CN1550329A - 液体喷出头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液体喷出头，该液体喷出头至少包括容纳液体的容纳室，即储液器(22)、施加用于喷出液体的压力的加压室(6)、连结加压室(6)与储液器(22)的流路、和从加压室(6)中喷出液滴的喷孔(4)，前述流路的一部分由设在玻璃基板(7)上的微小通孔(10)形成，该微小通孔(10)的内径连续地减小或增大。由此，可以降低制造成本，不会发生与喷出的液体，即包含生物高分子的溶液产生反应的问题，而且可从各喷嘴中喷出一定量的液滴。

Description

液体喷出头及其制造方法
技术领域
本发明涉及用于将包含例如蛋白质或核酸等生物分子的溶液喷到固相上，从而制作微型阵列的液体喷出头及其制造方法。
背景技术
以前，将多种检测样品喷到微型阵列的基板上时，采取采用触针(contact pin)或喷墨法的方法。
喷墨法通过减小喷嘴之间的间距，可制成高密度的微型阵列。
公开了下述方法：在现有的液体喷出装置中，为了向各喷嘴供给从独立的储液器中喷出的液体，通过光刻形成与喷射能量产生机构，即加热板，形成一体的液体供给板的方法、和通过叠加多层氧化铝板以形成其液体供给板的方法(参照例如日本专利文献1)。
〖日本专利文献1〗
特开2002-286735号公报(第7～8、7页、图2、图5)
由于上述现有的液体喷出装置中，多个独立的储液器及与储液器连通的供液通路通过光刻形成在液体供给板上，因此存在储液器的容量和数量受限制的问题。
而且，由于喷射能量产生机构，即加热板，和液体供给板由硅基板构成，为了形成贯穿板厚度方向的流路而采用各向异性蚀刻，因此存在喷嘴不能高密度配置的问题。
通过叠加多层氧化铝板来形成液体供给板时，由于要叠加形成有孔和槽的多个板，必须通过用于板的加工和叠加的粘结剂进行粘合作业，这样会增加制造成本，而且担心其粘结剂与喷出的液体，即包含生物高分子的溶液产生反应。
发明内容
本发明正是为解决上述问题作出的，目的在于降低制造成本，改善与喷出的液体，即包含生物高分子的溶液产生反应的问题。并且提供一种储液器的配置和容量不受限制，可高密度地喷出多种液体的液体喷出头及其制造方法。
(1)本发明所述的液体喷出头至少包括容纳液体的容纳室、施加用于喷出该液体的压力的加压室、连结前述加压室与前述容纳室的流路、和从前述加压室中喷出液滴的喷孔，前述流路的一部分由设在玻璃基板上的微小通孔形成，该微小通孔的内径连续地减小或增大。
采用上述构成，储液器的配置和容量可自由设定，而且可高密度地配置喷嘴。进而，连续的内径变化难以成为气泡的陷阱，并且由于表面平滑，流路阻力降低，内径的偏差减小了，因此可喷出一定量的液滴。
(2)本发明所述的液体喷出头中，由于微小通孔的狭小部的内径小于喷孔的内径，因此可实现用于防止微小通孔的狭小部处发生喷嘴堵塞的过滤效果。
(3)本发明所述的液体喷出头中，微小通孔的狭小部位于靠近容纳室一侧时，越靠近加压室，微小通孔的内径越大，在此处产生急剧的压力差。其结果通过扩压效果可容易地向加压室供给液体，提高喷出效率。
(4)本发明所述的液体喷出头中，微小通孔的狭小部位于靠近加压室一侧时，越靠近加压室，微小通孔的内径越小，可向高密度配置的小加压室供给液体。
(5)本发明所述的液体喷出头中，在玻璃基板上形成由微小间隙和电极构成的静电激励器，即使当液体是包含生物分子的溶液时，也不会象热喷墨方式那样由于产生热而引起生物分子的变性。
(6)本发明所述的液体喷出头中，玻璃基板与构成加压室的加压室基板接合，为了保护而将设在加压室基板上的压电激励器密封住，即使当液体是包含生物分子的溶液时，不会象热喷墨方式那样由于产生热而引起生物分子的变性。
(7)本发明所述的液体喷出头中，玻璃基板是硼硅酸玻璃基板，加压室基板是硅基板时，玻璃基板与加压室基板可通过阳极接合法接合，不必使用可能与喷出液体发生反应的粘结剂。
(8)本发明所述的液体喷出头的制造方法，至少包括容纳液体的容纳室、施加用于喷出该液体的压力的加压室、连结前述加压室与前述容纳室的流路、和从前述加压室中喷出液滴的喷孔，前述流路的一部分由设在玻璃基板上的微小通孔形成，通过将激光照射在前述玻璃基板上之后，进行湿法蚀刻，形成内径连续地增大或减小的微小通孔。
通过采用上述激光照射和湿法蚀刻，无需进行光刻，即可在玻璃基板上形成内径连续增大或减小的微小通孔，形成的微小通孔的内径连续变化，难以产生气泡的陷阱，并且由于表面平滑，流路阻力降低，内径的偏差减小，因此可喷出一定量的液滴。
(9)本发明所述的液体喷出头的制造方法，至少包括容纳液体的容纳室、施加用于喷出该液体的压力的加压室、连结前述加压室与前述容纳室的流路、和从前述加压室中喷出液滴的喷孔，前述流路的一部分由设在玻璃基板上的微小通孔形成，前述玻璃基板是感光性玻璃，通过将激光照射在该玻璃基板上之后，加热显影，并接着进行湿法蚀刻，形成内径连续地增大或减小的微小通孔。
通过在感光性玻璃上采用激光照射和湿法蚀刻，无需进行光刻，即可在玻璃基板上形成内径连续增大或减小的微小通孔，形成的微小通孔的内径连续变化，难以产生气泡的陷阱。
而且，在玻璃基板上采用感光性玻璃，可加快激光照射部分的蚀刻速度，因此可缩短蚀刻处理的时间。
(10)本发明所述的喷出头的制造方法中，由于激光是10-15秒激光，用高能量照射微小区域，使其发生变质，此后通过蚀刻，可更高精度地形成细微构造，即微小通孔。
(11)本发明所述的喷出头的制造方法中，至少包括容纳液体的容纳室、施加用于喷出该液体的压力的加压室、连结前述加压室与前述容纳室的流路、和从前述加压室中喷出液滴的喷孔，前述流路的一部分由设在玻璃基板上的微小通孔形成，前述玻璃基板是硼硅酸玻璃，该玻璃基板与构成由硅基板制成的前述加压室的加压室基板通过阳极接合法接合。
由此，通过激光照射和湿法蚀刻形成有微小通孔的玻璃基板与加压室基板通过阳极接合法接合，不必使用可能与喷出液体发生反应的粘结剂。
附图说明
图1是表示本发明实施形态1的液体喷出头的构成的截面图。
图2是从上方看该液体喷出头的构成图。
图3是表示该液体喷出头的喷出头芯片的构成的截面图。
图4是表示该喷出头芯片的第一变形例的构成的截面图。
图5是表示该喷出头芯片的第二变形例的构成的截面图。
图6是从上方看该喷出头芯片的第二变形例的构成图。
图7是表示该喷出头芯片的第三变形例的构成的截面图。
图8是表示该喷出头芯片的微小通孔的制造工艺的工序图。
图9是表示本发明实施形态2的液体喷出头的构成的截面图。
图中：1-喷出头芯片，2-储液器单元2，3-第一硅基板，4-喷孔，5-第二硅基板，6-加压室，7-玻璃基板，8-凹部，10-微小通孔(流路)，10a-狭小部，21-储液板，22-储液器，23-第一微型通道板，24-第一微型通道(流路)，25-第二微型通道板，26-第二微型通道(流路)。
具体实施方式
实施形态1
图1是表示本发明实施形态1的液体喷出头的构成的截面图，图2是从上方看该液体喷出头的构成图，图3是表示该液体喷出头的喷出头芯片的构成的截面图，图4是表示该喷出头芯片的第一变形例的构成的截面图，图5是表示该喷出头芯片的第二变形例的构成的截面图，图6是从上方看该喷出头芯片的第二变形例的构成图，图7是表示该喷出头芯片的第三变形例的构成的截面图。
图中，液体喷出头由喷出包含例如生物分子的溶液，即多种液体的液滴的喷出头芯片1和向喷出头芯片1供给多种液体的储液器单元2构成。
该喷出头芯片1包括通过蚀刻形成有多个喷孔4的薄的第一硅基板3、通过蚀刻形成有构成加压室6的槽的第二硅基板5、形成有构成静电激励器的凹部8和流路，即微小通孔10的玻璃基板7，其中上述加压室6用于使液滴从各喷孔4中喷出。
将第一硅基板3、第二硅基板5和玻璃基板7整体接合，第二硅基板5的槽构成加压室6，第一硅基板3的喷孔4构成与加压室6连通的喷出头芯片1。
储液器单元2包括形成有由PMMA形成的容纳液体的容纳室，即储液器22的储液板21、形成有与储液器22连通，将来自储液器22的液体向加压室6供给的流路的第一微型通道板23及第二微型通道板25。在第一通道板23中形成第一微型通道24，在第二通道板25中形成第二微型通道26。
储液板21、第一微型通道板23和第二微型通道板25整体接合，构成储液器单元2。
从喷孔4中喷出的液体滞留在喷出头芯片1的加压室6中。该加压室6的至少一个壁(此处是底壁，将其底壁称为振动板6a)可挠性地发生形状变化，在玻璃基板7的凹部8内的一部分上设置电极9。由该电极9和振动板6a与电极9之间的微小间隙来构成静电激励器。
即，如果向电极9供给电荷，使其带正电，使振动板6a带负电，则振动板6a移向电极9。由此，加压室6的容积增加。接着，如果停止向电极9供给电荷，则振动板6a回到原位，此时由于加压室6的容积也要复原，因此利用其压力喷出液滴。因而，振动板6a与电极9之间的距离(微小间隙)会影响液滴的喷出量。
该实施形态1中，由于在位于玻璃基板7上的凹部8内的一部分上设有构成静电激励器的一部分，即电极9，因此该玻璃基板7起到静电激励器电极玻璃的作用。
进而，图1所示的在喷出头芯片1的玻璃基板7上，通过激光加工和湿法蚀刻形成的微小通孔10带有狭小部10a，该狭小部10a越靠近玻璃板厚度的中央，其内径连续地减小，其流路阻力比第一及第二微型通道24、26的流路阻力还高。其狭小部10a的内径小于喷孔4的内径。
由于微小通孔10的狭小部10a所具有的流路阻力比第一及第二微型通道24、26的流路阻力还高，因此可消除第一及第二微型通道24、26的流路阻力的长度不同所造成的偏差，可从全部喷嘴4中喷出一定量的液滴。
而且，由于微小通孔10是通过激光加工和湿法蚀刻形成的，因此与以前仅靠激光加工所开的孔相比，表面平滑，流路阻力降低，孔径的偏差减小，因此喷出的偏差更小。
由于在喷出头芯片1的玻璃基板7上形成的微小通孔10的狭小部10a的孔径小于喷嘴4的内径，因此可实现用于防止微小通孔10的狭小部10a处发生喷嘴堵塞的过滤效果。
进而，由于微小通孔10的内径连续变化，难以形成气泡的陷阱，填充液体时气泡的排出性好。
如图4所示，形成在玻璃基板7上的微小通孔10的狭小部10a位于靠近储液器22侧，其微小通孔10的内径形成向加压室6连续增大的形状。
通过使形成在玻璃基板7上的微小通孔10形成其内径向加压室6连续增大的形状，以便在此产生急剧的压力差，其结果，利用扩压效果提高喷出效率。
进而，如图5所示，形成在玻璃基板7上的微小通孔10的狭小部10a位于靠近加压室6侧，其微小通孔10的内径形成向加压室6连续减小的形状。
通过使形成在玻璃基板7上的微小通孔10形成其内径向加压室6连续减小的形状，可将液体供给高密度配置的小加压室6。
即，使形成在玻璃基板7上的微小通孔10形成其内径向加压室6连续减小的形状时，如图6所示，由于微小通孔10的狭小部10a构成下面孔，内径最大的孔10b构成上面孔，通过交错地配置加压室6，可高密度地配置加压室6。
如图7所示，也可以在微小通孔10与加压室6之间设置小储液室11，用孔12连通其储液室11与加压室6。
设定该孔12的流路阻力，使其大于微小通孔10的狭小部10a的流路阻力，用以调整向加压室6的液体的流路阻力。
下面说明上述喷出头的制造方法的一例。
首先说明喷出头的喷出头芯片1的制造方法。
第一硅基板3的喷孔4是通过下述方法制作的。首先，对硅基板进行镜面研磨，在其表面上形成SiO2膜。在该膜上再形成光敏抗蚀剂图案，用氟酸系的蚀刻液进行蚀刻。通过该蚀刻除去露出的SiO2膜。此后，也除去光敏抗蚀剂图案。再用氢氧化钾(KOH)水溶液、联氨等碱溶液对硅基板进行各向异性蚀刻和各向异性干法蚀刻。
第二硅基板5的加压室6是通过与第一硅基板3的喷孔4同样的方法制作的。
在玻璃基板的表面上通过溅射形成铬膜和金膜，在该膜上形成用于设置构成激励器的凹部8的图案，此后用氟酸系蚀刻液进行蚀刻，形成玻璃基板7的凹部8。接着，溅射形成ITO膜，制作布线图案，形成电极。
如前所述，通过激光加工和湿法蚀刻形成玻璃基板7的微小通孔10，下面参照表示图8的微小通孔10的形成工艺的工序图详细说明。
首先，如图8(a)所示，用10-15秒激光照射玻璃基板7的要形成微小通孔10的微小区域，在玻璃基板7的微小区域上形成加工变质相。此时，通过移动聚焦位置(即，使连结焦点的位置发生偏移)，可在玻璃面内及厚度方向上自由地形成局部变质区域。
此后，如图8(b)所示，浸渍在20％浓度的氟酸中，对加工变质相进行选择性蚀刻。通过蚀刻形成从表面圆锥形凹下的孔，并随时间的经过而扩大。
如图8(b)所示，特别是在没有蚀刻掩模的情况下，从两面开始蚀刻，最终形成如图1及图3所示的在板厚度中央带有狭小部10a的微小通孔10。
如图4所示的向加压室6其内径连续增大的微小通孔10，或如图5所示的向加压室6其内径连续减小的微小通孔10，用10-15秒激光在玻璃基板7的微小区域上形成加工变质相之后，如图8(c)所示，在玻璃基板7的一个面上通过溅射形成铬膜和金膜，形成蚀刻保护膜31，此后如图8(d)所示，浸渍在20％浓度的氟酸中，进行蚀刻，在其受保护的一面上形成具有狭小部10a的微小通孔10，再如图8(e)所示，除去蚀刻保护膜31，完成在玻璃基板7上形成微小通孔10的工作。
为了在玻璃基板7上形成微小通孔10，10-15秒激光的照射条件如下所述。
激光波长  800nm
激光脉冲宽度  100fs
频率  1kHz
激光功率  1～500mW(最好是1～10mW)
激光扫描速度  0.1～1mm/sec
另外，所谓10-15秒激光是指比1皮可(10-12)秒还短的脉冲宽度的激光，不用说，即使脉冲宽度比它更长时，也能在玻璃基板的微小区域上形成加工变质相。
形成有加压室6的第二硅基板5与形成有凹部8及微小通孔10的玻璃基板7的接合采用阳极接合法接合。所谓阳极接合法是指例如将基板重叠，以300℃加热，同时将第一及第二硅基板5，6作为阳极，将玻璃基板7作为阴极，通过施加500V的直流电压5分钟进行接合。由于该方法不用粘结剂即可接合，因此耐久性好。
另外，通过阳极接合法接合仅在玻璃基板7是由被称为所谓耐热玻璃的硼硅酸玻璃形成时，才可与硅基板5，6接合。
由于通过该阳极接合法接合不用粘结剂，因此可降低粘结剂与喷出液体发生反应的风险。
下面说明喷出头的储液器单元2的制造方法。
形成有储液器22的储液板21、形成有第一微型通道24的第一微型通道板23、形成有第二微型通道26的第二微型通道板25接合成一体，构成储液器单元2。
上述板21、23、25由PMMA形成，作为储液器及微型通道的形成方法，可以采用注射模塑成形、热轧突起加工、激光加工、机械加工。它们的接合通过热压接合完成。
如上所述形成的喷出头芯片1与储液器单元2的接合通过粘结剂进行，两者形成一体，构成液体喷出头。
采用上述实施形态1，由于连结喷出头芯片1的加压室6与储液器单元2的储液器22的流路的一部分，即微小通孔10的狭小部10a所具有的流路阻力大于第一及第二微型通道24、26的流路阻力，因此可消除第一及第二微型通道24、26的流路阻力的长度不同所造成的偏差，可从所有的喷孔4中喷出一定量的液滴。
因而，无需在第一硅基板3或第二硅基板5中形成用于调整流路阻力的孔。
由于连结喷出头芯片1的加压室6与储液器单元2的储液器22的流路的一部分，即微小通孔10的内径连续地减小或增大，因此连续的内径变化难以成为气泡的陷阱，而且表面平滑，流路阻力降低，孔径的偏差也减小了，因此可减小喷出的偏差，从而可喷出一定量的液滴。
进而，由于形成在喷出头芯片1上的微小通孔10的狭小部10a的内径小于喷孔4的内径，因此可实现用于防止在微小通孔10的狭小部10a处发生喷嘴堵塞的过滤效果。
当形成在喷出头芯片1上的微小通孔10的狭小部10a位于靠近储液器22侧，越靠近加压室6，微小通孔10的内径越大时，由于此处产生急剧的压力差，其结果通过扩压效果可提高喷出效率。
进而，当形成在喷出头芯片1上的微小通孔10的狭小部10a位于靠近加压室6侧，越靠近加压室6，微小通孔10的内径越小时，可向高密度配置的小加压室6供给液体。
而且，在喷出头芯片1的玻璃基板7上形成由微小间隙与电极9构成的静电激励器，当液体是包含生物分子的溶液时，不会象热喷墨方式那样由于产生热而引起生物分子的变性。
实施形态2
图9是表示本发明实施形态2的液体喷出头的构成的截面图。
该实施形态2的使喷出头芯片1的第二硅基板5的加压室6的底壁，即振动板6a挠曲，增高加压室6内的压力，从喷孔4中喷出液滴的方法中，使振动板6a挠曲的激励器与实施形态1的静电激励器不同，采用的是压电激励器。
除此以外的其它构成与实施形态1相同，并用同一符号表示，因此不再对重复的构成、作用及效果进行说明。
该实施形态2中，第二硅基板5的加压室6的底壁表面上形成有压电薄膜40。由该压电薄膜40与加压室6的底壁，即振动板6a构成压电激励器。
一旦向压电薄膜40施加电压，压电薄膜40中产生的变形使振动板挠曲，增加了加压室6的容积，一旦停止向压电薄膜40施加电压，压电薄膜40的变形复原，随之加压室6的容积也复原，利用其压力喷出液滴。
该实施形态2中，由于形成在玻璃基板7上的凹部8出于保护地盖住形成在第二硅基板5的加压室6的底壁表面上的构成压电激励器的一部分，即压电薄膜40，因此该玻璃基板7起到压电激励器的保护部件的功能。
而且，该实施形态2中，形成在玻璃基板7上的微小通孔10也可以采用各种形状。
实施形态3
上述实施形态1、2中，考虑到形成有喷出头芯片1的凹部8和微小通孔10的玻璃基板7与第一及第二硅基板3，5的阳极接合，采用了硼硅酸玻璃，但是，该实施形态3中，在该玻璃基板7上采用感光性玻璃，在该感光性玻璃上照射激光后加热显影，并接着进行蚀刻，从而形成微小通孔10。
这里所说的感光性玻璃是指在SiO2-Li2O-Al2O3系的玻璃中添加了感光性金属(Au、Ag、Cu)和增感剂(CeO2)。
一旦激光照射在该感光性玻璃上，其部分金属离子代替金属原子，通过以约500℃进行热处理，生成金属胶质，它成为结晶核，析出由玻璃成分构成的结晶。由于该结晶相对氟酸可简单地溶解，因此可进行选择性蚀刻。
另外，利用激光的强度和照射量、加热处理条件，可改变照射部的蚀刻速率。
该实施形态3中，用与实施形态1相同的10-15秒激光，以与实施形态1相同的照射条件照射激光之后，在500℃加热60分钟，在550℃加热60分钟，在10％的氟酸溶液中浸渍120分钟，进行蚀刻。
如果象该实施形态3那样采用感光性玻璃，由于可加快激光照射部分的蚀刻速度，因此可缩短蚀刻处理的时间。
上述本发明所述的液体喷出头中，就喷出液体是包含生物分子的溶液进行了说明。此时，通过将包含各种生物分子的溶液用作喷出液体，进行多种液体的少量喷出，可在制造例如DNA芯片、蛋白质芯片等过程中使用。特别是在加压室6上设置振动板6a，由于不用加热，对于加热引起变化的可能性高的生物分子十分有效。
而且，如果喷出液体是打印用墨水，则可用作在通常的纸张介质等上打印的一般的彩色喷墨打印机。
进而，如果喷出液体是形成滤色片的溶液，则可在制造液晶显示装置中利用的滤色片时使用。
而且，如果喷出液体是包含发光材料的溶液，则可进行场致发光元件的喷出，在制造采用该元件的显示装置时使用。

Claims (11)

1.一种液体喷出头，该液体喷出头至少包括容纳液体的容纳室、施加用于喷出该液体的压力的加压室、连结前述加压室与前述容纳室的流路、和从前述加压室中喷出液滴的喷孔，其特征在于，前述流路的一部分由设在玻璃基板上的微小通孔形成，该微小通孔的内径连续地减小或增大。
2.如权利要求1所述的液体喷出头，其特征在于，前述微小通孔的狭小部的内径小于前述喷孔的内径。
3.如权利要求1或2所述的液体喷出头，其特征在于，前述微小通孔的狭小部位于靠近前述容纳室一侧。
4.如权利要求1或2所述的液体喷出头，其特征在于，前述微小通孔的狭小部位于靠近前述加压室一侧。
5.如权利要求1～4中任意一个所述的液体喷出头，其特征在于，在前述玻璃基板上形成由微小间隙和电极构成的静电激励器。
6.如权利要求1～4中任意一个所述的液体喷出头，其特征在于，前述玻璃基板与构成前述加压室的加压室基板接合，将设在该加压室基板上的压电激励器密封住。
7.如权利要求1～6中任意一个所述的液体喷出头，其特征在于，前述玻璃基板是硼硅酸玻璃基板，前述加压室基板是硅基板。
8.一种液体喷出头的制造方法，该液体喷出头至少包括容纳液体的容纳室、施加用于喷出该液体的压力的加压室、连结前述加压室与前述容纳室的流路、和从前述加压室中喷出液滴的喷孔，前述流路的一部分由设在玻璃基板上的微小通孔形成，其特征在于，通过将激光照射在前述玻璃基板上之后，进行湿法蚀刻，形成内径连续地增大或减小的微小通孔。
9.一种液体喷出头的制造方法，该液体喷出头至少包括容纳液体的容纳室、施加用于喷出该液体的压力的加压室、连结前述加压室与前述容纳室的流路、和从前述加压室中喷出液滴的喷孔，前述流路的一部分由设在玻璃基板上的微小通孔形成，其特征在于，前述玻璃基板是感光性玻璃，通过将激光照射在该玻璃基板上之后，加热显影，并接着进行湿法蚀刻，形成内径连续地增大或减小的微小通孔。
10.如权利要求8或9所述的液体喷出头的制造方法，其特征在于，前述激光是10-15秒激光。
11.一种液体喷出头的制造方法，该液体喷出头至少包括容纳液体的容纳室、施加用于喷出该液体的压力的加压室、连结前述加压室与前述容纳室的流路、和从前述加压室中喷出液滴的喷孔，前述流路的一部分由设在玻璃基板上的微小通孔形成，其特征在于，前述玻璃基板是硼硅酸玻璃，该玻璃基板与构成由硅基板制成的前述加压室的加压室基板通过阳极接合法接合。
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