用于超聲乳化手柄的壓電換能器設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

胡瑞申，葉 萍，劉 堅(jiān)，常兆華，

（1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093；2.上海微創(chuàng)醫(yī)療器械（集團(tuán)）有限公司，上海 201203）

1 引言

白內(nèi)障作為全球首位致盲性眼病，老年發(fā)病率極高，且隨著我國(guó)人口老齡化，白內(nèi)障的患病人數(shù)也在逐年增加。白內(nèi)障超聲乳化技術(shù)聯(lián)合人工晶狀體植入術(shù)，因具有切口小、術(shù)后并發(fā)癥少、視力恢復(fù)快、角膜散光小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為眼科白內(nèi)障手術(shù)的主流方法[1]。該技術(shù)原理是應(yīng)用超聲乳化手柄產(chǎn)生高頻振動(dòng)，經(jīng)由前端超聲乳化針頭，以振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械作用與空化作用破壞晶狀體的結(jié)構(gòu)使之變?yōu)槿槊訝睿?jīng)由手柄抽吸管路吸出，然后植入一個(gè)人工的晶狀體來(lái)達(dá)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(chǎng)激勵(lì)，將電能轉(zhuǎn)化為高頻的機(jī)械振動(dòng)，并通過(guò)前端變幅桿結(jié)構(gòu)放大振幅[4]。壓電換能器的性能直接關(guān)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(jī)械破碎能力、空化效應(yīng)以及產(chǎn)熱問(wèn)題。

由于換能器內(nèi)部的機(jī)械和介電損耗會(huì)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(jī)電轉(zhuǎn)化效率[5]，更低的頻率也保證了針頭襯套處摩擦產(chǎn)熱的減少，進(jìn)一步減少產(chǎn)熱[6]。

對(duì)于超聲乳化手柄這樣的嚴(yán)格控制熱量釋放的應(yīng)用，更少的熱量散發(fā)，能夠提高超聲乳化手術(shù)的安全性[7]。同時(shí)，超聲乳化針尖處空化效應(yīng)隨頻率的降低而增加，28kHz的振動(dòng)頻率能夠兼顧機(jī)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(shè)計(jì)了一種新型的用于超聲乳化手柄的壓電換能器，并對(duì)設(shè)計(jì)的新型超聲乳化用壓電換能器的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。該壓電換能器設(shè)計(jì)頻率為28kHz，提高壓電換能器的機(jī)電轉(zhuǎn)化效率，增加超聲乳化手術(shù)的安全性。本研究設(shè)計(jì)的壓電換能器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用ANSYS優(yōu)化，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，能夠滿足超聲乳化手柄的應(yīng)用需求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及ANSYS有限元仿真研究

2.1 壓電換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超聲壓電換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要先確定該換能器諧振頻率，由于本設(shè)計(jì)換能器前端需匹配超聲乳化針頭，加上前端負(fù)載后換能器的諧振頻率會(huì)有所降低，故將無(wú)前后負(fù)載情況下的換能器頻率設(shè)計(jì)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(zhǎng)換能器設(shè)計(jì)，以節(jié)面作為分割，分為前四分之一波長(zhǎng)變幅桿與后四分之一波長(zhǎng)夾心式壓電換能器以便設(shè)計(jì)。

筆者設(shè)計(jì)的超聲乳化手柄壓電換能器的結(jié)構(gòu)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(tǒng)功率超聲使用的壓電換能器，為滿足超聲乳化術(shù)抽吸的功能需求，變幅桿、后蓋板及螺桿都采用中空結(jié)構(gòu)件。變幅桿頭端設(shè)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(jié)面設(shè)置在變幅桿近端，節(jié)面為換能器軸向振動(dòng)振幅最小位置，此處應(yīng)力最大應(yīng)變最小，設(shè)置在機(jī)械強(qiáng)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(jié)面處設(shè)置法蘭盤(pán)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(jī)械耦合，本設(shè)計(jì)采用雙級(jí)法蘭盤(pán)結(jié)構(gòu)，達(dá)到更優(yōu)的隔振效果[9]。

圖1 壓電換能器結(jié)構(gòu)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?yàn)檠刂鴫弘娞沾傻暮穸确较驑O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(hào)就能激發(fā)出壓電換能器的縱向振動(dòng)。

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

后蓋板內(nèi)部設(shè)置了螺紋結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)壓電換能器上壓電陶瓷片預(yù)壓力的控制。若壓電陶瓷片的預(yù)壓力設(shè)置不當(dāng)，會(huì)加劇壓電陶瓷內(nèi)部缺陷的擴(kuò)展，進(jìn)而引發(fā)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(gè)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)壓電換能器的模態(tài)的影響，筆者對(duì)壓電換能器模型進(jìn)行了參數(shù)化處理，參數(shù)化處理的結(jié)果，如圖3所示。壓電換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)的初始值，如表1所示。

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

表1 壓電換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 The Dimensions of the Piezoelectric Transducer

筆者首先使用ANSYS17.0軟件對(duì)壓電換能器的初始值進(jìn)行模態(tài)仿真，仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖4 壓電換能器的模態(tài)仿真結(jié)果Fig.4 The Mode Simulation Result of the Piezoelectric Transducer

從仿真結(jié)果看，壓電換能器激發(fā)出了一階振動(dòng)模態(tài)，其諧振頻率為28.63kHz，與無(wú)負(fù)載換能器設(shè)計(jì)頻率29kHz 誤差為1.28%，該換能器仿真模態(tài)與設(shè)計(jì)非常接近。模態(tài)分析中電極片的材質(zhì)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T(mén)C-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(shù)，如表2所示。

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

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)超聲換能器的變幅桿，后蓋板及螺桿由鈦合金機(jī)加工得到，在變幅桿和后蓋板中部設(shè)置有切平面，以便裝配和控制后蓋板施加的預(yù)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(shè)計(jì)對(duì)超聲換能器性能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證包括對(duì)其模態(tài)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(tài)實(shí)驗(yàn)

采用德國(guó)Polytec 公司生產(chǎn)的PSV300F-B 型高頻激光掃描測(cè)振系統(tǒng)對(duì)超聲乳化用壓電換能器進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。分別從徑向和軸向?qū)弘姄Q能器的側(cè)面與端面進(jìn)行掃頻分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6、圖7所示。

圖6 超聲乳化壓電換能器的振動(dòng)模態(tài)振型Fig.6 Vibration Shape of the Piezoelectric Transducer

超聲乳化壓電換能器的振動(dòng)模態(tài)振型，如圖6所示。由于壓電換能器激發(fā)的主要振動(dòng)模式為縱向振動(dòng)，左右兩端均為自由狀態(tài)，根據(jù)泊松效應(yīng)，從徑向掃描壓電換能器側(cè)面的振動(dòng)模式就會(huì)表現(xiàn)為中間縱向振動(dòng)節(jié)線處為側(cè)向振動(dòng)的最大振幅處。從軸向掃描壓電換能器的端面，平整環(huán)形端面上取的多個(gè)掃描點(diǎn)振動(dòng)形態(tài)統(tǒng)一，確認(rèn)其振動(dòng)模式為縱向振動(dòng)。超聲乳化壓電換能器振動(dòng)模態(tài)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(méi)有其他的峰值，僅在29.46kHz處有一個(gè)峰值說(shuō)明其他的振動(dòng)模態(tài)對(duì)壓電換能器工作沒(méi)有干擾。理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如表3所示。

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

表3 壓電換能器ANSYS計(jì)算結(jié)果與模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(qū)動(dòng)電壓50Vp-p、150Vp-p、250Vp-p，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電源的頻率（29.32～29.62）kHz，使用激光測(cè)振設(shè)備（德國(guó)polytec 公司PSV300F-B 型高頻激光掃描測(cè)振系統(tǒng)）測(cè)試壓電換能器輻射端面的振幅，得到不同的驅(qū)動(dòng)電壓下頻率-振幅的關(guān)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(dāng)頻率在諧振頻率29.46kHz時(shí)壓電換能器都能夠?qū)崿F(xiàn)高頻振動(dòng)。其中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓在50Vp-p，頻率在（29.27～29.47）kHz時(shí)，振幅隨著頻率增加而增加，頻率在（29.47～29.62）kHz時(shí)，振幅隨著頻率增加而減少，振幅在29.47kHz時(shí)，達(dá)到振幅的最大值為4μm；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓在150Vp-p，頻率在（29.37～29.48）kHz時(shí)，振幅隨著頻率增加而增加，頻率在（29.48～29.62）kHz時(shí)，振幅隨著頻率增加而減少，振幅在29.48kHz時(shí)，達(dá)到振幅的最大值為10μm；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓在250Vp-p，頻率在（29.32～29.47）kHz時(shí)，振幅隨著頻率增加而增加，頻率在（29.47～29.62）kHz時(shí)，振幅隨著頻率增加而減少，振幅在29.48kHz時(shí)，達(dá)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(dá)到最大振幅的頻率并不固定在同一個(gè)諧振頻率，相較于掃頻所得的諧振頻率29.46kHz會(huì)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(qū)動(dòng)下，他們達(dá)到最佳振幅時(shí)的頻率均大于掃頻試驗(yàn)時(shí)測(cè)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(shì)。

3.3 電壓-振幅特征曲線

為了測(cè)試壓電換能器在固定頻率不同電壓的響應(yīng)特性。筆者測(cè)試了在實(shí)測(cè)的諧振響應(yīng)頻率下的電壓-振幅特征，并且通過(guò)ANSYS 仿真獲得其諧振響應(yīng)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(shí)測(cè)的結(jié)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(jié)果線性較好，在電壓為250Vp-p時(shí)，振幅達(dá)到最大值26.14μm；壓電換能器在實(shí)測(cè)的諧振頻率下，振幅隨著電壓的增加的速度越來(lái)越快，在驅(qū)動(dòng)電壓為250Vp-p時(shí)，振幅達(dá)到最大值25μm?？傮w上看，ANSYS仿真的結(jié)果比實(shí)測(cè)值偏大，在250Vp-p的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)的偏差率為4.04%。誤差產(chǎn)生的原因可能為實(shí)際上壓電陶瓷片受到的預(yù)壓力很難測(cè)量，仿真時(shí)的預(yù)壓力和實(shí)際預(yù)壓力存在偏差。

4 結(jié)論

本研究根據(jù)超聲乳化手柄的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與制造了一種用于超聲乳化手柄的壓電換能器。通過(guò)ANSYS模態(tài)仿真設(shè)計(jì)壓電換能器的結(jié)構(gòu)尺寸，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)際的共振頻率以及其振動(dòng)模式，仿真設(shè)計(jì)的模態(tài)頻率與實(shí)測(cè)的模態(tài)誤差率為2.82%，實(shí)際測(cè)得振動(dòng)模式為一階縱向振動(dòng)模式，符合原來(lái)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，驗(yàn)證了ANSYS仿真設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

為了驗(yàn)證壓電換能器的機(jī)電性能，分別測(cè)試了頻率-振幅特征曲線以及電壓-振幅特征曲線。試驗(yàn)表明：壓電換能器驅(qū)動(dòng)電壓250Vp-p，驅(qū)動(dòng)頻率29.48kHz時(shí)，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(shí)際測(cè)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(shí)際測(cè)量與設(shè)計(jì)仿真符合性很好，并且本研究設(shè)計(jì)的壓電換能器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，優(yōu)化方便，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，能夠滿足超聲乳化手柄的應(yīng)用需求。