《Sensors and Actuators A: Physical》：Design and analysis of micro-scale ultrasonic transducers with active-backing structures
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针对脊柱内固定术中3-5mm组织结构检测需求，本研究提出主动背面超声换能器（ABUT）设计方法，通过理论分析、有限元仿真（COMSOL Multiphysics）和实物制备验证其可行性。实验表明ABUT较传统固定背面换能器（CBUT）在相同激励电压下声学衰减率提升27.3%，且体积缩减超过40%，有效解决了现有换能器体积过大导致的临床应用限制。研究为微创超声引导设备的小型化提供了新思路。
韩焕英|李长全|朱斌|郑晓|薛文杰|田超|邵伟伟|卢思良|刘永斌
安徽大学电气工程与自动化学院，中国合肥230601
章节摘录
有源背衬超声换能器的结构设计
如图1(b)所示，CBUT主要由匹配层、压电层和背衬层组成。背衬层的作用是吸收向压电层后方传播的声波，从而防止反射声波干扰主信号。然而，背衬层通常占换能器总体积的60%以上，这对换能器的微型化提出了相当大的挑战。为了解决这个问题...
有源背衬超声换能器的结构设计
在插入椎弓根导针的过程中，需要检测3-5毫米范围内的周围组织结构。为了确保足够的检测精度，1 MHz的换能器能够提供大约8毫米的有效检测距离[28]。因此，在该设计中，ABUT的工作频率被设定为1 MHz。
由于椎弓根导针的直径仅为1.5-2毫米，设计还必须考虑针壁的厚度以及换能器的尺寸...
有源背衬超声换能器的制造
换能器的制造遵循了第2.2节中确定的ABUT结构参数。匹配层和导电银胶采用南京创益友电子科技有限公司的LX-10型产品，压电元件则采用浙江深雷超声科技有限公司的PZT5材料。图7展示了ABUT和CBUT的制造过程及实验样品。
有源背衬超声换能器的声学性能测试
为了评估声学性能...
结论
超声成像技术在椎弓根螺钉导针的应用中具有显著优势。为了减小超声换能器的尺寸，本文通过理论分析、有限元仿真和实验研究验证了ABUT方法的可行性。基于这些分析和仿真结果，制造出了ABUT。与相同激励电压下的CBUT相比，有源背衬换能器的单位厚度声学衰减...
CRediT作者贡献声明
韩焕英：撰写——初稿、项目管理、方法论。朱斌：撰写——审稿与编辑、资金获取、正式分析。李长全：方法论。卢思良：撰写——审稿与编辑。刘永斌：项目管理。薛文杰：调查。郑晓：方法论。邵伟伟：数据整理。田超：软件。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
韩焕英于2016年在中国芜湖的安徽工业大学获得学士学位，2019年在中国合肥的合肥工业大学获得硕士学位。他目前正在安徽大学攻读博士学位。他的研究方向是高频压电换能器及其应用。
