CN1796128A

CN1796128A - 流体喷射装置及其制造方法

Info

Publication number: CN1796128A
Application number: CN 200410081966
Authority: CN
Inventors: 周忠诚; 徐聪平; 吴尚羲
Original assignee: BenQ Corp
Current assignee: BenQ Corp
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2006-07-05

Abstract

本发明提供一种流体喷射装置，包括：基底；流体腔，形成于该基底中；结构层，覆盖于该基底与该流体腔上，其中覆盖于该流体腔上的该结构层形成有两厚度不同的区域；至少两喷孔，分别穿过上述两区域的结构层并与该流体腔连通。本发明还包括提供一种流体喷射装置的制造方法。

Description

流体喷射装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种流体喷射装置，特别涉及一种可改变喷射量的流体喷射装置及其制造方法。

背景技术

目前，可喷射出不同流体量的流体喷射装置已被广泛用来改善微型燃油引擎的燃烧效率，或是用来增加喷墨打印机打印的色阶显示，例如喷墨打印机(或类似设备如传真机、多功能事务机)可通过喷头所喷出的墨滴变化，对不同内容的打印文件或相片选择不同的功能，除可使打印文件的色阶表现多样化外(利用较小的喷射量)，亦可同时加快打印色阶时的速度(利用较大的喷射量)。

现有技术如美国专利第6,588,878号公开一种可改变液滴喷射量的流体喷射装置，请参阅图1，此前案除利用加热器(136、138、142、144)产生双气泡(152、154及156、158)以减少伴随液滴(satellite droplet)外，还利用如流体腔、加热器与喷孔(166、168)距离或喷孔孔径三者中任一项的不同尺寸设计，以达到变化液滴(162、164)大小的目的。

改变液滴喷射量的流体喷射装置确实可有效改善如文字或影像的资料打印处理、燃料喷射***或生物医学科技的药剂注射等相关或类似***的喷墨质量，因此，如何在相同能量驱动下，得到不同流体喷射量的效果，是业界值得进一步努力开发的目标。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种流体喷射装置，希望通过结构层厚度或其材料的选定，达到相同驱动条件下喷射出不同流体量的目的。

为了达到上述目的，本发明提供一种流体喷射装置，包括：一基底；一流体腔，形成于该基底中；一结构层，覆盖于该基底与该流体腔上，其中覆盖于该流体腔上的该结构层形成有两厚度不同的区域；至少两喷孔，分别穿过上述两区域的结构层并与该流体腔连通。

本发明还提供一种流体喷射装置，包括：一基底；一流体腔，形成于该基底中；一第一结构层，覆盖于该基底与该流体腔上，其中覆盖于该流体腔上的该第一结构层形成有一厚度为h1的较厚区域与一厚度为h2的较薄区域，且于厚度较薄的第一结构层上沉积有一厚度为h3的第二结构层；至少两喷孔，分别穿过上述两区域的结构层并与该流体腔连通。

本发明也提供一种流体喷射装置的制造方法，包括下列步骤：提供一基底；形成一图案化牺牲层于该基底上，该图案化牺牲层作为预定形成一流体腔的一区域；形成一图案化结构层于该基底上并覆盖该图案化牺牲层；覆盖一图案化光阻层于该图案化结构层上；蚀刻未被该图案化光阻层覆盖的该图案化结构层，以使覆盖于该图案化牺牲层上的该图案化结构层形成两厚度不同的区域；移除该图案化光阻层；形成一歧管穿过该基底并露出该图案化牺牲层；移除该牺牲层，并扩大蚀刻原牺牲层下方的基底，以完成该流体腔的制作；以及蚀刻该结构层以形成至少两喷孔，分别穿过上述两区域的结构层并与该流体腔连通。

本发明还提供一种流体喷射装置的制造方法，包括下列步骤：提供一基底；形成一图案化牺牲层于该基底上，该图案化牺牲层作为预定形成一流体腔的一区域；形成一热传导系数为k1的第一结构层于该基底上并覆盖该图案化牺牲层；覆盖一图案化光阻层于该第一结构层上；蚀刻未被该图案化光阻层覆盖的该第一结构层，以使覆盖于该图案化牺牲层上的该第一结构层形成一厚度为h1的较厚区域与一厚度为h2的较薄区域；沉积一热传导系数为k2厚度为h3的第二结构层于厚度较薄的第一结构层上；移除该图案化光阻层；形成一歧管穿过该基底并露出该图案化牺牲层；移除该牺牲层，并扩大蚀刻原牺牲层下方的基底，以完成该流体腔的制作；以及蚀刻上述结构层以形成至少两喷孔，分别穿过上述两区域的结构层并与该流体腔连通。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：

图1为现有技术流体喷射装置的剖面示意图。

图2A为本发明流体喷射装置的上视图。

图2B～图2F为本发明的第一实施例，流体喷射装置的制作过程的剖面示意图。

图3为本发明流体喷射装置结构层厚度与驱动条件的关系图。

图4A和图4B为本发明流体喷射装置的剖面示意图。

图5A～图5H为本发明的第二实施例，流体喷射装置的制作过程的剖面示意图。

附图标记说明

现有技术部份(图1)

136、138、142、144～加热器；

152、154、156、158～气泡；

162、164～液滴；

166、168～喷孔。

本案实施例部份(图2A～图2F、图3、图4A和图4B以及图5A～图5H)

1、1’、24、64、76～结构层；

2、32、34、36、38、68、70、72、74～电阻加热元件；

3、43、43’、82、84～喷孔；

4、42、80～流体腔；

5～喷孔至加热元件的距离；

6、7、44、46、48、50、86、88、90、92～气泡；

8、9、52、54、94、96～液滴；

20、60～基底；

22、62～牺牲层；

26、66～光阻层；

28、30～结构层区域；

40、78～歧管；

A、B～流体喷射机制；

k1、k2～热传导系数。

具体实施方式

实施例1

请参阅图2A与图2F说明本实施例流体喷射装置的结构特征，其中图2F为图2A沿2F-2F截取的剖面图，如图2F所示，本流体喷射装置覆盖于流体腔42上的结构层24呈现厚度不同的两个区域28、30，亦即形成两组加热及喷射效果不同的单元。

请接着参阅图2F，说明本实施例流体喷射装置的详细构成，该流体喷射装置包括一基底20、一歧管40、一流体腔42、厚度不均匀的一结构层24、两组电阻加热元件32、34及36、38与一对喷孔43、43’。

结构层24覆盖于基底20与流体腔42上，电阻加热元件32、34及36、38分别设置于厚度不同的结构层24上，且位于喷孔43、43’两侧，喷孔43、43’分别穿过厚度不同的结构层24并与流体腔42连通。

接下去请参阅图2B～图2F，说明本实施例流体喷射装置的制作，如图2B所示，首先，提供一基底20，例如一硅基底，基底20的厚度大约为625～675微米，接着，形成一图案化牺牲层22于基底20上，作为预定形成一流体腔的一区域，牺牲层例如由硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)或氧化硅材质所构成，其中以磷硅玻璃为优选的选择，牺牲层的厚度大约为1～2微米。

接下去形成一图案化结构层24于基底20上并覆盖图案化牺牲层22，结构层24可为由化学气相沉积法(CVD)所形成的一氮化硅层，结构层24的厚度大约为1.5～2微米，接着，请参阅图2C，覆盖一图案化光阻层26于结构层24上，之后，以图案化光阻层26为掩模蚀刻未被图案化光阻层26覆盖的结构层24，使在图案化牺牲层22上的结构层24形成两个厚度差例如大于3500埃的区域28、30，如图2D所示，由于结构层24的厚度不均匀，因而使结构层24于其不同厚度处产生不同的热传导效率。

随后，如图2E所示，移除图案化光阻层26。接下去设置两组作为驱动流体的电阻加热元件32、34及36、38分别于区域28、30的结构层24上且设于将来形成喷孔位置的两侧，电阻加热元件32、34及36、38例如由HfB₂、TaAl、TaN或TiN所构成，其中以TaAl为优选的选择。

接下来，开始进行一连串的蚀刻过程，以形成最终的流体喷射装置，首先，以蚀刻液例如为氢氧化钾(KOH)溶液的各向异性湿蚀刻法蚀刻基底20的背面，以形成一歧管40，并露出图案化牺牲层22，歧管40的窄开口宽度大约为160～200微米，宽开口宽度大约为1100～1200微米，其内壁与水平线夹角大约为54.74度，因而蚀刻之后的歧管40为一下宽上窄的形状结构，另外，歧管40向下与一流体储存槽相互连通。

接下去以含氢氟酸(HF)溶液的湿蚀刻法蚀刻图案化牺牲层22，之后，再度以蚀刻液例如为氢氧化钾(KOH)溶液的湿蚀刻法蚀刻基底20，以扩大图案化牺牲层被掏空的区域，而形成流体腔42，如图2F所示，最后，蚀刻结构层24，以形成两个分别穿过上述两区域的结构层并与流体腔42连通的喷孔43及43’，蚀刻过程可利用等离子体蚀刻、化学气体蚀刻、反应性离子蚀刻或雷射蚀刻法，而以反应性离子蚀刻为优选的选择，至此，即完成一流体喷射装置的制作。

根据热传导原理：J＝-KΔT/L，在相同温差(ΔT固定)下，热通量(J)与热传导系数(K)成正比，与传递距离(L)成反比，而此处的传递距离(L)即是本发明的结构层厚度。请参阅图3，图3为结构层厚度不同的喷射装置，欲达到相同喷射效果时，其能量强度(power intensity)与加热时间(heating time)的关系图，图中可看出，随着结构层厚度增加，加热时间须随的增加，方能维持相同的热传导效率。

接下去请参阅图4A与图4B，图4A与图4B显示两组流体喷射机制(A、B)的喷射效果，此两组流体喷射机制除结构层1及1’的厚度不同外，其余如加热器2、喷孔3、流体腔4以及喷孔3至加热器2的距离5，皆设计为相同尺寸。当历经相同加热时间后，由于结构层(1与1’)的厚度不同(1＞1’)，致产生大小不同的气泡6与7(6＜7)，而进一步由气泡6、7挤压射出不同大小的液滴8、9(8＜9)，达到流体喷射量不同的效果。

根据上述原理，请参阅图2F，说明本实施例的流体喷射效果，由于区域28的结构层厚度较区域30的结构层厚度薄，致产生的气泡44与46较气泡48与50大，而使区域28射出较液滴54大的液滴52，液滴直径比大约为1.15～1.3(52/54)，本实施例流体喷射装置即借此达到变化喷射量的效果。

实施例2

请参阅图2A与图5H说明本实施例流体喷射装置的结构特征，其中图5H为图2A沿5H-5H截取的剖面图，如图5H所示，本流体喷射装置覆盖于流体腔80上的第一结构层64(热传导系数为k1)呈现厚度不同的两个区域28(厚度为h2)与30(厚度为h1)，且于厚度为h2的第一结构层64上再沉积一厚度为h3材质与第一结构层64不同的第二结构层76(热传导系数为k2)，而形成两组加热及喷射效果不同的单元，本实施例与实施例1的差异在于，实施例1利用单层结构层的厚度差异改变喷射效果，而本实施例则是利用堆栈不同材质的结构层来改变喷射效果。

请继接着参阅图5H，说明本实施例流体喷射装置的详细构成，该流体喷射装置包括一基底60、一歧管78、一流体腔80、一第一结构层64、一第二结构层76、两组电阻加热元件68、70及72、74与一对喷孔82、84。

第一结构层64覆盖于基底60与流体腔80上，第二结构层76沉积于厚度较薄的第一结构层64上，电阻加热元件68、70及72、74分别设置于第二结构层76与第一结构层64上，且位于喷孔82、84两侧，喷孔82、84分别穿过各结构层与流体腔80连通。

接下去请参阅图5A～图5H，说明本实施例流体喷射装置的制作，如图5A所示，首先，提供一基底60，例如一硅基底，基底60的厚度大约为625～675微米，接着，形成一图案化牺牲层62于基底60上，作为一预定形成一流体腔的区域，牺牲层例如由硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)或氧化硅材质所构成，其中以磷硅玻璃为优选的选择，牺牲层的厚度大约为1～2微米。

接着形成一热传导系数为k1、厚度为h1的第一结构层64于基底60上并覆盖图案化牺牲层62，第一结构层64可为由化学气相沉积法(CVD)所形成的一氮化硅层，第一结构层64的厚度大约为1.5～2微米，接着，请参阅图5B，覆盖一图案化光阻层66于第一结构层64上，之后，以图案化光阻层66为掩模蚀刻未被图案化光阻层66覆盖的第一结构层64，使在图案化牺牲层62上的第一结构层64形成两个厚度差例如大于3500埃的区域28、30，其中较厚区域30的厚度为h1，较薄区域28的厚度为h2，如图5C所示，接着，沉积一热传导系数为k2厚度为h3的第二结构层76于区域28的第一结构层64及图案化光阻层66上，第二结构层76亦可为由化学气相沉积法(CVD)所形成的一氧化硅、氮化硅或氮氧化硅层，值得注意的是，第一与第二结构层可为不同材质或为利用不同烧结温度(sintered temperature)所形成的相同材质，其k1与k2的关系可为k1＞k2或k1＜k2，而结构层厚度h1、h2与h3的关系可为h1＝h2+h3(如图5D所示)、h1＞h2+h3(如图5E所示)或h1＜h2+h3(如图5F所示)，本实施例选定h1＝h2+h3的制作过程条件，由于结构层的厚度不均匀或热传导系数不相同，因而使区域28的堆栈结构层(64、76)(厚度为h2+h3)与区域30的结构层64(厚度为h1)产生不同的热传导效率。

上述形成不同加热效率的制作过程，可针对不同光阻材料或第二结构层的选定，进行与前述步骤相异的过程。例如待第一结构层已形成厚度相异的加热区蚀刻过程后，亦可先将图案化光阻层66移除，再继以第二结构层沉积于第一结构层上方；再以图案化光阻层覆盖于第二结构层上方，以类似的掩模蚀刻过程，但保留原先较薄第一结构层区域上方的第二结构层，而达到复合堆栈结构层的目的。

随后，如图5G所示，移除图案化光阻层66。接着设置两组作为驱动流体的电阻加热元件68、70及72、74分别于第二结构层76及第一结构层64上且设于将来形成喷孔位置的两侧，电阻加热元件68、70及72、74例如由HfB₂、TaAl、TaN或TiN所构成，其中以TaAl为优选的选择。

接下来，开始进行一连串的蚀刻过程，以形成最终的流体喷射装置，首先，以蚀刻液例如为氢氧化钾(KOH)溶液的各向异性湿蚀刻法蚀刻基底60的背面，以形成一歧管78，并露出图案化牺牲层62，歧管78的窄开口宽度大约为160～200微米，宽开口宽度大约为1100～1200微米，其内壁与水平线夹角大约为54.74度，因而蚀刻之后的歧管78为一下宽上窄的形状结构，另歧管78向下与一流体储存槽相互连通。

接下去以含氢氟酸(HF)溶液的湿蚀刻法蚀刻图案化牺牲层62，之后，再度以蚀刻液例如为氢氧化钾(KOH)溶液的湿蚀刻法蚀刻基底60，以扩大图案化牺牲层被掏空的区域，而形成流体腔80，如图5H所示，最后，蚀刻各结构层，以形成两个分别穿过各结构层并与流体腔80连通的喷孔82及84。蚀刻制程可利用等离子体蚀刻、化学气体蚀刻、反应性离子蚀刻或激光蚀刻法，而以反应性离子蚀刻为优选的选择，至此，即完成一流体喷射装置的制作。

根据热传导原理，在相同温差(ΔT固定)下，热通量J与热传导系数k成正比，请参阅图5H，说明本实施例的流体喷射效果，若k2＞k1，在相同加热时间下，由于产生的气泡86与88较气泡90与92大，因此，区域28可喷出较区域30更多的流体量(94＞96)，其中液滴直径比大约为1.15～1.3(94/96)，反之，则得到相反的喷射效果，本实施例流体喷射装置即借此达到变化喷射量的效果。

虽然本发明已以优选实施例公开如上，然而，其并非用以限定本发明，本领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，当然可作更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种流体喷射装置，包括：

一基底；

一流体腔，形成于所述基底中；

一结构层，覆盖于所述基底与所述流体腔上，其中覆盖于所述流体腔上的所述结构层形成有二个厚度不同的区域；以及

至少二个喷孔，分别穿过所述二个区域的结构层并与所述流体腔连通。

2.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中所述结构层由氮化硅构成。

3.如权利要求1所述的流体喷射装置置，其中所述结构层的厚度差大于3500埃。

4.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中所述结构层的热传导效率不同。

5.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中分别从所述二个区域喷出的液滴大小不同。

6.如权利要求5所述的流体喷射装置，其中分别从所述二个区域喷出的液滴直径比大约为1.15～1.3。

7.一种流体喷射装置，包括：

一基底；

一流体腔，形成于所述基底中；

一热传导系数为k1的第一结构层，覆盖于所述基底与所述流体腔上，其中覆盖于所述流体腔上的所述第一结构层形成有一厚度为h1的第一区域与一厚度为h2的第二区域，且于厚度为h2的第一结构层上沉积有一热传导系数为k2、厚度为h3的第二结构层；

至少二个喷孔，分别穿过所述第一与第二区域的结构层并与所述流体腔连通。

8.如权利要求7所述的流体喷射装置，其中所述第一结构层由氮化硅所构成，所述第二结构层由氧化硅、氮化硅或氮氧化硅所构成。

9.如权利要求8所述的流体喷射装置，其中所述第一与第二结构层为不同材质或为利用不同烧结温度形成的相同材质。

10.如权利要求7所述的流体喷射装置，其中k1不等于k2。

11.如权利要求7所述的流体喷射装置，其中h1＝h2+h3。

12.如权利要求7所述的流体喷射装置，其中h1不等于h2+h3。

13.如权利要求7所述的流体喷射装置，其中所述第一与第二区域的热传导效率不同。

14.如权利要求7所述的流体喷射装置，其中从所述第一与第二区域喷出的液滴大小不同。

15.如权利要求14所述的流体喷射装置，其中从所述第一与第二区域喷出的液滴直径比大约为1.15～1.3。

16.一种流体喷射装置的制造方法，包括下列步骤：

提供一基底；

形成一图案化牺牲层于所述基底上，所述图案化牺牲层作为预定形成一流体腔的一区域；

形成一图案化结构层于所述基底上并覆盖所述图案化牺牲层；

覆盖一图案化光阻层于所述图案化结构层上；

蚀刻未被所述图案化光阻层覆盖的所述图案化结构层，以使覆盖于所述图案化牺牲层上的所述图案化结构层形成二个厚度不同的区域；

移除所述图案化光阻层；

形成一歧管穿过所述基底并露出所述图案化牺牲层；

移除所述牺牲层，并扩大蚀刻原牺牲层下方的基底，以完成所述流体腔的制作；以及

蚀刻所述结构层以形成至少二个喷孔，分别穿过所述二个区域的结构层并与所述流体腔连通。

17.如权利要求16所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述结构层由氮化硅所构成。

18.如权利要求16所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述结构层的厚度差大于3500埃。

19.如权利要求16所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述结构层的热传导效率不同。

20.如权利要求16所述的流体喷射装置的制造方法，其中分别从所述二个区域喷出的液滴大小不同。

21.如权利要求20所述的流体喷射装置的制造方法，其中分别从所述两区域喷出的液滴直径比大约为1.15～1.3。

22.一种流体喷射装置的制造方法，包括下列步骤：

提供一基底；

形成热传导系数为k1的一第一结构层于所述基底上并覆盖所述图案化牺牲层；

覆盖一图案化光阻层于所述第一结构层上；

蚀刻未被所述图案化光阻层覆盖的所述第一结构层，以使覆盖于所述图案化牺牲层上的所述第一结构层形成一厚度为h1的第一区域与一厚度为h2的第二区域；

沉积热传导系数为k2、厚度为h3的一第二结构层于厚度为h2的第一结构层上；

移除所述图案化光阻层；

形成一歧管穿过所述基底并露出所述图案化牺牲层；

蚀刻所述结构层以形成至少二个喷孔，分别穿过所述第一与第二区域的结构层并与所述流体腔连通。

23.如权利要求22所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述第一结构层由氮化硅构成，所述第二结构层由氧化硅、氮化硅或氮氧化硅构成。

24.如权利要求23所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述第一与第二结构层为不同材质或为利用不同烧结温度形成的相同材质。

25.如权利要求22所述的流体喷射装置的制造方法，其中k1不等于k2。

26.如权利要求22所述的流体喷射装置的制造方法，其中h1＝h2+h3。

27.如权利要求22所述的流体喷射装置的制造方法，其中h1不等于h2+h3。

28.如权利要求22所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述第一与第二区域的热传导效率不同。

29.如权利要求22所述的流体喷射装置的制造方法，其中从所述第一与第二区域喷出的液滴大小不同。

30.如权利要求29所述的流体喷射装置的制造方法，其中从所述第一与第二两区域喷出的液滴直径比大约为1.15～1.3。