CN218475431U - 微流体设备和电子设备 - Google Patents

Abstract

本公开的各实施例总体上涉及微流体设备和电子设备。一种微流体设备具有腔室；与腔室流体连接的流体进入通道；与腔室流体连接的多个喷嘴孔；以及可操作地耦合到流体容纳腔室并且被配置为在微流体设备的操作条件下使流体的液滴喷射通过喷嘴孔的致动器。腔室具有细长形状，具有长度和最大宽度，其中腔室的长度与最大宽度之间的纵横比为至少3:1。喷嘴孔被配置为在使用中生成具有总液滴体积的多个液滴，其中总液滴体积与腔室体积的比率为至少15％。本实用新型的实施例提供了喷射非常小的液滴的改进的微流体设备。

Description

微流体设备和电子设备

技术领域

本公开涉及一种用于喷射非常小的液滴的改进的微流体设备。

背景技术

众所周知，为了喷洒墨水和/或香水以及在电子香烟或吸入医疗装置中，已经提出使用小尺寸的微流体设备，该微流体设备可以通过微电子制造技术获取。

已知或未知成分流体的输送通过改进的设计、喷墨结构是可行的，该结构例如描述于US 2015/367014、US 2014/14310633、US 2015/0367356或US 2015/367641中。

然而，在某些应用中，诸如在雾化器应用中，需要喷射尺寸非常小的液滴，小至1μm。然而，当前的半导体技术允许制造直径大于6μm的喷嘴。

为了解决这个问题，例如，US2018/0141074公开了一种形成在容纳流体容纳腔室的本体中的微流体设备。示例性实施例示出在图1和图2中。这里，形成在本体5中的腔室1耦合到流体进入通道2和形成在喷嘴板(不可见，覆盖腔室1)中的液滴发射通道或喷嘴3。液滴发射通道3覆盖腔室1并且部分地与其偏移，以限定尺寸小于孔区域的交叉区域4，从而限定有效出口面积。加热器8形成在本体5中在腔室1下方，并且被配置为加热腔室1中的流体，以生成被发射通过液滴发射通道3的液滴。

因此，可以获取小液滴。特别地，液滴的尺寸(直径/体积)与喷嘴直径直接相关，如图2所示，将喷射液滴的体积绘制为喷嘴直径的函数(图1中的有效出口面积)。

该解决方案已经成功地减小了喷射液滴的尺寸，但对设备的操作造成了进一步的挑战，特别是当需要以高频率喷射大量非常小的液滴时。

特别地，为了获取足够体积的发射流体，已经研究了包括布置在腔室外围上的多个孔的测试结构。然而，已经看到，这种架构可能不是热高效的。

事实上，例如，已经研究了具有直径为6μm的外围偏置喷嘴的微流体设备，该微流体设备被配置为获取约0.28pL(皮升)的液滴。这导致液滴体积小于腔室体积的1％，并且因此小于腔室中容纳的流体(例如，50pL)。因此，比实际喷射的流体体积大得多的流体被加热。因此，已经观察到，热能在腔室中非常迅速地积聚并且可能导致容纳多个相邻腔室的管芯过热。

在某些情况下，甚至在流体进入腔室之前就已经观察到流体的沸腾，从而使系统全面脱底(depriming)。因此，在包括多个腔室的设备中，每个腔室连接到多个喷嘴，以高频(甚至高于1kHz)点火，存在由于全局脱底而导致整个设备发生故障的风险。此外，脱底可能会很快发生，从而损坏设备。

本公开的各种实施例提供了解决现有技术问题的改进的微流体设备。

发明内容

根据本发明，提供了一种微流体设备及其制造方法。

根据本公开的一个或多个方面，提供了一种微流体设备，其包括：腔室；流体进入通道，与腔室流体连接；多个喷嘴孔，与腔室流体连接；以及致动器，可操作地耦合到腔室，并且被配置为在微流体设备的操作条件下使流体的液滴喷射通过喷嘴孔，其中腔室具有细长形状，具有长度和宽度，其中腔室的长度与宽度之间的纵横比为至少3:1。

在一个或多个实施例中，腔室具有矩形或椭圆形基部形状。

在一个或多个实施例中，腔室由第一基部、第二基部和侧壁界定，第一基部和第二基部分别沿第一方向和第二方向延伸，第二方向横向于第一方向，腔室的长度和宽度分别在第一方向和第二方向上延伸，侧壁沿第三方向延伸，第三方向横向于第一方向和第二方向，腔室的高度在第三方向上延伸。

在一个或多个实施例中，腔室具有腔室体积，并且喷嘴孔被配置为在使用中生成具有总液滴体积的多个液滴，并且总液滴体积与腔室体积的比率为至少15％。

在一个或多个实施例中，微流体设备还包括：基体部分；腔室层；以及喷嘴层，基体部分形成第一基部并且容纳致动器，腔室层形成侧壁，并且喷嘴层形成腔室的第二基部。

在一个或多个实施例中，侧壁形成多个缺口和突起，并且喷嘴层包括至少一个喷嘴开口，至少一个喷嘴开口相对于腔室偏移并且在形成喷嘴孔的交叉区域处与缺口重叠。

在一个或多个实施例中，腔室层包括在基体部分上延伸的第一层以及在第一层上延伸的第二层，第一层界定下腔室孔，第二层界定上腔室孔，下腔室孔的面积小于上腔室孔的面积。

在一个或多个实施例中，腔室层和喷嘴层是聚合物层。

在一个或多个实施例中，喷嘴层是硅晶片。

在一个或多个实施例中，每个喷嘴孔包括面向腔室的更大截面部分和联通更大截面部分并且从喷嘴层的外表面延伸的更小截面部分。

在一个或多个实施例中，喷嘴孔以喷头布置布置在腔室上方。

根据本公开的一个或多个方面，提供了电子设备，其包括：通道；加热器；腔室，在加热器上并且与通道流体耦合，加热器被配置为加热腔室，腔室具有在第一方向上延伸的第一尺寸和在横向于第一方向的第二方向上延伸的第二尺寸，第一尺寸与第二尺寸的比率为至少3:1；以及多个喷嘴，流体耦合到腔室。

在一个或多个实施例中，腔室包括侧壁，侧壁具有直接位于多个喷嘴下方的多个缺口。

在一个或多个实施例中，多个喷嘴形成在硅晶片中。

通过使用根据本公开的实施例，可以至少解决前述问题的至少一部分，并实现相应的效果，例如提供了喷射非常小的液滴的改进的微流体设备。

附图说明

为了理解本公开，现在参考附图描述其实施例，纯粹作为非限制性示例，在附图中：

图1是微流体设备的腔室的简化俯视图，具有透明部分；

图2是表示液滴体积对喷嘴直径的依赖性的曲线图；

图3是本微流体设备的腔室的一个实施例的简化透视截面图；

图4是图3的单元的简化俯视图，具有透明部分；

图5是表示通过实验获取的出口面积与液滴直径之间关系的曲线图；

图6是包括多个腔室的微流体设备的简化俯视图；

图7-图10是本微流体设备的一部分的不同实施例的俯视图，具有透明部分；

图11示出了在中间制造步骤中的本微流体设备的顶部透视图；

图12是图11的设备的一部分的俯视图；

图13是沿图12的线XI-XI截取的图11的微流体设备的一部分的横截面；

图14示出了图11的微流体设备在后续制造步骤中的顶部透视图；

图15是图14的一部分的放大透视图；

图16以俯视图的形式示出了图15的放大细节；

图17是图13相同部分在图14的制造步骤中的横截面；

图18示出了图14的微流体设备在后续制造步骤中的顶部透视图；

图19是图18的微流体设备的一部分的放大俯视图；

图20是图17的相同部分在图18的制造步骤中沿图19的截面线XX-XX截取的截面图；

图21是图18的微流体设备的一部分在后续制造步骤中的放大比例的顶部透视图；

图22是图21的微流体设备的底部透视图，具有切除的角部分；

图23是图21的微流体设备在后续制造步骤中的顶部透视图；

图24以放大比例示出了图23的设备的细节；

图25是图20相同部分在图23的制造步骤中的截面图；

图26是图23的微流体设备的一部分的放大比例的透视截面图，带有切除部分；

图27以进一步放大的比例示出了图26的部分的细节，并且示出了使用中的喷射流体的流动；

图28是图23的设备的底部透视图，示出了使用中的待喷射流体的入口流；

图29是本微流体设备的另一实施例的截面图；

图30-图31是图29的微流体设备的后续制造步骤中的半导体材料晶片的横截面；

图32是图31的晶片的仰视图；

图33-图34是后续制造步骤中类似于图30-图31的横截面；

图35示出了图34的晶片的一部分的透视局部截面图；

图36是用于形成根据图29的实施例的微流体设备的另一半导体材料晶片的一部分的横截面；

图37-图38是后续制造步骤中从图34和图36的晶片获取的组合晶片的一部分的横截面；

图39是图37-图38的组合晶片的顶部透视图，具有切除部分；以及

图40以放大的顶部透视图示出了图39的组合晶片的细节。

具体实施方式

在下文中，将详细描述微流体设备的实施例。在随后的描述中，诸如“上部”、“下部”、“上”、“之上”、“下方”、“顶部”、“底部”等空间指示将根据所讨论的图来解释，而不是限制性的。

图3-图4示出了使用微制造步骤制造的微流体设备10，如下文更详细讨论的。

微流体设备10具有图3所示的一般结构，并且形成在本体11中，本体11包括基板12、绝缘层13、腔室层14和喷嘴层15。

基板12、绝缘层13、腔室层14和喷嘴层15在与竖直轴线(笛卡尔坐标系XYZ的第一轴Z)平行的高度方向上彼此延伸。

基板12例如是半导体材料，诸如单晶硅。绝缘层13例如是包括氧化硅、氮化硅和其他绝缘层的多层。基板12和绝缘层形成基体部分22。腔室层14例如是诸如干膜等聚合材料。如下文所述，喷嘴层15可以由诸如单晶硅等半导体材料或诸如干膜等聚合材料形成。

腔室层14形成多个腔室17，图3和图4中示出了一个腔室17。腔室17通过由腔室层14形成的侧壁16来横向界定；此外，腔室17通过由绝缘层13形成的底部基部17A和由喷嘴层15形成的上基部17B界定。

绝缘层13容纳多个致动器，这里是加热器18(示出了一个)。加热器18被布置在腔室17下方，每个腔室17有一个加热器18。然而，在备选方案中，可以在每个腔室17下方布置更多加热器部分18。

每个加热器18通过连接线19耦合到未示出的点火电路。

入口20从腔室17的相对侧延伸穿过腔室层14。入口20将腔室17与此处未示出的流体供应通道连接。

多个喷嘴开口23沿每个腔室17的周边延伸穿过喷嘴层17。具体地，如图4中清楚可见的，喷嘴开口23部分地覆盖腔室17并且将腔室17与微流体设备10的外部流体连接，以用于液滴喷射。

为了减小液滴的出口面积，如图4的放大细节所示，喷嘴开口23各自形成与图1的交叉区域4类似的交叉区域34。

在图4所示的实施例中，腔室17的侧壁16沿矩形延伸，并且腔室17具有平行六面体形状，具有矩形底部基部17A，平行于笛卡尔参考系XYZ的平面XY延伸。在图4的俯视图中，腔室17的底部基部17A的长边比短边长得多。

特别地，底部基部17C的长边的长度大于短边的长度的两倍；在图4所示的实施例中，矩形底部基部17C的长边是短边的四倍。

在图4的实施例中，入口20在腔室17中在腔室17的短边处开口。喷嘴开口23邻近长边延伸并且与长边部分地交叉(例如，重叠)。

喷嘴开口23被设计成具有更小交叉区域34，在交叉区域34中，喷嘴开口23和腔室17重叠。因此，液滴体积减少，如图5的曲线图所示，该曲线图示出了液滴直径与有效出口面积(即，相交面积)之间的关系。这里，感兴趣区域是在0.2μm²到0.5μm²之间的区域。

在所示示例中，喷嘴开口23具有三角形，几乎等腰的形状，具有与腔室17相交并且形成交叉区域34的锐角角部。因此，对于6μm的三角形高度Ht(图4)，可以采用目前的技术，可以获取约0.32μm²的交叉区域34，因此，液滴体积约为0.02pl。

在微流体设备10中，腔室17和喷嘴开口23被设计成液滴体积与腔室体积之间的体积比高于15％。

根据申请人的研究，已经观察到，通过设计腔室17以使其周长最大化(从而具有更多数目的更小喷嘴开口23)同时减小腔室17的体积，可以获取较少的过热。

特别地，已经证明，在体积比高于15％的情况下，可以获取从入口20到喷嘴开口23的恒定的高液体流量，从而消除了腔室17中的静止液体并且因此消除了腔室的污染。

例如，对于宽度W＝6μm、长度L＝12μm并且因此体积为1008μm³、八个喷嘴开口23(发射液滴的总体积为0.16pL)的腔室17，可以获取这一点。相同的比率可以用腔室17获取，腔室17具有为基本腔室面积的整数倍n的面积和等于4n的喷嘴开口23数目：

图6示出了包括三组发射部分25的设备10，每组发射部分25由彼此相邻的多个腔室17(这里为五个)形成。

这里，每个腔室17由四个基本单元(如虚线所示)形成，并且因此具有十六个喷嘴开口23。

同一组发射部分25的腔室17的加热器18连接在一起，如图6中的线26所示。特别地，如图所示，同一组发射部分25的加热器18耦合在提供发射脉冲Vo(例如，10V)的发射电路与地之间。

根据本微流体设备的实施例，可以通过在腔室17的侧壁16中而不是在喷嘴层15中形成小尺寸特征来获取更小交叉区域。事实上，申请人的测试已经表明，使喷嘴开口23相对于腔室17对准有时可能是困难的。此外，在某些情况下，例如通过激光在喷嘴层15中钻孔非常小的喷嘴开口23已经被证明是具有挑战性的并且并不总是带来具有恒定尺寸的开口的形成；在极少数情况下，观察到部分关闭的喷嘴，从而导致不均匀的交叉区域和不是最佳的行为。

具体地，根据本实施例，侧壁16不是平滑并且笔直的，而是具有多个尺寸非常小的突起。每个喷嘴开口在此具有与腔室面积相当的面积(在俯视图中)，并且除了腔室突起之外几乎完全相对于相邻腔室17偏移地延伸，从而限定多个面积非常小的喷嘴孔。

例如，图7-图9示出了三种不同形状的腔室和喷嘴孔，它们允许使用当前的精细加工技术(macromachining techniques)以简单的方式获取非常小的交叉区域。

图7和图8示出了包括腔室层114的微流体设备100。

腔室层114形成多个腔室117(四个可见)，这里在俯视图中具有大致矩形区域(平行于平面XY)。腔室117通过由腔室层114形成的侧壁116来界定。每个腔室17的侧壁116形成彼此相邻的多个突起130(图8)，突起130在腔室117内延伸并且隔开对应的多个缺口(indentation)131。

加热器118在腔室117下方延伸并且由虚线表示。

突起130在此具有大致正方形的形状，具有例如大约2.5μm-2.6μm的边。

喷嘴层115(由阴影线表示)在腔室层114上延伸并且向上封闭腔室117。喷嘴层115具有与腔室117偏移但与缺口131相交(例如，重叠)的开口132。

特别地，开口132与在成对的相邻腔室117之间延伸的腔室层114的部分119竖直对准。

这里，开口132在俯视图中也是矩形的。

因此，开口132和缺口131形成尺寸非常小的交叉区域134(图8)，特别地是几μm²。

例如，如果开口132几乎延伸到缺口131的整个长度(沿第二轴Y，平行于腔室117的宽度尺寸)，则针对每个腔室131可以获取1.5×2.6μm²的出口面积。

在微流体设备100的操作条件下，交叉区域134是腔室117中容纳的流体的出口面积。因此，微流体设备100能够在每个腔室117处生成非常小的液滴，并且在向加热器118施加电压脉冲V之后(类似于图6所示)，获取很多非常小的液滴的气溶胶。

由于腔室117的细长形状(这里沿第三轴线X的长度，即，沿第二轴线Y的宽度的大约四倍)，可以获取大于15％的体积比，从而提供微流体设备100的可靠操作，而不会使微流体设备100过热或脱底。

图7还示出了入口120以及形成在入口120中的用于阻挡可能被进入的液体拖曳(dragged)的任何杂质的柱133。

图9示出了喷嘴层215中的腔室(这里由217表示)和开口(这里由232表示)的不同形状。

这里，腔室217具有大致卵形或椭圆形的底部区域。同样在这里，腔室217由形成多个相邻突起230的侧壁216和对应的多个缺口231界定。此外，这里，每个腔室217的更大尺寸(长度，沿第三轴线X测量)，该更大尺寸是更短尺寸(宽度，沿第二轴Y测量)的两倍。

例如，腔室217可以具有椭圆形状，其第一半轴长度为60μm，第二半轴长度约为20μm。

这里用218表示的加热器在这里也可以具有矩形形状。

突起230和缺口231在这里具有尖端。

喷嘴层215(也由阴影线表示)在腔室层214上延伸并且具有开口232，在俯视图中，开口232通常与腔室217的形状相反。特别地，开口232在平行于第三轴X的方向上伸长并且具有弧形凹形。因此，在沿第三轴线X截取的不同横截面中，开口232的宽度从端部(靠近腔室217的一个入口220)朝向每个开口232的中央部分减小，然后再次朝向另一端部增大。开口232在这里也至少部分在突起230和缺口231之上延伸。

图10示出了喷嘴层315中的腔室(这里由317表示)和开口(这里由332表示)的另一种形状。

在此，腔室317在俯视图中(平行于平面XY)具有大致矩形形状，具有由类似形状的缺口331隔开的尖端突起330。

开口332具有大致恒定的宽度(在平行于第二轴线Y的方向上)，具有扩大的端部，纵横比为至少3:1。

通常，在另外的实施例中，腔室、开口、突起与它们之间的缺口的形状可以广泛变化，只要开口具有与缺口的微米交叉区域即可。

图7-图10的微流体设备100可以如下面参考图11-图28所讨论的那样制造。

在这些图中，描述了单个微流体设备100的制造；然而，一般而言，很多微流体设备以本领域已知的方式在单个晶片中制造并且在中间或最终步骤中分离，即使没有详细讨论。

图11示出了已经被加工以形成加热器和电连接结构的晶片400的一部分。

详细地，如图13所示，晶片400包括例如单晶硅基板401，基板401覆盖有容纳加热器418的绝缘层413。基板401和绝缘层413形成基体部分422。

这里，绝缘层413是多层，例如包括氧化层450，例如热氧化层；第一中间介电层451，例如BPSG(硼磷硅玻璃)；第二中间介电层452，例如氮化硅；以及保护层454，例如USG(未掺杂硅玻璃)。

例如TaSiN或TaAlN的加热器418在第一中间介电层451与第二中间介电层452之间延伸。

例如钽的金属层453在这里在第二中间介电层452上延伸并且形成热分布层。然而，在一些应用中，可以没有金属层453。

保护层454覆盖金属层453并且容纳导电材料(例如，Al)的电连接线419(图12)，电连接线419连接到保护层454和金属层453中的开口(不可见)中的加热器418并且将加热器418耦合到布置在微流体设备外围的焊盘(为简单起见未示出)。

保护层454被成形为在将要形成腔室的位置处形成腔室腔体455。特别地，每个腔室腔体455覆盖相应加热器418。腔室腔体455的形状可以与腔室的期望形状相同，或具有任何形状，例如矩形；一般来说，每个第一腔室腔体455的面积小于腔室面积。

此外，保护层454形成槽连接腔体456(图11)，每个腔体456在成组的第一腔室腔体455附近延伸，如稍后更好地解释的，并且焊盘腔室457(图11)覆盖焊盘(未示出)。

然后，如图14-图17所示，沉积并且限定下腔室层460。下腔室层460例如是光敏干燥材料，该材料被旋压和限定以界定下腔室开口461，下腔室开口461竖直布置在腔室腔体455之上并且联通(in prosecution to)腔室腔体455，但稍大，如图17所示。

下腔室开口461的形状例如如图9所示并且在图16的放大细节中可见。特别地，下腔室开口461由形成下缺口466的壁界定，下缺口466被下突起467(图16)隔开。

此外，下腔室层460成形为形成下柱部分464(图15和图16)。

下腔室层460也被去除，以在图11的槽连接腔体456之上形成下槽连接开口462并且在焊盘腔体457之上形成下焊盘开口463，如图14所示。

然后，烘烤和硬化下腔室层460。

在图18-图21中，沉积和限定上腔室层470。上腔室层470例如是光敏干燥材料，与下腔室层460相同或不同。上腔室层470例如被旋压(spinned)和限定以界定上腔室开口471，上腔室开口471竖直布置在下腔室开口461之上并且联通下腔室开口461(例如，流体连接到下腔室开口461)。下腔室层460和上腔室层470形成腔室层414。

因此，形成侧壁416(图20)。

如图19的俯视图可见，上腔室开口471具有与下腔室开口461类似的形状，但稍大。特别地，上腔室开口471具有在侧壁416中比下缺口266延伸得更深的上缺口476和与下突起467大致对准的上突起477，如图20中的虚线部分所示。

此外，上腔室层470成形为形成上柱部分474(图19)，上柱部分474与下柱部分464竖直对准。

如图20所示，上腔室开口471和下腔室开口461形成腔室417；上突起477和下突起467形成腔室突起430；上缺口476和下缺口466形成腔室缺口431；上柱部分474和下柱部分464形成柱433(图19)。

如图19中特别可见，下腔室层460和上腔室层470也形成入口420。

如图18所示，上腔室层470还在图15的下槽连接开口462之上形成上槽连接开口472以及在图14的下焊盘开口463之上形成上焊盘开口473。

然后，烘烤和硬化上腔室层470。

然后，如图21-图22所示，对基板401进行干法蚀刻以去除在槽连接开口472、462下方的基板401的半导体材料。由此，形成流体供应通道480。流体供应通道480延伸穿过基板401的整个厚度，横向于腔室417，并且与入口420流体连接。

在图23-图26中，沉积和限定喷嘴层415。喷嘴层415例如是光敏干膜，其可以与下腔室层460和上腔室层470相同或不同。喷嘴层415根据标准光刻技术被层压和限定以形成开口432，形状如图9和图24所示。

开口432相对于腔室417偏移，如参考图9所解释的并且在图26-图27中也可见，因此喷嘴层415覆盖腔室417的大部分区域，腔室缺口431的至少部分除外，以形成交叉区域434(图27)。

喷嘴层415还向上覆盖入口420和流体供应通道480，并且在下焊盘开口463和上焊盘开口473(焊盘开口483，图23)之上被移除，以允许电连接到电连接线419(图12)。

因此，如图26-图28中可见并且由箭头L指示，从基板401的下表面482进入流体供应通道480的流体可以到达入口420和腔室417，被加热器418加热，导致生成气泡，并且被喷射通过交叉区域434，与上述引用的专利申请US 2018/0141074中描述的操作类似。

特别地，如图27中的箭头S所示，由于交叉区域434的更小尺寸，很多小液滴被喷射，确保了具有非常小的直径液滴的喷射液体的高的总体积。

由于确定喷射液滴尺寸的更小特征形成在下腔室层460和上腔室层470中，特别是在上腔室层470中，这可以使用标准的可靠的和众所周知的光刻技术以简单的方式限定，微流体设备100的制造简单并且可靠。

所获取的几何形状因此得到很好的控制，并且微流体设备100能够以期望的方式操作。

通过将腔室417成形为在下腔室开口461处的面积小于在上腔室开口471处的面积，可以获取更好的喷射条件；此外，所得到的室417更容易符合上述15％的体积比，所有其他几何方面都相同。

根据不同的实施例，图3的喷嘴层15由单独的晶片形成，该晶片接合到容纳腔室17的晶片，如下面参考图29-图40所讨论的。

参考图29，微流体设备500包括下晶片600和上晶片650。

下晶片600基本上包括与图21-图22的晶片400相同的结构。因此，相同的元件由相对于图21-图22中的对应元件增加200的附图标记来标识，并且不再详细描述。

特别地，这里由数字614标识的腔室层可以由例如聚合材料的单层形成，如图所示，或者由多层形成，类似于图20的下腔室层460和上腔室层470。腔室层614形成由侧壁616界定的腔室617。

上晶片650是成形为形成多个喷嘴开口623的半导体晶片，延伸上晶片650的整个厚度。

特别地，这里，每个喷嘴开口623包括更小截面部分655和更大截面部分656。

具体地，上晶片650具有面向下晶片600的下主表面660和与下主表面660相对的上主表面661。喷嘴开口623的更小截面部分655从上主表面661延伸；更大截面部分656从下主表面660延伸并且直接面向下晶片600。

喷嘴开口623的更小截面部分655可以具有圆形横截面，直径约为2μm；更大截面部分656也可以具有圆形截面，直径约为3μm，并且与更小截面部分655同心。

图29的微流体设备500参考图30-图40如下所述制造。

最初，如图30所示，使用起始基板700。起始基板700包括第一半导体层701、绝缘材料的中间层702和第二半导体层703。例如，第一半导体层701可以是厚度约为400μm的硅，中间层702可以是厚度约为1μm的氧化硅，第二半导体层703可以是厚度约为5-10μm的硅。

在图31中，使用已知的光刻技术蚀刻第二半导体层703以形成喷嘴开口623的更小截面部分655。

喷嘴开口623的更小截面部分655可以具有图7-图10所示的形状。在备选方案中，它们可以根据所谓的喷头布置来布置，如图32所示，或者以任何其他布置来布置。

然后，如图33所示，执行热氧化；因此，蚀刻停止层705覆盖第二半导体层703的表面，包括喷嘴开口623的更小截面部分655的内部。蚀刻停止层705可以是例如0.4μm厚。

在图34中，硅结构层706在蚀刻停止层705上外延生长，然后例如通过CMP(化学机械抛光)平坦化。结构层706在薄覆盖层705上生长并且可以在喷嘴开口623的更小截面部分655中延伸。结构层706的最终厚度可以是10μm。

然后，使用掩模蚀刻结构层706以形成喷嘴开口623的更大部分截面656。

由于更大部分截面656与喷嘴开口623的更小部分截面655竖直居中，蚀刻停止在蚀刻停止层705上并且去除更小部分截面655内的硅。

图35以部分剖开的透视图示出了所得到的起始基板700，其中中间层702和蚀刻停止层705不可见。

同时，在加工起始晶片700之前或之后，加工第一晶片600以获取图36的结构。以不可见的方式，流体供应通道(图40中的680)也已经形成。

然后，在图37中，将起始晶片700倒置并且接合到下晶片600。这里，腔室层614用作直接接合到结构层706的粘附层，第一半导体层701布置在顶部处。

此后，例如通过研磨第一半导体层701来减薄起始晶片700，如虚线所示。例如，第一半导体层701的厚度可以减小到大约40μm。

在图38中，第一半导体层701被完全去除，例如通过干法蚀刻；此外，还通过干法蚀刻去除中间层702和蚀刻停止层705的暴露部分。由此获取上晶片650。

因此，获取了图29和图38的微流体设备500。

图39和图40示出了微流体设备500的透视图，示出了腔室617和喷嘴孔623的相对位置、以及流体供应通道680、入口420和柱633的相对位置。

通过图29-图40的过程，可以轻松限定更小特征。特别地，在喷嘴开口623形成喷头图案的情况下，每个腔室617具有多个喷嘴开口623，可以通过以容易限定的方式干法蚀刻起始晶片700来获取更小尺寸。

然而，相同的步骤可以用于形成更大尺寸的喷嘴开口623，其中在腔室层614中形成有更小特征作为光敏干膜的沉积的备选，如参考图11-图28所讨论的。

最后，显然，可以对本文中描述和说明的微流体设备和制造步骤进行多种变化和修改，所有这些都落入本公开的范围内。

例如，可以组合上述各种实施例以提供另外的实施例。

特别地，加热器18、418、618可以替换为根据不同原理操作的致动器；例如，可以使用压电材料的致动器，例如PZT(Pb,Zr,TiO₃)，例如，如US2019/0358955中所公开的。

腔室17、417和617的形状可以有很大的不同，突起130、230、430和缺口131、231、431的形状也可以有很大的不同。

一种微流体设备(1；100；500)可以概括为包括腔室(17；117；217；317；417；617)；与腔室流体连接的流体进入通道(20；120；420、480；620、680)；与腔室流体连接的多个喷嘴孔(34；134；434；623)；以及致动器(18；418；618)，该致动器可操作地耦合到流体容纳腔室，并且被配置为在微流体设备的操作条件下使流体的液滴喷射通过喷嘴孔，其中腔室(17；117；217；317；417；617)具有细长形状，具有长度和最大宽度，其中腔室的长度与最大宽度之间的纵横比为至少3:1。

腔室(17；117；217；317；417；617)可以具有矩形或椭圆形基部形状。

腔室(17；117；217；317；417；617)可以由第一基部(17A)、第二基部(17B)和侧壁(16；116；216；416)界定，第一基部和第二基部沿第一方向和第二方向延伸，第二方向横向于第一方向，第一方向和第二方向分别限定腔室长度和腔室最大宽度，侧壁沿横向于第一方向和第二方向的第三方向延伸并且限定腔室高度。

腔室(17；117；217；317；417；617)可以具有腔室体积，并且喷嘴孔(34；134；434；623)可以被配置为在使用中生成具有总液滴的多个液滴体积，其中总液滴体积与腔室体积的比率为至少15％。

微流体设备可以包括基体部分(22；422)、腔室层(14；114；414；614)和喷嘴层(15；115；215；315；415；650)，基体部分形成第一基部(17A)和容纳致动器(18；418；618)，腔室层形成侧壁(16；116；216；416；616)，并且喷嘴层形成腔室的第二基部(17B)(17；117；217；317；417；617)。

侧壁(16；116；216；416)可以形成多个缺口(131；231；331；431)和突起(130；230；330；430)，并且喷嘴层(15；115；215；315；415)可以包括至少一个喷嘴开口(132；232；332；432)，该至少一个喷嘴开口(132；232；332；432)相对于腔室(17；117；217；317；417)偏移并且在形成喷嘴孔(34；134；434)的交叉区域处与缺口相交。

腔室层(414)可以包括在基体(422)部分上延伸的第一层(460)和在第一层上延伸的第二层(470)，第一层界定下腔室孔(461)，第二层界定上腔室孔(471)，下腔室孔的面积小于上腔室孔的面积。

腔室层(14；114；214；314；414)和喷嘴层(15；115；215；315；415)可以是聚合物层。

喷嘴层(650)可以是硅晶片。

每个喷嘴孔(623)可以包括面向腔室(617)的更大截面部分(656)和延伸联通更大截面部分并且从喷嘴板(661)的外表面(661)的更小截面部分(655)。

喷嘴孔(623)可以以喷头布置布置在腔室(617)上方。

一种用于制造微流体设备的方法可以概括为包括形成腔室(17；117；217；317；417；617)；形成与腔室流体连接的流体进入通道(20；120；420、480；620、680)；形成与腔室流体连接的多个喷嘴孔(34；134；434；623)；以及形成致动器(18；418；618)，致动器可操作地耦合到流体容纳腔室并且被配置为在微流体设备的操作条件下使流体的液滴喷射通过喷嘴孔，其中腔室(17；117；217；317；417；617)具有细长形状，具有长度和最大宽度，其中腔室的长度与最大宽度之间的纵横比为至少3:1。

形成致动器(18；418；618)可以包括在基体部分(22；422)中形成致动器；形成腔室(17；117；217；317；417；617)可以包括在基体部分上形成腔室层(14；114；414；614)，其中腔室覆盖致动器，基体部分形成腔室的第一基部(17A)并且腔室层形成腔室的侧壁；以及形成多个喷嘴孔(34；134；434；623)可以包括在腔室层上形成喷嘴层(15；115；215；315；415；650)并且形成至少部分覆盖述腔室的至少一个开口，喷嘴层覆盖腔室并且形成腔室的第二基部(17B)。

形成腔室层(114；214；314；414)可以包括使侧壁(116；216；316；416)成形以形成多个缺口(131；231；331；431)和突起(130；230；330；430)，并且形成至少一个开口包括形成相对于腔室偏移的喷嘴开口(132；232；332；432)并且在交叉区域处与缺口相交，从而形成喷嘴孔(34；134；434))。

形成腔室层(414、614)可以包括在基体部分(422)上形成第一层(460)，第一层限定第一腔室孔(461)；在第一层上形成第二层(470)，第二层限定第二腔室孔(471)，第一腔室孔的面积小于第二腔室孔的面积。

腔室层(14；114；214；314；414)和喷嘴层(15；115；215；315；415)可以是聚合物层。

形成喷嘴层可以包括在半导体晶片(700)中形成第一开口部分(655)；在半导体晶片中在第一开口部分之上形成第二开口部分(656)，第二开口部分具有大于第一开口部分的面积并且延伸联通第一开口部分；将半导体晶片(700)接合到腔室层(614)，第二开口部分面向腔室；以及减薄半导体晶片以暴露第一开口部分。

第一开口部分(655)延伸半导体材料的起始晶片(700)的部分厚度；在形成第一开口部分之后，可以在起始晶片上生长刻蚀停止层(702)，在刻蚀停止层上生长半导体层(706)，从而形成半导体晶片(700)，并且在半导体层中形成第二开口部分；以及减薄半导体晶片可以包括去除起始晶片直到第一开口部分。

可以组合上述各种实施例以提供另外的实施例。可以根据以上详细描述对实施例进行这些和其他改变。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应当被解释为包括所有可能的实施例以及这样的权利要求有权享有的等同方案的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (14)

1.一种微流体设备，其特征在于，包括：

腔室；

流体进入通道，与所述腔室流体连接；

多个喷嘴孔，与所述腔室流体连接；以及

致动器，可操作地耦合到所述腔室，并且被配置为在所述微流体设备的操作条件下使流体的液滴喷射通过所述喷嘴孔，

其中所述腔室具有细长形状，具有长度和宽度，

其中所述腔室的所述长度与所述宽度之间的纵横比为至少3:1。

2.根据权利要求1所述的微流体设备，其特征在于，所述腔室具有矩形或椭圆形基部形状。

3.根据权利要求1所述的微流体设备，其特征在于，所述腔室由第一基部、第二基部和侧壁界定，

所述第一基部和所述第二基部分别沿第一方向和第二方向延伸，

所述第二方向横向于所述第一方向，

所述腔室的所述长度和所述宽度分别在所述第一方向和所述第二方向上延伸，

所述侧壁沿第三方向延伸，所述第三方向横向于所述第一方向和所述第二方向，

所述腔室的高度在所述第三方向上延伸。

4.根据权利要求3所述的微流体设备，其特征在于，

所述腔室具有腔室体积，并且

所述喷嘴孔被配置为在使用中生成具有总液滴体积的多个液滴，并且

所述总液滴体积与腔室体积的比率为至少15％。

5.根据权利要求3所述的微流体设备，其特征在于，还包括：

基体部分；

腔室层；以及

喷嘴层，所述基体部分形成所述第一基部并且容纳所述致动器，所述腔室层形成所述侧壁，并且所述喷嘴层形成所述腔室的所述第二基部。

6.根据权利要求5所述的微流体设备，其特征在于，所述侧壁形成多个缺口和突起，并且所述喷嘴层包括至少一个喷嘴开口，所述至少一个喷嘴开口相对于所述腔室偏移并且在形成所述喷嘴孔的交叉区域处与所述缺口重叠。

7.根据权利要求5所述的微流体设备，其特征在于，所述腔室层包括在所述基体部分上延伸的第一层以及在所述第一层上延伸的第二层，所述第一层界定下腔室孔，所述第二层界定上腔室孔，所述下腔室孔的面积小于所述上腔室孔的面积。

8.根据权利要求5所述的微流体设备，其特征在于，所述腔室层和所述喷嘴层是聚合物层。

9.根据权利要求5所述的微流体设备，其特征在于，所述喷嘴层是硅晶片。

10.根据权利要求8所述的微流体设备，其特征在于，每个喷嘴孔包括面向所述腔室的更大截面部分和联通所述更大截面部分并且从所述喷嘴层的外表面延伸的更小截面部分。

11.根据权利要求10所述的微流体设备，其特征在于，所述喷嘴孔以喷头布置布置在所述腔室上方。

12.一种电子设备，其特征在于，包括：

通道；

加热器；

腔室，在所述加热器上并且与所述通道流体耦合，所述加热器被配置为加热所述腔室，所述腔室具有在第一方向上延伸的第一尺寸和在横向于所述第一方向的第二方向上延伸的第二尺寸，所述第一尺寸与所述第二尺寸的比率为至少3:1；以及

多个喷嘴，流体耦合到所述腔室。

13.根据权利要求12所述的电子设备，其特征在于，所述腔室包括侧壁，所述侧壁具有直接位于所述多个喷嘴下方的多个缺口。

14.根据权利要求12所述的电子设备，其特征在于，所述多个喷嘴形成在硅晶片中。

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