高频超声换能器新型声阻抗匹配层设计与应用研究

High-frequency ultrasound has numerous applications from medical diagnosis to particle manipulation and cellular stimulation. However, matching the acoustic impedance of high-frequency ultrasound transducers to an aqueous loading medium remains a challenge for fabrication high-frequency transducers with high sensitivity and high spatial resolution. The traditional matching layer design has been problematic to establish high matching performance given requirements on both specific acoustic impedance and precise thickness (1/4 λ). Therefore, we will interface metal-polymer matching layer design based on the previous research foundation：optimize the Mass-spring and Microwave matching network theory, obtain the ultrasonic signal transmission and the acoustic field distribution through the equivalent circuit and finite element model, quantitative analysis the relationship between the signal transmission efficiency and the properties of matching materials. Furthermore, we will investigate impacts of material compatibility on stability of the transducers, explore the advanced technology of preparing the acoustic impedance matching layers with high efficiency and low cost. This studying will give a clear understanding of ultrasonic signal transmission law, provide the knowledge and techniques of the novel acoustic impedance matching layer, and will be important in acoustics science and biomedical applications.

高频超声在超声诊断，微粒操纵及细胞激励等诸多领域具有广阔的应用前景，而实现压电阵元与传导介质间声阻抗匹配是制备具有高灵敏度及空间分辨率超声换能器的一项关键技术。传统的声阻抗匹配层设计要求匹配层同时具有特定的声阻抗和精准的厚度，在高频换能器制备中，很难同时满足，匹配效果将受到很大限制。基于前期研究基础，本项目拟开展新型金属-聚合物层间复合声阻抗匹配层设计、制备及应用的研究，包括：优化Mass-spring和Microwave matching network理论；以等效电路及有限元模型研究超声信号传输及声场分布，定量分析信号传输效率与匹配层材料微观结构，力学、电学性能等参数的关系；研究各层材料兼容性等影响换能器稳定性及可靠性的有关因素，探讨高效率、低成本新型声阻抗匹配层的制备工艺。研究成果对于深入理解超声换能器信号传输规律，开发新型的声阻抗匹配层设计与应用技术，具有重要的科学意义和应用价值。

高频超声在超声诊断，颗粒操纵及无损检测等诸多领域具有广阔的应用前景，而实现压电阵元与传导介质间声阻抗匹配是制备具有高灵敏度及高空间分辨率超声换能器的一项关键技术。本项目对新型金属-聚合物层间复合声阻抗匹配层设计、制备及其在高频超声换能器上的应用进行了系统的研究。研究内容包括：优化Mass-spring和Microwave matching network理论；以等效电路及有限元模型研究超声信号传输及声场分布，定量分析信号传输效率与匹配层材料微观结构，力学、电学性能等参数的关系；研究各层材料兼容性等影响换能器稳定性及可靠性的有关因素，探讨高效率、低成本新型声阻抗匹配层的制备工艺。项目主要成果有：推导并优化了金属-聚合物层间复合声阻抗匹配层理论模型，完善理论模型在模拟具体匹配材料谐振频率及等效声阻抗的近似处理；建立了传输性能与匹配层力学、电学性能间普遍关系，利用等效电路及有限元分析，定量研究不同金属、聚合物材料电学、力学特性对匹配效果的影响，探讨了双层及多层匹配层设计在超声换能器声阻抗匹配中的应用。研究了材料兼容性，探索高效率、低成本匹配层制备工艺，实验研制了具备新型声阻抗匹配层的高频超声换能器，实验验证了匹配层设计理论结果。最终实验制备中心频率100 MHz的超声换能器，通过施加新型金属-聚合物声阻抗匹配层，超声换能器幅值提高三倍，-6 dB带宽从36.89 %提升至86.6 %。为开发高灵敏度、高分辨率的高频超声换能器提供了新思路和理论依据。研究成果对于深入理解超声换能器信号传输规律，开发新型的声阻抗匹配层设计与应用技术，提高超声换能器成像质量，具有重要的科学意义和应用价值。