JP2008125327A - Electrostatic actuator, liquid drop discharge head and manufacturing method therefor, and liquid drop discharge apparatus - Google Patents

Electrostatic actuator, liquid drop discharge head and manufacturing method therefor, and liquid drop discharge apparatus Download PDF

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JP2008125327A JP2006309251A JP2006309251A JP2008125327A JP 2008125327 A JP2008125327 A JP 2008125327A JP 2006309251 A JP2006309251 A JP 2006309251A JP 2006309251 A JP2006309251 A JP 2006309251A JP 2008125327 A JP2008125327 A JP 2008125327A
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祥史 杷野
Masahiro Fujii
正寛 藤井
Hiroshi Komatsu
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrostatic actuator capable of improving generated pressure in an actuator, while ensuring required basic characteristics as the electrostatic actuator, and to provide a liquid drop discharge head and a method of manufacturing the electrostatic actuator, and the liquid drop discharge head. <P>SOLUTION: The electrostatic actuator comprises a fixed electrode formed on a substrate; a movable electrode arranged so as to face the fixed electrode via a prescribed gap; a drive means for generating an electrostatic force between the fixed and movable electrodes for generating displacement in the movable electrode; a first insulating film 7 formed on the opposite surface of the fixed electrode; and a second insulating film 8 formed on the facing surface of the movable electrode. In at least one of the first and second insulating films, dielectric materials having relative dielectric constants that are higher than that of a silicon oxide are laminated. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、静電駆動方式のインクジェットヘッド等に用いられる静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及びそれらの製造方法並びに液滴吐出装置に関する。   The present invention relates to an electrostatic actuator, a droplet discharge head, a manufacturing method thereof, and a droplet discharge device used for an electrostatic drive type inkjet head or the like.

液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載される静電駆動方式のインクジェットヘッドが知られている。静電駆動方式のインクジェットヘッドは、一般に、ガラス基板上に形成された個別電極(固定電極)と、この個別電極に所定のギャップを介して対向配置された振動板(可動電極)とから構成される静電アクチュエータ部を備えている。そして、インク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、このノズル基板に接合されノズル基板との間で上記ノズル孔に連通する吐出室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、上記静電アクチュエータ部に静電気力を発生させることにより吐出室に圧力を加えて、選択されたノズル孔よりインク滴を吐出するようになっている。   As a droplet discharge head for discharging droplets, for example, an electrostatic drive type inkjet head mounted on an inkjet recording apparatus is known. An electrostatic drive type inkjet head is generally composed of an individual electrode (fixed electrode) formed on a glass substrate, and a diaphragm (movable electrode) disposed opposite to the individual electrode via a predetermined gap. An electrostatic actuator unit is provided. Then, a nozzle substrate in which a plurality of nozzle holes for discharging ink droplets is formed, and an ink flow path such as a discharge chamber and a reservoir that are joined to the nozzle substrate and communicated with the nozzle holes are formed. The cavity substrate is provided, and an electrostatic force is generated in the electrostatic actuator unit so as to apply pressure to the discharge chamber to discharge ink droplets from selected nozzle holes.

静電駆動方式のインクジェットヘッドは、近年、高解像度化に伴い高密度化、高速度駆動の要求が一段と高まり、それに伴い静電アクチュエータもますます微小化する傾向にある。そして、従来の静電アクチュエータは、一般に振動板上に酸化シリコン(SiO2)膜からなる絶縁膜を形成し、この絶縁膜を介して電極基板と陽極接合する構造となっている。しかし、振動板上に酸化シリコンの絶縁膜を設けた従来の静電アクチュエータの課題として、SiO2の比誘電率は3.8程度と小さいため、後述する式(2)よりアクチュエータの発生圧力の向上に限界があることが挙げられる。 In recent years, the demand for higher density and higher speed drive has further increased with the increase in resolution of electrostatic drive type ink jet heads, and electrostatic actuators tend to become increasingly smaller. A conventional electrostatic actuator generally has a structure in which an insulating film made of a silicon oxide (SiO 2 ) film is formed on a vibration plate, and is anodic bonded to an electrode substrate through the insulating film. However, as a problem of a conventional electrostatic actuator in which a silicon oxide insulating film is provided on a diaphragm, the relative dielectric constant of SiO 2 is as small as about 3.8. The improvement is limited.

これを解決する手段として、酸化シリコンより比誘電率の高い絶縁膜、いわゆるHigh−k材(高誘電率ゲート絶縁膜)を絶縁膜として用いた静電アクチュエータが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このような高誘電材料を絶縁膜として用いることで、アクチュエータの発生圧力を向上させることができる。   As means for solving this problem, an electrostatic actuator using an insulating film having a higher relative dielectric constant than silicon oxide, that is, a so-called High-k material (high dielectric constant gate insulating film) as an insulating film has been proposed (for example, Patent Documents). 1). By using such a high dielectric material as an insulating film, the pressure generated by the actuator can be improved.

特開2006−271183号公報JP 2006-271183 A

ところで、アクチュエータを駆動させるためには電極間に電圧を印加する必要があるが、電極に設けられた絶縁膜の絶縁耐圧が低いと、絶縁耐圧の観点からアクチュエータに印加可能な電圧が低く制限されてしまい、いわゆるHigh−k材を絶縁膜として用いたアクチュエータであっても、High−k材の絶縁耐圧が酸化シリコンよりも低い場合には、アクチュエータの発生圧力を向上させることは困難であった(後記の式(2)より印加電圧Vを小さくしなければならないため)。
更に別の課題として、High−k材を絶縁膜として用いたアクチュエータの場合、キャビティ基板と電極基板との接合時に十分な接合強度が得られない場合があり、アクチュエータ内を封止構造とした場合であっても、長期間での外部水分の侵入により、アクチュエータの駆動耐久性が低下する場合が見られた。
By the way, in order to drive the actuator, it is necessary to apply a voltage between the electrodes. However, if the dielectric strength of the insulating film provided on the electrode is low, the voltage that can be applied to the actuator is limited to a low level from the viewpoint of dielectric strength. Therefore, even in an actuator using a so-called High-k material as an insulating film, it is difficult to improve the generated pressure of the actuator when the dielectric strength of the High-k material is lower than that of silicon oxide. (Because the applied voltage V has to be reduced from the following equation (2)).
As another problem, in the case of an actuator using a high-k material as an insulating film, sufficient bonding strength may not be obtained when the cavity substrate and the electrode substrate are bonded, and the actuator has a sealed structure. Even so, there was a case where the driving durability of the actuator deteriorated due to the penetration of external moisture over a long period of time.

本発明は、上記のような課題に鑑み、静電アクチュエータとして必要な基本特性を確保しつつ、アクチュエータの発生圧力を向上させることが可能な静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及びそれらの製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above-described problems, the present invention provides an electrostatic actuator, a droplet discharge head, and a manufacturing method thereof that can improve the generated pressure of the actuator while ensuring basic characteristics necessary for the electrostatic actuator. The purpose is to provide.

前記課題を解決するため、本発明に係る静電アクチュエータは、基板上に形成された固定電極と、この固定電極に所定のギャップを介して対向配置された可動電極と、前記固定電極と前記可動電極との間に静電気力を発生させて該可動電極に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータにおいて、前記固定電極の対向面に形成された第1の絶縁膜と、前記可動電極の対向面に形成された第2の絶縁膜とを備え、前記第1及び第2の絶縁膜の少なくとも一方が、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層してなる絶縁膜であることを特徴とする。   In order to solve the above problems, an electrostatic actuator according to the present invention includes a fixed electrode formed on a substrate, a movable electrode disposed to face the fixed electrode with a predetermined gap, the fixed electrode, and the movable electrode. An electrostatic actuator comprising a driving means for generating an electrostatic force between the electrodes and causing displacement of the movable electrode, the first insulating film formed on the opposing surface of the fixed electrode, and the movable electrode And at least one of the first and second insulating films is an insulating film formed by laminating dielectric materials having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide. It is characterized by being.

この構成によれば、固定電極側に形成される第1の絶縁膜及び可動電極側に形成される第2の絶縁膜の少なくとも一方が、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料、すなわちHigh−k材どうしを積層した構成となっているので、アクチュエータの発生圧力を向上させることができる。またアクチュエータの発生圧力を同一圧力にする場合には、絶縁膜厚みを増して、絶縁耐圧に優れた静電アクチュエータを構成することができる。   According to this configuration, at least one of the first insulating film formed on the fixed electrode side and the second insulating film formed on the movable electrode side is a dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide, that is, High. Since the construction is such that the -k materials are laminated, the generated pressure of the actuator can be improved. Further, when the generated pressure of the actuator is set to the same pressure, the thickness of the insulating film can be increased, and an electrostatic actuator having an excellent withstand voltage can be configured.

本発明の静電アクチュエータは、固定電極がガラス基板上に、可動電極がシリコン基板上に形成されており、ガラス基板とシリコン基板が、少なくとも一方の接合面に形成された酸化シリコン膜を介して接合されているものである。
この構成によれば、固定電極を有するガラス基板と可動電極を有するシリコン基板を、少なくとも一方の接合面に形成された酸化シリコン膜を介して接合するので、十分に高い接合強度を得ることができる。
In the electrostatic actuator of the present invention, the fixed electrode is formed on the glass substrate and the movable electrode is formed on the silicon substrate, and the glass substrate and the silicon substrate are interposed through the silicon oxide film formed on at least one bonding surface. It is what is joined.
According to this configuration, since the glass substrate having the fixed electrode and the silicon substrate having the movable electrode are bonded via the silicon oxide film formed on at least one of the bonding surfaces, a sufficiently high bonding strength can be obtained. .

本発明の静電アクチュエータは、前記固定電極がガラス基板上に、前記可動電極がシリコン基板上に形成されており、前記ガラス基板上及び前記シリコン基板上に形成された一方の絶縁膜が、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料であり、かつ他方の絶縁膜が、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層してなる絶縁膜から構成されているものである。
この構成によれば、固定電極側に形成される第1の絶縁膜及び可動電極側に形成される第2の絶縁膜がともに、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料、すなわちHigh−k材となっているので、アクチュエータの発生圧力を向上させることができる。またアクチュエータの発生圧力を同一圧力にする場合には、絶縁膜厚みを増して、絶縁耐圧に優れた静電アクチュエータを構成することができる。
In the electrostatic actuator of the present invention, the fixed electrode is formed on a glass substrate, the movable electrode is formed on a silicon substrate, and one insulating film formed on the glass substrate and the silicon substrate is oxidized. It is a dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of silicon, and the other insulating film is composed of an insulating film formed by laminating dielectric materials having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide.
According to this configuration, both the first insulating film formed on the fixed electrode side and the second insulating film formed on the movable electrode side have a dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide, that is, High-k. Since it is a material, the pressure generated by the actuator can be improved. Further, when the generated pressure of the actuator is set to the same pressure, the thickness of the insulating film can be increased, and an electrostatic actuator having an excellent withstand voltage can be configured.

本発明の静電アクチュエータは、前記固定電極がガラス基板上に、前記可動電極がシリコン基板上に形成されており、前記ガラス基板上の最表面及び前記シリコン基板上の最表面に形成された絶縁膜が、同種の誘電材料から構成されているものである。
この構成によれば、各電極の対向面側が共に同種の誘電材料であるため、アクチュエータの当接、離脱に伴う、アクチュエータの接触帯電によるアクチュエータ内、絶縁膜表面の残留電荷をなくして、安定駆動を実現し、駆動耐久性に優れた静電アクチュエータを構成することができる。
In the electrostatic actuator according to the present invention, the fixed electrode is formed on a glass substrate, the movable electrode is formed on a silicon substrate, and the insulation formed on the outermost surface on the glass substrate and the outermost surface on the silicon substrate. The film is made of the same kind of dielectric material.
According to this configuration, the opposing surface side of each electrode is made of the same type of dielectric material, so stable drive is achieved by eliminating residual charges on the surface of the actuator and the insulating film due to contact charging of the actuator due to contact and release of the actuator. And an electrostatic actuator excellent in driving durability can be configured.

また、ガラス基板のシリコン基板との接合部には、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層してなる前記絶縁膜が設けられていないことが望ましい。
High−k材の絶縁膜は接合強度に難点があるため、ガラス基板の接合部におけるHigh−k材の第1の絶縁膜部分を除去するなどの構成とするほうがよい。
In addition, it is desirable that the insulating film formed by laminating dielectric materials having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide is not provided at the junction between the glass substrate and the silicon substrate.
Since the high-k material insulating film has a difficulty in bonding strength, it is preferable to remove the first insulating film part of the high-k material at the bonding portion of the glass substrate.

前記誘電材料としては、酸化アルミニウム(Al23)、酸化ハフニウム(HfO2)、窒化ハフニウムシリケート(HfSiN)、酸窒化ハフニウムシリケート(HfSiON)の中から少なくとも一つを選ぶものとする。これらの材料は酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料であるうえに、膜の低温成膜性、膜の均質性、プロセス適応性等が良好である。 As the dielectric material, at least one of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), hafnium nitride silicate (HfSiN), and hafnium oxynitride silicate (HfSiON) is selected. These materials are dielectric materials having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide, and are excellent in low-temperature film formability, film homogeneity, process adaptability, and the like.

本発明に係る静電アクチュエータの第1の製造方法は、基板上に形成された固定電極と、この固定電極に所定のギャップを介して対向配置された可動電極と、前記固定電極と前記可動電極との間に静電気力を発生させて該可動電極に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータの製造方法において、前記固定電極が形成されたガラス基板上に、第1の絶縁膜として、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層する工程と、前記可動電極が形成されるシリコン基板の前記ガラス基板との接合面全面に、第2の絶縁膜として、酸化シリコン膜を形成する工程と、前記ガラス基板の前記シリコン基板との接合部における前記第1の絶縁膜の部分を除去する工程と、前記ガラス基板と前記シリコン基板とを前記酸化シリコン膜を介して陽極接合する工程と、前記シリコン基板の接合面と反対の表面からエッチング加工して前記可動電極を形成する工程と、前記固定電極と前記可動電極との間に形成されるギャップの内部に存在する水分を除去する工程と、前記ギャップを気密に封止する工程と、を有することを特徴とする。   A first manufacturing method of an electrostatic actuator according to the present invention includes a fixed electrode formed on a substrate, a movable electrode disposed to face the fixed electrode via a predetermined gap, the fixed electrode, and the movable electrode. And a driving means for generating a displacement of the movable electrode by generating an electrostatic force between the first electrode and the second electrode as a first insulating film on the glass substrate on which the fixed electrode is formed. A silicon oxide film as a second insulating film is formed on the entire surface of the bonding surface between the silicon substrate on which the movable electrode is formed and the glass substrate of the silicon substrate on which the movable electrode is formed. A step of forming, a step of removing a portion of the first insulating film in a joint portion between the glass substrate and the silicon substrate, and a step of removing the glass substrate and the silicon substrate from the silicon oxide. A step of anodic bonding through a film, a step of etching the surface opposite to the bonding surface of the silicon substrate to form the movable electrode, and a gap formed between the fixed electrode and the movable electrode. It has the process of removing the moisture which exists inside, and the process of sealing the said gap airtightly, It is characterized by the above-mentioned.

この第1の製造方法によれば、固定電極側の第1の絶縁膜として酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層することで、アクチュエータの発生圧力を向上させることができ、可動電極側の第2の絶縁膜してシリコン基板の接合面全面に酸化シリコン膜を形成することで、必要な接合強度及び絶縁耐圧を確保可能な静電アクチュエータを安価に製造することができる。   According to this first manufacturing method, the pressure generated by the actuator can be improved by laminating dielectric materials having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide as the first insulating film on the fixed electrode side. By forming a silicon oxide film over the entire bonding surface of the silicon substrate as the second insulating film on the electrode side, an electrostatic actuator capable of ensuring the necessary bonding strength and withstand voltage can be manufactured at low cost.

本発明に係る静電アクチュエータの第2の製造方法は、基板上に形成された固定電極と、この固定電極に所定のギャップを介して対向配置された可動電極と、前記固定電極と前記可動電極との間に静電気力を発生させて該可動電極に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータの製造方法において、前記固定電極が形成されたガラス基板上に、第1の絶縁膜として、酸化シリコン膜を形成する工程と、前記可動電極が形成されるシリコン基板の前記ガラス基板との接合面全面に、第2の絶縁膜として、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層する工程と、前記ガラス基板と前記シリコン基板とを前記酸化シリコン膜を介して陽極接合する工程と、前記シリコン基板の接合面と反対の表面からエッチング加工して前記可動電極を形成する工程と、前記固定電極と前記可動電極との間に形成されるギャップの内部に存在する水分を除去する工程と、前記ギャップを気密に封止する工程と、を有することを特徴とする。   A second method for manufacturing an electrostatic actuator according to the present invention includes a fixed electrode formed on a substrate, a movable electrode disposed opposite to the fixed electrode with a predetermined gap, the fixed electrode, and the movable electrode. And a driving means for generating a displacement of the movable electrode by generating an electrostatic force between the first electrode and the second electrode as a first insulating film on the glass substrate on which the fixed electrode is formed. And a step of forming a silicon oxide film and a dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide as a second insulating film over the entire bonding surface of the silicon substrate on which the movable electrode is formed with the glass substrate. Etching from the surface opposite to the bonding surface of the silicon substrate, the step of laminating, the step of anodic bonding the glass substrate and the silicon substrate through the silicon oxide film, A step of forming a movable electrode, a step of removing moisture present in a gap formed between the fixed electrode and the movable electrode, and a step of hermetically sealing the gap. It is characterized by.

この第2の製造方法によれば、上記第1の製造方法とは逆に、シリコン基板の可動電極側に第2の絶縁膜として酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層することで、アクチュエータの発生圧力を向上させることができ、また固定電極側に第1の絶縁膜として酸化シリコン膜を形成することで、必要な接合強度及び絶縁耐圧を確保することができる。さらに、ガラス基板の接合部における第1の絶縁膜の除去が不要なため、製造工程を簡略化でき、より安価に静電アクチュエータを製造することができる。   According to the second manufacturing method, contrary to the first manufacturing method, the dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide is stacked as the second insulating film on the movable electrode side of the silicon substrate. Thus, the pressure generated by the actuator can be improved, and the necessary bonding strength and dielectric strength can be ensured by forming the silicon oxide film as the first insulating film on the fixed electrode side. Furthermore, since it is not necessary to remove the first insulating film at the joint portion of the glass substrate, the manufacturing process can be simplified and the electrostatic actuator can be manufactured at a lower cost.

本発明に係る静電アクチュエータの第3の製造方法は、基板上に形成された固定電極と、この固定電極に所定のギャップを介して対向配置された可動電極と、前記固定電極と前記可動電極との間に静電気力を発生させて該可動電極に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータの製造方法において、前記固定電極が形成されたガラス基板上に、第1の絶縁膜として、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層する工程と、前記可動電極が形成されるシリコン基板の前記ガラス基板との接合面全面に、第2の絶縁膜として、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料からなる絶縁膜を形成する工程と、前記ガラス基板の前記シリコン基板との接合部における前記第1の絶縁膜の部分を除去する工程と、前記ガラス基板と前記シリコン基板とを陽極接合する工程と、前記シリコン基板の接合面と反対の表面からエッチング加工して前記可動電極を形成する工程と、前記固定電極と前記可動電極との間に形成されるギャップの内部に存在する水分を除去する工程と、前記ギャップを気密に封止する工程と、を有することを特徴とする。   A third manufacturing method of an electrostatic actuator according to the present invention includes a fixed electrode formed on a substrate, a movable electrode disposed to face the fixed electrode with a predetermined gap, the fixed electrode, and the movable electrode. And a driving means for generating a displacement of the movable electrode by generating an electrostatic force between the first electrode and the second electrode as a first insulating film on the glass substrate on which the fixed electrode is formed. And a step of laminating dielectric materials having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide, and a second insulating film as a second insulating film on the entire surface of the silicon substrate on which the movable electrode is formed, as compared with silicon oxide. A step of forming an insulating film made of a dielectric material having a high relative dielectric constant; a step of removing a portion of the first insulating film at a joint portion between the glass substrate and the silicon substrate; and the glass Formed between the fixed electrode and the movable electrode; a step of anodic bonding the plate and the silicon substrate; a step of etching the surface opposite to the bonding surface of the silicon substrate to form the movable electrode; A step of removing moisture existing in the gap and a step of hermetically sealing the gap.

この第3の製造方法によれば、固定電極側の第1の絶縁膜として酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層し、可動電極側の第2の絶縁膜として酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料からなる絶縁膜を形成することで、アクチュエータの発生圧力をより一層向上させた静電アクチュエータを製造することができる。   According to the third manufacturing method, the dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide is laminated as the first insulating film on the fixed electrode side, and the second insulating film on the movable electrode side is more than that of silicon oxide. By forming an insulating film made of a dielectric material having a high relative dielectric constant, an electrostatic actuator in which the pressure generated by the actuator is further improved can be manufactured.

また、第1及び第3の製造方法において、ガラス基板の接合部における前記第1の絶縁膜の部分を除去する場合は、その第1の絶縁膜の部分をパターニングして、ドライエッチングにより除去するものとする。
これにより、High−k材どうしの積層からなる第1の絶縁膜の部分を同時かつ完全に除去することができる。
Further, in the first and third manufacturing methods, when the portion of the first insulating film in the bonding portion of the glass substrate is removed, the portion of the first insulating film is patterned and removed by dry etching. Shall.
As a result, the first insulating film portion formed by stacking the high-k materials can be simultaneously and completely removed.

誘電材料としては、上記理由から、酸化アルミニウム(Al23)、酸化ハフニウム(HfO2)、窒化ハフニウムシリケート(HfSiN)、酸窒化ハフニウムシリケート(HfSiON)の中から選ばれた少なくとも一つを用いるものとする。 As the dielectric material, at least one selected from aluminum oxide (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), hafnium nitride silicate (HfSiN), and hafnium oxynitride silicate (HfSiON) is used for the above reasons. Shall.

また、ギャップの封止は窒素雰囲気下で行うことが望ましい。これにより、静電アクチュエータの高信頼性を確保できる。   Moreover, it is desirable to seal the gap in a nitrogen atmosphere. Thereby, the high reliability of an electrostatic actuator is securable.

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出する単一または複数のノズル孔を有するノズル基板と、前記ノズル基板との間で、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室となる凹部が形成されたキャビティ基板と、前記吐出室の底部にて構成される振動板に所定のギャップを介して対向配置される個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、上記のいずれかの静電アクチュエータを備えたことを特徴とする。
これにより、高速駆動性、駆動耐久性等に優れた高信頼性の液滴吐出ヘッドを安価に提供することができる。
The droplet discharge head according to the present invention includes a nozzle substrate having a single or a plurality of nozzle holes for discharging droplets, and a recess serving as a discharge chamber communicating with each of the nozzle holes between the nozzle substrate and the nozzle substrate. In a liquid droplet ejection head comprising: the formed cavity substrate; and an electrode substrate on which an individual electrode is disposed so as to be opposed to the diaphragm configured at the bottom of the ejection chamber via a predetermined gap. Any one of the electrostatic actuators is provided.
Thereby, a highly reliable droplet discharge head excellent in high-speed driving performance, driving durability, and the like can be provided at low cost.

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、液滴を吐出する単一または複数のノズル孔を有するノズル基板と、前記ノズル基板との間で、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室となる凹部が形成されたキャビティ基板と、前記吐出室の底部にて構成される振動板に所定のギャップを介して対向配置される個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドの製造方法において、上記のいずれかの静電アクチュエータの製造方法を適用することを特徴とする。
この製造方法により、高速駆動性、駆動耐久性等に優れた高信頼性の液滴吐出ヘッドを安価に製造することができる。
A method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention includes a nozzle substrate having a single or a plurality of nozzle holes for discharging droplets, and a discharge chamber communicating with each of the nozzle holes between the nozzle substrate and the nozzle substrate. A droplet discharge head comprising: a cavity substrate in which a concave portion is formed; and an electrode substrate on which an individual electrode is disposed so as to be opposed to a diaphragm configured at the bottom of the discharge chamber with a predetermined gap. In the manufacturing method, any one of the above-described electrostatic actuator manufacturing methods is applied.
With this manufacturing method, a highly reliable droplet discharge head excellent in high-speed driving performance, driving durability, and the like can be manufactured at low cost.

本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする。これにより、高速駆動性、駆動耐久性等に優れた高信頼性の液滴吐出装置を安価に提供することができる。   A droplet discharge apparatus according to the present invention includes the above-described droplet discharge head. As a result, a highly reliable droplet discharge device that is excellent in high-speed driving performance, driving durability, and the like can be provided at low cost.

以下、本発明を適用した静電アクチュエータを備える液滴吐出ヘッドの実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、液滴吐出ヘッドの一例として、ノズル基板の表面に設けられたノズル孔からインク滴を吐出するフェイス吐出型の静電駆動方式のインクジェットヘッドについて図1から図5を参照して説明する。なお、本発明は、以下の図に示す構造、形状に限定されるものではなく、吐出室とリザーバ部が別々の基板に設けられた4枚の基板を積層した4層構造のものや、基板の端部に設けられたノズル孔からインク滴を吐出するエッジ吐出型の液滴吐出ヘッドにも同様に適用することができるものである。   Hereinafter, embodiments of a droplet discharge head including an electrostatic actuator to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. Here, as an example of a droplet discharge head, a face discharge type electrostatic drive type inkjet head that discharges ink droplets from nozzle holes provided on the surface of a nozzle substrate will be described with reference to FIGS. . Note that the present invention is not limited to the structure and shape shown in the following drawings, and has a four-layer structure in which four substrates each having a discharge chamber and a reservoir portion provided on separate substrates are laminated, The present invention can be similarly applied to an edge discharge type droplet discharge head that discharges ink droplets from a nozzle hole provided at the end of the nozzle.

実施形態1.
図1は実施形態1に係るインクジェットヘッドの概略構成を分解して示す分解斜視図であり、一部を断面で表してある。図2は組立状態における図1の略右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの断面図、図3は図2のA部の拡大断面図、図4は図2のa−a拡大断面図、図5は図2のインクジェットヘッドの上面図である。なお、図1および図2では、通常使用される状態とは上下逆に示されている。
Embodiment 1. FIG.
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an exploded schematic configuration of the ink jet head according to the first embodiment, and a part thereof is shown in cross section. 2 is a cross-sectional view of the inkjet head showing a schematic configuration of the substantially right half of FIG. 1 in an assembled state, FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a portion A in FIG. 2, and FIG. 5 is a top view of the inkjet head of FIG. 1 and 2 are shown upside down from a state in which they are normally used.

本実施形態のインクジェットヘッド(液滴吐出ヘッドの一例)10は、図1から図5に示すように、複数のノズル孔11が所定のピッチで設けられたノズル基板1と、各ノズル孔11に対して独立にインク供給路が設けられたキャビティ基板2と、キャビティ基板2に設けられた振動板6に対峙して個別電極5が配設された電極基板3とを貼り合わせることにより構成されている。   As shown in FIGS. 1 to 5, the inkjet head (an example of a droplet discharge head) 10 according to this embodiment includes a nozzle substrate 1 in which a plurality of nozzle holes 11 are provided at a predetermined pitch, and each nozzle hole 11. In contrast, the cavity substrate 2 provided with the ink supply path independently and the electrode substrate 3 provided with the individual electrodes 5 facing the diaphragm 6 provided on the cavity substrate 2 are bonded to each other. Yes.

インクジェットヘッド10のノズル孔11ごとに設けられる静電アクチュエータ部4は、図2から図4に示すように、固定電極として、ガラス製の電極基板3の凹部32内に形成された個別電極5と、可動電極として、シリコン製のキャビティ基板2の吐出室21の底壁で構成され、個別電極5に対し所定のギャップGを介して対向配置される振動板6とを備え、各々の個別電極5の対向面(振動板側対向面)には第1の絶縁膜7が形成され、振動板6の対向面(個別電極側対向面)、すなわち電極基板3に接合されるキャビティ基板2の接合面全面には第2の絶縁膜8が形成されている。   As shown in FIG. 2 to FIG. 4, the electrostatic actuator unit 4 provided for each nozzle hole 11 of the inkjet head 10 includes the individual electrode 5 formed in the recess 32 of the glass electrode substrate 3 as a fixed electrode. Each of the individual electrodes 5 includes a diaphragm 6 that is configured as a movable electrode on the bottom wall of the discharge chamber 21 of the cavity substrate 2 made of silicon, and is disposed to face the individual electrode 5 with a predetermined gap G interposed therebetween. A first insulating film 7 is formed on the opposite surface (diaphragm-side opposing surface) of the substrate, and the opposing surface (individual electrode-side opposing surface) of the diaphragm 6, that is, the bonding surface of the cavity substrate 2 bonded to the electrode substrate 3. A second insulating film 8 is formed on the entire surface.

本発明の静電アクチュエータにおいて、絶縁膜は、個別電極5及び振動板6の両方の対向面上に形成され、かつ、個別電極5側の第1の絶縁膜7及び振動板6側の第2の絶縁膜8の少なくとも一方を、酸化シリコン(SiO2)よりも比誘電率の高い誘電材料どうしが積層された積層構造とするものである。酸化シリコン(SiO2)よりも比誘電率の高い誘電材料、すなわちいわゆるHigh−k材と呼ばれる高誘電材料としては、例えば酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al23、アルミナ)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化タンタル(Ta23)、窒化ハフニウムシリケート(HfSiN)、酸窒化ハフニウムシリケート(HfSiON)、窒化アルミ(AlN)、窒化ジルコニウム(ZrO2)、酸化セリウム(CeO2)、酸化チタン(TiO2)、酸化イットリウム(Y23)、ジルコニウムシリケート(ZrSiO)、ハフニウムシリケート(HfSiO)、ジルコニウムアルミネート(ZrAlO)、窒素添加ハフニウムアルミネート(HfAlON)、及びこれらの複合膜等を挙げることができる。その中でも膜の低温成膜性、膜の均質性、プロセス適応性等を考慮した場合、酸化アルミニウム(Al23、アルミナ)、酸化ハフニウム(HfO2)、窒化ハフニウムシリケート(HfSiN)、酸窒化ハフニウムシリケート(HfSiON)を使用することが望ましく、これらの中から少なくとも一つが選ばれる。 In the electrostatic actuator of the present invention, the insulating film is formed on the opposing surfaces of both the individual electrode 5 and the diaphragm 6, and the first insulating film 7 on the individual electrode 5 side and the second on the diaphragm 6 side. At least one of the insulating films 8 has a laminated structure in which dielectric materials having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide (SiO 2 ) are laminated. As a dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide (SiO 2 ), that is, a high dielectric material called a high-k material, for example, silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 , alumina), oxidation Hafnium (HfO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 3 ), hafnium nitride silicate (HfSiN), hafnium oxynitride (HfSiON), aluminum nitride (AlN), zirconium nitride (ZrO 2 ), cerium oxide (CeO 2 ), Titanium oxide (TiO 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), zirconium silicate (ZrSiO), hafnium silicate (HfSiO), zirconium aluminate (ZrAlO), nitrogen-added hafnium aluminate (HfAlON), and composite films thereof Can be mentioned. Among them, when considering low-temperature film formability, film homogeneity, process adaptability, etc., aluminum oxide (Al 2 O 3 , alumina), hafnium oxide (HfO 2 ), hafnium nitride silicate (HfSiN), oxynitride It is desirable to use hafnium silicate (HfSiON), at least one of which is selected.

本実施形態1では、個別電極5側の第1の絶縁膜7は酸化シリコン膜のみの単層構造とし、振動板6側の第2の絶縁膜8は最下層をアルミナ膜8a、その上に酸化ハフニウム膜8bを、そして最表面に酸化シリコン膜8cを積層する3層構造としている。この構成により、シリコン製のキャビティ基板2とガラス製の電極基板3とは、酸化シリコン膜8cを介して陽極接合できるので、十分に高い接合強度を確保することができる。なお、膜厚については、第1の絶縁膜7の酸化シリコン膜を30nm、第2の絶縁膜8のうちアルミナ膜8aを30nm、酸化ハフニウム膜8bを20nm、酸化シリコン膜8cを50nmとしている。また、ギャップGの距離は200nmで、ITO(Indium Tin Oxide:インジウム錫酸化物)からなる個別電極5の厚さは100nmとしている。   In the first embodiment, the first insulating film 7 on the individual electrode 5 side has a single-layer structure composed of only a silicon oxide film, and the second insulating film 8 on the diaphragm 6 side has an alumina film 8a as the lowermost layer, and the upper layer. The hafnium oxide film 8b has a three-layer structure in which a silicon oxide film 8c is stacked on the outermost surface. With this configuration, the cavity substrate 2 made of silicon and the electrode substrate 3 made of glass can be anodic bonded via the silicon oxide film 8c, so that a sufficiently high bonding strength can be ensured. Regarding the film thickness, the silicon oxide film of the first insulating film 7 is 30 nm, the alumina film 8a of the second insulating film 8 is 30 nm, the hafnium oxide film 8b is 20 nm, and the silicon oxide film 8c is 50 nm. The distance of the gap G is 200 nm, and the thickness of the individual electrode 5 made of ITO (Indium Tin Oxide) is 100 nm.

そして、図2、図3、図5に簡略化して示すように、電極基板3に形成された個別電極5の端子部5aと、キャビティ基板2の接合面と反対の上面に形成された共通電極26とに、駆動手段として、ドライバICなどの駆動制御回路9が搭載されたフレキシブル配線基板を介して配線接続される。   2, 3, and 5, the terminal portion 5 a of the individual electrode 5 formed on the electrode substrate 3 and the common electrode formed on the upper surface opposite to the bonding surface of the cavity substrate 2. 26 is connected to a wiring through a flexible wiring board on which a drive control circuit 9 such as a driver IC is mounted as a driving means.

以下、各基板の構成についてさらに詳細に説明する。
ノズル基板1は、例えばシリコン基板から作製されている。インク滴を吐出するためのノズル孔11は、例えば径の異なる2段の円筒状に形成されたノズル孔部分、すなわち径の小さい噴射口部分11aとこれよりも径の大きい導入口部分11bとから構成されている。噴射口部分11aおよび導入口部分11bは基板面に対して垂直にかつ同軸上に設けられており、噴射口部分11aは先端がノズル基板1の表面に開口し、導入口部分11bはノズル基板1の裏面(キャビティ基板2と接合される接合側の面)に開口している。
また、ノズル基板1には、キャビティ基板2の吐出室21とリザーバ23とを連通するオリフィス12が形成されている。
Hereinafter, the configuration of each substrate will be described in more detail.
The nozzle substrate 1 is made of, for example, a silicon substrate. The nozzle holes 11 for ejecting ink droplets are composed of, for example, two-stage cylindrical nozzle holes having different diameters, that is, an ejection port portion 11a having a smaller diameter and an introduction port portion 11b having a larger diameter. It is configured. The injection port portion 11a and the introduction port portion 11b are provided perpendicular to and coaxially with respect to the substrate surface. The injection port portion 11a has a tip opening on the surface of the nozzle substrate 1, and the introduction port portion 11b is formed on the nozzle substrate 1. Are opened on the back surface (the surface on the bonding side to be bonded to the cavity substrate 2).
The nozzle substrate 1 is formed with an orifice 12 that communicates the discharge chamber 21 of the cavity substrate 2 with the reservoir 23.

ノズル孔11を噴射口部分11aとこれよりも径の大きい導入口部分11bとから2段に構成することにより、インク滴の吐出方向をノズル孔11の中心軸方向に揃えることができ、安定したインク吐出特性を発揮させることができる。すなわち、インク滴の飛翔方向のばらつきがなくなり、またインク滴の飛び散りがなく、インク滴の吐出量のばらつきを抑制することができる。また、ノズル密度を高密度化することが可能である。   By forming the nozzle hole 11 in two stages from the ejection port portion 11a and the inlet port portion 11b having a larger diameter than this, the ink droplet ejection direction can be aligned with the central axis direction of the nozzle hole 11 and stable. Ink discharge characteristics can be exhibited. That is, there is no variation in the flying direction of ink droplets, there is no scattering of ink droplets, and variations in the ejection amount of ink droplets can be suppressed. In addition, the nozzle density can be increased.

キャビティ基板2は、例えば面方位が(110)の単結晶のシリコン基板から作製されている。キャビティ基板2には、インク流路に設けられる吐出室21となる凹部22、およびリザーバ23となる凹部24がエッチングにより形成されている。凹部22は前記ノズル孔11に対応する位置に独立に複数形成される。したがって、図2に示すようにノズル基板1とキャビティ基板2を接合した際、各凹部22は吐出室21を構成し、それぞれノズル孔11に連通しており、またインク供給口である前記オリフィス12ともそれぞれ連通している。そして、吐出室21(凹部22)の底部が上記振動板6となっている。また、この振動板6は、シリコン基板の表面からボロン(B)を拡散させてボロン拡散層を形成し、ウェットエッチングによりエッチングストップしてそのボロン拡散層の厚さで薄く仕上げられている。   The cavity substrate 2 is made of, for example, a single crystal silicon substrate having a plane orientation of (110). The cavity substrate 2 is formed by etching with a recess 22 serving as a discharge chamber 21 provided in the ink flow path and a recess 24 serving as a reservoir 23. A plurality of recesses 22 are independently formed at positions corresponding to the nozzle holes 11. Therefore, as shown in FIG. 2, when the nozzle substrate 1 and the cavity substrate 2 are joined, each concave portion 22 constitutes a discharge chamber 21 and communicates with each nozzle hole 11 and the orifice 12 serving as an ink supply port. Both communicate with each other. The bottom of the discharge chamber 21 (concave portion 22) is the diaphragm 6. Further, the diaphragm 6 is formed thin by the thickness of the boron diffusion layer formed by diffusing boron (B) from the surface of the silicon substrate to form a boron diffusion layer, stopping etching by wet etching.

凹部24は、インク等の液状材料を貯留するためのものであり、各吐出室21に共通のリザーバ(共通インク室)23を構成する。そして、リザーバ23(凹部24)はそれぞれオリフィス12を介して全ての吐出室21に連通している。また、リザーバ23の底部には後述する電極基板3を貫通する孔が設けられ、この孔のインク供給孔33を通じて図示しないインクカートリッジからインクが供給されるようになっている。   The recess 24 is for storing a liquid material such as ink, and constitutes a reservoir (common ink chamber) 23 common to the ejection chambers 21. The reservoirs 23 (recesses 24) communicate with all the discharge chambers 21 through the orifices 12, respectively. Further, a hole penetrating the electrode substrate 3 described later is provided in the bottom of the reservoir 23, and ink is supplied from an ink cartridge (not shown) through the ink supply hole 33 of the hole.

電極基板3は、例えばガラス基板から作製される。中でも、キャビティ基板2のシリコン基板と熱膨張係数の近い硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いるのが適している。これは、電極基板3とキャビティ基板2を陽極接合する際、両基板の熱膨張係数が近いため、電極基板3とキャビティ基板2との間に生じる応力を低減することができ、その結果剥離等の問題を生じることなく電極基板3とキャビティ基板2を強固に接合することができるからである。   The electrode substrate 3 is produced from a glass substrate, for example. Among them, it is suitable to use a borosilicate heat-resistant hard glass having a thermal expansion coefficient close to that of the silicon substrate of the cavity substrate 2. This is because when the electrode substrate 3 and the cavity substrate 2 are anodically bonded, the thermal expansion coefficients of the two substrates are close to each other, so that the stress generated between the electrode substrate 3 and the cavity substrate 2 can be reduced. This is because the electrode substrate 3 and the cavity substrate 2 can be firmly bonded without causing the above problem.

電極基板3には、キャビティ基板2の各振動板6に対向する表面位置にそれぞれ凹部32が設けられている。凹部32は、エッチングにより所望の深さで形成されている。そして、各凹部32内には、一般に、ITO(Indium Tin Oxide:インジウム錫酸化物)からなる個別電極5が、例えば100nmの厚さで形成される。したがって、振動板6と個別電極5との間に形成される実質的なギャップ(空隙)Gは、凹部32の深さ、個別電極5の厚さおよび個別電極5の表面に形成される第1の絶縁膜7の厚さ、振動板6の表面に形成される第2の絶縁膜8の厚さにより決まることになる。このギャップGはインクジェットヘッドの吐出特性に大きく影響するので、凹部32の深さ、個別電極5の厚さ、第1の絶縁膜7の厚さ、第2の絶縁膜8の厚さを高精度に形成する必要がある。   The electrode substrate 3 is provided with a recess 32 at a surface position facing the diaphragm 6 of the cavity substrate 2. The recess 32 is formed at a desired depth by etching. And in each recessed part 32, the individual electrode 5 which consists of ITO (Indium Tin Oxide: Indium tin oxide) generally is formed by thickness of 100 nm, for example. Therefore, the substantial gap (gap) G formed between the diaphragm 6 and the individual electrode 5 is the depth of the recess 32, the thickness of the individual electrode 5, and the first surface formed on the surface of the individual electrode 5. This is determined by the thickness of the insulating film 7 and the thickness of the second insulating film 8 formed on the surface of the diaphragm 6. Since the gap G greatly affects the ejection characteristics of the ink jet head, the depth of the recess 32, the thickness of the individual electrode 5, the thickness of the first insulating film 7, and the thickness of the second insulating film 8 are determined with high accuracy. Need to be formed.

個別電極5は、フレキシブル配線基板(図示せず)に接続される端子部5aを有する。端子部5aは、図2、図5に示すように、配線のためにキャビティ基板2の末端部が開口された電極取り出し部34内に露出している。
また、振動板6と個別電極5との間に形成されるギャップGの開放端部はエポキシ等の樹脂による封止材35で封止される。これにより、湿気や塵埃等が電極間ギャップへ侵入するのを防止することができ、インクジェットヘッド10の信頼性を高く保持することができる。
The individual electrode 5 has a terminal portion 5a connected to a flexible wiring board (not shown). As shown in FIGS. 2 and 5, the terminal portion 5 a is exposed in the electrode extraction portion 34 in which the end portion of the cavity substrate 2 is opened for wiring.
The open end of the gap G formed between the diaphragm 6 and the individual electrode 5 is sealed with a sealing material 35 made of resin such as epoxy. Thereby, moisture and dust can be prevented from entering the gap between the electrodes, and the reliability of the inkjet head 10 can be kept high.

上述したように、ノズル基板1、キャビティ基板2、および電極基板3は、図2に示すように貼り合わせることによりインクジェットヘッド10の本体部が作製される。すなわち、キャビティ基板2と電極基板3は陽極接合により接合され、そのキャビティ基板2の上面(図2において上面)にノズル基板1が接着等により接合される。   As described above, the nozzle substrate 1, the cavity substrate 2, and the electrode substrate 3 are bonded to each other as shown in FIG. That is, the cavity substrate 2 and the electrode substrate 3 are bonded by anodic bonding, and the nozzle substrate 1 is bonded to the upper surface (the upper surface in FIG. 2) of the cavity substrate 2 by adhesion or the like.

そして最後に、図2、図5に簡略化して示すように、ドライバIC等の駆動制御回路9が各個別電極5の端子部5aとキャビティ基板2上面の共通電極26とに上記フレキシブル配線基板(図示せず)を介して接続される。
以上により、インクジェットヘッド10が完成する。
Finally, as shown in FIGS. 2 and 5 in a simplified manner, the drive control circuit 9 such as a driver IC is connected to the terminal portion 5a of each individual electrode 5 and the common electrode 26 on the upper surface of the cavity substrate 2 with the flexible wiring board ( (Not shown).
Thus, the ink jet head 10 is completed.

次に、以上のように構成されるインクジェットヘッド10の動作を説明する。
駆動制御回路9により個別電極5とキャビティ基板2の共通電極26の間にパルス電圧を印加すると、振動板6は個別電極5側に引き寄せられて吸着し、吐出室21内に負圧を発生させて、リザーバ23内のインクを吸引し、インクの振動(メニスカス振動)を発生させる。このインクの振動が略最大となった時点で、電圧を解除すると、振動板6は離脱して、インクをノズル11から押出し、インク液滴を吐出する。
Next, the operation of the inkjet head 10 configured as described above will be described.
When a pulse voltage is applied between the individual electrode 5 and the common electrode 26 of the cavity substrate 2 by the drive control circuit 9, the diaphragm 6 is attracted to and attracted to the individual electrode 5 side to generate a negative pressure in the discharge chamber 21. Thus, the ink in the reservoir 23 is sucked to generate ink vibration (meniscus vibration). When the voltage is released when the vibration of the ink becomes substantially maximum, the vibration plate 6 is detached, the ink is pushed out from the nozzle 11, and the ink droplet is ejected.

ここで、絶縁膜を有する静電アクチュエータについて説明する。
駆動時における振動板6を吸引する静電圧力(発生圧力)Pは、静電エネルギーをE、振動板6の個別電極5に対する任意の位置をx、振動板6の面積をS、印加電圧をV、絶縁膜の厚さをt、真空中の誘電率をε0、絶縁膜の比誘電率をεrとすると、以下の式で表される。
Here, an electrostatic actuator having an insulating film will be described.
The electrostatic pressure (generated pressure) P that attracts the diaphragm 6 during driving is E, the electrostatic energy is E, the arbitrary position of the diaphragm 6 with respect to the individual electrode 5 is x, the area of the diaphragm 6 is S, and the applied voltage is Assuming V, the thickness of the insulating film is t, the dielectric constant in vacuum is ε 0 , and the relative dielectric constant of the insulating film is ε r , the following expression is obtained.

Figure 2008125327
Figure 2008125327

また、振動板6の駆動時における平均圧力Peは、振動板6が駆動していない時の振動板6から個別電極5までの距離(ギャップの距離)をdとして、以下の式で表される。 Further, average pressure P e at the time of driving the diaphragm 6, the distance to the individual electrode 5 from the diaphragm 6 when the diaphragm 6 is not driven (the distance of the gap) as d, the formula: The

Figure 2008125327
Figure 2008125327

そして、本実施形態1のように異なる材料の絶縁膜を設けた場合の静電アクチュエータにおける平均圧力Peは、第2の絶縁膜8のアルミナ膜8aの厚さをt1、酸化ハフニウム膜8bの厚さをt2、第1及び第2の絶縁膜7、8の酸化シリコン膜の合計厚さをt3、アルミナの比誘電率をε1、酸化ハフニウムの比誘電率をε2、酸化シリコンの比誘電率をε3とすると、式(2)から式(3)を導くことができる。 The average pressure P e in the electrostatic actuator in the case where an insulating film of different materials as in the present embodiment 1, the thickness of the alumina film 8a of the second insulating film 8 t 1, the hafnium oxide film 8b the thickness t 2, t 3 the total thickness of the silicon oxide film of the first and second insulating films 7 and 8, 1 the dielectric constant of alumina epsilon, the dielectric constant of the hafnium oxide epsilon 2, oxide When the relative dielectric constant of silicon is ε 3 , the expression (3) can be derived from the expression (2).

Figure 2008125327
Figure 2008125327

上記の式(2)から、絶縁膜の比誘電率が大きいほど、あるいは絶縁膜の厚さに対する比誘電率の比(t/ε)が小さいほど、平均圧力Peが高くなることが分かる。従って、酸化シリコンより比誘電率の高いHigh−k材を絶縁膜として適用すれば、静電アクチュエータにおける発生圧力を高くすることができる。
また、絶縁膜としてHigh−k材を適用したインクジェットヘッド10の場合、振動板6の面積を小さくしてもインク滴の吐出に必要なパワーを得ることが可能となる。このため、インクジェットヘッド10において振動板6の幅を小さくして、吐出室21のピッチ、すなわちノズル11のピットを小さくすることにより解像度を上げることができ、より高精細な印刷を高速で行うことのできるインクジェットヘッド10を得ることができる。さらに振動板6の長さを短くすることにより、インク流路における応答性を向上して駆動周波数を上げることができ、より高速の印刷を行うことが可能となる。
また例えば、積層構造の第2の絶縁膜8の比誘電率を全体として2倍にすれば、第2の絶縁膜8の厚さを2倍にしてもほぼ同じ発生圧力が得られるため、静電アクチュエータにおけるTDDB(Time Depend Dielectric Breakdown、長時間の絶縁破壊強度)、TZDB(Time Zero Dielectric Breakdown、瞬間における絶縁破壊強度)等の耐絶縁破壊強度をほぼ2倍にできることが分かる。
From the above formula (2), it can be seen that the average pressure Pe increases as the relative dielectric constant of the insulating film increases or as the ratio of the relative dielectric constant to the thickness of the insulating film (t / ε) decreases. Therefore, when a high-k material having a higher dielectric constant than silicon oxide is applied as the insulating film, the generated pressure in the electrostatic actuator can be increased.
Further, in the case of the inkjet head 10 to which the High-k material is applied as the insulating film, it is possible to obtain power necessary for ejecting ink droplets even if the area of the diaphragm 6 is reduced. For this reason, in the inkjet head 10, the width of the diaphragm 6 can be reduced, and the pitch of the discharge chambers 21, that is, the pits of the nozzles 11, can be increased to increase the resolution, and higher-definition printing can be performed at high speed. The inkjet head 10 which can be obtained can be obtained. Further, by shortening the length of the diaphragm 6, the responsiveness in the ink flow path can be improved and the drive frequency can be increased, and higher-speed printing can be performed.
Further, for example, if the relative dielectric constant of the second insulating film 8 having a laminated structure is doubled as a whole, almost the same generated pressure can be obtained even if the thickness of the second insulating film 8 is doubled. It can be seen that the dielectric breakdown strength such as TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown, long time dielectric breakdown strength) and TZDB (Time Zero Dielectric Breakdown, instantaneous dielectric breakdown strength) of the electric actuator can be almost doubled.

表1に、本発明の実施形態1〜4において適用する各種絶縁膜の特性を示す。表1から、アルミナ(Al23)と酸化ハフニウム(HfO2)は共に比誘電率が酸化シリコン(SiO2)に比べて非常に大きいが、絶縁耐圧及び接合強度の面では酸化シリコンよりも劣っている。従って、絶縁膜として、アルミナや酸化ハフニウム等の高誘電材料を単独で用いるよりも、これらの高誘電材料を適宜組み合わせて積層構造とすることが望ましい。 Table 1 shows characteristics of various insulating films applied in the first to fourth embodiments of the present invention. From Table 1, both alumina (Al 2 O 3 ) and hafnium oxide (HfO 2 ) have a very large relative dielectric constant compared to silicon oxide (SiO 2 ), but in terms of dielectric strength and junction strength, they are more than silicon oxide. Inferior. Therefore, it is desirable to appropriately combine these high dielectric materials to form a laminated structure, rather than using a high dielectric material such as alumina or hafnium oxide alone as the insulating film.

Figure 2008125327
Figure 2008125327

また、上記の式(2)、式(3)から、静電アクチュエータの発生圧力の向上に関係するパラメータは、絶縁膜の厚さに対する比誘電率の比(t/ε)、または実施形態1のように絶縁膜が3種類の異種材料からなる場合は絶縁膜の厚さに対する比誘電率の比の和(t11+t22+t33)であることから、このパラメータを計算した値を表2に示す。 Further, from the above formulas (2) and (3), the parameter related to the improvement of the generated pressure of the electrostatic actuator is the ratio of the relative dielectric constant to the thickness of the insulating film (t / ε), or the first embodiment. In the case where the insulating film is made of three kinds of different materials as shown in FIG. 4, since it is the sum of the ratio of the relative dielectric constant to the thickness of the insulating film (t 1 / ε 1 + t 2 / ε 2 + t 3 / ε 3 ), Table 2 shows the calculated values of this parameter.

Figure 2008125327
Figure 2008125327

表2は、従来例と実施形態1の場合を示すものである。従来例は、絶縁膜として酸化シリコンのみを110nmの厚さで形成したものであり、実施形態1は、図3に示すように、アルミナを30nm、酸化ハフニウムを20nm、酸化シリコンを計80nmの厚さで形成したものである。なお、実施形態1以下において、比誘電率は、酸化シリコンを3.8、アルミナを7.8、酸化ハフニウムを18.0として計算した。   Table 2 shows the case of the conventional example and the first embodiment. In the conventional example, only silicon oxide is formed as an insulating film with a thickness of 110 nm. As shown in FIG. 3, the first embodiment has a thickness of 30 nm for alumina, 20 nm for hafnium oxide, and a total thickness of 80 nm for silicon oxide. It is formed in this way. In the first and subsequent embodiments, the relative dielectric constant was calculated assuming that silicon oxide was 3.8, alumina was 7.8, and hafnium oxide was 18.0.

本実施形態1の静電アクチュエータは、前述のように、個別電極5側の第1の絶縁膜7として、酸化シリコン膜を形成し、振動板6側の第2の絶縁膜8として、振動板6側からアルミナ膜8aと酸化ハフニウム膜8bのHigh−k材どうしを積層し、更に最表面上に酸化シリコン膜8cを積層した構成であるため、従来の酸化シリコン膜のみを設けた静電アクチュエータと比較すると、以下のような効果がある。
(1)アクチュエータの発生圧力が向上する。
アルミナ膜と酸化ハフニウム膜のHigh−k材どうしを積層することで、表2のようにt/εの値を小さくできるため、静電アクチュエータの発生圧力すなわちインクジェットヘッドの吐出圧力を向上させることができる。
(2)絶縁耐圧を確保できる。
絶縁耐圧に優れた酸化シリコン膜とアルミナ膜が十分な厚さで成膜されているため、必要な絶縁耐圧を確保することができる。
(3)高電圧駆動が可能である。
比誘電率の高いアルミナ膜と酸化ハフニウム膜が必要な厚さで成膜されているため、静電アクチュエータの絶縁膜の誘電率が向上し、高電圧駆動が可能となる。
(4)接合強度を確保できる。
High−k材上に酸化シリコン膜を積層することで、この酸化シリコン膜を介してキャビティ基板と電極基板を陽極接合するので、従来の静電アクチュエータと同等の接合強度を確保できる。また、酸化シリコンどうしの接合となるため、アクチュエータ内への水分侵入を確実に防止できる効果もある。
(5)リーク電流の低減が可能である。
High−k材上に酸化シリコン膜を積層することで、従来の静電アクチュエータと同等程度にリーク電流を低減できる。
(6)アクチュエータの帯電防止が可能である。
振動板と個別電極は同種の酸化シリコン膜を介して当接と離脱を繰り返すため、アクチュエータの駆動による接触帯電を伴う、アクチュエータ内、及び絶縁膜表面の残留電荷の発生を防ぐことができ、静電アクチュエータの駆動の安定性及び駆動耐久性を実現できる。
As described above, the electrostatic actuator according to the first embodiment forms a silicon oxide film as the first insulating film 7 on the individual electrode 5 side, and the diaphragm as the second insulating film 8 on the diaphragm 6 side. Since the high-k material of the alumina film 8a and the hafnium oxide film 8b is laminated from the 6th side, and the silicon oxide film 8c is laminated on the outermost surface, the conventional electrostatic actuator provided with only the silicon oxide film Has the following effects.
(1) The generated pressure of the actuator is improved.
By stacking the high-k materials of the alumina film and the hafnium oxide film, the value of t / ε can be reduced as shown in Table 2, so that the generation pressure of the electrostatic actuator, that is, the discharge pressure of the inkjet head can be improved. it can.
(2) A dielectric strength can be ensured.
Since the silicon oxide film and the alumina film having an excellent withstand voltage are formed with a sufficient thickness, the necessary withstand voltage can be ensured.
(3) High voltage driving is possible.
Since the alumina film and the hafnium oxide film having a high relative dielectric constant are formed to the required thickness, the dielectric constant of the insulating film of the electrostatic actuator is improved and high voltage driving is possible.
(4) Bonding strength can be ensured.
By laminating the silicon oxide film on the high-k material, the cavity substrate and the electrode substrate are anodically bonded via the silicon oxide film, so that a bonding strength equivalent to that of a conventional electrostatic actuator can be secured. In addition, since silicon oxide is joined to each other, there is an effect that moisture can be surely prevented from entering the actuator.
(5) Leakage current can be reduced.
By stacking the silicon oxide film on the high-k material, the leakage current can be reduced to the same extent as that of the conventional electrostatic actuator.
(6) The actuator can be prevented from being charged.
Since the diaphragm and the individual electrode are repeatedly brought into and out of contact with each other through the same type of silicon oxide film, it is possible to prevent generation of residual charges in the actuator and on the surface of the insulating film, which are accompanied by contact charging by driving the actuator. The driving stability and driving durability of the electric actuator can be realized.

実施形態2.
図6は本発明の実施形態2に係るインクジェットヘッド10の概略断面図、図7は図6のB部の拡大断面図、図8は図6のb−b拡大断面図である。なお、実施形態2以下において、特に断らない限り上記の実施形態1と対応する部分には同じ符号を付して説明は省略する。
本実施形態2における静電アクチュエータ部4Aは、個別電極5側の第1の絶縁膜7を、アルミナ膜7aと酸化ハフニウム膜7bのHigh−k材どうしを積層する構造とし、第2の絶縁膜8は酸化シリコン膜のみの単層構造とするものである。但し、この場合、酸化シリコンは陽極接合に適した絶縁材料であるが、アルミナ及び酸化ハフニウムは接合強度の面で難点があるため、電極基板3の接合部36には、第1の絶縁膜7のアルミナ膜7aと酸化ハフニウム膜7bを設けないか、もしくはこれらの絶縁膜を除去する構造とする。これにより、第2の絶縁膜8の酸化シリコン膜を介してキャビティ基板2と電極基板3を接合できるので、従来の静電アクチュエータと同等の接合強度を確保できる。
膜厚については、第1の絶縁膜7のうちアルミナ膜7aを30nm、酸化ハフニウム膜7bを20nm、第2の絶縁膜8の酸化シリコン膜を80nmとしている。また、ギャップGの距離は200nmで、個別電極5の厚さは100nmとしている。
Embodiment 2. FIG.
6 is a schematic cross-sectional view of an inkjet head 10 according to Embodiment 2 of the present invention, FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a portion B in FIG. 6, and FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view along line bb in FIG. In the second and subsequent embodiments, the same reference numerals are given to the portions corresponding to those in the first embodiment unless otherwise specified, and the description thereof is omitted.
In the electrostatic actuator unit 4A according to the second embodiment, the first insulating film 7 on the individual electrode 5 side has a structure in which high-k materials of an alumina film 7a and a hafnium oxide film 7b are stacked, and the second insulating film Reference numeral 8 denotes a single-layer structure composed of only a silicon oxide film. However, in this case, silicon oxide is an insulating material suitable for anodic bonding, but alumina and hafnium oxide have a problem in terms of bonding strength. Therefore, the first insulating film 7 is formed on the bonding portion 36 of the electrode substrate 3. The alumina film 7a and the hafnium oxide film 7b are not provided, or these insulating films are removed. Thereby, since the cavity substrate 2 and the electrode substrate 3 can be bonded via the silicon oxide film of the second insulating film 8, it is possible to ensure a bonding strength equivalent to that of the conventional electrostatic actuator.
Regarding the film thickness, the alumina film 7a of the first insulating film 7 is 30 nm, the hafnium oxide film 7b is 20 nm, and the silicon oxide film of the second insulating film 8 is 80 nm. The distance of the gap G is 200 nm, and the thickness of the individual electrode 5 is 100 nm.

表3は、本実施形態2の静電アクチュエータの発生圧力の向上に関係するパラメータ(絶縁膜の厚さに対する比誘電率の比)を計算した値を示すものである。表3中の従来例は表2と同じである。   Table 3 shows values calculated for parameters (ratio of relative dielectric constant to insulating film thickness) related to improvement of the generated pressure of the electrostatic actuator of the second embodiment. Conventional examples in Table 3 are the same as those in Table 2.

Figure 2008125327
Figure 2008125327

本実施形態2の静電アクチュエータは、個別電極5側の第1の絶縁膜7として、アルミナ膜7aと酸化ハフニウム膜7bのHigh−k材どうしを積層する構成であり、振動板6側の第2の絶縁膜8として、酸化シリコン膜を形成する構成であるため、以下のような効果がある。
アクチュエータの発生圧力については、アルミナ膜と酸化ハフニウム膜のHigh−k材どうしを積層することで、アクチュエータの発生圧力を向上させることができる。
絶縁耐圧については、絶縁耐圧の高い酸化シリコン膜とアルミナ膜が十分な厚さで成膜されているため、必要な絶縁耐圧を確保することができる。
高電圧駆動については、比誘電率の高いアルミナ膜と酸化ハフニウム膜が必要な厚さで成膜されているため、静電アクチュエータの絶縁膜の誘電率が向上し、高電圧駆動が可能となる。
接合強度については、接合部が酸化シリコンどうしの接合となるため、従来の静電アクチュエータと同等の接合強度を確保することができる。
The electrostatic actuator according to the second embodiment has a configuration in which high-k materials of an alumina film 7a and a hafnium oxide film 7b are stacked as the first insulating film 7 on the individual electrode 5 side. Since the silicon oxide film is formed as the second insulating film 8, the following effects are obtained.
Regarding the pressure generated by the actuator, the pressure generated by the actuator can be improved by laminating high-k materials of an alumina film and a hafnium oxide film.
With respect to the withstand voltage, since the silicon oxide film and the alumina film having a high withstand voltage are formed with sufficient thickness, the necessary withstand voltage can be secured.
For high-voltage driving, an alumina film and a hafnium oxide film having a high relative dielectric constant are formed to the required thickness, so the dielectric constant of the insulating film of the electrostatic actuator is improved and high-voltage driving is possible. .
As for the bonding strength, since the bonded portion is bonded between silicon oxides, it is possible to ensure a bonding strength equivalent to that of a conventional electrostatic actuator.

また、本実施形態2のように、High−k材のアルミナ膜と酸化ハフニウム膜をガラス基板上の個別電極側に設けることにより、以下のような効果がある。
アルミナや酸化ハフニウムは、酸化シリコンに対し、接合強度が低い。そのため、十分な接合強度を確保するためには、接合前に接合部分のアルミナ膜、酸化ハフニウム膜を完全に除去する必要がある。
振動板側にアルミナ膜、酸化ハフニウム膜を形成した場合、接合部分のアルミナ膜、酸化ハフニウム膜を完全に除去するためには、非常に高精度のパターニングが必要である。仮に接合部の面積より広い範囲でアルミナ膜、酸化ハフニウム膜を除去した場合、アクチュエータ中に部分的に絶縁耐圧の低い部分が生じ、絶縁耐圧が低下するという問題がある。また、接合部の面積より狭い範囲でしかアルミナ膜、酸化ハフニウム膜を除去できなかった場合、わずかに除去できなかったアルミナ膜、酸化ハフニウム膜により、アクチュエータの接合強度が部分的に低下する可能性がある。
一方、ガラス基板側にアルミナ膜、酸化ハフニウム膜を形成した場合、接合部分のアルミナ膜、酸化ハフニウム膜を完全に除去するためにはパターニングによる完全除去を行えばよく、しかも個別電極部分は表面より下がった低い位置に設けられているためアルミナ膜、酸化ハフニウム膜の除去は容易である。そのため、より確実、簡便にアクチュエータの接合強度を確保することができる。
従って、接合強度が酸化シリコン膜より低いアルミナ膜、酸化ハフニウム膜のみを絶縁膜として使用する場合は、アルミナ膜、酸化ハフニウム膜を個別電極基板側に形成することが望ましい。
またこの場合、絶縁耐圧を確保するために、酸化シリコン膜を更にアクチュエータ内に設けるほうが好ましい。この場合、CVD法で形成する酸化シリコン膜に比べ、熱酸化法で形成した酸化シリコン膜のほうが絶縁耐圧に優れるため、シリコン基板側に酸化シリコン膜を熱酸化法で形成することが望ましい。
Moreover, the following effects are obtained by providing the high-k material alumina film and the hafnium oxide film on the individual electrode side on the glass substrate as in the second embodiment.
Alumina and hafnium oxide have a lower bonding strength than silicon oxide. Therefore, in order to ensure a sufficient bonding strength, it is necessary to completely remove the alumina film and the hafnium oxide film at the bonded portion before bonding.
When an alumina film and a hafnium oxide film are formed on the vibration plate side, very high-precision patterning is required to completely remove the alumina film and the hafnium oxide film at the junction. If the alumina film and the hafnium oxide film are removed in a range wider than the area of the junction, there is a problem that a portion having a low withstand voltage is partially generated in the actuator and the withstand voltage is lowered. In addition, if the alumina film and hafnium oxide film can only be removed within a narrower area than the joint area, the alumina film and hafnium oxide film, which could not be removed slightly, may partially reduce the joint strength of the actuator. There is.
On the other hand, when an alumina film or hafnium oxide film is formed on the glass substrate side, complete removal by patterning is sufficient to completely remove the alumina film and hafnium oxide film at the bonding portion. The alumina film and the hafnium oxide film can be easily removed because it is provided at a lower position. Therefore, the bonding strength of the actuator can be ensured more reliably and easily.
Accordingly, when only an alumina film or hafnium oxide film having a bonding strength lower than that of the silicon oxide film is used as the insulating film, it is desirable to form the alumina film and the hafnium oxide film on the individual electrode substrate side.
In this case, it is preferable to further provide a silicon oxide film in the actuator in order to ensure a withstand voltage. In this case, since the silicon oxide film formed by the thermal oxidation method has a higher withstand voltage than the silicon oxide film formed by the CVD method, it is desirable to form the silicon oxide film on the silicon substrate side by the thermal oxidation method.

実施形態3.
図9は本発明の実施形態3に係るインクジェットヘッド10の概略断面図、図10は図9のC部の拡大断面図、図11は図9のc−c拡大断面図である。
本実施形態3では、実施形態2とは逆に振動板6側の第2の絶縁膜8をHigh−k材どうしを積層する構成とするものである。すなわち、第2の絶縁膜8として、High−k材の酸化ハフニウム膜8bとアルミナ膜8aを積層し、個別電極5側の第1の絶縁膜7として酸化シリコン膜を形成するものである。
またこの場合は、電極基板3側に酸化シリコン膜が形成されるため、接合部36の酸化シリコン膜を除去する必要はない。
膜厚については、第1の絶縁膜7の酸化シリコン膜を80nm、第2の絶縁膜8のうちアルミナ膜8aを30nm、酸化ハフニウム膜8bを20nmとしている。また、ギャップGの距離は200nmで、個別電極5の厚さは100nmとしている。
Embodiment 3. FIG.
9 is a schematic cross-sectional view of an inkjet head 10 according to Embodiment 3 of the present invention, FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of a portion C in FIG. 9, and FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view along line cc in FIG.
In the third embodiment, contrary to the second embodiment, the second insulating film 8 on the vibration plate 6 side is configured to stack high-k materials. That is, a high-k hafnium oxide film 8b and an alumina film 8a are stacked as the second insulating film 8, and a silicon oxide film is formed as the first insulating film 7 on the individual electrode 5 side.
In this case, since the silicon oxide film is formed on the electrode substrate 3 side, it is not necessary to remove the silicon oxide film in the joint portion 36.
Regarding the film thickness, the silicon oxide film of the first insulating film 7 is 80 nm, the alumina film 8a of the second insulating film 8 is 30 nm, and the hafnium oxide film 8b is 20 nm. The distance of the gap G is 200 nm, and the thickness of the individual electrode 5 is 100 nm.

表4は、本実施形態3の静電アクチュエータの発生圧力の向上に関係するパラメータ(絶縁膜の厚さに対する比誘電率の比)を計算した値を示すものである。表4中の従来例は表2と同じである。   Table 4 shows values obtained by calculating parameters (ratio of relative dielectric constant to insulating film thickness) related to improvement of the generated pressure of the electrostatic actuator of the third embodiment. Conventional examples in Table 4 are the same as those in Table 2.

Figure 2008125327
Figure 2008125327

本実施形態3の静電アクチュエータは、上記のように個別電極5側の第1の絶縁膜7が酸化シリコン膜で形成され、振動板6側の第2の絶縁膜8がアルミナ膜8aと酸化ハフニウム膜8bのHigh−k材どうしを積層する構成であるため、アクチュエータの発生圧力を向上させることができる。
絶縁耐圧については、絶縁耐圧に優れた酸化シリコン膜が十分な厚みで設けられているため、必要な絶縁耐圧を確保することが可能である。
高電圧駆動については、比誘電率の高いアルミナ膜と酸化ハフニウム膜が必要な厚さで成膜されているため、静電アクチュエータの絶縁膜の誘電率が向上し、高電圧駆動が可能となる。
接合強度については、接合強度が比較的よいアルミナ膜を接合面側に形成しているため、静電アクチュエータとして最低限必要な接合強度を確保することができる。
さらにまた、接合部36の酸化シリコン膜を除去する必要はないため、製造工程を簡略化することができ、コスト低減につながる。
In the electrostatic actuator according to the third embodiment, as described above, the first insulating film 7 on the individual electrode 5 side is formed of a silicon oxide film, and the second insulating film 8 on the diaphragm 6 side is oxidized with the alumina film 8a. Since the high-k material of the hafnium film 8b is laminated, the generated pressure of the actuator can be improved.
With respect to the withstand voltage, since the silicon oxide film having an excellent withstand voltage is provided with a sufficient thickness, the necessary withstand voltage can be ensured.
For high-voltage driving, an alumina film and a hafnium oxide film having a high relative dielectric constant are formed to the required thickness, so the dielectric constant of the insulating film of the electrostatic actuator is improved and high-voltage driving is possible. .
As for the bonding strength, since an alumina film having a relatively good bonding strength is formed on the bonding surface side, the minimum bonding strength required for the electrostatic actuator can be ensured.
Furthermore, since it is not necessary to remove the silicon oxide film at the junction 36, the manufacturing process can be simplified, leading to cost reduction.

実施形態4.
図12は本発明の実施形態4に係るインクジェットヘッド10の概略断面図、図13は図12のD部の拡大断面図、図14は図12のd−d拡大断面図である。
Embodiment 4 FIG.
12 is a schematic cross-sectional view of an inkjet head 10 according to Embodiment 4 of the present invention, FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of a portion D in FIG. 12, and FIG. 14 is a dd enlarged cross-sectional view in FIG.

本実施形態4における静電アクチュエータ部4Cは、個別電極5側の第1の絶縁膜7として、酸化ハフニウム膜7bとアルミナ膜7aのHigh−k材どうしを積層する構造とし、振動板6側の第2の絶縁膜8として、High−k材のアルミナ膜を形成するものである。
また、電極基板3の接合部36には、酸化ハフニウム膜7bとアルミナ膜7aとからなる第1の絶縁膜7の部分を設けない(除去する)構成としている。そして、キャビティ基板2の接合面側には接合強度が比較的良いアルミナ膜を形成する。
膜厚については、第1の絶縁膜7のうち酸化ハフニウム7bを20nm、アルミナ膜7aを40nm、第2の絶縁膜8のアルミナ膜を100nmとしている。また、個別電極5の厚さは100nmで、ギャップGの距離は200nmとしている。
The electrostatic actuator unit 4C according to the fourth embodiment has a structure in which high-k materials of a hafnium oxide film 7b and an alumina film 7a are stacked as the first insulating film 7 on the individual electrode 5 side. As the second insulating film 8, a high-k alumina film is formed.
Further, the bonding portion 36 of the electrode substrate 3 is configured not to provide (remove) the portion of the first insulating film 7 made of the hafnium oxide film 7b and the alumina film 7a. Then, an alumina film having relatively good bonding strength is formed on the bonding surface side of the cavity substrate 2.
Regarding the film thickness, the hafnium oxide 7b of the first insulating film 7 is 20 nm, the alumina film 7a is 40 nm, and the alumina film of the second insulating film 8 is 100 nm. The thickness of the individual electrode 5 is 100 nm, and the distance of the gap G is 200 nm.

表5は、本実施形態4の静電アクチュエータの発生圧力の向上に関係するパラメータ(絶縁膜の厚さに対する比誘電率の比)を計算した値を示すものである。表5中の従来例は表2と同じである。   Table 5 shows values obtained by calculating parameters (ratio of relative dielectric constant to insulating film thickness) related to improvement of the generated pressure of the electrostatic actuator of the fourth embodiment. Conventional examples in Table 5 are the same as those in Table 2.

Figure 2008125327
Figure 2008125327

本実施形態4のように、第1及び第2の絶縁膜として、いずれもHigh−k材を用い、一方の好ましくは個別電極側の絶縁膜をHigh−k材どうしを積層する構成とすることで、アクチュエータの発生圧力をより一層向上させることができ、より高電圧でのアクチュエータ駆動も可能となる。また、接合面側に接合強度が比較的よいアルミナ膜を設けることで、静電アクチュエータとして最低限必要な絶縁耐圧及び接合強度を確保することができる。
また、振動板6の対向面に形成された第2の絶縁膜8が、個別電極5の対向面に形成された第1の絶縁膜8と同種のアルミナ膜であるため、アクチュエータの駆動による接触帯電を伴う、アクチュエータの帯電量増加を最低限に抑えることが可能となり、アクチュエータの駆動耐久性が向上する。
As in the fourth embodiment, the first and second insulating films are both made of a high-k material, and one of the insulating films on the individual electrode side is preferably constructed by stacking high-k materials. Thus, the pressure generated by the actuator can be further improved, and the actuator can be driven at a higher voltage. In addition, by providing an alumina film with relatively good bonding strength on the bonding surface side, it is possible to ensure the minimum withstand voltage and bonding strength necessary for the electrostatic actuator.
Further, since the second insulating film 8 formed on the facing surface of the diaphragm 6 is the same kind of alumina film as the first insulating film 8 formed on the facing surface of the individual electrode 5, contact by driving of the actuator is performed. An increase in the amount of charge of the actuator accompanying charging can be minimized, and the drive durability of the actuator is improved.

次に、このインクジェットヘッド10の製造方法の一例について図15から図17を参照して概要を説明する。図15はインクジェットヘッド10の製造工程の概略の流れを示すフローチャート、図16は電極基板3の製造工程の概要を示す断面図、図17はインクジェットヘッド10の製造工程の概要を示す断面図である。   Next, an outline of an example of a method for manufacturing the inkjet head 10 will be described with reference to FIGS. 15 to 17. 15 is a flowchart showing a schematic flow of the manufacturing process of the inkjet head 10, FIG. 16 is a cross-sectional view showing an outline of the manufacturing process of the electrode substrate 3, and FIG. 17 is a cross-sectional view showing an outline of the manufacturing process of the inkjet head 10. .

図15において、ステップS1〜S3は電極基板3の製造工程を示すものであり、ステップS4とS5はキャビティ基板2の元になるシリコン基板の製造工程を示すものである。ここでは、主に実施形態1に示したインクジェットヘッド10の製造方法について説明するが、必要に応じて他の実施形態2〜4についても言及する。   In FIG. 15, steps S <b> 1 to S <b> 3 indicate the manufacturing process of the electrode substrate 3, and steps S <b> 4 and S <b> 5 indicate the manufacturing process of the silicon substrate from which the cavity substrate 2 is based. Here, although the manufacturing method of the inkjet head 10 shown mainly in Embodiment 1 is demonstrated, other Embodiments 2-4 are also mentioned as needed.

電極基板3は以下のようにして製造される。
まず、硼珪酸ガラス等からなる板厚約1mmのガラス基板300に、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してフッ酸によってエッチングすることにより所望の深さの凹部32を形成する。なお、この凹部32は個別電極31の形状より少し大きめの溝状のものであり、個別電極5ごとに複数形成される。
そして、例えば、スパッタ法によりITO(Indium Tin Oxide)膜を100nmの厚さで形成し、このITO膜をフォトリソグラフィーによりパターニングして個別電極5となる部分以外をエッチング除去して、凹部32の内部に個別電極5を形成する(図15のS1、図16(a))。
The electrode substrate 3 is manufactured as follows.
First, a recess 32 having a desired depth is formed on a glass substrate 300 made of borosilicate glass or the like having a thickness of about 1 mm by etching with hydrofluoric acid using, for example, a gold / chromium etching mask. Note that the recess 32 has a groove shape slightly larger than the shape of the individual electrode 31, and a plurality of the recesses 32 are formed for each individual electrode 5.
Then, for example, an ITO (Indium Tin Oxide) film having a thickness of 100 nm is formed by sputtering, and this ITO film is patterned by photolithography to remove the portions other than the individual electrode 5 by etching to remove the inside of the recess 32. The individual electrodes 5 are formed on the substrate (S1 in FIG. 15, FIG. 16A).

次に、個別電極5側の第1の絶縁膜7として、ガラス基板300の接合面側の表面全体に、TEOS(Tetraethoxysilane:テトラエトキシシラン)を原料ガスとして用いたRF−CVD(Chemical Vapor Deposition)法により酸化シリコン膜(SiO2)を30nmの厚さで形成する(図15のS2、図16(b))。なお、図16(b)では、ガラス基板300の接合面の酸化シリコン膜が除去された状態になっているが、この接合部36の酸化シリコン膜は除去しなくてもよい。 Next, as the first insulating film 7 on the individual electrode 5 side, RF-CVD (Chemical Vapor Deposition) using TEOS (Tetraethoxysilane) as a raw material gas on the entire surface on the bonding surface side of the glass substrate 300. A silicon oxide film (SiO 2 ) is formed with a thickness of 30 nm by the method (S2 in FIG. 15, FIG. 16B). In FIG. 16B, the silicon oxide film on the bonding surface of the glass substrate 300 is removed, but the silicon oxide film on the bonding portion 36 may not be removed.

次に、ガラス基板300上の個別電極5の端子部5aに対応する部分のみをパターニングして、CHF3によるRIE(Reactive Ion Etching)ドライエッチングにより、端子部5a上の第1の絶縁膜7の部分を除去する(図15のS3、図16(c))。その後、ブラスト加工等によってインク供給孔33となる孔部33aを形成する。
以上により、実施形態1の電極基板3を作製することができる。
Next, only the portion corresponding to the terminal portion 5a of the individual electrode 5 on the glass substrate 300 is patterned, and the first insulating film 7 on the terminal portion 5a is formed by RIE (Reactive Ion Etching) dry etching using CHF 3 . The portion is removed (S3 in FIG. 15, FIG. 16C). Thereafter, a hole 33a to be the ink supply hole 33 is formed by blasting or the like.
As described above, the electrode substrate 3 of Embodiment 1 can be manufactured.

なお、実施形態2の場合は、個別電極5側の第1の絶縁膜7として、まずアルミナ膜7aをECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタ法により、所望の厚さでガラス基板300の接合面側表面全面に成膜した後、更にその上に同じくECRスパッタ法により、酸化ハフニウム膜7bを所望の厚さで成膜する。その後、ガラス基板300上の接合部36及び個別電極5の端子部5aに対応する部分のみをパターニングして、CHF3によるRIEドライエッチングにより、接合部36及び端子部5a上の第1の絶縁膜7の部分を同時に除去する。
実施形態3の場合は、実施形態1の場合と同じである。
実施形態4の場合は、第1の絶縁膜7として、積層する高誘電材料の順番を変えるだけであり、基本的に実施形態2の場合と同様である。
In the case of the second embodiment, as the first insulating film 7 on the individual electrode 5 side, first, an alumina film 7a is formed on the bonding surface side surface of the glass substrate 300 with a desired thickness by an ECR (Electron Cyclotron Resonance) sputtering method. After the film is formed on the entire surface, a hafnium oxide film 7b is further formed thereon with a desired thickness by the same ECR sputtering method. Thereafter, only the portions corresponding to the bonding portions 36 on the glass substrate 300 and the terminal portions 5a of the individual electrodes 5 are patterned, and the first insulating film on the bonding portions 36 and the terminal portions 5a is formed by RIE dry etching using CHF 3. 7 parts are removed simultaneously.
The case of the third embodiment is the same as the case of the first embodiment.
In the case of the fourth embodiment, only the order of the high dielectric material to be laminated is changed as the first insulating film 7 and is basically the same as the case of the second embodiment.

キャビティ基板2は、上記により作製された電極基板3にシリコン基板200を陽極接合してから作製される。   The cavity substrate 2 is manufactured after anodic bonding of the silicon substrate 200 to the electrode substrate 3 manufactured as described above.

まず、例えば厚さが280μmのシリコン基板200の片面全面に、例えば厚さが0.8μmのボロン拡散層201を形成したシリコン基板200を作製する(図15のS4)。次に、そのシリコン基板200のボロン拡散層201の表面(下面)上に、第2の絶縁膜8として、まずアルミナ膜8aをECRスパッタ法により、30nmの厚さで全面成膜する。次に、そのアルミナ膜8aの表面上に酸化ハフニウム膜8bを同じくECRスパッタ法により、全面成膜する。そして最後に、その酸化ハフニウム膜8b上に、TEOSを原料ガスとして用いたRF−CVD法により酸化シリコン膜8cを50nmの厚さで形成する(図15のS4、図17(a))。
熱酸化法や上記のTEOS−CVD法により、酸化シリコン膜を80nmの厚さで全面成膜する(図15のS5、図17(a))。
First, for example, a silicon substrate 200 in which, for example, a boron diffusion layer 201 having a thickness of 0.8 μm is formed on the entire surface of one surface of the silicon substrate 200 having a thickness of 280 μm (S4 in FIG. 15). Next, on the surface (lower surface) of the boron diffusion layer 201 of the silicon substrate 200, an alumina film 8a is first formed as a second insulating film 8 to a thickness of 30 nm by ECR sputtering. Next, a hafnium oxide film 8b is formed on the entire surface of the alumina film 8a by the same ECR sputtering method. Finally, a silicon oxide film 8c having a thickness of 50 nm is formed on the hafnium oxide film 8b by RF-CVD using TEOS as a source gas (S4 in FIG. 15, FIG. 17A).
A silicon oxide film with a thickness of 80 nm is formed by thermal oxidation or the above TEOS-CVD method (S5 in FIG. 15, FIG. 17A).

なお、実施形態2の場合は、熱酸化法や上記のRF−CVD法により、酸化シリコン膜を全面成膜するだけでよい。
実施形態3の場合は、ECRスパッタ法により、最初に酸化ハフニウム膜をボロン拡散層201上に全面成膜し、次いでその上にアルミナ膜を全面成膜すればよい。
実施形態4の場合は、アルミナ膜をECRスパッタ法によりボロン拡散層201上に全面成膜するだけでよい。
Note that in the case of Embodiment 2, it is only necessary to form a silicon oxide film over the entire surface by thermal oxidation or the above-described RF-CVD method.
In the case of the third embodiment, a hafnium oxide film is first formed on the entire surface of the boron diffusion layer 201 by ECR sputtering, and then an alumina film is formed on the entire surface thereof.
In the case of Embodiment 4, an alumina film may be formed on the entire surface of the boron diffusion layer 201 by ECR sputtering.

次に、以上により作製されたシリコン基板200を上記電極基板3上にアライメントして陽極接合する(図15のS6、図17(b))。   Next, the silicon substrate 200 manufactured as described above is aligned on the electrode substrate 3 and anodic bonded (S6 in FIG. 15, FIG. 17B).

次に、この接合済みシリコン基板200の表面全面を研磨加工して、厚さを例えば50μm程度に薄くし(図15のS7、図17(c))、さらにこのシリコン基板200の表面全面をウエットエッチングによりライトエッチングして加工痕を除去する(図15のS8)。   Next, the entire surface of the bonded silicon substrate 200 is polished to reduce the thickness to, for example, about 50 μm (S7 in FIG. 15, FIG. 17C), and the entire surface of the silicon substrate 200 is wetted. Light etching is performed to remove the processing trace (S8 in FIG. 15).

次に、薄板に加工された接合済みシリコン基板200の表面にフォトリソグラフィーによってレジストパターニングを行い(図15のS9)、水酸カリウム水溶液によりウェットエッチングを行うことによってインク流路溝を形成する(図15のS10)。これによって、吐出室21となる凹部22、リザーバ23となる凹部24および電極取り出し部34となる凹部27が形成される(図17(d))。その際、ボロン拡散層201の表面でエッチングストップがかかるので、振動板6の厚さを高精度に形成することができるとともに、表面荒れを防ぐことができる。   Next, resist patterning is performed by photolithography on the surface of the bonded silicon substrate 200 processed into a thin plate (S9 in FIG. 15), and ink channel grooves are formed by performing wet etching with an aqueous potassium hydroxide solution (FIG. 15). 15 S10). As a result, a recess 22 serving as the discharge chamber 21, a recess 24 serving as the reservoir 23, and a recess 27 serving as the electrode extraction portion 34 are formed (FIG. 17D). At this time, since etching is stopped on the surface of the boron diffusion layer 201, the thickness of the diaphragm 6 can be formed with high accuracy and surface roughness can be prevented.

次に、ICP(Inductively Coupled Plasma)ドライエッチングにより、凹部27の底部を除去して電極取り出し部34を開口させた後(図17(e))、静電アクチュエータの内部に付着している水分を除去する(図15のS11)。水分除去はこのシリコン基板を例えば真空チャンバ内に入れ、加熱真空引きしてから、窒素雰囲気にして行う。そして、所要時間経過後、窒素雰囲気下でギャップ開放端部にエポキシ樹脂等の封止材35を塗布して気密に封止する(図15のS12、図17(f))。このように静電アクチュエータ内部(ギャップ内)の付着水分を除去した後、気密封止することによって、静電アクチュエータの駆動耐久性を向上させることができる。
また、マイクロブラスト加工等により凹部24の底部を貫通させてインク供給孔33を形成する。さらに、インク流路溝の腐食を防止するため、このシリコン基板の表面にプラズマCVDによりTEOS膜からなるインク保護膜(図示せず)を形成する。また、シリコン基板上に金属からなる共通電極26を形成する。
Next, the ICP (Inductively Coupled Plasma) dry etching is used to remove the bottom of the concave portion 27 and open the electrode lead-out portion 34 (FIG. 17E), and then the moisture adhering to the inside of the electrostatic actuator is removed. It is removed (S11 in FIG. 15). Moisture removal is performed in a nitrogen atmosphere after the silicon substrate is placed in, for example, a vacuum chamber and heated and evacuated. Then, after the required time has elapsed, a sealing material 35 such as an epoxy resin is applied to the gap opening end portion in a nitrogen atmosphere and hermetically sealed (S12 in FIG. 15, FIG. 17 (f)). Thus, after removing the moisture adhering to the inside of the electrostatic actuator (in the gap), the driving durability of the electrostatic actuator can be improved by hermetically sealing.
Further, the ink supply hole 33 is formed by penetrating the bottom of the recess 24 by microblasting or the like. Further, an ink protective film (not shown) made of a TEOS film is formed on the surface of the silicon substrate by plasma CVD in order to prevent corrosion of the ink flow path grooves. A common electrode 26 made of metal is formed on the silicon substrate.

以上の工程を経て電極基板3に接合されたシリコン基板200からキャビティ基板2が作製される。
その後、このキャビティ基板2の表面上に、予めノズル孔11等が形成されたノズル基板1を接着により接合する(図15のS13、図17(g))。そして最後に、ダイシングにより個々のヘッドチップに切断すれば、上述したインクジェットヘッド10の本体部が完成する(図15のS14)。
The cavity substrate 2 is manufactured from the silicon substrate 200 bonded to the electrode substrate 3 through the above steps.
Thereafter, the nozzle substrate 1 in which the nozzle holes 11 and the like are formed in advance is bonded onto the surface of the cavity substrate 2 by bonding (S13 in FIG. 15, FIG. 17 (g)). Finally, when the individual head chips are cut by dicing, the above-described main body of the inkjet head 10 is completed (S14 in FIG. 15).

実施形態1のインクジェットヘッド10の製造方法によれば、ガラス基板上の個別電極側に酸化シリコン膜を形成し、振動板側のシリコン基板の接合面全面にアルミナ膜と酸化ハフニウム膜のHigh−k材どうしを積層し、更にその上に酸化シリコン膜を全面に積層することで、アクチュエータの発生圧力が向上し、また酸化シリコン膜を形成することで、絶縁耐圧及び接合強度に優れた静電アクチュエータを備えるインクジェットヘッドを製造することができる。さらに、各電極の対向面側が共に同種の誘電材料であるため、振動板の当接、離脱に伴う、アクチュエータの接触帯電によるアクチュエータ内、及び絶縁膜表面の残留電荷をなくして、安定駆動を実現し、駆動耐久性に優れた静電アクチュエータを製造することができる。   According to the manufacturing method of the ink jet head 10 of Embodiment 1, a silicon oxide film is formed on the individual electrode side on the glass substrate, and an alumina film and a hafnium oxide film High-k are formed on the entire bonding surface of the silicon substrate on the vibration plate side. By stacking materials and further stacking a silicon oxide film on the entire surface, the pressure generated by the actuator is improved, and by forming a silicon oxide film, an electrostatic actuator with excellent withstand voltage and bonding strength Ink jet heads can be manufactured. Furthermore, because the opposing surface side of each electrode is the same type of dielectric material, stable drive is achieved by eliminating residual charges on the actuator and insulating film surfaces due to contact charging of the actuator due to the contact and release of the diaphragm. In addition, an electrostatic actuator having excellent driving durability can be manufactured.

実施形態2のインクジェットヘッド10の製造方法によれば、ガラス基板上の個別電極側にアルミナ膜と酸化ハフニウム膜のHigh−k材どうしを積層することで、アクチュエータの発生圧力が向上し、振動板側のシリコン基板の接合面全面に酸化シリコン膜を形成することで、絶縁耐圧及び接合強度に優れた静電アクチュエータを備えるインクジェットヘッドを安価に製造することができる。   According to the method of manufacturing the inkjet head 10 of the second embodiment, the high-k material of the alumina film and the hafnium oxide film is laminated on the individual electrode side on the glass substrate, so that the generated pressure of the actuator is improved, and the diaphragm By forming a silicon oxide film on the entire bonding surface of the silicon substrate on the side, an inkjet head including an electrostatic actuator having excellent withstand voltage and bonding strength can be manufactured at low cost.

実施形態3のインクジェットヘッド10の製造方法によれば、ガラス基板上の個別電極側に酸化シリコン膜を形成し、振動板側のシリコン基板の接合面全面に酸化ハフニウム膜とアルミナ膜のHigh−k材どうしを積層することで、アクチュエータの発生圧力が向上し、さらにガラス基板の接合部における酸化シリコン膜の除去が不要なため製造工程を簡略化でき、絶縁耐圧及び接合強度に優れた静電アクチュエータを備えるインクジェットヘッドをより安価に製造することができる。   According to the method of manufacturing the inkjet head 10 of the third embodiment, a silicon oxide film is formed on the individual electrode side on the glass substrate, and a high-k of a hafnium oxide film and an alumina film is formed on the entire bonding surface of the silicon substrate on the vibration plate side. By stacking materials, the pressure generated by the actuator is improved, and the manufacturing process can be simplified because it is not necessary to remove the silicon oxide film at the bonding portion of the glass substrate, and the electrostatic actuator has excellent dielectric strength and bonding strength. Ink jet heads can be manufactured more inexpensively.

実施形態4のインクジェットヘッド10の製造方法によれば、ガラス基板上の個別電極側にアルミナ膜と酸化ハフニウム膜のHigh−k材どうしを積層し、振動板側のシリコン基板の接合面全面にアルミナ膜のHigh−k材からなる絶縁膜を形成することで、アクチュエータの発生圧力がより一層向上した静電アクチュエータを備えるインクジェットヘッドを製造することができる。また各電極の対向面側が共に同種の高誘電材料であるため、振動板の当接、離脱に伴う、アクチュエータの接触帯電によるアクチュエータ内、及び絶縁膜表面の残留電荷をなくして、安定駆動を実現し、駆動耐久性に優れた静電アクチュエータを製造することができる。
よって、以上の製造方法によれば、駆動耐久性および吐出性能に優れたインクジェットヘッドを比較的安価に製造することができる。
According to the method of manufacturing the inkjet head 10 of the fourth embodiment, the high-k material of the alumina film and the hafnium oxide film is laminated on the individual electrode side on the glass substrate, and the alumina is formed on the entire bonding surface of the silicon substrate on the vibration plate side. By forming the insulating film made of the high-k material of the film, it is possible to manufacture an ink jet head including an electrostatic actuator in which the pressure generated by the actuator is further improved. In addition, because the opposing surface side of each electrode is the same type of high dielectric material, stable drive is achieved by eliminating residual charges on the actuator and the insulating film surface due to contact charging of the actuator due to contact and release of the diaphragm In addition, an electrostatic actuator having excellent driving durability can be manufactured.
Therefore, according to the above manufacturing method, an inkjet head excellent in driving durability and ejection performance can be manufactured at a relatively low cost.

また、キャビティ基板2を、予め作製された電極基板3に接合した状態のシリコン基板200から作製するものであるので、その電極基板3によりキャビティ基板2を支持した状態となるため、キャビティ基板2を薄板化しても、割れたり欠けたりすることがなく、ハンドリングが容易となる。したがって、キャビティ基板2を単独で製造する場合よりも歩留まりが向上するという効果がある。   Since the cavity substrate 2 is manufactured from the silicon substrate 200 in a state of being bonded to the electrode substrate 3 prepared in advance, the cavity substrate 2 is supported by the electrode substrate 3. Even if it is made thin, it does not break or chip, and handling becomes easy. Therefore, there is an effect that the yield is improved as compared with the case where the cavity substrate 2 is manufactured alone.

上記の実施形態では、静電アクチュエータおよびインクジェットヘッド、ならびにこれらの製造方法について述べたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものでなく、本発明の思想の範囲内で種々変更することができる。例えば、本発明の静電アクチュエータは、光スイッチやミラーデバイス、マイクロポンプ、レーザプリンタのレーザ操作ミラーの駆動部などにも利用することができる。また、ノズル孔より吐出される液状材料を変更することにより、例えば図21に示すようなインクジェットプリンタ500のほか、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機EL表示装置の発光部分の形成、遺伝子検査等に用いられる生体分子溶液のマイクロアレイの製造など様々な用途の液滴吐出装置として利用することができる。   In the above embodiment, the electrostatic actuator, the inkjet head, and the manufacturing method thereof have been described. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the idea of the present invention. Can do. For example, the electrostatic actuator of the present invention can be used for an optical switch, a mirror device, a micropump, a drive unit of a laser operation mirror of a laser printer, or the like. Further, by changing the liquid material discharged from the nozzle holes, for example, in addition to the ink jet printer 500 as shown in FIG. 21, manufacturing of color filters for liquid crystal displays, formation of light emitting portions of organic EL display devices, genetic testing, etc. It can be used as a droplet discharge device for various uses such as the production of microarrays of biomolecule solutions used in the field.

本発明の実施形態1に係るインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図。1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an inkjet head according to Embodiment 1 of the present invention. 組立状態における図1の略右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of an inkjet head showing a schematic configuration of a substantially right half of FIG. 1 in an assembled state. 図2のA部の拡大断面図。The expanded sectional view of the A section of FIG. 図2のa−a拡大断面図。The aa expanded sectional view of FIG. 図2のインクジェットヘッドの上面図。FIG. 3 is a top view of the inkjet head of FIG. 2. 本発明の実施形態2に係るインクジェットヘッドの概略断面図。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an inkjet head according to Embodiment 2 of the present invention. 図6のB部の拡大断面図。The expanded sectional view of the B section of FIG. 図6のb−b拡大断面図。The bb expanded sectional view of FIG. 本発明の実施形態3に係るインクジェットヘッドの概略断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an inkjet head according to a third embodiment of the present invention. 図9のC部の拡大断面図。The expanded sectional view of the C section of FIG. 図9のc−c拡大断面図。Cc expanded sectional view of FIG. 本発明の実施形態4に係るインクジェットヘッドの概略断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an inkjet head according to Embodiment 4 of the present invention. 図12のD部の拡大断面図。The expanded sectional view of the D section of FIG. 図12のd−d拡大断面図。Dd expanded sectional drawing of FIG. インクジェットヘッドの製造工程の概略の流れを示すフローチャート。The flowchart which shows the outline flow of the manufacturing process of an inkjet head. 電極基板の製造工程の概要を示す断面図。Sectional drawing which shows the outline | summary of the manufacturing process of an electrode substrate. インクジェットヘッドの製造工程の概要を示す断面図。Sectional drawing which shows the outline | summary of the manufacturing process of an inkjet head. 本発明の一実施の形態に係るインクジェットヘッドを使用したインクジェットプリンタの斜視図。1 is a perspective view of an ink jet printer using an ink jet head according to an embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 ノズル基板、2 キャビティ基板、3 電極基板、4、4A、4B、4C 静電アクチュエータ部、5 個別電極(固定電極)、6 振動板(可動電極)、7 第1の絶縁膜、7a アルミナ膜、7b 酸化ハフニウム膜、8 第2の絶縁膜、8a アルミナ膜、8b 酸化ハフニウム膜、8c 酸化シリコン膜、9 駆動制御回路(駆動手段)、10 インクジェットヘッド、11 ノズル孔、12 オリフィス、21 吐出室、23 リザーバ、26 共通電極、32 凹部、33 インク供給孔、34 電極取り出し部、35 封止材、36 接合部、200 シリコン基板、300 ガラス基板、500 インクジェットプリンタ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nozzle substrate, 2 Cavity substrate, 3 Electrode substrate, 4, 4A, 4B, 4C Electrostatic actuator part, 5 Individual electrode (fixed electrode), 6 Vibration plate (movable electrode), 7 1st insulating film, 7a Alumina film 7b Hafnium oxide film, 8 Second insulating film, 8a Alumina film, 8b Hafnium oxide film, 8c Silicon oxide film, 9 Drive control circuit (drive means), 10 Inkjet head, 11 Nozzle hole, 12 Orifice, 21 Discharge chamber , 23 reservoir, 26 common electrode, 32 recess, 33 ink supply hole, 34 electrode takeout part, 35 sealing material, 36 joint part, 200 silicon substrate, 300 glass substrate, 500 inkjet printer.

Claims (15)

基板上に形成された固定電極と、この固定電極に所定のギャップを介して対向配置された可動電極と、前記固定電極と前記可動電極との間に静電気力を発生させて該可動電極に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータにおいて、
前記固定電極の対向面に形成された第1の絶縁膜と、前記可動電極の対向面に形成された第2の絶縁膜とを備え、前記第1及び第2の絶縁膜の少なくとも一方が、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層してなる絶縁膜であることを特徴とする静電アクチュエータ。
A fixed electrode formed on the substrate, a movable electrode disposed opposite to the fixed electrode via a predetermined gap, and an electrostatic force is generated between the fixed electrode and the movable electrode to displace the movable electrode. In an electrostatic actuator comprising a driving means for generating
A first insulating film formed on the opposing surface of the fixed electrode; and a second insulating film formed on the opposing surface of the movable electrode, wherein at least one of the first and second insulating films is An electrostatic actuator comprising an insulating film formed by laminating dielectric materials having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide.
前記固定電極がガラス基板上に、前記可動電極がシリコン基板上に形成されており、前記ガラス基板と前記シリコン基板が、少なくとも一方の接合面に形成された酸化シリコン膜を介して接合されていることを特徴とする請求項1記載の静電アクチュエータ。   The fixed electrode is formed on a glass substrate, the movable electrode is formed on a silicon substrate, and the glass substrate and the silicon substrate are bonded via a silicon oxide film formed on at least one bonding surface. The electrostatic actuator according to claim 1. 前記固定電極がガラス基板上に、前記可動電極がシリコン基板上に形成されており、前記ガラス基板上及び前記シリコン基板上に形成された一方の絶縁膜が、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料であり、かつ他方の絶縁膜が、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層してなる絶縁膜であることを特徴とする請求項1記載の静電アクチュエータ。   The fixed electrode is formed on a glass substrate, the movable electrode is formed on a silicon substrate, and one of the insulating films formed on the glass substrate and the silicon substrate has a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide. 2. The electrostatic actuator according to claim 1, wherein the other insulating film is an insulating film formed by laminating dielectric materials having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide. 前記固定電極がガラス基板上に、前記可動電極がシリコン基板上に形成されており、前記ガラス基板上の最表面及び前記シリコン基板上の最表面に形成された絶縁膜が、同種の誘電材料であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の静電アクチュエータ。   The fixed electrode is formed on a glass substrate, the movable electrode is formed on a silicon substrate, and the insulating film formed on the outermost surface on the glass substrate and the outermost surface on the silicon substrate is made of the same kind of dielectric material. The electrostatic actuator according to claim 1, wherein the electrostatic actuator is provided. 前記ガラス基板の前記シリコン基板との接合部には、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層してなる前記絶縁膜が設けられていないことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の静電アクチュエータ。   5. The insulating film formed by laminating dielectric materials having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide is not provided at a joint portion between the glass substrate and the silicon substrate. The electrostatic actuator in any one. 前記誘電材料は、酸化アルミニウム(Al23)、酸化ハフニウム(HfO2)、窒化ハフニウムシリケート(HfSiN)、酸窒化ハフニウムシリケート(HfSiON)の中から少なくとも一つが選ばれることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の静電アクチュエータ。 The dielectric material is at least one selected from aluminum oxide (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), hafnium nitride silicate (HfSiN), and hafnium oxynitride silicate (HfSiON). The electrostatic actuator according to any one of 1 to 5. 基板上に形成された固定電極と、この固定電極に所定のギャップを介して対向配置された可動電極と、前記固定電極と前記可動電極との間に静電気力を発生させて該可動電極に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータの製造方法において、
前記固定電極が形成されたガラス基板上に、第1の絶縁膜として、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層する工程と、
前記可動電極が形成されるシリコン基板の前記ガラス基板との接合面全面に、第2の絶縁膜として、酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記ガラス基板の前記シリコン基板との接合部における前記第1の絶縁膜の部分を除去する工程と、
前記ガラス基板と前記シリコン基板とを前記酸化シリコン膜を介して陽極接合する工程と、
前記シリコン基板の接合面と反対の表面からエッチング加工して前記可動電極を形成する工程と、
前記固定電極と前記可動電極との間に形成されるギャップの内部に存在する水分を除去する工程と、
前記ギャップを気密に封止する工程と、
を有することを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。
A fixed electrode formed on the substrate, a movable electrode disposed opposite to the fixed electrode via a predetermined gap, and an electrostatic force is generated between the fixed electrode and the movable electrode to displace the movable electrode. In the manufacturing method of the electrostatic actuator provided with the drive means for generating
On the glass substrate on which the fixed electrode is formed, as a first insulating film, a step of laminating dielectric materials having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide;
Forming a silicon oxide film as a second insulating film on the entire surface of the silicon substrate on which the movable electrode is formed and the glass substrate; and
Removing a portion of the first insulating film in a joint portion between the glass substrate and the silicon substrate;
Anodically bonding the glass substrate and the silicon substrate through the silicon oxide film;
Etching from the surface opposite to the bonding surface of the silicon substrate to form the movable electrode;
Removing moisture present in a gap formed between the fixed electrode and the movable electrode;
Hermetically sealing the gap;
A method for manufacturing an electrostatic actuator, comprising:
基板上に形成された固定電極と、この固定電極に所定のギャップを介して対向配置された可動電極と、前記固定電極と前記可動電極との間に静電気力を発生させて該可動電極に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータの製造方法において、
前記固定電極が形成されたガラス基板上に、第1の絶縁膜として、酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記可動電極が形成されるシリコン基板の前記ガラス基板との接合面全面に、第2の絶縁膜として、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層する工程と、
前記ガラス基板と前記シリコン基板とを前記酸化シリコン膜を介して陽極接合する工程と、
前記シリコン基板の接合面と反対の表面からエッチング加工して前記可動電極を形成する工程と、
前記固定電極と前記可動電極との間に形成されるギャップの内部に存在する水分を除去する工程と、
前記ギャップを気密に封止する工程と、
を有することを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。
A fixed electrode formed on the substrate, a movable electrode disposed opposite to the fixed electrode via a predetermined gap, and an electrostatic force is generated between the fixed electrode and the movable electrode to displace the movable electrode. In the manufacturing method of the electrostatic actuator provided with the drive means for generating
Forming a silicon oxide film as a first insulating film on the glass substrate on which the fixed electrode is formed;
A step of laminating a dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide as a second insulating film over the entire bonding surface of the silicon substrate on which the movable electrode is formed with the glass substrate;
Anodically bonding the glass substrate and the silicon substrate through the silicon oxide film;
Etching from the surface opposite to the bonding surface of the silicon substrate to form the movable electrode;
Removing moisture present in a gap formed between the fixed electrode and the movable electrode;
Hermetically sealing the gap;
A method for manufacturing an electrostatic actuator, comprising:
基板上に形成された固定電極と、この固定電極に所定のギャップを介して対向配置された可動電極と、前記固定電極と前記可動電極との間に静電気力を発生させて該可動電極に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータの製造方法において、
前記固定電極が形成されたガラス基板上に、第1の絶縁膜として、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料どうしを積層する工程と、
前記可動電極が形成されるシリコン基板の前記ガラス基板との接合面全面に、第2の絶縁膜として、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料からなる絶縁膜を形成する工程と、
前記ガラス基板の前記シリコン基板との接合部における前記第1の絶縁膜の部分を除去する工程と、
前記ガラス基板と前記シリコン基板とを陽極接合する工程と、
前記シリコン基板の接合面と反対の表面からエッチング加工して前記可動電極を形成する工程と、
前記固定電極と前記可動電極との間に形成されるギャップの内部に存在する水分を除去する工程と、
前記ギャップを気密に封止する工程と、
を有することを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。
A fixed electrode formed on the substrate, a movable electrode disposed opposite to the fixed electrode via a predetermined gap, and an electrostatic force is generated between the fixed electrode and the movable electrode to displace the movable electrode. In the manufacturing method of the electrostatic actuator provided with the drive means for generating
On the glass substrate on which the fixed electrode is formed, as a first insulating film, a step of laminating dielectric materials having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide;
Forming an insulating film made of a dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide as a second insulating film on the entire surface of the silicon substrate on which the movable electrode is formed and the glass substrate; and
Removing a portion of the first insulating film in a joint portion between the glass substrate and the silicon substrate;
Anodically bonding the glass substrate and the silicon substrate;
Etching from the surface opposite to the bonding surface of the silicon substrate to form the movable electrode;
Removing moisture present in a gap formed between the fixed electrode and the movable electrode;
Hermetically sealing the gap;
A method for manufacturing an electrostatic actuator, comprising:
前記ガラス基板の接合部における前記第1の絶縁膜の部分をパターニングして、ドライエッチングにより除去することを特徴とする請求項7または9記載の静電アクチュエータの製造方法。   10. The method for manufacturing an electrostatic actuator according to claim 7, wherein a portion of the first insulating film in the bonding portion of the glass substrate is patterned and removed by dry etching. 前記誘電材料として、酸化アルミニウム(Al23)、酸化ハフニウム(HfO2)、窒化ハフニウムシリケート(HfSiN)、酸窒化ハフニウムシリケート(HfSiON)の中から選ばれた少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項7乃至10のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法。 The dielectric material includes at least one selected from aluminum oxide (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), hafnium nitride silicate (HfSiN), and hafnium oxynitride silicate (HfSiON). The method for manufacturing an electrostatic actuator according to claim 7. 前記ギャップの封止は窒素雰囲気下で行うことを特徴とする請求項7乃至11のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法。   The method for manufacturing an electrostatic actuator according to claim 7, wherein the gap is sealed in a nitrogen atmosphere. 液滴を吐出する単一または複数のノズル孔を有するノズル基板と、前記ノズル基板との間で、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室となる凹部が形成されたキャビティ基板と、前記吐出室の底部にて構成される振動板に所定のギャップを介して対向配置される個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、
請求項1乃至6のいずれかに記載の静電アクチュエータを備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
A nozzle substrate having a single or a plurality of nozzle holes for discharging droplets; a cavity substrate in which a recess serving as a discharge chamber communicating with each of the nozzle holes is formed between the nozzle substrate; and the discharge chamber In a liquid droplet ejection head comprising an electrode substrate on which an individual electrode is disposed so as to be opposed to a diaphragm configured at a bottom portion of the diaphragm with a predetermined gap.
A droplet discharge head comprising the electrostatic actuator according to claim 1.
液滴を吐出する単一または複数のノズル孔を有するノズル基板と、前記ノズル基板との間で、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室となる凹部が形成されたキャビティ基板と、前記吐出室の底部にて構成される振動板に所定のギャップを介して対向配置される個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドの製造方法において、
請求項7乃至12のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法を適用することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
A nozzle substrate having a single or a plurality of nozzle holes for discharging droplets; a cavity substrate in which a recess serving as a discharge chamber communicating with each of the nozzle holes is formed between the nozzle substrate; and the discharge chamber In a method of manufacturing a liquid droplet ejection head, comprising: an electrode substrate on which an individual electrode disposed opposite to a diaphragm configured at a bottom portion of the diaphragm with a predetermined gap is formed;
13. A method for manufacturing a droplet discharge head, wherein the method for manufacturing an electrostatic actuator according to claim 7 is applied.
請求項13に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。   A droplet discharge apparatus comprising the droplet discharge head according to claim 13.
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JP2010241020A (en) * 2009-04-07 2010-10-28 Seiko Epson Corp Electrostatic actuator, liquid droplet discharging head with the same, and liquid droplet discharging device

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