本實(shí)用新型主要涉及新型熱釋電傳感器，特別涉及一種檢測(cè)聲功率的新型熱釋電傳感器。

背景技術(shù)：

超聲診斷已經(jīng)逐漸成為最主要的醫(yī)學(xué)診療手段。尤在近十余年，超聲治療的新技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，特別在高強(qiáng)度聚焦超聲方面更是有了突破性的進(jìn)展。高強(qiáng)度聚焦超聲是一種非介入性無創(chuàng)腫瘤治療技術(shù)，利用超聲波在生物組織內(nèi)的可聚焦性和可穿透性的物理特點(diǎn)，將超聲能量聚焦在體內(nèi)病灶上的一個(gè)很小的焦域內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)瞬時(shí)溫度可上升到65℃以上。因此可以在對(duì)焦域周圍正常組織沒有明顯損傷的前提下，使焦域內(nèi)組織產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的凝固性壞死，從而達(dá)到“切除”或消融腫瘤的目的。由此對(duì)比MRI、CT、PET等醫(yī)療設(shè)備，超聲診療具有操作便捷，使用經(jīng)濟(jì)，適用范圍廣泛等特點(diǎn)，所以廣受醫(yī)生和病人的歡迎。

安全性和有效性是用于治療的醫(yī)療器械所必須滿足的兩個(gè)重要指標(biāo)。而對(duì)于此類診療設(shè)備聲功率的安全測(cè)量方法已經(jīng)成為目前醫(yī)療人員及社會(huì)各界迫切需要的保障。超聲聲功率過低導(dǎo)致治療沒有效果、而過高則會(huì)帶來不可逆的損傷，因此治療過程中需要準(zhǔn)確控制閾值范圍的大小。在這種需求形勢(shì)下，超聲功率的測(cè)量具有其重要的實(shí)際意義。

然而目前對(duì)聲功率的測(cè)量方法主要有輻射力法、光學(xué)法、熱學(xué)法以及水聽器掃描法等。其中得到普遍應(yīng)用的是輻射力法，但其需要較高的成本和高技能的人才，并且輻射力天平測(cè)量要求較為嚴(yán)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(huì)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(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種檢測(cè)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(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案：

本實(shí)用新型采用聚偏氟乙烯薄膜作為敏感元件，其特征在于：所述的聚偏氟乙烯薄膜斜向設(shè)置在水槽內(nèi)，其與水平面的傾斜角為15°～25°，所述的水槽采用聚甲基丙烯酸甲酯材料，水槽的內(nèi)壁和底部緊貼有不銹鋼面板，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(qū)，聚偏氟乙烯薄膜的下部為密閉區(qū)，密閉區(qū)內(nèi)布置將聲能轉(zhuǎn)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，用于對(duì)換能器發(fā)射的超聲功率經(jīng)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，用于感受吸聲背襯材料吸收聲波后溫度的改變；極化的聚偏氟乙烯薄膜因熱釋電效應(yīng)而釋放電荷或電壓，并由金電極引出。

進(jìn)一步說，所述的極化的聚偏氟乙烯薄膜呈陣列排布。

進(jìn)一步說，所述的傾斜角為20°。

背景技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有的有益效果是：

本實(shí)用新型運(yùn)用熱釋電材料的熱釋電效應(yīng)來對(duì)超聲換能器輸出聲功率的檢測(cè)。該實(shí)用新型成本低且與熱電偶測(cè)聲功率的方法相比無需達(dá)到熱平衡狀態(tài)，因此響應(yīng)速度明顯加快。再者在傳感器制作與應(yīng)用的過程中可以靈活的變換形狀以及布局，增加了應(yīng)用的范圍與領(lǐng)域，尤其在高強(qiáng)度聚焦超聲治療過程中能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖：

圖2為極化的PVDF薄膜；

圖中：1、PMMA外殼，2、不銹鋼面板，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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

如圖1和圖2所示：本實(shí)用新型包括一個(gè)PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）材料的水槽外殼1，水槽內(nèi)部各面粘貼有一定厚度的不銹鋼面板2。水槽內(nèi)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(shí)施例是通過熱釋電材料的熱釋電效應(yīng)檢測(cè)超聲的聲功率。為了實(shí)現(xiàn)聲功率的準(zhǔn)確測(cè)量，減少聲波在傳感器中由于反射和散射所帶來的測(cè)量損失，設(shè)計(jì)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薄膜置于傳感器的頂端，用于對(duì)換能器發(fā)射的超聲功率經(jīng)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(gè)陣元6組成，置于未極化的PVDF薄膜之后，用于感受吸聲材料吸收聲波后溫度的改變，并利用熱釋電效應(yīng)在其表面釋放電荷或電壓。進(jìn)一步，這兩類薄膜同時(shí)與水平面呈20°夾角放置在水槽中，以減小駐波對(duì)測(cè)量的影響。

高吸聲材料則置于極化的PVDF薄膜之后，吸收聲波并將聲波的聲能轉(zhuǎn)換為熱能。水槽內(nèi)粘貼的不銹鋼面板更是為了增強(qiáng)聲波在內(nèi)部的反射與折射。

測(cè)量時(shí)，超聲換能器對(duì)某一點(diǎn)發(fā)射聚焦超聲波，通過該點(diǎn)之后的聚焦超聲束會(huì)發(fā)生散射，后到達(dá)熱釋電傳感器表面。由于上層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(dá)高吸聲背襯材料中。高吸聲背襯材料吸收聲波后，將聲能轉(zhuǎn)換為熱能。又因?yàn)橄聦覲VDF薄膜與高吸聲背襯材料緊密相連，因此接觸界面的熱量會(huì)直接傳遞到下層PVDF表面。此時(shí)具有熱釋電性能的PVDF表面會(huì)產(chǎn)生表面電荷，通過消耗采集系統(tǒng)，該熱釋電電荷會(huì)被記錄。通過理論研究可以建立聲功率與熱釋電電荷的關(guān)系，從而推算得超聲換能器的發(fā)射聲功率。

以下為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例：

1）熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

步驟1）選擇合適的熱釋電材料。根據(jù)熱釋電傳感器所基于的熱釋電效應(yīng)，選擇合適的熱釋電材料。考慮超聲換能器傳播的介質(zhì)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(diǎn)，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。并且為了更好的接收聲波，將薄膜制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(jìn)入吸聲材料中，吸聲材料吸收聲波將聲能轉(zhuǎn)化為熱能。在此要求吸聲材料具有較高的吸聲系數(shù)以及高轉(zhuǎn)換效率，以確保將絕大部分的聲能轉(zhuǎn)換成熱能，而減少聲波在吸聲材料內(nèi)部的反射與折射。

步驟3）設(shè)計(jì)水槽。聲波在介質(zhì)中或吸聲材料中傳播不可避免的會(huì)有部分聲波發(fā)生反射與折射，設(shè)計(jì)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并且能夠?qū)⒙暡ㄖ匦路瓷浠厮蹆?nèi)部。因此在設(shè)計(jì)時(shí)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(nèi)壁粘貼一層不銹鋼增加反射。

步驟4）設(shè)計(jì)熱釋電材料放置位置。PVDF薄膜簡單水平放置時(shí)，會(huì)有大量的聲波反射回?fù)Q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(chǎn)生，使盡可能多的聲波透過薄膜進(jìn)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(píng)價(jià)

步驟1）理論計(jì)算。通過理論推導(dǎo)建立換能器發(fā)射聲功率與熱釋電輸出信號(hào)之間的關(guān)系。找到理論上熱釋電信號(hào)受哪些因素的影響，以及聲功率的改變?nèi)绾斡绊憻後岆娦盘?hào)變化。以此作為該傳感器的參考理論值，用于與后期實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。

步驟2）實(shí)驗(yàn)。保持換能器距離與傳感器垂直距離不變的條件下，采用相同時(shí)間，相同頻率與相同的超聲換能器聲功率，進(jìn)行重復(fù)兩次實(shí)驗(yàn)，比較前后兩次測(cè)得的熱釋電信號(hào)之間的差異，得到該傳感器的重復(fù)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(shí)。根據(jù)測(cè)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(guī)律。同樣的在保持聲功率不變的條件下，僅增強(qiáng)換能器的頻率。觀察熱釋電輸出電壓與頻率大小間的關(guān)系。

步驟3）對(duì)比。將步驟1)與步驟2）的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，即可得到該傳感器的性能評(píng)價(jià)。

步驟4）系統(tǒng)不確定度的評(píng)定。實(shí)驗(yàn)中造成系統(tǒng)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。