高頻醫用超聲波換能器發展前景
日期：
2018-07-10
目前，針對臨床上對醫用高頻超聲換能器的需求，利用壓電PZT厚膜、馳豫鐵電單晶材料、復合壓電材料、無鉛壓電材料等壓電材料制備的高頻超聲換能器成為了生物醫學領域研究的熱點。隨著微機電系統(簡稱MEMS)技術的發展，高頻電容式微加工超聲換能器在未來臨床上的廣泛應用也成為必然趨勢。
1，高頻PZT厚膜超聲波換能器
高頻超聲換能器的工作頻率是有其壓電材料的厚度決定的，厚度越薄，工作頻率就越高。PZT壓電厚膜材料是指厚度為1~100μm的PZT壓電膜材料，憑借其工作電壓底、壓電性能好、尺寸小、厚度薄、重量輕、使用頻率范圍寬、半導體集成電路兼容等優點，成為近年來成為研究高頻超聲換能器的理想材料之一。目前，由PZT厚膜制作的高頻超聲換能器不僅尺寸小，分辨率高，靈敏度高、集成度高，而且工作頻率最高可達到200MHz，是塊體PZT壓電材料制作的超聲換能器工作頻率的10倍以上。但是，由于制備技術不夠成熟，壓電厚膜材料高頻超聲換能器的工藝制備、測量手段、電路布線、封裝等問題還處于待完善狀態。隨著微機電器件的快速發展及醫用臨床上需求，有PZT壓電厚膜材料制備的醫用高頻超聲換能器將會是未來幾年內上午醫學成像領域研究的一個熱點。
2，高頻無鉛壓電超聲換能器
無鉛壓電陶瓷是指既具有滿意的使用性能又有良好的環境協調性的不含鉛的壓電陶瓷，它是在制備、使用及廢后處理過程中均不回對人類和生態環境帶來危害的一種新型壓電材料。按晶體結構分類，主要有鈣肽礦結構，含鉍層狀結構及烏青銅結構等三個系列。鈦酸鉍納(簡稱BNT)基無鉛壓電陶瓷是于1960年被Smolensky發現的一種A位復合取代的鈣肽礦型電體，它的機電耦合系數各向差異較大(kt約50%，kp約13%)、居里溫度較高β20攝氏度)、相對介電常數較小(240--340)、聲學性能好(Np=3200Hz.m)、頻率常數大，特別適合制作高頻超聲換能器，被認為是最重要的可望取代鉛基壓電陶瓷的無鉛體系之一。但到目前為止，BNT基陶瓷壓電性能相對于鉛基陶瓷來說，其壓電性能和機電耦和性還存在較大差距，如何調高其性能參數，仍需進行大量的研究工作。隨著社會可持續發展進程的加快和人類環保意識的提高，材料的無鉛化發展及高頻無鉛壓電超聲換能器在臨床上的應用已是必然發展趨勢。
3，高頻壓電復合材料超聲換能器
近年來壓電復合材料的研究逐漸受到醫學界的青睞。壓電復合材料不同于一般的單相材料，它是有兩相以上的材料通過一系列的復合加工工藝制備而成的新型材料。復合材料的各相在空間上進行復合，產生了加和、乘積和組合三種效應，這樣能夠讓復合材料不僅能保留原組分的性能優點，摒棄原組分的性能缺點，還讓復合材料具有原組分所不具備的新性能。
4,馳豫型鐵電壓單晶高頻超聲換能器
鈮鎂酸鉛/鈦酸鉛(PMN-PT)和鈮鋅酸鉛/鈦酸鉛(PZT-PT)是一種新型復合鈣肽礦型馳豫鐵電壓單晶材料。鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT，PMNT)晶體以及鋯鈦酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT，PZNT)晶體是有著十分大的壓電常數和機電耦合系數。PMN-PT晶體是一種復合鈣肽礦結構固熔體，居里溫度150度，壓電常數d33和機電耦合系數k33分別可以達到2500pC/N和92%以上。與傳統的壓電材料PNT相比較，電聲能量轉換效率更是提高了80%以上，頻帶寬度也有了大幅度的擴展。PMN-PT晶體憑其優異的性能可完全取代PZT陶瓷在醫用超聲換能器的廣泛應用，用以大幅度提高圖像的分辨率和頻帶寬。目前，日本，美國等技術發達的國家已經利用PZN-PT制造出高性能的超聲換能器，為進一步實現制作醫用高頻超聲換能器提供了可能。
5，高頻電容式微加工超聲換能器
目前，在臨床上對超聲醫療設備的中超聲換能器的要求是能夠一更小的器件來獲得更高的頻率。利用微機電系統技術制備的超聲探頭電容式微加工超聲換能器，比普通的壓電陶瓷超聲探頭更易陣列化，并且與水的聲阻抗接近，穿透性強，體積小，頻率高，能夠對人體進行掃描，在醫療成像領域發揮越來越重要的作用。電容式微加工超聲換能器由于制備過程中采用了表面犧牲層技術、濺射技術、濕法腐蝕技術等微加工工藝，克服了傳統的壓電超聲傳感器的諸多缺點，具有靈敏度高。寬頻帶。易于制造，自身噪聲底。工作溫度范圍寬及易于實現電子集成等優點，并有取代傳統壓電超聲傳感器的趨勢，在醫學成像領域有著廣泛的應用前精。
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