CN105234063A - 基于径向模式的单阵元超声低频换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于径向模式的单阵元超声低频换能器，属于超声换能器技术领域。所述换能器包括：外壳、压电材料、第一电缆和第二电缆，所述压电材料通过预定粘接材料设置在所述外壳中，所述第一电缆与所述压电材料的正极连接，所述第二电缆与所述压电材料的负极连接，其特征在于，所述压电材料的径向长度与厚度的比值范围为5～20。本发明通过将压电材料的径向振动转变为厚度方向的振动，提出了一种频率小于2MHz且径向长度小于2mm的换能器，能够对动物组织器官特别是脑部进行超声点刺激，具有刺激区域较小、实验数据更精准的特点，使利用微型超声换能器对小型动物器官进行超声刺激成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于径向模式的单阵元超声低频换能器，属于超声换能器技术领域。
背景技术
随着医学水平持续发展，脑科学研究成为目前医学研究的一大热点。一般来说用于脑科学的研究工具包括热、电、声、光、磁五大方面，而超声刺激相对其它刺激具有无创、安全等一系列的优势。
现有的医用换能器通常受到频率越小则尺寸越大的条件限制，例如当频率小于2MHz时，压电材料的厚度需要大于0.7mm。而为了维持换能器中压电材料在厚度方向上的单一振动模式，压电材料在其它两个方向的尺寸至少需要达到5mm。但是在一些特定应用场景中，例如用于对小型动物的脑部以及其它器官的超声刺激时，为了达到更好的实验效果，需要将换能器的尺寸控制在2mm之内，因此现有的医用换能器无法满足要求。
发明内容
本发明为解决现有的医用换能器在提供预定频率的工作状态时，其尺寸无法满足对动物器官的超声刺激要求的问题，进而提出了一种基于径向模式的单阵元超声低频换能器，具体包括如下的技术方案：
基于径向模式的单阵元超声低频换能器，包括：外壳、压电材料、第一电缆和第二电缆，所述压电材料通过预定粘接材料设置在所述外壳中，所述第一电缆与所述压电材料的正极连接，所述第二电缆与所述压电材料的负极连接，所述压电材料的径向长度与厚度的比值范围为5～20。
在本发明所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器中，所述换能器还包括密封材料，所述密封材料将所述压电材料固定设置在所述外壳中。
在本发明所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器中，所述密封材料通过灌注的方式将所述压电材料密封在所述外壳中。
在本发明所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器中，所述粘接材料采用有机粘接材料。
在本发明所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器中，所述外壳采用金属单质、金属合金或塑料制成。
在本发明所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器中，所述压电材料的径向长度小于2mm。
在本发明所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器中，所述压电材料的正极和负极设置在平行的两个平面上。
在本发明所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器中，所述压电材料采用压电陶瓷、压电复合材料、单晶材料或薄膜材料。
在本发明所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器中，所述压电材料的径向长度通过划片或夹具加工成型，所述压电材料的厚度通过平面磨床、研磨机或砂纸打磨成型。
本发明的有益效果是：通过将压电材料的径向振动转变为厚度方向的振动，提出了一种频率小于2MHz且径向长度小于2mm的换能器，能够对动物组织器官特别是脑部进行超声点刺激，具有刺激区域较小、实验数据更精准的特点，使利用微型超声换能器对小型动物器官进行超声刺激成为可能。
附图说明
图1是以示例的方式示出了基于径向模式的单阵元超声低频换能器的装配结构图。
图2是以示例的方式示出了基于径向模式的单阵元超声低频换能器的整体结构图。
具体实施方式
本实施例提出了一种基于径向模式的单阵元超声低频换能器，结合图1和图2所示，包括：外壳1、压电材料2、第一电缆4和第二电缆5，压电材料2通过粘接材料设置在外壳1中，第一电缆4与压电材料2的正极连接，第二电缆5与压电材料2的负极连接，压电材料2的径向长度与厚度的比值范围为5～20。
其中，外壳1可以根据实际的应用场景加工成内径为2±0.5mm、外径为3±0.5mm、深度为1±0.5mm的结构。压电材料2可根据所需频率的大小确定其直径，并将压电材料2的厚度加工为径向尺寸的1/5以内，再将压电材料2通过粘接材料固定设置在外壳1的底面，并使用第一电缆4和第二电缆5将压电材料2的正负极引出。
在一可选实施例中，该换能器还包括密封材料3，密封材料3将压电材料2固定设置在外壳1中。其中，密封材料3可通过灌注的方式将压电材料2密封在外壳1中，当密封材料3采用环氧树脂等液体粘接剂时，可通过灌注的方式加入到外壳1中，能够使密封材料3在外壳1中的分布更均匀，并且保持对压电材料2较均匀的压力，灌注的环氧树脂固化后能够起到绝缘和密封的作用，从而提高换能器的稳定性。
在一可选实施例中，粘接材料采用有机粘接材料，该有机粘接材料可以包括环氧树脂等。
在一可选实施例中，外壳1由金属单质、金属合金或塑料制成。例如采用不锈钢、铁基合金或镍基合金等抗腐蚀性较强的金属材料，另外也可以采用塑料材质，同样也可以达到耐腐蚀及满足超声低频换能器强度要求的目的。
在一可选实施例中，压电材料2的径向长度小于2mm。在对动物器官进行超声刺激的应用场景中，特别是针对小型动物的脑部超声刺激，需要将换能器的体积控制到能够伸入小型动物体内的程度，因此可将压电材料2的径向长度加工成不大于2mm，从而使该换能器既能够伸入到小型动物的脑部或其它器官，又能够提供符合要求的超声低频刺激信号。
在一可选实施例中，结合图2所示，压电材料2的正极和负极设置在平行的两个平面上。通常情况下电极的正极和负极分别设置在两个面上，可以使用电缆将正极和负极从两个面分别引出，如果压电材料采用包边电极则可以利用电缆将正负极从同一个面引出。因此在同一平面或平行的平面中引出的正极和负极能够使两极之间保持压力平衡，避免一个极在振动过程中产生的压力过大而损坏换能器。
在一可选实施例中，压电材料2采用压电陶瓷、压电复合材料、单晶材料或薄膜材料。当采用压电类型的材料时，可以将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动，从而实现对动物器官产生超声波刺激。
在一可选实施例中，当根据目标频率确定压电材料2的径向长度后，可通过划片机或专用夹具将压电材料2的径向长度加工成型到目标尺寸，并使用精密平面磨床、研磨机及砂纸等工具打磨压电材料2的厚度，并将压电材料2的厚度控制在径向长度的1/5内。
下面通过具体的实施例对本发明提供的基于径向模式的单阵元超声低频换能器进行详细说明。
实施例一
结合图1和图2所示，本实施例提供的基于径向模式的单阵元超声低频换能器，结合图1和图2所示，包括：外壳1、压电材料2、密封材料3、第一电缆4和第二电缆5，压电材料2通过粘接材料设置在外壳1中，第一电缆4与压电材料2的正极连接，第二电缆5与压电材料2的负极连接，密封材料3通过灌注的方式将压电材料2密封在外壳1中，压电材料2的震动频率为2MHz且径向长度与厚度的比值等于5。
在本实施例中，压电材料2与外壳1通过密封材料3紧密粘接，压电材料2在工作的时候会产生径向振动和厚度方向的振动，根据压电材料2在两种振动方向的不同尺寸，会产生两种频率不同的声波。当压电材料2的径向长度和厚度的比例达到5倍以上至20倍以下的范围时，就能够将这两种频率区分开。例如：产生1MHz声波的压电材料的径向长度约为1.5mm，而将厚度设定为径向长度的1/5，则为0.3mm，而厚度为0.3mm的压电材料产生的声波约为5MHz。
因此，本实施例提供的基于径向模式的单阵元超声低频换能器在使用时，激励信号的频率可设置在径向谐振频率为1MHz。由于该换能器的谐振频率误差通常不会超过20％，所以径向谐振频率范围可以确定为0.8～1.2MHz，该径向谐振频率远小于厚度谐振频率的5MHz。所以在工作过程中，压电材料2的径向振动会带动与它粘接在一起的外壳1做径向振动，从而引起周围的介质做径向振动，以使该换能器产生超声波对动物器官进行刺激。
采用本具体实施方式提出的基于径向模式的单阵元超声低频换能器，通过将压电材料的径向振动转变为厚度方向的振动，提出了一种频率小于2MHz且径向长度小于2mm的换能器，能够对动物组织器官特别是脑部进行超声点刺激，具有刺激区域较小、实验数据更精准的特点，使利用微型超声换能器对小型动物器官进行超声刺激成为可能。
本具体实施方式是对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，其中的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有经过创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施方式都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.基于径向模式的单阵元超声低频换能器，包括：外壳、压电材料、第一电缆和第二电缆，所述压电材料通过预定粘接材料设置在所述外壳中，所述第一电缆与所述压电材料的正极连接，所述第二电缆与所述压电材料的负极连接，其特征在于，所述压电材料的径向长度与厚度的比值范围为5～20。
2.如权利要求1所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器，其特征在于，所述换能器还包括密封材料，所述密封材料将所述压电材料固定设置在所述外壳中。
3.如权利要求2所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器，其特征在于，所述密封材料通过灌注的方式将所述压电材料密封在所述外壳中。
4.如权利要求1所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器，其特征在于，所述粘接材料采用有机粘接材料。
5.如权利要求1所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器，其特征在于，所述外壳采用金属单质、金属合金或塑料制成。
6.如权利要求1所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器，其特征在于，所述压电材料的径向长度小于2mm。
7.如权利要求1或6所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器，其特征在于，所述压电材料的正极和负极设置在平行的两个平面上。
8.如权利要求1或6所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器，其特征在于，所述压电材料采用压电陶瓷、压电复合材料、单晶材料或薄膜材料。
9.如权利要求1或6所述的基于径向模式的单阵元超声低频换能器，其特征在于，所述压电材料的径向长度通过划片或夹具加工成型，所述压电材料的厚度通过平面磨床、研磨机或砂纸打磨成型。
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