專利名稱：基于微機電系統(tǒng)打印頭的壓縮流體打印系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明一般地涉及打印，而更具體地，涉及通過微機加工的部件打印壓縮流體和 標記材料的混合物。
背景技術(shù)：
許多標記技術(shù)存在用于在基底上產(chǎn)生標記或圖形。通常通稱為“按要求滴落”的 噴墨打印技術(shù)提供墨滴(通常包括染料或染料的混合物)用于用增壓促動器(熱促動器， 壓電促動器等)沖擊在記錄表面上。促動器的選擇性驅(qū)動引起形成和噴射飛行的墨滴，該 飛行的墨滴橫過打印頭和打印介質(zhì)之間的空間并撞擊打印介質(zhì)。形成打印好的圖像是通過 控制單獨形成墨滴實現(xiàn)，如形成所需圖像所要求的。通常，每個通道內(nèi)的稍負的壓力防止油 墨偶然地穿過噴嘴逃逸，且在噴嘴處形成稍凹的彎月面，因此有助于保持噴嘴清潔。驅(qū)動增壓促動器在打印頭的噴嘴口處產(chǎn)生噴射的墨滴。通常，使用兩種類型促動 器中的其中一種類型，該兩類促動器包括熱促動器和壓電促動器。在熱促動器情況下，放在 方便位置處的加熱器將油墨加熱，同時使大量油墨相變成氣泡，該氣泡使內(nèi)部油墨壓力升 高，足夠用于使墨滴排出。在壓電促動器的情況下，將電場加到壓電材料上，該壓電材料具 有在材料中產(chǎn)生機械壓力的性能，同時使墨滴排出。最常生產(chǎn)的壓電材料是陶瓷類，如鈦鋯 酸鉛，鈦酸欽，鈦酸鉛，和偏鈮酸鉛。常規(guī)的噴墨打印機在若干方法中是不利的。例如，為了得到很高質(zhì)量的圖像而保 持可接受的打印速度，位于打印頭上的大量排放裝置必須經(jīng)常驅(qū)動，由此產(chǎn)生墨滴。而頻繁 驅(qū)動降低了打印頭可靠性，還限制了在這些打印機中所用的油墨的粘度范圍。通常，加一些 溶劑如水等降低油墨的粘度。增加的液體含量導致在油墨已沉積在接收器上之后更慢的油 墨干燥時間，且這樣減少了總產(chǎn)量。此外，增加的溶劑含量還能引起油墨在干燥期間滲色的 增加，該滲色增加降低了圖像清晰度、負面影響圖像分辨率及其它圖像質(zhì)量規(guī)格。對一些接 收器如普通紙來說，過多液體還能導致接收器的局部機械翹曲。常規(guī)噴墨打印機還有不利之處在于，打印頭的排放裝置能變得被油墨部分堵塞或 完全堵塞。為了減少這個問題，將一些溶劑如乙二醇，丙三醇等加到油墨配方中，上述溶劑 能嚴重影響圖像質(zhì)量?？晒┻x擇地，將排放裝置定期清潔，以便減少這個問題。這增加了打 印機復雜性。另一些技術(shù)眾所周知，這些技術(shù)用氣態(tài)推進劑將染料沉積到接收器上。例如， E. Peeters等人在2000年9月12日授權(quán)的美國專利No. 6116718中公開了一種供在標記設 備中使用的打印頭，在該標記設備中使推進劑氣體通過通道，將標記材料可控制地加到推 進劑流中，以便形成沖擊式氣溶膠，用于用足夠的動能將非膠體，固體或半固體顆粒物，或 液體推向接收器，以便使標記材料熔化到接收器上。該技術(shù)的缺點是標記材料和推進劑流 是兩種不同的實體。為把標記材料加到通道內(nèi)的推進劑流中時，非膠體狀的沖擊氣溶膠在 排出打印頭之前形成。該非膠體狀的沖擊氣溶膠是標記材料和推進劑的組合，熱力學上不 穩(wěn)定。照這樣，標記材料易于在推進劑流中沉降，該沉降又能引起標記材料聚集，而導致噴 嘴阻塞和在標記材料沉積上的不良控制。
利用超臨界流體溶劑來形成薄膜的技術(shù)也眾所周知。例如，R. D. Smith在1988年 3月29日授權(quán)的美國專利No. 4734227中，公開了一種方法，該方法通過將固體材料溶解到 超臨界流體溶液中沉積固體膜或形成細粉，和然后使溶液快速膨脹，以便形成標記材料的 顆粒物。該顆粒物取細粉或長的細纖維的形式，所述方法可以用來制造薄膜。C. Lee等人在 1990年5月8日授權(quán)的美國專利No. 4923720中，公開了液體涂裝工藝和設備，其中利用超 臨界流體如超臨界二氧化碳來降低粘性涂料組成的涂布稠度，以便可供它們作為液體噴霧 涂布。在這些公開中，超臨流體溶液的自由噴射膨脹產(chǎn)生一種形狀的噴霧，該噴霧在沒有掩 膜的情況下不能用來在接收器上形成高分辨率圖形。R. Jagannathan等人在標題為“輸送功能材料束到接收器上的設備和方法”的美 國專利No. 6752484中公開了一種用于輸送無溶劑的標記材料到接收器上的方法和設備， 其中排放裝置成形為在排放裝置的出口外的位置處用氣態(tài)流體產(chǎn)生平行的標記材料束。因 此，該方法說明用這種方式輸送標記材料，以便它解決許多常規(guī)溶劑基系統(tǒng)所固有的與干 燥有關(guān)的問題。S. Sadasivan等人于2005年12月6日授權(quán)的標題為“用于打印的方法和設備”的 美國專利No. 6971739說明一種用于輸送標記材料到接收器的打印頭，該打印頭包括排放 裝置，所述排放裝置具有入口和出口，而一部分排放裝置限定輸送路線。驅(qū)動機構(gòu)可拆卸地 沿著輸送路線設置。材料選擇裝置具有入口和出口，而材料選擇裝置的出口與排放裝置的 入口連接成流體相通。材料選擇裝置的入口適合于連接到流體和標記材料的熱力學穩(wěn)定的 混合物的增壓源上，其中流體在排放裝置的出口外面的位置處處于氣態(tài)。Sadasivan等人在標題為“用于打印、清潔和校準的方法和設備”的美國專利 No. 6672702中描述了一種打印設備，該打印設備包括壓縮流體和標記材料的熱力學穩(wěn)定 的混合物的增壓源；壓縮流體的增壓源；材料選擇裝置，該材料選擇裝置具有多個入口和 一個出口，多個入口的其中之一與壓縮流體的增壓源連接成流體相通，而多個入口的另一 個與壓縮流體和標記材料的熱力學上穩(wěn)定的混合物連接成流體相通；打印頭，該打印頭的 一些部分限定輸送路線，所述輸送路線具有入口和出口，該輸送路線的入口與材料選擇裝 置的出口連接成流體相通；和驅(qū)動機構(gòu)，該驅(qū)動機構(gòu)可拆卸地沿著輸送路線設置，其中，壓 縮流體在輸送路線的出口之外的位置處處于氣態(tài)；及清潔工位，該清潔工位相對于打印頭 設置，其中打印頭可移動到清潔工位上方的位置。該專利還包括標記材料測量裝置，所述測 量裝置對校準標記材料輸送到基底的量有用。R. Jagannathan等人在標題為“用于控制無溶劑功能材料在接收器中沉積的深度 的方法和設備”的美國專利No. 6595630中說明了輸送功能材料到接收器的方法，該方法依 次包括提供具有溶劑的流體和功能材料的混合物；使功能材料變成無溶劑；使功能材料 接觸具有多層的接收器和使功能材料滲透和通過接收器的第一層，且這樣滲透接收器的第 二層，以使第二層主要包含功能材料。對廣泛使用的應用，仍然需要應用排放裝置，該排放裝置能有效的批量制造使用 基于壓縮流體的標記材料的打印系統(tǒng)。微機加工的裝置從那個觀點來看是有利的，不過收 縮尺寸帶來材料性能、設計和制造在高壓下進行的微機加工的結(jié)構(gòu)的能力、及在不堵塞微 型噴嘴情況下工作的許多挑戰(zhàn)。微機電系統(tǒng)(MEMS)在許多大量銷售的商業(yè)裝置如加速度 計、壓力傳感器、噴墨打印機頭、及用于投影機的數(shù)字鏡面陣列中使用。
開發(fā)在任何新領域中有前途的MEMS的能力在很大程度上通過設計者能從中選擇 的材料和微機加工工藝組實施和限制。迄今大多數(shù)市售MEMS都利用了互補金屬氧化物半 導體(CMOS)和超大規(guī)模集成(VLSI)材料和工藝組。這些材料和工藝的詳細情況可在已 發(fā)表的文獻中得到，所述文獻包括例如Sami Franssila所著“顯微制造導論”(2004，John wiley and Sons, Ltd)。迄今為止，還沒有公開過供用壓縮流體打印的有前途的MEMS。對 這種系統(tǒng)，除了已知的噴嘴形狀、控制閥、及它們對噴射準直的影響等問題之外，還有許多 其它問題需待解決。例如，是否CMOS/VLSI材料能承受供在壓縮流體打印法中使用所需的 高壓及是否它們能對制造微機加工的噴嘴有用。另外，哪些材料和方法可以提供從標記材 料的高壓源到微機加工的噴嘴的防漏泄連接不明顯。由于材料性能的均勻性和裝配期間機 械力的分配變得更精確，所以大規(guī)模下工作的方法在小規(guī)模下不一定工作。伴隨用壓縮流體配方打印的另一個問題是一部分噴射的標記材料取納米大小粒 子，而不是皮升級液滴的形式，它們可以與廢氣一起逸入附近環(huán)境中，并產(chǎn)生潛在的健康危 險。打印系統(tǒng)應設計成盡量減小或消除這種操作人員暴露于其中。這種材料的收集從根本 上與其它連續(xù)噴墨系統(tǒng)不同，此處當皮升級液滴不打算送到供打印的基底時，將它們收集 在明溝中。另外，許多標記材料在純壓縮流體中具有有限的溶解度，且該有限的溶解度限制 這種技術(shù)的范圍。利用常規(guī)溶劑作為與壓縮流體的共溶劑能增加溶解度。盡管用于含壓縮 流體的常規(guī)溶劑的噴涂技術(shù)眾所周知，但用這些流體定向射束打印未見報導。發(fā)明提要按照本發(fā)明的一個實施例，公開了一種打印設備用于輸送壓縮流體和標記材料的 混合物并將標記材料用圖形沉積到基底上。設備包括壓縮流體和標記材料和混合物的高壓 源。微機加工的歧管包括多個微型噴嘴、流體室、進口、及第一表面和第二表面。第一表面 的一些部分限定進口，進口與流體室連接成流體相通。每個微型噴嘴都具有入口和出口，入 口與流體室連接成流體相通，而出口位于第二表面上。每個微型噴嘴都成形為在微型噴嘴 的出口外面產(chǎn)生壓縮流體和標記材料的混合物的定向射束。外殼與高壓源和微機加工的歧 管的進口連接成流體相通，外殼和微機加工的歧管之間的連接是密封連接。按照本發(fā)明的另一個實施例，打印設備還包括一裝置，該裝置可操縱以便捕集未 粘附到基底上的標記材料。按照本發(fā)明的還有另一個實施例，公開了一種打印的方法。方法包括提供壓縮 流體和標記材料的混合物的高壓源；提供微機加工的歧管，該歧管包括第一表面和第二表 面，第一表面的一些部分限定進口，進口與流體室連接成流體相通，多個微型噴嘴各都具有 入口和出口，入口與流體室連接成流體相通，出口位于第二表面上，每個微型噴嘴都成形為 在微型噴嘴的外面產(chǎn)生壓縮流體和標記材料的混合物的定向射束；提供外殼，該外殼與高 壓源和微機加工的歧管的進口連接成流體相通；及控制壓縮流體和標記材料的混合物的壓 力，以便在每個微型噴嘴的每個出口外面產(chǎn)生壓縮流體和標記材料的混合物的定向射束。本發(fā)明的優(yōu)點是能用CMOS/VLSI材料和工藝來制造供用壓縮流體打印的微機加 工的歧管。這能實現(xiàn)微機加工的歧管的低成本批量生產(chǎn)。另一個優(yōu)點是能利用像夾緊的墊 片那樣的簡單的密封方法來提供微機加工的歧管和高壓源之間的防漏泄連接。本發(fā)明的另 一個優(yōu)點是能收集打印期間選出的標記材料和廢氣，以便提供更安全的操作。另一個優(yōu)點是能用本發(fā)明公開的設備直接打印各種各樣的材料，包括用常規(guī)溶劑作共溶劑的材料。 附圖簡介在下面參照附圖所作的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細說明中，其中

圖1是按本發(fā)明制成的打印設備的一般示意圖；圖2是按本發(fā)明制成的打印設備的第一實施例的示意圖；圖3是按本發(fā)明制成的打印設備的第二實施例的示意圖；圖4是按本發(fā)明制成的便攜式打印設備的實施例的示意圖；圖5是按本發(fā)明制成的打印設備的第四實施例的示意圖；圖6是按本發(fā)明制成的多源打印設備的局部視圖；圖7是用來實施本發(fā)明的微機加工的歧管的部件分解圖；圖8是用來實施本發(fā)明的另外的微機加工的歧管的部件分解圖；圖9是用來實施本發(fā)明的第二另外的微機加工的歧管的部件分解圖；圖10是用來實施圖7所示的本發(fā)明的第二另外的微機加工的歧管的側(cè)剖圖；圖11是包含另外的或第二另外的微機加工的歧管的打印頭的部件分解圖；圖12示出在圖9的打印頭中所用的墊片；圖13是包含另外的或第二另外的微機加工的歧管的打印頭的三維視圖；圖14是包含另外的或第二另外的微機加工的歧管和雜散粒子收集機構(gòu)的打印頭 的三維視圖；圖15是具有雜散粒子收集機構(gòu)的打印設備的示意圖；圖16是具有內(nèi)裝的雜散粒子抽吸機構(gòu)的微機加工的歧管的部件分解圖；圖17是在實施本發(fā)明中所用的微機加工的歧管的一部分的光學顯微照片；圖18是例1中所描述的線的照片；圖19是例2中所描述的線的打印好的圖形的照片；和圖20是例4中所描述的線的光學顯微照片。發(fā)明的詳細說明本說明尤其針對形成本發(fā)明的設備的一部分的元件，或者更直接地與本發(fā)明的設 備協(xié)同工作的元件。應該理解，一些未具體示出或說明的元件可以采取該領域的技術(shù)人員 眾所周知的不同形式。此外，被認為適合于本發(fā)明的不同方面的材料，例如標記材料、溶劑、 設備等，都作為示例性的處理，且不打算用任何方式限制本發(fā)明的范圍。圖1示出打印設備10的一般示意圖，該打印設備10用于輸送壓縮流體和標記 材料的混合物，并將標記材料以圖形沉積到基底上。設備包括高壓源20、任選的收集裝置 154、和基底運送機構(gòu)62，所述高壓源20包含壓縮流體和標記材料的混合物，結(jié)合到打印頭 100上，所述打印頭100包括微機加工的歧管30和外殼50。基底如此裝配到基底運送機構(gòu) 中，以使它面向打印頭100。設備還可以包括打印頭運送機構(gòu)(未示出)。通過具有基底運 送機構(gòu)62和打印頭運送機構(gòu)二者，能控制打印頭100和基底之間的相對運動，以便將標記 材料以圖形沉積到基底上。高壓源20被用來在所需的溫度、壓力、體積、和濃度的條件下， 用或不用分散劑和/或表面活性劑將標記材料溶解和/或分散于壓縮流體混合物中。微機 加工的歧管30具有與外殼50的密封式連接，并包括微型噴嘴或排放裝置，該微型噴嘴或排放裝置能將壓縮流體和標記材料的混合物噴射到由基底運送機構(gòu)62所夾持的基底上。利 用收集裝置154來收集未沉積在基底上的材料。高壓源20能用任何合適的材料制成，該材料能在配方條件下安全地工作。理想的高壓源材料應能承受在0. 001大氣壓(1.013 X IO2Pa)至1000大氣壓(1. 013 X IO8Pa)范圍 內(nèi)的工作壓力和在-25°C -1000°C范圍內(nèi)的溫度。通常，優(yōu)選的材料包括不同等級的高壓不 銹鋼。然而，如果特定的沉積或蝕刻應用要求較小的溫度和/或壓力的極端條件，則使用其 它材料與是可行的。高壓源20還相對于操作條件(壓力、溫度、和體積)精確地控制。標 記材料的溶解度/分散能力取決于高壓源20內(nèi)的條件。照這樣，高壓源20內(nèi)操作條件的 小變化能對標記材料溶解度/分散能力有不良影響。高于它們的臨界點的材料通稱為超臨界流體，所述臨界點由臨界溫度和臨界壓力 限定。臨界溫度和臨界壓力通常限定熱力學狀態(tài)，在該熱力學狀態(tài)中流體或材料變成超臨 界的，并顯示像氣體和像液體一樣的性能。在低于它們的臨界點的足夠高的溫度和壓力下 的材料通稱為壓縮液體。裝在高壓源20中的流體可以包括壓縮液體，該壓縮液體具有密 度為等于或大于0. lg/cm3 ；或超臨界流體，該超臨界流體具有密度為等于或大于0. lg/cm3 ； 或壓縮氣體，該壓縮氣體密度為等于或大于0. lg/cm3 ；或者任何它們的組合。裝在高壓源20 中的流體還可以包括任何溶劑或可與超臨界流體和/或壓縮液體溶混的溶劑的混合物。對 這種應用，環(huán)境條件優(yōu)選地限定為溫度在-100到+100°C范圍內(nèi)，和壓力在1 X 10_3到100大 氣壓范圍內(nèi)。在環(huán)境條件下以氣體形式存在的處于超臨界流體和/或壓縮液體狀態(tài)的材料 由于它們獨特的增溶和或分散處于壓縮液體或超臨界狀態(tài)的所關(guān)心的功能材料的能力而 在這里找到應用。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，裝在高壓源20中的壓縮流體混合物包括任何其溶解 /增溶/分散標記材料的流體，此處至少一種流體在常壓和常溫下是氣體。在許多情況下， 壓縮流體混合物也可以包括普通有機溶劑如共溶劑。標記材料和壓縮流體的組合通常稱之 為混合物、配方、組成等。當標記材料用這種方式溶解或分散在壓縮流體內(nèi)，以便只要高壓 源內(nèi)的溫度和壓力保持恒定就無限地保持處于同一狀態(tài)時，要求標記材料和壓縮流體的混 合物或配方熱力學上穩(wěn)定。這種狀態(tài)與其它物理混合物不同之處在于，除非高壓源內(nèi)的溫 度和壓力的熱力學條件改變，否則在該高壓源內(nèi)沒有標記材料粒子的沉降、沉淀、和/或聚 集。壓縮流體包括但不限于二氧化碳、氧化亞氮、氨、氙、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁 烷、異丁烷、氯三氟甲烷、一氟甲烷、六氟化硫及其混合物。二氧化碳由于它的低成本、廣泛 可用性、及可用的溫度和壓力范圍而在許多應用中一般優(yōu)選作為選擇的壓縮流體。合適的普通溶劑包括但不限于酮類，如丙酮、甲基乙基酮、甲基異丁酮、甲基戊基 酮、環(huán)己酮和其它脂族酮類；酯類，如乙酸甲酯、乙酸乙酯、烷基羧酸酯、甲基叔丁基酯、二丁 醚、甲基苯基醚、其它脂族或烷基芳香醚類；乙二醇醚類，如乙氧基乙醇、丁氧基乙醇、乙氧 基丙醇、丙氧基乙醇、丁氧基丙醇、及其它乙二醇醚類；乙二醇醚酯類，如乙酸丁氧基乙氧基 酯、丙酸乙基乙氧基酯和其它乙二醇醚酯類；醇類，如甲醇、乙醇、丙醇、2-丙醇、丁醇、戊醇 和其它脂族醇類；芳香烴類，如甲苯、二甲苯、及其它芳族化合物或芳族溶劑的混合物；及 硝基烷類如2-硝基丙烷。一般，適用于本發(fā)明的溶劑必需有上述可混性，且還必需能潤 濕標記材料或者是用于標記材料的良好溶劑。通常，溶劑與標記材料之比為0.01 1到 100 1，此處作為代表性地，壓縮流體與標記材料之比為IXlO5 1到4 1。
標記材料可以是固體或液體，但優(yōu)選的它是固體。此外，標記材料能是有機分子、 聚合物分子、金屬有機化合物分子、無機分子、有機納米粒子、聚合物納米粒子、金屬有機化 合物納米粒子、無機納米粒子、有機微粒、聚合物微粒、金屬有機化合物微粒、無機微粒、和 /或這些材料的復合物等。合適的聚合物包括乙烯、丙烯酸和苯乙烯單體和基本乙烯、丙 烯酸、苯乙烯單體的共聚物；聚酯類、醇酸類、聚氨酯類、纖維素酯類、氨基樹脂類、天然樹膠 和樹脂類、及可交聯(lián)的成膜劑。此外，任何合適的能在具體應用的壓縮流體混合物中增溶/ 分散標記材料的表面活性劑和/或分散劑材料都能加到標記材料和壓縮流體混合物的組 合中。這些材料包括，但不限于環(huán)糊精類、氟化聚合物如全氟聚乙烯、硅氧烷化合物類等。 然而，這些聚合材料經(jīng)常引起打印噴嘴堵塞。因此，使用在co2中有更高溶解度的標記材料 也是有利的。這些材料減輕了對用聚合的表面活性劑來增溶的需求。對可與0)2配伍的材 料的一般設計原則是將所需物質(zhì)束縛到一種或多種與co2有很高親和性的增溶劑上(見 E. Beckmann的論文，標題為“對綠色化學的挑戰(zhàn)設計易溶于二氧化碳中的分子”，發(fā)表于 Chem. Commun. 2004，Vol. 17，pp 1885)。P. Raveendran 和 S. Wall en 在標題為“可更新的親 碳水化合物基C02”的美國專利申請No. 20030072716中公開了一種組成，該組成包括分散 在二氧化碳中的碳水化合物基材料。碳化化合物基材料包括碳水化合物和至少一種非氟的 親C02基團。二氧化碳能是超臨界的液體或氣態(tài)。碳水化合物能是單糖、二糖、三糖、多糖、 環(huán)糖或無環(huán)糖。親C02基團從下述一組基團中選擇，該組基團包括乙?；鶊F、膦?；鶊F、磺 ?；鶊F、—0—C (0) —Rn、—C (0) —Rn、—0—P (0) — (0—Rn) 2、和一NRnRn,，此處 Rn 和 Rn,獨立 地是氫或烷基。他們還公開了形成一種組成的方法，該組成包括分散在二氧化碳中的碳水 化合物基材料。在優(yōu)選實施例中，方法包括(a)提供親C02的碳水化合物，該碳水化合物包 括一個或多個羥基和一個或多個環(huán)上的氫的其中之一 ；(b)用非氟的親C02基化學置換羥 基和環(huán)上氫的至少其中之一，以便形成碳水化合物基材料；和(c)將碳水化合物基材料分 散在二氧化碳中，因而形成一種組成，該組成包括分散在二氧化碳中的碳水化合物基材料。 同樣，在B. Tan和A. Cooper發(fā)表的標題為“用于增溶和乳化的親功能少的(乙酸乙烯酯) C02”的論文(J. Am. Chem. Soc.，2005，Vol. 127，pp. 8938)中報導了束縛到親C02乙酸乙烯酯 低聚物中的疏C02染料的例子。一般，‘疏C02’部分能是功能單元如染料、聚合物、試劑或催 化劑，或者它可以設計成與其它C02不可溶的分子相互作用，而使整體具有表面活性劑的功 能。標記材料中的所有這些變化都設想供與本發(fā)明一起使用。圖2示出對實施本發(fā)明有用的打印設備10的第一實施例的詳細示意圖。微機加工 的歧管30具有第一表面32和第二表面34、在第一表面上的進口 36，和多個微型噴嘴40，上 述進口 36限定為進入通孔37，該通孔37進入置于上述第一和第二表面之間的流體室38， 而上述多個微型噴嘴40各都具有入口 42和出口 44，所述入口 42能與流體室38流體相通， 而出口 44在第二表面34上。在所有圖中，利用開口端的箭頭來代表表面或僅在表面處出 現(xiàn)的零件，而其它部分用充滿的箭頭標出。外殼50圍繞微機加工的歧管30，以便給位于外 部的設備提供機械支承和面接能力，如特定打印應用所要求的。外殼包括外殼導管53，該 導管53穿過任選的密封件54結(jié)合到微機加工歧管30的進口 36上。外殼導管53結(jié)合到 導管52上，該導管52將高壓源20連接到外殼50上，并允許在高壓源20和微機加工歧管 30的進口之間流體相通。導管52還包括雙位閥22，該雙位閥22設在高壓源20和微機加 工歧管30的進口 36之間，用于接通和截斷壓縮流體和標記材料的混合物從高壓源20流到微機加工的歧管30中。任選的密封件54能置于微機加工歧管30的第一表面和外殼50之 間，以便密封微機加工歧管30的進口 36，因此壓縮流體和標記材料的混合物能穿過每個微 型噴嘴40傳送而不漏泄。密封式連接也能用與配合外殼50上專門加工的表面一起合適的 夾緊形成。它也能通過使用密封件54形成。密封件54包括墊片，該墊片由純金屬或金屬 合金箔、特氟隆(Teflon)、及其它聚合材料制成。除了眾所周知的夾緊和膠粘合之外，密封 也能通過粘合操作提供，例如，如Y. Peles等在論文中所述，該論文標題為“用于高壓和高 溫操作用微型發(fā)動機和微型火箭裝置的流體包裝”，發(fā)表于J. of Microelectromechanical Systems, Vol. 13，No. 1，pp31(2004)中。通過將密封件置于微機加工的歧管的第一表面和 外殼之間，跨過微機加工的歧管的整個表面密封代替在微機加工的歧管的進口處的特殊連 接經(jīng)常是有利的。術(shù)語“密封式連接”意指用或不用分開的密封件所形成的不漏泄的連接。 在打印設備10的工作期間，基底60可以由基底運送機構(gòu)62支承，該基底60相對 于微型噴嘴40的出口間隔開?；走\送機構(gòu)62能用來將基底60保持在距微型噴嘴40的 出口一定距離處，和用于與設在外部的設備面接，如特定應用所要求的。當操縱打印設備10時，壓縮流體和標記材料的混合物的高壓源20保持在所需的 溫度和壓力下。導管52和外殼50也保持在所需溫度下，該溫度通常是在高壓源內(nèi)部溫度 的士 50°C范圍內(nèi)。當雙位閥22打開時，壓縮流體和標記材料的混合物被輸送到微機加工 的歧管30的流體室38中，并穿過微型噴嘴40的出口 44作為壓縮流體和標記材料的混合 物的定向射束64排出。定向射束保持標記材料在空間中沿著狹窄的路線。定向射束的發(fā) 散角是由定向射束與在微型噴嘴的外邊緣處垂直于第二表面34的線二者的邊界所形成的 角。圖形是一組標記，該組標記具有限定的空間特點(例如，線條、字母、形狀等)。定向射 束64噴射到基底60上，因而將標記材料以圖形沉積到基底60上。發(fā)散角能由已知在微型 出口處從在微型噴嘴44處的第二表面34到基底的平面表面61的距離和通過測量基底60 上打印的形體(feature)的尺寸進行計算。優(yōu)選的是，定向射束的發(fā)散角小于10°，更優(yōu)選 地小于5°，而最優(yōu)選的是小于3°。圖3示出打印設備的第二實施例，該打印設備用于輸送壓縮流體和標記材料的混 合物，并將標記材料以圖形沉積到基底上。該實施例示出任選的導管連接機構(gòu)58，所述連 接機構(gòu)58用來將外殼導管53連接到導管52上。該實施例還包括控制閥46，所述控制閥 46沿著上述多個微型噴嘴的每一個設置。每個控制閥46都具有第一位置和第二位置，該 第一位置提供連續(xù)的輸送路線，而第二位置限制上述壓縮流體混合物流過上述噴嘴的每一 個。每個控制閥都單獨受控制，且它可以包括壓電、熱、電磁和/或靜電驅(qū)動機構(gòu)。這些控制 閥用來控制標記材料流到基底，且通常以時標(time scale)0. 00001-1秒接通和關(guān)閉。相 關(guān)的控制閥結(jié)構(gòu)能基于發(fā)表的文獻加入。例如，D.C.Roberts等在Proceedings of SPIE， Vol. 4327,pp366 (2001)中公開了一種用于高壓、高頻應用的壓電式驅(qū)動的微型閥。另一些 例子包括Herming等人在標題為“低功率熱氣動微型閥”的美國專利申請No. 6129331中所 公開的微型閥和R. J. Barron等于2005年1月25日授權(quán)的標題為“熱驅(qū)動式微型閥裝置” 的美國專利No. 6845962所公開的微型閥促動器。圖4示出便攜式打印設備10的實施例，該便攜式打印設備10用于輸送壓縮流體 和標記材料的混合物，并將標記材料以圖形沉積在基底上。在該實施例中，高壓源20被可 拆卸罐28代替，該罐28預裝有預定量的標記材料和壓縮流體的混合物，所述混合物取熱力學穩(wěn)定的混合物。雙位閥22和導管52附接到可拆卸罐28上。導管52通過導管連接機構(gòu) 58連接到外殼50上。導管連接機構(gòu)58可以是任何類型的泄漏式連接器，如Swagelock、 NPT或高壓管道配件，并提供用于快速從打印頭100快速連接和除去可拆卸罐28。外殼50 具有合適的配合連接，該配合連接附接在密封件54上方，以便成功地將可拆卸罐28連接到 打印設備10的其余部分上。因此可拆卸罐28通過導管連接機構(gòu)58可拆卸地連接到外殼 50上。該打印設備能制成便攜式，而可拆卸罐28能如此制造，以使操作者120能很容易將 它握在手中。因此整個打印設備能手持，且能在操作人員控制下將圖形打印在任何表面上。 雙位閥22也可以用按鈕操縱，因此操作人員120能很容易控制壓縮流體和標記材料流到基底60上。圖5示出打印設備10的第四實施例，該打印設備10用于輸送壓縮流體和標記材 料的混合物，并將標記材料沉積在基底上。在該實施例中，分開的壓縮流體源24通過壓縮 流體導管25連接到裝有壓縮流體和標記材料的混合物的高壓源20上。壓縮流體控制閥21 是在壓縮流體導管25中，以便控制壓縮流體流到高壓源20中。分開的標記材料源26也通 過標記材料導管27連接到裝有壓縮流體和標記材料的混合物的高壓源20上。標記材料控 制閥23是在標記材料導管27中，以便控制標記材料流到高壓源20中。這能實現(xiàn)分開控制 將標記材料和壓縮流體輸入到高壓源20，因此能實現(xiàn)持續(xù)的連續(xù)運行。任選的擋板66能包 括在微型噴嘴出口 44和基底60之間。擋板還能控制壓縮流體和標記材料的混合物排出微 型噴嘴40輸送到基底60的時間。當擋板打開時，壓縮流體和標記材料的混合物的定向射 束64將沖擊基底60，而當擋板關(guān)閉時，上述射束64將不沖擊基底60。擋板還可以包括擋 板收集機構(gòu)(未示出)，以便當擋板關(guān)閉時收集從微型噴嘴40排出的噴射的材料。圖1-5中所示的打印設備10也可以包括多個高壓源20，該多個高壓源20分別裝 有不同的壓縮流體和標記材料的混合物，它們結(jié)合到微型加工歧管30上，該歧管30包含多 個進口 36，用于每個高壓源20。每個高壓源20還都有它們自己的溫度和壓力控制機構(gòu)。 多個進口 36的每個進口都用它們自己的微型噴嘴陣列40連接到它們自己的分開的流體室 38上。包含歧管的多個流體室38在需要將多種標記材料打印到基底上如彩色打印的應用 中是有用的。另外，圖1-5中所示出的任何打印設備都可以包括擋板66。圖6示出按本發(fā)明制造的具有多個高壓源20A，20B和20C的打印設備100的局部 視圖。圖6中示出的是外殼50的頂部和與多個高壓源20A，20B和20C的外部連接，該多個 高壓源20A，20B和20C包含分開的壓縮流體源24A，24B和24C及標記材料源26A，26B禾口 26C。導管連接機構(gòu)58A，58B和58C將外部導管52A，52B和52C連接到外殼導管53A，53B 和53C上。壓縮流體控制閥21A，2IB和2IC控制壓縮流體從壓縮流體源24A，24B和24C流 到高壓源20A，20B和20C中。同樣，標記材料控制閥23A，23B和23C控制標記材料從標記 材料源26A，26B和26C輸送到高壓源20A，20B和20C。因此，能單獨地控制多個壓縮流體和 標記材料的混合物輸送到微機加工的歧管中。圖7示出微機加工的歧管30的部件分解圖，該微機加工的歧管30包含多個進口 36，每個進口 36都有它們自己的流體室38，和流體室38分別標有A，B和C，且都各包含微 型噴嘴陣列40。歧管的這種配置具有第一表面32，所述第一表面32平行于第二表面34。 微機加工的歧管30由兩個分開的部分裝配而成。歧管的第一部件31包括歧管的第一表面 32，該第一表面32裝配到外殼50中，并通過密封件54密封到導管52上。歧管的第一部件31是切割好的薄片，該薄片具有微機加工的通孔37，所述通孔37具有進口 36和流體室入 口 39。歧管的第二部件33包括多個微機加工的流體室38和微型噴嘴40陣列，每個微型噴 嘴陣列都具有微型噴嘴入口 42和微型噴嘴出口 44，該微型噴嘴入口 42在微機加工的流體 室38的底部處，而微型噴嘴出口 44在微機加工的歧管30的第二表面34上。兩個部分分 開制備，且優(yōu)選地用硅、玻璃或其它取扁平薄片的形式可微機加工的基底制成。微機加工工藝的詳細情況可在任何有關(guān)顯微制造的標準教科書如Sami Franssila所著“顯微制造導論”(2004年，John Wiley and Sons，Ltd出版)中找到。微機 加工的歧管30能由單晶、多晶或無定形硅片或由其它材料制備成，所述其它材料包括石英 (Si02)、砷化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC)、熔凝硅石、藍寶石，氧化鋁、其它玻璃，聚合物或不銹 鋼。通常，微機加工的歧管30按下列順序制造。典型地，首先通過深度反應離子蝕刻(DRIE) 法制備流體室38。然后蝕刻通孔。在微機加工之后，將兩個部分清潔、對準，和然后在粘合 表面35處粘合在一起。粘合可以用沉積層通過任何直接或間接粘合技術(shù)實施。合適的粘 合技術(shù)包括熔融粘合，陽極粘合，熱壓粘合或膠粘劑粘合。在把薄片粘合在一起之后，將它 們切片到最終尺寸。圖8示出另外的微機加工的歧管30’的部件分解圖，該歧管30’包含多個進口 36 和分開的流體室38，所述多個流體室38后面分別標有A，B和C，每個流體室38都包含微型 噴嘴陣列40。微機加工的歧管30’的這種配置具有第一表面32，該第一表面32垂直于第二 表面34。這里另外的微機加工的歧管30’的第一部件31與圖7所示的第一部件相同。在 這種情況下，另外的微機加工的歧管30’的第二部件33具有若干微型噴嘴40，該微型噴嘴 40穿過流體室38的側(cè)壁定向，具有它們的微型噴嘴入口 42和它們的微型噴嘴出口 44，所 述微型噴嘴入口 42裝入流體通道的側(cè)壁內(nèi)部，而微型噴嘴出口 44是在薄片的側(cè)邊緣上，該 側(cè)邊緣限定第二表面34。微型噴嘴40在該另外的微機加工的歧管30’配置中很容易成形 為矩形橫斷面。如在圖7的討論中那樣，第一部件31和第二部件33首先分開制造、清潔、 對準、在粘合面35處粘合在一起并切片。當如圖11和13中所示安裝在打印頭100中時， 另外的微機加工的歧管30’夾在外殼50和壓力安裝板80之間，該外殼50在歧管安裝面51 處穿過第一表面32處的墊片56，面壓力安裝板80在第二部件33的壓力板安裝面45處，所 述壓力板安裝面45用外殼附加物59夾緊在合適位置。圖9示出第二另外的微機加工的歧管30”的部件分解圖，該歧管30”具有第一表面 32，所述第一表面32垂直于第二表面34。在這種情況下，進口 36，通孔37，流體室入口 39， 流體室38，微型噴嘴入口 42，微型噴嘴40和微型噴嘴出口 44全都在另外的第一部件41中 微機加工。這里，另外的第二部件43不需要微機加工。在微機加工另外的第一部件41之 后，將兩個薄片清潔，對準，在粘合面35處粘合在一起并切片。當如圖11和13所示安裝在 打印頭100中時，第二另外的微機加工的歧管30”被夾在外殼50和壓力板80之間，該外殼 50在歧管安裝面51處穿過第一表面32處墊片56，而壓力板80在另外的第二部件43的壓 力板安裝面45處，所述壓力板安裝面45用外殼附加物59夾緊在合適位置。圖10示出用來實施本發(fā)明的第二另外的微機加工的歧管30”的側(cè)剖圖。圖10包 括墊片56，該墊片56用來將第二另外的微機加工的歧管30”高壓密封到外殼50上。墊片 50面接到微機加工的歧管30的第一表面32上，并包括一個或多個墊片孔57，所述墊片孔 57與通孔37的輸入口 36對準，因此當面接到外殼上時，能實現(xiàn)壓縮流體和標記材料進入流體室38的流路。一般，流體室38和微型噴嘴40能機加工到不同的深度，如圖10中所示。圖11示出打印頭100的部件分解圖，該打印頭100包括如圖9所示的第二另外的微機加工的歧管30”。圖8所示的另外的微機加工的歧管30’也能在圖11所示的打印頭 100中使用。微機加工的歧管30”安裝在打印頭100中，并在壓縮作用下用壓力板80和墊 片56保持在合適位置，所述壓力板80與微機加工的歧管30”的壓力板安裝面45接觸，而墊 片56與微機加工的歧管30”的第一表面32接觸。圖12中示出的墊片56具有墊片對準孔 83，該墊片對準孔83裝配到外殼對準銷82中，當墊片安裝并壓緊外殼的歧管安裝面51時， 上述外殼對準銷82將墊片孔57與外殼導管出口 55對準。圖12所示的墊片56用美國銦公 司的50 μ m厚的銦合金#2制成，該銦合金#2具有組成為In(80% )-Pb (15% )~Ag(5%), 但墊片56也能用任何軟金屬合金箔或高溫塑料材料如特氟隆或聚酰亞胺制成。墊片56中 的孔通過激光切割法制成，照原樣邊緣切割到最終尺寸。在安裝到打印頭100中之前，將微 機加工的歧管30”切片到合適尺寸，以便當它安裝時，進口 36與墊片孔57(如圖10所示) 和外殼導管出口 55對準。在墊片安裝到外殼50中之后，將如圖11中取向的微機加工的歧 管30”的底部和左邊緣設定到使對準銷82與面向墊片56的第一表面32和面向上的第二 表面34接觸。然后將壓力板80的對準銷槽84插到對準銷82中并壓緊在一起。然后將安 裝板支承件安裝到外殼50上，以便壓力板80裝配在壓力板支承件切口 108中，同時將壓力 板支承件螺栓88插到壓力板支承件86的壓力板支承件螺栓槽94中，并用螺紋擰到外殼50 上的螺栓插口 102中。為了向微機加工的歧管30”的壓力板安裝面45，墊片56和歧管安裝 面51供應均勻的壓力，將壓力分配銷90插到壓力板支承件86內(nèi)的壓力分配銷槽92中，該 壓力板支承件86接觸壓力板80的壓力分配面85。壓力通過張力控制螺栓98加到壓力分 配銷90上，該張力控制螺栓98在壓力分配器螺栓孔99處結(jié)合并穿過壓力分配器96，并插 到壓力板支承件86上的張力控制螺栓插孔110中。圖11的打印頭100的組裝好的視圖在 圖13中示出。壓力分配器的下部具有隱藏的壓力分配點128，該壓力分配點128面向壓力 板支承件86。這使壓力能均勻地分布在歧管30”上，以便形成牢固的墊片密封，該墊片密封 能經(jīng)受住在40-100°C和1-350巴工作壓力范圍內(nèi)的工作條件。墊片56是保證密封連接的 密封件的例子。圖11還包括導管連接機構(gòu)58，該導管連接機構(gòu)58將打印頭100結(jié)合到圖 1-5所示的導管52上。在圖11中未示出的是外殼導管53，該外殼導管53提供從導管連接 機構(gòu)58到外殼導管出口 55的連續(xù)流路，因此能在高壓源20和微機加工的歧管30”的進口 36之間流體相通。另外包括在外殼50和/或外殼附加物59中的是加熱器槽104和熱電偶 槽106，所述加熱器槽104用于埋置加熱器，以便控制歧管的溫度，而墊電偶槽106用于安裝 熱電偶或熱敏電阻，該熱電偶或熱敏電阻用于監(jiān)測打印頭的溫度。各微型噴嘴40沿著它們的長度能具有恒定的截面積或可變的截面積。在美國專 利#6752484中公開了不同的噴嘴設計。在任一微機加工的歧管設計30，30，或30”中形體 的典型尺寸是在0. 1 μ m到2000 μ m的范圍內(nèi)。各微型噴嘴40的長度能是0. 10-2000 μ m 長，深度能在0. 1-500 μ m范圍內(nèi)，及寬度能在0. 1-500 μ m范圍內(nèi)。更優(yōu)選地，各微型噴嘴 40的長度能是50-1000 μ m長，深度能在5-100 μ m范圍內(nèi)，及寬度能在5-100 μ m范圍內(nèi)。 最優(yōu)選地，各微型噴嘴40的長度能是50-900 μ m長，深度能在5_50 μ m范圍內(nèi)，及寬度能在 5-50μπι范圍內(nèi)。流體室38能設計成在分配流動時降低任何流動波動。然而，在某些情況 下使其體積最小可能是有利的。同樣，使通孔37的體積最小也可能是有利的。
當用壓縮流體如CO2打印時，氣體經(jīng)歷快速膨脹，而標記材料沿著起初氣體速度 前進被運送。通常，標記材料作為納米級粒子存在于定向射束中，該納米級粒子直徑小于 Ιμπι，而其中許多能是直徑小于0. Ιμπι的納米級粒子。當這些納米級粒子接近基底時，它 們可以粘附到表面上，變得埋置于表面下方或彈起脫離基底的表面。收集任何彈起脫離基 底的表面的標記材料的粒子都是有利的。為此已研制出了包括抽吸機構(gòu)的粒子收集機構(gòu)。 圖14是具有粒子收集機構(gòu)150的打印頭的三維視圖，該粒子收集機構(gòu)150包含另外的微機 加工的歧管30’或第二另外的微機加工的歧管30”和粒子抽吸機構(gòu)112。粒子抽吸機構(gòu)112 圍繞具有粒子收集機構(gòu)150的打印頭，且它具有抽吸通道114，該抽吸通道114銑削成它具 有任選的多個抽吸微型通道116。抽吸通道114的銑削成的開口面向基底，像第二表面34 的微型噴嘴出口 44那樣。粒子抽吸機構(gòu)112還具有附接于其上的抽吸機構(gòu)后擋板113。抽 吸機構(gòu)后擋板113具有連接機構(gòu)，該連接機構(gòu)用于附接到合適的真空源如吸氣器或真空泵 上，以便提供抽吸能力。同一抽吸機構(gòu)112還捕集在打印過程期間所釋放出的廢氣。這些 廢氣然后能被傳送到再循環(huán)系統(tǒng)。圖14還清楚地示出打印頭安裝機構(gòu)118，該打印頭安裝 機構(gòu)118用于將打印頭面接到定位機構(gòu)上。該打印頭安裝機構(gòu)能加到該專利文獻所說明的 任何打印設備中。圖15示出收集機構(gòu)154相對于打印頭的安排，該打印頭具有粒子收集機構(gòu)150，所 述粒子收集機構(gòu)150與抽吸導管152連接在一起。收集機構(gòu)154包括真空源，且還可以包 括溶劑槽，該溶劑槽裝有水或在收集粒子中有用的其它合適液體及濾膜、沖擊器等。圖16是微機加工的歧管的部件分解圖，該歧管具有粒子抽吸機構(gòu)160，所述粒子 抽吸機構(gòu)160合并到歧管中。微機加工的歧管160具有與圖7所示的微機加工的歧管30相 同的基本結(jié)構(gòu)，而外加微機加工的抽吸通道122和在第一部件161上的抽吸宏大通道126， 該第一部件上的抽吸宏大通道126與第二部件163上的抽吸宏大通道124配合。這兩個 部件161和163粘合在一起，并在使用之前切片。用于該歧管的外殼包括抽吸通道(未示 出)，所述抽吸通道與圖15所示的抽吸導管152流體相通。盡管在圖16中僅示出一個流體 的通道38，但能像圖7中所示的那樣建造多個流體的通道38，而集成的粒子抽吸機構(gòu)合并 到具有抽吸機構(gòu)160的微機加工的歧管中。這能收集和再循環(huán)未打印的材料。基底能設在基底運送機構(gòu)62上，該基底運送機構(gòu)62用來在打印設備100的工作期間控制基底的運動?；走\送機構(gòu)62能是滾筒χ、y、ζ傳送器，任何其它已知介質(zhì)運送 機構(gòu)等。打印頭位置也能用x、y、ζ運送機構(gòu)控制，該x、y、ζ運送機構(gòu)面接到打印頭安裝機 構(gòu)118上。打印設備100可以具有歧管30，該歧管30這樣剛性地連接到增壓源上，以使微 機加工的歧管30固定和基底運動機構(gòu)62相對于微機加工的歧管30可拆卸地定位，同時從 微型噴嘴的出口 44到基底保持預定的距離。打印設備100也可以具有基底運送機構(gòu)和微 機加工的歧管30，所述基底運送機構(gòu)可朝第一方向移動，而微機加工的歧管30可朝第二方 向移動，同時從微型噴嘴的出口 44到基底保持預定的距離。打印設備100還能具有撓性地 連接到高壓源20上的微機加工的歧管30，該歧管30可朝至少第一方向上移動，而基底運送 機構(gòu)62固定，且僅用于保持基底60。在所有這些情況下，打印設備100具有運送機構(gòu)，以 便相對于基底控制定向射束64的側(cè)向(x，y)位置，而基底60保持在距微型噴嘴的出口 44 一預定距離處。本文所公開的任何打印設備10都能包括相對于打印頭設置的清潔工位，其中打印頭可移動到清潔工位上方的位置，如Sadasivan等在美國專利No. 6672702中所公開的。 清潔工位也可以包括收集機構(gòu)，以便收集從打印頭100中清出的材料。本文所公開的任何 打印設備10還能包括校準工位，該校準工位與Sadasivan等在美國專利No. 6672702中所 公開的校準工位相同。例 1利用250ml高壓容器作為打印材料源。容器具有浮動活塞，電阻加熱器和機械攪 拌器，以便能在所需壓力和溫度下運行。容器用不銹鋼管路連接到外殼上，該不銹鋼管路用 循環(huán)水夾套保持在恒溫下。9. 9mm長、2. 5mm寬、和1. 135mm厚的微機加工的玻璃-硅歧管 的硅側(cè)通過插入In(80% )-Pb(15% )-Ag(5% )墊片與外殼面接，該墊片有激光切割的孔， 以便與外殼中的導管配合。圖17示出在該例中所用的微機加工的歧管30”的一部分的光 學顯微照片。圖17的照片中所顯示的微機加工的歧管30”除了每個流體室38中僅有一個 微型噴嘴40之外，類似于圖9所示的歧管30”。圖17的照片用玻璃或另外的第二部分43 面向上拍攝。所有微機加工都在底部硅層或另外的第一部件41中進行。中心微型噴嘴40 在該例1中用來證明打印能力。微機加工的歧管30”的進口 36和通孔37均為500 y m長， 100 y m寬，和410 ii m深。它們各都通到流體室38，該流體室38通常也是500 y m長，100 y m 寬，和15iim深。流體室38通到100 iim寬15 iim深的微型噴嘴入口 42中。微型噴嘴40 平行于微機加工的歧管30”的主表面，基本上提供側(cè)向拍攝配置。沿著620 u m長的微型噴 嘴40，它們具有矩形橫斷面，該矩形橫斷面包含15 ym深的收斂-擴散的外形。在用虛線 48表示的喉管臨界截面處的寬度約為37 u m,該寬度向后發(fā)散到在微型噴嘴出口 44處的約 100 urn.圖17中標有A環(huán)繞微型噴嘴出口 44的橢圓形針對一橫斷面，該橫斷面示出環(huán)繞 微型噴嘴出口 44的第二表面34的表面圖。盡管進口 36，流體室38，和微型噴嘴40是由整 個硅片微機加工制成，但它們是在粘合表面35處用膠粘合到710 y m厚的玻璃層上。圖12 中所示的微機加工的歧管30”和墊片56被夾緊在一起，以便用圖11和13中所示的設備提 供外殼50和微機加工的歧管30”之間的防漏連接。外殼50保持固定，并這樣定向，以使微 機加工的歧管30”的微型噴嘴44的出口在平行于基底的所需距離處間隔開?；?0安裝 在可移動的運輸階段上，并用其后側(cè)上的真空抽吸保持在合適位置，該后側(cè)用作基底運送 機構(gòu)62。在40°C和100巴下于高壓容器中制備含240mg染料_1(過乙酰化乙二醇共軛 (peracetylated glycoconjugated)的著色劑)和200g C02的均勻壓縮的流體溶液，用作
加壓流體和標記材料的高壓源20。染料-1的分子結(jié)構(gòu)如下<formula>formula see original document page 16</formula>利用Kodak(柯達)照相級噴墨紙作為基底60。Kodak照相級噴墨紙的設計在本 文所引用的美國專利6040060中說明。Kodak照片級噴墨紙包括原料紙基底，然后在該原料 紙基兩面上涂裝樹脂。隨后將該紙在一面上涂裝兩個油墨接收層。基底層包括明膠和從下 面一組中所選定的材料，該組材料包括羧甲基纖維素，聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇，羥乙基 纖維素及其混合物。頂層包括從下面一組中所選定的材料，該組材料包括丙烯酸_ 二烯丙 基二甲基氯化銨_羥丙基丙烯酸共聚物和丙烯酸_ 二烯丙基二甲基氯化銨聚合物。頂層約 為1-3 μ m厚，而接觸涂裝樹脂的紙的基底層約為10-15微米厚。當高壓室20和外殼50之間的雙位閥22打開時，壓縮流體混合物在作為射向基底 60的定向射束64排出之前，流過外殼50和微機加工的歧管30”?；走h離微型噴嘴出口 44和第二表面34間隔開2mm，并在側(cè)向上以約2. 3m/min的速度移動。所產(chǎn)生的線條約為 250 μ m寬，如圖18所示的照片中所示。壓縮流體和標記材料的定向射束64的發(fā)散角在該 例1中約為2. 15°。例 2例1中的外殼50附接到不同的位置控制單元上，該位置控制單元使基底能沿著χ 軸線移動，且外殼現(xiàn)在可移動_對每條新線沿著y軸線前后垂直地位移。然后除了下述條 件之外重復例1 : (1)壓縮流體混合物保持在125巴壓力下；(2)基底60在第二表面43處 與微型噴嘴出口 44間隔開0. 76mm ；和(3)外殼50和基底60在約5. 31m/min的額定速度 下前后側(cè)向移動。平均線寬為約184μπι(見圖19)，這相當于發(fā)散角為3.2°。例 3除了下列條件之外重復例2 (1)壓縮流體混合物保持在200巴壓力下；和(2)夕卜 殼50和基底60在約15. 93m/min的額定速度下前后側(cè)向移動。平均線寬為約104 μ m，這相 當于發(fā)散角為0.15° .例 4例2的微機加工的歧管30”用新的微機加工的歧管30”代替，該新的微機加工的歧 管30”由兩個硅片熔融粘合在一起制成。歧管的進口具有200 μ m直徑的圓形橫斷面。它通 向流體室，該流體室為約350 μ m寬，350 μ m長和50 μ m深。該流體室連接到微型噴嘴上，該 微型噴嘴橫斷面是矩形，10 μ m寬，50 μ m深和225 μ m長。實驗用下列操作條件類似于例2 進行(1)壓縮流體混合物保持在100巴壓力和40°C下；(2)基底遠離微型噴嘴出口 0. 76mm放置；和(3)外殼在約5.31m/min的額定速度下前后側(cè)向移動。平均線寬為約60 μ m(見圖 20)，這相當于發(fā)散角為0.37°。例 5遵循與例2相同的操作手續(xù)，但在設備、材料，和工作條件方面作了少數(shù)改變，如 下所述。(1)例2的微機加工的歧管用新歧管代替，該新歧管由兩個硅片溶融粘合在一起制 成。歧管的進口具有200μπι直徑的圓形橫斷面。它通向流體室，該流體室為約350 μ m寬， 350 μ m長和50 μ m深。在該室與微型噴嘴的接合處，所需的小結(jié)構(gòu)流動，以便在進入微型噴 嘴之前沿著其通過。微型噴嘴橫斷面為矩形，20μπι寬，50μπι深和900μπι長。(2)在40°C 和100巴壓力下于高壓容器中制備均勻的壓縮流體溶液，該溶液含404mg染料_2(過乙碘 化乙二醇共軛著色劑)，0. 64g丙酮，和200g C02。染料-2的分子結(jié)構(gòu)如下
<formula>formula see original document page 17</formula>
(3)使用普通紙作為基底，且它遠離微型噴嘴出口 1. 168mm放置；和(4)外殼在 約26.56m/min的額定速度下前后側(cè)向移動。平均線寬為約128 μ m，這相當于發(fā)散角為 1. 92°。部件明細表標號部件名稱10打印設備20高壓源21壓縮流體控制閥22雙位閥23標記材料控制閥24壓縮流體源25壓縮流體導管26標記材料源27標記材料導管28可拆卸罐30微機加工的歧管30’另外的微機加工的歧管30”第二另外的微機加工的歧管31第一部件32第一表面
33第二部件34第二表面35粘合面36進口
37通孔38流體室39流體室入口40微型噴嘴41另外的第一部件42微型噴嘴入口43另外的第二部件44微型噴嘴出口45壓力板安裝面46控制閥48微型噴嘴噴管臨界截面50夕卜殼51歧管安裝面52導管53外殼導管54密封件55外殼導管出口56墊片57墊片孔58導管連接機構(gòu)59外殼附加物60基底61基底的平面表面62基底運送機構(gòu)64定向的射束66擋板80壓力板82對準銷83對準孔84對準銷槽85壓力分配面86壓力板支承件88壓力板支承件槽90壓力分配器銷92壓力分配器銷槽
94壓力板支承件螺栓槽96壓力分配器98張力控制螺栓99壓力分配器螺栓孔100打印頭102螺栓插孔104加熱器槽106熱電偶槽108壓力板支承件切口110 張力控制螺栓插孔112抽吸機構(gòu)113抽吸機構(gòu)后擋板114抽吸通道116抽吸微型通道118 安裝機構(gòu)120操作人員122微機加工的抽吸通道124抽吸微型通道第二部件126抽吸微型通道第一部件128 隱藏的壓力分配點150 具有粒子收集機構(gòu)的打印頭152抽吸導管154 收集機構(gòu)
160 具有抽吸機構(gòu)的微機加工的歧管161第一部件163第二部件
權(quán)利要求
一種打印設備，用于輸送壓縮流體和標記材料的混合物，并將標記材料以圖形沉積到基底上，包括壓縮流體和標記材料的混合物的高壓源；微機加工的歧管，該微機加工的歧管包括多個微型噴嘴、流體室、進口，該微機加工的歧管包括第一表面和第二表面，第一表面的一些部分限定進口，該進口與流體室流體相通地連接，每個微型噴嘴都具有入口和出口，入口與流體室流體相通地連接，出口位于第二表面上，每個微型噴嘴都成形為產(chǎn)生壓縮流體和標記材料的混合物的定向射束到微型噴嘴的出口之外；和外殼，該外殼與高壓源和微機加工的歧管的進口流體相通地連接，外殼和微機加工的歧管之間的連接是密封式連接。
2.如權(quán)利要求1所述的打印設備，多個微型噴嘴的每個都包括控制閥，其中每個控制 閥都具有第一位置和第二位置，所述第一位置提供壓縮流體和標記材料的混合物穿過微型 噴嘴的連續(xù)流動，而第二位置限制壓縮流體和標記材料的混合物穿過微型噴嘴的流動。
3.按照權(quán)利要求1所述的打印設備，還包括基底運送機構(gòu)，其中運送機構(gòu)和外殼的至少其中之一在運行期間控制基底和微機加工 的歧管的相對位置。
4.按照權(quán)利要求1所述的打印設備，還包括粒子收集機構(gòu)，以便捕集未粘附到基底上的標記材料。
5.按照權(quán)利要求4所述的打印設備，粒子收集機構(gòu)包括通道，該通道位于外殼上并面 向基底，通道連接到真空源上。
6.按照權(quán)利要求4所述的打印設備，其中一部分粒子收集機構(gòu)整合到微機加工的歧管中。
7.按照權(quán)利要求1所述的打印設備，其中高壓源包括可拆卸罐，該罐裝有熱力學穩(wěn)定 的標記材料和壓縮流體的混合物，罐通過導管連接機構(gòu)可拆卸地連接到外殼上。
8.按照權(quán)利要求7所述的打印設備，其中打印設備是用戶便攜式的。
9.按照權(quán)利要求1所述的打印設備，其中高壓源包括壓縮二氧化碳和過乙?；叶?共軛的標記材料的混合物。
10.按照權(quán)利要求1所述的打印設備，還包括標記材料源，該標記材料源連接到高壓源上。
11.按照權(quán)利要求1所述的打印設備，還包括壓縮流體源，該壓縮流體源連接到高壓源上。
12.按照權(quán)利要求1所述的打印設備，高壓源是第一高壓源，微機加工的歧管的進口是 第一進口，微機加工的歧管的流體室是第一流體室，微機加工的歧管的多個微型噴嘴是第 一多個噴嘴，設備還包括壓縮流體和標記材料的混合物的第二高壓源，微機加工的歧管包括第二進口，第二進 口通過外殼與第二高壓源流體相通，第二進口與第二流體室流體相通地連接，該第二流體 室與第二多個微型噴嘴流體相通地連接。
13.如權(quán)利要求12所述的打印設備，其中包括第二進口、第二流體室、和第二多個微型 噴嘴的微機加工的歧管的部分與包括第一進口、第一流體室、和第一多個微型噴嘴的微機加工的歧管的部分物理地分開。
14.按照權(quán)利要求1所述的打印設備，其中微機加工的歧管的第一和第二表面相互垂直。
15.按照權(quán)利要求1所述的打印設備，其中微型噴嘴具有至少兩個尺寸，該兩個尺寸在 Ιμ 禾口 200 μ m 之間。
16.按照權(quán)利要求1所述的打印設備，其中高壓源還包括溶劑。
17.一種打印方法，包括提供壓縮流體和標記材料的混合物的高壓源；提供微機加工的歧管，該歧管包括第一表面和第二表面，第一表面的一些部分限定進 口，進口與流體室流體相通地連接，多個微型噴嘴每個都具有入口和出口，入口與流體室流 體相通地連接，出口位于第二表面上，每個微型噴嘴都成形為產(chǎn)生壓縮流體和標記材料的 混合物的定向射束到微型噴嘴的出口之外；提供外殼，該外殼與高壓源和微機加工的歧管的進口流體相通地連接；和控制壓縮流體和標記材料的混合物的壓力，以便形成壓縮流體和標記材料的混合物的 定向射束到每個微型噴嘴的每個出口之外。
18.按照權(quán)利要求17所述的方法，其中高壓源包括壓縮的二氧化碳和標記材料的混合 物，該標記材料具有疏CO2基團和非含氟的親CO2基團。
19.按照權(quán)利要求17所述的方法，其中高壓源包括壓縮的二氧化碳和過乙酰化乙二醇 共軛的標記材料的混合物。
20.按照權(quán)利要求17所述的方法，其中高壓源還包括溶劑。
21.按照權(quán)利要求20所述的方法，其中溶劑與標記材料之間的比值在0.01 1和 100 1之間。
22.按照權(quán)利要求17所述的方法，其中壓縮流體和標記材料的比值在IXlO5 1和 4 1之間。
23.按照權(quán)利要求17所述的方法，多個微型噴嘴的每個都包括控制閥，方法還包括利 用每個控制閥來控制壓縮流體和標記材料的混合物穿過微型噴嘴的流量。
24.按照權(quán)利要求17所述的方法，還包括捕集未粘附到基底上的標記材料。
25.按照權(quán)利要求17所述的方法，其中高壓源是第一高壓源，微機加工的歧管的進口 是第一進口，微機加工的歧管的流體室是第一流體室，微機加工的歧管的多個微型噴嘴是 第一多個噴嘴，方法還包括提供壓縮流體和標記材料的混合物的第二高壓源，微機加工的歧管包括第二進口，第 二進口通過外殼與第二高壓源流體相通，第二進口與第二流體室流體相通地連接，該第二 流體室與第二多個微型噴嘴流體相通地連接；和控制壓縮流體和標記材料的混合物的第二高壓源的壓力，以便形成第二壓縮流體和標 記材料的混合物的定向射束到每個第二多個微型噴嘴的每個出口之外。
全文摘要
一種用于輸送壓縮流體和標記材料的混合物并將標記材料，以圖形沉積到基底上的方法和設備，包括壓縮流體和標記材料的混合物的高壓源。微機加工的歧管包括多個微型噴嘴、流體室和進口，而微機加工的歧管的第一表面的一些部分限定進口，進口與流體室連接成流體相通。每個微型噴嘴都具有入口和出口，入口與流體室流體相通，而出口位于微機加工的歧管的第二表面上。每個微型噴嘴都成形為在微型噴嘴的出口外面產(chǎn)生混合物的定向射束。外殼與高壓源和微機加工的歧管的進口連接。
文檔編號B41J2/04GK101808826SQ200880108596
公開日2010年8月18日 申請日期2008年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月25日
發(fā)明者G·A·豪金斯, M·A·馬庫斯, R·V·梅塔, R·王 申請人:伊斯曼柯達公司