一種檢測聲功率的熱釋電傳感器的製作方法
2023-12-04 09:29:36
本實用新型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：
超聲診斷已經逐漸成為最主要的醫學診療手段。尤在近十餘年，超聲治療的新技術得到了迅猛的發展，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腫瘤治療技術，利用超聲波在生物組織內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病灶上的一個很小的焦域內，該區域內瞬時溫度可上升到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，使焦域內組織產生不可逆轉的凝固性壞死，從而達到「切除」或消融腫瘤的目的。由此對比MRI、CT、PET等醫療設備，超聲診療具有操作便捷，使用經濟，適用範圍廣泛等特點，所以廣受醫生和病人的歡迎。
安全性和有效性是用於治療的醫療器械所必須滿足的兩個重要指標。而對於此類診療設備聲功率的安全測量方法已經成為目前醫療人員及社會各界迫切需要的保障。超聲聲功率過低導致治療沒有效果、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範圍的大小。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、光學法、熱學法以及水聽器掃描法等。其中得到普遍應用的是輻射力法，但其需要較高的成本和高技能的人才，並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。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於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。
為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案：
本實用新型採用聚偏氟乙烯薄膜作為敏感元件，其特徵在於：所述的聚偏氟乙烯薄膜斜向設置在水槽內，其與水平面的傾斜角為15°～25°，所述的水槽採用聚甲基丙烯酸甲酯材料，水槽的內壁和底部緊貼有不鏽鋼面板，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，聚偏氟乙烯薄膜的下部為密閉區，密閉區內布置將聲能轉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，用於對換能器發射的超聲功率經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，用於感受吸聲背襯材料吸收聲波後溫度的改變；極化的聚偏氟乙烯薄膜因熱釋電效應而釋放電荷或電壓，並由金電極引出。
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°。
背景技術相比，本實用新型具有的有益效果是：
本實用新型運用熱釋電材料的熱釋電效應來對超聲換能器輸出聲功率的檢測。該實用新型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，因此響應速度明顯加快。再者在傳感器製作與應用的過程中可以靈活的變換形狀以及布局，增加了應用的範圍與領域，尤其在高強度聚焦超聲治療過程中能夠進行實時監測。
附圖說明
圖1為本實用新型的整體結構示意圖：
圖2為極化的PVDF薄膜；
圖中：1、PMMA外殼，2、不鏽鋼面板，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
下面結合附圖對本實用新型作進一步的說明。
如圖1和圖2所示：本實用新型包括一個PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）材料的水槽外殼1，水槽內部各面粘貼有一定厚度的不鏽鋼面板2。水槽內部放置與水平面呈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檢測超聲的聲功率。為了實現聲功率的準確測量，減少聲波在傳感器中由於反射和散射所帶來的測量損失，設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薄膜置於傳感器的頂端，用於對換能器發射的超聲功率經由除氣水到極化的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，置於未極化的PVDF薄膜之後，用於感受吸聲材料吸收聲波後溫度的改變，並利用熱釋電效應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。
高吸聲材料則置於極化的PVDF薄膜之後，吸收聲波並將聲波的聲能轉換為熱能。水槽內粘貼的不鏽鋼面板更是為了增強聲波在內部的反射與折射。
測量時，超聲換能器對某一點發射聚焦超聲波，通過該點之後的聚焦超聲束會發生散射，後到達熱釋電傳感器表面。由於上層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後，將聲能轉換為熱能。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表面會產生表面電荷，通過消耗採集系統，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係，從而推算得超聲換能器的發射聲功率。
以下為本實用新型的具體實施例：
1）熱釋電傳感器的結構設計與製作
步驟1）選擇合適的熱釋電材料。根據熱釋電傳感器所基於的熱釋電效應，選擇合適的熱釋電材料。考慮超聲換能器傳播的介質為水或人體，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。並且為了更好的接收聲波，將薄膜製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化為熱能。在此要求吸聲材料具有較高的吸聲係數以及高轉換效率，以確保將絕大部分的聲能轉換成熱能，而減少聲波在吸聲材料內部的反射與折射。
步驟3）設計水槽。聲波在介質中或吸聲材料中傳播不可避免的會有部分聲波發生反射與折射，設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並且能夠將聲波重新反射回水槽內部。因此在設計時選擇了隔聲性好、絕緣性好的高分子透明材料PMMA，且在外殼內壁粘貼一層不鏽鋼增加反射。
步驟4）設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生，使儘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。通過理論推導建立換能器發射聲功率與熱釋電輸出信號之間的關係。找到理論上熱釋電信號受哪些因素的影響，以及聲功率的改變如何影響熱釋電信號變化。以此作為該傳感器的參考理論值，用於與後期實驗進行對比。
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，採用相同時間，相同頻率與相同的超聲換能器聲功率，進行重複兩次實驗，比較前後兩次測得的熱釋電信號之間的差異，得到該傳感器的重複性曲線。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係。
步驟3）對比。將步驟1)與步驟2）的數據進行對比，即可得到該傳感器的性能評價。
步驟4）系統不確定度的評定。實驗中造成系統誤差的因素有很多，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。