《基於反轉層壓電材料的新型高頻超聲換能器陣列》是依託清華大學，由張志甜擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於反轉層壓電材料的新型高頻超聲換能器陣列
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：張志甜
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
醫學高頻超聲影像技術是當前生物醫學和材料科學領域的國際研究熱點，寬頻高頻超聲換能器陣列的研究和開發對於獲得高解析度的超聲影像，為醫學診斷和生物醫學研究提供有力的參考，具有重要的科學意義和實際價值。50-100MHz範圍的高頻超聲換能器陣列是這一領域的研究難點，反轉層壓電材料由於具有一次諧波和二次諧波可同時存在的特性，為克服這一難點提供了可能的解決途徑。本項目通過反轉層壓電材料製備工藝、反轉層壓電縱波器件工作機理和傳輸及阻抗特性的研究，選擇出適用於製作高頻超聲換能器的材料及切型。推導建立新型反轉層高頻超聲換能器的理論分析模型，並在理論指導下，研製出50-100MHz範圍的新型反轉層寬頻高頻超聲換能器陣列原型。本項目所研究的反轉層壓電材料，不僅為高頻超聲換能器的研究奠定了基礎，也同時為其它類型壓電感測器和換能器的研究提供了一個嶄新的方向，有著重要的學術意義。
結題摘要
醫學高頻超聲影像技術是當前生物醫學和材料科學領域的國際研究熱點，寬頻高頻超聲換能器陣列的研究和開發對於獲得高解析度的超聲影像，為醫學診斷和生物醫學研究提供有力的參考，具有重要的科學意義和實際價值。50-100MHz範圍的高頻超聲換能器陣列是這一領域的研究難點，反轉層壓電材料由於具有一次諧波和二次諧波可同時存在的特性，為克服這一難點提供了可能的解決途徑。本課題對反轉層壓電材料製備工藝、反轉層壓電縱波器件工作機理和傳輸及阻抗特性進行了研究，並在理論指導下，研製出了50-100MHz範圍的新型反轉層寬頻高頻超聲換能器陣列原型，課題主要研究內容包括： 利用Christoffel-Bechmann方法計算了鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鉀等具有反轉層現象的壓電晶體材料在所有切型下縱波模式的壓電耦合係數及其聲波相速度。 研究了鈮酸鋰壓電單晶材料的反轉層熱處理加工工藝參數，對熱處理溫度、時間與反轉層的厚度比之間的關係進行了系統的研究。 通過實驗研究了平板型鈮酸鋰晶體中形成的反轉層電疇結構，建立了基於四層電疇結構反轉層壓電材料的多層結構超聲換能器的理論分析模型，根據第二類壓電方程和連續性條件，推導了該多層器件的質點振動方程及其解析解。研究了不同電疇層厚度對平板型器件諧振頻率特性的影響，並進行了實驗驗證。 結合反轉層材料結構特點及機械微凹形加工工藝，設計了三種不同結構的半凹型反轉層器件。通過實驗驗證了三種半凹型反轉層器件的電疇結構，在此基礎上利用ANSYS有限元分析軟體對三種半凹型器件在表面電極激勵下的振動模式和頻率阻抗特性進行了仿真研究，並與實驗結果進行對比。 分別基於一種半凹型無反轉層器件和兩種半凹型反轉層器件製作了高頻寬頻超聲換能器，利用脈衝回波法對超聲換能器的中心頻率、頻寬和插入損耗進行了測試，獲得了中心頻率在50-100MHz之間，頻寬超過100%的多個換能器，並用製作的高頻超聲換能器對兔子眼睛進行了成像實驗。 研究了高頻超聲換能器陣列的製備工藝，設計和製作了中心頻率在60MHz、頻寬約為40%、陣元數為64的高頻超聲換能器線性陣列，並對無縫高頻超聲換能器陣列進行了探索性研究。 本項目所研究的反轉層壓電材料，不僅為高頻超聲換能器的研究奠定了基礎，也同時為其它類型壓電感測器和換能器的研究提供了一個嶄新的方向，有著重要的學術意義。
