【摘要】：隨著我國社會人口結(jié)構(gòu)不斷走向老齡化,老年人面臨的各種問題日益凸顯。由于老年人機體各系統(tǒng)已經(jīng)衰退,自控和保護能力逐漸下降,跌倒、撞擊甚至不良的姿勢都有可能引起四肢和脊柱的骨折。傳統(tǒng)的骨折治療方法是通過石膏等材料固定骨折部位,這種方法是基于人體骨骼的自愈合功能。但是,老年人的骨質(zhì)較為疏松,骨細胞再生能力較弱,這種方法治療骨折的周期一般需要三個月甚至更久�，F(xiàn)階段研究表明,通過一定強度的超聲波刺激骨折部位,可以加速骨折愈合,減少骨折愈合周期。但是傳統(tǒng)的超聲波治療設備,無法與人體皮膚緊密貼合,舒適度和便攜性都遠遠不夠,在長期的骨質(zhì)損傷輔助治療過程中很不方便。面向骨質(zhì)損傷輔助治療的柔性壓電超聲換能器正是在這一需求上發(fā)展起來的。本文針對長期輔助治療骨質(zhì)損傷的需求,設計了一種可貼附式的柔性壓電超聲換能器。首先采用剛性元器件和柔性襯底結(jié)合的結(jié)構(gòu),對柔性壓電超聲換能器進行整體方案設計,通過剛?cè)峤Y(jié)合的方式實現(xiàn)器件整體的柔性。然后采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微機電系統(tǒng))工藝分別加工制作了器件的柔性基底、柔性電極和壓電超聲模塊,并進行了整體封裝。本文分別對柔性壓電超聲換能器的柔性電極拉伸性能、壓電超聲模塊的諧振頻率和振幅、器件整體模型水下聲場分布進行了仿真分析和實驗測試,有助于進一步針對骨質(zhì)損傷輔助治療的未來應用奠定基礎。本文研究內(nèi)容包括:(1)通過閱讀文獻對剛性超聲換能器、柔性電子器件和柔性壓電超聲換能器進行了深入了解,分析了目前柔性壓電超聲換能器具有的突出問題,結(jié)合剛性超聲換能器和柔性電子器件的特點,明確本文設計的柔性壓電超聲換能器的思路和結(jié)構(gòu)。(2)針對設計的柔性壓電超聲換能器結(jié)構(gòu),詳細介紹了一系列MEMS加工工藝包括光刻、磁控濺射、刻蝕、等離子氣相沉積法等,制作了基于PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)的柔性基底、基于銅層和PI(Polyimide,聚酰亞胺)保護層的柔性電極和基于壓電陶瓷PZT的壓電超聲模塊,并通過整體的封裝,完成器件的制作。(3)針對柔性電極的拉伸性能進行了靜態(tài)力學仿真,驗證設計的柔性電極滿足正常的拉伸和柔性需求;針對壓電超聲模塊的諧振頻率進行了諧響應分析仿真,確定了選用壓電陶瓷的尺寸,得到單個壓電陶瓷可產(chǎn)生的最大平均振幅;通過壓電陶瓷振幅的仿真,進一步進行水箱聲場分布仿真,明確了器件在正常工作狀態(tài)下產(chǎn)生的水下超聲分布。(4)針對制作完成的柔性電極和鍵合后的壓電陶瓷進行了導通性測試,確保了器件制作和封裝的可行性,并且對制作完成的器件進行了諧振頻率測試和振幅測試,明確了器件的特性參數(shù)。本文還采用了高精度水聽器進行了超聲水下發(fā)射實驗和超聲穿透豬肉組織實驗,當激勵信號頻率為357kHz、幅值為100V時,水聽器在距離器件5cm處測得聲強為5.533mW/的超聲信號。通過實驗研究表明,本文設計的柔性壓電超聲換能器可以產(chǎn)生對人體無害的低強度超聲波(低于30mW/),具有輔助治療骨質(zhì)損傷的潛力。
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gkuo Lee 小組在 2015 年還設計出了一種基于氮化鋁薄膜的具有聲換能器[21]，，如圖 1-3 所示。該壓電換能器的零彎曲薄膜有助于，在 2.11MHz 的諧振頻率下，振幅靈敏度可以達到 123nm/V，敏度的 94.5%。該器件的性能有助于壓電式超聲換能器的更多方圖 1-2 新加坡國立大學研制的長方形壓電式超聲換能器

學的 Tahereh Arezoo Emadi 在 2013 年設計出了一種換能器[23]，如圖 1-5 所示。該換能器較常規(guī)的電容式壓下，可以得到較大的位移，并且呈現(xiàn)出更高的電容能較為突出，有望在較高分辨率的超聲成像領(lǐng)域取圖 1-4 斯坦福大學研制的環(huán)形電容式超聲換能器圖 1-5 曼尼托巴大學研制的電容式薄膜微超聲換能器
【學位授予單位】：蘇州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH77

【參考文獻】

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本文編號：2612926