相控阵超声换能器是心脏超声成像检测的关键部件,其电声学性能会极大的影响超声成像的质量。PZT基相控阵换能器较低的电声耦合效率、-6dB频域带宽以及灵敏度等性能会明显的限制超声成像的分辨率、清晰度以及穿透深度,而PMN-PT单晶凭借其优异的压电性能使其在超声换能器的应用中具有明显的优势。然而对于高端相控阵阵列换能器的设计来说,需要声学、振动力学、电子学、信号处理、材料等跨学科知识的需求,整体设计相对复杂,专业门槛较高,所以高端单晶换能器件的设计和制造仍然是大多数国外制造商的最高级别商业机密。目前单晶相控阵换能器的设计和制备已经成为我国高端超声设备的技术“瓶颈”,近年来国家和地方政府多次出台相关政策,鼓励国产高端医疗器械自主化、创新化,在如此强调自主创新的背景下,高性能单晶超声换能器的研制迫在眉睫。本论文从PMN-PT单晶压电振子和声学结构优化设计的角度出发,结合一维等效电路模型和有限元仿真模拟,对不同声学结构的阵列换能器件的电声性能进行仿真计算,在达到理想性能条件下提取单晶相控阵换能器各声学叠层的结构和声学参数并进行相控阵换能器的制备与封装测试,通过多次实测与仿真结果的对比分析实现高性能单晶相控阵换能器的设计与制备。具体研究结果总结如下:声学结构的设计与优化方面,主要采用一维电路模型与有限元仿真相结合的方式,设计出高声速匹配和声能放大层结构的高性能单晶阵列换能器:采用高声速匹配（HSV）的设计方法减小阵元横向振动的干扰,有限元仿真（FEM）结果表明HSV单晶阵列相较于常规低声速匹配（LSV）单晶阵列串扰水平减小2.14dB。回波性能显示HSV单晶阵列-6dB带宽较LSV单晶阵列提升6.22%。此外,HSV单晶阵列在2～5MHz工作频率下均保持更高的带宽和更小的串扰,说明高声速匹配可以改善阵元的频响,有效降低横向振动的耦合效应。而引入声能放大层（DM）可以有效改变阵元的振动模态和声波传输方式,改善阵列换能器阵元的电声性能。FEM结果显示DM单晶阵列相较常规LSV单晶阵列串扰平均减小1.37dB。回波性能表明DM单晶阵列-6dB带宽较LSV单晶阵列提升12.66%,达到88.12%,灵敏度提升5.62dB。结合声场特性分析可以预测DM单晶阵列具有更深的探测深度和更好的图像分辨率。单晶压电振子的设计与优化方面,研制出高性能的交流极化（ACP）单晶压电振子,总结了ACP单晶对阵列换能器电声性能的影响规律:相对比直流极化（DCP）方式,采用ACP方法可以明显提高单晶的压电性能(d33提高35.3%,机电耦合系数提高)并同时具有良好的温度稳定性。FEM结果给出ACP+HSV单晶阵列的串扰较DCP+HSV单晶阵列平均减小0.68dB。脉冲回波结果显示ACP+HSV单晶阵列-6dB带宽较DCP+HSV单晶阵列提升6%,达到86.41%,灵敏度相对提升1.03dB,说明此组合方案下ACP单晶可以明显改善单晶阵列换能器的电声性能。此外,脉冲回波FEM结果显示ACP+DM单晶阵列-6dB带宽与DCP+DM单晶基本持平,灵敏度提升1.88dB,说明此方案下ACP单晶无法明显改善波形,主要优化了换能器的收发灵敏度。声场特性表明ACP+DM单晶阵列的声束聚焦最大声压较DCP+DM单晶阵列提高24.5%,但ACP+DM单晶阵列的声束宽度明显增加,同时焦深减小,意味着横向分辨率和探测范围会受到影响,需要综合考虑性能的需求选择适合的设计方案。单晶换能器的制备与测试方面,确立了基于HSV和DM单晶阵列超声换能器的研制工艺流程并完成多种设计方案下高性能阵列换能器的制备与封装测试:实测脉冲回波性能结果与FEM模拟计算结果基本一致,DCP+LSV单晶阵列的-6dB带宽为74.33%,相对灵敏度为-53.97dB,DCP+HSV单晶阵列较DCP+LSV单晶阵列-6dB带宽提高7%,灵敏度基本持平。而DCP+DM+LSV单晶阵列-6dB带宽较DCP+LSV单晶阵列大幅提高12.85%,达到87.18%,同时灵敏度提高5.79dB,表明DCP+DM+LSV单晶阵列在频域和时域响应上占据明显优势,必然会明显提高超声成像的纵向分辨率、探测深度和对比度。随后与第三方单位合作完成DCP+DM+LSV单晶相控阵阵列的封装调谐测试和体模超声成像。换能器阵元电学性能的一致性测试结果显示,单晶阵列换能器整体阵元的电容波动较小（1.7%）,均一性良好。脉冲回波实测结果显示电感数值约为4μH时单晶阵列换能器可以同时获得较高的灵敏度和-6dB频域带宽,达到91.34%。成像结果表明优化设计的单晶相控阵超声换能器在超声成像上具有更高的分辨率、清晰度、穿透深度和探测范围。