CN110112284A - 柔性声电基板及其制备方法、柔性声电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种柔性声电基板及其制备方法、柔性声电装置。柔性声电基板的制备方法包括：形成柔性基底；在所述柔性基底上形成规则排布的多个压电组件；采用感应耦合等离子体刻蚀所述柔性基底，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室。本发明通过感应耦合等离子体刻蚀方式在柔性基底内形成腔室，腔室的刻蚀均匀性好，无刻蚀残留，易于工艺实现，有效解决了现有方法存在良品率低、工艺实现复杂等缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及声电转换技术领域，具体涉及一种柔性声电基板及其制备方法、柔性声电装置。
背景技术
近年来，压电式换能器逐渐应用于显示装置，主要作为发声装置，还可以用于指纹识别和距离检测。压电式换能器是一种利用压电效应和逆压电效应进行声-电和电-声转换的器件，既可以将电能转换为声能，又可以将声能转化为电能。随着显示装置朝着柔性、超薄、窄边框甚至全屏设计等方向发展，对压电式换能器提出新的挑战。一方面，由于安装换能器的空间越来越小，使得较大体积的传统换能器安装位置受限。另一方面，由于传统换能器通常是硬质、不透明结构，很难与柔性显示装置集成，因而限制了换能器在可植入、可穿戴、非侵入等领域的潜在应用。
为了实现压电式换能器与柔性显示装置集成，现有技术提出了一种压电薄膜发声装置。实际使用表明，压电薄膜固有频率远离可听声频段，存在工作效率低、驱动电压高、功耗高、低频特性差等缺陷。现有技术还提出了一种柔性压电换能器，采用牺牲层工艺制备腔室。实际使用表明，由于需要通过很小的刻蚀孔进行牺牲层刻蚀，容易造成刻蚀残留和不均匀的问题，因而良品率较低。此外，由于采用牺牲层工艺制备的柔性压电换能器需要后续封死刻蚀孔和腔室抽真空，工艺实现复杂，生产成本高，难以形成规模量产。
因此，如何克服现有方法存在良品率低、工艺实现复杂等缺陷，制备出柔性、透明且便于集成的柔性压电换能器，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题是，提供一种柔性声电基板及其制备方法、柔性声电装置，以克服现有方法存在良品率低、工艺实现复杂等缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种柔性声电基板的制备方法，包括：
形成柔性基底；
在所述柔性基底上形成规则排布的多个压电组件；
采用感应耦合等离子体刻蚀所述柔性基底，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室。
可选地，形成柔性基底，包括：
在玻璃载板上形成第一柔性层；
在所述第一柔性层上形成掩膜层，所述掩膜层用于在采用感应耦合等离子体刻蚀时作为形成腔室的硬掩膜；
依次形成第二柔性层、阻挡层和第三柔性层，形成所述柔性基底。
可选地，采用感应耦合等离子体刻蚀所述柔性基底，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室，包括：
剥离玻璃载板；
采用感应耦合等离子体刻蚀掉所述第一柔性层，以所述掩膜层作为硬掩膜蚀继续刻蚀未被所述掩膜层遮挡的第二柔性层，直到刻蚀到所述阻挡层，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室。
可选地，形成柔性基底，包括：
提供第一柔性薄膜、阻挡层和第二柔性薄膜；将第一柔性薄膜和第二柔性薄膜通过所述阻挡层相贴合，所述阻挡层设置在所述第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间，形成所述柔性基底。
可选地，采用感应耦合等离子体刻蚀所述柔性基底，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室，包括：
在所述第一柔性薄膜一侧设置掩膜板；
采用感应耦合等离子体刻蚀未被所述掩膜板遮挡的第一柔性薄膜，直到刻蚀到所述阻挡层，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室。
可选地，形成柔性基底，包括：
在玻璃载板上通过涂覆固化成膜方式形成第一柔性薄膜；
在所述第一柔性薄膜通过沉积方式形成阻挡层；
在所述阻挡层上通过涂覆固化成膜方式形成第二柔性薄膜。
可选地，采用感应耦合等离子体刻蚀所述柔性基底，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室，包括：
剥离玻璃载板；
在所述第一柔性薄膜一侧设置掩膜板；
采用感应耦合等离子体刻蚀未被所述掩膜板遮挡的第一柔性薄膜，直到刻蚀到所述阻挡层，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室。
可选地，所述阻挡层的材料包括氧化硅SiOx或单晶硅a-Si，所述压电层的材料包括锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体PZT、氧化锌ZnO或聚偏氟乙烯PVDF，所述第一柔性层、第二柔性层、第三柔性层、第一柔性薄膜和第二柔性薄膜的材料包括聚酰亚胺PI。
可选地，在所述柔性基底上形成规则排布的多个压电组件，包括：
在所述柔性基底上形成多个包括下电极、压电层和上电极的压电组件；或者，在所述柔性基底上形成多个包括下电极、绝缘层、压电层和上电极的压电组件。
可选地，
在所述柔性基底上形成下电极时，同时在绑定区域形成一个或多个上电极焊盘和下电极焊盘，所述下电极焊盘与下电极连接；
在所述下电极上形成压电层时，在所述压电层上形成暴露出所述一个或多个上电极焊盘的过孔；
在所述压电层上形成规则排布的多个块状上电极时，多个上电极按列或按行通过电极线依次连接，且所述电极线通过所述过孔与上电极焊盘连接。
可选地，
在所述柔性基底上形成规则排布的多个块状下电极时，同时形成电极线，且在绑定区域形成一个或多个上电极焊盘和下电极焊盘；其中，多个下电极按列或按行通过电极线依次连接，且所述电极线与下电极焊盘连接；和/或，多个下电极通过单独的电极线与下电极焊盘连接；
在所述下电极上形成压电层时，在所述压电层上形成暴露出所述一个或多个上电极焊盘的过孔；
在所述压电层上形成上电极时，所述上电极通过所述过孔与上电极焊盘连接。
可选地，多个压电组件中，所述上电极的面积不同；或者，所述下电极的面积不同；或者，上电极的面积与下电极的面积之比不同；或者，所述压电层的厚度不同。
可选地，所述上电极的面积与所述下电极的面积之比为0.7～0.8。
本发明实施例还提供了一种柔性声电基板，采用前述的柔性声电基板的制备方法制备。
本发明实施例还提供了一种柔性声电装置，包括前述的柔性声电基板。
本发明实施例提供了一种柔性声电基板及其制备方法、柔性声电装置，通过感应耦合等离子体ICP刻蚀方式在柔性基底内形成腔室，腔室的刻蚀均匀性好，无刻蚀残留，易于工艺实现，有效解决了现有方法存在良品率低、工艺实现复杂等缺陷。同时，通过在柔性基底上形成透明的压电换能器阵列，具有结构简单、布局灵活、体积小、易于集成等优点，有效解决了现有结构体积大、难集成、硬质不能弯折、应用受限等弊端。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书实施例中阐述，并且，部分地从说明书实施例中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明实施例的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。
图1为本发明实施例柔性声电基板的结构示意图；
图2为本发明柔性声电基板第一实施例的结构示意图；
图3为本发明第一实施例形成第一柔性层图案后的示意图；
图4为本发明第一实施例形成掩膜层图案后的示意图；
图5为本发明第一实施例形成第二柔性层图案后的示意图；
图6为本发明第一实施例形成阻挡层图案后的示意图；
图7为本发明第一实施例形成第三柔性层图案后的示意图；
图8为本发明第一实施例形成压电组件图案后的示意图；
图9为本发明第一实施例剥离玻璃载板后的示意图；
图10为本发明第一实施例形成腔室后的示意图；
图11为本发明第一实施例一种电极结构的示意图；
图12为本发明第一实施例另一种电极结构的示意图；
图13为本发明第一实施例又一种电极结构的示意图；
图14为本发明第一实施例又一种电极结构的示意图；
图15为本发明柔性声电基板第二实施例的结构示意图；
图16为本发明第二实施例形成柔性基底后的示意图；
图17为本发明第二实施例形成压电组件图案后的示意图。
附图标记说明:
1—玻璃载板； 10—第一柔性层； 11—掩膜层；
12—第二柔性层； 13—阻挡层； 14—第三柔性层；
15—下电极； 16—压电层； 17—上电极；
18—绝缘层； 20—腔室； 21—上电极焊盘；
22—下电极焊盘； 23—过孔； 24—电极线；
31—第一柔性薄膜； 32—阻挡层； 33—第二柔性薄膜；
100—柔性基底； 200—压电组件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
为了克服现有方法存在良品率低、工艺实现复杂等缺陷，制备出柔性、透明且便于集成的压电式换能器，本发明实施例提供了一种柔性声电基板及其制备方法、柔性声电装置。
图1为本发明实施例柔性声电基板的结构示意图。如图1所示，本发明实施例柔性声电基板的主体结构包括柔性基底100以及在柔性基底100上规则排布的多个压电组件200，柔性基底100内设置有规则排布的多个腔室，多个压电组件200与多个腔室一一对应，形成多个微机械结构，多个微机械结构构成微机械压电换能器阵列。当柔性声电基板作为柔性发声基板时，将音频信号加载到每个压电换能器上，通过压电换能器发射出来实现扬声器功能。当柔性声电基板作为柔性探测基板时，向每个压电换能器提供脉冲电信号，通过检测每个压电换能器反馈的电压信号获得探测参数。本发明实施例柔性声电基板既可以独立形成发声面板或探测面板，也可以集成在显示装置或其它装置的表面或内部。其中，设置在柔性基底100内的腔室采用感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀方式刻蚀柔性基底100形成，设置在柔性基底100表面上的压电组件200采用沉积和刻蚀方式形成。
本发明实施例提供了一种柔性声电基板，通过ICP刻蚀方式在柔性基底内形成腔室，腔室的刻蚀均匀性好，无刻蚀残留，易于工艺实现，有效解决了现有方法存在良品率低、工艺实现复杂等缺陷。同时，通过在柔性基底上形成透明的压电换能器阵列，具有结构简单、布局灵活、体积小、易于集成等优点，有效解决了现有结构体积大、难集成、硬质不能弯折、应用受限等弊端。
下面通过具体实施例详细说明本发明实施例的技术方案。
第一实施例
图2为本发明柔性声电基板第一实施例的结构示意图，示意了一个压电换能器的剖视图。如图2所示，本实施例压电换能器的主体结构包括柔性基底100以及设置在柔性基底100上的压电组件200，压电换能器的腔室20设置在柔性基底100内。压电组件200包括在柔性基底100远离腔室20一侧表面上叠设的下电极15、压电层16和上电极17，形成压电三明治结构。柔性基底100包括依次叠设的掩膜层11、第二柔性层12、阻挡层13和第三柔性层14，掩膜层11、第二柔性层12和阻挡层13一起形成腔室20，腔室20的开口朝向远离压电组件200的方向，阻挡层13作为腔室20的顶壁，第三柔性层14设置在阻挡层13远离腔室20一侧的表面上，压电组件200的下电极15设置在第三柔性层14远离腔室20一侧的表面上。其中，腔室20是采用ICP刻蚀方式刻蚀柔性基底100形成，ICP刻蚀过程中，掩膜层11作为硬掩膜，直到刻蚀到阻挡层13，最终形成开口朝向远离压电组件200方向的腔室20。
下面通过柔性声电基板的制备过程详细说明本实施例的技术方案。其中，本实施例中所说的“构图工艺”包括沉积膜层、涂覆光刻胶、掩模曝光、显影、刻蚀、剥离光刻胶等处理，是现有成熟的制备工艺。沉积可采用溅射、蒸镀、化学气相沉积等已知工艺，涂覆可采用已知的涂覆工艺，刻蚀可采用已知的方法，在此不做具体的限定。
(1)在玻璃载板1上涂覆柔性材料，固化成膜，形成第一柔性层10图案，如图3所示。本实施例中，柔性材料可以采用聚酰亚胺PI、聚对苯二甲酸乙二酯PET、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚碳酸酯PC、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN、聚醚砜PES、聚醚酰亚胺PEI、聚乙烯醇PVA等柔性聚合物材料，涂覆可以采用旋涂方式。本实施例中，优选地，柔性材料采用透明的聚酰亚胺PI。
(2)制备掩膜层图案。制备掩膜层图案包括：在第一柔性层10上沉积一层第一金属薄膜，通过构图工艺对第一金属薄膜进行构图，形成掩膜层11图案，如图4所示。本实施例中，掩膜层11图案用于在后续采用ICP刻蚀形成腔室过程中作为硬掩膜(Hard Mask)。
(3)制备第二柔性层图案。制备第二柔性层图案包括：在形成前述图案的玻璃载板上涂覆柔性材料，固化成膜，形成第二柔性层12图案，如图5所示。本次工艺后，第二柔性层12覆盖第一柔性层10和掩膜层11图案，第二柔性层12的材料与第一柔性层10的材料相同。
(4)制备阻挡层图案。制备阻挡层图案包括：在形成前述图案的玻璃载板上沉积一层阻挡薄膜，形成阻挡(Barrier)层13图案，如图6所示。阻挡薄膜可以采用氧化硅SiOx或单晶硅a-Si等材料，可以是单层，也可以是多层复合结构。本实施例中，阻挡层13一方面用于后续形成腔室过程的刻蚀阻挡作用，使阻挡层13作为腔室的顶壁，另一方面利用氧化硅SiOx或单晶硅a-Si等材料具有一定的刚度和较大的杨氏模量的特点，使阻挡层13起到调节压电换能器谐振频率的作用。此外，阻挡层13还可以提高柔性基底的平坦化和抗水氧能力。实际实施时，阻挡层13的厚度可以根据压电设计原理设计，通过改变阻挡层13的厚度来调整压电换能器的调谐频率。
(5)制备第三柔性层图案。制备第三柔性层图案包括：在形成前述图案的玻璃载板上涂覆柔性材料，固化成膜，形成第三柔性层14图案，如图7所示。本实施例中，第三柔性层14采用透明的聚酰亚胺PI或聚对苯二甲酸乙二酯PET等柔性聚合物材料，与第一柔性层10和第二柔性层12的材料相同。
(6)制备压电组件图案。制备压电组件图案包括：在形成前述图案的玻璃载板上通过构图工艺形成叠设的下电极15、压电层16和上电极17图案，即压电三明治结构，如图8所示。其中，形成过程可以包括，先沉积第二金属薄膜，通过构图工艺形成下电极15图案，同时在绑定区域形成焊盘图案；随后沉积压电材料薄膜，通过构图工艺形成压电层16图案，压电层16开设有过孔；随后沉积第三金属薄膜，通过构图工艺形成上电极17图案，上电极17通过过孔与绑定区域的焊盘连接。其中，第二金属薄膜和第三金属薄膜的材料可以是金属，如钼Mo、铝Al、金Au、钛Ti、铂Pt，钌Ru、铱Ir等金属以及它们的合金，也可以是透明导电材料，如氧化铟锡ITO或氧化铟锌IZO，可以是单层，也可以是多层复合结构。压电材料薄膜的材料可以采用压电陶瓷材料，如锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体PZT、氧化锌ZnO、氮化铝AlN等，也可以采用透明的有机压电材料，如聚偏氟乙烯PVDF。本实施例中，优选地，压电层16的材料采用透明的聚偏氟乙烯PVDF。
本实施例中，压电三明治结构中，下电极15与压电层16之间还设置绝缘层18，绝缘层18的材料可以采用氮化硅SiNx等，用于平坦化和绝缘。实际实施时，绝缘层18为可选膜层。
本实施例中，在平行于玻璃载板1的平面上，下电极15、压电层16和上电极17可以设置成多种形状，如圆形、正方形、五边形、六边形等。考虑到下电极15和上电极17采用合适的尺寸比例设计有助于得到更大的电声转换效率，因此本实施例设置上电极17的面积与下电极15的面积之比为0.7～0.8。优选地，设置上电极17的面积与下电极15的面积之比为0.75。在垂直于玻璃载板1的平面上，下电极15和上电极17中，既可以采用一个是面状电极、一个是块状电极设计，也可以采用两者都是块状电极设计，后者可以有效保证下电极15和上电极17采用合适的尺寸比例。
(7)剥离玻璃载板。剥离玻璃载板包括：采用激光剥离工艺，将玻璃载板与玻璃载板上形成的膜层结构分离，如图9所示。
(8)刻蚀腔室。刻蚀腔室包括：采用ICP刻蚀方式刻蚀第一柔性层10和第二柔性层12，形成腔室20，如图10所示。在ICP刻蚀过程中，先刻蚀第一柔性层10，当第一柔性层10被刻蚀掉后便暴露出掩膜层11图案，以掩膜层11图案作为硬掩膜继续刻蚀第二柔性层12，使掩膜层11图案遮挡的第二柔性层12得以保留，未被掩膜层11图案遮挡的其它位置的第二柔性层12被刻蚀掉，直到刻蚀到阻挡层13，最终形成腔室20。
ICP刻蚀的基本原理是在真空低气压下，ICP射频电源产生的射频输出到环形耦合线圈，以一定比例的混合刻蚀气体经耦合辉光放电，产生高密度的等离子体，在RF射频作用下，这些等离子体对柔性层表面进行轰击，被轰击的柔性层以气体形式脱离。由于ICP刻蚀具有各向异性、对不同材料的刻蚀有较高的选择比、工艺可控性强等特点，因此在形成腔室20过程中，可以做到仅刻蚀柔性层而不刻蚀其它膜层，使其它膜层不受影响。实际实施时，可以先将所形成的膜层结构翻转，然后进行ICP刻蚀。经过前述流程，即制备完成本实施例柔性声电基板。
图11为本发明第一实施例一种电极结构的示意图。如图11所示，本电极结构中，下电极15为面状电极，上电极17为块状电极，上电极焊盘21和下电极焊盘22与下电极15同层设置且通过一次构图工艺形成。具体地，在形成下电极15时，同时在绑定(bonding)区域形成上电极焊盘21和下电极焊盘22，下电极焊盘22与下电极15连接且为一体结构，上电极焊盘21单独设置。在下电极15上形成压电层16时，在绑定区域多个上电极焊盘21所在位置的压电层16上开设多个过孔23，每个过孔23暴露出每个上电极焊盘21。在压电层16上形成块状的上电极17时，上电极17按列(或按行)通过电极线24依次连接，同时电极线24延伸到绑定区域，通过过孔23与上电极焊盘21连接。
图12为本发明第一实施例另一种电极结构的示意图。如图12所示，本电极结构中，下电极15为块状电极，上电极17为面状电极，上电极焊盘21和下电极焊盘22与下电极15同层设置且通过一次构图工艺形成。具体地，在形成块状的下电极15时同时形成电极线24，且在绑定区域形成上电极焊盘21和下电极焊盘22，下电极15按列或按行通过电极线24依次连接，同时电极线24延伸到绑定区域，与下电极焊盘22连接，下电极15、电极线24和下电极焊盘22为一体结构，上电极焊盘21单独设置。在下电极15上形成压电层16时，在上电极焊盘21所在位置的压电层上开设过孔23，该过孔23暴露出上电极焊盘21。在压电层16上形成面状的上电极17时，上电极17通过过孔23与上电极焊盘21连接。与图11所示电极结构相比，本电极结构只需要设置一个过孔即可实现上电极整面连接到绑定区域的上电极焊盘。
图13为本发明第一实施例又一种电极结构的示意图，为图12所示电极结构的一种扩展。如图13所示，本电极结构中，上电极为面状电极(未示出)，与图12所示电极结构的上电极结构相同，下电极15为块状电极，但一部分下电极15采用单独的电极线24独立引出到绑定区域，另一部分下电极15采用通过电极线24依次连接的方式按列引出到绑定区域。实际实施时，也可以是全部下电极15采用单独的电极线24独立引出的方案。与图12所示电极结构相比，本电极结构通过差异化设计易于实现差异化驱动，可以提高整体器件性能。
图14为本发明第一实施例又一种电极结构的示意图，为图12所示电极结构的另一种扩展。如图14所示，本电极结构中，上电极为面状电极(未示出)，与图12所示电极结构的上电极结构相同，下电极15为块状电极，采用通过电极线24依次连接的方式按列引出到绑定区域，但不同区域的下电极15的面积不同，位于一部分区域的下电极15的面积小于位于其它区域的下电极15的面积，如图14左侧两列的下电极15的面积小于右侧三列的下电极15的面积。实际实施时，也可以采用下电极15的面积按列(或按行)依次增加(或减少)的方案。实际实施时，上电极也可以采用面积不同的方案。与图12所示电极结构相比，本电极结构，本电极结构通过差异化设计易于实现差异化驱动，可以提高整体器件性能。
本实施例提供的几种电极结构设计仅仅是一种示例，实际实施时可以将上述电极结构任意组合成其它结构形式。当柔性声电基板作为柔性发声基板时，下电极15(或上电极17)连接在一起引出即可，实现同时驱动。但考虑到压电换能器的频响曲线频宽有限，有可能存在发声效果偏差，如低频特性差。为了改善发声音质，获得低频、中频和高频较均一的声学响应，本实施例提出了压电换能器阵列中阵元差异化设计，使一部分区域的阵元频响覆盖低频区，另一部分区域的阵元频响覆盖中频区或高频区，分区驱动或同时驱动各区，以获得更均一的声学响应。同时，由于压电换能器工作在自身谐振频率附近时电声转换效率最大，通过改变上下电极面积之比，可以使得压电换能器无论发出哪个频段的声音，都有一部分阵元工作在该谐振频率附近，因而能够最大限度地获得较大的电声转换效率。
本实施例中，还可以采用调整阵元尺寸的方式实现差异化设计。由于器件谐振频率受阵元面积的影响，在其它参数不变的情况下，阵元面积越大谐振频率越小，因此可以通过阵元尺寸改变实现差异化设计。例如，将在柔性基底上规则排布的多个压电组件划分为多个压电组，每个压电组包括多个压电组件，每个压电组中压电组件和腔室的尺寸相同，但不同压电组中的压电组件和腔室的尺寸不同。
本实施例中，还可以采用调整叠层厚度的方式实现差异化设计。由于器件谐振频率还受叠层材料参数和厚度的影响，在其它参数不变的情况下，压电薄膜厚度越大器件谐振频率越大，因此在制作压电层时可以分区域制作，在不同区域制作不同厚度。例如，将在柔性基底上规则排布的多个压电组件划分为多个压电组，每个压电组包括多个压电组件，每个压电组中的压电层厚度相同，但不同压电组中的压电层厚度不同。实际实施时，也可以通过压电组件中绝缘层的厚度调整实现差异化设计。当然，将调整阵元尺寸和调整叠层厚度结合起来，可以更有效地实现差异化设计。
总之，本实施例通过差异化的阵元设计，对应不同的发声频段，既保证了平坦的响应曲线和声音音质，又提高了器件工作效率。
通过前述说明可以看出，由于本实施例是通过ICP刻蚀方式在柔性基底内形成腔室，在柔性基底表面形成压电组件，柔性基底同时作为压电微机械结构的支撑，实现了柔性和透明的声电基板，具有良品率高、易于工艺实现等优点。与采用牺牲层工艺制备腔室的现有技术相比，既不需要开设和封死刻蚀孔，也不需要预先设置牺牲层，因此本实施例所形成的腔室具有较好的刻蚀均匀性，无刻蚀残留，且工艺实现简单，良品率高，生产成本低，易于形成规模量产，有效解决了现有方法存在良品率低、工艺实现复杂等缺陷。与硬质、不透明结构的现有技术相比，由于透明的压电组件形成在柔性基底上，且结构简单、布局灵活，具有体积小、易于集成、能弯折、透明等优点，因而有效解决了现有结构体积大、难集成、硬质不能弯折、应用受限等弊端。本实施例柔性声电基板既可以独立形成声电面板，也可以集成在显示装置或其它装置的表面或内部。当本实施例柔性声电基板集成在显示装置上时，显示装置既不需要开孔，也不需要做结构上调整，集成的柔性声电基板几乎不增加厚度，可以适用于多种结构形式的显示装置，具有良好的兼容性，美观大方。
进一步地，本实施例柔性声电基板易于实现阵元的优化和差异化设计，通过阵元的优化和差异化设计，对应不同的声频段，既保证了平坦的响应曲线和声音音质，又提高了器件工作效率。进一步地，由于本实施例制备柔性声电基板的工艺利用现有成熟的制备设备即可实现，对现有工艺改进较小，能够很好地与显示装置的制备工艺兼容，不仅易于实施，而且可以进一步提高生产效率和良品率，降低生产成本，具有良好的应用前景。
第二实施例
图15为本发明柔性声电基板第二实施例的结构示意图，示意了一个压电换能器的剖视图。如图15所示，本实施例压电换能器的主体结构包括柔性基底100以及设置在柔性基底100上的压电组件200，压电换能器的腔室20设置在柔性基底100内。压电组件200包括在柔性基底100远离腔室20一侧表面上叠设的下电极15、压电层16和上电极17，形成压电三明治结构。柔性基底100包括依次叠设的第一柔性薄膜31、阻挡层32和第二柔性薄膜32，第一柔性薄膜31和阻挡层32一起形成腔室20，腔室20的开口朝向远离压电组件200的方向，阻挡层32作为腔室20的顶壁，第二柔性薄膜32设置在阻挡层32远离腔室20一侧的表面上，压电组件200的下电极15设置在第二柔性薄膜32远离腔室20一侧的表面上。其中，腔室20是采用ICP刻蚀方式形成，形成开口朝向远离压电组件200方向的腔室20。
下面通过柔性声电基板的制备过程详细说明本实施例的技术方案。
(1)提供现成的第一柔性薄膜、阻挡层和第二柔性薄膜，三者均为片状，可以在其它专用设备上制备完成。然后，将第一柔性薄膜31和第二柔性薄膜33通过阻挡层32相贴合，阻挡层32设置在第一柔性薄膜31与第二柔性薄膜33之间，形成柔性基底，如图16所示。其中，阻挡层可以采用具有一定的刚度和较大的杨氏模量的材料，通过表面涂覆粘性材料与第一柔性薄膜31和第二柔性薄膜33相贴合，一方面用于后续形成腔室过程的刻蚀阻挡作用，使阻挡层作为腔室的顶壁，另一方面利用其具有一定的刚度和较大的杨氏模量的特点，使阻挡层起到调节压电换能器谐振频率的作用。第一柔性薄膜和第二柔性薄膜可以采用透明的聚酰亚胺PI。
(2)制备压电组件图案，如图17所示。本实施例制备压电组件图案过程与前述第一实施例相同，材料和结构形式也相同，这里不再赘述。
(3)刻蚀腔室。刻蚀腔室包括：在第一柔性薄膜31一侧设置掩膜板，通过ICP刻蚀方式刻蚀第一柔性薄膜31，在第一柔性薄膜31上形成腔室20，如图15所示。在ICP刻蚀过程中，被掩膜板遮挡的第一柔性薄膜31被保留，未被掩膜板遮挡的其它位置的第一柔性薄膜31被刻蚀掉，直到刻蚀到起阻挡作用的阻挡层32，最终形成腔室20。
实际实施时，步骤(1)也可以采用设置玻璃载板方式。例如，在玻璃载板上通过涂覆柔性材料固化成膜形成第一柔性薄膜，通过沉积形成阻挡层，通过涂覆柔性材料固化成膜形成第二柔性薄膜。制备完压电组件后，剥离玻璃载板，最后通过掩膜板和ICP刻蚀形成腔室。形成腔室时，可以先将所形成的膜层结构翻转，然后进行刻蚀。经过前述流程，即制备完成本实施例柔性声电基板。
本实施例通过在柔性基底内形成腔室，在柔性基底表面形成透明的压电组件，因此同样具有前述第一实施例的有益效果，即具有良品率高、易于工艺实现、体积小、易于集成、能弯折、透明等优点。同时，由于第一柔性薄膜、阻挡层和第二柔性薄膜采用现成的成品，既简化了制备工艺，又能够保证各层厚度等结构参数。
第三实施例
基于本发明前述实施例的技术构思，本发明实施例还提供了一种柔性声电基板的制备方法。柔性声电基板的制备方法包括：
S1、形成柔性基底；
S2、在所述柔性基底上形成规则排布的多个压电组件；
S3、采用感应耦合等离子体刻蚀所述柔性基底，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室。
在一个实施例中，步骤S1包括：
在玻璃载板上形成第一柔性层；
在所述第一柔性层上形成掩膜层，所述掩膜层用于在采用感应耦合等离子体刻蚀时作为形成腔室的硬掩膜；
依次形成第二柔性层、阻挡层和第三柔性层，形成所述柔性基底。
相应的，步骤S3包括：
剥离玻璃载板；
采用感应耦合等离子体刻蚀掉所述第一柔性层，以所述掩膜层作为硬掩膜蚀继续刻蚀未被所述掩膜层遮挡的第二柔性层，直到刻蚀到所述阻挡层，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室。
在另一个实施例中，步骤S1包括：
提供第一柔性薄膜、阻挡层和第二柔性薄膜；将第一柔性薄膜和第二柔性薄膜通过所述阻挡层相贴合，所述阻挡层设置在所述第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间，形成所述柔性基底。
相应的，步骤S3包括：
在所述第一柔性薄膜一侧设置掩膜板；
采用感应耦合等离子体刻蚀未被所述掩膜板遮挡的第一柔性薄膜，直到刻蚀到所述阻挡层，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室。
在又一个实施例中，步骤S1包括：
在玻璃载板上通过涂覆固化成膜方式形成第一柔性薄膜；
在所述第一柔性薄膜通过沉积方式形成阻挡层；
在所述阻挡层上通过涂覆固化成膜方式形成第二柔性薄膜。
相应的，步骤S3包括：
剥离玻璃载板；
在所述第一柔性薄膜一侧设置掩膜板；
采用感应耦合等离子体刻蚀未被所述掩膜板遮挡的第一柔性薄膜，直到刻蚀到所述阻挡层，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室。
其中，所述阻挡层的材料包括氧化硅SiOx或单晶硅a-Si，所述压电层的材料包括锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体PZT、氧化锌ZnO或聚偏氟乙烯PVDF，所述第一柔性层、第二柔性层、第三柔性层、第一柔性薄膜和第二柔性薄膜的材料包括聚酰亚胺PI。
其中，步骤S2包括：
在所述柔性基底上形成多个包括下电极、压电层和上电极的压电组件；或者，在所述柔性基底上形成多个包括下电极、绝缘层、压电层和上电极的压电组件。
在一个实施例中，在所述柔性基底上形成多个包括下电极、压电层和上电极的压电组件，包括：
在所述柔性基底上形成下电极时，同时在绑定区域形成一个或多个上电极焊盘和下电极焊盘，所述下电极焊盘与下电极连接；
在所述下电极上形成压电层时，在所述压电层上形成暴露出所述一个或多个上电极焊盘的过孔；
在所述压电层上形成规则排布的多个块状上电极时，多个上电极按列或按行通过电极线依次连接，且所述电极线通过所述过孔与上电极焊盘连接。
在另一个实施例中，在所述柔性基底上依次形成下电极、压电层和上电极，包括：
在所述柔性基底上形成规则排布的多个块状下电极时，同时形成电极线，且在绑定区域形成一个或多个上电极焊盘和下电极焊盘；多个下电极按列或按行通过电极线依次连接，且所述电极线与下电极焊盘连接；和/或，多个下电极通过单独的电极线与下电极焊盘连接；
在所述下电极上形成压电层时，在所述压电层上形成暴露出所述一个或多个上电极焊盘的过孔；
在所述压电层上形成上电极时，所述上电极通过所述过孔与上电极焊盘连接。
其中，多个压电组件中，所述上电极的面积不同；或者，所述下电极的面积不同；或者，上电极的面积与下电极的面积之比不同。
其中，所述上电极的面积与所述下电极的面积之比为0.7～0.8。
本发明实施例柔性声电基板的制备方法的具体内容，已在前述柔性声电基板制备过程详细介绍，这里不再赘述。
本发明实施例柔性声电基板的制备方法，通过ICP刻蚀方式在柔性基底内形成腔室，在柔性基底表面形成压电组件，柔性基底同时作为压电微机械结构的支撑，所制备的柔性和透明的声电基板具有良品率高、易于工艺实现等优点。与采用牺牲层工艺制备腔室的现有技术相比，既不需要开设和封死刻蚀孔，也不需要预先设置牺牲层，因此本实施例所形成的腔室具有较好的刻蚀均匀性，无刻蚀残留，且工艺实现简单，良品率高，生产成本低，易于形成规模量产，有效解决了现有方法存在良品率低、工艺实现复杂等缺陷。与硬质、不透明结构的现有技术相比，由于透明的压电组件形成在柔性基底上，且结构简单、布局灵活，具有体积小、易于集成、能弯折、透明等优点，因此有效解决了现有结构体积大、难集成、硬质不能弯折、应用受限等弊端。所制备的柔性声电基板既可以独立形成发声面板或探测面板，也可以集成在显示装置或其它装置的表面或内部。当柔性声电基板集成在显示装置上时，显示装置既不需要开孔，也不需要做结构上调整，集成的柔性声电基板几乎不增加厚度，可以适用于多种结构形式的显示装置，具有良好的兼容性，美观大方。进一步地，通过阵元的优化和差异化设计，对应不同的声频段，既保证了平坦的响应曲线和声音音质，又提高了器件工作效率。本发明实施例柔性声电基板的制备方法利用现有成熟的制备设备即可实现，对现有工艺改进较小，能够很好地与显示装置的制备工艺兼容，不仅易于实施，而且可以进一步提高生产效率和良品率，降低生产成本，具有良好的应用前景。
第四实施例
本发明实施例还提供了一种柔性声电装置，包括前述实施例任意一种柔性声电基板。柔性声电装置既可以作为独立的装置，也可以集成在显示装置或其它装置的表面或内部。
其中，柔性声电装置可以是柔性发声装置，如扬声器，也可以是柔性探测装置，如指纹识别器和距离检测器。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (15)
1.一种柔性声电基板的制备方法，其特征在于，包括：
形成柔性基底；
在所述柔性基底上形成规则排布的多个压电组件；
采用感应耦合等离子体刻蚀所述柔性基底，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成柔性基底，包括：
在玻璃载板上形成第一柔性层；
在所述第一柔性层上形成掩膜层，所述掩膜层用于在采用感应耦合等离子体刻蚀时作为形成腔室的硬掩膜；
依次形成第二柔性层、阻挡层和第三柔性层，形成所述柔性基底。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，采用感应耦合等离子体刻蚀所述柔性基底，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室，包括：
剥离玻璃载板；
采用感应耦合等离子体刻蚀掉所述第一柔性层，以所述掩膜层作为硬掩膜蚀继续刻蚀未被所述掩膜层遮挡的第二柔性层，直到刻蚀到所述阻挡层，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成柔性基底，包括：
提供第一柔性薄膜、阻挡层和第二柔性薄膜；将第一柔性薄膜和第二柔性薄膜通过所述阻挡层相贴合，所述阻挡层设置在所述第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间，形成所述柔性基底。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用感应耦合等离子体刻蚀所述柔性基底，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室，包括：
在所述第一柔性薄膜一侧设置掩膜板；
采用感应耦合等离子体刻蚀未被所述掩膜板遮挡的第一柔性薄膜，直到刻蚀到所述阻挡层，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成柔性基底，包括：
在玻璃载板上通过涂覆固化成膜方式形成第一柔性薄膜；
在所述第一柔性薄膜通过沉积方式形成阻挡层；
在所述阻挡层上通过涂覆固化成膜方式形成第二柔性薄膜。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，采用感应耦合等离子体刻蚀所述柔性基底，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室，包括：
剥离玻璃载板；
在所述第一柔性薄膜一侧设置掩膜板；
采用感应耦合等离子体刻蚀未被所述掩膜板遮挡的第一柔性薄膜，直到刻蚀到所述阻挡层，形成与所述多个压电组件一一对应的腔室。
8.根据权利要求2～7任一所述的制备方法，其特征在于，所述阻挡层的材料包括氧化硅SiOx或单晶硅a-Si，所述压电层的材料包括锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体PZT、氧化锌ZnO或聚偏氟乙烯PVDF，所述第一柔性层、第二柔性层、第三柔性层、第一柔性薄膜和第二柔性薄膜的材料包括聚酰亚胺PI。
9.根据权利要求1～7任一所述的制备方法，其特征在于，在所述柔性基底上形成规则排布的多个压电组件，包括：
在所述柔性基底上形成多个包括下电极、压电层和上电极的压电组件；或者，在所述柔性基底上形成多个包括下电极、绝缘层、压电层和上电极的压电组件。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，
在所述柔性基底上形成下电极时，同时在绑定区域形成一个或多个上电极焊盘和下电极焊盘，所述下电极焊盘与下电极连接；
在所述下电极上形成压电层时，在所述压电层上形成暴露出所述一个或多个上电极焊盘的过孔；
在所述压电层上形成规则排布的多个块状上电极时，多个上电极按列或按行通过电极线依次连接，且所述电极线通过所述过孔与上电极焊盘连接。
11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，
在所述柔性基底上形成规则排布的多个块状下电极时，同时形成电极线，且在绑定区域形成一个或多个上电极焊盘和下电极焊盘；其中，多个下电极按列或按行通过电极线依次连接，且所述电极线与下电极焊盘连接；和/或，多个下电极通过单独的电极线与下电极焊盘连接；
在所述下电极上形成压电层时，在所述压电层上形成暴露出所述一个或多个上电极焊盘的过孔；
在所述压电层上形成上电极时，所述上电极通过所述过孔与上电极焊盘连接。
12.根据权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于，多个压电组件中，所述上电极的面积不同；或者，所述下电极的面积不同；或者，上电极的面积与下电极的面积之比不同；或者，所述压电层的厚度不同。
13.根据权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于，所述上电极的面积与所述下电极的面积之比为0.7～0.8。
14.一种柔性声电基板，其特征在于，采用如权利要求1～13任一所述的柔性声电基板的制备方法制备。
15.一种柔性声电装置，其特征在于，包括如权利要求14所述的柔性声电基板。
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