超聲換能器環(huán)氧樹脂-氧化鋁匹配層研究

張 劍，呂加兵，朱鑫樂，崔崤峣，李章劍

(1.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇蘇州 215163；2.長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，吉林長春 130021)

0 引言

在醫(yī)學(xué)超聲成像系統(tǒng)中，超聲換能器的性能直接決定了圖像的分辨率和成像質(zhì)量[1-4]。對于常規(guī)壓電超聲換能器，其壓電晶片的聲阻抗值和人體的阻抗有著較大差距，后端的壓電材料(Z≈3.5×107 Pa·s·m-1)與前端負(fù)載(一般為人體組織，Z≈1.55×106 Pa·s·m-1)不能進行較為理想的聲阻抗匹配，從而大大降低了換能器的使用效率[5-6]。因此，尋找合適的匹配層材料是換能器設(shè)計中的關(guān)鍵。

ZHOU等提出了一種制備氧化鋁/環(huán)氧納米復(fù)合材料的自旋涂覆方法，可作為40 MHz高頻超聲換能器的四分之一波長(λ)匹配層，當(dāng)氧化鋁的體積分?jǐn)?shù)從14%增加到32%時，納米復(fù)合材料的聲阻抗可由 2.8 MRayl(1 MRayl=106Pa·s·m-3)提高到5.1 MRayl[7]。WANG等針對25～65 MHz頻率范圍內(nèi)，對環(huán)氧樹脂-氧化鋁和環(huán)氧樹脂-鎢進行了聲學(xué)特性測試，發(fā)現(xiàn)了較高的密度與較大的聲速相對應(yīng)，可以用于設(shè)計高頻超聲換能器[8]。同時在匹配層的厚度方面，Desilets等基于一系列傳輸線理論模型，提出了一種高帶寬壓電換能器設(shè)計方法即四分之一波長匹配技術(shù)，并通過理論和實驗證明了該技術(shù)[9]。ZHONG等結(jié)合壓電復(fù)合材料和四分之一波長匹配層技術(shù)，通過數(shù)值計算分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)匹配層的厚度為四分之一波長時，換能器可以獲得較大的帶寬[10]。CHEN等建立了壓電換能器有損傳輸線的數(shù)學(xué)模型，利用PSPICE軟件計算出了適合于換能器匹配層的最佳厚度，還得出0.5λ匹配層換能器的性能不如具有0.2λ或0.3λ匹配層的換能器[11]。以上研究證明環(huán)氧復(fù)合材料可以有效提升換能器的性能，但將在高頻應(yīng)用中依然缺少足夠的數(shù)據(jù)支持。

本文通過比較微米級環(huán)氧樹脂-氧化鋁的不同組份材料的聲學(xué)特性，并通過脈沖-回波方法比較其對于換能器的性能影響，得到其最佳組份比例和最佳厚度。最終實現(xiàn)一種基于環(huán)氧樹脂-氧化鋁的換能器匹配層材料。

1 研究方法

1.1 匹配層制備方法

實驗中所用到的氧化鋁粉末為粒徑是1 μm的不規(guī)則球形，環(huán)氧樹脂為301-2，采用澆鑄的方法制備氧化鋁環(huán)氧樹脂匹配層。試驗中制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)氧化鋁粉末的匹配層，氧化鋁粉末所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%。樣品的制備過程如下：

在抽去氣泡的環(huán)氧樹脂基體中加入相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氧化鋁粉末，用玻璃攪拌棒和研磨錘攪拌均勻，直到形成細膩的白色混合物為止，最后放到真空箱內(nèi)除去混合物中的氣泡；將去除氣泡的混合物倒入模具當(dāng)中抽去澆鑄過程中產(chǎn)生的氣泡，去除氣泡后放入恒溫烤箱中固化；最后用砂紙?zhí)幚砉袒尚偷臉悠繁砻媸蛊浜穸染鶆颉?/p>

利用上述匹配層的制備方法制作了不同組份的匹配層樣品，樣品為厚3 mm、半徑為10 mm的圓柱形。用物理方法對樣品的密度進行了計算，再利用時差法對樣品的聲學(xué)特性進行測試。

1.2 聲學(xué)特性測試方法

本實驗使用“時差法”進行材料聲速的測定[12]。時差法測試聲速的基本原理是基于速度(V)=距離(S)/時間(T)，通過在已知的距離內(nèi)測量聲波傳播的時間計算聲波的傳播速度。具體到本實驗，則是由DPR500脈沖發(fā)生器定時向換能器發(fā)出脈沖激勵，換能器發(fā)出聲波脈沖，聲波遇到樣品表面部分聲波反射回來并被換能器接收，其余聲波繼續(xù)向前傳播，經(jīng)過第二個界面時再次發(fā)生聲波的反射，接收到的信號經(jīng)放大、濾波后計算出兩個回波信號的時間差Δt1，從而得到聲波在待測材料中的傳播時間，測量其厚度d(即傳播距離)即可得到材料的聲速c。計算公式為

實驗設(shè)置如圖1所示。

圖1 時差法測量材料聲速原理示意圖Fig.1 Principle diagram of time difference method for measuring material sound velocity

同時，為了降低其他回波的干擾，比如回波在換能器界面處的反射波，換能器與待測樣品之間應(yīng)該保持一定的距離，避免回波范圍內(nèi)出現(xiàn)其他無關(guān)的回波。在得到聲速的數(shù)據(jù)后，聲速與材料的密度相乘即是材料的聲阻抗。

為了減小測試實驗中的誤差，樣品厚度選擇多次測量取其平均值，回波測試中一般選擇樣品上的三個點作為實驗數(shù)據(jù)的采集。

1.3 聲衰減系數(shù)的測量

聲波在介質(zhì)中傳播時，其強度隨傳播距離的增加而逐漸減弱，由聲散射和聲吸收造成的聲衰減一般服從指數(shù)分布[13]。本實驗基于此前提進行聲衰減系數(shù)的測量，即聲波在介質(zhì)中傳輸距離x后，聲波強度由y0衰減為y，聲波強度分別為兩個回波信號的幅值，此時有：

式中：α為介質(zhì)中的衰減系數(shù)。

兩邊取對數(shù)：

回波信號為時域信號，x=ct，則有：

將Np·m-1轉(zhuǎn)換為dB·m-1，最終的衰減系數(shù)方程為

在測試樣品的聲速之前，需要對樣品的厚度進行測量，從而可以計算出不同組份氧化鋁粉末匹配層樣品的密度。利用時差法對厚度為3 mm、半徑為10 mm的匹配層樣品進行了聲速的測試，在實驗中利用12 MHz的超聲換能器進行信號的發(fā)射和接收，最后通過聲速的結(jié)果計算出了樣品聲阻抗和聲衰減的值。

1.4 換能器的研制與性能測試方法

1.4.1 換能器的研制

在本試驗中為了減少其他因素對換能器的影響，只對壓電陶瓷進行匹配層的粘接和背襯的澆鑄以及引線的粘接工作。制作了無匹配層、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、30%和60%匹配層的換能器進行對比分析。

根據(jù)四分之一波長匹配層理論[14-15]，要將制作好的匹配層樣品研磨到要求的厚度。通過計算質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、30%及60%組份匹配層樣品的厚度分別為：53，55和60 μm。經(jīng)過匹配層的粘接、背襯的澆鑄、陣元的切割以及引線的粘接工作就完成了整個換能器的研制過程。換能器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 能器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of transducer structure

1.4.2 換能器性能測試方法

對制作完成的換能器進行回波測試，換能器回波測試裝置如圖3所示。通過對回波測試的結(jié)果進行頻域和時域分析，得到了換能器的峰值、帶寬以及波形狀況等參數(shù)。

圖3 換能器回波測試裝置Fig.3 Echo testing device of transducer

測試過程中將制作完成的超聲換能器固定在位置調(diào)節(jié)裝置上并插入到水中，通過電腦主機控制DPR500發(fā)射脈沖使換能器發(fā)射超聲信號，超聲信號打在水槽邊緣的亞克力板(聲阻抗為3.26 MRayl)上，換能器接收從亞克力板上反射回來的超聲信號，DPR500將接收到的信號傳輸?shù)绞静ㄆ魃稀Ｍㄟ^位置調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)超聲信號為最佳狀態(tài)(幅值最大)。將示波器上的數(shù)據(jù)記錄下來，對信號進行時域和頻域分析從而到了超聲換能器的性能參數(shù)。

2 基于氧化鋁-環(huán)氧樹脂匹配層換能器的實驗結(jié)果

2.1 匹配層樣品測試結(jié)果

本文以氧化鋁粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo)，對樣品的密度、聲速、聲阻抗及聲衰減的數(shù)據(jù)進行了匯總。利用時差法測量的樣品厚度、回波時差和聲速如表1所示。

表1 匹配層樣品參數(shù)Table 1 Sample parameters of matching layer

匹配層樣品的密度隨著氧化鋁粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，并且與質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系如圖4所示，從質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的1 200 kg·m-3一直增加到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的1 975 kg·m-3。在復(fù)合材料中環(huán)氧樹脂的密度小于氧化鋁粉末的密度，隨著氧化鋁粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，樣品的密度也隨之增加。在圖5中，復(fù)合材料的聲速隨著氧化鋁粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，從質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的(2 595±11)m·s-1一直增加到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的(2 925±20)m·s-1，同時可以看出復(fù)合材料的聲速變化范圍不大，在不同組份范圍的增長速度也有差異。

圖4 樣品密度隨氧化鋁粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.4 The change curve of sample density with the mass fraction of alumina powder

圖5 樣品聲速隨氧化鋁粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.5 The change curve of sample sound speed with the mass fraction of alumina powder

從圖6中可以看出樣品的聲阻抗隨著氧化鋁粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，從質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的3.110 MRayl一直增加到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的5.898 MRayl，而聲阻抗受密度和聲速的影響，從圖5和中可以看出聲速的整體變化范圍小于樣品密度的變化范圍，樣品聲阻抗和密度的變化趨勢比較接近，可以推出樣品的聲阻抗主要受樣品密度的影響，尤其是當(dāng)氧化鋁粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時，盡管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%和60%組份的樣品聲速相差不大，但聲阻抗的增速相比于其他組份的增速基本相同。

圖6 樣品聲阻抗隨氧化鋁粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.6 The change curve of sample acoustic impedance with the mass fraction of alumina powder

匹配層聲衰減的變化相對于樣品的其他聲學(xué)參數(shù)，缺乏明顯的規(guī)律性，在結(jié)果中把各個樣品的衰減數(shù)據(jù)進行了曲線擬合得到樣品聲衰減隨氧化鋁粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線，如圖7所示，擬合結(jié)果為：y=-5.966 43·10-4-4x2+0.060 22x+2.590 12。從衰減的數(shù)值上看，40%樣品的聲衰減為最大，達到了4.214dB·mm-1，經(jīng)過計算該匹配層的厚度為(57±5)μm，聲衰減為0.24 dB，此衰減值對于聲波的衰減能力非常小，滿足我們對于匹配層低衰減的要求，所以盡管樣品聲衰減的變化規(guī)律性不強，但其數(shù)值都在可以的接受范圍之內(nèi)。相對于匹配層來說，在聲學(xué)參數(shù)上更加注重材料聲阻抗值的大小，通過阻抗匹配初步計算，匹配層阻抗值選擇在7 MRayl左右，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%組份樣品的阻抗值已經(jīng)非常接近理論數(shù)值。同時為了方便對比，選擇了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、30%和60%三種組份的匹配層樣品用來作為換能器的匹配層試驗。

圖7 樣品聲衰減隨氧化鋁粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.7 The change curve of sample sound attenuation with the mass fraction of alumina powder

2.2 換能器回波測試結(jié)果

不同匹配層換能器的性能參數(shù)如表2所示換能器的回波測試結(jié)果如圖8所示。通過對換能器回波信號的時域和頻域分析，計算出無匹配層、質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、30%和60%的Al2O3匹配層換能器信號的峰峰值分別為558、1 168、1 168、1 136 mV。由此說明粘接了匹配層可以有效地增加換能器回波信號的幅值，信號幅值的提高可以進一步提高換能器的探測深度。雖然不同組份氧化鋁粉末匹配層的聲阻抗不同，但其對于信號幅值的提升效果幾乎相同。對回波信號進行傅里葉變換并歸一化處理后得到了換能器回波的頻域圖，從頻域圖的結(jié)果看出，隨著氧化鋁粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，換能器的帶寬顯著增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的Al2O3匹配層換能器的-6 dB相對帶寬相對于沒有粘接匹配層的換能器從24%提升到了50%，并且相比于其他兩種匹配層來說帶寬的提升效果也是最好的。這是因為隨著匹配層聲阻抗的提高，使得壓電材料和外部介質(zhì)(水)實現(xiàn)了更好的匹配效果，進而提高了換能器的帶寬。在大多數(shù)的應(yīng)用中，通常選用帶寬較高的換能器，高的帶寬可以實現(xiàn)更好的軸向分辨率，因為回波長度決定了超聲系統(tǒng)的軸向分辨率。

圖8 相應(yīng)于表2的換能器接收回波的波形及其頻譜圖Fig.8 Echo waveforms and frequency spectrums received by the transducer without or with the matching layers shown in Table 2

表2 換能器無或有不同匹配層的特性參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of the transducer without or with different matching layers

2.3 匹配層厚度優(yōu)化

根據(jù)2.2節(jié)中各種匹配層的測試結(jié)果，綜合比較質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的Al2O3粉末的匹配層換能器的各項數(shù)據(jù)相對于其他匹配層的換能器更優(yōu)。但從圖8(d)中可以看出，該換能器的回波頻域圖存在一定的拖尾現(xiàn)象，從匹配層的制備角度出發(fā)，可能由于匹配層在厚度上存在±5 μm的制作誤差以及匹配層和壓電陶瓷間的膠水導(dǎo)致匹配層與換能器存在厚度不匹配的因素[16]。為了證明上述觀點，在下面的實驗中制備了不同厚度的匹配層樣品(氧化鋁粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍為60%)，從研磨的樣品中選取了四組表面質(zhì)量較好的匹配層，其厚度分別為(40±4)μm、(48±2)μm、(52±2)μm、(71±2)μm并制作了四組不同厚度匹配層的換能器，來觀察匹配層厚度對換能器性能的影響。

對換能器的回波信號進行測量和分析，得到了圖9和表3的換能器的各項參數(shù)。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)圖9(a)、圖9(b)和圖9(c)三組的時域圖形的波形拖尾有了一定的改善，峰峰值與圖8(d)的峰峰值略有下降但相差不大，同時圖9(c)的頻域圖形相對于圖9(a)、圖9(b)兩組波形頂端更加平緩，頻域信號更好。圖9(d)中的匹配層厚度更厚，從而導(dǎo)致其信號波形并沒有明顯的改善。由此可以得知相對于60%組份氧化鋁粉末的匹配層來說厚度在略小于四分之一波長厚度時的換能器具有較優(yōu)的性能。

表3 不同厚度匹配層換能器的特性參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of the transducer with the matching layers of different thicknesses

圖9 粘接不同厚度匹配層換能器回波時域頻域圖Fig.9 Echo waveforms and frequency spectrums received by the transducers with the matching layers of different thicknesses shown in Table 3

3 結(jié)論

本文通過改變環(huán)氧樹脂-氧化鋁復(fù)合材料中氧化鋁粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來研究其物理和聲學(xué)特性，通過分析選取幾組不同組份的匹配層，制作相應(yīng)的頻率為12 MHz的單匹配層超聲換能器，研究匹配層性能對換能器特性的影響。結(jié)果表明：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%、厚度為1 μm氧化鋁-環(huán)氧樹脂的聲阻抗達到最大為5.898 MRayl，利用該組份匹配層的換能器脈沖幅值提高到1 136 mV，-6 dB帶寬提高到49.679%，相比于其他組份匹配層的換能器，該組份換能器性能達到了最優(yōu)。與此同時，本文針對換能器四分之一波長厚度不匹配的問題，通過幾組不同厚度的匹配層換能器實驗，結(jié)果說明略小于四分之一波長厚度的匹配層改善了波形拖尾的問題，這是由于匹配層和壓電材料之間的膠水在一定程度上增加了匹配層的厚度。通過以上實驗結(jié)果證明：環(huán)氧樹脂-1 μm氧化鋁粉末復(fù)合材料可以作為超聲換能器匹配層的材料并可以有效提升換能器的性能，有望應(yīng)用于更高頻超聲換能器的匹配層材料研究。