JP6054897B2 - 環状電極周囲の圧電体層の防湿 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェット装置の環状電極に関する。

流体吐出システムは、一般的に、流体供給源から、流体液滴を吐出するノズルを有するノズルアセンブリに至る、流路を備える。圧電アクチュエータのようなアクチュエータによって流路内の流体に圧力を加えることにより、流体液滴の吐出を制御することができる。吐出される流体は、例えば、インク、エレクトロルミネセンス材料、生物学的物質、又は電気回路形成用の材料であってもよい。

プリントヘッドモジュールは、流体吐出システムの一例である。プリントヘッドモジュールは、一般的に、ノズルの列又は配列並びにそれに対応するインク流路及び付随するアクチュエータの配列を有し、一つ又は複数のコントローラによって、各ノズルからの液滴吐出を独立して制御することができる。プリントヘッドモジュールは、ポンプ室を画成するようにエッチングされた本体を含んでもよい。ポンプ室の一つの面は、圧電アクチュエータによって駆動されると湾曲してポンプ室を拡張又は収縮させることができる程度に十分に薄い膜である。圧電アクチュエータは、ポンプ室の上方の薄膜上に支持される。圧電アクチュエータは、圧電材料の層であって一対の対向する電極によって印加された電圧に応じて形状変化する（即ち作動する）圧電体層を含む。圧電体層を作動させることにより、薄膜が湾曲し、その薄膜の湾曲がポンプ室内の流体に圧力を加え、結果としてノズルの外に液滴が吐出される。

米国特許第８，０６１，８２０号明細書

圧電アクチュエータに駆動電流を供給するために用いられる上側電極として、環状の上側電極は、圧電アクチュエータの中央上側に設けられた中実な（穴がない）従来の電極（以下、中実中央電極という。）と比べて、いくつかの利点を有する。しかし、環状の上側電極が圧電体層上に直接置かれる場合、被覆がない領域が圧電体層に残る。この被覆がない領域は、圧電体層を劣化させうる水蒸気にさらされ、その結果、圧電アクチュエータの故障の原因となる。

本発明は、環状電極周囲の圧電体層の防湿を目的とする。

本発明の一態様において、インクジェット装置は、壁によって画成されたポンプ室と、ポンプ室の上方に配置された圧電体層と、環状下部と環状上部とを有する環状電極と、を備える。環状下部は圧電体層上に配置されている。インクジェット装置は、ポンプ室の上方の圧電体層の、環状電極の環状下部によって覆われずに残る部分を覆う、防湿層を備える。環状電極の環状上部は、環状内側上部と環状外側上部とを含む。環状電極の環状下部は、環状内側下部と環状外側下部とを含む。環状内側上部は、環状内側下部から内側に延在し、環状内側下部に囲まれた防湿層の一部を覆う。環状外側上部は、環状外側下部から外側に延在し、環状外側下部を囲む防湿層の一部を覆う。

本発明の実施形態は、以下の特徴のうちの少なくとも一つを含んでもよい。インクジェット装置は、少なくとも１５μｍの重複部を備えてもよい。重複部は、ポンプ室の壁を越えて外側に広がっている環状外側下部の側方の範囲を含む。圧電体層はスパッタＰＺＴ層であってもよい。圧電体層はバルクＰＺＴ層であってもよい。環状電極は酸化イリジウム層を含んでもよい。酸化イリジウム層の厚さは５００ｎｍであってもよい。防湿層はＳｉ_３Ｎ_４層を含んでもよい。防湿層は、ＳｉＯ_２層を含んでもよい。Ｓｉ_３Ｎ_４層の厚さは１００ｎｍであってもよい。ＳｉＯ_２層の厚さは３００ｎｍであってもよい。インクジェット装置は、ポンプ室と圧電体層との間にＳｉＯ_２層を備えてもよい。インクジェット装置は、ＳｉＯ_２層と圧電体層との間に配置されたイリジウム層を含む基準電極を備えてもよい。ＳｉＯ_２層の厚さは１μｍであってもよく、イリジウム層の厚さは２３０ｎｍであってもよい。環状電極の、防湿層の一部の上方に延在して防湿層の一部を覆う部分の厚さは、１２０ｎｍであってもよい。環状内側下部の内側にある圧電体層の一部は、エッチングされていて防湿層によって覆われていてもよい。

本発明の一態様において、インクジェット装置の形成方法は、シリコン基板の第一の面をエッチングして、垂直壁を有するポンプ室を形成する工程と、ポンプ室の上方に圧電材料層を設ける工程と、圧電材料層の上に防湿層を蒸着する工程と、防湿層の一部をエッチングして、圧電材料層を露出する環状の窓を形成する工程と、窓内に導電材料を蒸着して、環状電極を形成する工程と、を含む。環状電極は、環状内側上部と環状外側上部とを含む環状上部を有する。環状電極は、環状内側下部と環状外側下部とを含む環状下部を有する。環状内側上部は、環状内側下部から内側に延在し、環状内側下部に囲まれた防湿層の一部を覆う。環状外側上部は、環状外側下部から外側に延在し、環状外側下部を囲む防湿層の一部を覆う。

本発明の実施形態は、以下の特徴のうちの少なくとも一つを含んでもよい。ポンプ室と圧電材料層との間に、ＳｉＯ_２層を設けてもよい。ポンプ室の上方に圧電材料層を設ける工程の前に、導電材料層を第二の面上に蒸着してもよい。

ＳｉＯ_２層は、デバイスシリコン層とハンドルシリコン層との間にＳｉＯ_２層を備えるＳＯＩウエハを、シリコン基板の第一の面上に接合することにより設けられてもよい。ＳＯＩウエハの接合の後に、ハンドルシリコン層が研削及びエッチングによって除去される。防湿層はＰＥＣＶＤを用いて蒸着されてもよい。防湿層を蒸着する工程は、Ｓｉ_３Ｎ_４とＳｉＯ_２とをＰＥＣＶＤを用いて蒸着する工程を含んでもよい。防湿層を蒸着する工程は、厚さ１００ｎｍのＳｉ_３Ｎ_４層と厚さ３００ｎｍのＳｉＯ_２層とを蒸着する工程を含んでもよい。ポンプ室の上方に圧電材料層を設ける工程は、ＰＺＴをスパッタする工程を含んでもよい。環状内側下部の内側にある圧電材料層の一部がエッチングされ、エッチングされた圧電材料層の一部が防湿層で覆われてもよい。

本発明の一態様において、インクジェット装置は、側壁によって画成されたポンプ室と、ポンプ室の一部をノズルに流体的に接続する下降流路と、ポンプ室の上方に配置された圧電体層と、圧電体層上の電極と、を備える。電極は、ポンプ室の外周部の上方に位置してポンプ室の中央部を実質的に囲むと共に間隙を有する、伝導帯を含む。間隙は、下降流路の垂直上方に位置する。

本発明の実施形態は、以下の特徴のうちの少なくとも一つを含んでもよい。伝導帯は、ポンプ室の外周部の少なくとも９０％を囲む。防湿層が、ポンプ室の上方の圧電体層の、伝導帯によって覆われずに残る部分を覆う。

本発明の一つ又は複数の実施形態の詳細が、添付図面及び以下の説明で述べられる。本発明の他の特徴、態様及び利点は、本説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになる。

流体吐出システムの一例の概略平面図である。 流体吐出システムの一例の概略断面図である。 流体吐出システムの他の一例の部分概略断面図である。 中実中央電極及び環状電極の駆動波形の例を示す図である。 流体吐出システムの他の一例の部分概略断面図である。 図１Ａ及び図１Ｂに示す流体吐出システムの一例の製造工程の一部を示す図である。 流体吐出システムの他の一例の部分概略平面図である。 流体吐出システムの他の一例の部分概略断面図である。 流体吐出システムの他の一例の部分概略断面図である。

図１Ａは、本願発明の一実施形態に係る流体吐出システム（例えば、プリントヘッドモジュール１００）の概略上面図であり、図１Ｂは、図１ＡのＢ−Ｂ線に沿った、プリントヘッドモジュール１００の概略断面図である。第一電極１２８は、図１Ｂに示すように圧電アクチュエータ構造体１２０の一部であり、図１Ａに示すように環状上部１５５を有する環状上側電極であってもよい。図１Ａにおいてハッチングが施されている部分は、絶縁体層組織１３０を示す。第一電極１２８の縁部１２８ａは、絶縁体層組織１３０の一部を覆う。第一電極１２８の、縁部１２８ａの間にある部分は、その下にある圧電体層１２６上に置かれて圧電体層１２６を覆う。図１Ｂに示すように、内縁部１２８ｂは、第一電極１２８のうち絶縁体層組織１３０によって囲まれた上部の上方まで延在する。第一電極１２８の接続部５１０は、駆動電圧を発生させる電源に第一電極１２８を電気的に接続する。

プリントヘッドモジュール１００は、多数の圧電アクチュエータ構造体１２０と、内部に流体経路が形成されたモジュール基板１１０と、を含む。モジュール基板１１０は、シリコン基板のようなモノリシックな半導体本体であってもよい。シリコン基板を通る各流体経路は、吐出される流体（例えば、インク）のための流路を画成する（図１Ｂの断面図には、一つの流路及び一つのアクチュエータのみが示されている）。各流路は、流体入口１１２と、ポンプ室１１４と、下降流路１１６と、ノズル１１８と、を含んでもよい。ポンプ室１１４は、モジュール基板１１０内に形成された空洞である。圧電アクチュエータ構造体１２０は、第二電極層（例えば接地電位に接続された、例えば基準電極層１２４）と、第一電極１２８と、第一電極と第二電極層との間に配置された圧電体層１２６と、を含む。

圧電アクチュエータ構造体１２０は、モジュール基板１１０上に支持される（例えば接合される）。圧電体層１２６は、基準電極層１２４と第一電極層１２８との間で圧電体層１２６に印加される電圧に応じて、形状を変え、即ち湾曲する。ポンプ室１１４の一側面は、薄膜１２３によって画成される。薄膜１２３は、ポンプ室１１４の上方に形成された薄膜層１２２の一部である。薄膜１２３の範囲は、薄膜１２３を支持するポンプ室１１４の縁によって区切られる。圧電体層１２６の湾曲が、薄膜１２３を曲げ、それによりポンプ室１１４内の流体に圧力を加えることで、流体を下降流路１１６に制御可能に送り込んでノズル１１８の外に流体の液滴を吐出する。このように、付随するアクチュエータを有する各流路は、個別に制御可能な流体吐出ユニットとなる。

基準電極層１２４の下にＳｉＯ_２層１２５があると、プリントヘッドモジュール１００の耐久性が向上する。理論的に拘束されることを目的とはしないが、耐久性向上の理由として考えられるのは、圧電体層１２６が引張応力を呈するＰＺＴを含むのに対してＳｉＯ_２層１２５が圧縮応力を呈することである。ＳｉＯ_２層１２５があると、ＰＺＴ内に存在する可能性がある引張応力を打ち消すことにより、プリントヘッドモジュール１００内の層構造の歪みを軽減するのに役立つ。プリントヘッドモジュール１００内の層構造の歪みを軽減することにより、耐久性が向上する。いくつかの実施形態では、ＳｉＯ_２層１２５の存在は任意である。例えば、ＳｉＯ_２層１２５は、研削及び／又はエッチングによって除去されてもよい。

いくつかの実施形態では、基準電極層１２４は、イリジウム（Ｉｒ）金属層（例えば、厚さが５０ｎｍから５００ｎｍ（例えば２３０ｎｍ）のイリジウム金属層）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、基準電極層１２４は、ＳｉＯ_２層１２５に接触してイリジウム金属層の剥離を防ぐための接着層として機能する薄い金属層（例えば、厚さが１０ｎｍから５０ｎｍのチタンタングステン（ＴｉＷ）層）と、その上に配置されたイリジウム金属層と、の二つの金属層が重ねられた構造を有する。基準電極層１２４は、連続的であってもよく、任意に、複数のアクチュエータにわたってもよい。基準電極が連続的である場合、基準電極は圧電体層１２６とＳｉＯ_２層１２５との間に配置された単一の連続的な導電体層であってもよい。ＳｉＯ_２層１２５及び薄膜１２３は、基準電極層１２４及び圧電体層１２６をポンプ室１１４内の流体から隔離する。第一電極層１２８は、基準電極層１２４の圧電体層１２６とは反対側に位置する。第一電極層１２８は、圧電アクチュエータ構造体１２０の駆動電極として機能するパターン化された導電体部分を含む。

圧電体層１２６は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜のような、略平坦な圧電材料を含んでもよい。圧電材料の厚さは、印加された電圧に応じて圧電体層が湾曲することができるような程度内である。例えば、圧電材料の厚さは、約０．５μｍから２５μｍの範囲内、例えば、約１μｍから７μｍであってもよい。圧電材料は、薄膜１２３のポンプ室１１４上の領域を越えて延在してもよい。圧電材料は、モジュール基板内の複数のポンプ室にわたってもよい。又は、個々のアクチュエータの圧電材料を互いに分離してクロストークを軽減するために、圧電材料は、ポンプ室を覆わない領域内に切込みを有してもよい。

圧電体層１２６は、ＰＺＴを含んでもよい。ＰＺＴは、バルク結晶の形態であってもよいし、例えばＲＦスパッタリングを用いてスパッタＰＺＴ膜を形成するように、基準電極層上にスパッタされてもよい。いくつかの実施形態では、圧電体層１２６は、スパッタＰＺＴ膜であり、厚さが０．５μｍから２５μｍ、例えば１μｍから７μｍ、例えば３μｍである。このようなＰＺＴ膜は、高い圧電定数を持つと共に、厚み変動が小さいように形成することができる（例えば、６インチのシリコンウエハ全体にわたって厚み変動が＋／−５％未満）。ＰＺＴ膜は、高濃度（例えば、１３％）のニオブ（Ｎｂ）ドーパントを含んでもよく、これにより、従来のスパッタＰＺＴ膜より高い（例えば、７０％高い）圧電定数を得ることができる。ＰＺＴ膜は、（１００）配向のペロブスカイト相であってもよく、このことは圧電性能を高める一因となる。スパッタ蒸着の種類として、マグネトロンスパッタ蒸着（例えば、ＲＦスパッタリング）、イオンビームスパッタリング、反応性スパッタリング、イオンアシスト蒸着、高ターゲット利用率スパッタリング、及び高出力インパルスマグネトロンスパッタリングが挙げられる。スパッタされた圧電材料（例えば、圧電体薄膜）は、蒸着時に大きな分極を有することができる。いくつかの実施形態では、このような方法で製造された圧電体層の分極方向は、基準電極層１２４から第一電極層１２８へ向かう向き、例えば、平坦な圧電体層１２６に対して略垂直であることができる。

分極している圧電材料は、電界が印加されると変形することができる。例えば、図１Ｂにおいて、第一電極１２８と基準電極１２４との間の負の電位差は、圧電体層１２６内に分極方向と略同じ方向に向かう電界を生じさせる。この電界に応じて、駆動電極と基準電極との間にある圧電材料が、垂直方向に拡張及び水平方向に収縮し、ポンプ室の上方の圧電体膜を湾曲させる。一方、図１Ｂにおいて、駆動電極と基準電極との間の正の電位差は、圧電体層１２６内に分極方向と略反対方向に向かう電界を生じさせる。この電界に応じて、駆動電極と基準電極との間にある圧電材料が、垂直方向に収縮及び水平方向に拡張し、ポンプ室の上方の圧電体膜を前述の場合の湾曲方向と反対方向に湾曲させる。湾曲の方向及び形状は、駆動電極の形状と、ポンプ室の上方の薄膜上に広がっている圧電体膜の固有曲げモードと、に依存する。

防湿層１３０が、ポンプ室１１４の上方の圧電体層１２６の、第一電極１２８によって覆われずに残る部分を覆う。防湿層１３０は、二種類の絶縁体材料（即ち、絶縁体二層組織）を含んでもよい。例えば、圧電体層１２６上にＳｉ_３Ｎ_４からなる第一層（例えば、厚さが１０ｎｍから５００ｎｍ（例えば１００ｎｍ）のＳｉ_３Ｎ_４層）をプラズマ促進化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）によって蒸着した後、Ｓｉ_３Ｎ_４層上にＳｉＯ_２からなる第二層（例えば、厚さが１０ｎｍから１０００ｎｍ（例えば２００ｎｍから３００ｎｍ）のＳｉＯ_２層）をＰＥＣＶＤによって蒸着してもよい。防湿層は、原子層蒸着（ＡＬＤ）や、ＰＥＣＶＤとＡＬＤとの組み合わせのような、別の蒸着法で蒸着してもよい。防湿層１３０として好適に用いることができる材料（例えば、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４及びＡｌ_２Ｏ_３）は、ＰＥＣＶＤ及びＡＬＤのいずれの方法でも蒸着することができる。圧電体層の一部が空気に直接露出している流体吐出装置においては、流体吐出装置が比較的早く、例えば稼動開始後最初の数分間で、故障することがあるという潜在的な問題がある。特定の理論に拘束されるものではないが、スパッタＰＺＴは水蒸気に敏感であり、このような早期の装置故障は水蒸気による圧電体層の劣化に起因する可能性がある。図１Ｂに示す防湿層１３０は、圧電体層１２６の第一電極１２８によって覆われていない領域において圧電体層１２６への環境からの水蒸気の侵入を防ぐことにより、水蒸気による劣化の問題を低減する（例えば、実質的に防止する）。更に、防湿層１３０は、ＰＺＴからの鉛（Ｐｂ）の拡散及び酸素の拡散も低減する（例えば、実質的に防止する）。防湿層１３０を用いることにより、プリントヘッドモジュール１００が５×１０^１１パルスの吐出を行えるほどにまで長寿命化することが見込まれる。

いくつかの実施形態では、更に防湿性能を向上させるために、図２に示すように、追加の層、例えばＡＬＤバリア４１０（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３層）を、防湿層１３０及び第一電極１２８の上に蒸着することができる。ＡＬＤ層を２００℃から３００℃の高温で蒸着すると、防湿層としての品質が向上する。理論的に拘束されることを目的とはしないが、膜の密度が高いほど機械的及び電気的特性が向上するので、蒸着温度が高いことにより粒子径が小さくなると、より良い防湿層となる。ＡＬＤ層４１０の厚さは、１０ｎｍから１０００ｎｍ（例えば、１２０ｎｍ）であってもよい。しかし、ＡＬＤ層が存在することによって薄膜１２３の変位が小さくなることがある。したがって、第一電極１２８が基板上で露出している外層であることが、有利である。

防湿層１３０は、最初に、ＰＥＣＶＤにより単一の連続膜として圧電体層１２６の上に蒸着されてもよい。次に、防湿層１３０に環状の窓領域がエッチングされる。エッチングされた窓領域内に導電材料を蒸着して、圧電体層１２６と直接接触する第一電極１２８を形成することができる。図１Ａの実施形態では、環状電極である第一電極１２８が示されている。この場合、絶縁体領域内に環状の窓領域がエッチングされてから、エッチングされた空間が導電材料で充填されて第一電極１２８が形成される。

図１Ｂに示す環状電極は、環状下部１５０と環状上部１５５とを含む。環状下部１５０は、圧電体層１２６の上に配置される。環状上部１５５は、環状内側上部１５６と環状外側上部１５７とを含む。環状下部１５０は、環状内側下部１５１と環状外側下部１５２とを含む。環状内側上部１５６は、環状内側下部１５１から内側に延在し、環状内側下部１５１に囲まれた防湿層１３０の一部を覆う。環状外側上部１５７は、環状外側下部１５２から外側に延在し、環状外側下部１５２を囲む防湿層１３０の一部を覆う。第一電極１２８は、別途のリソグラフィー（別のマスク）及びエッチング工程によって画成される。いくつかの実施形態では、防湿層の上に延在する第一電極１２８の部分１６１の厚さは、５０ｎｍから５０００ｎｍであり、例えば、１００ｎｍから２０００ｎｍである。部分１６１は、製造工程における小さなアライメントずれによって圧電体層１２６の一部が露出することを防ぐ。

第一電極１２８は、酸化イリジウム（ＩｒＯ_Ｘ）を含んでもよい。いかなる特定の理論にも限定されないが、第一電極１２８がチタンタングステン又は金（ＴｉＷ／Ａｕ）を含有する場合、ＰＺＴ内で化学結合していた酸素がチタンタングステンに拡散して、界面でＰＺＴ内の酸素欠乏が起きる。ＰＺＴ内の酸素欠乏は、ＰＺＴの劣化の原因となり、アクチュエータの効率を低下させる。第一電極として酸化イリジウムを用いることにより、ＰＺＴ内の酸素欠乏という問題を低減する（例えば、実質的に防止する）。また、酸化イリジウムは、高温でもＰＺＴと反応しない。酸化イリジウムは、その化学的不活性に加えて、かなり低い水蒸気透過率を有する。更に、酸化イリジウムは、ＰＺＴに対する接着性がよい。一方、チタンタングステンは、ＰＺＴと反応し、これはＰＺＴの劣化を引き起こすＰＺＴ内の酸素欠乏の原因となる。金属イリジウムは、高応力材料であり、第一電極として用いた場合に層間剥離の問題がある。

第一電極１２８及び基準電極１２４は、流体吐出サイクル中に適切な時点かつ適切な持続時間で圧電体層１２６に電位差を与えるコントローラ１８０に、電気的に接続される。典型的には、基準電極の電位は、動作中、例えば吐出パルスの間、一定に保たれているか又は全てのアクチュエータにわたって同じ電圧波形で同一に制御される。駆動電極（例えば、第一電極１２８）に印加される電圧が基準電極に印加される電圧よりも低い場合、負の電位差が存在する。駆動電極（例えば、第一電極１２８）に印加される電圧が基準電極に印加される電圧よりも高い場合、正の電位差が存在する。このような実施形態では、駆動電極（例えば、第一電極１２８）に印加される「駆動電圧」又は「駆動電圧パルス」は、圧電駆動のための望ましい駆動電圧波形を得るために、基準電極に印加される電圧に対して相対的に決められる。

圧電アクチュエータ構造体１２０は、第一電極１２８及び基準電極１２４に電気的に接続されたコントローラ１８０によって制御される。コントローラ１８０は、液滴吐出サイクル中に薄膜１２３を望ましい方向に湾曲させるように適切な電圧パルスを第一電極１２８に供給する一つ又は複数の波形発生器を含んでもよい。コントローラ１８０は、更に、駆動電圧パルスのタイミング、持続時間及び強度を制御するコンピュータ又はプロセッサに接続されてもよい。

一般的に、液滴吐出サイクルの間、ポンプ室は、最初に拡張して流体供給源から流体を引き込み、その後に収縮してノズルから流体液滴を吐出する。中実中央駆動電極と基準電極とを有するシステムにおいて、流体吐出サイクルは、最初にポンプ室１１４を拡張させるために正電圧パルスを駆動電極に印加することと、その後にポンプ室１１４を収縮させるために負電圧パルスを駆動電極に印加することと、を含む。又は、単一の正電圧パルスが駆動電極に印加されてポンプ室が拡張して流体を引き込み、そのパルスの終わりに、ポンプ室が拡張状態から収縮して弛緩状態に戻って流体液滴を吐出する。

中実中央駆動電極を用いてポンプ室を弛緩状態から拡張させるためには、中実中央駆動電極と基準電極との間にある圧電体層に正の電位差が印加されることが必要である。スパッタＰＺＴの場合、このような正の駆動電位差を用いると、圧電体層に発生する電界が、圧電材料の分極方向とは逆方向になるという欠点がある。この正の電位差が繰り返し印加されると、圧電体層の部分的な脱分極が起き、アクチュエータの有効性及び効率が徐々に悪化する。

正の電位差の使用を避けるために、駆動電極を、基準電極に対して静止負電位バイアスに保ち、流体吐出サイクルの拡張段階の間だけニュートラルに戻すようにすることができる。このような実施形態では、ポンプ室は、休止している間、中実中央駆動電極の静止負電位バイアスによって予備圧縮状態に維持される。流体吐出サイクル中に、負電位バイアスは、期間Ｔ１だけ中実中央駆動電極から除かれ、その後に次の流体吐出サイクルの開始まで再度印加される。中実中央駆動電極から負電位バイアスが除かれると、ポンプ室は、予備圧縮状態から弛緩状態に拡張して、入口から流体を引き込む。期間Ｔ１の後、負電位バイアスが中実中央駆動電極に再度印加され、ポンプ室が弛緩状態から予備圧縮状態に収縮してノズルから液滴を吐出する。この代替的な駆動方法によって、駆動電極と基準電極との間に正の電位差を印加する必要がなくなる。しかし、圧電材料が静止負電位バイアス及び一定の内部応力にさらされる時間が長くなると、圧電材料の劣化が起きる可能性がある。

環状の第一電極は、中実中央電極と比べて、以下の利点を有する場合がある。環状の第一電極により、流体吐出サイクル中の正の駆動電圧を不要とすると共に、休止中の静止負電位バイアスの維持を不要とすることができる。図３に、中実中央電極と環状第一電極とを駆動するために用いられる、異なる駆動波形を示す。二種類の駆動波形において４５Ｖの振幅を用いて、高加速耐久性試験の条件下でシステムの性能を検査した。なお、通常のインクジェット動作では、約２０Ｖの電圧振幅が用いられる。図３に示すように、環状第一電極を用いる場合は、電位差が大きい状態の時間が比較的短い（例えば、駆動負電圧の時間が、中実中央電極を用いる場合に対して、３分の１未満（例えば、６８％の時間に対して２２％の時間））。これは、環状第一電極は、撓みを引き起こす方向が中実中央駆動電極と反対なので、中実中央駆動電極を用いる場合と同じポンプ室内での流体吐出サイクルを、駆動負電位差を用いて実現することができるからである。更に、ポンプ動作を実現するために駆動電極に静止負電位バイアスを維持する必要がない。環状電極と中実中央電極との相違については、参照により本明細書に援用されるアメリカ合衆国特許第８，０６１，８２０号に更に詳細に記載されている。アクチュエータ構造体１２０は、電源がポンプ室１１４上の薄膜１２３の湾曲に関係するＰＺＴだけに接続されていて不活性なＰＺＴとは接続されていないような低容量結合の場合に、より効率的である。

環状電極は、図３に示す環状電極の接続部５１０において、局所的な機械的応力を受けて欠陥が増加する可能性がある。局所的な機械的応力を低減するために、環状電極の幅、環状電極からポンプ室の縁までの距離、及び環状電極の絶縁体材料との重なりを最適化する必要がある。典型的には、ポンプ室の中心から環状電極の内側縁Ｒ_ｉｅまでの距離は、ポンプ室の半径Ｒ_ｐｃの約７０％から７５％である。これらのパラメータは、図１Ｂに示されている。環状電極の幅は、内側縁Ｒ_ｉｅからポンプ室の縁まで延び、更に１０μｍから１５μｍの重複部１７０を含む。例えば、環状電極の内側縁がＲ_ｐｃの７５％の位置に配置されるよう設計されてＲ_ｐｃ＝１００μｍである場合、ポンプ室の中心から環状電極の内側縁Ｒ_ｉｅまでの距離はＲ_ｉｅ＝７５μｍである。そして、電極の幅は、ポンプ室の縁と環状電極の内側縁Ｒ_ｉｅとの距離、即ち（Ｒ_ｐｃ−Ｒ_ｉｅ）及び重複部１７０の合計である。上記の例では、Ｒ_ｐｃ−Ｒ_ｉｅは２５μｍであり、重複部１７０は、１０μｍから１５μｍとすることができる。この場合、環状電極の幅は、３５μｍから４０μｍである。

局所的な電気絶縁破壊を低減するために、環状電極、特に環状電極の角部の形状を最適化して、金属の尖った縁を低減又はなくす必要がある。最適化された形状の一例としては、円形、楕円形、又は丸みを帯びた六角形のような丸みを帯びた多角形が挙げられる。

二層絶縁構造体が、ピンホール効果を最小限にするために、一体化されている。ピンホールは、蒸着工程において生じて蒸着層を貫通する微小な穴である。ピンホールは、その下の層へ材料を透過させてしまうため、避けるべきものである。二層構造体は、ピンホール効果の可能性を低減する。なぜなら、異なる材料は異なる蒸着特性を持つので、複数の異なる材料が同じ位置にピンホールを形成する可能性は低く、最下層に存在しうるピンホールの全てを第一層が覆うためである。

図５に示すように、プリントヘッドモジュール１００は、まずポンプ室１１４をそれぞれ形成する空洞をモジュール基板１１０（例えば、ベースウエハ）にエッチングすることによって形成される。エッチングの後、デバイスシリコン層２２２を有するＳＯＩウエハ２００が、ポンプ室１１４を含むモジュール基板１１０に接合される。ＳＯＩウエハ２００は、デバイスシリコン層２２２、ハンドルシリコン層２１０及びＳｉＯ_２層２２３を含む。次に、ハンドルシリコン層２１０がエッチング及び／又は研削によって除去され、ＳＯＩウエハ２００のＳｉＯ_２層２２３がプリントヘッドモジュール１００上に残るＳｉＯ_２層１２５（図１Ｂに示す）となる。ＳｉＯ_２層１２５の厚さは、０．１μｍから２μｍであり、例えば１μｍである。いくつかの実施形態では、圧電アクチュエータ構造体１２０は、別に製造されてからモジュール基板１１０のＳｉＯ_２層１２５に固定（例えば接合）される。いくつかの実施形態では、圧電アクチュエータ構造体１２０は、ＳｉＯ_２層１２５上に様々な層を順次蒸着することによりポンプ室１１４の上方の位置に製造されてもよい。

＜重複部＞
重複部１７０は、図１Ｂに示すように、環状外側下部１５２の側方の範囲として画成されていて、ポンプ室１１４の壁を越えて外側に広がっている。重複部１７０の大きさは、５μｍから３０μｍ、例えば１５μｍである。実験結果によれば、厚さ３μｍのスパッタＰＺＴ層について、重複部を１０μｍから１５μｍに大きくすると、ポンプ室１１４の容積変位が６％増加する。１５μｍの重複部について、図４に示すように環状電極の内径内にあるＰＺＴがエッチングされた場合、ポンプ室１１４の容積変位が１８％増加する。理論的に拘束されることを目的とはしないが、重複部が大きくなるとポンプ室１１４の縁の境界の剛性が増すことが容積変位の増加の原因であると考えられる。境界の剛性及び薄膜１２３の中央の柔軟性を保つことにより、機械的エネルギーをより効果的にポンプ室上の薄膜１２３の中央を湾曲させるために用いることができ、ポンプ室の容積変位を増加させることができる。一般的な有限要素（ＦＥ）シミュレーションでは、非現実的な完全な境界状態を仮定していたので、このような容積変位の増加は予想されていなかった。重複部を考慮したモデリングを用いることにより、１０μｍの重複部を有する環状電極は、中実中央電極の８９％の容積変位を得られるであろうことが算出された。２０μｍの重複部を有する環状電極は、中実中央電極の９６％の容積変位を得られるであろう。

＜他の形状＞
図１Ｂに示す環状電極形状に加えて、図１Ｂに示す実施形態の材料及び防湿層１３０を用いて、別の形状を採用することも可能である。いくつかの実施形態では、環状第一電極１２８の内径内にある圧電体層（即ち「内側ＰＺＴ」）を、図４に示すように更にエッチングすることができる。内側ＰＺＴを含むエッチングされた部分６３０は、防湿層１３０によって覆われる。上述したように、１５μｍの重複部６７０も有する図４に示す構成は、１０μｍだけの重複部を有して内側ＰＺＴの更なるエッチングがされていない構成と比べて、容積変位が１８％大きい。内側ＰＺＴのエッチングは、層状のアクチュエータ構造体６２０のコンプライアンスを変化させて、構造体の共鳴周波数を変える。例えば、この構成は、質量が比較的小さいので、内側ＰＺＴがエッチング除去されていない構成と比べて、共鳴周波数が最大１６％まで高くなる。

いくつかの実施形態では、図６Ａに示すように、第一電極はＣ字型電極７２８であってもよい。図６Ｃに示すように、Ｃ字型電極７２８は、ポンプ室７１４の一部をノズルに流体的に接続する下降流路７１８の垂直上方に位置する間隙７４０を有する。Ｃ字型電極７２８は、圧電体層７２６上に蒸着され、ポンプ室７１４の外周部７５０の上方に位置してポンプ室７１４の中央部を実質的に囲む伝導帯を含む。「実質的に囲む」例として、外周部の、少なくとも９０％、例えば少なくとも９５％、更に例えば少なくとも９７％、を囲むことが挙げられる。伝導帯は、酸化イリジウムを含むことができる。図６Ａは、絶縁体組織７３０も含んでいる。

本明細書及び特許請求の範囲の全体を通して、「前」、「後」、「上」、「下」、「水平」及び「垂直」などの用語の使用は、そこで説明されているプリントヘッドモジュールの様々な構成部品及び他の要素の相対的な位置や方向を規定していて、プリントヘッドモジュールの重力に対する特定の配向を意味するものではない。

他の様々な実施態様も、特許請求の範囲に含まれる。

Claims (20)

1. 壁によって画成されたポンプ室と、
   前記ポンプ室の上方に配置された圧電体層と、
   環状下部と環状上部とを有し、前記環状下部が前記圧電体層上に配置された、環状電極と、
   前記ポンプ室の上方の前記圧電体層の、前記環状電極の前記環状下部によって覆われずに残る部分を覆う、防湿層と、
   を備え、
   前記環状電極の前記環状上部は、環状内側上部と環状外側上部とを含み、
   前記環状電極の前記環状下部は、環状内側下部と環状外側下部とを含み、
   前記環状内側上部は、前記環状内側下部から内側に延在し、前記環状内側下部に囲まれた前記防湿層の一部を覆い、
   前記環状外側上部は、前記環状外側下部から外側に延在し、前記環状外側下部を囲む前記防湿層の一部を覆う、
   インクジェット装置。
2. 少なくとも１５μｍの重複部を備え、
   前記重複部は、前記ポンプ室の前記壁を越えて外側に広がっている前記環状外側下部の側方の範囲を含む、請求項１に記載のインクジェット装置。
3. 前記圧電体層はスパッタＰＺＴ層である、請求項１又は２に記載のインクジェット装置。
4. 前記環状電極は酸化イリジウム層を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のインクジェット装置。
5. 前記酸化イリジウム層の厚さは５００ｎｍである、請求項４に記載のインクジェット装置。
6. 前記防湿層はＳｉ_３Ｎ_４層を含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のインクジェット装置。
7. 前記Ｓｉ_３Ｎ_４層の厚さは１００ｎｍである、請求項６に記載のインクジェット装置。
8. 前記防湿層は更にＳｉＯ_２層を含む、請求項６又は７に記載のインクジェット装置。
9. 前記ＳｉＯ_２層の厚さは３００ｎｍである、請求項８に記載のインクジェット装置。
10. 前記ポンプ室と前記圧電体層との間にＳｉＯ_２層を更に備える、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のインクジェット装置。
11. 前記ＳｉＯ_２層と前記圧電体層との間に配置されたイリジウム層を含む基準電極を更に備える、請求項１０に記載のインクジェット装置。
12. 前記環状電極の、前記防湿層の一部の上方に延在して前記防湿層の一部を覆う部分の厚さは１２０ｎｍである、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のインクジェット装置。
13. 前記環状内側下部の内側にある前記圧電体層の一部は開口部を有し、前記開口部は前記防湿層によって覆われている、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のインクジェット装置。
14. 前記ポンプ室の一部をノズルに流体的に接続する下降流路を更に備え、
    前記環状電極は、前記下降流路の垂直上方に位置する間隙を有する、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のインクジェット装置。
15. シリコン基板の第一の面をエッチングして、垂直壁を有するポンプ室を形成する工程と、
    前記ポンプ室の上方に圧電材料層を設ける工程と、
    前記圧電材料層の上に防湿層を蒸着する工程と、
    前記防湿層の一部をエッチングして、前記圧電材料層を露出する環状の窓を形成する工程と、
    前記窓内に導電材料を蒸着して、環状電極を形成する工程と、
    を含み、
    前記環状電極は、
    環状内側上部と環状外側上部とを含む環状上部と、
    環状内側下部と環状外側下部とを含む環状下部と、
    を有し、
    前記環状内側上部は、前記環状内側下部から内側に延在し、前記環状内側下部に囲まれた前記防湿層の一部を覆い、
    前記環状外側上部は、前記環状外側下部から外側に延在し、前記環状外側下部を囲む前記防湿層の一部を覆う、
    インクジェット装置の形成方法。
16. 前記ポンプ室と前記圧電材料層との間に、ＳｉＯ_２層を設ける工程と、
    前記ポンプ室の上方に前記圧電材料層を設ける工程の前に、基準電極層を前記ＳｉＯ _２ 層の上に蒸着する工程と、
    を更に含み、
    前記ポンプ室の上方に前記圧電材料層を設ける工程において、前記圧電材料層は前記基準電極層の上に設けられる、請求項１５に記載のインクジェット装置の形成方法。
17. 前記ＳｉＯ_２層は、デバイスシリコン層とハンドルシリコン層との間にＳｉＯ_２層を備えるＳＯＩウエハを、前記シリコン基板の前記第一の面上に接合することにより設けられ、
    前記ＳＯＩウエハを接合した後に、前記ハンドルシリコン層を研削及びエッチングによって除去する、請求項１６に記載のインクジェット装置の形成方法。
18. 前記防湿層を蒸着する工程は、Ｓｉ_３Ｎ_４とＳｉＯ_２とをＰＥＣＶＤを用いて蒸着する工程を含む、請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載のインクジェット装置の形成方法。
19. 前記ポンプ室の上方に前記圧電材料層を設ける工程は、スパッタＰＺＴ層を設ける工程を含む、請求項１５乃至１８のいずれか一項に記載のインクジェット装置の形成方法。
20. 前記圧電材料層の上に前記防湿層を蒸着する工程の前に、前記環状内側下部の内側にある前記圧電材料層の一部をエッチングする工程を更に含み、
    前記圧電材料層の上に前記防湿層を蒸着する工程は、前記エッチングされた圧電材料層の一部を前記防湿層で覆う工程を含む、請求項１５乃至１９のいずれか一項に記載のインクジェット装置の形成方法。

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