双层PZT相控阵换能器研究

2023-08-07林锦豪姚银波汕头市超声仪器研究所股份有限公司广东汕头515041

中国医疗器械信息 2023年11期

林锦豪姚银波汕头市超声仪器研究所股份有限公司（广东汕头 515041）

内容提要：为了提升医用相控阵的图像性能，需要用高灵敏度、高带宽的相控阵换能器。通过双层PZT设计，降低换能器电阻抗，进而改进等效电阻抗匹配。在整体振元宽高比固定的情况下，测试不同厚度组合的静态电容和压电耦合系数，找出最佳的双层PZT厚度组合；制作出等厚度双层PZT相控阵换能器，该换能器比常规单层ZPT换能器在灵敏度提高4.56dB，带宽提高5.23%。等厚双层PZT工艺可有效改善小尺寸振元的电匹配，提升换能器整体性能。

传统的压电陶瓷材料由于介电常数不高（＜4000），在应用领域受到限制[1,2]。传统的单层晶片设计方案，受特定换能器规格和晶片介电常数不高的限制，振元的静态电容值较小，很难进行等效电阻抗匹配优化，制约着超声换能器与主机之间的阻抗匹配。近年来，随着压电换能器向着小型化、多振元化方向发展，需要压电陶瓷材料具有更高的介电常数、更高的机电耦合系数以及更好的机械强度等优良性能。高性能的超声换能器对等效电阻抗匹配效率有较高的要求，从而对换能器的振元的静态电容数提出了具体的要求，因此，本文设计了一种双层晶片振元的设计方法来实现高静态电容的晶片振元，制备高性能PZT相控阵换能器[3]。

1.基本原理

对于多振元的超声换能器，为了每个振元的振动模式更加单纯，一般需要每个振元分切成多个素子。振元的振动模式不是板的厚度振动模式，也不是电场平行于长度方向的长度伸缩振动模式，而是一种近似的宽度振动模式这种振动模式下的机电耦合系数见公式（1）～（3）。

注：式中k33、k31为压电耦合系数，d31为压电常数，εT33为自由介电常数，S1E1、S1T3、S3T3为弹性柔顺常数。

一般认为只有当素子的宽度应小于厚度的0.7倍，这时的振动模式才会接近厚度振动模式[4]。这种振元的振动模式越单纯，换能器的频率特性越光滑，能量损耗也越小。

无论是在压电陶瓷或匹配层，材料的声速都依赖于几何振元的宽高比W/H。材料声速与几何尺寸的关系，主要受边界条件影响，分切后的几何体声速会小于没有分切的平板，声速与几何尺寸关系上可参考McKeighen提到的经验公式[5]。

通常情况下，为了避免杂散共振，一个阵列切割成素子时的主要间距应该是宽度与高度的比例W/H为0.4～0.6。这种切割尺寸最大的优势是这个素子的压电耦合系数高于平板压电陶瓷。一般没有切割的PZT平板压电耦合系数是0.5，切割后压电耦合系数可达0.7。

阵列换能器由于每一个振元的尺寸非常小，电容低和阻抗高，所以通常选择陶瓷时要求相对介电常数和耦合系数非常高。本文认为通过“双层结构+极性并联”组合可有效且大幅度提振元的升静态电容、降低小尺寸的电阻抗、提高灵敏度和带宽。

对于同等材质的PZT晶片，假设传统单层PZT的厚度为d1，电容为C1；当双层晶片的总厚度与传统单层PZT厚度相同时，若第1片PZT晶片厚度为αd1，且0＜α＜1，则第2片PZT晶片厚度d1-αd1。由于双层晶片采用并联方式，且厚度与电容值呈反比，则双层晶片的电容C2可表示为公式（4）～（6）。

显而易见，在总厚度相同的情况，双层晶片至小可以比单层晶片提升4倍电容量。电阻抗与静态电容C成反比，Ƶ=1/jwc，随着电容的提升，可有效降低换能器的电阻抗。换能器的电缆线特征阻抗在50Ω，换能器声学测试时阻尼也是采用50Ω。传统的单层PZT阵列换能器，每个振元的电阻抗很高（100～600Ω），不利于系统电匹配。利用双层PZT的并联组合，相当于同等频率下，对振元的静态电容进行等效放大，将每个振元的电阻抗下降到（25～125Ω），可以更好地与电缆线、主机系统在整个换能器频带内进行电匹配，从而整体提升换能器的灵敏度和带宽[6-9]。同时采用合适的振元宽高比，使振元振动更单纯。

对于传统的3MHz医用相控阵换能器，静态电容200pF的单层晶片，其在相控阵换能器3MHz附近的理论电阻抗为265Ω。若采用等厚双层晶片，则理论电阻抗会降低61Ω，可有效降低换能器的电阻抗，更好地与系统进行电阻抗匹配。

2.试验与分析

2.1 振元晶片方案设计

为了使振动模式越单纯，本文采用的振元的宽度与高度的比例为0.509，采用的振动模式更接近厚度振动模式；双层素子共振后，可有效抵消单层素子的其他振动模式。

将常规设计方式为单层晶片的方式，以中心频率3MHz的相控阵为例，振元晶片尺寸为厚度0.55mm，宽度0.28mm，长度14.4mm。本论文提出双层振元晶片的设计方案，来提升振元晶片的静态电容，并优化电阻抗匹配效率。通过设计不同的双层振元晶片厚度组合方案，并制作成对应的样品换能器，进行声电性能指标的对比分析，以得出最优的设计组合。

试验组合分别选取了1/2+1/2，1/3+2/3，1/4+3/4 等三个双层晶片厚度的振元组合，具体的组合厚度为分别为（0.275+0.275）mm、（0.183+0.367）mm、（0.137+0.413）mm，晶片组合参数如下表1所示。

表1 .晶片组合参数表

将双层的晶片负极面与负极面经过黏接后的振子如图1所示。

图1 .传统单层晶片振元与双层晶片振元的示意图（注：1a.传统单层晶片振元；1b.双层晶片振元1/2+1/2；1c.双层晶片振元1/3+2/3；1d.双层晶片振元1/4+3/4）

2.2 振元电性能测试分析

对每个晶片类型进行64个振元切槽，并进行电容测试；从表2数据可以看出，采用双层晶片设计方案可以大幅提升振元的静态电容值，其中1/2-1/2的组合提升4倍电容值，且对应的谐振频率保持在设计的标称频率范围以内（±15%）。

表2 .不同晶片厚度组合方案的电容值数据表

表3 .不同晶片厚度组合方案的串并联谐振频率、Kt值

表4 .换能器规格表

机电耦合系数测试与分析：采用并联方式的双层晶片，随着静态电容的提升，并联谐振频率逐渐下降。根据串联谐振频率和并联谐振频率的测试数据，结合压电耦合系数（平方）St2公式（7）的计算，可知，双层晶片中，两片晶片厚度越接近，耦合系数越高[5]。

注：其中，Fs=串联谐振频率=电导最大时的频率；Fp=并联谐振频率=电阻最大时的频率。

当双层晶片厚度越接近时，振动模式越单纯，可以获得更加理想的压电耦合系数。两层晶片厚度相差越大，压电耦合系数下降越明显。

3.双层晶片超声换能器设计与制备

3.1 换能器规格和设计参数

换能器规格见表1。晶片采用PZT-5H 晶片，振元间距0.32mm，切割缝隙0.04mm，双层晶片厚度（0.275+0.275）mm，被动孔径14.4mm；采用双层匹配层，第一层匹配层声阻抗9.0MRayls，声速4000m/s，厚度0.298mm；第二匹配层声阻抗3.5MRayls，声速2600m/s，厚度0.177mm；透镜采用RTV630，中心厚度1.05mm。背衬声阻抗5.0MRayls。结构实物截面图如图2所示。