(57)【要約】本発明は、デバイスおよびそれを製造する方法に関する。この方法は、セラミック粉末を第１のポリマーおよび界面活性剤と接触させてスリップ混合物を形成する工程；このスリップ混合物を混合する工程；このスリップ混合物をモールドに注入し、未焼結物体を形成する工程；この未焼結物体からモールドをはずす工程；この未焼結物体を焼結して、焼結したセラミック物体を形成する工程；ならびにこの焼結したセラミック物体を第２のポリマー中に包埋し、複合材を形成する工程、を包含する。最終形状の未焼結物体を形成するための装置は、モールド、補助モールドおよびモールドアセンブリを備える。
2007513504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスを製造する方法であって、
セラミック粉末を第１のポリマーおよび界面活性剤と接触させてスリップ混合物を形成する工程；
該スリップ混合物を混合する工程；
該スリップ混合物をモールドに注入し、未焼結物体を形成する工程；
該未焼結物体からモールドをはずす工程；
該未焼結物体を焼結して、焼結したセラミック物体を形成する工程；ならびに
該焼結したセラミック物体を第２のポリマー中に包埋し、複合材を形成する工程、
を包含する、方法。
【請求項２】
前記セラミック粉末が、圧電セラミック粉末である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記圧電セラミック粉末が、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ニオブ鉛（ＰＮＴ）およびチタン酸ニオブスカンジウム鉛（ＰＳＮＴ）からなる群より選択される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１のポリマーが、エポキシ、ウレタンまたはポリエステルである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のポリマーが、二液型エポキシポリマーである、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記スリップ混合物が、さらに分散剤を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記混合する工程が、前記スリップ混合物を動的剪断混合する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記混合する工程が、さらに、減圧下で前記スリップ混合物を動的剪断混合する工程を包含する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記注入する工程が、約５〜１００ｐ．ｓ．ｉの圧力で前記スリップ混合物を前記モールドに注入する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記注入する工程が、約２０〜４０℃の温度で前記スリップ混合物を前記モールドに注入する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記モールドが密閉モールドである、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記モールドが、約４０Ａ未満の硬度を有する低デュロメーターモールドである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記モールドが、シリコーンモールド、ポリエステルモールド、およびポリウレタンモールドからなる群より選択される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記シリコーンモールドが、該シリコーンモールド内のモールド領域を備え、該モールド領域が形成されている未焼結物体の最終形状の逆形状を有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記逆形状が、複数のミクロサイズのウェルを備え、該ウェルが、約３００〜４００μｍの深さ、約３０〜５０μｍの幅および約２０〜６０μｍの該ウェル間の中心間間隔を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記注入する工程の後かつ前記取り外す工程の前に、前記未焼結物体を硬化させる工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記硬化させる工程は、前記未焼結物体を加熱する工程を包含する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記硬化させる工程が、前記未焼結物体を、約４０〜８０℃の温度に加熱する工程を包含する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記最終形状の未焼結物体が、複数のミクロサイズの素子を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記ミクロサイズの素子が、複数の矩形素子または円筒状素子を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記焼結する工程が、前記最終形状の未焼結物体を前記ポリマーを灰化するに十分な温度まで加熱する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記温度が、約５００〜１５００℃である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第２のポリマーが、エポキシ、ポリエステル、ポリウレタンおよびポリカーボネートからなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記包埋する工程が、さらに、前記焼結したセラミック物体をエポキシポリマーに包埋して前記複合材を形成する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記エポキシポリマーが、さらにセラミックまたはガラスを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
さらに、前記複合材を機械加工して、該複合材中の前記焼結したセラミック物体の少なくとも１つの表面を露出する工程、を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
さらに、前記複合材への接触を形成し、前記焼結したセラミック物体への電気接続を提供する工程、を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
前記形成する工程が、前記複合材の少なくとも１つの表面上に金属をメッキする工程、を包含する、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
さらに、前記焼結したセラミック物体を電気部品でアドレス設定し、前記デバイスを形成する工程、を包含する、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
請求項１に記載の方法に従って生成されたポリマー−セラミック複合材。
【請求項３１】
請求項３０に記載のポリマー−セラミック複合材を含む、トランスデューサ。
【請求項３２】
ポリマー−セラミック複合材であって、ポリマーマトリクス中に配置される複数のセラミック素子を含み、該素子は、高さ１５０〜２５０μｍ、幅３５〜６０μｍ、該素子間の中心間間隙３０〜６０μｍの寸法を有する、ポリマー−セラミック複合材。
【請求項３３】
前記ポリマーが、エポキシ、ポリエステル、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアミドおよびこれらのコポリマーからなる群より選択される、請求項３２に記載のポリマー−セラミック複合材。
【請求項３４】
成形操作において、最終形状の未焼結物体を形成するための装置であって、該装置は、
第１の表面領域、注入ポートおよび真空ポートを有する、モールド；ならびに
第２の表面領域を有する補助モールド、
を備え、該第１の表面領域および第２の表面領域は、該真空ポートに印加された第１の真空圧力の存在下で該注入ポートを介して該未焼結物体のための材料が注入された後に、該最終形状の未焼結物体の逆形状に実質的に対応するモールド空間を形成する、装置。
【請求項３５】
さらに、
前記モールドおよび前記補助モールドを受容し得るモールドアセンブリであって、該モールドアセンブリは、真空を提供して、前記成形操作の間、該モールドおよび該補助モールドを該モールドアセンブリ内に保持するための少なくとも１つのアセンブリ真空ポートを有する、モールドアセンブリ、
を備える、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記モールドアセンブリが、頂部モールド真空チャックおよび底部モールド真空チャックを備え、そして前記モールドは、前記補助モールドが、該モールドの凹部領域内に配置され得るように凹部領域を備え、そして該モールドおよび該補助モールドは、該頂部モールド真空チャックと底部モールド真空チャックとの間に配置され得る、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記補助モールドが、ミクロサイズのウェルのアレイを備える前記第２の表面領域を有するシリコーンゴムから作製される薄い可撓性のモールドを備える、請求項３４に記載の装置。
【請求項３８】
前記逆形状が、後面および前面を含み、該前面が、複数のミクロサイズのウェルを備え、該ウェルが約３００〜４００μｍの深さ、約３０〜５０μｍの幅および約２０〜６０μｍの該ウェル間の中心間間隔を有する、請求項３４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、製造およびモールドに関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連技術）
射出成形は、デバイスを製造するために使用される１つの技術であり続けている。射出成形において、材料は、モールドの中に注入され、そして硬化される（ｈａｒｄｅｎｅｄ）かまたは「硬化（ｓｅｔ）」されて物体を形成する。特にデバイスがミクロサイズの特徴を備えて成形される必要がある場合に、従来の射出成形技術の有効性を制限する問題が発生し得る。従来の射出成形技術の有効性を制限する過剰な収縮または長い硬化時間（ｓｅｔ  ｔｉｍｅ）が発生し得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
必要とされるものは、改良された製造方法およびそれに適したモールドである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（発明の要旨）
１つの実施形態では、本発明はデバイスを製造する方法に関し、この方法は、セラミック粉末を第１のポリマーおよび界面活性剤と接触させてスリップ混合物を形成する工程；このスリップ混合物を混合する工程；このスリップ混合物をモールドに注入し、未焼結物体を形成する工程；この未焼結物体からモールドをはずす工程；この未焼結物体を焼結して、焼結したセラミック物体を形成する工程；ならびにこの焼結したセラミック物体を第２のポリマー中に包埋し、複合材を形成する工程、を包含する。
【０００５】
別の実施形態では、本発明は、成形操作において最終形状の未焼結物体を形成するための装置に関し、この装置は、モールド、補助モールド、およびモールドアセンブリを備える。
【０００６】
別の実施形態では、本発明は、ポリマーマトリクス中に配置される複数のセラミック素子を含むポリマー−セラミック複合材に関し、この素子は、高さ１５０〜２５０μｍ、幅３５〜６０μｍ、この素子間の中心間間隙３０〜６０μｍの寸法を有する。
【０００７】
これらおよび他の実施形態、利点、および特徴は、本発明の以下の詳細な説明を参酌して容易に明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
添付の図面は、本発明の例示的な実施形態を図示するために含まれ、本明細書に組み込まれてその一部を構成する。添付の図面は、本発明の実施形態を図示し、そして説明とともに本発明の原理を説明するのに役立つ。
【０００９】
ここで本発明は、添付の図面を参照して説明される。その図面では、同様の数字は、同一の要素または機能的に類似した要素を示す。さらに、参照数字の最も左の数は、その参照数字が最初に現れる図面を識別する。
【００１０】
（発明の詳細な説明）
ここで、本発明の実施形態への参照が詳細になされる。その実施形態の例は、添付の図面に図示されている。
【００１１】
（Ｉ．概観）
本発明はスリップ混合物を調製する方法、センサー、圧電識別デバイス、他のデバイスを製造する方法、およびそれらの応用に関する。まず、例示的なデバイスおよびシステムが説明される。次いで、本発明の実施形態に従って、製造方法が説明される。
【００１２】
（ＩＩ．例示的なデバイスおよびシステム）
１つの例では、人からの指紋または指に関する他の生物測定データのような生物測定データを得、そして個人の同一性を認識および／または認証するために得られた情報を使用する圧電デバイスが使用され得る。国際出願番号第ＰＣＴ／ＵＳ０１／０９１８７を参照のこと。この出願は、すべての目的のためにその全体が本明細書中に参考として援用される。本発明は、生物測定データを収集することに限定されることは意図されておらず、他のタイプの情報（例えば、医学的情報）が収集され得る。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に従う圧電識別デバイス１００の概略図である。識別デバイス１００は、圧電センサー１１０、センサー入力信号生成装置１２０、センサー出力信号処理装置１３０、およびメモリ１４０を有する。この入力信号生成装置１２０により生成された入力信号は、２つのマルチプレクサー１５０によりセンサー１１０に接続されている。センサー１１０の出力信号は、同様に、２つのマルチプレクサー１５０により出力信号処理装置１３０に接続されている。
【００１４】
（Ａ．圧電セラミックセンサー）
センサー１１０は、好ましくは圧電セラミック素子のアレイである。例えば、センサー１１０は、化学的に不活性で水分および他の大気条件に耐え得る多結晶セラミック素子のアレイを備え得る。多結晶セラミックは、特定の所望の物理的特性、化学的特性、および／または圧電特性を有するように製造され得る。しかし、センサー１１０は、圧電セラミック素子のアレイを備えることに限定されない。例えば、センサー１１０は、圧電フィルムを備え得る。ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムまたはそのコポリマーのような分極したフッ素ポリマーフィルムが使用され得る。
【００１５】
図２は、表面２１０、２２０、２３０、および２４０を有する信号矩形圧電セラミック素子２００の作動特性を図示する。力が表面２１０および２２０に印加されたとき、その印加された力に比例する電圧が表面２１０と２２０との間に発生される。これが起こると、表面２３０および２４０は、互いに離れるように動く。電圧が表面２１０および２２０に印加されると、表面２３０および２４０は、互いに向かって動き、そして表面２１０および２２０は、互いから離れるように動く。交互する電圧が表面２１０および２２０に印加される場合、圧電セラミック素子２００は、関連分野の当業者に公知の様式で振動する。
【００１６】
図３は、５個の矩形圧電セラミック素子２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ、および２００Ｅの列を図示する。これらの矩形圧電セラミック素子２００の各々は、支持体３０２に取付けられているかまたはそれと一体式である。支持体３０２は、各矩形圧電セラミック素子２００の１つの表面の動きを阻害する。このようにして、交互する電圧が圧電セラミック素子２００Ｃの表面２１０および２２０に印加されると、圧電セラミック素子２００Ｃの表面で音波が発生する。発生した音波の周波数は、圧電セラミック素子２００Ｃの物理的特性に依存する。
【００１７】
図４は、矩形圧電セラミック素子２００の二次元アレイ４００を図示する。アレイ４００は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）から作製され得る。ＰＺＴは、安価な材料である。１つの実施形態では、アレイ４００は、医療用途で使用されるＰＺＴ  １〜３複合材に類似している。本発明に従うセンサー１１０の圧電セラミック素子は、矩形以外の形状を有し得る。図５に図示されるように、センサー１１０は、円形の圧電セラミック素子のアレイ５００を備え得る。
【００１８】
好ましい実施形態では、アレイ４００は、４０平方ミクロン×深さ１００ミクロンである矩形圧電セラミック素子を備え、それにより２０ＭＨｚの基音周波数の音波が得られる。この実施形態では、素子間に５０ミクロンのピッチを提供するために、１０ミクロンの間隔が素子間で使用される。５０ミクロンのピッチにより、本発明に従う識別デバイスが、指紋についてのＦｅｄｅｒａｌ  Ｂｕｒｅａｕ  ｏｆ  Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎの品質標準を満たすことが可能になる。本発明の他の実施形態は、この好ましい実施形態とは異なる幾何学的構造を使用する。例えば、５０ミクロンよりも大きいピッチが使用され得る。他の実施形態はまた、２０ＭＨｚ以外の周波数で作動する。例えば、実施形態は、他の周波数に加えて、３０ＭＨｚおよび４０ＭＨｚの周波数で作動し得る。
【００１９】
図６に示されるように、本発明に従うセンサーアレイの素子間の間隔は、フレキシブルタイプの材料または充填材６０２で充填され得、あらゆる横波を抑制し、このセンサーに改良された機械的特性を与える。ミクロスフェア６０４が、充填材６０２に添加され得（例えば、ビニルミクロスフェア）、重量を減らしそして／または横波の抑制を高める。識別デバイスの信号対ノイズ比、およびデバイスの感度を最適化するために、高い音響学的減衰および電気的絶縁を提供する充填材（例えば、空気充填ビニルミクロスフェアが充填されたアラルダイト（登録商標））が使用されるべきである。
【００２０】
アレイ４００を製造するために、少なくとも４つの製造方法が存在する。これらの方法としては、レーザー切断、型打ち抜き、成形、およびスクリーン印刷が挙げられる。レーザー切断には、エキシマレーザーを使用して小さい溝（ｇｒｏｖｅ）を切断し、それによりアレイ４００の素子を形成することが関与する。型打ち抜きには、高性能型打ち抜き設備を使用してアレイ４００の溝（ｇｒｏｖｅ）および素子を形成することが関与する。成形には、射出成形設備を使用してアレイ４００を形成することが関与する。スクリーン印刷は、プリント配線回路基板のアセンブリにおけるはんだ印刷の技術に類似した技術であり、その技術では高度に自動化されたスクリーン印刷機がレーザー切断ステンシルに適合されている。この方法は、２０ＭＨｚ音波素子を生成するのに特に適している。なぜなら、そのセラミック素子は、わずか１００ミクロン厚に過ぎないからである。この方法には、適切なコンシステンシーのセラミックスラリーを生成することが関与し、そしてこの方法は、上記成形方法について必要とされ得るような表面研削を必要とはしないという利点を有する。
【００２１】
図７Ａは、本発明の好ましい実施形態に従う矩形圧電セラミック素子を備えるセンサーアレイ７００を図示する。センサーアレイ７００は、アレイ４００と類似して、矩形圧電セラミック素子２００の二次元アレイを備える多層構造体である。導体（例えば、導体７０６および７０８）が矩形圧電セラミック素子２００の各々に接続される。各素子２００の一端に接続された導体（例えば、導体７０６）は、各素子２００の他端に接続された導体（例えば、導体７０８）に対して直交して配向される。保護コーティングを提供するためにシールド層７０２が一方の側面に追加され得、この保護コーティングで指がセンサーアレイ７００に近接して置かれ得る。支持体７０４は、このセンサーアレイの反対側の端部に取付けられ得る。センサーアレイ７００は、以下により詳細に説明される。
【００２２】
（Ｂ．圧電フィルムセンサー）
図７Ｂは、本発明の実施形態に従う圧電フィルム（ピエゾフィルム）を備えるセンサーアレイ７５０を図示する。図７Ｂは、センサーアレイ７５０の断面図である。センサーアレイ７５０は、２つの導体グリッド７５４および７５６に挟持された圧電層７５２を備える多層構造体である。導体グリッド７５４および７５６は、各々、平行な導電性の線の列から構成される。好ましくは、グリッド７５４の線は、グリッド７５６の線に対して直交して（すなわち、それぞれｘ方向およびｙ方向に）配向している。この配向により、このピエゾフィルムに、複数の個々にアドレス可能な領域または素子が生成される。本明細書中で使用される場合、用語「素子」は、平行な導電性の線（導体）の列を使用して、個々に、またはより大きい領域の一部のいずれかとしてアドレス設定され得る、センサーアレイの任意の領域を指す。圧電性ポリマーフィルムセンサーは、さらに、Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｉｅｓ，Ｉｎｃ．Ｎｏｒｒｉｓｔｏｗｎ、ＰＡ、Ａｐｒｉｌ  ２、１９９９  ＲＥＶＢより入手可能な「Ｐｉｅｚｏ  Ｆｉｌｍ  Ｓｅｎｓｏｒｓ：Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｍａｎｕａｌ」（その全体が本明細書中に参照として援用される）に記載されている。
【００２３】
シールド層７５８は、保護コーティングを提供するために、指が置かれる一方の側面に追加され得る。発泡体基材７６０が支持体として使用され得る。図７Ｂに示されるように、センサーアレイ７５０の複数の層は、１つの方向（例えば、ｚ方向）に沿って重ねられる。
【００２４】
１つの実施形態では、ピエゾ層７５２は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムまたはそのコポリマーのような分極したフッ素ポリマーフィルムである。導体グリッド７５４および７５６は、このＰＶＤＦフィルム７５２の反対側に印刷された銀インク電極である。シールド層７５８は、ウレタンまたは他のプラスチックから作製される。発泡体基材７６０は、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）から作製される。接着剤７６２、７６４は、図７Ｂに示されるように、シールド層７５８および発泡体基材７６０を印刷されたＰＶＤＦフィルム７５２の反対側に保持する。
【００２５】
１つの実施形態では、印刷された電極を含んでこのＰＶＤＦフィルムは、容易な再配置のためにラベルのように剥がし取られ得る。図７Ｂに示されるように、センサーアレイ７５０は、容易な剥がし取りのために接着剤７６６により蝋紙または他の材料（示さず）に載せられ得る。これにより、このピエゾセンサーが最小のコストで簡単に容易に設置および／または再配置されることが可能になる。光学的技術およびシリコン技術に比べれば、このピエゾセンサーアレイ７５０の維持は取るに足らない。
【００２６】
（Ｃ．センサーアレイアドレス線）
図８は、センサーアレイ７００のより詳細な図を図示する。上記のように、センサーアレイ７００は、充填材６０２を有する圧電セラミック素子を備える。充填材６０２は、好ましくはミクロスフェア６０４である。次いで、この構造体は、いくつかの層の間に挟持される。この中心複合材層は、例えば、指紋の機械インピーダンスを電気インピーダンス値のマトリクスにマッピングするために使用され得る能動的構造体である。
【００２７】
センサーアレイ７００の矩形ピエゾセラミック素子２００の各々は、２つの電極線（例えば、導体７０６および７０８）に接続される。センサーアレイ７００の一端にあるこの電極線は、センサーアレイ７００の反対側の端部にある電極線と直交して走る。このようにして、このアレイの任意の単一の素子２００が、それに接続される２つの電極線を選択することにより、アドレス設定され得る。この電極線は、好ましくは、真空中での堆積（ｄｅｓｐｏｌｉａｔｉｏｎ）およびリソグラフィーにより作製され、そしてそれらは以下に記載される相互接続技術を介してスイッチ電子回路に接続される。
【００２８】
一組の電極線の上にあるのは、保護層７０２である。保護層７０２は、好ましくはウレタンで作製される。この保護層は、このセンサーの作動の間、指と接触していることが意図される。
【００２９】
支持体７０４または裏打ち層は、この矩形ピエゾセラミック素子２００の各々に対する背面音響インピーダンスとして働く。好ましい実施形態では、支持体７０４は、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）発泡体から作製される。負荷されたときと負荷解除されたときの素子の電気インピーダンスの大きい変動を提供するために、音響インピーダンス支持体７０４は、上記センサー素子材料と音響学的に不適合であるべきである。非常に低い音響インピーダンス材料かまたは非常に高い音響インピーダンス材料かのいずれかが使用され得る。ピエゾセラミック材料を使用する実施形態に対して、好ましいインピーダンスの不適合は、硬質裏打ち材よりも空気裏打ち材により得られ得る。これは、上記センサーが高い音響インピーダンスを有するからである。
【００３０】
センサーアレイ７００を構築するために本明細書中で記載される材料は、例示的なものであり、本発明を限定することを意図されていない。関連分野の当業者に公知のように、他の材料が使用され得る。
【００３１】
図９は、センサーアレイ７００が特定用途向け集積回路にどのように接続され得るかを図示する。本明細書中に記載されるように、センサーアレイ７００の個々のピエゾセラミック素子（ｍ、ｎ）は、センサーアレイ７００上の導体ｍおよびセンサーアレイ７００の底部の導体ｎを選択する（アドレス設定する）ことによりアドレス設定され得る。他の導体は、接地されているかまたは開いている（高インピーダンス状態）かのいずれかであり得、混線を低減するために、特に選択されている素子の隣の素子をアドレス設定するために使用される導体はそうである。選択された素子の隣の寄生電流は、図６および７Ａに関して上に記載されたように、隙間の充填材６０２により機械的に最小化される。好ましい実施形態では素子間の間隔（ピッチ）は、約５０ミクロンであり、標準的なボンディング技術は、約１００ミクロンのピッチを必要とするので、図９に示されるように、センサーアレイ７００の「東」「西」側上の代替の列および「北」「南」側上の代替の段がこのセンサーを「外界」に接続する。図９に示されるように、これらの導体は、ＡＳＩＣマルチプレクサー９０２の３つのエッジ９０８のまわりの「バンプ（Ｂｕｍｐ）」技術で終結し得る。１つの実施形態では、ＡＳＩＣマルチプレクサー９０２の側面９０８は、約３ｍｍである。
【００３２】
１つの実施形態では、ＡＳＩＣマルチプレクサー９０２は、高密度可撓線９０６に接続される。高密度可撓線９０６は、エポキシ基材９０４に接続される。導体が形成されるかまたは高密度可撓線に取付けられ得、このアレイの導体をＡＳＩＣマルチプレクサー９０２に接続する。例えば、高密度可撓線９０６上の導体が、導体７０８をＡＳＩＣマルチプレクサー９０２に接続しているのが図９に示される。導体は、はんだバンプ形成（ｂｕｍｐ  ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）により、ＡＳＩＣマルチプレクサー９０２に接続される。異方性膠（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ｇｌｕｅ）が、高密度可撓線９０６上の導体をこのセンサーアレイの導体７０８に接続するために使用され得る。ＡＳＩＣマルチプレクサー９０２をセンサーアレイ７００に接続または電気的連結するための他の手段は、関連分野の当業者には公知であり、これらの手段も本発明に従って使用され得る。
【００３３】
図１０は、本発明の実施形態に従って、どのようにセンサーアレイ１００２を４つのＡＳＩＣマルチプレクサー９０２に接続するかを図示する。本明細書中に記載されるように、電極線または導体は、基板９０２（図１０には示さず）の両側に気相成長され得、次いで所望のパターンにエッチングされ得る。線および列パターンがエッチングされる前に、基板９０２は、医療用トランスデューサーの基板と同様の様式で、分極されるべきである。
【００３４】
分極した基板は、利用可能なプリント配線回路基板技術と適合性である、ソケットまたはマルチチップモジュールケースに接続される。このピエゾセラミックマトリクスまたはセンサーアレイ１００２は、空気と等価な発泡体または酸化アルミニウムにより裏打ちされ得る。いずれの裏打ち材も、任意のエネルギーカップリングを、例えば指紋が走査されるセンサーアレイ１００２の前面でのみ起こすように、８Ｍｒａｙｌで上記複合材ピエゾ材料と不適合であるように設計される。センサーアレイ１００２の頂部および底部の両側にある導体は、約１００ミクロンのピッチを必要とするボンディング技術を容易にするための上に記載した様式で、交互配置されている（ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ）ことが図１０で留意されるべきである。
【００３５】
図１１は、本発明の実施形態に従う、識別デバイス１１００を図示する。好ましい実施形態では、デバイス１１００は、正確さなしにセンサーアレイ１１０２上に置かれるあらゆる指紋を捕捉するに十分物理的に大きい（例えば、約２５ｍｍ２）ピエゾセラミックセンサーアレイ１１０２を有する。センサーアレイ１１０２は、好ましくは、解像度がＣＪＩＳ  ＡＮＳＩＩ  ＮＩＳＴ標準（２５．４ｍｍあたり５００ポイント）に準拠しており、そしてグレイの２５６の異なる影を提供するに十分なピクセルダイナミックレンジを有する。
【００３６】
図１１に示されるように、１つの実施形態では、基板１１１０は、プリント配線回路基板１１０４に取付けられる。センサーアレイ１１０２の導体は、２つの集積回路１１０６および２つの集積回路１１０８に接続され、これらはセンサーアレイ１１０２を他の回路に接続する（このことは、本明細書中の別の箇所で説明される）。集積回路１１１２は、本発明の実施形態がパーソナルエリアネットワークの一部としての他のデバイスと連絡することを可能にする無線トランシーバーである。この接続性により、本発明の実施形態が、例えば、標準的な安全識別および／または承認の証拠を必要とするかまたは要求する任意のプロセスまたは処理に対する標準的な安全識別および／または承認の証拠を供給することが許容される。図１１に示される接続スキームは、本発明の実施形態を実施するために使用され得る代替の接続スキームである。
【００３７】
上記のセンサーアレイの説明は、例示的なものであり、本発明を限定することは意図されていない。例えば、ピエゾ層７５２は、圧電効果を示す任意の材料であり得、その材料としては圧電性ポリマーが挙げられるが、これに限定されない。導体グリッド７０６、７０８、７５４および７５６は、任意の導電性材料であり得、この材料としては金属が挙げられるが、これに限定されない。同様に、本明細書が提示される分野の当業者に明らかなように、他のタイプの保護材料がシールド層７０２および７５８として使用され得る。他のタイプの支持材料が、支持体７０４または発泡体基材７６０の代わりに使用され得る。
【００３８】
（Ｄ．例示的な識別デバイス）
図１２は、本発明の実施形態に従う識別デバイス１２００を図示する。デバイス１２００は、入力信号発生装置１２０２、センサーアレイ１２２０、出力信号処理装置１２４０、メモリコントローラ１２６０、およびメモリ１２７０を備える。センサーアレイ１２２０は、マルチプレクサー１２２５Ａおよび１２２５Ｂにより、それぞれ、入力信号発生装置１２０２および出力信号処理装置１２４０に接続される。コントローラ１２３０は、マルチプレクサー１２２５Ａおよび１２２５Ｂの作動を制御する。識別デバイス１２００の作動は、以下にさらに説明される。
【００３９】
１つの実施形態では、入力信号発生装置１２０２は、入力信号発生装置または発振器１２０４、可変増幅器１２０６、およびスイッチ１２０８を備える。好ましい実施形態では、発振器１２０４は、２０ＭＨｚの信号を発生し、これは、デバイス１２００が作動しているモードに依存して、可変増幅器１２０６により低電圧または高電圧（例えば、約４ボルトまたは８ボルト）のいずれかに増幅される。スイッチ１２０８は、入力信号なし、パルス入力信号または連続波入力信号のいずれかを提供するために使用される。スイッチ１２０８は、関連分野の当業者に公知の様式で、本明細書中に記載される種々のタイプの入力信号を生成するように制御される。図１２に示されるように、入力信号発生装置１２０２により発生される入力信号は、マルチプレクサー１２２５Ａを介してセンサーアレイ１２２０に提供され、そしてコントローラ１２３０および出力信号処理装置１２４０に提供される。
【００４０】
センサーアレイ１２２０の構造および詳細は、上で説明されている。好ましい実施形態では、センサーアレイ１２２０は、２０ＭＨｚ入力信号で作動するように設計された矩形素子のピエゾセラミック複合材である。
【００４１】
（ＩＩＩ．デバイスの製造方法）
別の実施形態では、本発明は、デバイスを製造する方法に関し、この方法は、セラミック粉末を第１のポリマーおよび界面活性剤と接触させてスリップ混合物を形成する工程；このスリップ混合物を混合する工程；このスリップ混合物をモールドに注入し、未焼結物体を形成する工程；この未焼結物体からモールドをはずす工程；この未焼結物体を焼結して、焼結したセラミック物体を形成する工程；ならびにこの焼結したセラミック物体を第２のポリマー中に包埋し、複合材を形成する工程、を包含する。
【００４２】
例えば、図１３は、スリップ混合物を生成するための例示的な工程を示すフローチャート１３００を示す。セラミック粉末１３１０が、ポリマーおよび界面活性剤１３２０および必要に応じて分散剤１３３０と接触され、スリップ混合物１３４０が形成される。本発明において使用するためのセラミック粉末は、任意の圧電セラミック粉末材料であり得る。このような材料は、当該分野で周知である。具体的な例としては、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ニオブ鉛（ｌｅａｄ  ｎｉｏｂｉｕｍ  ｔｉｔａｎａｔｅ）（ＰＮＴ）、ジルコン酸鉛、チタン酸ニオブスカンジウム鉛（ｌｅａｄ  ｓｃａｎｄｉｕｍ  ｎｉｏｂｉｕｍ  ｔｉｔａｎａｔｅ）（ＰＳＮＴ）および（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３、（Ｐｂ，Ｓｒ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、Ｐｂ（Ｆｅ，Ｔａ）Ｏ３、（ＫＢｉ）ＴｉＯ３の構造を有する他の化合物が挙げられるが、これらに限定されない。本発明における使用のために好ましい材料は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ジルコン酸チタン酸鉛、ＰＺＴ）である。市販されている粉末は、規定された粒径分布を有する形態のような所望の形態へさらに加工され得る。この粉末は、ニートでのその所望の形態へ、あるいはその粉末と他の材料とを含む混合物として、微粉化されるかまたは剪断され得る。
【００４３】
このセラミック粉末は、ポリマーおよび界面活性剤と接触され、スリップ混合物を形成する。本発明のポリマースリップ混合物は、低重量％のポリマーを含み得る。例えば、このポリマースリップは、１〜５重量％のポリマーを含む。本発明における使用のためのポリマーとしては、セラミック粉末を結合し、スリップ混合物の一部として成形可能であり、そして流動可能、注ぎ込み可能または注入可能であるに十分低い粘度を有するスリップ混合物を形成する任意のポリマーが挙げられる。用語「ポリマー」は、ポリマー前駆体、プレポリマーおよび架橋剤と混合された未架橋ポリマーを含む。１つの実施形態では、このポリマーは、熱硬化性ポリマーである。ポリマーの特定の例としては、ポリエステル、ポリウレタン、シリコーンゴムおよびエポキシポリマーが挙げられるが、これらに限定されない。好ましいポリマーは、低粘度エポキシポリマーである。
【００４４】
語句「エポキシポリマー」は、本明細書中で未硬化のエポキシ前駆体、混合エポキシ前駆体および最終の硬化または架橋されたエポキシポリマーを指すのに使用される。本発明における使用のエポキシポリマーとしては、二液型エポキシ前駆体、三液型エポキシ前駆体、または３より多い部分を有するエポキシ前駆体が挙げられるが、これらに限定されない。二液型エポキシ前駆体の１つの例としては、２つ以上のアミン官能基を有する部分および２つ以上のエポキシ官能基を有する別の部分を有する前駆体が挙げられるが、これらに限定されない。エポキシ樹脂は、当業者には周知である。エポキシポリマーの具体的な例としては、Ｄ．Ｅ．Ｒ．３００およびＤ．Ｅ．Ｒ．６００シリーズエポキシ樹脂（Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能）および第１部分ＲＢＣ−３２００Ａエポキシ樹脂および第２硬化剤部分ＲＢＣ−３２００  Ｂ１２０から生じるポリマー（ＲＢＣ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能）が挙げられる。
【００４５】
好ましくは、使用される熱硬化性ポリマー（例えば、エポキシポリマー）に対する硬化時間（ｃｕｒｅ  ｔｉｍｅ）または硬化時間（ｓｅｔ  ｔｉｍｅ）は、その熱硬化性ポリマーが硬化する（ｈａｒｄｅｎ）前に、上記ポリマースリップ混合物の混合およびモールドへの注入が可能であるに十分な長さである。例えば、硬化時間（ｓｅｔ  ｔｉｍｅ）は、約１０分〜約４８時間、好ましくは約３０分〜約３時間である。
【００４６】
セラミック製造における界面活性剤および分散剤の使用は、当業者に周知である。分散剤および界面活性剤、および必要に応じて他の添加剤は、ポリマースリップ混合物の安定性、湿潤性、流動性、粘度および他の特性を制御するために使用される。有機ポリマーと相容性である任意の界面活性剤が使用され得る。好ましくは、この界面活性剤は、そのポリマーの表面張力を低下させ、上記スリップ混合物を安定化させ得、そして／またはそのスリップ混合物の形成および成形を容易にし得る。本発明における使用のための界面活性剤の具体的な例としては、Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  ５７界面活性剤、ＦｌｕｏｒａｄＴＭ  ＦＣ−４４３０界面活性剤、ＦｌｕｏｒａｄＴＭ  ＦＣ−４４３２界面活性剤、Ｓｕｒｆｏｎｉｃ  ＰＥ−１１９８界面活性剤およびＫＥＮ−ＲＥＡＣＴ（登録商標）ＫＲ−５５界面活性剤が挙げられるが、これらに限定されない。
【００４７】
この予備混合物は、必要に応じてさらに、分散剤を含む。本発明における使用のための分散剤は、上記セラミック粉末と予備混合物との混合を容易にする分散剤である。適切な分散剤の例は、Ｄｉｓｐｅｒｂｙｋ１１０である。この予備混合物はまた、必要に応じて界面活性剤を含む。この予備混合物の混合および／または湿潤性を改良する任意の界面活性剤が使用され得る。適切な界面活性剤の例は、Ｋｅｎ  Ｒｅａｃｔ（登録商標）ＫＲ５５（Ｋｅｎｒｉｃｈ  Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．Ｂａｙｏｎｎｅ，ＮＪより入手可能）である。
【００４８】
上記スリップ混合物への上記セラミック粉末の分散を容易にし得る、そして／またはこのスリップ混合物の形成および成形を容易にし得る任意の分散剤が、本発明において使用され得る。本発明における使用のための分散剤の具体的な例としては、ＤＹＳＰＥＲＢＹＫ（登録商標）１１０分散剤およびＤｅｑｕｅｓｔ２０１０分散剤が挙げられるが、これらに限定されない。
【００４９】
それゆえに、１つの実施形態では、ポリマー、分散剤および界面活性剤は、混合されて予備混合物を形成する。この予備混合物は、上記セラミック粉末、少なくとも約６０％体積分率の１．９ｍ２／ｇｍのセラミック粉末（例えば、ＰＺＴ粉末）と混合され、上記スリップ混合物を形成する。
【００５０】
Ｊ．Ａｒｎｏｌｄらによる、「Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｓｌｉｐ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｇｒｅｅｎ  Ｂｏｄｉｅｓ  Ｔｈｅｒｅｆｒｏｍ」と題する、同時係属中の共有に係る特許出願（出願番号：割り当てられる予定；本願とともに出願）（代理人整理番号：１８２３．１２２００００）に記載されるポリマースリップおよびセラミック未焼結物体を製造するための方法も参照のこと。この特許出願は、その全体が本明細書中に参考として援用される。
【００５１】
このスリップ混合物は、剪断混合チャンバー中の動的ミキサー中で、そのスリップ混合物が硬化するまでの十分短い時間の間（例えば、約１５分）、能動的真空下で、約４〜１２ｍｌの小体積で混合される。それゆえに、本発明の別の実施形態は、スリップ混合物を生成するための動的剪断真空ミキサーに関する。
【００５２】
ＳＰＥＸ  ＣｅｒｔｉＰｒｅｐ  ８０００Ｍのような市販の振盪機タイプの混合機ミルは、小さいコンテナを迅速に円弧状に逆方向に動かすことによって、材料を混合する。その結果、材料は、コンテナの頂部に沿って行きつ戻りつする。ボールが加えられ、この混合を支援するが、気体を取り除くための真空の提供はない。気体の除去がなければ、生成するスリップ構造体は劣悪なものとなり、センサーアレイおよびデバイスの作製の際に、そのデバイスが仕様内で作動しなくなる。これらの制限に起因して、これらの問題を解決する上記の動的混合物が開発された。
【００５３】
微粉は、少量の液体と混合されるとき、その大きい表面積に取り込まれた空気を有し、この空気が液体に置き換えられねばならない。移動させられた空気は取り除かれて、この混合物中の空気バブルが回避されねばならない。水平方向の中心線での真空源は、混合されている品目の通路から外れており、移動されられた空気を取り除き得る。
【００５４】
このデバイスでは、上部壁からの円筒状の突起が混合物の通路を遮り、剪断、乱流、空気の移動、および良好な混合を引き起こす。本発明における使用のための具体的な動的剪断ミキサーとしては、Ｊ．Ａｒｎｏｌｄらによる、「Ｋｉｎｅｔｉｃ  Ｓｈｅａｒ  Ｍｉｘｅｒ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」と題する、同時係属中の共有に係る米国特許出願（出願番号：割り当てられる予定；本願とともに出願）（代理人整理番号：１８２３．１２５００００）に記載されるミキサーが挙げられる。この特許出願は、すべての目的のために、その全体が本明細書中に参考として援用される。
【００５５】
それゆえに、本発明の別の実施形態は、セラミックを形成するためのスリップを生成する方法に関し、この方法は、セラミック粉末を、分散剤、ポリマーおよび界面活性剤を含む予備混合物と接触させて粗スリップ混合物を形成する工程；この粗スリップ混合物を動的真空および剪断ミキサー中で混合し、混合されたスリップ混合物を生成する工程、を包含する。この方法はまた、混合されたスリップ混合物の生成を可能にする大量のスリップ混合物の混合にも関する。
【００５６】
本発明の方法は、さらに任意のさらなる処理工程を包含する。例えば、混合後に、このスリップは、シリンジに移される。このスリップは、このシリンジ中で真空脱気し、移動の際に巻き込まれたあらゆる空気が取り除かれる。１つの例では、スリップは、Ｊ．Ａｒｎｏｌｄらによる、「Ｋｉｎｅｔｉｃ  Ｓｈｅａｒ  Ｍｉｘｅｒ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」と題する、同時係属中の共有に係る米国特許出願（出願番号：割り当てられる予定；本願とともに出願）（代理人整理番号：１８２３．１２５００００）に記載されるように、そのミキサーからモールドの中に直接そのスリップを吐き出すための引き込め可能要素およびピストンを有する動的剪断ミキサー中で混合される。この特許出願は、すべての目的のために、その全体が本明細書中に参考として援用される。次いで、スリップは、モールド注型のために準備される。
【００５７】
本発明のスリップ混合物は、ほとんど収縮しないので、ミクロサイズの素子および／または特徴を有する最終形状の未焼結物体の正確な成形が可能である。「最終形状」は、本明細書中で、本発明の未焼結物体が、成形の際に、高品質のミクロサイズの素子または特徴を有し、高品質のミクロサイズの素子または特徴を獲得するためのさらなる機械加工または処理は一般的には必要とされないことを意味するために使用される。本発明のスリップ混合物は、硬化の際に、実質的に歪みを有しない。語句「実質的に歪みを有しない」は、本明細書中で、成形されたスリップ混合物の平坦な表面が、成形されたスリップ混合物を硬化（ｓｅｔｔｉｎｇ）、硬化（ｈａｒｄｅｎｉｎｇ）および／または硬化（ｃｕｒｉｎｇ）して未焼結物体を形成する際に平坦のまま留まり、そしてその未焼結物体の表面が、滑らかで、そのセラミック粉末のほぼ粒サイズよりも大きい欠陥が実質的に存在しないことを意味するために使用される。欠陥としては、穴、気泡、割れなどが挙げられるが、これらに限定されない。それゆえに、このスリップ混合物は、最終形状の未焼結物体へ成形され得、高品質のミクロサイズの構造要素を有し得、そしてこの未焼結物体は、全体として大きな寸法を有し得る。
【００５８】
ミクロサイズの要素および大きい未焼結物体の組合せは、この成形品の適用可能性を大きく拡大する。例えば、本発明のスリップ混合物は、広範な用途のための圧電センサーとしての使用のためのセラミック物体を形成するために使用され得、この用途としては、生物測定データ収集デバイス、音減衰デバイス、または他の受動的圧電デバイスもしくは能動的圧電デバイスが挙げられるが、これらに限定されない。生物測定データ収集デバイスとしては、例えば国際特許出願番号第ＰＣＴ／ＵＳ０１／０９１８７号に記載されるような指紋の像を捕捉する圧電識別デバイスが挙げられるが、これに限定されない。この特許出願は、すべての目的のために、その全体が本明細書中に参考として援用される。
【００５９】
図１４Ａは、上記デバイスを製造する例示的な工程を示すフローチャート１４００である。例えば、工程１４０２では、上記スリップ混合物は、モールドに注入されて未焼結物体または成形された構造体を形成する。このモールドは、以下にさらに説明されるように、密閉モールドであり得るが、これに限定されない。工程１４０６では、この未焼結物体は、焼結されて焼結されたセラミック物体を形成する。工程１４０８が続き、そこでこの焼結されたセラミック物体が第２のポリマー中に包埋され、複合材を形成する。
【００６０】
図１４Ｂは、本発明の実施形態に従って、上記デバイスを製造するさらなる工程を示すフローチャート１４５０を示す。フローチャート１４５０は、工程１４５２で開始する。上記複合材は、この複合材中の焼結されたセラミック物体の少なくとも１つの面を露出するために機械加工される（例えば、この焼結されたセラミック物体の２つの対向する表面が露出される）。工程１４５６が続き、そこでこの複合材に対する接触が形成され、この焼結されたセラミック物体への電気的接続が提供される。工程１４５８では、この焼結されたセラミック物体が電気部品でアドレス設定され、上記デバイスが形成される。
【００６１】
工程１４０２では、上記スリップ混合物が１つ以上のモールドに注入される。関連分野の当業者に公知の任意の方法が使用されて上記スリップ混合物が上記モールド中に注入または移動され得る。例えば、このモールドは、まずこのモールドに真空を適用することにより、減圧下で排気される。次に、そのスリップ混合物が、圧力を使用してモールドの中に注入される。工程１４０２における使用のための圧力は、その混合物をモールドに注入し得る任意の圧力を含む。１つの例では、約２０〜４０℃の温度での約５〜１００ｐ．ｓ．ｉ．の圧力が使用される。別の例では、この混合物は、動的剪断ミキサーから１つ以上のモールドへ、圧力を使用して、直接注入され得る。
【００６２】
上記スリップ混合物を成形し、そして上記未焼結物体を形成するために使用されるモールドは、その未焼結物体中のミクロサイズの構造要素を形成し、外し得る任意のモールドであり得る。このスリップ混合物は、密閉モールドで成形され得る。それゆえに、このスリップ混合物を成形するために使用されるモールドは、開放モールドまたは密閉モールドであり得る。語句「密閉モールド」は、本明細書中では、通気がほとんどないかまたはまったくないか、あるいは上記スリップ混合物を成形し硬化する（ｓｅｔ）ための時間の間、そのスリップ混合物からの溶媒、液体、気体、蒸気などの蒸発を本質的に全く可能としないシール可能なモールドを指すために使用される。本発明の密閉モールドは、必要に応じて溶媒、液体、気体、蒸気などのモールド物体への吸収を可能にする。好ましくは、この密閉モールドの物体への吸収は存在しない。語句「開放モールド」は、本明細書中で、通気を有するか、または上記スリップ混合物からの溶媒、液体、気体、蒸気などの蒸発を可能にするシールされないモールドを指すために使用される。本発明の開放モールドは、必要に応じて溶媒、液体、気体、蒸気などのモールド物体への吸収を可能にする。好ましくは、本発明のスリップは、表面蒸発もモールド吸収も、必要ともしないし、利用もしない。
【００６３】
（以下に記載されるモールド１５００または補助モールド１５５０のような）本発明のモールドは、上記スリップ混合物および未焼結物体中にミクロサイズの構造要素を形成し得、そしてこの成形されたミクロサイズの要素を損傷なしに外し得る任意の材料から作製され得る。モールドとしての使用のための材料の例としては、プラスチックおよびゴムが挙げられるが、これらに限定されない。材料の具体的な例としては、低デュロメーター（約４０Ａ未満の硬度）の熱硬化性ポリウレタンおよびシリコーンが挙げられるが、これらに限定されない。１つの例では、成形されたスリップ構造体または未焼結物体を形成するために使用されるモールドは、シリコーンから製作される。非常に柔らかい、強靭なシリコーン（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｓｉｌａｓｔｉｃ  Ｖ）が、得られる成形されたスリップ構造体を完全に囲む頂部構成要素および底部構成要素のために使用される。
【００６４】
別の実施形態では、本発明は、成形操作において最終形状の未焼結物体を形成するための装置に関し、この装置は、モールド、このモールド内のモールド領域を有し、このモールド領域は、形成されつつある最終形状の未焼結物体の逆形状を有する。例示的な装置は、図１５Ａ〜１５Ｄを参照して以下に説明される。１つの実施形態では、この逆形状は、複数のミクロサイズのウェルを有し、このウェルは、約３００〜４００μｍの深さ、約３０〜５０μｍの幅および約２０〜６０μｍのこのウェル間の中心間間隔を有する。
【００６５】
図１５Ａ〜１５Ｄは、本発明のさらなる実施形態に従うモールド、スペーサーおよび真空／インジェクターモールドアセンブリを図示する図である。図１５Ａは、モールド表面領域１５０５との境界を有するモールド１５００の上面図である。モールド１５００は、外側モールドセクション１５１０および内側モールドセクション１５２０を備える。外側モールドセクション１５１０は、真空／インジェクターポート１５３０Ａ、１５３０Ｂを受けるための２つのカラム、それぞれ１５０２Ａ、１５０２Ｂを備える。内側モールドセクション１５２０は、さらに弓形領域１５２２Ａ、１５２２Ｂをさらに備え得、これらの弓形領域は、モールド表面領域１５０５の反対側に置かれ、それぞれのインジェクターポート１５３０Ａ、１５３０Ｂを収容し、そして真空およびこれらを通って注入されている材料を塞がないように、円弧形状また弓形形状に形作られる。
【００６６】
図１５Ｂは、モールド１５００の線ＢＢに沿って描かれた側方断面図を示す。外側モールドセクション１５１０は、基部として作用し、カラム１５０２Ａ、１５０２Ｂがこの基部から上向きに延びる。内側モールドセクション１５２０およびモールド表面領域１５０５は、図１５Ｂに示されるように、外側モールドセクション１５１０の下側表面内でくぼんでいる。モールド表面領域１５０５は、さらに、モールド空間１５３５が形成され得るように、内側モールドセクション１５２０からくぼんでいる。カラム１５０２Ａ、１５０２Ｂは、真空／インジェクターポート１５３０Ａ、Ｂを収容し、支持し得る。１つの実施形態では、材料は、ポート１５３０Ａまたは１５３０Ｂのうちの１つを通って注入されてモールド空間１５３５に入り得、他方真空は、ポート１５３０Ａまたは１５３０Ｂのうちの他方に適用される。
【００６７】
１つの例では、（外側モールドセクション１５１０および内側モールドセクション１５２０を含んで）モールド１５００は、シリコーンゴムから作製され、ほぼ矩形または正方形形状を有し、そしてほぼ矩形または正方形形状のモールド表面領域１５０５を囲う。モールド領域１５０５は、成形されている最終形状の未焼結物体の逆である形状を有する。例えば、それは、未焼結物体の後側に対応する平坦な表面であり得る。これらの形状は、例示的であり、本発明を限定することは意図されていない。モールド領域１５０５で成形されている所望の最終形状の未焼結物体に依存して、他の形状が使用され得る。モールド１５００は、２つのモールドセクションに限定されず、単一の一体片であってもよく、または２つより多いセクションを有してもよい。
【００６８】
図１５Ｃは、本発明の１つの実施形態に従う、モールド１５００、補助モールド１５５０および真空／インジェクターモールドアセンブリ１５６０の側断面図を示す。補助モールド１５５０は、モールド空間１５３５内で未焼結物体をさらに形作るために使用される別個のモールドである。例えば、補助モールド１５５０は、示されるように、モールド表面領域１５０５に対向して内側モールドセクション１５２０内に配置され得る。モールド１５００および補助モールド１５５０の両方は、成形操作の間、真空／インジェクターモールドアセンブリ１５６０内に配置され得る。
【００６９】
真空／インジェクターモールドアセンブリ１５６０は、スペーサー１５４０により隔てられた底部モールド真空チャック１５６２および頂部モールド真空チャック１５６４を備える。底部モールド真空チャック１５６２は、スペーサー１５４０、モールド１５００および補助モールド１５５０を支持するための内側平坦表面を有する。頂部モールド真空チャック１５６４は、モールド１５００のカラム１５０２Ａ、１５０２Ｂを受けるための穴を備える。
【００７０】
底部モールド真空チャック１５６２は、図１５Ｃに示されるように、前側に底部真空ポート１５７２を備える。底部真空ポート１５７２は、導管１５７５に連結され得、この導管１５７５は、マスターモールド１５５０を保持する内側平坦表面に向けた開口部およびシール栓１５７６によりシールされる他の開口部を有する。同様に、頂部モールド真空チャック１５６４は、図１５Ｃに示されるように、前側に頂部真空ポート１５７４を備える。頂部真空ポート１５７４は、導管１５７７に連結され得、この導管１５７７は、モールド１５００を保持する内側平坦表面に向けた開口部およびシール栓１５７８によりシールされる他の開口部を有する。
【００７１】
成形操作の間、真空が、各真空ポート１５７２、１５７４に適用され得る。この真空は、周囲圧力未満の低い圧力であり得る。１つの例では、約０．５以下の低圧がポート１５７２、１５７４に適用される。この真空は、モールド１５００を、頂部真空チャック１５６４に対してモールドアセンブリ１５６０の適所に保持するのに役立つ。この真空は、モールド１５００およびマスターモールド１５５０を、底部真空チャック１５６２に対して適所に保持するのに役立つ。
【００７２】
成形操作の間、材料は、ポート１５３０Ａまたは１５３０Ｂのうちの１つを通して注入され、他方第２の真空圧力は、他方のポートに適用される。１つの例では、約２ｐ．ｓ．ｉ．の第２の真空圧力がポート（すなわち、ポート１５３０Ｂ）に適用され、他方上に記載されたポリマーセラミックスリップは、ポート１５３０Ａに注入される。上記成形操作の間に、マスターモールド１５５０およびモールド１５００を適所に保持するように、この第２の真空圧力は、第１の真空圧力よりもわずかに高い。適用された第１の真空圧力および第２の真空圧力はまた、モールド空間１５３５内の圧力がモールドアセンブリ１５６０の外部の圧力よりも低いことを意味し、このことは、望ましくない気体または汚染物を射出成形操作の中に導入することも、モールド特徴内の滞留気体を捕捉することもなく、インジェクターポート１５３０Ａ、Ｂを通る材料の速い注入を容易にする。
【００７３】
本発明を限定することを意図されていない１つの例では、インジェクターポート１５３０Ａ、１５３０Ｂはまた、各々、ヘッド部材１５８０、ネック部材１５８２および保持部材１５８４を備える。図示の明瞭さのために、図１５Ｃは、インジェクターポート１５３０Ｂに関してヘッド部材１５８０、ネック部材１５８２および保持部材１５８４を示すのみである。ヘッド部材１５８０は、頂部モールド真空チャック１５６４の外側で延び、材料がポート１５３０Ｂの中に注入され得るように、ホースまたは他の継手が取付けられることを可能にする。ネック部材１５８２は、スペーサー１５４０のそれぞれのカラム１５４６を通って延びる。保持部材１５８４は、ネック部材１５８２を頂部モールド真空チャック１５６４に対して適所に保持する。
【００７４】
図１５Ｄは、さらに、本発明の実施形態に従って、頂部モールド真空チャック１５６４を通して上面図から下向きの方向に沿ってとった真空／インジェクターモールドアセンブリ１５６０の断面図を示す。真空／インジェクターモールドアセンブリ１５６０は、頂部モールド真空チャック１５６４および底部モールド真空チャック１５６２に限定されることは意図されていない。モールド１５００および補助モールド１５５０を受けるように開口し得る単一の支持チャック部材、または他のタイプのモールド支持部材が使用され得る。
【００７５】
モールド１５００および１５５０は、正確な内部特徴、平坦な外面およびスリップ注入ポートおよび排気ポートを提供する、特別に設計されたマスターモールド中に形成される。１つの例では、シリコーンモールド（すなわち、モールド１５００、１５５０）を製作するために使用されるマスターモールドは、好ましくは、ポリマーモールド（例えば、ポリウレタン）である。一方の側は、上記柱状物構成の母型を写し取り、圧電セラミック柱または素子のためのモールド（すなわち、補助モールド１５５０）となる。他の側は、柱状物物体の正確な、平坦な背面（すなわち、モールド１５００の表面１５０５）を形成する。
【００７６】
１つの例では、モールド１５００、１５５０は、シリコーンモールドであり、各背面が裏壁中の真空チャック上にある状態で、互いに対して正しく配置される。この裏壁は、スペーサーおよびねじにより配置され、それで、シールをもたらすがそのシリコーンにおいて制御されかつ限定された圧縮を提供するに十分な接触が存在する。この真空チャック（例えば、チャック１５６２、１５６４）は、両方の真空チャックに適用される十分な真空により活性化され、上記シリコーンモールドの裏面が、裏壁と十分に接触していることを確実にする。この真空は、上記エポキシバインダーが寸法上硬化される（ｃｕｒｅｄ）まで、この形成プロセス中ずっと維持される。
【００７７】
１つの例では、組立てられたシリコーンモールドが完全な真空の近くまで排気され得るチャンバの中に配置される。インジェクターまたはシリンジは、バルブまたはそのチャンバ中のゴムのポートを通してそしてモールドポート入口へ注入されるチューブに連結される。
【００７８】
完全真空での十分な期間の排気の後、この圧力は、約２５インチＨｇに高められる。このバルブは開かれ、スリップがモールドの中へ、そして出口スタンドパイプの中へ注入される。これが完了すると、このバルブは閉鎖される。次いでチャンバの圧力が１気圧に戻される。シリコーンモールド中に包まれた成形されたスリップ構造体が取り外される。この成形されたスリップ構造体は、それがしっかり硬化する（ｓｅｔ）まで室温で硬化される（ｃｕｒｅｄ）。この硬化された（ｓｅｔ）スリップを収容するシリコーンモールド構成要素が取り除かれ、そしてさらなる硬化（ｃｕｒｉｎｇ）が６５℃で、約２時間続けられる。冷却されると、このシリコーンモールドのパーツは、成形されたスリップ構造体から剥がし取られる。
【００７９】
成形された未焼結物体またはスリップ構造体は、当業者に公知の任意の方法により焼結され得る。好ましくは、このスリップ構造体は、そのスリップ構造体を、そのスリップ構造体の焼結をもたらし、セラミック物体を形成しそしてポリマーバインダーを灰化するに十分な温度まで加熱することにより、熱的に焼結される。１つの例では、未焼結物体は、約５００〜１５００℃の温度に加熱される。別の例では、そのスリップ構造体は、ＰＺＴ粉末をも含むアルミナ坩堝中の平坦に研磨されたマグネシア表面状上に置かれ、そして炉の中に置かれる。約２日の期間にわたって、温度が約６５０℃まで上げられ、そして約２５℃まで戻されて、そのＰＺＴセラミックを歪ませることなくエポキシバインダーを除去する。次いでアルミナのカバーが、炉の中のその坩堝の上に置かれる。温度がＰＺＴ粉末の焼結温度までゆっくりと上げられ、適切な時間の間保持され、そしてほぼ室温まで冷却される。
【００８０】
得られた焼結されたセラミック物体は、多くの任意の工程でさらに処理され得る。例えば、得られる物体は、特徴物を位置決めしつつ柱状物を下側にしてシリコーンモールド中に配置され、その柱状物は底面より上に持ち上げられ、そしてそれを正確に中心に置かれる。それは、真空チャンバ中に置かれ、そして上記物体は、第２のポリマーにすっぽり包まれ、複合材を形成する。任意のポリマーがこの包み込みに使用され得、好ましくは、クリアーなエポキシ（例えば、Ｅｐｏｔｅｋ  ３０１−２）が使用される。このような例では、そのエポキシは、上記モールド間隙中にシリンジによってか壁を通して注入される。そのエポキシがモールドの底を覆い、そして上記物体を十分に包み込んだ後で、そのチャンバは、再加圧され、上記柱状物を十分に浸潤させる。この充填された浸潤したモールドは、室温で硬化される（ｃｕｒｅｄ）。次いで、それはそのモールドから取り外される。
【００８１】
包埋された物体構造物を有するこのエポキシシートは、モールド側を下にして、真空チャック上に置かれる。この複合材は、さらに、多くの任意の工程で処理され得る。例えば、この複合材は、所望の形状に機械加工され、焼結されたセラミック物体の少なくとも１つの表面が露出される。圧電センサーまたはトランスデューサの製造の場合には、その物体の反対側の２つの表面が露出され得る。この例では、上記背面プレートが除かれ、上記柱状物のプレート端部が露出され、そして他方の面と平行なシートを通して平面が確立するまで、その複合材の露出された側は、ダイヤモンド研削ホイールで、研削される。この部分は、次いで真空チャック上でひっくり返され、過剰のエポキシが取り除かれ、上記柱状物の端部が他方の面と平行なシートを通して平面内に露出され、そして所望の厚みに到達するまで、研削される。
【００８２】
この例では、研削されたエポキシシートは、このとき、適正に配置され、エッジと適正に整列しているシートの中央領域に置かれる、ＰＺＴロッドのアレイを含む。次いで、この柱状物は、金属化され、アドレス設定されてデバイスを形成する。１つの例では、金属電極が、ネガティブフォトレジストの湿潤フィルムまたは乾燥フィルムを１つの表面全体に付与し、ＰＺＴロッドをそれら自身のマスクとして使用して、他の側からそのフォトレジストを露光することにより、そのピン端部に付与される。現像されるとき、このロッド端部は裸であり、エポキシ上にフォトレジストを残す。次いで、裏側がフォトレジストでマスクされる。
【００８３】
柱状物を無電解メッキする任意の方法が、使用され得る。１つの例では、そのロッド表面が感作され、活性化され、そして適切な化学メッキ溶液または無電解メッキ溶液を使用してメッキされる。完了後、このフォトレジストは剥がされ、もう一方の側で同じプロセスが繰り返される。完了後、両側のロッド表面は、金属化され、このＰＺＴセンサー素子端部上の全範囲有効の電極が提供される。
【００８４】
電極の付いた複合材センサーアレイは、さらに処理されてデバイスが製作され得る。例えば、フォトリソグラフィーおよび無電解メッキにより、回路がそのセンサー素子上およびエポキシ回路板表面上に付与される。ネガティブフォトレジストの湿潤フィルムまたは乾燥フィルムのいずれかが１つの表面上に付与される。フォトマスクがセンサー素子に対して整列され、真空配列フレーム中で適所にロックされ、ＵＶ光で露光される。現像後、このプロセスがもう一方の側で繰り返される。得られるセンサー／回路板は、感作され、活性化され、上記フォトレジストが剥がされ、次いで銅、ニッケルおよび金が、適切な化学物質ならびに無電解メッキ溶液および浸漬メッキ溶液を使用して連続的に付与される。
【００８５】
それゆえに、本発明の別の実施形態は、圧電セラミック柱状物のアレイを含むポリマー複合材の感作方法および無電解メッキ方法に関する。この方法は、セラミック柱状物のアレイを含む複合材を金属塩化物塩を含むメッキ溶液と接触する工程、およびこの金属を上記柱状物の表面にメッキする工程を包含する。この方法の１つの例では、塩化銅（Ｉおよび／またはＩＩ）塩が、メッキ浴に添加され、ＰＺＴセラミックを含む上記柱状物表面上に銅、ニッケルおよび金のような金属のメッキを容易にする。例えば、Ｄ．Ｈａｌｐｅｒｔらによる同時係属中の、共有に係る、「Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ  Ｐｌａｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｅｒａｍｉｃ」と題する米国特許出願（出願番号：割り当てられる予定；本願とともに出願）（代理人整理番号：１８２３．１２３００００）に記載されるようなＰＺＴセラミックの無電解メッキを参照のこと。この特許出願は、すべての目的のために、その全体が本明細書中に参考として援用される。
【００８６】
この方法はまた、化学処理のためのフォトリソグラフィーのミクロな特徴を液体で書き込む工程を包含する。
【００８７】
次いで、この複合材センサーアレイは、付与された回路／電極を通して、適切な温度で、適切な時間、適切な電圧を印加することにより、ポーリングされる。このパラメーター値は、セラミックのタイプおよびこのアレイの厚みに依存して変動する。
【００８８】
材料の上下層が付与されて、接触側の回路が保護され、そして反対側のセンサー素子に対する空気界面が提供され得る。
【００８９】
電気部品がその回路板に付与され、集積センサー／回路板アセンブリが試験および他のシステム構成要素とのアセンブリのために用意される。
【００９０】
本発明の別の実施形態は、シリコーンを含む高アスペクトのミクロの特徴を写し取る方法に関する。
【００９１】
本発明の別の実施形態は、ポリマーを含むトランスファーモールド（ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｍｏｌｄ）に関する。このポリマーは、シリコーン構造体の成形のためのトランスファーモールドを形成し得る任意のポリマーであり得、好ましくはこのポリマーは、ポリウレタンである。
【００９２】
本発明の別の実施形態は、真空および／または圧力を使用してポリマー／セラミックを形成する方法に関する。
【００９３】
添付の特許請求の範囲により規定されるような本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細の種々の変更がその中でなされ得ることが当業者により理解される。従って、本発明の広さおよび範囲は、上記の例示的実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲およびその等価物に従ってのみ規定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】図１は、本発明の実施形態に従う、圧電識別デバイスを図示する。
【図２】図２は、本発明の実施形態に従う、圧電素子を図示する。
【図３】図３は、本発明の実施形態に従う、圧電素子の列を図示する。
【図４】図４は、本発明の実施形態に従う、矩形圧電素子のアレイを図示する。
【図５】図５は、本発明の実施形態に従う、円形圧電素子のアレイを図示する。
【図６】図６は、本発明の実施形態に従う、素子間に充填材料を有する矩形圧電素子の列を図示する。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の実施形態に従う、センサーアレイを図示する。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の実施形態に従う、センサーアレイを図示する。
【図８】図８は、図７Ａのセンサーアレイのより詳細な図を図示する。
【図９】図９は、図８のセンサーアレイが特定用途向け集積回路にどのように接続されているかを図示する。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態に従ってどのようにセンサーアレイをマルチプレクサーに接続するかを図示する。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態に従う、識別デバイスを図示する。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態に従う識別デバイスの回路構成要素を図示する。
【図１３】図１３は、本発明に従うスリップ混合物の調製を図示するフローチャートである。
【図１４】図１４Ａ〜１４Ｂは、本発明の実施形態に従うセンサーデバイスを製造する方法を図示するフローチャートである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の実施形態に従う成形操作において未焼結物体を形成するための装置を図示する。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の実施形態に従う成形操作において未焼結物体を形成するための装置を図示する。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、本発明の実施形態に従う成形操作において未焼結物体を形成するための装置を図示する。
【図１５Ｄ】図１５Ｄは、本発明の実施形態に従う成形操作において未焼結物体を形成するための装置を図示する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【国際調査報告】
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