(57)【要約】本発明によって、プリントヘッド構造などに用いられるマイクロ電気機械構造の圧電アクチュエータ（１５０）を活性化するために要求される電力量を削減するための技術が提供される。絶縁層（１８５）は、圧電層（１６５）の上に堆積される。絶縁層（１８５）は、その層の一部分を除去し、エッチングされたエリア内の圧電層（１６５）を露出するために、エッチングされる。電極層（１７０）は、圧電層（１６５）および絶縁層（１８５）の上に堆積される。
2008508850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の部分および第二の部分を有する第一の電極と、
該第一の電極に近接する圧電層と、
該圧電層と該第一の電極との間に配置された絶縁層と
を備え、
該第一の電極の該第一の部分は、該絶縁層と接触し、該第一の電極の該第二の部分は、該圧電層と接触する、アクチュエータ。
【請求項２】
前記絶縁層は、酸化物材料を含む、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記第一の電極は、集積回路と電気的に接続される、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記圧電層と近接して位置する膜をさらに備える、請求項３に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記絶縁層は、約０．１〜約５マイクロメートルの厚さである、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記絶縁層は、約０．５〜約２マイクロメートルの厚さである、請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
第二の電極をさらに備え、前記圧電層は、前記第一の電極と該第二の電極との間に配置される、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
ポンプチャンバおよびノズルを有する基板であって、該ポンプチャンバは、該基板の上部表面に近接して形成され、該ノズルと流体連絡する、基板と、
アクチュエータであって、
第一の部分および第二の部分を有する第一の電極と、
該第一の電極に近接する圧電層と、
該圧電層と該第一の電極との間に配置された絶縁層と
を備え、
該第一の電極の該第一の部分は、該絶縁層と接触し、該第一の電極の該第二の部分は、該圧電層と接触する、アクチュエータと
を備え、
該アクチュエータは、該基板の上部表面に接続される、プリントヘッド構造。
【請求項９】
前記第一の電極の第二の部分は、前記ポンプチャンバと実質的に重なる、請求項８に記載のプリントヘッド構造。
【請求項１０】
前記第一の電極と、電気的に結合された集積回路をさらに備える、請求項９に記載のプリントヘッド構造。
【請求項１１】
前記絶縁層は、酸化物材料を含む、請求項９に記載のプリントヘッド構造。
【請求項１２】
前記第一の電極は、約２マイクロメートル以下の厚さを有し、
前記絶縁層は、約０．１〜５マイクロメートルの厚さを有する、請求項９に記載のプリントヘッド構造。
【請求項１３】
第二の電極をさらに備え、前記圧電層は、前記第一の電極と該第二の電極との間に配置される、請求項９に記載のプリントヘッド構造。
【請求項１４】
膜をさらに備え、該膜は、前記基板と前記アクチュエータとの間に配置される、請求項９に記載のプリントヘッド構造。
【請求項１５】
圧電層の第一の表面上に、絶縁材料の層を堆積することと、
該圧電層の第一の部分の上に位置するように、該絶縁材料の層をパターニングすることと、
該絶縁材料および該圧電層の第二の部分に上にある該圧電層の該第一の表面と接触するように第一の電極を形成することと
を包含する、アクチュエータを形成する、方法。
【請求項１６】
前記絶縁材料の層を堆積することは、第二の表面上に第二の電極を有する圧電層上に、絶縁材料の層を堆積することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記絶縁材料の層を堆積することは、前記第一の電極を形成する前に起こる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記絶縁材料の層を堆積することは、酸化物材料の層を堆積することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記圧電層をシリコン膜にボンディングすることをさらに包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
圧電層の第一の表面上に、絶縁材料の層を堆積することと、
該絶縁材料が、該圧電層の第一の部分の上に位置するように該絶縁材料の層をパターニングすることと、
該絶縁材料および該圧電層の第二の部分に上にある該圧電層の該第一の表面と接触するように第一の電極を形成することと、
該圧電層を基板にボンディングすることと
を包含する、プリントヘッドを形成する方法。
【請求項２１】
前記基板は、インク流路を備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記基板は、ポンプチャンバを備え、
前記絶縁層をパターニングすることは、該ポンプチャンバの少なくとも一部の上に位置する該絶縁層の一部を除去する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
絶縁材料の層を堆積することは、約０．５〜約２マイクロメートルの厚さである酸化物の層を堆積することを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
集積回路を前記第一の電極に、電気的に接続することをさらに包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記圧電層を基板にボンディングすることは、第二の電極が該圧電層と該基板との間になるように該圧電層を基板にボンディングすることを包含する、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ製造された電気機械デバイスにおけるデバイスアクチュエータ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンタは、受容媒体の上に選択的にインクを堆積することによって、画像を形成する。従来のインクジェットプリンタシステムにおいて、インクは、インク受け（ｉｎｋ  ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）またはカートリッジのようなインクストレージユニットに格納され、ストレージユニットから、図１に示されるプリントヘッド１００のようなプリントヘッドの中へと導かれる。プリントヘッド１００において、インクは、インクポンプチャンバ１２０の中へと流れ、インクが排出されるノズル１３０に流れる。典型的には、プリントヘッドは、インクがノズル１３０を介して、プリントヘッド１００の外へと追い出すアクチュエータを備える。アクチュエータの２つの一般的なタイプには、抵抗加熱アクチュエータおよび圧電アクチュエータが含まれる。圧電アクチュエータ１５０において、圧電材料層１６５は、インクポンプチャンバ１２０に近接して形成され得る。圧電材料１６５にわたって電圧を印加すると、圧電材料は、曲がるか、あるいは、変形する。圧電材料１６５が変形すると、圧力波がインクポンプチャンバ１２０を介して伝播し、インクをノズル１３０の外へ、受容媒体の上に押し出す。典型的に、電極１６０、１７０は、圧電層１６５の両側に形成され、この層１６５にわたって電圧を印加することが可能になる。
【０００３】
いわゆる「ドロップオンデマンド」プリンタにおいて、それぞれが付属のポンプチャンバ１２０およびノズル１３０を備える、多数の個々の流路は、単一のプリントヘッド１００を形成し得、各ノズル１３０は、個々に活性化され得る。このように、特定のノズルがオンになる（ｆｉｒｅ）のは、そのノズルからのインクの小滴が、望まれるときのみである。プリントヘッド上の特定のアクチュエータを活性化するためには、電気信号が、そのアクチュエータと、個々に通信され得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（概要）
一般的に、一局面において、本発明は、電極と、該電極に近接する圧電層とを有するアクチュエータを特徴とする。該電極は、第一の部分および第二の部分を有する。絶縁層は、該圧電層と該電極との間に配置される。該電極の該第一の部分は、該絶縁層と接触し、該電極の該第二の部分は、該圧電層と接触する。
【０００５】
別の局面において、本発明は、基板とアクチュエータとを有するプリントヘッド構造を特徴とする。該基板は、ポンプチャンバおよびノズルを有し、該ポンプチャンバは、該基板の上部領域に形成され、該ノズルと流体連絡する。該アクチュエータは、電極と、該電極に近接する圧電層とを有する。該電極は、第一の部分および第二の部分を有する。絶縁層は、該圧電層と該電極との間に配置される。該電極の該第一の部分は、該絶縁層と接触し、該電極の該第二の部分は、該圧電層と接触する。該アクチュエータは、該基板の上部表面にボンディングされる。該電極の該第二の部分は、該ポンプチャンバと実質的に重なり得る。
【０００６】
特定のインプリメンテーションは、以下の利点を１つ以上含み得る（または、１つも含まなくてもよい）。アクチュエータは、低い容量を有し得る。電力が提供されるアクチュエータ層の面積は、削減され得る。絶縁層の境界は、正確に規定され得、各アクチュエータの活性化エリアは、一つのアクチュエータから次のアクチュエータにわたって均一であり得る。駆動電力は、各アクチュエータの活性化部分に集中され得るので、効率的に、アクチュエータのゲインを高くする。アクチュエータの非活性化エリアの圧電層と電極との間の絶縁層を挟むことで、活性化エリアの圧電材料を活性化するために、アクチュエータに印加される必要のある電力量は、削減され得る。デバイスを駆動するために要求される電力は、削減され得るか、あるいは、デバイスは、同じ電力量を用いて、従来のデバイスよりも、より長い間、電力供給され得る。酸化物材料が、絶縁層に使用され得る。代替として、窒化物、酸窒化物またはポリイミドも絶縁層に使用され得る。酸化物材料は、非常に安定であり得、従来の半導体プロセス技術を用いて堆積され得る。酸化物、窒化物、酸窒化物およびポリイミドは、容易にパターニングされ、容易に規定され得る。
【０００７】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面および以下の説明で述べられる。本発明の他の特徴、目的および利点は、説明および図面から、また、請求の範囲から明らかになる。
【０００８】
様々な図面における同様の参照記号は、同様のエレメントを示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（詳細な説明）
本発明は、圧電アクチュエータを駆動するのに要求される電力を削減する技術を提供する。本発明は、流体排出マイクロ電気機械デバイス（例えば、プリントヘッド構造）または圧電アクチュエータを使用する他のマイクロ電気機械デバイスに、適用され得る。
【００１０】
図２を参照すると、プリントヘッド１００は、多数の流路が形成される基板１０５を備える。単一の流路１０８は、インク入口１４２、アセンダ１３５、ポンプチャンバ１２０、デセンダ１３８およびノズル１３０を備え得る。圧電アクチュエータ１５０は、基板１０５によって支持される。アクチュエータ１５０は、シリコン膜のような膜１４０を備え得、この膜は、ポンプチャンバ１２０の一側面を密封する。アクチュエータ１５０は、下部電極１６０、圧電層１６５および上部電極アイテム１７０を備える。電極１６０、１７０は、約２マイクロメートル以下（例えば、約０．５マイクロメートル）の厚さであり得る。圧電層１６５は、約１〜２５マイクロメートルの厚さ（例えば、約８〜約１８マイクロメートルの厚さ）であり得る。電極１６０、１７０は、金属のような導電性材料から形成される。電極分離部１７２は、２つの電極を電気的に分離するように形成され得る。信号は、フレキシブル回路１８０によって提供され得る。この回路１８０は、電極１６０、１７０と電気的に接続し、アクチュエータ１５０を電気的に活性化する。金属１９０、１９２のような導電性材料は、フレキシブル回路と電極１６０、１７０との間の電気的ブリッジを形成し得る。
【００１１】
切溝（ｋｅｒｆ）１７４、１７６、１７８は、個々のアクチュエータを分離する。第一の切溝１７８は、下部電極１６０が、圧電層１６５の上部側に電気的に接続し得るように金属ラップアラウンド（ｍｅｔａｌ  ｗｒａｐ  ａｒｏｕｎｄ）１２３の形成を可能とする。第二の切溝（図示せず）は、一つの流路の上のアクチュエータを、隣接する流路の上のアクチュエータから分離し得る。アクチュエータ１５０の第三の切溝１７６は、隣接するアクチュエータを分離し得る。さらに、第三の切溝１７６は、そのアクチュエータが、対応するそれぞれの流路の部分の上のみとなるようにすることで、アクチュエータのサイズを小さくし得る。第一の３つの切溝は、アクチュエータ間のクロストークを低減し得る。
【００１２】
図３を参照すると、流路形態が内部に形成された基板１０５が提供され、アクチュエータ１５０の第一の層は、基板１０５の裏側に形成される。一つのインプリメンテーションにおいて、圧電層１６５は、金属でメタライズされ、この金属は、後に、下部電極１６０を形成する。圧電層１６５は、セラミックのグリーンシート（ｇｒｅｅｎ  ｓｈｅｅｔ）または前焼成された（ｐｒｅｆｉｒｅｄ）圧電材料から形成され得る。金属は、スパッタリングによって堆積され得る。堆積用の金属には、銅、金、タングステン、スズ、インジウム−スズ−酸化物（ＩＴＯ）、チタン、白金、ニッケル、ニッケルクロム合金、または、これら金属の２つ以上の組み合わせを含み得る。次いで、圧電層１６５は、例えば、接着剤で、あるいは、２つの金属間の共晶ボンディングで、基板の上にボンディングされる。別のインプリメンテーションにおいて、基板１０５は、メタライズされ、圧電層１６５は、金属層の上に形成される。これは、例えば、物理蒸着法（ＰＶＤ）、ゾルゲル塗布、セラミックのグリーンシートのボンディング、あるいは、他の適切な堆積プロセスによってである。
【００１３】
図４を参照すると、切溝１７８は、圧電層１６５内に形成される。切溝１７８は、圧電層１６５の中へと切断、ダイシング、鋸による切断、または、エッチングされ得る。切溝１７８は、下部電極１６０および圧電層１６５の中まで拡がり得る。代替的に、この切溝１７８は、絶縁層が堆積された後に形成され得る。
【００１４】
図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃを参照すると、絶縁層１８５は、例えば、プラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）技術を用いて、アクチュエータ１５０の圧電層１６５上に形成される。絶縁層は、酸化物（例えば、シリコン酸化物）、あるいは、絶縁性を有する他の材料（例えば、窒化物、酸窒化物、ポリイミド、または、他のパターニング可能な材料）を含み得る。絶縁層１８５は、約０．１〜１０マイクロメートルの間、約０．２〜５マイクロメートルの間、あるいは、約０．５〜２マイクロメートルの間（例えば、約１．０マイクロメートル）の厚さで形成され得る。フォトパターニング可能な材料またはフォトレジストが、絶縁層１８５の表面に塗布され得る。マスクは、フォトレジストの上にわたって提供される。マスクパターンは、フォトレジストが、ポジであるか、ネガであるかに基づいて選択され、このパターンは、絶縁層１８５の所望のカバーエリアに対応する。以下により詳細に記載されるように、マスクは、絶縁層１８５の範囲（ｅｘｔｅｎｔ）を決定する。フォトレジストは、露光および現像され、次いで、絶縁層１８５は、もはやフォトレジストによって覆われていないエリアで、乾式エッチングプロセスなどによってエッチングされる。誘導結合プラズマリアクティブイオンエッチングは、絶縁層１８５をエッチングするために使用され得るエッチングプロセスの一例である。他のエッチングプロセスには、フッ化水素酸エッチングまたはバッファードオキサイドエッチングなどの湿式エッチングを含み得る。次いで、残留したフォトレジストは、圧電層１６５から除去される。
【００１５】
ポンプチャンバ１２０を作動するアクチュエータ１５０の部分は、あるいは、電極と圧電材料との間に絶縁材料の全くない電極と圧電材料とを有するアクチュエータ１５０の部分は、アクチュエータ１５０の活性化領域１９４を規定する。電極を含まないアクチュエータ１５０の部分か、あるいは、電極と圧電材料層１６５との間に絶縁体を有するアクチュエータ１５０の部分かのいずれかは、アクチュエータ１５０の非活性化領域１９６を規定する。絶縁層１８５は、アクチュエータ１５０の非活性化領域１９６内に形成され、その結果、絶縁層が、圧電層１６５を活性化して、プリントヘッドからインクを排出する必要のないエリア内で、圧電層１６５と上部電極との間に挟まれる。絶縁層１８５は、上部電極と下部電極との間で、抵抗および容量のインピーダンスとして機能する。こうして、絶縁層１８５に近接して位置する圧電層１６５の部分にわたって印加される電圧を低下できる。絶縁層１８５は、プリントヘッドの任意のパーツ（例えば、ポンプチャンバ１２０またはアセンダ１３５）の境界にぴったりと沿って終わる必要はない。
【００１６】
絶縁層１８５は、（図５Ａに示されるように）絶縁層１８５が、ポンプチャンバ１２０の一部（例えば、アセンダ１３５に接続されるポンプチャンバの一部）を覆うようにか、（図５Ｂに示されるように）絶縁層１８５が、ポンプチャンバ１２０の端部で終わるようにか、あるいは、最後のケースとして、（図５Ｃに示されるように）絶縁層１８５が、ポンプチャンバ１２０と重ならない領域内のみに位置するようにかのいずれかで形成され得る。上記のインプリメンテーションのいずれにおいても、絶縁層１８５によって覆われる圧電層１６５の部分は、プリントヘッドの一つの流路から他の流路にかけて実質的に均一であり得る。
【００１７】
図６に示すように、圧電層１６５および絶縁層１８５は、真空堆積（例えば、スパッタリング）などによってメタライズされ得、上部電極１７０、下部電極コンタクト領域１６２、および、切溝１７８の壁にラップアラウンド（ｗｒａｐ−ａｒｏｕｎｄ）コネクタ１２３を形成する。ラップアラウンドコネクタ１２３は、プロセスのこの段階において、下部電極１６０および上部電極１７０の双方と電気的に接続される。
【００１８】
図７に示すように、追加の切溝１７６は、上部電極１７０および圧電層１６５の中に形成される。切溝１７６は、下部電極１６０を切り開かれ得るか、あるいは、下部電極１６０が除去されないように切られ得る。電極分離部１７２は、上部電極と下部電極とが互いに電気的に連絡しないように、パターニングされ得る。
【００１９】
図８に示すように、圧電層１６５の平面図は、切溝１７４、１７６、１７８および絶縁層１８５を示す。
【００２０】
図９に示すように、下部電極コンタクトエリア１６２および上部電極１７０は、次いで、電極をフレキシブル回路１８０にボンディングすること（例えば、上部電極をフレキシブル回路１８０に、金属１９０、１９２でハンダ付けすること）によって、あるいは、異方性導電性フィルムのような導電性接着剤を用いることなどによって、集積回路に電気的に接続され得る。
【００２１】
ポンプチャンバの上にない圧電層の部分は、活性化される必要はない。なぜなら、その部分は、プリントヘッドからインクが排出されることに寄与しないからである。それゆえ、電力は、圧電層の非活性化部分から離れて導かれ得る。絶縁層は、絶縁層が位置する領域内の２つの電極にわたって印加される駆動電力を削減する。その結果、絶縁層は、電極に印加される電力が、圧電アクチュエータの活性化エリアに集中され、効率的にアクチュエータのゲインを高くする。なぜなら、電力は、活性化される必要のある圧電層の部分に、優先的に向けられるからであり、この圧電層を活性化するために要求される全電力量は、より少なくなる。このように、絶縁層のないアクチュエータに比べ、同じ圧電層の変位を達成するために、印加を必要とされる電力は、より少ない。
【００２２】
各アクチュエータを活性化するために要する電力を削減すると、プリントヘッド上の多数の流路に対応するグループアクチュエータでの要求される全電力を削減できる。デバイスを稼動するための電力がより少ない場合、プリントヘッドは、同じ電力量を使用する従来のプリントヘッドよりも、長い時間にわたって、電力供給され得る。より少ない電力入力を必要とするプリントヘッドは、プリントヘッドのオペレータにとって、より安全になり得る。より少ない電力を必要とするプリントヘッドは、電気的機能停止およびそれに引き続く交換をより少なくする傾向がある。
【００２３】
アクチュエータグループの各アクチュエータの上に絶縁層を形成すると、電力が提供されるアクチュエータの面積を減らすことができる。各アクチュエータの面積が、アクチュエータグループにわたって均一に減らされると、アクチュエータの均一性は、維持され得る。
【００２４】
本発明の多数の実施形態が、記載されてきた。それでも、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な改変が行われ得ることは、理解される。例えば、圧電アクチュエータは、プリントヘッドのポンプチャンバの側壁を形成し得る。一つのインプリメンテーションにおいて、１つの電極のみが、アクチュエータを駆動するために存在する。アクチュエータ構造は、プリントヘッド以外にも、トランスデューサまたはセンサのようなマイクロ製造電気機械デバイスにも、使用され得る。したがって、他の実施形態も、上記の特許請求の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、圧電アクチュエータを有するプリントヘッドにおける単一の流路の側面図である。
【図２】図２は、自身にボンディングされたフレキシブル回路を有するプリントヘッドアクチュエータの断面図である。
【図３】図３は、部分的に形成された圧電アクチュエータの断面図である。
【図４】図４は、部分的に形成された圧電アクチュエータの断面図である。
【図５】図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃは、部分的に完成したプリントヘッドアクチュエータの断面図であり、このアクチュエータは、絶縁層を有する。
【図６】図６は、部分的に完成したプリントヘッドアクチュエータの断面図である。
【図７】図７は、部分的に完成したプリントヘッドアクチュエータの断面図である。
【図８】図８は、絶縁層が形成された後のアクチュエータの平面図である。
【図９】図９は、自身にボンディングされたフレキシブル回路を有するプリントヘッドアクチュエータの断面図である。
【図１】
2008508850.tif 000003
【図２】
2008508850.tif 000004
【図３】
2008508850.tif 000005
【図４】
2008508850.tif 000006
【図５ａ】
2008508850.tif 000007
【図５ｂ】
2008508850.tif 000008
【図５ｃ】
2008508850.tif 000009
【図６】
2008508850.tif 000010
【図７】
2008508850.tif 000011
【図８】
2008508850.tif 000012
【図９】
2008508850.tif 000013
【国際調査報告】
2008508850.tif 000014
2008508850.tif 000015