一種內窺鏡微型光學探頭的制作方法

專利名稱：一種內窺鏡微型光學探頭的制作方法
技術領域：
本發明屬于醫療設備技術領域，特別是涉及一種內窺鏡微型光學探頭。
背景技術：
將微機電系統技術(microelectromechanical systems, 簡稱MEMS)的掃描微鏡與光學相干層析成像(Optical Coherence Tomography, OCT)技術相結合，進行內窺鏡成像系統開發是專利申請單位的主要開發項目。國際上第一個MEMS - OCT內窺鏡探頭正是由申請單位研發團隊成員之一在2001年研發的，該內窺鏡采用電熱驅動的一維MEMS掃描微鏡，成功展示了活體豬膀胱的二維截面OCT圖像。該探頭已經取得美國專利(專利號 US7, 450244 Full circumferential scanning OCT intravascular imaging probe based on canning MEMS mirror)，圖1是探頭三維設計圖，它包括探頭基座14、格林透鏡12、傳輸光纖13、進行MEMS微鏡電連接的柔性電路板15和MEMS微鏡11。探頭基座14根據各零部件尺寸進行設計，采用電火花切割加工；傳輸光纖13前端部分去掉外皮后與格林透鏡12 采用無間隙組裝在探頭對應孔槽內；MEMS微鏡11與柔性電路板15分別粘接在探頭一端帶 45°斜坡的槽內；最后完成塑料套管16的組裝。從圖1可以看出，探頭基座不對稱結構給加工帶來較大困難，不利于探頭的批量生產。為實現一次性MEMS - OCT探頭的推廣，采用圖1所示設計方案將受限于研發階段， 采用電火花線切割加工使得加工周期變長，且成本高昂，影響了一次性探頭的市場開拓。本發明旨在改進OCT內窺鏡探頭結構設計，實現探頭各零部件的精準組裝，并采用注塑成型的生產方式進行探頭的批量生產，從而控制生產成本，為一次性MEMS - OCT探頭的市場推廣打下堅實基礎。

發明內容
本發明目的在于針對現有技術的缺陷提供一種采用注塑或澆鑄工藝成型的內窺鏡微型光學探頭。本發明為實現上述目的，采用如下技術方案
一種內窺鏡微型光學探頭，包括MEMS微鏡、電路板、自聚焦光學組件、定位底板和外殼，其特征在于所述內窺鏡探頭采用一體化對稱結構設計，將所述MEMS微鏡、電路板和自聚焦光學組件按光機電設計要求組裝在所述定位底板上形成探頭主體，然后通過注塑或澆鑄的方式形成探頭外殼，與探頭主體嚴實地結合在一起。在與MEMS微鏡鏡面相對的外殼上可以設置有探頭窗口。所述窗口為自由曲面與外殼一同注塑成型，具有矯正經由MEMS微鏡擺動而形成的光掃描圖形的功能。所述窗口也可為矩形或圓形。其進一步特征在于所述定位底板一端固定有L形支撐架，所述L形支撐架角度為 45度-60度；所述電路板包括傾斜部分和平直部分，所述傾斜部分固定在所述L形支撐架上，平直部分固定在所述定位底板上，所述電路板外部電連接端實現與外部電路連接，設置于所述定位底板另一端；同時所述MEMS微鏡與所述電路板的焊盤對齊后導電粘接或焊接；
3所述定位底座中部分別固定有兩個光學組件支撐架，所述光學組件支撐架上同時起到壓緊電路板的作用，其上設置有凹槽；所述自聚焦光學組件卡入兩個支撐架凹槽內，同時所述光學組件外殼與靠近MEMS微鏡一側的光學組件支撐架前端面平齊實現定位。進一步的所述MEMS微鏡由鍍有光學涂層的涂層窗口、微鏡四周硅框架和底層基底將微鏡封裝而成，通過驅動控制微鏡鏡面可在微鏡四周硅框架內做各種規則擺動，用于 MEMS微鏡電連接的焊盤置于底層基底底部呈分散分布。其進一步特征在于所述MEMS微鏡外形為方形、圓形或者其他多邊形。作為電路板的一種結構形式，所述電路板為一體式電路板，所述MEMS微鏡與所述電路板焊盤對齊后導電粘結其傾斜面上，另一端為電路板引出端。作為電路板的另一種結構形式，所述電路板為分離式電路板，其由內接電路板與外接電路板的引入端通過連接端子連接而成，所述MEMS微鏡與所述內接電路板對應焊盤導電連接，所述外接電路板弓I出端設置于外接電路板尾部。進一步的所述自聚焦光學組件包括傳輸光纖、毛細玻璃管、玻璃管外殼和自聚焦透鏡；所述傳輸光纖套入所述毛細玻璃管內，再與自聚焦透鏡一起套入玻璃管外殼中。所述內窺鏡微型光學探頭外殼材質為透明塑料或透紅外材料。本發明具有以下優點
(1)采用注塑/澆鑄工藝進行探頭外殼一次性成型，此結構能保護MEMS微鏡免受環境因素影響，能夠承受一定振動沖擊和隨機沖擊；密封的探頭可在各種液體環境中作業；
(2)可實現探頭的大批量、小成本加工生產，將實現一次性探頭的目的；
(3)管殼采用注塑/澆鑄成型，管殼厚度可控制在較小范圍內，將使探頭更加微型化；
(4)窗口與管殼同時采用注塑/澆鑄成型，具有光掃描圖形矯正功能的特定曲面窗口可與探頭外殼一次成型，無需增加額外光學元件進行探頭掃描圖形矯正。(5 )探頭采用模塊化層式結構設計，MEMS組裝與光學組件組裝工藝可同時進行，不受前后工藝制約；
(6)同時可在開放環境中進行組裝，大大減少組裝難度，簡化裝配工藝，可實現對MEMS 微鏡粘結和光學組件組裝的精準定位，提高MEMS微鏡電連接可靠性和光學校準精度。


圖1為MEMS - OCT舊版探頭三維設計；
圖中=(Il)MEMS微鏡；(12)格林透鏡；(13)傳輸光纖；(14)探頭基座；(15)柔性電路板；(16)塑料套管。圖2為探頭外形圖(平面窗口和特定自由曲面窗口)； 圖3為探頭剖視圖4為探頭主體結構圖； 圖5為探頭主體結構爆炸圖中(21)光纖連接端；(22)電連接端；(23)窗口 ； (24)外殼；(25) MEMS微鏡；( ) 電路板；(27)自聚焦光學組件；( )定位底板；( )L形支撐架；(30)電路板外部電連接端。圖6為MEMS微鏡示意圖；圖7為MEMS微鏡主要結構爆炸圖中(61)涂層窗口 ；(62)光學涂層；(63)微鏡四周硅框架；(64)底層基底；(73)鏡面；(65)微鏡四周硅框架。圖8為圓形MEMS微鏡和多邊形MEMS微鏡示意圖； 圖9為MEMS電連接電路板(一體式)；
圖10為MEMS電連接電路板(分離式)；
圖中(31)內接電路板；(32 )外接電路板弓丨入端；(33 )外接電路板；(34 ) —體式電路板。圖11為光學組件結構示意圖中(101)傳輸光纖；(102)毛細玻璃管；(103)玻璃管外殼；(104)自聚焦透鏡。圖12為探頭注塑成型過程1 ； 圖13為探頭注塑成型過程2 ；
圖14為探頭注塑成型過程3 ；
圖中(111)型腔1 ； (112)型腔2 ； (113)探頭主體；(114)填充孔；(115)探頭。
具體實施例方式(1)內窺鏡探頭及其結構
OCT技術應用于內窺鏡的核心問題在于其內窺探頭的微型化，隨著MEMS技術的發展， 結合MEMS微鏡便可實現內窺探頭的微型化。探頭結構設計有側向掃描和前向掃描兩種模式，本專利主要用于側向掃描。探頭整體外形如圖2所示，包括光纖連接端21、電連接端22、窗口 23、外殼對，采用完全密封結構，既起到保護MEMS微鏡免受環境因素影響的作用，還將MEMS微鏡內外層的電連接進行絕緣保護，同時能保證探頭內各零部件之間連接更牢固，使探頭具有一定的抗沖擊、減輕隨機振動的能力。為MEMS微鏡提供光掃描的傳輸光纖和提供電驅動的電連接線一起從探頭尾部引出；經光纖傳輸的入射光與MEMS微鏡成一定角度入射在做面掃描的MEMS微鏡上，為保證出射光經過探頭窗口時不發生散射，探頭窗口表面為平面結構。探頭窗口還可以設計成具有光掃描圖形矯正功能的特定曲面窗口，可與探頭外殼一次成型，無需增加額外光學元件進行探頭掃描圖形矯正。所述窗口也可以為方形或圓形。探頭結構如圖3所示，它主要由MEMS微鏡25、電路板26、自聚焦光學組件27、定位底板28和外殼M組成。內窺鏡探頭采用簡化的一體化對稱結構設計，將MEMS微鏡25、電路板沈和自聚焦光學組件27按光機電設計要求組裝在定位底板上形成探頭主體，然后通過注塑或澆鑄的方式形成探頭外殼24，與探頭主體嚴實地結合在一起。探頭的主要部分為探頭主體，如圖4和圖5所示，其最底層為定位底板觀，成一定角度(45度到60度)的L形支撐架四固定在所述定位底板觀右端孔槽處，其固定可通過過盈配合將L形支撐架四底部凸起插入定位底座觀對應凹槽內，亦可通過點焊固定；提供 MEMS微鏡25驅動控制電連接的電路板沈傾斜部分粘在L形支撐架四上，另外平直部分粘結在定位底板觀上，電路板外部電連接端30實現與外部電路連接，安放于底座左側尾部； 同時MEMS微鏡25與電路板沈的焊盤對齊后實行導電粘接；兩個光學組件支撐架四分別插入定位底板28中前部和中后部兩處定位槽中固定，亦可通過點焊固定，同時起到壓緊電路板26的作用；自聚焦光學組件27插入兩個光學組件支撐架四凹槽內，同時自聚焦光學組件27外殼與右側光學組件支撐架四前端面平齊。(2)發明探頭組成
該微型探頭主要部件包括MEMS微鏡、用于MEMS電連接的電路板和光學組件，MEMS微鏡采用我司另一發明“一種微機電系統微鏡封裝”(已受理)的全封閉三明治結構的MEMS微鏡，其結構如圖6和圖7所示，它主要由鍍有光學涂層61的涂層窗口 62、微鏡四周硅框架 63和底層基底64將微鏡封裝而成，通過驅動控制微鏡鏡面65可在微鏡四周硅框架63內做各種規則擺動，用于MEMS微鏡電連接的焊盤置于底層基底64底部呈分散分布。另外，MEMS微鏡的外形不局限于方形，亦可采用圓形或其他多邊形結構，在有效面積不變的情況下，可進一步縮小MEMS微鏡的尺寸，有利于探頭尺寸的進一步縮小。用于MEMS電連接的電路板可為柔性或硬性印刷電路板，也可為陶瓷或玻璃燒結而成的電路板，亦可為用于普通IC工藝的電連接器；根據需要可將其設計成兩種結構形式，如圖8和圖9所示，圖9為一體式電路板34，MEMS微鏡25與電路板焊盤對齊后導電粘結其傾斜面上，另一端為電路板外部電連接端30，特點是結構簡單，需要彎曲可優先考慮選擇柔性印刷電路板；圖10為分離式電路板，其由內接電路板31與外接電路板33的引入端 32通過連接端子連接而成，MEMS微鏡25與內接電路板31對應焊盤導電連接，電路板外部電連接端30設置于外接電路板33尾部，采用分離式的優點在于與MEMS粘結的焊盤可設置于硬性電路板上，有利于MEMS導電粘接，同時可將MEMS粘好后做為單個模塊組件直接使用。光學組件由傳輸光纖101與毛細玻璃管102組裝好擴大直徑后，再與自聚焦透鏡104在玻璃管外殼103中組裝而成(如圖11所示)，采用該探頭結構，既可以保證光束入射在MEMS微鏡中心，又保證了聚焦光束在穿過圓柱探頭窗口后擁有較長的聚焦距離 ((Γ2. 5mm)。由于進一步微型化的MEMS微鏡尺寸和電路板，圓柱形內窺鏡探頭的外徑將縮小到3毫米以下，以便能夠插入大多數醫用內窺鏡的切片檢查通道來直接使用，從而降低產品的成本。(3)探頭外殼加工制作
該發明探頭外殼的成型可通過注塑或澆鑄成型，其原理過程如圖12、圖13和圖14所示，本發明探頭基座結構對稱，塑料探頭基座成型模具可由型腔1 111、型腔2 112和注塑 /澆鑄孔填充孔114組成；將組裝好的探頭主體113置于型腔1 111與型腔2 112組成的型腔之中并定位，將填料從填充孔114填充至型腔內間隙處，即可形成探頭外殼并且與底座牢固連接在一起。將型腔1 111和型腔2 112分開和后處理便可得到圖13所示探頭115。發明探頭外殼材質選擇上，可以選用透明塑料(包括PC塑料、有機玻璃)、透紅外材料。PC中文名稱叫聚碳酸酯。它是一種新型的熱塑性塑料，透明的度達90%，被譽為是透明金屬。它剛硬而具有韌性，具有較高的沖擊強度，高度的尺寸穩定性和范圍很寬的使用溫度、良好的電絕緣性能及耐熱性和無毒性，可以通過注射、擠出成型。可作醫療用途的杯、 筒、瓶以及牙科器械。藥品容器和手術器械，甚至還可用作人工腎、人工肺等人工臟器。PC 材料成型多樣化且透明，正好滿足探頭外殼的加工需要。
權利要求
1.一種內窺鏡微型光學探頭，包括MEMS微鏡、電路板、自聚焦光學組件、定位底板和外殼，其特征在于所述內窺鏡探頭采用一體化對稱結構設計，將所述MEMS微鏡、電路板和自聚焦光學組件按光機電設計要求組裝在所述定位底板上形成探頭主體，然后通過注塑或澆鑄的方式形成探頭外殼，與探頭主體嚴實地結合在一起。
2.根據權利要求1所述的內窺鏡微型光學探頭，其特征在于所述定位底板一端固定有L形支撐架，所述L形支撐架角度為45度-60度；所述電路板包括傾斜部分和平直部分，所述傾斜部分固定在所述L形支撐架上，平直部分固定在所述定位底板上，所述電路板外部電連接端實現與外部電路連接，設置于所述定位底板另一端；同時所述MEMS微鏡與所述電路板的焊盤對齊后導電粘接或焊接；所述定位底座中部分別固定有兩個光學組件支撐架，所述光學組件支撐架上同時起到壓緊電路板的作用，其上設置有凹槽；所述自聚焦光學組件卡入兩個支撐架凹槽內，同時所述光學組件外殼與靠近MEMS微鏡一側的光學組件支撐架前端面平齊實現定位。
3.根據權利要求1所述的內窺鏡微型光學探頭，其特征在于所述MEMS微鏡由鍍有光學涂層的涂層窗口、微鏡四周硅框架和底層基底將微鏡封裝而成，通過驅動控制微鏡鏡面可在微鏡四周硅框架內做各種規則擺動，用于MEMS微鏡電連接的焊盤置于底層基底底部呈分散分布。
4.根據權利要求3所述的內窺鏡微型光學探頭，其特征在于所述MEMS微鏡外形為方形、圓形或者其他多邊形。
5.根據權利要求2所述的內窺鏡微型光學探頭，其特征在于所述電路板為一體式電路板，所述MEMS微鏡與所述電路板焊盤對齊后導電粘結其傾斜面上，另一端為電路板引出端。
6.根據權利要求2所述的內窺鏡微型光學探頭，其特征在于所述電路板為分離式電路板，其由內接電路板與外接電路板的引入端通過連接端子連接而成，所述MEMS微鏡與所述內接電路板對應焊盤導電連接，所述外接電路板弓I出端設置于外接電路板尾部。
7.根據權利要求1所述的內窺鏡微型光學探頭，其特征在于所述自聚焦光學組件包括傳輸光纖、毛細玻璃管、玻璃管外殼和自聚焦透鏡；所述傳輸光纖套入所述毛細玻璃管內，再與自聚焦透鏡一起套入玻璃管外殼中。
8.根據權利要求1所述的內窺鏡微型光學探頭，其特征在于在與所述MEMS微鏡鏡面相對的外殼上具有光學窗口。
9.根據權利要求8所述的內窺鏡微型光學探頭，其特征在于所述窗口為自由曲面與外殼一同注塑成型，具有矯正經由MEMS微鏡擺動而形成的光掃描圖形的功能。
10.根據權利要求8所述的內窺鏡微型光學探頭，其特征在于所述窗口為矩形或圓形。
11.根據權利要求1所述的內窺鏡微型光學探頭，其特征在于所述外殼材質為對所使用光透明的材料。
全文摘要
本發明公布了一種內窺鏡微型光學探頭，包括MEMS微鏡、電路板、自聚焦光學組件、定位底板和外殼，其特征在于所述內窺鏡探頭采用一體化對稱結構設計，將所述MEMS微鏡、電路板和自聚焦光學組件按光機電設計要求組裝在所述定位底板上形成探頭主體，然后通過注塑或澆鑄的方式形成探頭外殼，與探頭主體嚴實地結合在一起。可在與MEMS微鏡鏡面相對的外殼上形成有光學窗口，或者外殼材料本身對所使用光透明。本發明采用注塑/澆鑄工藝進行探頭外殼一次性成型，此結構能保護MEMS微鏡免受環境因素影響，能夠承受一定振動沖擊和隨機沖擊；密封的探頭可在各種液體環境中作業；可實現探頭的大批量、小成本加工生產，將實現一次性探頭的目的。
文檔編號A61B1/00GK102401995SQ20111036745
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者傅霖來, 謝會開 申請人:無錫微奧科技有限公司