具有改善寿命的热弯致动器的制作方法

发明领域本发明涉及mems热弯致动器，比如被配置用于在喷墨打印头中使用的mems热弯致动器。本发明主要是为了改善热弯致动器的寿命同时保持最佳效率而开发的。发明背景本技术人已开发了一系列如在例如wo 2011/143700、wo 2011/143699和wo 2009/089567中所描述的喷墨打印机，这三件专利申请的内容通过援引并入本文。打印机采用与进给机构相结合的固定页宽打印头，该进给机构单次进给打印介质经过该打印头。因此，打印机提供了比传统扫描喷墨打印机高得多的打印速度。喷墨打印头包括多个(通常是数千个)单独喷墨喷嘴装置，这些喷墨喷嘴装置各自供应有墨料。每个喷墨喷嘴装置通常包括具有喷嘴孔口的喷嘴腔室、以及用于通过喷嘴孔口喷射墨料的致动器。喷墨喷嘴装置的设计空间巨大，专利文献中已经描述了非常多的不同的喷嘴装置，这些喷嘴装置包括不同类型的致动器和不同的装置构型。商用打印头中所使用的喷墨喷嘴装置通常采用热气泡形成式致动器或压电致动器。热气泡形成式喷墨装置的优点在于成本低、喷嘴密度高、以及可通过mems制造工艺实现；在另一方面，压电喷墨装置的优点在于能够与比如非水性墨料和高粘度墨料等多种多样的墨料兼容。虽然喷墨打印技术在过去几十年中已经取得了显著的商业成就，但是仍然需要将热气泡形成技术和压电技术的优点潜在地结合起来的新型喷墨技术。申请人不断从事与这种新型喷墨技术相关的研究，致力于使mems热弯致动器作为用于喷墨致动的潜在新型工具。热弯致动器使用与被动层机械协作的热塑性层，以通过热塑性层相对于被动层发生热膨胀来提供弯曲运动。如申请人先前的许多专利中广泛描述的，桨状物的热致动的弯曲运动可以用于为液滴喷射提供必要的机械脉冲。例如，us 6,623,101(其内容通过援引并入本文)描述了一种喷墨喷嘴装置，该喷墨喷嘴装置包括喷嘴腔室，该喷嘴腔室具有限定喷嘴开口的可移动顶板。该顶板经由臂连接至定位在喷嘴腔室外部的热弯致动器，该热弯致动器具有上部热塑性梁和下部被动梁。在电流穿过热塑性梁时，可移动顶板朝向喷嘴腔室的底板弯曲，从而用作桨状物以增大喷嘴腔室中的压力并且通过喷嘴开口喷射墨料液滴。us 7,794,056(其内容通过援引并入本文)描述了一种喷墨喷嘴装置，其中，喷嘴腔室的可移动顶板部分结合了热弯致动器。通过在可移动顶板中结合热弯致动器，实现了在液滴喷射所需能量方面的更高效率。热弯致动器中的热塑性层的材料选择对于效率和寿命来说至关重要。例如，us 6,428,133描述了使用tib2、mosi2和tialn作为合适的热塑性材料。最近，us 7,984,973(其内容通过援引并入本文)描述了使用铝合金来用作热塑性材料。铝合金(比如val)的优点在于具有出色的热塑性效率以及能够使用许多工厂中可用的沉积工艺来制造。然而，为了使热弯技术与现有的压电技术竞争，需要使热弯技术具有相当的寿命并且在数十亿次喷射之后装置故障最小化。相应地，期望提供一种适于在喷墨喷嘴装置中使用的热塑性材料，该热塑性材料与已知的热塑性材料相比具有改善的寿命并且具有出色的热塑性效率。发明概述在第一方面，提供了一种热弯致动器，该热弯致动器包括：热塑性梁，该热塑性梁用于连接至驱动电路系统；以及被动梁，该被动梁与热塑性梁机械地协作，使得当电流穿过热塑性梁时，热塑性梁相对于被动梁膨胀，从而致使致动器弯曲，其中，热塑性梁包括铝合金，该铝合金包括：第一金属，该第一金属为铝；第二金属；以及至少0.1at.％的第三金属，该第三金属选自由以下项组成的组：铜、钪、钨、钼、铬、钛、硅以及镁。有利地，与包括铝合金但不包括第三金属的热弯致动器相比，根据第一方面的热弯致动器具有优越的寿命。在不希望束缚于理论的情况下，本发明人理解，添加第三金属抑制了热塑性梁中的电迁移。据信，这种对电迁移的抑制是观察到寿命显著改善的原因。除了铜之外，比如钪、钨、钼、铬、钛以及镁等金属基于其抑制电迁移的能力也有望提供相当的寿命改善。为免存疑，第一金属、第二金属和第三金属彼此不相同。优选地，第二金属选自由以下项组成的组：钒、钛、铬、锰、钴、镍以及钪。为免存疑，第二金属可以包括上文列出的金属中的一种或多种。类似地，第三金属可以包括上文列出的金属中的一种或多种。优选地，第二金属为钒，第三金属为铜。优选地，铝的量介于80到95％at.％的范围内；第二金属的量介于2到18at.％的范围内；并且第三金属的量介于0.1到5at.％的范围内。优选地，铝合金包括铝、钒和铜。在一些实施例中，铝合金基本上由铝、钒和铜组成，因为这三种元素构成合金的至少90％或至少95％。优选地，铝合金包括的铝的量介于80到95％at.％的范围内、或优选地介于85到95at.％的范围内。优选地，铝合金包括的钒的量介于2到18at.％的范围内、或优选地介于3到15at.％的范围内、或优选地介于7到13at.％的范围内。通常，钒的存在量为至少5at.％。优选地，铝合金包括的铜的量介于0.1到5at.％的范围内、或优选地介于0.15到3at.％的范围内、或优选地介于0.2到1at.％的范围内。通常，铜的存在量为至少0.1at.％或至少0.2at.％。被动梁可以为多层的或单层的。例如，被动梁可以包括第一层和第二层，每个层包括不同材料(例如，第一层包括氮化硅、第二层包括氧化硅，如us 8,079,668中所描述的，其内容通过援引并入本文)。替代性地，被动层可以为单层材料。优选地，被动梁包括选自由以下项组成的组的至少一种材料：氧化硅和氮化硅。优选地，热塑性梁熔合或粘合至被动梁。通常，热塑性梁材料通过mems沉积工艺(例如cvd、pecvd等)直接沉积到被动梁上。优选地，被动梁是悬伸的，该被动梁具有一个自由端以及连接至支撑部的相反端。优选地，热塑性梁连接至一对电气端子，这对电气端子定位在被动梁的一端处、通常定位在连接至支撑部的锚固端处。优选地，热塑性梁包括多个支腿，该多个支腿通过一个或多个转弯部互连。例如，热塑性梁可以具有从第一电气端子纵向延伸的第一支腿以及从第二电气端子纵向且平行延伸的第二支腿，该第一支腿和该第二支腿通过远离电气端子的单个转弯部连接。替代性地，热塑性梁可以具有蛇形构型，该蛇形构型例如具有通过三个转弯部互连的四个平行支腿。热塑性梁的这些和其他构型对本领域的技术人员来说将是显而易见的。在第二方面，提供了一种喷墨喷嘴装置，该喷墨喷嘴装置包括：喷嘴腔室，该喷嘴腔室具有喷嘴开口和墨料入口；以及如上文所描述的热弯致动器。优选地，喷嘴腔室包括底板以及具有移动部分(例如，呈桨状物的形式)的顶板，由此致动致动器使得移动部分朝向所述底板移动。优选地，移动部分包括致动器。优选地，喷嘴开口限定在移动部分中，使得喷嘴开口可相对于底板移动。替代性地，喷嘴开口可以限定在顶板的固定部分中。在一些实施例中，喷嘴腔室的顶板可以包括多个热弯致动器，该多个热弯致动器用于通过喷嘴开口喷射墨料。例如，在一个喷嘴开口两侧的相对的热弯致动器可以用于产生用于液滴喷射的增大的机械脉冲。在第三方面，提供了一种喷墨打印头，该喷墨打印头包括多个如上文所描述的喷墨喷嘴装置。如本文所用，术语“墨料”是指任何可喷射流体，并且可以包括例如常规cmyk墨料(例如，基于颜料和染料的墨料)、红外墨料、uv可固化墨料、固定剂、3d打印流体、聚合物、生物流体、功能流体(例如，感测墨料、太阳能墨料)等。为免存疑，术语“at.％”是指合金中的基于相对原子数(或摩尔)的金属量。例如，包含v(9.8at.％)、al(89.9at.％)和cu(0.3at.％)的合金等同于v(17wt.％)、al(82.5wt.％)和cu(0.5wt.％)，如本领域技术人员将容易理解的。

背景技术：

技术实现思路