功率放大器行業應用：超聲波換能器從材料策略到生物醫學的應用
超聲換能器作為功率放大器可驅動的主要負載類型之一，它的功能是將輸入的電功率轉換成機械功率（即超聲波）再傳遞出去，而自身消耗很少的一部分功率，在工業制造、生物醫療、材料測試等眾多領域都有著廣泛應用，本次Aigtek安泰電子就給大家分享一篇關于超聲換能器應用的綜述文章，希望能對各位業內工程師的研究提供一些思路。
醫用超聲以其安全、低成本、便捷等獨特優勢，在生物醫學工程領域得到了廣泛應用。超聲換能器作為超聲系統的核心部件，在系統應用中扮演著極其重要的角色。為了滿足精準醫療的需求，如何進一步提高超聲換能器的性能是其面臨的主要挑戰。2022年，華中科技大學的朱本鵬教授聯合美國南加州大學的世界著名超聲領域專家K.KirkShung教授在蘇州醫工所創辦的學術期刊《生物醫學工程前沿（BMEF）》上發表了題為“RecentAdvancementsinUltrasoundTransducer:FromMaterialStrategiestoBiomedicalApplications”的綜述文章，總結了近期壓電和光致超聲換能器研究的最新發展動態，主要涉及材料選擇、器件設計和醫學應用等，其中醫學應用包括超聲成像、超聲治療、粒子/細胞操作、藥物遞送和神經刺激等（圖1）。
圖1壓電/光致超聲換能器研究策略示意圖
論文作者首先從電聲和光聲轉換兩種方式對超聲產生的機理進行了討論。傳統的超聲波發生裝置是基于壓電式換能器，通過將電能轉換為振動，從而產生超聲波。壓電式換能器作為一種電驅動裝置，通常具有三層結構，即壓電層、背襯層和匹配層（圖2（a））。用于超聲換能器制造的壓電材料包括含鉛材料和無鉛材料，其性能表征參數主要包括壓電系數（d33）和機電耦合系數（kt）。
作為壓電換能器的重要補充，光聲換能器因其抗電磁干擾、制作工藝簡單等特性而備受關注。其原理是基于貝爾在1880年發現的光聲效應，即將脈沖激光轉換為超聲波。光聲換能器的核心部分是光聲材料，通常包括光吸收材料和熱膨脹材料（圖2（b））。光吸收材料通過非輻射躍遷機制實現光熱轉換（DT），包括金屬薄膜、碳納米材料和鈣鈦礦等。同時，基于熱彈性原理，熱膨脹材料通過周期性熱膨脹發射超聲波（P）。導熱系數作為光聲材料的重要性能參數，直接影響光吸收材料和熱膨脹材料之間的傳熱，進而影響光聲能量轉換效率和頻率。一般而言，光聲換能器的理想熱膨脹材料是聚二甲基硅氧烷（PDMS），因為其熱膨脹系數高、比熱容低、透明度高。
圖2（a）壓電換能器和（b）光聲換能器的原理示意圖
在生物醫學應用方面，壓電換能器主要應用于醫療成像、聲鑷和植入式治療監測設備等。對于醫療成像，主要包括血管內超聲（IVUS）成像、內臟內窺鏡超聲成像（EUS）、超聲生物顯微鏡等（圖3）。由于IVUS能夠直接成像血管壁，可以準確評估管腔大小、斑塊特征和鈣含量，使其成為心血管疾病診斷的重要工具，已廣泛應用于臨床診斷。EUS作為一種診斷成像方法，其原理是利用超聲波獲取人體內部器官的圖像，如胸部、腹部和結腸等，從而顯示器官壁和周圍結構。超聲生物顯微鏡的成像距離相對較深，視野較大，無論可疑病變是在光學透明還是不透明介質中都具有較好的效果，已用于實時疾病診斷。
圖3壓電超聲成像應用：（a）用于動脈粥樣硬化斑塊成像的超快IVUS-OCT系統；（b）用于IVUS成像的雙元件聚焦換能器；（c）雙模態光聲和超聲內鏡成像；（d）用于豬腸二維和三維內窺鏡成像的圓形陣列；（e）用于斑馬魚眼生物顯微鏡成像的超高頻超聲換能器；（f）視網膜層的ARF-OCE圖像
與光鑷、電鑷和磁鑷相比，聲鑷對生物體具有無創特性，適用于大多數微粒。聲鑷能夠通過聲輻射力，使各種尺寸和材料的顆粒懸浮在空氣和水中。如圖4所示，單光束聲鑷（SBAT）具有顯著的捕獲力和高穿透深度，早已成為一種很有前途的微粒操作手段，在體內和臨床應用中顯示出巨大的潛力。此外，研究人員還開發了植入壓電換能器，用以破壞血腦屏障，促進藥物進入大腦。
圖4聲鑷應用：（a）SBAT聚焦環形超聲換能器；（b）特定尺寸微球或細胞的SBAT操縱；（c）單個細胞操作的自聚焦超聲換能器；（d）用于操縱一定尺寸范圍微粒的單元件超聲換能器；（e）用于操縱DNA質粒和mRNA的高頻聲鑷
光聲換能器在生物醫學方面同樣有著廣泛的應用，主要包括全光型超聲成像（圖5）、超聲手術、藥物遞送和神經刺激等。光聲換能器可以產生峰值壓力為MPa級的高頻脈沖超聲，在高質量及高分辨的組織成像應用中具有巨大潛力。同時，全光型超聲成像具有體積小、成本低、抗電磁干擾等優勢。
圖5全光型超聲成像應用：（a）體外人體淋巴結的超聲成像；（b）用于心臟運動檢測的超聲系統；（c）IVUS成像的超聲技術；（d）用于魚眼成像的全光超聲成像系統
通過應用光聲透鏡，在凹面上涂覆光聲復合材料以產生聚焦超聲（LGFU），使得光聲換能器的聲壓得到了極大的提高。研究人員已經使用高強度光致超聲進行了超聲溶栓、碎石治療、藥物釋放、高精度空化切割等探索。此外，光致超聲神經刺激作為一種新興的神經調節方式，隨著對活體動物的研究，未來有望將光致超聲應用于人體的神經調節和大腦刺激（圖6）。
圖6光聲醫學其他治療應用：（a）LGFU對固體材料的微尺度碎片；（b）光聲換能器用于溶栓；（c）光聲換能器用于切割組織；（d）光聲換能器用于微粒運動控制；（e）光聲換能器用于藥物輸送；（f）光聲換能器用于神經元刺激；（g）光聲納米換能器用于靶向神經調節；（h）光聲換能器用于單個神經元刺激
眾所周知，超聲換能器的材料選擇和結構設計對其聲學性能有著至關重要的影響，實現性能優良的新材料研制以及和聲學結構的創新是超聲換能器不斷發展的兩大永恒主題。為了促進超聲換能器在生物醫學工程領域的應用，實現超聲換能器的小型化封裝、陣列化設計和多功能集成是其重要發展趨勢。此外，3D打印、柔性電子和人工智能等新技術的不斷涌入也有望為傳感器設計帶來創新概念。
以上文章來源于生物醫學工程前沿，作者BMEF編輯部
帶寬：（-3dB）DC~500kHz
電壓：310Vp-p（±155Vp）
電流：2.82Ap
功率：437.1Wp
壓擺率：345V/μs
可程控
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