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            Science Advances: 柔性電子領域新突破——崎嶇表面之下秀出內心之“美”

            [聲明:本文僅供學術交流使用,嚴禁用于任何商業用途]

            【基本信息】

            Science Advances: 柔性電子領域新突破——崎嶇表面之下秀出內心之“美”

            1. 作者信息:美國加州大學圣地亞哥分校(University of California, San Diego)徐升教授課題組胡鴻杰(第一作者)、朱譞博士,王沖和,張麟博士(共同一作)。
            2. 研究主題:傳感 – 柔性器件 – 超聲波探頭 – 可拉伸柔性探頭陣列 – 三維成像。
            3. 發表時間:2018年3月23日上線。

            【研究背景】

            • 超聲波電子探頭基本原理:通過給器件中的壓電材料施加外加電壓,通過機電耦合將電壓轉化為機械振動,產生超聲波。超聲波在物體內部傳播,遇到界面存在形成反射波。通過分析發出和獲得的波信號,對物體內部探傷(即探測內部缺陷存在并成像)。
            • 電子探頭領域目前主要的技術集中在從目標物體表面上方或附近獲取信號并成像,鮮有通過傳感器獲取物體內部深處成像的應用;
            • 超聲成像技術以其無創性、高精度、高靈敏度、強穿透能力等優點,被廣泛應用于評估物體內部不連續性、監測結構完整程度和醫學診斷等領域;
            • 傳統的超聲波探頭適于檢測平面物體,但無法緊密接觸并附著在無規曲面上。探頭與被測物體界面處往往存在空氣間隙。這些間隙會導致超聲波能量損失和波畸變,降低成像質量;
            • 現有的柔性超聲探頭難以被附著在被測物體上進行全天候長期監測;
            • 如何在保持超聲陣列探頭優異的機電耦合性能(即機械能轉化為電能程度)的前提下實現可拉伸器件的制備一直是相關領域的一項重大挑戰。

            【文章亮點】

            1. 研發了一種微加工方式制備了可拉伸超聲陣列探頭(柔性硅膠基底);
            2. 在保持優異超聲性能的前提下(機電耦合常數:60、 信噪比:20.28 dB、串擾:-70 dB、帶寬:47.11%、空間分辨率:610 μm),器件具有良好的可拉伸性能(雙軸可拉伸性大于50%);
            3. 器件能夠緊密地貼附在不規則曲面上,實現長期不間斷監測;
            4. 通過使用五層可拉伸電極結構,使得每一個探頭可以獨立控制開關,實現智能探測方式;
            5. 應用了新型超聲成像算法對缺陷成像可進行精確地二維和三維圖像重構,并通過Krimholtz-Leedom-Matthaei模型和有限元分析進行模擬檢驗;
            6. 本研究為現有的可拉伸傳感器開拓了一個新的探測維度。

            圖片導讀

            圖1:可拉伸超聲陣列探測器的設計及示意圖

            Science Advances: 柔性電子領域新突破——崎嶇表面之下秀出內心之“美”

            [Sci. Adv. 2018, 4:eaar3979,圖片來自文章作者]

            A) 整體器件結構示意圖;

            B) 單個探頭結構示意圖:主要由頂、底兩電極(銅)、壓電復合材料塊[1-3 鋯鈦酸鉛(PZT)-環氧樹脂復合物]和阻尼層(提高成像空間分辨率)組成。聚酰亞胺(PI)膜用于粘合銅電極與硅膠基底;

            C) 整體器件的底部照片,展示壓電材料和底電極形貌;

            D) 壓電復合材料的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片;

            E) 整體器件的頂部照片,展示阻尼層和頂電極形貌;

            F, H) 照片展示該柔性器件包覆在延展曲面、非延展曲面,及在折疊,扭曲,拉伸混合狀態下的形態。

            [要點]

            • 獨特的五層電極體系使得單個探頭可以獨立工作,互不影響;
            • 使用硅膠薄膜作為器件基底,附于了優良的柔性,使得探頭陣列可以完美貼合在不規則物體表面進行探測。

             

            2:器件的壓電性能和機械性能表征

            Science Advances: 柔性電子領域新突破——崎嶇表面之下秀出內心之“美”

            [Sci. Adv. 2018, 4:eaar3979,圖片來自文章作者]

            A) 單個探頭加工前后的電阻抗和相位角對比圖;

            B) 單個探頭的脈沖回波信號(黑色)及頻率譜(紅色);性能參數:短空間脈沖時長(~1.94 μs), 高信噪比(~20.24 dB);

            C) 100個探頭的諧振頻率和反諧振頻率分布;

            D) 陣列探頭的串擾程度;

            E) 光學圖片和有限元分析模擬展示器件的雙向拉伸性質;

            F) 光學圖片展示拉伸50%回復后的形貌,銅電極僅部分剝落,但仍能保持電路連通;

            G) 器件在不同拉伸應變下的阻抗譜比較圖。

            [要點]

            • 加工前后電阻抗和相位角較小變化(圖A),以及優良的脈沖回波信號(圖B)體現了加工過程對器件性能影響微小,所制備探頭性能良好;
            • 諧振頻率/反諧振頻率分布較為均衡,無壞點,體現陣列中每個探頭性能穩定,加工工藝成熟;
            • 串擾程度體現器件杰出反干擾性能,且每個探頭之間互相干擾極??;
            • 光學圖片和模擬結果體現器件具有優異的拉伸性能,并且在拉伸過程中機電耦合性能保持穩定。

             

            3:柔性電子探頭陣列的空間分辨率

            Science Advances: 柔性電子領域新突破——崎嶇表面之下秀出內心之“美”

            [Sci. Adv. 2018, 4:eaar3979,圖片來自文章作者]

            A) 超聲波空間成像分辨率的表征裝置示意圖;

            B) 傳統超聲成像算法DAS和新型算法DMAS的比較;DMAS算法獲得的信號背景噪音顯著降低;

            C) 被測仿體成像圖;

            D, E) 仿體橫向(D)、縱向(E)分辨率的線擴散函數;虛線表示超聲成像領域中用于計算分辨率的分貝閾值;閾值處函數的左右兩點的距離越小,則分辨率越高;

            F) 器件在不同聚焦深度的橫縱分辨率(實點)及模擬結果(虛線)。

            [要點]

            • 器件能夠任意改變形狀以聚焦到不同深度;
            • 新型成像算法降低噪聲平臺,有助于提高橫縱分辨率;
            • 實驗所得分辨率與模擬結果相符。

             

            4:平面和曲面下線性孔缺陷的探測與成像

            Science Advances: 柔性電子領域新突破——崎嶇表面之下秀出內心之“美”

            [Sci. Adv. 2018, 4:eaar3979,圖片來自文章作者]

            A-C) 器件探測平面(A)、凹面(B)、凸面(C)下孔缺陷的照片,COMSOL聲場模擬,脈沖回波信號,及二維成像結果(從左至右)

            [要點]

            • 器件在不同曲面表面上具有良好貼合性;
            • COMSOL模擬表明缺陷在不同曲面表面產生的聲場情況下均能被探測到;
            • 所得二維圖像的缺陷位置和大小與實際情況相符。

             

            5:崎嶇表面下雙孔缺陷探測成像

            Science Advances: 柔性電子領域新突破——崎嶇表面之下秀出內心之“美”

            [Sci. Adv. 2018, 4:eaar3979,圖片來自文章作者]

            A) 實驗探測裝置示意圖;

            B) 缺陷分布的三維重構圖像;

            [要點]

            • 多個缺陷的存在對于傳統非貼合式超聲波探頭難以較好成像。位于上方的缺陷可能會阻擋超聲波傳到下方缺陷處,從而造成成像分辨率低(“陰影效應”)。
            • 本文展示的可貼合超聲波探頭陣列因為入射聲波多方向,受“陰影效應”影響小。本例表現了器件可成功對兩個孔缺陷進行成像。
            • 多缺陷的探測更接近實際工程情況,體現該超聲波探頭的實際應用價值;

             

            【文獻信息】

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

            供稿| 加州大學圣地亞哥分校徐升教授課題組博士生胡鴻杰

            部門| 媒體信息中心科技情報部

            撰稿、編輯| 劉田宇

            主編| 張哲旭

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