JP6789764B2

JP6789764B2 - 液滴噴射装置

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Publication number: JP6789764B2
Application number: JP2016216322A
Authority: JP
Inventors: 周平横山; 敏海宝
Original assignee: Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba TEC Corp
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2036-11-04
Also published as: JP2018069206A

Description

本発明の実施形態は、液滴噴射装置に関する。

生物学、薬学などの分野の研究開発や医療診断や検査、農業試験において、ピコリットル（ｐＬ）からマイクロリットル（μＬ）の液体を分注する操作を行うことがある。例えばガン細胞に対して、効果的に攻撃するのに必要な化合物の濃度を決定するステージにおいて、低容量の液体の分注は重要な作業である。

これらは一般に用量応答実験と呼ばれ、化合物の有効濃度を決定するため、多くの異なった濃度の化合物をマイクロプレートのウエルなどの容器内に作成する。このような用途で使用されるオンデマンド型の液滴噴射装置がある。この液滴噴射装置は、例えば、溶液を保持する溶液保持容器と、溶液を吐出するノズルと、溶液保持容器とノズルとの間に配置される圧力室と、圧力室内の溶液の圧力を制御するアクチュエータとを備える。

この液滴噴射装置は、ノズルから吐出される１滴の液量がｐＬオーダーであり、滴下回数を制御することにより、各ウエルにｐＬからμＬのオーダーの液体を滴下することが可能である。そのため、用量応答実験に代表される多くの化合物を、異なった濃度で分注する作業や、ｐＬからナノリットル（ｎＬ）の極微少量の分注作業に適した装置である。

用量応答実験においては、多種類の溶液を使用する。また医療、バイオ用途においては、コンタミネーションを防止するため、液滴噴射装置は使い捨てとすることが望ましい。それ故、オンデマンド型液滴噴射装置は、滴下装置へ交換装着が可能な形状である。

この液滴噴射装置が備えるアクチュエータとしては、圧電アクチュエータがノズルを有する面に形成された構造も可能であり、例えばインクジェットヘッド用途として、特許文献２が開示されている。

米国特許公開ＵＳ２０１４／０１９３３０９特開２０１５−００９４４８号公報

この従来技術のアクチュエータはノズルを有する面に形成されているため、液滴噴射装置のアクチュエータとアクチュエータに接続された制御信号を送るための配線の一部は、溶液を吐出する面（液滴噴射装置の裏面）側に配置されることになる。

そのため、液滴噴射装置を保管ケースから取り出す際に、アクチュエータ又は配線が保管ケースの一部などに接触した場合に、アクチュエータや配線が破損する可能性がある。さらに、滴下装置に装着されていた使用済みの液滴噴射装置と、未使用の液滴噴射装置とを交換する作業時などに、未使用の液滴噴射装置を滴下装置が設置されたテーブルの上に一時置きすることがある。このような際に、未使用の液滴噴射装置の溶液吐出面側を下に向けた状態で置いた場合には、アクチュエータ又は配線がテーブルに接触し、アクチュエータや配線が破損する可能性がある。

本実施形態の課題は、保管ケースへの収納、取出し作業や、滴下装置への装着作業などにおいて、アクチュエータとアクチュエータに接続された配線が破損することがない液滴噴射装置を提供することである。

実施形態の液滴噴射装置は、液滴噴射部と、溶液保持容器と、アクチュエータと、電装基板と、ベース部材とを有する。液滴噴射部は、溶液を吐出するノズルに連通し、内部に溶液が充填される圧力室が形成され、前記溶液を前記ノズルから吐出する側の第１の面と前記圧力室へ溶液を供給する側の第２の面を有する。溶液保持容器は、前記第２の面に装着され、溶液を受ける溶液受け口と、前記圧力室内に連通する溶液出口を有する。アクチュエータは、前記圧力室内の圧力を変化させ、前記圧力室内の溶液を前記ノズルから吐出させる。電装基板は、前記アクチュエータに接続される配線を有する。ベース部材は、前記液滴噴射部を保持する。前記ベース部材は、前記電装基板の装着用の電装基板用凹陥部と、この電装基板用凹陥部と連通する前記液滴噴射部の装着用の開口部とが形成される。前記第１の面から前記配線までの溶液吐出方向の距離Ｌ１は、前記第１の面から前記ベース部材の溶液吐出方向の端面までの距離Ｌ２より短い。

図１は、第１の実施形態の液滴噴射装置が搭載される溶液滴下装置の全体の概略構成を示す斜視図である。図２は、第１の実施形態の液滴噴射装置を示す上面（溶液保持容器側）の平面図である。図３は、第１の実施形態の液滴噴射装置を示す下面（液滴噴射側）の平面図である。図４は、図２のＦ４−Ｆ４線断面図である。図５は、第１の実施形態の液滴噴射装置の液滴噴射アレイを示す平面図である。図６は、図５のＦ６−Ｆ６線断面図である。図７は、第１の実施形態に係る液滴噴射装置のノズルの周辺構造を示す縦断面図である。図８は、第２の実施形態に係る液滴噴射装置の要部構造を示す縦断面図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際のものと異なる個所があるが、これらは適宜、設計変更することができる。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の液滴噴射装置の一例について図１乃至図７を参照して説明する。図１は、溶液の滴下装置１で使用される本実施形態の液滴噴射装置２の使用例を示す斜視図である。図２は、液滴噴射装置２の上面図であり、図３は液滴噴射装置２の液滴を噴射する面である下面図を示す。図４は、図２のＦ４−Ｆ４線断面図を示す。図５は、第１の実施形態の液滴噴射装置２の液滴噴射アレイ２７を示す平面図である。図６は、図５のＦ６−Ｆ６線断面図である。図７は、液滴噴射装置２のノズル１１０の周辺構造を示す縦断面図である。

溶液の滴下装置１は、矩形平板状の基台３と、液滴噴射装置装着モジュール５と、を有する。本実施形態では、９６穴のマイクロプレート４へ溶液を滴下する実施形態について説明する。ここでは、基台３の前後方向をＸ方向、基台３の左右方向をＹ方向と称する。Ｘ方向とＹ方向とは直交する。

マイクロプレート４は、基台３の中央位置に固定されている。基台３の上には、マイクロプレート４の両側に、Ｘ方向に延設された左右一対のＸ方向ガイドレール６ａ、６ｂを有する。各Ｘ方向ガイドレール６ａ、６ｂの両端部は、基台３上に突設された、固定台７ａ、７ｂに固定されている。

Ｘ方向ガイドレール６ａ、６ｂ間には、Ｙ方向に延設されたＹ方向ガイドレール８が架設されている。Ｙ方向ガイドレール８の両端は、Ｘ方向ガイドレール６ａ、６ｂに沿ってＸ方向に摺動可能なＸ方向移動台９にそれぞれ固定されている。

Ｙ方向ガイドレール８には、液滴噴射装置装着モジュール５がＹ方向ガイドレール８に沿ってＹ方向に移動可能なＹ方向移動台１０が設けられている。このＹ方向移動台１０には、液滴噴射装置装着モジュール５が装着されている。この液滴噴射装置装着モジュール５には、本実施形態の液滴噴射装置２が固定されている。これにより、Ｙ方向移動台１０がＹ方向ガイドレール８に沿ってＹ方向に移動する動作と、Ｘ方向移動台９がＸ方向ガイドレール６ａ、６ｂに沿ってＸ方向に移動する動作との組み合わせにより、液滴噴射装置２は、直交するＸＹ方向の任意の位置に移動可能に支持されている。

第１の実施形態の液滴噴射装置２は、平板状のベース部材２１を有する。図２に示すようにこのベース部材２１の表面（上面）側には、複数、本実施形態では８個の溶液保持容器２２がＹ方向に一列に並設されている。溶液保持容器２２は、図４に示すように上面が開口された有底円筒形状の容器である。ベース部材２１の表面側には、各溶液保持容器２２と対応する位置に円筒形状の凹陥部２１ａが形成されている。溶液保持容器２２の底部は、この凹陥部２１ａに接着固定されている。さらに、溶液保持容器２２の底部には、中心位置に溶液出口となる開口部２２ａが形成されている。上面開口部２２ｂの開口面積は、溶液出口の開口部２２ａの開口面積よりも大きくなっている。

図３に示すようにベース部材２１の裏面（下面）側には、溶液保持容器２２と同数、本実施形態では８個の電装基板２３がＹ方向に一列に並設されている。電装基板２３は、矩形状の平板部材である。ベース部材２１の裏面側には、図４に示すように電装基板２３の装着用の矩形状の凹陥部２１ｂと、この凹陥部２１ｂと連通する液滴噴射アレイ部開口２１ｄとが形成されている。凹陥部２１ｂの基端部は、ベース部材２１の図３中で上端部の近傍位置（図４中で右端部の近傍位置）まで延設されている。凹陥部２１ｂの先端部は、図４に示すように溶液保持容器２２の一部と重なる位置まで延設されている。電装基板２３は、凹陥部２１ｂの内底面２１ｂ１に接着固定されている。

電装基板２３には、凹陥部２１ｂの内底面２１ｂ１との接着固定面とは反対側の面に電装基板配線２４がパターニング形成されている。この電装基板配線２４には、後述する液滴噴射アレイ２７に形成された下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃとそれぞれ接続される２つの配線パターン２４ａ、２４ｂが形成されている。

電装基板配線２４の一端部には、外部からの制御信号を入力するための制御信号入力端子２５が形成されている。電装基板配線２４の他端部には、電極端子接続部２６を備える。電極端子接続部２６は、図５に示す後述する液滴噴射アレイ２７に形成された下部電極端子部１３１ｃ及び上部電極端子部１３３ｃと接続するための接続部である。

また、ベース部材２１には、液滴噴射アレイ部開口２１ｄの貫通穴が設けられている。液滴噴射アレイ部開口２１ｄは、図３に示すように矩形状の開口部で、ベース部材２１の裏面側に凹陥部２１ａと重なる位置に形成されている。

溶液保持容器２２の下面には、８個の溶液保持容器２２の開口部２２ａをそれぞれ覆う状態で図５に示す液滴噴射アレイ（液滴噴射部）２７がそれぞれ接着固定されている。この液滴噴射アレイ２７は、ベース部材２１の液滴噴射アレイ部開口２１ｄと対応する位置に配置されている。

図６に示すように液滴噴射アレイ２７は、ノズルプレート１００と、圧力室構造体２００とが積層されて形成されている。図７に示すようにノズルプレート１００は、溶液を吐出するノズル１１０と、振動板１２０と、駆動部である駆動素子１３０と、保護層である保護膜１５０と、撥液膜１６０とを備える。振動板１２０と駆動素子１３０によってアクチュエータ１７０が構成されている。本実施形態では、図５に示すように複数のノズル１１０は、例えば３×３列に配列される。

振動板１２０は、例えば圧力室構造体２００と一体に形成される。圧力室構造体２００を製造するためのシリコンウエハ２０１を酸素雰囲気で加熱処理すると、シリコンウエハ２０１の表面にＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜が形成される。振動板１２０は、酸素雰囲気で加熱処理して形成されるシリコンウエハ２０１の表面のＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を用いる。振動板１２０は、シリコンウエハ２０１の表面にＣＶＤ法（化学的気相成膜法）でＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を成膜して形成しても良い。

振動板１２０の膜厚は、１〜３０μｍの範囲が好ましい。振動板１２０は、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜に代えて、ＳｉＮ（窒化シリコン）等の半導体材料、或いは、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）等を用いることもできる。

駆動素子１３０は、各ノズル１１０毎に形成されている。駆動素子１３０は、ノズル１１０を囲む円環状の形状である。駆動素子１３０の形状は限定されず、例えば円環の一部を切り欠いたＣ字状でも良い。図７に示すように駆動素子１３０は、圧電体である圧電体膜１３２を挟んで下部電極１３１の電極部１３１ａと、上部電極１３３の電極部１３３ａとを備える。電極部１３１ａと、圧電体膜１３２及び電極部１３３ａは、ノズル１１０と同軸であり、同じ大きさの円形パターンである。

下部電極１３１は、円形の複数のノズル１１０と同軸の円形の複数の電極部１３１ａをそれぞれ備える。例えば、ノズル１１０の直径を２０μｍとし、電極部１３１ａの外径を１３３μｍ、内径を４２μｍとする。さらに、下部電極１３１は、図７に示すように複数の電極部１３１ａを接続する配線部１３１ｂを備え、配線部１３１ｂの端部に端子部１３１ｃ（図５参照）を備える。なお、図５中では駆動素子１３０として下部電極１３１の電極部１３１ａと、上部電極１３３の電極部１３３ａとが重なった状態で示されている。

駆動素子１３０は、下部電極１３１の電極部１３１ａ上に例えば厚さ２μｍの圧電材料である圧電体膜１３２を備える。圧電体膜１３２は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。圧電体膜１３２は、例えばノズル１１０と同軸であって、電極部１３１ａと同一形状の外径が１３３μｍ、内径が４２μｍの円環状の形状である。圧電体膜１３２の膜厚は、概ね１〜３０μｍの範囲となる。圧電体膜１３２は、例えばＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ_３：チタン酸鉛）、ＰＭＮＴ（Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＺＮＴ（Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＺｎＯ、ＡｌＮ等の圧電材料を用いることもできる。

圧電体膜１３２は、厚み方向に分極を発生する。分極と同じ方向の電界を圧電体膜１３２に印加すると、圧電体膜１３２は、電界方向と直交する方向に伸縮する。言い換えると、圧電体膜１３２は、膜厚に対して直交する方向に収縮し、或いは伸長する。

駆動素子１３０の上部電極１３３は、圧電体膜１３２上にノズル１１０と同軸であって、圧電体膜１３２と同一形状の外径が１３３μｍ、内径が４２μｍの円環状の形状である。図５に示すように上部電極１３３は、複数の電極部１３３ａを接続する配線部１３３ｂを備え、配線部１３３ｂの端部に端子部１３３ｃを備える。上部電極１３３を一定電圧に接続した場合は、下部電極１３１へ電圧制御信号を印加する。

下部電極１３１は、例えばスパッタリング法によりＴｉ（チタン）とＰｔ（白金）を積層して厚さ０．５μｍに形成する。下部電極１３１の膜厚は、概ね０．０１〜１μｍの範囲となる。下部電極１３１は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｕ（金）、ＳｒＲｕＯ_３（ストロンチウムルテニウム酸化物）等の他の材料を使用できる。下部電極１３１は、各種金属を積層して使用することもできる。

上部電極１３３は、Ｐｔ薄膜で形成した。薄膜の成膜はスパッタリング法を用い、膜厚０．５μｍとした。上部電極１３３の他の電極材料として、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ、ＳｒＲｕＯ_３などを利用することも可能である。他の成膜法として、蒸着、鍍金を用いることも可能である。上部電極１３３は、各種金属を積層して使用することもできる。上部電極１３３の望ましい膜厚は０．０１から１μｍである。

ノズルプレート１００は、下部電極１３１と、上部電極１３３とを絶縁する絶縁膜１４０を備える。絶縁膜１４０は、例えば、厚さ０．５μｍのＳｉＯ_２（酸化シリコン）を用いる。絶縁膜１４０は、駆動素子１３０の領域にあっては、電極部１３１ａと、圧電体膜１３２及び電極部１３３ａの周縁を覆う。絶縁膜１４０は、下部電極１３１の配線部１３１ｂを覆う。絶縁膜１４０は、上部電極１３３の配線部１３３ｂの領域で振動板１２０を覆う。絶縁膜１４０は、上部電極１３３の電極部１３３ａと配線部１３３ｂを電気的に接続するコンタクト部１４０ａを備える。

ノズルプレート１００は、駆動素子１３０を保護する例えばポリイミドの保護膜１５０を備える。保護膜１５０は、振動板１２０のノズル１１０に連通する円筒状の溶液通過部１４１を備える。溶液通過部１４１は、振動板１２０のノズル１１０の直径と同じ直径２０μｍである。

保護膜１５０は、他の樹脂またはセラミックス等の他の絶縁性の材料を利用することもできる。他の樹脂として、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、オイルエーテルサルフォン等がある。セラミックスとして、例えばジルコニア、炭化シリコン、窒化シリコン、酸化シリコン等がある。保護膜１５０の膜厚は、概ね１〜５０μｍの範囲にある。

保護膜１５０の材料選択においては、ヤング率、耐熱性、絶縁性、熱膨張係数、平滑性、溶液に対する濡れ性も考慮する。なお、絶縁性は、導電率の高い溶液を使用した状態で駆動素子１３０を駆動時に、上部電極１３３と接触することによる溶液変質の影響を考慮する。

ノズルプレート１００は、保護膜１５０を覆う撥液膜１６０を備える。撥液膜１６０は、溶液をはじく特性のある例えばシリコーン系樹脂をスピンコーティングして形成される。撥液膜１６０は、フッ素含有樹脂等の溶液をはじく特性を有する材料で形成することもできる。撥液膜１６０の厚さは、例えば０．５μｍである。

圧力室構造体２００は、例えば厚さ５２５μｍのシリコンウエハ２０１を用いて形成される。圧力室構造体２００は、振動板１２０と反対側の面に、反り低減層である反り低減膜２２０を備える。圧力室構造体２００は、反り低減膜２２０を貫通して振動板１２０の位置に達し、ノズル１１０と連通する圧力室２１０を備える。圧力室２１０は、例えばノズル１１０と同軸上に位置する直径１９０μｍの円形に形成される。圧力室２１０の形状、及びサイズは限定されない。

但し第１の実施形態では、圧力室２１０は溶液保持容器２２の開口部２２ａに連通する開口部を備えている。圧力室２１０の開口部の幅方向のサイズＤより、深さ方向のサイズＬを大きくすることが好ましい。深さ方向のサイズＬ＞幅方向のサイズＤとすることにより、ノズルプレート１００の振動板１２０の振動により、圧力室２１０内の溶液にかかる圧力が、溶液保持容器２２へ逃げるのを遅らせる。

圧力室構造体２００は、振動板１２０が配置される側を第１の面２００ａとし、反り低減膜２２０が配置される側を第２の面２００ｂとする。圧力室構造体２００の反り低減膜２２０側には例えばエポキシ系接着剤により溶液保持容器２２が接着される。圧力室構造体２００の圧力室２１０は、反り低減膜２２０側の開口部で、溶液保持容器２２の開口部２２ａに連通する。溶液保持容器２２の開口部２２ａの開口面積は、液滴噴射アレイ２７に形成された全ての圧力室２１０の溶液保持容器２２の開口部２２ａに連通する開口部の開口面積より大きくなっている。それ故、液滴噴射アレイ２７に形成された全ての圧力室２１０は、溶液保持容器２２の開口部２２ａに連通している。

反り低減膜２２０は、例えば圧力室構造体２００を製造するためのシリコンウエハ２０１を酸素雰囲気で加熱処理して、シリコンウエハ２０１の表面に形成される厚さ４μｍのＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を用いる。反り低減膜２２０は、シリコンウエハ２０１の表面にＣＶＤ法（化学的気相成膜法）でＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を成膜して形成しても良い。反り低減膜２２０は、液滴噴射アレイ２７に生じる反りを低減する。

反り低減膜２２０は、シリコンウエハ２０１の振動板１２０側と対向する側にあって、シリコンウエハ２０１の反りを低減する。反り低減膜２２０は、圧力室構造体２００と振動板１２０との膜応力の違い、更には、駆動素子１３０の各種構成膜の膜応力の違い等によるシリコンウエハ２０１の反りを低減する。反り低減膜２２０は、成膜プロセスを用いて液滴噴射アレイ２７の構成部材を作成する場合に、液滴噴射アレイ２７が反るのを低減する。

反り低減膜２２０の材料及び膜厚等は振動板１２０と異なるものであっても良い。但し、反り低減膜２２０を振動板１２０と同じ材料で同じ膜厚とすれば、シリコンウエハ２０１の両面にての振動板１２０との膜応力の違いと反り低減膜２２０との膜応力の違いは同じになる。そのため、反り低減膜２２０を振動板１２０と同じ材料で同じ膜厚とすれば、液滴噴射アレイ２７に生じる反りをより効果的に低減する。

振動板１２０は、面状の駆動素子１３０の動作により厚み方向に変形する。液滴噴射装置２は、振動板１２０の変形により圧力室構造体２００の圧力室２１０内に発生する圧力変化によって、ノズル１１０に供給された溶液を吐出する。

液滴噴射アレイ２７の製造方法の一例について述べる。液滴噴射アレイ２７は、先ず圧力室構造体２００を形成するためのシリコンウエハ２０１の両面の全面に、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を成膜する。シリコンウエハ２０１の一方の面に形成したＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を振動板１２０として用いる。シリコンウエハ２０１の他方の面に形成したＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を反り低減膜２２０として用いる。

例えばバッチ式の反応炉を用いて、酸素雰囲気で加熱処理する熱酸化法によって、例えば円板状のシリコンウエハ２０１の両面にＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を形成する。次に、成膜プロセスにより、円板状のシリコンウエハ２０１に複数個のノズルプレート１００及び圧力室２１０を形成する。ノズルプレート１００及び圧力室２１０を形成後、円板状のシリコンウエハ２０１を切って、ノズルプレート１００と一体の、複数の圧力室構造体２００に分離する。円板状のシリコンウエハ２０１を用いて、複数個の液滴噴射アレイ２７を一度に量産できる。シリコンウエハ２０１は円板状でなくても良い。１枚の矩形のシリコンウエハ２０１を用いて、一体のノズルプレート１００と圧力室構造体２００とを個別に形成しても良い。

シリコンウエハ２０１に形成される振動板１２０を、エッチングマスクを用いてパターニングしてノズル１１０を形成する。パターニングは、エッチングマスクの材料として、感光性レジストを用いる。振動板１２０の表面に感光性レジストを塗布後、露光及び現像して、ノズル１１０に相当する開口部をパターニングしたエッチングマスクを形成する。エッチングマスク上から振動板１２０を圧力室構造体２００に達するまでドライエッチングして、ノズル１１０を形成する。振動板にノズル１１０を形成後、例えば剥離液を用いてエッチングマスクを除去する。

次にノズル１１０が形成された振動板１２０の表面に、駆動素子１３０、絶縁膜１４０、保護膜１５０および撥液膜１６０を形成する。駆動素子１３０、絶縁膜１４０、保護膜１５０および撥液膜１６０の形成は、成膜工程と、パターニングする工程を繰り返す。成膜工程は、スパッタリング法或いはＣＶＤ法、スピンコーティング法等により行う。パターニングは、例えば感光性レジストを用いて膜上にエッチングマスクを形成し、膜材料をエッチングした後、エッチングマスクを除去することで行う。

振動板１２０の上に、下部電極１３１、圧電体膜１３２及び上部電極１３３の材料を積層成膜する。下部電極１３１の材料として、Ｔｉ（チタン）膜とＰｔ（白金）膜をスパッタリング法により順に成膜する。Ｔｉ（チタン）及びＰｔ（白金）膜は、蒸着法或いは鍍金により形成しても良い。

下部電極１３１の上に、圧電体膜１３２の材料として、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：チタン酸ジルコン酸鉛）を基板温度３５０℃にてＲＦマグネトロンスパッタリング法により成膜する。ＰＺＴを成膜後、５００℃で３時間熱処理することによりＰＺＴは、良好な圧電性能を得る。ＰＺＴ膜は、ＣＶＤ（化学的気相成膜法）、ゾルゲル法、ＡＤ（エアロゾルデポジション）法、水熱合成法により形成しても良い。

圧電体膜１３２の上に、上部電極１３３の材料として、Ｐｔ（白金）膜をスパッタリング法により成膜する。成膜したＰｔ（白金）膜上に、下部電極１３１の材料膜を残して、上部電極１３３の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を残すエッチングマスクを作る。エッチングマスク上からエッチングをして、Ｐｔ（白金）とＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：チタン酸ジルコン酸鉛）の膜を除去し、上部電極の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を形成する。

次に、上部電極の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を形成した下部電極１３１材料の上に、下部電極１３１の電極部１３１ａ、配線部１３１ｂ及び端子部１３１ｃを残すエッチングマスクを作る。エッチングマスク上からエッチングをして、Ｔｉ（チタン）及びＰｔ（白金）の膜を除去し、下部電極１３１を形成する。

下部電極１３１、上部電極の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を形成した振動板１２０上に、絶縁膜１４０の材料として、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を成膜する。ＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜は、例えばＣＶＤ法により低温成膜して良好な絶縁性を得る。成膜したＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜をパターニングして絶縁膜１４０を形成する。

絶縁膜１４０を形成した振動板１２０上に、上部電極１３３の配線部１３３ｂ及び端子部１３３ｃの材料として、Ａｕ（金）をスパッタリング法により成膜する。Ａｕ（金）膜は、蒸着法或いはＣＶＤ法、又は鍍金により形成しても良い。成膜したＡｕ（金）膜上に上部電極１３３の電極配線部１３３ｂ及び端子部１３３ｃを残すエッチングマスクを作る。エッチングマスク上からエッチングをして、Ａｕ（金）の膜を除去し、上部電極１３３の電極配線部１３３ｂ及び端子部１３３ｃを形成する。

上部電極１３３を形成した振動板１２０上に、保護膜１５０の材料であるポリイミド膜を成膜する。ポリイミド膜は、振動板１２０上にポリイミド前駆体を含む溶液をスピンコーティング法により塗布し、ベークによる熱重合及び溶剤を除去して成膜する。成膜したポリイミド膜をパターニングして、溶液通過部１４１、下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃを露出する保護膜１５０を形成する。

保護膜１５０上に撥液膜１６０の材料であるシリコーン系樹脂膜をスピンコーティング法により塗布し、ベークによる熱重合及び溶剤を除去して成膜する。成膜したシリコーン系樹脂膜をパターニングして、ノズル１１０、溶液通過部１４１、下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃを露出する撥液膜１６０を形成する。

撥液膜１６０上に、例えばシリコンウエハ２０１のＣＭＰ（化学機械研磨）用の裏面保護テープを、カバーテープとして貼り付けて撥液膜１６０を保護し、圧力室構造体２００をパターニングする。シリコンウエハ２０１の反り低減膜２２０上に、圧力室２１０の直径１９０μｍを露出するエッチングマスクを形成し、まず、反り低減膜２２０をＣＦ_４（４フッ化カーボン）とＯ_２（酸素）の混合ガスによってドライエッチングする。次に、例えばＳＦ_６（６フッ化硫黄）とＯ_２の混合ガスで、シリコンウエハ専用の垂直深堀ドライエッチングをする。ドライエッチングは、振動板１２０に当接する位置で止め、圧力室構造体２００に圧力室２１０を形成する。

圧力室２１０を形成するエッチングは、薬液を用いるウェットエッチング法、プラズマを用いてのドライエッチング法等で行っても良い。エッチング終了後、エッチングマスクを除去する。撥液膜１６０上に貼り付けたカバーテープに紫外線を照射して接着性を弱めてから、カバーテープを撥液膜１６０から剥がし、円板状のシリコンウエハ２０１を切断することにより、複数個の液滴噴射アレイ２７が分離形成される。

次に、液滴噴射装置２の製造方法について説明する。液滴噴射アレイ２７と溶液保持容器２２を接着させる。このとき、液滴噴射アレイ２７における圧力室構造体２００の反り低減膜２２０側（第２の面２００ｂ側）に、溶液保持容器２２の底面（開口部２２ａ側の面）を接着する。

その後、液滴噴射アレイ２７と接着した溶液保持容器２２をベース部材２１の凹陥部２１ａに接着する。続いて、ベース部材２１の裏面側の凹陥部２１ｂの内底面２１ｂ１に電装基板２３を接着する。このとき、電装基板２３は、電装基板配線２４を図４、図６中で下面側（ノズルプレート１００が圧力室２１０と接触する面と反対側の面）に配置させる状態で、ベース部材２１の凹陥部２１ｂの内底面２１ｂ１に電装基板２３を接着する。

続いて、電装基板配線２４の電極端子接続部２６と、液滴噴射アレイ２７の下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃとを、ワイヤ配線１２で接続する。他の接続方法として、フレキシブルケーブルを用いた方法等がある。これは、フレキシブルケーブルの電極パッドと電極端子接続部２６、又は端子部１３１ｃ、端子部１３３ｃを異方性導電フィルムにて熱圧着して電気的接続する方法である。

電装基板配線２４のもう一方の端子は、制御信号入力端子２５であり、例えば、図示しない制御回路から出力される制御信号を入力する板バネコネクタと接触できる形状となっている。これにより液滴噴射装置２が形成される。

次に、上記構成の作用について説明する。本実施形態の液滴噴射装置２は、溶液の滴下装置１の液滴噴射装置装着モジュール５に固定して使用される。液滴噴射装置２の使用時には、まず、溶液保持容器２２の上面開口部２２ｂから図示しないピペッターなどにより、溶液を所定量、溶液保持容器２２に供給する。溶液は、溶液保持容器２２の内面で保持される。溶液保持容器２２の底部の開口部２２ａは、液滴噴射アレイ２７と連通している。溶液保持容器２２に保持された溶液は、溶液保持容器２２の底面の開口部２２ａを介して液滴噴射アレイ２７の各圧力室２１０へ充填される。

この状態で、電装基板配線２４の制御信号入力端子２５に入力された電圧制御信号は、電装基板配線２４の電極端子接続部２６から下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃへ送られる。このとき、駆動素子１３０への電圧制御信号の印加に対応して、振動板１２０が変形して圧力室２１０の容積を変化させることにより、液滴噴射アレイ２７のノズル１１０から溶液が溶液滴として吐出される。そして、ノズル１１０から、マイクロプレート４の各ウエル４ｂに所定量の液体を滴下する。

ノズル１１０から吐出される１滴の液量は、２から５ピコリットルである。そのため、滴下回数を制御することにより、各ウエル４ｂにｐＬからμＬのオーダーの液体を滴下制御することが可能となる。

また、本実施形態の液滴噴射装置２においては、液滴噴射アレイ２７（液滴噴射部）の第１の面は、圧力室構造体２００の第１の面２００ａに相当する。アクチュエータ１７０は、圧力室構造体２００の第１の面２００ａに配置された振動板１２０と駆動素子１３０である。ノズル１１０は、圧力室構造体２００の第１の面２００ａ側の振動板１２０と駆動素子１３０に形成されている。アクチュエータ１７０に接続された配線は、液滴噴射アレイ２７の駆動素子１３０に接続された下部電極１３１の配線部１３１ｂと、端子部１３１ｃと、上部電極１３３の配線部１３３ｂと、端子部１３３ｃと、ワイヤ配線１２と、電装基板２３の電装基板配線２４である。

また、本実施形態の液滴噴射装置２においては、ベース部材２１は、電装基板２３の装着用の凹陥部２１ｂと、この凹陥部２１ｂと連通する液滴噴射アレイ２７の装着用の液滴噴射アレイ部開口２１ｄとが形成されている。そして、電装基板２３は、凹陥部２１ｂの内底面２１ｂ１に接着固定されている。溶液保持容器２２の下面に接着された液滴噴射アレイ２７は、ベース部材２１の液滴噴射アレイ部開口２１ｄと対応する位置に配置されている。

図４に示すように、液滴噴射アレイ２７の第１の面である圧力室構造体２００の第１の面２００ａからベース部材２１の裏面２１ｃ（溶液吐出側の面）までの距離を第２の距離Ｌ２とする。液滴噴射アレイ２７の駆動素子１３０に接続された配線の内、圧力室構造体２００の第１の面２００ａから溶液吐出方向に最も離れた位置にあるのはワイヤ配線１２であり、圧力室構造体２００の第１の面２００ａからワイヤ配線１２の底面側の面（溶液吐出側の面）までの距離を第１の距離Ｌ１とする。

第１の実施形態の液滴噴射装置２においては、圧力室構造体２００の第１の面２００ａからベース部材２１の裏面２１ｃ（溶液吐出側の面）までの第２の距離Ｌ２は、圧力室構造体２００の第１の面２００ａからワイヤ配線１２の底面側の面（溶液吐出側の面）までの第１の距離Ｌ１より長い。そのため、アクチュエータ１７０に接続された各配線（下部電極１３１の配線部１３１ｂと、端子部１３１ｃと、上部電極１３３の配線部１３３ｂと、端子部１３３ｃと、ワイヤ配線１２と、電装基板２３の電装基板配線２４）は、全てベース部材２１の凹陥部２１ｂと、液滴噴射アレイ部開口２１ｄの内部に収納されている。したがって、液滴噴射装置２を、保管ケースへ収納する作業や、取出しや、滴下装置１への装着作業において、駆動素子１３０又は上記各配線がベース部材２１の裏面２１ｃ（溶液吐出側の面）から外部側に突出されることはない。このため、駆動素子１３０又は上記各配線１３１ｂ、１３１ｃ、１３３ｂ、１３３ｃ、１２、２４が保管ケースの一部に接触することを防止できるので、駆動素子１３０又は上記各配線１３１ｂ、１３１ｃ、１３３ｂ、１３３ｃ、１２、２４が保管ケースの一部に接触して破損したり、テーブルの上に溶液吐出面側を下にして置いてしまい破損したりすることがない。その結果、保管ケースへの収納、取出し作業や、滴下装置への装着、取出し作業などにおいて、アクチュエータ１７０とこのアクチュエータ１７０に接続された上記各配線１３１ｂ、１３１ｃ、１３３ｂ、１３３ｃ、１２、２４が破損することがない液滴噴射装置２を提供することができる。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る液滴噴射装置２の要部構造を示す縦断面図である。本実施形態は、第１の実施形態に係る液滴噴射装置２のベース部材２１と溶液保持容器２２とを例えば樹脂部品で一体化した一体化部材２３０を設けたものである。これ以外の部分は、第１の実施形態に係る液滴噴射装置２と同一構成である。

したがって、本実施形態でも、第１の実施形態と同様に圧力室構造体２００の第１の面２００ａからベース部材２１の裏面２１ｃ（溶液吐出側の面）までの第２の距離Ｌ２は、圧力室２１０の第１の面からワイヤ配線１２の底面側の面（溶液吐出側の面）までの第１の距離Ｌ１より長い。そのため、アクチュエータ１７０に接続された各配線（下部電極１３１の配線部１３１ｂと、端子部１３１ｃと、上部電極１３３の配線部１３３ｂと、端子部１３３ｃと、ワイヤ配線１２と、電装基板２３の電装基板配線２４）は、全てベース部材２１の凹陥部２１ｂと、液滴噴射アレイ部開口２１ｄの内部に収納されている。したがって、液滴噴射装置２を、保管ケースへ収納する作業や、取出しや、滴下装置１への装着作業において、駆動素子１３０又は上記各配線１３１ｂ、１３１ｃ、１３３ｂ、１３３ｃ、１２、２４がベース部材２１の裏面２１ｃ（溶液吐出側の面）から外部側に突出されることはない。このため、駆動素子１３０又は上記各配線１３１ｂ、１３１ｃ、１３３ｂ、１３３ｃ、１２、２４が保管ケースの一部に接触することを防止できるので、駆動素子１３０又は上記各配線１３１ｂ、１３１ｃ、１３３ｂ、１３３ｃ、１２、２４が保管ケースの一部に接触して破損したり、テーブルの上に溶液吐出面側を下にして置いてしまい破損したりすることがない。その結果、保管ケースへの収納、取出し作業や、滴下装置への装着、取出し作業などにおいて、アクチュエータ１７０とこのアクチュエータ１７０に接続された上記各配線１３１ｂ、１３１ｃ、１３３ｂ、１３３ｃ、１２、２４が破損することがない液滴噴射装置２を提供することができる。

以上説明した実施形態では、駆動部である駆動素子１３０を円形としたが、駆動部の形状は限定されない。駆動部の形状は、例えばひし形或いは楕円等であっても良い。また圧力室２１０の形状も円形に限らず、ひし形或いは楕円形、更には矩形等であっても良い。

また、実施形態では、駆動素子１３０の中心にノズル１１０を配置したが、圧力室２１０の溶液を吐出可能であれば、ノズル１１０の位置は限定されない。例えばノズル１１０を、駆動素子１３０の領域内ではなく、駆動素子１３０の外側に形成しても良い。ノズル１１０を駆動素子１３０の外側に配置した場合には、駆動素子１３０の複数の膜材料を貫通してノズル１１０をパターニングする必要がない。駆動素子１３０の複数の膜材料は、ノズル１１０に対応する位置の開口パターニングが不要であり、ノズル１１０は振動板１２０と保護膜１５０をパターニングするのみで形成でき、パターニングが容易となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…滴下装置、２…液滴噴射装置、３…基台、４…マイクロプレート、４ｂ…ウエル、５…液滴噴射装置装着モジュール、６ａ…Ｘ方向ガイドレール、６ｂ…Ｘ方向ガイドレール、７ａ…固定台、７ｂ…固定台、８…Ｙ方向ガイドレール、９…Ｘ方向移動台、１０…Ｙ方向移動台、１２…ワイヤ配線、２１…ベース部材、２１ａ…凹陥部、２１ｂ…凹陥部、２１ｂ１…内底面、２１ｃ…裏面、２１ｄ…液滴噴射アレイ部開口、２２…溶液保持容器、２２ａ…開口部、２２ｂ…上面開口部、２３…電装基板、２４…電装基板配線、２４ａ…配線パターン、２４ｂ…配線パターン、２５…制御信号入力端子、２６…電極端子接続部、２７…液滴噴射アレイ（液滴噴射部）、１００…ノズルプレート、１１０…ノズル、１２０…振動板、１３０…駆動素子、１３１…下部電極、１３１ａ…電極部、１３１ｂ…配線部、１３１ｃ…下部電極端子部、１３２…圧電体膜、１３３…上部電極、１３３ａ…電極部、１３３ｂ…配線部、１３３ｃ…上部電極端子部、１４０…絶縁膜、１４０ａ…コンタクト部、１４１…溶液通過部、１５０…保護膜、１６０…撥液膜、１７０…アクチュエータ、２００…圧力室構造体、２００ａ…第１の面、２００ｂ…第２の面、２０１…シリコンウエハ、２１０…圧力室、２２０…反り低減膜、Ｌ１…第１の距離、Ｌ２…第２の距離。

Claims

溶液を吐出するノズルに連通し、内部に溶液が充填される圧力室が形成され、前記溶液を前記ノズルから吐出する側の第１の面と前記圧力室へ溶液を供給する側の第２の面を有する液滴噴射部と、
前記第２の面に装着され、溶液を受ける溶液受け口と、前記圧力室内に連通する溶液出口を有する溶液保持容器と、
前記圧力室内の圧力を変化させ、前記圧力室内の溶液を前記ノズルから吐出させるアクチュエータと、
前記アクチュエータに接続される配線を有する電装基板と、
前記液滴噴射部を保持するベース部材とを有し、
前記ベース部材は、前記電装基板の装着用の電装基板用凹陥部と、この電装基板用凹陥部と連通する前記液滴噴射部の装着用の開口部とが形成され、
前記第１の面から前記配線までの溶液吐出方向の第１の距離は、前記第１の面から前記ベース部材の溶液吐出方向の端面までの第２の距離より短い液滴噴射装置。
前記アクチュエータは、圧電体を挟んで下部電極の電極部と、上部電極の電極部とを有する駆動素子を備え、
前記配線は、前記駆動素子に接続された配線部と、前記電装基板の電装基板配線と、前記配線部と前記電装基板配線との間を接続する配線接続部と、を有し、
前記第１の距離は、前記第１の面と前記配線部との間の距離と、前記第１の面と前記電装基板配線との間の距離と、前記第１の面と前記配線接続部との間の距離のうちの最も長い距離である請求項１に記載の液滴噴射装置。
前記ベース部材は、上面側に前記溶液保持容器を固定する前記溶液保持容器の装着用の溶液保持容器用凹陥部が形成され、下面側に前記電装基板用凹陥部と、この電装基板用凹陥部と連通する前記開口部とが形成されている請求項１または２に記載の液滴噴射装置。
前記電装基板は、前記配線が配設されている面とは反対側の面が前記ベース部材の前記電装基板用凹陥部の内底面に接着固定され、
前記液滴噴射部は、前記溶液保持容器の前記溶液出口側の端面に前記第２面が接着固定された状態で前記ベース部材の前記開口部に配置され、
前記配線は、前記電装基板用凹陥部と前記開口部の内部に収納されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液滴噴射装置。
前記ベース部材は、前記溶液保持容器と一体に形成されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液滴噴射装置。