专利名称：流体喷射装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种流体喷射装置，特别涉及一种可移除流体腔内残余气泡的流体喷射装置及其制造方法。
背景技术：
在各种喷墨打印的应用中，打印质量的提高一直是所有使用者及制造者共同追求的目标，而影响打印质量的因素很多，其中以喷射墨滴的稳定度为相当重要的一环。
以热喷墨式打印机为例，主要利用电阻加热元件所产生的气泡挤压墨水，使墨水自喷孔喷出至纪录媒体上，以完成喷墨程序，于是，过程中所产生的气泡大小及流体腔内是否有残余气泡的累积等便成为影响喷墨稳定度的重要因素。
现有技术中有关加热式流体喷射装置的基本结构及其喷墨程序如下所述，以美国专利第6,102,530号为例作说明，请参阅图1，流体喷射装置10包括一基底12；一歧管14，其借助内蚀刻形成于基底12中，作为供应墨水之用；一流体腔16，其于移除牺牲层后以各向异性蚀刻形成于基底12中并与歧管14连通作为储存墨水的空间；一结构层18，其覆盖于流体腔16与基底12上；加热元件20，其设置于结构层18上，以驱动流体喷射；一保护层22，其覆盖于加热元件20与结构层18上；以及一喷孔24，其穿过保护层22及结构层18并与流体腔16连通，以喷射流体。
接下去说明装置10的喷墨过程，如图2所示，首先，由位于流体腔16上方的加热元件20接收信号产生高热，使墨水瞬间汽化形成两个气泡26与28，之后，因生成气泡26与28的体积持续膨胀，于是挤压墨水使墨水经由喷孔24喷出而形成墨滴30，在一理想状态下，两个气泡26与28的生成速率及大小均相同，对墨水的挤压力量亦一致，于是墨滴30离开喷孔24后，会以与芯片表面呈垂直的角度射出，不会造成墨滴歪斜的现象。
然而，实际的操作情形并无法如理想状态一般，请参阅图3A与图3B的说明，如图3A所示，由于流体腔末端34特殊的几何构形，使得墨水在充填流体腔32的过程中，无法顺利填满至流体腔末端34，而产生所谓的残余气泡36，此残余气泡36若不加以排除将严重影响双气泡的生成，致产生形状不相同的两个气泡38与40，进而对墨水施予不同程度的挤压力量，造成墨滴42最后以不定向方位喷出喷孔44，如图3B所示。
由于打印质量的优良与否，取决于墨滴在纸张上落点的精确度，若墨滴离开喷射装置3的速度与方向无法固定，则墨滴在飞行过程中，将由于初速及喷出角度α的不同，使每滴墨滴的飞行距离不尽相同(如1或1’)，而致抵达纸张2时产生一距离不定的偏移量d，严重影响打印质量，如图4所示，而上述造成喷墨偏移的最大因素即是流体腔内累积的残余气泡。
因此，研发出一种可消除残余气泡以达到稳定喷墨质量的方法是必要的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种流体喷射装置，期望通过流体腔泄压孔与导流道的设计达到消除残余气泡的目的，稳定喷墨质量。
为了达到上述目的，本发明提供一种流体喷射装置，包括一基底；一流体腔，形成于该基底中；一结构层，覆盖于该基底与该流体腔上；至少一喷孔，穿过该结构层并与该流体腔连通；和一开口，穿过该结构层并与该流体腔末端连通，且两者的连通处构成一泄压孔。
根据本发明的一个例子，在流体腔末端设计一泄压孔，使得当在充填流体时，虽过程中会产生残余气泡，但这些残余气泡立即得以从设置在流体腔末端的泄压孔排出，避免了残余气泡影响后续双气泡生成的可能性，而且由于泄压孔小于喷孔，造成该处的流阻较大，在喷墨过程中，墨滴将不会从泄压孔喷出，在纸张上留下不必要的杂点。
本发明还提供一种流体喷射装置，包括一基底；一流体腔，形成于该基底中，该流体腔内的至少一侧形成有一导流道；以及一结构层，覆盖于该基底与该流体腔上，且具有一导流凸块伸入该流体腔内，以区隔该导流道与该流体腔。
根据本发明的另一个例子，在流体腔内制作导流道，这些导流道可加速墨水流入流体腔末端的速度，使部分墨水先充填流体腔内原本不易充填的末端区域，以达到减少残余气泡生成的目的，提高打印质量。
本发明还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该基底上，该图案化牺牲层作为预定形成一流体腔的一区域；形成一图案化结构层于该基底上并覆盖该图案化牺牲层；形成一歧管穿过该基底，并露出该图案化牺牲层；移除该牺牲层，以完成该流体腔的制作；以及蚀刻该结构层，以形成至少一与该流体腔连通的喷孔以及一开口，其中该开口穿过该结构层并与该流体腔末端连通，且两者的连通处构成一泄压孔。
本发明还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该基底上，该图案化牺牲层作为预定形成一流体腔的一区域，其中该图案化牺牲层的一侧至少包括一凹槽；形成一图案化结构层于该图案化牺牲层上且填入上述凹槽而形成一导流凸块；形成一歧管穿过该基底，并露出该图案化牺牲层；移除该牺牲层，以形成一具有该导流凸块的流体腔，其中该导流凸块与该流体腔的侧壁间构成一导流道；以及蚀刻该结构层，以形成至少一与该流体腔连通的喷孔。
为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下图1为现有技术流体喷射装置的剖面示意图。
图2为理想状态下流体喷射装置的喷墨示意图。
图3A为流体喷射装置充填流体时的示意图。
图3B为流体喷射装置于残余气泡存在时喷射流体的示意图。
图4为不同液滴落点的比较图。
图5A为根据本发明的第一实施例的流体喷射装置的上视图。
图5B为根据本发明的第一实施例的流体喷射装置于未形成流体腔前的制作过程的剖面示意图。
图5C为本发明的第一实施例的流体喷射装置于未形成泄压孔与开口前的制作过程的剖面示意图。
图5D为根据本发明的第一实施例的流体喷射装置沿图5A中5D-5D截取的剖面示意图以及形成泄压孔与开口后的制作过程的剖面示意图。
图6为本发明的第二实施例的流体喷射装置的上视图。
图7A根据本发明的第三实施例的流体喷射装置的上视图。
图7B为根据本发明的第三实施例的流体喷射装置于未形成导流道与流体腔前的制作过程的剖面示意图。
图7C为根据本发明的第三实施例的流体喷射装置于未形成喷孔前的制作过程的剖面示意图。
图7D根据本发明的第三实施例的流体喷射装置沿图7A中7D-7D截取的剖面示意图以及形成导流道、流体腔与喷孔后的制作过程的剖面示意图。
附图标记说明现有技术部份(图1～图4)1、1’～飞行距离；2～纸张；3～喷射装置；10～流体喷射装置；12～基底；14～歧管；16、32～流体腔；18～结构层；20～电阻加热元件；22～保护层；24、44～喷孔；26、28、38、40～气泡；30、42～液滴；34～流体腔末端；36～残余气泡；α～喷射角度；d～液滴偏移量。
本发明实施例部份(图5A～图5D、图6以及图7A～7D)50、80～基底；52～歧管；
55～牺牲层；54、82～流体腔；56、86、86’～结构层；58～电阻加热元件；60、88～保护层；62、90～喷孔；64～泄压孔；66～开口；68～流体腔末端；81～牺牲层；81’～凹槽；84～导流道。
具体实施例方式
实施例1请参阅图5A与图5D，说明本实施例流体喷射装置的结构特征。其中图5D为图5A图沿5D-5D截取的剖面图。如图5D所示，本流体喷射装置于流体腔54的末端处68形成有一开口66，开口66穿过结构层56并通过泄压孔64与流体腔末端处68连通，其中泄压孔64的等效半径小于喷孔62。接下去如图5A所示，在本实施例中，由于基底选用晶格排列方向为[110]的硅基材(本发明并不限于此)，于是蚀刻后的流体腔末端呈现一角锥形，开口66为一矩形，而泄压孔64为一三角形。
接下去请参阅图5D，说明本实施例流体喷射装置的详细构成，该流体喷射装置包括一基底50、一歧管52、一流体腔54、一结构层56、一电阻加热元件58、一保护层60、一喷孔62、一泄压孔64以及一开口66。
结构层56覆盖于基底50与流体腔54上，电阻加热元件58设置于结构层56上，且位于喷孔62两侧，保护层60覆盖于结构层56上，喷孔62穿过保护层60与结构层56并与流体腔54连通，开口66形成于流体腔54的末端68，其与流体腔末端68的交接处构成一泄压孔64。
本发明利用压力平衡原理，另辟一空气排除路径，即于流体腔末端处68创造与外界大气连接的泄压孔64，以排除流体腔54内的残余气泡，另一方面，泄压孔64的等效半径必须小于喷孔62，使墨水在泄压孔64的流阻大于喷孔62，如此才能限制墨滴是由喷孔62喷出，而不会从泄压孔64喷出，以避免打印过程中不必要的杂点或漏墨的情形。
以下以方程式(1)说明流阻与泄压孔的关系。其中ΔP，为墨水的压力降，μ，为墨水的黏滞系数，r，为泄压孔的半径，L，为泄压孔的长度，Q，为墨水的体积流率，Rflow，为流阻。
ΔP＝(8μL/πr4)Q＝RflowQ (1)由上述方程式可知，在体积流率(Q)固定下，泄压孔的半径(r)愈小，则所产生的流阻(Rflow)愈大，因此，本发明泄压孔64较喷孔62为小的设计，即是为限制墨水往泄压孔64方向流动，防止墨滴由泄压孔64喷出。
接下去请参阅图5B～图5D，说明本实施例流体喷射装置的制作，如图5B所示，首先，提供一基底50，例如一晶格排列方向为[110]的硅基底，基底50的厚度大体介于625～675微米，接着，形成一图案化牺牲层55于基底50上，作为预定形成一流体腔的一区域，牺牲层例如由硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)或氧化硅材质所构成，其中以磷硅玻璃为优选的选择，牺牲层的厚度大体介于1～2微米。
接下去形成一图案化结构层56于基底50上并覆盖图案化牺牲层，结构层56可为由化学气相沉积法(CVD)所形成的一氮氧化硅层，结构层56的厚度大约为1.5～2微米，接着，形成一作为驱动流体的电阻加热元件58于结构层56上且设于将来形成喷孔位置的两侧，电阻加热元件58例如由HfB2、TaAl、TaN或TiN所构成，其中以TaAl为优选的选择，最后，形成一保护层60于结构层56上。
接下来，请参阅图5C，开始进行一连串的蚀刻过程，以形成最终的流体喷射装置，首先，以蚀刻液例如为氢氧化钾(KOH)溶液的各向异性湿蚀刻法蚀刻基底50的背面，以形成一歧管52，并露出图案化牺牲层，歧管52的窄开口宽度大约为160～200微米，宽开口宽度大约为1100～1200微米，其内壁与水平线夹角大约为54.74度，于是蚀刻之后的歧管52为一下宽上窄的形状结构，另外，歧管52向下与一流体储存槽相互连通。
接下去以含氢氟酸(HF)溶液的湿蚀刻法蚀刻图案化牺牲层，之后，再度以蚀刻液例如为氢氧化钾(KOH)溶液的湿蚀刻法蚀刻基底50，以扩大图案化牺牲层被掏空的区域，而形成流体腔54，本实施例的基底50选用晶格排列方向为[110]的硅基材，蚀刻后的流体腔末端会呈现一角锥形，最后，请参阅图5D，依序蚀刻保护层60与结构层56，以形成至少一与流体腔54连通的喷孔62。
而本发明的关键步骤，即是在蚀刻形成喷孔62的同时也对流体腔54末端处68上方的结构层56进行蚀刻，以形成位于流体腔末端68的一泄压孔64与穿过结构层56的一开口66，形成排除流体腔内残余气泡的一路径，如图5D所示，泄压孔64的形状如图5A所示的三角形，泄压孔64的等效半径小于喷孔62，大约为2～30微米，优选为4～15微米，蚀刻过程可利用等离子体蚀刻、化学气体蚀刻、反应性离子蚀刻或激光蚀刻法，而以反应性离子蚀刻为优选的选择，至此，即完成一流体喷射装置的制作。
实施例2请参阅图6与图5D说明本实施例流体喷射装置的结构特征，其中图5D为图6沿5D-5D截取的剖面图，如图5D所示，本流体喷射装置于流体腔54的末端处68形成有一开口66，开口66穿过结构层56并通过泄压孔64与流体腔末端处68连通，其中泄压孔64的等效半径小于喷孔62，接下去如图6所示，由于本实施例的基底50选用晶格排列方向为[100]的硅基材，于是蚀刻后的流体腔末端呈现一矩形，开口66为一角锥形，而泄压孔64为一三角形，本实施例与实施例1的差异在于，实施例1选用晶格排列方向为[110]的硅基底，而本实施例则是选用晶格排列方向为[100]的硅基底。
本实施例流体喷射装置的结构设计及制造步骤与实施例1大体相同，仅会因选用不同晶格排列的硅基底(例如[110]或[100])而造成蚀刻流体腔末端的形状有所不同，实施例1呈现角锥形，而本实施例形成矩形。
实施例3请参阅图7A与图7D说明本实施例流体喷射装置的结构特征，其中图7D为图7A沿7D-7D截取的剖面图，如图7D所示，本流体喷射装置于流体腔82空间内的至少一侧形成有一导流道84，导流道84通过一伸入流体腔82内的导流凸块86’与流体腔82区隔形成，其中导流道84的宽度小于流体腔82宽度的一半。
接下去请参阅图7D，说明本实施例流体喷射装置的详细构成，该流体喷射装置包括一基底80、一流体腔82、导流道84、一结构层86、导流凸块86’、一保护层88以及一喷孔90。
结构层86覆盖于基底80与流体腔82上，导流凸块86’为结构层86伸入流体腔82内的部分，保护层88覆盖于结构层86上，喷孔90穿过保护层88与结构层86并与流体腔82连通。
本发明根据毛细(capillary)原理而制作在流体腔82内的导流道84，导流道84可加速墨水流入流体腔末端的速度，使部分墨水先充填流体腔82内原本不易充填的末端区域，以达到减少残余气泡生成的目的，提高打印质量。
上述毛细原理可以方程式(2)作说明，其中ΔP，为墨水的驱动压力，σ，为液体的表面张力，r，为流道的等效半径，α，为流体腔与墨水间的夹角。
ΔP＝(2σ/r)cos(α) (2)由上述方程式可知，流体腔内导流道84的等效半径(r)须小于流体腔82宽度的一半，使墨水在导流道84的驱动力(σ)大于流体腔82，如此，墨水才能经由导流道84先行填入流体腔82的末端，减少残余气泡的产生。
接下去请参阅图7B～图7D，说明本实施例流体喷射装置的制作，如图7B所示，提供一基底80，例如一硅基底，基底80的厚度大约为625～675微米，接着，形成包括一对凹槽81’的一图案化牺牲层81于该基底80上，牺牲层可由硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)或氧化硅材质所构成，其中以磷硅玻璃为优选的选择，牺牲层的厚度大约为1～2微米。
接下去形成一图案化结构层86于图案化牺牲层81上且填入凹槽81’形成一对导流凸块86’，结构层86可为由化学气相沉积法(CVD)所形成的一氮氧化硅层，结构层86的厚度大约为1.5～2微米，最后，形成一保护层88于结构层86上。
接下来，请参阅图7C，以含氢氟酸(HF)溶液的湿蚀刻法蚀刻图案化牺牲层81，之后，再度以蚀刻液例如为氢氧化钾(KOH)溶液的湿蚀刻法蚀刻基底80，以扩大图案化牺牲层81被掏空的区域，而形成一具有导流凸块86’的流体腔82，其中导流凸块86’与流体腔82的侧壁间构成导流道84，本实施例分别于流体腔82的两侧形成导流道84，但本发明不限定于此，只要于流体腔的至少一侧形成一导流道即可同样使部分墨水先充填至流体腔的末端区域，达到减少残余气泡生成的效果，导流凸块86’的形状包括矩形或锯齿形，宽度大约为1～3微米，而导流道84的宽度小于流体腔的宽度的一半，其等效半径大约为2～35微米，最后，请参阅图7D，依序蚀刻保护层88与结构层86，以形成至少与流体腔82连通的一喷孔90，蚀刻过程可利用等离子体蚀刻、化学气体蚀刻、反应性离子蚀刻或激光蚀刻法，而以反应性离子蚀刻为优选的选择，至此，即完成一流体喷射装置的制作。
本发明业已以优选实施例公开如上，然而，其并非用以限定本发明，本领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，当然可作更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以所附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
1.一种流体喷射装置，包括一基底；一流体腔，形成于所述基底中；一结构层，覆盖于所述基底与所述流体腔上；至少一喷孔，穿过所述结构层并与所述流体腔连通；以及一开口，穿过所述结构层并与所述流体腔末端连通，且两者的连通处构成一泄压孔。
2.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中所述流体腔末端与所述开口的形状包括角锥形和矩形，而所述泄压孔的形状包括三角形。
3.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中所述泄压孔的等效半径小于所述喷孔。
4.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中所述泄压孔的等效半径大约为2～30微米。
5.一种流体喷射装置，包括一基底；一流体腔，形成于所述基底中，所述流体腔内的至少一侧形成有一导流道；以及一结构层，覆盖于所述基底与所述流体腔上，且具有一导流凸块伸入所述流体腔内，以区隔所述导流道与所述流体腔。
6.如权利要求5所述的流体喷射装置，其中还包括于所述流体腔内的两侧形成有导流道。
7.如权利要求5所述的流体喷射装置，其中所述导流凸块的形状包括矩形或锯齿形。
8.如权利要求5所述的流体喷射装置，其中所述导流凸块的宽度大约为1～3微米。
9.如权利要求5所述的流体喷射装置，其中所述导流道的宽度小于所述流体腔的宽度的一半。
10.如权利要求5所述的流体喷射装置，其中所述导流道的等效半径大约为2～35微米。
11.一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所述基底上，所述图案化牺牲层作为预定形成一流体腔的一区域；形成一图案化结构层于所述基底上并覆盖所述图案化牺牲层；形成一歧管穿过所述基底，并露出所述图案化牺牲层；移除所述牺牲层，以完成所述流体腔的制作；以及蚀刻所述结构层，以形成至少一与所述流体腔连通的喷孔以及一开口，其中所述开口穿过所述结构层并与所述流体腔末端连通，且两者的连通处构成一泄压孔。
12.如权利要求11所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述流体腔末端与该所述开口的形状包括角锥形或矩形，而所述泄压孔的形状包括三角形。
13.如权利要求11所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述结构层包括氧化硅、氮化硅或其组合。
14.如权利要求11所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述泄压孔的等效半径小于所述喷孔。
15.如权利要求11所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述泄压孔的等效半径大约为2～30微米。
16.一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所述基底上，所述图案化牺牲层作为预定形成一流体腔的一区域，其中所述图案化牺牲层的一侧至少包括一凹槽；形成一图案化结构层于所述图案化牺牲层上且填入所述凹槽而形成一导流凸块；形成一歧管穿过所述基底，并露出所述图案化牺牲层；移除所述牺牲层，以形成具有所述导流凸块的一流体腔，其中所述导流凸块与所述流体腔的侧壁间构成一导流道；以及蚀刻所述结构层，以形成至少一与所述流体腔连通的喷孔。
17.如权利要求16所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述图案化牺牲层包括一对凹槽，且所述结构层填入所述这对凹槽形成一对导流凸块于所述流体腔两侧。
18.如权利要求16所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述导流凸块的形状包括矩形或锯齿形。
19.如权利要求16所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述导流凸块的宽度大约为1～3微米。
20.如权利要求16所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述导流道的宽度小于所述流体腔的宽度的一半。
21.如权利要求16所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述导流道的等效半径大约为2～35微米。
全文摘要
本发明提供一种流体喷射装置，包括一基底；一流体腔，形成于该基底中；一结构层，覆盖于该基底与该流体腔上；至少一喷孔，穿过该结构层并与该流体腔连通；和一开口，穿过该结构层并与该流体腔末端连通，且两者的连通处构成一泄压孔。本发明还包括提供一种流体喷射装置的制造方法。
文档编号B41J2/16GK1796130SQ20041008198
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月29日 优先权日2004年12月29日
发明者马国栋, 李英尧, 胡宏盛 申请人:明基电通股份有限公司