压电材料最重要应用之一就是超声换能器,超声换能器是超声技术应用的核心器件。特别是医学诊断、治疗及生物医学研究对精细成像、精准定位及生物组织内微粒操纵等方面的技术需求,促使超声换能器正向着高频甚至超高频、微型化及新功能的方向发展。近年来,基于3D打印技术发展的声学全息技术、声学超材料以及基于复杂算法的阵列技术使得超声波应用技术有了新的突破。这些新兴技术都涉及了一个关键点,构建新型复杂的三维声场。采用阵列技术的关键是需要研制出复杂的电学处理系统,而这个过程是非常耗时并且成本较高。相比压电阵列敏感元,采用3D打印技术可以快速有较的直接打印出具有复杂形状的声学镜头,利用镜头上每一点厚度的不同实现声场相位的差异,所获得的复杂声场的分辨率要远高于使用压电阵列敏感元的方法,但目前这项技术的关键点在于3D打印技术可提供的分辨率。目前上述两种技术都没办法很好同时实现复杂声场,高频以及微型化。该研究首次提出,使用复杂 3D 结构的超薄压电敏感元来实现高频复杂声场。自然界的漩涡是一种很复杂的运动,漩涡的特点是中心压力低,并且能产生很大的吸力将周围的物体快速吸引到漩涡中心。作者根据漩涡运动的特点,设计了三维螺旋状的超薄压电敏感元。
通过该压电敏感元设计超声换能器发射出了类似漩涡的高频声场,该声场不同于常规声场,可以将微米级微粒包括悬浮微粒在内,吸入到聚焦区域进行密堆积,并且可以对收集的微粒群进行二维操纵。不仅能够对无机的微粒进行收集及移动操作,而且可以快速集中分散在溶液中的生物细胞。该研究对发展高效的生物无损检测技术提供了支持,并为发展新型的高频复杂声场提供了新的研究途径。