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(jia)分享一篇(pian)關(guan)于(yu)超(chao)聲換能(neng)器應用的綜述文(wen)章，希望能(neng)對各(ge)位(wei)業內工程(cheng)師的研究提供(gong)一些思路。

　　醫(yi)(yi)(yi)用超聲以其(qi)(qi)安全、低成本、便捷(jie)等(deng)獨(du)特優勢，在生(sheng)物醫(yi)(yi)(yi)學工(gong)程領域得到了(le)(le)廣泛應(ying)(ying)用。超聲換能器(qi)(qi)作(zuo)為超聲系統的(de)核心部件，在系統應(ying)(ying)用中扮(ban)演著極其(qi)(qi)重要(yao)的(de)角色(se)。為了(le)(le)滿足精準醫(yi)(yi)(yi)療(liao)(liao)的(de)需求，如何進一步提(ti)高超聲換能器(qi)(qi)的(de)性能是其(qi)(qi)面臨的(de)主要(yao)挑(tiao)戰。2022年(nian)，華(hua)中科技大學的(de)朱(zhu)本鵬教(jiao)授聯合(he)美國南加州大學的(de)世界著名超聲領域專(zhuan)家K.KirkShung教(jiao)授在蘇州醫(yi)(yi)(yi)工(gong)所創辦的(de)學術期刊《生(sheng)物醫(yi)(yi)(yi)學工(gong)程前沿（BMEF）》上發表了(le)(le)題為“RecentAdvancementsinUltrasoundTransducer:FromMaterialStrategiestoBiomedicalApplications”的(de)綜(zong)述文章，總結(jie)了(le)(le)近期壓電和(he)光致超聲換能器(qi)(qi)研究的(de)最新(xin)發展動態，主要(yao)涉及材料選擇、器(qi)(qi)件設(she)計和(he)醫(yi)(yi)(yi)學應(ying)(ying)用等(deng)，其(qi)(qi)中醫(yi)(yi)(yi)學應(ying)(ying)用包括(kuo)超聲成像、超聲治療(liao)(liao)、粒子/細胞(bao)操作(zuo)、藥物遞送和(he)神經刺激等(deng)（圖1）。

　　圖1壓電/光致超聲換能器(qi)研究(jiu)策略示意圖

　　論(lun)文作者首先(xian)從(cong)電(dian)(dian)(dian)聲(sheng)和光聲(sheng)轉換兩(liang)種方式(shi)對(dui)超(chao)聲(sheng)產生的(de)機理(li)進行了討論(lun)。傳統的(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)發生裝置(zhi)是基于(yu)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)式(shi)換能(neng)器，通過將電(dian)(dian)(dian)能(neng)轉換為振動(dong)，從(cong)而產生超(chao)聲(sheng)波(bo)。壓(ya)電(dian)(dian)(dian)式(shi)換能(neng)器作為一種電(dian)(dian)(dian)驅(qu)動(dong)裝置(zhi)，通常(chang)具有(you)三層結構，即壓(ya)電(dian)(dian)(dian)層、背襯(chen)層和匹配層（圖2（a））。用于(yu)超(chao)聲(sheng)換能(neng)器制造的(de)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)材(cai)料包括含鉛材(cai)料和無鉛材(cai)料，其性能(neng)表征參數主(zhu)要(yao)包括壓(ya)電(dian)(dian)(dian)系數（d33）和機電(dian)(dian)(dian)耦合系數（kt）。

　　作為(wei)壓電換能(neng)(neng)器(qi)的(de)重(zhong)要(yao)補充，光(guang)聲(sheng)換能(neng)(neng)器(qi)因(yin)其抗電磁干擾、制作工藝簡(jian)單等特性而(er)(er)備受關注。其原理是基于貝爾在1880年發現的(de)光(guang)聲(sheng)效應，即(ji)將脈沖激光(guang)轉換為(wei)超(chao)聲(sheng)波。光(guang)聲(sheng)換能(neng)(neng)器(qi)的(de)核心(xin)部分是光(guang)聲(sheng)材(cai)(cai)料，通(tong)常包(bao)括光(guang)吸(xi)收材(cai)(cai)料和(he)熱(re)(re)(re)(re)膨(peng)脹(zhang)(zhang)(zhang)材(cai)(cai)料（圖2（b））。光(guang)吸(xi)收材(cai)(cai)料通(tong)過非輻射躍遷機制實現光(guang)熱(re)(re)(re)(re)轉換（DT），包(bao)括金屬薄膜、碳納(na)米材(cai)(cai)料和(he)鈣鈦礦等。同時(shi)，基于熱(re)(re)(re)(re)彈性原理，熱(re)(re)(re)(re)膨(peng)脹(zhang)(zhang)(zhang)材(cai)(cai)料通(tong)過周期性熱(re)(re)(re)(re)膨(peng)脹(zhang)(zhang)(zhang)發射超(chao)聲(sheng)波（P）。導熱(re)(re)(re)(re)系(xi)數作為(wei)光(guang)聲(sheng)材(cai)(cai)料的(de)重(zhong)要(yao)性能(neng)(neng)參(can)數，直接影響(xiang)光(guang)吸(xi)收材(cai)(cai)料和(he)熱(re)(re)(re)(re)膨(peng)脹(zhang)(zhang)(zhang)材(cai)(cai)料之間的(de)傳熱(re)(re)(re)(re)，進而(er)(er)影響(xiang)光(guang)聲(sheng)能(neng)(neng)量(liang)轉換效率(lv)和(he)頻(pin)率(lv)。一般(ban)而(er)(er)言，光(guang)聲(sheng)換能(neng)(neng)器(qi)的(de)理想熱(re)(re)(re)(re)膨(peng)脹(zhang)(zhang)(zhang)材(cai)(cai)料是聚二甲基硅氧烷（PDMS），因(yin)為(wei)其熱(re)(re)(re)(re)膨(peng)脹(zhang)(zhang)(zhang)系(xi)數高、比熱(re)(re)(re)(re)容低(di)、透(tou)明度高。

　　圖(tu)2（a）壓電換能器和（b）光聲換能器的原理示意圖(tu)

　　在(zai)(zai)生(sheng)物醫(yi)學應(ying)(ying)用(yong)(yong)方(fang)面，壓電(dian)換能器(qi)主要(yao)應(ying)(ying)用(yong)(yong)于(yu)(yu)醫(yi)療成(cheng)(cheng)像(xiang)、聲(sheng)(sheng)鑷(nie)和(he)(he)植入(ru)式治療監測設備等。對(dui)于(yu)(yu)醫(yi)療成(cheng)(cheng)像(xiang)，主要(yao)包括血管內超(chao)聲(sheng)(sheng)（IVUS）成(cheng)(cheng)像(xiang)、內臟(zang)內窺鏡超(chao)聲(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)像(xiang)（EUS）、超(chao)聲(sheng)(sheng)生(sheng)物顯(xian)(xian)(xian)微鏡等（圖(tu)3）。由于(yu)(yu)IVUS能夠直接成(cheng)(cheng)像(xiang)血管壁(bi)，可以準確(que)評估管腔大小、斑塊特征(zheng)和(he)(he)鈣含量，使其成(cheng)(cheng)為心血管疾病診(zhen)(zhen)斷的重要(yao)工具，已(yi)廣泛應(ying)(ying)用(yong)(yong)于(yu)(yu)臨床(chuang)診(zhen)(zhen)斷。EUS作為一種診(zhen)(zhen)斷成(cheng)(cheng)像(xiang)方(fang)法(fa)，其原理是利(li)用(yong)(yong)超(chao)聲(sheng)(sheng)波獲取人(ren)體內部(bu)器(qi)官(guan)的圖(tu)像(xiang)，如(ru)胸部(bu)、腹(fu)部(bu)和(he)(he)結腸等，從而顯(xian)(xian)(xian)示器(qi)官(guan)壁(bi)和(he)(he)周圍結構(gou)。超(chao)聲(sheng)(sheng)生(sheng)物顯(xian)(xian)(xian)微鏡的成(cheng)(cheng)像(xiang)距離相對(dui)較(jiao)(jiao)深，視野較(jiao)(jiao)大，無論可疑病變是在(zai)(zai)光學透明還是不透明介質中都具有較(jiao)(jiao)好(hao)的效果(guo)，已(yi)用(yong)(yong)于(yu)(yu)實(shi)時疾病診(zhen)(zhen)斷。

　　圖3壓(ya)電超(chao)聲(sheng)成像(xiang)應用：（a）用于(yu)動(dong)脈粥樣硬化斑塊成像(xiang)的(de)超(chao)快IVUS-OCT系統(tong)；（b）用于(yu)IVUS成像(xiang)的(de)雙(shuang)元(yuan)件聚焦換能器(qi)；（c）雙(shuang)模態(tai)光(guang)聲(sheng)和超(chao)聲(sheng)內鏡(jing)成像(xiang)；（d）用于(yu)豬腸二(er)維和三維內窺鏡(jing)成像(xiang)的(de)圓(yuan)形陣列(lie)；（e）用于(yu)斑馬(ma)魚眼生物顯微鏡(jing)成像(xiang)的(de)超(chao)高頻超(chao)聲(sheng)換能器(qi)；（f）視網膜層的(de)ARF-OCE圖像(xiang)

　　與光(guang)鑷、電鑷和(he)(he)(he)磁鑷相(xiang)比，聲鑷對生物體(ti)具有無(wu)創特性，適用(yong)(yong)于大多數微(wei)粒。聲鑷能夠通過聲輻(fu)射力(li)(li)，使各種尺寸和(he)(he)(he)材料的顆粒懸浮在(zai)空氣(qi)和(he)(he)(he)水中。如(ru)圖(tu)4所(suo)示(shi)，單光(guang)束(shu)聲鑷（SBAT）具有顯(xian)(xian)著(zhu)的捕獲(huo)力(li)(li)和(he)(he)(he)高穿透深度，早已成為一種很有前(qian)途(tu)的微(wei)粒操作手段，在(zai)體(ti)內和(he)(he)(he)臨床應用(yong)(yong)中顯(xian)(xian)示(shi)出巨大的潛力(li)(li)。此(ci)外，研(yan)究人員(yuan)還(huan)開發了(le)植入壓電換能器，用(yong)(yong)以破壞血腦屏障，促進藥物進入大腦。

　　圖(tu)4聲鑷(nie)應用(yong)：（a）SBAT聚焦環形(xing)超(chao)(chao)聲換(huan)能器；（b）特定(ding)尺寸微球(qiu)或細胞(bao)的(de)SBAT操(cao)縱；（c）單個細胞(bao)操(cao)作的(de)自聚焦超(chao)(chao)聲換(huan)能器；（d）用(yong)于操(cao)縱一定(ding)尺寸范圍微粒的(de)單元件超(chao)(chao)聲換(huan)能器；（e）用(yong)于操(cao)縱DNA質(zhi)粒和mRNA的(de)高(gao)頻聲鑷(nie)

　　光(guang)聲換能器在(zai)(zai)生物醫學方面同樣有(you)著廣泛的(de)(de)應用，主要包括(kuo)全光(guang)型超聲成(cheng)像(xiang)(xiang)（圖5）、超聲手(shou)術、藥物遞(di)送和神經(jing)刺激等。光(guang)聲換能器可以產生峰值壓力(li)為MPa級(ji)的(de)(de)高(gao)頻(pin)脈沖超聲，在(zai)(zai)高(gao)質(zhi)量(liang)及高(gao)分(fen)辨(bian)的(de)(de)組(zu)織成(cheng)像(xiang)(xiang)應用中具有(you)巨(ju)大潛力(li)。同時，全光(guang)型超聲成(cheng)像(xiang)(xiang)具有(you)體積小、成(cheng)本(ben)低、抗電(dian)磁干擾等優勢。

　　圖5全光(guang)型超(chao)聲(sheng)成像(xiang)應用(yong)(yong)：（a）體(ti)外人體(ti)淋(lin)巴結的(de)(de)超(chao)聲(sheng)成像(xiang)；（b）用(yong)(yong)于心臟(zang)運動(dong)檢測的(de)(de)超(chao)聲(sheng)系(xi)統；（c）IVUS成像(xiang)的(de)(de)超(chao)聲(sheng)技術；（d）用(yong)(yong)于魚眼成像(xiang)的(de)(de)全光(guang)超(chao)聲(sheng)成像(xiang)系(xi)統

　　通過應用(yong)光聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)透鏡，在凹面上涂覆光聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)復合材料(liao)以產(chan)生聚焦(jiao)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)（LGFU），使(shi)(shi)得光聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)換能器(qi)的(de)(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓得到了極大的(de)(de)提高(gao)(gao)。研究人(ren)(ren)員已經(jing)使(shi)(shi)用(yong)高(gao)(gao)強(qiang)度(du)光致超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)進行了超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)溶(rong)栓、碎石(shi)治療、藥物釋放、高(gao)(gao)精度(du)空(kong)化(hua)切割等探索。此外，光致超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)神(shen)(shen)經(jing)刺激作為一種新(xin)興的(de)(de)神(shen)(shen)經(jing)調(diao)(diao)節方式(shi)，隨著對活體動(dong)物的(de)(de)研究，未來有望將光致超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)應用(yong)于(yu)人(ren)(ren)體的(de)(de)神(shen)(shen)經(jing)調(diao)(diao)節和大腦刺激（圖(tu)6）。

　　圖6光(guang)聲(sheng)醫學其他治療(liao)應用(yong)(yong)：（a）LGFU對固體材料的微尺度(du)碎片；（b）光(guang)聲(sheng)換能(neng)(neng)器用(yong)(yong)于(yu)溶(rong)栓(shuan)；（c）光(guang)聲(sheng)換能(neng)(neng)器用(yong)(yong)于(yu)切割組織；（d）光(guang)聲(sheng)換能(neng)(neng)器用(yong)(yong)于(yu)微粒運(yun)動控制；（e）光(guang)聲(sheng)換能(neng)(neng)器用(yong)(yong)于(yu)藥物輸送；（f）光(guang)聲(sheng)換能(neng)(neng)器用(yong)(yong)于(yu)神經元(yuan)刺激；（g）光(guang)聲(sheng)納米(mi)換能(neng)(neng)器用(yong)(yong)于(yu)靶向(xiang)神經調(diao)節；（h）光(guang)聲(sheng)換能(neng)(neng)器用(yong)(yong)于(yu)單個(ge)神經元(yuan)刺激

　　眾所周(zhou)知(zhi)，超聲(sheng)換能(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)選擇和(he)結構設(she)(she)(she)計對其(qi)聲(sheng)學(xue)性(xing)能(neng)有著至關重(zhong)要(yao)的(de)(de)影響，實現(xian)性(xing)能(neng)優(you)良的(de)(de)新(xin)材(cai)(cai)料(liao)研(yan)制以及和(he)聲(sheng)學(xue)結構的(de)(de)創(chuang)(chuang)新(xin)是(shi)超聲(sheng)換能(neng)器(qi)(qi)不斷發展(zhan)的(de)(de)兩大永恒主(zhu)題。為了促進超聲(sheng)換能(neng)器(qi)(qi)在生物醫學(xue)工(gong)程領域的(de)(de)應(ying)用，實現(xian)超聲(sheng)換能(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)小型化封裝、陣列化設(she)(she)(she)計和(he)多功能(neng)集成(cheng)是(shi)其(qi)重(zhong)要(yao)發展(zhan)趨勢。此外，3D打印、柔(rou)性(xing)電子和(he)人工(gong)智能(neng)等(deng)新(xin)技術(shu)的(de)(de)不斷涌入也(ye)有望為傳(chuan)感器(qi)(qi)設(she)(she)(she)計帶來創(chuang)(chuang)新(xin)概念。

　　以上文章(zhang)來源于生物醫學工程前沿，作(zuo)者(zhe)BMEF編輯部

　　ATA-4052高壓功率放大器

　　帶寬：（-3dB）DC~500kHz

　　電壓：310Vp-p（±155Vp）

　　電流(liu)：2.82Ap

　　功(gong)率：437.1Wp

　　壓擺率(lv)：345V/μs

　　可程控

西安安泰(tai)電子是(shi)專業從事功率放(fang)大器、高壓放大(da)器、功率放大器模塊、功率信號源、射頻(pin)功率(lv)放大器、前置微小信號放大器、高精(jing)度電(dian)壓源、高精度(du)電流源等(deng)電子測(ce)量儀器研(yan)發、生產和銷售的(de)高科技企業(ye)，為用戶提供具有競爭力的(de)測(ce)試方案。Aigtek已經成為在業(ye)界擁有廣(guang)泛(fan)產品線，且(qie)具有相當規模的(de)儀器設備供應商，樣機都支持(chi)免費試用。如想了解(jie)更(geng)多功率放大(da)器等(deng)產品，請持(chi)續(xu)關注安泰電子官(guan)網hkdyw.cn或(huo)撥打029-88865020。