CN113016085A - 制造超声波传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
公开了制造超声波传感器的方法。所述方法包括:在可蚀刻基板上形成具有凹部和凸部的微图案,在微图案的凹部中填充压电材料,对填充的压电材料加压,对压电材料进行烧结以形成初级压电体,对初级压电体进行再烧结以形成密实的单位压电体,以及在每个单位压电体的两端形成电极端子以产生单位压电单元。该方法使得能够以高良品率制造高品质超声波传感器。
Description
技术领域
本发明涉及制造超声波传感器的方法,并且更具体地涉及以高良品率制造高品质超声波传感器的方法。
背景技术
在超声波传感器阵列中,超声波发射器可以用于通过一种或更多种超声波传输介质向待检测的对象发送超声波。发射器可以可操作地与被配置成检测从对象反射的超声波部分的超声波传感器耦接。例如,在超声指纹成像器中,可以通过在非常短的时间间隔期间启动和停止发射器来产生超声波脉冲。在超声波脉冲遇到的每个材料界面处,一部分超声波脉冲被反射。
例如,在超声指纹成像器的情况下,超声波可以行进穿过可以放置人的手指的压板以获得指纹图像。在穿过压板之后,超声波的一些部分遇到与该压板接触的皮肤(例如,指纹脊),同时超声波的其他部分遇到空气(例如,在相邻的指纹脊之间的谷),并且可以以不同的强度反射回到超声波传感器。与手指相关联的反射信号可以被处理并转换成表示所反射的信号的信号强度的数字值。
当在分布区域上收集多个这样的反射信号时,这些信号的数字值可以用于产生在分布区域上的信号强度的图形显示,例如通过将数字值转换成图像,从而产生指纹的图像。因此,超声波传感器可以用作指纹传感器或其他类型的生物度量传感器。
即,超声波传感器是向对象发送超声波并从对象接收信号以检测对象的装置。对象反射超声波,产生信号,并使信号返回至超声波传感器。这样的超声波传感器基本上由超声波发射/接收单元、驱动单元和其他附件组成。超声波发送/接收单元从驱动单元接收交流电压,传输超声波,从响应于所传输的超声波的对象接收信号,并将信号传输至驱动单元。超声波传输/接收单元基本上包括壳体和压电元件。当交流电通过压电元件时,压电晶体经历反复的膨胀和收缩以产生机械振动,这被称为“逆压电效应”。例如,当由于施加至压电元件的外力而发生反复的膨胀和收缩时,在压电元件的一侧产生正(+)电荷,而在另一侧产生负(-)电荷以产生电流。施加至压电元件的外部施加的交流电流引起压电元件的反复膨胀和收缩以产生机械振动,该机械振动被传递至壳体。壳体的振动在空气中产生压缩波从而传输超声波。超声波传感器重复该超声波传输过程。
另一方面,当超声波传感器接收超声波时,空气中的压缩波被传输至壳体的隔膜以使壳体移位。由于该移位,压电元件膨胀和收缩以产生交流电。
韩国专利第1850127号公开了制造超声波传感器的方法,其包括:在不完全的烧结条件下对压电片进行烧结以制备陶瓷烧结体;平行于第一方向从第一表面以预定间隔将陶瓷烧结体切割至在第二表面上保留一些区域的这样的深度,以及平行于与所述第一方向垂直的第二方向,从第二表面以预定间隔将陶瓷烧结体切割至在第一表面上保留一些区域的这样的深度以制备陶瓷加工体;在预定的完全烧结条件下对陶瓷加工体进行烧结;将陶瓷加工体切割以形成凹槽,并在凹槽中填充绝缘材料;以及在第一表面和第二表面上布置压电棒的阵列,并对压电棒进行抛光以除去保留在第一表面和第二表面上的区域并暴露压电棒。然而,压电棒的切割需要许多时间,导致超声波传感器的良品率低,并且可能使压电棒的品质劣化。
发明内容
技术问题
因此,本发明的目的是提供以高良品率制造高品质超声波传感器的方法。
技术方案
本发明的一个方面提供了制造超声波传感器的方法,所述方法包括:在可蚀刻基板上形成具有凹部和凸部的微图案,在微图案的凹部中填充压电材料,对填充的压电材料加压,对压电材料进行烧结以形成初级压电体,对初级压电体进行再烧结以形成密实的单位压电体,并在每个单位压电体的两端形成电极端子以产生单位压电单元。
根据本发明的一个实施方案,可以通过喷洒来填充压电材料的粉末。
根据本发明的另一个实施方案,压电材料的粉末的平均粒径可以为0.1μm至10μm。
根据本发明的另一个实施方案,加压可以在200MPa至700MPa的压力下进行。
根据本发明的另一个实施方案,烧结可以在使压电材料的表面熔化的温度下进行。
根据本发明的另一个实施方案,再烧结可以在使初级压电体的表面熔化的温度下进行。
根据本发明的另一个实施方案,可以填充通过将压电材料的粉末与溶剂和粘结剂混合而制备的糊料或溶液。
根据本发明的另一个实施方案,可蚀刻基板可以是导电的。
根据本发明的另一个实施方案,可蚀刻基板的一些凸部可以是引线电极(leadelectrode)。
有益效果
本发明的方法使得能够以高良品率制造高品质超声波传感器。
附图说明
图1示出了通过本发明的方法在可蚀刻基板上制造的超声波传感器。
图2是示出形成在基板上的微图案的凹部和凸部的截面图。
图3是示出将压电材料填充在微图案的凹部中并对压电材料加压的过程的截面图。
图4概念性地示出了根据本发明的方法在烧结之后初级压电体的颗粒的形状。
图5概念性地示出了根据本发明的方法在再烧结之后单位压电体的颗粒的形状。
图6截面地示出了根据本发明的方法在再烧结之后使用形成在单位压电体上的光致抗蚀剂对基板上的一些凸部进行蚀刻以形成电极,并在基板上堆叠绝缘材料的过程。
图7示例性地示出了在单位压电体上使电极端子成形的过程,并且截面地示出了其中根据设计的图案堆叠和蚀刻第一电极端子E1以及根据该图案堆叠和蚀刻第二电极端子E2的概念。
图8是在实施例1中制造的超声波传感器的截面扫描电子显微镜图像。
图9是在比较例1中形成的在烧结之后的初级压电体的扫描电子显微镜图像。
图10是在实施例1中形成的在再烧结之后的单位压电体的扫描电子显微镜图像。
图11是在实施例2中形成的在再烧结之后的单位压电体的扫描电子显微镜图像。
图12示出了在比较例1中制造的超声波传感器的阻抗值。
图13示出了在实施例2中制造的超声波传感器的阻抗值。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明。
在本说明书中使用的技术术语仅用于举例说明具体实施方案,并且应当理解它们不旨在限制本发明。
除非另有定义,则本文中使用的所有术语,包括技术或科学术语可以具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义,并且不应以过度全面的含义或过度限制的含义来解释。另外,如果在本发明的说明书中使用的技术术语是不能清楚地表达本发明的思想的错误术语,则应该用本领域技术人员可以适当理解的技术术语来代替。另外,在本发明的说明书中使用的一般术语应该根据字典中的定义或根据其前后上下文来解释,并且不应被解释为具有过度限制的含义。就单数表示代表与上下文明确不同的含义而言,单数表示可以包括复数表示。在本文中使用的术语“包括”或“具有”应被理解为其旨在表示存在本说明书中公开的若干组件或若干步骤,并且还可以理解为可以不包括部分组件或步骤或者还可以包括另外的组件或步骤。在本发明的说明书中,当认为相关技术的详细说明可能不必要地使本发明的本质模糊时,省略了对相关技术的详细说明。
图1示出了通过本发明的方法在可蚀刻基板上制造的超声波传感器,图2是示出形成在基板上的微图案的凹部和凸部的截面图,图3是示出将压电材料填充在微图案的凹部中并对压电材料加压的过程的截面图,图4概念性地示出了根据本发明的方法在烧结之后初级压电体的颗粒的形状,图5概念性地示出了根据本发明的方法在再烧结之后单位压电体的颗粒的形状,图6截面地示出了根据本发明的方法在再烧结之后使用形成在单位压电体上的光致抗蚀剂对基板上的一些凸部进行蚀刻以形成电极,并在基板上堆叠绝缘材料的过程,图7示例性地示出了在单位压电体上使电极端子成形的过程,并且截面地示出了其中根据设计的图案堆叠和蚀刻第一电极端子E1以及根据该图案堆叠和蚀刻第二电极端子E2的概念,图8是在实施例1中制造的超声波传感器的截面扫描电子显微镜图像,图9是在比较例1中形成的在烧结之后的初级压电体的扫描电子显微镜图像,图10是在实施例1中形成的在再烧结之后的单位压电体的扫描电子显微镜图像,图11是在实施例2中形成的在再烧结之后的单位压电体的扫描电子显微镜图像,图12示出了在比较例1中制造的超声波传感器的阻抗值,以及图13示出了在实施例2中制造的超声波传感器的阻抗值。
根据本发明的制造超声波传感器的方法包括:在可蚀刻基板上形成具有凹部和凸部的微图案(S1),在微图案的凹部中填充压电材料(S2),对填充的压电材料加压(S3),对压电材料进行烧结以形成初级压电体(S4),对初级压电体进行再烧结以形成密实的单位压电体(S5),在每个单位压电体的两端形成电极端子以产生单位压电单元(S6)。
首先,在S1中,在可蚀刻基板100上形成具有凹部和凸部的微图案P。根据本发明的方法,超声波传感器200的制造不是基于切割(其遭遇背景技术中提到的问题),而是从在可蚀刻基板100上形成微图案P开始。
对于可蚀刻基板100,可以使用可以通过湿法蚀刻或干法蚀刻形成为微图案的任何材料而没有特别限制。优选地,可蚀刻基板100由不经历由随后的烧结或再烧结中施加的热能导致的物理特性或平坦度的变化(例如变形)的材料制成。
这种可蚀刻基板的实例包括硅晶片、玻璃晶片、和陶瓷基板。
可蚀刻基板具有运载电流的能力。由于该能力,即使没有穿孔或通孔,也可以形成用于极化的闭合电路。可蚀刻基板可以为掺杂有受控浓度的导电材料、金属离子或导电细粉的硅晶片、玻璃晶片或陶瓷基板。这种掺杂可以实现总体低电阻的可蚀刻基板。
如上所述,可以进行掺杂以使玻璃晶片导电。或者,可以将铟锡氧化物(ITO)或掺氟的锡氧化物(FTO),任选地与钛氧化物(TiO2)、锡氧化物(SnO2)、锌氧化物(ZnO)、钨氧化物(WO3)、铌氧化物(Nb2O5)或钛酸锶氧化物(TiSrO3)一起通过溅射沉积在玻璃晶片上以确保玻璃晶片的电导率。或者,可以将纳米级氧化物层堆叠在玻璃晶片上以确保玻璃晶片的电导率。
电阻优选地为0.001Ωcm至0.01Ωcm。可蚀刻基板的较低电阻表明可蚀刻基板的更好的电导率。如果可蚀刻基板的电阻超过以上限定的上限,则超声波传感器的电特性劣化,导致对超声波信号的低灵敏度并且降低分辨率。
可以使用光刻工艺通过蚀刻来使微图案精确地成形。
具体地,根据光刻工艺,将光致抗蚀剂PR施加到基板的上表面并固化,并且将功能光例如UV光经由具有对应于微图案的图案的光掩模照射到可蚀刻基板上。光仅通过光掩模的图案透射,并且仅光致抗蚀剂的对应于光掩模的图案的部分被暴露。
之后,通过显影去除未曝光的部分,将微图案留在基板上。
然后,在S2中,将压电材料300填充在微图案的凹部中以形成超声波传感器的单位单元前体。
凹部P1具有各种形状,并且根据微图案的设计以预定间隔形成。
微图案的凹部P1是凹陷部分并且填充有压电材料300。凹部作为超声波传感器的单位单元运行。
压电材料是陶瓷制品,其形状在烧结期间变化。这种陶瓷材料的实例包括钛酸钡化合物、PbZrTiO3(PZT)化合物、Pb(Sc,Ta)O3(PST)化合物、(Pb,Sm)TiO3化合物、和Pb(MgNb)O3-PT(PbTiO3)(PMN)化合物。
在此,压电材料粉末的密度是压电材料300的填充中的重要因素。因此,将压电材料粉末的平均粒径调节为0.1μm至10μm用于喷洒。
可以填充通过将压电材料的粉末与溶剂和粘结剂混合而制备的糊料或溶液。
由于溶剂和粘结剂是有机材料,因此他们在用于干燥或固化的加热期间容易通过蒸发或氧化被除去,以协助填充压电材料粉末。
溶剂和粘结剂的种类没有特别地限制,只要可以将高浓度的溶剂和粘结剂与压电材料粉末均匀地混合即可。
可以进一步添加结晶剂以使填充的颗粒在随后的加压和烧结时生长,结果是晶粒尺寸增大。
作为结晶剂,例如,可以使用在以下溶剂中的吡嗪、咪唑苯并咪唑或吡咯烷卤化物的离子液体:例如异丙醇、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、双丙酮醇、苯酚、丙酮、乙腈、甲基溶纤剂、乙基溶纤剂或丁基溶纤剂。结晶剂可以是具有在两端具有氰基(CN)的烷基链/烯丙基链或者具有两个吡啶基的化合物。
接下来,在S3中,对填充的压电材料加压。
在压电材料的颗粒之间存在孔。即使在随后的烧结或再烧结之后,孔的数量也基本上没有减少,最终不利地影响压电材料的电特性和物理特性。
进行加压以使孔的数量最小化。为此目的,使用气体加压或压制。气体加压优选地在200MPa至700MPa的压力下进行。
如果压力小于200MPa,则减少孔数量的效果微不足道,结果是压电材料的电特性和物理特性基本上没有改善。同时,如果压力超过700MPa,则孔的数量在某种程度上最小化,但是导致高维护成本和维修成本,不利地影响超声波传感器的制造。
在加压期间,可以向压电材料施加振动。压电材料的振动使压电材料粉末移位,这有助于去除孔。使用与压电材料粉末的尺寸相关的频率使压电材料振动。频率优选为1kHz至600kHz。如果频率小于1kHz,则对颗粒的移位没有明显影响。同时,如果频率超过600kHz,则过多的能量是不经济的,因为对压电材料颗粒的移位没有表现出显著影响。
接下来,在S4中,对压电材料300进行烧结以形成初级压电体300’。
在通过加压使压电材料中的孔的数量最小化之后,进行烧结以在颗粒之间形成载流路径。该烧结不需要用以将颗粒的相改变成液体的过多的热能,而是需要在使压电材料的表面熔化的温度下加热。加热的温度没有限制,只要形成载流路径即可。
接下来,在S5中,对初级压电体300’进行再烧结以形成密实的单位压电体300”。
在使初级压电体的表面熔化的温度下进行再烧结。具体地,在S5中,以仅使初级压电体的表面熔化而不将初级压电体的颗粒的相改变为液相的量施加热能。在凝固后,初级压电体的颗粒体积增加。
接下来,在S6中,在每个单位压电体300”的两端形成电极端子E1和E2以产生单位压电单元500。
将外部电路或模块连接到在再烧结的单位压电体300”的端部处形成的电极端子以驱动超声波传感器200。
对于电极端子E1和E2,可以使用高导电性的并且具有低电阻的任何材料,而不受限制。可以使用导电金属例如银、铜或铝作为用于电极端子E1和E2的材料。
可以通过根据端子线电极(未示出)的设计图案对导电材料粉末的糊料进行丝网印刷,然后使糊料成形并固化来堆叠电极端子。糊料通过将导电材料粉末与粘结剂混合来制备。
可以通过光刻工艺去除基板100。可以在单位压电体之间的空间中填充绝缘介电材料400,以使当施加电压以及发射和接收超声波时单位压电体之间的干扰最小化。绝缘材料优选为聚合物树脂。
电极端子E1和E2基本上彼此相对地布置。为了在超声波传感器中使用,电极端子需要彼此连接。为此目的,可以使用线或者通孔或穿孔。然而,该连接过程麻烦且难以执行。在本发明中,使用可蚀刻基板100自身以在一个方向上设置端子线。
因此,可蚀刻基板应该是导电的。即,对于可蚀刻基板,可以使用任何低电阻材料。可以将可蚀刻基板的一些凸部设置为引线电极100’。对于这种设置,在蚀刻之前将光致抗蚀剂PR布置在引线电极的图案上。
总之,当允许电流从外部电路或模块流过时,相应的电压通过线电极和引线电极施加到单位压电体300”,以引起单位压电体的膨胀和收缩或振动,以产生具有特定频率的超声波。在特定方向上(例如,朝向人的手指)扫描超声波(发射:Tx)。每个超声波传感器读取反射的频率(接收:Rx)并且将其与注册的人的指纹信息进行比较以确定指纹的身份。
单位压电体500被组合到每个超声波传感器200中。例如,在对应于指尖尺寸的几mm2至几十mm2的区域内设置成百上千个单位压电单元。可以根据指纹认证的精度和准确度来确定单位压电单元的数量。
超声波传感器200可以通过切割(cutting)工艺例如切割(dicing)来制造。
实施例1
通过光刻工艺在硅晶片上形成线宽为50μm的微图案。通过喷洒将PZT压电粉末(平均粒径=0.5μm至3μm)填充到微图案的凹部中,在300MPa下加压,以1℃/分钟加热,在850℃下保持2小时,并以1℃/分钟冷却。在相同条件下重复烧结和冷却步骤。通过光刻工艺去除基板,填充环氧树脂绝缘材料,沉积金属金,通过光刻工艺将线电极图案化,并切割成超声波传感器。
实施例2
以与实施例1中相同的方式制造超声波传感器,不同之处在于在400MPa下进行加压。
比较例1
以与实施例1中相同的方式制造超声波传感器,不同之处在于在30MPa下进行加压并且省略再烧结。
实验例1
使用扫描电子显微镜(SEM)对比较例1和实施例1至2的超声波传感器进行成像。图像示于图8至11中。参考图9,在比较例1的超声波传感器中,在具有较小粒径的颗粒之间形成了大量的孔。相反,在实施例1至2(见图10和11)的超声波传感器中,在具有较大粒径的颗粒之间形成了更少量的孔。
实验例2
当超声波从超声波传感器发射和通过超声波传感器接收时测量比较例1和实施例2中制造的超声波传感器的阻抗值,并且分别在图12和13中示出。对于比较例1的超声波传感器,难以辨别发射线和接收线的阻抗峰值(见图12)。相反,实施例2的超声波传感器的阻抗峰是清晰的。这些结果表明,实施例2的超声波传感器具有比比较例1的超声波传感器更高的品质。
附图标记列表
100:可蚀刻基板 200:超声波传感器
300:压电材料 300’:初级压电体
300”:单位压电体 400:绝缘材料
500:单位压电单元 P1/P2:凹部/凸部
Claims (9)
1.一种制造超声波传感器的方法,包括:在可蚀刻基板上形成具有凹部和凸部的微图案,在所述微图案的所述凹部中填充压电材料,对填充的压电材料加压,对所述压电材料进行烧结以形成初级压电体,对所述初级压电体进行再烧结以形成密实的单位压电体,以及在每个所述单位压电体的两端形成电极端子以产生单位压电单元。
2.根据权利要求1所述的方法,其中通过喷洒来填充所述压电材料的粉末。
3.根据权利要求2所述的方法,其中所述压电材料的粉末的平均粒径为0.1μm至10μm。
4.根据权利要求1所述的方法,其中所述加压在200MPa至700MPa的压力下进行。
5.根据权利要求1所述的方法,其中所述烧结在使所述压电材料的表面熔化的温度下进行。
6.根据权利要求1所述的方法,其中所述再烧结在使所述初级压电体的表面熔化的温度下进行。
7.根据权利要求1所述的方法,其中填充通过将所述压电材料的粉末与溶剂和粘结剂混合而制备的糊料或溶液。
8.根据权利要求1所述的方法,其中所述可蚀刻基板是导电的。
9.根据权利要求8所述的方法,其中所述可蚀刻基板的一些凸部是引线电极。
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