CN117379714B - 一种均衡发热的换能器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种均衡发热的换能器及制备方法，包括：压电材料层；所述压电材料层为圆柱状，中间开设有通孔，所述通孔内侧设置有支撑结构，通过所述支撑结构使所述压电材料层与外部设备相连接；所述压电材料层表面设置有导电层，所述导电层上设有隔离带，通过所述隔离带使所述导电层分为正极部和负极部，通电后换能器产生均衡振动，沿着径向发射声波，人体组织吸收后升温，可以实现均衡发热。该装置通过支撑结构与外部设备连接，避免消融部位产生较多焊点，具有良好的环形发热效果，激励信号完整的流经整个压电材料层，产生的能量更均匀，在血管内360°同时消融，可实现更好的消融效果；同时优化了组装制作工艺，提升了换能器振动性能。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种均衡发热的换能器及制备方法。
背景技术
高血压是一种临床常见的疾病，肾动脉超声消融是基于压电效应的消融系统，超声换能器在适应频率信号的激发下，基于压电效应产生震动，在换能器径向发出360°超声波声场，超声波会被外部组织吸收，产生热量，实现360°消融。
临床上，现有超声换能器一般直接进行导线焊接，导致在超声换能器的尾端有较厚的焊点，在超声换能器进行工作时，容易导致的换能器发热不均匀的问题，而且普通翻遍电极的设计导致换能器在整个轴向上有约20~30%的区域，未能发生压电效应，消融长度不够，消融效率不高，需要多次调节超声换能器的输送位置，使得未产生病灶处或已消融部分，进行多次或长时间消融，增加患者的临床风险。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种均衡发热的换能器及制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种均衡发热的换能器，包括：
压电材料层；
所述压电材料层为圆柱状，中间开设有通孔，所述通孔内侧设置有支撑结构，通过所述支撑结构使所述压电材料层与外部设备相连接；
所述压电材料层两侧设置有导电层，所述压电材料层上设有隔离带，通过所述隔离带使所述导电层分为正极部和负极部，通电后换能器产生均衡振动，沿着径向发射声波，人体组织吸收后升温，实现均衡发热。
作为上述技术方案的进一步描述：所述支撑结构为支撑柱。
还包括一种均衡发热的换能器，包括：
压电材料层；
所述压电材料层为圆柱状，中间开设有通孔；
所述压电材料层两侧设置有导电层，所述压电材料层上设有隔离带，通过所述隔离带使所述导电层分为正极部和负极部，通电后换能器产生均衡振动，沿着径向发射声波，人体组织吸收后升温，实现均衡发热。
作为上述技术方案的进一步描述：所述正极部位于所述压电材料层的外径面，所述负极部位于所述压电材料层的内径面，形成第一结构或第二结构。
作为上述技术方案的进一步描述：第一结构为所述负极部位于所述压电材料层的内径面，不超过所述压电材料层的端面；
第二结构为所述负极部位于所述压电材料层的内径面及所述压电材料层一侧端面，并向外径面延伸。
作为上述技术方案的进一步描述：所述压电材料层的厚度与直径的比值为2-10之间，所述压电材料层的厚度为0.5-1.5mm。
作为上述技术方案的进一步描述：所述导电层的厚度为10μm-200μm。
作为上述技术方案的进一步描述：所述支撑结构为螺旋形支撑结构或C型支撑结构。
作为上述技术方案的进一步描述：在所述第一结构状态下，所述支撑结构为螺旋形支撑结构。
作为上述技术方案的进一步描述：在所述第二结构状态下，所述支撑结构为C型支撑结构，开口尺寸不大于周长的1/6。
作为上述技术方案的进一步描述：所述第一结构换能器的支撑结构外径略大于所述压电材料层内径，与所述压电材料层内壁过盈配合，弹性卡接在压电材料层内侧，与所述压电材料层径向重叠部分不超过压电材料层总长的1/10。
作为上述技术方案的进一步描述：所述支撑结构位于所述压电材料层外侧部分与导线焊接，作为换能器的一级。
作为上述技术方案的进一步描述：焊接的焊点位置位于支撑结构C型开口位置的180°方向。
还包括一种换能器的制备方法，所述制备方法适用于上述技术方案中任一项所述换能器，包括：
S1：压电材料层通过电场极化、气体极化或热极化后，烧结形成，所述压电材料层的外侧进行预处理，提高表面附着力；
S2：在隔离带内侧涂抹高分子层、粘接胶水或包裹胶带；
S3：通过PVD或CVD在所述压电材料层的外侧沉积形成导电层，所述导电层形成后，去除所述隔离带位置的导电层，将所述隔离带设置在所述压电材料层处，使所述隔离带将所述压电材料层外侧的导电层分为正极部和负极部；
S4：在所述压电材料层内侧安装有支撑结构，通过所述支撑结构与外部设备连接。
作为上述技术方案的进一步描述：所述压电材料层的材料为陶瓷或聚合物复合晶片。
作为上述技术方案的进一步描述：所述导电层的正极部和负极部的材料相同。
作为上述技术方案的进一步描述：支撑结构的材料为镍钛、不锈钢、钛合金。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
1、通过支撑结构与外部设备连接，解决了换能器内腔无法焊接导线的难点，整个换能器轴向均可发生压电效应，具有良好发热长度的同时，环形发热效果良好，激励信号完整的流经整个压电材料层，产生的能量更均匀，可实现更好的消融效果，在血管内360°同时消融，加工难度小，制作成本低。
附图说明
图1为本发明提出的换能器的结构示意图一；
图2为本发明提出的换能器的结构示意图二；
图3为本发明中换能器第一结构波浪形隔离带的示意图；
图4为本发明中换能器第一结构正弦形隔离带的示意图；
图5为本发明中换能器第一结构的支撑结构的示意图；
图6为本发明中换能器第二结构的C型支撑柱的示意图；
图7为本发明中换能器第二结构的C型支撑柱焊接示意图；
图8为本发明中换能器第二结构的C型支撑住换能器立体图；
图9为本发明中不同重叠尺寸换能器四周方向的声功率的对比示意图；
图10为本发明中支撑结构不同开口尺寸换能器四周方向的声功率的对比示意图；
图11为本发明中换能器的制备方法流程图。
图例说明：
1、压电材料层；2、支撑结构；3、导电层；31、正极部；32、负极部；4、隔离带；5、重叠尺寸为换能器总长的1/20的结构的四周方向的声功率；6、重叠尺寸为换能器总长的1/5的结构的四周方向的声功率；7、支撑结构2开口尺寸为周长的1/10的结构四周方向的声功率；8、开口尺寸为周长的1/5的结构的四周方向的声功率。
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。
本发明提供的一种实施例：一种均衡发热的换能器，包括：压电材料层1；压电材料层1为圆柱状，中间开设有通孔，通孔内侧设置有支撑结构2，通过支撑结构2使压电材料层1与外部设备相连接；压电材料层1表面设置有导电层3，导电层3上设有隔离带4，通过隔离带4使导电层3分为正极部31和负极部32，通电后换能器产生均衡振动，沿着径向发射声波，人体组织吸收后升温，实现均衡发热。
在本实施例中，压电材料层1为圆柱状，中间开设有通孔，也可根据需要设置为管状结构、方管状结构、橄榄球状结构等，在压电材料层1的内侧和外侧制备有导电层3，通过导电层3控制压电材料层1进行震动，实现电-声转换，在压电材料层1的内侧设有支撑结构2，可以与外部设备相连接，如高分子管、金属管等，保证换能器固定的同时，不限制换能器径向，特别是径向向内的震动，从而更好的实现换能器的均衡发热。
隔离带4设置在压电材料层1的外侧，将导电层3分成正极部31和负极部32，保证经导线传输来的激励信号经由完整的导电层3。隔离带4一般可选择聚四氟乙烯等高分子材料或陶瓷材料组成，优选的，隔离带4通可通过在附着导电层3之间，在压电材料层1涂抹胶水或预设高分子层的方式，防止导电层3在隔离带4处附着，同时利用陶瓷本身的绝缘性能进行正负极之间的隔离。
在本实施例中，隔离带4可针对不同的换能器结构，可制作为矩形、半圆形或正弦环绕设计等。
正极部31位于压电材料层1的外径面，负极部32位于压电材料层1的内径面，形成第一结构或第二结构。
在本实施例中，导电层3位于压电材料层1的外表面，通过隔离带4分开，正极部31和负极部32连接不同的导线，在进行消融作业时，分别与输入电压连接，接收激励信号控制压电材料层1进行震动。
第一结构为负极部32位于压电材料层1的内径面及压电材料层1一侧端面，并向外径面延伸。
第二结构为负极部32位于压电材料层1的内径面，不超过压电材料层1的端面；
在本实施例中，通过对负极部32的制备，使换能器具有两种不同的结构，当负极部32位于压电材料层1的内径面，正极部31位于压电材料层1的外径面时，正极部31与负极部32之间无接触，压电材料层1的两侧端面不设置导电层3，通过压电材料层1自身的材料性能进行隔离；
参照图5，当负极部32通过压电材料层1圆柱底面延伸到外径面一部分，用于负极部32与导线的连接，可通过设置隔离带4将正极部31与负极部32进行分隔，形成本实施例中换能器的第一结构；
参照图7，负极部32位于压电材料层1的内径面，不超过压电材料层1的端面；C型支撑结构2通过弹性卡在换能器内壁，支撑结构外露部分用于导线与换能器负极部的连接，形成本实施例中换能器的第二结构；
支撑结构2的材料为镍钛、不锈钢、钛合金。
在第一结构的实施例中，支撑结构2采用镍钛，具有更好的弹性，对换能器振动的影响更小，更利于换能器的均衡发热，支撑结构2优选螺旋形支撑柱，可为换能器提供内部支撑，方便换能器固定。螺旋形支撑柱的壁上可打孔，保证支撑力的同时减小支撑柱的重量，利于换能器的均匀发热。螺旋形支撑柱可根据换能器需求进行打孔，减小内部与换能器的接触面积，提高换能器的发热效率。
在第二结构的实施例中，支撑结构2采用镍钛，具有更好的弹性，对换能器振动的影响更小，更利于换能器的均衡发热，支撑结构2的C型支撑柱设计的外径略大于压电材料层1内侧负极部32的内径，可在外力作用下，缩小外径，使支撑结构2缩小外径后，可插入压电材料层1通孔处，基于自身弹性回弹，固定于压电材料层1的内壁。
C型支撑结构2需控制径向上与换能器内壁的重叠尺寸，优选的，该重叠尺寸小于换能器总长的1/10。
图9表示了重叠尺寸为换能器总长的1/20的结构的四周方向的声功率5与重叠尺寸为换能器总长的1/5的结构的四周方向的声功率6的对比情况，声功率代表换能器圆周向的发热情况。结果表明，更小的重叠尺寸可以带来更均匀的四周发热和更高的声功率。
图7表示的C型支撑结构2与换能器的具体连接方式，外露部分与导线直接焊接，作为换能器的一级。焊点焊接位置位于支撑柱C开口位置的180°方向，保证换能器发热的均匀性。另一极通过导电胶或焊接等方式固定于换能器外径面。
C型支撑结构2开口尺寸需小于周长的1/6，即开口角度小于30°，保证导电层3的负极部32电位更加均匀。
图10表示支撑结构2开口尺寸为周长的1/10的结构四周方向的声功率7与开口尺寸为周长的1/5的结构的四周方向的声功率8的对比情况，声功率代表换能器周向的发热情况。结果表明，支撑结构2更小的开口尺寸可以带来更均匀的四周发热。
在所有实施例中，压电材料层1的厚度与直径的比值为2-10之间，压电材料层1的厚度为0.5-1.5mm。在本实施例中，压电材料层厚度范围为0.5-1.5mm之间，压电材料层的直径为1-4mm，当直径和厚度比值在3-6之间时，发热效率更高。
导电层3的厚度为10μm-200μm。在本实施例中，具有更好的导电性能的同时，不影响压电材料层的震动效果，提高能量转换效率，进一步的，导电层3的厚度为20μm-50μm，此尺寸的导电材料层具有更好的导电性能，过厚的导电材料层会影响压电材料层的震动效果，降低能量转换效率。
支撑结构2为支撑柱。在本实施例中，支撑柱为螺旋状支撑柱或C型支撑柱，保证径向支撑固定的同时，减少与压电材料层1内侧的接触面积，同时更精准的尺寸设计，尽可能保持换能器原有的谐振点，从而更好的保持换能器更佳的电-声转换效率等参数。
参照图11，本发明还提供一种换能器的制备方法的实施例，制备方法适用于上述技术方案中任一项换能器，包括：
S1：压电材料层1通过电场极化、气体极化或热极化后，烧结形成，压电材料层1的外侧进行预处理，提高表面附着力；
S2：在隔离带4内侧涂抹高分子层、粘接胶水或包裹胶带；
S3：通过PVD或CVD在压电材料层1的外侧沉积形成导电层3，导电层3形成后，去除隔离带4位置的导电层3，将隔离带4设置在压电材料层1处，使隔离带4将压电材料层1外侧的导电层3分为正极部31和负极部32；
S4：在压电材料层1内侧安装有支撑结构2，通过支撑结构2与外部设备连接。
在本实施例中，压电材料层1是由陶瓷/聚合物复合晶片极化后，烧结制作而成中空结构，在压电材料层1烧结完成后，对表面进行预处理通过电化学、物理喷砂工艺、等离子处理等方式，提高表面粗糙度，从而增加与导电层3的附着效果，优选为通过等离子处理等方式，提高表面粗糙度的同时，减少对压电材料层1的损伤，防止压电材料层1的谐振、反谐振频率发生大的波动，等离子处理后可增加与导电层3的附着和导电效果。
在预处理完成后，根据需要确定隔离带4的设置位置，将高分子层、粘接胶水或包裹胶带涂在压电材料层1的两侧端面或外径上，设置隔离带4，导电层3通过PVD（物理气相沉积）或CVD（化学气相沉积）在压电材料层1的外侧沉积形成，优选为PVD（物理气相沉积）的方式，沉积完成后，设有隔离带4的部位向上凸起，通过刻蚀的方式进行去除多余的导电层3，使导电层3分为正极部31和负极部32，二者通过隔离带4进行隔离，激励信号可通过导电层3完整传输到压电材料层1。
在沉积制备导电层3后，将支撑结构2设置在压电材料层1的内侧，与负极部32小间隙配合，通过支撑结构2与外部设备之间进行点焊，焊接位置为C型支撑结构2开口位置180°方向，导电层3与外部设备之间进行点焊，相较于现有的将导电层3与外部设备直接采用环形焊接，焊接面积更小，发热更均匀。
压电材料层1的材料为陶瓷或聚合物复合晶片。
在本实施例中，压电材料层1选用为绝缘材料，在进行制备导电层3时，可防止正极部31和负极部32相连接。
导电层3的正极部31和负极部32的材料相同。
导电层3通常选用导电性能良好且抗氧化能力强的金属材料，在本实施例中，优选为金，有良好的导电性和抗氧化能力。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种均衡发热的换能器，其特征在于，包括：
压电材料层（1）；
所述压电材料层（1）为圆柱状，中间开设有通孔，所述通孔内侧设置有支撑结构（2），通过所述支撑结构（2）使所述压电材料层（1）与外部设备相连接；
所述压电材料层（1）两侧设置有导电层（3），所述压电材料层（1）上设有隔离带（4），通过所述隔离带（4）使所述导电层（3）分为正极部（31）和负极部（32），通电后换能器产生均衡振动，沿着径向发射声波，人体组织吸收后升温，实现均衡发热；
所述支撑结构（2）为支撑柱；
所述支撑结构为螺旋形支撑结构或C型支撑结构；
所述正极部（31）位于所述压电材料层（1）的外径面，所述负极部（32）位于所述压电材料层（1）的内径面，形成第一结构状态或第二结构状态；
第一结构状态为所述负极部（32）位于所述压电材料层（1）的内径面，不超过所述压电材料层（1）的端面；
在所述第一结构状态下，所述支撑结构（2）为螺旋形支撑结构；
第二结构状态为所述负极部（32）位于所述压电材料层（1）的内径面及所述压电材料层（1）一侧端面，并向外径面延伸；
在所述第二结构状态下，所述支撑结构（2）为C型支撑结构，开口尺寸不大于周长的1/6；
所述换能器具有第一结构状态时，其支撑结构（2）外径略大于所述压电材料层（1）内径，与所述压电材料层（1）内壁过盈配合，弹性卡接在压电材料层（1）内侧，与所述压电材料层（1）径向重叠部分不超过压电材料层（1）总长的1/10。
2.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于：所述压电材料层（1）的厚度与直径的比值为2-10之间，所述压电材料层（1）的厚度为0.5-1.5mm。
3.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于：所述导电层（3）的厚度为10μm-200μm。
4.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于：所述支撑结构（2）位于所述压电材料层（1）外侧部分与导线焊接，作为换能器的一级。
5.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于：焊接的焊点位置位于支撑结构（2）C型开口位置的180°方向。
6.一种换能器的制备方法，其特征在于：所述制备方法适用于上述权利要求1-5中任一项所述换能器，包括：
S1：压电材料层（1）通过电场极化、气体极化或热极化后，烧结形成，所述压电材料层（1）的外侧进行预处理，提高表面附着力；
S2：在隔离带（4）内侧涂抹高分子层、粘接胶水或包裹胶带；
S3：通过PVD或CVD在所述压电材料层（1）的外侧沉积形成导电层（3），所述导电层（3）形成后，去除所述隔离带（4）位置的导电层（3），将所述隔离带（4）设置在所述压电材料层（1）处，使所述隔离带（4）将所述压电材料层（1）外侧的导电层（3）分为正极部（31）和负极部（32）；
S4：在所述压电材料层（1）内侧安装有支撑结构（2），通过所述支撑结构（2）与外部设备连接。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述压电材料层（1）的材料为陶瓷或聚合物复合晶片。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述导电层（3）的正极部（31）和负极部（32）的材料相同。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：支撑结构（2）的材料为镍钛、不锈钢、钛合金。
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