一種用于超聲掃描顯微鏡的可變頻變焦換能器制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲掃描顯微鏡檢測(cè)領(lǐng)域和超聲波成像領(lǐng)域，尤其是一種用于超聲掃 描顯微鏡的可變頻變焦換能器制作方法
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲掃描顯微鏡主要采用脈沖回波方式工作，是用于進(jìn)行物質(zhì)內(nèi)部顯微檢測(cè)及成 像研宄的重要工具之一，目前被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、電子工業(yè)及冶金工業(yè)的顯微成像檢測(cè)中。 針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象及成像要求（如檢測(cè)深度、可檢缺陷尺寸），需要頻繁更換不同頻率及 不同焦距的換能器才能達(dá)到最理想的檢測(cè)效果。這樣不但降低了檢測(cè)效率，更增加了由于 拆卸、安裝所引起的定位誤差，對(duì)于精確判斷缺陷的位置是極為不利的。實(shí)現(xiàn)超聲換能器的 變頻變焦技術(shù)是解決上述問題較為有效的方法，能夠大大提高超聲顯微鏡的使用性能，對(duì) 于不同分辨力下的顯微成像具有重要意義。
[0003] 目前的超聲掃描顯微鏡多采用單晶片壓電換能器實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收。超聲 換能器作為超聲掃描顯微鏡最核心的元器件，直接決定著發(fā)射出的超聲信號(hào)特性和超聲掃 描顯微鏡的檢測(cè)分辨力，從而直接影響超聲掃描顯微鏡的檢測(cè)成像質(zhì)量。聚焦換能器除了 采用聲透鏡實(shí)現(xiàn)聚焦之外，主要采用自聚焦曲面實(shí)現(xiàn)高頻超聲波的聚焦。然而，上述換能器 特別是高頻聚焦換能器，雖然可以產(chǎn)生寬帶的超聲波，但是由于其壓電晶片的厚度及自聚 焦曲面的曲率半徑固定不變，使得中心頻率之外的其它頻率成分無法獲得檢測(cè)所需的能量 閾值和與之匹配的最佳焦距，因此通過單晶片及單一自聚焦曲面無法實(shí)現(xiàn)聚焦換能器的變 頻變焦功能。
[0004] 本發(fā)明采用五種不同厚度的壓電薄膜晶片與五種不同曲率半徑的自聚焦曲面相 結(jié)合的方式合成一個(gè)換能器，并通過各自引出的電極選擇性激勵(lì)其中任意厚度的壓電薄膜 晶片即可實(shí)現(xiàn)超聲換能器的變頻變焦目的。采用該變頻變焦換能器在對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)， 無需頻繁更換換能器便可以改變聚焦超聲波的中心頻率及焦距大小，快速實(shí)現(xiàn)不同深度及 不同分辨力的掃描成像，從而能夠有效避免由于更換換能器而引起檢測(cè)效率低，缺陷定位 難的問題。 三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種用于超聲掃描顯微鏡的可變頻變焦換能器制作方法。
[0006] 本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0007] 1)采用微機(jī)械加工工藝在單晶硅上獲得曲率半徑依次變化的五個(gè)自聚焦曲面，曲 率半徑由聚焦超聲波的焦距大小確定；
[0008] 2)利用低壓化學(xué)氣相沉積法分別在上述自聚焦曲面上沉積得到五種不同厚度的 ZnO壓電薄膜晶片，不同厚度的ZnO薄膜之間相互分離；
[0009] 3)通過微機(jī)械加工工藝分別在五種不同厚度ZnO壓電薄膜晶片的前后面上引出 Au上電極和Al下電極；
[0010] 4)將五種不同厚度的ZnO壓電薄膜晶片封裝為一個(gè)整體，并用SAM電子連接器連 接形成變頻變焦的換能器。
[0011] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
[0012] 在不更換換能器的情況下實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部不同深度及不同分辨力下的缺陷檢測(cè)及 成像功能，不但可以提尚檢測(cè)效率，而且可以提尚微小缺陷的定位精度。
【附圖說明】
[0013] 圖1變頻變焦壓電換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2自聚焦曲面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖；
[0015] 圖3自聚焦曲面的俯視圖；
[0016] 圖4變頻變焦換能器的透視圖； 四、具體實(shí)施方案：
[0017] 下面結(jié)合附圖，以變頻范圍為100MHZ-200MHZ、變焦范圍為的壓電換能器 制作為例，對(duì)本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但不作為本發(fā)明的限定。圖1是變頻變焦壓 電換能器的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括前匹配層1，壓電薄膜晶片2,正、負(fù)電極3,背襯及機(jī)械支 撐層4,金屬外殼5,側(cè)壁環(huán)氧基樹脂固定層6和SAM電子連接器7。其中，壓電薄膜晶片2 由傳統(tǒng)的單晶片改進(jìn)為厚度不同的五個(gè)壓電薄膜晶片，前匹配層具有曲率半徑不同的自聚 焦曲面形狀，超聲波透過該結(jié)構(gòu)后實(shí)現(xiàn)聚焦功能。
[0018] 下面將具體給出變頻變焦壓電換能器的詳細(xì)制作過程：
[0019] 1.采用低壓化學(xué)氣相沉積法在單晶硅上沉積出0. 3 μm的氮化硅層；
[0020] 2.采用離子反應(yīng)刻蝕的辦法除掉部分氮化硅，從而在指定位置留出圓形開口，開 口直徑如圖2中的2^所示，i為表1中的晶片編號(hào)；
[0021] 3.采用80°C的KOH溶液在上述單晶硅的開口處侵蝕出如圖2所示的不同大小的 通孔；
[0022] 4.將直徑分別為Ri (i = 1，2, 3, 4, 5)，粗糙度為0. 1 μπι以下的五個(gè)不銹鋼小球放 置在上述圓形通孔上方；
[0023] 5.采用融化的石蠟填充小球下方的空隙，待石蠟冷卻凝固后再將小球去除，獲得 五種不同曲率半徑的自聚焦曲面，如圖3所示；
[0024] 6.將8 μπι厚度的聚對(duì)二甲苯均勻涂敷于上述自聚焦曲面上；
[0025] 7.使用甲苯溶液去除多余的石蠟，使得球形曲面的底部完全空出；
[0026] 8.根據(jù)所需獲得的超聲波中心頻率（如表1所示），分別在五種不同曲率的球形 曲面上依次沉積厚度均為0.5 ym的Al下電極，厚度分別為tji = 1，2, 3, 4, 5)的ZnO壓電 薄膜和厚度均為〇. 5 μπι的Au上電極，ZnO壓電薄膜的厚度等于薄膜內(nèi)縱波波長(zhǎng)的一半；
[0027] 9.采用氧反應(yīng)離子刻蝕的辦法去除聚對(duì)二甲苯，特別是覆蓋于Al下電極的聚對(duì) 二甲苯；
[0028] 10.采用電子焊料銀環(huán)氧樹脂作為背襯材料，填充于由氧化鋁形成的金屬腔內(nèi)；
[0029] 11.沉積3 μπι厚度的聚對(duì)二甲苯作為前匹配層，并用環(huán)氧基樹脂將五個(gè)不同厚度 的壓電薄膜晶片作為整體固定在金屬腔的內(nèi)壁，然后用SAM電子連接器進(jìn)行封裝。
[0030] 變頻變焦壓電換能器的透視圖如圖4所示，相應(yīng)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下表1所示。
[0031]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于超聲掃描顯微鏡的可變頻變焦換能器制作方法，其特征在于包含如下步 驟： ① 采用微機(jī)械加工在單晶硅上獲得五種曲率半徑不同的自聚焦曲面，曲率半徑由聚焦 超聲波的焦距確定； ② 分別在上述不同曲率半徑的自聚焦曲面上沉積得到五種不同厚度的ZnO壓電薄膜 晶片，薄膜晶片的厚度由公式t = ncp/2f確定，其中n = 1，3,5"％cp為壓電晶片中的縱波 聲速，f為壓電晶片的諧振頻率； ③ 分別選用Au和A1作為壓電換能器的前后電極，通過微機(jī)械加工工藝分別在各ZnO 壓電薄膜晶片的前后面上引出； ④ 將五種不同厚度的壓電薄膜晶片封裝為一個(gè)整體，并用SAM電子連接器連接形成可 變頻變焦的壓電換能器。
2. 如權(quán)利要求權(quán)所述的一種用于超聲掃描顯微鏡的可變頻變焦換能器制作方法，其特 征是所述的曲率半徑由聚焦超聲波的焦距確定。
【專利摘要】本發(fā)明涉及超聲掃描顯微鏡檢測(cè)領(lǐng)域和超聲波成像領(lǐng)域，尤其是一種用于超聲掃描顯微鏡的可變頻變焦換能器制作方法，其特征在于：1）利用微機(jī)械加工工藝在單晶硅上獲得曲率半徑不同的五個(gè)自聚焦曲面；2)采用低壓化學(xué)氣相沉積法分別在上述自聚焦曲面上沉積五種不同厚度的ZnO壓電薄膜晶片，薄膜之間相互分開；3）通過單獨(dú)引出的電極選擇性激勵(lì)各ZnO壓電薄膜晶片，獲得頻率可調(diào)的超聲波；4）將五種不同厚度的壓電薄膜晶片封裝為一個(gè)整體，并用SAM電子連接器連接形成變頻變焦的換能器。本發(fā)明通過五種不同曲率半徑的自聚焦曲面獲得五種不同的焦距，并通過各自引出的電極選擇性激勵(lì)其中任意厚度的壓電薄膜晶片即可實(shí)現(xiàn)超聲換能器的變頻變焦功能。
【IPC分類】B06B1-06
【公開號(hào)】CN104624462
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410842593
【發(fā)明人】肖會(huì)芳, 陳丹, 徐金梧, 楊荃, 黎敏
【申請(qǐng)人】北京科技大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2014年12月30日