CN115138547A - 压电微机械超声换能器背衬材料、制备方法及填充方法 - Google Patents
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Abstract
为解决现有的换能器背衬填充材料和填充方法不适用于压电微机械超声换能器而导致背腔填充不够完全、不够均匀或不够可控的技术问题；本发明实施例提供一种压电微机械超声换能器背衬材料、制备方法及填充方法，包括：与PMUT器件阻抗相匹配的吸声材料、固化剂和粉末状料；其中，所述吸声材料包括有机硅凝胶和环氧树脂中的一种或几种；本发明实施例通过采用与PMUT器件阻抗相匹配的吸声材料、固化剂和粉末状料制成的背衬材料，在真空或负压环境中对压电微机械超声换能器进行二次固化填充，确保背衬填充中气体的排出，减小背衬中空气对器件特性的影响，实现换能器背衬的可控填充。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电微机械超声换能器背衬材料、制备方法及填充方法。
背景技术
压电微机械超声换能器(Piezoelectric Micromachined UltrasonicTransducers，PMUT)是基于微机电系统(MEMS)的新型换能器，与传统的换能器相比具有重量轻、体积小、易于阵列化等优势。其结构示意图如图2所示。
由于压电微机械超声换能器尺寸较小，而传统换能器背衬填充工艺主要针对块状压电材料，其背衬材料及填充工艺难以适用于压电微机械超声换能器。主要存在以下缺点：(1)传统填充工艺中所制备填充材料吸声性能较差，且易造成换能器薄膜结构产生气泡和空缺等结构缺陷，对换能器声学特性影响较大；(2)传统换能器背衬填充工艺主要针对较大尺寸换能器，而压电微机械超声换能器尺寸较小，传统换能器背衬填充工艺不足以匹配MEMS工艺制备的换能器尺寸精度，导致背腔难以完全填充，同时难以对背衬材料进行均匀填充和可控填充。
发明内容
为解决现有的换能器背衬填充材料和填充方法不适用于压电微机械超声换能器而导致背腔填充不够完全、不够均匀或不够可控的技术问题；本发明实施例提供一种压电微机械超声换能器背衬材料、制备方法及填充方法。
本发明实施例的目的通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明实施例提供一种压电微机械超声换能器背衬材料，包括：与PMUT器件阻抗相匹配的吸声材料、固化剂和粉末状料；
其中，所述吸声材料包括有机硅凝胶和环氧树脂中的一种或几种；所述粉末状料为尼龙粉、钨粉、氧化铝粉或二氧化钛粉中的一种或几种。
进一步的，所述吸声材料为有机硅凝胶。
进一步的，有机硅凝胶与固化剂的质量比为1:1。
进一步的，所述粉末状料的体积与吸声材料和固化剂的总体积的比例为0.1-0.5：1。
第二方面，本发明实施例提供一种所述压电微机械超声换能器背衬材料的制备方法，包括：
将吸声材料与固化剂混匀，得到混匀料；
将所述混匀料与粉末状料混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料。
进一步的，将所述混匀料与粉末状料混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料；包括：
将所述混匀料与粉末状料与易挥发溶剂混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料。
进一步的，所述易挥发溶剂为酒精。
第三方面，本发明实施例提供一种所述压电微机械超声换能器背衬材料的填充方法，包括：
S1.倒置压电微机械超声换能器，将部分所述压电微机械超声换能器背衬材料滴入压电微机械超声换能器的背面小孔中，使背面小孔中的所述压电微机械超声换能器背衬材料在真空或负压环境中静置进行一次常温固化，以排除背腔内气体完成背腔填充；
S2.将冶具固定于压电微机械超声换能器背面且使冶具内部与背面小孔相通；
S3.在冶具中滴加指定量的所述压电微机械超声换能器背衬材料；
S4.将冶具中的所述压电微机械超声换能器背衬材料在真空或负压环境中进行二次常温固化；
S5.返回S3，直至冶具填充完毕，取下冶具。
进一步的，填充方法还包括：在将冶具固定于压电微机械超声换能器背面之前，在冶具内喷涂脱模剂并加温至120℃干燥。
进一步的，压电微机械超声换能器背衬材料通过所述混匀料、粉末状料与酒精混匀得到。
本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明实施例的一种压电微机械超声换能器背衬材料、制备方法及填充方法，通过采用与PMUT器件阻抗相匹配的吸声材料、固化剂和粉末状料制成的背衬材料，在真空或负压环境中对压电微机械超声换能器进行二次固化填充，确保背衬填充中气体的排出，减小背衬中空气对器件特性的影响，实现换能器背衬的可控填充，从而解决现有的换能器背衬填充材料和填充方法不适用于压电微机械超声换能器而导致背腔填充不够完全、不够均匀或不够可控的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为填充压电微机械超声换能器背衬材料的流程示意图。
图2为压电微机械超声换能器背衬材料的填充方法的流程示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-吸声材料和固化剂，2-混匀料和易挥发溶剂，3-背腔，4-冶具，5-冶具填充。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例
为解决现有的换能器背衬填充材料和填充方法不适用于压电微机械超声换能器而导致背腔填充不够完全、不够均匀或不够可控的技术问题，本发明实施例提供一种压电微机械超声换能器背衬材料、制备方法及填充方法。
第一方面，本发明实施例提供一种压电微机械超声换能器背衬材料，包括：与PMUT器件阻抗相匹配的吸声材料、固化剂和粉末状料；其中，所述吸声材料包括有机硅凝胶和环氧树脂中的一种或几种；所述粉末状料为尼龙粉、钨粉、氧化铝粉或二氧化钛粉中的一种或几种。
本发明实施例通过与PMUT器件阻抗相匹配的吸声材料、固化剂和粉末状料制备得到了性能优越的压电微机械超声换能器背衬材料，更适用于压电微机械超声换能器的背衬填充。
从而，本发明实施例通过采用与PMUT器件阻抗相匹配的吸声材料、固化剂和粉末状料制成的背衬材料，在真空或负压环境中对压电微机械超声换能器进行二次固化填充，确保背衬填充中气体的排出，减小背衬中空气对器件特性的影响，实现换能器背衬的可控填充，从而解决现有的换能器背衬填充材料和填充方法不适用于压电微机械超声换能器而导致背腔填充不够完全、不够均匀或不够可控的技术问题。
进一步的，所述吸声材料为有机硅凝胶。
进一步的，有机硅凝胶与固化剂的质量比为1:1，可选地，有机硅凝胶为GN502型号的有机硅凝胶。GN502型号的有机硅凝胶与固化剂的质量比为1:1。
进一步的，所述粉末状料的体积与吸声材料和固化剂的总体积的比例为0.1-0.5：1。
第二方面，本发明实施例提供一种所述压电微机械超声换能器背衬材料的制备方法，包括：
将吸声材料与固化剂混匀，得到混匀料；
将所述混匀料与粉末状料混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料。
进一步的，将所述混匀料与粉末状料混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料；包括：
将所述混匀料与粉末状料与易挥发溶剂混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料。
进一步的，所述易挥发溶剂为酒精。
示例性的，制备方法包括：
(1)取若干克吸声材料如有机硅凝胶或环氧树脂与相应的固化剂按照固化所需比例放入烧杯中，如GN502型号有机硅凝胶与固化剂质量比为1:1，通过离心机搅拌均匀使固化剂和吸声材料完全融合，得到混合液；
(2)在上述混合液中按一定体积比加入粉末状颗粒如尼龙粉、钨粉、氧化铝粉末或二氧化钛粉末等粉末(粉末与混合液的体积比10％-50％：1)混合搅拌均匀，为便于混合可在其中加入作为易挥发溶剂的酒精，搅拌均匀，完成压电微机械超声换能器背衬材料的制备。
第三方面，本发明实施例提供一种所述压电微机械超声换能器背衬材料的填充方法，参考图1和2所示，包括：
S1.倒置压电微机械超声换能器，将部分所述压电微机械超声换能器背衬材料滴入压电微机械超声换能器的背面小孔中，使背面小孔中的所述压电微机械超声换能器背衬材料在真空或负压环境中静置进行一次常温固化，以排除背腔内气体完成背腔填充；
S2.将冶具固定于压电微机械超声换能器背面且使冶具内部与背面小孔相通；
S3.在冶具中滴加指定量的所述压电微机械超声换能器背衬材料；
S4.将冶具中的所述压电微机械超声换能器背衬材料在真空或负压环境中进行二次常温固化；
S5.返回S3，直至冶具填充完毕，取下冶具。
进一步的，填充方法还包括：在将冶具固定于压电微机械超声换能器背面之前，在冶具内喷涂脱模剂并加温至120℃干燥。
进一步的，压电微机械超声换能器背衬材料通过所述混匀料、粉末状料与酒精混匀得到。
参考图1所示，整个填充方法包括：吸声材料和固化剂1先混匀得到混匀料；然后混匀料和易挥发溶剂2混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料；将压电微机械超声换能器背衬材料滴入背腔3内，在真空或负压环境静置常温固化24h进行一次固化，将背腔3内的空气全部排除完成背腔填充；然后将冶具4固定在背腔上与背腔上的背面小孔连通，进行二次固化：将少量的压电微机械超声换能器背衬材料滴入冶具中待酒精挥发并固化后，继续将少量的压电微机械超声换能器背衬材料滴入冶具中待酒精挥发并固化后，继续向冶具中滴入少量的压电微机械超声换能器背衬材料……，循环填充，直至冶具中填充满压电微机械超声换能器背衬材料，完成二次固化即冶具填充5，从而，完成冶具填充和背腔填充，即背衬填充。
具体地，填充方法包括：
S1.先倒置器件将少量配制好的吸声材料滴入压电微机械超声换能器背面小孔中，并在真空或负压环境静置常温固化，该流程中提出先对背腔填充进行一次固化，在少量配置好的吸声材料中确保背腔的填充，使背腔内气体尽量排除；
S2.在冶具内喷涂脱模剂并加温至120℃干燥，并固定于已完成背腔填充的压电微机械超声换能器背面且使冶具内部与背面小孔相通；
S3.在冶具中滴入少量压电微机械超声换能器背衬材料，待酒精挥发并固化后继续滴入压电微机械超声换能器背衬材料并固化，重复该过程直至冶具填充完毕，该过程在真空或负压环境中进行确保冶具中气体的排出，经过二次固化将冶具取出，完成器件背衬整体填充。
本发明实施例的填充方法能够在不影响PMUT振动情况下实现背衬材料的可控填充，实现超声换能器频带宽度的提升和换能器分辨率提升；可以匹配具有更精密尺寸的换能器，并在真空或负压环境下进行填充，避免薄膜结构产生气泡和空缺等结构缺陷，降低填充工艺对换能器薄膜声学特性的影响；本发明实施例制备了吸声性能更为优越的背衬材料，并在制备过程中通过填充方法和冶具，实现背衬材料的均匀填充及可控填充。
实施例1
一种压电微机械超声换能器背衬材料，包括：与PMUT器件阻抗相匹配的有机硅凝胶、固化剂和尼龙粉。有机硅凝胶与固化剂的质量比为1:1。所述粉末状料的体积与吸声材料和固化剂的总体积的比例为0.1：1。
一种所述压电微机械超声换能器背衬材料的制备方法，包括：
将吸声材料与固化剂混匀，得到混匀料；
将所述混匀料与粉末状料混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料。
进一步的，将所述混匀料与粉末状料混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料；包括：
将所述混匀料与粉末状料与酒精混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料。
实施例2
本发明实施例提供一种压电微机械超声换能器背衬材料，包括：与PMUT器件阻抗相匹配的环氧树脂、固化剂和钨粉；环氧树脂与固化剂的质量比为1:1。所述粉末状料的体积与吸声材料和固化剂的总体积的比例为0.5：1。
一种所述压电微机械超声换能器背衬材料的制备方法，包括：
将吸声材料与固化剂混匀，得到混匀料；
将所述混匀料与粉末状料混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料。
进一步的，将所述混匀料与粉末状料混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料；包括：
将所述混匀料与粉末状料与酒精混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料。
实施例3
一种压电微机械超声换能器背衬材料，包括：GN502型号的有机硅凝胶、固化剂和氧化铝粉；GN502型号的有机硅凝胶与固化剂的质量比为1:1。粉末状料的体积与吸声材料和固化剂的总体积的比例为0.4：1。
一种所述压电微机械超声换能器背衬材料的制备方法，包括：
将吸声材料与固化剂混匀，得到混匀料；
将所述混匀料与粉末状料混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料。
进一步的，将所述混匀料与粉末状料混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料；包括：
将所述混匀料与粉末状料与易挥发溶剂混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料。
进一步的，所述易挥发溶剂为酒精。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种压电微机械超声换能器背衬材料，其特征在于，包括：与PMUT器件阻抗相匹配的吸声材料、固化剂和粉末状料；
其中，所述吸声材料包括有机硅凝胶和环氧树脂中的一种或几种；所述粉末状料为尼龙粉、钨粉、氧化铝粉或二氧化钛粉中的一种或几种。
2.如权利要求1所述压电微机械超声换能器背衬材料，其特征在于，所述吸声材料为有机硅凝胶。
3.如权利要求2所述压电微机械超声换能器背衬材料，其特征在于，有机硅凝胶与固化剂的质量比为1:1。
4.如权利要求1-3任意一项所述压电微机械超声换能器背衬材料，其特征在于，所述粉末状料的体积与吸声材料和固化剂的总体积的比例为0.1-0.5：1。
5.一种权利要求1-4任意一项所述压电微机械超声换能器背衬材料的制备方法，其特征在于，包括：
将吸声材料与固化剂混匀，得到混匀料；
将所述混匀料与粉末状料混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料。
6.如权利要求5所述压电微机械超声换能器背衬材料的制备方法，其特征在于，将所述混匀料与粉末状料混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料；包括：
将所述混匀料与粉末状料与易挥发溶剂混匀，得到压电微机械超声换能器背衬材料。
7.如权利要求6所述压电微机械超声换能器背衬材料的制备方法，其特征在于，所述易挥发溶剂为酒精。
8.一种权利要求1-4任意一项所述压电微机械超声换能器背衬材料或权利要求5-7任意一项所述制备方法制备的所述压电微机械超声换能器背衬材料的填充方法，其特征在于，包括：
S1.倒置压电微机械超声换能器，将部分所述压电微机械超声换能器背衬材料滴入压电微机械超声换能器的背面小孔中，使背面小孔中的所述压电微机械超声换能器背衬材料在真空或负压环境中静置进行一次常温固化，以排除背腔内气体完成背腔填充；
S2.将冶具固定于压电微机械超声换能器背面且使冶具内部与背面小孔相通；
S3.在冶具中滴加指定量的所述压电微机械超声换能器背衬材料；
S4.将冶具中的所述压电微机械超声换能器背衬材料在真空或负压环境中进行二次常温固化；
S5.返回S3，直至冶具填充完毕，取下冶具。
9.如权利要求8所述压电微机械超声换能器背衬材料的填充方法，其特征在于，包括：在将冶具固定于压电微机械超声换能器背面之前，在冶具内喷涂脱模剂并加温至120℃干燥。
10.如权利要求9所述压电微机械超声换能器背衬材料的填充方法，其特征在于，压电微机械超声换能器背衬材料通过所述混匀料、粉末状料与酒精混匀得到。
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