CN108284054B - 一种压电陶瓷超声线性相控阵列换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电陶瓷超声线性相控阵列换能器及其制备方法，该制备方法包括：将压电陶瓷衬底切割成多个换能器阵元，形成换能器阵列；所述换能器阵元的宽度和间隔为20‑100μm，切割深度为50‑300μm；在换能器阵列一侧进行切割，获得底电极共面电连接槽；底电极共面电连接槽宽度为20‑300μm；在换能器阵元之间灌胶，在底电极共面电连接槽内灌导电胶；制备底电极；与底电极相对的压电陶瓷面进行厚度减薄处理，使压电陶瓷厚度降低为50‑200μm；制备上电极及底电极连接面；将换能器阵列分割，形成多个单个超声线性相控阵列换能器；对换能器引线键合；封装，灌注匹配层。本发明提供的换能器检测分辨率高、探测深度大，可用于微尺度特征结构的超声检测。
Description
技术领域
本发明涉及超声检测技术中的超声线性相控阵列换能器制备技术领域，尤其涉及一种用于测量微小尺度特征的压电陶瓷超声线性相控阵列换能器及其制备方法。
背景技术
超声相控阵检测方法的使用始于20世纪60年代，目前已经广泛应用于医学超声成像以及医学诊断领域。这主要得益于其在声场控制和聚焦、电子扫描速度上的优势，通过电子控制方式进行发射声束聚焦、偏转，使超声波照射到被检物体的各个区域，然后通过相控接收的方式对回波信号进行聚焦、变孔径、变迹等多种关键技术，就可以得到物体的清晰均匀的高分辨率声成像。
近年来，随着电子技术、微机械加工技术、以及压电材料技术的迅速发展，超声成像技术向高分辨率、快速、微型化、集成化的三维微结构成像技术发展，微结构的超声检测分辨率达到10-100微米量级，工作频率达到10-100MHz量级，微结构三维超声检测在医疗、工业、生物特征识别等许多领域已经成为一项具有重要发展前景的新型检测技术。比传统的、目前广泛使用的光学识别、电容传感器等检测方式相比，微结构超声检测方法具有很多独特的优势：a)可以穿透多种材质对微结构进行检测。b)检测精度不受污垢、油脂以及汗水的影响。c)不但可以对微结构表面，还可以对亚表面和次表面的3D特征进行检测。
目前，传统的超声相控阵探头主要采用压电换能器厚度振动模式工作，其工作频率通常小于10MHz，横向尺寸通常大于毫米量级，传统的超声相控阵探头因尺寸的限制无法满足微尺度特征的超声检测和成像。近年来，用于微结构超声检测的微换能器阵列主要采用的技术是压电微超声换能器阵列技术(Piezoelectric Micromachined UltrasonicsTransducer)，它是MEMS工艺制备的硅基超声换能器阵列技术，它的优点是可以制成具有微小特征尺寸的超声换能器阵列，其工作模式为压电换能器的弯曲振动。它的主要缺点是工艺复杂，通常需要键合、深硅刻蚀等硅微加工工艺实现，由于硅工艺的限制，压电薄膜材料通常采用AlN薄膜等压电系数和机电转换效率较低的材料，对于微结构检测深度等关键性指标影响较大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种结合传统平面超声相控阵工艺和微加工工艺相结合的用于微尺度特征超声检测的超声线性相控阵换能器。采用压电陶瓷材料作为换能器功能材料，采用刀片或激光切割等方式分割换能器阵元，通过精细研磨制备具有十到百微米量级厚度的高频超声换能器，采用微加工手段制备横向尺寸在20-100μm的微电极阵列。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种压电陶瓷超声线性相控阵列换能器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S10，将压电陶瓷衬底切割成多个换能器阵元，形成换能器阵列；所述换能器阵元的宽度和间隔为20-100μm，切割厚度为50-300μm；
S20，在所述换能器阵列一侧进行切割，获得底电极共面电连接槽；所述底电极共面电连接槽宽度为20-300μm；
S30，在所述换能器阵元之间灌胶，在所述底电极共面电连接槽内灌导电胶；
S40、制备底电极；
S50、对与底电极相对的压电陶瓷面进行厚度减薄处理，使压电陶瓷厚度降低为50-200μm；
S60、制备上电极及底电极连接面；
S70、将换能器阵列分割，形成多个单个超声线性相控阵列换能器；
S80、对换能器引线键合；
S90、将分离的单个超声线性相控阵列换能器进行封装，然后灌注匹配层，形成所需的压电陶瓷超声线性相控阵列换能器。
优选地，所述压电陶瓷衬底为方形或圆形压电陶瓷片。
进一步优选地，所述压电陶瓷衬底为锆钛酸铅陶瓷。
优选地，所述压电陶瓷衬底基片的边长或直径为10-100mm。
优选地，所述压电陶瓷衬底的厚度为50-2000μm。
优选地，所述换能器阵元为平面线性结构。
优选地，步骤S30，后续还需对压电陶瓷衬底表面进行研磨、抛光处理。
第二方面，本发明提供了一种压电陶瓷超声线性相控阵列换能器，由第一方面所述的制备方法制备而成。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供的制备方法制备，结合传统超声换能器阵列切割、减薄方法与微加工薄膜电极沉积、图形化工艺，制备出横向尺寸和间隔为十微米量级，厚度尺寸为十到百微米量级，数量为十至百个阵元的换能器阵列，检测频率在10-50MHz。压电陶瓷超声线性相控阵列微型换能器，制备方法简单，检测分辨率高、探测深度大，可用于微尺度特征结构的超声检测。可应用于医疗、工业、生物特征识别等领域。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图2到17是本发明实施例提供的一种压电陶瓷超声线性相控阵列换能器的制作工艺流程图。
图1为本发明提供的的一种压电陶瓷超声线性相控阵列换能器的制备方法流程示意图；
图2为在玻璃支撑上切割换能器阵元2剖面图，图中只画部分换能器阵元2；
图3为在玻璃支撑上切割换能器阵元2俯视图，图中只画部分换能器阵元2；
图4为切割底电极共面电连接槽剖面图；
图5为切割底电极共面电连接槽俯视图
图6为灌胶3以及底电极导电胶11换能器阵元剖面图；
图7为带有玻璃支撑制备底电极5剖面图；
图8为带有玻璃支撑制备底电极5俯视图，图中只画两个换能器；
图9为制备完底电极5减薄压电陶瓷之后翻过来放在玻璃支撑上的剖面图；
图10为制备完底电极5减薄压电陶瓷之后翻过来放在玻璃支撑上的俯视图，图中只画两个换能器；
图11为制备上电极4剖面图；
图12为制备上电极以及用于上电极引线连接的平面结构，同时制备与底电极共面电连接槽内导电胶相连的引线连接平面结构的俯视图，图中只画两个换能器；
图13为换能器分割剖面图，图中只画两个换能器；
图14为制备完成衬底1粘接到框架型PCB板10上并完成引线键合的剖面示意图，图中只画两个换能器；
图15为制备完成衬底1粘接到框架型PCB板10上并完成引线键合的俯视图，图中只画两个换能器；
图16为将电缆焊接到PCB板上，去掉玻璃支撑剖面图；
图17为灌注匹配层、背衬胶、用金属外壳封装之后压电陶瓷超声线性相控阵列换能器剖面图。。
具体实施方式
下面通过附图和具体的实施例，对本发明进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本发明，即并不意于限制本发明的保护范围。
本部分对本发明实验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
由图2-图16可知，本发明制备的压电陶瓷超声线性相控阵列换能器，包括：压电陶瓷衬底1、换能器阵元2、胶3、上电极4、底电极5、电缆6、匹配层7、背衬层8、金属外壳9、PCB引线连接板10和底电极导电胶11。
其制备方法如图1所示，主要包括以下步骤S10-S90：
S10，将压电陶瓷衬底切割成多个换能器阵元，形成换能器阵列；换能器阵元的宽度和间隔为20-100μm，切割厚度为50-300μm。
具体地，将所述的压电陶瓷衬底1粘结在支撑物上，所述支撑物可为玻璃基底；然后采用砂轮或激光等方式对所述压电陶瓷衬底1进行切割，形成数量为十至百个、具有相同宽度、相等间隔的换能器阵元2，所述换能器阵元2为平面线性结构。线性阵元的宽度和阵元间隔为20-100μm，换能器阵元2切割深度为50-300μm。如图1-图2所示。
优选地，所述压电陶瓷衬底1为具有高机电耦合系数的方形或圆形压电陶瓷片，如：锆钛酸铅陶瓷。每个压电陶瓷片可制作一个至多个，如几十个超声线性相控阵列传感器，其横向尺寸可满足后续半导体加工工艺要求，其边长或直径为10-100mm，厚度范围为50-2000μm。压电陶瓷材料用于超声波激励和回波信号接收。
S20，在换能器阵列一侧进行切割，获得底电极共面电连接槽；底电极共面电连接槽宽度为20-300μm。
采用砂轮或激光等方式在换能器阵列一侧对压电陶瓷片进行切割，切割槽宽度为20-300μm，深度与换能器阵元切割深度相当，形成底电极共面电连接槽。如图3-图4所示。
S30，在换能器阵元之间灌胶，在底电极共面电连接槽内灌导电胶。
具体地，在阵元之间灌胶3，以降低阵元工作时的耦连串扰，阵元之间灌的胶3为非导电胶。另外，还需要在底电极共面电连接槽内灌导电胶11。优选地，后续还需对压电陶瓷衬底表面进行研磨、抛光处理，以形成可以进行半导体光刻工艺的平滑表面。如图5所示。
S40、制备底电极。
具体地，制备底电极5，以及底电极与共面连接槽中导电胶连接的平面结构，底电极采用蒸镀或溅射等镀膜工艺，材料选用Au、Ag、Al等导电性好的金属材料。底电极5与底电极导电胶11相连。如图6-图7所示。
S50、对与底电极相对的压电陶瓷面进行厚度减薄处理，使压电陶瓷厚度降低为50-200μm。
具体地，去掉压电陶瓷衬底底部支撑物，将压电陶瓷衬底翻过来，将其底电极面与支撑物粘结，对与底电极相对的压电陶瓷面进行研磨、抛光，压电陶瓷厚度降低为50-200μm，使其达到微型换能器阵列所需10-50MHZ工作频率要求。如图8-图9所示。
S60、制备上电极及底电极连接面。
具体地，采用半导体光刻、刻蚀或剥离工艺在基片表面形成线性阵列微型换能器上电极4以及用于上电极引线连接的平面结构，同时制备与底电极共面电连接槽内导电胶相连的引线连接平面结构。以及上电极制作采用蒸镀或溅射等镀膜工艺，材料选用Au、Ag、Al等导电性好的金属材料。如图10-图11所示。
S70、将换能器阵列分割，形成多个单个超声线性相控阵列换能器。
具体地，采用激光、砂轮等工艺切割将基片上的多个超声线性相控阵列微型换能器分割。如图12所示。
S80、对换能器引线键合。
具体地，将具有框状结构的电连接PCB板10粘到压电陶瓷衬底1上，PCB板的中心掏空处面积大于上电极及底电极的引线连接平面，粘接时留出基片上不同超声线性相控阵列微型换能器的分割线位置，采用引线压焊工艺将压电陶瓷上的引线连接平面与PCB板电连接图形连接，将电缆6与PCB板电连接图形焊接。如图13-图15所示。
S90、将分离的单个超声线性相控阵列换能器进行封装，然后灌注匹配层，形成所需的压电陶瓷超声线性相控阵列换能器。
具体地，去掉压电陶瓷的支撑物，将分离开的单个超声线性相控阵列微型换能器，用金属外壳9封装，在其中灌背衬胶8作为换能器的背衬材料，最后，灌注匹配层7。如图16所示。
上述实例所述的阵列换能器中各个阵元2按照一定延时规律顺序激发，产生的超声发射波束在检测空间合成，形成聚焦点和指向性。改变各个阵元2激励的延时规则，可以改变焦点位置和波束指向，形成在一定空间范围内的扫描聚焦。
本发明提出一种结合传统平面超声相控阵工艺和微加工工艺相结合的用于微尺度特征超声检测的超声线性相控阵换能器。采用压电陶瓷材料作为换能器功能材料，采用刀片或激光切割等方式分割换能器阵元，通过精细研磨制备具有十到百微米量级厚度的高频超声换能器，采用微加工手段制备横向尺寸在十微米量级的微电极阵列。本发明提供的压电陶瓷超声线性相控阵列微型换能器，检测分辨率高、探测深度大，可用于微尺度特征结构的超声检测。应用于医疗、工业、生物特征识别等领域。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种压电陶瓷超声线性相控阵列换能器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S10，将压电陶瓷衬底切割成多个换能器阵元，形成换能器阵列；所述换能器阵元的宽度和间隔为20-100μm，切割厚度为50-300μm；
S20，在所述换能器阵列一侧进行切割，获得底电极共面电连接槽；所述底电极共面电连接槽宽度为20-300μm；
S30，在所述换能器阵元之间灌胶，在所述底电极共面电连接槽内灌导电胶；
S40、制备底电极；
S50、对与底电极相对的压电陶瓷面进行厚度减薄处理，使压电陶瓷厚度降低为50-200μm；
S60、制备上电极及底电极连接面；
S70、将换能器阵列分割，形成多个单个超声线性相控阵列换能器；
S80、对换能器引线键合；
S90、将分离的单个超声线性相控阵列换能器进行封装，然后灌注匹配层，形成所需的压电陶瓷超声线性相控阵列换能器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述压电陶瓷衬底为方形或圆形压电陶瓷片。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述压电陶瓷衬底为锆钛酸铅陶瓷。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述压电陶瓷衬底形状包括：边长为10-100mm的方形和直径为10-100mm的圆形。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述压电陶瓷衬底的厚度为50-2000μm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述换能器阵元为平面线性结构。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在，步骤S30，后续还需对压电陶瓷衬底表面进行研磨、抛光处理。
8.一种压电陶瓷超声线性相控阵列换能器，其特征在于，所述换能器由权利要求1-7任一所述的制备方法制备而成。
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