[發明專利]一種用于超聲掃描顯微鏡的可變頻變焦換能器制作方法

在審

• 申請號: 201410842593.6
• 申請日: 2014-12-30
• 公開（公告）號: CN104624462A
• 公開（公告）日: 2015-05-20
• 發明（設計）人: 肖會芳;陳丹;徐金梧;楊荃;黎敏
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明涉及超聲掃描顯微鏡檢測領域和超聲波成像領域，尤其是一種用于超聲掃描顯微鏡的可變頻變焦換能器制作方法

背景技術

超聲掃描顯微鏡主要采用脈沖回波方式工作，是用于進行物質內部顯微檢測及成像研究的重要工具之一，目前被廣泛應用于醫學、電子工業及冶金工業的顯微成像檢測中。針對不同的檢測對象及成像要求(如檢測深度、可檢缺陷尺寸)，需要頻繁更換不同頻率及不同焦距的換能器才能達到最理想的檢測效果。這樣不但降低了檢測效率，更增加了由于拆卸、安裝所引起的定位誤差，對于精確判斷缺陷的位置是極為不利的。實現超聲換能器的變頻變焦技術是解決上述問題較為有效的方法，能夠大大提高超聲顯微鏡的使用性能，對于不同分辨力下的顯微成像具有重要意義。

目前的超聲掃描顯微鏡多采用單晶片壓電換能器實現超聲波的發射與接收。超聲換能器作為超聲掃描顯微鏡最核心的元器件，直接決定著發射出的超聲信號特性和超聲掃描顯微鏡的檢測分辨力，從而直接影響超聲掃描顯微鏡的檢測成像質量。聚焦換能器除了采用聲透鏡實現聚焦之外，主要采用自聚焦曲面實現高頻超聲波的聚焦。然而，上述換能器特別是高頻聚焦換能器，雖然可以產生寬帶的超聲波，但是由于其壓電晶片的厚度及自聚焦曲面的曲率半徑固定不變，使得中心頻率之外的其它頻率成分無法獲得檢測所需的能量閾值和與之匹配的最佳焦距，因此通過單晶片及單一自聚焦曲面無法實現聚焦換能器的變頻變焦功能。

本發明采用五種不同厚度的壓電薄膜晶片與五種不同曲率半徑的自聚焦曲面相結合的方式合成一個換能器，并通過各自引出的電極選擇性激勵其中任意厚度的壓電薄膜晶片即可實現超聲換能器的變頻變焦目的。采用該變頻變焦換能器在對樣品進行檢測時，無需頻繁更換換能器便可以改變聚焦超聲波的中心頻率及焦距大小，快速實現不同深度及不同分辨力的掃描成像，從而能夠有效避免由于更換換能器而引起檢測效率低，缺陷定位難的問題。

三、發明內容

本發明的目的是提供一種用于超聲掃描顯微鏡的可變頻變焦換能器制作方法。

本發明的實現步驟如下：

1)采用微機械加工工藝在單晶硅上獲得曲率半徑依次變化的五個自聚焦曲面，曲率半徑由聚焦超聲波的焦距大小確定；

2)利用低壓化學氣相沉積法分別在上述自聚焦曲面上沉積得到五種不同厚度的ZnO壓電薄膜晶片，不同厚度的ZnO薄膜之間相互分離；

3)通過微機械加工工藝分別在五種不同厚度ZnO壓電薄膜晶片的前后面上引出Au上電極和Al下電極；

4)將五種不同厚度的ZnO壓電薄膜晶片封裝為一個整體，并用SAM電子連接器連接形成變頻變焦的換能器。

本發明的優點

在不更換換能器的情況下實現材料內部不同深度及不同分辨力下的缺陷檢測及成像功能，不但可以提高檢測效率，而且可以提高微小缺陷的定位精度。

附圖說明

圖1變頻變焦壓電換能器的結構示意圖；

圖2自聚焦曲面的結構設計示意圖；

圖3自聚焦曲面的俯視圖；

圖4變頻變焦換能器的透視圖；

四、具體實施方案：

下面結合附圖，以變頻范圍為100MHz-200MHz、變焦范圍為2mm-8mm的壓電換能器制作為例，對本發明的設計方案進行詳細說明，但不作為本發明的限定。圖1是變頻變焦壓電換能器的結構示意圖，主要包括前匹配層1，壓電薄膜晶片2，正、負電極3，背襯及機械支撐層4，金屬外殼5，側壁環氧基樹脂固定層6和SAM電子連接器7。其中，壓電薄膜晶片2由傳統的單晶片改進為厚度不同的五個壓電薄膜晶片，前匹配層具有曲率半徑不同的自聚焦曲面形狀，超聲波透過該結構后實現聚焦功能。

下面將具體給出變頻變焦壓電換能器的詳細制作過程：

1.采用低壓化學氣相沉積法在單晶硅上沉積出0.3μm的氮化硅層；

2.采用離子反應刻蝕的辦法除掉部分氮化硅，從而在指定位置留出圓形開口，開口直徑如圖2中的2r_i所示，i為表1中的晶片編號；

3.采用80℃的KOH溶液在上述單晶硅的開口處侵蝕出如圖2所示的不同大小的通孔；

4.將直徑分別為R_i(i＝1,2,3,4,5)，粗糙度為0.1μm以下的五個不銹鋼小球放置在上述圓形通孔上方；

5.采用融化的石蠟填充小球下方的空隙，待石蠟冷卻凝固后再將小球去除，獲得五種不同曲率半徑的自聚焦曲面，如圖3所示；

6.將8μm厚度的聚對二甲苯均勻涂敷于上述自聚焦曲面上；