High-Frequency Self-Focusing Ultrasonic Transducer With Piezoelectric Metamaterial

声学 传感器 超声波传感器 超材料 压电 声压 物理 材料科学 光学
作者
Zhaoxi Li,Jian‐xin Zhao,Chenxue Hou,Chunlong Fei,Chenxi Zheng,Lifei Lou,Dongdong Chen,Di Li,Yintang Yang
出处
期刊:IEEE Electron Device Letters [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:43 (6): 946-949 被引量:16
标识
DOI:10.1109/led.2022.3170613
摘要

Focused ultrasonic waves are widely used in medical imaging, fibroids ablation and acoustic tweezers due to its high sensitivity and large energy at the focal spot. Although, acoustic metamaterials have emerged for acoustic focusing, they have limited to low frequency, narrowband and less acoustic transmission. Herein, an active gradient metamaterial (AGM) based on composite structure on traditional piezoelectric materials is proposed to achieve the acoustic impedance matching and underwater acoustic focusing. Based on the principle that the acoustic wave emitted from the piezoelectric plate reaches the focal spot at the same time, an aperiodic axisymmetric composite with gradient depth is established. A $200 ~\mu \text{m}$ kerf is selected, and the depth ranges from $44 ~\mu \text{m}$ to $146 ~\mu \text{m}$ . The acoustic field pressure intensity is simulated with finite element software, and measured by a needle hydrophone with fabricated transducer. Based on the good agreement between the simulation and experimental results with the excitation frequency range of 4 MHz-20 MHz, the active self-focusing and broadband focusing behaviors of the AGM are demonstrated. It is expected to apply the proposed acoustic metamaterial in biomedical and industrial applications.
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