TWI322085B - Micro-droplet injector apparatus having nozzle arrays without individual chambers and ejection method of droplets thereof - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種喷嘴陣列無分隔室之微液珠噴射裝置 及其液珠之噴射方法，且更具體而言，係關於一種高喷嘴 密度之微液珠產生裝置及噴射微液珠之方法。 【先前技術】 微液珠噴射裝置係廣泛應用於喷墨印表機之喷墨頭 (Inkjet Printhead)。除此之外，微液珠噴射器還能應用於其 他技術領域，例如：燃料喷射系統、細胞分類、藥物釋放 系統、生物晶片上試劑分配、直接喷印光蝕刻術及微喷射 推進系統。上述所有應用之共通點在於其皆需一可靠且低 成本之向頻率及高解析度的微液珠喷射裝置。 目别所知且被使用之微液珠喷射裝置中，只有幾種類型 之喷射裝置能夠個別地射出形狀一致的微液滴，其中又以 利用熱驅動氣泡（thermally driven bubble)以射出液珠之方 法較為簡單而具有優勢，而且製造成本也相對低廉。 熱驅動式氣泡系統（亦稱為氣泡噴射系統）的缺點在於交 互干擾（cross talk)以及衛星液珠（saieiUte dr〇plet)之問題。 氣泡喷射系統係利用一電流脈衝加熱電極，藉此使流體腔 中的液體汽化。當液體汽化時，一氣泡在電極表面及液體 中形成’並向外膨脹。此氣泡的功用係如同泵浦一般將流 體腔中之液體從一微噴嘴孔射出成一液體柱，最後形成飛 行之液珠。 當電流脈衝結束時，此氣泡隨之縮小，同時液體藉由毛 1322085 田張力而再度填H體Μ。然因為各微喷嘴孔對應之流體 腔間有分隔牆隔離’因此會造成液體填回流體腔之流阻， 亦即減緩液體回填至流體腔之速度從而大幅降低液珠連續 嘴射之頻率。若是逕自將流體腔間分隔牆長度縮小，則又 可能會產生相鄰流體腔間交互干擾或回填過度的問題。

圖1係美國第6，102,530號專利之微液珠喷射裝置之部分 立體圖。圖1係顯示微液珠喷射裝置中某一列喷嘴丨〇，其包 含複數個流體腔14、-歧管（manif{)ld)16、複數個喷嘴18、 複數個第-加熱器U及複數個第二加熱器12。各流體腔Μ 之空間係形成於矽基材13上，並以分隔物彼此分隔開來， 因此單位面積之喷嘴18密度顯然受限於流體腔14之間距， 若流體腔Η之間距不當縮小又容易產生交互干擾。另―方 面，流體腔14之長度也與流阻相關，液體16回填至流體腔 14之速度也會受到流阻之影響。

縱上所述，目前虽需-種高頻率及高解析度的微液珠喷射 裝置，不但消除交互干擾及液體回填減緩之問題，還要能 於相同單位面積下增加喷嘴數量。 b 【發明内容】 本發明係提供-種高頻率及高解析度的微液珠喷射裝 置’其喷嘴係成陣列狀佈置且下方並無流體腔之隔室二 計’因此可増加單位面積之喷嘴密度。 又 本發明係提供-種設計及製造簡易之微液珠嗔 可利用微機電製程或一般半導體製程完成。 ’ 本發明係提供一種液珠之噴射方法，其係 八~微噴嘴孔 1322085 至少一側形成包覆於液體内-個氣泡，並藉此控制該微喷 嘴孔下方產生另-液體内氣泡之膨脹方向，因此可以増加 液珠噴射之頻率及避免衛星液珠之產生。 9 σ

據此’本發明揭示-種噴嘴陣列無分隔室之微液珠喷射 裝置’包含—基材、—液珠喷出層及複數個氣泡產生器， 其中該基材及該液珠喷出層❹彡成-儲存液體空間^儲 存液體空間t並無分隔物由該基材上連接至該液珠喷出 層，意即該儲存液體空間無分隔室。該液珠喷出層具有複 數個排成陣列狀之通孔，又各該通孔可作為推出墨水之噴 嘴。該複數個氣泡產生器係設於該基材上方，並相對於各 該通孔之下方。—被指定之該氣泡產生器之兩側的氣泡產 生器會分別產生至少-限位氣泡，又該限位氣泡會限制被 指定之該氣泡產生器產生一主氣泡之成長。 再者，本發明揭示一種喷嘴陣列無分隔室之微液珠噴射 裝置包含一基材、一液珠噴出層、複數個突出物及複數

個氣泡產生器’其中該基材及該液珠喷出層間形成一健存 液體空間。該儲存液體空間中並無分隔物由該基材上連接 至該液珠噴出意即該儲存液體空間無分隔室。該液珠 喷出層具有複數個排成陣列狀之通孔，又各該通孔可作為 推出墨水之噴嘴。該複數個氣泡產生器係設於該基材上 方，並相對於各該通孔之下方。一被指定之該氣泡產生器 之兩侧的氣泡產生器會分別產生至少一限位氣泡，又該限 位氣泡會限制被指定之該氣泡產生器產生一主氣泡之成 長。 另外，本發明揭示_ 喑樘液珠之喷射方法，當指定一通孔 嘴出液珠時，哈7计4匕—、 ,.„ ♦' Sx彳曰疋通孔下方之該氣泡產生會瞬間形 成一主氣泡，姑4b〜， °Λ柏疋通孔周側會瞬間形成至少一限位氣 / 。該限位氣泡會限制兮·本名冶+ ρ 釗該主虱泡之長大方向及尺寸，最終 ^大之該主氣泡會將—液珠推離該指定通孔。 【實施方式】 、係搭配所附圖式解釋本發明，以清楚地揭示本發明 之技術特徵。 圖2係顯示一微液珠喷射裝置之一喷嘴陣列20’又微液珠 噴射裝置可包含複數個噴嘴陣列2(^噴嘴 材23、-液珠噴出層21及複數個氣泡產生器24,其中基^ 23及液珠噴出層21間形成一能充滿墨水22或液體之儲存液 體工間25該儲存液體空間25中並無由基材連接至液珠 喷出層21之分隔物，意即該儲存液體空間以不具有類似圖工 中流體腔14之分隔室。液珠噴出層21具有複數個排成陣列 狀之通孔211，又各該通孔211可作為推出墨水22之喷嘴。 圖3係圖2中沿l-w面線之剖㈣圖。複數個氣泡產生 器24係設於矽基板231上，並相對於各通孔2ΐι之下方。該 氣泡產生器24可以是-加熱電極，或是其他能產生氣泡之 元件。一電流脈衝經由導線233流到電極，瞬間昇溫之電極 會使接觸之液體八化而形成氣泡。該電極可以是一翻之薄 膜，又導線233係一鋁材料沉積而形成之薄膜。一般矽基板 231熱傳導係數較佳，因此可在氣泡產生器以及矽基板231 間形成一絕熱層，例如：二氧化矽層232，藉由二氧化矽層 1322085 2 3 2而減少氣泡產生窃2 4之熱損失。此外，可以沉積—低應 力之被動層234於氣泡產生器24及導線233之表面，例如·· 氮化矽，以作為一被動保護層。 圖4(a)〜4(e)係微液珠喷射裝置氣泡成長及喷射液珠之 示意圖。中間通孔211係目前被指定要喷出液珠之一噴嘴， 而兩旁之通孔211並非目前同時被指定喷出液珠之噴嘴。兩 旁之氣泡產生|§24先供應電流脈衝以產生第二氣泡42及第 三氣泡43，然後延遲幾個微秒再供應電流脈衝至中間之氣 泡產生器24以產生第一氣泡41，其中電流脈衝可以使氣泡 產生器24產生高熱通量並持續數個微秒，例如：工3Gw/m2 及持續3個微秒。當然，第一氣泡41、第二氣泡心及第三氣 泡43也可以同時由電流脈衝供應而一起形成長大，同時第 二氣泡42及第三氣泡43會產生壓力以影響第一氣泡41之成 長方向，以避免第一氣泡41向四周液壓較小之處任意膨 脹。如圖4(b)所示，當電流脈衝停止供應三個氣泡產生器24 後，中間第一氣泡41之尺寸會持續長大成第一氣泡“，，而 第二氣泡42及第三氣泡43受到第一氣泡41，之作用而分別變 為體積較小的第二氣泡42,及第三氣泡43，。 當第一氣泡41，之體積持續成長，會將中間通孔2ιι附近之 液體逐漸推擠出儲存液體空間25。如圖4(b)所示，會於通孔 211處形成一外露之半球狀液體凸出部44,該液體凸出部 體積會隨著膨脹之第一氣泡4Γ而變大。當第一氡泡4Γ成長 至一最大尺寸時，將不再繼續膨脹而會逐漸萎縮，且會被 附近包圍之墨水22冷卻，最終將消失於墨水22中。如圖4^) ’液體凸出部44變成即將離開通孔2ιι之液柱45，此時 第一氣泡4 Γ已經萎縮並消失。 如圖4(d)〜4⑷所示，液柱45會因第一氣泡41，膨服之壓力 而推離通孔211，並變成—形狀不規則之飛行液滴46。受到 表面張力之衫響，飛行中液滴46就會漸漸變成一液珠 *圖5係顯示延遲時間設定為兩微秒之狀態下氣泡成長與 萎縮之δ己錄圖°圖中_表示電流脈衝僅供應單-氣泡產生 器24所知到氣泡之體積變化，並將得到之最大體積設定為 軚準體積’且後續言十算各氣泡之體積都藉此最大體積標準 化。△、_、▽之標號分別為圖4(a)中第二氣泡42、第一氣 泡41及第三氣泡43之體積變化情形，又電流脈衝係供應 左、右兩侧之氣泡產生器24後，持續兩微秒才開始供應中 間之氣泡產生器24，因此延遲時間（Deiay Time ; DT)為兩微 秒（DT=2)。第二氣泡42及第三氣泡43之體積變化情形大致 相同，但延遲兩秒後供應電流脈衝所產生之第一氣泡41卻 可以成長至標準體積的兩倍，故有利於縮短喷出液珠之週 期。 圖ό係顯示變化延遲時間和氣泡最大體積改變之關係 圖。很明顯延遲時間控制於2至3秒内將使得第一氣泡41之 最大體積約為標準體積的兩倍，因此可以藉由調整延遲時 間而得到最佳之液珠噴射控制。 除此之外，氣泡產生器24彼此間之距離Ds也和第一氣泡 41之最大體積有關。圖7係顯示氣泡產生器之尺寸及距離之 示意圖。圖中氣泡產生器24之寬度為D，而彼此間之距離為 1322085

Ds。當距離Ds與寬度D之比值大於三時，第一氣泡4i之體 積麦化會與第一氣泡42及第三氣泡43不再有關係。 圖4(a)〜4(e)中實施例係藉由兩側第二氣泡“及第三氣 泡43控制中間主要的第一氣泡41之成長。然若能精確控制 主氣泡81與一側之限位氣泡82之成長，亦可將墨水22推出 於通孔211外，如圖8所示。 如圖9所示，兩側限位氣泡92也可由浸埋於墨水22中之輔 助氣泡產生1§ 94形成，亦即於氣泡產生器24之周側另設有 輔助氣泡產生器94。輔助氣泡產生器94可以是一懸臂 (cantilever beam)式加熱電極，或是其他能產生氣泡之元 件，例如：超音波元件。當然氣泡產生器24亦可採辅助氣 泡產生器94之方式設於充滿墨水22之儲存液體空間^中， 取代直接設於矽基板2 3 1上之氣泡產生器2 4。同樣輔助氣泡 產生器94也可設於矽基板231上，並位於和氣泡產生器叫不 相互重疊之位置。 圖10係本發明另一實施例之微液珠喷射裝置之剖面視 圖。相較於圖9中實施例，本實施例之主氣泡1〇1仍係由設 於矽基板231上之氣泡產生器24產生，限位氣泡1〇2則由設 於液珠噴出層21上之輔助氣泡產生器ι〇5產生。限位氣包 102' 103係由上向下逐漸擴張，但同樣主氣泡1〇1會受到限 制而持續成長。各輔助氣泡產生器105有一導線1〇6相連 接’以供應電流脈衝使輔助氣泡產生器1 〇5瞬間昇溫，並有 被動層104覆蓋於導線233及輔助氣泡產生器1〇5。 圖11 (a)係本發明另一實施例之微液珠噴射裝置 面視 11 圖。也可由設於被動層234上之凸出物（bump)114取代兩側 限位氣泡，亦即於氣泡產生器24之周侧另設有凸出物114控 制中間主氣泡81之成長。當然凸出物114ι也可形成於液珠噴 出層21之下表面，如圖u(b)所示。再者，凸出 或114’之高度Hw與儲存液體空間25之高度^^比小於〇 5為較 佳。 本發明之技術内容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技 術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本 發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實 施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並 以為以下之申請專利範圍所涵蓋。 【圖式簡單說明】 圖1係美國第6，102’530號專利之微液珠喷射裝置之部分 立體圖； 圖2係本發明之微液珠喷射裝置之部分立體圖； 圖3係圖2中沿1 — 1剖面線之剖面視圖； 圖4(a)〜4(e)係微液珠喷射裝置氣泡成長及噴射液珠之 示意圖； 圖5係顯示延遲時間設定為兩微秒之狀態下氣泡成長與 萎縮之記錄圖； 圖6係顯示變化延遲時間和氣泡最大體積改變之關係 圖；以及 ’' 圖7係顯示氣泡產生器之尺寸及距離之示意圖； 圖8係本發明另一實施例之微液珠喷射裂置之剖面視圖； 1322085 圖9係本發明另一實施例之微液珠嘴射裝置之剖面視圖； 圖ίο係本發明另一實施例之微液珠噴射裝置之剖面視 圖； 圖11(a)係本發明另一實施例之微液珠喷射裝置之剖面視 圖； 以及 圖11(b)係本發明另一實施例之微液珠噴射裝置之剖面視 圖0

【主要元件符號說明】 10 —列喷嘴 11 第一加熱器 12 第二加熱器 13 梦基材 14 流體腔 16 液體 18 喷嘴 20 喷嘴陣列 21 液珠噴出層 22 墨水 23 基材 24 氣泡產生器 25 儲存液體空間 41、 41'第一氣泡 42、 42'第二氣泡 43、 43'第三氣泡 44 液體凸出部 45 液柱 46 液滴 47 液珠 81 主氣泡 82 限位氣泡 92 限位氣泡 94 辅助氣泡產生器 101 主氣泡 102 、103 限位氣泡 104 被動層 105 輔助氣泡產生器 106 導線 114 ' 114'凸出物 •13- 1322085 211 通孔 231 砍基板 232 二氧化矽層 (絕熱層）233 導線 234 被動層

• 14·

Claims (1)

1322085 十、申請專利範圍： 1· 一種噴嘴陣列無分隔室之微液珠噴射裝置，包含： 一基材； 一液珠噴出層’具有複數個排成陣列狀之通孔，該基材 及該液珠噴出層間形成一儲存液體空間；以及 複數個氣泡產生器’係分別設於各該通孔之下方； 其中一被指定之該氣泡產生器產生一主氣泡，該主氣 泡之周彻i產生至少—限位氣⑨，又肖限位氣泡會控制該 主氣泡之成長。 2.根據請求項1之噴嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中該 限位氣’包會控制該主氣泡之成長方向及體積。 根據π求項1之喷嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中該 Α泡產生态係—會產生熱量之電極，該熱量可以加熱液 體而產生氣泡。 4·根據請求項1之喷嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置’其中該 基材另包含1熱層，該氣泡產生器係設於該絕熱層表 面。 無分隔室之微液珠_置，其㈣ 6. 無分隔室之微液珠喷射裝置’其中該 根據請求項1之嘴嘴陣^生表面之被動層。 基材另包含複數個盘隔室之微液珠喷射裝置，其中該 線。3複數個與該複數個氣泡產生器相連接之導 -15· 1322085 8·根據”月求項1之噴嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中 該主氣泡係較該限位氣泡延後產生。 9.根據請求項！之喷嘴ρ車列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中 該氣/包產生盗之間距係小於該氣泡產生器之寬度的三 倍。 10·根據吻求項1之噴嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中 該氣泡產生器係設於該基材上。 Φ u.根據請求項1之喷嘴陣列無分隔室之微液珠噴射裝置，其中 該氣泡產生器係設於該液珠噴出層上。 12.根據請求項i之喷嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中 該氣泡產生器係設於該儲存液體空間内。 13·根據請求項丨之喷嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其另包 含複數個設於該氣泡產生器周側之輔助氣泡產生器，該限 位氣泡係由該辅助氣泡產生器產生。 14.根據请求項13之噴嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中 鲁該辅助氣泡產生器係設於該液珠噴出層上。 U·根據請求項13之噴嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中 該輔助氣泡產生器係設於該儲存液體空間内。 —種液珠之喷射方法，包含以下步驟： 於一喷嘴陣列中一指定喷嘴至少一侧形成包覆於液體 内之限位氣泡； 於該指定喷嘴孔下方產生一包覆於液體内之主氣泡；以 及 藉由該限位氣泡控制該主氣泡之形成，從而使得持續成 • 16 - 1322085 長之該主氣泡會將一液珠推離該指定噴嘴。 17. 根據請求項16之液珠之喷射方法，其另包含控制該主氣泡 及該限位氣泡之產生時間順序之步驟。 18. 根據請求項17之液珠之噴射方法，其巾該主氣泡係較該限 位氣泡延後產生。 19. 20. 根據請求項16之液珠之噴射方法，其中該主氣泡會成長至 一最大體積，然後逐漸萎縮而消失於液體内。

根據請求項16之液珠之喷射方法，其中該限位氣泡分別會 成長至最大體積，然後逐漸萎縮而消失於液體内。 21. 一種喷嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，包含： 一基材； 一液珠噴出層，具有複數個排成陣列狀之通孔，該基材 及該液珠噴出層間形成一儲存液體空間； 複數個氣泡產生器’係分別設於各該通孔之下方；以及 複數個凸出物，係分別設於該氣泡產生器之周側； 其中一被指定之該氣泡產生器產生一主氣泡，至少一 該凸出物會控制該主氣泡之成長。 22. 根據請求項21之喷嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中 該凸出物會控制該主氣泡之成長方向及體積。 23. 根據請求項21之喷嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其甲 該氣泡產生器係一會產生熱量之電極，該熱量可以加熱 液體而產生氣泡。 24*根據請求項21之噴嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中 該基·材另包含一絕熱層，該氣泡產生器係設於該絕熱層 -17· 1322085 表面。 ' 25.根據請求項24之喷嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中 該絕熱層係一二氧化梦層。 26. 根據請求項21之喷嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中 該基材另包含一覆蓋於該氣泡產生器表面之被動層。 27. 根據請求項21之喷嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中 該基材另包含複數個與該複數個氣泡產生器相連接之導 線。 • 28.根據請求項21之噴嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中 該凸出物之高度小於該儲存液體空間之一半高度。 29. 根據請求項21之喷嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中 該氣泡產生器之間距係小於該氣泡產生器之寬度的三 倍。 30. 根據請求項21之喷嘴陣列無分隔室之微液珠喷射裝置，其中 該氣泡產生器係設於該基材或該液珠噴出層上。 -18-