流體噴射裝置及控制流體噴射裝置噴射品質的方法
2023-09-17 18:58:55 3
專利名稱：流體噴射裝置及控制流體噴射裝置噴射品質的方法
技術領域：
本發明涉及一種流體噴射裝置技術，特別是涉及一種包括感測器的流體噴射裝置系統及控制流體噴射品質的方法。
背景技術：
微流體噴射裝置近來已廣泛地運用於信息產業，例如噴墨印表機或類似設備中。隨著微系統工程(micro system engineering)的逐步開發，此種流體噴射裝置逐漸有其他眾多領域的應用，例如燃料噴射系統(fuel injectionsystem)、細胞篩選(cell sorting)、藥物釋放系統(drug delivery system)、噴印光刻技術(print lithography)及微噴射推進系統(micro jetpropulsion system)等。在前述各應用領域中，較為成功的一種設計是使用熱驅動氣泡(thermal driven bubble)方式以噴射出液滴的方法。由於其設計簡單且成本低廉，因此在使用上也最為普遍。
圖1顯示美國專利號碼第6,103,530號所揭露的單石化的流體噴射裝置1，以一矽基底10作為本體，且在矽基底10上形成一結構層12，而在矽基底10和結構層12之間形成一流體腔14，用以容納流體26。在結構層12上設有一第一加熱器20、以及一第二加熱器22，第一加熱器20用以在流體腔14內產生一第一氣泡30，第二加熱器22用以在流體腔14內產生一第二氣泡32，以將流體腔14內的流體26射出。
由於單石化的流體噴射裝置1具有虛擬氣閥(virtual valve)的設計，並擁有高排列密度、低交互幹擾、低熱量損失的特性，且無須另外利用組裝方式接合噴孔片，因此可以降低生產成本。
然而，在已知的單石化的流體噴射裝置1中，結構層12主要由低應力氮化矽(low stress nitride)為材質所構成。在製造工藝中，其厚度直接影響到流體噴射裝置噴射品質。此結構層，除作為氣泡產生裝置的承載作用外，亦提供對HF溶液的蝕刻抵擋層的作用。是故結構層的厚度與物理性質對整體裝置製作的良率影響至鉅。
基於上述缺點，一般晶片代工廠對於上述結構層的厚度管控，主要以量測結構層的光學性質的量測為主，例如藉由薄膜量測儀，隨機抽樣進行整片晶片的局部量測。此種隨機的取樣方式，對整體晶片的膜厚可提供一定的參考值，但對晶片上以數百計的流體噴射裝置而言，前述方法所量測的數據則明顯不足。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種具感測器的流體噴射裝置，藉感測器量測流體噴射裝置結構層的厚度，以精確掌握整片晶片中，各流體噴射晶片的結構層厚度，以提升製造工藝良率。
本發明的目的在於提供一種控制具感測器的流體噴射裝置系統噴射品質的方法，藉感測器量測流體噴射裝置的結構層厚度，經由一比較器與內建的資料庫比較，以調整最佳的流體噴射驅動條件。
根據上述目的，本發明提供一種流體噴射裝置，包括一流體腔，用以容納流體其上有一第一層；至少一氣泡產生裝置，設置於第一層上且於流體腔的相對側；一感測器，用以量測第一層的厚度；一第二層，形成於第一層上，覆蓋氣泡產生裝置與感測器；以及一噴孔，臨近氣泡產生裝置且穿透第二層與第一層，且與流體腔連通。
根據上述目的，本發明又提供一種控制流體噴射裝置噴射品質的方法，流體噴射裝置包含一結構層與至少一氣泡產生裝置，氣泡產生裝置設置於該結構層上，上述方法包括量測該結構層的物理性質，並輸出一信號；以及接收該信號後，據以驅動氣泡產生裝置。
以下配合圖式以及較佳實施例，以更詳細地說明本發明。
圖1是顯示一種現有的單石化的流體噴射裝置；圖2A是顯示本發明的具有感測器的流體噴射裝置10A的剖面示意圖；圖2B是顯示根據本發明實施例的感測器的局部放大示意圖；圖2C是顯示根據本發明實施例的感測器的R-C串聯等效電路；圖3示顯示感測器R-C串聯等效電路的模擬測試結果；
圖4A-4C是顯示根據本發明實施例的感應器電容的示意圖；圖5A-5C是顯示根據本發明的另一實施例的感應器電容的示意圖；以及圖6示顯示根據本發明實施例的一種流體噴射裝置系統的示意圖。
附圖符號說明1～單石化的流體噴射裝置；10～矽基底；12、110、620～結構層；14～流體腔；20～第一加熱器；22～第二加熱器；26～流體通道；30～第一氣泡；32～第二氣泡。
10A、610～流體噴射裝置；100～基材；101～基底；113～流體腔；114～噴孔；115～通道；120、120』、120」～保護層；130～氣泡產生裝置；132、134～加熱器；150、150a、150b、150c～電容感測器；160～電容；162、164、166、262、266～電極；170～電阻；600～流體噴射裝置系統；630～加熱器；640～感測器；650～模擬/數字轉換器；660～比較器；670～內建的資料庫；
680～控制器；CA、CB、CC、CD、CE、CF～電容。
具體實施例方式本發明的實施例提供一種流體噴射裝置系統及控制噴射品質的方法，藉感測器量測流體噴射裝置的結構層厚度，以精確掌握整片晶片中，各流體噴射晶片的結構層厚度，以提升製造工藝良率。此外，以驅動噴射過程中，亦可經由一比較器與內建的資料庫比較，以提供最佳化的流體噴射驅動條件，提升噴射品質。根據本發明的實施例，流體噴射裝置包括一基材具有一基底、一結構層、一流體腔、以及一通道。其中，結構層設置在基底上，流體腔形成於結構層與基底之間，以及通道與流體腔連接。至少一氣泡產生裝置，設置於結構層上且於流體腔的相對側。一感測器，位於基材上，用以量測結構層的厚度。一保護層，覆蓋氣泡產生裝置與感測器。以及一噴孔，臨近氣泡產生裝置且穿透保護層與結構層，且與流體腔連通。雖然本發明是以熱驅式流體噴射裝置為例，然並非用以限定本發明，其他流體噴射裝置，例如壓電式流體噴射裝置，亦可應用本發明的感測器量測流體噴射裝置的可變形層(deformable layer)的厚度，設定最佳的驅動條件，以達到最佳的噴射效果。
以下是為本發明所述的具感測器的流體噴射裝置及控制其噴射品質的方法的較佳實施例，茲配合附圖詳細說明如下。
圖2A是顯示本發明的具有感測器的流體噴射裝置10A的剖面示意圖。本實施例的流體噴射裝置10A包括一基材100，具有一基底101、一結構層110、一流體腔113、以及一通道115，其中，結構層110設置在基底101上，流全腔113形成於結構層110與基底101的間，以及通道115與流體腔113連接。至少一氣泡產生裝置130設置於結構層110上，與流體腔113對應。一感測器150，位於基材100上，用以量測結構層110的厚度。一保護層120，形成於該結構層110上且覆蓋氣泡產生裝置130及感測器150。一噴孔114，臨近該氣泡產生裝置130且穿透保護層120與結構層110與流體腔113連通。
氣泡產生裝置130是設置於結構層110表面上，並且位於流體腔113的相對側。氣泡產生裝置130較佳者為由電阻層所構成的加熱器。在本實施例中，氣泡產生裝置130包括一第一加熱器132、以及一第二加熱器134，第一加熱器132，用以在流體腔113內產生一第一氣泡(參考圖1)，第二加熱器134與第一加熱器132分別位於第一噴孔114的相對側，且如現有般，用以在流體腔113內產生一第二氣泡(參考圖1)以將流體腔113內的流體射出。
上述氣泡產生裝置更包括一信號傳送線路(未圖示)，形成於結構層110與保護層120的間，連接驅動氣泡產生裝置130的電路。信號傳送線路是利用物理氣相沉積法(PVD)沉積一圖案化導電層，例如Al、Cu、AlCu或其他導線材料於結構層上。
感測器150包括一電阻170與至少一電容160，以串聯的形式，例如R-C電路，形成於基材100上與結構層110耦接，用以量測結構層110的厚度。
保護層120(例如二氧化矽)設置於結構層110上。而結構層的材質為低應力的氮化矽(SiN)，其殘餘張應力介於100～200百萬帕(MPa)。
第一實施例流體噴射裝置10A於製作過程中，需利用酸(HF-49％)、鹼(KOH-30％)蝕刻液對晶片的基底100或犧牲層(未圖示)進行蝕刻，而結構層110提供抵擋蝕刻液的作用。
為達上述目的，結構層110以LPCVD製造工藝所沉積的低應力(～100Mpa且為拉應力)氮化矽為佳。但在實際製作時發現，於蝕刻過程中，過薄(＜0.4um)的結構層110厚度會產生龜裂等缺陷，而使表面電路受到損害。而完成後的裝置，於測試過程中亦發現不同厚度(0.6～1.2um)的結構層110，對流體噴射的驅動條件影響亦鉅(包括加熱時間或驅動電壓)。
圖2B是顯示根據本發明實施例的感測器150的局部放大示意圖。感測器150是利用R-C電路的工作原理，分別以金屬與多晶矽(poly-silicon)作為電容器160的上電極板164及下電極板162，再與一電阻170搭配形成R-C串聯電路。上電極板164與電阻170可與前述信號傳送線路(未圖示)於同一製造工藝步驟中完成。根據本發明實施例，可利用電容器與充電量的關是C＝εA/d，與R-C電路的總輸出電壓公式V＝V0(1-e-t/RC)，在電極板面積為A及結構層的介電常數為ε的條件下，利用量測電壓V值而計算出結構層的厚度d。感測器的R-C串聯等效電路如圖2C所示。
圖3是顯示感測器R-C串聯等效電路的模擬測試結果。假設V0＝3V，電極度板面積A＝200μm×200μm，串聯電阻R＝30KΩ，氮化矽薄膜的介電常數ε＝5.75×105F/μm，而在充電時間t＝50ns的情況下，可得到氮化矽的厚度變化與輸出電壓的關是如表1所示。
表1
本發明的感測器製作，在實際應用中，可搭配原有流體噴射裝置製造工藝的金屬或多晶矽沉積。就製作成本而言，並無增加或影響良率之虞。此外，對於結構層的厚度檢測，除可大幅改善原本光學抽樣檢測的不足，還可以減少晶片因薄膜局部缺陷而導致流體噴射裝置於製造工藝中受損的風險。
圖4A-4C是顯示根據本發明實施例的感應器電容的示意圖。本實例是利用一改良型電容組作為感測器的架構。此改良型電容組依其中間的介電層又可細分為三組電容CA、CB、CC。請參閱圖4A，第一電容CA由第一電極162、第二電極164及夾置於電極162與164間的結構層110所構成，由CA＝εSiNA/dSiN，與R-C電路的總輸出電壓公式V＝V0(1-e-t/RC)，可在電極板面積為A及結構層的介電常數εSiN的條件下，利用量測電壓V值而計算出結構層110的厚度dSiN。
請參閱圖4B，第二電容CB由第二電極164、第三電極166及夾置於電極164與166間的保護層120所構成，由CB＝εSiO2A/dSiO2，與R-C電路的總輸出電壓公式V＝V0(1-e-t/RC)，可在電極板面積為A及結構層的介電常數為εSiO2的條件下，利用量測電壓V值而計算出保護層120的厚度dSiO2。
請參閱圖4C，第三電容CC由第一電極162、第三電極166及夾置於電極度162與與166間的結構層110與保護層120所構成，由Cc＝εSiN+SiO2A/dSiN+SiO2，與R-C電路的總輸出電壓公式V＝V0(1-e-t/RC)，可在電極板面積為A及結構層的介電常數為εSiN+SiO2的條件下，利用量測電壓V值而計算出結構層110與保護層120的厚度dSiN+SiO2。
根據本發明的實施例，上述個別求得電極板的間介電層的厚度前提為，介電層的介電常數ε為已知。若結構層110的介電常數ε為未知，則可修正上述改良型電容組作為感測器，並藉由三組電容公式聯立求解。結構層110的介電常數為未知的情況下求得結構層110的厚度。例如各方程式中下標表示所置測的材料，當所量測到的電容值分別為CA＝2.88pF、CB＝2.42pF、CC＝1.31pF，且電極板面積A＝200μm×200μm，保護層120的介電常數εSiO2＝4.1ε0＝3.63×105F/μm，則可將此三組聯立方程式的dSiN、dSiO2與εSiN解出dSiN＝0.8μm、dSiO2＝0.6μm與εSiN＝5.75×105F/μm。
圖5A-5C是顯示本發明另一實施例的改良型電容組的示意圖。在前實施例中，是將二氧化矽保護層120的介電常數設為已知。請參閱第5A圖，可利用光罩的圖案設計，與晶片代工廠的製造工藝配合，形成電容組CDCD=A[sio2x(dsio2+dSiN)+sio2SiNY(dSiNsio2+dsio2SiN)]]]>式1式中X、Y分別為圖5A中不同薄膜所佔面積，與前三組電極板面積的比例關是。若假設Y＝X＝2，則表示此時上電極板266與下電極板262的間所夾的氮化矽110與二氧化矽120複合薄膜((Y-X)/Y)，與純二氧化矽120、120』薄膜(X/Y)的面積相同，且各為原先面積之半。如此即可利用四組方程式，在面積已知的情況下，將dSiN、dSiO2、εSiN與εSiO2解出。圖5B是顯示本發明實施例另一實施例的改良型電容組CE的示意圖。電容組CE至少可分成A1、A2、A3等三個電容，同樣可利用式1複合式電容組公式，將CE以dSiN、dSiO2、εSiN與εSiO2表示，並進行求解各參數。圖5C是顯示本發明實施例另一實施例的改良型電容組CF的示意圖。電容組CF至少可分成a1、a2、a3等三個電容，同樣可利用式1複合式電容組公式，將CF以dSiN、dSiO2、εSiN與εSiO2表示，並進行求解各參數。
第二實施例根據本發明的目的，本發明另提供一種控制流體噴射裝置的噴射品質的方法。如前述的微流體噴射裝置，及加熱器承載於結構層上，加熱器所產生的熱，經由結構層傳遞至流體腔內的流體。而由熱傳原理知，相同的材料具相同的熱傳是數k，在相同溫差ΔT的條件下，熱通量J與傳遞距離L成反比，(即J＝-k/L)。因此，上述流體噴射裝置在相同的驅動條件下，流體噴射裝置噴射效果會隨著結構層厚度而變化，造成噴射品質的不穩定。
根據已知技術，為達相同的噴射效果所需的能量(turn-on energy fordroplet firing)，流體噴射裝置的結構層厚度，與加熱時間成反比關是。各個流體噴射裝置的加熱效率，皆隨著應力薄膜的厚度增加而降低。亦即，具較厚結構層的流體噴射裝置需較長的加熱時間，才能達到與較薄結構層的流體噴射裝置相同的效果。當流體噴射裝置發生結構層的厚度不均勻的情況時，必須針對不同的厚度結構層調整加熱信號以達均一的噴射結果。
根據本發明的具感測器的流體噴射裝置，藉由一膜厚感測器，量測結構層的厚度。在預量測的結構層上下表面各設置一電極板，利用C＝εA/d與V＝V0(1-e-t/RC)的關是式，當電極板面積A及結構層的介電常數ε為已知的條件下，藉由量測電壓V值即可推算出，結構層的實際厚度。
再請參考第3圖，本發明的具厚度量測感測器量測流體噴射裝置結構層的厚度，的數值模擬結果。其中V0＝3v、電極板面積A＝200μm×200μm，串聯電阻R＝30kΩ，氮化矽薄膜的介電常數ε＝5.57×105F/μm。在充電時間t＝50ns的情況下可計算出結構層的厚度。各種不同厚度結構層與輸出電壓的關是如前實施例中表1所示。
在實際應用中，薄膜厚度與驅動條件的關是，在利用實驗數據進行統計分析的後，將此關是內建於系統內的信號控制單元。而感測器量測結構層厚度所得到的信號，則經由模擬/數字(A/D)轉換器轉換成數位訊號後，送入比較器。與既定的數據進行比對後，提供一修正後的信號至控制單元，以最適合該流體噴射裝置的最佳驅動條件信號控制加熱器，使噴射的微流體液滴的大小達最佳化。
圖6是顯示根據本發明實施例的一種流體噴射裝置系統的示意圖。流體噴射裝置系統600包括一流體噴射裝置610，包括結構層620、加熱器630及感測器640，其詳細結構如圖2A所示的剖面圖。一模擬/數字轉換器650與感測器640連接，將感測器640量測結構層620的厚度信號轉換成一數位訊號。一比較器660，比較該數位訊號與一內建的資料庫670，輸出一調整後的信號。一控制器680，藉由該調整後的信號控制該氣泡產生裝置。
根據本發明的實施例，另提供一種控制流體噴射品質方法。提供一流體噴射裝置610，具有一結構層620，至少一氣泡產生裝置630，設置於該結構層上以及一感測器640，用以量測該結構層的厚度。藉由感測器640量測結構層620的厚度，以獲得一模擬信號。將模擬信號轉換成一數位訊號並傳送至一比較器660，與一內建的資料庫670比較，並獲得一調整後的信號。將該調整後的信號傳送至一控制器680，藉由該調整後的信號驅動該氣泡產生裝置630。
根據本發明，在製造工藝中每一晶片可在不更改原有晶片測試廠的電性測試設備下，利用流體噴射裝置內的感測器，對每單一晶片的結構層厚度，甚或介電常數進行規格檢測。達到在無須負擔額外測試成本的條件下達到每一晶粒更精確的合格良率數據。利用本發明的測試結構，除可了解全片晶片的膜厚與介電常數分布，藉此作為是否進行後續蝕刻製造工藝的判斷依據外，更可作為流體噴射的驅動條件設定參考。
此感測器可藉由輸出的電壓信號，藉以得到晶片上每一晶片的膜厚與材料特性數據，用以改善原有晶片的局部量測缺點，從而達到每一晶片更精確的良率控制目的。本發明裝置可有效應用於文字或影像的數據列印處理、燃料噴射系統及生醫科技的藥劑注射等相關或類似系統。
本案特徵及效果本發明的特徵與效果在於利用感測器量測流體噴射裝置結構層的厚度，以精確掌握整片晶片中，各流體噴射晶片的結構層厚度，並經由一比較器與內建的資料庫比較，以調整最佳的流體噴射驅動條件。在製造工藝中，每一晶片可在不更改原有晶片測試廠的電性測試設備下，利用流體噴射裝置內的感測器，對每單一晶片的結構層厚度，甚或介電常數進行規格檢測。達到在無須負擔額外測試成本的條件下達到每一晶片更精確的合格良率數據。利用本發明的測試結果，除可了解全片晶片的膜厚與介電常數分布，藉此作為是否進行後續蝕刻製造工藝的判斷依據外，更可作為流體噴射的驅動條件設定參考。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的權利要求所界定者為準。
權利要求
1.一種流體噴射裝置，包括一流體腔，用以容納流體其上有一第一層；至少一氣泡產生裝置，設置於該第一層上且於該流體腔的相對側；一感測器，用以量測該第一層的厚度；一第二層，形成於該第一層上，覆蓋該氣泡產生裝置與該感測器；以及一噴孔，臨近該氣泡產生裝置且穿透該第二層與該第一層，且與該流體腔連通。
2.如權利要求1所述的流體噴射裝置，其中，該氣泡產生裝置是電阻加熱器。
3.如權利要求2所述的流體噴射裝置，其中，該電阻加熱器包括一第一加熱器，以位於該流體腔外的方式設置於該第一層表面上，用以在該流體腔內產生一第一氣泡；以及一第二加熱器，以位於該流體腔外的方式設置於該第一表面上，且與該第一加熱器分別位於該第一通孔的相對側，用以在該流體腔內產生一第二氣泡以將該流體腔內的流體射出。
4.如權利要求1所述的流體噴射裝置，其中，該第一層是低應力氮化矽。
5.如權利要求1所述的流體噴射裝置，其中，該感測器包括至少一電容。
6.如權利要求5所述的流體噴射裝置，更包括一電阻與該至少一電容串聯。
7.如權利要求5所述的流體噴射裝置，其中該電容包括複數個電容單元並聯組成。
8.如權利要求7所述的流體噴射裝置，其中，各個電容單元的電容值各不相同。
9.如權利要求1所述的流體噴射裝置，其中，該感測器連接至一模擬/數字轉換器。
10.如權利要求1所述的流體噴射裝置，更包括一流體通道與該流體腔連接。
11.如權利要求1所述的流體噴射裝置，更包括一模擬/數字轉換器與該感測器連接，將該感測器量測該結構層的厚度信號轉換成一數位訊號；一比較器，比較該數位訊號與一內建的資料庫，輸出一調整後的信號；以及一控制器，藉由該調整後的信號控制該氣泡產生裝置。
12.一種控制流體噴射裝置噴射品質的方法，該流體噴射裝置包含一結構層與至少一氣泡產生裝置，該氣泡產生裝置設置於該結構層上，該方法包括下列步驟量測該結構層的物理性質，並輸出一信號；以及接收該信號，據以驅動該氣泡產生裝置。
13.如權利要求12所述的控制流體噴射裝置噴射品質方法，其中，該物理性質包括厚度或介電常數。
14.如權利要求12所述的控制流體噴射裝置噴射品質方法，其中，該感測器包括至少一電容。
15.如權利要求14所述的控制流體噴射裝置噴射品質方法，其中，該電容包括複數個電容單元並聯組成。
16.如權利要求15所述的控制流體噴射裝置噴射品質方法，其中，各個電容單元的電容值各不相同。
17.如權利要求12所述的控制流體噴射裝置噴射品質方法，更包括一電阻與該至少一電容串聯。
全文摘要
本發明是提供一種流體噴射裝置及控制噴射品質的方法。流體噴射裝置包括一流體腔，用以容納流體其上有一第一層。至少一氣泡產生裝置，設置於第一層上且於流體腔的相對側。一感測器，用以量測第一層的厚度。一第二層，形成於第一層上，覆蓋氣泡產生裝置與感測器。一噴孔，臨近氣泡產生裝置且穿透第二層與第一層，且與流體腔連通。藉由感測器量測結構層的厚度值，經由一比較器與內建的資料庫比較，以提供最佳化的流體噴射驅動條件，提升噴射品質。
文檔編號B05C5/00GK1769049SQ200410092209
公開日2006年5月10日 申請日期2004年11月3日 優先權日2004年11月3日
發明者周忠誠, 黃宗偉 申請人:明基電通股份有限公司