CN112604930A - 一种基于mems技术的压电式柔性超声换能器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器及制备方法，该压电式柔性超声换能器包含柔性基底，柔性基底上设置一层底电极，底电极上设置一层压电层，压电层上设置多个表电极，所述多个表电极被划分为两组，每组中的各表电极之间通过导电引线电性连接，且各组的表电极上分别电性连接一根信号输出线，每组的其中一个表电极上分别设置有声阻抗匹配层。本发明中超声换能器具有柔性基底，柔韧性好，应用范围广，采用溅射技术直接生成金属掺杂的ZnO压电薄膜作为压电层，工艺简单，各表电极制作在同一压电层上，制作工艺简单，并可大规模列阵集成化，提高压电换能器的应用能力。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器领域，更具体地说，涉及一种基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器及制备方法。
背景技术
基于微机电系统(MEMS)技术的超声换能器相比于传统宏观的超声换能器具有体积小、易阵列、集成化，易于IC工艺兼容等特点。近年来，在超声成像，指纹识别，传感，无损探测等领域MEMS超声换能器的应用日益广泛。
目前，基于MEMS技术的超声换能器(MUT)可分为电容式(CMUT)和压电式(PMUT)。CMUT电阻一般较大，不利于与前端电路匹配，且工作电压较高(约200V)，不利于器件稳定。由于空腔的存在，薄膜悬于空腔上方，制作工艺较复杂。相对于CMUT，PMUT具有电阻小、驱动电压低，易与前端电路匹配，且制造工艺相对简单，可靠性高等特点，所以应用潜力更大。当前PMUT大多基于硅基底，虽刚性基底能很好的保护器件不受环境损坏，但是不易弯曲，限制了在可穿戴、可植入等领域的应用。
发明内容
针对上述当前PMUT大多基于硅基底，虽刚性基底能很好的保护器件不受环境损坏，但是不易弯曲，限制了在可穿戴、可植入等领域的应用的技术缺陷，本发明提供了一种基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器及制备方法。
根据本发明的其中一方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器，包含柔性基底，柔性基底上设置一层底电极，底电极上设置一层压电层，压电层上设置多个表电极，所述多个表电极被划分为两组，每组中的各表电极之间通过导电引线电性连接，且各组的表电极上分别电性连接一根信号输出线，每组的其中一个表电极上分别设置有声阻抗匹配层。
进一步地，在本发明的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器中，所述柔性基底的制成材料包括聚醚砜、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷以及涤纶树脂。
进一步地，在本发明的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器中，其特征在于，所述压电层3为金属掺杂的ZnO压电薄膜。
进一步地，在本发明的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器中，所述ZnO压电薄膜掺杂的金属元素包括Al、Fe、Cu以及Ga，掺杂质量占比为1％～3％。
进一步地，在本发明的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器中，所述底电极上的ZnO压电薄膜采用溅射技术制作得到。
进一步地，在本发明的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器中，所述底电极和所述表电极的材料包括：铝、银、金以及多晶硅。
根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，还提供了一种基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器的制作方法，包含如下步骤：
a、在柔性基底上沉积一层金属膜作为底电极；
b、在底电极上利用溅射技术制作一层金属掺杂的ZnO压电薄膜作为压电层；
c、在压电层上旋涂上光刻胶；
d、然后通过曝光将掩模版上的图案转移到压电层上的光刻胶上，通过显影技术溶解曝光区域的光刻胶，形成裸露区域；
e、在压电层上裸漏区域沉积上表电极；
f、在表电极上再次旋涂一层光刻胶；
g、然后再次通过曝光将掩模版上的图案转移到表电极上的光刻胶上，通过显影技术溶解曝光区域的光刻胶，形成裸露区域；
h、在表电极层上裸漏区域沉积一层或者多层声阻抗匹配层，
i、最后去除光刻胶，得到基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器。
进一步地，在本发明的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器的制作方法中，所述柔性基底的制成材料包括聚醚砜、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷以及涤纶树脂。
进一步地，在本发明的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器的制作方法中，所述ZnO压电薄膜掺杂的金属元素包括Al、Fe、Cu以及Ga，掺杂质量占比为1％～3％。
进一步地，在本发明的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器的制作方法中，所述底电极和所述表电极的材料包括铝、银、金以及多晶硅。
实施本发明的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器及其制作方法，具有以下有益效果：本发明中超声换能器具有柔性基底，柔韧性好，应用范围广，采用溅射技术直接生成金属掺杂的ZnO压电薄膜作为压电层，工艺简单，各表电极制作在同一压电层上，制作工艺简单，并可大规模列阵集成化，提高压电换能器的应用能力。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器一实施例的结构示意图；
图2是图1中A-A剖面示意图；
图3是压电超声换能器制作过程一实施例的示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参考图1以及图2，图1是基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器一实施例的结构示意图，本实施例的压电式柔性超声换能器包含柔性基底1，柔性基底1上设置一层底电极2，柔性基地1和底电极2均为方形，二者形状大小相同，底电极2上设置一层压电层3，压电层3也为方形，压电层3的四边与底电极2的四边分别存在一定距离，因此底电极2略小于压电层3，但在本发明的其他实施例中，底电极2也可以恰好完全覆盖压电层3。压电层3上设置多个表电极4，所述多个表电极4被划分为两组，在本实施例中，表电极4的数量为8个，每4个为一组，大致按照压电层3的斜对角线进行划分。每组中的各表电极4之间通过导电引线电性连接，且各组的表电极4上分别电性连接一根信号输出线，每组的其中一个表电极4上分别设置有声阻抗匹配层5，在本实施例中如图1所示，在左下角和右上角的表电极4上分别设置有声阻抗匹配层5，声阻抗匹配层5为单层或者多层结构，用于提高换能器的带宽和声波透射效率。声阻抗匹配层5为现有技术，包括基体和填料，基体一般是环氧树脂等溶剂，填料有氧化铝粉、二氧化硅、钨粉、钛酸锶粉末等，采用沉积方式形成，沉积方式一般是浇铸法、刮刀法、旋涂法等方法，形成多层结构时，一层沉积完成后，就可以沉积第二层了，一次类推。
在具体应用实例中，根据实际需求，柔性基底1的制成材料包括聚醚砜、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷以及涤纶树脂等。压电层3为金属掺杂的ZnO压电薄膜，ZnO压电薄膜掺杂的金属元素包括Al、Fe、Cu以及Ga，掺杂质量占比为1％～3％，压电层3使用溅射技术进行沉积，如直流溅射、磁控溅射、射频溅射等技术，沉积厚度可以几微米到几十微米，例如3微米到90微米，具体根据实际需求而定。底电极2和表电极4的材料可以金属材料，如铝、银、金等，也可以是多晶硅等导电材料，厚度般在200nm到10μm之间，底电极2和表电极4都是通过真空溅射镀上的，掺杂其他金属元素，是为了改变电极的一些特性，如抗氧化性、抗腐蚀性、导电性等，掺杂的方式是使用的靶材含有掺杂的金属元素，或者2个靶同时溅射，掺杂质量占比在1％～3％左右。
参考图3，图3是压电超声换能器制作过程一实施例的示意图，用于制作上述的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器。本实施例的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器的制作方法包含如下步骤：
a、在柔性基底1上沉积一层金属膜作为底电极2；
柔性基底1的制成材料包括聚醚砜、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷以及涤纶树脂。
b、在底电极2上利用溅射技术制作一层金属掺杂的ZnO压电薄膜作为压电层；
压电层3为金属掺杂的ZnO压电薄膜，ZnO压电薄膜掺杂的金属元素包括Al、Fe、Cu以及Ga，掺杂质量占比为1％～3％，压电层3使用溅射技术进行沉积，如直流溅射、磁控溅射、射频溅射等技术，沉积厚度可以几微米到几十微米，例如3微米到90微米，具体根据实际需求而定。
c、在压电层3上旋涂上光刻胶。
d、然后通过曝光将掩模版上的图案转移到压电层3上的光刻胶上，通过显影技术溶解曝光区域的光刻胶，形成裸露区域。
e、在压电层3上裸漏区域沉积上表电极4。
底电极2和表电极4的材料可以金属材料，如铝、银、金等，也可以是多晶硅等导电材料，厚度般在200nm到10μm之间，底电极2和表电极4都是通过真空溅射镀上的，掺杂其他金属元素，是为了改变电极的一些特性，如抗氧化性、抗腐蚀性、导电性等，掺杂的方式是使用的靶材含有掺杂的金属元素，或者2个靶同时溅射，掺杂质量占比在1％～3％左右。
f、在表电极上再次旋涂一层光刻胶。
g、然后再次通过曝光将掩模版上的图案转移到表电极4上的光刻胶上，通过显影技术溶解曝光区域的光刻胶，形成裸露区域。
h、在表电极层4上裸漏区域沉积一层或者多层声阻抗匹配层5，按照前述记载，只需要在2个表电极层4上分别沉积声阻抗匹配层5。
i、最后去除光刻胶，得到基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器。
本发明中超声换能器具有柔性基底，柔韧性好，应用范围广，采用溅射技术直接生成金属掺杂的ZnO压电薄膜作为压电层，工艺简单，各表电极制作在同一压电层上，制作工艺简单，并可大规模列阵集成化，提高压电换能器的应用能力。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器，其特征在于，包含柔性基底，柔性基底上设置一层底电极，底电极上设置一层压电层，压电层上设置多个表电极，所述多个表电极被划分为两组，每组中的各表电极之间通过导电引线电性连接，且各组的表电极上分别电性连接一根信号输出线，每组的其中一个表电极上分别设置有声阻抗匹配层。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器，其特征在于，所述柔性基底的制成材料包括聚醚砜、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷以及涤纶树脂。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器，其特征在于，所述压电层为金属掺杂的ZnO压电薄膜。
4.根据权力要求3所述的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器，其特征在于，所述ZnO压电薄膜掺杂的金属元素包括Al、Fe、Cu以及Ga，掺杂质量占比为1％～3％。
5.根据权力要求1所述的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器，其特征在于，所述底电极上的ZnO压电薄膜采用溅射技术制作得到。
6.根据权力要求1所述的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器，其特征在于，所述底电极和所述表电极的材料包括：铝、银、金以及多晶硅。
7.一种基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器的制作方法，其特征在于，包含如下步骤：
a、在柔性基底上沉积一层金属膜作为底电极；
b、在底电极上利用溅射技术制作一层金属掺杂的ZnO压电薄膜作为压电层；
c、在压电层上旋涂上光刻胶；
d、然后通过曝光将掩模版上的图案转移到压电层上的光刻胶上，通过显影技术溶解曝光区域的光刻胶，形成裸露区域；
e、在压电层上裸漏区域沉积上表电极；
f、在表电极上再次旋涂一层光刻胶；
g、然后再次通过曝光将掩模版上的图案转移到表电极上的光刻胶上，通过显影技术溶解曝光区域的光刻胶，形成裸露区域；
h、在表电极层上裸漏区域沉积一层或者多层声阻抗匹配层，
i、最后去除光刻胶，得到基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器。
8.根据权利要求7所述的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器的制作方法，其特征在于，所述柔性基底的制成材料包括聚醚砜、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷以及涤纶树脂。
9.根据权利要求7所述的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器的制作方法，其特征在于，所述ZnO压电薄膜掺杂的金属元素包括Al、Fe、Cu以及Ga，掺杂质量占比为1％～3％。
10.根据权力要求7所述的基于MEMS技术的压电式柔性超声换能器的制作方法，其特征在于，所述底电极和所述表电极的材料包括铝、银、金以及多晶硅。
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