基于MEMS的超声微型手术刀振动检测技术的研究

摘要

本文研究的超声微型手术刀是一种将MEMS技术与压电超声技术结合起来的新型微创手术医疗器械。它的刀体采用的是复合变幅杆结构，被设计成对称或偏心的硅片喇叭口形，刀头带有微齿，由MEMS技术加工制成。超声微型手术刀的运动是采用压电驱动的方式实现的，在刀体的节点处贴有PZT-4压电陶瓷片，以驱动刀体进入纵向共振状态，进行微纳米级的精确切割，共振频率在超声频段。作为一个高度集成的微形驱动器，其检测是很重要的，为此，研究了超声微型手术刀振动的光学检测与电学检测技术。论文的主要内容与创新点如下：
　　 1、比较了不同微机电系统激励方法的优缺点，确定采用压电驱动作为微型手术刀的驱动方式；并选择使用PZT-4,压电陶瓷片作为微型手术刀的驱动片；研究PZT-4压电陶瓷片和超声微型手术刀的等效电路；分析PZT-4压电陶瓷片性能，确定出PZT-4压电陶瓷片的材料参数和等效电路参数。
　　 2、在分析了超声微型手术刀工作原理的基础上，搭建了以高倍数码显微镜和CCD设备为核心的光学检测平台，对PZT-4压电陶瓷片驱动的超声微型手术刀的振动情况进行清楚地观测。为了更好的研究超声微型手术刀的性能，分别对PZT-4压电陶瓷片、三角形和指数形超声微型手术刀进行观测，包括谐振频率点、振动幅值、放大倍数及性能稳定性等。
　　 3、研究了电学检测原理及其结构，通过检测超声微型手术刀下层压电陶瓷片振动产生的压电电荷信号多少间接反映超声微型手术刀振动情况。利用锁相环电路对超声微型手术刀振动频率进行锁频跟踪，利用基于DSP的振动信号采集电路对振动产生的电荷信号进行采集，检测出超声微型手术刀的谐振频率点，并分析驱动电压幅值与振动产生的压电信号的关系。