一种可穿戴柔性近红外透明超声换能器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种可穿戴柔性近红外透明超声换能器及其制备方法，包括：

【技术实现步骤摘要】
一种可穿戴柔性近红外透明超声换能器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及可穿戴柔性近红外透明超声换能器
，更具体的说是涉及一种可穿戴柔性近红外透明超声换能器及其制备方法
。

技术介绍

[0002]超声换能器是一种将超声波信号和电信号相互转换的装置，常用于超声波成像和光声成像系统领域
。
它作为成像系统的核心部件，既可用作超声波发射设备，也可用作超声波接收和传输设备
。
目前，临床中广泛应用的超声换能器通常为传统刚性探头，其刚性表面与目标组织不规则表面之间的不匹配会产生不规则的厚耦合层，从而导致失真和灵敏度损失，这可能会使某些场景的应用受到限制
。
例如无法紧密贴合于身体和工业样品弯曲
、
复杂和动态的表面，且与皮肤的接触界面会存在不适感，无法满足连续检测和诊断的临床需求
。
为了克服这些缺点，研究人员试图将刚性超声换能器转变为柔性和可穿戴，以进一步扩展成像系统的应用范围
。
[0003]柔性超声换能器的结构薄而紧凑，可紧密贴合于任意形状的表面，具备与复杂表面自对准的优越性，也可以最大限度提高传输超声波的能量，实现高质量检测
。
因此，柔性可穿戴设备的高灵敏度
、
连续实时动态的检测性能可在远程监测生命体征和心血管健康方面发挥关键作用
。
[0004]近年来，基于微机电系统技术的电容式微加工超声换能器
(CMUT)
阵列在成像系统中颇具吸引力r/>。
设计柔性
CMUT
阵列的典型方法是在柔性基板上集成多个小型化刚性
CMUT
单元或基于柔性材料制造整个
CMUT
阵列
。CMUT
通过集成电路制造技术实现了高的机电耦合系数，提供了更好的负载匹配和更大的带宽，表现出更高的灵敏度
。
[0005]此外，为了解决光声成像系统中光源与超声换能器之间的位置问题，研究人员正在尝试创建可见光
/
近红外光透明的柔性
CMUT
阵列超声换能器，以解决样品组织靶标的照明问题
。
因此，开发一种新型的可穿戴柔性近红外透明的超声换能器，允许近红外激光束穿透进行光声
/
超声成像，以实现更加广泛的临床应用场景
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种可穿戴柔性近红外透明超声换能器及其制备方法，以期解决
技术介绍
中的技术问题
。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种可穿戴柔性近红外透明超声换能器，包括：
[0009]聚二甲基硅氧烷
(PDMS)
柔性基板
、
多个微型刚性
CMUT
元件
、
蛇形银纳米线电极和与外部连接的电极，多个微型刚性
CMUT
元件并联设置，基于银纳米线电极相互连接组成蛇形互连线路，微型刚性
CMUT
元件
、
蛇形银纳米线电极和与外部连接的电极共同封装于
PDMS
柔性基板中
。
[0010]在一些实施例中，所述微型刚性
CMUT
元件由氧化铟锡
(ITO)
顶部电极
、
振动膜
、
具
有真空腔的电容器板结构
、ITO
底部电极和基底组成；其中，所述顶部电极固定在振动膜的上表面，所述具有真空腔的电容器板结构贴合在振动膜的下表面；所述
ITO
底部电极贴合在具有真空腔的电容器板结构的下部，所述基底贴合在
ITO
底部电极的下部；所述振动膜为氮化硅振动膜，所述基底为硅晶基底
。
[0011]在一些实施例中，所述具有真空腔的电容器板结构包括若干块绝缘体
BCB
，其中，两块分布在侧部的绝缘体苯丙环丁烯
(BCB)
以及分布在底部的绝缘体
BCB
与振动膜组成密封真空腔；所述具有真空腔的电容器板结构由若干块绝缘体
BCB、
振动膜和真空腔构成
。
[0012]本申请还提供了一种可穿戴柔性近红外透明超声换能器的制备方法，包括以下步骤：
[0013]蛇形银纳米线电极的制造：将银纳米线与银片油墨混合，然后将混合的银纳米线
/
银复合油墨使用丝网印刷机在室温下基于
PDMS
柔性基板上进行丝网印刷；
[0014]CMUT
刚性元件的制造：采用粘合剂晶圆键合工艺制备
CMUT
，采用苯丙环丁烯作为
CMUT
的粘合剂和侧壁层
。
[0015]所述蛇形银纳米线电极的制造：将银纳米线与银片油墨混合，然后将混合的银纳米线
/
银复合油墨使用丝网印刷机在室温下基于
PDMS
柔性基板上进行丝网印刷；包括：使用具有蛇形图案开放区域的定制屏幕作为打印模板，并将银纳米线
/
银复合油墨添加到定制的屏幕上
。
[0016]所述
CMUT
刚性元件的制造：采用粘合剂晶圆键合工艺制备
CMUT
，采用苯丙环丁烯作为
CMUT
的粘合剂和侧壁层，包括：
[0017]准备两个晶圆，一个含有氮化硅的硅晶圆一和一个硅基底晶圆二；将晶圆片均置于过氧化氢和浓硫酸混合液中进行氧化溶解，清洗金属杂质；
[0018]在氮化硅晶圆一上使用低压化学气相沉积工艺沉积氮化硅层，以构建低应力的振动膜；
[0019]在硅基底晶圆二上通过溅射
250
‑
260nm
的透明导电材料氧化铟锡层，形成
ITO
底部电极；然后在氢氧化铵
、
过氧化氢和去离子水的混合溶液中清洗，去除有机污染物；
[0020]将一层
AP3000
粘合剂分别在硅基底晶圆一和硅基底晶圆二上以
3000
‑
3200rpm
的速度旋转涂覆
25
‑
40
秒，然后在
140
‑
160℃
下软烘烤
50
‑
70
秒；
[0021]将
BCB
以
6500
‑
7000rpm
的速度在硅基底晶圆二上旋转涂覆
40
‑
60
秒钟，在
50
‑
70℃
下软烘烤
90
‑
100
秒，其中，
BCB
层暴露在紫外线下，后在
40
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种可穿戴柔性近红外透明超声换能器，其特征在于，包括：
PDMS
柔性基板
、
多个微型刚性
CMUT
元件
、
蛇形银纳米线电极和与外部连接的电极，多个微型刚性
CMUT
元件并联设置，基于银纳米线电极相互连接组成蛇形互连线路，微型刚性
CMUT
元件
、
蛇形银纳米线电极和与外部连接的电极共同封装于
PDMS
柔性基板中
。2.
根据权利要求1所述的一种可穿戴柔性近红外透明超声换能器，其特征在于，所述微型刚性
CMUT
元件由
ITO
顶部电极
、
振动膜
、
具有真空腔的电容器板结构
、ITO
底部电极和基底组成；其中，所述顶部电极固定在振动膜的上表面，所述具有真空腔的电容器板结构贴合在振动膜的下表面；所述
ITO
底部电极贴合在具有真空腔的电容器板结构的下部，所述基底贴合在
ITO
底部电极的下部；所述振动膜为氮化硅振动膜，所述基底为硅晶基底
。3.
根据权利要求2所述的一种可穿戴柔性近红外透明超声换能器，其特征在于，所述具有真空腔的电容器板结构包括若干块绝缘体
BCB
，其中，两块分布在侧部的绝缘体
BCB
以及分布在底部的绝缘体
BCB
与振动膜组成密封真空腔；所述具有真空腔的电容器板结构由若干块绝缘体
BCB、
振动膜和真空腔构成
。4.
一种可穿戴柔性近红外透明超声换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：蛇形银纳米线电极的制造：将银纳米线与银片油墨混合，然后将混合的银纳米线
/
银复合油墨使用丝网印刷机在室温下基于
PDMS
柔性基板上进行丝网印刷；
CMUT
刚性元件的制造：采用粘合剂晶圆键合工艺制备
CMUT
，采用苯丙环丁烯作为
CMUT
的粘合剂和侧壁层
。5.
根据权利要求4所述的一种可穿戴柔性近红外透明超声换能器的制备方法，其特征在于，所述蛇形银纳米线电极的制造：将银纳米线与银片油墨混合，然后将混合的银纳米线
/
银复合油墨使用丝网印刷机在室温下基于
PDMS
柔性基板上进行丝网印刷；包括：使用具有蛇形图案开放区域的定制屏幕作为打印模板，并将银纳米线
/
银复合油墨添加到定制的屏幕上
。6.
根据权利要求4所述的一种可穿戴柔性近红外透明超声换能器的制备方法，其特征在于，所述
CMUT
刚性元件的制造：采用粘合剂晶圆键合工艺制备
CMUT
，采用苯丙...

【专利技术属性】
技术研发人员：何庆，李娜，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：