TWI572262B - 壓電換能器之製造方法 - Google Patents

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Description

壓電換能器之製造方法
本發明係關於一種壓電換能器之製造方法；特別係有關於一種可減少製程繁瑣度及製程時間的壓電換能器之製造方法。
壓電換能器(piezoelectric transducer)是利用壓電材料的壓電效應來實現電能與機械能相互轉換之裝置，其可同時作為感測器(sensor)與致動器(actuator)來使用，故相當具有發展之潛力。
在微機電系統領域中，各式類型的元件(如感測器、致動器等)被製作及整合在一小尺度的晶片上，因此元件的圖案化(patterning)技術是相當的重要。目前來說，壓電換能器中之壓電薄膜的圖案化製程多數採取光蝕刻(photolithography)及軟微影(soft lithography)之方式，少數採用噴印(ink jet printing)及射出成型(injection molding)之方式，惟上述製程具有整合性不佳(如需經過高溫或化學處理)、步驟繁複且耗時、或者成本過高等缺點，因此有必要提出一種新的且可改善上述缺點的壓電薄膜圖案化製程。
在傳統壓電薄膜製程中，為了使壓電薄膜之壓電 性能提升，還需將已成膜的壓電材料層透過額外施加電場、拉伸應力、或者熱退火的方式來使其分子偶極矩能夠規則排列，即極化(polarization)製程，如此亦導致壓電薄膜之製程繁瑣度及製程時間大幅增加。
有鑑於前述習知問題點，本發明之一主要目的係提供一種壓電換能器之製造方法，可將壓電薄膜之圖案化及極化整併成單一製程，以有效降低製程繁瑣度及製程時間。
本發明之一實施例中提供一種壓電換能器之製造方法，包括：提供一基板，其上形成有複數圖案化電極；提供一壓電粒子懸浮溶液於該基板及該些圖案化電極上；提供一電壓予該些圖案化電極之間，以產生一電場；以及透過該電場，使得該壓電粒子懸浮溶液中之複數壓電粒子沉積於該些圖案化電極之至少其中一者上，以形成一圖案化壓電薄膜，並透過該電場，使得該圖案化壓電薄膜發生極化。
於一實施例中，前述壓電換能器之製造方法更包括：去除多餘的該壓電粒子懸浮溶液並移除該電壓，以完成製造該壓電換能器。
於一實施例中，前述壓電薄膜之極化是在前述壓電粒子懸浮溶液中進行。
於一實施例中，前述壓電薄膜之圖案化與極化是同時進行。
於一實施例中，前述壓電薄膜之圖案化與極化的操作時間約1至40分鐘。
於一實施例中，前述壓電薄膜之圖案化與極化是在溫度約0至90℃之條件下進行。
於一實施例中，前述提供予該些圖案化電極之間的該電壓係為直流電壓，且該電壓約1至4伏特。
於一實施例中，前述圖案化電極包括一對同心圓排列之環狀電極，且前述壓電粒子懸浮溶液中之複數壓電粒子沉積於前述環狀電極之其中一者上。
於一實施例中，前述圖案化電極包括三個同心圓排列之環狀電極，且前述壓電粒子懸浮溶液中之複數壓電粒子沉積於前述環狀電極之其中兩者上。
於一實施例中，前述壓電粒子懸浮溶液採用沸點大於150℃的有機溶劑作為溶劑。
於一實施例中，前述壓電粒子之材料包括鐵酸鉍或者聚二氟乙烯、聚二氟乙烯-共-三氟乙烯等壓電高分子聚合物。
10‧‧‧基板
12‧‧‧圖案化電極
20‧‧‧壓電粒子懸浮溶液
21‧‧‧壓電粒子
22‧‧‧壓電薄膜
22A‧‧‧內環部
22B‧‧‧外環部
22C‧‧‧中間環部
100‧‧‧製造方法流程圖
101、102、103、104、105‧‧‧步驟
A‧‧‧壓電薄膜面積
D‧‧‧壓電薄膜厚度
T‧‧‧壓電換能器
第1A~1C圖表示根據本發明一實施例之壓電換能器製造方法示意圖。
第2圖表示根據本發明一實施例之壓電換能器示意圖。
第3圖表示根據本發明另一實施例之壓電換能器示意圖。
第4圖表示本發明之壓電換能器之製造方法流程圖。
為讓本發明之上述和其它目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
第1A~1C圖表示根據本發明一實施例之壓電換能器製造方法示意圖。首先，參見第1A圖，提供一基板10，例如為玻璃基板或塑膠(如環烯烴共聚物(cyclic olefin copolymer，COC)材質)基板，其上形成有複數圖案化電極12(一併參見第2圖，該些圖案化電極12可為相互間隔並呈同心圓排列之一對環狀電極)。前述圖案化電極12可藉由沈積與圖案化製程形成，且其材料包括金、鉻、鉑、鈦、鋁、上述之組合或其它導電性佳的金屬材料，其中沈積與圖案化製程為微機電技術領域所習知，在此不做贅述。
繼續參見第1A圖，提供一壓電粒子懸浮溶液20於基板10及圖案化電極12上。於本實施例中，壓電粒子懸浮溶液20可以沸點大於150℃的有機溶劑(如二甲基亞碸(dimethyl sulfoxide，DMSO)，沸點約189℃)作為溶劑並溶解複數壓電粒子21而形成，壓電粒子21的材料則可包括鐵酸鉍(Bismuth ferrite)或者聚二氟乙烯(polyvinylidene difluoride，PVDF)、聚二氟乙烯-共-三氟乙烯(poly(vinyledene difluoride-co-trifluoroethylene)，P(VDF-TrFE))等壓電高分子聚合物。
參見第1B圖，在提供壓電粒子懸浮溶液20於基板10上且覆蓋圖案化電極12之後，提供一直流(DC)電壓予該些圖案化電極12之間，以產生一電場(圖未示)。藉由該電場作 用，壓電粒子懸浮溶液20中之複數壓電粒子21會朝著圖案化電極12之正極方向移動，並在該正極上發生沉積，進而形成一圖案化壓電薄膜22，此即電泳沉積(electrophoretic deposition，EPD)技術。應了解的是，本實施例中使用的壓電粒子21在電場作用下表面會帶有負電，故在圖案化電極12之正極可發生沉積。但是本發明不以此為限，於部分實施例中，亦可使用在電場作用下表面會帶有正電的壓電粒子21，且該些壓電粒子21亦可沉積於圖案化電極12之負極上。
值得一提的是，前述壓電粒子懸浮溶液20之溶劑的沸點係影響電泳沉積效果之一重要因子。當選用沸點大於150℃的有機溶劑作為壓電粒子懸浮溶液20之溶劑時，能夠避免該溶劑在常溫下快速揮發，進而順利形成該圖形化壓電薄膜22。反之，若選用沸點較低的有機溶劑(如丁酮(methyl ethyl ketone，MEK)，沸點約80℃)作為壓電粒子懸浮溶液20之溶劑時，該溶劑在常溫下容易快速揮發，而僅可形成整片且圖案化失敗的壓電薄膜。
進一步地，在前述壓電粒子21沉積於圖案化電極12上的同時，其分子偶極矩受到同一電場的作用更會呈現一規則排列(如第1B圖所示)，藉此可使得前述圖案化壓電薄膜22一併發生極化(polarization)。其中，圖案化壓電薄膜22是否發生極化可透過壓電力顯微鏡(piezo response microscopy，PFM)來做量測，或者由X-ray晶格繞射來做判定。
於本實施例中，壓電薄膜製程(包括圖案化及極化)的操作參數例如係在溫度約0至90℃之條件下，提供直流電 壓約1至4伏特，且沉積時間約1至40分鐘。舉例來說，當壓電薄膜製程的操作參數係在溫度約25℃、施加電壓2.5伏特並沉積時間約10分鐘時，可形成一厚度約3微米(μm)且壓電效應差值達到5.99pm/V的壓電薄膜。
參見第1C圖，待前述圖形化及極化後的壓電薄膜22形成於圖案化電極12之正極位置之後，再將多餘的壓電粒子懸浮溶液20去除，並將直流電壓移除，即可完成製造一壓電換能器T。
前述壓電換能器製造方法，可將壓電薄膜之圖案化及極化整併成單一製程(同一電場作用且同時進行)，故能夠有效降低製程繁瑣度及製程時間。相對地，傳統的壓電薄膜製作則需經過圖案化以及極化兩段獨立製程，而使其整體製程時間需達一至數個小時。然而，根據實際需求，本發明其他實施例之壓電換能器製造方法中，亦可額外加入一採用平行電場、拉伸應力、或者熱退火的方式的極化製程。
值得一提的是，本實施例之前述壓電換能器製造方法還可具有幾種優點：前述電泳沉積與電場極化均直接透過電場與壓電粒子發生交互作用，而不需利用其他化學蝕刻或者高溫、高能量製程，故製程整合性佳且可降低製造成本。 另外，前述電場極化是在壓電粒子懸浮溶液中進行，故相較於傳統額外施加電場以極化壓電薄膜(固體分子)之作法，更可輕易且快速地轉動壓電粒子，此不僅能夠降低施加的電場強度，亦可減少極化製程之時間。
接著，參見第2圖，本發明一實施例之壓電換能 器T主要包括一基板10、形成於基板10上之一對圖形化電極12(一正極及一負極)、以及形成於圖形化電極12之正極上的壓電薄膜22。由第2圖可得知，本實施例之圖形化電極12之正極包括相互連接的一內環部(小的圓環)以及一外環部(大的圓環)，負極則包括一設置在正極之內環部以及外環部之間的環狀部，且前述正極與負極彼此相互間隔並呈同心圓排列，藉此透過如第1A~1C圖所示之製造方法，可在圖形化電極12之正極上沉積且形成一具有內環部22A及外環部22B的圖案化壓電薄膜22，且該壓電薄膜22係一併經過極化，其中該壓電薄膜厚度D可達約3微米，且該壓電薄膜面積A僅約0.13平方毫米(mm2)。
藉由前述壓電薄膜22的特殊結構，該壓電換能器T可被應用作為超音波(操作頻率約在20kHz以上)之微型接收器(receiver)或者發射器(transmitter)。舉例來說，當一超音波訊號傳遞至壓電換能器T時，可導致壓電薄膜22產生共振(resonance)，接著壓電薄膜22將此機械能轉換為一電訊號，如此即可利用量測該電訊號之強度來得知該超音波訊號之強度(接收器用途)；相對地，當一電訊號施加於壓電換能器T時，壓電薄膜22則可將此電訊號轉換為一機械能(即振動形式)，並再藉由高頻的振動來帶動周圍的空氣而能夠發生一超音波訊號(發射器用途)。此外，前述壓電換能器T具有小尺寸的特性，故亦可被整合在微機電系統晶片上。
於本發明其他實施例中，亦可將兩個前述壓電換能器T以壓電薄膜22相對之方式設置並透過厚度約數十微米 的雙面膠帶黏接。如此一來，其中之一壓電換能器T即可作為一發射器，另一壓電換能器T則可作為一接收器，從而可實現一超音波收發器(transceiver)。
參見第3圖，本發明另一實施例之壓電換能器T主要包括一基板10，形成於基板10上之三個圖形化電極12(兩正極及一負極)、以及形成於圖形化電極12之正極上的壓電薄膜22。由第3圖可得知，本實施例之圖形化電極12之較外側之正極包括相互連接的一內環部(小的圓環)以及一外環部(大的圓環)，較內側之正極包括一設置在前述較外側之正極之內環部與外環部之間之環狀部，而圖形化電極12之負極則包括一設置在前述較外側與較內側之兩正極之間且相互連接之雙環部，另外前述正極與負極彼此係相互間隔且呈同心圓排列，藉此透過如第1A~1C圖所示之製造方法，可在圖形化電極12之兩正極上形成一具有內環部22A、外環部22B及中間環部22C的圖案化壓電薄膜22，且該壓電薄膜22係一併經過極化。值得一提的是，本實施例之壓電換能器T之壓電薄膜22相較於第2圖之壓電換能器T之壓電薄膜22多了中間環部22C，因此更可提高壓電轉換效率。
儘管前述實施例中之壓電薄膜均為環狀結構，但是本發明並不以此為限，透過不同的電極形狀設計，就能根據不同應用需求(例如微幫浦、壓力感測器或者生物感測器)，製造出不同圖案的壓電薄膜。
綜上所述，本發明提供一種微型化壓電換能器之製造方法，其流程步驟(參見第4圖之製造方法流程圖100)包 括：提供一基板，其上形成有複數圖案化電極(步驟101)；提供一壓電粒子懸浮溶液於該基板及該些圖案化電極上(步驟102)；提供一電壓予該些圖案化電極之間，以產生一電場(步驟103)；透過該電場，使得該壓電粒子懸浮溶液中之複數壓電粒子沉積於該些圖案化電極之至少其中一者上，以形成一圖案化壓電薄膜，並透過該電場，使得該圖案化壓電薄膜發生極化(步驟104)；去除多餘的該壓電粒子懸浮溶液並移除該電壓，以完成製造該壓電換能器(步驟105)。上述製造方法的特點在於將壓電薄膜之圖案化及極化整併成單一製程(同一電場作用且同時進行)，如此可有效降低製程繁瑣度及製程時間。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧基板
12‧‧‧圖案化電極
22‧‧‧壓電薄膜
22A‧‧‧內環部
22B‧‧‧外環部
A‧‧‧壓電薄膜面積
D‧‧‧壓電薄膜厚度
T‧‧‧壓電換能器

Claims (11)

  1. 一種壓電換能器之製造方法，包括：提供一基板，其上形成有複數圖案化電極；提供一壓電粒子懸浮溶液於該基板及該些圖案化電極上；提供一電壓予該些圖案化電極之間，以產生一電場；以及透過該電場，使得該壓電粒子懸浮溶液中之複數壓電粒子沉積於該些圖案化電極之至少其中一者上，以形成一圖案化壓電薄膜，並透過該電場，使得該圖案化壓電薄膜發生極化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的壓電換能器之製造方法，更包括：去除多餘的該壓電粒子懸浮溶液並移除該電壓，以完成該壓電換能器之製造。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的壓電換能器之製造方法，其中該壓電薄膜之極化是在該壓電粒子懸浮溶液中進行。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的壓電換能器之製造方法，其中該壓電薄膜之圖案化與極化是同時進行。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的壓電換能器之製造方法，其中該壓電薄膜之圖案化與極化的操作時間約1至40分鐘。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的壓電換能器之製造方法，其中該壓電薄膜之圖案化與極化是在溫度約0至90℃之條件下進行。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的壓電換能器之製造方法，其 中提供予該些圖案化電極之間的該電壓係為直流電壓，且該電壓約1至4伏特。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的壓電換能器之製造方法，其中該些圖案化電極包括一對同心圓排列之環狀電極，且該壓電粒子懸浮溶液中之該些壓電粒子沉積於該些環狀電極之其中一者上。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的壓電換能器之製造方法，其中該些圖案化電極包括三個同心圓排列之環狀電極，且該壓電粒子懸浮溶液中之該些壓電粒子沉積於該些環狀電極之其中兩者上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的壓電換能器之製造方法，其中該壓電粒子懸浮溶液採用沸點大於150℃的有機溶劑作為溶劑。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的壓電換能器之製造方法，其中該些壓電粒子之材料包括鐵酸鉍或者聚二氟乙烯、聚二氟乙烯-共-三氟乙烯等壓電高分子聚合物。
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