特表2023-530038マイクロ成型によって電気デバイスを加工する方法およびシステム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-07-12
(54)【発明の名称】マイクロ成型によって電気デバイスを加工する方法およびシステム
(51)【国際特許分類】
G01N 27/12 20060101AFI20230705BHJP
G01N 27/22 20060101ALI20230705BHJP
【ＦＩ】
G01N27/12 C
G01N27/22 A
G01N27/12 M
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023519160
(86)(22)【出願日】2021-06-08
(85)【翻訳文提出日】2023-02-01
(86)【国際出願番号】 US2021036450
(87)【国際公開番号】W WO2021252520
(87)【国際公開日】2021-12-16
(31)【優先権主張番号】63/086,367
(32)【優先日】2020-10-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/036,357
(32)【優先日】2020-06-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522476886
【氏名又は名称】メソライン インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(74)【代理人】
【識別番号】100181674
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 貴敏
(74)【代理人】
【識別番号】100181641
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】230113332
【弁護士】
【氏名又は名称】山本 健策
(72)【発明者】
【氏名】レーベルヘン， マルニクス ペー．
(72)【発明者】
【氏名】ケルゼンバーグ， マイケル ディー．
(72)【発明者】
【氏名】ルッセル， トーマス セー． エル．
(72)【発明者】
【氏名】ミトニク， セルヒー
【テーマコード（参考）】
2G046
2G060
【Ｆターム（参考）】
2G046AA01
2G046AA28
2G046BA01
2G046BA08
2G046BA09
2G046BB02
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2G046FE02
2G046FE03
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2G046FE11
2G046FE12
2G046FE15
2G046FE21
2G046FE22
2G046FE29
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2G046FE34
2G046FE36
2G046FE39
2G046FE44
2G046FE45
2G046FE46
2G046FE48
2G060AA01
2G060AE19
2G060AF07
2G060AF10
2G060AG03
2G060BB08
2G060JA01
(57)【要約】
本発明は、概して、マイクロ成型によって電気デバイスを加工する方法およびシステムに関し、より具体的には、マイクロ成型プロセスを使用して高分解能特徴を有する電気デバイスを加工する方法およびシステムに関する。高分解能構成要素を伴う電気デバイスのシステムおよびマイクロ成型プロセスを使用して電気デバイスを加工する方法が、説明される。小さい占有面積の電気デバイスが、高伝導性材料を用いて、かつ密接に離間された構成要素を用いて構成要素を加工することによって達成されることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
マイクロ成型ガスセンサであって、少なくとも１つのガスセンサ要素であって、前記少なくとも１つのガスセンサ要素は、ナノ多孔性電気導体を備え、前記ナノ多孔性電気導体は、溶融ナノ粒子を備える、少なくとも１つのガスセンサ要素と、
前記少なくとも１つのガスセンサ要素の第１の端部に電気的に接続される少なくとも１つの第１の電極と、
前記少なくとも１つのガスセンサ要素の第２の端部に電気的に接続される少なくとも１つの第２の電極と
を備え、
前記少なくとも１つのガスセンサ要素は、対応する第１の電極および第２の電極対を有し、
前記少なくとも１つの第１の電極および前記少なくとも１つの第２の電極によって測定される前記少なくとも１つのガスセンサ要素の電気特性は、前記ナノ多孔性電気導体と接触する周囲ガスに応答して変化する、
マイクロ成型ガスセンサ。
【請求項2】
第１のガスセンサ要素と、第２のガスセンサ要素とをさらに備え、前記第１のガスセンサ要素は、第１のナノ粒子組成物を備え、前記第２のガスセンサ要素は、前記第１のナノ粒子組成物と異なる第２のナノ粒子組成物を備える、請求項１に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項3】
第１のガスセンサ要素と、第２のガスセンサ要素とをさらに備え、前記第１のガスセンサ要素は、第１の形状因子を有し、前記第２のガスセンサ要素は、前記第１の形状因子と異なる第２の形状因子を有する、請求項１に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項4】
前記少なくとも１つのガスセンサ要素を加熱するためのマイクロヒータをさらに備える、請求項１に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項5】
前記マイクロヒータは、複数のマイクロヒータ区画のそれぞれにおいて異なる温度を同時に提供するように個々に制御可能である前記複数のマイクロヒータ区画を備える、請求項４に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項6】
前記少なくとも１つの第１の電極に電気的に接続され、前記少なくとも１つの第２の電極に電気的に接続されるセンサコントローラをさらに備え、前記センサコントローラは、前記少なくとも１つのガスセンサ要素に電流を提供し、その抵抗率を測定するように動作可能である、請求項１に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項7】
基板と、前記基板上に配置されるマイクロヒータと、
前記マイクロヒータ上に配置される電気絶縁層と
をさらに備え、
前記少なくとも１つの第１の電極および前記少なくとも１つの第２の電極は、前記電気絶縁層上に配置され、前記少なくとも１つのガスセンサ要素は、前記対応する第１の電極および第２の電極対上に配置される、請求項１に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項8】
前記少なくとも１つのガスセンサ要素は、前記マイクロヒータを越えて延在しない、請求項７に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項9】
前記基板は、少なくとも１つの膜を組み込み、前記膜は、約１ミクロン未満の厚さを有する、請求項７に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項10】
前記ナノ粒子は、金属ナノ粒子、金属酸化物ナノ粒子、およびドープされた金属酸化物ナノ粒子から成る群から選択される、請求項１に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項11】
前記金属酸化物ナノ粒子は、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、Ｃｄ：ＺｎＯ、ＣｒＯ３、およびＶ２Ｏ５のうちの１つまたはそれを上回るものである、請求項１０に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項12】
前記金属酸化物ナノ粒子は、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｍｏ、Ｃｅ、Ｍｎ、Ｒｈ２Ｏ３、またはカーボンナノチューブを用いてドープされる、請求項１１に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項13】
前記少なくとも１つのガスセンサ要素は、約１μｍ～約２０μｍの範囲内の高さと、約１μｍ～約５０μｍの範囲内の幅とを有する、請求項１に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項14】
前記少なくとも１つのガスセンサ要素は、約１００ｎｍ ＲＭＳ未満の表面粗度を有する、請求項１に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項15】
前記少なくとも１つのガスセンサ要素の要素高と前記少なくとも１つのガスセンサ要素の要素幅との間の比は、２以上である、請求項１に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項16】
前記少なくとも１つのガスセンサ要素の要素高と前記少なくとも１つのガスセンサ要素の要素幅との間の比は、０．５以下である、請求項１に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項17】
少なくとも２つの隣接するガスセンサ要素の間の間隔と前記少なくとも１つのガスセンサ要素の要素幅と間の比は、４以下である、請求項１に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項18】
電流または電圧を前記少なくとも１つのガスセンサ要素の中に注入する少なくとも１つの力電極と、電気特性の変化を測定する少なくとも１つの感知電極とをさらに備える、請求項１に記載のマイクロ成型ガスセンサ。
【請求項19】
マイクロ成型機械であって、スタンプの表面上に配置される第１のチャネルと、前記スタンプの表面上に配置される第２のチャネルとを有するスタンプと、
前記第１のチャネルに接続される第１の入口ポートおよび前記第２のチャネルに接続される前記第１の入口ポートと別個の第２の入口ポートと、
第１のナノ粒子インクを前記第１の入口ポートに供給するための第１のナノ粒子インク供給源および第２のナノ粒子インクを前記第２の入口ポートに供給するための前記第１のナノ粒子インク供給源と別個の第２のナノ粒子インク供給源であって、前記第１のナノ粒子インクは、第１のナノ粒子組成物を備え、前記第２のナノ粒子インクは、前記第１のナノ粒子組成物と異なる第２のナノ粒子組成物を備える、第１のナノ粒子インク供給源および第２のナノ粒子インク供給源と、
前記第１の入口ポートおよび前記第１のチャネルを通して前記第１のナノ粒子インクを圧送または分注し、前記第２の入口ポートおよび前記第２のチャネルを通して前記第２のナノ粒子インクを圧送または分注するためのポンプまたは分注器と、
前記スタンプの表面を基板に接触させるための接触機構と
を備える、マイクロ成型機械。
【請求項20】
前記第１のチャネルは、第１の形状因子を有し、前記第２のチャネルは、前記第１の形状因子と異なる第２の形状因子を有する、請求項１８に記載のマイクロ成型機械。
【請求項21】
前記第１または第２のチャネルに接続される出口ポートをさらに備え、前記ポンプまたは分注器は、大気圧未満の圧力を前記出口ポートに提供するように動作可能である、請求項１８に記載のマイクロ成型機械。
【請求項22】
ガスセンサ要素をマイクロ成型する方法であって、基板表面を有する基板を提供するステップと、
支持側と、チャネル側とを有する金型層と、前記支持側と接触して配置される支持層とを備えるスタンプを提供するステップであって、前記金型層は、（ｉ）前記チャネル側上に配置される第１の形状因子を有する第１のチャネルと、前記第１のチャネルに接続される第１の入口ポートと、前記第１のチャネルに接続される第１の出口ポートと、（ｉｉ）前記チャネル側上に配置される第２の形状因子を有する第２のチャネルと、前記第２のチャネルに接続される第２の入口ポートと、前記第２のチャネルに接続される第２の出口ポートとを備える、ステップと、
第１のナノ粒子組成物を備える第１のナノ粒子インクと、第２のナノ粒子組成物を備える第２のナノ粒子インクとを提供するステップと、
前記基板表面と接触して前記金型層を配置するステップと、
前記第１の入口ポートを通して前記第１のチャネルの中に前記第１のナノ粒子インクを圧送または分注し、前記第２の入口ポートを通して前記第２のチャネルの中に前記第２のナノ粒子インクを圧送または分注するステップと、
前記第１のチャネル内の前記第１のナノ粒子インクを硬化させ、第１のナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体と接触する第１の周囲ガスに応答して変化する電気伝導性を有する前記第１のナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体を形成するステップと、
前記第２のチャネル内の前記第２のナノ粒子インクを硬化させ、第２のナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体と接触する第２の周囲ガスに応答して変化する電気伝導性を有する前記第２のナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体を形成するステップと、
前記スタンプを除去し、前記基板表面上に自立ガスセンサ要素を形成するステップと
を含む、方法。
【請求項23】
前記第１のナノ粒子組成物は、前記第２のナノ粒子組成物と異なり、前記第１の形状因子は、前記第２の形状因子と同一である、請求項２１に記載の方法。
【請求項24】
前記第１のナノ粒子組成物は、前記第２のナノ粒子組成物と同一であり、前記第１の形状因子は、前記第２の形状因子と異なる、請求項２１に記載の方法。
【請求項25】
前記第１のナノ粒子組成物は、前記第２のナノ粒子組成物と異なり、前記第１の形状因子は、前記第２の形状因子と異なる、請求項２１に記載の方法。
【請求項26】
前記支持層は、前記金型層よりも剛性である、請求項２１に記載の方法。
【請求項27】
前記チャネルは、前記チャネル側から前記金型層への方向においてある高さを有し、前記ある高さは、前記チャネル側上の前記チャネルの幅を上回る、請求項２１に記載の方法。
【請求項28】
前記ナノ粒子インクを加熱し、または前記ナノ粒子インクを電磁放射に暴露し、前記硬化ステップを加速させるステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項29】
前記ナノ粒子を加熱することによって、または前記ナノ粒子を電磁放射に暴露することによって、前記ナノ粒子を焼結させるステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項30】
前記圧送または分注ステップの間に前記入口ポートに入口圧力を提供し、前記出口ポートに出口圧力を提供するステップをさらに含み、前記入口圧力は、前記出口圧力を上回る、請求項２１に記載の方法。
【請求項31】
前記ナノ粒子インクを圧送または分注するステップは、前記ナノ粒子インクを前記チャネルを通して流動させ、前記ナノ粒子インクの流動は、少なくとも部分的に、前記チャネル内の毛管圧によって駆動される、請求項２１に記載の方法。
【請求項32】
前記ナノ粒子インクを圧送または分注するステップは、前記ナノ粒子インクを前記チャネルを通して流動させ、前記ナノ粒子インクの流動は、圧力を前記入口ポートに印加する、または真空を前記出口ポートに印加することによって駆動される、請求項２１に記載の方法。
【請求項33】
前記スタンプは、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルメタクリレート、およびポリウレタンから成る群から選択される材料を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項34】
少なくとも１つのインクリザーバが、前記スタンプに組み込まれる、請求項２１に記載の方法。
【請求項35】
前記金型層は、ナノ粒子の組み込みによって、またはガラス、鋼、炭素、およびナイロンから成る群から選択される材料を含む繊維メッシュの包含によって補強される、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０２０年６月８日に出願され、「Ｓｍａｌｌ－Ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ－Ａｓｐｅｃｔ－Ｒａｔｉｏ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ」と題された米国仮特許出願第６３／０３６，３５７号および２０２０年１０月１日に出願され、「Ｍｉｃｒｏ－Ｍｏｌｄｅｄ Ｇａｓ Ｓｅｎｓｏｒ」と題された米国仮特許出願第６３／０８６，３６７号の優先権の利益を主張する。米国仮特許出願第６３／０３６，３５７号および第６３／０８６，３６７号の開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる。
本願は、２０２０年６月８日に出願され、「Ｓｍａｌｌ－Ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ－Ａｓｐｅｃｔ－Ｒａｔｉｏ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ」と題された米国仮特許出願第６３／０３６，３５７号および２０２０年１０月１日に出願され、「Ｍｉｃｒｏ－Ｍｏｌｄｅｄ Ｇａｓ Ｓｅｎｓｏｒ」と題された米国仮特許出願第６３／０８６，３６７号の優先権の利益を主張する。米国仮特許出願第６３／０３６，３５７号および第６３／０８６，３６７号の開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、概して、マイクロ成型によって電気デバイスを加工する方法およびシステムに関し、より具体的には、マイクロ成型プロセスを使用して高分解能特徴を有する電気デバイスを加工する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【0003】
マイクロ成型は、ミクロン公差を伴う小さい高精度な部品および構成要素を生産し得る製造プロセスである。プロセスは、所望の部分の形状における空洞を有する金型を作成することによって開始されることができる。熱可塑性物質または樹脂が、空洞の中に急速に注入され、高速で部品または構成要素を作成することができる。ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、カーボン充填液晶ポリマー（ＬＣＰ）、またはガラス充填ナイロン等の材料が、マイクロ成型プロセスにおいて使用されることができる。軟質デュロメータまたはエラストマ樹脂もまた、適用されることができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明の種々の実施形態によるシステムおよび方法は、マイクロ成型プロセスを使用して、（限定ではないが）ガスセンサ、アンテナ、およびインダクタを含む、電気デバイスの設計および加工を可能にする。多くの実施形態は、マイクロ成型プロセスにおいて使用されるマイクロ成型機械の設計および構造を提供する。いくつかの実施形態によるマイクロ成型機械は、高縦横比を伴う高分解能電気導体を加工することができる。多くの実施形態は、高縦横比構成要素を利用し、種々の構成におけるコンパクトな高性能電気デバイスを生産する。いくつかの実施形態は、低費用における高分解能および／または高縦横比構成要素の加工方法を提供する。いくつかの実施形態は、マイクロ成型プロセスが、一貫した繰り返し可能な簡略化された製造プロセスを提供することを提供する。
【0005】
いくつかの実施形態による、マイクロ成型プロセスを用いて加工されるガスセンサおよび／またはガスセンサ要素は、より低い電力消費、増加された感度、改良された選択性、増加された一貫性および制御性、および低減された占有面積を有する。多くの実施形態は、（限定ではないが）近接場アンテナまたは遠方場アンテナを含む、小占有面積アンテナのマイクロ成型加工を提供する。いくつかの実施形態は、所与のアンテナ占有面積および導体長に関する高インダクタンスおよび低直列抵抗を伴うコンパクトなアンテナコイル構造を提供する。アンテナ構造の高インダクタンスおよび低直列抵抗は、ある実施形態による、高伝導性材料を伴い、密接に離間された高縦横比電気導体（トレース）を伴うアンテナコイルを加工することによって達成されることができる。いくつかの実施形態は、電気デバイスの導電性構成要素が、（限定ではないが）金属ナノ粒子を含むナノ粒子から作製され得ることを提供する。
【0006】
本発明の一実施形態は、少なくとも１つのガスセンサ要素であって、少なくとも１つのガスセンサ要素は、ナノ多孔性電気導体を備え、ナノ多孔性電気導体は、溶融ナノ粒子を備える、少なくとも１つのガスセンサ要素と、少なくとも１つのガスセンサ要素の第１の端部に電気的に接続される、少なくとも１つの第１の電極と、少なくとも１つのガスセンサ要素の第２の端部に電気的に接続される、少なくとも１つの第２の電極とを備え、少なくとも１つのガスセンサ要素は、対応する第１の電極および第２の電極対を有し、少なくとも１つの第１の電極および少なくとも１つの第２の電極によって測定される少なくとも１つのガスセンサ要素の電気特性は、ナノ多孔性電気導体と接触する周囲ガスに応答して変化する、マイクロ成型ガスセンサを含む。
【0007】
別の実施形態では、マイクロ成型ガスセンサはさらに、第１のガスセンサ要素と、第２のガスセンサ要素とを備え、第１のガスセンサ要素は、第１のナノ粒子組成物を備え、第２のガスセンサ要素は、第１のナノ粒子組成物と異なる第２のナノ粒子組成物を備える。
【0008】
さらなる実施形態では、マイクロ成型ガスセンサはさらに、第１のガスセンサ要素と、第２のガスセンサ要素とを備え、第１のガスセンサ要素は、第１の形状因子を有し、第２のガスセンサ要素は、第１の形状因子と異なる第２の形状因子を有する。
【0009】
なおも別の実施形態では、マイクロ成型ガスセンサはさらに、少なくとも１つのガスセンサ要素を加熱するためのマイクロヒータを備える。
【0010】
またさらなる実施形態では、マイクロヒータは、複数のマイクロヒータ区画のそれぞれにおいて異なる温度を同時に提供するように個々に制御可能である複数のマイクロヒータ区画を備える。
【0011】
なおもさらなる実施形態では、マイクロ成型ガスセンサはまた、少なくとも１つの第１の電極に電気的に接続され、少なくとも１つの第２の電極に電気的に接続される、センサコントローラを含み、センサコントローラは、少なくとも１つのガスセンサ要素に電流を提供し、その抵抗率を測定するように動作可能である。
【0012】
また別の実施形態では、マイクロ成型ガスセンサはさらに、基板と、基板上に配置される、マイクロヒータと、マイクロヒータ上に配置される、電気絶縁層とを備え、少なくとも１つの第１の電極および少なくとも１つの第２の電極は、電気絶縁層上に配置され、少なくとも１つのガスセンサ要素は、対応する第１の電極および第２の電極対上に配置される。
【0013】
再び、さらなる実施形態では、少なくとも１つのガスセンサ要素は、マイクロヒータを越えて延在しない。
【0014】
なおもまたさらなる実施形態では、基板は、少なくとも１つの膜を組み込み、膜は、約１ミクロン未満の厚さを有する。
【0015】
別の付加的実施形態では、ナノ粒子は、金属ナノ粒子、金属酸化物ナノ粒子、およびドープされた金属酸化物ナノ粒子から成る群から選択される。
【0016】
再び、別の実施形態では、金属酸化物ナノ粒子は、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、Ｃｄ：ＺｎＯ、ＣｒＯ３、およびＶ２Ｏ５のうちの１つまたはそれを上回るものである。
【0017】
再び、またさらなる実施形態では、金属酸化物ナノ粒子は、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｍｏ、Ｃｅ、Ｍｎ、Ｒｈ２Ｏ３、またはカーボンナノチューブを用いてドープされる。
【0018】
なおもまたさらなる実施形態では、少なくとも１つのガスセンサ要素は、約１μｍ～約２０μｍの範囲内の高さと、約１μｍ～約５０μｍの範囲内の幅とを有する。
【0019】
なおもまた別の実施形態では、少なくとも１つのガスセンサ要素は、約１００ｎｍ ＲＭＳ未満の表面粗度を有する。
【0020】
再び、さらなる実施形態では、少なくとも１つのガスセンサ要素の要素高と少なくとも１つのガスセンサ要素の要素幅との間の比は、２以上である。
【0021】
なおもまた別の実施形態では、少なくとも１つのガスセンサ要素の要素高と少なくとも１つのガスセンサ要素の要素幅との間の比は、０．５以下である。
【0022】
再び、なおもさらなる実施形態では、少なくとも２つの隣接するガスセンサ要素の間の間隔と少なくとも１つのガスセンサ要素の要素幅と間の比は、４以下である。
【0023】
なおもさらなる付加的実施形態では、マイクロ成型ガスセンサはさらに、電流または電圧を少なくとも１つのガスセンサ要素の中に注入する、少なくとも１つの力電極と、電気特性の変化を測定する、少なくとも１つの感知電極とを備える。
【0024】
なおも別の付加的実施形態は、スタンプの表面上に配置される、第１のチャネルと、スタンプの表面上に配置される、第２のチャネルとを有する、スタンプと、第１のチャネルに接続される、第１の入口ポートおよび第２のチャネルに接続される、第１の入口ポートと別個の第２の入口ポートと、第１のナノ粒子インクを第１の入口ポートに供給するための第１のナノ粒子インク供給源および第２のナノ粒子インクを第２の入口ポートに供給するための第１のナノ粒子インク供給源と別個の第２のナノ粒子インク供給源であって、第１のナノ粒子インクは、第１のナノ粒子組成物を備え、第２のナノ粒子インクは、第１のナノ粒子組成物と異なる第２のナノ粒子組成物を備える、第１のナノ粒子インク供給源および第２のナノ粒子インク供給源と、第１の入口ポートおよび第１のチャネルを通して第１のナノ粒子インクを圧送または分注し、第２の入口ポートおよび第２のチャネルを通して第２のナノ粒子インクを圧送または分注するためのポンプまたは分注器と、スタンプの表面を基板に接触させるための接触機構とを備える、マイクロ成型機械を含む。
【0025】
別の付加的実施形態では、第１のチャネルは、第１の形状因子を有し、第２のチャネルは、第１の形状因子と異なる第２の形状因子を有する。
【0026】
再び、またさらなる実施形態は、第１または第２のチャネルに接続される、出口ポートを含み、ポンプまたは分注器は、大気圧未満の圧力を出口ポートに提供するように動作可能である。
【0027】
再び、別のさらなる実施形態は、
・ 基板表面を有する、基板を提供するステップと、
・ 支持側と、チャネル側とを有する、金型層と、支持側と接触して配置される、支持層とを備える、スタンプを提供するステップであって、金型層は、（ｉ）チャネル側上に配置される、第１の形状因子を有する、第１のチャネルと、第１のチャネルに接続される、第１の入口ポートと、第１のチャネルに接続される、第１の出口ポートと、（ｉｉ）チャネル側上に配置される、第２の形状因子を有する、第２のチャネルと、第２のチャネルに接続される、第２の入口ポートと、第２のチャネルに接続される、第２の出口ポートとを備える、ステップと、
・ 第１のナノ粒子組成物を備える、第１のナノ粒子インクと、第２のナノ粒子組成物を備える、第２のナノ粒子インクとを提供するステップと、
・ 基板表面と接触して金型層を配置するステップと、
・ 第１の入口ポートを通して第１のチャネルの中に第１のナノ粒子インクを圧送または分注し、第２の入口ポートを通して第２のチャネルの中に第２のナノ粒子インクを圧送または分注するステップと、
・ 第１のチャネル内の第１のナノ粒子インクを硬化させ、第１のナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体と接触する第１の周囲ガスに応答して変化する電気伝導性を有する、第１のナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体を形成するステップと、
・ 第２のチャネル内の第２のナノ粒子インクを硬化させ、第２のナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体と接触する第２の周囲ガスに応答して変化する電気伝導性を有する、第２のナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体を形成するステップと、
・ スタンプを除去し、基板表面上に自立ガスセンサ要素を形成するステップと、
を含む、ガスセンサ要素をマイクロ成型する方法を含む。
・ 基板表面を有する、基板を提供するステップと、
・ 支持側と、チャネル側とを有する、金型層と、支持側と接触して配置される、支持層とを備える、スタンプを提供するステップであって、金型層は、（ｉ）チャネル側上に配置される、第１の形状因子を有する、第１のチャネルと、第１のチャネルに接続される、第１の入口ポートと、第１のチャネルに接続される、第１の出口ポートと、（ｉｉ）チャネル側上に配置される、第２の形状因子を有する、第２のチャネルと、第２のチャネルに接続される、第２の入口ポートと、第２のチャネルに接続される、第２の出口ポートとを備える、ステップと、
・ 第１のナノ粒子組成物を備える、第１のナノ粒子インクと、第２のナノ粒子組成物を備える、第２のナノ粒子インクとを提供するステップと、
・ 基板表面と接触して金型層を配置するステップと、
・ 第１の入口ポートを通して第１のチャネルの中に第１のナノ粒子インクを圧送または分注し、第２の入口ポートを通して第２のチャネルの中に第２のナノ粒子インクを圧送または分注するステップと、
・ 第１のチャネル内の第１のナノ粒子インクを硬化させ、第１のナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体と接触する第１の周囲ガスに応答して変化する電気伝導性を有する、第１のナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体を形成するステップと、
・ 第２のチャネル内の第２のナノ粒子インクを硬化させ、第２のナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体と接触する第２の周囲ガスに応答して変化する電気伝導性を有する、第２のナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体を形成するステップと、
・ スタンプを除去し、基板表面上に自立ガスセンサ要素を形成するステップと、
を含む、ガスセンサ要素をマイクロ成型する方法を含む。
【0028】
再び、また別の実施形態では、第１のナノ粒子組成物は、第２のナノ粒子組成物と異なり、第１の形状因子は、第２の形状因子と同一である。
【0029】
なおも別のさらなる実施形態では、第１のナノ粒子組成物は、第２のナノ粒子組成物と同一であり、第１の形状因子は、第２の形状因子と異なる。
【0030】
なおもさらなる付加的実施形態では、第１のナノ粒子組成物は、第２のナノ粒子組成物と異なり、第１の形状因子は、第２の形状因子と異なる。
【0031】
なおもまた別の実施形態では、支持層は、金型層よりも剛性である。
【0032】
なおも別の付加的実施形態では、チャネルは、チャネル側から金型層への方向においてある高さを有し、ある高さは、チャネル側上のチャネルの幅を上回る。
【0033】
再び、さらなる実施形態は、ナノ粒子インクを加熱し、またはナノ粒子インクを電磁放射に暴露し、硬化ステップを加速させるステップを含む。
【0034】
なおもさらなる実施形態は、ナノ粒子を加熱することによって、またはナノ粒子を電磁放射に暴露することによって、ナノ粒子を焼結させるステップを含む。
【0035】
なおも別の付加的実施形態は、圧送または分注ステップの間に入口ポートに入口圧力を提供し、出口ポートに出口圧力を提供するステップを含み、入口圧力は、出口圧力を上回る。
【0036】
またさらなる実施形態では、ナノ粒子インクを圧送または分注するステップは、ナノ粒子インクをチャネルを通して流動させ、ナノ粒子インクの流動は、少なくとも部分的に、チャネル内の毛管圧によって駆動される。
【0037】
再び、また別の実施形態では、ナノ粒子インクを圧送または分注するステップは、ナノ粒子インクをチャネルを通して流動させ、ナノ粒子インクの流動は、圧力を入口ポートに印加する、または真空を出口ポートに印加することによって駆動される。
【0038】
なおも別のさらなる実施形態では、スタンプは、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルメタクリレート、およびポリウレタンから成る群から選択される材料を含む。
【0039】
別のさらなる付加的実施形態では、少なくとも１つのインクリザーバが、スタンプに組み込まれる。
【0040】
なおもまた別の実施形態では、金型層は、ナノ粒子の組み込みによって、またはガラス、鋼、炭素、およびナイロンから成る群から選択される材料を含む繊維メッシュの包含によって補強される。
【0041】
付加的実施形態および特徴が、部分的に、続く説明に記載され、部分的に、本明細書の検討に応じて、当業者に明白となるであろう、または本開示の実践によって、学習され得る。本開示の性質および利点のさらなる理解が、本明細書の残りの部分および本開示の一部を形成する図面を参照することによって実現され得る。
【図面の簡単な説明】
【0042】
説明は、本発明の例示的実施形態として提示され、本発明の範囲の完全な列挙として解釈されるべきではない、以下の図を参照することによってより完全に理解されるであろう。
【0043】
【0044】
【0045】
【0046】
【0047】
【0048】
【0049】
【0050】
【0051】
【0052】
【0053】
【0054】
【0055】
【0056】
【0057】
【0058】
【0059】
【0060】
【0061】
【0062】
【0063】
【0064】
【0065】
【0066】
本開示の特徴および利点は、同様の参照文字が全体を通して対応する要素を識別する、図面と併せて検討されるとき、下記に記載される詳細な説明からより明白となるであろう。図面では、同様の参照番号は、概して、同じ、機能的に類似する、および／または構造的に類似する要素を示す。図の種々の要素のサイズの変動が、大きすぎ、描写が縮尺通りであることを可能にしないため、図は、縮尺通りに描かれない。
【発明を実施するための形態】
【0067】
詳細な説明
ここで図面に目を向けると、マイクロ成型プロセスを使用して電気デバイスを加工するためのシステムおよび方法が、説明される。多くの実施形態は、マイクロ成型プロセスにおいて使用されるマイクロ成型機械の設計および構造を提供する。いくつかの実施形態による、マイクロ成型機械は、高縦横比を伴う高分解能電気導体を加工することができる。電気導体は、（限定ではないが）ガスセンサ、インダクタ、アンテナを含む、電気デバイス内に統合されることができる。多くの実施形態は、マイクロ成型機械が、少なくともスタンプを含むことを提供する。少なくとも１つのインク供給源が、マイクロ成型プロセスの間にスタンプに供給されることができる。いくつかの実施形態による、複数のインク供給源が、同一および／または異なるインクをマイクロ成型スタンプに供給することができる。いくつかの実施形態では、マイクロ成型機械は、同一および／または異なる形状因子のチャネルを有する。
ここで図面に目を向けると、マイクロ成型プロセスを使用して電気デバイスを加工するためのシステムおよび方法が、説明される。多くの実施形態は、マイクロ成型プロセスにおいて使用されるマイクロ成型機械の設計および構造を提供する。いくつかの実施形態による、マイクロ成型機械は、高縦横比を伴う高分解能電気導体を加工することができる。電気導体は、（限定ではないが）ガスセンサ、インダクタ、アンテナを含む、電気デバイス内に統合されることができる。多くの実施形態は、マイクロ成型機械が、少なくともスタンプを含むことを提供する。少なくとも１つのインク供給源が、マイクロ成型プロセスの間にスタンプに供給されることができる。いくつかの実施形態による、複数のインク供給源が、同一および／または異なるインクをマイクロ成型スタンプに供給することができる。いくつかの実施形態では、マイクロ成型機械は、同一および／または異なる形状因子のチャネルを有する。
【0068】
多くの実施形態は、高縦横比電気構成要素および／またはデバイスを作製するマイクロ成型プロセスを提供する。いくつかの実施形態による、マイクロ成型プロセスを用いて加工されるガスセンサおよび／またはガスセンサ要素は、より低い電力消費、増加された感度、改良された選択性、増加された一貫性および制御性、および低減された占有面積を有する。いくつかの実施形態は、マイクロ成型プロセスが、一貫した繰り返し可能な簡略化された製造プロセスを提供することを提供する。ある実施形態では、ガスセンサは、少なくとも１つのガスセンサ要素を含むことができる。多くの実施形態は、複数のガスセンサ要素が、同一または異なる材料を含む、および／または同一または異なる形状因子を有し得ることを提供する。いくつかの実施形態では、ガスセンサ要素は、少なくとも１つのマイクロヒータにわたる感知電極上に配置されることができる。いくつかの実施形態は、ガスセンサ要素が、周囲ガスに暴露され得ることを提供する。ある実施形態では、マイクロヒータは、ガスセンサ要素を加熱することができる。いくつかの実施形態は、感知電極が、ガスセンサ要素の電気特性を測定し得ることを提供する。ガスセンサ要素は、（限定ではないが）溶融ナノ粒子から作製されるナノ多孔性電気導体であり得る。多くの実施形態による、ガスセンサ要素の電気特性は、ナノ多孔性電気導体と接触する周囲ガスに応答して変化することができる。電気特性は、（限定ではないが）抵抗率、静電容量、インダクタンス、位相、およびそれらの任意の組み合わせを含むことができる。
【0069】
多くの実施形態では、マイクロヒータは、ガスセンサ要素の温度を制御するために、熱をガスセンサ要素に提供することができる。熱は、ガスセンサ要素の抵抗率を減少させ、標的ガス分子と感知材料との相互作用を強化することができ、したがって、標的ガスへのセンサ要素の感度を増加させることができる。多くの実施形態では、ガスセンサのマイクロヒータは、個々に制御可能なマイクロヒータ区画を含むことができる。いくつかの実施形態による、個々に制御可能なマイクロヒータ区画は、各マイクロヒータ区画において異なる温度を同時に提供するように個々に制御可能であり、その標的ガスに向かう各感知要素のより良好な選択性を可能にすることができる。いくつかの実施形態は、各マイクロヒータ区画が、異なるガスセンサ要素と関連付けられる、および／またはそれと熱接触し得ることを提供する。そのような実施形態では、複数のマイクロヒータ区画は、対応するガスセンサ要素を異なる温度まで同時に加熱することができる。多くの実施形態による、異なる温度まで加熱されたガスセンサ要素は、個々かつ別個のマイクロヒータ電極を通して、異なるガスおよび／またはガスの異なる濃度を検出するために適用されることができる。異なるように制御可能かつ異なるガスセンサ要素を提供することによって、ガスセンサは、異なるガスおよび／または異なるガス濃度を同時に測定することができ、（限定ではないが）エレクトロニックノーズを含む、感知デバイスとして使用されることができる。
【0070】
ガスセンサ要素の占有面積を減少させることは、ガスセンサ要素の温度均一性を損なうことなく、多くの実施形態に従って、マイクロヒータの合計面積を減少させることができる。マイクロヒータの電力引き込みは、面積に伴って増加し得、したがって、マイクロヒータの合計面積の減少は、ガスセンサ電力消費の減少をもたらし、バッテリ給電電子機器におけるいくつかの実施形態によるガスセンサの使用を促進することができる。
【0071】
多くの実施形態は、ガスセンサのガスセンサ要素が、（限定ではないが）線形および直線、曲線、または螺旋を含む、幾何学形状を有し得ることを提供する。ガスセンサ要素は、（限定ではないが）正方形、長方形、立方体、円形、または円筒形を含む、異なる断面を有することができる。いくつかの実施形態では、ガスセンサ要素高Ｈは、要素幅Ｗを上回り得る。ある実施形態では、ガスセンサ要素高Ｈは、要素幅Ｗよりも小さくあり得る。
【0072】
多くの実施形態による、複数の異なるガスセンサ要素は、同一または異なるナノ粒子から作製された電気導体を備えることができる。ある実施形態による、複数の異なるガスセンサ要素の異なるナノ粒子組成物は、異なるガスおよび／またはガス濃度に敏感であり得る。いくつかの実施形態による、異なるナノ粒子は、（限定ではないが）異なるナノ粒子材料、異なるナノ粒子ドーピング、異なるナノ粒子サイズ、およびそれらの任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態による、異なるガスセンサ要素のナノ多孔性電気導体は、（限定ではないが）ナノ細孔サイズおよびナノ多孔性電気導体におけるナノ細孔の数量を含む、異なるナノ多孔度を有することができる。ある実施形態は、ガスセンサ要素のナノ粒子が、約１ｎｍ～約１ミクロンに及ぶ直径を有し得ることを提供する。
【0073】
多くの実施形態は、ガスセンサのナノ粒子が、（限定ではないが）金属ナノ粒子、金属酸化物ナノ粒子、またはドープされた金属酸化物ナノ粒子を含み得ることを提供する。ある実施形態による、金属酸化物ナノ粒子は、（限定ではないが）ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＩＴＯ、ＣｄＳｅ、ＷＯ３、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、Ｃｄ：ＺｎＯ、ＣｒＯ３、Ｖ２Ｏ５、およびそれらの任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、金属酸化物ナノ粒子は、センサの選択性を改良するために、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｍｏ、Ｃｅ、Ｍｎ、Ｒｈ２Ｏ３、またはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いてドープされることができる。いくつかの実施形態では、ナノ粒子の集合体は、（限定ではないが）非伝導性材料および／または誘電性材料を含む材料を含むことができる。実施形態による、非伝導性材料は、ガスに敏感であり、ナノ多孔性電気導体における伝導性材料の応答に影響を及ぼすことができる、および／またはナノ多孔性電気導体を構築するために有用であり得る。いくつかの実施形態では、ナノ粒子インクは、（限定ではないが）水性分散剤および／または有機溶媒を含む、液体溶媒中の懸濁液として提供されることができる。いくつかの実施形態による、ナノ粒子は、約０．３センチポイズ～約３００センチポイズの範囲内の粘度を有することができる。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、異なる伝導性または非伝導性材料から作製された異なるナノ粒子を備え、ガスセンサ要素内で等方的または異方的に分配されることができる。
【0074】
多くの実施形態は、ガスセンサの基板が、（限定ではないが）ガラス、ポリマー、半導体、セラミック、石英、金属、紙、および／またはサファイアを含み得ることを提供する。いくつかの実施形態では、ガスセンサのための基板は、プリント回路板（ＰＣＢ）基板または液晶ポリマー（ＬＣＰ）材料であり得る。いくつかの実施形態は、基板が、剛性、可撓性、および／または略平面であり得ることを提供する。いくつかの実施形態では、基板は、ディスプレイ、集積回路、電子機器アセンブリ、または回路板産業において見出されることができる。いくつかの実施形態では、基板は、ＣＭＯＳおよび／またはＭＥＭＳデバイス、集積回路、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、角度測定回路網、ＲＦ回路、および送受信機を含有してもよい。
【0075】
多くの実施形態は、（限定ではないが）マイクロ成型プロセスを使用して加工されるインダクタを含む、高縦横比アンテナを提供する。多くの実施形態は、高縦横比アンテナが、誘導コイルを備えることを提供する。いくつかの実施形態による、誘導コイルは、伝導性電気材料の渦巻および／または螺旋配列を有する。いくつかの実施形態では、電気導体は、高縦横比を有する。多くの実施形態では、高縦横比導体を伴うアンテナは、所与の導体幅に関して、導体の断面積を増加させ、したがって、アンテナの電気抵抗を低減させる。いくつかの実施形態は、アンテナ占有面積が、大幅に低減され得ることを提供する。
【0076】
多くの実施形態では、高縦横比電気導体は、（限定ではないが）近接場アンテナを含む、高性能インダクタおよびアンテナのための種々の構成において配列される。ある実施形態は、電気ワイヤおよび／またはトレースが、コイルを形成するために（限定ではないが）基板上の平面長方形、円形、および／または六角形の螺旋を含む構成において配列され得ることを提供する。多くの実施形態による、アンテナは、（限定ではないが）長方形、三角形、四辺形、または曲面を伴うものを含む断面を有することができる。いくつかの実施形態では、コイルは、導体が増加された縦横比を有するように、基板に対して法線方向に延在されることができる。アンテナは、アンテナを動作させる、またはそれに応答する回路に電気的に接続されることができる。多くの実施形態は、高縦横比アンテナが、（限定ではないが）同調アンテナシステムを含む、電子回路に統合され得ることを提供する。いくつかの実施形態では、（限定ではないが）回路、集積回路（ＩＣ）、抵抗器、およびコンデンサを含む構成要素が、アンテナシステムに組み込まれることができる。いくつかの実施形態による、追加された構成要素は、コイルの内側および／または外側に設置されることができる。ある実施形態では、構成要素は、異なる回路平面内に設置されることができる。
【0077】
いくつかの実施形態では、いくつかのコイルは、コイルのインダクタンスを増加させるために、スタックされることができる。多くの実施形態では、高縦横比アンテナは、多層アンテナであり得る。いくつかの実施形態による、各アンテナ層は、隣接する層から絶縁体によって分離され、電気ビアを通して接続されることができる。いくつかの実施形態では、多層コイル構造のインダクタンスは、単層コイルと比較して改良されることができる。いくつかの実施形態による、コイルは、同一の平面および／または基板上に位置することができる。いくつかの実施形態では、コイルは、同一の軸に沿った後続平面および／または基板に設置されることができる。コイルの設計は、ある実施形態に従って、対称および／または非対称であり得る。
【0078】
多くの実施形態では、高縦横比を伴うアンテナコイルは、小占有面積を有し、高インダクタンスおよび低直列抵抗を呈する。いくつかの実施形態は、アンテナ構造の高インダクタンスおよび低直列抵抗が、高伝導性材料を伴い、密接に離間された高縦横比トレースを伴うアンテナコイルを加工することによって達成され得ることを提供する。いくつかの実施形態は、高縦横比アンテナの導電性トレースが、（限定ではないが）導電性粒子、金属ナノ粒子、非導電性（誘電性）粒子、および半伝導性粒子を含む粒子から作製され得ることを提供する。いくつかの実施形態では、粒子は、異なる伝導性および／または非伝導性材料から作製されるナノ粒子を備える。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、アンテナにおいて等方的及び／又は異方的に分配されることができる。金属ナノ粒子の実施例は、（限定ではないが）銀、銅、金、ニッケル、およびそれらの任意の組み合わせを含む。半伝導性粒子の実施例は、（限定ではないが）金属酸化物粒子を含む。多くの実施形態は、粒子が、液体溶媒中の懸濁液として提供され得ることを提供する。いくつかの実施形態による、ナノ粒子は、約１ｎｍ～約５μｍの範囲内の直径を有することができる。
【0079】
多くの実施形態は、高縦横比アンテナ構造が、（限定ではないが）基板上に配置されるコイルアンテナを含む、複数のアンテナを含み得ることを提供する。いくつかの実施形態は、高縦横比アンテナが、マイクロ金型スタンプを使用して構築され得ることを提供する。多くの実施形態では、高縦横比導体は、基板表面上に適用されたマイクロ金型スタンプ内に配置されるチャネル内で硬化されたナノ粒子インクから構築されることができる。本プロセスは、アンテナおよびインダクタが、小型かつポータブルな電子デバイスのために好適な寸法を伴って作製されることを可能にする。いくつかの実施形態は、アンテナおよび導体が、約１μｍ～約１００μｍの範囲内の寸法を有することを提供する。ある実施形態では、アンテナは、１を上回る縦横比（導体高と導体幅との比）を有する。
【0080】
多くの実施形態は、高縦横比アンテナを加工するためのマイクロ成型プロセスを提供する。いくつかの実施形態は、アンテナを加工する際にマイクロ成型スタンプを含むマイクロ成型機械を組み込む。ある実施形態では、マイクロ成型スタンプは、基板上にナノ粒子を備える高縦横比導体を印刷し、高縦横比アンテナを形成することができる。多くの実施形態は、マイクロ成型スタンプの十分に制御された表面粗度およびナノ粒子インクの小さいサイズが、導体の表皮深さよりもはるかに小さい高縦横比の二乗平均平方根表面粗度を可能にすることを提供する。いくつかの実施形態では、アンテナにおいて生成される信号は、高周波数（１ＭＨｚ～１ＴＨｚ）において低減された信号減衰を有する。高周波数（１ＭＨｚを上回る周波数）において、表皮効果は、有意になり得る。例えば、ＵＨＦ帯では、表皮深さは、数ミクロンを備え、電流の大部分は、導体の表面の表皮深さの約５倍の距離内で流動し得る。導体の表面粗度は、したがって、抵抗の測定可能な変化につながり得、これは、ひいては、信号減衰の増加につながる。概して、二乗平均平方根表面粗度は、信号の付加的減衰を回避するために、導体における電場の表皮深さよりもはるかに小さくあるべきである。いくつかの実施形態は、マイクロ成型スタンプが、十分に制御された表面粗度を有し、ナノ粒子が、小さいサイズを有することを提供する。多くの実施形態による、高縦横比アンテナの印刷された電気導体は、（限定ではないが）スクリーン印刷およびインクジェット印刷を含む、従来の製造方法と比較して、大幅に減少された二乗平均平方根表面粗度を有する。いくつかの実施形態は、アンテナの表面粗度が、導体の表皮深さをはるかに下回り得、アンテナにおいて生成される信号が、高周波数（約１ＭＨｚ～約１ＴＨｚの周波数）において低減された信号減衰を有することを提供する。
【0081】
多くの実施形態は、合理的な費用において高縦横比アンテナおよび／またはコイルを製造するマイクロ成型方法を提供する。いくつかの実施形態では、高縦横比導体を伴うアンテナは、基板上に形成または堆積される自立構造として加工されることができる。いくつかの実施形態は、基板が、プリント回路板（ＰＣＢ）基板であり得ることを提供する。基板は、ある実施形態に従って、ディスプレイ、集積回路、電子機器アセンブリ、または回路板産業において見出されることができる。いくつかの実施形態では、基板は、ＣＭＯＳおよび／またはＭＥＭＳデバイス、集積回路、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、角度測定回路網、ＲＦ回路、および送受信機を含有してもよい。
【0082】
いくつかの実施形態では、高縦横比アンテナは、誘電体基板上に堆積されることができる。ある実施形態による、電流の大部分は、誘電体基板とアンテナとの間の界面に沿って流動してもよい。そのような実施形態では、基板／アンテナ界面の小さい表面粗度は、アンテナにおける対応して低い抵抗を可能にする。いくつかの実施形態による、高縦横比アンテナを加工するための方法は、電気めっきを伴わずに、小さい表面粗度を伴う平滑な界面を提供する。電気めっきは、基板上に形成される構造の分解能を低減させ得る。いくつかの実施形態では、１つのめっきステップにおいて配置される薄い電気めっき層が、導体表面上に伝導性コーティングを提供するために使用されることができる。いくつかの実施形態による、導電性コーティングは、導体の粒子構造を不明瞭にしないように十分に薄くあり得る。したがって、導体表面は、下層ナノ粒子構造の輪郭を共形的に辿り、導体のナノ粒子構造を暴露する、凸凹の非平面粒子定義を有することができる。ある実施形態は、薄い導電性層が、電気導体の空間分解能の損失を限定しながら、電気導体の表皮伝導を改良し得ることを提供する。
【0083】
多くの実施形態による、高縦横比アンテナ構造は、信号応答を改良する、より長く、より応答性のアンテナを可能にする。いくつかの実施形態では、アンテナ巻線が、より密接にともに形成されることができる。いくつかの実施形態は、アンテナ巻線が、電気めっき構造よりも近接して形成され得ることを提供する。
【0084】
多くの実施形態では、高縦横比アンテナ構造は、より小さい占有面積を伴うより小さい面積において、アンテナの所与の縦横比に関して減少された導体線間隔を伴う同一のインダクタンスを提供する。いくつかの実施形態による、高縦横比アンテナは、同一の占有面積であるが、低縦横比を伴うアンテナと比較して、アンテナの所与の縦横比に関して、減少された導体線間隔およびより多くの巻数を伴って増加されたインダクタンスおよび信号感度を提供する。いくつかの実施形態では、導体の縦横比は、縦横比に比例する静電容量の増加を提供する。
【0085】
多くの実施形態は、高伝導率を伴う高縦横比コイル構造が、高周波数電子回路設計における高Ｑ低損失空芯インダクタの設計および加工に適用され得ることを提供する。いくつかの実施形態では、コイル構造は、（限定ではないが）スイッチモード電力供給源、無線周波数（ＲＦ）バンドパス、ハイパス、およびローパスフィルタ、低損失変圧器、誘導角度および位置センサ、ＬＣまたはＲＬＣ共振器を含む分野におけるインダクタとして適用されることができる。いくつかの実施形態による、印刷されたインダクタおよび／またはコイルは、離散的構成要素として、より大きい分散要素ネットワークの一部として、および／または複数の受動的構成要素を含有するマイクロストリップとして統合されることができる。いくつかの実施形態は、印刷されたインダクタおよび／またはコイルの高正確度が、（限定ではないが）共振周波数のより正確な同調、より小さい占有面積、サブクオーター波長フィルタリング、およびより高い電力結合効率を含む利益を提供し得ることを提供する。
【0086】
実施形態のある実装を説明したが、ここで、本開示の概念を組み込む他の実装も使用され得ることが、当業者に明白となるであろう。したがって、本開示は、ある実装に限定されるべきではなく、むしろ、以下の請求項の精神および範囲によってのみ限定されるべきである。
【0087】
説明全体を通して、装置およびシステムが、具体的構成要素を有する、含む、または備えるものとして説明される場合、またはプロセスおよび方法が、具体的ステップを有する、含む、または備えるものとして説明される場合、加えて、列挙される構成要素から本質的に成る、またはそれから成る、開示される技術の装置およびシステムが存在し、列挙される処理ステップから本質的に成る、またはそれから成る、開示される技術によるプロセスおよび方法が存在することが想定される。
【0088】
開示される技術が動作可能なままである限り、ステップの順序またはあるアクションを実施するための順序が、重要ではないことを理解されたい。また、２つまたはそれを上回るステップまたはアクションは、いくつかの状況では、同時に行われることができる。本発明は、そのある実施形態を特に参照して詳細に説明されたが、変形例および修正が、本発明の精神および範囲内で影響を受け得ることを理解されたい。
（ガスセンサ）
（ガスセンサ）
【0089】
ガスセンサが、周囲ガスを検出し、雰囲気中に存在するガス濃度を測定するために使用されることができる。着目ガスは、毒性、爆発性、または環境ガスを含むことができる。ガスセンサは、工業製造、化学プロセス制御、自然保護、個人健康監視、スマートシティ監視、屋内／屋外空気質制御、および国防を含む、種々の用途において使用されてもよい。
【0090】
ガスセンサは、それに対応するガスセンサ要素が敏感である標的ガスに暴露されるガスセンサ要素の属性変化に依拠することができる。ガスセンサは、感知されたガスを電気化学、光学、音響、測温、または重量測定信号に変換する、種々の異なる感知アーキテクチャを含む。これらの中でもとりわけ、電気的に変換されるガスセンサが、広く研究されているもののうちの１つであり、一般的なセンサのうちの１つである。電気ガスセンサは、２つの主要な構成要素、すなわち、ガスセンサ要素を備える感知材料と、トランスデューサとを含んでもよい。ガスセンサ要素における感知材料は、周囲雰囲気に暴露されてもよく、標的ガスが、検出される場合、材料の伝導率、仕事関数、または誘電率等のその物理的性質のうちの１つまたはそれを上回るものの変化を受ける。感知材料が標的ガスと相互作用した後、トランスデューサは、変化した物理的性質を、静電容量（Ｃ）、インダクタンス（Ｌ）、または抵抗（Ｒ）等の感知材料の電気特性の変化に変換する。回路が、次いで、感知材料の電気特性の変化に対応する電流（Ｉ）または電圧（Ｖ）の大きさ、周波数（Ｆ）、または位相（φ）変動を測定する。
【0091】
電気的に変換されるガスセンサは、少なくとも４つの異なるデバイスアーキテクチャ、すなわち、抵抗、容量、誘導、および電界効果ベースのガスセンサアーキテクチャに分類されることができる。電子ガス感知材料は、概して、導体または半導体であり、標的ガスに暴露されると、電気的性質の変化を受ける。典型的なガス感知材料は、金属酸化物半導体、伝導性ポリマー、カーボンナノチューブ、および２Ｄ材料を含む。殆どの商業的なガスセンサは、金属酸化物半導体感知層、例えば、ＮｉＯ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ、ＷＯ３、Ｆｅ２Ｏ３、およびＺｎＯに基づく。
【0092】
金属酸化物ガスセンサは、１μｍ～１００μｍに及ぶ感知層厚を伴う厚膜デバイスまたは数ｎｍ～１μｍに及ぶ感知層厚を伴う薄膜デバイスであり得る。公称上同一の材料の薄および厚膜金属酸化物ベースのガスセンサのガス感知性質は、異なる温度範囲における種々のガスに対して大きく異なる応答を呈する。
【0093】
異なる技法が、現在、薄膜および厚膜層金属酸化物感知膜を堆積させるために使用されている。薄膜堆積のための堆積方法は、物理蒸着、原子層堆積、分子蒸着、熱化学蒸着、または火炎噴霧熱分解等の真空蒸着技法を含む。厚膜堆積技術は、スクリーン印刷、インクジェット印刷、ドロップキャスティング、および電気流体力学的印刷を含む。高度かつ効果的な金属酸化物ガスセンサは、トランスデューサ電極上に厚い多孔性膜として堆積されるナノ構造化材料を含み得る。
【0094】
殆どの商業的ガスセンサは、ガスに対してガスセンサ要素を敏感にするために、ヒータを必要とし得る。殆どのガスセンサは、ポータブルな用途を意図しているため、ガスセンサによる電力使用およびガスセンサの物理的サイズは、重要な性能属性であり得る。
【0095】
以前の研究において、Ｇｒａｆ ｅｔ ａｌ．は、酸化スズ、酸化ガリウム、酸化インジウム、または酸化亜鉛等のワイドバンドギャップ半伝導性酸化物を含むガス感受性金属酸化物材料について議論している。（例えば、Ｍ． Ｇｒａｆ， ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， ２００６， ８， ８２３ － ８３９（その開示は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）を参照されたい。）一般に、ガス状電子供与体または受容体は、金属酸化物に吸着し、表面状態を形成し、これは、半導体金属酸化物と電子を交換することができる。受容体分子は、金属酸化物半導体から電子を抽出し、したがって、その伝導率を減少させることができる。反対のことが、電子供与分子に当てはまる。空間電荷層が、したがって、形成されることができる。供与体／受容体の表面濃度を変化させることによって、空間電荷領域の伝導率は、金属酸化物半導体材料の伝導率が分析物ガス濃度変化に応答して変化するように、変調されることができる。これらの化学的に誘発された変化は、次いで、伝導率測定を行うための単純な電極構造を用いて、電気信号に変換されることができる。
【0096】
ガスセンサ要素は、蒸発によって形成される薄膜を備える、または金属酸化物ガスセンサ要素をドロップキャスティングまたはスクリーン印刷することによって、またはマイクロヒータ上にインクジェットプリンタを用いて溶液中の金属酸化物ナノ粒子を堆積させることによって形成される厚膜を備えることができる。ガスセンサ要素は、毛管内マイクロ成型（ＭＩＭＩＣ）方法を使用して構築されることができる。（例えば、Ｍ． Ｈｅｕｌｅ， ｅｔ ａｌ．， Ａｄｖ． Ｍａｔｅｒ．， ２００１， １３， ２３， １７９０－１７９３およびＭ． Ｈｅｕｌｅ， ｅｔ ａｌ．， Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ， ２００３， ９３， １－３， １００－１０６（その開示は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）を参照されたい。）しかしながら、そのようなガスセンサは、広く変動し、一貫しない性能を有し、望ましいものよりも多くの電力を使用し得る。また、例えば、エレクトロニックノーズにおける、種々のガスを同時に感知し得るガスセンサが、有用であり得る。
【0097】
多くの実施形態は、マイクロ成型プロセスを用いて加工されるガスセンサを提供する。いくつかの実施形態による、ガスセンサは、より小さいサイズを有し、低減された電力使用を呈する。いくつかの実施形態は、ガスセンサが、性能においてより一貫していることを提供する。いくつかの実施形態では、ガスセンサは、多種多様なガスセンサ要素を含む。いくつかの実施形態による、マイクロ成型加工プロセスは、単純かつ繰り返し可能な製造プロセスである。本発明の種々の実施形態による、マイクロ成型プロセスを用いて加工される高分解能ガスセンサ要素を伴うガスセンサのシステムが、下記にさらに議論される。
（マイクロ成型ガスセンサ）
（マイクロ成型ガスセンサ）
【0098】
多くの実施形態は、ガスセンサを作製するための構造および方法を提供する。いくつかの実施形態による、ガスセンサは、より低い電力消費、増加された感度、改良された選択性、増加された一貫性および制御性、低減された占有面積、および簡略化された製造プロセスを有する。ガスセンサの占有面積は、その上にガスセンサが配置される基板にわたるガスセンサの面積である。少なくとも１つのガスセンサ要素が、基板上にいくつかの実施形態によるマイクロ成型プロセスを使用して構築されることができる。多くの実施形態は、ガスセンサ要素が、異なる材料を含む、および／または異なる形状因子を有し得ることを提供する。いくつかの実施形態では、ガスセンサ要素は、少なくとも１つのマイクロヒータにわたる感知電極上に配置されることができる。感知電極上のガスセンサ要素は、少なくとも１つのマイクロヒータにわたって排他的かつ直接的にあり得る。いくつかの実施形態は、ガスセンサ要素が、周囲ガスに暴露され得ることを提供する。ある実施形態では、マイクロヒータは、ガスセンサ要素を加熱することができる。いくつかの実施形態は、感知電極が、ガスセンサ要素の電気特性を測定し得ることを提供する。
【0099】
多くの実施形態は、マイクロ成型プロセスを用いて作製されるガスセンサの構造を提供する。いくつかの実施形態では、ガスセンサの少なくとも１つの要素は、マイクロ成型プロセスを用いて作製されることができる。マイクロ成型ガスセンサは、少なくとも１つのガスセンサ要素を含むことができる。ガスセンサ要素は、（限定ではないが）溶融ナノ粒子から作製される、ナノ多孔性電気導体であり得る。いくつかの実施形態による、溶融ナノ粒子は、焼結または溶接されたナノ粒子であり得る。いくつかの実施形態では、マイクロ成型ガスセンサは、複数のガスセンサ要素を含む。ガスセンサ要素は、要素長Ｌと、要素高Ｈと、要素幅Ｗとを有することができる。いくつかの実施形態では、ガスセンサ要素高Ｈは、要素幅Ｗを上回り得る。ある実施形態では、電極は、ガスセンサ要素に電気的に接続されることができる。いくつかの実施形態は、電極をガスセンサ電極と称する。いくつかの実施形態では、付加的電流および／または電圧注入力電極が、組み込まれることができる。いくつかの実施形態による、力電極は、ガスセンサ要素に接続し、４点プローブ測定構成を提供することができる。そのような実施形態は、測定に対する感知要素の間の接触抵抗の影響を減少または排除することによって、ガスセンサの長期安定性を改良することができる。多くの実施形態による、ガスセンサ要素の電気特性は、ナノ多孔性電気導体と接触する周囲ガスに応答して変化することができる。電気特性は、（限定ではないが）抵抗率、静電容量、インダクタンス、位相、およびそれらの任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、ガスセンサは、電極に電気的に接続される、センサコントローラを含むことができる。いくつかの実施形態では、センサコントローラは、電極および／またはガスセンサ要素への他の電気接続を通して、ガスセンサ要素に電流を提供し、その抵抗率を測定するように動作可能であり得る。
【0100】
いくつかの実施形態では、ガスセンサは、実質的に同じ（例えば、製造公差内）であり得る複数のガスセンサ要素を含むことができる。いくつかの実施形態による、複数の実質的に同じガスセンサ要素は、ガスセンサ測定における変動性を低減させ、一貫性および正確度を改良するために組み合わせられ得る、冗長測定を提供することができる。ある実施形態は、各ガスセンサ要素が、別個の第１の電極および別個の第２の電極によってセンサコントローラに接続され得ることを提供する。いくつかの実施形態は、ガスセンサ要素が、共通の第１の電極および／または共通の第２の電極に電気的に接続され得ることを提供する。
【0101】
多くの実施形態は、ガスセンサが、基板上の少なくとも１つのマイクロヒータ上に配置され得ることを提供する。いくつかの実施形態では、マイクロヒータは、電気マイクロヒータであり得る。いくつかの実施形態では、電気マイクロヒータは、（限定ではないが）抵抗性電気導体または抵抗性ワイヤを含む、少なくとも１つのマイクロヒータ電極を含むことができる。ある実施形態は、（限定ではないが）誘電体層またはＳｉＯ２層を含む、少なくとも１つの電気絶縁層が、マイクロヒータ上に配置され得、ガスセンサ要素が、絶縁層上に配置され得ることを提供する。いくつかの実施形態による、絶縁層は、マイクロヒータ電極からガスセンサ要素を電気的に絶縁し、保護することができる。いくつかの実施形態では、マイクロヒータは、ガスセンサ要素が、基板上またはそれにわたる表面に平行な水平方向においてマイクロヒータによって囲繞され得るように、１つまたは２つの直交方向においてガスセンサ要素を越えて延在することができる。いくつかの実施形態は、表面が、その上にガスセンサ要素が配置される基板の表面またはその上にガスセンサ要素が配置される基板上に配置される任意の層の表面であり得ることを提供する。感知電極および／または力電極の間に位置する、マイクロヒータによってガスセンサ要素の一部を均一に加熱することによって、ガスセンサ要素の温度は、より一貫し、より良好に制御されることができ、いくつかの実施形態に従って、より信頼性の高い一貫した電気特性測定を提供することができる。
【0102】
多くの実施形態では、マイクロヒータは、ガスセンサ要素の温度を制御するために、熱をガスセンサ要素に提供することができる。熱は、ガスセンサ要素の抵抗率を減少させ、標的ガス分子と感知材料との相互作用を強化することができ、したがって、標的ガスへのセンサ要素の感度を増加させることができる。いくつかの実施形態では、ガスセンサ要素は、（限定ではないが）約１５０℃～約３５０℃等の周囲温度および／または室温を上回る温度を含む、高温においてより効果的に動作することができる。実施形態による、マイクロヒータは、センサ制御装置に電気的に接続され、それによって制御されることができる。
【0103】
本発明のある実施形態による、ガスセンサの平面図が、図１に図示される。マイクロ成型ガスセンサ９９は、少なくとも１つのガスセンサ要素１０を含む。ガスセンサ要素１０は、溶融ナノ粒子を備える、ナノ多孔性電気導体を含むことができる。ガスセンサ要素１０は、要素長Ｌと、要素高Ｈと、要素幅Ｗとを有することができる。少なくとも第１の電極３０Ａは、例えば、ガスセンサ要素１０の第１の端部において、ガスセンサ要素１０に電気的に接続されることができる。少なくとも第２の電極３０Ｂは、例えば、第１の端部と反対のガスセンサ要素１０の第２の端部において、ガスセンサ要素１０に電気的に接続されることができる。第１の電極３０Ａおよび第２の電極３０Ｂは、集合的に、ガスセンサ電極３０と称される。ガスセンサ要素１０の電気特性は、ナノ多孔性電気導体と接触する周囲ガスに応答して変化する。いくつかの実施形態では、ガスセンサ９９は、第１の電極３０Ａに電気的に接続され、第２の電極３０Ｂに電気的に接続される、センサコントローラ７４を備えることができる。センサコントローラ７４は、例えば、第１の電極３０Ａおよび第２の電極３０Ｂまたはガスセンサ要素１０への他の電気接続を通して、ガスセンサ要素１０に電流を提供し、その抵抗率を測定するように動作可能であり得る。
【0104】
図１では、ガスセンサ９９は、基板２０と、基板２０上に配置される、マイクロヒータ９０とを備えることができる。電気マイクロヒータ９０は、基板２０上に配置される抵抗性電気導体または抵抗性ワイヤ等の少なくとも１つのマイクロヒータ電極９２を含むことができる。マイクロヒータ９０は、センサ制御装置７４に電気的に接続され、それによって制御されることができる。
【0105】
本発明のある実施形態による、図１の断面線Ａに沿って得られるガスセンサの断面図が、図２に図示される。マイクロ成型ガスセンサ９９は、少なくとも１つのガスセンサ要素１０を含む。ガスセンサ要素１０は、溶融ナノ粒子１２を備える、ナノ多孔性電気導体を含むことができる。溶融ナノ粒子１２は、焼結または溶接されたナノ粒子１２であり得る。ガスセンサ要素１０は、要素長Ｌと、要素高Ｈと、要素幅Ｗとを有することができる。要素高Ｈは、要素幅Ｗを上回り得る。
【0106】
図２では、ガスセンサ９９は、基板２０を備えることができる。抵抗性電気導体または抵抗性ワイヤ等のマイクロヒータ電極９２を備える、マイクロヒータ９０が、基板２０上に配置されることができる。電気絶縁層９６（例えば、ＳｉＯ２等の誘電体）が、マイクロヒータ９０上に配置されることができ、ガスセンサ要素１０が、絶縁層９６上に配置されることができる。絶縁層９６は、マイクロヒータ電極９２からガスセンサ要素１０を電気的に絶縁し、保護する。マイクロヒータ９０は、ガスセンサ要素１０が、基板２０上またはそれにわたる表面２２に平行な水平方向においてマイクロヒータ９０によって囲繞されるように、ガスセンサ要素１０を越えて延在することができる。マイクロヒータ９０によってガスセンサ要素１０を囲繞することによって、ガスセンサ要素１０の温度は、より一貫し、より良好に制御されることができ、より信頼性の高い一貫した電気特性測定を提供することができる。図１および図２は、具体的ガスセンサ構造スキームおよびガスセンサ要素組成物を図示するが、任意の構成および設計が、所与の用途の具体的要件に応じて、適宜利用されることができる。
【0107】
多くの実施形態は、マイクロ成型プロセスを用いて作製されるガスセンサが、相互と異なるガスセンサ要素を含み得ることを提供する。いくつかの実施形態は、ガスセンサにおける複数の異なるガスセンサ要素が、単一のガスセンサにおいて異なるガスおよび／またはガス濃度の測定を提供し得ることを提供する。いくつかの実施形態は、エレクトロニックノーズにおいてガスセンサを実装する。多くの実施形態による、複数の異なるガスセンサ要素は、異なるナノ粒子から作製される電気導体を備えることができる。ある実施形態による、複数の異なるガスセンサ要素の異なるナノ粒子組成物は、異なるガスおよび／またはガス濃度に敏感であり得る。いくつかの実施形態では、ガスセンサ要素の選択性は、標的ガスの存在下の出力信号変化と異なるガスが存在するときの出力信号変化との比によって特徴付けられることができる。
【0108】
多くの実施形態では、ガスセンサの複数の異なるガスセンサ要素は、異なるナノ粒子から作製されることができる。いくつかの実施形態による、異なるナノ粒子は、（限定ではないが）異なるナノ粒子材料、異なるナノ粒子ドーピング、異なるナノ粒子サイズ、およびそれらの任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態による、異なるガスセンサ要素のナノ多孔性電気導体は、（限定ではないが）ナノ細孔サイズおよびナノ多孔性電気導体におけるナノ細孔の数量を含む、異なるナノ多孔度を有することができる。
【0109】
いくつかの実施形態では、ガスセンサのガスセンサ要素は、同一のガスセンサの他のガスセンサ要素と同一および／または異なる形状因子を有することができる。形状因子の実施例は、（限定ではないが）ガスセンサ要素の長さ、ガスセンサ要素の高さ、ガスセンサ要素の幅、および要素形状を含む。
【0110】
多くの実施形態は、ガスセンサ要素が、要素幅Ｗを上回る要素高Ｈを有し得ることを提供する。いくつかの実施形態では、要素高Ｈと要素幅Ｗとの間の比は、最大２であって、２を上回る可能性もある。いくつかの実施形態では、要素高Ｈと要素幅Ｗとの間の比は、最大４であって、４を上回る可能性もあり、最大８であって、８を上回る可能性もあり、最大１６であって、１６を上回る可能性もある。ある実施形態では、要素高Ｈと要素幅Ｗとの間の比は、０．５未満であり得、０．２５未満である可能性もある。多くの実施形態による、要素幅Ｗに対して増加された要素高Ｈ（例えば、増加された縦横比）を有するガスセンサ要素は、増加されたガスセンサ要素表面積を有することができる。いくつかの実施形態は、増加された表面積を伴うガスセンサ要素が、基板にわたって低減された面積においてともにより近接して配置され、ガスセンサの占有面積を低減させ得ることを提供する。いくつかの実施形態では、要素幅と要素の間の間隔との間の比は、４未満であり得る。いくつかの実施形態では、ガスセンサ要素の電気特性応答は、少なくとも部分的に、（限定ではないが）ナノ多孔性電気導体の表面積を含む、ガスセンサ要素表面積に依存し得る。いくつかの実施形態では、ナノ多孔性電気導体は、対応するガスに対するガスセンサ要素の応答が、増加され得るように、感知材料とガスとの間の界面面積を増加させることができる。いくつかの実施形態は、高縦横比ナノ多孔性ガスセンサ要素を備えるガスセンサが、増加された感度および低減された占有面積を有することを提供する。
【0111】
本発明のある実施形態による、異なるガスセンサ要素を伴うガスセンサの平面図が、図３に図示される。ガスセンサ９９は、相互と異なる複数のガスセンサ要素１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを備える。ガスセンサ９９における複数のガスセンサ要素１０Ａ－Ｃは、単一のガスセンサ９９において異なるガスおよび／またはガス濃度の測定を提供することができる。例えば、第１のガスセンサ要素１０Ａは、第２のガスセンサ要素１０Ｂにおけるナノ粒子と異なるナノ粒子を備えることができる。ナノ粒子は、異なるガスおよび／またはガス濃度に敏感であり得る。
【0112】
ある実施形態による、図３の断面線Ａに沿って得られる異なるガスセンサ要素を伴うガスセンサの断面図が、図４に図示される。ガスセンサ９９は、相互と異なる複数のガスセンサ要素１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを備える。複数のガスセンサ要素１０Ａ－Ｃは、単一のガスセンサ９９において異なるガスおよび／またはガス濃度の測定を提供することができる。第１のガスセンサ要素１０Ａは、第１のナノ粒子１２Ａを備えることができ、第２のガスセンサ要素１０Ｂは、第１のナノ粒子１２Ａと異なり、異なるガスまたはガス濃度に敏感である第２のナノ粒子１２Ｂを備えることができる。第１および第２のナノ粒子１２Ａ、１２Ｂは、集合的に、ナノ粒子１２と称される。第３のガスセンサ要素１０Ｃもまた、異なるナノ粒子１２（図示せず）を備えることができる。ガスセンサ要素１０Ｃは、第１のガスセンサ要素１０Ａと異なる形状因子を有することができる。異なる形状因子は、異なる長さＬ（図３に示されるようなガスセンサ要素１０への第１の電極３０Ａと第２の電極３０Ｂとの間の電気接続の長さ）、異なる断面（例えば、異なる要素高Ｈ、異なる要素幅Ｗ、または異なる要素形状）であり得る。
【0113】
図４では、要素幅Ｗに対して増加された要素高Ｈ（例えば、増加された縦横比）を有するガスセンサ要素１０Ａおよび１０Ｂは、増加されたガスセンサ要素表面積１５を有することができ、その上にガスセンサ要素１０が配置される基板２０にわたって低減された面積においてともにより近接して配置され、ガスセンサ９９の占有面積を低減させることができる。ガスセンサ要素１０の電気特性応答は、少なくとも部分的に、ガスセンサ要素表面積１５、例えば、ナノ多孔性電気導体の表面積に依存し得る。ガスセンサ要素のナノ多孔性電気導体は、感知材料とガスとの間の界面面積を改良することができ、対応するガスに対するガスセンサ要素の応答は、増加される。図３および図４は、具体的ガスセンサ構造スキームおよび複数の異なるガスセンサ要素組成物を図示するが、任意の構成および設計が、所与の用途の具体的要件に応じて、適宜利用されることができる。
【0114】
多くの実施形態では、ガスセンサのマイクロヒータは、個々に制御可能なマイクロヒータ区画を含むことができる。いくつかの実施形態による、個々に制御可能なマイクロヒータ区画は、各マイクロヒータ区画において異なる温度を同時に提供するために、（限定ではないが）センサコントローラを含むことによって個々に制御可能であり得る。いくつかの実施形態は、各マイクロヒータ区画が、異なるガスセンサ要素と関連付けられる、および／またはそれと熱接触し得ることを提供する。そのような実施形態では、複数のマイクロヒータ区画は、対応するガスセンサ要素を異なる温度まで同時に加熱することができる。多くの実施形態による、異なる温度まで加熱されたガスセンサ要素は、個々かつ別個のマイクロヒータ電極を通して、異なるガスおよび／またはガスの濃度を検出するために適用されることができる。いくつかの実施形態は、基板および／または絶縁層が、異なるマイクロヒータ区画において異なる温度を可能にするように、比較的に高い熱抵抗を有し得ることを提供する。異なるように制御可能かつ異なるガスセンサ要素を提供することによって、ガスセンサは、異なるガスおよび／または異なるガス濃度を同時に測定することができ、エレクトロニックノーズを備えることができる。
【0115】
ガスセンサ要素の占有面積を減少させることによって、マイクロヒータの合計面積は、ガスセンサ要素の温度均一性を損なうことなく、多くの実施形態に従って、減少されることができる。マイクロヒータの電力引き込みは、面積に伴って増加し得る。マイクロヒータの合計面積の減少は、ガスセンサ電力消費の減少をもたらし、バッテリ給電電子機器におけるいくつかの実施形態によるガスセンサの使用を促進することができる。
【0116】
本発明のある実施形態による、ガスセンサにおける個々に制御可能なマイクロヒータ区画の平面図が、図５に図示される。マイクロヒータ９０は、各マイクロヒータ区画９１において異なる温度を同時に提供するように（例えば、図１に示されるようなセンサコントローラ７４によって）個々に制御可能である個々に制御可能なマイクロヒータ区画９１を備える。各マイクロヒータ区画９１は、異なるガスセンサ要素１０と関連付けられ、またはそれと熱接触することができ、複数のマイクロヒータ区画９１は、個々かつ別個のマイクロヒータ電極９２（例えば、第１のマイクロヒータ電極９２Ａ、第２のマイクロヒータ電極９２Ｂ、第３のマイクロヒータ電極９２Ｃ、集合的に、マイクロヒータ電極９２）を通して、例えば、異なるガスまたはガスの濃度を検出するために、異なる温度まで対応するガスセンサ要素１０を同時に加熱することができる。基板２０、絶縁層９６、または両方は、異なるマイクロヒータ区画９１において異なる温度を可能にするように、比較的に高い熱抵抗を有することができる。異なるように制御可能かつ異なるガスセンサ要素１０を提供することによって、ガスセンサ９９は、異なるガスまたは異なるガス濃度を同時に測定することができ、エレクトロニックノーズを備えることができる。ガスセンサ要素１０の占有面積を減少させることは、ガスセンサ要素１０の温度均一性を損なうことなく、マイクロヒータ９０の合計面積を減少させることができる。マイクロヒータ９０の電力引き込みが、面積に伴って増加するため、これは、ガスセンサ９９の電力消費の減少をもたらし、バッテリ給電電子機器におけるそのようなガスセンサ９９の使用を促進する。図５は、ガスセンサスキームにおける具体的マイクロヒータ組み込みを図示するが、任意の構成および設計が、所与の用途の具体的要件に応じて、適宜利用されることができる。
【0117】
多くの実施形態では、ガスセンサは、数ナノメートル、数ミクロン～数十ミクロンの範囲内のサイズを有する要素を有するマイクロセンサであり得る。いくつかの実施形態では、ガスセンサ要素は、約１ミクロン～約５０ミクロンに及ぶ要素幅Ｗを有することができる。ある実施形態では、ガスセンサ要素は、約５ミクロン～約２０ミクロンに及ぶ要素幅Ｗを有することができる。いくつかの実施形態では、ガスセンサ要素の幅Ｗは、約１０ミクロンであり得る。いくつかの実施形態は、ガスセンサ要素が、約１００ナノメートル～約２０ミクロンに及ぶ要素高Ｈを有し得ることを提供する。いくつかの実施形態では、ガスセンサ要素は、約１ミクロン～約１０ミクロンに及ぶ高さＨを有することができる。ある実施形態では、ガスセンサ要素の高さＨは、約５ミクロンであり得る。多くの実施形態では、ガスセンサ要素は、約１ミクロン～約５０ミクロンに及ぶ距離だけ基板にわたって分離されることができる。いくつかの実施形態は、ガスセンサ要素が、約５ミクロン～約２０ミクロンに及ぶ距離だけ基板にわたって分離され得ることを提供する。いくつかの実施形態では、ガスセンサ要素は、約１５ミクロンの距離だけ基板にわたって分離されることができる。多くの実施形態は、ガスセンサ電極が、約１０ｎｍ～約５ミクロンに及ぶ厚さを有し得ることを提供する。いくつかの実施形態では、ガスセンサ電極は、約１００ｎｍの厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、各ガスセンサ要素は、約１ミクロン～約２０ミクロンの範囲内の高さＨ、約１ミクロン～約５０ミクロンの範囲内の幅を有することができる。
【0118】
いくつかの実施形態による、ガスセンサ要素およびガスセンサ電極のサイズおよび分離は、インクジェット、ドロップキャスティング、および／またはスクリーン印刷技法を使用して構築されない場合がある。加えて、薄膜構造は、低減された表面積、したがって、低減された感度を有してもよい。多くの実施形態は、増加された感度および低減された占有面積を伴うガスセンサを可能にする。いくつかの実施形態は、電気特性測定が、より一貫し、繰り返し可能であり得るように、ガスセンサ要素が、より繰り返し可能に、（限定ではないが）電極の間の溶融ナノ粒子を含む、感知材料の量および構造のより良好な制御を伴って構築され得ることを提供する。いくつかの実施形態による、改良された加工忠実度および再現性は、ガスセンサ要素の表面性質のより良好な制御につながり、それによって、製造されるガスセンサの電気応答の変動性を減少させ、製造後のガスセンサの較正の必要性を軽減させることができる。
【0119】
多くの実施形態は、ガスセンサのガスセンサ要素が、（限定ではないが）線形および直線、曲線、または螺旋を含む、幾何学形状を有し得ることを提供する。いくつかの実施形態による、単一の第１の電極および単一の第２の電極を伴う単一のガスセンサ要素が、それぞれ異なるナノ多孔性電気導体に対応する、複数の部分を有することができる。いくつかの実施形態では、複数のガスセンサ要素は、交互嵌合されることができる、および／または異なるガスセンサ要素は、交互嵌合される異なるナノ多孔性電気導体を有することができる。ガスセンサ要素は、（限定ではないが）正方形、長方形、立方体、円形、または円筒形を含む、異なる形状および／または断面を有することができる。いくつかの実施形態では、（限定ではないが）高縦横比形状因子および要素幅Ｗまたは要素高Ｈをはるかに上回る要素長Ｌを含む線形形状因子を有するガスセンサ要素は、低減された表面積においてより大きいガスセンサ要素表面積を有することができる。ある実施形態による、ガスセンサ要素は、ドロップキャスティング、スクリーン印刷、またはインクジェット印刷を使用して提供されるガスセンサ材料とは対照的に、より大きいガスセンサ要素表面積を有する。いくつかの実施形態による、より大きいガスセンサ要素表面積を伴うガスセンサ要素は、特に、エレクトロニックノーズにおける複数のガスセンサ要素を備えるガスセンサに関して、ガスセンサの要素の感度を増加させ、ガスセンサのサイズを低減させることができる。
【0120】
多くの実施形態は、ガスセンサ要素のナノ粒子が、約１ｎｍ～約１ミクロンに及ぶ直径を有し得ることを提供する。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、約１０ｎｍ～約５００ｎｍに及ぶ直径を有することができる。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、約１００ｎｍまたは約１００ｎｍ未満の直径を有することができる。ある実施形態では、ナノ粒子は、約１ｎｍ～約５ミクロンに及ぶ直径を有する。
【0121】
多くの実施形態では、ガスセンサ要素のナノ多孔性電気導体におけるナノ粒子の集合体は、同じではない場合があり、サイズの分布を有してもよい。いくつかの実施形態による、ナノ粒子サイズの分布は、（限定ではないが）公称直径を中心とする直径の分布を含むことができる。したがって、実施形態による、約１００ｎｍの直径を有するものとして言及されるナノ粒子は、実際には、実質的に約１００ｎｍの平均を伴う（例えば、製造公差内の）直径の分布を有するナノ粒子の集合または集合体であり得る。いくつかの実施形態は、ガスセンサ要素が、約１ミクロンＲＭＳ未満の表面粗度を有し得ることを提供する。ある実施形態では、ガスセンサ要素は、約１５０ｎｍ ＲＭＳ未満、約１００ｎｍ ＲＭＳ未満、および／または約５０ｎｍ ＲＭＳ未満の表面粗度を有することができる。
【0122】
多くの実施形態は、ガスセンサのナノ粒子が、（限定ではないが）金属ナノ粒子、金属酸化物ナノ粒子、またはドープされた金属酸化物ナノ粒子を含み得ることを提供する。ある実施形態による、金属酸化物ナノ粒子は、（限定ではないが）ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＩＴＯ、ＣｄＳｅ、ＷＯ３、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、Ｃｄ：ＺｎＯ、ＣｒＯ３、Ｖ２Ｏ５、およびそれらの任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、金属酸化物ナノ粒子は、センサの選択性を改良するために、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｍｏ、Ｃｅ、Ｍｎ、Ｒｈ２Ｏ３、またはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いてドープされることができる。そのような材料は、種々の用途において着目ガスを検出するために効果的に使用されることができる。いくつかの実施形態では、ナノ粒子の集合体は、（限定ではないが）非伝導性材料、半伝導性、および／または誘電性材料を含む材料を含むことができる。実施形態による、これらの材料は、ガスに敏感であり、ナノ多孔性電気導体における伝導性材料の応答に影響を及ぼすことができる、および／またはナノ多孔性電気導体を構築するために有用であり得る。いくつかの実施形態では、ナノ粒子インクは、（限定ではないが）水性分散剤および／または有機溶媒を含む、液体溶媒中の懸濁液として提供されることができる。有機溶媒の実施例は、（限定ではないが）イソプロパノール、エタノール、トルエン、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、またはトリエチレングリコールモノメチルエーテルを含む。いくつかの実施形態による、ナノ粒子は、約０．３センチポイズ～約３００センチポイズの範囲内の粘度を有することができる。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、異なる伝導性、半伝導性、または非伝導性材料から作製された異なるナノ粒子を備え、ガスセンサ要素内で等方的または異方的に分配されることができる。
【0123】
多くの実施形態は、ガスセンサの基板が、（限定ではないが）ガラス、ポリマー、半導体、セラミック、石英、金属、紙、および／またはサファイアを含み得ることを提供する。基板を構成するポリマーの実施例は、（限定ではないが）カプトン（ポリイミド）、ＰＥＴ、ＰＭＭＡ、テフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）、およびＥＴＦＥを含むことができる。半導体の実施例は、（限定ではないが）Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＰ、およびこれらの材料の任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、ガスセンサのための基板は、（限定ではないが）ＦＲ２、ＦＲ４、または液晶ポリマー（ＬＣＰ）材料を含む、プリント回路板（ＰＣＢ）基板であり得る。いくつかの実施形態は、基板が、剛性、可撓性、および／または略平面であり得ることを提供する。いくつかの実施形態では、基板は、ディスプレイ、集積回路、電子機器アセンブリ、または回路板産業において見出されることができる。いくつかの実施形態では、基板は、ＣＭＯＳおよび／またはＭＥＭＳデバイス、集積回路、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、角度測定回路網、ＲＦ回路、および送受信機を含有してもよい。
【0124】
本発明のある実施形態による、種々のサイズを伴うガスセンサ要素を有するガスセンサが、図６に図示される。ガスセンサ９９は、ナノメートル、ミクロン、または数十ミクロン範囲内のサイズを有する要素を有するマイクロセンサであり得る。例えば、ガスセンサ要素１０は、約１ミクロン～約５０ミクロンに及ぶ、または約５ミクロン～約２０ミクロンに及ぶ要素幅Ｗを有することができる。図６では、１つのガスセンサ要素１０の幅Ｗは、約１０ミクロンである。ガスセンサ要素１０は、約１００ナノメートル～約２０ミクロンに及ぶ、または約１ミクロン～約１０ミクロンに及ぶ要素高Ｈを有することができる。図６では、１つのガスセンサ要素１０の高さＨは、約５ミクロンである。ガスセンサ要素１０は、約１ミクロン～約５０ミクロンに及ぶ、または約５ミクロン～約２０ミクロンに及ぶ距離だけ基板２０にわたって分離されることができる。図６では、ガスセンサ要素の間の距離分離は、約１５ミクロンである。ガスセンサ電極３０は、約１０ｎｍ～約５ミクロンに及ぶ厚さを有することができる。図６では、ガスセンサ電極の厚さは、約１００ｎｍである。ガスセンサ要素１０は、ナノ粒子９４を用いて作製されることができる。ナノ粒子９４は、例えば、約１ｎｍ～約１ミクロンに及ぶ、または約１０ｎｍ～約５００ｎｍに及ぶ、直径Ｄの範囲を有することができる。図６では、ナノ粒子９４は、約１００ｎｍまたは約１００ｎｍ未満、例えば、約１ｎｍ～約５ミクロンの直径を有する。図６は、具体的ガスセンサ構造寸法およびガスセンサ要素組成物を図示するが、任意の構成および設計が、所与の用途の具体的要件に応じて、適宜利用されることができる。
【0125】
多くの実施形態では、ガスセンサは、異なる厚さの区分を伴う基板を有することができる。いくつかの実施形態による、より薄い区分を伴う基板は、マイクロヒータに応答して、より速い温度変化およびガスセンサ要素に対するより良好な熱制御および温度分布を提供することができる。ある実施形態による、異なる厚さの区分を伴う基板を伴うガスセンサが、図７に図示される。基板２０は、基板２０の縁よりも基板２０の中心においてより薄い基板２１を有することができる。そのような薄化された基板２１は、例えば、基板２０を通した熱損失を低減させることによって、マイクロヒータ９０に応答して、より速い温度変化およびガスセンサ要素１０に対するより良好な熱制御および温度分布を提供することができる。いくつかの実施形態では、より薄い基板２１は、約１０ｎｍ～約１ミクロンの厚さを伴い、基板２０内の開口にわたって懸架され得る、ＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４膜を備えることができる。いくつかの実施形態では、本膜は、熱損失をさらに低減させるための開口部を含有してもよい。
【0126】
多くの実施形態は、ガスセンサが、（下記にさらに議論される）マイクロ成型機械を使用して構築され得ることを提供する。本発明のある実施形態による、基板上またはそれにわたって配置されるガスセンサの平面図が、図８に図示される。図８では、ガスセンサ９９は、複数のガスセンサ要素１０（例えば、第１および第２のガスセンサ要素１０Ａ、１０Ｂ）を備える。各ガスセンサ要素は、基板２０上のマイクロヒータ電極９２にわたって配置される、第１および第２の電極３０Ａ、３０Ｂを有する（絶縁層９６は示されない）。第１および第２の電極３０Ａ、３０Ｂは、対応するガスセンサ要素１０の伝導率感知を提供し、各ガスセンサ要素１０のナノ多孔性電気導体を通して電流を伝導させる。
【0127】
図８に示されるように、付加的電流または電圧注入力電極３１Ａ、３１Ｂが、組み込まれることができる。力電極３１Ａ、３１Ｂは、ガスセンサ要素１０に接続され、４点プローブ測定構成を提供することができる。これは、測定に対する感知要素（例えば、第１および第２の電極３０Ａ、３０Ｂ）の間の接触抵抗の影響を減少または排除することによって、本デバイスの長期安定性を改良し得る。図７および図８は、具体的ガスセンサ構造および組成物を図示するが、任意の構成および設計が、所与の用途の具体的要件に応じて、適宜利用されることができる。
【0128】
本発明の種々の実施形態による、マイクロ成型プロセスにおいて利用され得るマイクロ成型機械のシステムが、下記にさらに議論される。
（マイクロ成型機械）
（マイクロ成型機械）
【0129】
多くの実施形態は、マイクロ成型プロセスにおいて使用され得るマイクロ成型機械を提供する。いくつかの実施形態による、マイクロ成型機械は、高縦横比を伴う高分解能電気導体を加工することができる。電気導体は、（限定ではないが）ガスセンサ、インダクタ、アンテナを含む、電気デバイス内に統合されることができる。多くの実施形態は、マイクロ成型機械が、マイクロ成型機械の少なくとも１つの表面内に埋設される種々の特徴を有することを提供する。いくつかの実施形態では、マイクロ成型機械は、基板上に埋設される特徴をインプリントするためのスタンプとして作用することができる。いくつかの実施形態では、マイクロ成型機械は、マイクロ成型プロセスの間にインクを供給するための少なくとも１つのインク供給源を有する。
【0130】
多くの実施形態は、マイクロ成型機械が、少なくともスタンプを含むことを提供する。スタンプは、いくつかの実施形態による、スタンプの表面上に配置される、第１のチャネルと、スタンプの表面上に配置される、第２のチャネルとを有することができる。いくつかの実施形態では、第１の入口ポートは、第１のチャネルに接続されることができ、第１の入口ポートと別個の第２の入口ポートは、第２のチャネルに接続されることができる。ある実施形態は、（限定ではないが）第１のインクを第１の入口ポートに供給するためのナノ粒子インク供給源を含む第１のインクと、（限定ではないが）第２のインクを第２の入口ポートに供給するための第１のインク供給源と別個のナノ粒子インク供給源を含む第２のインクとを提供する。いくつかの実施形態では、マイクロ成型機械は、第１の入口ポートおよび第１のチャネルを通して第１のインクを圧送および／または分注し、第２の入口ポートおよび第２のチャネルを通して第２のインクを圧送および／または分注するためのポンプおよび／または分注器を含む。多くの実施形態による、マイクロ成型機械は、スタンプの表面を基板に接触させるための接触機構を有することができる。いくつかの実施形態では、スタンプ内のチャネルは、基板上の特徴に対して位置付けられ、特徴が、（限定ではないが）１ミクロンまたは１０ミクロンを含む規定された位置公差内で基板上の具体的場所に配置されることを確実にすることができる。ある実施形態では、スタンプ内のチャネルは、スタンプおよび基板上の基準マーカを光学的に使用して、基板上の特徴に対して位置付けられることができる。いくつかの実施形態では、スタンプ内のチャネルは、機械的接触によって基板上の特徴に対して位置付けられることができる。
【0131】
いくつかの実施形態では、第１のインクは、ナノ粒子を備えるインクであり得、第２のインクは、ナノ粒子を備えるインクであり得、第１のインク中のナノ粒子組成物は、第２のインク中のナノ粒子組成物と同一または異なり得る。いくつかの実施形態は、第１のチャネルが、第１の形状因子を有し得、第２のチャネルが、第１の形状因子と同一または異なる第２の形状因子を有し得ることを提供する。多くの実施形態では、マイクロ成型機械は、第１のチャネルまたは第２のチャネルに接続される、出口ポートを含むことができる。いくつかの実施形態による、ポンプおよび／または分注器は、大気圧を下回る負の空気圧または真空を出口ポートに提供することができる。
【0132】
いくつかの実施形態は、ガスセンサが、マイクロ金型機械を使用して構築され得ることを提供する。本発明のある実施形態による、マイクロ金型機械の平面図が、図９Ａに図示される。図９Ａの断面線Ａを横断して得られるマイクロ金型機械の断面図が、図９Ｂに図示される。図９Ａの断面線Ｂを横断して得られるマイクロ金型スタンプの断面図が、図９Ｃに図示される。本発明のある実施形態による、別個のインクリザーバを伴うマイクロ金型機械の平面図が、図９Ｄに図示される。
【0133】
マイクロ金型機械９８は、支持側４６と、チャネル側４８とを有する、金型層４４を備える、マイクロ金型スタンプ４０を含むことができる。支持層４２は、支持側４６と接触して配置される。支持層４２は、金型層４４よりも剛性であり、寸法安定性を金型層４４に提供し、マイクロ金型スタンプ４０によって形成される構造に関する改良された分解能を可能にすることができる。金型層４４は、金型層４４内のチャネル側４８上に配置される、少なくとも１つのチャネル５０（例えば、示されるように、マイクロチャネルまたは複数のチャネル５０）を備えることができる。入口ポート５２は、チャネル５０に接続され、出口ポート５４は、チャネル５０に接続される。チャネル５０は、チャネル側４８から離れて支持側４６に向かう金型層４４への方向においてある高さを有する（ガスセンサ要素高Ｈに対応する）。チャネル高は、チャネル側４８上のチャネル５０の幅（ガスセンサ要素幅Ｗに対応する）を上回り得る。いくつかの実施形態では、入口および出口ポート５２および／または５４は、金型層４４のチャネル側４８表面まで延在することができる。入口ポート５２は、ナノ粒子インク５６がチャネル５０に進入するための経路を提供し、出口ポート５４は、ナノ粒子インクがチャネル５０の内外に引き込まれるための経路を提供する。金型層４４は、（限定ではないが）画定されたマスタ、例えば、シリコンウエハに微細加工されたマスタ構造または、例えば、フォトリソグラフィを用いてシリコンウエハ等の基板上に加工されたポリマー構造上に鋳造および硬化される、ポリジメチルシロキサン、ポリウレタン、室温加硫シリコーンゴム、または光硬化性ゴムを含むエラストマ材料を含むることができる。支持層４２は、金型層４４よりも剛性の材料、例えば、ガラス、シリコン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、または石英を含むことができ、金型層４４よりも薄くあり得る。いくつかの実施形態では、金型層４４は、エラストマ材料へのナノ粒子の組み込みによって、または（限定ではないが）ガラス、鋼、炭素、またはナイロンを含むものから成る繊維メッシュの包含によって補強されることができる。支持層４２は、（限定ではないが）ガラスを含む、金型層４４よりも剛性の材料を含むことができ、金型層４４よりも薄くあり得る。
【0134】
図９Ａ－９Ｄでは、マイクロ成型機械９８は、マイクロ金型スタンプ４０の表面上に配置される、第１のチャネル５０Ａと、マイクロ金型スタンプ４０の表面上に配置される、第２のチャネル５０Ｂとを有する、マイクロ金型スタンプ４０を備える。（第１のチャネル５０Ａおよび第２のチャネル５０Ｂは、集合的に、チャネル５０である。）いくつかの実施形態では、チャネル５０は、共通の実質的に同じ形状因子を有する（図９Ａ、９Ｄに示されるように）。いくつかの実施形態では、第１のチャネル５０Ａは、第１の形状因子を有し、第２のチャネル５０Ｂは、第１の形状因子と異なる第２の形状因子を有する（図９Ｂに示されるように）。第１の入口ポート５２Ａは、第１のチャネル５０Ａに接続され、第２の入口ポート５２Ｂは、第２のチャネル５０Ｂに接続される。
【0135】
いくつかの実施形態では、各チャネル５０は、別個かつ個々の入口ポート５２（例えば、第１の入口ポート５２Ａおよび第２の入口ポート５２Ｂ）と、別個かつ個々の出口ポート５４（例えば、第１の出口ポート５４Ａおよび第２の出口ポート５４Ｂ）とを有する。いくつかの実施形態では、各チャネル５０への個々の入口および出口ポート５２、５４は、ポートの任意の対の間の最小間隔が、約１００ミクロン～約１ｍｍに及ぶ所定の距離を上回るように、スタンプ内に位置付けられることができる。いくつかの実施形態では、複数のチャネル５０は、入口ポート５２、出口ポート５４、または両方を共有する。共通入口ポート５２は、共通入口ポート５２に接続されるチャネル５０が、共通ナノ粒子１２材料を共有するとき、構造的簡易性および製造性を提供する。共通出口ポート５４は、共通出口ポート５４に接続されるチャネル５０からナノ粒子１２材料を引き込むための構造的簡易性および製造性を提供する。いくつかの実施形態では、共通入口ポート５２および出口ポート５４に接続されるチャネルは、単一のマイクロ金型スタンプ４０を使用して共通基板２０上に構築される複数の別個のガスセンサの一部である、ガスセンサ要素のためのナノ粒子インクを堆積させるために使用される。
【0136】
図９Ａでは、同一のナノ粒子が、第１の入口ポート５２Ａおよび第２の入口ポート５２Ｂの両方に供給され、第１のチャネル５０Ａおよび第２のチャネル５０Ｂの両方に供給され得るように、第１の入口ポート５２Ａは、ナノ粒子インク（図示せず）供給源（インクリザーバ５８）から給送され、第２の入口ポート５２Ｂは、同一のナノ粒子インク供給源（インクリザーバ５８）から給送される。
【0137】
図９Ｄでは、異なるナノ粒子（例えば、第１のナノ粒子１２Ａおよび第２のナノ粒子１２Ｂ、図示せず）が、第１の入口ポート５２Ａおよび第２の入口ポート５２Ｂに別個に供給され、第１のチャネル５０Ａおよび第２のチャネル５０Ｂに別個に供給され得るように、第１の入口ポート５２Ａは、ナノ粒子インク供給源（第１のインクリザーバ５８Ａ）から給送され、第２の入口ポート５２Ｂは、異なるナノ粒子インク供給源（第２のインクリザーバ５８Ｂ）から給送される。（第１のインクリザーバ５８Ａおよび第２のインクリザーバ５８Ｂは、集合的に、インクリザーバ５８である。入口ポート５２および出口ポート５４は、インクリザーバ５８を備えることができる。）
【0138】
図９Ｃでは、ポンプ７０または分注器は、第１の入口ポート５２Ａおよび第１のチャネル５０Ａを通して第１のナノ粒子インクを圧送および／または分注し、第２の入口ポート５２Ｂおよび第２のチャネル５０Ｂを通して第２のナノ粒子インクを圧送および／または分注する。いくつかの実施形態では、第１および第２のナノ粒子インクは、同一のナノ粒子インクまたは異なるナノ粒子インクであり得る。ポンプまたは分注器７０は、毛管作用を単独で適用するよりも高速で、かつ低減された費用でチャネル５０内にナノ粒子インクを充填するための圧力を提供することができる。接触機構（例えば、機械的位置マイクロコントローラおよび位置センサ、例えば、光学センサを採用する、図９Ｂに示されるオプトメカトロニック運動制御プラットフォーム６２）は、マイクロ金型スタンプ４０の表面（例えば、チャネル側４８）を表面２２（例えば、基板２０または絶縁層等の基板２０上の層）上に接触させることができる。したがって、マイクロ成型機械９８は、異なるナノ粒子インクを実質的に同じチャネル５０に提供する、実質的に同じナノ粒子インクを異なるチャネル５０（例えば、異なる形状因子を有するチャネル５０）に提供する、または異なるナノ粒子インクを異なるチャネル５０に提供することができる。
【0139】
入口ポート５２は、ナノ粒子インク５６供給源から給送されることができる。ポンプおよび／または分注器７０は、入口ポート５２およびチャネル５０を通してナノ粒子インク５６を圧送または分注する。ポンプまたは分注器７０は、毛管作用単独で可能なものよりも高速で、かつ低減された費用でチャネル５０内にナノ粒子インクを充填するための圧力を提供することができる。図１１Ａ－１１Ｄでは、ポンプまたは分注器７０は、ナノ粒子インク５６（例えば、分散剤または溶媒５７中のナノ粒子１２を備える）を、ポンプリザーバ７２およびインクリザーバ５８から、圧力下でマイクロ金型スタンプ４０の入口ポート５２に提供し、真空（または部分的真空または低減された圧力）を出口ポート５４に提供し、チャネル５０の中に、それを通してナノ粒子インク５６を引き込むことができる。マイクロ金型スタンプ４０は、ナノ粒子インク５６の体積および流率を制御するためのナノ粒子インク５６リザーバ５８を備えることができる。入口ポート５２および出口ポート５４はまた、統合されたインクリザーバ５８としての役割を果たすことができる。いくつかの実施形態では、チャネル５０を通してナノ粒子インク５６を駆動する圧力は、ナノ粒子インク５６とナノ粒子インク５６と接触するマイクロチャネル５０の表面積との間の力によって引き起こされる毛管圧であり得る。
【0140】
図９Ａ－９Ｄは、具体的マイクロ成型機械構造スキームおよび組成物を図示するが、任意の構成および設計が、所与の用途の具体的要件に応じて、適宜利用されることができる。本発明の種々の実施形態による、電気デバイスを作製する際に利用され得るマイクロ成型加工プロセスのシステムおよび方法が、下記にさらに議論される。
（マイクロ成型プロセスを使用したガスセンサの加工）
（マイクロ成型プロセスを使用したガスセンサの加工）
【0141】
多くの実施形態は、電気構成要素および／またはデバイスのマイクロ成型プロセスを提供する。電気構成要素および／またはデバイスの実施例は、（限定ではないが）ガスセンサ要素、アンテナ、インダクタを含む。いくつかの実施形態による、マイク成型加工プロセスは、マイクロ成型機械を実装する。多くの実施形態は、マイクロ成型加工プロセスが、（限定ではないが）以下のステップ、すなわち、
・ 基板表面を有する、基板を提供するステップと、
・ 支持側と、チャネル側とを伴う、金型層と、支持側と接触して配置される、支持層とを有する、スタンプを提供するステップと、
・ （限定ではないが）ナノ粒子インクを含む、第１のインクと、（限定ではないが）ナノ粒子インクを含む、第２のインクとを提供するステップと、
・ 基板表面と接触して金型層を配置するステップと、
・ 第１の入口ポートを通して第１のチャネルの中に第１のナノ粒子インクを圧送または分注するステップと、
・ 第２の入口ポートを通して第２のチャネルの中に第２のナノ粒子インクを圧送または分注するステップと、
・ 第１のチャネル内の第１のナノ粒子インクを硬化させるステップと、
・ 第２のチャネル内の第２のナノ粒子インクを硬化させるステップと、
・ スタンプを除去し、基板表面上に自立構成要素を形成するステップと、
を含み得ることを提供する。
・ 基板表面を有する、基板を提供するステップと、
・ 支持側と、チャネル側とを伴う、金型層と、支持側と接触して配置される、支持層とを有する、スタンプを提供するステップと、
・ （限定ではないが）ナノ粒子インクを含む、第１のインクと、（限定ではないが）ナノ粒子インクを含む、第２のインクとを提供するステップと、
・ 基板表面と接触して金型層を配置するステップと、
・ 第１の入口ポートを通して第１のチャネルの中に第１のナノ粒子インクを圧送または分注するステップと、
・ 第２の入口ポートを通して第２のチャネルの中に第２のナノ粒子インクを圧送または分注するステップと、
・ 第１のチャネル内の第１のナノ粒子インクを硬化させるステップと、
・ 第２のチャネル内の第２のナノ粒子インクを硬化させるステップと、
・ スタンプを除去し、基板表面上に自立構成要素を形成するステップと、
を含み得ることを提供する。
【0142】
いくつかの実施形態では、金型層は、チャネル側上に配置される、第１の形状因子を有する、第１のチャネルと、第１のチャネルに接続される、第１の入口ポートと、第１のチャネルに接続される、第１の出口ポートとを含むことができる。いくつかの実施形態では、金型層は、チャネル側上に配置される、第２の形状因子を有する、第２のチャネルと、第２のチャネルに接続される、第２の入口ポートと、第２のチャネルに接続される、第２の出口ポートとを含むことができる。ある実施形態による、金型スタンプは、（限定ではないが）ポリジメチルシロキサン、ポリメチルメタクリレート、およびポリウレタンを含む材料を用いて作製されることができる。いくつかの実施形態は、第１のチャネルの第１の形状因子および第２のチャネルの第２の形状因子が、同一または異なる形状因子を有し得ることを提供する。多くの実施形態では、支持層は、金型層よりも剛性であり得る。いくつかの実施形態は、チャネルが、チャネル側上のチャネルの幅を上回る、チャネル側から金型層への方向における高さ、または両方を有し得ることを提供する。いくつかの実施形態では、スタンプ内の特徴は、基板上の特徴に対して位置付けられ、マイクロ成型特徴が、（限定ではないが）１ミクロンまたは１０ミクロンを含む規定された位置公差内で基板上の具体的場所に配置されることを確実にすることができる。ある実施形態では、スタンプ内の特徴は、スタンプおよび基板上の視覚的基準マーカを使用して、基板上の特徴に対して位置付けられることができる。
【0143】
ある実施形態は、第１のナノ粒子インクおよび第２のナノ粒子インクが、同一または異なるナノ粒子インクであり得ることを提供する。いくつかの実施形態では、ナノ粒子インクを硬化させることは、ナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体を形成することができる。いくつかの実施形態による、ナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体は、ナノ多孔性溶融ナノ粒子電気導体と接触する周囲ガスに応答して変化する、電気伝導率を有することができる。いくつかの実施形態による、ナノ粒子インクを硬化させるステップは、ナノ粒子インクを加熱することによって、および／またはナノ粒子インクを電磁放射に暴露することによって加速されることができる。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、ナノ粒子を加熱することによって、および／またはナノ粒子を電磁放射に暴露することによって焼結されることができる。
【0144】
多くの実施形態は、入口圧力が、出口圧力を上回る場合、入口ポートに入口圧力を提供し、出口ポートに出口圧力を提供するステップが、入口ポートを通してチャネルの中にナノ粒子インクを圧送し得ることを提供する。いくつかの実施形態では、ナノ粒子インクを圧送および／または分注するステップは、ナノ粒子インクをチャネルを通して流動させることができ、ナノ粒子インクの流動は、少なくとも部分的に、チャネル内の毛管圧によって駆動されることができる。ある実施形態では、ナノ粒子インクを圧送および／または分注するステップは、ナノ粒子インクをチャネルを通して流動させることができ、ナノ粒子インクの流動は、圧力を入口ポートに印加する、および／または真空を出口ポートに印加することによって駆動されることができる。
【0145】
本発明のある実施形態による、マイクロ成型プロセスを使用して構成要素を加工するプロセスが、図１０に図示される。加工プロセスは、構成要素のための基板を提供することによって開始される（１００）。マイクロ成型スタンプが、構成要素を配置するために使用されることができる（１０５）。マイクロ成型スタンプの金型層は、基板の基板表面と接触して（例えば、共形的に接触して）配置されることができる（１１５）。液体またはガス状溶媒または分散剤中のナノ粒子を備えるナノ粒子インクが、提供されることができる（１１０）。ナノ粒子を備えるナノ粒子インクは、入口ポートを通してチャネルの中に圧送されることができる（１２０）。ナノ粒子が、チャネルを通して移動するにつれて、ナノ粒子インク中の溶媒が、金型層の中に拡散することができ、したがって、ナノ粒子は、チャネル内で緊密に充塞した状態になる。インクによるチャネルの完全な湿潤が、所望の形状を達成し、溶媒の高速抽出を促進することに対して重要であり得、これは、使用される溶媒およびスタンプの表面エネルギーの慎重な調整によって達成されることができる。プロセスは、硬化によって加速されることができる（１２５）。いくつかの実施形態による、硬化プロセスは、（限定ではないが）ナノ粒子インクを熱に、および／または電磁放射に暴露するステップを含む。電磁放射の実施例は、（限定ではないが）キセノン閃光、赤外線放射、紫外線放射、またはレーザ放射を含む。硬化プロセスの間、ナノ粒子インクの溶媒は、ナノ粒子インクおよび／または金型層から追い出され得ることができる。いくつかの実施形態では、追い出された溶媒は、マイクロ成型スタンプの金型層によって（少なくとも部分的に）吸収されることができる。マイクロ成型スタンプは、基板の基板表面上に自立ガスセンサ要素を形成するために、除去されることができる（１３０）。自立ガスセンサ要素は、基板内に形成されない、または支持構造および／または壁を有して形成されることができる。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、焼結および／または溶融され、ガスセンサ要素を形成することができる（１３５）。ある実施形態による、ナノ粒子を焼結および／または溶融するステップは、ナノ粒子を熱、ＵＶ放射、レーザ放射、または電磁放射に暴露することによって遂行されることができる。いくつかの実施形態では、焼結プロセスは、（限定ではないが）窒素、ヘリウム、アルゴン、水素、二酸化炭素を含む、保護雰囲気内で実施されることができる。多くの実施形態は、複数のガスセンサ要素が、異なる形状因子を有する、および／または異なるナノ粒子を備えるときであって、ガスセンサが、単一の層内に、かつ単一の一連のステップにおいて構築され得ることを提供する。図１０は、マイクロ成型加工プロセスの具体的ステップを図示するが、任意のステップおよび方法が、所与の用途の具体的要件に応じて、適宜利用されることができる。
【0146】
ある実施形態による、加工プロセスの間の高縦横比ガスセンサの連続する断面図が、図１１Ａ－１１Ｄに図示される。図１１Ａ－１１Ｄでは、ガスセンサ要素１０が、基板２０、マイクロ金型スタンプ４０、および提供される液体またはガス状溶媒または分散剤５７中のナノ粒子１２を備えるナノ粒子インク５６を提供することによって構築されることができる。マイクロ金型スタンプ４０の金型層４４は、図１１Ａに示されるように、表面２２（例えば、基板２０の表面または絶縁層９６）と接触して（例えば、共形的に接触して）配置される。図１１Ｂに図示されるように、ナノ粒子１２を備えるナノ粒子インク５６は、例えば、ポンプリザーバ７２からポンプ７０によって、入口ポート５２を通してチャネル５０の中に圧送されることができる。圧送は、少なくとも部分的に、入口ポート５２と出口ポート５４との間の圧力差を提供することによって提供されることができる。ナノ粒子１２が、チャネル５０を通して移動するにつれて、ナノ粒子インク５６中の溶媒５７が、金型層４４の中に拡散し、入口および出口リザーバ５８からより多くのインクを引き込み、したがって、ナノ粒子１２は、チャネル５０内で緊密に充塞した状態になる。本プロセスは、構造内の平均細孔サイズが、インク中のナノ粒子１２の細孔サイズほどになり、全ての溶媒が、抽出され、最終的に、チャネル形状の完全な成型につながるまで継続する。インクによるチャネルの完全な湿潤が、所望の形状を達成し、溶媒の高速抽出を促進することに対して重要であり得、これは、使用される溶媒およびスタンプの表面エネルギーの慎重な調整によって達成されることができる。
【0147】
図１１Ｃでは、硬化プロセスは、例えば、ナノ粒子インク５６および／または金型層４４を、熱および／または（限定ではないが）キセノン閃光、紫外線放射、またはレーザ放射を含む電磁放射６０に暴露し、少なくとも部分的に、マイクロ金型スタンプ４０の金型層４４によって吸収され得る溶媒５７を追い出すことによって加速される、および／または可能にされることができる。マイクロ金型スタンプ４０は、次いで、除去され、表面２２上に（随意に、高縦横比を有する）ガスセンサ要素１０を形成する。ナノ粒子１２は、次いで、ナノ粒子１２を熱、ＵＶ放射、またはレーザ放射に暴露することによって、焼結または溶融され、ガスセンサ要素１０を形成することができる。焼結プロセスは、（限定ではないが）窒素、ヘリウム、アルゴン、水素、二酸化炭素を含む、保護雰囲気内で実施されることができる。ガスセンサ要素１０は、例えば、基板内に形成されない、または支持構造または壁を有する（下層表面２２を除く）、自立型であり得る。図１１Ａ－１１Ｄは、ガスセンサを加工するマイクロ成型プロセスの具体的ステップを図示するが、任意のステップおよび方法が、所与の用途の具体的要件に応じて、適宜利用されることができる。
【0148】
本発明の種々の実施形態による、アンテナの設計において利用され得る高縦横比導体を伴う高縦横比アンテナのシステムが、下記にさらに議論される。
（アンテナ）
（アンテナ）
【0149】
アンテナは、電圧および電流を電磁場に結合し、空間的に分離された電子デバイスの間の通信または電力転送を可能にする。多種多様なアンテナが、異なる用途、例えば、ラジオ、テレビ、ＷｉＦｉ、レーダ、および無線電力転送（ＷＰＴ）のために使用されることができる。アンテナは、異なるサイズおよび構成を含み、種々の周波数、例えば、３ｋＨｚ～３００ＧＨｚにおいて動作し得る。電磁スペクトルの異なる帯域が、異なる用途、例えば、ラジオ、テレビ、およびセルラー電話通信（スマートフォン）のために確保されている。完全なアンテナシステムは、電磁場または誘導結合を介して、電気導体の１つのセット（「送信機」）に流動する電圧および電流から、電気導体の別のセット（「受信機」）において誘発される電圧および電流に電気エネルギーを無線で結合することによって動作する。
【0150】
遠方場（放射）アンテナシステムは、受信アンテナが存在するかどうかにかかわらず、送信機から遠い距離においても伝搬する電磁波を生成する傾向がある。対照的に、近接場（非放射）アンテナシステムは、送信機のすぐ近くで強いエバネッセント場を生成し、近傍の受信機に誘導結合するために好適であるが、伝搬する自由空間電磁モードに電力を放射しない。アンテナが遠方場（放射）領域において効率的に動作するために、アンテナの物理的範囲は、典型的には、伝送される信号の波長ほどである、または椀形アンテナ等の指向性アンテナに関してさらにはるかに大きい。遠方場アンテナは、周波数およびアンテナタイプに応じて、範囲において数ミクロンから数百メートルに及ぶことができる。近接場アンテナは、波長よりも劇的に小さくあり得るが、アンテナサイズと同一の桁の距離にわたってのみ効果的に動作する傾向があり、さらに、低損失導体、慎重な共振同調、および送信機と受信機との間の精密な整合を要求する傾向がある。多くの異なるアンテナ設計、例えば、ループアンテナ、ダイポールアンテナ、マイクロストリップアンテナ、モノポールアンテナ、アレイアンテナ、および円錐アンテナが、使用されている。
【0151】
多種多様な近接場アンテナが、異なる用途、例えば、スマートフォン等の電子デバイスの間の近距離無線通信（ＮＦＣ）、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグおよびリーダ、無線電力転送、スタックされたＩＣにおけるデータ転送のために使用され、種々の周波数、例えば、約１ｋＨｚ～約１ＴＨｚにおいて動作する多くの異なるサイズおよび構成を含む。近接場アンテナは、データまたは電力を受信および／または送信するように構成されてもよく、近接場デバイスは、バッテリ等の外部電源によって、またはＲＦＩＤの場合におけるように近接場から捕捉される電力によって直接、給電されてもよい。
【0152】
電磁スペクトルの異なる帯域が、異なる用途、例えば、ラジオ、テレビ、およびセルラー電話通信（スマートフォン）のために確保されている。１３．５６ＭＨｚ ＲＦＩＤシステム等の近接場ＲＦＩＤシステムは、典型的には、低周波数範囲（ＬＦ、１２５ＫＨｚ～１３４ＫＨｚ）または高周波数範囲（ＨＦ、３ＭＨｚ～３０ＭＨｚ）帯域内で動作する。しかしながら、超高周波数範囲（ＵＨＦ、３００ＭＨｚ～３ＧＨｚ）帯域内の近接場ＲＦＩＤの動作もまた、可能性として考えられる。
（近接場コイルアンテナ）
（近接場コイルアンテナ）
【0153】
アンテナシステムは、単一の伝送アンテナと、単一の受信アンテナとを備えることができる。現代のアンテナシステムは、それぞれ少なくとも１つの個々のアンテナを利用する、多数の送信機および受信機を含有することができる。いくつかのアンテナは、そのようなシステムにおいて送信機および受信機の両方として機能し得る。近接場アンテナシステムは、電気信号および／または電力を伝送するために、コイルタイプアンテナ等の２つのアンテナの間の誘導結合に依拠し得る。電気信号が、１つのコイルを通して通過されるとき、電磁場が、その近接場領域内に生成されることができ、これは、別のコイル内に２つのコイルの間の相互インダクタンスに比例する電圧または電流を誘発し得る。相互インダクタンスは、コイルが同心円状に、可能な限りともに近接して配向されるとき、および各コイル自体が最大のインダクタンスを有するとき、例えば、その占有面積内の巻線の数を最大限にすることによって、最大限にされることができる。内部空間の周囲のトレースの各巻は、巻線として公知である。それにわたって近接場アンテナが動作し得る距離をさらに改良するために、動作周波数において共振動作のために各コイルを同調し、抵抗損失を最小限にし、高品質係数（高Ｑ）動作を可能にすることが、有用であり得る。これは、コイルの寸法に対する精密な制御を要求し得る。
【0154】
近接場アンテナは、遠方場に電磁エネルギーを放射することに依拠せず、したがって、それらは、非常に低い伝送損失を伴って動作されることができ、原則としてそれらの独自の抵抗損失によって限定される。これは、近接場アンテナを、ＲＦＩＤ、短距離通信、および無線電力転送等の用途のために好都合にする。または、より一般的には、スタックされた集積回路（ＩＣ）等、データまたは電力伝送のためのデバイスへの直接電気接続を確立することが可能ではない、または望ましくない任意の用途に関して好都合である。
【0155】
ポータブル電子デバイスは、好ましくは、小型かつ軽量である。その結果、そのようなポータブル電子デバイスにおけるコイルアンテナおよびインダクタは、望ましくは、小さいが、性能を維持するために、密接して離間された低抵抗導体を伴うべきである。マイクロエレクトロニクスにおける多くの用途に関して、任意の所与のアンテナ占有面積および導体長に関して可能な限り高いインダクタンス（実践可能である限り多くの巻線）および低い直列抵抗を伴うコンパクトなアンテナコイルを生産することが、望ましくあり得る。プリント回路板および集積回路等の基板内またはその上に小さい電気導体を作製するための技法は、減法技法および加法技法を含む。減法技法は、光化学機械加工、エッチング、レーザ切断、および機械加工を含むことができる。加法技法は、伝導性インクまたはペーストのマスク物理蒸着（例えば真空蒸着）、電気めっき、３Ｄ印刷、インクジェット印刷、およびスクリーン印刷を含むことができる。しかしながら、インクジェット印刷およびスクリーン印刷は、サブミリメートルスケールにおいて限定された分解能および限定された再現性を有し、不良に制御された断面形状を伴う。ＰＣＢ製造のために使用されるような化学エッチングが続くエッチングマスクのパターン化から成る、光化学機械加工が、マスクされた導体縁の等方性アンダーカットをもたらし得る。アンダーカットは、導体およびそれらを分離する間隙の達成可能な形態を限定し、導体分解能を低減させ得る。パターン化金属シード層上への電気めっきは、トレースの伝導率を改良することができるが、また、金属堆積が公称上等方性様式で進行するため、低減された導体分解能に悩まされ、再び、導体トレースの間の最小間隙を限定する。最後に、金属の代替としての導電性ポリマーは、伝導率において限定され、例えば、銅または銀のものを数桁下回り得る。
【0156】
以前の研究において、Ｋｏ ｅｔ． ａｌ．は、ナノ粒子溶液を用いて基板をコーティングし、構造化ポリジメチルシロキサン金型を用いてコーティングをインプリントすることによって、電気導体をパターン化するための方法を説明している。（例えば、Ｋｏ， ｅｔ． ａｌ．， Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２００７， ｖｏｌ． ７， Ｎｏ． ７ ｐｐ． １８６９－１８７７（その開示は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）を参照されたい。）ＭａｋｉｈａｔａおよびＰｉｓａｎｏは、銀ナノ粒子インクを用いた印刷を説明している。（例えば、Ｍａｋｉｈａｔａ ｅｔ ａｌ．， Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２０１９， １０３， １７０９－１７１９（その開示は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）を参照されたい。）
【0157】
多くの実施形態は、種々の電気回路および無線デバイスの性能を改良するために、コンパクトな高Ｑアンテナ構造および／またはインダクタコイルの設計および加工方法を提供する。いくつかの実施形態は、密接して離間された高縦横比トレースを伴う高伝導性材料のコイルを加工することによって、高インダクタンスおよび低直列抵抗を伴うコンパクトなアンテナコイルを提供する。
【0158】
多くの実施形態による、高縦横比コイルが、高Ｑ低損失空芯インダクタの加工において適用されることができる。高Ｑ低損失空芯インダクタは、高周波数電子回路設計において重要な役割を果たす。多くの実施形態は、（限定ではないが）スイッチモード電力供給源、無線周波数（ＲＦ）バンドパス、ハイパス、およびローパスフィルタ、低損失変圧器、誘導角度および位置センサ、およびＬＣまたはＲＬＣ共振器を含む分野におけるインダクタとして高縦横比コイル構造を実装する。いくつかの実施形態による、印刷されたインダクタおよび／またはコイルは、離散的構成要素として、より大きい分散要素ネットワークの一部として、または複数の受動的構成要素を含有するマイクロストリップとして統合されることができる。そのような実施形態では、印刷されたインダクタ／コイルの高正確度は、（限定ではないが）共振周波数のより正確な同調、より小さい占有面積、サブクオーター波長フィルタリング、より高い電力結合効率を含む利益を提供することができる。
【0159】
本発明の種々の実施形態による、アンテナの設計において利用され得る高縦横比導体を伴う高縦横比アンテナのシステムが、下記にさらに議論される。
（高縦横比アンテナ）
（高縦横比アンテナ）
【0160】
一般的なタイプの近接場アンテナは、伝導性電気材料の渦巻または螺旋配列を備える、誘導コイルである。そのような電気導体は、種々の断面プロファイルを伴うワイヤ、例えば、円筒形ワイヤ、長方形ワイヤ、または平面電気導体であり得る。多くの実施形態は、電気導体として高縦横比電気導体を実装する。実施形態による、これらのワイヤおよび／またはトレースは、（限定ではないが）基板上に平面長方形、円形、または六角形螺旋を含む構成において配列され、コイルを形成することができる。コイルは、約１×１μｍ２および約１×１ｍ２の外形寸法を有することができる。いくつかの実施形態では、コイルは、空芯インダクタ等のコイル状導体によって占有されない内部空間を含有することができる。いくつかの実施形態では、コイルの内部空間は、インダクタンスを増加させるために、磁性コアによって占有されてもよい。コイルは、導体が増加された縦横比を有するように、ある実施形態に従って、基板に対して法線方向に延在されることができる。いくつかの実施形態では、いくつかのコイルは、コイルのインダクタンスを増加させるために、スタックされることができる。いくつかの実施形態では、複数の同軸に位置するコイルが、同一の軸の周囲に設置されることができる。これらのコイルは、同一の平面または基板に位置する、または同一の軸に沿った後続平面または基板に設置されることができる。コイルの設計は、対称または非対称であり得る。
【0161】
２つの近接場アンテナの間の信号伝送の品質および帯域幅は、それらの相互インダクタンス、伝送アンテナを通して通過される電流の大きさ、およびコイルが駆動される周波数に依存する。相互インダクタンスは、２つのアンテナの間の物理的分離および配向およびそれらの個別の自己インダクタンスによって決定されることができる。アンテナの半径は、信号が受信されることが予期される距離に調整されるべきである。例えば、約１０ｍｍの外形寸法を伴うコイルアンテナの対が、分離距離が約１２ｍｍであるときに最良の伝送を与えることができる。相互インダクタンスは、コイルのそれぞれにおける巻数に伴って増加する。アンテナは、低電気抵抗を有するべきである。より高い抵抗は、場および信号強度の減衰、および本デバイスにおける所望されない電力散逸および加熱をもたらし得る。
【0162】
多くの実施形態は、（限定ではないが）近接場アンテナを含む、高性能インダクタおよびアンテナのための種々の構成において配列される、高縦横比電気導体を提供する。いくつかの実施形態では、高縦横比導体を伴うアンテナは、基板上に形成または堆積される自立構造として加工されることができる。いくつかの実施形態による、高縦横比導体は、基板表面上に適用されたスタンプ内に配置されるチャネル内で硬化されたナノ粒子インクから構築されることができる。いくつかの実施形態は、これらのプロセスが、アンテナおよびインダクタが、小型かつポータブルな電子デバイスのために好適な寸法を伴って作製されることを可能にすることを提供する。ある実施形態では、アンテナおよび導体は、約１μｍ～約１００μｍの範囲内の寸法を有する。
【0163】
多くの実施形態は、高縦横比アンテナの基板が、（限定ではないが）ガラス、ポリマー、カプトン（ポリイミド）、ＰＥＴ、ＰＭＭＡ、テフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）、ＥＴＦＥ、セラミック、低温共焼成セラミック（ＬＴＣＣ）、半導体、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＰ、石英、金属、紙、および／またはサファイアを含む、任意の好適な基板であり得ることを提供する。いくつかの実施形態では、基板は、（限定ではないが）ＦＲ２またはＦＲ４を含む、プリント回路板（ＰＣＢ）基板であり得る。いくつかの実施形態では、基板は、剛性、可撓性、または平面であり得る。いくつかの実施形態は、基板が、ディスプレイ、集積回路、電子機器アセンブリ、または回路板産業において見出され得ることを提供する。いくつかの実施形態では、基板は、ＣＭＯＳおよび／またはＭＥＭＳデバイス、集積回路、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、角度測定回路網、ＲＦ回路、および送受信機を含有してもよい。
【0164】
多くの実施形態では、高縦横比アンテナは、（限定ではないが）導電性粒子、金属ナノ粒子、非導電性（誘電性）粒子、または半伝導性粒子を含む粒子を用いて作製されることができる。ナノ粒子の実施例は、（限定ではないが）銀、銅、金、ニッケルナノ粒子、またはそれらの任意の組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、焼結されることができる。ある実施形態では、ナノ粒子は、導体によってコーティングされることができる。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、電気めっきによる薄い金属コーティングによってコーティングされることができる。電気めっきは、表面にわたって金属コーティングを提供することができるが、また、基板表面上に形成される構造の空間分解能を低減させ得る、コーティング材料を基板表面上に堆積させ得る。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、電気めっきされない。半伝導性粒子の実施例は、（限定ではないが）金属酸化物を含む。いくつかの実施形態では、粒子は、（限定ではないが）水性分散剤、有機溶媒、イソプロパノール、エタノール、トルエン、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、またはトリエチレングリコールモノメチルエーテルを含む、液体溶媒中の懸濁液として提供されることができる。ある実施形態による、ナノ粒子は、約１ｎｍ～約５μｍの範囲内の直径を有することができる。いくつかの実施形態は、好適なインクが、約０．３センチポイズ～約３，０００センチポイズの範囲内の粘度を有し得ることを提供する。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、異なる伝導性および／または非伝導性材料から作製される異なるナノ粒子を含むことができる。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、アンテナ内で等方的または異方的に分配されることができる。
【0165】
多くの実施形態は、高縦横比アンテナ構造を提供する。いくつかの実施形態では、アンテナは、基板上にコイルを形成することができる。本発明のある実施形態による、高縦横比アンテナの平面図が、図１２Ａに図示される。高縦横比アンテナ構造１０が、基板表面２２を有する、基板２０を含む。アンテナ３０が、基板表面２２上に配置される。アンテナ３０は、基板表面２２上の平面長方形、円形、または六角形螺旋であり、コイルを形成することができる。
【0166】
本発明のある実施形態による、図１２Ａの断面線Ａに沿って得られる高縦横比アンテナの断面図が、図１２Ｂに図示される。高縦横比アンテナ構造１０が、基板表面２２を有する、基板２０を含む。アンテナ３０が、基板表面２２上に配置される。アンテナ３０は、長方形断面、または（限定ではないが）三角形、四辺形、または曲面を伴うものを含む任意の他の望ましい断面を有することができる。アンテナ３０は、アンテナ３０を動作させる、またはそれに応答する回路（図示せず）に電気的に接続されることができる。アンテナ３０は、溶融ナノ粒子１２から作製されることができる。アンテナ３０の電気導体は、基板表面２２と接触する導体幅Ｗと、基板表面２２から離れるように延在する方向における導体高Ｈとを有する、基部３２を有する。アンテナ３０は、基板２０上の基部３２からの支持以外の支持を伴わずに、基板表面２２上で自立することができる。導体高Ｈは、導体幅Ｗを上回り得る。いくつかの実施形態では、アンテナ３０は、導体に沿った少なくとも１つの点上に溶融ナノ粒子１２の暴露された導体表面３５を有することができる。いくつかの実施形態では、導体表面３５は、溶融ナノ粒子１２上に配置される伝導性材料を用いてコーティングされることができる。暴露された導体表面３５は、随意に、基部３２を除外する、アンテナ３０の外縁または表面であり得る。種々の実施形態では、アンテナ３０の電気導体は、基板２０上の電気導体の長さにわたって、サイズ、高さ、幅、縦横比、組成、および密度において変動することができる。
【0167】
多くの実施形態では、基板表面上に配置されるアンテナの基部は、５０ミクロンを下回る導体幅Ｗを有することができる。いくつかの実施形態は、２５ミクロンを下回る、１０ミクロンを下回る、５ミクロンを下回る、または２ミクロンを下回る導体幅Ｗを提供する。いくつかの実施形態による、基板表面から離れるように延在するアンテナの導体高Ｈは、５ミクロンを上回り得る。ある実施形態では、導体高Ｈは、１０ミクロンを上回る、２０ミクロンを上回る、５０ミクロンを上回る、または１００ミクロンを上回り得る。多くの実施形態では、アンテナは、１を上回る縦横比（導体高Ｈ対導体幅Ｗとの比）を有する。いくつかの実施形態では、アンテナの縦横比は、２．８を上回る、５を上回る、１０を上回る、または２０を上回り得る。ある実施形態は、２．８を上回る縦横比を伴うアンテナが、約２．５ミクロンの導体幅Ｗと、約７ミクロンの導体高とを有し得ることを提供する。
【0168】
多くの実施形態は、高縦横比電気導体を組み込むコイルアンテナを提供する。いくつかの実施形態では、コイルアンテナは、コイルアンテナの一方の端部からコイルアンテナの他方の端部まで延在する、導体長Ｌを有する。いくつかの実施形態による、コイルアンテナは、アンテナの巻線の間の分離距離Ｄを有する。多くの実施形態では、高縦横比アンテナ構造は、低減された面積および／または体積においてアンテナのより多い巻線数Ｎを提供し、周波数の範囲内で電磁放射に対する改良された感度を可能にすることができる。周波数範囲の実施例は、（限定ではないが）８６７ＭＨｚ未満の周波数を含む。そのような感度は、ポータブル電子デバイスにおける小さい形状因子において有用であり得る。本発明のある実施形態による、コイルアンテナの平面図が、図１３Ａに図示される。図１３Ａでは、高縦横比コイルアンテナ１０が、基板２０の基板表面２２上に配置される、コイルアンテナ３０を含む。アンテナ３０は、基板２０上の第２の部分３８に隣接する、基板２０上の第１の部分３６を有する。第１の部分３６および第２の部分３８は、基板表面２２にわたって距離Ｄだけ離間される。
【0169】
図１３Ａでは、アンテナ３０のコイル長Ｌは、（アンテナ３０の第１および第２の部分３６、３８に対応する）アンテナ３０の巻線の間の小さい分離距離Ｄを伴って、アンテナの第１の端部３０Ａからアンテナの第２の端部３０Ｂまで延在する。したがって、高縦横比アンテナ構造１０は、低減された面積または体積において基板２０にわたってアンテナ３０のより多い巻線数Ｎを提供し、所望の周波数の範囲内で電磁放射に対する改良された感度を可能にすることができる。
【0170】
本発明のある実施形態による、図１３Ａの断面線Ａに沿って得られる高縦横比コイルアンテナの断面図が、図１３Ｂに図示される。コイルアンテナ３０は、基板２０の基板表面２２上に配置される。第１の部分３６および第２の部分３８は、基板表面２２にわたって距離Ｄだけ離間される。距離Ｄは、導体高Ｈ以下であり得る。いくつかの実施形態では、第１の部分３６は、５０ミクロン未満の距離Ｄだけ第２の部分３８から分離される。いくつかの実施形態では、第１の部分３６と第２の部分３８との間の距離Ｄは、２５ミクロン未満、２０ミクロン未満、１５ミクロン未満、１０ミクロン未満、および５ミクロン未満である。多くの実施形態は、アンテナ３０の巻線が、ともに密接して離間され、基板２０にわたって小さい面積においてアンテナ３０の大きい導体長Ｌを可能にすることを提供する。いくつかの実施形態では、アンテナ３０（例えば、コイル）は、単一の巻を有する。いくつかの実施形態では、コイルは、図１３Ａに示されるように、１つまたはそれを上回る隣接する第１および第２の部分３６および３８を伴う複数の巻を有する。ある実施形態では、アンテナ３０は、不連続的な角においてともに継合される、直線区画を有する。いくつかの実施形態では、アンテナ３０における電気導体の角は、直交する（９０度）角である。いくつかの実施形態では、角は、直交しない。非直交角度の実施例は、（限定ではないが）６０度、１２０度、または１５０度を含む。いくつかの実施形態は、アンテナ３０が、直線区画を有することを提供する。いくつかの実施形態によると、アンテナ３０は、曲線区画を有する、または完全に湾曲する。
【0171】
本発明のある実施形態による、アンテナ長Ｌを伴うアンテナの平面図が、図１４Ａに図示される。アンテナ３０は、アンテナの第１の端部からアンテナの第２の端部までのアンテナ長Ｌを有し、基板２０の基板表面２２上に配置される。本発明のある実施形態による、図１４Ａの断面線Ａに沿って得られるアンテナの断面図が、図１４Ｂに図示される。アンテナ３０は、アンテナ基部３２と、アンテナ幅Ｗと、アンテナ高Ｈとを有する。
【0172】
いくつかの実施形態は、コイルアンテナが、（急速な）温度変化の間に区画の座屈を防止するために、熱歪み軽減体を組み込む区画を有し得ることを提供する。急速な温度変化は、アンテナの焼結または動作の間に起こり得る。いくつかの実施形態による、熱歪み軽減体は、これらの区画を複数のより短い区画に分割し、座屈を防止することができる。本発明のある実施形態による、熱歪み軽減体を組み込むコイルアンテナが、図１５に図示される。熱歪み軽減体３７は、コイルアンテナの区画内に組み込まれ、これらの区画を複数のより短い区画に分割することによって、（急速な）温度変化の間に区画の座屈を防止する。図１２－１５は、具体的高縦横比アンテナ構造スキームおよび組成物を図示するが、任意の構成および設計が、所与の用途の具体的要件に応じて、適宜利用されることができる。
【0173】
本発明の種々の実施形態による、アンテナの設計および／または加工において利用され得るマイクロ成型プロセスを使用して高縦横比導体を伴う高縦横比アンテナを作製するためのシステムおよび方法が、下記にさらに議論される。
（マイクロ成型プロセスを使用した高縦横比アンテナの加工）
（マイクロ成型プロセスを使用した高縦横比アンテナの加工）
【0174】
多くの実施形態は、高縦横比マイクロストリップアンテナが、（限定ではないが）ミリ波アンテナおよびマイクロ波アンテナを含む、高周波数（約１００ＭＨｚよりも高い周波数）用途のために使用され得ることを提供する。典型的には、マイクロストリップアンテナは、フォトリソグラフィを使用してエッチングマスクを作成し、続けて金属をエッチングすることによって製造される。これは、その上でそのような回路が処理され得る基板の選択肢を限定し得る、多段階プロセスである。典型的には、金属エッチングステップは、基板上に存在するＩＣ等の複雑な構造またはデバイスを損傷または劣化させることを回避するために、生産プロセスにおいて早期に行われる必要性がある。金属エッチングはまた、導体厚が、特徴間隔よりも小さい必要性があるため、アンテナ導体の実行可能な縦横比を限定し得る。また、一般的な金属エッチング技術は、エッチングプロセスの等方性の性質によって限定され得、これは、高縦横比構造のために達成され得る形態正確度を限定し得る。一方、高縦横比構造を形成するために、真空中でマスクされた基板上の金属の蒸発させ、続けてマスクを除去するための離昇ステップを行うことは、回収され得ない材料の大部分を浪費するであろう一方、金属の薄膜を蒸発させ、続けて金属の電気化学堆積を行うことは、特徴間隔および忠実度を限定し得る。
【0175】
多くの実施形態は、高縦横比アンテナ構造が、（限定ではないが）基板上に配置されるコイルアンテナを含む、複数のアンテナを含み得ることを提供する。いくつかの実施形態による、複数のアンテナは、位相配列アンテナを形成することができる。
【0176】
いくつかの実施形態は、高縦横比アンテナが、マイクロ金型スタンプを使用して構築され得ることを提供する。本発明のある実施形態による、マイクロ金型スタンプの平面図が、図１６Ａに図示される。図１６Ａの断面線Ａを横断して得られるマイクロ金型スタンプの断面図が、図１６Ｂに図示される。図１６Ａの断面線Ｂを横断して得られるマイクロ金型スタンプの断面図が、図１６Ｃに図示される。マイクロ金型スタンプ４０は、支持側４６と、チャネル側４８とを有する、金型層４４を備えることができる。支持層４２は、支持側４６と接触して配置される。支持層４２は、金型層４４よりも剛性であり、寸法安定性を金型層４４に提供し、マイクロ金型スタンプ４０によって形成される構造に関する改良された分解能を可能にすることができる。金型層４４は、金型層４４内のチャネル側４８上に配置される、少なくとも１つのチャネル５０を備えることができる。入口ポート５２は、チャネル５０に接続され、出口ポート５４は、チャネル５０に接続される。チャネル５０は、チャネル側４８上のチャネル５０の幅（導体幅Ｗに対応する）を上回る、チャネル側４８から離れて支持側４６に向かう金型層４４への方向における高さを有する（導体高Ｈに対応する）。いくつかの実施形態では、入口および出口ポート５２および／または５４は、金型層４４のチャネル側４８表面まで延在することができる。入口ポート５２は、ナノ粒子インク５６がチャネル５０に進入するための経路を提供し、出口ポート５４は、ナノ粒子インクがチャネル５０の内外に引き込まれるための経路を提供する。金型層４４は、（限定ではないが）シリコンマスタ、石英マスタ、またはガラスマスタを含む、フォトリソグラフィ的に画定されたマスタ上に鋳造および硬化される、（限定ではないが）ポリジメチルシロキサンを含むエラストマ材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、金型層４４は、エラストマ材料へのナノ粒子の組み込みによって、または（限定ではないが）ガラス、鋼、炭素、またはナイロンを含むものから成る繊維メッシュの包含によって補強されることができる。支持層４２は、（限定ではないが）ガラスを含む、金型層４４よりも剛性の材料を含むことができ、金型層４４よりも薄くあり得る。
【0177】
図１６Ｃでは、ポンプおよび／または分注器７０は、ナノ粒子インクを、ポンプリザーバ７２から、圧力下でマイクロ金型スタンプ４０の入口ポート５２に提供し、真空（または部分的真空または低減された圧力）を出口ポート５４に提供し、チャネル５０の中に、それを通してナノ粒子インク５６を引き込むことができる。マイクロ金型スタンプ４０は、ナノ粒子インク５６の体積および流率を制御するためのナノ粒子インクリザーバ５８を備えることができる。入口ポート５２および出口ポート５４はまた、統合されたインクリザーバ５８としての役割を果たすことができる。いくつかの実施形態では、チャネルを通してインクを駆動する圧力は、ナノ粒子インク５６とインクと接触するマイクロチャネル５０の表面積との間の力によって引き起こされる毛管圧であり得る。
【0178】
本発明のある実施形態による、高縦横比アンテナを加工するプロセスが、図１０に図示される。加工プロセスは、高縦横比アンテナのための基板を提供することによって開始される（１００）。マイクロ成型スタンプが、アンテナを配置するために使用されることができる（１０５）。マイクロ金型スタンプの金型層は、基板の基板表面と接触して（例えば、共形的に接触して）配置されることができる（１１５）。液体またはガス状溶媒または分散剤中のナノ粒子を備えるナノ粒子インクが、提供されることができる（１１０）。ナノ粒子を備えるナノ粒子インクは、入口ポートを通してチャネルの中に圧送されることができる（１２０）。ナノ粒子が、チャネルを通して移動するにつれて、ナノ粒子インク中の溶媒が、金型層の中に拡散することができ、したがって、ナノ粒子は、チャネル内で緊密に充塞した状態になる。プロセスは、硬化によって加速されることができる（１２５）。いくつかの実施形態による、硬化プロセスは、（限定ではないが）ナノ粒子インクを熱に、および／または電磁放射に暴露するステップを含む。電磁放射の実施例は、（限定ではないが）キセノン閃光、赤外線放射、紫外線放射、またはレーザ放射を含む。硬化プロセスの間、ナノ粒子インクの溶媒は、ナノ粒子インクおよび／または金型層から追い出され得ることができる。いくつかの実施形態では、追い出された溶媒は、マイクロ金型スタンプの金型層によって（少なくとも部分的に）吸収されることができる。ある実施形態では、追い出された溶媒は、金型層を通してスタンプを囲繞する環境の中に拡散することができる。スタンプを囲繞する環境の実施例は、（限定ではないが）空気、真空、または（限定ではないが）窒素およびアルゴンを含む不活性ガスを含む。マイクロ金型スタンプは、基板の基板表面上に高縦横比導体を伴う自立アンテナを形成するために、除去されることができる（１３０）。自立アンテナは、次いで、ナノ粒子を熱、ＵＶ放射、またはレーザ放射に暴露することによって、焼結されることができる（１３５）。多くの実施形態は、アンテナが、単一の層内に、かつ単一の一連のステップにおいて構築され得ることを提供する。いくつかの実施形態による、アンテナの加工プロセスは、繰り返される堆積およびパターン化ステップを回避する。
【0179】
ある実施形態による、加工プロセスの間の高縦横比アンテナの連続する断面図が、図１７Ａ－１７Ｄに図示される。いくつかの実施形態による、高縦横比アンテナ構造は、図１７Ａに示されるように、基板２０、マイクロ金型スタンプ４０を提供することによって構築されることができる。マイクロ金型スタンプの金型層４４は、図１７Ａに示されるように、基板２０の基板表面２２と接触して（例えば、共形的に接触して）配置される。液体またはガス状溶媒または分散剤５７中のナノ粒子１２を備えるナノ粒子インク５６が、図１７Ｂに示されるように、例えば、ポンプによって、入口ポート５２を通してチャネル５０の中に圧送されることができる。ナノ粒子１２が、チャネル５０を通して移動するにつれて、ナノ粒子インク５６中の溶媒が、金型層４４の中に拡散し、したがって、ナノ粒子１２は、チャネル５０内で緊密に充塞した状態になる。図１７Ｃでは、本プロセスは、ナノ粒子インク５６および／または金型層４４の熱および／または電磁放射６０（例えば、キセノン閃光、赤外線放射、紫外線放射、またはレーザ放射）への暴露によって加速される、および／または可能にされることができる。プロセスは、少なくとも部分的に、マイクロ金型スタンプ４０の金型層４４によって吸収され得る、または金型層を通してスタンプを囲繞する環境の中に拡散し得る、溶媒５７を追い出すことができる。マイクロ金型スタンプ４０は、次いで、図１７Ｄの基板２０の基板表面２２上に高縦横比導体３０を伴う自立アンテナを形成するために、除去されることができる。自立アンテナ３０は、次いで、ナノ粒子１２を熱、ＵＶ放射、またはレーザ放射に暴露することによって、焼結されることができる。アンテナ３０は、単一の層内に、かつ単一の一連のステップにおいて構築されることができる。
【0180】
図１６Ａ－１６Ｃおよび図１７Ａ－１７Ｄは、高縦横比アンテナのマイクロ成型加工プロセスの具体的ステップを図示するが、任意のステップおよび方法が、所与の用途の具体的要件に応じて、適宜利用されることができる。本発明の種々の実施形態による、回路構成要素を伴う高縦横比アンテナを統合するためのシステムおよび方法が、下記にさらに議論される。
（高縦横比アンテナの統合）
（高縦横比アンテナの統合）
【0181】
多くの実施形態は、高縦横比アンテナが、（限定ではないが）同調アンテナシステムを含む、電子回路に統合され得ることを提供する。いくつかの実施形態では、（限定ではないが）回路、集積回路（ＩＣ）、抵抗器、およびコンデンサを含む構成要素が、アンテナシステムに組み込まれることができる。いくつかの実施形態による、追加された構成要素は、コイルの内側および／または外側に設置されることができる。ある実施形態では、構成要素は、異なる回路平面内に設置されることができる。
【0182】
コイルアンテナから信号を受信するために、螺旋導体トレースの両端は、外部回路に電気的に接続される必要があり、アンテナ螺旋の一方または両方の端部への平面外回路接続を要求し得る。多くの実施形態は、コイルアンテナからの励起および／または受信信号を可能にするためのアンテナシステム設計を提供する。いくつかの実施形態は、コイルの上方または下方のいずれかに加工される伝導性トレースを組み込む。ある実施形態による、伝導性トレースは、最内側コイルをコイルの外側の同一平面領域に接続することができる。いくつかの実施形態では、伝導性トレースは、最外側コイルをコイル内の同一平面領域に接続することができる。多くの実施形態は、電気接続が、コイルを形成するトレースまたはワイヤの上方または下方のいずれかに作製され得ることを提供する。いくつかの実施形態では、電気接続は、ワイヤ接合によって、またはコイルの上または下方に別個の導体を堆積させることによって作製されることができる。いくつかの実施形態では、電気接続は、高縦横比アンテナのコイルループの間の短絡を回避するために、電気絶縁（誘電体）層とともに作製されることができる。多くの実施形態は、高縦横比導体を伴うアンテナが、（限定ではないが）電気導体、誘電体、他の構造、他の高縦横比構造、層、ＭＥＭＳデバイス、ＣＯＭＳデバイス、または構造化層を含む、少なくとも１つの構成要素上に配置され得ることを提供する。いくつかの実施形態は、アンテナが、（限定ではないが）集積回路コントローラ、高縦横比アンテナを通して提供される信号に応答する回路を含む、回路に電気的に接続され得ることを提供する。
【0183】
多くの実施形態では、高縦横比アンテナは、構造上に配置されるアンテナ部分と、異なる構造上に配置されるアンテナ部分とを備えることができる。いくつかの実施形態では、高縦横比アンテナの２つの端部は、アンテナの２つの異なる部分に接続される。いくつかの実施形態では、アンテナの一方の部分は、電気導体にわたって配置されることができ、アンテナの他方の部分は、電気絶縁誘電体にわたって配置されることができる。そのような構造は、電気導体が、アンテナの一方の端部に電気的に接続するが、アンテナの他方の端部に電気的に接続しないことを可能にすることができる。いくつかの実施形態による、独立した電気接続は、アンテナの異なる端部に作製されることができる。いくつかの実施形態では、独立した電気接続は、アンテナと、コイルアンテナの内部または外部における集積回路等の電気回路との間に作製されることができる。ある実施形態による、独立した電気接続は、アンテナの他の部分への所望されない電気接続を回避することができる。
【0184】
いくつかの実施形態では、高縦横比アンテナは、（限定ではないが）封止剤、誘電体封止剤、または金属コーティングを含む材料を用いてコーティングされることができる。封止剤の実施例は、（限定ではないが）硬化性ポリマー、エポキシ、ポリジメチルシロキサン、ポリウレタン、低温共焼成セラミック（ＬＴＣＣ）シートを含む、（限定ではないが）ポリマーを含むことができる。ある実施形態による、コーティングは、環境汚染物質からアンテナを保護することができる。いくつかの実施形態では、封止剤コーティング層は、アンテナのより機械的に堅牢な構造を形成することができる。いくつかの実施形態では、封止剤層は、その伝導率を改良することによって等、アンテナの電磁的性質を強化することができる。実施形態による、封止剤層は、アンテナを平坦化する、またはアンテナにわたって共形コーティングを形成することができる。
【0185】
本発明のある実施形態による、アンテナシステムが、図１８に図示される。いくつかの実施形態では、高縦横比アンテナ３０は、基板２０の基板表面２２上に設置されることができる。いくつかの実施形態では、高縦横比導体を伴うアンテナ３０は、基板２０上の構造２６にわたって配置されることができる。ある実施形態では、アンテナ３０は、アンテナ３０への電気接続を提供する導電性基板接点２４上に配置されることができる。基板接点２４は、基板２０にわたって延在する、または選択された面積のみを被覆することができる。アンテナ３０の第１および第２の部分３６、３８は、基板２０上の異なる構造、例えば、電気導体２４および電気絶縁誘電体２６にわたって配置されることができる。そのような構造は、電気導体が、アンテナ３０の第１の部分３６に電気的に接続するが、アンテナ３０の第２の部分３８に電気的に接続しないことを可能にすることができ、したがって、独立した電気接続が、コイルアンテナ３０の第１の端部３０Ａ（図１３Ａに示される）およびコイルアンテナ３０の第２の端部３０Ｂ（図１３Ａに示される）に、またはアンテナ３０の他の部分への所望されない電気接続を伴わずに、コイルアンテナ３０の内部またはコイルアンテナ３０の外部における電気回路２８に作製されることができる。したがって、高縦横比アンテナ３０は、第１の構造（例えば、基板接点２４）上に配置される第１のアンテナ部分３６を備えることができ、第２のアンテナ部分３８が、第１の構造と異なる第２の構造（例えば、誘電体２６）上に配置される。アンテナ３０は、保護のために封止剤８０を用いてコーティングされることができる。
【0186】
多くの実施形態では、高縦横比アンテナは、多層アンテナであり得る。いくつかの実施形態による、各アンテナ層は、隣接する層から絶縁体によって分離され、電気ビアを通して接続されることができる。いくつかの実施形態は、コイルアンテナの外側領域と内側領域との間の伝導性経路が、反対のカイラリティの第２のコイルによって作製され得ることを提供する。ある実施形態による、反対のカイラリティの第２のコイルは、第１のコイルと同心円状に、第１のコイルの上方または下方に設置されることができる。いくつかの実施形態は、第１および第２のコイルアンテナが、コイルの最内側または最外側範囲における接続点を除いて、絶縁体によって相互から電気的に絶縁され得ることを提供する。いくつかの実施形態では、ビアは、１つのアンテナ層における電気導体を別のアンテナ層における電気導体と電気的に接続することができる。そのような実施形態では、多層コイル構造のインダクタンスは、コイルを外部回路に接続するための同一平面点を提供しながら、単層コイルと比較して大幅に改良されることができる。
【0187】
本発明のある実施形態による、多層高縦横比アンテナが、図１９の分解斜視図に図示される。コイルの外側領域と内側領域との間の伝導性経路が、第１のコイルの上方（図１９に示されるように）または下方に設置され、第１のコイルと同心円状である、反対のカイラリティの第２のコイルによって作製され、コイルの最内側または最外側範囲における単一の接続点を除く全ての面積において絶縁体２１によってそれから電気的に絶縁されることができる。図１９の破線によって示される、ビアは、１つのアンテナ層における電気導体を別のアンテナ層における電気導体と電気的に接続することができる。このように、多層コイル構造のインダクタンスは、コイルを外部回路に接続するための同一平面点を提供しながら、単層コイルと比較して大幅に改良されることができる。図１８および図１９は、高縦横比アンテナに具体的要素および構成要素を実装することを図示するが、任意の構成および設計が、所与の用途の具体的要件に応じて、適宜利用されることができる。
均等論
均等論
【0188】
上記の議論から推測され得るように、上記に言及される概念は、本発明の実施形態による、種々の配列において実装されることができる。故に、本発明は、ある具体的側面において説明されたが、多くの付加的修正および変形例が、当業者に明白となるであろう。したがって、本発明が、具体的に説明されるものと別様に実践され得ることを理解されたい。したがって、本発明の実施形態は、あらゆる点で、例証的であり、制限的ではないと見なされるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図12A】
【図12B】
【図13A】
【図13B】
【図14A】
【図14B】
【図15】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図17D】
【図18】
【図19】
【国際調査報告】