喷出高粘度流体的方法与流程

本发明涉及可靠地将流体喷出到基板上、喷出到空气中或气体中、喷出到液体中、或喷出到固体材料上的方法，且具体来说，本发明涉及用于提高使用微流体(micro-fluid)热喷头来喷出微流体量的相对高粘度流体的可靠性的方法。

背景技术：
及

技术实现要素：

利用水性墨水的喷墨技术在喷出1mPa-sec到5mPa-sec或粘度更小的流体时已得到了很好地理解。利用粘度高达100mPa-sec的非水性流体以及水性流体的新应用对流体的稳态喷出及在未喷射流体的时期之后开始的初始流体喷出期间提出了新的挑战。当喷头喷射喷嘴或喷头在相对短的时间段内不盖盖时，尽管之前自喷头进行了喷射，但在不将擦拭或维护步骤纳入喷射次序的情况下流体常常无法自微流体喷头喷射出。上述喷射问题可因被喷出流体的粘度的增大而加剧。因此，自不盖盖的喷射头进行较高粘度流体的初始喷射对在微流体喷射装置中使用相对高粘度流体来说是一项挑战。“高粘度”是指在约22℃下自约20mPa-sec到约100mPa-sec范围内或高于此范围的粘度。此外，此类高粘度流体常常需要用于温度及湿度位于喷墨印刷机及印刷头制造所使用的温度及湿度的传统限制以外的环境中。喷出高粘度流体的应用可包括但不限于高粘度墨水、粘合剂、粘合组分、固-液相变组合物、药物、增香化合物等。因此，需要适用于相对高粘度流体的微流体喷射头。

本发明的实施例提供自微流体喷射头喷射在22℃下粘度介于约20mPa-sec到约100mPa-sec的流体的方法。所述方法包括以下步骤：在第一时间段内向所述喷射头施加加热信号，以将所述喷射头加热到高于稳态流体喷射温度约20℃的第一温度，用于自所述喷射头连续或间歇喷射流体；以及随后，向位于所述喷射头上的喷射加热器施加点火信号，在此期间自所述喷射头发生流体喷射。

在一个实施例中，自新填充的微流体喷射头或在60分钟或大于60分钟的喷射头闲置时期之后喷射高粘度流体达第一时间的方法包括以下步骤：通过向位于所述喷射头上的一个或多个基板加热器施加预加热信号，将所述喷射头预加热到介于约60℃到约100℃的温度，并在介于约30秒到约60秒的第一时间段内保持所述温度；在所述预加热信号之后向所述喷射头施加流体喷射信号，以自所述喷射头喷射流淌流体，其中所述流体喷射信号具有250纳秒(nsec)到350nsec的预点火脉冲、1200nsec的死区时间、以及750nsec到1000nsec的点火脉冲；随后，在介于约3秒到约6秒的时间段内向位于所述喷射头上的所述一个或多个基板加热器施加加热信号，以将所述喷射头加热到高于稳态流体喷射温度约20℃的温度，用于自所述喷射头连续或间歇喷射流体；以及随后，向位于所述喷射头上的所述喷射加热器施加点火信号，在此期间自所述喷射头发生稳态流体喷射。

在另一实施例中，提供一种自微流体喷射头喷射熔点介于约20℃到约30℃的固体材料的方法。所述方法包括以下步骤：对位于容器中的所述固体材料进行加热，以将与所述喷射头相邻的所述材料加热到足以提供粘度介于约20mPa-sec到约100mPa-sec的流动液体的温度；在第一时间段内向位于所述喷射头上的一个或多个基板加热器施加加热信号，以将所述喷射头加热到高于稳态流体喷射温度约20℃的第一温度，用于自所述喷射头连续或间歇喷射流体；以及随后，向位于所述喷射头上的喷射加热器施加点火信号，在此期间自所述喷射头发生流体喷射，其中所述点火信号具有200纳秒(nsec)到约300nsec的预加热脉冲、约1200nsec的死区时间、以及700nsec到约950nsec的点火脉冲。

上述方法尤其适合于自被首次使用、被初始填充以高粘度流体、或由于不使用喷射头而被冷却到低于约30℃的热流体喷射头进行具有高粘度流体的初始喷射。所述流体可为低于约30℃的液体或可为经历自固体到液体的相变的材料。当喷射头处于介于高于约30℃到低于约50℃的温度下时，可使用以下将更详细地阐述的修改程序。本发明所公开方法的优点在于：所述程序能够有效发起自微流体喷射头喷射高粘度流体，而不需要使用热喷射头擦拭物或精细的维护程序，例如使用抽吸来清除喷射头的喷嘴及流动特征结构中的任意流体堵塞物。

附图说明

通过结合附图参照对示例性实施例的详细说明，各实施例的其他优点将变得显而易见，其中在以下所有的几个附图中，相同的参考字符指示相同或相似的元件：

图1是热微流体喷射头的一部分的未按比例绘制的平面图；

图2是图1所示微流体喷射头的一部分的未按比例绘制的剖视图；

图3是利用传统预加热程序的热微流体喷射头未按比例绘制的相对于时间的温度曲线图；以及

图4是利用根据本发明的预加热程序的热微流体喷射头未按比例绘制的相对于时间的温度曲线图。

具体实施方式

图1说明热微流体喷射头10的一部分的平面图。喷射头10包括硅基板12及附接到基板12的喷嘴板14。基板12可包括单个流体馈送槽或多个流体馈送槽16及18。多个喷射装置(例如电阻器加热器20)与槽16及槽18相邻。在启动喷射装置20时，流体经由喷嘴板14中的喷嘴孔22喷射。基板12亦可包括包围馈送槽16及18用于对基板进行预加热的基板加热器24。在基板上可包括一个或多个温度传感器26以向控制逻辑提供温度反馈，用于将基板12维持在预定操作温度下。

图2说明热微流体喷射头10的一部分的未按比例绘制的剖视图。硅基板12在其装置侧包括多个层28，用于界定所述多个加热器电阻器30。喷嘴板14包括统称为流动特征结构的喷嘴孔22、流体室32及流体通道34，这些流动特征结构与槽16流体流动连通，以向加热器电阻器30提供流体。随着供应到喷射头10的流体的粘度增大，流体向加热器电阻器30的流动速率降低，因此，用于喷射高粘度流体的喷射头可具有介于约0.75千赫兹到约5千赫兹、例如介于约1千赫兹到约3千赫兹的喷射频率，其不同于用于传统热微流体喷射头的可介于25千赫兹到50千赫兹或高于此范围的喷射频率。

由于热微流体喷射头的流动特征结构通常是微小的，因此高粘度流体相对易于堵塞流体供应槽16、流体流动通道34、流体室32和/或喷嘴孔22中的一者或多者。此种流体堵塞是个问题，尤其是在微流体喷射头已闲置足以使得喷射头能够冷却到低于预定温度的时间段时。

参照图3，针对使用传统预加热程序喷射粘度处于约1mPa-sec到约5mPa-sec范围内的流体，说明了用于预加热及流体喷射的喷射头温度曲线图。如由喷射头温度曲线36所示，在流体喷射步骤B开始之前，初始预加热步骤A相对短，例如自约100毫秒到约500毫秒，且无法使得喷射头达到喷射高粘度流体的最小温度。通常使用约500纳秒(nsec)到约900nsec的点火脉冲以自喷射头喷射流体。

图4示出利用本发明的程序的喷射头10的喷射头温度曲线38，其中时间轴未按比例绘制以使得能更清晰地看到工艺步骤。根据本发明的实施例，当喷射头10被首次填充以待喷射的流体时，或当在约60分钟或大于60分钟的闲置时期之后使用喷射头10时，将喷射头10自环境温度加热到实质上高于流体喷射所需的操作温度，且通常在预加热步骤C期间加热到介于约60℃到约150℃的温度。上述基板加热器24可用于加热喷射头。举例来说，当高粘度流体是由可混溶液体(其中一种液体是水，而另一种液体是粘度在25℃下为约1500mPa-sec的高粘度流体)的混合物构成时，可在步骤C中使用高达约150℃的温度。通常，针对步骤C，所述温度可高达100℃，且可取地低于约100℃。

在步骤C中用于对喷射头10进行预加热的主要程序是通过利用硅基板12的高传热导热率使用一个或多个基板加热器24来加热硅基板12。预加热步骤C的目标是升高喷出流体的温度并降低流体的粘度和/或表面张力。步骤C可使用自约30秒到约60秒的总加热时间，以加热流体并降低流体的粘度。在预加热步骤C期间，可使用控制逻辑结合温度传感器26来对基板加热器24进行开/关控制。

如果在流体喷射步骤B之前基板温度太低，那么由于更长的流体重新填充时间或喷射头中的流动特征结构的堵塞而可能会使自喷射头10的可靠流体喷出受到阻碍。流体到喷射头10的更长的重新填充时间可导致喷嘴无法激发、流体小滴(fluid droplet)体积减小、流体喷射速度低、流体小滴偏向等。高粘度墨水配方的典型流体小滴的量可介于约2000皮克(对于彩色墨水来说)到约16,000皮克(对于黑色墨水来说)范围内。对应的流体小滴直径可介于约14μm到约29μm范围内。其他流体可根据流体的粘度而具有高于或低于上述量的小滴量(droplet amount)。

当喷射头被首次填充以高粘度流体，或当之前没有自喷射头喷射高粘度流体时，喷射头中的背压(back pressure)通常为低。因此，在步骤C中对流体加热可使得流体自喷嘴孔22流淌出。因此，步骤D可用作预防性步骤，以自与喷射头10的被加热的表面紧邻的喷嘴22喷射出流淌出的流体(如果存在)。在步骤D期间，包括250nsec到350nsec的预点火脉冲、1200nsec的死区时间、以及750nsec到1000nsec的喷出脉冲的脉冲序列(pulse train)可用作用于减轻流淌的预防性步骤，以便在任意稳态喷射步骤B之前产生气泡并逐出来自喷射头的任意流淌流体。将步骤D中的脉冲序列施加到加热器电阻器30。步骤D的目标温度等于将在步骤B中用于自喷射头喷射流体的稳态温度。步骤D实质上短于步骤C，且可仅持续约3秒到约6秒。

在步骤E中，利用上述基板加热器24对喷射头进行再加热，以对在步骤D期间可能略微冷却的任意流体进行加热。步骤E具有亦远远短于步骤C的持续时间，即约3秒到约6秒，且目标温度高于步骤B的目标温度约20℃。通常，在步骤E期间不会自喷射头10发生流体喷射。

步骤B是其中使用喷射脉冲的稳态流体喷射步骤。喷射脉冲具有包括200nsec到300nsec的预点火脉冲、1200nsec的死区时间、以及700nsec到950nsec的喷出脉冲的脉冲序列。步骤B的目标温度通常是约50℃。在步骤B中，在步骤B的持续时间内自喷射头持续或间歇喷射目标体积的流体(剂量)。

在步骤B完成后，在下一流体喷射步骤之前可能存在等待时期。如果所述等待时期小于约60分钟，那么可通过在步骤E处开始而开启流体喷射。换句话说，步骤C及步骤D通常仅用于大于约60分钟的等待时期。上述时间基于喷射头10的冷却行为及喷射头10中所含的高粘度流体而相依于流体。在其中足够热量存留在喷射头10及流体中且使用步骤C的情形中，对流体的过度加热可导致如上所述的流淌，因此可再次使用步骤D以减轻自喷射头的任意流体流淌。应理解，每一种高粘度流体都应该被独立地进行表征，以确保根据在图4中所示的上述流体加热及喷射步骤来使用适当的温度、持续时间及脉冲序列。因此，在步骤B的稳态喷射步骤之前，可使用步骤C、步骤D和/或步骤E的各种组合。

在图4中所示的上述程序可用以获得对高粘度流体的可靠及可重复的流体喷射。如果在流体喷射步骤B之前基板温度太低，那么由于更长的流体重新填充时间或喷射头中的流动特征结构的堵塞而可能会使自喷射头10的可靠流体喷出受到阻碍。流体到喷射头10的更长的重新填充时间可导致喷嘴无法激发、流体小滴体积减小、流体喷射速度低、流体小滴偏向等。高粘度墨水配方的典型流体小滴的量可介于约2000皮克(对于彩色墨水来说)到约16,000皮克(对于黑色墨水来说)范围内。对应的流体小滴直径可介于约14μm到约29μm范围内。其他流体可根据流体的粘度而具有高于或低于上述量的小滴量。

在需要自喷射头喷出特定体积的流体的情形中，图4所示的程序减轻喷射头不盖盖进行启动时存在的问题，其中一些喷嘴或流动特征结构可被低于所需操作温度的液体阻塞从而降低所需剂量的一致性。在不借助于所述粘度降低方式的情况下，特别难以喷出流动特征结构或喷嘴中的各种流体堵塞物。

可以例如轨道电压(rail voltage)等额外的变量来调整图4所示的喷射头温度曲线36，以进一步增强粘度降低效果，从而增强喷射头的启动并在喷射头的半连续操作期间消除对任意喷嘴擦拭或真空维护步骤的需要。因此，上述程序可用于使得喷射头能够在喷出高粘度流体时保持不盖盖达较长时间段。

上述程序亦可适用于与在约20℃与约30℃之间为固体的材料一起使用的微流体喷射装置。利用加热装置可使此类固体材料在与喷射头相邻的流体容器中熔化，以使所述材料以高于约20mPa-sec的粘度流向喷射头。因此，本文中所述的程序可用于可靠并可重复地自喷射头喷射初始处于固体形式的材料。

根据前述说明及附图将预期且对所属领域的技术人员将显而易见的是，在本发明的实施例中可作出各种修改及改变。因此，明确地打算使上述说明及附图仅为示例性实施例的说明，而不仅限于此，且本发明真正的精神及范围是参照随附权利要求确定。