高性能压电单晶材料的性能调控及其医用高频超声换能器研究

发布时间：2020-08-08 20:02

【摘要】：超声成像技术具有无创、实时、方便、经济等优点,被广泛的应用于医学成像领域之中。目前常规超声设备工作频率多为低频,且分辨率不高,在眼科、血管内超声成像等领域应用中有诸多限制。具有更高分辨率的新型医学高频超声技术迅速发展,对工作频率在20 MHz至80 MHz的高频超声换能器具有迫切需求,因此对超声换能器性能起关键性的作用的压电材料的制备研究意义重大。本论文中通过目前无铅体系中综合性能最优的(K_xNa_(1-x))NbO_3(KNN)单晶材料进行性能调控,制备出高压电性能无铅压电单晶元件与工作频率高达50 MHz的高频超声换能器;为了克服传统制备压电复合材料方法的弊端,采用光刻-深反应离子刻蚀微纳加工方法制备基于高性能弛豫铁电单晶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)的深刻蚀结构,探索其工艺参数以及调控方法。主要研究内容及结果如下:为了获得环境友好型且具有高压电性能的无铅压电材料,本论文采用Mn离子掺杂以及极化、退火等工艺对KNN单晶进行性能调控。通过XRD、升温拉曼以及压电力显微镜结构测试发现0.5 mol%MnO_2-(K_(0.44)Na_(0.56))NbO_3(Mn:KNN)压电单晶为纯的钙钛矿结构,室温下为正交相,因此选用(001)方向的Mn:KNN压电单晶进行介电、压电、铁电等宏观电学性能测试研究;研究发现Mn:KNN单晶材料具有高压电系数300 pC/N,高机电耦合系数64%以及较高的居里温度(T_C=415°C),制备出厚度为50μm的Mn:KNN压电单晶元件。基于制备出的高性能Mn:KNN压电单晶元件,用PiezoCAD软件仿真模拟工作频率在50 MHz的高频超声换能器,根据仿真模拟结果进行制备,再通过脉冲回波法测试制备出的Mn:KNN无铅压电单晶高频超声换能器,超声换能器的中心频率、频率范围、脉冲波长及双向插入损耗分别为51.8 MHz,33.84~69.91MHz,186 ns,-91.2 dB,实验结果与理论模拟吻合度较高。换能器带宽高达到70.2%,较现有传统的无铅压电材料超声换能器带宽提升近30%。使用制备的高频超声换能器进行了小动物心动脉血管内成像测试,成像效果较好,表现出其在医学超声成像领域中有极好的应用前景。采用高压电性能的Mn:PIMNT单晶并通过光刻-深反应离子刻蚀微纳加工技术克服传统切割-填充法制备1-3复合材料由于刀锋宽度等原因导致换能器工作频率难以突破20 MHz的弊端,制备出面向高频超声医学超声成像需求的1-3复合材料的深刻蚀结构,垂直度可达85°,刻蚀深度在20μm左右,并得到了包括光刻、电镀、深刻蚀等关键工艺的具体参数与调控规律。本论文通过对KNN基无铅压电单晶进行性能调控,制备出高压电性能的Mn:KNN无铅压电单晶元件,仿真模拟并实际制备出工作频率高达50 MHz的高频环境友好型的医用超声换能器;为了克服传统方法制备1-3复合材料的弊端,采用光刻-深反应离子刻蚀微纳加工技术结合高压电性能的Mn:PIMNT单晶制备1-3复合压电材料。为我国发展新一代高频医学超声技术发展以及高性能的高频阵列型医学超声换能器提供关键功能材料与技术支撑。
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH789
【图文】：

医用超声换能器全球百亿美金市场与区域市场

是换能器的核心部分，由具有压电效应的压电材料组成，根据不同的用途可以设计成圆片、长条形、球壳形、圆柱形、环形等等。图1-4 基于压电材料的超声换能器的结构示意图发声（压电）材料的选取需要考虑到一下几点：1、可加工性。能根据需要加工成所需的形状、尺寸和精度，在加工过程中元件不易损坏。例如，多元线阵换能器所用的压电元件是长方形压电薄片，要在这样的压电元件上切割出几十上百个阵元，既要求其可切割性好，又要求它不易发生断裂、错位等损坏现象。要使换能器频率误差小，要求其厚度精度要高，这就要求它必须具有良好的可加工性；2、稳定性。要求压电元件具有良好的时间稳定性和温度稳定性，有些压电材料稳定性差，随着时间的推移会发生退极化现象，严重时会导致换能器失效；3、优良的性能。对不同用途换能器的性能要求是不完全相同的。一般来说，发射型换能器要求压电元件的压电电荷常数 d33要高些

上海师范大学硕士学位论文 第 1 章 绪论9图1-2 电滞回线[60]一般而言，铁电体的铁电性是在一定的温度范围内存在的，当温度超过某一个温度值时，铁电体变为顺电体，铁电性消失，该温度称为居里温度 TC[61]。1.3.2 压电性研究表明某些晶体沿其特定方向施加应力时，晶体的极化发生改变（包括从无到有），而且改变量与应力成正比，这就是（正）压电效应[59]。图1-3 压电效应示意图，(a) 正压电效应—应力力使晶体产生电荷;(b) 逆压电效应—外电场使晶体产生应变压电效应分为正压电效应与逆压电效应。正压电效应是指晶体因机械应力的作用而使介质极化，并使其表面产生电荷的效应；反之，对晶体施加电场引起晶体产生机械形变的现象称为逆压电效应。具有压电效应的材料称为压电材料[59-61]。图1-3所示是正压电效应和逆压电效应的示?

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 景艳;;超高频超声与高频超声在诊断婴幼儿浅表性血管瘤中的应用价值比较[J];临床医药文献电子杂志;2018年81期

2 张志平;;高频超声作用于婴幼儿发育性髋关节发育不良诊断中的综合价值分析[J];世界最新医学信息文摘;2019年29期

3 宫晓荣;;高频超声对腹痛患儿的诊断价值[J];中国冶金工业医学杂志;2018年01期

4 孙成哲;罗辉;;高频超声在膝关节内侧副韧带损伤中的应用[J];临床医药文献电子杂志;2018年16期

5 刘晓明;刘双明;武丽卿;;高频超声在周围神经病变及损伤的诊断价值[J];中国药物与临床;2016年12期

6 王小洁;戴辰翔;;浅表高频超声联合经直肠腔内超声诊断肛周脓肿的应用价值[J];现代实用医学;2017年03期

7 付立红;;高频超声在眼外伤诊断中的应用研究[J];现代医用影像学;2017年02期

8 张玉玲;;高频超声技术在桡神经损伤诊断中的应用价值[J];中国实用神经疾病杂志;2017年09期

9 董彦;刘哲婴;张卫国;;高频超声对亚临床型精索静脉曲张患者的诊断及术后疗效评价的应用价值[J];中国地方病防治杂志;2017年06期

10 王雯;孙庆举;;高频超声在小儿先天性肥厚性幽门狭窄诊断中的应用[J];实用医学影像杂志;2016年01期

相关会议论文 前10条

1 王铁铮;亓恒涛;滕剑波;赵斌;王增涛;;高频超声在急性闭合性锤状指中的应用价值[A];中国超声医学工程学会第六届肌肉骨骼超声医学学术会议论文汇编[C];2017年

2 余方芳;杨琰;;探讨高频超声在诊断胫骨结节骨软骨炎的价值[A];2015年浙江省超声医学学术年会论文汇编[C];2015年

3 赵磊;;高频超声对附睾炎的诊断价值[A];中国超声医学工程学会成立30周年暨第十二届全国超声医学学术大会论文汇编[C];2014年

4 胡元平;;高频超声在腹部的应用[A];2014年浙江省超声医学学术年会论文汇编[C];2014年

5 陈定章;朱永胜;周晓东;丛锐;刘慧;朱肖星;朱霆;张蕴楚;;高频超声在臂丛神经节前和节后损伤诊断中的应用[A];中国超声医学工程学会肌肉骨骼系统超声专业委员会第二次全国学术会议论文汇编[C];2009年

6 马秀清;士军;;高频超声在手部异物诊断中的应用[A];中国超声医学工程学会肌肉骨骼系统超声专业委员会第二次全国学术会议论文汇编[C];2009年

7 张春梅;吴长君;;高频超声在动态观察兔颈动脉粥样硬化病变中的应用[A];中国超声医学工程学会第二次全国浅表器官及外周血管超声医学学术会议论文汇编[C];2009年

8 李佳;胡兵;张晓君;朱瑞森;;高频超声对原发性甲状旁腺功能亢进患者的诊断价值[A];中国超声医学工程学会第二次全国浅表器官及外周血管超声医学学术会议论文汇编[C];2009年

9 马穗红;柳建华;;高频超声与X线钡餐诊断先天性肥厚性幽门狭窄的对比研究[A];中华医学会第十次全国超声医学学术会议论文汇编[C];2009年

10 王燕;徐辉雄;谢晓燕;;涎腺少见局灶性病变的高频超声表现[A];中国超声医学工程学会第八届全国腹部超声学术会议论文汇编[C];2010年

相关重要报纸文章 前8条

1 本报记者 孙玉松 通讯员 焦德芳;高频超声波：生物“黑科技”的背后推手[N];科技日报;2018年

2 记者 李哲 通讯员 焦德芳;天津大学高频超声波研究获突破[N];健康报;2018年

3 记者 张建列 通讯员 冯春;高频超声实现小鼠大脑精准无创调控[N];广东科技报;2016年

4 张中桥;高频超声可检测早期动脉粥样硬化[N];医药经济报;2007年

5 湖南省肿瘤医院 程智;善识乳癌的高频超声[N];大众卫生报;2006年

6 刘旭红 本报记者 史玉成;我国高频超声测量频率上限基准提高12倍[N];中国质量报;2015年

7 张中桥;高频超声可作检查外周神经病变首选[N];医药经济报;2007年

8 本报记者 任鸽;“驱蚊软件”能驱蚊？[N];消费日报;2009年

相关博士学位论文 前6条

1 亓恒涛;高频超声在外周神经疾病诊断中的应用[D];山东大学;2014年

2 张广英;高频超声对急性外伤性髌骨外侧脱位的系列研究[D];山东大学;2012年

3 杜娟;基于高频超声的人牙釉质三维重建[D];华南理工大学;2016年

4 武一民;引线键合系统设计理论与关键技术[D];天津大学;2008年

5 王红英;超声评价系统性红斑狼疮患者心血管病变的临床研究[D];华中科技大学;2007年

6 郑少萍;FGFR1重组蛋白疫苗联合吉西他滨抗小鼠肿瘤血管生成及其超声评价的研究[D];华中科技大学;2009年

相关硕士学位论文 前10条

1 马金鹏;高性能压电单晶材料的性能调控及其医用高频超声换能器研究[D];上海师范大学;2019年

2 李婷;瞬时波强技术联合高频超声评价2型糖尿病患者桡动脉弹性及结构异常[D];大连医科大学;2017年

3 谭会;基于高频超声技术观察艾灸对类风湿性关节炎患者滑膜病变的影响[D];成都中医药大学;2017年

4 陈旭林;高频超声对膝关节半月板损伤的临床应用研究[D];广西医科大学;2018年

5 唐支平;高频超声结合萤火虫技术对诊断痛风性关节炎的应用研究[D];广西医科大学;2018年

6 付强;Chirp编码激励在高频超声系统中的应用与性能研究[D];东北大学;2017年

7 郑岩岩;甲状腺结节应用高频超声声像图特点及彩色多普勒血流特征分析[D];山东大学;2018年

8 涂文君;高频超声和~(99m)Tc-MIBI核素扫描在继发性甲状旁腺功能亢进症中的诊断价值分析[D];安徽医科大学;2018年

9 李月影;高频超声在腱性锤状指固定周期中的应用[D];吉林大学;2018年

10 陈佩瑾;正常成人Lisfranc关节高频超声检查及其临床意义[D];新疆医科大学;2017年

本文编号：2786045