TWI487886B - Integrated Sensing Device with Ultrasonic Transducer and Microphone and Its Method - Google Patents

Integrated Sensing Device with Ultrasonic Transducer and Microphone and Its Method Download PDF

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TWI487886B
TWI487886B TW103111188A TW103111188A TWI487886B TW I487886 B TWI487886 B TW I487886B TW 103111188 A TW103111188 A TW 103111188A TW 103111188 A TW103111188 A TW 103111188A TW I487886 B TWI487886 B TW I487886B
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    • G10K9/22—Mountings; Casings
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    • Y10T29/49005—Acoustic transducer

Description

具有超音波換能器與麥克風的整合式感測裝置及其製法
本創作是關於一種感測裝置，特別是指具有超音波換能器與麥克風的整合式感測裝置及其製法。
一般電容式超音波換能器的結構包含一固定的底座以及一薄膜，該底座上形成有一凹槽，該薄膜設於該底座上並覆蓋該凹槽，該凹槽的槽底與該薄膜的表面分別形成電極而成為電容式的結構。在電極上加入交流電壓時可驅動該薄膜高頻振動，從而產生超音波，或藉由該薄膜可接收外界的音波振動，導致電極上的電荷分佈發生變化，使其電容值改變，即可利用音波的發射與接收進行如位置、速度等物理量之量測。然而，超音波換能器僅供操作在在超音波頻率，在一般人耳可聽的音頻範圍則無法使用，導致超音波換能器的用途受到限制。
現有電容式麥克風可供偵測人耳可聽音頻範圍的聲音，其原理與超音波換能器類似，係接收外界的音波振動而產生電容變化。然而，麥克風與前段所述之超音波換能器分別由不同的製程所製作，兩者為獨立的構件，不論在材料與結構都有差異。
本創作的主要目的是提供一種具有超音波換能器與麥克風的整合式感測裝置，將超音波換能器與麥克風整合在一起，由超音波換能器感測超音波，由麥克風感測人耳可聽的聲波，本創作感測裝置兼具超音波與聲波的感測功能。
本創作感測裝置包含有： 一基板，定義有一第一區域與一第二區域；一第一邊牆，設於該基板的第一區域上；一背板，設於該第一邊牆上並延伸到該第二區域的上方，且該背板與該基板的第二區域之間形成一洩壓孔，該背板對應於該基板的第一區域處具有一電極成形區，而對應於該第二區域處形成複數個與該洩壓孔連通的聲孔；一第一電極，設於該背板的電極成形區上；一第二電極，設於該背板上且對應於該基板第二區域處；一第二邊牆，設於該背板上，並具有一第一開口與一第二開口，該第一電極與第二電極分別外露於該第一開口與第二開口，該第二開口與該複數個聲孔連通；一可振盪膜，設於該第二邊牆上並覆蓋該第一開口與第二開口；一第三電極，設於該可振盪膜表面且位於該第一電極上方；以及一第四電極，設於該可振盪膜表面且位於該第二電極上方，其中，位在該基板第一區域上方的背板、第二邊牆、可振盪膜、第一電極與第三電極構成超音波換能器，該第一邊牆與位在該基板第二區域上方的背板、第二邊牆、可振盪膜、第二電極與第四電極構成麥克風。
本創作之另一目的是提供一種具有超音波換能器與麥克風的整合式感測裝置的製法，透過相同的材料同步製作超音波換能器與麥克風，避免不同構件之間結合度不佳的問題。本創作感測裝置之製法包含有以下步驟：準備一基板，該基板定義有一第一區域與一第二區域；於該基板的第一區域上形成一第一邊牆；於該第一邊牆上設置一背板，其中該背板係延伸到該基板的第二區域上方，且該背板與該基板的第二區域之間形成一洩壓孔，該背板對應於該基板的 第一區域處具有一電極成形區，而對應於該第二區域處具有複數個與該洩壓孔連通的聲孔；於該背板的電極成形區形成一第一電極，於該背板對應該第二區域的表面形成一第二電極；於該背板上形成一第二邊牆，該第二邊牆具有一第一開口與一第二開口，使該第一電極與第二電極分別外露於該第一開口與第二開口中；於該背板上形成一可振盪膜，以覆蓋該第一開口與該第二開口；於該可振盪膜上形成一第三電極與一第四電極，該第三電極位於該第一電極上方，該第四電極位於該第二電極上方，以形成感測裝置；其中，位在該基板第一區域上方的背板、第二邊牆、可振盪膜、第一電極與第三電極構成超音波換能器，該第一邊牆與位在該基板第二區域上方的背板、第二邊牆、可振盪膜、第二電極與第四電極構成麥克風。
本創作利用薄膜貼合技術與微機電技術同步製作超音波換能器與麥克風所需之第一邊牆、背板、第二邊牆、可振盪膜與電極等構件，將超音波換能器與麥克風整合於一體，本創作步驟與現有半導體製程相容且不繁雜，自然不會有超音波換能器與麥克風之間結合度不佳之問題，此外，本創作可透過滾壓技術進行大面積的製作以減低製造成本。由於超音波換能器操作在超音波頻率(大於20000Hz)，可用於三維位置偵測及操控，而麥克風操作在人耳可聽見之音頻(20~20000Hz)，可用於聲音定位，兩者整合後成為一獨特的非接觸式感測器，適用於超音波頻率與一般人耳可聽見的聲音頻率，故可廣泛應用於生醫及消費電子產品，例如非接觸式操控螢幕、3D滑鼠、機械人近接感測及照明開關等消費電子產品。
100‧‧‧感測裝置
101‧‧‧超音波換能器
102‧‧‧麥克風
103‧‧‧換能器單元
11‧‧‧基板
111‧‧‧第一區域
112‧‧‧第二區域
12‧‧‧高分子材料層
121‧‧‧第一邊牆
122‧‧‧洩壓孔
13‧‧‧離形層
14‧‧‧光罩
141‧‧‧透光部
142‧‧‧遮光部
15‧‧‧高分子材料層
151‧‧‧背板
152‧‧‧聲孔
153‧‧‧電極成形區
16‧‧‧離形層
17‧‧‧光罩
171‧‧‧遮光部
172‧‧‧透光部
181‧‧‧第一電極
182‧‧‧第二電極
183‧‧‧第三電極
184‧‧‧第四電極
19‧‧‧高分子材料層
20‧‧‧離形層
21‧‧‧光罩
211‧‧‧遮光部
212‧‧‧透光部
22‧‧‧第二邊牆
221‧‧‧第一開口
222‧‧‧第二開口
23‧‧‧高分子材料層
24‧‧‧離形層
25‧‧‧光罩
26‧‧‧可振盪膜
260‧‧‧腔室
圖1：本創作感測裝置較佳實施例的平面示意圖。
圖2A：本創作製法中準備基板的局部示意圖。
圖2B：本創作製法中在基板上形成高分子材料層的局部示意圖。
圖2C：本創作製法中對該高分子材料層曝光的局部示意圖。
圖2D：本創作製法中對該高分子材料層顯影後形成第一邊牆的局部示意圖。
圖2E：本創作製法中在該第一邊牆上形成高分子材料層的局部示意圖。
圖2F：本創作製法中對該高分子材料層曝光的局部示意圖。
圖2G：本創作製法中對該高分子材料層顯影後形成背板的局部示意圖。
圖2H：本創作製法中在背板上形成第一電極與第二電極的局部示意圖。
圖2I：本創作製法中在背板上形成高分子材料層的局部示意圖。
圖2J：本創作製法中對該高分子材料層曝光的局部示意圖。
圖2K：本創作製法中對該高分子材料層顯影後形成第二邊牆的局部示意圖。
圖2L：本創作製法中在第二邊牆上形成高分子材料層的局部示意圖。
圖2M：本創作製法中對該高分子材料層曝光的局部示意圖。
圖2N：本創作製法中形成該可振盪膜的局部示意圖。
圖2O：本創作製法中在可振盪膜上形成第三電極與第四電極的局部示意圖。
圖3：本創作中該背板與聲孔的平面示意圖。
圖4：本創作中該超音波換能器的使用狀態參考圖。
圖5：本創作中該麥克風的使用狀態參考圖。
圖6：對應圖2O之立體剖面示意圖。
圖7：本創作超音波換能器正六邊形振盪薄膜的自然頻率分析圖。
圖8：本創作麥克圓形振盪薄膜的自然頻率分析圖。
請參考圖1所示，本創作感測裝置100包含有一超音波換能器101與至少一麥克風102，該超音波換能器101與麥克風102為共基板，並能在本創作製法中同時製作而成，其中該超音波換能器101包含有一個或複數個緊密排列且為六邊形的換能器單元103。關於本創作感測裝置100的製作流程，僅以單一個換能器單元103與麥克風102為例說明。
請參考圖2A所示本創作感測裝置的局部示意圖，首先係準備一基板11，該基板11為撓性基板，且可為玻璃、矽膠、樹脂、塑膠、聚酯類、聚醯亞氨、光阻劑、高分子材料所構成之群組中至少一種材料所製成。該基板11的表面區分有一第一區域111與一第二區域112。該第一區域111供製作超音波換能器，該第二區域112供製作麥克風。
請參考圖2B所示，透過滾壓手段在該基板11的第一區域111與第二區域112表面設置一高分子材料層12，本較佳實施例中，該高分子材料層12為感光乾膜(dry film)，例如SU-8光阻。其中，該高分子材料層12的表面設有一離形層13，該離形層13具有透光性。在進行滾壓動作時，滾輪係壓著該離形層13並滾動，以將高分子材料層12下壓而貼附在該基板11的表面。
於高分子材料層12形成後，請參考圖2C所示，係進行曝光步驟，於該高分子材料層13的上方設置一光罩14，由紫外光透過光罩14而照射高分子材料層12。本較佳實施例中，該光罩14對應於基板11的第一區域111處係形成透光部141，而對應於第二區域112處係係形成遮光部142，故僅有位在第一區域111上的高分子材料層12受到紫外光的照射而固化鏈結，以固著在基板11的第一區域111上。
進行曝光步驟之後，請參考2D所示，係移除離形層13，並進行顯影步驟，以透過顯影液移除未受曝光的高分子材料層，而受曝光留下的高分子材料層定義為一第一邊牆121，該第一邊牆121具有可撓性。除了前述曝光與顯影步驟，該第一邊牆121還可透過高分子塗佈壓印或噴墨或網板印刷製成。
於形成第一邊牆121後，請參考圖2E所示，在該第一邊牆121上設置一高分子材料層15，同前所述，該高分子材料層15上設有一供滾壓手段使用的離形層16。
請參考圖2F所示，接著係進行曝光步驟，於該高分子材料層15的上方設置一光罩17，由紫外光透過光罩17而照射高分子材料層15。該光罩17對應於基板11的第二區域112上係形成複數個分佈排列的遮光部171，遮光部171以外的區域則為透光部172，使高分子材料層15對應於透光部172的區域受到紫外光的照射而固化鏈結。除了透過曝光手段使高分子材料層15固化鏈結外，還可使用加熱烘烤方式令高分子材料層15固化鏈結，以下僅以曝光手段為例說明。
進行曝光步驟之後，請參考圖2G所示，係移除離形層16，並進行顯影步驟，以透過顯影液移除未受曝光的高分子材料層，而受曝光而留下的高分子材料層定義為一背板151，該背板151具有可撓性，該背板151設於第一邊牆121上並延伸到該基板11的第二區域112上方，該背板151與該基板11第二區域112之間形成一洩壓孔122，請配合參考圖3所示，該背板151對應於該基板11第二區域112上方形成有複數個分佈排列的聲孔152，該些聲孔152分佈的區域即對應於圖2F中該光罩17的遮光部171分佈區域，且聲孔152與該洩壓孔122連通。該背板151上對應於該基板11第一區域111處定義有一電極成形區153。
於背板151與聲孔152形成後，請參考圖2H所示，係於該背板151的電極成形區153表面形成一第一電極181，以及於該背板151上對應於該基 板11第二區域112處形成第二電極182。該第一電極181與第二電極182可透過蒸鍍、濺鍍、微影、網版印刷或噴墨手段完成。
於第一電極181與第二電極182形成後，請參考圖2I所示，於該背板151、第一電極181與第二電極182上覆蓋一高分子材料層19，該高分子材料層19上亦設有一透光的離形層20。
請參考圖2J所示，接著進行曝光步驟，在該高分子材料層19上方設置一光罩21，由紫外光透過光罩21照射高分子材料層19，其中該光罩21對應於第一電極181與第二電極182分佈的區域形成遮光部211，其餘則為透光部212。
於曝光步驟後，請參考圖2K所示，係移除離形層20，並進行顯影步驟，以透過顯影液移除未受曝光的高分子材料層，而分別形成一第一開口221與一第二開口222，該第二開口222與該些聲孔152連通，該第一電極181與第二電極182分別外露於第一開口221與第二開口222中；受曝光的高分子材料層固化而成為一第二邊牆22，該第二邊牆22具有可撓性。除了前述曝光與顯影步驟，該第二邊牆22還可透過高分子塗佈壓印或噴墨或網板印刷製成。
形成第二邊牆22後，請參考圖2L所示，於該第二邊牆22上設置一高分子材料層23，該高分子材料層23並覆蓋第一開口221與第二開口222。該高分子材料層23上亦設有一透光的離形層24。
請參考圖2M所示，接著進行曝光步驟，以紫外光照射高分子材料層23，使高分子材料層23全面固化鏈結而固著在第二邊牆22上。
在曝光步驟後，請參考圖2N所示，接著移除離形層24。其中，固化鏈結後的高分子材料層係成為一可振盪膜26。該可振盪膜26、該第一電極181與該第二邊牆22之間形成一腔室260。
在移除離形層24後，請參考圖2O所示，係於該可振盪膜26的表面形成一第三電極183與一第四電極184，該第三電極183為於第一電極181上方，該第四電極184位於第二電極182上方，該第三電極183與第四電極184可透過蒸鍍、濺鍍、微影、網版印刷或噴墨手段完成。該第一~第四電極181~184可選自導電氧化物薄膜、氧化銦錫薄膜、氧化鋅薄膜、奈米碳管、銀絲墨等所構成之群組中之一種材料所製得。於第三電極183與第四電極184完成後，即完成本創作感測裝置。為更易於理解本創作之結構，可參考圖6所示之立體剖面圖，該圖同樣是取其中一個換能器單元103及一個麥克風102為例說明，該第三電極183、第四電極184因厚度極薄，故在圖面上並不表現出其厚度。
請參考圖1、圖2O與圖4所示，位在該基板11第一區域111上方的背板151、第二邊牆22、可振盪膜26、第一電極181、第三電極183與腔室260構成一換能器單元103，該腔室260提供空間以供可振盪膜26產生振動，該第一電極181與第三電極183等效於一電容器。該第三電極183可供連接到一控制裝置，該控制裝置提供一驅動信號給第三電極183，以驅動該可振盪膜26高頻振動，從而產生超音波；或者，該可振盪膜26可接收外界的超音波而產生振動，導致第一電極181與第三電極183上的電荷分佈發生變化，使其電容值改變而產生交流信號。是以，利用超音波的發射與接收以及根據電容變化量即可進行如位置、速度等物理量之量測。
請參考圖1、圖2O與圖5所示，該第一邊牆121與位在該基板11第二區域112上方的背板151、第二邊牆22、可振盪膜26、第二電極182、第四電極184、第二開口222、聲孔152與洩壓孔122構成一麥克風102。該可振盪膜26可接收外界的聲波而產生振動，導致第二電極182與第四電極184上的電荷分佈發生變化，使其電容值改變而產生交流信號。是以，根據電容變化量即可進行聲音之量測。
根據實驗結果顯示，該可振盪膜26在不同的厚度下，該換能器單元103與麥克風102可具有不同的共振頻率。請參考圖7所示，為超音波換能器正六邊形振盪薄膜之自然頻率分析圖，其中，六條曲線a1~a6係分別代表膜厚為0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm時所測得之特性曲線，而橫軸座標(X軸)係表示單一個換能器單元103其六邊形薄膜的直徑，縱軸座標(Y軸)則為共振頻率。
請參考圖8所示，為麥克風102圓形振盪薄膜之自然頻率分析圖，其中，六條曲線b1~b6係分別代表膜厚為0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm時所測得之特性曲線，而橫軸座標(X軸)係表示單一個麥克風102其圓形薄膜的直徑，縱軸座標(Y軸)則為共振頻率。
是以，該換能器單元103之共振頻率較高，該麥克風102之共振頻率較低，本創作可供應用在高、低頻率以提供廣泛的用途。
綜上所述，本創作之超音波換能器101及麥克風102共用基板11、第一邊牆121、背板151、第二邊牆22與可振盪膜26，有助於本創作感測裝置體積縮小化，並有效簡化製程與組裝步驟。本創作基板11、第一邊牆121、背板151、第二邊牆22與可振盪膜26採用高分子材料，還具有可撓、輕量、及低成本的優點。
11‧‧‧基板
111‧‧‧第一區域
112‧‧‧第二區域
121‧‧‧第一邊牆
122‧‧‧洩壓孔
151‧‧‧背板
152‧‧‧聲孔
181‧‧‧第一電極
182‧‧‧第二電極
183‧‧‧第三電極
184‧‧‧第四電極
22‧‧‧第二邊牆
222‧‧‧第二開口
26‧‧‧可振盪膜
260‧‧‧腔室

Claims (7)

  1. 一種具有超音波換能器與麥克風的整合式感測裝置，包含有：一基板，定義有一第一區域與一第二區域；一第一邊牆，設於該基板的第一區域上；一背板，設於該第一邊牆上並延伸到該第二區域的上方，且該背板與該基板的第二區域之間形成一洩壓孔，該背板對應於該基板的第一區域處具有一電極成形區，而對應於該第二區域處形成複數個與該洩壓孔連通的聲孔；一第一電極，設於該背板的電極成形區上；一第二電極，設於該背板上且對應於該基板第二區域處；一第二邊牆，設於該背板上，並具有一第一開口與一第二開口，該第一電極與第二電極分别外露於該第一開口與第二開口，該第二開口與該複數個聲孔連通；一可振盪膜，設於該第二邊牆上並覆蓋該第一開口與第二開口；一第三電極，設於該可振盪膜表面且位於該第一電極上方；以及一第四電極，設於該可振盪膜表面且位於該第二電極上方，其中，位在該基板第一區域上方的背板、第二邊牆、可振盪膜、第一電極與第三電極構成超音波換能器，該第一邊牆與位在該基板第二區域上方的背板、第二邊牆、可振盪膜、第二電極與第四電極構成麥克風。
  2. 如請求項1所述之具有超音波換能器與麥克風的整合式感測裝置，該基板為撓性基板，且選自玻璃、矽膠、樹脂、塑膠、聚酯類、聚醯亞氨、光阻劑、高分子材料所構成之群組中至少一種材料所製成。
  3. 一種具有超音波換能器與麥克風的整合式感測裝置的製法，包含有以下步驟：準備一基板，該基板定義有一第一區域與一第二區域；於該基板的第一區域上形成一第一邊牆；於該第一邊牆上設置一背板，其中該背板係延伸到該基板的第二區域上方，且該背板與該基板的第二區域之間形成一洩壓孔，該背板對應於該基板的第一區域處具有一電極成形區，而對應於該第二區域處具有複數個與該洩壓孔連通的聲孔；於該背板的電極成形區形成一第一電極，於該背板對應該第二區域的表面形成一第二電極；於該背板上形成一第二邊牆，該第二邊牆具有一第一開口與一第二開口，使該第一電極與第二電極分別外露於該第一開口與第二開口中；於該背板上形成一可振盪膜，以覆蓋該第一開口與該第二開口；於該可振盪膜上形成一第三電極與一第四電極，該第三電極位於該第一電極上方，該第四電極位於該第二電極上方，以形成感測裝置；其中，位在該基板第一區域上方的背板、第二邊牆、可振盪膜、第一電極與第三電極構成超音波換能器，該第一邊牆與位在該基板第二區域上方的背板、第二邊牆、可振盪膜、第二電極與第四電極構成麥克風。
  4. 如請求項3所述具有超音波換能器與麥克風的整合式感測裝置的製法，形成該第一邊牆包含有以下步驟：在該基板的第一區域與第二區域表面設置一高分子材料層；進行曝光步驟，利用一光罩對該高分子材料層曝光，該光罩對應於該基板的第一區域處係形成透光部，而對應於第二區域處係係形成遮光部，使位在第一區域上方的高分子材料層受曝光而固化鏈結，形成該第一邊牆；進行顯影步驟，移除未受曝光的高分子材料層。
  5. 如請求項4所述具有超音波換能器與麥克風的整合式感測裝置的製法，形成該背板包含有以下步驟：在該第一邊牆上設置一高分子材料層；進行曝光步驟，利用一光罩對該高分子材料層曝光，該光罩對應於該基板的第二區域上方係形成複數個分佈排列的遮光部，且遮光部的位置對應於聲孔的位置，遮光部以外的區域則為透光部，使該高分子材料層對應於透光部的區域受到曝光而固化鏈結，形成該背板；進行顯影步驟，透過顯影液移除未受曝光的高分子材料層。
  6. 如請求項5所述具有超音波換能器與麥克風的整合式感測裝置的製法，形成該第二邊牆包含有以下步驟：在該背板、第一電極與第二電極上覆蓋一高分子材料層；進行曝光步驟，利用一光罩對該高分子材料層曝光，該光罩對應於該第一電極與第二電極分佈的區域形成遮光部，其餘則為透光部，使該高分子材料層對應於透光部的區域受到曝光而固化鏈結，形成該第二邊牆；進行顯影步驟，以透過顯影液移除未受曝光的高分子材料層，形成該第一開口與第二開口。
  7. 如請求項3所述具有超音波換能器與麥克風的整合式感測裝置的製法，形成該可振盪膜包含有以下步驟：於該第二邊牆上設置一高分子材料層，該高分子材料層覆蓋第一開口與第二開口；進行曝光步驟，使該高分子材料層固化鏈結而全面固著在該第二邊牆上，成為該可振盪膜。
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