(57)【要約】      （修正有）【課題】インク吐出用のマイクロメカニカルなプランジャの耐久性を向上する。【解決手段】パドル８は、ノズルチャンバ２内からノズルチャンバ２の１つの壁において規定されたインク噴出ノズル４を通って液体を噴出する。パドル８は、使用中はインク噴出ノズル４に対向しインク噴出ノズル４から間隔を置いて配置された略平らなプランジャ表面を提供するように構成された第１の部分と、第１の部分の周辺におけるプランジャ表面上に形成されて第１の部分の構造上の支持を行う第２の部分とを含み、それによって、使用中、プランジャが作動してインクを、インク噴出ノズル２を通って噴出している間、第２の部分がスペーサとしての役割を果たして、プランジャ表面がインク噴出ノズル４に触れるのを防止する。【選択図】図１
2010173327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルチャンバ内から該ノズルチャンバの１つの壁において規定された液体噴出ノズルを通って液体を噴出するパドルであって、
使用中は前記ノズルに対向し該ノズルから間隔を置いて配置された略平らなプランジャ表面を提供するように構成された第１の部分と、
該第１の部分の周辺における前記プランジャ表面上に形成されて前記第１の部分の構造上の支持を行う第２の部分と
を含み、それによって、使用中、前記プランジャが作動して液体を前記ノズルを通って噴出している間、前記第２の部分がスペーサとしての役割を果たして、前記プランジャ表面が前記ノズルに触れるのを防止するパドル。
【請求項２】
前記第２の部分は、前記プランジャ表面の中央部が使用中に前記ノズルと略整列した状態で、前記中央部の周りに壁構造を規定するように構成されている請求項１に記載のパドル。
【請求項３】
前記中央部は、前記ノズルと同じ寸法である請求項２に記載のパドル。
【請求項４】
前記第１の部分は外周が円形であり、前記第２の部分は、前記パドルの前記外周の周りの環形を含んでいる請求項１〜３のいずれか一項に記載のパドル。
【請求項５】
前記壁構造は、部分的に下部をカットされている請求項２に記載のパドル。
【請求項６】
前記パドルは、第１の層を推積及びエッチングして前記第１の部分を形成する工程と、第２の層を推積及びエッチングして前記第１の部分の一部の上に犠牲層構造を形成する工程と、第３の層を推積及びエッチングして前記第２の部分を形成し、前記犠牲層をエッチングして前記第２の部分が部分的に下部をカットされるようにする工程とによって形成される請求項５に記載のパドル。
【請求項７】
液体を噴出するための、その１つの壁における第１の開口部と、そこを通ってアクチュエータのアームが延びる、その壁における第２の開口部とを有するノズルチャンバであって、前記アクチュエータのアームは、前記ノズルチャンバの外側に配置された基板に取り付けられ、前記ノズルチャンバの内側のパドルに接続されており、該パドルは、前記アクチュエータのアームによって、前記液体を前記第１の開口部を通って噴出するように動作可能であるノズルチャンバと、
前記第２の開口部の周りに形成された、第１の隆起したリムであって、前記アクチュエータのアームの動作中に、前記第１の隆起したリムと前記アクチュエータのアームとの間で前記液体の外面に沿って液体のメニスカスが形成されるような方法で配置されている、第１の隆起したリムと
を含む液体噴出デバイス。
【請求項８】
前記アクチュエータは、前記第１の隆起したリムに隣接し前記基板と略平行で該基板から間隔を置いて配置された平らな部分を含む請求項７に記載の液体噴出デバイス。
【請求項９】
前記第１の隆起したリムは、前記平らな部分と略平行な縁部を含む請求項８に記載の液体噴出デバイス。
【請求項１０】
前記第１の隆起したリムは、隆起したリップを含む請求項７〜９のいずれか一項に記載の液体噴出デバイス。
【請求項１１】
前記アクチュエータのアーム上に、前記第２の開口部の周りに形成された前記第１の隆起したリムに隣接して形成された、第２の隆起したリムをさらに含む請求項７〜１０のいずれか一項に記載の液体噴出デバイス。
【請求項１２】
前記第１の隆起したリムは、前記アクチュエータのアームの一部もまた形成する層のデポジションから形成される請求項７〜１１のいずれか一項に記載の液体噴出デバイス。
【請求項１３】
前記第１及び第２の隆起したリムのうちの少なくとも１つは、窒化チタンから形成される請求項７〜１２のいずれか一項に記載の液体噴出デバイス。
【請求項１４】
前記第１の隆起したリムに隣接して、ウィッキングを低減する助けになるピットが形成される請求項７〜１３のいずれか一項に記載の液体噴出デバイス。
【請求項１５】
ノズルチャンバと、
該ノズルチャンバ内に配置されて、第１の状態から噴出状態に動かされると、液体を前記ノズルチャンバから該ノズルチャンバの１つの壁における開口部を通って噴出する、噴出パドルと、
該パドルが前記第１の状態にある時には、前記パドルによって略閉じているような方法で配置された、液体供給ポートと
を含み、
前記ノズルチャンバは、前記パドルが前記第１の状態にある時には、前記パドルのリムにぴったりと隣接して整列している、その壁構造上の内部突出部を含み、
前記噴出状態において、前記パドルの前記リムのうちの少なくとも一部は、前記突出部から間隔を置いて配置されており、それによって、前記壁構造と前記パドルの前記リムの前記一部との間に規定された液体再充填チャネルを形成する液体噴出デバイス。
【請求項１６】
前記内部突出部は、横断面が階段状である請求項１５に記載の液体噴出デバイス。
【請求項１７】
前記パドル及び前記内部突出部は、１つのデポジション工程において形成される請求項１５または１６に記載の液体噴出デバイス。
【請求項１８】
前記内部突出部は、前記ノズルチャンバの前記壁構造を形成する高アスペクト比のデポジション工程と比較してアスペクト比の低いデポジション工程を用いて形成される請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の液体噴出デバイス。
【請求項１９】
前記パドルは略平らである請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の液体噴出デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットプリンタ等のマイクロメカニカルなまたはマイクロエレクトロメカニカルなデバイスの分野に関する。本明細書において、本発明は、マイクロエレクトロメカニカルなインクジェット技術に関して説明される。しかし、本発明は他のマイクロメカニカルなまたはマイクロエレクトロメカニカルなデバイス、たとえば、マイクロエレクトロメカニカルなポンプやマイクロエレクトロメカニカルなムーバ、へのより広い用途を有している。
【背景技術】
【０００２】
マイクロメカニカルな及びマイクロエレクトロメカニカルなデバイスは、ますます普及してきており、通常、半導体製造技術を利用したμｍ（ミクロン）規模のデバイスの作成を伴う。マイクロメカニカルなデバイスに関する最近の概観として、非特許文１の「The Broad Sweep of Integrated Micro Systems」という論文を参照する。
【０００３】
一般的に用いられているマイクロエレクトロメカニカルなデバイスの１つの形式は、インク噴出ノズルチャンバからインクが噴出される、インクジェット印字デバイスである。多くの形式のインクジェットデバイスが知られている。
インクジェット印字及び関連するデバイスに関する多くの異なる技術が、発明されている。この分野の概観として、非特許文献２の「Non-Impact Printing: Introduction and Historical Perspective」という論文を参照する。
【０００４】
最近、本出願人によって、マイクロエレクトロメカニカルなインクジェット（ＭＥＭＪＥＴ）技術と呼ばれる新しい形式のインクジェット印字が開発された。ＭＥＭＪＥＴ技術の１つの形式において、パドルまたはプランジャに接続されたエレクトロメカニカルなアクチュエータを利用するインク噴出ノズルチャンバからインクが噴出される。パドルまたはプランジャは、チャンバの噴出ノズルに向かって動いて、噴出ノズルチャンバからインク滴が噴出される。
【０００５】
本発明は、ＭＥＭＪＥＴ技術その他マイクロメカニカルなまたはマイクロエレクトロメカニカルなデバイスにおいて用いる、機械的な屈曲アクチュエータの改良に関する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】S. Tom Picraux；Paul J. McWhorter，IEEE Spectrum，p24-33，Feb.,1998
【非特許文献２】R. Dubeck；S. Sherr，Output Hard Copy Devices，p207-220，1988
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、マイクロエレクトロメカニカルなデバイス用の熱アクチュエータが提供される。アクチュエータは、支持基板と、作動部と、その第１の端において基板に取り付けられ、第２の端において作動部に取り付けられた第１のアームであって、使用中は伝導によって加熱可能なように配置されている第１のアームと、第１の端において支持基板に取り付けられ、第２の端において作動部に取り付けられた第２のアームであって、第１のアームと間隔を置いて配置され、それによって第１及び第２のアームが両者の間に間隙を規定する、第２のアームとを含む。使用中は、第１のアームは伝導によって加熱されると熱膨張し、それによって作動部に力が加えるように配置されている。
【０００８】
従って、従来技術の熱アクチュエータと比べて、たとえば動作温度等、アクチュエータの動作特性の作動部の材料に対する依存度を、少なくすることができる。従来技術の熱アクチュエータにおいて、作動部は通常部分的に、熱アクチュエータ（三層アクチュエータ）のアームとアームとの間に配置されている。さらに、作動部が部分的にアームとアームとの間に配置されている場合には、使用中に、作動部のその部分において剪断応力が誘発され、それによってアクチュエータの効率が下がってしまう可能性がある。
アクチュエータは、加熱電流を支持基板を通って第１のアームに印加することができるような方法で配置されていてもよい。
【０００９】
第１及び第２のアームは、好ましくは、略同じ材料から形成される。アクチュエータは、第１の層を推積及びエッチングして第１のアームを形成する工程と、第２の層を推積及びエッチングして、第１のアームの上方に犠牲層支持構造を形成する工程と、第３の層を推積及びエッチングして第２のアームを形成し、第２の層をエッチングして第１のアームと第２のアームとの間に間隙を形成する工程とによって製造してもよい。
【００１０】
第１のアームは、第２の端において、伝導によって相互接続された２つの細長い柔軟性を有する細長片を含んでもよい。
第２のアームは、２つの細長い柔軟性を有する細長片を含んでもよい。
作動部は、パドル構造を含んでもよい。従ってアクチュエータは、液体噴出チャンバからの液体の噴出に対してパドル構造が可動な状態で、液体噴出チャンバ内で用いてもよい。
第１のアームは窒化チタンから形成してもよく、第２のアームも窒化チタンから形成してもよい。
【００１１】
本発明の第２の態様によれば、インクジェット印字システムの製造の新規な形式が開示される。
【００１２】
本発明の第３の態様によれば、ノズルチャンバ内からノズルチャンバの１つの壁において規定された液体噴出ノズルを通って液体を噴出する、パドルが提供される。パドルは、使用中はノズルに対向しノズルから間隔を置いて配置された略平らなプランジャ表面を提供するように構成された第１の部分と、第１の部分の周辺におけるプランジャ表面上に形成されて第１の部分の構造上の支持を行う第２の部分とを含み、それによって、使用中、プランジャが作動して液体をノズルを通って噴出している間、第２の部分がスペーサとしての役割を果たして、プランジャ表面がノズルに触れるのを防止する。
【００１３】
プランジャ表面をノズルから間隔を置いて配置することは、ノズルにおいて液体のメニスカスがプランジャ表面と接触する可能性を減らすのに重要である。接触すると、このような装置の動作特性に影響を与えてしまう可能性がある。当業者であれば、これに応じて、以前に構造上強固にするために必要であると思われていた一定の厚さを有するパドルと比較して、同じ噴出体積において本発明を実施するチャンバの大きさを小さくすることができる、ということが理解されよう。
【００１４】
第２の部分は、プランジャ表面の中央部が使用中にノズルと略整列した状態で、中央部の周りに連続壁構造を規定するように構成してもよい。
中央部は、好ましくはノズルと同じ寸法であってもよい。
第１の部分は外周が円形であってもよく、第２の部分は、パドルの外周の周りの環形を含んでもよい。
パドルは、液体噴出ノズルの周りに略対照的に配置されてもよく、第１の層を推積及びエッチングして第１のパドル部を形成する工程と、第２の層を推積及びエッチングして第１のパドル部の上方に犠牲層支持構造を形成する工程と、第３の層を推積及びエッチングして第３のパドル部を形成する工程とによって形成されてもよい。
【００１５】
本発明の第４の態様によれば、マイクロメカニカルなまたはマイクロエレクトロメカニカルなデバイス用の、機械的アクチュエータが提供される。かかるアクチュエータは、支持基板と、作動部と、その第１の端において基板に取り付けられ、第２の端において作動部に取り付けられた第１のアームであって、使用中は伝導によって加熱可能なように配置されている第１のアームと、第１の端において支持基板に取り付けられ、第２の端において作動部に取り付けられた第２のアームであって、第１のアームと間隔を置いて配置され、それによって第１及び第２のアームが両者の間に間隙を規定する、第２のアームとを含み、少なくとも１つの剛体部材が、第１のアームと第２のアームとをその第１の端と第２の端との間で相互接続し、使用中は、第１のアームが熱膨張し、それによってアクチュエータが作動部に力を加えるように配置されている。
【００１６】
出願人は、第１のアームと第２のアームとの間に剛体部材を設けることによって、第１のアームが膨張するときに両アームが反るのを防止することができる、ということを発見した。
【００１７】
第１のアームは、好ましくは、第１のアームの第１の端と第２の端との間に形成された第１の主本体と、第１の主本体に接続された、少なくとも１つのタブ本体とを含み、少なくとも１つの剛体部材のうちの最初のものが、タブを第２のアームと相互接続してもよい。
第２のアームは、好ましくは、第２のアームの第１の端と第２の端との間に形成された第２の主本体と、第２の主本体に接続された、少なくとも１つの対応するタブ本体とを含み、少なくとも１つの剛体部材のうちの最初のものが、第１及び第２のアームの対応する両タブを相互接続してもよい。
【００１８】
タブ本体は、第１の薄くしたネック部を通して第１の主本体に接続されていてもよい。
対応するタブ本体は、第２の薄くしたネック部を通して第２の主本体に接続されていてもよい。
【００１９】
第１のアームは、それによって第１のアームが伝導によって加熱可能であり、使用中に第１のアームを第２のアームに関して熱膨張させて、それによってアクチュエータが作動部に力を加えるようになっている、伝導層を含んでもよい。
第１及び第２のアームは、好ましくは略平行であり、剛体部材は、第１及び第２のアームと略垂直であってもよい。
アクチュエータは、電流を支持基板を通って伝導層に供給できるような方法で配置されていてもよい。
第１及び第２のアームは、好ましくは略同じ材料から形成される。
【００２０】
アクチュエータは、第１の層を推積及びエッチングして第１のアームを形成する工程と、第２の層を推積及びエッチングして、第１のアームの上方に犠牲層支持構造を形成する工程と、第３の層を推積及びエッチングして、第２のアームを形成する工程と、犠牲層をエッチングして第１のアームと第２のアームとの間に間隙を形成する工程とによって製造してもよい。
【００２１】
第１のアームは、第２の端において、伝導によって相互接続された２つの細長い柔軟性を有する細長片を含んでもよい。第２のアームもまた２つの細長い柔軟性を有する細長片を含んでもよい。
作動部は、パドル構造を含んでもよい。従ってアクチュエータは、液体噴出チャンバからの液体の噴出に対してパドル構造が可動な状態で、液体噴出チャンバ内で用いてもよい。
第１の伝導アームは窒化チタンから形成してもよく、第２のアームは窒化チタンから形成してもよい。
【００２２】
本発明の第５の態様によれば、マイクロメカニカルなまたはマイクロエレクトロメカニカルなデバイス用の熱アクチュエータが提供される。かかるアクチュエータは、支持基板と、アクチュエータ延長部と、その第１の端において基板に取り付けられ、第２の端において延長部に取り付けられた第１のアームであって、使用中は伝導によって加熱可能なようになっている第１のアームと、第１の端において支持基板に取り付けられ、第２の端において延長部に取り付けられた第２のアームであって、第１のアームと間隔を置いて配置された第２のアームとを含み、使用中は、第１のアームが熱膨張し、それによってアクチュエータが延長部に力を加えるように配置されており、第１のアームは、第１のアームの略最高加熱点のところに少なくとも１つのヒートシンク要素を含み、この点は、使用中第１のアームの最高加熱が起こるところである。
【００２３】
出願人は、ヒートシンク要素を設けることによって、第１のアームにおける最高温度を低くすることができるという点において、及び第１のアームの全体にわたってより均一な温度プロフィルを達成することができるという点において、熱によって曲がるアクチュエータの動作特性を改良することができる、ということを発見した。これによって、第１のアームにおいて誘発される熱膨張を最大にすることができる。
【００２４】
ヒートシンク要素は、第１のアームの略中央に配置されていてもよい。
ヒートシンク要素は、第１のアームと第２のアームとを相互接続するように配置されていてもよい。
ヒートシンク要素は、第１のアームの主本体に接続された、少なくとも１つのタブ本体を含んでもよい。
タブ本体は、第１の薄くしたネック部を通して主本体に接続されていてもよい。
第１のアームは、それによって第１のアームが伝導によって加熱可能な、伝導層を含んでもよい。
【００２５】
アクチュエータは、電流を支持基板を通って伝導層に供給できるような方法で配置されていてもよい。
第１及び第２のアームは、好ましくは略同じ材料から形成される。
延長部は、パドル構造を含んでもよい。従ってアクチュエータは、液体噴出チャンバからの液体の噴出に対してパドル構造が可動な状態で、液体噴出チャンバ内で用いてもよい。
第１の伝導アームは窒化チタンから形成してもよく、第２のアームは窒化チタンから形成してもよい。
【００２６】
本発明の第６の態様によれば、液体を噴出するための、その１つの壁における第１の開口部と、そこを通ってアクチュエータのアームが延びる、その壁における第２の開口部とを有するノズルチャンバを含む、液体噴出デバイスが提供される。アクチュエータのアームは、ノズルチャンバの外側に配置された基板に取り付けられ、ノズルチャンバの内側のパドルに接続されており、パドルは、アクチュエータのアームによって、液体を第１の開口部を通って噴出するように動作可能である。システムはさらに、第２の開口部の周りに形成された、第１の隆起したリムを含む。第１の隆起したリムは、アクチュエータのアームの動作中に、第１の隆起したリムとアクチュエータのアームとの間で液体の外面に沿って液体のメニスカスが形成されるような方法で、配置されている。
【００２７】
従って、液体が第２の開口部を通ってノズルチャンバの外側に広がることは防止されるかもしれない。
アクチュエータは、好ましくは、第１の隆起したリムに隣接し、基板と略平行で基板から間隔を置いて配置された、平らな部分を含んでもよい。
第１の隆起したリムは、好ましくは、平らな部分と略平行な縁部を含んでもよい。
第１の隆起したリムは、隆起したリップを含んでもよい。
【００２８】
デバイスはさらに、アクチュエータのアーム上に、第２の開口部の周りに形成された第１の隆起したリムに隣接して形成された、第２の隆起したリムを含んでもよい。この実施形態において、第２の隆起したリムは、液体が第２の開口部を通ってノズルチャンバの外側に広がることを防止する助けとなってもよい。
第１の隆起したリムは、アクチュエータのアームの一部もまた形成する層のデポジションから形成してもよい。
第１及び第２の隆起したリムのうちの少なくとも１つは、窒化チタンから形成してもよい。
第１の隆起したリムに隣接して、好ましくは、ウィッキングを低減する助けになるピットが形成される。
【００２９】
本発明の第７の態様によれば、液体噴出デバイスが提供される。液体噴出デバイスは、ノズルチャンバと、ノズルチャンバ内に配置されて、第１の状態から噴出状態に動かされると、液体をノズルチャンバからノズルチャンバの１つの壁における開口部を通って噴出する、噴出パドルと、パドルが第１の状態にある時にはパドルによって略閉じているような方法で配置された、液体供給ポートとを含む。かかるノズルチャンバは、パドルが第１の状態にある時にはパドルのリムにぴったりと隣接して整列している、その壁構造上の内部突出部を含む。噴出状態において、パドルのリムのうちの少なくとも一部は、突出部から間隔を置いて配置されており、それによって、壁構造とパドルのリムのその一部との間に規定された液体再充填チャネルを形成する。
【００３０】
内部突出部は、横断面が階段状であってもよい。
パドル及び内部突出部は、好ましくは１つのデポジション工程において形成される。
内部突出部は、ノズルチャンバの壁構造を形成する高アスペクト比のデポジション工程と比較してアスペクト比の低いデポジション工程を用いて形成してもよい。
パドルは、略平らであってもよい。
【００３１】
本発明の範囲に入るかもしれないいかなる他の形式にもかかわらず、添付図面を参照して、実例のみとして、本発明の好ましい形式を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】好ましい実施形態の動作を概略的に示す。
【図２】好ましい実施形態の動作を概略的に示す。
【図３】好ましい実施形態の動作を概略的に示す。
【図４】第１の熱屈曲アクチュエータを概略的に示す。
【図５】第１の熱屈曲アクチュエータを概略的に示す。
【図６】第１の熱屈曲アクチュエータを概略的に示す。
【図７】第２の熱屈曲アクチュエータを概略的に示す。
【図８】第２の熱屈曲アクチュエータを概略的に示す。
【図９】第３の熱屈曲アクチュエータを概略的に示す。
【図１０】第３の熱屈曲アクチュエータを概略的に示す。
【図１１】更なる熱屈曲アクチュエータを概略的に示す。
【図１２】図１１の装置についての距離に関する温度の例示的グラフを示す。
【図１３】更なる熱屈曲アクチュエータを概略的に示す。
【図１４】図１３の装置についての距離に関する温度の例示的グラフを示す。
【図１５】更なる熱屈曲アクチュエータを概略的に示す。
【図１６】好ましい実施形態のＣＭＯＳ層の横から見た斜視図を示す。
【図１７】１ミクロンのマスクを示す。
【図１８】ＣＭＯＳ層の一部の平面図を示す。
【図１９】犠牲ポリイミド層を有する好ましい実施形態の横から見た斜視図を示す。
【図２０】犠牲ポリイミドマスクの平面図を示す。
【図２１】犠牲ポリイミド層を有する好ましい実施形態の一部断面の側面図を示す。
【図２２】第１のレベルの窒化チタン層を有する好ましい実施形態の横から見た斜視図を示す。
【図２３】第１のレベルの窒化チタンマスクの平面図を示す。
【図２４】第１のレベルの窒化チタン層を有する好ましい実施形態の一部断面の側面図を示す。
【図２５】第２のレベルの犠牲ポリイミド層を有する好ましい実施形態の横から見た斜視図を示す。
【図２６】第２のレベルの犠牲ポリイミドマスクの平面図を示す。
【図２７】第２のレベルの犠牲ポリイミド層を有する好ましい実施形態の一部断面の側面図を示す。
【図２８】第２のレベルの窒化チタン層を有する好ましい実施形態の横から見た斜視図を示す。
【図２９】第２のレベルの窒化チタンマスクの平面図を示す。
【図３０】第２のレベルの窒化チタン層を有する好ましい実施形態の一部断面の側面図を示す。
【図３１】第３のレベルの犠牲ポリイミド層を有する好ましい実施形態の横から見た斜視図を示す。
【図３２】第３のレベルの犠牲ポリイミドマスクの平面図を示す。
【図３３】第３のレベルの犠牲ポリイミド層を有する好ましい実施形態の一部断面の側面図を示す。
【図３４】共形ＰＥＣＶＤＳｉＮＨ層を有する好ましい実施形態の横から見た斜視図を示す。
【図３５】共形ＰＥＣＶＤＳｉＮＨマスクの平面図を示す。
【図３６】共形ＰＥＣＶＤＳｉＮＨ層を有する好ましい実施形態の一部断面の側面図を示す。
【図３７】共形ＰＥＣＶＤＳｉＮＨノズル先端エッチング層を有する好ましい実施形態の横から見た斜視図を示す。
【図３８】共形ＰＥＣＶＤＳｉＮＨノズル先端エッチングマスクの平面図を示す。
【図３９】共形ＰＥＣＶＤＳｉＮＨノズル先端エッチング層を有する好ましい実施形態の一部断面の側面図を示す。
【図４０】共形ＰＥＣＶＤＳｉＮＨノズルルーフエッチング層を有する好ましい実施形態の横から見た斜視図を示す。
【図４１】共形ＰＥＣＶＤＳｉＮＨノズルルーフエッチングマスクの平面図を示す。
【図４２】共形ＰＥＣＶＤＳｉＮＨノズルルーフエッチング層を有する好ましい実施形態の一部断面の側面図を示す。
【図４３】犠牲保護ポリイミド層を有する好ましい実施形態の横から見た斜視図を示す。
【図４４】犠牲保護ポリイミドマスクの平面図を示す。
【図４５】犠牲保護ポリイミド層を有する好ましい実施形態の一部断面の側面図を示す。
【図４６】バックエッチング層を有する好ましい実施形態の横から見た斜視図を示す。
【図４７】バックエッチングマスクの平面図を示す。
【図４８】バックエッチング層を有する好ましい実施形態の一部断面の側面図を示す。
【図４９】ストリッピング犠牲材料層を有する好ましい実施形態の横から見た斜視図を示す。
【図５０】ストリッピング犠牲材料マスクの平面図を示す。
【図５１】ストリッピング犠牲材料層を有する好ましい実施形態の一部断面の側面図を示す。
【図５２】パッケージング、ボンディング、プライミング、及び試験を有する好ましい実施形態の横から見た斜視図を示す。
【図５３】パッケージング、ボンディング、プライミング、及び試験のマスクの平面図を示す。
【図５４】パッケージング、ボンディング、プライミング、及び試験を有する好ましい実施形態の一部断面の側面図を示す。
【図５５】滴を噴出している好ましい実施形態の横から見た斜視断面図を示す。
【図５６】作動しているときの好ましい実施形態の横から見た斜視図を示す。
【図５７】滴を噴出している好ましい実施形態の横から見た斜視断面図を示す。
【図５８】復帰している時の好ましい実施形態の一部断面の側面図を示す。
【図５９】好ましい実施形態の平面図を示す。
【図６０】アクチュエータのアーム及びノズルチャンバを示す横から見た拡大斜視図である。
【図６１】アクチュエータのパドルのリム及びノズルチャンバを示す横から見た拡大斜視図である。
【図６２】アクチュエータのヒータ要素を示す横から見た拡大斜視図である。
【図６３】ウエハー上に形成されたノズルのアレイの平面図を示す。
【図６４】ウエハー上に形成されたノズルのアレイの横から見た斜視断面図を示す。
【図６５】ウエハー上に形成されたノズルのアレイの横から見た拡大斜視断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
好ましい実施形態において、熱によって曲がるアクチュエータを利用してノズルチャンバからインクを噴出する、コンパクトな形式の液体噴出デバイスが提供される。
【００３４】
まず図１ないし３を参照して、好ましい実施形態の動作原理を説明する。図１に示すように、インク噴出装置１が提供される。インク噴出装置１は、通常インクで満たされて、隆起したリムを有するインク噴出ノズル４の周りにメニスカス３を形成するようになっている、ノズルチャンバ２を含む。ノズルチャンバ２内のインクは、インク供給チャネル５によって補給される。
【００３５】
ノズルのパドル８にしっかりと相互接続された熱アクチュエータ７によって、インクはノズルチャンバ２から噴出される。熱アクチュエータ７は、２つのアーム１０、１１を含み、下のアーム１１は電流源に相互接続されていて、下のアーム１１の伝導加熱を行うようになっている。ノズルチャンバ２から滴を噴出することが所望される場合、下のアーム１１が加熱されて、このアーム１１が上のアーム１０に関して急速に膨張するようにする。この急速な膨張によって今度は、パドル８がノズルチャンバ２内で急速に上向きに動く。図２に、この最初の動きを示す。アーム８が上向きに動いて、ノズルチャンバ２内の圧力が本質的に上昇するようになっており、この圧力上昇によって今度は、インクがノズル４から流出し、メニスカス３が膨れ上がる。次にヒータ１１への電流をオフにして、図３に示すように、パドル８がその元の位置への復帰を開始するようにする。この結果、ノズルチャンバ２内の圧力が本質的に低下する。ノズルのリム４の外側のインクは前方に勢いがついているので、その結果メニスカスがくびれて分かれ、図３に示すように、メニスカス３と気泡１３とを形成するようになる。気泡１３は前方に、インク印字媒体上へと進み続ける。
【００３６】
重要なことであるが、ノズルチャンバは縦断面の縁１５を含み、図２に示すように、これによって、パドル８が上に動くときに、チャネルの空間１６が大きく増大する。このようにチャネルの空間１６が大きくなることによって、インクのメニスカス３の表面張力効果によって、チャネル１６を通ってインクが引き込まれ、実体量のインクが急速にノズルチャンバ２に流入することができる。ノズルチャンバのプロファイルによって、ノズルチャンバを急速に再充填することができ、この装置は結局、前に図１に示したように、静止位置に復帰する。
【００３７】
装置１はまた、多数のその他の重要な特徴も含む。こういったものには、図１に示すような円形のリム１８が含まれる。円形のリム１８は、パドル８の外周の周りに形成され、パドル８の構造上の支持を行いながら、図３に示すメニスカス３と、パドル表面８との間の距離を実質的に最大にしている。この距離を最大にすることによって、メニスカス３がパドル表面８と接触しそれによって動作特性に影響を与える可能性が、低くなる。さらに、製造工程の一部として、表面、たとえば２０、に沿ってインクがウィッキングし、それによって装置１の動作特性に影響を与える可能性を低減するための、インク流出防止リップ１９が設けられる。
【００３８】
熱アクチュエータ７の動作原理を、まず図４から１０を参照して説明する。まず図４を参照して、基板２２に取り付けられた、熱によって曲がるアクチュエータを示す。熱によって曲がるアクチュエータは、アクチュエータのアーム２３を含み、その両側には作動アーム２４、２５がある。２つのアーム２４、２５は、好ましくは同じ材料から形成され、互いに熱的な釣り合いがとれるようになっている。さらに、アクチュエータのアーム２３の表面には、圧力Ｐが働くとする。圧力の上昇が所望の場合には、図５に示すように、下のアーム２５が加熱され、上のアーム２４と下のアーム２５との間の引っ張り応力が小さくなるようにする。この結果、アクチュエータのアーム２３に働く合力が出力され、その結果、アクチュエータのアーム２３が全体として上向きに動く。
【００３９】
不都合なことに、実際には、アーム２４、２５が長すぎる場合、アーム２５を加熱すると、図６に示すような反り状態に入ってしまう危険があるということがわかっている。この反り状態は、アクチュエータのアーム２３の動作有効性を低減する。図６に示すような反り状態の可能性は、より小さな、熱によって曲がるアーム２４、２５を利用することによって、本質的に低くすることができる。このように変形した装置を、図７に示す。図８に示すように下の熱アーム２５を加熱すると、アクチュエータのアーム２３が上向きに曲がり、システムが図６の反り状態に入る可能性が本質的に低くなる、ということがわかっている。
【００４０】
図８の装置において、アクチュエータのアーム２３のうちの、作動部２４と２５との間の部分２６は、剪断応力状態になり、その結果、この実施形態においては動作効率が失われてしまうかもしれない。さらに、材料２６が存在することの結果として、アーム部２５からアーム部２４へと急速に熱が伝導する可能性がある。
さらに、熱アーム２５は、アーム２３を動作するのに好適な温度で動作させなければならない。従って動作特性は、部分２６の特性、たとえば融点、によって制限される。
【００４１】
図９において、熱によって曲がるアクチュエータの他の形式を示す。かかるアクチュエータは、２つのアーム２４、２５及びアクチュエータのアーム２３を含むが、アームとアームとの間には、空間すなわち間隙２８が設けられている。アームの一方を加熱すると、図１０に示すように、アーム２５が以前と同様に上向きに曲がる。図１０の装置は、アーム２４、２５の動作特性、たとえば温度、がアーム２３において利用されている材料によって必ずしも制限されなくてもよい、という利点を有する。さらに、図１０の装置は、アーム２３内に剪断力を誘発することがなく、動作中に層間剥離が起こってしまう可能性も低い。こういった原理が、図１ないし図３の装置の熱によって曲がるアクチュエータにおいて利用されて、よりエネルギー効率のよい動作形式が提供されるようになっている。
【００４２】
さらに、より効率のよい動作形式の熱アクチュエータを提供するために、多数の更なる工夫が図られる。熱アクチュエータは伝導加熱に依存しており、好ましい実施形態において利用される装置は、図１１において示すように、材料３０に概略的に単純化することができる。材料３０は、第１の端３１のところで基板に、第２の端３２のところで負荷に、相互接続されている。アーム３０は、伝導によって加熱され、膨張して負荷３２に力を及ぼすようになっている。伝導によって加熱すると、温度プロフィルはおよそ図１２に示すようなものになる。２つの端３１、３２は、その伝導加熱についての「ヒートシンク」としての役割を果たし、従って、温度プロフィルはそれぞれの端においてより低く、中央において最も高い。中央３６における温度が融点３５を超えるとアームは作動しないかもしれない、という点において、アーム３０の動作特性は、融点３５によって決まる。図１２のグラフは、図１１におけるアーム３０がその長さに沿って均一に加熱されているわけではないという点において、最適ではない結果を表している。
【００４３】
図１３に示すように、ヒートシンク３８、３９をアーム３０の中央部に含むようにアーム３０を変形することによって、図１４に示すような、より好適な熱プロフィルを達成することができる。図１４のプロフィルは、アーム３０の長さにわたってより均一に加熱されており、それによって全体の動作がより効率的になる。
【００４４】
次に図１５を参照して、一連の支柱を設けて２つのアクチュエータ作動アーム２４、２５を結合することによって、更なる効率及び反りの可能性の低減を達成することができる。このような装置を、図１５において概略的に示す。図１５において、一連の支柱、たとえば４０、４１が設けられて２つのアーム２４、２５を結合し、その反りを防止するようになっている。従って、下のアーム２５は、加熱すると上向きに曲がる可能性がより高くなり、それによってアクチュエータのアーム２３もまた上向きに曲がる。
【００４５】
インクジェット印字ＭＥＭＳデバイスの詳細な構成の１形式を、次に説明する。図面のいくつかにおいて、図１７において示すような１ミクロンの格子を、準拠枠として利用する。
【００４６】
工程１及び２．出発物質を、図１６ないし図１８において示すように好適に処理及び不活性化した（窒化シリコンを用いて）ＣＭＯＳウエハー１００とする。
【００４７】
工程３．図１９ないし図２１において示すように、１ミクロンのスピンオン感光性ポリイミド１０２を推積し、図２０のマスク１０４を通して紫外光を用いて露光する。次にポリイミド１０２を現像する。
ポリイミド１０２は犠牲的であるので、幅広い範囲の他の材料を用いることができる。感光性ポリイミドであれば、デポジション、エッチング、及びレジストストリッピングの各工程が省かれるので、処理が簡単になる。
【００４８】
工程４．図２２ないし図２４に示すように、０．２ミクロンのマグネトロンをスパッタリングした窒化チタン１０６を３００℃で推積し、図２３のマスク１０８を用いてエッチングする。これによって、アクチュエータ層１０５及びパドル１０７を含む層を形成する。
【００４９】
工程５．図２５ないし図２７において示すように、１．５ミクロンの感光性ポリイミド１１０をスピンオンし、図２６のマスク１１２を通して紫外光を用いて露光する。次にポリイミド１１０を現像する。この厚さが結局、アクチュエータと補償窒化チタン層との間の間隙１０１を決定するので、アクチュエータが曲がる量に影響を与える。
工程３に関して、感光性ポリイミドを用いることによって、デポジション、エッチング、及びレジストストリッピングの各工程が省かれるので、処理が簡単になる。
【００５０】
工程６．図２８ないし図３０において示すように、０．０５ミクロンの共形ＰＥＣＶＤ窒化シリコン（ＳｉxＮyＨz）（様々な各層の相対的寸法のために、図示せず）を３００℃で推積する。次に、０．２ミクロンのマグネトロンをスパッタリングした窒化チタン１１６を、これもまた３００℃で推積する。このＴｉＮ１１６を、図２９のマスク１１９を用いてエッチングする。次にこのＴｉＮ１１６をマスクとして用いて、ＰＥＣＶＤ窒化物をエッチングする。
【００５１】
ＴｉＮ１１６の段差被覆が良好であるということは、重要ではない。ＴｉＮ１１６の最上層は電気的に接続されておらず、純粋に機械的な構成要素として用いられる。
【００５２】
工程７．図３１ないし図３３において示すように、６ミクロンの感光性ポリイミド１１８をスピンオンし、図３２のマスク１２０を通して紫外光を用いて露光する。次にポリイミド１１８を現像する。この厚さが、ノズルチャンバルーフまでの高さを決定する。この高さがある距離（滴分裂特性によって決まる）を越えれば、実際の高さはほとんど重要ではない。しかしこの高さは、応力を小さくしリソグラフィーの精度を上げるように、制限されるべきである。６ミクロンのポリイミド１１８の一番上と一番下との間に１ミクロンのテーパーを設けることは、容易に行える。
【００５３】
工程８．図３４ないし図３６において示すように、２ミクロン（ポリイミド１１８を越える厚さ）のＰＥＣＶＤ窒化シリコン１２２が３００℃で推積される。これによって、ノズルチャンバを形成している前述のＰＳポリイミド層１１８において形成されたチャネルが満たされる。マスクは用いない（図３５）。
【００５４】
工程９．図３７ないし図３９において示すように、図３８のマスク１２４を用いて、１ミクロンの公称（nominal）深さまでＰＥＣＶＤ窒化シリコン１２２をエッチングする。このエッチング深さは決定的に重要なものではなく±５０％までばらついてもよいので、これは単純な時限エッチングである。
このエッチングは、ノズルのリム１２６及びアクチュエータのポートのリム１２８を形成する。こういったリムを用いて、インクのメニスカスをある位置に固定し、インクが広がるのを防止する。
【００５５】
工程１０．図４０ないし図４２に示すように、図４１のマスク１３０を用いて、ＰＥＣＶＤ窒化シリコン１２２を、１ミクロンの公称深さまでエッチングして、ポリイミド１１８上で止める。前述の２つの工程におけるばらつきは、１００％のオーバーエッチングで対応することができ、製造公差を緩やかにすることができる。
このエッチングは、ノズルチャンバのルーフ１３２を形成する。
【００５６】
工程１１．図４３ないし図４５において示すように、公称３ミクロンのポリイミド１３４を、バックエッチング用の保護層としてスピンオンする（マスクなし−図４４）。
【００５７】
工程１２．図４６ないし図４８において示すように、ウエハー１００を３００ミクロンまで薄くし（バックエッチングの時間を短くするために）、ウエハー１００の裏側１３６上の３ミクロンのレジスト（図示せず）を、図４７のマスク１３８を通して露光する。ウエハー１００の表側上の金属部１０３に位置を合わせる。この位置合わせは、ウエハーアライナへの赤外顕微鏡アタッチメントを用いて行うことができる。
【００５８】
次に、ウエハー１００を、ディープ・シリコン・エッチング「ボッシュ・プロセス」を用いて、３３０ミクロンの深さまで（１０％のオーバーエッチングを許容）エッチングする（裏側３６から）。このプロセスは、アルカテル、プラズマ・サーム、及びサーフィス・テクノロジー・システムズからのプラズマエッチャー上で利用できる。チップはまた、このエッチングによってダイシングされるが、ウエハーは１１ミクロンの様々なポリイミドの層によって、まだ一緒に保持されている。
【００５９】
工程１３．図４９ないし図５１を参照して説明するように、ウエハー１００をひっくり返し、トレイ内に配置し、犠牲ポリイミド層１０２、１１０、１１８、１３４のすべてを、マスクを用いないで酸素プラズマ内でエッチングする（図６０）。
【００６０】
工程１４．図５２ないし図５４を参照して説明するように、標準パッケージに０．５ｍｍのホールドをドリリングしパッケージにインクホース（図示せず）を接着することによって、パッケージが作成される。このインクホースは、０．５ミクロンのアブソリュートフィルターを含んで、インク１２１からのノズルの汚染を防止するべきである。
【００６１】
図５５ないし図６２は、好ましい実施形態の様々な図を示し、そのうちのいくつかは、動作中の実施形態を示す。
明らかに、プリントヘッド２０２の大きなアレイ２００は、様々なプリントヘッドのアレイの図を示す図６３ないし図５６において示すように、同時に構成することができる。
【００６２】
現在開示しているインクジェット印字技術は、潜在的に幅広い範囲の印字システムに好適である。こういった印字システムは、カラー及びモノクロのオフィスプリンタ、ショートランデジタルプリンタ、高速デジタルプリンタ、オフセット印刷機を補足するプリンタ、低コストスキャンプリンタ、高速ページ幅プリンタ、ページ幅プリンタを内蔵したノート型コンピュータ、ポータブルのカラー及びモノクロのプリンタ、カラー及びモノクロの複写機、カラー及びモノクロのファクシミリ、プリンタとファクシミリと複写機とを組み合わせたもの、ラベルプリンタ、フォーマットの大きなプロッタ、写真複写機、デジタル写真「ミニラボ」用プリンタ、ビデオプリンタ、フォトＣＤプリンタ、ＰＤＡ用ポータブルプリンタ、壁紙プリンタ、屋内サインプリンタ、屋外広告板プリンタ、ファブリックプリンタ、カメラプリンタ、及び故障許容の市販のプリンタのアレイを含む。
【００６３】
さらに、略述したＭＥＭＳ原理は、ＭＥＭＳデバイスの構成において一般的な適用可能性を有する。
【００６４】
当業者であれば、広く説明した本発明の精神または範囲から逸脱することなく、好ましい実施形態において示す本発明に、非常に多くの変更及び／または変形を行ってもよい、ということが理解されよう。従って好ましい実施形態は、すべての点において例示的であり限定的ではないものとしてみなされなければならない。
【図１】
2010173327.tif 000003
【図２】
2010173327.tif 000004
【図３】
2010173327.tif 000005
【図４】
2010173327.tif 000006
【図５】
2010173327.tif 000007
【図６】
2010173327.tif 000008
【図７】
2010173327.tif 000009
【図８】
2010173327.tif 000010
【図９】
2010173327.tif 000011
【図１０】
2010173327.tif 000012
【図１１】
2010173327.tif 000013
【図１２】
2010173327.tif 000014
【図１３】
2010173327.tif 000015
【図１４】
2010173327.tif 000016
【図１５】
2010173327.tif 000017
【図１６】
2010173327.tif 000018
【図１７】
2010173327.tif 000019
【図１８】
2010173327.tif 000020
【図１９】
2010173327.tif 000021
【図２０】
2010173327.tif 000022
【図２１】
2010173327.tif 000023
【図２２】
2010173327.tif 000024
【図２３】
2010173327.tif 000025
【図２４】
2010173327.tif 000026
【図２５】
2010173327.tif 000027
【図２６】
2010173327.tif 000028
【図２７】
2010173327.tif 000029
【図２８】
2010173327.tif 000030
【図２９】
2010173327.tif 000031
【図３０】
2010173327.tif 000032
【図３１】
2010173327.tif 000033
【図３２】
2010173327.tif 000034
【図３３】
2010173327.tif 000035
【図３４】
2010173327.tif 000036
【図３５】
2010173327.tif 000037
【図３６】
2010173327.tif 000038
【図３７】
2010173327.tif 000039
【図３８】
2010173327.tif 000040
【図３９】
2010173327.tif 000041
【図４０】
2010173327.tif 000042
【図４１】
2010173327.tif 000043
【図４２】
2010173327.tif 000044
【図４３】
2010173327.tif 000045
【図４４】
2010173327.tif 000046
【図４５】
2010173327.tif 000047
【図４６】
2010173327.tif 000048
【図４７】
2010173327.tif 000049
【図４８】
2010173327.tif 000050
【図４９】
2010173327.tif 000051
【図５０】
2010173327.tif 000052
【図５１】
2010173327.tif 000053
【図５２】
2010173327.tif 000054
【図５３】
2010173327.tif 000055
【図５４】
2010173327.tif 000056
【図５５】
2010173327.tif 000057
【図５６】
2010173327.tif 000058
【図５７】
2010173327.tif 000059
【図５８】
2010173327.tif 000060
【図５９】
2010173327.tif 000061
【図６０】
2010173327.tif 000062
【図６１】
2010173327.tif 000063
【図６２】
2010173327.tif 000064
【図６３】
2010173327.tif 000065
【図６４】
2010173327.tif 000066
【図６５】
2010173327.tif 000067