专利名称：基于碳纳米管微气泡发生器的喷印阀及其制备方法
技术领域：
本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管微气泡 发生器的喷印阀及其制备方法。技术背景喷印技术在器件尤其是一些大面积的器件例如显示器、自适应分布式 天线等制备上的应用受到越来越多的关注。相比平面工艺光刻技术，喷印 技术的优势在于对基底无特殊要求，并适用于柔性材料；由于喷嘴的结 构及其运动的可设计性、直接根据设计形成图形，喷印的图形灵活，原料 消耗少，总成本低。此外，喷印可以提供非接触的多种液体的微分配，如 生物的、电子的、光学的，传感的、结构的等等，它可望为构建具有复杂 功能的集成系统如生物组织工程、大平面柔性平板器件等提供一种简单有 效、自下而上的实施方案，具有广泛的应用前景。现有的喷印技术中，气泡式喷印是基于微加热器的一种简易的喷印技术。 微气泡发生器是热喷印系统的核心，目前大都采用基于传统金属材料的微 加热器，功耗较大。金属碳纳米管(CNT)是一种优良的微波导体，理论 上单壁的碳纳米管的导通频率可达THz，有报道实际达到GHz。发明内容本发明的目的在于提供一种基于碳纳米管微气泡发生器的喷印阀，该 喷印阀具有功耗低、集成度高的特点；本发明还提供了制备该喷印阀的方 法，该方法工艺简单，并与半导体IC工艺兼容。本发明提供的基于碳纳米管微气泡发生器的喷印阀，其特征在于衬底为玻璃片或生长有氧化层的硅片，在衬底上设置有二个金电极，在二个金电极与衬底之间镀有钛粘结层，钛粘结层的厚度为10 30nm， 二个金电 极之间的距离为1 10lam，金电极的厚度为300 400nm;碳纳米管架设于金 电极之间，碳纳米管的直径为10 30nm;碳纳米管与金电极的接触部位覆 盖有厚度为100 200nm的二氧化硅层；碳纳米管、二个金电极以及二氧化 硅层构成碳纳米管微气泡发生器；硅基底上开有直径为30 80fim的通孔作为进液管；在硅基底的表面开 有与进液管相连的凹槽，凹槽的长度为300 900vim，宽度为40 100|im;衬底与硅基底键合，使上述碳纳米管微气泡发生器与凹槽的位置相对， 形成喷嘴。制备上述喷印阀的方法，其步骤包括(1)按照步骤(Al) (A3)在衬底上制作碳纳米管微气泡发生器， 按照步骤(Bl) (B5)对硅基底进行处理(Al)采用电子束蒸发或溅射，在清洗后的衬底上依次形成厚度为10 30nm的钛膜和厚度为300 400nm金膜；再利用现有剥离工艺形成二个金电 极，二个金电极之间的距离为1 10nm;(A2)在上述金电极上加载交流电压，再将碳纳米管悬浮液滴到电极间， 碳纳米管悬浮液由直径为10 30nm碳纳米管与无水乙醇溶剂按0. 005 0.05mg/ml比例混合而成；当碳纳米管将电极连通并定位在电极间时，撤除 所加交流电压；(A3)在碳纳米管与金电极的接触部位形成厚度为100 300nm的二氧 化硅层，形成碳纳米管微气泡发生器；(Bl)在清冼后的硅基底的上、下表面形成二氧化硅保护层，厚度为 0. 5 1. 5(im;(B2)分别刻蚀上述二氧化硅保护层，得到凹槽和进液管的窗口，凹槽 的窗口长度为300 900pm，宽度为40 100^im、进液管的的窗口直径为30 80fim，进液管中心轴与凹槽底面中心相距200 400^im ;(B3)在硅基底的上表面刻蚀得到凹槽，凹槽深度为10 30pm;(B4)在硅基底的下表面刻蚀形成进液管，使进液管与凹槽相通； (B5)去除硅基底上下表面的剩余二氧化硅保护层； (2)将硅基底和衬底相对，键合形成喷嘴，得到微喷印阀。本发明利用碳纳米管良好的微波导电性构建微气泡发生器，碳纳米管微气泡发生器(Carbon Nanotube Micro Bubble Generator)以碳纳米管 (CarbonNanotube，以下简称"CNT")作为基本加热元件，它以CNT取代 热气泡发生器中的金属微加热器，利用CNT中的高密度焦耳热，通过电流 和加电时间的控制使它产生的微气泡直径仅为单位微米量级。气泡尺寸小、 功耗低。本发明克服了传统微气泡发生器功耗大的缺点，并具有良好的高 密度集成的潜力，在先进制造领域具有广泛的应用前景。
图1为本发明碳纳米管微气泡发生器和喷嘴所组成的喷印阀纵向结构 示意图。图2为喷印阀剖视示意图，其中，图2(a)为A A向剖视图，图2(b)为 B B向剖视图。图3为制备硅基底上的进液管和凹槽的工艺流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。如图1所示，本发明喷印阀的结构为采用玻璃片或生长有氧化层的硅片作为衬底l。在衬底1上设置有二个金电极31、 32，在金电极31、 32 与衬底1之间设有钛粘结层21、 22，钛粘结层21、 22的厚度为10 30nm， 金电极31、 32之间的距离为1 10fim，金电极31、 32的厚度为300 400nm; 碳纳米管4架设于金电极31、 32之间，碳纳米管4的直径为10 30nm;碳 纳米管4与金电极31、 32的接触部分通过二氧化硅层51、 52予以固定， 构成碳纳米管微气泡发生器，其中二氧化硅层51、 52的厚度为100 200nm。 硅基底8上开有通孔作为进液管7，进液管7的直径为30 80|am，在 硅基底8的表面开有与进液管7相连的凹槽9，凹槽9的长度为300 900jim， 宽度为40 100nm。衬底1与硅基底8键合，使气泡发生器与凹槽9相对，形成喷嘴6。制备上述基于碳纳米管微气泡发生器的喷印阀的方法，其步骤包括(1) 将衬底1按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(2) 将碳纳米管微气泡发生器制备在衬底1上，其过程为(2. 1)采用电子束蒸发或溅射，形成厚度为10 30nm的钛膜； (2. 2)采用电子束蒸发或溅射，形成厚度为300 400nm金膜； (2. 3)利用现有的剥离工艺(lift off)形成金电极31、 32，金电极31、 32之间的距离为l 10|im;(2. 4)将直径为10 30nm碳纳米管4与无水乙醇溶剂按0. 005 0. 05mg/ml比例混合，经超声使碳纳米管均匀分散；(2. 5)将0. 5 1MHz， 5 10V的交流电压加载到衬底1上的金电极31、32间，用微型注射器将碳纳米管悬浮液滴到电极间，当溶剂挥发完全时，碳纳米管将电极连通并定位在电极间，此时撤除所加电场；(2. 6)采用电子束蒸发或溅射二氧化硅，形成厚度为100 300nm的二氧化硅膜；(2. 7)利用反转光刻胶的剥离工艺，形成加固碳纳米管与金电极接触 的二氧化硅层51、 52，并将定位好的碳纳米管位于金电极31、 32间的部分 暴露出来，形成碳纳米管微气泡发生器。(3) 将双面抛光硅基底8按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(4) 将进液管7和凹槽9制备在玻璃基底1上，其过程为(4. l)采用热氧化法,在硅基底8的上下表面形成二氧化硅保护层101、 102，厚度为0. 5 1. 5|um;(4.2)利用现有双面对准光刻工艺分别刻蚀二氧化硅保护层101、 102， 得到凹槽9和进液管7的窗口，凹槽9的窗口长度为300 900pm，宽度为 40 100|_im，进液管7的的窗口直径为30 80pm，进液管中心轴与凹槽底面 中心相距200 400pm; (4.3) 用反应离子刻蚀(RIE)方法，在硅基底8的上表面得到凹槽9， 深度为10 30|im;(4.4) 用反应离子刻蚀(RIE)方法，从硅基底8的下表面开始刻蚀进 液管7，进液管7与凹槽相通；(4. 5)采用干法或者湿法刻蚀的方法去除硅基底8上下表面的剩余二氧 化硅保护层101、 102;(5)将硅基底8和衬底1相对，通过阳极键合工艺，形成喷嘴6，并制 成微喷印阀。实施例1:(1) 将玻璃基底1按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(2 )将碳纳米管微气泡发生器制备在玻璃基底1上，其过程为(2. 1)采用电子束蒸发钛，形成厚度为20mn的钛膜；(2. 2)采用电子束蒸发金，形成厚度为400nm金膜；(2. 3)利用现有的剥离工艺(lift off)形成金电极31、 32，金电极31、 32之间的距离为5^im;(2. 4)将直径为10 30nm碳纳米管4与无水乙醇溶剂按0. 01mg/ml比例混合，经超声使碳纳米管均匀分散；(2. 5)将lMHz， 8V的交流电压加载到玻璃基底1上的金电极31、 32间，用微型注射器将碳纳米管悬浮液滴到电极间，当溶剂挥发完全时，碳纳米管将电极连通并定位在电极间，此时撤除所加电场；(2. 6)采用电子束蒸发二氧化硅，形成厚度为200nm的二氧化硅膜； (2. 7)利用反转光刻胶AZ5214的剥离工艺，形成加固碳纳米管与金电极接触的二氧化硅层51、 52，并将定位好的碳纳米管位于金电极31、 32间的部分暴露出来，形成碳纳米管微气泡发生器。(3) 将双面抛光硅基底8按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(4) 将进液管7和凹槽9制备在玻璃基底1上，其过程为(4. l)采用热氧化法，在硅基底8的上下表面形成二氧化硅保护层101、 102，厚度为l(im;(4.2) 利用现有双面对准光刻工艺分别刻蚀二氧化硅保护层101、 102， 得到凹槽9和进液管7的窗口，凹槽9的窗口长度为900|^n，宽度为100^irn， 进液管7的的窗口直径为80^m，进液管中心轴与凹槽底面中心距40(Vm;(4.3) 用反应离子刻蚀(RIE)方法，在硅基底8的上表面得到凹槽9， 深度为20|Lim;(4.4) 用反应离子刻蚀(RIE)方法，从硅基底8的下表面开始刻蚀进 液管7，进液管7与凹槽相通；(4. 5)采用湿法刻蚀的方法去除硅基底8上下表面的剩余二氧化硅保护 层101、 102;(5)将硅基底8和衬底1相对，通过阳极键合工艺，形成喷嘴6，并 制成微喷印阀。实施例2(1) 将玻璃基底1按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(2) 将碳纳米管微气泡发生器制备在玻璃基底1上，其过程为 (2. 1)采用溅射钛，形成厚度为30nm的钛膜；(2. 2)采用溅射金，形成厚度为300nm金膜；(2. 3)利用现有的剥离工艺(lift off)形成金电极31、 32，金电 极31、 32之间的距离为l|im;(2. 4)将直径为10 30nm碳纳米管4与无水乙醇溶剂按0. 005mg/ml比例混合，经超声使碳纳米管均匀分散；(2. 5)将0.5MHz, 5V的交流电压加载到玻璃基底1上的金电极31、 32间，用微型注射器将碳纳米管悬浮液滴到电极间，当溶剂挥发完全时， 碳纳米管将电极连通并定位在电极间，此时撤除所加电场；(2. 6)采用电子束蒸发法或溅射二氧化硅，形成厚度为lOOnm的二 氧化硅膜；(2. 7)利用反转光刻胶的剥离工艺，形成加固碳纳米管与金电极接触 的二氧化硅层51、 52，并将定位好的碳纳米管位于金电极31、 32间的部分 暴露出来，形成碳纳米管微气泡发生器。
(3) 将双面抛光硅基底8按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(4) 将进液管7和凹槽9制备在玻璃基底1上，其过程为(4. 1)采用热氧化法，在硅基底8的上下表面形成二氧化硅保护层 101、 102，厚度为1.5(im;(4.2) 利用现有双面对准光刻工艺分别刻蚀二氧化硅保护层101、 102， 得到凹槽9和进液管7的窗口，凹槽9的窗口长度为500jim，宽度为70pm， 进液管7的的窗口直径为50nm，进液管中心轴与凹槽底面中心相距300,;(4.3) 用反应离子刻蚀(RIE)方法，在硅基底8的上表面得到凹槽9， 深度为15,;(4.4) 用反应离子刻蚀(RIE)方法，从硅基底8的下表面开始刻蚀进 液管7，进液管7与凹槽相通；(4. 5)采用干法刻蚀的方法去除硅基底8上下表面的剩余二氧化硅保护 层101、 102;(5) 将硅基底8和衬底1相对，通过阳极键合工艺，形成喷嘴6，并 制成微喷印阀。实施例3(1) 将生长有氧化层的硅基底1按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(2) 将碳纳米管微气泡发生器制备在玻璃基底1上，其过程为 (2. 1)采用溅射钛，形成厚度为30nm的钛膜；(2. 2)采用溅射金，形成厚度为300nm金膜；(2. 3)利用现有的剥离工艺(lift off)形成金电极31、 32，金电 极31、 32之间的距离为lOpm;(2. 4)将直径为10 30nm碳纳米管4与无水乙醇溶剂按0. 05mg/ml比例混合，经超声使碳纳米管均匀分散；(2. 5)将0.8MHz， 10V的交流电压加载到玻璃基底l上的金电极31、32间，用微型注射器将碳纳米管悬浮液滴到电极间，当溶剂挥发完全时，碳纳米管将电极连通并定位在电极间，此时撤除所加电场；(2. 6)采用电子束蒸发法或溅射二氧化硅，形成厚度为300nm的二 氧化硅膜；(2. 7)利用反转光刻胶的剥离工艺，形成加固碳纳米管与金电极接触 的二氧化硅层51、 52，并将定位好的碳纳米管位于金电极31、 32间的部分 暴露出来，形成碳纳米管微气泡发生器。(3) 将双面抛光硅基底8按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(4) 将进液管7和凹槽9制备在玻璃基底1上，其过程为(4.1) 采用热氧化法，在硅基底8的上下表面形成二氧化硅保护层 101、 102，厚度为O. 5|um;(4.2) 利用现有双面对准光刻工艺分别刻蚀二氧化硅保护层101、 102，得到凹槽9和进液管7的窗口，凹槽9的窗口长度为900^im，宽度为 lOO^im,进液管7的的窗口直径为80pm，进液管中心轴与凹槽底面中心相距 400,;(4. 3)用反应离子刻蚀(RIE)方法，在硅基底8的上表面得到凹槽9， 深度为20pm;(4.4)用反应离子刻蚀(RIE)方法，从硅基底8的下表面开始刻蚀 进液管7，进液管7与凹槽相通；(4. 5)采用干法刻蚀的方法去除硅基底8上下表面的剩余二氧化硅保 护层101、 102;(5) 将硅基底8和衬底1相对，通过阳极键合工艺，形成喷嘴6， 并制成微喷印阀。
权利要求
1、一种基于碳纳米管微气泡发生器的喷印阀，其特征在于衬底(1)为玻璃片或生长有氧化层的硅片，在衬底(1)上设置有二个金电极(31、32)，在二个金电极(31、32)与衬底(1)之间镀有钛粘结层(21、22)，钛粘结层(21、22)的厚度为10～30nm，二个金电极(31、32)之间的距离为1～10μm，金电极(31、32)的厚度为300～400nm；碳纳米管(4)架设于金电极(31、32)之间，碳纳米管(4)的直径为10～30nm；碳纳米管(4)与金电极(31、32)的接触部位覆盖有厚度为100～200nm的二氧化硅层(51、52)；碳纳米管(4)、二个金电极(31、32)以及二氧化硅层(51、52)构成碳纳米管微气泡发生器；硅基底(8)上开有直径为30～80μm的通孔作为进液管(7)；在硅基底(8)的表面开有与进液管(7)相连的凹槽(9)，凹槽(9)的长度为300～900μm，宽度为40～100μm；衬底(1)与硅基底(8)键合，使上述碳纳米管微气泡发生器与凹槽(9)的位置相对，形成喷嘴(6)。
2、 一种制备权利要求l所述喷印阀的方法，其步骤包括(1)按照步骤(Al) (A3)在衬底上制作碳纳米管微气泡发生器， 按照步骤(Bl) (B5)对硅基底进行处理(Al)采用电子束蒸发或溅射，在清洗后的衬底上依次形成厚度为10 30nm的钛膜和厚度为300 400nm金膜；再利用现有剥离工艺形成二个金电 极，二个金电极之间的距离为l 10|iim;(A2)在上述金电极上加载交流电压，再将碳纳米管悬浮液滴到电极间， 碳纳米管悬浮液由直径为10 30nm碳纳米管与无水乙醇溶剂按0. 005 0.05mg/ml比例混合而成；当碳纳米管将电极连通并定位在电极间时，撤除 所加交流电压；(A3)在碳纳米管与金电极的接触部位形成厚度为100 300mn的二氧 化硅膜，形成碳纳米管微气泡发生器；(Bl)在清冼后的硅基底的上下表面形成二氧化硅保护层，厚度为 0. 5 1. 5|am;(B2)分别刻蚀上述二氧化硅保护层，得到凹槽和进液管的窗口，凹 槽的窗口长度为300 90(^m，宽度为40 100)Lim，进液管的的窗口直径为 30 80fim，进液管中心轴与凹槽底面中心相距200 400pm ;(B3)在硅基底的上表面刻蚀得到凹槽，凹槽深度为10 30pm;(B4)在硅基底的下表面刻蚀形成进液管，使进液管与凹槽相通；(B5)去除硅基底上下表面的剩余二氧化硅保护层；(2)将硅基底和衬底相对，键合形成喷嘴，得到微喷印阀。
全文摘要
本发明公开一种基于碳纳米管微气泡发生器的喷印阀及其制备方法。喷印阀由制作有碳纳米管微气泡发生器的玻璃衬底或硅衬底和经微加工的硅基底键合而成。碳纳米管、二个金电极以及二氧化硅层构成碳纳米管微气泡发生器；碳纳米管架设于金电极之间；碳纳米管与金电极的接触部位覆盖二氧化硅层；硅基底上开有通孔作为进液管，在硅基底的表面开有与进液管相连的凹槽；衬底与硅基底键合，使碳纳米管微气泡发生器与凹槽的位置相对，形成喷嘴。其制备方法是在衬底上制作碳纳米管微气泡发生器，在硅基底上制作进液管和凹槽，再将二者键合即可。本发明克服了传统微气泡发生器功耗大的缺点，并具有良好的高密度集成的潜力，在先进制造领域具有广泛的应用前景。
文档编号B41J2/16GK101130300SQ200710053288
公开日2008年2月27日 申请日期2007年9月20日 优先权日2007年9月20日
发明者军 于, 周文利, 朱文锋, 王耘波, 高俊雄 申请人:华中科技大学