用於保護微‑電子‑機械系統的設備和方法與流程
2023-06-14 04:40:01 1
通過微製造技術將機械元件、傳感器，致動器等與電子器件集成在常見的矽基板上稱為微-電子-機械系統(「MEMS」)。MEMS傳感器可以用於麥克風、用戶壓力傳感器、輪胎壓力監測系統、氣體流量傳感器、加速度計和陀螺儀。已知的矽電容式麥克風MEMS組件包括聲學換能器和聲學埠。聲學埠還包括環境屏障，如聚四氟乙烯(PTFE)或燒結金屬，以保護換能器免受環境因素，例如陽光，溼氣，油，汙垢和/或灰塵的影響。聲學換能器包括揚聲器和麥克風。膨脹型聚四氟乙烯(ePTFE)膜已用於保護聲學換能器多年。最近，出現了用於保護超聲換能器的若干應用。兩個示例是：(1)用於手勢識別的短超聲脈衝的發射器，也可能是接收器(或者，可以使用標準聲學麥克風來接收信號)和/或接近感測。這些脈衝的飛行時間用於確定手/手指的3D位置和/或到對象的距離；(2)MEMS數字揚聲器。後者是用產生超聲波脈衝的超聲波發射器陣列產生的，其以數字方式再現可聽信號。對於任何保護蓋，聲學(可聽)和超聲波應用之間的預期頻率傳輸的差異需要不同的膜特性。當傳輸頻率接近或低於反應性保護蓋的共振頻率時，ePTFE膜的剛度/順度即為與聲學傳輸相關的材料性質。典型的非－膨脹型聚四氟乙烯(non-ePTFE)的替代物包括用於這些應用的矽氧烷和氨基甲酸酯膜。高於反應性保護蓋的共振頻率時，申請人已經發現，膜的質量/面積是驅動傳輸的關鍵屬性。因此，需要低質量的膨脹型四氟乙烯。還存在對MEMS組件所需求的薄形狀因數的環境保護和壓力均衡能力的需求。發明概述根據本公開,通過在超聲換能器附近設置質量/面積比為約3g/m2或更小的膨脹型PTFE膜，來提供保護具有超聲換能器的微-電子-機械系統的方法。在優選的實施方式中，質量/面積比為約1g/m2或更小，膨脹型PTFE膜捕獲直徑大於約0.25微米的顆粒，膨脹型PTFE膜在約50KHz到約92.5KHz的頻率下提供的傳輸損失小於約3分貝，膨脹型PTFE膜還能提供聲波傳輸，顆粒捕獲和壓力排放。另一方面，本公開提供了一種微-電子-機械系統，其包括超聲換能器和設置在超聲換能器附近的質量/面積比約為3g/m2或更小的膨脹型PTFE保護蓋。另一方面，通過設置鄰近超聲換能器的多孔聚合物材料提供保護具有超聲換能器的微-電子-機械系統的方法，所述多孔聚合物材料滿足以下關係：Z空氣＝空氣的比聲阻抗(瑞利)＝413；f＝頻率(赫茲),f>20KHz。在替代實施方式中，等式為：在其它替代實施方式中:附圖簡要說明圖1是用於測試本發明實施方式的測試方法的示意圖。圖2是本發明的其它示例實施方式的質量/面積相對於聲學性能(放大率)的圖。圖3是本發明示例實施方式的掃描電子顯微照片。發明詳述在一個實施方式中,本公開提供了一種用於微-電子-機械系統的保護蓋，其具有低質量/面積，優選<3gsm，最優選<1gsm。在另一個實施方式中,本公開提供了一種保護具有超聲換能器的微-電子-機械系統的方法，所述方法包括鄰近所述超聲換能器設置質量/面積比為約3g/m2或更小的膨脹型PTFE膜的步驟。在另一個實施方式中，本公開提供一種微-電子-機械系統，所述系統包括超聲換能器和鄰近所述超聲換能器設置的質量/面積比約為3g/m2或更小的膨脹型PTFE保護蓋。本公開涉及保護蓋用於微-電子-機械系統的用途，其質量/面積小於3g/m2，最優選小於1g/sm。這種保護蓋令人驚訝地起到了保持大於約0.25微米的顆粒物質在被保護裝置以外的作用，並且允許在約50-92.5KHz的頻率範圍內具有損失小於約3分貝的聲波傳輸。保護蓋必須足夠耐用以經受住包裝過程、表面貼裝技術應用以及通過其預期的用途。保護蓋優選ePTFE的多孔膜，儘管在替代方案中使用非多孔膜。根據美國專利3,953,566和7,306,729的教導，製備了優選實施方式中的合適的多孔膜，以具有以下性質：質量/面積約小於3g/sm，最優選小於1g/sm；機器方向基體拉伸強度大於約25kpsi；橫向基體拉伸強度大於約30kpsi；泡點大於約30；對0.25微米顆粒的過濾效率為至少約99.9％；格力值約1到2。膜的質量/面積是通過使用標尺測量樣品明確限定面積的質量來計算的。使用模具或任何精確切割儀器將樣品切割至限定面積。格利(Gurley)空氣流量測試測量在12.4釐米水壓下100釐米3空氣流通過6.45cm2樣品的時間(以秒計)。樣品在格力密度計型號4340自動密度計(GurleyDensometerModel4340AutomaticDensometer)中測量。如上所述構建多孔膜的樣品。所述多孔膜具有1.2g/m2的質量/面積，1.1秒的格力值，以及在50-92.5KHz的頻率下1.8分貝的聲損耗。這個測試方法結合圖1在下面描述。參考圖1，天朗超高音聲波揚聲器(TannoySuperTweeterultrasonicspeaker)10垂直安裝在隔音室內。具有1.5英寸直徑的PVC管11密封到揚聲器10的前部。PVC管11的另一端連結到木製擋板12上，所述擋板匹配有1.5英寸直徑的孔13。B&K4939麥克風14安裝在距離木製擋板12的表面大約2英寸處。揚聲器10通過B&K2716C放大器放大,麥克風由B&KNEXUS調節放大器供電。在校準並安裝麥克風14之後，揚聲器10在第12倍頻步長處產生從92.5kHz全音程(tone)到20kHz全音程的階躍掃描。掃描在900mV的恆定勵磁電壓下進行。麥克風14記錄每個步驟的聲壓水平,創建記錄為「打開條件」的曲線。使用內徑為1英寸和3/4英寸的雙面壓敏粘合劑環將膜15安裝到木製擋板12上。然後重複該頻率掃描，每個頻率的聲壓也將再次被記錄下來。從打開條件中減去該曲線以創建衰減曲線。對50kHz-92.5kHz的衰減取平均以概括超聲衰減。選擇以60KHz為中心的第三倍頻帶，對於寬範圍的ePTFE膜在該倍頻帶內的平均放大率參見表1。表1質量(g/m2)放大(分貝)0.14-1.218750.3-0.018751-2.31.5-2.493751.6-3.312.7-4.971253.1-7.11253.5-7.133.7-7.98754.1-7.196-12.60375根據本公開，通過在超聲換能器附近設置多孔聚合材料提供了一種保護具有超聲換能器的微-電子-機械系統的方法，所述多孔聚合材料滿足以下關係：Z空氣＝空氣的比聲阻抗(瑞利)＝413；f＝頻率(Hz)f>20KHz在替代實施方式中，等式為：在其它的替代方式中:第一個方程式包括聲損耗b/w0-12分貝，第二方程式:0–6分貝,第三個方程式0–3分貝。圖2是本發明額外的示例性實施方式的質量/面積比與聲學性能(放大或聲損失)的關係圖。圖3是顯示本公開示例性實施方式的顯微結構的掃描電子顯微照片。當前第1頁1 2 3