Page 102 - 无损检测2022年第一期

张 浩, 等:

基于 PMN-PT 单晶材料的医用超声相控阵换能器设计

配), 限制了换能器的带宽。
1 换能器的设计
1.2 匹配层设计
1.1 PMN-32%PT 单晶材料性能 匹配层技术是拓宽厚度振动换能器频带最有效
选取( 001 方向) PMN-32%PT 单晶材料进行换 的方法, 一定厚度的匹配层不但能产生多频谐振来

能器设计。设计的压电振子长 12mm , 宽 0.23mm , 拓展换能器带宽, 还能提高声传输特性。笔者采用

高0.37mm ( 见图1 ), 宽高比 <0.7 , 其阻抗曲线如 两匹配层方案( 匹配层层数越多, 带宽越大) 进行换
[ 6 ]

图 2 所 示, 谐 振 频 率 为 2.22 MHz , 反 谐 振 频 率 为 能器设计。匹配层技术的基本原理是: 在换能器的
4.28MHz , 压电振子处于完全的纵向振动模式。实 辐射表面黏接一层匹配层( 即一种具有一定声阻抗

测 PMN-PT 和 PZT 压电振子的性能如表 1 所示。 的材料层), 增加换能器自身的负载, 换能器的基频
就会降低。由于匹配层的声阻抗小于换能器敏感材
料的声阻抗, 故其第二谐振频率也会降低, 这样就形

成了靠近的谐振峰。
理论上, 匹配层厚度通常需满足λ / 4 条件 [ 7 ] , λ
需
为匹配层中的声波波长。单匹配层的声阻抗 Z m
要满足
1 / 2
( ) ( 1 )
Z m = Z P Z L
分别为压电材料和负载的声阻抗率。
式中: Z P 和Z L
图 1 PMN-32%PT 压电振子模型
两层匹配下, 各匹配层声阻抗可修正为 [ 8 ]

)
( 4 3 1 / 7 ( 2 )
Z m1 = Z P Z L

)
( 6 1 / 7 ( 3 )
Z m2 = Z P Z 1
对于 PMN-32%PT 单晶阵列换能器, 其硅橡胶

透镜的声阻抗为 1.25MRa y l , 根据上述公式计算出
分别为 7.03 , 2.30 MRa y l 。为了平衡

的 Z m1 和 Z m2
换能器的带宽和灵敏度, 应选择合适的背衬层阻抗。
配制的各匹配层参数如表 2 所示。
表 2 配制的匹配层参数
图 2 PMN-32%PT 压电振子阻抗曲线

声阻抗 / 纵波声速 / 衰减( 3 MHz下)/
表 1 实测 PMN-PT 和 PZT 压电振子的性能参数 匹配层
-1
MRa y l ( m · s ) ( dB · mm -1 )
材料 第一层匹配层
参数 6.90 2940 0.8

PMN-32%PT PZT-5H 第二层匹配层 2.16 2080 0.6

-3 )
密度 /( k g · m 8100 7500
1.3 换能器的测试分析
机电耦合系数k 33 0.88 0.64

-1 医用超声相控阵换能器是由压电陶瓷、 声学匹
/(
压电常数 d 33 p C · N ) 1620 800

-2 -1
/( ×10 Vm · N ) 2.615 1.45 配层、 声透镜、 背衬、 柔性电路板、 低电容同轴电缆和
压电常数 g 33

自由介电常数 5352 5270 调谐电感等部分组成。医用相控阵单晶换能器外观

介电损耗 0.007 0.016
如图 3 所示。
声阻抗 / MRa y l 25.7 31.7
从基本性能来看, PMN-32%PT 单晶的压电常
数与机电耦合系数都明显高于 PZT 系列陶瓷的, 其

-1 和
分 别 高 达 1620p C · N
压电 常 数 d 33 和 k 33
0.88 , 可进一步提高超声换能器的带宽 和灵 敏 度。
PZT 系压电陶瓷的声阻抗为 35 MRa y l , 而 水负载

声阻抗只有1.5MRa y l , 阻抗相差很大, 难以进行匹

配层设 计 ( 低 声 阻 抗 压 电 材 料 更 容 易 进 行 阻 抗 匹 图 3 医用相控阵单晶换能器外观
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2022 年 第 44 卷 第 1 期

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