赋能超声 精准筑“器”

杜月娇

正常人耳能听到的声波频率在20Hz～20KHz，如果高于这一范围，那便是“超声波”。

超声波的使用可以追溯到1917年，法国科学家Paul Langevin用石英晶体制成超声换能器，发明了超声探测水下目标的“水下定位法”。此后，超声波清洗机、超声波焊接机、超声诊断仪……在现代社会，此类超声仪器比比皆是，超声波更是被广泛用在地质勘探、生物医药、水下监控和空气测量等各个行业。

和这项热门的技术打交道多年，西安电子科技大学副教授费春龙萌生出不少个性化想法，并将想法付诸实践。如今他围绕超声器件这一主题，结合新材料、新方法、新技术，努力拓宽超声器件在实用领域的研究。

更高！更强！

1988年出生的费春龙长在江苏，性子有些乐天派。他常说自己属于运气不错的那一类，“有学校、学院的支持和恩师的帮助，刚参加工作就能够投入到感兴趣的研究中”。但其实，做科研的每一步，费春龙靠的不仅仅是好运。

他2006年考入武汉大学物理学基地班，勤勤恳恳4年，打下了扎实的理论基础，并顺利拿到研究生保送资格，在石兢教授和熊锐教授的指导下开始了凝聚态物理的攻关。“最开始接触的是材料，侧重在纳米和高介电材料，后来转做以压电材料为主的声学器件，再慢慢拓展到声学器件的应用，比如成像、声镊……”

就像费春龙说的那样，他的研究衔接比较顺畅，求学轨迹也十分清晰。2013年，他作为联合培养博士，受国家留学基金委资助，从武汉大学奔赴南加州大学。也是在那里，费春龙开始接触超声应用的核心器件——超声换能器。

超声换能器通过压电元件的压电与逆压电效应实现电能与声能之间的转换，是超声应用设备的核心部件。对于超声成像检测系统，换能器的性能直接影响了整个系统的品质。“随着超声换能器工作频率的提高，研制难度大大提升，其中涉及电学、力学和声学等多领域，需要充分考虑电、声转换、声能高效傳输和声场调控等科学问题。制备工艺上则需要解决合适的压电元件获取、聚焦和电、声阻抗匹配等技术工艺难题。”费春龙说，要研制高频、高性能的超声换能器，就必须解决这一系列的问题，这是综合性的考验。

高性能、高频超声换能器的研制，是超声成像领域，尤其是显微检测领域研究的重点与热点。多学科交叉的特性以及工艺的限制，让相关的核心技术被部分发达国家垄断。立志向“高频”挺进，费春龙是经过一番深思熟虑后决定的。他表示，博士期间与恩师周歧发教授聊了很多，在保证科研步子稳健的前提下，自己选择了用压电材料打造超声换能器。“我们希望能把频率的极限尽可能往上推，更好地服务应用需求。”

需求当前，责无旁贷

时代推着科技进步，目前，相对成熟的超高频超声换能器的制备方式仍然有大的提升空间。压电转换效率低、换能器的灵敏度受限等现象，让人们更加期待下一步的革新。

费春龙看准这一点，在国家自然科学基金委的支持下，开展了“超高频精密无损检测超声换能器研究”。高效的电声转换、声能传输是该研究的“硬骨头”，他仔细考量适合超高频超声换能器工作的压电材料类型与性能，建立换能器功能材料参数与换能器发射、接收属性的普适关系，以期将传统换能器集成工艺结合微机电（MEMS）工艺，作为提升超声换能器工作频率与性能的突破口，探寻高性能、高一致性、可批量化生产的高频换能器研制工艺。

项目规划中，费春龙基于保证项目实施系统性与完整性的前提，在部分关键工艺上进行创新。引入传输线性理论实现声能的高效传输便是其中之一。“传输线性理论在电学领域比较常见。我们把超高频超声换能器作为研究对象，尝试用这个理论对压电阵元与传输媒介间的声阻抗匹配进行优化。”例如，对超声超高频段传输过程所凸显出的损耗、衰减等因素，通过在力、电端口引入等效传输线模块来有效模拟上述因素影响，进而获取更为准确的理论模型……

“从研究内容来讲，现行的工作有一部分是博士阶段工作的延续与拓展。项目层面，我们的核心始终围绕的是高频超声换能器，后续的研究涉及范围会更广一些，涵盖了超声换能器的设计、制备、表征和最终的应用。整个主体思想就是将微机电加工的一些理念、技术，融入到传统超声换能器的制备上，一是提高制备过程中器件性能一致性，二是尽可能往微纳方向发展。”费春龙对研究的方向有着自己的把握。

这种对研究脉络的把握，是费春龙擅长的。早在2015年年底博士毕业，他入职西安电子科技大学微电子学院，就笃定了超声换能器研制这一长远目标。不管是搭建超声换能器研发平台，还是同团队精诚合作，其研究从未偏离主道，倒是像棵繁茂大树，延展出诸多有趣的“枝叶”。

“我不研究材料，但是要和搞材料研究的老师合作。”费春龙表示，他们会帮材料“放大化”，使其极致性能最大限度地在器件上发挥作用。比如耐高温材料，最终就会被设计为一个有着高温阈值需求的器件，进一步凸显优越性。“我们也会给有特殊超声应用需求的研究人员，提供定制化的换能器，共同开展科学研究。”针对换能器的应用研究，费春龙也有自己的理解和实施方式。此外，他还介绍了声学器件的仿真设计工作。费春龙表示，有些单位在使用超声换能器时，通常会因为器件原理不清晰产生技术问题。“我们会从原理的角度尝试帮他们解决这些问题。很多时候，我们通过仿真平台，建立多物理场耦合模型，模拟使用过程，导出一个参数与性能之间的映射关系，告诉他们哪里出了问题。”

如果说超声换能器是一个点，那么，当下的费春龙正试图用点画出一条线。这条线上有材料、器件研制，也有系统搭建、声学应用，往后退一步是理论钻研，往前迈一步是应用实践。

传承，共谱未来

费春龙形容自己如今的状态：在学校与学院成熟、优秀的大平台下，和一群志同道合的人，做自己擅长、感兴趣的研究。他享受这种学术氛围，享受伴随团队打拼，共筹未来的激情。

费春龙所处的集成超声实验室，隶属微电子学院杨银堂教授领导的微电子学系，旨在结合微电子学院集成电路技术优势，推进集成电路技术在超声医疗、无损检测、能源等领域的应用。“有些研究，我们目前只是涉及了一小部分，对应的系统方面也处于搭建初期。”工作初见成效，很明显的是，这个年轻的团队在突破、进取。他们力图通过科研项目的推进，培养软硬件结合、宽基础和重实践的复合型人才。

在学生培养上，费春龙有着自己的原则与遵守。他尊崇师道传承，将恩师带来的积极影响传递给学生，看重品德教育，追求团队1+1>2的协作效应。他说自己和学生的关系亦师亦友，希望成为学术上的严师，生活中的朋友。“我会以周为单位，要求学生进行文献调研与科研工作进展汇报。”在费春龙看来，这是对学生自主学习和沟通能力培养的有力方式。同时，他也会扮演鼓励者的角色，帮学生走出困惑、解决困难。

谈及对未来的规划，费春龙回答得很简单：在明确的方向上多做一些工作。“在我们这个领域，有些热点问题还没解决，我就希望把工作做得深入一些，不管是解决理论性问题，还是在工程应用上有所突破。”能啃下几块“硬骨头”，他就能给自己交份满意的答卷。