專利名稱：流體噴射裝置及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種流體噴射裝置，特別涉及一種可移除流體腔內殘余氣泡的流體噴射裝置及其制造方法。
背景技術：
在各種噴墨打印的應用中，打印質量的提高一直是所有使用者及制造者共同追求的目標，而影響打印質量的因素很多，其中以噴射墨滴的穩(wěn)定度為相當重要的一環(huán)。
以熱噴墨式打印機為例，主要利用電阻加熱元件所產生的氣泡擠壓墨水，使墨水自噴孔噴出至紀錄媒體上，以完成噴墨程序，于是，過程中所產生的氣泡大小及流體腔內是否有殘余氣泡的累積等便成為影響噴墨穩(wěn)定度的重要因素。
現有技術中有關加熱式流體噴射裝置的基本結構及其噴墨程序如下所述，以美國專利第6,102,530號為例作說明，請參閱圖1，流體噴射裝置10包括一基底12；一歧管14，其借助內蝕刻形成于基底12中，作為供應墨水之用；一流體腔16，其于移除犧牲層后以各向異性蝕刻形成于基底12中并與歧管14連通作為儲存墨水的空間；一結構層18，其覆蓋于流體腔16與基底12上；加熱元件20，其設置于結構層18上，以驅動流體噴射；一保護層22，其覆蓋于加熱元件20與結構層18上；以及一噴孔24，其穿過保護層22及結構層18并與流體腔16連通，以噴射流體。
接下去說明裝置10的噴墨過程，如圖2所示，首先，由位于流體腔16上方的加熱元件20接收信號產生高熱，使墨水瞬間汽化形成兩個氣泡26與28，之后，因生成氣泡26與28的體積持續(xù)膨脹，于是擠壓墨水使墨水經由噴孔24噴出而形成墨滴30，在一理想狀態(tài)下，兩個氣泡26與28的生成速率及大小均相同，對墨水的擠壓力量亦一致，于是墨滴30離開噴孔24后，會以與芯片表面呈垂直的角度射出，不會造成墨滴歪斜的現象。
然而，實際的操作情形并無法如理想狀態(tài)一般，請參閱圖3A與圖3B的說明，如圖3A所示，由于流體腔末端34特殊的幾何構形，使得墨水在充填流體腔32的過程中，無法順利填滿至流體腔末端34，而產生所謂的殘余氣泡36，此殘余氣泡36若不加以排除將嚴重影響雙氣泡的生成，致產生形狀不相同的兩個氣泡38與40，進而對墨水施予不同程度的擠壓力量，造成墨滴42最后以不定向方位噴出噴孔44，如圖3B所示。
由于打印質量的優(yōu)良與否，取決于墨滴在紙張上落點的精確度，若墨滴離開噴射裝置3的速度與方向無法固定，則墨滴在飛行過程中，將由于初速及噴出角度α的不同，使每滴墨滴的飛行距離不盡相同(如1或1’)，而致抵達紙張2時產生一距離不定的偏移量d，嚴重影響打印質量，如圖4所示，而上述造成噴墨偏移的最大因素即是流體腔內累積的殘余氣泡。
因此，研發(fā)出一種可消除殘余氣泡以達到穩(wěn)定噴墨質量的方法是必要的。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種流體噴射裝置，期望通過流體腔泄壓孔與導流道的設計達到消除殘余氣泡的目的，穩(wěn)定噴墨質量。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種流體噴射裝置，包括一基底；一流體腔，形成于該基底中；一結構層，覆蓋于該基底與該流體腔上；至少一噴孔，穿過該結構層并與該流體腔連通；和一開口，穿過該結構層并與該流體腔末端連通，且兩者的連通處構成一泄壓孔。
根據本發(fā)明的一個例子，在流體腔末端設計一泄壓孔，使得當在充填流體時，雖過程中會產生殘余氣泡，但這些殘余氣泡立即得以從設置在流體腔末端的泄壓孔排出，避免了殘余氣泡影響后續(xù)雙氣泡生成的可能性，而且由于泄壓孔小于噴孔，造成該處的流阻較大，在噴墨過程中，墨滴將不會從泄壓孔噴出，在紙張上留下不必要的雜點。
本發(fā)明還提供一種流體噴射裝置，包括一基底；一流體腔，形成于該基底中，該流體腔內的至少一側形成有一導流道；以及一結構層，覆蓋于該基底與該流體腔上，且具有一導流凸塊伸入該流體腔內，以區(qū)隔該導流道與該流體腔。
根據本發(fā)明的另一個例子，在流體腔內制作導流道，這些導流道可加速墨水流入流體腔末端的速度，使部分墨水先充填流體腔內原本不易充填的末端區(qū)域，以達到減少殘余氣泡生成的目的，提高打印質量。
本發(fā)明還提供一種流體噴射裝置的制造方法，包括下列步驟提供一基底；形成一圖案化犧牲層于該基底上，該圖案化犧牲層作為預定形成一流體腔的一區(qū)域；形成一圖案化結構層于該基底上并覆蓋該圖案化犧牲層；形成一歧管穿過該基底，并露出該圖案化犧牲層；移除該犧牲層，以完成該流體腔的制作；以及蝕刻該結構層，以形成至少一與該流體腔連通的噴孔以及一開口，其中該開口穿過該結構層并與該流體腔末端連通，且兩者的連通處構成一泄壓孔。
本發(fā)明還提供一種流體噴射裝置的制造方法，包括下列步驟提供一基底；形成一圖案化犧牲層于該基底上，該圖案化犧牲層作為預定形成一流體腔的一區(qū)域，其中該圖案化犧牲層的一側至少包括一凹槽；形成一圖案化結構層于該圖案化犧牲層上且填入上述凹槽而形成一導流凸塊；形成一歧管穿過該基底，并露出該圖案化犧牲層；移除該犧牲層，以形成一具有該導流凸塊的流體腔，其中該導流凸塊與該流體腔的側壁間構成一導流道；以及蝕刻該結構層，以形成至少一與該流體腔連通的噴孔。


為讓本發(fā)明的上述目的、特征及優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉一優(yōu)選實施例，并配合附圖，作詳細說明如下圖1為現有技術流體噴射裝置的剖面示意圖。
圖2為理想狀態(tài)下流體噴射裝置的噴墨示意圖。
圖3A為流體噴射裝置充填流體時的示意圖。
圖3B為流體噴射裝置于殘余氣泡存在時噴射流體的示意圖。
圖4為不同液滴落點的比較圖。
圖5A為根據本發(fā)明的第一實施例的流體噴射裝置的上視圖。
圖5B為根據本發(fā)明的第一實施例的流體噴射裝置于未形成流體腔前的制作過程的剖面示意圖。
圖5C為本發(fā)明的第一實施例的流體噴射裝置于未形成泄壓孔與開口前的制作過程的剖面示意圖。
圖5D為根據本發(fā)明的第一實施例的流體噴射裝置沿圖5A中5D-5D截取的剖面示意圖以及形成泄壓孔與開口后的制作過程的剖面示意圖。
圖6為本發(fā)明的第二實施例的流體噴射裝置的上視圖。
圖7A根據本發(fā)明的第三實施例的流體噴射裝置的上視圖。
圖7B為根據本發(fā)明的第三實施例的流體噴射裝置于未形成導流道與流體腔前的制作過程的剖面示意圖。
圖7C為根據本發(fā)明的第三實施例的流體噴射裝置于未形成噴孔前的制作過程的剖面示意圖。
圖7D根據本發(fā)明的第三實施例的流體噴射裝置沿圖7A中7D-7D截取的剖面示意圖以及形成導流道、流體腔與噴孔后的制作過程的剖面示意圖。
附圖標記說明現有技術部份(圖1～圖4)1、1’～飛行距離；2～紙張；3～噴射裝置；10～流體噴射裝置；12～基底；14～歧管；16、32～流體腔；18～結構層；20～電阻加熱元件；22～保護層；24、44～噴孔；26、28、38、40～氣泡；30、42～液滴；34～流體腔末端；36～殘余氣泡；α～噴射角度；d～液滴偏移量。
本發(fā)明實施例部份(圖5A～圖5D、圖6以及圖7A～7D)50、80～基底；52～歧管；
55～犧牲層；54、82～流體腔；56、86、86’～結構層；58～電阻加熱元件；60、88～保護層；62、90～噴孔；64～泄壓孔；66～開口；68～流體腔末端；81～犧牲層；81’～凹槽；84～導流道。
具體實施例方式
實施例1請參閱圖5A與圖5D，說明本實施例流體噴射裝置的結構特征。其中圖5D為圖5A圖沿5D-5D截取的剖面圖。如圖5D所示，本流體噴射裝置于流體腔54的末端處68形成有一開口66，開口66穿過結構層56并通過泄壓孔64與流體腔末端處68連通，其中泄壓孔64的等效半徑小于噴孔62。接下去如圖5A所示，在本實施例中，由于基底選用晶格排列方向為[110]的硅基材(本發(fā)明并不限于此)，于是蝕刻后的流體腔末端呈現一角錐形，開口66為一矩形，而泄壓孔64為一三角形。
接下去請參閱圖5D，說明本實施例流體噴射裝置的詳細構成，該流體噴射裝置包括一基底50、一歧管52、一流體腔54、一結構層56、一電阻加熱元件58、一保護層60、一噴孔62、一泄壓孔64以及一開口66。
結構層56覆蓋于基底50與流體腔54上，電阻加熱元件58設置于結構層56上，且位于噴孔62兩側，保護層60覆蓋于結構層56上，噴孔62穿過保護層60與結構層56并與流體腔54連通，開口66形成于流體腔54的末端68，其與流體腔末端68的交接處構成一泄壓孔64。
本發(fā)明利用壓力平衡原理，另辟一空氣排除路徑，即于流體腔末端處68創(chuàng)造與外界大氣連接的泄壓孔64，以排除流體腔54內的殘余氣泡，另一方面，泄壓孔64的等效半徑必須小于噴孔62，使墨水在泄壓孔64的流阻大于噴孔62，如此才能限制墨滴是由噴孔62噴出，而不會從泄壓孔64噴出，以避免打印過程中不必要的雜點或漏墨的情形。
以下以方程式(1)說明流阻與泄壓孔的關系。其中ΔP，為墨水的壓力降，μ，為墨水的黏滯系數，r，為泄壓孔的半徑，L，為泄壓孔的長度，Q，為墨水的體積流率，Rflow，為流阻。
ΔP＝(8μL/πr4)Q＝RflowQ (1)由上述方程式可知，在體積流率(Q)固定下，泄壓孔的半徑(r)愈小，則所產生的流阻(Rflow)愈大，因此，本發(fā)明泄壓孔64較噴孔62為小的設計，即是為限制墨水往泄壓孔64方向流動，防止墨滴由泄壓孔64噴出。
接下去請參閱圖5B～圖5D，說明本實施例流體噴射裝置的制作，如圖5B所示，首先，提供一基底50，例如一晶格排列方向為[110]的硅基底，基底50的厚度大體介于625～675微米，接著，形成一圖案化犧牲層55于基底50上，作為預定形成一流體腔的一區(qū)域，犧牲層例如由硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)或氧化硅材質所構成，其中以磷硅玻璃為優(yōu)選的選擇，犧牲層的厚度大體介于1～2微米。
接下去形成一圖案化結構層56于基底50上并覆蓋圖案化犧牲層，結構層56可為由化學氣相沉積法(CVD)所形成的一氮氧化硅層，結構層56的厚度大約為1.5～2微米，接著，形成一作為驅動流體的電阻加熱元件58于結構層56上且設于將來形成噴孔位置的兩側，電阻加熱元件58例如由HfB2、TaAl、TaN或TiN所構成，其中以TaAl為優(yōu)選的選擇，最后，形成一保護層60于結構層56上。
接下來，請參閱圖5C，開始進行一連串的蝕刻過程，以形成最終的流體噴射裝置，首先，以蝕刻液例如為氫氧化鉀(KOH)溶液的各向異性濕蝕刻法蝕刻基底50的背面，以形成一歧管52，并露出圖案化犧牲層，歧管52的窄開口寬度大約為160～200微米，寬開口寬度大約為1100～1200微米，其內壁與水平線夾角大約為54.74度，于是蝕刻之后的歧管52為一下寬上窄的形狀結構，另外，歧管52向下與一流體儲存槽相互連通。
接下去以含氫氟酸(HF)溶液的濕蝕刻法蝕刻圖案化犧牲層，之后，再度以蝕刻液例如為氫氧化鉀(KOH)溶液的濕蝕刻法蝕刻基底50，以擴大圖案化犧牲層被掏空的區(qū)域，而形成流體腔54，本實施例的基底50選用晶格排列方向為[110]的硅基材，蝕刻后的流體腔末端會呈現一角錐形，最后，請參閱圖5D，依序蝕刻保護層60與結構層56，以形成至少一與流體腔54連通的噴孔62。
而本發(fā)明的關鍵步驟，即是在蝕刻形成噴孔62的同時也對流體腔54末端處68上方的結構層56進行蝕刻，以形成位于流體腔末端68的一泄壓孔64與穿過結構層56的一開口66，形成排除流體腔內殘余氣泡的一路徑，如圖5D所示，泄壓孔64的形狀如圖5A所示的三角形，泄壓孔64的等效半徑小于噴孔62，大約為2～30微米，優(yōu)選為4～15微米，蝕刻過程可利用等離子體蝕刻、化學氣體蝕刻、反應性離子蝕刻或激光蝕刻法，而以反應性離子蝕刻為優(yōu)選的選擇，至此，即完成一流體噴射裝置的制作。
實施例2請參閱圖6與圖5D說明本實施例流體噴射裝置的結構特征，其中圖5D為圖6沿5D-5D截取的剖面圖，如圖5D所示，本流體噴射裝置于流體腔54的末端處68形成有一開口66，開口66穿過結構層56并通過泄壓孔64與流體腔末端處68連通，其中泄壓孔64的等效半徑小于噴孔62，接下去如圖6所示，由于本實施例的基底50選用晶格排列方向為[100]的硅基材，于是蝕刻后的流體腔末端呈現一矩形，開口66為一角錐形，而泄壓孔64為一三角形，本實施例與實施例1的差異在于，實施例1選用晶格排列方向為[110]的硅基底，而本實施例則是選用晶格排列方向為[100]的硅基底。
本實施例流體噴射裝置的結構設計及制造步驟與實施例1大體相同，僅會因選用不同晶格排列的硅基底(例如[110]或[100])而造成蝕刻流體腔末端的形狀有所不同，實施例1呈現角錐形，而本實施例形成矩形。
實施例3請參閱圖7A與圖7D說明本實施例流體噴射裝置的結構特征，其中圖7D為圖7A沿7D-7D截取的剖面圖，如圖7D所示，本流體噴射裝置于流體腔82空間內的至少一側形成有一導流道84，導流道84通過一伸入流體腔82內的導流凸塊86’與流體腔82區(qū)隔形成，其中導流道84的寬度小于流體腔82寬度的一半。
接下去請參閱圖7D，說明本實施例流體噴射裝置的詳細構成，該流體噴射裝置包括一基底80、一流體腔82、導流道84、一結構層86、導流凸塊86’、一保護層88以及一噴孔90。
結構層86覆蓋于基底80與流體腔82上，導流凸塊86’為結構層86伸入流體腔82內的部分，保護層88覆蓋于結構層86上，噴孔90穿過保護層88與結構層86并與流體腔82連通。
本發(fā)明根據毛細(capillary)原理而制作在流體腔82內的導流道84，導流道84可加速墨水流入流體腔末端的速度，使部分墨水先充填流體腔82內原本不易充填的末端區(qū)域，以達到減少殘余氣泡生成的目的，提高打印質量。
上述毛細原理可以方程式(2)作說明，其中ΔP，為墨水的驅動壓力，σ，為液體的表面張力，r，為流道的等效半徑，α，為流體腔與墨水間的夾角。
ΔP＝(2σ/r)cos(α) (2)由上述方程式可知，流體腔內導流道84的等效半徑(r)須小于流體腔82寬度的一半，使墨水在導流道84的驅動力(σ)大于流體腔82，如此，墨水才能經由導流道84先行填入流體腔82的末端，減少殘余氣泡的產生。
接下去請參閱圖7B～圖7D，說明本實施例流體噴射裝置的制作，如圖7B所示，提供一基底80，例如一硅基底，基底80的厚度大約為625～675微米，接著，形成包括一對凹槽81’的一圖案化犧牲層81于該基底80上，犧牲層可由硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)或氧化硅材質所構成，其中以磷硅玻璃為優(yōu)選的選擇，犧牲層的厚度大約為1～2微米。
接下去形成一圖案化結構層86于圖案化犧牲層81上且填入凹槽81’形成一對導流凸塊86’，結構層86可為由化學氣相沉積法(CVD)所形成的一氮氧化硅層，結構層86的厚度大約為1.5～2微米，最后，形成一保護層88于結構層86上。
接下來，請參閱圖7C，以含氫氟酸(HF)溶液的濕蝕刻法蝕刻圖案化犧牲層81，之后，再度以蝕刻液例如為氫氧化鉀(KOH)溶液的濕蝕刻法蝕刻基底80，以擴大圖案化犧牲層81被掏空的區(qū)域，而形成一具有導流凸塊86’的流體腔82，其中導流凸塊86’與流體腔82的側壁間構成導流道84，本實施例分別于流體腔82的兩側形成導流道84，但本發(fā)明不限定于此，只要于流體腔的至少一側形成一導流道即可同樣使部分墨水先充填至流體腔的末端區(qū)域，達到減少殘余氣泡生成的效果，導流凸塊86’的形狀包括矩形或鋸齒形，寬度大約為1～3微米，而導流道84的寬度小于流體腔的寬度的一半，其等效半徑大約為2～35微米，最后，請參閱圖7D，依序蝕刻保護層88與結構層86，以形成至少與流體腔82連通的一噴孔90，蝕刻過程可利用等離子體蝕刻、化學氣體蝕刻、反應性離子蝕刻或激光蝕刻法，而以反應性離子蝕刻為優(yōu)選的選擇，至此，即完成一流體噴射裝置的制作。
本發(fā)明業(yè)已以優(yōu)選實施例公開如上，然而，其并非用以限定本發(fā)明，本領域中的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，當然可作更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍應當以所附的權利要求書所界定的范圍為準。
權利要求
1.一種流體噴射裝置，包括一基底；一流體腔，形成于所述基底中；一結構層，覆蓋于所述基底與所述流體腔上；至少一噴孔，穿過所述結構層并與所述流體腔連通；以及一開口，穿過所述結構層并與所述流體腔末端連通，且兩者的連通處構成一泄壓孔。
2.如權利要求1所述的流體噴射裝置，其中所述流體腔末端與所述開口的形狀包括角錐形和矩形，而所述泄壓孔的形狀包括三角形。
3.如權利要求1所述的流體噴射裝置，其中所述泄壓孔的等效半徑小于所述噴孔。
4.如權利要求1所述的流體噴射裝置，其中所述泄壓孔的等效半徑大約為2～30微米。
5.一種流體噴射裝置，包括一基底；一流體腔，形成于所述基底中，所述流體腔內的至少一側形成有一導流道；以及一結構層，覆蓋于所述基底與所述流體腔上，且具有一導流凸塊伸入所述流體腔內，以區(qū)隔所述導流道與所述流體腔。
6.如權利要求5所述的流體噴射裝置，其中還包括于所述流體腔內的兩側形成有導流道。
7.如權利要求5所述的流體噴射裝置，其中所述導流凸塊的形狀包括矩形或鋸齒形。
8.如權利要求5所述的流體噴射裝置，其中所述導流凸塊的寬度大約為1～3微米。
9.如權利要求5所述的流體噴射裝置，其中所述導流道的寬度小于所述流體腔的寬度的一半。
10.如權利要求5所述的流體噴射裝置，其中所述導流道的等效半徑大約為2～35微米。
11.一種流體噴射裝置的制造方法，包括下列步驟提供一基底；形成一圖案化犧牲層于所述基底上，所述圖案化犧牲層作為預定形成一流體腔的一區(qū)域；形成一圖案化結構層于所述基底上并覆蓋所述圖案化犧牲層；形成一歧管穿過所述基底，并露出所述圖案化犧牲層；移除所述犧牲層，以完成所述流體腔的制作；以及蝕刻所述結構層，以形成至少一與所述流體腔連通的噴孔以及一開口，其中所述開口穿過所述結構層并與所述流體腔末端連通，且兩者的連通處構成一泄壓孔。
12.如權利要求11所述的流體噴射裝置的制造方法，其中所述流體腔末端與該所述開口的形狀包括角錐形或矩形，而所述泄壓孔的形狀包括三角形。
13.如權利要求11所述的流體噴射裝置的制造方法，其中所述結構層包括氧化硅、氮化硅或其組合。
14.如權利要求11所述的流體噴射裝置的制造方法，其中所述泄壓孔的等效半徑小于所述噴孔。
15.如權利要求11所述的流體噴射裝置的制造方法，其中所述泄壓孔的等效半徑大約為2～30微米。
16.一種流體噴射裝置的制造方法，包括下列步驟提供一基底；形成一圖案化犧牲層于所述基底上，所述圖案化犧牲層作為預定形成一流體腔的一區(qū)域，其中所述圖案化犧牲層的一側至少包括一凹槽；形成一圖案化結構層于所述圖案化犧牲層上且填入所述凹槽而形成一導流凸塊；形成一歧管穿過所述基底，并露出所述圖案化犧牲層；移除所述犧牲層，以形成具有所述導流凸塊的一流體腔，其中所述導流凸塊與所述流體腔的側壁間構成一導流道；以及蝕刻所述結構層，以形成至少一與所述流體腔連通的噴孔。
17.如權利要求16所述的流體噴射裝置的制造方法，其中所述圖案化犧牲層包括一對凹槽，且所述結構層填入所述這對凹槽形成一對導流凸塊于所述流體腔兩側。
18.如權利要求16所述的流體噴射裝置的制造方法，其中所述導流凸塊的形狀包括矩形或鋸齒形。
19.如權利要求16所述的流體噴射裝置的制造方法，其中所述導流凸塊的寬度大約為1～3微米。
20.如權利要求16所述的流體噴射裝置的制造方法，其中所述導流道的寬度小于所述流體腔的寬度的一半。
21.如權利要求16所述的流體噴射裝置的制造方法，其中所述導流道的等效半徑大約為2～35微米。
全文摘要
本發(fā)明提供一種流體噴射裝置，包括一基底；一流體腔，形成于該基底中；一結構層，覆蓋于該基底與該流體腔上；至少一噴孔，穿過該結構層并與該流體腔連通；和一開口，穿過該結構層并與該流體腔末端連通，且兩者的連通處構成一泄壓孔。本發(fā)明還包括提供一種流體噴射裝置的制造方法。
文檔編號B41J2/16GK1796130SQ20041008198
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月29日 優(yōu)先權日2004年12月29日
發(fā)明者馬國棟, 李英堯, 胡宏盛 申請人:明基電通股份有限公司