專利名稱：控制柵極自對(duì)準(zhǔn)微噴頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴頭，尤其是涉及一種控制柵極自對(duì)準(zhǔn)微噴頭。
背景技術(shù)：
噴印技術(shù)作為一種典型的非硅制造技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)硅工藝的補(bǔ)充。與傳統(tǒng)的光刻成型技 術(shù)相比，高精度微噴印技術(shù)具有制作成本低，制造過程簡(jiǎn)單，可噴印基材種類多，可實(shí)現(xiàn)功能 材料、高分子、生物樣品、封裝用膠等材料的精細(xì)圖形噴印等優(yōu)點(diǎn)，既可作為常規(guī)圖形、圖 像的印制手段，又是下一代光電子柔性器件、大面積器件、曲面器件、光電子封裝、生物器 件等的最有前景的制造技術(shù)之一。傳統(tǒng)熱、壓電、靜電噴印技術(shù)已成熟，可噴印最小液滴約 10pl，最小線寬50pm，定位誤差20pm，能夠滿足一般文字、圖形圖像噴印要求。但限于結(jié)構(gòu) 和原理的局限性，傳統(tǒng)的噴印技術(shù)，工作能耗高，噴頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所獲得的液滴尺寸依賴于 噴頭內(nèi)徑，難以滿足下一代光電子對(duì)亞微米線寬制造的要求，開發(fā)高精度噴印技術(shù)已成必然。
基于電液動(dòng)力學(xué)的電液耦合(EHD)微噴印技術(shù)是一種全新的材料噴印技術(shù)，它利用電場(chǎng) 誘導(dǎo)"油墨"流變，在噴頭出口處形成Taylor錐，在電場(chǎng)力和表面張力等力的作用下，液滴從 Taylor錐尖端分離并噴射出，在基材上圖形化沉積。與傳統(tǒng)噴印相比，(1)微噴頭不含機(jī)械運(yùn) 動(dòng)或局部加熱單元，簡(jiǎn)單、可靠；(2)噴印液滴來自Taylor錐尖，液滴大小對(duì)噴頭內(nèi)徑依賴 性小，可采用較大內(nèi)徑的噴嘴，易加工，不易堵，材料適應(yīng)性強(qiáng)；(3)可噴印高粘度液體( 15000cP，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)20cP) ; (4)液滴尺寸可通過電場(chǎng)參數(shù)調(diào)節(jié)，最小直徑達(dá)300nm,遠(yuǎn)低 于傳統(tǒng)噴印的50^m。
微噴頭是實(shí)現(xiàn)微噴印技術(shù)的關(guān)鍵部件，目前基于EHD原理的微噴印技術(shù)普遍采用空心式 (hole/capillary-type)和帶實(shí)心針尖式(pole/needle-type)兩種噴頭結(jié)構(gòu)([1] Kazunori HAKIAI， Yuji ISHIDA et al., Japanese J. Applied Phys.， 44,2005， 5781)，兩者的區(qū)別僅在于噴頭內(nèi)部有無實(shí)心 針尖。同等尺寸的噴頭，后者可獲得尺寸更小的液滴，并有助于形成穩(wěn)定的Taylor錐，降低 啟始噴射電壓，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜([2] Yuji ISHIDA et al., Japanese Journal of Applied Physics Vol. 44， No. 7B， 2005， pp. 5786-5790; [3] Yuji ISHIDA et al" Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 45,2006,6475)。在大部分研究組所采用的實(shí)驗(yàn)裝置中，為了獲得足夠強(qiáng)的電場(chǎng)，在噴頭和 基底上設(shè)置電極，并分別連接至高壓電源的兩極，這要求位于噴頭和基底電極之間的基材必須是良好的導(dǎo)電材料，否則會(huì)削弱空間電場(chǎng)的分布，影響噴印的效果，這一缺陷限制了不導(dǎo) 電基材的使用，縮小了EHD噴印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域；另外，這種結(jié)構(gòu)還存在另一缺陷由于基 材表面平整度差等原因容易造成基底與噴頭之間間距的變化，嚴(yán)重影響了液滴噴射的穩(wěn)定性
([3]Yuji ISHIDA et al" Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 45, 2006, 6475)，成為電液耦
合微噴印技術(shù)實(shí)用化、商業(yè)化進(jìn)程的一大障礙。為了解決傳統(tǒng)的EHD噴印裝置的上述缺陷， 朝鮮的S丄ee ([4]Young min Kim， Sukhan Lee, et al" JOURNAL OF SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY AND SCIENCE, VOL.8, NO.2, JUNE, 2008)和日本的Y.isida等([3]Yuji ISHIDAet al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 45， 2006, 6475)提出采用外加?xùn)艠O代替 基底電極控制液滴噴射，克服了在基底上布置電極的缺陷。他們所在的研究組分別采用DRIE 工藝和陽極氧化法制作出針尖尺寸為2(Him和5^m的微噴頭，雖然可以實(shí)現(xiàn)直徑小于2(Hun 的液滴噴射，但噴射穩(wěn)定性差，液滴尺寸不均勻。主要原因是由于采用外加控制柵極結(jié)構(gòu)， 要實(shí)現(xiàn)液滴在柵極控制電壓的作用下，穿過柵極中心的小孔到達(dá)基底，必須保證液滴所處的 空間電場(chǎng)在水平方向?qū)ΨQ分布，即液滴在平行于基底方向受力平衡，這要求噴頭中心與柵極 中心小孔嚴(yán)格對(duì)中，否則液滴在離開針尖后將被吸附到柵極表面，無法在基底上沉積圖形， 還可能腐蝕柵極；另外，柵極與噴頭間間距是影響噴射性能的重要參數(shù)之一，在微尺度結(jié)構(gòu) 中，如果采用傳統(tǒng)的方法固定兩者間距，不僅操作不便而且可能引入較大誤差，影響該結(jié)構(gòu) 的實(shí)際噴射性能。如果采用微加工工藝的直接鍵合技術(shù)，限于目前的設(shè)備水平，鍵合前對(duì)準(zhǔn) 精度較低，直接鍵合兩個(gè)平面所能達(dá)到的精度無法滿足該結(jié)構(gòu)中噴頭和柵極的對(duì)中精度要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種控制柵極自對(duì)準(zhǔn)微噴頭。
本發(fā)明設(shè)有上層硅片和下層硅片，在上層硅片上表面設(shè)有上層電極，在上層硅片上設(shè)有 進(jìn)液孔，在進(jìn)液孔下方設(shè)有針尖，在上層硅片內(nèi)設(shè)有環(huán)狀定位孔，在下層硅片上表面設(shè)有絕 緣層，在下層硅片上表面設(shè)有與設(shè)于上層硅片內(nèi)的環(huán)狀定位孔相套接的定位環(huán)，在下層硅片 底部設(shè)有控制柵極，在下層硅片中部設(shè)有噴頭出口。
所述定位孔可為環(huán)形、矩形、三角形或其它任意的對(duì)稱形狀。所述針尖最好為實(shí)心針尖， 所述針尖與進(jìn)液孔最好采用一體式結(jié)構(gòu)，無需鍵合。所述進(jìn)液孔可采用十字形、 一字形或其 它形狀。所述針尖末端最好高出噴嘴，并且距離可調(diào)節(jié)。
上層硅片和下層硅片采用MEMS工藝分別加工，然后鍵合成一體式微噴頭。設(shè)于上層硅 片的環(huán)狀定位孔與設(shè)于下層硅片的定位環(huán)的作用是用于輔助上層硅片與下層硅片在鍵合前對(duì) 準(zhǔn)，保證上層硅片中的實(shí)心針尖與下層硅片中的控制柵極中心在同一直線。另外，通過控制 蝕刻時(shí)間長(zhǎng)短可以改變定位環(huán)的高度和環(huán)狀定位孔的深度，從而準(zhǔn)確控制噴嘴和控制柵極間間距；實(shí)心針尖末端高出噴頭出口，可以降低啟始噴射電壓，并有助于形成穩(wěn)定的Taylor錐， 獲得穩(wěn)定射流，在脈沖電壓作用下可得到穩(wěn)定液滴噴射。控制柵極的作用在于避免在基底上 設(shè)置電極，解放了噴印基材，使該結(jié)構(gòu)的微噴頭適用于在各種基材上進(jìn)行噴印。MEMS工藝 中一般采用摻雜硅作為襯底，因摻雜硅的電阻率較低，而噴頭工作時(shí)需要在上下兩層硅片的 電極間施加高壓，為了避免上下兩層硅片間導(dǎo)通，上下兩層硅片之間需要用絕緣材料分隔開。 本發(fā)明中，通過熱氧化工藝在下層硅襯底的配合面生長(zhǎng)一層Si02，然后在常溫下進(jìn)行Si-Si02 鍵合，既起到了絕緣分隔的作用，又簡(jiǎn)化了鍵合工藝。


圖l為本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)外觀示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的分解結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例上層硅片背面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例一體式進(jìn)液孔和實(shí)心針尖的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1 4所示，本發(fā)明設(shè)有上層硅片1和下層硅片2，在上層硅片l上表面濺射一層金薄膜 作為上層電極3，在上層硅片1上設(shè)有進(jìn)液孔6，在進(jìn)液孔6下方設(shè)有實(shí)心針尖7，在上層硅片l 內(nèi)設(shè)有環(huán)狀定位孔9，在下層硅片2上表面通過熱氧化法生長(zhǎng)一層Si02薄膜作為絕緣層4，在下 層硅片2上表面設(shè)有與設(shè)于上層硅片1內(nèi)的環(huán)狀定位孔9相套接的定位環(huán)8，在下層硅片2背面濺 射一層金薄膜作為控制柵極5，在下層硅片2中部設(shè)有噴頭出口10。
實(shí)心針尖7與進(jìn)液孔6采用一體式結(jié)構(gòu)，無需鍵合。進(jìn)液孔6采用十字形結(jié)構(gòu)。實(shí)心針 尖7末端高出噴嘴，并且距離可調(diào)節(jié)。
進(jìn)液孔6和實(shí)心針尖7通過在上層硅片1正面和背面分別進(jìn)行一次RIE刻蝕加工而成， 實(shí)心針尖7的末端與上層硅片1背面平齊，并超出周圍噴嘴部分l~10nm (具體數(shù)值可通過 控制刻蝕時(shí)間控制)。在刻蝕實(shí)心針尖7的同時(shí)刻蝕出了背面的環(huán)狀定位孔9。下層硅片正面 的定位環(huán)8在噴頭裝配時(shí)插入上層硅片1背面的定位孔9內(nèi)，起輔助定位作用。油墨由外接 管道從上層硅片1正面的進(jìn)液孔6進(jìn)入噴印頭。當(dāng)在上層電極3和控制柵極5間施加電壓后， 油墨在電場(chǎng)力作用下沿著實(shí)心針尖7流下，在針尖末端處形成穩(wěn)定Taylor錐，在電場(chǎng)力和表 面張力等力的綜合作用下液滴從Taylor錐尖端分離并從噴頭出液口 IO噴射出。調(diào)節(jié)電壓和 頻率可以控制液滴的噴射速度及液滴大小，實(shí)現(xiàn)按需噴印。
權(quán)利要求
1.控制柵極自對(duì)準(zhǔn)微噴頭，其特征在于設(shè)有上層硅片和下層硅片，在上層硅片上表面設(shè)有上層電極，在上層硅片上設(shè)有進(jìn)液孔，在進(jìn)液孔下方設(shè)有針尖，在上層硅片內(nèi)設(shè)有環(huán)狀定位孔，在下層硅片上表面設(shè)有絕緣層，在下層硅片上表面設(shè)有與設(shè)于上層硅片內(nèi)的環(huán)狀定位孔相套接的定位環(huán)，在下層硅片底部設(shè)有控制柵極，在下層硅片中部設(shè)有噴頭出口。
2. 如權(quán)利要求l所述的控制柵極自對(duì)準(zhǔn)微噴頭，其特征在于所述定位孔為環(huán)形、矩形或 三角形。
3. 如權(quán)利要求l所述的控制柵極自對(duì)準(zhǔn)微噴頭，其特征在于所述針尖為實(shí)心針尖。
4. 如權(quán)利要求1或3所述的控制柵極自對(duì)準(zhǔn)微噴頭，其特征在于所述針尖與進(jìn)液孔采用一 體式結(jié)構(gòu)。
5. 如權(quán)利要求l所述的控制柵極自對(duì)準(zhǔn)微噴頭，其特征在于所述進(jìn)液孔為十字形或一字形。
6. 如權(quán)利要求l所述的控制柵極自對(duì)準(zhǔn)微噴頭，其特征在于所述針尖末端高出噴嘴。
全文摘要
控制柵極自對(duì)準(zhǔn)微噴頭，涉及一種噴頭。提供一種控制柵極自對(duì)準(zhǔn)微噴頭。設(shè)有上層硅片和下層硅片，在上層硅片上表面設(shè)有上層電極，在上層硅片上設(shè)有進(jìn)液孔，在進(jìn)液孔下方設(shè)有針尖，在上層硅片內(nèi)設(shè)有環(huán)狀定位孔，在下層硅片上表面設(shè)有絕緣層，在下層硅片上表面設(shè)有與設(shè)于上層硅片內(nèi)的環(huán)狀定位孔相套接的定位環(huán)，在下層硅片底部設(shè)有控制柵極，在下層硅片中部設(shè)有噴頭出口。
文檔編號(hào)B41J2/14GK101590728SQ2009101120
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者孫道恒, 莊根煌, 磊 徐, 王凌云 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)