【摘要】：超聲成像技術(shù)具有無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)、方便、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域之中。目前常規(guī)超聲設(shè)備工作頻率多為低頻,且分辨率不高,在眼科、血管內(nèi)超聲成像等領(lǐng)域應(yīng)用中有諸多限制。具有更高分辨率的新型醫(yī)學(xué)高頻超聲技術(shù)迅速發(fā)展,對(duì)工作頻率在20 MHz至80 MHz的高頻超聲換能器具有迫切需求,因此對(duì)超聲換能器性能起關(guān)鍵性的作用的壓電材料的制備研究意義重大。本論文中通過(guò)目前無(wú)鉛體系中綜合性能最優(yōu)的(K_xNa_(1-x))NbO_3(KNN)單晶材料進(jìn)行性能調(diào)控,制備出高壓電性能無(wú)鉛壓電單晶元件與工作頻率高達(dá)50 MHz的高頻超聲換能器;為了克服傳統(tǒng)制備壓電復(fù)合材料方法的弊端,采用光刻-深反應(yīng)離子刻蝕微納加工方法制備基于高性能弛豫鐵電單晶0.5 mol%MnO_2-0.3Pb(In_(1/2)Nb_(1/2))O_3-0.4Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-0.3PbTiO_3(Mn:PIMNT)的深刻蝕結(jié)構(gòu),探索其工藝參數(shù)以及調(diào)控方法。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:為了獲得環(huán)境友好型且具有高壓電性能的無(wú)鉛壓電材料,本論文采用Mn離子摻雜以及極化、退火等工藝對(duì)KNN單晶進(jìn)行性能調(diào)控。通過(guò)XRD、升溫拉曼以及壓電力顯微鏡結(jié)構(gòu)測(cè)試發(fā)現(xiàn)0.5 mol%MnO_2-(K_(0.44)Na_(0.56))NbO_3(Mn:KNN)壓電單晶為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),室溫下為正交相,因此選用(001)方向的Mn:KNN壓電單晶進(jìn)行介電、壓電、鐵電等宏觀電學(xué)性能測(cè)試研究;研究發(fā)現(xiàn)Mn:KNN單晶材料具有高壓電系數(shù)300 pC/N,高機(jī)電耦合系數(shù)64%以及較高的居里溫度(T_C=415°C),制備出厚度為50μm的Mn:KNN壓電單晶元件。基于制備出的高性能Mn:KNN壓電單晶元件,用PiezoCAD軟件仿真模擬工作頻率在50 MHz的高頻超聲換能器,根據(jù)仿真模擬結(jié)果進(jìn)行制備,再通過(guò)脈沖回波法測(cè)試制備出的Mn:KNN無(wú)鉛壓電單晶高頻超聲換能器,超聲換能器的中心頻率、頻率范圍、脈沖波長(zhǎng)及雙向插入損耗分別為51.8 MHz,33.84~69.91MHz,186 ns,-91.2 dB,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬吻合度較高。換能器帶寬高達(dá)到70.2%,較現(xiàn)有傳統(tǒng)的無(wú)鉛壓電材料超聲換能器帶寬提升近30%。使用制備的高頻超聲換能器進(jìn)行了小動(dòng)物心動(dòng)脈血管內(nèi)成像測(cè)試,成像效果較好,表現(xiàn)出其在醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域中有極好的應(yīng)用前景。采用高壓電性能的Mn:PIMNT單晶并通過(guò)光刻-深反應(yīng)離子刻蝕微納加工技術(shù)克服傳統(tǒng)切割-填充法制備1-3復(fù)合材料由于刀鋒寬度等原因?qū)е聯(lián)Q能器工作頻率難以突破20 MHz的弊端,制備出面向高頻超聲醫(yī)學(xué)超聲成像需求的1-3復(fù)合材料的深刻蝕結(jié)構(gòu),垂直度可達(dá)85°,刻蝕深度在20μm左右,并得到了包括光刻、電鍍、深刻蝕等關(guān)鍵工藝的具體參數(shù)與調(diào)控規(guī)律。本論文通過(guò)對(duì)KNN基無(wú)鉛壓電單晶進(jìn)行性能調(diào)控,制備出高壓電性能的Mn:KNN無(wú)鉛壓電單晶元件,仿真模擬并實(shí)際制備出工作頻率高達(dá)50 MHz的高頻環(huán)境友好型的醫(yī)用超聲換能器;為了克服傳統(tǒng)方法制備1-3復(fù)合材料的弊端,采用光刻-深反應(yīng)離子刻蝕微納加工技術(shù)結(jié)合高壓電性能的Mn:PIMNT單晶制備1-3復(fù)合壓電材料。為我國(guó)發(fā)展新一代高頻醫(yī)學(xué)超聲技術(shù)發(fā)展以及高性能的高頻陣列型醫(yī)學(xué)超聲換能器提供關(guān)鍵功能材料與技術(shù)支撐。
【學(xué)位授予單位】：上海師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH789
【圖文】：

醫(yī)用超聲換能器全球百億美金市場(chǎng)與區(qū)域市場(chǎng)

是換能器的核心部分，由具有壓電效應(yīng)的壓電材料組成，根據(jù)不同的用途可以設(shè)計(jì)成圓片、長(zhǎng)條形、球殼形、圓柱形、環(huán)形等等。圖1-4 基于壓電材料的超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖發(fā)聲（壓電）材料的選取需要考慮到一下幾點(diǎn)：1、可加工性。能根據(jù)需要加工成所需的形狀、尺寸和精度，在加工過(guò)程中元件不易損壞。例如，多元線陣換能器所用的壓電元件是長(zhǎng)方形壓電薄片，要在這樣的壓電元件上切割出幾十上百個(gè)陣元，既要求其可切割性好，又要求它不易發(fā)生斷裂、錯(cuò)位等損壞現(xiàn)象。要使換能器頻率誤差小，要求其厚度精度要高，這就要求它必須具有良好的可加工性；2、穩(wěn)定性。要求壓電元件具有良好的時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，有些壓電材料穩(wěn)定性差，隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生退極化現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q能器失效；3、優(yōu)良的性能。對(duì)不同用途換能器的性能要求是不完全相同的。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)射型換能器要求壓電元件的壓電電荷常數(shù) d33要高些

上海師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒論9圖1-2 電滯回線[60]一般而言，鐵電體的鐵電性是在一定的溫度范圍內(nèi)存在的，當(dāng)溫度超過(guò)某一個(gè)溫度值時(shí)，鐵電體變?yōu)轫橂婓w，鐵電性消失，該溫度稱為居里溫度 TC[61]。1.3.2 壓電性研究表明某些晶體沿其特定方向施加應(yīng)力時(shí)，晶體的極化發(fā)生改變（包括從無(wú)到有），而且改變量與應(yīng)力成正比，這就是（正）壓電效應(yīng)[59]。圖1-3 壓電效應(yīng)示意圖，(a) 正壓電效應(yīng)—應(yīng)力力使晶體產(chǎn)生電荷;(b) 逆壓電效應(yīng)—外電場(chǎng)使晶體產(chǎn)生應(yīng)變壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指晶體因機(jī)械應(yīng)力的作用而使介質(zhì)極化，并使其表面產(chǎn)生電荷的效應(yīng)；反之，對(duì)晶體施加電場(chǎng)引起晶體產(chǎn)生機(jī)械形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料[59-61]。圖1-3所示是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的示?

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本文編號(hào)：2786045