近年來,高頻聚焦超聲在電子器件的評(píng)估與檢測(cè)、材料微觀機(jī)械性能的表征、生物醫(yī)學(xué)高分辨率成像、生物組織病理學(xué)的定量研究、超聲鑷子等前沿基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)中顯示出巨大的潛力,聲透鏡聚焦超聲換能器是目前高頻聚焦超聲換能器的主流選擇之一。
氧化鋅由于其良好的壓電性能和較低的高頻損耗被廣泛應(yīng)用于高頻聚焦超聲換能器,然而制備厚度超過10μm且同時(shí)具有高c軸擇優(yōu)度與低拉伸應(yīng)力的氧化鋅厚膜是現(xiàn)有的難點(diǎn)之一。
為此,中國科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室博士生遆金銘與其導(dǎo)師李俊紅研究員對(duì)適用于純金屬磁控濺射氧化鋅(ZnO)的結(jié)構(gòu)區(qū)域模型進(jìn)行改良,基于改進(jìn)的結(jié)構(gòu)區(qū)域模型,優(yōu)化了磁控濺射生長氧化鋅厚膜的濺射壓力和Ar:O2氣體比例,制備了同時(shí)具有低拉伸應(yīng)力和高壓電性能的ZnO厚膜。在此研究基礎(chǔ)上,結(jié)合有限元方法的仿真分析結(jié)果,設(shè)計(jì)并研制了熔融石英聲透鏡高頻聚焦超聲換能器,該換能器的中心頻率為50 MHz,-6dB帶寬高達(dá)119%。
相關(guān)成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Alloys and Compounds。
本研究獲得汪承灝院士的指導(dǎo)以及國家自然科學(xué)基金(No. 11874388, No. 12174420)、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所自主部署“前沿探索”類項(xiàng)目(No. QYTS202002)和中國科學(xué)院聲學(xué)研究所自主部署“目標(biāo)導(dǎo)向”類項(xiàng)目(No. MBDX202112)的資助。

圖1 不同濺射壓力和Ar: O2氣體比下ZnO薄膜的X射線衍射結(jié)果(圖/中國科學(xué)院聲學(xué)研究所)

圖2 中心頻率50MHz的聲透鏡聚焦超聲換能器(圖/中國科學(xué)院聲學(xué)研究所)

圖3 聚焦超聲換能器的時(shí)域脈沖回波響應(yīng)(實(shí)線)和歸一化頻譜(虛線)(圖/中國科學(xué)院聲學(xué)研究所)

圖4 熔融石英聲透鏡聚焦換能器成像結(jié)果(圖/中國科學(xué)院聲學(xué)研究所)
關(guān)鍵詞:ZnO厚膜 直流磁控濺射 改良的結(jié)構(gòu)區(qū)模型 聚焦超聲換能器 有限元法
參考文獻(xiàn):Jinming Ti, Junhong Li, Qingqing fan, Wei Ren, Qing Yu, Magnetron sputtering of ZnO thick film for high frequency focused ultrasonic transducer. Journal of Alloys and Compounds, 2022, 933: 167764.?DOI:?10.1016/j.jallcom.2022.167764.

