基于横向振动模式的超声换能器研究

摘要

利用压电材料具有多种振动模式的特性，将基于厚度振动模式工作的压电元件转换为基于横向振动模式工作，在此过程中，压电元件振动方向不变，电极面积增加，间距减小从而其固定电容增加，电阻抗降低。将多层结构、横向振动模式的压电元件用于制作针式超声换能器，利用针式换能器的小体积、轻质量的特点，结合多层结构、横向振动模式方法构造的压电元件低频率、低阻抗、高强度的优点，设计与制作可用于小动物多点神经刺激的超声换能器。 本文主要研究了一种基于多层结构、横向振动模式的低频压电式超声换能器的理论设计、制作与测试。(1)提出一种多层结构、横向振动模式的压电元件构造方法，采用改进的多层结构制备方法。通过磁控溅射法制备压电元件电极，使得多层结构电极引出更加便捷，不需要多余的中间夹层结构即可有效引出内表面电极。(2)研究了一种基于双层结构、横向振动模式压电元件的阻抗特性。在其他条件不变时，增加压电元件长度(1)与厚度(t)、降低压电元件宽度(w)均可以降低其谐振频率处的电阻抗。从实验和仿真两个角度验证了双层结构、横向振动模式构造方法可以有效降低压电元件谐振频率处的电阻抗。(3)设计一款直径为1.6mm，质量约为0.2g，工作频率为820kHz，目标区域声压达到0.3MPa的针式超声换能器。其压电元件材料为PZT-5H，尺寸（长、宽、高）分别为0.6mm、0.6mm、1.65mm，采用8层结构、横向振动模式构造，相对于单层结构、厚度振动模式压电元件电阻抗大幅降低，电学性能优异。针式超声换能器在频率为820kHz，输入电压幅值为150V，输入正弦信号周期数为20时，轴向距离3mm处的声压最大幅值为240kPa是对照组声压最大幅值51kPa的4.7倍，声学性能优异。采用离体小鼠颅骨测量其经颅性能，超声声束经过小鼠颅骨时几乎没有衰减和位移，换能器穿颅性能良好，可以用作小动物超声神经刺激，并且其体积小、质量轻、声压强的优点可以应用于小鼠多点神经刺激。