换能器的发展和应用

超声换能器的发展和应用 1. 换能器的概述 1.1发展历史 超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。最早的超声换能器是P1 郎之万(P1L angevin) 在1917 年为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石英晶体为压电材料, 用两块钢板在两侧夹紧而成的。1933 年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器, 强度高、稳定性好、功率容量大, 迅速取代了当时的郎之万换能器。到了50 年代, 由于电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功, 使郎之万型超声换能器再度兴起。目前压电超声的应用范围很广, 且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。目前妨碍超声广泛应用的原因是缺少适用、可靠、经济、耐用的超声换能器。超声换能器历来是各种超声应用的关键部件, 国内外均大力研究, 近年来取得了很多成就。

1.2分类：

压电超声换能器的种类很多, 按组成超声换能器的压电元件形状分为薄板形、圆片形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等; 按振动模式分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等; 按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向、径向等; 按压电转换方式分为发射型(电2声转换)、接收型(声2电转换)、发射2接收复合型等。 1． 超声压电材料的发展： (1)压电复合材料换能器：目前压电陶瓷足超声成像换能器中最常用的材料，具有机电转换效率高、易与电路匹配、性能稳定、易加工和成本低等优点得到，一泛应用。同时，压电陶瓷材料也存在声特性阻抗高，不易与人体软组织及水的声阻抗匹配；机械品质因数高，带宽窄；脆性大、抗张强度低、大而积元件成型较难及超薄高频换能器不易加工等缺陷。20世纪70年代美国Newnham等 J开始对复合材料的研究，复合材料是将压电陶瓷和高分子材料按一定的连通方式、一定的体积比例和一定的空间几何分布复合而成，目前研究和应用最广泛的为l～3型压电复合材料，其具有高灵敏度、低声特性阻抗、较低的机械品质因数和容易：成型等特性 复合材料超声换能器可实现多频率成像、谐波成像和其他非线性成像 ，其性能明显优于压电陶瓷材料制作的换能器。部分谐波成像系统中采用复合材料制作的宽频带换能器，并应用于临床，同时由于复合材料换能器中高分子材料的使用会影响陶瓷的有效面积、声特性阻抗等，以及制作工艺复杂等原因，一维多阵元换能器等仍使用压电陶瓷；(2)压电单晶换能器：1969年日本No—mura等 开始对压电单晶材料的研究，90年代中期压电单品材料由于优异的压电性能得到了研究者的广泛关注，目前压电单晶换能器是继复合材料换能器之后的又一研究热点 。如以铌锌酸铅一钛酸铅(PZNT)和铌镁酸铅一钛酸铅(PMNT)为代表的新型弛豫铁电单晶换能器，其压电系数和机电耦合系数等指标远远高于目前普遍使用的PZT压电陶瓷材料 。用压电单晶材料设计制作的换能器阵，有远远高于压电陶瓷换能器的灵敏度和带宽 。1999年日本东芝公司研制了3．5 MHz PZNT91／9型超声换能器，并获得了很高的分辨率和很强的穿透能力 ，并应用于临床。2003年美国南加利福尼亚大学的Cannata等研制了用锂铌酸盐材料(LiNbO3)制作的高频单阵元压电单晶换能器，得到了很好的贯穿深度和图像的信噪比。但由于单晶体生长工艺远比陶瓷制备工艺复杂，目前还不能生产出价格和压电陶瓷相比的压电单晶，只有很少一部分压电单晶制作的换能器应用于临床 2．宽频带换能器：早期标注在超声探头上如2．5、3．5、5、7、10 MHz等工作频率一般是指其中心频率，其带宽约为1MHz，这类探头可称为单中心频率窄带换能器，目前仍大量应用，其对深部组织回声高频信号损失较大，影响超声图像的清晰度与灵敏度。20世纪80年代中期，人们根据超声在生物组织中的衰减规律及其对超声图像的影响，开发了宽频带换能器，如中心频率3．5 MHz有效带宽可达到了MHz左右的换能器，其检测浅表组织时采用高频率提高分辨率，而对深部组织时采用较低频率形成衰减较少的回声信号，从而使深部组织结构得以较清晰的图像显示。20世纪90年代，变频宽带换能器和超宽频带换能器在临床诊断中得到应用，例如同一换能器可以变换产生2．5、3．5、6 MHz为中心频率的超声波，其频带宽度可达到8 MHz以上。超宽频带换能器已可以产生1．8～12 MHz的超声波。目前临床上广泛应用的谐波成像技术也是在宽频带换能器的基础上发展起来的一种成像技术 。由于宽频带换能器能接收入射超声在组织中产生的多次谐波，其包含的人体信息量大，能提高图像的轴向分辨力，且能提高超声成像系统的灵敏度。 3．三维超声成像换能器：与传统二维超声成像相比，三维超声成像具有图像显示直观、能得到靶标的容积、面积等的精确测量结果和可以缩短医师诊断需要的时间等优点，三维超声成像一直是当前应用及开发的焦点 ” 。目前，主要有两种获取三维超声图像的方法。一种是利用现有的一维相控线阵获取一系列空间位置已知的二维超声图像 ，然后再对获得的图像进行三维重建，获取二维图像主要通过机械驱动扫查法和磁场空间定位扫查法。机械驱动扫查法是通过将换能器固定在计算机控制的机械臂上作扇扫或旋转扫查获取二维图像，由于设备复杂，技术要求高，该方法目前已较少使用；磁场空间定位扫查法是将磁场位置感应器固定在常规超声换能器上，测定换能器在采样操作时空间位置的变化；可以像常规探头一样随意扫查，由计算机感知探头的运动轨迹进行采样。该方法操作灵活，可进行较大范围的扫查；缺点是每次使用前对系统必须校正，扫查过程必须均匀缓慢，受人为因素影响大。另外，现有的一维线阵换能器在一维方向上由若干小阵元构成，可实现成像平面内的电子聚焦。而在距成像平面一定厚度的空间位置上只有一个阵元，无法实现电子聚焦，为了实现三维重建，通常在成像平面的厚度方向上采用声透镜实现聚焦，但由于透镜的焦距固定，聚焦的效果比较有限。同时，通过二维图像重建三维图像的时间过长，三维图像的分辨率往往低于二维图像。由于二维图像是在不同时刻采集的，重建的三维图像难以实现活体组织器官的实时显示。第2种是利用二维面阵探头控制超声波束在三维空间的偏转方向进行聚焦，获得实时三维空间数据，然后重建得到三维图像 ” 。第1个商用二维阵换能器在1997年由奥地利Kretztchik进行研制，目前已应用于临床，但是由于制作工艺的限制，如复杂的二维面阵探头中传感器的并行处理技术、超声束的快速发射和接收技术等关键问题还未能解决，临床应用的二维换能器的阵元数还较少，对病变范围大的组织结构进行完整扫查还有一定困难，且仪器价格昂贵。 4．电容式微加工换能器(cMUT)：电容式微加工换能器是超声成像换能器发展的重要趋势 ，其应用大规模集成电路的制作技术，以硅材料为衬底，上面生长一层中间留有空隙的支撑体，然后在支撑体上覆盖一层薄膜，这样薄膜和硅体之间就形成了一层空气隙，在薄膜和硅体上分别加以金属电极，就形成一个具有振动薄膜的电容式超声换能器。cMUT具有灵敏度高、带宽宽、易于制造、尺寸小，工作温度范围宽及易于实现电子集成等优点 J，适合于制造大规模的二维面阵探头及高频探头，具有良好的带宽，穿透力可与常规压电陶瓷换能器相比 。2002年美国斯坦福大学Yaralioglu等在这一方面作了大量的工作，研制出了一维和二维的cMUT，并且对cMUT的声场作了仿真研究 。目前cMUT还处在实验室研究阶段，未应用于临床。 2. 超声换能器的工作原理 在超声检测技术中，对压电材料施加交变电场，该材料将沿电场方向发生交变应变，从而能在与它紧密接触的介质中激发出机械振动波-超声波。反之，对压电材料施加交变应力（即受到超声波的作用）而使该材料发生交变应变时，则会在该材料上产生交变电场，从而达到接收超声波的目的。利用电致伸缩效应现象的压电换能器常用压电陶瓷，如锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡（BaTiO3）、铌酸铅（PbNb2O3）等。

3. 换能器的类型和应用

压电换能器的应用十分广泛, 它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等; 按实现的功能分为超声加工、超声清洗、超声探测、检测、监测、遥测、遥控等; 按工作环境分为液体、固体、气体、生物体等; 按性质分为功率超声、检测超声、超声成像等。 (1) 压电陶瓷变压器 压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动,通过逆压电效应使其产生振动, 振动波通过输入和输出部分的机械耦合到输出部分, 输出部分再通过正压电效应产生电荷, 实现压电体的电能2机械能2电能的两次变换, 在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。与电磁变压器相比, 这具有体积小,质量轻, 功率密度高, 效率高, 耐击穿, 耐高温, 不怕燃烧, 无电磁干扰和电磁噪声, 且结构简单、便于制作、易批量生产, 在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。 (2) 超声马达 超声马达是把定子作为换能器, 利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声频率的振动, 然后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量, 带动转子转动。超声马达体积小, 力矩大, 分辨率高, 结构简单, 直接驱动, 无制动机构, 无轴承机构, 这些优点有益于装置的小型化。它们广泛应用于光学仪器、激光、半导体微电子工艺、精密机械与仪器、机器人、医学与生物工程领域。 (3) 超声波清洗 超声清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空化、辐射压、声流等物理效应, 对清洗件上的污物产生的机械起剥落作用, 同时能促进清洗液与污物发生化学反应, 达到清洗物件的目的。清洗所用的频率根据清洗物的大小和目的可选用10～500 kHz, 一般多为20～ 50 kHz。随着频率的增加,可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。在小型化方面, 也有采用圆片振子的径向振动和弯曲振动的。超声清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到了越来越广泛的应用。 (4) 超声焊接 超声焊接有超声金属焊接和超声塑料焊接两大类。其中超声塑料焊接技术已获得较为普遍的应用。它是利用换能器产生的超声振动, 通过上焊件把超声振动能量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大, 所以会产生局部高温使塑料熔化, 在接触压力的作用下完成焊接工作。超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位, 另外, 还节约了塑料制品昂贵的模具费, 缩短了加工时间, 提高了生产效率, 有经济、快速和可靠等特点。 (5) 超声加工 把微细磨料随超声加工工具一起以一定静压力加在工件上, 就能加工出与工具相同的形状。加工时需在15～ 40 kHz 的频率下, 产生15～ 40 Lm 的振幅。超声工具使工件表面的磨料以相当大的冲击力连续冲击, 破坏超声辐射部位, 使材料破碎而达到去除材料的目