TW458896B - Apparatus and method for using bubble as virtual value in microinjector to eject fluid - Google Patents

Description

五、發明說明（l) 發明背景 發明之領诚 本發明係關於液體喷射器，尤其係關於一用以由一微 裝置射出流體之裝置及方法。 相關拮術之描沭 液珠喷射器係廣泛用於喷墨印表機之列印。然而，液 珠喷射器亦具有眾多其他的可能應用，例如，燃料喷射系 統、細胞分類、藥物釋放系統、直接噴印光刻術以及微喷 射推進系統。上述所有應用的共通點在於其皆極需一可靠 且低成本之可提供高頻率及高空間解析度之高品質液滴的 液珠喷射器。 只有數種裝置能夠個別地射出形狀一致的液滴。在目 前所知且被使用的液珠喷射系統中，利用熱驅動氣泡 (thermally driven bubble)以射出液珠的方法由於簡單 且成本相當低廉，因此—直係此等裝置中最成功的設計。 熱驅動式氣泡系統（亦稱為氣泡喷射系統）的缺點在於交 相干擾（cross talk)以及衛星液珠（satellite drop 1 e t)。氣泡喷射系統係利用—電流脈衝加熱一電極， 藉以使流體腔中的液體沸騰。當液體沸騰時，一氣泡在液 體中形成並向外膨脹，此氣泡的功用係如同泵浦一般將流 體腔中之液體從一銳孔射出成一液體柱，.最後形成液珠。 當電流脈衝結束時’此氣泡隨之收縮，同時液體藉由毛細 張力而再度填滿流體腔。此等系統之效能可以下列表現加 以評估：喷射速度及方向、液珠尺寸、最大喷射頻率、鄰 第5頁 458896 五、發明說明（2) 近的流體腔之間的交相+说 BS XL -t- 十擾、液體回填期間的回填過度 (overshoot)及液面振湯 佩盈現象、以及衛星液珠的產生。在 列印過程中，衛星液砝I @ 會降低影像的清晰度，此外，在液 體控制的精確性上’衛星液珠亦會減少流量估計的準確 f。當氣泡嘴射器士以間距窄小的陣列型態配置，且液珠由 鄰近的喷嘴射出日，'，交相干擾於焉發生。 珠由 大多數的熱軋泡喷射系统係將加熱器設置於流體腔之 底部，而這樣的設計會使得大部份的熱流失至底材材料。 再者，接合一般係用於將噴嘴板接合至其加熱器板，此 作去會因必要的裝配公差（assemMy t〇lerance)而限制 嘴的空間解析度。此外，接合手續未必相容於〖c製程，♦ 微喷射器陣列與控制電路需整合成—體以減少配線並確^ 封裝緊密時，這個不相容的問題將更突顯出其重要性。 為了解決交相干擾及回填過度的問題，長久以來的作 法係增加流體腔的長度或加長流體腔的頸部，藉以辦加 體腔與儲存槽之間的流體流阻《然而，此等作法會減緩 體回填至流體腔的速度’並大幅降低該裝置的最大喷射^ 率 〇 ' 現存噴墨系統最麻煩的問題係衛星液珠，因為衛星、 珠會導致影像模糊。衛星液珠係尾隨在主要液珠後^$ 列印頭與紙張處於相對運動時’衛星液珠打在ΜL ’當 上的位 置會略不同於主要液珠的位置。現今並無任何知名有效 輕易經濟的方法或手段可解決衛星液珠的問題。 > 且 因此’目前極需一種液珠喷射系統，其可^參-交相干擾

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降到最低而不減緩液體回填 下仍能消除衛星液珠，而這 及製造上的複雜性。本發明 大體上並能克服習知技術中 速度，並可在維持高頻率響應 些目的的達成將不會增加設§十 可滿足此等及其他要求，此外 所發現的缺陷。 發明概要 本發明係關於一種^由在一微一喷〜射器之—微通道中產 生一氣泡以做為流體腔與歧管之間的閥機構之裝置及方 法，該、閥機構在流體從銳孔射出期間會對流體提供一高阻 力，以防止流體由流體腔流失至歧管，此外，在流體射出 及氣泡收縮後，該閥機構對流體回填至流體腔會提供一低 阻力。 曰 _ 。 大體百之，本發明之裝置.包含一微噴射器，該微噴射 裔具有一流體腔及一與該流體腔相通之歧管、一與該流體 腔相通之銳孔、至少一用以在該流體腔與該歧管之間生成 ~氣泡之構—身、以及一用以對該流體腔加壓之_構件。 當氣..泡在該流體腔之入口形成時，會限制流體由流體 腔流至歧管。加壓構件在氣泡形成之後對流體腔加壓，使 流體腔之壓力上升至可強迫流體由銳孔射出。流體由銳孔 射出後，氣泡會收縮而使得流體能快速地再度填滿流體 腔。 在流體腔被加壓之同時，氣泡會將該流體腔與歧管及 鄰近的流體腔隔絕’交相干擾之問題因而得以降至最低。 在本發明之較佳實施例中’用以形成氣泡之構件係包

45889a 五、發明說明（4) 含一配置於近流體腔處之第一加熱器。加壓構件係包含一 能於流體腔内形成一第二氣泡之第二加熱器。這些加熱器 係配置於近銳孔處、包含一以串聯連接之電極，且其電阻 因電極寬度不同而相異。第一加熱器之電極較第二加熱器 之電極為窄’藉此’即使此兩加熱器被施加一共同電性訊 號’第一氣泡將可於第二氣泡之前形成。 隨著第一及第二氣泡膨脹，它們相互接近直至結合， 藉以確實地切斷由銳孔流出之流體，而消除或大大減少衛 星液珠。 本發明之一目的係提供一可消除衛星液珠之微噴射器 裝置。 本發明之另一目的係提供一可將交相干擾降到最低之 微喷射器裝置。 本發明之又一目的係提供一微噴射器裝置，其可使在 流體射出後流體快速回填至流體腔。 本發明之再一目的係提供一用以將流體由一微喷射器 流體腔射出之方法，其可將衛星液珠最小化。 本發明之另一目的係提供一用以將流體由一微嗔射器 流體腔射出之方法，其可將交相干擾降到最低。 本發明之又·一目的係k供一用以將流體由一微嗔射5| 流體腔射出之方法，其可使在流體射出後流體快速回填至 流體腔。 本發明之其他目的及優點將描述於以下之說明書各部 分，其中詳細說明僅為了充分揭露本發明之較佳實施例，

第8頁 五、發明說明（5) 而並非將本發明狹義地限制於該實施例。 之簡單説 本發明藉由參考以下圖式當可更充分明白，這些圖示 僅供§兒明用，其中： 圖1係根據本發明之一微喷射器陣列裝置的一部份之立體 圖。 圖2A係圖1中所示之微喷射器陣列的一流體腔及歧管之橫 剖面圖。 圖2 B係圖2 A中所示之一流體腔及歧管之橫剖面圖，用以表 示在一第一氣泡形成後’ 一第二氣泡接著形成，藉以將流 體由一銳孔射出。 圖2C係圖2A中所示之一流體腔及歧管之橫剖面圖，用以表 示一第一氣泡及一第二氣泡結合，藉以終止液體由一銳孔 射出。 圖2D係圖2A中所示之一流體腔及歧管之横剖面圖，用以表 示在一第一氣泡收縮後，一第二氣泡接著收 流體回填至流體腔。 精以允夺 圖3係一用於製造本發明之一微噴射器陣列 視圖。 J 7日日圓之俯 圖4係一沿著圖3中所示之石夕晶圓的線段4 _ 4之構 圖5係一俯視圖，表示圖3中所示之砂晶圓從昔'、°面圖。 ^ y曰曰圓從者面被蝕刻以 圖6係一沿著圖5中所示之石夕晶圓的線段6 _ 6之〆 仏剖面圖。

45δ89β 五、發明說明（6) 圖7係一俯視圖，表示圖5中所示之矽晶圓被蝕刻以擴大一 流體腔之深度。 圖8係一沿著圖7中所示之石夕晶圓的線段8 - 8之橫剖面圖。 圖9係一俯視圖，表示圖7中所示之石夕晶圓，其上沈積具有 圖案之加熱器。 圖1 0係一沿著圖9中所示之矽晶圓的線段1 0 -1 0之橫剖面 圖。 圖1 1係一俯視圖，表示圖9中所示之石夕晶圓具有一已形成 之銳孔。 圖1 2係一沿著圖11中所示之矽晶圓的線段1 2 -1 2之橫剖面 圖。 符號說明 1 0微喷射器陣列 1 2微喷射器 1 4流體腔 16歧管 1 8銳孔 2 0第一加熱器 2 2第二加熱器 2 4共同電極 26流體 28液面高度 3 0第一氣泡

第10頁 45889β 五、發明說明（7) 32第二氣泡 34液柱36之尾部 3 6 液柱 3 8矽晶圓 4 0 流體腔犧牲層 4 2低應力之氤化矽 4 4 金屬配線 4 6氧化層 4 7 流體腔1 4之凸角 4 8内連線層 較佳實施例之詳細說明 詳細地參考說明用的圖示，本發明之具體化係如同圖 1至圖12所示之裝置。 首先參考圖1，圖1表示一微喷射器裝置12之一陣列 1 〇。該陣列1 〇包含複數個相互鄰接之微喷射器1 2。每一微 喷射器包含一流體腔1 4、一歧管1 6、一銳孔1 8、一第一加 熱器20以及一第二加熱器22。第一加熱器20及第二加熱器 2 2 —般係以串聯連接至一共同電極2 4之電極。 參考圖2Α，流體腔14係適合以流體26填滿。流體26可 包括但並未限制於下列流體：墨水、汽油、油、化學藥 品、生醫溶液、水等等類似物，而選用何種流體係取決於 特定的應用場合。一般而言，流體2 6之液面高度2 8會於銳 孔1 8處呈穩定狀態。歧管1 6係鄰近於流體腔1 4並與流體腔

第11頁 4^Β89Θ 五、發明說明（8) —-- 14相通。來自一儲存槽（未顯示於圖中）之液體流經歧管16 而供應至流體腔14。第~加熱器20及第二加熱器22係設置 於鄰近銳孔18之處、流體腔14之上，藉以防止熱散失至底 材。第一加熱器20係配置於鄰近歧管丨6之處，而第二加熱 器22則係配置於鄰近流體腔丨4之處。如圖2A所示，第一加 熱器20之橫剖面較第二加熱器22之橫剖面為窄。 參考圖2B，由於第一加熱器2〇及第二加熱器22係以串 聯相連，因此一共同電性脈衝便可用以同時啟動第一加熱 器20及第二加熱器22。因為第一加熱器2〇之橫剖面較窄， 所以電流脈衝之功率消耗在第一加熱器2 〇上相對地較高， 在對共同電性脈衝的回應上，第一加熱器2〇之加熱速度因 而快於横剖面較寬之第一加熱器2 2。此法因毋需連續地啟 動第一加熱裔20及第二加熱器22，因此在設計上相當簡 單。啟動第一加熱器20會導致—第一氣泡3〇形成於歧管16 與流體腔1 4之間。當第一氣泡3 〇沿著箭頭p之方向膨脹 時’第一氣泡30會開始限制流體流向歧管丨6，因而形成一 擬真閥，此擬真閥可將流體腔1 4隔絕，並保護鄰近的流體 腔免於交相干擾。在第一氣泡3 0形成後，一第二氣泡3 2亦 形成於第二加熱器22之下。隨著第二氣泡32沿著箭頭p之 方向膨脹’流體腔1 4之壓力亦隨之增加，因而可將流體2 6 沿著方向F從銳孔1 8射出成一液柱3 β。 參考圖2 C，隨著第一氣泡3 〇及第二氣泡3 2持續膨脹， 第一氣泡3 0與第二氣泡3 2會相互接近，進而終止流體從銳 孔1 8射出。當第一氣泡3 0與第二氣泡3 2開始結合時，液枉

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A 5 8 8 P S 五、發明說明（9) 36之尾部34會突然被切斷，藉以防止衛星液珠之形成。 參考圖2D ’電脈衝之終止會使得第一氣泡3〇開始沿著方向 P收縮。第一氣泡30 —收縮，歧管16與流體腔14之間便不 再有阻礙存在’流體2 6也就得以快速地沿著方向r再度填 滿流體腔1 4。 ' 由上述可知，根據本發明將流體26從一微喷射器裝置 1 2射出之方法，一般而言包含以下步驟： (a )在微喷射益裝置1 2之充滿流體的流體腔1 4中產生 第一氣泡3 0 ; (b)對流體腔1 4加壓以將流體2 6由流體腔1 4射出，其 中此加壓步驟包含在流體腔1 4中產生第二氣泡32 ; (c )增大流體腔1 4中之第一氣泡3 〇以做為擬真閥，藉 以限制流體在流體腔1 4與歧管1 6之間流動； (d)增大流體腔14中之第二氣泡32，藉此，第一氣泡 30與第二氣泡32會相互接近，進而突然終止流體由流體腔 1 4射出；以及 (e )使第一氣泡3 〇收縮以加速流體回填至流體腔1 4。 參考圖3及圖4，本發明係結合面型微加工技術及體型微加 工技術’在不需晶圓接合製程下’將一微喷射器陣列丨〇製 作於一破晶圓3 8上。此製作過程首先沉積—碌矽玻璃 (PSG)層做為流體腔犧牲層4〇 ’並對流體腔犧牲層4 〇進行 圊案轉移’之後，再沉積一低應力之氮化矽42做為流體腔 上層。 接著’如圖5及圖6所示，使用氫氧化鉀（koh )從矽晶

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圓38之背面蝕刻以形成歧管16。犧牲psG層4〇以氫氟酸 (HF )移除。參考圖7及圖8，在精確地控制時間下進行另一 = ΚΟΗ蝕刻以加大流體腔14之深度。在進行此步驟期間， 需特別留意，因為流體腔丨4之凸角亦會被攻擊且會被蝕刻 成圓形。

參考圖9及圖1〇，沉積第一加熱器2〇及第二加熱器 22 ’ ^對其進行圖案轉移。對第一加熱器2〇及第二加熱器 22而5 ’較佳的材料為鉑（Platinum)。接著，形成金屬配 線44 ’再沉積一氧化層46於金屬配線乜之上做為保護層。 第一加熱器20與共同電極24之間的内連接層48係配置於氧 化層46之下。最後參考圖^及圖12，銳孔18於此形成。若 光刻術可容3 μ ra之線寬，則銳孔丨8約可小至2 " m，且銳孔 ^之間的間距（P i七Ch )約可小至1 5 # m。由圖中亦可看出流 體腔14之凸角47經過蝕刻後，已呈現出清晰的形狀。 ，因此，由上述可知本發明係提供一新穎之微喷射器， 此微喷射器利用一氣泡來限制流體流入一流體腔，並藉此 防止在流體從銳孔射出期間該流體由流體腔流失至歧^。 3 ί ί Ϊ明利用一第二氣泡結合一第一氣泡來突然切斷 ，兒孔射出之液柱，藉以消除衛星液珠。 在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體的實施例 二I易於說明本發明之技術内容，而並非將本發明狹義 於該實施例’在不超出本發明之精神及以下申請* 範圍之情況，可作種種變化實施。 腎專

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Claims (1)

1. ra 9 9 g--«·〇--— 六、t請專利範圍 1. 一利用一氣泡做為一微喷射器之擬真閥以射出流體之裝 置，包含： (a) —流體腔，其内含有流體； (b) —與該流體腔相通之銳孔，該銳孔係配置於該流 體腔之上； (c) 一用以當該流體腔充滿流體時，在該流體腔中產 生—弟一氣泡以做為一擬真閥之第一氣泡產生構件，該第 一氣泡產生構件係配置於極近該銳孔處且位於該流體腔之 外部；以及 (d) —用以當該流體腔充滿流體時，在該流體腔中繼 該第一氣泡產生後’產生一第二氣泡以將流體由該流體腔 射出之第二氣泡產生構件，該第二氣泡產生構件係配置於 極近該銳孔處且位於該流體腔之外部。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第一氣泡產生構 件包含一第一加熱器。 3. 如令請專利範圍第2項之裝置，其中該第二氣泡產生構 件包含一第二加熱器D 4. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該第一加熱器及該 第二加熱器之配置位置係使得該第一氣泡及該第二氣泡膨 脹時相互接近’藉以突然終止流體由該流體腔射出。 ^ 5 ·如申請專利範圍第3項之裝置，其中該第一加熱器及該 第二加熱器係適合以一共同信號加以驅動。 6.如申請專利範圍第3項之裝置，其中該第一加熱器及該 第二加熱器係以串聯連接。

   45 889 β 六'申請專利範圍 7.如申請專利範圍第i...項之裝置，其中該第一氣泡之產生 係做為一擬真閥，用以限制流體由該流體腔流出。 8 · 一利用一氣泡做為一微喷射器之擬真閥以射出流體之 裝置，包含： (a ) —流體腔； (b) —與該流體腔相通之歧管’用以供應流體至該流 體腔； (c ) 一與該流體腔相通之銳孔； (d ) —用以當該流體腔充滿流體時，在該流體腔中產 生一第一氣泡以做為一擬真閥之第一氣泡產生構件，該第 一氣泡產生構件係配置於極近該銳孔處且位於該流體腔之 外部；以及 i (e) —用以繼該第一氣泡產生後，產生一第二氣泡之 第二氣泡產生構件，該第二氣泡產生構件係配置於極近該 銳孔處且位於該流體腔之外部，其中該銳孔係配置於該^ 一氣泡產生構件與該第二氣泡產生構件之間，且該第二氣 泡之形成會導致該流體腔中之流體由該銳孔射出=一、 9件請ί利範圍第上項之裝置’其中該第-氣泡產生構 件包含一第一加熱器。 丹 如人申請/利範圍第、9項之裝置’其中該第二氣泡產生構 件包含一第二加熱器。 僻 。笛如申Λ專利範圍第10項之裝置’其中該第—加熱器及 ^第一加熱係適合以一共同信號加以驅動。 1 2.如申請專利範圍第丨〇項之裝置，其中該第—加熱器及

   第17頁 458896 六、申請專利範圍 該第二加熱器係以串聯連接。 13.如申請專利範圍第1-0.項之裝置，其中該第一加熱器及 該第二加熱器係配置於近該銳孔處，使得該第一氣泡及該 第二氣泡可結合，藉以突然終止流體由該銳孔射出。 1 4.如申請專利範圍第8項之裝置，其中該第一氣泡之產生 係做為一擬真閥，用以限制流體由該流體腔流出。 1 5, —種用以將流體由一具有一銳孔之微通道射出之方 法，包含以下步驟： (a) 在極為接近一充滿流體之微通道中的銳孔處產生 一第一氣泡； (b) 在極為接近該微通道中之銳孔處產生一第二氣 泡，藉以對該微通道加壓而將流體由該微通道射出，該第 二氣泡產生步驟係於該第一氣泡產生步驟之後進行，其中 該第一氣泡及該第二氣泡各與該銳孔並列； (c) 增大該微通道中之該第一氣泡以做為一擬真閥， 藉以限制流體流入該微通道；以及 (d) 增大該微通道中之該第二氣泡，藉以使該第一氣 泡與該第二氣泡相互接近，進而突然終止流體由該銳孔射 1 6.如申請專利範圍第1 5項之方法，更包含以下步驟：使 該第一氣泡收縮以加速流體流入該微通道。 1 7.如申請專利範圍第1 5項之方法，其中一共同信號被用 以連續地開始產生該第一氣泡及該第二氣泡。 1 8.如申請專利範圍第項之方法，其中該第一氣泡被增

   第18頁 45889s 六、申請專利範圍 大之速度快於該第二氣泡被增大之速度。 1 9, 一種用以將流體由一具有一流體腔、一與該流體腔相 通以供應流體至該流體腔之歧管及一與該流體腔相通之銳 孔的微喷射器射出之方法，包含以下步驟： (a )當該流體腔充滿流體時，在極為接近該流體腔中 之該銳孔處產生一第一氣泡以做為擬真閥； (b) 在極為接近該銳孔處產生一第二氣泡以將流體由 該銳孔射出，其中該第二氣泡產生步驟係於該第一氣泡產 生步驟之後進行；以及 (c) 結合該第一氣泡及該第二氣泡以突然終止流體由 該銳孔射出。 2 0.如申請專利範圍第1 9項之方法，更包含以下步驟：使 該第一氣泡收縮以加速流體流入該流體腔。 21.如申請專利範圍第1 9項之方法，其中一共同信號被用 以連續地開始產生該第一氣泡及該第二氣泡。 2 2.如申請專利範圍第1 9項之方法，其中該第一氣泡被增 大之速度快於該第二氣泡被增大之速度。

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