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平面型复合结构超声换能器
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平面型复合结构超声换能器 Abstract 平面型复合结构的超声换能器：采用PZT压电材料来发射超声波，采用PVDF来接收回波信号，超声换能器采用多层结构，在背衬上先设有第二匹配层材料，在第二匹配层材料上设有PZT压电换能器，然后再设有第一匹配层材料，在第一匹配层材料上设有PVDF压电换能器，或直接采用PVDF压电换能器作为第一匹配层材料；所述背衬材料是环氧材料加钨粉：本发明使用两种压电材料，充分发挥两种材料在发射和接收时的优势。发射和接收部分分开，可避免发射和接收之间的干扰。可用PVDF层代替PZT的匹配层，可使设计上比较简单平面型复合结构超声换能器 一、技术领域本发明涉及超声换能器的一种新型结构，尤其是涉及采用两种压电材料制成的平面型复合结构超声换能器。 二、背景技术 随着超声医学的发展，超声波成像正在越来越多的引起人们的兴趣。与X射线相比，超声波的最大优点就在于对人体的无损伤性。超声成像的关键之一就是超声换能器，通常成像用的换能器是使用一种压电材料的单一结构，既用作发射又用作接收超声波。这种结构的换能器虽然制作简单，但由于压电材料特性的局限性，使得换能器的整体性能并不十分出色。目前制作的换能器一般使用两种材料，其一是PZT(Lead-Zirconate-Titanate，锆钛酸铅)材料，PZT具有高的机电耦合系数，用它制作的超声换能器具有较低的输入功率损耗，是一种良好的发射型压电材料。但由于PZT材料的声阻抗一般较大，与耦合液(通常是水)的匹配不是很好，接收时回响的尾波较多，不利于对信号的提取和分析。另有一种是使用PVDF(Polyvinylidene difluoride，聚偏二氟乙烯)材料，PVDF是一种高分子压电聚合材料，这种材料弹性刚度小，机械阻尼大，声阻抗接近人体组织的声特征阻抗，容易获得较好的匹配，同时其电容率低，也易于和电输出回路匹配，接收时尾波少，因而是一种良好的接收型压电材料，但PVDF材料的不足之处是发射灵敏度很低。 有关表征超声换能器性能的一些基本概念：工作频率：指换能器的机械共振频率附近。 机电耦合系数：贮存的机械能量与从电源取得的总能量之比。 接收灵敏度：输出电压与输入应力之比。 输入功率损耗：换能器的输入功率损耗为水负载得到的功率与电源的输出的最大功率之比。 带宽：最大功率下降一半的频率之差。 使用一种压电材料制作的换能器存在着一些缺点：PZT压电材料声阻抗与水(人体)相差大，回波信号的拖尾长，带宽小。PVDF压电材料压电电压常数高，比PZT压电接收型陶瓷高出20倍；质量轻，它的密度只有PZT的四分之一，柔软好不脆不碎，机械强度高；频响宽，且振动模式单纯；声阻抗与水(人体)接近，缺点是压电应变常数小。 针对超声换能器的设计，现在也有一些改进方案：为了提高超声换能器的性能，现有的方案主要通过改进超声换能器的匹配层、背衬等方式来提高，但由于材料方面的局限，使得换能器的整体性能不是十分优越。另一途径是采用新的材料，以往采用的是均匀结构的压电陶瓷，目前已出现令人担忧、发展缓慢的现象。与此同时，一种具有优良压电性能的非均匀材料已出现，基本原理是将压电陶瓷与有机聚合物进行连接，得到压电复合材料。虽然压电复合材料可提高超声换能器的性能，但是它仍然处于起步阶段，还有许多问题还没有得到很好的解决。常规的B超探头用PZT既发射又对回波进行信号采集。 三、发明内容 本发明目的是：提出一种新型的复合结构的超声换能器，在同一只换能器中使用两种压电材料—压电陶瓷PZT和压电薄膜PVDF，PZT用于发射，PVDF用于接收；采用两种压电材料来提高换能器的性能，发挥PZT材料和PVDF材料分别在发射和接收方面的优势，使超声换能器不仅具有小的输入功率损耗，而且具有相对短的回波。 本发明的技术方案：在超声换能器的设计中采用多层结构(图1)，采用PZT压电材料来发射超声波，而采用PVDF来接收回波信号：具体结构是：在背衬上先设有第二匹配层材料，在第二匹配层材料上设有PZT压电换能器，然后再设有第一匹配层材料，在第一匹配层材料上设有PVDF压电换能器。 所述背衬材料的选择是环氧材料加钨粉：厚度尺寸范围：1.00-4.00第二匹配层材料的选择是环氧材料：厚度尺寸范围：0.50-1.00第一匹配层材料的选择是玻璃或橡胶材料或直接采用PVDF压电换能器作为第一匹配层材料：厚度尺寸范围：0.20-0.40PZT压电换能器厚度的尺寸范围是：0.80-2.00PVDF压电换能器厚度的尺寸范围是：0.05-0.30，尺寸的单位为毫米。 在发射时，用PZT压电材料发射超声波，PVDF层作为匹配层，可提高换能器的发射效率，同时在PZT后端加一层背衬材料，提高换能器的带宽。而在接收时，采用PVDF压电材料来接收，发射部分和接收部分分开。 本发明与现有技术相比具有的优点是：使用两种压电材料，充分发挥两种材料在发射和接收时的优势。发射和接收部分分开，可避免发射和接收之间的干扰。可用PVDF层代替PZT的匹配层，可使设计上比较简单。性能上发射效率远高于单层PVDF超声换能器，而接收到的回波信号的拖尾小于单层PZT的超声换能器，因此换能器的带宽得到了很大的提高。 本发明结构的特点是：在同一只换能器中使用两种压电材料—压电陶瓷PZT和压电薄膜PVDF，PZT用于发射，PVDF用于接收。即采用两种压电材料来提高换能器的性能，使超声换能器不仅具有小的输入功率损耗，而且具有相对短的回波。此发明可用于设计医学超声换能器，可大大提高换能器的性能，提高医学诊断的可靠性，可获取较高的经济效益。而且可以接收到高次谐波，实现谐波成像，为超声成像开拓新的途径。路图3是本发明接收时复合结构超声换能器的KLM机电耦合等效电路图4是本发明实验系统框图图5是本发明实验中三种换能器的回波波形(a)PZT换能器(b)复合换能器(c)PVDF换能器五、具体实施方式采用 四、附图说明 图1是本发明复合结构超声换能器的结构图2是本发明发射时复合结构超声换能器的KLM机电耦合等效电图2的KLM机电耦合等效电路对发射部分进行分析，获得换能器的参数与换能器输入响应的关系。 采用图3的KLM机电耦合等效电路对接收部分进行分析，获得换能器的参数与换能器输出响应的关系。 采用本发明设计了和制作了复合结构的超声换能器，使用的材料参数见表1。具体的方案如下：采用PZT制作发射换能器，采用加匹配和背衬的方法来提高超声换能器的发射性能； 采用PVDF制作接收部分，采用合适的匹配材料与PZT匹配，并注意发射部分和接收部分的绝缘。 为了对比，我们使用同一种的PZT或PVDF单一材料分别制作了单一结构的超声换能器。 采用如下方法对换能器进行了测试，如图4，实验中，制作的超声换能器被一个单脉冲信号发生器(峰峰值300V，脉宽15ns)所激发。发射换能器发射的脉冲经过反射板被接收换能器接收，在通过一个宽带放大器(AU-4A-015-BNC，60dB，带宽1-500MHz)之后被送入数字波形示波器(Hp54502A)，最后通过IEEE488总线接口卡采集到计算机中。 测试的结果见图5，图5为三种换能器的回波波形，(a)为PZT换能器(b)为复合换能器(c)为PVDF换能器，从结果可见与PZT换能器相比，复合结构的换能器的拖尾短，而幅度比PVDF的大。因此，复合结构的换能器的回波具有较大的幅度和较宽的带宽。 利用本发明制备超声B超探头时，对PZT压电换能器和PVDF压电换能器采用常规的加工方法，如切割成多条结构制成阵列换能器，用以制成B超探头。利用本发明制备其它换能器的方法亦类同现有各种换能器的制法。 表1 用于复合结构换能器材料的物理参数 上述单位的定义是：Z表示声阻抗，单位：千克/(米2秒)；c表示声速，单位：米/秒；d表示厚度，单位：毫米；εrs表示介电常数；KT表示机电耦合系数。背衬材料的选择是环氧材料加钨粉：密度是1.8045×104kg/m3，厚度尺寸范围：1.00-4.00mm，一般选用2.00-3.00mm。2) 水声换能器类 PVDF压电膜具有较高的压电系数，优良的阻抗匹配。低的声阻抗可保证超声波无损传播，又易于加工成大面积，这些特点用于制造各种类型的水听器。将这种水听器用于鱼轮对鱼群的监测，正在待开发之中，此项研究成果也有很大的市场潜力。 (3) 超声换能器类 用PVDF压电膜制成超声传感器，应用在5、7.5、10MHz B超诊断仪的环状及线阵式探头和20～80MHz工业超声检测仪探头上，与通常使用的PZT(压电陶瓷)探头相比在灵敏度和精度上都有较大幅度的提高。用该膜制成的医用超声波传感器结构简单，灵敏度高，与人体表面机械阻抗匹配很好，如指脉膊计、血压计、起膊计、心律计、胎儿心音探测器等。上述产品在欧美、日本少数发达地区及国家已经大量使用，目前国内正处于研发阶段。 (4) 机电换能器类 在实验中人们发现PVDF压电膜作换能器时，每单位体积的输出功率要比PZT高10倍左右。在电场作用下它所产生的应变比PZT高10倍，这使得它在做机电换能器时也非常有利。国内许多院校科研所利用这一特性，研制开发应用产品，如：方位探测器、电探百叶窗应力计、应弯计、压电传感器、加速度计、冲击探测器、地下爆破监测仪、机械振动探测器、地震研究用应力波监视仪、手提式检验器等。 特别值得一提的是：由于PVDF压电膜具有机械强度高、柔软不脆、耐冲击，不易受水和化学药品污染，易加工等特点，使传感器在家电方面应用更为广泛。应用在电冰箱、室内空调机上的传感器就有十几种，如冰箱用显示冰箱状态的传感器，除霜、结霜传感器；保持蔬菜新鲜度的湿度传感器。用在空调机上的稳定性好的长寿命湿度传感器；结霜传感器、煤气压力传感器和空气流量传感器等。另外利用其热(压)电效应使得家用传感器由过去的展望成为今日的现实。如家庭用防灾用传感器和智能传感器。前者分两类，一类是检测煤气泄露和火灾前征兆的煤气、温度、烟雾等。二是用于防止强盗入侵的传感器。用智能传感器实现家务劳动自动化和省力化。从社会发展趋势看，上述产品的应用将具有相当广泛的前景。
 
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