CN115055357A - 一种柔性透明电容式微机械超声换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微机械技术领域，具体是一种柔性透明电容式微机械超声换能器及其制备方法。本发明是基于导电颗粒掺杂SU‑8光刻胶等柔性透明材料的，其单元结构包括自下而上设置的：PET衬底层、ITO电极层、空腔、SU‑8支撑层、SU‑8绝缘层、导电颗粒掺杂的SU‑8电极层和聚合物材料涂层。本发明采用PET‑ITO薄膜作为衬底和底电极，采用SU‑8光刻胶作为支撑、振动和顶电极层，最后用柔性聚合物材料作为密封和保护层。本发明实现的电容式微机械超声换能器同时具有柔性和透明性，可以与电子显示屏、可穿戴电子设备等集成在一起。本发明制备使用SU‑8灰度光刻工艺，既节省光刻掩模板，也不需要额外的牺牲层，简化了传统工艺流程。
Description
技术领域
本发明属于微机械技术领域，具体涉及一种微机械超声换能器。
背景技术
市场上已经开发出了各种类型的可发送和接收超声波的超声换能器。超声换能器可以在多种介质中运行，包括液体，固体和气体。这些换能器通常用于医学成像以进行诊断和治疗、材料无损检测、距离传感、气体流量测量、声学显微镜、水听器，等等领域。柔性透明的微机械超声换能器可以与电子显示屏、照明系统以及可穿戴电子设备集成，具有广阔的应用前景。
微机械超声换能器（Micromachined Ultrasonic Transducer, MUT）通常具有可振动的薄膜，因此可用于发射和接收超声波。在其发射模式下，通过外部的电信号激励，由于压电或者静电效应，振动薄膜可以产生高频振动，机械能传递到与其相邻的介质中，产生超声波。在其接收模式下，在放置换能器的介质中传播的超声波的声能引起薄膜振动，转换为机械能，进而发生容易被检测到的电磁（特别是电）信号。
与广泛使用的锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）超声换能器相比，MUT在器件制造方法，带宽和工作温度方面具有不可比拟的优势。例如，制作常规PZT换能器的阵列涉及切块并连接单个压电元件。这种工艺不仅难度高而且成本不低。由这种元件与发送/接收电子器件相连还会带来严重的输入阻抗失配问题。相比之下，用于制造MUT的微机械技术更适合制造换能器阵列。在性能方面，MUT的动态性能可与PZT传感器媲美，而且成本可以更低。由于这些原因，MUT成为了PZT超声换能器的潜在替代品。
在几种类型的MUT中，使用压电效应驱动的压电式微机械超声换能器（piezoelectric micromachined ultrasonic transducer,pMUT）和使用静电力驱动的电容式微机械超声换能器（capacitive micromachined ultrasonic transducer,cMUT）被广泛研究。它们通常采用硅基MEMS工艺制备，所以并不具有柔性和可折叠性；并且由于金属电极不透明性，常规的制备方法并不能生产透明的MEMS器件。因此，聚合物材料cMUT吸引了广泛的关注。PDMS（聚二甲基硅氧烷）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、EPON SU-8光刻胶、Polymid（聚酰胺纤维）、Parylene（聚氯代对二甲苯）等聚合物材料逐渐被用于生产cMUT。
尽管聚合物材料可以实现柔性的结构，但它们通常不具有导电性，所以往往需要在聚合物表面溅射一层金属材料。一方面，这影响了器件的透明性，另一方面，电极间的聚合物层削弱了静电场强。将导电填料掺杂技术应用于EPON SU-8光刻胶，可以在不影响其光敏特性的同时，赋予其优异的导电性。因此，导电颗粒掺杂的SU-8光刻胶具有成为柔性透明cMUT首选材料的潜力。
灰度光刻可以在不需要光刻掩膜版的前提下，在不同位置获得不同的曝光剂量。通过不同曝光剂量曝光后的光刻胶，在显影液中完全或者部分显影而获得的光刻胶结构会呈现出三维轮廓结构。目前通常用于生产cMUT的制备方法包括晶圆键合技术和牺牲层释放技术。其中晶圆键合技术由于需要坚固的晶圆衬底，所以暂不能实现柔性cMUT。而牺牲层释放技术往往需要采用额外的牺牲层材料，需要严格挑选结构层材料和牺牲层材料以及腐蚀试剂。采用SU-8灰度光刻技术可以避免这些繁琐的操作，直接通过光刻、显影实现带有空腔的三维微纳结构。
发明内容
本发明的目在提供一种可弯折的、透明的电容式微机械超声换能器（cMUT），以扩展超声换能器在电子显示屏、可穿戴设备等方面的应用，同时简化其生产流程。
本发明提供的柔性透明电容式微机械超声换能器（cMUT），是基于导电颗粒掺杂SU-8光刻胶等柔性透明材料的，由微机械超声换能器单元进行延拓形成的二维阵列组成；所述微机械超声换能器单元，其结构包括：自上而下设置的PET衬底层1、ITO电极层2、空腔3、SU-8支撑层4、SU-8绝缘层5、导电颗粒掺杂的SU-8电极层6、聚合物材料涂层7，如图1所示。其中：
所述SU-8绝缘层5、导电颗粒掺杂的SU-8电极层6和聚合物材料涂层7依次叠合组成振动层8；
所述SU-8支撑层4，为中空结构，所述ITO电极层2、SU-8支撑层4和SU-8绝缘层5围合，形成所述空腔3；
所述振动层8位于空腔3和SU-8支撑层4的顶部，其中位于空腔3顶部的振动层8可以做薄膜式弯曲振动；空腔3为振动层8的振动提供变形空间；
所述ITO电极层2和导电颗粒掺杂的SU-8电极层6构成平行板电容器的一对电极；在它们之间施加电压时，两者会受到互相吸引的静电力作用；在预加直流偏置电压时，导电颗粒掺杂的SU-8电极层6受到向下的静电力，带动振动层8向下弯曲；
所述SU-8绝缘层5在ITO电极层2和导电颗粒掺杂的SU-8电极层6之间，起到防止上下电极短路的作用；
所述振动层8位于空腔3顶部，可以做薄膜的上下弯曲振动。当振动层8表面接收到外部超声波，振动层8将发生竖直方向上的振动。或者，振动层8受到高频变化的静电作用力时，也会产生竖直方向上的位移，从而可以才介质中产生超声波。如图2所示。
进一步地，本发明中：
所述空腔3，其形状通常为圆形、方形或者六边形。
所述PET衬底1，采用聚对苯二甲酸乙二醇酯，具有透明、柔性和绝缘特性；
所述ITO电极层2，采用铟锡氧化物薄膜，具有透明、柔性和优异的导电性；
所述SU-8支撑层4和SU-8绝缘层5，采用EPON SU-8负性光刻胶，具有光敏性、柔性、透明性和绝缘性；
所述导电颗粒掺杂的SU-8电极层6，是通过导电填料功能化的EPON SU-8光刻胶，具有光敏性、柔性、透明性和优异的导电性。其中，导电填料通常为纳米银粒子、碳纳米管或石墨烯，等等；
所述聚合物材料涂层7，为具有柔性、透明性和绝缘特性的功能层，其材料通常为聚氯代对二甲苯(Parylene C)、聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
本发明还提供上述柔性透明cMUT的制备方法，具体步骤为：
步骤1、将ITO-PET复合薄膜9粘贴到硅片10上，其中，上层ITO薄膜作为ITO电极层2，下层PET薄膜作为衬底层1，与硅片10紧密贴合；
步骤2、在ITO电极层2表面旋涂一层均匀的SU-8光刻胶11；
步骤3、在SU-8光刻胶11表面再旋涂一层均匀的导电颗粒掺杂的SU-8负性光刻胶12；
步骤4、对底层的SU-8光刻胶11进行灰度UV曝光，光刻图形如图4所示，然后用显影液溶解未发生交联的区域；
步骤5、用聚合物材料涂层7覆盖表面并密封通孔14；
步骤6、去除硅片10，即得到一种柔性透明cMUT。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
（1）基于SU-8光刻胶和PET-ITO衬底的cMUT整体采用柔性透明的聚合物材料制备，使得产品具有可弯折特性和透明性，拓展了与电子显示屏、智能穿戴设备集成的应用前景；
（2）采用导电颗粒掺杂的SU-8光刻胶作为电极层和振动层的主体，一方面不需要额外的金属电极层，另一方面大大降低了有效空腔高度，提升了腔体内的电场强度；
（3）采用SU-8灰度光刻工艺刻蚀三维结构，可以不需要掩膜版进行图形化刻蚀，简化了工艺步骤，节省了光刻掩膜版；另外，由于SU-8本身可以作为牺牲层，免去了传统牺牲层释放技术所需要的额外牺牲材料层。
附图说明
图1为本发明一种柔性透明电容式微机械超声换能器单元的结构示意图（竖直切面图）。
图2为本发明一种柔性透明电容式微机械超声换能器单元的工作原理示意图（竖直切面图）。
图3为本发明一种柔性透明电容式微机械超声换能器的制备流程图（竖直切面图）。
图4为本发明一种柔性透明电容式微机械超声换能器制备过程中的灰度光刻曝光区域示意图（水平俯视图）。
图中标号：1为PET衬底层，2为ITO电极层，3为空腔，4为SU-8支撑层，5为SU-8绝缘层，6为导电颗粒掺杂的SU-8电极层，7为聚合物材料涂层，8为振动层，9为ITO-PET薄膜，10为硅片，11为SU-8光刻胶，12为导电颗粒掺杂的SU-8负性光刻胶，13为空腔及空腔间互联通道区域,14为通孔、15为引出电极区域。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外在可能未出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定细节，例如器件结构、材料尺寸处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特性细节来实现本发明。
图1示出本发明的一种柔性透明cMUT的结构示意图（竖直切面图）。
如图1所示，一种柔性透明cMUT的结构示意图包括自上而下设置的：PET衬底层1、ITO电极层2、空腔3、SU-8支撑层4、SU-8绝缘层5、导电颗粒掺杂的SU-8电极层6、聚合物材料涂层7。其中，ITO电极层2和导电颗粒掺杂的SU-8电极层6构成平行板电容器的一对电极9。所述SU-8绝缘层5、导电颗粒掺杂的SU-8电极层6和聚合物材料涂层7组合成振动层8。所述SU-8支撑层4为中空结构，所述ITO电极层2、SU-8支撑层4和SU-8绝缘层5围合形成空腔3；所述在空腔3为振动层8提供形变的空间；所述SU-8绝缘层5在ITO电极层2和导电颗粒掺杂的SU-8电极层6之间，起到防止上下电极短路的作用。
所述PET衬底1为聚对苯二甲酸乙二醇酯，其厚度通常为100～200微米；所述ITO电极层2为铟锡氧化物薄膜，其厚度通常为150-250纳米（例如为200纳米）；所述SU-8支撑层4和SU-8绝缘层5为EPON SU-8负性光刻胶，其总厚度约为1.5-2.5微米（例如为2微米）；所述导电颗粒掺杂的SU-8电极层6为通过导电填料功能化的EPON SU-8光刻胶，其厚度通常为0.5-4微米例如为2微米）。其中，导电填料包括纳米银粒子、碳纳米管和石墨烯，等等；所述聚合物材料涂层7为具有柔性、透明性和绝缘特性的功能层，其材料通常为聚氯代对二甲苯(Parylene C)、聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），其厚度通常为3-8微米（例如为5微米）。所述空腔3直径通常为30-60微米例如为50微米），高度等同SU-8支撑层4。
图2示出本发明一种柔性透明cMUT的工作原理示意图（竖直切面图）。
如图2所示，柔性透明cMUT有两种工作模式：接收超声波（左图）和发射超声波（右图）。cMUT在两种工作模式下均需要在ITO电极层2和导电颗粒掺杂的SU-8电极层6之间施加电压。通常ITO电极层2接负电压，导电颗粒掺杂的SU-8电极层6接地。如左图所示，在接收模式下，ITO电极层2和导电颗粒掺杂的SU-8电极层6之间施加直流偏置电压，此时，它们之间产生了静电相互作用力，互相吸引，导致振动层8向下弯曲。但超声波达到时，负载介质的振动会引起振动层8的振动，进而会改变ITO电极层2和导电颗粒掺杂的SU-8电极层6上的电荷量，最终可以转换为容易探测的电信号。如右图所示，在发射模式下，ITO电极层2和导电颗粒掺杂的SU-8电极层6之间不仅需要施加直流偏置电压，还需要叠加一个激励信号，如脉冲电压或高频交流电压。激励信号的作用是让作用在振动层8上的静电力发生变化，从而引起振动层8的振动，最终将机械振动将导致介质中产生超声波。
图3示出本发明提供的柔性透明cMUT的制备流程图（竖直切面图）。
如图3所示，柔性透明cMUT包括以下制备步骤：
步骤1、取一表面抛光的单晶硅片10，将厚度为100～200微米的ITO-PET薄膜9用导热胶带粘贴到硅片10上，其中ITO电极层2表面向上，PET衬底层1与硅片10紧贴,保证薄膜表面平整且两者紧密合，不留气泡；
步骤2、以硅片10为背衬，根据所需要的厚度，在ITO电极层2表面均匀旋涂一层2微米左右厚度的SU-8光刻胶11，对光刻胶进行软烘焙和硬烘焙；
步骤3、在SU-8光刻胶11表面再均匀旋涂一层几微米厚的导电颗粒掺杂的SU-8负性光刻胶12，同样进行软烘焙和硬烘焙；
步骤4、对底层的SU-8光刻胶11进行灰度UV曝光：在空腔及空腔之间的互联通道区域13保留SU-8支撑层4保持未曝光，在通孔14和引出电极区域15保持全部未曝光，其余部分的SU-8光刻胶由于曝光而发生交联。曝光图形如图4所示，然后用特定的显影液溶解未发生交联的区域，得到空腔3以及通孔14。通孔14直径通常远小于空腔3直径；
步骤5、用聚合物材料涂层7涂覆cMUT表面，密封通孔14，其厚度通常为几微米；
步骤6、去除硅片10，得到柔性透明cMUT。
图4示出本发明提供的柔性透明cMUT制备过程中的灰度光刻曝光区域示意图（水平俯视图）。
如图4所示为灰度光刻的不同曝光区域。所述空腔及空腔之间的互联通道区域13的最小横向尺寸通常为2～5微米；所述通孔14直径通常为几微米，并远小于空腔3直径。
灰度光刻可以在不同位置获得不同的曝光剂量，通过不同曝光剂量曝光后的光刻胶，在显影液中完全或者部分显影而获得的光刻胶结构会呈现出3D轮廓结构。在空腔及空腔之间的互联通道区域13，仅对SU-8支撑层4以上进行曝光，从而保留了空腔区域的SU-8光刻胶未发生交联（易被特定显影剂溶解）；通孔14和引出电极区域15不进行曝光，保留的通孔14用于显影剂进入空腔及空腔之间的互联通道区域13，保留的引出电极区域15用于后续封装。其余区域均进行UV曝光。
在不脱离本发明的精神和范围内，任何本领域普通技术人员皆可根据本发明所揭示的内容做出许多变形和修改，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种柔性透明电容式微机械超声换能器,其特征在于，是基于导电颗粒掺杂SU-8光刻胶等柔性透明材料的，具体由微机械超声换能器单元进行延拓形成的二维阵列组成；所述微机械超声换能器单元，其结构包括自下而上设置的：PET衬底层（1）、ITO电极层（2）、空腔（3）、SU-8支撑层（4）、SU-8绝缘层（5）、导电颗粒掺杂的SU-8电极层（6）、聚合物材料涂层（7）；其中：
所述依次叠合的SU-8绝缘层（5）、导电颗粒掺杂的SU-8振动膜（6）和聚合物材料涂层（7）组成振动层(8)；
所述SU-8支撑层（4）为中空结构，所述ITO电极层（2）、SU-8支撑层（4）和SU-8绝缘层（5）围合，形成腔体（3）；
所述振动层（8）位于空腔（3）和SU-8支撑层（4）的顶部，其中位于空腔（3）顶部的振动层（8）可以做薄膜式弯曲振动；空腔（3）为振动层（8）的振动提供振动空间；
所述ITO电极层（2）和导电颗粒掺杂的SU-8电极层（6）构成平行板电容器的一对电极；在它们之间施加电压时，两者受到互相吸引的静电力作用；在预加直流偏置电压时，导电颗粒掺杂的SU-8电极层（6）受到向下的静电力，带动振动层（8）向下弯曲；
所述SU-8绝缘层5在ITO电极层2和导电颗粒掺杂的SU-8电极层6之间，起到防止上下电极短路的作用。
2.根据权利要求1所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述PET衬底层（1）为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，其具有柔性、透明性和绝缘的特性。
3.根据权利要求1所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述ITO电极层（2）为氧化铟锡薄膜，其具有柔性、透明性和导电的特性。
4.根据权利要求1所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述空腔（3）为真空腔体，其形状为圆形、方形或者六边形。
5. 根据权利要求1所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述SU-8支撑层（4）和SU-8绝缘层（5）为EPON SU-8负性光刻胶，其具有光敏性、柔性、透明性和绝缘性。
6. 根据权利要求1所述的压电式微机械超声换能器，其特征在于，所述导电颗粒掺杂的SU-8电极层（6）为通过导电填料功能化的EPON SU-8光刻胶，其具有光敏性、柔性、透明性和优异的导电性；所述导电填料是纳米银粒子、碳纳米管或石墨烯。
7.根据权利要求1所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述聚合物材料涂层（7）为具有柔性、透明性和绝缘特性的功能层，其材料为聚氯代对二甲苯、聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。
8.一种如权利要求1-7之一所述的电容式微机械超声换能器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1、将ITO-PET复合薄膜（9）粘贴到硅片(10)上，其中，上层ITO薄膜作为ITO电极层(2)，下层PET薄膜作为衬底层(1)，与硅片(10)紧密贴合；
步骤2、在ITO电极层（2）表面旋涂一层均匀的SU-8光刻胶（11）；
步骤3、在SU-8光刻胶（11）表面再旋涂一层均匀的导电颗粒掺杂的SU-8负性光刻胶（12）；
步骤4、对底层的SU-8光刻胶（11）进行灰度UV曝光，然后用显影液溶解未发生交联的区域，得到空腔（3）;
步骤5、用聚合物材料涂层（7）覆盖表面并密封通孔（14）；
步骤6、去除硅片（10），得到柔性透明的电容式微机械超声换能器单元。
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