CN106824735A - 一种二维阵列超声探头及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维阵列超声探头，包括匹配层、第一柔性线路板、压电陶瓷复合材料晶片、第二柔性线路板、背衬、第三柔性线路板、超声主板和USB线，匹配层连接第一柔性线路板，第一柔性线路板连接压电陶瓷复合材料晶片，压电陶瓷复合材料晶片连接第二柔性线路板，第二柔性线路板连接背衬，背衬连接第三柔性线路板，第三柔性线路板与超声主板连接，超声主板与USB线连接，超声主板包括发射切换电路、接收切换电路、超声发射电路模块、超声接收电路模块、FPGA模块、TGC电路、时钟分配电路和USB模块。采用上述技术方案制成了一种带信号切换处理电路的二维阵列超声探头，降低了电路的硬件需求，具有低成本、便携性与可靠性等特点。
Description
技术领域
本发明涉及压电超声探头，特别涉及一种二维阵列超声探头及其制备方法。
背景技术
超声探头是超声设备中的关键部件，可以用于工业无损检测，医用超声成像，超声治疗等。超声探头的结构目前以单阵元与线阵列为主，由于电子技术的发展，探头结构正朝二维阵列的方向发展。
自超声探头诞生以来，最早期是单阵元超声探头，可以通过机械扫描来获取超声图像。随着制造工艺的发展，通过电子扫描线阵列结构的探头各阵元，可实现二维B图像的获取。随着技术的发展，超声C成像及三维空间成像技术是当今超声检测重要的手段之一，与传统的单阵元和一维阵列超声探头相比，二维阵列探头是解决超声三维成像的有效手段，它不需要移动及旋转探头即可自由的实现三维成像，而且数据采集过程迅速、稳定。
现有的三维成像系统均采用主机、探头分开的分式，探头与主机间以多芯同轴电缆线相连接。二维阵列超声探头的阵元数目庞大，并且每个阵元需要独立接线，每个阵元需要一路处理电路，再加上显示器、电源，因而整套系统都结构较大，不易搬运，在许多场合使用受限，如野外作业、工厂流动作业、门诊科室简易问诊等等。超声设备根据检测应用发展的需求，目前已走向小型化，专用化的掌上式便于携带的超声仪器，目前还没有一种真正微型化、便携式的适用于三维成像的二维阵列超声探头。
国家知识产权局公开了一篇公开号为CN105436065A的专利文件，该专利揭露了一种行列寻址的超声面阵换能器的制备方法，此方案解决了接线数目多的问题，但其未在探头端进行信号处理，并且上下两面电极同时通电，阵元间的信号切换及信号传输将存在新的问题。
1、在现有的方案中，虽然减少了引线的数目，但由于需要对上下电极同时进行通电、切换，因而无法实现时间的精确控制。
2、在现有的方案中，高频模拟信号在长距离的导线中传输，会出现较大的衰减与畸变。
3、在现有的方案中，M×N(M、N可以取任意值)的二维超声探头阵列，就需要M×N条引线，随着阵元数的增加和阵元尺寸的减小，引线焊接工艺难度急剧增大，且体积较大使用起来也极不方便。
综上，在已有的二维阵列超声探头及期制备方法中，若干技术难点制约了探头的性能，从而也制约了二维阵列超声探头在掌上便携式超声成像仪器上的应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种带信号切换处理电路的二维阵列超声探头及其制备方法。
本发明中的一种二维阵列超声探头，包括匹配层、第一柔性线路板、压电陶瓷复合材料晶片、第二柔性线路板、背衬、第三柔性线路板、超声主板和USB线，所述匹配层连接第一柔性线路板，所述第一柔性线路板连接压电陶瓷复合材料晶片，所述压电陶瓷复合材料晶片连接第二柔性线路板，所述第二柔性线路板连接背衬，所述背衬连接第三柔性线路板，所述第三柔性线路板与超声主板连接，所述超声主板与USB线连接，所述超声主板包括发射切换电路、接收切换电路、超声发射电路模块、超声接收电路模块、FPGA模块、TGC电路、时钟分配电路和USB模块。
上述方案中，所述压电陶瓷复合材料晶片与发射切换电路连接，所述发射切换电路与超声发射电路模块连接，所述发射切换电路与FPGA模块连接，所述超声发射电路模块与FPGA模块连接，所述压电陶瓷复合材料晶片与接收切换电路连接，所述接收切换电路与超声接收电路模块连接，所述超声接收电路模块与FPGA模块连接，所述超声接收电路模块与TGC电路连接，所述接收切换电路与FPGA模块连接，所述TGC电路与FPGA模块连接，所述FPGA模块与时钟分配电路连接，所述FPGA模块与USB模块连接，所述USB模块与USB线连接。
上述方案中，所述发射切换电路为1切M电路，所述M≥8。
上述方案中，所述接收切换电路为1切N电路，所述N≥8。
上述方案中，所述匹配层由环氧树脂固化而成。
上述方案中，所述背衬由环氧树脂混合金属氧化物粉末固化而成。
上述方案中，所述第一柔性线路板、第二柔性线路板、第三柔性线路板均由电极层、绝缘层、公共电极层组成。
上述方案中，所述压电陶瓷复合材料晶片由压电陶瓷和聚合物组成，所述压电陶瓷复合材料晶片的连通方式为1-3型。
上述方案中，所述压电陶瓷为锆钛酸铅、钛酸铅、铌镁酸铅－钛酸铅或铌铟酸铅－铌镁酸铅－钛酸铅中的一种。
引用上述的一种二维阵列超声探头的制备方法，包括以下步骤：
S1：设置第一柔性线路板从下往上由公共电极层、绝缘层、电极层组成，所述电极层由第一电极及第二电极交错排列，共有N条电极；
S2：设置压电陶瓷复合材料晶片上表面有M条第三发射电极，下表面有N条第四接收电极，所述第三发射电极与第四接收电极成90度夹角，使压电陶瓷复合材料晶片形成M×N个阵元；
S3：设置第二柔性线路板从下往上由公共电极层、绝缘层、电极层组成，所述电极层由第五电极及第六电极交错排列，共有M条电极；
S4：匹配层、第一柔性线路板、压电陶瓷复合材料晶片、第二柔性线路板、背衬依次粘接在一起，形成声学叠层，所述声学叠层通过第一柔性线路板、第二柔性线路板、第三柔性线路板与超声主板连接；所述声学叠层用于向被检测工件发出超声检测信号并采集返回的超声检测信号给超声主板；
S5：所述发射切换电路中M路信号与压电陶瓷复合材料晶片的第三发射电极中各电极相连接；所述接收切换电路中N路信号与压电陶瓷复合材料晶片的第四接收电极中各电极相连接；
S6：所述发射切换电路在时钟分配电路的控制下，把超声发射电路模块的超声检测信号切换到压电陶瓷复合材料晶片的第三发射电极，依次为T1、T2……TM；
S7：当某一发射电极与发射电路连通时，与此同时，当某一接收电极与接收电路连通时，第三发射电极与第四接收电极所重叠的区域形成一个阵元的超声信号发射与接收；
S8：所述接收切换电路在时钟分配电路的控制下，将所述压电陶瓷复合材料晶片的第四接收电极的超声检测信号切换到接收电路模块，依次为R1、R2……RN。接收到的M×N个超声检测信号通过超声接收电路模块、TGC电路、FPGA模块处理后，通过USB模块与USB线无损实时地传输到外部设备，再由外部设备处理，实现超声图像的显示。
本发明的优点和有益效果在于：本发明提供一种带信号切换处理电路的二维阵列超声探头及其制备方法，去掉了现有方案中模拟信号传输用多芯同轴电缆线，图像显示用现有的平板电脑、手机等掌上设备，安装适用的应用软件，插上探头即可实现二维B成像、二维C成像、三维空间成像。本发明的二维阵列超声探头，接收电极与发射电极各自独立，有利于时间的精确控制。本发明的二维阵列超声探头使用1个超声发射通道与1个超声接收通道即可实现对M×N个阵元的超声信号发射与接收，降低了电路的硬件需求，具有低成本、便携性与可靠性等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种二维阵列超声探头的结构示意图；
图2为超声主板的结构示意图；
图3为第一柔性线路板电极层的结构示意图；
图4为压电陶瓷复合材料晶片的结构示意图；
图5为第二柔性线路板电极层的结构示意图；
图6为声学叠层的结构示意图；
图7为发射切换电路与接收切换电路的连接图；
图8为切换超声检测信号的电路图；
图9为发射与接收的原理图；
图10为完成信号处理的电路原理框图。
图中：1、匹配层 2、第一柔性线路板 3、压电陶瓷复合材料晶片 4、第二柔性线路板 5、背衬 6、第三柔性线路板 7、发射切换电路8、接收切换电路 9、超声发射电路模块10、超声接收电路模块11、FPGA模块 12、TGC电路 13、时钟分配电路 14、USB模块 15、超声主板 16、USB线 201、第一电极 202、第二电极301、第三发射电极 302、第四接收电极 401、第五电极 402、第六电极
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明是一种二维阵列超声探头，包括匹配层1、第一柔性线路板2、压电陶瓷复合材料晶片3、第二柔性线路板4、背衬5、第三柔性线路板6、超声主板15和USB线16，匹配层1连接第一柔性线路板2，第一柔性线路板2连接压电陶瓷复合材料晶片3，压电陶瓷复合材料晶片3连接第二柔性线路板4，第二柔性线路板4连接背衬5，背衬5连接第三柔性线路板6，第三柔性线路板6与超声主板15连接，超声主板15与USB线16连接，超声主板15包括发射切换电路7、接收切换电路8、超声发射电路模块9、超声接收电路模块10、FPGA模块11、TGC电路12、时钟分配电路13和USB模块14。
如图2所示，压电陶瓷复合材料晶片3与发射切换电路7连接，发射切换电路7与超声发射电路模块9连接，发射切换电路7与FPGA模块11连接，超声发射电路模块9与FPGA模块11连接，压电陶瓷复合材料晶片3与接收切换电路8连接，接收切换电路8与超声接收电路模块10连接，超声接收电路模块10与FPGA模块11连接，超声接收电路模块10与TGC电路12连接，接收切换电路8与FPGA模块11连接，TGC电路12与FPGA模块11连接，FPGA模块11与时钟分配电路13连接，FPGA模块11与USB模块14连接，USB模块14与USB线16连接。
其中，发射切换电路7为1切M电路，M≥8。接收切换电路8为1切N电路，N≥8。
匹配层1由环氧树脂固化而成。背衬5由环氧树脂混合金属氧化物粉末固化而成。第一柔性线路板2、第二柔性线路板4、第三柔性线路板6均由电极层、绝缘层、公共电极层组成。
压电陶瓷复合材料晶片3由压电陶瓷和聚合物组成，所述压电陶瓷复合材料晶片的连通方式为1-3型。1-3型压电陶瓷复合材料的被填充聚合物材料包围若干个压电陶瓷纤维体组成的，压电陶瓷纤维通过切割的方法制得，该材料中压电陶瓷纤维一维连通，聚合物材料则是三维连通。
压电陶瓷为锆钛酸铅、钛酸铅、铌镁酸铅－钛酸铅或铌铟酸铅－铌镁酸铅－钛酸铅中的一种。电极材料优选为镍、镍铬合金、铜、金中的一种。
引用上述的一种二维阵列超声探头的制备方法，包括以下步骤：
S1：设置第一柔性线路板2从下往上由公共电极层、绝缘层、电极层组成，如图3所示，电极层由第一电极201及第二电极202交错排列，共有N条电极；
S2：如图4所示，设置压电陶瓷复合材料晶片3上表面有M条第三发射电极301，下表面有N条第四接收电极302，第三发射电极301与第四接收电极302成90度夹角，使压电陶瓷复合材料晶片3形成M×N个阵元；
S3：设置第二柔性线路板4从下往上由公共电极层、绝缘层、电极层组成，如图5所示，电极层由第五电极401及第六电极402交错排列，共有M条电极；
S4：如图6所示，匹配层1、第一柔性线路板2、压电陶瓷复合材料晶片3、第二柔性线路板4、背衬5依次粘接在一起，形成声学叠层，声学叠层通过第一柔性线路板2、第二柔性线路板4、第三柔性线路板6与超声主板15连接；声学叠层用于向被检测工件发出超声检测信号并采集返回的超声检测信号给超声主板15；
S5：如图7所示，发射切换电路7中M路信号与压电陶瓷复合材料晶片3的第三发射电极301中各电极相连接；接收切换电路8中N路信号与压电陶瓷复合材料晶片3的第四接收电极302中各电极相连接；
S6：如图8所示，发射切换电路7在时钟分配电路13的控制下，把超声发射电路模块9的超声检测信号切换到压电陶瓷复合材料晶片的第三发射电极301，依次为T1、T2……TM；
S7：如图9所示，当某一发射电极与发射电路连通时，与此同时，当某一接收电极与接收电路连通时，第三发射电极与第四接收电极所重叠的区域形成一个阵元的超声信号发射与接收；
S8：如图10所示，接收切换电路8在时钟分配电路13的控制下，将压电陶瓷复合材料晶片3的第四接收电极302的超声检测信号切换到接收电路模块8，依次为R1、R2……RN。接收到的M×N个超声检测信号通过超声接收电路模块10、TGC电路12、FPGA模块11处理后，通过USB模块14与USB线16无损实时地传输到外部设备，再由外部设备处理，实现超声图像的显示。外部设备可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑或其它便携式处理设备。
FPGA模块11(FPGA(Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)是一种半定制高度集成的微处理器；TGC电路12即时间增益控制，用于对接收的超声检测信号进行动态孔径聚焦处理；时钟分配电路13，是高速时钟分配电路，可以产生大于等于2.5ns的时钟延迟精度；发射电路模块9，产生超声波模拟信号；接收电路模块10，将采集的超声检测信号经过放大、A/D转换、滤波，形成超声波束数据信号，传输至FPGA模块11。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种二维阵列超声探头，其特征在于，包括匹配层、第一柔性线路板、压电陶瓷复合材料晶片、第二柔性线路板、背衬、第三柔性线路板、超声主板和USB线，所述匹配层连接第一柔性线路板，所述第一柔性线路板连接压电陶瓷复合材料晶片，所述压电陶瓷复合材料晶片连接第二柔性线路板，所述第二柔性线路板连接背衬，所述背衬连接第三柔性线路板，所述第三柔性线路板与超声主板连接，所述超声主板与USB线连接，所述超声主板包括发射切换电路、接收切换电路、超声发射电路模块、超声接收电路模块、FPGA模块、TGC电路、时钟分配电路和USB模块。
2.根据权利要求1所述的一种二维阵列超声探头，其特征在于，所述压电陶瓷复合材料晶片与发射切换电路连接，所述发射切换电路与超声发射电路模块连接，所述发射切换电路与FPGA模块连接，所述超声发射电路模块与FPGA模块连接，所述压电陶瓷复合材料晶片与接收切换电路连接，所述接收切换电路与超声接收电路模块连接，所述超声接收电路模块与FPGA模块连接，所述超声接收电路模块与TGC电路连接，所述接收切换电路与FPGA模块连接，所述TGC电路与FPGA模块连接，所述FPGA模块与时钟分配电路连接，所述FPGA模块与USB模块连接，所述USB模块与USB线连接。
3.根据权利要求2所述的一种二维阵列超声探头，其特征在于，所述发射切换电路为1切M电路，所述M≥8。
4.根据权利要求2所述的一种二维阵列超声探头，其特征在于，所述接收切换电路为1切N电路，所述N≥8。
5.根据权利要求2所述的一种二维阵列超声探头，其特征在于，所述匹配层由环氧树脂固化而成。
6.根据权利要求2所述的一种二维阵列超声探头，其特征在于，所述背衬由环氧树脂混合金属氧化物粉末固化而成。
7.根据权利要求2所述的一种二维阵列超声探头，其特征在于，所述第一柔性线路板、第二柔性线路板、第三柔性线路板均由电极层、绝缘层、公共电极层组成。
8.根据权利要求2所述的一种二维阵列超声探头，其特征在于，所述压电陶瓷复合材料晶片由压电陶瓷和聚合物组成，所述压电陶瓷复合材料晶片的连通方式为1-3型。
9.根据权利要求6所述的一种二维阵列超声探头，其特征在于，所述压电陶瓷为锆钛酸铅、钛酸铅、铌镁酸铅－钛酸铅或铌铟酸铅－铌镁酸铅－钛酸铅中的一种。
10.根据权利要求2所述的一种二维阵列超声探头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设置第一柔性线路板从下往上由公共电极层、绝缘层、电极层组成，所述电极层由第一电极及第二电极交错排列，共有N条电极；
S2：设置压电陶瓷复合材料晶片上表面有M条第三发射电极，下表面有N条第四接收电极，所述第三发射电极与第四接收电极成90度夹角，使压电陶瓷复合材料晶片形成M×N个阵元；
S3：设置第二柔性线路板从下往上由公共电极层、绝缘层、电极层组成，所述电极层由第五电极及第六电极交错排列，共有M条电极；
S4：匹配层、第一柔性线路板、压电陶瓷复合材料晶片、第二柔性线路板、背衬依次粘接在一起，形成声学叠层，所述声学叠层通过第一柔性线路板、第二柔性线路板、第三柔性线路板与超声主板连接；所述声学叠层用于向被检测工件发出超声检测信号并采集返回的超声检测信号给超声主板；
S5：所述发射切换电路中M路信号与压电陶瓷复合材料晶片的第三发射电极中各电极相连接；所述接收切换电路中N路信号与压电陶瓷复合材料晶片的第四接收电极中各电极相连接；
S6：所述发射切换电路在时钟分配电路的控制下，把超声发射电路模块的超声检测信号切换到压电陶瓷复合材料晶片的第三发射电极，依次为T1、T2……TM；
S7：当某一发射电极与发射电路连通时，与此同时，当某一接收电极与接收电路连通时，第三发射电极与第四接收电极所重叠的区域形成一个阵元的超声信号发射与接收；
S8：所述接收切换电路在时钟分配电路的控制下，将所述压电陶瓷复合材料晶片的第四接收电极的超声检测信号切换到接收电路模块，依次为R1、R2……RN。接收到的M×N个超声检测信号通过超声接收电路模块、TGC电路、FPGA模块处理后，通过USB模块与USB线无损实时地传输到外部设备，再由外部设备处理，实现超声图像的显示。
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