CN112137589B - 一种微型光声成像探头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型光声成像探头及其制备方法，属于光声成像技术领域和超声换能器技术领域。所述环形超声换能器通过直接与光纤集成，充分利用了光纤细小的体积优势，也充分利用了MEMS超声换能器的微型化体积优势，最大程度的实现了探头体积的微型化，大幅提高了探测的灵活性。由于该光声探头体积微小，在移动其进行扫描时，探头与水产生的震动噪声小，有利于提高探测的信噪比。所述微型光声成像探头的光纤部分自带光聚焦透镜，超声换能器部分也自带声聚焦透镜，且采用氧化锌薄膜作为压电材料，工作频率高、频带宽，从而最大程度的保证了超高分辨率的实现。所述微型光声成像探头的制备方法可与MEMS工艺兼容，一致性好，且大幅降低了探头的制造成本。

Description

一种微型光声成像探头及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微型光声成像探头及其制备方法，属于光声成像技术领域和超声换能器技术领域。

背景技术

光声成像是目前世界上最前沿的生物医学影像技术之一。光声成像技术以光吸收特性作为对比度来源，兼具光学成像对比度丰富、分辨率高和超声成像穿透深度大等优势，且非标记、非破坏、无辐射，成像特异性强，可动态观察细胞与细胞之间的交互作用，还能可视化细胞的形态结构、生理病理特征、发生发展状态等，对生物现象背后的机理研究、疾病诊断与治疗监控具有重大科学意义。

而传统的光声成像技术采用商用的Olympus等厂家的高频超声换能器作为接收光声信号的探头，存在光探头与声探头不共轴的瓶颈，这会影响分辨率的进一步提高，且借助反光透声或透光反声模块还会使探头结构复杂、体积大，限制了光声显微成像系统的更广泛应用。

随着技术的进步，光声成像与微机电系统(MEMS)技术的不断融合，催生了一系列小型化的光声成像技术，在一定程度上解决了传统光声成像系统体积庞大，灵活性低的问题。例如结合双轴水浸式MEMS扫描振镜实现的手持式光声探头(Li Lin,Pengfei Zhang,Song Xu,Junhui Shi,Lei Li,Junjie Yao,Lidai Wang,Jun Zou,Lihong V.Wang,"Handheld optical-resolution photoacoustic microscopy,"[J].Biomed.Opt.2017.22(4)：041002)。结合通过电热驱动机制的二维扫描振镜的光声探头(Qian Chen,Heng Guo,Tian Jin,Weizhi Qi,Huikai Xie,and Lei Xi,"Ultracompact high-resolutionphotoacoustic microscopy,"Opt.Lett.43,1615-1618(2018))。

上述这些方法虽然很好的将光声成像系统与MEMS技术结合，使光声成像系统体积缩小。但是由于这些方法都是基于将光声成像系统如何更好的去应用在临床检测方面，主要关注点为采用MEMS振镜实现扫描系统的小型化，并未从根本上解决光探头与声探头不共轴的问题，限制了探测分辨率的进一步提高，而且探头结构复杂。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中光探头与声探头不共轴导致探测分辨率低、结构复杂的问题，提供一种微型光声成像探头及其制备方法；其可实现与带准直聚焦透镜的光纤的直接集成。通过本发明的微型光声成像探头可以解决光声不共轴引起的探头结构复杂、体积大和分辨率有限等问题。

所述微型光声成像探头采用环形超声换能器结构，其中空的结构可直接与自带准直聚焦透镜的光纤集成，不仅从根本上实现了光声共轴，而且省去了传统光声显微系统为了实现发射激光的聚焦所不得不采用的一些光学透镜结构，大大减小了探头的体积和重量。所述环形超声换能器通过直接与光纤集成，充分利用了光纤细小的体积优势，也充分利用了MEMS超声换能器的微型化体积优势，最大程度的实现了探头体积的微型化，大幅提高了探测的灵活性。由于该光声探头体积微小，在移动其进行扫描时，探头与水产生的震动噪声小，有利于提高探测的信噪比。所述微型光声成像探头的光纤部分自带光聚焦透镜，超声换能器部分也自带声聚焦透镜，且采用氧化锌薄膜作为压电材料，工作频率高(30MHz及以上)、频带宽，从而最大程度的保证了超高分辨率的实现。所述微型光声成像探头的制备方法可与MEMS工艺兼容，一致性好，且大幅降低了探头的制造成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种微型光声成像探头，包括：探头外壳、单模光纤、环形压电薄膜上电极、环形压电薄膜、环形压电薄膜下电极、微型准直聚焦透镜、环形硅声透镜和声学匹配层；

探头外壳为顶端开槽、且带有通孔结构；所述槽为阶梯形式；所述环形压电薄膜上电极、环形压电薄膜、环形压电薄膜下电极和环形硅声透镜中心处均开设通孔，并依次固定于槽中；声学匹配层贴合在环形硅声透镜表面；单模光纤插入通孔中；所述单模光纤顶端固定安装微型准直聚焦透镜；

所述微型准直聚焦透镜的焦点与环形硅声透镜的焦点汇聚在同一点上；

本发明的微型光声成像探头与MEMS兼容的制备方法如下：

1、准备一个单晶硅片。

2、在硅片的上表面沉积电极，此电极为氧化锌压电薄膜的下电极，采用光刻法刻蚀出下电极图形。

3、采用溅射和化学溶液生长法相结合的方法制备氧化锌薄膜。

4、在氧化锌薄膜的上表面沉积金属电极，此电极为氧化锌压电薄膜的上电极，采用光刻法刻蚀出上电极图形。

5、使用湿法腐蚀与干法刻蚀相结合的方法对硅片进行刻蚀，得到所需的硅透镜的曲面形貌。

6、采用激光打孔方法制备中空孔，中空孔的直径为200μm，深度为将硅片穿透。

7、采用旋涂法在柔性衬底上制备SU-8匹配层，并将匹配层转移至声透镜表面后移除柔性衬底。

8、划片后，采用焊接等方法将下电极和上电极与电引线互连。

9、将自带准直聚焦透镜的光纤插入中空孔，且采用密封胶等将光纤与环形超声换能器粘接为一体。

通过上述所制得的环形超声换能器由于其具有直径为200μm左右的中空结构，所以可以与商用的外芯为125μm的单模光纤进行集成，且目前已存在有单模光纤一端与微型准直聚焦透镜耦合在一起的自聚焦单模光纤产品。通过把这种自聚焦单模光纤与本发明的环形超声换能器集成，则可从根本上解决光声显微成像技术中的光声不共轴瓶颈问题，并有效简化和减小光声探头的体积，提高系统扫描灵活性，提高信噪比。

本发明所述的环形超声换能器与普通的圆形超声换能器具有相比拟的声波聚焦效果，焦点位置近乎相同，对超声换能器的性能影响不大。此外，环形超声换能器因引入中空结构会损失一部分声能，但仿真研究结果显示，虽然声压强度有所降低，但聚焦声斑体现出来的横向分辨率优于圆形超声换能器。具体表现在，当聚焦深度位于1.1mm处时，所设计的环形超声换能器的横向分辨率为39μm，比同条件下圆形超声换能器42μm的横向分辨率提高了7％，聚焦声斑的声压强度仅降低了不到5％.当聚焦深度位于2.5mm时，所设计的环形超声换能器横向分辨率为85μm，比同条件下圆形超声换能器130μm的横向分辨率提高了30％以上，聚焦声斑的声压强度仅降低了接近30％。可见，只要材料和结构设计合理，环形超声换能器在声场聚焦特性方面可优于传统圆形超声换能器。

有益效果

1、本发明的微型光声成像探头，采用中空结构，方便与光纤集成，从根本上解决了光声不共轴的瓶颈问题，可显著提高成像分辨率。

2、本发明的微型光声成像探头，减去了传统光声成像探头实现光声共轴所需要的复杂光路结构，结构简单且利于实现光声成像探头的微型化。

3、本发明的微型光声成像探头，由于体积和重量大幅减小，提高了系统扫描的灵活性，且在扫描过程中与水的相对运动引入的振动噪声也大幅降低，提高了探测的信噪比。

4、本发明的微型光声成像探头，通过合理设计环形超声换能器的材料和结构，可有效抑制横向谐振模态，获得优于传统圆形超声换能器的声场聚焦特性。

5、本发明的微型光声成像探头，使用了与MEMS相兼容的制备方法，使得环形换能器的频率可达30MHz及以上，一致性好，且大幅降低了探头的制造成本。

6、本发明的微型光声成像探头，使用湿法腐蚀与干法刻蚀相结合的工艺方法对硅片进行刻蚀，可以更精确的控制单晶硅的各个方向的刻蚀速度，获得设计所需的声透镜形貌。

附图说明

图1为微型光声成像探头的结构示意图。

图2为微型光声成像探头与MEMS兼容的制备方法流程图。

图3为声透镜焦距为1.1mm的圆形超声换能器聚焦声场仿真结果。

图4为声透镜焦距为1.1mm的环形超声换能器聚焦声场仿真结果。

图5为声透镜焦距为1.1mm的环形超声换能器与圆形超声换能器在轴向方向的声压大小仿真结果对比。其中，图a为圆形超声换能器轴向声压；图b为环形超声换能器轴向声压。

图6为声透镜焦距为1.1mm的环形超声换能器与圆形超声换能器在横向方向的声压大小仿真结果对比。其中，图a为圆形超声换能器横向声压；图b为环形超声换能器横向声压。

图7为声透镜焦距为2.5mm的圆形超声换能器聚焦声场仿真结果。

图8为声透镜焦距为2.5mm的环形超声换能器聚焦声场仿真结果。

图9为声透镜焦距为2.5mm的环形超声换能器与圆形超声换能器在轴向方向的声压大小仿真结果对比。其中，图a为圆形超声换能器轴向声压；图b为环形超声换能器轴向声压。

图10为声透镜焦距为2.5mm的环形超声换能器与圆形超声换能器在横向方向的声压大小仿真结果对比。其中，图a为圆形超声换能器横向声压；图b为环形超声换能器横向声压。

其中，1—探头外壳、2—单模光纤、3—环形压电薄膜中空孔、4—环形压电薄膜上电极、5—环形压电薄膜、6—环形压电薄膜下电极、7—环形硅声透镜中空孔、8—微型准直聚焦透镜、9—环形硅声透镜、10—声学匹配层、11—水、12—目标物体、13—两根电引线、14—光信号。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例与附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，一种微型光声成像探头，包括：探头外壳1、单模光纤2、环形压电薄膜中空孔3、环形压电薄膜上电极4、环形压电薄膜5、环形压电薄膜下电极6、环形硅声透镜中空孔7、微型准直聚焦透镜8、环形硅声透镜9和声学匹配层10、水11、目标物体12、两根电引线13和光信号14。

探头外壳1为顶端开槽、且带有通孔的圆柱形金属结构，并位于单模光纤2、压电薄膜5和环形硅声透镜9的外侧，单模光纤2透过环形压电薄膜中空孔3和环形硅声透镜中空孔7与环形压电薄膜5和环形硅声透镜9用密封胶粘接为一体，环形压电薄膜中空孔3的直径为200μm，并位于环形压电薄膜5的正中间，环形压电薄膜上电极4位于环形压电薄膜5上方，环形压电薄膜5的厚度为100μm，外径为1mm，并位于环形压电薄膜上电极4和环形压电薄膜下电极6之间，环形压电薄膜下电极6位于环形压电薄膜5和环形硅声透镜9之间，环形硅声透镜中空孔7的直径为200μm，并位于环形硅声透镜9正中间，微型准直聚焦透镜8位于声学匹配层10的上方并与单模光纤2耦合在一起，环形硅声透镜9厚度为500μm，声焦距为1.1mm，并位于声学匹配层10和环形压电薄膜下电极6之间，声学匹配层10为SU-8,厚度为λ/4，并位于环形硅声透镜9和水11之间，整个微型光声成像探头位于水11中，目标物体12置于水11中，两根电引线13分别连接环形压电薄膜上电极4和环形压电薄膜下电极6，光信号14通过单模光纤2和微型准直聚焦透镜8聚焦到目标物体12。

上述中的一种微型光声成像探头结构可通过如下方法进行制备：

步骤一：准备一个(100)单晶硅片。如图2(1)。

步骤二：在硅片的上表面沉积金属电极，此电极为氧化锌压电薄膜的下电极，采用光刻法刻蚀出下电极图形。如图2(2)。

步骤三：采用磁控溅射法生长一层氧化锌籽晶层，再使用化学溶液生长法生长出厚度为100μm，外径为1mm的氧化锌薄膜。如图2(3)。

步骤四：在氧化锌薄膜的上表面沉积金属电极，此电极为氧化锌压电薄膜的上电极，采用光刻法刻蚀出上电极图形。如图2(4)。

步骤五：在(100)单晶硅上光刻出圆形开口，圆形开口的直径为1000μm，采用氢氧化钾与异丙醇混合溶液，先通过各向异性湿法腐蚀工艺获得斜面倾角为54.74°的槽，腐蚀时间为240分钟。腐蚀深度约为100μm。再采用HNO₃:HF＝5:1的酸性混合溶液，通过各向同性湿法腐蚀工艺腐蚀20分钟，腐蚀深度约为150μm，获得直径为1150μm，深度为250μm的圆形坑。再采用SF6气体，通过反应离子刻蚀干法工艺对圆形坑进行各向同性刻蚀10分钟，刻蚀深度约50μm，调节圆形坑的曲面轮廓和表面光滑度。最终获得直径为1200μm，深度为300μm的圆形坑如图2(5)。

步骤六：采用激光打孔方法制备中空孔，中空孔的直径为200μm，深度为将硅片穿透。如图2(6)。

步骤七：采用旋涂法在柔性衬底上制备SU-8匹配层，SU-8匹配层厚度为λ/4，并将匹配层转移至声透镜表面后移除柔性衬底。如图2(7)。

步骤八：划片后，采用焊接等方法将下表面电极和上表面电极与电引线互连。如图2(8)。

步骤九：将自带准直聚焦透镜的光纤插入中空孔，且采用密封胶等将光纤与环形超声换能器粘接为一体。如图2(9)。

将上述设计结构进行仿真实验，获得工作中心频率为30MHz左右的微型光声成像探头。如图4与图5所示，该微型光声成像探头聚焦效果良好，焦距为1.1mm，轴向声压强度相比于传统光声成像探头降低不到10％；如图6所示，该微型光声成像探头的横向分辨率为39μm，相比传统光声成像探头分辨率提高了3μm。

实施例2

在实施例一的基础上，仅改变硅声透镜的焦距，其余制备步骤及结构均同实施例一。

步骤五：将(100)单晶硅光刻出圆形开口，圆形开口的直径为1000μm，采用氢氧化钾与异丙醇混合溶液，先通过各向异性湿法腐蚀工艺获得斜面倾角为54.74°的槽，腐蚀时间为80分钟。腐蚀深度约为33μm。再采用HNO₃:HF＝5:1的酸性混合溶液，通过各向同性湿法腐蚀工艺腐蚀6分钟，腐蚀深度约为42μm，获得直径为1150μm，深度为75μm的圆形坑。再采用SF6气体，通过反应离子刻蚀干法工艺对圆形坑进行各向同性刻蚀5分钟，刻蚀深度约25μm，调节圆形坑的曲面轮廓和表面光滑度。最终获得直径为1200μm，深度为100μm的圆形坑

其余制备步骤及结构均同实施例一。

将上述设计结构进行仿真实验，获得工作中心频率为30MHz左右的微型光声成像探头。如图8与图9所示，该微型光声成像探头聚焦效果良好，焦距为2.5mm，轴向声压强度相比于光声传统成像探头降低不到30％；如图10所示，该微型光声成像探头的横向分辨率为85μm，相比传统光声成像探头分辨率提高了45μm。

实施例3

在实施例二的基础上，为保持聚焦深度，且改进横向分辨率，仅改变氧化锌膜外径，其余制备步骤及结构均同实施例一。

步骤三：采用磁控溅射法生长一层氧化锌籽晶层，再使用化学溶液生长法生长出厚度为100μm，外径为2.5mm的氧化锌薄膜。

其余制备步骤及结构均同实施例一。

将上述设计结构进行仿真实验，可获得工作中心频率为30MHz左右、焦距为2.5mm、横向分辨率为40μm的微型光声成像探头。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种微型光声成像探头，其特征在于：包括：探头外壳、单模光纤、环形压电薄膜上电极、环形压电薄膜、环形压电薄膜下电极、微型准直聚焦透镜、环形硅声透镜和声学匹配层；

探头外壳为顶端开槽、且带有通孔结构；所述槽为阶梯形式；所述环形压电薄膜上电极、环形压电薄膜、环形压电薄膜下电极和环形硅声透镜中心处均开设通孔，并依次固定于槽中；声学匹配层贴合在环形硅声透镜表面；单模光纤插入通孔中；所述单模光纤顶端固定安装微型准直聚焦透镜。

2.如权利要求1所述探头，其特征在于：所述微型准直聚焦透镜的焦点与环形硅声透镜的焦点汇聚在同一点上。

3.制备如权利要求1或2所述探头的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、在硅片的上表面沉积电极，此电极为氧化锌压电薄膜的下电极，采用光刻法刻蚀出下电极图形；

步骤2、采用溅射和化学溶液生长法相结合的方法制备氧化锌薄膜；

步骤3、在氧化锌薄膜的上表面沉积金属电极，此电极为氧化锌压电薄膜的上电极，采用光刻法刻蚀出上电极图形；

步骤4、使用湿法腐蚀与干法刻蚀相结合的方法对硅片进行刻蚀，得到所需的硅透镜的曲面形貌；

步骤5、采用激光打孔方法制备中空孔，深度为将硅片穿透；

步骤6、采用旋涂法在柔性衬底上制备SU-8匹配层，并将匹配层转移至声透镜表面后移除柔性衬底；

步骤7、划片后，采用焊接方法将下电极和上电极与电引线互连；

步骤8、将自带微型准直聚焦透镜的光纤插入中空孔，且采用密封胶将光纤与环形超声换能器粘接为一体。

4.如权利要求3所述方法，其特征在于：步骤5所述的中空孔的直径为200 µm。

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