1.本发明涉及超声检测技术领域，具体涉及一种超声换能器及其制备方法和应用。
背景技术：2.超声换能器是一种用于实现电能与声能相互转化的器件，其既可以将电信号转换成超声波，又可以将超声波转换成电信号，由超声波换能器阵列制作而成的探头被广泛应用在医学诊断与治疗、无损检测、遥感与遥控、水下通信与探测等领域。
3.超声内窥镜是一种通过将超声波技术(超声换能器)与内窥镜结合得到的新型内窥镜，其大大增加了检测的准确性。在医疗领域，通过医用内窥镜来探测患者身体内的损伤以及异样情况是一种常规且高效的检查手段，其可以帮助医生制定出最佳的治疗方案。然而，传统的医用内窥镜检查会给病人造成痛苦，通常需要将患者麻醉后进行检查，而造成痛苦的主要原因在于内窥镜进入身体内部之后不能够直观地探测到内窥镜对患者内部器官组织造成的压力大小。在工业领域，通过工业用内窥镜来表征仪器设备内部损伤情况是常用的检测手段，其可以帮助工程师对仪器设备情况进行评估。然而，现有的工业用内窥镜并没有力学信息反馈的功能，在探测过程中因为不知道施加力的大小而容易损伤仪器设备或者内窥镜。
4.因此，开发一种兼具超声成像和触觉传感功能的超声换能器具有十分重要的意义。
技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种超声换能器及其制备方法和应用。
6.本发明所采取的技术方案是：
7.一种超声换能器，其组成包括依次设置的柔性衬底、薄膜晶体管、压电触觉传感器和电容式微加工超声换能器。
8.优选的，所述柔性衬底由柔性不导电聚合物制成。
9.进一步优选的，所述柔性衬底为聚酰亚胺(pi)薄膜。
10.优选的，所述薄膜晶体管的组成包括源电极、漏电极、有源层、栅介质层、栅绝缘层和栅电极；所述源电极、漏电极和有源层设置在柔性衬底的同一面，且均与柔性衬底接触；所述有源层部分覆盖源电极和漏电极；所述栅介质层覆盖源电极、漏电极和有源层；所述栅绝缘层和栅电极设置在栅介质层的同一面，且均与栅介质层接触；所述栅电极覆盖栅绝缘层。
11.优选的，所述源电极为薄膜状cu电极、薄膜状au电极、薄膜状ito电极中的一种。
12.优选的，所述漏电极为薄膜状al电极。
13.优选的，所述栅电极为薄膜状al电极。栅电极还充当电容式微加工超声换能器的下电极。
14.优选的，所述薄膜状cu电极、薄膜状au电极、薄膜状ito电极和薄膜状al电极的厚
度均为100nm～200nm。
15.优选的，所述有源层的厚度为20nm～50nm。
16.优选的，所述有源层为氧化锌(zno)薄膜、铟镓锌氧化物(igzo)薄膜、氧化镓(ga2o3)薄膜中的一种。
17.优选的，所述栅介质层的厚度为100nm～300nm。
18.优选的，所述栅介质层为二氧化硅(sio2)薄膜、氧化铝(al2o3)薄膜、氮化硅(si3n4)薄膜、氮化铝(aln)薄膜中的一种。
19.优选的，所述栅绝缘层的厚度为500nm～1000nm。
20.优选的，所述栅绝缘层为聚酰亚胺(pi)薄膜。
21.优选的，所述压电触觉传感器的组成包括压电材料层和触觉传感器电极。
22.优选的，所述压电材料层的厚度为0.5μm～2μm。压电材料层也充当电容式微加工超声换能器的主体支撑层。
23.优选的，所述压电材料层的组成包括聚合物基体和zno纳米材料。
24.优选的，所述聚合物基体、zno纳米材料的质量比为1:0.01～0.30。
25.优选的，所述聚合物基体为聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、热塑性聚氨酯橡胶(tpu)、聚氨基甲酸酯(pu)中的至少一种。
26.优选的，所述zno纳米材料为zno纳米颗粒、zno纳米棒、zno纳米带中的至少一种。
27.优选的，所述电容式微加工超声换能器的组成包括主体支撑层、微空腔、振膜和超声换能器电极；所述主体支撑层内部设置有微空腔；所述振膜覆盖主体支撑层，且封闭微空腔；所述超声换能器电极与振膜接触。
28.优选的，所述换能器主体的厚度为0.5μm～2μm。
29.优选的，所述振膜的厚度0.3μm～1μm。振膜也充当压电触觉传感器的耦合层。
30.优选的，所述超声换能器电极的厚度为100nm～200nm。
31.优选的，所述电容式微加工超声换能器中的主体支撑层由压电材料制成；所述主体支撑层还充当压电触觉传感器中的压电材料层。
32.优选的，所述微空腔呈圆柱状，深度为0.4μm～1.8μm，底面直径为5μm～100μm。
33.优选的，所述微空腔为真空腔或空气腔。
34.优选的，所述振膜为聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜。
35.一种如上所述的超声换能器的制备方法包括以下步骤：在柔性衬底上依次制备薄膜晶体管、压电触觉传感器和电容式微加工超声换能器，即得超声换能器。
36.优选的，一种如上所述的超声换能器的制备方法包括以下步骤：
37.1)通过金属沉积工艺和刻蚀在柔性衬底上形成源电极和漏电极；
38.2)通过金属沉积工艺依次沉积有源层和栅介质层；
39.3)通过涂覆工艺和压印/刻蚀形成栅绝缘层；
40.4)通过金属沉积工艺和刻蚀在栅绝缘层上形成栅电极；
41.5)将压电材料涂覆在栅电极上，并压印/刻蚀出凹槽，形成主体支撑层(同时也是压电材料层)；
42.6)通过涂覆工艺制备振膜，再通过键合工艺将振膜与主体支撑层粘结；
43.7)通过金属沉积工艺和刻蚀在振膜上形成触觉传感器电极和超声换能器电极，即
得超声换能器。
44.一种超声检测设备，其组成包括上述超声换能器。
45.优选的，超声检测设备为超声内窥镜。
46.本发明的超声换能器的工作原理如下：
47.1)当超声换能器用作超声发射器时，在电容式微加工超声换能器中的超声换能器电极和薄膜晶体管中的栅电极之间同时加载直流偏压和交变电信号；
48.2)当超声换能器用作超声接收器时，在电容式微加工超声换能器中的超声换能器电极和薄膜晶体管中的栅电极之间加载电流偏置电压，电容式微加工超声换能器将超声信息转换为电信号耦合到栅电极，通过薄膜晶体管前置放大，由源/漏端将信号传送到后端处理电路；
49.3)当超声换能器触碰到接触对象时，压电触觉传感器将力转换为电荷信号，并耦合到栅电极，经薄膜晶体管将电荷信号转换为电压信号，传送到后端处理电路。
50.本发明的有益效果是：本发明的超声换能器兼具超声成像和触觉传感功能，具有超声驱动电压低、信噪比高、灵敏度高、可寻址阵列化、柔性可弯曲等优点，适合进行大规模推广应用。
51.具体来说：
52.1)本发明的超声换能器集成了薄膜晶体管(tft)、触觉传感器和电容式微加工超声换能器(cmut)，兼具超声成像和触觉传感功能，具有超声驱动电压低、信噪比高、灵敏度高、可寻址阵列化、柔性可弯曲等优点，在可穿戴电子器件、医疗健康检测、手术机器人力学反馈、工业探伤等领域具有广阔的应用前景；
53.2)本发明的超声换能器采用柔性衬底，具备柔性可弯曲的优点，可以对不规则物体进行探测，增加了探测的灵活性；
54.3)本发明的超声换能器采用电容式微加工超声换能器作为超声波的发射与接收器件，提高了精度和频带宽度；
55.4)本发明的超声换能器集成了薄膜晶体管，用其充当开关和信号放大器件，减小了寄生电容，提高了信噪比，且可以实现可寻址阵列化；
56.5)本发明的超声换能器中的电容式微加工超声换能器的主体材料同时也作为触觉传感器的压电敏感层部分，兼具超声成像和触觉传感双重功能，增加了集成度，且可以实现多功能切换，拓宽了应用领域；
57.6)本发明的超声换能器采用聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜作为振膜层，降低了驱动电压，提高了电容式微加工超声换能器的带宽；
58.7)本发明的超声换能器采用聚酰亚胺(pi)薄膜垫高扩展栅绝缘层厚度，减小了扩展栅电容，提高了灵敏度；
59.8)本发明的超声换能器采用pvdf/zno纳米颗粒、纳米棒或纳米带作为触觉传感器的压电敏感层，与普通触觉传感器和压力传感器相比，具有更高的灵敏度和分辨率。
附图说明
60.图1为本发明的超声换能器的截面的结构示意图。
61.图2为本发明的超声换能器的立体结构示意图。
62.附图标识说明：10、柔性衬底；20、源电极；30、漏电极；40、有源层；50、栅介质层；60、栅绝缘层；70、栅电极；80、主体支撑层；90、微空腔；100、振膜；110超声换能器电极；120、触觉传感器电极。
具体实施方式
63.下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
64.实施例：
65.一种超声换能器(截面的结构示意图如图1所示，立体结构示意图如图2所示)，其组成包括依次设置的柔性衬底10、薄膜晶体管、压电触觉传感器和电容式微加工超声换能器；
66.薄膜晶体管的组成包括源电极20、漏电极30、有源层40、栅介质层50、栅绝缘层60和栅电极70；源电极20、漏电极30和有源层40设置在柔性衬底10的同一面，且均与柔性衬底10接触；有源层40部分覆盖源电极20和漏电极30；栅介质层50覆盖源电极20、漏电极30和有源层40；栅绝缘层60和栅电极70设置在栅介质层50的同一面，且均与栅介质层50接触；栅电极70覆盖栅绝缘层60(栅电极60还充当电容式微加工超声换能器的下电极)；
67.压电触觉传感器的组成包括压电材料层(压电材料层也充当电容式微加工超声换能器的主体支撑层80)和触觉传感器电极120；
68.电容式微加工超声换能器的组成包括主体支撑层80、微空腔90、振膜100和超声换能器电极110；主体支撑层80内部设置有微空腔90；振膜100覆盖主体支撑层80，且封闭微空腔90；超声换能器电极110与振膜100接触。
69.上述超声换能器的制备方法包括以下步骤：
70.1)通过金属沉积工艺在柔性衬底(柔性不导电聚合物薄膜，例如：pi薄膜)上沉积厚度为100nm～200nm的al薄膜、薄膜状cu电极、薄膜状au电极或薄膜状ito电极，再进行刻蚀，分别形成源电极和漏电极；
71.2)通过金属沉积工艺在沉积有源电极和漏电极的柔性衬底上沉积厚度为20nm～50nm的zno薄膜、igzo薄膜或ga2o3薄膜，形成有源层；
72.3)通过金属沉积工艺在沉积有源电极、漏电极和有源层的柔性衬底上沉积厚度为100nm～300nm的sio2薄膜、al2o3薄膜、si3n4薄膜或aln薄膜，形成栅介质层；
73.4)通过旋涂、涂敷、印刷、喷涂等方式将pi溶液涂覆在栅介质层上形成厚度为500nm～1000nm的pi薄膜，再进行压印或刻蚀在中间部分形成凹槽直至暴露出栅介质层，形成栅绝缘层；
74.5)通过金属沉积工艺在栅绝缘层上以及暴露出的栅介质层上沉积厚度为100nm～200nm的al薄膜，形成栅电极；
75.6)通过旋涂、涂敷、印刷、喷涂等方式将压电材料(由聚合物基体和zno纳米材料按照质量比1:0.01～0.30组成，聚合物基体为pvdf、pdms、tpu、pu中的至少一种，zno纳米材料为zno纳米颗粒、zno纳米棒、zno纳米带中的至少一种)涂覆在栅电极上，形成厚度为0.5μm～2μm的压电敏感层，再进行压印或刻蚀形成凹槽，凹槽呈圆柱状，深度为0.4μm～1.8μm，底面直径为5μm～100μm，形成主体支撑层(同时也充当压电触觉传感器中的压电材料层)；
76.7)在硅片、玻璃片等平整基底上通过旋涂、涂敷、印刷、喷涂等方式制备厚度为0.3
μm～1μm的pdms薄膜，再从基底上剥离，得到振膜；
77.8)通过键合方法将振膜与主体支撑层粘结形成微空腔，再通过金属沉积工艺在振膜上沉积厚度为100nm～200nm的al薄膜，再进行刻蚀，形成触觉传感器电极和超声换能器电极，即得超声换能器。
78.本实施例的超声换能器集成了薄膜晶体管(tft)、触觉传感器和电容式微加工超声换能器(cmut)，兼具超声成像和触觉传感功能，具有超声驱动电压低、信噪比高、灵敏度高、可寻址阵列化、柔性可弯曲等优点，在可穿戴电子器件、医疗健康检测、手术机器人力学反馈、工业探伤等领域具有广阔的应用前景。
79.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种超声换能器，其特征在于，组成包括依次设置的柔性衬底、薄膜晶体管、压电触觉传感器和电容式微加工超声换能器。2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于：所述薄膜晶体管的组成包括源电极、漏电极、有源层、栅介质层、栅绝缘层和栅电极；所述源电极、漏电极和有源层设置在柔性衬底的同一面，且均与柔性衬底接触；所述有源层部分覆盖源电极和漏电极；所述栅介质层覆盖源电极、漏电极和有源层；所述栅绝缘层和栅电极设置在栅介质层的同一面，且均与栅介质层接触；所述栅电极覆盖栅绝缘层。3.根据权利要求1或2所述的超声换能器，其特征在于：所述压电触觉传感器的组成包括压电材料层和触觉传感器电极。4.根据权利要求3所述的超声换能器，其特征在于：所述压电材料层的组成包括聚合物基体和zno纳米材料。5.根据权利要求4所述的超声换能器，其特征在于：所述聚合物基体为聚偏二氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯橡胶、聚氨基甲酸酯中的至少一种；所述zno纳米材料为zno纳米颗粒、zno纳米棒、zno纳米带中的至少一种。6.根据权利要求1或2所述的超声换能器，其特征在于：所述电容式微加工超声换能器的组成包括主体支撑层、微空腔、振膜和超声换能器电极；所述主体支撑层内部设置有微空腔；所述振膜覆盖主体支撑层，且封闭微空腔；所述超声换能器电极与振膜接触。7.根据权利要求6所述的超声换能器，其特征在于：所述电容式微加工超声换能器中的主体支撑层由压电材料制成；所述主体支撑层还充当压电触觉传感器中的压电材料层。8.根据权利要求6所述的超声换能器，其特征在于：所述振膜为聚二甲基硅氧烷薄膜。9.一种如权利要求1～8中任意一项所述的超声换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在柔性衬底上依次制备薄膜晶体管、压电触觉传感器和电容式微加工超声换能器，即得超声换能器。10.一种超声检测设备，其特征在于，组成包括权利要求1～8中任意一项所述的超声换能器。
技术总结本发明公开了一种超声换能器及其制备方法和应用。本发明的超声换能器的组成包括依次设置的柔性衬底、薄膜晶体管、压电触觉传感器和电容式微加工超声换能器。本发明的超声换能器的制备方法包括以下步骤：在柔性衬底上依次制备薄膜晶体管、压电触觉传感器和电容式微加工超声换能器，即得超声换能器。本发明的超声换能器兼具超声成像和触觉传感功能，具有超声驱动电压低、信噪比高、灵敏度高、可寻址阵列化、柔性可弯曲等优点，适合进行大规模推广应用。用。用。
技术研发人员：李明 刘玉荣 姚若河 耿魁伟
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1
