TW201409785A - 可撓式表面聲波元件及其壓電基板之製造方法與上述方法製成之可撓式壓電基板及可撓式表面聲波元件 - Google Patents
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本發明係有關於一種可撓式表面聲波元件及其壓電基板之製造方法與上述方法製成之可撓式壓電基板及可撓式表面聲波元件，是指將具有壓電性材料之印刷油墨以全印表噴墨方式在可撓式基板本體上印製壓電性薄膜製成可撓式壓電基板，以及將導電油墨以全印表噴墨方式在可撓式壓電基板上印製交指叉狀或同心螺旋狀等形狀之電極製成可撓式表面聲波元件之方法及其物。本發明以全印表噴墨方式印刷壓電性薄膜及電極，製程上不用在無塵室環境操作，具有操作簡單，生產快速，成本低廉等優點，並且透過實驗與公式計算，驗證實驗所獲得之中心操作頻率與公式計算結果差異不大，確認本發明確實可行。
Description
本發明係有關於一種可撓式表面聲波元件及其壓電基板之製造方法與上述方法製成之可撓式壓電基板及可撓式表面聲波元件，特別是指以全印表噴墨方式在可撓式基板本體上印刷壓電性薄膜製成可撓式壓電基板，並在可撓式壓電基板印刷電極製成可撓式表面聲波元件者。
表面聲波元件常使用於濾波或感測等用途，其構造可參考如同本發明第三圖所揭露者，表面聲波元件大致包括有一基板，一壓電性薄膜設置在該基板上，以及有一電極設置在該壓電性薄膜上，其原理係將電訊號由該電極之輸入端輸入，電訊號進入該壓電性薄膜後，因為壓電效應而激發彈性應力波，彈性應力波傳遞至該電極之輸出端後，回復為電訊號輸出，藉此可達到濾波或感測的作用。
針對電極而言，一般使用光阻配合光罩曝光及蝕刻、顯影的半導體製程方式製作，例如中華民國發明專利公告第563179號「一種次微米間隙線寬的表面光阻曝光方法」，係用於提供對表面聲波元件的表面電極加工，藉分光單元將調制後的偏極光，分為兩道光束，並經相位控制單元及角度調整單元的平移調整控制後，經分光單元的反射穿透互換，再由濾光單元的濾光及光阻曝光調整單元的對位曝光，而可在有效改變兩道干涉條紋間的寬度下，進行表面電極製程加工。
而常見的壓電薄膜製造方法大致上是使用濺鍍或蒸鍍等薄膜沉積技術。例如中華民國發明專利公告第I349434號「高頻表面聲波元件」，其揭露高頻表面聲波元件之高聲速層的材質較佳為氧化鋁，其厚度較佳介於2μm至20μm之間並較佳藉由電子束蒸鍍的方式形成於壓電基板的表面；亦有中華民國發明專利公告第I249135號「薄膜型表面聲波元件及其製作方法」，其揭露該基板之頂面利用一氣相或物理沈積之技術，將一氮化鎵(GaN)壓電薄膜沈積結合於基板上。
另有可撓式表面聲波元件，其應用範圍較廣可結合在許多設備上使用，例如美國專利第US7369014號「FLEXIBLE SURFACE ACOUSTIC WAVE DEVICE」所揭露者，其係包括有一軟性基板(flexible substrate)，一聲波反射層(acoustic mirror)設置在該軟性基板上，一壓電薄膜(piezoelectric film)設置在該聲音反射層上，一表面聲波電路(surface acoustic wave circuit)設置在該壓電薄膜上，以及一保護層設置在該表面聲波電路上。
前案使用半導體製程技術製作電極，光罩曝光時需在黃光的無塵室環境下進行，同時經過光阻塗佈、曝光、蝕刻及顯影多道製程，造成其成本高昂，製程繁瑣，生產速度慢。
而使用薄膜沉積技術製作壓電性薄膜需要在真空環境下進行，亦具有儀器設備昂貴且製造速度慢的缺失。
有鑑於前述半導體製程技術及薄膜沉積技術，其技術門檻高，成本昂貴及生產速度較慢的缺失，本發明嘗試利用全印表噴墨方式在可撓式基板本體上印刷壓電性薄膜製成可撓式壓電基板，並在可撓式壓電基板印刷電極製成可撓式表面聲波元件，用以解決前述缺失。其中所述之全印表噴墨方式係指在該可撓式基板本體上成型壓電性薄膜，以及在該可撓式壓電基板上成型電極之過程中，完全以噴墨方式披覆該壓電性薄膜及該電極。
因此，本發明係一種可撓式表面聲波元件之壓電基板製造方法，包括下列步驟：
A.調製一具有壓電性材料之印刷油墨；B.將該印刷油墨以全印表噴墨方式在一可撓式基板本體上進行一次以上印刷，形成一壓電性薄膜；C.乾燥處理，使該壓電性薄膜乾燥成型；D.退火處理，使該壓電性薄膜之壓電性材料結晶長成，製成一可撓式壓電基板。
承續上述方法製成可撓式壓電基板後，本發明再提出一種可撓式表面聲波元件之製造方法，包括下列步驟：
E.調製一導電油墨；F.將該導電油墨以全印表噴墨方式在該壓電性薄膜上印製一電極；G.乾燥處理，使該電極乾燥成型。
進一步，該可撓式基板本體為聚醯亞胺(PI)材質，在步驟B印刷前先將該可撓式基板本體在電漿環境作表面處理，使該可撓式基板本體形成親水性表面。
進一步，在步驟A中，以溶膠-凝膠法在溫度為120℃至160℃下，將醋酸鋅溶解於乙二醇中，持溫20分鐘至40分鐘後，將其置於室溫環境中冷卻至室溫，再加入乙醇，以超音波震盪20分鐘至40分鐘，形成氧化鋅溶液之印刷油墨，且氧化鋅溶液之濃度介於0.5莫耳至1.5莫耳之間。
進一步，在步驟B中，係在該可撓式基板本體上進行三次印刷，每次印刷厚度為1微米至3微米，而形成氧化鋅之壓電性薄膜。
進一步，在步驟C中，係在溫度介於60℃至80℃下進行乾燥處理。
進一步，在步驟D中，退火處理之退火曲線係在一小時內由室溫線性加熱至溫度介於300℃至330℃之間，之後持溫一小時，再自然冷卻至室溫。
進一步，在步驟E中，該導電油墨係將奈米銀粉末溶於乙醇中，使其重量百分濃度介於19至21之間，在溫度為22℃時，其黏度為11CPS至15CPS之間，在溫度為25℃時，其表面張力為30mN/m至33mN/m之間，其密度為1.23克/毫升至1.241.23克/毫升之間。
進一步，在步驟G中，乾燥處理之溫度介於60℃至80℃之間，乾燥時間介於20分鐘至40分鐘之間。
本發明亦提供一種使用上述方法製成之可撓式壓電基板及可撓式表面聲波元件：
該可撓式壓電基板包括有一可撓式基板本體及一壓電性薄膜設置在該可撓式基板本體上。
該表面聲波元件包括該可撓式壓電基板，及一電極設置在該可撓式壓電基板之壓電性薄膜上，而該電極形狀可視實際使用需要製成交指叉狀或同心之螺旋狀等形狀，並且該電極包括有一輸入電極及一輸出電極。
本發明具有下列功效：
1.利用全印表噴墨方式印刷壓電性薄膜及電極，省去半導體製程的光阻塗佈、曝光、蝕刻及顯影等多道製程，以及省去無塵室操作或薄膜沉積在真空環境操作的複雜度，具有操作簡單，生產快速的優點。
2.噴墨印刷設備遠比半導體製程設備及薄膜沉積設備便宜，機構也較簡單，生產成本低，設備維修簡單。
綜合上述技術特徵，本發明可撓式表面聲波元件及其壓電基板之製造方法與上述方法製成之可撓式壓電基板及可撓式表面聲波元件的主要功效可在下述實施例清楚呈現。
請參閱第一圖所示，本發明可撓式表面聲波元件及其壓電基板之製造方法包括下列步驟：A.調製一具有壓電性材料之印刷油墨，本實施例係以溶膠-凝膠法在溫度為140℃下，將醋酸鋅溶解於乙二醇中，持溫30分鐘後，將其置於室溫環境中冷卻至室溫，再加入乙醇稀釋其黏度，以超音波震盪30分鐘，形成氧化鋅溶液之印刷油墨，且氧化鋅溶液之濃度為1莫耳，黏度為16CPS，表面張力為32達因/公分，PH值為6。
B.如第二圖所示，準備一聚醯亞胺(PI)材質之可撓式基板本體(1)，將該可撓式基板本體(1)置入電漿環境約15秒作表面處理，使該可撓式基板本體(1)形成親水性表面，之後將該氧化鋅溶液之印刷油墨以全印表噴墨（Fully inkjet）方式在該可撓式基板本體(1)上重複進行三次印刷，每一次印刷厚度約為2微米，形成一厚度約為6微米之壓電性薄膜(2)，而重複進行三次印刷是為避免執行後續步驟時，該壓電性薄膜(2)產生龜裂，其中本實施例噴墨印刷設備係使用富士公司（Fujifilm Corporation）之型號為Dimatix Materials Printer DMP2800之印表機。
C.置入烤箱中10分鐘至15分鐘進行乾燥處理，乾燥溫度介於60℃至80℃之間，使該壓電性薄膜(2)乾燥成型。
D.實施退火處理，其退火曲線係在一小時內由室溫線性加熱至溫度300℃，之後持溫一小時，再自然冷卻至室溫，使該壓電性薄膜(2)之壓電性材料結晶長成，而具有壓電特性，如第五圖所示，係以SEM電子顯微鏡拍攝之氧化鋅結晶狀態顯微圖，可發現氧化鋅結晶狀態良好。
E.調製一導電油墨，，係將奈米銀粉末溶於乙醇中，其重量百分濃度介於19至21之間，在溫度為22℃時，其黏度為11CPS至15CPS之間，在溫度為25℃時，其表面張力為30mN/m至33mN/m之間，其密度為1.23克/毫升至1.24克/毫升之間。
F.將該導電油墨以全印表噴墨方式在該壓電性薄膜(2)上印製一交指叉狀輸入電極(3)及一交指叉狀輸出電極(4)，如第二圖及第三圖所示。其中該交指叉狀輸入電極(3)及交指叉狀輸出電極(4)係為相同型態，且該交指叉狀輸入電極(3)及交指叉狀輸出電極(4)兩側交錯狀之電極尺寸相同，僅其交錯之凸伸部位數量不同。其尺寸如第三圖及第四圖所示，間距(A)為2.7mm，間距(B)為3.3mm，間距(C)為0.9mm，間距(D)為0.3mm，間距(E)為2.2mm，間距(F)為1.2mm，間距(G)為0.3mm，間距(H)為0.5mm，間距(I)為1.2mm。G.置入烤箱中，在溫度約為60℃至80℃之間進行約30分鐘之乾燥處理，使該交指叉狀輸入電極(3)及交指叉狀輸出電極(4)乾燥成型，完成表面聲波元件之製作。
再利用公式計算本實施例表面聲波元件之操作頻率，其中V為該壓電性薄膜(2)波速，為波長，ƒ0為中心操作頻率。由上述公式計算出本實施例之理論中心操作頻率ƒ0為5.5MHz。
再請參閱第六圖所示，利用固德偉爾儀器有限公司（Good Will Instrument Co., Ltd）的波型產生器（Function Generation，型號為GFG-3015）依序對該交指叉狀輸入電極(3)輸入1MHz至13MHz之電訊號，再以安捷倫科技公司（Agilent Technologies Inc.）之型號為Agilent 4395A的頻譜分析儀量測由該交指叉狀輸出電極(4)輸出電訊號之增益，如圖中所示，可發現其最佳操作中心頻率約落在6MHz至8MHz之間，且由於本發明表面聲波元件使用在高頻下操作，因此與前述公式計算之理論值差異不大。
經由上述理論值與實際值的驗證，確認本發明方法確實可製作有效的表面聲波元件，而透過全印表噴墨方式在該可撓式基板本體(1)上印製該壓電性薄膜(2)，並在該壓電性薄膜(2)上以全印表噴墨方式印製該交指叉狀輸入電極(3)及交指叉狀輸出電極(4)之方式可達成操作簡單，生產快速的優點，並且生產成本低、設備維修簡單。再請參閱第七圖所示，除本實施例所述之交指叉狀輸入電極(3)及交指叉狀輸出電極(4)外，可撓式表面聲波元件之電極尚可為其他形狀，例如圖示中係為一螺旋狀輸入電極(5)及一螺旋狀輸出電極(6)。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
(1)．．．可撓式基板本體
(2)．．．壓電性薄膜
(3)．．．交指叉狀輸入電極
(4)．．．交指叉狀輸出電極
(5)．．．螺旋狀輸入電極
(6)．．．螺旋狀輸出電極
(A)(B)(C)(D)(E)(F)(G)(H)(I)．．．間距
第一圖係為本發明之流程圖。
第二圖係為本發明之表面聲波元件之局部立體外觀圖。
第三圖係為本發明之表面聲波元件之平面整體構造示意圖。
第四圖係為本發明表面聲波元件之指叉狀電極尺寸標示圖。
第五圖係本發明實施例中，以SEM電子顯微鏡拍攝之氧化鋅結晶狀態顯微圖。
第六圖係使用本發明之表面聲波元件，通入不同頻率電訊號之輸出增益曲線圖。
第七圖係為本發明表面聲波元件之電極呈現另一型態之示意圖。
Claims (13)
- 一種可撓式表面聲波元件之壓電基板製造方法，包括下列步驟：
A.調製一具有壓電性材料之印刷油墨；
B.將該印刷油墨以全印表噴墨方式在一可撓式基板本體上進行一次以上印刷，形成一壓電性薄膜；
C.乾燥處理，使該壓電性薄膜乾燥成型；
D.退火處理，使該壓電性薄膜之壓電性材料結晶長成。 - 如申請專利範圍第1項所述之可撓式表面聲波元件之壓電基板製造方法，在步驟B印刷前先將該可撓式基板本體在電漿環境作表面處理，使該可撓式基板本體形成親水性表面。
- 如申請專利範圍第2項所述之可撓式表面聲波元件之壓電基板製造方法，在步驟A中，以溶膠-凝膠法在溫度為120℃至160℃下，將醋酸鋅溶解於乙二醇中，持溫20分鐘至40分鐘後，將其置於室溫環境中冷卻至室溫，再加入乙醇，以超音波震盪20分鐘至40分鐘，形成氧化鋅溶液之印刷油墨，且氧化鋅溶液之濃度介於0.5莫耳至1.5莫耳之間。
- 如申請專利範圍第3項所述之可撓式表面聲波元件之壓電基板製造方法，在步驟B中，係在該可撓式基板本體上進行三次印刷，每次印刷厚度為1微米至3微米，而形成氧化鋅之壓電性薄膜。
- 如申請專利範圍第4項所述之可撓式表面聲波元件之壓電基板製造方法，在步驟C中，係在溫度介於60℃至80℃下進行乾燥處理。
- 如申請專利範圍第5項所述之可撓式表面聲波元件之壓電基板製造方法，在步驟D中，退火處理之退火曲線係在一小時內由室溫線性加熱至溫度介於300℃至330℃之間，之後持溫一小時，再自然冷卻至室溫。
- 一種使用申請專利範圍第1項至第6項任一項所述之可撓式表面聲波元件之壓電基板製造方法製成之可撓式壓電基板，包括：
一可撓式基板本體；
一壓電性薄膜，設置在該可撓式基板本體上。 - 一種可撓式表面聲波元件之製造方法，包括下列步驟：
A.預備一可撓式壓電基板，包括有一可撓式基板本體及一壓電性薄膜設置在該可撓式基板本體上；
B.調製一導電油墨；
C.將該導電油墨以全印表噴墨方式在該壓電性薄膜上印製一電極；
D.乾燥處理，使該電極乾燥成型。 - 如申請專利範圍第8項所述之可撓式表面聲波元件之製造方法，在步驟B中，該導電油墨係將奈米銀粉末溶於乙醇中，使其重量百分濃度介於19至21之間，在溫度為22℃時，其黏度為11CPS至15CPS之間，在溫度為25℃時，其表面張力為30mN/m至33mN/m之間，其密度為1.23克/毫升至1.241.23克/毫升之間。
- 如申請專利範圍第9項所述之可撓式表面聲波元件之製造方法，在步驟D中，乾燥處理之溫度介於60℃至80℃之間，乾燥時間介於20分鐘至40分鐘之間。
- 一種使用申請專利範圍第8項至第10項任一項所述之可撓式表面聲波元件之製造方法所製成之可撓式表面聲波元件，包括有：
一可撓式壓電基板，該可撓式壓電基板包括有一可撓式基板本體及一壓電性薄膜設置在該可撓式基板本體上；
一電極，設置在該壓電性薄膜上。 - 如申請專利範圍第11項所述之可撓式表面聲波元件，其中該電極形狀為交指叉狀或同心之螺旋狀。
- 如申請專利範圍第11項所述之可撓式表面聲波元件，其中該電極包括有一輸入電極及一輸出電極。
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