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超声波接收器结构经历了一次地震般的转变

2020年8月20日通过阿德里安·吉布尔斯

超声波,具有近一个世纪的技术历史,已经看到了北卡罗来纳州的第三种主要技术突破。

超声检查,俗称超声,从声纳演变而来,并在20世纪60年代进入医疗用途哈佛商学院(Harvard Business School)的研究人员表示。

超声技术在20世纪70年代迅速超越了x射线,成为心脏病学、产科和妇科诊断疾病的首选方法。1985年,用电脑处理超声波数据变得非常普遍。

在21世纪,电子处理系统稳步提高了超声技术,提高信号 - 噪声特性,穿透深度,横向分辨率的增长和对比度。

尽管固态电子技术不断进步,但超声波接收器的基本结构直到今年才有重大改变。

北卡罗来纳州立大学的研究人员宣布一种革命性的新型超声波接收器这有可能降低此类系统的设计成本,并引发自上世纪80年代以来从未见过的此类设备市场热潮。

新型超声成像装置

新型超声成像装置基本原理图。图片由ACS应用材料和接口

研究人员称这项技术称为“新型超声成像装置”,因为它光学地在压电换能器的表面上显示声学信号。

看传统的电子超声系统

超声技术使用2-18 MHz范围内的人工产生的声波,其在与声纳和雷达相同的原理上操作,其中反射波被返回到接收器以进行信号处理。

压电效应是由一种换能器材料产生的——在超声造影中,这种材料是锆钛酸铅(PZT)——将声波转换成可以处理和显示的电脉冲。

传统超声电子系统的框图,显示到换能器的复杂收发器路径

传统超声电子系统的框图,显示传感器的复杂收发器路径。图片由马克西姆集成

驱动超声探头的收发电子设备很复杂,具有由高压数字到模拟转换器,放大器,收发器开关和高压多路复用器组成的高压传输路径(> 200 VPP)。

本系统的接收方包括:

  • 低噪声放大器(LNA)
  • 可变增益放大器(VGA)
  • 抗混叠滤波器(AAF)用于去除超出超声频率第一个奈奎斯特区域范围的组件
  • 模数转换器,典型的12位分辨率,每秒运行60万个样本

将超声波系统重新定义到OLED显示屏上的直接处理

据研究人员Franky So介绍,北卡州立大学研发的这项新技术旨在消除系统集成中对接收电子设备的要求,取而代之的是一个分辨率高达500px × 500px的直接处理OLED屏幕。

该技术将PZT材料与OLED显示器集成在一起,当接收到超声波能量时,OLED显示屏就会发光。江晓宁说:“传统的超声波设备都有一个接收器,可以探测超声波并将其转换成电信号。”“我们已经发明了一种设备,可以有效地消除电信号处理。”

在里面NC国家研究论文'支持信息在美国,集成接收器通过两种设置进行测试:一种是包含ZnOx的九层复合材料,另一种是不含ZnOx的八层复合材料。结构上的差异表明,没有ZnOx时,OLED的亮度和电流效率得到了改善。

有氧化锌层(左)和没有氧化锌层(右)的OLED显示器

有氧化锌层(左图)和没有氧化锌层(右图)的OLED显示器显示了两个实验叠层之间增加的亮度。图片(修改)使用courtesy ofACS应用材料和接口

研究团队演示了不同声学介质(水,凝胶和金属)对PZT接收器的影响以及电不透明障碍干扰接收器的影响。补充研究清楚地表明OLED显示器跟踪超声波PZT接收器能量。

一个设计简单、价格低廉的超声技术的新时代?

这项新技术提供了一种从根本上接收和处理超声波声波的方式,完全消除了现有超声系统中的复杂电子接收器模块。

frank So解释说:“我们可以花100美元左右制造超声波接收显示器。”这一成本与传统超声波技术形成了鲜明对比,后者的成本高达10万美元。