CN114101016B - 一种磁控柔性超声换能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁控柔性超声换能装置，包括超声换能器结构、柔性链接结构、生磁结构、磁探结构。其中，柔性链接结构在变形的过程中实现了相邻超声换能器结构之间的链接；生磁结构和磁探结构处在相邻的超声换能器结构上；生磁结构用于在外加电信号下，产生一定强度、空间分布的磁场；磁探结构通过感测变形引起的磁响应变化，实现柔性超声相邻超声换能器结构任意变形前后相邻超声换能器结构之间的相对位置测量。本发明公开的磁控柔性超声换能装置具有低成本、小尺寸、可穿戴的优点，解决了现有柔性超声装置因无法自动检测变形前后相邻超声换能器结构之间的相对空间位置，而无法实现柔性超声相邻超声换能器结构的精准电子操控声场聚焦的问题。
Description
技术领域
本发明涉及超声成像、超声治疗、超声检测技术领域，尤其涉及一种磁控柔性超声换能装置。
背景技术
近年来，基于压电块材的超声换能设备在生物医疗成像检测和疾病治疗、工业无损探伤、以及海洋探测等领域得到了较广泛的应用。然而，常规超声换能器刚性、不可变形，单一固定规格探头仅能实现某些特定形状/特定位置的生物组织、待测结构表面紧密接触。在穿颅超声、超声骨愈合、复杂曲面工件结构检测等应用中，不能实现紧密的表面接触，超声应用受到限制。
柔性结构链接的超声换能装置可实现任意复杂曲面的完美接触，近年来得到了广泛的研究。现有专利方面公开了如可变形超声US00750095482、US20070066902A1、US20050215895A1、US20060276711A1专利，上述发明目标应用于人体内某些具有狭小腔体或内组织的实时三维成像或辅助治疗。现有论文公开了各种柔性超声结构，如RobertBanks于2009年发表了基于压电纤维的柔性超声(G.Harvey,A.Gachagan,J.W.Mackersie,T.Mccunnie,R.Banks,IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control,2009,56,1999-2009)；Butrus T.Khuri-Yakub于2008年发表了基于CMUT的柔性超声(X.Zhuang,D.-S.Lin,
B.T.Khuri-Yakub,J.Microelectromecha-nical Systems,2008,17,446-452)；Xu Sheng(美国加州大学圣地亚哥分校)于2018年发表了基于压电块材的柔性超声，可用于人体颈动脉的血压监测(S.Xu,Nat.Biomed.Eng.2018,2,687-695)。
现有常规超声应用中，基于动态电子聚焦的高分辨率、高对比度成像，需要超声换能器结构间的空间相对位置计算相对延迟时间。然而，上述柔性/可变形超声仅能赋予超声换能装置可变形的能力，无法检测变形前后相邻超声换能器结构之间的空间相对位置变化。所以，无法实现柔性超声相邻超声换能器结构的精准电子操控声场聚焦，仅具有A超功能。
O.Casula等开发了一种基于特殊机械结构的轮廓检测装置，实现了柔性超声的变形检测，但是结构尺寸较大且复杂、笨重，无法用于可穿戴式设备(O.Casula,C.Poidevin,G.Cattiaux,and Ph.Dumas,AIP Conference Proceedings,2006,820,829-836)。
在颅脑超声应用中有两个方面的难点，一方面是颅骨结构的存在导致超声波在传播路径上被大量的反射、衰减和畸变；另一方面是颅脑形状因人存在较大的个体差异，而固定规格的刚性超声探头不能够实现与特定个体颅骨的完美贴合，无法贴合超声换能器结构增加的界面声波导波层和声波偏转斜入射角度，进一步恶化界面声波反射及传波损耗，且降低超声波能量的电子聚焦能力。柔性超声换能器具有以下优势：一是、可实现与颅脑组织的完美接触，无需增加额外的界面声波导波层；二是、完美接触，可减少声波聚焦的偏转角度，利用物理聚焦的优势，增加超声波的电子聚焦能力；三是、结构简单，无需特殊的声透镜结构。无创式颅脑超声在一定程度需要的声波更强，所以，不仅要求柔性超声具有简单的皮肤贴和，还要求具有精准的超声波电子聚焦声束能力。
在可穿戴式/可植入式超声骨愈合治疗、实时超声神经调控应用中，超声作用区域所需声波能量较低、且要求精准控制能量大小。然而，由于声传播路径上界面反射和衰减，现阶段的柔性超声不能实现精准的多超声换能器结构声波聚焦，单或少量超声波换能器结构界面发射声波较强，存在潜在的表面接触组织物理损伤(热效应或空化效应)。所以，具有精准超声波电子聚焦能力的柔性超声，可减少单超声换能器结构、或单模组阵列的声波发射强度，减少潜在的表面接触组织损伤。
因此，在柔性特性赋予超声换能装置与复杂形状表面完美接触功能的同时，如何进一步赋能柔性超声装置变形前后相邻超声换能器结构之间的相对空间位置检测？也即如何实现柔性结构变形形状自检测功能，从而使柔性超声真正兼具现有常规超声的超声功能(精准电子声束操控、电子聚焦成像、电子聚焦治疗/神经刺激等)，同时满足结构简单、小型化、成本可控、可穿戴的要求，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种磁控柔性超声换能器装置，以实现柔性超声装置变形前后相邻超声换能器结构之间的相对空间位置检测，并且满足低成本、小尺寸、可穿戴的要求。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种磁控柔性超声换能装置，包括超声换能器结构、柔性链接结构、生磁结构、磁探结构。
其中，柔性链接结构在变形的过程中实现了相邻超声换能器结构超声换能器结构之间的链接；生磁结构和磁探结构处在相邻的超声换能器结构上，生磁结构用于在外加电信号下，产生一定强度、空间分布的磁场；磁探结构通过感测变形引起的磁响应变化，实现柔性超声相邻超声换能器结构任意变形前后相邻超声换能器结构之间的相对位置测量。超声本身具有非侵入式以及无潜在诱导其他伤害的优势，柔性特性(柔性链接结构)可使超声换能装置与复杂形状表面完美接触，磁空间特性(生磁结构)/磁感知特性(磁探结构)又赋予柔性结构变形形状自检测功能，超声、柔性、磁空间特性/磁感知特性三者结合形成磁控柔性超声装置。不仅使柔性超声真正兼具常规超声精准电子声束操控的功能，同时兼具结构简单、低成本、小尺寸、可穿戴的优点，满足用于超声成像、神经刺激、HIFU治疗、可穿戴式超声装置的要求。
所述磁控柔性超声换能装置，其超声换能器结构为厚度伸缩振动的块材超声、PMUTs超声、CMUTs超声、光致超声的一种或多种组合结构。
优选地，在上述磁控柔性超声换能装置，其超声换能器结构为厚度伸缩振动的块材超声，具有更高的机械特性。
优选地，在上述磁控柔性超声换能装置，其超声换能器结构为PMUTs超声，具有更高的可集成性、低成本、相对的高声输出强度。
优选地，在上述磁控柔性超声换能装置，其超声换能器结构为CMUTs超声，具有更宽的带宽，更高的轴向分辨率。
所述的磁控柔性超声换能装置，其超声换能器结构包含单独一个激发微单元、或多个可同时激发的微单元阵列、或多个可电子聚焦激发的微单元阵列。
优选地，在上述磁控柔性超声换能装置，其超声换能器结构有效工作区域填充占比≥20％。
所述的磁控柔性超声换能装置，其超声换能器结构包含背衬层和匹配层，且匹配层的厚度为单层、或多层。
所述的磁控柔性超声换能装置，其相邻超声换能器结构通过柔性结构实现链接，仅边缘链接、或整体封装在柔性结构里面。
所述的磁控柔性超声换能装置，其柔性链接结构为柔性材料Eco-flex、PDMS、聚酰亚胺、环氧树脂、PET、硅胶、SEBS中的一种或多种组合结构。
优选的，在上述磁控柔性超声换能装置，其柔性链接结构选择低杨氏模量的Eco-flex、PDMS、SEBS材料，杨氏模量＜100MPa。
所述的磁控柔性超声换能装置，其生磁结构在外部电信号驱动下产生一定强度、空间分布的磁场，且外部驱动信号关闭，磁场消失，为通电生磁线圈、磁致伸缩逆效应生磁的一种或多种组合结构；且生磁结构和磁探结构两者组合共同构成磁控结构。
优选地，在上述磁控柔性超声换能装置，其生磁结构优选为采用MEMS微加工工艺制备的具有一定匝数的平面螺旋线圈，优点加工工艺/结构简单、尺寸较小，优选匝数＜50匝；且包含绝缘镀层使其与换能器电极相隔离。线圈材料采用铜箔、电镀铜、Ti/Au/Ag/Al/Pt高电导率的非磁性镀层中的一种或多种组合材料结构。
优选地，在上述磁控柔性超声换能装置，其生磁结构线圈材料采用铜箔，同时兼具高电导率、高延展性、低成本。
所述的磁控柔性超声换能装置，其磁探结构处在生磁结构相邻的超声换能器结构上，磁探结构能够感测变形引起的磁响应变化，为巨磁阻传感单元(GMR)、霍尔磁传感单元(Hall)、隧道磁组单元(TMR)、各向异性磁组单元(AMR)、洛伦兹力MEMS磁组单元、磁电型磁传感单元、磁感应线圈中的一种或多种组合结构微磁单元。
优选地，在上述磁控柔性超声换能装置，其磁探结构优选为采用MEMS微加工工艺制备的具有一定匝数的平面螺旋线圈，优点加工工艺/结构简单、尺寸较小，优选匝数＜50匝；且包含绝缘镀层使其与换能器电极相隔离。线圈材料采用铜箔、电镀铜、Ti/Au/Ag/Al/Pt高电导率的非磁性镀层中的一种或多种组合材料结构。
优选地，在上述磁控柔性超声换能装置，其磁探结构线圈材料采用铜箔，同时兼具高电导率、高延展性、低成本。
所述的磁控柔性超声换能装置，其磁探结构和生磁结构处在相邻的超声换能器结构上，对应的磁探结构和生磁结构安置在超声换能结构的同一侧。或分开安置在相邻超声换能器结构的前后两侧；或将生磁结构安置在超声换能器结构与待检测物体之间，磁探装置安置在相对超声换能器结构远离待测物体的背面；或将磁探结构安置在超声换能器结构与待检测物体之间，生磁结构安置在相对超声换能器结构远离待测物体的背面。
所述的磁控柔性超声换能装置，其磁探结构和生磁结构处在相邻的超声换能器结构上，对应的磁探结构和生磁结构优选安置在超声换能结构的同一侧。同时安置在超声换能器结构与待检测物体之间，或同时安置在相对超声换能器结构远离待测物体的背面。
优选地，在上述磁控柔性超声换能装置，其磁探结构和生磁结构，同时在超声超声换能器结构的上下两侧各自安置一套，上下磁结构响应差分，提高变形检测精度。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明可实现柔性超声换能装置相邻超声换能器结构变形前后的相对位置测量。
2、本发明可实现柔性超声换能器相邻超声换能器结构变形前后的超声声场精准聚焦，实现精准的声束操控。
3、本发明公开的磁控结构使柔性超声从简单的A超功能，转变到具有更高分辨率、更高对比度的精准电子声束操控线线聚焦、多线同时聚焦成像；更进一步，精准的声束聚焦，更高的聚焦声束能量，可用于超声治疗。
4、本发明公开的基于线圈设计的生磁结构和磁探结构，结构简单、尺寸小、成本低，满足可穿戴式超声设备的需求。
5、超声本身具有非侵入式以及无潜在诱导其他伤害的优势，柔性特性可使超声换能装置与复杂形状表面完美接触，磁空间特性/磁感知特性又赋予柔性结构变形形状自检测功能，超声、柔性、磁空间特性/磁感知特性三者结合形成磁控柔性超声装置。本发明公开的磁控柔性超声换能装置不仅使柔性超声真正兼具了常规超声的精准电子聚焦功能，同时兼具结构简单、小型化、成本可控的优点，极大地解决了柔性可穿戴式超声设备的应用难点。
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为本发明中一种磁控柔性超声换能装置的结构示意图；
图2为图1磁控柔性超声换能装置中一个工作单元的结构示意图；
图3为本发明单独一个结构微元的示意图；
图4为本发明磁控柔性超声装置紧密地贴合在一个任意复杂形状曲面上的示意图；
图5为单独一个结构微元的放大示意图；
图6为本发明磁控柔性超声换能装置中一个工作单元的形态变换过程示意图；
图7为本发明磁控柔性超声换能装置中磁空间特性/磁感知特性自检测变形功能示意图；
图8为本发明提供的第一布置结构超声换能器结构的一种微加工工艺流程图；图8中的(a)为未划片的压电陶瓷块材，图8中的(b)为压电陶瓷块材划片，图8中的(c)为压电陶瓷块材填充；
图9为本发明提供的第一布置结构超声换能器结构的一种下电极引出结构示意图；图9中的(a)为一种下电极引出走线俯视图，图9中的(b)为一种下电极引出走线三维侧视图，图9中的(c)为一种下电极引出走线与超声换能器结构结合的三维侧视图，图9中的(d)为一种下电极引出走线与超声换能器结构结合的柔性灌封示意图；
图10为本发明提供的第一布置结构超声换能器结构的一种上电极引出结构示意图；图10中的(a)为一种上电极引出结构的俯视示意图，图10中的(b)为一种上电极引出结构的绝缘层结构俯视图，图10中的(c)为一种上电极引出结构与柔性支撑结合的侧视图，图10中的(d)为一种上电极引出结构的完整结构侧视图；
图11为本发明提供的第一布置结构超声功能超声换能器结构部分的整体结构示意图；
图12为本发明提供的第一布置结构中生磁结构和磁探结构的磁线圈及地线排布结构示意图；图12中的(a)为第一布置结构中生磁结构和磁探结构的磁线圈及地线排布结构俯视图，图12中的(b)为第一布置结构中生磁结构和磁探结构的磁线圈结构俯视图，图12中的(c)为磁线圈结构的地线排布俯视图，图12中的(d)为第一布置结构中生磁结构和磁探结构的磁线圈及地线排布结构三维侧视图；
图13为本发明提供的第一布置结构中生磁结构和磁探结构部分的完整结构示意图；
图14为本发明提供的磁控柔性超声装置第一布置结构的完整结构示意图；
图15为本发明提供的磁控柔性超声装置第二布置结构示意图；图15中的(a)为导磁层整体结构俯视图，图15中的(b)为导磁层整体结构侧视图，图15中的(c)为磁线圈信号电极引出整体结构和导磁层整体结构的三维堆叠侧视图，图15中的(d)为磁控柔性超声装置第二布置结构的三维堆叠侧视图；
图16为本发明提供的磁控柔性超声装置第二布置结构中磁聚集原理的示意图；图16中的(a)为生磁线圈产生磁场原理图，图16中的(b)为磁探结构检测原理图，图16中的(c)导磁结构磁聚集示意图，图16中的(d)为导磁结构磁聚集增强检测灵敏度的示意图；
具体实施方式
本发明公开了一种磁控柔性超声换能装置，超声本身具有非侵入式以及无潜在诱导其他伤害的优势，柔性特性可使超声换能装置与复杂形状表面完美接触，磁空间特性/磁感知特性又赋予柔性结构变形形状自检测功能，超声、柔性、磁空间特性/磁感知特性三者结合形成磁控柔性超声装置。不仅使柔性超声真正兼具常规超声的精准电子聚焦功能，同时兼具结构简单、小型化、成本可控的有点，极大地解决了柔性可穿戴式超声设备的应用难点。
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、完整的描述，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。
如图1-图7所示，图1为本发明中一种磁控柔性超声换能装置结构示意图；图2为图1磁控柔性超声换能装置中一个工作单元的结构示意图；图3为图2中单独一个结构微元的示意图；
图4为图1中磁控柔性超声换能装置紧密地贴合在一个任意复杂形状曲面上的示意图；图5为图4中单独一个结构微元放大示意图；图6为图1磁控柔性超声换能装置中一个工作单元的形态变换过程示意图；图7为本发明磁控柔性超声换能装置中磁空间特性/磁感知特性自检测变形形状功能示意图。
本发明实施例一提供了一种磁控柔性超声换能装置，包括超声换能器结构101、柔性链接结构102、生磁结构103、磁探结构104四部分组成。其中，柔性链接结构102在变形的过程中实现了相邻超声换能器结构101之间的链接；生磁结构103和磁探结构104处在相邻的超声换能器结构上，生磁结构103用于在外加电信号下，产生一定强度、空间分布的磁场1033；磁探结构104通过感测变形引起的磁响应变化，实现柔性超声相邻超声换能器结构任意变形前后相邻超声换能器结构之间相对空间位置角度θ的测量。
本实施案例中，超声换能器结构核心采用块材压电材料制备，为多晶、或单晶压电陶瓷，包括下电极1011，压电陶瓷1012，上电极1013。当外部电压驱动信号施加在超声上下电极上，压电陶瓷振动产生超声波信号输出。超声波信号在声阻抗不连续的界面反射，反射声波信号被同一或邻近超声换能器结构通过正压电效应产生电信号输出，从而实现对于组织内部成像。为进一步提高超声成像的分辨率以及超声能量的有效输出，超声换能器结构的下电极1011一侧黏贴一层背衬层，上电极1013一侧黏贴一到三层的声阻抗匹配层。另外，其超声换能器结构101为厚度伸缩振动的块材超声、PMUTs超声、CMUTs超声、光致超声的一种或多种组合结构。
相邻超声换能器结构101通过柔性链接结构102实现链接，仅边缘链接、或整体封装在柔性结构102里面，实现任意变形下的相邻超声换能器结构101紧密连接。柔性链接结构102为Eco-flex、PDMS、聚酰亚胺、环氧树脂、PET、硅胶、SEBS中的一种或多种组合结构。优选地，其柔性链接结构102选择低杨氏模量的Eco-flex、PDMS、SEBS材料，杨氏模量＜100MPa。更好的柔韧、可拉伸特性，实现更小的复杂曲面界面作用力。本实施例中选择Eco-flex-0030，杨氏模量＜100kPa，更高的柔韧特性。
生磁结构103和磁探结构104处在相邻的超声换能器结构上，对应的生磁线圈1031和磁探线圈1041安置在超声换能结构101的同一侧。同时安置在超声换能器结构101与待检测物体105的之间，或安置相对超声换能器结构101远离待测物体105的背面。本实施案例中，生磁结构1031与磁探结构1041均匀采用非磁性金属线圈结构，且生磁线圈1031与超声换能器结构101之间均存在生磁线圈柔性绝缘结构1032，且磁探线圈1041与超声换能器结构101之间均存在磁探线圈柔性绝缘结构1042，实现磁性结构和超声结构的电隔离。
本实施案例中，所提出的磁控柔性超声装置，在柔性结构102的链接下，外力作用可使其与复杂形状待测物体105的表面1051紧密接触。进一步，一定时序的驱动电压信号施加于多个超声换能器结构第一阵元10101、超声换能器结构第二阵元10102、超声换能器结构第三阵元10103、超声换能器结构第四阵元10104，可实现超声声场在待测物体105内部任意位置1052处叠加增强，提高超声成像的对比度以及分辨率。
生磁结构103在外部电信号驱动下产生一定强度、空间分布的磁场1033，且外部驱动信号关闭，磁场1033消失。如图6所示，当磁控柔性超声紧密贴敷待测物体105的表面1051上，相邻超声换能器结构101在柔性结构102链接下，之间的夹角θ随着表面1051曲率的变化而变化。磁探线圈1041和生磁线圈1031之间平面夹角θ也随之变化，生磁线圈1031产生的磁力线1033通过磁探线圈1041的通量发生变化，因此，磁探线圈1041的电磁感应电压输出信号变化。当两者平面之间的夹角θ逐渐减小，磁探线圈1041的电磁感应电压反向单调逐渐增加。对于固定频率、固定幅度的驱动信号，生磁线圈1031与磁探线圈1041之间的感应电压固定，即夹角与电压输出强度一一对应，从而实现对于相邻超声换能器结构变形前后之间夹角θ的大小测量。
图8-图14为本发明提供的磁控柔性超声装置第一布置结构的微加工工艺流程。图8为本发明提供的第一布置结构超声换能器结构的一种微加工工艺流程图；图9为本发明提供的第一布置结构超声换能器结构的一种下电极引出结构示意图；图10为本发明提供的第一布置结构超声换能器结构的一种上电极引出结构示意图；图11为本发明提供的第一布置结构超声换能器结构部分的整体结构示意图；图12为本发明提供的第一布置结构中生磁结构和磁探结构的磁线圈及地线排布结构示意图；图13为本发明提供的第一布置结构中生磁结构和磁探结构部分的完整结构示意图；图14为本发明提供的磁控柔性超声装置第一布置结构的完整结构示意图。
本实施案例一中，如图8给出了一种基于切割和填充工艺的块材压电超声换能器结构101阵列的加工工艺。一定厚度的压电块材201上下两侧分别制备金属电极块材下电极202和块材上电极203。其中块材下电极202和块材上电极203采用丝网印刷、溅镀、电镀中的一种或多种工艺制备。机械划片切割、或干法刻蚀工艺分割压电块材201，形成分立的超声换能结构101阵列。其中，压电块材201的块材下电极202分割成超声换能器结构101的下电极1011，压电块材201的块材上电极203分割成超声换能器结构101的上电极1013，压电块材201分割成超声换能器结构的压电陶瓷1012。分立超声换能器结构101之间的切缝301采用低杨氏模量的柔性材料Eco-flex-0030填充，形成柔性链接结构102。为进一步减少相邻超声换能器结构之间的串扰，此柔性链接结构102中可混合一定比例的空气泡。上述切割填充工艺作用，一是分立块材上电极203为多个独立电极1013，使其单独引线，二是形成切缝301填充柔性链接结构102，赋予超声柔性可变形功能。
所有超声换能器结构下电极1011需同时接地引出，如图9所示为第一布置结构超声换能器结构的一种下电极引出结构401。具体如图9-a所示，采用旋涂工艺制备一层一定厚度的下电极引出柔性支撑材料4011。材料可选择与柔性链接结构102同质材料，优选采用低杨氏模量的柔性材料Eco-flex-0030。将柔性支撑材料4011旋涂厚度＜100μm，优选15～30μm，本案例选择20μm。下电极1011引出导电结构包括接触电极4012、内部连接弯曲导线4013、接地引出电极4014三部分。其中，接触电极4012与超声换能器结构101阵列下电极1011直接键合实现导通；键合工艺采用低温银浆实现粘结、或丝网印刷涂覆环氧树脂压合粘结实现导通。接触电极4012尺寸小于下电极1011尺寸。内部连接弯曲导线4013用于连接所有接触电极4012，从而使下电极同时接地引出，且弯曲导线结构赋予连接电极更大的拉伸特性。接地引出电极4014直接连接外部地线。图9-b为下电极引出结构401的侧视图。
下电极引出导电结构的材料选择铜箔，厚度＜50μm，优选15～30μm，本案例选用厚度20μm。为进一步增强铜箔的抗拉伸强度以及提升与柔性支撑材料Eco-flex的粘结强度，铜箔与支撑材料接触的表面涂覆有一层环氧树脂PI。PI厚度＜10μm，本案例选择2μm。铜箔的图案化采用光刻工艺+稀释的盐酸腐蚀工艺，盐酸溶液的浓度(体积分数)5％～20％。首先在透明玻璃衬底上涂覆水溶胶带，旋涂一层Eco-flex-0030 20μm固化作为柔性支撑4011，将涂覆有PI的铜箔通过UV或等离子表面活化平整的粘附在上述Eco-flex膜的表面。旋涂光刻胶于铜箔的上表面，并光刻图案化，采用稀释HCl溶液腐蚀暴露出的铜箔(盐酸溶液的浓度(体积分数)5％～20％)，采用显影液去除光刻胶，最后在去离子水的作用下去除水溶胶带，得到图案化的下电极引出导电结构。
切割填充工艺制备的柔性超声101阵列与下电极引出结构通过环氧树脂粘结键合。环氧树脂采用丝网印刷工艺均匀地涂敷在下电极引出结构401表面，保证接触电极4012表面不被涂覆。同时，在超声换能器结构101下电极1011表面采用硬掩膜工艺涂覆一定厚度的低温银浆。最后，采用特制夹具将上述两者紧密的键合在一起，实现接触电极4012与超声换能器结构101下电极1011良好导电接触。上述银浆键合的电极工艺仅适合于低频器件，频率＜3MHz。对于高频器件≥5MHz，键合之前，需采用涂覆低温合金/低温银浆固化、电镀等工艺对接触电极4012进行加厚处理，加厚≥20μm，本案例选择20μm；旋涂环氧树脂或丝网印刷环氧树脂，厚度＜20μm；最后，再次采用上述特制夹具将柔性超声101阵列与下电极引出结构两者紧密的键合在一起；其中，上述凸起加厚电极实现接触电极4012与超声换能器结构101下电极1011良好导电接触。进一步，如图9-d所示，采用光刻胶或者水溶胶带贴服保护柔性超声101阵列上电极层1013，灌封柔性材料501，灌封厚度等于柔性超声101阵列厚度；灌封柔性材料501选择低杨氏模量的柔性材料，本案例仍选择Eco-flex-0030；再次去除光刻胶或者水溶性胶带，暴露上电极1013。
图10为本发明案例一的超声换能器结构101阵列的上电极引出结构601，包括上电极引出结构柔性支撑6011、上电极引出结构接触电极6012、上电极引出结构内部引线排布结构6013、上电极引出结构信号引出电极6014、上电极引出结构布线绝缘层6015、上电极引出结构绝缘层接触电极接触孔6016。具体如图10中的(a)所示，采用旋涂工艺制备一层一定厚度的上电极引出柔性支撑材料6011。材料选择与柔性链接结构102同质材料，优选采用低杨氏模量的柔性材料Eco-flex-0030。柔性支撑6011旋涂厚度＜100μm，优选15～30μm，本案例选择20μm。上电极引出导电结构包括接触电极6012、内部引线排布结构6013、信号引出电极6014三部分。其中，接触电极6012与超声换能器结构101上电极1013直接键合实现导通；键合工艺采用低温银浆实现粘结、或丝网印刷涂覆环氧树脂压合粘结实现导通。接触电极6012尺寸小于上电极1013尺寸。内部引线排布结构6013用于实现超声换能器结构101阵列各上电极1013独立引出，从而能够实现任意超声换能器结构101单独控制，实现精准的电子超声声束操控，且弯曲导线结构赋予连接电极更大的拉伸弯曲特性。信号引出电极6014直接连接外部信号线。图10中的(c)所示为超声换能器结构101阵列上电极引出结构601的侧视图，不包含上电引出绝缘层6015；图10中的(d)所示为超声换能器结构101阵列上电极引出结构601的侧视图，包含上电引出绝缘层6015。
超声换能器结构101阵列上电极引出导电结构的材料选择铜箔，厚度＜50μm，优选15～30μm，本案例选用厚度20μm。为进一步增强铜箔的抗拉伸强度以及提升与柔性支撑材料Eco-flex的粘结强度，铜箔与支撑材料接触的表面涂覆有一层环氧树脂PI。PI厚度＜10μm，本案例选择2μm。铜箔的图案化采用光刻工艺+稀酸的盐酸腐蚀工艺，盐酸溶液的浓度(体积分数)5％～20％。首先在透明玻璃衬底上涂覆水溶胶带，旋涂一层Eco-flex-0030 20μm固化作为柔性支撑6011，将涂覆有PI的铜箔通过UV照射或等离子表面活化平整的粘附在上述Eco-flex膜的表面。旋涂光刻胶于铜箔的上表面，并光刻图案化，采用稀释的HCl溶液腐蚀暴露的铜箔(盐酸溶液的浓度(体积分数)5％～20％)，采用显影液去除光刻胶，得到图案化的上电极导电结构。
为实现精准的电子超声声束操控，任意超声换能器结构101单独控制。上电极导电结构表面旋涂旋涂一层Eco-flex-0030固化作为上电极引出结构布线绝缘层6015；厚度＜50μm，优选15～30μm，本案例选用厚度10μm。为增强铜箔的抗拉伸强度以及提升与柔性支撑材料Eco-flex的粘结强度，可在Eco-flex前旋涂一层PI；PI厚度＜10μm，本案例选择2μm。采用光刻干膜工艺平整滚覆光刻胶干膜，厚度＞PI厚度+Eco-flex厚度，本案例选择干膜厚度25μm；氧等离子体干法刻蚀，形成上电极引出结构绝缘层接触电极接触孔6016，暴露上电极引出结构接触电极6012，显影液去除光刻胶残留。其中，绝缘层接触电极接触孔6016＝光刻掩膜图案尺寸+横向刻蚀尺寸＜上电极引出结构接触电极6012尺寸。绝缘层接触电极接触孔6016也可以直接采用硬掩膜工艺+氧等离子体干法刻蚀工艺制备。最后在去离子水的作用下去除水溶胶带，得到图案化的超声换能器结构101阵列上电极引出结构。
包含下电极引出结构401的超声换能器结构101阵列(图9中的(d)所示)与上电极引出结构601(图10中的(d)所示)通过环氧树脂粘结键合。环氧树脂采用丝网印刷工艺均匀地涂敷在上电极引出结构601绝缘层6015上表面，保证接触电极6012表面不被涂覆，厚度＜20μm，本案例选择10μm。同时，在超声换能器结构101阵列上电极1013表面采用丝网印刷涂覆一定厚度的低温银浆，厚度≥30μm，尺寸≤绝缘层接触电极接触孔6016尺寸。最后，采用特制夹具将上述两者紧密的键合在一起，实现接触电极6012与超声换能器结构101上电极1013良好导电接触。上述银浆键合的电极工艺仅适合于低频器件，频率＜3MHz。对于高频器件≥5MHz，键合之前，需采用涂覆低温合金/低温银浆固化、电镀等工艺对接触电极6012进行加厚处理，加厚≥20μm，本案例选择20μm；旋涂环氧树脂或丝网印刷环氧树脂，厚度＜15μm，本案例选择10μm；最后，再次采用上述特制夹具将柔性超声101阵列与上电极引出结构两者紧密的键合在一起；其中，上述凸起加厚电极实现接触电极6012与超声换能器结构101上电极1013良好导电接触。再经过简单的硬掩膜+氧等离子体干法刻蚀，使其暴露出接地引出电极4014、信号引出电极6014。图11为完整结构的柔性超声阵列部分1001。
如图12和13所示，本案例一中的完整磁线圈结构901，按功能分为生磁结构103和磁探结构104，按制备工艺分为磁线圈结构的下半部分701、与磁线圈结构的上半部分801。磁线圈结构的下半部分701，包括磁线圈排布结构702(相邻线圈互为生磁线圈1031和磁探线圈1041)、生磁线圈1031、磁探线圈1041、线圈绝缘柔性支撑层即生磁线圈柔性绝缘结构1032、生磁线圈信号输入端1033、生磁线圈接地端1034、磁探线圈信号输出端1043、磁探线圈接地端1044、磁线圈结构内部地线排布703、磁线圈结构内部地线引出点7031、磁线圈结构地线外部链接电极704、磁线圈结构内部信号线引入/引出点7032。
本实施例中生磁结构103和磁探结构104的核心均采用磁感应线圈702，且生磁线圈1031和磁探线圈1041处在相邻的超声换能器结构101上，结构一致，互为生磁线圈1031和磁探线圈1041。生磁线圈1031用于在任意外加电信号下，产生一定强度、空间分布的磁场；磁探线圈1041通过感测变形引起的磁响应变化，实现柔性超声相邻超声换能器结构任意变形前后相邻超声换能器结构之间的相对位置测量。所有磁线圈结构702的地线均通过磁线圈结构内部地线排布703引出；生磁线圈接地端1034、磁探线圈接地端1044为内部地线排布703与磁线圈结构702的链接点；且所有的磁线圈结构内部地线703最终经地线外部链接电极704实现外部接地。生磁线圈信号输入端1033、磁探线圈信号输出端1043与磁线圈结构内部信号线引入/引出点7032是同一个位置；当作为生磁线圈，7032为磁线圈结构内部信号线引入点，使外部信号施加到线圈上产生磁场；当作为磁探线圈，7032为磁线圈结构内部信号线引出点，使电磁感应产生的电信号引出外部检测电路。
具体如图12-a所示，磁线圈结构的下半部分701，采用旋涂工艺制备一层一定厚度的线圈绝缘柔性支撑层即生磁线圈柔性绝缘结构1032；作用一、实现和超声换能器结构结构的电隔离，作用二、用于支撑磁线圈的电路结构。材料可选择与柔性链接结构102同质材料，优选采用低杨氏模量的柔性材料Eco-flex-0030。绝缘柔性支撑即生磁线圈柔性绝缘结构1032旋涂厚度＜100μm，优选15～30μm，本案例选择20μm。磁线圈下半部分导电结构包含磁线圈排布结构702、磁线圈结构内部地线排布703、磁线圈结构地线外部链接电极704三部分。下半部分701导电结构的材料选择铜箔，厚度＜50μm，优选15～30μm，本案例选用厚度20μm。为进一步增强铜箔的抗拉伸强度以及提升与柔性支撑材料Eco-flex的粘结强度，铜箔与支撑材料接触的表面涂覆有一层环氧树脂PI。PI厚度＜10μm，本案例选择2μm。铜箔的图案化采用光刻工艺+稀酸的盐酸腐蚀工艺，盐酸溶液的浓度(体积分数)5％～20％。首先在透明玻璃衬底上涂覆水溶胶带，旋涂一层Eco-flex-0030 20μm固化作为绝缘柔性支撑生磁线圈柔性绝缘结构1032，将涂覆有PI的铜箔通过UV照射或等离子表面活化平整的粘附在上述Eco-flex膜的表面。旋涂光刻胶于铜箔的上表面，并光刻图案化，采用稀释的HCl溶液腐蚀暴露的铜箔(盐酸溶液的体积浓度为5％～20％)，采用显影液去除光刻胶，再在去离子水的作用下去除水溶胶带，得到图案化的磁线圈下半部分701导电结构。
为实现相邻超声换能器结构变形的精准检测，磁线圈阵列的每一个单元生磁线圈1031或磁探线圈1041都需要单独控制。磁线圈结构的上半部分801，包括磁线圈信号电极引出布线结构8011、柔性绝缘层8012、金属屏蔽层8013三部分。磁线圈信号电极引出布线结构8011主要作用是实现生磁线圈1031的驱动电信号引入、磁探线圈1041的感测电信号输出；且布线结构8011保证磁线圈阵列的每一个单元生磁线圈1031或磁探线圈1041都能够单独控制。进一步，磁线圈结构上半部分801布线结构8011与图10-c上电极引出结构601是同一结构。因此，磁线圈上半部分布线结构8011的接触电极6012与下半部分结构701的磁线圈结构内部信号线引入/引出点7032相对应。为了降低线圈布线8011对生磁线圈1031与磁探线圈1041的影响，金属屏蔽层8013被放置在上半部分线圈布线8011和线圈下半部分701之间。其中，金属屏蔽层材料选择铜箔，厚度＜50μm，优选5～20μm，本案例选用厚度5μm，且此屏蔽层与磁线圈下半部分地线704一起良好接地。柔性绝缘层8012实现屏蔽层8013与布线结构8011电学隔离。
柔性绝缘层8012采用旋涂工艺制备，固化在布线结构8011的导电结构上表面，材料为Eco-flex-0030，厚度＜50μm，优选10～30μm，本案例选用厚度10μm。为增强铜箔的抗拉伸强度以及提升与柔性绝缘层8012Eco-flex的粘结强度，可在Eco-flex前旋涂一层PI；PI厚度＜10μm，本案例选择2μm。金属屏蔽层8013采用带有PI涂覆层的铜箔黏贴在柔性绝缘层8012上表面形成。进一步，布线结构8011的接触电极6012，通过光刻工艺+稀释后HCl酸溶液刻蚀铜箔(盐酸溶液的浓度(体积分数)5％～20％)，通过硬掩膜+氧等离子体干法刻蚀PI和Eco-flex，暴露出来。在去离子水的作用下去除水溶胶带，得到图案化的磁线圈结构上半部分结构801。
如图13所示，完整的磁线圈结构901由环氧树脂键合磁线圈下半部分701和上半部分801构成。为保证上半部分801的金属屏蔽层8013与下半部分701的电绝缘，金属屏蔽层8013的上表面还需再制备一层绝缘材料Eco-flex，厚度8μm，并光刻暴露布线结构8011的接触电极6012。环氧树脂采用丝网印刷工艺均匀地涂敷在磁线圈下半部分701的导电电极侧，保证所有的磁线圈结构内部信号线引入/引出点7032表面不被涂覆，厚度＜20μm，本案例选择10μm。同时，上半部分801采用硬掩膜或者丝网印刷涂覆一定厚度的低温银浆在布线结构8011接触电极6012上表面；银浆厚度＞20μm，本案例选择25μm。最后，采用特制夹具将上述两者紧密的键合在一起，实现磁线圈布线结构8011的接触电极6012与磁线圈结构内部信号线引入/引出点7032表面良好导电接触。上述银浆键合的电极工艺仅适合于低频器件，频率＜3MHz。对于高频器件≥5MHz，键合之前，需采用涂覆低温合金/低温银浆固化、电镀等工艺对接触电极6012进行加厚处理，加厚≥20μm，本案例选择25μm；旋涂环氧树脂或丝网印刷环氧树脂，厚度≤10μm，本案例选择10μm；最后，再次采用上述特制夹具将柔性超声101阵列与上电极引出结构两者紧密的键合在一起；其中，上述凸起加厚电极实现磁线圈布线结构8011的接触电极6012与磁线圈结构内部信号线引入/引出点7032表面良好导电接触。再经过简单的硬掩膜+氧等离子体干法刻蚀，使其暴露出磁线圈接地引出电极704、磁线圈信号引出电极6014。
图14为本发明实施例一的完整磁控柔性超声换能装置1101，通过环氧树脂键合柔性超声阵列结构部分1001与磁线圈结构部分901获得。
图15为本发明提供的磁控柔性超声装置第二布置结构示意图；图16为本发明提供的磁控柔性超声装置第二布置结构中磁聚集原理的示意图。
实施例2
本发明实施例二是在实施例一的基础上添加了磁通聚集结构1201，包括导磁层柔性支撑12012、高磁导率导磁层12011。其中，导磁层柔性支撑12012材料采用低杨氏模量的Eco-flex-0030，旋涂厚度＜30μm，优选10～30μm，本案例选择10μm。高磁导率导磁层12011采用材料为包覆有高磁导率软磁材料颗粒的复合材料；其包覆基体材料可为柔性Eco-flex-0030；高磁导率软磁材料颗粒采用坡莫合金、FeSi合金、FeCoSiB、FeCrAlSi、FeSiBC、FeSiCrNi等；厚度＜20μm，本案例二选择20μm。进一步，磁通聚集结构1201安置在磁线圈上半部分801远离金属屏蔽层8013的一侧；高磁导率磁性层12011一侧与磁线圈上半部分801的柔性支撑6011通过环氧树脂紧密键合。本发明实施例二的完整磁控柔性超声换能装置，仍通过环氧树脂键合柔性超声阵列结构部分1001与磁线圈结构部分901获得，且磁通聚集结构1201位于1001和901之间。
图16为磁通聚集结构的基本原理，高磁导率磁性材料的存在会减少生磁结构的磁场发散空间程度，使感测磁场更加集中，待感测区域的感测磁场强度增强，从而实现空间变形检测灵敏度的增加。
上述实施例中提供的磁控柔性超声换能装置，其上设置有超声换能结构、柔性链接结构、生磁结构、磁探结构，有益效果请参考上述实施例。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (11)
1.一种磁控柔性超声换能装置，其特征在于，包括超声换能器结构（101）、柔性链接结构（102）、生磁结构（103）和磁探结构（104）；其中，所述柔性链接结构（102）在变形的过程中实现了相邻超声换能器结构（101）之间的链接；所述生磁结构（103）和磁探结构（104）处在相邻的超声换能器结构（101）上；所述生磁结构（103）用于在外加电信号下，产生一定强度、空间分布的磁场；磁探结构（104）用于感测变形引起的磁响应变化，实现柔性超声相邻超声换能器结构任意变形前后相邻超声换能器结构之间的相对位置测量。
2.根据权利要求1所述的磁控柔性超声换能装置，其特征在于，所述超声换能器结构（101）为厚度伸缩振动的块材超声、PMUTs超声、CMUTs超声和光致超声的一种或多种组合结构；所述超声换能器结构（101）包含单独一个激发微单元、或多个可同时激发的微单元阵列、或多个可电子聚焦激发的微超声换能器结构阵列。
3.根据权利要求1所述的磁控柔性超声换能装置，其特征在于，所述超声换能器结构（101）包含背衬层和匹配层，所述匹配层粘贴于背衬层的下方，所述匹配层的层数为1~3层。
4.根据权利要求1所述的磁控柔性超声换能装置，其特征在于，其柔性链接结构（102）的材料为 Eco-flex、PDMS、聚酰亚胺、环氧树脂、PET、硅胶、SEBS中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的磁控柔性超声换能装置，其特征在于，柔性链接结构（102）的材料为Eco-flex、PDMS和SEBS材料中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的磁控柔性超声换能装置，其特征在于，所述生磁结构（103）为通电生磁线圈、磁致伸缩逆效应生磁线圈的一种或多种组合结构；且生磁结构和磁探结构两者组合共同构成磁控结构；所述生磁结构（103）为采用MEMS微加工工艺制备的具有一定匝数的平面螺旋线圈，匝数＜50匝；且包含绝缘镀层使其与超声换能器结构（101）相隔离绝缘；所述线圈材料可采用铜箔、电镀铜、Ti/Au/Ag/Al/Pt高电导率的非磁性镀层中的一种或多种组合材料结构。
7.根据权利要求1所述的磁控柔性超声换能装置，其特征在于，所述磁探结构（104）为巨磁阻传感单元、霍尔磁传感单元、隧道磁组单元、各向异性磁组单元、洛伦兹力MEMS磁组单元、磁电型磁传感单元和磁感应线圈中的一种或多种组合结构微磁单元。
8.根据权利要求1所述的磁控柔性超声换能装置，其特征在于，所述磁探结构（104）为采用MEMS微加工工艺制备的具有一定匝数的平面螺旋线圈，匝数＜50匝；且包含绝缘镀层使其与换能器电极相隔离；所述线圈材料采用铜箔、电镀铜、Ti/Au/Ag/Al/Pt高电导率的非磁性镀层中的一种或多种组合材料结构。
9.根据权利要求1所述的磁控柔性超声换能装置，其特征在于，所述磁探结构（104）和生磁结构（103）处在相邻的超声换能器结构上，对应的磁探结构（104）和生磁结构（103）安置在超声换能器结构（101）的同一侧，或分开安置在相邻超声换能器结构（101）的前后两侧；或将生磁结构（103）安置在超声换能器结构（101）与待检测物体之间，磁探结构（104）安置在相对超声换能器结构（101）远离待测物体的背面；或将磁探结构（104）安置在超声换能器结构（101）与待检测物体之间，生磁结构（103）置于在相对超声换能器结构远离待测物体的背面。
10.根据权利要求1所述的磁控柔性超声换能装置，其特征在于，所述磁探结构（104）和生磁结构（103）可以同时安置在换能单元与待检测物体之间，亦可同时安置在相对换能器单元远离待测物体的背面。
11.根据权利要求1所述的磁控柔性超声换能装置，其特征在于，所述磁探结构（104）和生磁结构（103）同时在超声换能器结构（101）的上下两侧各自安置一套。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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