[发明专利]一种基于液体透镜的超声传感器阵列

说明书

技术领域

本发明属于信号探测领域，具体的说，是涉及一种基于液体透镜的超声传感器阵列。

背景技术

超声波传感器是一种应用非常广泛的信号探测器件，它在超声成像中可用于超声的发射和接收，也可用于光声成像和热声成像领域中用于对高频超声波信号的探测。超声波传感器从技术手段上可以分为压电式超声传感器和电容式超声传感器两种。压电式超声传感器是利用传感器中的压电材料的压电性能将超声信号转换为电信号。一般压电材料主要有压电陶瓷、PVDF、压电薄膜等，压电材料压电系数的大小决定了超声传感器的灵敏度。电容式超声传感器是利用超声波作用下器件电容值的振动变化将声信号转换为电信号。但是目前在医学成像领域压电式超声传感器的应用更加普遍和成熟，这些超声传感器有非聚焦和聚焦探头之分；非聚焦探头有一定的孔径值，可以对一定区域内的超声波信号进行探测或发射，而聚焦探头通过在探头前端加超声透镜等方法将超声波进行聚焦，可以对焦点上的超声信号进行探测，或者发射的超声波会在焦点位置进行聚焦。

不管是聚焦探头或非聚焦探头，一旦加工完成后其性能参数如焦距、孔径角等参数一般也都相对固定了，因此同一个探头的应用领域受其固定参数影响而相对受到限制。市场上有聚焦探头通过在其前端设计可装载更换的超声透镜来达到对探头性能参数转换的目的，进而实现同一个探头能在更多的领域得到应用。但是这种经常性的更换极容易对探头造成损坏，降低探头的使用寿命；同时，对于阵列探测器来说，这种更换也非常的繁琐，增加了探测系统使用的复杂度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于液体透镜技术的传感器阵列，解决了现有传感器技术存在的参数固定、不能灵活调节的缺点。本发明能够快速有效地对超声传感器接收和发射性能进行调节，并在此基础上提高超声成像、光声成像、热声成像等系统的成像性能；超声传感器阵列通过在每个传感单元的前端设计液体透镜，并通过注射泵向其体腔注射液体来对透镜的弧面进行调节，以此达到对超声阵列探测器的孔径角或聚焦性能进行优化的目的，不需要更换探头结构就能够灵活地对超声阵列探头的孔径角或焦斑进行调节控制。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于液体透镜的超声传感器阵列，包括一个以上液体透镜超声传感器和固定液体透镜超声传感器的阵列支架，每个所述液体透镜超声传感器包括液体透镜、超声传感单元，一个液体透镜对应着一个超声传感单元，液体透镜与超声传感单元的超声探头连接；所述液体透镜包括由底层、侧壁形成的腔体和由键合在侧壁开口处的薄膜形成的弧面，并设有针管将腔体与外部连通后导入/导出液体。通过导入/导出液体使液体透镜的弧面产生形变来实现对超声波进行聚焦或扩束的功能，然后由超声传感单元接收超声波或向外部发射超声波。当向液体透镜腔体中导入足量液体时，薄膜会凸起进而提高超声探头的孔径角，增大单个超声探头对超声波的探测范围；当向透镜腔体中导入液体有限时，薄膜会凹陷进而会对超声探头产生聚焦效果，形成聚焦超声传感器阵列。

具体地，所述超声探头和液体透镜的底层外部连接，超声探头用于接收或发射超声波信号，并将声信号转换为电信号或将电信号转换为超声信号，且液体透镜腔体底部的尺寸大小与超声探头的探测区域尺寸大小一致。

作为优选，所述薄膜的厚度为10μm-500μm。

进一步地，所述液体透镜采用聚合物材料制作而成，具体为聚二甲基硅氧烷，该聚二甲基硅氧烷采用有机硅弹性体基及固化剂按照10:1的比例混合制作而成。

更进一步地，所述超声探头是探测超声波信号的传感器件，为压电式的超声传感探头，或电容式的超声传感探头。

为了保证超声波信号的有效传输，所述超声传感单元的超声探头通过超声耦合剂与液体透镜连接实现密封接触。

再进一步地，每个所述液体透镜侧壁上设置两根针管，一根针管通过软管连接有注射泵，另一根针管通过软管连接有液体回收容器。注射泵用于对液体透镜的腔体内液体体积进行控制，进而达到对液体透镜的弧面进行调节的目的；软管用于将注射泵内的液体导入到针管中或将针管中的液体导出到液体回收容器中。

作为优选，所述液体回收容器的出口处设置阀门。用于对液体输送进行控制。