高频(≥100MHz)超声在超声成像及单声束声镊研究领域具有广阔的应用前景。更高的频率意味着超声成像中更好的空间分辨率以及声镊应用中捕获、操纵更小尺寸微小颗粒的可能。制备性能优异的高频(≥100MHz)超声传感器是实现高频超声应用的关键。然而,制备单阵元高频超声传感器存在诸多挑战：包括超薄压电元件的获取；与外接电路的电学匹配；与超声传导介质的声学匹配以及超声波束聚焦的实现。本文在总结分析各类压电材料及单阵元超声传感器制备的基础上,重点关注高频(≥100MHz)超声传感器的研制及其应用研究。如下是本文研究的主要内容：1.铌酸锂单阵高频(≥100MHz)超声传感器的研制36。Y切割的铌酸锂单晶具有优秀的压电性能,低的介电常数及高的居里温度,适于制备高频超声传感器。然而单晶材料的减薄以及超声传感器的聚焦是两大技术难题,目前中心频率高于200MHz的铌酸锂超声传感器的研究鲜有报道。本文本利用传统研磨减薄技术成功将LiNbO3单晶阵元减薄至厚度为30pm, 13pm及9μn,并以此为基础成功研制了高度聚焦且中心频率在100MHz附近的常规单阵元超声传感器及中心频率在200MHz、300MHz附近的针形单阵元超声传感器。该类传感器具有高的灵敏度及较大的-6dB带宽(>40%),为超高频超声在高分辨成像及单声束声镊研究奠定了基础。2.高频(≥100MHz)聚焦超声在医学超声成像及非接触微粒操纵中的应用基于上述制备的铌酸锂高频超声传感器,我们对高频(≥100MHz)超声在医学超声成像及单声束声镊(SBAT)中的应用进行了细致的研究。空间分辨率测试结果显示了该类传感器在各自频率上具有优异的纵向及横向分辨率,对于频率高于200MHz的超声传感器,其实际测量得空间分辨率在数个微米,为超声的高分辨成像奠定了基础。对斑马鱼眼睛及聚苯乙烯微粒小球的成像实验很好地展示了超高频超声对微小生物组织结构的成像能力,由于声阻抗差异,各组织结构可以得到清晰的辨认。该类超声传感器可用于需要高分辨率、同时无需大的穿透深度的生物组织或结构的成像应用中,例如生物眼睛的角膜层,皮肤等。由于具有优异的超声性能及高度聚焦的超声波束,该类铌酸锂超声传感器适用于SBAT的应用。实验展示了超高频超声传感器捕获和操纵细胞尺寸内的微小颗粒的能力。同时,实验过程我们发现SBAT在捕获微粒小球时,激励频率与小球尺寸间存在有选择性关系,基于SBAT的上述特征,我们可以通过合理设计超声传感器,实现捕获和操纵具有特定尺寸的微小颗粒或细胞。3.金属-聚合物声阻抗匹配层在高频超声中的设计与应用研究在高频(≥100 MHz)超声传感器的设计与制造中,实现超声传感器与传导介质间的声阻抗匹配是一项挑战性的工作。传统的匹配层的设计,为获得高匹配性能,需要满足两个条件,即匹配材料需要有特定的声阻抗和精确的厚度控制。对于高频(≥100MHz)传感器,同时满足上述两项要求在实际操作中几乎不可能。本工作中,我们以Mass-spring和微波理论两种模型作为指导,利用金属-聚合物层来达到需要的声阻抗匹配效果。此类金属-聚合物匹配层的设计在研制高频超声传感器应用时克服了传统声阻抗匹配方法的局限性。我们制备了100MHz的传感器原型用以验证该类声阻抗匹配层的匹配性能,实验结果与理论预期相一致,传感器的灵敏度及带宽在匹配层的作用下均得到的大的提升。4.PZT薄膜的微结构改性及其高频传感器研制PZT薄膜作为制备超声传感器的常用压电材料,可以通过化学溶液沉积的方法进行制备,其厚度可以得到有效的控制。然而其高的介电常数导致不适用于高频超声的研制。我们通过引入孔隙对该类PZT微结构进行改性,系统研究了各制备工艺参数对PZT晶体结构及电学性能的影响。实验结果表明在薄膜中引入孔隙可以有效地降低介电常数。基于改性PZT薄膜,我们制备了单阵元超声传感器,脉冲回波实验测量结果显示该传感器中心频率为222.4MHz,-6dB带宽为67.8%。