CN111989545A - 由柔性电路基板形成的微设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种柔性电子电路基板，其包括由柔性电子电路基板的各层制成的设备，作为柔性电子电路基板的构造的一部分。此类设备可以是功能单元，例如微机电(MEMS)设备，例如微加速度计传感器元件，微流量传感器，微压力传感器等。

Description

由柔性电路基板形成的微设备
本申请根据35 U.S.C的第119条要求于2017年10月2日提交的标题为“MicroDevices Formed by Flex Circuit Substrates”的美国临时专利申请序列号62/566,591的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本说明书涉及柔性电路和微设备，例如加速度计。
背景技术
柔性(或挠性)电路技术是一种通过将电子部件安装在柔性塑料基板上来制造电子电路的方法。可以使用各种类型的塑料材料，例如聚酰亚胺。可以使用其他材料，例如聚醚醚酮(PEEK)，PET聚对苯二甲酸乙二酯和透明导电聚酯。可以使用用于刚性印刷电路板的相同部件来制造柔性电路组件。然而，与刚性印刷电路板不同，柔性电路技术允许柔性电路板在使用期间弯曲或顺应形状。
加速度计是一种测量“适当加速度”的设备，即，人体在其自己的瞬时静止框架中的速度变化率，其与坐标加速度相反，坐标加速度是固定坐标系中的加速度。加速度计在工业和科学中有多种应用。例如，加速度计用于平板电脑，手持式智能电话，数码相机等中，因此屏幕上的图像始终显示为竖直状态。提供单轴和多轴加速度计。微机械加速度计设备存在于许多便携式电子设备中，例如诸如遥控器和视频游戏控制器之类的手持控制器，并且用于提供设备位置变化(例如运动)的粗略指示。
发明内容
通常，在应用中使用的微加速度计是分立的设备部件，其通常安装在或固定在电路板等上或固定到电路板等上以提供完成的组件。作为分立的设备部件，这种加速度计增加了生产使用加速度计的设备的制造成本。虽然增加分立的设备部件加速度计的增量成本可能是最终组件总成本的一小部分，但在某些应用(例如上述消费者应用)中，希望将此类成本降至最低。该问题可以扩展到其他类型的微机电部件，这些微机电部件被制造为分立部件，从而增加了成本，对于此类设备的某些应用而言，成本可能很高。
根据一个方面，电路基板包括一种或多种材料的多个层，所述多个层粘附在一起，并且所述多个层中的至少第一组在其上具有图案化的电导体；和由所述多个层中的第二组形成的微机电设备。
一些实施例包括材料的多个层中的至少一些是包括刚性或半刚性或柔性材料中的一个或多个的层，材料的多个层中的至少一些是包括柔性材料的层，其中，多个层中的第二组的至少一些层在其部分上方具有金属导体。一些实施例包括：多个层中的第二组层中的至少一些具有隔室，并且多个层中的第二组层中的至少一些其他层均具有支撑在一些其他层的部分上的金属导体，柔性材料的多个层中的第二组层的至少一些具有隔室，并且多个层的第二组中的至少一个层具有与所述一个层一体形成的构件，其中所述构件在隔室内可移动。
一些实施例包括，所述多个层中的第二组层包括柔性材料，并且所述设备是微加速度计传感器元件。微加速度计传感器元件还包括：第一电极，支撑在所述多个层的第二组层的第一层上；具有第一隔室的第一间隔层，所述第一间隔层由所述多个层的第二组层的第二层提供；从所述多个层的第二组层的第三层提供的悬臂梁，所述悬臂梁承载悬臂梁电极；具有第二隔室的第二间隔层，第二间隔层由所述多个层的第二组层的第四层提供；和第二电极，支撑在所述多个层的第二组层的第五层上，其中悬臂梁电极在第一隔室和第二隔室之间以及在第一电极和第二电极的部分之间垂直对准地设置。
柔性电路还包括：电容测量电路，其具有联接到第一电极和梁电极的第一对输入以及联接到第二电极和梁电极的第二对输入；和控制器，将来自电容测量电路的测量电容转换为加速度。
所述材料的多个层的第二组是包括柔性材料的层，并且所述设备是微流量传感器，所述柔性材料的多个层的第二组的子集具有在柔性材料的多个层的第二组的所述子集的一部分中形成的一个或多个隔室，可旋转轮从柔性材料的多个层的第二组的子集中的第一层提供，并且被支撑在柔性材料的多个层的第二组的子集中的第二和第三层之间的隔室内。
一些实施例包括，所述多个层的第二组包括支撑膜层的柔性材料，所述设备是微压力传感器，并且所述第二组层的子集在其一部分中具有隔室，膜层的一部分支撑在隔室上方，并且每个隔室具有输入或输出端口。
根据一个方面，一种方法，包括：由一种或多种材料的多个层形成柔性电路基板；在形成柔性电路基板的同时，由所述一种或多种材料的多个层中的一组层在柔性电路基板内形成可操作的微机电设备。
一些实施例包括，从所述组层中在第一层上图案化金属层以提供电极；在所述组层中的第一层中形成隔室；从所述组层中在第一层上图案化金属层以提供第一电极；从所述组层中的第二层形成可移动构件，所述可移动构件在隔室内可移动；和从所述组层中在第三层上图案化金属层以提供第二电极。
所述第一电极与所述第二电极垂直对准，并且在功能上与在所述隔室内移动的构件相关联。所述操作设备是微加速度计传感器元件，并且移动的所述构件是梁。所述操作设备是微流量传感器，并且运动的所述构件是可旋转轮。可操作的微机电设备是微压力传感器，所述方法还包括：通过图案化第一层以提供相应的隔室，和在相同数量的膜层上图案化金属层以提供图案化的电极，膜层上的电极设置在第一层的各个隔室上方，而形成多个可重复层；和堆叠所述多个可重复层。
根据一个方面，一种微加速度计传感器元件设备，其通过包括以下步骤的方法形成在由柔性材料的多个层组成的柔性电路基板内：在柔性材料的所述多个层中的第一层上图案化金属层以提供第一电极；图案化柔性材料的所述多个层中的第二层上的至少一个金属层，以提供悬臂梁电极；从柔性材料的所述多个层中的第二层形成隔室和支撑悬臂梁电极的悬臂梁，其中悬臂梁电极的一部分与第一电极的一部分垂直对准；和图案化柔性材料的所述多个层中的第三层上的金属层，以提供第二电极，第二电极与第一电极和悬臂梁电极垂直对准。
根据一个方面，一种提供可操作设备的方法，所述可操作设备嵌入在由柔性材料的多个层组成的柔性电路基板内，所述方法包括：在柔性材料的所述多个层中的第一层上图案化金属层以提供第一电极；图案化柔性材料的所述多个层中的第二层上的至少一个金属层，以提供悬臂梁电极；从柔性材料的所述多个层中的第二层形成隔室和支撑悬臂梁电极的悬臂梁，其中悬臂梁电极的一部分与第一电极的一部分垂直对准；和图案化柔性材料的所述多个层中的第三层上的金属层，以提供第二电极，第二电极与第一电极和悬臂梁电极垂直对准。
一些实施例包括，所述可操作设备是微加速度计传感器元件。所述方法还包括，在第一和第二层之间形成第一间隔层；和在第二和第三层之间形成第二间隔层，并且第一和第二间隔层均具有隔室，在隔室上支撑相应的第一和第二电极。
本文所述的加速度计是使用微制造方法制造的，该方法允许在微制造柔性电路基板内制造加速度计，作为柔性电路自身构造的一部分，以标称(例如，可能微不足道的)增量成本避免了很多与分立加速度计设备相关的增量成本，例如设备成本，设备安装成本以及分立设备占用柔性电路上物理空间的成本。
所描述的加速度计可以感测针对各种应用特别是消费者应用的方向变化。下面描述的加速度计是使用合理的廉价技术制造的，因此提供了内置在这种柔性电路基板中的廉价加速度计。在特定实施例中，以下描述的加速度计使用卷对卷制造技术来制造。
在附图和以下描述中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。本发明的其他特征、目的和优点将从说明书和附图以及权利要求书中变得显而易见。
附图说明
图1是加速度计传感器元件设备的等距视图，其被独立地示出，但是从柔性电路的各层构建在柔性电路基板内。
图2是具有图1的加速度计传感器元件设备的柔性电路基板的等距视图。
图2A是图2的加速度计传感器元件设备的一部分的等距放大图。
图3A-3D是在由柔性电路基板的层制造的图1的加速度计传感器元件设备的各个构造阶段中的柔性电路基板的等距视图。
图4A-4D是具有相应电极图案的束的替代构造的平面图。
图5是包括加速度计传感器元件设备的微加速度计系统的等距视图，示出了电容测量电路。
图5A是图5的加速度计传感器元件设备的截面图，但是未示出电容测量电路。
图6A是被制造为柔性电路基板的一部分的微压力传感器设备的截面图。
图6B是图6A的透视图。
图7是制造为柔性电路基板的一部分的微流量传感器设备的平面图。
图8A和图8B是平面图和截面图，示出了表面安装在柔性电路基板上的入口和出口或流体联接器。
图9描绘了流程图。
具体实施方式
概述
微加速度计传感器元件(微加速度计传感器元件)内置于柔性电路 (flex-circuit)的柔性层中，在此进行描述并且使用微制造方法来制造。微加速度计传感器元件可用于感测包括消费设备应用在内的各种应用中的方向或运动的变化。微加速度计传感器元件以微米/毫米规模制造。公开了几种制造技术。还公开了内置于柔性电路的层中并由柔性电路的层制造的其他微设备。如本文所用，“层”通常用于指柔性电路的一部分，而“片”用于指用于形成柔性电路组件的材料的螺栓。然而，根据描述的上下文，使用层或片将是可接受的并且被理解。
参照图1和图2，微加速度计传感器元件10被制造为柔性电路基板20 (图2)的一部分并且在柔性电路基板20的制造期间被制造。微加速度计传感器元件10(在图1中以单独的方式示出，但是在图2中由柔性电路基板 20一体形成)包括框架12，该框架容纳用作参考或检验质量的悬臂梁13。框架12围绕悬臂梁13在其中延伸的隔室14。悬臂梁13一体地形成为框架 12的一部分。如在悬臂梁13的顶侧上所示，悬臂梁13承载一个或两个电极，例如电极15a，并且可以在底侧上承载电极(未示出)。悬臂梁13悬挂在隔室14中并且在从框架12延伸的两个电极17a，17b之间。
参照图2，微加速度计传感器元件10被制造在柔性电路基板20内，该柔性电路基板20包括柔性层20a-20g(由材料片提供，参见图9)，其提供柔性电路11。在一个实施方式中，柔性电路11被定义为多个柔性层的组合，包括层20a-20g，可选地其他设备(未示出)以及微加速度计传感器元件10。在另一实施方式中，柔性电路11基本上由多个柔性层的组合组成，包括层 20a-20g，其他设备(未示出)以及微加速度计传感器元件10。在又一实施方式中，柔性电路11由多个柔性层的组合组成，包括层20a-20g和微加速度计传感器元件10。
通常，层20a和层20g用作微加速度计传感器元件10的下边界层和上边界层(例如，盖)。如图2所示，微加速度计传感器元件10由柔性电路基板20的第二层20b，第三层20c，第四层20d，第五层20e和第六层20f形成。因此，柔性电路基板20的第一层20a和上层20g包含柔性电路基板20 内的微加速度计传感器元件10或为柔性电路基板20内的微加速度计传感器元件10提供边界。根据柔性电路基板20的需要，可以在层20a和20f之上或之下提供更多层(未示出)。上层20g被部分剖开地示出。
尽管在图2中未明确示出，但是一些层20a-20g实际上是两层，从中限定出框架或主体的主体层和金属化的膜层。在一些实施方式中，这些层 20a-20g中的一些可包括主体层和具有金属化膜层的膜层，从该金属化膜层限定电极。在图2中也未明确示出，在层20d的一些实施方式中，层20d实际上是主体层的复合层，悬臂梁13从该层限定，并且该层具有两个金属化的表面膜层(未示出)，电极15a从表面膜层被限定。
微加速度计传感器元件10是将机械能转换成电信号的电容类型。下面将讨论构造微加速度计传感器元件10的技术的细节以及微加速度计传感器元件的各种配置的细节。在该讨论之前，将首先讨论一些操作原理。
在施加外部加速度期间，在图1中是悬臂梁13的检测质量从中性位置 (例如，电极17a，17b之间的中心位置或其他已知的平衡位置)偏转。通过确定一组固定电极17a，17b与悬臂梁13上的电极15a之间的电容变化来测量这种偏转(标准质量)。作为检测质量的悬臂梁13具有已知量的质量。在施加外部加速度期间，悬臂梁13偏转。通过两个电容器C1和C2之间的电容变化来测量这种偏转。电容器C1中的一个形成在悬臂梁13所承载的电极15a与固定电极17a之间，另一个电容器C2形成在悬臂梁13所承载的电极15a与固定电极17b之间(或者如果悬臂梁13具有如图2A所示的电极 15b，则位于电极15b和电极17b之间)。这些电容的变化被用于检测位置的变化，例如，悬臂梁13的运动，并随之检测外部加速度的施加。
在一些实施方式中，隔室14是密封隔室，其包括用作阻尼剂的气体(例如，空气)。在其他实施例中，隔室14是处于接近真空压力或至少减压的密封隔室。
现在参考图3A至3D，示出了处于各个构造阶段的微加速度计传感器元件10。
图3A示出了图1的微加速度计传感器元件10(处于构造阶段)。在该构造阶段，微加速度计传感器元件10由柔性电路基板20的第二层20b和第三层20c形成。第二层20b承载电极17a，并且第三层20c是具有隔室23a 的隔离层。
第二层20b是柔性材料层，在其表面上具有金属化的表面层20b'，电极 17b从该表面层图案化。在一些实施方式中，该电极可以互连到柔性电路基板20的其他互连件。在一些实施例中，层20b可具有膜层(未示出)，该膜层在其第一主表面上具有金属层。第二层20b上的金属层20b′被图案化以提供电极17b(以及到该电极17b的电互连件(未示出))。(除了电极17b和电互连件上的，金属层20b’通常被完全去除)。
隔室23a也由柔性电路基板20的柔性材料形成在第三层20c中(在此示出为在层20b的正上方)。底层20a(图1)未在图3A中示出。第三层20c 限定了框架12(图1)的具有四个壁(未标出)的部分12a。框架部分12a 限定了隔室14的一部分23a(图1)。
图3B示出了微加速度计传感器元件10(在构造的后续阶段)，其具有框架12(图1)的具有四个壁(未标出)的部分12b。框架部分12b限定隔室23b。柔性材料的第四层20d被图案化，以形成框架部分12b，隔室23b 和具有电极15a的悬臂梁13。柔性材料的第四层20d承载至少一个，但是可以在悬臂梁13和导体的相对表面上承载两个金属层20d'，20d”(以提供一个或两个电极15a，15b)。框架部分12b，隔室23b和悬臂梁13特征是通过选择性地去除第四层20d的部分以及金属层20d'和/或20d”的部分而形成的。在图3B中，除悬臂梁13和框架部分12b的一部分上的，所有金属层20d'， 20d”示为被去除。可以从金属层20d'的部分图案化电导体(未示出)。
图3C从悬臂梁13的下侧示出了微加速度计传感器元件10(在图3B的构造阶段)，该悬臂梁13如上所述由层20d和金属层20d”形成，被图案化以提供可选的电极15b。
图3D示出了柔性电路基板20的第五层20e和第六层20f。第五层20e 是具有隔室23c的间隔层，并且第六层承载电极17a。第五层20e限定框架 12(图1)的一部分12c。第六层20f是柔性材料层，在其表面上具有金属化的表面层20f'，电极17a从该表面层图案化。隔室23c也由柔性电路基板20 的柔性材料形成在第五层20e中。(在图3D中，所有金属层20f'被示出为被去除，除了在电极17a上的，但是未示出的导体可以从层20f'被图案化。)隔室23a-23c和框架部分12a-12c分别提供了微加速度计传感器元件10(图1) 的隔室14和框架12。
参照图4A-4D，示出了用于微加速度计传感器元件10的梁13(图1) 的替代构造。这些构造中的每一个将包括在梁上方和下方的电极对或电极组，使用上述原理，其图案类似于梁13a，13b。
图4A示出了具有电极(未标出)的扭转梁13a，该梁易于弯曲并且因此可以检测弯曲加速度(例如，摇摆型运动)。
图4B示出了与在图4A的梁13a上方和下方的梁13a上和层(未示出) 上的电极对准的相应电极(通常为17')。在梁13a的每个端部区域与在梁13a 上方和下方的成对的相应电极之间测量电容。
图4C示出了具有四个物理上隔开的电极(未标出)的梁13b，所述四个电极彼此电隔离并且悬挂在可以检测三个维度(即运动和方向)上的加速度的主体的四个角上。
图4D示出了相应的电极(通常为17”)和导体(未标出)，它们将位于图13C的梁13b的四个物理上隔开的电极上方和下方的层(未示出)上。在四个物理上隔开的电极中的每一个与梁13b的四个物理上隔开的电极上方和下方的对应电极对之间，将测量电容。
现在参考图5，将完整的微加速度计传感器元件10(示出为隔离的，但是应理解为制造为所描述的柔性电路的一部分)联接至电容测量电路以提供微加速度计系统19。具有电极15a和15b的悬臂梁13在电极17a和17b之间间隔开。电极15a，15b和17a，17b连接到电容测量电路30，该电容测量电路30根据所使用的电容测量电路的类型向电极15a-15b和17a-17b输送电压。在微加速度计系统19的一些示例中，电容测量电路30使用AC波形，并且使用频域技术来测量电容。在微加速度计系统19的其他示例中，电容测量电路30使用DC波形来使用时域技术来测量电容。
在一些示例中，电容测量电路30设置在柔性电路基板20内。在其他示例中，电容测量电路30可以是非常简单的电路，并且在制造之后被设置在柔性电路基板20上。在许多情况下，可以将电容测量电路30作为柔性电路 11承载的电路的制造的一部分来提供，并且这种电容测量电路将与设备(例如，加速度计)进行适当的电接触。
参考图5A，示出了完成的微部件(例如加速度计10)的典型布置的截面图，该微部件构建在柔性电路基板20的柔性电路层(20a和20g)之间。加速度计10被示为由层20b-20f构建。在层20b，20d和20f上还示出了相应的电极17a，15a，15b(仅需要电极15a，15b中的一个，另一个是可选的) 和电极17b。各个电极17a，15a，15b和17b由对应的金属层20b，20d'，20d”和20f’图案化(图3A-3D)。因此，也如图5A所示，悬臂梁13在由通过框架12限定的隔室23a-23c(由图3A，3B和3D所示的框架部分12a-12c提供) 形成的复合隔室14内自由弯曲。
当微加速度计传感器元件10静止时，悬臂梁13处于标称位置(通常在电极17a，17b之间居中，但是居中可以通过形成设备10的各个层中的厚度变化而偏移)。在梁仅具有一个电极的实施例中，在电极15a，17a(电容C1) 和电极15a，17b(电容C2)之间测量标称电容。对于可选的电极15b，在梁具有两个电极的实施例中，在电极15a，17a(电容C1)与电极15b，17b(电容C2)之间测量标称电容。
电极17a，17b基本上由层20b和20e固定在适当的位置，而在层20c 中形成的悬臂梁13可以由于施加到设备10的加速度而弯曲。当悬臂梁13 弯曲其电极15a，15b中的一个时，其移近电极17a，17b中的一个，并随之改变电极15a，15b中的一个与电极17a，17b之间的位置或距离。电极15a， 15b的位置的这些物理变化表现为电容的变化。电极17a，17b和悬臂梁13 之间的距离的这些变化引起电极17a和15a以及电极17b和15b之间的电容变化(或者如果在梁13上仅设置一个电极则仅改变电极15a)。电容的变化转换为加速度(力)的量度。
电容特性由一对相邻的电极提供，该电极被电介质隔开，例如，膜的电介质属性(如果提供)，梁与空气的电介质，以及悬臂梁13与每个电极17a， 17b之间的距离。这种有效电容器的电容特性由电极15a，15b(可选)和17a， 17b的覆盖层，分隔电极的电介质和距离确定，例如，至少通常由平行板电容器的公式近似得出如：
C＝εrε0A/d，其中
C是电容，以法拉为单位；
A是两个电极的重叠面积，以平方米为单位；
εr是电极之间材料的介电常数(膜和流体的介电常数之和)；
ε0是电常数(ε0≈8.854×10-12F·m-1)；和
d是板之间的距离，以米为单位。
其中d相对于A足够小。
作为电容测量电路的一部分或单独电路的一部分的控制器(未示出)参考表格/算法，以基于结构10的特性将测量的电容单元转换成速度变化率的单位。在静止状态下，可以使用许多技术来测量和检测在由微加速度计传感器元件10提供的标称体积电容上的这种电容的变化，并表征这些变化。
在一些实施例中，层20b-20f中的每一个的厚度为约50微米。因此，在悬臂梁13上的标称位置上的电极17a和15a之间的距离约为50微米(间隔层20e的厚度)。例如，微加速度计传感器元件10可具有约1.5mm的长度，约1.5mm的宽度，250微米的总高度(不同层20b-20f的累积高度)(0.25mm)。其他构造是可能的。其他厚度范围也是可能的。通常，提供柔性电路20的每一层以及其他层的厚度可以是用于这种电路基板的常规厚度，并且更具体地每层在25微米至250微米之间，并且在该范围内的任何子范围。通常，实际厚度将取决于具体应用。
与用于类似目的的传统加速度计相比，微加速度计传感器元件10可以使用较少的材料，因此受到较小的应力。微加速度计传感器元件10具有微米到毫米尺度的尺寸，并且作为柔性电路基板20的制造的一部分而内置在柔性电路基板20内，并且可以在制造其他元件期间进行制造，例如图案化的用于形成电气互连件的导体。可以将其他类型的分立设备插入柔性电路基板20中。
特点
主体层(层)–用于层20a-20g的材料可以由柔性电路和由这些层形成的设备的要求来定义。通常，材料需要足够坚固或坚硬以保持其形状以产生隔室。在一些实施方式中，材料是可蚀刻的或光敏的，从而可以定义和加工/ 显影其特征。有时，还希望该材料与传感器中的其他材料很好地相互作用，例如粘附。根据柔性电路的应用，可以将各种厚度用于这些层。本文讨论的是50微米的示例性厚度。然而，取决于柔性电路19的特定要求，层的厚度可以从微米到微米到毫米到毫米变化。
膜(可选)–膜材料不可渗透包括气体和液体在内的目标流体，是不导电的，并且具有低或高击穿电压特性。合适的材料的例子包括氮化硅，PET 和特氟隆。其他是可能的。
电极–电极的材料是导电的。因为电极不传导大量电流，所以该材料可以具有高的薄层电阻，尽管不一定需要高电阻特征。电极易弯曲，因此，希望该材料柔软以应对弯曲而不会疲劳和失效。另外，在操作条件下，电极材料和膜材料很好地粘附，例如彼此不分层。合适材料的例子包括非常薄的金和铂层。其他是可能的。
电气互连件–来自电容测量电路的电压被传导到每个隔室的每个膜上的电极。可以使用导电材料(例如金和铂)建立通向这些电极的导电路径，并可以从金属化膜进行图案化。
其他材料-当在微压力传感器中使用MEMS处理时，可以使用牺牲填充材料，例如聚乙烯醇(PVA)。牺牲填充材料也可以用于R2R处理中。在一些实施方式中，在制造过程中使用溶剂，这可能对微加速度计的各种材料提出附加要求。可以将一些电路部件印刷到膜上。通常，虽然上面已经指定了某些材料，但是可以使用具有与所提到的那些材料相似的性质的其他材料。
其他的例子是可以的。例如，设备10可以是压力传感器40。
参照图6A和6B，微压力传感器40包括单个分隔的压力传感器室50。微压力传感器40还包括传感器主体41，该传感器主体41具有沿流体流动方向的两个壁43a，43b和与两个固定端壁(即，端盖)46a，46b正交的两个壁，例如前壁和后壁(在图1-4的视图中未示出)，其沿垂直于流体流动方向的方向彼此相对。壁43a，43b和46a，46b以及前壁和后壁限定单个腔室 50。单个腔室50由膜层(膜)48a-48f隔开。膜48a-48f固定在两个端壁46a， 46b与前壁和后壁之间。膜48a-48f从壁延伸到壁，从而将腔室50分成多个隔室51a-51g。第一组端口42a-42c穿过壁43a设置，用于分别使流体进入隔室51b，51d和51f中的每一个。第二组端口14a-14d穿过壁43b设置，用于分别使流体进入隔室51a，51c，51e和51g中的每一个。在该实施方式中，每个隔室41a-41b包括限定在相应的壁中的来自第一组端口42a-42c或来自第二组端口44a-44d的端口，但不都包括来自两者的端口。例如，隔室51a 在壁43b中包括端口44a，而在隔室51a的区域中的壁43a是实心的，没有任何开口。
设备40将从/到不同的外部环境向第一组端口42a-42c和第二组端口 44a-44d提供单个输入端口和输出端口。在于2017年8月8日提交的第15/668,837号美国专利申请中陈述了被制造为单个部件的微压力传感器的细节，其全部内容通过引用合并于此。
作为柔性电路基板60的制造的一部分而制造微压力传感器40时，传感器主体41由模块层构成(如参照专利附图4-7所记载的那样)。模块层将包括柔性材料层62a-62g，其被图案化以提供隔室51a-51g和膜层64a-64f，在膜层64a-64f上具有金属化表面66a-66g，这些表面被图案化为在膜48a-48f 上提供电极(未标出)。端口44a-44d显示为交错的。
参照图7，由柔性电路基板制造的设备的另一示例是微流量传感器70，其在最后构造阶段示出(但是在设备的顶表面和底表面上具有膜(未标出) 以及电极84a，84b，为清晰起见，分别以虚线显示并部分剖开)。微流量传感器70具有由壁74a-74d，端口75a，75b和可绕固定轴78旋转的轮76限定的单个圆形流量传感器腔室72。在制造期间，桥接构件(未示出)用于将轮76拴系至流量传感器主体74，并且在制造期间，另一组桥接构件(未示出)用于将轴78拴系至轮76。在移除桥的情况下，轮76绕固定轴78自由旋转。轮76具有桨叶76b和中断器特征82(轮上的不对称金属层(可以使用其他类型的中断器))。在于2017年8月4日提交的第62/541,128号美国专利申请中陈述了被制造为部件的微压力传感器的细节，其全部内容通过引用合并于此。
电容测量电路(未示出，但是在概念上与用于微加速度计10的电容相似)被附接到微流量传感器70的电极。电容测量电路根据所采用的电容测量电路的类型将电压传送到电极。在电容测量电路的一些示例中，可以使用 AC波形，并且使用频域技术来测量电容。在电容测量电路的其他示例中， DC波形用于使用时域技术来测量电容。电容测量电路提供与所测电容成正比的脉冲输出序列。控制器(未示出)将这些脉冲转换为电容值，其转化为流速和流向。输出将是代表电极84a，84b之间的体电容的值，其通过切入和切出与电极84a，84b重叠的区域的金属层82和轮76的旋转来调制。
现在参考图8A和8B，在图6A，6B和7的各个设备的构造中使用的各个层也是用于从柔性电路基板20制造柔性电路11的层。对于流体进出设备 (例如，图6A和7的设备40或设备70)，这些设备可以具有端口85a，85b，例如，从不同外部环境/到不同外部环境的单个输入端口85a和单个输出端口 85b，用于流体通过槽87a，87b流入和流出设备(40、70)。另外，在一些实施方式中，将在柔性电路11的其他层上提供表面安装的入口85a和出口 85b，以将设备40或设备70从不同的外部环境连接/连接到不同的外部环境。
生产微加速度计传感器元件的过程
参照图9，示出了处理90柔性电路基板20以从柔性电路基板20的各层生产嵌入式设备的各方面，其中正在构造这种柔性电路11。在图9中，讨论了作为示例的微加速度计传感器元件10的制造细节。
最初，层91由材料片(未示出)提供91。在一些实施例中，20a可以是嵌入设备的初始层的一部分。
在层20a上方提供具有金属化的100埃厚的表面层的50微米厚的柔性材料片(未示出)的层20b。用于层20b的材料片将被图案化以承载电极17b。对于特定的实施方式，层20b的材料是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。可以使用其他材料。金属化的100埃厚的Al的表面层被图案化92，以根据需要提供电极17b和电极17b的导体或导电触点。使用直接写入或掩模来配置激光烧蚀站以从层20b的区域去除金属。
通过使用掩模(未示出)进行微加工或直接写入，层20c例如柔性材料的非金属化的50微米厚的片(未示出)被图案化94，以在微加速度计传感器元件10中形成隔室23a，如图5A中所论述，配置激光烧蚀站以界定或形成隔室23a。还提供了用于电气连接的通孔(未显示)。微加工烧蚀掉柔性塑料材料以形成隔室23a。
通过从除了嵌入设备的区域(例如微加速度计传感器元件10)(这些区域将对应于导体，例如悬臂梁13上的电极15a，15b(图3B)和主体层的一部分(和如果该层是活性的，则与柔性电路基板20的其他特征/设备有关的其他导体))以外的片的所有区域清除金属层，将诸如单面或双面金属化的 50微米厚的片(未示出)之类的柔性材料的层20d图案化96，以形成一个或两个电极15a，15b。另外，虽然未示出，但是金属层42a也可以被图案化以向电极15a(和15b)提供导体或导电接触。
通过使用掩模(未示出)或直接写入，通过微加工98来提供层20d，以配置激光烧蚀站以限定或形成隔室23b和悬臂梁13。还提供了用于电气连接的通孔。微加工烧蚀掉提供层20d的片的材料，以形成作为层20d中的隔室 14的一部分的隔室23b，并提供悬臂梁13(图3B)。
通过使用掩模(未示出)进行微加工或直接写入，层20e例如柔性材料的非金属化的50微米厚的片(未示出)被图案化100，以在微加速度计传感器元件10中形成隔室23c，如图5A中所论述，配置激光烧蚀站以界定或形成隔室23c。还提供了用于电气连接的通孔(未显示)。微加工烧蚀掉柔性塑料材料以形成隔室23c。
材料层20f由50微米厚的片(未示出)提供，该片具有将承载电极17a 的金属化的100埃厚的表面层。对于特定的实施方式，层20f的材料是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。可以使用其他材料。金属化的100埃厚的Al的表面层被图案化102，以根据需要提供电极17a和电极17a的导体或导电触点。使用直接写入或掩模(未示出)来配置激光烧蚀站以从层20f的区域去除金属。
盖层或其他层，例如层20a和层20g由柔性材料的片(未示出)提供，在当前完成的设备10上方提供104。
层20a-20g可以被金属化(或根据需要不被金属化)50微米厚的层，该层具有(根据需要)100埃厚的金属例如Al的表面层。对于上述特定的实施方式，材料是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。可以使用其他材料。
使用常规的柔性电路基板制造技术将包括层20a-20g的柔性电路基板20 的所有层层压在一起104。加工每个层20a-20g以提供对准孔(未示出)。层 20a-20g被层压在一起以形成嵌入设备，例如作为柔性电路11的制造的一部分而制造的微加速度计传感器元件10。对于其他设备，例如压力传感器40，制造步骤将根据设备的性质而变化。
通常，这样的设备将具有一些共同的制造特征。这些设备是通过由提供柔性电路基板的层形成的在柔性电路基板内形成的微机电(MEMS)设备。至少一些层被图案化以在各个层中形成一个或多个孔或隔室。图案化至少一些层以在各个层上形成电极。在这些设备的一些示例中，膜层用于支撑电极 (例如，加速度计10，压力传感器40和流量传感器70的一些示例)。在一些示例中，期望膜层本身弯曲(例如，压力传感器40)，或者期望元件移动或旋转(例如，流量传感器70中的轮)。通常，成对的这种电极与电介质以功能关系设置以提供电容器，电容器的电容被测量以提供设备性能的指示。作为柔性电路基板一部分制造的微机电(MEMS)设备执行特定功能，例如测量物理性质或执行机械作用等。
层20a-20g也可以层压在设置在层的两侧上的一对预制密封层之间。密封层可以是50微米的层。预制的密封层被图案化以切割用于电连接或通孔的电极接入槽口。在其他技术中，对层20a-20g中的每一个进行处理以切割用于将层20a-20g定位在固定装置中的对准销孔(未示出)，并且切割用于将微加速度计传感器元件10从层阵列分离的针脚。
上述技术还可以使用机器视觉系统来生成数据文件，激光烧蚀系统在将激光烧蚀站与掩模对准(或直接写入)时使用该数据文件，以使来自激光烧蚀系统的激光束根据用于与主体相应部位配准的掩膜提供特征，如所讨论的。电极是通过在不属于电极和导体一部分的区域烧蚀掉金属而形成的，从而在该层上保留了隔离的电极和导体。
柔性材料的层20a-20g可以是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。可以使用其他材料。在一些实施方式中，可以执行一些特征的减薄以适应各个层之间的厚度变化或适应特定设备的特征。该处理线可以包括几个站(未示出)，并且通常可以使用另外的常规柔性电路制造技术，如本文所讨论的那样进行修改。
因此，高层次的处理可以是加性的(在需要的地方准确添加材料)或减性的(在不需要的地方去除材料)。沉积处理包括根据需要的蒸发，溅射和/ 或化学气相沉积(CVD)，以及印刷。图案化处理可以包括取决于要求的技术，例如取决于被图案化的特征的分辨率的技术，例如扫描激光和电子束图案生成，机械加工，光刻，掩模和柔性版(胶版)印刷。喷墨印刷和丝网印刷可用于放下功能材料，例如导体。可以使用其他技术，例如打孔，压印和压花。
在一些实施例中，卷对卷处理可用于制造微机电(MEMS)设备，例如微加速度计传感器元件10。这些技术可以使用柔性材料的幅材，柔性材料的幅材可以是任何这样的材料，并且通常是玻璃或塑料或不锈钢。尽管可以使用这些材料(或其他材料)中的任何一种，但与玻璃和不锈钢相比，塑料的优点是成本较低。具体的材料将根据微加速度计传感器元件10(或其他设备) 的应用来确定。在高温应用中，将使用诸如不锈钢或其他可以承受温度的材料，例如聚四氟乙烯和其他可以承受温度的塑料。
对于图1-8B所示的结构，在卷对卷加工线内的站是根据所需的加工设置的。因此，尽管在一种实施方式中端盖和顶盖可以形成在幅材或塑料片上，但是在形成微加速度计传感器元件10之后设置端盖和顶盖。
在一些实施方式中，通过图案化站后的沉积站将材料沉积在幅材上来将塑料幅材用于支撑主体。主体在成形站处成形。具有主体的幅材在站处具有沉积在主体上方的膜。提供微加速度计传感器元件10的替代的卷对卷处理方法具有使材料的原始片(或多个原始片)经过多个站以具有应用于片(或多个片)的特征，并且片(或多个片)随后被拿起以形成可重复的复合层的一部分，以最终产生由制造的微加速度计传感器元件10制成的复合片。
通孔导体用于互连微加速度计传感器元件10上的图案化电极。通孔导体是城堡形结构，即具有相对较宽的面积接触电极接线片和相对较窄的面积通过电极中的孔。通过使主体部分中的孔大于穿过电极部分的孔来提供这种布置。这可以在主体和电极的图案化阶段分别完成。通过将上述导电墨水引入孔中来形成通孔导体。
可以组合这里描述的不同实施方式的元件以形成上面没有具体阐述的其他实施方式。可以将元件排除在本文所述的结构之外，而不会对其操作产生不利影响。此外，各种分开的元件可以组合成一个或多个单独的元件以执行本文所述的功能。
其他实施例在所附权利要求的范围内。例如，在一些实施方式中，可以使用三层来提供微加速度计。第一层将具有在其底部为第一电极的隔室，第二层将具有在该室中支撑承载电子束电极的悬臂梁的隔室，并且第三层将在其底部具有隔室，这将是第二电极。如图5A所示，这可以避免对间隔层的需要。
其他修改包括使用本文描述的原理，以在柔性电路基板之外在刚性(所谓的刚性-柔性电路)和半刚性电路基板上提供混合构造的电路基板。单晶半导体基板除外。因此，除了通常用于刚性，半刚性电路的其他材料外，合适的材料包括聚酯(PET)，聚酰亚胺(PI)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚醚酰亚胺(PEI)，各种类型的含氟聚合物(FEP)和共聚物和柔性电路基板。在一些实施例中，粘合剂用作粘合介质以将层层压在一起。粘合剂可以是各种聚合物材料，例如热塑性聚酰亚胺粘合剂。基础层和粘合剂层都可以具有许多不同的厚度，这通常由柔性或半柔性或刚性电路基板的特定用途来控制。

Claims (23)

1.一种电路基板，包括：
一种或多种材料的多个层，所述多个层粘附在一起，并且所述多个层中的至少第一组在其上具有图案化的电导体；和
由所述多个层中的第二组形成的微机电设备。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述材料的多个层中的至少一些是包括刚性或半刚性或柔性材料中的一个或多个的层。
3.根据权利要求1所述的电路，其中，所述材料的多个层中的至少一些是包括柔性材料的层。
4.根据权利要求1所述的电路，其中，所述多个层中的第二组的至少一些层在其部分上具有金属导体。
5.根据权利要求1所述的柔性电路，其中，所述多个层中的第二组层的至少一些具有隔室，并且所述多个层中的第二组层的至少一些其他层均具有支撑在所述一些其他层的部分上的金属导体。
6.根据权利要求3所述的柔性电路，其中，所述柔性材料的多个层中的第二组层的至少一些具有隔室，并且所述多个层中的第二组层的至少一个层具有与所述一个层一体形成的构件，所述构件在隔室内可移动。
7.根据权利要求1所述的柔性电路，其中，所述多个层中的第二组层包括柔性材料，并且所述设备是微加速度计传感器元件。
8.根据权利要求7所述的柔性电路，其中，所述微加速度计传感器元件还包括：
第一电极，支撑在所述多个层的第二组层的第一层上；
具有第一隔室的第一间隔层，所述第一间隔层由所述多个层的第二组层的第二层提供；
从所述多个层的第二组层的第三层提供的悬臂梁，所述悬臂梁承载悬臂梁电极；
具有第二隔室的第二间隔层，第二间隔层由所述多个层的第二组层的第四层提供；和
第二电极，支撑在所述多个层的第二组层的第五层上，其中悬臂梁电极在第一隔室和第二隔室之间以及在第一电极和第二电极的部分之间垂直对准地设置。
9.根据权利要求8所述的柔性电路，还包括：
电容测量电路，其具有联接到第一电极和梁电极的第一对输入以及联接到第二电极和梁电极的第二对输入；和
控制器，将来自电容测量电路的测量电容转换为加速度的测量值。
10.根据权利要求1所述的柔性电路，其中，所述材料的多个层的第二组是包括柔性材料的层，并且所述设备是微流量传感器，所述柔性材料的多个层的第二组的子集具有在柔性材料的多个层的第二组的所述子集的一部分中形成的一个或多个隔室，可旋转轮从柔性材料的多个层的第二组的子集中的第一层提供，并且被支撑在柔性材料的多个层的第二组的子集中的第二和第三层之间的隔室内。
11.根据权利要求1所述的柔性电路，其中，所述多个层的第二组包括支撑膜层的柔性材料，所述设备是微压力传感器，并且所述第二组层的子集在其一部分中具有隔室，膜层的一部分支撑在隔室上方，并且每个隔室具有输入或输出端口。
12.一种方法，包括：
由一种或多种材料的多个层形成柔性电路基板；在形成柔性电路基板的同时，
由所述一种或多种材料的多个层中的一组层在柔性电路基板内形成可操作的微机电设备。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
图案化所述一组层中的第一层上的金属层以提供电极。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括：
在所述一组层中的第一层中形成隔室。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括：
图案化所述一组层中的第一层上的金属层以提供第一电极；
由所述一组层中的第二层形成可移动构件，所述可移动构件在隔室内可移动；和
图案化所述一组层中的第三层上的金属层以提供第二电极。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一电极与所述第二电极垂直对准，并且在功能上与在所述隔室内移动的构件相关联。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述操作设备是微加速度计传感器元件，并且移动的所述构件是梁。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述操作设备是微流量传感器，并且移动的所述构件是可旋转轮。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，可操作的微机电设备是微压力传感器，所述方法还包括：
通过以下形成多个可重复层
图案化第一层以提供相应的隔室；和
图案化相同数量的膜层上的金属层以提供图案化的电极，膜层上的电极设置在第一层的各个隔室上方；和
堆叠多个可重复层。
20.一种微加速度计传感器元件设备，其通过包括以下步骤的方法形成在由柔性材料的多个层组成的柔性电路基板内：
图案化柔性材料的多个层中的第一层上的金属层以提供第一电极；
图案化柔性材料的多个层中的第二层上的至少一个金属层，以提供悬臂梁电极；
从柔性材料的所述多个层中的第二层形成隔室和支撑悬臂梁电极的悬臂梁，其中悬臂梁电极的一部分与第一电极的一部分垂直对准；和
图案化柔性材料的多个层中的第三层上的金属层，以提供第二电极，第二电极与第一电极和悬臂梁电极垂直对准。
21.一种提供可操作设备的方法，所述可操作设备嵌入在由柔性材料的多个层组成的柔性电路基板内，所述方法包括：
图案化柔性材料的所述多个层中的第一层上的金属层以提供第一电极；
图案化柔性材料的所述多个层中的第二层上的至少一个金属层，以提供悬臂梁电极；
从柔性材料的所述多个层中的第二层形成隔室和支撑悬臂梁电极的悬臂梁，其中悬臂梁电极的一部分与第一电极的一部分垂直对准；和
图案化柔性材料的所述多个层中的第三层上的金属层，以提供第二电极，第二电极与第一电极和悬臂梁电极垂直对准。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述可操作设备是微加速度计传感器元件。
23.根据权利要求21所述的方法，还包括：
在第一和第二层之间形成第一间隔层；和
在第二和第三层之间形成第二间隔层，并且第一和第二间隔层均具有隔室，在隔室上支撑相应的第一和第二电极。
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