CN115266948B - 一种高频薄膜超声换能器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频薄膜超声换能器及制备方法。本发明以固化后的环氧树脂为背衬材料，压电层采用柔性压电薄膜，利用金属环设计引出导线并避免薄膜上下电极接触，再使用环氧树脂封装内部结构和外部导电外壳。本发明解决了镀电极后的柔性压电薄膜在切割时容易引起上下电极短路、较薄的薄膜不利于换能器的加工以及高频薄膜超声换能器导线难以引出的问题，制备获得的高频薄膜超声换能器频率较高、带宽较宽，可以直接应用于超声检测设备中。

Description

一种高频薄膜超声换能器及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种高频薄膜超声换能器及其制备方法。

背景技术

近年来，超声检测设备在生物医学成像、工业无损检测等领域发挥着重要的作用，尤其是在组织病理学和细胞学研究，以及半导体缺陷检测方面具有广阔的应用前景和重大的产业化需求。超声检测设备的核心器件为超声换能器，通常来说，超声检测设备取得高分辨率成像的关键就取决于传感器的频率和带宽，高频可实现对小目标的精细探测，提高探测精度和分辨率的同时减小探测死角、增加探测范围。目前国内尚无成熟的高频超声换能器相关企业与产品，相关核心技术和市场一直被国外企业所垄断，制约着我国高分辨超声检测装备的发展。

为了满足高性能的高频超声换能器件的研发要求，急需声辐射特性优异、且制作工艺便捷的制备方法。近年来，许多国内外研究者尝试使用性能优异的柔性薄膜压电材料，如PVDF薄膜、P(VDF-TrFE)薄膜等制备出高频超声换能器，其声阻抗低、接收灵敏度高，尤其可以用来作为透射式超声检测设备的接收传感器。然而，由于制作高频超声换能器时使用的薄膜厚度较薄，且在加工制备的过程中，存在着诸多难题，如镀完电极后的薄膜在切割时由于边缘的韧性容易引起上下电极的导通，整体的电极导线难以引出等工艺设计问题而难以产品化。因此，设计一种高频薄膜超声换能器的制备方法具有非常重要的研究意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对当前高频薄膜超声换能器制备工艺的相关难点，提出一种相对简易的高频薄膜超声换能器及其制备方法，能有效地避免厚度较小的薄膜加工困难，以及上下电极导通的问题，所制得的超声换能器可以直接应用于超声检测设备之中。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种高频薄膜超声换能器的制备方法，包括：

获取一绝缘柱体和极化后单面镀电极的柔性压电薄膜；所述极化后单面镀电极的柔性压电薄膜的面积大于绝缘柱体端面面积；

将柔性压电薄膜电极一面与绝缘柱体端面同轴固定；

将一金属环套设于绝缘柱体上并用导电银浆粘连，所述极化后单面镀电极的柔性压电薄膜面积大小大于金属环且能完全覆盖金属环边缘；再将柔性压电薄膜多余部分翻起固定于金属环外侧；

将金属环固定后的样品柔性压电薄膜一面粘于微粘胶带上进行固定，同时将超声换能器的金属外壳套于样品外部，粘于微粘胶带上固定；用导电银浆将同轴电缆线的导线部分接金属环，作为电极线引出，地线接金属外壳；同轴电缆线即为超声换能器的电极引出线，另一端可用导电银浆接至设备所需接口，例如SMA接口等；

电极引出后封装金属外壳内部的超声换能器结构，去除微粘胶带，在柔性压电薄膜一面制作另一电极，制作完成后封装防水膜获得高频薄膜超声换能器。

进一步地，所述绝缘柱体由301环氧树脂AB胶制成，301环氧树脂的AB胶质量比例为4:1。301环氧树脂声阻抗较低，能有效传递超声波的能量，提升超声换能器的性能，具体地，将301环氧树脂AB胶按比例混合均匀后抽真空排出气泡，静置24 h固化即可。

进一步地，采用AP131助粘剂将柔性压电薄膜电极一面与绝缘柱体端面同轴固定。一般情况下，该步骤的具体流程为：

绝缘柱体的端面表面涂抹一层AP131助粘剂，空气中放置15 min，接着在表面涂抹AB胶混合后的301环氧树脂作为固化剂，粘连带有电极的压电薄膜一面，固定静置24 h后放入干燥箱中40度加热4 h。

进一步地，所述AP131助粘剂为AP131在乙醇中1:1稀释后的溶液。

进一步地，金属环内径与绝缘柱体外径配合，金属环外径与金属外壳内径配合。一般情况下，绝缘柱体为4~20 mm直径、1~3 mm厚度的圆柱；柔性压电薄膜为直径相较于绝缘柱体大4~6 mm的圆片；金属环内径略大于（大1mm）绝缘柱体直径。

进一步地，采用502胶、万能胶等绝缘胶将压电薄膜多余部分翻起粘于金属环外侧，具有良好的固定效果且不影响超声换能器的性能。

进一步地，所述柔性压电薄膜为PVDF基薄膜，例如PVDF薄膜，P(VDF-TrFE)薄膜等。

进一步地，所述柔性压电薄膜的厚度为5~30 μm。

进一步地，电极引出后用抽真空后的AB胶混合的301环氧树脂封装金属外壳内部的超声换能器结构，静置24 h进行固化。

进一步地，所述电极由铬层5~10 nm，金层10~30 nm组成。

进一步地，所述防水膜厚度为2~6 μm。

进一步地，所述防水膜为声阻抗较小的防水膜，例如聚对二甲苯防水膜。

一种上述制备方法制备得到的高频薄膜超声换能器，包括绝缘柱体、金属环、柔性压电薄膜、金属外壳，电极引出线，其中金属环套设固定于绝缘柱体一端，柔性压电薄膜固定于绝缘柱体一端面并将多余部分翻起粘于金属环外侧，金属环与柔性压电薄膜内侧第一电极电连接，金属外壳套设于金属环外侧，并与柔性压电薄膜表面的第二电极电连接；电极引出线的导线部分接金属环，地线接金属外壳。

本发明的有益效果是：本发明通过一系列制备工艺流程的设计，实现了厚度较薄的柔性压电薄膜应用于高频超声换能器之中，其中，导电性良好的金属环的引入，将薄膜边缘部分贴于金属环外侧，在后续镀电极的过程中避免了薄膜上下电极的接触；同时，金属环通过导电银浆粘连于薄膜的电极一面，可以通过连接内部电极的导线引出；此外，利用微粘胶带固定样品制备时的整体结构，可以在环氧树脂封装之后，保证整体的薄膜在加工时不被损坏。制备得到的高频薄膜超声换能器性能优异且稳定，中心频率较高，带宽较宽，可以按超声检测设备需求参数改变器件内部尺寸和外壳形状，直接应用于设备之中。以取20 μm厚度柔性压电薄膜P(VDF-TrFE)制备的薄膜超声换能器为例，其中心频率32.7 MHz，带宽82%，薄膜的厚度与中心频率大致呈线性反比关系，本发明的制备方法可应用的最薄薄膜厚度大约5 μm。

附图说明

图1是实施例1制备的高频薄膜超声换能器内部结构示意图；

图2是实施例1制备的高频薄膜超声换能器脉冲-回波响应图；

图3是实施例1制备的高频薄膜超声换能器脉冲-回波响应快速傅里叶变换图。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

下列实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无说明，均可从商业途径获得。

实施例1

一种高频薄膜超声换能器的制备方法，包括以下步骤：

1）取4 g 301环氧树脂A胶和1 g B胶混合均匀后抽真空排出气泡，静置24 h固化，再加工成10 mm直径、3 mm厚度的圆柱作为绝缘柱体。

2）将厚度为20 μm极化后单面镀金电极的P(VDF-TrFE)薄膜剪成直径15 mm的圆片。

3）在步骤1）环氧树脂圆柱的一端表面涂抹一层乙醇1:1稀释后的AP131助粘剂，空气中放置15 min，接着在表面涂抹AB胶4:1混合后的301环氧树脂作为固化剂，粘连在步骤2）带有电极的薄膜一面，固定静置24 h后放入干燥箱中40度加热4 h。

4）取内径11 mm，外径13 mm的铜环套于圆柱外侧，用导电银浆粘连，静置24 h。

5）用502胶水将薄膜多余部分翻起粘于金属环外侧。

6）将步骤5）得到的样品粘于微粘胶带上，同时将超声换能器铜外壳套于样品外部，粘于微粘胶带上。

7）用导电银浆将同轴电缆线的导线部分接金属环，作为电极线引出，地线接金属外壳，另一端也用导电银浆接至SMA接口；

8）用抽真空后的AB胶4:1混合的301环氧树脂封装金属外壳内部的超声换能器结构，静置24 h固化。

9）将制作完成后的样品从微粘胶带上撕下，对其表面的薄膜暴露部分溅射10 nm铬，30 nm金，作为电极。

10）将制备完成的超声换能器在镀膜机中沉积聚对二甲苯防水膜，厚度4 μm。

通过上述方法所制备得到高频P(VDF-TrFE)薄膜超声换能器内部结构如图1所示，具有完整的超声换能器的结构，可以直接连接超声检测设备。将制备完成后的超声换能器连接测试系统置于纯水中，对距离7.5 mm左右处的金属铝块进行信号发射接收测试，如图2所示，换能器的脉冲-回波响应信号稳定，余波较少，对信号进行傅里叶快速变换后如图3所示，其中心频率32.7 MHz，带宽82 %，性能优异。

实施例2

一种高频薄膜超声换能器的制备方法，包括以下步骤：

1）取4 g 301环氧树脂A胶和1 g B胶混合均匀后抽真空排出气泡，静置24 h固化，再加工成10 mm直径、3 mm厚度的圆柱作为绝缘柱体。

2）将厚度为10 μm极化后单面镀金电极的P(VDF-TrFE)薄膜剪成直径15 mm的圆片。

3）在步骤1）环氧树脂圆柱的一端表面涂抹一层乙醇1:1稀释后的AP131助粘剂，空气中放置15 min，接着在表面涂抹AB胶4:1混合后的301环氧树脂，将其粘在步骤2）带有电极的薄膜一面，固定静置24 h后放入干燥箱中40度加热4 h。

4）取内径11 mm，外径13 mm的铜环套于圆柱外侧，用导电银浆粘连，静置24 h。

5）用502胶水将薄膜多余部分翻起粘于金属环外侧。

6）将步骤5）得到的样品粘于微粘胶带上，同时将超声换能器铜外壳套于样品外部，粘于微粘胶带上。

7）用导电银浆将同轴电缆线的导线部分接金属环，作为电极线引出，地线接金属外壳，另一端也用导电银浆接至SMA接口。

8）用抽真空后的AB胶4:1混合的301环氧树脂封装金属外壳内部的超声换能器结构，静置24 h固化。

9）将制作完成后的样品从微粘胶带上撕下，对其表面的薄膜暴露部分溅射10 nm铬，30 nm金，作为电极。

10）将制备完成的超声换能器在镀膜机中沉积聚对二甲苯防水膜，厚度4 μm。

通过上述方法所制备得到中心频率约为60 MHz的高频P(VDF-TrFE)薄膜超声换能器。

实施例3

一种高频薄膜超声换能器的制备方法，包括以下步骤：

1）取4 g 301环氧树脂A胶和1 g B胶混合均匀后抽真空排出气泡，静置24 h固化，再加工成10 mm直径、3 mm厚度的圆柱作为绝缘柱体。

2）将厚度为5 μm极化后单面镀金电极的P(VDF-TrFE)薄膜剪成直径15 mm的圆片。

3）在步骤1）环氧树脂圆柱的一端表面涂抹一层乙醇1:1稀释后的AP131助粘剂，空气中放置15 min，接着在表面涂抹AB胶4:1混合后的301环氧树脂，将其粘在步骤2）带有电极的薄膜一面，固定静置24 h后放入干燥箱中40度加热4 h。

4）取内径11 mm，外径13 mm的铜环套于圆柱外侧，用导电银浆粘连，静置24 h。

5）用502胶水将薄膜多余部分翻起粘于金属环外侧。

6）将步骤5）得到的样品粘于微粘胶带上，同时将超声换能器铜外壳套于样品外部，粘于微粘胶带上。

7）用导电银浆将同轴电缆线的导线部分接金属环，作为电极线引出，地线接金属外壳，另一端也用导电银浆接至SMA接口。

8）用抽真空后的AB胶4:1混合的301环氧树脂封装金属外壳内部的超声换能器结构，静置24 h固化。

9）将制作完成后的样品从微粘胶带上撕下，对其表面的薄膜暴露部分溅射10 nm铬，30 nm金，作为电极。

10）将制备完成的超声换能器在镀膜机中沉积聚对二甲苯防水膜，厚度4 μm。

通过上述方法所制备得到中心频率大于100MHz的高频P(VDF-TrFE)薄膜超声换能器。

实施例4

一种高频薄膜超声换能器的制备方法，包括以下步骤：

1）取4 g 301环氧树脂A胶和1 g B胶混合均匀后抽真空排出气泡，静置24 h固化，再加工成10 mm直径、3 mm厚度的圆柱作为绝缘柱体。

2）将厚度为30 μm极化后单面镀金电极的P(VDF-TrFE)薄膜剪成直径15 mm的圆片；

3）在步骤1）环氧树脂圆柱的一端表面涂抹一层乙醇1:1稀释后的AP131助粘剂，空气中放置15 min，接着在表面涂抹AB胶4:1混合后的301环氧树脂，将其粘在步骤2）带有电极的薄膜一面，固定静置24 h后放入干燥箱中40度加热4 h。

4）取内径11 mm，外径13 mm的铜环套于圆柱外侧，用导电银浆粘连，静置24 h。

5）用502胶水将薄膜多余部分翻起粘于金属环外侧。

6）将步骤5）得到的样品粘于微粘胶带上，同时将超声换能器铜外壳套于样品外部，粘于微粘胶带上。

7）用导电银浆将同轴电缆线的导线部分接金属环，作为电极线引出，地线接金属外壳，另一端也用导电银浆接至SMA接口。

8）用抽真空后的AB胶4:1混合的301环氧树脂封装金属外壳内部的超声换能器结构，静置24 h固化。

9）将制作完成后的样品从微粘胶带上撕下，对其表面的薄膜暴露部分溅射10 nm铬，30 nm金，作为电极。

10）将制备完成的超声换能器在镀膜机中沉积聚对二甲苯防水膜，厚度6 μm。

通过上述方法所制备得到中心频率约为20 MHz的高频P(VDF-TrFE)薄膜超声换能器。

实施例5

一种高频薄膜超声换能器的制备方法，包括以下步骤：

1）取2 g 301环氧树脂A胶和0.5 g B胶混合均匀后抽真空排出气泡，静置24 h固化，再加工成4 mm直径、1 mm厚度的圆柱作为绝缘柱体。

2）将厚度为20 μm极化后单面镀金电极的P(VDF-TrFE)薄膜剪成直径9 mm的圆片。

3）在步骤1）环氧树脂圆柱的一端表面涂抹一层乙醇1:1稀释后的AP131助粘剂，空气中放置15 min，接着在表面涂抹AB胶4:1混合后的301环氧树脂，将其粘在步骤2）带有电极的薄膜一面，固定静置24 h后放入干燥箱中40度加热4 h。

4）取内径5 mm，外径7 mm的铜环套于圆柱外侧，用导电银浆粘连，静置24 h。

5）用502胶水将薄膜多余部分翻起粘于金属环外侧。

6）将步骤5）得到的样品粘于微粘胶带上，同时将超声换能器铜外壳套于样品外部，粘于微粘胶带上。

7）用导电银浆将同轴电缆线的导线部分接金属环，作为电极线引出，地线接金属外壳，另一端也用导电银浆接至SMA接口。

8）用抽真空后的AB胶4:1混合的301环氧树脂封装金属外壳内部的超声换能器结构，静置24 h固化。

9）将制作完成后的样品从微粘胶带上撕下，对其表面的薄膜暴露部分溅射5 nm铬，10 nm金，作为电极。

10）将制备完成的超声换能器在镀膜机中沉积聚对二甲苯防水膜，厚度2 μm。

通过上述方法所制备得到中心频率约为30 MHz的高频P(VDF-TrFE)薄膜超声换能器。

实施例6

一种高频薄膜超声换能器的制备方法，包括以下步骤：

1）取4 g 301环氧树脂A胶和1 g B胶混合均匀后抽真空排出气泡，静置24 h固化，再加工成10 mm直径、3 mm厚度的圆柱。

2）将厚度为20 μm极化后单面镀金电极的PVDF薄膜剪成直径15 mm的圆片。

3）在步骤1）环氧树脂圆柱的表面涂抹一层乙醇1:1稀释后的AP131助粘剂，空气中放置15 min，接着在表面涂抹AB胶4:1混合后的301环氧树脂，将其粘在步骤2）带有电极的薄膜一面，固定静置24 h后放入干燥箱中40度加热4 h。

4）取内径11 mm，外径13 mm的铜环套于圆柱外侧，用导电银浆粘连，静置24 h。

5）用502胶水将薄膜多余部分翻起粘于金属环外侧。

6）将步骤5）得到的样品粘于微粘胶带上，同时将超声换能器铜外壳套于样品外部，粘于微粘胶带上。

7）用导电银浆将同轴电缆线的导线部分接金属环，作为电极线引出，地线接金属外壳，另一端也用导电银浆接至SMA接口。

8）用抽真空后的AB胶4:1混合的301环氧树脂封装金属外壳内部的超声换能器结构，静置24 h固化。

9）将制作完成后的样品从微粘胶带上撕下，对其表面的薄膜暴露部分溅射10 nm铬，30 nm金，作为电极。

10）将制备完成的超声换能器在镀膜机中沉积聚对二甲苯防水膜，厚度4 μm。

通过上述方法所制备得到中心频率约为30 MHz的高频PVDF薄膜超声换能器。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高频薄膜超声换能器的制备方法，其特征在于，包括：

获取一绝缘柱体和极化后单面镀电极的柔性压电薄膜；

将柔性压电薄膜电极一面与绝缘柱体端面同轴固定；

将一金属环套设于绝缘柱体上并用导电银浆粘连，所述极化后单面镀电极的柔性压电薄膜面积大小大于金属环且能完全覆盖金属环边缘；再将柔性压电薄膜多余部分翻起固定于金属环外侧；

将金属环固定后的样品柔性压电薄膜一面粘于微粘胶带上进行固定，同时将超声换能器的金属外壳套于样品外部，粘于微粘胶带上固定；用导电银浆将同轴电缆线的导线部分接金属环，作为电极线引出，地线接金属外壳；

电极引出后封装金属外壳内部的超声换能器结构，去除微粘胶带，在柔性压电薄膜一面制作另一电极，制作完成后封装防水膜获得高频薄膜超声换能器。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘柱体由301环氧树脂AB胶制成，301环氧树脂的AB胶质量比例为4:1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用AP131助粘剂将柔性压电薄膜电极一面与绝缘柱体端面同轴固定。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述AP131助粘剂为AP131在乙醇中1:1稀释后的溶液。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，金属环内径与绝缘柱体外径配合，金属环外径与金属外壳内径配合。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述柔性压电薄膜为PVDF基薄膜。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述柔性压电薄膜的厚度为5~30 μm。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电极由铬层5~10 nm，金层10~30nm组成。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述防水膜厚度为2~6 μm。

10.一种权利要求1-9任一项所述制备方法制备得到的高频薄膜超声换能器。

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