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2024上海高端医疗设备展Medtec谈柔性超声换能器的设计

2024-07-07

柔性超声换能器由柔性电极、柔性基底和压电层三部分组成,分别负责电气属性、可拉伸性和超声波发射与接收质量。2024上海高端医疗设备展Medtec转载的本研究采用三明治式结构设计制备该换能器,分为八层:上层柔性基底、上保护层、两层柔性正电极、压电层、负极、下保护层和下层柔性基底,自上而下堆叠,以实现高效的超声波成像。

1.柔性电极

柔性电极是柔性超声换能器的关键电气连接部分。现有两种主要方法制备可拉伸导体:一是利用传统材料创新结构,如将金属纳米线、纳米颗粒构造成波浪、蛇形或网状,以垂直移动转化拉伸应变,实现可拉伸性;二是发掘具有柔性和可拉伸性能的新材料,如有机半导体、导电聚合物、碳纳米管、石墨烯等。柔性电极设计需要注意三点:面阵设计扩大检测区域,实现实时成像;左右对称设计降低加工难度,提高良率;多层电极设计防止短路。采用20um金属铜层与2um PI溶液,确保导电性与寿命。柔性电极经低温焊锡膏连接压电复合材料,阵列拉伸时导线不断裂,确保器件工作正常。柔性电极制备常采用光刻、磁控溅射、刻蚀或3D打印,但方法复杂、成本高且对设备精度要求高。采用CAD与激光打标机联合制备。原理是激光打印电极形状,剥离多余部分,留下所需电极在临时基底上。

2.柔性基底材料

  为了实现与各种复杂曲面和动态表面的共形接触,柔性基底材料选择至关重要。常用材料包括有机聚合物如Ecoflex00-30、PDMS、PET、PVA、PI、PEN、水凝胶薄膜、纸张、硅树脂和纺织材料等。水凝胶薄膜并不适合超声的应用。Ecoflex00-30材料因其杨氏模量接近人体皮肤,可减少超声波在基底与皮肤间反射,增强声波强度,利于成像。其伸长极限达900%,抗拉伸性强,且成本低、化学惰性稳定、无毒害,适用于医疗器件。因此,选择Ecoflex00-30作为柔性基底,满足轻薄、透明、柔性、拉伸性、绝缘和耐腐蚀等要求,并具备超强超声透过性,符合实际需求。

  3.压电材料

压电材料可以分为三类:有机压电材料、无机压电材料和压电复合材料。其中,有机压电材料——PVDF薄膜,它的柔韧性和轻薄可是让人赞不绝口。基于这种材料打造的超声换能器,不仅轻薄、低阻抗,还拥有高压电常数等一系列亮点,因此在水声超声测量、压力传感以及引燃引爆等领域,都有着广泛的应用。不过,它的压电应变常数稍稍有些偏低,所以在作为超声波发射源时,产生的声波强度可能略显逊色。无机压电材料,它可以分为压电晶体和压电陶瓷两类。压电晶体比如水晶(石英晶体)、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。而压电陶瓷,则是通过一系列复杂的工艺,如混合原料、成型、高温烧结等,最终获得的多晶体。这些陶瓷材料,像是钛酸钡BT、锆钛酸铅(PZT)、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂(PBLN)、改性钛酸铅(PT)等,都是压电陶瓷中的佼佼者。压电陶瓷具有强压电性和高介电常数,能加工成各种形状,适用于大功率换能器和宽带滤波器等。然而,其机械品质因子低、电损耗大、稳定性差,限制了其应用范围。压电复合材料通过在压电陶瓷间嵌入有机聚合物来抑制其横向振动,提高性能。这种材料可根据需求调整两相体积比例,综合优点制备高性能换能器。相比传统压电材料,其灵敏度更高,更适用于超声成像。

超声换能器以1-3压电复合材料构成压电层,其频率范围为1-10MHz。柔性超声换能器中心谐振频率通常为4MHz,选用PZT-5H为压电相,环氧树脂为聚合物相,银纳米线为1-3复合材料电极,旨在平衡穿透深度和声波强度。

4.柔性超声换能器的键合

柔性超声换能器键合涉及柔性电极、基底与压电复合材料的结合。为防高温致压电材料退极化,采用138℃低温焊锡膏Sn42Bi58焊柔性电极与1-3压电材料,并用Ecoflex-0030填补缝隙。”

   采用三明治式结构,结合柔性电极、柔性基底与压电层,制备10×10阵列的柔性超声换能器。柔性电极的设计城实现一对一寻址,精准控制每个振元,降低功耗。通过CAD与激光打标机协同工作,简化并优化了制备工艺,降低了柔性电极和基底的制备难度和成本,提高了成功率。采用高速旋涂法制备柔性基底,使用切割-填充法制备1-3压电复合材料,并通过低温焊锡焊接和硅胶封装完成换能器键合。此外。压电复合材料是柔性超声换能器的核心,影响其产生和接收超声波的能力,进而决定超声成像效果。对1-3压电复合材料及柔性超声换能器阵列进行仿真分析,仿真复合材料的谐振响应频率,得到最优体积占比,优化换能器。

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  与传统刚性换能器相比,柔性超声换能器缺少吸声材料,需改善其噪音屏蔽性能。目前,2024上海高端医疗设备展Medtec表示柔性超声换能器尚未实现剪切波弹性成像,这是未来的发展方向。其应用于超声成像仍处实验阶段,未出现商业级产品。因柔性换能器在不同表面变形量差异,导致压电振元间相对位置变化,影响超声信号准确性和成像效果,位置补偿问题仍需探索。

文章来源:医学镜界

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