一种微型光声成像探头及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种微型光声成像探头及其制备方法，属于光声成像技术领域和超声换能器技术领域。所述环形超声换能器通过直接与光纤集成，充分利用了光纤细小的体积优势，也充分利用了MEMS超声换能器的微型化体积优势，最大程度的实现了探头体积的微型化，大幅提高了探测的灵活性。由于该光声探头体积微小，在移动其进行扫描时，探头与水产生的震动噪声小，有利于提高探测的信噪比。所述微型光声成像探头的光纤部分自带光聚焦透镜，超声换能器部分也自带声聚焦透镜，且采用氧化锌薄膜作为压电材料，工作频率高、频带宽，从而最大程度的保证了超高分辨率的实现。所述微型光声成像探头的制备方法可与MEMS工艺兼容，一致性好，且大幅降低了探头的制造成本。

A miniature photoacoustic imaging probe and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种微型光声成像探头及其制备方法
本专利技术涉及一种微型光声成像探头及其制备方法，属于光声成像
和超声换能器

技术介绍
光声成像是目前世界上最前沿的生物医学影像技术之一。光声成像技术以光吸收特性作为对比度来源，兼具光学成像对比度丰富、分辨率高和超声成像穿透深度大等优势，且非标记、非破坏、无辐射，成像特异性强，可动态观察细胞与细胞之间的交互作用，还能可视化细胞的形态结构、生理病理特征、发生发展状态等，对生物现象背后的机理研究、疾病诊断与治疗监控具有重大科学意义。而传统的光声成像技术采用商用的Olympus等厂家的高频超声换能器作为接收光声信号的探头，存在光探头与声探头不共轴的瓶颈，这会影响分辨率的进一步提高，且借助反光透声或透光反声模块还会使探头结构复杂、体积大，限制了光声显微成像系统的更广泛应用。随着技术的进步，光声成像与微机电系统(MEMS)技术的不断融合，催生了一系列小型化的光声成像技术，在一定程度上解决了传统光声成像系统体积庞大，灵活性低的问题。例如结合双轴水浸式MEMS扫描振镜实现的手持式光声探头(LiLin,PengfeiZhang,SongXu,JunhuiShi,LeiLi,JunjieYao,LidaiWang,JunZou,LihongV.Wang,"Handheldoptical-resolutionphotoacousticmicroscopy,"[J].Biomed.Opt.2017.22(4)：041002)。结合通过电热驱动机制的二维扫描振镜的光声探头(QianChen,HengGuo,TianJin,WeizhiQi,HuikaiXie,andLeiXi,"Ultracompacthigh-resolutionphotoacousticmicroscopy,"Opt.Lett.43,1615-1618(2018))。上述这些方法虽然很好的将光声成像系统与MEMS技术结合，使光声成像系统体积缩小。但是由于这些方法都是基于将光声成像系统如何更好的去应用在临床检测方面，主要关注点为采用MEMS振镜实现扫描系统的小型化，并未从根本上解决光探头与声探头不共轴的问题，限制了探测分辨率的进一步提高，而且探头结构复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中光探头与声探头不共轴导致探测分辨率低、结构复杂的问题，提供一种微型光声成像探头及其制备方法；其可实现与带准直聚焦透镜的光纤的直接集成。通过本专利技术的微型光声成像探头可以解决光声不共轴引起的探头结构复杂、体积大和分辨率有限等问题。所述微型光声成像探头采用环形超声换能器结构，其中空的结构可直接与自带准直聚焦透镜的光纤集成，不仅从根本上实现了光声共轴，而且省去了传统光声显微系统为了实现发射激光的聚焦所不得不采用的一些光学透镜结构，大大减小了探头的体积和重量。所述环形超声换能器通过直接与光纤集成，充分利用了光纤细小的体积优势，也充分利用了MEMS超声换能器的微型化体积优势，最大程度的实现了探头体积的微型化，大幅提高了探测的灵活性。由于该光声探头体积微小，在移动其进行扫描时，探头与水产生的震动噪声小，有利于提高探测的信噪比。所述微型光声成像探头的光纤部分自带光聚焦透镜，超声换能器部分也自带声聚焦透镜，且采用氧化锌薄膜作为压电材料，工作频率高(30MHz及以上)、频带宽，从而最大程度的保证了超高分辨率的实现。所述微型光声成像探头的制备方法可与MEMS工艺兼容，一致性好，且大幅降低了探头的制造成本。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种微型光声成像探头，包括：探头外壳、单模光纤、环形压电薄膜上电极、环形压电薄膜、环形压电薄膜下电极、微型准直聚焦透镜、环形硅声透镜和声学匹配层；探头外壳为顶端开槽、且带有通孔结构；所述槽为阶梯形式；所述环形压电薄膜上电极、环形压电薄膜、环形压电薄膜下电极和环形硅声透镜中心处均开设通孔，并依次固定于槽中；声学匹配层贴合在环形硅声透镜表面；单模光纤插入通孔中；所述单模光纤顶端固定安装微型准直聚焦透镜；所述微型准直聚焦透镜的焦点与环形硅声透镜的焦点汇聚在同一点上；本专利技术的微型光声成像探头与MEMS兼容的制备方法如下：1、准备一个单晶硅片。2、在硅片的上表面沉积电极，此电极为氧化锌压电薄膜的下电极，采用光刻法刻蚀出下电极图形。3、采用溅射和化学溶液生长法相结合的方法制备氧化锌薄膜。4、在氧化锌薄膜的上表面沉积金属电极，此电极为氧化锌压电薄膜的上电极，采用光刻法刻蚀出上电极图形。5、使用湿法腐蚀与干法刻蚀相结合的方法对硅片进行刻蚀，得到所需的硅透镜的曲面形貌。6、采用激光打孔方法制备中空孔，中空孔的直径为200μm，深度为将硅片穿透。7、采用旋涂法在柔性衬底上制备SU-8匹配层，并将匹配层转移至声透镜表面后移除柔性衬底。8、划片后，采用焊接等方法将下电极和上电极与电引线互连。9、将自带准直聚焦透镜的光纤插入中空孔，且采用密封胶等将光纤与环形超声换能器粘接为一体。通过上述所制得的环形超声换能器由于其具有直径为200μm左右的中空结构，所以可以与商用的外芯为125μm的单模光纤进行集成，且目前已存在有单模光纤一端与微型准直聚焦透镜耦合在一起的自聚焦单模光纤产品。通过把这种自聚焦单模光纤与本专利技术的环形超声换能器集成，则可从根本上解决光声显微成像技术中的光声不共轴瓶颈问题，并有效简化和减小光声探头的体积，提高系统扫描灵活性，提高信噪比。本专利技术所述的环形超声换能器与普通的圆形超声换能器具有相比拟的声波聚焦效果，焦点位置近乎相同，对超声换能器的性能影响不大。此外，环形超声换能器因引入中空结构会损失一部分声能，但仿真研究结果显示，虽然声压强度有所降低，但聚焦声斑体现出来的横向分辨率优于圆形超声换能器。具体表现在，当聚焦深度位于1.1mm处时，所设计的环形超声换能器的横向分辨率为39μm，比同条件下圆形超声换能器42μm的横向分辨率提高了7％，聚焦声斑的声压强度仅降低了不到5％.当聚焦深度位于2.5mm时，所设计的环形超声换能器横向分辨率为85μm，比同条件下圆形超声换能器130μm的横向分辨率提高了30％以上，聚焦声斑的声压强度仅降低了接近30％。可见，只要材料和结构设计合理，环形超声换能器在声场聚焦特性方面可优于传统圆形超声换能器。有益效果1、本专利技术的微型光声成像探头，采用中空结构，方便与光纤集成，从根本上解决了光声不共轴的瓶颈问题，可显著提高成像分辨率。2、本专利技术的微型光声成像探头，减去了传统光声成像探头实现光声共轴所需要的复杂光路结构，结构简单且利于实现光声成像探头的微型化。3、本专利技术的微型光声成像探头，由于体积和重量大幅减小，提高了系统扫描的灵活性，且在扫描过程中与水的相对运动引入的振动噪声也大幅降低，提高了探测的信噪比。4、本专利技术的微型光声成像探头，通过合理设计环形超声换能器的材料和结构，可有效抑制横向谐振模态，获得优于传统圆形超声换能器的声场聚焦特本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型光声成像探头，其特征在于：包括：探头外壳、单模光纤、环形压电薄膜上电极、环形压电薄膜、环形压电薄膜下电极、微型准直聚焦透镜、环形硅声透镜和声学匹配层；/n探头外壳为顶端开槽、且带有通孔结构；所述槽为阶梯形式；所述环形压电薄膜上电极、环形压电薄膜、环形压电薄膜下电极和环形硅声透镜中心处均开设通孔，并依次固定于槽中；声学匹配层贴合在环形硅声透镜表面；单模光纤插入通孔中；所述单模光纤顶端固定安装微型准直聚焦透镜。/n

【技术特征摘要】
1.一种微型光声成像探头，其特征在于：包括：探头外壳、单模光纤、环形压电薄膜上电极、环形压电薄膜、环形压电薄膜下电极、微型准直聚焦透镜、环形硅声透镜和声学匹配层；
探头外壳为顶端开槽、且带有通孔结构；所述槽为阶梯形式；所述环形压电薄膜上电极、环形压电薄膜、环形压电薄膜下电极和环形硅声透镜中心处均开设通孔，并依次固定于槽中；声学匹配层贴合在环形硅声透镜表面；单模光纤插入通孔中；所述单模光纤顶端固定安装微型准直聚焦透镜。


2.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述微型准直聚焦透镜的焦点与环形硅声透镜的焦点汇聚在同一点上。


3.制备如权利要求1或2所述装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、在硅片的上表面沉积电极，此电极为氧化锌压电薄膜的下电极，采用光刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金英，赵冬冬，李德芳，田丰硕，李卓，王欣，杨苏辉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11