一种柔性超声换能器阵列及其制备方法

本发明涉及超声换能器，更具体的是涉及一种柔性超声换能器阵列及其制备方法。

背景技术：

1、超声成像是医疗诊断与工业无损探测的重要手段，其中技术核心在于超声换能器等电子器件的运用，相比于传统换能器笨拙、界面刚性和使用局限，柔性超声换能器具有结构轻薄、适用复杂曲面，具有良好的声学性能、电学性能和机械性能。

2、基于柔性超声换能器的发展，现有制备工艺主要包含压电材料（包含背衬层和匹配层）、柔性衬底、柔性电路封装以及器件封装等，其中科研重点与难点在于拉伸形变的柔性结构设计以及相应材料的微纳制备技术的开发，以实现将传统硬而脆的压电材料制备成可弯曲可拉伸且性能不受变形影响的柔性超声换能器。

3、现有申请号为cn202011497207.6 的发明专利“一种寻址式超声换能器阵列及柔性矩阵的制备方法”，其中公开了压电阵元、银浆涂层和柔性矩阵，以及他们的连接方式，其中柔性矩阵包括方形槽、铰链、铜箔和接线盘；其中铰链是能够实现柔性的重点结构，其通过聚酰亚胺蛇形铰链上表面的铜箔与行接线盘形成电学导通；每一个压电阵元的下表面通过银浆涂层与方形槽下表面电气连接，再通过聚酰亚胺蛇形铰链下表面的铜箔与列接线盘形成电学导通；方形槽与聚酰亚胺蛇形铰链上下表面的铜箔电学绝缘。

4、以上公开技术存在两个问题，一方面，器件机械性能设计具有缺陷，柔性阵列的机械性能优越性体现在扭转、弯曲、拉伸和轻量化，所公开蛇形铰链结构往复弯曲，若蛇形铰链过短无法起到拉伸效果，蛇形铰链过大不利于减小阵元间距，限制了柔性可拉伸换能器高分辨率成像，并且蛇形铰链上附有聚酰亚胺薄膜，不利于缩小柔性阵列面积的轻量化研究；另一方面器件的电气连接和通路通畅以实现阵元顺序或部分激活是一大难点，兼顾电气有效连接和实现电气与阵列同步柔性是一个难题，所公开的聚酰亚胺蛇形铰链，虽然也是寻址式柔性电路，但因其上覆膜绝缘无法进行直接进行电气修补，去掉聚酰亚胺覆膜，则蛇形铰链还原性能变差，不利于保持良好柔性性能，如果发生断裂只能更换整层柔性电路层。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述柔性阵列的机械性能缺陷以及电气性能关联产生的技术问题，本发明提供一种机械性能优越的柔性超声换能器阵列，尤其是其中用于连接的铰链结构，并且相应的提供一种柔性超声换能器阵列的制备方法，用于兼顾机械性能和电气性能。

2、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

3、一种柔性超声换能器阵列，其包括五层结构，从上到下依次是上打印电极层、导电银浆层、压电层、导电银浆层、下打印电极层，其中上打印电极层与下打印电极层呈垂直重叠态设置且结构相同，均为具有“岛-桥”连接结构的柔性电极阵列，所述的压电层是由若干压电阵元形成的压电矩阵，单个压电阵元向上通过导电银浆连接上打印电极层对应的电极，且向下通过导电银浆连接下打印电极层对应的电极。

4、作为优选的，所述的“岛-桥”连接结构，是方形的电极（9）之间通过钳式铰链（8）相互连接而成，且端部的电极通过蛇形铰链（10）连接接线盘（11）。

5、作为优选的，所述钳式铰链（8）由两个相互对称的“v”形结构（81）尖对尖设置，“v”形结构（81）的两端水平向外延伸形成连接翼（82），并且连接翼（82）与相邻的电极（9）连接。

6、一种柔性超声换能器阵列的制备方法，包括步骤一，制备激光打印材料；步骤二，激光打印转移柔性电极阵列；步骤三，切割压电阵块；步骤四，集成柔性超声换能器阵列，步骤五，寻址电路的电气检查。

7、作为优选的，步骤一的具体方式为，选择聚酰亚胺薄膜及铜膜，在聚酰亚胺薄膜上表面粘贴同尺寸的水溶性胶层，再粘贴同尺寸铜膜，形成单面激光打印材料的三层级结构。

8、作为优选的，步骤一的具体方式为，选择聚酰亚胺薄膜及铜膜，在聚酰亚胺薄膜两侧表面粘贴同尺寸的水溶性胶层，分别粘贴尺寸相同的上层铜膜和下层铜膜，形成双面激光打印材料的五层级结构。

9、进一步，步骤二的具体方式为，使用激光精密加工系统protolaser u3,lpkf将激光打印材料直接雕刻成型，然后用去离子水浸泡除胶得到具有“岛-桥”连接结构的铜膜，转移到玻璃载片上得到柔性电极阵列。

10、进一步，步骤四的具体方式为，先将平铺在玻璃载片上的行电极阵列的每个电极上涂抹调制好的导电银浆，将压电阵元背衬层放置在导电银浆上，按照矩阵排布放置，然后送至烤箱在70℃下加热30分钟固化；再将平铺玻璃载片上的列电极阵列的每个电极上涂抹调制好的导电银浆，将上述连接行电极阵列的压电阵元匹配层对应叠放，重叠部分为矩阵，然后送进烤箱在70℃下加热30分钟固化；最后形成柔性超声换能器阵列的五层结构，从上到下依次是上打印电极层、导电银浆层、压电层、导电银浆层、下打印电极层。

11、采用单面激光打印材料，步骤二的具体方式为，使用激光精密加工系统protolaser u3,lpkf将上述单面激光打印材料直接雕刻成型，得到具有“岛-桥”连接结构的柔性电路材料，然后在步骤四中将具有“岛-桥”连接结构的柔性电路材料与压电阵元集成固化后，将柔性超声换能器阵列放入去离子水浸泡20分钟，水溶性胶层失效，上下两层聚酰亚胺脱落后共同去除，再将柔性超声换能器阵列进行清洁和烘干。

12、进一步，步骤五的具体方式为，使用万用表对阵列电路检查电气通路，分别使用引线外接行电极阵列和列电极阵列的接线盘，通电检查电极、铰链、压电阵元、行接线盘和列接线盘的电学导通情况。

13、本发明的有益效果如下：

14、1、本发明通过激光打印技术进行激光一体化加工，可以提供微米尺度的柔性电极层，然后通过阵列转移的制备方法，将柔性电极层与压电层电气连接进行结合，最后形成一种机械性能和电气性能均优良的柔性超声换能器阵列；其中通过激光雕刻的钳式铰链使得超声换能器阵列具有优异的拉伸柔性和轻量性，并且在相控配置和拉伸配置中采用行-列寻址的柔性电路设计，可以有效解决兼顾电气有效连接实现电气通路与阵列同步柔性实现曲面贴合的难题。

15、2、本发明中的钳式铰链结构，为中心断开的双v对称结构，因“v”形结构尖部不连接，使得钳式铰链结构具有更好的拉伸能力和扭曲能力，并且钳式铰链结构所用空间小，满足了器械对于轻量化的设计需求；并且钳式铰链上没有附加聚酰亚胺膜，使得整体轻量化，并且在发生断裂处容易进行修补，修补后对拉伸和扭曲情况影响小。

16、3、本发明提供一种带有行列寻址的电路结构，这足以实现在阵列的每侧提供n个行和n个列电极的可寻址电路设计，可以实现2n引线足解决平方增长的激活需求，为定点部位和重点区域的超声探查提供了技术基础和能够实现的可能性；其次“岛-桥”连接结构形成的交叉的空间结构为阵列提供三维拉伸和扭转的柔性特征，并且同时满足了寻址的电气性能和曲面形变的机械性能，具有实现超声可穿戴的应用前景。

17、4、本发明中选用微米级铜膜制备的柔性电极层能有效减小阵元间距，极大优化柔性可拉伸超声换能器声学性能，如成像减少栅瓣等；采用微米级铜膜柔性电极代替传统的聚酰亚胺薄膜-银浆层-铜膜层的电路板结构可以减小柔性换能器厚度和重量，可以更好贴合各种复杂曲面；本发明阵列结构中阵元间距取决于激光打印铜膜柔性电极间距，可以自由设计阵列尺寸，阵元间距有望减小至波长一半，提升超声成像质量。

18、5、本发明中的制备方法采用水溶胶层制备激光打印材料，可方便后续工序中水溶除胶层和聚酰亚胺层，仅仅留下打印铜膜转移得到柔性电极层，尤其是采用双面激光打印材料的制备方式，可同时制备出行电极阵列和列电极阵列能够用于同一柔性超声换能器矩阵上下电极层，节约了激光打印工序用时，还能保持上下电极层的结构一致性，减少了前后成型操作的误差，使得后续集成工序的契合度高，形成的柔性超声换能器阵列的精细度高，尤其是钳形铰链的尺寸的精度一致，使得柔性超声换能器阵列在使用过程中变形发生均匀受力，减少钳形铰链断裂发生。