[发明专利]一种柔性聚焦MEMS超声波发生器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超声波换能器技术领域，具体涉及一种柔性聚焦MEMS超声波发生器及其制备方法。

背景技术

基于MEMS（微机电系统）技术的超声换能器可用于基因导入、超声成像、超声检测等场合。与宏观的超声波换能器相比，MEMS超声换能器由于质量小，谐振频率可以达到几百兆赫兹的水平，更高的谐振频率意味着成像和探测的精度将大大提高，所以基于微机电系统的超声换能器特别适合于眼科、皮肤科和血管内成像。另外，由MEMS工艺制作的微超声换能器容易实现阵列化，且各单元之间的一致性较好，便于运用相控阵等方式进行控制。MEMS超声换能器与细胞穿孔所需要的能量级别相匹配，能够在不损伤细胞的情况下将细胞膜穿孔，所以非常适合于在微流体环境下的诸如基因转染、药物导入等操作。

柔性电子器件以其独特的柔软延展性、重量轻以及和弯曲表面完美贴合等优势在信息能源医疗国防等领域具有广泛的应用前景。其应用范围涵盖了柔性电子显示器、有机发光二极管、柔性印刷射频识别等。柔性微机电系统的研究也有了初步的成果，包括压电促动器、压电气压传感器等。

本发明提出的一种柔性聚焦MEMS超声波器件，运用微加工工艺，将宏观的聚焦超声波换能器尺度减小，以阵列的形式制作于柔性的聚合物基底上。与传统的硅基的MEMS超声波器件不同，可以与被检测表面的曲面形状相贴合，在超声成像、超声探伤等方面有一定实际用途。

发明内容

本发明提出的一种柔性聚焦MEMS超声波发生器及其制备方法，将MEMS工艺制作的微超声波换能器进行阵列化排布在柔性聚酰亚胺(PI)基底，使其可随意卷曲，从而与被测表面能实现完全贴合，实现其在超声成像、超声探伤等方面的应用。

本发明的技术方案如下：

一种柔性聚焦MEMS超声波发生器，包括采用MEMS技术制备的超声波换能器，所述超声波换能器阵列排布在聚酰亚胺基体的表面，相邻超声波换能器之间通过电极相连接；所述超声波换能器呈碗状凹形嵌入聚酰亚胺基体内。

进一步方案，所述超声波换能器从上往下依次由保护层、上电极、压电薄膜和下电极构成；相邻超声波换能器之间通过下电极相连接；所述超声波换能器的碗状凹形深度为100-200μm、跨度为0.6-1.5 mm、曲率半径为600-1500μm。

优选方案，所述聚酰亚胺基体的厚度为300-500μm。

更优选的方案，所述压电薄膜的厚度为4-6μm，所述压电薄膜选自氧化锌压电薄膜、氮化铝压电薄膜、锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）或聚偏氟乙烯压电薄膜（PVDF）。

所述上电极和下电极均为铂、金或铝构成；所述保护层为聚二甲基硅氧烷（PDMS）或者聚酰亚胺薄膜。

本发明的另一个发明目的是提供上述柔性聚焦MEMS超声波发生器的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备表面阵列排布有碗状凹形结构的柔性聚酰亚胺基底：

（2）在柔性聚酰亚胺基底的碗状凹形表面依次形成下电极、压电薄膜和上电极；

（3）旋涂保护层：用旋涂的方法在上电极的上表面涂上一层保护层并烘干，制成超声波换能器；

（4）将各个超声波换能器的上电极与外驱动电路连接，制得超声波发生器。

进一步方案，所述步骤（1）中柔性基底是通过下面步骤制备而成的：

（1）先将液态二甲基硅氧烷（PDMS）置于真空干燥箱中除去其中的气体，待其半固化时，将精密钢柱按阵列排布在半固化二甲基硅氧烷基层中，并使精密钢柱浸入1/3-1/2的深度；

（2）将（1）中排布有精密钢柱的二甲基硅氧烷基底放入烘箱加热至完全固化，然后除去其表面的精密钢柱，得到表面布设有碗状凹形坑的模具；

（3）将二甲基硅氧烷液体（PDMS）浇注到（2）中的模具表面、固化后脱模，得到表面布带有球冠状凸起结构的模板；

（4）将聚酰亚胺用有机溶剂溶解后，将其浇注到（3）中的模板上，固化后脱模，得到带有阵列碗状凹形结构的柔性基底。

进一步方案，所述步骤（2）中下电极、压电薄膜和上电极是采用直流磁控溅射沉积或射频磁控溅射沉积或蒸发镀膜方法形成的。

进一步方案，所述步骤（2）中下电极厚度为400~500纳米，压电薄膜的厚度为4~6微米；

进一步方案，所述步骤（3）中旋涂的转速为2000rpm-3000rpm；烘干是指在60-90度烘箱中加热1-2小时。