CN113182157A - 一种柔性压电超声波换能器 - Google Patents
一种柔性压电超声波换能器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113182157A CN113182157A CN202110460785.0A CN202110460785A CN113182157A CN 113182157 A CN113182157 A CN 113182157A CN 202110460785 A CN202110460785 A CN 202110460785A CN 113182157 A CN113182157 A CN 113182157A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- layer
- sputtering
- bottom electrode
- titanium
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 46
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 46
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 46
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 46
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims abstract description 44
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims abstract description 44
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 229920000734 polysilsesquioxane polymer Polymers 0.000 claims abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims abstract description 15
- IUYOGGFTLHZHEG-UHFFFAOYSA-N copper titanium Chemical compound [Ti].[Cu] IUYOGGFTLHZHEG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 111
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 72
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 72
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 72
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 66
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 24
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 23
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 23
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 18
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 13
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 12
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 8
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 6
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 abstract description 5
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 210000000481 breast Anatomy 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/08—Oxides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
- C23C14/165—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/58—After-treatment
- C23C14/5806—Thermal treatment
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
Abstract
本发明公开了一种柔性压电超声波换能器，包括背衬层、底电极、压电层、顶电极、匹配层。所述背衬层采用掺钨粉的环氧树脂制备；所述底电极制备材料为延展性金属铜，具有柔性特点；压电层材料为锆钛酸铅薄膜，匹配层材料为笼型聚倍半硅氧烷(POSS)改性环氧树脂；顶电极为钛‑铜薄膜。本发明具有带宽大、体积小、可阵列化、易批量制备等优点。本发明的背衬层采用环氧树脂掺钨粉制备，可以减少超声波反射造成的干扰。所述匹配层采用笼型聚倍半硅氧烷(POSS)改性环氧树脂材料，可以提高换能器的频宽，提升超声图像横向分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器领域，特别涉及一种柔性压电超声波换能器。
背景技术：
超声、CT与核磁共振成像并称为医学影像三大巨头，在临床医学领域具有举足轻重的作用，是医疗器械领域高科技水平的典范。其中超声成像更方便、快捷，同时无辐射，安全可靠，可多次重复检查，具有较高的性价比。
目前超声影像领域所用超声波传感器几乎全部为块体压电陶瓷(PZT)超声换能器，其在成像分辨率、动态响应、微型化等方面存在诸多局限。随着薄膜压电材料及微电子技术的快速发展，基于CMOS工艺的MEMS压电超声波换能器(PMUT)取得很大进展和突破，相比较传统PZT超声换能器，PMUT具有更好的阻抗匹配、动态响应及能量转化效率，在医疗成像、无损探测和检测等应用中更具有优势。
目前PMUT普遍采用硅基设计，无法适应于一些要求超声波换能器为柔性器件的特殊应用场景，如乳腺检测、颅脑成像、管道探测等。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提出了一种柔性压电超声波换能器。为实现上述目的，本发明实施方案如下：一种柔性压电超声波换能器，包括背衬层、底电极、压电层、顶电极、匹配层。所述背衬层、底电极、压电层、顶电极依次溅射沉积组成；所述匹配层旋涂在背衬层、底电极、压电层和顶电极裸露的上表面。
进一步地，所述背衬层的材料为掺钨粉的环氧树脂；所述底电极的制备材料为具有延展性的金属铜；所述匹配层为笼型聚倍半硅氧烷(POSS)改性环氧树脂材料，笼型聚倍半硅氧烷简称为POSS。
进一步地，所述掺钨粉的环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂和固化剂按质量比为1：1加热融化，按钨粉质量分数为45％-95％的比例加入钨粉，在加热的同时用玻璃棒搅拌混合物30分钟，使混合物均匀冷却，得到掺钨粉的环氧树脂。
进一步地，所述底电极的铜厚度为5-100μm；所述底电极的表面还沉积有一层钛薄膜，其厚度为50-150nm；所述钛薄膜溅射沉积于底电极(2)的铜薄膜的上方。
进一步地，底电极表面的钛薄膜，通过磁控溅射沉积得到，生长条件包括：靶材为纯钛，真空度为5x10-3-8x10-3mbar，基底温度为200-300℃，电压为200-350V，脉冲功率为90-120W，频率为80-120kHz，氩气流速50-60sccm；
进一步地，所述压电层的材料为锆钛酸铅薄膜，简称为PZT薄膜，通过溅射方法沉积在底电极(2)表面钛薄膜层上,所述锆钛酸铅(PZT)薄膜的厚度为0.5-8μm；
进一步地，所述压电层PZT薄膜的溅射制备方法包括：靶材为PZT，真空压力为10-2～10-4torr,Ar:O2体积比为1-10，溅射功率为30-300W，溅射时间为0.5-20小时，退火温度为400-750℃，持续时间为20-500s。
进一步地，所述顶电极的材料为钛-铜薄膜，其中钛薄膜厚度为50-150nm，铜薄膜厚度为200-1500nm。所述顶电极的铜薄膜沉积在钛薄膜的上方；所述压电层的材料锆钛酸铅薄膜的两侧分别为底电极表面的钛薄膜和顶电极表面的钛薄膜。
进一步地，所述顶电极中钛薄膜采用磁控溅射沉积制备，靶材为纯钛，溅射气压为0.4-0.6Pa，溅射功率为恒定电流0.8-1.2A，真空度为4-5×10-3Pa，溅射功率为300-350W；顶电极中铜薄膜采用磁控溅射沉积制备，靶材为纯铜，溅射气压为0.3-0.5Pa，溅射功率为恒定电流0.8-1.2A，真空度为4×10-3-5×10-3Pa，溅射功率为400-500W。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种柔性压电超声波换能器采用延展性好的铜作为器件柔性基底，通过MEMS微加工技术制备了薄膜底电极、PZT薄膜、薄膜上电极等结构，器件具有带宽大、体积小、可阵列化、易批量制备等优点。
本发明采用铜作为换能器基底，柔性好，材料便宜，可降低器件的成本，更适合做为环形换能器；采用铜作为上电极，与PZT薄膜的结合力高，且易于焊接。此外，背衬层采用环氧树脂掺钨粉制备，可以减少超声波反射对压电薄膜的干扰。匹配层采用笼型聚倍半硅氧烷(POSS)改性环氧树脂材料，可以提高换能器的频宽，可提升超声图像横向分辨率。
附图说明
图1为本发明实施例一柔性压电超声波换能器的结构图；
图2为本发明实施例一方案制备的3MHz换能器频率响应图；
图3为本发明实施例二方案制备的4MHz换能器频率响应图。
图中，1、背衬层；2、底电极；3、压电层；4、顶电极；5、匹配层。
具体实施方式
实施例1
本实施例提出的一种柔性压电超声波换能器，如图1所示，包括背衬层1、底电极2、压电层3、顶电极4、匹配层5；所述背衬层1、底电极2、压电层3、顶电极4依次溅射沉积组成；所述匹配层5旋涂在背衬层1、底电极2、压电层3和顶电极4裸露的上表面。
所述背衬层1的材料为掺钨粉的环氧树脂；所述匹配层5为笼型聚倍半硅氧烷(POSS)改性环氧树脂材料；所述底电极2制备材料为具有延展性的金属铜；
所述掺钨粉的环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂(环氧树脂A胶)和固化剂(环氧树脂B胶)按质量比为1：1加热融化，按钨粉质量分数为45％的比例加入钨粉，在加热的同时用玻璃棒搅拌混合物30分钟，使混合物均匀冷却，得到掺钨粉的环氧树脂。
所述底电极2的铜厚度为20μm；所述底电极2的表面还沉积有一层钛薄膜，其厚度为100nm；所述钛薄膜溅射沉积于底电极2的铜薄膜的上方。
所述底电极2表面的钛薄膜，通过磁控溅射沉积得到，生长条件包括：靶材为纯钛，真空度为6x10-3mbar，基底温度为250℃，电压为300V，脉冲功率为100W，频率为100kHz，氩气流速60sccm；
所述压电层3材料为锆钛酸铅(PZT)薄膜，通过溅射方法沉积在底电极2表面钛薄膜层上,所述锆钛酸铅(PZT)薄膜的厚度为4μm；
所述PZT薄膜的溅射制备方法包括：靶材为PZT，真空压力为10-3torr,Ar:O2体积比为1：7，溅射功率为200W，溅射时间为10小时，退火温度为600℃，持续时间为300s。
所述顶电极4为钛-铜薄膜，其中钛薄膜厚度为100nm，铜薄膜厚度为800nm。所述顶电极4的铜薄膜沉积在钛薄膜的上方；所述压电层3的材料锆钛酸铅薄膜的两侧分别为底电极4表面的钛薄膜和顶电极4表面的钛薄膜。
所述顶电极4中钛薄膜采用磁控溅射沉积制备，靶材为纯钛，溅射气压为0.5Pa，溅射功率为恒定电流1A，真空度为5×10-3Pa，溅射功率为300W；顶电极4中铜薄膜采用磁控溅射沉积制备，靶材为纯铜，溅射气压为0.4Pa，溅射功率为恒定电流1A，真空度为5×10-3Pa，溅射功率为450W。
对制备得到的柔性压电超声波换能器进行测试，得到图2所示频率响应图，中心频率3MHz，频宽1.5MHz，具有较高的频宽，可提升超声图像横向分辨率。
实施例2
本实施例提出的一种柔性压电超声波换能器，包括背衬层1、底电极2、压电层3、顶电极4、匹配层5；所述背衬层1、底电极2、压电层3、顶电极4依次溅射沉积组成；所述匹配层5旋涂在背衬层1、底电极2、压电层3和顶电极4裸露的上表面。
所述背衬层1的材料为环氧树脂掺钨粉；所述匹配层5为笼型聚倍半硅氧烷(POSS)改性环氧树脂材料；所述底电极2制备材料为具有延展性的金属铜；
所述底电极2的铜厚度为20μm；所述底电极2的表面还沉积有一层钛薄膜，其厚度为100nm；所述底电极2表面的钛薄膜，通过磁控溅射沉积得到，生长条件包括：靶材为纯钛，真空度为6x10-3mbar，基底温度为250℃，电压为300V，脉冲功率为100W，频率为100kHz，氩气流速60sccm；
所述掺钨粉的环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂(环氧树脂A胶)和固化剂(环氧树脂B胶)按质量比为1：1加热融化，按钨粉质量分数为65％的比例加入钨粉，在加热的同时用玻璃棒搅拌混合物30分钟，使混合物均匀冷却，得到掺钨粉的环氧树脂。
所述压电层3的材料为锆钛酸铅(PZT)薄膜，通过溅射方法沉积在底电极2表面钛薄膜层上,所述锆钛酸铅(PZT)薄膜的厚度为6μm；所述钛薄膜溅射沉积于底电极2的铜薄膜的上方。
所述PZT薄膜的溅射制备方法包括：靶材为PZT，真空压力为10-3torr,Ar:O2为体积比为1：7，溅射功率为200W，溅射时间为15小时，退火温度为600℃，持续时间为300s。
所述顶电极4为钛-铜薄膜，其中钛薄膜厚度为100nm，铜薄膜厚度为800nm。所述顶电极4的铜薄膜沉积在钛薄膜的上方；所述压电层3的材料锆钛酸铅薄膜的两侧分别为底电极4表面的钛薄膜和顶电极4表面的钛薄膜。
所述顶电极3中钛薄膜采用磁控溅射沉积制备，靶材为纯钛，溅射气压为0.5Pa，溅射功率为恒定电流1A，真空度为5×10-3Pa，溅射功率为300W；顶电极4中铜薄膜采用磁控溅射沉积制备，靶材为纯铜，溅射气压为0.4Pa，溅射功率为恒定电流1A，真空度为5×10-3Pa，溅射功率为450W。
对制备得到的柔性压电超声波换能器进行测试，得到图3所示频率响应图，中心频率4MHz，频宽3.5MHz，具有较高的频宽，可提升超声图像横向分辨率。
实施例3
一种柔性压电超声波换能器，包括背衬层1、底电极2、压电层3、顶电极4、匹配层5。所述背衬层1、底电极2、压电层3、顶电极4依次溅射沉积组成；所述匹配层5旋涂在背衬层1、底电极2、压电层3和顶电极4裸露的上表面。
所述背衬层1的材料为掺钨粉的环氧树脂；所述匹配层5为笼型聚倍半硅氧烷(POSS)改性环氧树脂材料；所述底电极2制备材料为具有延展性的金属铜；
所述掺钨粉的环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂(环氧树脂A胶)和固化剂(环氧树脂B胶)按质量比为1：1加热融化，按钨粉质量分数为85％的比例加入钨粉，在加热的同时用玻璃棒搅拌混合物30分钟，使混合物均匀冷却，得到掺钨粉的环氧树脂。
所述底电极2的铜厚度为5μm；所述底电极2的表面还沉积有一层钛薄膜，其厚度为150nm；所述钛薄膜溅射沉积于底电极2的铜薄膜的上方。
所述底电极2表面的钛薄膜，通过磁控溅射沉积得到，生长条件包括：靶材为纯钛，真空度为5x10-3mbar，基底温度为200℃，电压为200V，脉冲功率为90W，频率为120kHz，氩气流速60sccm；
所述压电层3的材料为锆钛酸铅(PZT)薄膜，通过溅射方法沉积在底电极表面钛薄膜层上,所述锆钛酸铅(PZT)薄膜的厚度为0.5μm；
所述ZT薄膜的溅射制备方法包括：靶材为PZT，真空压力为10-2torr,Ar:O2为体积比为1：10，溅射功率为30W，溅射时间为20小时，退火温度为750℃，持续时间为20s。
所述顶电极为钛-铜薄膜，其中钛薄膜厚度为50nm，铜薄膜厚度为200nm。所述顶电极4的铜薄膜沉积在钛薄膜的上方；所述压电层3的材料锆钛酸铅薄膜的两侧分别为底电极4表面的钛薄膜和顶电极4表面的钛薄膜。
所述顶电极中钛薄膜采用磁控溅射沉积制备，靶材为纯钛，溅射气压为0.4Pa，溅射功率为恒定电流0.8A，真空度为4×10-3Pa，溅射功率为350W；顶电极中铜薄膜采用磁控溅射沉积制备，靶材为纯铜，溅射气压为0.3Pa，溅射功率为恒定电流1.2A，真空度为4×10- 3Pa，溅射功率为400W。
对实施例3制备得到的柔性压电超声波换能器进行测试，中心频率1MHz，带宽600KHz，具有较高的频宽，可提升超声图像横向分辨率。
实施例4
一种柔性压电超声波换能器，包括背衬层、底电极、压电层、顶电极、匹配层。所述背衬层1、底电极2、压电层3、顶电极4依次溅射沉积组成；所述匹配层5旋涂在背衬层1、底电极2、压电层3和顶电极4裸露的上表面。
所述背衬层的材料为掺钨粉的环氧树脂；所述匹配层为笼型聚倍半硅氧烷(POSS)改性环氧树脂材料；所述底电极制备材料为具有延展性较好的金属铜；
所述掺钨粉的环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂(环氧树脂A胶)和固化剂(环氧树脂B胶)按质量比为1：1加热融化，按钨粉质量分数为95％的比例加入钨粉，在加热的同时用玻璃棒搅拌混合物30分钟，使混合物均匀冷却，得到掺钨粉的环氧树脂。
所述底电极的铜厚度为100μm；所述底电极的表面还沉积有一层钛薄膜，其厚度为50nm；所述钛薄膜溅射沉积于底电极2的铜薄膜的上方。
所述底电极表面的钛薄膜，通过磁控溅射沉积得到，生长条件包括：靶材为纯钛，真空度为8x10-3mbar，基底温度为300℃，电压为350V，脉冲功率为120W，频率为80kHz，氩气流速50sccm；
所述压电层3的材料为锆钛酸铅(PZT)薄膜，通过溅射方法沉积在底电极2表面的钛薄膜层上,所述锆钛酸铅(PZT)薄膜的厚度为8μm；
PZT薄膜的溅射制备方法包括：靶材为PZT，真空压力为10-4torr,Ar:O2为体积比为1：1，溅射功率为300W，溅射时间为0.5小时，退火温度为400℃，持续时间为500s。
所述顶电极4为钛-铜薄膜，其中钛薄膜厚度为150nm，铜薄膜厚度为1500nm。所述顶电极4的铜薄膜沉积在钛薄膜的上方；所述压电层3的材料锆钛酸铅薄膜的两侧分别为底电极4表面的钛薄膜和顶电极4表面的钛薄膜。
所述顶电极4中钛薄膜采用磁控溅射沉积制备，靶材为纯钛，溅射气压为0.6Pa，溅射功率为恒定电流1.2A，真空度为5×10-3Pa，溅射功率为350W；顶电极4中铜薄膜采用磁控溅射沉积制备，靶材为纯铜，溅射气压为0.5Pa，溅射功率为恒定电流0.8A，真空度为5×10- 3Pa，溅射功率为500W。
对实施例4制备得到的柔性压电超声波换能器进行测试，中心频率10MHz，带宽5MHz，具有较高的频宽，可提升超声图像横向分辨率。
Claims (9)
1.一种柔性压电超声波换能器，其特征在于，包括背衬层(1)、底电极(2)、压电层(3)、顶电极(4)、匹配层(5)；所述背衬层(1)、底电极(2)、压电层(3)、顶电极(4)依次溅射沉积组成；所述匹配层(5)旋涂在背衬层(1)、底电极(2)、压电层(3)和顶电极(4)裸露的上表面。
2.根据权利要求1所述的柔性压电超声波换能器，其特征在于，所述背衬层(1)的材料为掺钨粉的环氧树脂；所述底电极(2)的制备材料为金属铜；所述匹配层(5)的材料为笼型聚倍半硅氧烷改性环氧树脂材料。
3.根据权利要求1所述的柔性压电超声波换能器，其特征在于，所述掺钨粉的环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂和固化剂按质量比为1：1加热融化，按钨粉质量分数为45％-95％的比例加入钨粉，在加热的同时用玻璃棒搅拌混合物30分钟，使混合物均匀冷却，得到掺钨粉的环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的柔性压电超声波换能器，其特征在于，所述底电极(2)的铜薄膜厚度为5-100μm；所述底电极(2)的表面还沉积有一层钛薄膜，其厚度为50-150nm；所述钛薄膜溅射沉积于底电极(2)的铜薄膜的上方。
5.根据权利要求4所述的柔性压电超声波换能器，其特征在于，底电极(2)表面的钛薄膜，通过磁控溅射沉积得到，生长条件包括：靶材为纯钛，真空度为5x10-3-8x10-3mbar，基底温度为200-300℃，电压为200-350V，脉冲功率为90-120W，频率为80-120kHz，氩气流速50-60sccm。
6.根据权利要求1所述的柔性压电超声波换能器，其特征在于，所述压电层(3)的材料为锆钛酸铅薄膜，通过溅射方法沉积在底电极(2)表面钛薄膜层上,所述锆钛酸铅薄膜的厚度为0.5-8μm。
7.根据权利要求6所述的柔性压电超声波换能器，其特征在于，所述压电层(3)材料锆钛酸铅薄膜的溅射制备方法包括：靶材为锆钛酸铅，真空压力为10-2～10-4torr,Ar:O2体积比为1：1-10，溅射功率为30-300W，溅射时间为0.5-20小时，退火温度为400-750℃，持续时间为20-500s。
8.根据权利要求1所述的柔性压电超声波换能器，其特征在于，所述顶电极(4)的材料为钛-铜薄膜，其中钛薄膜厚度为50-150nm，铜薄膜厚度为200-1500nm；所述顶电极(4)的铜薄膜沉积在钛薄膜的上方；所述压电层(3)的材料锆钛酸铅薄膜的两侧分别为底电极(2)表面的钛薄膜和顶电极(4)表面的钛薄膜。
9.根据权利要求8所述的柔性压电超声波换能器，其特征在于，所述顶电极(4)中钛薄膜采用磁控溅射沉积制备，靶材为纯钛，溅射气压为0.4-0.6Pa，溅射功率为恒定电流0.8-1.2A，真空度为4×10-3-5×10-3Pa，溅射功率为300-350W；顶电极(4)中铜薄膜采用磁控溅射沉积制备，靶材为纯铜，溅射气压为0.3-0.5Pa，溅射功率为恒定电流0.8-1.2A，真空度为4×10-3-5×10-3Pa，溅射功率为400-500W。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110460785.0A CN113182157B (zh) | 2021-04-27 | 2021-04-27 | 一种柔性压电超声波换能器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110460785.0A CN113182157B (zh) | 2021-04-27 | 2021-04-27 | 一种柔性压电超声波换能器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113182157A true CN113182157A (zh) | 2021-07-30 |
| CN113182157B CN113182157B (zh) | 2023-04-18 |
Family
ID=76979647
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110460785.0A Active CN113182157B (zh) | 2021-04-27 | 2021-04-27 | 一种柔性压电超声波换能器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113182157B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114101016A (zh) * | 2021-11-04 | 2022-03-01 | 之江实验室 | 一种磁控柔性超声换能装置 |
| CN115266948A (zh) * | 2022-09-20 | 2022-11-01 | 之江实验室 | 一种高频薄膜超声换能器及制备方法 |
| CN117597010A (zh) * | 2023-10-23 | 2024-02-23 | 哈尔滨工业大学 | 一种超声驱动液态金属作为导电材料的柔性超声传感器制备方法 |
Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101081169A (zh) * | 2006-05-31 | 2007-12-05 | 株式会社东芝 | 阵列式超声波探针和超声波诊断装置 |
| CN101380627A (zh) * | 2007-09-06 | 2009-03-11 | Ge医疗系统环球技术有限公司 | 超声探头和超声成像装置 |
| CN101569882A (zh) * | 2009-06-16 | 2009-11-04 | 北京理工大学 | 线性超声相控阵换能器 |
| CN102068276A (zh) * | 2009-11-24 | 2011-05-25 | 株式会社东芝 | 超声波探头 |
| CN102338777A (zh) * | 2010-07-15 | 2012-02-01 | 广州多浦乐电子科技有限公司 | 一种用于超声相控阵探头的高导热高衰减的背衬材料及其制造方法 |
| US20130154443A1 (en) * | 2011-12-19 | 2013-06-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Piezoelectric material, piezoelectric element, liquid ejection head, ultrasonic motor, and dust removing device |
| CN103172306A (zh) * | 2013-04-08 | 2013-06-26 | 天津大学 | 一种水弹性模型材料及其制备方法 |
| CN104720848A (zh) * | 2013-12-20 | 2015-06-24 | 三星麦迪森株式会社 | 超声诊断设备及其制造方法 |
| CN105080822A (zh) * | 2015-09-07 | 2015-11-25 | 上海爱声生物医疗科技有限公司 | 一种新型超声换能器 |
| US20160231289A1 (en) * | 2015-02-06 | 2016-08-11 | Olympus Scientific Solutions Americas Inc. | Phased array ultrasonic transducers with solderless stack bonding assembly |
| CN106960903A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-07-18 | 成都泰声科技有限公司 | 一种微型定向超声换能器及其加工工艺 |
| CN206482598U (zh) * | 2016-11-30 | 2017-09-12 | 河北奥索电子科技有限公司 | 一种大带宽跟骨骨密度超声探头 |
| CN107497654A (zh) * | 2017-08-10 | 2017-12-22 | 北京半导体专用设备研究所（中国电子科技集团公司第四十五研究所） | 一种用于超声扫描显微镜的高频换能器及其制备方法 |
| CN111318439A (zh) * | 2020-03-02 | 2020-06-23 | 上海师范大学 | 一种基于高居里温度压电材料的超声换能器及其制备方法 |
| CN112452694A (zh) * | 2020-09-23 | 2021-03-09 | 长江大学 | 多频压电式微型超声换能器单元、阵列和方法 |
| CN112625382A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-04-09 | 之江实验室 | 一种柔性压电复合材料、柔性电子皮肤及其制备方法 |
| CN114207856A (zh) * | 2019-06-28 | 2022-03-18 | 富士胶片株式会社 | 高分子复合压电体、压电薄膜、压电扬声器、柔性显示屏 |
-
2021
- 2021-04-27 CN CN202110460785.0A patent/CN113182157B/zh active Active
Patent Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101081169A (zh) * | 2006-05-31 | 2007-12-05 | 株式会社东芝 | 阵列式超声波探针和超声波诊断装置 |
| CN101380627A (zh) * | 2007-09-06 | 2009-03-11 | Ge医疗系统环球技术有限公司 | 超声探头和超声成像装置 |
| CN101569882A (zh) * | 2009-06-16 | 2009-11-04 | 北京理工大学 | 线性超声相控阵换能器 |
| CN102068276A (zh) * | 2009-11-24 | 2011-05-25 | 株式会社东芝 | 超声波探头 |
| CN102338777A (zh) * | 2010-07-15 | 2012-02-01 | 广州多浦乐电子科技有限公司 | 一种用于超声相控阵探头的高导热高衰减的背衬材料及其制造方法 |
| US20130154443A1 (en) * | 2011-12-19 | 2013-06-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Piezoelectric material, piezoelectric element, liquid ejection head, ultrasonic motor, and dust removing device |
| CN103172306A (zh) * | 2013-04-08 | 2013-06-26 | 天津大学 | 一种水弹性模型材料及其制备方法 |
| CN104720848A (zh) * | 2013-12-20 | 2015-06-24 | 三星麦迪森株式会社 | 超声诊断设备及其制造方法 |
| US20160231289A1 (en) * | 2015-02-06 | 2016-08-11 | Olympus Scientific Solutions Americas Inc. | Phased array ultrasonic transducers with solderless stack bonding assembly |
| CN105080822A (zh) * | 2015-09-07 | 2015-11-25 | 上海爱声生物医疗科技有限公司 | 一种新型超声换能器 |
| CN206482598U (zh) * | 2016-11-30 | 2017-09-12 | 河北奥索电子科技有限公司 | 一种大带宽跟骨骨密度超声探头 |
| CN106960903A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-07-18 | 成都泰声科技有限公司 | 一种微型定向超声换能器及其加工工艺 |
| CN107497654A (zh) * | 2017-08-10 | 2017-12-22 | 北京半导体专用设备研究所（中国电子科技集团公司第四十五研究所） | 一种用于超声扫描显微镜的高频换能器及其制备方法 |
| CN114207856A (zh) * | 2019-06-28 | 2022-03-18 | 富士胶片株式会社 | 高分子复合压电体、压电薄膜、压电扬声器、柔性显示屏 |
| CN111318439A (zh) * | 2020-03-02 | 2020-06-23 | 上海师范大学 | 一种基于高居里温度压电材料的超声换能器及其制备方法 |
| CN112452694A (zh) * | 2020-09-23 | 2021-03-09 | 长江大学 | 多频压电式微型超声换能器单元、阵列和方法 |
| CN112625382A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-04-09 | 之江实验室 | 一种柔性压电复合材料、柔性电子皮肤及其制备方法 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114101016A (zh) * | 2021-11-04 | 2022-03-01 | 之江实验室 | 一种磁控柔性超声换能装置 |
| CN114101016B (zh) * | 2021-11-04 | 2022-08-23 | 之江实验室 | 一种磁控柔性超声换能装置 |
| CN115266948A (zh) * | 2022-09-20 | 2022-11-01 | 之江实验室 | 一种高频薄膜超声换能器及制备方法 |
| CN115266948B (zh) * | 2022-09-20 | 2023-02-17 | 之江实验室 | 一种高频薄膜超声换能器及制备方法 |
| CN117597010A (zh) * | 2023-10-23 | 2024-02-23 | 哈尔滨工业大学 | 一种超声驱动液态金属作为导电材料的柔性超声传感器制备方法 |
| CN117597010B (zh) * | 2023-10-23 | 2024-08-27 | 哈尔滨工业大学 | 一种超声驱动液态金属作为导电材料的柔性超声传感器及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113182157B (zh) | 2023-04-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113182157B (zh) | 一种柔性压电超声波换能器 | |
| JP6931014B2 (ja) | 超音波整合層および振動子 | |
| JP3610364B2 (ja) | 医療画像化のための多重圧電層超音波変換器 | |
| CN101885606B (zh) | 压电铁电薄膜的制备方法 | |
| US20050194865A1 (en) | High frequency ultrasound transducers based on ceramic films | |
| CA2846269C (en) | Porosity control in piezoelectric films | |
| CN108675834A (zh) | 一种提高陶瓷表面金属化薄膜附着力的方法 | |
| JP2000200930A (ja) | 圧電体装置及びその製造方法 | |
| WO2015075471A2 (en) | Ultrasound transducer and method of manufacturing | |
| US11882767B2 (en) | Formation of piezoelectric devices | |
| CN108493325A (zh) | 一种高频高性能声表面波器件及其制备方法 | |
| Lau et al. | KNN/BNT composite lead-free films for high-frequency ultrasonic transducer applications | |
| Zhao et al. | Fabrication of piezoelectric thick-film stator using electrohydrodynamic jet printing for micro rotary ultrasonic motors | |
| JP2010013326A (ja) | 微細酸化物構造体及びその製造方法、複合圧電材料、積層型圧電振動子、超音波探触子、並びに、超音波診断装置 | |
| Zhou et al. | Design and fabrication of PZN-7% PT single crystal high frequency angled needle ultrasound transducers | |
| CN108793061A (zh) | 一种全电极凸纹结构cmut器件的制备方法 | |
| JP5330002B2 (ja) | 粒子の固着方法及び粒子固着体の製造方法 | |
| JP2013026682A (ja) | 医用複合単結晶圧電振動子、医用超音波プローブ、医用複合単結晶圧電振動子製造方法および医用超音波プローブ製造方法 | |
| TW202200967A (zh) | 陣列式超音波感測器的製備方法及陣列式超音波感測器 | |
| Jakob et al. | Comparison of different piezoelectric materials for GHz acoustic microscopy transducers | |
| JPH11276480A (ja) | 複合圧電振動子およびその製造方法 | |
| Kline-Schoder et al. | Fabrication of high frequency ultrasonic transducer arrays using physical vapor deposition [for in vivo imaging] | |
| Zhou et al. | High frequency piezoelectric micromachined ultrasonic transducers for imaging applications | |
| CN117415000A (zh) | 一种超声换能器及其制备方法和应用 | |
| Feng et al. | Fabrication of arbitrary curvature focused PZT thin film ultrasonic transducer with tunable acoustic impedance based on micropatterned flexible substrate |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |