CN116475048A - 基于mems超声换能器的超声内窥镜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜及其制备方法，超声内窥镜包括超声换能器，所述超声换能器包括多面体和微机械压电超声换能器阵列，所述微机械压电超声换能器阵列设置于所述多面体的侧壁上。本发明不仅可以在微机械压电超声换能器阵列的频率控制中实现更高的灵活性，还提供一种多面体排布，在实现环形面振成像效果的同时，极大的降低加工难度，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及内窥镜技术领域，尤其是指一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜及其制备方法。
背景技术
超声内窥镜(Endoscopy Ultrasound，EUS)是一种广泛用于人体腔内及附近组织器官疾病检查和治疗的超声诊断系统，由普通电子内镜和高频超声换能器两部分组合而成。目前常用于消化道疾病诊断的是电子环扫型EUS：前部为光学式探头，光学部分可以获得消化道内表面粘膜上的病变特征，360°侧向环扫型超声换能器的扫描区域垂直于管腔四周，可以实现消化道管腔及周围组织器官的超声断层成像。两者相互结合，优势互补，可以提高消化系统疾病诊断和治疗的效率。与CT、MRI、PET等检查手段相比，超声内窥镜检查具有准确率高，无副作用、检查费用低的优点。临床数据表明，超声内窥镜对消化道疾病患者的疾病诊断符合率为3.21％。采用体内超声内窥镜可以获得食管壁的超声断层特征，正确反映上消化道黏膜下以及附近组织器官的病变特征，可以辅助医生进行疾病的诊断以及并制定对应的诊疗方案。
现有的超声内窥镜的超声探头部分主要有以下几种，第一种为单振元超声内窥镜，其通过一个马达驱动旋转实现360°的机械扫描检查，但是这种结构需要考虑微型马达的设计，非常容易影响内窥镜的尺寸和整体性能，另外一种是阵列式，其优势是振元数多，可实现多点成像，整体尺寸小，通过分步在环形面上实现大视角甚至是360°的空间成像，目前使用的制作方法为卷曲法和切割法。卷曲法的工艺流程：首先将匹配层背衬层分别粘在压电材料相应的面上，然后将同轴电缆线粘在压电材料上，随后按照指定参数切割成阵元，最后将切好的阵元环绕在一个铜管上完成环阵探头的制作。这种方法虽然省去了焊接步骤，但是对粘接和切割过程中的精度要求非常高，且在切割过程中要对背衬层、压电材料和匹配层同时实现切割，整体切割厚度增大，切割难度也加大，不易保证所有阵元间的一致性，且卷曲成型过程容易变形。旋转切割法的制作流程：首先制作一个金属管作为整个超声探头的支撑部件，然后依次将背衬层、由压电材料弯曲而成的陶瓷管以及匹配层粘在金属管上，最后用精密切割机完成对阵元的切割。这种方法对加工设备的精度要求高，将压电材料弯曲成陶瓷管的工艺难度大，成品率过低。由于人体消化道尺寸的限制以及对疾病诊断效率的要求，未来超声内窥镜的整体尺寸趋于小型化并设计合理的制作方案提高超声换能器的发射和接收信号的能力。
综合上述内容，目前的电子环扫型超声内窥镜主要面临两方面的问题，第一个是超声微机械压电超声换能器阵列的制备，当前主要通过精密切割机来对压电片进行精密切割的方式实现阵列的制备，这种加工方式不但存在工艺难度大，良率低，受限于刀片的厚度无法实现更小振元的切割，并且很难实现同一阵列不同振元通过改变尺寸实现频率的灵活可控制备。另一个问题就是振元主要通过卷曲或者旋转切割的方式实现环形分步，这种方法的缺点就是加工工艺难度大，良率低，成本高。因此，超声微机械压电超声换能器阵列的精准可控制备在制定完善的电子环扫性超声换能器中是很有必要的。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的问题，提出一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜及其制备方法，其不仅可以在微机械压电超声换能器阵列的频率控制中实现更高的灵活性，还提供一种多面体排布，在实现环形面振成像效果的同时，极大的降低加工难度，降低生产成本。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜，包括超声换能器，所述超声换能器包括多面体和微机械压电超声换能器阵列，所述微机械压电超声换能器阵列设置于所述多面体的侧壁上。
在本发明的一个实施例中，还包括光学模组和控制电路单元，所述光学模组集成于所述超声换能器的前端，所述超声换能器的另一端集成有控制电路单元。
在本发明的一个实施例中，所述微机械压电超声换能器阵列贴合于所述多面体中的侧壁上。
在本发明的一个实施例中，所述微机械压电超声换能器阵列粘附于所述多面体中的侧壁上。
在本发明的一个实施例中，所述多面体具有的侧壁的数量≥3。
在本发明的一个实施例中，所述微机械压电超声换能器阵列的制备方法包括：
提供一SOI晶片衬底；
在所述衬底上制备底电极和压电薄膜，通过光刻和等离子体刻蚀制备振动区压电层结构和底电极结构；
将多余的底电极金属刻蚀掉，通过等离子体刻蚀制备超声换能器的绝缘槽结构，并通过电子束蒸发和光刻图形化制备顶电极结构；
通过等离子体刻蚀对衬底进行背部深硅刻蚀，去除底部二氧化硅，释放振动区膜层结构，得到微机械压电超声换能器阵列，其中氧化层为刻蚀停止层。
此外，本发明还提供一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜制备方法，所述超声换能器包括多面体和微机械压电超声换能器阵列，方法包括：
制备微机械压电超声换能器阵列，将制备得到的微机械压电超声换能器阵列贴合至所述多面体中的侧壁上。
在本发明的一个实施例中，制备微机械压电超声换能器阵列的方法包括：
提供一SOI晶片衬底；
在所述衬底上制备底电极和压电薄膜，通过光刻和等离子体刻蚀制备振动区压电层结构和底电极结构；
将多余的底电极金属刻蚀掉，通过等离子体刻蚀制备超声换能器的绝缘槽结构，并通过电子束蒸发和光刻图形化制备顶电极结构；
通过等离子体刻蚀对衬底进行背部深硅刻蚀，去除底部二氧化硅，释放振动区膜层结构，得到微机械压电超声换能器阵列，其中氧化层为刻蚀停止层。
在本发明的一个实施例中，所述微机械压电超声换能器阵列粘附于所述多面体中的侧壁上。
还有，本发明还提供了一种内窥镜成像系统，包括如上述所述的一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1.本发明提出的一种超声换能器、超声内窥镜及其制备方法、内窥镜成像系统，其通过MEMS微纳加工技术实现压电微机械超声波微机械压电超声换能器阵列的制备，不仅可以实现高精度尺寸控制，加工误差可以控制在2微米，进而实现更高的频率一致性控制，还可以在微机械压电超声换能器阵列的频率控制中实现更高的灵活性，其可以实现同一面振不同区域的振元频率按需定制，实现从定频到变频的转换；
2.本发明提出的一种超声换能器、超声内窥镜及其制备方法、内窥镜成像系统，其提供一种多面体排布，将微机械压电超声换能器阵列分布在多面体结构上，并通过各个面振相控阵扫描和各个扫描面的图像拼接后处理方式实现360°的环形扫描，不但可以实现环形面振的成像效果，还可以极大的降低加工难度，降低生产成本。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种超声内窥镜的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的多面体的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的微机械压电超声换能器阵列的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的微机械压电超声换能器阵列的制备流程示意图。
图5为本发明实施例提供的微机械压电超声换能器阵列的制备示意图。
其中，附图标记说明如下：10、光学模组；20、超声换能器；21、多面体；22、微机械压电超声换能器阵列；30、控制电路单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜及其制备方法，其通过MEMS微纳加工技术实现压电微机械超声波微机械压电超声换能器阵列22的制备，不仅可以实现高精度尺寸控制，加工误差可以控制在2微米，进而实现更高的频率一致性控制，还可以在微机械压电超声换能器阵列22的频率控制中实现更高的灵活性，其可以实现同一面振不同区域的振元频率按需定制，实现从定频到变频的转换；并且提供一种多面体21排布，将微机械压电超声换能器阵列22分布在多面体21结构上，并通过各个面振相控阵扫描和各个扫描面的图像拼接后处理方式实现360°的环形扫描，不但可以实现环形面振的成像效果，还可以极大的降低加工难度，降低生产成本。
本发明实施例的内窥镜成像系统，包括基于MEMS超声换能器的超声内窥镜，超声内窥镜是一种广泛用于人体腔内及附近组织器官疾病检查和治疗的超声诊断系统，超声内窥镜由普通电子内镜和高频超声换能器20两部分组合而成。
以下实施例为了方便说明，以本发明实施例的一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜进行说明。
请参照图1至图3所示，本发明实施例提供了一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜，包括超声换能器20、光学模组10和控制电路单元30，所述光学模组10集成于所述超声换能器20的一端，所述光学模组10用于实现内部组织的光学成像探测，所述超声换能器20的另一端集成有控制电路单元30，所述控制电路单元30用于信号发送与采集处理的作用。其中，所述超声换能器20包括多面体21和微机械压电超声换能器阵列22，所述微机械压电超声换能器阵列22设置于所述多面体21的侧壁上，多面体21结构的设置方便微机械压电超声换能器阵列22的贴合。
请参照图4和图5所示，上述微机械压电超声换能器阵列22基于MEMS加工技术制备，具体地，所述微机械压电超声换能器阵列22的制备方法包括：
步骤S10；提供一SOI晶片衬底；
步骤S20；在所述衬底上制备压电薄膜，通过光刻和等离子体刻蚀制备振动区压电层结构和底电极结构；
步骤S30；将多余的底电极金属刻蚀掉，通过等离子体刻蚀制备超声换能器20的绝缘槽结构，并通过金属沉积和光刻图形化制备顶电极结构；
步骤S40；通过等离子体刻蚀对衬底进行背部深硅刻蚀，去除底部二氧化硅，释放振动区膜层结构，得到微机械压电超声换能器阵列22，其中氧化层为刻蚀停止层。
在上述步骤S20中，可以采用磁控溅射方法在所述衬底上制备压电薄膜，作为优选地，衬底可以采用SOI晶圆。
在上述步骤S30中，通过IBE刻蚀将多余的底电极金属刻蚀掉，并通过等离子体刻蚀制备出相邻压电微机械超声波换能器绝缘槽结构；通过顶电极图形化光刻和电子书蒸发或者磁控溅射方法制备出顶电极结构。
综上所述，本发明在SOI晶圆上通过磁控溅射或者电子书蒸发方式制备出底电极金属结构，通过磁控溅射方式制备出压电薄膜结构，通过光刻和等离子体刻蚀方式制备出压电微机械超声波换能器振动区压电层结构，通过磁控溅射或者电子束蒸发制备出顶电极结构，通过光刻和等离子体深硅刻蚀，制备出压电微机械超声波换能器振动层结构，完成压电微机械超声波微机械压电超声换能器阵列22的制备，将制备好的压电微机械超声波微机械压电超声换能器阵列22贴合到对应的多面体21结构上，实现电路的连接。作为优选地，可以将制备好的压电微机械超声波微机械压电超声换能器阵列22粘附至对应的多面体21结构上。
本发明通过开发基于MEMS技术的压电微机械超声波换能器(PMUT)，来实现超声波微机械压电超声换能器阵列22的精准可控制备，通过这种方式，可实现超声波换能器上下电极及振动结构的一体化制备，并且可通过图形设计，实现振元尺寸的灵活控制，从而可以在同一面阵中实现变频控制，这是通过机械切割方式无法实现的。
进一步地，上述所述多面体21具有的侧壁的数量≥3，通过将微机械压电超声换能器阵列22分布在多面体21结构上(面数≥3)，并通过各个面振相控阵扫描和各个扫描面的图像拼接后处理方式实现360°的环形扫描，这种方式不但可以实现环形面振的成像效果，还可以极大的降低加工难度，降低生产成本，即微机械压电超声换能器阵列22的排布方式为多面体21上平面分步而不是环形的曲面分步这样可极大降低加工难度提升产品良率。
通过本发明，可以很好的解决目前电子环扫型超声内窥镜亟需解决的两大问题，第一是超声波微机械压电超声换能器阵列22的可控制备，相较于传统的精密切割方式，通过MEMS微纳加工技术实现的压电微机械超声波换能器(PMUT)振列不仅可以实现高精度尺寸控制，加工误差可以控制在2微米，进而实现更高的频率一致性控制，还可以在微机械压电超声换能器阵列22的频率控制中实现更高的灵活性，其可以实现同一面振不同区域的振元频率按需定制，实现从定频到变频的转换，具有更大的应用灵活性。另一个问题是制备环形面振需要面临的加工工艺难度高，成本高，稳定性差，一致性差的问题，本发明通过提供一种多面体21排布，并结合每个面振的相控阵扫描技术和图像拼接技术可很好解决环形扫描的问题，并且这种方式可以实现更低加工成本，和更高的加工灵活度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜，其特征在于：包括超声换能器，所述超声换能器包括多面体和微机械压电超声换能器阵列，所述微机械压电超声换能器阵列设置于所述多面体的侧壁上。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜，其特征在于：还包括光学模组和控制电路单元，所述光学模组集成于所述超声换能器的前端，所述超声换能器的另一端集成有控制电路单元。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜，其特征在于：所述微机械压电超声换能器阵列贴合于所述多面体中的侧壁上。
4.根据权利要求3所述的一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜，其特征在于：所述微机械压电超声换能器阵列粘附于所述多面体中的侧壁上。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜，其特征在于：所述多面体具有的侧壁的数量≥3。
6.根据权利要求3所述的一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜，其特征在于：所述微机械压电超声换能器阵列的制备方法包括：
提供一SOI晶片衬底；
在所述衬底上制备底电极和压电薄膜，通过光刻和等离子体刻蚀制备振动区压电层结构和底电极结构；
将多余的底电极金属刻蚀掉，通过等离子体刻蚀制备超声换能器的绝缘槽结构，并通过电子束蒸发和光刻图形化制备顶电极结构；
通过等离子体刻蚀对衬底进行背部深硅刻蚀，去除底部二氧化硅，释放振动区膜层结构，得到微机械压电超声换能器阵列，其中氧化层为刻蚀停止层。
7.一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜制备方法，其特征在于：所述超声换能器包括多面体和微机械压电超声换能器阵列，方法包括：
制备微机械压电超声换能器阵列，将制备得到的微机械压电超声换能器阵列贴合至所述多面体中的侧壁上。
8.根据权利要求7所述的一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜制备方法，其特征在于：制备微机械压电超声换能器阵列的方法包括：
提供一SOI晶片衬底；
在所述衬底上制备底电极和压电薄膜，通过光刻和等离子体刻蚀制备振动区压电层结构和底电极结构；
将多余的底电极金属刻蚀掉，通过等离子体刻蚀制备超声换能器的绝缘槽结构，并通过电子束蒸发和光刻图形化制备顶电极结构；
通过等离子体刻蚀对衬底进行背部深硅刻蚀，去除底部二氧化硅，释放振动区膜层结构，得到微机械压电超声换能器阵列，其中氧化层为刻蚀停止层。
9.根据权利要求7所述的一种基于MEMS超声换能器的超声内窥镜制备方法，其特征在于：所述微机械压电超声换能器阵列粘附于所述多面体中的侧壁上。
10.一种内窥镜成像系统，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述的一种超声内窥镜。
Priority Applications (1)
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| CN202310277457.6A CN116475048A (zh) | 2023-03-21 | 2023-03-21 | 基于mems超声换能器的超声内窥镜及其制备方法 |
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