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TWI380910B - 用於大型穩定的氣泡之微機械系統（ｍｅｍｓ）氣泡產生器 - Google Patents

用於大型穩定的氣泡之微機械系統（ｍｅｍｓ）氣泡產生器 Download PDF

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TWI380910B
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Description

用於大型穩定的氣泡之微機械系統(MEMS)氣泡產生器
本發明係有關於MEMS裝置及特別是有關於將液體汽化用以在操作期間產生氣泡的MEMS裝置。
某些微機械系統(MEMS)裝置處理或使用液體來操作。在這些含液體裝置的一個分類中，電阻式加熱器被用來將液體加熱至該液體的過熱極限，得到形成快速膨脹的氣泡的結果。由氣泡擴張所提供的衝量(impulse)可被用作為將液體推動穿過該裝置的機制。這就是在熱噴墨列印頭中的情形，每一個噴嘴都具有一加熱器其產生一氣泡來將一油墨液滴噴到該列印媒體上。有鑑於噴墨印表機被廣泛的使用，本發明將特別參照其在此方面的應用來加以說明。然而，應被瞭解的是，本發明並不侷限於噴墨列印頭且可相同地適用於由加熱器所形成的氣泡被用來將液體推移通過該裝置(如，一些’晶片上的實驗室(Lab－on－a－chip)裝置’)的其它裝置上。
將一液體加熱至其過熱極限所需的時間長短決定了當達到該過熱極限時會有多少熱能被儲存在該液體中：這決定了會有多少蒸汽被產生及該擴張的氣泡的衝量(衝量被介定為在整個面積以時間長度內之壓力的總合)。加熱的時間愈長，被加熱的液體的體積就愈大，因此被儲存的能量就愈大，蒸汽量也就愈大且氣泡衝量以愈大。這導致MEMS加熱器產生的氣泡某些程度的可調整性(tunability)。控制將一液體加熱至其過熱極限所需的時間長短，單純地只是控制在成核期間供應至該加熱器的功率：較低的功率將會造成較長的成核時間及較大的氣泡衝量，其代價為大的能量需求(被儲存在液體中的額外能量必需由該加熱器來提供)。控制功率可藉由降低跨越該加熱器的電壓或藉由該電壓的脈衝寬度調變以獲得一較低的以時間平均的功率來達成。
雖然此效果在控制上很有用，如一MEMS氣泡幫浦的流量或施加到在一噴墨印表機內一堵塞的噴嘴上的力量(其為暫時的文獻編號PUA011US的共同係屬中的專利申請案的發明主體)，但此系統的設計者必需要擔心氣泡的穩定性。加熱一以水為本的液體的一典型的加熱器將會產生不穩定，不可重復的氣泡，如果用於加熱的時間長度比1微秒更長的話(參見圖1)。此不可重復性將累及該裝置的操作或嚴重地限制設計者可用之氣泡衝量的範圍。
因此，本發明提供一種MEMS氣泡產生器，包含：一容室用來容納液體；一加熱器，其被設置在該容室內與該液體熱接觸；及驅動電路，用來提供該加熱器一電脈衝使得該加熱器產生一氣泡於該液體中；其中該脈衝具有一第一部分其具有不足以將該氣泡成核的功率及一接在該第一部分之後的第二部分其具有足以將該氣泡成核的功率。
如果該加熱脈衝被形塑成在該脈衝結束之前提高加熱速率的話，則氣泡的穩定性可被大幅地強化，能夠達到可用小的加熱器來產生大且可重復的氣泡的程度。
較佳地，該脈衝的第一部分為一預熱區段用來加熱該液體但並不將氣泡成核且該第二部分為一引發(trigger)區段用來將氣泡成核。在一較佳的形式中，該預熱區段持續的時間比該引發區段的持續時間長。較佳地，該預熱區段至少長了2微秒的時間。在一更佳的形式中，該引發區段小於1微秒的時間。
較佳地，該驅動電路使用脈衝寬度調變來形塑該脈衝。在此實施例中，該預熱區段為一連串的副成核(sub－nucleating)脈衝。擇上地，該驅動電路使用電壓調變來形塑該脈衝。
在一些實施例中，在預熱區段中之以時間平均的功率是固定的及在該引發區段中之以時間平均的功率是固定的。在特佳的實施例中，該MEMS氣泡產生器被使用於一噴墨列印頭中用來從與該容室流體連通之噴嘴噴出液體。
在一長的時間長度(典型地>>1微秒)期間使用一低功率來將一大量的熱能儲存在包圍該加熱器的液體中且無需跨過該成核溫度，然後切換至一高的功率用以在一短的時間長度(典型地<<1微秒)期間跨過該成核溫度，可引發成核現象並釋放所儲存的能量。
選擇上地，該脈衝的第一部分為為一預熱區段用來加熱該液體但並不將氣泡成核且該第二部分為一引發區段用來將該液體的一部分加熱至過熱用以將該氣泡成核。
選擇上地，該預熱區段的持續時間比該引發區段的持續時間長。
選擇上地，該預熱區段至少是2微秒的時間長度。
選擇上地，該引發區段小於1微秒的時間。
選擇上地，該驅動電路使用脈衝寬度調變來形塑該脈衝。
選擇上地，該預熱區段為一連串的副成核(sub－nucleating)脈衝。
擇上地，該驅動電路使用電壓調變來形塑該脈衝。
選擇上地，在預熱區段中之以時間平均的功率是固定的及在該引發區段中之以時間平均的功率是固定的。
本發明的另一態樣提供一種MEMS氣泡產生器，其被使用於一噴墨列印頭中用來從與該容室流體連通之噴嘴噴出液體。
選擇上地，該加熱器被懸掛在該容室內用以浸沒於一列印流體中。
選擇上地，該脈衝被產生用以恢復被乾掉的或過度黏稠的列印流體堵塞的噴嘴。
在一MEMS流體幫浦中，對於有效率及可靠的操作而言，大、穩定且可重復的氣泡是所想要的。為了要分析影響氣泡成核作用及生長的機制，考量加熱器的溫度量變曲線(profile)的空間一致性及考量該量變曲線的時間評估是有必要的。在液體中之加熱器的有限元素熱模型可被用來顯示該加熱器的加熱速率強烈地影響整個加熱器的溫度的空間一致性。這是因為加熱器的不同部分被散熱至不同的程度(加熱器的側邊會較冷因為該液體提升冷卻作用，且加熱器的端部亦會較冷因為接觸提升冷卻作用)。在低功率下，當用來加熱至過熱極限的時間長度相對於冷卻機制的熱時間長度而言是較長的時，該加熱器的溫度量變曲線將會因為在加熱器的邊界處的冷卻而被嚴重地扭曲。理想地，該溫度量變曲線將會是一”高帽平頂形(top－hat)“，在整個加熱器上有一致的溫度，但在低加熱速率的例子中，該溫度量變曲線的邊緣將會被向下拉。
該平頂的溫度量變曲線對於將加熱器的有效性最大化而言是很理想的，只有在該故熱極線上方的那些加熱器部分會對氣泡衝量有顯著的影響。成核速率是接近該過熱極限的溫度的一個非常強的指數函數。該加熱器之在該過熱極線之下幾度的部分所產生的成核速率降會比在該過熱極線之上的部分所產生的成核速率低許多。這些部分的加熱器對於氣泡衝量的貢獻小很多，因為它們將會被由該加熱器之較熱的部分處膨脹的氣泡所熱隔離。換言之，如果在整個加熱器上的溫度量變曲線是不均勻的話，則在該加熱器較冷的部分上之氣泡成核作用與從該加熱器之較熱的部分開始的氣泡膨脹兩者間存在著一競賽的情況。就是此一競賽情況造成以低加熱速率形成的氣泡的不可重復性。
“低加熱速率”一詞為一相對性用詞且與該加熱器的形狀及其接觸與與該加熱器熱接觸的所有物質的熱特性有關。所有這些都將會影響冷卻機制的時間長短。在一可應用於噴墨印表機上之型的結構中之一典型的加熱器物質將開始顯露該競賽情況，如果用於成核的時間長度超過1微秒的話。確實的門檻值並不重要，因為如果該加熱速率夠低的話，任何的加熱器都將會遇到該競賽情況以及後續的氣泡不穩定。這將限制到設計者可用之氣泡衝量的範圍。
圖1A至1E為在不同的加熱速率下所產生的氣泡12的閃頻觀測儀照片的線圖。使用持續時間為0.3微秒的閃光燈，該閃頻觀測儀捕捉該氣泡在其最大的程度的影像。該加熱器為30微米乘4微米的尺寸，在一開放的水池內與該支撐晶圓表面成15度的角度。該雙瓣的外形是因為來自該晶圓表面之該氣泡影像的反射。
在圖1A中，該驅動電壓是5伏且氣泡12在1微秒達到其最大的程度。該氣泡相當地小但具有一沿著該加熱器長度之矩形的形狀。在圖1B中，該驅動電壓降為4.1伏且達到最大氣泡生長所需的時間增至2微秒。因此，氣泡12較大但氣泡的不規則性14始發生。在圖1C，1D及1E圖中該脈衝電壓逐漸地降低(分別為3.75伏，3.45伏及1.95伏)。當電壓降低時，加熱速率亦隨之降低，因而讓達到該液體的過熱極限的時間變長。這使得有更長的時見讓熱漏至該液體中，而有大量之被儲存的熱能及在氣泡成核發生時有更多的蒸汽產生。換言之，氣泡12的尺寸變大了。因此，低電壓可得到較大的氣泡衝量，讓氣泡能夠成長至一更大的程度。很不幸地，氣泡的不規則性亦會隨之增加。因此，當加熱至過熱極線的時間長度超過1微秒時，該氣泡可能不穩定且不可重復。在圖1A至1E圖中，到達最大氣泡尺寸的時間分別為1，2，3，5及10微秒。
本發明提供一種避免因競賽情況造成不穩定的方式，使得設計者可使用低加熱速率來產生大氣泡衝量於一具有固定的形狀及熱特性之加熱器上。圖2A及2B顯示用來驅動加熱器以產生大且穩定的氣泡之兩種可能。在圖2A中，該驅動電路使用振幅調變來降低該預熱區段16相對於引發區段18的功率。在圖2B中，電壓的脈衝寬度調變(產生一連串快速的副噴出脈衝)可被用來降低該預熱區段16相對於引發區段18的功率。
熟習此技藝者將可瞭解到，有無數的脈衝形狀變化可滿足一相對低的預熱區段及一後續之將該氣泡成核的引發區段之要件。形塑該脈衝可用脈衝寬度調變，電壓調變或它們兩者的組合來達成。然而，脈衝寬度調變是形塑該脈衝之較佳的方法，因為它對於CMOS電路設計者而言是較容易接納的。同樣應被注意到的是，該脈衝並不只侷限於一預熱及引發區段；額外的脈衝區段可為了其它目的而被包括且不會對本發明的優點有不利的影響。又，所有區段必需要維持固定的功率水準。對於該預熱區段及該引發區段而言，固定之以時間平均的功率是較佳的，因為這是最單純的情況來作理論上及實驗上的處理。
藉由在一預熱階段後切換至一較高的加熱速率，該競賽會由氣泡成核獲勝，因為介於不同的加熱器區域之間達到過熱極限的時間延遲被縮小。圖3顯示的概念為：即使是空間溫度一致性很差(在預熱階段中之低加熱速率無可避免的副作用)，介於該加熱器之較熱的區域與較冷的區域之間在達到過熱極限上的時間延遲32可藉由在預熱之後切換至較高的加熱速率36而被縮小。以此方式，較冷的區域可在這些區域被來自較熱區域的氣泡膨脹熱隔絕之前達到過熱極限。絕大多數的加熱器表面在劇烈的氣泡膨脹發生之前就達到過熱極限34，所以加熱器面積可更有效率及更一貫地被用於氣泡形成上。
圖4A至4D顯示經過形塑之脈衝在產生大且穩定的氣泡上的有效性。氣泡尺寸可藉由使用經過形塑的脈衝而被暫時地增大且不會經歷圖1A至1E所示之不規則性的問題。一電路設計者將可選擇用加熱訊號的電壓調變或脈衝寬度調變來產生被形塑的脈衝，但一般而言脈衝寬度調變被認為較適合與一CMOS驅動電路整合。例如，此一電路可被用來產生維修脈衝於一噴墨列印頭中，該大氣泡衝量更能夠恢復被堵塞的噴嘴，用以作為一印表機維修循環的一部分。這在本案之共同係屬中的申請案(暫時被稱為完獻編號PUA001US)中有被討論，該文獻的內容藉由此參照而被併於本文中。
圖5顯示使用在一噴墨列印頭中之本發明的MEMS氣泡產生器。本案申請人的熱列印頭IC的一些製造及操作上的詳細說明被提供在美國專利申請號第USSN 11/097,038號及USSN 11/246,687號中。這兩個文獻的內容藉由此參照而被併於本文中。
一單一的單元細胞30被示於圖5中。可被瞭解的是，許多單元細胞以一塞得滿滿的陣列方式用半導體及/MEMS製造領域中常見的微影蝕刻及沉積技術被製造在一支撐晶圓基材28上。該容室20容納了一數量的油墨。該加熱器10被懸掛在該容室20內使得它與CMOS驅動電路22電接觸。由該驅動電路22所產生的驅動脈衝對該加熱器10充能用以產生一氣泡12其強迫一油墨液滴24通過該噴嘴26。使用驅動電路22來依據本發明地形塑該脈衝可給予設計者一個範圍更廣之來自一單一加熱器及驅動電壓的氣泡衝量。
圖4A至4D顯示在一個開放池中的一30微米乘4微米加熱器上的水蒸汽氣泡的閃頻觀測儀影像。與圖1E至1E類似地，氣泡12是在它們最大程度時被補捉的。圖4A顯示先前技術之4.2伏的單純方形輪廓脈衝持續0.7微秒的情形。在圖4B中，該脈衝是以脈衝寬度調變來形塑的－具有9個100奈秒脈衝之間相隔150奈秒的預熱系列，其後接著一300奈秒的引發脈衝，所有這些脈衝都是4.2伏。在圖4B中之氣泡的大小較大因為在該引發脈衝內的成核作用之前被傳送至該液體的熱能的量較大的關係。在圖4C及4D中，脈衝是被電壓調變的。圖4C的脈衝具有2.4伏持續8微秒的一預熱部分，其後接著4伏持續0.1微秒用以引發成核作用。相反的，圖4D的脈衝具有2.25伏持續16微秒的一預熱部分，其後接著4.2伏持續0.15微秒的引發部分。這些圖清楚地顯示使用經過形塑的脈衝(圖4B，4C及4D)所產生的氣泡較大，形狀規則且可重復。
在不規則性或不可重復性的問題已被去除下，設計者在設計階段或在操作期間可藉由改變脈衝的預熱區段的時間長度來在控制氣泡的尺寸上有更大的彈性。必需要注意以避免意外地在預熱區段期間超過該過熱極限，致使在該引發段之前不會發生成核作用。如果該脈衝是被脈衝寬度調變的話，該調變應夠快用以給予由一固定的，降低的電壓所產生之溫度上升一合理的近似值。必需要小心用以確保該引發區段以一充分的餘裕將整個加熱器提升至該過熱極限之上以應付系統的變動，且不會將該加熱器過度驅使至會讓加熱器損壞的程度。這些條件可用該加熱器在一開放的液體池中之一般的熱模型或實驗來滿足。
本發明已在本文中藉由舉例的方式加以說明。此技藝中之一般工作者可輕易地瞭解到未偏離本發明廣義概念的精神與範圍內有許多的變化及修改存在。
12．．．氣泡
14．．．氣泡不規則性
10．．．加熱器
16．．．預熱區段
18．．．引發區段
32．．．時間延遲
34．．．過熱極線
36．．．較高的加熱速率
30．．．噴嘴裝置
20．．．容室
22．．．驅動電路
24．．．油墨的液滴
26．．．噴嘴
28．．．支撐晶圓基材
本發明的較佳實施例現將以舉例的方式參照附圖來加以說明，其中：圖1A至1E顯示在不同的加熱速率下產生的水蒸汽氣泡；圖2A及2B顯示將脈衝形塑成預熱區段與引發區段的兩種選擇；圖3為兩個不同的脈衝形狀之在一加熱器上的最熱點與該加熱器上的一較冷的點的圖表；圖4A顯示使用傳統的方形脈衝產生的水蒸汽氣泡；圖4B顯示用一經過脈衝寬度調變形塑之脈衝形成的氣泡；圖4C及4D顯示使用經過電壓調變的脈衝所產生的氣泡；及圖5顯示使用在一噴墨列印頭中之MEMS氣泡產生器。

Claims (10)

  1. 一種MEMS氣泡產生器，包含：一容室用來容納液體；一加熱器，其被設置在該容室內用來與該液體熱接觸；及驅動電路，用來提供該加熱器一電脈衝使得該加熱器產生一氣泡於該液體中；其中該脈衝具有一第一部分其具有不足以將該氣泡成核的功率及一接在該第一部分之後的第二部分其具有足以將該氣泡成核的功率；其中該MEMS氣泡產生器被使用於一噴墨列印頭中用來從與該容室流體連通之噴嘴噴出液體；以及其中該加熱器被懸掛在該容室內用以浸沒於一列印流體中。
  2. 如申請專利範圍第1項之MEMS氣泡產生器，其中該脈衝的第一部分為一預熱區段用來加熱該液體但並不讓該氣泡成核及該第二部分為一引發區段用來將該液體的一部分加熱至過熱用以將該氣泡成核。
  3. 如申請專利範圍第2項之MEMS氣泡產生器，其中該預熱區段的持續時間比該引發區段的持續時間長。
  4. 如申請專利範圍第3項之MEMS氣泡產生器，其中該預熱區段至少是2微秒的時間長度。
  5. 如申請專利範圍第3項之MEMS氣泡產生器，其中該引發區段小於1微秒的時間長度。
  6. 如申請專利範圍第1項之MEMS氣泡產生器，其中該驅動電路係使用脈衝寬度調變來形塑該脈衝。
  7. 如申請專利範圍第6項之MEMS氣泡產生器，其中該預熱區段為一連串的副成核(sub-nucleating)脈衝。
  8. 如申請專利範圍第1項之MEMS氣泡產生器，其中該驅動電路使用電壓調變來形塑該脈衝。
  9. 如申請專利範圍第2項之MEMS氣泡產生器，其中在該預熱區段中之以時間平均的功率是固定的及在該引發區段中之以時間平均的功率是固定的。
  10. 如申請專利範圍第1項之MEMS氣泡產生器，其中該脈衝被產生用以恢復被乾掉的或過度黏稠的列印流體堵塞的噴嘴。
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