本发明涉及一种用于热喷射含有易于聚合或沉积的颜料和/或香料的液体的微流体设备。
背景技术：
如已知的，针对例如在打印机和香水中的热喷射油墨和/或香料，已经提出使用小型微流体设备，因为它们可以利用微电子制造技术而获得。
例如，us9.174.445公开了一种被设计成用于将油墨热喷射到纸上的微流体设备。
图1示出了用于热喷射油墨和香料的微流体设备10的腔室11，该微流体设备与以上专利中所描述的类似。图1中所展示的腔室11形成在腔室层12中，并且在底部由电介质材料薄层13界定而在顶部由喷嘴板14界定。
喷嘴15形成穿过喷嘴层14并且具有面向腔室11的第一部分15a以及面向相反方向(朝向微流体设备10的外部)的第二部分15b。第一部分15a比第二部分15b明显更宽。加热器20形成在薄层13中，以便与腔室11相邻并且安排在喷嘴15处。加热器20可以具有大约40×40μm2的区域，生成例如3.5μj能量，并且能够在2μs内达到450℃的最高温度。
腔室11还配备有流体入口21，该流体入口使得液体进入腔室11中并在其中被输送，如箭头l所指示的。多个柱(图1中不可见)可以形成在流体入口21中，并且具有防止粗大颗粒堵塞流体入口21的目的。
在微流体设备10中，腔室11通过流体入口21连接到供应系统(未示出)。
图2a至图2e中示意性地表示了腔室11的操作。液体l通过流体入口21到达腔室11(图2a)，形成例如0.3μm厚的液体层16。加热器20将液体层16加热达到预设温度(图2b)。根据所使用的液体选择此温度，以便瞬间达到沸点，例如接近300℃的温度。在这种情形下，压力升高到高水平(例如大约5atm)，从而形成蒸汽气泡17，该蒸汽气泡在几微秒(例如，10-15μs)后消失，如图2c至图2d中所展示的。由此生成的压力推送液滴18穿过喷嘴15，在此之后液体层16返回至其初始状态(图2e)。
整个循环每秒重复上万次，由连续到达穿过流体入口21的液体供应。
热喷射设备中使用的许多流体包含倾向于轻易聚合的颜料，很快就造成供应系统堵塞并因此热喷射设备运行故障。
为了克服这一问题，已经提出外部液体移动装置。例如，已经提出泵和压力调节器的外部系统，如图3中所展示的。借助于所展示的系统(以25整体标示)，在过滤和压力控制级中不断过滤该液体，以防止堵塞喷嘴15。加热器27具有使该液体保持恒温(例如，40℃)的目的，并且通过泵28由腔室11中的每一个腔室保持在连续循环中。
此外，图3中所展示的系统25生成“弯月面真空”，即，腔室11内部的微负压使喷嘴15保持在最优状态并且准备射出液体。该系统还可以通过脱气器29从该液体中连续地去除气泡。
然而，针对颜料聚合问题的这一解决方案具有需要热喷射设备之外的庞大再循环系统的缺点。此外，它成本很高。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种克服现有技术的缺点的微流体设备，该微流体设备具有防止颜料聚合的简单有效的再循环系统。
根据本发明，提供了一种用于热喷射液体的微流体设备，以及一种用于防止颗粒在微流体设备(如在所附权利要求书中所定义的)中的液体中沉积或聚合的方法。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式、参照附图描述本发明的优选实施例，在附图中：
-图1是已知热喷射设备的腔室的横截面透视图；
-图2a至图2e展示了图1的腔室的操作；
-图3是外部再循环系统的示意性框图；
-图4是本热喷射设备的实施例的具有重影部分的俯视平面图；以及
-图5是图4的设备的一部分的横截面。
具体实施方式
图4示出了热喷射设备50，该热喷射设备包括多个腔室51、循环沟道52以及液体移动装置53。此外，图4示出了(以重影表示)形成喷嘴板57的上层，其中只有喷嘴58是可见的，如参照图5在下文更详细讨论的。
如参照图1所展示的，可以形成腔室51，并且每个腔室配备有腔室加热器70。
在所展示的实施例中，循环沟道52沿围绕多个腔室51的闭合线延伸，并且流体连接到仅示意性地展示的供应沟道54，在使用中供应有液体l。每个腔室51通过对应的液体入口沟道59连接到循环沟道52。
在此，液体移动装置53形成在循环沟道52中。
如图5中详细展示的，循环沟道52和多个腔室51形成在腔室层55内部，并且在底部由薄层56界定而在顶部由喷嘴板57界定，如具体地可在图5中看到的。衬底65被安排在薄层56下方，并且由例如半导体材料(如，单晶硅)制成。
腔室层56，类似于图1的腔室层12，由例如聚合物材料(如，干膜)制成，并且可以以微量注射器领域中的已知方式使用层压、回流、光刻和/或去除技术来获得。可选地，其可以被模制并且键合到薄层56上，或者通过蚀刻硅的胶合结构而制成。
薄层56，类似于图1的薄层13，由绝缘材料制成，例如，电介质材料(如，氧化硅或/和氮化硅)。
喷嘴板57，类似于图1的喷嘴板14，可以由例如模制并键合到腔室层55的聚合物材料层形成。
如已经提及并且如在图1中示出的，多个喷嘴58被安排在喷嘴板57中，每个喷嘴位于对应的腔室51处。
在此，液体移动装置53由沟道加热器60和多个流体阻滞器61形成。
沟道加热器60被制成像腔室加热器70。具体地，沟道加热器60由一个或多个导电材料带形成，形成在循环沟道52下方的薄层56中。例如，沟道加热器60可以由金属材料层(如，钽、铝、钽硅氮化物、适当机加工的聚合物材料、以及钽铝、铬硅、钽硅氮化物或钨硅氮化物的合金)形成。沟道加热器60经由触点75和电连接线72连接到控制与供应单元76，包括开关元件(例如开关74)和电源发生器73。可以根据半导体技术通过沉积和/或溅射、掩模和蚀刻来形成加热器60和电连接线72。
在此，流体阻滞器61由壁63形成，壁63在由箭头指示的液体流动方向上在与沟道加热器60相邻的循环沟道52中(具体地在沟道加热器60的上游)延伸。壁63可以是与腔室层55相同的材料，并且经由掩模和蚀刻或者聚合物材料的模制在同一制造步骤中被定义。
具体地，壁63在相对于中垂面a倾斜的方向上在循环沟道52的两个彼此相对的侧52a，52b上延伸，该中垂面a在所考虑的区域中垂直于循环沟道52。在此，壁63延伸贯穿循环沟道52的高度。在所展示的实施例中，壁63两两彼此相对，形成成对壁63，其中，每对壁包括相对于循环沟道52的中垂面a镜面地安排的第一壁63a和第二壁63b。以这种方式，每对壁63a、63b产生液体通道部分的缩减，以便阻挡气泡形成在沟道加热器60上，如在下文详细解释的。
在使用中，沟道加热器60在热喷射设备50(以及由此腔室加热器70)不工作期间通过开关74被激活，并且就气泡的形成而言像现有技术的加热器20一样起作用。具体地，沟道加热器60将存在于沟道加热器60周围的循环沟道52中的液体层加热达到形成蒸汽气泡的温度，该蒸汽气泡随后破裂。气泡的破裂在液体中生成推力，该推力使得液体流入循环沟道52并且沿其流动。与沟道加热器60相邻的流体阻滞器61的存在确保气泡施加到液体上的推力唯一地在与流体阻滞器61相反的方向上，由此确保稳定且连续的循环。
如所提到的，当热喷射过程不活动时，通过开关74激活沟道加热器60，由此维持循环沟道52内的连续液体流，并且由此当其未被传送朝向腔室51时防止颜料在液体中停滞与聚合。
在此所描述的热喷射设备50与已知解决方案相比是有优势的，因为其使得能够克服颜料在液体中聚合的问题，而不必求助于复杂且笨重的系统来使设备以外的液体再循环，而是仅通过添加集成到热喷射设备50中的液体移动装置53。
最后，清楚的是，可以对本文所描述和图示的设备和方法做出修改和变化，而不会由此背离如在所附权利要求书中限定的本发明的范围。
例如，循环沟道52的形状和安排可以相对于所展示的内容而变化。具体地，循环沟道52可以不围绕腔室51和/或可以根据更复杂的线(例如，迷宫)而发展。可以利用不同的解决方案获得流体阻滞器，例如，经由循环沟道52中的限制，或者通过适当大小的泰斯拉(tesla)阀，例如，us1,329,559中所教导的制造商(也可参见http://www.epicphysics.com/model-engine-kits/tesla-turbine-kit/the-tesla-valve/)。
腔室51的安排可以不同于所展示的腔室安排。例如，腔室51可被安排成形成环状或s形，或者具有一些其他非线性配置。
循环沟道52可以仅连接到腔室51中的一些腔室。例如，腔室51可以被分成不同的部分，并且不同部分的腔室可以连接到不同的供应沟道；例如，它们可以包含不同的液体。在这种情况下，循环沟道可以仅连接到这些部分之一的腔室51。在这种情况下，存在以下优点：再循环可以专用于并被适配成用于部分腔室51而非全部腔室。这使得可以使腔室51专用于倾向于聚合的流体，而其他腔室51可以专用于可被不成问题地控制的流体。例如，一些腔室51可以专用于倾向于聚合的香水，并且因此连接到专用循环沟道52，而专用于用水加湿的其他腔室51没有再循环。
控制与供应单元76可以集成在设备50中或安排在单独的设备上。