(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波トランスデューサと、前記超音波トランスデューサに隣接して配された、１．５ｇ／ｍ2以下の質量／面積比を有する延伸ＰＴＦＥメンブレンとを含み、該延伸ＰＴＦＥメンブレンの伝送損失が５０〜９２．５ＫＨｚの周波数において３ｄＢ未満である、微小電気機械システム。
【請求項２】
前記質量／面積比が１ｇ／ｍ2以下である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記延伸ＰＴＦＥメンブレンが、直径０．２５ミクロン超の粒子を捕捉する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記延伸ＰＴＦＥメンブレンが、音波伝送、粒子捕捉、及び圧力放出を与える、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
マイクロファブリケーション技術による共通のシリコン基板への機械的要素、センサー、アクチュエーターなど、及び電子機器の集積は、微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）として知られている。ＭＥＭＳセンサーは、マイクロフォン、消費者用圧力センサーアプリケーション、タイヤ圧モニタリングシステム、ガスフローセンサー、加速度計、及びジャイロスコープにおいて用いられてよい。
【０００２】
知られているシリコンコンデンサマイクロフォンＭＥＭＳパッケージは、音響トランスデューサ及び音響ポートを含む。音響ポートは、日光、水分、油、汚れ、及び／又はちり等の環境的要素からトランスデューサを保護するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又は焼結金属等の環境バリアをさらに含む。音響トランスデューサは、スピーカー及びマイクロフォンを含む。
【０００３】
延伸ＰＴＦＥ（ｅＰＴＦＥ）メンブレンは、長年の間、音響トランスデューサを保護するために用いられてきた。近年、超音波トランスデューサを保護する幾つかの応用が現れている。２つの例は、（１）近接センシング及び又はジェスチャー認識のための短い超音波パルスのトランスミッタ、及び場合によってはレシーバー（代わりに、標準的な音響マイクロフォンを、信号を受信するために用いることができる）。これらのパルスの飛行時間は、手／指の３Ｄ位置、及び又は物体との距離を決定するのに用いられる；（２）ＭＥＭＳデジタル拡声器。後者は、超音波パルスを作り出す超音波トランスミッタのアレイにより作り出され、それは、音響信号をデジタル的に再構成する。
【０００４】
音響（可聴の）から超音波応用間の意図される周波数伝送の違いは、任意の保護カバーに対して異なるメンブレン特性を要求する。反応性保護カバーの共鳴周波数付近又はそれ未満を伝送する際、ｅＰＴＦＥメンブレンの剛性／コンプライアンスは、音響伝送と相関する可能性のある材料特性である。典型的な非ｅＰＴＦＥ代替物は、これらの応用に関するシリコーン及びウレタンフィルムを含む。反応性保護カバーの共鳴周波数を超えて、出願人らは、メンブレンの質量／面積が、伝送を駆動する重要な性質であることを見出した。この理由のために、低質量のｅＰＴＦＥは望ましい。
【０００５】
ＭＥＭＳパッケージにより要求される薄い形状因子における環境的保護及び圧力均等化能に対する必要も依然として存在する。
【発明の概要】
【０００６】
本開示によれば、超音波トランスデューサを有する微小電気機械システムを保護する方法は、約３ｇ／ｍ2以下の質量／面積比を有する延伸ＰＴＦＥメンブレンを超音波トランスデューサに隣接して配することにより提供される。好ましい実施態様において、質量／面積比は約１ｇ／ｍ2以下であり、延伸ＰＴＦＥメンブレンは、直径約０．２５ミクロン超の粒子を捕捉し、延伸ＰＴＦＥメンブレンは、約５０〜約９２．５ＫＨｚの周波数において約３ｄＢ未満の伝送損失を与え、延伸ＰＴＦＥメンブレンは、音波伝送、粒子捕捉、及び圧力排出を与える。
【０００７】
別の側面において、本開示は、超音波トランスデューサと、超音波トランスデューサに隣接して配された、質量／面積比が約３ｇ／ｍ2以下である延伸ＰＴＦＥ保護カバーと、を含む、微小電気機械システムを提供する。
【０００８】
さらに別の側面において、超音波トランスデューサを有する微小電気機械システムを保護する方法は、関係：
【０００９】
【数１】
0006599905.tif 000002
【００１０】
（Ｚａｉｒ＝空気の比音響インピーダンス（ｒａｙｌ）＝４１３、
ｍ／Ａ＝面積当たりの質量（ｋｇ／ｍ2）、
ｆ＝周波数（Ｈｚ）、
ｆ＞２０ＫＨｚ）
を満たす多孔質ポリマー材料を超音波トランスデューサに隣接して配することにより提供される。
【００１１】
別の実施態様において、式
【００１２】
【数２】
0006599905.tif 000003
【００１３】
であり、他の代替において、
【００１４】
【数３】
0006599905.tif 000004
【００１５】
である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施態様を試験するのに用いられた試験方法の概略である。
【図２】図２は、本発明の追加の例示的な実施態様に関する質量／面積対音響性能（増幅）のプロットである。
【図３】図３は、本発明の例示的な実施態様の走査型電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
１つの実施態様において、本開示は、低い質量／面積、好ましくは＜３ｇｓｍ、最も好ましくは＜１ｇｓｍを有する微小電気機械システムのための保護カバーを提供する。別の実施態様において、本開示は、約３ｇ／ｍ2以下の質量／面積比を有する延伸ＰＴＦＥメンブレンを前記超音波トランスデューサに隣接して配する工程を含む、超音波トランスデューサを有する微小電気機械システムを保護する方法を提供する。別の実施態様において、本開示は、超音波トランスデューサと、前記超音波トランスデューサに隣接して配された、約３ｇ／ｍ2以下の質量／面積比を有する延伸ＰＴＦＥ保護カバーと、を含む、微小電気機械システムを提供する。
【００１８】
本開示は、＜３ｇｓｍ、最も好ましくは＜１ｇｓｍの質量／面積を有する微小電気機械システムのための保護カバーの使用を含む。係る保護カバーは、驚くべきことに、保護されたデバイスから約０．２５ミクロン超の粒状物質を離しておき、約５０〜９２．５ＫＨｚの周波数範囲において約３ｄＢ未満の損失での音響伝送を可能にするという両方の機能を果たす。また、保護カバーは、パッケージングプロセス、表面実装技術適用、及びその意図される使用に亘って耐え抜くように、十分耐久性でなければならない。
【００１９】
保護カバーは、好ましくはｅＰＴＦＥの多孔質メンブレンであるが、非多孔質メンブレンが代わりに用いられる。好ましい実施態様において適した多孔質メンブレンは、以下の特性：約３ｇｓｍ未満、最も好ましくは＜１ｇｓｍの質量／面積、約２５ｋｐｓｉ超の機械方向のマトリックス引張強度、約３０ｋｐｓｉ超の横方向のマトリックス引張強度、約３０超のパブルポイント、０．２５ミクロン粒子に対する少なくとも約９９．９％のろ過有効性、及び約１〜２のガーレー数を有する、米国特許第３９５３５６６号及び７３０６７２９号の技術にしたがって製造される。
【００２０】
メンブレンの質量／面積は、スケールを用いてサンプルの明確に規定された面積の質量を測定することにより算出された。サンプルは、ダイ又は任意の正確な切断機を用いて規定された面積に切断された。ガーレーエアフロー試験は、１２．４ｃｍの水圧において、１００ｃｍ3の空気が６．４５ｃｍ2のサンプルを通って流れる時間（秒）を測定する。サンプルは、Ｇｕｒｌｅｙ  Ｄｅｎｓｏｍｅｔｅｒ  Ｍｏｄｅｌ  ４３４０  Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｄｅｎｓｏｍｅｔｅｒで測定された。
【００２１】
多孔質メンブレンのサンプルは、上記のように構成された。それは、１．２ｇ／ｍ2の質量／面積、１．１秒のガーレー数、及び５０〜９２．５ＫＨｚの周波数において１．８ｄＢの音響損失を有していた。試験方法は、図１に関連して以下に記載される。
【００２２】
図１を参照して、無響室の内側に、Ｔａｎｎｏｙ  Ｓｕｐｅｒ  Ｔｗｅｅｔｅｒ超音波スピーカー１０が垂直に取り付けられている。１．５インチ直径のＰＶＣチューブ１１は、スピーカー１０の前面にシールされている。ＰＶＣチューブ１１の他の端部は、適合する１．５インチ直径の穴１３を有する木製のバッフル１２に接続される。Ｂ＆Ｋ４９３９マイクロフォン１４は、木製バッフル１２の表面から約２インチに取り付けられている。スピーカー１０はＢ＆Ｋ２７１６Ｃアンプにより増幅され、マイクロフォンはＢ＆Ｋ  ＮＥＸＵＳコンディショニングアンプにより電力を供給される。マイクロフォン１４が較正され、取り付けられた後、スピーカー１０は、第１２のオクターブの刻み幅において、９２．５ｋＨｚトーン〜２０ｋＨｚトーンの段階的な掃引を生み出す。掃引は、一定の９００ｍＶの励起電圧により生み出される。マイクロフォン１４は、各ステップにおいて音圧レベルを記録し、「オープン条件」として記録された曲線を作り出す。メンブレン１５は、１と３／４インチの内径を有する両面感圧接着剤のリングを用いて木製バッフル１２に取り付けられる。周波数掃引が次いで繰り返され、各周波数における音圧が再び記録される。この曲線は、オープン条件から差し引かれ、減衰曲線を作り出す。５０〜９２．５ｋＨｚの減衰が平均化され、超音波減衰を要約する。
【００２３】
６０ＫＨｚを中心とした第三のオクターブバンドが選択された。このオクターブバンド内の平均増幅が、ｅＰＴＦＥメンブレンの広範な範囲に関して表１に示される。
【００２４】
【表１】
0006599905.tif 000005
【００２５】
本開示によれば、超音波トランスデューサを有する微小電気機械システムを保護する方法は、関係
【００２６】
【数４】
0006599905.tif 000006
【００２７】
（Ｚａｉｒ＝空気の比音響インピーダンス（ｒａｙｌ）＝４１３、
ｍ／Ａ＝面積当たりの質量（ｋｇ／ｍ2）、
ｆ＝周波数（Ｈｚ）、
ｆ＞２０ＫＨｚ）
を満たす多孔質ポリマー材料を超音波トランスデューサに隣接して配することにより提供される。
【００２８】
別の実施態様において、式
【００２９】
【数５】
0006599905.tif 000007
【００３０】
であり、他の代替において、
【００３１】
【数６】
0006599905.tif 000008
【００３２】
である。
【００３３】
第一の式は、０〜１２ｄＢの音響損失ｂ／ｗをカバーし、第二の式は、０〜６ｄＢ、第三の式は０〜３ｄＢをカバーする。
【００３４】
図２は、本開示の追加の例示的な実施態様に関する質量／面積対音響性能（増幅又は音響損失）のプロットである。
【００３５】
図３は、本開示の例示的な実施態様の微小構造を示す走査型電子顕微鏡写真である。
本開示は以下も包含する。
［１］
約３ｇ／ｍ2以下の質量／面積比を有する延伸ＰＴＦＥメンブレンを超音波トランスデューサに隣接して配する工程を含む、超音波トランスデューサを有する微小電気機械システムを保護する方法。
［２］
前記質量／面積比が、約１ｇ／ｍ2以下である、上記態様１に記載の方法。
［３］
前記延伸ＰＴＦＥメンブレンが、直径約０．２５ミクロン超の粒子を捕捉する、上記態様１に記載の方法。
［４］
前記延伸ＰＴＦＥメンブレンが、約５０〜約９２．５ＫＨｚの周波数において約３ｄＢ未満の伝送損失を与える、上記態様１に記載の方法。
［５］
前記延伸ＰＴＦＥメンブレンが、音波伝送、粒子捕捉、及び圧力放出を与える、上記態様１に記載の方法。
［６］
超音波トランスデューサと、前記超音波トランスデューサに隣接して配された、約３ｇ／ｍ2以下の質量／面積比を有する延伸ＰＴＦＥ保護カバーと、を含む、微小電気機械システム。
［７］
前記質量／面積比が、約１ｇ／ｍ2以下である、上記態様６に記載のシステム。
［８］
前記延伸ＰＴＦＥメンブレンが、直径約０．２５ミクロン超の粒子を捕捉する、上記態様６に記載のシステム。
［９］
前記延伸ＰＴＦＥメンブレンが、約５０〜約９２．５ＫＨｚの周波数において約３ｄＢ未満の伝送損失を与える、上記態様６に記載のシステム。
［１０］
前記延伸ＰＴＦＥメンブレンが、音波伝送、粒子捕捉、及び圧力放出を与える、上記態様６に記載のシステム。
［１１］
関係：
【数７】
0006599905.tif 000009
（Ｚａｉｒ＝空気の比音響インピーダンス（ｒａｙｌ）＝４１３、
ｍ／Ａ＝面積当たりの質量（ｋｇ／ｍ2）、
ｆ＝周波数（Ｈｚ）、
ｆ＞２０ＫＨｚ）
を満たす多孔質ポリマー材料を超音波トランスデューサに隣接して配する工程を含む、超音波トランスデューサを有する微小電気機械システムを保護する方法。
［１２］
前記メンブレンがｅＰＴＦＥである、上記態様１１に記載の方法。
【図１】
0006599905.tif 000010
【図２】
0006599905.tif 000011
【図３】
0006599905.tif 000012