CN104984890A - 一种柔性聚焦mems超声波发生器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种柔性聚焦MEMS超声波发生器及其制备方法，柔性聚焦MEMS超声波发生器包括采用MEMS技术制备的超声波换能器阵列排布在聚酰亚胺基体的表面，相邻超声波换能器之间通过电极相连接；所述超声波换能器呈碗状凹形嵌入聚酰亚胺基体内。本发明的柔性聚焦MEMS超声波发生器是将MEMS工艺制作的超声波换能器进行阵列化排布在柔性聚酰亚胺基底上，可随意卷曲，使其在使用时可和待测样品的曲面进行完全贴合，其谐振频率较高，在超声成像和超声探伤等领域制可获得更高的分辨率；且方便操作，提高检测精度。

Description

一种柔性聚焦MEMS超声波发生器及其制备方法

技术领域

本发明属于超声波换能器技术领域，具体涉及一种柔性聚焦MEMS超声波发生器及其制备方法。

背景技术

基于MEMS(微机电系统)技术的超声换能器可用于基因导入、超声成像、超声检测等场合。与宏观的超声波换能器相比，MEMS超声换能器由于质量小，谐振频率可以达到几百兆赫兹的水平，更高的谐振频率意味着成像和探测的精度将大大提高，所以基于微机电系统的超声换能器特别适合于眼科、皮肤科和血管内成像。另外，由MEMS工艺制作的微超声换能器容易实现阵列化，且各单元之间的一致性较好，便于运用相控阵等方式进行控制。MEMS超声换能器与细胞穿孔所需要的能量级别相匹配，能够在不损伤细胞的情况下将细胞膜穿孔，所以非常适合于在微流体环境下的诸如基因转染、药物导入等操作。

柔性电子器件以其独特的柔软延展性、重量轻以及和弯曲表面完美贴合等优势在信息能源医疗国防等领域具有广泛的应用前景。其应用范围涵盖了柔性电子显示器、有机发光二极管、柔性印刷射频识别等。柔性微机电系统的研究也有了初步的成果，包括压电促动器、压电气压传感器等。

本发明提出的一种柔性聚焦MEMS超声波器件，运用微加工工艺，将宏观的聚焦超声波换能器尺度减小，以阵列的形式制作于柔性的聚合物基底上。与传统的硅基的MEMS超声波器件不同，可以与被检测表面的曲面形状相贴合，在超声成像、超声探伤等方面有一定实际用途。

发明内容

本发明提出的一种柔性聚焦MEMS超声波发生器及其制备方法，将MEMS工艺制作的微超声波换能器进行阵列化排布在柔性聚酰亚胺(PI)基底，使其可随意卷曲，从而与被测表面能实现完全贴合，实现其在超声成像、超声探伤等方面的应用。

本发明的技术方案如下：

一种柔性聚焦MEMS超声波发生器，包括采用MEMS技术制备的超声波换能器，所述超声波换能器阵列排布在聚酰亚胺基体的表面，相邻超声波换能器之间通过电极相连接；所述超声波换能器呈碗状凹形嵌入聚酰亚胺基体内。

进一步方案，所述超声波换能器从上往下依次由保护层、上电极、压电薄膜和下电极构成；相邻超声波换能器之间通过下电极相连接；所述超声波换能器的碗状凹形深度为100-200μm、跨度为0.6-1.5mm、曲率半径为600-1500μm。

优选方案，所述聚酰亚胺基体的厚度为300-500μm。

更优选的方案，所述压电薄膜的厚度为4-6μm，所述压电薄膜选自氧化锌压电薄膜、氮化铝压电薄膜、锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)或聚偏氟乙烯压电薄膜(PVDF)。

所述上电极和下电极均为铂、金或铝构成；所述保护层为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者聚酰亚胺薄膜。

本发明的另一个发明目的是提供上述柔性聚焦MEMS超声波发生器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备表面阵列排布有碗状凹形结构的柔性聚酰亚胺基底：

(2)在柔性聚酰亚胺基底的碗状凹形表面依次形成下电极、压电薄膜和上电极；

(3)旋涂保护层：用旋涂的方法在上电极的上表面涂上一层保护层并烘干，制成超声波换能器；

(4)将各个超声波换能器的上电极与外驱动电路连接，制得超声波发生器。

进一步方案，所述步骤(1)中柔性基底是通过下面步骤制备而成的：

(1)先将液态二甲基硅氧烷(PDMS)置于真空干燥箱中除去其中的气体，待其半固化时，将精密钢柱按阵列排布在半固化二甲基硅氧烷基层中，并使精密钢柱浸入1/3-1/2的深度；

(2)将(1)中排布有精密钢柱的二甲基硅氧烷基底放入烘箱加热至完全固化，然后除去其表面的精密钢柱，得到表面布设有碗状凹形坑的模具；

(3)将二甲基硅氧烷液体(PDMS)浇注到(2)中的模具表面、固化后脱模，得到表面布带有球冠状凸起结构的模板；

(4)将聚酰亚胺用有机溶剂溶解后，将其浇注到(3)中的模板上，固化后脱模，得到带有阵列碗状凹形结构的柔性基底。

进一步方案，所述步骤(2)中下电极、压电薄膜和上电极是采用直流磁控溅射沉积或射频磁控溅射沉积或蒸发镀膜方法形成的。

进一步方案，所述步骤(2)中下电极厚度为400～500纳米，压电薄膜的厚度为4～6微米；

进一步方案，所述步骤(3)中旋涂的转速为2000rpm-3000rpm；烘干是指在60-90度烘箱中加热1-2小时。

本发明中在柔性基底的碗状凹形表面依次形成下电极、压电薄膜和上电极，是先将柔性基底置于磁控溅射仪中，再用一片与阵列排布的超声波换能器相匹配的不锈钢板置于柔性基底上表面上作为挡板，然后再在柔性基底的碗状凹形结构上表面采用直流或射频磁控溅射沉积形成下电极；在下电极的上表面同样采用直流或射频磁控溅射沉积依次形成压电薄膜和上电极。还采用蒸发镀膜的方法在柔性基底的碗状凹形表面依次形成下电极、压电薄膜和上电极。

本发明中的半固化的二甲基硅氧烷(PDMS)可采用美国道康宁(DOWCORNING)公司的SYLGARD184硅橡胶(PDMS)来制作,该产品由两种前驱液按体积比为10：1组成，当两种前驱液混合之后加热，即可固化。

本发明的柔性聚焦MEMS超声波发生器是将MEMS工艺制作的微超声波换能器进行阵列化排布在柔性聚酰亚胺(PI)基底，使其可随意卷曲，从而与被测表面能实现完全贴合，方便操作，并提高检测精度。而通过MEMS工艺制作的超声波换能器与细胞穿孔所需要的能量级别相匹配，能够在不损伤细胞的情况下将细胞膜穿孔，所以非常适合于在微流体环境下的诸如基因转染、药物导入等操作。当在超声波换能器的上、下电极间通入正弦交变电场时，由于逆压电效应，位于上、下电极中间的压电薄膜产生交替的振动，从而使产生的超声波通过保护层向外传播。由于超声波换能器为碗状凹形结构，其产生的超声波能量能汇聚于一点，提高能量传播效率。另外，多个超声波换能器单元组成阵列，可以协同工作。

当前，基于MEMS技术的超声波换能器(Micro machined ultrasound transducer，简称MUT)可分为电容式(CMUT)和压电式(PMUT)，CMUT的典型结构是由Si基底、绝缘层和薄膜构成。薄膜上沉积有金属电极，Si基底通过掺杂提高导电性，形成另一端电极。两个电极之间由绝缘层和空腔形成一个电容。当在两电极之间通入直流电的时候。由于静电力的作用，薄膜会被拉向基体。当静电力消失的时候，而薄膜内的残余应力则使薄膜恢复原形。如果在两电极之间加入与机械共振频率相同的交流电的时候，薄膜交替振动，并产生超声波。CMUT电阻一般较大，不利于与前端电路的匹配；其工作电压一般较高(～200V)，不利于器件稳定。由于空腔的存在，薄膜悬于空腔上方，制造工艺比价复杂。且器件可靠性不是很高。

而PMUT的典型结构是由下电极、压电层、上电极组成的三明治结构，当上、下电极上加入正弦交变电场的时候，压电薄膜交替振动，产生超声波。相比于CMUT，PMUT具有电阻小，促动电压低，因此易于以前端电路匹配；寄生电容影响较小，PMUT系统的电容值比CMUT大，这意味着计生电容对机电耦合系数的影响比CMUT的小；制造工艺相对简单，可靠性高。

本发明制备的超声波换能器属于PMUT。但传统的PMUT采用硅基工艺，制作的PMUT一般为平面结构。而本发明采用聚合物工艺，制作出了曲面结构的超声波换能器，该结构和宏观聚焦超声换能器相类似，可以把超声波的能量聚焦于一点。

所以本发明具有以下有益效果：

1、本发明的柔性聚焦MEMS超声波发生器采用柔性聚酰亚胺(PI)做为基底，从而使其直接包裹在待成像的外表面，获得三维图像，简单实用，即使未经专业训练的人员也可以使用。而宏观的超声波换能器在医学成像时，特别是在有曲度的表面进行成像的时候，需要采用扫描的方式，扫描人员需要特殊的训练。

2、当在超声波换能器的上、下电极间通入正弦交变电场时，由于逆压电效应，位于上、下电极中间的压电薄膜产生交替的振动，从而使产生的超声波通过保护层向外传播。而压电薄膜的厚度为4～6微米，其尺寸仅为几个微米，使其厚度方向谐振频率非常高，可以达到几十兆赫兹甚至上百兆赫兹，从而可提高分辨率。尤其适合于眼科、皮肤科和血管内成像等应用于局部浅表且需要高分辨率的成像和检测。

3、由于各超声波换能器的压电薄膜是同时沉积中形成的，其厚度、均匀性以及物性参数都十分相近，使得各超声波换能器单元之间的一致性好，而将这样的超声波换能器单元排成阵列的形式，适合运用相控阵等控制方法。

4、本发明中采用精密钢柱作为碗状凹形超声波换能器的模板，经过多次复制，形成了碗状凹形状的阵列结构。该方法简单易行，且碗状凹形结构的曲率、高度、跨度等结构参数容易调控。另外由磁控溅射沉积的压电薄膜质量好、杂质少、压电性能优越，且不需要高温极化。

5、由MEMS工艺制作的超声波换能器的尺寸很小，其驱动电压也大大减小，从而可以与驱动电路集成；且质量轻，体积小巧，大大提高了便携性能。

附图说明

图1为本发明柔性聚焦MEMS超声波发生器的俯视图，

图2为本发明超声波换能器的剖视图；

图3制备表面阵列排布有碗状凹形结构的柔性聚酰亚胺基底的流程示意图；

图4制备基于MEMS超声波换能器的流程示意图。

图中：1-聚酰亚胺基体，2-下电极，3-上电极，4-保护层，5-压电薄膜，6-超声波换能器，7-外接电路焊点，8-精密钢柱，9-表面布设有碗状凹形坑的模具，10-基底，11-表面布带有球冠状凸起结构的模板，12-挡板。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，一种柔性聚焦MEMS超声波发生器，包括采用MEMS技术制备的超声波换能器6，所述超声波换能器6阵列排布在聚酰亚胺基体1的表面，相邻超声波换能器6之间通过它们的下电极2相连接，上电极3与外接电路焊点7连接用于接通外部电源。

因为每个单独的超声换能器都有上电极和下电极，这样电极的布线可以灵活多变，一种实施方案是所有的单个换能器共用下电极。另一种实施方案是相邻的几个换能器共用一个下电极，或者所有的换能器都单独一个下电极。考虑到排线的美观，如图1中将超声换能器分成三组，每三个一组，共用下电极。即每组中的超声波换能器6之间通过下电极2连接，其所有的上电极3与端部一个超声波换能器6的下电极2分别连接一个外接电路焊点7用于接通外部电源。

使用时，将本发明的柔性聚焦MEMS超声波发生器的聚酰亚胺基体1直接包裹在待成像的外表面，而获得三维图像。由于各超声波换能器6是采用MEMS技术同时制备的，其各超声波换能器6之间的一致性好，能协同工作，提高检测效率与精度；且能够在不损伤细胞的情况下将细胞膜穿孔，特别适合于在微流体环境下的诸如基因转染、药物导入等操作。

实施例二：

如图2所示，超声波换能器6从上往下依次由保护层4、上电极3、压电薄膜5和下电极2构成；超声波换能器6呈碗状凹形嵌入聚酰亚胺基体1内，其碗状凹形深度为100-200μm、跨度为0.6-1.5mm、曲率半径为600-1500μm；压电薄膜的厚度为4-6μm。

接通外接电源时，在超声波换能器6的上电极3、下电极2之间形成正弦交变电场，由于逆压电效应，使位于上、下电极中间的压电薄膜5产生交替的振动，产生的超声波汇聚于碗状凹形底端一点集中通过保护层6向外传播。而压电薄膜的厚度仅为4～6微米，从而使超声波在厚度方向谐振频率非常高，可以达到几十兆赫兹甚至上百兆赫兹，从而可提高其分辨率；尤其适合于眼科、皮肤科和血管内成像等应用于局部浅表且需要高分辨率的成像和检测。

优选方案，所述聚酰亚胺基体的厚度为300-500μm，所述压电薄膜选自氧化锌压电薄膜、氮化铝压电薄膜、锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)或聚偏氟乙烯压电薄膜(PVDF)。

所述上电极和下电极均为铂、金或铝构成；所述保护层为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者聚酰亚胺薄膜。

实施例三：

一种柔性聚焦MEMS超声波发生器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备表面阵列排布有碗状凹形结构的柔性聚酰亚胺基底(如图3所示)：

a.先将液态二甲基硅氧烷(PDMS)置于真空干燥箱中除去其中的气体，浇于基底10上待其半固化时，将精密钢柱8按阵列排布在半固化二甲基硅氧烷基层中，并使精密钢柱8浸入1/3；

b.放入烘箱加热至完全固化，然后除去其表面的精密钢柱，得到表面布设有碗状凹形坑的模具9；

c.将二甲基硅氧烷液体(PDMS)浇注到上述模具的表面、固化后脱模，得到表面布带有球冠状凸起结构的模板11；

d.将聚酰亚胺(PI)用有机溶剂DMF溶解后，将其浇注到上述模板上，固化后脱模，得到带有阵列碗状凹形结构的柔性聚酰亚胺基底1，厚300μm；

(2)在柔性聚酰亚胺基底1的碗状凹形表面依次形成下电极2、压电薄膜5和上电极3(如图4所示)：将柔性基底置于磁控溅射仪中，用一片与阵列排布的超声波换能器相匹配的不锈钢板置于柔性基底的上表面作为挡板12，再在柔性基底的碗状凹形结构上表面采用直流磁控溅射沉积一层400纳米的铂形成下电极；在下电极的上表面同样采用直流磁控溅射沉积一层厚4微米氧化锌形成压电薄膜，再在压电薄膜上沉积一层450纳米的铂形成上电极；

(3)旋涂保护层：按旋涂的方法，以3000rpm的转速在上电极的上表面涂上一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)，并于60度烘箱中加热2小时烘干形成保护层4；制成超声波换能器，其碗状凹形深度为200μm、跨度为1.5mm、曲率半径为1500μm；

(4)将各个超声波换能器的上电极与外驱动电路连接，制得超声波发生器。

实施例四：

一种柔性聚焦MEMS超声波发生器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备表面阵列排布有碗状凹形结构的柔性基底：

a.先将液态二甲基硅氧烷(PDMS)置于真空干燥箱中除去其中的气体，待其半固化时，将精密钢柱按阵列排布在半固化二甲基硅氧烷基底中，并使精密钢柱浸入1/2的深度；

b.放入烘箱加热至完全固化，然后除去其表面的精密钢柱，得到表面布设有碗状凹形坑的模具；

c.将二甲基硅氧烷液体(PDMS)浇注到上述模具的表面，由于PDMS表面能较低，两层PDMS并不会粘在一起，待后浇的PDMS固化后进行分离脱模，得到表面布带有球冠状凸起结构的模板；

d.将聚酰亚胺用有机溶剂如DMF溶解后，将其浇注到上述模板上，固化后脱模，得到带有阵列碗状凹形结构的柔性聚酰亚胺基底，厚500μm；

(2)在柔性聚酰亚胺基底的碗状凹形表面依次形成下电极、压电薄膜和上电极：将柔性基底置于磁控溅射仪中，用一片与阵列排布的超声波换能器相匹配的不锈钢板置于柔性基底的上表面作为挡板，再在柔性基底的碗状凹形结构上表面采用射频磁控溅射沉积一层500纳米的铝形成下电极；在下电极的上表面同样采用射频磁控溅射沉积一层厚6微米的PZT，形成压电薄膜，再在压电薄膜上沉积一层520纳米的铝形成上电极；

(3)旋涂保护层：按旋涂的方法，以2000rpm的转速在上电极的上表面涂上一层聚酰亚胺薄膜，并于90度烘箱中加热1小时烘干形成保护层；制成超声波换能器，其碗状凹形深度为100μm、跨度为0.6mm、曲率半径为600μm；

(4)将各个超声波换能器的上电极与外驱动电路连接，制得超声波发生器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术方案作任何形式上的限制。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均仍在本发明的技术方案的范围内且属于要求保护的本发明的范围。

Claims (10)

1.一种柔性聚焦MEMS超声波发生器，其特征在于：包括采用MEMS技术制备的超声波换能器，所述超声波换能器阵列排布在聚酰亚胺基体的表面，相邻超声波换能器之间通过电极相连接；所述超声波换能器呈碗状凹形嵌入聚酰亚胺基体内。

2.根据权利要求1所述柔性聚焦MEMS超声波发生器，其特征在于：所述超声波换能器从上往下依次由保护层、上电极、压电薄膜和下电极构成；相邻超声波换能器之间通过下电极相连接；所述超声波换能器的碗状凹形深度为100-200μm、跨度为0.6-1.5 mm、曲率半径为600-1500μm。

3.根据权利要求1所述柔性聚焦MEMS超声波发生器，其特征在于：所述聚酰亚胺基体的厚度为300-500μm。

4.根据权利要求2所述柔性聚焦MEMS超声波发生器，其特征在于：所述压电薄膜的厚度为4-6μm，所述压电薄膜选自氧化锌压电薄膜、氮化铝压电薄膜、锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）或聚偏氟乙烯压电薄膜（PVDF）。

5.根据权利要求2所述柔性聚焦MEMS超声波发生器，其特征在于：所述上电极和下电极均为铂、金或铝构成；所述保护层为聚二甲基硅氧烷（PDMS）或者聚酰亚胺薄膜。

6.一种如权利要求1所述柔性聚焦MEMS超声波发生器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）制备表面阵列排布有碗状凹形结构的柔性聚酰亚胺基底：

（2）在柔性聚酰亚胺基底的碗状凹形表面依次形成下电极、压电薄膜和上电极；

（3）旋涂保护层：用旋涂的方法在上电极的上表面涂上一层保护层并烘干；制成超声波换能器；

（4）将各个超声波换能器的上电极与外驱动电路连接，制得超声波发生器。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中柔性基底是通过下面步骤制备而成的：

（1）先将液态二甲基硅氧烷（PDMS）置于真空干燥箱中除去其中的气体，待其半固化时，将精密钢柱按阵列排布在半固化二甲基硅氧烷基层中，并使精密钢柱浸入1/3-1/2的深度；

（2）将（1）中排布有精密钢柱的二甲基硅氧烷基底放入烘箱加热至完全固化，然后除去其表面的精密钢柱，得到表面布设有碗状凹形坑的模具；

（3）将二甲基硅氧烷液体（PDMS）浇注到（2）中的模具表面、固化后脱模，得到表面布带有球冠状凸起结构的模板；

（4）将聚酰亚胺用有机溶剂溶解后，将其浇注到（3）中的模板上，固化后脱模，得到带有阵列碗状凹形结构的柔性基底。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中下电极、压电薄膜和上电极是采用直流磁控溅射沉积或射频磁控溅射沉积或蒸发镀膜方法形成的。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中下电极厚度为400~500纳米，压电薄膜的厚度为4~6微米。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中旋涂的转速为2000rpm-3000rpm；烘干是指在60-90度烘箱中加热1-2小时。