具有多層涂層的微流體裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了微流體裝置，其由材料層和在該材料層之中或其上形成的具有至少一個(gè)小于500μm的特征尺寸的流體輸送部件組成，所述材料層主要在耐化學(xué)性、熱穩(wěn)定性和生物相容性上有改善。耐化學(xué)性、熱穩(wěn)定性和生物相容性多層涂層提供在微流體裝置上并與之接觸，其中所述多層涂層包含主要由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成的一個(gè)或多個(gè)薄膜層和主要由氧化鉭構(gòu)成的一個(gè)或多個(gè)薄膜層，所述多層涂層位于流體輸送部件的表面上。本發(fā)明中使用的耐腐蝕性膜是特別有利的，因?yàn)槠淠軌蚴褂卯a(chǎn)生覆蓋復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的共形膜的原子層沉積膜形成法在微流體裝置的流體輸送部件的表面上形成，從而使耐腐蝕性膜能夠在與反應(yīng)物、分析物、油墨或在微流體裝置中使用的其他流體接觸的微流體裝置的流體輸送部件的所有表面上形成。
【專利說(shuō)明】具有多層涂層的微流體裝置
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明主要涉及微流體裝置領(lǐng)域，特別是其中將耐化學(xué)性薄膜層施加于該微流體裝置的流體輸送部件的微流體裝置。
[0002]發(fā)明背景
微流體技術(shù)涉及控制微小量的液體或氣體流動(dòng)通過(guò)具有小的特征尺寸的液體輸送部件的一組技術(shù)，使得液體流動(dòng)通過(guò)所述輸送部件的體積通常以納升和皮升計(jì)。出于輸送和分析這種極小體積流體的目的，微流體裝置包括使用微流體技術(shù)的大量不同類型的裝置。在范圍的較低值端時(shí)，一些微流體裝置也可以稱為納流體裝置，并且本文中使用的術(shù)語(yǔ)微流體裝置意在包括這種納流體裝置。
[0003]微流體裝置中的流體輸送通過(guò)以拓?fù)涞幕牟考问降牟牧蠈又谢蚱渖闲纬傻牧黧w輸送部件實(shí)現(xiàn)，所述拓?fù)涞幕牟考缡翘峁┳屃黧w通過(guò)的裝置的各個(gè)部件之間的流體輸送和/或流體流通的通道、溝槽和孔隙。這樣的流體輸送部件通常具有至少一個(gè)小于500 μ m，更通常小于100 μ m的特征尺寸(例如通道或溝槽的長(zhǎng)度、寬度或深度尺寸的至少一個(gè)，或孔隙的直徑或長(zhǎng)度，流體通過(guò)所述通道、溝槽或孔隙流動(dòng))。當(dāng)此類典型的通道或溝槽和孔隙的特征尺寸在大約幾十微米的范圍內(nèi)，則在有機(jī)(聚合物)基材或無(wú)機(jī)(例如硅晶圓)基材中的包含流體微通道和相互連接件的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的裝置可以設(shè)置在幾平方厘米尺寸內(nèi)的微流體芯片上。
[0004]微流體裝置可以與用于將微觀體積的流體從一個(gè)位置輸送至另一個(gè)位置的單一組件一樣簡(jiǎn)單，或其可以由連接在一起的幾個(gè)組件構(gòu)成使得全部組件為流體連通。因此，微流體裝置可以由單一微流體組件(用于實(shí)現(xiàn)特定目的的單一組件)或組件的組裝件(以特定順序組裝以實(shí)現(xiàn)特定目的的多個(gè)部件)構(gòu)成。已經(jīng)開發(fā)的一些更熟悉的微流體裝置是噴墨打印機(jī)(通常為用于打印油墨液滴陣列的微流體裝置的集成陣列形式)，包括按需滴式(drop on demand)打印機(jī)和連續(xù)式噴墨打印機(jī),和“縮微晶片實(shí)驗(yàn)室”測(cè)定裝置。微流體裝置可以用于各種目的，包括混合、輸送和遞送特定化學(xué)試劑(液體和氣體二者)至特定位置用于特定目的，包括血液分析、通過(guò)各種方法進(jìn)行的DNA分析、化學(xué)分析、化學(xué)合成、圖像形成等。
[0005]開發(fā)用于化學(xué)分析和其他潛在應(yīng)用的微流體技術(shù)(是指微流體裝置設(shè)計(jì)和理論、工程和制造)背后的驅(qū)動(dòng)力之一是微量化學(xué)反應(yīng)的時(shí)程由于與小流體體積相關(guān)的獨(dú)特物理性質(zhì)(physics)而很快，和微流體裝置可以容易地自動(dòng)化以完成常規(guī)測(cè)定和樣品制備。出于控制小流體體積流動(dòng)的目的，微流體裝置使用二維或三維結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可以是復(fù)雜平面、溝壕或溝槽、密封溝壕或通道、和孔隙或孔洞或其他復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，例如流動(dòng)分離器、流動(dòng)分割器、流動(dòng)阻隔器(用于引起混合)、控制流體流動(dòng)的閥、和具有包括可移動(dòng)元件的各種部件的其他各種類型的微觀結(jié)構(gòu)，所述可移動(dòng)元件可以用于各種目的，例如泵抽流體和控制流體流動(dòng)。
[0006]由于微流體裝置涉及的極小尺寸和存在加速反應(yīng)(由于與小流體體積相關(guān)的獨(dú)特物理性質(zhì)，微量反應(yīng)發(fā)生更快)，包括腐蝕反應(yīng)，微流體裝置具有與化學(xué)穩(wěn)定性(在很多情況下，為裝置的生物相容性)相關(guān)的獨(dú)特技術(shù)挑戰(zhàn)。要求用于構(gòu)造微流體裝置的材料的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性能確保在微流體裝置中使用的極小體積流體在使用期間不被裝置本身污染。此外，使用微流體流體輸送部件本身的性能操控和改變?cè)谶@些微流體輸送部件中的流體本身的性質(zhì)(通過(guò)例如由于流體輸送部件與在微流體裝置中滯留的流體相互作用而在流體相形成微量和納量自組裝結(jié)構(gòu))可能由于疏忽的由裝置本身導(dǎo)致的流體污染而復(fù)雜化，導(dǎo)致不可復(fù)制的結(jié)果。這種疏忽的污染使分析方法復(fù)雜化，并還可能在微流體裝置獲得的分析結(jié)果中引入過(guò)度偏差。
[0007]在生物流體的所有分析中，高度優(yōu)選微流體裝置表面為高度生物相容和化學(xué)惰性的，并且對(duì)分析物和用于生物測(cè)定的任何試劑無(wú)污染。聚二甲基硅氧烷(PDMS)，一種用于制造微流體裝置的常用材料，并且是高度生物相容的；然而，這種材料也是粘彈性的并且不是結(jié)構(gòu)剛性的，由此導(dǎo)致在一些裝置設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。PDMS也具有極高滲透性，使很多物質(zhì)(包括氣體、小分子和甚至聚合物)擴(kuò)散進(jìn)入和通過(guò)PDMS基體。換言之，用于微流體裝置中的PDMS基體能夠影響分析物中的材料濃度，因?yàn)榉治鑫镏械奈镔|(zhì)可以直接擴(kuò)散進(jìn)入該P(yáng)DMS裝置結(jié)構(gòu)中。在流體和PDMS壁結(jié)構(gòu)之間的界面發(fā)生的化學(xué)物質(zhì)的濃度梯度提供用于將物質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入PDMS壁結(jié)構(gòu)中的有效的動(dòng)力學(xué)致動(dòng)力。用于微流體裝置中的小流體體積將強(qiáng)烈地受到這些擴(kuò)散過(guò)程的影響，并且對(duì)于微流體裝置的可靠操作而言，這種情況是高度不期望的。
[0008]已知各種表面改性方法包括等離子處理的使用和另外的膜和涂層在微流體裝置上的施加。Mukhopadhyay 等人(Mukhopadhayay, S; Roy, S.S.; D’Sa, R.A.; Mathur, A.;Holmes, R.J.; McLaughlin, J.A.; Nanoscale Research Letters, 2011, 6:411)例如研究在由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制造的微流體裝置上使用各種表面改性(包括空氣中的電介質(zhì)勢(shì)壘放電表面改性、使用低壓RF等離子體的氮?dú)獾入x子體處理、無(wú)定形氫化碳涂層、和摻雜Si的氫化無(wú)定形碳的涂層)以觀察這種處理怎樣影響所述裝置中的流體流動(dòng)。
[0009]微流體裝置的生物應(yīng)用也要求在這種裝置上使用的任何膜或涂層顯示出高度生物相容性。如果在活細(xì)胞和其他細(xì)胞結(jié)構(gòu)的分析中使用微流體裝置，則這尤其重要，所述活細(xì)胞和其他細(xì)胞結(jié)構(gòu)的固有性質(zhì)(例如酶活性或特定基材吸附)可能由于與結(jié)構(gòu)的微流體裝置材料的不利的相容性反應(yīng)而變差。鉿金屬、氧化鉿、鋯金屬、氧化鋯、鉭金屬和氧化鉭全部被檢測(cè)過(guò)，并發(fā)現(xiàn)具有極高的生物相容性。Matsuno等人(Matsuno H,Yokoyama A, Watari F，Uo M, Kawasaki T, Biomaterials.2001 Jun;22 (11):1253-62)發(fā)現(xiàn)這三種材料全部為生物相容性的。S.Mohammadi等人(Journal of MaterialsScience: Materials in Medicine Volume 12, Number 7, 603-611，DO1: 10.1023/A: 1011237610299 “Tissue response to hafnium “ S.Mohammadi, M.Esposito, M.Cucu, L.E.Ericson and P.Thomsen)特別研究了鉿并發(fā)現(xiàn)相同的結(jié)果。Ta的生物相容性是熟知的(參見例如 Robert J.Hartling “Biocompatibility of Tantalum”,在 www.xmedics.com/tantalum_biocompatibility.htm和其中的參考文獻(xiàn)中)并且其已經(jīng)被用作支架的生物相容性耐腐蝕元件，所述生物相容性主要是由于在暴露于生物系統(tǒng)中的含水流體之后在鉭金屬表面上形成的極為化學(xué)惰性的氧化物的薄層。
[0010]鉿金屬、氧化鉿、鋯金屬、氧化鋯、鉭金屬和氧化鉭的化學(xué)穩(wěn)定性也是熟知的。Rai等人(D.Rai, Y.Xia, N.J.Hess, D.M.Strachan, and B.P.McGrail J.SolutionChem, 30(11) (2001) 949-967)例如提供了關(guān)于無(wú)定形HfO2溶解性的信息。相當(dāng)?shù)腪rO2 溶解度曲線由 Curti 和 Degueldre (E.Curti and C.Delgueldre, RadiochimicaActa, 90(9-11) (2002)801-804)得出，其基于ZrO2的溶解度文獻(xiàn)的調(diào)查。Betrabet等人(Betrabet, H.S.; Johnson, W.B.; MacDonald, D.D.; Clark, ff.A.T.“Potential-pHDiagrams for the Tantalum Water System at Elevated Temperatures，，， Proc.Electrochem.Soc.1984, 83-94)已研究了在具有Pourbaix圖結(jié)構(gòu)的組金屬-氧化組體系中的化學(xué)穩(wěn)定性。氧化物HfO2, ZrO2和Ta2O5各自已知為在含水流體中具有異常低的化學(xué)反應(yīng)性和溶解性。另外，這三種氧化物一Hf02、ZrO2和Ta2O5—也已知為在與有機(jī)流體和幾乎所有氣體(除了鹵化酸性氣體如HF和HCl)接觸時(shí)具有良好的穩(wěn)定性。
[0011]在數(shù)字控制的、電子打印領(lǐng)域，噴墨打印已經(jīng)被認(rèn)為是主導(dǎo)性競(jìng)爭(zhēng)者。噴墨打印的很多優(yōu)點(diǎn)例如為其無(wú)沖擊、低噪音特性、使用普通紙、和其避免調(diào)色劑轉(zhuǎn)移和固定。噴墨打印機(jī)制可以按技術(shù)分類成按需滴式噴墨或連續(xù)式噴墨。按需滴式噴墨和連續(xù)式噴墨打印都使用由材料層和位于該材料層中或其上的液滴形成機(jī)件和噴嘴構(gòu)成的打印頭。所述打印頭中的液滴形成機(jī)件、噴嘴和相關(guān)油墨通道以用于打印油墨液滴陣列的微流體裝置的集成陣列形式提供。
[0012]一類數(shù)字控制的打印技術(shù)、按需滴式噴墨打印通常提供使用加壓致動(dòng)器(熱的、壓電的等)沖擊記錄表面的油墨液滴。加壓致動(dòng)器也稱為液滴形成機(jī)件。致動(dòng)器或液滴形成機(jī)件的選擇性啟用導(dǎo)致橫跨打印頭和打印介質(zhì)之間的空間的油墨液滴的形成和噴出并擊打打印介質(zhì)。打印圖像的形成通過(guò)控制單個(gè)油墨液滴的形成實(shí)現(xiàn)，如形成期望的圖像所需要的。使用位于便捷位置的熱致動(dòng)器(電阻加熱器)加熱油墨，導(dǎo)致一定量油墨相變成氣體蒸氣泡。這增加了足以驅(qū)出油墨液滴的內(nèi)部油墨壓力。然后，隨著加熱元件冷卻，蒸氣泡崩解，所得真空從儲(chǔ)器吸取流體以替換從噴嘴噴出的油墨。在熱致動(dòng)的按需滴式噴墨打印頭中的電阻加熱器在極其苛刻的環(huán)境中工作。它們連續(xù)地加熱和冷卻以使通常含有過(guò)熱極限為約300°的水基油墨的液滴能夠形成。在這些循環(huán)應(yīng)力的條件下，在熱油墨、溶解的氧氣和可能的其他腐蝕性物質(zhì)的存在下，所述加熱器的電阻將增大并且最終由于侵蝕所述加熱器或其保護(hù)層(化學(xué)腐蝕和空蝕)的機(jī)制加速的氧化和疲勞的結(jié)合而出故障。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知由于在打印系統(tǒng)中在噴墨打印頭的操作期間發(fā)生的用油墨、打印流體或清潔流體的空蝕過(guò)程和熱活化的腐蝕過(guò)程，在熱致動(dòng)的按需滴式噴墨打印頭的液滴形成機(jī)件中使用的耐加熱元件可能故障。
[0013]為了防止按需滴式打印機(jī)中加熱器材料上的氧化、腐蝕和空蝕效果，噴墨制造商使用堆疊的保護(hù)層，通常由Si3N4、SiC和Ta制成。在某些現(xiàn)有技術(shù)的裝置中，保護(hù)層相對(duì)厚。授權(quán)于Anderson等人(assigned to Lexmark)白勺美國(guó)專利N0.6，786，575例如對(duì)于約0.1 μ m厚的加熱器具有0.7 μ m的保護(hù)層一即對(duì)于約100 nm厚的加熱器具有700 nm的保護(hù)層。美國(guó)專利公開2011/0018938公開了具有延伸通過(guò)基材的油墨流動(dòng)孔隙的打印裝置，其中所述孔隙的側(cè)壁涂布有選自二氧化硅、氧化鋁、氧化鉿和氮化硅的涂層。唯一示例性的涂層為20，000 Angstrom (2000 nm)厚的二氧化娃涂層。
[0014]第二類數(shù)字控制打印技術(shù)是連續(xù)式噴墨打印機(jī)，通常稱為“連續(xù)流式”或“連續(xù)式”噴墨打印機(jī)。這些打印機(jī)使用加壓油墨源和鄰近于來(lái)自加壓油墨源的油墨的流動(dòng)的微流體液滴形成機(jī)件以產(chǎn)生連續(xù)的油墨液滴流。連續(xù)式噴墨打印機(jī)的一些設(shè)計(jì)使用位于靠近油墨絲碎成單獨(dú)的油墨液滴的位點(diǎn)的靜電裝置。使油墨液滴帶電，然后通過(guò)偏斜電極導(dǎo)至合適位置。當(dāng)不需要打印時(shí)，油墨液滴被導(dǎo)進(jìn)油墨捕獲機(jī)件(通常稱為捕集器、遮斷器或溝槽)。當(dāng)需要打印時(shí)，油墨液滴被導(dǎo)向擊打打印介質(zhì)?？蛇x地，可以使偏斜的油墨液滴擊打打印介質(zhì)，而在油墨捕集機(jī)件中收集非偏斜油墨液滴。
[0015]美國(guó)專利N0.1,941,001 (于1933年12月26日授予Hansell)和美國(guó)專利N0.3,373,437 (于1968年3月12日授予Sweet等人)，各自公開了連續(xù)式噴墨噴嘴陣列，其中待打印的油墨液滴通過(guò)由材料層和液滴形成機(jī)件構(gòu)成的打印頭形成，液滴選擇性地帶電并向記錄介質(zhì)偏斜。這種技術(shù)稱為雙向偏斜連續(xù)式噴墨。
[0016]連續(xù)式流動(dòng)噴墨的后期發(fā)展改進(jìn)了液滴形成方法、液滴形成機(jī)件和液滴偏斜的方法。例如，美國(guó)專利N0.3，709, 432 (于1973年I月9日授予Robertson)公開了通過(guò)使用傳感器用于促進(jìn)工作流體絲以將工作流體碎成均勻間隔的油墨液滴的方法和裝置，以及用于在工作流體絲碎成液滴之前控制其軌跡的方法。
[0017]美國(guó)專利N0.6，079，821 (于2000年6月27日授予Chwalek等人)公開了連續(xù)式噴墨打印機(jī)和具有液滴形成機(jī)件的打印頭，其使用不對(duì)稱電阻加熱器致動(dòng)以形成并控制來(lái)自工作流體絲的各油墨液滴的軌跡。打印頭包括加壓油墨源和能夠運(yùn)行形成打印油墨液滴和非打印油墨液滴的不對(duì)稱加熱器。打印油墨液滴沿著最終擊打打印介質(zhì)的打印油墨液滴路徑流動(dòng)，同時(shí)非打印油墨液滴沿著最終擊打捕集器表面的非打印油墨液滴路徑流動(dòng)。非打印油墨液滴再循環(huán)或通過(guò)捕集器中形成的油墨去除通道棄置。
[0018]盡管在Chwalek等人中公開的噴墨打印機(jī)在其預(yù)期目的方面運(yùn)行得非常好，但使用加熱器使油墨液滴形成并偏斜增大了該裝置的能量和功率需求。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知在噴墨打印頭中花費(fèi)的增大的能量和功率增大了由熱致動(dòng)腐蝕和空蝕過(guò)程導(dǎo)致的打印頭故障的可能性，所述熱致動(dòng)腐蝕和空蝕過(guò)程在噴墨打印頭與油墨、打印流體或清潔流體接觸過(guò)程期間發(fā)生。
[0019]美國(guó)專利N0.6，588，888 (于2003年7月8日授予Jeanmaire等人)公開了能夠形成不同尺寸的液滴并具有用于提供打印和非打印液滴的可變液滴偏斜的液滴偏斜器系統(tǒng)的連續(xù)式噴墨打印機(jī)。由Jeanmaire公開的打印頭包含多個(gè)噴嘴和在由環(huán)形加熱器構(gòu)成的各噴嘴上的液滴形成機(jī)件，所述環(huán)形加熱器至少部分地形成或位于圍繞相應(yīng)噴嘴的打印頭基材的硅材料層上或其中。各加熱器主要由通過(guò)導(dǎo)體電力地連接至可控制電源的電阻加熱元件構(gòu)成。各噴嘴通過(guò)也在打印頭中形成的油墨通道或液體室與油墨供應(yīng)件流體連通。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知，由于當(dāng)噴墨打印頭與在打印系統(tǒng)中使用的油墨、打印流體或清潔流體接觸下運(yùn)行時(shí)發(fā)生的熱引起的腐蝕過(guò)程，作為所述液滴形成機(jī)件的一部分公開的熱致動(dòng)電阻加熱元件可以變得無(wú)功能。
[0020]然后，已知由于暴露于打印系統(tǒng)中使用的油墨和其他流體，按需滴式打印頭和連續(xù)式噴墨打印頭在使用期間都經(jīng)歷腐蝕和磨損。按需滴式和連續(xù)式噴墨打印裝置中的打印頭與油墨連續(xù)接觸并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)按需滴式和連續(xù)式噴墨打印頭因與打印裝置中使用的油墨和其他流體的連續(xù)接觸而隨時(shí)間流逝而退化。例如，早在1977年Beach, Hilderbrandt和Reed就發(fā)現(xiàn)噴墨打印機(jī)中材料選擇的重要性，因?yàn)槠渑c耐腐蝕和耐磨損相關(guān)。B.L.Beach，C.W.Hilderbrandtj W.H.Reed; IBM Journal of Research and Development,第 21 卷，1977 年 I 月，第 75-80 頁(yè);“Materials Selection for an Inkjet Printer，，。如前所述，按需滴式打印頭和連續(xù)式噴墨打印頭兩者的所觀察到的性能退化的常見解決方法是用耐腐蝕性的和/或耐磨損性的層或膜涂覆打印頭。Lee、Eldridge、Liclican和Richardson提出使用鈍化層解決連續(xù)式噴墨打印頭中耐腐蝕和耐磨損問(wèn)題，并發(fā)現(xiàn)含有娃、碳和氫的無(wú)定形膜對(duì)于改善耐腐蝕性和耐磨損性有效。含有娃、碳和氫的無(wú)定形膜也稱為無(wú)定形碳化娃膜、無(wú)定形碳化娃層、碳化娃和SiC ;M.H.Lee、J.M.Eldridge、L.Liclican、和 R.E.Richardson Jr.; Journal of the Electrochemical Society129(10)，(1982), 2174-2178; “Electrochemical test to evaluate passivationlayers:Overcoats of Si in Ink”。Gendler和Chang證明施加于噴墨打印頭上的無(wú)定形碳化娃層上的油墨制劑的腐蝕效果。P.L.Gendler和L.S.Chang, Chem.Mater.3(1991)635-641; “Adverse Chemical Effects on the Plasma - Deposited AmorphousSilicon Carbide Passivation Layer of Thermal Ink-Jet Thin-Film Heaters，，。本令頁(yè)域技術(shù)人員熟知包含液滴形成機(jī)件的噴墨打印頭所需要的化學(xué)穩(wěn)定性。打印頭的化學(xué)穩(wěn)定性的要求包括在完全浸沒(méi)在打印系統(tǒng)中使用的油墨和任何其他另外的流體(例如清潔流體和圖像穩(wěn)定化流體)中時(shí)打印頭的穩(wěn)定性，所述清潔流體和圖像穩(wěn)定化流體含有本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的聚合物、分散劑、表面活性劑、鹽、溶劑、潤(rùn)濕劑、顏料、染料、媒染劑等。已知高度期望打印頭具有免于來(lái)自擴(kuò)散過(guò)程的陰離子和陽(yáng)離子污染物的作用，所述擴(kuò)散過(guò)程發(fā)生在打印頭暴露于在打印系統(tǒng)中使用的含有陽(yáng)離子和陰離子的油墨或其他流體時(shí)。這些要求適用于所有噴墨打印技術(shù)，包括按需滴式和連續(xù)式噴墨數(shù)字控制打印技術(shù)。
[0021]在美國(guó)專利N0.6, 502, 925中，Anagnostopoulos等人描述了由材料層和液滴形成機(jī)件構(gòu)成的噴墨打印頭。所述材料層由硅基材形成并包括噴嘴陣列和在其中形成的用于控制打印頭運(yùn)行的集成電路。硅基材具有一個(gè)或多個(gè)在其中形成的沿著噴嘴陣列的縱向的油墨通道，也稱為油墨室。所述材料層也包含覆蓋硅基材的一個(gè)或多個(gè)絕緣層，并且所述一個(gè)或多個(gè)絕緣層具有沿著基材長(zhǎng)度形成于其中的噴嘴開口或孔系列或陣列，各噴嘴開口與油墨通道連通。噴嘴陣列的各噴嘴通過(guò)在打印頭中形成的油墨通道、油墨通路或液體室與油墨供應(yīng)件流體連通。包含噴嘴開口的區(qū)域形成常規(guī)平面以有利于打印頭的保持。液滴形成機(jī)件(材料層的一部分)由電阻加熱器元件(也稱為電阻加熱器)構(gòu)成，并且至少一個(gè)液滴形成機(jī)件與各噴嘴開口或孔相連，以當(dāng)油墨通過(guò)噴嘴開口或孔時(shí)不對(duì)稱地或?qū)ΨQ地加熱油墨。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知打印頭的材料層和在該材料層中或其上的液滴形成機(jī)件也易發(fā)生化學(xué)腐蝕過(guò)程，還已知能夠使打印頭故障的另外途徑涉及由于所述材料層或其任何元件的腐蝕引起的所述材料層和任何相關(guān)電路的故障。
[0022]具有噴墨打印頭相關(guān)的作為液滴形成機(jī)件的一部分的材料層和熱致動(dòng)器或電阻加熱器的噴墨打印頭的使用壽命取決于多個(gè)因素，包括但不限于例如電介質(zhì)擊穿、腐蝕、疲乏、電遷移、污染、熱錯(cuò)配、靜電放電、材料相容性、層離和濕度。因此，引入打印頭、液滴形成機(jī)件和液體室的材料層上的層、膜或涂層以用于提供足以抵擋上述不同類型故障模式的打印頭牢固性。已經(jīng)研究了各種類型的層、涂層和膜的耐腐蝕性。Anderson等人的美國(guó)專利6，786，575例如公開了包含碳化硅和氮化硅的鈍化層的使用。層、涂層和膜的組合也稱為組合層、組合涂層和組合膜。層、膜或涂層中的組合層為其中基本由一種材料構(gòu)成的層覆蓋并與第二種材料的第二層接觸的層、膜或涂層，所述第二種材料是不同于第一種材料的化學(xué)組成。僅由兩種不同材料的兩個(gè)層、膜或涂層構(gòu)成的組合層也稱為雙層。當(dāng)使用三種不同材料并彼此覆蓋時(shí)，組合層可以稱為三層，等等。復(fù)雜涂層可以由多個(gè)組合層構(gòu)成。例如，復(fù)雜膜、層或涂層可以由多個(gè)雙層或多個(gè)組合層、組合膜或組合涂層構(gòu)成。由不同材料的多個(gè)層構(gòu)成的復(fù)雜涂層也稱為堆疊制品或?qū)雍现破?，其中至少存在兩個(gè)可區(qū)別的、化學(xué)不同的材料。由兩個(gè)或多個(gè)不同的化學(xué)可區(qū)別材料的層構(gòu)成的膜有時(shí)也稱為層合材料、層合膜、層合層、層合涂層、多層膜等。具有至少兩個(gè)厚度小于100 nm的層的層合膜也稱為微層合材料。微層合材料有時(shí)也稱為納米層合材料。
[0023]組合層，尤其是由多個(gè)雙層構(gòu)成的復(fù)雜的多層膜，已經(jīng)被研究用于各種應(yīng)用中的耐腐蝕性并具有混合的結(jié)果。例如，Matero等人開發(fā)了 Al2O3-TiO2組合層(也稱為Al2O3-TiO2雙層)在304不銹鋼上作為耐腐蝕涂層的用途，如R.Matero, M.Ritala, M.Leskalae, T.Salo, J.Aromaa, A.Forsen; J.Phys.1V 9 (1999) Pr8_493 至Pr9_499;“Atomic Layer deposited thin films for corrosion protection，，中所述。盡管發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的Al2O3和TiO2具有不滿意的耐腐蝕性，但Al2O3-TiO2雙層結(jié)構(gòu)相對(duì)于雙氧化物膜顯示出改善的耐腐蝕性。然而，作者特別指出，他們發(fā)現(xiàn)“通過(guò)增加層數(shù)目沒(méi)有改善性能的明顯趨勢(shì)”。Almomani和Aita研究了組合層在氧化鉿-氧化招體系即HfO2-Al2O3體系中用于生物醫(yī)學(xué)植入的改善的耐腐蝕性，如M.A.Almomani和C.R.Aita,在J.Vac.Sc1.Technol.A,27(3)(2009)449-455 “Pitting corrosion protection of stainless steel by sputterdeposited hafnia, alumina, and hafnia-alumina nanolaminate films，，中所述。
[0024]也已經(jīng)研究了組合層的不同于提供化學(xué)耐腐蝕保護(hù)的功能。美國(guó)專利N0.7，426，067公開了微機(jī)械裝置上各種層組合物或?qū)咏M合的原子層堆積以提供例如物理保護(hù)以防磨損并提供電絕緣。在文獻(xiàn)中已經(jīng)討論了控制在具有氧化鋁夾層的氧化鋯或氧化鉿層合膜中的氧化鋯和氧化鉿的結(jié)晶以實(shí)現(xiàn)用于電容器和夾層電介質(zhì)應(yīng)用的原子光滑表面。Hausmann 和 Gordon [D.M Hausmann 和 R.G.Gordon 在 Journal of Crystal Growth, 249(2003) 251-261; “Surface morphology and crystallinity control in the atomiclayer deposition (ALD) of hafnium and zirconium oxide thin films”中]例如報(bào)道，阻止兩個(gè)氧化鉿或氧化鋯的較厚層之間的晶體生長(zhǎng)所需要的氧化鋁層的最小數(shù)目為:在約100個(gè)氧化錯(cuò)或氧化鉿層(10 nm氧化錯(cuò)或氧化鉿)之間有約5個(gè)氧化招層(0.5 nm氧化招)。在文獻(xiàn)中已經(jīng)討論了控制在具有氧化鉭夾層的氧化鉿層合膜中的氧化鉿的結(jié)晶以實(shí)現(xiàn)用于電容器應(yīng)用的光滑表面。Kukli, Ihanus, Ritala 和 Leskela [K.Kulki, J Ihanus,M.Ritala, M.Leskela, Appl.Phys.Lett.68(26) 1996 年 6 月 24 日第 3737 頁(yè)]報(bào)道當(dāng)HfO2-Ta2O5納米層合材料中的HfO2層的厚度大于10 nm時(shí)觀察到HfO2結(jié)晶。
[0025]期望用于連續(xù)式噴墨打印的噴墨打印頭應(yīng)該在延長(zhǎng)的時(shí)間段里無(wú)故障運(yùn)行。上述的一種類型的故障可能需要更換打印頭，涉及在打印頭液滴形成機(jī)件中的熱致動(dòng)電阻加熱元件的腐蝕、化學(xué)溶解和任選空蝕誘導(dǎo)的故障。還已知其他加熱的和未加熱的打印頭表面(例如位于打印頭的材料層任何位置的那些，包括并入打印頭材料層的集成電路的表面，所述表面具有暴露于在打印系統(tǒng)中使用的油墨或其他流體的可能性)可能在暴露于數(shù)字控制打印系統(tǒng)中使用的油墨和流體時(shí)腐蝕。材料層上或鄰近于材料層的表面的腐蝕能夠?qū)е麓蛴☆^變得無(wú)功能。本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)為，耐化學(xué)性更好和更熱穩(wěn)定的噴墨打印頭是被高度期望的，其可以提供打印裝置易于使用、設(shè)備維修和全部多功能化的實(shí)質(zhì)性好處。耐化學(xué)性、熱穩(wěn)定性和生物相容性在其他類型的微流體裝置(例如縮微晶片實(shí)驗(yàn)室和微反應(yīng)器裝置)中進(jìn)一步有益。因此，需要具有耐化學(xué)性的、熱穩(wěn)定性的和生物相容性的微流體裝置的改善的涂層。
[0026]發(fā)明概述
在鉿金屬、氧化鉿、鋯金屬、氧化鋯、鉭金屬和氧化鉭的情況下，出于改善微流體裝置性能目的而使用的膜是化學(xué)惰性的和生物相容的是不足夠的。如果這些膜或涂層具有孔隙或缺陷，則這些缺陷將影響接觸所述膜表面的任何流體的化學(xué)純度，因?yàn)閬?lái)自所述流體的物質(zhì)可以擴(kuò)散進(jìn)入這些缺陷。在微流體裝置中使用的小體積流體中的物質(zhì)濃度強(qiáng)烈地受到與微流體裝置本身相互作用的影響，因此強(qiáng)烈受到從所述流體進(jìn)入裝置結(jié)構(gòu)中的物質(zhì)擴(kuò)散的影響。然后，使在微流體裝置中使用的任何類型的膜或涂層中存在缺陷數(shù)目最小化以改善和提高微流體裝置或組件的可靠操作是重要的。
[0027]因此本發(fā)明目的是提供由材料層和在該材料層之中或其上形成的流體輸送部件構(gòu)成的微流體裝置，該流體輸送部件具有至少一個(gè)小于500 μ m的特征尺寸，所述材料層在耐化學(xué)性、熱穩(wěn)定性和生物相容性方面有大幅改善。本發(fā)明的目的是通過(guò)提供耐化學(xué)性、熱穩(wěn)定性和生物相容性多層涂層到微流體裝置上并與之接觸而實(shí)現(xiàn)，其中所述多層涂層包括主要由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成的一個(gè)或多個(gè)薄膜層和主要由氧化鉭構(gòu)成的一個(gè)或多個(gè)薄膜層，所述多層涂層位于流體輸送部件的表面上。
[0028]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述多層涂層可以包含基本由氧化鉿構(gòu)成和基本由氧化鉭構(gòu)成的多個(gè)交替薄膜層，其位于微流體裝置的流體輸送部件的表面上。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，所述多層涂層可以包括基本由氧化鋯構(gòu)成和基本由氧化鉭構(gòu)成的多個(gè)交替薄膜層，其位于微流體裝置的流體輸送部件的表面上。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述微流體裝置可以為噴墨打印機(jī)的打印頭中的液滴形成機(jī)件形式，并且在特定實(shí)施方案中，可以為連續(xù)流式噴墨打印機(jī)中使用的連續(xù)式噴墨打印頭中的液滴形成機(jī)件。
[0029]本發(fā)明中使用的耐腐蝕性膜是尤其有利的，因?yàn)槠淠軌蚴褂卯a(chǎn)生覆蓋復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的共形膜(conformal films)的膜形成法在微流體裝置的流體輸送部件的表面上形成，從而使耐腐蝕性膜能夠在與反應(yīng)物、分析物、油墨或在微流體裝置中使用的其他流體接觸的微流體裝置的流體輸送部件的所有表面上形成。
[0030]本發(fā)明的另一方面是耐磨耗性(abrasion)層(例如含有娃、氮、碳和氧的層)以提供與本發(fā)明使用的耐化學(xué)性膜組合的機(jī)械保護(hù)膜的用途。此類耐磨耗性層可以提供成覆蓋并與耐化學(xué)性膜的全部區(qū)域或可選地耐化學(xué)性膜的僅部分接觸，或者可選地可以提供在耐化學(xué)性膜的全部區(qū)域或選擇的部分的下方。
[0031]附圖簡(jiǎn)述
在下方顯示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述中，參照并非必須是按比例的附圖，其中:
圖1是使用按需滴式打印頭的按需滴式噴墨打印機(jī)系統(tǒng)的示意圖；
圖2是使用連續(xù)式噴墨打印頭的連續(xù)式噴墨打印系統(tǒng)的示意圖；
圖3a和3b是在一些不同類型的噴墨打印頭中的噴嘴和液滴形成機(jī)件的截面?zhèn)纫晥D，其中圖3a顯示熱頂部發(fā)射式的按需滴式熱噴墨噴嘴的示意截面圖，并圖3b顯示熱背倍發(fā)射式按需滴式熱噴墨噴嘴的示意截面圖。
[0032]圖4是本發(fā)明的實(shí)施方案中使用的類型的連續(xù)式噴墨打印頭的示意俯視圖； 圖5是在打印頭上的本發(fā)明的實(shí)施方案中使用的多層耐腐蝕性膜的截面圖，其中耐腐蝕性膜中的交替層為氧化鉿和氧化鉭。
[0033]圖6是在已經(jīng)涂有本發(fā)明的實(shí)施方案中的多層耐腐蝕性膜的連續(xù)式噴墨打印頭中的噴嘴和液滴形成機(jī)件的截面?zhèn)纫晥D；
圖7是在打印頭上的本發(fā)明的實(shí)施方案中使用的多層耐腐蝕性膜的截面圖，其中，耐腐蝕性膜中的交替層為氧化鋯和氧化鉭；
圖8是本發(fā)明的實(shí)施方案中的在具有粘結(jié)促進(jìn)層的連續(xù)式噴墨打印頭中的噴嘴和液滴形成機(jī)件的截面?zhèn)纫晥D，所述打印頭已經(jīng)涂有多層耐腐蝕性膜；
圖9是在具有粘結(jié)促進(jìn)層的連續(xù)式噴墨打印頭中的噴嘴和液滴形成機(jī)件的截面?zhèn)纫晥D，所述打印頭已經(jīng)涂有本發(fā)明的多層耐腐蝕性膜和耐磨耗性膜。
[0034]發(fā)明詳述
本發(fā)明將特別涉及形成根據(jù)本發(fā)明的裝置和組合物的一部分的原件或與根據(jù)本發(fā)明的裝置和組合物更直接地配合的元件。理解為，沒(méi)有具體示出或描述的元件可采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的各種形式。
[0035]通常的微流體裝置組件包括泵、閥、混合器、過(guò)濾器和分離器。微流體泵的實(shí)例包括:熱毛細(xì)管泵，其中由熱致動(dòng)器供應(yīng)的溫度脈沖形成通道中的液滴的前端和后端之間的凈壓力失衡(net pressure imbalance),因此導(dǎo)致液滴移動(dòng)；基于蒸騰的微型泵,其中流體的液面(miniscus)在疏水性界面停住，該液面處的流體蒸發(fā)誘導(dǎo)流體泵出通過(guò)該體積的毛細(xì)管微流體通道；電滲泵，其中施加橫跨毛細(xì)管(微流體流體通道)的長(zhǎng)度的電場(chǎng)，并且由于所施加的導(dǎo)致可移動(dòng)抗衡離子朝相反電荷電極遷移的電場(chǎng)，由流體和流體接觸的表面上的表面電荷之間相互作用產(chǎn)生的雙電層的擴(kuò)散層中的可移動(dòng)抗衡離子經(jīng)受靜電力。在電滲泵的情況下，雙電層(也稱為Gouy層，Gouy-Chapman層、Debye層)的抗衡離子層有效地形成攜帶大量液體的“護(hù)套”，使其朝相同方向移動(dòng)。控制電滲泵抽性能的關(guān)鍵參數(shù)包括施加的電場(chǎng)(電壓)、通道的截面尺寸、毛細(xì)管中固體表面上的表面電荷密度、與流體接觸的微流體通道和工作流體的抗衡離子密度(pH)。特別地，與電滲泵中的流體接觸的毛細(xì)管微流體通道的表面的特征是特別重要的，對(duì)于一些應(yīng)用，期望在高電場(chǎng)抑制電滲流動(dòng)。在后面的情況下，能夠控制微流體裝置中的表面電荷是重要的。微流體裝置領(lǐng)域技術(shù)人員意識(shí)到，微流體裝置的表面改性一包括等離子體基表面改性和薄膜和涂層的應(yīng)用一是實(shí)現(xiàn)表面電荷控制的特別吸引人的方法。薄膜制造和設(shè)計(jì)領(lǐng)域中已知，由多層構(gòu)成的薄膜可能具有通過(guò)材料的適當(dāng)選擇而控制和操控表面電荷(包括多層薄膜或涂層的最外表面)的優(yōu)點(diǎn)。
[0036]微流體裝置中使用的流體輸送的其他獨(dú)特方法包括液滴的電潤(rùn)濕，其中接地電位的導(dǎo)電液體的液滴位于具有疏水性表面的水平的電介質(zhì)涂布的電極上，向電極施加電壓，由于流體中的偶極重置，響應(yīng)于所施加的電場(chǎng)，液滴變平并擴(kuò)散。通過(guò)使用電介質(zhì)涂布的電極的陣列可以實(shí)現(xiàn)流體輸送，向所述電介質(zhì)涂布的電極以特定序列施加電壓，將所述特定序列設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)液滴在二維表面上運(yùn)動(dòng)的方式促進(jìn)表面上的流體潤(rùn)濕和去濕。具有大介電常數(shù)的電介質(zhì)材料有利于應(yīng)用，例如電潤(rùn)濕。已知由電介質(zhì)材料層構(gòu)成的薄膜可以具有異常高的介電常數(shù)。
[0037]因此，很多方法用于設(shè)計(jì)和制造微流體泵，包括使用施加的壓力差(例如Poiseuille流)，使用毛細(xì)管力(例如熱毛細(xì)管泵)，使用電場(chǎng)(例如電滲和/或電泳流)，和使用界面張力梯度(例如通過(guò)使用施加于流體或液滴的熱梯度，依賴于Marangoni流動(dòng)以實(shí)現(xiàn)流體泵抽或液滴輸送的微流體裝置)。還存在設(shè)計(jì)和制造微流體裝置領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的很多其他方法。
[0038]微流體裝置中的流體混合可以通過(guò)主動(dòng)和被動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)。主動(dòng)方法包括使用具有靜態(tài)場(chǎng)或交替場(chǎng)的電滲流，使用采用微磁珠的磁力攪拌，使用氣泡誘導(dǎo)致動(dòng)(其中操控氣泡從而引起微流體裝置中局部區(qū)域的混合)，使用超聲能以引起混合。還存在設(shè)計(jì)和制造微流體裝置領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的混合的其他主動(dòng)方法。用于在微流體裝置中混合流體的被動(dòng)方法包括使用復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以通過(guò)隨著流體圍繞通道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)流動(dòng)而導(dǎo)致局部湍流來(lái)誘導(dǎo)具有低雷諾數(shù)的層流流體流動(dòng)中的混合。可選地，通過(guò)使用所謂的“分開和再結(jié)合”法可以實(shí)現(xiàn)在微流體裝置中完成的低雷諾數(shù)層流流動(dòng)的混合，在該“分開和再結(jié)合”法中，使用具有多層對(duì)齊的多個(gè)平版印刷法步驟制造三維通道結(jié)構(gòu)。三維通道結(jié)構(gòu)用于將待混合的流體分成多股流，并且該多股流然后重新組裝(或再結(jié)合)成由不同流體的交替層流構(gòu)成的復(fù)雜流體。在所述微流體裝置的通道中流動(dòng)的這種復(fù)雜層流流體然后借助于使用橫向流場(chǎng)力而進(jìn)行混合，所述橫向流場(chǎng)力可以被認(rèn)為是誘導(dǎo)流動(dòng)旋轉(zhuǎn)并伴隨可能的混沌流效應(yīng)。這種橫向流動(dòng)力因此誘導(dǎo)復(fù)雜流體中的各層流之間物質(zhì)的擴(kuò)散，導(dǎo)致流體層流中各層的混合，結(jié)果是在整個(gè)流體體積中，流體中物質(zhì)的分布變得隨機(jī)化和均勻。
[0039]微流體裝置中使用的閥可以是被動(dòng)或主動(dòng)設(shè)計(jì)的。在被動(dòng)閥設(shè)計(jì)中，沒(méi)有閥組裝件或組件的可移動(dòng)零件，并且閥的操縱要求在層流流態(tài)中經(jīng)歷流體輸送的至少兩種不同的流體，并且不同的流體通過(guò)閥孔口或出口的流動(dòng)通過(guò)一種流體相對(duì)于另一種在各流體相互接觸的空間位置的內(nèi)部壓力確定。主動(dòng)閥設(shè)計(jì)使用可移動(dòng)部件，其可以通過(guò)各種手段致動(dòng)以實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)以限制、阻礙或停止流體在閥組裝件的空間位置中的輸送。閥的可移動(dòng)部件的致動(dòng)通常通過(guò)應(yīng)用某些種能量，包括電磁能、氣動(dòng)能、光能(例如光子通量)和熱能、聞?lì)l能等獲得。
[0040]微流體裝置中使用的分離器和過(guò)濾器可以是被動(dòng)或主動(dòng)設(shè)計(jì)的。這些微流體組件的功能是從微流體裝置中的流體流動(dòng)或在其中去除或分離顆粒。出于各種目的，分離器和過(guò)濾器可以用于從微流體裝置中的流體流動(dòng)中完全去除顆粒或它們可以用于固定顆粒在微流體裝置中。例如，配備有磁體的分離器和過(guò)濾器可以用于固定磁珠，該磁珠否則將被流體流動(dòng)運(yùn)輸通過(guò)微流體裝置。可以將在微流體裝置中使用的分離器和過(guò)濾器并入單一的組件設(shè)計(jì)中，或者可以將它們分隔成不同的微流體組件作為更大的微流體裝置的一部分。被動(dòng)分離器和過(guò)濾器設(shè)計(jì)在分離器或過(guò)濾器組裝件或組件中沒(méi)有移動(dòng)零件。被動(dòng)分離器的實(shí)例是具有被引入作為微流體裝置一部分的固定永磁體或磁粒的磁性微流體分離器；離心式微流體裝置和惰性微流體裝置是其中通過(guò)基于流體經(jīng)過(guò)的通道的設(shè)計(jì)操控流體流動(dòng)而完成顆粒分離的微流體裝置。被動(dòng)微流體分離器和過(guò)濾器的操作需要至少一種流體流動(dòng)的通道，該流體流動(dòng)經(jīng)歷在層流流態(tài)中通過(guò)所述微流體裝置或組件的流體輸送。主動(dòng)微流體分離器和過(guò)濾器裝置或組件設(shè)計(jì)使用另外形式的能量(超過(guò)流體流動(dòng)本身中含有的能量)，施加來(lái)自外部能源的所述另外形式的能量以實(shí)現(xiàn)顆粒與微流體裝置中流體流動(dòng)的分離或固定。主動(dòng)微流體分離器和過(guò)濾器的實(shí)例包括具有電磁體的磁力微流體分離器，其可以通電以實(shí)現(xiàn)磁粒與流體流動(dòng)的分離；電液動(dòng)顆粒過(guò)濾器和分離器，其為了保持微流體裝置的流體通道內(nèi)特定的顆粒尺寸目的而使用高頻能實(shí)現(xiàn)微流體通道中熱誘導(dǎo)渦流電流的形成；微流體超聲分離器，其中通過(guò)使用沿著直流體通道內(nèi)流體流動(dòng)的某些平面聚集顆粒的駐波，使用超聲能影響顆粒從微流體裝置流體通道中的層流流體流動(dòng)的分離。
[0041]已知從微流體裝置中的流體流動(dòng)去除顆粒的另外類型的微流體過(guò)濾器。例如，位于微流體裝置和組件的微流體通道中的節(jié)流件內(nèi)或與其鄰近的顆粒的自組裝件可以為微流體裝置中的流體提供彎曲路徑并導(dǎo)致流體中夾帶的大于自組裝顆粒組裝件中的開口的顆粒保留在自組裝顆粒組裝件的表面上，而不含顆粒的流體通過(guò)自組裝顆粒組裝件。同樣地，二維和三維部件的微型機(jī)械陣列可以用于為流體提供彎曲路徑，并導(dǎo)致大于二維和三維部件中的開口的顆粒保留，而不含顆粒的流體通過(guò)該二維和三維部件。
[0042]微流體裝置可以使用常規(guī)技術(shù)(例如用于硅基基材微型機(jī)械加工(抗蝕劑施加、顯影、然后水基或等離子體基蝕刻步驟)的那些)在無(wú)機(jī)基材上制造?？蛇x地，微流體裝置可以使用模塑法，例如Whitesides等提出的那些(參見例如“Rapid prototypingof microfluidic switches in poly(dimethylsiloxane) and their actuation byelectro-osmotic flow, ” Duffy, David C.; Schueller, Olivier J.A.; Brittain,Scott T.; Whitesides, George M.) Department of Chemistry and Chemical Biology,Harvard University, Cambridge, MA, USA.Journal of Micromechanics andMicroengineering (1999), 9(3)， 211-217.出版者:Institute of PhysicsPublishing)從聚合物材料制造。使用的聚合物材料可以包括例如聚硅氧烷、聚丙烯酸或聚氨酯材料，并且在具體實(shí)施方案中為聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚氨酯材料層。以形成主模開始的可以用于模塑PDMS微流體裝置的系列步驟的實(shí)例為:步驟1，在硅晶圓上旋涂光致抗試劑(負(fù)性)；步驟2，通過(guò)暴露于UV光從鉻掩膜轉(zhuǎn)移圖案至光致抗試劑層；步驟3，烘烤并使光致抗試劑顯影；步驟4，去除未經(jīng)歷光致聚合的光致抗試劑的一部分；步驟5，通過(guò)使有圖案的硅晶圓與PDMS聚合物混合物接觸而將PDMS模塑到光致抗蝕劑主體上；步驟6，從所述有圖案的硅晶圓主體固化并釋放PDMS結(jié)構(gòu)；步驟7，(組合)將所述固化的PDMS結(jié)構(gòu)結(jié)合至合適的基材例如玻璃或硅晶圓片以待使用。
[0043]微流體裝置可以在環(huán)境溫度和壓力下、在低于環(huán)境溫度或壓力下、或高于環(huán)境溫度或壓力下、或這些條件的任意組合下運(yùn)行，其中環(huán)境溫度和壓力代表在該裝置的周圍房間環(huán)境中測(cè)量的溫度和壓力。另外，微流體裝置可能暴露其中的流體可以包含寬范圍的粘度、化學(xué)反應(yīng)性和腐蝕性，取決于微流體裝置期望的應(yīng)用。
[0044]微流體裝置的一個(gè)具體實(shí)施方案是液體發(fā)射裝置(例如數(shù)字控制的按需滴式噴墨打印機(jī))的液滴形成機(jī)件。按需滴式(DOD)液體發(fā)射裝置已知是數(shù)字控制的噴墨打印系統(tǒng)中的油墨打印裝置很多年了。早期裝置基于壓電致動(dòng)器，例如美國(guó)專利N0.3，946，398和N0.3，747，120中公開的。目前普遍形式的噴墨打印、熱噴墨(或“熱噴泡”)使用電力的電阻加熱器以形成導(dǎo)致液滴發(fā)射的蒸氣氣泡，如美國(guó)專利N0.4，296，421中討論的。圖1顯示按需滴式噴墨打印系統(tǒng)10的一個(gè)圖解實(shí)施例，其包括打印機(jī)內(nèi)部組件的保護(hù)蓋12。打印機(jī)包含在托盤中的記錄介質(zhì)供應(yīng)件14。打印機(jī)包含一個(gè)或多個(gè)油墨槽16(此處示為有四種油墨)，其供應(yīng)油墨至打印頭18。打印頭18和油墨槽16安裝在運(yùn)送箱20上。打印機(jī)包括圖像數(shù)據(jù)源22，其提供由控制器(未示出)解讀的信號(hào)作為命令以從打印頭18噴射油墨液滴。打印頭可以與油墨槽成一體或分開。示例性的打印頭描述于美國(guó)專利N0.7，350，902中。在通常的打印操作中，介質(zhì)片從介質(zhì)供應(yīng)托盤中的記錄介質(zhì)供應(yīng)件14移動(dòng)至打印頭18沉積油墨液滴到介質(zhì)片上的區(qū)域。打印介質(zhì)24累積在輸出托盤中。圖1的按需滴式噴墨打印機(jī)系統(tǒng)的概括描繪也適合用作按需滴式類型的數(shù)字控制噴墨打印機(jī)裝置的概括描述的一部分。
[0045]在另一種數(shù)字控制噴墨打印方法(稱為連續(xù)式噴墨)中，產(chǎn)生液滴的連續(xù)流，其一部分以成像方式引到圖像記錄元件的表面上，同時(shí)捕捉未成像液滴并使其返回油墨槽或油墨儲(chǔ)器中。連續(xù)式噴墨打印機(jī)公開于美國(guó)專利號(hào)6，588，888 ；6, 554,410 ;6，682，182 ；
6,793, 328 ;6，866，370 ;6，575，566 和 6，517，197 中。在日期為 2005 年 9 月 13 日的美國(guó)專利N0.6, 943, 037中，Anagnostopolous等人描述了 CM0S/MEMS集成的噴墨打印頭和形成其的方法。均參照美國(guó)專利N0.6，943，037。
[0046]關(guān)于圖2，連續(xù)式打印系統(tǒng)30包含圖像源32，例如以頁(yè)面描述語(yǔ)言形式或數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的其他形式提供光柵圖像數(shù)據(jù)和輪廓圖像數(shù)據(jù)的掃描機(jī)或計(jì)算機(jī)。這種圖像數(shù)據(jù)通過(guò)圖像處理單元34轉(zhuǎn)換成半色調(diào)位圖圖像數(shù)據(jù)，所述圖像處理單元34也在記憶中儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。多個(gè)液滴形成機(jī)件控制電路36從圖像記憶讀取數(shù)據(jù)，并施加時(shí)間變化的電脈沖至與打印頭噴嘴40的一個(gè)或多個(gè)噴嘴相連的一個(gè)或多個(gè)液滴形成機(jī)件38。這些脈沖在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間施加至適當(dāng)?shù)膰娮斓囊旱涡纬蓹C(jī)件，從而從連續(xù)式噴墨流形成的液滴將在記錄介質(zhì)42上合適的位置形成點(diǎn)，其由圖像記憶中的數(shù)據(jù)標(biāo)明。
[0047]記錄介質(zhì)42由記錄介質(zhì)輸送系統(tǒng)44相對(duì)于打印頭40移動(dòng),所述記錄截至輸送烯烴44由記錄介質(zhì)輸送控制系統(tǒng)46電控制，并轉(zhuǎn)而由微控制器48控制。圖2中所示的記錄介質(zhì)輸送系統(tǒng)僅為示意圖，可能有很多不同的機(jī)械構(gòu)造。例如，轉(zhuǎn)移輥可以用作記錄介質(zhì)輸送系統(tǒng)44以促進(jìn)油墨液滴至記錄介質(zhì)42的轉(zhuǎn)移。這樣的轉(zhuǎn)移輥技術(shù)在本領(lǐng)域中是已知的。在頁(yè)面寬度打印頭的情況下，最方便的是移動(dòng)記錄介質(zhì)42越過(guò)固定打印頭。然而，在掃描打印系統(tǒng)的情況下，通常最方便的是以相對(duì)光柵運(yùn)動(dòng)沿著一個(gè)軸(副掃描方向)移動(dòng)打印頭和沿著正交軸(主掃描方向)移動(dòng)記錄介質(zhì)。
[0048]在壓力下，油墨承裝在油墨儲(chǔ)器50中。在不打印狀態(tài)下，由于阻礙液滴流并可以通過(guò)油墨再循環(huán)單元54使一部分油墨再循環(huán)的油墨捕集器52，連續(xù)式噴墨液滴流不能達(dá)到記錄介質(zhì)42。油墨再循環(huán)單元重置油墨并將其進(jìn)料回到儲(chǔ)器50。這種油墨再循環(huán)單元是本領(lǐng)域熟知的。適合最佳操作的油墨壓力將取決于許多因素，包括噴嘴的幾何結(jié)構(gòu)和熱性質(zhì)以及油墨的熱性質(zhì)。恒定的油墨壓力可以通過(guò)在控制油墨壓力調(diào)節(jié)器56下施加壓力至油墨儲(chǔ)器50實(shí)現(xiàn)?？蛇x地，油墨儲(chǔ)器可以為未加壓的，或甚至在減壓(真空)下，并且在壓力下使用泵來(lái)從油墨儲(chǔ)器遞送油墨至打印頭40。在這種實(shí)施方案中，油墨壓力調(diào)節(jié)器56可以包括油墨栗控制系統(tǒng)。
[0049]將油墨通過(guò)油墨通道57分配到打印頭40。油墨優(yōu)選流動(dòng)通過(guò)蝕刻打印頭40的材料層(例如硅基材)形成的狹縫或孔洞至其前表面，其中設(shè)置多個(gè)噴嘴和液滴形成機(jī)件，例如加熱器。噴嘴和內(nèi)部噴嘴孔具有小于100 μ m的直徑和長(zhǎng)度(通常10 μ m的直徑和5μ m長(zhǎng)度)，因此打印頭包括微流體裝置的集成陣列。當(dāng)打印頭40由硅制造時(shí)，液滴形成機(jī)件控制電路36也可以與打印頭集成在一起。打印頭40還包含偏斜機(jī)件(未示于圖2中)，其產(chǎn)生選擇用來(lái)打印的液滴(打印液滴)的軌跡和選擇不用來(lái)打印而是偏離的液滴(非打印液滴)的軌跡。捕集器52，常稱為溝槽(gutter)，被設(shè)置用來(lái)攔截非打印液滴的軌跡，而不攔截打印液滴的軌跡。[0050]在數(shù)字控制噴墨打印裝置中使用的打印頭由至少材料層和液滴形成機(jī)件構(gòu)成。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，材料層可以含有半導(dǎo)體材料(硅等)并可以含有集成電路，也稱為集成致動(dòng)器，其可以使用已知的半導(dǎo)體制造技術(shù)例如CMOS電路制造技術(shù)和微電機(jī)械結(jié)構(gòu)(MEMS)制造技術(shù)形成。然而，在數(shù)字控制噴墨打印裝置中使用的打印頭的材料層可以使用任何按需滴式和連續(xù)式噴墨打印技術(shù)中通常已知的制造技術(shù)從任何材料形成，這是特別考慮的并因此在本公開的范圍內(nèi)。因此，材料層可以由有機(jī)和無(wú)機(jī)的多種材料或材料的組合構(gòu)成，包括硅；金屬例如不銹鋼或鎳；聚合物；陶瓷例如氧化鋁或其他氧化物，例如打印頭的制造中使用的那些，所述打印頭含有例如鋯鈦酸鉛等制成的壓電元件；石英、玻璃石英或其他玻璃；或本領(lǐng)域已知的適合用作數(shù)字控制的噴墨打印裝置中的打印頭的材料層的任何其他材料。
[0051]盡管本發(fā)明中使用的微流體裝置的材料層和相關(guān)的流體輸送部件可以由這樣的各種可用的材料構(gòu)成，但在具體實(shí)施方案中，其中所述材料層和相關(guān)流體輸送部件是硅基材料的本發(fā)明是特別有用的，其中硅是結(jié)構(gòu)的基本材料。在特定實(shí)施方案中，微流體裝置是噴墨打印頭的一部分，該打印頭由硅基CM0S-MEMS打印頭制造技術(shù)制造并且該打印頭引入了穿過(guò)硅的微流體流體通道，例如上文引用的美國(guó)專利N0.6，588，888和N0.6，943，037中教導(dǎo)的，考慮到硅-流體相互作用與這種裝置是特別相關(guān)的。
[0052]噴墨打印頭的液滴形成機(jī)件可以位于打印頭的材料層中或其上。所述液滴形成機(jī)件可以位于至少一個(gè)噴嘴(也稱為噴嘴開口或孔)的周圍或附近。液滴形成機(jī)件因此可以鄰近于至少一個(gè)或多個(gè)噴嘴。其中至少一個(gè)噴嘴位于其中或其上的材料層稱為噴嘴板。噴嘴陣列也可以位于材料層上或其中，并且噴嘴板可以包括具有多個(gè)噴嘴的材料層，所述噴嘴位于該材料層中或其上。在材料層中或其上的排列在陣列中的多個(gè)噴嘴也稱為噴嘴板。在噴墨打印技術(shù)中，很好理解噴嘴板上的噴嘴陣列有利于以成像方式打印到圖像記錄元件的表面上。材料層或噴嘴板中或其上的各噴嘴可以鄰近于液滴形成機(jī)件，并且各噴嘴與油墨供應(yīng)件通過(guò)液體室的手段流體連通。存在一個(gè)或多個(gè)鄰近于提供與油墨供應(yīng)件或油墨儲(chǔ)器流體連通的噴嘴板的液體室。液體室起到轉(zhuǎn)移油墨或其他系統(tǒng)流體至噴嘴的作用。液體室也稱為流體室、油墨通道、油墨渠道、流體渠道、背側(cè)通道或背側(cè)油墨通道。承裝油墨的液體室或流體室也可以在打印頭的材料層上或其中，并因此被以壓縮方式并入打印系統(tǒng)中。噴嘴板可以在打印頭的材料層上或其中具有一個(gè)或多個(gè)液體室。通常，材料層中或其上并且可以作為打印頭的材料層的一部分的噴嘴板由各種材料制造的一個(gè)或多個(gè)層構(gòu)成，所述各種材料包括覆蓋并與打印頭的材料層接觸的制造的金屬箔或電鍍金屬、陶瓷、聚合物或電絕緣單層或多層。噴嘴板可以為導(dǎo)電性的、電絕緣的、導(dǎo)熱性的或熱絕緣的。在數(shù)字控制噴墨打印裝置中使用的打印頭的噴嘴板和材料層可以使用任何按需滴式和連續(xù)式噴墨打印技術(shù)中通常已知的制造技術(shù)從任何材料形成，這是特別考慮的并因此在本公開的范圍內(nèi)。
[0053]多個(gè)不同的噴嘴構(gòu)造用于上述的各種類型的打印機(jī)中。圖3a和3b示出一些代表性的用于按需滴式和連續(xù)式噴墨打印頭的噴嘴結(jié)構(gòu)。
[0054]圖3a在截面?zhèn)纫晥D中顯示一類按需滴式噴墨打印機(jī)的液滴噴出器58 (通常稱為“頂部發(fā)射式裝置”)的基本構(gòu)造，并公開于例如于2003年6月24日授予Kitakami等人的美國(guó)專利N0.6，582，060中。液滴噴出器包括流體室60，其接收來(lái)自油墨槽16 (圖1)通過(guò)未示出的流動(dòng)通道的油墨。液滴形成裝置62，例如快速加熱鄰近油墨形成蒸氣泡的加熱器，從流體室60的噴嘴64噴出油墨。噴嘴64可以具有各自小于100 μ m的直徑和長(zhǎng)度(通常直徑為10-15 μ m,噴嘴孔長(zhǎng)度為5 μ m),并且室60和相關(guān)流體通道可以具有小于500μ m的特征長(zhǎng)度、寬度或深度尺寸。液滴形成裝置在形成相對(duì)于噴嘴64的流體室壁66的材料層69上形成。通常，壁66和液滴形成裝置62使用半導(dǎo)體基制造方法形成，促進(jìn)液滴形成裝置與控制電子設(shè)備的電子耦合。流體室60的其他壁68，包括噴嘴面壁也可以使用半導(dǎo)體方法形成或者可選地可以從聚合物材料形成。
[0055]圖3b示出另一種類型按需滴式打印機(jī)(通常稱為“背部發(fā)射式裝置”類型)中液滴噴出器58的截面?zhèn)纫晥D，并例如公開在2003年5月13日授予Min等的美國(guó)專利N0.6，561，626中。在這種設(shè)計(jì)中，液滴形成機(jī)件62是在材料層71中制造的熱噴泡加熱器74，所述材料層71形成包括噴嘴64和圍繞相關(guān)噴嘴64的加熱器74的壁68。蒸氣泡在流體室60中以與從噴嘴噴出的液滴方向相反的方向擴(kuò)展。在這種構(gòu)造中，材料層71與包含通道57的本體72結(jié)合，以為流體室60形成封閉結(jié)構(gòu)。噴嘴64可以具有小于100 μ m的直徑和長(zhǎng)度(通常直徑為10-15 μ m并且噴嘴孔長(zhǎng)度為5 μ m，如上所述)，室60和流動(dòng)通道57可具有小于500 μ m的特征長(zhǎng)度、寬度或深度尺寸。
[0056]用于形成液滴的圖3a和3b中示出的液滴噴出器58也可以用于連續(xù)式噴墨應(yīng)用的打印頭30 (圖2)中，其中為流體室60供應(yīng)來(lái)自儲(chǔ)器50 (圖2)的加壓油墨以通過(guò)噴嘴產(chǎn)生油墨的連續(xù)式流動(dòng)或連續(xù)流，并且適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)在熱致動(dòng)器元件中的能量的耗散方式。在圖3a和3b中，噴嘴板和噴嘴形成作為材料層一部分的微流體流體輸送部件，并且液滴形成機(jī)件也在材料層中。
[0057]圖4示出具有如圖3b中示出的液滴噴出器58的液滴噴出器的噴墨打印頭40的一部分的示意俯視圖。該圖包括位于來(lái)自數(shù)字控制連續(xù)式噴墨打印裝置的連續(xù)式噴墨打印頭的材料層中或其上的液滴形成機(jī)件、熱致動(dòng)液滴形成元件、和噴嘴板中的噴嘴陣列的代表性結(jié)構(gòu)。參照?qǐng)D4，打印頭40包含多個(gè)形成在噴嘴板70中的噴嘴64。環(huán)形加熱器74形式的熱致動(dòng)液滴形成裝置62是至少部分形成于或位于噴嘴板70上，所述噴嘴板70包含圍繞并鄰近于相應(yīng)的噴嘴64的打印頭40的一部分材料層71(圖3b)。盡管各加熱器74可以徑向遠(yuǎn)離相應(yīng)噴嘴64的邊緣，但加熱器74優(yōu)選設(shè)置成以同中心形式靠近相應(yīng)噴嘴64。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，加熱器74形成基本圓形或環(huán)形的形狀。然而，具體地預(yù)期加熱器74可以形成局部環(huán)形、方形或其他鄰近于噴嘴64的形狀。優(yōu)選實(shí)施方案中的各加熱器74主要由通過(guò)導(dǎo)體78電連接至接觸板76的電阻加熱元件構(gòu)成。各噴嘴64通過(guò)油墨通道(也稱為在打印頭40的材料層中或其上形成的流體室(未示出))與油墨供應(yīng)件50流體連接。具體地預(yù)期打印頭40可以與供應(yīng)件50相同的方式合并另外的油墨供應(yīng)件以及另外的相應(yīng)噴嘴64，以使用三種或更多種油墨顏色提供彩色打印。另外地，黑色和白色或單一顏色打印可以使用單一油墨供應(yīng)件50和噴嘴64實(shí)現(xiàn)。
[0058]導(dǎo)體78和電接觸板76可以至少部分形成或位于在打印頭40上并提供機(jī)構(gòu)控制電路36和加熱器74之間的電連接?？蛇x地，機(jī)構(gòu)控制電路36和加熱器74之間的電連接可以以任何熟知的方式完成。機(jī)構(gòu)控制電路36可以為相對(duì)簡(jiǎn)單的裝置(加熱器74的可切換電源供應(yīng)件74等)或相對(duì)復(fù)雜的裝置(與能源供應(yīng)件組合的邏輯控制器或可編程微加工器)，其可以操作以期望的方式控制打印機(jī)的很多其他組件。
[0059]在使用所述連續(xù)式噴墨打印頭的數(shù)字控制噴墨打印裝置中，連續(xù)式噴墨打印頭的結(jié)構(gòu)和其操作的進(jìn)一步解釋在例如授予Jeanmaire等人的美國(guó)專利N0.6，588，888和N0.6，588，889中、授予Anagnostopoulos等人的美國(guó)專利N0.6，502, 925中和其中引用的參考文獻(xiàn)中給出。
[0060]在圖3a，3b和4中描述的熱致動(dòng)的液滴形成機(jī)件依賴于隨著流體排出通過(guò)噴嘴，加熱流體以引發(fā)液滴形成過(guò)程的能力。熱致動(dòng)裝置用于很多上文進(jìn)一步描述的其他微流體應(yīng)用中，例如泵、用于雙金屬致動(dòng)閥的加熱元件、在微型化化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)中用于溫度穩(wěn)定化的元件和微型化噴霧離子化的元件。具有作為微流體裝置或另外的液滴形成機(jī)件的一部分的熱致動(dòng)器或電阻加熱器的壽命取決于許多因素，包括但不限于例如電介質(zhì)擊穿、腐蝕、疲乏、電遷移、污染、熱錯(cuò)配、靜電放電、材料相容性、層離和濕度。電阻加熱器(也稱為加熱器電阻器)，例如用于微流體裝置和特別是微流體液滴形成裝置例如噴墨打印頭中，可以暴露于所有這些故障機(jī)制。因此，將外來(lái)電阻器膜和多個(gè)保護(hù)層、膜或涂層用于提供加熱器堆，其用于提供足夠牢固以承受上述不同類型的故障模式的加熱器電阻器。然而，加熱器堆的總體厚度應(yīng)該最小化，因?yàn)閬?lái)自液滴形成機(jī)件的有效的液滴形成所需要的輸入能量為加熱器堆厚度的線性函數(shù)。從能量耗散和產(chǎn)能方面考慮，為了提供競(jìng)爭(zhēng)性致動(dòng)器裝置，加熱器堆不應(yīng)該任意加厚來(lái)緩和故障，例如由于空蝕效應(yīng)、階梯覆蓋問(wèn)題、層離問(wèn)題、靜電放電等產(chǎn)生的故障。換言之，通過(guò)使用薄膜耐性層和保護(hù)層的過(guò)設(shè)計(jì)(over-design)而改善的熱致動(dòng)器、電阻加熱器或加熱器電阻器壽命可能產(chǎn)生無(wú)競(jìng)爭(zhēng)性或甚至無(wú)功能的產(chǎn)品。
[0061]用于改善微流體裝置中的熱致動(dòng)器可靠性目的的涂層、膜或薄層應(yīng)該提供可接受的熱傳遞并展現(xiàn)出可接受的熱穩(wěn)定性。熟知的確定涂層、膜或薄層對(duì)于改善微流體裝置中使用的熱致動(dòng)器可靠性的適用性的因素之一涉及涂層、膜或薄層中流體滲透的位點(diǎn)數(shù)目。Almomani 等人(M.A.Almomani 和 C.R.Aita, J.Vac.Sc1.Technol.A, 27 (3)(2009)449-455 “Pitting corrosion protection of stainless steel by sputterdeposited hafnia, alumina, and hafnia-alumina nanolaminate films，，)已經(jīng)提出文獻(xiàn)中的先前研究“得出的結(jié)論是就算厚單層膜也不能保護(hù)的主要原因是因?yàn)榉Q為‘針孔’的固有中觀生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)為電解質(zhì)提供快速輸送通道通過(guò)所述膜至下面的基材表面。當(dāng)三維島(islands)在膜生長(zhǎng)結(jié)合的初始成核階段期間形成時(shí)，針孔在膜生長(zhǎng)期間形成，并且開始彼此接觸以形成更連續(xù)的膜。針孔存在于晶體和無(wú)定形膜兩者中。”針孔密度受到影響膜結(jié)構(gòu)本身的因素的影響。相變，如在晶體生長(zhǎng)期間或在從無(wú)定形或有序性不良膜轉(zhuǎn)變成晶體和高度有序膜期間，在膜結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生體積變化的熱誘導(dǎo)結(jié)晶，能夠增大膜的針孔密度，從而影響膜對(duì)于流體滲透的敏感性。因此，用于改善微流體裝置尤其是噴墨打印頭中熱致動(dòng)器可靠性的薄膜的熱穩(wěn)定性是重要的。膜熱穩(wěn)定性的一個(gè)重要量度是無(wú)定形的、有序性不良的或結(jié)晶不良的膜開始結(jié)晶的溫度。該溫度稱為結(jié)晶溫度或結(jié)晶的溫度。在結(jié)晶溫度下，在所述膜中的物質(zhì)具有充分的移動(dòng)性以使原子重排，其能夠產(chǎn)生所述膜中的中觀缺陷或針孔的數(shù)目和尺寸的變化。在很多情況下，所述膜中的中觀缺陷的數(shù)目和尺寸在膜結(jié)晶期間增加，從而劣化所述膜的耐化學(xué)性。因此，期望無(wú)定形或結(jié)晶不良的薄保護(hù)膜的結(jié)晶溫度應(yīng)該至少高于熱致動(dòng)器的峰值操作溫度。在噴墨打印頭的情況下，結(jié)晶溫度應(yīng)該至少高于作為液滴形成機(jī)件的一部分的任何熱致動(dòng)器的峰值操作溫度。另外優(yōu)選的是薄膜結(jié)晶溫度足夠高以使所述膜在制造裝置期間使用的任何隨后的處理步驟(例如耐磨損性或耐磨耗性疊層沉積)期間不結(jié)晶。從在半導(dǎo)體裝置處理期間普遍遇到的溫度的實(shí)施方面考慮，優(yōu)選的是薄膜不顯示在低于350°C下的結(jié)晶，并且膜、層或涂層(包括由單層或多層構(gòu)成的不在低于350°C下結(jié)晶的膜)可以被認(rèn)為是熱穩(wěn)定的。
[0062]為了解決與微流體裝置例如噴墨打印頭和其相關(guān)的液滴形成機(jī)件的腐蝕和電介質(zhì)擊穿相關(guān)的問(wèn)題，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有異常的耐化學(xué)腐蝕性和電介質(zhì)穩(wěn)定性的膜、涂層和層可以從氧化鉿(通常稱為鉿氧化物、二氧化鉿或HfO2)或氧化鋯(通常稱為鋯氧化物、二氧化鋯或ZrO2)和氧化鉭(通常稱為鉭氧化物、五氧化二鉭或Ta2O5)制成，其中所述層分別各自地主要由氧化鉿或氧化鋯和氧化鉭構(gòu)成，并且優(yōu)選地在除了打印頭的材料層和液滴形成機(jī)件之外的打印頭中并入的全部涂層中以特定厚度和序列安置。氧化鉿、氧化鋯和氧化鉭分別是難熔金屬鉿、鋯和鉭的氧化物，并且這些難熔氧化物具有很多期望的性質(zhì)，包括化學(xué)穩(wěn)定性、低溶解度、生物相容性和異常的耐腐蝕性。在本文中出于方便考慮使用的術(shù)語(yǔ)“氧化鉿層”、“氧化鋯層”和“氧化鉭層”等是指主要由此類指出的材料構(gòu)成的層。此類層可以進(jìn)一步以相容的少量包含其他材料，并且具體地考慮在層合結(jié)構(gòu)中具有少量等價(jià)陽(yáng)離子的鉿、鋯和鉭的化學(xué)替代物?？梢允褂貌牧显O(shè)計(jì)領(lǐng)域中熟知的具有合適電荷補(bǔ)償?shù)年?yáng)離子替代物，例如以調(diào)節(jié)層合結(jié)構(gòu)的性質(zhì)從而提供關(guān)于耐腐蝕性的期望的物理性質(zhì)或其他期望性質(zhì)，例如熱傳遞或介電常數(shù)。特別地，鈮或適當(dāng)補(bǔ)償五價(jià)鉭陽(yáng)離子的電荷和離子尺寸的陽(yáng)離子的組合可以替代進(jìn)入層合結(jié)構(gòu)中。類似地，其他四價(jià)陽(yáng)離子(例如錫)可以并入層合結(jié)構(gòu)中以另外提供協(xié)調(diào)和調(diào)節(jié)層合材料性質(zhì)以提供膜的期望的物理性質(zhì)的手段。
[0063]在特定的實(shí)施方案中，本發(fā)明使用由薄膜層構(gòu)成的多層涂層，所述薄膜層基本上由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成并基本由氧化鉭構(gòu)成，其中以特定厚度和順序設(shè)置的氧化鉿或氧化鋯層和氧化鉭層的總厚度(即所有氧化鉿或氧化鋯層和氧化鉭層的總厚度)為小于100 nm,更優(yōu)選小于50 nm。如前所述，來(lái)自微流體裝置例如噴墨打印頭中的液滴形成機(jī)件的有效液滴形成所需要的輸入能量為液滴形成機(jī)件和形成出液滴的油墨或流體之間設(shè)置的膜、涂層或?qū)拥目偤穸鹊木€性函數(shù)，并且液滴形成效率的測(cè)量已經(jīng)顯示出本發(fā)明的膜提供了優(yōu)異的耐腐蝕性，而沒(méi)有任何對(duì)液滴形成效率的可測(cè)量的影響。
[0064]由不同材料例如氧化鉿和氧化鉭的交替層構(gòu)成的復(fù)雜的膜、涂層和層有各種名稱，包括層合材料、微層合材料(micro-laminates)或微層合制品(microlaminates)、納米層合材料(nicro-laminates)或納米層合制品(nicrolaminates)、堆疊層、堆疊結(jié)構(gòu)、交替層結(jié)構(gòu)或交替層膜、堆疊層合材料、層合涂層、微層合膜等。鋯與鉿類似，是第IVb族元素的高原子重量成員，而鉭是第Vb族元素的成員。因此，本發(fā)明中使用的多層涂層形成了由多層氧化物構(gòu)成的復(fù)雜的層合材料，所述氧化物選自元素周期表不同族的高原子重量成員(即第IVb族和第Vb族)。當(dāng)與根據(jù)本發(fā)明的兩種不同薄膜層組合使用時(shí)，與使用等同總層厚度的單金屬氧化物層相比，這樣的層合材料提供了進(jìn)一步的有利性能。
[0065]氧化鉿(或氧化鋯)和氧化鉭電介質(zhì)的交替層可以通過(guò)膜沉積領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何方法制備。這樣的方法包括物理氣相沉積法，如蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、離子束蒸發(fā)、弧熔融蒸發(fā)、使用AC和DC電壓，采用具有產(chǎn)生氧化物膜的合適的靶和氣體的平面形和柱形磁控管源的濺射沉積、使用合適的鉿和鉭的揮發(fā)性前體的化學(xué)氣相沉積法、分子束外延(molecular beam epitaxy)、原子層沉積、原子層外延(atomic layer epitaxy)。由彼此接觸的至少一層氧化鉿和一層氧化鉭構(gòu)成的膜制品可以使用任何膜沉積領(lǐng)域中已知的制造或沉積技術(shù)從任何合適的起始原料形成，這是特別考慮的并因此在本公開的范圍內(nèi)。制備耐腐蝕性電介質(zhì)層合膜的優(yōu)選方法是原子層沉積，特別是當(dāng)將耐腐蝕性膜用于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)形式的流體輸送部件表面上時(shí)。復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)包括具有凹角部件和從在膜沉積法和涂布法中使用的氣相源發(fā)出的氣相物質(zhì)的視距通量(line-of-sight fluxes)不能直接可見的其他部件的那些幾何結(jié)構(gòu)。
[0066]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，如圖5中所示，材料層80被耐腐蝕性膜82涂布和保護(hù)，所述耐腐蝕性膜82包含基本由氧化鉿84構(gòu)成的至少一個(gè)層和基本由氧化鉭86構(gòu)成的一個(gè)層，其中氧化鉿層和氧化鉭層彼此覆蓋并接觸。在示例性的實(shí)施方案中，耐腐蝕性膜為由彼此接觸的氧化鉿84和氧化鉭86的多個(gè)交替層構(gòu)成的穩(wěn)定的電介質(zhì)膜，其中氧化鉿層的總數(shù)η為至少3，并且氧化鉭層的總數(shù)為η-l。氧化鉿層的厚度各自優(yōu)選地為至少2 nm并小于10 nm。任何氧化鉿層與至少一個(gè)氧化鉭層的厚度比率優(yōu)選大于2 (即優(yōu)選富氧化鉿層合材料)并小于100 (以避免過(guò)度厚的層合材料，同時(shí)還提供充分的氧化鉭層厚度)，多層層合涂層的總厚度優(yōu)選大于10 nm，并且各氧化鉿層與至少一個(gè)氧化鉭層接觸。本發(fā)明的新穎特征是具有低涂層厚度(例如小于100 nm，優(yōu)選小于50 nm)的耐腐蝕性層的使用，該耐腐蝕性層足以為微流體裝置的流體輸送部件以及熱致動(dòng)微流體裝置的相關(guān)加熱器元件提供腐蝕保護(hù)，同時(shí)還提供了優(yōu)異的微流體裝置性能，特別是噴墨噴射打印頭微流體裝置的液滴形成機(jī)件的性能。
[0067]圖6不例了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的截面圖。圖6不出由材料層71和位于該材料層上或其中的電阻加熱器74液滴形成機(jī)件構(gòu)成的噴墨打印頭噴嘴板70。材料層71用耐化學(xué)性層或膜82涂布，其中所述耐化學(xué)性層由至少一個(gè)薄膜層與至少一個(gè)主要由氧化鉭構(gòu)成的薄膜層接觸構(gòu)成，所述薄膜層主要由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成。材料層71形成液體室60(包括噴嘴64)的壁的一部分。噴嘴64具有10 μ m的直徑和5 μ m的噴嘴孔長(zhǎng)度,并且室60具有350 μ m的長(zhǎng)度(深度)和主軸為120 μ m、副軸為30 μ m的橢圓截面，因此在材料層71中形成微流體流體輸送部件，其中這樣的流體輸送部件的表面用耐化學(xué)性層82涂布。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，耐化學(xué)性層82也覆蓋電阻加熱器熱致動(dòng)器74。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，耐化學(xué)性保護(hù)層82由多個(gè)交替層構(gòu)成，所述交替層基本上由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成和基本上由氧化鉭構(gòu)成，其中至少一個(gè)氧化鉿或氧化鋯層的厚度大于氧化鉭層的厚度，從而形成由多層難熔金屬氧化物構(gòu)成的復(fù)雜層合材料，所述難熔金屬選自元素周期表的不同族(即第IVb族和第Vb族元素)的高原子重量成員。
[0068]圖7示出耐腐蝕性膜82的另一實(shí)施方案。該耐腐蝕性膜由至少一個(gè)基本上由氧化鋯ZrO2構(gòu)成的層88和至少一個(gè)主要由Ta2O5構(gòu)成的層86的交替層的層合材料構(gòu)成。在一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施方案中，耐腐蝕性的穩(wěn)定的電介質(zhì)膜82包含彼此接觸的氧化鋯88和氧化鉭86的多個(gè)交替層。各氧化鋯層88的厚度優(yōu)選為至少2 nm并小于10 nm。任何鋯層與至少一個(gè)氧化鉭層的厚度比率優(yōu)選為大于2 (即優(yōu)選富氧化鋯層合材料)并小于100 (以避免極厚層合材料，同時(shí)還提供了足夠的氧化鉭層厚度)。在更優(yōu)選的實(shí)施方案中，鋯層總數(shù)η為至少3，氧化鉭層總數(shù)為η-1，多層層合材料涂層的總厚度優(yōu)選為大于10 nm，并且各氧化鋯層與至少一個(gè)氧化鉭層接觸。本發(fā)明的新穎特征是具有低涂層厚度(例如小于100 nm,優(yōu)選小于50 nm)的耐腐蝕性層的使用，該耐腐蝕性層足以為微流體裝置的流體輸送部件以及熱致動(dòng)微流體裝置的相關(guān)加熱器元件提供腐蝕保護(hù)，同時(shí)還提供了微流體裝置優(yōu)異的性能，特別是噴墨打印頭微流體裝置的液滴形成機(jī)件、熱致動(dòng)器和電阻加熱器的性能。[0069]盡管不希望被束縛于所涉及的物理和材料科學(xué)的特定理解，但認(rèn)為在缺陷例如晶界處可發(fā)生通過(guò)材料層的流體輸送。晶界或其他中觀缺陷在結(jié)晶層中變得普遍，并且當(dāng)層厚度超過(guò)約10 nm時(shí)，本發(fā)明的難熔氧化物傾向于結(jié)晶。不同的難熔氧化物層各自分別耐蝕刻腐蝕的；然而，材料層中的晶界形成位點(diǎn)，例如可以充當(dāng)流體輸送導(dǎo)管的針孔。認(rèn)為當(dāng)在打印頭上涂布氧化鉿(或氧化鋯)和氧化鉭層合膜時(shí)，觀察到的熱致動(dòng)器的改善的可靠性是存在于層合膜中的中觀缺陷或針孔的較低密度的結(jié)果。較低的缺陷密度歸因于氧化鉿和氧化鉭各層如此薄以致于它們不能結(jié)晶的事實(shí)。還認(rèn)為通過(guò)交替的氧化鉿層和氧化鉭層，兩種材料的原子排布差別還抑制各材料的結(jié)晶，并因此在層合材料中的流體傳導(dǎo)區(qū)域的總數(shù)最小化。還認(rèn)為如果有在各材料層中形成的任何殘存的流體傳導(dǎo)區(qū)域，那么它們?cè)诒舜隧敳繉?duì)齊的機(jī)會(huì)很小，從而為流體擴(kuò)散提供了彎曲路徑，從而一層到另一層的流體輸送不可能，致使對(duì)于腐蝕和化學(xué)溶解過(guò)程熱致動(dòng)器的可靠性改善。
[0070]在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，如圖8所示，將粘結(jié)促進(jìn)層用于改善由至少一對(duì)氧化鉿或氧化鋯和氧化鉭的交替層構(gòu)成的耐腐蝕性涂層對(duì)微流體裝置的材料層中流體輸送部件表面的粘結(jié)，所述粘結(jié)促進(jìn)層位于層合涂層和材料層之間。所述粘結(jié)促進(jìn)層可以覆蓋打印頭、材料層、液體室、噴嘴和噴嘴孔、或液滴形成機(jī)件。所述打印頭、材料層、液體室、噴嘴和噴嘴孔、和液滴形成機(jī)件也可以稱為基材并認(rèn)為是粘結(jié)促進(jìn)膜的基材。合適的粘結(jié)促進(jìn)層可以為具有任何厚度但擁有必要特征的無(wú)機(jī)或有機(jī)膜一即含碳和不含碳膜一粘結(jié)促進(jìn)層具有優(yōu)異的粘結(jié)促進(jìn)性并粘結(jié)于打印頭以及由一個(gè)或多個(gè)氧化鉿或氧化鋯層和一個(gè)或多個(gè)氧化鉭層構(gòu)成的耐化學(xué)性保護(hù)層兩者。當(dāng)將粘結(jié)促進(jìn)膜用于改進(jìn)對(duì)在噴墨打印頭中液滴形成機(jī)件的熱致動(dòng)器的粘附的目的時(shí)，較薄的粘結(jié)促進(jìn)膜是優(yōu)選的，不過(guò)認(rèn)為一些應(yīng)用可能需要幾微米厚的粘結(jié)促進(jìn)膜。因此，粘結(jié)促進(jìn)膜的厚度最好由預(yù)期的應(yīng)用確定。
[0071]粘結(jié)促進(jìn)層不需要連續(xù)膜、涂層或?qū)?，可以?yōu)選位于和/或部分位于優(yōu)選區(qū)域，從而使還稱為基材的材料層和覆蓋的非粘結(jié)促進(jìn)膜、層或涂層之間的粘結(jié)得到最好的實(shí)現(xiàn)和增強(qiáng)。部分位于(在表面區(qū)域上不均勻地)或優(yōu)選位于基材上的膜也稱為有圖案膜。有圖案的粘結(jié)促進(jìn)膜因此可以通過(guò)本領(lǐng)域中任何已知方法制造，從而在使用所述粘結(jié)促進(jìn)膜期間改進(jìn)并促進(jìn)粘結(jié)。
[0072]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，粘結(jié)促進(jìn)層基本上由厚度為至少0.2 nm的氧化硅構(gòu)成。在膜形成的初始階段，氧化硅層使表面存在羥基，其對(duì)于原子層沉積膜形成過(guò)程是特別有利的，從而產(chǎn)生耐腐蝕性膜到該表面的共價(jià)鍵。其他粘結(jié)促進(jìn)膜是本領(lǐng)域中熟知的，包括聚合物膜、含硅硅烷基粘結(jié)促進(jìn)劑或其他粘結(jié)促進(jìn)劑或分子的自組裝單層、在半導(dǎo)體制造方法領(lǐng)域中熟知的蒸氣底漆膜(vapor priming films),包括六甲基二娃氧燒基粘結(jié)促進(jìn)膜、金屬和金屬氧化物粘結(jié)促進(jìn)膜和分子基粘結(jié)促進(jìn)膜。
[0073]可以施加活化和非活化粘結(jié)促進(jìn)膜以使層合涂層能夠粘結(jié)至微流體裝置的材料層。在暴露于可以是化學(xué)的或物理的第二刺激之后，活化的粘結(jié)促進(jìn)材料改善它們的粘結(jié)。這樣的粘結(jié)促進(jìn)膜可以是化學(xué)活化的、光化學(xué)活化的、熱活化的、壓力活化的、等離子體活化的或通過(guò)用于粘結(jié)促進(jìn)的化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層領(lǐng)域熟知的化學(xué)轉(zhuǎn)化法活化的、或通過(guò)任何該領(lǐng)域已知的其他手段活化以促進(jìn)粘結(jié)，包括任何類型的等離子體處理、離子轟擊、電子轟擊、或暴露于其他光化輻射。由有機(jī)、無(wú)機(jī)或有時(shí)稱為復(fù)合粘附促進(jìn)材料的無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的組合構(gòu)成的有圖案的和無(wú)圖案的粘結(jié)促進(jìn)層可以使用粘結(jié)促進(jìn)膜和層的配置和沉積領(lǐng)域中已知的任何制造或沉積技術(shù)從任何合適的起始原料形成。
[0074]圖8示例具有粘結(jié)促進(jìn)層90的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的截面圖。由材料層71和位于該材料層上或其中的電阻加熱器液滴形成機(jī)件74構(gòu)成的噴墨打印頭噴嘴板70在材料層71和耐化學(xué)性保護(hù)層82之間具有粘結(jié)促進(jìn)層90。耐化學(xué)性層82由至少一個(gè)薄膜層與主要由氧化鉭構(gòu)成的至少一個(gè)薄膜層接觸構(gòu)成，該薄膜層主要由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成，并且材料層71為液體室60 (包括噴嘴64)的壁。與圖6中類似地，噴嘴64具有10 ym的直徑和5 μ m的長(zhǎng)度，室60具有350 μ m的長(zhǎng)度(深度)和主軸為120 μ m、副軸為30 ym的橢圓截面，因此在材料層71中形成微流體流體輸送部件。粘結(jié)促進(jìn)層90位于耐化學(xué)性層合層82和材料層71之間，從而流體輸送部件的表面涂有粘結(jié)促進(jìn)層90和耐化學(xué)性層82。液體室60與含有油墨或在數(shù)字控制打印系統(tǒng)30中使用的其他流體的流體儲(chǔ)器50 (圖2)流體接觸。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，耐化學(xué)性層合層82覆蓋粘結(jié)促進(jìn)層90和由電阻加熱器熱致動(dòng)器74構(gòu)成的液滴形成機(jī)件62。耐化學(xué)性保護(hù)層82可以為包含幾個(gè)交替層、膜、或涂層的組合層，所述交替層、膜、或涂層基本上由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成和基本上由氧化鉭構(gòu)成，從而形成由多個(gè)難熔金屬氧化物層構(gòu)成的復(fù)雜層合材料，所述難熔金屬選自元素周期表的不同族。
[0075]在本發(fā)明的其他實(shí)施方案中，在微流體裝置上可以進(jìn)一步提供耐磨損和磨耗性層、涂層或膜。在特定實(shí)施方案中，例如可以提供在打印頭的至少一個(gè)表面上與該打印頭接觸的耐磨損和磨耗性層，所述打印頭包含材料層、液滴形成機(jī)件、液體室、噴嘴和噴嘴孔、任選的粘結(jié)促進(jìn)層、和耐腐蝕性層合涂層、膜或?qū)?，所述耐腐蝕性層合膜由至少一個(gè)氧化鉿或氧化鋯的薄膜層和至少一個(gè)氧化鉭的薄膜層構(gòu)成。耐磨損和磨耗性層優(yōu)選地覆蓋并與覆蓋所述打印頭的耐腐蝕性涂層接觸以提供打印頭、噴嘴板、噴嘴、液滴形成機(jī)件、和所述打印頭、噴嘴板和液滴形成機(jī)件上存在的另外的任何集成電路或電子設(shè)備的保護(hù)。
[0076]所述耐磨損和磨耗性層、膜或涂層可以由本領(lǐng)域已知的任何材料構(gòu)成以提供防止打印頭上的磨損和磨耗。耐磨損和磨耗性材料通常落入兩個(gè)不同的分類中:I)剪切模量大于打印頭本身的至少一個(gè)元件的硬質(zhì)材料，所述元件選自所述材料層、液滴形成機(jī)件、或存在于該材料層中或其上的集成電路，或2)彈性模量基本上大于打印頭的至少一個(gè)元件的剛性的能量吸收材料，所述元件選自所述材料層、液滴形成機(jī)件或集成電路。通常，剪切模量大于所述打印頭上至少一個(gè)元件的硬質(zhì)材料優(yōu)選用于耐磨損和磨耗性涂層、層和膜。實(shí)際上，耐擦傷性測(cè)試，例如在其上沿著涂層表面拖動(dòng)的觸針開始產(chǎn)生涂層、膜或?qū)拥臋C(jī)械損傷和剝落的負(fù)載測(cè)試，適合于耐磨損和磨耗性層的表征。耐磨損和磨耗性層可以從厚度為100至600 nm厚的電介質(zhì)材料,例如氮化娃或摻雜娃的類金剛石碳(S1-DLC),形成。耐磨損和磨耗性層也可以從非電介質(zhì)材料例如等離子體沉積的氮化鈦、氮化鋯或金屬碳化物形成。
[0077]耐磨損和磨耗性層可以含有有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物?；衔锶缇酆衔锘蚨询B的分子組裝件對(duì)于耐磨損和磨耗性是有利的。聚合物和/或樹脂可以是有機(jī)的、無(wú)機(jī)的或兩者的組合。耐磨損和磨耗性聚合物和樹脂包括簡(jiǎn)單的脂族聚合物例如聚丁烯類、聚乙烯類；聚丙烯類等；衍生自乙烯基單體的聚合物和樹脂；聚苯乙烯類；聚酯類；聚氨酯類；聚酰亞胺類；環(huán)氧化物類；聚酰胺樹脂；聚醚醚酮聚合物和其他的熱塑性基聚合物；纖維素聚合物；氨基樹脂；丙稀酸樹脂；聚碳酸酷；液體結(jié)晶聚合物等；氣碳基聚合物，其實(shí)例是VITON ;含有任何類型的聚硅氧烷的聚合物鏈的硅酮基聚合物；纖維玻璃復(fù)合材料；縮醛樹脂；酚醛樹脂；用填料化合物改性的聚合物例如玻璃顆?；蚣{米級(jí)顆粒添加劑例如碳納米管；等。
[0078]耐磨損和磨耗性層也可以由層合材料組成，例如Aita描述的基于噴濺氧化鋯一氧化鋁層合材料的高度耐磨損性涂層。優(yōu)選的耐磨損和磨耗性層基本上由化學(xué)計(jì)量為SixCy:fH的碳、娃和氫構(gòu)成,其中2>x2y和22 (x/y)21和(x+y) > f。另一種優(yōu)選的耐磨耗性和耐磨損性涂層基本上由化學(xué)計(jì)量為SixCyNz:fH和x+y+z=l, x > (y+z) ,0.6>y>0.1,
0.6>z>0.05和(x+y+z)>f的娃、碳和氮構(gòu)成。另外優(yōu)選的耐磨損和磨耗性層為摻雜娃的類金剛石碳(S1-DLC)。由有機(jī)、無(wú)機(jī)或有時(shí)稱為復(fù)合耐磨損和磨耗性促進(jìn)材料的無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的組合構(gòu)成的耐磨損和磨耗性層，可以使用耐磨損和磨耗性膜和層的配置和沉積領(lǐng)域中已知的任何制造或沉積技術(shù)從任何合適的起始原料形成，這是特別考慮的并因此在本公開的范圍內(nèi)。
[0079]圖9示例了具有耐磨損和磨耗性涂層的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的截面圖。由材料層71和位于材料層之上或其中的電阻加熱器74液滴形成機(jī)件62構(gòu)成的噴墨打印頭噴嘴板70具有粘結(jié)促進(jìn)層90和耐化學(xué)性保護(hù)層82，其中耐化學(xué)性層由至少一個(gè)氧化鉿或氧化鋯層構(gòu)成，其與至少一個(gè)氧化鉭層接觸。粘結(jié)促進(jìn)層90位于耐化學(xué)性層合層82和材料層71之間。該材料層形成液體室60的一個(gè)或多個(gè)壁的一部分，并包括噴嘴64和液滴形成機(jī)件62，典型地加熱器74 ;與耐化學(xué)性層82和打印頭材料層71兩者接觸的粘結(jié)促進(jìn)層90。液體室60與含有油墨或在數(shù)字控制打印系統(tǒng)30中使用的其他流體的液體儲(chǔ)器50 (圖2)流體連接。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，耐化學(xué)性層合層82覆蓋粘結(jié)促進(jìn)層90，由電阻加熱器熱致動(dòng)器74構(gòu)成的液滴形成機(jī)件62和耐化學(xué)性保護(hù)層82可以是基本上由氧化鉿或氧化鋯和氧化鉭的交替層、膜或涂層構(gòu)成的幾個(gè)材料層的組合，從而形成由多個(gè)難熔氧化物層構(gòu)成的更復(fù)雜的層合材料。耐化學(xué)性保護(hù)層82和粘結(jié)促進(jìn)層90位于材料層71和耐磨損和磨耗性層92之間，其中耐化學(xué)性層82與耐磨損和磨耗性層92接觸并且粘結(jié)促進(jìn)層90與材料層71接觸。圖9示例了覆蓋耐化學(xué)性層82所有表面，即液體室60的內(nèi)表面和噴嘴板70外表面，的耐磨損和磨耗性層92。在其他的實(shí)施方案中，耐磨損和磨耗性層92可以選擇性地僅提供至噴嘴板70的外表面(因此使得否則可能不能涂布這種內(nèi)表面的涂布方法能夠?qū)嵭?，因?yàn)橐后w室60的內(nèi)表面可能不經(jīng)歷嚴(yán)重的物理磨損和磨耗，并且耐化學(xué)性層82足以提供對(duì)液體室60的內(nèi)表面的耐化學(xué)性和足夠的物理磨損和磨耗保護(hù)。
[0080]盡管圖9中沒(méi)有示出，但粘結(jié)促進(jìn)層可以存在和位于耐化學(xué)性層82 (由氧化鉿或氧化鋯和氧化鉭的交替的層、膜或涂層構(gòu)成，從而形成由多個(gè)難熔氧化物層構(gòu)成的復(fù)雜層合材料)和耐磨損和磨耗性層92之間并與二者接觸，從而提供改進(jìn)的耐磨損和磨耗性層與耐化學(xué)性層的粘結(jié)。合適的粘合促進(jìn)層可以為圖8中用于粘結(jié)促進(jìn)層90的上述無(wú)機(jī)或有機(jī)膜，在這種情況下被選擇以具有有粘結(jié)促進(jìn)膜的必要特性，具有優(yōu)異的粘結(jié)促進(jìn)性并粘結(jié)于耐磨損和磨耗性層以及耐化學(xué)性保護(hù)層兩者。
[0081]在圖9的示例中，打印頭被粘結(jié)促進(jìn)層90、耐化學(xué)性保護(hù)層合層82和耐磨損和磨耗性層92覆蓋。這三個(gè)層可以提供用于打印頭的可以防止該打印頭各種故障的熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)性和耐磨損和磨耗性涂層。所述耐化學(xué)性層合保護(hù)層有效防止所述流體或其他污染物不利地影響在所述打印頭的材料層上或其中的液滴形成機(jī)件的電阻加熱器熱致動(dòng)器的操作和電性質(zhì)，并且耐磨損和磨耗性電阻保護(hù)層、膜或涂層提供機(jī)械磨耗方面和來(lái)自流體氣泡塌陷沖擊的保護(hù)。盡管圖9示例了在耐化學(xué)性層82上涂布的耐磨耗性層92，但在本發(fā)明的其他實(shí)施方案中(例如在制造便利需要的情況下)這些層的順序可以顛倒，并且在打印頭的操作期間仍提供牢固結(jié)合的耐磨耗性和耐化學(xué)性。
[0082]發(fā)明實(shí)施例
用300nm鋁或鋁銅合金涂布硅晶圓。然后通過(guò)化學(xué)氣相沉積用從四乙氧基硅烷制備的200 nm氧化硅涂布金屬化晶圓。將氧化硅沉積在鋁或鋁銅合金上。這些硅晶圓作為硅晶圓基材用于評(píng)價(jià)各種膜包括層合膜的耐腐蝕性和機(jī)械性能。在實(shí)施例1A-1F和實(shí)施例2中，在所述基材晶圓上的200 nm氧化硅層為能夠使耐腐蝕性表面涂層和膜很好地粘結(jié)至晶圓基材的粘結(jié)促進(jìn)層。實(shí)施例1A-1F和實(shí)施例2中的晶圓基材的最外層，由SiO2粘結(jié)促進(jìn)層構(gòu)成，然后用耐腐蝕性膜涂布。評(píng)估的各種類型的耐腐蝕性膜在實(shí)施例1A至IF中給出。在實(shí)施例1A-1F和實(shí)施例2中，從所述晶圓切割基材和膜的試樣。實(shí)施例1A-1F中的膜的耐腐蝕性通過(guò)膜試樣暴露于熱腐蝕劑測(cè)試溶液(pHll.8，在80°C下)達(dá)一段時(shí)間(48小時(shí))然后眼睛計(jì)數(shù)樣品上腐蝕沖擊位點(diǎn)總數(shù)來(lái)評(píng)估。實(shí)施例2中的膜的機(jī)械性質(zhì)通過(guò)測(cè)定負(fù)載評(píng)估，在該負(fù)載下，當(dāng)用觸針刮劃時(shí)出現(xiàn)膜的機(jī)械性故障。用于膜評(píng)估的全部方法都是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。實(shí)施例1A-1F和實(shí)施例2中的膜通過(guò)化學(xué)沉積法，例如Bau等人(S.Bau, S.Janz, T.Kieliba, C.Schetter, S.Reber,和 F.Lutz; WCPEC3-conference, Osaka,May 11-18 (2003); “Application of PECVD-SiC as Intermediate Layer in CrystallineSilicon Thin-Film Solar Cells”)描述的那些或原子層沉積法,例如Liu等人(X.Lui,
S.Ramanathan, A.Longdergan, A.Srivastava, E.Lee, T.E.Seidel, J.T.Barton,D.Pang,和 R.G.Gordon; J.Electrochemical Soc, 152(3) G213-G219, (2005) ; “ALDof Hafnium Oxide Thin Films from Tetrakis(ethylmethylamino)hafnium and Ozone”)描述的那些制備，并且這些制備方法是半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中的那些技術(shù)人員所熟知的。
[0083]實(shí)施例1A-1F
該實(shí)施例例示了粘結(jié)促進(jìn)層與由多個(gè)層(各自基本上由HfO2或Ta2O5構(gòu)成)構(gòu)成的改進(jìn)的耐腐蝕性層合膜的組合使用，并例示了如本發(fā)明所述的耐腐蝕性層合材料的至少一種優(yōu)選的組成。這個(gè)實(shí)施例也例示了本發(fā)明中難熔氧化物層的相對(duì)厚度、順序和數(shù)目對(duì)于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)結(jié)果是重要的，還例示了觀察到的層合膜的改善的耐腐蝕性和尤其是富氧化鉿HfO2-Ta2O5層合層是新穎的并且不能被預(yù)測(cè)。
[0084]在實(shí)施例1A-1F中，上述硅晶圓基材的200 nm氧化硅層為能夠使沉積在硅晶圓上的耐腐蝕性表面涂層和膜很好地粘結(jié)至晶圓基材的粘結(jié)促進(jìn)層。然后用耐腐蝕性膜涂布實(shí)施例1A-1F中的晶圓基材的最外層，由SiO2粘結(jié)促進(jìn)層構(gòu)成。將各種類型的耐腐蝕性膜沉積用于評(píng)估，并且各膜在實(shí)施例1A至IF中給出。在實(shí)施例1A-1F中的膜使用Liu等人(X.Lui, S.Ramanathan, A.Longdergan, A.Srivastava, E.Lee, T.E.Seidel,J.T.Barton, D.Pang,和 R.G.Gordon; J.Electrochemical Soc, 152(3) G213-G219,(2005); “ALD of Hafnium Oxide Thin Films from Tetrakis(ethylmethylamino)hafniumand Ozone”)描述的方法通過(guò)原子層沉積法沉積，所述方法為半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中的那些技術(shù)人員所熟知。從所述晶圓切割基材和膜的試樣。膜的耐腐蝕性通過(guò)將膜試樣表面暴露于熱腐蝕劑測(cè)試溶液(pHll.8，在80°C下)達(dá)一段時(shí)間(48小時(shí))然后眼睛計(jì)數(shù)試樣上腐蝕沖擊位點(diǎn)總數(shù)來(lái)評(píng)估。
[0085]表1顯示出所評(píng)估的幾種耐腐蝕性膜的相對(duì)耐腐蝕性。
[0086]表1
【權(quán)利要求】
1.微流體裝置，其包括: 材料層； 流體輸送部件，其在所述材料層之中或其上形成，具有至少一個(gè)小于500 μ m的特征尺寸；和 多層涂層，其包含主要由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成的一個(gè)或多個(gè)薄膜層和主要由氧化鉭構(gòu)成的一個(gè)或多個(gè)薄膜層，所述多層涂層位于所述流體輸送部件表面上。
2.權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其中所述多層涂層至少包含彼此覆蓋和接觸的主要由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成的第一薄膜層和主要由氧化鉭構(gòu)成的第二薄膜層。
3.權(quán)利要求2所述的微流體裝置，其中主要由氧化鉭構(gòu)成的所述第二薄膜層覆蓋主要由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成的所述第一薄膜層，所述多層涂層進(jìn)一步包含覆蓋并接觸主要由氧化鉭構(gòu)成的所述第二薄膜層的主要由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成的另外的薄膜層。
4.權(quán)利要求2所述的微流體裝置，其中主要由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成的第一薄膜層覆蓋主要由氧化鉭構(gòu)成的所述第二薄膜層，所述多層涂層進(jìn)一步包含覆蓋并接觸主要由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成的所述第一薄膜層的主要由氧化鉭構(gòu)成的另外的薄膜層。
5.權(quán)利要求2所述的微流體裝置，其中主要由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成的所述第一薄膜層的厚度大于主要由氧化鉭構(gòu)成的所述第二薄膜層的厚度。
6.權(quán)利要求5所述的微流體裝置，其中主要由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成的所述第一薄膜層的厚度與主要由氧化鉭構(gòu)成的所述第二薄膜層的厚度的比率大于或等于2并小于100。
7.權(quán)利要求5所述的微流體裝置，其中主要由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成的一個(gè)或多個(gè)薄膜層的每層和主要由氧化鉭構(gòu)成的一個(gè)或多個(gè)薄膜層的每層的厚度小于10納米。
8.權(quán)利要求7所述的微流體裝置，其中至少一個(gè)主要由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成的薄膜層的厚度為至少2納米。
9.權(quán)利要求7所述的微流體裝置，其中所述多層涂層的總厚度為10納米至小于100納米。
10.權(quán)利要求7所述的微流體裝置，其中所述多層涂層的總厚度為10納米至小于50納米。
11.權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其中所述多層涂層包含一個(gè)或多個(gè)基本上由氧化鉿或氧化鋯構(gòu)成的薄膜層和一個(gè)或多個(gè)主要由氧化鉭構(gòu)成的薄膜層。
12.權(quán)利要求11所述的微流體裝置，其中所述多層涂層包含一個(gè)或多個(gè)基本上由氧化鉿構(gòu)成薄膜層。
13.權(quán)利要求11所述的微流體裝置，其中所述多層涂層包含一個(gè)或多個(gè)基本上由氧化鋯構(gòu)成的薄膜層。
14.權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其進(jìn)一步包含: 粘結(jié)促進(jìn)層，其位于所述材料層和所述多層涂層之間。
15.權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其中所述材料層包含硅基材料層。
16.權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其中所述材料層包含聚合物材料層。
17.權(quán)利要求16所述的微流體裝置，其中所述材料層包含聚硅氧烷、聚丙烯酸或聚氨酯材料層。
18.權(quán)利要求17所述的微流體裝置，其中所述材料層包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚氨酯材料層。
19.權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其中所述流體輸送部件具有至少一個(gè)小于100ym的特征尺寸。
20.權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其中所述流體輸送部件包含在所述材料層中形成的，長(zhǎng)度、寬度或深度中的至少一個(gè)小于100 μ m的通道或溝槽，或直徑或長(zhǎng)度小于100 ym的的孔隙。
【文檔編號(hào)】B41J2/14GK103796835SQ201280043120
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月9日
【發(fā)明者】K.D.西伯爾 申請(qǐng)人:伊斯曼柯達(dá)公司