JP2011007074A - Micropump and method of manufacturing micropump - Google Patents

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Masaaki Sato
正章 佐藤
Junichi Konishi
淳一 小西
Takashi Ishida
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a micropump having a flow passage shape capable of providing an efficient flow speed.SOLUTION: In this micropump, a pressurizing chamber 3, a suction side flow passage 4 and a delivery side flow passage 5 communicating with the pressurizing chamber 3, are formed on a silicon substrate 2 having crystal plane orientation of <100>. At least a part of an inner wall of the pressurizing chamber 3, the suction side flow passage 4 and the delivery side flow passage 5 is a <111> surface, and a width and the depth of the pressurizing chamber 3, the suction side flow passage 4 and the delivery side flow passage 5 are different, and an opening width S and a width larger than a width of the deepest part, are formed in a position shallower than the deepest part in respective positions of the pressurizing chamber 3, the suction side flow passage 4 and the delivery side flow passage 5.

Description

本発明は、マイクロポンプおよびマイクロポンプの製造方法に関する。   The present invention relates to a micropump and a manufacturing method of the micropump.

従来から、プリンタ、ファクシミリ、複写機等の画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において記録ヘッドとして使用する液滴吐出ヘッド(インクジェット記録ヘッド)やマイクロポンプなどの液体輸送装置が知られている。   2. Description of the Related Art Conventionally, liquid transport apparatuses such as a droplet discharge head (inkjet recording head) and a micropump used as a recording head in an inkjet recording apparatus used as an image forming apparatus such as a printer, a facsimile machine, and a copying machine are known.

上記マイクロポンプとして、例えば、アクチュエータ(ピエゾ素子などを利用)にて加圧室(ポンプ室ともいう)の体積を変動させ、発生する差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合を一定方向の流速とするために、加圧室前後の流路断面積や流路形状を、加圧室前後で異なるように接続されたマイクロポンプが提案されている。このような加圧室前後の流路体積が異なるマイクロポンプとしては、流路体積を変える手段として流路の幅寸法や断面積を変更したものが提案されている。また、流路の途中に可動の弁を持つマイクロポンプも提案されている。このようなマイクロポンプは、弁が逆止弁として動き、アクチュエータの動きと合わせて流体を一方向に送り出すものである。   As the micro pump, for example, the volume of the pressurizing chamber (also referred to as a pump chamber) is changed by an actuator (using a piezo element or the like), and the change rate of the flow path resistance with respect to the generated differential pressure change In order to achieve this, a micropump has been proposed in which the cross-sectional area and the shape of the flow path before and after the pressurization chamber are differently connected before and after the pressurization chamber. As such a micro pump having different flow channel volumes before and after the pressurizing chamber, a micro pump in which the width dimension and the cross-sectional area of the flow channel are changed as means for changing the flow channel volume has been proposed. A micro pump having a movable valve in the middle of the flow path has also been proposed. In such a micro pump, the valve moves as a check valve, and sends out fluid in one direction in accordance with the movement of the actuator.

例えば、特許文献1には、表面が(100)面のシリコン基板の表面にオリフィス、インク流路及びインク室を形成する溝が一体的に作製されたインクジェットプリンタヘッドが開示されている。特許文献1においては、断面積の異なるインク流路及びインク室を、1回の工程で寸法制御性良く作製する目的で、結晶面方位<100>のシリコン基板を用いて異方性ウエットエッチングを行うことにより、エッチング進行と共に54.7°の角度を持って発現する<111>面を、エッチングマスク幅寸法にて制御することで、エッチストップによる流路深さが制御することが開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses an ink jet printer head in which grooves for forming an orifice, an ink flow path, and an ink chamber are integrally formed on the surface of a (100) silicon substrate. In Patent Document 1, anisotropic wet etching is performed using a silicon substrate having a crystal plane orientation <100> for the purpose of producing ink flow paths and ink chambers having different cross-sectional areas with good dimensional control in one step. By doing so, it is disclosed that the flow path depth by the etch stop is controlled by controlling the <111> plane that develops at an angle of 54.7 ° with the progress of etching by the etching mask width dimension. Yes.

また、特許文献2には、結晶面方位<100>のシリコン基板を用いて異方性ウエットエッチングを行うことにより、幅および深さが異なる流路が隣接して形成される半導体マイクロ構造体の製造方法が開示されている。   Patent Document 2 discloses a semiconductor microstructure in which channels having different widths and depths are formed adjacently by performing anisotropic wet etching using a silicon substrate having a crystal plane orientation <100>. A manufacturing method is disclosed.

しかしながら、上記の流路の幅寸法や断面積を変更する構成においては、流路幅や断面積が大きくなるほど平面上でのスペースが必要となり、マイクロポンプの微細化に不利となるという問題があった。   However, in the configuration in which the width dimension and the cross-sectional area of the flow path are changed, the larger the flow path width and the cross-sectional area, the more space is required on the plane, which is disadvantageous for miniaturization of the micropump. It was.

また、上記特許文献1に記載の技術は、流路深さの制御を目的としているが、当該技術では、流路深さはインク流路、インク室全て同一深さでしか製作することができず、大流量化や、効率の良い流速を得たい場合等において各流路で深さを変更したい場合には、工程を増加させる必要があることから製造が煩雑になり、コスト、寸法制御性の利点が損なわれてしまうという問題があった。   The technique described in Patent Document 1 is intended to control the flow path depth. However, in this technique, the flow path depth can be manufactured only at the same depth in the ink flow path and the ink chamber. However, if you want to change the depth in each flow path when you want to increase the flow rate or obtain an efficient flow rate, etc., it is necessary to increase the number of steps, making the manufacturing complicated, and cost and dimensional controllability. There was a problem that the advantage of was lost.

ここで、流路深さを多段で形成することができれば、深さ方向の体積が増加するため平面上でのスペースが不要となりマイクロポンプの微細化に繋げることができるが、流路を多段で作成することは、工程の増加や煩雑化に繋がり、深さ寸法の制御性やコスト面で不利になるという問題があった。また、上記特許文献2に記載の技術には、隣接する流路(V型)の幅および深さが異なる例が開示されているが、加圧室と該加圧室に連通した流路の流路深さを多段で形成することはできず、上述した課題を解決できるものではない。   Here, if the flow path depth can be formed in multiple stages, the volume in the depth direction increases, so that a space on the plane is not required, which can lead to micro pump miniaturization. The production leads to an increase in steps and complications, and there is a problem that the control of the depth dimension and the cost are disadvantageous. Moreover, although the example of the technique of the said patent document 2 from which the width | variety and depth of an adjacent flow path (V type) differ is disclosed, the flow path connected to the pressurization chamber and this pressurization chamber is disclosed. The flow path depth cannot be formed in multiple stages, and the above-described problems cannot be solved.

そこで本発明は、結晶面方位が<100>のシリコン基板に、加圧室と該加圧室に連通した流路が形成されるマイクロポンプにおいて、加圧室及び流路の内壁の少なくとも一部が<111>面であって、加圧室と流路との幅及び深さが異なり、かつ、加圧室及び流路の各位置において開口幅及び最深部の幅よりも大きい幅が最深部より浅い位置に形成されているマイクロポンプを提供することを目的とする。また、当該マイクロポンプを異方性ドライエッチング及び結晶異方性ウエットエッチングの2工程からなる簡易な工程により作製するマイクロポンプの製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a micropump in which a pressurizing chamber and a channel communicating with the pressurizing chamber are formed on a silicon substrate having a crystal plane orientation of <100>, and at least a part of the inner walls of the pressurizing chamber and the channel Is the <111> plane, the width and depth of the pressurizing chamber and the flow path are different, and the width greater than the opening width and the deepest width at each position of the pressurizing chamber and the flow path is the deepest portion An object is to provide a micropump formed at a shallower position. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a micropump in which the micropump is manufactured by a simple process including two steps of anisotropic dry etching and crystal anisotropic wet etching.

かかる目的を達成するため、請求項1に記載のマイクロポンプは、結晶面方位が<100>のシリコン基板に、加圧室と該加圧室に連通した流路が形成されるマイクロポンプにおいて、加圧室及び流路の内壁の少なくとも一部が<111>面であって、加圧室と流路との幅及び深さが異なり、かつ、加圧室及び流路の各位置において開口幅及び最深部の幅よりも大きい幅が最深部より浅い位置に形成されているものである。   In order to achieve this object, the micropump according to claim 1 is a micropump in which a pressure chamber and a flow path communicating with the pressure chamber are formed on a silicon substrate having a crystal plane orientation of <100>. At least a part of the inner walls of the pressurizing chamber and the flow path is a <111> plane, the width and depth of the pressurizing chamber and the flow path are different, and the opening width at each position of the pressurizing chamber and the flow path In addition, a width larger than the width of the deepest portion is formed at a position shallower than the deepest portion.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のマイクロポンプにおいて、流路の幅及び深さは、流路の吸入側から吐出側に向かって段階的に異なるものである。   According to a second aspect of the present invention, in the micropump according to the first aspect, the width and depth of the flow path differ in stages from the suction side to the discharge side of the flow path.

また、請求項3に記載のマイクロポンプの製造方法は、結晶面方位が<100>のシリコン基板に、加圧室と該加圧室に連通した流路が形成されるマイクロポンプの製造方法において、シリコン基板上に成膜されたエッチングマスクの開口幅を加圧室及び流路の複数の位置で段階的に異なるように、所定のエッチング深さまで異方性ドライエッチングを行った後、結晶異方性ウエットエッチングを行う工程を含むようにしている。   The micropump manufacturing method according to claim 3 is a micropump manufacturing method in which a pressurizing chamber and a flow path communicating with the pressurizing chamber are formed on a silicon substrate having a crystal plane orientation of <100>. Then, anisotropic dry etching is performed to a predetermined etching depth so that the opening width of the etching mask formed on the silicon substrate is stepwise changed at a plurality of positions in the pressurization chamber and the flow path, and then the crystal difference is changed. A step of performing anisotropic wet etching is included.

本発明によれば、加圧室と加圧室前後の流路(吸入側流路、吐出側流路ともいう)との平面上及び深さ方向の体積を異なるもの、かつ加圧室及び流路の各位置において開口幅及び最深部の幅よりも大きい幅が最深部より浅い位置に形成されるものとすることで加圧室の変動により発生する流速を、効率良く一定方向に得ることができる。   According to the present invention, the pressurization chamber and the flow paths before and after the pressurization chamber (also referred to as the suction-side flow path and the discharge-side flow path) have different volumes on the plane and in the depth direction. By making the width larger than the opening width and the width of the deepest part at a position shallower than the deepest part at each position of the path, it is possible to efficiently obtain the flow velocity generated by the fluctuation of the pressure chamber in a certain direction. it can.

また、吸入側流路、吐出側流路における流路の幅および深さを流路の吸入側から吐出側に向かって段階的に異なるようにすることで、流速を、さらに効率良く一定方向に得ることができる。たとえば、吐出側に広くかつ深くする形状とすることにより、加圧室の変動により発生する吸入側、吐出側への差圧を、吸入側の抵抗は大きく、吐出側の抵抗を少なくすることが可能となり、一定方向の流速をより得やすくなる。   In addition, by making the width and depth of the flow path in the suction side flow path and the discharge side flow path gradually different from the suction side to the discharge side of the flow path, the flow rate can be made more efficient in a certain direction. Obtainable. For example, by forming a shape that is wide and deep on the discharge side, the pressure difference between the suction side and the discharge side that occurs due to fluctuations in the pressurizing chamber can be reduced, while the resistance on the suction side is large and the resistance on the discharge side is reduced. It becomes possible, and it becomes easier to obtain a flow rate in a certain direction.

また、異方性ドライエッチングおよび結晶異方性ウエットエッチングの2工程により、簡易に、加圧室と加圧室前後の流路の平面上及び深さ方向の体積を異なるように、かつ流路の幅および深さを段階的に異なるように多段形成することができる。   In addition, by two steps of anisotropic dry etching and crystal anisotropic wet etching, the pressure chamber and the flow path before and after the pressurization chamber are different in volume on the plane and in the depth direction. Can be formed in multiple stages so that the width and depth of the film differ stepwise.

異方性ドライエッチングおよび結晶異方性ウエットエッチングの説明図の一例である。It is an example of explanatory drawing of anisotropic dry etching and crystal | crystallization anisotropic wet etching. 異方性ドライエッチングおよび結晶異方性ウエットエッチングの説明図の他の例である。It is another example of explanatory drawing of anisotropic dry etching and crystal anisotropic wet etching. 本発明に係るマイクロポンプの平面概略図の一例である。It is an example of the plane schematic diagram of the micropump concerning the present invention. 図3に示すマイクロポンプの断面概略図の一例である。It is an example of the cross-sectional schematic diagram of the micropump shown in FIG. 図3に示すマイクロポンプの断面概略図の他の例である。It is another example of the cross-sectional schematic of the micropump shown in FIG.

以下、本発明に係る構成を図1から図5に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration according to the present invention will be described in detail based on the embodiment shown in FIGS.

本実施形態に係るマイクロポンプは、アクチュエータにて加圧室の体積を変動させ、発生する差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合を一定方向の流速とするために、加圧室前後の流路断面積や流路形状を、加圧室前後で異なるように接続されたマイクロポンプであって、より具体的には、結晶面方位が<100>のシリコン基板2に、加圧室3と該加圧室3に連通した吸入側流路4、吐出側流路5が形成されるマイクロポンプにおいて、加圧室3及び吸入側流路4、吐出側流路5の内壁の少なくとも一部が<111>面であって、加圧室3と吸入側流路4、吐出側流路5との幅及び深さが異なり、かつ、加圧室3及び吸入側流路4、吐出側流路5の各位置において開口幅S及び最深部の幅よりも大きい幅が最深部より浅い位置に形成されているものである。   The micropump according to the present embodiment changes the volume of the pressurizing chamber with an actuator, and the flow rate before and after the pressurizing chamber is set to make the flow rate resistance change rate relative to the generated differential pressure change a constant flow rate. The micropump is connected so that the cross-sectional area and the flow path shape are different between before and after the pressurizing chamber, and more specifically, the silicon substrate 2 having a crystal plane orientation of <100> and the pressurizing chamber 3 In the micropump in which the suction side flow path 4 and the discharge side flow path 5 communicating with the pressurization chamber 3 are formed, at least part of the inner walls of the pressurization chamber 3, the suction side flow path 4, and the discharge side flow path 5 are formed. The <111> plane has different widths and depths between the pressurizing chamber 3 and the suction side flow path 4 and the discharge side flow path 5, and the pressurization chamber 3, the suction side flow path 4, and the discharge side flow path. In each of the positions 5, the opening width S and the width larger than the deepest portion are formed at positions shallower than the deepest portion. Is shall.

また、本実施形態に係るマイクロポンプの製造方法では、先ず、結晶面方位が<100>のシリコン基板2を用いて、シリコン基板2表面に加圧室3及び吸入側流路4、吐出側流路5を形成するためのエッチングマスク1のパターンを形成する。エッチングマスク1は、ドライエッチングで異方性エッチングのマスクとして適用できるものであれば良いが、異方性ウエットエッチング時のマスクとしてもそのまま適用する場合では窒化膜が好ましい。ここで、加圧室3及び吸入側流路4、吐出側流路5の幅を変えた形でエッチングマスク1を形成し、最初にドライエッチングで垂直方向にエッチングを行い、幅の異なる領域を同じ深さになるようエッチングする。これで高さが同じ(深さが共通の)側面と、幅が異なる底面が形成される。次に、アルカリ性異方性ウエットエッチング液にてエッチングを行うと、加圧室3及び吸入側流路4、吐出側流路5の側面と底面が、それぞれ<111>の結晶方位が出現する約54.7°の角度にて形成することで、エッチングマスク1の幅寸法を段階的に変更することにより、流路深さを多段に形成することが都合2度の工程で可能となり、平面上及び深さ方向の流路体積を同時に増やすことにより省スペースで流路体積を制御良く形成することができるようにしている。   In the micropump manufacturing method according to the present embodiment, first, using the silicon substrate 2 having a crystal plane orientation of <100>, the pressurizing chamber 3, the suction side flow path 4, and the discharge side flow are formed on the surface of the silicon substrate 2. A pattern of the etching mask 1 for forming the path 5 is formed. The etching mask 1 may be any one that can be applied as a mask for anisotropic etching by dry etching, but a nitride film is preferable when it is applied as it is as a mask for anisotropic wet etching. Here, the etching mask 1 is formed by changing the widths of the pressurizing chamber 3, the suction-side flow path 4, and the discharge-side flow path 5. First, etching is performed in the vertical direction by dry etching, and regions having different widths are formed. Etch to the same depth. Thus, side surfaces having the same height (common depth) and bottom surfaces having different widths are formed. Next, when etching is performed with an alkaline anisotropic wet etchant, the <111> crystal orientations appear on the side surfaces and the bottom surface of the pressurizing chamber 3, the suction side flow path 4, and the discharge side flow path 5, respectively. By forming it at an angle of 54.7 °, it is possible to form the flow path depth in multiple steps by changing the width dimension of the etching mask 1 in a stepwise manner. In addition, by simultaneously increasing the channel volume in the depth direction, the channel volume can be formed with good control in a space-saving manner.

(異方性ドライエッチングおよび結晶異方性ウエットエッチング)
先ず、図1及び図2を用いて異方性ドライエッチング(以下、単にドライエッチングともいう)および結晶異方性ウエットエッチング(以下、単に、ウエットエッチングともいう)について説明する。本実施形態に係るマイクロポンプは、結晶面方位<100>のシリコン基板2を使用するため、アルカリ性異方性エッチング(結晶異方性エッチング)を行うと、結晶面によるエッチング速度の違いにより、エッチングマスク1との境界面よりシリコン基板2の表面から約54.7°の角度で、事実上エッチングされない<111>面が出現する。
(Anisotropic dry etching and crystal anisotropic wet etching)
First, anisotropic dry etching (hereinafter also simply referred to as dry etching) and crystalline anisotropic wet etching (hereinafter also simply referred to as wet etching) will be described with reference to FIGS. Since the micropump according to the present embodiment uses the silicon substrate 2 having a crystal plane orientation <100>, if alkaline anisotropic etching (crystal anisotropic etching) is performed, the etching is caused by the difference in etching rate depending on the crystal plane. A <111> plane that is practically not etched appears at an angle of about 54.7 ° from the surface of the silicon substrate 2 from the boundary surface with the mask 1.

例えば、図1(a),図2(a)に示すように、結晶面方位<100>のシリコン基板2上全面にCVD(Chemical Vapor Deposition)による窒化膜を形成した後、パターンニングで一部の窒化膜を除去する。なお、本実施形態では、エッチングマスク開口幅(単に、開口幅ともいう)SをS3=280μm,S4=500μmとしている。   For example, as shown in FIGS. 1 (a) and 2 (a), a nitride film is formed by CVD (Chemical Vapor Deposition) on the entire surface of the silicon substrate 2 having a crystal plane orientation <100> and then partially patterned. The nitride film is removed. In the present embodiment, the etching mask opening width (also simply referred to as opening width) S is set to S3 = 280 μm and S4 = 500 μm.

残された窒化膜をエッチングマスク1として異方性のドライエッチングを行い、シリコン基板2に対して垂直方向にd1ほどエッチングをする。なお、本実施形態では、d1=100μmとしている。   Anisotropic dry etching is performed using the remaining nitride film as an etching mask 1, and etching is performed by d 1 in a direction perpendicular to the silicon substrate 2. In the present embodiment, d1 = 100 μm.

次に、KOH(水酸化カリウム)等のアルカリ性水溶液にて、シリコン基板を100μmエッチングする時間で処理する。このとき、<100>の結晶面方位を持つシリコン基板2は、上述のように<111>の結晶面方位が出現する約54.7°の角度でエッチングが進むので、図1(b),図2(b)に示すような形状にエッチングされる。   Next, the silicon substrate is treated with an alkaline aqueous solution such as KOH (potassium hydroxide) for 100 μm etching time. At this time, the silicon substrate 2 having the <100> crystal plane orientation is etched at an angle of about 54.7 ° at which the <111> crystal plane orientation appears as described above. Etching into a shape as shown in FIG.

(マイクロポンプの製造方法)
図3〜図5を用いて、本発明に係るマイクロポンプの構成およびマイクロポンプの製造方法について具体的に説明する。
(Micro pump manufacturing method)
The configuration of the micropump and the method for manufacturing the micropump according to the present invention will be specifically described with reference to FIGS.

ここで、図3(a)〜(d)は、本実施形態に係るマイクロポンプの平面概略図を示しており、図3(a)は窒化膜マスクのパターンニング後、図3(b)は窒化膜マスクを用いてドライエッチングを行った後、図3(c)はウエットエッチングを行った後、図3(d)は窒化膜マスクを除去した後をそれぞれ示している。   Here, FIGS. 3A to 3D are schematic plan views of the micropump according to the present embodiment. FIG. 3A shows the patterning of the nitride mask, and FIG. After dry etching using the nitride film mask, FIG. 3C shows the state after wet etching, and FIG. 3D shows the state after the nitride film mask is removed.

また、図4(a)は図3(a)におけるA−A´間、図4(b)は図3(b)におけるA−A´間、図4(c)は図3(c)におけるA−A´間、図4(d)は図3(d)におけるA−A´間の断面概略図をそれぞれ示している。また、図5(a)は図3(d)におけるB−B´間、図5(b)は図3(d)におけるC−C´間、図5(c)は図3(d)におけるD−D´間、図5(d)は図3(d)におけるE−E´間の断面概略図をそれぞれ示している。   4A is between A-A 'in FIG. 3A, FIG. 4B is between A-A' in FIG. 3B, and FIG. 4C is in FIG. 3C. FIG. 4D is a schematic cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. 5 (a) is between BB 'in FIG. 3 (d), FIG. 5 (b) is between CC' in FIG. 3 (d), and FIG. 5 (c) is in FIG. 3 (d). FIG. 5D is a schematic cross-sectional view taken along line EE ′ in FIG.

本実施形態のマイクロポンプにおける流速(記録液等の液体の流れる方向)は、図3(a)に示すAからA´方向である。このような流速となるマイクロポンプにおける加圧室3と、加圧室3につながる吸入側流路4と吐出側流路5を形成するため、先ず、結晶面方位<100>のシリコン基板2上にCVDによる窒化膜を、例えば、厚さ1μmで全面に形成し、その後、その上にレジストのマスクを形成し、先ず窒化膜の一部をエッチングで取り除き窒化膜をパターンニングする。次に、レジストを取り除いて、窒化膜マスク1を形成する。なお、これらは公知のリソグラフィー及びエッチング技術により形成可能である(図3(a),図4(a))。   The flow rate (direction in which the liquid such as the recording liquid flows) in the micropump of the present embodiment is from A to A ′ shown in FIG. In order to form the pressurizing chamber 3, the suction side channel 4 and the discharge side channel 5 connected to the pressurizing chamber 3 in the micropump having such a flow rate, first, on the silicon substrate 2 with the crystal plane orientation <100> A nitride film formed by CVD is formed on the entire surface with a thickness of 1 μm, for example, and then a resist mask is formed thereon. First, a part of the nitride film is removed by etching, and the nitride film is patterned. Next, the resist is removed and a nitride film mask 1 is formed. These can be formed by known lithography and etching techniques (FIGS. 3A and 4A).

このとき、エッチング深さを同時に多段で形成するために、図5(a)〜(d)に示すようにエッチングマスク開口幅Sを流路のそれぞれの位置および加圧室で変更して形成するようにする。具体的には、例えば、エッチングマスク開口幅を、それぞれS1=60μm,S2=100μm,S3=280μm,S4=500μmとする。ここで、S1、S2、S3は流路の幅、S4は加圧室の幅となる。   At this time, in order to simultaneously form the etching depth in multiple stages, as shown in FIGS. 5A to 5D, the etching mask opening width S is changed at each position of the flow path and the pressurizing chamber. Like that. Specifically, for example, the etching mask opening widths are set to S1 = 60 μm, S2 = 100 μm, S3 = 280 μm, and S4 = 500 μm, respectively. Here, S1, S2, and S3 are the width of the flow path, and S4 is the width of the pressurizing chamber.

この窒化膜をマスク1として、シリコン基板2をドライエッチングでエッチングする。このドライエッチングは公知の異方性エッチングによれば良く、シリコン基板2に対して垂直方向にエッチングが進む。本実施形態では、図3(b)で示すように流路方向に幅を変えて窒化膜マスクを形成するが、ドライエッチングによる深さ(d1とする)は、いずれの幅の部分でも同じである。本実施形態では、深さd1=100μmとしている(図4(b))。   Using this nitride film as a mask 1, the silicon substrate 2 is etched by dry etching. This dry etching may be a known anisotropic etching, and the etching proceeds in a direction perpendicular to the silicon substrate 2. In this embodiment, as shown in FIG. 3B, the nitride film mask is formed by changing the width in the flow path direction, but the depth (d1) by dry etching is the same in any width portion. is there. In the present embodiment, the depth d1 = 100 μm (FIG. 4B).

次に、ドライエッチングしたあと、窒化膜のマスク1を残したままで、KOH(水酸化カリウム)、TMAH(テトラメチルアンモニアハイドロオキサイド)、EDP(エチレンジアミンピロカテコール)等のアルカリ性水溶液にて、シリコン基板2を100μmエッチングする時間で処理する。   Next, after dry etching, the silicon substrate 2 is left in an alkaline aqueous solution such as KOH (potassium hydroxide), TMAH (tetramethylammonium hydroxide), EDP (ethylenediamine pyrocatechol) or the like while leaving the mask 1 of the nitride film. Is processed for 100 μm etching time.

このとき、<100>の結晶面方位を持つシリコン基板2は<111>の結晶面方位が出現する約54.7°の角度で異方性エッチングされるので、流路の側面および底面(最深部ともいう)が、傾斜した形状でエッチングされる。ここで、開口幅の広いS3、S4ではエッチング時間設定によって底面が平らな形状で形成される。   At this time, the silicon substrate 2 having a crystal plane orientation of <100> is anisotropically etched at an angle of about 54.7 ° at which the crystal plane orientation of <111> appears, so that the side and bottom surfaces (the deepest) Is also etched in an inclined shape. Here, in S3 and S4 having a wide opening width, the bottom surface is formed in a flat shape by setting the etching time.

このとき、エッチング深さは流速方向に順テーパー状に拡がるため、吐出方向の流速を得やすい形状にすることができる(図3(c),図4(c))。本実施形態では、エッチングマスク開口幅SをそれぞれS1=60μm,S2=100μm,S3=280μm,S4=500μmとしているため、具体的なエッチング量は、S1では100μmのドライエッチング後、深さ方向で21μm横方向で左右それぞれ71μmが三角形状にエッチングされる(図5(a))。同様に、S2では100μmのドライエッチング後、深さ方向で35μm横方向で左右それぞれ71μmが三角形状にエッチングされる(図5(b))。また、S3では100μmのドライエッチング後、深さ方向で100μm底面が平坦で周辺が傾斜した形状となり、横方向で左右それぞれ71μmが三角形状にエッチングされる(図5(c))。また、S4では100μmのドライエッチング後、深さ方向で100μm底面が平坦で周辺が傾斜した形状となり、横方向で左右それぞれ71μmが三角形状にエッチングされる(図5(d))。   At this time, since the etching depth expands in a forward taper shape in the flow velocity direction, a shape in which the flow velocity in the discharge direction can be easily obtained can be obtained (FIGS. 3C and 4C). In this embodiment, since the etching mask opening width S is set to S1 = 60 μm, S2 = 100 μm, S3 = 280 μm, and S4 = 500 μm, the specific etching amount in S1 is 100 μm after dry etching in the depth direction. In the lateral direction of 21 μm, the left and right sides of 71 μm are etched in a triangular shape (FIG. 5A). Similarly, in S2, after dry etching of 100 μm, the left and right sides of 71 μm are etched in a triangular shape in the depth direction of 35 μm (FIG. 5B). Further, in S3, after dry etching of 100 μm, the bottom surface of the 100 μm surface is flat and the periphery is inclined in the depth direction, and 71 μm is etched in a triangular shape on the left and right sides in the lateral direction (FIG. 5C). In S4, after dry etching of 100 μm, the bottom surface of the 100 μm surface is flat and the periphery is inclined in the depth direction, and 71 μm is etched in a triangular shape on the left and right sides in the lateral direction (FIG. 5D).

なお、底面の平坦な領域の幅は、S3よりS4が大きくなる。これは、S1,S2については、エッチングマスク開口幅に依存したエッチング深さの異なるV溝形状が形成された時点でエッチングが事実上停止するが、S3,S4は幅が広いためエッチングマスク開口幅には依存せず、エッチング時間に依存するためである。また、S1<S2<S3<S4の関係にあるため、深さdは、d2>d4>d3となる。   The width of the flat region on the bottom surface is larger in S4 than in S3. For S1 and S2, etching is practically stopped when V-groove shapes having different etching depths depending on the etching mask opening width are formed. However, since S3 and S4 are wide, the etching mask opening width is large. This is because it depends on the etching time. Further, since the relationship of S1 <S2 <S3 <S4 is satisfied, the depth d is d2> d4> d3.

なお、エッチングマスク1については、酸化膜あるいは窒化膜などのアルカリ性水溶液に対して、シリコン基板2とのエッチングスピードに選択性を持つ膜種を成膜してエッチングマスク1とすれば良いが、酸化膜は窒化膜よりもアルカリ性水溶液に対するシリコン基板2との選択性が劣ることから、寸法制御の観点から窒化膜をエッチングマスク1とするほうが好ましい。   For the etching mask 1, a film type having selectivity in etching speed with the silicon substrate 2 may be formed into an etching mask 1 with respect to an alkaline aqueous solution such as an oxide film or a nitride film. Since the film is less selective with respect to the silicon substrate 2 with respect to the alkaline aqueous solution than the nitride film, the nitride film is preferably used as the etching mask 1 from the viewpoint of dimensional control.

図3(c),図4(c)に示す工程後、窒化膜のエッチングマスク1を除去する(図3(d),図3(d))。なお、エッチングマスク1の除去は、エッチングマスク種に応じて、Siとの選択性のあるドライエッチングや、弗化水素酸あるいは熱燐酸等のウエットエッチングで除去すれば良く、特に限られるものではない。   After the steps shown in FIGS. 3C and 4C, the nitride film etching mask 1 is removed (FIGS. 3D and 3D). The removal of the etching mask 1 may be removed by dry etching having selectivity with Si, or wet etching such as hydrofluoric acid or hot phosphoric acid, depending on the type of etching mask, and is not particularly limited. .

以上の工程後は、陽極接合や直接接合等の接合技術を用いて、シリコン基板2上に別のシリコン基板やガラス基板等を貼り付け、更に、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などのアクチュエータ素子を貼付することにより、マイクロポンプを製造することができる。   After the above steps, another silicon substrate, a glass substrate, or the like is pasted on the silicon substrate 2 using a bonding technique such as anodic bonding or direct bonding, and an actuator element such as PZT (lead zirconate titanate). A micro pump can be manufactured by sticking.

以上の実施形態では、流路深さを4段階に分けて制御する例について説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、エッチングマスク幅寸法が異なるエッチングマスクを所望数配置することにより、任意の段階で流路深さを作成することができるものである。   In the above embodiment, the example in which the flow path depth is controlled in four stages has been described. However, the present invention is not limited to this, and a desired number of etching masks having different etching mask width dimensions are arranged. Thus, the flow path depth can be created at an arbitrary stage.

また、上記実施形態におけるドライエッチングの深さ、流路の幅、およびウエットエッチングの時間の3つは、任意に設定可能な値である。これらの値を適宜調整することで、さまざまな断面形状の流路を作成することができ、流路構成の自由度が格段に増え、最適な流路及び加圧室の構造を求めやすくなるものである。   In the above embodiment, the dry etching depth, the channel width, and the wet etching time are values that can be arbitrarily set. By appropriately adjusting these values, it is possible to create channels with various cross-sectional shapes, and the degree of freedom in the configuration of the channels is greatly increased, making it easier to find the optimal channel and pressure chamber structure. It is.

また、以上説明した本発明に係るマイクロポンプを液体輸送装置として、インクタンクからのインクが満たされる液室と、外界へインクを吐出させる吐出孔とに連通させることにより構成される液滴吐出ヘッドに適用することが好適である。さらに、このように構成した液滴吐出ヘッドを記録ヘッドとして備えた画像形成装置に適用することも好適である。   In addition, the above-described micropump according to the present invention is used as a liquid transport device, and a droplet discharge head configured by communicating with a liquid chamber filled with ink from an ink tank and a discharge hole for discharging ink to the outside. It is suitable to apply to. Furthermore, it is also suitable to apply to an image forming apparatus provided with the droplet discharge head configured as described above as a recording head.

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。   The above-described embodiment is a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

1 エッチングマスク(窒化膜マスク)
2 シリコン基板
3 加圧室
4 吸入側流路
5 吐出側流路
d1 ドライエッチングの深さ
d2,d3,d4 ウエットエッチングの深さ
S1,S2,S3,S4 エッチングマスク開口幅
1 Etching mask (nitride film mask)
2 Silicon substrate 3 Pressurizing chamber 4 Suction side flow path 5 Discharge side flow path d1 Depth of dry etching d2, d3, d4 Depth of wet etching S1, S2, S3, S4 Opening width of etching mask

特開平3−158242号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-158242 特開2001−38698号公報JP 2001-38698 A

Claims (3)

結晶面方位が<100>のシリコン基板に、加圧室と該加圧室に連通した流路が形成されるマイクロポンプにおいて、
前記加圧室及び前記流路の内壁の少なくとも一部が<111>面であって、前記加圧室と前記流路との幅及び深さが異なり、
かつ、前記加圧室及び前記流路の各位置において開口幅及び最深部の幅よりも大きい幅が前記最深部より浅い位置に形成されていることを特徴とするマイクロポンプ。
In a micropump in which a pressure chamber and a flow path communicating with the pressure chamber are formed on a silicon substrate having a crystal plane orientation of <100>,
At least part of the inner walls of the pressurization chamber and the flow path is a <111> plane, and the width and depth of the pressurization chamber and the flow path are different,
In addition, the micropump is characterized in that a width larger than the opening width and the width of the deepest portion is formed at a position shallower than the deepest portion at each position of the pressurizing chamber and the flow path.
前記流路の幅及び深さは、前記流路の吸入側から吐出側に向かって段階的に異なることを特徴とする請求項1に記載のマイクロポンプ。   2. The micropump according to claim 1, wherein the width and depth of the flow path differ stepwise from the suction side to the discharge side of the flow path. 結晶面方位が<100>のシリコン基板に、加圧室と該加圧室に連通した流路が形成されるマイクロポンプの製造方法において、
前記シリコン基板上に成膜されたエッチングマスクの開口幅を前記加圧室及び前記流路の複数の位置で段階的に異なるように、所定のエッチング深さまで異方性ドライエッチングを行った後、結晶異方性ウエットエッチングを行う工程を含むことを特徴とするマイクロポンプの製造方法。
In a method of manufacturing a micropump in which a pressure chamber and a flow path communicating with the pressure chamber are formed on a silicon substrate having a crystal plane orientation of <100>,
After performing anisotropic dry etching to a predetermined etching depth so that the opening width of the etching mask formed on the silicon substrate differs stepwise at a plurality of positions in the pressure chamber and the flow path, A method of manufacturing a micropump comprising a step of performing crystal anisotropic wet etching.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012166617A (en) * 2011-02-10 2012-09-06 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Pipe seat, and brake device of railroad vehicle using the same
JP2021143629A (en) * 2020-03-12 2021-09-24 株式会社Subaru Internal combustion engine

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