賦能超聲 精準筑“器”
——西安電子科技大學副教授費春龍的科研進階路

杜月嬌

2019年與恩師周歧發教授在IEEE IUS會議上合影

正常人耳能聽到的聲波頻率在20H z～20K H z，如果高于這一范圍，那便是“超聲波”。

超聲波的使用可以追溯到1917年，法國科學家Paul Langevin用石英晶體制成超聲換能器，發明了超聲探測水下目標的“水下定位法”。此后，超聲波清洗機、超聲波焊接機、超聲診斷儀……在現代社會，此類超聲儀器比比皆是，超聲波更是被廣泛用在地質勘探、生物醫藥、水下監控和空氣測量等各個行業。

和這項熱門的技術打交道多年，西安電子科技大學副教授費春龍萌生出不少個性化想法，并將想法付諸實踐。如今他圍繞超聲器件這一主題，結合新材料、新方法、新技術，努力拓寬超聲器件在實用領域的研究。

更高！更強！

1988年出生的費春龍長在江蘇，性子有些樂天派。他常說自己屬于運氣不錯的那一類，“有學校、學院的支持和恩師的幫助，剛參加工作就能夠投入到感興趣的研究中”。但其實，做科研的每一步，費春龍靠的不僅僅是好運。

他2006年考入武漢大學物理學基地班，勤勤懇懇4年，打下了扎實的理論基礎，并順利拿到研究生保送資格，在石兢教授和熊銳教授的指導下開始了凝聚態物理的攻關。“最開始接觸的是材料，側重在納米和高介電材料，后來轉做以壓電材料為主的聲學器件，再慢慢拓展到聲學器件的應用，比如成像、聲鑷……”

就像費春龍說的那樣，他的研究銜接比較順暢，求學軌跡也十分清晰。2013年，他作為聯合培養博士，受國家留學基金委資助，從武漢大學奔赴南加州大學。也是在那里，費春龍開始接觸超聲應用的核心器件——超聲換能器。

超聲換能器通過壓電元件的壓電與逆壓電效應實現電能與聲能之間的轉換，是超聲應用設備的核心部件。對于超聲成像檢測系統，換能器的性能直接影響了整個系統的品質。“隨著超聲換能器工作頻率的提高，研制難度大大提升，其中涉及電學、力學和聲學等多領域，需要充分考慮電、聲轉換、聲能高效傳輸和聲場調控等科學問題。制備工藝上則需要解決合適的壓電元件獲取、聚焦和電、聲阻抗匹配等技術工藝難題。”費春龍說，要研制高頻、高性能的超聲換能器，就必須解決這一系列的問題，這是綜合性的考驗。

高性能、高頻超聲換能器的研制，是超聲成像領域，尤其是顯微檢測領域研究的重點與熱點。多學科交叉的特性以及工藝的限制，讓相關的核心技術被部分發達國家壟斷。立志向“高頻”挺進，費春龍是經過一番深思熟慮后決定的。他表示，博士期間與恩師周歧發教授聊了很多，在保證科研步子穩健的前提下，自己選擇了用壓電材料打造超聲換能器。“我們希望能把頻率的極限盡可能往上推，更好地服務應用需求。”

需求當前，責無旁貸

時代推著科技進步，目前，相對成熟的超高頻超聲換能器的制備方式仍然有大的提升空間。壓電轉換效率低、換能器的靈敏度受限等現象，讓人們更加期待下一步的革新。

費春龍看準這一點，在國家自然科學基金委的支持下，開展了“超高頻精密無損檢測超聲換能器研究”。高效的電聲轉換、聲能傳輸是該研究的“硬骨頭”，他仔細考量適合超高頻超聲換能器工作的壓電材料類型與性能，建立換能器功能材料參數與換能器發射、接收屬性的普適關系，以期將傳統換能器集成工藝結合微機電（MEMS）工藝，作為提升超聲換能器工作頻率與性能的突破口，探尋高性能、高一致性、可批量化生產的高頻換能器研制工藝。

項目規劃中，費春龍基于保證項目實施系統性與完整性的前提，在部分關鍵工藝上進行創新。引入傳輸線性理論實現聲能的高效傳輸便是其中之一。“傳輸線性理論在電學領域比較常見。我們把超高頻超聲換能器作為研究對象，嘗試用這個理論對壓電陣元與傳輸媒介間的聲阻抗匹配進行優化。”例如，對超聲超高頻段傳輸過程所凸顯出的損耗、衰減等因素，通過在力、電端口引入等效傳輸線模塊來有效模擬上述因素影響，進而獲取更為準確的理論模型……

團隊合影

“從研究內容來講，現行的工作有一部分是博士階段工作的延續與拓展。項目層面，我們的核心始終圍繞的是高頻超聲換能器，后續的研究涉及范圍會更廣一些，涵蓋了超聲換能器的設計、制備、表征和最終的應用。整個主體思想就是將微機電加工的一些理念、技術，融入到傳統超聲換能器的制備上，一是提高制備過程中器件性能一致性，二是盡可能往微納方向發展。”費春龍對研究的方向有著自己的把握。

這種對研究脈絡的把握，是費春龍擅長的。早在2015年年底博士畢業，他入職西安電子科技大學微電子學院，就篤定了超聲換能器研制這一長遠目標。不管是搭建超聲換能器研發平臺，還是同團隊精誠合作，其研究從未偏離主道，倒是像棵繁茂大樹，延展出諸多有趣的“枝葉”。

“我不研究材料，但是要和搞材料研究的老師合作。”費春龍表示，他們會幫材料“放大化”，使其極致性能最大限度地在器件上發揮作用。比如耐高溫材料，最終就會被設計為一個有著高溫閾值需求的器件，進一步凸顯優越性。“我們也會給有特殊超聲應用需求的研究人員，提供定制化的換能器，共同開展科學研究。”針對換能器的應用研究，費春龍也有自己的理解和實施方式。此外，他還介紹了聲學器件的仿真設計工作。費春龍表示，有些單位在使用超聲換能器時，通常會因為器件原理不清晰產生技術問題。“我們會從原理的角度嘗試幫他們解決這些問題。很多時候，我們通過仿真平臺，建立多物理場耦合模型，模擬使用過程，導出一個參數與性能之間的映射關系，告訴他們哪里出了問題。”

如果說超聲換能器是一個點，那么，當下的費春龍正試圖用點畫出一條線。這條線上有材料、器件研制，也有系統搭建、聲學應用，往后退一步是理論鉆研，往前邁一步是應用實踐。

傳承，共譜未來

費春龍形容自己如今的狀態：在學校與學院成熟、優秀的大平臺下，和一群志同道合的人，做自己擅長、感興趣的研究。他享受這種學術氛圍，享受伴隨團隊打拼，共籌未來的激情。

費春龍所處的集成超聲實驗室，隸屬微電子學院楊銀堂教授領導的微電子學系，旨在結合微電子學院集成電路技術優勢，推進集成電路技術在超聲醫療、無損檢測、能源等領域的應用。“有些研究，我們目前只是涉及了一小部分，對應的系統方面也處于搭建初期。”工作初見成效，很明顯的是，這個年輕的團隊在突破、進取。他們力圖通過科研項目的推進，培養軟硬件結合、寬基礎和重實踐的復合型人才。

在學生培養上，費春龍有著自己的原則與遵守。他尊崇師道傳承，將恩師帶來的積極影響傳遞給學生，看重品德教育，追求團隊1+1＞2的協作效應。他說自己和學生的關系亦師亦友，希望成為學術上的嚴師，生活中的朋友。“我會以周為單位，要求學生進行文獻調研與科研工作進展匯報。”在費春龍看來，這是對學生自主學習和溝通能力培養的有力方式。同時，他也會扮演鼓勵者的角色，幫學生走出困惑、解決困難。

談及對未來的規劃，費春龍回答得很簡單：在明確的方向上多做一些工作。“在我們這個領域，有些熱點問題還沒解決，我就希望把工作做得深入一些，不管是解決理論性問題，還是在工程應用上有所突破。”能啃下幾塊“硬骨頭”，他就能給自己交份滿意的答卷。