具有高频率响应的大区域印制的压电器件制造技术

一种压电器件，包括压电叠层，压电叠层具有压电层，压电层夹在底部电极和顶部电极之间以形成压电换能器。底部电极和顶部电极中的至少之一是由具有第一电阻率的基于聚合物的导电材料形成的聚合物电极。设置有导电线结构，以沿着与接触区域至少部分重叠的导电线结构的一条或多条导电线的各个长度形成与聚合物电极的接触区域接触的延长线接触部。导电线结构由具有低于第一电阻率的第二电阻率的导电材料形成，以帮助经由延长线接触部在聚合物电极上分布电场。极上分布电场。极上分布电场。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有高频率响应的大区域印制的压电器件


[0001]本专利技术涉及压电器件以及制造方法。

技术介绍

[0002]压电器件用于各种应用中。诸如传感和驱动的一些应用可以受益于相对较大的传感器区域，例如与目标表面的尺寸相似。在典型的压电器件结构中，压电层夹在两个电极之间。在压电器件的极化过程中，器件失效通常是明显的。极化通过施加大于矫顽场的电场来定向铁电晶体域。对于铁电聚合物，用于使铁电材料完全极化的矫顽电场通常位于100毫伏/米(MV/m)的数量级。为了获得最佳的大区域器件，压电层优选地没有缺陷并且厚度均匀，并且在所有加工步骤中均保持如此。例如，缺陷可能导致短路或漏电。因此，在极化过程中，需要在无缺陷层上均匀地施加电场以使得均匀地极化铁电层。满足这些条件可能很困难，尤其是在具有高表面粗糙度(均方根(Root
‑
Mean
‑
Square，rms)粗糙度，≥1微米(μm))或低表面能(<1000毫焦/米(mJ/m))的衬底和电极上。
[0003]仍然需要将薄膜(例如<50μm)压电器件的器件区域扩大到更大的区域，例如超过1平方厘米，其具有高良品率并且保持了压电器件的频率响应，例如对于某些应用保持频率响应为>200千赫兹(kHz)。

技术实现思路

[0004]本专利技术的各个方面涉及压电器件及其制造方法。典型地，压电叠层包括压电层，压电层夹在底部电极和顶部电极之间以形成压电换能器。如本文所述，底部电极和顶部电极中的至少之一是由具有第一电阻率的基于聚合物的导电材料形成的聚合物电极。优选地，通过印制提供导电线结构，导电线结构形成与聚合物电极的接触区域接触的延长线接触部。该接触部沿着导电线结构的一条或多条导电线的各个长度延伸，导电线结构的一条或多条导电线至少部分地与接触区域重叠。有益地，导电线结构由具有低于第一电阻率的第二电阻率的导电材料形成，以帮助经由延长线接触部在聚合物电极上分布电场。
[0005]聚合物电极可以是相对光滑的并且具有相对高的表面能，例如，促进无缺陷薄膜的形成。因此，使用聚合物电极可以缓解良品率问题。导电线结构可以用于帮助减轻基于聚合物的导电材料的相对较差的导电性，例如高的片状电阻值。这可以提高压电器件的频率响应截止频率(Response cutoff frequency，RC时间)。这还可以帮助在压电器件的(接触)极化期间均匀地传递电压和/或防止短路。因此，本专利技术提供了各种设计选型，使得能够制造具有高良品率的大区域压电传感器。在这些设计中，与采用传统器件结构(由电极/压电体/电极组成的简单夹层)的器件相比，压电器件的频率响应可以扩展，而传统器件结构通常用于压电层较小的器件设计中。
附图说明
[0006]本专利技术的装置、系统和方法的上述特征和其他特征、方面和优点将从下文描述、所
附权利要求书以及附图中得到更好的理解。
[0007]图1A、图2A、图3A、图4A分别示出了各个压电器件的横截面图。
[0008]图1B、图2B、图3B、图4B分别示出了形成各个器件的一部分的选择层的相应顶视图。
[0009]图5A至图5C示出了其他压电器件的横截面图。
[0010]图6A和图6B示出了经由熔断丝结构连接到母线的线网格。
具体实施方式
[0011]用于描述特定实施例的术语不旨在限制本专利技术。如本文所使用的，除非上下文另有明确指示，单数形式“一”、“一个”以及“该”旨在也包括复数形式。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列对象的任意组合和所有组合。应当理解，术语“包含”和/或“包括”指示所述特征的存在，但不排除存在或添加有一个或多个其他特征。应进一步理解，当方法的特定步骤被定义在另一步骤之后时，除非另有说明，该特定步骤可以直接跟随所述其他步骤，或者，可以在执行特定步骤之前执行一个或多个中间步骤。同样，应当理解，当描述结构或部件之间的连接时，除非另有说明，可以直接建立此类连接或通过中间结构或组件建立此类连接。
[0012]如本文所述，良品率、极化质量和频率响应问题可以通过以下各项缓解：在聚合物电极(如聚(3，4
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亚乙二氧基噻吩)
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聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT：PSS)或聚苯胺)周围的一个或多个导电母线(如银(Ag)、金(Au)、碳(C)等)以确保更均匀的电极化场；在压电层的顶部的介电屏障，例如介电屏障在导电母线的上方，可以防止极化期间发生电短路；导电网格(例如Ag、Au、C等)，优选地将导电网格印刷在聚合物电极层的顶部，最优选地在网格的顶部设置有附加的介电印制；以及，通过类似于熔断丝的行为来避免关键器件失效的分段策略。
[0013]聚合物电极通常具有片状电阻，对于大区域器件来说，片状电阻通常太高(例如>200欧姆/平方米(Ω/sq))，因此无法将其作为独立电极使用。甚至有可能在不同的基材(如热塑性聚氨酯)上，片状电阻可能比宣传的更高，从而恶化频率响应。与金属电极相比，导电性差的聚合物电极可能会导致更长的响应时间，尤其是对于大区域压电层。例如，可以根据特征电阻
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电容(Resistor
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Capacitance，RC)时间来理解频率响应，特征RC时间描述了穿过电容器的电压随时间变化的时间常数。因此，基于聚合物的导电材料的导电性相对较低，通常使得此种材料不适于需要高频率响应的大区域压电器件。通过使用母线或金属网格结构(例如由印制导体(例如Ag、Au、C等)形成的结构)，可以很大程度上保持压电器件的固有频率响应。
[0014]对于压电器件的各种应用，例如对于扬声器和其他声学换能器/驱动器(例如超声波器件)而言，截止频率是重要的器件参数。为了消除聚合物电极片状电阻的影响，可以将导电环(母线)套印于PEDOT：PSS。由于在极化过程中实现了更均匀的电场分布，母线可以使得传感器区域更大。也可以将母线连接到工艺路线，工艺路线将传感器连接到更大的集成产品和/或连接器。在母线与顶部电极和/或工艺路线的重叠区域，由于局部压电材料较薄，在高电场(>60伏/微米(V/μm))下，极化过程中出现短路的风险将增加。可以通过介电屏障将短路的风险降到最小，例如，确保导电母线和顶部电极之间有足够的距离。可以在压电材料的顶部或下方施加介电屏障。
[0015]可以通过分段策略来实现其他优点或进一步的优点，该分段策略通过类似于熔断丝的行为来避免关键器件失效。多个电极层之一由带有熔断丝的分段区域组成。一旦在极化过程中一个分段区域发生短路，由此产生的高电流将烧毁连接该区域和母线的窄线(熔断丝)。该区域将出现功能失调，但压电传感器区域的其余部分仍能工作。此种结构可以使用上述设计的各个方面(介电桥)。
[0016]根据本教导，较大的传感器区域是可能的，同时还能保持器件的频率响应。该设计能够提高器件良品率，即使在不均匀的衬底上(如热塑性聚氨酯)也是如此。该设计可以是完全可印制的，因此是可升级的设计。此种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种压电器件(100)，包括：压电叠层，所述压电叠层具有压电层(2)，所述压电层夹在底部电极(3)和顶部电极(4)之间以形成压电换能器(10)；其中，所述底部电极和所述顶部电极(3、4)中的至少之一是由具有第一电阻率(Rp)的基于聚合物的导电材料(Mp)形成的聚合物电极(P)；以及导电线结构(5)，所述导电线结构(5)沿着所述导电线结构(5)的一条或多条导电线(5a、5b、5c、5d)的各个长度形成与所述聚合物电极(P)的接触区域(Ap)接触的延长线接触(Lc)，所述导电线结构(5)的一条或多条导电线(5a、5b、5c、5d)与所述接触区域(Ap)重叠，其中，所述导电线结构(5)由具有低于所述第一电阻率(Rp)的第二电阻率(Rc)的导电材料(Mc)形成，以帮助经由所述延长线接触部(Lc)在所述聚合物电极(P)上分布电场(E)；其中，所述导电线结构(5)包括以下至少之一：母线，所述母线通过所述母线的长度形成所述延长接触部，所述母线至少部分地围绕所述聚合物电极(P)的不同侧面的周边延伸，并且与所述聚合物电极(P)的不同侧面的周边接触，和/或导电线(5b、5c、5d)的网格，所述导电线(5b、5c、5d)的网格覆盖所述聚合物电极(P)的内部接触区域(Api)，以帮助将所述电场(E)分布到所述聚合物电极(P)的、包括在所述导电线之间的邻近区域中。2.根据前一项权利要求所述的器件，其中，与所述接触区域(Ap)重叠的所述导电线结构(5)包括一组互连的导电金属线(5a、5b、5c、5d)，每条所述导电金属线(5a、5b、5c、5d)的线宽度(Wl)小于半毫米。3.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述母线的长度沿着所述聚合物电极(P)的周边的至少50％延伸。4.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述聚合物电极(P)的、在所述导电线之间的邻近区域未被所述导电线结构(5)所覆盖。5.根据前两项权利要求所述的器件，其中，所述导电线的(5b、5c、5d)网格通过所述母线互连。6.根据前一项权利要求所述的器件，其中，形成所述母线的导电线(5a)覆盖位于所述聚合物电极(P)的边缘处的外部接触区域(Apo)。7.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述聚合物电极(P)被所述导电线(5b、5c、5d)的网格所覆盖，所述导电线(5b、5c、5d)具有第一线宽度(Wl)，其中，每条所述线经由熔断线(5f)与母线(5a)相连接，所述熔断线(5f)具有第二线宽度(Wf)，所述第二线宽度比所述第一线宽度(Wl)小至少2倍。8.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述压电器件(100)包括由介电材料(Md)的图案形成的介电屏障(6)，所述介电材料(Md)设置在位于所述压电层(2)一侧的所述导电线结构(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得，
申请(专利权)人：荷兰应用自然科学研究组织TNO，
类型：发明
国别省市：