一種柔性聚焦mems超聲波發(fā)生器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超聲波換能器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柔性聚焦MEMS超聲波發(fā)生器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于MEMS (微機電系統(tǒng))技術(shù)的超聲換能器可用于基因?qū)?、超聲成像、超聲檢測等場合。與宏觀的超聲波換能器相比，MEMS超聲換能器由于質(zhì)量小，諧振頻率可以達到幾百兆赫茲的水平，更高的諧振頻率意味著成像和探測的精度將大大提高，所以基于微機電系統(tǒng)的超聲換能器特別適合于眼科、皮膚科和血管內(nèi)成像。另外，由MEMS工藝制作的微超聲換能器容易實現(xiàn)陣列化，且各單元之間的一致性較好，便于運用相控陣等方式進行控制。MEMS超聲換能器與細胞穿孔所需要的能量級別相匹配，能夠在不損傷細胞的情況下將細胞膜穿孔，所以非常適合于在微流體環(huán)境下的諸如基因轉(zhuǎn)染、藥物導入等操作。
[0003]柔性電子器件以其獨特的柔軟延展性、重量輕以及和彎曲表面完美貼合等優(yōu)勢在信息能源醫(yī)療國防等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。其應用范圍涵蓋了柔性電子顯示器、有機發(fā)光二極管、柔性印刷射頻識別等。柔性微機電系統(tǒng)的研宄也有了初步的成果，包括壓電促動器、壓電氣壓傳感器等。
[0004]本發(fā)明提出的一種柔性聚焦MEMS超聲波器件，運用微加工工藝，將宏觀的聚焦超聲波換能器尺度減小，以陣列的形式制作于柔性的聚合物基底上。與傳統(tǒng)的硅基的MEMS超聲波器件不同，可以與被檢測表面的曲面形狀相貼合，在超聲成像、超聲探傷等方面有一定實際用途。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出的一種柔性聚焦MEMS超聲波發(fā)生器及其制備方法，將MEMS工藝制作的微超聲波換能器進行陣列化排布在柔性聚酰亞胺(PI)基底，使其可隨意卷曲，從而與被測表面能實現(xiàn)完全貼合，實現(xiàn)其在超聲成像、超聲探傷等方面的應用。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]一種柔性聚焦MEMS超聲波發(fā)生器，包括采用MEMS技術(shù)制備的超聲波換能器，所述超聲波換能器陣列排布在聚酰亞胺基體的表面，相鄰超聲波換能器之間通過電極相連接；所述超聲波換能器呈碗狀凹形嵌入聚酰亞胺基體內(nèi)。
[0008]進一步方案，所述超聲波換能器從上往下依次由保護層、上電極、壓電薄膜和下電極構(gòu)成；相鄰超聲波換能器之間通過下電極相連接；所述超聲波換能器的碗狀凹形深度為100-200 μ m、跨度為 0.6-1.5mm、曲率半徑為 600-1500 μ m。
[0009]優(yōu)選方案，所述聚酰亞胺基體的厚度為300-500 μ mo
[0010]更優(yōu)選的方案，所述壓電薄膜的厚度為4-6 μ m，所述壓電薄膜選自氧化鋅壓電薄膜、氮化鋁壓電薄膜、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)或聚偏氟乙烯壓電薄膜(PVDF)。
[0011]所述上電極和下電極均為鉑、金或鋁構(gòu)成；所述保護層為聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者聚酰亞胺薄膜。
[0012]本發(fā)明的另一個發(fā)明目的是提供上述柔性聚焦MEMS超聲波發(fā)生器的制備方法，包括以下步驟:
[0013](I)制備表面陣列排布有碗狀凹形結(jié)構(gòu)的柔性聚酰亞胺基底:
[0014](2)在柔性聚酰亞胺基底的碗狀凹形表面依次形成下電極、壓電薄膜和上電極；
[0015](3)旋涂保護層:用旋涂的方法在上電極的上表面涂上一層保護層并烘干，制成超聲波換能器；
[0016](4)將各個超聲波換能器的上電極與外驅(qū)動電路連接，制得超聲波發(fā)生器。
[0017]進一步方案，所述步驟(I)中柔性基底是通過下面步驟制備而成的:
[0018](I)先將液態(tài)二甲基硅氧烷(PDMS)置于真空干燥箱中除去其中的氣體，待其半固化時，將精密鋼柱按陣列排布在半固化二甲基硅氧烷基層中，并使精密鋼柱浸入1/3-1/2的深度；
[0019](2)將(I)中排布有精密鋼柱的二甲基硅氧烷基底放入烘箱加熱至完全固化，然后除去其表面的精密鋼柱，得到表面布設(shè)有碗狀凹形坑的模具；
[0020](3)將二甲基硅氧烷液體(PDMS)澆注到(2)中的模具表面、固化后脫模，得到表面布帶有球冠狀凸起結(jié)構(gòu)的模板；
[0021](4)將聚酰亞胺用有機溶劑溶解后，將其澆注到(3)中的模板上，固化后脫模，得到帶有陣列碗狀凹形結(jié)構(gòu)的柔性基底。
[0022]進一步方案，所述步驟(2)中下電極、壓電薄膜和上電極是采用直流磁控濺射沉積或射頻磁控濺射沉積或蒸發(fā)鍍膜方法形成的。
[0023]進一步方案，所述步驟(2)中下電極厚度為400?500納米，壓電薄膜的厚度為4?6微米；
[0024]進一步方案，所述步驟(3)中旋涂的轉(zhuǎn)速為2000rpm-3000rpm ;烘干是指在60-90度烘箱中加熱1-2小時。
[0025]本發(fā)明中在柔性基底的碗狀凹形表面依次形成下電極、壓電薄膜和上電極，是先將柔性基底置于磁控濺射儀中，再用一片與陣列排布的超聲波換能器相匹配的不銹鋼板置于柔性基底上表面上作為擋板，然后再在柔性基底的碗狀凹形結(jié)構(gòu)上表面采用直流或射頻磁控濺射沉積形成下電極；在下電極的上表面同樣采用直流或射頻磁控濺射沉積依次形成壓電薄膜和上電極。還采用蒸發(fā)鍍膜的方法在柔性基底的碗狀凹形表面依次形成下電極、壓電薄膜和上電極。
[0026]本發(fā)明中的半固化的二甲基硅氧烷(PDMS)可采用美國道康寧(DOW CORNING)公司的SYLGARD184硅橡膠(PDMS)來制作，該產(chǎn)品由兩種前驅(qū)液按體積比為10:1組成，當兩種前驅(qū)液混合之后加熱，即可固化。
[0027]本發(fā)明的柔性聚焦MEMS超聲波發(fā)生器是將MEMS工藝制作的微超聲波換能器進行陣列化排布在柔性聚酰亞胺(PI)基底，使其可隨意卷曲，從而與被測表面能實現(xiàn)完全貼合，方便操作，并提高檢測精度。而通過MEMS工藝制作的超聲波換能器與細胞穿孔所需要的能量級別相匹配，能夠在不損傷細胞的情況下將細胞膜穿孔，所以非常適合于在微流體環(huán)境下的諸如基因轉(zhuǎn)染、藥物導入等操作。當在超聲波換能器的上、下電極間通入正弦交變電場時，由于逆壓電效應，位于上、下電極中間的壓電薄膜產(chǎn)生交替的振動，從而使產(chǎn)生的超聲波通過保護層向外傳播。由于超聲波換能器為碗狀凹形結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的超聲波能量能匯聚于一點，提高能量傳播效率。另外，多個超聲波換能器單元組成陣列，可以協(xié)同工作。
[0028]當前，基于MEMS技術(shù)的超聲波換能器(Micromachined ultrasound transducer,簡稱MUT)可分為電容式(CMUT)和壓電式(PMUT)，CMUT的典型結(jié)構(gòu)是由Si基底、絕緣層和薄膜構(gòu)成。薄膜上沉積有金屬電極，Si基底通過摻雜提高導電性，形成另一端電極。兩個電極之間由絕緣層和空腔形成一個電容。當在兩電極之間通入直流電的時候。由于靜電力的作用，薄膜會被拉向基體。當靜電力消失的時候，而薄膜內(nèi)的殘余應力則使薄膜恢復原形。如果在兩電極之間加入與機械共振頻率相同的交流電的時候，薄膜交替振動，并產(chǎn)生超聲波。CMUT電阻一般較大，不利于與前端電路的匹配；其工作電壓一般較高(?200V)，不利于器件穩(wěn)定。由于空腔的存在，薄膜懸于空腔上方，制造工藝比價復雜。且器件可靠性不是很高。
[0029]而PMUT的典型結(jié)構(gòu)是由下電極、壓電層、上電極組成的三明治結(jié)構(gòu)，當上、下電極上加入正弦交變電場的時候，壓電薄膜交替振動，產(chǎn)生超聲波。相比于CMUT，PMUT具有電阻小，促動電壓低，因此易于以前端電路匹配；寄生電容影響較小，PMUT系統(tǒng)的電容值比CMUT大，這意味著計生電容對機電耦合系數(shù)的影響比CMUT的小；制造工藝相對簡單，可靠性高。
[0030]本發(fā)明制備的超聲波換能器屬于PMUT。但傳統(tǒng)的PMUT采用硅基工藝，制作的PMUT一般為平面結(jié)構(gòu)。而本發(fā)明采用聚合物工藝，制作出了曲面結(jié)構(gòu)的超聲波換能器，該結(jié)構(gòu)和宏觀聚焦超聲換能器相類似，可以把超聲波的能量聚焦于一點。
[0031]所以本發(fā)明具有以下有益效果:
[0032]1、本發(fā)明的柔性聚焦MEMS超聲波發(fā)生器采用柔性聚酰亞胺(PI)做為基底，從而使其直接包裹在待成像的外表面，獲得三維圖像，簡單實用，即使未經(jīng)專業(yè)訓練的人員也可以使用。而宏觀的超聲波換能器在醫(yī)學成像時，特別是在有曲度的表面進行成像的時候，需要采用掃描的方式，掃描人員需要特殊的訓練。
[0033]2、當在超聲波換能器的上、下電極間通入正弦交變電場時，由于逆壓電效應，位于上、下電極中間的壓電薄膜產(chǎn)生交替的振動，從而使產(chǎn)生的超聲波通過保護層向外傳播。而壓電薄膜的厚度為4?6微米，其尺寸僅為幾個微米，使其厚度方向諧振頻率非常高，可以達到幾十兆赫茲甚至上百兆赫茲，從而可提高分辨率。尤其適合于眼科、皮膚科和血管內(nèi)成像等應用于局部淺表且需要高分辨率的成像和檢測。
[0034]3、由于各超聲波換能器的壓電薄膜是同時沉積中形成的，其厚度、均勻性以及物性參數(shù)都十分相近，使得各超聲波換能器單元之間的一致性好，而將這樣的超聲波換能器單元排成陣列的形式，適合運用相控陣等控制方法。
[0035]4、本發(fā)明中采用精密鋼柱作為碗狀凹形超聲波換能器的模板，經(jīng)過多次復制，形成了碗狀凹形狀的陣列結(jié)構(gòu)。該方法簡單易行，且碗狀凹形結(jié)構(gòu)的曲率、高度、跨度等結(jié)構(gòu)參數(shù)容易調(diào)控。另外由磁控濺射沉積的壓電薄膜質(zhì)量好、雜質(zhì)少、壓電性能優(yōu)越，且不需要高溫極化。
[0036]5、由MEMS工藝制作的超聲波換能器的尺寸很小，其驅(qū)動電壓也大大減小，從而可以與驅(qū)動電路集成；且質(zhì)量輕，體積小巧，大大提高了便攜性能。
【附圖說明】
[0037]圖1為本發(fā)明柔性聚焦MEMS超聲波發(fā)生器的俯視圖，
[0038]圖2為本發(fā)明超聲波換能器的剖視圖；
[0039]圖3制備表面陣列排布有碗狀凹形結(jié)構(gòu)的柔性聚酰亞胺基底的流程示意圖；
[0040]圖4制備基于MEMS超聲波換能器的流程示意圖。
[0041]圖中:1-聚酰亞胺基體，2-下電極，3-上電極，4-保護層，5-壓電薄膜，6-超聲波換能器，7-外接電路焊點，8-精密鋼柱，9-表面布設(shè)有碗狀凹形坑的模具，10-基底，11-表面布帶有球冠狀凸起結(jié)構(gòu)的模板，12-擋板。
【具體實施方式】
[0042]實施例一:
[0043]如圖1所示，一種柔性聚焦MEMS超聲波發(fā)生器，包括采用MEMS技術(shù)制備的超聲波換能器6