3D Printing and processing of miniaturized transducers with near-pristine piezoelectric ceramics for localized cavitation

压电 空化 传感器 陶瓷 材料科学 3D打印 纳米技术 声学 复合材料 物理
作者
Haotian Lu,Huachen Cui,Gengxi Lu,Laiming Jiang,Ryan Hensleigh,Yushun Zeng,Adnan Rayes,Mohanchandra K. Panduranga,Megha Acharya,Zhen Wang,Andrei Irimia,Felix F. Wu,Greg P. Carman,José Morales,Seth Putterman,Lane W. Martin,Qifa Zhou,Xiaoyu Zheng
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:49
标识
DOI:10.1038/s41467-023-37335-w
摘要

The performance of ultrasonic transducers is largely determined by the piezoelectric properties and geometries of their active elements. Due to the brittle nature of piezoceramics, existing processing tools for piezoelectric elements only achieve simple geometries, including flat disks, cylinders, cubes and rings. While advances in additive manufacturing give rise to free-form fabrication of piezoceramics, the resultant transducers suffer from high porosity, weak piezoelectric responses, and limited geometrical flexibility. We introduce optimized piezoceramic printing and processing strategies to produce highly responsive piezoelectric microtransducers that operate at ultrasonic frequencies. The 3D printed dense piezoelectric elements achieve high piezoelectric coefficients and complex architectures. The resulting piezoelectric charge constant, d33, and coupling factor, kt, of the 3D printed piezoceramic reach 583 pC/N and 0.57, approaching the properties of pristine ceramics. The integrated printing of transducer packaging materials and 3D printed piezoceramics with microarchitectures create opportunities for miniaturized piezoelectric ultrasound transducers capable of acoustic focusing and localized cavitation within millimeter-sized channels, leading to miniaturized ultrasonic devices that enable a wide range of biomedical applications.
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