CN1781711A - 流体喷射装置以及用于形成这种装置的方法 - Google Patents

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Abstract

流体喷射装置包括具有空腔的基板、形成在基板上的反电极、形成在基板上的促动膜、形成在基板上的顶层以及形成在顶层内的喷嘴。用于形成这种流体喷射装置的方法包括在基板内形成空腔，在基板上形成反电极，在基板上形成促动膜，在基板上形成顶层，以及在顶层内形成喷嘴。

Description

流体喷射装置以及用于形成这种装置的方法
技术领域
本发明涉及流体喷射装置，以及用于形成流体喷射装置的方法。
背景技术
已知有多种机构可用于实施喷墨打印。然而，喷墨打印头的批量生产是相当复杂且昂贵的。例如，根据某些技术，必须独立于给墨装置和喷墨促动器制造孔板或喷嘴板，之后将该板结合到装置基板上。使用这种分开的材料加工步骤来制造精密装置常常会显著增加制造的成本。
在某些应用中使用侧面发射式喷墨技术，但是制造侧面发射式喷墨打印头的效率同样非常低，以至于无法批量生产。同样还使用了更复杂的制造技术。例如，可以通过电成型、晶片结合、激光烧蚀以及微冲孔等形成喷墨孔板。然而，这些技术也给喷墨打印头的批量生产增加了大量的费用，并因而增加了消费者的成本。
对于高质量的喷墨打印头而言，必须或希望具有高的喷嘴密度。此外，尽可能简单地实现打印头的构造是比较理想的。用于简化构造以及增加喷嘴密度的一个重要对策是限制构造步骤的数量以及减小装置基板和孔板之间的错位程度。因而，希望由晶片单片地形成墨室，而非将喷嘴板结合到小芯片上，来降低成本以及获得高产量。
当喷墨打印头室是包括许多促动装置的机械类型的打印头时，确保在喷墨嘴孔板与促动装置表面之间提供相当大的间距是重要的。如果不提供10-100微米量级的间距，就可能出现许多问题。例如，如果促动膜和墨水孔板太近，则在允许的墨水补充期间流入墨室的墨水量不足，并可以导致操作过程中墨水不足。墨水不足可以导致缺滴和/或滴量不足。降低喷墨频率以及通过更长的墨水补充周期能够改善性能，但考虑到它们对优化操作速度和打印质量的不利影响，这些策略是不可取的。
喷墨打印技术的快速发展已经改变了消费性打印机市场的性质，并对图像/文本制造以及微流体控制的相关领域具有显著的影响。推动喷墨打印机在消费性市场中成功的作用力之一是这些装置和系统的可承受成本。
在用于制造墨室(包括孔板)的制造技术中，最常用的现有方法包括晶片结合、电成型以及聚合物激光烧蚀。这些方法都不是晶片级的单片方法，考虑到这些技术的复杂性和高成本，已经在开发喷墨打印头的单片式制造方法上进行许多努力。这些努力集中于改善打印质量，同时降低打印头的成本。
发明内容
本发明针对用于喷墨打印的单片式(例如多晶硅)流体喷射装置。阻止公知的单片表面微机械工艺用于形成打印头的障碍之一是，在这些工艺中沉积的牺牲氧化物太薄，导致不允许形成合适的流体通道。如上所述，在微流体应用(例如，喷墨打印)中，需要至少10微米的室高度。使用更小的室可以导致供墨不足。通常，不能形成厚度为10微米或更厚的牺牲氧化物。
本发明人已经发现，可以通过单片工艺形成流体喷射装置，其中该装置形成为具有至少10微米的通道高度。也就是说，本发明人已经发现，可以通过在硅基板内形成沟槽，并使用第一牺牲层(例如牺牲氧化物)和第二牺牲层(例如旋涂于玻璃上的氧化物)顺序地形成层，来形成流体喷射装置。在根据本发明的方法中使用的牺牲层可以形成超过10微米的厚度。因而，根据本发明的流体喷射装置可以通过单片工艺形成，并包括深度至少为10微米的流体通道和空腔。
在多个示例性实施例中，提供了流体喷射装置。在其它示例性实施例中，提供了用于形成流体喷射装置的方法。在另一些示例性实施例中，提供了包括根据本发明的流体喷射装置的打印装置或图像形成装置。
在多个示例性实施例中，根据本发明的流体喷射装置包括具有空腔的基板、位于基板上的介质层或多个介质层、形成在基板上的反电极、形成在基板上的促动膜、形成在基板上的顶层，以及形成在顶层内的喷嘴。在根据本发明的流体喷射装置的多个示例性实施例中，反电极至少部分地位于空腔内。在根据本发明的流体喷射装置的多个示例性实施例中，促动膜定位成可基本上封闭反电极。在根据本发明的流体喷射装置的多个示例性实施例中，顶层定位成可覆盖空腔。
在多个示例性实施例中，根据本发明的用于形成流体喷射装置的方法包括：在基板内形成空腔；在基板上形成反电极；在基板上形成促动膜；在基板上形成顶层；在顶层中形成喷嘴。在根据本发明的用于形成流体喷射装置的方法的多个示例性实施例中，至少一部分反电极形成在空腔内。在根据本发明的用于形成流体喷射装置的方法的多个示例性实施例中，促动膜成形为可封闭反电极。在根据本发明的用于形成流体喷射装置的方法的多个示例性实施例中，顶层成形为可覆盖空腔。
附图说明
为了更好地理解本发明及其其它方面和进一步的特征，参见附图和以下描述。
图1是根据本发明的示例性流体喷射装置的剖视图；
图2(a)是根据本发明的示例性流体喷射装置的剖视图；
图2(b)是根据本发明的示例性流体喷射装置的俯视图；
图3(a)是根据本发明的示例性流体喷射装置的透视图；
图3(b)是根据本发明的示例性流体喷射装置的剖面；
图4(a)是根据本发明的示例性流体喷射装置的透视图；
图4(b)是根据本发明的示例性流体喷射装置的剖面；
图5(a)是根据本发明的示例性流体喷射装置的透视图；
图5(b)是根据本发明的示例性流体喷射装置的剖面；
图5(c)是根据本发明的示例性流体喷射装置的微通道段的剖面；
图6-图13是通过根据本发明的制造流体喷射装置的示例性方法来装配的流体喷射装置的剖视图；以及
图14是根据本发明的示例性掩膜的示意图。
具体实施方式
对根据本发明的流体喷射装置的各种示例性实施例的以下描述采用了可用于流体喷射系统的结构配置和/或用于存储并消耗流体(例如燃料电池、生物材料化验)的其它技术。如本申请中所使用的，流体指非气相(即相对不可压缩)的可流动介质(例如液体、浆状物和凝胶)。应该理解，(如下文所概述或讨论的)本发明的原理可以类似地用于任何公知的或最新研制的流体喷射系统。本申请所述的流体喷射装置尤其可用于喷墨打印。
图1是根据本发明的示例性流体喷射装置的剖视图。图1所示的示例性流体喷射装置100包括具有空腔115的基板110、介质层120、反电极130、促动腔140、促动膜150、流体腔160、顶层170以及喷嘴180。
基板110可以是适于形成本申请所描述的各种结构的任何材料。在多个示例性实施例中，基板110是硅基板。空腔115可以形成在基板110内。空腔115可以成形为具有适于容纳待喷射流体的任何形状或尺寸以及实现这种喷射所必需的各种结构。在多个示例性实施例中，空腔15的深度从大约10微米到大约100微米。介质层120(或多个介质层)可以在基板110的表面(包括形成空腔115的表面)上形成。
可以通过反电极130、促动膜150以及位于反电极130和促动膜150之间的促动腔140来执行流体喷射。反电极130可以形成在基板110上，并处于空腔115的一个或多个表面之上。促动膜150可以形成在反电极130之上，使得在反电极130和促动膜150之间留下促动腔140。当在反电极130上施加电压时，促动膜150就朝着反电极130受拉，从而增加了促动膜150下方的空腔140的体积。当从反电极130上去掉电压(反电极130接地)时，促动膜150被释放开。促动膜150的释放减小了促动膜150下方的空腔140的体积。
顶层170可以形成在基板110上，并处于空腔115和反电极130、促动腔140以及形成于基板110上的促动膜150之上。顶层170可以形成在基板110上，使得流体腔160仍位于顶层170与反电极130、促动腔140及形成于基板110上的促动膜150之间。在操作过程中，将从流体喷射装置100中喷出的流体位于流体腔160内。顶层170包括喷嘴180。喷嘴180是顶层170内的开口。喷嘴180可以形成适于喷射流体的任何形状或尺寸。
当从反电极130撤去电压时，如上所述，促动膜150释放开。促动膜150的释放减小了流体腔160的体积，使流体腔160内一定量的流体从流体喷射装置100经喷嘴180喷射出。在喷射了一定量的流体之后，另外的流体从相邻的储器(未示出)中吸入到流体腔160内，因此就可重复该操作。
应该知道，尽管本申请所描述的实施例重点于微机电系统(MEMS)流体喷射器以及用于制造该系统的方法，然而，本发明已经具体考虑了在本申请所讨论的喷射器之中或之上进行单片式集成高压控制电子器件。此外，根据本发明的流体喷射装置可以集成到打印装置或图像形成装置内。
图2(a)是根据本发明的示例性流体喷射装置的剖视图，图2(b)是该装置的俯视图。图2(a)和图2(b)中所示的该示例性流体喷射装置200包括具有空腔215的基板210、介质层220、反电极230、促动腔240、促动膜250、流体腔260、包括波纹特征267的波纹状顶层270以及喷嘴280。图1显示了具有大致平面状顶层170的流体喷射装置100。相反，图2(a)和图2(b)的流体喷射装置200包括波纹状顶层270。
顶层270包括波纹特征267。波纹特征267可以是能增强顶层270的机械强度的任何三维特征。当顶层270形成为具有给顶层270提供了额外机械强度的波纹特征267时，顶层270在结构上就可以承受由流体喷射装置200的操作引起的更大压力，同时却可形成比大致平面状顶层更小的厚度。如可在图2(a)和图2(b)中看到的，顶层270形成为具有波纹特征267，其导致顶层270具有包括多个矩形峰的表面形貌。波纹特征267的形状和组织没有特殊的限制，并且可以通过为顶层270提供提高的机械强度的任意方式来提供。
图3(a)是根据本发明的示例性流体喷射装置的透视图，并且图3(b)是该装置的剖视图。图3(a)和图3(b)中所示的示例性流体喷射装置300包括具有空腔315的基板310，该空腔315包括流体喷射段385以及微通道段390。介质层320形成于基板之上。如图3(a)所示，流体喷射段385包括促动膜350、用于促动膜350的焊盘353、用于反电极(图3(a)中未显示)的焊盘333。此外，如图3(b)所示，流体喷射器300包括反电极330、促动腔340、流体腔360、包括波纹特征367的波纹状顶层370以及喷嘴380。图3(a)和图3(b)所示的实施例还包括释放通道341，这允许在制造过程中去除形成于反电极330和促动膜350之间的牺牲层。
如图3(a)中可以看到的，形成在流体喷射装置300的基板310中的空腔315包括流体喷射段385和微通道段390。微通道段385是可以通过它将流体从外部源提供到流体喷射段385的通道。流体喷射段385是用于从流体喷射装置300中喷射流体的空腔315的区域。当从反电极330上撤去所施加的电压并释放促动膜350时，位于空腔315的流体喷射段385内的流体就受到压力的作用，并从流体喷射装置300经由喷嘴380喷射出。
流体喷射装置300还包括分别用于反电极330和促动膜350的焊盘333和焊盘353。用于反电极330的焊盘333允许将电压施加到反电极330上。用于促动膜350的焊盘353允许促动膜350接地。如上所述，在反电极330上施加和撤去电压允许流体喷射装置300喷射流体。
图4(a)是根据本发明的示例性喷射装置的透视图，并且图4(b)是该装置的剖视图。图4(a)和图4(b)内所示的示例性流体喷射装置400包括具有空腔415的基板410，空腔415包括流体喷射段485和微通道段490。介质层420形成在基板之上。喉状段417将流体喷射段485和微通道段490分开。如图4(a)所示，流体喷射段485包括促动膜450、用于促动膜450的焊盘453以及用于反电极(图4(a)中未显示)的焊盘433。此外，如图4(b)所示，流体喷射器400包括反电极430、促动腔440、流体腔460、包括波纹特征467的波纹状顶层470以及喷嘴480。
除了上文针对图3(a)和图3(b)描述的特征之外，图4(a)和图4(b)所示的流体喷射装置400还包括喉状段417。喉状段417将流体喷射段485和微通道腔部分490分开。由于喉状段417在流体喷射段485和微通道段490之间提供了部分障碍，因此当促动膜450启动以便经喷嘴480喷射一定量的流体时，被推进微通道段490内以代替经喷嘴480喷射出的流体的量减小。这种被推进微通道段490内的流体量的减小导致流体喷射装置400的喷射效率改进，这种喷射效率这可以测得为所喷出的流体量与经微通道段485退回到流体储器(未示出)的流体量之比。喷射器的小尺寸可以为大约80到大约200微米，在多个示例性实施例中，微通道深度可以在大约10微米到大约100微米之间。在多个示例性实施例中，喉状段的深度小于微通道段的深度，并且其宽度小于或等于微通道段的宽度。
图5(a)是根据本发明的示例性流体喷射装置的透视图，并且图5(b)和图5(c)是该装置的剖视图。图5(a)、图5(b)和图5(c)所示的示例性流体喷射装置500包括具有空腔515的基板510，空腔515包括流体喷射段585和微通道段590。介质层520形成在基板之上。如图5(a)所示，流体喷射段585包括促动膜550、用于促动膜550的焊盘553以及用于反电极(图5(a)中未示出)的焊盘533。此外，如图5(b)所示，流体喷射器500包括反电极530促动腔540、流体腔560、包括波纹特征567的波纹状底层570以及喷嘴580。
除了上述的特征之外，图5(a)和图5(b)所示的流体喷射装置500还包括狭窄的微通道段590。通过使用微通道段590(该微通道段590比其它实施例所示的微通道段更窄且更浅)，可以限制通过该部分590的墨水流。如图5(c)所示，通过形成具有狭窄宽度的微通道段590，就可通过基板510的(111)平面的相交来控制通道的深度。在单晶硅基板中，限定了微通道段590的(111)平面594与基板510的(100)平面598之间的角度596是54.74°。可以通过改变微通道段590的宽度和相应深度，来控制墨水的流量。在图5(a)、图5(b)和图5(c)所示的实施例中，流体喷射段585具有与微通道段590不同的深度。例如，为了在单个湿蚀刻工艺步骤中制造空腔深度为100微米且微通道段深度为40微米的流体发射器，要求微通道段的宽度为56.6微米[2×40/(TAN(54.74°))]。
图6-图13是通过制造根据本发明的流体喷射装置的示例性制造方法组装的流体喷射装置的剖视图。图6显示了包括空腔615的基板610，以及形成于基板610之上的介质层620。图6(a)所示的基板610是通过执行氧化过程在基板上形成氧化物硬掩膜层来形成的。在多个示例性实施例中，氧化过程是热氧化过程。随后对氧化物硬掩膜层进行图案化，以便为形成空腔615作准备。随后对基板610(包括形成的氧化物层)进行蚀刻，以形成空腔615。在多个示例性实施例中，蚀刻是湿KOH蚀刻。在多个示例性实施例中，对基板610进行蚀刻，以便形成深度从大约10微米到大约100微米的空腔。蚀刻完成后，去除氧化物硬掩膜层，以便提供某一结构，例如图6(a)所示的结构。
图7显示了基板710、空腔715、介质层720、反电极730、第一牺牲层735以及促动膜750。在去除氧化物硬掩膜层后，在基板710上生长薄介质氧化物。在多种示例性实施例中，通过热氧化生长薄介质氧化物。然后在基板710上沉积另一绝缘层。在多个示例性实施例中，该绝缘层是低应力氮化硅层。在多个示例性实施例中，绝缘层的厚度为大约0.2微米到大约0.8微米。在多个示例性实施例中，通过低压化学气相沉积(LPCVD)来形成绝缘层。氧化物层以及第二绝缘层允许形成于基板710上的结构与基板710电绝缘。在多个示例性实施例中，对绝缘层进行图案化和蚀刻，以便在晶片的正面形成基板触点。
在沉积氧化物层和绝缘层之后，形成反电极730。在多个示例性实施例中，通过在基板710上沉积低应力多晶硅薄膜或非晶硅薄膜，来形成反电极730。在多个示例性实施例中，通过沉积厚度为大约0.5微米的薄膜来形成反电极730。在多个示例性实施例中，通过采用LPCVD沉积薄膜、对该薄膜进行掺杂并对薄膜进行图案化，来形成反电极730。在基板710上形成反电极730之后，在基板上形成第一牺牲层735。在多个示例性实施例中，第一牺牲层735是磷硅玻璃(PSG)层。在多个示例性实施例中，形成厚度为若干微米的PSG。在某些这种实施例中，形成厚度为大约1微米的PSG。
在基板710上沉积第一牺牲层735之后，在第一牺牲层735中形成锚固开口739。在多个示例性实施例中，通过光刻方式对第一牺牲层735进行图案化，来形成锚固开口739。在对第一牺牲层735进行图案化之后，例如可以通过反应离子蚀刻(RIE)来形成锚固开口739。在牺牲层735中形成了锚固开口739之后，在基板710上沉积促动膜750。在多个示例性实施例中，促动膜750是多晶硅或非晶硅层。在多个示例性实施例中，促动膜750形成为具有从大约0.5微米到大约5微米的厚度。在某些这种实施例中，促动膜750可以形成为具有大约1微米到大约3微米的厚度。在形成促动膜750之后，可对其进行掺杂、退火、图案化以及蚀刻，以便细化促动膜750及其电触点的特定结构。
图8显示了基板810、介质层820、反电极830、第一牺牲层835、膜850以及第二牺牲层865。在形成促动膜850之后，在基板810上形成第二牺牲层865。在多个示例性实施例中，通过旋涂玻璃(SOG)技术在基板810上形成第二牺牲层865。
通过在基板810上旋转液态化学物质(例如硅酸盐或硅氧烷)来执行SOG。通过退火或硬化对所施加的液体进行固化。通过调节旋转速度和硬化条件，可以精确地控制第二牺牲层865的厚度。同样，可以进行SOG的多次重复以便形成较厚的第二牺牲层865。在多个示例性实施例中，在形成促动膜850之后，进行SOG来填充基板810上的所有凹陷区域。在多个示例性实施例中，在填充基板810上的所有凹陷区域后，第二牺牲层865的厚度增加了大约6.0微米到8.0微米。在多个示例性实施例中，在形成了第二牺牲层865之后，对其进行平面化处理。在多个示例性实施例中，通过化学-机械抛光(CMP)对第二牺牲层进行平面化处理。在多个示例性实施例中，第二牺牲层865的厚度在大约10微米和大约100微米之间，也就是说，具有与所需沟槽深度大致相同的厚度。
图9显示了基板910、介质层920、反电极930、第一牺牲层935、促动膜950以及第二牺牲层965。第二牺牲层965包括波纹特征967。在形成第二牺牲层965之后，在第二牺牲层965中形成波纹特征967。在多个示例性实施例中，通过对牺牲层965进行图案化和蚀刻，来形成波纹特征967。在多个示例性实施例中，通过湿蚀刻来形成波纹特征967。在其它示例性实施例中，通过干蚀刻来形成波纹特征967。应该知道，可以通过这种方法来形成流体喷射装置，同时不形成波纹特征967。同样，尽管说明书中引用了用于形成“波纹状”顶层的“波纹”特征，但也可以使用提高顶层机械强度的任何特征。例如，波纹特征可包括加强筋结构而非波纹。
图10显示了基板1010、介质层1020、反电极1030、第一牺牲层1035、促动膜1050以及包括波纹特征1067的第二牺牲层1065。第二锚固区域1069形成为穿过第二牺牲层1065和第一牺牲层1035。在多个示例性实施例中，通过对牺牲层1065和1035进行图案化和蚀刻，来形成锚固区域1069。在多个示例性实施例中，通过对第二牺牲层1065进行干蚀刻，来形成锚固区域1069。
图11显示了基板1110、介质层1120、反电极1130、第一牺牲层1135、促动膜1150、包括波纹特征1167的第二牺牲层1165，以及锚固区域1169。波纹状顶层1170形成在牺牲层1165之上。在第二牺牲层1165中形成了锚固区域1169之后，形成波纹状顶层1170。在多个示例性实施例中，波纹状顶层1170由多晶硅或非晶硅形成。在多个示例性实施例中，通过LPCVD来形成波纹状顶层1170。在多个示例性实施例中，对通过LPCVD形成的波纹状顶层1170进行退火。在多个示例性实施例中，波纹状顶层1170的厚度为大约0.5微米到大约5微米。在某些这类实施例中，波纹状顶层1170的厚度为大约1微米到大约3微米。
图12显示了基板1210、介质层1220、反电极1230、第一牺牲层1235、促动膜1250、包括波纹特征1267的第二牺牲层1265、锚固区域1269、以及形成于第二牺牲层1265之上的波纹状顶层1270。在形成波纹状顶层1270之后，在波纹状顶层1270内形成喷嘴1280。在多个示例性实施例中，通过对波纹状顶层1270进行图案化和蚀刻，而使喷嘴1280形成在波纹状顶层1270内。在多个示例性实施例中，通过RIE技术来对波纹状顶层1270进行蚀刻。在多个示例性实施例中，在形成喷嘴1280之后，在基板1210上形成焊盘。在多个示例性实施例中，喷嘴1280具有大约10微米到大约50微米的直径。在某些这种实施例中，喷嘴1280的直径从大约20微米到大约30微米。
图13显示了基板1310、介质层1320、反电极1330、促动膜1350、锚固区域1369，以及包括喷嘴1380的波纹状顶层1370。第一牺牲层由促动膜腔1340取代，并且第二牺牲层由流体腔1360取代。在波纹状顶层1370内形成喷嘴1380之后，去除第一牺牲层和第二牺牲层。在多个示例性实施例中，通过蚀刻去除第一牺牲层和第二牺牲层。在多个示例性实施例中，通过液体或气体蚀刻来去除第一牺牲层和第二牺牲层。在多个示例性实施例中，通过用氢氟酸(HF)进行蚀刻来去除第一牺牲层和第二牺牲层。去除第一牺牲层和第二牺牲层，留下流体喷射装置。
形成第一牺牲层的材料通过一个或多个释放通道或孔(参见图3(a)的释放通道341)而从流体喷射装置中释放出。释放通道或孔可以位于流体空腔1360内。如果在操作中使用这些释放通道或孔，那么流体就会填充流体腔1360和促动膜腔1340。作为备选方案，释放通道或孔可以延伸到流体腔1360的外侧(参见图3(a))。通过这种设置，就可防止流体进入促动膜腔1340。
图14是根据本发明的示例性掩膜的示意图。示例性掩膜1493包括微通道特征1495和流体喷射器特征1497。微通道特征1495和流体喷射器特征1497由间隙1499隔开。如上所述，例如参见图4(a)和图4(b)，形成喉状段417就在流体喷射器段485和微通道段490之间提供了部分障碍，当促动膜450被促动而通过喷嘴480喷射一定量的流体时，推进到微通道段490内而非经由喷嘴480喷出的流体量得以减少。这种推进到微通道段490内的流体量的减少导致流体喷射装置400的喷射效率的提高，这种喷射效率可测得为喷出的流体量与经微通道段490推回流体储器(未示出)内的流体量之比。通过使用图14所示的掩膜1493来形成基板内的空腔，就可以形成具有流体喷射器段、微通道段以及将这两段部分分开的喉状段的空腔。

Claims (1)

1.一种流体喷射装置，包括：
具有空腔的基板；
形成在所述基板上的介质层；
形成在所述介质层上的反电极，所述反电极至少部分地位于所述空腔内；
形成在所述基板上的促动膜，所述促动膜定位成用于基本上封闭所述反电极；
形成在所述基板上的顶层，所述定层定位成用于覆盖所述空腔；以及
形成在所述顶层内的喷嘴。
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