CN113333260B - 一种穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器，包括：薄膜压电微纳阵列、声学软质超凝胶材料层、声透镜和三个匹配层；三个匹配层分别为第一匹配层、第二匹配层和第三匹配层；薄膜压电微纳阵列用于发射超声波或接收待测物体反射的超声波；第一匹配层、声透镜、第二匹配层、声学软质超凝胶材料层和第三匹配层沿超声波的发射方向依次设置在薄膜压电微纳阵列的一侧；声学软质超凝胶材料层选用声学软质超凝胶材料，所述声学软质超凝胶材料具有与颅骨等效质量密度和等效体积模量数值相等、正负相反的互补特性，用于实现薄膜压电微纳阵列与颅骨之间的阻抗匹配。通过使用声学软质超凝胶材料层实现了超声换能器的无创穿颅超声成像。
Description
技术领域
本发明涉及超声检测及超声成像技术领域，特别是涉及一种穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器。
背景技术
对于穿颅成像，现有技术如核磁共振成像和计算机断层扫描成像，这些方法在临床上使用较多，但无法实现实时成像，同时对人体具有一定的辐射安全隐患。目前也有采用近红外光学方法尝试穿颅成像，但由于颅骨对光具有强烈的散射或者吸收作用，一般需要在颅骨较为薄弱的地方检测，或者打磨/去除颅骨，很难做到无创检测。
超声技术具有可实时成像、无创、无损、无电离辐射的优点，目前已在颅脑疾病诊断中进行应用，例如经颅超声多普勒，利用颅骨薄弱部位为检查声窗，应用多普勒效应研究脑底动脉血流动力学。但由于颅骨与背景声学阻抗的不匹配，会造成超声信号的大量吸收与反射，运用于超声成像时成像的分辨率较低，无法获取有利于诊断的信息。所以如何设计一种可以无创穿颅超声成像的超声换能器成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器，以实现超声换能器的无创穿颅超声成像。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器，所述超声换能器包括：薄膜压电微纳阵列、声学软质超凝胶材料层、声透镜和三个匹配层；
三个匹配层分别为第一匹配层、第二匹配层和第三匹配层；
所述薄膜压电微纳阵列用于发射超声波或接收待测物体反射的超声波；
所述第一匹配层、所述声透镜、所述第二匹配层、所述声学软质超凝胶材料层和所述第三匹配层沿超声波的发射方向依次设置在所述薄膜压电微纳阵列的一侧；
所述声学软质超凝胶材料层选用声学软质超凝胶材料，所述声学软质超凝胶材料具有与颅骨等效质量密度和等效体积模量数值相等、正负相反的互补特性，所述声学软质超凝胶材料层用于实现所述薄膜压电微纳阵列与颅骨之间的阻抗匹配。
可选地，所述薄膜压电微纳阵列由下至上依次设置基底层、弹性层、底电极、压电层和顶电极；
所述压电层的一侧与所述顶电极连接，所述压电层的另一侧与所述底电极连接；
当所述薄膜压电微纳阵列用于发射超声波时，所述压电层用于在交流电的作用下起振，将起振信号通过所述弹性层传递给所述基底层的空腔，所述空腔用于将所述振动信号转换成超声波；
当所述薄膜压电微纳阵列用于接收超声波时，所述空腔用于将超声波转换为振动信号，所述振动信号通过弹性层传递给所述压电层，所述压电层用于将所述振动信号转换为电信号。
可选地，所述薄膜压电微纳阵列的直径为400～800μm；
所述基底层的厚度为200～300μm；
所述底电极的厚度为0.1～0.3μm；
所述顶电极的厚度为0.1～0.3μm；
所述弹性层的厚度为1～10μm；
所述压电层的厚度为1～10μm。
可选地，所述压电层为压电材料，所述压电材料为铌酸锂、氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅和聚偏二氟乙烯中的一种。
可选地，所述超声换能器还包括：线缆；
所述线缆与所述薄膜压电微纳阵列连接，用于为所述压电层提供驱动电压信号。
可选地，所述声学软质超凝胶材料层包括聚合物基微泡结构和软质凝胶；
所述聚合物基微泡结构包括聚合物材料的壳体和壳体内填充的气体；
所述软质凝胶包裹着多个聚合物基微泡结构。
可选地，所述超声换能器还包括：背衬层；
所述背衬层设置在所述薄膜压电微纳阵列的另一侧，所述背衬层与所述薄膜压电微纳阵列通过环氧树脂连接，用于衰减或吸收所述薄膜压电微纳阵列背向辐射的超声波。
可选地，所述超声换能器还包括：外壳；
所述背衬层、所述薄膜压电微纳阵列、所述声学软质超凝胶材料层、所述声透镜和三个匹配层设置在所述外壳内。
一种薄膜压电微纳阵列的制备方法，所述方法包括：
在基底层上溅射沉积弹性层，在弹性层上溅射沉积底电极，在底电极上溅射沉积压电层，在压电层上溅射沉积顶电极；
在所述基底层内部蚀刻空腔。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器，所述超声换能器包括：薄膜压电微纳阵列、声学软质超凝胶材料层、声透镜和三个匹配层；三个匹配层分别为第一匹配层、第二匹配层和第三匹配层；所述薄膜压电微纳阵列用于产生出射超声波或接收所述出射超声波照射到待测物体后产生的反射超声波；所述第一匹配层、所述声透镜、所述第二匹配层、所述声学软质超凝胶材料层和所述第三匹配层依次设置在所述薄膜压电微纳阵列一侧的出射超声波的出射方向；所述声学软质超凝胶材料层选用声学软质超凝胶材料，所述声学软质超凝胶材料具有与颅骨等效质量密度和等效体积模量数值相等、正负相反的互补特性，所述声学软质超凝胶材料层用于实现所述薄膜压电微纳阵列与颅骨之间的阻抗匹配。通过使用声学软质超凝胶材料使本发明提供的超声换能器可以与颅骨进行声阻抗匹配，从而实现超声换能器的无创穿颅超声成像。
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为本发明提供的一种穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器的薄膜压电微纳阵列的结构示意图。
符号说明：
1—薄膜压电微纳阵列，2—声透镜，3—匹配层，4—声学软质超凝胶材料层，5—背衬层，6—外壳，7—线缆，1.1—基底层，1.2—弹性层，1.3—底电极，1.4—压电层，1.5—顶电极，1.6—空腔。
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做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。
本发明的目的是提供一种穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器，以实现超声换能器的无创穿颅超声成像。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器，所述超声换能器包括：薄膜压电微纳阵列1、声学软质超凝胶材料层4、声透镜2和三个匹配层3；三个匹配层3分别为第一匹配层3、第二匹配层3和第三匹配层3；所述薄膜压电微纳阵列1用于发射超声波或接收待测物体反射的超声波；所述第一匹配层3、所述声透镜2、所述第二匹配层3、所述声学软质超凝胶材料层4和所述第三匹配层3沿超声波的发射方向依次设置在所述薄膜压电微纳阵列1的一侧；所述声学软质超凝胶材料层4选用声学软质超凝胶材料，所述声学软质超凝胶材料具有与颅骨等效质量密度和等效体积模量数值相等、正负相反的互补特性，所述声学软质超凝胶材料层4用于实现所述薄膜压电微纳阵列1与颅骨之间的阻抗匹配。
匹配层3防止因空气的阻抗引起超声波的信号衰减。
所述薄膜压电微纳阵列1由下至上依次设置基底层1.1、弹性层1.2、底电极1.3、压电层1.4和顶电极1.5；所述压电层1.4的一侧与所述顶电极1.5连接，所述压电层1.4的另一侧与所述底电极1.3连接；当所述薄膜压电微纳阵列1用于发射超声波时，所述压电层1.4用于在交流电的作用下起振，将起振信号通过所述弹性层1.2传递给所述基底层1.1的空腔1.6，所述空腔1.6用于将所述振动信号转换成超声波；当所述薄膜压电微纳阵列1用于接收超声波时，所述空腔1.6用于将超声波转换为振动信号，所述振动信号通过弹性层1.2传递给所述压电层1.4，所述压电层1.4用于将所述振动信号转换为电信号。
所述薄膜压电微纳阵列1的阵列数目为4、16、32、64、128、256、512个。
所述薄膜压电微纳阵列1采用MEMS工艺制备。
基底层1.1为硅晶圆，弹性层1.2为硅或压电材料，底电极1.3与顶电极1.5为金、铂钼导电材料，压电层1.4为压电材料，压电材料为铌酸锂、氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅和聚偏二氟乙烯。
所述薄膜压电微纳阵列1所产生的超声波中心频率为2.5、3、3.5、5Hz，带宽为60％。
所述薄膜压电微纳阵列1的直径为400～800μm；所述基底层1.1的厚度为200～300μm；所述底电极1.3的厚度为0.1～0.3μm；所述顶电极1.5的厚度为0.1～0.3μm；所述弹性层1.2的厚度为1～10μm；所述压电层1.4的厚度为1～10μm。
所述压电层1.4为压电材料，所述压电材料为铌酸锂、氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅和聚偏二氟乙烯中的一种。
所述超声换能器还包括：线缆7；所述线缆7与所述薄膜压电微纳阵列1连接，用于为所述压电层1.4提供驱动电压信号。
所述声学软质超凝胶材料层4包括聚合物基微泡结构和软质凝胶；所述聚合物基微泡结构包括聚合物材料的壳体和壳体内填充的气体；所述软质凝胶包裹着多个聚合物基微泡结构。
声学软质超凝胶材料层4是薄膜压电微纳阵列超声换能器的一个插件可以取出更换。
声学软质超凝胶材料层4针对不同的颅骨密度，调节匹配层3的基本单元的结构参数，在特定频段产生负等效质量密度或负等效模量，以消除颅骨对超声波的反射及畸变效应，提高超声波的透射率。
声学软质超凝胶材料包括内部的聚合物基微泡结构和外部的软质凝胶基体结构，所述聚合物基微泡结构包括壳层的聚合物组分和核层的气体组分，所述聚合物基微泡哦结构的堆叠密度为0.05～0.60g/cm3。所述聚合物基微泡结构由遥爪聚合物和交联剂制备得到，所述软质凝胶基体结构由凝胶溶液经成胶制得。
所述声学软质超凝胶材料，包括内部的聚合物基微泡结构和外部的软质凝胶基体结构，所述聚合物基微泡结构包括壳层的聚合物组分和核层的气体组分，所述聚合物基微泡结构的堆叠密度为0.05～0.60g/cm3；所述聚合物基微泡结构由遥爪聚合物和交联剂制备得到，所述软质凝胶基体结构由凝胶溶液经成胶制得。通过遥爪聚合物和交联剂制备得到的聚合物基微泡结构，在特定的声波频率下能够引起单极共振，从而体现出负向等效体积模量的效应，通过凝胶溶液经成胶制得软质凝胶基体结构，能够稳定地承载内部聚合物基微泡结构的堆叠，在特定的声波频率下能够引起偶极共振，从而体现出负向等效质量密度的效应，该材料通过内外结构的配合，最终使超凝胶材料具有相近的单极共振和偶极共振频率，并使该频率与临床高频超声的频率范围一致，在该频率下，超凝胶体现出与颅骨等效质量密度和等效体积模量数值相等、正负相反的互补特性，同时拥有良好的柔性、自适应性、生物相容性。
所述超声换能器还包括：背衬层5；所述背衬层5设置在所述薄膜压电微纳阵列1的另一侧，所述背衬层5与所述薄膜压电微纳阵列1通过环氧树脂连接，用于衰减或吸收所述薄膜压电微纳阵列1背向辐射的超声波。
所述超声换能器还包括：外壳6；所述背衬层5、所述薄膜压电微纳阵列1、所述声学软质超凝胶材料层4、所述声透镜2和三个匹配层3设置在所述外壳6内。
一种薄膜压电微纳阵列的制备方法，所述方法包括：在基底层1.1上溅射沉积弹性层1.2，在弹性层1.2上溅射沉积底电极1.3，在底电极1.3上溅射沉积压电层1.4，在压电层1.4上溅射沉积顶电极1.5；在所述基底层1.1内部蚀刻空腔1.6。
采用薄膜压电微纳结构来设计超声换能器，使得换能器的体积大幅降低，在单位面积上可以排列更多的换能器单元阵列，提高成像分辨率，微纳加工工艺也有利于降低器件功耗、提升各单元性能一致性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器，其特征在于，所述超声换能器包括：薄膜压电微纳阵列、声学软质超凝胶材料层、声透镜和三个匹配层；
三个匹配层分别为第一匹配层、第二匹配层和第三匹配层；
所述薄膜压电微纳阵列用于发射超声波或接收待测物体反射的超声波；
所述第一匹配层、所述声透镜、所述第二匹配层、所述声学软质超凝胶材料层和所述第三匹配层沿超声波的发射方向依次设置在所述薄膜压电微纳阵列的一侧；
所述声学软质超凝胶材料层选用声学软质超凝胶材料，所述声学软质超凝胶材料具有与颅骨等效质量密度和等效体积模量数值相等、正负相反的互补特性，所述声学软质超凝胶材料层用于实现所述薄膜压电微纳阵列与颅骨之间的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器，其特征在于，所述薄膜压电微纳阵列由下至上依次设置基底层、弹性层、底电极、压电层和顶电极；
所述压电层的一侧与所述顶电极连接，所述压电层的另一侧与所述底电极连接；
当所述薄膜压电微纳阵列用于发射超声波时，所述压电层用于在交流电的作用下起振，将起振信号通过所述弹性层传递给所述基底层的空腔，所述空腔用于将所述起振信号转换成超声波；
当所述薄膜压电微纳阵列用于接收超声波时，所述空腔用于将超声波转换为振动信号，所述振动信号通过弹性层传递给所述压电层，所述压电层用于将所述振动信号转换为电信号。
3.根据权利要求2所述的穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器，其特征在于，所述薄膜压电微纳阵列的直径为400～800μm；
所述基底层的厚度为200～300μm；
所述底电极的厚度为0.1～0.3μm；
所述顶电极的厚度为0.1～0.3μm；
所述弹性层的厚度为1～10μm；
所述压电层的厚度为1～10μm。
4.根据权利要求2所述的穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器，其特征在于，所述压电层为压电材料，所述压电材料为铌酸锂、氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅和聚偏二氟乙烯中的一种。
5.根据权利要求2所述的穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括：线缆；
所述线缆与所述薄膜压电微纳阵列连接，用于为所述压电层提供驱动电压信号。
6.根据权利要求1所述的穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器，其特征在于，所述声学软质超凝胶材料层包括聚合物基微泡结构和软质凝胶；
所述聚合物基微泡结构包括聚合物材料的壳体和壳体内填充的气体；
所述软质凝胶包裹着多个聚合物基微泡结构。
7.根据权利要求1所述的穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括：背衬层；
所述背衬层设置在所述薄膜压电微纳阵列的另一侧，所述背衬层与所述薄膜压电微纳阵列通过环氧树脂连接，用于衰减或吸收所述薄膜压电微纳阵列背向辐射的超声波。
8.根据权利要求7所述的穿颅薄膜压电微纳阵列超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括：外壳；
所述背衬层、所述薄膜压电微纳阵列、所述声学软质超凝胶材料层、所述声透镜和三个匹配层设置在所述外壳内。
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