CN101332710A - 单块流体喷射装置及其制作和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单块流体喷射装置及其制作和控制方法。所述单块流体喷射装置包括：基材；结构层，设置于该基材上，且该结构层与该基材的表面之间形成流体腔，以便在其中容置流体；液面控制单元，形成于该结构层上；以及喷孔，贯穿该液面控制单元及该结构层，以连通该流体腔。通过所述液面控制单元，调控喷孔内流体的液面高度，以便喷射具有不同流量及方向的墨滴。

Description

单块流体喷射装置及其制作和控制方法

技术领域

本发明涉及一种单块流体喷射装置，尤其涉及一种在喷孔内具有不同液面高度的单块流体喷射装置及其制作和控制方法。

背景技术

由于喷液打印机的打印技术不断的突破创新，对于打印质量和分辨率等方面的要求也不断提高。一般而言，喷液打印机的打印质量与分辨率由喷射墨量与喷射墨滴的落点决定。

图1是示出已知的单块流体喷射装置1。在图1中，将结构层12形成于硅基材10上，且在结构层10上方形成有第一加热器16及第二加热器18。又如图1所示，接着，将流体腔14形成于结构层10与硅基材10之间，且通过流体通道20，将流体提供至流体腔14之中。第一加热器16会产生第一气泡22，且第二加热器18会产生第二气泡24，以便将流体腔14内的流体射出。由于无法精确控制墨滴的喷射墨量，使得已知的流体喷射装置的打印质量较差。而且，已知的流体喷射装置无法控制喷射的墨滴的方向，因此，如果要提高分辨率，则会增加喷孔的数目，导致提高制作成本。

因此，亟需一种可控制喷射流量及射喷方向的单块流体喷射装置及其制作和控制方法，以提高打印质量及分辨率。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的第一目的是提供一种单块流体喷射装置。所述单块流体喷射装置包括基材；结构层，设置于该基材上，且该结构层与该基材的表面之间形成流体腔，以便在其中容置流体；液面控制单元，形成于该结构层上；以及喷孔，贯穿该液面控制单元及该结构层，以便连通该流体腔。

根据本发明所述的单块流体喷射装置，其中所述液面控制单元包含：第一导电层，形成于所述结构层上，且接触所述流体；第一介电层，形成于所述第一导电层上；第二导电层，形成于所述第一介电层上；以及第二介电层，形成于所述第二导电层上，且包覆所述第二导电层。

根据本发明所述的单块流体喷射装置，其中所述液面控制单元包含划分为两部分，围绕所述喷孔的周围，且分别连接控制单元。

根据本发明所述的单块流体喷射装置，其中所述液面控制单元包含划分为四部分，分别围绕所述喷孔的周围，且分别连接一个控制单元。

根据本发明所述的单块流体喷射装置，还包括：至少一个气泡产生装置，形成于所述结构层上；以及保护层，形成于所述结构层与所述液面控制单元之间，且覆盖所述气泡产生装置。

根据本发明所述的单块流体喷射装置，其中所述结构层包含低应力氮化硅。

根据本发明所述的单块流体喷射装置，其中所述第一导电层及第二导电层包含铜、金或铝。

本发明的第二目的是提供一种单块流体喷射装置的制作方法。所述单块流体喷射装置的制作方法包括：提供基材；将结构层形成于该基材上，且该结构层与该基材的表面之间形成流体腔，以便在其中容置流体；将液面控制单元形成于该结构层上；以及形成喷孔，以便贯穿该液面控制单元及该结构层，且该喷孔连通该流体腔。

根据本发明所述的单块流体喷射装置的制作方法，其中形成所述流体腔的方式，还包括：将牺牲层形成于所述基材与所述结构层之间；以及移除所述牺牲层，以便形成所述流体腔。

根据本发明所述的单块流体喷射装置的制作方法，其中形成所述液面控制单元的方式，包括：将第一导电层形成于所述结构层上；将第一介电层形成于所述第一导电层上；将第二导电层形成于所述第一介电层上；以及将第二介电层形成于所述第二导电层上，且延伸至所述第二导电层的侧壁上，以便接触所述第一介电层。

根据本发明所述的单块流体喷射装置的制作方法，还包括在形成所述第二导电层之后将开口形成于所述第二导电层之中，以延伸所述第二介电层于所述第二导电层的侧壁上。

根据本发明所述的单块流体喷射装置的制作方法，其中形成所述喷孔的方式，包括移除部分所述第二介电层、部分所述第一介电层及部分所述结构层，以便将所述喷孔形成于所述第二介电层、所述第二导电层、所述第一介电层、第一导电层及所述结构层之中，且暴露部分所述第一导电层于所述流体之中。

根据本发明所述的单块流体喷射装置的制作方法，其中移除部分所述第二介电层、部分所述第一介电层及部分所述结构层系由反应性离子蚀刻或等离子蚀刻的方式完成。本发明的第三目的是提供一种单块流体喷射装置的控制方法，所述单块流体喷射装置具有第一液面控制单元，该第一液面控制单元包括：第一电极，其接触该喷射装置内的流体，由第一介电层包覆的第二电极，以及第一喷孔，其贯穿该液面控制单元，且所述单块流体喷射装置的控制方法包括：通过该第一电极将具有第一极性的电压提供至该流体；通过该第二电极将具有与该第一极性相反的第二极性的电压提供至该介电层，以控制该第一喷孔中的该流体的液面高度；将气泡产生于该流体之中，以便从该第一喷孔射出第一墨滴。

根据本发明所述的单块流体喷射装置的控制方法，其中所述第一喷孔中的液面高度非平面，以从所述第一喷孔射出具有方向的所述第一墨滴。

根据本发明所述的单块流体喷射装置的控制方法，其中所述单块喷射装置还包括：第二液面控制单元，设置于所述单块喷射装置上，且所述第二液面控制单元，包含：第三电极，接触所述喷射装置中之所述流体；第四电极，形成于所述第三电极上；第二介电层，包覆所述第四电极；以及第二喷孔，贯穿所述第二液面控制单元。

根据本发明所述的单块流体喷射装置的控制方法，还包括：通过所述第三电极提供具有第三极性的电压至所述流体；通过所述第二电极提供具有与所述第三极性相反的第四极性的电压至所述第二介电层，以控制所述第二喷孔中的所述流体的液面高度；将气泡产生于所述流体之中，以便从所述第二喷孔射出第二墨滴。

根据本发明所述的单块流体喷射装置的控制方法，其中所述第二喷孔中的所述流体的最高液面高度不相等于所述第一喷孔中的所述流体的最高液面高度。

根据本发明所述的单块流体喷射装置的控制方法，其中所述第二墨滴的流量不等于所述第一墨滴的流量。

根据本发明所述的单块流体喷射装置的控制方法，其中所述第二墨滴的方向不同于所述第一墨滴的方向。

附图说明

图1示出已知的单块流体喷射装置；

图2A-图2F示出根据本发明实施例的制作单块流体喷射装置的剖视图；以及

图3A-图3C示出根据本发明的单块流体喷射装置的控制方法的示意图。

具体实施方式

接下来结合附图详细说明，以便更加了解本发明优选实施例的流体喷射装置及其制造和控制方法。然而，可以了解的是，本发明提供许多可实施于广泛多样的应用领域的发明概念。用来说明的具实施例仅是利用本发明概念的具体实施方式的说明，并不限制本发明的范围。

图2A-图2E示出根据本发明的实施例的制作单块流体喷射装置的剖视图。图2F示出根据本发明实施例的单块流体喷射装置的喷孔的仰视示意图。

参照图2A，提供基材102，例如单晶硅基材，且在所述基材102的上方形成牺牲层104。在一个优选实施例中，形成牺牲层104的方式，可以是通过化学气相沉积(chemical vapor deposition；CVD)法，沉积例如是硼磷硅玻璃(boron phosphate silicate glass；BPSG)、磷硅玻璃(phosphate silicate glass；PSG)或其它氧化硅材质的沉积层于基材102的上方。接着，通过光刻及蚀刻方式，将所述沉积层图形化，以便形成所述牺牲层104。

在完成所述牺牲层104的制作后，将结构层106相应地形成于所述基材102上，且覆盖牺牲层104，如图2A所示。在一个实施例中，通过化学气相沉积法，将例如低应力氮化硅层的结构层106形成于基材102上，且覆盖牺牲层104。所述低应力氮化硅层的应力优选为100～200兆帕(MPa)。

如图2A所示，接着，将气泡产生装置(actuator)108形成于所述结构层106的上方。气泡产生装置108优选可以是由电阻层构成的加热器，且所述电阻层可以由例如蒸镀(evaporation)、溅镀(sputtering)或反应性溅镀法的方式形成。所述电阻层优选可以是硼化铪(HfB₂)、铝化钽(TaAl)或氮化钛(TiN)的电阻材料。之后，将例如氧化硅的保护层110形成于所述结构层106上，且覆盖所述气泡产生装置108。

在图2B中，将具有第一开口114的第一导电层112形成于结构层106上。第一导电层112优选可以是铝、铜、金或其它任何合适的导电材料。在一个优选实施例中，通过例如是蒸镀、溅镀或电镀(electroplating)的方式，将第一导电层112形成于基材102的上方。接着，通过进行光刻及蚀刻步骤移除部分第一导电层112，以便将第一开口114形成于第一导电层112之中，且暴露保护层110的部分表面。值得注意的是，第一开口114的位置是后续形成喷孔的位置。

参照图2C，将第一介电层116相应地形成于所述第一导电层112的上方，接着，将具有第二开口120的第二导电层118形成于所述第一介电层116的上方。所述第一介电层116优选可以是氧化硅(silicon oxide)、氮化硅(silicon nitride)、氮氧化硅(siliconoxynitride)或其它合适的介电材料。

在一个优选实施例中，通过例如化学沉积法的方式，将所述第一介电层116形成于第一导电层112上方，且延伸至第一开口114之中。在完成所述第一介电层116的制作后，优选由溅镀、蒸镀或反应性电镀法的方式，将所述第二导电层118形成于第一介电层116的上方。接着，利用光刻及蚀刻工序，移除部分第二导电层118，以便将第二开口120形成于第二导电层118之中，如图2C所示。第二导电层118优选可以是与第一导电层112相似的材料。值得注意的是，第二开口120大于第一开口114，也就是说，第二开口120中的第二导电层118侧壁间的距离大于第一开口114中的第一导电层112侧壁间的距离。

如图2D所示，将第二介电层122相应地形成于第二导电层118上，且延伸至第二开口120之中。第二介电层122的材质及形成方式优选可以是与所述第一介电层116相似。接着，利用例如是氢氧化钾(KOH)的蚀刻液从基材102的背面蚀刻基材102，以形成流体通道124。然后，再通过例如氢氟酸(HF)的蚀刻液移除所述牺牲层104(如第2A图所示)，以形成流体腔126，如图2D所示。

在图2E中，形成第一喷孔128及第二喷孔130，以便连通流体腔126。在一个优选实施例中，使用例如等离子蚀刻、反应性离子蚀刻(reactive ion etch；RIE)或其它合适的干蚀刻方式，移除部分第二介电层122、第二导电层118、第一介电层116、第一导电层112及所述结构层106，以便形成第一喷孔128及第二喷孔130。基材102上方的第二介电层122、第二导电层118、第一介电层116及第一导电层112构成液面控制单元(liquid level controlling unit)134。也就是说，第一喷孔128及第二喷孔130通过贯穿所述液面控制单元134及所述结构层106，连通所述流体腔126。然后，将流体132提供于流体腔126之中，以便形成根据本发明实施例的单块流体喷射装置140，如图2E所示。

值得注意的是，第一导电层112可作为所述液面控制单元134的第一电极，且第一导电层112会与流体132接触，用以提供电压至流体132。第一介电层116可作为第一导电层112及第二导电层118的隔离层。所述第二导电层118可作为液面控制单元134的第二电极，且第二介电层122覆盖于第二导电层118的上方及其侧壁，以便将第二导电层118与流体132隔离。也就是说，第二导电层118并未与流体132接触。

在一个优选实施例中，当第一导电层112将具有第一极性例如负极性的电压提供至流体132之中，使得具有与第一极性相反的第二极性例如正极性的流体132的离子会聚集于第一导电层112的周围。而与第一极性相同的流体132的离子会远离第一导电层112的周围。同时，第二导电层118会提供与第一极性相反的之第二极性例如正极性的电压至第二介电层122，使得第二介电层122中与第二极性相同的离子会聚集于第二介电层122的表面。由于第一极性与第二极性具有相吸的能力，因此，可减少第二介电层122与流体132间的表面张力。也就是说，通过施加电压于流体132及第二介电层122之间，第二介电层122原本的疏水性会转变成为亲水性，且可由此调控喷孔128，130内流体132的液面高度，以便喷射不同流量的墨滴。所述流体132优选可以是具有导电能力的电解液(electrolyte)。

可以理解的是，液面控制单元134也可作为喷孔层，且每个液面控制单元134可分别连接至控制单元，以独立调控其对应的喷孔内的流体液面高度。如图2E所示，设置于第一喷孔128上方的液面控制单元134可以是关闭的状态，而设置于第二喷孔130上方的液面控制单元134可以是开启状态，使得第二喷孔130内流体132的液面高度高于第一喷孔128内流体132的液面高度。

值得注意的是，也可以将多个液面控制单元设置于喷孔的上方，以便更加多样地调控喷孔内流体的液面高度，使得喷射出具有不同流量及方向的墨滴。而且，所述液面控制单元可搭配单块流体喷射装置的制作方法，因此，并不会增加额外的制作成本。

参照图2F，图2F是示出形成有液面控制单元的单块流体喷射装置的喷孔的仰视图。如图2F中的(a)所示，将液面控制单元的第二导电层118分别形成于第一喷孔128及第二喷孔130之中，以便分别调控第一喷孔128及第二喷孔130内流体的液面高度。液面液制单元的第二导电层118也可以分成两个部分，且分别形成第一喷孔128及第二喷孔130之中。也就是说，在图2F中(b)所示，第一喷孔128及第二喷孔130的上方对应地形成两个液面液制单元(由第二导电层118表示)，以便在各喷孔之中调控具有倾斜面的液面，且以某一角度喷射具有方向的墨滴。

如图2F中的(c)所示，也可以将所述第二导电层118图形化形成四个部分，以便在不改变第一介电层、第二导电层及第二介电层情况下，将具有四个分量的液面控制单元(可各别独立操作之液面控制单元)提供于第一喷孔128及第二喷孔130的上方。通过所述液面控制单元可更加多样地及精确地调控各喷孔之中流体的液面高度，使得所述液面高度呈倾斜面，以便喷射出具有方向的墨滴。

可以理解的是，在所述各液面控制单元上方，也可以对应地形成多个液面控制单元，以便独立调控喷孔内流体的液面高度，进而控制喷射墨滴的流量及方向。

图3A-图3C示出根据本发明的单块流体喷射装置的控制方式。在接下来的附图中，部分组件被省略，以便更加清楚地示出本发明的实施例。

图3A示出根据所述实施例的单块流体喷射装置300。在图3A中，提供基材302，且在基材302的上方形成结构层304。接着，于结构层304的上方依序形成第一液面控制单元306、第二液面控制单元308、第三液面控制单元310及第四液面控制单元312。然后，将第一喷孔314及第二喷孔316形成于所述液面控制单元306，308，310，312之中，且所述喷孔会贯穿液面控制单元306，308，310，312及结构层304，以便连通流体腔。接着，将流体318提供至流体腔之中，以形成单块流体喷射装置300，如图3A所示。

在图3A中液面控制单元虽然仅以单层型式表示，但必须理解的是，此液面控制单元可针对各自对应之喷孔，进行独立的开启电极，以进行各喷孔内液面的调控操作。而且，每个单层型式表示的液面控制单元，应该至少包含一个将电压提供至流体的第一电极、第二电极以及一介电层，覆盖所述第二电极，且第二电极会将电压提供至介电层，从而将介电层表面的疏水性质(hydrophobic)转变成为亲水性质(hydrophilic)，进而调控喷孔内的流体液面高度。而且，所述单块流体喷射装置也可以将气泡产生装置形成于喷孔的两侧、以及结构层与第一液面控制单元之间，以便产生气泡而喷射墨滴。

如图3A所示，在一个实施例中，第一喷孔314之中的第一及第二液面控制单元306，308可以是开启状态，而第二喷孔316之中的第一、第二及第三液面控制单元306，308，310可以是开启状态，以调控第二喷孔316内流体318的液面高度高于第一喷孔314内流体318的液面高度，进而喷射具有不同流量或体积的第一墨滴320及第二墨滴322。

值得注意的是，在所述实施例中，为简化液面控制单元的操作手续，各液面控制单元中与流体接触的第一电极可以是通以相同极性的电压，以保持喷孔内流体的共同极性。然而，在另一实施例中，也可以仅在任一液面控制单元中，制作与流体接触的第一电极，且通以极性的电压，从而将喷孔内流体维持在具有极性的状态。也就是说，在所述液面控制单元中，可以是单个第一电极搭配多个由介电层包覆的第二电极的方式制作及操作。所述方式当然也可应用于后续的控制液滴喷射方向的实施例，故后文中将不再详述。

可以理解的是，所述液面控制单元也可以是分成多个部分，且平行对应地设置于喷孔的上方，如图2F所示。在图3B中，通过控制第一喷孔314右侧的第一液面控制单元306为开启状态，而左侧的第一液面控制单元306、第二液面控制单元308及第三液面控制单元310可以控制为开启状态，使得第一喷孔314内左侧的流体318的液面高度会高于右侧的液面高度。也就是说第一喷孔314内的流体318具有最高液面高度及最低液面高度，且最高液面高度与最低液面高度不相等，使得液面呈倾斜面。

又如图3B所示，通过调控第一液面控制单元306、第二液面控制单元308及第三液面控制单元，第二喷孔316内流体318的液面可以是平面。接着，通过气泡产生装置，产生气泡，且由第一喷孔314及第二喷孔316喷射出第一墨滴320及第二墨滴322。值得注意的是，由于第一喷孔314内流体318的液面具有倾斜面，以便从第一喷孔314喷射出具有方向的第一墨滴320。

图3C示出具有液面控制单元的单块流体喷射装置300。在图3C中，第一喷孔314左侧的第一液面控制单元306可以是开启状态，而第一喷孔314右侧的第一、第二及第三液面控制单元306，308，310可以是开启状态，使得第一喷孔314内流体318的液面呈倾斜面。同时，第二喷孔316左侧的第一液面控制单元306可以是开启状态，而第二喷孔316右侧的第一、第二及第三液面控制单元306，308，310可以是开启状态，使得第二喷孔316内流体318的液面也是呈倾斜面。接着，通过气泡产生装置产生气泡，以某一角度分别从第一喷孔314及第二喷孔316喷射出具有方向的第一墨滴320及第二墨滴322。

可以理解的是，通过所述液面控制单元及控制方法，可调控各喷孔内流体的液面高度，以便喷射出具有不同流体或方向的墨滴，进而改善例如喷墨头的流体喷射装置的打印质量。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然而其并非用于限定本发明，任何本领域普通技术人员在不背离本发明的精神和范围内，应当可作部分变更和修改，因此本发明的保护范围应当以后附的本发明书所界定的范围为准。

符号说明

102基材            106结构层

112第一导电层      116第一介电层

118第二导电层      122第二介电层

126流体腔          128第一喷孔

130第二喷孔        132流体

134液面控制单元    140单块流体喷射装置

Claims (10)

1.一种单块流体喷射装置，包括：

基材；

结构层，设置于所述基材上，且所述结构层与所述基材的表面之间形成流体腔，以便在其中容置流体；

液面控制单元，形成于所述结构层上；以及

喷孔，贯穿所述液面控制单元及所述结构层，以便连通所述流体腔。

2.根据权利要求1所述的单块流体喷射装置，其中所述液面控制单元包含：

第一导电层，形成于所述结构层上，且接触所述流体；

第一介电层，形成于所述第一导电层上；

第二导电层，形成于所述第一介电层上；以及

第二介电层，形成于所述第二导电层上，且包覆所述第二导电层。

3.根据权利要求2所述的单块流体喷射装置，其中所述液面控制单元包含划分为两部分，围绕所述喷孔的周围，且分别连接控制单元。

4.根据权利要求2所述的单块流体喷射装置，其中所述液面控制单元包含划分为四部分，分别围绕所述喷孔的周围，且分别连接一个控制单元。

5.根据权利要求1所述的单块流体喷射装置，还包括：

至少一个气泡产生装置，形成于所述结构层上；以及

保护层，形成于所述结构层与所述液面控制单元之间，且覆盖所述气泡产生装置。

6.根据权利要求1所述的单块流体喷射装置，其中所述结构层包含低应力氮化硅。

7.根据权利要求2所述的单块流体喷射装置，其中所述第一导电层及第二导电层包含铜、金或铝。

8.一种单块流体喷射装置的制作方法，包括：

提供基材；

将结构层形成于所述基材上，且所述结构层与所述基材的表面之间形成流体腔，以便在其中容置流体；

将液面控制单元形成于所述结构层上；以及

形成喷孔，以贯穿所述液面控制单元及所述结构层，且所述喷孔连通所述流体腔。

9.根据权利要求8所述的单块流体喷射装置的制作方法，其中形成所述流体腔的方式，还包括：

将牺牲层形成于所述基材与所述结构层之间；以及

移除所述牺牲层，以便形成所述流体腔。

10.一种单块喷射装置的控制方法，所述单块流体喷射装置具有第一液面控制单元，所述第一液面控制单元包括：第一电极，其接触所述喷射装置内的流体，由第一介电层包覆的第二电极，以及第一喷孔，其贯穿所述液面控制单元，所述单块喷射装置的控制方法包括：

通过所述第一电极提供具有第一极性的电压至所述流体；

通过所述第二电极提供具有与所述第一极性相反的第二极性的电压至所述介电层，以控制所述第一喷孔中之所述流体的液面高度；

将气泡产生于所述流体之中，以便从所述第一喷孔射出第一墨滴。

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