專利名稱：基于碳納米管微氣泡發(fā)生器的噴印閥及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于碳納米管微氣泡 發(fā)生器的噴印閥及其制備方法。技術(shù)背景噴印技術(shù)在器件尤其是一些大面積的器件例如顯示器、自適應(yīng)分布式 天線等制備上的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。相比平面工藝光刻技術(shù)，噴印 技術(shù)的優(yōu)勢在于對基底無特殊要求，并適用于柔性材料；由于噴嘴的結(jié) 構(gòu)及其運動的可設(shè)計性、直接根據(jù)設(shè)計形成圖形，噴印的圖形靈活，原料 消耗少，總成本低。此外，噴印可以提供非接觸的多種液體的微分配，如 生物的、電子的、光學(xué)的，傳感的、結(jié)構(gòu)的等等，它可望為構(gòu)建具有復(fù)雜 功能的集成系統(tǒng)如生物組織工程、大平面柔性平板器件等提供一種簡單有 效、自下而上的實施方案，具有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的噴印技術(shù)中，氣泡式噴印是基于微加熱器的一種簡易的噴印技術(shù)。 微氣泡發(fā)生器是熱噴印系統(tǒng)的核心，目前大都采用基于傳統(tǒng)金屬材料的微 加熱器，功耗較大。金屬碳納米管(CNT)是一種優(yōu)良的微波導(dǎo)體，理論 上單壁的碳納米管的導(dǎo)通頻率可達THz，有報道實際達到GHz。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種基于碳納米管微氣泡發(fā)生器的噴印閥，該 噴印閥具有功耗低、集成度高的特點；本發(fā)明還提供了制備該噴印閥的方 法，該方法工藝簡單，并與半導(dǎo)體IC工藝兼容。本發(fā)明提供的基于碳納米管微氣泡發(fā)生器的噴印閥，其特征在于襯底為玻璃片或生長有氧化層的硅片，在襯底上設(shè)置有二個金電極，在二個金電極與襯底之間鍍有鈦粘結(jié)層，鈦粘結(jié)層的厚度為10 30nm， 二個金電 極之間的距離為1 10lam，金電極的厚度為300 400nm;碳納米管架設(shè)于金 電極之間，碳納米管的直徑為10 30nm;碳納米管與金電極的接觸部位覆 蓋有厚度為100 200nm的二氧化硅層；碳納米管、二個金電極以及二氧化 硅層構(gòu)成碳納米管微氣泡發(fā)生器；硅基底上開有直徑為30 80fim的通孔作為進液管；在硅基底的表面開 有與進液管相連的凹槽，凹槽的長度為300 900vim，寬度為40 100|im;襯底與硅基底鍵合，使上述碳納米管微氣泡發(fā)生器與凹槽的位置相對， 形成噴嘴。制備上述噴印閥的方法，其步驟包括(1)按照步驟(Al) (A3)在襯底上制作碳納米管微氣泡發(fā)生器， 按照步驟(Bl) (B5)對硅基底進行處理(Al)采用電子束蒸發(fā)或濺射，在清洗后的襯底上依次形成厚度為10 30nm的鈦膜和厚度為300 400nm金膜；再利用現(xiàn)有剝離工藝形成二個金電 極，二個金電極之間的距離為1 10nm;(A2)在上述金電極上加載交流電壓，再將碳納米管懸浮液滴到電極間， 碳納米管懸浮液由直徑為10 30nm碳納米管與無水乙醇溶劑按0. 005 0.05mg/ml比例混合而成；當碳納米管將電極連通并定位在電極間時，撤除 所加交流電壓；(A3)在碳納米管與金電極的接觸部位形成厚度為100 300nm的二氧 化硅層，形成碳納米管微氣泡發(fā)生器；(Bl)在清冼后的硅基底的上、下表面形成二氧化硅保護層，厚度為 0. 5 1. 5(im;(B2)分別刻蝕上述二氧化硅保護層，得到凹槽和進液管的窗口，凹槽 的窗口長度為300 900pm，寬度為40 100^im、進液管的的窗口直徑為30 80fim，進液管中心軸與凹槽底面中心相距200 400^im ;(B3)在硅基底的上表面刻蝕得到凹槽，凹槽深度為10 30pm;(B4)在硅基底的下表面刻蝕形成進液管，使進液管與凹槽相通； (B5)去除硅基底上下表面的剩余二氧化硅保護層； (2)將硅基底和襯底相對，鍵合形成噴嘴，得到微噴印閥。本發(fā)明利用碳納米管良好的微波導(dǎo)電性構(gòu)建微氣泡發(fā)生器，碳納米管微氣泡發(fā)生器(Carbon Nanotube Micro Bubble Generator)以碳納米管 (CarbonNanotube，以下簡稱"CNT")作為基本加熱元件，它以CNT取代 熱氣泡發(fā)生器中的金屬微加熱器，利用CNT中的高密度焦耳熱，通過電流 和加電時間的控制使它產(chǎn)生的微氣泡直徑僅為單位微米量級。氣泡尺寸小、 功耗低。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)微氣泡發(fā)生器功耗大的缺點，并具有良好的高 密度集成的潛力，在先進制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明碳納米管微氣泡發(fā)生器和噴嘴所組成的噴印閥縱向結(jié)構(gòu) 示意圖。圖2為噴印閥剖視示意圖，其中，圖2(a)為A A向剖視圖，圖2(b)為 B B向剖視圖。圖3為制備硅基底上的進液管和凹槽的工藝流程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。如圖1所示，本發(fā)明噴印閥的結(jié)構(gòu)為采用玻璃片或生長有氧化層的硅片作為襯底l。在襯底1上設(shè)置有二個金電極31、 32，在金電極31、 32 與襯底1之間設(shè)有鈦粘結(jié)層21、 22，鈦粘結(jié)層21、 22的厚度為10 30nm， 金電極31、 32之間的距離為1 10fim，金電極31、 32的厚度為300 400nm; 碳納米管4架設(shè)于金電極31、 32之間，碳納米管4的直徑為10 30nm;碳 納米管4與金電極31、 32的接觸部分通過二氧化硅層51、 52予以固定， 構(gòu)成碳納米管微氣泡發(fā)生器，其中二氧化硅層51、 52的厚度為100 200nm。 硅基底8上開有通孔作為進液管7，進液管7的直徑為30 80|am，在 硅基底8的表面開有與進液管7相連的凹槽9，凹槽9的長度為300 900jim， 寬度為40 100nm。襯底1與硅基底8鍵合，使氣泡發(fā)生器與凹槽9相對，形成噴嘴6。制備上述基于碳納米管微氣泡發(fā)生器的噴印閥的方法，其步驟包括(1) 將襯底1按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(2) 將碳納米管微氣泡發(fā)生器制備在襯底1上，其過程為(2. 1)采用電子束蒸發(fā)或濺射，形成厚度為10 30nm的鈦膜； (2. 2)采用電子束蒸發(fā)或濺射，形成厚度為300 400nm金膜； (2. 3)利用現(xiàn)有的剝離工藝(lift off)形成金電極31、 32，金電極31、 32之間的距離為l 10|im;(2. 4)將直徑為10 30nm碳納米管4與無水乙醇溶劑按0. 005 0. 05mg/ml比例混合，經(jīng)超聲使碳納米管均勻分散；(2. 5)將0. 5 1MHz， 5 10V的交流電壓加載到襯底1上的金電極31、32間，用微型注射器將碳納米管懸浮液滴到電極間，當溶劑揮發(fā)完全時，碳納米管將電極連通并定位在電極間，此時撤除所加電場；(2. 6)采用電子束蒸發(fā)或濺射二氧化硅，形成厚度為100 300nm的二氧化硅膜；(2. 7)利用反轉(zhuǎn)光刻膠的剝離工藝，形成加固碳納米管與金電極接觸 的二氧化硅層51、 52，并將定位好的碳納米管位于金電極31、 32間的部分 暴露出來，形成碳納米管微氣泡發(fā)生器。(3) 將雙面拋光硅基底8按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(4) 將進液管7和凹槽9制備在玻璃基底1上，其過程為(4. l)采用熱氧化法,在硅基底8的上下表面形成二氧化硅保護層101、 102，厚度為0. 5 1. 5|um;(4.2)利用現(xiàn)有雙面對準光刻工藝分別刻蝕二氧化硅保護層101、 102， 得到凹槽9和進液管7的窗口，凹槽9的窗口長度為300 900pm，寬度為 40 100|_im，進液管7的的窗口直徑為30 80pm，進液管中心軸與凹槽底面 中心相距200 400pm; (4.3) 用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法，在硅基底8的上表面得到凹槽9， 深度為10 30|im;(4.4) 用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法，從硅基底8的下表面開始刻蝕進 液管7，進液管7與凹槽相通；(4. 5)采用干法或者濕法刻蝕的方法去除硅基底8上下表面的剩余二氧 化硅保護層101、 102;(5)將硅基底8和襯底1相對，通過陽極鍵合工藝，形成噴嘴6，并制 成微噴印閥。實施例1:(1) 將玻璃基底1按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(2 )將碳納米管微氣泡發(fā)生器制備在玻璃基底1上，其過程為(2. 1)采用電子束蒸發(fā)鈦，形成厚度為20mn的鈦膜；(2. 2)采用電子束蒸發(fā)金，形成厚度為400nm金膜；(2. 3)利用現(xiàn)有的剝離工藝(lift off)形成金電極31、 32，金電極31、 32之間的距離為5^im;(2. 4)將直徑為10 30nm碳納米管4與無水乙醇溶劑按0. 01mg/ml比例混合，經(jīng)超聲使碳納米管均勻分散；(2. 5)將lMHz， 8V的交流電壓加載到玻璃基底1上的金電極31、 32間，用微型注射器將碳納米管懸浮液滴到電極間，當溶劑揮發(fā)完全時，碳納米管將電極連通并定位在電極間，此時撤除所加電場；(2. 6)采用電子束蒸發(fā)二氧化硅，形成厚度為200nm的二氧化硅膜； (2. 7)利用反轉(zhuǎn)光刻膠AZ5214的剝離工藝，形成加固碳納米管與金電極接觸的二氧化硅層51、 52，并將定位好的碳納米管位于金電極31、 32間的部分暴露出來，形成碳納米管微氣泡發(fā)生器。(3) 將雙面拋光硅基底8按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(4) 將進液管7和凹槽9制備在玻璃基底1上，其過程為(4. l)采用熱氧化法，在硅基底8的上下表面形成二氧化硅保護層101、 102，厚度為l(im;(4.2) 利用現(xiàn)有雙面對準光刻工藝分別刻蝕二氧化硅保護層101、 102， 得到凹槽9和進液管7的窗口，凹槽9的窗口長度為900|^n，寬度為100^irn， 進液管7的的窗口直徑為80^m，進液管中心軸與凹槽底面中心距40(Vm;(4.3) 用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法，在硅基底8的上表面得到凹槽9， 深度為20|Lim;(4.4) 用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法，從硅基底8的下表面開始刻蝕進 液管7，進液管7與凹槽相通；(4. 5)采用濕法刻蝕的方法去除硅基底8上下表面的剩余二氧化硅保護 層101、 102;(5)將硅基底8和襯底1相對，通過陽極鍵合工藝，形成噴嘴6，并 制成微噴印閥。實施例2(1) 將玻璃基底1按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(2) 將碳納米管微氣泡發(fā)生器制備在玻璃基底1上，其過程為 (2. 1)采用濺射鈦，形成厚度為30nm的鈦膜；(2. 2)采用濺射金，形成厚度為300nm金膜；(2. 3)利用現(xiàn)有的剝離工藝(lift off)形成金電極31、 32，金電 極31、 32之間的距離為l|im;(2. 4)將直徑為10 30nm碳納米管4與無水乙醇溶劑按0. 005mg/ml比例混合，經(jīng)超聲使碳納米管均勻分散；(2. 5)將0.5MHz, 5V的交流電壓加載到玻璃基底1上的金電極31、 32間，用微型注射器將碳納米管懸浮液滴到電極間，當溶劑揮發(fā)完全時， 碳納米管將電極連通并定位在電極間，此時撤除所加電場；(2. 6)采用電子束蒸發(fā)法或濺射二氧化硅，形成厚度為lOOnm的二 氧化硅膜；(2. 7)利用反轉(zhuǎn)光刻膠的剝離工藝，形成加固碳納米管與金電極接觸 的二氧化硅層51、 52，并將定位好的碳納米管位于金電極31、 32間的部分 暴露出來，形成碳納米管微氣泡發(fā)生器。
(3) 將雙面拋光硅基底8按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(4) 將進液管7和凹槽9制備在玻璃基底1上，其過程為(4. 1)采用熱氧化法，在硅基底8的上下表面形成二氧化硅保護層 101、 102，厚度為1.5(im;(4.2) 利用現(xiàn)有雙面對準光刻工藝分別刻蝕二氧化硅保護層101、 102， 得到凹槽9和進液管7的窗口，凹槽9的窗口長度為500jim，寬度為70pm， 進液管7的的窗口直徑為50nm，進液管中心軸與凹槽底面中心相距300,;(4.3) 用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法，在硅基底8的上表面得到凹槽9， 深度為15,;(4.4) 用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法，從硅基底8的下表面開始刻蝕進 液管7，進液管7與凹槽相通；(4. 5)采用干法刻蝕的方法去除硅基底8上下表面的剩余二氧化硅保護 層101、 102;(5) 將硅基底8和襯底1相對，通過陽極鍵合工藝，形成噴嘴6，并 制成微噴印閥。實施例3(1) 將生長有氧化層的硅基底1按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(2) 將碳納米管微氣泡發(fā)生器制備在玻璃基底1上，其過程為 (2. 1)采用濺射鈦，形成厚度為30nm的鈦膜；(2. 2)采用濺射金，形成厚度為300nm金膜；(2. 3)利用現(xiàn)有的剝離工藝(lift off)形成金電極31、 32，金電 極31、 32之間的距離為lOpm;(2. 4)將直徑為10 30nm碳納米管4與無水乙醇溶劑按0. 05mg/ml比例混合，經(jīng)超聲使碳納米管均勻分散；(2. 5)將0.8MHz， 10V的交流電壓加載到玻璃基底l上的金電極31、32間，用微型注射器將碳納米管懸浮液滴到電極間，當溶劑揮發(fā)完全時，碳納米管將電極連通并定位在電極間，此時撤除所加電場；(2. 6)采用電子束蒸發(fā)法或濺射二氧化硅，形成厚度為300nm的二 氧化硅膜；(2. 7)利用反轉(zhuǎn)光刻膠的剝離工藝，形成加固碳納米管與金電極接觸 的二氧化硅層51、 52，并將定位好的碳納米管位于金電極31、 32間的部分 暴露出來，形成碳納米管微氣泡發(fā)生器。(3) 將雙面拋光硅基底8按標準CMOS工藝進行表面處理和清洗；(4) 將進液管7和凹槽9制備在玻璃基底1上，其過程為(4.1) 采用熱氧化法，在硅基底8的上下表面形成二氧化硅保護層 101、 102，厚度為O. 5|um;(4.2) 利用現(xiàn)有雙面對準光刻工藝分別刻蝕二氧化硅保護層101、 102，得到凹槽9和進液管7的窗口，凹槽9的窗口長度為900^im，寬度為 lOO^im,進液管7的的窗口直徑為80pm，進液管中心軸與凹槽底面中心相距 400,;(4. 3)用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法，在硅基底8的上表面得到凹槽9， 深度為20pm;(4.4)用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法，從硅基底8的下表面開始刻蝕 進液管7，進液管7與凹槽相通；(4. 5)采用干法刻蝕的方法去除硅基底8上下表面的剩余二氧化硅保 護層101、 102;(5) 將硅基底8和襯底1相對，通過陽極鍵合工藝，形成噴嘴6， 并制成微噴印閥。
權(quán)利要求
1、一種基于碳納米管微氣泡發(fā)生器的噴印閥，其特征在于襯底(1)為玻璃片或生長有氧化層的硅片，在襯底(1)上設(shè)置有二個金電極(31、32)，在二個金電極(31、32)與襯底(1)之間鍍有鈦粘結(jié)層(21、22)，鈦粘結(jié)層(21、22)的厚度為10～30nm，二個金電極(31、32)之間的距離為1～10μm，金電極(31、32)的厚度為300～400nm；碳納米管(4)架設(shè)于金電極(31、32)之間，碳納米管(4)的直徑為10～30nm；碳納米管(4)與金電極(31、32)的接觸部位覆蓋有厚度為100～200nm的二氧化硅層(51、52)；碳納米管(4)、二個金電極(31、32)以及二氧化硅層(51、52)構(gòu)成碳納米管微氣泡發(fā)生器；硅基底(8)上開有直徑為30～80μm的通孔作為進液管(7)；在硅基底(8)的表面開有與進液管(7)相連的凹槽(9)，凹槽(9)的長度為300～900μm，寬度為40～100μm；襯底(1)與硅基底(8)鍵合，使上述碳納米管微氣泡發(fā)生器與凹槽(9)的位置相對，形成噴嘴(6)。
2、 一種制備權(quán)利要求l所述噴印閥的方法，其步驟包括(1)按照步驟(Al) (A3)在襯底上制作碳納米管微氣泡發(fā)生器， 按照步驟(Bl) (B5)對硅基底進行處理(Al)采用電子束蒸發(fā)或濺射，在清洗后的襯底上依次形成厚度為10 30nm的鈦膜和厚度為300 400nm金膜；再利用現(xiàn)有剝離工藝形成二個金電 極，二個金電極之間的距離為l 10|iim;(A2)在上述金電極上加載交流電壓，再將碳納米管懸浮液滴到電極間， 碳納米管懸浮液由直徑為10 30nm碳納米管與無水乙醇溶劑按0. 005 0.05mg/ml比例混合而成；當碳納米管將電極連通并定位在電極間時，撤除 所加交流電壓；(A3)在碳納米管與金電極的接觸部位形成厚度為100 300mn的二氧 化硅膜，形成碳納米管微氣泡發(fā)生器；(Bl)在清冼后的硅基底的上下表面形成二氧化硅保護層，厚度為 0. 5 1. 5|am;(B2)分別刻蝕上述二氧化硅保護層，得到凹槽和進液管的窗口，凹 槽的窗口長度為300 90(^m，寬度為40 100)Lim，進液管的的窗口直徑為 30 80fim，進液管中心軸與凹槽底面中心相距200 400pm ;(B3)在硅基底的上表面刻蝕得到凹槽，凹槽深度為10 30pm;(B4)在硅基底的下表面刻蝕形成進液管，使進液管與凹槽相通；(B5)去除硅基底上下表面的剩余二氧化硅保護層；(2)將硅基底和襯底相對，鍵合形成噴嘴，得到微噴印閥。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于碳納米管微氣泡發(fā)生器的噴印閥及其制備方法。噴印閥由制作有碳納米管微氣泡發(fā)生器的玻璃襯底或硅襯底和經(jīng)微加工的硅基底鍵合而成。碳納米管、二個金電極以及二氧化硅層構(gòu)成碳納米管微氣泡發(fā)生器；碳納米管架設(shè)于金電極之間；碳納米管與金電極的接觸部位覆蓋二氧化硅層；硅基底上開有通孔作為進液管，在硅基底的表面開有與進液管相連的凹槽；襯底與硅基底鍵合，使碳納米管微氣泡發(fā)生器與凹槽的位置相對，形成噴嘴。其制備方法是在襯底上制作碳納米管微氣泡發(fā)生器，在硅基底上制作進液管和凹槽，再將二者鍵合即可。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)微氣泡發(fā)生器功耗大的缺點，并具有良好的高密度集成的潛力，在先進制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號B41J2/16GK101130300SQ200710053288
公開日2008年2月27日 申請日期2007年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月20日
發(fā)明者軍 于, 周文利, 朱文鋒, 王耘波, 高俊雄 申請人:華中科技大學(xué)