CN114950925B - 柔性可延展微机电系统超声阵列及医用超声诊断设备 - Google Patents

柔性可延展微机电系统超声阵列及医用超声诊断设备 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种柔性可延展微机电系统超声阵列及医用超声诊断设备。所述超声阵列由若干基本胞元组成，所述基本胞元由阵元组成，所述阵元包括微型超声换能器和多层复合膜；所述多层复合膜包括放置所述微型超声换能器的岛区域和连接相邻所述岛区域的连接部；所述超声阵列基于折纸结构设计，所述基本胞元沿面内方向拉伸时，所述岛区域会进行旋转，进而释放整体的变形，而在所述岛区域内部基本不会有应变，这使得所述超声阵列系统结构在拉伸变形的同时可以保证所述微型超声换能器不发生拉伸破坏，进而保证系统的超声波收发功能不受影响。

Description

柔性可延展微机电系统超声阵列及医用超声诊断设备
技术领域
本申请涉及医疗诊断超声技术领域，且特别涉及一种柔性可延展微机电系统超声阵列及医用超声诊断设备。
背景技术
目前，医用超声诊断设备正在医疗领域发挥越来越重要的作用，医用超声诊断设备会用到例如超声内窥镜、超声CT、三维超声成像等技术。这些超声影像技术的应用，一般都是基于超声阵列来实现的，通过各个阵元发射超声波并接受超声回波，根据各阵元的回波数据进行计算反解，进而得到探测区域内部结构的信息，也即超声影像。根据声学理论，提高超声影像的分辨率的常用方法是提高超声换能器的工作频率，并将超声换能器阵元的尺寸缩小。微型化的超声换能器由此得以研发和应用，比如微机电系统(MEMS)超声阵列，这类器件有着微米级的阵元尺寸，阵元密度大、数量多、成像的分辨率高，有诸多优势，在医疗检测和工业构件的无损检测领域广泛应用。
然而，传统的微机电系统超声阵列，依旧存在一些缺陷，这类器件往往是硬质不可变形的，在医疗应用领域，这类器件难以与人体相集成，限制了其前沿应用，如无法贴附在大曲率的人体组织表面来进行检测，难以和植入式的微器件相集成等。
近年来快速发展的柔性电子技术似乎可以解决背景技术中提到的问题，基于柔性电子技术制备的电子器件，有着轻薄柔性可拉伸变形的特点，有着高度的人体相集成性，使得器件在变形状态下，仍能保持系统功能的稳定运行，所以采用柔性电子技术制备柔性微机电系统超声阵列有着重大的应用价值。
然而，现有成熟的柔性电子技术难以直接在这里套用。首先，有机柔性电子器件是通过使用有机物来制备所有的电子元器件和导线连接，通过材料的本征柔性来实现整体的柔性。然而，目前还没有成熟的有机超声器件，故该方法不可行。无机柔性电子器件，通过蛇形导线结构来实现器件整体的可拉伸性，但是，对于微机电系统超声阵列，在阵元尺寸缩小的同时，阵元的间距也需要相对应的缩小。根据声学理论，在保持最佳超声分辨率的情况下，阵元的尺寸应当取0.5λ,而阵元间的中心间距应当取0.6λ，也即相邻阵元(以方形阵元为例)的孔隙为0.1λ。以血管内超声成像应用为例，超声波的频率一般为20-40MHz，生物组织的超声波波速为1500m/s，也即波长为75-37.5μm，因此相邻阵元的间隙仅为7.5-3.75μm，难以在狭小的阵元间隙内布置蛇形导线。
发明内容
鉴于上述现有技术的状态而做出本申请。本申请的目的在于提供一种柔性可延展微机电系统超声阵列，使得器件能在微型化、高密度化的同时，具有柔性和可延展性。
本申请的实施方式提供一种柔性可延展微机电系统超声阵列，所述超声阵列包括相互连接并排布成阵列的多个阵元，所述阵元包括微型超声换能器和多层复合膜；所述多层复合膜包括放置所述微型超声换能器的岛区域和连接相邻所述岛区域的连接部；
所述超声阵列基于折纸结构设计，所述超声阵列中的除周边所述阵元之外的每个所述阵元的所述岛区域被多个变形槽包围，相邻的所述变形槽的延伸方向相交叉，相邻所述阵元的所述岛区域通过将相邻的所述变形槽隔开的所述连接部彼此连接，沿所述超声阵列的面内方向拉伸所述超声阵列时，所述岛区域发生旋转。
在至少一个可能的实施方式中，所述微型超声换能器包括压电层、背衬层、电极层，所述电极层包括顶电极和底电极，所述顶电极在所述压电层的正面延伸并通过所述微型超声换能器的侧面走线而延伸到所述背衬层的背面。
在至少一个可能的实施方式中，所述多层复合膜包括依次层叠设置的第一层绝缘膜、第二层导电金属膜、第三层绝缘膜、第四层导电金属膜和第五层绝缘膜，所述第一层绝缘膜、所述第二层导电金属膜、所述第三层绝缘膜形成有镂空。
所述电极层的所述底电极经由形成于所述第一层绝缘膜的第一镂空、形成于所述第二层导电金属膜的第三镂空、形成于所述第三层绝缘膜的第四镂空与所述第四层导电金属膜接触，所述电极层的所述顶电极经由形成于所述第一层绝缘膜的第二镂空与所述第二层导电金属膜相接触。
在至少一个可能的实施方式中，所述第二层导电金属膜联通同一行所述阵元的所述顶电极；所述第四层导电金属膜联通同一列所述阵元的所述底电极。或者，所述第二层导电金属膜联通同一列所述阵元的所述顶电极；所述第四层导电金属膜联通同一行所述阵元的所述底电极。
在至少一个可能的实施方式中，所述超声阵列能够基于行列寻址方法单独控制所述超声阵列中的任意所述阵元。
在至少一个可能的实施方式中，每个所述阵元均包括方形的所述岛区域和在所述岛区域的四角横向或纵向伸出的所述连接部，同一所述阵元的相邻的所述连接部的延伸方向相垂直。
在至少一个可能的实施方式中，所述超声阵列包括相互连接并排布成阵列的多个基本胞元，每个所述基本胞元均包括相互连接并排布成阵列的四个所述阵元，相邻的所述阵元间隔开间隔s地排布，相邻的所述阵元的相向延伸的所述连接部相连，从而在所述基本胞元中形成一个封闭的长槽和两个朝向所述基本胞元的外侧开放的短槽。
在至少一个可能的实施方式中，所述阵元的岛区域的边长为a，满足：10μm≤a≤1000μm，1/5≤s/a≤1/3。
在至少一个可能的实施方式中，所述连接部的宽度为d，满足：1/10≤d/s≤1/4。
本申请的实施方式还提供一种包含所述柔性可延展微机电系统超声阵列的医用超声诊断设备。
附图说明
图1为根据本申请的一个实施方式的16×16阵列的柔性可延展微机电系统超声阵列的示意图。
图2为根据本申请的一个实施方式的8×8阵列的柔性可延展微机电系统超声阵列的示意图。
图3为根据本申请的一个实施方式的柔性可延展微机电系统超声阵列的基本胞元的示意图。
图4为图3中的柔性可延展微机电系统超声阵列的基本胞元的可延展原理的示意图。
图5为根据本申请的一个实施方式的阵元的结构示意图。
图6A为根据本申请的一个实施方式的微机电系统微型超声换能器的正面朝上的结构示意图。
图6B为图6A中的微机电系统微型超声换能器的反面朝上的结构示意图。
图7A为图6A中的微机电系统微型超声换能器的正视图。
图7B为图6A中的微机电系统微型超声换能器的俯视图。
图7C为图6A中的微机电系统微型超声换能器的仰视图。
图8为根据本申请的一个实施方式的阵元的多层复合膜的结构示意图。
图9为图8中的多层复合膜中的第四层导电金属膜的连接示意图。
图10为图8中的多层复合膜中的第二层导电金属膜的连接示意图。
图11为根据本申请的一个实施方式的超声阵列的底电极列联通的示意图。
图12为根据本申请的一个实施方式的超声阵列的顶电极行联通的示意图。
附图标记说明
100 16×16阵列的柔性可延展微机电系统超声阵列
200 8×8阵列的柔性可延展微机电系统超声阵列
300 基本胞元
310、320、330、340 岛区域
311、312、313、314、321、322、323、324、331、332、333、334、341、342、343、344 连接部
350、360、370 变形槽
1 微型超声换能器
2 多层复合膜
11 压电层
12 背衬层
13 电极层
131 顶电极
132 底电极
21 多层复合膜的第一层绝缘膜
22 多层复合膜的第二层导电金属膜
23 多层复合膜的第三层绝缘膜
24 多层复合膜的第四层导电金属膜
25 多层复合膜的第五层绝缘膜
211 第一镂空
212 第二镂空
221 第三镂空
231 第四镂空
具体实施方式
为了更加清楚的阐述本申请的上述目的、特征和优点，下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。
本申请的实施方式提供一种柔性可延展MEMS超声阵列(下面，有时简称“超声阵列”)。
如图1、图2、图3所示，该超声阵列由若干基本胞元300组成；如图3所示，基本胞元300可以由四个阵元组成。
示例性的，如图1和图2所示，该超声阵列可以为16×16阵元的超声阵列100或8×8阵元的超声阵列200的形式。在实际应用中，阵元数量可以任意扩展。
优选的，对该基本胞元300进行行列任意拓展复制设计，可以实现任意偶数行偶数列的超声阵列设计。阵列的形式优选为方阵形式，即阵元行数和列数相同。
如图3、图5所示，阵元可以由微型超声换能器1和多层复合膜2组成，其中放置微型超声换能器1的复合膜区域称为岛区域310、320、330、340，复合膜四角连接相邻岛区域310、320、330、340横向或纵向伸出的部分称为连接部311、312、313、314、321、322、323、324、331、332、333、334、341、342、343、344。同一阵元的相邻的连接部311、312、313、314，321、322、323、324，331、332、333、334，341、342、343、344的延伸方向可以相互垂直。
如图1至图3所示，每个基本胞元300可以包括相互连接并排布成阵列的四个阵元，相邻的阵元间隔开间隔s地排布。超声阵列中的除周边阵元之外的每个阵元的岛区域310、320、330、340被多个变形槽350、360、370包围。相邻的变形槽350、360、370的延伸方向相交叉，特别是相垂直。相邻阵元的岛区域310、320、330、340通过将相邻的变形槽350、360、370隔开的连接部311、312、313、314、321、322、323、324、331、332、333、334、341、342、343、344彼此连接。相邻的阵元的相向延伸的连接部相连，例如图3中的连接部313、324相连，连接部331、342相连，从而在基本胞元300中形成一个封闭的长槽370和两个朝向基本胞元300的外侧开放的短槽350、360。
在超声阵列中，除周边阵元之外，相邻的基本胞元300的两个短槽350、360合成一个封闭的长槽。一个阵元的岛区域周围有四个长槽(或者说四个长槽的各一半)，一个阵元的四角有四个连接部，各连接部夹在相邻且交叉延伸(特别是相垂直地延伸)的两个长槽之间。
如图1至图4所示，基本胞元300基于折纸结构设计，在基本胞元300沿面内方向被拉伸(图4中为沿横向被拉伸)时，岛区域310、320、330、340会进行旋转，变形槽350、360、370发生变形，进而释放整体的变形，而在岛区域310、320、330、340内部不会(包括基本不会)有应变。这种结构发生拉伸变形时，岛区域310、320、330、340内有应变隔离效果，这使得超声阵列系统结构在拉伸变形的同时可以保证微型超声换能器1不发生拉伸破坏，进而保证系统的超声波收发功能不受影响。
折纸结构的几何尺寸设定会影响器件延展性。在基本胞元300中，如图3所示，阵元的岛区域310、320、330、340的边长为a，连接部311、312、313、314、321、322、323、324、331、332、333、334、341、342、343、344的宽度为d，为了实现较好的延展性，结构参数可以满足：10μm≤a≤1000μm，1/5≤s/a≤1/3,1/10≤d/s≤1/4。
进一步的，微型超声换能器1可以由微机加工制备而成，具体的结构示例如图6A和图6B所示。微型超声换能器1可以包括压电层11、背衬层12、电极层13。如图7A、图7B、图7C所示，电极层13包括顶电极131和底电极132，电极层13的顶电极131在压电层11的正面(远离背衬层12的表面)延伸，并且通过微型超声换能器1的侧面走线连接到背衬层12的底部/背面(远离压电层11的表面)部分区域，使得顶电极131和底电极132都能在背衬层12或者说微型超声换能器1的底部/背面实现单面集成。
具体的，压电层11的功能是，通过声电激励来产生振动，激发超声波和接收超声波；背衬层12的作用是，使得阵元接收超声波的余振信号尽快衰减；电极层13的作用是，接收电信号，在阵元顶部和底部之间施加电压场。
优选的，压电层11的材料可以是氮化铝(AIN)、锆钛酸铅(PZT)、1-3复合压电等压电材料；背衬层12的材料可以是钨粉、氧化石墨烯、环氧树脂等的复合物；电极层13的材料可以是金属金/铬(Au/Cr)、铜(Cu)等。
进一步的，如图8所示，阵元的多层复合膜2可以由5层薄膜结构组成，第一层、第三层和第五层为绝缘膜；第二层和第四层为导电金属膜，主要作用是传导电信号。
具体的，如图8所示，第一层绝缘膜21、第二层导电金属膜22和第三层绝缘膜23上有镂空部分，以便于电极层13的顶电极131与底电极132分别与第二层导电金属膜22和第四层导电金属膜24相接触。
示例性的，第一层绝缘膜21可以具有相隔开的第一镂空211和第二镂空212。第二层导电金属膜22可以具有第三镂空221。第三层绝缘膜23可以具有第四镂空231。
电极层13的顶电极131可以经由第一层绝缘膜21的第二镂空212与第二层导电金属膜22相接触，同时，顶电极131和第二层导电金属膜22被第三层绝缘膜23遮挡而不会与第四层导电金属膜24接触。第二层导电金属膜22的联通结构可以如图10所示，第二层导电金属膜22可以联通同一行阵元的顶电极131，实现一行阵元的顶电极131之间的行联通。超声阵列的顶电极131行联通的示意图如图12所示。
电极层13的底电极132可以经由第一层绝缘膜21的第一镂空211、第二层导电金属膜22的第三镂空221、第三层绝缘膜23的第四镂空231与第四层导电金属膜24相接触。由于第二层导电金属膜22的第三镂空221的形成及第一层绝缘膜21的遮挡，底电极132不会与第二层导电金属膜22接触。第四层导电金属膜24的联通结构可以如图9所示，第四层导电金属膜24可以联通同一列阵元的底电极132，实现一列阵元的底电极132之间的列联通。超声阵列的底电极列联通的示意图如图11所示。
参照图8和图3，各绝缘膜除了镂空结构之外可以具有与图3所示的阵元类似的结构，即，包括岛区域和四个连接部。导电金属膜也可以具有岛区域和连接部，只是可以仅具有两个连接部。可以根据导电金属膜的行联通或列联通方式设置或改变导电金属膜的连接部的位置。
或者，第二层导电金属膜22也可以联通同一列阵元的顶电极131，第四层导电金属膜24也可以联通同一行阵元的底电极132，此时，可以对第二层导电金属膜22和第四层导电金属膜24的连接部作出改变。
优选的，第一层绝缘膜21、第三层绝缘膜23和第五层绝缘膜25的材料可以是聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等；第二层导电金属薄膜22和第四层导电金属薄膜24的具体材料可以是金属金/铬(Au/Cr)、铜(Cu)等。
进一步的，通过以上的行列联通方式，可以基于行列寻址方法来单独控制超声阵列中的任意阵元。比如，通过对任一行电极(第i行)的和任一列(第j列)电极的信号连接，即可做到将i行第j列的阵元单独电学引出控制。
优选的，上述控制的可以是施加电激励信号使其激发发射出超声波，或者是阵元接收超声波产生出电信号并通过电学引出被采集电信号。
本实施方式还提出一种包括上述超声阵列的医用超声诊断设备。
下面简单说明本申请的上述实施方式的部分有益效果。
(i)本申请的柔性可延展微机电系统超声阵列，具有柔性和可延展性，有着高度的人体可集成性，可突破超声成像器件在医疗领域应用的限制，例如可以贴附在大曲率生物组织区域来进行检测。
(ii)本申请的柔性可延展微机电系统超声阵列，阵元具有应变隔离岛区域，在柔性变形的情况下，仍能保持超声波收发功能的稳定运行。
(iii)本申请的柔性可延展微机电系统超声阵列，可支持阵元的微型化，在实现柔性的同时，享有微型化、高密度化阵元所带来高超声分辨率优势。
(iv)本申请的柔性可延展微机电系统超声阵列结构设计具有普适性，通过替换使用不同特性的微型超声换能器(比如不同的超声探测深度、灵敏度特性)，可以实现不同的超声应用，具有广泛的应用价值。
可以理解，在本申请中，未特别限定部件或构件的数量时，其数量可以是一个或多个，这里的多个是指两个或更多个。对于附图中示出和/或说明书描述了部件或构件的数量为例如两个、三个、四个等的具体数量的情况，该具体数量通常是示例性的而非限制性的，可以将其理解为多个，即两个或更多个，但是，这不意味着本申请排除了一个的情况。
应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本申请。本领域技术人员可以在本申请的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本申请的范围。

Claims (10)

1.一种柔性可延展微机电系统超声阵列，其特征在于，
所述超声阵列包括相互连接并排布成阵列的多个阵元，所述阵元包括微型超声换能器(1)和多层复合膜(2)；
所述多层复合膜(2)包括放置所述微型超声换能器(1)的岛区域(310、320、330、340)和连接相邻所述岛区域的连接部(311、312、313、314、321、322、323、324、331、332、333、334、341、342、343、344)；
所述超声阵列基于折纸结构设计，所述超声阵列中的除周边所述阵元之外的每个所述阵元的所述岛区域(310、320、330、340)被多个变形槽(350、360、370)包围，相邻的所述变形槽(350、360、370)的延伸方向相交叉，相邻所述阵元的所述岛区域(310、320、330、340)通过将相邻的所述变形槽(350、360、370)隔开的所述连接部(311、312、313、314、321、322、323、324、331、332、333、334、341、342、343、344)彼此连接，沿所述超声阵列的面内方向拉伸所述超声阵列时，所述岛区域(310、320、330、340)发生旋转，所述岛区域内部不会有应变。
2.根据权利要求1所述的柔性可延展微机电系统超声阵列，其特征在于，所述微型超声换能器(1)包括压电层(11)、背衬层(12)、电极层(13)，
所述电极层(13)包括顶电极(131)和底电极(132)，
所述顶电极(131)在所述压电层(11)的正面延伸并通过所述微型超声换能器(1)的侧面走线而延伸到所述背衬层(12)的背面。
3.根据权利要求2所述的柔性可延展微机电系统超声阵列，其特征在于，所述多层复合膜(2)包括依次层叠设置的第一层绝缘膜(21)、第二层导电金属膜(22)、第三层绝缘膜(23)、第四层导电金属膜(24)和第五层绝缘膜(25)，
所述第一层绝缘膜(21)、所述第二层导电金属膜(22)、所述第三层绝缘膜(23)形成有镂空，
所述电极层(13)的所述底电极(132)经由形成于所述第一层绝缘膜(21)的第一镂空(211)、形成于所述第二层导电金属膜(22)的第三镂空(221)、形成于所述第三层绝缘膜(23)的第四镂空(231)与所述第四层导电金属膜(24)接触，所述电极层(13)的所述顶电极(131)经由形成于所述第一层绝缘膜(21)的第二镂空(212)与所述第二层导电金属膜(22)相接触。
4.根据权利要求3所述的柔性可延展微机电系统超声阵列，其特征在于，所述第二层导电金属膜(22)联通同一行所述阵元的所述顶电极(131)；所述第四层导电金属膜(24)联通同一列所述阵元的所述底电极(132)，或者，
所述第二层导电金属膜(22)联通同一列所述阵元的所述顶电极(131)；所述第四层导电金属膜(24)联通同一行所述阵元的所述底电极(132)。
5.根据权利要求4所述的柔性可延展微机电系统超声阵列，其特征在于，所述超声阵列能够基于行列寻址方法单独控制所述超声阵列中的任意所述阵元。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的柔性可延展微机电系统超声阵列，其特征在于，
每个所述阵元均包括方形的所述岛区域(310、320、330、340)和在所述岛区域的四角横向或纵向伸出的所述连接部(311、312、313、314、321、322、323、324、331、332、333、334、341、342、343、344)，同一所述阵元的相邻的所述连接部(311、312、313、314、321、322、323、324、331、332、333、334、341、342、343、344)的延伸方向相垂直。
7.根据权利要求6所述的柔性可延展微机电系统超声阵列，其特征在于，
所述超声阵列包括相互连接并排布成阵列的多个基本胞元(300)，每个所述基本胞元(300)均包括相互连接并排布成阵列的四个所述阵元，相邻的所述阵元间隔开间隔s地排布，相邻的所述阵元的相向延伸的所述连接部(311、312、313、314、321、322、323、324、331、332、333、334、341、342、343、344)相连，从而在所述基本胞元(300)中形成一个封闭的长槽(370)和两个朝向所述基本胞元(300)的外侧开放的短槽(350、360)。
8.根据权利要求7所述的柔性可延展微机电系统超声阵列，其特征在于，
所述阵元的岛区域(310、320、330、340)的边长为a，满足：
10μm≤a≤1000μm，1/5≤s/a≤1/3。
9.根据权利要求7所述的柔性可延展微机电系统超声阵列，其特征在于，
所述连接部(311、312、313、314、321、322、323、324、331、332、333、334、341、342、343、344)的宽度为d，满足：
1/10≤d/s≤1/4。
10.一种医用超声诊断设备，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的柔性可延展微机电系统超声阵列。
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