背景
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应，压电陶瓷除具有压电性外， 还具有介电性、弹性等， 已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性，压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等。
压电特性
压电陶瓷最大的特性是具有压电性，包括正压电性和逆压电性。正压电性是指某些电介质在机械外力作用下，介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化，从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在外力不太大的情况下，其电荷密度与外力成正比，遵循公式：
。其中δ为面电荷密度， d为压电应变常数，T为伸缩应力。
反之，当给具有压电性的电介质加上外电场时，电介质内部正负电荷中心发生相对位移而被极化，由此位移导致电介质发生形变，这种效应称之为逆压电性。当电场不是很强时形变与外电场呈线性关系，遵循公式：
。
为逆压电应变常数，E为外加电场，x为应变。压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合程度，用机电耦合系数K表示，遵循公式：
。其中
为压电能，
为弹性能， 
为介电能。
PZT在双光子显微成像中的应用
在双光子内窥成像领域，MEMS扫描镜虽然被使用在双光子内窥显微镜中，但是由于或需要折转光路因此导致封装尺寸过大，无法用于活体生物组织内部成像。所以相比而言，基于压电陶瓷PZT驱动的机械扫描光纤悬臂梁结构更适用于内窥显微成像结构中，作为提供光束扫描的关键器件。
根据压电方程：
其中，
分别指弹性系数、压电系数、介电系数，下标指示方向，
分别表示应力、电位移、应变、电场。
在双光子显微成像扫描光束时，压电陶瓷的一端被固定，另一端逆压电效应进行扫描。构成自由悬臂模型。对于一个自由悬臂梁结构，将压电方程与材料的结构力学参数方程联立求解整理，可获得压电陶瓷管自由端的偏转位移为：
其中，
分别代表两片压电陶瓷中间介质层的厚度即压电陶瓷片的宽度、压电陶瓷片的厚度、介质层的杨氏模量、压电陶瓷片的杨氏模量[1-3]。
双光子内窥系统结构见如下介绍。2006年Xingde Li组首次将光学断层扫描成像（OCT）中常用的扫描机构—压电陶瓷（PZT）引入双光子内窥领域[4]，展示了用于实时成像的扫描光纤式双光子荧光内窥镜[5]。管状压电陶瓷PZT驱动器周向均匀黏贴四块电极板，分别连接X+、X-、Y+、Y+四个电极，外加驱动信号，利用压电陶瓷的逆压电效应，带动双包层光纤进行螺旋形扫描，图1为压电陶瓷PZT扫描装置图。双包层光纤用飞秒脉冲光的传输和荧光信号的收集，双包层光纤芯3.6μm，内包层直径90μm，外包层直径125μm。纤芯和内包层数值孔径NA值分别为0.19和0.23。使用变折射率梯度透镜（Grin lens）进行成像，微物镜数值孔径NA为0.46，放大倍率0.7。使用光栅对进行飞秒脉宽线性色散的补偿。展现了对癌细胞组织的实时成像，圆形视场直径为512像素，横向分辨率2μm，轴向分辨率20μm，成像帧率2.6Hz。图2为此扫描光纤式双光子内窥镜结构图。
|
图 1 压电陶瓷PZT扫描装置 |
图 2 扫描光纤式双光子内窥镜结构图 |
实验应用上，可使用其揭示小鼠在妊娠状态下宫颈组织中Ⅰ型胶原的渐进变化并用于预测早产。具有重要的生物学意义。成像结果如图3所示，展示了小鼠未妊娠（NP）和妊娠第6，12，15，18天宫颈组织SHG显微成像与病理切片成像对比结果。实验结果均表明在妊娠过程中，小鼠宫颈胶原蛋白发生明显的形态学改变。论证了双光子二次谐波成像用于对宫颈组织中Ⅰ型胶原的渐进变化并用于预测早产的可能性[6]。
图 5 SHG二次谐波成像（上）与病理切片成像（下）对比
参考文献
[1] 范伟, 余晓芬. 压电陶瓷驱动器蠕变特性的研究[J]. 仪器仪表学报, 2006(11):21-24.
[2] 王宏, 钟朝位, 张树人. 压电陶瓷驱动器线性动态驱动电源的研制[J]. 压电与声光, 2004, 26(3):189-191.
[3] 李康. 压电陶瓷驱动器的迟滞非线性建模与控制[D]. 山东大学, 2014.
[4] Liu X , Cobb M J , Chen Y , et al. Rapid-scanning forward-imaging miniature endoscope for real-time optical coherence tomography[J]. Optics Letters, 2004, 29(15):1763.
[5] Myaing M T , Macdonald D J , Li X . Fiber-optic scanning two-photon fluorescence endoscope[J]. Optics Letters, 2006, 31(8):1076-1078.
[6] Zhang Y , Akins M L , Murari K , et al. A compact fiber-optic SHG scanning endomicroscope and its application to visualize cervical remodeling during pregnancy[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012, 109(32):12878-12883.
