JP7701367B2 - ピラー構造を有する圧電デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、圧電材料のピラー構造を備える音響変換器などのデバイス及びそのようなデバイスを製造する方法に関する。

例えば、ピラー構造は、音響デバイスの要素間の音響的及び／又は機械的な相互結合を低下させるのに有利であり得る。チェン（Chen）等による刊行物[DOI: 10.1039/C5NR01746G］には、パターン化されたＥＨＤ引っ張りによる自己接続及び垂直統合されたファイバを有する高性能Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）ナノ発電機が記載されている。チェン等による別の刊行物［DOI: 10.1002/smll.201604245］には、自己発電型可撓性センサのためのインプリントされたＰ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）／ＢａＴｉＯ_３ナノ複合材料マイクロピラーを用いた高性能圧電ナノ発電機が記載されている。シュウ（Xu）等による別の刊行物［DOI: 10.1117/12.817028］には、ＰＶＤＦ音響センサの設計及び微細加工が記載されている。

圧電デバイスの製造及び使用には、例えば、様々な製造工程や後処理工程に適合する堅牢な構造を有するなど、さらなる改善の必要性が残されている。

本開示の態様は、圧電デバイス及びその製造方法に関する。本明細書に記載されるように、圧電デバイスは、圧電材料を含むピラーのアレイを備えている。典型的には、ピラーは基板上に配置される。圧電体層（piezoelectric layer）は、基板に対向するピラーの各々の端部においてピラーと一体的に接続され得る。例えば、圧電体層は、ピラーの各々の端部の間で圧電材料のプラットフォームとして機能するブリッジ構造（bridging structure）を形成する。このようなデバイスは、圧電ピラーのアレイを有する基板を、別の基板上に設けられた液状の圧電材料の層に押し付けることによって製造することができる。圧電材料が固化すると、それらの間に一体的な接続が形成され得る。したがって、固化した圧電体層は、ピラーの各々の端部の間にブリッジ構造を形成することができる。有利なことに、圧電材料のブリッジ構造は、さらなる電気部品及び構造を容易に配置するためのプラットフォームとして使用することができる。ピラー及びブリッジ層の両方に対して同一又は類似の材料を使用することにより、その構造は、均一な電気機械的特性を有する一体型構造を形成することができる。

本開示の装置、システム、及び方法のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面からより詳細に理解されるであろう。

圧電デバイス及びその製造における工程を示す図である。 圧電デバイス及びその製造における工程を示す図である。 圧電デバイス及びその製造における工程を示す図である。 圧電デバイス及びその製造における工程を示す図である。 圧電デバイス及びその製造における工程を示す図である。 圧電デバイス及びその製造における工程を示す図である。 圧電デバイス及びその製造における工程を示す図である。 圧電デバイス及びその製造における工程を示す図である。 圧電デバイス及びその製造における工程を示す図である。 圧電デバイス及びその製造における工程を示す図である。 圧電デバイス及びその製造における工程を示す図である。 様々な寸法を有する圧電デバイスを示す図である。 本明細書に記載の方法により製造された圧電デバイスの写真を示す図である。 圧電材料の接着性を向上させるためのアンカー構造を有する圧電デバイスを示す図である。 圧電材料の接着性を向上させるためのアンカー構造を有する圧電デバイスを示す図である。 圧電材料の接着性を向上させるためのアンカー構造を有する圧電デバイスを示す図である。 圧電材料の接着性を向上させるためのアンカー構造を有する圧電デバイスを示す図である。 圧電材料の接着性を向上させるためのアンカー構造を有する圧電デバイスを示す図である。

特定の実施形態を説明するために使用される用語は、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形「a」、「an」及び「the」は文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数形も含むことが意図される。「及び／又は」という用語は、関連する列挙された項目のうちの１つ以上の任意の組合せとすべての組合せとを含む。「含む(comprises)」及び／又は「含む(comprising)」という用語は、記載された特徴の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴の存在又は追加を排除しないことが理解されよう。方法の特定のステップが他のステップに後続すると記載されている場合、別段の指定がない限り、特定のステップは他のステップに直接続いてもよいし、又は特定のステップを実行する前に１つ以上の中間ステップが実行されてもよいことが理解されよう。同様に、構造又は構成要素間の接続が記載される場合、この接続は、特に明記しない限り、直接的に、又は中間構造や構成要素を介して確立され得ることが理解されよう。

以下、本発明の実施形態が示されている添付の図面を参照して、本発明がより完全に説明される。図面において、システム、構成要素、層、及び領域の絶対的な大きさ及び相対的な大きさは、明瞭化のために誇張されている場合がある。実施形態は、本発明のおそらく理想化された実施形態と中間構造の概略図及び／又は断面図を参照して説明され得る。本明細書及び図面において、同様の番号は、全体を通して同様の要素を指す。相対的な用語及びその派生語は、そのとき説明されているような、又は説明中の図面に示されているような向き（orientation）を指すと解釈されるべきである。これらの相対的な用語は、説明の便宜のためのものであり、特に明記しない限り、システムを特定の向きで構築又は動作させることを要求するものではない。

図１Ａ及び図１Ｂは、モールド（Ｆ）によってピラー１１のアレイを形成することを示している。一実施形態では、例えば図示のように、この形成（formation）は、モールド開口部３１を有するモールド構造体３０を、第１の基板１０上の前駆体層１に押し込むことを含む。開口部３１はモールド構造体３０を貫通して延在するものとして図示されているが、もちろん、これらの上部を閉鎖することも可能である。したがって、前駆体層１の圧電材料「Ｍ」は、各々のモールド開口部３１に押し込まれて、各々のピラー１１を形成することができる。いくつかの実施形態では、前駆体層１中の圧電材料「Ｍ」は、モールド前及び／又はモールド中に、例えば加熱によって軟化される。これによって、材料をピラーの形状に変形させることが容易になる場合がある。ピラーの材料は、モールドを取り外す前に、例えば能動的又は受動的な冷却によって固化されてもよい。

また、本明細書に記載されるような圧電ピラーのアレイを形成する他の方法も想定され得る。例えば、いくつかの実施形態（図示せず）では、前駆体層１の圧電材料「Ｍ」は、グリッドのラインに従って切り取られ、それらのラインの間にピラー１１が形成される。例えば、材料は、物理的な切削工具、レーザ、又は他の露光によって切削され得るし、任意選択でその後にエッチングを行うこともできる。また、積層造形（additive manufacturing）によってピラーを製造することも考えられる。ピラーを製造するためのさらに別の方法は、電気流体力学的な引っ張り（electro-hydrodynamic pulling）を含むことができる。

いくつかの実施形態では、例えば図示するように、第１の基板１０は、ピラー１１のアレイの下に支持構造を形成する。典型的には、第１の基板１０は、例えば、圧電材料ではない、ピラーとは異なる材料からなる。例えば、第１の基板１０は、プラスチック、ガラス、又はシリコン基板を含む。あるいは、第１の基板１０は、それ自体が、実質的に前駆体層１のみによって形成される圧電材料「Ｍ」を含んでいてもよい。第１の基板１０として可撓性基板を使用することによって、形成後に、モールド構造体３０をピラー１１から分離することが容易になる場合がある。代替的又は追加的に、モールド構造体３０は可撓性を有していてもよい。

好ましい実施形態では、例えば図示するように、ピラー１１の長さは、第１の基板１０の平面に対して垂直な方向を有し、各々の端部は、第１の基板１０から離れる方向（圧電体層２１の方向）を向いている。代替的又は追加的に、一部又は全部のピラーが、第１の基板及び／又は第２の基板の表面法線に対してある角度を成すように配向されていることが考えられる。

好ましい実施形態では、電気接続及び／又は構成要素が、第１の基板１０内又は第１の基板１０上に組み込まれる。例えば、これらは、リソグラフィにより、例えばシリコン又は他の材料の基板上に形成することができる。いくつかの実施形態では、前駆体層１と第１の基板１０との間に、１つ以上のさらなる層が形成される。例えば、追加の層は、電気的機能又は他の機能を有していてもよい。好ましくは、圧電材料「Ｍ」に電位（電圧）を印加するための少なくとも第１電極１３が、ピラー１１と第１基板１０との間に形成される。例えば、第１の電極１３は、パターン化されていてもいなくてもよい導電層（例えば金属）を含む。いくつかの実施形態では、第１の電極１３は、すべてのピラーに同じ電圧を印加するための共通電極である。例えば、第１の電極１３は、すべてのピラーの下を通る連続した金属層である。他の実施形態又はさらなる実施形態では、第１の電極１３は、１つのピラー又は複数のピラー（例えば、すべてのピラーのサブセット）に個別にアドレスする（それぞれの電圧を印加する）ように細分化される。例えば、１つの電極が、隣接するピラーの集合体又はクラスタをカバーしてもよい。

他の実施形態又はさらなる実施形態では、第１の基板１０は、第２の基板２０に関して本明細書で説明するのと同様の方法で除去される。例えば、図示するように、モールド後の前駆体層１の残留部分は、第２の圧電体層１２を形成することができる。第２の圧電体層１２は、他の方法で形成することもでき、例えば、別個の層として形成することができ、又は第１の圧電体層２１と同様に後で追加することもできる。第１の基板１０が除去される場合、第２の圧電体層１２は、反対側の圧電体層２１と同様に、ピラー１１間の別のプラットフォームとして機能することができる。したがって、第１の基板１０を除去した後にも電気接続を形成することができ、又は、電気接続を有する中間層は、基板を除去される一方で、第２の圧電体層１２上に残ることができる。代替的に、又はプラットフォームとして機能することに加えて、第２の圧電体層１２は、第１の基板１０が除去されるかどうかに関係なく、他の機能を有することもできる。例えば、第２の圧電体層１２は、ピラー１１の構造、及び／又はピラー１１の第１の基板１０若しくは中間層（例えば第１の電極１３）への接続を、安定させるのに役立つことができる。

図２Ａ及び図２Ｂは、圧電体層２１を圧電ピラー１１のアレイ上に設ける様子を示す。好ましい実施形態では、第１の基板１０は、圧電材料「Ｍ」を含むピラー１１のアレイを備え、第２の基板２０は、ピラー１１の各々の端部に対向する圧電体層２１を備えている。他の実施形態又はさらなる実施形態では、ピラー１１の各々の端部は、圧電体層２１が少なくとも部分的に液状である間に、圧電体層２１の中に押し込まれる（Ｐ）。いくつかの実施形態では、圧電体層２１は、圧電体層２１とピラー１１との間の一体的な接続を形成するように固化される。これにより、圧電体層２１は、ピラー１１の各々の端部の間にブリッジ構造を形成することができる。

ブリッジ構造又はプラットフォームを形成するために、様々な方法が考えられる。好ましい実施形態では、ピラーは「ウェット(wet)」である薄膜ブリッジ（例えば、比較的低い粘度を有する液体）を含む基板上に軽く押し付けられる。例えば、少なくとも部分的に液状の圧電体層２１の粘度は、１０^６ｍＰａ・ｓ未満（ピーナッツバターに相当）、又は１０^４ｍＰａ・ｓ未満（ハチミツに相当）、又は１０^２ｍＰａ・ｓ未満（例えばオリーブオイル様）、下は１ｍＰａ・ｓ以下（水）以下である。例えば、圧電体層２１は、ブリッジ層が溶液状態であるか、未架橋（未硬化）であるか、或いは融解（又はガラス転移）温度付近にあることにより柔らかいため、「ウェット」又は液状であり得る。これは、圧電材料「Ｍ」の種類に依存し得る。

ピラーが押し込まれると、圧電体層２１は乾燥、硬化又は冷却されて、持続的なブリッジ構造を形成することができる。例えば、これは、粘度を１００倍、１０００倍、又はそれ以上に、最も好ましくは圧電体層２１が固体として作用する粘度まで、粘度を劇的に増加させることができる。ピラー１１が圧電体層２１内に押し込まれている間に、少なくとも部分的に液状の圧電体層２１を固化させることによって、それらの間に永続的な（又は少なくとも十分に耐久性のある）接続を形成することができる。その後、ピラー１１及び圧電体層２１は、圧電材料「Ｍ」の本質的にモノリシックな又は一体的なピース（piece）を形成することができる。

「ウェット」な圧電体層２１の粘度及び厚さに応じて、ピラーは、特定の力で圧電体層２１に押し込まれ得る。典型的には、ある体積のウェット薄膜は、ピラー間の間隙（spacing）に移動することができる。その結果、ピラーの高さを低くすることができる。この効果は、ピラーとブリッジ層との間の接着を促進するので、ある程度までは望ましいものとなり得る。いくつかの実施形態では、例えば、膜がピラーの高さに比べて相対的に薄い場合に、ピラーは、ウェット薄膜が形成された基板に接触するまで、完全に押し下げることさえできる。例えば、この時点ではそれ以上の移動は起こらないかもしれず、ウェット薄膜はピラー間の空間（space）にそれ以上入り込まない。他の実施形態又はさらなる実施形態では、例えば、有効なピラー高さを減少させたくない場合、ウェット膜の粘度に応じて限定的な圧力をかけることができる。ある場合には、ピラーを含む第１の基板１０（例えば、ガラス板）の重量で十分である。

好ましい実施形態では、圧電体層２１は、ピラー１１と実質的に同じ圧電材料「Ｍ」を含む。同じ材料を使用することによって、圧電体層２１及びピラー１１は、同様の特性を有することができ、及び／又はそれらの間の接続を改善することができる。例えば、電界を印加することによって複合構造を動作させる場合、圧電材料「Ｍ」に生じる変形は、圧電体層２１及びピラー１１の各々の部分において同一又は類似とすることができる。また、接続部は完全に一体化することができる。

好ましい実施形態では、ピラー１１及び圧電体層２１の圧電材料「Ｍ」は、それぞれ圧電性高分子を含む（又は実質的に圧電性高分子からなる）。最も好ましくは、圧電材料は、高分子材料又は高分子／セラミック複合材料を含むか、又は実質的に高分子材料又は高分子／セラミック複合材料からなる。高分子圧電材料の例としては、ＰＶＤＦ及びその共重合体、ポリアミド、液晶ポリマー、ポリイミド及びポリ塩化ビニリデンＰＶＤＣを挙げることができる。高分子／セラミック複合材料の例は、ＰＶＤＦ、エポキシ、ＳＵ８及びＰＤＭＳなどの高分子媒体中にＢａＴｉＯ_３、ＰＺＴ、ＺｎＯ又はＰＭＮ－ＰＴを含む。

好ましい実施形態では、圧電体層２１は、少なくとも部分的に液化するまで熱（Ｈ）を加えることによって溶融される。最も好ましくは、熱Ｈは、圧電体層２１には加えられるが、ピラー１１には加えられない。これにより、圧電体層２１の構造的完全性をより良好に維持することができる。最も好ましくは、熱Ｈは、ピラー１１を圧電体層２１に押し込む（Ｐ）工程の間ではなく、押し込む工程の前に、圧電体層２１に加えられる。

いくつかの実施形態では、内部熱源を（例えば、図示されていない第２の基板の一部として）使用して、圧電体層２１を加熱することができる。他の実施形態又はさらなる実施形態では、熱Ｈは、外部熱源（これも図示せず）によって加えられる。例えば、圧電体層２１を有する第２の基板２０（だけ）が、熱Ｈを加えるためにオーブン内に置かれる（一方、例えば、第１の基板１０は未加熱のままとする）。代替的に又は追加的に、熱Ｈは、（指向性）放射源によって、例えば、赤外線又は他の放射線を圧電体層２１に照射することによって加えられる。一実施形態では、熱Ｈは、圧電体層２１だけに、又は主に圧電体層２１に加えられる。

一実施形態では、例えば図２Ｂに示すように、溶融した圧電体層２１は、ピラー１１と接続された後に冷却（Ｃ）を行うことによって固化させて、ピラー１１と一体化した接続を形成する。例えば、圧電体層２１の材料は、能動的又は受動的な冷却によって固化させることができる。溶融の代わりに又は溶融に加えて、いくつかの実施形態では、少なくとも部分的に液状の又はウェットな圧電体層２１は、未硬化（非架橋）の圧電材料「Ｍ」を含む。例えば、ピラー１１は、未硬化の圧電体層２１に押し込まれ、その後、圧電体層２１が硬化によって固化される。例えば、圧電体層２１は、熱及び／又は電磁放射、例えば紫外光によって硬化され、圧電材料「Ｍ」における架橋が促進される。さらに他の実施形態又はさらなる実施形態では、少なくとも部分的に液状の又はウェットな圧電体層２１は、圧電材料「Ｍ」を有する溶液を含むか、又はその溶液によって形成される。例えば、ピラー１１は、圧電体層２１の溶液に押し込まれ、その後、溶液が乾燥によって固化される。例えば、圧電体層２１は、溶媒が除去されたときに、固体構造を残して能動的又は受動的に乾燥される。また、乾燥と硬化の組合せも考えられ、例えば、溶液が未硬化の圧電材料「Ｍ」を含み、溶媒が除去された後に未硬化の圧電材料「Ｍ」が硬化される場合などである。また、圧電材料「Ｍ」を溶液で塗布し、乾燥後に材料を溶融することも考えられる。

好ましい実施形態では、ピラー１１の各々の端部は、ピラー１１が少なくとも部分的に溶融した圧電体層２１内に押し込まれるときに、下向きの姿勢で配置される。ピラー１１を第１の基板１０から（重力の方向に）垂下させることにより、例えば圧電体層２１からの間接的な熱によってピラー１１が溶融し始めるような場合でも、ピラー１１は形状をより良好に維持することができる。他の実施形態又はさらなる実施形態では、圧電体層２１は、好ましくは上向きの姿勢又は方向で、第２の基板２０の上に配置される。有利には、この向きにおいて、圧電体層２１の溶融した材料は、ピラー１１の間に滴ることなく、第２の基板２０上に残ることができる。圧電体層２１が十分に固化された後、連結構造は、例えば、後続の処理のためにひっくり返すことができる。

図３Ａ及び図３Ｂは、第２の基板２０を除去する実施形態を示す。一実施形態では、第２の基板２０は除去され（Ｒ）、固化した圧電体層２１が、ピラー１１の各々の端部を橋渡しするプラットフォームとして残される。例えば、これにより、プラットフォームの上部に均一かつ平坦な表面が現れる場合がある。いくつかの実施形態では、電気接続を、圧電体層２１上に後から直接配置することができ、その後、圧電体層２１はピラー１１と一体の部分を形成する。第２の基板として可撓性の（例えば、湾曲可能な）基板を使用することにより、第２の基板の除去を容易にすることができる。例えば、プラスチックなどの可撓性材料が使用される。除去する代わりに、第２の基板を圧電体層２１に取り付けたままとすることが考えられる。例えば、第２の基板２０は、第２の基板２０と圧電体層２１（図示せず）との間に、電気接続及び／又は層を既に含んでいてもよい。その後、第２の基板２０上のこれらの一体化された電気接続を使用して、例えば、ピラー１１に各々の電圧を印加することができる。例えば、第２の基板２０は、第１の基板１０上の第１の電極１３との間に電界を印加する、一体化された第２の電極を有することができる。

図４Ａ及び図４Ｂは、圧電体層２１によって形成されたプラットフォームに電気回路を設けることを示す。いくつかの実施形態では、電気的なコンタクト２３及び／又は相互接続２５が、ピラー１１を橋渡しする圧電体層２１上に配置される。例えば、これらは、圧電材料「Ｍ」に各々の電圧を印加するため、又は圧電材料「Ｍ」から各々の電圧を受け取るために使用することができる。理解されるように、ピラー１１と一体化された圧電体層２１によって形成されたプラットフォームは、コンタクト２３及び／又は相互接続２５の成膜（deposition）を非常に容易にすることができる。

いくつかの実施形態では、第２の基板２０上の圧電体層２１が固化した後に、第１の基板１０がひっくり返される（例えば、第１の基板１０を下部に戻す）。このようにして、圧電体層２１は、上向きのピラー１１の上部にプラットフォームを形成することができ、その上に、後続する接続又は構成要素を成膜させることができる。ピラー１１の上部に水平なプラットフォームを設けることによって、様々な後続の成膜方法を容易にすることができる。好ましい実施形態では、電気的なコンタクト２３（又は他の構成要素及び構造）は、リソグラフィによって圧電体層２１上に成膜される。例えば、これは、圧電体層２１の上に材料のさらなる層を堆積することと、例えばウェット又はドライエッチング技術による構造の選択的な形成又は除去のために、光パターンに露光することと、を含み得る。また、印刷又は他の転写、例えばドナー基板（図示せず）からの構造又は構成要素の光誘起前方転写法（ＬＩＦＴ：light induced forward transfer）などの、他の成膜技術又はさらなる成膜技術を使用することも可能である。

本明細書に記載されるような圧電デバイスは、音響信号（例えば、超音波）を送信及び／又は受信するために使用され得る。例えば、電圧を印加して、ピラー１１の圧電材料「Ｍ」を介して電界を発生させ、ピラー内の振動を作動させることができる。代替的又は追加的に、例えば外部要因によって生じるピラー１１内の振動に応じて、電圧を測定することができる。いくつかの実施形態では、例えば図示のように、ピラー１１の各々の１つ以上が、各々の電極１３、２３を介して、それらの間で電気信号を授受するように構成された電気デバイス５０に接続される。例えば、電気デバイス５０は、信号発生器及び／又はセンサ装置を含む。また、ピラー１１のどの１つ以上にアドレスするのかを決定するためのコントローラなど、他の構成要素又はさらなる構成要素が接続され得る。

図５Ａ及び図５Ｂは、ピラー１１における圧電材料の分極、圧電体層２１によって形成されるブリッジ構造、及び下部にある任意選択の第２の圧電体層１２を示す。一実施形態では、第２の圧電体層１２もピラー１１に一体的に接続される。これにより、第１の圧電体層２１、ピラー１１、及び第２の圧電体層１２は、すべて一体的に接続され得る。好ましい実施形態では、ピラー１１のアレイ内の圧電材料「Ｍ」は、（高）電圧「ＨＶ」を印加することによって分極され、その一方で、電気絶縁材料「Ｉ」は、ピラー１１の間の間隙においてアレイ内に設けられる。有利には、電気絶縁材料「Ｉ」は、デバイスを損傷する可能性がある短絡スパークを防止するために、分極中に使用され得る。いくつかの実施形態では、電気絶縁材料「Ｉ」は、流体（例えば、液体）を含む。また、固体の絶縁材料も使用することができる。いくつかの実施形態では、電気絶縁材料「Ｉ」は、ピラーが圧電体層２１に接続された後に、ピラー１１の間の間隙内に設けられる。例えば、液体又は気体を、ピラーの間の間隙にポンプで送り込むことができる。最も好ましくは、電気絶縁材料「Ｉ」は、分極後に除去される。このように、絶縁材料は、ピラーのアレイの機械的特性に影響を及ぼす必要はない。

好ましい実施形態では、例えば図５Ａに示すように、ピラー１１は、圧電体層２１がピラー１１に接続された後に、コロナ分極によって分極される。理論に縛られることなく、電荷は圧電体層２１全体に広がり、ピラーの長さに沿ってより均一な電場を生じ得る（電荷がピラーの側面にも到達し得るオープン構造とは対照的である）。また、好ましくはピラーの長さに沿って圧電材料を分極する他の方法も考えられ、例えば、図５Ｂに示すように、ピラー端部の両側の各々の電極１３、２３の間に高電圧「ＨＶ」を印加することによって行われる。したがって、分極は、製造の様々な段階、例えば、電極を設ける前又は後に行い得ることが理解されよう。

図６は、本明細書に記載の圧電デバイス１００を製造する際の好ましい一連の工程を示す。もちろん、他のシーケンス、例えば、さらなる工程を追加すること、任意の工程を削除すること、工程を入れ替えることなどが考えられる。例えば、アレイ状のピラー１１は、モールド（Ｆ）以外の方法で製造することが可能である。例えば、ピラーは、モールド中にすでに下向きであってもよいし、（第２の基板２０からから上下逆さまに突き出ている）ウェットな圧電体層２１に接続する間、上向きのままであってもよい。例えば、加熱Ｈの代わりに、溶液又は未硬化材料を用いて圧電体層２１を濡らしたり、又は液化したりすることができる。例えば、重力のみによって又は能動的な押し込みによって、ピラー１１を圧電体層２１に、又は圧電体層２１をピラー１１に、能動的に押し込むことができる。例えば、第２の基板２０は、固化した圧電体層２１上に残すことができる。例えば、圧電材料は、構造体を結合する前、結合する間、又は結合した後に分極され得る。例えば、電気接続は、それぞれの基板に一体化されているか、及び／又は事後的に設けられ得る。

図７Ａは、様々な寸法を有する圧電デバイス１００を示す。図７Ｂは、本明細書に記載されるような方法によって製造された圧電デバイスの写真を示す。左側の画像は断面図を表す。右側の画像は上面図を表し、右上では圧電ブリッジ層に焦点が当てられ、右下ではピラー／ポケット（pillar/pockets）に焦点が当てられている。

製造方法にかかわらず、本開示は、有利な構造及びデバイスを提供することができる。一実施形態では、圧電デバイス１００は、圧電材料「Ｍ」を含むピラー１１のアレイを有する第１の基板１０と、第１の基板１０に対向するピラーの各々の端部でピラー１１と一体的に接続された圧電体層２１と、を備えている。好ましくは、圧電体層２１は、ピラー１１の各々の端部の間に、圧電材料「Ｍ」のプラットフォームとして機能するブリッジ構造を形成する。

いくつかの実施形態では、圧電デバイス１００は、圧電体層２１によって形成されたプラットフォームの上部に、電気コンタクト（ここでは図示せず）を備える。他の実施形態又はさらなる実施形態では、圧電デバイス１００は、ピラー１１と第１の基板１０との間に第２の圧電体層１２を備える。好ましい実施形態では、圧電デバイス１００は、第２の圧電体層１２と第１の基板１０との間に第１の電極（ここでは図示せず）を備える。いくつかの実施形態では、圧電デバイス１００は、電気信号を送受信するように構成された電気デバイス（ここでは図示せず）を備えるか、又は電気デバイスに結合される。例えば、信号は、１つ以上の圧電体層１２、２２を介して、ピラー１１のいずれかの端部にある各々の電極に送信され、及び／又は各々の電極から受信される。本明細書に記載されるように製造及び／又は構造化された圧電デバイス１００は、多くの目的のために使用され得る、最も好ましくは、例えば超音波周波数範囲の音響波を生成又は検出するために使用され得る。例えば、圧電デバイス１００は、医療診断デバイス及び／又はメディカルイメージングデバイスの一部として使用することができる。また、他の使用（uses）も考えられる。

好ましい実施形態では、ピラー１１は、ピラーにおける（長手方向の）音波の半波長の整数倍であるピラー高さ「Ｚ１」を有する。ピラー高さは、ピラーの長さ（高さ）に沿った固有共振周波数が、放出又は受音される音の周波数と一致するように選択されることが好ましい。これにより、音波がピラー内で共振して、増幅される。例えば、共振周波数は、材料の剛性、ピラーの形状、基板などの状況によって決定されてもよい（これはλ／２又はλ／４共振器を与え得る）。一例として、１００ミクロンのＰＶＤＦ－ＴｒＦＥピラーを使用した場合、基板との組み合わせで１０メガヘルツ前後の共振周波数を実現する。もちろん、これ以外の寸法、材料、及び周波数も採用可能である。例えば、ピラー高さ「Ｚ１」の寸法は、典型的には５マイクロメートル～３００マイクロメートルの間、好ましくは１０マイクロメートル～２００マイクロメートルの間で変化し得る。例えば、圧電デバイスは、超音波用途で使用される。

好ましい実施形態では、ピラー１１は、ピラー高さ「Ｚ１」及びピラー幅「Ｘ１」を有し、ピラー高さ「Ｚ１」は、ピラー幅「Ｘ１」よりも少なくとも２倍以上大きい。アスペクト比が高いほど、ピラーは一次元構造体として機能することができる。例えば、これは、横方向共振モードと軸方向共振モードとの間の分離を改善することができる。他方で、ピラーの長さは、好ましくは、波長の半分に等しくなるように選択されてもよいが、ピラーの厚さ又は幅は、構造的な完全性が損なわれるほど小さくないことが好ましい。また、製造方法によって最小幅が制限される場合もある。例えば、比「Ｚ１」／「Ｘ１」は、典型的には１/２～１０、好ましくは３より大きいか、又は４より大きい。

好ましい実施形態では、ピラー１１は、それらの間にギャップ１１ｇだけ間隔をあけて配置される。原理的には、ピラー間の結合の十分な減衰を提供するために、ギャップが数マイクロメートル、例えば５マイクロメートルより大きければ十分であり得る。典型的には、ピラー間の距離「Ｘ２」は、ピラー幅「Ｘ１」と同程度であり、例えば、ピラー幅「Ｘ１」の３倍の差未満、好ましくは２倍の差未満、又は５０％の差未満で異なっている。例えば、ピラー幅「Ｘ１」及び距離「Ｘ２」の両方は、５マイクロメートル～１００マイクロメートルの間の典型的な範囲にある。いくつかの実施形態では、距離「Ｘ２」は、圧電体層２１を通るラム波（例えば、Ａ０表面波）が、隣接するピラーと構造的に干渉しないように選択されるので、それらは独立であり得る。いくつかの実施形態では、例えば、イメージングのために、ピラー間のピッチ（Ｘ１＋Ｘ２）は、好ましくは超音波の波長の半分より小さい。ピッチは、例えば、他の用途の場合には、より大きくすることもできる。

圧電体層２１の総表面寸法「Ｘ３」は、典型的にはピラーが広がるピッチ（「Ｘ１」＋「Ｘ２」）よりもはるかに大きい。例えば、「Ｘ３」は、「Ｘ１」＋「Ｘ２」よりも少なくとも５倍以上大きく、又は１０倍以上大きくすることができる。いくつかの実施形態では、アレイは、少なくとも１０本のピラーを含み、好ましくは、２０本以上、５０本以上、１００本以上、１０００本以上、１万本以上、例えば最大で１００万本以上のピラーを含む。例えば、圧電デバイスは、５０ミクロンのピッチで１平方センチメートルの面積に広がる、２００×２００本のピラーのアレイを備える。

好ましくは圧電体層２１の厚さ「Ｚ２」は、一方ではピラー１１が接続のために少なくともある程度の距離だけ圧電体層２１内に沈むことを可能にし、及び／又は後続の処理のために十分なプラットフォーム構造を提供するのに十分な厚さであり、他方ではピラーの動作又は複合構造の所望の一次元挙動を妨げるほど厚くない。典型的には、ピラー１１の長さ「Ｚ１」は、圧電体層２１の厚さ「Ｚ２」よりも少なくとも２倍以上又は３倍以上大きく、好ましくは少なくとも５倍以上大きく、より好ましくは、例えば最大で１０倍以上、２０倍以上、又はそれ以上大きい。

典型的には、圧電体層２１の厚さ「Ｚ２」は、ピラー高さ「Ｚ１」の１０パーセント程度である。いくつかの実施形態では、ピラー高さ「Ｚ１」と比較して圧電体層２１が薄いほど、ピラー間のクロストークが少なくなると期待され得る。他の実施形態又はさらなる実施形態では、圧電体層２１が厚いと、圧電体層２１によって形成されたブリッジ又はプラットフォームに沿って表面波を通過させることができ、例えば干渉のために有用であり得る。また、圧電体層２１がより厚い場合に、ブリッジの機械的安定性もより良好となり得る。例えば、圧電体層２１の厚さ「Ｚ２」は、１～３０マイクロメートル、好ましくは５～２０マイクロメートルである。

いくつかの実施形態では、ピラーの構造は、他端で第２の圧電体層１２によって支持されてもよい。この第２の圧電体層１２の厚さＺ３は、典型的には第１の圧電体層２１の厚さ「Ｚ２」と同様又は同一とすることができ、例えば、厚さ「Ｚ２」の３倍の差以内、又は２倍の差以内とすることができ、最も好ましくは、実行可能な限り対称的である。

典型的には、第１の基板１０は、厚さ「Ｚ４」を有し、第１の基板１０の厚さ「Ｚ４」は、圧電体層２１の厚さよりも大きく、ピラーの長さ「Ｚ１」よりも大きく、又は複合構造の厚さよりも大きい。例えば、第１の基板１０の厚さは、０．５ミリメートル以上であり、１ミリメートルより大きく、例えば最大で０．５センチメートル以上である。第２の基板（ここでは図示せず）は、第１の基板１０と同様の厚さを有していてもよく、又は第１の基板１０とは異なる厚さ（例えば、第１の基板１０よりも小さい厚さ）を有していてもよい。

図８Ａ～図８Ｅは、本明細書に記載の圧電デバイス１００を製造するための別の実施形態を示す。

いくつかの実施形態では、例えば、図８Ｂに示すように、第１の基板１０は、アンカー構造１０ａを備える。例えば、アンカー構造１０ａは、第１の基板１０上に成膜された後続の層の接着を促進又は改善するために使用することができる。一実施形態では、アンカー構造１０ａは、一群のキャビティを第１の基板１０内にエッチングすることによって形成される。例えば、第１の基板１０は、エッチング除去可能な高分子材料を含むか、又は実質的に高分子材料から形成されている。他の材料を使用することも可能である。通常、エッチングプロセスは、エッチングマスクによってガイドされる。例えば、図８Ａに示すように、エッチングマスクは、有利には、下部電極１３のパターンによって少なくとも部分的に形成することができる。また、他の又はさらなるエッチングマスク構造は、電極の位置、及び／又は第１の基板１０上の他の位置（例えば、下部電極１３に隣接する位置）で使用することができる。好ましい実施形態では、一群のキャビティは、エッチングマスクを少なくとも部分的にアンダーカットし、例えば、電極の下に部分的に延在する。これにより、接着性をさらに改善することができ、特に、実質的に湾曲した場合にも、後続の層が第１の基板１０に取り付けられたままであることを可能にする。エッチングの代わりに、又はエッチングに加えて、アンカー構造１０ａは他の方法で形成することもでき、例えば、下部電極自体の構造によって形成されて、又は第１の基板１０上に配置され、第１の基板に接続された別の構造によって形成されて、後続の層が接着された状態を維持するのを助けることもできる。

いくつかの実施形態では、例えば、図８Ｃに示すように、アンカー構造１０ａを形成した後に、後続の層が第１の基板１０上に設けられる。好ましくは、後続の層は、最初に（部分的に）液体形態で提供される。このようにして、後続の層は、アンカー構造１０ａ内に流れ込み、又はより容易に押し込まれ得る。後続の層の材料がキャビティ内に流れ込んだ及び／又は押し込まれた場合に、材料は、少なくとも部分的に固化され、例えば硬化され得る。最も好ましくは、後続の層は、例えば図１Ａを参照して前述したように、前駆体層１を形成することができる圧電材料Ｍを含む。例えば、前駆体層１は、最初は液体形態で塗布されるＰ（ＰＶＤＦ－ＴｒＦＥ）などの高分子圧電材料を含むか、又は実質的に高分子圧電材料から形成される。一実施形態では、前駆体層１は、例えば図８Ｄに示すように、圧電材料Ｍのピラー１１を形成するようにモールドされる。例えば、モールドプロセスは、モールド構造体３０を前駆体層１に押し込むことを含むことができる。これはまた、圧電材料Ｍをアンカー構造１０ａ内に（さらに）押し込むのにも役立ち得る。また、ピラー１１を形成する他の方法も考えられる。他の実施形態又はさらなる実施形態では、例えば図８Ｅに示すように、圧電体層２１がピラー１１に一体的に接続され、例えばピラーの各々の端部の間にブリッジ構造を形成する。例えば、圧電体層２１を、図２Ａ～図３Ｂを参照して説明したように設けることができる。

明瞭さ及び簡潔な説明のために、特徴は、本明細書において同じ又は別個の実施形態の一部として説明されるが、本発明の範囲は、記載される特徴の全部又は一部の組合せを有する実施形態を含み得ることが理解されよう。例えば、圧電デバイスの様々な層及び構成要素を形成するための実施形態が示されたが、同様の機能及び結果を達成するために、本開示の利益を有する当業者によって代替的な方法も想定され得る。例えば、層及び構造は、１つ以上の代替的な構成要素に組み合わされるか、又は分割され得る。説明され図示された実施形態の様々な要素は、様々な製造工程及び後処理工程に適合する堅牢な構造を有する圧電デバイスの製造及び使用など、特定の利点を提供する。

いくつかの実施形態では、本明細書に記載の圧電デバイスは、音響ストリーミングにより低せん断高質量流（low shear high mass flow）を可能にするなど、液体の非接触混合のために使用される。一実施形態では、圧電デバイスは可撓性基板を含む。例えば、可撓性基板は、混合される液体を含む可撓性バッグの一部を形成するか、又はそれに適用することができる。例えば、バッグは可撓性（バイオ）リアクターを含み、及び／又は、液体は、薬液、特にワクチンなど、（継続的又は断続的な）混合から恩恵を受けることができる生体液体を含む。有利なことには、大面積の可撓性超音波変換器又は基板は、一体化又はパッチ（patch）（再使用可能）することができ、例えば、可撓性音響デバイスは、良好な結合を確保するためにバッグに適合させることができる。また、一体化された音響デバイスを有するバッグは、バッグ内に鋭利な／剛性の物体がない状態で、例えば（空のときに）実質的に平らにして、簡単に梱包することができる。可撓性コンテナにおける使用の代わりに、剛性又は可撓性の圧電デバイスは、混合又は他の目的（例えば、センシング）のために、剛性コンテナの壁の一部を形成するか、又はその壁に一体化され得る。可撓性及び／又は剛性の圧電デバイス／基板の他の用途も考えられる。もちろん、上記の実施形態又はプロセスのいずれか１つは、１つ以上の他の実施形態又はプロセスと組み合わされて、設計及び利点を見出し、適合させることにおいて、さらなる改善を提供することができることを理解されたい。本開示は、比較的大きな及び／又は可撓性の表面を感知又は作動させるために使用される圧電変換器に特定の利点を提供し、一般に、圧電デバイスが使用される任意の用途に適用され得ることが理解される。

添付の特許請求の範囲の解釈において、「含む(comprising)」という語は所与の請求項に列挙されたもの以外の他の要素又は行為の存在を排除しないこと、要素に先行する「ａ」又は「ａｎ」という語はそのような要素が複数存在することを排除しないこと、特許請求の範囲における任意の参照符号はそれらの範囲を限定しないこと、複数の「手段(means)」が同じ又は異なるアイテム（複数可）又は実装された構造若しくは機能によって表され得ること、開示されたデバイス又はその一部のいずれもが、特に明記しない限り、一緒に組み合わせたり、さらに別の部分に分離したりできること、が理解されるべきである。１つの請求項が他の請求項を参照している場合、これは、各々の特徴の組合せによって得られる相乗的な利点を示し得る。しかしながら、ある手段（複数）が相互に異なる請求項に記載されているという事実だけで、これらの手段の組合せが有利に使用できないことを示すものではない。したがって、本実施形態は、文脈によって明確に除外されない限り、各請求項が原則として任意の先行する請求項を参照することができる、請求項のすべての実用的な組合せ（working combinations）を含むことができる。

Claims (20)

1. 圧電デバイス（１００）を製造する方法であって、
   圧電材料（Ｍ）を含むピラー（１１）のアレイを有する第１の基板（１０）と、前記ピラー（１１）の各々の端部に対向する圧電体層（２１）を有する第２の基板（２０）と、を提供することと、
   前記圧電体層（２１）が少なくとも部分的に液状である間に、前記ピラー（１１）の前記各々の端部を前記圧電体層（２１）に押し込む（Ｐ）ことと、
   前記圧電体層（２１）を固化させて、前記圧電体層（２１）と前記ピラー（１１）との間に一体的な接続を形成し、前記圧電体層（２１）が前記ピラー（１１）の前記各々の端部の間にブリッジ構造を形成することと、
   を含む方法。
2. 前記圧電体層（２１）が、前記ピラー（１１）と実質的に同じ圧電材料（Ｍ）を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ピラー（１１）及び前記圧電体層（２１）の前記圧電材料（Ｍ）の各々が、圧電ポリマーを含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記圧電体層（２１）が少なくとも部分的に液化するまで熱（Ｈ）を加えることにより溶融され、前記熱（Ｈ）が前記圧電体層（２１）に加えられるが、前記ピラー（１１）には加えられない、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ピラー（１１）の前記各々の端部は、少なくとも部分的に溶融した前記圧電体層（２１）に押し込まれる（Ｐ）とき、下向きの方向に配置される、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第２の基板（２０）は、固化した前記圧電体層（２１）を前記ピラー（１１）の前記各々の端部を橋渡しするプラットフォームとして残して、除去される（Ｒ）、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 電気コンタクト（２３）及び／又は相互接続（２５）は、前記圧電材料（Ｍ）に各々の電圧を印加し、又は前記圧電材料（Ｍ）から各々の電圧を受け取るために、前記ピラー（１１）を橋渡しする圧電体層（２１）上に配置されている、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第１の基板（１０）は、前記第２の基板（２０）上の前記圧電体層（２１）が固化した後にひっくり返され、前記圧電体層（２１）は、上向きの前記ピラー（１１）の上部にプラットフォームを形成し、前記プラットフォーム上に後続の接続又は構成要素が成膜される、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 電気コンタクト（２３）が、リソグラフィにより、前記圧電体層（２１）により形成された前記ブリッジ構造上に成膜される、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 前記圧電材料（Ｍ）に電位を印加するための第１の電極（１３）が、前記ピラー（１１）と前記第１の基板（１０）との間に形成される、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の方法。
11. 電気絶縁材料（Ｉ）が前記ピラー（１１）間の間隙において前記アレイ内に設けられている間に、前記ピラー（１１）の前記アレイ内の前記圧電材料（Ｍ）が電圧（ＨＶ）を印加することによって分極され、前記電気絶縁材料（Ｉ）は前記分極の後に除去される、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の方法。
12. 前記ピラー（１１）は、前記圧電体層（２１）が前記ピラー（１１）に接続された後に、コロナ分極によって分極される、請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の方法。
13. 音響波を生成又は検出するための圧電デバイス（１００）であって、
    圧電材料（Ｍ）を含むピラー（１１）のアレイを備える第１の基板（１０）と、
    前記第１の基板（１０）と前記ピラー（１１）との間に設けられ、前記ピラー（１１）の各々の第１の端部において前記ピラー（１１）と一体的に接続される第１の圧電体層（１２）であって、前記ピラー（１１）の前記各々の第１の端部の間に基部構造を形成する、第１の圧電体層（１２）と、
    前記第１の基板（１０）とは反対側の前記ピラー（１１）の各々の第２の端部において前記ピラー（１１）と一体的に接続される第２の圧電体層（２１）であって、前記ピラー（１１）の前記各々の第２の端部の間に圧電材料（Ｍ）のプラットフォームとして機能するブリッジ構造を形成する、第２の圧電体層（２１）と、
    を備える圧電デバイス（１００）。
14. 圧電材料（Ｍ）を含むピラー（１１）のアレイを備える第１の基板（１０）と、
    前記第１の基板（１０）と前記ピラー（１１）との間に設けられ、前記ピラー（１１）の各々の第１の端部において前記ピラー（１１）と一体的に接続される第１の圧電体層（１２）であって、前記ピラー（１１）の前記各々の第１の端部の間に基部構造を形成する、第１の圧電体層（１２）と、
    前記第１の基板（１０）とは反対側の前記ピラー（１１）の各々の第２の端部において前記ピラー（１１）と一体的に接続される第２の圧電体層（２１）であって、前記ピラー（１１）の前記各々の第２の端部の間に圧電材料（Ｍ）のプラットフォームとして機能するブリッジ構造を形成する、第２の圧電体層（２１）と、
    を備える圧電デバイス（１００）。
15. 前記第１の圧電体層（１２）と前記第１の基板（１０）との間に設けられた第１の電極（１３）と、
    前記第２の圧電体層（２１）によって形成された前記プラットフォーム上に少なくとも１つの第２の電極を形成する電気コンタクト（２３）と、
    音響波を生成及び／又は測定するために、前記第１の電極及び前記第２の電極（１３， ２３）の電気信号を送受信するように構成された電気デバイス（５０）と、
    を備える、請求項１４に記載の圧電デバイス。
16. 前記第２の圧電体層（２１）は、１～３０マイクロメートルの範囲の第１の厚さ（Ｚ２）を有する、請求項１４に記載の圧電デバイス。
17. 前記第１の圧電体層（１２）は、前記第２の圧電体層（２１）の前記第１の厚さ（Ｚ２）の３倍の差以内で、同様又は同一である第２の厚さ（Ｚ３）を有する、請求項１６に記載の圧電デバイス。
18. 前記第１の基板（１０）は、０．５ミリメートル以上の第３の厚さ（Ｚ４）を有する、請求項１４に記載の圧電デバイス。
19. 前記ピラー（１１）は、５マイクロメートル～３００マイクロメートルの範囲のピラー高さ（Ｚ１）を有する、請求項１４に記載の圧電デバイス。
20. 前記ピラー（１１）は、ピラー高さ（Ｚ１）及びピラー幅（Ｘ１）を有し、前記ピラー高さ（Ｚ１）は、前記ピラー幅（Ｘ１）よりも少なくとも２倍以上大きい、請求項１４に記載の圧電デバイス。