自聚焦PVDF超声换能器制作与研究
HIFU技术中聚焦超声换能器的研究
图２
的 声场 特 性 ，研 究 分 析 了多 环 组 合 和 多 环 相 控 时 的 聚 焦 情 况 。 研 究表 明 ，较 小 肿 瘤 治 疗 时 选 用 单 个 窄环 ， 对 于 大 范 围治 疗 区域 可 通 过 多 环 组 合 实 现 多 点 加 热 治 疗 。 这 种 换 能 器 设 计 可 以充分将 自聚焦和相控 聚焦结合起来 ，适 于高温使用 ，结构 简单 ，是 高强度超声加热 治疗 的理想 声源 。 （ ）凹 球 面 状 环 形 阵 列 换 能 器 。由于 球 缺 架 构 的 自聚 焦 ２ 换 能器 具有 良好 的耐 高温及 聚焦性能等优 点，因此近年来人 们主要研 究这一类架构 的相 控 问题 。将 凹球面 压电陶瓷片分 割 成 许 多 独 立 的 环 ，调 整 各 环 所 加 电激 励 信 号 ， 使 得 在 声 场 中某 点 的声 压 同相 以实 现 超 声 聚 焦 。 钱盛友 等人对热疗用 凹球 面状环形超 声聚焦 换能器的研
织上 ，经过细胞与超声 的相 互作用 ，在病灶 组织 内产生不可 逆 转 的 凝 固 性 坏 死 ，从 而 达 到 治 疗 目 的 。 该技 术 以其 无 创 、 无害、安全、有效等优势得 到了 国内外许 多学者、医生及广
大 患者 的重 视 和 关 注 。目前 ， Ｉ Ｕ技 术 已在 泌 尿 学 、肿瘤 学 、 ＨＦ 神 经 外 科 、妇 科 、眼 科 等 医 学 领 域 中被 广 泛 应 用 和 推 广 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
【 关键词】高强度 聚焦超 声 ；换 能器 ；研 究
【 中图分类号】Ｒ１７３ ９． ９ 【 文献标 识码 】Ａ 【 文章编号】１０ — １ １ Ｏ Ｏ１一 ０ １ ０ ０ ８ １ ５ （ Ｌ）Ｏ ０ ５— ２ ２ 这三种超声换 能器都能在一 定条 件下实现超声能量 的聚 焦。凹球面 自聚焦 是主动式声聚焦 ，声透镜聚焦是辅助式 的 声 聚 焦 ，而 反 射 式 聚 焦 则 是 被 动 式 的 。 近 年 来 ，研 究 人 员 将 多 个 小 压 电陶 瓷 片镶 嵌 在 一 起 ，通 过 电 子 调 相 ，将 电子 聚 焦 与 声 学 聚 焦 结 合 在 一起 实 现 超 声 聚 焦 ，此 类 聚 焦 称 为 电子 相 控聚焦 。 在 高强度超声技术 中多采用 凹球面 自聚焦、声透镜聚焦 和 电子相控阵等方式 聚焦。凹球面 自聚焦 换能器的优点是可 以根据 病灶的不 同深度 进行调整 ，工作 时一般 采用机械扫描 方 式 ， 是 一 种 简 单 而 常 被采 用 的 聚 焦 换 能 器 。 声 透 镜 聚 焦 系 统 可 根据 临 床 需 求 实现 焦 距 的 变 化 ，在 声 源 尺 寸 要 求 较 小 和 浅表 性病 灶 情 况 下 具 有 优 势 。相 控 阵 聚 焦 换 能 器 是 通 过 电子 调相 ，利 用超声波换 能器 阵列探头来实现超 声聚焦，优点是 不需要机械移动 、扫描速 度快 、 ，精 确度 高，而且可 以根据肿 瘤 的大 小 和 位 置 来 设 定 聚 焦 方 式 ，在 临床 治疗 中 有 很 强 的 实 用 价 值 ； 缺 点 是 电子 控 制 线 路 庞 大 而 复 杂 ，在 一 定 程 度 上 限 制 了其发展与应用 。
超声波换能器的原理及应用
超声波换能器的原理及应用1. 引言超声波换能器是一种将电能转换为超声波能量的装置，广泛应用于医学、工业和科学领域。
本文将介绍超声波换能器的原理以及其在不同领域的应用。
2. 超声波换能器的原理超声波换能器基于压电效应工作，通过压电陶瓷材料的电能-机械能转换来产生超声波。
其工作原理如下：•步骤1：输入电压。
将交流电压输入到超声波换能器的电极上。
•步骤2：电能转换。
电压变化引起陶瓷材料的变形，从而产生机械能。
•步骤3：超声波产生。
机械能作用于震动体，使其振动，并传递给工作介质，从而产生超声波。
超声波换能器的原理可以通过以下优点总结： - 高效率：能够将电能转换为超声波能量的效率高达90%以上。
- 宽频带：能够产生多种频率的超声波，适用于不同的应用需求。
- 快速响应：超声波换能器的响应速度非常快，可以快速启动和停止。
3. 超声波换能器的应用超声波换能器在医学、工业和科学领域有广泛的应用。
3.1 医学应用在医学领域，超声波换能器被广泛应用于以下几个方面：•超声成像：超声波换能器可以发送超声波到人体内部，通过接收回波信号来生成人体组织的影像，用于诊断疾病和监测器官功能。
•超声治疗：超声波换能器的超声波能量可以被利用来破坏肿瘤细胞、促进伤口愈合和缓解疼痛等治疗应用。
•超声检测：超声波换能器可以检测血流速度、血管狭窄和心脏功能等生理参数，用于临床诊断和疾病监测。
3.2 工业应用在工业领域，超声波换能器被广泛应用于以下几个方面：•清洗和清理：超声波换能器产生的超声波可以在液体中形成微小气泡，通过气泡的爆破来清洗和清理物体表面，如清洗零件和去除污垢。
•切割和焊接：超声波换能器可以产生高频振动，通过振动能量来切割、焊接和铆接材料，适用于精密加工和组装。
•化学反应：超声波换能器可以加速化学反应速率，提高反应效率，广泛应用于催化反应和合成化学。
3.3 科学研究应用在科学研究领域，超声波换能器被广泛应用于以下几个方面：•材料分析：超声波换能器可以通过测量材料中的超声波传播速度和衰减程度来分析材料的物理性质和结构。
PVDF技术参数
聚偏氟乙烯（PVDF）压电膜是本世纪70年代在日本问世的一种新型高分子压电材料。
到目前为止，世界上只有少数先进国家生产。
锦州科信电子材料有限公司以清华大学为技术依托，成功地实现了PVDF压电膜国产化批量生产。
它具有独特的介电效应、压电效应、热电效应。
与传统的压电材料相比具有频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高、声阻抗易匹配等特点，并具有重量轻、柔软不脆、耐冲击、不易受水和化学药品的污染、易制成任意形状及面积不等的片或管等优势。
在力学、声学、光学、电子、测量、红外、安全报警、医疗保健、军事、交通、信息工程、办公自动化、海洋开发、地质勘探等技术领域应用十分广泛。
产品主要有金、银、铝三个品种，膜厚30—500μm，产品形状、面积大小，可根据用户需要确定，是制作改进压力动态传感器和超声、智能探测的新型换能材料。
性能及特点：PVDF压电膜具有较高的化学稳定性、低吸湿性、高热稳定性、高抗紫外线辐射能力、高耐冲击、耐疲劳能力，其化学稳定性比陶瓷高10倍，在80℃以下可长期使用。
PVDF压电膜质地柔软、重量轻，与水的声阻抗相近，匹配状态好，应用灵敏度高；PVDF压电膜在厚度方向的伸缩振动的谐频率很高，可以得到较宽的平坦响应，频响宽度远优于普通压电陶瓷换能器；电容值高，可以采用低淙胱杩沟囊瞧髯鞯推到邮铡?SPAN lang=EN-US>PVDF压电膜优点如下：(1) 良好的工艺性。
可用现有设备进行加工；(2) 能制作大面积的敏感元件；(3) 频带响应宽(0～500MHz)；(4) 声阻抗接近于人体组织和水，所以可用于医疗诊断的敏感装置结构中；(5) 具有高冲击强度(可使用于冲击波的传感器中)；(6) 耐腐蚀性(在活性介质中使用时这种性能是必需的)；(7) 相对介电常数较低；相应较高的压电常数值d33(约比其它压电材料高一个数量级以上)和热信号灵敏度(p/ε)值；(8) 与压电陶瓷相比有更低的导热性；并能制得更薄的薄膜；(9) 柔软坚韧(PVDF的柔顺系数约为PzT的30倍,并且轻(比重只有PzT的1/4左右)；能制成所需的各种较复杂的形状(锥形、穹顶形等)，可使用在需要具有特殊定向的元件中。
第二部分超声换能器ppt课件
– 处在工作状态下的压电体，其力学边界条件 可以有机械自由与机械夹紧两种情况，而电 学边界条件则有电学短路和电学开路两种情 况，根据不同的边界条件，选择不同的自变 量与因变量，介电损耗
电介质晶体突然受到电场作用时，极化强度并 不是一下子就达到最终值，即极化是一种弛豫 现象（极化弛豫）。
如果介质受交变电场作用，而交变频率又比较 高，就会使极化追随不及时而发生滞后，从而 引起了所谓的介质损耗，并使动态介电常数与 静态介电常数发生差异。
– 供给电介质的能量有一部分消耗在强迫固有电矩的 转动上并转变为热能而被消耗掉，
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
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压电效应
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
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压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。
材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从 而存在电场。
在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被相 互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质
聚焦超声波换能器内部结构
聚焦超声波换能器的内部结构包括压电材料、电极、背腔、声阻抗匹配层、声透镜和外壳等。
压电材料是超声波换能器的核心部件，具有压电效应，可以在施加电场或机械应力时产生电荷分离，进而产生声波。
电极与压电材料紧密连接，负责施加电场以激励压电材料，并收集压电材料产生的电荷。
背腔位于压电材料的背面，可以增加压电材料的振动效率和功率输出，同时还可以改善超声波换能器的频率响应和谐波抑制能力。
声阻抗匹配层位于压电材料和介质之间，目的是提高能量传输效率。
声透镜可以使超声波束在轴线上形成聚焦，提高超声成像系统的空间分辨率。
外壳则起到保护、封装和固定内部结构的作用，提高超声波换能器的稳定性和可靠性。
超声波换能器原理
超声波换能器原理
超声波换能器是一种将电能转换成机械能的装置，主要用于产生超声波或探测物体。
其原理基于压电效应，即某些晶体在受到外界电场时，会发生形变，从而产生声波。
具体来说，超声波换能器由一个压电陶瓷晶体和两个金属电极组成。
当电极上施加电压时，晶体会发生振动，产生超声波。
反过来，当超声波作用在晶体上时，晶体也会产生电信号，成为超声波的探测器。
超声波换能器的特点包括频率高、能量密度大、直线传播性好等。
它可以应用于医学、工业、军事等领域。
在医学上，超声波换能器常用于超声波检查、诊断和治疗。
在工业上，超声波换能器可以用于清洗、焊接、切割等处理。
在军事上，超声波换能器可以用于探测、破坏等用途。
随着科技的不断发展，超声波换能器的应用也越来越广泛。
未来，随着技术的不断革新，超声波换能器将发挥更大的作用，为人类带来更大的便利。
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自聚焦PVDF超声换能器制作与研究
针对目前常用的压电陶瓷换能器加工难度大、制作周期长、成本高等问题，文章设计制作了一种基于PVDF压电薄膜的自聚焦超声换能器，充分利用PVDF 薄膜成本低、易加工、耐腐蚀等优点。
文章进行的声场测试表明，制得的自聚焦PVDF超声换能器尺寸达到了7mm，中心频率为5MHz，纵向分辨率为0.38mm，横向分辨率为1mm，和模拟值相符。
相比于常用的压电陶瓷换能器，文章极大程度上降低了制作成本，并有改造成内窥用超声换能器的潜力。
标签：光声成像；超声换能器；PVDF；自聚焦
1 概述
光声成像技术是一种新型的无损成像技术，结合了普通光学成像和超声成像的优点，具有穿透深度大、成像分辨率高、安全无损等众多优点，在血管生物学[1]、肿瘤学[2]等方面已经得到了广泛的应用。
光声成像技术的主要原理是目标物体接受短脉冲激光照射迅速吸收激光照射产生的能量，之后产生热能而振动对外发出超声信号，光声成像的结果实际反映的是目标物体各位置的光吸收系数，光声成像技术所产生的超声信号可以用超声换能器来接收。
压电原理是超声换能器设计制作中常用的原理，压电原理指的对某种材料施加电场会引起材料本身的形变，而材料本身如果发生形变又会使材料产生电场，这种材料就叫做压电材料。
PVDF压电薄膜是压电换能器制作中常用的压电材料，已经被广泛应用在生物医学检测中，虽然PVDF压电薄膜的中心频率通常不如另外一种常用的压电材料-压电陶瓷，但PVDF压电薄膜的加工难度与加工成本远低于压电陶瓷，其本身易弯曲的特性也使它能适用于多种形状的压电换能器，而且其本身的声阻抗值和人体组织更加匹配，所以本文选择适用PVDF压电薄膜来作为压电材料。
聚焦超声换能器又是超声换能器的一大重要分支，实现聚焦的方式主要有主动式聚焦、被动式聚焦和相控阵聚焦。
主动式聚焦是指通过改变换能器本身形状来实现聚焦，一般是将换能器的压电单元制成球面或柱面；被动式聚焦主要实现方式是使用一些辅助手段聚集超声能量来实现聚焦，目前国内外的主要手段是在换能器前部添加一个声透镜；相控阵聚焦是指通过电子控制排列超声换能器阵列来实现聚焦，它可以调节换能器的焦距、焦斑大小等。
本文所设计的自聚焦超声换能器属于主动聚焦的方法，根据PVDF薄膜本身有易弯曲的特性，将PVDF 薄膜彎曲成球面从而实现聚焦。
本文将充分利用PVDF薄膜易弯曲、声阻抗低、耐腐蚀、成本低等一系列优点，尝试以PVDF薄膜为压电材料、以自聚焦为聚焦方式的超声换能器制作，对制得的自聚焦PVDF超声换能器进行声场测试，并将实验数据与仿真数据进行对比，验证其各性能指标是否达到预期值。
本文所设计的自聚焦超声换能器主要包括三个单元，分别为压电单元、背衬单元以及屏蔽单元。
2 换能器制作
本文采用52μm的PVDF压电薄膜，其电极材料为银，首先将PVDF压电薄膜剪成一个半径为3mm的圆，在圆的一侧留有一个长约5mm的长条，留作连接正极用；之后使用丙酮将PVDF压电薄膜边缘的电极擦去，再将PVDF压电薄膜的长条部分负极的电极全部擦去；下一步将PVDF压电薄膜的圆形部分的正极贴在3D打印的树脂支撑件的凹面上，用相应曲率的亚克力圆球将PVDF压电薄膜压紧在支撑件上；然后通过导电银胶将屏蔽线正极固定在PVDF压电薄膜长条部分的正极，待银胶完全凝固后（约24小时）将PVDF压电薄膜与支撑件整体装入屏蔽铜壳；最后一步使用导电银胶将屏蔽铜壳与PVDF薄膜负极联通、屏蔽铜壳与屏蔽线负极联通，之后在屏蔽铜壳后端灌入环氧树脂胶即完成所有步骤，自聚焦PVDF换能器结构示意图与其实物图如图1所示。
制得的自聚焦PVDF超声换能器外径为7mm，PVDF压电薄膜半径为3mm，曲率半径为16mm，接下来将对超声换能器进行声场测试。
3 声场测试
本文将利用光声扫描系统对制得的自聚焦PVDF超声换能器进行声场测试，实验装置如图2所示，Q-Swiched Nd：YAG激光器发出频率为10MHz、波长为532nm、光强为320V的脉冲激光，激光记过光反射镜反射后照射在头发上，头发埋在琼脂仿体中，仿体中混入了脂肪粉和墨汁，散射和吸收系数分别为1mm-1、0.07mm-1[3]，换能器由步进电机带动可以进行二维扫描，步进电机通过步进电机控制器最终由pc控制。
以垂直换能器轴线以及头发的方向为X轴，以平行换能器轴线的方向为Y轴，X轴方向扫描步长为0.1mm，扫描范围8mm，Z轴方向扫描步长为1mm，扫描范围8mm。
对每一个X轴方向的扫描结果进行图像重建，将图像重建结果拼接在同一幅图中，成像结果如图3（a）所示，可以看到，从Z轴13mm处开始，X方向的半高宽尺寸逐渐减小，到Z轴16mm附近时达到最小，之后又逐渐增大，说明本文所制得的自聚焦PVDF超声换能器焦距约为16mm。
確定焦点位置后，提取焦点处信号数据进行傅里叶变换可得图3（b），可以看到换能器中心频率约为5MHz；图3（c）实线为焦点处的原始信号，虚线为希尔伯特变换后的包络曲线，可以算出换能器纵向分辨率约为0.38mm；图3（d）中星号为声场测试中得到的实验值，实线为同样参数下的模拟值，可以看到实验值与模拟值非常接近，算得的横向分辨率约为1mm。
4 结束语
相对于现有的自聚焦换能器多数采用压电陶瓷或其它复合压电材料，本文采用的PVDF压电薄膜在很大程度上节约了成本，实验结果也证明了PVDF压电薄膜制得的换能器性能指标符合预期值。
本文所制得的超声换能器外径仅有
7mm，在尺寸上有潜力改造为内窥用的超声换能器，有望在宫颈管、肠道等内窥系统中得到应用。
参考文献
[1]OLADIPUPO S S，HU S，KOV ALSKI，J R et al. VEGF is essential for hypoxia-inducible factor-mediated neovascularization but dispensable for endothelial sprouting[J].Proc Natl Acad Sci U.S.A，2011，108（32）：13264-13269.
[2]ERPELDING T N，KIM C，PRAMANIK M et al. Sentinel Lymph Nodes in the Rat：Noninvasive photoacoustic and US Imaging with a clinical US system[J].Radiology，2010，256（1）：102-110.
[3]Peng K，He L，Wang B，et al. Detection of cervical cancer based on photoacoustic imaging-the in-vitro results[J].Biomedical Optical Express，2015，6（1）：135-143.。