一种面向医疗应用的全印刷柔性超声换能器

超声（US）设备在医学成像和诊断中起着至关重要的作用。超声设备的非电离特性和高穿透能力使其成为安全、无创和长时间检查人体组织的理想工具。

据麦姆斯咨询报道，近期，格拉茨工业大学（Graz University of Technology）等机构的研究人员展示了一种全印刷的单通道柔性超声换能器，其通过喷墨和丝网印刷相结合的方式制备，具有快速、可定制和经济高效等优势。该超声换能器能够在常规医疗超声系统带宽频率范围内谐振，可以同时作为超声发射器和接收器。研究人员在频率为13.6 ± 0.6 MHz时实现了高于1 W cm⁻²的声功率，与传统锆钛酸铅（PZT）超声换能器的性能相当，有望应用于表皮和可穿戴电子产品。相关研究成果已发表于Advanced Materials Technologies期刊。

本研究提出的全印刷超声换能器的制造及性能表征方法

这种超声换能器的制造结合了两种印刷方法——喷墨印刷用于制备银电极，丝网印刷用于制备聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）压电聚合物。研究人员通过调整液滴间距来控制银电极的厚度，并密切控制厚度变化，以免影响超声换能器的谐振行为。此外，由于采用手工丝网印刷可能伴随一些技术问题，因此还采取了一些谨慎的策略。此项研究中，在优化的温度（60°C）下，研究人员实现了光滑均匀的油墨层。单层P(VDF-TrFE)的厚度取决于油墨的固有性质（如粘度）和印刷参数。同时，丝网印刷的网孔数也限制了通过网孔的油墨量。因此，通过触针式轮廓仪测量评估，得出基于油墨和丝网印刷制备的单层P(VDF-TrFE)的平均厚度约为2 ± 0.2 μm。

这种全印刷超声换能器具有多种优势，其中包括低弯曲半径（约3.5 mm）、可印刷性以及致密厚度（约75 μm）。除了优异的材料特性外，该超声换能器在频率带宽、谐振峰位置、声功率以及发射和接收声波的能力方面也具有优势。由于材料成本低、制造过程相对简单、非经常性投入较为适中，因此，这种具有成本效益的技术方法有望用于批量化生产。此外，所开发的极化工艺能够实现约为100 V µm⁻¹的高极化场，从而可获得高Pr值（6.39 ± 1.16 µC cm⁻²）。

研究人员演示了该全印刷超声换能器在医疗超声领域中的应用，其谐振峰值最低约为14 MHz。此外，研究人员采用商用功率计来测量换能器的声功率，结果表明，该超声换能器实现了高于1 W cm⁻²的声功率，可与传统压电陶瓷超声换能器相媲美。此外，在此频率下进行的声发射和捕捉实验，证明了这种全印刷超声换能器能够通过模拟人体组织的水凝胶材料，实现超声信号的发射和接收。总的来说，这些结果证实了该全印刷超声换能器在医疗超声应用中的潜在适用性，例如连续超声成像、心血管监测等。

全印刷超声换能器的声功率测量

全印刷超声换能器在声发射和捕捉实验中的功能演示

总之，这项研究工作提出的制造策略成功实现了具有可调谐振特性的全印刷超声换能器，通过结合喷墨和丝网印刷的方式，研究人员成功制备了具有可调厚度压电层的超声换能器。值得注意的是，这项研究工作首次展示了该全印刷超声换能器在医疗超声范围（小于15 MHz）内的优异性能（声功率高于1 W cm⁻²），未来有望应用于表皮和可穿戴电子产品。这些研究结果为柔性超声换能器的进一步发展奠定了坚实的基础。

审核编辑：刘清