СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕМБРАННЫХ СТРУКТУР
METHOD OF MAKING MEMBRANE STRUCTURES

Способ изготовления мембранных структур относится к области электроники и предназначен для изготовления единичных и матричных мембранных структур на основе керамики, служащих основой различных сенсоров, акустических приборов и других твердотельных изделий электроники.
Известны способы изготовления мембранных структур [1, 2], использующие тонкие пленки пьезокерамики, покрывающие отверстия в относительно толстых керамических подложках, и позволяющие использовать физические, в том числе механические, свойства таких мембран, например, при производстве сенсорных кнопок [1]. Эти способы включают изготовление подложки из сырой керамики, изготовление в этой подложке, по крайней мере, одного отверстия, изготовление заготовки мембраны, сборку мембранной структуры путем соединения упомянутой заготовки мембраны с поверхностью подложки с отверстиями(ем) так, чтобы она покрывала отверстия, образуя мембраны в области отверстий, и последующую термообработку мембранной структуры для обжига сырой керамики. В рассмотренных аналогах активные пьезоэлектрические слои, т.е. слои с электродами, нанесены на поверхность мембраны, а не использованы в качестве самой мембраны. В связи с этим такой способ хорош для использования мембранных структур, например, в качестве сенсорных кнопок, где мембрана должна выдерживать достаточно большие внешние нагрузки, прикладываемые к ней. В этом случае нагрузки достаточны для деформации как самой мембраны, так и жестко соединенного с ней пьезоэлектрического слоя с электродами. При попытке использования таких структур для каких-либо сенсоров гибкость такой мембраны, а следовательно, и чувствительность сенсора могут оказаться недостаточными.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению, т.е. прототипом, является способ для производства мультимембранных структур, в которых мембрана выполнена из пьезокерамики [3]. Этот способ включает подготовку сырой керамической подложки, изготовление в этой подложке, по крайней мере, одного сквозного отверстия, формирование в области отверстий будущего внутреннего пространства между подложкой и мембраной путем нанесения на подложку в окрестности отверстий соединительной пасты, покрытие подложки со стороны соединительной пасты заранее подготовленной тонкой мембранной пластиной из сырой керамики, сжатие образованной таким образом мультимембранной структуры, последующую термообработку мембранной структуры для обжига сырой керамики. Такие мембранные структуры могут быть выполнены в виде матриц, т.е. одноуровневых мультимембранных структур, и использованы, например, для разработки и производства печатающих головок струйных принтеров, а также, возможно, для некоторых других изделий электроники. Однако мембранные структуры по способу-прототипу имеют лишь один уровень идентичных мембран с заданными параметрами (толщина, резонансная частота и т.д.), расположенных на поверхности подложки. Для реализации же на основе мембранных структур более широкого спектра изделий электроники с различными функциями, во-первых, требуется наличие в одной структуре сразу нескольких мембран в различных уровнях структуры. Во-вторых, желательно, чтобы разные мембраны в составе одной структуры обладали различными параметрами. И наконец, в-третьих, в идеале мембраны должны обладать свойством перенастраивать свои параметры, например, с помощью каких-либо внешних электрических сигналов. В этом случае функциональность мембранных структур как основы для различных изделий электроники могла бы быть существенно повышена.
Задачей, на которую направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональности мембранных структур на основе пьезокерамики как основы для различных изделий электроники в виде актюаторов, твердотельных монолитных генераторов, сенсоров физических полей и различных воздействий, а также в повышении предельных параметров этих и других изделий электроники.
В данном изобретении предлагаются варианты способа.
Первый вариант способа изготовления мембранных структур включает изготовление подложки из сырой керамики, изготовление в этой подложке, по крайней мере, одного отверстия, изготовление заготовки мембраны из сырой керамики, сборку мембранной структуры путем соединения упомянутой заготовки мембраны с поверхностью подложки с отверстиями(ем) так, чтобы она покрывала отверстия, образуя мембраны в области отверстий, и последующую термообработку мембранной структуры для обжига сырой керамики, причем изготавливают несколько подложек с отверстиями, изготавливают не менее одной заготовки мембран, при сборке мембранной структуры соединение сырых подложек с отверстиями и заготовок мембран проводят более одного раза, сборку завершают присоединением либо очередной подложки или очередной заготовки мембраны, образуя, таким образом, либо одноуровневую мембранную структуру с заглубленной мембраной между плоскостями итоговой подложки, либо многоуровневую мембранную структуру, причем отверстия в подложках изготавливают прямыми и/или коническими, обеспечивающими различный планарный размер мембран в разных уровнях мембранной структуры, а в подложке одного уровня изготавливают отверстия с различной формой и (или) различными планарными размерами, при формировании второго и последующих уровней мембранных структур подложки с отверстиями накладывают так, чтобы их отверстия были коаксиальны с отверстиями мембранной структуры первого уровня, причем при формировании второго и последующих уровней мембранных структур для формирования мембран используют заготовки мембран, различные по толщине, по крайней мере, одну подложку мембранной структуры изготавливают в виде пьезокерамического актюатора, способного изменять свои размеры в плоскости мембраны, и, по крайней мере, одну заготовку мембраны изготавливают в виде слоистой структуры с чередованием нескольких пьезоэлектрических и электропроводящих слоев.
Второй вариант способа изготовления мембранных структур включает изготовление подложки из сырой керамики, изготовление в этой подложке, по крайней мере, одного отверстия, изготовление заготовки мембраны из сырой керамики, сборку мембранной структуры путем соединения упомянутой заготовки мембраны с поверхностью подложки с отверстиями(ем) так, чтобы она покрывала отверстия, образуя мембраны в области отверстий, и последующую термообработку мембранной структуры для обжига сырой керамики, причем подложку мембранной структуры изготавливают в виде пьезокерамического актюатора, способного изменять свои размеры в плоскости мембраны, или с использованием пьезокерамического(их) актюатора(ов), обеспечивающего(их) изменение размеров подложки в плоскости мембраны.
Третий вариант способа изготовления мембранных структур включает изготовление подложки из сырой керамики, изготовление в этой подложке, по крайней мере, одного отверстия, изготовление заготовки мембраны из сырой керамики, сборку мембранной структуры путем соединения упомянутой заготовки мембраны с поверхностью подложки с отверстиями(ем) так, чтобы она покрывала отверстия, образуя мембраны в области отверстий, и последующую термообработку мембранной структуры для обжига сырой керамики, причем заготовку мембраны изготавливают в виде слоистой структуры с чередованием нескольких пьезоэлектрических и электропроводящих слоев.
Таким образом, в способе по варианту 1 отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что изготавливают несколько подложек с отверстиями, изготавливают не менее одной заготовки мембран, при сборке мембранной структуры соединение сырых подложек с отверстиями и заготовок мембран проводят более одного раза, сборку завершают присоединением либо очередной подложки или очередной заготовки мембраны, образуя, таким образом, либо одноуровневую мембранную структуру с заглубленной мембраной между плоскостями итоговой подложки, либо многоуровневую мембранную структуру, причем отверстия в подложках изготавливают прямыми и коническими, обеспечивающими различный планарный размер мембран в разных уровнях мембранной структуры, а в подложке одного уровня изготавливают отверстия с различной формой и (или) различными планарными размерами, при формировании второго и последующих уровней мембранных структур подложки с отверстиями накладывают так, чтобы их отверстия были коаксиальны с отверстиями мембранной структуры первого уровня, причем при формировании второго и последующих уровней мембранных структур для формирования мембран используют заготовки мембран, различные по толщине, а, по крайней мере, одну подложку мембранной структуры изготавливают в виде пьезокерамического актюатора, способного изменять свои размеры в плоскости мембраны, и, по крайней мере, одну заготовку мембраны изготавливают в виде слоистой структуры с чередованием нескольких пьезоэлектрических и электропроводящих слоев.
В способе по варианту 2 отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что подложку мембранной структуры изготавливают в виде пьезокерамического актюатора, способного изменять свои размеры в плоскости мембраны, или с использованием пьезокерамического(их) актюатора(ов), обеспечивающих изменение размеров подложки в плоскости мембраны.
В способе по варианту 3 отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что заготовку мембраны изготавливают в виде слоистой структуры с чередованием нескольких пьезоэлектрических и электропроводящих слоев.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося:
- в расширении функционального назначения мембранных структур;
- в повышении предельных параметров и в расширении динамического диапазона параметров изделий на основе предлагаемых мембранных структур.
рез
0
0
рез
рез
1/2
Расширение функционального назначения мембранных структур по предлагаемому способу достигается, например, за счет того, что в структурах с подложкой, выполненной в виде актюатора, при подаче электрического напряжения U от внешнего источника на актюатор изменяется величина механического натяжения мембран τ и, следовательно, их резонансные частоты f, скорость упругой волны в мембране и другие параметры. Пусть в исходном состоянии, т.е. при U=0, мембрана 4 имеет натяжение τ, заданное технологией сборки мембранной структуры (фиг.1а). При подаче на электроды 5 подложки 1 в виде многослойного актюатора электрического напряжения U с полярностью, обеспечивающей направление электрического поля в пьезокерамических слоях актюатора, противоположное векторам поляризации в этих слоях (пусть это будет U>0), актюатор уменьшит свою высоту, т.е. размер, в направлении z. Тогда в плоскости «х» мембран линейные размеры соответственно увеличатся (фиг.1б). В этом случае произойдет натяжение мембран, жестко связанных с подложкой, и величина механического напряжения возрастет τ>τ. Резонансная частота мембраны f при этом повысится, т.к. она пропорциональна τ, где τ - величина радиального натяжения мембраны. При обратной полярности (U<0) электрического напряжения, подаваемого на такую подложку в виде пьезокерамического актюатора, способного изменять свои размеры в плоскости мембраны (далее - активную подложку), исходное натяжение мембран будет уменьшаться вплоть до нуля (фиг.1в). По мере уменьшения τ будет уменьшаться и f. При дальнейшем увеличении U мембраны могут выгибаться (фиг.1г). Таким образом, при использовании этого отличительного независимого признака предлагаемого изобретения в совокупности с известными признаками прототипа образуются мембранные структуры с управляемой резонансной частотой и скоростью распространения звука в мембране. Это позволяет разрабатывать на основе таких мембранных структур линии задержки, резонаторы и другие изделия электроники с перенастраиваемыми характеристиками, что невозможно сделать на основе структур по способу-прототипу.
вых
Еще один заявленный технический результат - повышение предельных параметров и расширение динамического диапазона параметров изделий на основе предлагаемых мембранных структур - можно продемонстрировать на основании гипотетической конструкции, например, датчика переменных ускорений, т.е. акселерометра. Часто конструкция акселерометра, основанного на использовании пьезоэлектрического эффекта, базируется на деформации пьезоэлектрика за счет инерционных сил F, возникающих при ускорении «а». Разумеется, при этом F=Ma, где М суммарная масса пьезоэлектрика и присоединенной к нему массы m. На фигуре 2а представлена схема гипотетической конструкции акселерометра на основе одноуровневой мембранной структуры. При возникновении ускорения «а» в направлении оси z на присоединенную к центру мембраны массу m 6 действует сила F=ma. Для простоты рассуждений будем считать, что массой самой мембраны 4 в силу ее малости в сравнении с присоединенной массой 6 можно пренебречь. Под действием силы F мембрана 4 прогнется, увеличится натяжение мембраны вдоль ее поверхности и на электродах мембраны 7 возникнет электрическое напряжение как отклик на появление ускорения «а». Понятно, что, с одной стороны, для повышения чувствительности такой конструкции необходимо, чтобы мембрана была как можно тоньше. С другой стороны, по мере уменьшения толщины мембраны будет уменьшаться ее механическая прочность, ограничивающая максимальное значение измеряемого ускорения «а». Для повышения верхнего предела динамического диапазона такого акселерометра толщину мембраны надо увеличивать. Два этих противоречивых требований обуславливают в реальных конструкциях компромисс в выборе толщины мембраны, а по существу, компромисс между чувствительностью и динамическим диапазоном измерения. В конструкции же акселерометра на основании многоуровневой мембранной структуры по предлагаемому способу, представленной на фигуре 2б, необходимость в таком компромиссе во многом отпадает. Например, уже на двухуровневой мембранной структуре, изготовленной по предлагаемому способу, можно разработать чувствительный акселерометр с расширенным диапазоном измерения. Конструкция такого акселерометра предусматривает крепление массы m на тонкую чувствительную к механическим инерционным нагрузкам мембрану 4а. Присоединенная масса m, после определенного прогиба мембраны 4а, упирается в мембрану второго уровня 4б. Дальнейшее увеличение измеряемого ускорения «а» и, следовательно, увеличение инерционной нагрузки на присоединенную массу приводят к совместному изгибу мембран обоих уровней. При этом информационные сигналы с электродов мембран 4а и 4б складываются и формируют выходной сигнал U. В представленной конструкции на основе предлагаемого способа формирования многоуровневых мембранных структур одновременно обеспечивается высокая чувствительность в области малых значений измеряемых ускорений и расширенный диапазон измерений.
Изобретение поясняется последующими фигурами 3-10.
Фигуры 3-8 иллюстрируют способ изготовления мембранных структур по варианту 1 изобретения. На фигуре 3 представлена схема изготовления одноуровневой мембранной структуры с заглубленной мембраной (фиг.3б) и многоуровневой мембранной структуры (фиг.3г) по п.1 формулы изобретения. Одноуровневая мембранная структура с заглубленной мембраной (4) собрана путем соединения сырой подложки (1) с отверстиями (2) с заготовкой мембраны (3) и последующим присоединением к этой сборке второй подложки (1) (фиг.3а). При многократной последовательности соединения подложек (1) с заготовками мембраны (3) (фиг.3в) формируется многоуровневая мембранная структура с мембранами (4) (фиг.3г).
На фигуре 4 иллюстрируется в соответствии с п.2 формулы изобретения сборка многоуровневой мембранной структуры с использованием подложек, имеющих прямые (2а) и конические (2б) отверстия, обеспечивающие различный планарный размер мембран в разных уровнях мембранной структуры.
На фигуре 5 в соответствии с п.3 формулы изобретения представлена схема сборки мембранной структуры с мембранами (4) с различной формой и (или) различными планарными размерами.
Фигура 6 иллюстрирует пример мембранных структур по п.5 формулы изобретения с мембранами различной толщины в различных уровнях многоуровневых мембранных структур.
На фигуре 7 представлены мембранные структуры по п.6 формулы изобретения с активной подложкой (1), например в виде многослойного актюатора, способного при подаче электрического напряжения U от внешнего источника на электроды актюатора (5) изменять свои размеры в плоскости мембран и, таким образом, изменять напряжение механического натяжения мембран в одно- (фигура 7а) или в многоуровневой (фиг.7б, в) мембранной структуре. Подложка в виде многослойного актюатора может быть выполнена как в отдельных уровнях итоговой многоуровневой мембранной структуры (фиг.7б), так и во всех уровнях (фиг.7б, в). При расположении внутренних электродов многослойного актюатора, изображенного в качестве одного из примеров на фигуре 5, наибольшее перемещение актюатора происходит в направлении оси z. Однако, поскольку при обратном пьезоэлектрическом эффекте, лежащем в основе работы пьезокерамических актюаторов, объем пьезокерамики остается постоянным, при деформации вдоль оси z, актюатор вдоль оси х, т.е. в плоскости мембран, испытывает деформацию обратного знака. Представленная мембранная структура с подложкой в виде многослойного актюатора является лишь частным примером реализации мембранной структуры с активной подложкой. Могут быть использованы и другие конструкции активной подложки, где деформация подложки с помощью актюатора и, следовательно, изменение натяжения мембран достигаются, например, за счет изгиба подложки.
Фигура 8 иллюстрирует предлагаемый способ по п.7 формулы изобретения, отличающийся тем, что, по крайней мере, одну заготовку мембраны изготавливают в виде слоистой структуры с чередованием нескольких пьезоэлектрических и электропроводящих слоев. Такая заготовка мембраны может быть выполнена, например, в виде биморфной или тетраморфной структуры.
Фигура 9 иллюстрирует предлагаемый способ по варианту 2 предлагаемого изобретения. По данному пункту изобретения активная подложка, способная, при подаче на нее электрического напряжения, изменять свои размеры в плоскости мембран, может входить в состав как многоуровневых, так и одноуровневых мембранных структур, в том числе с поверхностными мембранами.
Фигура 10 иллюстрирует предлагаемый способ по варианту 3 предлагаемого изобретения. По данному пункту изобретения заготовка мембраны в виде многослойной гетероструктуры, например в виде биморфной или тетраморфной структуры, может входить в состав как многоуровневых, так и одноуровневых мембранных структур, в том числе с поверхностными мембранами.
Примеры реализации
x
1-x
3
В качестве примеров, иллюстрирующих способ изготовления мембранных структур по данной заявке, изготовлены одно- и двухуровневые мембранные структуры на основе керамики цирконата-титаната свинца (ЦТС) - PbTiZrO.
Подложки согласно предлагаемому изобретению выполнены в двух видах. Первый вид подложек - пассивные гомогенные подложки, выполненные путем стопирования двадцати слоев сырой пьезокерамической пленки. Второй вид подложек - активные гетерогенные подложки, выполненные в виде двадцатислойного актюатора. Толщина сырой пленки ЦТС, используемой для сборки подложек, составляла 28±1 мкм. Для изготовления внутренних электродов активных подложек использовалась серебро-палладиевая паста. Толщина внутренних электродов после обжига составляла 2-3 мкм. Стопированные заготовки для подложек имели планарные размеры 160×160 мм. В пассивных подложках сквозные отверстия различного диаметра: 6, 8, 10 мм (фиг.11), выполнены методом вырубки. В активных подложках сквозные отверстия диаметром 1,8 мм выполнены путем сверления.
Заготовки мембраны согласно предлагаемому изобретению выполнены в виде слоев сырой керамики толщиной 23, 46 и 69 мкм (в последних двух случаях путем прессовки соответственно 2 и 3 слоев сырой пленки ЦТС), а также в виде слоистой структуры, в которой между двумя сдвоенными слоями сырой керамики толщиной 56 мкм расположен слой в 4 мкм металлизационной серебро-палладиевой пасты.
На основе описанных подложек и заготовок мембран выполнены мембранные структуры с конструкцией в соответствии с фиг.3б, 7а, 8 в одно- и двухуровневом исполнении.
После сборки мембранные структуры подвергнуты двухстадийному обжигу, включающему этапы термообработки при 400°С и 960°С. Характерный внешний вид мембранных структур, сформированных на основе пассивной подложки, представлен на фиг.12. На фиг.13 представлено поперечное сечение гомогенной мембраны толщиной 46 мкм в составе одноуровневой структуры с заглубленной мембраной при большом увеличении. Видно, что, как и ожидалось, в результате высокотемпературного обжига сформирована керамика с поликристаллической структурой. Наиболее вероятный размер кристаллитов составляет примерно 2,5 мкм. Локальный участок поперечного сечения активной подложки изготовленной мембранной структуры в виде многослойного актюатора представлен на фиг.14.
Источники информации
1. Yukihisa Takeuchi, Tsutomu Nanataki, Katsuyuki Takeuchi "Method for producing ceramic diafragm structure". US Patent no. 5,997,671. Des. 7, 1999.
2. Yukihisa Takeuchi, Tsutomu Nanataki, Katsuyuki Takeuchi "Ceramic diafragm structure and method for producing the same". US Patent no. 6,552,474. Apr. 22, 2003.
3. Yukihisa Takeuchi, Tsutomu Nanataki, Nobuo Takahashi "Method for producing multi diafragm structure". US Patent 5,809,626. Sep. 22, 1998.