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檢測聲功率的新型熱釋電傳感器的制作方法

文檔序號:11911143閱讀:341來源:國知局
檢測聲功率的新型熱釋電傳感器的制作方法與工藝

本發(fā)明主要涉及新型熱釋電傳感器,特別涉及一種檢測聲功率的新型熱釋電傳感器。



背景技術(shù):

超聲診斷已經(jīng)逐漸成為最主要的醫(yī)學(xué)診療手段。尤在近十余年,超聲治療的新技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展,特別在高強度聚焦超聲方面更是有了突破性的進展。高強度聚焦超聲是一種非介入性無創(chuàng)腫瘤治療技術(shù),利用超聲波在生物組織內(nèi)的可聚焦性和可穿透性的物理特點,將超聲能量聚焦在體內(nèi)病灶上的一個很小的焦域內(nèi),該區(qū)域內(nèi)瞬時溫度可上升到65℃以上。因此可以在對焦域周圍正常組織沒有明顯損傷的前提下,使焦域內(nèi)組織產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的凝固性壞死,從而達到“切除”或消融腫瘤的目的。由此對比MRI、CT、PET等醫(yī)療設(shè)備,超聲診療具有操作便捷,使用經(jīng)濟,適用范圍廣泛等特點,所以廣受醫(yī)生和病人的歡迎。

安全性和有效性是用于治療的醫(yī)療器械所必須滿足的兩個重要指標。而對于此類診療設(shè)備聲功率的安全測量方法已經(jīng)成為目前醫(yī)療人員及社會各界迫切需要的保障。超聲聲功率過低導(dǎo)致治療沒有效果、而過高則會帶來不可逆的損傷,因此治療過程中需要準確控制閾值范圍的大小。在這種需求形勢下,超聲功率的測量具有其重要的實際意義。

然而目前對聲功率的測量方法主要有輻射力法、光學(xué)法、熱學(xué)法以及水聽器掃描法等。其中得到普遍應(yīng)用的是輻射力法,但其需要較高的成本和高技能的人才,并且輻射力天平測量要求較為嚴格,尤其是在安裝以及換能器尺寸方面,從而在臨床和用戶層面會有所限制。而水聽器掃描法則存在使用效率較低的問題。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的在于提供一種檢測聲功率的新型熱釋電傳感器,以解決上述背景中提出的問題。

為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:

本發(fā)明采用聚偏氟乙烯薄膜作為敏感元件,其特征在于:所述的聚偏氟乙烯薄膜斜向設(shè)置在水槽內(nèi),其與水平面的傾斜角為15°~25°,所述的水槽采用聚甲基丙烯酸甲酯材料,水槽的內(nèi)壁和底部緊貼有不銹鋼面板,聚偏氟乙烯薄膜將水槽分為兩部分,聚偏氟乙烯薄膜的上部為開放區(qū),聚偏氟乙烯薄膜的下部為密閉區(qū),密閉區(qū)內(nèi)布置將聲能轉(zhuǎn)化為熱能的吸聲背襯材料。

所述的聚偏氟乙烯薄膜有兩層,其中上層為非極化的聚偏氟乙烯薄膜薄膜,用于對換能器發(fā)射的超聲功率經(jīng)由除氣水到下層的聚偏氟乙烯薄膜的電隔離,下層為極化的聚偏氟乙烯薄膜,用于感受吸聲背襯材料吸收聲波后溫度的改變;極化的聚偏氟乙烯薄膜因熱釋電效應(yīng)而釋放電荷或電壓,并由金電極引出。

進一步說,所述的極化的聚偏氟乙烯薄膜呈陣列排布。

進一步說,所述的傾斜角為20°。

背景技術(shù)相比,本發(fā)明具有的有益效果是:

本發(fā)明運用熱釋電材料的熱釋電效應(yīng)來對超聲換能器輸出聲功率的檢測。該發(fā)明成本低且與熱電偶測聲功率的方法相比無需達到熱平衡狀態(tài),因此響應(yīng)速度明顯加快。再者在傳感器制作與應(yīng)用的過程中可以靈活的變換形狀以及布局,增加了應(yīng)用的范圍與領(lǐng)域,尤其在高強度聚焦超聲治療過程中能夠進行實時監(jiān)測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2為陣列型PVDF薄膜結(jié)構(gòu)示意圖;

圖中:1、PMMA外殼,2、不銹鋼面板,3、陣列型PVDF薄膜,4、高吸聲背襯材料,5、極化的PVDF薄膜,6、陣元。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

如圖1所示:本發(fā)明包括一個PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料的水槽外殼1,水槽內(nèi)部各面粘貼有一定厚度的不銹鋼面板2。水槽內(nèi)部放置與水平面呈20°夾角的陣列型PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜3,薄膜的下方充斥著高吸聲背襯材料4。本實施例是通過熱釋電材料的熱釋電效應(yīng)檢測超聲的聲功率。為了實現(xiàn)聲功率的準確測量,減少聲波在傳感器中由于反射和散射所帶來的測量損失,設(shè)計傳感器由非極化的PVDF薄膜、極化的PVDF薄膜(含上、下金電極)和高吸聲材料組成。

所述的非極化的PVDF薄膜置于傳感器的頂端,用于對換能器發(fā)射的超聲功率經(jīng)由除氣水到極化的PVDF薄膜5的電隔離。而極化的PVDF薄膜則是作為傳感器的敏感元件,其呈陣列排布,由多個陣元6組成,置于未極化的PVDF薄膜之后,用于感受吸聲材料吸收聲波后溫度的改變,并利用熱釋電效應(yīng)在其表面釋放電荷或電壓。進一步,這兩類薄膜同時與水平面呈20°夾角放置在水槽中,以減小駐波對測量的影響。

高吸聲材料則置于極化的PVDF薄膜之后,吸收聲波并將聲波的聲能轉(zhuǎn)換為熱能。水槽內(nèi)粘貼的不銹鋼面板更是為了增強聲波在內(nèi)部的反射與折射。

測量時,超聲換能器對某一點發(fā)射聚焦超聲波,通過該點之后的聚焦超聲束會發(fā)生散射,后到達熱釋電傳感器表面。由于上層PVDF薄膜的透聲性能很好,絕大部分的聲波能夠順利的透過PVDF薄膜從而到達高吸聲背襯材料中。高吸聲背襯材料吸收聲波后,將聲能轉(zhuǎn)換為熱能。又因為下層PVDF薄膜與高吸聲背襯材料緊密相連,因此接觸界面的熱量會直接傳遞到下層PVDF表面。此時具有熱釋電性能的PVDF表面會產(chǎn)生表面電荷,通過消耗采集系統(tǒng),該熱釋電電荷會被記錄。通過理論研究可以建立聲功率與熱釋電電荷的關(guān)系,從而推算得超聲換能器的發(fā)射聲功率。

以下為本發(fā)明的具體實施例:

1)熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作

步驟1)選擇合適的熱釋電材料。根據(jù)熱釋電傳感器所基于的熱釋電效應(yīng),選擇合適的熱釋電材料??紤]超聲換能器傳播的介質(zhì)為水或人體,所以所需的熱釋電材料要具有透聲性較好的特點,因此選擇了高分子聚合物PVDF作為熱釋電傳感器的敏感元件。并且為了更好的接收聲波,將薄膜制作成陣列形式以提高傳感器的精度。

步驟2)選擇高吸聲背襯材料。聲波透過薄膜進入吸聲材料中,吸聲材料吸收聲波將聲能轉(zhuǎn)化為熱能。在此要求吸聲材料具有較高的吸聲系數(shù)以及高轉(zhuǎn)換效率,以確保將絕大部分的聲能轉(zhuǎn)換成熱能,而減少聲波在吸聲材料內(nèi)部的反射與折射。

步驟3)設(shè)計水槽。聲波在介質(zhì)中或吸聲材料中傳播不可避免的會有部分聲波發(fā)生反射與折射,設(shè)計水槽減少聲波透射到外界。因此水槽材料需要隔聲性能較好并且能夠?qū)⒙暡ㄖ匦路瓷浠厮蹆?nèi)部。因此在設(shè)計時選擇了隔聲性好、絕緣性好的高分子透明材料PMMA,且在外殼內(nèi)壁粘貼一層不銹鋼增加反射。

步驟4)設(shè)計熱釋電材料放置位置。PVDF薄膜簡單水平放置時,會有大量的聲波反射回換能器表面從而形成駐波。所以有必要改變薄膜的放置位置減少駐波的產(chǎn)生,使盡可能多的聲波透過薄膜進入吸聲材料,從而提高傳感器的靈敏度。因此將薄膜與水平面呈20°夾角放置。

2)熱釋電傳感器性能評價

步驟1)理論計算。通過理論推導(dǎo)建立換能器發(fā)射聲功率與熱釋電輸出信號之間的關(guān)系。找到理論上熱釋電信號受哪些因素的影響,以及聲功率的改變?nèi)绾斡绊憻後岆娦盘栕兓?。以此作為該傳感器的參考理論值,用于與后期實驗進行對比。

步驟2)實驗。保持換能器距離與傳感器垂直距離不變的條件下,采用相同時間,相同頻率與相同的超聲換能器聲功率,進行重復(fù)兩次實驗,比較前后兩次測得的熱釋電信號之間的差異,得到該傳感器的重復(fù)性曲線。在相同超聲頻率的條件下,僅改變換能器輸出的聲功率時。根據(jù)測量得到熱釋電傳感器輸出電壓,由此觀察熱釋電輸出電壓與聲功率之間的變換規(guī)律。同樣的在保持聲功率不變的條件下,僅增強換能器的頻率。觀察熱釋電輸出電壓與頻率大小間的關(guān)系。

步驟3)對比。將步驟1)與步驟2)的數(shù)據(jù)進行對比,即可得到該傳感器的性能評價。

步驟4)系統(tǒng)不確定度的評定。實驗中造成系統(tǒng)誤差的因素有很多,大致可分為以下幾種:水的溫度變化所造成的誤差,吸聲材料熱傳遞過程中所造成的誤差,透聲薄膜造成的傳遞誤差等。

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