Способ изготовления сверхтонких пленочных мембран Советский патент 1993 года по МПК H04R31/00 

Способ относится к электронной технике и может быть использован в технологии изготовления мембран, применяемых в высокочувствительных малогабаритных конденсаторных микрофонах.

Известен способ изготовления полимерных мембран для конденсаторных микрофонов, по которому металлизированную с одной стороны пленку закрепляют на пальцах с определенной степенью натяжения, наклеивают на нее оправки (металлические кольца или прямоугольные рамки) и вырезают пленку вокруг оправок. Приклейку оправок производят контактолом (проводящим клеем) со стороны металлизированной поверхности. Способ применяют для изготовления мембран, толщина которых равна или превышает 3-5 мкм. Выпуск мембран из пленки толщиной 1-2 мкм в промышленном производстве не производится из-за отсутствия простого, высокопроизводительного способа ее изготовления.

Известен способ формирования мембран гальваническим осаждением металлической пленки на подложку с последующим

жестким соединением оправки с пленкой и отделением мембраны от подложки. Например, на электроды с шероховатостью поверхности по 12 классу электрохимическим методом осаждали никелевую пленку. Далее подготавливали жесткую оправку из меди или ее сплавов травлением в растворах азотной и серной кислот с добавкой хлористого натрия, припаивали оправку к никелевой пленке и отделяли мембрану от электрода приложением небольшого усилия к корпусу оправки. Этот способ, однако имеет существенные недостатки, а именно сложность и трудоемкость технологических процессов, необходимость применения химически вредных веществ и, главное, непригодность для формирования сверхтонких мембран в связи с тем, что силы сцепления (адгезии) между никелевой пленкой и электродом затрудняли их свободное разделение и приводили к растяжению, а также к повреждению пленки при снятии мембраны с электрода.

Известен способ изготовления мембран приборов с микрозазором, по которому

ел

с

VI ю

N

чэ оо

Сд

СО

последовательно наносят на подложку прибора два электрода, изоляционный слой, контакты, буферный слой и мембрану, после чего удаляют буферный слой посредством селективного травления, промывают и сушат в электростатическом поле, силы притяжения которого превышают силы поверхностного натяжения в зазоре. Электростатические силы оттягивают мембрану от подложки в сторону электродов, расположенных над мембраной, препятствуя зали- панию мембраны на подложке в процессе удаления влаги из микрозазора. Как видно из описания этого способа, требуется селективный травитель для растворения буферного слоя, что усложняет выбор материала мембраны. Кроме того, для растворения буферного слоя, промывки и последующей сушки, мембрана должна иметь форму полосы или консоли, боковые участки которых открыты для раствора. Поэтому данный способ технологически сложен и пригоден только для изготовления микрополосных реле, мембранных модуляторов света и др. Для изготовления мембран конденсаторных микрофонов, у которых пленка жестко закреплена на оправке по всему периметру, этот способ не пригоден.

Известен способ изготовления мембран приборов с микрозазором, отличающийся от предыдущего способа тем, что мембране при сушке сообщают колебания на собственной резонансной частоте. Этот способ имеет те же недостатки, что и предыдущий способ.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления капсюлей конденсаторных микрофонов (авт.св. № 1524795, кл. Н 04 R 31/00, 1988). Способ заключается в фиксации (с помощью специального устройства) кольца капсюля микрофона на поверхности кремниевой пластины, содержащей слой пористого кремния: заполнении полости кольца гальваническим осаждением меди из сернокислого электролита в две стадии: 30-60 мин - ток осаждения 10-20 мА/см2; 60-120 мин - ток осаждения 50-100 мА/см2; в отделении кольца с осажденной медью от кремниевой пластины; нанесении материала мембраны на сформированную подложку и удалении меди из полости капсюля селективным травлением. Пористый кремний получают анодной обработкой полированной кремниевой пластины. Величина адгезии (сил сцепления) к анодно-обработанному кремнию мала, поэтому отделение кольца капсюля от поверхности кремниевой пластины происходит за счет приложения к кольцу небольшого усилия. Как видно из

описания способа, процесс изготовления мембран оказывается сложным и трудоемким из-за необходимости применения гальваники- и селективного травления. Однако

основной недостаток этого способа заключается в том, что при снятии с кремниевой пластины кольцо капсюля часто отделяется от гальванического покрытия, которое, в свою очередь, содержит на поверхности не0 ровности и острые выступы размером в несколько десятков микрон. В результате изготовленные подложки оказываются малопригодными для использования ввиду низкого качества формируемых на ней

5 сверхтонких мембран.

Целью изобретения является упрощение технологии и улучшение качества изготовления сверхтонких мембран.

Поставленная цель достигается тем, что

0 в способе изготовления пленочных мемб- ран, включающем формирование растворимой подложки, нанесение на ее поверхность пленки, жесткое закрепление оправки мембраны на пленке, отделение

5 мембраны от подложки путем обработки их в растворителе,подложку формируют нанесением покрытия из водорастворимого силикатного клея на поверхность листа из водопроницаемой чертежной кальки, плен0 ку формируют нанесением на подложку химически стойкого лака ХСЛ или ХВ, а мембрану отделяют от подложки путем обработки их в воде.

Сущность изобретения заключается в

5 том, что в отличие от прототипа, в котором подложку формируют гальваническим осаждением медного покрытия на полированную кремниевую пластину с последующим его механическим отсоединением от пластины,

0 причем покрытие обрабатывают затем в сложных химических растворах с целью отделения мембраны от подложки, в нашем способе подложку формируют из водопроницаемого материала с водорастворимым

5 покрытием на нем, соответственно отделение мембраны от подложки осуществляют обработкой в воде. В результате значительно упрощается технология изготовления сверхтонких мембран, так как исключают0 ся трудоемкие процессы подготовки кремниевых пластин, длительного гальванического осаждения медного покрытия и последующего его растворения в химически вредных травителях. Кроме того, ис5 ключается операция механического отделения медного покрытия от кремниевой пластины, из-за которой происходит нарушение поверхности подложек и соответственно ухудшается качество изготовленных мембран.

Выбор лака ХСЛ или ХВ для формирования сверхтонких мембран обусловлен следующими его свойствами - он легко наносится на поверхность подложки методом центрифугирования, быстро высыхает при комнатной температуре. Пленка получается эластичной, по прочности не уступает фто- ролластовой плёнке, обладает слабой адгезиёй к силикатному покрытию, не растворяется в воде, химически устойчивая к щелочам и кислотам, не разрушается со временем,

Использование центрифугирования обусловлено высокой производительностью этого метода и возможностью получе- ния пленок толщиной 1 мкм и меньше. Толщину пленок можно регулировать подбором вязкости лака и числа оборотов центрифуги. Вязкость регулируют разбавлением лака в растворителе № 649. Измере- ние толщины осуществляют стандартным способом на микроскопе МИИ-4.

Процесс изготовления сверхтонких мембран заключался в следующем.

На металлические пяльцы J2T 53 мм на- тягивали водопроницаемую чертежную кальку, имеющую ровную, гладкую поверхность без вмятин и повреждений. Пальцы закрепляли на оси центрифуги от дисковода ЕС-5061 и со скоростью вращения 3000 об/мин наносили водорастворимое покрытие в виде тонкого (10-20 мкм) слоя конторского силикатного клея 6-15-433-75) в течение 15-20 с. За это время клей успевал высохнуть и дальше наносили центрифуги- рованием в течение 15-20 с плёнку толщиной 1-2 мкм химически стойкого лака. ХСЛ или ХВ-784 (ГОСТ 7313-75). После сушки лака при комнатной температуре в течение 10-15 мин (или на центрифуге в течение 3-5 мин) пяльцы снимали с дисковода и на полимерную пленку наклеивали тем же лаком ХВ или ХСЛ металлическую оправку, вокруг которой затем лезвием вырезали получен

ную многослойную структуру. Вырезанную мембрану помещали в сосуд с водой выдерживали 15-20 мин. За это время вода проникала через кальку и растворяла силикатный клей, после чего однослойную полимерную мембрану свободно отделяли от кальки, промывали в чистой воде и сушили бумажными фильтрами.

В дальнейшем процесс изготовления мембран требуемых размеров для микрофонов ничем не отличался от известного способа их изготовления путем нанесения на сверхтонкую пленку электропроводящего покрытия толщиной 0,2-0,3 мкм методом вакуумно-термического напыления алюминия, приклейки колец или рамок проводящим клеем (контактолом) и последующей вырезки готовых мембран. Были изготовлены таким способом мембраны следующих размеров:

В/ 11 мм для электретных микрофонов МКЭ-3;.

0 19 мм для электретных микрофонов МКЭ-82А и МКЭ:84;

7x5 мм2 для малогабаритных микрофонов М4 и М7.

Применение сверхтонких мембран позволило увеличить пороговую чувствительность конденсаторных, в том числе электретных микрофонов в 2-3 раза. Значительно уменьшена трудоемкость их изготовления и соответственно себестоимость. Технологический процесс обеспечивает 100%-ный выход годных мембран и высокое их качество.

Применение изобретения в производстве обеспечит достижение значительного экономического эффекта. Этот способ может быть рекомендован преимущественно для изготовления высокочувствительных малогабаритных конденсаторных микрофонов, у которых используются электреты, например из оксида кремния или фторопласта Ф4МБ, нанесенные на перфорированные электроды,

Использование:технология изготовления мембран для малогабаритных высокочувствительных конденсаторных микрофонов. Сущность изобретения: подложку формируют нанесением покрытия из водорастворимого силикатного клея на поверхность листа из водопроницаемой чертежной кальки, пленку формируют нанесением на подложку химически стойкого лака ХСЛ илиХВ, а пленку отделяют от подложки путем обработки их в воде.