CN116237225A - 一种高灵敏柔性压电超声换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏柔性压电超声换能器及其制备方法，属于柔性传感器技术领域。所述压电超声换能器包括依次设置的具有空腔结构的柔性衬底、弹性层、底电极、压电层、上电极及绝缘层，其中压电层为压电材料Ba0.92Ca0.08Ti1‑xSnxO3薄膜，x为0.01‑0.1，具有高压电性能及无污染优势，弹性层为耐高温白云母片，兼容微电子工艺与压电材料高温退火工艺。本发明提供的压电超声换能器集成了超声波发射及接收功能，尺寸小、可发生大幅度形变，适用于非平面结构无损探伤、生物体组织成像、人体可穿戴设备等领域。本发明公开的高灵敏柔性压电超声换能器制备方法简单，成本低廉，适合批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏柔性压电超声换能器及其制备方法。
背景技术
超声换能器在生物医疗成像、工业无损检测及海洋探测等领域具有广泛应用。然而，常规刚性超声换能器形状固定、不可变形的特点，难以实现与任意形状/轮廓的生物组织、待测结构紧密贴合，从而限制了换能器的应用场景及使用性能。
柔性超声换能器可实现与复杂轮廓对象的紧密接触，近年来得到广泛研究。当前研制柔性超声换能器的技术路线主要有两种：
1)通过转印法(Transfer Printing)将沉积在硅基上的换能器结构转移至柔性衬底，如Liu Tianning于2021年发表了基于该方法的柔性换能器(Liu T.et al.,Sensors,2021,21,1014)。
该技术方法大多采用高压电系数的压电材料如PZT构造压电层。虽然可实现高发射灵敏度，但含铅压电材料容易造成环境污染。
此外，该类技术工艺复杂，实验设备昂贵，制备条件苛刻，因此良率较低、成本高昂。
2)将压电材料与柔性衬底直接键合，该类方法凭借其操作灵活性、制备成本低等优势得到越来越广泛的关注。如南京航空航天大学吴大伟教授研制了基于聚偏氟乙烯(PVDF)的测距柔性换能器(Liu T.et al.,Sens.Actuator A Phys.,2021,317,112476)；比利时微电子研究中心(IMEC)研制了基于PVDF的柔性换能器并实现手势识别(GijsenberghP.et al.,J.Micromech.Microeng.,2019,29,074001)。
目前该类方法研制的柔性换能器多采用压电有机聚合物，如PVDF(d33为-20pC/N)，P(VDF-TrFE)(d33为-30pC/N)等作为压电层，压电系数较低，难以实现高发射灵敏度。
此外，已报道的柔性换能器弹性层材料多为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯等，难以兼容高压电系数的压电材料制备时的高温退火工艺。
因此，在实现柔性超声换能器与复杂轮廓/表面紧密贴合的同时，如何提高换能器发射灵敏度并降低制备工艺复杂度，是目前该领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高灵敏度的柔性压电超声换能器及其制备方法，以实现有效发射、接收超声波的功能，并且满足制备工艺简单、成本低廉的要求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种高灵敏柔性压电超声换能器，包括依次设置的具有空腔结构的柔性衬底、弹性层、底电极、压电层、上电极和绝缘层，所述弹性层采用白云母片制备而成，压电层为Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3薄膜，x为0.01-0.1。
本发明采用高性能的环保压电材料Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3制备压电层，该材料具有高压电系数及机电耦合系数，电声转换效率高。采用耐高温柔性白云母弹性层，以适应压电材料的高温退火工艺，同时白云母具有高挠曲度，有利于提高换能器灵敏度。
所述弹性层为白云母片经研磨及剥离处理后制得。作为优选，所述弹性层的厚度为10～100μm。更为优选，所述弹性层的厚度为30～55μm，弹性层厚度影响品质因子即带宽，该厚度条件下可以适当增加声阻尼，提高换能器的带宽。
所述压电层由Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3溶胶滴加在底电极表面上经匀胶、烘烤、退火后形成。所述Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3溶胶的制备方法包括：将钛酸钡、碳酸钙、二氧化钛及二氧化锡粉末按化学计量比92：8：100-100x：100x(x为0.01-0.1)混合并溶于无水乙醇，充分混合球磨，制得浆料；然后将所得浆料烘干后置于1200～1400℃环境中煅烧，制备得到Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3；将Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3溶于无水乙醇，制备得到Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3溶胶。
作为优选，压电层材料采用Ba0.92Ca0.08Ti0.98Sn0.02O3、Ba0.92Ca0.08Ti0.96Sn0.04O3或Ba0.92Ca0.08Ti0.95Sn0.05O3。
作为优选，压电层的厚度为0.5～10μm。进一步的，压电层的厚度为1～5μm，该厚度的压电层不仅较容易制得，还可以提高换能器的发射灵敏度；更为优选，压电层的厚度为1～2μm。
作为优选，所述柔性衬底采用聚二甲基硅氧烷薄膜制备而成，空腔的深度为100～500μm。空腔深度影响应力分布，更为优选，空腔的深度为200～300μm，以提高应力分布的均匀性，改善换能器的整体性能。空腔内径为100～250μm，优选的，空腔内径为130～225μm。
作为优选，所述底电极和上电极均为钛-铂薄膜，其中钛膜层厚度为10～50nm，铂膜层厚度为100～300nm。优选的，其中底电极中钛膜层厚度为20～30nm，铂膜层厚度为200～300nm；上电极中钛膜层厚度为10～20nm，铂膜层厚度为150～180nm。具体的，所述底电极中钛膜层厚度为20nm、铂膜层厚度为300nm，上电极中钛膜层厚度为10nm、铂膜层厚度为150nm；或者，所述底电极中钛膜层厚度为25nm、铂膜层厚度为250nm，上电极中钛膜层厚度为15nm、铂膜层厚度为175nm；或者，所述底电极中钛膜层厚度为30nm、铂膜层厚度为200nm，上电极中钛膜层厚度为20nm、铂膜层厚度为180nm。
作为优选，所述绝缘层为氮化硅薄膜，厚度为0.5～5μm，用于防水、防尘、防腐蚀。更为优选，绝缘层厚度为1～2μm。
本发明还提供了一种制备所述高灵敏柔性压电超声换能器的方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)取白云母片，对其进行研磨及剥离处理，制得弹性层；
(2)在弹性层的上表面依次制备底电极、压电层、上电极和绝缘层，其中压电层由Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3溶胶滴加在底电极表面上经匀胶、烘烤、退火后形成；
(3)取聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜作为柔性衬底材料，采用光刻蚀法对其中间区域进行刻蚀形成空腔结构，采用热压法将所制备的柔性衬底与弹性层下表面进行粘结，弹性层覆盖柔性衬底空腔。
步骤(2)中，采用直流磁控溅射方法在弹性层的上表面沉积钛薄膜和铂薄膜形成底电极，再将压电材料旋涂于底电极表面，经退火工艺形成压电层，然后同样采用直流磁控溅射方法在压电层表面沉积钛薄膜和铂薄膜形成上电极，最后在上电极表面制备绝缘层。
所述Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3溶胶的制备方法包括：将钛酸钡、碳酸钙、二氧化钛及二氧化锡粉末按化学计量比92：8：100-100x：100x(x为0.01-0.1)混合并溶于无水乙醇，充分混合球磨12～24小时；再将所得浆料置于80～100℃环境中烘烤6～12小时；然后将烘干后浆料在1200～1400℃环境中煅烧2～6小时，制备得到Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3；将Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3溶于无水乙醇，制备得到Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3溶胶。
作为优选，制备压电层过程中，烘烤温度为150～350℃，持续时间为2～10分钟；所述退火温度为450～1300℃，持续时间为2～30分钟。更为优选，烘烤温度为200～300℃，持续时间为2～6分钟；所述退火温度为1000～1200℃，持续时间为10～15分钟。
作为优选，所述制备方法步骤(2)中，绝缘层为氮化硅薄膜，采用化学气相沉积法在上电极上生长氮化硅，气压为500～1000mTorr，温度为300～500℃，反应气体SiH4与NH3比例为1：0.5～1，反应气体SiH4与N2比例为1：10～20。更为优选，化学气相沉积法采用气压为500～800mTorr，温度为300～450℃，反应气体SiH4与NH3比例为1：0.5～0.6，反应气体SiH4与N2比例为1：15～20。
步骤(3)中，利用刻蚀法制备柔性衬底空腔结构，再利用热压法将柔性衬底粘结在弹性层下表面，白云母片覆盖PDMS衬底的空腔。
作为优选，所述光刻蚀法包括：采用光刻胶为掩膜对PDMS有机硅薄膜中间区域进行干法刻蚀，该步骤在低温感应耦合等离子刻蚀系统中进行，刻蚀参数如下：100％SF6，流速100～300sccm，功率1200～2000W，压强0.01～0.03mbar，刻蚀时间30～60分钟，最后形成腔体结构。更为优选，刻蚀参数采用：100％SF6，流速150～200sccm，功率1200～1800W，压强0.01～0.02mbar，刻蚀时间30～40分钟。
相较于现有技术，本发明具备如下有益效果：
(1)本发明采用耐高温柔性白云母片作为弹性层，兼容微电子工艺与压电材料高温退火工艺。
(2)本发明采用高压电系数的无铅压电材料Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3(d33为400～600pC/N，d31为-500～-200pC/N)以实现高发射灵敏度，掺杂适量Sn以提升压电性能，同时能增加晶体延展性并有效降低退火温度，还可避免环境污染。
(3)本发明制备方法简单，适合批量生产，良率高，成本低廉，无需使用低效、繁琐的转印法。
(4)本发明提供的柔性换能器尺寸小、可发生大幅度形变，在非平面结构无损探伤、生物体组织成像、人体可穿戴设备等领域具有广泛应用前景。
附图说明
图1为高灵敏柔性压电超声换能器的整体设计示意图。
图中，1-柔性衬底(含空腔)；2-白云母片弹性层；3-钛底电极；4-铂底电极；5-压电层Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3薄膜；6-钛上电极；7-铂上电极；8-氮化硅绝缘层，下同。
图2为高灵敏柔性压电超声换能器的制备方法流程图，依次为研磨剥离制得白云母片弹性层—在白云母片上表面沉积钛薄膜层—在钛薄膜上沉积铂薄膜层—铂薄膜层上旋涂压电材料，经退火工艺形成压电层—在压电层表面沉积钛薄膜—在钛薄膜上沉积铂薄膜层—在铂薄膜层表面制备绝缘层-取PDMS有机硅薄膜作为柔性衬底材料，采用刻蚀法在其中间区域形成空腔结构—采用热压法将所制备的PDMS衬底与白云母片下表面粘结。
图3为本发明实施例1方案制备的～500kHz换能器发射灵敏度示意图。
图4为本发明实施例2方案制备的～2MHz换能器发射灵敏度示意图。
图5为本发明实施例3方案制备的～3MHz换能器发射灵敏度示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。以下实施例仅用于说明本发明，不用来限制本发明的适用范围，本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。在不背离本发明精神和本质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所做的修改或替换，均属于本发明的范围。
下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
PDMS有机硅薄膜采购自杭州圭臬新材料科技有限公司，白云母片采购自南京迈塔光电科技有限公司。压电材料Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3由钛酸钡(BaTiO3)、二氧化钛(TiO2)、碳酸钙(CaCO3)及二氧化锡(SnO2)按特定化学计量比混合、研磨、煅烧制得；上述钛酸钡、二氧化钛、碳酸钙及二氧化锡均采购自Sigma-Aldrich。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种高灵敏柔性压电超声换能器，其结构组成包括依次设置的具有空腔结构的柔性衬底1、弹性层2、底电极(由钛底电极3和铂底电极4组成)、压电层5、上电极(由钛上电极6和铂上电极7组成)及绝缘层8。
具体的，柔性衬底1材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，具有空腔结构，腔体深度为300μm，内径为225μm。弹性层2为耐高温白云母片，厚度为30μm。底电极为钛-铂薄膜，其中钛薄膜厚度为20nm，铂薄膜厚度为300nm；上电极为钛-铂薄膜，其中钛薄膜厚度为10nm，铂薄膜厚度为150nm。压电层5材料为Ba0.92Ca0.08Ti0.98Sn0.02O3，厚度为1μm。绝缘层8为氮化硅薄膜，厚度为1μm。
一、制备方法
1)将钛酸钡(BaTiO3)、碳酸钙(CaCO3)、二氧化钛(TiO2)及二氧化锡(SnO2)粉末按化学计量比92：8：98：2混合并溶于无水乙醇，充分混合球磨12小时；将所得浆料置于80℃环境中烘烤12小时；将烘干后浆料在1200℃环境中煅烧6小时，制备得到Ba0.92Ca0.08Ti0.98Sn0.02O3；将Ba0.92Ca0.08Ti0.98Sn0.02O3溶于无水乙醇，制备得到Ba0.92Ca0.08Ti0.98Sn0.02O3溶胶。
2)取白云母片，对其进行研磨及剥离处理，制得厚度为30μm的弹性层。
3)制备底电极钛-铂薄膜，先以纯钛作为靶材，采用直流磁控溅射方法，在柔性白云母片表面上沉积钛薄膜，厚度为20nm；然后以纯铂作为靶材，采用直流磁控溅射方法，在钛薄膜表面沉积铂薄膜，厚度为300nm。
4)将Ba0.92Ca0.08Ti0.98Sn0.02O3溶胶旋涂在底电极表面上进行匀胶处理，通过重复多次匀胶制程控制压电薄膜厚度为1μm；接着进行烘烤，温度为200℃，持续时间为2分钟；最后进行退火，温度为1000℃，持续时间为15分钟。
5)制备上电极钛-铂薄膜，先以纯钛作为靶材，采用直流磁控溅射方法，在压电层表面上沉积钛薄膜，厚度为10nm；然后以纯铂作为靶材，采用直流磁控溅射方法，在钛薄膜表面沉积铂薄膜，厚度为150nm。
6)采用化学气相沉积法在上电极表面生长氮化硅，以硅烷和氨气分别作为化学气相沉积氮化硅薄膜的硅源和氮源，以高纯氮气为载气，制备条件为：气压为500mTorr，温度为300℃，反应气体SiH4与NH3比例为1：0.5，反应气体SiH4与N2比例为1：15。
7)取PDMS有机硅薄膜作为柔性衬底材料，采用光刻胶AZ4620为掩膜对其中间区域进行干法刻蚀，该步骤在低温感应耦合等离子刻蚀系统中进行，刻蚀参数具体如下：100％SF6，流速150sccm，功率1200W，压强为0.01mbar，刻蚀时间40分钟，最后形成腔体结构。然后将上述所制备的柔性PDMS衬底与白云母片对准，采用热压法将PDMS衬底粘结到白云母片下表面。
上述高灵敏柔性压电超声换能器的工作原理：
本实施例制备的高灵敏柔性压电超声换能器具有发射、接收超声波的功能。当发射超声波时，上电极和底电极之间的电场致使压电层产生逆压电效应，从而在压电层中产生横向应力。由于底端约束，应力产生弯矩，迫使薄膜偏转出平面，向周围介质发射超声波。当接收超声波时，压力波使平板偏转产生横向应力，压电层凭借压电效应从而在电极上产生电荷。本发明采用高压电系数的无铅压电材料Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3(d33为400～600pC/N，d31为-500～-200pC/N)以实现高发射灵敏度，掺杂适量Sn以提升压电性能；本发明亦采用耐高温白云母片作为弹性层，具有高挠曲度，有利于提高换能器灵敏度。
二、性能测试
对制备得到的柔性压电超声换能器进行测试，得到图3所示发射灵敏度示意图，中心频率～500kHz，发射灵敏度为～1650Pa/V，超过已报道的柔性换能器性能(一般小于1000Pa/V)。
实施例2
如图1所示，本实施例提供了一种高灵敏柔性压电超声换能器，其结构组成包括依次设置的具有空腔结构的柔性衬底1、弹性层2、底电极(由钛底电极3和铂底电极4组成)、压电层5、上电极(由钛上电极6和铂上电极7组成)及绝缘层8。
具体的，柔性衬底1材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，具有空腔结构，腔体深度为250μm，内径为150μm。弹性层2为耐高温白云母片，厚度为50μm。底电极为钛-铂薄膜，其中钛薄膜厚度为25nm，铂薄膜厚度为250nm；上电极为钛-铂薄膜，其中钛薄膜厚度为15nm，铂薄膜厚度为175nm。压电层5材料为Ba0.92Ca0.08Ti0.96Sn0.04O3，厚度为1.5μm。绝缘层8为氮化硅薄膜，厚度为1.5μm。
一、制备方法
1)将钛酸钡(BaTiO3)、碳酸钙(CaCO3)、二氧化钛(TiO2)及二氧化锡(SnO2)粉末按化学计量比92：8：96：4混合并溶于无水乙醇，充分混合球磨18小时；将所得浆料置于90℃环境中烘烤9小时；将烘干后浆料在1300℃环境中煅烧4小时，制备得到Ba0.92Ca0.08Ti0.96Sn0.04O3；将Ba0.92Ca0.08Ti0.96Sn0.04O3溶于无水乙醇，制备得到Ba0.92Ca0.08Ti0.96Sn0.04O3溶胶。
2)取白云母片，对其进行研磨及剥离处理，制得厚度为50μm的弹性层。
3)制备底电极钛-铂薄膜，先以纯钛作为靶材，采用直流磁控溅射方法，在柔性白云母片表面上沉积钛薄膜，厚度为25nm；然后以纯铂作为靶材，采用直流磁控溅射方法，在钛薄膜表面沉积铂薄膜，厚度为250nm。
4)将Ba0.92Ca0.08Ti0.96Sn0.04O3溶胶旋涂在底电极表面上进行匀胶处理，通过重复多次匀胶制程控制压电薄膜厚度为1.5μm；接着进行烘烤，温度为250℃，持续时间为5分钟；最后进行退火，温度为1150℃，持续时间为13分钟。
5)制备上电极钛-铂薄膜，先以纯钛作为靶材，采用直流磁控溅射方法，在压电层表面上沉积钛薄膜，厚度为15nm；然后以纯铂作为靶材，采用直流磁控溅射方法，在钛薄膜表面沉积铂薄膜，厚度为175nm。
6)采用化学气相沉积法在上电极表面生长氮化硅，以硅烷和氨气分别作为化学气相沉积氮化硅薄膜的硅源和氮源，以高纯氮气为载气，制备条件为：气压为600mTorr，温度为400℃，反应气体SiH4与NH3比例为1：0.55，反应气体SiH4与N2比例为1：18。
7)取PDMS有机硅薄膜作为柔性衬底材料，采用光刻胶AZ4620为掩膜对其中间区域进行干法刻蚀，该步骤在低温感应耦合等离子刻蚀系统中进行，刻蚀参数具体如下：100％SF6，流速150sccm，功率1800W，压强为0.015mbar，刻蚀时间35分钟，最后形成腔体结构。然后将上述所制备的柔性PDMS衬底与白云母片对准，采用热压法将PDMS衬底粘结到白云母片下表面。
二、性能测试
对制备得到的柔性压电超声换能器进行测试，得到图4所示发射灵敏度示意图，中心频率～2MHz，发射灵敏度为～1500Pa/V，超过已报道的柔性换能器性能(一般小于1000Pa/V)。
实施例3
如图1所示，本实施例提供了一种高灵敏柔性压电超声换能器，其结构组成包括依次设置的具有空腔结构的柔性衬底1、弹性层2、底电极(由钛底电极3和铂底电极4组成)、压电层5、上电极(由钛上电极6和铂上电极7组成)及绝缘层8。
具体的，柔性衬底1材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，具有空腔结构，腔体深度为200μm，内径为130μm。弹性层2为耐高温白云母片，厚度为55μm。底电极为钛-铂薄膜，其中钛薄膜厚度为30nm，铂薄膜厚度为200nm；上电极为钛-铂薄膜，其中钛薄膜厚度为20nm，铂薄膜厚度为180nm。压电层5材料为Ba0.92Ca0.08Ti0.95Sn0.05O3，厚度为2μm。绝缘层8为氮化硅薄膜，厚度为2μm。
一、制备方法
1)将钛酸钡(BaTiO3)、碳酸钙(CaCO3)、二氧化钛(TiO2)及二氧化锡(SnO2)粉末按化学计量比92：8：95：5混合并溶于无水乙醇，充分混合球磨24小时；将所得浆料置于80～100℃环境中烘烤6小时；将烘干后浆料在1400℃环境中煅烧2小时，制备得到Ba0.92Ca0.08Ti0.95Sn0.05O3；将Ba0.92Ca0.08Ti0.95Sn0.05O3溶于无水乙醇，制备得到Ba0.92Ca0.08Ti0.95Sn0.05O3溶胶。
2)取白云母片，对其进行研磨及剥离处理，制得厚度为55μm的弹性层。
3)制备底电极钛-铂薄膜，先以纯钛作为靶材，采用直流磁控溅射方法，在柔性白云母片表面上沉积钛薄膜，厚度为30nm；然后以纯铂作为靶材，采用直流磁控溅射方法，在钛薄膜表面沉积铂薄膜，厚度为200nm。
4)将Ba0.92Ca0.08Ti0.95Sn0.05O3溶胶旋涂在底电极表面上进行匀胶处理，通过重复多次匀胶制程控制压电薄膜厚度为2μm；接着进行烘烤，温度为300℃，持续时间为6分钟；最后进行退火，温度为1200℃，持续时间为10分钟。
5)制备上电极钛-铂薄膜，先以纯钛作为靶材，采用直流磁控溅射方法，在压电层表面上沉积钛薄膜，厚度为20nm；然后以纯铂作为靶材，采用直流磁控溅射方法，在钛薄膜表面沉积铂薄膜，厚度为180nm。
6)采用化学气相沉积法在上电极表面生长氮化硅，以硅烷和氨气分别作为化学气相沉积氮化硅薄膜的硅源和氮源，以高纯氮气为载气，制备条件为：气压为800mTorr，温度为450℃，反应气体SiH4与NH3比例为1：0.6，反应气体SiH4与N2比例为1：20。
7)取PDMS有机硅薄膜作为柔性衬底材料，采用光刻胶AZ4620为掩膜对其中间区域进行干法刻蚀，该步骤在低温感应耦合等离子刻蚀系统中进行，刻蚀参数具体如下：100％SF6，流速200sccm，功率1500W，压强为0.02mbar，刻蚀时间30分钟，最后形成腔体结构。然后将上述所制备的柔性PDMS衬底与白云母片对准，采用热压法将PDMS衬底粘结到白云母片下表面。
二、性能测试
对制备得到的柔性压电超声换能器进行测试，得到图5所示发射灵敏度示意图，中心频率3MHz，发射灵敏度为～2400Pa/V，超过已报道的柔性换能器性能(一般小于1000Pa/V)。
综上所述，本发明提供了一种高灵敏柔性压电超声换能器，包括柔性衬底、弹性层、底电极、压电层、上电极及绝缘层，其中压电层为压电材料Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3薄膜，具有高压电性能及无污染优势，弹性层为耐高温白云母片。本发明集成超声波发射及接收功能，换能器可正常工作弯曲角度＜45°。
本发明提供的高灵敏柔性压电超声换能器制备方法简单，成本低廉，且与微电子工艺及压电材料高温退火工艺兼容，适合批量生产，在非平面结构无损探伤、生物体组织成像、人体可穿戴设备等领域具有广阔应用前景。
以上所述的实施例只是本发明的较佳方案，并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高灵敏柔性压电超声换能器，包括依次设置的具有空腔结构的柔性衬底、弹性层、底电极、压电层、上电极和绝缘层，其特征在于，所述弹性层采用白云母片制备而成，压电层为Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3薄膜，x为0.01-0.1。
2.如权利要求1所述的高灵敏柔性压电超声换能器，其特征在于，所述弹性层的厚度为30～55μm。
3.如权利要求1所述的高灵敏柔性压电超声换能器，其特征在于，压电层的厚度为1～2μm。
4.如权利要求1所述的高灵敏柔性压电超声换能器，其特征在于，所述柔性衬底采用聚二甲基硅氧烷薄膜制备而成，空腔的深度为200～300μm。
5.如权利要求1所述的高灵敏柔性压电超声换能器，其特征在于，所述底电极和上电极均为钛-铂薄膜，其中底电极中钛膜层厚度为20～30nm，铂膜层厚度为200～300nm；上电极中钛膜层厚度为10～20nm，铂膜层厚度为150～180nm。
6.如权利要求1所述的高灵敏柔性压电超声换能器，其特征在于，所述绝缘层为氮化硅薄膜，厚度为1～2μm。
7.如权利要求1-6任一项所述的高灵敏柔性压电超声换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取白云母片，对其进行研磨及剥离处理，制得弹性层；
(2)在弹性层的上表面依次制备底电极、压电层、上电极和绝缘层，其中压电层由Ba0.92Ca0.08Ti1-xSnxO3溶胶滴加在底电极表面上经匀胶、烘烤、退火后形成；
(3)取聚二甲基硅氧烷薄膜作为柔性衬底材料，采用光刻蚀法对其中间区域进行刻蚀形成空腔结构，采用热压法将所制备的柔性衬底与弹性层下表面进行粘结，弹性层覆盖柔性衬底空腔。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述烘烤温度为200～300℃，持续时间为2～6分钟；所述退火温度为1000～1200℃，持续时间为10～15分钟。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述绝缘层为氮化硅薄膜，采用化学气相沉积法在上电极上生长氮化硅，气压为500～800mTorr，温度为300～450℃，反应气体SiH4与NH3比例为1：0.5～0.6，反应气体SiH4与N2比例为1：15～20。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述光刻蚀法包括：采用光刻胶为掩膜对聚二甲基硅氧烷薄膜中间区域进行干法刻蚀，该步骤在等离子刻蚀系统中进行，刻蚀参数如下：100％SF6，流速150～200sccm，功率1200～1800W，压强0.01～0.02mbar，刻蚀时间30～40分钟，最后形成腔体结构。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080109167A (ko) * | 2007-06-12 | 2008-12-17 | 한국과학기술원 | 운모 기판 위에 버퍼층이 형성된 플렉시블 다결정 실리콘박막 소자 제작용 기판 구조 및 이의 제조방법 |
| CN101458134A (zh) * | 2007-12-10 | 2009-06-17 | 精工爱普生株式会社 | 半导体压力传感器及其制造方法、半导体装置和电子设备 |
| JP2014185061A (ja) * | 2013-03-23 | 2014-10-02 | Kyocera Corp | 圧電素子 |
| CN106660074A (zh) * | 2014-07-08 | 2017-05-10 | 高通股份有限公司 | 压电超声换能器及工艺 |
| CN109400147A (zh) * | 2018-11-27 | 2019-03-01 | 哈尔滨工业大学 | 一种应用于高功率密度能量收集器件的无铅压电织构复合材料及其制备方法和应用 |
| CN109909140A (zh) * | 2019-03-06 | 2019-06-21 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种压电微机械超声换能器及其制备方法 |
| CN111811701A (zh) * | 2020-07-20 | 2020-10-23 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种多级微结构栅薄膜晶体管柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN114759138A (zh) * | 2022-03-29 | 2022-07-15 | 华南理工大学 | 一种柔性触觉传感器及其制备方法和应用 |
-
2023
- 2023-02-10 CN CN202310164709.4A patent/CN116237225A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080109167A (ko) * | 2007-06-12 | 2008-12-17 | 한국과학기술원 | 운모 기판 위에 버퍼층이 형성된 플렉시블 다결정 실리콘박막 소자 제작용 기판 구조 및 이의 제조방법 |
| CN101458134A (zh) * | 2007-12-10 | 2009-06-17 | 精工爱普生株式会社 | 半导体压力传感器及其制造方法、半导体装置和电子设备 |
| JP2014185061A (ja) * | 2013-03-23 | 2014-10-02 | Kyocera Corp | 圧電素子 |
| CN106660074A (zh) * | 2014-07-08 | 2017-05-10 | 高通股份有限公司 | 压电超声换能器及工艺 |
| CN109400147A (zh) * | 2018-11-27 | 2019-03-01 | 哈尔滨工业大学 | 一种应用于高功率密度能量收集器件的无铅压电织构复合材料及其制备方法和应用 |
| CN109909140A (zh) * | 2019-03-06 | 2019-06-21 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种压电微机械超声换能器及其制备方法 |
| CN111811701A (zh) * | 2020-07-20 | 2020-10-23 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种多级微结构栅薄膜晶体管柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN114759138A (zh) * | 2022-03-29 | 2022-07-15 | 华南理工大学 | 一种柔性触觉传感器及其制备方法和应用 |
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