Science Advances: 柔性电子领域新突破——崎岖表面之下秀出内心之“美”

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【基本信息】

1. 作者信息：美国加州大学圣地亚哥分校（University of California, San Diego）徐升教授课题组胡鸿杰（第一作者）、朱譞博士，王冲和，张麟博士（共同一作）。
2. 研究主题：传感 – 柔性器件 – 超声波探头 – 可拉伸柔性探头阵列 – 三维成像。
3. 发表时间：2018年3月23日上线。

【研究背景】

• 超声波电子探头基本原理：通过给器件中的压电材料施加外加电压，通过机电耦合将电压转化为机械振动，产生超声波。超声波在物体内部传播，遇到界面存在形成反射波。通过分析发出和获得的波信号，对物体内部探伤（即探测内部缺陷存在并成像）。
• 电子探头领域目前主要的技术集中在从目标物体表面上方或附近获取信号并成像，鲜有通过传感器获取物体内部深处成像的应用；
• 超声成像技术以其无创性、高精度、高灵敏度、强穿透能力等优点，被广泛应用于评估物体内部不连续性、监测结构完整程度和医学诊断等领域;
• 传统的超声波探头适于检测平面物体，但无法紧密接触并附着在无规曲面上。探头与被测物体界面处往往存在空气间隙。这些间隙会导致超声波能量损失和波畸变，降低成像质量；
• 现有的柔性超声探头难以被附着在被测物体上进行全天候长期监测；
• 如何在保持超声阵列探头优异的机电耦合性能（即机械能转化为电能程度）的前提下实现可拉伸器件的制备一直是相关领域的一项重大挑战。

【文章亮点】

1. 研发了一种微加工方式制备了可拉伸超声阵列探头（柔性硅胶基底）；
2. 在保持优异超声性能的前提下（机电耦合常数：60、 信噪比：20.28 dB、串扰：-70 dB、带宽：47.11%、空间分辨率：610 μm），器件具有良好的可拉伸性能（双轴可拉伸性大于50%）；
3. 器件能够紧密地贴附在不规则曲面上，实现长期不间断监测；
4. 通过使用五层可拉伸电极结构，使得每一个探头可以独立控制开关，实现智能探测方式；
5. 应用了新型超声成像算法对缺陷成像可进行精确地二维和三维图像重构，并通过Krimholtz-Leedom-Matthaei模型和有限元分析进行模拟检验；
6. 本研究为现有的可拉伸传感器开拓了一个新的探测维度。

【图片导读】

图1：可拉伸超声阵列探测器的设计及示意图

[Sci. Adv. 2018, 4:eaar3979，图片来自文章作者]

A) 整体器件结构示意图；

B) 单个探头结构示意图：主要由顶、底两电极（铜）、压电复合材料块[1-3 锆钛酸铅（PZT）-环氧树脂复合物]和阻尼层（提高成像空间分辨率）组成。聚酰亚胺（PI）膜用于粘合铜电极与硅胶基底；

C) 整体器件的底部照片，展示压电材料和底电极形貌；

D) 压电复合材料的扫描电子显微镜（SEM）图片；

E) 整体器件的顶部照片，展示阻尼层和顶电极形貌;

F, H) 照片展示该柔性器件包覆在延展曲面、非延展曲面，及在折叠，扭曲，拉伸混合状态下的形态。

[要点]

• 独特的五层电极体系使得单个探头可以独立工作，互不影响；
• 使用硅胶薄膜作为器件基底，附于了优良的柔性，使得探头阵列可以完美贴合在不规则物体表面进行探测。

图2：器件的压电性能和机械性能表征

[Sci. Adv. 2018, 4:eaar3979，图片来自文章作者]

A) 单个探头加工前后的电阻抗和相位角对比图；

B) 单个探头的脉冲回波信号（黑色）及频率谱（红色）；性能参数：短空间脉冲时长（~1.94 µs）, 高信噪比（~20.24 dB）；

C) 100个探头的谐振频率和反谐振频率分布；

D) 阵列探头的串扰程度；

E) 光学图片和有限元分析模拟展示器件的双向拉伸性质；

F) 光学图片展示拉伸50%回复后的形貌，铜电极仅部分剥落，但仍能保持电路连通；

G) 器件在不同拉伸应变下的阻抗谱比较图。

[要点]

• 加工前后电阻抗和相位角较小变化（图A），以及优良的脉冲回波信号（图B）体现了加工过程对器件性能影响微小，所制备探头性能良好；
• 谐振频率/反谐振频率分布较为均衡，无坏点，体现阵列中每个探头性能稳定，加工工艺成熟；
• 串扰程度体现器件杰出反干扰性能，且每个探头之间互相干扰极小；
• 光学图片和模拟结果体现器件具有优异的拉伸性能，并且在拉伸过程中机电耦合性能保持稳定。

图3：柔性电子探头阵列的空间分辨率

[Sci. Adv. 2018, 4:eaar3979，图片来自文章作者]

A) 超声波空间成像分辨率的表征装置示意图；

B) 传统超声成像算法DAS和新型算法DMAS的比较；DMAS算法获得的信号背景噪音显著降低；

C) 被测仿体成像图；

D, E) 仿体横向（D）、纵向（E）分辨率的线扩散函数；虚线表示超声成像领域中用于计算分辨率的分贝阈值；阈值处函数的左右两点的距离越小，则分辨率越高；

F) 器件在不同聚焦深度的横纵分辨率（实点）及模拟结果（虚线）。

[要点]

• 器件能够任意改变形状以聚焦到不同深度；
• 新型成像算法降低噪声平台，有助于提高横纵分辨率；
• 实验所得分辨率与模拟结果相符。

图4：平面和曲面下线性孔缺陷的探测与成像

[Sci. Adv. 2018, 4:eaar3979，图片来自文章作者]

A-C) 器件探测平面（A）、凹面（B）、凸面（C）下孔缺陷的照片，COMSOL声场模拟，脉冲回波信号，及二维成像结果（从左至右）

[要点]

• 器件在不同曲面表面上具有良好贴合性；
• COMSOL模拟表明缺陷在不同曲面表面产生的声场情况下均能被探测到；
• 所得二维图像的缺陷位置和大小与实际情况相符。

图5：崎岖表面下双孔缺陷探测成像

[Sci. Adv. 2018, 4:eaar3979，图片来自文章作者]

A) 实验探测装置示意图；

B) 缺陷分布的三维重构图像；

[要点]

• 多个缺陷的存在对于传统非贴合式超声波探头难以较好成像。位于上方的缺陷可能会阻挡超声波传到下方缺陷处，从而造成成像分辨率低（“阴影效应”）。
• 本文展示的可贴合超声波探头阵列因为入射声波多方向，受“阴影效应”影响小。本例表现了器件可成功对两个孔缺陷进行成像。
• 多缺陷的探测更接近实际工程情况，体现该超声波探头的实际应用价值；

【文献信息】

Hongjie Hu et al., Stretchable Ultrasonic Transducer Arrays for Three-dimensional Imaging on Complex Surfaces, Sci. Adv. 2018, 4:eaar3979.

供稿| 加州大学圣地亚哥分校徐升教授课题组博士生胡鸿杰

部门| 媒体信息中心科技情报部

撰稿、编辑| 刘田宇

主编| 张哲旭