CN109374738B - 一种基于环形阵列的超声显微镜及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环形阵列的超声显微镜，包括环形阵列换能器、声束生成器、信号处理装置、控制装置、驱动装置及超声图像显示装置；所述声束生成器分别与所述环形阵列换能器、所述信号处理装置电连接，所述信号处理装置与所述超声图像显示装置电连接；所述控制装置分别与所述环形阵列换能器、所述信号处理装置、所述驱动装置电连接；所述环形阵列换能器为环形阵列式，且所述环形阵列换能器的声透镜材质为石英玻璃材质，且所述环形阵列换能器的声透镜设于所述驱动装置上，随所述驱动装置移动以改变聚焦点完成逐点扫描。本发明实施例提供的超声显微镜能够降低声透镜材料的成本，同时保证超声显微镜性能。

Description

一种基于环形阵列的超声显微镜及方法

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，尤其是涉及一种基于环形阵列的超声显微镜、高频超声环形阵列的制备方法及聚焦线性声束生成方法。

背景技术

超声显微镜是利用声学成像原理对物质进行显微观察的一种设备，即利用样品声学性能的差别，用声成像的方法来生成高反差、高放大倍率的超声图像的装置。许多物质不透光，但能透声，声波对某些物质具有很强的“穿透”能力，超声显微镜可以直接观察不透光而透声的各类物质。由于各类物质及内部各部分的结构、密度、强度，压缩性和粘滞性等各不相同，因此声在其中传播的反射、折射、吸收和衰减等特性也有很大差别。超声显微检测具有高灵敏度、高分辨率和图像直观等特点，在电子工业、医学、材料科学等领域具有广阔的应用前景。

现有技术中，超声显微镜采用线聚焦声透镜形成线性声束，以测量材料的机械性能的各向异性，超声显微镜主要采用环形阵列超声探头产生超声波，在经过蓝宝石声透镜和声束生成器延时聚焦后声束高度聚焦于一点，通过马达驱动机械装置移动聚集点完成逐点扫描，最后得到声学图像；但是，由于蓝宝石的价格高昂、加工难度大，且蓝宝石声阻抗非常高不易声匹配，导致超声显微镜的成本较高。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于环形阵列的超声显微镜，以解决现有的超声显微镜的成本较高的技术问题，从而降低声透镜材料的成本，同时保证超声显微镜的性能。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于环形阵列的超声显微镜，包括环形阵列换能器、声束生成器、信号处理装置、控制装置、驱动装置及超声图像显示装置；

所述声束生成器分别与所述环形阵列换能器、所述信号处理装置电连接，所述信号处理装置与所述超声图像显示装置电连接；所述控制装置分别与所述环形阵列换能器、所述信号处理装置、所述驱动装置电连接；所述环形阵列换能器为环形阵列式，且所述环形阵列换能器的声透镜材质为石英玻璃材质，且所述环形阵列换能器的声透镜设于所述驱动装置上，随所述驱动装置移动以改变聚焦点完成逐点扫描。

作为优选方案，所述环形阵列换能器包括用于发射超声波的发射表面和用于接收和发射所述发射表面的超声波的声透镜，所述声透镜的内表面朝向所述发射表面。

作为优选方案，所述声透镜的内表面上成型有螺旋凸起。

作为优选方案，所述声透镜具有用于发射超声波的外表面，所述外表面呈球面凸透镜结构。

作为优选方案，所述驱动装置为驱动马达。

为了解决相同的技术问题，本发明还提供了一种高频超声环形阵列的制备方法，用于如上述的基于环形阵列的超声显微镜的环形阵列换能器的环形阵列，所述方法包括以下步骤：

利用测控溅射工艺或机械研磨抛光工艺制备压电薄膜；

利用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺在所述压电薄膜上形成环形阵列阵元；

利用微加工连接工艺连接所述环形阵列的阵元，以制备得到高频超声环形阵列。

为了解决相同的技术问题，本发明还提供了一种聚焦线性声束生成方法，用于如上述的基于环形阵列的超声显微镜，所述方法包括以下步骤：

通过机械研磨工艺或激光工艺加工石英玻璃，以形成球形微凹镜，从而制备得到用于声束的物理延迟聚焦的声透镜；

对声束的电子延时聚焦，第n个振阵元的延时聚焦计算公式为：

其中，p(r，φ)为聚焦线中的一个点，Δtn为第n个振阵元相对中心振阵元的聚焦延时时间，x_n为第n个振阵元距离中心振阵元的距离，r为聚焦点距离换能器中心距离，r_n为聚焦点距离第n个振阵元距离，Δt_l为石英玻璃声透镜产生的延迟，c为介质中声速；

将声透镜固定延迟与声束延迟电路的电子动态延迟结合，形成高度聚焦线性声束。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

通过所述环形阵列换能器产生超声波，超声波经过所述环形阵列换能器的声透镜实现物理粗聚焦，所述声束生成器提供电子精细聚焦，由于物理聚焦存在，对电子聚焦的延迟长度范围要求降低，从而使得形成的超声波声束延时聚焦后声束高度聚焦后形成一条线状声束，通过所述声束生成器的电子聚焦变换使线声束旋转，用以测量材料表面参数的各项异性。

其中，所述环形阵列换能器构成的超声探头是由几十或几百个振阵元组成的环形阵列，需要更多的独立物理电子通道分别控制对应的阵元。

此外，所述环形阵列换能器的声透镜材质为石英玻璃材质，石英玻璃材质具有价格便宜、易于加工、易于声阻抗匹配的特性，能够取代昂贵、不易加工、不易声阻抗匹配的蓝宝石作为声透镜材料。

这样，所述基于环形阵列的超声显微镜以电子方式产生旋转的线性声束，有效地避免笨重机电旋转驱动装置，且速度快，可实现实时检测，并通过所述声束生成器的电子聚焦延时配合所述声透镜延时，形成高度聚焦，一方面可用价格便宜、易于加工、易于声阻抗匹配的石英玻璃取代昂贵、不易加工、不易声阻抗匹配的蓝宝石，作为声透镜材料，另一方面电子聚焦延时跨度降低，高频延时电路容易实现。

附图说明

图1是本发明实施例中的基于环形阵列的超声显微镜的结构示意图；

图2是本发明实施例中的声透镜的结构示意图；

图3是本发明实施例中的高频环形超声面阵的示意图；

图4是本发明实施例中的声束的电子延时聚焦示意图；

图5是本发明实施例中的超声环形阵列产生的线性声束的示意图；

其中，说明书附图中的附图标记如下：

1、环形阵列换能器；2、声束生成器；3、信号处理装置；4、控制装置；5、超声图像显示装置；6、声透镜；7、环形阵列；8、驱动装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本发明实施例提供了一种基于环形阵列的超声显微镜，包括环形阵列换能器、声束生成器、信号处理装置、控制装置、驱动装置及超声图像显示装置；

所述声束生成器分别与所述环形阵列换能器、所述信号处理装置电连接，所述信号处理装置与所述超声图像显示装置电连接；所述控制装置分别与所述环形阵列换能器、所述信号处理装置、所述驱动装置电连接；所述环形阵列换能器为环形阵列式，且所述环形阵列换能器的声透镜材质为石英玻璃材质，且所述环形阵列换能器的声透镜设于所述驱动装置上，随所述驱动装置移动以改变聚焦点完成逐点扫描。

在本实施例中，通过所述环形阵列换能器产生超声波，超声波经过所述环形阵列换能器的声透镜6实现物理粗聚焦，所述声束生成器2提供电子精细聚焦，由于物理聚焦存在，对电子聚焦的延迟长度范围要求降低，从而使得形成的超声波声束延时聚焦后声束高度聚焦后形成一条线状声束(如图5所示)，通过所述声束生成器2的电子聚焦变换使线声束旋转，用以测量材料表面参数的各项异性。

其中，所述环形阵列换能器构成的超声探头是由几十或几百个振阵元组成的环形阵列7，需要更多的独立物理电子通道分别控制对应的阵元。

此外，所述环形阵列换能器1的声透镜6材质为石英玻璃材质，石英玻璃材质具有价格便宜、易于加工、易于声阻抗匹配的特性，能够取代昂贵、不易加工、不易声阻抗匹配的蓝宝石作为声透镜材料。

这样，所述基于环形阵列的超声显微镜以电子方式产生旋转的线性声束，有效地避免笨重机电旋转驱动装置，且速度快，可实现实时检测，并通过所述声束生成器2的电子聚焦延时配合所述声透镜6延时，形成高度聚焦，一方面可用价格便宜、易于加工、易于声阻抗匹配的石英玻璃取代昂贵、不易加工、不易声阻抗匹配的蓝宝石，作为声透镜材料，另一方面电子聚焦延时跨度降低，高频延时电路容易实现。

请参见图2，在本发明实施例中，所述环形阵列换能器1包括用于发射超声波的发射表面和用于接收和发射所述发射表面的超声波的声透镜6，所述声透镜6的内表面朝向所述发射表面。所述声透镜6的内表面上成型有螺旋凸起。所述声透镜6具有用于发射超声波的外表面，所述外表面呈球面凸透镜结构。

在本实施例中，应当说明的是，所述声透镜6提供环形阵列的物理粗聚焦，所述声束生成器2提供电子精细聚焦，由于物理聚焦存在，对电子聚焦的延迟长度范围要求降低。

所述信号处理装置3为超声信号、图像处理单元，包括滤波、取包络、对数压缩、衰减补偿等信号、图像处理功能，使得处理后的信号以图像的形式直观显示在所述超声图像显示装置5上。

在本实施例中，如图3所示，所述环形阵列换能器1的高频超声环形阵列的制备步骤具体如下：

i)利用测控溅射工艺或机械研磨抛光工艺制备压电薄膜；其中，薄膜厚度h取决于超声显微镜频率h＝c/f，f是频率，c是压电薄膜声速。

ii)利用干法刻蚀或者湿法刻蚀形成环形阵列阵元。

iii)微加工阵元连线，采用创新的微加工连接工艺来实现阵元电极连接，在阵元电极表面旋涂一层1-2微米厚的SU-8 2000(MicroChem，USA)绝缘隔离层，通过掩模曝光光刻，在SU-8隔离层上开出一系列几十微米大小的连接窗口，溅射银导电层并通过掩模曝光光刻形成连接线路。

可以理解的，为了能够更好的加强连接的可靠性，避免连线断开，在将SU-8曝光的时候，通过一个四面反射镜，在SU-8的绝缘隔离层上面形成梯度曝光强度，使得SU-8开窗形成平滑坡面。

此外，在本实施例中，所聚焦线性声束生成的制备步骤为：

通过电子动态聚焦与声透镜6物理固定聚焦结合实现，具体如下：

i)通过机械研磨工艺或激光工艺加工石英玻璃，以形成球形微凹镜，从而制备得到声透镜6，用于声束的物理延迟聚焦。

ii)声束的电子延时聚焦示意图如图4所示，其中，声束延迟电路与现有动态逐点聚焦延迟电路技术相同。

第n个振阵元的延时聚焦计算公式为：

其中，p(r，φ)为聚焦线中的一个点，Δtn为第n个振阵元相对中心振阵元的聚焦延时时间，x_n为第n个振阵元距离中心振阵元的距离，r为聚焦点距离换能器中心距离，r_n为聚焦点距离第n个振阵元距离，Δt_l为石英玻璃声透镜6产生的延迟，c为介质中声速。

iii)石英玻璃声透镜6固定延迟与声束延迟电路的电子动态延迟结合，形成高度聚焦线性声束。

本实施例的环形阵列超声显微镜的超声探头是6-8个振阵元环形阵列，经过声透镜6和声束生成器2延时聚焦后声束高度聚焦于一点，通过马达驱动机械装置移动聚集点完成逐点扫描，最后得到声学图像。

其中，高频环形换能器阵列研制。主要包括声聚焦透镜设计与加工、高机电耦合系数ZnO薄膜制备、阵元刻蚀剂配方及温度时间等刻蚀参数控制、基于微加工技术的阵元电极连接；2)高频数字波束生成器研制。主要包括超低噪音前置放大器和高精度时间延迟电路的设计。

传统超声显微镜成像速度慢、声聚焦透镜昂贵且难以加工限制了它在众多领域的应用，此项目是高端科学仪器的重要科研创新，同时也有助于我们在生物医学、集成电路、材料学等领域取得一系列原创性科研结果。比如超声显微镜在水中可以生成1-10微米尺度高度聚焦声速，控制此波束电子扫描可实现对细胞等微小粒子的快速操控和机械性能研究，这正是目前超生镊子(Acoustic tweezers)研究瓶颈。

综上，本发明提供了一种基于环形阵列的超声显微镜，包括环形阵列换能器1、声束生成器2、信号处理装置3、控制装置4及超声图像显示装置5；所述声束生成器2分别与所述环形阵列换能器、所述信号处理装置3电连接，所述信号处理装置3与所述超声图像显示装置5电连接；所述控制装置4分别与所述环形阵列换能器、所述信号处理装置3电连接；所述环形阵列换能器1为环形阵列式，且所述环形阵列换能器1的声透镜6材质为石英玻璃材质。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

(1)通过所述环形阵列换能器产生超声波，超声波经过所述环形阵列换能器的声透镜6实现物理粗聚焦，所述声束生成器2提供电子精细聚焦，由于物理聚焦存在，对电子聚焦的延迟长度范围要求降低，从而使得形成的超声波声束延时聚焦后声束高度聚焦后形成一条线状声束，通过所述声束生成器2的电子聚焦变换使线声束旋转，用以测量材料表面参数的各项异性。

(2)所述环形阵列换能器构成的超声探头是由几十或几百个振阵元组成的环形阵列，需要更多的独立物理电子通道分别控制对应的阵元。

(3)所述环形阵列换能器1的声透镜6材质为石英玻璃材质，石英玻璃材质具有价格便宜、易于加工、易于声阻抗匹配的特性，能够取代昂贵、不易加工、不易声阻抗匹配的蓝宝石作为声透镜材料。

(4)所述基于环形阵列的超声显微镜以电子方式产生旋转的线性声束，有效地避免笨重机电旋转驱动装置，且速度快，可实现实时检测。

(5)通过所述声束生成器2的电子聚焦延时配合所述声透镜6延时，形成高度聚焦，一方面可用价格便宜、易于加工、易于声阻抗匹配的石英玻璃取代昂贵、不易加工、不易声阻抗匹配的蓝宝石，作为声透镜材料，另一方面电子聚焦延时跨度降低，高频延时电路容易实现。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于环形阵列的超声显微镜，其特征在于，包括环形阵列换能器、声束生成器、信号处理装置、控制装置、驱动装置及超声图像显示装置；

所述声束生成器分别与所述环形阵列换能器、所述信号处理装置电连接，所述信号处理装置与所述超声图像显示装置电连接；所述控制装置分别与所述环形阵列换能器、所述信号处理装置、所述驱动装置电连接；所述环形阵列换能器包括用于发射超声波的发射表面和用于接收和发射所述发射表面的超声波的声透镜，所述环形阵列换能器为环形阵列式，且所述环形阵列换能器的声透镜材质为石英玻璃材质，且所述环形阵列换能器的声透镜设于所述驱动装置上，随所述驱动装置移动以改变聚焦点完成逐点扫描；所述环形阵列换能器构成的超声探头是由几十或几百个振阵元组成的环形阵列；

所述的基于环形阵列的超声显微镜用于生成聚焦线性声束，具体步骤包括：

通过机械研磨工艺或激光工艺加工石英玻璃，以形成球形微凹镜，从而制备得到用于声束的物理延迟聚焦的声透镜；

通过所述声束生成器对声束进行电子延时聚焦，第n个振阵元的延时聚焦计算公式为：

其中，p(r，φ)为聚焦线中的一个点，Δtn为第n个振阵元相对中心振阵元的聚焦延时时间，x_n为第n个振阵元距离中心振阵元的距离，r为聚焦点距离换能器中心距离，r_n为聚焦点距离第n个振阵元距离，Δr_n为r与r_n的差，φ表示r_n所在直线 与中心振元的中轴线的夹角，Δt_l为石英玻璃声透镜产生的延迟，c为介质中声速；

将声透镜固定延迟与声束生成器的电子动态延迟结合，形成高度聚焦线性声束。

2.如权利要求1所述的基于环形阵列的超声显微镜，其特征在于，所述声透镜的内表面朝向所述发射表面。

3.如权利要求1或2所述的基于环形阵列的超声显微镜，其特征在于，所述声透镜的内表面上成型有螺旋凸起。

4.如权利要求1或2所述的基于环形阵列的超声显微镜，其特征在于，所述声透镜具有用于发射超声波的外表面，所述外表面呈球面凸透镜结构。

5.如权利要求1所述的基于环形阵列的超声显微镜，其特征在于，所述驱动装置为驱动马达。

6.一种高频超声环形阵列的制备方法，其特征在于，用于如权利要求1～5任一项所述的基于环形阵列的超声显微镜，所述高频超声环形阵列的制备方法包括以下步骤：

利用测控溅射工艺或机械研磨抛光工艺制备压电薄膜；

利用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺在所述压电薄膜上形成环形阵列阵元；

利用微加工连接工艺连接所述环形阵列的阵元，以制备得到高频超声环形阵列。

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