柔性超声线阵换能器

本发明涉及柔性传感器领域，尤其涉及一种柔性超声线阵换能器。

背景技术：

1、超声成像技术具有安全直观、适用面广、对软组织鉴别力强、可重复检查、灵活、廉价等优点，已成为当代成像技术的首选。作为超声成像系统的关键组成部件，超声换能器的价格占据整个系统价格的10％～40％。超声换能器的种类很多，其中最为常用的是压电超声换能器，它利用压电材料产生超声波信号和接收回波信号，随后将接收的回波信号进行后端处理最终实现超声成像。压电材料是整个换能器的核心部件，高的机电耦合系数和压电常数以及合适的介电常数和声阻抗是用于超声换能器的压电材料的重要发展方向。锆钛酸铅(pzt)陶瓷由于具有高的压电常数d33、廉价、易于制作等优点，自问世以来一直是制作压电超声换能器的主要材料。但是pzt陶瓷过大的声阻抗和低的机电耦合系数kt限制了其制作的超声换能器性能。将pzt陶瓷制作成压电复合材料代替纯的陶瓷，是提高换能器性能的好方法。与陶瓷相比，压电复合材料具有更高的机电耦合系数，易于调控的声阻抗和介电常数，低的机械品质因数，特别适用于制作高灵敏度、高带宽的换能器。

2、根据阵元数目，换能器可分为单阵元和阵列式换能器。阵列式换能器采用电子扫描的方法获得图像，与单阵元换能器相比，具有高扫描帧率、高扫描精度和动态聚焦能力等优点。目前的换能器一般是刚性结构，在实际应用过程中存在着一些局限性，例如难以对非平面的三维表面进行检测。而柔性超声换能器则可以解决该问题，它可以和复杂表面形成共形接触，具有质量小、外形超薄、可穿戴可植入等优点。

技术实现思路

1、针对现有刚性超声换能器的不足，本发明提出一种柔性超声线阵换能器，所述信号电极柔性电路板可实现各个压电阵元的独立激励，地电极柔性电路板可实现各个压电阵元的共地连接，信号电极柔性电路板、地电极柔性电路板和阵元间隙填充的柔性隔离材料实现了压电层整体的柔性，由此得到的柔性超声线阵换能器具备集成的柔性单元，具有体积小、外形薄、可穿戴、易制备等优点。

2、所述柔性超声线阵换能器包括柔性背衬层、柔性匹配层和介于柔性背衬层与柔性匹配层之间的压电层；所述压电层包括柔性匹配层侧的信号电极柔性电路板、柔性背衬层侧的地电极柔性电路板、介于信号电极柔性电路板和地电极柔性电路板之间的多个压电阵元；所述压电阵元之间配置填充有柔性隔离材料的间隙。

3、较佳地，信号电极柔性电路板配置有独立激励对应压电阵元的多个独立的焊盘和信号电极，地电极柔性电路板配置有使多个压电阵元共地连接的单一焊盘和多个相互连接的地电极。

4、较佳地，每个压电阵元分别具有地电极柔性电路板侧的与地电极柔性电路板的电极区域电性连接的地电极和信号电极柔性电路板侧的与信号电极柔性电路板的电极区域电性连接的信号电极。

5、较佳地，地电极柔性电路板的电极区域和信号电极柔性电路板的电极区域在垂直方向上的投影重合。

6、较佳地，所述压电阵元呈现为沿x方向一维排列的线阵。

7、较佳地，每个压电阵元具有若干个压电陶瓷柱和填充在压电陶瓷柱之间的环氧树脂，压电陶瓷柱在x方向的间距与压电阵元在x方向的间距相同。

8、较佳地，压电阵元的压电材料为锆钛酸铅陶瓷。

9、较佳地，所述柔性隔离材料为聚氨酯或聚二甲基硅氧烷。

10、较佳地，所述柔性匹配层的材料为含有氧化锆粉末的环氧树脂，其中，氧化锆粉末含环氧树脂的质量分数为120-160％。

11、较佳地，所述柔性背衬层的材料为含有钨粉的聚二甲基硅氧烷，其中，钨粉占聚二甲基硅氧烷的质量分数为300-500％。

技术特征：

1.一种柔性超声线阵换能器，其特征在于，所述柔性超声线阵换能器包括柔性背衬层、柔性匹配层和介于柔性背衬层与柔性匹配层之间的压电层；所述压电层包括柔性匹配层侧的信号电极柔性电路板、柔性背衬层侧的地电极柔性电路板、介于信号电极柔性电路板和地电极柔性电路板之间的多个压电阵元；所述压电阵元之间配置填充有柔性隔离材料的间隙。

2.根据权利要求1所述的柔性超声线阵换能器，其特征在于，信号电极柔性电路板配置有独立激励对应压电阵元的多个独立的焊盘和信号电极，地电极柔性电路板配置有使多个压电阵元共地连接的单一焊盘和多个相互连接的地电极。

3.根据权利要求1所述的柔性超声线阵换能器，其特征在于，每个压电阵元分别具有地电极柔性电路板侧的与地电极柔性电路板的电极区域电性连接的地电极和信号电极柔性电路板侧的与信号电极柔性电路板的电极区域电性连接的信号电极。

4.根据权利要求1所述的柔性超声线阵换能器，其特征在于，地电极柔性电路板的电极区域和信号电极柔性电路板的电极区域在垂直方向上的投影重合。

5.根据权利要求1所述的柔性超声线阵换能器，其特征在于，所述压电阵元呈现为沿x方向一维排列的线阵。

6.根据权利要求1所述的柔性超声线阵换能器，其特征在于，每个压电阵元具有若干个压电陶瓷柱和填充在压电陶瓷柱之间的环氧树脂，压电陶瓷柱在x方向的间距与压电阵元在x方向的间距相同。

7.根据权利要求1所述的柔性超声线阵换能器，其特征在于，压电阵元的压电材料为锆钛酸铅陶瓷。

8.根据权利要求1所述的柔性超声线阵换能器，其特征在于，所述柔性隔离材料为聚氨酯或聚二甲基硅氧烷。

9.根据权利要求1所述的柔性超声线阵换能器，其特征在于，所述柔性匹配层的材料为含有氧化锆粉末的环氧树脂，其中，氧化锆粉末含环氧树脂的质量分数为120-160%。

10.根据权利要求1所述的柔性超声线阵换能器，其特征在于，所述柔性背衬层的材料为含有钨粉的聚二甲基硅氧烷，其中，钨粉占聚二甲基硅氧烷的质量分数为300-500%。

技术总结
本发明公开一种柔性超声线阵换能器。所述柔性超声线阵换能器包括柔性背衬层、柔性匹配层和介于柔性背衬层与柔性匹配层之间的压电层；所述压电层包括柔性匹配层侧的信号电极柔性电路板、柔性背衬层侧的地电极柔性电路板、介于信号电极柔性电路板和地电极柔性电路板之间的多个压电阵元；所述压电阵元之间配置填充有柔性隔离材料的间隙。所述信号电极柔性电路板可实现各个压电阵元的独立激励，地电极柔性电路板可实现各个压电阵元的共地连接，信号电极柔性电路板、地电极柔性电路板和阵元间隙填充的柔性隔离材料实现了压电层整体的柔性，由此得到的柔性超声线阵换能器具备集成的柔性单元。

技术研发人员：梁瑞虹,程东旭,岳晴雯,董显林
受保护的技术使用者：中国科学院上海硅酸盐研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15