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面向骨质损伤辅助治疗的柔性压电超声换能器研究

朱奇峰  
【摘要】:随着我国社会人口结构不断走向老龄化,老年人面临的各种问题日益凸显。由于老年人机体各系统已经衰退,自控和保护能力逐渐下降,跌倒、撞击甚至不良的姿势都有可能引起四肢和脊柱的骨折。传统的骨折治疗方法是通过石膏等材料固定骨折部位,这种方法是基于人体骨骼的自愈合功能。但是,老年人的骨质较为疏松,骨细胞再生能力较弱,这种方法治疗骨折的周期一般需要三个月甚至更久。现阶段研究表明,通过一定强度的超声波刺激骨折部位,可以加速骨折愈合,减少骨折愈合周期。但是传统的超声波治疗设备,无法与人体皮肤紧密贴合,舒适度和便携性都远远不够,在长期的骨质损伤辅助治疗过程中很不方便。面向骨质损伤辅助治疗的柔性压电超声换能器正是在这一需求上发展起来的。本文针对长期辅助治疗骨质损伤的需求,设计了一种可贴附式的柔性压电超声换能器。首先采用刚性元器件和柔性衬底结合的结构,对柔性压电超声换能器进行整体方案设计,通过刚柔结合的方式实现器件整体的柔性。然后采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)工艺分别加工制作了器件的柔性基底、柔性电极和压电超声模块,并进行了整体封装。本文分别对柔性压电超声换能器的柔性电极拉伸性能、压电超声模块的谐振频率和振幅、器件整体模型水下声场分布进行了仿真分析和实验测试,有助于进一步针对骨质损伤辅助治疗的未来应用奠定基础。本文研究内容包括:(1)通过阅读文献对刚性超声换能器、柔性电子器件和柔性压电超声换能器进行了深入了解,分析了目前柔性压电超声换能器具有的突出问题,结合刚性超声换能器和柔性电子器件的特点,明确本文设计的柔性压电超声换能器的思路和结构。(2)针对设计的柔性压电超声换能器结构,详细介绍了一系列MEMS加工工艺包括光刻、磁控溅射、刻蚀、等离子气相沉积法等,制作了基于PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)的柔性基底、基于铜层和PI(Polyimide,聚酰亚胺)保护层的柔性电极和基于压电陶瓷PZT的压电超声模块,并通过整体的封装,完成器件的制作。(3)针对柔性电极的拉伸性能进行了静态力学仿真,验证设计的柔性电极满足正常的拉伸和柔性需求;针对压电超声模块的谐振频率进行了谐响应分析仿真,确定了选用压电陶瓷的尺寸,得到单个压电陶瓷可产生的最大平均振幅;通过压电陶瓷振幅的仿真,进一步进行水箱声场分布仿真,明确了器件在正常工作状态下产生的水下超声分布。(4)针对制作完成的柔性电极和键合后的压电陶瓷进行了导通性测试,确保了器件制作和封装的可行性,并且对制作完成的器件进行了谐振频率测试和振幅测试,明确了器件的特性参数。本文还采用了高精度水听器进行了超声水下发射实验和超声穿透猪肉组织实验,当激励信号频率为357kHz、幅值为100V时,水听器在距离器件5cm处测得声强为5.533mW/的超声信号。通过实验研究表明,本文设计的柔性压电超声换能器可以产生对人体无害的低强度超声波(低于30mW/),具有辅助治疗骨质损伤的潜力。


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