使用高分子基材建立一電容式超音波換能器

Abstract

採用電容型式的超音波換能器，是目前在超音波發射與偵測元件上最新的研究，此一最新的應用，突破許多傳統上使用壓電材料型式的超音波換能器的限制，克服壓電型式換能器的介面與氣態傳輸介質及液態傳輸介質間，阻抗數量級差異過大造成難以匹配的現象。除此之外，電容型式的超音波換能器，其優勢還包含，機電特性間的轉換效率也較高、可自行設計的頻率範圍大、靈敏度高、解析度佳等優點。 目前探討的電容型式超音波換能器，多為使用矽基材料為振膜的微機電製程，於後續處理因為高溫化學氣相沉積造成的殘留應力，不但處理成本高且處理上亦十分費時，這亦是造成元件的良率甚低的主要原因之一。也因如此，本研究將探討使用高分子材料為振膜來製作一電容型式超音波換能器的可行性。除此之外，在元件的下電極部分，將採用如氧化銦錫(ITO)等的透明導電材料，如此一來，此元件在應用的層面上將更加廣泛。 本研究採用微機電中的面型推疊製程技術為製作基礎。過程包含，光罩設計與規劃、化學氣相沉積、金屬電鍍、黃光微影曝光、金屬蒸鍍、金屬濺鍍、濕式及乾式蝕刻、表面黏滯現象的釋放等技術。一組換能器陣列共有70*70個微小元件所組成，陣列尺寸約為11mm*11mm。 本研究將選用一適合的高分子材料做為振膜結構，較一般使用矽基等材料為振膜的元件來比較，除具有可繞性的優勢，且在製做過程中的設備成本亦較低，量產上將較具成本優勢。若配合使用透明電極的製程，未來將可完成一顆具備可繞性及透明性這些在應用上極具價值的超音波換能器元件。期待能成為日後不需直接接觸的互動式顯示器或微型化個人醫療監測系統中極重要的關鍵零組件。

The thesis is to fabricate a polymer-based capacitance micromachined ultrasonic transducer by MEMS technology. The capacitance transducer has a dimension of 11*11mm2 with 70*70 cells inside. Each cell has a diameter of 120μm, membrane diameter of 100μm, top electrode of 70μm, membrane thickness of 1.5~3.5μm, and air gap of 2μm. The transducer is proposed to fabricate by lithography and sacrificial layer methods. The gold is used for sacrificial layer to create air gap structure. The copper and ITO is used for top and bottom electrode. The transducer include membrane, and post structure are made of polymer photoresist SU-8 3000. From the measure result we can observe that, when the inputs are around 50V DC, device can detect till fifth echo response, and the first maximum amplitude is 350 mV at 3.5μm membrane thickness. There are many benefits for a polymer-based capacitance ultrasonic transducer. The polymer-based capacitance ultrasonic transducer can be applied in the consumer electronics, biomedicine and many engineering areas.