基於碳納米管微氣泡發生器的噴印閥及其製備方法
2023-09-17 17:31:00
專利名稱：基於碳納米管微氣泡發生器的噴印閥及其製備方法
技術領域：
本發明屬於微機電系統技術領域，具體涉及一種基於碳納米管微氣泡 發生器的噴印閥及其製備方法。技術背景噴印技術在器件尤其是一些大面積的器件例如顯示器、自適應分布式 天線等製備上的應用受到越來越多的關注。相比平面工藝光刻技術，噴印 技術的優勢在於對基底無特殊要求，並適用於柔性材料；由於噴嘴的結 構及其運動的可設計性、直接根據設計形成圖形，噴印的圖形靈活，原料 消耗少，總成本低。此外，噴印可以提供非接觸的多種液體的微分配，如 生物的、電子的、光學的，傳感的、結構的等等，它可望為構建具有複雜 功能的集成系統如生物組織工程、大平面柔性平板器件等提供一種簡單有 效、自下而上的實施方案，具有廣泛的應用前景。現有的噴印技術中，氣泡式噴印是基於微加熱器的一種簡易的噴印技術。 微氣泡發生器是熱噴印系統的核心，目前大都採用基於傳統金屬材料的微 加熱器，功耗較大。金屬碳納米管(CNT)是一種優良的微波導體，理論 上單壁的碳納米管的導通頻率可達THz，有報導實際達到GHz。發明內容本發明的目的在於提供一種基於碳納米管微氣泡發生器的噴印閥，該 噴印閥具有功耗低、集成度高的特點；本發明還提供了製備該噴印閥的方 法，該方法工藝簡單，並與半導體IC工藝兼容。本發明提供的基於碳納米管微氣泡發生器的噴印閥，其特徵在於襯底為玻璃片或生長有氧化層的矽片，在襯底上設置有二個金電極，在二個金電極與襯底之間鍍有鈦粘結層，鈦粘結層的厚度為10 30nm， 二個金電 極之間的距離為1 10lam，金電極的厚度為300 400nm;碳納米管架設於金 電極之間，碳納米管的直徑為10 30nm;碳納米管與金電極的接觸部位覆 蓋有厚度為100 200nm的二氧化矽層；碳納米管、二個金電極以及二氧化 矽層構成碳納米管微氣泡發生器；矽基底上開有直徑為30 80fim的通孔作為進液管；在矽基底的表面開 有與進液管相連的凹槽，凹槽的長度為300 900vim，寬度為40 100|im;襯底與矽基底鍵合，使上述碳納米管微氣泡發生器與凹槽的位置相對， 形成噴嘴。製備上述噴印閥的方法，其步驟包括(1)按照步驟(Al) (A3)在襯底上製作碳納米管微氣泡發生器， 按照步驟(Bl) (B5)對矽基底進行處理(Al)採用電子束蒸發或濺射，在清洗後的襯底上依次形成厚度為10 30nm的鈦膜和厚度為300 400nm金膜；再利用現有剝離工藝形成二個金電 極，二個金電極之間的距離為1 10nm;(A2)在上述金電極上加載交流電壓，再將碳納米管懸浮液滴到電極間， 碳納米管懸浮液由直徑為10 30nm碳納米管與無水乙醇溶劑按0. 005 0.05mg/ml比例混合而成；當碳納米管將電極連通並定位在電極間時，撤除 所加交流電壓；(A3)在碳納米管與金電極的接觸部位形成厚度為100 300nm的二氧 化矽層，形成碳納米管微氣泡發生器；(Bl)在清冼後的矽基底的上、下表面形成二氧化矽保護層，厚度為 0. 5 1. 5(im;(B2)分別刻蝕上述二氧化矽保護層，得到凹槽和進液管的窗口，凹槽 的窗口長度為300 900pm，寬度為40 100^im、進液管的的窗口直徑為30 80fim，進液管中心軸與凹槽底面中心相距200 400^im ;(B3)在矽基底的上表面刻蝕得到凹槽，凹槽深度為10 30pm;(B4)在矽基底的下表面刻蝕形成進液管，使進液管與凹槽相通； (B5)去除矽基底上下表面的剩餘二氧化矽保護層； (2)將矽基底和襯底相對，鍵合形成噴嘴，得到微噴印閥。本發明利用碳納米管良好的微波導電性構建微氣泡發生器，碳納米管微氣泡發生器(Carbon Nanotube Micro Bubble Generator)以碳納米管 (CarbonNanotube，以下簡稱"CNT")作為基本加熱元件，它以CNT取代 熱氣泡發生器中的金屬微加熱器，利用CNT中的高密度焦耳熱，通過電流 和加電時間的控制使它產生的微氣泡直徑僅為單位微米量級。氣泡尺寸小、 功耗低。本發明克服了傳統微氣泡發生器功耗大的缺點，並具有良好的高 密度集成的潛力，在先進位造領域具有廣泛的應用前景。
圖1為本發明碳納米管微氣泡發生器和噴嘴所組成的噴印閥縱向結構 示意圖。圖2為噴印閥剖視示意圖，其中，圖2(a)為A A向剖視圖，圖2(b)為 B B向剖視圖。圖3為製備矽基底上的進液管和凹槽的工藝流程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發明作進一步詳細的說明。如圖1所示，本發明噴印閥的結構為採用玻璃片或生長有氧化層的矽片作為襯底l。在襯底1上設置有二個金電極31、 32，在金電極31、 32 與襯底1之間設有鈦粘結層21、 22，鈦粘結層21、 22的厚度為10 30nm， 金電極31、 32之間的距離為1 10fim，金電極31、 32的厚度為300 400nm; 碳納米管4架設於金電極31、 32之間，碳納米管4的直徑為10 30nm;碳 納米管4與金電極31、 32的接觸部分通過二氧化矽層51、 52予以固定， 構成碳納米管微氣泡發生器，其中二氧化矽層51、 52的厚度為100 200nm。 矽基底8上開有通孔作為進液管7，進液管7的直徑為30 80|am，在 矽基底8的表面開有與進液管7相連的凹槽9，凹槽9的長度為300 900jim， 寬度為40 100nm。襯底1與矽基底8鍵合，使氣泡發生器與凹槽9相對，形成噴嘴6。製備上述基於碳納米管微氣泡發生器的噴印閥的方法，其步驟包括(1) 將襯底1按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(2) 將碳納米管微氣泡發生器製備在襯底1上，其過程為(2. 1)採用電子束蒸發或濺射，形成厚度為10 30nm的鈦膜； (2. 2)採用電子束蒸發或濺射，形成厚度為300 400nm金膜； (2. 3)利用現有的剝離工藝(lift off)形成金電極31、 32，金電極31、 32之間的距離為l 10|im;(2. 4)將直徑為10 30nm碳納米管4與無水乙醇溶劑按0. 005 0. 05mg/ml比例混合，經超聲使碳納米管均勻分散；(2. 5)將0. 5 1MHz， 5 10V的交流電壓加載到襯底1上的金電極31、32間，用微型注射器將碳納米管懸浮液滴到電極間，當溶劑揮發完全時，碳納米管將電極連通並定位在電極間，此時撤除所加電場；(2. 6)採用電子束蒸發或濺射二氧化矽，形成厚度為100 300nm的二氧化矽膜；(2. 7)利用反轉光刻膠的剝離工藝，形成加固碳納米管與金電極接觸 的二氧化矽層51、 52，並將定位好的碳納米管位於金電極31、 32間的部分 暴露出來，形成碳納米管微氣泡發生器。(3) 將雙面拋光矽基底8按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(4) 將進液管7和凹槽9製備在玻璃基底1上，其過程為(4. l)採用熱氧化法,在矽基底8的上下表面形成二氧化矽保護層101、 102，厚度為0. 5 1. 5|um;(4.2)利用現有雙面對準光刻工藝分別刻蝕二氧化矽保護層101、 102， 得到凹槽9和進液管7的窗口，凹槽9的窗口長度為300 900pm，寬度為 40 100|_im，進液管7的的窗口直徑為30 80pm，進液管中心軸與凹槽底面 中心相距200 400pm; (4.3) 用反應離子刻蝕(RIE)方法，在矽基底8的上表面得到凹槽9， 深度為10 30|im;(4.4) 用反應離子刻蝕(RIE)方法，從矽基底8的下表面開始刻蝕進 液管7，進液管7與凹槽相通；(4. 5)採用幹法或者溼法刻蝕的方法去除矽基底8上下表面的剩餘二氧 化矽保護層101、 102;(5)將矽基底8和襯底1相對，通過陽極鍵合工藝，形成噴嘴6，並制 成微噴印閥。實施例1:(1) 將玻璃基底1按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(2 )將碳納米管微氣泡發生器製備在玻璃基底1上，其過程為(2. 1)採用電子束蒸發鈦，形成厚度為20mn的鈦膜；(2. 2)採用電子束蒸發金，形成厚度為400nm金膜；(2. 3)利用現有的剝離工藝(lift off)形成金電極31、 32，金電極31、 32之間的距離為5^im;(2. 4)將直徑為10 30nm碳納米管4與無水乙醇溶劑按0. 01mg/ml比例混合，經超聲使碳納米管均勻分散；(2. 5)將lMHz， 8V的交流電壓加載到玻璃基底1上的金電極31、 32間，用微型注射器將碳納米管懸浮液滴到電極間，當溶劑揮發完全時，碳納米管將電極連通並定位在電極間，此時撤除所加電場；(2. 6)採用電子束蒸發二氧化矽，形成厚度為200nm的二氧化矽膜； (2. 7)利用反轉光刻膠AZ5214的剝離工藝，形成加固碳納米管與金電極接觸的二氧化矽層51、 52，並將定位好的碳納米管位於金電極31、 32間的部分暴露出來，形成碳納米管微氣泡發生器。(3) 將雙面拋光矽基底8按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(4) 將進液管7和凹槽9製備在玻璃基底1上，其過程為(4. l)採用熱氧化法，在矽基底8的上下表面形成二氧化矽保護層101、 102，厚度為l(im;(4.2) 利用現有雙面對準光刻工藝分別刻蝕二氧化矽保護層101、 102， 得到凹槽9和進液管7的窗口，凹槽9的窗口長度為900|^n，寬度為100^irn， 進液管7的的窗口直徑為80^m，進液管中心軸與凹槽底面中心距40(Vm;(4.3) 用反應離子刻蝕(RIE)方法，在矽基底8的上表面得到凹槽9， 深度為20|Lim;(4.4) 用反應離子刻蝕(RIE)方法，從矽基底8的下表面開始刻蝕進 液管7，進液管7與凹槽相通；(4. 5)採用溼法刻蝕的方法去除矽基底8上下表面的剩餘二氧化矽保護 層101、 102;(5)將矽基底8和襯底1相對，通過陽極鍵合工藝，形成噴嘴6，並 製成微噴印閥。實施例2(1) 將玻璃基底1按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(2) 將碳納米管微氣泡發生器製備在玻璃基底1上，其過程為 (2. 1)採用濺射鈦，形成厚度為30nm的鈦膜；(2. 2)採用濺射金，形成厚度為300nm金膜；(2. 3)利用現有的剝離工藝(lift off)形成金電極31、 32，金電 極31、 32之間的距離為l|im;(2. 4)將直徑為10 30nm碳納米管4與無水乙醇溶劑按0. 005mg/ml比例混合，經超聲使碳納米管均勻分散；(2. 5)將0.5MHz, 5V的交流電壓加載到玻璃基底1上的金電極31、 32間，用微型注射器將碳納米管懸浮液滴到電極間，當溶劑揮發完全時， 碳納米管將電極連通並定位在電極間，此時撤除所加電場；(2. 6)採用電子束蒸發法或濺射二氧化矽，形成厚度為lOOnm的二 氧化矽膜；(2. 7)利用反轉光刻膠的剝離工藝，形成加固碳納米管與金電極接觸 的二氧化矽層51、 52，並將定位好的碳納米管位於金電極31、 32間的部分 暴露出來，形成碳納米管微氣泡發生器。
(3) 將雙面拋光矽基底8按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(4) 將進液管7和凹槽9製備在玻璃基底1上，其過程為(4. 1)採用熱氧化法，在矽基底8的上下表面形成二氧化矽保護層 101、 102，厚度為1.5(im;(4.2) 利用現有雙面對準光刻工藝分別刻蝕二氧化矽保護層101、 102， 得到凹槽9和進液管7的窗口，凹槽9的窗口長度為500jim，寬度為70pm， 進液管7的的窗口直徑為50nm，進液管中心軸與凹槽底面中心相距300,;(4.3) 用反應離子刻蝕(RIE)方法，在矽基底8的上表面得到凹槽9， 深度為15,;(4.4) 用反應離子刻蝕(RIE)方法，從矽基底8的下表面開始刻蝕進 液管7，進液管7與凹槽相通；(4. 5)採用幹法刻蝕的方法去除矽基底8上下表面的剩餘二氧化矽保護 層101、 102;(5) 將矽基底8和襯底1相對，通過陽極鍵合工藝，形成噴嘴6，並 製成微噴印閥。實施例3(1) 將生長有氧化層的矽基底1按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(2) 將碳納米管微氣泡發生器製備在玻璃基底1上，其過程為 (2. 1)採用濺射鈦，形成厚度為30nm的鈦膜；(2. 2)採用濺射金，形成厚度為300nm金膜；(2. 3)利用現有的剝離工藝(lift off)形成金電極31、 32，金電 極31、 32之間的距離為lOpm;(2. 4)將直徑為10 30nm碳納米管4與無水乙醇溶劑按0. 05mg/ml比例混合，經超聲使碳納米管均勻分散；(2. 5)將0.8MHz， 10V的交流電壓加載到玻璃基底l上的金電極31、32間，用微型注射器將碳納米管懸浮液滴到電極間，當溶劑揮發完全時，碳納米管將電極連通並定位在電極間，此時撤除所加電場；(2. 6)採用電子束蒸發法或濺射二氧化矽，形成厚度為300nm的二 氧化矽膜；(2. 7)利用反轉光刻膠的剝離工藝，形成加固碳納米管與金電極接觸 的二氧化矽層51、 52，並將定位好的碳納米管位於金電極31、 32間的部分 暴露出來，形成碳納米管微氣泡發生器。(3) 將雙面拋光矽基底8按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(4) 將進液管7和凹槽9製備在玻璃基底1上，其過程為(4.1) 採用熱氧化法，在矽基底8的上下表面形成二氧化矽保護層 101、 102，厚度為O. 5|um;(4.2) 利用現有雙面對準光刻工藝分別刻蝕二氧化矽保護層101、 102，得到凹槽9和進液管7的窗口，凹槽9的窗口長度為900^im，寬度為 lOO^im,進液管7的的窗口直徑為80pm，進液管中心軸與凹槽底面中心相距 400,;(4. 3)用反應離子刻蝕(RIE)方法，在矽基底8的上表面得到凹槽9， 深度為20pm;(4.4)用反應離子刻蝕(RIE)方法，從矽基底8的下表面開始刻蝕 進液管7，進液管7與凹槽相通；(4. 5)採用幹法刻蝕的方法去除矽基底8上下表面的剩餘二氧化矽保 護層101、 102;(5) 將矽基底8和襯底1相對，通過陽極鍵合工藝，形成噴嘴6， 並製成微噴印閥。
權利要求
1、一種基於碳納米管微氣泡發生器的噴印閥，其特徵在於襯底(1)為玻璃片或生長有氧化層的矽片，在襯底(1)上設置有二個金電極(31、32)，在二個金電極(31、32)與襯底(1)之間鍍有鈦粘結層(21、22)，鈦粘結層(21、22)的厚度為10～30nm，二個金電極(31、32)之間的距離為1～10μm，金電極(31、32)的厚度為300～400nm；碳納米管(4)架設於金電極(31、32)之間，碳納米管(4)的直徑為10～30nm；碳納米管(4)與金電極(31、32)的接觸部位覆蓋有厚度為100～200nm的二氧化矽層(51、52)；碳納米管(4)、二個金電極(31、32)以及二氧化矽層(51、52)構成碳納米管微氣泡發生器；矽基底(8)上開有直徑為30～80μm的通孔作為進液管(7)；在矽基底(8)的表面開有與進液管(7)相連的凹槽(9)，凹槽(9)的長度為300～900μm，寬度為40～100μm；襯底(1)與矽基底(8)鍵合，使上述碳納米管微氣泡發生器與凹槽(9)的位置相對，形成噴嘴(6)。
2、 一種製備權利要求l所述噴印閥的方法，其步驟包括(1)按照步驟(Al) (A3)在襯底上製作碳納米管微氣泡發生器， 按照步驟(Bl) (B5)對矽基底進行處理(Al)採用電子束蒸發或濺射，在清洗後的襯底上依次形成厚度為10 30nm的鈦膜和厚度為300 400nm金膜；再利用現有剝離工藝形成二個金電 極，二個金電極之間的距離為l 10|iim;(A2)在上述金電極上加載交流電壓，再將碳納米管懸浮液滴到電極間， 碳納米管懸浮液由直徑為10 30nm碳納米管與無水乙醇溶劑按0. 005 0.05mg/ml比例混合而成；當碳納米管將電極連通並定位在電極間時，撤除 所加交流電壓；(A3)在碳納米管與金電極的接觸部位形成厚度為100 300mn的二氧 化矽膜，形成碳納米管微氣泡發生器；(Bl)在清冼後的矽基底的上下表面形成二氧化矽保護層，厚度為 0. 5 1. 5|am;(B2)分別刻蝕上述二氧化矽保護層，得到凹槽和進液管的窗口，凹 槽的窗口長度為300 90(^m，寬度為40 100)Lim，進液管的的窗口直徑為 30 80fim，進液管中心軸與凹槽底面中心相距200 400pm ;(B3)在矽基底的上表面刻蝕得到凹槽，凹槽深度為10 30pm;(B4)在矽基底的下表面刻蝕形成進液管，使進液管與凹槽相通；(B5)去除矽基底上下表面的剩餘二氧化矽保護層；(2)將矽基底和襯底相對，鍵合形成噴嘴，得到微噴印閥。
全文摘要
本發明公開一種基於碳納米管微氣泡發生器的噴印閥及其製備方法。噴印閥由製作有碳納米管微氣泡發生器的玻璃襯底或矽襯底和經微加工的矽基底鍵合而成。碳納米管、二個金電極以及二氧化矽層構成碳納米管微氣泡發生器；碳納米管架設於金電極之間；碳納米管與金電極的接觸部位覆蓋二氧化矽層；矽基底上開有通孔作為進液管，在矽基底的表面開有與進液管相連的凹槽；襯底與矽基底鍵合，使碳納米管微氣泡發生器與凹槽的位置相對，形成噴嘴。其製備方法是在襯底上製作碳納米管微氣泡發生器，在矽基底上製作進液管和凹槽，再將二者鍵合即可。本發明克服了傳統微氣泡發生器功耗大的缺點，並具有良好的高密度集成的潛力，在先進位造領域具有廣泛的應用前景。
文檔編號B41J2/16GK101130300SQ200710053288
公開日2008年2月27日 申請日期2007年9月20日 優先權日2007年9月20日
發明者軍 於, 周文利, 朱文鋒, 王耘波, 高俊雄 申請人:華中科技大學