米兰·(milan)中国官方-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、柔性基底及压电层三部门构成，别离卖力电气属性、可拉伸性及超声波发射与吸收质量。2024上海高端医疗装备展Medtec转载的本研究采用三明治式布局设计制备该换能器，分为八层：上层柔性基底、上掩护层、两层柔性正电极、压电层、负极、下掩护层及基层柔性基底，自上而下重叠，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要害电气毗连部门。现有两种重要要领制备可拉伸导体：一是使用传统质料立异布局，如将金属纳米线、纳米颗粒组织成海浪、蛇形或者网状，以垂直挪动转化拉伸应变，实现可拉伸性；二是掘客具备柔性及可拉伸机能的新质料，若有机半导体、导电聚合物、碳纳米管、石墨烯等。柔性电极设计需要留意三点：面阵设计扩展检测区域，实实际时成像；摆布对于称设计降低加工难度，提高良率；多层电极设计避免短路。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毗连压电复合质料，阵列拉伸时导线不停裂，确保器件事情正常。柔性电极制备常采用光刻、磁控溅射、刻蚀或者3D打印，但要领繁杂、成本高且对于装备精度要求高。采用CAD与激光打标机结合制备。道理是激光打印电极外形，剥离过剩部门，留下所需电极于姑且基底上。

2.柔性基底质料

  为了实现与各类繁杂曲面及动态外貌的共形接触，柔性基底质料选择至关主要。经常使用质料包括有机聚合物如Ecoflex00-30、PDMS、PET、PVA、PI、PEN、水凝胶薄膜、纸张、硅树脂及纺织质料等。水凝胶薄膜其实不合适超声的运用。Ecoflex00-30质料因其杨氏模量靠近人体皮肤，可削减超声波于基底与皮肤间反射，加强声波强度，利在成像。其伸长极限达900%，抗拉伸性强，且成本低、化学惰性不变、无迫害，合用在医疗器件。是以，选择Ecoflex00-30作为柔性基底，满意轻薄、透明、柔性、拉伸性、绝缘及耐腐化等要求，并具有超强超声透过性，切合现实需求。

  3.压电质料

压电质料可以分为三类：有机压电质料、无机压电质料及压电复合质料。此中，有机压电质料——PVDF薄膜，它的柔韧性及轻薄但是让人拍案而起。基在这类质料打造的超声换能器，不仅轻薄、低阻抗，还有拥有高压电常数等一系列亮点，是以于水声超声丈量、压力传感以和引燃引爆等范畴，都有着广泛的运用。不外，它的压电应变常数稍稍有些偏低，以是于作为超声波发射源时，孕育发生的声波强度可能略显减色。无机压电质料，它可以分为压电晶体及压电陶瓷两类。压电晶体好比水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以和铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。而压电陶瓷，则是经由过程一系列繁杂的工艺，如混淆原料、成型、高温烧结等，终极得到的多晶体。这些陶瓷质料，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。压电陶瓷具备强压电性及高介电常数，能加工成各类外形，合用在年夜功率换能器及宽带滤波器等。然而，其机械品质因子低、电损耗年夜、不变性差，限定了其运用规模。压电复合质料经由过程于压电陶瓷间嵌入有机聚合物来按捺其横向振动，提高机能。这类质料可按照需求调解两相体积比例，综合长处制备高机能换能器。比拟传统压电质料，其敏捷度更高，更合用在超声成像。

超声换能器以1-3压电复合质料组成压电层，其频率规模为1-10MHz。柔性超声换能器中央谐振频率凡是为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复合质料电极，旨于均衡穿透深度及声波强度。

4.柔性超声换能器的键合

柔性超声换能器键合触及柔性电极、基底与压电复合质料的联合。为防高温致压电质料退极化，采用138℃低温焊锡膏Sn42Bi58焊柔性电极与1-3压电质料，并用Ecoflex-0030弥补漏洞。

   采用三明治式布局，联合柔性电极、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于一寻址，精准节制每一个振元，降低功耗。经由过程CAD与激光打标机协同事情，简化并优化了制备工艺，降低了柔性电极及基底的制备难度及成本，提高了乐成率。采用高速旋涂法制备柔性基底，利用切割-填充法制备1-3压电复合质料，并经由过程低温焊锡焊接及硅胶封装完成换能器键合。此外。压电复合质料是柔性超声换能器的焦点，影响其孕育发生及吸收超声波的能力，进而决议超声成像效果。对于1-3压电复合质料和柔性超声换能器阵列举行仿真阐发，仿真复合质料的谐振相应频率，获得最优体积占比，优化换能器。

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  与传统刚性换能器比拟，柔性超声换能器缺乏吸声质料，需改善其噪音屏蔽机能。今朝，2024上海高端医疗装备展Medtec暗示柔性超声换能器还没有实现剪切波弹性成像，这是将来的成长标的目的。其运用在超声成像仍处试验阶段，未呈现贸易级产物。因柔性换能器于差别外貌变形量差异，致使压电振元间相对于位置变化，影响超声旌旗灯号正确性及成像效果，位置赔偿问题仍需摸索。

文章来历：医学镜界

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