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高频医用超声波换能器发展前景

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高频医用超声波换能器发展前景

2018-07-10 02:16

  目前,针对临床上对医用高频超声换能器的需求,利用压电PZT厚膜、驰豫铁电单晶材料、复合压电材料、无铅压电材料等压电材料制备的高频超声换能器成为了生物医学领域研究的热点。随着微机电系统(简称MEMS)技术的发展,高频电容式微加工超声换能器在未来临床上的广泛应用也成为必然趋势。 

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  1,高频PZT厚膜超声波换能器

  高频超声换能器的工作频率是有其压电材料的厚度决定的,厚度越薄,工作频率就越高。PZT压电厚膜材料是指厚度为1~100μm的PZT压电膜材料,凭借其工作电压底、压电性能好、尺寸小、厚度薄、重量轻、使用频率范围宽、半导体集成电路兼容等优点,成为近年来成为研究高频超声换能器的理想材料之一。目前,由PZT厚膜制作的高频超声换能器不仅尺寸小,分辨率高,灵敏度高、集成度高,而且工作频率最高可达到200MHz,是块体PZT压电材料制作的超声换能器工作频率的10倍以上。但是,由于制备技术不够成熟,压电厚膜材料高频超声换能器的工艺制备、测量手段、电路布线、封装等问题还处于待完善状态。随着微机电器件的快速发展及医用临床上需求,有PZT压电厚膜材料制备的医用高频超声换能器将会是未来几年内上午医学成像领域研究的一个热点。

  2,高频无铅压电超声换能器

  无铅压电陶瓷是指既具有满意的使用性能又有良好的环境协调性的不含铅的压电陶瓷,它是在制备、使用及废后处理过程中均不回对人类和生态环境带来危害的一种新型压电材料。按晶体结构分类,主要有钙肽矿结构,含铋层状结构及乌青铜结构等三个系列。钛酸铋纳(简称BNT)基无铅压电陶瓷是于1960年被Smolensky发现的一种A位复合取代的钙肽矿型电体,它的机电耦合系数各向差异较大(kt约50%,kp约13%)、居里温度较高β20摄氏度)、相对介电常数较小(240--340)、声学性能好(Np=3200Hz.m)、频率常数大,特别适合制作高频超声换能器,被认为是最重要的可望取代铅基压电陶瓷的无铅体系之一。但到目前为止,BNT基陶瓷压电性能相对于铅基陶瓷来说,其压电性能和机电耦和性还存在较大差距,如何调高其性能参数,仍需进行大量的研究工作。随着社会可持续发展进程的加快和人类环保意识的提高,材料的无铅化发展及高频无铅压电超声换能器在临床上的应用已是必然发展趋势。

  3,高频压电复合材料超声换能器

  近年来压电复合材料的研究逐渐受到医学界的青睐。压电复合材料不同于一般的单相材料,它是有两相以上的材料通过一系列的复合加工工艺制备而成的新型材料。复合材料的各相在空间上进行复合,产生了加和、乘积和组合三种效应,这样能够让复合材料不仅能保留原组分的性能优点,摒弃原组分的性能缺点,还让复合材料具有原组分所不具备的新性能。

  4,驰豫型铁电压单晶高频超声换能器

  铌镁酸铅/钛酸铅(PMN-PT)和铌锌酸铅/钛酸铅(PZT-PT)是一种新型复合钙肽矿型驰豫铁电压单晶材料。铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT,PMNT)晶体以及锆钛酸铅-钛酸铅(PMN-PT,PZNT)晶体是有着十分大的压电常数和机电耦合系数。PMN-PT晶体是一种复合钙肽矿结构固熔体,居里温度150度,压电常数d33和机电耦合系数k33分别可以达到2500pC/N和92%以上。与传统的压电材料PNT相比较,电声能量转换效率更是提高了80%以上,频带宽度也有了大幅度的扩展。PMN-PT晶体凭其优异的性能可完全取代PZT陶瓷在医用超声换能器的广泛应用,用以大幅度提高图像的分辨率和频带宽。目前,日本,美国等技术发达的国家已经利用PZN-PT制造出高性能的超声换能器,为进一步实现制作医用高频超声换能器提供了可能。

  5,高频电容式微加工超声换能器

  目前,在临床上对超声医疗设备的中超声换能器的要求是能够一更小的器件来获得更高的频率。利用微机电系统技术制备的超声探头电容式微加工超声换能器,比普通的压电陶瓷超声探头更易阵列化,并且与水的声阻抗接近,穿透性强,体积小,频率高,能够对人体进行扫描,在医疗成像领域发挥越来越重要的作用。电容式微加工超声换能器由于制备过程中采用了表面牺牲层技术、溅射技术、湿法腐蚀技术等微加工工艺,克服了传统的压电超声传感器的诸多缺点,具有灵敏度高。宽频带。易于制造,自身噪声底。工作温度范围宽及易于实现电子集成等优点,并有取代传统压电超声传感器的趋势,在医学成像领域有着广泛的应用前精。

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