柔性化電容式微加工超聲換能器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及超聲換能器領(lǐng)域，特別涉及一種柔性化電容式微加工超聲換能器。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲換能器及陣列探頭是超聲探測與超聲成像技術(shù)中的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷與治療、水下通信與探測、缺陷無損檢測、測距定位、遙感與遙控等技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)提高人口素質(zhì)、保障身心健康、提升產(chǎn)品質(zhì)量、探測海底資源、維護(hù)國家安全等方面都具有重要意義。傳統(tǒng)壓電陶瓷(PZT)超聲換能器具有機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高、易與電路匹配、性能穩(wěn)定、易加工和成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種聲電轉(zhuǎn)換元件。但是由于壓電陶瓷材料存在聲阻抗高，不易與人體軟組織及水的聲阻抗匹配;機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高，帶寬窄;脆性大、抗張強(qiáng)度低、高密度陣元及超薄高頻換能器不易加工等缺陷，從而越來越制約其應(yīng)用的空間。相對(duì)而言，電容式微加工超聲換能器(CMUT)卻有著明顯的優(yōu)勢(shì)，比如帶寬更好、靈敏度更高、噪聲更低、易制作二維面陣等，從而彌補(bǔ)PZT壓電換能器的諸多不足，CMUT將在醫(yī)學(xué)檢測、可穿戴設(shè)備、無損檢測等技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
[0003]CMUT既可以將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，也可將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波。當(dāng)在薄膜和基體之間即兩電極之間施加直流電壓時(shí)，強(qiáng)靜電場將薄膜拉向基體，然后再在兩極間施加交流電壓，薄膜就會(huì)發(fā)生振動(dòng)并產(chǎn)生超聲波;相反，兩電極間施加適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷汉?，薄膜在超聲波作用下發(fā)生振動(dòng)，兩電極板間的電容發(fā)生變化，通過檢測這種變化實(shí)現(xiàn)超聲波的接收。
[0004]目前的電容式微加工超聲換能器(CMUT)基體一般為硅材料，振動(dòng)薄膜材料也是硅類化合物，其制作工藝與硅基集成電路兼容，易與發(fā)射和接收電路集成，實(shí)現(xiàn)高密度集成化面陣超聲探頭。但采用硅單晶材料作基底，無法制作柔性陣列，不能與探測對(duì)象表面緊密接觸，尤其對(duì)表面不平整的探測對(duì)象耦合效率將大大降低，同時(shí)有很大的帶寬局限性。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種柔性化電容式微加工超聲換能器，有效減小因耦合不好而造成的超聲波損耗。
[0006]本實(shí)用新型的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]柔性化電容式微加工超聲換能器，包括依次設(shè)置的柔性基底、下電極、刻蝕犧牲層、有機(jī)聚合物支撐層、有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜、上電極;所述有機(jī)聚合物支撐層設(shè)有凹槽，所述凹槽與有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜形成超聲換能器的空腔。
[0008]所述凹槽的深度為2.0?4.Ομπι，底面直徑為20?200μπι。
[0009]所述凹槽為多個(gè)。
[0010]所述有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜的厚度為0.5?2.5μπι。
[0011 ]所述有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜為橡膠薄膜或者聚氯乙烯塑料薄膜。
[0012]所述柔性基底為柔性PCB板。
[0013]所述上電極為鋁膜或銀膜。
[0014]所述下電極為銅膜。
[0015]當(dāng)柔性化電容式微加工超聲換能器時(shí)，在上下電極之間施加直流電壓，強(qiáng)靜電場將有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜拉向柔性基底，然后再在上下間施加交流電壓，振動(dòng)薄膜發(fā)生振動(dòng)并產(chǎn)生超聲波；
[0016]當(dāng)柔性化電容式微加工超聲換能器用作超聲接收器時(shí)，在上下電極之間施加直流偏置電壓，有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜在超聲波作用下發(fā)生振動(dòng)，兩電極板間的電容發(fā)生變化，通過檢測電容的變化實(shí)現(xiàn)超聲波的接收。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0018](I)本實(shí)用新型的柔性化電容式微加工超聲換能器，采用柔性基底，克服了硅基CMUT的缺點(diǎn)和不足，有效減小因耦合不好而造成的超聲波損耗。另一方面，采用有機(jī)聚合物作為振動(dòng)薄膜，克服了硅類化合物的帶寬局限性，提高了頻帶寬度、耦合系數(shù)、靈敏度及抗干擾能力。
[0019](2)本實(shí)用新型的柔性化電容式微加工超聲換能器，實(shí)現(xiàn)了柔性化的超聲換能器，適用于任何形狀的探測物體，包括動(dòng)物的表皮組織，有效拓展了 CMUT的應(yīng)用范圍。
[0020](3)本實(shí)用新型的柔性化電容式微加工超聲換能器，使用有機(jī)聚合物作為材料，大大地降低了工藝制造成本，便于大范圍推廣應(yīng)用。
[0021](4)本實(shí)用新型的柔性化電容式微加工超聲換能器，提高了頻帶寬度、耦合系數(shù)、靈敏度及抗干擾能力。
【附圖說明】
[0022]圖1為本實(shí)用新型的實(shí)施例的柔性化電容式微加工超聲換能器結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0023]圖2為本實(shí)用新型的實(shí)施例的硅材料壓印模具示意圖。
[0024]圖3為本實(shí)用新型的實(shí)施例的步驟2中襯底上旋涂有機(jī)聚合物材料示意圖。
[0025]圖4為本實(shí)用新型的實(shí)施例的步驟3.3中的壓印模具與襯底上的有機(jī)聚合物作用示意圖。
[0026]圖5為本實(shí)用新型的實(shí)施例的步驟3.4中壓印技術(shù)的最后一步，脫模之后的示意圖.
[0027]圖6為本實(shí)用新型的實(shí)施例的步驟4中在鋁薄片上旋涂振膜材料的示意圖。
[0028]圖7為本實(shí)用新型的實(shí)施例的步驟5中振膜材料與支撐層材料粘合的示意圖。
[0029]圖8為本實(shí)用新型的實(shí)施例的步驟6中腐蝕掉頂層金屬的示意圖。
[0030 ]圖9為本實(shí)用新型的實(shí)施例的步驟8中電極刻蝕完成后的示意圖。
[0031]圖10為本實(shí)用新型的實(shí)施例的3*3單元頂部部分電極的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0033]實(shí)施例
[0034]本實(shí)施例的柔性化電容式微加工超聲換能器，包括依次設(shè)置的柔性PCB板基底1、下電極2、刻蝕犧牲層3、有機(jī)聚合物支撐層4、有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜5、上電極6;所述有機(jī)聚合物支撐層4設(shè)有凹槽41，所述凹槽41與有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜5形成超聲換能器的空腔。
[0035]所述凹槽為深度為2.0?4.Ομπι，底面直徑為20?200μπι的柱形凹槽。
[0036]所述有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜的厚度為0.5?2.5μπι，采用橡膠或者聚氯乙烯塑料。
[0037]所述上電極為鋁膜或銀膜，下電極為銅膜。
[0038]當(dāng)柔性化電容式微加工超聲換能器時(shí)，在上下電極之間施加直流電壓，強(qiáng)靜電場將振動(dòng)薄膜拉向柔性基底，然后再在上下間施加交流電壓，振動(dòng)薄膜發(fā)生振動(dòng)并產(chǎn)生超聲波；
[0039]當(dāng)柔性化電容式微加工超聲換能器用作超聲接收器時(shí)，在上下電極之間施加直流偏置電壓，振動(dòng)薄膜在超聲波作用下發(fā)生振動(dòng)，兩電極板間的電容發(fā)生變化，通過檢測電容的變化實(shí)現(xiàn)超聲波的接收。
[0040]本實(shí)施例的柔性化電容式微加工超聲換能器的制備方法，包括以下步驟:
[0041]步驟1:采用光刻技術(shù)在硅片上刻蝕3*3單元的凸起，用于形成空腔壓印模具，如圖2所示。
[0042]其中，壓印模具的制備過程:
[0043]步驟1.1:對(duì)已清洗、烘干的硅片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂膠，并進(jìn)行前烘處理；
[0044]步驟1.2:對(duì)前烘之后的硅片使用掩膜版進(jìn)行曝光處理，使圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上面；
[0045]步驟1.3:對(duì)曝光后的硅片進(jìn)行顯影與后烘，使光刻膠與硅片黏合牢靠；
[0046]步驟1.4:對(duì)后烘處理過的硅片進(jìn)行腐蝕，將光刻掩膜版上的圖案精確地轉(zhuǎn)移到晶元表面；
[0047]步驟1.5:去除光刻膠，形成壓印模具圖形，如圖2所示。
[0048]步驟2:在敷Cu柔性PCB基底(FPC)的Cu膜上旋涂一層2.0?5.Ομπι厚的有機(jī)聚合物薄膜層，如圖3所示。
[0049]步驟3:采用壓印技術(shù)，利用壓印模具將柔性PCB板上的有機(jī)材料壓印出凹槽，產(chǎn)生刻蝕犧牲層以及設(shè)凹槽的支撐層，其中刻蝕犧牲層厚度為0.1?0.5μπι，空腔直徑為20?200ym;
[0050]其中，壓印形成產(chǎn)生刻蝕犧牲層以及設(shè)凹槽的支撐層的制作過程如下:
[0051]步驟3.1:將Cu膜上沉積有機(jī)聚合物薄膜層的基底固定于加熱平臺(tái)上，升溫至有機(jī)聚合物材料的玻璃態(tài)軟化溫度；
[0052]步驟3.2:將制作好的壓印模具壓在有機(jī)聚合物薄膜層上，并施加適當(dāng)?shù)膲毫ΓＷC聚合物厚度比模具空腔厚度大，如圖4所示，有機(jī)聚合物填充模具中的空腔，形成支撐層與刻蝕停止層；
[0053]步驟3.3:模壓結(jié)束后，降低溫度，使有機(jī)聚合物材料固化，并具有與模具重合的圖形；
[0054]步驟3.4:移除模具，未填充區(qū)域?qū)⒆鳛榭涨话疾?，如圖5所示。
[0055]步驟4:在超薄的鋁薄片7表面上旋涂一層0.5?2.5μπι的振膜材料作為振動(dòng)薄膜5，如圖6所示。
[0056]步驟5:采用熱固化鍵合技術(shù)將振膜材料與支撐層材料粘合在一起，形成微結(jié)構(gòu)空腔，如圖7所示；
[0057]其中，微結(jié)構(gòu)空腔制作過程:
[0058]步驟5.1:將溫度升高到振膜材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度左右；
[0059]步驟5.2:通過施加一定的外界壓力，使軟化潤濕的鍵合表面緊密接觸；
[0060]步驟5.3:分子間形成作用力，實(shí)現(xiàn)振膜材料與支撐層材料的直接鍵合；
[0061]步驟6:使用一定濃度的溶液對(duì)振動(dòng)薄膜表面的鋁膜進(jìn)行腐蝕并清潔振膜表面，如圖8所示；
[0062]步驟7:在振動(dòng)薄膜的表面蒸鍍一層100?200nm厚的金屬鋁膜或銀膜，并刻蝕形成上電極，如圖9、圖10所示。
[0063]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.柔性化電容式微加工超聲換能器，其特征在于，包括依次設(shè)置的柔性基底、下電極、刻蝕犧牲層、有機(jī)聚合物支撐層、有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜、上電極;所述有機(jī)聚合物支撐層設(shè)有凹槽，所述凹槽與有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜形成超聲換能器的空腔。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性化電容式微加工超聲換能器，其特征在于，所述凹槽的深度為2.0?4.0ym，底面直徑為20?200μηι。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的柔性化電容式微加工超聲換能器，其特征在于，所述凹槽為多個(gè)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性化電容式微加工超聲換能器，其特征在于，所述有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜的厚度為0.5?2.5μπι。5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的柔性化電容式微加工超聲換能器，其特征在于，所述有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜為橡膠薄膜或者聚氯乙烯塑料薄膜。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性化電容式微加工超聲換能器，其特征在于，所述柔性基底為柔性PCB板。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性化電容式微加工超聲換能器，其特征在于，所述上電極為鋁膜或銀膜。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性化電容式微加工超聲換能器，其特征在于，所述下電極為銅膜。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了柔性化電容式微加工超聲換能器，包括依次設(shè)置的柔性基底、下電極、刻蝕犧牲層、有機(jī)聚合物支撐層、有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜、上電極；所述有機(jī)聚合物支撐層設(shè)有凹槽，所述凹槽與有機(jī)聚合物振動(dòng)薄膜形成超聲換能器的空腔。本實(shí)用新型的柔性化電容式微加工超聲換能器，有效減小因耦合不好而造成的超聲波損耗，實(shí)現(xiàn)了柔性化的超聲換能器，適用于任何形狀的探測物體，包括動(dòng)物的表皮組織，有效拓展了CMUT的應(yīng)用范圍；本實(shí)用新型的制備方法制備工藝簡單，成本低。
【IPC分類】B06B1/02
【公開號(hào)】CN205199868
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201521019289
【發(fā)明人】張丹丹, 劉玉榮, 姚若河, 韋崗
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月9日