(57)【要約】      （修正有）【課題】従小滴群を排除する。【解決手段】マイクロインジェクター１２のマイクロチャネル内に、チャンバー１４とマニホールド１６との間のバルブ機構として機能させる気泡３０を形成するための装置。そのバルブ機構は、オリフィス１８を通して流体を放出する間、液体をマニホールドを通してチャンバーから出すために高い抵抗を与え、また、液体を放出し気泡が潰れた後、チャンバー内に液体を再充填するためには低い抵抗を与える。これは、隣接したチャンバー間のクロストークを効果的に最小限にし、マイクロインジェクターの噴射頻度を増加させる。チャンバー１４内の第２の気泡３２の形成は、チャンバー１４とマニホールド１６との間の第１の形成された気泡３０と合体し、流体の放出を急速に終了させる。【選択図】図２Ｂ
2005231364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を噴射するためのマイクロインジェクターにおいて気泡を実質的なバルブとして用いる装置であって、
（ａ）上部層を含み、内部に液体を包含するためのチャンバーと、
（ｂ）前記上部層に近接して配置された不動態化層と、
（ｃ）前記チャンバーに液体連通し、前記チャンバーの上方に配置され、且つ前記不動態化層と前記上部層との両方を通るオリフィスと、
（ｄ）前記チャンバーが液体で満たされたとき、このチャンバー内に実質的なバルブとして働く第１の気泡を生成する第１気泡生成手段であって、前記オリフィスに概ね近接して前記不動態化層と前記上部層との間に配置される第１気泡生成手段と、
（ｅ）前記チャンバーが、それから噴射すべき液体で満たされたとき、第１気泡の生成に続いて前記チャンバー内に第２気泡を生成する第２気泡生成手段であって、前記オリフィスに概ね近接して前記不動態化層と前記上部層との間に配置される第２気泡生成手段とを備える装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、第１気泡生成手段が、第１のヒーターを含む装置。
【請求項３】
請求項２記載の装置において、第２気泡生成手段が、第２ヒーターを含む装置。
【請求項４】
請求項３記載の装置において、第１ヒーター及び第２ヒーターは、第１気泡と第２気泡とが互いに向かって膨張して前記チャンバーからの液体噴射を急速に遮るように配置されている装置。
【請求項５】
請求項３記載の装置において、第１ヒーター及び第２ヒーターが、共通の信号によって駆動されるよう適合されている装置。
【請求項６】
請求項３記載の装置において、第１ヒーター及び第２ヒーターが、直列に接続されている装置。
【請求項７】
請求項１記載の装置において、第１気泡の生成が、実質的なバルブとして働くことにより前記チャンバーからの液体の流出を制限する装置。
【請求項８】
液体を噴射するマイクロインジェクターにおいて気泡を実質的なバルブとして用いる装置であって、
（ａ）上部に配置された上部層を含むチャンバーと、
（ｂ）前記上部層を覆う不動態化層と、
（ｃ）前記チャンバーと流体連通するオリフィスと、
（ｄ）前記オリフィスに近接して前記上部層と前記不動態化層との間に埋設された第１気泡生成手段と、
（ｅ）前記オリフィスに近接して前記上部層と前記不動態化層との間に埋設された第２気泡生成手段とを備え、前記第１気泡生成手段は前記チャンバー内に第１の気泡を形成するようにされており、その第１の気泡は前記チャンバーからの液体流出を制限するバルブとして働く装置。
【請求項９】
請求項８記載の装置において、第１気泡生成手段が、第１ヒーターを含み、且つ第２気泡生成手段が、第２ヒーターを含む装置。
【請求項１０】
請求項９記載の装置において、第１ヒーターと第２ヒーターとが、共通の信号によって駆動されるように適合されている装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の装置において、第１ヒーター及び第２ヒーターが、直列に接続される装置。
【請求項１２】
液体を噴射するためのマイクロインジェクターにおいて気泡を実質的なバルブとして用いる装置であって、
上部層を含み、内部に液体を包含するためのチャンバーと、
前記チャンバーに液体連通し、前記チャンバーの上方に配置され、且つ前記上部層を通るオリフィスと、
このオリフィスに近接して配置され、第１の電力散逸を有し、前記チャンバーが液体で満たされたとき、このチャンバー内に実質的なバルブとして働く第１気泡を生成する第１ヒーターと、
前記オリフィスに近接して配置され、第２の電力散逸を有し、前記チャンバーが、それから噴射すべき液体で満たされたとき、前記第１気泡の生成に続いて前記チャンバー内に第２の気泡を生成する第２ヒーターとを備え、第１の電力散逸は第２の電力散逸よりも実質的に高い装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の装置において、第１ヒーター及び第２ヒーターが、直列に接続される装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の装置において、第１ヒーターが第１の抵抗値を有し、且つ第２ヒーターが第２の抵抗値を有し、その第１の抵抗値は第２の抵抗値よりも実質的に高い装置。
【請求項１５】
請求項１２記載の装置において、第１ヒーターと第２ヒーターとが、共通の信号によって駆動されるように適合されている装置。
【請求項１６】
請求項１２記載の装置において、第１ヒーター及び第２ヒーターは、第１気泡と第２気泡とが互いに向かって膨張して前記チャンバーからの液体噴射を急速に遮るように配置されている装置。
【請求項１７】
請求項１２記載の装置において、前記上部層に近接して配置された不動態化層を更に備え、前記オリフィスが前記不動態化層と前記上部層との両方を通り、第１ヒーター及び第２ヒーターが前記不動態化層と前記上部層との間に配置される装置。
【請求項１８】
液体を噴射するためのマイクロインジェクター内に実質的なバルブとして気泡を用いる装置であって、
（ａ）内部に液体を包含するためのチャンバーと、
（ｂ）前記チャンバーに流体連通するオリフィスであって、前記チャンバー上に配置されるオリフィスと、
（ｃ）前記チャンバーが液体で満たされたとき、このチャンバー内に第１の気泡を生成する手段であって、前記オリフィスに近接して前記チャンバー上に配置される第１気泡生成手段と、
（ｄ）前記チャンバーから液体を噴射するために、液体を前記チャンバーが液体で満たされたとき、第１の気泡の生成に続いて前記チャンバー内に第２の気泡を生成する手段であって、前記オリフィスに近接して前記チャンバー上に配置される第２気泡生成手段とを備える装置。
【請求項１９】
請求項１８記載の装置において、第１気泡生成手段が、第１のヒーターを含む装置。
【請求項２０】
請求項１８記載の装置において、第２気泡生成手段が、第２の気泡を生成可能な第２のヒーターを含む装置。
【請求項２１】
請求項２０記載の装置において、第１のヒーター及び第２のヒーターが、第１の気泡と第２の気泡とが、前記チャンバーからの液体噴射を急速に遮るように、互いに向かって膨張するように配置される装置。
【請求項２２】
請求項２０記載の装置において、第１のヒーター及び第２のヒーターが、共通の信号によって駆動されるように適合されている装置。
【請求項２３】
請求項２０記載の装置において、第１のヒーター及び第２のヒーターが、直列に接続されている装置。
【請求項２４】
請求項１８記載の装置において、第１の気泡の生成が、実質的なバルブとして振る舞うことによって前記チャンバー内の液体の流れを制限する装置。
【請求項２５】
液体を噴射するためのマイクロインジェクター内で実質的バルブとして気泡を用いる装置であって、
（ａ）チャンバーと、
（ｂ）前記チャンバーに液体を供給するために、前記チャンバーと流体連通するマニホールドと、
（ｃ）前記チャンバーに流体連通するオリフィスと、
（ｄ）前記チャンバーが液体で満たされたとき、前記チャンバー内に第１の気泡を生成する手段であって、前記オリフィスに近接して前記チャンバーの外部に配置される第1気泡生成手段と、
（ｅ）第1の気泡の形成に続いて、第２の気泡を生成する手段であって、この第２の気泡生成手段は、前記オリフィスに近接して前記チャンバーの外部に配置され、前記オリフィスは、第1気泡生成手段と第２気泡生成手段との間に配置され、第２の気泡の形成のために、前記チャンバー内の液体が前記オリフィスを通じて噴射する第２気泡生成手段とを備える装置。
【請求項２６】
請求項２５記載の装置において、第１気泡生成手段は、第１のヒーターを含む装置。
【請求項２７】
請求項２６記載の装置において、第２気泡生成手段は、第２の気泡を生成可能な第２のヒーターを含む装置。
【請求項２８】
請求項２７記載の装置において、第１のヒーター及び第２のヒーターが、共通の信号によって駆動されるように適合されている装置。
【請求項２９】
請求項２７記載の装置において、第１のヒーター及び第２のヒーターが、直列に接続される装置。
【請求項３０】
請求項２７記載の装置において、第１及び第２のヒーターは、前記オリフィスからの液体の噴射を急速に遮るために、第１の気泡と第２の気泡とが合体するように、前記オリフィスに近接して配置される装置。
【請求項３１】
請求項２５記載の装置において、第１の気泡の生成は、前記チャンバーと前記マニホールドの間の実質的なバルブとして振る舞うことによって、圧力を掛けている間、前記チャンバーからの液体の流れを制限する装置。
【請求項３２】
オリフィスを有するマイクロチャネルから液体を噴射するための方法であって、
（ａ）液体に満たされたマイクロチャネル内に前記オリフィスに近接して第１の気泡を作成する段階と、
（ｂ）前記マイクロチャネルに圧力をかけて前記マイクロチャネルから液体を噴射するために、前記マイクロチャンネル内に前記オリフィスに近接して第２の気泡を生成する段階であって、この第２の気泡生成段階は第1気泡生成段階の後に実行され、第1の気泡及び第２の気泡がそれぞれ前記オリフィスと並列に並べられる第２気泡生成段階と、
（ｃ）前記マイクロチャネル内への液体流れを制限するための実質的なバルブとして振る舞うために、前記マイクロチャネル内の第１の気泡を大きくする段階と、
（ｄ）前記マイクロチャネル内の第２の気泡を大きくする段階であり、第１の気泡及び第２の気泡が、前記オリフィスを通した液体の噴射を急速に遮るために互いに近づく段階とを含む方法。
【請求項３３】
請求項３２記載の方法において、第１気泡を潰して流体のマイクロチャネルへの流れを促進させる方法。
【請求項３４】
請求項３２記載の方法において、共通の信号が第１気泡と第２気泡との両方の気泡の生成を連続的に開始させるのに用いられる方法。
【請求項３５】
請求項３２記載の方法において、第１気泡が第２気泡よりも速く大きくされる方法。
【請求項３６】
チャンバーと、チャンバーに液体を供給するためのマニホールドと、チャンバーと流体連通するオリフィスとを有するマイクロインジェクターから液体を噴射する方法であって、
（ａ）前記チャンバーが液体で満たされたとき、前記チャンバー内に第１の気泡を生成する第１気泡生成段階と、
（ｂ）前記オリフィスを通して液体を噴射するために前記オリフィスに近接して第２の気泡を生成する段階であって、第１気泡生成段階の後に実行される第２気泡生成段階と、
（ｃ）前記オリフィスを通した液体の噴射を急速に遮るために第１の気泡と第２の気泡とを合体させる段階とを含む方法。
【請求項３７】
請求項３６記載の方法において、前記チャンバー内の液体の流れを促進するために、第１の気泡を潰す段階を更に含む方法。
【請求項３８】
請求項３６記載の方法において、第１の気泡と第２の気泡との両方の生成を連続的に起こすために、共通の信号が用いられる方法。
【請求項３９】
請求項３６記載の方法において、第１の気泡が第２の気泡よりも速く大きくされる方法。
【請求項４０】
液体を噴射するためのマイクロインジェクターにおいて気泡を実質的なバルブとして用いる装置であって、
（ａ）マイクロチャネルと、
（ｂ）前記マイクロチャネルが液体で満たされたときに、前記マイクロチャネル内に第１の気泡を生成する気泡生成手段と、
（ｃ）前記マイクロチャネルが液体で満たされたときに、前記マイクロチャネルから液体を噴出するために前記マイクロチャネルに圧力をかける手段とを備える装置。
【請求項４１】
請求項４０記載の装置において、前記気泡生成手段が、第１のヒーターを含む装置。
【請求項４２】
請求項４１記載の装置において、前記マイクロチャネルに圧力をかける手段が、第２の気泡を生成可能な第２のヒーターを含む装置。
【請求項４３】
請求項４２記載の装置において、第１ヒーター及び第２ヒーターは、第１気泡と第２気泡とが互いに向かって膨張して前記チャンバーからの液体噴射を急速に遮るように配置されている装置。
【請求項４４】
請求項４２記載の装置において、第１ヒーター及び第２ヒーターが、共通の信号によって駆動されるよう適合されている装置。
【請求項４５】
請求項４２記載の装置において、第１ヒーター及び第２ヒーターが、直列に接続されている装置。
【請求項４６】
請求項１記載の装置において、第１気泡の生成が、実質的なバルブとして働くことにより前記チャンバーからの液体の流出を制限する装置。
【請求項４７】
液体を噴射するためのマイクロインジェクターにおいて気泡を実質的なバルブとして用いる装置であって、
（ａ）チャンバーと、
（ｂ）前記チャンバーに液体を供給するために、前記チャンバーと流体連通するマニホールドと、
（ｃ）前記チャンバーと流体連通するオリフィスと、
（ｄ）前記チャンバーが液体で満たされたときに、前記チャンバー内に第１の気泡を生成する気泡生成手段と、
（ｅ）第１の気泡の形成に続いて、前記チャンバーに圧力をかける手段であって、前記チャンバーの加圧のために、前記チャンバー内の液体が前記オリフィスを通して噴射する圧力をかける手段とを備える装置。
【請求項４８】
請求項４７記載の装置において、第１気泡生成手段が、第１のヒーターを含む装置。
【請求項４９】
請求項４８記載の装置において、前記チャンバーに圧力をかける手段が、第２の気泡を生成可能な第２のヒーターを含む装置。
【請求項５０】
請求項４９記載の装置において、第１ヒーター及び第２ヒーターが、共通の信号によって駆動されるよう適合されている装置。
【請求項５１】
請求項４９記載の装置において、第１ヒーター及び第２ヒーターが、直列に接続されている装置。
【請求項５２】
請求項４９記載の装置において、第１ヒーター及び第２ヒーターが、前記オリフィスからの液体の噴射を突然終わらせるために、第１の気泡と第２の気泡とが合体するように前記オリフィスに近接して配置される装置。
【請求項５３】
請求項４７記載の装置において、第１気泡の生成は、前記チャンバーと前記マニホールドとの間の実質的なバルブとして働くことにより、圧力をかけている間に、前記チャンバーからの液体の流出を制限する装置。
【請求項５４】
マイクロチャネルから液体を噴射する方法であって、
（ａ）液体で満たされた前記マイクロチャネル内に第１の気泡を生成する第１気泡生成段階と、
（ｂ）前記マイクロチャネルから液体を噴射するために前記マイクロチャネルに圧力をかける段階とを含む方法。
【請求項５５】
請求項５４記載の方法において、前記圧力をかける段階は、前記マイクロチャネル内に気泡を生成することを含む方法。
【請求項５６】
請求項５５記載の方法において、
（ａ）チャンバーとマニホールドとの間の液体流れを制限するための実質的なバルブとして働くように、前記マイクロチャネル内に第１の気泡を大きくする段階と、
（ｂ）第１の気泡と第２の気泡とが互いに接近して前記マイクロチャネルからの液体の噴射を突然に終わらせるように、前記マイクロチャネル内の第２の気泡を大きくする段階とを更に含む方法。
【請求項５７】
請求項５６記載の方法において、前記マイクロチャネル内の液体の流れを促進するために、第１の気泡を潰す段階を更に含む方法。
【請求項５８】
請求項５５記載の方法において、第１の気泡と第２の気泡との両方の生成を連続的に起こすために、共通の信号が用いられる方法。
【請求項５９】
請求項５５記載の方法において、第１のヒーターと第２のヒーターとが直列に接続されている方法。
【請求項６０】
第１のヒーターが、第１の気泡を生成し、大きくするために用いられ、且つ第２のヒーターが、第２の気泡を生成し、大きくするために用いられると共に、第１のヒーターは、第２のヒーターが第２の気泡を大きくするよりも速く、第１の気泡を大きくする請求項５５記載の方法。
【請求項６１】
チャンバーと、チャンバーに液体を供給するためのマニホールドと、チャンバーと流体連通するオリフィスとを有するマイクロインジェクターから液体を噴射する方法であって、
（ａ）前記チャンバーが液体で満たされたとき、前記チャンバー内に第１の気泡を生成する第１気泡生成段階と、
（ｂ）前記オリフィスを通して液体を噴射するために前記チャンバーに圧力をかける段階とを含む方法。
【請求項６２】
請求項６１記載の方法において、前記圧力をかける段階は、前記チャンバー内に第２の気泡を生成することを含む方法。
【請求項６３】
請求項６２記載の方法において、
（ａ）チャンバーとマニホールドとの間の液体流れを制限するための実質的なバルブとして働くように、前記チャンバー内の第１の気泡を大きくする段階と、
（ｂ）第１の気泡と第２の気泡とが互いに合体して前記マイクロチャネルからの液体の噴射を突然に終わらせるように、前記マイクロチャネル内の第２の気泡を大きくする段階とを更に含む方法。
【請求項６４】
請求項６３記載の方法において、前記マイクロチャネル内の液体の流れを促進するために、第１の気泡を潰す段階を更に含む方法。
【請求項６５】
請求項６２記載の方法において、第１の気泡と第２の気泡との両方の生成を連続的に起こすために、共通の信号が用いられる方法。
【請求項６６】
請求項６２記載の方法において、第１のヒーターと第２のヒーターとが直列に接続されている方法。
【請求項６７】
第１のヒーターが、第１の気泡を生成し、大きくするために用いられ、且つ第２のヒーターが、第２の気泡を生成し、大きくするために用いられると共に、第１のヒーターは、第２のヒーターが第２の気泡を大きくするよりも速く、第１の気泡を大きくする請求項６２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、１９９８年１月２３日に出願された米国仮出願第６０／０７３，２９３号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
米国政府支援研究又は開発に関する陳述
該当なし。
【０００３】
添付マイクロフィッシュの参照
該当なし。
【０００４】
背景技術
１．発明の技術分野
この発明は、一般的に液体インジェクターに関し、より詳しくは、マイクロデバイスから液体を噴射するための装置に関する。
【０００５】
２．背景技術の記述
液体小滴インジェクターは、インクジェットプリンターにおける印刷のために広く用いられる。しかしながら、液体小滴インジェクターは、幾つかの例を挙げれば、燃料噴射システム、細胞選別、ドラッグデリバリーシステム、直接印刷リソグラフィ、及びマイクロジェット推進システムのような、他の多くの潜在的な応用で使用し得る。これらの応用のすべてに共通して、高頻度、高空間解像度を持つ高品位の小滴を供給できる信頼性のある低価格の液体小滴インジェクターが希求される。
【０００６】
個々に均一の小滴サイズの液体小滴を噴射する能力を持つ装置は僅かである。そのような装置としては、公知の使用されている液体小滴インジェクションシステムの間では、熱で付勢された気泡によるインジェクションが、その単純化と比較的低いコストのために最も成功していた。
【０００７】
熱で付勢されるバブルシステム（バブルジェットシステムとしても知られる）は、クロストーク及び従小滴(satellite  droplets)の欠点を免れない。バブルジェットシステムは、チャンバー内で液体を沸騰させるために、電極を加熱する電流パルスを用いる。液体が沸騰するとき、バブル（気泡）は、液体内で形成されて膨張し、オリフィスを通じてチャンバーから液柱（これが小滴を形成する）を排出するためのポンプとして機能する。電流パルスが遮断されるとき、気泡は潰れ、液体は毛細管力によってチャンバーに再び満たされる。そのようなシステムの能力は、噴射速度及び方向、小滴のサイズ、最大噴射頻度、隣接するチャンバー間のクロストーク、液体が再充填されるまでの行き過ぎ量及びメニスカス振動、並びに、従小滴群の出現によって測られる。印刷の間、従小滴群は、イメージ鮮鋭度を低下させ、また正確な液体制御下では、流量見積りの精度を低下させる。バブルジェットインジェクターを密なピッチの配列で配置すると、クロストークが発生し、隣接したノズルから小滴が噴射されてしまう。
【０００８】
殆どのサーマルバブルジェットシステムでは、チャンバーの底部にヒーターが配置されるので、そのヒーターは、基板材料へ相当なエネルギーを浪費してしまう。また、ノズルプレートをそのヒータープレートへ取り付けるためには、通常は接合(bonding)が用いられているが、この接合は、要求される組み立て公差によるノズル空間分解能を制限する。さらに、接合工程は、ＩＣ処理に適合しないこともあるが、これは、配線を縮減してコンパクトなパッケージを実現するために、制御回路を有するマイクロインジェクターアレイの集積化が望まれる場合に重要である。
【０００９】
クロストーク及び行き過ぎ量問題を解決するためには、チャネル長を長くするか、あるいは、チャンバーの頚部を付加して、チャンバーと貯蔵室との間の液体インピーダンスを増加させることが一般的に実行されていた。しかしながら、これらの実行は、チャンバー内への液体の再充填を遅れさせるので、装置の最大排出頻度を相当に低下させてしまう。
【００１０】
既存のインクジェットシステムにおいて最も困難な問題は、従小滴群である。というのは、従小滴群は画像をにじませる原因となるからである。主たる小滴の後に従う従小滴群は、プリントヘッドや紙が相対的に移動するときは、主たる位置から僅かにずれた位置で紙表面に当たる。従小滴群の問題を、容易に実用可能で且つ経済的に解決する効果的な手段又は方法は知られていない。
【００１１】
従って、液体の再充填速度を遅くすることなくクロストークを最小化することにより、従小滴群を排除しつつ、設計及び製造に複雑さを全く加えないで、高い周波数応答を維持させる液体小滴噴射システムが要請される。本発明はこれらの要請と共に他の要請をも満足し、従来技術に見られる欠点を全体的に克服する。
【００１２】
発明の開示
本発明は、マイクロインジェクターのチャンバー内に、チャンバーとマニホールドの間のバルブ機構として機能する気泡を形成することにより、オリフィスを通じての流体放出の間には、チャンバーからマニホールドへ出る液体に高い抵抗を与え、また、液体を放出して気泡が潰れた後は、チャンバー内に液体を再充填するように低い抵抗を与える装置に関する。
【００１３】
要約すれば本発明の装置は全体的に、内部を通じて流体連通するチャンバー及びマニホールドと、チャンバーに流体連通するオリフィスと、チャンバーとマニホールドとの間に気泡を形成するための少なくとも一つの手段と、チャンバーに圧力をかけるための手段とを有するマイクロインジェクターを備える。
【００１４】
チャンバーの入口で気泡が形成されるとき、チャンバーからマニホールドへの液体の流れは制限される。気泡の形成後にチャンバーに圧力をかける加圧手段は、液体がオリフィスの外に押し出されるように、チャンバーの圧力を増加させる。オリフィスを通して液体が放出された後、気泡が潰れ、チャンバーが迅速に液体で再充填される。
【００１５】
気泡がチャンバーをマニホールド及び隣接するチャンバーからブロックしながら、チャンバーが加圧されるので、クロストークの問題は良好に最小化される。
【００１６】
本発明の好ましい実施の形態では、気泡を形成するための手段は、チャンバーに近接して配置される第１のヒーターを備える。加圧手段は、チャンバー内に第２の気泡を形成可能な第２のヒーターを備える。それらのヒーターは、オリフィスに近接して配置されている。それらのヒーターは更に、直列に接続された電極を含み、電極の幅の変化に起因して異なる抵抗を持つ。第１のヒーターは、第２のヒーターより幅の狭い電極を有するので、共通の電気的信号がそれらを通して適用されたときでさえも、第１の気泡が第２の気泡より先に形成される。
【００１７】
第１及び第２の気泡は、膨張するにつれて互いに接近し、遂には合体するので、オリフィスを通る液体の流れを明確に破断し、従小滴群の除去又は著しい減少をもたらす。
【００１８】
本発明の目的は、従小滴群を除去するマイクロインジェクター装置を提供することである。
【００１９】
本発明のもう一つの目的は、クロストークを最小にするマイクロインジェクター装置を提供することである。
【００２０】
本発明のさらにもう一つの目的は、流体放出後、チャンバー内に液体を迅速に再充填させるマイクロインジェクター装置を提供することである。
【００２１】
本発明のさらにもう一つの目的は、従小滴群を最小にするマイクロインジェクターチャンバーから液体を噴射するための方法を提供することである。
【００２２】
本発明のさらにもう一つの目的は、クロストークを最小にするマイクロインジェクターチャンバーから流体を噴射するための方法を提供することである。
【００２３】
本発明のさらにもう一つの目的は、流体放出後、チャンバー内に液体をすばやく再び満たさせるマイクロインジェクターチャンバーから流体を噴射するための方法を提供することである。
【００２４】
本発明の更なる目的及び利点は、以下の説明において明らかにされる。ここで詳細な説明は、それによって限定することなく、本発明の好ましい実施の形態を充分に開示する目的のためになされる。本発明は、単に例示目的の添付図面を参照することにより一層完全に理解されるであろう。
【００２５】
実施形態の詳細な説明
図面を参照すると、例示のために具体化された本発明の装置が図１乃至図１２に全体的に示してある。これらの装置は、ここに開示された基本概念から逸脱することなく、形状や部分の詳細を変更し得ることが明らかである。
【００２６】
先ず図１を参照すると、マイクロインジェクター装置１２のアレイ１０が全体的に示される。アレイ１０は、互いに隣接して配置される複数のマイクロインジェクター１２を備える。各マイクロインジェクターは、チャンバー１４、マニホールド１６、オリフィス１８、第１のヒーター２０、及び第２のヒーター２２を備える。第１のヒーター２０及び第２のヒーター２２は、連続する共通の電極２４に接続した典型的な電極である。
【００２７】
図２Ａにおいて、チャンバー１４は、液体２６で充填されるように設けられる。液体２６は、特定の応用に依存して、インク、ガソリン、オイル、化学薬品、生物医学溶液、水、あるいは同種のものを含みうるが、それらに限定されない。液体２６のメニスカスレベル２８は、一般にオリフィス１８で安定する。マニホールド１６は、チャンバー１４に近接し、且つこのチャンバーに流体連通する。貯蔵室（図示せず）からの液体は、マニホールド１６を通ってチャンバー１４に供給される。第１のヒーター２０及び第２のヒーター２２は、基板への熱損失を防ぐために、オリフィス１８に近接し、チャンバー１４上に位置する。第１のヒーター２０は、マニホールド１６に近接して配置され、第２のヒーターがチャンバー１４に近接して配置される。図２Ａに示されるように、第１のヒーター２０の断面積は、第２のヒーター２２の断面積よりも幅が狭い。
【００２８】
また、図２Ｂを参照すると、第１のヒーター２０及び第２のヒーター２２が直列に接続されているので、共通の電気的パルスを、第１のヒーター２０及び第２のヒーター２２の両方を同時に能動化させるように用いることができる。狭い断面積を持つ第１のヒーター２０の電流パルスの電力消失は、より広い断面積を持つ第２のヒーター２２よりも一層大きい。そのため、共通の電気的パルスに応答して、第１のヒーター２０は、第２のヒーター２２よりも迅速に加熱される。これによって、第１のヒーター２０及び第２のヒーター２２を順次に作動させる手段が不要になるので、設計を単純化することができる。第１のヒーターの能動化によって、第１の気泡３０がマニホールド１６とチャンバー１４の間に形成される。第１の気泡３０が矢印Ｐ方向に膨張するので、第１の気泡３０は、マニホールド１６への液体の流れを制限し始める。それによって、チャンバー１４を隔離する実質的なバルブを形成し、クロストークから近接するチャンバーを遮蔽する。第１の気泡３０の形成後、第２の気泡３２が、第２のヒーターにより形成される。そして、第２の気泡３２が矢印Ｐ方向に膨張するので、チャンバー１４が加圧されることにより、液体２６がＦ方向に液柱３６としてオリフィス１８を通して噴出させられる。
【００２９】
また、図２Ｃにおいて、第１の気泡３０及び第２の気泡３２が膨張し続けると、第１の気泡３０及び第２の気泡３２は、互いに近づき、オリフィス１８を通した液体の排出を遮る。第１のヒーター２０及び第２のヒーター２２が合体し始めると、液柱３６の末端３４が急速に破断されるので、従小滴(satellite  droplets)群の形成が妨げられる。
【００３０】
また、図２Ｄにおいて、電気的パルスが終了する結果、第１の気泡３０がＰで示される方向に潰れ始める。マニホールド１６とチャンバー１４との間に液体を制限するものがないので、第１の気泡３０が殆ど瞬時に潰れることにより、液体２６は、矢印Ｒで示される方向にチャンバー１４を迅速に再充填する。
【００３１】
図示から明らかなように、本発明においてマイクロインジェクター装置１２から液体２６を噴射する方法は、全体的に次のステップ（ａ）乃至（ｅ）を含む。
【００３２】
（ａ）マイクロインジェクター装置１２の液体に満たされたチャンバー１４内に第１の気泡３０を生成する。
【００３３】
（ｂ）チャンバー１４から液体２６を噴射するためにチャンバー１４を加圧する。この加圧ステップは、チャンバー１４内の第２の気泡３２を生成することを含む。
【００３４】
（ｃ）チャンバー１４とマニホールド１６との間の液体の流れを制限するための実質的なバルブとして働かせるために、チャンバー１４内の第１の気泡３０を大きくする。
【００３５】
（ｄ）チャンバー１４内の第２の気泡３２を大きくする。ここで、第１の気泡３０及び第２の気泡３２が互いに接近して、チャンバー１４から液体の排出を急速に終了させる。
【００３６】
（ｅ）第１の気泡３０を潰して、チャンバー１４内の液体の再充填を促進する。
【００３７】
また、図３及び図４において、表面と実装部品とを組み合わせた微細機械加工技術が、いかなるウェハー接合工程も伴わずに、シリコンウェハー３８上にマイクロインジェクターアレイ１０を形成するために用いられる。製造工程は、チャンバー犠牲層４０としての燐ガラス（phosphosilicate-glass：ＰＳＧ）の被着及びパターンニング、並びにチャンバーの上部層としての低ストレスシリコン窒化物４２を近接して配置することによって開始する。
【００３８】
それから、シリコンウェハー３８は、図５及び図６に示すように、マニホールド１６を形成するために、水酸化カリウム（ＫＯＨ）によってその背面４４からエッチングされる。犠牲ＰＳＧ層４０は、フッ化水素酸（ＨＦ）によって取り除かれる。図７及び図８に示されるように、別のＫＯＨエッチングは、正確な時間制御によってチャンバー１４の深さを拡張する。このステップの間は特別の注意が必要である。なぜならば、チャンバー１４の凸角もまた、浸食され、丸くなってしまうからである。
【００３９】
また、図９及び図１０において、第１のヒーター２０及び第２のヒーター２２が被着されてパターン化されている。第１のヒーター２０及び第２のヒーター２２は、好ましくは白金である。金属線４４が形成され、酸化膜層４６が被膜保護のために上面に置かれる。第１のヒーター２０と共通電極２４の間の相互配線４８は、酸化膜層４６の下に配置される。最後に図１１及び図１２において、オリフィス１８が形成される。３（μｍ）ライン幅の印刷能力を仮定すると、オリフィス１８は、約２（μｍ）程度の小さい寸法とし、オリフィス１８間のピッチは、約１５（μｍ）程度の小さい距離にしなければならない。チャンバー１４の凸角４７がエッチングの結果として明瞭に画定されることが明らかである。
【００４０】
以上により、この発明が新規なマイクロインジェクターを提供することが明らかである。そのマイクロインジェクターは、マイクロチャネル内の液体の流れを制限するために気泡を用い、オリフィスを通して液体を排出する間、気泡によってチャンバーからマニホールドへの液体の漏れを妨げる。第１の気泡と関連する第２の気泡が、オリフィスを通して排出される液柱を急速に破断するために用いられるので、従小滴群が排除されることも明らかである。上述の説明は多くの限定的記載を含んでいるけれども、これらは、本発明の範囲を限定するように解釈することを許すものではなく、単に本発明の現在の好ましい実施の形態の幾つかを例示したまでである。従って本発明の要旨は、添付の請求項及びその均等物によって定められる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明を適用したマイクロインジェクターアレイ装置の一部の斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１で示された装置のチャンバー及びマニホールドの断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、オリフィスから液体を噴射するための第１の気泡の形成及びこれに続く第２の気泡の形成を図解する図２Ａで示されたチャンバー及びマニホールドの断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、オリフィスから液体の噴射を遮る第１及び第２の気泡の合体を図解する図２Ａに示されたチャンバー及びマニホールドの断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、液体でチャンバーを再充填させる第１の気泡の崩壊及びこれに続く第２の気泡の崩壊を図解する図２Ａに示されるチャンバー及びマニホールドの断面図である。
【図３】図３は、本発明によるマイクロインジェクターアレイ装置を製造するために用いられるシリコンウェハーの上面図である。
【図４】図４は、図３の線４−４に沿って示されるシリコンウェハーの断面図である。
【図５】図５は、マニホールドを形成するために背面からエッチングされた図３で示されるシリコンウェハーの上面図である。
【図６】図６は、図５の線６−６に沿って示されるシリコンウェハーの断面図である。
【図７】図７は、チャンバーの深さを大きくするためにエッチングされた図５に示されるシリコンウェハーの上面図である。
【図８】図８は、図７の線８−８に沿って示されるシリコンウェハーの断面図である。
【図９】図９は、図７に示されるシリコンウェハーの上面図であり、ヒーターがその上に設けられて形成された状態を示す。
【図１０】図１０は、図９のライン１０−１０に沿って破断したシリコンウェハーの断面図である。
【図１１】図１１は、オリフィスが形成された図９に示されるシリコンウェハーの上面図である。
【図１２】図１２は、図１１の線１２−１２に沿って破断したシリコンウェハーの断面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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