DE102011005471A1

DE102011005471A1 - Mikro-Ejektor und Verfahren für dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102011005471A1
Application number: DE102011005471A
Authority: DE
Inventors: Changsung Sean KIM; Sang Jin Kim; Suk Ho Song
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2031-03-15
Also published as: JP2011245845A; US8845307B2; KR20110129271A; DE102011005471B8; US20110293452A1; DE102011005471B4; KR101153613B1

Abstract

Ein Mikro-Ejektor und ein Verfahren für dessen Herstellung werden bereitgestellt. Der Mikro-Ejektor nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Kanalplatte, die einen Sperrrippenabschnitt, der in einem oberen Raum in einer Kammer angeordnet ist, und einen vorstehenden Abschnitt umfasst, der in einem unteren Raum in der Kammer angeordnet ist und zusammen mit dem Sperrrippenabschnitt einen Kanal in derselben Richtung wie eine Fluidausstoßrichtung ausbildet; und einen Aktor, der so auf dem oberen Abschnitt der Kanalplatte ausgebildet ist, dass er der Kammer entspricht, und eine Antriebskraft bereitstellt, um das Fluid von der Kammer an die Düse auszustoßen.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht Priorität gegenüber der am 25. Mai 2010 beim koreanischen Amt für geistiges Eigentum eingereichten koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2010-0048.816 , deren Offenlegung durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist.
Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Mikro-Ejektor und ein Verfahren für dessen Herstellung und insbesondere auf einen Mikro-Ejektor, der in der Lage ist, durch Ausbilden einer Vielzahl von Kanälen in einer Kammer und Verringern der Höhe bzw. des Volumens der Kammer ein Fluid aus einer Kammer leicht an eine Düse auszustoßen, und auf ein Verfahren für dessen Herstellung.
Beschreibung der verwandten Technik
Unter den Gebieten der hochentwickelten, modernen Technologien hat das Gebiet der Biotechnologie in der letzten Zeit großes Interesse auf sich gezogen. Da in der Biotechnologieforschung genutzte Proben vor allem mit dem menschlichen Körper in Zusammenhang gebracht werden, ist ein Feinfluidsystem, das die Aufgabe des Transportierens, Regelns und Analysierens von Feinfluidproben ausführt, die in einem in einem Fluid bzw. einem Fluidträger gelösten Zustand vorliegen, ein wesentlicher Bestandteil des Gebiets der Biotechnologie.
Das Mikrofluidsystem verwendet die Technologie mikroelektromechanischer Systeme (MEMS). Das Mikrofluidsystem wird in Gebieten wie einer Technologie zur kontinuierlichen Injektion von Medikamenten wie Insulin oder Ähnlichem bzw. von bioaktiven Materialien in einen Körper, einem Chiplaborverfahren, einer chemischen Analysetechnik für die Entwicklung neuer Arzneimittel, einer Tintenstrahldrucktechnologie, einem Kleinkühlsystem, einer Kleinbrennstoffzelle oder dergleichen angewandt.
Bei dem Mikrofluidsystem ist ein Mikro-Ejektor als wesentlicher Bestandteil zur Fluidabgabe verwendet worden. Insbesondere ist im Fall des Mikro-Ejektors für die Abgabe von biomedizinischen Materialien vor allem ein Mikro-Ejektor eingesetzt worden, der ein Piezoelement verwendet, da Fluide, die große Viskosität und hohe Leitfähigkeit aufweisen, unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Biomaterialien behandelt werden sollten.
Wenn bei dem Mikro-Ejektor aufgrund der Änderung der Auslenkung des Piezoelements die Änderung (Antriebsenergie) des Drucks, der auf eine Kammer ausgeübt wird, auf eine Düse übertragen wird, übernimmt die Höhe bzw. das Volumen der Kammer eine Dämpfungsrolle, die zu dem Verlust der Antriebsenergie führt, wodurch die Ausstoßeigenschaften des Fluids verschlechtert werden.
Übersicht über die Erfindung
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen Mikro-Ejektor, der in der Lage ist, ein Tröpfchen mit einer gewünschten Geschwindigkeit bzw. einem gewünschten Volumen durch Verringern eines Raums einer Kammer und Abteilen eines Kanals in der Kammer auszustoßen, und ein Verfahren für dessen Herstellung bereit.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mikro-Ejektor bereitgestellt, der umfasst: eine Kanalplatte, die einen Sperrrippenabschnitt, der in einem oberen Raum in einer Kammer angeordnet ist, und einen vorstehenden Abschnitt umfasst, der in einem unteren Raum in der Kammer angeordnet ist und zusammen mit dem Sperrrippenabschnitt einen Kanal in derselben Richtung wie eine Fluidausstoßrichtung ausbildet; und einen Aktor, der so auf dem oberen Abschnitt der Kanalplatte ausgebildet ist, dass er der Kammer entspricht, und eine Antriebskraft bereitstellt, um das Fluid von der Kammer an die Düse auszustoßen.
Die Breite der Kanalplatte kann so ausgebildet sein, dass sie in einer Richtung von der Kammer zu der Düse schmal wird.
Das Fluid, das durch den Kanal geleitet wird, der durch den Sperrrippenabschnitt und den vorstehenden Abschnitt in der Kammer ausgebildet ist, kann in einen Kanal eingeführt werden, um der Düse zugeführt zu werden.
Die Breite der Düse kann so ausgebildet sein, dass sie in der Fluidausstoßrichtung schmal wird.
Die Breite der Düse kann so ausgebildet sein, dass sie schrittweise in der Fluidausstoßrichtung schmal wird.
Der Sperrrippenabschnitt kann einen Führungsabschnitt umfassen, der eine Flüssigkeit, die an dem Längsende der Kammer in die Kammer bzw. aus der Kammer fließt, führt.
Der Aktor kann so ausgebildet sein, dass er jedem der Kanäle entspricht, die durch den Sperrrippenabschnitt und den vorstehenden Abschnitt ausgebildet werden.
Die Kanalplatte kann ein oberes Substrat und ein unteres Substrat umfassen, der Sperrrippenabschnitt kann auf dem oberen Substrat ausgebildet sein, und der vorstehende Abschnitt kann auf dem unteren Substrat ausgebildet sein.
Das untere Substrat kann durch aufeinanderfolgendes Stapeln einer unteren Siliziumschicht, einer Isolierschicht und einer oberen Siliziumschicht ausgebildet werden, und der vorstehende Abschnitt kann durch die obere Siliziumschicht ausgebildet werden.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors bereitgestellt, das umfasst: Erstellen einer Kanalplatte, die einen Fluidkanal aufweist; Ausbilden eines Sperrrippenabschnitts in einem oberen Raum in einer Kammer, so dass das Fluid an eine Düse in dem Kanal abgegeben wird, und Ausbilden eines vorstehenden Abschnitts, der in dem unteren Raum der Kammer den Kanal in derselben Richtung wie eine Fluidausstoßrichtung zusammen mit dem Sperrrippenabschnitt ausbildet; und Ausbilden eines Aktors auf dem oberen Abschnitt der Kanalplatte an einer Position, die der Kammer entspricht, um eine Antriebskraft bereitzustellen, mit der das Fluid von der Kammer an die Düse ausgestoßen wird.
Bei dem Erstellen der Kanalplatte kann die Breite der Kanalplatte so ausgebildet werden, dass sie in einer Richtung von der Düse zu der Kammer schmal wird.
Durch das Ausbilden des Sperrrippenabschnitts und des vorstehenden Abschnitts kann das Fluid, das durch den Kanal geleitet wird, der durch den Sperrrippenabschnitt und den vorstehenden Abschnitt in der Kammer ausgebildet wird, in einen Kanal eingeführt werden, um der Düse zugeführt zu werden.
Das Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors kann des Weiteren das Ausbilden der Breite der Düse in der Weise umfassen, dass diese in der Fluidausstoßrichtung schmal wird.
Das Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors kann des Weiteren das Ausbilden der Breite der Düse in der Weise umfassen, dass diese schrittweise in der Fluidausstoßrichtung schmal wird.
Beim Ausbilden des Sperrrippenabschnitts kann ein Führungsabschnitt ausgebildet werden, der eine Flüssigkeit führt, die an dem Längsende der Kammer in die Kammer bzw. aus der Kammer fließt.
Das Ausbilden des Aktors kann so ausgeführt werden, dass dieser jedem der Kanäle entspricht, die durch den Sperrrippenabschnitt und den vorstehenden Abschnitt ausgebildet werden.
Das Erstellen der Kanalplatte kann durch Erstellen eines oberen Substrats und eines unteren Substrats ausgeführt werden, das Ausbilden des Sperrrippenabschnitts kann durch maschinelles Bearbeiten des oberen Substrats ausgeführt werden, und das Ausbilden des vorstehenden Abschnitts kann durch maschinelles Bearbeiten des unteren Substrats ausgeführt werden.
Bei dem Erstellen des unteren Substrats können eine untere Siliziumschicht, eine Isolierschicht und eine obere Siliziumschicht aufeinanderfolgend gestapelt werden, und das Ausbilden des vorstehenden Abschnitts kann durch Entfernen eines anderen Abschnitts als eines Abschnitts, in dem der vorstehende Abschnitt ausgebildet wird, aus der oberen Siliziumschicht ausgeführt werden.
Das Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors kann darüber hinaus das Bonden des oberen Substrats an das untere Substrat umfassen, wobei das Bonden des oberen Substrats an das untere Substrat durch Siliziumdirektbonden (SDB) bewirkt wird.
Das Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors kann des Weiteren das Bonden des oberen Substrats an das untere Substrat umfassen, wobei bei dem Bonden des oberen Substrats an das untere Substrat die untere Fläche des oberen Substrats an die obere Fläche der Isolierschicht auf dem unteren Substrat gebondet werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen und andere Aspekte, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen klarer verständlich, für die gilt:
1 ist eine perspektivische Explosionszeichnung, die einen Mikro-Ejektor nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;.
2 ist ein vertikaler Querschnitt durch den Mikro-Ejektor entlang der Linie A-A' aus 1;
3 ist ein vertikaler Querschnitt durch den Mikro-Ejektor entlang der Linie B-B' aus 1;
4A und 4B sind Prozessdiagramme, die ein Verfahren zum Ausbilden eines Kanals auf einem oberen Substrat des Mikro-Ejektors nach der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
5A und 5B sind Prozessdiagramme, die ein Verfahren zum Ausbilden eines Tintenkanals auf einem unteren Substrat des Mikro-Ejektors nach der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen; und
6 ist eine Darstellung von unten¹, die ein oberes Substrat eines Mikro-Ejektors nach einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genau beschrieben. Es sei jedoch darauf verwiesen, dass der Gedanke der vorliegenden Erfindung nicht auf die hier dargelegten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist und Kenner der Technik, die die vorliegende Erfindung verstehen, leicht durch Hinzufügen, Modifizieren und Entfernen von Bestandteilen mit demselben Gedanken Erfindungen, die keine erfinderische Tätigkeit aufweisen, bzw. andere beispielhafte Ausführungsformen ausführen können, die in dem Gedanken der vorliegenden Erfindung inbegriffen sind, diese sind jedoch als in dem Gedanken der vorliegenden Erfindung inbegriffen auszulegen.
Darüber hinaus sind Bestandteile, die gleiche Funktionen aufweisen, in allen Zeichnungen jeder beispielhaften Ausführungsform durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 ist eine perspektivische Explosionszeichnung, die einen Mikro-Ejektor nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, 2 ist ein vertikaler Querschnitt durch den Mikro-Ejektor entlang der Linie A-A' aus 1, und 3 ist ein vertikaler Querschnitt durch den Mikro-Ejektor entlang der Linie B-B' aus 1 A.
Mit Bezug auf 1 bis 3 umfasst ein Mikro-Ejektor 100 nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein oberes Substrat 110 und ein unteres Substrat 120, auf denen Kanäle ausgebildet sind, und Piezoaktoren 130, die auf der oberen Fläche des oberen Substrats 110 ausgebildet sind. Das obere Substrat 110 und das untere Substrat 120 können so ausgebildet sein, dass deren Breiten in eine Richtung auf eine Düse 115 schmal werden.
Das obere Substrat 110 kann mit einem Einlass 111, in den ein Fluid eingeführt wird, mit einer Nut für einen Durchflussbegrenzer 112, einer Nut für eine Kammer 113 und einer Nut für eine Düse 115 ausgebildet sein. Bei dieser Gestaltung kann das obere Substrat 110 ein einkristallines Siliziumsubstrat und ein Silizium-auf-Isolator-Wafer (silicon an insulator, SOI) sein, bei dem eine Isolierschicht zwischen zwei Siliziumschichten ausgebildet ist. Wenn es sich bei dem oberen Substrat 110 um den SOI-Wafer handelt, kann die Höhe der Kammer 113 im Wesentlichen mit der Dicke der unteren Siliziumschicht übereinstimmen, die zwei Siliziumschichten aufweist.
Beim Definieren der Richtung des Mikro-Ejektors bedeutet hierbei seine Dickenrichtung eine Richtung auf das untere Substrat 120 von dem oberen Substrat 110 bzw. eine Richtung entgegengesetzt dazu, bedeutet seine Längsrichtung eine Kanalrichtung des Mikro-Ejektors, d. h. eine Richtung auf die Düse 115 von der Kammer 113 bzw. eine Richtung entgegengesetzt dazu, und bedeutet seine Breitenrichtung eine Richtung senkrecht zu der Längsrichtung. Des Weiteren bedeutet die Höhe die Abmessung der Dickenrichtung.
Eine oder mehrere Sperrrippen 114 sind in der Nut ausgebildet, in der die Kammer 113 des oberen Substrats 110 ausgebildet ist. Eine Vielzahl von Kanälen ist in der Kammer 113 durch die Sperrrippe 114 ausgebildet. Das heißt, das Fluid, das durch den Durchflussbegrenzer 112 in die Kammer 113 eingeführt wird, fließt in drei Kanäle in der Kammer, die durch die Sperrrippe 114 abgeteilt sind, und wird in einem Kanal an dem Abschnitt der Düse 115 der Kammer 113 gesammelt und an die Düse 115 ausgestoßen. Wenngleich die beispielhafte Ausführungsform die Anordnung beschreibt, bei der zwei Sperrrippen 114 ausgebildet sind und bei der drei Kanäle in der Kammer 113 ausgebildet sind, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und kann daher entsprechend der geforderten Vorgaben für Beschaffenheit und Gestaltung geändert werden.
Die Piezoaktoren 130 sind so auf dem oberen Abschnitt des oberen Substrats 110 ausgebildet, dass sie der Kammer 113 entsprechen, und stellen eine Antriebskraft bereit, um das in die Kammer 113 eingeführte Fluid an die Düse 115 auszustoßen.
Bei der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Piezoaktoren 130 an Positionen ausgebildet werden, die jeweils den Kanälen in der Kammer 113, die durch die Sperrrippe 114 abgeteilt sind, entsprechen. Das heißt, drei Piezoaktoren 130 können jeweils an Positionen ausgebildet sein, die den Kanälen in der Kammer 113 entsprechen.
Der Piezoaktor 130 kann so gestaltet sein, dass er die untere Elektrode, die als gemeinsame Elektrode dient, einen piezoelektrischen Film, der entsprechend der angelegten Spannung verformt wird, und eine obere Elektrode umfasst, die als Antriebselektrode dient.
Die untere Elektrode kann über der Fläche des oberen Substrats 110 ausgebildet sein und kann aus einem leitfähigen Metallmaterial bestehen, kann jedoch bevorzugt so gestaltet sein, dass sie zwei Metalldünnfilmschichten aus Titan (Ti) und Platin (Pt) umfasst. Die untere Elektrode dient als gemeinsame Elektrode wie auch als Diffusionsverhinderungsschicht, die die gegenseitige Diffusion zwischen dem piezoelektrischen Film und dem oberen Substrat 110 verhindert.
Der piezoelektrische Film ist auf der unteren Elektrode ausgebildet und ist so angeordnet, dass er auf dem oberen Abschnitt der Kammer 113 platziert ist. Dieser piezoelektrische Film kann aus einem piezoelektrischen Material, bevorzugt einer PZT-Keramik (Blei-Zirkonat-Titanat) bestehen. Die obere Elektrode ist auf dem piezoelektrischen Film ausgebildet und kann aus einem beliebigen Material wie Pt, Au, Ag, Ni, Ti bzw. Cu oder dergleichen bestehen.
Wenngleich die beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Beispiel eine Anordnung beschreibt, in der das Fluid durch das piezoelektrische Antriebsschema unter Verwendung des Piezoaktors 130 ausgestoßen wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Fluidausstoßschema beschränkt, sondern kann so gestaltet werden, dass das Fluid entsprechend der geforderten Bedingungen mithilfe verschiedener Schemata ausgestoßen wird, z. B. mithilfe eines thermischen Antriebsschemas oder dergleichen.
Das untere Substrat 120 kann mit einer Nut für einen Behälter 122, der das in den Einlass 111 eingeführte Fluid der Kammer 113 zuführt, und mit einem vorstehenden Abschnitt 121, der in dem Raum der Kammer 113 angeordnet ist, ausgestattet sein.
Das untere Substrat 120 kann ein einkristallines Siliziumsubstrat bzw. ein SOI-Wafer sein, ist jedoch bevorzugt ein SOI-Wafer, der durch aufeinanderfolgendes Stapeln der unteren Siliziumschicht, der Isolierschicht und der oberen Siliziumschicht ausgebildet wird.
Der horizontale Teil des vorstehenden Abschnitts 121 kann, nur als Beispiel, so ausgebildet sein, dass er eine rechteckige Form aufweist. Daher kann der horizontale Teil des vorstehenden Abschnitts 121 so ausgebildet sein, dass er verschiedene Formen aufweist, z. B. die Form eines Parallelogramms bzw. die Form eines verlängerten Sechsecks oder dergleichen. Die Höhe des vorstehenden Abschnitts 121 stimmt im Wesentlichen mit der Dicke der oberen Siliziumschicht überein und kann 10 bis 100 μm entsprechend der erforderlichen Höhe der Kammer betragen. Bei dieser Gestaltung kann die Höhe des vorstehenden Abschnitts auf 100 μm oder mehr festgelegt werden, falls in Verbindung mit der Anordnung der anderen Fluidkanäle kein Problem bei der Strukturierung besteht.
Die obere Fläche des vorstehenden Abschnitts 121 ist so angeordnet, dass sie die untere Fläche des Sperrrippenabschnitts 114, der in der Kammer 113 ausgebildet ist, so berührt, dass zusammen mit dem Sperrrippenabschnitt 114 der Kanal in derselben Richtung wie die Ausstoßrichtung des Fluids in der Kammer 113 ausgebildet wird. Darüber hinaus ist der vorstehende Abschnitt 121 so angeordnet, dass er in die Kammer 113 vorsteht, um den Kanal in der Kammer 113 in die Vielzahl von Abschnitten zu unterteilen und gleichzeitig die Höhe der Kammer 113 zu verringern.
Das Verfahren zur Herstellung des Mikro-Ejektors nach der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unten mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben.
4 ist ein Prozessdiagramm, das ein Verfahren zum Ausbilden eines Kanals auf einem oberen Substrat des Mikro-Ejektors nach der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und 5 ist ein Prozessdiagramm, das ein Verfahren zum Ausbilden eines Tintenkanals auf einem unteren Substrat des Mikro-Ejektors nach der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Zuerst wird kurz ein beispielhaftes Herstellungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Kanäle werden auf dem oberen Substrat und dem unteren Substrat ausgebildet, und das obere Substrat wird auf das untere Substrat gestapelt, um beide aneinanderzubonden, wodurch der Mikro-Ejektor nach der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fertiggestellt wird. Unterdessen können die Vorgänge zum Ausbilden der Kanäle auf dem oberen Substrat und dem unteren Substrat in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden. Das heißt, der Kanal kann entweder auf dem oberen Substrat oder auf dem unteren Substrat ausgebildet werden, und der Kanal kann sowohl auf dem oberen als auch auf dem unteren Substrat ausgebildet werden. Zur Vereinfachung der Erklärung wird jedoch zuerst der Vorgang des Ausbildens des Kanals auf dem oberen Substrat beschrieben.
Mit Bezug auf 4A wird in der beispielhaften Ausführungsform der Silizium-Wafer mit einer Dicke von ca. 100 bis 200 μm als oberes Substrat 110 verwendet. Siliziumoxidschichten mit einer Dicke von ca. 5.000 bis 15.000 Å können auf der oberen und der unteren Fläche des oberen Substrats 110 durch Nass- bzw. Trockenoxidation des vorbereiteten oberen Substrats 110 ausgebildet werden.
Die Nuten zum Ausbilden des Durchflussbegrenzers 112, des unteren Abschnitts der Kammer 113 sowie der Düse 115 und ein Durchgangsloch zum Ausbilden des Einlasses 111 werden auf der unteren Fläche des oberen Substrats 110 ausgebildet. Die Breite. des oberen Substrats 110 wird bevorzugt so ausgebildet, dass sie in einer Richtung zu der Düse 115 schmal wird. In der Nut wird der Abschnitt, der mit der Düse 115 ausgebildet wird, bevorzugt so ausgebildet, dass er eine schmale Breite in der Fluidausstoßrichtung aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform wird zwar die Breite so ausgebildet, dass sie schrittweise verringert wird, der Aspekt des Verschmälerns der Breite ist jedoch ausdrücklich nicht beschränkt.
Die Nut und das Durchgangsloch können auf dem oberen Substrat 110 durch Auftragen eines Photoresists auf die untere Fläche des oberen Substrats 110, Strukturieren des aufgetragenen Photoresists und Ätzen unter Verwendung des strukturierten Photoresists als Ätzmaske ausgebildet werden. In diesem Fall kann die Struktur des Photoresists durch ein allgemein bekanntes Photolithographieverfahren einschließlich Freilegen und Entwicklung ausgebildet werden, und die Struktur anderer unten zu beschreibender Photoresists kann ebenfalls in einem ähnlichen Verfahren ausgebildet werden.
Darüber hinaus kann das Ätzen zum Ausbilden des Kanals auf dem oberen Substrat 110 durch ein Trockenätzverfahren wie reaktives Ionenätzen (reactive ion etching, RIE) unter Verwendung eines induktiv gekoppelten Plasmas (inductive coupled plasma, ICP) und durch ein Nassätzverfahren bspw. unter Verwendung von Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) bzw. Ätzkali (KOH) als Siliziumätzmittel ausgeführt werden. Das Ätzen des Silizium-Wafers kann in ähnlicher Weise auf das Ätzen anderer, unten zu beschreibender Silizium-Wafer angewandt werden.
Als Nächstes wird, wie in 4B dargestellt, der Silizium-Wafer geätzt, um den oberen Abschnitt der Kammer 113 auszubilden. In diesem Fall dient, wenn das obere Substrat 110 ein SOI-Wafer ist, der eine zwischen zwei Siliziumschichten ausgebildete Isolierschicht aufweist, die Isolierschicht als Ätzstoppschicht.
In diesem Fall wird ein anderer Abschnitt als der Abschnitt zum Ausbilden der Sperrrippe 114 geätzt, so dass die Sperrrippe 114 in dem Innenraum der Kammer 113 ausgebildet wird.
Der Vorgang des Ausbildens des Kanals auf dem unteren Substrat des Mikro-Ejektors nach der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 5A und 5B beschrieben.
Wie in 5A dargestellt, wird als unteres Substrat 120 der SOI-Wafer verwendet, der so gestaltet ist, dass er die untere Siliziumschicht, die eine Dicke von ca. mehreren hundert μm, bevorzugt ca. 210 μm, aufweist, die Isolierschicht, die eine Dicke von ca. 1 μm bis 2 μm aufweist, und die obere Siliziumschicht, die eine Dicke von ca. 10 μm bis 100 μm aufweist, umfasst. Die Siliziumoxidschichten mit einer Dicke von ca. 5.000 bis 15.000 Å können auf der oberen und der unteren Fläche des unteren Substrats 120 durch Nass- bzw. Trockenoxidation des vorbereiteten unteren Substrats 120 ausgebildet werden.
Nachdem der Photoresist auf die obere Fläche des unteren Substrats 120 aufgetragen worden ist, wird insbesondere die obere Fläche der oberen Siliziumschicht und ein anderer Abschnitt als ein Abschnitt zum Ausbilden des vorstehenden Abschnitts 121 in dem Photoresist entfernt, und die obere Siliziumschicht auf dem freigelegten Abschnitt wird unter Verwendung des Photoresists als Ätzmaske geätzt. In diesem Fall beruht das Ätzen der oberen Siliziumschicht zum Ausbilden des vorstehenden Abschnitts 121 auf dem Nassätzverfahren unter Verwendung von TMAH oder KOH bzw. auf dem Trockenätzverfahren wie z. B. RIE unter Verwendung von ICP.
Der horizontale Teil des vorstehenden Abschnitts 121 kann in der Form eines Rechtecks oder in der Form eines Parallelogramms usw. ausgebildet werden, und der vorstehende Abschnitt 121, der einen rechteckigen Teil aufweist, kann durch Trockenätzen der oberen Siliziumschicht erzielt werden, und der vorstehende Abschnitt 121, der einen Teil in der Form eines Parallelogramms aufweist, kann durch. Nassätzen der oberen Siliziumschicht erzielt werden. Darüber hinaus können sie so ausgebildet werden, dass sie verschiedene Formen aufweisen wie die Form eines Sechsecks mit zwei gegenüberliegenden langen Seiten bzw. die Form eines Ovals oder dergleichen.
Da der vorstehende Abschnitt 121 durch Ätzen der oberen Siliziumschicht ausgebildet wird, stimmt er im Wesentlichen in der Höhe mit der Dicke der Siliziumschicht überein, und die Höhe des vorstehenden Abschnitts 121 kann durch Anpassen der Dicke der oberen Siliziumschicht unterschiedlich angepasst werden. Die Höhe der Kammer 113 kann ebenfalls entsprechend der angepassten Höhe des vorstehenden Abschnitts 121 angepasst werden.
Der Photoresist, der auf der oberen Fläche des ausgebildeten vorstehenden Abschnitts 121 vorhanden ist, kann durch Nassätzen bzw. durch Trockenätzen entfernt werden, und er kann außerdem durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) entfernt werden. Die Höhe des vorstehenden Abschnitts 121 kann durch Entfernen eines Teils der Dicke des vorstehenden Abschnitts 121 angepasst werden.
Als Nächstes wird, wie in 5B dargestellt, die Nut für den Behälter 122 auf dem unteren Substrat 120 ausgebildet, das mit dem vorstehenden Abschnitt 121 ausgebildet ist. Dieser Photoresist wird so aufgetragen, dass er die obere Fläche des unteren Substrats 120, das heißt, die obere Fläche der Isolierschicht und die obere Fläche des vorstehenden Abschnitts 121, bedeckt, und wird so strukturiert, dass er den Öffnungsabschnitt zum Ausbilden des Behälters 122 ausbildet, und anschließend werden die Isolierschicht und ein Teil der unteren Siliziumschicht unter Verwendung des strukturierten Photoresists als Ätzmaske geätzt, um die Nut für den Behälter 122 auszubilden. Die Nut für den Behälter 122 kann durch das Trockenätzverfahren bzw. durch das Nassätzverfahren ausgebildet werden, und die Seite des Behälters 122 kann so geätzt werden, dass sie schräg ist.
Wenngleich für die beispielhafte Ausführungsform beschrieben wird, dass der Kanal unter Verwendung des SOI-Wafers als unteres Substrat 120 ausgebildet wird, kann das einkristalline Siliziumsubstrat als unteres Substrat 120 verwendet werden. Das heißt, das einkristalline Siliziumsubstrat, das die Dicke von ca. 100 bis 200 μm aufweist, wird erstellt, und anschließend kann die Nut für den vorstehenden Abschnitt 121 bzw. für den Behälter 122 mit demselben Verfahren wie das in 5A und 5B dargestellte Verfahren auf dem unteren Substrat 120 ausgebildet werden.
Wenn das obere Substrat 110 und das untere Substrat 120, auf denen die Kanäle ausgebildet sind, aneinandergebondet sind und der Piezoaktor 130 an der Position entsprechend der Kammer 113 auf der oberen Fläche des oberen Substrats 110 platziert ist, ist der Mikro-Ejektor nach der beispielhaften Ausführungsform fertiggestellt, wie in 1 dargestellt.
In diesem Fall wird das Bonden des oberen Substrats 110 und des unteren Substrats 120 bevorzugt durch Siliziumdirektbonden (SDR) ausgeführt. Das heißt, die untere Fläche des oberen Substrats 110 und die obere Fläche der Isolierschicht des unteren Substrats 120 werden als Bondflächen verwendet, und diese Bondflächen können miteinander verbunden werden und anschließend wärmebehandelt werden, um sie zu bonden.
Der Piezoaktor 130 kann auf der oberen Fläche des oberen Substrats 110 als piezoelektrische Einheit ausgebildet werden, es kann sich jedoch um eine Vielzahl von piezoelektrischen Einheiten handeln, die an den Positionen ausgebildet ist, die jeder der Vielzahl von Kanälen entsprechen, die durch die Sperrrippe 114 und den vorstehenden Abschnitt 121 in der Kammer 113 ausgebildet ist. Das heißt, bei der beispielhaften Ausführungsform können drei piezoelektrische Einheiten ausgebildet werden, so dass sie den Räumen der Kammer 113 entsprechen, die durch die Sperrrippe 114 unterteilt ist.
6 ist eine Darstellung von unten², die ein oberes Substrat eines Mikro-Ejektors nach einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet.
Der Mikro-Ejektor nach einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, der in 6 dargestellt ist, umfasst zumindest einen Führungsabschnitt, der das Strömen in die Kammer bzw. aus der Kammer an einem Längsende der Sperrrippe führt. Die anderen Bestandteile sind dieselben wie bei dem Mikro-Ejektor nach der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der in 1 dargestellt ist, und daher wird deren genaue Beschreibung weggelassen. Daher wird der Unterschied zwischen diesen Bestandteilen unten beschrieben.
Mit Bezug auf 6 werden bei dem Mikro-Ejektor nach einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Führungsabschnitte 114a und 114b in das Längsende des Mikro-Ejektors in der Sperrrippe 114 in der Kammer 113 eingebaut.
Die Sperrrippe 114 kann einen ersten Führungsabschnitt 114b, der das von dem Durchflussbegrenzer 112 in die Kammer 113 abgegebene Fluid zu jedem der Vielzahl von Kanälen führt, die durch die Sperrrippe 114 abgeteilt ist, und einen zweiten Führungsabschnitt 114a, der die Fluidabgabe von jedem der Vielzahl von Kanälen, die durch die Sperrrippe 114 abgeteilt ist, zu der Düse 115 führt, umfassen.
Die Enden des ersten und des zweiten Führungsabschnitts 114a und 114b können in eine Richtung auf den Durchflussbegrenzer 112 und die Düse 115 scharf ausgebildet sein. Dies dient dazu, die Fluidabgabe an den unterteilten Raum in der Kammer 113 durch den ersten Führungsabschnitt 114b und die Fluidabgabe an die Düse 115 durch den zweiten Führungsabschnitt 114a zu unterstützen.
Wenngleich die beispielhafte Ausführungsform beschreibt, dass der erste und der zweite Führungsabschnitt 114a und 114b an beiden Enden in der Längsrichtung der Sperrrippe 114 ausgebildet sind, kann der Führungsabschnitt bei der vorliegenden Erfindung an nur einem Ende in der Längsrichtung des Mikro-Ejektors ausgebildet sein.
Die folgende Tabelle 1 stellt die Fluidausstoßeigenschaften des Mikro-Ejektors nach der vorliegenden Erfindung und des Mikro-Ejektors nach dem Vergleichsbeispiel dar. Der Mikro-Ejektor nach der vorliegenden Erfindung weist eine Gestaltung auf, die in der Lage ist, die Höhe der Kammer durch Ausbilden des Sperrrippenabschnitts und des vorstehenden Abschnitts in der Kammer zu verringern, und der Mikro-Ejektor nach dem Vergleichsbeispiel weist die Gestaltung der Kammer nach der verwandten Technik auf. Für diese Mikro-Ejektoren wurden die Ausstoßgeschwindigkeit des Fluids und das Volumen des ausgestoßenen Tröpfchens gemessen. In diesem Fall wurde die Auslenkung des Piezoaktors auf 120 nm festgelegt. Tabelle 1

Beispiel Vergleichsbeispiel

Kammerhöhe (μm) 70 130

Ausstoßgeschwindigkeit (m/s) 3,86 0,95

Tröpfchenvolumen (pL) 149 95,2
Wie in Tabelle 1 dargestellt, verringert der Mikro-Ejektor nach dem Beispiel der vorliegenden Erfindung die Höhe der Kammer und unterteilt den Raum der Kammer in die Vielzahl der Abschnitte, so dass bestätigt werden kann, dass im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel das Tröpfchenvolumen um das ca. 1,56-Fache erhöht wird und die Ausstoßgeschwindigkeit um das ca. Vierfache erhöht wird. Der Grund dafür besteht darin, dass der Verlust der Antriebsenergie (die Druckänderung), die auf den Auslass der Düse übertragen wird, durch die Änderung der Auslenkung des Piezoaktors verringert wird. Das heißt, der Grund besteht darin, dass das Vergleichsbeispiel die Dämpfung der auf den Auslass der Düse übertragenen Antriebsenergie entsprechend der Höhe bzw. des Volumens der Kammer erzeugt, wodurch der Verlust der Antriebsenergie verstärkt wird.
Wie oben dargelegt, wird nach dem Mikro-Ejektor und dem Verfahren für dessen Herstellung nach den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Raum der Kammer verringert und die Vielzahl der Kanäle in der Kammer ausgebildet, wodurch ermöglicht wird, die Fluidausstoßeigenschaften wie die Fluidausstoßgeschwindigkeit bzw. das Volumen des Mikro-Ejektors zu verbessern.
Wenngleich die vorliegende Erfindung in Verbindung mit den beispielhaften Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden ist, ist Kennern der Technik ersichtlich, dass Modifizierungen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Umfang der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert werden, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 102010-0048816 [0001]

Claims

Mikro-Ejektor, der umfasst: eine Kanalplatte, die einen Sperrrippenabschnitt, der in einem oberen Raum in einer Kammer angeordnet ist, und einen vorstehenden Abschnitt umfasst, der in einem unteren Raum in der Kammer angeordnet ist und zusammen mit dem Sperrrippenabschnitt einen Kanal in derselben Richtung wie eine Fluidausstoßrichtung ausbildet; und einen Aktor, der so auf dem oberen Abschnitt der Kanalplatte ausgebildet ist, dass er der Kammer entspricht, und eine Antriebskraft bereitstellt, um das Fluid von der Kammer an die Düse auszustoßen.
Mikro-Ejektor nach Anspruch 1, wobei die Breite der Kanalplatte so ausgebildet ist, dass sie in einer Richtung von der Düse zu der Kammer schmal wird.
Mikro-Ejektor nach Anspruch 1, wobei das Fluid, das durch den Kanal geleitet wird, der durch den Sperrrippenabschnitt und den vorstehenden Abschnitt in der Kammer ausgebildet ist, in einen Kanal eingeführt wird, um der Düse zugeführt zu werden.
Mikro-Ejektor nach Anspruch 1, wobei die Breite der Düse so ausgebildet ist, dass sie in der Fluidausstoßrichtung schmal wird.
Mikro-Ejektor nach Anspruch 1, wobei die Breite der Düse so ausgebildet ist, dass sie schrittweise in der Fluidausstoßrichtung schmal wird.
Mikro-Ejektor nach Anspruch 1, wobei der Sperrrippenabschnitt einen Führungsabschnitt umfasst, der eine Flüssigkeit führt, die an dem Längsende der Kammer in die Kammer bzw. aus der Kammer fließt.
Mikro-Ejektor nach Anspruch 1, wobei der Aktor so ausgebildet ist, dass er jedem der Kanäle entspricht, die durch den Sperrrippenabschnitt und den vorstehenden Abschnitt ausgebildet werden.
Mikro-Ejektor nach Anspruch 1, wobei die Kanalplatte ein oberes Substrat und ein unteres Substrat umfasst, der Sperrrippenabschnitt auf dem oberen Substrat ausgebildet ist und der vorstehende Abschnitt auf dem unteren Substrat ausgebildet ist.
Mikro-Ejektor nach Anspruch 8, wobei das untere Substrat durch aufeinanderfolgendes Stapeln einer unteren Siliziumschicht, einer Isolierschicht und einer oberen Siliziumschicht ausgebildet wird und der vorstehende Abschnitt durch die obere Siliziumschicht ausgebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors, das umfasst: Erstellen einer Kanalplatte, die einen Fluidkanal aufweist; Ausbilden eines Sperrrippenabschnitts in einem oberen Raum in einer Kammer, so dass das Fluid an eine Düse in dem Kanal abgegeben wird, und Ausbilden eines vorstehenden Abschnitts, der in dem unteren Raum der Kammer den Kanal in derselben Richtung wie eine Fluidausstoßrichtung zusammen mit dem Sperrrippenabschnitt ausbildet; und Ausbilden eines Aktors auf dem oberen Abschnitt der Kanalplatte an einer Position, die der Kammer entspricht, um eine Antriebskraft bereitzustellen, mit der das Fluid von der Kammer an die Düse ausgestoßen wird.
Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors nach Anspruch 10, wobei bei dem Erstellen der Kanalplatte die Breite der Kanalplatte so ausgebildet wird, dass sie in einer Richtung von der Düse zu der Kammer schmal wird.
Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors nach Anspruch 10, wobei durch das Ausbilden des Sperrrippenabschnitts und des vorstehenden Abschnitts das Fluid, das durch den Kanal geleitet wird, der durch den Sperrrippenabschnitt und den vorstehenden Abschnitt in der Kammer ausgebildet wird, in einen Kanal eingeführt wird, um der Düse zugeführt zu werden.
Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors nach Anspruch 10, das des Weiteren das Ausbilden der Breite der Düse in der Weise umfasst, dass diese in der Fluidausstoßrichtung schmal wird.
Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors nach Anspruch 10, das des Weiteren das Ausbilden der Breite der Düse in der Weise umfasst, dass diese schrittweise in der Fluidausstoßrichtung schmal wird.
Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors nach Anspruch 10, wobei bei dem Ausbilden des Sperrrippenabschnitts ein Führungsabschnitt ausgebildet wird, der eine Flüssigkeit führt, die an dem Längsende der Kammer in die Kammer bzw. aus der Kammer fließt.
Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors nach Anspruch 10, wobei das Ausbilden des Aktors so erfolgt, dass er jedem der Kanäle entspricht, die durch den Sperrrippenabschnitt und den vorstehenden Abschnitt ausgebildet werden.
Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors nach Anspruch 10, wobei das Erstellen der Kanalplatte durch Erstellen eines oberen Substrats und eines unteren Substrats ausgeführt wird, das Ausbilden des Sperrrippenabschnitts durch maschinelles Bearbeiten des oberen Substrats ausgeführt wird und das Ausbilden des vorstehenden Abschnitts durch maschinelles Bearbeiten des unteren Substrats ausgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors nach Anspruch 17, wobei bei dem Erstellen des unteren Substrats eine untere Siliziumschicht, eine Isolierschicht und eine obere Siliziumschicht aufeinanderfolgend gestapelt werden, und das Ausbilden des vorstehenden Abschnitts durch Entfernen eines anderen Abschnitts als eines Abschnitts, in dem der vorstehende Abschnitt ausgebildet wird, aus der oberen Siliziumschicht ausgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors nach Anspruch 17, das des Weiteren das Bonden des oberen Substrats an das untere Substrat umfasst, wobei das Bonden des oberen. Substrats an das untere Substrat durch Siliziumdirektbonden (SDR) ausgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Mikro-Ejektors nach Anspruch 17, das des Weiteren das Bonden des oberen Substrats an das untere Substrat umfasst, wobei das Bonden des oberen Substrats an das untere Substrat die untere Fläche des oberen Substrats an die obere Fläche der Isolierschicht auf dem unteren Substrat bondet.