(57)【要約】【課題】多層構造を有する流体制御装置を提供することにある。【解決手段】複数のヒータ抵抗器５６を有する薄膜ヒータ抵抗器部５０と、前記ヒータ抵抗器の上方に配置され、降伏強さが約５００メガパスカルよりも小さい最上層６０ｃ、降伏強さが約１０００メガパスカルよりも大きい中間層６０ｂ、および降伏強さが約５００メガパスカルよりも小さい最下層６０ａを含んだ多層構造６０とを備えている。【選択図】　　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のヒータ抵抗器を有する薄膜ヒータ抵抗器部と、
前記ヒータ抵抗器の上方に配置され、降伏強さが約５００メガパスカルよりも小さい最上層、降伏強さが約１０００メガパスカルよりも大きい中間層、および降伏強さが約５００メガパスカルよりも小さい最下層を含んだ多層構造と
を備えている、流体制御装置。
【請求項２】
複数のヒータ抵抗器を有する薄膜ヒータ抵抗器部と、
該薄膜ヒータ抵抗器部上に配置された流体バリアー層と、
該バリアー層内で前記各ヒータ抵抗器の上方に形成されたそれぞれの流体チャンバと、
該各流体チャンバおよび前記ヒータ抵抗器の上方に配置されたそれぞれのノズルと、
前記流体チャンバの下にあり、耐火金属を含む最上層、降伏強さが約１０００メガパスカルよりも大きい中間層、および耐火金属を含む最下層を有する多層構造と
を備えている、流体滴放出装置。
【請求項３】
前記最上層は形状記憶合金を含んでいる、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記最上層はチタンニッケルを含んでいる、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記最上層と前記最下層のうちの少なくとも一方は耐火金属を含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記最上層と前記最下層のうちの少なくとも一方は、タングステン、モリブデン、ニオブ、およびタンタルからなる群から選択される材料を含んでいる、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記最上層と前記最下層のうちの少なくとも一方は、タングステン、モリブデン、ニオブ、およびタンタルのうちの少なくとも１つを含んでいる、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記最上層と前記最下層のうちの少なくとも一方はタンタルを含んでいる、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記中間層は炭化物を含んでいる、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項１０】
前記中間層は窒化物を含んでいる、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項１１】
前記中間層は、ニッケル、チタン、パラジウム、および白金からなる群から選択される材料を含んでいる、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項１２】
前記中間層は、ニッケル、チタン、パラジウム、および白金のうちの少なくとも１つを含んでいる、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項１３】
前記中間層は、ＮＯＲＥＭブランドの鉄合金、およびチタン−アルミニウム合金からなる群から選択される材料を含んでいる、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項１４】
前記中間層はコバルトをベースにした合金を含んでいる、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項１５】
前記中間層はニッケルをベースにした合金を含んでいる、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項１６】
前記最上層はタンタルを含み、
前記中間層はコバルトをベースにした合金を含み、
前記最下層はタンタルを含んでいる、
請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項１７】
前記中間層は、少なくとも６０重量％のコバルトを含んだコバルトをベースにした合金を有している、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記最上層の厚さは、約２００オングストローム〜約２０００オングストロームの範囲であり、
前記中間層の厚さは、約１０００オングストローム〜約２０００オングストロームの範囲であり、
前記最下層の厚さは、約１０００オングストローム〜約５０００オングストロームの範囲である、
請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記最上層はタンタルを含み、
前記中間層は炭化ケイ素を含み、
前記最下層はタンタルを含んでいる、
請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項２０】
複数の薄膜層を形成するステップと、
該複数の薄膜層上に、降伏強さが約５００メガパスカルよりも小さい第１のパッシベーション層を形成するステップと、
該第１のパッシベーション層上に、降伏強さが約１０００メガパスカルよりも大きい第２のパッシベーション層を形成するステップと、
該第２のパッシベーション層上に、降伏強さが約５００メガパスカルよりも小さい第３のパッシベーション層を形成するステップと
を含む、薄膜デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体制御装置に関し、特に多層構造を有する流体制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリントの技術は、比較的よく開発されている。コンピュータのプリンタ、グラフィックプロッタ、およびファクシミリ等の市販製品は、プリントした媒体を生成するインクジェット技術で実施されている。インクジェット技術に対するヒューレット・ハ゜ッカート゛社の寄稿については、例えば、Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ　Ｊｏｕｒｎａｌ，　Ｖｏｌ．３６，　Ｎｏ．５　（Ｍａｙ　１９８５）、Ｖｏｌ．３９，　Ｎｏ．５　（Ｏｃｔｏｂｅｒ　１９８８）、Ｖｏｌ．４３，　Ｎｏ．４　（Ａｕｇｕｓｔ　１９９２）、Ｖｏｌ．４３，　Ｎｏ．６　（Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　１９９２）、およびＶｏｌ．４５，　Ｎｏ．１　（Ｆｅｂｒｕａｒｙ　１９９４）におけるさまざまな論文において説明されている。
【０００３】
一般的に、インクジェット画像は、インクジェットプリントヘッドとして知られているインク滴発生装置が放出するインク滴をプリント媒体上に正確に配置することによって形成されている。例えば、インクジェットプリントヘッドはプリントカートリッジ本体に取り付けられ、プリントカートリッジ本体は、例えば、プリント媒体表面の上方を横切る移動可能なプリントキャリッジ上に支持されている。インクジェットプリントヘッドは、マイクロコンピュータその他コントローラのコマンドにしたがって適切な時点においてインク滴を噴出するよう制御されている。この場合、インク滴を施すタイミングは、プリントしている画像の画素のパターンに対応するように意図されている。
【０００４】
通常のヒューレット・パッカードのインクジェットプリントヘッドは、インクバリアー構造に取り付けられ、またはそれと一体化しているオリフィス構造に正確に形成されたノズルのアレイを含んでいる。インクバリアー構造は、インク発射ヒータ抵抗器とそのような抵抗器を作動させる装置を実施する、薄膜下部構造に取り付けられている。インクバリアー構造は、インク流制御構造、粒子フィルタリング構造、インク通路すなわちチャンネル、およびインクチャンバを画定してもよい。インクチャンバは、関連するインク発射抵抗器の上方に配置され、オリフィス構造のノズルは、関連するインクチャンバに整列している。インクチャンバと、薄膜下部構造およびオリフィス構造のうちのインクチャンバに隣接する部分とによって、インク滴発生器領域が形成されている。インク滴を放出するには、選択したヒータ抵抗器に通電する。そのヒータ抵抗器は熱を生成し、その熱によって、隣接するインクチャンバ内の液体インクが加熱されることになる。チャンバ内の液体が気化するに至ると、急速に膨張する蒸気面すなわち駆動気泡によって、インクチャンバ内の液体が、隣接するオリフィスを通って押し出される。
【０００５】
ヒータ抵抗器を用いるプリントヘッドで考慮すべき事柄として、つぶれていく駆動気泡のキャビテーション圧力の結果として生じる損傷を低減させる、ということがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、多層構造を有する流体制御装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る流体制御装置は、複数のヒータ抵抗器を有する薄膜ヒータ抵抗器と、降伏強さが５００メガパスカル未満の最上層と、降伏強さが１０００メガパスカルよりも大きい中間層と、降伏強さが５００メガパスカル未満の最下層とを含む多層構造とを備えている。
【０００８】
当業者であれば、以下の詳細な説明を図面とともに読めば、開示する本発明の利点および特徴を容易に理解しよう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、開示する流体滴放出装置を組み込んでもよいインクジェットプリントカートリッジ１０の一タイプの実施形態の概略斜視図である。この流体滴放出装置は、説明に役立つ例として、流体滴噴出プリントヘッドとして開示されている。プリントカートリッジ１０は、カートリッジ本体１１、プリントヘッド１３、および電気接点１５を備えている。カートリッジ本体１１は、プリントヘッド１３に供給するインクその他好適な流体を収容しており、接点１５に電気信号が供給されて流体滴発生器に個々に通電し、選択したノズル１７から流体滴を噴出するようになっている。プリントカートリッジ１０は、かなりの量のインク等の流体をその本体１１内に収容するような使い捨て式であってもよい。他の好適なプリントカートリッジでは、プリントカートリッジに取り付けられ、またはチューブ等の管路でプリントカートリッジに液通している外部流体供給源から、インクを受け取るタイプであってもよい。
【００１０】
開示する実施形態は流体滴噴出プリントの状況で説明し、開示する構造は例えば生物学的に活性の物質の送出を含み、他の流体滴放出の用途において用いてもよい、ということが理解されるべきである。
【００１１】
図２は、プリントヘッド１３の例の実施形態の概略斜視図を示しているが、正確な縮尺率で描かれていない。プリントヘッド１３は一般的に、シリコン基板２１と、該シリコン基板２１上に形成された薄膜層の集積回路薄膜スタック２５とを備えている。薄膜スタック２５は、薄膜流体滴発射ヒータ抵抗器５６と、関連した駆動回路やアドレス回路等の電気回路とを実施するものであり、集積回路製造技術によって形成されている。説明に役立つ例として、ヒータ抵抗器５６は、シリコン基板２１の長手方向のインク供給縁２１ａに沿って、縦欄式のアレイとなるように配置されている。
【００１２】
薄膜スタック２５の上方には、流体バリアー層２７が配置されており、流体バリアー層２７上には、ノズル１７を含むオリフィス、すなわちノズル板２９が薄層状に配置されている。薄膜スタック２５の両端には、係合して外部電気接続することが可能なボンディングパッド（Ｂｏｎｄ　ｐａｄｓ）３５を配置してもよく、ボンディングパッド３５は流体バリアー層２７に覆われていない。流体バリアー層２７は、例えば、ドライフィルムで形成されており、このドライフィルムは、加熱され、薄膜スタック２５に加圧積層されると共に、光によって画定され、内部に流体チャンバ３１と流体チャンネル３３とが形成されている。説明に役立つ例として、バリアー層の材料には、デラウェア州ウィルミントン市のＥ．Ｉ．デュポン　ド　ヌムール　アンド　カンパニーから入手可能なパラド（Ｐａｒａｄ）ブランドのフォトポリマーのドライフィルム等、アクリル樹脂（ａｃｒｙｌａｔｅ）をベースにしたフォトポリマーのドライフィルムが含まれる。同様のドライフィルムとしては、リストンブランドのドライフィルム等デュポンのその他の製品や、他の化学製品供給者が製造するドライフィルムがある。オリフィス板２９は、例えば、ポリマー材料から構成され、例えば本発明の譲受人に譲渡されている米国特許第５，４６９，１９９号において開示されているようにレーザー・アブレーションでオリフィス１７を形成した平らな基板を含んでいる。さらなる例として、オリフィス板はまた、ニッケル等、めっきをした金属を含んでいてもよい。
【００１３】
流体バリアー層２７内の流体チャンバ３１は、より詳細には、薄膜スタック２５に形成した各ヒータ抵抗器５６の上方に配置されており、各流体チャンバ３１は、流体バリアー層２７に形成したチャンバ開口部の縁すなわち壁によって画定されている。流体チャネル３３は、バリアー半島部（ｂａｒｒｉｅｒ　ｐｅｎｉｎｓｕｌａｓ）３７を含むバリアー層２７に形成したバリアー特徴部によって画定されており、それぞれの流体チャンバ３１と一体的につながっている。
【００１４】
オリフィス板２９のオリフィス１７は、それぞれの流体チャンバ３１の上方に配置されており、ヒータ抵抗器５６、関連する流体チャンバ３１、および関連するオリフィス１７が滴発生器４０を形成するようになっている。動作中、選択したヒータ抵抗器は通電されている。そのヒータ抵抗器は熱を生成し、その熱によって、隣接するインクチャンバ内の液体インクが加熱されることになる。チャンバ内の液体が気化するに至ると、急速に膨張する蒸気面すなわち駆動気泡によって、インクチャンバ内の液体が隣接するオリフィスを通って押し出される。このように、ヒータ抵抗器および関連する流体チャンバは気泡発生器を形成している。
【００１５】
流体バリアー層２７およびオリフィス板２９は、例えば米国特許第６，１６２，５８９号において説明されているように、一体的流体チャネルおよびオリフィス構造として実施してもよい。
【００１６】
図３を参照して、薄膜スタック２５の実施形態は、より詳細には、その内部にヒータ抵抗器５６が形成されているヒータ抵抗器部５０を含んでいてもよい。ヒータ抵抗器部５０上に配置した多層パッシベーション構造６０は、流体チャンバ３１における機械的パッシベーションすなわち保護構造の機能を果たしており、例えば駆動気泡がつぶれることによる衝撃を吸収することが可能である。多層パッシベーション構造６０は、ヒータ抵抗器上に直接配置されてもよく、または、介在する化学的／機械的パッシベーション構造上に配置されていてもよい。
【００１７】
多層構造６０は、より詳細には、ヒータ抵抗器部５０上に配置した最下層６０ａ、最下層６０ａ上に配置した中間層６０ｂ、および中間層６０ｂ上に配置した最上層６０ｃを含んでいる。中間層６０ｂは、好ましくは、最上層および最下層よりも大きい降伏強さを有している。例えば、中間層６０ｂの降伏強さは約１０００メガパスカル（ＭＰａ）よりも大きく、最上層６０ｃおよび最下層６０ａの降伏強さはそれぞれ、約５００ＭＰａよりも小さい。
【００１８】
最上層６０ｃおよび最下層６０ａはそれぞれ、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、およびタンタル（Ｔａ）等の耐火金属を含んでいてもよい。最上層６０ｃはまた、チタン−ニッケル（ＴｉＮｉ）等の形状記憶合金を含んでいてもよい。
【００１９】
中間層６０ｂは、コバルトをベースにした合金、またはニッケルをベースにした合金を含んでいてもよい。中間層６０ｂはまた、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）、およびクラスＩＶの金属炭化物等の炭化物を含んでいてもよい。中間層６０ｂはまた、窒化ケイ素、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、および窒化クロム（ＣｒＮ）等の窒化物を含んでいてもよい。
【００２０】
中間層６０ｂに用いてもよい他の材料としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ＮＯＲＥＭブランドの鉄をベースにした合金、およびチタン−アルミニウム（ＴｉＡｌ）合金がある。
【００２１】
多層構造６０の具体的な実施態様において、最上層６０ｃおよび最下層６０ａはタンタルを含み、中間層６０ｂは炭化ケイ素を含んでいる。別の具体的な実施態様において、最上層６０ｃおよび最下層６０ａはタンタルを含み、中間層６０ｂは、ステライト６Ｂというブランド名で販売されているコバルトをベースにした合金等、少なくとも６０重量％のコバルトを含んだコバルトをベースにした合金を有している。
【００２２】
説明に役立つ例として、タンタルを含む最上層６０ｃの厚さは、約２００オングストローム〜約２０００オングストロームの範囲であってもよく、少なくとも６０重量％のコバルトを含んだコバルトをベースにした合金を含む中間層６０ｂの厚さは、約１０００オングストローム〜約２０００オングストロームの範囲であってもよく、タンタルを含む最下層６０ａの厚さは、約１０００オングストローム〜約５０００オングストロームの範囲であってもよい。
【００２３】
多層構造６０の各層は、例えば、イオンビームスパッタリング等のスパッタリングその他物理蒸着技法によって形成されていてもよい。
【００２４】
説明に役立つ例として、最上層６０ｃはエネルギー吸収層であってもよく、経時的に消耗してもよいという意味において犠牲的であってもよい。中間層６０ｂは、例えば気泡がつぶれることによる荷重を最下層のより大きな領域へと広げるエネルギー分配層であってもよく、最下層はエネルギー吸収層であってもよい。
【００２５】
このようにして、インクジェットプリント、および医療機器等その他滴放出の用途において有用な流体滴放出デバイスと、そのような流体滴放出デバイスの製造技法が開示されている。また、開示した気泡発生器構造は、光スイッチ、アコースティックフィルタ、熱流調整器、流体ポンプおよび弁、流体インピーダンスコントローラ、ＭＥＭモータ、およびメモリにおいて用いてもよい。
【００２６】
前述の事項は、本発明の具体的な実施形態の説明および例示であるが、当業者であれば、併記の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲および精神から逸脱することなく、本発明のさまざまな変形および変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】開示する滴放出デバイスを組み込んでもよいプリントカートリッジの実施形態を示す概略斜視図である。
【図２】本明細書において開示する原理を具体化する流体滴放出デバイスの実施形態の一例を示す概略斜視図である。
【図３】図２の流体滴放出デバイスの一部の実施形態であり、その薄膜スタックの主要な構成要素の例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１７　ノズル
２７　流体バリアー層
３１　流体チャンバ
５０　薄膜ヒータ抵抗器部
５６　ヒータ抵抗器
６０　多層構造
６０ａ　最下層
６０ｂ　中間層
６０ｃ　最上層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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