基于压电复合材料的二维面阵超声换能器性能研究*

李尚宫, 洪晓东, 李永川

(1.辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院,辽宁 阜新 123000； 2.中国科学院深圳先进技术研究院 劳特伯生物医学成像研究中心，广东 深圳 518055)

0 引 言

压电材料是一种新型的功能材料，已经被广泛研究并应用于各种传感器、执行器和超声换能器的关键部件[1～5]。超声换能器是一种能量转换装置，可以将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，它自身消耗很少的一部分功率。超声波换能器的工作原理是由核心部件压电材料的压电效应将电信号转换为机械振动[1]。一般器件的性能都取决于组成器件的材料，而材料的性能取决于其内部结构，即宏观结构和微观结构。因此，通过结构设计制备换能器材料是提高其性能的主要途径。

锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷和环氧树脂复合材料共有10种复合联通型。如1—3复合压电材料，数字1代表的是发挥功能相的压电陶瓷，在一个方向上具有连通，形状是纤维或者是柱状；另外2个方向代表的是聚合物，在这2个方向上具有连通，形状是平面或薄层，并且连通方向一般是垂直的。但由于多阵元平面超声换能器，除了具有上面的优点，还要求振动模式是厚向振动模式。1—3压电复合材料的制备方法有很多，包括置棒技术、填片技术[6]、激光加工切割[7]、光刻腐蚀、试样模板、浇注共挤等方法。

1978年，Newnham R E等人[8]提出陶瓷相/聚合物基复合材料的新概念。这种材料相对于压电单晶材料来说，密度小、易加工，还具有有机高分子材料聚偏氟乙烯(PVDF)[9]所不具备的耐高温性能、较高的压电转换效率、不适合做大功率用电器、易于老化、镀电极容易脱落等特点。

Rodriguez R等人[10，11]报道的填片技术利用机械割据划切，将一整块陶瓷片[12]先进行一个方向的切割，然后再垂直方向进行切割，最后用聚合物将切缝填充，并且打磨掉陶瓷基底。由于工艺操作简单而被广泛应用。

本文采用填片法制备了PZT基环氧树脂1—3复合压电材料，并制备了一种64阵元、工作频率3.5 MHz、有效工作面积为6 mm×6 mm的二维面阵超声换能器，通过研究换能器的电学特性和声学特性及其声场的分布特征对换能器的性能进行了评价。

1 材料与实验方法

1.1 实验原料和设备

1)原料：PZT—5H压电陶瓷 、环氧树脂301 1LB(A,B)、AL2O3粉末；

2)设备：高精密划片机(ADT7122)、磁控溅射镀膜机(NAW-MASTER NSC-3500)、Verasonics系统、脱泡搅拌机、离心机(4-5N 4×750 ML)、数显电热板(HP 10)、通风柜(1 800×800×2 350)、电阻抗分析仪(型号：英国 Wayne kerr 1J65120BD1)及其6 500组件测试专用治具(型号：1J1011)、测试水槽等。

1.2 实验方法

1.2.1 PZT基环氧树脂1—3复合压电材料的制备

1—3复合压电陶瓷的制备过程,如图1所示。是标准的切割和填充过程。首先，用蓝膜固定压电陶瓷(PZT—5H陶瓷,其性能参数如表1所示)，然后用切片机进行部分切割。金刚石刀片的厚度为0.041 mm，最终的切缝宽度为0.05 mm左右，每个压电陶瓷柱的尺寸为0.2 mm×0.2 mm×0.3 mm。使用环氧树脂(EPO-TEK，301套件的A和B部分，性能参数如表2所示)填充缝隙。压电陶瓷的体积分数约为59 %，待环氧树脂在室温下固化24 h后，经过研磨和抛光去除压电陶瓷的多余厚度。通过磁控溅射工艺制备NiCr/Au(200 nm/500 nm)电极。在镀电极之前，复合压电陶瓷的表面需要进行Ar+等离子体轰击，该过程不仅除去了残留的有机物和吸附的水蒸汽分子，还改善了材料的表面性能，可以提高溅射的金属电极与1—3复合材料之间的黏附力。

图1 PZT基环氧树脂1—3复合压电材料的制备流程

表1 PZT—5H压电陶瓷原料的主要性能参数表

表2 环氧树脂的性能参数

1.2.2 基于压电复合材料的二维面阵超声换能器制备

先利用PiezoCAD仿真软件计算得出64阵元，8×8矩阵，中心频率3.5 MHz的二维面阵换能器所需1—3复合压电材料、匹配层、背衬的厚度。将制备好的PZT基环氧树脂1—3复合压层，划好电极后，在模具的夹持下，进行灌注Al2O3/环氧树脂的匹配层(相关性能参数如表3)，磨到一定厚度后，在PZT基环氧树脂1—3复合压电层的另一面用环氧树脂或者焊锡去粘接电路板，最后灌注背衬层(其中复合比例为5︰4︰1，其中氮化铝在增加消声效果的同时起到导热作用)，进行封装，性能测试，具体流程如图2所示。

表3 Al2O3/环氧树脂匹配层性能参数

图2 64阵元二维面阵超声换能器的制备过程

1.2.3 基本性能测试

利用精密阻抗分析仪对1—3复合压电材料进行测试其电学性能。首先打开电源，进行开路、短路、低频及高频电容的校准，然后设置其频率范围(0～8 MHz)和测试模式，本次实验测试其阻抗、相位，所以，需要设置测试模式为Z、θ、串联模式，最后采样400点数，进行数据保存。对于工作频率的测试，利用回波法进行测试；再进行相应的模式设置，并计算回波信号的时域和频域曲线。

1)电学测试

电阻抗测试原理采用自动平衡电桥法原理，如图3所示。通过DUT的电流和电阻R，“L”点的电位保持为0 V(称为虚地)，I=I2，V2=I2R，Z=V1/I=V1/I2=V1R/V2。

图3 自动平衡电桥法原理

2)声学测试

脉冲回波测试反映了换能器发射与接收的性能，可以利用脉冲回波测试来验证阵元的良好率与一致性。用此方法可以测试各阵元脉冲回波的时域响应曲线、频率响应曲线。回波测试原理，如图4所示。

图4 脉冲回波法连接原理

回波时域响应曲线中回波峰峰值(Vp-p)代表灵敏度，回波响应频域曲线的中心频率为fc=(f1+f2)/2(-6 dB)； 相对带宽为(f2-f1)/fc×100%。

1.2.4 声场表征

实验所得数据为水听器在扫描个点，采集的是随时间变化的电压数据，超声声场的声强值为

(1)

(2)

式中P=V/α,V为实测电压值，V;α=(ksens+8)/20;ksens为灵敏度系数，V/Pa。

超声声场测量实验系统如图5所示。

图5 超声声场测量实验系统

2 结果与讨论

用前期制备的1—3钛锆酸铅基环氧树脂(即1—3型PZT/Epoxy)复合压电材料来制备高性能二维面阵超声换能器，参考仿真软件软件Piezo CAD的仿真结果，采用先进的切割—填充法制备PZT/Epoxy的体积比为53 %的1—3型PZT/Epoxy压电复合材料。在经过了复合材料的研磨抛光后，采用直流磁控溅射法在此复合材料的表面制备了NiCr/Au复合薄膜电极。利用扫描电镜(SEM)对所制备的NiCr/Au复合薄膜电极进行了厚度和表面形貌的观察。(图6(a),(c))中给出了1—3型PZT/Epoxy复合压电材料的相应微观结构。可以看出，在PZT纤维/陶瓷柱子按一定的周期矩阵均匀排列在环氧树脂中。通过切换不同的切割宽度(x-y)和切割深度来控制1—3PZT/Epoxy型复合压电材料中的PZT的含量，可以看出1—3型PZT/Epoxy复合压电材料中PZT的晶面由粒径大小均匀的晶粒构成(图6(b))，由(图6(d))可以看出Al2O3在环氧树脂的A，B胶中能够均匀分散。

图6 1—3型PZT/Epoxy复合压电材料扫描电镜

为了评价PZT基环氧树脂1—3复合压电材料制备的64阵元(8×8)二维面阵超声换的电学性能，使用精密阻抗分析仪(型号：英国 Wayne kerr 1J65120BD1测试了换能器的谐振频率、反谐振频率和相位。采用Verasonics Vantage 256系统对64阵元二维面阵的每个阵元依次施加电脉冲信号，该电脉冲信号经超声换能器阵元转换成超声信号，该超声信号在水里传播至反射板，因为反射板与水的声阻抗相差悬殊，反射板把入射的超声波绝大部分反射回同一个换能器阵元，该阵元再把这个反射回来的超声信号转换成电信号，这个电信号被Verasonics系统采集而得到该超声阵元的脉冲回波时域信号，对这个时域信号进行快速傅里叶变换而成为频域信号。对阵元的时域信号和频域信号按照1.2.4节计算，得到相对灵敏度、中心频率、-6 dB百分比带宽。通过脉冲回波法对时域和频域信号进行计算，(如图7(b))，可得时域信号的峰峰值为68 mV，可以满足实验能量的需求，计算得出中心频率为5.0 MHz和带宽为40.8 %，(如图7(a))得出。实际测试的频率值与理论设计的3.5 MHz，存在1.5 MHz的误差，主要原因是压电复合材料偏薄，导致频率实际值(5.0 MHz)比设计值(3.5 MHz)稍高。(如图7(c),(d))和(图8(c),(d))可以得出换能器的64阵元机电性能一致性良好。

图7 64阵元换能器机电灵敏度以及能量测试

图8 64阵元换能器机电一致性测试

对换能器的声场强度进行表征。通过Verasonics系统上MATLAB软件编程来进行驱动，进行调节每个阵元发射信号的相位和幅度，使整个阵列发射的声场产生一个螺旋错位的波节，进而产生涡旋场。(如图9(a),(b))展示了二维面阵在聚焦深度10 mm处x-y,x-z截面的聚焦声场强度分布图，验证了二维面阵换能器聚焦能力比较强，电压为10 V，电压强度为355 mV。(图9(c)、(d))展示了二维面阵在聚焦深度10 mm处x-y,x-z截面的涡旋声场强度分布图，与仿真结果(图10(a)、(b))相一致，施加电压同样是10 V，但在(0,0)处位置声场强度为0，周围却有着和聚焦场中心一样的声场强度。

图9 声学性能

图10 仿真实验

3 结 论

采用填片法制备了PZT基环氧树脂1—3复合压电材料，并制备了一个64阵元、工作频率3.5 MHz、有效的工作面积为6 mm×6 mm的二维面阵超声换能器。采用扫描电镜(SEM)对所制备的NiCr/Au镀金电极1—3复合材料进行了微观形貌观察，结果表明PZT细陶瓷柱子均匀地按一定的周期矩阵排列在环氧树脂中。对换能器进行基本电学和声学性能表征测试，验证二维面阵超声换能器的设计合理，回波带宽为40.8 %，中心频率为5.0 MHz，与理论的中心频率为3.5 MHz保持基本一致，机电一致性良好。通过对制作的二维面阵超声换能器的声场分布进行仿真和测试，验证了其产生动态涡旋声场的能力。结果表明，制备的64阵元二维面阵换能器与理论设计相符，并且换能器阵元具有声电一致性好，灵敏度满足使用要求，性能优良。