流體噴射頭結構及其製造方法

2023-07-07 08:46:31

專利名稱：流體噴射頭結構及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種流體噴射頭結構及其製造方法，特別是涉及一種利用兩排氣泡產生器之間進行電力線布局的流體噴射頭結構及其製造方法。
背景技術：
目前，流體噴射裝置已被廣泛地運用於噴墨印表機的噴墨頭等的設備中，而且隨著流體噴射裝置的可靠度(reliability)不斷提高、成本的大幅度降低，以及可提供高頻率(frequency)與高空間解析度(spatialresolution)的高質量液滴噴射的研發，流體噴射裝置也逐漸有其他眾多可能的應用，例如燃料噴射系統(fuel injection system)、細胞分類(cellsorting)、藥物釋放系統(drug delivery system)、噴印光刻技術(printlithography)及微噴射推進系統(micro jet propulsion system)等等。
在現今的產品中，能夠個別地噴射出形狀一致的液滴的流體噴射裝置種類並不多，其中最為成功的一種設計為使用熱驅動氣泡(thermal drivenbubble)以射出液滴的方法。由於其設計簡單，且成本低廉，因此在使用上也最為普遍。
例如，在現有的噴墨頭結構中，美國專利號碼5,774,148中，便曾提到一種使用從中間歧管供應墨水的方式(center feed)。此種噴墨頭結構通常是採用噴砂、雷射切割或化學蝕刻的方式，將晶片(chip)穿透，再由中間歧管進行供墨。
然而利用此方法不但需要比較大的晶片尺寸，而且晶片中挖掉的部分也無法做任何利用，非常不符合經濟效益。

發明內容
本發明的目的在於提供一種流體噴射頭結構及其製造方法，通過提高線路布局的積集度，以縮小所需的晶片尺寸，並提高經濟效益。
本發明的目的是這樣實現的，即提供一種流體噴射頭結構，該流體噴射頭結構包括有一基材；一歧管，形成於該基材內；至少兩排流體腔，各該流體腔相連通於該歧管且位於該歧管的兩側，用來使一流體由該歧管流至該流體腔；至少一氣泡產生器，形成於該基材上，且位於相對應的該流體腔內；以及一導電線路，位於該歧管上方的該基材表面，且部分的該導電線路位於該至少二排流體腔之間，用以驅動該氣泡產生器。
本發明還提供一種流體噴射頭的製造方法，該製造方法包括有下列步驟提供一基材；在該基材上形成至少一氣泡產生器；形成一位於該基材內的歧管；形成至少二排流體腔，且各該流體腔相連通於該歧管且位於該歧管的兩側，用來使一流體由該歧管流至該流體腔內；以及在該歧管上方的該基材表面形成一導電線路，且部分的該導電線路位於該至少二排流體腔之間，用以驅動該氣泡產生器。
由於本發明所提供的流體噴射頭結構，不需將整個晶片蝕穿即可達到順利供墨的效果，而且其更於利用歧管上方的空間來進行電路布局，所以本發明不但可以有效增強歧管上方結構層的強度，並能大幅度縮減晶片尺寸，擴增噴頭數目，進而提高列印速度。


圖1為本發明噴墨頭結構的結構剖視圖；圖2為本發明的實施例橫切面示意圖；圖3為本發明流體噴射頭的上視圖；圖4為本發明流體噴射頭晶片的局部放大圖；圖5為本發明流體噴射頭的矩陣式驅動電路示意圖；圖6至圖8為本發明流體噴射頭的製作流程示意圖。
具體實施例方式
請參見圖1，圖1為本發明的流體噴射頭的結構剖視圖。本發明的流體噴射頭為一種具有虛擬氣閥(virtual valve)的流體噴射裝置。如圖1所示，氣泡產生器包括有兩個氣泡產生構件，分別為第一加熱元件14a與第二加熱元件14b，環繞在噴孔(nozzle)12四周，由兩個加熱元件14a、14b間的差異，例如電阻值的不同，可使得加熱此二加熱元件14a、14b時，會先後生成二氣泡。首先在噴孔12旁比靠近歧管(manifold)11的第一加熱元件14a處先形成一第一氣泡(未顯示)，此第一氣泡會隔絕歧管11與噴孔12，而產生類似氣閥的功能，以減小與相鄰流體腔16產生互相干擾(cross talk)的效應，接著會於靠近第二加熱元件14b處產生一第二氣泡(未顯示)，由此第二氣泡推擠流體腔16內的流體(未顯示)，使流體由噴孔12中噴出。最後，第二氣泡會與第一氣泡相結合，並由此二氣泡的結合以達到減少衛星液滴(satellite droplet)的產生。
由於本發明的流體噴射頭的結構不用蝕穿整個晶片即可達到順利噴出液體的需求，因此基於這種架構下，本發明便可在歧管11上方進行電力線(power lines)的布局，同時增強歧管11上方結構層的強度。此外，為了解說方便起見，以下本發明的流體噴射頭便以噴墨頭為實施例來加以說明。
請參見圖2，圖2為本發明整個晶片製作完成的剖視圖，其中第一加熱元件14a與第二加熱元件14b上方沉積了一低溫氧化層18以作為保護層，且在指定的地區開洞(via)以使金屬層13經由此洞流入加熱器14a、14b的上方表面，而達成金屬傳導層13與加熱器14a、14b電連接的目的。
同樣地，在MOSFET(金氧半場效應電晶體)元件15的漏極(drain)68與源極(source)66也通過金屬層13電連接至加熱器14a、14b與接地端(ground)20。所以當MOSFET元件15的柵極(gate)64被打開時，由金屬層13所構成的襯墊(pad)會將外部所供給的電壓信號送到此噴墨頭內，此時，電流會由襯墊進入，先經由金屬層13到第一加熱器14a與第二加熱器14b，再經由MOSFET元件15的漏極到源極，再流至接地端20而完成一次加熱的動作。此時，由於流體腔16(即此噴墨頭的噴墨腔)內的墨水被加熱，因而產生兩個氣泡將墨滴經由噴孔12推擠出去。其中，可根據所需列印數據量的不同，而分別控制不同的噴孔12以噴出墨水液滴。此外，金屬層13的材料選自鋁(Aluminum)、金(Gold)、銅(Copper)、鎢(Tungsten)及鋁矽銅合金(Alloys of Al-Si-Cu)所構成族群中的任一者。
請參見圖3及圖4，圖3為本發明的噴墨頭的上視圖。在此實施例中，將其分成16個P群(包含P1至P16)，每個P群又包括有22個定址(Address，A1至A22)，可對照圖5的矩陣式驅動電路圖，一邏輯電路或微處理器32將會根據所需列印的數據，送出一選擇信號至電力線驅動器(powerdriver)34以及地址線驅動器(address driver)35，來控制要開啟哪個定址(A1至A22)以及供電給哪個P群(P1至P16)。舉例而言，若供電給P1，且開啟A22，則此時P1群中A22的加熱器14a、14b將會依照設定的時間完成加熱以及噴墨的操作。
圖4為圖3中B區域(虛線部分)的局部放大圖。如圖4所示，可以清楚地看到晶片的中間設置有兩排噴孔12，若將整個晶片的噴孔12分成兩半(以圖3的A-A』分隔線作區分)，即在晶片A-A』的右側包括有八群噴孔(P1至P8)，而左側也包括有八群噴孔(P9至P16)。並利用歧管11的上方，兩排噴孔12間的中央地區來進行電力線(power line)19的布局，在分隔線A-A』的右側布局了8條金屬線(metal lines，P1至P8)，並連接到右邊的輸出入襯墊(I/O pads)。同樣地，分隔線A-A』的左側也布局了8條金屬線(metal lines，P9至P16)，並連接到左邊的輸出入襯墊(I/O pads，圖中未示)。
本發明的每組襯墊P至襯墊G採取U字型的驅動線路布局方法，例如襯墊P1到襯墊G1的驅動線路布局方法(如虛線部位所示)，而且各電路連接間互不跨接，且僅使用一層金屬層13即完成電力線19至加熱器14a、14b，再連到MOSFET元件15，最後至接地端襯墊G的連線動作。另外，在MOSFET元件15的上下兩邊各布局11條橫向金屬線22，橫向金屬線22與襯墊A連接，並用以將地址線驅動器35入的數據傳入各MOSFET元件15，以決定哪個噴孔12噴出墨水，並在MOSFET元件15的左右兩邊(即靠近晶片的兩端)各布局了11條縱向多晶矽線(polysilicon lines)23，共22條多晶矽線23，並且在橫向金屬線22和縱向多晶矽線23要電連接的部分打上接觸層(contact layer)24以完成電連接，而多晶矽線23的作用為連通晶片上下端的橫向金屬線22，例如，由襯墊Al輸入信號，此時要打開P16的加熱元件，則需經由縱向多晶矽線23傳遞至下方的橫向金屬線22，才能連接至P16的加熱器，達成噴墨的功能，而其動作原理將於後面詳述。
在此進一步詳述本發明流體噴射頭結構的製程方法如下。請參考圖6至圖8，圖6至圖8為本發明流體噴射頭結構的製作流程示意圖。首先，在一矽晶片基板60上以局部熱氧化法(Local oxidation)形成一場氧化層(Field oxide)62。接著進行一硼離子布植(Blanket boron implant)，以調整驅動電路的起始電壓(Threshold voltage)，再形成一多晶矽柵極(Polysilicon gate)64在場氧化層62中，其中，形成多晶矽柵極64的同時，也於晶片接近邊緣的兩側，形成如前所述22條縱向多晶矽線23，以作為導線之用。之後，並再施以離子布植，以於柵極64兩側形成一源極(Source)66及一漏極(Drain)68，完成MOSFET元件15。隨後沉積一低應力層(Low stress layer)72，如氮化矽(SiNx)材料，以做為流體腔16的上層，如圖6所示。
請參考圖7，接下來，使用蝕刻液氫氧化鉀(KOH)從基板60的背面蝕刻以形成歧管11，做為供給流體進入的主要流道，而後再將部分場氧化層62以蝕刻液氫氟酸(HF)移除，作為流體腔16。隨後在精確地控制蝕刻時間下，進行另一次以蝕刻液氫氧化鉀(KOH)的蝕刻，用以加大流體腔16的深度，如此流體腔16與歧管11便得以相連通且可填滿流體。在進行此蝕刻步驟期間需特別留意，因為流體腔16的凸角(Convex corner)也會被蝕刻液攻擊而會被蝕刻成圓弧的形狀。
然後再繼續進行加熱器的製作過程。其中，加熱器包括有第一加熱器14a及第二加熱器14b，而加熱器的製作過程為現有該項技術者所能輕易完成，故在此不多加贅述。此外，對第一加熱器14a及第二加熱器14b而言，較佳的材料為鋁鉭合金(Alloys of tantalum and aluminum)，而其他材料如鉑(Platinum)、硼化鉿(HfB2)等也可達到相同作用。另外，為了保護第一加熱器14a與第二加熱器14b並隔離此一個以上的MOSFET元件15，故在整個基板60上，包括柵極64、源極66、漏極68及場氧化層62的範圍會再沉積一低溫氧化層74用以做為保護層。
接著，在第一加熱器14a與第二加熱器14b上形成一導電層(Conductive layer)13，用來當作第一導電線路以導通第一加熱器14a、第二加熱器14b與驅動電路的功能元件。其中，驅動電路用以分別獨立地傳送一信號至個別的加熱器(第一加熱器14a與第二加熱器14b)，且用以驅動一對以上的加熱器(第一加熱器14a與第二加熱器14b)，如此即可利用數量較少的電路元件與連接線路，可相同達到控制電路的功效。在本發明的實施例中，導電層13的較佳材料為如鋁矽銅合金(Alloys of Al-Si-Cu)、鋁(Aluminum)、銅(Copper)、金(Gold)或鎢(Tungsten)等金屬材料。隨後再沉積一低溫氧化層76於導電層13之上以做為保護層。
最後，請參考圖8，在第一加熱器14a與第二加熱器14b之間形成一噴孔12。至此，即可形成一體成型且具有驅動電路的流體噴射裝置陣列。由上述說明可知，本發明不僅可將驅動電路與加熱器整合於同一基板上，而且不需另外貼上噴嘴平板即可完成整體微噴射頭的結構。
接著詳述其動作原理如下請參圖4與圖5，當進行噴墨列印時，邏輯電路或微處理器32將會根據所需列印的數據，決定要由哪一個噴孔噴出墨水，接著會送出一選擇信號至電力線驅動器(power driver)34以及地址線驅動器(address driver)35，以開啟相對應的定址(A1至A22)以及供電至相對應的P群(P1至P16)，之後電流便會流經加熱器14a、14b而加熱流體以產生氣泡，進行一噴墨動作。舉例而言若要讓位於A1P1處的噴孔12a噴出液滴，則必須要經由輸出入襯墊A1送進一個電壓信號至MOSFET元件15的柵極64來將開關打開，接著再由輸出入襯墊P1提供一電壓信號，以產生電流，此時電流便會流經加熱器14a、14b而加熱墨水以產生氣泡，再流經MOSFET元件15的漏極68到源極66，最後流至接地端20，至此，完成一個墨滴噴出的動作。
上述的噴墨頭結構雖僅以單色印表機的結構來作說明，但本發明的應用並不局限於單色噴墨印表機，在彩色或多色的噴墨頭結構中也可適用本發明。此外，本發明的流體噴射裝置也具有其他眾多可能的應用，例如燃料噴射系統、細胞分類、藥物釋放系統、噴印光刻技術、微噴射推進系統等，並不以噴墨列印為限。
因此，本發明所提供的流體噴射頭結構以及其製造方法，在歧管上方兩排氣泡產生器之間的位置，進行整片晶片的導電層電路布局，其具有下列功效(1)由於供墨方式不是採用整個晶片打穿的方式，因此可於歧管上方進行電路布局，將節省整個晶片的尺寸而增加整片晶片(wafer)的晶片切割量；(2)在歧管上方的結構層上進行繞線布局可有效提高此一結構層的強度以及
(3)通過此一提高線路布局積集度的方法，將可節省電路布局所佔之面積，即在相同的晶片面積下，可以設置更多的噴孔，以提高列印速度。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡按本發明權利要求所作的均等變化與修飾，都應屬本發明專利的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種流體噴射頭結構，該流體噴射頭結構包括有一基材；一歧管，形成於該基材內；至少兩排流體腔，各該流體腔相連通於該歧管且位於該歧管的兩側，用來使一流體由該歧管流至該流體腔；至少一氣泡產生器，形成於該基材上，且位於相對應的該流體腔內；以及一導電線路，位於該歧管上方的該基材表面，且部分的該導電線路位於該至少二排流體腔之間，用以驅動該氣泡產生器。
2.如權利要求1所述的流體噴射頭結構，還包括有至少一噴孔，且該噴孔相連通於該相對應的該流體腔。
3.如權利要求2所述的流體噴射頭結構，其中該氣泡產生器另包括一第一氣泡產生構件與一第二氣泡產生構件，且該第一氣泡產生構件與該第二氣泡產生構件設於接近該相對應的噴孔處以及該對應的流體腔上方，當對應的該流體腔充滿該流體時，該第一氣泡產生構件會在該流體腔內產生一第一氣泡以作為一虛擬氣閥，待產生該第一氣泡後，該第二氣泡產生構件會產生一第二氣泡，使該流體腔的該流體由該噴孔噴出。
4.如權利要求1所述的流體噴射頭結構，其中該流體噴射頭結構用來作為一噴墨印表機的噴墨頭，該歧管連接至一墨水匣，且該流體為該墨水匣中的墨水。
5.如權利要求1所述的流體噴射頭結構，其中該導電線路的材料選自於鋁(Aluminum)、金(Gold)、銅(Copper)、鎢(Tungsten)及鋁矽銅合金(Alloys of Al-Si-Cu)所構成族群中的任一者。
6.如權利要求1所述的流體噴射頭結構，還包括有至少一金氧半場效應電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)，且該金氧半場效應電晶體通過該導電線路來電耦合於該氣泡產生器。
7.一種流體噴射頭的製造方法，該製造方法包括有下列步驟提供一基材；在該基材上形成至少一氣泡產生器；形成一位於該基材內的歧管；形成至少二排流體腔，且各該流體腔相連通於該歧管且位於該歧管的兩側，用來使一流體由該歧管流至該流體腔內；以及在該歧管上方的該基材表面形成一導電線路，且部分的該導電線路位於該至少二排流體腔之間，用以驅動該氣泡產生器。
8.如權利要求7所述的製造方法，還包括有下列步驟在該基材上形成一介電層；在該介電層上形成一低應力材料層；以及蝕刻該基材與該介電層，以形成該歧管及各該流體腔。
9.如權利要求8所述的製造方法，其中該氣泡產生器形成於該低應力材料層上，並電耦合於該導電線路。
10.如權利要求9所述的製造方法，其中該氣泡產生器還包括有一第一氣泡產生構件及一第二氣泡產生構件。
11.如權利要求10所述的製造方法，還包括有下列步驟形成至少一噴孔，且該噴孔位於相對應的該第一氣泡產生構件與該第二氣泡產生構件之間，並連通至相對應的該流體腔，以噴出該流體腔中的流體。
12.如權利要求7所述的製造方法，其中該流體噴射頭用來作為一噴墨印表機的噴墨頭，該歧管連接至一墨水匣，且該流體為該墨水匣中的墨水。
13.如權利要求7所述的製造方法，其中該導電線路的材料選自鋁(Aluminum)、金(Gold)、銅(Copper)、鎢(Tungsten)及鋁矽銅合金(Alloysof Al-Si-Cu)所構成族群中的任一者。
14.如權利要求7所述的製造方法，還包括有下列步驟在該基材上形成至少一金氧半場效應電晶體(MOSFET)，且該金氧半場效應電晶體通過該導電線路來電耦合於該氣泡產生器。
全文摘要
本發明提供一種流體噴射頭結構及其製造方法。流體噴射頭結構形成在一基材上，其包括有一歧管，至少一氣泡產生器及一導電線路，其中具有至少兩排相連通於歧管且位於歧管兩側的流體腔，而導電線路設於歧管上方的基材表面，通過部分的導電線路位於二排流體腔之間，用以驅動該氣泡產生器。
文檔編號B41J2/14GK1426845SQ011433
公開日2003年7月2日 申請日期2001年12月20日 優先權日2001年12月20日
發明者黃宗偉, 陳志清 申請人:明基電通股份有限公司