JP2017015466A - 液滴噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 実施形態は、溶液と接触する液滴噴射装置の内面の洗浄時間が短い液滴噴射装置を提供することが課題である。【解決手段】実施形態の液滴噴射装置は、基板と、ノズルと、アクチュエータと、溶液保持容器と、を有する。基板は、内部に圧力室が形成される。ノズルは、前記圧力室に連通し、前記圧力室内の溶液を吐出する。アクチュエータは、前記圧力室内の圧力を変化させ、前記圧力室内の溶液を前記ノズルから吐出させる。溶液保持容器は、上面に溶液を受ける溶液受け口、下面に前記圧力室内に連通する溶液出口をそれぞれ有し、前記基板の上に積層される。前記溶液受け口は前記溶液出口より大きく、前記溶液出口は前記圧力室の開口より大きい。前記溶液保持容器から前記圧力室内を経て前記ノズルから液体を吐出させる液体流路全体を光照射可能にした。【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、液滴噴射装置に関する。

生物学、薬学などの分野の研究開発や医療診断や検査、農業試験において、ピコリットル（ｐＬ）からマイクロリットル（μＬ）の液体を分注する操作を行うことがある。例えばガン細胞に対して、効果的に攻撃するのに必要な化合物の濃度を決定するステージにおいて、低容量の液体の分注は重要な作業である。

これらは一般に用量応答実験と呼ばれ、化合物の有効濃度を決定するため、多くの異なった濃度の化合物をマイクロプレートのウエルなどの容器内に作成する。このような用途で使用されるオンデマンド型の液滴噴射装置がある。この液滴噴射装置は、例えば、溶液を保持する溶液保持容器と、溶液を吐出するノズルと、溶液保持容器とノズルとの間に配置される圧力室と、圧力室内の溶液の圧力を制御するアクチュエータとを備える。

この液滴噴射装置は、ノズルから吐出される１滴の液量がｐＬオーダーであり、滴下回数を制御することにより、各ウエルにｐＬからμＬのオーダーの液体を滴下することが可能である。そのため、用量応答実験に代表される多くの異なった濃度の化合物を分注する作業やｐＬからナノリットル（ｎＬ）の極微少量の分注作業に適した装置である。

溶液と接触する液滴噴射装置の液体流路の内面には、主に有機物が付着していることが一般的である。液滴噴射装置から不純物の少ない溶液を吐出するためには、液滴噴射装置の液体流路の内面の有機物を除去するための洗浄を行う必要がある。液滴噴射装置の液体流路の内面の洗浄は、主に洗浄液を使用した洗浄液洗浄が行われている。

この洗浄液洗浄では、洗浄液充填洗浄工程と、洗浄液除去洗浄工程と、それに続く乾燥工程の３つの工程が必要である。洗浄液充填洗浄工程は、液滴噴射装置の液体流路に洗浄液を充填して洗浄する。洗浄液除去洗浄工程は、液滴噴射装置の液体流路から洗浄液を排出した後、液滴噴射装置の液体流路に精製水等を流入させることで洗浄液を除去する。乾燥工程は、液滴噴射装置の液体流路から精製水等を流出させた後、液滴噴射装置の液体流路の内面を乾燥させる。

米国特許出願公開第２０１４／０２９７０２９号明細書 米国特許第８３４８３７０号明細書 米国特許第７９０９４２４号明細書

従来の液滴噴射装置では、液滴噴射装置の内面の洗浄は、主に洗浄液を使用した洗浄液洗浄が行われている。この洗浄液洗浄では、洗浄液充填洗浄工程と、洗浄液除去洗浄工程と、乾燥工程の３つの工程が必要であるため、洗浄を完了するまでに比較的時間がかかる傾向がある。

実施形態が解決しようとする課題は、溶液と接触する液滴噴射装置の内面の洗浄時間が短い液滴噴射装置を提供することである。

実施形態の液滴噴射装置は、基板と、ノズルと、アクチュエータと、溶液保持容器と、を有する。基板は、内部に圧力室が形成される。ノズルは、前記圧力室に連通し、前記圧力室内の溶液を吐出する。アクチュエータは、前記圧力室内の圧力を変化させ、前記圧力室内の溶液を前記ノズルから吐出させる。溶液保持容器は、上面に溶液を受ける溶液受け口、下面に前記圧力室内に連通する溶液出口をそれぞれ有し、前記基板の上に積層される。前記溶液受け口は前記溶液出口より大きく、前記溶液出口は前記圧力室の開口より大きい。前記溶液保持容器から前記圧力室内を経て前記ノズルから液体を吐出させる液体流路全体を光照射可能にした。

第１の実施形態の液滴噴射装置が搭載される溶液滴下装置の全体の概略構成を示す斜視図。 第１の実施形態の液滴噴射装置を示す上面（溶液保持容器側）の平面図。 第１の実施形態の液滴噴射装置を示す下面（液滴噴射側）の平面図。 第１の実施形態の図２のＦ４−Ｆ４線の縦断面図。 第１の実施形態の液滴噴射装置の液滴噴射アレイを示す平面図。 第１の実施形態の図５のＦ６−Ｆ６線の縦断面図。 第１の実施形態に係る液滴噴射装置のノズルの周辺構造を示す縦断面図。 第２の実施形態に係る液滴噴射装置のノズルの周辺構造を示す縦断面図。 第３の実施形態に係る液滴噴射装置のノズルの周辺構造を示す縦断面図。 第４の実施形態に係る液滴噴射装置のノズルの周辺構造を示す縦断面図。

以下実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態の液滴噴射装置の一例について図１乃至図７を参照して説明する。図１は、溶液滴下装置１で使用される第１の実施形態の液滴噴射装置２の使用例を示す斜視図である。図２は、液滴噴射装置２の上面図であり、図３は液滴噴射装置２の液滴を噴射する面である下面図を示す。図４は、図２のＦ４−Ｆ４線の縦断面図を示す。図５は、第１の実施形態の液滴噴射装置２の液滴噴射アレイ２７を示す平面図である。図６は、図５のＦ６−Ｆ６線の縦断面図である。図７は、液滴噴射装置２のノズル１１０の周辺構造を示す縦断面図である。

溶液滴下装置１は、矩形平板状の基台３と、液滴噴射装置装着モジュール５と、を有する。本実施形態では、生化学分野の分析や臨床検査などで一般的に用いられているマイクロプレートの中で、９６穴のマイクロプレート４へ溶液を滴下する実施形態について説明する。

マイクロプレート４は、基台３の中央位置に固定されている。基台３の上には、マイクロプレート４の両側に、Ｘ方向に延設された左右一対のＸ方向ガイドレール６ａ、６ｂを有する。各Ｘ方向ガイドレール６ａ、６ｂの両端部は、マイクロプレート４上に突設された、固定台７ａ、７ｂに固定されている。

Ｘ方向ガイドレール６ａ、６ｂ間には、Ｙ方向に延設されたＹ方向ガイドレール８が架設されている。Ｙ方向ガイドレール８の両端は、Ｘ方向ガイドレール６ａ、６ｂに沿ってＸ方向に摺動可能なＸ方向移動台９にそれぞれ固定されている。

Ｙ方向ガイドレール８には、液滴噴射装置装着モジュール５がＹ方向ガイドレール８に沿ってＹ方向に移動可能なＹ方向移動台１０が設けられている。このＹ方向移動台１０には、液滴噴射装置装着モジュール５が装着されている。この液滴噴射装置装着モジュール５には、本実施形態の液滴噴射装置２が固定されている。これにより、Ｙ方向移動台１０がＹ方向ガイドレール８に沿ってＹ方向に移動する動作と、Ｘ方向移動台９がＸ方向ガイドレール６ａ、６ｂに沿ってＸ方向に移動する動作との組み合わせにより、液滴噴射装置２は、直交するＸＹ方向に移動可能に支持されている。

第１の実施形態の液滴噴射装置２は、平板状のベース部材２１を有する。図２に示すようにこのベース部材２１の表面側には、複数、本実施形態では８個の溶液保持容器２２が一列に並設されている。溶液保持容器２２は、図４に示すように上面が開口された有底円筒形状の容器である。ベース部材２１の表面側には、各溶液保持容器２２と対応する位置に円筒形状の凹陥部２１ａが形成されている。溶液保持容器２２の底部は、この凹陥部２１ａに接着固定されている。さらに、溶液保持容器２２の底部には、中心位置に溶液出口となる開口部２２ａが形成されている。上面開口部２２ｂの開口面積は、溶液出口の開口部２２ａの開口面積よりも大きくなっている。

図３に示すようにベース部材２１の裏面側には、溶液保持容器２２と同数の電装基板２３が一列に並設されている。電装基板２３は、矩形状の平板部材である。ベース部材２１の裏面側には、図３に示すように電装基板２３の装着用の矩形状の凹陥部２１ｂと、この凹陥部２１ｂと連通する液滴噴射アレイ部開口２１ｄとが形成されている。凹陥部２１ｂの基端部は、ベース部材２１の図３中で上端部位置（図４中で右端部位置）まで延設されている。凹陥部２１ｂの先端部は、図４に示すように溶液保持容器２２の一部と重なる位置まで延設されている。電装基板２３は、凹陥部２１ｂに接着固定されている。

電装基板２３には、電装基板配線２４がパターニング形成されている。電装基板配線２４の一端部には、外部からの制御信号を入力するための制御信号入力端子２５が形成されている。電装基板配線２４の他端部には、電極端子接続部２６を備える。電極端子接続部２６は、図５に示す後述する液滴噴射アレイ２７に形成された下部電極端子部１３１ｃ及び上側電極端子部１３３ｃと接続するための接続部である。

また、ベース部材２１には、制御信号入力端子部開口２１ｃと液滴噴射アレイ部開口２１ｄの各貫通穴が設けられている。制御信号入力端子部開口２１ｃは、ベース部材２１の表面側に凹陥部２１ｂの基端部と重なる位置に形成されている。この制御信号入力端子部開口２１ｃから電装基板配線２４の制御信号入力端子２５が露出されている。液滴噴射アレイ部開口２１ｄは、図３に示すように矩形状の開口部で、ベース部材２１の裏面側に溶液保持容器２２の凹陥部２１ａと重なる位置に形成されている。

溶液保持容器２２の下面には、溶液保持容器２２の開口部２２ａを覆う状態で図５に示す液滴噴射アレイ２７が接着固定されている。この液滴噴射アレイ２７は、ベース部材２１の液滴噴射アレイ部開口２１ｄと対応する位置に配置されている。

図６に示すように液滴噴射アレイ２７は、ノズルプレート１００と、圧力室構造体２００とが積層されて形成されている。ノズルプレート１００には、溶液を吐出する複数のノズル１１０が配設されている。本実施形態では、図５に示すように複数のノズル１１０は、ノズルプレート１００に例えば３×３列に配列される。ノズルプレート１００の隣接するノズル１１０の中心間距離は２５０μｍとする。

ノズルプレート１００は、振動板１２０上に、駆動部である駆動素子１３０と、保護層である保護膜１５０と、撥液膜１６０とを備える。振動板１２０は、例えば圧力室構造体２００と一体に形成される。圧力室構造体２００を製造するためのシリコンウエハ２０１を酸素雰囲気で加熱処理すると、シリコンウエハ２０１の表面にＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜が形成される。振動板１２０は、酸素雰囲気で加熱処理して形成されるシリコンウエハ２０１の表面の厚さ４μｍのＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を用いる。振動板１２０は、シリコンウエハ２０１の表面にＣＶＤ法（化学的気相成膜法）でＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を成膜して形成しても良い。

振動板１２０の膜厚は、１〜５０μｍの範囲が好ましい。振動板１２０は、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜に代えて、ＳｉＮ（窒化シリコン）等の半導体材料、或いは、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）等を用いることもできる。

駆動素子１３０は、各ノズル１１０毎に形成されている。駆動素子１３０は、ノズル１１０を囲む円環状の形状である。駆動素子１３０の形状は限定されず、例えば円環の一部を切り欠いたＣ字状でも良い。

図７に示すように駆動素子１３０は、圧電体である圧電体膜１３２を挟んで下部電極１３１の電極部１３１ａと、上部電極１３３の電極部１３３ａとを備える。電極部１３１ａと、圧電体膜１３２及び電極部１３３ａは、ノズル１１０と同軸であり、同じ大きさの円形パターンである。

下部電極１３１は、円形の複数のノズル１１０と同軸の円形の複数の電極部１３１ａをそれぞれ備える。例えば、ノズル１１０の直径を２０μｍとし、電極部１３１ａの外径を１３３μｍ、内径を４２μｍとする。図５に示すように下部電極１３１は、複数の電極部１３１ａを接続する配線部１３１ｂを備え、配線部１３１ｂの端部に端子部１３１ｃを備える。

駆動素子１３０は、下部電極１３１の電極部１３１ａ上に例えば厚さ２μｍの圧電材料である圧電体膜１３２を備える。圧電体膜１３２は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。圧電体膜１３２は、例えばノズル１１０と同軸であって、電極部１３１ａと同一形状の外径が１３３μｍ、内径が４２μｍの円環状の形状である。圧電体膜１３２の膜厚は、概ね１〜５μｍの範囲となる。圧電体膜１３２は、例えばＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ_３：チタン酸鉛）、ＰＭＮＴ（Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＺＮＴ（Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＺｎＯ、ＡｌＮ等の圧電材料を用いることもできる。

圧電体膜１３２は、厚み方向に分極を発生する。分極と同じ方向の電界を圧電体膜１３２に印加すると、圧電体膜１３２は、電界方向と直交する方向に伸縮する。言い換えると、圧電体膜１３２は、膜厚に対して直交する方向に収縮し、或いは伸長する。

駆動素子１３０の上部電極１３３は、圧電体膜１３２上にノズル１１０と同軸であって、圧電体膜１３２と同一形状の外径が１３３μｍ、内径が４２μｍの円環状の形状である。図５に示すように上部電極１３３は、複数の電極部１３３ａを接続する配線部１３３ｂを備え、配線部１３３ｂの端部に二つの端子部１３３ｃを備える。上部電極１３３を一定電圧に接続した場合は、下部電極１３１へ電圧制御信号を印加する。

下部電極１３１は、例えばスパッタリング法によりＴｉ（チタン）とＰｔ（白金）を積層して厚さ０．５μｍに形成する。下部電極１３１の膜厚は、概ね０．０１〜１μｍの範囲となる。下部電極１３１は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｕ（金）、ＳｒＲｕＯ_３（ストロンチウムルテニウム酸化物）等の他の材料を使用できる。下部電極１３１は、各種金属を積層して使用することもできる。

上部電極１３３は、Ｐｔ薄膜で形成した。薄膜の成膜はスパッタリング法を用い、膜厚０．５μｍとした。上部電極１３３の他の電極材料として、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ、ＳｒＲｕＯ_３などを利用することも可能である。他の成膜法として、蒸着、鍍金を用いることも可能である。上部電極１３３は、各種金属を積層して使用することもできる。上部電極１３３の望ましい膜厚は０．０１から１μｍである。

ノズルプレート１００は、下部電極１３１と、上部電極１３３とを絶縁する絶縁膜１４０を備える。絶縁膜１４０は、例えば、厚さ０．５μｍのＳｉＯ_２（酸化シリコン）を用いる。絶縁膜１４０は、駆動素子１３０の領域にあっては、電極部１３１ａと、圧電体膜１３２及び電極部１３３ａの周縁を覆う。絶縁膜１４０は、下部電極１３１の配線部１３１ｂを覆う。絶縁膜１４０は、上部電極１３３の配線部１３３ｂの領域で振動板１２０を覆う。絶縁膜１４０は、上部電極１３３の電極部１３３ａと配線部１３３ｂを電気的に接続するコンタクト部１４０ａを備える。

ノズルプレート１００は、駆動素子１３０を保護する例えばポリイミドの保護膜１５０を備える。保護膜１５０は、振動板１２０のノズル１１０に連通する溶液通過部１４１を備える。溶液通過部１４１は、振動板１２０のノズル１１０の直径と同じ直径２０μｍである。

保護膜１５０は、他の樹脂またはセラミックス等の他の絶縁性の材料を利用することもできる。他の樹脂として、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、オイルエーテルサルフォン等がある。セラミックスとして、例えばジルコニア、炭化シリコン、窒化シリコン等がある。保護膜１５０の膜厚は、概ね２〜５０μｍの範囲にある。

保護膜１５０の材料選択においては、ヤング率、耐熱性、絶縁性（導電率の高い溶液を使用した状態で駆動素子１３０を駆動時に、上部電極１３３と接触することによる溶液変質の影響を考慮）、熱膨張係数、平滑性、溶液に対する濡れ性も考慮する。

ノズルプレート１００は、保護膜１５０を覆う撥液膜１６０を備える。撥液膜１６０は、溶液をはじく特性のある例えばシリコーン系樹脂をスピンコーティングして形成される。撥液膜１６０は、フッ素含有樹脂等の溶液をはじく特性を有する材料で形成することもできる。撥液膜１６０の厚さは、例えば０．５μｍである。

圧力室構造体２００は、例えば厚さ５２５μｍのシリコンウエハ２０１を用いて形成される。圧力室構造体２００は、振動板１２０と対向する面に、反り低減層である反り低減膜２２０を備える。圧力室構造体２００は、反り低減膜２２０を貫通して振動板１２０の位置に達し、ノズル１１０と連通する圧力室２１０を備える。圧力室２１０は、例えばノズル１１０と同軸上に位置する直径１９０μｍの円形に形成される。圧力室２１０の形状、及びサイズは限定されない。

但し第１の実施形態のように、圧力室２１０は溶液保持容器２２の開口部２２ａに連通する開口部を備えている。圧力室２１０の開口部の幅方向のサイズＤより、深さ方向のサイズＬを大きくすることが好ましい。深さ方向のサイズＬ＞幅方向のサイズＤとすることにより、ノズルプレート１００の振動板１２０の振動により、圧力室２１０内の溶液にかかる圧力が、溶液保持容器２２へ逃げるのを遅らせる。

圧力室２１０の振動板１２０が配置される側を第１の面とし、反り低減膜２２０が配置される側を第２の面とする。圧力室構造体２００の反り低減膜２２０側には例えばエポキシ系接着剤により溶液保持容器２２が接着される。圧力室構造体２００の圧力室２１０は、反り低減膜２２０側で、溶液保持容器２２の開口部２２ａに連通する。溶液保持容器２２の開口部２２ａの開口面積は、圧力室２１０の溶液保持容器２２の開口部２２ａに連通する開口部の開口面積より大きくなっている。

反り低減膜２２０は、例えば圧力室構造体２００を製造するためのシリコンウエハ２０１を酸素雰囲気で加熱処理して、シリコンウエハ２０１の表面に形成される厚さ４μｍのＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を用いる。反り低減膜２２０は、シリコンウエハ２０１の表面にＣＶＤ法（化学的気相成膜法）でＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を成膜して形成しても良い。反り低減膜２２０は、液滴噴射アレイ２７に生じる反りを低減する。

反り低減膜２２０は、シリコンウエハ２０１の振動板１２０側と対向する側にあって、シリコンウエハ２０１の反りを低減する。反り低減膜２２０は、圧力室構造体２００と振動板１２０との膜応力の違い、更には、駆動素子１３０の各種構成膜の膜応力の違い等によるシリコンウエハ２０１の反りを低減する。反り低減膜２２０は、成膜プロセスを用いて液滴噴射アレイ２７の構成部材を作成する場合に、液滴噴射アレイ２７が反るのを低減する。

反り低減膜２２０の材料及び膜厚等は振動板１２０と異なるものであっても良い。但し、反り低減膜２２０を振動板１２０と同じ材料で同じ膜厚とすれば、シリコンウエハ２０１の両面にての振動板１２０との膜応力の違いと反り低減膜２２０との膜応力の違いは同じになる。反り低減膜２２０を振動板１２０と同じ材料で同じ膜厚とすれば、液滴噴射アレイ２７に生じる反りをより効果的に低減する。

振動板１２０は、面状の駆動素子１３０の動作により厚み方向に変形する。液滴噴射装置は、振動板１２０の変形により圧力室構造体２００の圧力室２１０内に発生する圧力変化によって、ノズル１１０に供給された溶液を吐出する。

液滴噴射アレイ２７の製造方法の一例について述べる。液滴噴射アレイ２７は、先ず圧力室構造体２００を形成するためのシリコンウエハ２０１の両面の全面に、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を成膜する。シリコンウエハ２０１の一方の面に形成したＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を振動板１２０として用いる。シリコンウエハ２０１の他方の面に形成したＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を反り低減膜２２０として用いる。

例えばバッチ式の反応炉を用いて、酸素雰囲気で加熱処理する熱酸化法によって、例えば円板状のシリコンウエハ２０１の両面にＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を形成する。成膜プロセスにより、円板状のシリコンウエハ２０１に複数個のノズルプレート１００及び圧力室２１０を形成する。ノズルプレート１００及び圧力室２１０を形成後、円板状のシリコンウエハ２０１を切って、ノズルプレート１００と一体の、複数の圧力室構造体２００に分離する。円板状のシリコンウエハ２０１を用いて、複数個の液滴噴射アレイ２７を一度に量産できる。シリコンウエハ２０１は円板状でなくても良い。１枚の矩形のシリコンウエハ２０１を用いて、一体のノズルプレート１００と圧力室構造体２００とを個別に形成しても良い。

シリコンウエハ２０１に形成される振動板１２０を、エッチングマスクを用いてパターニングしてノズル１１０を形成する。パターニングは、エッチングマスクの材料として、感光性レジストを用いる。振動板１２０の表面に感光性レジストを塗布後、露光及び現像して、ノズル１１０に相当する開口部をパターニングしたエッチングマスクを形成する。エッチングマスク上から振動板１２０を圧力室構造体２００に達するまでドライエッチングして、ノズル１１０を形成する。振動板にノズル１１０を形成後、例えば剥離液を用いてエッチングマスクを除去する。

次にノズル１１０が形成された振動板１２０の表面に、駆動素子１３０、絶縁膜１４０、保護膜１５０および撥液膜１６０を形成する。駆動素子１３０、絶縁膜１４０、保護膜１５０および撥液膜１６０の形成は、成膜工程と、パターニングする工程を繰り返す。成膜工程は、スパッタリング法或いはＣＶＤ法、スピンコーティング法等により行う。パターニングは、例えば感光性レジストを用いて膜上にエッチングマスクを形成し、膜材料をエッチングした後、エッチングマスクを除去することで行う。

振動板１２０の上に、下部電極１３１、圧電体膜１３２及び上部電極１３３の材料を積層成膜する。下部電極１３１の材料として、膜厚０．０５μｍのＴｉ（チタン）膜と膜厚０．４５μｍのＰｔ（白金）膜をスパッタリング法により順に成膜する。Ｔｉ（チタン）及びＰｔ（白金）膜は、蒸着法或いは鍍金により形成しても良い。

下部電極１３１の上に、圧電体膜１３２の材料として、膜厚２μｍのＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：チタン酸ジルコン酸鉛）を基板温度３５０℃にてＲＦマグネトロンスパッタリング法により成膜する。ＰＺＴを成膜後、５００℃で３時間熱処理することによりＰＺＴは、良好な圧電性能を得る。ＰＺＴ膜は、ＣＶＤ（化学的気相成膜法）、ゾルゲル法、ＡＤ（エアロゾルデポジション）法、水熱合成法により形成しても良い。

圧電体膜１３２の上に、上部電極１３３の材料として、膜厚０．５μｍのＰｔ（白金）膜をスパッタリング法により成膜する。成膜したＰｔ（白金）膜上に、下部電極１３１の材料膜を残して、上部電極１３３の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を残すエッチングマスクを作る。エッチングマスク上からエッチングをして、Ｐｔ（白金）とＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：チタン酸ジルコン酸鉛）の膜を除去し、上部電極の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を形成する。

次に、上部電極の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を形成した下部電極１３１材料の上に、下部電極１３１の電極部１３１ａ、配線部１３１ｂ及び端子部１３１ｃを残すエッチングマスクを作る。エッチングマスク上からエッチングをして、Ｔｉ（チタン）及びＰｔ（白金）の膜を除去し、下部電極１３１を形成する。

下部電極１３１、上部電極の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を形成した振動板１２０上に、絶縁膜１４０の材料として、膜厚０．５μｍのＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を成膜する。ＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜は、例えばＣＶＤ法により低温成膜して良好な絶縁性を得る。成膜したＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜をパターニングして絶縁膜１４０を形成する。

絶縁膜１４０を形成した振動板１２０上に、上部電極１３３の配線部１３３ｂ及び端子部１３３ｃの材料として、膜厚０．５μｍのＡｕ（金）をスパッタリング法により成膜する。Ａｕ（金）膜は、蒸着法或いはＣＶＤ法、又は鍍金により形成しても良い。成膜したＡｕ（金）膜上に上部電極１３３の電極配線部１３３ｂ及び端子部１３３ｃを残すエッチングマスクを作る。エッチングマスク上からエッチングをして、Ａｕ（金）の膜を除去し、上部電極１３３の電極配線部１３３ｂ及び端子部１３３ｃを形成する。

上部電極１３３を形成した振動板１２０上に、膜厚４μｍの保護膜１５０の材料であるポリイミド膜を成膜する。ポリイミド膜は、振動板１２０上にポリイミド前駆体を含む溶液をスピンコーティング法により塗布し、ベークによる熱重合及び溶剤を除去して成膜する。成膜したポリイミド膜をパターニングして、溶液通過部１４１、下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃを露出する保護膜１５０を形成する。

保護膜１５０上に撥液膜１６０の材料であるシリコーン系樹脂膜を膜厚０．５μｍにスピンコーティング法により塗布し、ベークによる熱重合及び溶剤を除去して成膜する。成膜したシリコーン系樹脂膜をパターニングして、ノズル１１０、溶液通過部１４１、下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃを露出する撥液膜１６０を形成する。

撥液膜１６０上に、例えばシリコンウエハ２０１のＣＭＰ（化学機械研磨）用の裏面保護テープを、カバーテープとして貼り付けて撥液膜１６０を保護し、圧力室構造体２００をパターニングする。シリコンウエハ２０１の反り低減膜２２０上に、圧力室２１０の直径１９０μｍを露出するエッチングマスクを形成し、まず、反り低減膜２２０をＣＦ_４（４フッ化カーボン）とＯ_２（酸素）の混合ガスによってドライエッチングする。次に、例えばＳＦ_６（６フッ化硫黄）とＯ_２の混合ガスで、シリコンウエハ専用の垂直深堀ドライエッチングをする。ドライエッチングは、振動板１２０に当接する位置で止め、圧力室構造体２００に圧力室２１０を形成する。

圧力室２１０を形成するエッチングは、薬液を用いるウェットエッチング法、プラズマを用いてのドライエッチング法等で行っても良い。エッチング終了後、エッチングマスクを除去する。撥液膜１６０上に貼り付けたカバーテープに紫外線を照射して接着性を弱めてから、カバーテープを撥液膜１６０から剥がし、円板状のシリコンウエハ２０１を切断することにより、複数個の液滴噴射アレイ２７が分離形成される。

次に、液滴噴射装置の製造方法について説明する。液滴噴射アレイ２７と溶液保持容器２２を接着させる。このとき、液滴噴射アレイ２７における圧力室構造体２００の反り低減膜２２０側に、溶液保持容器２２の開口部２２ａ側の面を接着する。

その後、液滴噴射アレイ２７と接着した溶液保持容器２２を、ベース部材２１の凹陥部２１ａに接着する。続いて、電装基板２３にパターニング形成された電装基板配線２４の片側の端子である電極端子接続部２６に導電性ペーストを塗布する。次に、図４に示すように、電装基板２３をベース部材２１に接着する。このとき、電極端子接続部２６は、下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃに接続させる。電装基板配線２４のもう一方の端子は、制御信号入力端子２５であり、ベース部材２１に設けられた制御信号入力端子部開口２１ｃにより、例えば、制御信号入力する板バネコネクタと接触できる形状となっている。これにより液滴噴射装置２が形成される。

次に、上記構成の作用について説明する。本実施形態の液滴噴射装置２は、溶液の滴下装置１の液滴噴射装置装着モジュール５に固定して使用される。液滴噴射装置２の使用時には、まず、溶液保持容器２２の上面開口部２２ｂから図示しないピペッターなどにより、溶液を所定量、溶液保持容器２２に供給する。溶液は、溶液保持容器２２の内面で保持される。溶液保持容器２２の底部の開口部２２ａは、液滴噴射アレイ２７と連通している。溶液保持容器２２に保持された溶液は、溶液保持容器２２の開口部２２ａを介して液滴噴射アレイ２７の各圧力室２１０へ充填される。

この状態で、電装基板配線２４の制御信号入力端子２５に入力された電圧制御信号は、電装基板配線２４の電極端子接続部２６から下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃへ送られる。このとき、駆動素子１３０への電圧制御信号の印加に対応して、振動板１２０が変形して圧力室２１０の容積を変化させることにより、液滴噴射アレイ２７のノズル１１０から溶液が溶液滴として吐出される。そして、ノズル１１０から、マイクロプレート４の各ウエル４ｂに所定量の液体を滴下する。

ノズル１１０から吐出される１滴の液量は、２から５ピコリットルである。そのため、滴下回数を制御することにより、各ウエル４ｂにｐＬからμＬのオーダーの液体を滴下制御することが可能となる。

液滴噴射装置２において、溶液と接触する液滴噴射装置２の内面に有機不純物が付着していた場合、吐出する溶液中への不純物の混入や、溶液中の成分が不純物と反応して変質する恐れがある。そのため、溶液と接触する液滴噴射装置２の内面の洗浄を行うことが好ましい。

第１の実施形態の液滴噴射装置２においては、図４と図６に示すように、溶液と接触する溶液保持容器２２の内面と圧力室２１０の内面、及びノズル１１０の内面が外部に露出している。すなわち、溶液保持容器２２から圧力室２１０内を経てノズル１１０から液体を吐出させる液体流路全体を光照射可能に設けている。そのため、溶液保持容器２２の上面開口部２２ｂから底部側に向けて紫外線を照射することにより、溶液と接触する溶液保持容器２２の内面と圧力室２１０の内面、及びノズル１１０の内面を紫外線照射洗浄することができる。紫外線照射洗浄では、溶液保持容器２２の内面に紫外線を照射させることで、溶液保持容器２２の内面に付着している有機物を二酸化炭素等の揮発性物質へ化学変化させて揮発除去することができる。

したがって、洗浄液を用いた洗浄液洗浄のように洗浄液充填洗浄工程、精製水等による洗浄液除去洗浄工程、それに続く乾燥工程の３つの工程が必要な場合に比べて、紫外線照射洗浄は、洗浄時間が短くなる。

上記構成の第１の実施形態の液滴噴射装置２においては、溶液と接触する液滴噴射装置２の内面を紫外線照射洗浄によって短時間で洗浄できるため、生産性の高い液滴噴射装置２を提供することができる。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態を示す。本実施形態は、第１の実施形態（図１乃至図７参照）の液滴噴射装置２の構成を次の通り変更した変形例である。第１の実施形態では、ノズルプレート１００の保護膜１５０に振動板１２０のノズル１１０に連通する溶液通過部１４１を形成する構成を示した。これに替えて第２の実施形態では、保護膜１５０に直径ｄ１のノズル２３０を形成する。なお、第２の実施形態にあって、前述の第１の実施形態と同一部分については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図８に示すように、液滴噴射装置２のノズルプレート１００の振動板１２０は、直径ｄ１のノズル２３０と同軸位置に開口である直径ｄ２の周孔２３１を備える。周孔２３１の直径ｄ２は、ノズル２３０の直径ｄ１より大きい。本実施形態のノズルプレート１００の保護膜１５０は、振動板１２０の周孔２３１の直径ｄ２よりも直径ｄ１が小径な例えば直径２０μｍのノズル２３０を有する。これにより、保護膜１５０のノズル２３０の周壁部が振動板１２０の周孔２３１の内周面を覆い、圧力室２１０に連通する。

液滴噴射装置２の製造時、圧力室構造体２００を製造するためのシリコンウエハ２０１と一体の振動板１２０を、エッチングマスクを用いてパターニングして周孔２３１を形成する。振動板１２０に駆動素子１３０を形成した上に保護膜１５０であるポリイミド膜を成膜する。ポリイミド膜をパターニングして、ノズル２３０を備える保護膜１５０を形成する。保護膜１５０は、下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃを露出する。

例えば、第１の実施形態では、同軸且つ同径のノズル１１０と溶液通過部１４１とを夫々にパターニングしていることから、振動板１２０のノズル１１０と、保護膜１５０の溶液通過部１４１の形状が不均一になる恐れがある。ノズル１１０と溶液通過部１４１とが不均一である場合、ノズル１１０から吐出する溶液滴の滴下位置がずれる恐れがある。

これに対して、第２の実施形態のノズル２３０は、保護膜１５０に施す１回のパターニングにより形成する。したがって、ノズル２３０の内周面を均一に形成出来るので、ノズル２３０から吐出した溶液滴の滴下位置がずれる恐れがなく、液滴噴射装置２を用いた溶液滴下時に、高い滴下位置精度を得る。

第２の実施形態によれば、液滴噴射装置２は、第１の実施形態と同様、溶液保持容器２２の上面開口部２２ｂ側から紫外線照射することにより、溶液保持容器２２、圧力室２１０の内面、及びノズル２３０の内面を紫外線照射洗浄することができる。そのため、溶液と接触する液滴噴射装置２の内面を短時間で洗浄できるため、生産性の高い液滴噴射装置２を提供することが可能である。

更に、液滴噴射装置２は、振動板１２０の周孔２３１の内周面を覆う保護膜１５０に、１回のパターニングによりノズル２３０を形成する。これにより、圧力室２１０に連通するノズル２３０の内周面を均一に出来、ノズル２３０から吐出する溶液滴の滴下位置精度を良好に保持する。

（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態を示す。本実施形態は第１の実施形態（図１乃至図７参照）の液滴噴射装置２のさらなる変形例である。なお、第３の実施形態にあって、前述の第１の実施形態と同一部分については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施形態では、液滴噴射装置のノズルプレート１００の振動板１２０上に、直径ｄ３のノズル２４１を形成している。保護膜１５０には、振動板１２０のノズル２４１と同軸であってノズル２４１の直径ｄ３より大きい直径ｄ４の溶液通過部２４２を形成している。例えば、ノズル２４１の直径ｄ３を２０μｍとし、溶液通過部４４１の直径ｄ４を３０μｍとする。

ノズルプレート１００は、保護膜１５０上に撥液膜１６０を備える。撥液膜１６０は、保護膜１５０の溶液通過部２４２の表面を覆う被覆部２４３を有する。これにより、溶液通過部２４２は、撥液膜１６０の被覆部２４３を介してノズル２４１と連通する。

液滴噴射装置２の製造時には、ノズル２４１を有する振動板１２０の駆動素子１３０を形成した上にポリイミド膜である保護膜１５０を成膜する。このとき、ポリイミド膜をパターニングして溶液通過部２４２を備える保護膜１５０を形成する。保護膜１５０は、下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃを露出する。

続いて、保護膜１５０上に撥液膜１６０の材料であるシリコーン系樹脂膜を成膜する。成膜したシリコーン系樹脂膜をパターニングして、撥液膜１６０を形成する。撥液膜１６０は、ノズル２４１の内周面に付着することなく、保護膜１５０の表面を覆う。下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃは露出される。

例えば第１の実施形態では、同軸且つ同径のノズル１１０と溶液通過部１４１のパターニングが不均一である場合に、ノズル１１０から吐出した溶液滴の滴下位置がずれる恐れがある。これに対して、第３の実施形態では、保護膜１５０の溶液通過部２４２の直径ｄ４が振動板１２０のノズル２４１の直径ｄ３より大きい。そのため、振動板１２０のノズル２４１と、保護膜１５０の溶液通過部２４２のパターニングの中心位置が多少ずれた場合でも、溶液滴の滴下位置がずれる恐れがない。

第３の実施形態によれば、液滴噴射装置２は、第１の実施形態と同様、溶液保持容器２２の上面開口部２２ｂ側から紫外線照射することにより、溶液と接触する溶液保持容器２２、圧力室２１０の内面、及びノズル２４１の内面を紫外線照射洗浄することが可能である。そのため、溶液と接触する液滴噴射装置２の内面を短時間で洗浄できるため、生産性の高い液滴噴射装置２を提供することが可能である。

更に第３の実施形態の液滴噴射装置２では、保護膜１５０に形成する溶液通過部２４２の直径ｄ４を振動板１２０のノズル２４１の直径ｄ３より大きく形成する。ノズル２４１と溶液通過部２４２のパターニングの中心位置がずれたとしても、ノズル２４１から吐出する溶液滴は、溶液通過部２４２の影響を受けない。したがって、ノズル２４１からの溶液滴は、滴下位置精度を良好に保持する。

（第４の実施形態）
図１０は、第４の実施形態を示す。本実施形態は第３の実施形態（図９参照）の液滴噴射装置２の変形例である。なお、第４の実施形態にあって、第３の実施形態と同一部分については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

第３の実施形態では、保護膜１５０に形成する溶液通過部２４２は、内周面の直径ｄ４を軸方向に同径に形成した円筒形状の構成を示した。これに替えて第４の実施形態の液滴噴射装置２では、保護膜１５０に形成する溶液通過部２４２の内周面に外側（液滴の噴射方向）に向かうにしたがって直径が大きくなる状態に傾斜させたテーパー面２４２ａを形成する。

図１０に示すように、液滴噴射装置２のノズルプレート１００は、振動板１２０上に、直径ｄ３のノズル２４１及び駆動素子１３０を備え、更に保護膜１５０及び撥液膜１６０を備える。保護膜１５０の材料はネガ型感光性ポリイミドとする。保護膜１５０は、ノズル２４１と同軸であって、振動板１２０側の端面部分の開口部がノズル２４１の直径ｄ３より大きい直径ｄ５の溶液通過部２４２を備える。この溶液通過部２４２の断面形状は、台形状になっている。

例えば、ノズル２４１の直径ｄ３を２０μｍとし、溶液通過部２４２の振動板１２０側の端面部分の開口部の直径ｄ５を３０μｍとする。溶液通過部２４２は、撥液膜１６０側に向かって広くなる断面が台形状に形成される。撥液膜１６０は、保護膜１５０の溶液通過部２４２のテーパー面２４２ａの表面を覆い、ノズル２４１に連通する被覆部２４３ａを有する。溶液通過部２４２は、撥液膜１６０の被覆部２４３ａを介してノズル２４１と連通する。

液滴噴射装置２の製造時、ノズル２４１を有する振動板１２０の駆動素子１３０を形成した上にネガ型感光性ポリイミド膜を、例えば膜厚４μｍに成膜する。ネガ型感光性ポリイミド膜をパターニングして溶液通過部２４２を備える保護膜１５０を形成する。保護膜１５０は、下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃを露出する。

保護膜１５０上に撥液膜１６０の材料であるシリコーン系樹脂膜を成膜する。成膜したシリコーン系樹脂膜をパターニングして、撥液膜１６０を形成する。撥液膜１６０は、ノズル２４１の内周面に付着することなく、保護膜１５０の表面を覆う。下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃは露出される。

一般にネガ型感光性ポリイミド膜のパターニング時、露光々は、エッチングマスクに対して極力垂直方向に照射される。しかしながら、エッチングマスクを通過後、露光々はネガ型感光性ポリイミド膜内で平面方向に広がる。露光々がネガ型感光性ポリイミド膜内で平面方向に広がると、ネガ型感光性ポリイミド膜の膜厚が厚い場合は、エッチング面が傾斜する恐れがある。

溶液通過部２４２の断面形状を、撥液膜１６０側に広くなる断面が台形状とし、更に溶液通過部２４２の振動板１２０側の直径ｄ５をノズル２４１の直径ｄ３より大きくする。溶液通過部２４２のパターニング時にエッチング面が傾斜した場合でも、溶液通過部２４２の開口を広くして、ノズル２４１から吐出した溶液滴の滴下位置が溶液通過部２４２の影響によりずれるのを防止する。

第４の実施形態によれば、液滴噴射装置２は、第３の実施形態と同様、溶液保持容器２２の上面開口部２２ｂ側から紫外線照射することにより、溶液保持容器２２、圧力室２１０の内面、及びノズル２４１の内面を紫外線照射洗浄することが可能である。そのため、溶液と接触する液滴噴射装置２の内面を短時間で洗浄できるため、生産性の高い液滴噴射装置２を提供することが可能である。

更に第４の実施形態の液滴噴射装置２は、保護膜１５０に形成する溶液通過部２４２を、断面形状が、撥液膜１６０側に広くなる台形状に形成する。溶液通過部２４２の振動板１２０側の直径ｄ５をノズル２４１の直径ｄ３より大きく形成する。パターニング時に、ノズル２４１と溶液通過部２４２のパターニングの中心位置が多少ずれた場合でも、ノズル２４１から吐出する溶液滴は、溶液通過部２４２の影響を受けない。ノズル２４１からの溶液滴は、滴下位置精度を良好に保持する。

以上説明した実施形態では、駆動部である駆動素子１３０を円形としたが、駆動部の形状は限定されない。駆動部の形状は、例えばひし形或いは楕円等であっても良い。また圧力室２１０の形状も円形に限らず、ひし形或いは楕円形、更には矩形等であっても良い。

また、実施形態では、駆動素子１３０の中心にノズル１１０を配置したが、圧力室２１０の溶液を吐出可能であれば、ノズル１１０の位置は限定されない。例えばノズル１１０を、駆動素子１３０の領域内ではなく、駆動素子１３０の外側に形成しても良い。ノズル１１０を駆動素子１３０の外側に配置した場合には、駆動素子１３０の複数の膜材料を貫通してノズル１１０或いはノズル１１０に連通する溶液通過部１４１等をパターニングする必要がない。駆動素子１３０の複数の膜材料は、ノズル１１０に対応する位置の開口パターニングが不要であり、振動板１２０と、保護膜１５０をパターニングするのみで、ノズル１１０及び溶液通過部１４１等を形成でき、パターニングが容易となる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、液滴噴射装置２は、溶液保持容器２２側から紫外線照射することにより、溶液保持容器２２、圧力室２１０の内面、及びノズル１１０の内面を紫外線照射洗浄することが可能である。そのため、溶液と接触する液滴噴射装置２の内面を短時間で洗浄できるため、生産性の高い液滴噴射装置２を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…滴下装置、２…液滴噴射装置、３…基台、４…マイクロプレート、４ａ…プレート本体、４ｂ…ウエル、５…液滴噴射装置装着モジュール、６ａ…Ｘ方向ガイドレール、６ｂ…Ｘ方向ガイドレール、７ａ…固定台、７ｂ…固定台、８…Ｙ方向ガイドレール、９…Ｘ方向移動台、１０…Ｙ方向移動台、２１…ベース部材、２１ａ…凹陥部、２１ｂ…凹陥部、２１ｃ…制御信号入力端子部開口、２１ｄ…液滴噴射アレイ部開口、２２…溶液保持容器、２２ａ…開口部、２２ｂ…上面開口部、２３…電装基板、２４…電装基板配線、２５…制御信号入力端子、２６…電極端子接続部、２７…液滴噴射アレイ、１００…ノズルプレート、１１０…ノズル、１２０…振動板、１３０…駆動素子、１３１…下部電極、１３１ａ…電極部、１３１ｂ…配線部、１３１ｃ…端子部、１３２…圧電体膜、１３３…上部電極、１３３ａ…電極部、１３３ｂ…配線部、１３３ｃ…端子部、１４０…絶縁膜、１４０ａ…コンタクト部、１４１…溶液通過部、１５０…保護膜、１６０…撥液膜、２００…圧力室構造体、２０１…シリコンウエハ、２１０…圧力室、２２０…反り低減膜、２３０…ノズル、２３１…周孔、２４１…ノズル、２４２…溶液通過部、２４２…テーパー面、２４２ａ…溶液通過部、２４３…被覆部、２４３ａ…被覆部、４４１…溶液通過部。

Claims (5)

1. 内部に圧力室が形成された基板と、
   前記圧力室に連通し、前記圧力室内の溶液を吐出するノズルと、
   前記圧力室内の圧力を変化させ、前記圧力室内の溶液を前記ノズルから吐出させるアクチュエータと、
   上面に溶液を受ける溶液受け口、下面に前記圧力室内に連通する溶液出口をそれぞれ有し、前記基板の上に積層される溶液保持容器と、を有し、
   前記溶液受け口は前記溶液出口より大きく、前記溶液出口は前記圧力室の開口より大きい液滴噴射装置。
2. 前記溶液保持容器から前記圧力室内を経て前記ノズルから液体を吐出させる液体流路全体を光照射可能にした請求項１記載の液滴噴射装置。
3. 前記基板は、前記圧力室が複数形成されており、
   前記溶液出口は、複数の前記圧力室に連通されている請求項１または２記載の液滴噴射装置。
4. 前記アクチュエータは、
   前記圧力室に積層された振動板と、
   前記振動板の前記圧力室と反対側の面に形成される下部電極と、
   前記下部電極に接して形成される圧電部材と、
   前記圧電部材に接して形成される上部電極と、
   前記上部電極の前記圧力室と反対側に形成される保護膜と
   を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液滴噴射装置。
5. 前記ノズルは、前記アクチュエータに形成されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液滴噴射装置。