用于超聲乳化手柄的壓電換能器設計及實驗研究

胡瑞申，葉 萍，劉 堅，常兆華，

（1.上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093；2.上海微創醫療器械（集團）有限公司，上海 201203）

1 引言

白內障作為全球首位致盲性眼病，老年發病率極高，且隨著我國人口老齡化，白內障的患病人數也在逐年增加。白內障超聲乳化技術聯合人工晶狀體植入術，因具有切口小、術后并發癥少、視力恢復快、角膜散光小等優點，已經成為眼科白內障手術的主流方法[1]。該技術原理是應用超聲乳化手柄產生高頻振動，經由前端超聲乳化針頭，以振動產生的機械作用與空化作用破壞晶狀體的結構使之變為乳糜狀，經由手柄抽吸管路吸出，然后植入一個人工的晶狀體來達到治療患者的目的[2]。

超聲乳化手柄是超聲乳化儀的重要組成部分，其主要的功能部件是壓電換能器[3]。壓電換能器中壓電元件接收高電場激勵，將電能轉化為高頻的機械振動，并通過前端變幅桿結構放大振幅[4]。壓電換能器的性能直接關系到超聲乳化手柄乳化晶狀體的能力。其中，壓電換能器的頻率和振幅極大影響著超聲乳化手柄的機械破碎能力、空化效應以及產熱問題。

由于換能器內部的機械和介電損耗會隨著夾心式壓電換能器的頻率增加而增加，較低的壓電換能器工作頻率有助于提高超聲乳化手柄的機電轉化效率[5]，更低的頻率也保證了針頭襯套處摩擦產熱的減少，進一步減少產熱[6]。

對于超聲乳化手柄這樣的嚴格控制熱量釋放的應用，更少的熱量散發，能夠提高超聲乳化手術的安全性[7]。同時，超聲乳化針尖處空化效應隨頻率的降低而增加，28kHz的振動頻率能夠兼顧機械破碎作用于空化作用，保證乳化效率[8]。

綜合上述考慮，本研究設計了一種新型的用于超聲乳化手柄的壓電換能器，并對設計的新型超聲乳化用壓電換能器的性能進行了驗證。該壓電換能器設計頻率為28kHz，提高壓電換能器的機電轉化效率，增加超聲乳化手術的安全性。本研究設計的壓電換能器具有結構簡單，使用ANSYS優化，性能穩定的特點，能夠滿足超聲乳化手柄的應用需求。

2 結構設計及ANSYS有限元仿真研究

2.1 壓電換能器結構設計

超聲壓電換能器的結構設計需要先確定該換能器諧振頻率，由于本設計換能器前端需匹配超聲乳化針頭，加上前端負載后換能器的諧振頻率會有所降低，故將無前后負載情況下的換能器頻率設計在29kHz，以使得裝配超聲乳化針頭后整體諧振頻率更接近28kHz。二分之一波長換能器設計，以節面作為分割，分為前四分之一波長變幅桿與后四分之一波長夾心式壓電換能器以便設計。

筆者設計的超聲乳化手柄壓電換能器的結構示意圖，如圖1所示。該壓電換能器主要有變幅桿、壓電疊堆、后蓋板和螺桿組成。有別于傳統功率超聲使用的壓電換能器，為滿足超聲乳化術抽吸的功能需求，變幅桿、后蓋板及螺桿都采用中空結構件。變幅桿頭端設置了美制4-40UNC螺紋孔用于裝配超聲乳化針頭，該壓電換能器的節面設置在變幅桿近端，節面為換能器軸向振動振幅最小位置，此處應力最大應變最小，設置在機械強度較大的鈦合金制變幅桿近端而非陶瓷片上可避免材料斷裂，保證壓電陶瓷工作性能。在節面處設置法蘭盤用于連接手柄的外殼，可減小壓電換能器和超聲乳化手柄外殼的機械耦合，本設計采用雙級法蘭盤結構，達到更優的隔振效果[9]。

圖1 壓電換能器結構示意圖Fig.1 The Structure of the Piezoelectric Transducer

壓電陶瓷片與電極片交叉堆疊，形成壓電疊堆，壓電疊堆的示意圖，如圖2所示。其中壓電陶瓷片的極化方向為沿著壓電陶瓷的厚度方向極化，相鄰兩塊陶瓷片的方向極化方向相反，在電極片上施加一定頻率的電壓信號就能激發出壓電換能器的縱向振動。

圖2 壓電疊堆示意圖Fig.2 The Structure of Piezoelectric Ceramic Stack

后蓋板內部設置了螺紋結構，通過螺桿把變幅桿、壓電疊堆以及后蓋板緊固在一起，螺紋連接實現對壓電換能器上壓電陶瓷片預壓力的控制。若壓電陶瓷片的預壓力設置不當，會加劇壓電陶瓷內部缺陷的擴展，進而引發壓電陶瓷碎裂[10]。

2.2 ANSYS有限元仿真研究

為了研究壓電換能器各個結構尺寸對壓電換能器的模態的影響，筆者對壓電換能器模型進行了參數化處理，參數化處理的結果，如圖3所示。壓電換能器結構參數的初始值，如表1所示。

圖3 壓電換能器的參數化模型Fig.3 The Parametric Model of Piezoelectric Transducer

表1 壓電換能器結構參數Tab.1 The Dimensions of the Piezoelectric Transducer

筆者首先使用ANSYS17.0軟件對壓電換能器的初始值進行模態仿真，仿真結果，如圖4所示。

圖4 壓電換能器的模態仿真結果Fig.4 The Mode Simulation Result of the Piezoelectric Transducer

從仿真結果看，壓電換能器激發出了一階振動模態，其諧振頻率為28.63kHz，與無負載換能器設計頻率29kHz 誤差為1.28%，該換能器仿真模態與設計非常接近。模態分析中電極片的材質選擇了鈹青銅，其彈性模量E為113GPa，泊松比μ為0.33，密度ρ為8800kg/m3。變幅桿、后蓋板以及螺桿的材料均選為TC-4材料，其彈性模量E為96GPa，泊松比μ為0.36，密度ρ為4620kg/m3。壓電陶瓷材料選用PZT-8，壓電陶瓷片的材料參數，如表2所示。

表2 壓電陶瓷片的材料參數Tab.2 Material Properties of the Piezoelectric Ceramic Piece

3 實驗驗證

本設計超聲換能器的變幅桿，后蓋板及螺桿由鈦合金機加工得到，在變幅桿和后蓋板中部設置有切平面，以便裝配和控制后蓋板施加的預壓力。筆者加工組裝的超聲乳化手柄用壓電換能器樣品，如圖5所示。本設計對超聲換能器性能的實驗驗證包括對其模態的確定，頻率-振幅與電壓-振幅特性的研究[11]。

圖5 超聲乳化壓電換能器Fig.5 Prototype of the Phacoemulsification Piezoelectric Transducer

3.1 模態實驗

采用德國Polytec 公司生產的PSV300F-B 型高頻激光掃描測振系統對超聲乳化用壓電換能器進行模態測試。分別從徑向和軸向對壓電換能器的側面與端面進行掃頻分析。實驗結果，如圖6、圖7所示。

圖6 超聲乳化壓電換能器的振動模態振型Fig.6 Vibration Shape of the Piezoelectric Transducer

超聲乳化壓電換能器的振動模態振型，如圖6所示。由于壓電換能器激發的主要振動模式為縱向振動，左右兩端均為自由狀態，根據泊松效應，從徑向掃描壓電換能器側面的振動模式就會表現為中間縱向振動節線處為側向振動的最大振幅處。從軸向掃描壓電換能器的端面，平整環形端面上取的多個掃描點振動形態統一，確認其振動模式為縱向振動。超聲乳化壓電換能器振動模態幅頻特性，如圖7所示。圖中的vA為速度振幅。從幅頻特性圖中在（25～35）kHz之間沒有其他的峰值，僅在29.46kHz處有一個峰值說明其他的振動模態對壓電換能器工作沒有干擾。理論計算與實驗結果對比，如表3所示。

圖7 超聲乳化壓電換能器的振動模態幅頻特性Fig.7 Amplitude-Frequency Characteristic Curve of the Piezoelectric Transducer

表3 壓電換能器ANSYS計算結果與模態實驗結果對比Tab.3 Comparison Between Simulation Results and Testing Results

3.2 頻率-振幅特征曲線

分別固定驅動電壓50Vp-p、150Vp-p、250Vp-p，調節驅動電源的頻率（29.32～29.62）kHz，使用激光測振設備（德國polytec 公司PSV300F-B 型高頻激光掃描測振系統）測試壓電換能器輻射端面的振幅，得到不同的驅動電壓下頻率-振幅的關系曲線，如圖8所示。

圖8 頻率-振幅特性曲線Fig.8 Characteristic Curve of Frequency-Amplitude

可以看出：當頻率在諧振頻率29.46kHz時壓電換能器都能夠實現高頻振動。其中，當驅動電壓在50Vp-p，頻率在（29.27～29.47）kHz時，振幅隨著頻率增加而增加，頻率在（29.47～29.62）kHz時，振幅隨著頻率增加而減少，振幅在29.47kHz時，達到振幅的最大值為4μm；當驅動電壓在150Vp-p，頻率在（29.37～29.48）kHz時，振幅隨著頻率增加而增加，頻率在（29.48～29.62）kHz時，振幅隨著頻率增加而減少，振幅在29.48kHz時，達到振幅的最大值為10μm；當驅動電壓在250Vp-p，頻率在（29.32～29.47）kHz時，振幅隨著頻率增加而增加，頻率在（29.47～29.62）kHz時，振幅隨著頻率增加而減少，振幅在29.48kHz時，達到振幅的最大值為25μm。

可以看出壓電換能器在不同的電壓下，達到最大振幅的頻率并不固定在同一個諧振頻率，相較于掃頻所得的諧振頻率29.46kHz會有微小偏差。從頻率-振幅曲線看，在50Vp-p、150Vp-p和250Vp-p的電壓驅動下，他們達到最佳振幅時的頻率均大于掃頻試驗時測得的最佳諧振頻率。并且隨著電壓的增高，諧振頻率有增加的趨勢。

3.3 電壓-振幅特征曲線

為了測試壓電換能器在固定頻率不同電壓的響應特性。筆者測試了在實測的諧振響應頻率下的電壓-振幅特征，并且通過ANSYS 仿真獲得其諧振響應頻率下的電壓-振幅特性，獲得電壓-振幅特征曲線，如圖9所示。

圖9 電壓-振幅特征曲線Fig.9 Characteristic Curve of Voltage-Amplitude

可以看出，ANSYS仿真和實測的結果顯示，壓電換能器的振幅在諧振頻率下，都隨著電壓的增加而增加。其中，ANSYS仿真結果線性較好，在電壓為250Vp-p時，振幅達到最大值26.14μm；壓電換能器在實測的諧振頻率下，振幅隨著電壓的增加的速度越來越快，在驅動電壓為250Vp-p時，振幅達到最大值25μm?？傮w上看，ANSYS仿真的結果比實測值偏大，在250Vp-p的驅動電壓時的偏差率為4.04%。誤差產生的原因可能為實際上壓電陶瓷片受到的預壓力很難測量，仿真時的預壓力和實際預壓力存在偏差。

4 結論

本研究根據超聲乳化手柄的特點，設計與制造了一種用于超聲乳化手柄的壓電換能器。通過ANSYS模態仿真設計壓電換能器的結構尺寸，并且通過實驗測得實際的共振頻率以及其振動模式，仿真設計的模態頻率與實測的模態誤差率為2.82%，實際測得振動模式為一階縱向振動模式，符合原來的設計指標，驗證了ANSYS仿真設計的準確性。

為了驗證壓電換能器的機電性能，分別測試了頻率-振幅特征曲線以及電壓-振幅特征曲線。試驗表明：壓電換能器驅動電壓250Vp-p，驅動頻率29.48kHz時，獲得最大振幅為25μm；壓電換能器的電壓-振幅特性具有良好的線性，實際測得的壓電換能器的振幅要效率仿真得到的振幅，其振幅的偏差率為4.04%。這表明實際測量與設計仿真符合性很好，并且本研究設計的壓電換能器具有結構簡單，優化方便，性能穩定的特點，能夠滿足超聲乳化手柄的應用需求。