一种用于超声扫描显微镜的可变频变焦换能器制作方法技术

本发明专利技术涉及超声扫描显微镜检测领域和超声波成像领域，尤其是一种用于超声扫描显微镜的可变频变焦换能器制作方法，其特征在于：1）利用微机械加工工艺在单晶硅上获得曲率半径不同的五个自聚焦曲面；2)采用低压化学气相沉积法分别在上述自聚焦曲面上沉积五种不同厚度的ZnO压电薄膜晶片，薄膜之间相互分开；3）通过单独引出的电极选择性激励各ZnO压电薄膜晶片，获得频率可调的超声波；4）将五种不同厚度的压电薄膜晶片封装为一个整体，并用SAM电子连接器连接形成变频变焦的换能器。本发明专利技术通过五种不同曲率半径的自聚焦曲面获得五种不同的焦距，并通过各自引出的电极选择性激励其中任意厚度的压电薄膜晶片即可实现超声换能器的变频变焦功能。

【技术实现步骤摘要】
一种用于超声扫描显微镜的可变频变焦换能器制作方法
本专利技术涉及超声扫描显微镜检测领域和超声波成像领域，尤其是一种用于超声扫描显微镜的可变频变焦换能器制作方法
技术介绍
超声扫描显微镜主要采用脉冲回波方式工作，是用于进行物质内部显微检测及成像研究的重要工具之一，目前被广泛应用于医学、电子工业及冶金工业的显微成像检测中。针对不同的检测对象及成像要求(如检测深度、可检缺陷尺寸)，需要频繁更换不同频率及不同焦距的换能器才能达到最理想的检测效果。这样不但降低了检测效率，更增加了由于拆卸、安装所引起的定位误差，对于精确判断缺陷的位置是极为不利的。实现超声换能器的变频变焦技术是解决上述问题较为有效的方法，能够大大提高超声显微镜的使用性能，对于不同分辨力下的显微成像具有重要意义。目前的超声扫描显微镜多采用单晶片压电换能器实现超声波的发射与接收。超声换能器作为超声扫描显微镜最核心的元器件，直接决定着发射出的超声信号特性和超声扫描显微镜的检测分辨力，从而直接影响超声扫描显微镜的检测成像质量。聚焦换能器除了采用声透镜实现聚焦之外，主要采用自聚焦曲面实现高频超声波的聚焦。然而，上述换能器特别是高频聚焦换能器，虽然可以产生宽带的超声波，但是由于其压电晶片的厚度及自聚焦曲面的曲率半径固定不变，使得中心频率之外的其它频率成分无法获得检测所需的能量阈值和与之匹配的最佳焦距，因此通过单晶片及单一自聚焦曲面无法实现聚焦换能器的变频变焦功能。本专利技术采用五种不同厚度的压电薄膜晶片与五种不同曲率半径的自聚焦曲面相结合的方式合成一个换能器，并通过各自引出的电极选择性激励其中任意厚度的压电薄膜晶片即可实现超声换能器的变频变焦目的。采用该变频变焦换能器在对样品进行检测时，无需频繁更换换能器便可以改变聚焦超声波的中心频率及焦距大小，快速实现不同深度及不同分辨力的扫描成像，从而能够有效避免由于更换换能器而引起检测效率低，缺陷定位难的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于超声扫描显微镜的可变频变焦换能器制作方法。本专利技术的实现步骤如下：1)采用微机械加工在单晶硅上获得五种曲率半径不同的自聚焦曲面，曲率半径由聚焦超声波的焦距确定；2)分别在上述不同曲率半径的自聚焦曲面上沉积得到五种不同厚度的ZnO压电薄膜晶片，薄膜晶片的厚度由公式t＝ncp/2f确定，其中n取1,cp为压电晶片中的纵波声速，f为压电晶片的谐振频率；3)分别选用Au和Al作为压电换能器的前后电极，通过微机械加工工艺分别在各ZnO压电薄膜晶片的前后面上引出；4)将五种不同厚度的ZnO压电薄膜晶片封装为一个整体，并用SAM电子连接器连接形成变频变焦的换能器。本专利技术的优点在不更换换能器的情况下实现材料内部不同深度及不同分辨力下的缺陷检测及成像功能，不但可以提高检测效率，而且可以提高微小缺陷的定位精度。附图说明图1变频变焦压电换能器的结构示意图；图2自聚焦曲面的结构设计示意图；图3自聚焦曲面的俯视图；图4变频变焦换能器的透视图。具体实施方式下面结合附图，以变频范围为100MHz-200MHz、变焦范围为2mm-8mm的压电换能器制作为例，对本专利技术的设计方案进行详细说明，但不作为本专利技术的限定。图1是变频变焦压电换能器的结构示意图，主要包括前匹配层1，压电薄膜晶片2，正、负电极3，背衬及机械支撑层4，金属外壳5，侧壁环氧基树脂固定层6和SAM电子连接器7。其中，压电薄膜晶片2由传统的单晶片改进为厚度不同的五个压电薄膜晶片，前匹配层具有曲率半径不同的自聚焦曲面形状，超声波透过该结构后实现聚焦功能。下面将具体给出变频变焦压电换能器的详细制作过程：1.采用低压化学气相沉积法在单晶硅上沉积出0.3μm的氮化硅层；2.采用离子反应刻蚀的办法除掉部分氮化硅，从而在指定位置留出圆形开口，开口直径如图2中的2ri所示，i为表1中的晶片编号；3.采用80℃的KOH溶液在上述单晶硅的开口处侵蚀出如图2所示的不同大小的通孔；4.将直径分别为Ri(i＝1,2,3,4,5)，粗糙度为0.1μm以下的五个不锈钢小球放置在上述圆形通孔上方；5.采用融化的石蜡填充小球下方的空隙，待石蜡冷却凝固后再将小球去除，获得五种不同曲率半径的自聚焦曲面，如图3所示；6.将8μm厚度的聚对二甲苯均匀涂敷于上述自聚焦曲面上；7.使用甲苯溶液去除多余的石蜡，使得球形曲面的底部完全空出；8.根据所需获得的超声波中心频率(如表1所示)，分别在五种不同曲率的球形曲面上依次沉积厚度均为0.5μm的Al下电极，厚度分别为ti(i＝1,2,3,4,5)的ZnO压电薄膜和厚度均为0.5μm的Au上电极,ZnO压电薄膜的厚度等于薄膜内纵波波长的一半；9.采用氧反应离子刻蚀的办法去除聚对二甲苯，特别是覆盖于Al下电极的聚对二甲苯；10.采用电子焊料银环氧树脂作为背衬材料，填充于由氧化铝形成的金属腔内；11.沉积3μm厚度的聚对二甲苯作为前匹配层，并用环氧基树脂将五个不同厚度的压电薄膜晶片作为整体固定在金属腔的内壁，然后用SAM电子连接器进行封装。变频变焦压电换能器的透视图如图4所示，相应的基本设计参数如下表1所示。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于超声扫描显微镜的可变频变焦换能器制作方法，其特征在于包含如下步骤：①采用微机械加工在单晶硅上获得五种曲率半径不同的自聚焦曲面，曲率半径由聚焦超声波的焦距确定；②分别在上述不同曲率半径的自聚焦曲面上沉积得到五种不同厚度的ZnO压电薄膜晶片，薄膜晶片的厚度由公式t＝ncp/2f确定，其中n＝1，3，5…,cp为压电晶片中的纵波声速，f为压电晶片的谐振频率；③分别选用Au和Al作为压电换能器的前后电极，通过微机械加工工艺分别在各ZnO压电薄膜晶片的前后面上引出；④将五种不同厚度的压电薄膜晶片封装为一个整体，并用SAM电子连接器连接形成可变频变焦的压电换能器。

【技术特征摘要】
1.一种用于超声扫描显微镜的可变频变焦换能器制作方法，其特征在于包含如下步骤：①采用微机械加工在单晶硅上获得五种曲率半径不同的自聚焦曲面，曲率半径由聚焦超声波的焦距确定；②分别在上述不同曲率半径的自聚焦曲面上沉积得到五种不同厚度的ZnO压电薄膜晶片，薄膜晶片的厚度由公式t＝ncp...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖会芳，陈丹，徐金梧，杨荃，黎敏，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11