘部分与第二壁之间形成一个密封。
因此，本发明提供了对延伸到微机电设备的液体腔中的移动部件的一种密封。
发明的优选特征
该第二壁实际上优选地全部覆盖操纵器孔。
该第二壁优选地形成于连至操纵器的块上。
该块优选地至少是部分圆柱形配置，用于在该块的表面部分上提供所述部分圆柱形壁。
优选地，该部分圆形内凹边缘部分和该圆柱形壁与该圆柱形第二壁同中心线，并且当操纵器移动以便自腔内投放液体时，它们能够相对于部分圆形内凹边缘部分在轴向方向内移动。
优选地，该操纵器包括一个外杆部分和一个内杆部分，该外杆部分具有一个开口及该块的一部分包括一个凸缘，它伸出通过所述开口以方便于将该块连至该操作杆。
该第二壁优选地离开腔壁的边缘部分一个距离，当该操纵器位于静止位置时，该距离小于1微米。
该操纵器优选地连至安排于腔内的一个浆叶，用于在操纵器移动时以水滴形式喷出液体。
优选地，该操纵器支撑于一个支撑结构的一端，以及用于操作该设备的电路元件是埋嵌于支撑结构之内或之上的CMOS结构内的。
优选地，通过同时淀积来形成腔壁和具有第二壁的块，其中该块具有一个上表面，当操纵器位于静止位置时，该上表面实际上与该腔平行。
优选地，在边缘部分上形成一个唇边，它向外伸出腔外，该第二壁也有一个伸出腔外的唇边。
附图的简要描述
以下参照附图通过例子描述本发明实施例，附图中：
图1是一个打印机墨水喷嘴的本发明实施例的平面图；
图2是图1中喷嘴实施例的沿着图1中线2-2的剖面图；
图3是类似于本发明实施例图2的更详细剖面图，其中操纵器处于极端位置以及一滴墨水被显示正被从喷嘴喷出；
图4是图1至3中所示优选实施例的一部分的透视图；
图5是根据本发明实施例的沿着图4中线5-5的剖面图；及
图6是根据本发明另一个实施例的沿着图4中线5-5的视图。
优选实施例的描述
如图1和其他相关附图中大约放大3000倍的图形所表示的，单个墨水喷嘴设备1被显示为通过将MEMS和CMOS技术相结合而制造的芯片的一部分。该完整的喷嘴设备包括一个支撑结构，它具有一个硅基底20、一个金属氧化物半导体层21、一个钝化层22和一个非腐蚀介质镀层/腔形成层29。可以参照以上确认的国际专利申请号PCT/AU00/00338的关于喷嘴设备制造的公开内容。在由相同的本发明申请人提出申请的题为“微机电设备中的移动传感器”(MJ12)的共同未决申请中更全面地公开了该设备的操作。这两个申请的公开内容在说明书中被用作参考。
该喷嘴设备包括一个连至一个墨水源(未示出)的墨水腔24。如以下将描述的，层29形成一个腔壁23，它具有一个用于将墨水滴自包含于腔24内的墨水25中喷出的喷嘴孔13。如图1中所示，壁23一般是圆柱形配置，该小孔13实际上位于圆柱形壁23的中部。该壁23具有一个部分圆形内凹边缘部分10，它形成壁23的周围部分。
如图3中所示，该腔24也由一个周围侧壁23a、一个下侧壁23b、一个基壁(未示出)和一个基底20的直边缘部分39所形成。一个操纵器28形成于层22上，及支撑部分23c形成于操纵器28的一端。
操纵器28在制造设备时被淀积，以及能够相对于基底20和支撑部分23c通过铰链转动。操纵器28包括上半和下半杆部分31和32。杆28的下半部分32是一个与CMOS层21接触的电触点，用于向部分32提供电流以便通过热弯曲将杆28自图2中所示位置移动至图3中所示位置，以使墨水滴通过小孔13喷至纸上(未示出)。因此，层22包括用于向部分32和其他电路提供电流的电源电路，以便操作附图中所示喷嘴，如同以上共同未决的专利申请中所描述的那样。
一个块8安装于操纵器28上并且包括一个凸缘部分50，该凸缘部分50伸展穿过部分31中的开口52以便于将该块8固定于操纵器28上。操纵器28携带一个安排于腔24内的浆叶27，它可如图1和3中所示地随着操纵器移动，以便喷出墨水滴D。
周围壁23a、腔壁23、块8和支撑部分23c全部都通过将用于形成层29的材料进行淀积和将保护材料腐蚀而形成，从而形成腔24、喷嘴孔23、分离块8和块8与支撑部分23c之间的空间。在基底20上淀积时也形成下半壁部分23b。
层22的端边22a与壁23的部分圆形边缘部分10之间的空间形成一个操纵器孔54，当操纵器28处于如图1和2中所示静止状态中时，它实际上全部被块8上的壁9所包围。当处于图1和2中所示静止位置中时，壁23的边缘部分10离开壁9一段距离，该距离小于1微米，以便形成壁9与边10之间的细槽。
该部分圆柱形壁部分10形成一个部分圆形空穴11以及该部分圆柱形块8与空穴11对准以使圆柱形壁9相对于边缘部分10保持紧密靠近关系。该部分圆形边缘部分10与部分圆形壁9围绕图1中所示轴A是同中心线的，该轴A伸展入和伸展出图1中所示纸张平面。部分圆柱形块8可以具有一个中央空穴90和一个形成于空穴11之外的盒状桁架结构92。该空穴90可以填以保护材料，该材料完全将空穴填实以致它在形成喷嘴的过程中不被腐蚀。桁架结构92内的空穴也可以填以保护材料，该材料在形成喷嘴的过程中也不被腐蚀。空穴90和桁架结构内其他空穴内的保护材料能够增强块8的强度。
当操纵器28上下移动以便自腔24中喷射墨水滴D时，平面壁9相对于壁23的边10上下移动，从而保持与壁23的边10的紧密相距关系。考虑到壁9与边10的邻近性，当壁9相对于边10上下移动时，在壁9与边10之间形成一个弯月形部分M。该弯月形部分M的形成在壁9与边10之间形成一个密封，从而能够减少自腔24内泄漏和浸润墨水的可能性。在层22上形成的支撑凸缘56与在其上形成块8的操纵器28的部分58之间也形成一个弯月形部分M2。该弯月形部分M2的形成也能减少操纵器28和浆叶27移动时墨水泄漏和浸润的可能性。在操纵器孔54的各边(未示出)与用于形成小孔54的壁23a的各边(未示出)之间也形成一个弯月形部分(未示出)。
如图3中所示，边缘部分10可以携带一个唇边80，以及壁9也可携带一个唇边82，以便进一步减少墨水自腔24中浸润至块8或壁23的上表面的可能性。唇边80可以完全伸展在壁23周围，以及类似的唇边也可被提供于小孔13上。
参照图5和6，该浆叶27通过一个自块8向外伸展的结构部分120连至操纵器28的其余部分。该结构部分120能够包括一个增强结构以便增强结构部分120的强度，因而也增强浆叶27与操纵器28其余部分的连接部分的强度。
图5显示增强结构的一个实施例，在此实施例中该部分120由包围于保护材料124周围的氮化钛层122和123所形成。在图6中所示第二实施例中，该层122是一个包围于保护材料126、127和128周围的波纹状层。图5和6中所示结构能够增强用于连接块8与浆叶27的结构部分120的强度。

Claims (11)

1.一种微机电设备，包括：
一个液体腔，用于保存液体，该液体腔具有第一腔壁，该腔壁具有一个部分圆柱形内凹边缘部分，用于限定一个部分圆柱形空穴；
一个腔壁上的输出孔，用于允许液体从腔内排出，
一个部分地由腔壁的所述边缘部分所形成的操纵器孔；
一个穿过操纵器孔伸展入所述腔的操纵器，它能够移动以便自腔内通过输出孔排放液体；
一个在操纵器上形成的并且至少覆盖一部分所述操纵器孔的第二圆柱形壁，该第二圆柱形壁与部分圆形空穴对准以使第二圆柱形壁相对于部分圆形边缘部分保持紧密靠近关系以及当操纵器移动以便自腔内投放液体时能够相对于边缘部分而移动；且其中
当操纵器在腔内移动以便自腔内投放液体时，该第二壁相对于边缘部分保持紧密靠近关系，以便由腔内液体在边缘部分与第二壁之间形成一个弯月形膜，从而在边缘部分与第二壁之间形成一个密封。
2.权利要求1的设备，其中该第二壁全部覆盖操纵器孔。
3.权利要求1的设备，其中该第二壁形成于连至操纵器的块上。
4.权利要求3的设备，其中该块至少是部分圆柱形配置，用于在该块的表面部分上提供所述部分圆柱形壁。
5.权利要求1的设备，其中该部分圆形内凹边缘部分和该圆柱形壁与该圆柱形第二壁同中心线，并且当操纵器移动以便自腔内投放液体时，它们能够相对于部分圆形内凹边缘部分在轴向方向内移动。
6.权利要求1的设备，其中该操纵器包括一个外杆部分和一个内杆部分，该外杆部分具有一个开口及该块的一部分包括一个凸缘，它伸出通过所述开口以方便于将该块连至该操作杆。
7.权利要求1的设备，其中该第二壁离开腔壁的边缘部分一个距离，当该操纵器位于静止位置时，该距离小于1微米。
8.权利要求1的设备，其中该操纵器连至安排于腔内的一个浆叶，用于在操纵器移动时以水滴形式喷出液体。
9.权利要求1的设备，其中该操纵器支撑于一个支撑结构的一端，以及用于操作该设备的电路元件是埋嵌于支撑结构之内或之上的CMOS结构内的。
10.权利要求3的设备，其中通过同时淀积来形成腔壁和具有第二壁的块，以及其中该块具有一个上表面，当操纵器位于静止位置时，该上表面与该腔平行。
11.权利要求1的设备，其中在边缘部分上形成一个唇边，它向外伸出腔外，该第二壁也有一个伸出腔外的唇边。
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