完美(中国)体育-2024上海高端医疗设备展Medtec对MEMS基础的PVDF超声换能器用于血管成像的设计与分析
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2024-07-30
高频超声成像以其微不雅分辩率，斥地了眼科、皮肤科及血管内成像（IVUS）等医学研究的新范畴。2024上海高端医疗装备展Medtec认为换能器的机能对于成像质量至关主要，研究职员对于多种换能器质料举行了研究，包括铅锆钛酸盐（PZT）、聚偏氟乙烯（PVDF）和其共聚物（PVDF TrFE）等。PVDF及其共聚物具备宽带宽、机械柔韧性、良好的声阻抗匹配以和较低的成本上风，是以于高分辩率医学超声成像中获得了广泛运用。然而，PVDF微型换能器的电阻较高，这致使与典型50欧姆负载的电子仪器之间的阻抗掉配，从而降低信噪比。为解决这一问题，研究职员将高输入阻抗放年夜器与PVDF膜集成，以避免因加载电子仪器致使旌旗灯号降噪。
甚么是PVDF超声换能器：PVDF（聚偏二氟乙烯）超声换能器是一种使用PVDF质料制造的超声波传感器，广泛运用在高频超声成像。PVDF是一种压电质料，当其遭到机械压力或者振动时会孕育发生电荷，反之亦然，这使患上它可以或许转换电能及声能。这些特征使PVDF超声换能器于医疗成像、无损检测及传感器等范畴中具备主要运用价值。
PVDF质料的上风
宽带宽：PVDF质料具备较宽的频率相应规模，可以或许捕获更多的细节信息，这对于在高分辩率成像尤为主要。
机械柔韧性：PVDF膜具备优良的柔韧性，可以顺应繁杂的曲面布局，增长了其于差别运用中的顺应性。
声阻抗匹配：PVDF的声阻抗与生物构造更匹配，削减了声波于介质界面的反射，从而提高了旌旗灯号的传输效率及成像质量。
PVDF超声换能器的事情道理PVDF超声换能器经由过程压电效应事情，当换能器发射超声波时，电旌旗灯号于PVDF膜上孕育发生机械振动，形成超声波。这些超声波流传到方针物体并反射回来，换能器再将反射的超声波旌旗灯号转换为电旌旗灯号举行处置惩罚及阐发。
本文研究了芯片寄生电容对于MEMS基础超声换能器机能的影响，开发了聚焦PVDF换能器，并辨认及丈量了这些器件的芯片寄生电容。提出了一种具备最小寄生电容的换能器模子，并开发了原型器件举行测试，显示新器件于插入损耗方面有显著改良。
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利用压力偏转及微机械加工技能，开发了用在微创手术的聚焦PVDF TrFE换能器。将一侧涂有Cr/Au电接触的压电PVDF膜放置于带有微机械圆形孔径的硅基底上，硅基底内圆周及顶外貌涂有1.5微米厚的SiO2层。经由过程喷嘴向膜注入空气压力，偏转膜形成球形部门，并利用银环氧树脂固定膜的外形及提供电接触。差别焦数的换能器可以经由过程转变空气压力来制造。
(A) 图片展示了一个安装于1平方厘米硅芯片上的1毫米聚焦换能器，该芯片毗连于定制的电路板上。(B) 放年夜器电子元件和其输入及输出电缆，放置于电路板上，将被放置于换能器的反面。
芯片寄生电容的辨认换能器的截面示用意显示了三种电容：PVDF聚合物膜自己的电容（CT）、沿硅芯片内圆周的SiO2层电容（CC）以和基底电介质中的边沿场电容（Cf）。总寄生电容（Cp）是CC及Cf的总及，Cp作为输出的并联阻抗会显著降低前置放年夜器的输入，从而降低换能器的机能。
展示装备的截面图及示用意，显示了装备的固有电容及寄生电容。
阐发与建模为模仿寄生电容的影响，开发了电路模子，并利用电气仿真软件PSPICE举行了阐发。成果显示，利用聚碳酸酯基底的换能器比拟在硅基底的换能器，旌旗灯号损耗更小。聚碳酸酯换能器的电容值比硅换能器低患上多，证实了最小寄生电容设计的优胜性。
聚碳酸酯（无寄生电容）及硅（有寄生电容）换能器的功率谱密度，显示旌旗灯号丧失。二者具备险些不异的中央频率及带宽。
插入损耗丈量为了评估寄生电容的现实影响，对于比了差别孔径的硅及聚碳酸酯换能器的插入损耗。成果注解，带前置放年夜器的聚碳酸酯换能器比拟在带前置放年夜器的硅换能器，插入损耗显著降低，验证了寄生电容对调能器机能的庞大影响。
硅及聚碳酸酯装备的寄生电容丈量成果。可以看出，硅装备的电容比聚碳酸酯装备更高。
本文研究了基在MEMS工艺制造的高频PVDF换能器的芯片寄生电容对于其机能的影响。2024上海高端医疗装备展Medtec发明试验及建模成果注解，寄生电容显著降低了换能器的机能。新开发的最小寄生电容模子于连结成像分辩率的同时，提高了1毫米换能器的插入损耗约21 dB。这项研究展示了开发集成MEMS PVDF换能器的潜力，这些换能器于临床IVUS运用中具备广泛运用远景。
末了惯例一张AI图：
Chandrana, Chaitanya, James Talman, Tao Pan, Shuvo Roy, and Aaron Fleischman. Design and analysis of MEMS based PVDF ultrasonic transducers for vascular imaging. Sensors 10, no. 9 : 8740-8750.
文章来历：超哥 医工超人
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