(57)【要約】【課題】  密閉式アクチュエータチャンバと、該アクチュエータチャンバに接続される通気口と、を有する装置を提供する。【解決手段】  通気口は、チャンバ内の圧力を均等化するために装置を取り巻く外部空気にチャンバを接続する。通気口は、均圧がチャンバの通常の動作サイクル外で生じさせ得るようなサイズ及び形状を有し、チャンバ内のメンブレンの好ましくない撓みを防止し、装置の適切な動作を確実にするために圧力を制御する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性部材、及び該可撓性部材から離間されたアクチュエータを含む、密閉式アクチュエータチャンバと、
前記密閉式アクチュエータチャンバに接続される通気口と、
を含む装置。
【請求項２】
可撓性部材、及び該可撓性部材から離間されたアクチュエータを有するように少なくとも１つの密閉式アクチュエータチャンバを形成することと、
前記密閉式アクチュエータチャンバに接続される通気口を形成することを含む、
装置を形成する方法。
【請求項３】
流体を保持するのに適している第１のチャンバと、
前記第１のチャンバの下にある密閉式アクチュエータチャンバと、
前記密閉式アクチュエータチャンバ内のアクチュエータと、
前記密閉式アクチュエータチャンバから前記第１のチャンバを分離する可撓性部材と、
前記密閉式アクチュエータチャンバ内の圧力を均等化するのに適した前記密閉式アクチュエータチャンバに接続される通気口と、
を含むシステム。
【請求項４】
前記通気口が破裂性犠牲メンブレンを有する、請求項１乃至３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）は、シリコンで微細（マイクロ）機械加工され、電子マイクロ回路と一体化されることができるシステムである。ＭＥＭＳは一般に、用途に応じてマイクロセンサ及びマイクロアクチュエータの２つのカテゴリーに分類され、その動作は、静電効果、電磁効果、熱電効果、圧電効果、又は、ピエゾ抵抗効果に基づいている。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳは、閉鎖チャンバ、密閉メンブレン（薄膜）、又は他の流体通路を含むことが多く、このことが、圧力差に影響を受けやすいと考えられ得る。この圧力差は、加工、保管、出荷から操作するまでの装置寿命における種々の段階の間で発生することがある。圧力差は、閉じ込められた圧力、温度変化、材料のガス抜き、又は使用中の動作（ポンピング又はプライミング）によって生じる。圧力差は、隆起したメンブレンや潰れたメンブレン、閉じ込められた気泡や流体、あるいは、亀裂や破裂などの破損をも包含することがある。
【特許文献１】米国特許第６，３９０，６０３号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
種々の例示的な実施の形態によると、アクチュエータ、及び該アクチュエータを保持するための第１の（下部）チャンバを形成する、ＭＥＭＳの形成方法が提供される。通気口は、第１のチャンバ内の圧力を均等化し、又は、均圧を封止されたアクチュエータチャンバの通常の動作サイクル外で生じさせ得るために、システムを取り巻く外部空気に第１のチャンバを接続するように形成される。可撓性部材は第１のチャンバの上部に形成され、第２のチャンバは第１のチャンバの上に形成される。第２のチャンバは、インクジェット印刷装置用インクなどの流体を保持するのに適している。可撓性部材は、第１のチャンバを第２のチャンバから分離する。ノズル開口部は、アクチュエータが動作するとき、流体がノズルから噴出され得るように第２のチャンバの上部に形成されることができる。流体イジェクタが述べられているが、これは圧力差の管理される必要がある膜系に適用できることに留意されたい。
【０００４】
種々の例示的な実施の形態によれば、ＭＥＭＳは、少なくとも１つの密閉式アクチュエータチャンバに接続される少なくとも１つの通気口を有する。この通気口は、均圧が密閉式アクチュエータチャンバの通常の動作サイクル外で生じられ得るようなサイズ及び形状を有するチャンバ（例えば、棒付きキャンデー形チャンバ）を含むように形成される。複数の密閉式アクチュエータチャンバは、単一の通気口に接続されることができ、例えば、密閉式アクチュエータチャンバは１つ以上の列に配置されることができ、これら列の端部に通気口が位置付けられる。通気路は密閉式アクチュエータチャンバを通気口に接続する。通気口は、導電体ライン用のコンジットをさらに含むことができる。通気口は、通気口をＭＥＭＳを取り巻く大気と接続させるように開放された破裂性犠牲メンブレンを含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本明細書中の実施の形態の構造及び方法は、大気中に放出されるマイクロ流体構造を提供し、又は、密閉式アクチュエータチャンバの通常の動作サイクルの外で均圧を生じさせ得ることである。個々のチャンバ又はチャンバの集合を大気のような制御された圧力へと導く流路に接続することによって、故障メカニズムが除去される。
【０００６】
より具体的には、種々の実施の形態は、図１乃至図３の概略図形式と、図４のフローチャートの形式で示される。図２は図１の線I−I'に沿った断面図であり、図３は図１の線II−II'に沿った断面図である。この構造は、現在公知であるか、又は将来開発されるかにかかわらず、どのような材料や処理を用いても形成することができる。例えば、この構造は、標準ポリマー又は単結晶シリコンのポリシリコンから形成することができ、標準写真平版パターニング／エッチングプロセスを使用して形成することができる。例えば、参照することによってその全体が本明細書中に組み込まれる米国特許第６，３９０，６０３号（Silverbrook）（特許文献１）において述べられる製造工程を参照されたい。本明細書中の実施の形態は、ダイの裏面を貫通するポート、金属電鋳法チャネル若しくはチューブ、ウエハの表面に結合された射出成形チャネル構造、その他を通過するための深堀反応性イオンエッチング（Ｄ−ＲＩＥ）を含むことができる。図示された通気構造が単なる一例であり、どのような流体構造にも適用され得ることに留意されたい。
【０００７】
種々の例示的な実施の形態によれば、各密閉式アクチュエータチャンバ１００は、アクチュエータ２０４を維持するために、上述したような標準アクチュエータ若しくは電極２０４（フローチャート項目４００）と、第１の（下部）チャンバ２０６（フローチャート項目４０２）を有するように形成される。通気口１０２（フローチャート項目４０４）は、第１のチャンバ２０６内の圧力を均等化し、又は、均圧が密閉式アクチュエータチャンバの通常の動作サイクル外で発生し得るために、ＭＥＭＳを取り巻く外部空気に第１のチャンバ２０６を接続するように形成される。可撓性部材２１０（フローチャート項目４０６）は第１のチャンバ２０６の上部に形成され、第２の（上部）チャンバ２０２は第１のチャンバ２０６（フローチャート項目４０８）の上に形成される。第２のチャンバ２０２は、インクジェット印刷装置用のインクなどの流体を保持するのに適している。可撓性部材２１０は、第１のチャンバ２０６を第２のチャンバ２０２から分離する。アクチュエータ２０４が作動するとき、流体がノズルから放出され得るように、ノズル開口部２００は第２のチャンバ２０２（フローチャート項目４１０）の上部に形成することができる。
【０００８】
これにより、少なくとも１つの（可能性として数百、数千又はそれ以上の数の）密閉式アクチュエータチャンバ１００に接続される少なくとも１つの（可能性として数百、数千又はそれ以上の）通気口１０２を有するＭＥＭＳが形成される。１つの特徴は、均圧が密閉式アクチュエータチャンバ１００の通常の動作サイクル外で発生し得るようなサイズ及び形状を有するチャンバ１０２（例えば、棒付きキャンディー形状のチャンバ）を含むように通気口が形成されることである。一般に、具体的な通気口形状は、特定の形状に限定されず、個々の実施形態に応じて変わることになる。このように、本明細書中に述べられるように、通気構造の多数の形状及びサイズは、チャンバ圧力を均等化するために利用されることもある。
【０００９】
複数の密閉式アクチュエータチャンバ１００が単一の通気口１０２に接続されたり、又は、複数の通気口１０２が各密閉式アクチュエータチャンバ１００に接続されたりすることができる。図１に示される実例では、密閉式アクチュエータチャンバ１００は１つ以上の列に配置され、通気口１０２は列の端部に位置付けられる。
【００１０】
通気路１０４は、密閉式アクチュエータチャンバ１００を通気口１０２及び／又は隣接チャンバ２０６に相互に接続することができる。通気口１０２は、少なくとも１つの導電体ライン２０８のための管路（コンジット）を備えることもある。図２において、各アクチュエータ２０４は絶縁され、独立して制御されることができる。この通路１０４は、制御された圧力と更に連通するために、第２の通路１０６に接続されることができる。第２の通路１０６は、第１の通路１０４の上下いずれかにあればよい。
【００１１】
図３に示すように、通気口１０２は、該通気口１０２を第２の通路１０６と接続させるように開放された破裂性犠牲メンブレン３００を含むことができ、第２の通路１０６は、順次、ＭＥＭＳを取り巻く大気や、また別の定圧源に接続される。こうした通路１０６及び／又は通気チャンバ１０２は、装置効率及び処理制約条件を制するために（例えば、犠牲メンブレン３００を破裂させることによって）処理の前後又は処理中に、選択的に開放されることができる。
【００１２】
図示された一例において、小さい円形領域又は「棒付きキャンデー（lollipop）形状部」は、排出通気口１０２構造である。充分な処理段階が完了するまで、棒付きキャンデー形状部を密閉することができ、その後、犠牲メンブレン３００は、レーザアブレーション及び機械的プロービングを含む方法によって穴あけされる。通気口１０２は、スピン−オン・ポリマー・パターン化などの次の水位処理での閉塞物を防止するためにメンブレン３００で密閉される。この第２の層は、各ダイの列のすべてを接続する縦方向の溝１０６を形成する。この溝１０６は、次にポリイミドなどの他の材料の層によって被覆されることになる。この溝１０６は、大気中に開放されたままにある。インクジェット印刷装置の場合、このポリマー層の溝は、好ましくない汚染物やインクが通気プロセスに干渉することを防止するために、ダイの側面からはずれて送られる。この構造を完成するために、ポリイミド又は同様の薄膜などの第２のポリマーフィルムは、溝１０６を被覆し、ダイの縁部までの通路１０６を完成させるために適用されることができる。こうした実施の形態における変更は、他の写真画像化層若しくは材料、金属フィルム若しくは金属シート、又はシリコン若しくはガラス構造を含むものでもよい。
【００１３】
一部の実施の形態がインクジェット・プリンタに関して記載されているが、当業者は、本明細書中の実施の形態が厳密にはインクジェット・プリンタに限定されないことを理解するだろう。むしろ、密閉式チャンバを使用する装置はこの開示によって想定され、該装置は限定されないが、マイクロポンプ、又は、他の流体や媒体を移動したり、検出する装置を含んでいる。図示された実例は、円形電極２０４上に活性ポリシリコン・メンブレン２１０を有する。この下部電極（アクチュエータ）２０４は、中吊りの状態にあるメンブレン２１０を引き寄せるために電荷を印加することができる。電荷が放出されるとき、メンブレン２１０は本来の位置に跳ね返る。流体構造がこのメンブレン２１０の周囲及びその上に形成される場合、メンブレン２１０が放されるときに生成される力は、ノズル開口部２００を介して媒体の一部にインクの液滴を射出する。この種の構造の設計を変更することによって、広範囲の小型ポンプ、チャンバ、及びセンサを作成することもできる。
【００１４】
チャンバ１００が所定位置に正しい圧力を有していない場合には、適切に動作することができないこともある。圧力が大きすぎたり、あるいは小さすぎたりすると、メンブレン２１０が望ましくない状態で撓みを生じることがある。例えば、メンブレン２１０がその平衡位置から変位される場合、装置の実効振幅が減少される。通気口１０２は、均圧が密閉式アクチュエータチャンバ１００の通常の動作サイクル外で発生され得るようなサイズ及び形状を有し、メンブレンの好ましくない撓みを防止し、装置の適切な動作を確実にするために、メンブレン２１０の下側の圧力を制御する。通気口１０２によって生じたメンブレン２１０の下側の制御された圧力は、例えば、圧力を増加させて装置の動作を修正することによって、装置そのものの動作に十分に利用することもできる。
【００１５】
さらに、これらの通路１０６及び／又は通気チャンバ１０２は、通気を可能にするとともに、隣接するメンブレン又は構造間のクロストーク又は不用意による連通を防止するような大きさに設定される。すなわち、通気口１０２及び第２の通路１０４、１０６は、長い時間（秒、分）にわたって下部チャンバ２０６と外部の気圧との間の圧力の均等化を可能にするのに十分大きいが、通気口１０２及び第２の通路１０６は、アクチュエータ２０４が動作する短い時間（ほんの１秒の一部、ミリ秒など）の瞬間的な真空／圧力条件を維持するには十分小さい。このように通気路は、そのような必要に応じて、例えば適切な減衰効果をもたらすために装置の性能に適合するような大きさに設定することができる。通気口１０２及び通路１０４、１０６が十分に小さくされる場合、空気の流れに対する抵抗は動作の時定数にわたってのみメンブレン２１０上に背圧の影響を与えるように増大する可能性がある。より長期間にわたって、大気圧の緩慢な変化により、空気が自由に移動することができる。アクチュエータ２０４が作動する比較的短期間において瞬間的な真空／圧力状態を維持することによって、通気口１０２は、異なるアクチュエータチャンバ１００間のクロストーク及び不用意による連通を防止する。
【００１６】
通気口１０２は、隆起した若しくは潰れたメンブレン、閉じ込められた気泡や流体、又は、亀裂や破裂などの破損を生じる可能性のある密閉式アクチュエータの内部チャンバと大気圧との圧力差を防止し、これによって性能を向上させる。適切に動作するために特に通気を必要としない装置は、通気口１０２を使用して製造許容範囲又は許容誤差を増加させることによって改善することもできる。ゆえに、種々の例示的な実施の形態によれば、チャンバ装置製造工程及び結果として生じる構造が改善され、収益及びコスト低減が改善されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】通気口を有する密閉式アクチュエータチャンバの列の概略平面図である。
【図２】通気口を有する密閉式アクチュエータチャンバの列の概略断面図である。
【図３】通気構造の概略断面図である。
【図４】製造工程の流れを示す流れ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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