[发明专利]柔性可延展微机电系统超声阵列及医用超声诊断设备

说明书

本申请提供了一种柔性可延展微机电系统超声阵列及医用超声诊断设备。所述超声阵列由若干基本胞元组成，所述基本胞元由阵元组成，所述阵元包括微型超声换能器和多层复合膜；所述多层复合膜包括放置所述微型超声换能器的岛区域和连接相邻所述岛区域的连接部；所述超声阵列基于折纸结构设计，所述基本胞元沿面内方向拉伸时，所述岛区域会进行旋转，进而释放整体的变形，而在所述岛区域内部基本不会有应变，这使得所述超声阵列系统结构在拉伸变形的同时可以保证所述微型超声换能器不发生拉伸破坏，进而保证系统的超声波收发功能不受影响。

技术领域

本申请涉及医疗诊断超声技术领域，且特别涉及一种柔性可延展微机电系统超声阵列及医用超声诊断设备。

背景技术

目前，医用超声诊断设备正在医疗领域发挥越来越重要的作用，医用超声诊断设备会用到例如超声内窥镜、超声CT、三维超声成像等技术。这些超声影像技术的应用，一般都是基于超声阵列来实现的，通过各个阵元发射超声波并接受超声回波，根据各阵元的回波数据进行计算反解，进而得到探测区域内部结构的信息，也即超声影像。根据声学理论，提高超声影像的分辨率的常用方法是提高超声换能器的工作频率，并将超声换能器阵元的尺寸缩小。微型化的超声换能器由此得以研发和应用，比如微机电系统(MEMS)超声阵列，这类器件有着微米级的阵元尺寸，阵元密度大、数量多、成像的分辨率高，有诸多优势，在医疗检测和工业构件的无损检测领域广泛应用。

然而，传统的微机电系统超声阵列，依旧存在一些缺陷，这类器件往往是硬质不可变形的，在医疗应用领域，这类器件难以与人体相集成，限制了其前沿应用，如无法贴附在大曲率的人体组织表面来进行检测，难以和植入式的微器件相集成等。

近年来快速发展的柔性电子技术似乎可以解决背景技术中提到的问题，基于柔性电子技术制备的电子器件，有着轻薄柔性可拉伸变形的特点，有着高度的人体相集成性，使得器件在变形状态下，仍能保持系统功能的稳定运行，所以采用柔性电子技术制备柔性微机电系统超声阵列有着重大的应用价值。

然而，现有成熟的柔性电子技术难以直接在这里套用。首先，有机柔性电子器件是通过使用有机物来制备所有的电子元器件和导线连接，通过材料的本征柔性来实现整体的柔性。然而，目前还没有成熟的有机超声器件，故该方法不可行。无机柔性电子器件，通过蛇形导线结构来实现器件整体的可拉伸性，但是，对于微机电系统超声阵列，在阵元尺寸缩小的同时，阵元的间距也需要相对应的缩小。根据声学理论，在保持最佳超声分辨率的情况下，阵元的尺寸应当取0.5λ,而阵元间的中心间距应当取0.6λ，也即相邻阵元(以方形阵元为例)的孔隙为0.1λ。以血管内超声成像应用为例，超声波的频率一般为20-40MHz，生物组织的超声波波速为1500m/s，也即波长为75-37.5μm，因此相邻阵元的间隙仅为7.5-3.75μm，难以在狭小的阵元间隙内布置蛇形导线。

发明内容

鉴于上述现有技术的状态而做出本申请。本申请的目的在于提供一种柔性可延展微机电系统超声阵列，使得器件能在微型化、高密度化的同时，具有柔性和可延展性。

本申请的实施方式提供一种柔性可延展微机电系统超声阵列，所述超声阵列包括相互连接并排布成阵列的多个阵元，所述阵元包括微型超声换能器和多层复合膜；所述多层复合膜包括放置所述微型超声换能器的岛区域和连接相邻所述岛区域的连接部；

所述超声阵列基于折纸结构设计，所述超声阵列中的除周边所述阵元之外的每个所述阵元的所述岛区域被多个变形槽包围，相邻的所述变形槽的延伸方向相交叉，相邻所述阵元的所述岛区域通过将相邻的所述变形槽隔开的所述连接部彼此连接，沿所述超声阵列的面内方向拉伸所述超声阵列时，所述岛区域发生旋转。

在至少一个可能的实施方式中，所述微型超声换能器包括压电层、背衬层、电极层，所述电极层包括顶电极和底电极，所述顶电极在所述压电层的正面延伸并通过所述微型超声换能器的侧面走线而延伸到所述背衬层的背面。