说明书 流体喷射装置及其制造方法 【技术领域】
本发明有关一种流体喷射装置及其制造方法，特别有关一种可提高使用效率及延长寿命的流体喷射装置及其制造方法。
背景技术
目前流体喷射装置大多运用于喷墨头、燃料喷射器等元件上，其中喷墨头更是大量的使用热趋气泡式设计。
图1显示一种现有的美国专利号6,102,530的单石化的流体喷射装置1，其以一硅基底10作为本体，且在硅基底10上形成一结构层12，而在硅基底10和结构层12之间形成一流体腔14，用以容纳流体26；而在结构层12上设有一第一加热器20、以及一第二加热器22，第一加热器20用以在流体腔14内产生一第一气泡30，第二加热器22用以在流体腔14内产生一第二气泡32，以将流体腔14内的流体26射出。
由于单石化的流体喷射装置1具有虚拟气阀(virtual valve)的设计，并拥有高排列密度、低交互干扰、低热量损失的特性，且无须另外利用组装方式接合喷孔片，因此可以降低生产成本。
然而，在现有的单石化的流体喷射装置1中，结构层12主要由低应力的氧化硅所组成，在工艺上，其厚度有所限制，因此对于整体结构的寿命有其影响，且由于受气泡挤压而飞离装置的液滴因为结构层12厚度不足，而会有方向无法导正的缺点；其次，当微液滴喷射离开喷孔之后，流体经由歧管回填至流体腔，流体经由喷孔扩散至喷射装置表面，造成溢墨现象，间接影响后续喷墨液滴的尺寸。
【发明内容】
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种流体喷射装置及其制造方法，可提高使用效率，且可延长寿命。
为达成上述目的，本发明提供一种流体喷射装置，其包括一基材、一第一通孔、一流体致动装置、一保护层、以及一具疏水性的厚膜层；基材具有一流体腔以及一表面，第一通孔设置于表面且与流体腔相连通；流体致动装置于表面上并邻近第一通孔，且位于基材的流体腔外；保护层设置于表面上，具疏水性的厚膜层以位于流体腔外的方式设置于保护层上，且具有一第二通孔，其中第二通孔与第一通孔连通。
在本发明的一优选实施例中，第二通孔与第一通孔连通地一端的直径比未与第一通孔连通的另一端的直径大。
流体致动装置可为电热式气泡产生器，亦可为压电式薄膜致动器。优选者为由一电阻层所构成的电热式气泡产生器。
应了解的是具疏水性的图案化厚膜层与纯水的接触角大于90度。具疏水性的厚膜层的材质可为优选者为感光性高分子材质，例如聚酰亚胺(polyimide)、环氧树脂(epoxy resin)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(glycidylmethacrylate)、丙烯酸树脂(acrylic resin)、丙烯酸或丙烯酸甲酯清漆型环氧树脂(an acrylate or a methacrylate of a novolak epoxy resin)、聚砜(polysulfones)、聚苯撑(polyphenylenes)、聚醚砜(polyether sulfones)、聚酰胺-酰亚胺(polyamide-imides，PAI)、聚亚芳基醚(polyarylene ethers，PAE)、聚亚苯基硫化物(polyphenylene sulfides)、聚亚芳基醚酮(polyarylene etherketones)、苯氧树脂(phenoxy resins)、聚碳酸树脂(polycarbonates)、聚醚-酰亚胺(polyether imides)、聚喹喔啉(polyquinoxalines)、聚喹啉(polyquinolines)、聚苯并咪唑(polybenzimidazoles)、聚苯恶唑(polybenzoxazoles)、聚苯并噻唑(polybenzothiazoles)、聚恶二唑(polyoxadiazoles)等材质，而结构层的材质为低应力的氮氧化硅(SiON)或氮化硅(SiN)。
又在本发明中，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基底的一第一面上；形成一图案化结构层于基底上，且覆盖图案化牺牲层；设置一流体致动装置于结构层上，其中流体致动装置位于流体腔外；形成一图案化导电层于结构层上，以形成一讯号传送线路；在结构层上形成一保护层并覆盖流体致动装置；在保护层上形成一具疏水性的厚膜层；形成一流体通道于基板的一第二面，且第二面相对于第一面，以露出牺牲层；移除牺牲层以形成一流体腔；以及形成一喷孔于厚膜层、保护层与结构层中，喷孔与流体腔连通且邻近流体致动装置。
应了解的是具疏水性的厚膜层覆盖气泡产生装置，且具疏水性的厚膜层藉由旋转涂布的方式或滚压贴合的方式而披覆于保护层上，而结构层的材质为低应力的氮氧化硅(SiON)或氮化硅(SiN)。
形成喷孔的步骤，包括利用一灰阶光掩模及光刻工艺，形成一上窄下宽的第二通孔。以及依序蚀刻保护层及结构层，以形成连通流体腔与第二通孔的第一通孔。
本发明主要在单石化的流体喷射装置外层覆盖一具有疏水性质结构加强层，使其具有增加结构强度并改善表面性质的功能。
以下配合附图以及优选实施例，以更详细地说明本发明。
【附图说明】
图1显示一种现有的单石化的流体喷射装置；
图2显示本发明的流体喷射装置的第一实施例；
图3a～3e说明本发明的第一实施例的流体喷射装置的制造方法，其中仅显示图2中的P1部分；
图4为本发明的流体喷射装置的第二实施例的示意图；以及
图5a～5c为利用灰阶光刻工艺形成疏水性厚膜喷孔的步骤。
附图标记说明
现有部分(图1)
1～单石化的流体喷射装置；10～硅基底；12～结构层；14～流体腔；20～第一加热器；22～第二加热器；26～流体；30～第一气泡；32～第二气泡。
本发明部分(图2～5)
100、100a、100b～流体喷射装置；110～基材；111～硅基底；112～结构层；1122～表面；113～流体腔；114～第一通孔；120、120a～气泡产生装置；121～第一加热器；122～第二加热器；130～保护层；131～第三通孔；140～具疏水性的厚膜层；141、141b～第二通孔；500～灰阶光掩模；520～不透光区域；540～部分透光区域；560～透光区域；600～入射光源；660～穿透光源；640～部分穿透光源。
【具体实施方式】
第一实施例
参考图2，其显示本发明的流体喷射装置的第一实施例，本实施例的流体喷射装置100包括一基材110、一第一通孔114、一流体致动装置120、一保护层130、以及一具疏水性的厚膜层140。
基材110包括一硅基底111、以及一结构层112，结构层112设置在硅基底111上，且在硅基底111与结构层112之间形成一流体腔113，第一通孔114则形成在结构层112中并与流体腔113相连通。
流体致动装置120设置于结构层112的一表面1122(参考图3a)上，并邻近第一通孔114，且位于基材110中的流体腔113外；流体致动装置可为电热式气泡产生器，亦可为压电式薄膜致动器，优选者为由电阻层所构成的电热式气泡产生器。在本实施例中，气泡产生装置120包括一第一加热器121、以及一第二加热器122，第一加热器121如公知的那样，用以在流体腔113内产生一第一气泡(参考图1)，第二加热器122与第一加热器121分别位于第一通孔114的相对侧，且如公知那样，用以在流体腔113内产生一第二气泡(参考图1)以将流体腔113内的流体射出。
上述气泡产生装置还包括一讯号传送线路(未图示)，形成于该结构层与该保护层之间，连接驱动气泡产生装置的电路。讯号传送线路利用物理气相沉积法(PVD)沉积一图案化导电层，例如Al、Cu、AlCu或其他导线材料于结构层上。
保护层130(例如氮化硅)设置于结构层112的表面1122上，且具有一第三通孔131。具疏水性的厚膜层140设置于保护层130上，且具有一第二通孔141，其中第二通孔141经由第三通孔131而与第一通孔114连通。
应了解的是具疏水性的图案化厚膜层与纯水的接触角大于90度。具疏水性的厚膜层的材质可为优选者为感光性高分子材质，例如聚酰亚胺(polyimide)、环氧树脂(epoxy resin)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(glycidylmethacrylate)、丙烯酸树脂(acrylic resin)、丙烯酸或丙烯酸甲酯清漆型环氧树脂(an acrylate or a methacrylate of a novolak epoxy resin)、聚砜(polysulfones)、聚苯撑(polyphenylenes)、聚醚砜(polyether sulfones)、聚酰胺-酰亚胺(polyamide-imides，PAI)、聚亚芳基醚(polyarylene ethers，PAE)、聚亚苯基硫化物(polyphenylene sulfides)、聚亚芳基醚酮(polyarylene etherketones)、苯氧树脂(phenoxy resins)、聚碳酸树脂(polycarbonates)、聚醚-酰亚胺(polyether imides)、聚喹喔啉(polyquinoxalines)、聚喹啉(polyquinolines)、聚苯并咪唑(polybenzimidazoles)、聚苯恶唑(polybenzoxazoles)、聚苯并噻唑(polybenzothiazoles)、聚恶二唑(polyoxadiazoles)等材质，而结构层的材质为低应力的氮氧化硅(SiON)，其应力介于100～200百万帕(MPa)。
低应力的氮氧化硅(SiON)薄膜是一种脆性材料。在本发明的流体喷射装置中，主要将低应力的氮氧化硅形成一悬浮结构，此悬浮结构在实际操作上，必须经过多次的热应力以及外力冲击，因而必须具备相当程度的结构强度。若仅以单层低应力的氮氧化硅，在结构强度上会有相当的限制。因此本发明提出在低应力的氮氧化硅层外部披覆上一既定厚度且经曝光产生交联作用(cross-link)的疏水性的厚膜层，可有效地增加悬浮结构的强度，使流体喷射装置使用的寿命显著提升。
本实施例的流体喷射装置的构成如上所述，以下参考图3a～3e说明本实施例的一种流体喷射装置的制造方法，其中仅显示图2中的P1部分。
提供一硅基底111，且在硅基底111上形成一图案化牺牲层(未图示)。牺牲层系由化学气相沉积(CVD)法所沉积的硼硅酸磷玻璃(BPSG)、硅酸磷玻璃(PSG)或其他氧化硅材质。接着，顺应性形成一图案化结构层112于基底111上，且覆盖图案化牺牲层。结构层112可由化学气相沉积法(CVD)所形成的一低应力的氮氧化硅(SiON)薄膜。接着，以湿蚀刻法蚀刻于基底111背面形成一流体通道，且露出牺牲层。然后，再蚀刻牺牲层以形成一流体腔113，如图3a所示。
请参考图3b，设置一气泡产生装置120于结构层112上，此气泡产生装置120位于流体腔113外。气泡产生装置120可为电热式气泡产生器，亦可为一压电式气泡产生器。优选者为由一电阻层所构成的电热式气泡产生器，其中电阻层系由物理气相沉积法(PVD)，例如蒸镀、溅镀法或反应性溅镀法，形成如HfB2、TaAl、TaN或其他电阻材料。接着，在结构层112上形成一保护层130，如图3c所示。之后在保护层130上形成一具疏水性的厚膜层140，如图3d所示；最后，分别在结构层112、保护层130、具疏水性的厚膜层140上形成相互连通的第一通孔114、第三通孔131、第二通孔141，如图3e所示，其中第一通孔114与流体腔113连通。
上述具疏水性的厚膜层140可藉由滚压贴合的方式或高速旋转涂布的方式而披覆于保护层130上。
如上所述，本实施例的流体喷射装置在其外部形成一层具疏水性的厚膜层，一方面可加强流体喷射装置的结构强度，另一方面利用厚膜层本身的疏水特性，使得流体经由歧管回填至流体腔时，表面的疏水性质会抑制流体经由喷孔扩散至喷射装置表面。
又，具疏水性的厚膜层也可使液滴飞离的通道增长，而使飞离液滴的脱离方向更加稳定。
当气泡于该流体腔的入口形成时，会限制流体由流体腔回流至歧管。同时使流体腔内的压力增加，当流体腔内的压力上升至可强迫流体由增加厚度的喷孔射出，以稳定其飞离流体方向。流体由喷孔射出后，流体经由歧管回填至流体腔时，表面的疏水性质会抑制流体经由喷孔扩散至喷射装置表面。
第二实施例
图4为本发明的流体喷射装置的第二实施例的示意图，在本实施例的流体喷射装置100a中，气泡产生装置120由单一加热器120a所构成，此为与第一实施例的流体喷射装置100的不同点，至于其他构成均与第一实施例相同，在此省略其说明。
低应力的氮氧化硅(SiON)薄膜是一种脆性材料。在本发明的流体喷射装置中，主要将低应力的氮氧化硅形成一悬浮结构，此悬浮结构在实际操作上，必须经过多次的热应力以及外力冲击，因而必须具备相当程度的结构强度。若仅以单层低应力的氮氧化硅，在结构强度上会有相当的限制。因此本发明提出在低应力的氮氧化硅层外部披覆上一既定厚度且经曝光产生交联作用(cross-link)的疏水性的厚膜层，可有效地增加悬浮结构的强度，使流体喷射装置使用的寿命显著提升。
由于在本实施例的流体喷射装置外部也形成有具疏水性的厚膜层，因此也可达到与第一实施例相同的功效，亦即，可加强流体喷射装置的结构强度，另一方面利用厚膜层本身的疏水特性，使得流体经由歧管回填至流体腔时，表面的疏水性质会抑制流体经由喷孔扩散至喷射装置表面。而具疏水性的厚膜层也可提供一较长的通道，使飞离液滴的脱离方向更加稳定。
第三实施例
图5a～5c为本发明的流体喷射装置的一变形例。利用多次光刻工艺或藉控制光刻工艺参数等多种方式来控制第二通孔141b的外型，以获得欲得的喷孔形状。再者，利用厚膜本身所具的负型光阻的特性，并加上灰阶光掩模的使用，可获得倒漏斗状(inverted funnel shaped)的通孔，即出口端宽而入口端窄的通孔。请参考图5a，由于灰阶光掩模500可在不同的特定区域提供不同的透光率，因此在预形成的喷孔中心处520，设定透光率为零，然后依序向外渐增透光率，在喷孔外部的透光率为100％。一入射光源600经过灰阶光掩模的不透光区域520、部分透光区域540以及透光区域560后，产生穿透光源660及部分穿透光源640。负型光阻受到紫外光而产生交联作用的深度随着穿透光源的强度渐强也依序渐深，如此经过显影后，可形成如图5b所示的喷孔外形。
请参考图5c，最后使用干蚀刻工艺，完成喷孔制作。流体喷射装置100b中，其改变第二通孔141b的形状，使第二通孔141b与第一通孔114连通的一端的直径比未与第一通孔114连通的另一端的直径大，以使液滴的脱离方向能更加稳定。
由于图5c中的流体喷射装置100b的运作方式是藉由致动器产生压力迫使部分流体经由喷孔飞离流体喷射装置。因此，具疏水性的厚膜层可提供一较长的通道并且上窄下宽的喷孔外形，可使飞离液滴的脱离方向更加稳定。
本发明的特征与效果在于形成一具疏水性的厚膜层于流体喷射装置上，一方面加强单石化流体喷射装置的结构强度；另一方面利用厚膜层本身的疏水特性，使得流体经由歧管回填至流体腔时，表面的疏水性质会抑制流体经由喷孔扩散至喷射装置表面。而具疏水性的厚膜层也可提供一较长的通道，使飞离液滴的脱离方向更加稳定。
还有，由于具疏水性的厚膜层使得单石化流体喷射装置的结构强度增加，故能使流体喷射装置的使用寿命大幅地提升。
虽然本发明已以优选实施例公开如上，但是其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附的权利要求所确定的为准。