專利名稱：用于高速噴射裝置的噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造用于噴射流體的高速噴射裝置的噴嘴的方法并涉及用 于高速噴射裝置的噴嘴。
背景技術(shù)：
在US 3921916中，公開了一種用單晶硅制造A^嘴的方法。該方法利用 各向異性蝕刻，穿過硅基板蝕刻到重度摻雜有P型雜質(zhì)的整體抗蝕刻阻擋 層。然后在之前被蝕刻的結(jié)構(gòu)的底部將P型層蝕刻穿透，以形成孔。通過 這種方法制造的噴嘴包括由半導(dǎo)體材料形成的噴嘴主體，其具有第一橫 截面區(qū)域的矩形入口 ，該第一橫截面區(qū)域漸縮為小于所述入口的第二橫截 面區(qū)域；以及所述半導(dǎo)體材料的膜片，其形成在所述第二橫截面區(qū)域內(nèi)， 并且具有形成在其中的出口 ，該出口具有比所述第二橫截面區(qū)域小的橫截 面區(qū)域以及與所述第二橫截面區(qū)域不同的橫截面幾何形狀。該方法的難點 在于提供第一蝕刻步驟和第二蝕刻步驟的良好對準(zhǔn)。當(dāng)噴嘴用于流體噴射 速度低于10m/s的低速噴射應(yīng)用(例如噴墨打印)中時，未對準(zhǔn)不是關(guān)鍵 的。在流體噴射速度高于60m/s的高速噴射應(yīng)用中，未對準(zhǔn)可能引起湍流， 這降低了高速噴射裝置的噴射效率，所述湍流的特征在于輸入能量和最大 可用流體噴射速度之間的關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制造用于噴射流體的噴嘴的改善的方法。 通過包括如下步驟的方法實現(xiàn)所述目的 設(shè)置具有第一側(cè)和第二側(cè)的基板；
在所述基板的所述第一側(cè)上設(shè)置掩模層，并在所述基板的所述第二側(cè) 上設(shè)置保護層(3);
在所述掩模層內(nèi)設(shè)置至少一個開口 ；通過穿過所述掩模層內(nèi)的所述開口各向同性地移除所述基板的部分，
形成噴射腔；
通過穿過所述掩模層(2)內(nèi)的所述開口 (10)各向異性地移除所述基 板(1)的部分，形成至少一個噴射管(30);
在所述基板(1)的所述第二側(cè)打開所述噴射管；以及 移除所述掩模層(2)。
各向同性地移除所述基板的部分意味著，平行于所述基板的所述第一 側(cè)而測量的噴射室的最大寬度不依賴于所述掩模層內(nèi)的開口的寬度。例如 如下范例
如果基板和掩模層之間的界面處的影響可以忽略，并且基板具有各向 同性的結(jié)構(gòu)，則通過掩模層內(nèi)的開口進行各向同向蝕刻形成半球形的腔。
穿過掩模層內(nèi)的開口對基板進行蝕刻，使得掩模層和基板之間的界面 的蝕刻速度高于在基板中的蝕刻速度。
通過加熱掩模層內(nèi)的開口和掩模層內(nèi)的開口的周邊區(qū)域，進行基板材 料(例如，聚合體)的蒸鍍。
各向異性地移除所述基板的部分意味著，平行于所述基板的所述第一 側(cè)而測量的噴射室的最大寬度由所述掩模層內(nèi)的開口的寬度決定。例如如
下范例
穿過掩模層內(nèi)的開口進行各向異性蝕刻，從而在基板中形成具有由掩 模層內(nèi)的開口的寬度決定的直徑的管。
通過將掩模層內(nèi)的開口用作一種遮光板而對基板進行激光鉆孔。 所述步驟的順序沒有完全確定。在第一步驟中，可以通過例如對基板 的各向異性蝕刻來形成噴射管，并且在接下來的步驟中，可以通過使用第 二蝕刻劑來形成噴射室，其特征在于，與基板內(nèi)的各向同性蝕刻速度相比， 掩模層和基板之間的界面處的蝕刻速度更高。在備選方式中，在第一步驟 中，依靠穿過掩模層內(nèi)的開口對基板進行各向同性蝕刻來形成噴射室，并 通過接下來的各向異性蝕刻步驟來形成噴射管。
此外，存在不同的形成噴射管以及在基板的第二側(cè)打開噴射管的方式 在第一步驟中，向下各向異性地蝕刻噴射管，直到保護層。在接下來 的步驟中移除保護層。在第一步驟中，各向異性地蝕刻噴射管，但是沒有到達保護層。在第 二步驟中移除保護層，并且接下來，通過例如研磨或?qū)宓牡诙?cè)進行 蝕刻而將基板減薄，直到噴射管被打開。
保護層被移除，并且接下來，通過例如研磨或?qū)宓牡诙?cè)進行蝕 刻而將基板減薄。最后，穿過掩模層以各向異性的方式移除基板，直到到 達基板的第二側(cè)，并且噴射管被打開。
所有的方法都保證噴射室和噴射管的準(zhǔn)確對準(zhǔn)，因為掩模層內(nèi)的開口 用于形成噴射室，也用于形成噴射管。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法可以以如 下方式應(yīng)用如果掩模層內(nèi)只有一個圓形開口用于提供噴射室和噴射管，
則噴射室中不存在角落(comer)。另外，與現(xiàn)有技術(shù)不同，在噴射室和噴 射管之間沒有階式轉(zhuǎn)變。兩個措施均減小了湍流，因此提高了噴射效率。 該方法具有另外的優(yōu)點，即，可以容易地制造噴嘴陣列。
接下來的將基板的部分從基板的第一側(cè)移除的步驟可以被添加到該方 法中。通過蝕刻或研磨基板的第一側(cè)，移除部分基板。該接下來的步驟可 以用于減薄基板。另外，基板可以被移除到達到噴射室的最大寬度的程度。 在掩模層(被移除之前)和剩余基板材料圍成小于90。的角(在剩余的基板 接觸掩模層的點，取噴射室的邊界的切線)的情況下，該措施導(dǎo)致漸縮的 噴射室，從而加速待噴射的流體并改善待噴射的流體的流體動力，這對高 速噴射是有利的。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一實施例中，通過淺薄地移除噴射室和噴射 管的表面，而使噴射室和噴射管的表面平滑。有兩種不同的方法
i) 在己經(jīng)設(shè)置噴射室和噴射管之后，對基板的表面進行氧化(例如， 通過在氧化氣氛中加熱基板)。基于基板材料和基板材料的氧化物(例如， 表面被氧化成Si02的Si基板)能夠被選擇性地移除(Si02，例如通過HF) 的預(yù)處理，將氧化層移除，從而形成平滑的表面，因為結(jié)構(gòu)的表面和體積 之間的關(guān)系導(dǎo)致這些結(jié)構(gòu)的更快的氧化速度，所述關(guān)系限定表面的粗糙度。 因此，移除氧化的基板材料導(dǎo)致表面的粗糙度減小。附加的掩蔽步驟可以 用于限制噴射室和噴射管的平滑化(smoothening)過程。
ii) 通過各向同性蝕刻，可以直接移除基板的表面。在硅基板的情況 下，使用高選擇性蝕刻劑(例如XeF》減小了表面的粗糙度，因為結(jié)構(gòu)的200780039799.3
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表面和體積之間的關(guān)系導(dǎo)致這些結(jié)構(gòu)的更快的蝕刻速度，所述關(guān)系限定基 板的表面的粗糙度。附加的掩蔽步驟可以用于限制噴射室和噴射管的平滑 化過程。
噴射室和噴射管的經(jīng)平滑化的表面減小了與待噴射的流體的摩擦力。 另外，可以使噴射室和噴射管之間的蝕刻轉(zhuǎn)變平滑，從而減小或甚至避免 待噴射的流體的湍流，從而提高了噴射效率。用于使噴射室和噴射管的表
面平滑的附加措施是提供平滑層(smoothening layer)。例如，采用硅基板， 通過例如磷硅玻璃(PSG)或硼磷硅玻璃(BPSG)的低壓化學(xué)氣相沉積 (LPCVD)和接下來的回流步驟(PSG: 95(TC和1100'C之間；BPSG:大 約800°C)，可以設(shè)置平滑層。設(shè)置平滑層的其他方法例如是浸漬涂覆、噴 涂等。
在根據(jù)本發(fā)明的另一實施例中，將平滑層適用于待穿過噴嘴噴射的流 體。平滑層減小了能夠引起氣泡的形成的表面缺陷，特別是當(dāng)能夠?qū)е職?穴現(xiàn)象和噴射速度的損失的大的壓力施加于流體時。平滑層的材料與待噴 射流體的接觸角度小于卯。。待噴射流體潤濕噴射室和噴射管的表面。如果 將噴嘴附于噴射裝置，且在射流被噴射之后需要用待噴射流體對噴射室進 行自填充，則這是有利的。如果平滑層和待噴射流體之間的接觸角度接近 零度，則噴射室和噴射管被待噴射流體完全填充(完全潤濕)。采用(例如) 待噴射的水基流體，可以如上所述設(shè)置例如PSG的親水的平滑層。或者， 通?？梢栽谑覝叵峦ㄟ^LPCVD沉積例如聚對二甲苯基的聚合物。其他疏水 涂層(例如，十八垸基三氯硅垸，三甲氧基(3， 3， 3-三氟丙基)硅垸)也 可以用于實現(xiàn)待噴射的油基流體的噴射。
具有滅菌屬性的無機涂層(例如AgCl， AgBr)或包含滅菌鹽的(納米) 微粒的聚合物可以用于減小細菌生長和污染的風(fēng)險(參考J.Am.Chem Soc. 2006,128,9712)。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一實施例中，在所述基板的第二表面上設(shè)置 終端層，所述終端層與待噴射流體的接觸角度大于90。。終端層不被待噴射 流體潤濕。例如采用待噴射水基流體，可以設(shè)置由例如三甲氧基(3， 3， 3-三氟丙基)硅垸的氟化化合物或硅烷化合物(例如，十八烷基三氯硅垸) 構(gòu)成的疏水層。疏水涂層促進了基板的第二表面上的小滴的形成，特別是在低速分配模式中，并且防止在噴嘴板的外層上形成流體膜，該流體膜將 會妨礙射流的形成。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一實施例中，在基板的第一側(cè)內(nèi)設(shè)置另外的 凹槽結(jié)構(gòu)。通過掩模層中的凹槽開口來設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu)。 一旦設(shè)置了噴射室 和噴射管，凹槽開口就使得能夠在基板中設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu)。凹槽結(jié)構(gòu)例如可 以是圍繞噴射室和噴射管的同心的環(huán)形溝槽。相對于噴射室和噴射管的小 尺寸，通過凹槽結(jié)構(gòu)可以減少用于檢測和定位噴射室和噴射管所付出的努 力。此外，凹槽結(jié)構(gòu)可以用于使噴嘴與噴射裝置的外殼對準(zhǔn)，從而優(yōu)化流 體流動。如果從第一側(cè)移除基板的部分，那么凹槽結(jié)構(gòu)的的深度必須相應(yīng) 地調(diào)整。另外或備選地，可以將對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)置到基板的第一側(cè)。該對準(zhǔn)結(jié) 構(gòu)可以是例如沉積或構(gòu)造在基板的第一側(cè)上的層，以便形成一種匹配高速
噴射裝置的互補結(jié)構(gòu)的鍵(key)。它還可以是例如用于銅的所構(gòu)造的電鍍 基底。當(dāng)通過電處理(例如，無電鍍)沉積銅時，所構(gòu)造的基底被設(shè)置成 可以用于將噴嘴焊接到基本相同的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)附到噴射裝置的外殼。在 焊接期間，噴嘴的自對準(zhǔn)簡化了噴射裝置的裝配。
本發(fā)明的另外一個目的是提供用于噴射流體的改善的噴嘴。
通過用于噴射流體的噴嘴實現(xiàn)該目的，該噴嘴包括
基板，其具有第一側(cè)和第二側(cè)；
噴射室，其為所述基板內(nèi)的腔且在所述基板的所述第一側(cè)打開，作為 深度的函數(shù)的所述噴射室的平行于所述基板的所述第一側(cè)的橫截面不是恒 定的；
至少一個噴射管，其為所述基板內(nèi)的腔且在所述基板的所述第二側(cè)打 開，作為深度的函數(shù)的所述噴射管(30)的平行于所述基板的所述第一側(cè) 的橫截面是恒定的；并且
所述噴射室和所述至少一個噴射管彼此連接，形成穿過所述基板的通道。
對于高速噴射而言，噴射室的平行于基板的第一側(cè)的最大橫截面區(qū)域 位于由基板的第一側(cè)限定的平面內(nèi)是有利的。此外，如果從由基板的第一 側(cè)限定的平面開始噴射室的平行于基板的第一側(cè)的最大橫截面區(qū)域漸縮， 則對于高速噴射是有利的。此外，如果噴射管優(yōu)選地具有平行于基板的第一側(cè)的恒定的橫截面區(qū)域，則對于高速噴射是有利的。本領(lǐng)域技術(shù)人員公 知的是，噴射管的受限的漸縮是噴嘴的制造期間的工藝變化的結(jié)果。
所述噴嘴可以用于例如噴墨打印機中的低速噴射，或者用于透皮給藥，
其中，透過皮膚注入藥物，并且需要60m/s以上的高的流體速度，以便透 過構(gòu)成(人)皮膚的多個層。
另外的應(yīng)用領(lǐng)域是將高速(水)射流用于移除牙齒或齒齦上的生物薄 膜的口腔健康護理裝置。
在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，噴射管是圓柱形的，噴射室是半球形 的腔，并且噴射管和噴射室沿著噴射管的圓柱軸對準(zhǔn)。噴嘴的高度對稱結(jié) 構(gòu)防止了引起湍流的邊緣像現(xiàn)有技術(shù)中所描述的棱錐狀噴嘴那樣減小噴射 效率。如在US3921916中公開的抗蝕刻阻擋層中具有圓形開口的噴嘴的棱 錐形狀很適于具有低于10m/s的流體噴射速度的低速噴射應(yīng)用，例如噴墨 打印。在具有60m/s以上的流體噴射速度的高速噴射裝置中，棱錐形狀和 對圓形開口的不連續(xù)的蝕刻轉(zhuǎn)變引起了大的湍流，從而導(dǎo)致穿過開口噴射 的附屬射流(satellite jet)。該附屬射流大大地減小'了高速噴射裝置的噴射效 率，所述噴射效率由輸入能量和最大可用流體噴射速度之間的關(guān)系表征。
在本發(fā)明的另外一個實施例中，如上所述的噴嘴是噴射裝置的一部分， 該噴射裝置還包括電源；壓力施予器，用于對待穿過所述噴嘴噴射的流 體施加壓力，在噴射期間待噴射流體的流動方向是從噴射室到噴射管。噴 嘴以下述方式裝配到噴射裝置，使得待噴射流體通過噴射室進入噴嘴并且 經(jīng)由噴射管離開噴射裝置?；宓牡诙?cè)是噴射裝置的外表面的一部分。 噴射室的連續(xù)的、平穩(wěn)的漸縮以及到噴射管的平穩(wěn)的轉(zhuǎn)變抑制了引起不期 望的損耗的湍流。壓力施予器可以是集成在外殼中的靜電地驅(qū)動的活塞或 膜片，或者是集成在外殼中的熱驅(qū)動的活塞或膜片，或者是集成在外殼中 的壓電驅(qū)動的活塞或膜片。能夠添加到噴射裝置的其他部件是增加噴射 室的體積的流體室；流體儲蓄器；供應(yīng)管道，其將流體室和噴射室與流體 儲蓄器連接；以及控制噴射的設(shè)備，例如集成電路和傳感器。
噴射裝置可以用于低速噴射，例如，在噴墨打印機中，或者用于透皮 給藥，其中，透過皮膚注入藥物，并且需要60m/s以上的高的流體速度， 從而透過構(gòu)成(人)皮膚的多個層。另外的應(yīng)用領(lǐng)域是將高速(水)射流用于移除牙齒或齒齦上的生物薄膜的口腔健康護理裝置。


將參考附圖更加具體地解釋本發(fā)明，在附圖中，相同的參考標(biāo)記表示
相似的部件，并且其中-
圖1到圖9是說明制造噴嘴的方法的多個連續(xù)步驟的橫截面圖IO示出具有對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的噴嘴的一個實施例的橫截面圖11和圖12是說明用于使噴嘴的表面平滑的進一步的方法步驟的橫
截面圖13到圖15是掩模層的不同設(shè)計的俯視圖16示出通過根據(jù)本發(fā)明的方法制造的噴嘴的橫截面的SEM圖17是具有根據(jù)本發(fā)明的噴嘴的高速噴射裝置的橫截面圖18是具有根據(jù)本發(fā)明的噴嘴的另一高速噴射裝置的橫截面圖。
具體實施例方式
圖1示出具有第一側(cè)和第二側(cè)的硅基板1的橫截面圖的概略圖。二氧
化硅的掩模層2作為硬掩模沉積在硅基板的第一側(cè)上。硅基板的第二側(cè)涂 覆有構(gòu)成保護層3的光刻膠。在圖2中，示出了掩模層2的光刻圖案。在 二氧化硅掩模層2內(nèi)蝕刻出典型地具有10Mm-20Mm的直徑的圓形開口 10 和典型地具有l(wèi)nm-3nm的寬度的環(huán)形窄凹槽開口 11，其中，環(huán)形窄凹槽開 口 11同心地布置在開口 10的周圍。在圖3中，示出了通過僅在蝕刻反應(yīng) 室內(nèi)利用SF6蝕刻氣體且不對晶片夾施加偏置電壓而穿過開口 IO和凹槽開 口 ll對硅基板進行各向同性干法蝕刻之后的、帶有圖案化的掩模層2和保 護層3的硅基板1。在二氧化硅掩模層2中穿過圓形開口 10的蝕刻形成直 徑為大約100阿到數(shù)百^im的基本上呈半球形的腔，即硅基板1中的噴射 室20。穿過窄凹槽開口 11的蝕刻形成環(huán)形溝槽21，溝槽21圍繞噴射室20 同心地延伸，具有半圓形的橫截面區(qū)域。通過掩模層2中的開口 IO和凹槽 開口 11的寬度以及蝕刻時間，來控制各向同性蝕刻的深度。開口越寬，蝕 刻深度越大。此處，環(huán)形溝槽21的開口的最終寬度(以及因而深度)由對 基板1的第一側(cè)的后部工藝的研磨和拋光的程度決定在該減薄步驟之后，環(huán)形溝槽21應(yīng)該仍然存在并且是可見的，從而有助于整個盤狀孔口的分割。 通過這些蝕刻步驟，可以在硅基板的第一表面上設(shè)置更多的通道?？梢詫?這些通道(例如)用于提供高速噴射裝置中的流體儲蓄器和噴射室20之間 的連接。在下面的如圖4所示的處理步驟中，通過切換到(各向異性的) 博施Bosch)蝕刻(條件來各向異性地蝕刻硅基板。這是通過將SF6/02和 C4F8氣體分時交替地引入到等離子體中而實現(xiàn)的。SF6/02氣體蝕刻孔隙，
而C4F8氣體在孔隙壁上形成類似特氟隆的鈍化層，直到達到各向異性蝕刻
的孔隙的期望深度，例如數(shù)十^im。此處，博施工藝的特征在于將偏置電壓 應(yīng)用在晶片夾上，使得蝕刻主要以反應(yīng)離子蝕刻方式發(fā)生，從而在掩模層2 中產(chǎn)生幾乎等于開口 10的直徑的孔隙直徑。各向異性蝕刻最終在噴射室20 的底部形成圓柱形的噴射管30，并在環(huán)形溝槽21的底部形成環(huán)形溝槽31 ， 所述環(huán)形溝槽31具有與基板1的第一側(cè)垂直的矩形橫截面。環(huán)形溝槽21 和環(huán)形溝槽31構(gòu)成凹槽結(jié)構(gòu)，并且即使在將基板1的部分從基板1的第一 側(cè)移除之后，環(huán)形溝槽21和環(huán)形溝槽31也應(yīng)該是可見的。
通過斜升C4F8鈍化氣體濃度或鈍化周期時間，或者斜降鈍化周期期間
施加到偏置電壓夾(chuck)上的電壓，可以將管30 (和環(huán)形溝槽31)的形 狀向漸縮的(而不是圓柱形的)外形進行進一步的調(diào)整。此處，干法蝕刻 調(diào)整參數(shù)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知的。
在圖5中，保護層3被移除，并在圖6中，通過研磨和損傷性蝕刻將 硅基板1的一部分從基板1的第二側(cè)移除，直到將噴射管打開。在圖7中， 例如，通過緩沖氧化物蝕刻(BOE)移除二氧化硅掩模層2，從而產(chǎn)生包括 噴射室20、噴射管30以及凹槽結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。圖8示出設(shè)置平滑層40的附 加步驟。通過LPCVD將硼磷硅玻璃(BPSG)沉積在如在圖7中所示的噴 嘴50的表面的頂部上。接著在大約80(TC下通過回流步驟進一步使噴射室 20和噴射管30的表面平滑。此外，利用待噴射的水基流體將BPSG平滑層 40潤濕。在圖9中，己經(jīng)將十八烷基三氯硅烷的終端層45蒸鍍在硅基板1 的第二側(cè)上的平滑層40的頂部上。終端層45是疏水性的，因此不會被待 噴射的水基流體潤濕。該附加措施通過避免基板1的第二側(cè)上出現(xiàn)流體膜 而改善了待噴射流體的噴射。
在圖10中，示出了如圖7中所示的噴嘴50的橫截面圖的概略圖，其中在硅基板1的第一側(cè)上具有附加的對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)80。對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)80是二氧化硅 掩模層2沉積在硅基板1的第一側(cè)上之前圍繞硅基板1的第一側(cè)內(nèi)蝕刻出 的噴射室20和噴射管30的同心環(huán)。
在圖11和圖12中，示出了用于使噴射室20和噴射管30的表面平滑 的附加或備選方法。在圖11中，如圖7中所示的噴嘴50的表面被熱氧化。 如果(例如)在氧化步驟之前設(shè)置圖案化的Si3N4，則二氧化硅層60可以 覆蓋整個硅基板1或者噴射室20和噴射管30的表面。氧化速率取決于表 面和體積之間的關(guān)系等。例如，隔離的釘狀結(jié)構(gòu)和尖銳邊緣比平坦的硅表 面氧化得快。因此，如圖12中所示，通過BOE蝕刻對熱二氧化硅層進行 蝕刻形成圓的邊緣和平滑的表面。首先對表面進行氧化的優(yōu)點是能夠很好 地控制該工藝，并且可以以選擇性蝕刻工藝移除二氧化硅層60，而不會影 響剩余的硅。
在圖13到圖15中，示出了沉積在硅基板1上的所構(gòu)造的掩模層2的 三種不同設(shè)計的俯視圖的概略圖。在圖13中，在掩模層內(nèi)設(shè)置了由同心的 環(huán)形凹槽開口 11圍繞的七個圓形開口 10。圓形開口 IO中的一個位于環(huán)形 凹槽開口 11的中心，并且被其余的六個幵口 IO對稱地圍繞。穿過開口 10 各向同性地移除基板形成一個共同的噴射室20，而隨后穿過開口 IO各向異 性地移除基板1在噴射室的底部形成七個鄰近的噴射管30。在圖14中，圖 13中的圓形開口 IO被三個橢圓形的開口 IO所代替，所述三個橢圓形的開 口 IO對稱地布置在環(huán)形凹槽開口 11的假定的中心周圍。而且，基板1的 各向同性移除以及隨后的基板1的各向異性移除形成一個噴射室20和三個 噴射管30。在圖15中，在環(huán)形凹槽開口 11的中心設(shè)置一個開口 10，線 AA，表示根據(jù)圖1-圖12的橫截面截取的位置。
如圖16中所示，通過本發(fā)明所要求保護的方法制造的噴嘴50的SEM 圖示出了硅基板1、干法蝕刻之后保留的帶有開口 10的掩模層2、噴射室 20和噴射管30。開口 IO是圓形的，并且具有22.3nm的直徑。噴射室20 具有大約110Mm的最大直徑，并且，在剩余的基板接觸掩模層2的點取噴 射室20的邊界的切線，基板材料和掩模層2圍起小于90°的角度a。噴射 管30是圓柱形的，具有大約90^im的高度，并且由于工藝變化，噴射管30 緩慢地漸縮，其中在噴射室20的底部、在第一JF口處直徑大約為34pm，而在噴射管30的端部處直徑大約為26.4pm。在進一步的處理步驟中，通過 蝕刻和研磨的方式將基板1從基板1的第二側(cè)部分地移除，從而提供噴射 管30的第二開口。此外，通過蝕刻和研磨將掩模層2移除，并且任選地將 基板1從基板1的第一側(cè)部分地移除，直到達到噴射室20的大約為110pm 的最大直徑為止。
在圖17中，示出了在透皮給藥裝置中實現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的噴嘴50的 示意性圖示。透皮給藥裝置包括噴嘴50，該噴嘴50具有半球形的噴射室 20、圓形的噴射管30、環(huán)形的凹槽結(jié)構(gòu)和環(huán)形的對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)80;外殼110; 通過支撐結(jié)構(gòu)113將壓電換能器111在第一側(cè)機械地耦合到外殼110，而在 另一側(cè)將其機械地耦合到膜片116。經(jīng)由將壓電換能器111連接到驅(qū)動單元 (未示出)的電源線112來驅(qū)動壓電換能器111，例如多層陶瓷的小型壓電 換能器。微控制器控制透皮給藥裝置，尤其是壓電換能器的供應(yīng)。膜片116 形成流體室117的壁，并且流體室114在噴射室的一側(cè)打開，并且將流體 室117連接到流體供應(yīng)線路114。流體供應(yīng)線路114在從流體室117的相當(dāng) 大距離處穿過膜片116，并且至少部分地在膜片16和圍繞流體室117的間 層119之間穿過。將噴嘴50的基板1的第一側(cè)上的對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)80置入間層 119中的互補導(dǎo)向器(guide)內(nèi)并附著到其上。經(jīng)由連接到流體儲蓄器(未 示出)的流體供應(yīng)線路114將流體供應(yīng)給該裝置。
在壓電換能器111的驅(qū)動期間，壓電換能器111延伸并且推壓膜片116。 這壓縮了流體室117內(nèi)的流體，導(dǎo)致壓力增加，并且因而流體被噴射室集 中，并且從噴射管30流出。壓電換能器111的驅(qū)動一結(jié)束，壓電換能器lll 和膜片116就都返回到它們的靜止?fàn)顟B(tài)，并且由于毛細管力，流體將會通 過流體供應(yīng)線路114進入流體室117和噴射室2(h
為了產(chǎn)生高速流體噴射，該裝置是機械地堅硬的。如果在壓電換能器 lll的驅(qū)動期間，該裝置有過多的機械變形，則流體室117和噴射室內(nèi)的壓 力將會太低，從而不能產(chǎn)生高速流體噴射。此外，流體供應(yīng)線路114的長 度和直徑之間的比率必須足夠高，以便對待噴射的流體施加足夠高的壓力。 可以用于給藥裝置的噴嘴50以上的構(gòu)造的材料是不銹鋼、鋁、陶瓷、玻璃， 青銅和黃銅。該裝置還需要經(jīng)得起消毒程序?？梢岳秒p組分環(huán)氧樹脂粘 合劑對這些部件進行裝配。禾IJ用被施加到壓電換能器111的方形(或任何其他適當(dāng)?shù)男螤?電壓
脈沖來驅(qū)動壓電換能器lll。在普通操作中，方塊脈沖的高度可以從o伏特
變化到100伏特。電壓的增加引起流體噴射的速度的增加。脈沖的長度在 10ps和100(His之間變化。增加脈沖長度將會影響所噴射的流體的量，并且
還會在一定程度上影響速度。通過改變方塊脈沖的重復(fù)速率(頻率)，可以
改變每秒噴射的流體的量。普通頻率位于l和1000Hz之間。同樣地，以低 速給藥需要方形電壓脈沖，而高速模式中的高速噴射需要電壓方面的階梯 式改變的迅速的量變。流體室117和噴射室30是自填充的，通過流體的表 面張力驅(qū)動，從而無需對流體儲蓄器(未示出)施加超壓。通過利用待噴 射流體潤濕流體室117和噴射室30的表面涂層，可以進一步地改善流體室 117和噴射室30的自填充。
圖18示出了在高速噴射裝置中實施的根據(jù)本發(fā)明的噴嘴50的第二實 施例的示意圖。該高速噴射裝置包括噴嘴50、促動結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)。噴嘴 50包括硅基板1、噴射室20、噴射管30，其中噴射室20和噴射管30都具 有根據(jù)圖12的描述的平滑的表面。促動結(jié)構(gòu)包括:所構(gòu)造的硅基底基板300; 第一電極層303，其附著到基底基板300;諸如鋯鈦酸鉛(PZT)的壓電層 302,其沉積在第一電極層303的頂部上；以及所構(gòu)造的第二電極層301， 其沉積在壓電層302的頂部上。支撐結(jié)構(gòu)包括硅背襯基板200和若干固定 結(jié)構(gòu)202，固定結(jié)構(gòu)202沉積在硅背襯基板200上或蝕刻在硅背襯基板中。 可以通過公知的半導(dǎo)體薄膜處理來制造該促動結(jié)構(gòu)。通過將固定結(jié)構(gòu)202 附著到由所構(gòu)造的電極層301形成的電極，來裝配高速噴射裝置。固定結(jié) 構(gòu)202為由所構(gòu)造的電極層301形成的電極提供機械穩(wěn)定性，并且如果固 定結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)電材料，則還可用于給電極提供電接觸?；谆?00被部 分地移除，從而在固定結(jié)構(gòu)202之間形成獨立的膜片，進而構(gòu)成壓電膜片 換能器400陣列，其中，膜片包括第一電極層303、壓電層302和所構(gòu)造的 電極層301。以這樣的方式將噴嘴50附著到基底基板300的剩余部分，使 得所述膜片換能器陣列面對噴射室20，并且基底基板300的剩余部分和膜 片換能器400的膜片限定流體室317。噴射室20和流體室317形成一個可 以用待噴射的流體填充公共的腔。可以按照基于晶片的半導(dǎo)體工藝來制造 帶有根據(jù)本發(fā)明的噴嘴50的高速噴射裝置。可以通過三晶片工藝并行處理大量高速噴射裝置，其中，所述三晶片過程包括具有噴嘴50的晶片、具有 促動結(jié)構(gòu)的晶片和具有支撐結(jié)構(gòu)的晶片。此外，可以容易地制造若干高速 噴射裝置的陣列。如果該高速噴射裝置被用于透皮給藥裝置以避免刺激皮 膚，則后者可能是有利的。
將針對特定實施例并參考特定附圖描述本發(fā)明，但不應(yīng)以限定的意義 來理解本發(fā)明，因為本發(fā)明僅受所附權(quán)利要求的限制。權(quán)利要求中的任何 參考標(biāo)記不應(yīng)被視為對其范圍的限制。所描述的附圖僅為示意性的，而不 是限制性的。在附圖中，出于例示的目的，可以放大一些元件的尺寸，而 并非按照比例繪制。在本說明書和權(quán)利要求中使用"包括" 一詞的地方， 不排除包括其他元件或步驟。在提及單數(shù)名詞而使用不定冠詞或定冠詞的 地方，例如"一"、"該"，除非特別說明別的情況，其包括多個該名詞。
此外，說明書和權(quán)利要求中的術(shù)語第一、第二、第三等用于區(qū)分類似 元件，未必用于描述連續(xù)次序或時間順序。要理解的是，在適當(dāng)環(huán)境下這 樣使用的術(shù)語是可以互換的，且這里所述的本發(fā)明實施例可以按不同于本 文所述或所示次序的其他次序工作。
此外，出于描述的目的使用說明書和權(quán)利要求中的術(shù)語頂部、底部、 第一、第二等，其未必用于描述相對位置。要理解的是，在適當(dāng)環(huán)境下這 樣使用的術(shù)語是可以互換的，且這里所述的本發(fā)明實施例可以按不同于本 文所述或所示取向的其他取向工作。
權(quán)利要求
1、一種制造用于噴射流體的噴嘴(50)的方法，包括如下步驟設(shè)置具有第一側(cè)和第二側(cè)的基板(1)；在所述基板(1)的所述第一側(cè)上設(shè)置掩模層(2)，并在所述基板(1)的所述第二側(cè)上設(shè)置保護層(3)；在所述掩模層(2)內(nèi)設(shè)置至少一個開口(10)；通過穿過所述掩模層(2)內(nèi)的所述開口(10)各向同性地移除所述基板(1)的部分，形成噴射腔(20)；通過穿過所述掩模層(2)內(nèi)的所述開口(10)各向異性地移除所述基板(1)的部分，形成至少一個噴射管(30)；在所述基板(1)的所述第二側(cè)打開所述噴射管；以及移除所述掩模層(2)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括如下附加步驟在移除所述掩模 層(2)之后，從所述基板(1)的所述第一側(cè)移除所述基板(1)的一部分。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，包括如下附加步驟通過淺薄地移除所述噴射腔(20)和所述噴射管(30)的表面，而使所述噴射腔(20) 的表面平滑并使所述噴射管(30)的表面平滑。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2和3中的任一項所述的方法，包括如下附加步 驟至少在噴射室(20)和所述噴射管(30)的表面上設(shè)置平滑層(40)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述平滑層(40)由與待噴射 流體的接觸角度小于90。的材料構(gòu)成。
6、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，包括如下附加步驟在 所述基板(1)的第二表面上設(shè)置終端層(45)，所述終端層(45)由與待 噴射流體的接觸角度大于90°的材料構(gòu)成。
7、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，在所述基板(1) 的所述第一側(cè)內(nèi)設(shè)置至少一個另外的凹槽結(jié)構(gòu)(21， 31)。
8、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，包括如下附加步驟在 所述基板(1)的所述第一側(cè)設(shè)置對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(80)。
9、 一種用于噴射流體的噴嘴(50)，包括基板(1)，其具有第一側(cè)和第二側(cè)；噴射室(20)，其為所述基板(1)內(nèi)的腔且在所述基板(1)的所述第 一側(cè)打開，作為深度的函數(shù)的所述噴射室(20)的平行于所述基板(1)的 所述第一側(cè)的橫截面不是恒定的；至少一個噴射管(30)，其為所述基板(1)內(nèi)的腔且在所述基板(1) 的所述第二側(cè)打開，作為深度的函數(shù)的所述噴射管(30)的平行于所述基 板(1)的所述第一側(cè)的橫截面是恒定的；并且所述噴射室(20)和所述至少一個噴射管(30)彼此連接，形成穿過 所述基板(1)的通道。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的噴嘴(50)，其中，所述噴射管(30)是圓 柱形的，所述噴射室(20)是半球形的腔，并且所述噴射室(20)和所述 噴射管(30)沿著所述噴射管(30)的圓柱軸對準(zhǔn)。
11、 一種噴射裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的噴嘴(50)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的噴射裝置，包括電源、壓力施予器，該壓 力施予器適于對將通過所述噴嘴噴射的流體施加壓力，并且所述噴嘴(50) 的所述基板(1)的所述第二側(cè)是所述噴射裝置的外側(cè)表面的一部分。
13、 根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的噴射裝置在透皮給藥中的應(yīng)用。
全文摘要
描述了一種用于噴射裝置的噴嘴，包括例如一個圖案化的硅基板，實現(xiàn)了半導(dǎo)體批量生產(chǎn)。制造噴嘴的方法的特征在于使用了沉積在硅基板上的一個掩模層。通過穿過掩模層的第一各向同性蝕刻步驟和第二各向異性蝕刻步驟，完成對硅基板的蝕刻，從而制造出準(zhǔn)確對準(zhǔn)的噴嘴。
文檔編號B41J2/16GK101528466SQ200780039799
公開日2009年9月9日 申請日期2007年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月25日
發(fā)明者F·羅澤博姆, G·尼撒托, J-E·J·M·魯賓厄, W·德克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司