基于反转层压电材料的新型高频超声换能器阵列

医学高频超声影像技术是当前生物医学和材料科学领域的国际研究热点，宽带高频超声换能器阵列的研究和开发对于获得高分辨率的超声影像，为医学诊断和生物医学研究提供有力的参考，具有重要的科学意义和实际价值。50-100MHz范围的高频超声换能器阵列是这一领域的研究难点，反转层压电材料由于具有一次谐波和二次谐波可同时存在的特性，为克服这一难点提供了可能的解决途径。本项目通过反转层压电材料制备工艺、反转层压电纵波器件工作机理和传输及阻抗特性的研究，选择出适用于制作高频超声换能器的材料及切型。推导建立新型反转层高频超声换能器的理论分析模型，并在理论指导下，研制出50-100MHz范围的新型反转层宽带高频超声换能器阵列原型。本项目所研究的反转层压电材料，不仅为高频超声换能器的研究奠定了基础，也同时为其它类型压电传感器和换能器的研究提供了一个崭新的方向，有着重要的学术意义。

医学高频超声影像技术是当前生物医学和材料科学领域的国际研究热点，宽带高频超声换能器阵列的研究和开发对于获得高分辨率的超声影像，为医学诊断和生物医学研究提供有力的参考，具有重要的科学意义和实际价值。50-100MHz范围的高频超声换能器阵列是这一领域的研究难点，反转层压电材料由于具有一次谐波和二次谐波可同时存在的特性，为克服这一难点提供了可能的解决途径。本课题对反转层压电材料制备工艺、反转层压电纵波器件工作机理和传输及阻抗特性进行了研究，并在理论指导下，研制出了50-100MHz范围的新型反转层宽带高频超声换能器阵列原型，课题主要研究内容包括：.利用Christoffel-Bechmann方法计算了铌酸锂、钽酸锂、铌酸钾等具有反转层现象的压电晶体材料在所有切型下纵波模式的压电耦合系数及其声波相速度。.研究了铌酸锂压电单晶材料的反转层热处理加工工艺参数，对热处理温度、时间与反转层的厚度比之间的关系进行了系统的研究。.通过实验研究了平板型铌酸锂晶体中形成的反转层电畴结构，建立了基于四层电畴结构反转层压电材料的多层结构超声换能器的理论分析模型，根据第二类压电方程和连续性条件，推导了该多层器件的质点振动方程及其解析解。研究了不同电畴层厚度对平板型器件谐振频率特性的影响，并进行了实验验证。.结合反转层材料结构特点及机械微凹形加工工艺，设计了三种不同结构的半凹型反转层器件。通过实验验证了三种半凹型反转层器件的电畴结构，在此基础上利用ANSYS有限元分析软件对三种半凹型器件在表面电极激励下的振动模式和频率阻抗特性进行了仿真研究，并与实验结果进行对比。.分别基于一种半凹型无反转层器件和两种半凹型反转层器件制作了高频宽带超声换能器，利用脉冲回波法对超声换能器的中心频率、带宽和插入损耗进行了测试，获得了中心频率在50-100MHz之间，带宽超过100%的多个换能器，并用制作的高频超声换能器对兔子眼睛进行了成像实验。.研究了高频超声换能器阵列的制备工艺，设计和制作了中心频率在60MHz、带宽约为40%、阵元数为64的高频超声换能器线性阵列，并对无缝高频超声换能器阵列进行了探索性研究。.本项目所研究的反转层压电材料，不仅为高频超声换能器的研究奠定了基础，也同时为其它类型压电传感器和换能器的研究提供了一个崭新的方向，有着重要的学术意义。