運(yùn)用噴墨打印工藝制備叉指換能器和反射柵的方法
【專(zhuān)利摘要】一種運(yùn)用噴墨打印工藝制備叉指換能器和反射柵的方法。該方法包括：叉指換能器及反射柵的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)；壓電基片的選擇；噴墨打印的墨水選擇；工藝步驟等。此方法與傳統(tǒng)的微電子工藝相比，具有制造速度快、環(huán)境友好、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低以及功能多樣化的特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】運(yùn)用噴墨打印工藝制備叉指換能器和反射柵的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聲表面波器件的制備工藝領(lǐng)域，具體涉及到一種運(yùn)用噴墨打印工藝制備叉指換能器和反射柵的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聲表面波(surface acoustic wave SAW)器件具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如小型化、頻率高、帶寬大且?guī)?nèi)畸變較小、可對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行處理等等。聲表面波器件的主要功能部分是叉指換能器和反射柵。傳統(tǒng)的制備方法是采用微電子工藝，將定向切割的晶片進(jìn)行研磨拋光，經(jīng)過(guò)鍍膜、涂膠、烘焙、曝光、刻蝕等工藝完成叉指換能器和反射柵的制作。雖然這種工藝方法能夠制作出極其精細(xì)的微納電路(最小線條能夠達(dá)到32nm或更低)，但其工藝復(fù)雜且污染環(huán)境。且最新的紫外光刻設(shè)備造價(jià)高達(dá)數(shù)千萬(wàn)美元，如此高昂的投資已使集成電路的生產(chǎn)成為全球少數(shù)企業(yè)能夠負(fù)擔(dān)得起的產(chǎn)業(yè)。而以噴墨打印技術(shù)為代表的“直接寫(xiě)”技術(shù)的迅猛發(fā)展，為印制電子器件技術(shù)尋求新的突破提供了發(fā)展思路和方向。
[0003]“直接寫(xiě)”噴墨打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)功能材料的精準(zhǔn)沉積和直接成型。噴墨打印技術(shù)由于非接觸性、無(wú)需印版、材料利用率高、制造步驟少、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，以及可以達(dá)到更高的布線密度和精度，具有廣泛的應(yīng)用前景，因而正在成為一種有競(jìng)爭(zhēng)力的替代技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有聲表面波器件制作工藝復(fù)雜且污染環(huán)境，或設(shè)備投資造價(jià)高的問(wèn)題，提供一種運(yùn)用噴墨打印工藝制備叉指換能器和反射柵的方法，用于降低生產(chǎn)成本,簡(jiǎn)化工藝,且極少產(chǎn)生廢氣廢液等污染物質(zhì)。
[0005]本發(fā)明提供的運(yùn)用噴墨打印工藝制備叉指換能器和反射柵的方法包括:
叉指換能器或反射柵的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)、壓電基片的選擇、導(dǎo)電油墨以及工藝參數(shù)選擇。本發(fā)明將噴墨打印技術(shù)應(yīng)用于聲表面波器件中的叉指換能器和反射柵的制作，具體包括以下幾方面:
1.叉指換能器或反射柵的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì):優(yōu)選的叉指換能器中叉指對(duì)數(shù)為20-30對(duì)；叉指電極寬度為25-50um ;叉指電極厚度為l_4um ;優(yōu)選的反射柵為開(kāi)路反射柵。
[0006]2.壓電基片的選擇:選擇壓電單晶作為應(yīng)用噴墨打印技術(shù)制作SAW器件的材料； 壓電基片材料包括壓電單晶、壓電薄膜和壓電陶瓷。壓電單晶的聲表面波傳播損耗小、
溫度穩(wěn)定性好、可靠性高，是目前高頻SAW器件最常用的壓電材料。壓電陶瓷的機(jī)電耦合系數(shù)大、價(jià)格低，但結(jié)構(gòu)呈顆粒狀，表面均勻度差，因此高頻衰減大，穩(wěn)定性和一致性不好，一般適用于低頻器件。壓電薄膜通常沉積在非壓電基片上，性能接近壓電單晶，但制作誤差大，質(zhì)量不穩(wěn)定。與壓電陶瓷和壓電薄膜相比，壓電單晶更適用于應(yīng)用噴墨打印技術(shù)制作SAW器件。本發(fā)明選用壓電單晶中的128° Y-Z鈮酸鋰作為基片材料。
[0007]3.導(dǎo)電油墨選擇:選擇噴墨納米銀導(dǎo)電墨水；
金、銀、銅、鎳和鈀都屬于金屬類(lèi)導(dǎo)電材料。其中，金類(lèi)導(dǎo)電油墨的價(jià)格最高，不適用于SAW器件的生產(chǎn)。銅類(lèi)導(dǎo)電油墨的電導(dǎo)率比較大且價(jià)格相對(duì)合適，但由于銅的抗氧化能力比較差，致使氧化后的銅導(dǎo)電穩(wěn)定性差，在很大程度上限制了它的應(yīng)用。而含銀的導(dǎo)電油墨電導(dǎo)率最大，且其被氧化后仍然具有導(dǎo)電性。銀納米粒子穩(wěn)定，可形成從微米到納米的各種粒子尺寸。故本發(fā)明中選擇的墨水為噴墨納米銀導(dǎo)電墨水。
[0008]4、工藝參數(shù)選擇及噴墨打印:實(shí)驗(yàn)過(guò)程在室溫條件下進(jìn)行，并將依據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)并利用AutoCAD軟件繪制的叉指換能器版圖直接送入打印機(jī)，以氣流噴印Aerosol Jet 300P為印刷設(shè)備進(jìn)行噴墨打??；應(yīng)用按需式噴墨打印的方式，將納米銀墨水從微米級(jí)的噴嘴中噴出，噴印在壓電材料上形成固定圖形。
[0009]5、去水固化:將噴墨打印后的壓電單晶(如鈮酸鋰)基片放置到60°C的熱臺(tái)上，進(jìn)行水分蒸發(fā)；待水分充分蒸發(fā)后，將(鈮酸鋰)壓電基片放在馬弗爐中進(jìn)行10分鐘的燒結(jié)，溫度為120°c。
[0010]6、成品:對(duì)成品應(yīng)用有線連接的方式進(jìn)行電學(xué)測(cè)試。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
從上述技術(shù)方案中可以看出本發(fā)明的有益效果如下:
1、本發(fā)明提供的運(yùn)用噴墨打印工藝制備叉指換能器和反射柵的方法與傳統(tǒng)的微電子工藝相比，極大的降低了生產(chǎn)成本，適于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0012]2、本發(fā)明提供的運(yùn)用噴墨打印工藝制備叉指換能器和反射柵的方法，具有工藝簡(jiǎn)單，連接性能可靠，導(dǎo)電性好等特點(diǎn)，且廢氣廢液極少，有利于環(huán)保。
[0013]【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
圖1噴墨打印方式示意圖，圖中，A連續(xù)式噴墨打印，B按需式噴墨打印。
[0014]圖2本發(fā)明中叉指換能器的設(shè)計(jì)版圖。
[0015]圖3本發(fā)明工藝流程圖。
[0016]圖4噴墨打印工藝制備的IDT成品圖。
[0017]圖5通帶頻率特性的仿真結(jié)果。
[0018]圖6成品器件的實(shí)測(cè)曲線。
[0019]以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)發(fā)明予以詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]【具體實(shí)施方式】:
實(shí)施例1
本發(fā)明實(shí)施例是運(yùn)用噴墨打印的方法來(lái)制備聲表面波器件中的叉指換能器。壓電基片選用壓電單晶中的128° Y-Z鈮酸鋰；導(dǎo)電油墨采用噴墨納米銀導(dǎo)電墨水，采用噴墨打印方法制備叉指換能器無(wú)需印版、材料利用率較高、有利于環(huán)保且大大降低了成本。
[0021 ] 本發(fā)明運(yùn)用的噴墨打印方法的機(jī)理是將納米銀墨水從微米級(jí)的噴嘴中噴出，形成小墨滴后經(jīng)過(guò)電壓的驅(qū)動(dòng)使小墨滴發(fā)生水平方向上的偏轉(zhuǎn)，噴印在承載物上，無(wú)數(shù)的小墨滴噴射后便形成我們想要得到的圖案。墨滴尺寸的大小決定了圖案的清晰度。按照噴墨方式的不同，可將噴墨打印技術(shù)分為連續(xù)式噴墨打印和按需式噴墨打印，如圖1所示。所謂連續(xù)式噴墨如圖1 (A)，就是噴頭中連續(xù)噴出墨滴，無(wú)需噴墨時(shí)墨滴便會(huì)流入回收裝置；按需式噴墨如圖1(B)，就是在所需的承載物位置上噴印墨滴，無(wú)需噴墨時(shí)噴嘴中沒(méi)有墨滴噴出。本發(fā)明中采用按需式噴墨打印。
[0022]具體實(shí)施步驟如下: 1.叉指換能器實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì):
如圖2所示。其中一個(gè)叉指換能器稱(chēng)為聲表面波發(fā)射器，它將施加在該叉指換能器上的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為相同頻率的聲表面波信號(hào)；另一個(gè)叉指換能器稱(chēng)為接收器，接收由發(fā)射器產(chǎn)生的SAW經(jīng)基片表面?zhèn)鬟f來(lái)的聲波信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。發(fā)射和接收的叉指換能器具有相同的圖案和尺寸。本發(fā)明中的叉指換能器的叉指指對(duì)數(shù)為30、叉指電極數(shù)為61、叉指電極寬度:a=50um、叉指間隙寬度:b=50um、叉指換能器周期:λ =2 (a+b) =200um、叉指換能器孔徑:W=20 λ =4000um、叉指指條長(zhǎng)度:4200um、叉指距匯流條距離:1 λ =200um、換能器匯流條寬度:1000um、匯流條長(zhǎng)度:10000um,由于前端長(zhǎng)出3000um,便于接線、兩個(gè)叉指換能器間距:Ld=30 λ =6000um、叉指電極厚度為2um。
[0023]2.壓電基片的選擇:用于SAW器件的基片材料和切向的總體選擇原則應(yīng)該是:1)叉指電極平面具有很好的平整度。2)較高的機(jī)電耦合系數(shù)，以提高電聲轉(zhuǎn)換效率，降低器件插損。3)溫度系數(shù)小，防止溫度對(duì)測(cè)量的影響。根據(jù)以上要求本發(fā)明的實(shí)施例中選用的壓電材料為128° Y-Z鈮酸鋰，它的聲表面波速度為3896m/s，機(jī)電耦合系數(shù)為6.00%，溫度系數(shù)為-75X10_6/°C。該材料已在聲表面波器件中廣泛應(yīng)用，并有良好的效果。為保證它的表面平整度在微米級(jí)以下，在定向切割后首先要對(duì)基片進(jìn)行單面拋光，采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方法。根據(jù)叉指換能器的尺寸要求，選用基片直徑為2in.，綜合考慮基片本身不能過(guò)厚，同時(shí)要能承受?chē)娔蛴〉膲毫?，厚度設(shè)置為0.43mm。
[0024]3.導(dǎo)電油墨選擇:采用納米銀導(dǎo)電墨水在壓電單晶上進(jìn)行噴墨打印。
[0025]4.噴墨打印工藝步驟及參數(shù):將納米銀導(dǎo)電墨水制成納米銀膠，采用原位聚合的方法制備；再加入總體系2%的光引發(fā)劑907，用玻璃棒攪拌，然后在超聲清洗機(jī)中進(jìn)行充分混合，最終得到光固化納米銀膠。將制備好的光固化導(dǎo)電油墨放置到噴墨打印機(jī)中；將預(yù)打印的叉指換能器的版圖輸入電腦中；利用噴墨打印技術(shù)將版圖噴印至鈮酸鋰基片上；再把滴有導(dǎo)電油墨的鈮酸鋰基片放置到60°C的熱臺(tái)上，進(jìn)行水分蒸發(fā)；待水分充分蒸發(fā)后，將鈮酸鋰基片放在馬弗爐中進(jìn)行10分鐘的燒結(jié)，溫度為120°C。最后得到噴墨打印成品。如圖4所示。
[0026]5.測(cè)試結(jié)果:在選定了壓電基片的基礎(chǔ)上，依照IDT的參數(shù)和5函數(shù)模型進(jìn)行軟件仿真，可得到如圖5所示的通帶頻率特性的仿真結(jié)果。由圖可知:(I)通頻帶在18.0OMHz?18.50MHz ; (2)在通帶內(nèi)最大插入損耗為13.0dB，最小插入損耗為10.0dB，通帶內(nèi)最大波紋為3.0dB左右；(3)帶外最小衰減為30.0dB。
[0027]將應(yīng)用噴墨打印工藝制備的叉指換能器用導(dǎo)電銀漿將叉指匯流條與測(cè)試線纜相接，用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生逐點(diǎn)頻率的掃頻信號(hào)，用示波器連續(xù)測(cè)量其輸出的波形幅值并記錄，通過(guò)計(jì)算不同頻點(diǎn)下輸入輸出信號(hào)幅度的比值，能夠得到其幅頻特性曲線，如圖6所示。其通頻帶基本位于18.0OMHf 18.50MHz，通帶最大衰減約為10.0dB ;其過(guò)渡帶較為陡峭，基本在17.60MHz?18.0OMHz,18.50MHz?18.70MHz，阻帶的最小衰減約為30dB，與仿真結(jié)果(圖5)基本吻合。由此可知:噴墨打印工藝制備的叉指換能器能夠?qū)崿F(xiàn)將交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，滿足應(yīng)用要求。
[0028]最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者同等替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種運(yùn)用噴墨打印工藝制備叉指換能器和反射柵的方法，其特征在于該方法具體包括: 第1、叉指換能器或反射柵的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)； 第2、壓電基片選擇:選擇壓電單晶作為壓電材料； 第3、導(dǎo)電油墨選擇:采用納米銀導(dǎo)電墨水在壓電單晶上進(jìn)行噴墨打??； 第4、噴墨打印:應(yīng)用按需式噴墨打印的方式，將納米銀墨水從微米級(jí)的噴嘴中噴出，噴印在壓電材料上形成固定圖形； 第5、去水固化:把滴有導(dǎo)電油墨的壓電基片放置到60°C的熱臺(tái)上，進(jìn)行水分蒸發(fā)；待水分充分蒸發(fā)后，將壓電基片放在馬弗爐中進(jìn)行10分鐘的燒結(jié)，溫度為120°C ； 第6、成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第I步所述實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)具體是:叉指換能器中叉指對(duì)數(shù)為20-30對(duì)；叉指電極寬度為25-50um ;叉指電極厚度為l_4um ;所述反射柵為開(kāi)路反射柵。
【文檔編號(hào)】H03H3/08GK103888098SQ201410143936
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】滕建輔, 曹陽(yáng), 劉君, 李琨, 軒秀巍 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)