超聲（US）設(shè)備在醫(yī)學(xué)成像和診斷中起著至關(guān)重要的作用。超聲設(shè)備的非電離特性和高穿透能力使其成為安全、無創(chuàng)和長時間檢查人體組織的理想工具。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，格拉茨工業(yè)大學(xué)（Graz University of Technology）等機構(gòu)的研究人員展示了一種全印刷的單通道柔性超聲換能器，其通過噴墨和絲網(wǎng)印刷相結(jié)合的方式制備，具有快速、可定制和經(jīng)濟高效等優(yōu)勢。該超聲換能器能夠在常規(guī)醫(yī)療超聲系統(tǒng)帶寬頻率范圍內(nèi)諧振，可以同時作為超聲發(fā)射器和接收器。研究人員在頻率為13.6 ± 0.6 MHz時實現(xiàn)了高于1 W cm?2的聲功率，與傳統(tǒng)鋯鈦酸鉛（PZT）超聲換能器的性能相當(dāng)，有望應(yīng)用于表皮和可穿戴電子產(chǎn)品。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Advanced Materials Technologies期刊。

本研究提出的全印刷超聲換能器的制造及性能表征方法

這種超聲換能器的制造結(jié)合了兩種印刷方法——噴墨印刷用于制備銀電極，絲網(wǎng)印刷用于制備聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）壓電聚合物。研究人員通過調(diào)整液滴間距來控制銀電極的厚度，并密切控制厚度變化，以免影響超聲換能器的諧振行為。此外，由于采用手工絲網(wǎng)印刷可能伴隨一些技術(shù)問題，因此還采取了一些謹(jǐn)慎的策略。此項研究中，在優(yōu)化的溫度（60°C）下，研究人員實現(xiàn)了光滑均勻的油墨層。單層P(VDF-TrFE)的厚度取決于油墨的固有性質(zhì)（如粘度）和印刷參數(shù)。同時，絲網(wǎng)印刷的網(wǎng)孔數(shù)也限制了通過網(wǎng)孔的油墨量。因此，通過觸針式輪廓儀測量評估，得出基于油墨和絲網(wǎng)印刷制備的單層P(VDF-TrFE)的平均厚度約為2 ± 0.2 μm。

這種全印刷超聲換能器具有多種優(yōu)勢，其中包括低彎曲半徑（約3.5 mm）、可印刷性以及致密厚度（約75 μm）。除了優(yōu)異的材料特性外，該超聲換能器在頻率帶寬、諧振峰位置、聲功率以及發(fā)射和接收聲波的能力方面也具有優(yōu)勢。由于材料成本低、制造過程相對簡單、非經(jīng)常性投入較為適中，因此，這種具有成本效益的技術(shù)方法有望用于批量化生產(chǎn)。此外，所開發(fā)的極化工藝能夠?qū)崿F(xiàn)約為100 V μm?1的高極化場，從而可獲得高Pr值（6.39 ± 1.16 μC cm?2）。

研究人員演示了該全印刷超聲換能器在醫(yī)療超聲領(lǐng)域中的應(yīng)用，其諧振峰值最低約為14 MHz。此外，研究人員采用商用功率計來測量換能器的聲功率，結(jié)果表明，該超聲換能器實現(xiàn)了高于1 W cm?2的聲功率，可與傳統(tǒng)壓電陶瓷超聲換能器相媲美。此外，在此頻率下進行的聲發(fā)射和捕捉實驗，證明了這種全印刷超聲換能器能夠通過模擬人體組織的水凝膠材料，實現(xiàn)超聲信號的發(fā)射和接收?？偟膩碚f，這些結(jié)果證實了該全印刷超聲換能器在醫(yī)療超聲應(yīng)用中的潛在適用性，例如連續(xù)超聲成像、心血管監(jiān)測等。

全印刷超聲換能器的聲功率測量

全印刷超聲換能器在聲發(fā)射和捕捉實驗中的功能演示

總之，這項研究工作提出的制造策略成功實現(xiàn)了具有可調(diào)諧振特性的全印刷超聲換能器，通過結(jié)合噴墨和絲網(wǎng)印刷的方式，研究人員成功制備了具有可調(diào)厚度壓電層的超聲換能器。值得注意的是，這項研究工作首次展示了該全印刷超聲換能器在醫(yī)療超聲范圍（小于15 MHz）內(nèi)的優(yōu)異性能（聲功率高于1 W cm?2），未來有望應(yīng)用于表皮和可穿戴電子產(chǎn)品。這些研究結(jié)果為柔性超聲換能器的進一步發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

審核編輯：劉清