CN1646324A - 流体泵送及液滴沉积装置 - Google Patents

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Abstract

在根据喷墨打印的需要进行滴落的流体泵送装置中，采用一种弹性可变形的腔室壁以便产生声波，从而在腔室出口处产生流体流动。优选地，该弹性可变形的腔室壁同时包括刚性和柔性部分。在可选的配置中，通道壁设有在致动方向上可移动的区域。电磁致动器根据磁通调制原理运行。本发明优选为平面构造，采用MEMS技术制造。

Description

流体泵送及液滴沉积装置
技术领域
本发明涉及一种流体泵送装置，尤其涉及适用于根据喷墨打印的需要而滴落的液滴沉积装置。
背景技术
流体泵送装置，尤其是微型的流体泵送装置具有许多商业上的重要用途，包括药剂的分配，特别是例如生产气溶胶的装置。本发明的目的是寻求提供一种改进的流体泵送装置以及改进的流体泵送致动器。
特别感兴趣的流体泵送的应用是打印。数字打印、特别是喷墨打印正迅速成为许多全球印刷市场的重要技术。可以展望的是，一分钟能够打印超过100页的页宽打印机很快将能够在商业市场上获得。
如今的喷墨打印机通常使用两种致动方法之一。在第一种方法中，加热器用来使墨水沸腾从而产生足够尺寸的气泡来喷射相应的墨滴。气泡喷射打印机所用的墨通常是水性的，因此需要大量的能量来汽化墨水并产生足够的气泡。这容易导致驱动电路成本的增加，并同时减少打印头的使用寿命。
第二种致动方法使用能够根据电场驱动发生变形的压电元件。该变形或者通过腔室内压力的增加，或者通过在通道中形成声波而引起喷墨。针对压电打印头的墨水的选择面宽得多，如溶剂的、水性的、热熔的以及油基的墨均可。
本发明进一步的目的是寻求提供一种改进的液滴沉积装置和改进的液滴沉积致动器。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种流体泵送装置，该装置包括：限定了液体腔室的腔室壁，所述腔室壁的其中之一在致动方向上是弹性可变形的；腔室出口，和远离腔室的致动器，该致动器沿所述致动方向作用在所述弹性可变形通道壁上，以在腔室内引发声波，并由此在腔室出口处引起流体流动。
根据本发明的第二个方面，提供了一种液滴沉积装置，该装置包括：限定了液体腔室的腔室壁，所述腔室壁的其中之一在致动方向上是弹性可变形的；与该腔室相连接的喷嘴；用于提供经过腔室的连续液流的液体源；用于反射腔室液体中的声波的声界(acoustic boundary)；和远离腔室及液体源的致动器，该致动器沿所述致动方向作用在所述弹性可变形腔室壁上，以在腔室液体中引发声波，从而引起通过所述喷嘴的液滴喷射。
弹性可变形腔室壁优选位于与包含喷嘴的壁相对的位置，形成将致动器与通道内流体隔离开的液体密封。可变形壁可以是位于致动器和壁状部件之间的公共薄片。
弹性可变形腔室壁优选包括：基本为刚性的元件，该元件能够将力由致动器传递到通道内的液体；以及至少一个挠性元件。该挠性元件限定刚性元件沿致动方向的运动，并优选在液体压力下保持刚性。已经发现，平行四杆机构特别适合于刚性元件，并且在致动器包括推杆的情况下，能够直接作用且可以真正施加到刚性元件上。
在特别适合的配置中，流体腔室包括具有弹性可变形通道壁的长条形液体通道，其中挠性元件可以延伸经过壁的整个宽度，也可以仅在壁的一部分上。在这样的配置中，刚性元件典型地沿通道的长度方向延伸，致动是在与通道长度垂直的方向，从而沿致动方向使长条形通道壁弹性地变形。
致动器自身可以是任何合适的装置，但是在优选的致动器实施例中，推杆作为电磁致动器配置的电枢，并且在特别优选的实施例中，电枢通过磁通调制而被移动。
在该特别优选的实施例中，电枢被沿着所述的致动方向移动，大小基本恒定的磁通被设置在邻接电枢的气隙内，所述电枢设置在沿致动方向被分隔开的磁通路径上。磁通调制用于分配气隙内的磁通以产生对电枢的作用力并使其移动。
提供用于建立磁通的主磁体(优选永久磁铁)，并且副磁体(优选电磁体)用于调制所述磁通的分布。无论主磁体还是副磁体都不能单独运行而获得所需的电枢的力-位移特性，需要两个磁场的叠加来提供所需特性。
可提供定子部件，该定子部件包括槽，电磁体的线圈置于该槽内，槽的开口朝向气隙。在部分实施例中线圈的轴线与致动方向一致，或者在其他实施例中线圈的轴线与致动方向垂直。
优选地，所述磁通分布的调制包括增加第一气隙处的磁通密度并减小第二气隙处的磁通密度，所述第一和第二气隙的位置在致动方向上被间隔开。
有益地是，第一气隙处的磁通密度的增加以及第二气隙处的磁通密度的减小可以通过分别处于可变磁场和稳定磁场之间的相长或相消干扰而获得。
致动器优选通过微电子机械系统(MEMS)技术制造，制造过程中(通常)在硅晶片上利用蚀刻、沉积及源于集成电路制造技术的类似技术重复地形成或有选择地去除多个层。
根据本发明的另一方面，提供液滴沉积装置，该装置包括长条形的液体通道，该通道能够维持声波沿着通道长度方向在液体中传播；液滴喷嘴，设置所述液体喷嘴用于响应所述声波而喷射液滴；电磁致动器，用于接收电驱动信号而在通道内产生声波，并因此影响液滴喷射。
在包含长条形通道的实施例中，声界适当地位于通道的各个相对端，并用于反射通道液体内的声波。这些反射优选为负反射(negativereflection)。
根据本发明某方面配置的液滴沉积装置，喷嘴优选在通道长度的中点与通道连接，液体源提供沿着通道的连续液体流。声界之一可以是包含喷嘴的壁。这种情况下，在液体腔室中仅提供一个液体源，典型地位于腔室中与喷嘴相反的一侧。
已经发现，本发明的某些实施例可以方便地由平面部件构造，这些部件能够彼此平行地被装配到一起。适用于制造这些平面部件的工艺包括蚀刻、机械加工以及电铸。
根据本发明的另一方面，提供用于流体泵送装置的通用平面部件，包括：
具有弹性可变形部分的第一平面层；
平行于所述第一平面层、并具有相应的弹性可变形部分的第二平面层；
多个具有致动方向的致动器，所述致动器位于上述两个层之间并连接到上述两个层的内表面，致动方向垂直于这两个层；
其中，上述致动器在运行时，沿致动方向引起所述第一和第二层上选定的弹性可变形部分变形，并由此引起与所述第一平面层的外部相接触的液体的压力发生变化。
理想地是，第一层为连续并且不可渗透的，而第二层可以包括多个不同材料的独立部分，并且可以是可渗透的。
在优选的实施例中，致动器包括刚性推杆，所述推杆依次连接在上述两个层的对应的可变形部分之间。在该配置的一个实施例中，推杆被两个层所约束，仅能沿致动方向移动。
根据本发明相关的一个方面，提供一种构造流体泵送装置的方法，所述方法包括步骤：形成如上文所述的第一平面部件；形成第二平面部件，该部件包括多个刚性通道壁，所述通道壁限定与所述第一平面部件的弹性可变形部分相对应的敞开的有侧面的通道；以及装配上述两个平面部件，使它们互相平行，并使第二平面部件的通道对准第一平面部件的弹性可变形部分。
根据本发明的另一方面，提供流体泵送装置，包括：限定长条形流体通道的长条形通道壁，该通道具有流体出口，所述通道壁之一具有至少一个可沿垂直于通道长度的致动方向平移的特殊区域以及至少一个直线型致动器，所述直线型致动器沿所述致动方向作用在通道壁的所述区域上，以在通道内引发声波，并因此由所述出口排出流体。
直线型致动器优选包括在电磁力作用下能够在致动方向上沿直线整体移动的电枢。
根据本发明的更进一方面，提供一种液滴沉积装置，包括：长条形液体通道，所述液体通道部分地由弹性可变形振动膜(diaphragm)定界；上述通道的液体源；与通道相连通的喷嘴；以及与液体之间被振动膜分隔开的推杆，推杆沿垂直于通道长度的致动方向可移动，使得振动膜变形以移动通道内的液体，由此引起液滴经所述喷嘴喷射出；其中推杆由至少一个挠性元件在沿致动方向上彼此分隔开的两个位置处支撑。
根据本发明的更进一方面，提供一种制造液滴沉积装置的方法，该装置具有：第一平面部件，所述第一平面部件包括对应于一组平行通道的多个刚性通道壁；对应于每个通道的弹性可变形通道壁，所述的弹性可变形壁通道壁位于公共平面上；第二平面部件，所述第二平面部件包括对应于每个通道的线性致动器，所述致动器各自具有相互平行的致动方向；在制成的装置中，弹性可变形通道壁设置在第一和第二平面部件之间并与它们平行，所述的致动方向与所述的公共平面相垂直，致动器通过相关弹性可变形通道壁得变形分别对各通道致动。
附图说明
下面结合下列附图以实例的形式描述本发明，其中：
附图1是根据本发明一个实施例的开有通道的部件的从下面看的透视图；
附图2是根据本发明第二实施例的打印头的剖视图；
附图3是根据本发明另一实施例的打印头的从下看去的透视图；
附图4至11是描述附图3所示打印头的制造步骤的各剖视图；
附图12是描绘附图3所示打印头的致动的剖视图；
附图13是根据本发明一实施例的打印头中的磁通调制致动器；
附图14是附图13所示磁通调制致动器的标出磁力线的放大视图；
附图15至17类似于附图14，是所用致动器的各个方向的视图；
附图18描述了偏磁通致动器配置的关键尺寸；
附图19是当i＝0时偏磁通致动器的Fx与x的关系图；
附图20是-kg＜x＜+kg时的Fx与i的关系图；
附图21描绘了磁通调制致动器通过推杆隔离板与喷射腔相结合；
附图22描绘了根据本发明一实施例中流体泵送装置的常用平面构造；
附图23描绘了根据本发明一实施例中流体泵送装置的通道结构；
附图24描绘了根据本发明一实施例的打印头中的可变磁阻型磁致动器；
附图25以类似方式描绘了可变磁阻型磁致动器的可选类型；
附图26描绘了根据本发明一实施例的打印头中的洛伦兹力致动器；
附图27描述了可选的致动器配置；
附图28至31描述了其他可选的致动器配置；以及
附图32至40描述了附图21所示致动器的制造步骤。
具体实施方式
本发明各方面的优点之一是打印头自身能够由多个单独制造的部件形成。第一部件包括致动器元件，同时，第二部件包括通道结构。其他特征可以通过单独部件的方式制造，也可以作为上述部件的一部分来形成。
图1描绘了本发明一个实施例中的通道部件。硅、陶瓷或金属材料的薄片1经刻蚀、机械加工或电铸而形成多个沿部件长度方向延伸的通道，通道间以壁2分隔。该部件包括沿部分通道延伸的弹性可变形壁4。该弹性可变形壁形成喷射腔的底部，并且受致动器(图中未示出)的作用而变形，该致动器远离通道，作用于弹性可变形壁的另一面。在弹性可变形壁的任意一端设有通口6，用以向整个致动器提供喷射液体。
覆盖件8为镍/铁合金(例如Nilo42)，连接至通道部件的顶面，并具有与喷嘴板10上的喷嘴孔12相对准的通口。
喷射腔的宽度Wc、高度Hc和长度Lc的尺寸关系满足Wc，Hc＜＜Lc。声波波长Lc由腔室中声波的工作频率及声速所决定，典型地为大约2mm。喷嘴位于腔室的中部，腔室的每一端都开口通向由通口6形成的歧管。
在操作过程中，歧管可以都向腔室供应墨水，也可以设置成使墨水经过腔室连续循环，此时歧管之一将未打印的多余流体返回到贮液器。
腔室的开口端提供声界，负反射通道中的声波。这些被反射的声波聚合在喷嘴处并导致液滴喷射。因此，上述歧管必须具有比通道尺寸更大的截面面积，以此获得适当的界壁。
弹性可变形壁4包括直接或间接连接的致动器元件。致动器元件位于弹性可变形壁面对喷嘴的相反一侧，因此远离喷射腔。致动器沿直线移动，引起可变形壁相对于腔室长度方向垂直地偏转，以此产生声波。移动的初始方向可以是朝向喷嘴或远离喷嘴。
通过以快速连续的方式重复驱动可变形壁，使得在一个喷射序列中喷射数个液滴成为可能。这些液滴可以在飞行中或者在纸上相结合，从而形成不同尺寸的打印点，这些尺寸取决于所喷射液滴的数量。
在附图2中，使用比附图1所示简单平振动膜4更复杂的硅底板20来传递致动元件22对喷射腔24的作用力。底板20由两块被刻蚀的硅晶片通过粘合剂或者其他标准的硅晶片结合方法结合而成，并且具有两个功能：首先，需要支撑致动器并提供使致动器返回其稳状静止位置的复原力，同时防止作用在底板的弯曲作用力以及弯矩传递到致动器上。
其次，底板必须具有足够的刚度，从而可使因墨水压力变化而导致的腔室体积的顺应性较小，否则将会对墨水中的声速产生不利的影响。
由附图可见，底板有效地形成平行四杆机构，包括相对于刚性元件21的挠性元件26，致动器直接作用于刚性元件上。
下文将结合附图21来详细说明这种底板的作用以及优点。
尽管在附图2所示的例子中可以认为底板是分离的板，但是它也同样可以被当作有通道部件的一部分来制造，如参照附图3所说明的一样。
通道设置在附图3所示部件的下面，但该附图并不能看到上述通道。
推杆30与喷射腔的底部34一体成型。基板38与该部件相连接，从而在直立壁32的上方延伸，并且使推杆和推杆腔36相互隔离。该基板38是柔性的，由此提供推杆远离喷射腔一端的柔性连接。
附图3所示有通道部件的制造方法优选通过湿蚀刻和深度反应离子蚀刻(DRIE)的混合方法来实现。如图4所示，提供一硅板，采用DRIE从硅板的一面蚀刻以形成喷射腔24以及分隔喷射腔33的壁。
如图5所示，当达到预定深度的时候停止蚀刻，并在喷射腔的表面沉积二氧化硅和/或氮化硅的蚀刻停止层34。从硅板的相反一面，采用DRIE，通过蚀刻剂去除硅形成推杆30以及隔离壁31，直至之前形成的SiO2和/或SiN层34。如附图6所示，由于SiO2和/或SiN层34没有被去除，由此保留了一个柔性隔膜(membrane)，该隔膜将喷射腔与推杆腔36相隔开。
在附图7中，第二硅板33与第一板的侧面相结合，组成了推杆腔36。该第二板具有两层涂层，即覆盖有SiN涂层37的SiO2层35，并且优选是SiN层比SiO2层更大面积地覆盖了上述第二板。第二硅板33为牺牲层，随后它将通过湿蚀刻被去除以保留SiN和SiO2的柔性隔膜，如附图8所示。
如附图9所示，致动器(以电枢39概括示出)可以采用MEMS制造技术在SiN和SiO2隔膜上形成。(下文将结合附图32-40详细说明该工艺)。最后步骤是去除墨水供应口6处剩有的SiN或SiO2层，并加设盖板和喷嘴板。
附图10是附图3的沿B-B向的剖视图，此时墨水供应口6处的隔膜34和35、37尚未去除。上述隔膜优选以湿蚀刻的方法去除，由此打开供应口并允许墨水沿着喷射腔流动。在附图11中已经加设了盖板。
附图12是附图3的沿A-A向的截面视图。墨水通道24由下述各壁界定在一侧：弹性可变形通道壁34，形成与弹性可变形通道壁相对的壁的喷嘴板31，以及两个刚性不变形壁33。
推杆30位于腔室中，在弹性可变形壁和弹性可变形基板35、37之间。致动器如此设置，使得电枢39作用在弹性可变形基板的与推杆相对的一侧上。
由于致动器作用在推杆上，因此弹性可变形底板和弹性可变形基板都产生变形。在有些情况下，希望将两个弹性可变形板的刚度选择为不同。但在此，两个弹性可变形板的刚度是相同的。
在此描述的限定喷射腔24的壁33和限定推杆36腔的壁35具有相同的厚度。但是，根据特定的可变形壁的弹性，有时需要改变壁33和35的厚度，使其中的一个比另一个厚。
致动器可包括弹性可变形基板，优选以板结构相结合。下文将结合附图32-40对优选的构造方法予以说明。
如上文所述，致动器形成为不同于有通道的部件，因此许多不同类型的致动器都适合与上文所述的有通道的部件共同使用。本发明在一些实施例中特别考虑了电磁致动器，优选的是采用MEMS技术制造的新型电磁致动器。
参照附图13对该优选的电磁致动器予以说明。该致动器可定义为槽式定子致动器，通过调制气隙偏磁通磁场分布而使该致动器偏转。致动器电枢98沿箭头F的方向移动并推动振动膜100，引起压力扰动，并由此引发墨水腔102中的墨水内的声波。
致动器部件包括永磁铁92，位于槽式定子板94和磁通致动器板90之间。槽式定子板的槽容纳多匝励磁线圈96。当该线圈被DC电流励磁后，对成形电枢98产生恒定的轴向力F。有利地是，力F的大小与电流i的大小直接成正比。
附图14-17描述了致动器的致动原理。附图14示出永磁体的磁力线的路径。如附图15所示，当没有电流通过线圈时，场强120a、120b在槽式定子94的两极面上相近似。这是通过将电枢极面“ab”制作得短于定子极面“cd”而达到的。
如果DC电流通过线圈，则磁力线和场强都被改变，如附图16所示。根据等式：
W＝∫(1/2)B2/μdV
W为系统的总能量，B为气隙中的磁通密度，μ0为自由空间的导磁率，V为气隙体积，由上式可见，由于有B的平方的原因，致使附图16所示系统比附图15所示系统的总能量大。
根据最小作用量原理，系统倾向于回复到最低能量位置。电枢因此而相对于定子磁极下移，以将活动高度Y1减小到最小，如附图17所示。
当通以反向电流时，可使电枢偏向相反方向，从而推动振动膜并减小喷射腔的体积。
致动器的尺寸是根据气隙g和所需的行程t而确定的，如附图18所示。
在该装置中，电枢的行程t限定了定子磁极面x5、x6的高度。优选地，当用于在两个致动方向上提供同样的线性移动时，距离x1为x5的一半，。希望地是，x1的尺寸范围为g≤x1≤(x5-g)，处于该范围之外时，场边缘效应开始对线圈施加压力并降低致动效率。明显示出的肩部91用于限定气隙间距g及气隙体积v。位于磁通致动器和磁通致动器板90之间的气隙很重要，从而悬伸93也很重要。该气隙同g具有相同的数量级。
典型的尺寸是：
x5＝x6
x5＝t+2kg
y＞2g
x3≥t/2+kg
其中k通常在1-3的范围之间。
重要的是，电枢的形状和气隙的几何特性是这样的：即电枢在线圈励磁时具有最低能量位置，且该最低能量位置是在致动方向上由静止位置转变而来。这主要是通过肩部91在上述布置中获得的。大量的其他定位当然也是可能的。
槽式定子或偏磁场磁致动器优于洛伦兹(Lorentz)形式的磁致动器的一个优点是：作用在线圈上的力比较小。该线圈自身是由多个线圈以多层的形式构成的，致动器的有限尺寸使得线圈容易被损坏。因此，减小作用到它们上的力是很重要的。
第二个优点是：电枢质量相对于洛伦兹力类型的致动器被减到最小。电枢质量的最小化导致液滴沉积装置的工作频率最大化。
有利地是，对比于可变磁阻致动器，所产生的力基本上线性地取决于电流，而与电流的极性无关。对可变磁阻型致动器来说，力是气隙的函数并因此对制造公差很敏感。磁通调制致动器中减小了对这种高公差的要求。
通过更详细地研究电枢力的细节发现，电枢力Fx可以表述为电枢位置的函数。附图19是当没有电流通过线圈时的情形示意图。
已经注意到，大致在-kg＜x＜+kg范围内存在一死区，该死区内的电枢力Fx接近零。然而，永磁体的磁场是连续的，但是当向线圈通以电流时，力只作用到电枢上。当励磁线圈通过非零电流i时，在气隙‘ab’内的磁场发生变化，此时槽内的磁场保持相对较弱。上述的磁场变化对电枢产生了作用力。
在由永磁体产生的气隙内的磁通密度为B，线圈长度为L且线圈匝数为N的情况下，当在时间Δt内电枢向上运动Δx时，磁通与线圈的关系为2BΔxLN。
根据能量守恒定律以及虚功原理，作用在电枢上的力F由下式给出：
FΔX＝(2BΔXLN/Δt)iΔt
因此F＝2BLNi
致动器的力与线圈电流的函数关系曲线如附图20所示。力的线性特点使得这种类型的致动器很容易通过改变通过线圈的电流来控制。
附图21示出了通过上文所述的推杆板连接至喷射腔的偏磁通致动器。如上文所述，需要推杆板不能从喷射腔的底板向致动器传递转动力及弯曲力。
在偏磁场致动器中，气隙间距对限定电枢元件的尺寸来说很重要。上文已经提及，在本实施例中，电枢仅被固定在一点，即有通道的部件或者推杆部件。由于相对端在定子内自由移动，因此任何转动及弯曲力都将被传递到电枢上。这将与气隙以及气隙内的磁通密度有关。推杆部件被用于防止这种错误。
致动器板部件可以通过层的反复形成和有选择地去除而被形成。适合的制造技术包括已知的MEMS制造技术等。
附图22表明一流体泵送装置的平面构造的实施例。第一平面层302被设置成与第二平面层304平行。致动器层分隔开上述两个层302和304，并保持它们之间结构的整体性。在层302和304之间的致动器层中，设置致动器组件306以及推杆308，该推杆在此作为致动器组件306的电枢。推杆与层302及304相连接，因此在致动方向314上的移动被限制。至此，根据附图22所描述的层状结构被支撑在基片310上，并形成了标号311所示的平面部件。基片310包括中空312，以允许推杆308在致动方向(由箭头314表示)上自由移动。为了使动作能够发生，由图可见，层302的部分303可弹性变形。层304上的对应部分305同样也是弹性可变形的。附图22还示出了，壁状部件316限定了以标号318表示的开放通道。部件316还包括通道出口319，并连接有喷嘴板320。由附图22可见，壁状部件316可与平面部件311配合形成流体泵送装置。该泵送装置在操作时能引起流体从通道318通过所述出口319流动。可以通过流体源(未示出)给通道318供应流体。
在优选的设置中，柔性部分303和305起平行四杆机构的作用，被柔性部分303，305限定沿直线运动的电枢308受到例如由附图13所示装置所产生的电磁力的作用。
附图23是形成流体泵送装置一部分的有通道结构的示意图。第一平面部件352包括第一弹性可变形层354；第二弹性可变形层358；致动器装置360。致动器装置360包括多个连接并被支撑在层354和358之间的电枢362。层354上覆盖电枢352的区域356保持刚性，在励磁时将沿垂直于层354所在平面的致动方向平移，如该附图的右侧所示。
第二部件364具有限定通道370的通道壁366，并且被设置成与部件352相配合。这样，第一层354形成通道370的通道壁之一。可见，通道370可以包括多个区域356，这些区域可受到由致动器装置360通过电枢362传递的致动作用。每个电枢可作用在层354的一个或更多的区域356上，并且是可独立编址的。这样，可以在通道370内产生波动的压力分布。在一个实施例中，可能需要通过连续操作电枢362而在通道370中获得蠕动波。在附图23中，电枢被一个多可编址致动器组件360操作，然而也可以以类似方式使用多个或离散的致动器。
区域356可以根据通道370设置成多种图案。如附图23所示，有两行长条区域(平行于通道的长度设置)，可被沿着所述部分的长度分布的长条形电枢操作，并且每一行具有两个分隔开的可操作区域。在另一可选布置中，可以提供一系列延伸方向垂直于通道长度的长条区域，而该系列则在通道长度方向上延伸。其他可能区域图案也包括在权利要求的范围内。
尽管所述的磁通调制致动器优选为磁致动器，但是也应该认识到，其他多种不同类型的磁致动器也可以结合本发明被使用。
附图24表示根据可变磁阻力运行的磁致动器。有通道的部件42以及喷嘴44的成形可参照附图1-3。
电枢46是由电铸软磁材料，如镍/铁或镍/铁/钴合金等形成的。电枢被设计成提供一有助于变形及回复的弹簧元件。
由软磁材料制成的电铸定子部件48设有铜线圈50，用于环绕着定子芯52。运行时，DC电流通过该线圈以产生吸引电枢的磁场。墨水通道的体积增大，以便引发声波。在一适当的时机，等于1/2Lc/c(Lc是有效通道长度，c是声波在墨水中的速度)，去除电流以允许电枢弹回。电枢的弹回增强了通道内的反射声波并引起液滴从喷嘴44中喷射出。
附图25表明可选的可变磁阻型致动器。通过蚀刻硅或其他非磁性材料将弹簧元件56制成振动膜。定子58形成一中央区域，电枢62的部分64通过该中央区域延伸，以便与振动膜相接触。在定子内接近电枢62的具有大表面面积的部分处提供线圈60。
在激励作用下，电枢被吸引向定子并因此使振动膜偏向通道内，从而引起液滴由喷嘴喷射出。
附图26表示能够利用洛伦兹力致偏的致动器。通道部件的形成可参照上文，致动器部件被制成分立部件并与通道部件相连接。蚀刻硅致动器板74被制成具有许多孔，通过这些孔设置可移动电枢结构。固定线圈78连接到蚀刻硅板的下侧(或在其他可选实施例中设置在上侧)，并在该板和振动膜100之间。
可移动电枢结构包括两个金属延长部76、77，它们通过永磁体84而结合。中间延长部通过线圈所限定的环而设并与振动膜100相连。外部延长部围绕线圈延伸，并且比中间延长部短。
根据洛伦兹力方程式，向线圈通电与永磁体产生的磁场相互作用，并且具有移动中间延长部并使振动膜偏转的效果。该偏转引起液滴由喷嘴喷射出。
虽然此前的偏磁通致动器都被描述成仅使用一个线圈层，但使用两层线圈也是可以的，如附图27所示。无论使用一个或者两个线圈，磁铁所产生的磁通是相同的。然而，通过增加从在磁铁的与第一线圈相反的一侧上的第二线圈来的第二偏磁场，能够增加电枢所产生的力。
其他优选致动器的实施例如附图28-31所示。
附图28表示另一可选的致动器配置。电枢包括中央磁性部分1504及两个非磁性的刚性部分1506。电枢在一端被第一平面层1508限制、在另一端被第二层1510限制而沿致动方向(通常如附图28所示的垂直方向)移动。该致动器配置包括支撑基片1512。永磁体1514位于基片之下，具有如图所示的极性。从磁体1514向通道磁通提供磁轭，经过电枢的磁性部分1504，然后返回磁体1514的相反磁极。在电枢区域中，磁轭向电枢提供磁通，磁轭包括两个磁性部分1516和1518，它们沿致动方向被磁性分隔。还提供了类似的磁轭配置以经由电枢向永磁体1514返回磁通。由此可见，所形成的永磁体磁通在电枢区域内被分成两个基本平行的磁通路径，沿致动方向彼此分隔开。这些磁通路径包括邻近电枢的气隙1520和1522。通道部件1524也被示出。
附图29表示与附图28基本相同的致动器配置，但是画出了磁通线。由图可见，在该配置中，由永磁体出来的磁通(实线所示)基本上沿垂直于致动方向(如箭头1552所示)的一个方向经过电枢。附图29还示出了励磁线圈1550，以及由该线圈所产生的磁通(虚线所示)。可见，该第二磁通在磁通承载气隙(flux carrying air gap)1554和1556处加强了主磁通，而在气隙1558和1560处减弱了副磁通。尽管通过电枢的磁通保持基本恒定，但仍有不平衡力沿致动方向作用到电枢上。附图29示出副磁通围绕两组线圈绕组1550形成连续路径。如附图31所示，副磁通也可以被视为形成围绕单组绕组的闭环。这并不改变磁通调制沿致动方向产生力这一原理。
附图28和29所示的实施例可方便地用作多电枢致动器的基础，其中多个电枢带有多个磁通承载气隙。
附图30和31说明了其他可选的致动器配置。附图30表示带有两个电枢1602和1604的致动器配置，每个电枢具有两个磁性部分1606，以及多个非磁性支撑部分。一个主磁体1608在沿致动方向被分开的两个磁通路径中提供主磁通(实线所示)，分别对应于两个电枢的每个磁性电枢部分1606。为每个电枢还设置励磁线圈1610，线圈轴线垂直于致动方向。这样，每个电枢的副磁通(虚线所示)作用，从而可分别增强和抵消在相对应的成对气隙处的主磁通，以提供沿致动方向作用在给定电枢的每个磁性部分上的力。尽管如图所示的两个电枢共享提供主磁通的永磁体，但每个电枢的励磁线圈可被独立地激励，从而允许每个电枢可独立运行。尽管附图30示出两个致动器作用在独立的通道上，然而它们当然也可以在同一通道内运行，可以沿通道的宽度或长度分开，以同步、蠕动或其他合作方式运行。
附图31是附图30所示实施例的变化实施例。同样也示出具有两个电枢1602和1604的致动器配置，每个电枢具有两个磁性部分1606，以及多个非磁性部分。然而，此实施例中电枢的磁性部分延伸并在横向与围绕磁通承载气隙1620(仅有两个气隙在附图中示出)的区域内的磁轭相重叠。这导致在气隙内的主磁通(实线所示)具有与致动方向基本平行的磁通方向。由励磁线圈(为简单起见，仅示出了次级线圈的一部分)所引起的副磁通(虚线所示)也是如此。本实施例的优点是：在磁通承载气隙处与磁通方向垂直的面积可以比对应的实施例中的大，其中对应实施例中的磁通沿垂直于致动方向通过气隙。这样可以产生更大的致动力。本实施例还有另外的优点：致动器配置是由一系列的平行层形成，每一层均垂直于致动装置的致动方向。这样，气隙的厚度被层沉积厚度所控制。因此，相对于如附图28所示的通过掩膜配准控制气隙公差的其他方向上的气隙而言，在上述方向上形成的气隙的厚度可以被更精确地限定。
还应该认识到，本发明的某些实施例中，电枢的磁性部分在横向与围绕磁通承载气隙的区域内的磁轭相重叠，但这并不仅限于上述的这些实例。该特征可以同样有效地应用到其他致动器配置的实施例中。
本文将参照附图32-40说明MEMS制造工艺的实例。该实例用于制造附图21所示的结构。
在附图32中，图案化的光刻胶120沉积在附图21所示的弹性可变形推杆板100上。随后，沉积电铸镍合金层122。镍合金形成电枢的第一部分及定子的支撑件。光刻胶在去除之后将形成气隙。
当附图32所示的第一层完成后，随后类似地沉积一层光刻胶及金属合金，如附图33所示。这些步骤可以重复多次，直至达到所需的结构为止。
在附图34中，永磁体124与光刻胶120以及电铸合金122一同沉积以形成一层。进一步沉积的合金及光刻胶的层如附图35和36所示。可见，在附图35、36中已经形成了磁通承载气隙的轮廓。在该特定的例子中，气隙的宽度W(如附图37所示)通过沉积工艺中的掩膜对准而得到控制。在某一深度处沉积包含导电线圈126的层，如附图37所示。因为优选多层线圈，所以该层可能被多次重复。在某些或者全部层内可能结合多个连接及通路以实现线圈间的电连接。如图38、39所示，沉积更多的光刻胶及合金层。
最后，如图40所示，从整个结构中去除光刻胶，使电枢与该结构的其他部分分离。
某些描述过的特别实施例提及根据需要滴落的喷墨打印装置，然而本发明可以用于多种类型的流体泵送装置。特别适合的用途包括所谓的“芯片实验室(lab-on-chip)”应用以及药物输送系统。本发明还适用于其他液滴沉积应用，例如生成气溶胶的装置。
微电子机械系统技术已被论述适合于制造根据本发明的装置。MEMS技术包括深度反应离子蚀刻(DRIE)、电镀、电泳以及化学-金属抛光(CMP)。常用的MEMS技术实例在以下教科书中有所论述，例如：
P.Rai-Choudhury，ed.，Handbook of Microlithography，Micromachining，and Microfacrication，Vol 1 and Vol 2，SPIE Press and IEE Press 1997，ISBN0-8529-6906-6(Vol 1)and 0-8529-6911-2(Vol 2)
Mohamed Gad-el-Hak，ed.，The MEMS Handbook，CRC Press 2001，ISBN 0-8493-0077-0
在本发明中用到了磁性以及非磁性材料。适合于制造的材料包括硅基化合物、包括Ni-Fe-Co-Bo合金的镍及铁基金属、聚酰亚胺、硅橡胶、铜以及铜合金。下文是一篇有关适用于MEMS技术的磁性材料的有用的综述：
J.W.Judy，N.Myung，“Magnetic Materials for MEMS”，MRS workshopon MEMS materials，San Francisco，Calif.(Apr.5-6，2002)pp.23-26
尽管所公开的实施例都具有特定数目的通道、致动器以及电枢，但也应该理解，可以在一个基板上制造出大规模的通道及致动器阵列，且通道阵列可以被对接到一起。
尽管上述实施例中均谈及线性通道，但同样也可以使用其他腔室构造，包括但不仅限于使声波相对喷嘴以放射状传播的构造，WO99/01284的内容与此有关并可以在此应用。
该说明书(包括权利要求书)和/或附图所公开的每个特征都可以独立地与其他被披露和/或说明的特征相结合。

Claims (102)

1.一种液滴沉积装置，包括：限定液体腔室的腔室壁，腔室壁的其中之一在致动方向上是弹性可变形的；与该腔室相连接的喷嘴；提供流经腔室的连续液流的液体源；用于反射腔室内的液体中的声波的声界；和远离腔室及液体源的致动器，该致动器沿所述致动方向作用在所述弹性可变形腔室壁上，以在腔室内的液体中引发声波，从而引起通过所述喷嘴的液滴喷射。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述的声界用于负反射通道的液体中的声波。
3.一种流体泵送装置，包括：限定流体腔室的腔室壁，所述腔室壁的其中之一在致动方向上是弹性可变形的；腔室出口；和远离腔室的致动器，该致动器沿所述致动方向作用在所述弹性可变形通道壁上，以在腔室内产生声波，并由此在腔室出口处引起流体流动。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述弹性可变形腔室壁形成使致动器与腔室内的流体相隔离的密封。
5.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中所述流体腔室包括长条形液体通道，并且其中所述弹性可变形腔室壁包括长条形通道壁。
6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中所述弹性可变形腔室壁包括基本为刚性的元件，该元件能够将力由致动器传递到通道内的流体，以及包括至少一个第一挠性元件。
7.根据从属于权利要求5时的权利要求6所述的装置，其中所述至少一个挠性元件基本经过弹性可变形通道壁的整个宽度而延伸。
8.根据从属于权利要求5时的权利要求6所述的装置，其中所述至少一个挠性元件经过弹性可变形通道壁的部分宽度而延伸。
9.根据从属于权利要求5时的权利要求6-8中任一项所述的装置，其中所述刚性元件沿通道长度延伸。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的装置，其中所述弹性可变形腔室壁包括多个挠性元件，配置成约束刚性元件沿所述致动方向的移动。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述挠性元件中的至少一个挠性元件接触通道内的流体，并且相对于流体压力为刚性。
12.根据权利要求5-11中任一项所述的装置，其中所述挠性元件相对于刚性元件配置成平行四杆机构。
13.根据权利要求5-12中任一项所述的装置，其中致动器包括作用在所述刚性元件上的推杆。
14.根据权利要求13所述的装置，其中推杆由所述刚性元件承载。
15.根据权利要求13或14所述的装置，其中推杆在电磁致动器配置中用作电枢。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的装置，进一步包括支撑装置，所述支撑装置在沿致动方向离开所述刚性元件的位置处与推杆相连接，其中所述支撑装置约束所述推杆沿致动方向的移动。
17.根据权利要求16所述的装置，所述支撑装置包括一个或多个第二挠性元件，所述挠性元件在离开所述刚性元件的位置处与所述推杆相连接，所述第一和第二挠性元件相对于推杆配置成类似于平行四杆机构一样动作。
18.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中致动器电磁地运行。
19.根据权利要求15-18中任一项所述的装置，其中致动器包括电枢，该电枢通过调制磁通分布而被移动。
20.根据上述权利要求中任一项所述的装置，包括第一平面部件，该部件包括与一组通道相对应的多个刚性通道壁；以及多个与所述通道对准的喷嘴；以及平行于第一平面部件设置的第二平面部件，所述第二平面部件包括多个与所述通道对准的致动器。
21.根据权利要求20所述的装置，其中所述的一组通道是长条形的并且彼此平行。
22.根据权利要求20或21所述的装置，其中第一平面部件进一步包括对应每个通道的弹性可变形通道壁。
23.根据权利要求20或21所述的装置，其中第二平面部件进一步包括对应每个通道的弹性可变形通道壁。
24.根据权利要求20-23中任一项所述的装置，其中所述第一部件是整体的。
25.根据权利要求20-24中任一项所述的装置，其中制造所述第一部件的工艺包括蚀刻去除材料以形成通道壁的步骤。
26.根据权利要求20-24中任一项所述的装置，其中通道壁是通过机械加工而形成的。
27.根据权利要求20-24中任一项所述的装置，其中通道壁是通过电铸而形成的。
28.根据权利要求20-27中任一项所述的装置，其中所述第一部件由硅形成。
29.根据权利要求20-28中任一项所述的装置，其中所述第二部件是层制的，是通过重复形成及有选择地去除层而制得。
30.根据权利要求29所述的装置，其中每一层可以包含多于一种的材料。
31.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中在弹性可变形通道壁上限定至少一个特殊区域，某个或每个区域能够通过壁的弹性变形而沿致动方向平移，某个或每个所述区域是刚性的。
32.根据权利要求31所述的装置，其中存在两个或更多个所述区域。
33.根据权利要求32所述的装置，其中一个或更多个所述区域能够独立于其他区域而被致动。
34.根据权利要求32或33所述的装置，其中致动器作用在一个以上的区域上。
35.根据权利要求32或33所述的装置，包括多个分别与所述区域相关的相似致动器。
36.一种用于流体泵送装置的通用平面部件，包括：
第一平面层，具有弹性可变形部分；
第二平面层，平行于所述第一层并具有相应的弹性可变形部分；以及
多个具有致动方向的致动器，位于所述两个层之间并连接到所述两个层的内表面，所述致动方向垂直于这两个层；
其中所述致动器可操作，用于使所述第一和第二层上选定的弹性可变形部分沿致动方向变形，并由此引起与所述第一平面层的外侧相接触的液体的压力变化。
37.根据权利要求36所述的通用平面部件，其中所述第一平面层是不可渗透的。
38.根据权利要求36或37所述的通用平面部件，其中所述第二平面层是可渗透的。
39.根据权利要求36-38中任一项所述的通用平面部件，其中所述致动器包括刚性推杆，该刚性推杆连接在所述第一和第二平面层上相对应的弹性可变形部分之间。
40.根据权利要求39所述的通用平面部件，其中所述推杆受所述第一和第二平面层的约束而仅能沿致动方向运动。
41.根据权利要求39或40所述的通用平面部件，其中所述推杆用作电磁致动器配置中的电枢。
42.根据权利要求36-41中任一项所述的通用平面部件，其中每一层的所述弹性可变形部分均具有延长方向，并且延长方向是平行的。
43.一种构造流体泵送装置的方法，包括以下步骤：
根据权利要求36-42中任一项形成第一平面部件；
形成第二平面部件，该部件包括多个刚性通道壁，该通道壁限定敞开的有侧壁的通道，该通道对应于所述第一平面部件的弹性可变形部分；以及
装配上述两个平面部件，使它们互相平行，并使第二平面部件的通道对准第一平面部件的弹性可变形部分，由此形成弹性可变形通道壁的一部分。
44.根据权利要求43所述的方法，其中第一平面部件包括对应每个通道的一个弹性可变形部分。
45.根据权利要求43所述的方法，其中第一平面部件包括对应每个通道的一个以上的弹性可变形部分。
46.一种流体泵送装置，包括：限定长条形流体通道的长条形通道壁，该通道具有流体出口，所述通道壁之一具有至少一个可沿垂直于通道长度的致动方向平移的特殊区域；以及至少一个直线型致动器，所述直线型致动器沿所述致动方向作用在通道壁的所述区域，以在通道内产生声波，并因此经所述出口排出流体。
47.根据权利要求46所述的装置，其中所述直线型致动器包括在电磁力作用下沿致动方向可直线地、整体移动的电枢。
48.根据权利要求47所述的装置，其中所述电枢被约束沿所述直线运动。
49.根据权利要求49所述的装置，其中所述电枢被用作平行四杆机构的元件所约束。
50.根据权利要求46-49中任一项所述的装置，其中所述区域是长条形的，并且沿着通道的声波长度的主要部分延伸。
51.根据权利要求46-50中任一项所述的装置，其中提供至少两个所述区域。
52.根据权利要求51所述的装置，其中致动器作用在一个以上的区域上。
53.根据权利要求52所述的装置，包括多个分别与所述区域相关的相似致动器。
54.根据权利要求46-53中任一项所述的装置，其中所述流体出口包括液滴沉积喷嘴。
55.根据权利要求46-54中任一项所述的装置，包括多个相似的通道，每个通道分别具有致动器，所述致动器具有平行的致动方向。
56.根据权利要求46-54中任一项所述的装置，采用喷墨打印机的形式。
57.一种液滴沉积装置，包括：液体腔室，所述液体腔室能够维持声波在液体中传播；喷射液滴的喷嘴，设置所述液滴喷嘴以响应所述声波而喷射液滴；以及电磁致动器，用于接收电驱动信号而在腔室内产生声波，并因此影响液滴喷射。
58.根据权利要求57所述的液滴沉积装置，其中致动器远离腔室。
59.根据权利要求57或58所述的液滴沉积装置，其中腔室由腔室壁限定，所述腔室壁之一在所述致动器的作用下沿致动方向是可弹性变形的。
60.根据权利要求59所述的液滴沉积装置，其中所述弹性可变形腔室壁形成使致动器与腔室内的液体相隔离的液体密封。
61.根据权利要求57-60中任一项所述的液滴沉积装置，进一步包括用于反射腔室内的液体中的声波的声界。
62.根据权利要求57-61中任一项所述的液滴沉积装置，进一步包括提供流经腔室的连续液流的液体源。
63.根据权利要求57-62中任一项所述的液滴沉积装置，其中致动器包括电枢，该电枢通过调制基本恒定磁场的磁通分布而被移动。
64.根据权利要求57-63中任一项所述的液滴沉积装置，其中所述液体腔室包括长条形的液体通道。
65.根据权利要求64所述的液滴沉积装置，其中致动器沿与通道长度方向垂直的致动方向运行。
66.根据权利要求64或65所述的液滴沉积装置，其中致动器基本上沿通道的长度方向延伸。
67.根据权利要求64-66中任一项所述的液滴沉积装置，包括设置在通道的各个相对端的声界。
68.根据权利要求64-67中任一项所述的液滴沉积装置，其中喷嘴在其长度的中点与通道连接。
69.根据权利要求64-68中任一项所述的液滴沉积装置，包括：第一平面部件，该部件包括对应于一组腔室的多个刚性腔室壁；与所述腔室对准的多个喷嘴；以及平行于第一平面部件而设的第二平面部件，所述第二平面部件包括多个对准所述腔室的致动器。
70.根据权利要求69所述的液滴沉积装置，其中第一平面部件进一步包括对应每个腔室的弹性可变形腔室壁。
71.根据权利要求69所述的液滴沉积装置，其中第二平面部件进一步包括对应每个通道的弹性可变形腔室壁。
72.根据权利要求69-71中任一项所述的液滴沉积装置，其中所述第一平面部件是整体的。
73.根据权利要求69-72中任一项所述的液滴沉积装置，其中制造所述第一部件的工艺包括蚀刻去除材料以形成腔室壁的步骤。
74.根据权利要求69-72中任一项所述的液滴沉积装置，其中腔室壁是通过机械加工而形成的。
75.根据权利要求69-72中任一项所述的液滴沉积装置，其中腔室壁是通过电铸而形成的。
76.根据权利要求69-75中任一项所述的液滴沉积装置，其中所述第一部件由硅形成。
77.根据权利要求69-76中任一项所述的液滴沉积装置，其中所述第二部件是层制的，通过重复形成及有选择地去除层而制得。
78.根据权利要求77所述的液滴沉积装置，其中每一层可以包含多于一种的材料。
79.一种液滴沉积装置，包括：长条形液体通道，所述液体通道部分地由弹性可变形振动膜界定；上述通道的液体源；与通道相连通的喷嘴；以及与液体之间被振动膜分隔开的推杆，推杆沿垂直于通道长度的致动方向可移动，使得振动膜变形以排出通道内的液体，由此引起液滴经所述喷嘴喷射出；其中推杆由至少一个挠性元件在沿致动方向上彼此分隔的两个位置处支撑。
80.根据权利要求79所述的液滴沉积装置，其中推杆被所述至少一个挠性元件约束而不能绕平行于通道长度的轴线旋转。
81.根据权利要求79或80所述的液滴沉积装置，其中推杆由至少一个挠性元件在每个所述位置处支撑，挠性元件用作平行四杆机构。
82.根据权利要求79-81中任一项所述的液滴沉积装置，其中振动膜用作一个所述挠性元件。
83.根据权利要求79-82中任一项所述的液滴沉积装置，其中推杆与振动膜是整体的。
84根据权利要求79-83中任一项所述的液滴沉积装置，其中喷嘴与振动膜沿致动方向相对。
85.根据权利要求79-84中任一项所述的液滴沉积装置，其中振动膜沿着通道长度延伸。
86.根据权利要求79-85中任一项所述的液滴沉积装置，其中所述挠性元件中的至少一个接触通道内的流体，并且相对于流体压力为刚性。
87.根据权利要求79-86中任一项所述的液滴沉积装置，其中推杆在远离振动膜的一端与致动器相连通。
88.根据权利要求87所述的液滴沉积装置，其中致动器包括电磁致动器。
89.根据权利要求79-88中任一项所述的液滴沉积装置，其中推杆用作电磁致动器中的电枢。
90.根据权利要求88或89所述的液滴沉积装置，其中致动器包括电枢，该电枢通过调制磁通分布而被移动。
91.根据权利要求79-90中任一项所述的液滴沉积装置，进一步包括位于通道各个相对端的声界，该声界用于反射通道内液体中的声波；振动膜因推杆而变形，用于在通道内液体中产生声波，并由此引起经过所述喷嘴的液滴喷射。
92.一种制造液滴沉积装置的方法，该装置具有：第一平面部件，包括对应于一组平行通道的多个刚性通道壁；对应每个通道的弹性可变形通道壁，所述弹性可变形通道壁位于公共平面上；以及第二平面部件，所述第二平面部件包括对应每个通道的线性致动器，所述致动器各自具致动方向，所述这些致动方向相互平行；在制成的装置中，弹性可变形通道壁设置在第一和第二平面部件之间并与它们平行；所述致动方向与所述公共平面相垂直，并且致动器通过相关弹性可变形通道壁的变形而分别对各通道致动。
93.根据权利要求92所述的方法，其中形成第一平面部件的步骤包括形成平面晶片并从该晶片的一个平面上蚀刻去除材料以形成通道壁的步骤。
94.根据权利要求93所述的方法，其中形成第一平面部件的步骤进一步包括从晶片的另一平面蚀刻去除材料以形成弹性可变形通道壁的步骤。
95.根据权利要求94所述的方法，其中形成第一平面部件的步骤包括从所述一个平面蚀刻去除材料之后沉积材料的步骤，从晶片的另一平面蚀刻去除材料的步骤，用于使所述沉积材料层形成为弹性可变形通道壁。
96.根据权利要求94或95所述的方法，其中从晶片的另一平面蚀刻去除材料以形成弹性可变形通道壁的步骤用于对应每个通道使与相关弹性可变形通道壁相连的推杆保留下来。
97.根据权利要求96所述的方法，其中每个推杆基本沿相关通道的长度延伸。
98.根据权利要求96或97所述的方法，其中形成第一平面部件的步骤进一步包括形成分别与推杆自由端相连接的相互作用层的步骤。
99.根据权利要求92-98中任一项所述的方法，其中所述晶片由硅形成。
100.根据权利要求93-99中任一项所述的方法，其中蚀刻步骤包括深度反应离子蚀刻。
101.根据权利要求95所述的方法，其中所述晶片由硅形成并且所述被沉积材料包括SiO2或SiN。
102.根据权利要求92-101中任一项所述的方法，其中所述第二部件通过重复地形成及有选择地去除层而制得。
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