专利名称：流体喷射装置和方法
技术领域：
本发明总体上涉及流体喷射装置和方法。
背景技术：
在过去的十年，在比如采用喷墨打印机的电子打印技术领域中，已在流体的显微操作方面取得了实质性的进展。当前，已采用了多种高效喷墨打印系统，其能以快速而准确的方式将墨水分配到纸张或其它相对扁平的介质如信封或标签上。
喷墨打印系统一般采用一种压板，通过使用各种马达、齿轮、导轮、轴和安装架通过摩擦将纸张或其它相对扁平而柔韧的介质传送到该压板上。该介质传送机构一般提供能从托盘中取出介质并通过推进、牵引或运载介质使其经打印区进给的运动。打印区一般相对于打印头定位介质。一般采用一个几乎扁平的打印区，因为如果介质或介质载体太过弯曲的话，典型喷嘴布局的二维区域会导致喷射距离变化。一个固定有一个或多个打印盒的滑架一般由系统内的一根滑杆或相似机构支承，并沿着该滑杆自然推进，其中打印盒具有一个或多个流体喷射器头，以容许滑架在介质上往复平移或来回扫描。当已完成了一行墨点时，介质便沿着介质轴移动适当的距离，为下一行作准备。
利用流体喷射器和流体分配系统在指定的位置上将不连续的材料沉积物分配到具有不同形状和柔韧性的介质表面上的能力将开辟出多种当前不能实行的应用操作。
图1a是本发明一实施例中流体喷射器头的透视图；图1b是本发明一替换实施例中流体喷射器头的透视图；图2a是本发明一替换实施例中流体喷射器主体的等角横截面图；图2b是本发明一实施例中图2a所示流体喷射器主体的部分透视图；图3是本发明一替换实施例中流体喷射器主体的横截面图；图4是本发明一替换实施例中流体喷射器主体的横截面图；图5是本发明一替换实施例中流体喷射器主体的横截面图；图6a是本发明一实施例中流体喷射器盒的透视图；
图6b是本发明一实施例中流体分配系统的透视图；图7是本发明一实施例中制造流体喷射器头方法的流程图；图8是本发明一实施例中使用流体分配系统方法的流程图；图9a是利用本发明一实施例制造的物件的透视图；图9b是利用本发明一实施例制造的物件的透视图；图9c是利用本发明一实施例制造的物件的透视图。
具体实施例方式
参见图1a，该图在透视图中示出了本发明的一个实施例。在该实施例中，流体喷射器头100包括流体喷射器主体120，其适于插入封闭的介质开口108。流体喷射器头100还包括喷嘴130，其位于流体喷射器主体120上，并与流体通道140流体连接。流体喷射激励器150与喷嘴130流体相通。通过激励流体喷射激励器150，使流体喷射到封闭介质106的内表面110上预定的位置。
对于该说明和本发明来说，术语“封闭介质”可以是任何固体或半固体实物，其形状具有包括内表面或内侧表面和外表面或外侧表面的基本固定的形式。术语“基本固定的形式”意指物体内表面的永久性而非物体形状的永久性。例如，一个袋子可根据它是否打开或闭合的情况改变形状，不过，内表面的实体无论开闭与否都是存在的。此外，基本固定的形式还包括至少一个开口，它的横截面积小于该形状能得到的最大横截面积。封闭介质可具有长方体、圆柱体、椭圆体或球体形状，在此不过是列举了几个可采用的简单几何形状而已。例如，封闭介质106可以是小瓶、罐、胶囊、盒子、袋或管子，在此也只是列举了几个可采用的物件而已。在替换实施例中，如图1b所示，封闭介质106可包括一个比如小瓶或明胶胶囊的底面。此外，流体喷射器头100′还可包括喷嘴，它们将流体喷射到胶囊的内底面109和内侧面110′上，如图1b所示。
在该实施例中，流体喷射器主体120包括多个孔或喷嘴130，图1a和1b中所示的实际数量不过是出于图示的目的加以表示而已。使用的喷嘴数量取决于各种参数比如要分配的特定流体或多种流体、要产生的特定沉积物以及所使用的封闭介质的特定尺寸。在该实施例中，流体喷射器主体120或封闭介质106或二者可绕封闭介质106的纵轴线112转动，从而提供以二维阵列将流体分配到封闭介质的内表面上的能力。流体喷射器头100通过以受控的方式将不连续的流体量分配到封闭介质的内部上而提供对流体沉积物的控制。
应该注意到，附图并未按真实比例绘制。此外，多个元件也未按规定比例描绘。某些尺寸相对于其它尺寸有所扩大，以便提供对本发明更清楚的描述和理解。
此外，尽管在此示出的几个实施例是以具有包括深度和宽度的各个区域的二维视图示出的，但应清楚地理解到，这些区域不过是实际上为三维结构的装置的一部分的图示。因此，当在实际装置上制造时，这些区域具有包括长度、宽度和深度的三维尺寸。而且，虽然本发明是通过各个实施例图示的，但并不意味着将本发明的范围或适用性局限于这些图示。此外，也不意味着本发明的多个实施例局限于所示的物理结构。这些结构不过是证明了本发明在目前优选的实施例中的效用和应用而已。
在该实施例中，流体喷射器主体120是一个管状结构，其外径小于封闭介质开口108的内径，这样流体喷射器主体120就可沿着封闭介质106的纵轴线112插入封闭介质开口108中。在该实施例中，流体喷射器主体120还包括一根流体喷射器主体纵轴线111，其与封闭介质106的纵轴线112对准。在替换实施例中，根据各个参数比如封闭介质和流体喷射器主体的形状，流体喷射器主体纵轴线可不与封闭介质的纵轴线对准。流体喷射器主体120可采用任何能形成适当尺寸的管状的陶瓷、金属或塑料材料。流体喷射激励器150可为任何能将足够的能量赋予流体通道140或喷嘴130附近的流体上的装置。例如，可采用比如用在喷枪中的压缩空气促动器或电子机械传动器或热敏机械传动器来从喷嘴130喷射流体。
图2a在等角横截面图中示出了一个流体喷射器头的示范性实施例。在该实施例中，流体喷射器头200包括流体喷射器主体220，其中至少该主体的一部分具有矩形横截面。在替换实施例中，流体喷射器主体可具有平行六面体结构。此外，流体喷射器主体220还包括穿过该横截面图的流体主体纵轴线211。流体喷射器主体220适于插入封闭介质的开口中并可在该封闭介质内转动。此外，喷嘴230具有喷射轴线231，其限定了微滴从流体喷射器主体220喷射的总方向。流体主体纵轴线211和喷嘴喷射轴线231形成了预定喷射角218(见图2b)。在该实施例中，喷嘴喷射轴线231可与流体主体纵轴线211的流体主体法线211′成0-60度的角，如图2b中的透视图所示。在替换实施例中，喷嘴喷射轴线232与流体主体纵轴线211成0-45度的角，更优选喷嘴喷射轴线232基本上与流体主体纵轴线211垂直。此外，喷射角231′和231″示出了该角可位于相对于流体主体法线211′为正或为负的方向上。
流体喷射器头200还包括流体喷射激励器250、腔室层266、流体主体外壳280以及喷嘴层236。在该实施例中，基片222是硅片的一部分。在替换实施例中，也可将其它材料用作基片222，比如各种玻璃、氧化铝、聚酰亚胺基质、碳化硅以及砷化镓。因此，本发明并不局限于用硅半导体材料制造的那些装置。在该实施例中，流体主体外壳280和基片222形成流体通道240。流体入口通道241形成在基片222中，并提供了流体通道240与流体喷射腔272之间的流体连接。
流体能量产生元件252位于基片222上，并提供用于从喷嘴230喷射流体的能量脉冲。如上所述，流体喷射激励器250可为任何能将足够的能量赋予流体以使其从喷嘴230喷射的元件。在该实施例中，流体喷射激励器250包括流体能量产生元件252，其为热敏电阻。在替换实施例中，也可使用其它流体能量产生元件比如压电式的、挠曲拉伸式的、发声式的以及静电式的能量发生器。例如，一个压电元件利用电压脉冲来在流体上产生压力，从而喷射流体微滴。在其它实施例中，流体能量产生元件252可在横向与喷嘴230间隔开一定距离。该特定距离取决于各种参数比如分配的特定流体、腔室272的特定结构以及流体通道240的结构和尺寸，在此仅仅是列举了几个参数而已。
热敏电阻一般利用常规的半导体加工设备形成为钽铝合金。在替换实施例中，可采用其它电阻合金比如钨氮化硅或多晶硅。热敏电阻一般通过基片222表面上的喷镀金属(未示出)与电子输入端相连。此外，可在热敏电阻上加上不同的防止受到化学和机械腐蚀的保护层，但为清楚可见，未在图2中示出。在该实施例中，基片222还包括有源器件，比如一个或多个与流体能量产生元件252电连接的晶体管(为清楚可见，未示出)。在替换实施例中，也可采用其它有源器件比如二极管或存储逻辑单元，或单独设置或与该一个或多个晶体管成为一体。在其它实施例中，也可采用通常称作“直接驱动”的流体喷射器头，其中基片222可包括不带有源器件的流体喷射发生器。有源器件和流体能量产生元件的特定组合取决于各种参数比如使用流体喷射器头200的特定应用场合以及喷射的特定流体，在此只是列举了几个参数而已。
在该实施例中，施加到热敏电阻上的能量脉冲将流体中的一种组分迅速加热到其沸点，使得该流体组分蒸发，从而产生如图2a所示的喷射流体微滴214的膨胀气泡。流体微滴214一般包括微滴头部215、微滴尾部216和卫星微滴217，其实质上表现为一个流体微滴。在该实施例中，能量产生元件252的每次激励都喷射出精确数量的形式上实质为流体微滴的流体；这样，激励流体能量产生元件的次数就控制了从喷嘴230喷射微滴214的数量(即，n次激励基本上产生n个流体微滴)。这样，流体喷射器头200会在封闭基片内表面上的不连续预定位置上产生流体不连续微滴的沉积物，包括溶解在一种或多种溶剂中或悬浮或分散在流体中的固体材料。
流体微滴214的微滴体积可通过各种参数比如喷嘴孔径、喷嘴层厚、腔室尺寸、腔室层厚、能量产生元件尺寸以及流体表面张力来达到最佳，在此只是列举了几个参数而已。这样，微滴体积可相对于喷射的特定流体和使用封闭介质的特定应用场合达到最佳。该实施例中描述的流体喷射器头200可根据上述的流体喷射器头的参数和结构在约5毫微微升-约10毫微升的范围内重复且可靠地喷射微滴。在替换实施例中，流体喷射器头200可在约5毫微微升-约1微升的范围内喷射微滴。此外，根据其它实施例，多个流体喷射器头200可一起成组形成多边形结构。例如，两个流体喷射器头200可背靠背地成形，从而提供分配两种不同流体的能力，这样，一组流体喷射器头可分配墨水，而另一组流体喷射器头可分配一种密封剂或保护材料以覆盖或涂覆所分配的墨水。又一个示例是采用多组流体喷射器头来喷射多种不同的流体比如使用或不使用密封剂或保护材料的彩色墨水。术语“流体”包括任何流体材料比如墨水、粘合剂、润滑剂、化学或生物学试剂以及在一种或多种溶剂中含有溶解或分散的固体的流体。此外，流体喷射器头200还可包含一种为材料混合物的流体，从而提供了多项功能，因而使各种组合成为可能，比如使一组流体喷射器头喷射一种混合在一起的墨水和保护材料，而使另一组仅喷射一种墨水。
腔室层266被选择性地加设在基片222的表面上。侧壁268在能量产生元件252的周围限定或形成了流体喷射腔272，这样在激励能量产生元件252时，就可在激励能量产生元件252及通过喷嘴或喷孔230排出流体之前，使通过流体入口通道241流自流体通道240的流体聚集在流体喷射腔272中。喷嘴或喷孔层236位于腔室层266上，并包括一个或多个喷射流体的孔或喷嘴230。在替换实施例中，根据腔室层266和喷嘴层236所使用的特定材料，还可采用一层粘合层(未示出)，将喷嘴层236粘合在腔室层266上。根据其它实施例，腔室层266和喷嘴层236形成为单层一体的腔室喷嘴层。腔室层266一般为感光成像薄膜，其利用光刻设备来在基片222上形成腔室层266，并接着限定并形成流体喷射腔272。沿着纵轴线211成形的喷嘴可根据利用了流体喷射器头200的特定应用场合位于一条直线上或交错排列的结构中，图2b中示出了交错排列的结构。
喷嘴层236可由金属、聚合物、玻璃或其它合适的材料如陶瓷形成。在该实施例中，喷嘴层236为聚酰亚胺薄膜。市场上可得到的喷嘴层材料的示例包括一种由E.I.DuPont de Nemours & Co.销售的商品名为“Kapton”的聚酰亚胺薄膜、一种由日本的Ube Industries，LTD销售的商品名为“Upilex”的聚酰亚胺材料。在一替换实施例中，喷嘴层236由一种金属形成，比如由薄金、钯、钽或铑层封闭的镍基片。在其它替换实施例中，喷嘴层236可由聚合物比如聚酯、聚乙烯苯二甲酸盐(PEN)、环氧树脂或聚碳酸酯形成。
图3示出了流体喷射器头的一个替换实施例的横截面图。在该实施例中，流体喷射器头300包括流体喷射器主体320，其中该主体的至少一部分具有圆柱体的横截面形状，包括穿过横截面图的流体主体纵轴线311。在替换实施例中，流体喷射器主体320可具有一个曲线形状的部分。流体喷射器头300还包括位于流体喷射器主体320上的流体喷射激励器350、第二流体喷射激励器354以及第三流体喷射激励器358。尽管这些流体喷射激励器在该实施例中位于喷嘴的下方，但在替换实施例中，它们可定位在横向与喷嘴隔开一定距离。该特定距离取决于各种参数比如分配的特定流体、腔室的特定结构以及流体通道的结构和尺寸，在此只是列举了几个参数而已。流体通道隔板346与基片322相连，并将流体喷射器头300分成三个区段流体区段323、第二流体区段324以及第三流体区段325。在该实施例中，流体通道340由流体通道隔板部分346′和基片322形成；第二流体通道342由流体通道隔板部分346″和基片322形成；第三流体通道344由流体通道隔板部分346和基片322形成。
流体入口通道341提供了流体通道340与腔室372之间的流体连接，并形成在流体区段323内的基片322中。流体入口通道343和345分别提供了流体通道342、344与腔室374、376之间的流体连接。流体能量产生元件352位于基片322上并提供用来从喷嘴330喷射流体的能量脉冲。流体能量产生元件356和360分别提供用来从喷嘴332和334喷射流体的能量脉冲。在该实施例中，流体能量产生元件352、356和360为热敏电阻，其将流体中的一种组分快速加热到其沸点之上，使得该流体组分蒸发，从而喷射流体微滴。在替换实施例中，也可采用其它流体能量产生元件比如压电式的、挠曲拉伸式的、发声式的以及静电式的能量发生器。在该实施例中，流体能量产生元件352、356和360基本上沿径向将流体喷射到封闭介质(未示出)的内表面上。
腔室层366位于基片322上，其中侧壁368′在流体区段323中限定或形成流体喷射腔372的一部分；侧壁368″在第二流体区段324中形成第二流体喷射腔374的一部分；以及侧壁368在第三流体区段325中形成流体喷射腔376的一部分。喷嘴或喷孔层336位于腔室层366上，并包括一个或多个孔或喷嘴330、332和334，流体在三个区段中可通过它们喷射。在替换实施例中，根据腔室层366和喷嘴层336所采用的特定材料，还可采用一层粘合层来将喷嘴层336粘到腔室层366上。根据其它实施例，腔室层366和喷嘴层336可形成为单层。这样一种一体化的腔室和喷嘴层结构通常称作腔室喷孔层或腔室喷嘴层。
尽管图3示出的是分成三个区段的流体喷射器主体320，但替换实施例可根据利用流体喷射器头300的特定应用场合利用单个区段到多个区段的任何地方。例如，流体喷射器主体320可具有单个区段来喷射单独的一种流体。此外，沿着纵轴线311成形的流体腔可根据利用了流体喷射器头300的特定应用场合位于一条直线上、交错排列的结构或螺旋结构中。在别的示例中，流体喷射器主体320包括6个具有直立、交错或螺旋状结构的区段，从而提供了分配多种流体的任何可行的组合。
除了具有多个区段外，每个区段还可独立地实现性能上的最佳化。例如，每个区段的能量产生元件可相对于由该区段喷射的特定流体实现最佳化。此外，喷射腔和喷嘴的尺寸也可相对于由该区段喷射的特定流体实现最佳化。而且，一个区段内的能量产生元件、腔室和喷嘴的尺寸也可改变，从而使相同流体的不同微滴尺寸从流体喷射器头300中喷射出来。
参见图4，该图在横截面图中示出了本发明流体喷射器头的替换实施例。在该实施例中，流体喷射器头400包括流体喷射器主体420，其具有矩形或正方形的管状横截面形状，包括一根穿过横截面图的纵轴线412。流体喷射器头400还包括位于流体喷射器主体420上的流体喷射激励器450、第二流体喷射激励器454、第三流体喷射激励器458以及第四流体喷射激励器460。流体通道隔板446与基片422相连，并将流体喷射器头400分成四个区段第一流体区段440、第二流体区段424、第三流体区段425以及第四流体区段426。例如，可采用四种不同的流体，比如黑色墨水和三种彩色墨水。在别的示例中，可采用四种不同的反应剂。在其它示例中，可利用不同流体的多种组合，比如两种不同的生物活性剂、一种可吸收的墨水和一种覆盖生物活性剂或墨水或二者的保护材料。在该实施例中，流体通道440由流体通道隔板部分446′和基片422形成；第二流体通道442由流体通道隔板部分446″和基片422形成；第三流体通道444由流体通道隔板部分446和基片422形成；以及第四流体通道448由流体通道隔板部分446″″和基片422形成。
流体入口通道441提供了流体通道440与流体喷射腔472之间的流体连接，并形成在流体区段423内的基片422中；流体入口通道443提供了流体通道442与流体喷射腔474之间的流体连接；流体入口通道445提供了流体通道444与流体喷射腔476之间的流体连接；以及流体入口通道449提供了流体通道448与流体喷射腔473之间的流体连接。流体能量产生元件452、456、459和463位于基片422上并分别提供用于从喷嘴430、432、434和436中喷射流体的能量脉冲。如上述实施例所述，流体能量产生元件452、456、459和463可为任何能将足够的能量赋予流体以使其从喷嘴中喷射的元件。
腔室喷孔层478位于基片422上，其中侧壁468限定或形成了流体喷射腔472的一部分；侧壁469形成了流体喷射腔474的一部分；侧壁470形成了流体喷射腔473的一部分；侧壁471形成了流体喷射腔476的一部分。腔室喷孔层478还在每个区段中分别包括一个或多个孔或喷嘴430、432、434和436，流体通过它们喷射出来。
尽管图4示出的是分成四个区段的流体喷射器主体420，但替换实施例可根据利用流体喷射器头400的特定应用场合采用甚至更多的区段。例如，流体喷射器主体420可根据使用流体喷射器头400的特定应用场合具有5个或6个区段或其它数量的区段，分别形成五边形或六边形或多边形的形状，提供任何分配多种流体的各种可行的组合。如上所述，沿纵轴线412成形的流体腔和喷嘴可根据使用流体喷射器头400的特定应用场合位于一条直线上或交错的结构中。此外，同样如上所述，每个区段以及腔室、喷嘴和能量产生元件也可独立地实现性能上的最佳化。
参见图5，该图在横截面图中示出了本发明流体喷射器头的一替换实施例。在该实施例中，流体喷射器头500包括流体喷射器主体520，其具有矩形的形状，包括穿过横截面图的流体主体纵轴线511。此外，流体喷射器头500包括一个不同类型流体喷射激励器的组合。第一和第二流体喷射激励器550和551属于第一类型，而第三和第四流体喷射激励器554和558属于第二类型。在该实施例中，第一和第二流体喷射激励器550和551为压电换能器552和553，而第三和第四流体喷射激励器554和558分别为热敏电阻能量产生元件556和560。
流体区段523包括与基片522和压电换能器552相连的隔膜562，而流体区段526包括与基片523和压电换能器553相连的隔膜563。施加在压电换能器552或553上的电压脉冲产生了压电换能器和隔膜的物理位移，从而在位于流体喷射腔570或572中的流体上产生压力，从而从喷嘴530或536中喷射出流体微滴。腔室喷孔层578位于基片522和523上，其中侧壁568和569分别限定或形成了流体喷射腔570和572的一部分。腔室喷孔层578还包括一个或多个孔或喷嘴530和536，流体通过它们喷射出来。流体入口通道541和543提供了流体通道540、542与流体喷射腔570、572之间的流体连接，并形成在流体区段523和526内的基片522与腔室喷孔层578之间。
第三流体区段524和第四流体区段525通过基片521和流体喷射器主体520的通道顶板538形成。此外，基片521和通道顶板538形成喷嘴532和534。与图2中所示的“顶部喷射器”的结构相比，这两个区段形成了通常称作“侧面喷射器”的结构。在替换实施例中，基片521和基片523可组合起来形成单个基片，其具有位于不同部分上的不同能量产生元件。此外，基片522和通道顶板538也可组合起来。第三流体入口通道545提供了第三流体通道544与第三流体喷射腔574之间的流体连接。第四流体入口通道547提供了第四流体通道546与第四流体喷射腔576之间的流体连接。流体能量产生元件556和560位于基片521上，并分别提供用于从喷嘴532和536中喷射流体的能量脉冲。
尽管图5所示的实施例示出了具有压电换能器的流体区段523和526，其具有用于喷射流体的热敏电阻的流体区段524和525，但替换实施例可利用任何描述在上述实施例中的能量产生元件的组合。在相同的流体喷射器头中组合热敏电阻“顶部喷射器”和侧面喷射器，或在相同的流体喷射器头中组合压电换能器和超声换能器，仅仅是可利用的不同能量产生元件组合的多个示例。在另一示例中，流体喷射器头500可包含一个利用压缩空气流体喷射激励器的区段、利用压电式流体能量产生元件的第二区段以及利用热敏电阻能量产生元件的第三和第四区段。
参见图6a，该图在透视图中示出了本发明流体喷射盒602的一个示范性实施例。在该实施例中，流体喷射盒602包括与流体容器628流体连接的流体喷射器头600。流体喷射器主体620适于插入一个封闭的介质开口(未示出)中。流体喷射器头600还包括位于流体喷射器主体620上并与流体通道640流体连接的喷嘴630。容纳在流体容器628中的流体通过过滤器648被供应到流体通道640。此外，流体喷射激励器650与喷嘴630流体相通，这样当激励流体喷射激励器时，流体就从喷嘴630中喷射出来。在该实施例中，流体喷射激励器650通过电迹线或电线(未示出)与电接插件668电连接。在替换实施例中，例如采用压缩空气，将流体喷射激励器650连接到流体控制器(见图6b)上，可利用不同的连接器比如压缩空气配件和管道。流体喷射器头600可为描述在上述实施例中的任何流体喷射器头。
信息储存元件664位于如图6a所示的流体喷射盒602上。信息储存元件664与电接插件668电连接。在替换实施例中，信息储存元件664可利用位于主体660上的独立的电接插件。信息储存元件664可为任何类型的储存装置，适于储存信息并将信息输出到一个控制器，信息可与流体或流体喷射器头600或二者的性能或参数有关。在该实施例中，信息储存元件664是一个储存芯片，其被安装在主体660上并通过电迹线670与电接插件668电连接。当在一个流体分配系统中插入或利用流体喷射盒602时，信息储存元件664与一个控制器(未示出)电连接，该控制器与信息储存元件664相通以利用储存在其内的信息或参数。
参见图6b，该图在透视图中示出了本发明流体分配系统604的一个示范性实施例。在该实施例中，流体分配系统604包括封闭介质托盘684，其具有一个封闭介质保持器686的n×m的阵列，该保持器适于使封闭介质部分606插入。流体分配系统604还包括一个流体喷射盒602的i×j的阵列，其包括流体喷射器主体620，适于插入封闭介质开口608中。例如，一个系统可采用这样一个托盘，该托盘具有一个含有封闭介质部分的保持器的4×4阵列和一个流体喷射器主体的2×2阵列，其中该托盘可被有效地分成四个2×2保持器的区段，并且流体喷射器主体被插入每个部分中的封闭介质部分中。在该实施例中，流体喷射盒602的阵列被安装在分配托架688上。流体喷射激励器650(见图6a)可操作地与流体喷射器主体620和流体控制器690连接，这样流体控制器690就激励流体喷射激励器(见图6a)来将流体喷射到封闭介质部分606的内表面上。此外，流体控制器690可操作地与一个位于流体喷射盒602上的转动机构(未示出)连接，从而使流体喷射器主体620绕着流体主体纵轴线(未示出)转动。
传送机构692根据使用分配系统604的特定应用场合，与分配托架688或封闭介质托盘684或二者相连。传送机构692可操作地与传送控制器694相连，并提供控制封闭介质托盘684运动的信号以使封闭介质开口608与流体喷射器主体620对准，并从封闭介质部分606中插入和取出流体喷射器主体620。例如，传送机构692可在X和Y横向上移动封闭介质托盘684，同时提升并降低分配托架688(即在Z方向上的运动)以将流体喷射器主体620插入封闭介质部分606中并从中取出，如图6b所示。在替换实施例中，可通过传送机构692利用并控制其它运动组合，比如封闭介质托盘684绕着中心轴线转动以提供附加的对准运动。在该实施例中，流体控制器690和传送控制器694可利用专用集成电路(ASIC)、微处理器和可编程逻辑控制器的任何组合来控制流体分配系统604的各项功能。特定的装置将根据使用流体分配系统604的特定应用场合而采用。此外，分配系统604可选择性地包括一个封闭介质装载器698，以将封闭介质部分606装入封闭介质保持器686中。而且，分配系统604还可包括封闭介质转子685，以使封闭介质部分606绕封闭介质纵轴线(见图1a和1b)转动，从而使封闭介质的内表面绕流体喷射器主体转动。封闭介质部分606的转动或流体喷射器主体620的转动或二者均可用来生成一个分配到封闭介质部分606的内表面上的不连续沉积物的二维阵列。
可以利用可选择的检查单元696来提供联机的、非破坏性的制造物件的质量保证试验。检查单元696执行的特定功能取决于使用分配系统6 04的特定应用场合。例如，可使用检查单元696来监测在将生物活性剂分配到明胶胶囊的内表面上时沉积的料量。另一示例是监测将各种反应剂分配到小瓶或其它合适容器的内表面上时的反应产物。例如，可采用近红外或其它光学技术来迅速进行封闭介质部分606上一种或多种生物活性剂的联机检验。另外，也可采用检查单元696来光学地监测大口瓶、小瓶或其它合适容器的内表面上产生的字符质量。
参见图7，该图示出了本发明一实施例中制造流体喷射器头方法的流程图。基片形成工序780包括制造适于插入封闭介质开口中的基片。基片可由任何能形成与长封条的开口配合的合适尺寸的陶瓷、金属或塑料材料制成。基片所用的特定材料取决于将使用流体喷射器头的特定应用场合。例如，如果希望有有源器件，就可采用具有适于半导体加工的热学、化学和机械性质的基片，比如各种玻璃、氧化铝、聚酰亚胺基质、碳化硅以及砷化镓，在此不过是列举几种而已。不过，如果希望“直接驱动”，就可采用对热学、化学和机械性质要求不高的基片，比如各种塑料材料。基片形成工序780包括根据使用流体喷射器头的特定应用场合，以所需的形状比如圆柱状、矩形或其它多边形结构形成基片。
可选的有源器件形成工序782利用常规的半导体加工设备在基片上形成流体喷射器头操作所需的晶体管和其它逻辑装置。这些晶体管和其它逻辑装置一般在基片上形成为一个薄膜层的叠层。不过，晶体管的特定结构与本发明不相关，可采用不同类型的固态电子器件，比如金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)或双极型结型晶体管(BJT)。如上所述，也可采用其它基片材料。因此，基片材料也可包括任何可得到的半导体材料和技术，比如在玻璃基片上采用多晶硅的薄膜晶体管(TFT)技术。
流体能量产生元件形成工序784依靠用在流体喷射器头中的特定换能器来形成流体喷射激励器。一般来说，就热敏电阻元件而言，利用常规的半导体加工设备使得电阻作为钽铝合金形成，该设备比如形成电阻的喷镀沉积系统和限定电阻层位置和形状的腐蚀光刻系统。在替换实施例中，也可采用电阻合金比如钨氮化硅或多晶硅。在别的替换实施例中，也可采用不同于热敏电阻的流体微滴发生器，比如压电式的或超声波发生器。在其它实施例中，比如那些利用压缩空气的，流体喷射激励器可通过在与喷嘴相通的流体中形成一个或多个隔膜来形成。此外，在那些利用形成在基片上的有源器件的实施例中，一些有源器件一般通过电迹线与流体能量产生元件电连接，电迹线由铝合金比如通常用在集成电路技术中的铝铜硅。也可采用其它互连合金如金或铜。
腔室层形成工序786根据所选择的特定材料来形成腔室层，或当采用一体化腔室层和喷嘴层时形成的腔室喷孔层。所选择的特定材料取决于多项参数比如喷射流体、流体喷射器头的预计寿命、流体喷射腔和其中的流体进给通道的尺寸。通常，采用常规的光致抗蚀和光刻加工设备或常规的电路板加工设备。例如，用于形成感光成像聚酰亚胺腔室层的工序为旋涂和软烘干。不过，形成通常称作焊接掩膜的腔室层一般采用涂覆工艺或层压工艺来将材料粘附到基片上。也可通过采用沉积工具比如等离子体增强化学蒸汽沉积或溅射，将其它材料比如氧化硅或氮化硅用作腔室层。
侧壁限定工序788一般利用光刻工具形成图案。例如，在基片上已形成感光成像聚酰亚胺或焊接掩膜之后，腔室层将通过一个具有所需腔室特征的掩膜曝光。接着，使腔室层通过显影工序及一般接在显影之后的最终烘干工序的加工。其它实施例也可采用与通常称作失蜡铸造法技术相似的技术。在该工序中，一般采用失蜡或损失材料来形成流体腔和流体通道结构以及喷孔或孔，失蜡或损失材料可例如通过溶解性、腐蚀、加热、光化学反应或其它合适的方式除去。一般来说，将聚合材料涂覆在通过失蜡材料形成的这些结构上。失蜡材料通过上述方法中的一种或组合除去，留下形成在涂覆材料中的流体腔、流体通道和喷孔。
喷嘴或喷孔形成工序790根据所选择的特定材料形成喷嘴层。所选择的特定材料取决于多项参数比如喷射的流体、预计的打印头寿命、孔的尺寸、孔形状以及其中的孔壁结构。通常，可采用激光烧蚀。不过，也可采用其它技术比如穿孔、化学蚀刻或微型模制。用于将喷嘴层加到腔室层上的方法还取决于喷嘴层和腔室层选择使用的特定材料。通常，喷嘴层是这样连接或固定到腔室层上的，即，在腔室层与喷嘴层之间夹一层粘合层，或者带有或不带粘合层地将喷嘴层层压到腔室层上。
如上所述(见图4-5)，一些实施例会采用一体化的腔室和喷嘴层结构，其被称作腔室喷孔或腔室喷嘴层。该层通常根据一体层选择的特定材料而使用上述方法的一些组合。例如，在一个实施例中，一般用于喷嘴层的薄膜可通过激光烧蚀或化学蚀刻这样的技术在层内形成有喷嘴和流体喷射腔。然而该层可通过采用粘合剂固定在基片上。在一替换实施例中，可在基片上设置感光成像环氧树脂，接着利用常规的光刻技术形成腔室层和喷嘴，例如在显影循环之前进行多次曝光。在其它实施例中，如上所述，也可采用失蜡铸造法形成一体化的腔室层和喷嘴层结构。
流体入口通道形成工序792由基片所采用的特定材料而定。例如，为在硅基片中形成流体入口通道，可在需要垂直或正交侧壁时使用干刻法。不过，在需要倾斜的侧壁时，可采用湿刻法比如四甲基氢氧化铵(TMAH)。此外，当利用更复杂的结构形成流体入口通道时，也可将湿刻和干刻组合起来使用。同样可根据使用的特定基片材料采用其它方法比如激光烧蚀、活性离子蚀刻、包括聚焦离子束图案形成的离子铣削来形成流体入口通道。微型模制、电铸、穿孔或化学蚀刻也是可根据使用的特定基片材料采用的技术示例。
流体通道形成工序794一般根据使用流体喷射器头的特定应用场合采用注塑工艺来形成规定形状的流体通道。接着根据采用的特定结构，使用合适的粘合剂将注塑的流体通道粘到基片或流体主体外壳上。
可选的流体主体外壳形成工序796一般根据使用流体喷射器头的特定应用场合采用注塑工艺来形成规定形状的流体主体外壳。在一些实施例中，如图2a和2b所示，流体主体外壳形成工序796和流体通道形成工序794可组合成单个工序来形成流体主体外壳和流体通道。例如，如图2a所示，利用合适的粘合剂将流体主体外壳和基片连接到一起，使得流体喷射器主体适于插入封闭介质的开口中。在其它实施例中，流体喷射器主体通过图3所示基片上的腔室层上形成的喷嘴层产生。
图8示出了一种使用流体分配系统的方法的一示范性实施例的流程图，该方法用于将不连续的材料沉积物分配到封闭介质的内表面上。对准封闭介质工序810用于使封闭介质的开口与流体喷射器头对准，从而可将流体喷射器主体插入封闭介质中。封闭介质一般位于一个封闭介质托盘或其它保持装置中。该托盘或其它保持装置受到传送机构和传送控制器的控制。可采用对准部件的任何常规技术。例如，一个电动或气动马达或其它激励器可在X和Y横向上移动该托盘或其它保持装置，从而实现封闭介质与流体喷射器头的正确对准。此外，一般也可进行希腊字母θ或绕Z轴的转动对准。而且，一般利用位于保持装置上的传感器或光学视觉系统或其组合来提供封闭介质与流体喷射器主体正确对准的反馈信息。在替换实施例中，传送控制器可与一个装在分配托架上的流体喷射盒或流体喷射器头相连，从而使流体喷射器主体移动或使流体喷射器主体和保持装置二者都移动以使封闭介质与流体喷射器头正确对准。
利用插入流体喷射器主体工序820来将流体喷射器主体插入封闭介质的开口中。流体喷射器头一般受到流体喷射盒或流体喷射器头位置控制器或传送机构和传送控制器的控制。例如，在一个实施例中，一个电动或气动马达可在Z方向上提升并降低流体喷射器头，从而提供将流体喷射器主体插入封闭介质开口中的运动。在替换实施例中，托盘或其它保持装置或托盘和流体喷射器头的组合移动，以将流体喷射器头插入封闭介质的开口中。
利用激励流体喷射激励器工序830来从位于流体喷射器主体上的至少一个喷嘴喷射流体。一般来说，与流体喷射器头连接的、位于流体分配系统中的一个微滴喷射控制器或流体控制器激励流体喷射激励器，以喷射流体的微滴。对于那些利用流体能量产生元件比如压电或热敏电阻元件的实施例而言，微滴喷射控制器一般激励多个流体能量产生元件，从而基本上在每次激励流体能量产生元件时喷射流体微滴。一般来说，流体能量产生元件可在约5毫微微升-约10毫微升的范围内重复且可靠地喷射微滴。这样的微滴尺寸根据所需沉积料量与喷射流体微滴中溶剂量所成的比例与微微克至微克范围内的沉积物一致。不过，根据使用流体分配系统的特定应用场合，这些流体微滴的尺寸可在约5毫微微升-约1微升的范围内得到控制。这样的微滴尺寸根据所需沉积料量与喷射流体微滴中溶剂量所成的比例与微微克至微克范围内的沉积物一致。
利用分配流体工序840来分配流体并控制喷射的流体微滴在封闭介质内表面上的位置以形成不连续的介质沉积物。根据使用的特定流体喷射器头，可与流体主体法线成一个预定喷射角度地沿着喷嘴喷射轴线从喷嘴中喷射出流体微滴。在一个实施例中，喷嘴喷射轴线与流体主体法线成一个约0-60度的角。在替换实施例中，流体喷射器头的喷嘴喷射轴线可与流体主体法线成一个约0-45度的角。优选的是，流体喷射器头的喷嘴喷射轴线基本上与流体喷射器主体纵轴线垂直。
此外，根据所使用的特定流体喷射器主体，分配流体工序840还可包括一个可选的转动角位移工序。例如，对于那些利用靠单列喷嘴来喷射特定流体的流体喷射器头的实施例，该转动角位移工序用于形成多行的不连续沉积物。通过利用转动，分配流体工序840可产生一个二维阵列，从而在封闭介质的内表面上形成面密度的流体沉积物。也可通过在前面分配的流体沉积物的顶部分配流体沉积物来产生三维阵列。此外，对于那些利用具有多列喷嘴的流体喷射器头的实施例，可利用转动角位移来形成多行不连续的沉积物，沉积物之间的间距要比用不进行转动的相同流体喷射器头获得的间距小。转动角位移可通过任何用来进行转动的常规技术来实现，比如依靠电动或气动马达或压电马达，在此仅仅是列举了几个示例而已。可将转动角位移赋予封闭介质、流体喷射器主体或其一些组合。
分配流体工序840还可包括一个可选的竖直位移工序。该竖直位移工序可用于产生多列的不连续沉积物，沉积物之间的间距要比通常用不进行竖直位移的相同流体喷射器头获得的间距小。流体微滴控制器一般控制竖直位移，不过也可采用一个单独的控制器。例如，流体微滴控制器可与托盘位置控制器或流体喷射器头控制器或二者相连，从而产生合适的竖直位移。在替换实施例中，可采用单独的控制器、马达或其它激励器来产生合适的竖直位移。通过采用转动角位移和竖直位移的各种组合，可产生不同的结构，例如从简单二维阵列或重叠沉积物形成的一层到比如三维阵列的更复杂的结构。
参见图9a，该图在透视图中示出了采用本发明一实施例中的流体分配系统制造的物件。在该实施例中，封闭介质906是一个具有内表面910的容器930，该内表面上打印有各种字母数字字符950，其表示肉眼可看到的信息，以及条形码940，其表示机器阅读的信息。尽管图9a中描绘的信息是通常被称作“消费者赠券”的替换实施例，但其可包括任何所希望的消费者或制造信息。此外，这些信息可为任何符号、图标、图像或文字或其组合，比如公司标志或卡通人物。信息存在的不同形式的其它示例为一维条形码、文本信息、编码或全息图。
参见图9b，该图在透视图中示出了也可采用本发明一实施例中的流体分配系统制造的形状更不定的物件。在该实施例中，封闭介质906是具有内表面910的柔性包装件932，该内表面上打印有字母倒置以从外部识别的各种字母数字字符952。字母数字字符952是采用墨水沉积物或墨点(未示出)产生的，它们是采用点矩阵操作或其它装置以图案形式沉积在柔性包装件932的内表面910上的。正如上面在图9a中所述的那样，可采用图像、字母数字字符或机读码比如一维或二维的条形码。
参见图9c，该图在透视图中示出了采用本发明一实施例中的流体分配系统制造在明胶胶囊上的标签。在该实施例中，封闭介质906是一个具有内表面910的明胶胶囊934，该内表面上打印有图形954，其采用点矩阵操作或其它装置产生图像、字母数字字符或机读码。在该实施例中，图形954利用不连续的墨水沉积物(未示出)产生字母数字字符“agh3”，其以倒置字母被打印在封闭介质906的内部以从外部识别。就打印在外表面或打印在后来施加到包装件外表面上的标签上的常规包装件来说，通过打印在封闭介质906的内部，这样的字符或图像不容易被擦掉或洗掉。
权利要求
1.一种流体喷射器头(100、100′、200、300、400、500、600)，其包括一个流体喷射器主体(120、220、320、420、520、620)，其适于插入到一封闭介质(106、106′、906)的开口(108、108′、608)中，所述封闭介质具有一内表面(110、910)；至少一个设置在所述流体喷射器主体上的喷嘴(130、230、330、430、530、630)；一个与所述至少一个喷嘴流体相通的流体喷射激励器(150、250、350、450、550、650)，其中，所述流体喷射激励器的激励使得经所述至少一个喷嘴将流体喷射到所述封闭介质的所述内表面上的预定位置。
2.如权利要求1所述的流体喷射器头，其特征在于，所述流体喷射激励器还包括一个流体能量产生元件(252、352、356、360、452、456、459、463)，其中所述流体能量产生元件的激励使得在实质上将所述流体的微滴(214)喷射到所述封闭介质的所述内表面上，并且所述微滴实质上的流体体积处于约5毫微微升-约10毫微升的范围内。
3.如权利要求2所述的流体喷射器头，其特征在于，所述封闭介质还包括一个内侧面(110′)和一个内底面(109)，所述流体实质上的所述微滴喷射到所述封闭介质的所述内侧面上。
4.如权利要求2所述的流体喷射器头，其特征在于，其还包括至少一个位于所述流体喷射器主体上与所述流体能量产生元件电连接的有源器件。
5.如权利要求1所述的流体喷射器头，其特征在于，还包括第二流体喷射激励器，其中所述流体喷射激励器为第一类型(550、551)，而所述第二流体喷射激励器为第二类型(554、558)。
6.一种流体喷射盒，其包括一个如权利要求1所述的流体喷射器头；以及一个容纳有所述流体并与所述流体喷射器头流体连接的流体容器(628)。
7.一种流体分配系统，其包括至少一个如权利要求6所述的流体喷射盒；一个可操作地与所述流体喷射激励器连接的流体控制器(690)；以及至少一个适于保持所述封闭介质的封闭介质保持器(686)，其中，所述流体控制器激励所述流体喷射激励器，以使流体喷射到所述封闭介质的所述内表面上。
8.如权利要求7所述的流体分配系统，其特征在于，所述至少一个流体喷射盒还包括流体喷射盒的i×j阵列，所述至少一个封闭介质保持器还包括具有封闭介质保持器的n×m阵列的封闭介质托盘(684)。
9.如权利要求7所述的流体分配系统，其特征在于，所述封闭介质保持器和所述流体控制器以二维阵列将所述流体分配到所述封闭介质的所述内表面上。
10.一种制造流体喷射器头的方法，该方法包括形成一个适于插入到一封闭介质开口中的流体喷射器主体，所述介质具有一内表面；在所述流体喷射器主体上形成至少一个喷孔(790)；以及形成一个与所述至少一个喷孔流体相通的流体喷射激励器，其中，所述流体喷射激励器的激励使得将流体喷射到所述细长封闭介质的所述内表面上的不连续位置。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成一个流体喷射器主体还包括形成一个基片(780)，它具有至少一个与所述流体喷射激励器电连接的有源器件(782)。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成一个流体喷射激励器还包括形成至少一个流体能量产生元件(784)。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，形成至少一个流体能量产生元件还包括形成至少一个第一类型的流体能量产生元件和至少一个第二类型的流体能量产生元件。
14.一种使用流体分配系统的方法，该方法包括将一个流体喷射器主体(820)插入到一个封闭介质的开口中；以及激励一个流体喷射激励器(830)以喷射流体；将所述流体(840)分配到所述封闭介质内表面的至少一部分上的预定位置。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，激励一个流体喷射激励器还包括激励一个能量产生元件，以便实质上喷射所述流体的微滴，其中分配所述流体还包括以不连续沉积物的二维阵列将所述流体分配到所述封闭介质的所述内表面上，所述实质上的微滴具有约5毫微微升-约1微升范围内的体积。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其还包括使所述封闭介质与所述流体喷射器主体对准。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其还包括使所述封闭介质绕所述流体喷射器主体转动。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其还包括使所述流体喷射器主体绕所述封闭介质转动。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述流体包括固体组分，其中分配所述流体还包括以不连续的沉积物分配所述流体，其中所述固体组分重约1微微克至约1微克。
全文摘要
一种流体喷射器头(100、100′、200、300、400、500、600)，其包括流体喷射器主体(120、220、320、420、520、620)，其适于插入到封闭介质(106、106′、906)的开口(108、108′、608)中，所述封闭介质具有一内表面(110、910)，至少一个位于流体喷射器主体上的喷嘴(130、230、330、430、530、630)。该流体喷射器头还包括一个与所述至少一个喷嘴流体相通的流体喷射激励器(150、250、350、450、550、650)，其中流体喷射激励器的激励作用使得经所述至少一个喷嘴将流体喷射到封闭介质内表面上的受控位置。
文档编号B41J2/16GK1496838SQ200310102
公开日2004年5月19日 申请日期2003年10月23日 优先权日2003年10月23日
发明者J·S·顿菲尔德, J·W·艾雷斯, J S 顿菲尔德, 艾雷斯 申请人:惠普开发有限公司