专利名称：可检测和实时监控喷孔制作过程的微流体喷射装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种微流体喷射装置及相关喷孔检测方法，尤指一 种可检测和实时监控喷孔制作过程的微流体喷射装置及相关方法。
背景技术：
孩i流体喷射装置(microfluid injecting device )可用来喷出如墨 水、汽油、化学溶液或其它流体物质，已^皮广泛地运用于喷墨打印 机(inkjet printer )的喷墨印表头等设备中。随着^f效流体喷射装置可 靠度的不断4是升、成本的大幅降低、以及可应用于高频率与高分辨 率的高品质孩i流体材质的相继问市，；微流体喷射装置的用途也日趋 广泛。举例来说，除了常见于喷墨打印机的喷墨印表头外，微流体 喷射装置亦可应用于传真才几(facsimile machine )、多功能事务才几 (multi-function printer, MPF)、 燃泮午喷射系纟充(fuel injection system )、药4勿'注射系纟充(drug delivery system )、喷印光刻4支术(print lithography )及微喷射推进系统(micro jet propulsion system )等各 类不同的领域。举例来说，当微流体喷射装置应用于打印或输出资料文字或图 片影像时(如喷墨打印机或传真机)，其喷孔的尺寸和位置会影响 墨滴喷出速率、墨滴大小，及墨滴飞行方向等特性。喷墨打印才几可 藉由不同喷孔喷出不同大小的墨滴来打印文件，如此不但可使所打 印文件的色阶变化更多样，同时亦可加快打印色阶时的速度。因此， 喷孔的制作过程对微流体喷射装置的表现影响很大，如何确保微流 体喷射装置的每一喷孔皆能符合要求，也是在制造微流体喷射装置 时的重要i果题。请参考图l，图1为先前技术中一微流体喷射装置IO的俯视图。 微流体喷射装置10包含多数个喷孔Nl-Nn。依据不同设计，喷孔 Nl-Nn可能具有不同的孔径、孔深，或排列方式，通常藉由蚀刻制 作过程方法来形成喷孔。 一般来"i兌，-微流体喷射装置10的喷孔 Nl-Nn首先经由薄膜沉积、曝光显影及蚀刻等步骤形成于基材(如 硅晶圓)之上，接着于喷孔制作过程完成后进行电性检测或结构检 测等功能验证，最后才会进行切割与封装等后续制作过程。在先前技术中，为了确保微流体喷射装置10的每一喷孔皆能 符合制作要求，会在完成喷孔制作过程后以光学方式对喷孔数目、 喷孔位置、喷孔尺寸，或喷孔外围轮廓进行结构检测，在执行后续 制作过程前先排除喷孔制作不完善的不良品，以节省成本支出。一 般常使用的喷孔结构检测技术系利用光学显微镜来进行目视检测， 然而受限于光学显微镜的放大倍率及观测深度(景深)，先前技术 仅能针对喷孔数目、喷孔位置或喷孔外围轮廊等表面参数进行检 测，并无法对喷孔的垂直结构(例如孔深)等参数进行检测。另外， 先前技术仅能在喷孔制作过程完成或是进行至一预定阶段之后，才 能以光学方式进行结构检测，并无法对喷孔制作过程进行实时监 控。发明内容本发明提供一种可检测喷孔制作过程的微流体喷射装置，其包 含喷孔层，其上形成有喷孔，用来喷出微流体；压电材料层，设于 该喷孔层上； 一表面声波发射器，设于该压电材料层之上，用来发
射一个宽频的表面声波信号；以及一表面声波*接收器，，没于该压电 材料层之上，用来接收该宽频表面声波信号行经该喷孔后的信号。本发明另提供一种可实时控制喷孔制作过程的方法，其包含 (a)开始执行一喷孔制作过程；(b)发射一个宽频的表面声波信 号、(c)测量该宽频表面声波信号通过该喷孔制作过程所形成的喷 孔后的信号，以及(d)依据步骤(c)所测量到的信号决定停止该 喷3l^，H乍过禾呈的时间。本发明另提供一种4企测喷孔制作过程的方法，其包含(a)开 始执行一喷孔制作过程、(b)于完成该喷孔制作过程后发射一个宽 频的表面声波信号，以及(c)测量该宽频表面声波信号通过该喷 孔制作过程所形成的喷孔后的信号。
图1为先前才支术中一^f效流体喷射装置的俯;現图。图2为本发明第一实施例中一樣吏流体喷射装置的俯^L图。图3为本发明第一实施例的微流体喷射装置延着切线G-G，的 剖面示意图。图4为本发明第 一 实施例的频语分析器所测量到的频率响应信号图。图5为本发明第二实施例中一微流体喷射装置的俯视俯视图。 图6为本发明第三实施例中一孩i流体喷射装置的俯4见图。 图7为本发明第四实施例中一微流体喷射装置的俯i见图。 图8为本发明第五实施例中一微流体喷射装置的俯视图。 图9为本发明第六实施例中一微流体喷射装置的俯视图。 图10为本发明中一种控制喷孔制作过程的方法的流程图。
具体实施方式
请参考图2，图2为本发明第一实施例中一微流体喷射装置101 的俯视图。樣t流体喷射装置101包含一喷孔层11、压电(piezoelectric )材料层21、 一信号产生器31、 一频谱分析器41、 一表面声波发射器51,以及一表面声波接收器61。喷孔层ll包括 两喷孔N1和N2，依据不同i殳计，喷孔N1和N2可能具不同的孔 径、孔深，及排列方式，因此图2所示的喷孔结构4又为示意图，并 不局限本发明的范围。压电材料层21设于喷孔层ll之上，而表面 声波发射器51和表面声波接收器61则设于压电材料层21之上。 压电材料层21可包含氮化铝(A1N)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNb03 )、钽酸4里(LiTa03),或4告4太酸4& ( Lead Zirconate Titanate， PZT)等压电材质。信号产生器31的作用在于提供一具有特定频宽 的信号，而频i普分析器41的作用在于进4亍频率响应(frequency response)测量。信号产生器31产生的信号通过表面声波发射器51 来产生一个宽频的表面声波(surface acoustic wave ) 4言号。表面声 波接收器61接收表面声波发射器51所发射的表面声波信号，并将 接收到的信号传至频谱分析器41以进行频率响应测量。该喷孔层11包括发射区、喷孔区和接收区，所述发射区和接 收区分别设置在喷孔区的两侧。如图所示压电材料层21分别设于 喷孔层11的发射区和接收区，信号产生器31 —侧的区域为发射区， 声波接收器61 —侧的区域为接收区。其它实施例的情况与此类似。
请参考图3，图3为本发明第一实施例中孩t流体喷射装置101 延着切线G-G，的剖面示意图。在图3中，喷孔N1和N2的孔径分 别由XI和X2来表示，而喷孔Nl和N2的孔深分别由Yl和Y2 来表示。假使在本发明第一实施例中，喷孔N1的孔径小于喷孔N2 的孔径，但喷孔Nl的孔深大于喷孔N2的孔深，亦即XKX2且 Y1>Y2,喷孔N1和N2的垂直结构如图3所示。当表面声波发射 器51所发射的表面声波信号在行进过程中经过一喷孔，此喷孔会 阻碍表面声波信号的传递并影响其后续运动，而喷孔对表面声波信 号的影响则相关于喷孔的孔径、孔深和位置等参凄丈。请参考图4,图4为本发明第一实施例中频谱分析器41所测量 到的频率响应信号图。在图4中，横轴代表信号的频率分布，单位 为百万赫兹(MHz);纵轴代表信号的插入损失(insertion loss )，单 位为分贝(dB)。当喷孔层11未包含任何喷孔时，频语分析器41 所测量到的信号由曲线A (图4的实线)来表示；当表面声波发射 器51所发射的宽频表面声波信号经过喷孔Nl后，频谱分析器41 所测量到的信号由曲线B(图4的虚线)来表示；当表面声波发射 器51所发射的宽频表面声波信号经过喷孔N2后，频i普分析器41 所测量到的信号由曲线C (图4的点划线)来表示。如图4所示， 喷孔Nl的孔径XI和喷孔N2的孔径X2会影响表面声波信号的频 率^布，可^另U由Fxi^Fx2来^示；而喷孑LN1 6勺孑L^果Yl ^r，孑L N2的孔深Y2会影响表面声波信号的插入损失，可分别由IL们和 ILy2来表示。因此，本发明可藉由频谱分析器41所测量到的曲线B 和C和曲线A的差异，来分别判断喷孔Nl和N2的孔径、孑L深和 位置是否符合要求。请参考图5,图5为本发明第二实施例中一微流体喷射装置102 之俯一见图。孩i流体喷射装置102包含一喷孔层12、 一压电材料层 22、 一信号产生器32、 一频谱分析器42、 一表面声波发射器52， 以及一表面声波接收器62。喷孔层12包含多个喷孔Nl-Nn，.依据
不同"i殳计，喷孔N1-Nn可能具不同的孔径、孔深，及^^列方式，因 此图5所示的喷孔结构4又为示意图，并不局限本发明的范围。压电 材料层22 i殳于喷孔层12之上，而表面声波发射器52和表面声波 接收器62则设于压电材料层22之上。压电材料层21可包含氮化 铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂，或锆钛酸铅等压电材质。信号产生 器32的作用在于提供一具有特定频宽的信号，而频语分析器42的 作用在于进行频率响应测量。信号产生器32产生的信号透过表面 声波发射器52后产生一个宽频的表面声波信号(如图4所示)。表 面声波接收器62接收表面声波发射器52所发射的表面声波信号， 并将接收到的信号传至频谱分析器42以进行频率响应测量。在本 发明第二实施例中，表面声波发射器52和表面声波接收器62各包 含一杀牛交叉指式表面声波4奐能器(slanted surface acoustic wave interdigital transducer )，此斜交叉指式表面声波换能器可产生或4妄收 一个宽频的表面声波信号。构成表面声波发射器52和表面声波接 收器62的电才及材并牛可包含铝(Al)、金(Au)或其它种类的金属材质。请参考图6，图6为本发明第三实施例中一孩吏流体喷射装置103 的俯视图。微流体喷射装置103包含一喷孔层13、 一压电材料层 23、 一信号产生器33、 一频谱分析器43、 一表面声波发射器53， 以及一表面声波4妄收器63。喷孔层13包含多个喷孔Nl-Nn,依据 不同设计，喷孔N1-Nn可能具不同的孔径、孔深，及排列方式，因 此6图所示的喷孔结构仅为示意图，并不局限本发明的范围。压电 材料层23设于喷孔层13之上，而表面声波发射器53和表面声波 接收器63则设于压电材料层23之上。信号产生器33的作用在于 提供一具有特定频宽的信号，而频谱分析器43的作用在于进行频 率响应测量。信号产生器33产生的信号通过表面声波发射器53后 产生一个宽频的表面声波信号。表面声波接收器63接收表面声波 发射器53所发射的表面声波信号，并将接收到的信号传至频谦分
析器43以进行频率响应测量。在本发明第三实施例中，表面声波 发射器53和表面声波接收器63各包含一并联式表面声波换能器 (shunt surface acoustic wave interdigital transducer ), ot匕并联式表面 声波换能器包含多个具有不同中心频率的子平行式表面声波换能 器(sub parallel SAW interdigital transducer )，因此可产生或接收一 个宽频的表面声波信号。构成表面声波发射器53和表面声波接收 器63的电极材料可包含铝、金或其它金属材质。请参考图7,图7为本发明第四实施例中一《鼓流体喷射装置104 的俯-见图。纟效流体喷射装置104包含一喷孔层14、 一压电材料层24、 一信号产生器34、 一频谱分析器44、 一表面声波发射器54， 以及一表面声波4妾收器64。本发明第四实施例的孩t流体喷射装置 104和第二实施例的纟效流体喷射装置102结构类似，其不同的处在 于微流体喷射装置104的表面声波接收器64包括一并联式表面声 波换能器，可通过此并联式表面声波换能器接收一个宽频的表面声 波信号。请参考图8，图8为本发明第五实施例中一微流体喷射装置105 的俯视图。微流体喷射装置105包含一喷孔层15、 一压电材料层25、 一信号产生器35、 一频谱分析器45、 一表面声波发射器55， 以及一表面声波接收器65。本发明第五实施例的^f敖流体喷射装置 105和第三实施例的微流体喷射装置103结构类似，其不同的处在 于微流体喷射装置105的表面声波接收器65包括一斜交指叉式表 面声波换能器，可通过此斜交指叉式表面声波换能器接收一个宽频 的表面声波信号。在本发明第二至第五实施例中，表面声波发射器和表面声波接 收器采用斜交指叉式表面声波换能器或并联式表面声波换能器。然 而，本发明亦可使用其它种类的表面声波换能器，在5图至8图所 示4又为本发明的实施例，并不局限本发明的范围。
请参考图9，图9为本发明第六实施例中一《效流体喷射装置106 的俯视图。微流体喷射装置106包含一喷孔层16、 一压电材料层 26、 一信号产生器36、 一频语分析器46、多个表面声波发射器56、 多个表面声波接收器66、开关组76和86，以及一开关控制单元96。 喷孔层16包含多个喷孔组Al-An,每一喷孔组各包含多个喷孔 Nl-Nn。依据不同设计，喷孔N1-Nn可能具不同的孔径、孔深及排 列方式。 一般而言，微流体喷射装置的喷孔会具有规律性的排列关 系，因此，在樣史流体喷射装置106中，每一喷孑L《且的每一喷孑L和其 它喷孔组的相对应喷孔具相同的孔径及孔深，例如喷孔组Al-An的 喷孔N1皆具有相同孔径和孔深，而喷孔组Al-An中喷孔N1-Nn的 排列方式相同。开关组76和86各包含多个开关，每一表面声波发 射器56通过开关组76中相对应的两开关耦4妾至信号产生器36,而 每一表面声波接收器66通过开关组86中相对应的两开关耦接至频 谱分析器46。开关控制单元96可控制开关组76和86中每一开关 的开启或关闭。因此，本发明的第六实施例可针对所有喷孔组内的 喷孔进行检测，通过多个表面声波发射器56分别对相对应的喷孔 组进4亍频率扫描，而通过多个表面声波4妾收器66分别4妾收相对应 表面声波发射器56所发射的宽频表面声波信号，并将接收到的信 号传至频i普分冲斤器46以进4于频率响应测量。同时，本发明的第六 实施例亦可针对一喷孔组或部分喷孔组内的喷孔进4亍检测，利用开 关控制单元96开启开关组76和86中对应于欲检测喷孔组的开关， 以将对应于欲检测喷孔组的表面声波发射器56及表面声波接收器 66分别电性连接于信号产生器36和频谱分析器46，再进行前述的 才企测步骤。因此，本发明第六实施例的孩l流体喷射装置106可藉由频i普分 析器46所测量到的信号判断喷孔结构是否符合要求，并可弹性地 针对单一、部f分或所有喷孔组进行^r测。微流体喷射装置106的每一表面声波发射器56和表面声波接收器66可采用如5图至8图所 示的斜交指叉式表面声波换能器或并联式表面声波换能器，或是其 它种类的表面声波换能器。后，对喷孔结构进4力险测，同时亦可在形成喷孔的过程中对喷孔制作过程进行实时监控。请参考图10,图IO的流程图说明了本发明 中 一种控制喷孔制作过程的方法，其包含下列步骤步骤110:执4于喷孔制作过程；步骤120:发射多个具不同中心频率的宽频表面声波信号；步骤130:量测该宽频表面声波信号通过喷孔制作过程所形成 的喷孔后的频率响应信号；步骤140:判断频率响应信号是否已符合一预定值；若频率响 应信号已符合预定值，执行步骤150;若频率响应信号未符合预定 值，执行步骤110;以及步驶《150:中断喷孔制作过禾呈。当步骤140判断量测到的频率响应信号符合预定值时，代表喷 孔制作过程所形成的喷孔的位置、尺寸，或外围轮廓等结构符合要 求，此时会执行步骤150以中断喷孔制作过程。当步骤140判断测 到的频率响应信号未符合预定值时，代表喷孔制作过程所形成的喷 孔的位置、尺寸，或外围轮廓等结构尚未符合要求，此时会执行步 骤110以继续执行喷孔制作过程。本发明依据表面声波信号通过喷孔后的频率响应信号，来检测 喷孔制作过程，因此不会受到现有的光学方式的放大倍率及观测深 度的限制，因此能同时针对喷孔数目、喷孔位置或喷孔外围轮廓等
表面结构以及孔深等垂直结构来进行检测。本发明并可弹性地针对 单一、部份或所有喷孔进行检测。此外，本发明可在喷孔制作过程 全部完成或是进4亍至一预定阶革殳后，只十喷孔结构进4亍检测，同时亦 可在形成喷孔的过程中对喷孔制作过程进行实时监控。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围 所估支的等效变化与f爹饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种可检测喷孔制作过程的微流体喷射装置，其包含喷孔层，其上形成有喷孔，用来喷出微流体；压电材料层，设置在所述喷孔层上；表面声波发射器，设于所述压电材料层之上，用来发射一个宽频的表面声波信号；以及表面声波接收器，设于所述压电材料层之上，用来接收所述表面声波发射器发射的宽频表面声波信号行经所述喷孔后的信号。
2. 根据权利要求1所述的微流体喷射装置，其中所述喷孔层上形 成有多个具有不同孔径及孔深的喷孔。
3. 根据权利要求1所述的微流体喷射装置，其另外包括信号产生器，用来通过所述表面声波发射器产生所述宽 频表面声波信号；及频语分析器，用来对所述表面声波接收器所接收到的信 号进4于频率响应测量。
4. 根据权利要求3所述的微流体喷射装置，其另外包括第一开关，耦接于所述信号产生器的第一端和所述表面 声波发射器的第 一端之间；第二开关，耦接于所述信号产生器的第二端和所述表面 声波发射器的第二端之间； 第三开关，耦接于所述频谱分析器的第一端和所述表面声波^接收器的第 一端之间；一第四开关，耦接于所述频谱分析器的第二端和所述表 面声波4秦收器的第二端之间；以及一开关控制单元，耦接于所述第一至第四开关，用来控 制所述第一至第四开关的开启与关闭。
5. 根据权利要求1所述的微流体喷射装置，其中所述表面声波发 射器包括斜交指叉式表面声波换能器，用来发射所述一个宽频 的表面声波信号。
6. 根据权利要求5所述的微流体喷射装置，其中所述表面声波接 收器包括一斜交指叉式表面声波换能器，用来接收所述表面声 波发射器所发射的宽频表面声波信号。
7. 根据权利要求5所述的孩i流体喷射装置，其中所述表面声波接 收器包括一并联式表面声波换能器，所述并联式表面声波换能 器包含多个具有不同中心频率的子平行式表面声波换能器，可 用来接收所述表面声波发射器所发射的宽频表面声波信号。
8. 根据权利要求1所述的微流体喷射装置，其中所述表面声波发 射器包括一并联式表面声波换能器，用来发射一个宽频的表面 声波信号。
9. 根据权利要求8所述的微流体喷射装置，其中所述表面声波接 收器系包含一斜交指叉式表面声波换能器，用来接收所述表面 声波发射器所发射的宽频表面声波信号。
10. 根据权利要求8所述的微流体喷射装置，其中所述声波接收器 包括一并联式表面声波换能器，用来接收所述表面声波发射器 所发射的宽频表面声波信号。
11. 一种可实时控制喷孔制作过程的方法，其包含下列步骤(a) 开始4丸行一喷孔制作过程；(b) 发射多个具不同中心频率的宽频表面声波信号；(c )测量所述多个具不同中心频率的宽频表面声波信号 在通过所述喷孔制作过程所形成的喷孔后的信号；以及(d )依据于步骤(c )所测量到的信号决定停止所述喷孔 制作过禾呈的时间。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中步骤(a)藉由蚀刻制作过 程执行所述喷孔制作过程。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中在步骤(c)是测量所述多 个具不同中心频率的宽频表面声波信号在通过所述喷孔制作 过程所形成的喷孔后的频率响应信号。
14. 根据权利要求11所述的方法，其中步骤(d)是依据于步骤(c) 所测量到的频率响应信号，判断所述喷孔制作过^f呈所形成的喷 孔的孔径、孔深和位置是否符合预定值，并依据判断结果决定 停止所述喷孔制作过程的时间。
15. —种4全测喷孔制作过程的方法，其包含下列步骤(a) 开始执行一喷孔制作过程；(b) 在完成所述喷孔制作过程后发射多个具不同中心频 率的宽频表面声波信号；以及 (C)测量所述多个具不同中心频率的宽频表面声波信号 在通过所述喷孔制作过程所形成的喷孔后的信号。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中步骤(a)藉由蚀刻制作过 程才丸4于所述喷孔制作过程。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中步骤(c)是测量所述多个 具不同中心频率的宽频表面声波信号在通过所述喷孔制作过 程所形成的喷孔后的频率响应信号。
18. —种可检测喷孔制作过程的微流体喷射装置，其包含喷孔层，其上形成有喷孔，用来喷出孩t流体，所述喷孔 层包括发射区、喷孔区和接收区，所述发射区和接收区分别设 置在喷孑L区的两侧；压电材坤+层，分别i殳置在所述喷孔层的发射区和"^妄收区上；表面声波发射器，设于发射区的压电材料层之上，用来 发射一个宽频的表面声波〗言号；以及表面声波接收器，设于接收区的压电材料层之上，用来 接收所述表面声波发射器发射的宽频表面声波信号行经所述 喷孔区中的喷孔后的信号。
全文摘要
本发明的微流体喷射装置包括喷孔层、压电材料层、表面声波发射器、表面声波接收器、信号产生器，以及频谱分析器。喷孔层上形成有喷孔，用来喷射流体，而压电材料层设于喷孔层之上。表面声波发射器设于压电材料层之上，用来依据信号产生器所产生的信号发射一个宽频的表面声波信号。表面声波接收器设于压电材料层之上，用来接收所述宽频表面声波信号行经喷孔后的信号，并将接收到的信号传至频谱分析器以进行频率响应测量，并依据频率响应测量的结果来检测或实时监控喷孔制作过程。
文档编号B05B1/00GK101164703SQ200610149958
公开日2008年4月23日 申请日期2006年10月19日 优先权日2006年10月19日
发明者周忠诚, 林志明, 威 王 申请人:明基电通股份有限公司