CN101894855A - 一种柔性集成化超声换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种柔性集成化超声换能器，由有机薄膜晶体管和压电传感器集成而成，具体是依次由基底、防潮隔离层、源漏电极、半导体薄膜层、栅介质层、栅电极层、电信号耦合层、压电薄膜层、电极层和超声耦合层构成。本发明为了便于制备二维柔性超声换能器阵列，采用柔性PET作为基底，PET基底上沉积一层二氧化硅薄膜用于隔离湿汽；用PVDF薄膜作为超声传感器的压电材料具有压电性能好、低声阻抗、与水和有机体具有良好的声阻抗匹配，从而使灵敏度提高、频带变宽；PVDF薄膜的高柔顺性为压电传感器集成提供良好的技术基础。采用有机薄膜晶体管作为内置信号放大，提高增益和信噪比，改善抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域。具体是一种柔性集成化超声换能器及其制备方法。
背景技术
超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件，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。超声换能器是超声技术中的关键部件，广泛应用医学诊断、水下通信与探测、缺陷无损检测、测距定位、遥感与遥控等领域。
压电式超声换能器是超声换能器的主流，特别是压电薄膜超声换能器因具有微型化，脉冲响应好，能有效提高换能器的频率、带宽和分辨率等优势而得到广泛应用。目前一种硅基集成化压电薄膜超声换能器通过内部集成硅基场效应晶体管在实现超声波转换为电信号的同时实现对电信号的放大，该换能器具有微型化、灵敏度高、易实现二维平面阵的优点，但制备工艺更为复杂，成本相对较高，且不适于制备柔性阵列。
柔性换能器能与探测对象表面更紧密接触，尤其对表面不平整的探测对象，可有效减小因耦合不好而造成的超声波损耗。现有的柔性超声换能器是将超声换能器单元组装在具有柔性的电路基板上或是在柔性衬底上沉积压电薄膜而实现换能器的柔性化，但其增益、信噪比较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性集成化超声换能器，克服硅基压电薄膜换能器的缺陷。
本发明的目的还在于提供一种柔性集成化超声换能器的制备方法，成本低、制备工艺简单。
本发明的柔性集成化超声换能器由有机薄膜晶体管和压电传感器集成而成，结构图如图1所示，依次由基底、防潮隔离层、源漏电极、半导体薄膜层、栅介质层、栅电极层、电信号耦合层、压电薄膜层、电极层和超声耦合层构成。
基底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等柔性塑料材料；防潮隔离层为二氧化硅或氮化硅；源漏电极为铝或银等金属；半导体薄膜层为机半导体材料；栅介质层为有机绝缘材料；栅电极层为铝或银等金属；电信号耦合层为环氧树脂薄膜层；压电薄膜层为聚偏氟乙烯PVDF压电薄膜；电极层为铝或银等金属；超声耦合层为环氧树脂薄膜。
本发明柔性集成化超声换能器的制备方法依下列步骤进行：
(1)采用磁控溅射在基底上沉积防潮隔离层；
(2)在防潮隔离层上沉积金属薄膜层形成薄膜晶体管的源、漏电极；
(3)在具有源、漏电极的基片上沉积有机半导体薄膜层，以形成薄膜晶体管的半导体活性层；
(4)在半导体薄膜上沉积有机绝缘膜，形成薄膜晶体管的栅介质层；
(5)在绝缘膜上制备金属膜形成薄膜晶体管的栅电极；
(6)在栅电极上旋涂环氧树脂膜，形成电信号耦合层；
(7)在环氧树脂膜上制备聚偏氟乙烯PVDF压电薄膜；
(8)在压电薄膜上制备金属电极形成压电传感器的上电极；
(9)在上电极上制备环氧树脂膜，形成超声耦合层；
为了便于制备二维柔性超声换能器阵列，采用柔性PET作为基底，PET基底上沉积一层二氧化硅薄膜用于隔离湿汽。用PVDF薄膜作为超声传感器的压电材料具有压电性能好、低声阻抗、与水和有机体具有良好的声阻抗匹配，从而使灵敏度提高、频带变宽。另外，PVDF薄膜具有高柔顺性，为压电传感器集成提供良好的技术基础。通常PVDF薄膜压电传感器因高输出阻抗而易受外界电磁场的干扰，采用有机薄膜晶体管作为内置信号放大，提高增益和信噪比，改善抗干扰能力。
本发明与现有的集成超声换能器相比，由于采用了PVDF薄膜作压电材料和内置了有机薄膜晶体管作前置放大，因此具有如下优点：
1、提高了频带宽度、增益、信噪比和抗干扰能力；
2、减小硅基PVDF-MOS换能器中扩展栅电极带来的寄生电容，提高灵敏度；
3、实现了超声换能器的柔性化，适合于任意形状的探测物体，扩大了应用范围；
4、采用廉价基底材料和简单制备工艺，降低制造成本，便于推广应用。
附图说明
图1为本发明的柔性集成化超声换能器结构示意图。
具体实施方式
本发明的柔性集成化超声换能器在结构上由有机薄膜晶体管和压电传感器集成而成。依次由基底1、二氧化硅隔离层2、源漏电极3、有机半导体薄膜层4、栅介质层5、栅电极层601、环氧树脂薄膜层701、聚偏氟乙烯PVDF压电薄膜层8、上电极层602和环氧树脂薄膜层702构成。
本发明柔性集成化超声换能器的制备方法依下列步骤进行：
(1)防潮隔离层的制备：可采用磁控溅射在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性基底上沉积二氧化硅(SiO2)薄膜；
(2)有机薄膜晶体管制备，其步骤包括：
步骤1：在基底上沉积金属薄膜层形成薄膜晶体管的源、漏电极；
步骤2：在具有源、漏电极的基片上沉积有机半导体薄膜层形成薄膜晶体管的半导体活性层；
步骤3：在半导体薄膜上沉积有机绝缘膜，形成栅介质层；
步骤4：用真空蒸发法在绝缘膜上制备金属膜形成栅电极；
(3)压电传感器的制备，其步骤为：
步骤1：在薄膜晶体管的栅电极上旋涂环氧树脂膜，用于信号耦合；
步骤2：在环氧树脂膜上制备聚偏氟乙烯PVDF压电薄膜；
步骤3：采用真空蒸发法在压电薄膜上制备金属电极，形成上电极；
步骤4：在上电极上沉积环氧树脂膜，用于超声耦合；
经检测，实施样品的典型参数达到：
带宽≥300KHz；有源增益≥35dB；输出信号的信噪比与没有薄膜晶体管的比对压电薄膜超声换能器相比提高了40dB；灵敏度≥9mVPa；具有柔性可弯曲45度。
Claims (3)
1.一种柔性集成化超声换能器，其特征在于由有机薄膜晶体管和压电传感器集成而成，具体是依次由基底、防潮隔离层、源漏电极、半导体薄膜层、栅介质层、栅电极层、电信号耦合层、压电薄膜层、电极层和超声耦合层构成。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于所述基底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；防潮隔离层为二氧化硅或氮化硅；源漏电极为铝或银；半导体薄膜层为有机半导体材料；栅介质层为有机绝缘材料；栅电极层为铝或银；电信号耦合层为环氧树脂薄膜层；压电薄膜层为聚偏氟乙烯PVDF压电薄膜；电极层为铝或银；超声耦合层为环氧树脂薄膜。
3.一种柔性集成化超声换能器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)采用磁控溅射在基底上沉积防潮隔离层；
(2)在防潮隔离层上沉积金属薄膜层形成薄膜晶体管的漏源电极；
(3)在具有漏源电极的基片上沉积半导体薄膜层；
(4)在半导体薄膜上沉积有机绝缘膜，形成薄膜晶体管的栅介质层；
(5)在绝缘膜上制备金属膜形成薄膜晶体管的栅电极层；
(6)在栅电极上旋涂环氧树脂膜，形成电信号耦合层；
(7)在环氧树脂膜上制备压电薄膜；
(8)在压电薄膜上制备金属电极层形成压电传感器的上电极；
(9)在上电极上制备环氧树脂膜，形成超声耦合层。
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