一种超声驱动液态金属作为导电材料的柔性超声传感器制备方法

本发明属于柔性器件制备，具体地，涉及一种超声驱动液态金属作为导电材料的柔性超声传感器制备方法。

背景技术：

1、目前现阶段柔性的超声传感器近乎全部基于传统硬质超声探头的减薄与柔性材料的添加。如图1(a)图所示，其组成部分不可避免的使用一些传统硬质材料，例如电气互联的铜制电极以及锆钛酸铅(pzt)系列压电陶瓷。但由其组成的柔性器件的缺点也显而易见，各组成部件弹性模量差距较大，在反复变形使用下会导致失去电气连通性。

2、以铟镓合金为基础的液态金属(lm)为主材料的电极形式，可有效解决打印器件中电极部分的柔韧性问题，并辅助以优良性能的柔性压电聚合物(如pvdf或其相关共聚物)，使得全柔性可大变形的柔性超声的传感技术成为可能。让所制备器件便于贴附于多种复杂曲面等特性，并扩展柔性传感技术在日常健康监测中的普及度。随着液态金属的快速发展，使用超声驱动的液态金属作为电极，并注入沟道内，并辅助以超声烧结，可以使在大柔性与高延展性衬底上制作器件与电极等，能够满足挠性、延展性与使用稳定性的需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明采用超声驱动的方式灌入铟镓合金，提出了一种超声驱动液态金属作为导电材料的柔性超声传感器制备方法。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种液态金属作为导电材料的柔性超声传感器：

4、所述制备装置包括：有机压电聚合物、一侧含流入道和流出道的柔性电极层、一侧全部为液态金属的电极层、液态金属以及最外部柔性封装层，

5、所述有机压电聚合物即pvdf及其相关多聚体物，其所选厚度根据不同器官为靶目标所需的穿透深度而定；

6、所述一侧含流入道和流出道的柔性电极层作为背衬层：靠近有机压电聚合物，用于提供电气连通性，传递电流或测量传感器的信号；并且贴附于有机压电聚合物，使其可以接受激发并感知外部刺激并产生相应的电声以及声电响应，为抑制超声的背向传输提供一定的帮助，有助于提升器件的带宽。

7、所述一侧全部为液态金属的电极层：用于传递电流或执行其他特定功能，所述液态金属位于有机压电聚合物的另一侧，以确保有效的电流传导的同时提供共一极的走线形式；

8、所述液态金属在电极层和有机压电聚合物之间传导电流，以触发与测量有机压电聚合物的电声与声电响应；

9、所述最外部柔性封装层用于保护和封装整体柔性超声传感器，用于保护内部的组件和材料。

10、进一步的，所述流入道和流出道用于引导液体，使得流体进入或流出器件，所述流入道用于在超声驱动下泵入液态金属以形成电极，流出道用于让过多的液态金属排出，以确保灌注的完全性。所述流入道位于器件空间位置的下方，所述流出道位于器件空间位置的上方，由超声驱动而泵入的液态金属，因重力的作用易于灌满整个通路。

11、进一步的，流入道为圆柱形，位于器件的一侧，可以在外围预埋入铜线，用于后续bcn接口的连接；

12、所述流出道为正方形，且正方形流出道中的液态合金同时成为超声器件的背衬层。

13、进一步的，一侧全部为液态金属的电极层采用共一级的设计，所述电极在此声学器件中同时作为匹配层，厚度可以按照以下公式确定，

14、

15、其中t是厚度，n放大倍数通常去1.16-1.18(可以让声学在实际应用中更好的匹配)，λ是超声传播的波长。

16、一种超声驱动液态金属作为导电材料的柔性超声传感器的制备方法：

17、所述方法具体包括以下步骤：

18、步骤1，使用超声泵入的方式在预埋铜线的流入道内泵入液态金属；

19、步骤2，在真空氛围中，通过装夹装置使得经过氧气等离子体处理的封装薄膜缓慢降落于步骤1得到的材料；

20、步骤3，通过步骤2得到的材料和液态金属底电极夹住压电有机聚合物，并通过定位板使得压电有机聚合物位于中心位置，再将柔性封装层于真空氛围下粘贴在整体器件下方；

21、步骤4，在缓慢升温至室温后使用600-720瓦的功率超声对上下两层液态金属电极进行烧结，确保电气连通性，完成柔性超声传感器的制备。

22、进一步的，在步骤1中应观察至液态金属稍稍溢出，以保证灌注的完全性。

23、进一步的，在步骤2中，封装薄膜在接触步骤1得到的材料时会自然的产生一定的挠度变形，且封装薄膜经过等离子处理保证的粘接的紧密性与封装空间的封闭性，在真空氛围中可以尽可能的排除电路中残余气体对于电路的不良影响。

24、进一步的，在步骤3中，所述液态金属底电极先经过低温固化处理；所述柔性封装层在粘贴前，先进行等离子体处理。

25、一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

26、一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

27、本发明有益效果

28、本发明设计的孔隙流入阻力小，且流出沟道内的残余液态金属可以作为超声传感器件中提升带宽性能的背衬层来应用，最后采用等离子处理的柔性封装薄膜对开口处进行真空氛围下辅助夹持封闭，以便尽最大可能的去除残余气体。

29、同时，所述的挠性压电材料采用了pvdf或与其有关的聚合物p(vdf-trfe)。它们都具有优异的压电等性能。与传统的压电体相比(例如硬质压电陶瓷)，具有更大的频响区域和更好的力学特性；且易于与人体组织形成声阻抗匹配，并具有较低的重量和易弯曲的特性。

30、与光刻、真空沉积、化学沉积等技术相比较，采用本发明描述的制备方式所制备的柔性器件具有快速、廉价、可大批量制备等优点。如图1(b)图所示，同时所制备的器件具有高度稳定的柔性，并且可实现产品透明化制造与轻量化制造。

31、使用本发明描述的加工方法以及相关材料，可以使线宽度可最低至5μm的电极，这让大规模高阵列的制造成为可能。在大功率超声辅助烧结下，最终得到的液态金属的电导率可达>108s·m-1。本发明提供的两侧电极制造方式，即提升了器件全面的柔性保证其性能不受反复弯折的影响的同时，作为必要的声学意义的匹配和背衬层。同时，本发明描述的方法尽可能多地排除了人工操作，在保证效率提高良品率的同时，也提高了不同加工批次间的制造同一性。

技术特征：

1.一种液态金属作为导电材料的柔性超声传感器，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的柔性超声传感器，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的柔性超声传感器，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的柔性超声传感器，其特征在于：

5.一种超声驱动液态金属作为导电材料的柔性超声传感器的制备方法，其特征在于：

6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于：

7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于：

8.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于：

9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求5至8中任意一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求5至8中任意一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明提出了一种超声驱动液态金属作为导电材料的柔性超声传感器制备方法，首先使用超声泵入的方式在预埋铜线的流入道内泵入液态金属；在真空氛围中，通过装夹装置使得经过氧气等离子体处理的封装薄膜缓慢降落于之前得到的材料；再将得到的材料和液态金属电极底板夹住压电有机聚合物，并通过定位板使得压电有机聚合物位于中心位置，再将柔性封装层于真空氛围下粘贴在整体器件下方；最后在缓慢升温后使用600‑720瓦的功率超声对上下两层液态金属电极完成烧结，以确保其电气连通性，完成柔性超声传感器的制备。

技术研发人员：张甲,李宇阳,陈佳泰,李星奇
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25