CN105772380A - 一种pvdf超声换能器电极的制作方法及pvdf超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种PVDF超声换能器电极的制作方法及PVDF超声换能器，所述PVDF超声换能器电极的制作方法，包括：获取电极的图案；将所述图案覆盖在PVDF导电薄膜上，所述PVDF导电薄膜的上下表面的电极为铝电极，且其上表面涂有感光材料；对覆盖了图案的PVDF导电薄膜进行曝光、显影、蚀刻及脱模处理，得到带有所需电极图案的PVDF压电薄膜。相对于现有的复杂电极PVDF超声换能器制作方法，基于上述方法制作的PVDF超声换能器有更高的灵敏度，且有工艺简单、价格低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及换能压电器件制作领域，尤其涉及一种PVDF超声换能器电极的制作方法及PVDF超声换能器。
背景技术
随着科学技术的发展，作为光声/超声成像系统中重要元件之一，聚焦式(点聚焦式)超声换能器在生物医学成像及检测中发挥着越来越大的作用。聚焦式超声换能器主要分为三种：基于声透镜的聚焦超声换能器、自聚焦超声换能器以及环形阵列聚焦超声换能器。其中，基于声透镜的聚焦超声换能器以及自聚焦超声换能器焦距都是固定的，只有在有限的焦深区域内才能得到高横向分辨率的图像。在聚焦超声换能器有限的孔径和一定的中心频率的条件下，若要提高其焦深，则必然导致横向分辨率的降低。而对于环形阵列聚焦超声换能器来说，它可以通过对电路信号的延迟，来实现超声的动态聚焦与探测，从而可以实现大焦深的高分辨成像，因此广泛应用于需要高穿透深度的超声成像与检测。
作为环形阵列聚焦超声换能器的核心单元，环形阵列压电元件可以是基于压电陶瓷或其它陶瓷类复合压电材料的，也可以是基于PVDF导电薄膜的。然而，基于压电陶瓷或复合压电材料的环形阵列在工作时不仅有横向振动的干扰，而且其制作工艺复杂，成本高，目前仅有少数研究机构能进行此类探头的制作。尤其是在光声成像中，常常需要将聚焦超声换能器做成中空的结构，以方便入射光的导入。由于压电陶瓷或者复合压电材料难于加工，所以非常难以做成此类的结构，因此只能向少数公司或研究机构定制，费用昂贵。
相比而言，PVDF压电薄膜由于其具有成本低、声阻抗和生物组织相近、频带宽的特点，且其易于加工，能方便中空换能器的制作，使得基于PVDF的环形阵列聚焦超声换能器在生物医学成像中应用较广。
然而，目前PVDF环形阵列聚焦超声换能器的压电单元大都是用基于电路板的方法制作的。在这种方法中，首先是在电路板上制作环形阵列电极，然后将擦去金属电极的PVDF导电薄膜面通过非导电树脂胶紧压在带有环形电极阵列的电路板上。由于PVDF导电薄膜和环形电极阵列之间非导电树脂胶层的存在，此类PVDF环形阵列换能器的灵敏度非常低。
具体结构如图1所示。其中图1a为带有环形阵列电极的电路板，图1b为基于此电路板制作成的PVDF环形阵列聚焦超声换能器的结构。图1a所示的电路板和图1b所示的聚焦超声换能器上都在中心开有一个孔，以方便光声成像时激发光从中心穿过。图1a中11为电路板绝缘基层，12为环形阵列电极。将一片单面带有金属电极的PVDF导电薄膜用非导电树脂紧胶贴在图1a所示的电路板上，接线并封装后，得到图1b所示的PVDF环形阵列聚焦超声换能器。图1b中，13和16分别为此聚焦超声换能器的地线和信号线，19为PVDF导电薄膜，110为PVDF导电薄膜的表面电极，14为封装用的非导电树脂胶，17为金属外壳屏蔽层。18为粘结电路板和PVDF导电薄膜19所需的非导电树脂胶，由于此胶层的存在，环形阵列电极12和PVDF导电薄膜19并没有直接连通，相当于额外串联了一个较大的电容，因此其探测灵敏度非常低。
此外，也有研究者采用标准铬光刻的方法来直接在PVDF导电薄膜上制作PVDF环形电极阵列。然而目前已经商业化的PVDF导电薄膜大都两面镀银或者铝电极，此方法需要将原有的银或铝电极擦去，另外镀铬电极，然后再进行光刻。工艺复杂，加工周期长，价格高。
发明内容
基于现有技术的缺陷，本发明提供一种PVDF超声换能器电极的制作方法及PVDF超声换能器，已解决现有的超声换能器制作方法工艺复杂、价格昂贵的技术问题。
第一方面，本发明提供一种PVDF超声换能器电极的制作方法，包括：
获取超声换能器电极的图案；
将所述图案覆盖在PVDF导电薄膜上，所述PVDF导电薄膜的上下表面的电极为铝电极，且其上表面涂有感光材料；
对覆盖了图案的PVDF导电薄膜进行曝光、显影、蚀刻及脱模处理，得到超声换能器电极。
可选地，所述将所述图案覆盖在PVDF导电薄膜上，具体包括：
在掩膜板上制作所述超声换能器电极的图案，将带有所述图案的所述掩膜板覆盖在所述PVDF导电薄膜上；或
将所述超声换能器电极的图案通过光学方法成像在所述PVDF导电薄膜上。
可选地，所述在掩膜板上制作所述超声换能器电极的图案，具体为：
在菲林片上打印出所述超声换能器电极的图案。
可选地，所述感光材料为感光蓝油。
可选地，采用紫外灯对所述覆盖了所述电极图案的PVDF导电薄膜进行曝光。
可选地，对所述覆盖了所述电极图案的PVDF导电薄膜进行蚀刻处理时采用的溶液为(1±0.2)％的碳酸钠溶液；
对所述覆盖了所述电极图案的PVDF导电薄膜进行显影时采用的溶液为氯化铁和盐酸的混合溶液。
第二方面，本发明提供一种PVDF超声换能器，包括：上述任一实施例所述的方法制作的超声换能器电极。
可选地，所述超声换能器电极的形状为环形阵列。
可选地，所述超声换能器电极的导线采用导电银胶连接。
可选地，所述超声换能器的背衬材料为非导电环氧树脂。
由上述技术方案可知，相对于现有的复杂电极PVDF超声换能器制作方法，基于上述方法制作的PVDF超声换能器有更高的灵敏度，且有工艺简单、价格低等优点。
附图说明
图1为现有的基于电路板的方法制作的聚焦超声换能器电极及聚焦超声换能器的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的PVDF超声换能器电极的制作方法的流程示意图；
图3为本发明一实施例提供的PVDF超声换能器电极的制作过程中各部分的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供PVDF超声换能器的结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的PVDF超声换能器检测头发丝的单脉冲响应及频率响应图；
图6为本发明一实施例提供的PVDF超声换能器对不同深度头发丝的光声成像结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图2示出了本发明一实施例提供的PVDF超声换能器电极的制作方法的流程示意图。如图2所示，本实施例的PVDF超声换能器电极的制作方法包括步骤S21至S23。
S21、获取超声换能器电极的图案。
超声换能器电极的图案可以是任意图形，但对于聚焦超声换能器，则必须使用环形阵列的电极。
S22、将所述图案覆盖在PVDF导电薄膜上。
所述PVDF导电薄膜的上下表面的电极为铝电极，且其上表面涂有感光材料。
S23、对覆盖了所述电极图案的PVDF导电薄膜进行曝光、显影、蚀刻及脱模处理，得到超声换能器电极。
本实施例的PVDF超声换能器电极的制作方法，将光刻方法与PVDF导电薄膜结合，工艺简单，价格低廉，且消除了电极和PVDF导电薄膜之间的树脂胶层，提高了灵敏度。
在本发明一个优选的实施例中，步骤S22具体包括图2中未示出的以下步骤：
S221、在掩膜板上制作所述超声换能器电极的图案，将带有所述图案的所述掩膜板覆盖在所述PVDF导电薄膜上；或
S221’、将所述超声换能器电极的图案通过光学方法成像在所述PVDF导电薄膜上。
本实施例中，可以在掩膜板上制作好超声换能器电极的图案后，直接覆盖在PVDF导电薄膜上，也可以利用成像关系将超声换能器电极的图案成像在PVDF导电薄膜上。
本实施例中，掩膜板可以是菲林片，也可以是遮光板。
在曝光时，也可以采用透镜成像关系，将菲林片上的图形成像在感光蓝油层进行曝光，从而降低对菲林片打印的要求。
本实施例的超声换能器电极的制作方法，可以通过掩膜板和成像方法获得电极的图案，从而提高了本实施例公开方法的普适性。
在本发明一个优选的实施例中，步骤S221具体为：
在菲林片上打印出所述超声换能器电极的图案。
菲林片是印刷制版所用的胶片，在菲林片上打印超声换能器电极的图案，相当于照相机中的底片。
本实施例中，在菲林片上可以很容易的打印出复杂或不规则的图案，且在打印图案时采用特殊的加黑墨水。
本实施例的超声换能器电极的制作方法，采用的菲林片座位掩膜板，造价低廉，制作方便，方便了相关元器件的制作开发和应用。
在本发明一个优选的实施例中，
所述感光材料为感光蓝油。
本实施例采用的感光蓝油是快干型感光蓝油，其具有附着性能强、抗腐蚀的特点，且价格低廉。
采用紫外灯对所述覆盖了所述电极图案的PVDF导电薄膜进行曝光。
采用2W的紫外光，在距离PVDF导电薄膜10cm的高度上，曝光时间控制在1～2min。
本实施例中，对所述覆盖了所述电极图案的PVDF导电薄膜进行显影处理时采用的溶液为(1±0.2)％的碳酸钠溶液；
对所述覆盖了所述电极图案的PVDF导电薄膜进行蚀刻处理时采用的溶液为氯化铁和盐酸的混合溶液。
显影时采用的显影剂需为弱碱性感光蓝油用显影剂。
本实施例的超声换能器电极的制作方法，所用材料常见而价格低，且操作方法简单，极大方便了基于PVDF环形阵列的传感器的制作，降低了相关成像与检测系统开发的周期和成本。
图3示出了本发明一实施例提供的PVDF聚焦超声换能器电极的制作过程中各部分的结构示意图。
图3a为打印了PVDF聚焦超声换能器所使用的环形阵列电极图案的菲林片，31为菲林片。
图3b为覆盖了菲林片的涂抹了感光蓝油的铝电极PVDF导电薄膜，用紫外灯进行对PVDF导电薄膜进行曝光。
其中需要注意的是需要在感光蓝油层完全干后，再进行曝光。
图中32为紫外光，33为PVDF导电薄膜，34为感光蓝油，35为PVDF薄膜上的铝电极。
图3c为显影后的结构，其中36为显影后的感光蓝油层。
图3d为蚀刻后的结构，其中37为蚀刻后的PVDF导电薄膜上表面铝电极层。
图3e为脱模后制作好的PVDF环形阵列电极。
其中，采用2w的紫外等，在大约10cm的高度上，曝光时间大约控制在1到2分钟。菲林片采用特殊的加黑墨水打印。感光蓝油采用快干型感光蓝油。经过曝光、显影、蚀刻后，将其晒干自动脱模。
本实施例中，采用铝电极的PVDF薄膜来制作环形电极阵列。
由于此类电极的PVDF是目前市场上常见的，因此本实施例的聚焦超声换能器环形阵列电极的制作方法有极大的实用意义。
图4示出了本发明一实施例提供的PVDF聚焦超声换能器的结构示意图。将图3e所示的PVDF环形阵列连接导线用树脂胶封装，得到如图4所示的聚焦超声换能器。其中41为中心通光孔，42为聚焦超声换能器的地线，43为聚焦超声换能器的信号线，44为封装用树脂胶，45为金属外壳屏蔽层。
本实施例中，导线的粘接采用导电银胶。
本实施例中，金属外壳屏蔽层为铝合金外壳。
本实施例中，用PVDF导电薄膜厚度为110um。
本实施例的PVDF聚焦超声换能器，相比于图1中基于电路板的PVDF环形阵列聚焦换能器，本发明中的基于光刻的方法因为消除了环形电极阵列和PVDF薄膜之间的树脂胶层，因此有更高的灵敏度。
在图4中制作好的基于PVDF环形阵列聚焦超声换能器前放置一根头发丝，然后用Q-switchedNd:YAG脉冲激光器进行激发产生光声信号，激光脉冲宽带为8ns。产生的光声信号首先通过一个20dB的射频放大器，并用奥林巴斯5072PR放大后，用LDI400SE采集卡收集，采样率为50MHz。
图5为聚焦超声换能器环形阵列中心单元单脉冲响应及频率响应图。其中图5(a)为收到的光声信号，图5(b)为此信号经过希尔伯特变换后的包络信号，图5(c)为经过傅里叶变换后的频谱图。
从图中可以看出，环形阵列换能器单个单元接收到的光声信号中心频率为5MHz左右，脉冲信号宽度约为0.34μs。用步进电机组移动换能器，使得换能器相对于头发丝截面垂直扫描运动，经过动态聚焦后，对不同深度头发丝的光声成像结果如图6所示。从图中可以看出，所制作的换能器在15mm到45mm深度范围内都能保持约0.5mm的分辨率。
本实施例的聚焦超声换能器，对物体的检测图像分辨率高。
本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种PVDF超声换能器电极的制作方法，其特征在于，包括：
获取超声换能器电极的图案；
将所述图案覆盖在PVDF导电薄膜上，所述PVDF导电薄膜的上下表面的电极为铝电极，且其上表面涂有感光材料；
对覆盖了图案的PVDF导电薄膜进行曝光、显影、蚀刻及脱模处理，得到超声换能器电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述图案覆盖在PVDF导电薄膜上，具体包括：
在掩膜板上制作所述超声换能器电极的图案，将带有所述图案的所述掩膜板覆盖在所述PVDF导电薄膜上；或
将所述超声换能器电极的图案通过光学方法成像在所述PVDF导电薄膜上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在掩膜板上制作所述超声换能器电极的图案，具体为：
在菲林片上打印出所述超声换能器电极的图案。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述感光材料为感光蓝油。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用紫外灯对所述覆盖了所述电极图案的PVDF导电薄膜进行曝光。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述覆盖了所述电极图案的PVDF导电薄膜进行蚀刻处理时采用的溶液为(1±0.2)％的碳酸钠溶液；
对所述覆盖了所述电极图案的PVDF导电薄膜进行显影时采用的溶液为氯化铁和盐酸的混合溶液。
7.一种PVDF超声换能器，其特征在于，包括：根据权利要求1-6任一项所述的方法制作的超声换能器电极。
8.根据权利要求7所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器电极的形状为环形阵列。
9.根据权利要求7所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器电极的导线采用导电银胶连接。
10.根据权利要求7所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器的背衬材料为非导电环氧树脂。
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