CN111657993A - 一种声学传感器、听诊头及电子听诊器 - Google Patents

一种声学传感器、听诊头及电子听诊器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及医疗器械技术领域，具体是一种声学传感器、听诊头及电子听诊器，所述声学传感器包括空腔衬底和依次设置在所述空腔衬底上的第二电极层、压电效应层、第一电极层、电解质层及电气连接层，所述第一电极层、第二电极层上分别设置有第一电极和第二电极；所述第一电极层、第二电极层设置在所述空腔衬底的空腔顶部，所述空腔、第二电极和第一电极的几何中心在同一直线上。本发明的有益效果是：通过设置的所述信号采集电路板、信号处理电路板进行信号调理，降低心音信号的干扰噪声，提高信噪比，实现听诊诊断更准确和有效。

Description

一种声学传感器、听诊头及电子听诊器
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体是一种声学传感器、听诊头及电子听诊器。
背景技术
心音是反映心脏生理及病理的一项重要指标。心音听诊是心脑血管疾病最有效的初步诊察手段。目前，心音听诊主要依靠机械声学听诊器进行心音信号的采集。
采用传统的机械声学听诊器进行心音诊断存在一些不足：诊断主要依赖医生的临床经验，容易受到主观因素的影响，无法实现基于大数据的定量分析，限制了心音听诊的可靠性提升；研究表明正常人耳对频率在100～20000Hz范围内的声音较为敏感，对频率低于100Hz的声音敏感性差，而心音频率在20～600Hz范围内，且主要成分集中在频率为20～100Hz之间，所以人耳存在着先天的限制，不能分辨出对听诊具有重要意义的低频率心音信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种声学传感器、听诊头及电子听诊器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种声学传感器，包括空腔衬底和依次设置在所述空腔衬底上的第二电极层、压电效应层、第一电极层、电解质层及电气连接层，所述第一电极层、第二电极层上分别设置有第一电极和第二电极；所述第一电极层、第二电极层设置在所述空腔衬底的空腔顶部，所述空腔、第二电极和第一电极的几何中心在同一直线上。
作为本发明进一步的方案：所述空腔衬底与所述第二电极层之间还依次设有氧化硅层、硅结构层和电介质层。
作为本发明再进一步的方案：所述第一电极和第二电极中至少一个的形状与空腔的形状相同。
作为本发明再进一步的方案：所述空腔为真空凹腔或非真空凹腔。
作为本发明再进一步的方案：所述声学传感器制作过程如下：在绝缘衬底上硅上沉积重掺杂单晶硅作为器件层；在器件层上表面溅射沉积氮化铝压电薄膜和钼金属薄膜，并将钼金属薄膜进行刻蚀和图形化，制成第一电极层；在第一电极层表面沉积氧化硅，并图形化刻蚀出第一电级电学连接孔；在器件层图形化刻蚀出第二电极电学连接孔；溅射铝，并对铝进行刻蚀制成电学焊盘。
本发明提供的另一个技术方案：一种听诊头，包括外壳、信号采集电路板和信号处理电路板，所述信号采集电路板上集成有如上任一所述的声学传感器；所述信号采集电路板、信号处理电路板依次设置在所述外壳内；所述信号采集电路板与所述声学传感器、所述信号处理电路板连接。
作为本发明进一步的方案：所述信号采集电路板上集成有前级信号处理电路，所述前级信号处理电路用于将所述信号采集电路板传递的声学信号转换为电学信号。
作为本发明再进一步的方案：所述信号处理电路板包括微控制器、数据传输单元、音频转换器和电源管理模块，所述微控制器与所述声学传感器和音频转换器连接，所述微控制器用于接收、处理所述信号采集电路板传输的电学信号，所述音频转换器用于将所述微控制器传输的电学信号转换为数字信号，还用于在所述微控制器对数字信号进行噪声抑制和滤波处理后，将数字信号转换为电学信号传输至用于数据传输的所述数据传输单元，所述电源管理模块提供电能。
作为本发明再进一步的方案：所述信号处理电路板还包括数据存储单元，所述数据存储单元用于储存所述信号采集电路板传输的电学信号。
作为本发明再进一步的方案：还包括显示器和透声封装件，与所述信号处理电路板连接的所述显示器设置在所述外壳上，所述透声封装件用于将所述信号采集电路板、信号处理电路板封装在所述外壳内，所述透声封装件不干涉所述声学传感器的声波传输。
本发明提供的另一个技术方案：一种电子听诊器，包括扬声器和如上任一所述的听诊头，所述扬声器与所述听诊头连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过设置的所述信号采集电路板、信号处理电路板进行信号调理，降低心音信号的干扰噪声，提高信噪比；实现听诊诊断更准确和有效。
附图说明
图1为本发明实施例中电子听诊器的结构示意图。
图2为本发明实施例中听诊头的内部结构示意图。
图3为本发明实施例中听诊头的结构示意图。
图4为本发明实施例中信号采集电路板的截面结构示意图一。
图5为本发明实施例中信号采集电路板的截面结构示意图二。
图6为本发明实施例中声学传感器的截面结构示意图一。
图7为本发明实施例中声学传感器的截面结构示意图二。
图8为本发明实施例中电子听诊器的系统原理图。
图9为本发明实施例中前级信号处理电路的电路原理图。
图10.a-图10.e为本发明实施例中声学传感器的制作过程示意图。
附图中：1-扬声器，2-听诊头，3-透声封装薄膜，4-信号采集电路，5-信号采集电路板，6-插拔孔连接杆，7-显示器，8-信号处理电路板，9-信号处理电路，10-第一声学传感器，11-第二声学传感器，12-外壳，301-第一电极，302-第二电极，303-声学传感器，501-凹腔衬底，502-氧化硅层，503-硅结构层，504-电介质层，505-第二电极层，506-压电效应层，507-电解质层，508-第一电极层，509-电气连接层，510-真空凹腔衬底，601-第一电极电学连接孔，602-第二电极电学连接孔，603-电学焊盘。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实施例公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
请参阅图6、7，本发明实施例中，一种声学传感器303，包括空腔衬底和依次设置在所述空腔衬底上的第二电极层505、压电效应层506、第一电极层508、电解质层507及电气连接层509，所述第一电极层508、第二电极层505上分别设置有第一电极301和第二电极302；所述第一电极层508、第二电极层505设置在所述空腔衬底的空腔顶部，所述空腔、第二电极302和第一电极301的几何中心在同一直线上。
具体的，所述第一电极301和第二电极302分别通过所述电气连接层509与所述第一电极层508、第二电极层505连接，所述压电效应层采用压电薄膜制成，所述压电薄膜为氮化铝，或钪掺杂氮化铝，或氧化锌，或锆钛酸铅。所述的第一电极层508和第二电极层505为钼，或铝，或金，或铂，或铬。所述的声学传感器303通过压电效应检测外界的声学信号。压电薄膜的振动使得所述电解质层507中的电子运动改变，进而改变两个所述电气连接层509之间的电位差。
优选的，所述空腔衬底与所述第二电极层505之间还依次设有氧化硅层502、硅结构层503和电介质层504。所述氧化硅层502、硅结构层503支撑所述第二电极层505、压电效应层506、第一电极层508。所述电介质层504为声波传递提供介质。声波通过所述空腔在所述压电效应层产生振动，所述第二电极和第一电极形成电位差，即形成声学信号传递至电气连接层509。
本发明的一个实施例中，所述第一电极301和第二电极302中至少一个的形状与空腔的形状相同；所述空腔为圆柱体，或方柱体，或正六棱柱。
具体的，所述空腔为真空凹腔或非真空凹腔；所述空腔的横截面为圆形，或方形，或棱形。
当所述空腔为非真空凹腔时，所述空腔的横截面为圆形，含有所述非真空凹腔的所述衬底为凹腔衬底501。所述第一电极和第二电极的形状与空腔的形状相同，均为圆形；或者，所述第一电极和第二电极与空腔的形状均为方形或菱形。
可选的，所述第一电极或第二电极的形状与空腔的形状相同，均为圆形。或者，所述第一电极或第二电极的形状为方形或菱形。
可选的，所述空腔为真空凹腔时，所述真空凹腔设置在所述衬底靠近所述氧化硅层502的一面形成真空凹腔衬底510。
可选的，所述真空凹腔的横截面为方形或棱形。
请参阅图10.a-10.e，本发明实施例中，所述声学传感器制作过程如下：在绝缘衬底上硅(Si)上沉积重掺杂单晶硅(HDS)作为器件层；在器件层上表面溅射沉积氮化铝(AlN)压电薄膜和钼金属(Mo)薄膜，并将钼金属(Mo)薄膜进行刻蚀和图形化，制成第一电极层；在第一电极层表面沉积氧化硅(OXide)，并图形化刻蚀出第一电级电学连接孔601；在器件层图形化刻蚀出第二电极电学连接孔602；溅射铝，并对铝进行刻蚀制成电学焊盘。
具体的，所述电学焊盘603作为电气连接层与第一电极或第二电极连接，由铝(Al)焊接在所述氮化铝(AlN)压电薄膜和钼金属(Mo)薄膜上制成；并且所述电学焊盘603在所述第一电级电学连接孔601或第二电极电学连接孔602呈倒梯形凹陷，以便于与所述第一电极或第二电极连接固定。
请参阅图3-5，本发明的另一个实施例中，一种听诊头，包括外壳12、信号采集电路板5和信号处理电路板8，所述信号采集电路板5上集成有如上任一所述的声学传感器303；所述信号采集电路板5、信号处理电路板8依次设置在所述外壳12内；所述信号采集电路板5与所述声学传感器303、所述信号处理电路板8连接；所述信号采集电路板5用于将所述声学传感器303检测的声学信号收集、转换为电学信号，并传输给所述信号处理电路板8，所述信号处理电路板8处理、存储所述电学信号。
具体的，所述声学传感器303相对设置在所述信号采集电路板5的两表面，分别作为第一声学传感器10、第二声学传感器11对心音或环境噪声进行检测，所述的第二声学传感器11用来检测心音声学信号，所述的第一声学传感器10用来检测噪声信号；两个声学传感器在电学上反向并联，即第二声学传感器11的第一电极与第一声学传感器10的第二电极连接，第二声学传感器11的第二电极与第一声学传感器10的第一电极连接。并将数据传输给所述信号处理电路板8；所述信号采集电路板5上设有信号采集电路4，用于采集声学信号，并通过所述的信号采集电路板5传输给所述信号处理电路板8；所述信号处理电路板8对数据进行处理，所述信号处理电路板8设有用于信号传输的信号处理电路9。两个所述声学传感器303反向并联，能够消除电学热噪声的作用。
可选的，所述声学传感器303设置在所述信号采集电路板5的顶部表面，对声学信号进行检测；并将数据传输给所述信号处理电路板8；所述信号处理电路板8对数据进行处理。
请参阅图9，本发明的另一个实施例中，所述信号采集电路板上集成有前级信号处理电路，所述前级信号处理电路用于将所述信号采集电路板传递的声学信号转换为电学信号。
具体的，所述前级信号处理电路包括前级放大电路、带通滤波电路、二级放大电路。通过所述的前级放大电路、带通滤波电路、二级放大电路对所述声学传感器检测的声学信号进行放大、过滤处理，并转换为电学信号再传输给信号处理电路板8。能够过滤干扰电学热噪声，提高检测的准确性。
请参阅图8，本发明实施例中，所述信号处理电路板8包括微控制器、数据传输单元、音频转换器和电源管理模块，所述微控制器与所述声学传感器和音频转换器连接，所述微控制器用于接收、处理所述信号采集电路板传输的电学信号，所述音频转换器用于将所述微控制器传输的电学信号转换为数字信号，还用于在所述微控制器对数字信号进行噪声抑制和滤波处理后，将数字信号转换为电学信号传输至用于数据传输的所述数据传输单元，所述电源管理模块提供电能。
具体的，所述信号处理电路板8通过插拔孔连接杆6与所述信号采集电路板5连接；所述信号采集电路板5上的两个所述声学传感器分别将其所测的电学信号传输给所述信号处理电路板8的微控制器，所述微控制器对两个所述声学传感器传输的电学信号进行处理合成，在传送至所述音频转换器，所述音频转换器将其转换为数字信号，然后对数字信号进行噪声抑制和滤波等，最后将处理好的数字信号通过音频转换器再转换成模拟信号通过信号处理电路9传输给数据传输单元。所述数据传输单元是音频接口，所述音频接口通过有线传输方式进行数据传输。
优选的，所述信号处理电路板还包括数据存储单元，所述数据存储单元与所述信号处理电路9连接，所述数据存储单元用于储存所述信号处理电路9发送的数据；
所述数据存储和传输单元包括存储器；所述存储器将所述音频转换器转换的模拟信号进行存储，并通过音频接口将模拟信号传输给外部设备。
优选的，还包括显示器7和透声封装件，所述透声封装件是透声封装薄膜3；与所述信号处理电路板连接的所述显示器7设置在所述外壳12上，所述透声封装薄膜3将所述信号采集电路板、信号处理电路板封装在所述外壳12内，所述透声封装薄膜3不干涉所述声学传感器的声波传输。所述显示器7与所述信号处理电路板8的数据传输单元连接，所述的显示器7显示微控制器处理好的电学信号以及听诊头的状态。
所述外壳12上还设有控制按钮，所述控制按钮与所述信号处理电路板连接，通过控制按钮控制所述听诊头2工作。
进一步的，所述透声封装薄膜3与人体生理声学阻抗匹配，具体为聚乙烯，或者聚氨酯，或者硅胶。
请参阅图1-3，本发明的另一个实施例中，一种电子听诊器，包括扬声器1和如上任一所述的听诊头2，所述扬声器1与所述听诊头2连接。
具体的，所述扬声器1通过导线连接所述听诊头2的音频接口，所述听诊头2将调理后的模拟信号传递至扬声器1供使用者接受分析。消除电学热噪声的模拟信号能减少干扰，提高分析准确率。
本发明的工作原理是：设置的声学传感器和信号采集电路板对声学信号进行检测收集；并通过信号处理电路板对收集的数据进行降噪、处理，最后传输至扬声器供使用者分析判断。
本领域技术人员在考虑说明书及实施例处的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种声学传感器，其特征在于，包括空腔衬底和依次设置在所述空腔衬底上的第二电极层、压电效应层、第一电极层、电解质层及电气连接层，所述第一电极层、第二电极层上分别设置有第一电极和第二电极；所述第一电极层、第二电极层设置在所述空腔衬底的空腔顶部，所述空腔、第二电极和第一电极的几何中心在同一直线上。
2.根据权利要求1所述的一种声学传感器，其特征在于，所述空腔衬底与所述第二电极层之间还依次设有氧化硅层、硅结构层和电介质层。
3.根据权利要求1所述的一种声学传感器，其特征在于，所述第一电极和第二电极中至少一个的形状与空腔的形状相同。
4.根据权利要求1所述的一种声学传感器，其特征在于，其制作过程如下：在绝缘衬底上硅上沉积重掺杂单晶硅作为器件层；在器件层上表面溅射沉积氮化铝压电薄膜和钼金属薄膜，并将钼金属薄膜进行刻蚀和图形化，制成第一电极层；在第一电极层表面沉积氧化硅，并图形化刻蚀出第一电级电学连接孔；在器件层图形化刻蚀出第二电极电学连接孔；溅射铝，并对铝进行刻蚀制成电学焊盘。
5.一种听诊头，其特征在于，包括外壳、信号采集电路板和信号处理电路板，所述信号采集电路板上集成有如权利要求1-4任一所述的声学传感器；所述信号采集电路板、信号处理电路板依次设置在所述外壳内；所述信号采集电路板与所述声学传感器、所述信号处理电路板连接。
6.根据权利要求5所述的一种听诊头，其特征在于，所述信号采集电路板上集成有前级信号处理电路，所述前级信号处理电路用于将所述信号采集电路板传递的声学信号转换为电学信号。
7.根据权利要求5所述的一种听诊头，其特征在于，所述信号处理电路板包括微控制器、数据传输单元、音频转换器和电源管理模块，所述微控制器与所述声学传感器和音频转换器连接，所述微控制器用于接收、处理所述信号采集电路板传输的电学信号，所述音频转换器用于将所述微控制器传输的电学信号转换为数字信号，还用于在所述微控制器对数字信号进行噪声抑制和滤波处理后，将数字信号转换为电学信号传输至用于数据传输的所述数据传输单元，所述电源管理模块提供电能。
8.根据权利要求7所述的一种听诊头，其特征在于，所述信号处理电路板还包括数据存储单元，所述数据存储单元用于储存所述音频转换器传输的电学信号。
9.根据权利要求5所述的一种听诊头，其特征在于，还包括显示器和透声封装件，与所述信号处理电路板连接的所述显示器设置在所述外壳上，所述透声封装件用于将所述信号采集电路板、信号处理电路板封装在所述外壳内，所述透声封装件不干涉所述声学传感器的声波传输。
10.一种电子听诊器，其特征在于，包括扬声器和如权利要求5-9任一所述的听诊头，所述扬声器与所述听诊头连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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