基于前衬匹配层材料的压电薄膜超声换能器封装加固方法

技术领域

本发明涉及超声换能器制备技术领域，具体涉及基于前衬匹配层材料的压电薄膜超声换能器封装加固方法。

背景技术

目前常见的压电薄膜声波换能器结构的前衬匹配层中，一般采取先制作匹配层样品在通过切割、刮刀等方法控制匹配层的厚度，然后在将一定厚度的匹配层粘贴到超声换能器上。目前面向固体探测的声学MEMS器件封装工艺主要有三种，传统压电陶瓷超声探头、空耦声学MEMS器件封装及PMUT指纹探测封装。传统压电陶瓷超声探头：声压能量高，压电陶瓷厚度较厚，通过铝合金外壳保护四周、通过强力胶将压电晶片与1mm厚保护膜粘接进行封装，封装尺寸较大。空耦声学MEMS器件封装：低频PMUT器件，通过空腔设计进行空气耦合及封装加固；声表面波器件，基于金属陶瓷管壳及氮气空封工艺。PMUT指纹探测封装：PMUT与COMS集成，在PMUT上方旋涂250μm PDMS作为耦合保护层，器件尺寸较小，受应力易损坏，且PMUT盖板材料对声波传输衰减较大，且薄盖板难以满足现有焊接工艺；

为提升压电薄膜超声换能器件可靠性，面向固体探测的声学MEMS器件封装工艺需进一步研究。

现有的压电薄膜超声换能器的前衬匹配层，一般采取先制作匹配层样品在通过切割、刮刀等方法控制匹配层的厚度，然后在将一定厚度的匹配层粘贴到超声换能器表面，当匹配层的厚度在几百甚至几十微米才能使声波达到最佳的透射效果时，通过传统的切割、刮刀等方法控制的匹配层的厚度的难度大大提升，且通过粘接的方式将匹配层附着在超声换能器表面也会使得厚度更加不好精准控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的电薄膜超声换能器件声波传输效率低，且封装加固工艺不好精准控制，本发明目的在于提供基于前衬匹配层材料的压电薄膜超声换能器封装加固方法，基于现有的封装加固技术基础进行方法上的改进，提出无机镀层和有机厚膜填充相结合的双层表面钝化设计技术，解决压电薄膜超声换能器与固体结构间声阻抗差异大导致声波传输效率低的问题，同时通过前衬匹配层封装加固过程解决由于压电薄膜超声换能器与待测结构件接触，使用过程中受摩擦、应力等造成器件易损坏的问题，提升器件可靠性及器件使用寿命。

本发明通过下述技术方案实现：

本方案提供基于前衬匹配层材料的压电薄膜超声换能器封装加固方法，包括步骤：

步骤一：建立多层前衬匹配层梯度模型，根据多层前衬匹配层梯度模型确定出压电薄膜超声换能器的前衬匹配层的基本属性；所述基本属性包括：前衬匹配层的层数、各前衬匹配层的厚度及声阻抗；

步骤二：按照前衬匹配层的属性制备出前衬匹配层，所述前衬匹配层基于无机镀层和有机厚膜填充相结合的方式制备。

本方案工作原理：现有的电薄膜超声换能器件声波传输效率低，且现有的封装结果在使用过程中受摩擦、应力等造成器件易损坏；本方案基于现有的封装加固技术基础进行方法上的改进，提出无机镀层和有机厚膜填充相结合的双层表面钝化设计技术，解决压电薄膜超声换能器与固体结构间声阻抗差异大导致声波传输效率低的问题，同时通过前衬匹配层封装加固过程解决由于压电薄膜超声换能器与待测结构件接触，使用过程中受摩擦、应力等造成器件易损坏的问题，提升器件可靠性及器件使用寿命。并通过多层前衬匹配层梯度模型明确前衬材料各层厚度对器件声传播特性的影响情况，提高器件耐磨损能力的同时保证声阻抗匹配。

进一步优化方案为，步骤一包括以下子步骤：

S11，建立多层前衬匹配层梯度模型：

使声波从第一种介质入射到第二层介质再进入到第三层介质时，按照以下公式计算声压透射系数和声强透射系数：

式中：t

S12，确定各介质层的材料，声学匹配层的中间层的厚度是影响透射系数的主要影响因素，因此基于MATLAB软件和COMSOL软件分析第二层介质的厚度D对透射系数的影响情况，确定出最佳的透射系数下的第二层介质的厚度D。

进一步优化方案为，所述第一层介质为有机硅胶，所述第二层介质为环氧树脂，所述第三层介质为铝。

进一步优化方案为，S12包括：

分析声压透射系数和声强透射系数得到：

即当第二层介质的厚度D为1/4波长的奇数倍

进一步优化方案为，所述步骤二包括以下子步骤：

S21，制备好压电薄膜超声换能器的基本工作器件后，在压电薄膜超声换能器的表面刻蚀无机SiN钝化层；所述无机SiN钝化层用以提升绝缘和耐磨特性；

S22，基于旋涂法在无机SiN钝化层表面增加有机硅胶层；有机硅胶为低刚度、低粘性、声阻抗匹配的材料，用以保护无机SiN保护层；

S23，基于旋涂法在有机硅胶层表面增加环氧树脂层；环氧树脂为刚度稍高的材料，用以增加器件的耐磨性，并同时做到多层阻抗匹配。

S24，基于平行封焊工艺在环氧树脂层表面增加可伐盖板，所述可伐盖板用于封装加固。完成封装盖板材料的声衰减特性研究，通过盖板及封装工艺设计增加超声信号在界面处的传导效率。

本方案通过在压电薄膜超声换能器与待测件之间引入多层复合材料，建立梯度化声阻抗通道，减小界面声学散射和能量衰减。压电薄膜超声换能器前衬材料双层表面钝化技术主要基于无机镀层和有机厚膜填充相结合的方式实现，压电薄膜超声换能器前衬材料的声阻抗匹配及器件的保护；由于氮化硅SiN具有硬度高、抗氧化性抗腐蚀性好、电绝缘性能好，抗击穿电压高的特点，以600nm厚氮化硅作为无机镀层材料在不影响PMUT器件振动特性的情况下对压电薄膜超声换能器进行保护。

基于有机硅凝胶(如：GN502型号等)各方面特点，作为较佳前衬声耦合材料，但有机硅凝胶材料偏软，虽可对器件进行一定保护，但在较大应力作用下，仍难以有效保护器件，因此需结合封装工艺开展PMUT管壳盖板封装加固设计，实现振膜敏感结构表面保护，解决使用过程中的磨损、沾污等问题，实现PMUT使用寿命提升。

进一步优化方案为，所述制备好压电薄膜超声换能器的基本器件，包括方法：

将压电薄膜超声换能器通过上片胶与金属陶瓷管壳粘接，并压由键合线引出电薄膜超声换能器的接口。

进一步优化方案为，S22包括以下子步骤：

S221，基体制备：将有机硅胶GN502的各组分按照质量比相混合并搅拌均匀，直到形成均匀的有机硅胶混合物为止；

S222，旋涂：将S21得到的压电薄膜超声换能器放入模具底座中，然后将有机硅胶混合物滴在压电薄膜超声换能器表面，静置3-5分钟待有机硅胶混合物滴扩散后，盖上模具盖板；

S223，固化成型：为了将有机硅胶完全固化成型，将旋涂好的压电薄膜超声换能器在常温中静置8小时；8小时以后将固化完全。

进一步优化方案为，S22还包括：

S224，多次重复步骤S222和步骤S223使得有机硅胶层的厚度达到有机硅胶的1/4波长。

进一步优化方案为，不同的组分配比可以得到不同的有机硅胶，掺杂不同量的金属粉末得到不同声阻抗的有机硅胶。

进一步优化方案为，在基于旋涂法在有机硅胶层表面增加环氧树脂层时，同时用环氧树脂填充金属陶瓷管壳内部。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的基于前衬匹配层材料的压电薄膜超声换能器封装加固方法，基于现有的封装加固技术基础进行方法上的改进，提出无机镀层和有机厚膜填充相结合的双层表面钝化设计技术，解决压电薄膜超声换能器与固体结构间声阻抗差异大导致声波传输效率低的问题，同时通过前衬匹配层封装加固过程解决由于压电薄膜超声换能器与待测结构件接触，使用过程中受摩擦、应力等造成器件易损坏的问题，提升器件可靠性及器件使用寿命。并通过多层前衬匹配层梯度模型明确前衬材料各层厚度对器件声传播特性的影响情况，提高器件耐磨损能力的同时保证声阻抗匹配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为常见的压电薄膜声波换能器结构示意图；

图2为基于前衬匹配层材料的压电薄膜超声换能器封装加固方法流程概要示意图；

图3为实施例仿真结果示意图；

图4为理论计算结果示意图；

图5为前衬匹配层封装加固结构截面图；

图6为前衬匹配层封装加固工艺流程示意图；

图7为模具底座结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

101-压电薄膜，102-顶硅，103-底硅，104-换能器空腔，201-金属陶瓷管壳，202-上片胶，203-引线保护胶，204-压电薄膜声波换能器，205-键合线，206-无机SiN钝化层，207-有机硅胶层，208-环氧树脂层，209-可伐盖板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

目前常见的压电薄膜声波换能器结构如图1所示，从上至下为压电薄膜101，顶硅102和底硅103，换能器空腔104。在压电薄膜声波换能器的上下两个电极层施加脉冲激励后，压电薄膜101由于逆压电效应产生形变，从而形成周期性振荡，发出声波。

目前面向固体探测的声学MEMS器件封装工艺的技术难题主要有：

1)PMUT器件为压电薄膜结构(<10μm)，声换能器的性能受封装影响很大；

2)PMUT器件声压较小，当封装阻抗与介质不匹配或厚度太大时，将造成声压的衰减，甚至完全无法检测；

3)MEMS器件尺寸微小，很容易受到外力的冲击而破坏，PMUT盖板材料对声波传输衰减较大，且薄盖板难以满足现有焊接工艺；

为提升PMUT器件可靠性，面向固体探测的声学MEMS器件封装工艺需进一步研究。

现有的压电薄膜超声换能器的前衬匹配层，一般采取先制作匹配层样品在通过切割、刮刀等方法控制匹配层的厚度，然后在将一定厚度的匹配层粘贴到超声换能器表面。当匹配层的厚度在几百甚至几十微米才能使声波达到最佳的透射效果时，通过传统的切割、刮刀等方法控制的匹配层的厚度的难度大大提升，且通过粘接的方式将匹配层附着在超声换能器表面也会使得厚度更加不好精准控制。为解决上述问题，本发明提供以下实施例：

实施例1

本实施例提供基于前衬匹配层材料的压电薄膜超声换能器封装加固方法，如图2所示，包括步骤：

步骤一：建立多层前衬匹配层梯度模型，根据多层前衬匹配层梯度模型确定出压电薄膜超声换能器的前衬匹配层的基本属性；所述基本属性包括：前衬匹配层的层数、各前衬匹配层的厚度及声阻抗；

S11，建立多层前衬匹配层梯度模型：

使声波从第一种介质入射到第二层介质再进入到第三层介质时，按照以下公式计算声压透射系数和声强透射系数：

式中：t

S12，确定各介质层的材料，声学匹配层的中间层的厚度是影响透射系数的主要影响因素，因此基于MATLAB软件和COMSOL软件分析第二层介质的厚度D对透射系数的影响情况，确定出最佳的透射系数下的第二层介质的厚度D。

步骤二：按照前衬匹配层的属性制备出前衬匹配层，所述前衬匹配层基于无机镀层和有机厚膜填充相结合的方式制备。

实施例2

本实施例中第一层介质为有机硅胶，第二层介质为环氧树脂，第三层介质为铝。

步骤S12包括：

分析声压透射系数和声强透射系数得到：

即当第二层介质的厚度D为1/4波长的奇数倍

基于MATLAB软件和COMSOL软件对中间层的厚度D对透射系数的影响情况进行理论计算，仿真结构图如图3所示，基于MATLAB软件和COMSOL软件仿真，声压透射系数和声强透射系数随第二层介质的厚度D的变化规律结果如图4和图5所示；从图4中可以看出声压透射系数和声强透射系数随第二层介质的厚度D呈周期性变化，且在第二层介质的1/4波长的奇数倍达到最佳的透射系数。

实施例3

本实施例中步骤二包括以下子步骤：如图5和6所示，

S21，将压电薄膜超声换能器204通过上片胶202与金属陶瓷管壳201粘接，并由键合线205引出电薄膜超声换能器204的接口；键合线205外围设置有引线保护胶203；

接着在压电薄膜超声换能器的表面刻蚀无机SiN钝化层206；所述无机SiN钝化层206用以提升绝缘和耐磨特性；

S22，基于旋涂法在无机SiN钝化层表面增加有机硅胶层207；有机硅胶为低刚度、低粘性、声阻抗匹配的材料，用以保护无机SiN保护层；

S23，基于旋涂法在有机硅胶层207表面增加环氧树脂层208；环氧树脂为刚度稍高的材料，用以增加器件的耐磨性，并同时做到多层阻抗匹配。

S24，基于平行封焊工艺在环氧树脂层表面增加可伐盖板209，所述可伐盖板209用于封装加固，可伐盖板209的顶部开口，供压电薄膜超声换能器振荡发出声波。

所述制备好压电薄膜超声换能器的基本器件，包括方法：

实施例4

常规的浇铸方法和刮刀方法在制备声学匹配层的过程中常常存在很多瓶颈，为了解决这一问题，本次采取旋涂法制备声学匹配层，该方法可以实现更精准地控制匹配层的厚度范围和更好的工艺可靠性。

基于上一实施例，本实施例基于旋涂法在无机SiN钝化层表面增加有机硅胶层，包括以下子步骤：

S221，基体制备：将有机硅胶GN502的M组分与N各组分按照1:1的质量比相混合并搅拌均匀，直到形成均匀的有机硅胶混合物为止；(不同的组分配比可以得到不同的有机硅胶；也可通过掺杂金属粉末来制备不同声阻抗的有机硅胶)

S222，旋涂：将S21得到的压电薄膜超声换能器放入模具底座中，然后将有机硅胶混合物滴在压电薄膜超声换能器表面，静置3-5分钟待有机硅胶混合物滴扩散后，盖上模具盖板；模具底座如图7所示，模具用于控制匹配层的厚度；

S223，固化成型：为了将有机硅胶完全固化成型，将旋涂好的压电薄膜超声换能器在常温中静置8小时；8小时以后将固化完全。

S224，为了达到有机硅胶的1/4波长最佳透射规律，多次重复步骤S222和步骤S223使得有机硅胶层的厚度达到有机硅胶的1/4波长。

不同的组分配比可以得到不同的有机硅胶，掺杂不同量的金属粉末得到不同声阻抗的有机硅胶。

在基于旋涂法在有机硅胶层表面增加环氧树脂层时，同时用环氧树脂填充金属陶瓷管壳内部。

上述实施例通过理论计算确定了前衬匹配层材料的声阻抗和厚度，建立了多层匹配层梯度理论，利用无机镀层和有机厚膜填充相结合的双层表面钝化设计技术，解决了当PMUT与介质声阻抗不匹配或厚度太大时造成的声压的衰减。通过直接固化在PMUT器件表面的工艺，解决了传统粘接工艺制备困难及厚度不可控的问题。通过封装加固，使得PMUT器件不容易受到外力的破坏，从而提高PMUT器件的使用寿命。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。