基于超薄单晶的医用压电式微加工超声换能器pMUT的研究

腔内超声诊断成像技术的发展与应用, 对超声换能器提出了前所未有的高要求：微型化、加工精密化、高分辨率等。因此新的换能器结构设计和研制以及一些不同于传统换能器的新理论、新技术成为了研究热点。压电式微加工超声换能器(pMUT)是其中一种有发展潜力、易于产业化的新研究方向。本项目创新性地将已知材料中具有最优压电性能的铌镁酸铅钛酸铅（PMNT）单晶超薄层运用于pMUT的结构中，进行了基于此单晶的pMUT结构设计与有限元分析，研究了压电式微加工超声换能器件的电声学原理理论，试图对这一不同于传统超声换能器的新型器件在振动模态、能量转换、声学匹配、振动衰减等换能器的几个层面进行理论建构和技术探索，为新型医用高性能超声换能器的理论及设计制造技术提供有益补充和创新发展。

腔内超声诊断成像技术的发展与应用, 对超声换能器提出了前所未有的高要求：微型化、加工精密化、高分辨率等。因此新的换能器结构设计和研制以及一些不同于传统换能器的新理论、新技术成为了研究热点。压电式微加工超声换能器(pMUT)是其中一种有发展潜力、易于产业化的新研究方向。本课题的主要研究结果，包括创新性地提出了两种区别于常规硅弹性层结构pMUT的新型结构，一种是电镀金属弹性层的双层pMUT，一种是单压电层穹顶结构pMUT。分析报道了这两种新结构的工作原理、振动模态、谐振状态、机电转换能力，以及压电薄层厚度，电极尺寸对换能器性能的影响，结果表明两种新结构都具备更优的机电转换性能。进一步，本课题通过选择单晶合适的组分以及切型，优化了单晶用于此类型超声换能器的综合性能，并进一步分析研究了单晶压电薄层的力学、铁电和压电性能。根据理论建模仿真结果确定了pMUT换能器的结构参数，利用微机械加工技术成功地制备了高精度（微米级）的压电薄层pMUT单元及微型阵列结构体，并对器件的各项电学及声学性能进行表征，研究了结构参数和工艺条件对换能器性能的影响。结果表明新型压电单晶以及新结构的pMUT，能使传统换能器性能有较大的提高，充分显示出PMNT单晶在医用微型化超声换能器中具有很好的应用前景，为新型医用高性能超声换能器的理论及设计制造技术提供有益补充和创新发展。