專利名稱：一種二維超聲波面陣探頭及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)超聲成像設(shè)備制備領(lǐng)域，具體涉及一種二維超聲波面陣探頭及其制備方法。
背景技術(shù)：
超聲成像是指利用超聲波照射人體，通過接收和處理載有人體組織或結(jié)構(gòu)性質(zhì)特征信息的回波，獲得人體組織性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的可見圖像。超聲、CT和MRI是當(dāng)今臨床中常用到的診斷技術(shù)。與后兩者相比，超聲不僅沒有工作環(huán)境限制、對人體無傷害，而且價格還更便宜，所以是臨床應(yīng)用中的首選，另外，超聲成像技術(shù)還能為臨床手術(shù)提供導(dǎo)航。傳統(tǒng)的超聲是二維超聲，顯示的圖像為組織的二維截面信息，當(dāng)想更準(zhǔn)確了解臟器與組織的結(jié)構(gòu)時，傳統(tǒng)的二維成像就顯得不能滿足要求了。而三維超聲能使圖像顯示更加直觀，測量的結(jié)構(gòu)參數(shù)更加精確，能準(zhǔn)確定位病變組織并縮短數(shù)據(jù)采集的時間。三維超聲成像技術(shù)中的核心部件是二維超聲波面陣探頭，二維面陣探頭采用電子學(xué)的方法控制超聲束在三維空間的指向，依此來實(shí)現(xiàn)保持超聲探頭完全不動，直接獲得三維體積數(shù)據(jù)的功能。傳統(tǒng)的二維面陣探頭各個陣元有一個公共電極(通常是地線連在一起)，然后每個陣元由各自獨(dú)立的導(dǎo)線控制工作狀態(tài)，所以一個NXN陣元的面陣探頭，需要連接NXN條導(dǎo)線。由于N的數(shù)目不受限制，可以是8，16，32，64等等，接線數(shù)目非常多，這就會使工藝難度增大，制備效率較低，不易于較大規(guī)模的生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種二維超聲波面陣探頭，采用對陣列接線方式，每個陣元的工作狀態(tài)可根據(jù)上電極導(dǎo)線和下電極導(dǎo)線連通或者斷開的選擇來控制，解決了制備超聲波面陣探頭連接導(dǎo)線過多、工藝復(fù)雜、制備效率較低的問題。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的一種二維超聲波面陣探頭，包括壓電陣，其由多個壓電單元以等間距陣列排布形成，用以發(fā)送或接收超聲波；匹配層，其為多條，分別覆蓋于所述壓電陣上的每一行或每一列壓電單元上，用以實(shí)現(xiàn)與空氣的聲阻抗相匹配；背襯材料，位于壓電陣的每一行或每一列壓電單元下方，用以吸收壓電陣向下發(fā)射的超聲波；去耦材料，其填充于壓電陣的各壓電單元之間的縫隙中，用以減少各壓電單元之間的串波影響；多個接線端口，其中所述壓電陣中的每一行或每一列壓電單元共用一個接線端口，以與外部的導(dǎo)線連接；導(dǎo)電電極，分別用于實(shí)現(xiàn)各條背襯材料和各條匹配層材料與接線端口的電連接；作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述的每個接線端口上均連接一根的屏蔽導(dǎo)線，用以傳送激勵電壓信號和接收回波電壓信號；作為本發(fā)明的改進(jìn)，該二維超聲波面陣探頭還具有封裝外殼，用于作為封裝殼體。本發(fā)明的目的之二在于提供一種二維超聲波面陣探頭的制備方法，首先，選擇合適的壓電材料并進(jìn)行減薄，對所選壓電材料鍍電極并進(jìn)行極化處理，形成壓電層。其次，在極化后的壓電層灌注背襯層和匹配層材料。再次，切割灌注后的樣品并填充，并固化去耦材料，形成。然后，再次減薄樣品并將樣品下端背襯層和上端的匹配層分別接入電路或者柔性電路板。最后，對傳感器進(jìn)行封裝，即形成二維超聲波面陣探頭。作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述壓電材料可以是壓電陶瓷，壓電單晶，壓電聚合物或者壓電復(fù)合材料。本發(fā)明制備二維超聲波面陣探頭的方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)的接線技術(shù)，對于二維超聲波面陣探頭，采用“排” “列”的接線方式，只需連接少量導(dǎo)線，且每個陣元的工作狀態(tài)可根據(jù)電極導(dǎo)線連通或者斷開的選擇來控制，解決了制備超聲波面陣探頭需要接多條導(dǎo)線的復(fù) 雜問題，減少了接線數(shù)目，降低了工藝難度，節(jié)約了時間成本，提高了二維超聲波面陣探頭的制備效率和成功率。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例中的二維NXN超聲波面陣探頭的正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的二維NXN超聲波面陣探頭的背面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的二維NXN超聲波面陣探頭的制備方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明以二維NXN排列布置的面陣為例，其中N為面陣在長度方向或?qū)挾确较蛏详囋臄?shù)量，對超聲波面陣探頭的制備方法進(jìn)行具體描述，但是本發(fā)明中的陣元排列布置的類型不限于這種正方形陣列結(jié)構(gòu)，陣列的長寬采用不同長度的陣元也同樣適用，面陣的陣元在長度方向或?qū)挾确较蛏详囋臄?shù)量也可以根據(jù)需要具體選擇。另外，本發(fā)明的陣列結(jié)構(gòu)也可以為諸如圓形、橢圓或其他形狀結(jié)構(gòu)。如圖1，本實(shí)施例中的二維超聲波面陣探頭，包括壓電陣101，匹配層102，背襯層103，去耦材料104，多個接線端口 105，屏蔽導(dǎo)線106，導(dǎo)電電極107和108，以及封裝外殼109。壓電陣101由NXN個間隔等間距排列的壓電單元陣列組成，壓電單元的材料可以是壓電陶瓷、壓電單晶、壓電聚合物或者壓電復(fù)合材料。匹配層102位于壓電陣101的上表面上，匹配層102的材料為導(dǎo)電材料，匹配層102的厚度及聲學(xué)參數(shù)根據(jù)壓電陣元的工作頻率和電學(xué)、聲學(xué)參數(shù)設(shè)計；背襯材料103位于壓電陣101的下表面上，背襯材料103為導(dǎo)電材料，用以吸收壓電陣元向后發(fā)射的超聲波，提高探頭的成像分辨率。每個壓電單元之間的縫隙中填充有去耦材料104，用以減少壓電單元之間的串波影響。壓電陣101的每一行或者每一列的壓電單元共用一個接線端口 105，可將接線端口集成在軟性電路板上。每個接線端口 105連接一根屏蔽導(dǎo)線106，用以傳送激勵電壓信號和接收回波電壓信號。導(dǎo)電電極107有N條，分別用于一條背襯材料與接線端口的連接，根據(jù)具體設(shè)計陣元大小選擇手工接線、光刻、wire-bonding等技術(shù)。導(dǎo)電電極108有N條,分別用于一條匹配層材料與接線端口的連接N，根據(jù)具體設(shè)計陣元大小選擇手工接線、光刻、超聲焊線等技術(shù)。封裝外殼109作為探頭的封裝殼體，用于封裝壓電陣101，匹配層102，背襯層103，去耦材料104，多個接線端口 105，屏蔽導(dǎo)線106，導(dǎo)電電極107和108，以形成探頭。一種二維超聲波面陣探頭的制備方法，包括如下具體步驟( I)制備壓電層選擇壓電材料并進(jìn)行減薄，再對所選壓電材料的上下層表面鍍電極并進(jìn)行極化處理，形成壓電層。
壓電材料可以是壓電陶瓷，壓電單晶，壓電聚合物或者壓電復(fù)合材料等。(2)在極化處理后的壓電層上灌注背襯層和匹配層102并減薄匹配層102到所需厚度。背襯材料選擇導(dǎo)電材料，用以吸收壓電陣元向后發(fā)射的超聲波，以提高探頭的成像分辨率。匹配層選擇導(dǎo)電材料，匹配層102的厚度及聲學(xué)參數(shù)根據(jù)壓電陣元的工作頻率和電學(xué)、聲學(xué)參數(shù)設(shè)計；(3)切割樣品，填充去耦材料104并固化。首先，按陣元大小，機(jī)械或激光縱向切割樣品，切穿匹配層102與壓電層，不切穿背襯層103，填入去耦材料104，抽真空除去空氣，固化去耦材料。其次按設(shè)計陣元大小，機(jī)械或激光橫向切割樣品，切穿匹配層與壓電材料，切槽在背襯中深度小于縱向切槽深度，填入去耦材料，抽真空除去空氣，固化去耦材料。(4)再次減薄樣品，使上端減薄至剛好露出匹配層，下端減薄至露出條狀的去耦材料。(5)接線。首先，將樣品下端縱向的N條背襯分別接入電路(或者柔性電路板)。然后，將樣品上端橫向的N條匹配層分別接入電路(或者柔性電路板)。接線的方法可以為手工接線、光刻或超聲焊線等。(6)對傳感器進(jìn)行封裝，形成二維NXN超聲波面陣探頭。本實(shí)施例僅以NXN的超聲波面陣探頭作為實(shí)例，對本發(fā)明的方法和探頭進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限于此，對于其它形狀也同樣適用。
權(quán)利要求
1.一種二維超聲波面陣探頭，包括 壓電陣(101 )，其由多個壓電單元呈陣列排布形成，用以發(fā)送或接收超聲波； 匹配層(102)，其為多條，所述壓電陣(101)上的每行或每列壓電單元上均覆蓋有一條該匹配層(102)，用以實(shí)現(xiàn)與空氣的聲阻抗相匹配； 背襯材料(103)，位于壓電陣(101)的每行或每列壓電單元下方，用以吸收壓電陣(101)向下發(fā)射的超聲波； 去耦材料(104)，其填充于壓電陣(101)的各壓電單元之間的縫隙中，用以減少各壓電單元之間的串波影響； 多個接線端口(105)，其中所述壓電陣(101)中的一行或一列壓電單元共用一個接線端口(105)，用以與外部的導(dǎo)線連接； 導(dǎo)電電極(107、108)，分別用于實(shí)現(xiàn)背襯材料(103)和各條匹配層(102)與接線端口(105)的電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二維超聲波面陣探頭，其特征在于，所述的每個接線端口(105)上均連接有一根的屏蔽導(dǎo)線(106)，用以傳送激勵電壓信號和接收回波電壓信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的二維超聲波面陣探頭，其特征在于，每條匹配層(102)通過一個導(dǎo)電電極(108)與一個接線端口(105)電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的二維超聲波面陣探頭，其特征在于，所述壓電單元可以是壓電陶瓷，壓電單晶，壓電聚合物或者壓電復(fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的二維超聲波面陣探頭，其特征在于，所述壓電陣(101)的陣列為矩形陣列、圓形陣列或其他類型陣列，特別是正方形陣列。
6.—種二維超聲波面陣探頭的制備方法,其包括 對壓電材料進(jìn)行減薄、鍍電極和極化處理，形成壓電層； 在極化后的壓電層上覆蓋背襯層和匹配層材料； 切割上述覆蓋后的樣品，使所述壓電層分割為呈陣列布置的多個壓電單元，并在各壓電單元之間填充固化去耦材料； 將所述固化去耦材料后的樣品的背襯層和匹配層分別接入電路或者柔性電路板，封裝后即形成二維超聲波面陣探頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的二維超聲波面陣探頭的制備方法，其特征在于，在切割所述樣品時，僅切穿所述匹配層與壓電層，不切穿背襯層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的二維超聲波面陣探頭的制備方法，其特征在于，所述的壓電材料可以為壓電陶瓷，壓電單晶，壓電聚合物或者壓電復(fù)合材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8之一所述的二維超聲波面陣探頭的制備方法，其特征在于，在將所述固化去耦材料后的樣品接入電路或者柔性電路板前，可以先對其進(jìn)行減薄處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9之一所述的二維超聲波面陣探頭的制備方法，其特征在于，所述壓電陣(101)中的每行或每列壓電單元與一個接線端口(105)電連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二維超聲波面陣探頭，包括壓電陣，由多個壓電單元以等間距陣列排布形成；匹配層，壓電陣上的每行或每列壓電單元上覆蓋有一條匹配層，用以實(shí)現(xiàn)與空氣的聲阻抗相匹配；背襯材料，位于壓電陣的每行或每列壓電單元下方，用以吸收壓電陣向下發(fā)射的超聲波；去耦材料，填充于壓電陣的各壓電單元之間的縫隙中；多個接線端口，壓電陣中的一行或一列壓電單元共用一個接線端口，用以與外部的導(dǎo)線連接；導(dǎo)電電極，分別用于實(shí)現(xiàn)各條背襯材料和各條匹配層與接線端口的電連接。本發(fā)明還公開了一種二維超聲波面陣探頭的制備方法。本發(fā)明優(yōu)化了傳統(tǒng)的接線技術(shù)，減少了接線數(shù)目，降低了工藝難度，提高了二維超聲波面陣探頭的精度和制備效率。
文檔編號A61B8/08GK102755176SQ201210223970
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者朱本鵬, 郭萬克, 郭瑞超 申請人:華中科技大學(xué)