CN114871083B - 电容式微机械超声换能器柔性柱面阵及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式微机械超声换能器柔性柱面阵，属于MEMS技术领域。该柱面阵由多个相同的曲面阵对接拼装而成，单个曲面阵主要由叠置的模具、柔性PCB板和CMUT晶圆组成，CMUT晶圆划割形成多条线阵，线阵之间填充PDMS，CMUT晶圆顶面设置有金属上电极、底面设置有金属下电极。本发明柔性柱面阵具有高密度、高一致性的优点，能够包围在乳腺四周进行筛查，可在孔径为20cm的CMUT柱面阵空间内实现对乳腺组织的检测，在超声成像领域将具有很好的成本和性能优势。

Description

电容式微机械超声换能器柔性柱面阵及其制备方法

技术领域

本发明属于MEMS技术领域，具体是一种电容式微机械超声换能器柔性柱面阵及其制备方法。

背景技术

超声波具有方向性好、穿透能力强、声能易集中、水中传播距离远等特点，已成为传递物质信息的一种重要手段，可用于医学诊断、无损检测、测距、测速、清洗、焊接、杀菌消毒等方面，在医学、军事、工业、农业等众多领域有着广泛的应用。随着超声技术的迅速发展，实时三维超声成像成为超声成像新趋势，传统的二维超声成像技术只能够得到平面图像，无法显示生物组织的立体结构，不能实时确定生物组织的状态，而实时三维超声成像可以全面立体地反应生物组织的分布，有利于辨别复杂的生物组织，得到更多有价值的信息，是当今医学成像的发展趋势。超声成像设备的关键部件是超声换能器，它可以发射和接收超声波，实现声能与电能的转换。超声换能器的性能决定超声检测技术和设备的好坏。

近年来，超声CT技术作为一种新型的乳腺癌影像技术得到快速发展，以乳腺横断面体层成像为主，具有 CT 技术的不受层面上下组织干扰的优势，成像分辨率高。目前的超声CT成像系统中采用压电超声换能器，压电陶瓷是当前超声换能器中最常用的材料，但是压电陶瓷材料在超声CT设备应用中存在技术瓶颈。而CMUT由于其具有带宽大、灵敏度高、功耗低、易于制造、尺寸小、自身噪声低、还可以与CMOS IC集成封装等优点，非常有希望能够代替压电超声换能器实现在超声CT系统中应用。因此，亟需研制一种高密度、高一致性的CMUT晶圆阵列来代替压电超声换能器阵列，作为超声成像系统的核心部件。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术中存在的问题，而提供一种电容式微机械超声换能器柔性柱面阵。本发明柔性柱面阵具有高密度、高一致性的优点，可在孔径为20cm的CMUT柱面阵空间内实现对乳腺组织的检测，在超声成像领域将具有很好的成本和性能优势。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种电容式微机械超声换能器柔性柱面阵，由多个相同的曲面阵沿柱面阵径向方向依次对接拼装而成；其中，单个曲面阵的结构包括模具、柔性PCB板和CMUT晶圆，模具的形状为曲面状，柔性PCB板固定在模具的内表面，CMUT晶圆固定在柔性PCB板上，CMUT晶圆被划割形成多条沿模具轴线方向设置的线阵，相邻线阵之间的沟槽内填充有PDMS，在各条线阵的底面上对应每个阵元的位置处均设置有独立块状的金属下电极，在所有线阵的顶面上对应每条位于同一径向曲线上的阵元的位置处均设置有一道通长条状的金属上电极。

作为优选的技术方案，PDMS由道康宁184和固化剂按质量比10：1配制而成。

进一步的，本发明还提供了上述电容式微机械超声换能器柔性柱面阵的制备方法，其具体包括如下步骤：

1）取已制作好的CMUT晶圆，下电极金属图形化，制备得到若干独立块状的金属下电极；

2）将CMUT晶圆与柔性PCB板进行键合；

3）通过划片机对CMUT晶圆进行划片处理，将其划割形成多条线阵，相邻线阵之间形成沟槽；划片时要划穿CMUT晶圆，且不能划伤柔性PCB板；

4）通过粘片机在CMUT晶圆的多条线阵上表面贴一层UV膜；

5）通过胰岛素笔对CMUT晶圆的相邻线阵之间的沟槽进行PDMS填充；

6）将CMUT晶圆放入真空干燥箱中抽真空后取出，对其加热使PDMS固化；

7）去掉CMUT晶圆的多条线阵上表面UV膜；

8）设计曲面状的模具，3D打印出模具，将柔性PCB板贴在曲面状的模具的内表面上，PDMS将相邻线阵连接起来并使阵列弯曲；

9）订制硬掩膜，硬掩膜弯曲放在CMUT晶圆的多条线阵上表面，溅射金属，完成上电极金属图形化，制备得到通长条状的金属上电极，最后得到单个曲面阵；

10）将多个曲面阵沿柱面阵径向方向依次对接拼装，最后即得到所述的电容式微机械超声换能器柔性柱面阵。

作为优选的技术方案，步骤3）中，划片刀的厚度为300μm，沟槽的宽度为300μm，每个线阵的宽度相同且均为300μm，线阵的高度与沟槽的深度相同且均为CMUT晶圆的厚度。

作为优选的技术方案，步骤5）中，还包括PDMS的配制步骤，PDMS由道康宁184和固化剂按质量比10：1配制而成，使用时将PDMS用硅油进行稀释，质量比为PDMS：硅油=25：1。

作为优选的技术方案，硅油采用道康宁OS-20。

作为优选的技术方案，对沟槽进行PDMS填充时，通过胰岛素笔连接直径220nm的针头进行PDMS的注射。

作为优选的技术方案，步骤8）中，模具采用树脂材质制作而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）本发明柔性柱面阵很好地克服了传统压电换能器的一些缺点，具有高灵敏度、宽频带、一致性好、微型化集成度高、易于制作二维面阵等众多优点。

2）本发明柔性柱面阵利用MEMS微加工技术制作，属于微型CMUT高密度阵列，可实现高一致性、高密度阵列的批量化生产，且能够实现换能器与信号处理电路集成。

3）本发明柔性柱面阵采用以硅-硅键合为核心工艺的微电容超声换能器微机械加工技术，大幅度提高微电容结构的成品率和一致性，降低了成本。

4）本发明柔性柱面阵中采用了PDMS，其具有机械灵活性，当用于晶圆沟槽填充时，它在相邻线阵之间提供机械连接，并使阵列可弯曲，且PDMS具有生物相容性，涂有PDMS的CMUT可安全用于与组织紧密接触的血管内应用。

附图说明

此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明柔性柱面阵中CMUT晶圆中单个cell的断面结构示意图。

图2为本发明柔性柱面阵中单个曲面阵的结构示意图。

图3为本发明柔性柱面阵拼装后的整体结构示意图。

图4为本发明柔性柱面阵的制备工艺流程图。

图5为本发明柔性柱面阵中模具的结构示意图。

图中：A-金属下电极层、B-体硅层、C-顶层氧化层、D-空腔、E-器件层、F-隔离槽、G-SiO₂绝缘层、H-金属上电极层；

1-柔性PCB板、2-PDMS、3-CMUT晶圆、3-1-线阵、3-2-沟槽、4-金属上电极、5-金属下电极、6-曲面阵、7-模具、8-UV膜。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种电容式微机械超声换能器柔性柱面阵，如图3所示，由多个相同的曲面阵6沿柱面阵径向方向依次对接拼装而成；

单个曲面阵6的结构包括模具7、柔性PCB板1和CMUT晶圆3，如图2所示；

模具7采用树脂材料制作而成，模具7的形状为曲面状；

柔性PCB板1固定在模具7的内表面；

CMUT晶圆3固定在柔性PCB板1上，CMUT晶圆3和柔性PCB板1之间采用倒装焊技术键合而成；CMUT晶圆3是由若干以前后、左右、上下方向的阵列排布阵元构成的；CMUT晶圆3被划割形成多条沿模具7轴线方向设置的线阵3-1，每条线阵3-1均包含有若干阵元；相邻线阵3-1之间的沟槽3-2内填充有PDMS2，PDMS2由道康宁184和固化剂按质量比10：1配制而成；在各条线阵3-1的底面上对应每个cell的位置处均设置有独立块状的金属下电极5，在所有线阵3-1的顶面上对应每条位于同一径向曲线上的阵元的位置处均设置有一道通长条状的金属上电极4，即通长条状的金属上电极4与条状线阵3-1呈十字交叉状设置。

CMUT晶圆3中cell的结构构造如图1所示，其包括由下而上叠置的金属下电极5层A、体硅层B、顶层氧化层C、器件层E、SiO₂绝缘层G和金属上电极4层H，其中，顶层氧化层C的中部位置形成有空腔D，器件层E及SiO₂绝缘层G上开设有环形的隔离槽F。

进一步的，上述电容式微机械超声换能器柔性柱面阵的制备方法，其具体包括如下步骤：

1）取已制作好的CMUT晶圆3，下电极金属图形化，制备得到若干独立块状的金属下电极5，如图4中的a；

2）将CMUT晶圆3与柔性PCB板1进行键合，CMUT晶圆3和柔性PCB板1之间采用倒装焊技术键合而成，如图4中的b；

3）通过划片机对CMUT晶圆3进行划片处理，将其划割形成多条线阵3-1，相邻线阵3-1之间形成沟槽3-2，如图4中的c；划片时要划穿CMUT晶圆3，且不能划伤柔性PCB板1；划片机上划片刀的厚度为300μm，沟槽3-2的宽度相同均为300μm，每个线阵3-1的宽度相同均为300μm，线阵3-1的高度与沟槽3-2的深度相同且均为CMUT晶圆3的厚度；

4）通过粘片机在CMUT晶圆3的多条线阵3-1上表面贴一层UV膜8，UV膜8的设置可以有效防止下一步注射PDMS2时将PDMS2渗到线阵3-1表面，如图4中的d；

5）通过胰岛素笔对CMUT晶圆3的相邻线阵3-1之间的沟槽3-2进行PDMS2填充，如图4中的e；其中，PDMS2由道康宁184和固化剂按质量比10：1配制而成，使用时将PDMS2用硅油进行稀释，质量比为PDMS2：硅油=25：1，硅油采用道康宁OS-20；对沟槽3-2进行PDMS2填充时，通过胰岛素笔连接直径220nm的针头进行PDMS2的注射；

6）将CMUT晶圆3放入真空干燥箱中抽真空后取出，再将其放在热板上加热使PDMS2固化；

7）去掉CMUT晶圆3的多条线阵3-1上表面UV膜8，如图4中的f；

8）设计曲面状的模具7，3D打印出模具7，模具7采用树脂材质制作而成；将柔性PCB板1贴在曲面状的模具7的内表面上，PDMS2将相邻线阵3-1连接起来并使阵列弯曲；

9）订制硬掩膜，硬掩膜弯曲放在CMUT晶圆3的多条线阵3-1上表面，溅射金属，完成上电极金属图形化，得到通长条状的金属上电极4，最后制备得到单个曲面阵6，如图4中的g；

10）将多个曲面阵6沿柱面阵径向方向依次对接拼装，最后即得到所述的电容式微机械超声换能器柔性柱面阵，如图3所示。

上述电容式微机械超声换能器柔性柱面阵具有高一致性、高密度、可批量化生产等优点。由于PDMS2配制后粘度较高，不容易填充到宽300μm的沟槽3-2内，因此采用胰岛素笔和220nm的针头，将其注射到沟槽3-2内，而PDMS2需要稀释后才能从220nm的针头内注射出去，因此将PDMS2与硅油（道康宁OS-20）进行特定比例的互溶，通过硅油稀释PDMS2可有效降低其物理粘度，在之后的加热固化过程中，混合物中的硅油在高温下会蒸发出去，不会影响PDMS2的固化反应及固化强度。为了在填充PDMS2时不让PDMS2渗透到线阵3-1表面，设计在线阵3-1表面贴UV膜8来防止PDMS2渗透。

上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种电容式微机械超声换能器柔性柱面阵，其特征在于：由多个相同的曲面阵沿柱面阵径向方向依次对接拼装而成；其中，单个曲面阵的结构包括模具、柔性PCB板和CMUT晶圆，模具的形状为曲面状，柔性PCB板固定在模具的内表面，CMUT晶圆固定在柔性PCB板上，CMUT晶圆被划割形成多条沿模具轴线方向设置的线阵，相邻线阵之间的沟槽内填充有PDMS，在各条线阵的底面上对应每个阵元的位置处均设置有独立块状的金属下电极，在所有线阵的顶面上对应每条位于同一径向曲线上的阵元的位置处均设置有一道通长条状的金属上电极；

上述电容式微机械超声换能器柔性柱面阵的制备方法，包括如下步骤：

1）取已制作好的CMUT晶圆，下电极金属图形化，制备得到若干独立块状的金属下电极；

2）将CMUT晶圆与柔性PCB板进行键合；

3）通过划片机对CMUT晶圆进行划片处理，将其划割形成多条线阵，相邻线阵之间形成沟槽；划片时要划穿CMUT晶圆，且不能划伤柔性PCB板；

4）通过粘片机在CMUT晶圆的多条线阵上表面贴一层UV膜；

5）通过胰岛素笔对CMUT晶圆的相邻线阵之间的沟槽进行PDMS填充；

6）将CMUT晶圆放入真空干燥箱中抽真空后取出，对其加热使PDMS固化；

7）去掉CMUT晶圆的多条线阵上表面UV膜；

8）设计曲面状的模具，3D打印出模具，将柔性PCB板贴在曲面状的模具的内表面上，PDMS将相邻线阵连接起来并使阵列弯曲；

9）订制硬掩膜，硬掩膜弯曲放在CMUT晶圆的多条线阵上表面，溅射金属，完成上电极金属图形化，制备得到通长条状的金属上电极，最后得到单个曲面阵；

10）将多个曲面阵沿柱面阵径向方向依次对接拼装，最后即得到所述的电容式微机械超声换能器柔性柱面阵。

2.根据权利要求1所述的电容式微机械超声换能器柔性柱面阵，其特征在于：制备方法的步骤3）中，划片刀的厚度为300μm，沟槽的宽度为300μm，每个线阵的宽度相同且均为300μm，线阵的高度与沟槽的深度相同且均为CMUT晶圆的厚度。

3.根据权利要求1所述的电容式微机械超声换能器柔性柱面阵，其特征在于：制备方法的步骤5）中，还包括PDMS的配制步骤，PDMS由道康宁184和固化剂按质量比10：1配制而成，使用时将PDMS用硅油进行稀释，质量比为PDMS：硅油=25：1。

4.根据权利要求3所述的电容式微机械超声换能器柔性柱面阵，其特征在于：硅油采用道康宁OS-20。

5.根据权利要求3或4所述的电容式微机械超声换能器柔性柱面阵，其特征在于：对沟槽进行PDMS填充时，通过胰岛素笔连接直径220nm的针头进行PDMS的注射。

6.根据权利要求1所述的电容式微机械超声换能器柔性柱面阵，其特征在于：制备方法的步骤8）中，模具采用树脂材质制作而成。

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