DE60312087T2

DE60312087T2 - Flexible MEMS Wandler und Verfahren zu ihrer Herstellung, und flexible MEMS Mikrophone

Info

Publication number: DE60312087T2
Application number: DE60312087T
Authority: DE
Inventors: Yun-woo Pungdukchun-ri Yongin-city Nam; Suk-han Yongin-city Lee
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: US20040061543A1; TW200425768A; EP1403212A3; JP2004120761A; JP4126003B2; TWI235011B; DE60312087D1; EP1403212A2; KR100512960B1; CN1517296A; KR20040026756A; US6967362B2; CN100411968C; EP1403212B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches System (MEMS) und ein Verfahren zum Herstellen dieses Systems. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen flexiblen MEMS-Wandler, der auf einem flexiblen Substrat ausgebildet ist, ein Herstellungsverfahren dafür und ein flexibles drahtloses MEMS-Mikrofon, das den anpassungsfähigen MEMS-Wandler enthält.
Gemäß dem Bedarf an sehr kleinen Vorrichtungen wird Halbleiterverarbeitungstechnik mit Mikro-Materialbearbeitung verwendet, um Mikrogeräte zu integrieren. Das Gebiet der mikroelektromechanischen Systeme (MEMS) ist ein Gebiet des Herstellens und Testens von Miniatursensoren oder Miniaturstellgliedern, die Größen in der Größenordnung von Mikrometern (μm) haben, sowie elektromechanischer Strukturen, die Mikro-Materialbearbeitungstechnik angewandt an Halbleiterverarbeitung, insbesondere in der Technologie der integrierten Schaltkreise verwenden.
Die Mikro-Materialbearbeitungstechnik, die bei MEMS angewandt wird, fällt grob in zwei Kategorien. Die erste Mikro-Materialbearbeitungskategorie ist die Massenmikro-Materialbearbeitung durch Massensilikonätzen. Die zweite Mikro-Materialbearbeitungskategorie ist das Oberflächen-Mikro-Materialbearbeiten durch Ablagern einer Folie aus polykristallinem Silizium, Siliziumnitrid und Siliziumoxid auf Silizium und Ätzen der abgelagerten Folie gemäß einem vorbestimmten Muster, um eine Struktur zu bilden. Das Bilden eines ultrakleinen Mikrofons unter Einsatz eines MEMS-Verfahrens erfolgt zum Beispiel mit einem Membran-Wandler, der durch die Massen-Mikro-Materialbearbeitungstechnik gebildet wird.
1 veranschaulicht eine Querschnittansicht eines herkömmlichen MEMS-Wandlers.
Wie gezeigt, weist der herkömmliche Wandler eine Membranschicht aus Siliziumnitrid, eine SiO₂-Schicht, beschichtet mit einem chemischen Aufdampfprozeß (CVD), einen Piezofilm aus Zinkoxid (ZnO) und eine obere sowie eine untere Elektrode auf einem Silikonwafer (Si) auf. Der CVD-Prozeß zum Bilden eines dünnen Siliziumnitridfilms und einer Siliziumoxidschicht auf einem Silikonwafer ist ein Hochtemperaturverfahren, das eine Verfahrenstemperatur von etwa 780-850 °C erfordert. Es ist daher nicht möglich, ein anderes flexibles Polymermaterial als den Silikonwafer als Werkstoff für das Substrat zu verwenden.
Da sich die Daten- und Kommunikationsindustrie weiterentwickelt, steigt die Nachfrage nach einem handgehaltenen oder tragbaren Datenterminal ähnlich. Diese Steigerung der Nachfrage ist zum Teil auf Anwendungen solcher Datenterminals in verschiedenen Gebieten zurückzuführen, wie zum Beispiel Medizin, Dienstleistungssektor, Unterhaltung, Militär und Datenkommunikation. Um für den Gebrauch in diesen Datenterminals geeignet zu sein, sollten die Bauteile dieser Terminals ausgezeichnete Merkmale hinsichtlich der Mobilität und Tragbarkeit haben. Insbesondere und um ein tragbares System herzustellen, ist eine Struktur mit flexiblem System wesentlich. Eine Technik zum Integrieren einer Funktionsstruktur und anderer elektrischer Teile auf einem flexiblen Substrat ist daher erforderlich.
Als ein flexibles Substrat werden metallische Dünnfilme oder Polymerwerkstoffe verwendet. Polymerwerkstoffe sind für den Gebrauch in einem elektronischen System besser geeignet. Polymerwerkstoffe haben jedoch einen niedrigen Schmelzpunkt in der Größenordnung von 500 °C oder weniger. Wenn daher Polymerwerkstoffe einem Verfahren zum Bilden eines Dünnfilms bei einer hohen Temperatur unterworfen werden, verschlechtern sich Polymerwerkstoffe. Polymerwerkstoffe sind daher nicht für den Gebrauch als ein Werkstoff für das Substrat, wie zum Beispiel einen Wafer, bei einem Verfahren zum Herstellen von MEMS geeignet, das eine Prozeßtemperatur fordert, die größer ist als die Schmelzpunkte der Polymerwerkstoffe. In der Praxis werden Silizium-MEMS und Halbleiter, die weitgehend verwendet werden und ausgezeichnete Leistungs- und Integrationsgradmerkmale haben, im Allgemeinen durch Verfahren hergestellt, die einen Hochtemperaturprozeß mit mindestens 500 °C aufweisen. Das Substrat aus einem hochmolekularen (Polymer) Material, das für eine flexible Systemstruktur erforderlich ist, kann daher nicht verwendet werden.
Spezifisch wird eine herkömmliche MEMS-Struktur durch Ablagern eines Dünnfilms durch chemisches Aufdampfen (CVD) gefolgt von einem Ätzprozeß ausgebildet. Da jedoch zum Bilden eines hochnützlichen Dünnfilms durch CVD eine sehr hohe Temperatur erforderlich ist, kann ein Substrat mit niedrigem Schmelzpunkt, wie zum Beispiel Polymerglas oder dergleichen nicht verwendet werden.
Um solche Probleme zu überwinden, erzeugt ein herkömmliches Verfahren, wie in 2 gezeigt, eine flexible Vorrichtung durch Bilden einer Sensorvorrichtung 30 auf einem Siliziumsubstrat 10 unter Einsatz eines Silizium-MEMS-Prozesses, durch Schneiden zwischen Siliziuminseln von einer Rückseite des Siliziumsubstrats 10 her und Ablagern eines Polymers 11. Dieses Verfahren hat jedoch Nachteile, weil der herkömmliche MEMS-Prozeß, der einen Hochtemperaturprozeß enthält, verwendet wird, und ein Polymerprozeß zusätzlich in einem abschließenden Schritt ausgeführt wird, wodurch die Komplexheit und die Kosten des gesamten Herstellungsprozesses gesteigert werden.
US 5 633 552 offenbart Konsol-Druckwandler. Bei einer Version wird ein Siliziumsubstrat geätzt, um eine dünne Konsolstruktur in einer Öffnung des Substrats bereitzustellen. Der Wandler wird direkt auf der Konsolstruktur ausgebildet. Bei einer anderen Version wird eine Mikro-Materialbearbeitungsform verwendet, um ein Polymersubstrat bereitzustellen, das eine Konsolstruktur, die in einer Öffnung ausgebildet ist, hat. Auch hier ist der Wandler wieder direkt auf der Konsolstruktur ausgebildet.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen flexiblen MEMS-Wandler bereit, der die Merkmale gemäß Anspruch 1 hat.
Vorzugsweise kann der Wandler ferner eine untere Schutzschicht enthalten, die durch Aufbringen von entweder Siliziumnitrid oder Siliziumoxid auf das Substrat mit einer Stärke von weniger als etwa 10 μm ausgebildet wird.
Vorzugsweise wird die Membranschicht durch Ablagern von Siliziumnitrid mit einer Stärke von weniger als etwa 5 μm durch PECVD ausgebildet.
Vorzugsweise werden eine untere Elektrodenschicht und eine obere Elektrodenschicht aus einem Werkstoff ausgebildet, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Metallen besteht, wie zum Beispiel Aluminium, und elektrisch leitenden Polymeren mit einer Stärke von zwischen etwa 0,01 μm bis 5 μm.
Vorzugsweise wird die aktive Schicht durch Ablagern eines Piezopolymers gebildet, der ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus PVDF, PVDF-TrEF, TrEF, Polyharnstoff, Polyimid und Nylon mit einer Stärke von zwischen etwa 1 μm bis 10 μm und einer Länge von zwischen etwa 50 μm bis 1000 μm, um eine Resonanzfrequenz von etwa 1 Hz bis 100 kHz zu haben.
Vorzugsweise kann der Wandler ferner eine obere Schutzschicht aufweisen, die durch Ablagern entweder von Siliziumnitrid oder Siliziumoxid mit einer Stärke von zwischen etwa 1 μm bis 10 μm gebildet wird, um die obere und die untere Elektrodenschicht und die aktive Schicht zu schützen.
Vorzugsweise werden die erste und die zweite Kontaktfläche aus einem Werkstoff ausgebildet, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Metallen oder elektrisch leitenden Polymeren besteht.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Wandlers bereit, das die Schritte gemäß Anspruch 20 hat.
Vorzugsweise wird zum Bilden der Opferschicht Polyimid mit einer Stärke von weniger als etwa 0 bis 10 μm auf das Substrat aufgebracht und entweder durch Nassätzen oder Trockenätzen gemäß einer gewünschten Konfiguration der Membranschicht strukturiert.
Vorzugsweise wird zum Bilden der Membranschicht Siliziumnitrid auf der Opferschicht durch PECVD aufgebracht und durch Trockenätzen strukturiert.
Vorzugsweise wird zum Bilden der aktiven Schicht ein Piezopolymer, wie zum Beispiel PVDF, PVDF-TrEF, TrEF, Polyharnstoff, Polyimid, Nylon und dergleichen mit einer Stärke von weniger als etwa 10 μm auf der unteren Elektrodenschicht durch Spincoating oder Verdampfen aufgebracht und entweder durch Nassätzen oder durch Trockenätzen strukturiert.
Vorzugsweise kann das Verfahren ferner einen Schritt zum Bilden einer oberen Schutzschicht aufweisen, um die obere und die untere Elektrodenschicht und die aktive Schicht abzudecken, wobei die obere Schutzschicht durch Ablagern entweder von Siliziumnitrid oder Siliziumoxid mit einer Stärke von weniger als etwa 10 μm durch PECVD und Strukturieren der abgelagerten Schicht entweder durch Nassätzen oder Trockenätzen ausgebildet wird.
Vorzugsweise wird die erste Kontaktfläche durch Strukturieren der oberen Schutzschicht an einem Abschnitt, der mit der unteren Elektrodenschicht zu verbinden ist, entweder durch Nassätzen oder durch Trockenätzen, Ablagern einer Metallschicht oder einer elektrisch leitenden Polymerschicht darauf und Strukturieren der abgelagerten Schicht entweder durch Nassätzen oder durch Trockenätzen ausgebildet. Vorzugsweise wird die zweite Kontaktfläche durch Strukturieren der oberen Schutzschicht an einem Abschnitt, der mit der oberen Elektrodenschicht zu verbinden ist, entweder durch Nassätzen oder durch Trockenätzen, Ablagern einer Metallschicht oder einer elektrisch leitenden Polymerschicht darauf und Strukturieren der abgelagerten Schicht entweder durch Nassätzen oder durch Trockenätzen ausgebildet.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein flexibles drahtloses MEMS-Mikrofon bereit, das die flexible MEMS-Wandlerstruktur, die oben beschrieben wurde, aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Mikrofon bereit, das die Merkmale der Weichheit, Flexibilität und Faltbarkeit hat, indem eine MEMS-Wandlerstruktur auf einem flexiblen Polymersubstrat unter Einsatz von plasmaverstärktem chemischem Aufdampfen (PECVD) ausgebildet wird.
Die oben stehenden sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich klarer durch das detaillierte Beschreiben bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, in welchen:
1 eine Querschnittansicht eines herkömmlichen MEMS-Wandlers veranschaulicht,
2 eine Querschnittansicht eines herkömmlichen flexiblen MEMS-Sensors darstellt,
3 eine Querschnittansicht eines Wandlers des Membrantyps gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
4 eine Querschnittansicht eines Konsoltyp-Wandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
5A bis 5B Querschnittansichten von Etappen in einem Prozeß zum Herstellen des in 4 gezeigten Konsoltyp-Wandlers veranschaulichen,
6A bis 6J Querschnittansichten von Etappen in einen Prozeß zum Herstellen eines Konsoltyp-Wandlers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen,
7 eine schematische Ansicht eines flexiblen drahtlosen MEMS-Mikrofons des Hauttyps veranschaulicht, das den in 4 gezeigten Konsoltyp-Wandler aufweist, und
8 eine schematische Ansicht einer drahtlosen dreidimensionalen Mikrofonmontage veranschaulicht, die den in 4 gezeigten Konsoltyp-Wandler enthalten.
Die vorliegende Erfindung wird unten ausführlicher unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Die Erfindung kann jedoch in unterschiedlichen Formen ausgeführt werden und sollte nicht als durch die hier dargelegten Ausführungsformen eingeschränkt betrachtet werden. Diese Ausführungsformen werden vielmehr bereitgestellt, so dass diese Offenbahrung gründlich und vollständig ist und dem Fachmann den Geltungsbereich der Erfindung voll vermittelt. In den Zeichnungen sind die Stärken der Schichten und Regionen zur Klarheit übertrieben dargestellt. Ferner ist klar, dass, wenn eine Schicht als „auf" einer anderen Schicht oder auf einem anderen Substrat liegend genannt wird, sie direkt auf der anderen Schicht oder dem anderen Substrat sein kann, oder Zwischenschichten ebenfalls gegenwärtig sein können. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich im ganzen Text auf gleiche Elemente.
3 veranschaulicht eine Querschnittansicht eines Wandlers des Membrantyps gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 veranschaulicht eine Querschnittansicht eines Konsoltyp-Wandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in den 3 und 4 gezeigt, weist ein Wandler gemäß liegenden Erfindung. Wie in den 3 und 4 gezeigt, weist ein Wandler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein flexibles Substrat 100 auf, auf dem eine untere Schutzschicht 110 durch Ablagern entweder von Siliziumnitrid oder Siliziumoxid durch plasmaverstärktes chemisches Aufdampfen (PECVD) oder durch Sputtern ausgebildet wurde, und eine Wandlerstruktur, die eine Membranschicht 220 aufweist, die durch PECVD, das bei einer niedrigen Temperatur ausgeführt wird, ausgebildet wurde, eine untere Elektrodenschicht 230, eine aktive Schicht 240, die vorzugsweise eine Piezopolymerschicht ist, eine obere Elektrodenschicht 250 und Kontaktflächen 271 und 272. In dem Fall eines Wandlers des Membrantyps oder Konsoltyps wird eine Opferschicht auf dem Substrat 100 ausgebildet, wobei die Membranschicht 220 darauf ausgebildet wird, und dann wird die Opferschicht durch ein Ätzmittel entfernt, um einen erhöhten Teil der Membranschicht 220 zu bilden. Spezifischer erfolgt das Entfernen der Opferschicht unter der Membranschicht in dem Fall des Konsoltyp-Wandlers durch Entfernen der Opferschicht durch eine offene Seite, und in dem Fall eines Membrantyp-Wandlers erfolgt das Entfernen durch Bilden vorbestimmter durchgehender Löcher auf der Membranschicht 220 durch Ätzen und Einspritzen eines Ätzmittels durch die durchgehenden Löcher.
Die 5A bis 5E veranschaulichen sequenziell Etappen bei einer Ausführungsform eines Prozesses zum Herstellen des flexiblen Konsoltyp-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der beispielhafte Wandler, der in den Figuren gezeigt ist, ist ein Konsoltyp-Wandler, und ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen eines Konsoltyp-Wandlers wird unten unter Bezugnahme auf die 5A bis 5E erklärt.
Wie in 5A gezeigt, beginnt der Herstellungsprozeß des flexiblen Wandlers mit dem Beschichten einer unteren Schutzschicht 110 auf ein flexibles Substrat 100. Als Werkstoff für das flexible Substrat 100 wird ein flexibler Werkstoff verwendet. Dieser flexible Werkstoff kann ein hochmolekulares (Polymer) Material enthalten, wie zum Beispiel Polyimid oder einen metallischen Dünnfilm. Ein hochmolekulares Material wird für den Gebrauch in einem elektronischen System, wie zum Beispiel einem Mikrofon bevorzugt. Die untere Schutzschicht 110 wird durch Aufbringen von Siliziumnitrid oder Siliziumoxid durch PECVD oder Sputtern ausgebildet. Vorzugsweise hat die untere Schutzschicht eine Stärke von weniger oder etwa 10 μm. Durch Gebrauch des PECVD- oder Sputterprozesses ist es möglich, den Prozeß bei einer niedrigen Prozeßtemperatur von etwa 400 °C oder weniger auszuführen. Die untere Schutzschicht 110 wirkt, um das Substrat 100 zu schützen und das Haften von Schichten, die nacheinander aufgebracht werden, zu erleichtern.
Wie in 5B gezeigt, wird auf das flexible Substrat 100, auf welches die untere Schutzschicht 110 aufgebracht wurde, eine Opferschicht 210 aufgebracht, die verwendet wird, um eine Membranschicht zu bilden, die einen erhöhten Teil einer vorbestimmten Länge hat. Die Opferschicht 210 wird durch Aufbringen eines Polyimids mit einer Stärke von weniger als etwa 10 μm und dann Strukturieren des Polyimids gemäß einer gewünschten Konfiguration der Membranschicht gebildet. Eine Membranschicht 220 wird dann auf die strukturierte Opferschicht 210 aufgebracht. Die Membranschicht 220 wird durch Beschichten von Siliziumnitrid durch PECVD bei einem Niedrigtemperaturprozeß ausgebildet. Vorzugsweise hat die Membranschicht 220 eine Stärke von weniger als etwa 5 μm. Danach wird eine untere Elektrode 230 auf der Membranschicht 220 aufgebracht. Die untere Elektrodenschicht 230 wird durch Aufbringen eines Metalls, wie zum Beispiel Aluminium, oder eines elektrisch leitenden Polymers und dann Strukturieren der aufgebrachten Schicht entweder durch Nassätzen oder Trockenätzen ausgebildet. Eine aktive Schicht 240 wird dann auf die untere Elektrodenschicht 230 und die Membranschicht 220 aufgebracht. Die aktive Schicht 240 wird durch Aufbringen eines Piezopolymers, wie zum Beispiel PVDF, PVDF-TrEF, TrEF, Polyharnstoff, Polyimid, Nylon oder dergleichen durch Spincoating oder Verdampfen ausgebildet. Vorzugsweise hat die aktive Schicht 240 eine Stärke von etwa 1 μm bis 10 μm und eine Länge von etwa 50 μm bis 1000 μm. Vorzugsweise hat die aktive Schicht 240 eine Resonanzfrequenz von etwa 1 Hz bis 100 kHz.
Wie in 5C gezeigt, wird dann eine obere Elektrode 250 auf die aktive Piezopolymerschicht 240 aufgebracht. Die obere Elektrodenschicht 250 wird durch Aufbringen eines Metalls, wie zum Beispiel Aluminium, oder eines elektrisch leitenden Polymers und durch Strukturieren der aufgebrachten Schicht entweder durch Nassätzen oder Trockenätzen ausgebildet. Vorzugsweise haben die untere Elektrodenschicht 230 und die obere Elektrodenschicht 250 eine Stärke von etwa 0,01 μm bis 5 μm. In diesem Zeitpunkt wird die Piezopolymerschicht ebenfalls entweder durch Nassätzen oder durch Trockenätzen zum Bilden der aktiven Schicht 240 strukturiert.
Dann wird, wie in 5D gezeigt, eine obere Schutzschicht 260 durch Aufbringen von Siliziumnitrid oder Siliziumoxid mit einer Stärke zwischen etwa 1 μm bis 10 μm durch PECVD gebildet, um die obere und die untere Elektrodenschicht 230 und 250 sowie die aktive Schicht 240 abzudecken, so dass die aktive Piezopolymerschicht 240 während des Entfernens der Opferschicht 210 durch Ätzen geschützt wird. Nach dem Bilden der oberen Schutzschicht 260 werden Kontaktflächen 271, 272 ausgebildet, um elektrisch mit der oberen Elektrodenschicht 250 und der unteren Elektrodenschicht 230 verbunden zu werden. Die Kontaktflächen 271 und 272 werden durch Strukturieren der oberen Schutzschicht 260 in Abschnitten, die mit der oberen und der unteren Elektrodenschicht 250 und 230 zu verbinden sind und durch Aufbringen eines Metalls, wie zum Beispiel Aluminium oder eines elektrisch leitenden Polymers darauf und dann Strukturieren ausgebildet.
Schließlich und wie in 5E gezeigt, wird die Opferschicht 210 durch Trockenätzen und Bilden des flexiblen Konsoltyp-MEMS-Wandlers abgeschlossen.
Die 6A bis 6J veranschaulichen Schnittansichten von Etappen in einem Prozeß zum Herstellen eines Konsoltyp-Wandlers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 6A gezeigt, wird eine untere Schutzschicht 110 durch Ablagern eines Siliziumnitrids oder Siliziumoxids auf einem flexiblen Substrat 100 durch plasmaverstärktes chemisches Aufdampfen (PECVD) oder durch Sputtern ausgebildet. Dann wird, wie in 6B gezeigt, eine Opferschicht 210 durch Aufbringen eines Polyimids mit einer Stärke von weniger als etwa 10 μm und dann Strukturieren des Polyimids ausgebildet.
Nach dem Ausbilden der Opferschicht 210 werden, wie in 6C gezeigt, eine Membranschicht 220, eine untere Elektrodenschicht 230, eine aktive Schicht 240 und eine obere Elektrodenschicht 250 nacheinander auf die Opferschicht 210 durch PECVD aufgebracht. Danach und wie in 6D gezeigt, werden die obere Elektrodenschicht und die aktive Schicht 240 strukturiert und, wie 6E gezeigt, wird die untere Elektrodenschicht 230 strukturiert.
Dann wird, wie in 6F gezeigt, eine obere Schutzschicht 260 aufgebracht, um die obere Elektrodenschicht 250, die untere Elektrodenschicht 230 und die aktive Schicht 240 abzudecken. Nach dem Ablagern der oberen Schutzschicht 260, wie in 6G gezeigt, wird die obere Schutzschicht 260 für einen elektrischen Anschluß der unteren Elektrodenschicht 230 und auch der oberen Elektrodenschicht 250 strukturiert. Eine Metallschicht oder eine elektrisch leitende Schicht wird auf der strukturierten oberen Schutzschicht 260 abgelagert und strukturiert, um eine erste Kontaktfläche 272 zum Anschließen an die untere Elektrodenschicht 230 und eine zweite Kontaktfläche 271 zum Anschließen an den Anschlußteil der oberen Elektrodenschicht 250 auszubilden. Dann wird, wie in 6I gezeigt, die Membranschicht 220 strukturiert, um die Opferschicht 210 freizulegen, und ein Ätzmittel wird eingespritzt, um die Opferschicht 210 zu entfernen. Dadurch wird ein flexibler MEMS-Wandler vervollständigt.
Wie beim Verfahren zum Herstellen flexibler MEMS-Wandler, wie in den 5A bis 5E gezeigt, können die Schichten der flexiblen MEMS-Wandlerstruktur jeweils aufgebracht und strukturiert werden, oder, wie in den 6A bis 6J gezeigt, können die Schichten zuerst abgelagert und dann strukturiert werden.
Gemäß dem oben beschrieben Herstellungsverfahren ist es möglich, eine Wandlerstruktur 200 auf einem flexiblen Substrat 100, wie zum Beispiel einem Polymer zu bilden, indem ein Niedertemperaturverfahren, wie zum Beispiel PECVD verwendet wird. Daher wird bei der Wandlerstruktur 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Ablagern dünner Schichten durch PECVD oder Sputtern an Stelle von CVD, das einen Hochtemperaturprozeß mit etwa 780 °C bis 850 °C erfordert, ausgeführt. Der Grund für diesen Unterschied in den geforderten Temperaturniveaus hängt mit der Energiequelle zusammen, die in den jeweiligen Prozessen verwendet wird. Spezifisch verwendet das PECVD-Verfahren Plasma als eine Energiequelle, die zur Reaktion erforderlich ist, während das herkömmliche CVD-Verfahren Hitzeenergie verwendet. Die Hitzeenergie kann daher verringert werden, und dünne Schichten können bei einer niedrigen Temperatur durch PECVD ausgebildet werden. Insbesondere ist es möglich, dünne Schichten, die die Wandlerstruktur 200 bilden, bei einer niedrigen Temperatur abzulagern und daher den Gebrauch eines flexiblen Polymersubstrats 100 zu erlauben. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher ein flexibles Mikrofon aus weichem Werkstoff hergestellt werden.
Das Anwenden der vorliegenden Erfindung stellt ferner ein frei flexibles Mikrofon bereit, das einen flexiblen MEMS-Wandler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. 7 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines flexiblen drahtlosen MEMS-Mikrofons des Haupttyps, das einen Konsoltyp-Wandler, der in 4 gezeigt ist, enthält. Wie in 7 gezeigt, wird das flexible Mikrofon, das den flexiblen MEMS-Wandler verwendet, durch Bilden einer MEMS-Wandlerstruktur 200 durch PECVD auf einem flexiblen Substrat wie oben beschrieben, durch Drucken einer Folienantenne 300 auf eine Seite des Substrats 100 zum Kommunizieren mit einer externen Quelle und Einbetten eines Drahts und Schnittstellenschaltkreises 400, um die Folienantenne 300 und den flexiblen MEMS-Wandler 200 elektrisch zu verbinden vorbereitet. Das entstehende Substrat 100 wird mit einer Batterieschicht 500, die elektrisch mit dem flexiblen Substrat 100 zum Bereitstellen von Leistung an den MEMS-Wandler 200 verbunden ist, und einer flexiblen Bluetooth-Modulschicht 600 gemeinsam geschichtet. Vorzugsweise ist die Batterieschicht 5 eine Polymerbatterie, wie zum Beispiel eine flexible Polymersolarzelle, und hat eine Stärke ähnlich dünn wie Papier.
Daher kann das flexible MEMS-Mikrophon, das durch Schichten des Substrats, das den Wandler 200 auf eine vorbestimmte Stärke mit der Batterieschicht 500 und der flexiblen Bluetooth-Modulschicht 600 hat, als ein flexibles MEMS-Mikrophon des Hauttyps verwendet werden. Ein solches flexibles MEMS-Mikrofon des Hauttyps ist frei in alle Richtungen flexibel und kann in einer tragbaren Vorrichtung verwendet werden.
Zusätzlich kann das erfindungsgemäße drahtlose Mikrofon in eine dreidimensionale Form montiert werden, da das flexible Substrat 100 mit einem vorbestimmten Winkel gefaltet werden kann. Vorzugsweise liegt der vorbestimmte Winkel in einem Bereich von weniger als etwa 180°. 8 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Beispiels eines montierten flexiblen drahtlosen Mikrofons. Wie in 8 gezeigt, wird eine flexible MEMS-Wandler-Struktur 200 auf einem flexiblen Substrat 100 ausgebildet. Eine Antenne 300 wird auf das flexible Substrat 100 gedruckt, und ein Draht- und Schnittstellenschaltkreis 400 wird in das flexible Substrat 100 eingebettet. Das flexible Substrat 100 wird dann gemäß einer ausgebreiteten Figur einer gewünschten dreidimensionalen Form einer Mikrofonmontage ausgeschnitten, gewünschten dreidimensionalen Form einer Mikrofonmontage ausgeschnitten, mit einem vorbestimmten Winkel gefaltet und in der gewünschten dreidimensionalen Form zusammengesetzt, um ein dreidimensionales Mikrofon zu bilden.
Da das Substrat 100, auf dem der flexible MEMS-Wandler ausgebildet wird, papierähnliche Merkmale hat, kann es gemäß einer gewünschten dreidimensionalen Struktur des Mikrofons, das in die dreidimensionale Struktur zum Installieren montiert und zusammengesetzt werden soll, geschnitten und gefaltet werden.
Das Hauttyp-Mikrofon mit der Batterieschicht 500 und einer Bluetooth-Modulschicht 600, die auf das Substrat 100 wie in 7 geschichtet ist, kann geschnitten und gefaltet und in eine dreidimensionale Struktur zusammengesetzt werden, um ein dreidimensionales drahtloses MEMS-Mikrofon zu bilden. Alternativ und wie in 8 gezeigt, können die flexible Batterieschicht 500 und die flexible Bluetooth-Modulschicht 600 in einer dreidimensionalen Struktur zusammengesetzt werden. Getrennt werden das Substrat mit der Wandlerstruktur 200, Antenne 300 und Draht- und der Schnittstellenschaltkreis 400 darauf gemäß einer aufgebreiteten Form mit einer gewünschten dreidimensionalen Form ausgeschnitten, mit einem vorbestimmten Winkel gefaltet und mit der dreidimensionalen Struktur der flexiblen Batterieschicht 500 und Bluetooth-Modulschicht 600 zusammengesetzt, um ein dreidimensionales MEMS-Mikrofon zu bilden. Das drahtlose flexible MEMS-Mikrofon kann mit einem vorbestimmten Winkel, vorzugsweise in dem Bereich von weniger als etwa 180° gefaltet werden.
Insbesondere ist eine Mikrofonstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufgrund des Einsatzes eines flexiblen Polymersubstrats flexibel und faltbar. Es ist daher möglich, das Mikrofon in eine gewünschte dreidimensionale Struktur zu montieren, indem das geschichtete Substrat mit anderen Elementen gemäß der gewünschten dreidimensionalen Struktur geschnitten und gefaltet und in ein dreidimensionales Mikrofon zusammengesetzt wird.
Wie oben beschrieben, kann erfindungsgemäß und weil eine Wandlerstruktur mit einem Niedertemperaturverfahren vorbereitet werden kann, ein flexibles Polymersubstrat verwendet werden. Es ist daher möglich, ein flexibles Mikrofonsystem, das her vorragende Merkmale hinsichtlich des Integrationsgrads, der Mobilität, Weichheit, Flexibilität, Faltbarkeit und Tragbarkeit hat, durch einen einfachen Prozeß bei einer niedrigen Temperatur und mit geringen Kosten zu erzeugen. Es ist ferner möglich, ein Hauttyp-Mikrofon mit einer gewünschten Stärke zu montieren, das an dem Körper befestigt werden kann, und ein dreidimensionales Mikrofon aufgrund der Flexibilität und Faltbarkeit. Verschiedene Formen von Montagestrukturen können daher frei konzipiert werden. Ferner ist das so erzielte Mikrofon leicht zu tragen und die Form kann nach Bedarf geändert werden.
Ferner und weil das flexible Mikrofon gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung frei in verschiedenen Formen für Anwendungen geeignet vorbereitet werden kann, kann es als ein Hauttyp-Mikrofon verwendet und auch bei einem flexiblen MEMS-Wandler angewandt werden, der in einer gewünschten Form montiert wird, und bei einem Verfahren zum Herstellen eines solchen flexiblen MEMS-Wandlers.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden hier offenbart, und obwohl spezifische Begriffe verwendet werden, werden sie allein generisch und beschreibend verwendet und dürfen nicht als einschränkend ausgelegt werden. Es ist daher für den Durchschnittsfachmann klar, dass verschiedene Änderungen der Form und Details durchgeführt werden können, ohne den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung, wie er in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist, zu verlassen.

Claims

Flexibler MEMS-Wandler umfassend: ein Substrat (100), das aus einem flexiblen Polymer- oder Metalldünnfilmmaterial hergestellt ist, eine Membranschicht (220), die auf dem Substrat (100) bereitgestellt ist, wobei die Membranschicht (220) einen erhöhten Teil einer vorbestimmten Länge hat, der von dem Substrat (100) getrennt ist, eine untere Elektrodenschicht (230), die aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet ist, das auf der Membranschicht (220) bereitgestellt wird, eine aktive Schicht (240), die aus einem Piezopolymer ausgebildet ist, der auf der unteren Elektrodenschicht (230) bereitgestellt ist, eine obere Elektrodenschicht (250), die aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet ist, das auf der aktiven Schicht (240) bereitgestellt ist, eine erste Kontaktfläche (272), die elektrisch mit der unteren Elektrodenschicht (230) verbunden ist, und eine zweite Kontaktfläche (271), die elektrisch mit der oberen Elektrodenschicht (250) verbunden ist.
Flexibler MEMS-Wandler nach Anspruch 1, der ferner eine untere Schutzschicht (110) aufweist, die auf das Substrat aufgebracht ist.
Flexibler MEMS-Wandler nach Anspruch 2, wobei die untere Schutzschicht (110) entweder aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxid ausgebildet ist.
Flexibler MEMS-Wandler nach Anspruch 2 oder 3, wobei die untere Schutzschicht (110) eine Stärke von weniger als 10 μm hat.
Flexibler MEMS-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (100) aus Polyimid ausgebildet ist.
Flexibler MEMS-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membranschicht (220) aus Siliziumnitrid ausgebildet ist.
Flexibler MEMS-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membranschicht (220) eine Stärke von weniger als 5 μm hat.
Flexibler MEMS-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die untere Elektrodenschicht (230) und die obere Elektrodenschicht (250) aus einem Material ausgebildet sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Metallen und elektrisch leitenden Polymeren besteht.
Flexibler MEMS-Wandler nach Anspruch 8, wobei das Material der unteren Elektrodenschicht (230) und der oberen Elektrodenschicht (250) Aluminium ist.
Flexibler MEMS-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die untere Elektrodenschicht (230) eine Stärke zwischen 0,01 μm bis 5 μm hat.
Flexibler MEMS-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oberen Elektrodenschicht (250) eine Stärke zwischen 0,01 μm und 5 μm hat.
Flexibler MEMS-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Piezopolymer aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus PVDF, PVDF-TrEF, TrEF, Polyharnstoff, Polyimid oder Nylon besteht.
Flexibler MEMS-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktive Schicht (240) eine Stärke zwischen 1 μm bis 10 μm hat.
Flexibler MEMS-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktive Schicht (240) eine Resonanzfrequenz von 1 Hz bis 100 kHz hat.
Flexibler MEMS-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktive Schicht (240) eine Länge von zwischen 50 μm und 1000 μm hat.
Flexibler MEMS-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine obere Schutzschicht (260) aufweist, um die obere und die untere Elektrodenschicht (230, 250) und die aktive Schicht (240) abzudecken.
Flexibler MEMS-Wandler nach Anspruch 16, wobei die obere Schutzschicht (260) entweder aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxid ausgebildet ist.
Flexibler MEMS-Wandler nach Anspruch 16 oder 17, wobei die obere Schutzschicht (260) eine Stärke zwischen 1 μm und 10 μm hat.
Flexibler MEMS-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Kontaktfläche (272) und die zweite Kontaktfläche (271) aus einem Material ausgebildet sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Metallen und elektrisch leitenden Polymeren besteht.
Verfahren zum Herstellen eines flexiblen MEMS-Wandlers, das Folgendes aufweist: Formen einer Opferschicht (210) auf einem flexiblen Substrat (100), wobei das flexible Substrat (100) aus einem flexiblen Polymer- oder Metalldünnfilmmaterial besteht, Ablagern einer Membranschicht (220) auf der Opferschicht (210) durch plasmaverstärktes chemisches Aufdampfen, unten PECVD genannt, Ablagern einer unteren Elektrodenschicht (230) auf der Membranschicht (220), Ablagern einer aktiven Schicht (240) auf der unteren Elektrodenschicht (230), Ablagern einer oberen Elektrodenschicht (250) auf der aktiven Schicht (240), Formen einer ersten Kontaktfläche (272), die mit der unteren Elektrodenschicht (230) zu verbinden ist, und einer zweiten Kontaktfläche (271), die mit der oberen Elektrodenschicht (240) zu verbinden ist, und Entfernen der Opferschicht (210).
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner Folgendes aufweist: Bilden einer unteren Schutzschicht (110) durch Ablagern von entweder Siliziumnitrid oder Siliziumoxid durch PECVD vor dem Ablagern der Opferschicht (210).
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, wobei das Bilden der Opferschicht durch Aufbringen einer Polyimidschicht auf das Substrat und Strukturieren der aufgebrachten Polyimidschicht entweder durch Nassätzen oder durch Trockenätzen gemäß einer gewünschten Konfiguration der Membranschicht ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Opferschicht (210) mit einer Stärke von weniger als 10 μm ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei das Bilden der Membranschicht (220) folgendes aufweist: Ablagern einer Siliziumnitridschicht auf der Opferschicht (210) durch PECVD und Strukturieren der aufgebrachten Siliziumnitridschicht durch Trockenätzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei das Bilden der aktiven Schicht (240) Folgendes aufweist: Ablagern einer Piezopolymerschicht auf der unteren Elektrodenschicht (230) entweder durch Spincoating oder durch Verdampfen, und Strukturieren der aufgebrachten Piezopolymerschicht entweder durch Nassätzen oder Trockenätzen.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Piezopolymer aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus PVDF, PVDF-TrEF, TrEF, Polyharnstoff, Polyimid und Nylon besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei die aktive Schicht (240) mit einer Stärke von weniger als 10 μm gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, das ferner Folgendes aufweist: Bilden einer oberen Schutzschicht (260), um die obere und die untere Elektrodenschicht (230, 250) sowie die aktive Schicht (240) abzudecken, wobei die obere Schutzschicht (260) durch Ablagern von entweder Siliziumnitrid oder Siliziumoxid durch PECVD und danach durch Strukturieren der abgelagerten Schicht entweder durch Nassätzen oder durch Trockenätzen gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die obere Schutzschicht (260) mit einer Stärke von weniger als 10 μm gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 29, wobei das Bilden der ersten Kontaktfläche (272) folgendes aufweist: Strukturieren der oberen Schutzschicht (260) an einem Abschnitt, der mit der unteren Elektrodenschicht (230) zu verbinden ist, entweder durch Nassätzen oder durch Trockenätzen, Ablagern einer Metallschicht oder einer elektrisch leitenden Polymerschicht darauf, und Strukturieren der abgelagerten Schicht entweder durch Nassätzen oder durch Trockenätzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 30, wobei das Bilden der zweiten Kontaktfläche (271) folgendes aufweist: Strukturieren der oberen Schutzschicht (260) an einem Abschnitt, der mit der oberen Elektrodenschicht (250) zu verbinden ist, entweder durch Nassätzen oder durch Trockenätzen, Ablagern einer Metallschicht oder einer elektrisch leitenden Polymerschicht darauf, und Strukturieren der abgelagerten Schicht entweder durch Nassätzen oder durch Trockenätzen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Opferschicht (210), die untere Elektrodenschicht (230), die aktive Schicht (240) und die obere Elektrodenschicht (250) jeweils strukturiert sind.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Opferschicht (210), die untere Elektrodenschicht (230), die aktive Schicht (240) und die obere Elektrodenschicht (250) aufeinander abgelagert und dann strukturiert werden.
Drahtloses flexibles MEMS-Mikrofon, das Folgendes umfaßt: den flexiblen MEMS-Wandler (200), einschließlich des Substrats (100), gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, eine Antenne (300), die auf das Substrat (100) gedruckt ist, um mit einer externen Quelle zu kommunizieren, ein Draht- und Schnittstellenschaltkreis (400), der in das Substrat (100) eingebettet ist, um den flexiblen MEMS-Wandler (200) und die Antenne (300) elektrisch zu verbinden, eine flexible Batterieschicht (500), die elektrisch mit dem Substrat (100) verbunden ist, und eine Bluetooth-Modulschicht (600).
Drahtloses flexibles MEMS-Mikrofon nach Anspruch 34, wobei die flexible Batterieschicht (500) eingerichtet ist, um dem MEMS-Wandler (200) Strom zuzuführen, und wobei die Bluetooth-Modulschicht (600) eine flexible Bluetooth-Modulschicht ist, die elektrisch mit der Batterieschicht (500) verbunden ist.
Drahtloses flexibles MEMS-Mikrofon nach Anspruch 34 oder 35, wobei die Batterieschicht (500) eine Polymerbatterie mit einer papierähnlichen Dünne ist.
Drahtloses flexibles MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 34 bis 36, wobei die Batterieschicht (500) eine flexible Solarzelle ist.
Drahtloses flexibles MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 34 bis 37, wobei das flexible Substrat (100), auf dem der flexible MEMS-Wandler ausgebildet, die Antenne (300) gedruckt und der Draht- und Schnittstellenschaltkreis (400) eingebettet ist, faltbar ist.
Drahtloses flexibles MEMS-Mikrofon nach Anspruch 38, wobei das drahtlose flexible MEMS-Mikrofon faltbar ist.
Drahtloses flexibles MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 34 bis 39, wobei das drahtlose flexible MEMS-Mikrofon in eine gewünschte dreidimensionale Struktur durch Schneiden in Übereinstimmung mit einer Seitenform der gewünschten dreidimensionalen Struktur, Falten des geschnittenen Teils mit einem vorbestimmten Winkel und Zusammensetzen in einer dreidimensionalen Struktur ausgebildet werden kann.
Drahtloses flexibles MEMS-Mikrofon nach Anspruch 40, wobei das drahtlose flexible MEMS-Mikrofon in einer dreidimensionalen Struktur ausgebildet ist.