综述：面向医疗超声应用的压电材料，从基础原理到转化应用前景
2026-11-08 10:35:49   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

压电材料是众多机电系统中的重要功能材料之一，已广泛应用于电子信息、航空航天、工业制造、能源环境以及医疗健康等领域。在生物医学超声领域，压电材料作为超声换能器的核心，能够实现声波的发射与接收，为疾病诊断、治疗及生理监测提供支持。

据麦姆斯咨询介绍，甬江实验室的研究人员全面综述了面向医疗超声应用的压电材料，涵盖了压电基本原理、典型材料体系、超声换能器结构及生物医学应用，重点阐述了材料、器件性能与应用需求之间的关联。同时，该综述还介绍了压电材料在医疗超声诊断、治疗和监测领域的诸多应用，并展望了其发展前景与机遇。该综述旨在从材料角度出发，探讨压电式超声换能器的发展现状，及其在医疗超声领域的转化应用前景。

图1 基于压电材料的超声技术及其医疗应用

相关研究成果已经以“Piezoelectric Materials in Medical Ultrasound: A Comprehensive Review From Fundamentals to Translational Prospects”为题发表于Information & Functional Materials期刊。

压电材料

压电材料在化学成分和结构形态方面具有显著的多样性，由此形成了多条并行发展的材料体系。总体来看，压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物及压电复合材料是目前研究最为广泛的几类材料。随着器件小型化和系统级集成的持续推进，压电薄膜在微尺度超声换能器结构中的独特优势日益凸显。从环境法规和可持续制造的角度来看，压电材料大致可分为含铅体系和无铅体系。含铅压电材料凭借成熟的性能体系和完善的制备工艺，长期以来一直支撑着主流应用。相比之下，无铅压电材料的研发持续致力于优化机电性能、热稳定性和加工兼容性的协调发展，已成为横跨材料设计与器件工程两大领域的研究热点。该综述重点阐述了含铅与无铅压电材料、压电复合材料以及压电薄膜的代表性进展及亟待解决的关键问题。

当前研究最为广泛的无铅压电材料体系包括钛酸钡（BT）基材料、钛酸铋钠（BNT）基材料、铌酸钾钠（KNN）基材料以及铁酸铋（BFO）基材料。其中，BT是最早被发现的钙钛矿压电材料之一。然而，与含铅PZT陶瓷相比，这类材料普遍存在居里温度有限、压电性能不足、热稳定性差以及电阻率相对较低等缺点。为解决这些问题，研究人员已提出了一系列针对性的调控策略。

图2 1–3型压电复合材料的结构与共振模式

压电复合材料通常通过将功能性压电相与聚合物基体相结合，并将两相按设计的空间结构排列，构建出工程化结构的材料体系。压电复合材料结合了具有机械顺应性、低声学阻抗和良好加工性能的聚合物基体，缓解了压电材料固有的高刚度、脆性以及阻抗失配等问题。在几何结构和制备工艺经过精心优化的情况下，1–3型压电复合材料在厚度模式耦合、声学阻抗匹配和带宽之间实现了最优平衡。该结构对宽带成像超声换能器、血管内超声（IVUS）探头和可穿戴超声阵列等应用具有显著优势。

随着MEMS技术的快速成熟，超声换能器已逐渐从块体型器件转向片上集成芯片。为实现更高的工作频率、更小的元件尺寸以及与硅基电路和封装的兼容性，压电材料必须从传统的数百微米至毫米级厚度向微米级甚至亚微米级薄膜形式发展。压电薄膜为片上阵列集成、低功耗运行和规模化制造提供了可行路径，从而催生了基于薄膜的超声换能器，例如压电式微机械超声换能器（PMUT）。

图3 高压电性PVDF-TrFE的制备与应用

为了对主要压电材料体系进行简明对比，该综述通过表1总结了面向医疗超声换能器的代表性压电材料，包括含铅陶瓷、无铅陶瓷、压电复合材料、薄膜压电材料以及压电聚合物等。

表1 面向医疗超声换能器的代表性压电材料

压电式超声换能器

超声换能器是能够实现电能与声能双向转换的器件。该综述重点介绍了三种具有代表性的换能器类型：单元换能器、阵列换能器以及PMUT。

近些年，压电薄膜和MEMS微加工技术的进步推动了PMUT的发展。得益于与硅工艺兼容、可规模化的阵列级集成能力以及小型化封装特性，PMUT已成为推动超声器件小型化和系统级集成发展的重要途径。该综述详细探讨了单元换能器、阵列换能器和PMUT的结构特征，并重点分析了它们的材料考量因素与核心工艺要素。

图4 典型阵列超声换能器示意图

不同的超声换能器架构有着不同的材料和工艺要求，因此适用于不同的生物医学应用场景。PMUT在便携式、可植入、腔内和可穿戴超声领域极具前景，而对于需要高声压、宽带宽或高信噪比的应用，块体型压电陶瓷或压电复合换能器仍是更优选择。

图5 典型PMUT示意图

该综述总结了典型超声换能器架构、有源材料、典型工作频率范围、关键性能要求以及生物医学应用场景。该对比凸显了从单元换能器和阵列换能器向柔性、可穿戴以及集成MEMS超声平台的转变。

表2 面向生物医学应用的典型超声换能器

面向生物医学应用的超声换能器

超声换能器是连接电激励与生物组织声学相互作用的核心硬件，其材料选择、结构配置和集成水平最终决定了生物医学应用中的系统级性能。在实际应用中，超声换能器的设计具有强烈的应用导向性，因为超声诊断、超声治疗和健康监测对工作频率、带宽、灵敏度、声输出、效率以及生理环境下的长期可靠性有着不同的要求。因此，深入理解换能器架构和材料参数如何对应特定应用的性能指标，是实现合理器件设计与性能优化的关键。

图6 面向超声治疗的换能器示意图

图7 面向超声成像的换能器示意图

从应用角度来看，超声成像通常优先考虑灵敏度、带宽、声匹配性和阵列均匀性，而超声治疗则更注重声功率输出、热稳定性、介电与机械损耗抑制以及抗退极化性能。该综述系统探讨了超声诊断、超声治疗及超声健康监测中典型的换能器应用场景，重点阐述了关键技术需求、典型器件方案及相关材料。

结论

压电材料仍是医用超声技术发展的核心，其机电耦合特性直接决定了超声的产生、接收、带宽、灵敏度、功率传输以及设备集成度。本文综述了压电效应的基本原理、代表性材料体系、换能器结构及主要生物医学超声应用。该领域的研究正从追求单一材料性能指标向面向应用的材料-器件协同设计方向转变。对于医疗超声而言，关键问题并非哪种材料的压电常数d33最高，而是哪种材料-结构组合能够满足所需要的声输出、带宽、阻抗匹配、热稳定性、柔性、可制造性及长期可靠性要求。

总体而言，压电材料在医疗超声领域的未来将由材料-器件-系统协同设计所决定。可持续材料、高性能含铅体系、结构工程复合材料以及晶圆级薄膜将各自占据不同的应用场景。持续的技术进步需要在机电性能与可靠性、可制造性、安全性及临床使用要求之间取得平衡。通过这种集成化发展，压电技术有望推动医疗超声从传统成像向精准治疗、持续监测、可穿戴医疗以及新兴的超声响应型生物医学平台演进。

论文链接：https://doi.org/10.1002/ifm2.70025

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延伸阅读：

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