JP2012532772A - 高密度実装のためのｍｅｍｓジェット射出構造 - Google Patents

Abstract

液体射出器は基板及び基板から隔てられた層を有する液体射出モジュールを備える。基板はマトリックスに配列された複数の液体射出素子を有し、それぞれの液体射出素子はノズルから液体を射出させるように構成される。基板から隔てられた層は複数の電気接続を有し、それぞれの電気接続は対応する液体射出素子に隣接する。

Description

本開示は全般的に液体射出に関する。

超小型電気機械システム、すなわちＭＥＭＳベースデバイスは、加速度計、ジャイロスコープ、圧力センサまたは圧力変換器、ディスプレイ、光スイッチ及び液体射出器のような、様々な用途に用いることができる。一般に、１つ以上の個別素子が、絶縁材料、半導体材料または複合材料で形成されたダイのような、単一ダイ上に形成される。ダイは、フォトリソグラフィ、堆積及びエッチングのような、半導体プロセス技術を用いて処理することができる。

液体射出デバイスは、それぞれがノズルから媒体上に液滴を射出できる複数のＭＥＭＳデバイスを有することができる。液滴を射出するために機械式アクチュエータを用いるいくつかのデバイスにおいて、ノズルはそれぞれ液体ポンピングチャンバを含む液路に液体流通可能な態様で連結される。液体ポンピングチャンバは、ポンピングチャンバの容積を一時的に変えて液滴の射出を引きおこす、アクチュエータによって作動される。媒体はダイに対して移動させることができる。特定のノズルからの液滴の射出は、媒体の所望の場所に液滴を配するために、媒体の移動にタイミングが合わせられる。

液滴射出モジュール内のノズルの密度は作製方法が改善されるにつれて向上してきた。例えば、シリコンウエハ上に作製されたＭＥＭＳベースデバイスは、フットプリントが小さく、従来のダイよりノズル密度より高い、ダイに形成される。小さいダイを構成する際の障害の１つは、そのようなデバイスのフットプリントが小さくなるほど電気コンタクトに利用できるダイ上の面積が減少し得ることである。

全般に、一態様において、液体射出システムは、個別に制御可能な複数の液体射出素子及び、複数の液体射出素子が作動されたときに液体を射出するための、複数本のノズルを有する、プリントヘッドモジュールを備え、複数の液体射出素子及び複数のノズルは行と列を有するマトリックスをなして配列され、１平方インチ未満の面積に少なくとも５５０本のノズル(１ｃｍ^２未満の面積に少なくとも８５本のノズル)があり、それぞれの行においてノズルの間隔は一様である。

上記及びその他の実施形態は必要に応じて以下の特徴の内の１つ以上を有することができる。１平方インチ未満の面積に５５０本と６００００本の間のノズル(１ｃｍ^２未満の面積に少なくとも８５本と９３００本の間のノズル)があり得る。１平方インチ未満の面積にほぼ１２００本(１ｃｍ^２未満の面積にほぼ１８６本)のノズルがあり得る。マトリックスは８０列及び１８行を有することができる。マトリックスは、媒体上に６００ｄｐｉ(２３.６ドット/ｍｍ)より高い密度でピクセル線を形成するために単パスで媒体上にノズルから液滴が計量分配され得るようなマトリックスとすることができる。密度はほぼ１２００ｄｐｉ(４７.２ドット/ｍｍ)とすることができる。列はプリントヘッドモジュールの幅に沿って配列することができて、幅は１０ｍｍ未満であり、行はプリントヘッドモジュールの長さに沿って配列することができて、長さは３０ｍｍと４０ｍｍの間である。幅はほぼ５ｍｍとすることができる。複数本のノズルを、液滴の大きさが０.１ｐＬと１００ｐＬの間の液体を射出するように構成することができる。プリントヘッドモジュールはシリコンを含むことができる。液体射出素子は圧電部を有することができる。複数本のノズルを有するプリントヘッドの表面は平行四辺形として整形することができる。ノズルの幅は１５μｍより大きくすることができる。列と行の間の角度は９０°未満とすることができる。

全般に、一態様において、液体射出モジュールは、
複数のノズルがつくり込まれている第１の層、
それぞれ対応するノズルに液体流通可能な態様で連結されている複数のポンピングチャンバを有する第２の層、
及び
それぞれ付随するノズルを通してポンピングチャンバから液体を射出させるように構成される複数の液体射出素子、
を有し、
第１または第２の層の少なくとも一方は感光性フィルムを含む。

上記及びその他の実施形態は必要に応じて以下の特徴の内の１つ以上を有することができる。複数本のノズルは１平方インチ未満の面積に５５０本と６００００本の間のノズル(１ｃｍ^２未満の面積に少なくとも８５本と９３００本の間のノズル)を含むことができる。液体射出素子は圧電部を有することができる。液体射出モジュールはさらに、複数の電気接続を備える、基板から隔てられた層を有することができ、電気接続は圧電領域にかけてバイアスを印加するように構成される。液体射出モジュールはさらに複数の液路を有することができ、それぞれの液路は液体流通可能な態様でポンピングチャンバに連結される。液体射出モジュールはさらに複数のポンピングチャンバ流入口及び複数のポンピングチャンバ流出口を有することができ、それぞれのポンピングチャンバ流入口及びそれぞれのポンピングチャンバ流出口は、液体流通可能な態様で複数の液路の内の１つの液路に連結される。ポンピングチャンバは行と列を有するマトリックスに配列することができる。列と行の間の角度は９０°より小さくすることができる。それぞれのポンピングチャンバはほぼ円形とすることができる。それぞれのポンピングチャンバは複数の直壁を有することができる。感光性フィルムは、フォトポリマー、ドライフィルムフォトレジストまたは感光性ポリイミドを含むことができる。それぞれのノズルの幅は１５μｍより大きくすることができる。第１の層の厚さは５０μｍより薄くすることができる。第２の層の厚さは３０μｍより薄くすることができる。

全般に、一態様において、液体射出器は基板及び基板によって支持される層を有する。基板は、
複数のポンピングチャンバ、
それぞれ液体流通可能な態様で複数のポンピングチャンバの内の１つのポンピングチャンバに連結される複数のポンピングチャンバ流入口及びポンピングチャンバ流出口、
及び
複数のノズル、
を有し、
複数のポンピングチャンバ、複数のポンピングチャンバ流入口及び複数のポンピングチャンバ流出口は同一平面に沿って配置され、
それぞれのポンピングチャンバは、ノズルに重ねて配置され、液体流通可能な態様でノズルに連結される。基板に支持される層は
層を貫通する複数の液路であって、それぞれの液路は複数のポンピングチャンバ流入口及び複数のポンピングチャンバ流出口の内の１つのポンピングチャンバ流入口または１つのポンピングチャンバ流出口から延び、それぞれの液路は軸に沿って延び、軸は平面に直交するものである液路、
及び
それぞれ対応するポンピングチャンバに重ねて配置され、ノズルを通して対応するポンピングチャンバから液体を射出させるように構成される、複数の液体射出素子、
を有する。

上記及びその他の実施形態は必要に応じて以下の特徴の内の１つ以上を有する。基板はシリコンを含むことができる。液体射出素子は圧電領域を有することができる。液体射出素子はさらに、複数の電気接続を備える、基板から隔てられた層を有することができ、電気接続は圧電領域にかけてバイアスを印加するように構成される。それぞれのポンピングチャンバ流入口またはポンピングチャンバ流出口の幅は、それぞれのポンピングチャンバの幅の１０％未満とすることができる。ポンピングチャンバ流入口及びポンピングチャンバ流出口は同じ軸に沿って延びることができる。ポンピングチャンバ流入口またはポンピングチャンバ流出口のそれぞれの幅は液路のそれぞれの幅より小さくすることができる。ポンピングチャンバは行と列を有するマトリックスに配列することができる。列と行の間の角度は９０°より小さくすることができる。それぞれのポンピングチャンバはほぼ円形とすることができる。それぞれのポンピングチャンバは複数の直壁を有することができる。

全般に、一態様において、液体射出器は基板及び層を有する。基板は複数のポンピングチャンバ及び複数本のノズルを有し、それぞれのポンピングチャンバは１本のノズルに重ねて配置され、そのノズルと液体流通可能な態様で連結される。層は基板のノズルとは逆の側にあって複数の液体射出素子を有し、それぞれの液体射出素子は対応するポンピングチャンバに隣接し、対応するノズルを通して対応するポンピングチャンバから液体を射出させるように構成され、液体射出素子からノズルまでの距離は３０μｍ未満である。

上記及びその他の実施形態は必要に応じて以下の特徴の内の１つ以上を有することができる。距離はほぼ２５μｍとすることができる。基板はシリコンを含むことができる。液体射出素子は圧電領域を有することができる。液体射出器はさらに、複数の電気接続を備える、基板から隔てられた層を有することができ、電気接続は圧電領域にかけてバイアスを印加するように構成される。ポンピングチャンバのそれぞれは、対応する液体射出素子から対応するノズルまでの距離の少なくとも８０％である厚さを通して延びることができる。ポンピングチャンバのそれぞれの高さはポンピングチャンバの最短幅の５０％未満とすることができる。ポンピングチャンバは行と列を有するマトリックスに配列することができる。列と行の間の角度は９０°より小さくすることができる。それぞれのポンピングチャンバはほぼ円形とすることができる。それぞれのポンピングチャンバは複数の直壁を有することができる。

全般に、一実施形態において、液体射出器は複数のポンピングチャンバ及び複数のノズルを有する基板を備え、それぞれのポンピングチャンバは１本のノズルに重ねて配置されてそのノズルと液体流通可能な態様で連結され、ポンピングチャンバの幅は約２５０μｍであり、基板の１平方インチ当たり１０００より多く(１ｃｍ^２当たり１５５より多く)のポンピングチャンバがある。

上記及びその他の実施形態は必要に応じて以下の特徴の内の１つ以上を有することができる。基板はシリコンを含むことができる。液体射出素子は圧電領域を有することができる。液体射出器はさらに、複数の電気接続を備える、基板から隔てられた層を有することができ、電気接続は圧電領域にかけてバイアスを印加するように構成される。ポンピングチャンバは行と列を有するマトリックスに配列することができる。列と行の間の角度は９０°より小さくすることができる。それぞれのポンピングチャンバはほぼ円形とすることができる。それぞれのポンピングチャンバは複数の直壁を有することができる。

全般に、一態様において、液体射出器は、基板及び基板から隔てられた層を有する液体射出モジュールを備える。基板はマトリックスに配列された複数の液体射出素子を有し、それぞれの液体射出素子はノズルから液体を射出させるように構成される。基板から隔てられた層は複数の電気接続を有し、それぞれの電気接続は対応する液体射出素子に隣接する。

上記及びその他の実施形態は必要に応じて以下の特徴の内の１つ以上を有することができる。巣はさらに層を貫通する複数の液路を有することができる。複数の液路はバリア材料で被覆することができる。バリア材料には、チタン、タンタル、酸化シリコンまたは酸化アルミニウムを含めることができる。液体射出器はさらに、層と液体射出モジュールの間にバリア層を有することができる。バリア層にはＳＵ８を含めることができる。層は複数の集積スイッチング素子を有することができる。層はさらに複数の集積スイッチング素子を制御するように構成されたロジックを有することができる。それぞれの液体射出素子は少なくとも１つのスイッチング素子に隣接して配置することができる。液体射出素子毎にスイッチング素子が２つあり得る。液体射出器はさらに複数の金バンプを有することができ、それぞれの金バンプは液体射出素子の電極に接触するように構成される。電極はリング電極とすることができる。

全般に、一態様において、液体射出器は液体射出モジュール及び集積回路インターポーザを有する。液体射出モジュールは第１の複数の液路及び複数の液体射出素子を有する基板を備え、それぞれの液体射出素子は付随する液路のノズルから液体を射出させるように構成される。集積回路インターポーザは液体射出モジュールに搭載され、第１の複数の液路と液体が流通する第２の複数の液路を有し、集積回路インターポーザは、液体射出モジュールの電気接続によって、集積回路インターポーザに送られるべき信号の、液体射出モジュールへの送信、集積回路インターポーザ上での処理、及び複数の液体射出素子の内の少なくとも１つを駆動するための液体射出モジュールへの出力が可能になるように、液体射出モジュールと電気的に接続される。

上記及びその他の実施形態は必要に応じて以下の特徴の内の１つ以上を有することができる。第２の複数の液路はバリア材料で被覆することができる。バリア材料には、チタン、タンタル、酸化シリコンまたは酸化アルミニウムを含めることができる。液体射出器はさらに集積回路インターポーザと液体射出モジュールの間にバリア層を有することができる。バリア層にはＳＵ８を含めることができる。集積回路インターポーザは複数の集積スイッチング素子を有することができる。集積回路インターポーザはさらに複数の集積スイッチング素子を制御するように構成されたロジックを有することができる。それぞれの液体射出素子は少なくとも１つのスイッチング素子に隣接して配置することができる。液体射出素子毎にスイッチング素子が２つあり得る。液体射出器はさらに複数の金バンプを有することができ、それぞれの金バンプは液体射出素子の電極に接触するように構成される。電極はリング電極とすることができる。

全般に、一態様において、液体射出器は液体射出モジュール及び集積回路インターポーザを有する。液体射出モジュールは、
それぞれノズルと液体が通じるポンピングチャンバを有する複数の液路を有する基板、
及び
それぞれ付随する液路のノズルから液体を射出するように構成される複数の液体射出素子、
を有し、軸がポンピングチャンバ及びノズルを通って第１の方向に延びる。集積回路インターポーザは複数の集積スイッチング素子を有し、集積回路インターポーザは複数の集積スイッチング素子のそれぞれが複数のポンピングチャンバの内のそれぞれ１つのポンピングチャンバと第１の方向に沿って揃えられるように液体射出モジュールに搭載され、集積スイッチング素子は、液体射出モジュールの電気接続によって、集積回路インターポーザに送られるべき信号の、液体射出モジュールへの送信、集積回路インターポーザ上での処理、及び複数の液体射出素子の内の少なくとも１つを駆動するための液体射出モジュールへの出力が可能になるように、液体射出モジュールと電気的に接続される。

上記及びその他の実施形態は必要に応じて以下の特徴の内の１つ以上を有することができる。集積回路インターポーザはさらに集積回路インターポーザを貫通する複数の液路を有することができる。それぞれのポンピングチャンバは少なくとも１つの液路と液体流通可能な態様で連結することができ、この少なくとも１つの液路は第２の軸に沿って第１の方向に延び、第２の軸はポンピングチャンバを通って延びている第１の軸と異なる。それぞれのポンピングチャンバは２つの液路と液体流通可能な態様で連結することができる。複数の流路はバリア材料で被覆することができる。バリア材料には、チタン、タンタル、酸化シリコンまたは酸化アルミニウムを含めることができる。液体射出器はさらに集積回路インターポーザと液体射出モジュールの間にバリア層を有することができる。バリア層にはＳＵ８を含めることができる。集積回路インターポーザはさらに複数の集積スイッチング素子を制御するように構成されたロジックを有することができる。液体射出素子毎にスイッチング素子が２つあり得る。液体射出器はさらに複数の金バンプを有することができ、それぞれの金バンプは液体射出素子の電極に接触するように構成される。電極はリング電極とすることができる。

全般に、一態様において、液体射出器は、液体射出モジュール、液体射出モジュールに搭載されて液体射出モジュールに電気的に接続された集積回路インターポーザ、及びフレキシブル素子を備える。液体射出モジュールは、
それぞれノズルと液体流通可能な態様で接続されているポンピングチャンバを有する複数の液路を有する基板、
及び
それぞれ付随する液路のノズルから液体を射出させるように構成される複数の液体射出素子、
を有する。集積回路インターポーザは液体射出モジュールの幅より小さい幅を有し、よって液体射出モジュールはレッジを有する。フレキシブル素子は第１の縁端を有し、第１の縁端の幅は３０μｍより狭く、第１の縁端は液体射出モジュールのレッジに取り付けられる。フレキシブル素子は、液体射出モジュールの電気接続によって、フレキシブル素子から液体射出モジュールへの信号の集積回路インターポーザへの送信、集積回路インターポーザ上での処理、及び複数の液体射出素子の内の少なくとも１つを駆動するための液体射出モジュールへの出力が可能になるように、液体射出モジュールと電気的に接続されている。

上記及びその他の実施形態は必要に応じて以下の特徴の内の１つ以上を有することができる。フレキシブル素子は液体射出モジュールの表面に取り付けることができ、表面は集積回路インターポーザに隣接する。フレキシブル素子はプラスチック基板上に形成することができる。フレキシブル素子はフレキシブル回路とすることができる。液体射出器はさらに、フレキシブル素子上の導電素子に隣接してこの導電素子と電気的に導通し、液体射出モジュール上の導電素子に隣接してこの導電素子と電気的に導通している、導電材料を有することができる。基板はシリコンを含むことができる。

全般に、一態様において、液体射出器は、液体射出モジュール、液体射出モジュールに搭載されて液体射出モジュールに電気的に接続された集積回路インターポーザ、及び液体射出モジュールに取り付けられたフレキシブル素子を有する。液体射出モジュールは、
それぞれノズルと液体流通可能な態様で連結しているポンピングチャンバを有する複数の液路を有する基板、
及び
それぞれ付随する液路のノズルから液体を射出させるように構成される複数の液体射出素子、
を備える。集積回路インターポーザは液体射出モジュールの幅より広い幅を有し、よって集積回路インターポーザはレッジを有する。フレキシブル素子は集積回路インターポーザのレッジのまわりで液体射出モジュールに隣接して曲り、フレキシブル素子は、液体射出モジュールの電気的接続によって、フレキシブル素子から液体射出モジュールへの信号の集積回路インターポーザへの送信、集積回路インターポーザ上での処理、及び複数の液体射出素子の内の少なくとも１つを駆動するための液体射出モジュールへの出力が可能になるように、液体射出モジュールと電気的に接続されている。

上記及びその他の実施形態は必要に応じて以下の特徴の内の１つ以上を有することができる。フレキシブル素子は液体射出モジュールの第１の表面に隣接することができ、第１の表面は液体射出モジュールの第２の表面に対して直交し、第２の表面は集積回路インターポーザに隣接する。フレキシブル素子はプラスチック基板上に形成することができる。フレキシブル素子はフレキシブル回路とすることができる。液体射出器はさらに、フレキシブル素子上の導電素子に隣接してこの導電素子と電気的に導通し、液体射出モジュール上の導電素子に隣接してこの導電素子と電気的に導通している、導電材料を有することができる。基板はシリコンを含むことができる。

全般に、一態様において、液体射出器は、液体供給源及び液体回収槽、液体射出アセンブリ及びハウジングコンポーネントを有する。液体射出アセンブリは、第１の方向に延びる複数の第１の液路、第１の方向に延びる複数の第２の液路及び複数のポンピングチャンバを有し、それぞれのポンピングチャンバは単一の第１の液路及び単一の第２の液路に液体流通可能な態様で連結される。ハウジングコンポーネントは複数の液体流入路及び複数の液体流出路を有し、液体流入路のそれぞれは第２の方向に延びて供給源を第１の液路の内の１つ以上と連結し、複数の液体流出路のそれぞれは第２の方向に延びて回収槽を第２の液路の内の１つ以上と連結し、第１の方向は第２の方向に直交する。

上記及びその他の実施形態は必要に応じて以下の特徴の内の１つ以上を有することができる。液体射出アセンブリはシリコン基板を有することができる。第１の流路は第２の流路と同じ形状を有することができる。液体流入路は液体流出路と同じ形状を有することができる。液体流入路及び液体流出路のそれぞれはハウジングコンポーネントの幅の少なくとも８０％にわたって延びることができる。

全般に、一態様において、液体射出器を作製する方法は、
複数のポンピングチャンバを形成するためにウエハをパターニングする工程であって、ポンピングチャンバは幅がほぼ２５０μｍであり、ウエハ１平方インチ当たり１０００より多くの(１ｃｍ^２当たり１５５より多くの)ポンピングチャンバがある工程、
及び
ウエハ１平方インチ当たり３個より多くの(１０００ｃｍ^２当たり４６５個より多くの)ダイが形成されるように、ウエハを複数のダイに切り分ける工程、
を含む。

上記及びその他の実施形態は必要に応じて以下の特徴の内の１つ以上を有することができる。ウエハは６インチ(１５２.４ｍｍ)径の円形ウエハとすることができ、ウエハ上にはそれぞれが少なくとも３００のポンピングチャンバを有するダイを少なくとも４０個形成することができる。ウエハは６インチ径円形ウエハとすることができ、ウエハからダイを８８個形成することができる。ダイのそれぞれの形状は四辺形とすることができる。ダイのそれぞれの形状は平行四辺形とすることができる。平行四辺形の少なくとも１つのコーナーは９０°より小さい角をなすことができる。それぞれのポンピングチャンバに圧電アクチュエータを付随させることができる。

いくつかの実施形態は以下の利点の内の１つ以上を有することができる。被覆により液路と電子素子／回路の間の液漏れを低減または防止することができる。漏れの低減により、デバイスの有用寿命を長くすることができ、プリンタを一層頑丈にすることができ、修理のためのプリンタのダウンタイムを短くすることができる。３０μｍより薄い、例えば２５μｍのプリントチャンバ層を有することにより、液体がその層を迅速に通過し、約１８０ｋＨｚと３９０ｋＨｚの間のような、あるいはさらに高い、高固有周波数を有する液体射出デバイスを提供することができる。すなわち、液体射出デバイスは、高周波数、例えばデバイスの固有周波数近傍ないしさらに高い周波数、及び低電圧、例えば２０Ｖ未満(例えば１７Ｖ)で動作させることができる。周波数が高くなることで、同じ体積の液体をノズル幅を広くして射出することが可能になる。ノズル幅を広くすれば、ノズルを閉塞させないでおくことが容易になり、再現性を高くすることが容易になる。駆動電圧を低くすることで、デバイスの動作をさらに安全にし、所要使用エネルギーを少なくすることが可能になる。さらに、ポンピングチャンバを薄くすることで、ポンピングチャンバ層の形成に必要な材料が低減される。使用する材料、特にシリコンのようなそれなりに貴重な材料が少なくなれば、無駄が減り、デバイスコストが下がる。電気接続及び配線をダイから隔てられた層に移すことにより、ポンピングチャンバ及びノズルの密度を高めることが可能になる。この結果、単パスモードに対して、１２００ｄｐｉ(４７.２ドット/ｍｍ)のような、６００ｄｐｉ(２３.６ドット/ｍｍ)ないしさらに高い解像度の、またスキャンモードに対しては、４８００ｄｐｉ(１８９.０ドット/ｍｍ)または９６００ｄｐｉ(３７８.０ドット/ｍｍ)のような、１２００ｄｐｉより高い解像度の、画像を印刷媒体上に形成することができ、ウエハ当たりにさらに多くの基板を形成することができる。デバイスはポンピングチャンバとノズルの間に下降流路を必要としない。下降流路がないことで、周波数応答を速め、ジェット流及び液体メニスカスの制御を向上させることができる。液体が射出するまでに通過しなければならない距離を短くすることで、射出される液体の量を一層容易に制御することができる。例えば、ポンピングチャンバとノズルの間の下降流路が無いから流路内にある液体が少なくなり、よって、ノズルを大きくしても、射出される液体の体積を小さくすることができる。デバイスのいくつかの層は、圧力波からいくらかのエネルギーを吸収することができる、しなやかな材料で形成することができる。エネルギーの吸収によりクロストークが低減され得る。ハウジングにある液体流入路及び液体流出路は、基板にある場合よりも流路間のクロストークを減じることができる。高密度実装されたノズル及び流路はクロストークを一層受け易いから、流入路及び流出路をハウジングに移すことで、ダイにデバイスをさらに高密度に実装することが可能になり得る。クロストークが減る結果、意図されていない液滴射出が減じる。ダイ内のデバイスをさらに多くすることにより、１インチ当たりのドット数を大きくするかまたは印刷解像度を高めることが可能になる。フレキシブル回路をその最も薄い縁端でボンディングすることにより、用いられるべきダイをさらに小さくすることができ、液体射出器内を通過している液体から電気接続を保護するための封止をより容易にすることが可能になる。さらに、フレキシブル回路を外側に沿わせずに直接にダイにボンディングすることで、隣接モジュールとさらに密接させることが可能になる。さらに、フレキシブル回路を曲げるのではなく、その最も薄い縁端で直接にボンディングすることにより、フレキシブル回路内の応力が低減される。

１つ以上の実施形態の詳細は添付図面及び以下の記述で説明される。その他の特徴、態様及び利点は、記述、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

図１は例示液体射出器の斜視図である。 図２は例示液体射出器の簡略な断面図である。 図３は例示液体射出器の底部の斜視一部分解組立図である。 図４は例示液体射出器の斜視断面図である。 図５は例示液体射出器のノズル層を示す斜視底面図である。 図６は例示液体射出器のポンピングチャンバ層の斜視上部図である。 図６Ａはポンピングチャンバの拡大上面図である。 図７は例示液体射出器のメンブラン層の上面図である。 図８は例示液体射出器のアクチュエータ層の一実施形態の斜視断面図である。 図９は例示液体射出器のアクチュエータ層の別の実施形態の上面図である。 図１０は例示液体射出器の集積回路インターポーザの斜視底面図である。 図１１は例示ダイに接合されたフレキシブル回路の一実施形態の略図である。 図１２は例示液体射出モジュールに接合されたフレキシブル回路の別の実施形態の略図である。 図１３は例示液体射出器の、フレキシブル回路、集積回路インターポーザ及びダイの接続図である。 図１４は例示液体射出器のハウジング層の斜視図である。 図１５Ａは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｂは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｃは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｄは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｅは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｆは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｇは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｈは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｉは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｊは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｋは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｌは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｍは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｎは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｏは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｐは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｑは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｒは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｓは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１５Ｔは液体射出器を作製するための方法の一例を示す略図である。 図１６は８８個のダイを有するウエハの略図である。

様々な図面における同様の参照数字及び指定は同様の要素を示す。

デジタルインクジェット印刷のような、液滴射出中は、印刷画像における誤差及び欠陥を回避しながら、高速及び低コストで印刷することが望ましい。例えば、低コスト液体射出器は、ポンピングチャンバからノズルまで液量が通過しなければならない距離を減じることにより、ダイ内のアクチュエータからの液体の射出を制御するための、それぞれが対応する液体射出素子に隣接する、電気接続を有する、ダイから隔てられた、層を設けることにより、及び、ダイではなくハウジング内に液体流入路及び液体流出路を設けることにより、高速度で高品質画像を形成することができる。

図１を参照すれば、例示液体射出器１００は、半導体プロセス技術を用いて作製されたダイ１０３とすることができる、液体射出モジュール、例えば平行四辺形平板型プリントヘッドモジュールを有する。液体射出器は、以下でさらに論じられる、ダイ１０３に重なる集積回路インターポーザ１０４及び下部ハウジング３２２をさらに有する。ハウジング１１０が、ダイ１０３，集積回路インターポーザ１０４及び下部ハウジング３２２を支持して、囲み、ハウジング１１０はハウジング１１０をプリントバーに連結するためのピン１５２を有する取付けフレーム１４２を備えることができる。外部プロセッサからデータを受け取り、ダイに駆動信号を送るための、フレキシブル回路２０１をダイ１０３に直接接続することができ、ハウジングによって所定の場所に保持することができる。ダイ１０３に液体を供給するために下部ハウジング３２２内部の流入チャンバ１３２及び流出チャンバ１３６(図４を見よ)に配管１６２及び１６６を連結することができる。液体射出器１００から射出される液体はインクとすることができるが、液体射出器１００はその他の液体、例えば、生物学的液体、ポリマー、または電子コンポーネントを形成するための液体にも適し得る。

図２を参照すれば、液体射出器１００は、基板１２２，例えばダイ１０３の一部である絶縁体上シリコン(ＳＯＩ)ウエハ、及び集積回路インターポーザ１０４を有することができる。集積回路インターポーザ１０４は、トランジスタ２０２(図２には射出デバイスが１つしか示されておらず、したがってトランジスタは１つしか示されていない)を有し、ノズル１２６からの液体の射出を制御するための信号を与えるように構成される。基板１２２及び集積回路インターポーザ１０４の内部には複数の液体流路(液路)１２４が形成されている。単液路１２４にはポンピングチャンバ１７４につながる流入チャネル１７６がある。ポンピングチャンバ１７４はノズル１２６及び流出チャネル１７２の両者につながる。液路１２４は、ポンピングチャンバ１７４を流入チャネル１７６及び流出チャネル１７２にそれぞれ連結する、ポンピングチャンバ流入口２７６及びポンピングチャンバ流出口２７２をさらに有する。液路は半導体プロセス技術、例えばエッチングによって形成することができる。いくつかの実施形態において、ダイ１０３の層内にある程度まで延びるかまたは層を完全に貫通する直壁構造を形成するために反応性深イオンエッチングが用いられる。いくつかの実施形態において、絶縁層２８４に隣接するシリコン層２８６が絶縁層をエッチ止めとして用いて貫通エッチングされる。ダイ１０３は、ポンピングチャンバ１７４の１つの壁を定め、ポンピングチャンバ１７４の内部をアクチュエータへの露出から封止する、メンブラン１８０を有することができる。絶縁層２８４のポンピングチャンバ１７４とは逆の側にノズル層１８４を配することができる。メンブラン１８０はシリコンの単層で形成することができる。あるいは、メンブラン１８０は１つまたはさらに多くの酸化物層を含むことができ、あるいは酸化アルミニウム(Ａｌ_２Ｏ_３)、窒化アルミニウムまたは酸化ジルコニウム(ＺｒＯ_２)で形成することができる。

液体射出器１００は、基板１２２によって支持される、個別制御可能なアクチュエータ４０１も有する。複数のアクチュエータ４０１がアクチュエータ層３２４(図３を見よ)を形成するとされ、アクチュエータ層３２４においてアクチュエータは相互に電気的及び物理的に隔てられているが、それでも、層の一部である。基板１２２は、必要に応じて、アクチュエータとメンブラン１８０の間に、酸化物のような、絶縁材料２８２の層を有する。起動されると、アクチュエータは対応する液路１２４のノズル１２６から液体を選択的に射出させる。アクチュエータ４０１が付随する液路１２４のそれぞれが個別制御可能なＭＥＭＳ液体射出器ユニットを提供する。いくつかの実施形態において、アクチュエータ４０１の起動は、メンブラン１８０をポンピングチャンバ１７４内に偏向させ、ポンピングチャンバ１７４の容積を減じさせて、液体をノズル１２６から押し出す。アクチュエータ４０１は圧電アクチュエータとすることができ、下部電極１９０，圧電層１９２及び上部電極１９４を有することができる。あるいは、液体射出素子は加熱素子とすることができる。

図３に示されるように、液体射出器１００は縦積みされた複数の層を有することができる。下部ハウジング３２２は集積回路インターポーザ１０４に接合することができる。集積回路インターポーザ１０４はアクチュエータ層３２４に接合することができる。アクチュエータ層３２４はメンブラン１８０に取り付けることができる。メンブラン１８０はポンピングチャンバ層３２６に取り付けることができる。ポンピングチャンバ層３２６はノズル層１８４に取り付けることができる。一般に、層は同様の材料を含むかまたは同じ面に沿って存在する同様の素子を有する。層の全てはほぼ同じ幅を有することができ、例えば、それぞれの層は長さ及び長さの少なくとも８０％の幅、及び液体射出器１００の他の層の幅を有することができる。図３には示されていないが、ハウジング１１０は縦積みされた層を少なくともある程度囲むことができる。

図４を参照すれば、液体は、液体供給源から下部ハウジング３２２を流過し、集積回路インターポーザ１０４を流過し、基板１０３を流過して、ノズル層１８４のノズル１２６から流出することができる。下部ハウジング３２２は、分界壁１３０によって分割して、流入チャンバ１３２及び流出チャンバ１３６を設けることができる。液体供給源からの液体は液体流入チャンバ１３２に流入し、下部ハウジング３２２の床にある液体流入口１０１を流過し、下部ハウジング３２２の液体流入路４７６を流過し、液体射出モジュール１０３の液路１２４を流過し、下部ハウジング３２２の液体流出路４７２を流過し、流出口１０２を通って流出し、流出チャンバ１３６に流入して、液体回収槽に流れる。液体射出モジュール１０３を流過している液体の一部をノズル１２６から射出することができる。

液体流入口１０１及び液体流入路４７６はそれぞれ、１つ、２つまたはさらに多くのユニット列のような、多くのＭＥＭＳ流体射出ユニットの平行流入チャネル１７６に共通に液体流通可能な態様で連結される。同様に、液体流出口１０２及び液体流出路４７２はそれぞれ、１つ、２つまたはさらに多くのユニット列のような、多くのＭＥＭＳ流体射出ユニットの平行流出チャネル１７２に共通に液体流通可能な態様で連結される。液体流入チャンバ１３２のそれぞれは複数の液体流入口１０１に共通である。また、液体流出チャンバ１３６のそれぞれは複数の液体流出口１０２に共通である。

図５を参照すれば、ノズル層１８４はノズル１２６のマトリックスまたはアレイを有することができる。いくつかの実施形態において、ノズル１２６は直線平行行５０４及び直線平行列５０２に配列される。本明細書で用いられるように、列は、印刷方向に垂直であるよりも印刷方向に平行な軸に近付けて配列されたノズルのセットである。しかし、列５０２は印刷方向に正確に平行である必要はなく、むしろ４５°より小さい角度でオフセットされるであろう。さらに、行は、印刷方向に平行であるよりも印刷方向に垂直な軸に近付けて配列されたノズルのセットである。同様に、行５０４は印刷方向に正確に垂直である必要はなく、むしろ４５°より小さい角度でオフセットされるであろう。列５０２はノズル層１８４の幅Ｗにほぼ沿って延びることができ、行５０４はノズル層１８４の長さＬにほぼ沿って延びることができる。

マトリックス内の列５０２の数は、行５０４の数より多くすることができる。例えば、２０より少ない行及び５０より多い列、例えば１８行及び８０列があり得る。それぞれの行５０４のノズル１２６はその行内の隣のノズルとの間隔を等しくすることができる。同様に、それぞれの列のノズル１２６はその列内の隣のノズルとの間隔を等しくすることができる。さらに、行及び列は垂直方向に揃えられる必要はない。それどころか、行と列の間の角度を９０°より小さくすることができる。行及び／または列は完全に間隔をとる必要はないであろう。さらに、ノズル１２６は行及び／または列をなして直線に沿って配される必要はないであろう。

ノズルマトリックスは、１平方インチ(６.２５ｃｍ^２)より小さい面積内に、例えば５５０本と６００００本の間のノズル、例えば１４４０本または１２００本のノズルを有する、高密度マトリックスとすることができる。以下でさらに論じられるように、この高密度マトリックスは、例えば、別付けの集積回路インターポーザ１０４がアクチュエータを制御するためのロジックを有し、ポンピングチャンバ、したがってノズルを相互にさらに密接に近づけることができるから、達成することができる。すなわち、メンブランにかけて通る電気配線をメンブラン層から実質的に無くすことができる。

ノズル１２６を有する領域は１インチ(２５.４ｍｍ)より大きい長さＬを有することができ、ノズル層の長さＬは例えば約３４ｍｍとすることができ、またノズル層の幅Ｗは１インチより小さく、例えば約６.６ｍｍとすることができる。ノズル層は２０μｍ〜４０μｍのような、１μｍと５０μｍの間の、例えば３０μｍの、厚さを有することができる。ノズル１２６はＫＯＨでエッチングすることができ、正方形または円形とすることができる。

媒体がプリントバーの下方を通過するときに、高密度マトリックスのノズルは、媒体上にピクセルの線を、６００ｄｐｉより高い、１２００ｄｐｉ以上のような、高密度、すなわち高印刷解像度で、形成するために、単パスで媒体上に液体を射出することができる。１２００ｄｐｉ以上の密度を得るため、大きさが０.０１ｐＬと１０ｐＬの間の、２ｐＬのような液滴をノズルから射出することができる。ノズルの幅は１０μｍと２０μｍの間のような、１μｍと２０μｍの間、例えば約１５μｍまたは１５.６μｍとすることができる。

ノズル層１８４はシリコンで形成することができる。別の実施形態において、ノズル層１８４はポリイミドまたは、エッチングが必要とされないフォトリソグラフィでパターンを形成できる点で有利になり得る、フォトポリマー、ドライフィルムフォトレジストまたは感光性ポリイミドのような、感光性フィルムで形成することができる。

図６を参照すれば、ノズル層１８４にポンピングチャンバ層３２６を隣接させる、例えば取り付けることができる。ポンピングチャンバ層３２６はポンピングチャンバ１７４を有する。それぞれのポンピングチャンバ１７４は付随するノズルから液体を押し出す変形可能な壁を少なくとも１つもつ空間とすることができる。ポンピングチャンバは可能な最大の実装密度を提供する形状をとることができる。図６に示されるように、ポンピングチャンバ１７４はほぼ円形であり、一般に側壁６０２よって定めることができる。ポンピングチャンバは正確な円形ではなく、すなわち準円形であり、楕円形、または長円形とすることができ、あるいは六角形、八角形または多角形のような、直辺と曲辺の組合せを有することができる。さらに、ポンピングチャンバは、最長幅に沿って、約１２５μｍから２５０μｍのような、約１００μｍから４００μｍとすることができる。ポンピングチャンバ１７４の高さはポンピングチャンバの最短幅の５０％未満とすることができる。

それぞれのポンピングチャンバは、ポンピングチャンバから延び、ポンピングチャンバ層３２６に形成された、ポンピングチャンバ流入口２７６及びポンピングチャンバ流出口２７２を有することができる。ポンピングチャンバ流入口２７６及びポンピングチャンバ流出口２７２はポンピングチャンバ１７４と同じ平面に沿って延びることができ、互いに同じ軸に沿って通ることができる。ポンピングチャンバ流入口２７６及びポンピングチャンバ流出口２７２はポンピングチャンバ１７４よりかなり狭い幅を有することができ、この幅は流入口または流出口の最小平面寸法である。ポンピングチャンバ流入口２７６及びポンピングチャンバ流出口２７２の幅はポンピングチャンバ１７４の幅の３０％未満、例えば１０％未満とすることができる。ポンピングチャンバ流入口２７６及びポンピングチャンバ流出口２７２はポンピングチャンバ１７４から延びる平行壁を有することができ、平行壁間の距離が幅である。図６Ａに示されるように、ポンピングチャンバ流入口２７６の形状はポンピングチャンバ流出口２７２と同じとすることができる。

ポンピングチャンバ層はポンピングチャンバ流入口２７６及びポンピングチャンバ流出口２７２並びに流入チャネル１７６及び流出チャネル１７２から独立なチャネルを有していない。言い換えれば、ポンピングチャンバ流入口２７６及びポンピングチャンバ流出口２７２を除いて、ポンピングチャンバ層を水平方向に通る液路はない。同様に、流入チャネル１７６及び流出チャネル１７２を除いて、ポンピングチャンバ層を垂直方向に通る液路はない。ポンピングチャンバ層３２６は下降流路、すなわちポンピングチャンバ１７４からノズル１２６に通るチャネルを有していない。それどころか、ポンピングチャンバ１７４はノズル層１８４のノズル１２６に直接に接する。さらに、流入チャネル１７６はダイ１０３をほぼ垂直方向に通ってポンピングチャンバ流入口２７６と交差する。ポンピングチャンバ流入口２７６は続いてポンピングチャンバ層３２６を水平方向に通ってポンピングチャンバ１７４と液体流通可能な態様で連結する。同様に、流出チャネル１７２はダイ１０３をほぼ垂直方向に通ってポンピングチャンバ流出口２７２と交差する。

図６Ａに、平面図で、示されるように、液体流入口１７６と交差するポンピングチャンバ流入口２７６の領域６７６及び液体流出口１７２と交差するポンピングチャンバ流出口２７２の領域６７２はポンピングチャンバ流入口２７６及びポンピングチャンバ流出口２７２の残余領域よりも幅を広くするかまたは直径を大きくすることができる。さらに、領域６７２及び６７６はほぼ円形の形状をとることができる。すなわち、流入チャネル１７６及び流出チャネル１７２はチューブ形状をとることができる。さらに、付随するノズル１２６は、ポンピングチャンバ１７４の直下に配して、ポンピングチャンバ１７４と中心を合わせることができる。

図６に戻って参照すれば、ポンピングチャンバ１７４は行と列を有するマトリックスに配列することができる。列と行の間の角度は９０°より小さくすることができる。１つのダイに、５５０と６００００の間の数のポンピングチャンバを入れることができ、例えば１平方インチより小さい面積に１４４０または１２００の数のポンピングチャンバを入れることができる。ポンピングチャンバの高さは５０μｍ未満、例えば２５μｍとすることができる。さらに、図２に戻って参照すれば、それぞれのポンピングチャンバ１７４は対応するアクチュエータ４０１と隣接する、例えば、アクチュエータ４０１と位置を合わせて直下に配されることができる。ポンピングチャンバは対応するアクチュエータからノズルまでの距離の少なくとも８０％の距離にわたって延びることができる。

ノズル層１８４と同様、ポンピングチャンバ層２６はシリコンまたは感光性フィルムで形成することができる。感光性フィルムは、例えば、フォトポリマー、ドライフィルムフォトレジストまたは感光性ポリイミドとすることができる。

メンブラン層１８０を、ポンピングチャンバ層３２６に隣接させる、例えば取り付けることができる。図７を参照すれば、メンブラン層１８０はメンブラン層１８０を貫通する開口７０２を有することができる。開口は液路１２４の一部とすることができる。すなわち、流入チャネル１７６及び流出チャネル１７２は、メンブラン層１８０の開口７０２を通って延びることができる。したがって開口７０２は行と列を有するマトリックスを形成することができる。メンブラン層１８０は、例えばシリコンで形成することができる。メンブランは２５μｍ未満のように比較的薄く、例えば約１２μｍとすることができる。

アクチュエータ層３２４を、メンブラン層１８０に隣接させる、例えば取り付けることができる。アクチュエータ層はアクチュエータ４０１を有する。アクチュエータは加熱素子とすることができる。あるいは、アクチュエータ４０１は、図２，８及び９に示されるように、圧電素子とすることができる。

図２，８及び９に示されるように、それぞれのアクチュエータ４０１は、下部電極１９０及び上部電極１９４を含む、２つの電極の間の圧電層１９２を有する。圧電層１９２は例えばチタン酸鉛ジルコニウム(ＰＺＴ)膜とすることができる。圧電層１９２の厚さは、約１μｍと４μｍの間のように、約１μｍと２５μｍの間とすることができる。圧電層１９２はバルク圧電材料で形成することができ、あるいは物理的気相成長装置を用いるスパッタリングによるかまたはゾル−ゲル法によって形成することができる。スパッタ圧電層は柱状構造をとり得るが、バルク圧電層及びゾル−ゲル圧電層はよりランダムな構造をとり得る。いくつかの実施形態において、圧電層１９２は、図８に示されるように、全てのアクチュエータの面内及び間にわたって拡がる連続圧電層である。あるいは、図２及び９に示されるように、圧電層は、隣り合うアクチュエータの圧電領域が相互に接触しないように、例えば隣り合うアクチュエータを分離する間隙が圧電層にあるように、セグメントに分けることができる。例えば、圧電層１９２はほぼ円形につくられた島構造とすることができる。個々に形成された島構造はエッチングで作製することができる。図２に示されるように、圧電層１９２が連続ではない場合に上部電極と下部電極の相互接触を防止するために、絶縁物層、例えばＳＵ８または酸化物の層のような、底面保護層２１４を用いることができる。以降の処理工程中にアクチュエータを保護するため、及び／またはモジュールの動作中に水分からアクチュエータを保護するため、絶縁物層、例えばＳＵ８または酸化物の層のような、上面保護層２１０を用いることができる。

いくつかの実施形態では駆動電極層である、上部電極１９４は導電材料で形成される。駆動電極として、上部電極１９４は、液体射出サイクル中の適切な時点に圧電層１９４にかけて電圧差を供給するために、コントローラに接続される。上部電極１９４はパターン形成された導電層を有することができる。例えば、図８及び９に示されるように、上部電極１９４はリング電極とすることができる。あるいは、上部電極１９４は中央電極または内部電極及びリング電極をともに組み込んでいる二重電極とすることができる。

いくつかの実施形態では基準電極層である、下部電極１９０は導電材料で形成される。下部電極は接地することができる。下部電極はメンブラン層１８０に直接にパターン形成することができる。さらに、下部電極１９０は、図８及び９に示されるように、複数のアクチュエータに共通とすることができて、複数の電極にかけて拡がることができる。上部電極１９４及び下部電極１９０は、金、ニッケル、ニクロム、銅、イリジウム、酸化イリジウム、白金、チタン、チタン-タングステン、酸化インジウムスズまたはこれらの組合せで形成することができる。本実施形態において、保護層２１０及び２１４は連続層であり、ポンピングチャンバ１７４に重なる孔及びリード２２２を有することができる。そのような構成においては、図２に示されるように、保護層２１０及び２１４はアクチュエータ４０１のまわりだけに配置することができる。図８に示されるように、接地接続のために圧電層１９２を貫通する接地開口８１２を形成することができる。あるいは、図９に示されるように、下部電極１９０に沿って、例えば下部電極１９０のアクチュエータ層３２４の長さＬに平行に通る部分に沿って、どこででも接地接続がなされ得るようにＰＺＴをエッチング除去することができる。

圧電層１９２は、上部電極１９４と下部電極１９０の間で圧電層１９２にかけて印加される電圧に応答して形状寸法を変えることができる。圧電層１９５の形状寸法変化によりメンブラン１８０が撓み、続いてポンピングチャンバ１７５の容積が変わり、ポンピングチャンバ内の液体に圧力がかかって、制御可能な態様でノズル１２６を通して液体を押し出す。

図８に示されるように、アクチュエータ層３２４はさらに、以下で論じられるように、フレキシブル回路への接続のための入力電極８１０を有することができる。入力電極８１０はアクチュエータ層３２４の長さＬに沿って延びる。入力電極８１０は、アクチュエータ層３２４の、上部電極１９４及び下部電極１９０と同じ表面に沿って配置することができる。あるいは、入力電極８１０はアクチュエータ層３２４の辺に沿って、例えば集積回路インターポーザ１０４への接合される表面に対して垂直な細長い表面上に、配置することができるであろう。

図８及び９を参照すれば、圧電素子４０１は行と列からなるマトリックスに配列することができる(他の素子をさらに明瞭に示すことができるように、圧電素子４０１はいくつかしか示されていない)。開口８０２がアクチュエータ層３２４を貫通することができる。開口８０２は液路１２４の一部とすることができる。すなわち、流入チャネル１７６及び流出チャネル１７２はアクチュエータ層３２４の開口８０２を通って延びることができる。図２及び８に示されるように、圧電材料がエッチング除去されていれば、開口８０２を形成するため、メンブラン層１８０と集積回路インターポーザ１０４の間に、ＳＵ８のような、バリア材料８０６を配置することができる。言い換えれば、バリア材料８０６は、開口８０２がそれを通して延びることができる、バンプとして形成することができる。以下で論じられるように、バリア材料８０６は、圧電層が中実層である場合に、図９に示されるように、電子素子を液漏れから保護するための封止材としてはたらかせるために用いることもできるであろう。以下でさらに論じられるように、アクチュエータ層３２４はアクチュエータ４０１のまわりを通る配線または電気接続を有していない。それどころか、アクチュエータを制御する配線は集積回路インターポーザ１０４に配置される。

集積回路インターポーザ１０４はアクチュエータ層４０１に隣接させることができ、いくつかの例ではアクチュエータ層４０１に取り付けることができる。集積回路インターポーザ１０４はアクチュエータ４０１の動作を制御するための信号を与えるように構成される。図１０を参照すれば、集積回路インターポーザ１０４は、例えば半導体製造技術によって、集積回路が形成されているマイクロチップとすることができる。いくつかの実施形態において、集積回路インターポーザ１０４は特定用途集積回路(ＡＳＩＣ)素子である。集積回路インターポーザ１０４はアクチュエータ制御信号を与えるためのロジックを有することができる。

図１０をまだ参照すれば、集積回路インターポーザ１０４は複数の、トランジスタのような、集積スイッチング素子２０２を有することができる。集積スイッチング素子２０２は行と列からなるマトリックスに配列することができる。一実施形態において、アクチュエータ４０１毎に集積スイッチング素子２０２が１つある。２つの集積回路素子２０２を備えれば、所要電圧が１/２になるように、第１のトランジスタで対応するアクチュエータの一部分を駆動し、第２のトランジスタでそのアクチュエータの別の部分を駆動するための、あるいは単トランジスタよりも複雑な波形を可能にするようなアナログスイッチをつくるための、冗長性を提供するために有益であり得る。さらに、４つの集積回路素子２０２を用いれば、冗長アナログスイッチを得ることができる。単集積回路素子２０２または複数の集積回路素子２０２は、対応するアクチュエータ４０１に隣接して、または対応するアクチュエータ４０１の上に、配置することができる。すなわち、ノズル１２６を通り、ポンピングチャンバ１７４を通り、トランジスタをまたは２つのスイッチング素子の間を通って、軸が延びることができる。それぞれのスイッチング素子２０２は、アクチュエータ４０１の内の１つの上部電極１９４を駆動信号源に選択的に接続するためのオン／オフスイッチとしてはたらく。駆動信号電圧は集積回路インターポーザ１０４の内部ロジックによって伝えられる。

集積回路インターポーザ１０４の集積スイッチング素子２０２，例えばトランジスタはリード２２２ａ、例えば金バンプを介してアクチュエータ４０１に接続することができる。集積回路インターポーザ１０４の縁に沿ってリード２２２ｂ、例えば金バンプ、の群を配列することができる。それぞれの群は多くのリード２２２ｂ、例えば３つのリード２２２ｂを含むことができる。集積スイッチング素子２０２の列毎に１つのリード２２２ｂ群があり得る。リード２２２ｂは集積回路インターポーザ１０４のロジックを、例えばアクチュエータ層３２４の接地開口８１２を通して、ダイ１０３上の接地電極１９０に接続するように構成することができる。さらに、集積回路インターポーザ１０４の縁の近傍にリード２２２ｃ、例えば金バンプを配置することができる。リード２２２ｃは、以下で論じられるように、集積回路インターポーザ１０４のロジックをフレキシブル回路２０１との接続のための入力電極８１０に接続するように構成することができる。リード２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃは基板の、ポンピングチャンバに重ならない、領域に配置される。

図１０に示されるように、集積回路インターポーザ１０４は、集積回路インターポーザ１０４を貫通する、開口９０２を有することができる。この開口は、層の電気接続のための余地を残すために、集積回路インターポーザ１０４の集積スイッチング素子２０２を有する側の近傍で、反対側よりも狭くすることができる。開口９０２は液路１２４の一部とすることができる。すなわち、流入チャネル１７６及び流出チャネル１７２は、集積回路インターポーザ１０４の開口９０２を通って延びることができる。液路１２４と、集積回路インターポーザ１０４のロジックのような、電子素子／回路の間の液漏れを防止するため、液路１２４は、良好な酸素バリアを提供し、液路を通す流体の輸送を容易にするために良好な濡れ特性を有する、金属、例えばチタンまたはタンタル、あるいは非金属材料、例えば、酸化シリコン、減圧化学的気相成長(ＬＰＣＶＤ)酸化物、酸化アルミニウム、または窒化シリコン／酸化シリコンのような、材料で被覆することができる。被覆は、電気メッキ、スパッタリング、ＣＶＤまたはその他の堆積プロセスによって施すことができる。さらに、集積回路素子のロジックを液漏れから保護するためにバリア材料８０６を用いることができる。別の実施形態において、集積回路インターポーザ１０４とダイ１０３の間に、スピンコーティングによるように、バリア層、例えばＳＵ８を配することができるであろう。バリア層は、集積回路インターポーザ１０４及びダイ１０３の長さ及び幅の全て、またはほぼ全てにかけて、拡がることができ、開口９０２の開口を残すようにパターンを形成することができる。

液体射出器１００はさらにフレキシブルプリント回路すなわちフレキシブル回路２０１を有することができる。フレキシブル回路２０１は、例えばプラスチック基板上に形成することができる。フレキシブル回路２０１は液体射出器１００をプリンタシステムまたはコンピュータ(図示せず)に電気的に接続するように構成される。フレキシブル回路２０１は、液体射出素子、例えばアクチュエータ４０１を駆動するためにダイ１０３に、プリンタシステムの外部プロセスのための、画像データ及びタイミング信号のような、データを送るために用いられる。

図１１及び１２に示されるように、フレキシブル回路２０１は、接着剤、例えばエポキシ樹脂によるように、アクチュエータ層３２４に接合することができる。一実施形態において、図１１に示されるように、アクチュエータ層３２４は集積回路インターポーザ１０４の幅ｗより広い幅Ｗを有することができる。したがってアクチュエータ層３２４は集積回路インターポーザ１０４から張り出して、レッジ９１２を形成することができる。フレキシブル回路２０１は、アクチュエータ層３２４に接触している表面に対して直交する集積回路インターポーザ１０４の縁端がフレキシブル回路２０１に平行に延びるように、集積回路インターポーザ１０４の横に延びることができる。フレキシブル回路２０１は厚さｔを有する。フレキシブル回路２０１は厚さｔよりかなり大きな高さ及び幅を有することができる。例えば、フレキシブル回路２０１の幅はほぼ、３３ｍｍのような、ダイの長さとすることができ、厚さｔは１２μｍと１００μｍの間のような、２５〜５０μｍのような、１００μｍ未満、例えばほぼ２５μｍとすることができる。例えば厚さｔを有する、最も狭い縁端をアクチュエータ層３２４の上面に、例えば集積回路インターポーザ１０４に接合されるアクチュエータ層３２４の表面に、接合することができる。

図１２に示される別の実施形態において、集積回路インターポーザ１０４はダイのアクチュエータ層３２４の幅Ｗより広い幅ｗを有することができる。したがって、集積回路インターポーザ１０４はアクチュエータ層３２４から張り出して、レッジ９１４を形成することができる。フレキシブル回路２０１はインターポーザ１０４への取付けのために曲がってレッジ９４を回り込むことができる。すなわち、フレキシブル回路２０１は、アクチュエータ層３２４に接している表面に直交する集積回路インターポーザ１０４の縁端がフレキシブル回路２０１の一部に平行に延びるように、集積回路インターポーザ１０４の横に延びることができる。フレキシブル回路２０１は、フレキシブル回路２０１の一部が集積回路インターポーザ１０４の底面、すなわちアクチュエータ層３２４に接する表面に、取り付くように、曲がってレッジ１９４をも回り込むことができる。図１１に示される実施形態と同様に、フレキシブル回路は厚さｔよりかなり大きい高さ及び幅を有することができる。例えば、フレキシブル回路２０１の幅はほぼ、３３ｍｍのような、ダイの長さとすることができ、厚さｔは１２μｍと１００μｍの間のような、２５〜５０μｍのような、１００μｍ未満、例えばほぼ２５μｍとすることができる。例えば厚さｔを有する、最も狭い縁端は、アクチュエータ層３２４に、例えば集積回路インターポーザ１０４に接合されるアクチュエータ層３２４の表面に直交するアクチュエータ層３２４の表面に隣接することができる。

図示されてはいないが、フレキシブル回路２０１は安定性のために基板１０３に隣接することができる。フレキシブル回路２０１はアクチュエータ層３２４上の入力電極８１０に電気的に接続することができる。ハンダのような、導電材料の小さなビードを用いて、フレキシブル回路２０１を入力電極に電気的に接続することができる。最後に、流体射出器１００毎にフレキシブル回路は１つしか必要ではない。

フレキシブル回路２０１，集積回路インターポーザ１０４及びダイ１０３の接続図が図１３に示される。フレキシブル回路２０１からの信号は、入力電極８１０を介して送り出され、リード２２２ｃを介して集積回路インターポーザ１０４に送られて、集積回路素子２０２におけるように、集積回路インターポーザ１０４上で処理され、リード２２２ａに出力されてアクチュエータ４０１の上部電極１９４を賦活し、よってアクチュエータ４０１を駆動する。

集積回路素子２２２には、データフリップフロップ、ラッチフリップフロップ、ＯＲゲート及びスイッチを含めることができる。集積回路インターポーザ１０４のロジックは、クロック線、データ線、ラッチ線、オール-オン線及び電力線を有することができる。データ線を介してデータフリップフロップにデータを送ることによって信号が処理される。次いでデータが入力されるとクロック線がデータをクロックする。データは、第１のフリップフロップに入力されたデータのダイ１ビットが、データの次のビットが入力されるとシフトダウンされるように、シリアルに入力される。データフリップフロップの全てがデータを得た後、データをデータフリップフロップからラッチフリップフロップに移し、液体射出素子４０１上に送るために、ラッチ線を介してパルスが送られる。ラッチフリップフロップからの信号が「ハイ」であれば、スイッチはオンになり、液体射出素子４０１を駆動するために信号を通過させる。信号が「ロー」であれば、スイッチはオフのままであり、流体射出素子４０１は起動されない。

上述したように、液体射出器１００はさらに、図１４に示される下部ハウジング３２２を有することができる。液体流入口１０１及び液体流出口１０２が下部ハウジング３２２の長さｌに沿う２本の平行液路で延びることができる。それぞれの、すなわち液体流入口１０１または液体流出口１０２の、液路は下部ハウジング３２２の端近くを延びることができる。

縦方向液体流入口１０１は下部ハウジング３２２の横方向液体流入路４７６につながることができる。同様に、縦方向流体流出口１０２は下部ハウジング３２２の(図１４には示されていない)横方向液体流出路４７２につながることができる。液体流入路４７６及び液体流出路４７２は相互に同じ形状及び容積とすることができる。液体流入路及び液体流入口は合わせて概ね「Ｌ」字形とすることができる。さらに、液体流入路４７６及び液体流出路４７２のそれぞれは、下部ハウジング３２２の幅ｗにかけて相互に平行に通り、例えばハウジングコンポーネントの、８０〜９５％のような、７０〜９０％にかけて、またはハウジングコンポーネントの幅の８５％にかけて、延びる。さらに、液体流入路４７６及び液体流出路４７２は下部ハウジング３２２の長さｌにかけて交互することができる。

液体流入路４７６及び液体流出路４７２はそれぞれ同じ方向に、すなわち平行な軸に沿って、延びることができる。さらに、図４に示されるように、液体流入路４７６はそれぞれ複数の液体流入チャネル１７６に連結することができる。それぞれの液体流入チャネル１７６は液体流入路４７６から直交方向に延びることができる。同様に、液体流出路４７２はそれぞれ複数の液体流出チャネル１７２に連結することができ、液体流出チャネル１７２のそれぞれは液体流出路４７２から直交方向に延びることができる。

したがって、液体供給源からの液体は、液体流入チャンバ１３２に流れ込み、ハウジング１３２の液体流入口１０１を流過し、下部ハウジング３２２の液体流入路４７６を流過し、液体射出モジュール１０３の複数の液路を流過し、下部ハウジング３２２の液体流出路４７２を流過し、流出口１０２を通って流れ出て、流出チャンバ１３６に流入し、液体回収槽に流れる。

図１５Ａ〜１５Ｔは液体射出器１００を作製するための方法の一例を示す。メンブラン１８０を有するウエハ１２２(図１５Ａを見よ)上，例えば酸化物上シリコン(ＳＯＩ)ウエハのような半導体ウエハ上に下部電極１９０をスパッタする。次いで圧電層１９２を下部電極１９０に重ねてスパッタして(図１５Ｂを見よ)、エッチングする(図１５Ｃを見よ)。下部電極１９０をエッチングして(図１５Ｄを見よ)、底面保護層２１４を施すことができる(図１５Ｅを見よ)。次いで上部電極１９４をスパッタしてエッチングすることができて(図１５Ｆを見よ)、上面保護層２１０を施すことができる(図１５Ｇを見よ)。次いで、液路１２４を液漏れから保護するためのバリア材料８０６を施し、バリア材料８０６を通る開口８０２を形成することができる(図１５Ｈを見よ)。次いで開口７０２を、開口７０２の位置が開口８０２の位置と揃うように、メンブラン層１８０にエッチングすることができる(図１５Ｉを見よ)。必要に応じて、酸化物層２８８をエッチング止めとして用いることができる。

集積回路素子２０２及びリード２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃをもつ集積回路インターポーザ１０４，例えばＡＳＩＣウエハを形成することができる(図１５Ｊを見よ)。図１５Ｋ及び１５Ｌに示されるように、開口９０２を、例えば反応性深イオンエッチングを用いて、集積回路インターポーザ１０４にエッチングして、液路部分を形成することができる。開口９０２は、初めに集積回路インターポーザ１０４の底面、すなわち集積回路素子２０２を有する表面にエッチングすることができる(図１５Ｋを見よ)。開口９０２は次いで、集積回路インターポーザ１０４の上面から大径孔をエッチングすることによって完成することができる(図１５Ｌを見よ)。大径孔によりエッチングプロセスが容易になり、開口９０２を液体により腐蝕から保護するための保護材料層を開口９０２の側壁にスパッタリングで形成することが可能になる。

エッチングに続いて、ＢＣＢまたはポリイミドまたはエポキシ樹脂のような、スピンオンした接着剤を用いて、集積回路インターポーザ１０４とウエハ１２２を接合することができる(図１５Ｍを見よ)。あるいは、接着剤は集積回路インターポーザ１０４及びウエハ１２２上にスプレーすることができる。集積回路インターポーザ１０４とウエハ１２２の接合は、集積回路インターポーザの開口９０２の位置，ポンピングチャンバ層の開口８０２の位置及びメンブラン層１８０の開口８０２の位置が合わせられて、液体流入チャネル１７６及び液体流出チャネル１７２が形成されるように、行われる。

次いで、ウエハ１２２を研削及び研磨してハンドリング層６０１を形成することができる(図１５Ｎを見よ)。図示していないが、研削中は集積回路インターポーザ１０４を保護する必要があろう。ポンピングチャンバの流入口２７６及び流出口１７２を含む、ポンピングチャンバ１７４をウエハ１２２の底面から、すなわち集積回路インターポーザ１０４とは逆の面に、エッチングすることができる(図１５Ｏを見よ)。必要に応じて、酸化物層２８８をエッチング止めとして用いることができる。既にノズル１２６がノズル層１８４にエッチングでつくり込まれているノズルウエハ６０８を次いで、ＢＣＢのような、エポキシ樹脂を用いる接合のような、低温接合形成法を用いるか、または低温プラズマ活性化接合形成法を用いて、ウエハ１２２に接合することができる(図１５Ｐを見よ)。例えば、ノズル層は、既に構造体に接合されている圧電層１９２を損なわないように、約２００℃と３００℃の間の温度でウエハ１２２に接合することができる。次いでノズルウエハ６０８のノズルハンドリング層６０４を、必要に応じて酸化物層２８４をエッチング止めとして用いて、研削及び研磨によって形成することができる(図１５Ｑを見よ)。この場合も、図示していないが、研削中は集積回路インターポーザ１０４を保護する必要があろう。次いで、酸化物層２８４を除去することによってノズルを開けることができる(図１５Ｒを見よ)。上述したように、ノズル層１８４及びポンピングチャンバ３２６は感光性フィルムで形成することもできる。

最後に、ウエハを単位に分割する、すなわち多くのダイ１０３、例えば形状が長方形、平行四辺形または台形のダイ、に切り分けることができる(図１６を見よ)。図１６に示されるように、液体射出器１００のダイ１０３は十分に小さく、例えば幅がほぼ５〜６ｍｍで長さが３０〜４０ｍｍであり、よって少なくとも３００のポンピングチャンバを有するダイを１５０ｍｍ径ウエハ上に少なくとも４０個形成できる。例えば、図１６に示されるように、１枚の２００ｍｍ径ウエハから８８個のダイ１０３を形成することができる。次いでフレキシブル回路２０１を液体射出器に取り付けることができる(図１５Ｔを見よ)。

本明細書に説明される作製工程は、挙げられた順序で実施する必要はない。作製はより多くのシリコンを有する液体射出器より低費用になり得る。

本明細書に説明されるような、例えば、ポンピングチャンバとノズルの間に下降流路がなく、ダイのアクチュエータの射出を制御するためのロジックをダイから隔てる層を有し、ダイではなくハウジングに液体流入路及び液体流出路を有する、液体射出器１００は、低コストとすることができ、高品質画像を印刷することができ、高速で印刷することができる。例えば、ポンピングチャンバとノズルの間に下降流路がないことで、液体は層を迅速に通過することができ、よって低い、例えば、１７Ｖのような、２０Ｖ未満の駆動電圧を用い、高い、例えば１８０ｋＨｚから３９０ｋＨｚの周波数での液体の射出が可能になる。同様に、ポンピングチャンバ層に上昇流路がないことで、ポンピングチャンバ層を薄くすることができる。そのような構造により、幅が１５μｍより広いノズルから大きさが２ｐＬないしさらに小さい液滴が可能になる。

さらに、基板上ではなく集積回路インターポーザにロジックを有することで、基板上の配線及び電気接続を少なくすることができ、よって高密度ポンピングチャンバ／ノズルマトリックスを形成することができる。同様に、ポンピングチャンバ層にはポンピングチャンバ流入口及びポンピングチャンバ流出口しかなく、例えば上昇流路がないことで、高密度ポンピングチャンバ／ノズルマトリックスを形成することができる。この結果、印刷媒体上で６００ｄｐｉをこえる解像度を達成することができ、６インチ(１５０ｍｍ)径ウエハ当たり少なくとも８８個のダイを形成することができる。

基板ではなくハウジングに液体流入路及び液体流出路を有することで、流路間のクロストークを最小限に抑えることができる。最後に、シリコンではなく感光性フィルムを用い、インターポーザのような、余分なシリコンを含めないことで、液体射出器のコストを低く抑えることができる。

特定の実施形態を説明した。その他の実施形態は添付される特許請求の範囲内にある。

１００ 液体射出器
１０３ ダイ
１０４ 集積回路インターポーザ
１２２ 基板
１２４ 液体流路(液路)
１２６ ノズル
１７２ 流出チャネル
１７４ ポンピングチャンバ
１７６ 流入チャネル
１８０ メンブラン
１８４ ノズル層
１９０ 下部電極
１９２ 圧電層
１９４ 上部電極
２０１ フレキシブル回路
２０２ スイッチング素子
２１０ 上面保護層
２１４ 底面保護層
２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃ リード
２７２ ポンピングチャンバ流出口
２７６ ポンピングチャンバ流入口
２８２ 絶縁材料
２８４ 絶縁層
２８６ シリコン層
４０１ アクチュエータ
８０６ バンプ材料
８１０ 入力電極

Claims (15)

1. 液体射出器において、
   複数の液路を有する基板を備える液体射出モジュールであって、前記複数の液路のそれぞれは、ノズルと液体流通可能な態様で連結しているポンピングチャンバ、及び複数の液体射出素子を有し、前記複数の液体射出素子のそれぞれは付随する液路のノズルから液体を射出させるように構成されるものである液体射出モジュール、
   及び
   前記液体射出モジュール上に搭載され、複数の集積スイッチング素子を有する集積回路インターポーザであって、前記複数の集積スイッチング素子のそれぞれは、前記液体射出モジュールの電気接続によって、前記集積回路インターポーザに送られるべき信号の、前記液体射出モジュールへの送信、前記集積回路インターポーザ上での処理、及び前記複数の液体射出素子の内の少なくとも１つを駆動するための前記液体射出モジュールへの出力が可能になるように、前記液体射出モジュールと電気的に接続されるものである集積回路インターポーザ、
   を備えることを特徴とする液体射出器。
2. 前記集積回路インターポーザが、前記集積回路インターポーザを貫通する複数の液路をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の液体射出器。
3. 前記ポンピングチャンバのそれぞれが、２つの前記液路と液体流通可能な態様で連結されることを特徴とする請求項２に記載の液体射出器。
4. 軸が前記ポンピングチャンバ及び前記ノズルを通って第１の方向に延び、前記複数の集積スイッチング素子のそれぞれの位置が前記複数のポンピングチャンバのそれぞれ１つのポンピングチャンバの位置と前記第１の方向に沿って合わせられるように、前記集積回路インターポーザが前記液体射出モジュール上に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載の液体射出器。
5. 前記集積回路インターポーザが前記集積回路インターポーザを貫通する複数の液路をさらに有し、前記ポンピングチャンバのそれぞれが前記液路の少なくとも１つと液体流通可能な態様で連結され、前記少なくとも１つの液路が第２の軸に沿って第１の方向に延び、前記第２の軸が前記ポンピングチャンバを通って延びる前記軸とは異なることを特徴とする請求項４に記載の液体射出器。
6. 前記複数の液路がバリア材料で被覆されることを特徴とする請求項１に記載の液体射出器。
7. 前記バリア材料が、チタン、タンタル、酸化アルミニウムまたは酸化シリコンを含むことを特徴とする請求項６に記載の液体射出器。
8. 前記集積回路インターポーザと前記液体射出モジュールの間にバリア層をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の液体射出器。
9. 前記集積回路インターポーザが、前記複数の集積スイッチング素子を制御するように構成されたロジックをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の液体射出器。
10. 前記流体射出素子毎に前記スイッチング素子が２つあることを特徴とする請求項９に記載の液体射出器。
11. 前記液体射出モジュールに電気的に接続されたフレキシブル素子を、前記液体射出モジュールへの電気接続によって前記フレキシブル回路から前記液体射出モジュールからの信号の前記集積回路インターポーザへの送信が可能になるように、有することを特徴とする請求項１に記載の液体射出器。
12. 前記集積回路インターポーザが前記液体射出モジュールの幅より狭い幅を有し、よって前記液体射出モジュールがレッジを有し、前記フレキシブル素子が前記液体射出モジュールの前記レッジに取り付けられ、前記レッジが前記集積回路インターポーザに隣接していることを特徴とする請求項１１に記載の液体射出器。
13. 前記フレキシブル素子がフレキシブル回路であることを特徴とする請求項１１に記載の液体射出器。
14. 前記フレキシブル素子上の導電素子に隣接し、前記フレキシブル素子上の前記導電素子と導電態様で通じていて、前記液体射出モジュール上の導電素子に隣接し、前記液体射出モジュール上の前記導電素子と導電態様で通じている、導電材料をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の液体射出器。
15. 前記基板がシリコンを含むことを特徴とする請求項１に記載の液体射出器。

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