柔性化電容式微加工超聲換能器的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及超聲換能器領域，特別涉及一種柔性化電容式微加工超聲換能器。
【背景技術】
[0002]超聲換能器及陣列探頭是超聲探測與超聲成像技術中的關鍵部件，廣泛應用于醫學診斷與治療、水下通信與探測、缺陷無損檢測、測距定位、遙感與遙控等技術領域，對提高人口素質、保障身心健康、提升產品質量、探測海底資源、維護國家安全等方面都具有重要意義。傳統壓電陶瓷(PZT)超聲換能器具有機電轉換效率高、易與電路匹配、性能穩定、易加工和成本低等優點，是目前應用較為廣泛的一種聲電轉換元件。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;機械品質因數高，帶寬窄;脆性大、抗張強度低、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用的空間。相對而言，電容式微加工超聲換能器(CMUT)卻有著明顯的優勢，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PZT壓電換能器的諸多不足，CMUT將在醫學檢測、可穿戴設備、無損檢測等技術領域發揮重要作用。
[0003]CMUT既可以將超聲波轉換成電信號，也可將電信號轉換成超聲波。當在薄膜和基體之間即兩電極之間施加直流電壓時，強靜電場將薄膜拉向基體，然后再在兩極間施加交流電壓，薄膜就會發生振動并產生超聲波;相反，兩電極間施加適當的直流偏置電壓后，薄膜在超聲波作用下發生振動，兩電極板間的電容發生變化，通過檢測這種變化實現超聲波的接收。
[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，易與發射和接收電路集成，實現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，不能與探測對象表面緊密接觸，尤其對表面不平整的探測對象耦合效率將大大降低，同時有很大的帶寬局限性。
【實用新型內容】
[0005]為了克服現有技術的上述缺點與不足，本實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]本實用新型的目的通過以下技術方案實現:
[0007]柔性化電容式微加工超聲換能器，包括依次設置的柔性基底、下電極、刻蝕犧牲層、有機聚合物支撐層、有機聚合物振動薄膜、上電極;所述有機聚合物支撐層設有凹槽，所述凹槽與有機聚合物振動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。
[0010]所述有機聚合物振動薄膜的厚度為0.5?2.5μπι。
[0011 ]所述有機聚合物振動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]當柔性化電容式微加工超聲換能器時，在上下電極之間施加直流電壓，強靜電場將有機聚合物振動薄膜拉向柔性基底，然后再在上下間施加交流電壓，振動薄膜發生振動并產生超聲波；
[0016]當柔性化電容式微加工超聲換能器用作超聲接收器時，在上下電極之間施加直流偏置電壓，有機聚合物振動薄膜在超聲波作用下發生振動，兩電極板間的電容發生變化，通過檢測電容的變化實現超聲波的接收。
[0017]與現有技術相比，本實用新型具有以下優點和有益效果:
[0018](I)本實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，采用有機聚合物作為振動薄膜，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、靈敏度及抗干擾能力。
[0019](2)本實用新型的柔性化電容式微加工超聲換能器，實現了柔性化的超聲換能器，適用于任何形狀的探測物體，包括動物的表皮組織，有效拓展了 CMUT的應用范圍。
[0020](3)本實用新型的柔性化電容式微加工超聲換能器，使用有機聚合物作為材料，大大地降低了工藝制造成本，便于大范圍推廣應用。
[0021](4)本實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、靈敏度及抗干擾能力。
【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型的實施例的柔性化電容式微加工超聲換能器結構側視圖。
[0023]圖2為本實用新型的實施例的硅材料壓印模具示意圖。
[0024]圖3為本實用新型的實施例的步驟2中襯底上旋涂有機聚合物材料示意圖。
[0025]圖4為本實用新型的實施例的步驟3.3中的壓印模具與襯底上的有機聚合物作用示意圖。
[0026]圖5為本實用新型的實施例的步驟3.4中壓印技術的最后一步，脫模之后的示意圖.
[0027]圖6為本實用新型的實施例的步驟4中在鋁薄片上旋涂振膜材料的示意圖。
[0028]圖7為本實用新型的實施例的步驟5中振膜材料與支撐層材料粘合的示意圖。
[0029]圖8為本實用新型的實施例的步驟6中腐蝕掉頂層金屬的示意圖。
[0030 ]圖9為本實用新型的實施例的步驟8中電極刻蝕完成后的示意圖。
[0031]圖10為本實用新型的實施例的3*3單元頂部部分電極的俯視圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合實施例，對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0033]實施例
[0034]本實施例的柔性化電容式微加工超聲換能器，包括依次設置的柔性PCB板基底1、下電極2、刻蝕犧牲層3、有機聚合物支撐層4、有機聚合物振動薄膜5、上電極6;所述有機聚合物支撐層4設有凹槽41，所述凹槽41與有機聚合物振動薄膜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]所述有機聚合物振動薄膜的厚度為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]當柔性化電容式微加工超聲換能器時，在上下電極之間施加直流電壓，強靜電場將振動薄膜拉向柔性基底，然后再在上下間施加交流電壓，振動薄膜發生振動并產生超聲波；
[0039]當柔性化電容式微加工超聲換能器用作超聲接收器時，在上下電極之間施加直流偏置電壓，振動薄膜在超聲波作用下發生振動，兩電極板間的電容發生變化，通過檢測電容的變化實現超聲波的接收。
[0040]本實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:對已清洗、烘干的硅片進行旋轉涂膠，并進行前烘處理；
[0044]步驟1.2:對前烘之后的硅片使用掩膜版進行曝光處理，使圖形轉移到光刻膠上面；
[0045]步驟1.3:對曝光后的硅片進行顯影與后烘，使光刻膠與硅片黏合牢靠；
[0046]步驟1.4:對后烘處理過的硅片進行腐蝕，將光刻掩膜版上的圖案精確地轉移到晶元表面；
[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厚的有機聚合物薄膜層，如圖3所示。
[0049]步驟3:采用壓印技術，利用壓印模具將柔性PCB板上的有機材料壓印出凹槽，產生刻蝕犧牲層以及設凹槽的支撐層，其中刻蝕犧牲層厚度為0.1?0.5μπι，空腔直徑為20?200ym;
[0050]其中，壓印形成產生刻蝕犧牲層以及設凹槽的支撐層的制作過程如下:
[0051]步驟3.1:將Cu膜上沉積有機聚合物薄膜層的基底固定于加熱平臺上，升溫至有機聚合物材料的玻璃態軟化溫度；
[0052]步驟3.2:將制作好的壓印模具壓在有機聚合物薄膜層上，并施加適當的壓力，要保證聚合物厚度比模具空腔厚度大，如圖4所示，有機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:模壓結束后，降低溫度，使有機聚合物材料固化，并具有與模具重合的圖形；
[0054]步驟3.4:移除模具，未填充區域將作為空腔凹槽，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薄膜5，如圖6所示。
[0056]步驟5:采用熱固化鍵合技術將振膜材料與支撐層材料粘合在一起，形成微結構空腔，如圖7所示；
[0057]其中，微結構空腔制作過程:
[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，實現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振動薄膜表面的鋁膜進行腐蝕并清潔振膜表面，如圖8所示；
[0062]步驟7:在振動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]上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.柔性化電容式微加工超聲換能器，其特征在于，包括依次設置的柔性基底、下電極、刻蝕犧牲層、有機聚合物支撐層、有機聚合物振動薄膜、上電極;所述有機聚合物支撐層設有凹槽，所述凹槽與有機聚合物振動薄膜形成超聲換能器的空腔。2.根據權利要求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.根據權利要求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。4.根據權利要求1所述的柔性化電容式微加工超聲換能器，其特征在于，所述有機聚合物振動薄膜的厚度為0.5?2.5μπι。5.根據權利要求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，所述有機聚合物振動薄膜為橡膠薄膜或者聚氯乙烯塑料薄膜。6.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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，包括依次設置的柔性基底、下電極、刻蝕犧牲層、有機聚合物支撐層、有機聚合物振動薄膜、上電極；所述有機聚合物支撐層設有凹槽，所述凹槽與有機聚合物振動薄膜形成超聲換能器的空腔。本實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，實現了柔性化的超聲換能器，適用于任何形狀的探測物體，包括動物的表皮組織，有效拓展了CMUT的應用范圍；本實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】CN205199868
【申請號】CN201521019289
【發明人】張丹丹, 劉玉榮, 姚若河, 韋崗
【申請人】華南理工大學
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月9日