一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列，其可應用于光聲、微波熱聲和超聲成像等系統中對超聲波信號進行探測。本實用新型加工簡單，成本低廉，非常適合于批量生產。液體透鏡的超聲傳感器陣列中的單個液體透鏡的超聲傳感器是由液體透鏡和超聲傳感單元構成，通過對液體透鏡腔體中液體體積的控制來調節液體透鏡的弧面，進而達到對超聲探頭的聚焦或擴束目的。與傳統的超聲傳感器相比，本實用新型的超聲傳感器能在工作過程中對超聲探頭的聚焦和擴束性能進行實時地調節，以使系統達到最佳的工作效果。該超聲傳感器陣列可以根據實際的應用需求將其制作成環形，球形等陣列，同時加工成本低廉，非常適合產業化。
【專利說明】
一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列
技術領域
[0001]本實用新型屬于信號探測領域，具體的說，是涉及一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列。
【背景技術】
[0002]超聲波傳感器是一種應用非常廣泛的信號探測器件，它在超聲成像中可用于超聲的發射和接收，也可用于光聲成像和熱聲成像領域中用于對高頻超聲波信號的探測。超聲波傳感器從技術手段上可以分為壓電式超聲傳感器和電容式超聲傳感器兩種。壓電式超聲傳感器是利用傳感器中的壓電材料的壓電性能將超聲信號轉換為電信號。一般壓電材料主要有壓電陶瓷、PVDF、壓電薄膜等，壓電材料壓電系數的大小決定了超聲傳感器的靈敏度。電容式超聲傳感器是利用超聲波作用下器件電容值的振動變化將聲信號轉換為電信號。但是目前在醫學成像領域壓電式超聲傳感器的應用更加普遍和成熟，這些超聲傳感器有非聚焦和聚焦探頭之分;非聚焦探頭有一定的孔徑值，可以對一定區域內的超聲波信號進行探測或發射，而聚焦探頭通過在探頭前端加超聲透鏡等方法將超聲波進行聚焦，可以對焦點上的超聲信號進行探測，或者發射的超聲波會在焦點位置進行聚焦。
[0003]不管是聚焦探頭或非聚焦探頭，一旦加工完成后其性能參數如焦距、孔徑角等參數一般也都相對固定了，因此同一個探頭的應用領域受其固定參數影響而相對受到限制。市場上有聚焦探頭通過在其前端設計可裝載更換的超聲透鏡來達到對探頭性能參數轉換的目的，進而實現同一個探頭能在更多的領域得到應用。但是這種經常性的更換極容易對探頭造成損壞，降低探頭的使用壽命；同時，對于陣列探測器來說，這種更換也非常的繁瑣，增加了探測系統使用的復雜度。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的在于提供一種基于液體透鏡技術的傳感器陣列，解決了現有傳感器技術存在的參數固定、不能靈活調節的缺點。本實用新型能夠快速有效地對超聲傳感器接收和發射性能進行調節，并在此基礎上提高超聲成像、光聲成像、熱聲成像等系統的成像性能;超聲傳感器陣列通過在每個傳感單元的前端設計液體透鏡，并通過注射栗向其體腔注射液體來對透鏡的弧面進行調節，以此達到對超聲陣列探測器的孔徑角或聚焦性能進行優化的目的，不需要更換探頭結構就能夠靈活地對超聲陣列探頭的孔徑角或焦斑進行調節控制。
[0005]為了實現上述目的，本實用新型采用的技術方案如下:
[0006]—種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列，包括一個以上液體透鏡超聲傳感器和固定液體透鏡超聲傳感器的陣列支架，每個所述液體透鏡超聲傳感器包括液體透鏡、超聲傳感單元，一個液體透鏡對應著一個超聲傳感單元，液體透鏡與超聲傳感單元的超聲探頭連接；所述液體透鏡包括由底層、側壁形成的腔體和由鍵合在側壁開口處的薄膜形成的弧面，并設有針管將腔體與外部連通后導入/導出液體。通過導入/導出液體使液體透鏡的弧面產生形變來實現對超聲波進行聚焦或擴束的功能，然后由超聲傳感單元接收超聲波或向外部發射超聲波。當向液體透鏡腔體中導入足量液體時，薄膜會凸起進而提高超聲探頭的孔徑角，增大單個超聲探頭對超聲波的探測范圍；當向透鏡腔體中導入液體有限時，薄膜會凹陷進而會對超聲探頭產生聚焦效果，形成聚焦超聲傳感器陣列。
[0007]具體地，所述超聲探頭和液體透鏡的底層外部連接，超聲探頭用于接收或發射超聲波信號，并將聲信號轉換為電信號或將電信號轉換為超聲信號，且液體透鏡腔體底部的尺寸大小與超聲探頭的探測區域尺寸大小一致。
[0008]作為優選，所述薄膜的厚度為10μπι-500μπι。
[0009]進一步地，所述液體透鏡采用聚合物材料制作而成，具體為聚二甲基硅氧烷，該聚二甲基硅氧烷采用有機硅彈性體基及固化劑按照10:1的比例混合制作而成。
[0010]更進一步地，所述超聲探頭是探測超聲波信號的傳感器件，為壓電式的超聲傳感探頭，或電容式的超聲傳感探頭。
[0011]為了保證超聲波信號的有效傳輸，所述超聲傳感單元的超聲探頭通過超聲耦合劑與液體透鏡連接實現密封接觸。
[0012]再進一步地，每個所述液體透鏡側壁上設置兩根針管，一根針管通過軟管連接有注射栗，另一根針管通過軟管連接有液體回收容器。注射栗用于對液體透鏡的腔體內液體體積進行控制，進而達到對液體透鏡的弧面進行調節的目的；軟管用于將注射栗內的液體導入到針管中或將針管中的液體導出到液體回收容器中。
[0013]作為優選，所述液體回收容器的出口處設置閥門。用于對液體輸送進行控制。
[0014]另外，所述陣列支架包括一個以上的支架，每個支架包括凹槽和與凹槽底部連通的圓形孔槽，該凹槽用于固定液體透鏡，圓形孔槽用于固定超聲傳感單元。所述陣列為線型或環形或球形，當為線型時，每個支架的端部與另一支架的端部連接組成線型的陣列支架；當為環形時，所有支架的兩端部首尾順次連接組成環形的陣列支架，每個支架的凹槽的開口指向陣列支架的中心；當為球形時，所有支架連接在一起組成球形的陣列支架，且每個支架的凹槽的開口均指向球形陣列支架的中心。
[0015]本實用新型的有益效果為:
[0016]本實用新型提供了一種基于液體透鏡技術的超聲傳感器陣列系統，該系統在每個超聲傳感單元的前端設置液體透鏡，通過注射栗對液體透鏡腔體中液體總量的控制達到對薄膜的弧面的調節，進而實現對超聲探頭聲學參數的優化目的。本實用新型能夠方便地優化并提高超聲探頭的孔徑角，增加了超聲探頭的探測范圍；對于聚焦超聲探頭，本實用新型能夠對焦斑的尺寸進行有效的優化調節，提高系統的信號探測能力。本實用新型解決了現有傳感器技術存在的參數固定、不能靈活調節的缺點，在信號探測、超聲成像、光聲成像及熱聲成像等領域有巨大的應用前景。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型-實施例1的整體結構示意圖。
[0018]圖2為本實用新型-實施例1制作液體透鏡的磨具的結構示意圖。
[0019]圖3為本實用新型-實施例1聚二甲基硅氧烷在磨具中固化后的結構示意圖。
[0020]圖4為本實用新型-實施例1液體透鏡的結構示意圖。[0021 ]圖5為本實用新型-實施例1液體透鏡注射液體后弧面的結構示意圖。
[0022]圖6為本實用新型-實施例1液體透鏡超聲傳感單元的結構示意圖。
[0023]圖7為本實用新型-實施例2四陣列液體透鏡超聲傳感器的陣列支架的俯視圖。
[0024]圖8為本實用新型-實施例2四陣列液體透鏡超聲傳感器的陣列支架的側視圖。
[0025]圖9為本實用新型-實施例2四陣列液體透鏡超聲傳感器的結構示意圖。
[0026]其中，圖中附圖標記對應的零部件名稱為:
[0027]1-液體透鏡，2-超聲探頭，3-液體回收容器，4-注射栗，5-陣列支架，6_針管，7_軟管，8-閥門，9-磨具，I O-圓形孔槽。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。本實用新型的實施方式包括但不限于下列實施例。
[0029]本實用新型提供一種基于液體透鏡技術的超聲傳感器陣列系統，能夠根據系統實際應用場景，快速有效地對超聲傳感單元的聲學參數進行優化調節，使整個系統達到最佳的工作狀態。本實用新型首先通過注射栗向液體透鏡腔體中注射液體，液體的注射量決定著透鏡表面聚合物薄膜的弧面形狀，因而就改變了探頭的聲學傳輸參數。本實用新型可以針對不同的應用場景對探頭的孔徑角、聚焦性能等參數進行優化調節，使傳感器陣列系統達到最佳的工作效果。
[0030]實施例1
[0031]如圖1所示，一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列，包含線型超聲傳感器陣列，每個陣列均包括液體透鏡1、超聲探頭2、液體回收容器3、注射栗4、支架、針管6、軟管7、閥門8;其中，液體透鏡I包括底層和與底層四周連接并與底層固一體的側壁，在底層和側壁之間則形成一個具有開口的腔體，在開口處鍵合薄膜形成一個密封的腔體。超聲探頭2的前端端部則與液體透鏡I的底層外部連接，相應地，支架包含一個凹槽和與凹槽底部連通的圓形孔槽10，凹槽用于放置液體透鏡I，圓形孔槽用于通過超聲探頭2，每個支架的端部與另一支架的端部連接組成線型的陣列支架5，在液體透鏡側面的對稱位置上分別設置一根針管6，該針管連通腔體的內部和外部，一根針管通過軟管7連接注射栗4，另一根針管通過軟管7連接液體回收容器3，支架上則設有穿過針管6的孔，在液體回收容器3的出口處設置閥門8。
[0032]本實施例各部件的具體制作過程如下:
[0033]液體透鏡I采用聚合物材料聚二甲基硅氧烷來制作，具體制作方法如下:
[0034]基于3D打印技術制作液體透鏡I的磨具9，磨具9所使用的材料為樹脂，制作完成的磨具結構如圖2所示;本實施例磨具的槽體結構尺寸為20mm(長)X 15mm(寬)X6mm(深)，中心凸起的部分高度為5mm用于形成液體透鏡的腔體，Imm的高度差用于形成液體透鏡的底層厚度。
[0035]將有機硅彈性體基及固化劑按照10:1的比例混合制作聚二甲基硅氧烷;靜置一段時間待其脫氣后，將其注入圖2中的槽中，并加熱到80°C持續40分鐘;等到聚二甲基硅氧烷在磨具中固化后，如圖3所示。
[0036]將其從磨具中剝落出來，并將一層厚度為ΙΟΟμπι的聚二甲基硅氧烷薄膜鍵合到其開口位置，這樣就形成了液體透鏡的腔體結構;最后在液體透鏡側面的對稱位置上固定有直徑為0.5mm的針管，用于向液體透鏡腔體中注射和排放液體，如圖4所示。
[0037]本實施例中液體透鏡腔體中的液體為甘油(75%)和水(25% )的混合物，該混合物的密度為1.19g/cm3，超聲在其中的傳播速度為1.78mm/ys，聲阻抗為2.1 IMRay，總之，液體透鏡所使用液體的超聲傳播速度比外界液體環境超聲傳播速度要大；系統中使用注射栗(KDS210，KD Scientific)將液體經軟管和針管注入到液體透鏡腔體中；在液體注射的過程中，將液體回收容器閥門打開，以利于在輸入端注入液體的時候將腔體內的空氣排出；待腔體、針管和軟管內空氣排放完畢后，把閥門關閉，輸入端口繼續注入液體，這時液體透鏡的聚二甲基硅氧烷薄膜會因液體的體積的增加而開始膨脹，形成液體透鏡的弧面，如圖5所不O
[0038]將制作完成的每個液體透鏡置于超聲傳感單元的超聲探頭的前端形成液體透鏡超聲傳感單元，如圖6所示，液體透鏡的腔體和超聲探頭的斷面直徑均為9mm，液體透鏡和超聲探頭之間加有超聲耦合劑，保證兩者之間的密封接觸以及超聲波信號的有效傳輸。
[0039]實施例2
[0040]—種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列，與實施例1不同的是，本實施例是環形超聲傳感器陣列，具體為四陣列液體透鏡的超聲傳感器，基于3D打印技術制作環形超聲傳感器陣列的陣列支架，如圖7、8所示，分別為俯視圖和側視圖，該陣列支架包括4個支架，每個陣列支架的兩端部順次連接在一起形成一個方形的陣列支架，每個支架均包含一個凹槽和與凹槽底部連通的圓形孔槽1，凹槽的開口指向陣列支架的中心，圓形孔槽1橫向均勾分布在陣列支架的四邊上，圓形孔槽10用于固定超聲探頭。
[0041 ]本實施例可固定4個圖6中的液體透鏡超聲傳感單元，且每個液體透鏡在對稱位置上都設有同樣的針管，如圖9所示，四個液體透鏡的針管輸入端分別采用A、B、C、D來表示，相應地，本實施例的注射栗和液體回收容器分別包括4個輸入/輸出端口，四個針管輸入端連接同等長度的軟管(為簡潔起見，圖中省略部分軟管的圖形)并分別連接到注射栗對應的a、b、c、d四個輸入/輸出端口用于注射液體；四個針管輸出端E、F、G、H通過同等長度的軟管(為簡潔起見，圖中省略部分軟管的圖形)分別連接到液體回收容器對應的e、f、g、h四個輸入/輸出端口，閥門設在液體回收容器端口附近，用于對液體回收進行控制。
[0042]液體透鏡大小相等;輸入端液體在軟管中行走的距離分別相等;輸出端液體在軟管中行走的距離分別相等。基于上述3點，每個液體透鏡從輸入端到輸出端總的距離也相等，是為了確保每個液體透鏡內部有同等的壓強和一致的弧面結構。
[0043]按照上述實施例，便可很好地實現本實用新型。值得說明的是，基于上述設計原理的前提下，為解決同樣的技術問題，即使在本實用新型所公開的結構基礎上做出的一些無實質性的改動或潤色，所采用的技術方案的實質仍然與本實用新型一樣，故其也應當在本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列，其特征在于，包括一個以上液體透鏡超聲傳感器和固定液體透鏡超聲傳感器的陣列支架，每個所述液體透鏡超聲傳感器包括液體透鏡、超聲傳感單元，液體透鏡與超聲傳感單元的超聲探頭連接;所述液體透鏡包括由底層、側壁形成的腔體和由鍵合在側壁開口處的薄膜形成的弧面，并設有針管將腔體與外部連通后導入/導出液體。2.根據權利要求1所述的一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列，其特征在于，所述超聲探頭和液體透鏡的底層外部連接，且液體透鏡腔體底部的尺寸大小與超聲探頭的探測區域尺寸大小一致。3.根據權利要求2所述的一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列，其特征在于，所述薄膜的厚度為 10μηι-500μηι。4.根據權利要求1所述的一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列，其特征在于，所述液體透鏡采用聚合物材料制作而成。5.根據權利要求1所述的一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列，其特征在于，所述超聲傳感單元的超聲探頭為壓電式的超聲傳感探頭，或電容式的超聲傳感探頭。6.根據權利要求1所述的一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列，其特征在于，所述超聲探頭通過超聲耦合劑與液體透鏡連接。7.根據權利要求1-6任意一項所述的一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列，其特征在于，每個所述液體透鏡側壁上設置兩根針管，一根針管通過軟管連接有注射栗，另一根針管通過軟管連接有液體回收容器。8.根據權利要求7所述的一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列，其特征在于，所述液體回收容器的出口處設置閥門。9.根據權利要求1所述的一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列，其特征在于，所述陣列支架包括一個以上的支架，每個支架包括凹槽和與凹槽底部連通的圓形孔槽，該凹槽用于固定液體透鏡，圓形孔槽用于固定超聲傳感單元。10.根據權利要求9所述的一種基于液體透鏡的超聲傳感器陣列，其特征在于，所述陣列為線型或環形或球形，當為線型時，每個支架的端部與另一支架的端部連接組成線型的陣列支架；當為環形時，所有支架的兩端部首尾順次連接組成環形的陣列支架，每個支架的凹槽的開口指向陣列支架的中心；當為球形時，所有支架連接在一起組成球形的陣列支架，且每個支架的凹槽的開口均指向球形陣列支架的中心。
【文檔編號】G01H17/00GK205537945SQ201620233364
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月24日
【發明人】楊伯屏
【申請人】成都世恩醫療科技有限責任公司