JP2010504228A - 大型安定蒸気気泡のためのｍｅｍｓ気泡発生器 - Google Patents

Abstract

【課題】優れたＭＥＭＳ蒸気気泡発生器を得る。
【解決手段】気泡を生成するために液体と熱接触している加熱体を使用するＭＥＭＳ蒸気気泡発生器。加熱体は、電力が比較的小さい副核形成部分と、気泡を核形成する電力が大きい部分とを有するように整形された電気パルスによってエネルギーが供給される。副核形成部分によって液体に伝達される熱エネルギーによって、核形成部分の間、加熱体の表面全体の気泡の核形成速度が速くなる。これによって、規則的な形状を有する、より大型で、より安定した気泡が生成される。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明はＭＥＭＳデバイスに関し、詳細には、動作中に蒸気気泡を生成するために液体を蒸発させるＭＥＭＳデバイスに関する。

［関連出願の相互参照］
本発明の出願人又は譲受人が出願した以下の米国特許／特許出願に、本発明に関連する様々な方法、システム及び装置が開示されている。

出願は、その整理番号で列挙されている。これは、出願番号が分かると置き換えられることになる。これらの出願及び特許の開示は、参照により本明細書に組み込まれている。

いくつかの微小機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは、液体を処理又は使用して動作している。これらの液体含有デバイスの一種では、抵抗加熱体を使用して液体をその液体の過熱限界まで加熱し、それにより急激に膨張する蒸気気泡を形成している。気泡膨張によって提供される衝撃は、そのデバイスを介して液体を移動させるための機構として使用することができる。これは、インクの滴を印刷媒体上に放出するための気泡を生成する加熱体を個々のノズルが有している熱インクジェットプリントヘッドの場合がそうである。本発明は、広範囲にわたるインクジェットプリンタの使用に照らして、本出願においてはとりわけその使用を参照して説明されている。しかしながら、本発明は、インクジェットプリントヘッドに限定されず、デバイスを介して液体を移動させるために抵抗加熱体によって形成される蒸気気泡が使用される他のデバイス（例えばいくつかの「Lab-on-a-chip」デバイス）にも等しく適していることは理解されよう。

液体をその過熱限界まで加熱するための時間スケールによって、過熱限界に到達した時点で液体中に蓄積される熱エネルギーの量が決まり、この熱エネルギーの量によって、生成される蒸気の量及び膨張する蒸気気泡の衝撃（面積及び時間で積分された圧力として定義される衝撃）が決まる。加熱のための時間スケールが長いほど、加熱される液体の体積が大きくなり、したがってより大量のエネルギーが蓄積され、より大量の蒸気及びより大きい気泡衝撃が得られる。そのため、ＭＥＭＳ加熱体によって生成される気泡にある程度の調整可能性が得られる。過熱限界まで加熱するための時間スケールの制御は、単純に、核形成事象の間に加熱体に供給される電力を制御する問題であり、エネルギー要求事項が増加することにはなるが（液体中に蓄積される余分のエネルギーを加熱体によって供給しなければならない）、電力が小さいほど核形成時間が長くなり、気泡衝撃が大きくなる。この電力は、加熱体の両端間の電圧を低くすることによって制御することができ、或いは電圧をパルス幅変調してより小さい時間平均電力を得ることによって制御することができる。

この効果は、例えばＭＥＭＳ気泡ポンプの流量の制御、又はインクジェットプリンタの詰まったノズルに印加される力の制御には場合によっては有効であるが（これは、整理番号ＰＵＡ０１１ＵＳで一時的に参照されている同時係属出願の主題である）、このようなシステムの設計者は、気泡の安定性の保証には慎重でなければならない。水をベースとする液体を加熱する典型的な加熱体は、加熱のための時間スケールが１マイクロ秒よりはるかに長い場合、不安定で再現性のない気泡を生成することになる（図１を参照）。この非再現性は、デバイスの動作を犠牲にし、或いは設計者が利用できる気泡衝撃の範囲を著しく制限することになる。

米国特許公開公報２００６／０２２１１１４ 米国特許公開公報２００７／００８１０３２

したがって本発明は、
液体を保持するためのチャンバと、
液体と熱接触させるためにチャンバ内に配置された加熱体と、
加熱体が液体中に蒸気気泡を発生させるよう、加熱体に電気パルスを提供するための駆動回路と
を備えたＭＥＭＳ蒸気気泡発生器であって、
パルスが、蒸気気泡を核形成するのに不十分な電力を伴う第１の部分、及びこの第１の部分に続く、蒸気気泡を核形成するのに十分な電力を伴う第２の部分を有するＭＥＭＳ蒸気気泡発生器を提供する。

加熱速度が速くなるよう、パルスが終了する前に加熱パルスを整形すれば、気泡を著しく安定させることができ、ひいては大型で再現性のある気泡を小型の加熱体によって生成できるレジームにアクセスすることができる。

パルスの第１の部分は、蒸気気泡を核形成することなく液体を加熱するための予熱セクションであり、第２の部分は、蒸気気泡を核形成するためのトリガセクションであることが好ましい。さらなる好ましい形態では、予熱セクションは、トリガセクションより長い継続期間を有する。予熱セクションの長さは、少なくとも２マイクロ秒であることが好ましい。さらなる好ましい形態では、トリガセクションの長さは、１マイクロセクション未満である。

駆動回路は、パルス幅変調を使用してパルスを整形することが好ましい。この実施形態では、予熱セクションは、一連の副核形成パルスである。駆動回路は、任意選択で電圧変調を使用してパルスを整形する。

いくつかの実施形態では、予熱セクションの時間平均電力は一定であり、トリガセクションの時間平均電力も一定である。とりわけ好ましい実施形態では、チャンバと流体連絡しているノズルから印刷流体を放出するためにＭＥＭＳ蒸気気泡発生器がインクジェットプリントヘッドにおいて使用される。

核形成温度を超えることなく、加熱体を取り囲んでいる液体に大量の熱エネルギーを蓄積するために、長い時間スケール（通常＞＞１μｓ）にわたって小さい電力が使用され、次に、短い時間スケール（通常＜１μｓ）の間、核形成温度を超えるよう大きい電力に切り換えられ、それにより核形成がトリガされ、蓄積されているエネルギーが解放される。

任意選択で、パルスの第１の部分は、蒸気気泡を核形成することなく液体を加熱するための予熱セクションであり、第２の部分は、液体の一部を過熱して蒸気気泡を核形成するためのトリガセクションである。

予熱セクションは、任意選択で、トリガセクションより長い継続期間を有している。

予熱セクションの長さは、任意選択で、少なくとも２マイクロ秒である。

トリガセクションの長さは、任意選択で、１マイクロセクション未満である。

駆動回路は、任意選択で、パルス幅変調を使用してパルスを整形する。

予熱セクションは、任意選択で、一連の副核形成パルスである。

駆動回路は、任意選択で、電圧変調を使用してパルスを整形する。

任意選択で、予熱セクションの時間平均電力は一定であり、トリガセクションの時間平均電力も一定である。

もう１つの態様では、本発明は、チャンバと流体連絡しているノズルから印刷流体を放出するためにインクジェットプリントヘッドにおいて使用されるＭＥＭＳ蒸気気泡発生器を提供する。

加熱体は、任意選択で、印刷流体に浸すためにチャンバ内に懸垂される。

パルスは、任意選択で、乾燥した印刷流体又は過度に粘性の高い印刷流体で詰まったノズルを復旧するために生成される。

異なる加熱速度で生成された水蒸気気泡を示す図である。 異なる加熱速度で生成された水蒸気気泡を示す図である。 異なる加熱速度で生成された水蒸気気泡を示す図である。 異なる加熱速度で生成された水蒸気気泡を示す図である。 異なる加熱速度で生成された水蒸気気泡を示す図である。 パルスを予熱セクション及びトリガセクションに整形するための２つの代替形態を示すグラフである。 パルスを予熱セクション及びトリガセクションに整形するための２つの代替形態を示すグラフである。 加熱体上の最も熱い点及び加熱体上のより冷たい点を２つの異なるパルス波形に対してプロットしたグラフである。 従来の方形波パルスを使用して生成された水蒸気気泡を示す図である。 パルス幅変調によって整形されたパルスを使用して生成された気泡を示す図である。 電圧変調パルスを使用して生成された気泡を示す図である。 電圧変調パルスを使用して生成された気泡を示す図である。 インクジェットプリントヘッド内で使用されるＭＥＭＳ気泡発生器を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
ＭＥＭＳ流体ポンプの場合、有効で、且つ、信頼性の高い動作のためには、大型で、安定した、再現性のある気泡が望ましい。気泡の核形成及び成長に影響を及ぼす機構を解析するためには、加熱体の温度プロファイルの空間一様性を考慮し、次に、そのプロファイルの時間的展開を考慮しなければならない。液体中の加熱体の有限要素熱モデルを使用して、加熱体の加熱速度が加熱体全体にわたる温度の空間一様性に強く影響を及ぼすことを示すことができる。それは、加熱体の様々な部分が様々な程度で熱が吸収されることによるものである（液体による冷却が促進されるため、加熱体の両面がより冷たくなり、また、接触による冷却が促進されるため、加熱体の末端がより冷たくなる）。過熱限界まで加熱するための時間スケールが冷却機構の熱時間スケールに対して長い微小電力では、加熱体の境界部分の冷却によって加熱体の温度プロファイルが著しくひずむことになる。温度プロファイルは、加熱体全体の温度が一様な「シルクハット」形であることが理想的であるが、加熱速度が遅い場合、温度プロファイルの端が低下することになる。

気泡衝撃に大きく寄与するのは、加熱体の部分のうちの過熱限界より上の部分のみであるため、シルクハット形温度プロファイルは、加熱体の有効性を最大化するためには理想的である。核形成速度は、過熱限界に近い温度の極めて強力な指数関数である。加熱体の部分のうちの過熱限界よりほんの数度低いだけの部分でも、過熱限界より上の部分よりはるかに遅い核形成速度をもたらすことになる。加熱体のこれらの部分は、加熱体のより熱い部分から膨張する気泡によって熱的に分離されることになるため、これらの部分は、気泡衝撃に対する貢献度ははるかに低い。つまり、加熱体全体の温度プロファイルが一様でない場合、加熱体のより冷たい部分の気泡核形成と、加熱体のより熱い部分から膨張する気泡との間に、場合によっては乱調状態が存在することになる。遅い加熱速度で形成される気泡に再現性がないのは、この乱調状態によるものである。

「遅い加熱速度」という用語は相対用語であり、加熱体及びそのコンタクトの幾何学形状、並びに加熱体と熱接触するすべての材料の熱特性によって様々である。これらのすべてが、冷却機構の時間スケールに影響を及ぼしている。インクジェットプリンタに適用することができる典型的な構成における典型的な加熱体材料は、核形成のための時間スケールが１μｓより長い場合、乱調状態を明らかにすることから開始する。加熱速度が十分に遅い場合、すべての加熱体が乱調状態に遭遇し、当然の結果として気泡の不安定性をもたらすことになるため、正確な閾値は重要ではない。これは、設計者が利用できる気泡衝撃の範囲を制限している。

図１Ａ〜図１Ｅは、駆動パルスの電圧を変化させることによって異なる加熱速度で生成された蒸気気泡１２のストロボ写真を線図で示したものである。画像は、継続期間が０．３マイクロ秒のストローブを使用して捕獲された、それらの最大エクステントにおける気泡を示している。加熱体１０は、水のオープンプール中の３０μｍ×４μｍの大きさで、支持ウェーハ表面からの角度は１５度である。二重気泡の出現は、ウェーハ表面の気泡の反射画像によるものである。

図１Ａでは、駆動電圧は５ボルトであり、気泡１２は、１マイクロ秒のその最大エクステントに達している。この気泡は比較的小さいが、加熱体の長さに沿って規則的な形状を有している。図１Ｂでは、駆動電圧が４．１ボルトに低下し、最大気泡成長までの時間は２マイクロ秒まで長くなっている。したがって気泡１２は、より大きいが、気泡不規則性１４が起こり始めている。図１Ｃ、図１Ｄ及び図１Ｅでは、パルス電圧が徐々に低くなっている（それぞれ３．７５Ｖ、３．４５Ｖ及び２．９５Ｖ）。電圧が低下すると、それに伴って加熱速度が遅くなり、ひいては液体を過熱限界に到達させるための時間スケールが長くなる。したがって、液体中に熱をリークさせるためのより長い時間が可能になり、それにより、より大量の熱エネルギーが蓄積され、気泡核形成が生じると、より多くの蒸気が生成される。つまり、気泡１２のサイズが大きくなる。したがって電圧をより低くすることにより、より大きい気泡衝撃が得られ、気泡をより大きいエクステントまで成長させることができる。残念なことには、気泡の形状の不規則性１４も同じく大きくなっている。したがって、過熱限界まで加熱するための時間スケールが１マイクロ秒より長くなると、気泡は潜在的に不安定であり、且つ、非再現性である。図１Ａ〜図１Ｅでは、最大気泡サイズまでの時間は、それぞれ１マイクロ秒、２マイクロ秒、３マイクロ秒、５マイクロ秒及び１０マイクロ秒である。

本発明によれば、乱調状態に起因する不安定性を回避する方法が提供され、したがって設計者は、遅い加熱速度を使用して、幾何学形状及び熱特性が一定の加熱体上で大きい気泡衝撃を生成することができる。図２Ａ及び図２Ｂは、加熱体を駆動して、大型で、安定した気泡を生成するための２つの可能性を示したものである。図２Ａでは、駆動回路には、トリガセクション１８に対する予熱セクション１６の電力を小さくするために振幅変調が使用されている。図２Ｂでは、電圧のパルス幅変調（一連の高速副放出パルスを生成する）を使用して、予熱フェーズ１６の電力をトリガセクション１８と比較して小さくすることができる。

比較的小さい電力が供給される予熱セクション、及びそれに引き続く、気泡を核形成するトリガセクションの基準を満足する様々な無限のパルス形状が存在していることは当業者には理解されよう。パルスの整形は、パルス幅変調、電圧変調又はそれらの両方の組合せを使用して実行することができる。しかしながら、パルス幅変調は好ましいパルス整形方法であり、ＣＭＯＳ回路設計により適している。また、パルスは、予熱セクション及びトリガセクションのみに限定されず、本発明の利点を損なうことなく、他の目的のための追加パルスセクションを含むことも可能であることに留意されたい。さらに、これらのセクションの電力は、必ずしも一定のレベルに維持する必要はない。理論的及び実験的に取り扱うためには最も単純な事例であるため、予熱セクション及びトリガセクションのためには一定の時間平均電力であることが好ましい。

予熱フェーズの後、より速い加熱速度に切り換えることにより、加熱体のうちの過熱限界に到達する異なる領域間の時間のずれが小さくなるため、気泡核形成によって乱調が回避される。図３はその概念を示したもので、たとえ空間温度一様性が乏しい場合であっても（予熱フェーズにおける加熱速度が遅いことに起因する避けることのできない副作用）、予熱の後、より速い加熱速度３６に切り換えることにより、過熱限界に到達する加熱体のうちのより熱い領域とより冷たい領域の間の時間のずれ３２を小さくすることができる。この方法によれば、より冷たい領域は、より熱い領域から膨張する気泡によって熱的に分離される前に過熱限界に到達する。気泡の著しい膨張が生じる前に加熱体表面の大部分が過熱限界３４に到達するため、加熱体領域をより有効に、且つ、より矛盾なく利用して気泡を形成することができる。

図４Ａ〜図４Ｄは、大型で、安定した気泡生成における整形されたパルスの有効性を証明したものである。気泡のサイズは、整形されたパルスを使用して、図１Ａ〜図１Ｅに示されている不規則性の問題に煩わされることなく、著しく大きくすることができる。回路設計者は、整形されたパルスを生成するために、加熱信号の電圧変調又はパルス幅変調のいずれかを選択することができるが、例えばＣＭＯＳドライバ回路との統合には、一般的にはパルス幅変調がより適切であると見なされている。一例として、このような回路を使用してインクジェットプリントヘッド中に保全パルスを生成することができる。インクジェットプリントヘッドの中では、力が増した気泡衝撃によって、詰まったノズルをプリンタ保全サイクルの一環としてより良好に復旧することができる。これについては、参照によりその内容が本明細書に組み込まれている同時係属出願（整理番号ＰＵＡ０１１ＵＳで一時的に参照されている）の中で考察されている。

図５は、インクジェットプリントヘッドに適用される、本発明によるＭＥＭＳ気泡発生器を示したものである。上記の特許文献１及び特許文献２に、本出願人の熱プリントヘッドＩＣのいくつかの製造及び動作が詳細に記載されている。簡潔にするために、これらの文書の内容は、参照により本明細書に組み込まれている。

図５には、単一ノズルデバイス３０が示されている。半導体／ＭＥＭＳ製造分野では一般的なリソグラフィエッチング及び蒸着技法を使用して、支持ウェーハ基板２８の上にこのようなノズルのアレイが形成されることは理解されよう。チャンバ２０は、一定の量のインクを保持している。加熱体１０は、ＣＭＯＳ駆動回路２２と電気接触するようにチャンバ２０内に懸垂されている。駆動回路２２によって生成される駆動パルスによって加熱体１０が加熱され、それにより蒸気気泡１２が生成され、この蒸気気泡１２によってインク２４の滴がノズル２６を介して強制される。駆動回路２２を使用して、本発明に従ってパルスを整形することにより、単一の加熱体及び駆動電圧からより広い範囲の気泡衝撃が設計者に与えられる。

図４Ａ〜図４Ｄは、３０μｍ×４μｍの加熱体上のオープンプール中の水蒸気気泡のストロボ画像を示したものである。図１Ａ〜図１Ｅと同様、気泡１２は、それらの最大エクステントで捕獲されている。図４Ａは、４．２Ｖで、継続期間が０．７マイクロ秒の単純な方形プロファイルパルスの従来技術の状況を示したものである。図４Ｂでは、パルスは、パルス幅変調によって整形されており、９個の１００ナノ秒のパルスが１５０ナノ秒で分割された予熱シリーズと、それに引き続く３００ナノ秒のトリガパルスからなっており、すべて４．２Ｖである。図４Ｂでは、トリガパルスによる核形成に先立って液体中に伝達される熱エネルギーの量のため、気泡のサイズがより大きくなっている。図４Ｃ及び図４Ｄでは、パルスは電圧変調されている。図４Ｃのパルスは、２．４Ｖで、継続期間が８マイクロ秒の予熱部分を有しており、その後に、核形成をトリガするための４Ｖで、継続期間が０．１マイクロ秒の部分が続いている。一方、図４Ｄのパルスは、２．２５Ｖで、継続期間が１６マイクロ秒の予熱部分を有しており、その後に、４．２Ｖで、継続期間が０．１５マイクロ秒のトリガが続いている。これらの図は、整形されたパルスを使用して生成された気泡（図４Ｂ、図４Ｃ及び図４Ｄ）は、より大きく、形状が規則的で、且つ、再現性があることを明確に示している。

不規則性即ち非再現性の問題が除去されるため、設計者は、パルスの予熱セクションの長さを変えることによって、設計段階で、又は動作中に気泡のサイズを制御する大きな柔軟性を有することになる。予熱セクションの間に偶発的に過熱限界を超え、トリガセクションに至るまでの間に核形成が生じることがないよう、十分に注意を払わなければならない。パルスがパルス幅変調される場合、一定の低い電圧によって生成される温度上昇の合理的な近似を得るためには、変調は十分に高速でなければならない。また、トリガセクションが、加熱体が損傷するエクステントまで過剰駆動することなく、システムの変動を考慮した十分なマージンで加熱体全体を、過熱限界を超える温度に確実に加熱するよう、同じく十分な注意を払わなければならない。これらの考察事項は、ルーチン熱モデル化を使用して、或いは液体のオープンプール中の加熱体を使用した実験によって合致することができる。

以上、本発明について、単なる例によって本明細書において説明した。当業者には、広義の発明概念の精神及び範囲を逸脱しない多くの変形形態及び改変が容易に認識されよう。

Claims (12)

1. 液体を保持するためのチャンバと、
   前記チャンバ内に配置され、前記液体と熱接触する加熱体と、
   前記加熱体が前記液体中に蒸気気泡を発生させるよう、前記加熱体に電気パルスを提供するための駆動回路と
   を備えるＭＥＭＳ蒸気気泡発生器であって、
   前記パルスが、
   前記蒸気気泡を核形成するのに不十分な電力を伴う第１の部分と、
   前記第１の部分に続く、前記蒸気気泡を核形成するのに十分な電力を伴う第２の部分と、を有する、ＭＥＭＳ蒸気気泡発生器。
2. 前記パルスの前記第１の部分が、前記蒸気気泡を核形成することなく前記液体を加熱するための予熱セクションであり、
   前記第２の部分が、前記液体の一部を十分に加熱して前記蒸気気泡を核形成するためのトリガセクションである、請求項１に記載のＭＥＭＳ蒸気気泡発生器。
3. 前記予熱セクションが、前記トリガセクションよりも長い期間を有する、請求項２に記載のＭＥＭＳ蒸気気泡発生器。
4. 前記予熱セクションの長さが、少なくとも２マイクロ秒である、請求項３に記載のＭＥＭＳ蒸気気泡発生器。
5. 前記トリガセクションの長さが、１マイクロセクション未満である、請求項３に記載のＭＥＭＳ蒸気気泡発生器。
6. 前記駆動回路が、パルス幅変調を使用して前記パルスを整形する、請求項１に記載のＭＥＭＳ蒸気気泡発生器。
7. 前記予熱セクションが、一連の副核形成パルスである、請求項６に記載のＭＥＭＳ蒸気気泡発生器。
8. 前記駆動回路が、電圧変調を使用して前記パルスを整形する、請求項１に記載のＭＥＭＳ蒸気気泡発生器。
9. 前記予熱セクションの時間平均電力が一定であり、前記トリガセクションの時間平均電力も一定である、請求項２に記載のＭＥＭＳ蒸気気泡発生器。
10. 前記チャンバと流体連絡しているノズルから印刷流体を放出するためにインクジェットプリントヘッドにおいて使用される、請求項１に記載のＭＥＭＳ蒸気気泡発生器。
11. 前記加熱体が、印刷流体に浸すために前記チャンバ内に懸垂される、請求項１０に記載のＭＥＭＳ蒸気気泡発生器。
12. 前記パルスが、乾燥した印刷流体又は過度に粘性の高い印刷流体で詰まったノズルを復旧するために生成される、請求項１０に記載のＭＥＭＳ蒸気気泡発生器。

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