CN115414066A - 微型人体骨骼透射式pzt超声阵列传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器及制备方法，包含柔性基底和多个传感器单元，每个传感器单元包括PZT压电陶瓷敏感阵元、顶部电极、柔性底部电极、匹配层、背衬层和传感器单元封装外壳；PZT压电陶瓷敏感阵元上铺设有顶部电极，顶部电极上方设置有匹配层，匹配层用于声阻抗的匹配；柔性底部电极下方设置有背衬层；背衬层用于吸收PZT压电陶瓷敏感阵元背向的声能，减少声场的干扰；传感器单元封装外壳用于将组成传感器的各部件封装在一起，构成一个独立的传感器单元。本发明中的超声传感器整体结构柔性，可与人体皮肤表面良好贴合，特制封装外壳使各传感器单元位置可调。

Description

微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及超声传感器领域，尤其涉及一种微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器及制备方法，主要用于人体骨骼的超声波透射检测与评价领域。

背景技术

超声波检测是医学检测当中一种重要的检测手段，因超声检测具有无损、无电离辐射等特点，因此被广泛应用于医学检测领域。在医学超声检测中，传统结构的超声传感器逐渐无法满足日益复杂的检测需求。近年来，随着穿戴式电子设备、超声阵列传感器、微机械加工技术的快速发展，使得医用超声传感器向着微型化、阵列化、柔性化的方向发展，在适应人体皮肤柔软特性的同时，大大缩小了传感器体积、提升了超声阵列传感器的集成度，可以应对更加复杂的检测场景，获取更加丰富的人体信息，微机械加工技术的发展也使得传感器电极形式更加多样化，柔性可拉伸电极，可植入式电极日益增多。

目前，应用于人体骨骼透射检测的超声传感器仍基本采用收发分离式的双探头，由于采用传统的传感器形式，所以在实际人体检测当中仍存在诸多缺陷，如传感器数量少导致获取信息量匮乏、检测仪器体积庞大、传感器的检测部位单一且难以进行位置微调、刚性结构与人体表面的贴合效果差从而易受空气影响造成测量误差增大、刚性结构不可拉伸限制了检测区域范围。

发明内容

为了现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器及制备方法。超声阵列传感器采用局部刚性，整体结构柔性的设计思路，与人体皮肤表面具有良好的贴合效果；在实现对人体骨骼透射检测的基础上，改进了传统检测仪器使用单传感器或双传感器在人体检测当中的检测范围局限性；本发明的超声阵列传感器采用PZT-5H压电陶瓷作为传感器的敏感单元，并封装于特制的封装外壳当中，可以实现传感器单元的位置调节，可适用于更加复杂的检测场景，可从多角度对被测目标进行检测，其阵列形式可以获取更加丰富的被测目标信息。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器，包括柔性基底和多个传感器单元，每个传感器单元包括PZT压电陶瓷敏感阵元、顶部电极、底部电极、匹配层、背衬层和传感器单元封装外壳；

所述传感器单元地线通过底部电极连接在一起，形成共性地线；所述传感器单元之间通过蛇形电极结构进行电气连接，可提供周向拉伸冗余度，蛇形电极结构可从传感器单元封装外壳的底部电极引出槽引出，从而连接各个传感器单元；

所述PZT压电陶瓷敏感阵元采用PZT-5H材料，上下表面镀有银质表层电极，用于超声波的产生和接收，为超声阵列传感器的敏感单元；所述PZT压电陶瓷敏感阵元上表面铺设有方形镂空形式的顶部电极，顶部电极采用导电铜箔，用于传感器单元信号线的引出，顶部电极上方设置有匹配层，所述匹配层用于声阻抗的匹配；

所述柔性基底用于安置传感器单元，并可根据被测对象形状变化而变化，以增强传感器与皮肤的贴合程度；

所述柔性底部电极采用导电铜箔，用于传感器单元地线的引出；柔性底部电极下方设置有背衬层；所述背衬层用于吸收PZT压电陶瓷敏感阵元背向的声能，减少声场的干扰；

所述传感器单元封装外壳设置有柔性基底的插槽、底部电极引出槽、顶部电极引出槽，用于将组成传感器的各部件封装在一起，构成一个独立的传感器单元。

进一步地，上述传感器单元结构和性能参数相同，均可工作于收发模式，每个传感器单元均可作为发射超声波的发射单元，或接收透射超声波的接收单元。

进一步地，上述传感器单元信号线均为独立的信号线，以保证发射和接收的独立性。

进一步地，上述传感器单元安装于柔性基底插槽上，柔性基底中心采用矩形镂空设计，可增强透入人体声场强度，镂空矩形的长边可与传感器单元封装外壳进行键合，可嵌入柔性基底，实现传感器单元的位置可调。

进一步地，上述底部电极各方形电极单元与蛇形电极结构之间采用梯形电极过渡结构，从而增强柔性底部电极的拉伸能力，有效防止电极断裂；

进一步地，上述PZT压电陶瓷敏感阵元与柔性底部电极的方形电极单元之间采用导电银浆进行粘合固定；

进一步地，上述顶部电极与PZT压电陶瓷敏感阵元之间采用导电银胶进行粘合固定；

本发明还提供一种微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器制备方法，包含如下步骤：

S1：对传感器单元封装外壳进行3D建模并应用3D打印技术进行加工制作；

S2：固定传感器单元封装外壳在工作台平面上，将调配好的背衬混合材料均匀浇筑在传感器单元封装外壳中；

S3：将柔性底部电极铺设在背衬材料上，并将蛇形电极结构从封装外壳侧面设置的“底部电极引出槽”引出；

S4：在柔性底部电极的方形电极单元上均匀施加向下应力，使底部电极与背衬材料粘接在一起，排出其间空气，并保持电极表面平整；

S5：等待背衬材料固化后，在柔性底部电极的方形电极单元上方均匀旋涂导电银浆，并将PZT压电陶瓷敏感阵元平稳放置在导电银浆上，在PZT压电陶瓷敏感阵元上均匀施加一向下应力，等待导电银浆固化，使PZT压电陶瓷敏感阵元下表面与柔性底部电极的方形电极单元粘接在一起；

S6：在PZT压电陶瓷敏感阵元上表面均匀旋涂导电银浆，铺设顶部电极，在顶部电极上施加一均匀向下的应力，使PZT压电陶瓷敏感阵元上表面与顶部电极粘接在一起，排出其间空气并保持顶部电极平整；

S7：等待导电银浆固化后，将调配好的匹配层混合材料均匀浇注在顶部电极上，匹配层可根据实际情况设置单层或多层，等待匹配层固化后，去除多余的匹配层材料并保证匹配层表面平整度。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的局部刚性，整体结构柔性的超声阵列传感器，相对于目前应用于人体骨骼透射检测的传统传感器形式来说，提升了传感器整体结构的灵活性，与人体皮肤表面具有良好的贴合效果，有效减少了空气对实际检测的干扰。

(2)本发明提供的特制传感器单元封装外壳，可与柔性基底进行键合，并实现传感器单元的位置调节，可从多方位，多角度对被测对象进行检测；传感器单元封装外壳的电极引出槽可引出电极并连接多个传感器单元构成阵列结构。

(3)本发明提供的底部电极结构可提升传感器单元间的拉伸能力，从而覆盖更大的检测表面，扩大检测范围。

(4)本发明提供的匹配层可有效实现压电陶瓷敏感阵元与被测人体部位之间的声阻抗匹配，背衬层可以有效吸收压电陶瓷背向的声能，减少声场的干扰。

附图说明

图1为本发明微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器整体结构示意图；

图2为本发明超声阵列传感器部件结构示意图；

图3为本发明传感器单元封装外壳示意图；

图4为本发明中柔性基底与传感器单元封装单元外壳键合示意图；

图5为本发明中底部可拉伸柔性电极及梯形电极过渡结构示意图；

图6为本发明顶部电极结构示意图；

图7为本发明传感器单元制作流程示意图；

图8为本发明实施例中人体足跟部检测示意图；

图9为本发明实施例中实测人体足跟时接收端接收信号波形图。

其中，1表示柔性基底；2表示柔性可拉伸底部电极；3表示镂空式顶部电极；4表示传感器单元封装外壳；5表示匹配层；6表示背衬层；7表示PZT压电陶瓷；8表示传感器单元；9表示人体足跟；201表示方形电极单元；202表示蛇形电极结构；203表示梯形电极过渡结构；204表示底部电极引出端；301表示顶部电极引出端；302表示方形镂空槽；401表示柔性基底插槽；402表示底部电极引出槽；403表示顶部电极引出槽。

具体实施方式

以下将结合附图和制作流程对本发明做进一步详细描述。

如图1和图2所示，图1是一种微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器整体结构示意图，其中图1(a)为顶部轴测图，图1(b)为底部轴测图；图2呈现了该传感器的各个部件结构。本发明为一种微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器，包括柔性基底和多个传感器单元，每个传感器单元包括PZT压电陶瓷敏感阵元、顶部电极、底部电极、匹配层、背衬层和传感器单元封装外壳；

所述传感器单元地线通过柔性底部电极连接在一起，形成共性地线；所述传感器单元之间通过柔性底部电极的蛇形电极结构进行电气连接，可提供周向拉伸冗余度，蛇形电极结构可从传感器单元封装外壳的底部电极引出槽引出，从而连接各个传感器单元；

所述PZT压电陶瓷敏感阵元采用PZT-5H材料，上下表面镀有银质表层电极，用于超声波的产生和接收，为超声阵列传感器的敏感单元；所述PZT压电陶瓷敏感阵元上表面铺设有方形镂空形式的顶部电极，顶部电极采用导电铜箔，用于传感器单元信号线的引出，顶部电极上方设置有匹配层，所述匹配层用于声阻抗的匹配；

所述柔性基底用于安置传感器单元，并可根据被测对象形状变化而变化，以增强传感器与皮肤的贴合程度；

所述柔性底部电极采用导电铜箔，用于传感器单元地线的引出；底部电极下方设置有背衬层；所述背衬层用于吸收PZT压电陶瓷敏感阵元背向的声能，减少声场的干扰；

所述传感器单元封装外壳设置有柔性基底的插槽、底部电极引出槽、顶部电极引出槽，用于将组成传感器的各部件封装在一起，构成一个独立的传感器单元。

作为本发明的优选实施例，传感器单元结构和性能参数相同，均可工作于收发模式，每个传感器单元均可作为发射超声波的发射单元，或接收透射超声波的接收单元。传感器在检测时采用4发4收的逐次透射模式。

作为本发明的优选实施例，上述传感器单元信号线均为独立的信号线，以保证发射和接收的独立性。

作为本发明的优选实施例，本发明选取矩形PZT压电陶瓷为敏感单元，PZT压电陶瓷采用PZT-5H制成，压电陶瓷的长宽均为6mm，厚度为2mm，谐振频率为1MHz，压电陶瓷工作频率由骨骼衰减特性确定，以保证超声波的有效穿透性。

作为本发明的优选实施例，图1和图2中的部件1为柔性基底，柔性基底可分为左右两个矩形模块，其中央采用矩形镂空设计，各个传感器单元可在镂空槽内进行位置调节，柔性基底左右两模块之间采用同材质的矩形窄带进行连接，从而构成柔性基底整体，柔性基底的主要作用是使传感器整体结构柔性化，实现与被测人体皮肤良好贴合。

作为本发明的优选实施例，图2中的部件5为声阻抗匹配层，声阻抗匹配层设置在顶部电极之上，匹配层材料通过顶部电极中央的方形镂空孔与压电陶瓷敏感元件直接耦合，匹配层主要用于不同物理界面之间的声阻抗匹配，减少界面之间声波能量的反射，匹配层材料以环氧树脂胶为基料，再施加氧化铝粉末和固化剂，形成匹配层。

作为本发明的优选实施例，图2中的部件6为背衬层，背衬层设置在柔性底部电极的下方，背衬层通过对声能的衰减可以减少传感器在工作时背向的声波对声场的干扰，背衬层材料以环氧树脂胶基料，以钨粉、氮化硼粉末和固化剂为填料调配而成，匹配层与背衬层均以浇铸法进行制备。

作为本发明的优选实施例，本发明中的传感器单元封装外壳用于封装图2中压电陶瓷7、背衬层6以及匹配层5，传感器单元封装外壳上设置有专门的柔性基底插槽，可与柔性基底镂空矩形长边进行键合，使得传感器单元可以柔性基底镂空矩形的长边作为轨道进行滑动。传感器单元封装外壳采用树脂材料并应用3D打印技术加工制成。

作为本发明的优选实施例，图3为本发明传感器单元封装外壳示意图；其中401为传感器外壳的柔性基底插槽，402为柔性底部电极引出槽，403为顶部电极引出槽，图4为柔性基底与传感器单元封装外壳键合侧视图，图4中结构1为柔性基底，结构4为传感器单元封装外壳。

作为本发明的优选实施例，图2中的部件2为柔性底部电极，其具体细节可见图5，柔性底部电极的制成材料选取50μm厚的导电铜箔，底部电极共包含8个方形电极单元、蛇形电极连接结构、梯形电极过渡结构、底部电极引出端，分别对应图5(a)中的结构201、结构202、结构203、结构204，其中梯形电极过渡结构的放大图见图5(b)，蛇形电极结构主要用于8个方形电极单元间的电气连接，每个方形电极单元分属于不同的传感器单元，蛇形电极结构可以从传感器单元封装外壳上设置的底部电极引出槽引出。蛇形电极结构大大提升了电极的可拉伸性，梯形电极过渡结构可以有效防止拉伸状态下电极在薄弱处发生断裂，本发明中传感器的8个压电陶瓷敏感元件由导电银浆分别粘接在柔性底部电极的8个方形电极单元上。本发明的传感器共包含8个互不连通的顶部电极，顶部电极的中央采用方形镂空设计，每个顶部电极具备独立的电极引出端，顶部电极的引出端可由传感单元封装外壳上设置的顶部电极引出槽引出。顶部电极的具体形式如图6所示，图6中301为顶部电极引出端，302为电极中央方形镂空孔，顶部电极的制成材料选取50μm厚的导电铜箔，电极与压电陶瓷之间通过导电银浆进行粘合。

参考图7，图7呈现了本发明一种微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器的制作流程，以单个传感器单元为例，传感器的制作方法包含以下步骤，图7中的步骤2～步骤7以传感器单元剖视图进行展示：

步骤1：对传感单元封装外壳进行3D建模并应用3D打印技术进行加工制作；

步骤2：固定传感器封装外壳在工作台平面上，将事先调配好的背衬混合材料均匀浇筑在传感器单元封装外壳中，浇筑厚度由吸声衰减系数设定；

作为本发明的优选实施例，浇筑厚度优选1.5mm。

步骤3：将柔性底部电极铺设在背衬材料上，并将蛇形电极结构从封装外壳侧面的底部电极引出槽引出；

步骤4：在柔性底部电极的方形电极单元上均匀施加一向下应力，使柔性底部电极的方形电极单元与背衬材料粘接在一起，排出其间空气，并保持电极表面平整；

步骤5：等待背衬材料固化后，在柔性底部电极的方形电极单元上方均匀旋涂导电银浆，并将PZT压电陶瓷敏感阵元平稳放置在导电银浆上，在PZT压电陶瓷敏感阵元上均匀施加一向下应力，等待导电银浆固化，使PZT压电陶瓷敏感阵元下表面与柔性底部电极的方形电极单元粘接在一起；

步骤6：在PZT压电陶瓷敏感阵元上表面均匀旋涂导电银浆，铺设顶部电极，在顶部电极上施加一均匀向下的应力，使PZT压电陶瓷敏感阵元上表面与顶部电极粘接在一起，排出其间空气并保持顶部电极平整；

步骤7：等待导电银浆固化后，将事先调配好的匹配层混合材料均匀浇注在顶部电极上，匹配层可根据实际情况设置单层或多层，等待匹配层固化后，切削去除多余的匹配层材料并保证匹配层表面平整度。

作为本发明的优选实施例，下面将结合传感器人体足跟部检测示意图以及人体足跟部位实测所得的超声信号波形图对传感器检测效果进行展示：

图8为对人体足跟部位进行检测的示意图，在检测时，将传感器的两模块分别置于足跟两侧，微调两模块上的传感器单元位置，使得足跟两侧的任意两个传感器单元对齐，以足跟一侧的传感器单元作为发射端，另一侧的传感器单元作为接收端，采用幅值为-80V，脉宽为1μs的尖脉冲信号对发射端的传感器单元进行激发，接收端的传感器单元可以对穿透人体的超声波信号进行接收。

图9为传感器两模块之间插入人体足跟后，在幅值为-80V,脉宽为1μs的尖脉冲信号激励下，接收端传感器单元所接收到的透射超声信号波形。

实施例中的说明仅是针对本发明可行性实施方式的具体展示，并非用以限制本发明的保护范围，在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器，其特征在于，包括柔性基底和多个传感器单元，每个传感器单元包括PZT压电陶瓷敏感阵元、顶部电极、柔性底部电极、匹配层、背衬层和传感器单元封装外壳；所述传感器单元地线通过柔性底部电极连接在一起，形成共性地线；所述传感器单元之间通过蛇形电极结构进行电气连接，可提供周向拉伸冗余度，蛇形电极结构可从传感器单元封装外壳的底部电极引出槽引出，从而连接各个传感器单元；所述PZT压电陶瓷敏感阵元采用PZT-5H材料，上下表面镀有银质表层电极，用于超声波的产生和接收，为超声阵列传感器的敏感单元；所述PZT压电陶瓷敏感阵元上表面铺设有方形镂空形式的顶部电极，顶部电极采用导电铜箔，用于传感器单元信号线的引出，顶部电极上方设置有匹配层，所述匹配层用于声阻抗的匹配；所述柔性基底用于安置传感器单元，并可根据被测对象形状变化而变化，以增强传感器与皮肤的贴合程度；所述柔性底部电极采用导电铜箔，用于传感器单元地线的引出；柔性底部电极下方设置有背衬层；所述背衬层用于吸收PZT压电陶瓷敏感阵元背向的声能，减少声场的干扰；所述传感器单元封装外壳设置有柔性基底的插槽、底部电极引出槽、顶部电极引出槽，用于将组成传感器的各部件封装在一起，构成一个独立的传感器单元。

2.如权利要求1所述的微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器，其特征在于，所述传感器单元结构和性能参数相同，均可工作于收发模式，每个传感器单元均可作为发射超声波的发射单元，或接收透射超声波的接收单元。

3.如权利要求1所述的微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器，其特征在于，所述传感器单元信号线均为独立的信号线，以保证发射和接收的独立性。

4.如权利要求1所述的微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器，其特征在于，所述传感器单元安装于柔性基底插槽上，柔性基底中心采用矩形镂空设计，可增强透入人体声场强度，镂空矩形的长边可与传感器单元封装外壳进行键合，可嵌入柔性基底，实现传感器单元的位置可调。

5.如权利要求1所述的微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器，其特征在于，所述柔性底部电极各方形电极单元与蛇形电极结构之间采用梯形电极过渡结构，从而增强柔性底部电极的拉伸能力，有效防止电极断裂。

6.如权利要求1所述的微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器，其特征在于，所述PZT压电陶瓷敏感阵元与底部电极之间采用导电银浆进行粘合固定。

7.如权利要求1所述的微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器，其特征在于，所述顶部电极与PZT压电陶瓷敏感阵元之间采用导电银浆进行粘合固定。

8.一种微型人体骨骼透射式PZT超声阵列传感器制备方法，其特征在于，包含如下步骤：

S1：对传感单元封装外壳进行3D建模并应用3D打印技术进行加工制作；

S2：固定传感单元封装外壳在工作台平面上，将调配好的背衬混合材料均匀浇筑在传感单元封装外壳中；

S3：将柔性底部电极铺设在背衬材料上，并将蛇形电极结构从封装外壳侧面设置的“底部电极引出”引出；

S4：在柔性底部电极的方形电极单元上均匀施加向下应力，使电极与背衬材料粘接在一起，排出其间空气，并保持电极表面平整；

S5：等待背衬材料固化后，在柔性底部电极的方形电极单元上方均匀旋涂导电银浆，并将PZT压电陶瓷敏感阵元平稳放置在导电银浆上，在PZT压电陶瓷敏感阵元上均匀施加一向下应力，等待导电银浆固化，使PZT压电陶瓷敏感阵元下表面与柔性底部电极的方形电极单元粘接在一起；

S6：在PZT压电陶瓷敏感阵元上表面均匀旋涂导电银浆，铺设顶部电极，在顶部电极上施加一均匀向下的应力，使PZT压电陶瓷敏感阵元上表面与顶部电极粘接在一起，排出其间空气并保持顶部电极平整；

S7：等待导电银浆固化后，将调配好的匹配层混合材料均匀浇注在顶部电极上，匹配层可根据实际情况设置单层或多层，等待匹配层固化后，去除多余的匹配层材料并保证匹配层表面平整度。

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