厚度模壓電超聲換能器無(wú)源聲學(xué)材料研究進(jìn)展?

陳 燕 林興國(guó) 李 明 袁懋誕 紀(jì)軒榮

(1 省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 廣州 510006)

(2 中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司 深圳 215004)

0 引言

超聲換能器是發(fā)射和接收超聲波的電聲轉(zhuǎn)換器件，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)和軍事等領(lǐng)域[1?6]。常用的厚度振動(dòng)模式壓電超聲換能器[7]通常由壓電層、匹配層和背襯層組成。其中，壓電層多采用壓電陶瓷、壓電單晶和壓電復(fù)合材料(如1-3、2-2 型壓電復(fù)合晶片等)，其聲阻抗遠(yuǎn)大于被測(cè)組織和物體。這種阻抗差異影響聲波能量的傳輸，導(dǎo)致?lián)Q能器性能欠佳。為了提高聲能量的傳輸效率，通常在壓電層的前端增加一層或多層匹配層。此外，在壓電層的背側(cè)覆蓋具有高聲衰減的背襯層，以吸收后方的聲能，抑制多余的振動(dòng)，以期獲得寬帶窄脈沖信號(hào)[8]。另外，聲透鏡具有良好的聚焦特性，可以把超聲波聲束變細(xì)，以提高橫向分辨率，滿(mǎn)足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)β晱?qiáng)或檢測(cè)分辨率的需求[9]。本文綜述了近年來(lái)厚度模壓電超聲換能器匹配層、背襯層以及聲透鏡的研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 厚度模壓電超聲換能器匹配層

匹配層的聲阻抗和厚度決定了換能器的聲學(xué)性能[10]。通常匹配層的聲阻抗根據(jù)壓電層和被測(cè)組織或物體的聲阻抗(水、生物組織～1.5 MRayl)計(jì)算所得；而厚度通常取材料在換能器中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4。表1列出了常用的基于KLM模型的Desilets 匹配層阻抗計(jì)算公式，壓電層、第n層匹配層以及被測(cè)物體的聲阻抗分別為ZP、Zn、ZL[11]，每層匹配層的厚度均滿(mǎn)足1/4 波長(zhǎng)理論。由于工藝上的原因，兩層以上匹配層的換能器較少。商用換能器多采用雙層匹配層來(lái)提高換能器性能。

表1 Desilets 的聲阻抗計(jì)算公式[11]Table 1 Desilets’ acoustic impedance calculation formula[11]

在自然界中，難以找到符合理論設(shè)計(jì)的匹配層材料，換能器的匹配層通常采用聚合物和固體顆粒粉體混合而成。通過(guò)調(diào)整聚合物和粉體的比例[12?13]，來(lái)改變匹配層的聲阻抗，以滿(mǎn)足匹配層的設(shè)計(jì)需求?；w材料聚合物一般為環(huán)氧樹(shù)脂、聚乙烯等有機(jī)物，填充料多為陶瓷或金屬粉體。Dvaney等[14]、劉鵬波等[15]建立了該類(lèi)0-3 復(fù)合材料的理論模型，混合后材料密度、復(fù)合材料的體積模量K、復(fù)合材料的剪切模量G、縱波聲速c、復(fù)合材料匹配層聲阻抗ZP計(jì)算公式如下：

其中，ρ1和ρ2分別代表填充材料和基體的密度，V1和V2分別代表填充材料和基體的體積分?jǐn)?shù)；K1和K2分別為填充材料和基體的體積模量，G1和G2分別為填充材料和基體的剪切模量。填充物顆粒的尺寸需小于聲波波長(zhǎng)。

Toda 等[16]提出了一種基于彈簧-質(zhì)量理論設(shè)計(jì)匹配層的方法，采用聲阻抗差異較大的兩種材料厚度方向疊層作為等效匹配層，分別用低阻抗聚合物和高阻抗金屬作為彈簧層和質(zhì)量層。Toda 等使用聚偏氟乙烯(PVDF)和銅粘結(jié)作為第一匹配層，聚酰亞胺作為第二匹配層。通過(guò)控制彈簧層和質(zhì)量層的厚度可靈活調(diào)節(jié)聲阻抗，滿(mǎn)足與不同壓電層的匹配需求。Gorostiaga 等[17]在金屬箔上旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)也制備了彈簧-質(zhì)量型匹配層。該類(lèi)匹配層聲阻抗遵循上述Desilets 匹配層設(shè)計(jì)理論，厚度計(jì)算公式如下：

彈簧層厚度ts：

質(zhì)量層厚度tm：

其中，ρs代表彈簧層的密度；vs代表彈簧層的聲速；f0為換能器諧振頻率；ρm代表質(zhì)量層的密度。

1.1 低頻超聲換能器(< 15 MHz)匹配層

Liu 等[18]將環(huán)氧樹(shù)脂和氧化鋯粉混合制備匹配層用于鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT) 單晶/環(huán)氧樹(shù)脂1-3 復(fù)合材料超聲換能器。將環(huán)氧樹(shù)脂(EPOTEK 301)和氧化鋯按1:1.2 和1:1.6 的質(zhì)量比混合，獲得了聲阻抗分別為4.8 MRayl 和5.7 MRayl 的匹配層。較低聲阻抗(4.8 MRayl)匹配層的超聲換能器具有較高的靈敏度(插入損耗IL) 為?21.93 dB，帶寬為102.7%；而較高聲阻抗(5.7 MRayl)匹配層的超聲換能器具有較大的帶寬為117.3%，而靈敏度減小為?24.08 dB。Lau 等[19]制備1/8 波長(zhǎng)厚度雙層匹配的PMN-PT 單晶相控陣(16 陣元)換能器，采用氧化鋁粉(粒徑2～5 μm)和環(huán)氧樹(shù)脂(EPOTEK 301) 混合制備了第一匹配層，純環(huán)氧樹(shù)脂(EPOTEK 301)為第二匹配層。配合適當(dāng)?shù)闹乇骋r(16 MRayl)，該陣列換能器的信號(hào)帶寬高達(dá)110%，高于商用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)單陣元換能器(70%)。該方法因匹配層厚度減小而降低聲衰減，有利于靈敏度的提高。Li等[20]報(bào)道了一種尖錐狀超結(jié)構(gòu)材料匹配層，如圖1所示。基于1-3 復(fù)合材料均勻應(yīng)變(iso-strain)理論，該匹配層聲阻抗計(jì)算公式(8)如下：

圖1 尖錐狀超構(gòu)匹配層的制備流程和換能器的性能表征[20]Fig.1 The preparation process of the cone-shaped metamaterial matching layer and pulse-echo waveform spectra of the transducer[20]

其中，cij和c′ij表示二氧化硅和樹(shù)脂的彈性常數(shù)，ρ和ρ′為二氧化硅和樹(shù)脂的密度，n為二氧化硅體積分?jǐn)?shù)，1?n為環(huán)氧樹(shù)脂體積分?jǐn)?shù)，公式(9)表示n隨距離t沿長(zhǎng)度為L(zhǎng)的錐體的變化。

用氫氟酸刻蝕二氧化硅光纖束形成尖錐微結(jié)構(gòu)，用環(huán)氧樹(shù)脂(EPOTEK 301)填充間隙，尖錐底部直徑約100 μm，尖錐的間距為122 μm，沿著聲傳播方向聲阻抗由高到低(11.4～3 MRayl)逐漸變化。該種梯度匹配層有利于提高聲能的透過(guò)率及換能器帶寬，所制備的PZT 壓電陶瓷換能器中心頻率為4 MHz，?6 dB帶寬為107%。

Guillermic 等[21]制備了一種與水聲阻抗匹配的匹配層。將二氧化鈦粉與PDMS 按體積比混合制備匹配層。當(dāng)體積比為17.5%時(shí)，樣品在0.5～6 MHz 范圍測(cè)試，聲阻抗約為1.5 MRayl；當(dāng)加載500 kHz 的短脈沖后，其反射信號(hào)幾乎為零，表明該樣品具有較好的阻抗匹配。Huang 等[22]將聲衰減系數(shù)較小的聚氨酯(PU)作為匹配層，用于鋯鈦酸鉛陶瓷/環(huán)氧樹(shù)脂1-3 復(fù)合超聲換能器(中心頻率～300 kHz)。隨著匹配層的厚度增加(1.1～2.5 mm)，換能器的接收響應(yīng)先增大，后減小。當(dāng)匹配層的厚度為2.2 mm 的時(shí)候，接收響應(yīng)幅值最大。Guo等[23]采用高聲阻抗的(10.36 MRayl)鎂合金作為匹配層制備了3.5 MHz 的PMN-PT 單晶換能器，如圖2所示。采用該合金匹配層制備的換能器?6 dB 帶寬為67%，插入損耗為?11.4 dB，性能優(yōu)于鎢粉樹(shù)脂制備的0-3 復(fù)合材料匹配層換能器(帶寬～40%，插入損耗?13.5 dB)。

圖2 鎂合金匹配層換能器的結(jié)構(gòu)和性能表征[23]Fig.2 The structure and performance of transducer with magnesium alloy matching layer[23]

Fang 等[24]用環(huán)氧樹(shù)脂(EPOTEK 301)注入多孔陽(yáng)極氧化鋁(AAO)模板的復(fù)合材料作為第一層匹配層制備了中心頻率為12 MHz 的鋯鈦酸鉛(PZT-5A)換能器，如圖3所示?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整AAO的孔隙尺寸來(lái)改變聲阻抗以適應(yīng)不同壓電材料匹配需求。所制備換能器的性能良好，?6 dB 的帶寬為68%，插入損耗為?22.7 dB。表2列出了不同匹配層材料參數(shù)的低頻換能器性能。

表2 不同匹配層參數(shù)的低頻換能器性能Table 2 Low-frequency transducer with different matching layer

圖3 PZT-5A 換能器的結(jié)構(gòu)示意圖及性能表征[24]Fig.3 Structure diagram and performance characterization of PZT-5A transducer[24]

對(duì)于空氣耦合超聲換能器，壓電材料與空氣(425 Rayl)間聲阻抗差異巨大，根據(jù)理論計(jì)算匹配層的聲阻抗很低，多采用氣凝膠匹配層來(lái)提高換能器的靈敏度。Korres 等[25]用二氧化硅氣凝膠匹配層替換商用空氣觸覺(jué)顯示超聲換能器(中心頻率42.5 kHz)的匹配層后，聲波能量提高了2～3 dBV。然而氣凝膠脆性大存在加工難的問(wèn)題，學(xué)者們探索了新的材料與工藝用于空氣耦合換能器匹配層的制備。Ramadas 等[26]采用3D 打印(光固化成型)技術(shù)在200 kHz 的PZT 陶瓷片上印刷匹配層，制備空氣耦合換能器。將光敏樹(shù)脂和玻璃微球按1:6比例混合打印漿料。用該技術(shù)制備匹配層不僅節(jié)約原材料而且工藝簡(jiǎn)單，其性能與傳統(tǒng)工藝制備的相當(dāng)。該方法在復(fù)雜結(jié)構(gòu)換能器匹配層的制備方面具有廣泛的應(yīng)用前景。Amoroso 等[27]制備了一種用于空氣耦合換能器的納米復(fù)合材料匹配層。將高密度聚乙烯、多壁碳納米管和化學(xué)發(fā)泡劑混合，采用擠出成型工藝制備出一種較小聲衰減系數(shù)(≤16 Np/m)、較高聲阻抗(≥2.2 MRayl)的匹配層。

1.2 高頻超聲換能器(≥15 MHz)匹配層

根據(jù)1/4 波長(zhǎng)理論設(shè)計(jì)高頻(≥15 MHz)換能器的匹配層，匹配層的厚度較薄(微米級(jí))，對(duì)制造精度具有一定的要求，通常通過(guò)沉積或者旋涂的方法進(jìn)行厚度的精確控制。此外，隨著頻率升高，波長(zhǎng)逐漸接近填充粉體顆粒的大小，導(dǎo)致顆粒散射引起的衰減也增強(qiáng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高的聲能量傳輸。因此高頻換能器的匹配層多為納米級(jí)的粉體顆粒與有機(jī)物混合。Zhou 等[28]提出用納米級(jí)的氧化鋁粉和環(huán)氧樹(shù)脂(Epotek301)混合制作高頻換能器的匹配層。將粒徑為10～40 nm的氧化鋁粉按體積分?jǐn)?shù)14%～32%與環(huán)氧樹(shù)脂混合，通過(guò)旋涂法研制了聲阻抗為2.8～5.1 MRayl、聲衰減系數(shù)為15 dB/mm(測(cè)試頻率40 MHz)的匹配層。Zhang 等[29]用改性的PMN-PT 陶瓷制備中心頻率為39 MHz 的針式超聲換能器，如圖4所示。該改性PMN-PT 陶瓷具有較高的電學(xué)性能(εs=3500;d33=1200 pC/N;kt=0.55)。用銀粉(d=2～3 μm)、環(huán)氧樹(shù)脂(Insulcure9 混合Insulcast501)制得第一匹配層(Z=7.3 MRayl)，該銀粉匹配層具有導(dǎo)電性便于信號(hào)線的接出；第二匹配層(Z=2.5 MRayl) 蒸鍍聚對(duì)二甲苯(Parylene)。該針式高頻換能器的?6 dB 帶寬為80%，插入損耗為?13 dB。

圖4 PMN-PT 陶瓷針式換能器的結(jié)構(gòu)和性能表征[29]Fig.4 Design section and performance characterization of PMN-PT ceramic needle transducer[29]

Fei等[30]制備出中心頻率為104 MHz、207 MHz和275 MHz 的鈮酸鋰單晶超聲換能器。用氣相沉積的方法，將聚對(duì)二甲苯(Praylene)制成換能器的匹配層，分別測(cè)得超聲換能器的?6 dB帶寬為40.3%、44.2%、45.05%。Tiefensee等[31]用旋涂法將改性的氧化鈰(粒徑～20 nm)納米粉與環(huán)氧硅烷等有機(jī)物混合制備成聲學(xué)匹配層。通過(guò)改變氧化鈰的含量，匹配層的聲阻抗為4～7 MRayl，其聲衰減系數(shù)約為0.5 dB/μm。所制備的超高頻率(100 MHz)PZT 換能器在增加匹配層后電壓信號(hào)幅值比無(wú)匹配層時(shí)提高100%。Manh等[32]用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)制備硅/聚合物1-3 復(fù)合匹配層，如圖5所示。該1-3 復(fù)合材料的硅柱間距為16 μm，硅的體積分?jǐn)?shù)為0.17～0.28，厚度為83 μm。該方法能獲得高的聲阻抗匹配層，更適應(yīng)于高頻換能器的應(yīng)用。所制備的空氣背襯鋯鈦酸鉛(PZT)換能器(中心頻率15 MHz)?6 dB 帶寬為50%。

圖5 1-3 復(fù)合匹配層的顯微結(jié)構(gòu)和換能器的性能表征[32]Fig.5 Micrograph of the 1-3 composite matching layer and the performance of transducer[32]

Wong 等[33]用細(xì)α-氧化鋁粉(1～2 μm)和環(huán)氧樹(shù)脂(Insulcast 502)混合放入模具，通過(guò)調(diào)整施加壓力制備了系列較高阻抗的匹配層。當(dāng)施加壓力為62.4 MPa 時(shí)，匹配層聲阻抗高達(dá)9.47 MRaly，高于報(bào)道的同類(lèi)別材料。所制備的53 MHz PZT陶瓷換能器?6 dB帶寬為91%，插入損耗為?36.66 dB。Brown 等[34]采用真空沉積法制備了彈簧(聚對(duì)二甲苯(Parylene))-質(zhì)量型(銅)高頻換能器匹配層。制備了3 個(gè)中心頻率約為45 MHz 鈮酸鋰單晶換能器，用來(lái)比較不同匹配層數(shù)對(duì)換能器性能的影響。其中兩個(gè)平面型換能器的匹配層，分別為單層銅-聚對(duì)二甲苯匹配層和雙匹配層(第一層為質(zhì)量-彈簧匹配層、第二層為聚對(duì)二甲苯)，換能器的帶寬分別為46%、59%，插入損耗分別為?21.9 dB、?18.2 dB。雙層匹配層換能器性能優(yōu)于單層，且兩者都高于沒(méi)有匹配層的換能器(帶寬為28%、插入損耗為?34.1 dB)。該真空沉積方法也適合曲面換能器，第三個(gè)換能器為凹面聚焦型，帶寬提高到68%，但插入損耗降低到?37 dB。該真空沉積方法在復(fù)雜結(jié)構(gòu)高頻換能器匹配層方面具有廣泛應(yīng)用前景。表3列出了不同匹配層材料參數(shù)的高頻換能器性能。

表3 不同匹配層參數(shù)的高頻換能器性能Table 3 High-frequency transducer with different matching layer

通過(guò)匹配層設(shè)計(jì)與優(yōu)化，能有效提高超聲換能器的帶寬和靈敏度。增加匹配層的數(shù)目可以?xún)?yōu)化聲阻抗匹配，但是多層(3 層以上)匹配層的研究報(bào)道比較少，尤其是對(duì)于高頻率換能器鮮見(jiàn)，這可能是因?yàn)椋?1) 多層匹配層聲阻抗設(shè)計(jì)理論的材料聲阻抗差異較大，高聲阻抗且薄的樣品制備困難；(2) 不同材料匹配層之間的結(jié)合難度大，層間的粘結(jié)劑會(huì)影響聲傳輸。通常壓電陶瓷或單晶換能器多采用雙層匹配，低頻率換能器的第一匹配層多為環(huán)氧樹(shù)脂混合氧化鋁、氧化鋯和鎢粉等，第二層匹配層為純環(huán)氧樹(shù)脂或聚酰亞胺等低阻抗的有機(jī)物。高頻換能器匹配層對(duì)厚度精度要求很高，匹配層制備過(guò)程中的微氣孔及粉體材料在環(huán)氧中的沉降不均勻也會(huì)對(duì)性能造成較大的影響。導(dǎo)電金屬匹配層、梯度聲阻抗匹配層、阻抗差異大的彈簧-質(zhì)量型匹配層和1-3 復(fù)合型匹配層等新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為匹配層的優(yōu)化提供了一種新途徑。

2 厚度模壓電超聲換能器背襯層

為了提高超聲換能器的靈敏度和分辨率，除了在前端增加匹配層，提高聲能量透射以外，在后端設(shè)計(jì)背襯層用來(lái)吸收向后端傳播的超聲信號(hào)，減少超聲信號(hào)的反射，得到寬帶窄脈沖的信號(hào)波形，提高檢測(cè)分辨率。一般來(lái)說(shuō)背襯層需要有較高的聲衰減系數(shù)，以達(dá)到良好的吸聲效果。背襯層的聲衰減主要有兩個(gè)因素：一是填充料產(chǎn)生的散射衰減，常用金屬粉體(例如鎢、鉛和鋅)、空心微球和環(huán)氧樹(shù)脂混合制備；另一因素是背襯材料的黏滯性，可通過(guò)增加基料的柔性來(lái)提高聲衰減。

2.1 低頻超聲換能器(< 15 MHz)背襯層

State 等[35]將聚氨酯與氧化鋁粉、鎢粉混合制成超聲換能器的背襯層。該背襯層比單一粉體混合背襯層(聚氨酯與氧化鋁粉或聚氨酯與鎢粉背襯層)具有更高的聲衰減系數(shù)。在5 MHz、7 MHz 和8.5 MHz 測(cè)試條件下，聲衰減系數(shù)分別為15.42 dB/mm、28.59 dB/mm 和38.01 dB/mm。Toda 等[36]又將質(zhì)量-彈簧的理論用于換能器背襯層設(shè)計(jì)，制備了多層金屬銅膠帶(質(zhì)量)-聚合物(彈簧)背襯層。該方法能有效解決傳統(tǒng)制備方法因?yàn)榉垠w粒度差異和分布不均勻造成的波散射問(wèn)題。在頻率為3 MHz 測(cè)量，該背襯層的聲速為890 m/s，聲阻抗為4 MRayl，較高的聲衰減系數(shù)(220 dB/cm)。Takahashi 等[37]用金屬鋁板作為背襯層，直接將壓電薄膜P(VDF/TrFE) 覆蓋在鋁板上制備了壓電聚合物超聲換能器。該聚合物換能器的中心頻率6 MHz，插入損耗為?57 dB。Bae 等[38]通過(guò)在鎢粉和環(huán)氧樹(shù)脂混合物中增加周期性的圓柱形硅橡膠棒排布制備了高衰減系數(shù)的背襯。含有周期結(jié)構(gòu)硅橡膠棒的鎢粉和環(huán)氧背襯的混合物的聲衰減系數(shù)為19.29 dB/mm，高于鎢粉和環(huán)氧背襯(11.01 dB/mm)；兩者的聲阻抗相近，分別為2.91 MRayl和3.11 MRayl。Woo 等[39]將環(huán)氧樹(shù)脂和鎢粉混合物填充在導(dǎo)電石墨柱之間研制了1-3 復(fù)合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電背襯，應(yīng)用于二維面陣換能器的制備，導(dǎo)電石墨柱與換能器陣元一一對(duì)應(yīng)便于陣元信號(hào)的輸入與輸出。測(cè)得換能器的帶寬為50.7%，靈敏度為?88.2 dB。Qiu 等[40]用層層包覆的方法制備鎢粉/環(huán)氧樹(shù)脂/石墨烯/環(huán)氧樹(shù)脂(W/E/GO/E)結(jié)構(gòu)的背襯，如圖6所示。相比只混合鎢粉和環(huán)氧樹(shù)脂的背襯具有更高聲衰減。該結(jié)構(gòu)的背襯在5～12 MHz的范圍內(nèi)表現(xiàn)出最佳的聲吸收性能。在9 MHz 時(shí)，聲衰減為(36.58±0.2)dB/(cm·MHz)，厚度為2 mm 時(shí)吸聲系數(shù)(被背襯層吸收的聲能與入射聲能的比值)高達(dá)96.98%。Qiu等[41]后來(lái)采用離心法制備了石墨烯/鎢粉/環(huán)氧樹(shù)脂背襯層。首先用化學(xué)氣相沉積(Chemical vapor deposition,CVD)法制備具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯，通過(guò)離心力作用將環(huán)氧樹(shù)脂和鎢粉與石墨烯結(jié)合。該背襯層聲阻抗約為13.05 MRayl，聲衰減為110.15 dB/(cm·MHz)。在頻率為1 MHz 和3 MHz 時(shí)，吸聲系數(shù)分別達(dá)到94.4% 和100%。Cho 等[42]提出用凈成形技術(shù)制備氧化鋁/環(huán)氧的背襯材料。與其他機(jī)械加工方法相比，樣品的表面粗糙度減小了52%。因此交界面處的超聲波反射也隨之減少，獲得了更高的聲衰減性能。

圖6 W/E/GO/E 背襯制作流程[40]Fig.6 W/E/GO/E film production process[40]

藍(lán)詠等[43]提出了擠壓成型法制備背襯層。在30～45 MPa 的壓力下，用粉末壓片機(jī)將鎢粉、鋁粉、環(huán)氧樹(shù)脂(E-54)、聚硫橡膠和三乙醇胺按比例擠壓成型，制得的背襯層聲阻抗能達(dá)到23 MRayl，聲衰減系數(shù)能達(dá)到95 dB/cm@5 MHz。Amini 等[44]將多孔陶瓷(莫來(lái)石)作為背襯層，用于高溫磷酸鎵單晶超聲換能器(2.8 MHz)的制備，該換能器可在700?C～800?C 高溫范圍工作，研究了不同孔隙率對(duì)聲阻抗、衰減系數(shù)的影響。Amini 等[45?46]還提出采用氧化釔穩(wěn)定二氧化鋯多孔陶瓷作為高溫超聲換能器的背襯層以提高換能器在高溫下的耐用性。表4列出了不同背襯層的性能參數(shù)。

表4 不同背襯層的性能參數(shù)Table 4 Parameters of different backing layers

2.2 高頻超聲換能器(≥15 MHz)背襯層

高頻超聲換能器的壓電層和匹配層都比較薄，背襯層在一定程度上起到支撐的作用，且經(jīng)常采用導(dǎo)電背襯便于信號(hào)線的連接。Yang等[47]采用錳摻雜鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛- 鈦酸鉛(PIN-PMN-PT)單晶制備了高頻單陣元針式換能器，中心頻率約為48 MHz，?6 dB 帶寬約為40%。背襯層采用導(dǎo)電環(huán)氧(E-Solder3022)，其聲阻抗為5.92 MRayl。Hsu等[48]制備了中心頻率為200 MHz 的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛-鋯鈦酸鉛(PMN-PT-PZT)厚膜超高頻率超聲換能器。將導(dǎo)電環(huán)氧(E-solder3022)離心附著在壓電膜上作為換能器的背襯，聲阻抗為5.9 MRayl。制備的換能器的?6 dB 帶寬為32%和插入損耗為?65 dB。Hejazi 等[49]用基于鈦酸鉍鈉的三元體系壓電陶瓷作為壓電層，并且將鎢粉/環(huán)氧樹(shù)脂和銀粉/環(huán)氧樹(shù)脂作為超聲換能器的背襯層和匹配層。該超聲換能器的中心頻率為23 MHz，?6 dB帶寬和插入損耗分別為55%和?32 dB。Feng等[50]提出了一種微機(jī)械加工技術(shù)制備自聚焦超聲換能器，將PZT 膜沉積在曲面Parylene/RTV 的柔性背襯層上，制備了中心頻率為50 MHz 的超聲換能器，其橫向分辨率為40 μm，?6 dB 的帶寬為30%。Peng 等[51]通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical mechanical polishing,CMP)制備45 MHz 的PMNT 單晶超聲換能器，用聲阻抗為6 MRayl 的導(dǎo)電環(huán)氧(Esolder 3022) 作為背襯層，?6 dB 的帶寬為25%。Cabrera 等[52]制作了15 MHz 側(cè)面微型鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-30%PT)相控陣換能器導(dǎo)管，并且設(shè)計(jì)了兩層匹配層(環(huán)氧樹(shù)脂/銀，聚對(duì)二甲苯Parylene)和背襯層(環(huán)氧樹(shù)脂/43.2wt%增塑劑)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得超聲換能器陣列的平均中心頻率為17.7 MHz，?6 dB 帶寬為52.2%。Abellard 等[53]用電泳沉積(Electrophoretic deposition,EPD) 技術(shù)制作專(zhuān)用于醫(yī)學(xué)成像的鋯鈦酸鉛(PZT-Nb)厚膜高頻超聲換能器，并且用多孔PZT 陶瓷作為超聲換能器的背襯層。測(cè)得該換能器的中心頻率為40 MHz，?6 dB帶寬為42%、插入損耗為?31 dB。Kuscer 等[54]將模板方法、共凝聚過(guò)程和燒結(jié)相結(jié)合，制備出孔的形狀、尺寸和分布都均勻的多孔鋯鈦酸鉛(Pb(Zr0.53Ti0.47)O3)背襯，且孔隙率可控。利用該方法加工出孔隙率為20%，孔徑分別為1.5 μm和10μm 的背襯材料。在19 MHz 頻率測(cè)試條件下，聲衰減分別為12 dB/mm 和33 dB/mm。表5列出了不同背襯材料對(duì)應(yīng)的高頻換能器性能差異。高頻超聲換能器的背襯層一般聲阻抗較低，以使大部分聲能經(jīng)壓電層前表面輻射，保持高靈敏度。

表5 不同背襯材料對(duì)應(yīng)的高頻換能器性能差異Table 5 The properties of high-frequency transducer with different backing layer

高效吸聲背襯復(fù)合材料的研究將有助于提高換能器的性能。采用傳統(tǒng)混合方法制備的背襯層聲衰減特性受制于粉體的含量。二維材料石墨烯的引入改善了原有鎢粉/環(huán)氧樹(shù)脂背襯層的微結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了背襯層的聲衰減。此外，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)合3D 打印技術(shù)制備聲學(xué)超材料有望打破目前制備方法的局限性。高頻超聲換能器背襯層多采用進(jìn)口導(dǎo)電環(huán)氧(E-solder3022)，該材料價(jià)格昂貴。對(duì)于極端條件用的換能器而言，如高/低溫、輻射等環(huán)境下，環(huán)氧樹(shù)脂容易失效，多孔陶瓷作為背襯層材料得以應(yīng)用，多孔陶瓷的聲能衰減主要是通過(guò)孔隙散射來(lái)實(shí)現(xiàn)，衰減系數(shù)相對(duì)較低，聲阻抗較高，且不同的頻率對(duì)孔隙率與孔徑尺寸要求不同，尤其是對(duì)于高頻微型換能器的應(yīng)用存在一定局限性。

3 厚度模壓電超聲換能器聲透鏡

由于波束發(fā)散、介質(zhì)吸收等原因，超聲能量在傳播的過(guò)程中存在衰減，無(wú)法滿(mǎn)足某些特殊需求，聲聚焦技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。常用的聲聚焦方法有：聲透鏡[55]、凹面壓電層自聚焦[56]和相控電子聚焦等[57]。相比于其他技術(shù)，聲透鏡聚焦具有制備工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

3.1 低頻超聲換能器(< 15 MHz)聲透鏡

聲透鏡通常根據(jù)斯涅爾定律設(shè)計(jì)，將超聲波聚焦到某目標(biāo)點(diǎn)上。為了減少聲能量的損失，一般都選擇低聲衰減系數(shù)的材料作為聲透鏡。硅橡膠由于具有合適的聲速(1000 m/s)和較低的聲衰減系數(shù)(0.3 dB/(mm·MHz))，通常被選作醫(yī)用超聲換能器的聲透鏡材料。但是由于其聲阻抗(0.97 MRayl)低于人體組織的聲阻抗(1.55 MRayl)，一般都通過(guò)添加二氧化硅、氧化鋁和二氧化鈦等粉體增加其聲阻抗(>1.5 MRayl)，但也會(huì)增大聲衰減系數(shù)(高于0.9 dB/(mm·MHz))。為了提高聲透鏡的性能，學(xué)者們開(kāi)展了系列新型超結(jié)構(gòu)聲透鏡的研究。Welter等[58]設(shè)計(jì)了帶寬為75～125 kHz 的非周期性圓柱聲透鏡。在82.9 kHz 的工作頻率下，焦點(diǎn)尺寸為3.12 mm(0.75λ)，焦距為2.5 mm。Kanno 等[59]提出了兩種聲子晶體聲透鏡(中心三角形層的鎢圓柱和縱向梯度碳化鎢圓柱)，如圖7所示。

圖7 聲子晶體聲透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖以及聲場(chǎng)分布[59]Fig.7 Schematic diagram of phononic crystal acoustic lens structure and distribution of the acoustic field intensity[59]

Al Jahdali 等[60]設(shè)計(jì)了兩種由周期為d的亞波長(zhǎng)縫隙組成的聲透鏡，分別在水下和空氣中聚焦聲波。水中的聲透鏡由于縫隙蜷曲長(zhǎng)度不同，導(dǎo)致平面波通過(guò)該聲透鏡后相位延遲量不同，從而實(shí)現(xiàn)中間高兩端低的梯度折射率分布。為了實(shí)現(xiàn)聲透鏡的阻抗匹配，在縫隙里填充了異戊烷。空氣中的聲透鏡主要是在縫隙里分層填充氬氣和氙氣。通過(guò)調(diào)整氬氣和氙氣的厚度比和分布順序，從而實(shí)現(xiàn)中間高兩端低的梯度折射率分布。兩種聲透鏡的焦距為8d，并且具有較高的透射率。Lopes等[61]設(shè)計(jì)了一個(gè)直徑為8.2λ的球形聚焦聲透鏡。在1 MHz的工作頻率下，超聲波能量能獲得14.4 dB 的增益，旁瓣低于?10 dB。Xia 等[62]設(shè)計(jì)了一種同心圓環(huán)陣列的水下平面聲透鏡，聲透鏡厚度可以保持在1.25λ。將環(huán)氧樹(shù)脂同心圓環(huán)陣列夾在兩個(gè)相同硅膠圓環(huán)之間。通過(guò)改變環(huán)氧樹(shù)脂圓環(huán)和硅膠圓環(huán)的厚度比，可以實(shí)現(xiàn)0～2π 之間徑向位移。Xia 等設(shè)計(jì)的單焦點(diǎn)和雙焦點(diǎn)聲透鏡都具有較高的透射率。在0.5 MHz 的工作頻率下，測(cè)得單焦點(diǎn)聲透鏡的焦距為15 mm(6.25λ)，能量增益為7.5 dB，焦點(diǎn)的半峰全寬(Full width at half maximum,FWHM)為0.9λ，能量透射率達(dá)到83%；雙焦點(diǎn)聲透鏡焦距分別為12.1 mm(5.04λ)和38 mm(15.83λ)，能量增益為5.1 dB和5.6 dB，焦點(diǎn)的半峰全寬(FWHM)分別為0.766λ和0.883λ。Chen等[63]設(shè)計(jì)了一種深亞波長(zhǎng)同心槽陣列超表面透鏡，如圖8所示。其焦距為45 mm (3.0λ)，焦點(diǎn)尺寸為19 mm (1.27λ)，帶寬范圍為95～125 kHz。

圖8 超表面透鏡結(jié)構(gòu)示意圖及照片[63]Fig.8 Schematic diagram and photo of metaface lens[63]

Li 等[64]提出了一種可變焦距的液體聲透鏡，用于6 MHz的超聲換能器。通過(guò)改變注入液體的體積，實(shí)現(xiàn)聲透鏡的焦距變化。當(dāng)液體體積由0 增加到700 μL時(shí)，焦距由24 mm減少到13 mm。表6給出了不同規(guī)格的聲透鏡性能參數(shù)。

表6 不同規(guī)格聲透鏡性能參數(shù)Table 6 Performance parameters of acoustic lens of different specifications

3.2 高頻超聲換能器(≥15 MHz)聲透鏡

高頻超聲換能器具有較高的分辨率，但是頻率越高，聲透鏡所造成的靈敏度損失就越大。高頻聲透鏡通常選用硬度較高的藍(lán)寶石材料(聲速＞10000 m/s，聲阻抗約為40 MRayl)[4]。藍(lán)寶石聲透鏡目前多被用于高頻超聲顯微鏡，用于觀察材料的內(nèi)部缺陷和細(xì)胞、切片組織的表征。但是藍(lán)寶石透鏡存在價(jià)格昂貴、難加工等問(wèn)題，學(xué)者們?cè)谘芯克{(lán)寶石透鏡的同時(shí)，也開(kāi)展其他材料研究來(lái)制備高頻聲透鏡。

Lee 等[65]制作了200 MHz 的氧化鋅超聲換能器，匹配了焦距為0.5 mm 的藍(lán)寶石聲透鏡。Rahayu 等[66]用中心頻率為320 MHz 超聲換能器觀察小鼠乳腺腫瘤的上皮腫瘤細(xì)胞。該換能器也采用藍(lán)寶石透鏡，其半孔徑角為60°，孔徑半徑為0.25 mm。Rohrbach 等[67]用刻蝕(氫氟酸和硝酸混合液)的方法替代了傳統(tǒng)機(jī)械研磨法加工了硅基聲透鏡，制備出工作距離短、無(wú)邊緣回波和較高信噪比的500 MHz 硅聲透鏡超聲換能器，其焦點(diǎn)的直徑為3.7 μm，景深為31 μm。該聲透鏡的曲率半徑為125 μm，孔徑角為60?。Fei 等[68]用化學(xué)濕法刻蝕技術(shù)制備了硅透鏡(聲速～8430 m/s；密度～2340 kg/m3，聲阻抗～19.8 MRayl)，用于330 MHz 的氧化鋅超聲換能器，實(shí)現(xiàn)了聚苯乙烯微球(粒徑5 μm)的操控。

采用聲透鏡實(shí)現(xiàn)超聲波聚焦，能有效提高超聲治療和成像的效果，但是頻率越高，聲衰減會(huì)越嚴(yán)重。隨著增材制造和微機(jī)電系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)給聲透鏡的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供了新的思路。此外，開(kāi)展基于聲場(chǎng)反演的聲學(xué)透鏡的理論設(shè)計(jì)及研究制備工作將會(huì)有助于提高超聲換能器性能。

4 結(jié)論與展望

隨著超聲檢測(cè)需求的不斷提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)超聲換能器性能提出了更高的要求，因此研究和改進(jìn)無(wú)源聲學(xué)材料(匹配層、背襯層及聲透鏡)具有重要意義。目前無(wú)源聲學(xué)材料的主流研究思路是陶瓷、金屬粉體填充有機(jī)物制備復(fù)合材料，通過(guò)調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)及其組分來(lái)實(shí)現(xiàn)聲學(xué)性能的優(yōu)化。此外，基于增材制造(3D打印)技術(shù)和微納加工技術(shù)制備的聲學(xué)超材料以其特異的物理性能受到廣泛關(guān)注。聲學(xué)超材料的發(fā)展將為換能器無(wú)源聲學(xué)材料的優(yōu)化提供新的思路。