CN110534638A - 利用压电物质的电子装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对三维形状具有高识别精确度且具有改善的耐久性的利用压电物质的电子装置及其制造方法。

Description

利用压电物质的电子装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种利用压电物质的电子装置及其制造方法。
背景技术
利用压电物质的电子装置为如下装置：对设置到包括压电物质的压电性柱部的上表面及下表面的电极施加电压而使压电性柱部上下振动来产生信号，基于因由三维物体反射回来的信号而使压电性柱部变形产生的电位差测定三维物体的形状图像。利用压电物质的电子装置中的压电性柱部分别作为三维形状的图像像素发挥功能。
以往，制造压电性柱部的方式如下：首先，在制作半导体基板或树脂模具后，通过光刻工艺制造用以填充压电物质的孔。此后，通过在孔的内部填充压电物质而形成压电性柱部。
压电性柱部通常沿包括横向的所有方向收发超声波，从压电性柱部的侧面发射的超声波由相邻的压电性柱部直接检测而作为相邻的压电性柱部的噪音发挥作用。为了去除这种噪音，重要的是包覆压电性柱部的周边部的特性。换句话说，包覆压电性柱部的周边部需通过衰减从压电性柱部的侧面传播的声波而有效地去除噪音。因此，针对包覆压电性柱部的周边部提出有合成树脂、聚合物材料(聚合物)、环氧树脂等，但这些材质在一面发挥从侧面支撑压电性柱部的功能，一面同时提高衰减从相邻的压电性柱部的侧面传播的声波(尤其，超声波)的效率方面存在极限。
另一方面，为了提高作为利用压电物质的电子装置的精确度，需以更高的密度形成压电性柱部，但在像以往一样对合成树脂或聚合物材料(聚合物)的模具加工孔的情况下，存在难以获得高密度的垂直形状的孔的问题。
另外，在模具的底部堵塞的状态下填充压电物质，因此存在因残留在模具内部的气压而无法顺利地填充压电物质的问题。虽可通过在利用真空泵将模具内部的空气全部去除后在真空环境下填充压电物质而在一定程度上解决这种问题，但仍留有其作业工艺繁琐的问题。
在利用半导体基板的情况下，需要如下工艺：在利用半导体基板通过半导体工艺(光刻工艺)形成孔后，在孔的内部填充压电物质，之后将半导体基板置换成绝缘层(例如环氧树脂)。
然而，这种方式存在如下问题：需要另外形成孔的工艺，需要需将填充压电物质时使用的半导体基板置换成绝缘层的繁杂的工艺，在未完全去除半导体基板的情况下，装置的性能下降。
[现有技术文献]
[专利文献]
(专利文献1)韩国注册专利公报注册编号第10-1288178号
(专利文献2)日本注册专利公报注册编号第2617584号
(专利文献3)日本注册专利公报注册编号第1996-012181号
发明内容
[发明要解决的问题]
因此，本发明是为了解决如上所述的以往的问题而提出，本发明的目的在于提供一种对三维形状具有高识别精确度且具有改善的耐久性的利用压电物质的电子装置。
另外，本发明的又一目的在于提供一种对三维形状具有高识别精确度且具有改善的耐久性的利用压电物质的电子装置的制造方法。
[解决问题的手段]
为了达成本发明的这些目的，本发明的利用压电物质的电子装置包括：阳极氧化膜；第一电极，形成到所述阳极氧化膜的上部；第二电极，形成到所述阳极氧化膜的下部；以及压电性柱部，形成到所述第一电极与所述第二电极之间，包括压电物质。
另外，所述利用压电物质的电子装置的特征在于：所述压电性柱部填充到上下贯通所述阳极氧化膜的贯通孔内而由所述阳极氧化膜包覆。
另外，所述利用压电物质的电子装置还包括形成到所述第一电极与所述第二电极之间的导电性柱部。
另外，所述利用压电物质的电子装置的特征在于：所述导电性柱部填充到上下贯通所述阳极氧化膜的贯通孔内而由所述阳极氧化膜包覆。
另外，所述利用压电物质的电子装置的特征在于：所述利用压电物质的电子装置为三维形状识别装置。
另外，所述利用压电物质的电子装置的特征在于：所述三维形状识别装置为指纹传感器。
另外，所述利用压电物质的电子装置的特征在于：所述利用压电物质的电子装置为声波发送装置或声波接收装置。
另外，所述利用压电物质的电子装置的特征在于：所述利用压电物质的电子装置为扬声器装置。
另一方面，本发明的利用压电物质的电子装置的制造方法的特征在于包括：准备阳极氧化膜的步骤；形成上下贯通所述阳极氧化膜的贯通孔的步骤；在所述贯通孔填充压电物质而形成压电性柱部的步骤；在所述阳极氧化膜的上部形成第一电极的步骤；以及在所述阳极氧化膜的下部形成第二电极的步骤，且所述压电性柱部位于所述第一电极与第二电极之间。
另外，所述利用压电物质的电子装置的制造方法的特征在于：形成所述贯通孔的步骤是通过蚀刻所述阳极氧化膜的区域而形成所述贯通孔。
另外，所述利用压电物质的电子装置的制造方法的特征在于：还包括在所述贯通孔填充导电性物质而形成导电性柱部的步骤，所述导电性柱部将所述第一电极中的至少一者与所述第二电极中的至少一者彼此连接。
[发明效果]
如上所述，本发明的利用压电物质的电子装置对三维形状具有高识别精确度且具有改善的耐久性。
另外，本发明的利用压电物质的电子装置可倒装芯片安装到控制芯片或电路基板。
另一方面，根据本发明的利用压电物质的电子装置的制造方法，易于填充压电物质，制造工艺变简单，可制造一种具有改善的识别精确度及耐久性的电子装置。
附图说明
图1至图5是表示本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置的制造方法的图。
图6是本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置的概略图。
图7是表示将本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置安装在控制芯片上的状态的图。
图8是表示本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置发送声波的图。
图9是表示本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置接收声波的图。
图10是表示本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置识别指纹的图。
具体实施方式
以下内容仅例示发明的原理。因此，虽未在本说明书中明确地进行说明或图示，但本领域技术人员可实现发明的原理而发明包括在发明的概念与范围内的各种装置。另外，本说明书中所列举的所有附有条件的术语及实施例应理解为在原则上仅明确地用于理解发明的概念，并不限制于像这样特别列举的实施例及状态。
上述目的、特征及优点根据与附图相关的以下的详细说明而变得更明确，因此发明所属的技术领域内的普通技术人员可容易地实施发明的技术思想。
以下，参照附图所示的实施例，详细地对本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置及其制造方法进行说明。
本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置包括：阳极氧化膜100；第一电极200，形成到阳极氧化膜100的上部；第二电极300，形成到阳极氧化膜100的下部；以及压电性柱部400，形成到第一电极200与第二电极300之间，包括压电物质。
与利用合成树脂、聚合物材料(聚合物)、环氧树脂等的以往技术相比，本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置在采用阳极氧化膜100的方面存在差异。因此，以下，首先参照图1具体地对构成本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置的阳极氧化膜100进行说明。
阳极氧化膜100的制造方法包括将金属阳极氧化的步骤及去除所述金属的步骤。
阳极氧化膜100是指将作为母材的金属阳极氧化而形成的膜。另外，气孔110是指在将金属阳极氧化而形成阳极氧化膜100的过程中形成而具有规则性的排列的孔。
在作为母材的金属为铝(Al)或铝合金的情况下，如果将母材阳极氧化，则在母材的表面形成阳极氧化铝(Al2O3)材质的阳极氧化膜100。像上述内容一样形成的阳极氧化膜100分为未在内部形成气孔110的阻障层、及在内部形成有气孔110的多孔层。阻障层位于母材的上部，多孔层位于阻障层的上部。
在具有阻障层与多孔层的阳极氧化膜100形成在表面的母材中，如果去除母材，则仅残留阳极氧化铝(Al2O3)材质的阳极氧化膜100。在此情况下，如果去除阻障层，则像图1所示一样阳极氧化膜100整体由阳极氧化铝(Al2O3)材质构成，从而具有直径均匀、以垂直的形态上下贯通形成且具有规则性的排列的气孔110。
各气孔110在阳极氧化膜100内彼此独立地存在。换句话说，具有数纳米至数百纳米的内部宽度尺寸的多个气孔110以上下贯通阳极氧化膜100的方式形成到包括阳极氧化铝(Al2O3)材质的阳极氧化膜100。
为了提高利用压电物质的电子装置的精确度，需以更高的密度配置压电性柱部400。因此，需较窄地形成各压电性柱部400的宽度，也需较窄地形成第一电极200及第二电极300的线宽。因较窄地形成第一电极200及第二电极300的线宽而在第一电极200及第二电极300产生热。此时，因产生的热而导致相邻的压电性柱部400热变形。压电性柱部400需测定从三维形状接收的声波而识别三维形状的图像，但因从周边部流入的热引发热变形，因此对三维形状的图像信号的精确度下降。
然而，根据本发明的优选实施例，通过具有多个气孔110的阳极氧化膜100的构成，即便压电性柱部400的周边部采用具有微小线宽的第一电极200及第二电极300，具有多个气孔110的阳极氧化膜100也执行隔热功能，因此可将相邻的压电性柱部400的热变形最小化。由此，可防止因压电性柱部400热变形而产生的噪音。
其次，如图2所示，阳极氧化膜100除将金属母材阳极氧化而自然形成的气孔110以外，还形成贯通孔150。贯通孔150为上下贯通阳极氧化膜100的构成。
贯通孔150是通过选择性地蚀刻阳极氧化膜100而形成。局部地掩蔽阳极氧化膜100，仅蚀刻未掩蔽的区域而形成贯通孔150。通过进行蚀刻，不仅可容易地形成具有大于气孔110的内部宽度的贯通孔150，而且蚀刻溶液与阳极氧化膜100发生反应而贯通孔150呈上下垂直地贯通阳极氧化膜100的形状。如上所述，气孔110及贯通孔150均在阳极氧化膜100内呈垂直的孔形状，并且彼此并排地具备。
其次，如图3所示，在贯通孔150的内部填充压电物质。压电物质作为发挥将机械力转换成电信号或将电信号转换成机械力的作用的物质，可为钛酸铅(PbTiO3)、钛酸钡(BaTiO3)或锆钛酸铅(PZT)。
与在模具的底部堵塞的状态下填充压电物质，因此因残留在模具内部的气压而无法顺利地填充压电物质的以往技术不同，贯通孔150为贯通阳极氧化膜100的上表面及下表面的构成，因此可容易地填充压电物质。
进而，贯通孔150为贯通阳极氧化膜100的上表面及下表面的构成，因此可通过设置从阳极氧化膜100的一面抽吸空气的真空泵而形成朝向贯通孔150的内部的声压来更容易地使压电物质向贯通孔150的内部流入。根据如上所述的构成，压电物质完全填充到贯通孔150的内部，因此压电性柱部400的均匀度提高，其耐久性也提高。
在贯通孔150的内部填充压电物质后，对压电物质进行急速热处理而烧结压电物质，由此形成压电性柱部400。通过对压电物质进行急速热处理，填充在贯通孔150的内部的压电物质保持填充在贯通孔150的内部的形状而烧结。急速热处理的条件为在850℃至1000℃的区间进行1分钟以上且20分钟以内。
压电性柱部400具有填充到上下贯通阳极氧化膜100的贯通孔150内而由具有多个气孔110的阳极氧化膜100包覆的形态的构成。阳极氧化膜100具有电绝缘特性，故而无需用于第一电极200及第二电极300的另外的绝缘层。另外，在相邻的压电性柱部400的侧面产生的超声波因相邻的多个空气柱而衰减，因此可有效地去除因相邻的压电性柱部400产生的噪音。
其次，在未填充压电物质的贯通孔150填充导电性物质。此处，作为将导电性物质填充到贯通孔150的内部的方法，可利用采用掩模的溅镀法、原子层沉积法(Atomic LayerDeposition，ALD)。然而，填充方法只要为可在贯通孔150的内部填充导电性物质的方法，则也可使用除此之外的其他方法。导电性物质沿贯通孔150的形成方向而在一方向上形成，由此形成垂直形状的导电性柱部500。导电性柱部500将下文叙述的第一电极200中的至少一者与第二电极300中的至少一者彼此连接。
可通过导电性柱部500将具备到阳极氧化膜100的上表面的第一电极200连接到阳极氧化膜100的下侧，因此在将利用压电物质的电子装置电连接到电路基板或控制芯片等时，可无需另外进行打线接合作业而实现倒装芯片接合。
导电性柱部500具有填充到上下贯通阳极氧化膜100的贯通孔150内而由阳极氧化膜100包覆的形态的构成。具有多个气孔110的阳极氧化膜100具有在水平方向上阻断热传递的隔热功能。因此，根据如上所述的构成，导电性柱部500产生的热沿水平方向的传递由阳极氧化膜100阻断，由此防止因相邻的压电性柱部400热变形而引起的噪音。
另外，压电性柱部400及导电性柱部500均为填充到上下贯通阳极氧化膜100的贯通孔150内而由阳极氧化膜100包覆的构成，故而可将压电性柱部400及导电性柱部500的侧面方向的变形最小化而防止强度下降，因此装置的耐久性提高，可实现装置的小型化。
以m行×n列的矩阵形态的排列具备压电性柱部400及导电性柱部500。参照图3，压电性柱部400排列成6行×4列，导电性柱部500在最右侧排列成1列，从而压电性柱部400与导电性柱部500在整体上呈6行×5列的矩阵形态的排列。
另一方面，虽未图示，但可与导电性柱部500在最右侧排列成1列的构成不同地在多个压电性柱部400之间配置导电性柱部500。根据如上所述的构成，可减小向通过导电性柱部500的上表面连接的最外围的压电性柱部400的上表面延伸的第一电极200的长度，因此可减小因电极变长而产生的电压降。
另一方面，虽未图示，但导电性柱部500也可配置成如下形态：反复以一行为基准而配置到最右侧，并以相邻的另一行为基准而配置到最左侧。换句话说，导电性柱部500可包括与多个压电性柱部400的奇数行对应的第一导电性柱部、及与多个压电性柱部400的偶数行对应的第二导电性柱部。配置成第一导电性柱部位于多个压电性柱部400的一侧且第二导电性柱部位于多个压电性柱部400的另一侧的形态。根据如上所述的构成，可按照各行(或按照各列)个别地对多个压电性柱部400进行控制。
另一方面，虽未图示，但能够以个别的第一电极为基准而具备多个导电性柱部500。根据如上所述的构成，即便任一导电性柱部500丧失其功能，也可防止利用压电物质的电子装置丧失功能。
继而，参照图4及图5，第一电极200及第二电极300形成为在阳极氧化膜100的上部及下部彼此交叉的形态。换句话说，如果第一电极200在阳极氧化膜100的上表面沿横向形成，则第二电极300在阳极氧化膜100的下表面沿纵向形成。填充有压电物质的压电性柱部400位于第一电极200与第二电极300之间，另外，填充有导电性物质的导电性柱部500位于第一电极200与第二电极300之间。
第一电极200及第二电极300通过溅镀工艺沉积到阳极氧化膜100的表面而形成。第一电极200及第二电极300可包括Pt、W、Co、Ni、Au、Cu中的一种或包括至少一种的混合物。
参照图4，在阳极氧化膜100的上部形成第一电极200。第一电极200以彼此隔开的形态并排具备多个。如图所示，压电性柱部400及导电性柱部500配置成6行×5列，第一电极200以与6行×5列的排列中的沿行方向配置的多个压电性柱部400及导电性柱部500的上表面相接的方式形成。因此，如图4所示，第一电极形成为6行的个数，与导电性柱部500的个数相同。
图5是表示图4的阳极氧化膜100的下部的图，参照图5，第二电极300形成到阳极氧化膜100的下部，配置成隔以阳极氧化膜100而与第一电极200彼此交叉的形态。第二电极300包括与压电性柱部400的下表面连接的第二之一电极310及与导电性柱部500的下表面连接的第二之二电极330。
图6是以省略阳极氧化膜100的状态概略性地表示本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置的图。如图6所示，压电性柱部400具备到第一电极200与第二之一电极310之间，导电性柱部500具备到第一电极200与第二之二电极330之间。
一个第二之二电极330通过多个(例如，5个)导电性柱部500与多个(例如，5个)第一电极200连接，因此一个第二之二电极330与多个第一电极200电连接。由此，可通过一个第二之二电极330一次控制多个第一电极200。
另外，根据第二之二电极330通过导电性柱部500与第一电极200连接的构成，具有如下优点：在将利用压电物质的电子装置电连接到电路基板或控制芯片等时，可无需另外进行打线接合作业而实现倒装芯片接合。
参照图7，在电路基板650上具备通过导线610电连接的控制芯片600，在控制芯片600上倒装芯片安装本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置10。在利用压电物质的电子装置10中，用以对压电性柱部400施加电源或接收来自压电性柱部400的信号的第二电极300具备到电子装置10的下部，因此可将电子装置10倒装芯片安装到控制芯片600。虽未图示，但在电路基板650直接具备用以驱动电子装置10的控制部的情况下，可将电子装置10直接倒装芯片安装到电路基板650。
如上所述，无需用以将电子装置10电连接到电路基板650或控制芯片600的另外的导线，因此安装变简便，可实现电子装置10的小型化。
在上述实施例中，说明为在形成上下贯通阳极氧化膜100的贯通孔150后，在贯通孔150的内部填充压电物质而形成压电性柱部400，填充导电性物质而形成导电性柱部500，但也可不另外形成贯通孔150而直接利用阳极氧化膜100的气孔110在相邻的多个气孔110的族群的内部填充压电物质来形成压电性柱部400，在相邻的多个气孔110的族群的内部填充导电性物质而形成导电性柱部500。根据如上所述的另一实施例的构成，存在填充压电物质及/或导电性物质时需要更多的时间且费用增加的缺点，但具有如下优点：可直接利用阳极氧化膜100的气孔110，故而可省略另外形成贯通孔150的工艺。
另外，在上述实施例中，图示说明为气孔110上下贯通，但也可为在气孔110的上部或下部不去除阻障层而按照原样存在的另一实施例。根据如上所述的另一实施例的构成，具有如下优点：可更容易地实现在阻障层的上表面形成电极的工艺，可防止阳极氧化膜100的强度下降。
如图8所示，本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置可为如下的声波发送装置：对设置到包括压电物质的压电性柱部400的上表面及下表面的电极施加电压而使压电性柱部400上下振动来产生声波。这种声波发送装置包括本发明的优选实施例的构成。
另外，本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置可为如下的扬声器装置：通过对设置到包括压电物质的压电性柱部400的上表面及下表面的电极施加电压而使压电性柱部400上下振动来产生声音。这种扬声器装置包括本发明的优选实施例的构成。
另一方面，如图9所示，本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置可为如下的声波接收装置：基于因由发射极700产生的声波而压电性柱部400变形产生的电位差来接收声波。这种声波接收装置包括本发明的优选实施例的构成。
本发明的优选实施例的利用压电物质的电子装置可为利用超声波的三维形状识别装置。这种三维形状识别装置包括本发明的优选实施例的构成。
超声波是具有人耳无法听到的高频率的声音(声波)。即，人可听到的音域为20Hz至20,000Hz之间，将具有其以上的频率的声波称为超声波。对设置到包括压电物质的压电性柱部400的上表面及下表面的第一电极200及第二电极300施加具有超声波频带的共振频率的电压而使压电性柱部400上下振动来产生超声波信号，基于因由三维物体反射回来的超声波信号而使压电性柱部400变形产生的电位差来测定三维物体的形状图像。
此时，压电性柱部400沿包括横向的所有方向收发超声波，从压电性柱部400的侧面发射的超声波不由三维形状反射而由相邻的压电性柱部400直接检测，从而产生噪音。然而，根据压电性柱部400填充到上下贯通阳极氧化膜100的贯通孔150内而由具有多个气孔110的阳极氧化膜100包覆的构成，在相邻的压电性柱部400的侧面产生的超声波因相邻的多个空气柱而衰减，因此可有效地去除因相邻的压电性柱部400产生的噪音。
作为利用这种超声波的三维形状识别装置，可像图10所示一样为识别手指800的指纹810的超声波指纹传感器。与作为仅二维地读取纹理的方式的以往的指纹识别方式(光学式、静电电容式)相比，超声波指纹传感器三维地测定指纹，故而具有无法复制指纹的优点。
另外，本发明的优选实施例的压电性柱部400可较小地形成其宽度尺寸，因此可更精确地识别指纹的三维图案。另外，作为利用超声波的三维形状识别装置，可为测定人体内的脏器或组织的三维形状的装置。
如上所述，参照本发明的优选实施例进行了说明，但本技术领域内的普通技术人员可在不脱离随附的权利要求书中所记载的本发明的思想及领域的范围内对本发明进行各种修正或变形而实施。

Claims (11)

1.一种利用压电物质的电子装置，其特征在于，包括：
阳极氧化膜；
第一电极，形成到所述阳极氧化膜的上部；
第二电极，形成到所述阳极氧化膜的下部；以及
压电性柱部，形成到所述第一电极与第二电极之间，包括压电物质。
2.根据权利要求1所述的利用压电物质的电子装置，其特征在于，
所述压电性柱部填充到上下贯通所述阳极氧化膜的贯通孔内而由所述阳极氧化膜包覆。
3.根据权利要求1所述的利用压电物质的电子装置，其特征在于，还包括形成到所述第一电极与所述第二电极之间的导电性柱部。
4.根据权利要求3所述的利用压电物质的电子装置，其特征在于，所述导电性柱部填充到上下贯通所述阳极氧化膜的贯通孔内而由所述阳极氧化膜包覆。
5.根据权利要求1所述的利用压电物质的电子装置，其特征在于，所述利用压电物质的电子装置为三维形状识别装置。
6.根据权利要求5所述的利用压电物质的电子装置，其特征在于，所述三维形状识别装置为指纹传感器。
7.根据权利要求1所述的利用压电物质的电子装置，其特征在于，所述利用压电物质的电子装置为声波发送装置或声波接收装置。
8.根据权利要求1所述的利用压电物质的电子装置，其特征在于，所述利用压电物质的电子装置为扬声器装置。
9.一种利用压电物质的电子装置的制造方法，其特征在于，包括：
准备阳极氧化膜的步骤；
形成上下贯通所述阳极氧化膜的贯通孔的步骤；
在所述贯通孔填充压电物质而形成压电性柱部的步骤；
在所述阳极氧化膜的上部形成第一电极的步骤；以及
在所述阳极氧化膜的下部形成第二电极的步骤，且
所述压电性柱部位于所述第一电极与所述第二电极之间。
10.根据权利要求9所述的利用压电物质的电子装置的制造方法，其特征在于，形成所述贯通孔的步骤是通过蚀刻所述阳极氧化膜的区域而形成所述贯通孔。
11.根据权利要求9所述的利用压电物质的电子装置的制造方法，其特征在于，还包括在所述贯通孔填充导电性物质而形成导电性柱部的步骤，
所述导电性柱部将所述第一电极中的至少一者与所述第二电极中的至少一者彼此连接。
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