一种柔性透明电容式微机械超声换能器及其制备方法技术

本发明专利技术属于微机械技术领域，具体是一种柔性透明电容式微机械超声换能器及其制备方法。本发明专利技术是基于导电颗粒掺杂SU

【技术实现步骤摘要】
一种柔性透明电容式微机械超声换能器及其制备方法


[0001]本专利技术属于微机械
，具体涉及一种微机械超声换能器。

技术介绍

[0002]市场上已经开发出了各种类型的可发送和接收超声波的超声换能器。超声换能器可以在多种介质中运行，包括液体，固体和气体。这些换能器通常用于医学成像以进行诊断和治疗、材料无损检测、距离传感、气体流量测量、声学显微镜、水听器，等等领域。柔性透明的微机械超声换能器可以与电子显示屏、照明系统以及可穿戴电子设备集成，具有广阔的应用前景。
[0003]微机械超声换能器（Micromachined Ultrasonic Transducer, MUT）通常具有可振动的薄膜，因此可用于发射和接收超声波。在其发射模式下，通过外部的电信号激励，由于压电或者静电效应，振动薄膜可以产生高频振动，机械能传递到与其相邻的介质中，产生超声波。在其接收模式下，在放置换能器的介质中传播的超声波的声能引起薄膜振动，转换为机械能，进而发生容易被检测到的电磁（特别是电）信号。
[0004]与广泛使用的锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）超声换能器相比，MUT在器件制造方法，带宽和工作温度方面具有不可比拟的优势。例如，制作常规PZT换能器的阵列涉及切块并连接单个压电元件。这种工艺不仅难度高而且成本不低。由这种元件与发送/接收电子器件相连还会带来严重的输入阻抗失配问题。相比之下，用于制造MUT的微机械技术更适合制造换能器阵列。在性能方面，MUT的动态性能可与PZT传感器媲美，而且成本可以更低。由于这些原因，MUT成为了PZT超声换能器的潜在替代品。
[0005]在几种类型的MUT中，使用压电效应驱动的压电式微机械超声换能器（piezoelectric micromachined ultrasonic transducer,pMUT）和使用静电力驱动的电容式微机械超声换能器（capacitive micromachined ultrasonic transducer,cMUT）被广泛研究。它们通常采用硅基MEMS工艺制备，所以并不具有柔性和可折叠性；并且由于金属电极不透明性，常规的制备方法并不能生产透明的MEMS器件。因此，聚合物材料cMUT吸引了广泛的关注。PDMS（聚二甲基硅氧烷）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、EPON SU
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8光刻胶、Polymid（聚酰胺纤维）、Parylene（聚氯代对二甲苯）等聚合物材料逐渐被用于生产cMUT。
[0006]尽管聚合物材料可以实现柔性的结构，但它们通常不具有导电性，所以往往需要在聚合物表面溅射一层金属材料。一方面，这影响了器件的透明性，另一方面，电极间的聚合物层削弱了静电场强。将导电填料掺杂技术应用于EPON SU
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8光刻胶，可以在不影响其光敏特性的同时，赋予其优异的导电性。因此，导电颗粒掺杂的SU
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8光刻胶具有成为柔性透明cMUT首选材料的潜力。
[0007]灰度光刻可以在不需要光刻掩膜版的前提下，在不同位置获得不同的曝光剂量。通过不同曝光剂量曝光后的光刻胶，在显影液中完全或者部分显影而获得的光刻胶结构会呈现出三维轮廓结构。目前通常用于生产cMUT的制备方法包括晶圆键合技术和牺牲层释放技术。其中晶圆键合技术由于需要坚固的晶圆衬底，所以暂不能实现柔性cMUT。而牺牲层释
放技术往往需要采用额外的牺牲层材料，需要严格挑选结构层材料和牺牲层材料以及腐蚀试剂。采用SU
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8灰度光刻技术可以避免这些繁琐的操作，直接通过光刻、显影实现带有空腔的三维微纳结构。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目在提供一种可弯折的、透明的电容式微机械超声换能器（cMUT），以扩展超声换能器在电子显示屏、可穿戴设备等方面的应用，同时简化其生产流程。
[0009]本专利技术提供的柔性透明电容式微机械超声换能器（cMUT），是基于导电颗粒掺杂SU
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8光刻胶等柔性透明材料的，由微机械超声换能器单元进行延拓形成的二维阵列组成；所述微机械超声换能器单元，其结构包括：自上而下设置的PET衬底层1、ITO电极层2、空腔3、SU
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8支撑层4、SU
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8绝缘层5、导电颗粒掺杂的SU
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8电极层6、聚合物材料涂层7，如图1所示。其中：所述SU
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8绝缘层5、导电颗粒掺杂的SU
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8电极层6和聚合物材料涂层7依次叠合组成振动层8；所述SU
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8支撑层4，为中空结构，所述ITO电极层2、SU
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8支撑层4和SU
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8绝缘层5围合，形成所述空腔3；所述振动层8位于空腔3和SU
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8支撑层4的顶部，其中位于空腔3顶部的振动层8可以做薄膜式弯曲振动；空腔3为振动层8的振动提供变形空间；所述ITO电极层2和导电颗粒掺杂的SU
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8电极层6构成平行板电容器的一对电极；在它们之间施加电压时，两者会受到互相吸引的静电力作用；在预加直流偏置电压时，导电颗粒掺杂的SU
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8电极层6受到向下的静电力，带动振动层8向下弯曲；所述SU
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8绝缘层5在ITO电极层2和导电颗粒掺杂的SU
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8电极层6之间，起到防止上下电极短路的作用；所述振动层8位于空腔3顶部，可以做薄膜的上下弯曲振动。当振动层8表面接收到外部超声波，振动层8将发生竖直方向上的振动。或者，振动层8受到高频变化的静电作用力时，也会产生竖直方向上的位移，从而可以才介质中产生超声波。如图2所示。
[0010]进一步地，本专利技术中：所述空腔3，其形状通常为圆形、方形或者六边形。
[0011]所述PET衬底1，采用聚对苯二甲酸乙二醇酯，具有透明、柔性和绝缘特性；所述ITO电极层2，采用铟锡氧化物薄膜，具有透明、柔性和优异的导电性；所述SU
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8支撑层4和SU
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8绝缘层5，采用EPON SU
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8负性光刻胶，具有光敏性、柔性、透明性和绝缘性；所述导电颗粒掺杂的SU
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8电极层6，是通过导电填料功能化的EPON SU
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8光刻胶，具有光敏性、柔性、透明性和优异的导电性。其中，导电填料通常为纳米银粒子、碳纳米管或石墨烯，等等；所述聚合物材料涂层7，为具有柔性、透明性和绝缘特性的功能层，其材料通常为聚氯代对二甲苯(Parylene C)、聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
[0012]本专利技术还提供上述柔性透明cMUT的制备方法，具体步骤为：步骤1、将ITO
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PET复合薄膜9粘贴到硅片10上，其中，上层ITO薄膜作为ITO电极层
2，下层PET薄膜作为衬底层1，与硅片10紧密贴合；步骤2、在ITO电极层2表面旋涂一层均匀的SU
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8光刻胶11；步骤3、在SU
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8光刻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性透明电容式微机械超声换能器,其特征在于，是基于导电颗粒掺杂SU
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8光刻胶等柔性透明材料的，具体由微机械超声换能器单元进行延拓形成的二维阵列组成；所述微机械超声换能器单元，其结构包括自下而上设置的：PET衬底层（1）、ITO电极层（2）、空腔（3）、SU
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8支撑层（4）、SU
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8绝缘层（5）、导电颗粒掺杂的SU
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8电极层（6）、聚合物材料涂层（7）；其中：所述依次叠合的SU
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8绝缘层（5）、导电颗粒掺杂的SU
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8振动膜（6）和聚合物材料涂层（7）组成振动层(8)；所述SU
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8支撑层（4）为中空结构，所述ITO电极层（2）、SU
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8支撑层（4）和SU
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8绝缘层（5）围合，形成腔体（3）；所述振动层（8）位于空腔（3）和SU
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8支撑层（4）的顶部，其中位于空腔（3）顶部的振动层（8）可以做薄膜式弯曲振动；空腔（3）为振动层（8）的振动提供振动空间；所述ITO电极层（2）和导电颗粒掺杂的SU
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8电极层（6）构成平行板电容器的一对电极；在它们之间施加电压时，两者受到互相吸引的静电力作用；在预加直流偏置电压时，导电颗粒掺杂的SU
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8电极层（6）受到向下的静电力，带动振动层（8）向下弯曲；所述SU
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8绝缘层5在ITO电极层2和导电颗粒掺杂的SU
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8电极层6之间，起到防止上下电极短路的作用。2.根据权利要求1所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述PET衬底层（1）为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，其具有柔性、透明性和绝缘的特性。3.根据权利要求1所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述ITO电极层（2）为氧化铟...

【专利技术属性】
技术研发人员：任俊彦，王言，何勒铭，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：