柔性MEMS超声波换能器及其制作方法与流程

本发明涉及柔性技术领域，尤其是一种柔性mems超声波换能器及其制作方法。

背景技术：

基于微机电系统(mems)技术的超声波换能器与传统宏观的超声波换能器相比，具有体积小，易阵列化，易集成，易与ic工艺兼容等特点。基于meme技术的压电式超声波换能器因具有电阻小，驱动电压低，易与前端电路匹配，且制造工艺相对简单，可靠性高的特点而得到广泛应用。压电式超声波换能器的典型结构是由下电极、压电层、上电极组成的三明治结构，当上、下电极上加入正弦交变电场时，压电薄膜交替振动，产生超声波。

超声波是指频率高于20khz的声波，具有方向性好，穿透力强，能量集中，在水中传输距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等方面，在医学、军事、工业、农业等领域有着非常多的应用。

柔性mems超声波换能器件在实际应用时可以任意卷曲，与待测表面贴合，增加了超声波与待测表面的能量传输，对于复杂表面的探伤或检测有独特的效果。柔性mems超声波换能器在发动机零件、涡轮机、反应器弯管、铁轨等复杂表面进行超声波成像，可以检查机器部件和建筑构件的深层缺陷和损坏。

传统柔性mems超声换能器是以聚酰亚胺薄膜作为衬底，在其表面添加掩膜版，磁控溅射依次沉积金属底电极，压电陶瓷薄膜和金属上电极，形成柔性超声换能器件。由于磁控溅射工艺沉积的各层薄膜之间的结合是靠范德华力，层与层之间的结合力差，器件多次弯曲后易分层开裂，降低可靠性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种柔性mems超声波换能器及其制作方法，该柔性mems超声波换能器中各膜层之间的结合力较好。

本发明提供了一种柔性mems超声波换能器，包括超声波换能单元，所述超声波换能单元包括下电极、压电层及上电极，所述下电极包括铝基底，所述压电层包括第一氮化铝膜层及第二氮化铝膜层，所述铝基底、所述第一氮化铝膜层及所述第二氮化铝膜层依次层叠设置，所述上电极形成于所述第二氮化铝膜层上，所述第一氮化铝膜层由所述铝基底的表面经过氮化处理而形成。

进一步地，包括柔性基板，多个所述超声波换能单元阵列布设于所述柔性基板上。

进一步地，所述第二氮化铝膜层为通过沉积工艺形成的第二氮化铝膜层。

进一步地，所述下电极还包括衬底层，所述铝基底形成于所述衬底层上。

进一步地，所述衬底层为铝材质金属，所述衬底层与所述铝基底形成于一体。

进一步地，所述衬底层为铝合金，所述铝基底形成于所述衬底层上。

进一步地，所述衬底层为非铝金属箔，所述下电极还包括第一过渡膜层及第二过渡膜层，所述第一过渡膜层设置于所述衬底层上，所述第二过渡膜层形成于所述第一过渡膜层上，所述铝基底形成于所述第二过渡膜层上，所述第一过渡膜层为与衬底层同材质金属形成的膜层，所述第二过渡膜层为铝与衬底层同材质金属的合金的膜层。

进一步地，所述第一过渡膜层为由所述衬底层同材质的金属在所述衬底层上通过沉积工艺形成的膜层，所述第二过渡层为在所述第一过渡膜层上通过磁过滤多弧离子镀方法沉积所述铝基底的同时形成的合金膜层，所述第二过渡层位于所述第一过渡膜层和所述铝基底之间。

进一步地，所述柔性基板为由pi、pet及lcp材质中的一种或多种制成的柔性高分子薄膜。

本发明还提供了一种柔性mems超声波换能器的制作方法，包括如下步骤：

提供铝基底，以作为下电极；

对所述铝基底进行氮化处理，在所述铝基底的表面上形成第一氮化铝膜层；

在所述第一氮化铝膜层上形成第二氮化铝膜层；

在所述第二氮化铝膜层上形成上电极，以形成柔性mems超声波换能器内的超声波换能单元。

进一步地，通过沉积工艺在所述第一氮化铝膜层上形成第二氮化铝膜层。

进一步地，该方法还包括在所述柔性基板上形成阵列设置的衬底层，并将所述铝基底形成于所述衬底层上。

进一步地，当所述衬底层为铝合金时，该方法还包括：

通过沉积工艺将所述铝基底沉积于所述衬底层上。

进一步地，当所述衬底层为非铝材质金属时，该方法还包括：

通过沉积工艺在所述衬底层上形成第一过渡膜层，所述第一过渡膜层为与所述衬底层同材质金属形成的膜层；

通过磁过滤多弧离子镀在所述第一过渡膜层上沉积所述铝基底，同时在所述铝基底与所述第一过渡膜层之间形成第二过渡膜层，所述第二过渡膜层为与所述衬底层同材质金属及铝的合金形成的合金膜层。

进一步地，该方法还包括提供一柔性基板，并将多个所述超声波换能单元阵列布设于所述柔性基板上。

综上所述，在本发明中，通过将第一氮化铝膜层及第二氮化铝膜层依次在铝基底上形成，由于第一氮化铝膜层是由铝基底的表面经过氮化处理而形成的，因此，第一氮化铝膜层与铝基底的结合力较强，因此当第二氮化铝膜层形成于第一氮化铝膜层上时，能结合整个氮化铝膜层与下电极的结合力；进一步地，且在器件受到热冲击时，第一氮化铝膜层还可以起到缓冲热应力的作用，提高器件的可靠性和寿命。进一步地，由于第二氮化铝膜层通过沉积工艺形成于第一氮化铝膜层上，两层氮化铝膜层的结合同样会较为紧密，同时沉积工艺也可以的设置也可以使第一氮化铝膜层及第二氮化铝膜层的总厚度满足氮化铝薄膜对于氮化铝膜层厚度的要求，防止针孔的产生。因此，在本实施例中氮化铝膜层与铝基底之间具有较高的结合力。进一步地，通过不同材料衬底层的设置，能够使本发明提供的柔性mems超声波换能器具备更广的使用空间。进一步地，相比较现有技术方案，本发明可采用卷对卷生产工艺，通过一次性真空处理、沉积形成所需器件，工艺过程简单，生成效率高，生产成本低，避免了现有技术通过转印等方法带来的材料浪费、工业废水的污染和成本高等问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1所示为本发明第一实施例提供的柔性mems超声波换能器的俯视结构示意图。

图2所示为本发明第一实施例提供的柔性mems超声波换能器的截面结构示意图。

图3所示为本发明第二实施例提供的柔性mems超声波换能器的截面结构示意图。

图4所示为本发明第三实施例提供的柔性mems超声波换能器的截面结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，详细说明如下。

本发明提供了一种柔性mems超声波换能器及其制作方法，该柔性mems超声波换能器中各膜层之间的结合力较好。

图1所示为本发明第一实施例提供的柔性mems超声波换能器的俯视结构示意图，图2所示为本发明第一实施例提供的柔性mems超声波换能器的截面结构示意图。如图1及图2所示，本发明第一实施例提供的柔性mems(micro-electro-mechanicalsystem；微机电系统)超声波换能器包括超声波换能单元20，该超声波换能单元20包括下电极21、压电层22及上电极23，下电极21包括铝基底211(见图2)，压电层22包括第一氮化铝膜层221及第二氮化铝膜层222，铝基底211、第一氮化铝膜层221、第二氮化铝膜层222及上电极23依次层叠设置，也即，第一氮化铝膜层221形成于铝基底211上，第二氮化铝膜层222形成于第一氮化铝膜层221上，上电极23形成于第二氮化铝膜层222上。其中第一氮化铝膜层221由铝基底211的表面经过氮化处理而形成。

在本实施例中，通过将第一氮化铝膜层221及第二氮化铝膜层222依次在铝基底211上形成，由于第一氮化铝膜层221是由铝基底211的表面经过氮化处理而形成的，第一氮化铝膜层21与铝基底311形成的是金属键和共价键，因此，第一氮化铝膜层221与铝基底211的结合力较强，当第二氮化铝膜层222形成于第一氮化铝膜层221上时，能提升整个氮化铝膜层与下电极21的结合力；进一步地，且在器件受到热冲击时，第一氮化铝膜层221还可以起到缓冲热应力的作用，提高器件的可靠性和寿命。

进一步地，柔性mems超声波换能器还包括柔性基板10，多个超声波换能器20阵列布设于柔性基板10上，多个超声波换能单元20阵列布设与柔性基板上，波换能单元20连通之后使得换能器整体的的存储容量增加。

在本实施例中，柔性基板10可以为由pi(polyimide；聚酰亚胺)，pet(polyethyleneterephthalate；聚对苯二甲酸乙二醇酯)，lcp(liquidcrystalpolymer；液晶聚合物)等材质制成柔性高分子薄膜，其厚度小于200μm。

进一步地，第二氮化铝膜层222为通过沉积工艺形成于第一氮化铝膜层221上的第二氮化铝膜层222。

由于第二氮化铝膜层222通过沉积工艺形成于第一氮化铝膜层221上，由于第一氮化铝层21与第二氮化铝层22是同一种物质，两者在沉积过程中形成离子键和共价键，这能够保证第一氮化铝膜层221和第二氮化铝膜层222的结合同样会较为紧密，同时沉积工艺也可以使第一氮化铝膜层221及第二氮化铝膜层222的总厚度满足压电层22对于厚度的要求，防止针孔的产生。因此，在本实施例中压电层22与铝基底211之间具有较高的结合力。

进一步地，在本实施例中，第一氮化铝膜层221可以通过霍尔离子源对铝基底211进行氮化处理而得到，由于该处理方法的温度较低，因此，可以选用熔点较低的柔性高分子薄膜，这能够进一步地节约成本。氮化铝膜层的厚度为20nm-2μm，其中，第一氮化铝膜层221的厚度为5nm-10nm，第二氮化铝膜层222的厚度为15nm-1.99μm。

进一步地，在本实施例中，下电极21还包括衬底层212(见图3)，上述的铝基底211形成于衬底层212上。

在本实施例中，衬底层212为铝金属，如铝金属箔，此时，衬底层212可以与铝基底211形成于一体，也即，可以直接在铝金属箔的表面上直接进行氮化处理以形成第一氮化铝膜层221，不需要再额外形成铝基底211，这减少柔性mems超声波换能器的厚度、减轻氮化铝薄膜的质量，以及减少工艺。为了满足衬底层212厚度的要求，此时的铝箔的厚度会较厚，其厚度可以达到12μm-18μm。

上电极23可以通过磁过滤多弧离子镀工艺形成于第二氮化铝膜层222上，由于该工艺的能量较高，因此，可以提高上电极23与第二氮化铝膜层222之间的结合力。

在本实施例中，柔性高分子膜层的厚度小于200μm。

图3所示为本发明第二实施例提供的柔性mems超声波换能器的截面结构示意图，本发明第二实施例提供的柔性mems超声波换能器与第一实施例基本相同，其不同之处在于，在本实施例中，衬底层212为铝合金，此时，铝基底211通过沉积工艺形成于铝合金上。由于衬底层212为铝合金，而铝基底211形成于铝合金上，因此，在该实施例中，柔性mems超声波换能器可以在保证结合力的情况下，提高氮化铝薄膜的耐腐蚀等性能，使得器件能够应用在腐蚀性较强的环境，如海中。

在此实施例中，铝合金的厚度为12μm-18μm，由于此时，铝基底211不再承担衬底层212的作用，因此铝基底211可以较薄，其厚度为15nm-40nm。

图4所示为本发明第三实施例提供的柔性mems超声波换能器的截面结构示意图，如图4所示，本发明第三实施例提供的柔性mems超声波换能器与第一实施例基本相同，其不同之处在于，在本实施例中，衬底层212的材质不为铝，其高导热性的cu、fe、ti、ag、ni、sn等非铝金属，以增加其导热性能，以及增加使用寿命，铝基底211形成于衬底层212上。

进一步地，在本实施例中，下电极21还包括第一过渡膜层213及第二过渡膜层214，第一过渡膜层213设置于衬底层212上，第二过渡膜层214设置于第一过渡膜层213上，铝基底211设置于第二过渡膜层214上，其中第一过渡膜层213为与衬底层212同材质金属形成的膜层，第二过渡膜层214为铝与衬底层212同材质金属的合金的膜层。通过第一过渡膜层213及第二过渡膜层214的设置，能够增加铝基底211与衬底层212之间的结合力。

更为具体地，第一过渡膜层213由与衬底层212同材质的金属在衬底层212上通过沉积工艺形成，第二过渡膜层214由在第一过渡膜层213上通过磁过滤多弧离子镀方法沉积铝基底211时同时形成的合金膜层。也即在向第一过渡膜层213上沉积铝基底211时，沉积的铝金属会先与接触的第一过渡膜层213形成一层合金层，然后再形成铝基底211。

在本实施例中，衬底层212的厚度为12μm-18μm。第一过渡膜层213的厚度为20nm-50nm，第二过渡膜层214的厚度为5nm-10nm。由于在此实施例中，铝基底211不再承担衬底层212的作用，因此铝基底211可以较薄，其厚度为15nm-40nm。

综上所述，在本发明中，通过将第一氮化铝膜层221及第二氮化铝膜层222依次在铝基底211上形成，由于第一氮化铝膜层221是由铝基底211的表面经过氮化处理而形成的，因此，第一氮化铝膜层221与铝基底211的结合力较强，因此当第二氮化铝膜层222形成于第一氮化铝膜层221上时，能结合整个氮化铝膜层与下电极21的结合力；进一步地，且在器件受到热冲击时，第一氮化铝膜层221还可以起到缓冲热应力的作用，提高器件的可靠性和寿命。进一步地，由于第二氮化铝膜层222通过沉积工艺形成于第一氮化铝膜层221上，两层氮化铝膜层的结合同样会较为紧密，同时沉积工艺也可以的设置也可以使第一氮化铝膜层221及第二氮化铝膜层222的总厚度满足氮化铝薄膜对于氮化铝膜层厚度的要求，防止针孔的产生。因此，在本实施例中氮化铝膜层与铝基底211之间具有较高的结合力。进一步地，通过不同材料衬底层212的设置，能够使本发明提供的柔性mems超声波换能器具备更广的使用空间。进一步地，相比较现有技术方案，本发明可采用卷对卷生产工艺，通过一次性真空处理、沉积形成所需器件，工艺过程简单，生成效率高，生产成本低，避免了现有技术通过转印等方法带来的材料浪费、工业废水的污染和成本高等问题。

本发明还提供了一种柔性mems超声波换能器的制作方法，该制作方法包括如下步骤：

提供一铝基底211，以作为下电极21；

对铝基底211进行氮化处理，以在铝基底211的表面上形成第一氮化铝膜层221；

在第一氮化铝膜层221上形成第二氮化铝膜层222；

在第二氮化铝膜层222上形成上电极23，已形成柔性mems超声波换能器内的超声波换能单元20。

进一步地，该方法还包括提供一柔性基板10，并将多个超声波换能单元20阵列布设于柔性基板10上

进一步地，第二氮化铝膜层222通过沉积工艺形成于第一氮化铝膜层221上。

进一步地，该方法还包括在柔性基板10上形成阵列设置的衬底层212，并将铝基底211形成于衬底层212上。

在本实施例中，该衬底层212的材料为铝箔，此时，铝基底211与衬底层212结合为一体，也即，该铝箔即作为铝基底211的存在，也作为衬底层212的存在，此时，铝箔的厚度较厚，其厚度为12-18μm。

更为具体地，为了提高第一氮化铝薄膜与铝基底211的结合力强度，铝基底211表面的粗糙度为10nm-0.4μm。

在进行氮化处理时，将真空室抽真空至真空度高于3×10^-3pa，向真空腔充入流量为20-50sccm的氮气，使真空腔的真空度为2.0×10^-2pa～5.0～10^-2pa，打开霍尔离子源，调整电压至800-2000v，使霍尔离子源的电流为0.1-2a，对铝基底211进行等离子体清洗，其时间为10-20min，使铝基底211表面产生厚度为5nm-10nm的第一氮化铝膜层221。

在进行氮化处理后，可以关闭霍尔离子源，氮气流量关小至5-10sccm，并充入流量为40-100sccm的氩气，使得真空腔室的真空度为0.1-0.5pa，打开磁控溅射，使磁控溅射功率为80w-200w，对附有第一氮化铝薄膜的铝基底211表现进行沉积，沉积时间为1-100min，使第一氮化铝膜层221上产生厚度为15nm-1.99μm后的第二氮化铝膜层222。

需要说明的是，在形成第二氮化铝膜时，其方法不限于磁控溅射法，其还可以采用脉冲激光沉积法、分子束外延法等将第二氮化铝膜层222形成于第一氮化铝膜层221上。

在形成上电极23时，可以通过磁过滤多弧离子镀工艺，在氮化铝薄膜表面沉积上电极23，该上电极23的材质为cu,ag,au,pt,ni,al,cr等金属。

其具体方法为，打开氩气阀门，调节氩气流量为15-30sccm，使真空腔内的真空度为1.5×10^-2pa～3.0×10^-2pa，打开磁过滤多弧离子镀电源，在第二氮化铝膜层222上沉积金属层。

在完成柔性mems超声波换能器的制作后，通过用百格法进行测试，该氮化铝膜层与铝基底211的结合力为5b，其最小弯折半径为2nm-10mm。

该柔性基板10可以由pi(polyimide；聚酰亚胺)，pet(polyethyleneterephthalate；聚对苯二甲酸乙二醇酯)，lcp(liquidcrystalpolymer；液晶高聚合物)等材质制成，其厚度小于200μm。

进一步地，在本实施例中，衬底层212可以通过压合工艺与柔性基板10结合为一体，然后再通过刻蚀工艺等方法在柔性基板10上形成阵列设置的衬底层212。

在本发明的另一个实施例中，该衬底层212为其高导热性的cu、fe、ti、ag、ni、sn等非铝材质金属。在将铝基底211形成于衬底层212上时，该方法还包括如下步骤：

通过沉积工艺在非铝金属材质金属的衬底层212上形成第一过渡膜层213，第一过渡膜层213为与衬底层212同材质金属形成的膜层；

通过磁过滤多弧离子镀在第一过渡膜层213上沉积铝基底211，同时在铝基底211与第一过渡膜层213之间形成第二过渡膜层214，第二过渡膜层214为与衬底层212同材质金属及铝形成的合金膜层。

更为具体地，在进行沉积工艺时，提供一非铝材质金属箔作为衬底层212，以a金属、铝金属和氮化铝陶瓷作为靶材，初始真空度高于3×10^-3pa。其中，非铝材质的金属箔的表面粗糙度为10nm～0.4μm，厚度为12μm～18μm。

向真空腔充入流量为15-30sccm的氩气，使真空腔室的真空度为1.5×10^-2pa～3.0×10^-2pa，打开第一磁过滤多弧离子镀电源，调整电弧电流为55-65a，沉积时间为2min-5min，使第一过渡膜层213的厚度达到20nm-50nm。

关闭第一磁过滤多弧离子镀电源，打开第二磁过滤多弧离子镀电源，调整电弧电流至55-65a，沉积时间为2min-5min，在第一过渡膜层213上沉积铝基底211至一定厚度，由于磁过滤多弧离子镀的能量是溅射能量的几十倍，因此，在沉积过程中，铝基底211与第一过渡膜层213之间可以形成作为第二过渡膜层214的衬底层212同材质金属与铝的合金层。此时，铝基底211的厚度为15-40nm，第二过渡膜层214的厚度为5-10nm。

在本发明的又一实施例中，该衬底层212为铝合金，在将铝基底211形成于铝合金材质的衬底层212上时，该方法还包括如下步骤：

通过沉积工艺将铝基底211沉积于该衬底层212上。

更为具体地，在进行沉积工艺时，提供铝合金的金属箔作为衬底层212，以铝合金和氮化铝陶瓷作为靶材，初始真空度高于3×10-3pa。其中，铝合金的表面粗糙度为10nm～0.4μm，厚度为12μm～18μm；

向真空腔室通入流量为15-30sccm的氩气，使真空腔室的真空度为1.5×10^-2pa～3.0×10^-2pa，打开磁过滤多弧离子镀电源，调整电弧电流为55-65a，沉积时间为2min-5min，以在铝合金衬底层212上形成厚度为20nm-50nm的铝基底211。

以下以具体的实施例对本发明提供的柔性mems超声波换能器进行说明：

实施例1：以pi薄膜覆铝基板作为柔性基板10及衬底层212，表面粗糙度10nm，厚度12μm，采用fpc工艺蚀刻铝金属成金属图形，以使衬底层212阵列形成于柔性基板10上，贴附掩膜版，漏出铝金属图形，置于真空腔室，以氮化铝陶瓷为靶材，抽真空至3×10^-3pa，打开氮气阀门，调整氮气流量为20sccm，真空度为2×10^-2pa，打开霍尔离子源，调整电压为800v，电流为0.1a，处理时间为10min，获得的第一氮化铝膜层221的厚度为5nm。

氮气流量关小至5sccm，氩气流量为40sccm，使得真空腔室的真空度为0.1pa。磁控溅射功率为80w，薄膜沉积时间为1min，获得的第二氮化铝膜层222的厚度为15nm。并使第一氮化铝膜层221及第二氮化铝膜层222形成压电层22。

关闭磁控溅射和氮气阀门，调节氩气流量至15sccm，使得真空腔室的真空度为1.5×10^-2pa，打开磁过滤多弧离子镀电源，调节电流至55a，在氮化铝薄膜表面沉积铝金属，形成上电极23，完成柔性mems超声换能器的制作。

经测试，压电层22的总厚度为20nm，纯度≥99％，压电层22与铝基底211的结合力为5b，最小弯折半径为2mm。柔性mems超声换能器经过1000次弯折，无发现不良问题。

实施例2：以pet薄膜覆铝基板作为柔性基板10及衬底层212，表面粗糙度0.4μm，厚度18μm，采用fpc工艺蚀刻铝金属成金属图形，以使衬底层212阵列形成于柔性基板10上，贴附掩膜版，漏出铝金属图形，置于真空腔室，以氮化铝陶瓷为靶材，抽真空至3×10^-3pa，打开氮气阀门，调整氮气流量为50sccm，真空度为5.0×10^-2pa，打开霍尔离子源，调整电压为2000v，电流为2a，处理时间为20min，获得的第一氮化铝膜层221的厚度为10nm。

氮气流量关小至10sccm，氩气流量为100sccm，使得真空腔室的真空度为0.5pa。磁控溅射功率为200w，薄膜沉积时间为10min，获得的第二氮化铝膜层222的厚度为1.99μm。并使第一氮化铝膜层221及第二氮化铝膜层222形成压电层22。

关闭磁控溅射和氮气阀门，调节氩气流量至30sccm，使得真空腔室的真空度为3.0×10^-2pa，打开磁过滤多弧离子镀电源，调节电流至65a，在氮化铝薄膜表面沉积铝金属，形成上电极23，完成柔性mems超声换能器的制作。

经测试，压电层22的总厚度为2μm，纯度≥99％，压电层22与铝基底211的结合力为5b，最小弯折半径为10mm。柔性mems超声换能器经过1000次弯折，无发现不良问题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。