CN113182157B - 一种柔性压电超声波换能器 - Google Patents
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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 (1)
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；所述底电极（2）的制备材料为金属铜，所述底电极（2）的表面还沉积有一层钛薄膜；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；所述匹配层（5）的材料为笼型聚倍半硅氧烷改性环氧树脂材料；
所述背衬层（1）的材料为掺钨粉的环氧树脂；
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；
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；
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5x10-3-8x10-3mbar，基底温度为200-300°C，电压为200-350V，脉冲功率为90-120W，频率为80-120kHz，氩气流速50-60sccm；
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；
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10-2～10-4 torr, 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；
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；
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。
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