專利名稱：流體噴射頭結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流體噴射頭結(jié)構(gòu)及其制造方法，特別是涉及一種利用兩排氣泡產(chǎn)生器之間進(jìn)行電力線布局的流體噴射頭結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
目前，流體噴射裝置已被廣泛地運用于噴墨打印機(jī)的噴墨頭等的設(shè)備中，而且隨著流體噴射裝置的可靠度(reliability)不斷提高、成本的大幅度降低，以及可提供高頻率(frequency)與高空間分辨率(spatialresolution)的高質(zhì)量液滴噴射的研發(fā)，流體噴射裝置也逐漸有其他眾多可能的應(yīng)用，例如燃料噴射系統(tǒng)(fuel injection system)、細(xì)胞分類(cellsorting)、藥物釋放系統(tǒng)(drug delivery system)、噴印光刻技術(shù)(printlithography)及微噴射推進(jìn)系統(tǒng)(micro jet propulsion system)等等。
在現(xiàn)今的產(chǎn)品中，能夠個別地噴射出形狀一致的液滴的流體噴射裝置種類并不多，其中最為成功的一種設(shè)計為使用熱驅(qū)動氣泡(thermal drivenbubble)以射出液滴的方法。由于其設(shè)計簡單，且成本低廉，因此在使用上也最為普遍。
例如，在現(xiàn)有的噴墨頭結(jié)構(gòu)中，美國專利號碼5,774,148中，便曾提到一種使用從中間歧管供應(yīng)墨水的方式(center feed)。此種噴墨頭結(jié)構(gòu)通常是采用噴砂、激光切割或化學(xué)蝕刻的方式，將芯片(chip)穿透，再由中間歧管進(jìn)行供墨。
然而利用此方法不但需要比較大的芯片尺寸，而且芯片中挖掉的部分也無法做任何利用，非常不符合經(jīng)濟(jì)效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種流體噴射頭結(jié)構(gòu)及其制造方法，通過提高線路布局的積集度，以縮小所需的芯片尺寸，并提高經(jīng)濟(jì)效益。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，即提供一種流體噴射頭結(jié)構(gòu)，該流體噴射頭結(jié)構(gòu)包括有一基材；一歧管，形成于該基材內(nèi)；至少兩排流體腔，各該流體腔相連通于該歧管且位于該歧管的兩側(cè)，用來使一流體由該歧管流至該流體腔；至少一氣泡產(chǎn)生器，形成于該基材上，且位于相對應(yīng)的該流體腔內(nèi)；以及一導(dǎo)電線路，位于該歧管上方的該基材表面，且部分的該導(dǎo)電線路位于該至少二排流體腔之間，用以驅(qū)動該氣泡產(chǎn)生器。
本發(fā)明還提供一種流體噴射頭的制造方法，該制造方法包括有下列步驟提供一基材；在該基材上形成至少一氣泡產(chǎn)生器；形成一位于該基材內(nèi)的歧管；形成至少二排流體腔，且各該流體腔相連通于該歧管且位于該歧管的兩側(cè)，用來使一流體由該歧管流至該流體腔內(nèi)；以及在該歧管上方的該基材表面形成一導(dǎo)電線路，且部分的該導(dǎo)電線路位于該至少二排流體腔之間，用以驅(qū)動該氣泡產(chǎn)生器。
由于本發(fā)明所提供的流體噴射頭結(jié)構(gòu)，不需將整個芯片蝕穿即可達(dá)到順利供墨的效果，而且其更于利用歧管上方的空間來進(jìn)行電路布局，所以本發(fā)明不但可以有效增強(qiáng)歧管上方結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度，并能大幅度縮減芯片尺寸，擴(kuò)增噴頭數(shù)目，進(jìn)而提高打印速度。


圖1為本發(fā)明噴墨頭結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剖視圖；圖2為本發(fā)明的實施例橫切面示意圖；圖3為本發(fā)明流體噴射頭的上視圖；圖4為本發(fā)明流體噴射頭芯片的局部放大圖；圖5為本發(fā)明流體噴射頭的矩陣式驅(qū)動電路示意圖；圖6至圖8為本發(fā)明流體噴射頭的制作流程示意圖。
具體實施例方式
請參見圖1，圖1為本發(fā)明的流體噴射頭的結(jié)構(gòu)剖視圖。本發(fā)明的流體噴射頭為一種具有虛擬氣閥(virtual valve)的流體噴射裝置。如圖1所示，氣泡產(chǎn)生器包括有兩個氣泡產(chǎn)生構(gòu)件，分別為第一加熱元件14a與第二加熱元件14b，環(huán)繞在噴孔(nozzle)12四周，由兩個加熱元件14a、14b間的差異，例如電阻值的不同，可使得加熱此二加熱元件14a、14b時，會先后生成二氣泡。首先在噴孔12旁比靠近歧管(manifold)11的第一加熱元件14a處先形成一第一氣泡(未顯示)，此第一氣泡會隔絕歧管11與噴孔12，而產(chǎn)生類似氣閥的功能，以減小與相鄰流體腔16產(chǎn)生互相干擾(cross talk)的效應(yīng)，接著會于靠近第二加熱元件14b處產(chǎn)生一第二氣泡(未顯示)，由此第二氣泡推擠流體腔16內(nèi)的流體(未顯示)，使流體由噴孔12中噴出。最后，第二氣泡會與第一氣泡相結(jié)合，并由此二氣泡的結(jié)合以達(dá)到減少衛(wèi)星液滴(satellite droplet)的產(chǎn)生。
由于本發(fā)明的流體噴射頭的結(jié)構(gòu)不用蝕穿整個芯片即可達(dá)到順利噴出液體的需求，因此基于這種架構(gòu)下，本發(fā)明便可在歧管11上方進(jìn)行電力線(power lines)的布局，同時增強(qiáng)歧管11上方結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度。此外，為了解說方便起見，以下本發(fā)明的流體噴射頭便以噴墨頭為實施例來加以說明。
請參見圖2，圖2為本發(fā)明整個芯片制作完成的剖視圖，其中第一加熱元件14a與第二加熱元件14b上方沉積了一低溫氧化層18以作為保護(hù)層，且在指定的地區(qū)開洞(via)以使金屬層13經(jīng)由此洞流入加熱器14a、14b的上方表面，而達(dá)成金屬傳導(dǎo)層13與加熱器14a、14b電連接的目的。
同樣地，在MOSFET(金氧半場效應(yīng)晶體管)元件15的漏極(drain)68與源極(source)66也通過金屬層13電連接至加熱器14a、14b與接地端(ground)20。所以當(dāng)MOSFET元件15的柵極(gate)64被打開時，由金屬層13所構(gòu)成的襯墊(pad)會將外部所供給的電壓信號送到此噴墨頭內(nèi)，此時，電流會由襯墊進(jìn)入，先經(jīng)由金屬層13到第一加熱器14a與第二加熱器14b，再經(jīng)由MOSFET元件15的漏極到源極，再流至接地端20而完成一次加熱的動作。此時，由于流體腔16(即此噴墨頭的噴墨腔)內(nèi)的墨水被加熱，因而產(chǎn)生兩個氣泡將墨滴經(jīng)由噴孔12推擠出去。其中，可根據(jù)所需打印數(shù)據(jù)量的不同，而分別控制不同的噴孔12以噴出墨水液滴。此外，金屬層13的材料選自鋁(Aluminum)、金(Gold)、銅(Copper)、鎢(Tungsten)及鋁硅銅合金(Alloys of Al-Si-Cu)所構(gòu)成族群中的任一者。
請參見圖3及圖4，圖3為本發(fā)明的噴墨頭的上視圖。在此實施例中，將其分成16個P群(包含P1至P16)，每個P群又包括有22個定址(Address，A1至A22)，可對照圖5的矩陣式驅(qū)動電路圖，一邏輯電路或微處理器32將會根據(jù)所需打印的數(shù)據(jù)，送出一選擇信號至電力線驅(qū)動器(powerdriver)34以及地址線驅(qū)動器(address driver)35，來控制要開啟哪個定址(A1至A22)以及供電給哪個P群(P1至P16)。舉例而言，若供電給P1，且開啟A22，則此時P1群中A22的加熱器14a、14b將會依照設(shè)定的時間完成加熱以及噴墨的操作。
圖4為圖3中B區(qū)域(虛線部分)的局部放大圖。如圖4所示，可以清楚地看到芯片的中間設(shè)置有兩排噴孔12，若將整個芯片的噴孔12分成兩半(以圖3的A-A’分隔線作區(qū)分)，即在芯片A-A’的右側(cè)包括有八群噴孔(P1至P8)，而左側(cè)也包括有八群噴孔(P9至P16)。并利用歧管11的上方，兩排噴孔12間的中央地區(qū)來進(jìn)行電力線(power line)19的布局，在分隔線A-A’的右側(cè)布局了8條金屬線(metal lines，P1至P8)，并連接到右邊的輸出入襯墊(I/O pads)。同樣地，分隔線A-A’的左側(cè)也布局了8條金屬線(metal lines，P9至P16)，并連接到左邊的輸出入襯墊(I/O pads，圖中未示)。
本發(fā)明的每組襯墊P至襯墊G采取U字型的驅(qū)動線路布局方法，例如襯墊P1到襯墊G1的驅(qū)動線路布局方法(如虛線部位所示)，而且各電路連接間互不跨接，且僅使用一層金屬層13即完成電力線19至加熱器14a、14b，再連到MOSFET元件15，最后至接地端襯墊G的連線動作。另外，在MOSFET元件15的上下兩邊各布局11條橫向金屬線22，橫向金屬線22與襯墊A連接，并用以將地址線驅(qū)動器35入的數(shù)據(jù)傳入各MOSFET元件15，以決定哪個噴孔12噴出墨水，并在MOSFET元件15的左右兩邊(即靠近芯片的兩端)各布局了11條縱向多晶硅線(polysilicon lines)23，共22條多晶硅線23，并且在橫向金屬線22和縱向多晶硅線23要電連接的部分打上接觸層(contact layer)24以完成電連接，而多晶硅線23的作用為連通芯片上下端的橫向金屬線22，例如，由襯墊Al輸入信號，此時要打開P16的加熱元件，則需經(jīng)由縱向多晶硅線23傳遞至下方的橫向金屬線22，才能連接至P16的加熱器，達(dá)成噴墨的功能，而其動作原理將于后面詳述。
在此進(jìn)一步詳述本發(fā)明流體噴射頭結(jié)構(gòu)的制程方法如下。請參考圖6至圖8，圖6至圖8為本發(fā)明流體噴射頭結(jié)構(gòu)的制作流程示意圖。首先，在一硅晶片基板60上以局部熱氧化法(Local oxidation)形成一場氧化層(Field oxide)62。接著進(jìn)行一硼離子布植(Blanket boron implant)，以調(diào)整驅(qū)動電路的起始電壓(Threshold voltage)，再形成一多晶硅柵極(Polysilicon gate)64在場氧化層62中，其中，形成多晶硅柵極64的同時，也于芯片接近邊緣的兩側(cè)，形成如前所述22條縱向多晶硅線23，以作為導(dǎo)線之用。之后，并再施以離子布植，以于柵極64兩側(cè)形成一源極(Source)66及一漏極(Drain)68，完成MOSFET元件15。隨后沉積一低應(yīng)力層(Low stress layer)72，如氮化硅(SiNx)材料，以做為流體腔16的上層，如圖6所示。
請參考圖7，接下來，使用蝕刻液氫氧化鉀(KOH)從基板60的背面蝕刻以形成歧管11，做為供給流體進(jìn)入的主要流道，而后再將部分場氧化層62以蝕刻液氫氟酸(HF)移除，作為流體腔16。隨后在精確地控制蝕刻時間下，進(jìn)行另一次以蝕刻液氫氧化鉀(KOH)的蝕刻，用以加大流體腔16的深度，如此流體腔16與歧管11便得以相連通且可填滿流體。在進(jìn)行此蝕刻步驟期間需特別留意，因為流體腔16的凸角(Convex corner)也會被蝕刻液攻擊而會被蝕刻成圓弧的形狀。
然后再繼續(xù)進(jìn)行加熱器的制作過程。其中，加熱器包括有第一加熱器14a及第二加熱器14b，而加熱器的制作過程為現(xiàn)有該項技術(shù)者所能輕易完成，故在此不多加贅述。此外，對第一加熱器14a及第二加熱器14b而言，較佳的材料為鋁鉭合金(Alloys of tantalum and aluminum)，而其他材料如鉑(Platinum)、硼化鉿(HfB2)等也可達(dá)到相同作用。另外，為了保護(hù)第一加熱器14a與第二加熱器14b并隔離此一個以上的MOSFET元件15，故在整個基板60上，包括柵極64、源極66、漏極68及場氧化層62的范圍會再沉積一低溫氧化層74用以做為保護(hù)層。
接著，在第一加熱器14a與第二加熱器14b上形成一導(dǎo)電層(Conductive layer)13，用來當(dāng)作第一導(dǎo)電線路以導(dǎo)通第一加熱器14a、第二加熱器14b與驅(qū)動電路的功能元件。其中，驅(qū)動電路用以分別獨立地傳送一信號至個別的加熱器(第一加熱器14a與第二加熱器14b)，且用以驅(qū)動一對以上的加熱器(第一加熱器14a與第二加熱器14b)，如此即可利用數(shù)量較少的電路元件與連接線路，可相同達(dá)到控制電路的功效。在本發(fā)明的實施例中，導(dǎo)電層13的較佳材料為如鋁硅銅合金(Alloys of Al-Si-Cu)、鋁(Aluminum)、銅(Copper)、金(Gold)或鎢(Tungsten)等金屬材料。隨后再沉積一低溫氧化層76于導(dǎo)電層13之上以做為保護(hù)層。
最后，請參考圖8，在第一加熱器14a與第二加熱器14b之間形成一噴孔12。至此，即可形成一體成型且具有驅(qū)動電路的流體噴射裝置陣列。由上述說明可知，本發(fā)明不僅可將驅(qū)動電路與加熱器整合于同一基板上，而且不需另外貼上噴嘴平板即可完成整體微噴射頭的結(jié)構(gòu)。
接著詳述其動作原理如下請參圖4與圖5，當(dāng)進(jìn)行噴墨打印時，邏輯電路或微處理器32將會根據(jù)所需打印的數(shù)據(jù)，決定要由哪一個噴孔噴出墨水，接著會送出一選擇信號至電力線驅(qū)動器(power driver)34以及地址線驅(qū)動器(address driver)35，以開啟相對應(yīng)的定址(A1至A22)以及供電至相對應(yīng)的P群(P1至P16)，之后電流便會流經(jīng)加熱器14a、14b而加熱流體以產(chǎn)生氣泡，進(jìn)行一噴墨動作。舉例而言若要讓位于A1P1處的噴孔12a噴出液滴，則必須要經(jīng)由輸出入襯墊A1送進(jìn)一個電壓信號至MOSFET元件15的柵極64來將開關(guān)打開，接著再由輸出入襯墊P1提供一電壓信號，以產(chǎn)生電流，此時電流便會流經(jīng)加熱器14a、14b而加熱墨水以產(chǎn)生氣泡，再流經(jīng)MOSFET元件15的漏極68到源極66，最后流至接地端20，至此，完成一個墨滴噴出的動作。
上述的噴墨頭結(jié)構(gòu)雖僅以單色打印機(jī)的結(jié)構(gòu)來作說明，但本發(fā)明的應(yīng)用并不局限于單色噴墨打印機(jī)，在彩色或多色的噴墨頭結(jié)構(gòu)中也可適用本發(fā)明。此外，本發(fā)明的流體噴射裝置也具有其他眾多可能的應(yīng)用，例如燃料噴射系統(tǒng)、細(xì)胞分類、藥物釋放系統(tǒng)、噴印光刻技術(shù)、微噴射推進(jìn)系統(tǒng)等，并不以噴墨打印為限。
因此，本發(fā)明所提供的流體噴射頭結(jié)構(gòu)以及其制造方法，在歧管上方兩排氣泡產(chǎn)生器之間的位置，進(jìn)行整片芯片的導(dǎo)電層電路布局，其具有下列功效(1)由于供墨方式不是采用整個芯片打穿的方式，因此可于歧管上方進(jìn)行電路布局，將節(jié)省整個芯片的尺寸而增加整片晶片(wafer)的芯片切割量；(2)在歧管上方的結(jié)構(gòu)層上進(jìn)行繞線布局可有效提高此一結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度以及
(3)通過此一提高線路布局積集度的方法，將可節(jié)省電路布局所占之面積，即在相同的芯片面積下，可以設(shè)置更多的噴孔，以提高打印速度。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡按本發(fā)明權(quán)利要求所作的均等變化與修飾，都應(yīng)屬本發(fā)明專利的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種流體噴射頭結(jié)構(gòu)，該流體噴射頭結(jié)構(gòu)包括有一基材；一歧管，形成于該基材內(nèi)；至少兩排流體腔，各該流體腔相連通于該歧管且位于該歧管的兩側(cè)，用來使一流體由該歧管流至該流體腔；至少一氣泡產(chǎn)生器，形成于該基材上，且位于相對應(yīng)的該流體腔內(nèi)；以及一導(dǎo)電線路，位于該歧管上方的該基材表面，且部分的該導(dǎo)電線路位于該至少二排流體腔之間，用以驅(qū)動該氣泡產(chǎn)生器。
2.如權(quán)利要求1所述的流體噴射頭結(jié)構(gòu)，還包括有至少一噴孔，且該噴孔相連通于該相對應(yīng)的該流體腔。
3.如權(quán)利要求2所述的流體噴射頭結(jié)構(gòu)，其中該氣泡產(chǎn)生器另包括一第一氣泡產(chǎn)生構(gòu)件與一第二氣泡產(chǎn)生構(gòu)件，且該第一氣泡產(chǎn)生構(gòu)件與該第二氣泡產(chǎn)生構(gòu)件設(shè)于接近該相對應(yīng)的噴孔處以及該對應(yīng)的流體腔上方，當(dāng)對應(yīng)的該流體腔充滿該流體時，該第一氣泡產(chǎn)生構(gòu)件會在該流體腔內(nèi)產(chǎn)生一第一氣泡以作為一虛擬氣閥，待產(chǎn)生該第一氣泡后，該第二氣泡產(chǎn)生構(gòu)件會產(chǎn)生一第二氣泡，使該流體腔的該流體由該噴孔噴出。
4.如權(quán)利要求1所述的流體噴射頭結(jié)構(gòu)，其中該流體噴射頭結(jié)構(gòu)用來作為一噴墨打印機(jī)的噴墨頭，該歧管連接至一墨水匣，且該流體為該墨水匣中的墨水。
5.如權(quán)利要求1所述的流體噴射頭結(jié)構(gòu)，其中該導(dǎo)電線路的材料選自于鋁(Aluminum)、金(Gold)、銅(Copper)、鎢(Tungsten)及鋁硅銅合金(Alloys of Al-Si-Cu)所構(gòu)成族群中的任一者。
6.如權(quán)利要求1所述的流體噴射頭結(jié)構(gòu)，還包括有至少一金氧半場效應(yīng)晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)，且該金氧半場效應(yīng)晶體管通過該導(dǎo)電線路來電耦合于該氣泡產(chǎn)生器。
7.一種流體噴射頭的制造方法，該制造方法包括有下列步驟提供一基材；在該基材上形成至少一氣泡產(chǎn)生器；形成一位于該基材內(nèi)的歧管；形成至少二排流體腔，且各該流體腔相連通于該歧管且位于該歧管的兩側(cè)，用來使一流體由該歧管流至該流體腔內(nèi)；以及在該歧管上方的該基材表面形成一導(dǎo)電線路，且部分的該導(dǎo)電線路位于該至少二排流體腔之間，用以驅(qū)動該氣泡產(chǎn)生器。
8.如權(quán)利要求7所述的制造方法，還包括有下列步驟在該基材上形成一介電層；在該介電層上形成一低應(yīng)力材料層；以及蝕刻該基材與該介電層，以形成該歧管及各該流體腔。
9.如權(quán)利要求8所述的制造方法，其中該氣泡產(chǎn)生器形成于該低應(yīng)力材料層上，并電耦合于該導(dǎo)電線路。
10.如權(quán)利要求9所述的制造方法，其中該氣泡產(chǎn)生器還包括有一第一氣泡產(chǎn)生構(gòu)件及一第二氣泡產(chǎn)生構(gòu)件。
11.如權(quán)利要求10所述的制造方法，還包括有下列步驟形成至少一噴孔，且該噴孔位于相對應(yīng)的該第一氣泡產(chǎn)生構(gòu)件與該第二氣泡產(chǎn)生構(gòu)件之間，并連通至相對應(yīng)的該流體腔，以噴出該流體腔中的流體。
12.如權(quán)利要求7所述的制造方法，其中該流體噴射頭用來作為一噴墨打印機(jī)的噴墨頭，該歧管連接至一墨水匣，且該流體為該墨水匣中的墨水。
13.如權(quán)利要求7所述的制造方法，其中該導(dǎo)電線路的材料選自鋁(Aluminum)、金(Gold)、銅(Copper)、鎢(Tungsten)及鋁硅銅合金(Alloysof Al-Si-Cu)所構(gòu)成族群中的任一者。
14.如權(quán)利要求7所述的制造方法，還包括有下列步驟在該基材上形成至少一金氧半場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，且該金氧半場效應(yīng)晶體管通過該導(dǎo)電線路來電耦合于該氣泡產(chǎn)生器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種流體噴射頭結(jié)構(gòu)及其制造方法。流體噴射頭結(jié)構(gòu)形成在一基材上，其包括有一歧管，至少一氣泡產(chǎn)生器及一導(dǎo)電線路，其中具有至少兩排相連通于歧管且位于歧管兩側(cè)的流體腔，而導(dǎo)電線路設(shè)于歧管上方的基材表面，通過部分的導(dǎo)電線路位于二排流體腔之間，用以驅(qū)動該氣泡產(chǎn)生器。
文檔編號B41J2/14GK1426845SQ011433
公開日2003年7月2日 申請日期2001年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月20日
發(fā)明者黃宗偉, 陳志清 申請人:明基電通股份有限公司