專利名稱：一種柔性集成化超聲換能器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。具體是一種柔性集成化超聲換能器及其制備方 法。
背景技術(shù)：
超聲換能器是實現(xiàn)聲能與電能相互轉(zhuǎn)換的部件，既可以將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號， 也可將電信號轉(zhuǎn)換成超聲波。超聲換能器是超聲技術(shù)中的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用醫(yī)學(xué)診斷、水 下通信與探測、缺陷無損檢測、測距定位、遙感與遙控等領(lǐng)域。壓電式超聲換能器是超聲換能器的主流，特別是壓電薄膜超聲換能器因具有微型 化，脈沖響應(yīng)好，能有效提高換能器的頻率、帶寬和分辨率等優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用。目前一 種硅基集成化壓電薄膜超聲換能器通過內(nèi)部集成硅基場效應(yīng)晶體管在實現(xiàn)超聲波轉(zhuǎn)換為 電信號的同時實現(xiàn)對電信號的放大，該換能器具有微型化、靈敏度高、易實現(xiàn)二維平面陣的 優(yōu)點，但制備工藝更為復(fù)雜，成本相對較高，且不適于制備柔性陣列。柔性換能器能與探測對象表面更緊密接觸，尤其對表面不平整的探測對象，可有 效減小因耦合不好而造成的超聲波損耗?，F(xiàn)有的柔性超聲換能器是將超聲換能器單元組裝 在具有柔性的電路基板上或是在柔性襯底上沉積壓電薄膜而實現(xiàn)換能器的柔性化，但其增 益、信噪比較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種柔性集成化超聲換能器，克服硅基壓電薄膜換能器的 缺陷。本發(fā)明的目的還在于提供一種柔性集成化超聲換能器的制備方法，成本低、制備
工藝簡單。本發(fā)明的柔性集成化超聲換能器由有機薄膜晶體管和壓電傳感器集成而成，結(jié)構(gòu) 圖如圖1所示，依次由基底、防潮隔離層、源漏電極、半導(dǎo)體薄膜層、柵介質(zhì)層、柵電極層、電 信號耦合層、壓電薄膜層、電極層和超聲耦合層構(gòu)成?；撞捎镁蹖Ρ蕉姿嵋叶减?PET)等柔性塑料材料；防潮隔離層為二氧化硅 或氮化硅；源漏電極為鋁或銀等金屬；半導(dǎo)體薄膜層為機半導(dǎo)體材料；柵介質(zhì)層為有機絕 緣材料；柵電極層為鋁或銀等金屬；電信號耦合層為環(huán)氧樹脂薄膜層；壓電薄膜層為聚偏 氟乙烯PVDF壓電薄膜；電極層為鋁或銀等金屬；超聲耦合層為環(huán)氧樹脂薄膜。本發(fā)明柔性集成化超聲換能器的制備方法依下列步驟進(jìn)行(1)采用磁控濺射在基底上沉積防潮隔離層；(2)在防潮隔離層上沉積金屬薄膜層形成薄膜晶體管的源、漏電極；(3)在具有源、漏電極的基片上沉積有機半導(dǎo)體薄膜層，以形成薄膜晶體管的半導(dǎo) 體活性層；(4)在半導(dǎo)體薄膜上沉積有機絕緣膜，形成薄膜晶體管的柵介質(zhì)層；
(5)在絕緣膜上制備金屬膜形成薄膜晶體管的柵電極；(6)在柵電極上旋涂環(huán)氧樹脂膜，形成電信號耦合層；(7)在環(huán)氧樹脂膜上制備聚偏氟乙烯PVDF壓電薄膜；(8)在壓電薄膜上制備金屬電極形成壓電傳感器的上電極；(9)在上電極上制備環(huán)氧樹脂膜，形成超聲耦合層；為了便于制備二維柔性超聲換能器陣列，采用柔性PET作為基底，PET基底上沉積 一層二氧化硅薄膜用于隔離濕汽。用PVDF薄膜作為超聲傳感器的壓電材料具有壓電性能 好、低聲阻抗、與水和有機體具有良好的聲阻抗匹配，從而使靈敏度提高、頻帶變寬。另外， PVDF薄膜具有高柔順性，為壓電傳感器集成提供良好的技術(shù)基礎(chǔ)。通常PVDF薄膜壓電傳感 器因高輸出阻抗而易受外界電磁場的干擾，采用有機薄膜晶體管作為內(nèi)置信號放大，提高 增益和信噪比，改善抗干擾能力。本發(fā)明與現(xiàn)有的集成超聲換能器相比，由于采用了 PVDF薄膜作壓電材料和內(nèi)置 了有機薄膜晶體管作前置放大，因此具有如下優(yōu)點1、提高了頻帶寬度、增益、信噪比和抗干擾能力；2、減小硅基PVDF-MOS換能器中擴展柵電極帶來的寄生電容，提高靈敏度；3、實現(xiàn)了超聲換能器的柔性化，適合于任意形狀的探測物體，擴大了應(yīng)用范圍；4、采用廉價基底材料和簡單制備工藝，降低制造成本，便于推廣應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明的柔性集成化超聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的柔性集成化超聲換能器在結(jié)構(gòu)上由有機薄膜晶體管和壓電傳感器集成 而成。依次由基底1、二氧化硅隔離層2、源漏電極3、有機半導(dǎo)體薄膜層4、柵介質(zhì)層5、柵電 極層601、環(huán)氧樹脂薄膜層701、聚偏氟乙烯PVDF壓電薄膜層8、上電極層602和環(huán)氧樹脂薄 膜層702構(gòu)成。本發(fā)明柔性集成化超聲換能器的制備方法依下列步驟進(jìn)行(1)防潮隔離層的制備可采用磁控濺射在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性基 底上沉積二氧化硅(SiO2)薄膜；(2)有機薄膜晶體管制備，其步驟包括步驟1 在基底上沉積金屬薄膜層形成薄膜晶體管的源、漏電極；步驟2 在具有源、漏電極的基片上沉積有機半導(dǎo)體薄膜層形成薄膜晶體管的半 導(dǎo)體活性層；步驟3 在半導(dǎo)體薄膜上沉積有機絕緣膜，形成柵介質(zhì)層；步驟4 用真空蒸發(fā)法在絕緣膜上制備金屬膜形成柵電極；(3)壓電傳感器的制備，其步驟為步驟1 在薄膜晶體管的柵電極上旋涂環(huán)氧樹脂膜，用于信號耦合；步驟2 在環(huán)氧樹脂膜上制備聚偏氟乙烯PVDF壓電薄膜；步驟3 采用真空蒸發(fā)法在壓電薄膜上制備金屬電極，形成上電極；
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步驟4 在上電極上沉積環(huán)氧樹脂膜，用于超聲耦合；經(jīng)檢測，實施樣品的典型參數(shù)達(dá)到帶寬≥300KHZ ；有源增益≥35dB ；輸出信號的信噪比與沒有薄膜晶體管的比對壓 電薄膜超聲換能器相比提高了 40dB ；靈敏度≥ 9mVPa ；具有柔性可彎曲45度。
權(quán)利要求
一種柔性集成化超聲換能器，其特征在于由有機薄膜晶體管和壓電傳感器集成而成，具體是依次由基底、防潮隔離層、源漏電極、半導(dǎo)體薄膜層、柵介質(zhì)層、柵電極層、電信號耦合層、壓電薄膜層、電極層和超聲耦合層構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于所述基底采用聚對苯二甲酸乙二醇 酯(PET)；防潮隔離層為二氧化硅或氮化硅；源漏電極為鋁或銀；半導(dǎo)體薄膜層為有機半導(dǎo) 體材料；柵介質(zhì)層為有機絕緣材料；柵電極層為鋁或銀；電信號耦合層為環(huán)氧樹脂薄膜層； 壓電薄膜層為聚偏氟乙烯PVDF壓電薄膜；電極層為鋁或銀；超聲耦合層為環(huán)氧樹脂薄膜。
3.—種柔性集成化超聲換能器的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)采用磁控濺射在基底上沉積防潮隔離層；(2)在防潮隔離層上沉積金屬薄膜層形成薄膜晶體管的漏源電極；(3)在具有漏源電極的基片上沉積半導(dǎo)體薄膜層；(4)在半導(dǎo)體薄膜上沉積有機絕緣膜，形成薄膜晶體管的柵介質(zhì)層；(5)在絕緣膜上制備金屬膜形成薄膜晶體管的柵電極層；(6)在柵電極上旋涂環(huán)氧樹脂膜，形成電信號耦合層；(7)在環(huán)氧樹脂膜上制備壓電薄膜；(8)在壓電薄膜上制備金屬電極層形成壓電傳感器的上電極；(9)在上電極上制備環(huán)氧樹脂膜，形成超聲耦合層。
全文摘要
一種柔性集成化超聲換能器，由有機薄膜晶體管和壓電傳感器集成而成，具體是依次由基底、防潮隔離層、源漏電極、半導(dǎo)體薄膜層、柵介質(zhì)層、柵電極層、電信號耦合層、壓電薄膜層、電極層和超聲耦合層構(gòu)成。本發(fā)明為了便于制備二維柔性超聲換能器陣列，采用柔性PET作為基底，PET基底上沉積一層二氧化硅薄膜用于隔離濕汽；用PVDF薄膜作為超聲傳感器的壓電材料具有壓電性能好、低聲阻抗、與水和有機體具有良好的聲阻抗匹配，從而使靈敏度提高、頻帶變寬；PVDF薄膜的高柔順性為壓電傳感器集成提供良好的技術(shù)基礎(chǔ)。采用有機薄膜晶體管作為內(nèi)置信號放大，提高增益和信噪比，改善抗干擾能力。
文檔編號H01L27/28GK101894855SQ20101020461
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者劉玉榮, 姚若河, 韋崗 申請人:華南理工大學(xué)