一种柔性超声阵列的装置和制备方法

技术领域

本发明涉及医学成像技术领域，尤其涉及一种柔性超声阵列的装置和制备方法。

背景技术

随着医学水平的不断提升，迫切需要长期和无创地监测人体的动态信号。但是光学、热学、化学等传感方式在穿透力或空间分辨率方面存在不足，而超声波在穿渗透深度或空间分辨率具有显著的优势。

此外，超声波在人体组织中具有无损非侵入的特点，且与人体组织具有良好的生物相容性。单阵元探测具有一定的局限性，相控阵技术可以使传感器阵列同步化，进行声束调控来提高能量密度。但是目前投入市场使用的相控阵难以完全贴合人体，需要额外的供电设备和导线，并且携带不便。

发明内容

本发明通过提供一种柔性超声阵列的装置和制备方法，解决了现有技术中厚重刚性基底，且装置需要供电设备与导线的问题，实现了完全贴合人体，不需要额外的供电设备与导线，携带便捷。

第一方面，本发明提供了一种柔性超声阵列的装置，该装置包括：

多个电极圆盘；

多个按照阵列形式排布的压电阵元，每个所述压电阵元的正面和反面分别设置一个所述电极圆盘；

多个电极，同一平面上相邻两个所述电极圆盘通过所述电极连接，其中，所述电极可拉伸或可弯折。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述压电阵元和所述电极圆盘通过低温锡膏连接。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述电极圆盘和所述电极为固定连接，所述电极圆盘和所述电极的材料为同一种材料，所述电极圆盘和所述电极的材料包括导电金属，所述导电金属的厚度为20μm～200μm之间，所述电极圆盘大小相同且直径<3mm，所述电极两端之间的直线距离为相邻两个所述电极圆盘之间的距离。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述压电阵元包括：背衬和压电材料，所述压电材料的一面为金和所述背衬，所述背衬通过金与所述压电材料连接，所述电极圆盘通过低温锡膏与所述背衬相连；

所述压电材料的另一面为所述金，所述电极圆盘通过低温锡膏与所述金相连。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，处于阵列边缘的所述电极圆盘通过低温锡膏连接导线。

第二方面，本发明提供了一种柔性超声阵列的装置的制备方法，该方法包括：

利用切割法制备多个压电阵元；

利用激光刻蚀法制备多个电极圆盘和多个电极；

利用粘连法以及框架法将所述多个压电阵元与所述多个电极圆盘进行粘连，其中，所述多个压电阵元按照阵列形式排布，每个所述压电阵元的正面和反面分别设置一个所述电极圆盘，同一平面上相邻两个所述电极圆盘通过所述电极连接；

采用PMDS对多个粘连后的所述压电阵元和所述电极圆盘进行封装，得到柔性超声阵列装置。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述利用切割法制备多个压电阵元，具体包括：

对压电材料进行研磨；

对所述压电材料进行镀金；

将背衬均匀涂抹在所述压电材料的任意一面，并做离心处理；

等待所述背衬完全固化，将固化后的所述背衬的厚度研磨至0.8mm～1.2mm，得到处理后的压电材料；

利用切割法对所述处理后的压电材料进行切割，得到多个所述压电阵元。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述利用激光刻蚀法制备多个电极圆盘和多个电极，具体包括：

利用激光对厚度为20μm～200μm的导电金属进行刻蚀，得到所述多个电极圆盘和所述多个电极。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述利用粘连法以及框架法将所述多个压电阵元与所述多个电极圆盘进行粘连，具体包括：

利用框架法预先制定好模板，所述模板上的空位之间的间距与所述阵列间距相同；

将所述多个压电阵元放置在所述空位上，移除所述模板；

用柔性固化剂对所述多个压电阵元进行浇灌，并等待固化，得到固化后的多个压电阵元；

将低温锡膏涂抹在所述多个电极圆盘的任意一面上，所述低温锡膏的厚度为10μm～30μm，所述低温锡膏的大小为所述电极圆盘面积的

分别将所述多个电极圆盘与固化后的多个压电阵元的任意一面通过所述低温锡膏在固定温度下进行粘连；

将所述固化后的多个压电阵元的另一面也通过所述低温锡膏与所述电极圆盘进行粘连。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述采用PMDS对多个粘连后的所述压电阵元和所述电极圆盘进行封装，得到柔性超声阵列装置，具体包括：

利用PMDS将多个粘连后的所述压电阵元和所述电极圆盘浇灌至固定厚度；

等待固化，确定所述多个粘连后的所述压电阵元和所述电极圆盘完全固化，得到柔性超声阵列装置。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明通过采用了一种柔性超声阵列的装置及制备方法，该装置包括：多个电极圆盘；多个按照阵列形式排布的压电阵元，每个压电阵元的正面和反面分别设置一个电极圆盘；压电阵元能够的发射和接收信号，并对振动产生的向后传播的声波进行吸收，防止声能反射过来再传给压电元件造成干扰，减少了杂波；多个电极，同一平面上相邻两个电极圆盘通过电极连接，其中，电极可拉伸或可弯折，电极能够更好的适应待测物体的弯曲表面，且体积小质量轻；解决了现有技术中厚重刚性基底，需要供电设备与导线的问题，实现了能够进行高精度、非侵入式检测，且完全贴合人体，不需要额外的供电设备与导线，携带便捷。

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，下面将对本发明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为本发明实施例提供的柔性超声阵列的装置的正视图；

图2为本发明实施例提供的柔性超声阵列的装置的左视图；

图3为本发明实施例提供的柔性超声阵列脉冲回波测试图。

附图标记：10-电极圆盘；11-压电阵元；12-电极；20-压电材料；21-低温锡膏；22-背衬；23-金。

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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

相控阵是根据声波叠加原理，通过控制阵元的激励信号相位时延来完成波束偏转和聚焦。其中，偏转的原理为当行方向与列方向上各阵元分别按固定的延时时间被激励，即相邻的阵元产生的信号分别在x轴和y轴两个方向上存在固定的相位差。则空间中产生的超声波束在行和列方向上均会发生偏转；聚焦的原理是各阵元按照激励时间延迟发射超声波，使得合成的波阵面为凹球面，在空间中形成聚焦点，相位相同叠加，从而使声场增强。

根据相控阵的设计参数，如阵列排列结构、阵元宽度、阵元长度、阵元间隙、阵元个数、工作频率等确定声场空间分布。

根据惠更斯原理，利用亥姆霍兹—基尔霍夫积分定理来计算不同阵列探头的声场空间分布即将阵元的有效辐射面看作是无数点声源微元的组合，声场中某一点是辐射面上所有点源在该点产生的声压叠加的结果。

该阵元在场点处产生的总声压表示为：

超声阵列由多个相互独立的压电晶片在空间按一定方式排列组成一个阵列，每个晶片称为一个阵元。当各阵元以同一频率的信号进行激励时，它们所发出的声波是相干的，这些声波在空间干涉后就形成一特定的指向性或聚焦特性。在原有的超声阵列中引入相控阵，实现阵列同步化，进行声束调控。

一种柔性超声阵列的装置，如图1所示该装置包括：多个电极圆盘10、多个按照阵列形式排布的压电阵元11以及多个电极12。多个电极圆盘10与多个压电阵元11利用低温锡膏21连接，多个压电阵元11与多个电极12采用同一种导电金属刻蚀而来。如图2所示为该装置的左视图。

电极圆盘10和电极12为固定连接，电极圆盘10和电极12的材料为同一种材料，电极圆盘10和电极12的材料包括导电金属，导电金属的厚度为20μm～200μm之间，电极圆盘10大小相同且直径<3mm，电极12两端之间的直线距离为相邻两个电极圆盘10之间的距离。处于阵列边缘的电极圆盘10通过低温锡膏21连接导线，以便与接口相连发射接收信号。本发明实施例提供的低温锡膏21为低温锡膏。

多个按照阵列形式排布的压电阵元11，每个压电阵元11的正面和反面分别设置一个电极圆盘10。压电阵元11和电极圆盘10通过低温锡膏21连接。多个压电阵元11按照超声阵列排布，用于抑制旁瓣，调节多个压电阵元11的距离用于消除栅瓣。在本发明提供的一个具体的实施例中，选择适当的压电阵元11间距来消除栅瓣；增加压电阵元11的个数来抑制旁瓣；通过增加压电阵元11的个数、缩小相邻压电阵元11之间的间距或增大压电阵元11面积大小来实现偏转方向的声压最大化。综上考虑，通过适当选择多个压电阵元11间距，取λ/2左右最佳。增加压电阵元11的个数目实现声压最大化，本发明中取64阵元为佳。

单个压电阵元11穿透深度为3cm～4cm，能精准感知区域情况，但探测范围具有一定的局限性。相控阵技术可以使传感器阵列同步化，基本原理是：阵列中的每个阵元都可以进行发射/接收声波，通过相控阵技术，可以对每个阵元的发射或者接收的超声波信号进行相位延迟的调整，将产生的不同相位的超声波束在空间中进行叠加干涉，具有聚焦和偏转的作用，进而提高目标位置处的能量密度。

压电阵元11包括：背衬22和压电材料20，压电材料20的一面为金23和背衬22，背衬22通过金23与压电材料20连接，电极圆盘10通过低温锡膏21与背衬22相连；压电材料20的另一面为金23，电极圆盘10通过低温锡膏21与所述金23相连。压电阵元11用于紧贴待测物体，进行机械能与电能的相互转换，压电阵元11将超声波发射至待测物体上，且接收从待测物体上返回的超声波信号。改变原有的笨重的刚性基底，采用柔性基底可以更好的贴合皮肤，且能更好的适应人体不同的弯曲表面，体积小重量轻并易于携带，进而可以进行可拉伸可弯折。

多个电极12，同一平面上相邻两个电极圆盘10通过电极12连接，其中，电极12可拉伸或可弯折。本发明电极12提供“桥”，阵元作为“岛”，他们之间相连。当受到外力时，“桥”提供形变，确保阵元不受影响。

本发明还提供一种柔性超声阵列的装置的制备方法，该方法包括以下步骤S101至S105。

S101，利用切割法制备多个压电阵元11。具体包括：

(1)对压电材料20进行研磨；本发明实例中压电材料20使用材料为PZT-5H，将其研磨厚度至1毫米。

(2)对所述压电材料20进行镀金，对研磨好的压电材料20的双面进行镀金。

(3)将背衬22均匀涂抹在压电材料20的任意一面，并做离心处理；具体采用背衬22为E-solder，将E-solder的A和B组分按照10:0.8混合均匀制备成背衬22。

(4)等待背衬22完全固化，等待时间为12h～20h，将固化后的背衬22的厚度研磨至0.8mm～1.2mm，得到处理后的压电材料20。

(5)利用切割法对处理后的压电材料20进行切割，得到多个压电阵元11，其中，切割时使用高精度切割机将处理后的压电材料20切割为3mm*3mm大小的压电阵元11。

S102，利用激光刻蚀法制备多个电极圆盘10和多个电极12。在进行此步骤时，具体包括：利用激光对厚度为20μm～200μm的导电金属进行刻蚀，得到多个电极圆盘10和多个电极12。

S103，利用粘连法以及框架法将多个压电阵元11与多个电极圆盘10进行粘连，其中，多个压电阵元11按照阵列形式排布，每个压电阵元11的正面和反面分别设置一个电极圆盘10，同一平面上相邻两个电极圆盘10通过电极12连接。

在步骤S103中，利用粘连法以及框架法将多个压电阵元11与多个电极圆盘10进行粘连，具体包括以下步骤。

(1)利用框架法预先制定好模板，模板上的空位之间的间距与所述阵列间距相同，具体的保证压电阵元11中心之间距离为4.5mm，压电阵元11之间的间距为1.5mm

(2)将多个压电阵元11放置在空位上，移除模板，具体的，将多个压电阵元11插入预留的空位中。

(3)用柔性固化剂对多个压电阵元11进行浇灌，并等待固化，得到固化后的多个压电阵元11；本发明提供的一种具体的柔性固化剂为PDMS。

(4)将低温锡膏21涂抹在多个电极圆盘10的任意一面上，低温锡膏21的厚度为10μm～30μm，低温锡膏21的大小为电极圆盘10面积的

(5)分别将多个电极圆盘10与固化后的多个压电阵元11的包括背衬22的一面通过低温锡膏21在固定温度下进行粘连。

(6)将固化后的多个压电阵元11的另一面也通过低温锡膏21与电极圆盘10进行粘连。

S104，采用PMDS对多个粘连后的压电阵元11和电极圆盘10进行封装，得到柔性超声阵列装置，在此步骤中，具体包括以下步骤S1041至S1042。

S1041，利用PMDS将多个粘连后的压电阵元11和电极圆盘10浇灌至固定厚度。

(1)用配比在10:1的PDMS将上述进行封装，封装厚度为200μm，固化时间12h-20h。

(2)用配比在10:1的PDMS将上述进行封装，封装厚度为100μm，固化时间12h-20h。

(3)用配比在10:1的PDMS将上述进行封装，封装厚度为50μm，固化，固化时间12h-20h。

S1042，等待固化，确定多个粘连后的压电阵元11和电极圆盘10完全固化，得到柔性超声阵列装置。

对步骤S104中不同的封装厚度制作完成的超声柔性阵列进行脉冲回波测试，测试结果如图3所示，测试结果表明该方法制作的超声阵列可进行高精度、非侵入式、可穿戴人体血管健康检测，且封装厚度越小，声波衰减越小。PMDS用于减小柔性超声阵列的装置与待测物体之间的空隙，减少声波反射和失真，同时保证柔性阵列与人体的良好生物相容性。

在本发明提供的一个具体的实施例中，选取厚度为20μm-200μm铜箔按照预定的图案进行激光刻蚀出电极12与电极圆盘10；采用高精度切割机切割出所需压电阵元11尺寸大小；用框架法固定好压电阵元11之间相对位置。预先定制好8*8个大小为3mm*3mm的镂空方形，每个镂空方形之间的间距是1.5mm。将定制好的框架固定在耐高温粘胶上，往镂空方形中插入上述切割好的压电阵元11。移开框架，注入PDMS进行固化，固化温度在60℃到120℃之间，固化时间在12h到20h之间，使之固化完全，且在保证相对位置不变的条件下具有一定的柔性；用低温锡膏21将电极圆盘10与压电阵元11连接，封装。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在原有的超声阵列中引入相控阵，实现阵列同步化，进行声束调控。改变原有的笨重的刚性基底，采用柔性基底，可以更好的贴合皮肤，更好的适应人体不同弯曲表面，体积小重量轻易携带。该方法可以为柔性超声阵列拓宽思路，进而可以进行可拉伸可弯折，为可进行高精度、非侵入式、可穿戴人体血管健康检测奠定了基础。

本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请技术方案的范围。