賦能超聲 精準(zhǔn)筑“器”

杜月嬌

正常人耳能聽到的聲波頻率在20Hz～20KHz，如果高于這一范圍，那便是“超聲波”。

超聲波的使用可以追溯到1917年，法國科學(xué)家Paul Langevin用石英晶體制成超聲換能器，發(fā)明了超聲探測水下目標(biāo)的“水下定位法”。此后，超聲波清洗機(jī)、超聲波焊接機(jī)、超聲診斷儀……在現(xiàn)代社會，此類超聲儀器比比皆是，超聲波更是被廣泛用在地質(zhì)勘探、生物醫(yī)藥、水下監(jiān)控和空氣測量等各個(gè)行業(yè)。

和這項(xiàng)熱門的技術(shù)打交道多年，西安電子科技大學(xué)副教授費(fèi)春龍萌生出不少個(gè)性化想法，并將想法付諸實(shí)踐。如今他圍繞超聲器件這一主題，結(jié)合新材料、新方法、新技術(shù)，努力拓寬超聲器件在實(shí)用領(lǐng)域的研究。

更高！更強(qiáng)！

1988年出生的費(fèi)春龍長在江蘇，性子有些樂天派。他常說自己屬于運(yùn)氣不錯(cuò)的那一類，“有學(xué)校、學(xué)院的支持和恩師的幫助，剛參加工作就能夠投入到感興趣的研究中”。但其實(shí)，做科研的每一步，費(fèi)春龍靠的不僅僅是好運(yùn)。

他2006年考入武漢大學(xué)物理學(xué)基地班，勤勤懇懇4年，打下了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，并順利拿到研究生保送資格，在石兢教授和熊銳教授的指導(dǎo)下開始了凝聚態(tài)物理的攻關(guān)。“最開始接觸的是材料，側(cè)重在納米和高介電材料，后來轉(zhuǎn)做以壓電材料為主的聲學(xué)器件，再慢慢拓展到聲學(xué)器件的應(yīng)用，比如成像、聲鑷……”

就像費(fèi)春龍說的那樣，他的研究銜接比較順暢，求學(xué)軌跡也十分清晰。2013年，他作為聯(lián)合培養(yǎng)博士，受國家留學(xué)基金委資助，從武漢大學(xué)奔赴南加州大學(xué)。也是在那里，費(fèi)春龍開始接觸超聲應(yīng)用的核心器件——超聲換能器。

超聲換能器通過壓電元件的壓電與逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能與聲能之間的轉(zhuǎn)換，是超聲應(yīng)用設(shè)備的核心部件。對于超聲成像檢測系統(tǒng)，換能器的性能直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)。“隨著超聲換能器工作頻率的提高，研制難度大大提升，其中涉及電學(xué)、力學(xué)和聲學(xué)等多領(lǐng)域，需要充分考慮電、聲轉(zhuǎn)換、聲能高效傳輸和聲場調(diào)控等科學(xué)問題。制備工藝上則需要解決合適的壓電元件獲取、聚焦和電、聲阻抗匹配等技術(shù)工藝難題。”費(fèi)春龍說，要研制高頻、高性能的超聲換能器，就必須解決這一系列的問題，這是綜合性的考驗(yàn)。

高性能、高頻超聲換能器的研制，是超聲成像領(lǐng)域，尤其是顯微檢測領(lǐng)域研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。多學(xué)科交叉的特性以及工藝的限制，讓相關(guān)的核心技術(shù)被部分發(fā)達(dá)國家壟斷。立志向“高頻”挺進(jìn)，費(fèi)春龍是經(jīng)過一番深思熟慮后決定的。他表示，博士期間與恩師周歧發(fā)教授聊了很多，在保證科研步子穩(wěn)健的前提下，自己選擇了用壓電材料打造超聲換能器。“我們希望能把頻率的極限盡可能往上推，更好地服務(wù)應(yīng)用需求。”

需求當(dāng)前，責(zé)無旁貸

時(shí)代推著科技進(jìn)步，目前，相對成熟的超高頻超聲換能器的制備方式仍然有大的提升空間。壓電轉(zhuǎn)換效率低、換能器的靈敏度受限等現(xiàn)象，讓人們更加期待下一步的革新。

費(fèi)春龍看準(zhǔn)這一點(diǎn)，在國家自然科學(xué)基金委的支持下，開展了“超高頻精密無損檢測超聲換能器研究”。高效的電聲轉(zhuǎn)換、聲能傳輸是該研究的“硬骨頭”，他仔細(xì)考量適合超高頻超聲換能器工作的壓電材料類型與性能，建立換能器功能材料參數(shù)與換能器發(fā)射、接收屬性的普適關(guān)系，以期將傳統(tǒng)換能器集成工藝結(jié)合微機(jī)電（MEMS）工藝，作為提升超聲換能器工作頻率與性能的突破口，探尋高性能、高一致性、可批量化生產(chǎn)的高頻換能器研制工藝。

項(xiàng)目規(guī)劃中，費(fèi)春龍基于保證項(xiàng)目實(shí)施系統(tǒng)性與完整性的前提，在部分關(guān)鍵工藝上進(jìn)行創(chuàng)新。引入傳輸線性理論實(shí)現(xiàn)聲能的高效傳輸便是其中之一。“傳輸線性理論在電學(xué)領(lǐng)域比較常見。我們把超高頻超聲換能器作為研究對象，嘗試用這個(gè)理論對壓電陣元與傳輸媒介間的聲阻抗匹配進(jìn)行優(yōu)化。”例如，對超聲超高頻段傳輸過程所凸顯出的損耗、衰減等因素，通過在力、電端口引入等效傳輸線模塊來有效模擬上述因素影響，進(jìn)而獲取更為準(zhǔn)確的理論模型……

“從研究內(nèi)容來講，現(xiàn)行的工作有一部分是博士階段工作的延續(xù)與拓展。項(xiàng)目層面，我們的核心始終圍繞的是高頻超聲換能器，后續(xù)的研究涉及范圍會更廣一些，涵蓋了超聲換能器的設(shè)計(jì)、制備、表征和最終的應(yīng)用。整個(gè)主體思想就是將微機(jī)電加工的一些理念、技術(shù)，融入到傳統(tǒng)超聲換能器的制備上，一是提高制備過程中器件性能一致性，二是盡可能往微納方向發(fā)展。”費(fèi)春龍對研究的方向有著自己的把握。

這種對研究脈絡(luò)的把握，是費(fèi)春龍擅長的。早在2015年年底博士畢業(yè)，他入職西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院，就篤定了超聲換能器研制這一長遠(yuǎn)目標(biāo)。不管是搭建超聲換能器研發(fā)平臺，還是同團(tuán)隊(duì)精誠合作，其研究從未偏離主道，倒是像棵繁茂大樹，延展出諸多有趣的“枝葉”。

“我不研究材料，但是要和搞材料研究的老師合作。”費(fèi)春龍表示，他們會幫材料“放大化”，使其極致性能最大限度地在器件上發(fā)揮作用。比如耐高溫材料，最終就會被設(shè)計(jì)為一個(gè)有著高溫閾值需求的器件，進(jìn)一步凸顯優(yōu)越性。“我們也會給有特殊超聲應(yīng)用需求的研究人員，提供定制化的換能器，共同開展科學(xué)研究。”針對換能器的應(yīng)用研究，費(fèi)春龍也有自己的理解和實(shí)施方式。此外，他還介紹了聲學(xué)器件的仿真設(shè)計(jì)工作。費(fèi)春龍表示，有些單位在使用超聲換能器時(shí)，通常會因?yàn)槠骷聿磺逦a(chǎn)生技術(shù)問題。“我們會從原理的角度嘗試幫他們解決這些問題。很多時(shí)候，我們通過仿真平臺，建立多物理場耦合模型，模擬使用過程，導(dǎo)出一個(gè)參數(shù)與性能之間的映射關(guān)系，告訴他們哪里出了問題。”

如果說超聲換能器是一個(gè)點(diǎn)，那么，當(dāng)下的費(fèi)春龍正試圖用點(diǎn)畫出一條線。這條線上有材料、器件研制，也有系統(tǒng)搭建、聲學(xué)應(yīng)用，往后退一步是理論鉆研，往前邁一步是應(yīng)用實(shí)踐。

傳承，共譜未來

費(fèi)春龍形容自己如今的狀態(tài)：在學(xué)校與學(xué)院成熟、優(yōu)秀的大平臺下，和一群志同道合的人，做自己擅長、感興趣的研究。他享受這種學(xué)術(shù)氛圍，享受伴隨團(tuán)隊(duì)打拼，共籌未來的激情。

費(fèi)春龍所處的集成超聲實(shí)驗(yàn)室，隸屬微電子學(xué)院楊銀堂教授領(lǐng)導(dǎo)的微電子學(xué)系，旨在結(jié)合微電子學(xué)院集成電路技術(shù)優(yōu)勢，推進(jìn)集成電路技術(shù)在超聲醫(yī)療、無損檢測、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用。“有些研究，我們目前只是涉及了一小部分，對應(yīng)的系統(tǒng)方面也處于搭建初期。”工作初見成效，很明顯的是，這個(gè)年輕的團(tuán)隊(duì)在突破、進(jìn)取。他們力圖通過科研項(xiàng)目的推進(jìn)，培養(yǎng)軟硬件結(jié)合、寬基礎(chǔ)和重實(shí)踐的復(fù)合型人才。

在學(xué)生培養(yǎng)上，費(fèi)春龍有著自己的原則與遵守。他尊崇師道傳承，將恩師帶來的積極影響傳遞給學(xué)生，看重品德教育，追求團(tuán)隊(duì)1+1>2的協(xié)作效應(yīng)。他說自己和學(xué)生的關(guān)系亦師亦友，希望成為學(xué)術(shù)上的嚴(yán)師，生活中的朋友。“我會以周為單位，要求學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研與科研工作進(jìn)展匯報(bào)。”在費(fèi)春龍看來，這是對學(xué)生自主學(xué)習(xí)和溝通能力培養(yǎng)的有力方式。同時(shí)，他也會扮演鼓勵(lì)者的角色，幫學(xué)生走出困惑、解決困難。

談及對未來的規(guī)劃，費(fèi)春龍回答得很簡單：在明確的方向上多做一些工作。“在我們這個(gè)領(lǐng)域，有些熱點(diǎn)問題還沒解決，我就希望把工作做得深入一些，不管是解決理論性問題，還是在工程應(yīng)用上有所突破。”能啃下幾塊“硬骨頭”，他就能給自己交份滿意的答卷。