TH41235B - เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสซึ่งทำจากกระบวนการ Electro-Fabrication (E-Fab) และกระบวนการผลิตอุปกรณ์ดังกล่าว - Google Patents

Abstract

DC60 เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสที่สร้างขึ้นโดยใช้กระบวนการ Electro-Fabrication (E-Fab) ประกอบ ด้วยส่วนเมมเบรนลอยอยู่ตรงกลางที่ถูกยึดด้วยแขนยึดจำนวนสองแขนหรือสี่แขนขึ้น กับการออกแบบ โดยจะมีการสร้างเมมเบรนลอยด้วยวัสดุโลหะราคาถูกที่ใช้ในกระบวนการ electroplating เช่น นิเกิ้ล (Ni) หรือ ทองแดง (Cu) บนเมมเบรนลอยจะมีชั้นฟิล์มบางของฉนวนไฟ ฟ้าที่เหมาะสม เช่น Alumina (Al2O3) Silicon Nitride (Si3N4) หรือ Silicon Dioxide (SiO2) ตามด้วย ชั้นของฟิล์มบางของ piezoresistor ที่เคลือบอยู่บนแขนยึดแต่ละแขนและจะมีชั้นฟิล์มบางของโลหะ ที่เหมาะสม เช่น Cu/Cr เคลือบบนปลายอยู่เพื่อเป็นขั้วไฟฟ้า เมื่อแขนยึดดังกล่าวโค้งงอด้วยแรงที่มา กระทำ ส่วนที่เป็น piezoresistor ก็จะโค้งงอและมีความต้านทานไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไป ดังนั้น ปริมาณแรงสัมผัสที่กดก็จะถูกวัดได้โดยการวัดความต้านทานไฟฟ้าของอุปกรณ์ โดย piezoresistor ในการประดิษฐ์นี้จะเป็นวัสดุที่เหมาะสมเช่น indium tin oxide (ITO) ที่สร้างด้วยกระบวนการ เฉพาะคือ ion-assisted electron beam evaporation ข้อดีสำคัญของกระบวนการนี้ คือเป็นกระบวน การที่อุณหภูมิต่ำที่สามารถควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการเติมไอออนที่เหมาะสม (ion- assisted deposition parameters) ซึ่งจะทำให้ได้ฟิล์มของ ITO ที่มีคุณสมบัติ piezoresistivity ที่ดี เหมาะสมกับเซนเซอร์วัดแรงที่มีความไวสูง ประกอบกับอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กจะทำให้ได้เซนเซอร์ ที่สามารถวัดแรงสัมผัสได้ในระดับหนึ่งในล้านของนิวตัน และที่สำคัญคือกระบวนการผลิตจะมี ราคาถูกกว่าการผลิตเซนเซอร์วัดแรงแบบเมมเบรนลอยอื่นๆที่ใช้กระบวนการผลิตแบบวงจรรวม มาก ในการใช้งานเซนเซอร์วัดแรงสัมผัสมักจะสร้างในลักษณะอาร์เรย์ซึ่งมีชั้นของแผ่นแผ่นรับแรง และการสัมผัสซึ่งเป็นวัสดุที่ยืดหยุ่นได้วางทับเพื่อเป็นชั้นที่แรงสามารถกดลงโดยตรง เมื่อมีการ สัมผัสหรือมีแรงกดบนแผ่นรับแรง แรงจะถูกกระจายลงบนเมมเบรนของอุปกรณ์แต่ละตัว เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสที่สร้างขึ้นโดยใช้กระบวนการ Electro-Fabrication (E-Fab) ประกอบ ด้วยส่วนเมมเบรนลอยอยู่ตรงกลางที่ถูกยึดด้วยแขนยึดจำนวนสองแขนหรือสี่แขนขึ้น กับการออกแบบ โดยจะมีการสร้างเมมเบรนลอยด้วยวัสดุโลหะราคาถูกที่ใช้ในกระบวนการ electroplating เช่น นิเกิ้ล (Ni) หรือ ทองแดง (Cu) บนเมมเบรนลอยจะมีชั้นฟิล์มบางของฉนวนไฟ ฟ้าที่เหมาะสม เช่น Alumina (Al2O3) Silicon Nitride (Si3N4) หรือ Silicon Dioxide (SiO2) ตามด้วย ชั้นของฟิล์มบางของ piezoresistor ที่เคลือบอยู่บนแขนยึดแต่ละแขนและจะมีชั้นฟิล์มบางของโลหะ ที่เหมาะสม เช่น Cu/Cr เคลือบบนปลายอยู่เพื่อเป็นขั้วไฟฟ้า เมื่อแขนยึดดังกล่าวโค้งงอด้วยแรงที่มา กระทำ ส่วนที่เป็น piezoresistor ก็จะโค้งงอและมีความต้านทานไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไป ดังนั้น ปริมาณแรงสัมผัสที่กดก็จะถูกวัดได้โดยการวัดความต้านทานไฟฟ้าของอุปกรณ์ โดย piezoresistor ในการประดิษฐ์นี้จะเป็นวัสดุที่เหมาะสมเช่น indium tin oxide (ITO) ที่สร้างด้วยกระบวนการ เฉพาะคือ ion-assisted electrom beam evaporation ข้อดีสำคัญของกระบวนการนี้ คือเป็นกระบวน การที่อุณหภูมิต่ำที่สามารถควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการเติมไอออนที่เหมาะ สม (ion- assisted deposition parameters) ซึ่งจะทำได้ฟิล์มของ ITO ที่มีคุณสมบัติ piezoresistivity ที่ดี เหมาะสมกับเซนเซอร์วัดแรงที่มีความไวสูง ประกอบกับอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กจะทำให้ได้เซนเซอร์ ที่สามารถวัดแรงสัมผัสได้ในระดับหนึ่งในล้านของนิวตัน และที่สำคัญคือกระบวนการผลิตจะมี ราคาถูกกว่าการผลิตเซนเซอร์วัดแรงแบบเมมเบรนลอยอื่นๆที่ใช้กระบวนการผลิตแบบวงจรรวม มาก ในการใช้งานเซนเซอร์วัดแรงสัมผัสมักจะสร้างในลักษณะอาร์เรย์ซึ่งมีชั้นของแผ่นแผ่นรับแรง และการสัมผัสซึ่งเป็นวัสดุที่ยืดหยุ่นได้วางทับเพื่อเป็นชั้นที่แรงสามารถกดลงโดยตรง เมื่อมีการ สัมผัสหรือมีแรงกดบนแผ่นรับแรง แรงจะถูกกระจายลงบนเมมเบรนของอุปกรณ์แต่ละตัว

Claims (2)

ข้อถือสิทธฺ์ (ทั้งหมด) ซึ่งจะไม่ปรากฏบนหน้าประกาศโฆษณา : 1. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสที่ประกอบด้วย - แผ่นฐาน (3) ที่ประกอบด้วยผิวหน้าที่หนึ่งและสอง โดยใช้แผ่น (3) ดังกล่าวทำมา จากวัสดุที่เป็นฉนวน - เมมเบรนลอย(1) ที่ถูกสร้างอยู่บนผิวหน้าที่หนึ่งของแผ่นฐาน (3) โดยมีช่องว่าง อากาศ(7) ดังกล่าว โดยมีแขนยึด (2) เป็นตัวเชื่อมอย่างน้อยสองจุด - ชั้นฉนวนชนิดฟิล์มบาง (4) ที่ถูกสร้างอยู่บนเมมเบรนลอย(1) ดังกล่าว - ชั้นฟิล์มบางของ piezoresistor (5) ที่ถูกสร้างบนแขนยึด (2) ดังกล่าวทุกแขน โดย ชั้นฟิลม์บางของ piezoresistor (5) ดังกล่าวจะมีความต้านทานไฟฟ้าเปลี่ยนไปเมื่อมี แรงของการสัมผัสที่ต้องการจะตรวจวัดเข้ามากระทำ - ขั้วไฟฟ้า (6) อย่างน้อยสองขั้วสำหรับ piezoresistor (5) แต่ละตัว ที่สร้างอยู่บนชั้น piezoresistor (5) เพื่อทำหน้าที่เป็นขั้วเอาต์พุตของอุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดัง กล่าว ดังกล่าวและ โดยที่อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าว มีลักษณะเฉพาะคือ แผ่นฐาน (3) มีคุณสมบัติ เป็นวัสดุฉนวนที่ทนความร้อนได้อย่างน้อย 250 องศาเซลเซียส และมีลักษณะเฉพาะคือชั้นฟิล์มบาง ของเพียโซรีซิสเตอร์ (piezoresistor) (5) ที่เป็นวัสดุอินเดียมทินออกไซด์ (indium tin oxide) (ITO) สร้างขึ้นจากกระบวนการ ion-assisted electron beam evaporation โครงสร้างเมมเบรนลอย(1) ดัง กล่าวนี้จะถูกออกแบบให้เป็นฟิล์มเรียบที่มีรูปร่างเฉพาะคือ ตรงกลางมีลักษณะเป็นโครงสร้างแบบ หยักลอน (corrugated structure) ซึ่งถูกสร้างด้วยกระบวนการ electroplating และมีชั้นของฉนวนไฟ ฟ้า (4) เคลือบทับแผ่นรับแรงและการสัมผัส (8) ที่วางอยู่บนเมมเบรนลอย(1) ดังกล่าว 2. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวในข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่งแผ่นฐาน (3) ดังกล่าว ทำจาก แก้ว 3. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวในข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่งแผ่นฐาน (3) ดังกล่าวทำจาก พลาสติกที่ทนความร้อนได้อย่างน้อย 250 องศาเซลเซียส 4. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวในข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่งแผ่นฐาน (3) ดังกล่าวทำจากซิ ลิกา 5. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวในข้อถือสิทธิที่ 2-4 ข้อใดข้อหนึ่ง ที่ซึ่งแผ่นฐาน (3) ดังกล่าวมีขนาดกว้างและยาวอยู่ระหว่าง 1-100 มิลลิเมตรและมีความหนาระหว่าง 0.5-2 มิลลิเมตร 6. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวในข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่งเมมเบรนลอย (1) ดังกล่าวทำ จากโลหะทองแดงและมีความหนาในช่วง 1-50 ไมโครเมตร 7. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวในข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่งเมมเบรนลอย (1) ดังกล่าวทำ จากโลหะนิเกิ้ลและมีความหนาในช่วง 1-50 ไมโครเมตร 8. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวในข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่งชั้นฉนวนชนิดฟิล์มบาง (4) ดังกล่าว ทำจาก อลูมิน่า 9. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวในข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่ง ชั้นฉนวนชนิดฟิล์มบาง (4) ดังกล่าวทำจากซิลิกอนไนไตร 1 0. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวในข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่ง ชั้นฉนวนชนิดฟิล์มบาง (4) ดังกล่าว ทำจากซิลิกอนไดออกไซด์ 1 1. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวในข้อถือสิทธิที่ 8-10 ข้อใดข้อหนึ่ง ที่ซึ่ง ชั้นฉนวน ชนิดฟิล์มบาง (4) ดังกล่าว มีความหนาระหว่าง 300-2000 นาโนเมตร 1 2. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวในข้อถือสิทธิที่ 11 ที่ซึ่งชั้นของวัสดุประเภทรีซิสทีฟ เพียโซ (piezoresistive) (5) คืออินเดียมทินออกไซด์ (Indium Tin Oxide) (ITO) เคลือบอยู่ใน บริเวณแขนยึดทุกแขน 1 3. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวในข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่งขั้วไฟฟ้าของฟิล์มบางของเพีย โซ piezoresistor (5) ดังกล่าวมีลวดลายแบบขดลวดตัวยู 1 4. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวในข้อถือสิทธิที่ 12 ที่ซึ่งขั้วไฟฟ้าของฟิล์มบางของ โลหะ (6) เคลือบอยู่ ประกอบด้วยชั้นโครเมี่ยมในชั้นแรกที่มีความหน่าระหว่าง 20-40 นาโน เมตรและชั้นทองแดงที่มีความหนาระหว่าง 500-1000 นาโนเมตรในชั้นถัดไป 1 5. อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวในข้อถือสิทธิที่ 1 ยังมีแผ่นรับแรงและการสัมผัส(8) วางอยู่บนเมมเบรนลอย (1) ดังกล่าว 1 6. กระบวนการผลิตอุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสประกอบด้วย - การจัดให้มีแผ่นฐาน (3) ที่ประกอบด้วยผิวหน้าที่หนึ่งและสอง - การจัดให้มีเมมเบรนลอย (1) ที่ถูกสร้างจากโลหะและมีส่วนหนึ่งลอยอยู่เหนือผิว หน้าที่หนึ่งของแผ่นฐาน (3) ดังกล่าว โดยมีช่องว่าง (7) อยู่ระหว่างนั้น โดยมีเมมเบ รนลอยดังกล่าวยังประกอบด้วยแถบยึด (2) อย่างน้อยสองจุดเพื่อการยึดเมมเบรน ลอย (1) ดังกล่าวให้ติดกับแผ่นฐาน (3) ดังกล่าว - การจัดให้มีชั้นฉนวนชนิดฟิล์มบาง (4) ที่ถูกสร้างอยู่บนเมมเบรนลอย (1) ดังกล่าว เพื่อเป็นฉนวนไฟฟ้า - การจัดให้มีชั้นฟิล์มบางของเพียโซรีซิสเตอร์ (piezoresistor) (5) ที่ถูกสร้างบนแขน ยึด (2) ดังกล่าวทุกแขน - การจัดให้มีขั้วไฟฟ้า (6) อย่างน้อยสองขั้วสำหรับเพียโซรีซิสเตอร์ piezoresistor (5) แต่ละตัว ที่สร้างอยู่บนชั้น piezoresistor (5) เพื่อทำหน้าที่เป็นขั้วเอาต์พุตของ อุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าว ดังกล่าวและ - การจัดให้มีแผ่นรับแรงและการสัมผัส(8) ที่วางอยู่บนเมมเบรนลอย(1) ดังกล่าว โดยที่กระบวนการผลิตอุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสดังกล่าวมีลักษณะเฉพาะคือ ในขั้น ตอนการจัดให้มีเมมเบรนลอย (1)ดังกล่าว ประกอบด้วยขั้นตอนของ - การเคลือบชั้นฟิล์มบางของโลหะเพื่อเป็นฐานของแถบยึด (2) บนแผ่นฐาน (3) ด้วย กระบวนการ evaporation หรือ sputteringร่วมกับการสร้างลวดลายด้วยกระบวน การถ่ายแบบด้วยแสง (photolithography) - การสร้างชั้นของ photoresist (9) โดยกระบวนการถ่ายแบบด้วยแสง (photolithography) เป็นช่องเปิดอย่างน้อยสองช่องสำหรับการสร้างแถบยึด (2) ดัง กล่าว - การสร้างแขนยึด (2) ในช่องเปิดดังกล่าวของชั้น photoresist (9) ดังกล่าว ด้วย กระบวนการ electroplating โดยที่แถบยึด (2) ดังกล่าวจะเป็นโลหะชนิดเดียวกับ ฟิล์มบางของโลหะที่เป็นฐานของแถบยึด(2) ดังกล่าว และ - การสร้างเมมเบรนลอย (1) ดังกล่าวให้มีความหนาและโครงสร้างแบบหยักลอน ตามต้องการด้วยกระบวนการ electroplating ซึ่งจะเชื่อมต่อทางโครงสร้างแขนยึด (2) อย่างน้อยสองชิ้นเข้าด้วยกัน และ - การกำจัดชั้น photoresist (9) ดังกล่าวออกไป เพื่อทำให้เกิดช่องว่าง (7) ดังกล่าว ระหว่างเมมเบรนลอย (1) ดังกล่าวกับชั้นฐาน (3) ดังกล่าว 1 7. กระบวนการผลิตอุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสในข้อถือสิทธิที่ 16 ที่ซึ่งชั้นฟิล์มโลหะบาง ของเมมเบรนลอย (1) ดังกล่าวมีความหนาเริ่มต้นอยู่ระหว่าง 100-200 นาโนเมตร 1 8. กระบวนการผลิตอุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสในข้อถือสิทธิที่ 16 โดยที่ขั้นตอนของการ สร้างชั้นฉนวนชนิดฟิล์มบาง (4) ดังกล่าวกระทำด้วยกระบวนการ evaporation 1 9. กระบวนการผลิตอุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสในข้อถือสิทธิที่ 16 โดยที่ขั้นตอนการสร้าง ชั้นฉนวนชนิดฟิล์มบาง (4) ดังกล่าวกระทำด้วยกระบวนการ sputtering 2 0. กระบวนการผลิตอุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสในข้อถือสิทธิที่ 16 โดยที่ขั้นตอนมีการ สร้างชั้นฟิล์มบางของ piezoresistor (5) ดังกล่าวกระทำด้วยกระบวนการ ion-assisted electron beam evaporation 2

1. กระบวนการผลิตอุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสในข้อถือสิทธิที่ 16 โดยที่ขั้นตอนการสร้าง ขั้วไฟฟ้า (6) ของพิล์มบางของ piezoresistor (5) อย่างน้อยสองขั้ว บนชั้นฟิล์มบางของ piezoresistor (5) ดังกล่าวด้วยโลหะกระทำด้วยกระบวนการ evaporation 2

2. กระบวนการผลิตอุปกรณ์เซนเซอร์วัดแรงสัมผัสในข้อถือสิทธิที่ 16 โดยที่ขั้นตอนการสร้าง ขั้วไฟฟ้า (6) ของฟิล์มบางของ piezoresistor (5) อย่างน้อยสองขั้ว บนชั้นฟิล์มบางของ piezoresistor (5) ดังกล่าวด้วยโลหะกระทำด้วยกระบวนการ sputtering