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及其制造方法，且特别涉及一种微流体喷射装置及其制造方法。
背景技术：
微流体喷射装置近来已广泛地运用于信息产业，例如喷墨印表机或类似设备中。随着微系统工程(micro system engineering)的逐步开发，此种流体喷射装置逐渐有其他众多领域的应用，例如燃料喷射系统(fuel injectionsystem)、细胞筛选(cell sorting)、药物释放系统(drug delivery system)、喷印光刻技术(print lithography)及微喷射推进系统(micro jet propulsion system)等。
图1显示一种公知的流体喷射装置100，请参照图1，其以硅基底102作为本体，且在硅基底102上形成流体腔壁104。将喷孔盖106贴合于流体腔壁104，以形成流体腔(chamber)108，其中流体腔壁104和喷孔盖106的结合可统称为结构层，此外，其亦在结构层上形成喷孔(nozzle)110，以供流体112喷出，且在基底102的另一侧进行图形化步骤，以形成连接流体腔的流体通道(manifold)114。
然而，公知技术流体喷射装置的剖面为矩形的流体腔108容易在流体腔108的边角产生扰流，造成流体112流动的不稳定，进而影响流体喷射装置100的运作。
发明内容
根据上述问题，本发明的目的为提供一种流体喷射装置及其制造方法，其构成流体腔的上盖部分和侧壁结构层间具有较平滑接面，可减少流体在流体腔流动时在边角处产生的扰流，因此可增加流体在流体腔流动的稳定性，而改善流体喷射装置的可靠度和稳定性。
本发明提供一种流体喷射装置，包括流体腔及流体通道，流体腔包括侧壁结构层及具有喷孔的上盖结构层，覆盖于侧壁结构层上，以形成流体腔，其中侧壁结构层与上盖结构层的夹角大于90°，另外，流体通道与流体腔连通，以供应流体于流体腔。
此外，本发明所提供的流体喷射装置包括下列元件。侧壁结构层位于基底上，其中侧壁结构层包括开口。具有喷孔的上盖结构层覆盖于侧壁结构层上，以于开口处形成流体腔，其中其中该流体腔的上表面包括不同曲面的圆弧表面。流体通道位于基底内以与流体腔连通。
本发明提供一种流体喷射装置的制造方法。首先，提供基底，在基底上形成包括开口的侧壁结构层，其后，在开口中形成图形化的牺牲层，加热图形化的牺牲层，以使图形化的牺牲层形成圆弧表面。后续，在牺牲层及侧壁结构层上形成上盖结构层，定义上盖结构层，以形成喷孔。接着，在相对于上盖结构层的基底的另一面，形成流体通道，并移除牺牲层，以形成流体腔。
图1显示一种公知的单片化的流体喷射装置。
图2A～图2I揭示本发明的实施例流体喷射装置的制造流程。
图3为本发明的实施例流体喷射装置的立体图。
图2H为沿图3I-I’剖面线的剖面图。
图2I为沿图3II-II’剖面线的剖面图。
图4为沿图3III-III’剖面线的剖面图。
附图标记说明100～流体喷射装置；102～硅基底；104～流体腔壁；106～喷孔盖；108～流体腔； 110～喷孔；112～流体；114～流体通道；200～基底；202～致动元件；204～侧壁结构层； 206～开口；208～倾斜侧壁；210～牺牲层；210a～图案化牺牲层； 212～圆弧表面；214～隔绝层； 216～上盖结构层；218～喷孔；220～流体腔；222～流体腔上盖部分； 224～流体通道；
230～喷孔区； 232～中段区；234～流体入口区。
具体实施例方式
以下将以实施例详细说明做为本发明的参考，且范例伴随着图示说明。在图示或描述中，相似或相同的部分使用相同的图号。在图示中，实施例的形状或是厚度可扩大，以简化或是方便标示。图示中各元件的部分将以分别描述说明的，值得注意的是，图中未绘示或描述的元件，可以具有各种本领域的技术人员所知的形式，举例来说，本发明以下实施例并未特别说明本发明流体的驱动元件及驱动方式，本发明可应用本领域的技术人员所知的流体任何驱动元件及驱动方式，例如热驱动气泡(thermal driven bubble)。
图2A～图2I揭示本发明的实施例流体喷射装置的制造流程。首先，请参照图2A，提供基底200，基底200可包括硅、玻璃和/或由其它材料组成，优选地，基底200为硅基底，其后，在基底200上形成致动元件202，此致动元件202用以驱动流体喷射装置的流体，本发明不限制于特定的致动元件，其可以为加热元件、压电元件(piezoelectric actuator)或是其它可用以驱动流体的元件。
接下来，请参照图2B，形成侧壁结构层204(或称为流体腔壁)，定义出流体腔的预定位置。在本发明的实施例中，侧壁结构层204包括开口206，暴露出致动元件202，其中，此开口206用以定义出喷孔区230、流体入口区234及连通两者的中段区232的位置。侧壁结构层204可由例如光致抗蚀剂或是聚合物等高分子组成，在本发明的优选实施例中，侧壁结构层204由例如聚酰亚胺(Polyimide)的负光致抗蚀剂组成，更优选地，侧壁结构层204由疏水性材料组成，且优选的侧壁结构层204的厚度可介于10-40μm。侧壁结构层204可以例如进行旋转涂布或是沉积的方法，再进行光刻，蚀刻步骤形成。以由聚酰亚胺组成侧壁结构层204为例，可先在基底200和致动元件202上涂布聚酰亚胺，其后，进行曝光及显影步骤图形化侧壁结构层204，以形成可定义出流体腔位置的侧壁结构层204，此外，形成侧壁结构层204中的图形化步骤亦可采用压印或是激光蚀刻的方法。
接下来，请参照图2C，可对侧壁结构层204进行加热步骤，以使侧壁结构层204产生熔融状态，而形成倾斜侧壁208，上述加热步骤的温度和时间可依照侧壁结构层204的材料和倾斜侧壁208的倾斜角度而决定，优选地，加热步骤的温度大体上大于侧壁结构层204的玻璃转换温度(Glass TransitionTemperature)。举例来说，以负光致抗蚀剂的侧壁结构层204为例，在喷孔区域的倾斜侧壁208的倾斜角度可介于50°～80°间，加热步骤的温度可介于80℃～140℃，而工艺时间可介于120秒～360秒之间。由于上述开口206在喷孔区域由具有倾斜侧壁208的侧壁结构层204形成，因此，开口206的顶部水平截面积较底部水平截面积大。
接下来，请参照图2D，以例如旋转涂布法在侧壁结构层204上及侧壁结构层的开口206中形成牺牲层210，牺牲层210可由例如光致抗蚀剂或聚合物等高分子材料组成，在本发明的优选实施例中，牺牲层210为例如正光致抗蚀剂或是负光致抗蚀剂的感光性高分子，且优选地牺牲层210的厚度可介于5-25μm。需注意的是，牺牲层210和侧壁结构层204的蚀刻选择比优选大于10，以在后续步骤定义牺牲层210时，不致对侧壁结构层204造成太大损伤，优选地，侧壁结构层204由负光致抗蚀剂组成，而牺牲层210由正光致抗蚀剂组成。
接着，请参照图2E，图形化牺牲层210，以使图案化后的牺牲层210a在后续加热步骤中在水平方向局限于上述开口206内，但在加热之前，牺牲层210的高度则可能高于或低于侧壁结构层204，另外，图案化后的牺牲层210a的水平截面积可依产品需要或是工艺条件决定，例如，图案化后的牺牲层210a的水平面积可介于上述开口的顶部截面积和底部截面积之间，或者，图案化后的牺牲层210a的水平面积可小于上述第二面积。
接下来，请参照图2F，加热图案化后的牺牲层210a(或可称为热回流步骤)，以使开口206中的牺牲层210a产生圆弧表面212(亦即三维曲面)，而优选地，圆弧表面212为向下弯曲的圆弧，例如，参考图3，开口206在喷孔区上的牺牲层呈球形表面，而在流体入口处上的牺牲层则由于其宽度变化随着接近流体通道而趋宽，因此，牺牲层的上表面中心区域越趋平坦，而仅在其两侧边缘构成圆弧表面，至于连通喷孔区与流体入口的流体腔中间段，则形成具有圆弧顶部表面的通道区。
上述加热步骤的温度需可使牺牲层210a产生融熔状态，而形成圆弧表面212，优选地，加热步骤的温度大于牺牲层210a的玻璃转换温度，而加热后的牺牲层210a的圆弧表面212的边缘不超过开口206。在本发明的一优选实施例中，上述加热步骤的温度系介于110～160℃之间，而侧壁结构层204的表面能优选低于牺牲层210a的表面能，以使上述加热步骤后，牺牲层210a的圆弧表面212和侧壁结构层204在开口206中喷孔区域处的侧壁208有例如大于90°的较大的接触角θ，优选地，牺牲层210a的圆弧表面212和侧壁结构层204在开口206中喷孔区域处的侧壁208的接触角θ介于90°～150°，更优选地，接触角θ介于110°～130°，又另外，接触角θ可介于120°～130°。
后续，请参照图2G，在牺牲层210a和侧壁结构层204上形成隔绝层214，以防止后续形成的结构层和牺牲层210a或是侧壁结构层204产生互融，隔绝层214可以是例如物理沉积方法形成的金属，例如金、钛，或由高分子组成，隔绝层214的厚度不需太厚，其可约介于0.1μm～3μm之间。可供选择的，可选择材料使侧壁结构层204和后续形成的结构层不易产生互融，如此，可省略隔绝层214。
接下来，在隔绝层214上形成上盖结构层216，其位于喷孔区域处则称为喷孔盖，上盖结构层216可由例如光致抗蚀剂的具有感光特性的高分子或由例如聚合物的非感光特性的高分子组成，后续，以光刻蚀刻、压印或是激光蚀刻的方法图形化上盖结构层216，以形成暴露隔绝层214的喷孔218。此外，上盖结构层216亦可以由金属或其它材料组成，由电镀方式直接形成含有喷孔的上盖结构层。
接下来，以例如光刻蚀刻的方法图形化基底的相对于结构层204、216的另一面，形成流体通道(在此截面未绘示)，以供应流体至流体腔，然而，本发明不限于此，形成流体通道的方法可采用任何本领域的技术人员所知的方法。
接下来，请参照图2H，经由喷孔218，以例如干蚀刻或是湿蚀刻方法，移除喷孔218中的隔绝层214，后续，以例如湿蚀刻方法、去除剂(stripper)或是等离子体灰化的方法移除牺牲层210a，然而，本发明不限于此，牺牲层210a亦可在后续步骤流体通道形成之后，经由流体通道以例如湿蚀刻方法、去除剂(stripper)或是等离子体灰化的方法移除的。在此需注意的是，由于上述步骤形成的牺牲层210a在喷孔区域、中间段及流体入口分别具有不同曲度的圆弧表面212，因此，在移除牺牲层210a之后，所形成的流体腔220的上盖部分222亦具有圆弧表面，换言之，上盖222亦具有向下弯曲的圆弧表面，此外，上盖222和侧壁结构层204位于开口中喷孔区处的侧壁208有例如大于90°的较大的夹角θ，优选地，上盖部分222和侧壁结构层204在开口中喷孔区域的侧壁208的夹角介于90°～150°，更优选地，夹角θ介于110°130°，又另外，夹角θ介于120°～130°图3为本发明的实施例流体喷射装置的立体图，图2H为沿图3的I-I’剖面线的剖面图，图2I为沿图3的II-II’剖面线的剖面图，图4为沿图3的III-III’剖面线的剖面图，以下将参照图3、图2H、图2I和图4详细说明本发明的结构，流体腔220包括位于喷孔218周围的喷孔区230，邻接于流体通道224的流体入口区234及位于喷孔区230和流体入口234区间的中段区232，由于牺牲层210a经历例如加热的热回流处理，所以在本发明上述方法形成的流体腔220在上盖部分222具有圆弧表面，其中在喷孔区230，由于流体腔220在接近喷孔218周围的上盖部分222在四周围均和流体腔220的侧壁208有较大夹角θ，因此形成类似于球面的表面，此外，流体腔220的介于喷孔区230至流体入口区234的中段区232，由于只有两侧的上盖部分222和流体腔220的侧壁208有较大夹角θ，例如110°～130°，因此形成有圆弧顶部表面的通道，又另外，流体腔220在邻接流体通道224的流体入口区234处，由于其水平截面积趋宽，流体入口区234的流体腔220大部分的顶部为曲度平坦的表面，而仅在邻接流体腔壁208处形成曲面，夹角例如为110°～130°。
由于本发明的优选实施例中，流体腔220自流体入口区234至喷孔区230处的上盖部分216和流体腔壁208间皆具有较大夹角，因此可减少流体在流体腔220流动时，在流体腔边角产生扰流，而可增加流体于流体腔220流动的稳定性，以改善流体喷射装置的可靠度和稳定性。
虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种流体喷射装置，包括流体腔，至少由侧壁结构层及具有喷孔的上盖结构层形成，其中所述上盖结构层覆盖于所述侧壁结构层上，所述侧壁结构层与所述上盖结构层的夹角大于90°；及流体通道，与所述流体腔连通，以供应流体到所述流体腔。
2.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中所述侧壁结构层与所述上盖结构层的夹角介于90°～150°。
3.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中所述侧壁结构层与所述上盖结构层的夹角介于110°～130°。
4.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中所述侧壁结构层与所述上盖结构层的夹角介于120°～130°。
5.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中所述的流体腔的上壁为圆弧形。
6.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中所述侧壁结构层倾斜。
7.一种流体喷射装置，包括基底；侧壁结构层，位于所述基底上，其中所述侧壁结构层包括开口；具有喷孔的上盖结构层，覆盖于所述侧壁结构层上，以在所述开口处形成流体腔，其中所述流体腔的上表面包括不同曲面的圆弧表面；及流体通道，位于所述基底内以与所述流体腔连通。
8.如权利要求7所述的流体喷射装置，其中所述侧壁结构层的开口处的侧壁倾斜。
9.如权利要求7所述的流体喷射装置，其中所述流体腔包括位于所述喷孔周围的喷孔区，邻接于所述流体通道的流体入口区及位于所述喷孔区和所述流体入口区间的中段区，其中位于所述喷孔区的的流体腔的上盖结构层大体上具有球面的表面；位于所述中段区的的流体腔的上盖结构层大体上为具有圆弧状顶部的通道；及位于所述流体入口区的的流体腔的上盖结构层，除了邻接所述侧壁结构层的开口的侧壁为曲面，大体上为平面。
10.如权利要求7所述的流体喷射装置，其中所述侧壁结构层由疏水材料组成。
11.如权利要求7所述的流体喷射装置，其中所述侧壁结构层由光致抗蚀剂或聚合物组成。
12.如权利要求11所述的流体喷射装置，其中所述侧壁结构层由负光致抗蚀剂组成。
13.一种流体喷射装置的制造方法，包括提供基底；在所述基底上形成包括开口的侧壁结构层；在所述开口中形成图形化的牺牲层；加热所述图形化的牺牲层，以使所述图形化的牺牲层形成圆弧表面；在所述牺牲层及所述侧壁结构层上形成上盖结构层；定义所述上盖结构层，以形成喷孔；移除所述牺牲层，以形成流体腔；及在相对于所述上盖结构层的所述基底的另一面，形成流体通道，连通所述流体腔。
14.如权利要求13所述的流体喷射装置的制造方法，其中在加热所述图形化的牺牲层之后，在所述喷孔位置的夹角介于90°～150°。
15.如权利要求13所述的流体喷射装置的制造方法，其中在加热所述图形化的牺牲层之后，所述侧壁结构层与所述牺牲层的夹角介于110°～130°。
16.如权利要求13所述的流体喷射装置的制造方法，其中加热所述图形化的牺牲层的温度大于所述牺牲层的玻璃转换温度。
17.如权利要求13所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述侧壁结构层的表面能低于所述牺牲层的表面能。
18.如权利要求13所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述牺牲层由高分子材料组成。
19.如权利要求13所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述侧壁结构层由负光致抗蚀剂组成，所述牺牲层由正光致抗蚀剂组成。
20.如权利要求19所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述负光致抗蚀剂为聚酰亚胺。
21.如权利要求13所述的流体喷射装置的制造方法，还包括加热所述侧壁结构层，使所述侧壁结构层的开口侧壁倾斜。
全文摘要
本发明公开了一种流体喷射装置及其制造方法。侧壁结构层位于基底上，其中侧壁结构层包括开口。具有喷孔的上盖结构层覆盖于侧壁结构层上，以在开口处形成流体腔，其中上盖结构层在对应于开口处为向下弯曲的圆弧形。流体通道位于基底内以与流体腔连通。
文档编号B41J2/14GK101062492SQ2006100801
公开日2007年10月31日 申请日期2006年4月28日 优先权日2006年4月28日
发明者洪益智, 沈光仁, 陈苇霖 申请人:明基电通股份有限公司