據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由韓國(guó)機(jī)械與材料研究所（Korea Institute of Machinery and Materials）、標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)研究所（Korea Research Institute of Standards and Science, KRISS）、漢陽大學(xué)（Hanyang University，Republic of Korea）、科技大學(xué)（University of Science and Technology，Republic of Korea）組建的一支研究團(tuán)隊(duì)在Scientific Reports期刊上發(fā)表了“基于超表面（metasurface）壓電環(huán)形陣列的水中亞波長(zhǎng)聲學(xué)聚焦平面超聲換能器”的最新研究論文，這種新型平面超聲換能器有望在未來應(yīng)用于高分辨率成像設(shè)備或醫(yī)用超聲聚焦設(shè)備。

超聲換能器基于壓電材料的直接和間接效應(yīng)，產(chǎn)生機(jī)械能以響應(yīng)電信號(hào)，反之，產(chǎn)生電信號(hào)以響應(yīng)機(jī)械振動(dòng)。由于其寬帶寬、快速響應(yīng)和高靈敏度等特點(diǎn)，各種基于超聲換能器的設(shè)備和應(yīng)用（例如超聲成像、聲鑷、血管內(nèi)治療和外科超聲工具等）已經(jīng)被開發(fā)出來。隨著對(duì)生物組織中微粒的顯微成像和精確操作需求的不斷增加，人們開始研究更高頻率、小型化和具有新特性的超聲換能器。

對(duì)于傳統(tǒng)的超聲聚焦裝置，如圖1a所示，聚焦聲束的大小、形狀、距離和強(qiáng)度僅由曲面換能器結(jié)構(gòu)（即硬件技術(shù)）確定，無需聲束形成算法和復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)。這些曲面壓電換能器（piezoelectric transducers，PT）產(chǎn)生的聚焦分辨率通常較低，且聚焦尺寸相對(duì)大于一個(gè)波長(zhǎng)。雖然增加驅(qū)動(dòng)頻率可以提高換能器的聚焦分辨率，但是更高的頻率驅(qū)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致更高的能量消耗，因?yàn)榫劢孤暿鴷?huì)遭受更強(qiáng)的衰減。此外，聲像差會(huì)顯著降低聚焦分辨率。因此，人們研究了各種方法來解決上述問題。

圖1 一系列聲學(xué)聚焦換能器技術(shù)的示意圖：（a）曲面壓電超聲換能器。（b）基于空間盤繞超材料的聲透鏡。（c）基于平面環(huán)形陣列的聲透鏡。（d）基于壓電環(huán)形陣列的平面壓電超聲換能器。

平面亞波長(zhǎng)聲學(xué)聚焦的初步研究成果是一種基于移動(dòng)波束原理的線性陣列聲學(xué)換能器實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，這是一種用于電磁波的亞波長(zhǎng)聚焦而開發(fā)的近場(chǎng)天線陣列理論。

此外，研究人員已經(jīng)開展了基于空間盤繞超材料的聲透鏡（如圖1b所示）的多項(xiàng)研究，從而開發(fā)出具有共振聲異常透射（extraordinary acoustic transmission，EAT）定向超表面的聲透鏡；聲學(xué)超表面由空間盤繞亞單元組成，產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)稱的拋物線加速聲束。平面環(huán)形菲涅耳壓電換能器可減少制造過程中使用的壓電材料的體積，它們采用單獨(dú)的方法開發(fā)，以防止曲面PT的體積變得過大。

然而，由于菲涅耳PT總是伴隨著高階衍射，它們不能完全集中于產(chǎn)生的聲能。因此，人們開發(fā)了產(chǎn)生平面波的超表面透鏡，該透鏡由一個(gè)帶有穿孔深亞波長(zhǎng)的與聲源分離的狹縫的薄板結(jié)構(gòu)組成，通過波操縱實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)聲學(xué)聚焦。圖1c顯示了一種通過在平面超表面上反射入射波來實(shí)現(xiàn)聚焦聲束的技術(shù)。在這里，高增益聲學(xué)天線使用導(dǎo)納調(diào)制的超表面形成聲束，該超表面由具有正弦深度輪廓的周期性亞波長(zhǎng)凹槽組成，并且周期性凹槽輪廓可以作為獨(dú)立的二元超表面進(jìn)行調(diào)制，從而控制聲束角和聲束寬度。

近年來，研究人員利用優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)開發(fā)出具有簡(jiǎn)化架構(gòu)的先進(jìn)超聲聚焦裝置，以實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)成像和主動(dòng)聲學(xué)聚焦。用于聚焦小于波長(zhǎng)聲波的平面超聲換能器（planar ultrasonic transducer，PUT）如圖1d所示。

此外，研究人員還對(duì)PUT壓電環(huán)形陣列進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲學(xué)聚焦模式和聚焦分辨率的自由操控。由于由平面薄層構(gòu)成的壓電環(huán)形陣列具有超表面的特性，研究人員將其定義為超表面壓電環(huán)形陣列（metasurface piezoelectric ring array，MPRA）。集成這種MPRA的平面PUT實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)超聲聚焦聲束。

盡管如此，關(guān)于超聲換能器中復(fù)雜壓電結(jié)構(gòu)的微加工的報(bào)道仍然相對(duì)較少。此外，還沒有實(shí)驗(yàn)證明制造的PUT能夠克服衍射的限制，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)的聲學(xué)聚焦。

在本論文的研究中，作者們開發(fā)了一種能夠形成針狀亞波長(zhǎng)超聲聚焦聲束的超表面壓電環(huán)形陣列的優(yōu)化方法，并采用多物理有限元分析方法，對(duì)由匹配層、MPRA層、襯底層和外殼組成的PUT進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過建立最佳激光燒蝕制造工藝，他們制造了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的MPRA，并通過最終的封裝和組裝工藝制造出了完整的PUT。隨后，他們利用水聽器測(cè)量了該新型裝置的中心頻率和頻帶。最后，對(duì)亞波長(zhǎng)超聲聚焦聲束的性能進(jìn)行了測(cè)試，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。

圖2 基于MPRA的PUT的制造和組裝：（a）加工前的壓電圓盤。（b）激光燒蝕工藝。（c）具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的MPRA層。（d）PUT封裝。

圖3（a）MPRA和（b）基于MPRA的PUT原型照片。

圖4 PUT的X-Y平面上的軸向超聲聚焦聲束的表征:（a）仿真生成的歸一化聲壓場(chǎng)，（b）實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的歸一化聲壓場(chǎng)，（c）仿真和實(shí)驗(yàn)的軸向超聲聚焦聲束的半峰全寬（FWHM）比較。

圖5 PUT的X–Z平面上的橫向超聲聚焦聲束的表征:（a）仿真生成的歸一化聲壓場(chǎng)，（b）實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的歸一化聲壓場(chǎng)，（c）仿真和實(shí)驗(yàn)的橫向超聲聚焦聲束的橫向半峰全寬（FLHM）比較。