CN105413997B - 柔性化电容式微加工超声换能器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了柔性化电容式微加工超声换能器，包括依次设置的柔性基底、下电极、刻蚀牺牲层、有机聚合物支撑层、有机聚合物振动薄膜、上电极；所述有机聚合物支撑层设有凹槽，所述凹槽与有机聚合物振动薄膜形成超声换能器的空腔。本发明还公开了上述柔性化电容式微加工超声换能器的制备方法。本发明的柔性化电容式微加工超声换能器，有效减小因耦合不好而造成的超声波损耗，实现了柔性化的超声换能器，适用于任何形状的探测物体，包括动物的表皮组织，有效拓展了CMUT的应用范围；本发明的制备方法制备工艺简单，成本低。

Description

柔性化电容式微加工超声换能器及其制备方法
技术领域
本发明涉及超声换能器领域，特别涉及一种柔性化电容式微加工超声换能器及其制备方法。
背景技术
超声换能器及阵列探头是超声探测与超声成像技术中的关键部件，广泛应用于医学诊断与治疗、水下通信与探测、缺陷无损检测、测距定位、遥感与遥控等技术领域，对提高人口素质、保障身心健康、提升产品质量、探测海底资源、维护国家安全等方面都具有重要意义。传统压电陶瓷(PZT)超声换能器具有机电转换效率高、易与电路匹配、性能稳定、易加工和成本低等优点，是目前应用较为广泛的一种声电转换元件。但是由于压电陶瓷材料存在声阻抗高，不易与人体软组织及水的声阻抗匹配；机械品质因数高，带宽窄；脆性大、抗张强度低、高密度阵元及超薄高频换能器不易加工等缺陷，从而越来越制约其应用的空间。相对而言，电容式微加工超声换能器(CMUT)却有着明显的优势，比如带宽更好、灵敏度更高、噪声更低、易制作二维面阵等，从而弥补PZT压电换能器的诸多不足，CMUT将在医学检测、可穿戴设备、无损检测等技术领域发挥重要作用。
CMUT既可以将超声波转换成电信号，也可将电信号转换成超声波。当在薄膜和基体之间即两电极之间施加直流电压时，强静电场将薄膜拉向基体，然后再在两极间施加交流电压，薄膜就会发生振动并产生超声波；相反，两电极间施加适当的直流偏置电压后，薄膜在超声波作用下发生振动，两电极板间的电容发生变化，通过检测这种变化实现超声波的接收。
目前的电容式微加工超声换能器(CMUT)基体一般为硅材料，振动薄膜材料也是硅类化合物，其制作工艺与硅基集成电路兼容，易与发射和接收电路集成，实现高密度集成化面阵超声探头。但采用硅单晶材料作基底，无法制作柔性阵列，不能与探测对象表面紧密接触，尤其对表面不平整的探测对象耦合效率将大大降低，同时有很大的带宽局限性。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种柔性化电容式微加工超声换能器，有效减小因耦合不好而造成的超声波损耗。
本发明的目的在于提供上述柔性化电容式微加工超声换能器的制备方法，制备工艺简单，成本低。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
柔性化电容式微加工超声换能器，包括依次设置的柔性基底、下电极、刻蚀牺牲层、有机聚合物支撑层、有机聚合物振动薄膜、上电极；所述有机聚合物支撑层设有凹槽，所述凹槽与有机聚合物振动薄膜形成超声换能器的空腔。
所述凹槽的深度为2.0～4.0μm，底面直径为20～200μm。
所述凹槽为多个。
所述有机聚合物振动薄膜的厚度为0.5～2.5μm。
所述有机聚合物振动薄膜为橡胶薄膜或者聚氯乙烯塑料薄膜。
所述柔性基底为柔性PCB板。
所述上电极为铝膜或银膜。
所述下电极为铜膜。
当柔性化电容式微加工超声换能器时，在上下电极之间施加直流电压，强静电场将有机聚合物振动薄膜拉向柔性基底，然后再在上下间施加交流电压，振动薄膜发生振动并产生超声波；
当性柔化电容式微加工超声换能器用作超声接收器时，在上下电极之间施加直流偏置电压，有机聚合物振动薄膜在超声波作用下发生振动，两电极板间的电容发生变化，通过检测电容的变化实现超声波的接收。
所述的柔性化电容式微加工超声换能器的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用光刻技术在硅片上刻蚀凸起，得到用于形成空腔的压印模具；
(2)在敷设在柔性基底上的金属层之上旋涂有机聚合物材料；
(3)采用压印技术，利用步骤(1)得到的压印模具在步骤(2)的有机聚合物材料上压印出凹槽，形成设有凹槽的有机聚合物支撑层及刻蚀牺牲层；
(4)在铝片表面上旋涂一层有机聚合物振膜材料作为振动薄膜；
(5)采用热固化键合技术将步骤(4)的振动薄膜与步骤(3)的有机聚合物支撑层粘合，形成超声换能器的空腔；
(6)腐蚀去除振动薄膜表面的铝片；
(7)在振动薄膜的表面蒸镀一层金属膜，并刻蚀形成上电极。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明的柔性化电容式微加工超声换能器，采用柔性基底，克服了硅基CMUT的缺点和不足，有效减小因耦合不好而造成的超声波损耗。另一方面，采用有机聚合物作为振动薄膜，克服了硅类化合物的带宽局限性，提高了频带宽度、耦合系数、灵敏度及抗干扰能力。
(2)本发明的柔性化电容式微加工超声换能器，实现了柔性化的超声换能器，适用于任何形状的探测物体，包括动物的表皮组织，有效拓展了CMUT的应用范围。
(3)本发明的柔性化电容式微加工超声换能器，使用有机聚合物作为材料，大大地降低了工艺制造成本，便于大范围推广应用。
(4)本发明的柔性化电容式微加工超声换能器，提高了频带宽度、耦合系数、灵敏度及抗干扰能力。
(5)本发明的柔性化电容式微加工超声换能器的制备方法，制备工艺简单，成本低。
附图说明
图1为本发明的实施例的柔性化电容式微加工超声换能器结构侧视图。
图2为本发明的实施例的硅材料压印模具示意图。
图3为本发明的实施例的步骤2中衬底上旋涂有机聚合物材料示意图。
图4为本发明的实施例的步骤3.3中的压印模具与衬底上的有机聚合物作用示意图。
图5为本发明的实施例的步骤3.4中压印技术的最后一步，脱模之后的示意图.
图6为本发明的实施例的步骤4中在铝薄片上旋涂振膜材料的示意图。
图7为本发明的实施例的步骤5中振膜材料与支撑层材料粘合的示意图。
图8为本发明的实施例的步骤6中腐蚀掉顶层金属的示意图。
图9为本发明的实施例的步骤8中电极刻蚀完成后的示意图。
图10为本发明的实施例的3*3单元顶部部分电极的俯视图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例的柔性化电容式微加工超声换能器，包括依次设置的柔性PCB板基底1、下电极2、刻蚀牺牲层3、有机聚合物支撑层4、有机聚合物振动薄膜5、上电极6；所述有机聚合物支撑层4设有凹槽41，所述凹槽41与有机聚合物振动薄膜5形成超声换能器的空腔。
所述凹槽为深度为2.0～4.0μm，底面直径为20～200μm的柱形凹槽。
所述有机聚合物振动薄膜的厚度为0.5～2.5μm，采用橡胶或者聚氯乙烯塑料。
所述上电极为铝膜或银膜，下电极为铜膜。
当柔性化电容式微加工超声换能器时，在上下电极之间施加直流电压，强静电场将振动薄膜拉向柔性基底，然后再在上下间施加交流电压，振动薄膜发生振动并产生超声波；
当柔性化电容式微加工超声换能器用作超声接收器时，在上下电极之间施加直流偏置电压，振动薄膜在超声波作用下发生振动，两电极板间的电容发生变化，通过检测电容的变化实现超声波的接收。
本实施例的柔性化电容式微加工超声换能器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用光刻技术在硅片上刻蚀3*3单元的凸起，用于形成空腔压印模具，如图2所示。
其中，压印模具的制备过程：
步骤1.1：对已清洗、烘干的硅片进行旋转涂胶，并进行前烘处理；
步骤1.2：对前烘之后的硅片使用掩膜版进行曝光处理，使图形转移到光刻胶上面；
步骤1.3：对曝光后的硅片进行显影与后烘，使光刻胶与硅片黏合牢靠；
步骤1.4：对后烘处理过的硅片进行腐蚀，将光刻掩膜版上的图案精确地转移到晶元表面；
步骤1.5：去除光刻胶，形成压印模具图形，如图2所示。
步骤2：在敷Cu柔性PCB基底(FPC)的Cu膜上旋涂一层2.0～5.0μm厚的有机聚合物薄膜层，如图3所示。
步骤3：采用压印技术，利用压印模具将柔性PCB板上的有机材料压印出凹槽，产生刻蚀牺牲层以及设凹槽的支撑层，其中刻蚀牺牲层厚度为0.1～0.5μm，空腔直径为20～200μm；
其中，压印形成产生刻蚀牺牲层以及设凹槽的支撑层的制作过程如下：
步骤3.1：将Cu膜上沉积有机聚合物薄膜层的基底固定于加热平台上，升温至有机聚合物材料的玻璃态软化温度；
步骤3.2：将制作好的压印模具压在有机聚合物薄膜层上，并施加适当的压力，要保证聚合物厚度比模具空腔厚度大，如图4所示，有机聚合物填充模具中的空腔，形成支撑层与刻蚀停止层；
步骤3.3：模压结束后，降低温度，使有机聚合物材料固化，并具有与模具重合的图形；
步骤3.4：移除模具，未填充区域将作为空腔凹槽，如图5所示。
步骤4：在超薄的铝薄片7表面上旋涂一层0.5～2.5μm的振膜材料作为振动薄膜5，如图6所示。
步骤5：采用热固化键合技术将振膜材料与支撑层材料粘合在一起，形成微结构空腔，如图7所示；
其中，微结构空腔制作过程：
步骤5.1：将温度升高到振膜材料的玻璃转化温度左右；
步骤5.2：通过施加一定的外界压力，使软化润湿的键合表面紧密接触；
步骤5.3：分子间形成作用力，实现振膜材料与支撑层材料的直接键合；
步骤6：使用一定浓度的溶液对振动薄膜表面的铝膜进行腐蚀并清洁振膜表面，如图8所示；
步骤7：在振动薄膜的表面蒸镀一层100～200nm厚的金属铝膜或银膜，并刻蚀形成上电极，如图9、图10所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.柔性化电容式微加工超声换能器，其特征在于，包括依次设置的柔性基底、下电极、刻蚀牺牲层、有机聚合物支撑层、有机聚合物振动薄膜、上电极；所述有机聚合物支撑层设有凹槽，所述凹槽与有机聚合物振动薄膜形成超声换能器的空腔；柔性基底上覆盖的金属膜直接充当下电极。
2.根据权利要求1所述的柔性化电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述凹槽的深度为2.0～4.0μm，底面直径为20～200μm。
3.根据权利要求1或2所述的柔性化电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述凹槽为多个。
4.根据权利要求1所述的柔性化电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述有机聚合物振动薄膜的厚度为0.5～2.5μm。
5.根据权利要求1或4所述的柔性化电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述有机聚合物振动薄膜为橡胶薄膜或者聚氯乙烯塑料薄膜。
6.根据权利要求1所述的柔性化电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述柔性基底为柔性PCB板。
7.根据权利要求1所述的柔性化电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述上电极为铝膜或银膜。
8.根据权利要求1所述的柔性化电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述下电极为铜膜。
9.根据权利要求1所述的柔性化电容式微加工超声换能器，其特征在于，
当柔性化电容式微加工超声换能器时，在上下电极之间施加直流电压，强静电场将有机聚合物振动薄膜拉向柔性基底，然后再在上下间施加交流电压，振动薄膜发生振动并产生超声波；
当柔性化电容式微加工超声换能器用作超声接收器时，在上下电极之间施加直流偏置电压，有机聚合物振动薄膜在超声波作用下发生振动，两电极板间的电容发生变化，通过检测电容的变化实现超声波的接收。
10.根据权利要求1～9任一项所述的柔性化电容式微加工超声换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用光刻技术在硅片上刻蚀凸起，得到用于形成空腔的压印模具；
(2)在敷设在柔性基底上的金属层之上旋涂有机聚合物材料；
(3)采用压印技术，利用步骤(1)得到的压印模具在步骤(2)的有机聚合物材料上压印出凹槽，压印技术在有机聚合物材料的玻璃点温度区进行，形成设有凹槽的有机聚合物支撑层及刻蚀牺牲层；
(4)在铝片表面上旋涂一层有机聚合物振膜材料作为振动薄膜；
(5)采用热固化键合技术将步骤(4)的振动薄膜与步骤(3)的有机聚合物支撑层粘合，形成超声换能器的空腔；
(6)腐蚀去除振动薄膜表面的铝片；
(7)在振动薄膜的表面蒸镀一层金属膜，并刻蚀形成上电极。
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