TWI448391B - 產生微微射流（Ｐｉｃｏ-Ｆｌｕｉｄｉｃ）噴墨之系統與方法 - Google Patents

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Description

產生微微射流(Pico－Fluidic)噴墨之系統與方法
本發明係為一種產生微微射流(Pico－fluidic)噴墨之系統與方法。
 發明背景
傳統上利用微移液管將流體沉積在井板上但其概括具有遠比一般所需要者更高之滴容積。因為想要具有低的滴容積，使用微移液管的操作者係利用非常仰賴操作者的“觸離(touch off)”技術，故提高了交叉污染的可能性。
近來，已有興趣使用噴注式技術來精密地配送高價值材料。這些應用的部分特定範例包括將試劑、酵素或其他蛋白質列印至井板中以供流體混合或引發化學反應之用。先前的溶液已經包括連續性噴墨(CIJ)技術，其提供相對較高的速度及滴容積。不幸地，因為並非所有列印機頭組件皆與晶圓廠相容且因為複雜的墨水再流通系統，CIJ系統比起其他系統相對較昂貴。此外，由於額外再流通系統及其他不同組件，CIJ及基材之間的距離遠比喜好者更大。諸如熱噴墨(TIJ)及壓電噴墨(PIJ)隨選滴落列印頭等其他技術傳統已限於成像及標記應用中之著色劑噴注。近來，已有興趣在上述應用中使用TIJ及PIJ技術，但成就有限。此有限成就係因為TIJ及PIJ技術主要已設計用於高品質成像應用而非配送高價值材料所致。
 發明概要
根據一示範性實施例，一列印頭構件包含至少一包括一堆積層之滴射出器，該堆積層由一室層及一孔口層所組成，其中孔口層界定一孔口。根據此示範性實施例，孔口的直徑對於堆積層的高度之一比值(O/L比)為至少1.0。
根據另一示範性實施例，一噴墨材料配送系統係包括一貯器構件，及一列印頭構件，其中列印頭構件包含至少一包括一堆積層之滴射出器，該堆積層由一室層及一孔口層所組成，其中孔口層界定一孔口。根據此示範性實施例，孔口的直徑對於堆積層的高度之一比值(O/L比)為至少1.0。
圖式簡單說明
圖式顯示本系統及方法的不同實施例且身為說明書的一部份。所顯示的實施例只是本系統及方法的範例而未限制其範圍。
第1圖顯示根據一示範性實施例之基本噴注式墨水配送系統的一實施例；第2圖顯示一傳統噴墨滴射出器的側視圖；第3圖顯示根據一示範性實施例之一使用本系統之非傳統噴墨滴射出器的側視圖；第4圖為根據一示範性實施例之一用於形成一噴墨材料配送器之示範性方法的流程圖；
 較佳實施例之詳細說明
本示範性系統及方法提供一列印系統的產生及操作以在研發程序中輸送流體。特定言之，根據一示範性實施例，此處描述一微微射流噴墨，其可製造成具有一能夠以高速度配送(但不限於)難以射出的高價值流體之滴射出器。根據一示範性實施例，本微微射流噴墨具有一貯器，一室，一室層，一致動構件，一致動器層，一絕緣堆積層，一孔口層及一孔口。下文將更詳細地描述本微微射流噴墨的進一步細節及使用該噴墨來將流體配送至一所想要基材上之示範性方法。
如本說明書、及申請專利範圍中所用，“微微射流噴墨”用語係指廣泛被瞭解為包括可用於沉積墨水及其他流體之任何材料配送裝備，包括但不限於隨選滴落、熱性、壓電、或複合染料昇華噴墨、及類似物。
下文描述中，為了說明用，提出許多特定細節以供徹底瞭解用於形成一微微射流噴墨系統之本系統及方法。然而，熟習該技術者顯然不需這些特定細節即可實施本系統及方法。說明書中提及“一項實施例”或“一實施例”時係指連同該實施例所描述的一特定特徵結構、結構、或特徵被包括在至少一實施例中。說明書中不同地方出現“一實施例中”用語未必皆指同一實施例。
將多方參照不同圖中的編號項目。提及不同圖中所用的共同編號係可能指或未必指同一組件。將從相關文字得知參照部份的上下文。
第1圖顯示根據一示範性實施例之一示範性微微射流噴墨系統(100)。如圖所示，噴墨系統(100)包括一材料貯器(110)及一配送器(120)。根據一示範性實施例，系統(100)用來將一所想要材料配送或沉積至基材(130)上。除儲存水性或其他流體之外，第1圖所示的示範性材料貯器(110)亦可含有諸如粉末等其他不同形式的固體。配送器(120)亦可以許多形式產生，如下文更詳細地討論。基材(130)可包括但不限於一可列印表面諸如紙、塑料、陶瓷、織物、半傳導材料、一培養皿、一井板、或類似物。下文中亦將更詳細地討論一使用噴墨系統(100)列印於不同表面上之示範性方法及系統。
基於本詳細描述及申請專利範圍之用，“滴射出器”用語係指被瞭解為包括一室，一室層，一致動器層，一致動構件，一絕緣堆積，一孔口層及一孔口。一滴射出器的組件在各滴射出器中不需為確切相同，譬如提及兩分離滴射出器時，各者中可能具有不同的室維度。
此外，基於本詳細描述及申請專利範圍之用，“堆積層高度”用語係指被瞭解為任何給定滴射出器的室層及孔口層厚度之一總和。“堆積層”用語係指沉積於致動構件上方之室及孔口層。
第2圖顯示一示範性滴射出器(200)的側視圖。第2圖所見的示範性滴射出器係展現一頂射出(或依據定向而為底射出)配送器。雖然本詳細描述中討論一頂射出配送器，本示範性系統及方法可能使用一側配送器或一定向於一特定角度之配送器，譬如四十五度配送器。如第2圖所示，滴射出器(200)係由一孔口層(210)、一致動器層(220)、及一室層(215)所界定。孔口(210)及致動器(220)層、及室層(215)可以但不限於以下列材料製造：玻璃、塑料、半導體、及/或金屬。孔口(210)及室(215)層的厚度總和係記錄為堆積層高度(280)。一孔口構件(230)被界定於孔口層(210)中且被孔口層(210)所界定。如圖所示，孔口構件(230)係為一具有將直接地影響諸如但不限於射出效率、耐曝時間、出離速度、尾長度、滴重量等效能度量之預定維度的孔口。第2圖亦顯示一將從配置於滴射出器(200)內的孔口構件(230)配送之材料(240)。並且，具有一被一絕緣堆積材料(260)覆蓋之致動構件(250)。示範性致動構件(250)可能但不限於身為一熱阻器、一壓電細絲、或任何可據以達成材料(240)的射出之機械部件。致動構件(250)係回應於一經由一電極(270)施加之電信號而被啟動。譬如，根據一示範性實施例，滴射出器(200)可構形為可配送一諸如水性墨水溶液等材料(240)。利用一熱阻器作為致動構件(250)，一信號隨後可經由電極(270)被施加。此作用造成溶液的一小部分被汽化，產生一膨脹氣泡藉以經由孔口(230)射出一滴材料。射出時，滴射出器(200)將重新充填一來自材料貯器(未圖示)之材料(240)。
請注意第2圖所示的滴射出器(200)係被隔離且呈現為一獨特的結構。然而，可將任何數量的滴射出器(200)結構製作於單一列印頭上。
一射流噴墨材料配送器的傳統用途包括列印、標籤、成像及類似物。這些活動各需要特定數量的精確度以盡量減小舉例而言諸如顆粒尺寸、滴尺寸、尾長度及點形狀等態樣之變異。根據一示範性實施例，本系統及方法當施用至非成像程序時可能不具有相同限制。如此處所用，非成像程序可包括但不限於下列：試劑、酵素及其他蛋白質列印至井板、培養皿、或濾器中以供流體混合或引發化學反應之用。
本示範性系統具有與參照第2圖所參照及討論者相同之基本形式及組件，但有數項可察覺的例外。現在參照第3圖，顯示本示範性系統的側視圖。如第3圖所示，滴射出器(300)由一孔口層(310)、一致動器層(320)及一室層(315)所界定，類似於先前第2圖中所描述者。再者，孔口(310)及室(315)層的厚度總和稱為堆積層高度(380)。根據所顯示實施例，孔口(310)及致動器(320)層、及室層(315)可利用但不限於下列材料製作：玻璃、塑料、半導體、及/或金屬。此外，一孔口構件(330)被界定於孔口層(310)中且被其所界定。根據本示範性實施例，孔口構件(330)係為一具有將直接地影響諸如但不限於射出效率、耐曝時間、出離速度、尾長度、滴重量等效能度量的預定維度之孔口。第3圖亦顯示配置於滴射出器(300)內之被配送材料(340)。
尚且，第3圖顯示一致動構件(350)，其被一絕緣堆積材料(360)覆蓋。如前述，致動構件(350)可能但不限於身為一熱阻器、一壓電細絲、或可據以達成材料(340)射出之任何機械部件。根據一示範性實施例，致動構件(350)回應於一經由電極(370)施加之電信號而被啟動。譬如，根據一示範性實施例，滴射出器(300)可構形為可配送一包括一含有高價值酵素的溶液之材料(340)。利用一熱阻器作為致動構件(350)，一信號隨後可經由電極(370)施加。一信號施加至電極(370)係造成溶液的一小部分汽化，產生一經由孔口(330)射出一滴之膨脹氣泡。
根據一示範性實施例，本系統及方法係藉由包括一對於傳統成像噴墨系統並不實用的列印頭滴射出器而不同於傳統噴墨輸送系統。確切言之，本示範性系統及方法使用至少一個或多個下列屬性的一組合：較高的孔口直徑對於堆積層高度比(O/L比)，較高的阻器長度對於孔口直徑比(R/O比)，較大的致動構件(350)，及較薄的堆積層(380)。各先前屬性修改滴射出器(300)的方式係獲得下列利益的至少一或多者：高投擲滴(high throw drops)，較高的射出效率，改良的耐曝效能，及改良的變異係數，亦即標準差對於均值之比值，此處稱為CV。下文將提供上述屬性及屬性修改的進一步細節。
使用下列屬性的一組合：較高的O/L比，較高的R/O比，較大的致動構件(350)，及較薄的堆積層(380)，可獲得一增大的滴容積及速度。藉由具有較高的滴容積及速度，可達成較高動量且其轉而導致高投擲，亦即一種雖不很適合形成噴墨影像但常身為將難以射出、高價值的流體高速度配送至一所想要基材上所想要之特徵。第3圖所示的本示範性系統可以不同格式來施加。一示範性實施例中，本系統可施加至一可設計材料配送器(DMD)。DMD包括任何數量的可棄式列印頭，其被設計及製作成可進行一所想要的任務。一示範性實施例中，一DMD可構形為具有可容許研究者選擇可容納一特定流體之特徵的列印頭之孔口特徵。孔口特徵可設計成可容納、但不限於下列參數：密度，黏度，沸點，及溶液中粒子的尺寸(譬如，金屬粒子，蛋白質，DNA，生物細胞)。一DMD狀孔口直徑堆積層高度、及致動構件尺寸之可適應特徵係可容許對於不同應用及市場機會予以客製化。並且，DMD具有相對較低的成本。
一列印頭的形成係使用與半導體處理及積體電路設計相關聯之許多技術。根據一示範性實施例，一列印頭可利用一光微影術製程整體地製造。通常將一預定厚度的一基材製備成滴射出器(300)的致動器層。隨後利用光微影及金屬沉積製程在晶圓表面上產生導縫及電路。導縫及電路連接至一致動構件，其形成於基材上。一絕緣堆積層隨後生長或沉積在致動構件的表面上以提供保護防止化學內容物受到配送及可能的空腔。利用一負光阻來產生一室層。一可犧牲層隨後沉積在晶圓的表面上，其上形成滴射出器的孔口層。利用一正光阻及一蝕刻劑，一孔口可形成於滴射出器的孔口層內。可犧牲層隨後經由一蝕刻劑或酸浴被移除。此時下文將描述一用於製造具有本示範性組態的列印頭之方法。
根據一示範性實施例，亦可利用一光微影術製程製造一具有參照上述第3圖所描述結構之熱驅動型噴墨列印頭。現在參照第4圖，一具有一預定厚度的基材係以一用於傳導導縫及積體電路之傳導材料被圖案化(400)。隨後利用光微影術或其他類似方法將一致動構件製備及形成於基材的表面上。根據本示範性系統，致動構件具有一構形為可利於如上述的R/O比、射出速度之長度及寬度。致動構件經由傳導導縫連接至IC(410)。
一旦致動構件形成，一絕緣堆積層形成於致動構件上方以保護致動構件(420)。絕緣堆積層可以包括但不限於下列等許多方式形成於絕緣構件上方：旋覆於一絕緣層上，且將其圖案化以充分地覆蓋該致動構件。根據本示範性系統及方法，絕緣堆積形成為充分夠薄以符合本系統的預定判別標準。
形成致動構件及絕緣堆積之後，一負光阻塗覆在基材的整體表面上到達一預定厚度。經塗覆光阻隨後利用一光微影術製程被圖案化藉以圍繞材料室及產生室層(430)。由於圖案狀光阻形成室層(430)，隨後藉由以一正光阻充填被室層圍繞之空間來形成一可犧牲層。此可犧牲層上方隨後沉積及圖案化一負光阻而產生滴射出器的孔口層(440)。確切言之，室及孔口層的厚度總和係充分夠薄以相較於傳統TIJ材料配送器以較低的滴重量及較高效率達成較高的O/L比及較高的速度。
利用一最後光微影製程，一孔口形成於滴射出器的孔口層中(450)。如先前所提及，孔口形成有構形為可產生如上述的高O/L、及R/L比、高投擲設計、及改良的耐曝時間之維度。可犧牲層亦被移除而開啟了滴射出器的室。
範例
數個DMD係利用第4圖所示的方法形成且具有類似於第3圖所示者之維度。根據本系統及方法所形成之DMD的操作特徵隨後與傳統TIJ材料配送器作比較。結果詳述於下列表1至5中。
下列表1顯示三個傳統熱噴墨及三個採用本系統及方法的DMD之動能的比較。
如上列表1所示，高投擲設計1至3所射出之材料滴比起傳統成像噴墨中所使用的最大滴以外之所有者皆具有更大能量。雖然可藉由採用較大致動構件(350)、高R/O比來產生高速度滴，其本身一般會產生更多廢熱。取而代之，相較於傳統滴射出器(200；第2圖)，第3圖所示的本示範性滴射出器(300)係在致動構件上方採用一較薄的堆積層(380)，導致以較低的滴重量及較高效率達成較高的速度。此外，經修改的滴射出器(300)產生具有較長的尾及經修改形狀之材料滴，當諸如將難以射出、高價值流體以高速度沉積於井板及其他所想要基材內等時可被犧牲之特徵。如表1所用，效率的測量係等於所射出滴的能量除以輸入至致動構件(350)中的能量之比值，亦即輸出輸入比。如表1所示，使用本系統之DMD的效率相較於使用一傳統滴射出器之列印頭係有顯著的效率增高。更特定言之，傳統列印頭具有介於從0.035至0.07%之效率，而使用本系統之DMD則高於0.1%效率。
下列表2顯示所測試材料配送器的數個示範性維度及其各別的孔口直徑對於堆積層高度比值(O/L)及R/O比。
如表2所示，使用本系統之DMD的O/L比係介於從1.00至1.45，其顯著地大於介於從0.35至0.65之傳統TIJ材料配送器的O/L比。表2亦顯示使用第3圖所示的本示範性組態之DMD的R/O比係大於最大容積傳統TIJ材料配送器除外的所有者。此外，相對於具有近似1.25的R/O比之傳統TIJ材料配送器，使用本示範性組態之DMD係展現出近似1.45至1.6＋之間的R/O比範圍，其例外同樣為最大容積傳統TIJ。如上述，對於滴射出器(300)的這些增強係可容許本系統具有高的投擲速度。
表3顯示所射出滴的投擲距離，其中所移行距離被界定為速度已減至初始值的1%之相對於孔口的區位。雖然現今的成像列印頭使用近似1.5 pL容積及12 m/s速度，且因此具有約11 mm的一移行距離，使用本示範性系統之DMD具有位於100至250 pL範圍中的滴容積及位於15至20 m/s範圍中的速度，且因此具有70至120 mm之間的移行距離。
一般而言，較高速度代表較高投擲滴。高投擲滴當施用於諸如酵素植入或化學混合等非成像程序時將特別有利。譬如，可利用一如表1及2所詳述的DMD來將一酵素配送至一井板內。配送器的高投擲不只比起CIJ材料配送器為便宜，亦比起CIJ或採用微移液管的操作者使用更少的流體。並且，若傳統TIJ材料配送器受限於其可射出一滴之距離，具有約100 pL容積及19.9 m/s初始速度之DMD可在速度降至初始速度的1%之前移行88 mm。藉由使發射距離具有額外餘裕，可容許DMD噴注至非扁平拓樸結構上，諸如塗覆應用中的凹痕或井板，其中材料配送器本身與拓樸結構之間的干擾係防止孔口移動接近於相關基材。特定言之，諸如現今範例等井板應用中，高投擲係盡量減低黏至一井的側壁之流體量並盡量加大抵達井底部之流體量。因此，高投擲改良了噴注事件的效率且可容許有效混合及沉積於相關表面上。
如前述，一採用本示範性系統及方法之DMD亦展現出改良的耐曝效能及CV。此處所用的耐曝係指被瞭解為一流體曝露於孔口中的大氣時仍保持液體之時間長度。短的耐曝時間係由於愈來愈小的孔口及迅速蒸發的溶液所致。由於本示範性系統所使用的流體之本質，耐曝時間係為一項很相干的考量因素。許多功能性材料(舉例而言，溶膠－凝膠、前驅物、奈米粒子懸浮物、單體)係被稀釋或植基於高蒸發性溶劑中。因此，噴注功能性材料時之耐曝效能係遠遜於一般對於藉由傳統噴墨材料配送器所配送之水性著色劑流體所見者。本系統藉由採用較高的O/L及R/O比、較大的致動構件(350)、及較薄的堆積層(380)來克服此等障礙。一展現上述屬性之DMD滴射出器係特別適合於選擇性沉積數個功能性材料。一使用本系統之DMD滴射出器(300)係挖掘一較高百分比的總共可取得容積(藉以改良CV)且改良滴速度，其轉而代表改良的耐曝時間。
並且，表4顯示孔口、室的對應容積及其總和以決定噴墨材料配送器之射出效率(總射出容積vs.室及孔口中可取得容積)。
如表4所示，傳統TIJ材料配送器的射出效率介於從近似35至42%。相對地，採用本系統及方法之DMD展現出50至63%之間的增高射出效率。
並且，表5顯示傳統TIJ材料配送器對於採用本示範性系統及方法的DMD之整體比較。更確切言之，表5包括成核壓力對於黏性損失的比值之間的比較(ReXEu，Re為雷諾數而Eu為尤拉數(Euler，s number))。
如表5所示，傳統TIJ材料配送器展現介於從30至60的一ReXEu比。相對地，使用本示範性系統及方法之DMD所展現的ReXEu比介於從100至200。如前述，採用本示範性系統及方法之DMD具有一較高的O/L及R/O比、較大的致動構件(350)、及一較薄的堆積層(380)。這些屬性亦導致相較於傳統TIJ材料配送器而言改良的耐曝時間。
本DMD所展現之改良的耐曝時間係導致許多優點包括但不限於：消除了與起動/耐曝相關聯之列印瑕疵，俐落的起動邊緣，高列印頭利用率，及使用傳統難以射出的流體之能力，及經由較接近的媒體間隔之改良的方向性。
結論來說，本示範性系統及方法提供一具有一經修改滴射出器之簡單列印頭，其便宜、多功用且設計成可用於非成像製程。更確切言之，根據一示範性實施例，本滴射出器係包括一室，一室層，一孔口層，一孔口，一致動器層，一致動構件，及絕緣堆積而其構形為可達成高的投擲滴、較高O/L及R/O比、較高射出效率、改良的耐曝效能、及改良的CV。
提供先前描述只用來顯示及描述本系統及方法。無意將此揭示窮舉或限制於任何所揭露的確切形式。可鑒於上文教導具有許多修改及變異。揭示的範圍預定由下列申請專利範圍所界定。
100．．．示範性微微射流噴墨系統
110．．．材料貯器
120．．．配送器
130．．．基材
200．．．示範性滴射出器
210,310．．．孔口層
215,315．．．室層
220,320．．．致動器層
230．．．孔口構件
240．．．材料
250,350．．．致動構件
260,360．．．絕緣堆積材料
270,370．．．電極
280,380．．．堆積層高度
300．．．滴射出器
340．．．被配送材料
400．．．以所需要的IC及傳導導縫來圖案化基材
410．．．形成致動構件
420．．．形成絕緣堆積
430．．．形成入流通路壁
440．．．形成設計空間上表面
450．．．形成噴嘴
第1圖顯示根據一示範性實施例之基本噴注式墨水配送系統的一實施例；第2圖顯示一傳統噴墨滴射出器的側視圖；第3圖顯示根據一示範性實施例之一使用本系統之非傳統噴墨滴射出器的側視圖；第4圖為根據一示範性實施例之一用於形成一噴墨材料配送器之示範性方法的流程圖；
100．．．示範性微微射流噴墨系統
110．．．材料貯器
120．．．配送器
130．．．基材

Claims (10)

  1. 一種噴墨材料配送器系統，包含：一列印頭構件，其中該列印頭構件包括至少一滴射出器，該滴射出器包括一堆積層，其中該堆積層包括一室層，及一孔口層，該孔口層界定一孔口；及其中該孔口的一直徑對於該堆積層的一高度之一比值(O/L比)為至少1.0。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該滴射出器進一步包含一致動器層，一垂直地沉積至該致動器層之室層，及一致動構件。
  3. 如申請專利範圍第1項之系統，進一步包含配置於該滴射出器內之一致動構件，用以選擇性地從該孔***出滴，其中該致動構件的一長度對於該孔口的直徑之一比值(R/O比)為至少1.4。
  4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該O/L比係產生至少0.1%之一輸入能量對於一經射出滴的一能量之一效率。
  5. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該O/L比係構形為可產生至少15公尺/秒之一經射出滴的一初始速度。
  6. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該O/L比係構形為可產生至少52.0%之一射出效率。
  7. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該O/L比係構形為可產生至少106.00之一成核壓力對於一黏性損失測量之一比值(雷諾數X尤拉數)。
  8. 一種噴墨材料配送器，包含： 一列印頭構件；其中該列印頭構件包括至少一滴射出器，該滴射出器包括一堆積層，一界定一孔口之孔口層，一致動器層，一致動構件，及一室層；其中該孔口的一直徑對於該堆積層的一高度之一比值(O/L比)為至少1.0；其中該O/L比造成至少0.1%之一輸入能量對於一經射出滴的一能量之一效率；其中該O/L比造成至少15公尺/秒之該經射出滴的一初始速度；其中該O/L比造成至少52.0%之一射出效率；及其中該O/L比造成至少106.00之一成核壓力對於一黏性損失測量之一比值(ReXEu)。
  9. 如申請專利範圍第8項之噴墨材料配送器，其中該致動構件的一長度對於該孔口的直徑之一比值(R/O比)為至少1.4。
  10. 一種用於製作一具有一高投擲滴射出器之微微射流噴墨列印頭之方法，包含：形成一致動構件於一基材的表面上；形成一絕緣堆積層於該致動構件上方；形成一室層；及形成一滴射出器的至少一孔口層而界定一孔口；其中該孔口的一直徑對於該堆積層的一高度之一比值(O/L比)為至少1.0。
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