JP4126003B2 - フレキシブルｍｅｍｓトランスデューサとその製作方法及びこれを採用したフレキシブルｍｅｍｓ無線マイクロホン - Google Patents
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Description
本発明はＭＥＭＳ構造物及びその制作方法に関する。なかでも、フレキシブルな基板上に形成されるＭＥＭＳトランスデューサとその製作方法及びこれを採用したフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホンに関する。
微細装置に対する、必要に応じて微細装置の集積化のためにマイクロマシニングを用いた半導体加工技術が使用される。ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）は、半導体工程、特に集積回路技術を応用したマイクロマシニング技術を用い、ナノメートル単位の超小型センサやアクチュエータ及び電気機械的構造物を製作実験する分野である。 ＭＥＭＳで使われるマイクロマシニング技術は、２つに分類できる。１つは、シリコンバルクエッチング（bulk etching）によるバルクマイクロマシニングである。もう１つは、シリコン上に多結晶シリコン、シリコン窒化膜及び酸化膜などを蒸着し、設計された形状に従ってエッチングして構造物を制作する表面マイクロマシニングである。ＭＥＭＳ工程で製造される超小型マイクロホンは、バルクマイクロマシニング工程を用いて形成されるダイアフラムトランスデューサを用いて達成される。
図１は、従来のＭＥＭＳトランスデューサを示す断面図であり、図示されるようにシリコンウェハ（Ｓｉ）上にシリコン窒化物（Silicon Nitrade）のダイアフラム層、ＣＶＤ工程によりコーティングされたSiO２層、酸化亜鉛圧電フィルム（ZnO）及び上/下部電極から構成される。シリコンウェハ上にシリコン窒化物薄膜及び酸化物層を形成するＣＶＤ工程は、７８０℃〜８５０℃程度の高温で行なわれる。よって、シリコンウェハよりも柔軟性を持つポリマー材質は、基板として採用できない。
一方、情報通信産業の発達などでハンドヘルド（hand held）またはウェアラブル（wearable）型情報端末機の需要が急増しつつある。情報通信分野のみならず医療、サービス、娯楽、及び軍事用などその応用範囲が多様になっている。このような端末機利用の便利性のために、部品の移動性及び着用性が改善されなければならない。特に、ウェアラブルシステムを具現するためには、フレキシブルなシステム構造が必須である。従って主に柔軟な基板上に機能性構造物及びその他の電気的部品を一緒に集積する技術が必要とされる。
フレキシブルな基板として金属薄膜または高分子類の材料が使われるが、電子システムにおいて高分子材料がより適している。しかし、高分子材料は５００℃以下の低温度にて溶けるので、高分子材料上の薄膜製作工程の温度が高い場合には高分子材質にとって致命的である。よって、高分子材料が溶ける温度以上の温度がＭＥＭＳ製作工程に必要とされる時は、高分子材質を使用することができないのでウェハなどを基板としている。ところが、一般に使用される性能と集積面において優れているシリコンＭＥＭＳ工程及び半導体工程は、主に５００℃以上の高温工程を行なうのでフレキシブルなシステム構造のために必要な高分子ポリマー材質の基板が採用できない。
つまり、従来のＭＥＭＳ構造物は基板上にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）工程で薄膜を蒸着し、これをエッチングして構造物を形成した。ところが、ＣＶＤ工程を用いて実用性の高い薄膜を制作する時は高温が必要とされるためポリマーグラスなどの低融点の基板が使用できない。
かかる問題を克服するため、米国登録特許６、０７１、８１９は図２に示されているようにシリコン基板１０にシリコンＭＥＭＳ工程を用いてセンサデバイス３０を制作した後、シリコン基板１０の裏面からシリコン−アイランド（Si―Island）との間をカットし、ポリマー１１を蒸着して柔軟性を与えている。しかし、かかる方法は、従来のシリコンＭＥＭＳ工程をそのまま使い高温工程がそのまま適用されることになる。最終にはポリマー工程を加えて工程が複雑になり、また単価が高くなるという短所を持つ。
米国登録特許６、０７１、８１９
かかる問題を克服するため、米国登録特許６、０７１、８１９は図２に示されているようにシリコン基板１０にシリコンＭＥＭＳ工程を用いてセンサデバイス３０を制作した後、シリコン基板１０の裏面からシリコン−アイランド（Si―Island）との間をカットし、ポリマー１１を蒸着して柔軟性を与えている。しかし、かかる方法は、従来のシリコンＭＥＭＳ工程をそのまま使い高温工程がそのまま適用されることになる。最終にはポリマー工程を加えて工程が複雑になり、また単価が高くなるという短所を持つ。
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的はＰＥＣＶＤ工程を用いてフレキシブルなポリマー基板上にＭＥＭＳトランスデューサ構造物を形成することによって柔軟性、曲り性、折れ性を有するマイクロホンを製作することにある。
前述した目的に従って本発明は、高分子物質からなるフレキシブルな基板と、所定長さの浮上部を備え前記基板上にＰＥＣＶＤ工程で蒸着されるメンブレン層と、メンブレン層上に導電物質を蒸着して形成される下部電極層と、下部電極層上に圧電ポリマーを蒸着して形成される活性層と、活性層上に導電物質を蒸着して形成される上部電極層と、下部電極層と電気的に接続される第１の接続パッドと、上部電極層と電気的に接続される第２の接続パッドと、を含むフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサを提供する。
前記基板上にシリコン室化物、シリコン酸化物のうち、いずれの１つをその厚さが１０μm以下になるよう被膜して形成された第１の保護層をさらに含むことが好ましい。
前記基板は、ポリイミドのようなフレキシブルな高分子物質を素材にすることが好ましい。
前記メンブレン層は、シリコン室化物をその厚さが５μm以下になるようＰＥＣＶＤ工程で蒸着して形成することが好ましい。
前記基板は、ポリイミドのようなフレキシブルな高分子物質を素材にすることが好ましい。
前記メンブレン層は、シリコン室化物をその厚さが５μm以下になるようＰＥＣＶＤ工程で蒸着して形成することが好ましい。
前記上部電極層と前記下部電極層は、金属、伝導性ポリマーのうちいずれの１つを素材にしその厚さが０．０１〜５μmになるよう形成することが好ましい。
前記活性層は、共振周波数が１Ｈｚ〜１００ｋＨｚになるようＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ―ＴｒＥＦ、ＴｒＥＦ、Polyurea、Polymide、Nylonのような圧電ポリマーを、その厚さは１〜１０μm、長さは５０〜１０００μm範囲になるよう蒸着して形成することが好ましい。
前記活性層は、共振周波数が１Ｈｚ〜１００ｋＨｚになるようＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ―ＴｒＥＦ、ＴｒＥＦ、Polyurea、Polymide、Nylonのような圧電ポリマーを、その厚さは１〜１０μm、長さは５０〜１０００μm範囲になるよう蒸着して形成することが好ましい。
前記上部電極層、前記下部電極層及び前記活性層をカバーするようシリコン室化物またはシリコン酸化物を、その厚さが１０μm以下、好ましくは１〜１０μmになるように蒸着して形成される第２の保護層をさらに含むことが好ましい。
一方、本発明は高分子物質からなるフレキシブル基板上に犠牲層を形成するステップと、犠牲層上にＰＥＣＤＶ工程でメンブレン層を積層させた後パターニングするステップと、メンブレン層上に下部電極層を蒸着させた後パターニングするステップと、下部電極層上に圧電ポリマーから構成される活性層を蒸着し、その上に上部電極層を蒸着したてから前記上部電極層をパターニングした後、前記活性層をパターニングするステップと、下部電極層に接続されるよう第１の接続パッドを形成し、前記上部電極層に接続されるよう第２の接続パッドを形成するステップと、犠牲層を除去するステップと、を含むフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法を提供する。
一方、本発明は高分子物質からなるフレキシブル基板上に犠牲層を形成するステップと、犠牲層上にＰＥＣＤＶ工程でメンブレン層を積層させた後パターニングするステップと、メンブレン層上に下部電極層を蒸着させた後パターニングするステップと、下部電極層上に圧電ポリマーから構成される活性層を蒸着し、その上に上部電極層を蒸着したてから前記上部電極層をパターニングした後、前記活性層をパターニングするステップと、下部電極層に接続されるよう第１の接続パッドを形成し、前記上部電極層に接続されるよう第２の接続パッドを形成するステップと、犠牲層を除去するステップと、を含むフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法を提供する。
前記犠牲層の形成ステップは基板上にポリイミドを、その厚さが１０μm以下になるようコーティングし、設定されたメンブレン層の形状に従って湿式または乾式エッチングによりパターニングすることが好ましい。
前記メンブレン層の形成ステップは、前記犠牲層上にＰＥＣＶＤ工程でシリコン室化物を積層した後乾式エッチング方法でパターニングすることが好ましい。
前記メンブレン層の形成ステップは、前記犠牲層上にＰＥＣＶＤ工程でシリコン室化物を積層した後乾式エッチング方法でパターニングすることが好ましい。
前記活性層の形成ステップは、下部電極層上にスピンコーティングまたは蒸着工程でＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ―ＴｒＥＦ、ＴｒＥＦ、Polyurea、Polymide、Nylonなどのような圧電ポリマーを、その厚さが１０μm以下、好ましくは１〜１０μmになるよう積層した後、湿式あるいは乾式エッチング方法でパターニングすることが好ましい。
前記上部電極層上に、前記上部電極層と前記下部電極層及び前記活性層をカバーするよう前記第２の保護層を形成するステップをさらに含み、前記第２の保護層はＰＥＣＶＤ工程でシリコン室化物、シリコン酸化物のうちいずれの１つを、その厚さが１０μm以下、好ましくは１〜１０μmになるよう蒸着させて湿式または乾式エッチングでパターニングして形成することが好ましい。
前記上部電極層上に、前記上部電極層と前記下部電極層及び前記活性層をカバーするよう前記第２の保護層を形成するステップをさらに含み、前記第２の保護層はＰＥＣＶＤ工程でシリコン室化物、シリコン酸化物のうちいずれの１つを、その厚さが１０μm以下、好ましくは１〜１０μmになるよう蒸着させて湿式または乾式エッチングでパターニングして形成することが好ましい。
前記第１の接続パッドは、前記下部電極層と接続される位置の前記第２の保護層を湿式または乾式エッチングでパターニングし、前記第２の接続パッドは、前記上部電極層と接続される位置の前記第２の保護層を湿式または乾式エッチングでパターニングした後、金属あるいは伝導性ポリマーを蒸着し湿式または乾式エッチングでパターニングして形成することが好ましい。
そして本発明は、高分子物質からなるフレキシブル基板上に犠牲層を形成するステップと、犠牲層上にＰＥＣＶＤ工程でメンブレン層、下部電極層、圧電ポリマーを蒸着して形成された活性層、上部電極層を順に積層するステップと、上部電極層、前記活性層、前記下部電極層の順にパターニングするステップと、上部電極層と下部電極層及び活性層をカバーするように第２の保護層を積層するステップと、下部電極層と前記上部電極層に接続されることができるよう、前記第２の保護層をパターニングした後接続パッド層を積層し、前記下部電極層に接続される第１の接続パッドと前記上部電極層の接続部に接続される第２の接続パッドが形成されるよう前記接続パッド層をパターニングするステップと、犠牲層が現れるように前記メンブレン層をパターニングした後犠牲層を除去するステップと、を含むフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法を提供する。
一方、本発明は他の目的を達成するために、フレキシブルなポリマー材質の基板と、基板上にＰＥＣＶＤ工程で形成されるフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ構造物と、基板上にプリントされ外部に信号を伝達するアンテナと、基板に埋め込みされフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ前記アンテナに信号を伝達するワイヤ及びインタフェース回路と、基板に結合され前記ＭＥＭＳトランスデューサに電源を印可するフレキシブルバッテリ層と、バッテリ層に結合されるフレキシブルブルツースモジュール層と、を含むフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホンを提供する。
前記基板は、ポリイミドのようなフレキシブルな高分子物質を素材にし、前記バッテリ層は、紙のような形状のポリマーバッテリ、特に、フレキシブル太陽電池を素材にし、前記フレキシブルＭＥＭＳトランスデューサは、前記基板上に前記犠牲層を蒸着した後ＰＥＣＶＤ工程で順に蒸着されパターニングされるメンブレン層、下部電極層、圧電ポリマー活性層、上部電極層、前記下部電極層、前記上部電極層とそれぞれ接続される接続パッドを含むことが好ましい。
そして、前記フレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ構造物が形成され、前記アンテナがプリントされ、前記ワイヤ及びインタフェース回路が埋め込みされた前記フレキシブル基板は、設定された角度によって折れる折れ性を有することが好ましい。
さらに本発明は、ＰＥＣＶＤ工程で形成されるフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ構造物が形成され、前記ＭＥＭＳトランスデューサ構造物に連結されて外部へ信号を伝達するアンテナがプリントされ、前記ＭＥＭＳトランスデューサと前記アンテナに信号を伝達するワイヤ及びインタフェース回路が埋め込みされた高分子物質からなるフレキシブル基板と、フレキシブルバッテリ層と、ブルツースモジュール層を所定の厚さで順に積層して構成されるフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホンを提供する。
さらに本発明は、ＰＥＣＶＤ工程で形成されるフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ構造物が形成され、前記ＭＥＭＳトランスデューサ構造物に連結されて外部へ信号を伝達するアンテナがプリントされ、前記ＭＥＭＳトランスデューサと前記アンテナに信号を伝達するワイヤ及びインタフェース回路が埋め込みされた高分子物質からなるフレキシブル基板と、フレキシブルバッテリ層と、ブルツースモジュール層を所定の厚さで順に積層して構成されるフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホンを提供する。
前記フレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホンは、設定された角度によって折れる折れ性を備え、所定の３次元模型を構成する面の形状に従って絶断し、設定された角度によって曲げて前記３次元模型に組立して形成されることが好ましい。
本発明によれば、トランスデューサ構造物を低温工程で製作することが可能になりフレキシブルポリマー基板が採用できる。従って、簡単な工程で集積度、移動性、柔軟性、折れ性及び着用性が優れたフレキシブルマイクロホンのシステムを低温及び低コストで製作できる。また、所定厚さのスキン型マイクロホンで人体に付着可能にパッケージングでき、折れ性、曲り性を用いて３次元構造にパッケージングできるためパッケージング模様を自在に設計することが可能となる。そして、フレキシブルで小型軽量であるため着用が容易で形状の変化が自在である。
さらに、柔軟性を有するマイクロホンは使い方に適した形状を自在に制作することができスキン型に使えるだけではなく、願望する形状にパッケージできるフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ及びその制作方法とこれを採用したフレキシブルＭＥＭＳマイクロホンを提供する。
以下、添付図面を参照して本発明を詳説する。
図３には、本発明に係るダイアフラムタイプのフレキシブルトランスデューサの端面が示されている。図４にはカンチレバータイプのトランスデューサの端面が示されている。図３及び図４のように、本発明の一実施例に係るトランスデューサは、ＰＥＣＶＤまたはスパッタリング工程で、シリコン窒化物またはシリコン酸化物のうち選択されたいずれの１つを蒸着して形成された第１の保護層１１０がコーティングされたフレキシブル基板１００、低温工程のＰＥＣＶＤ工程により形成されるメンブレン層２２０、下部電極層２３０、圧電ポリマー活性層２４０、上部電極層２５０、接続端子２７１、２７２を含むトランスデューサ構造物からなる。ダイアフラムタイプまたはカンチレバータイプのトランスデューサは、前記メンブレン層２２０の浮上部を形成するために基板１００上に犠牲層を形成した後、犠牲層上にメンブレン層２３０を蒸着させ、その後犠牲層をエッチング液で除去する方法を使用する。犠牲層除去時にカンチレバータイプの場合は一側がオープンされているのでオープンされた側に犠牲層を除去し、ダイアフラムタイプの場合はメンブレン層２２０の浮上部に所定の通穴をエッチング形成し、通穴を介してエッチング液を注入してから犠牲層を除去する。
図５ａないし図５ｅは、発明に係るカンチレバータイプのトランスデューサの製作工程の一実施例を順に示した図面である。図示されるトランスデューサは、カンチレバータイプのトランスデューサであって、以下では図５ａないし５ｅを参照してカンチレバータイプのトランスデューサを例に挙げて詳説する。
図５ａに図示されているように、フレキシブルトランスデューサの製作工程は、フレキシブル基板１００に第１の保護層１１０を好ましくは１０μm以下の厚さでコーティングする。フレキシブル基板１００には、ポリマーやポリイミドのような高分子材料、及び金属薄膜のようにフレキシブルな性質を有する材質が用いられる。マイクロホンのような電子システムには、高分子系列の材料が好ましい。第１の保護層１１０は、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）またはスパッタリング（Sputtering）工程によるシリコン室化物、シリコン酸化物コーティングによって形成される。ＰＥＣＶＤまたはスパッタリング工程は、４００℃以下の低温度での処理を可能にする。第１の保護層１１０は、基板１００を保護し、積層される層の付着力を増進させる。
図５ａに図示されているように、フレキシブルトランスデューサの製作工程は、フレキシブル基板１００に第１の保護層１１０を好ましくは１０μm以下の厚さでコーティングする。フレキシブル基板１００には、ポリマーやポリイミドのような高分子材料、及び金属薄膜のようにフレキシブルな性質を有する材質が用いられる。マイクロホンのような電子システムには、高分子系列の材料が好ましい。第１の保護層１１０は、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）またはスパッタリング（Sputtering）工程によるシリコン室化物、シリコン酸化物コーティングによって形成される。ＰＥＣＶＤまたはスパッタリング工程は、４００℃以下の低温度での処理を可能にする。第１の保護層１１０は、基板１００を保護し、積層される層の付着力を増進させる。
図５ｂのように、第１の保護層１１０がコーティングされた基板１００上には、浮上部を有するメンブレン層の形状を形成するための犠牲層２１０が積層される。犠牲層２１０はポリイミドを１０μm以下、好ましくは１〜１０μmの厚さでコーティングした後、設定されたメンブレン層の形状に応じてパターニングして形成する。パターニングされた犠牲層２１０上にメンブレン層２２０を積層する。メンブレン層２２０は、低温工程のためにＰＥＣＶＤ工程によりシリコン窒化物を積層した後、乾式エッチング方法でパターニングして形成する。メンブレン層２２０の厚さは、５μm以下であることが好ましい。メンブレン層２２０上には下部電極２３０が蒸着される。下部電極２３０はアルミニウムなどの金属または伝導性ポリマーを蒸着した後、湿式または乾式エッチング方法でパターニングして形成する。下部電極２３０上には、下部電極２３０とメンブレン層２２０とをすべて覆う活性層２４０をコーティングする。活性層２４０は、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ―ＴｒＥＦ、ＴｒＥＦ、Polyurea、Polymide、Nylonなどの圧電ポリマーをスピンコーティングまたは蒸着工程で積層し、湿式あるいは乾式エッチング方法でパターニングして形成される。好ましくは、活性層２４０はその厚さが１〜１０μmである。その長さは、用途にもよるが無線マイクロホンに用いるのであれば、例えば５０〜１０００μmである。さらに活性層２４０は、共振周波数が１Ｈｚ〜１００ｋＨｚであることが好ましい。
前記圧電ポリマーからなる活性層２４０上には、図５ｃのように上部電極層２５０を蒸着する。アルミニウムなどの金属または伝導性ポリマーを蒸着して上部電極２５０を形成した後、湿式または乾式エッチング方法でパターニングして上部電極層２５０を形成し、湿式または乾式エッチング方法でコーティングされた圧電ポリマーをパターニングして上部電極２５０を形成する。上部電極層２５０と下部電極層２３０とは、その厚さが０．０１〜５μmであることが好ましい。
そして、図５ｄに図示されたように、犠牲層２１０をエッチングによって除去する時に、圧電ポリマー活性層２４０を保護するために上/下電極層２５０、２３０と活性層２４０すべてを覆うよう、ＰＥＣＶＤ工程でシリコン窒化物またはシリコン酸化物を１０μm以下、好ましくは１〜１０μmの厚さで蒸着し、湿式または乾式エッチングでパターニングして第２の保護層２６０を形成する。第２の保護層２６０を形成した後、前記上/下電極層２５０、２３０にそれぞれ電気的に接続される接続パッド２７１、２７２を形成する。接続パッド２７１、２７２は、上/下電極層２５０、２３０にそれぞれ連結できる位置の第２の保護層２６０をパターニングした後、アルミニウムのような金属または伝導性ポリマーをコーティングし、さらにパターニングして形成される。
最後に図５ｅに図示されたように犠牲層２１０をエッチングして除去し、ＭＥＭＳトランスデューサを完成する。
図６ａないし図６ｊは本発明に係るカンチレバータイプのフレキシブルトランスデューサ製作工程の他の実施例を順に示したものである。
図６ａのように、フレキシブル基板１００上にシリコン窒化物またはシリコン酸化物をＰＥＣＶＤ工程またはスパッタリング工程で蒸着して第１の保護層１１０を形成する。次いで図６ｂのようにポリイミドを１０μm以下、好ましくは１〜１０μmの厚さになるよう蒸着した後、パターニングして犠牲層２１０を形成する。
図６ａないし図６ｊは本発明に係るカンチレバータイプのフレキシブルトランスデューサ製作工程の他の実施例を順に示したものである。
図６ａのように、フレキシブル基板１００上にシリコン窒化物またはシリコン酸化物をＰＥＣＶＤ工程またはスパッタリング工程で蒸着して第１の保護層１１０を形成する。次いで図６ｂのようにポリイミドを１０μm以下、好ましくは１〜１０μmの厚さになるよう蒸着した後、パターニングして犠牲層２１０を形成する。
そして、図６ｃのように、犠牲層２１０を蒸着した後、犠牲層２１０上にＰＥＣＶＤ工程でメンブレン層２２０、下部電極層２３０、活性層２４０、上部電極層２５０を順に積層する。それから図６ｄのように上部電極層２５０、活性層２４０をパターニングした後、図６ｅのように下部電極層２３０をパターニングする。
そして、図６ｆのように、上部電極層２５０、下部電極層２３０、及び活性層２４０をカバーするよう第２の保護層２６０を積層する。第２の保護層２６０を積層した後、下部電極層２３０と上部電極層２５０に接続できるように、図６ｇのように第２の保護層２６０をパターニングする。そして図６ｈに示すように、パターニングされた第２の保護層２６０に金属または伝導性物質を積層し、これをパターニングして、下部電極層２３０に接続される第１の接続パッド２７２と前記上部電極層の接続部に接続される第２の接続パッド２７１とを形成する。また、図６ｉに図示されたように、犠牲層２１０が現れるようメンブレン層２２０をパターニングした後、エッチング液を注入して犠牲層２１０を除去し、図６ｊに示すフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサを得る。
そして、図６ｆのように、上部電極層２５０、下部電極層２３０、及び活性層２４０をカバーするよう第２の保護層２６０を積層する。第２の保護層２６０を積層した後、下部電極層２３０と上部電極層２５０に接続できるように、図６ｇのように第２の保護層２６０をパターニングする。そして図６ｈに示すように、パターニングされた第２の保護層２６０に金属または伝導性物質を積層し、これをパターニングして、下部電極層２３０に接続される第１の接続パッド２７２と前記上部電極層の接続部に接続される第２の接続パッド２７１とを形成する。また、図６ｉに図示されたように、犠牲層２１０が現れるようメンブレン層２２０をパターニングした後、エッチング液を注入して犠牲層２１０を除去し、図６ｊに示すフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサを得る。
フレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの制作方法は、図５のように、フレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ構造物を構成する層をそれぞれ積層してパターニングする方法と、図６のように層をすべて積層した後順にパターニングする方法がある。 前記のような製作方法では、ＰＥＣＶＤのような低温工程を使うことによってポリマーのようなフレキシブル基板１００にトランスデューサ構造物２００が形成できる。つまり、本発明に係るトランスデューサ構造物２００は、７８０℃〜８５０℃程度の高温工程が必要とされるＣＶＤ工程の代りに、ＰＥＣＶＤ工程またはスパッタリング工程を導入して薄膜を蒸着したものである。既存のＣＶＤ工程が熱エネルギーを反応に必要なエネルギー源として用いるのに対し、ＰＥＣＶＤはプラズマを用いることによって熱エネルギーを減らすことができ、低温でメンブレン層を形成できる。つまり、低温でトランスデューサ構造物２００を構成する薄膜が蒸着できるので、フレキシブルなポリマー基板１００を使用することができる。従って、柔軟な材質のフレキシブルマイクロホンが形成されるのである。
一方、本発明はかかるフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサを用いてフレキシブルで方向性の自由なマイクロホンを提供する。図７は、スキン型フレキシブル無線マイクロホンの一実施例を示す概略図である。同図のようにフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサを使用したフレキシブルマイクロホンは、フレキシブル基板１００上にＰＥＣＶＤ工程で前述のようにＭＥＭＳトランスデューサ構造物２００を形成し、外部との通信のためのフィルムアンテナ３００を基板１００一側にプリントし、これらを連結する埋め込みワイヤ及びインタフェース回路４００を基板１００に形成する。そして、紙状のフレキシブルポリマー太陽電池を使用したバッテリ層５００と、フレキシブルブルツーススモジュール層６００と、を前記基板１００と共に積層する。バッテリ層は紙状のポリマーバッテリまたはフレキシブル太陽電池であることが好ましい。
このようにトランスデューサ構造物が形成された基板１００とバッテリ５００及びフレキシブルブルツーススモジュール層６００を一緒に積層して所定の厚さのフレキシブルＭＥＭＳマイクロホンを製作すれば、スキン型に利用できるようになる。かかるスキン型フレキシブルＭＥＭＳマイクロホンは、フレキシブルかつ方向性が自在であるため、ウェアラブル（wearable）装置に利用できる。
さらに本発明に係るフレキシブル無線マイクロホンは、基板１００が折れ性を有するので、所望の３次元形状にパッケージングできる。図８は、このようなフレキシブル無線マイクロホンをパッケージングした一実施例を示す概略図である。同図のように、トランスデューサ構造物２００が形成されアンテナ３００がプリントされる。またワイヤ及びインタフェース回路４００が埋め込みされた基板１００を、設定された３次元状のマイクロホンパッケージングの展開図に沿って絶断し、設定された角度に応じて折り、前記３次元状に組立てて所望する３次元構造のマイクロホンを完成する。
紙のような基板１００にフレキシブルＭＥＭＳトランストランスデューサが形成されるので、パッケージングするマイクロホンの３次元構造に応じて前記基板１００をカット及び折って、所望の形状に組立ててパッケージングできる。
図７のように、基板１００、バッテリ５００及びフレキシブルブルツーススモジュール層６００が一緒に積層されたスキン型マイクロホンを、一気にカット及び折り返し、３次元構造にパッケージングして３次元構造の無線ＭＥＭＳマイクロホンが構成され得る。また図８のように、フレキシブルバッテリ５００及びフレキシブルブルートゥースモジュール層６００を３次元構造で組立てた後、トランスデューサ構造物２００、アンテナ３００、ワイヤ４００、及びインタフェース回路が形成された基板を、設定された３次元構造に従って展開図を設計して絶断・折り返して、組立てられたフレキシブルバッテリ層５００とブルートゥースモジュール層６００と共に組立てて３次元構造の無線ＭＥＭＳマイクロホンを形成する。ブルートゥースモジュール層６００は、無線通信モジュール層の一例である。
図７のように、基板１００、バッテリ５００及びフレキシブルブルツーススモジュール層６００が一緒に積層されたスキン型マイクロホンを、一気にカット及び折り返し、３次元構造にパッケージングして３次元構造の無線ＭＥＭＳマイクロホンが構成され得る。また図８のように、フレキシブルバッテリ５００及びフレキシブルブルートゥースモジュール層６００を３次元構造で組立てた後、トランスデューサ構造物２００、アンテナ３００、ワイヤ４００、及びインタフェース回路が形成された基板を、設定された３次元構造に従って展開図を設計して絶断・折り返して、組立てられたフレキシブルバッテリ層５００とブルートゥースモジュール層６００と共に組立てて３次元構造の無線ＭＥＭＳマイクロホンを形成する。ブルートゥースモジュール層６００は、無線通信モジュール層の一例である。
つまり、本発明に係るマイクロホン構造物は、フレキシブルなポリマー基板を使用するので、曲り性及び折れ性を持つ。従って、積層された基板をパッケージングする場合は、所望の３次元構造に応じて絶断及び折ることによって所望の構造でパッケージングできる。
フレキシブルＭＥＭＳマイクロホンは、フレキシブルかつ方向性が自在であるため、ウェアラブル（wearable）装置に利用できる。さらに、紙のような基板にフレキシブルＭＥＭＳトランストランスデューサが形成されるので、パッケージングするマイクロホンの３次元構造に応じて前記基板をカット及び折って所望する形状に組立ててパッケージングすることが可能である。そのため、柔軟性、折れ性、曲り性を有するマイクロホンを製作することに用いられる。
Claims (51)
- 高分子物質からなるフレキシブルな基板と、
所定長さの浮上部を備え前記基板上にＰＥＣＶＤ工程で蒸着されるメンブレン層と、
前記メンブレン層上に導電物質を蒸着して形成される下部電極層と、
前記下部電極層上に圧電ポリマーを蒸着して形成される活性層と、
前記活性層上に導電物質を蒸着して形成される上部電極層と、
前記下部電極層と電気的に接続される第１の接続パッドと、
前記上部電極層と電気的に接続される第２の接続パッドと、
を含むフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。 - 前記基板上に形成された第１の保護層をさらに含む、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記第１の保護層は、シリコン室化物またはシリコン酸化物のいずれかを素材にしている、請求項２に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記第１の保護層の厚さは１０μm以下である、請求項２に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記高分子物質はポリイミドである、請求項４に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記メンブレン層はシリコン室化物を素材にしている、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記メンブレン層の厚さは５μm以下である、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記上部電極層及び前記下部電極層は、金属または伝導性ポリマーのいずれかを素材に形成されている、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記金属はアルミニウムである、請求項８に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記下部電極層の厚さは０．０１〜５μmである、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記上部電極の厚さは０．０１〜５μmである、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記圧電ポリマーは、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ―ＴｒＥＦ、ＴｒＥＦ、PolyureaまたはPolymide、Nylonのいずれかを素材にしている、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記活性層の厚さは１〜１０μmである、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記活性層の共振周波数は１Ｈｚ〜１００ｋＨｚである、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記活性層の長さは５０〜１０００μmである、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記上部電極層、前記下部電極層及び前記活性層を覆う第２の保護層をさらに含む、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記第２の保護層は、シリコン室化物またはシリコン酸化物のいずれかを素材にしている、請求項１５に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記第２の保護層の厚さは１〜１０μmである、請求項１５に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 前記第１の接続パッド及び第２の接続パッドは、金属または伝導性ポリマーのいずれかを素材にしている、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ。
- 高分子物質からなるフレキシブル基板上に犠牲層を形成するステップと、
前記犠牲層上にＰＥＣＶＤ工程でメンブレン層を積層させるステップと、
前記メンブレン層上に下部電極層を蒸着させた後パターニングするステップと、
前記下部電極層上に圧電ポリマーから構成される活性層を蒸着し、その上に上部電極層を蒸着してから前記上部電極層をパターニングした後、前記活性層をパターニングするステップと、
前記下部電極層に接続されるよう第１の接続パッドを形成し、前記上部電極層に接続されるよう第２の接続パッドを形成するステップと、
前記犠牲層を除去するステップと、
を含むフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。 - 前記犠牲層を積層するに先立ち、前記フレキシブル基板上にＰＥＣＶＤ工程またはスパッタリング工程でシリコン室化物またはシリコン酸化物を蒸着し、第１の保護層を形成するステップをさらに含む、請求項２０に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記犠牲層の形成ステップは、ポリイミドをコーティングし、前記メンブレン層の形状に応じて湿式または乾式エッチングによりパターニングする、請求項２０に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記犠牲層は、その厚さが１０μm以下になるよう形成する、請求項２０に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記メンブレン層の形成ステップは、前記犠牲層上にＰＥＣＶＤ工程でシリコン室化物を積層した後に乾式エッチング方法でパターニングする、請求項２０に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記活性層形成のステップは、前記下部電極層上にスピンコーティングまたは蒸着工程で圧電ポリマーを積層した後、湿式あるいは乾式エッチング方法でパターニングする、請求項２０に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記圧電ポリマーは、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ―ＴｒＥＦ、ＴｒＥＦ、Polyurea、PolymideまたはNylonのいずれかである、請求項２５に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記犠牲層の厚さが１０μm以下になるよう形成する、請求項２０に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記上部電極層上に、前記上部電極層、前記下部電極層及び前記活性層を覆う第２の保護層を形成するステップをさらに含み、
前記第２の保護層はＰＥＣＶＤ工程でシリコン室化物またはシリコン酸化物のいずれかを蒸着させ、湿式または乾式エッチングでパターニングして形成する、
請求項２０に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。 - 前記第２の保護層は、その厚さが１０μm以下になるよう形成する、請求項２８に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記第１の接続パッドは、前記下部電極層と接続される位置の前記第２の保護層を湿式または乾式エッチングでパターニングした後、金属あるいは伝導性ポリマーを蒸着し、湿式または乾式エッチングでパターニングして形成される、請求項２０に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記第２の接続パッドは、前記上部電極層と接続される位置の前記第２の保護層を湿式または乾式エッチングでパターニングした後、金属あるいは伝導性ポリマーを蒸着し、湿式または乾式エッチングでパターニングして形成される、請求項２０に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- フレキシブルなポリマー材質の基板と、
前記基板上にＰＥＣＶＤ工程で形成されるフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ構造物と、
外部と通信するために、前記基板上にプリントされるアンテナと、
前記基板に埋め込みされ、前記フレキシブルＭＥＭＳトランスデューサと前記アンテナとを連結するワイヤ及びインタフェース回路と、
前記基板に結合されるフレキシブルバッテリ層と、
該バッテリ層に結合されるフレキシブル無線通信モジュール層と、
を含む、フレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホン。 - 前記基板は、フレキシブルな高分子物質を素材に用いている、請求項３２に記載のフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホン。
- 前記高分子物質はポリイミドである、請求項３３に記載のフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホン。
- 前記バッテリ層は紙のような形状のポリマーバッテリである、請求項３２に記載のフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホン。
- 前記バッテリ層はフレキシブル太陽電池である、請求項３２に記載のフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホン。
- 前記フレキシブルＭＥＭＳトランスデューサは、前記基板上に前記犠牲層を蒸着した後、ＰＥＣＶＤ工程で順に蒸着されパターニングされるメンブレン層、下部電極層、圧電ポリマー活性層、上部電極層、及び前記下部電極層及び前記上部電極層とそれぞれ接続される接続パッドを含む、請求項３２に記載のフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホン。
- 前記フレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ構造物が形成され、前記アンテナがプリントされ、前記ワイヤ及びインタフェース回路が埋め込みされた前記フレキシブル基板は、設定された角度によって曲がる折れ性を有している、請求項３２に記載のフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホン。
- 前記角度は、０°〜１８０°のうち、選択されたいずれの一角度である、請求項３８に記載のフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホン。
- ＰＥＣＶＤ工程で形成されるフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサ構造物が形成され、前記ＭＥＭＳトランスデューサ構造物に連結されて外部へ信号を伝達するアンテナがプリントされ、前記ＭＥＭＳトランスデューサと前記アンテナに信号を伝達するワイヤ及びインタフェース回路が埋め込みされた高分子物質からなるフレキシブル基板と、フレキシブルバッテリ層と、無線通信モジュール層と、を所定の厚さで順に積層して構成される、フレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホン。
- 前記フレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホンは、設定された角度によって曲がる折れ性を有している、請求項４０に記載のフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホン。
- 前記角度は０°〜１８０°のうち選択されたいずれかの角度である、請求項４０に記載のフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホン。
- 前記積層されたフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホンを所定の３次元模型を構成する面の形状に従って絶断し、前記３次元模型に応じた角度に応じて曲げ、前記３次元模型を模して組立てて形成される、請求項４０に記載のフレキシブルＭＥＭＳ無線マイクロホン。
- 高分子物質からなるフレキシブル基板上に犠牲層を形成するステップと、
前記犠牲層上にＰＥＣＶＤ工程でメンブレン層、下部電極層、圧電ポリマーを蒸着して形成された活性層、上部電極層を順に積層するステップと、
前記上部電極層、前記活性層、前記下部電極層の順にパターニングするステップと、
前記上部電極層と下部電極層及び活性層を覆うように第２の保護層を積層するステップと、
前記第２の保護層をパターニングした後に接続パッド層を積層し、前記下部電極層に接続される第１の接続パッドと前記上部電極層の接続部に接続される第２の接続パッドとが形成されるよう、前記接続パッド層をパターニングするステップと、
前記犠牲層が現れるように前記メンブレン層をパターニングした後、犠牲層を除去するステップと、
を含む、フレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。 - 前記犠牲層を積層する前、前記フレキシブル基板上にＰＥＣＶＤ工程またはスパッタリング工程でシリコン室化物またはシリコン酸化物のいずれかを蒸着して第１の保護層を形成するステップをさらに含む、請求項４４に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記犠牲層の厚さが１０μm以下になるよう形成する、請求項４４に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記メンブレン層はシリコン室化物を積層する、請求項４４に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記活性層は、下部電極層上にスピンコーティングまたは蒸着工程で圧電ポリマーを積層して形成する、請求項４４に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記圧電ポリマーは、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ―ＴｒＥＦ、ＴｒＥＦ、Polyurea、PolymideまたはNylonのいずれかである、請求項４８に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記犠牲層は、その厚さが１０μm以下になるよう形成する、請求項４４に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
- 前記第２の保護層は、その厚さが１０μm以下になるよう形成する、請求項４４に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
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