Page 173 - 《应用声学》2022年第3期

第 41 卷 第 3 期 陈燕等： 厚度模压电超声换能器无源声学材料研究进展 495

氧化铈 (粒径∼20 nm) 纳米粉与环氧硅烷等有机物 前景。表 3 列出了不同匹配层材料参数的高频换能
混合制备成声学匹配层。通过改变氧化铈的含量， 器性能。
匹配层的声阻抗为4 ∼ 7 MRayl，其声衰减系数约为
0.5 dB/µm。所制备的超高频率 (100 MHz)PZT 换
50.00 mm
能器在增加匹配层后电压信号幅值比无匹配层时
提高100%。Manh等 [32] 用深反应离子刻蚀(DRIE)
制备硅/聚合物 1-3 复合匹配层，如图 5 所示。该
1-3 复合材料的硅柱间距为 16 µm，硅的体积分数
为 0.17 ∼ 0.28，厚度为 83 µm。该方法能获得高的
声阻抗匹配层，更适应于高频换能器的应用。所
(a) 1-3ܭՌӜᦡࡏ௭ॲፇ౞-ᆪಏ(ูᓤ)֗ᐑՌྭ۳ʹ(ງᓤ)
制备的空气背衬锆钛酸铅 (PZT) 换能器 (中心频率
15 MHz) −6 dB 带宽为50%。 1.0
ࠄᰎ
Wong 等 [33] 用细 α-氧化铝粉 (1 ∼ 2 µm) 和环 0.5 വલ
氧树脂 (Insulcast 502) 混合放入模具，通过调整施
加压力制备了系列较高阻抗的匹配层。当施加压力 ࣨϙ/V 0
为62.4 MPa 时，匹配层声阻抗高达 9.47 MRaly，高 -0.5
于报道的同类别材料。所制备的53 MHz PZT陶瓷
-1.0
换能器 −6 dB带宽为 91%，插入损耗为 −36.66 dB。 9.2 9.4 9.6 9.8 10.0 10.2
௑ᫎ/ms
Brown 等 [34] 采用真空沉积法制备了弹簧 (聚对二
(b) 1-3ܭՌӜᦡࡏ૱ᑟ٨ᄊࠄ฾֗വલᄊᑢфڀฉฉॎ
甲苯 (Parylene))-质量型 (铜) 高频换能器匹配层。
0
制备了 3 个中心频率约为 45 MHz 铌酸锂单晶换
能器，用来比较不同匹配层数对换能器性能的影 -5

响。其中两个平面型换能器的匹配层，分别为单 -10 ᄱࠫࣜࠕ
层铜 -聚对二甲苯匹配层和双匹配层 (第一层为质 ࣨए/dB
量 -弹簧匹配层、第二层为聚对二甲苯)，换能器的 -15
带宽分别为 46%、59%，插入损耗分别为 −21.9 dB、
-20
−18.2 dB。双层匹配层换能器性能优于单层，且 0 5 10 15 20 25 30
ᮠဋ/MHz
两者都高于没有匹配层的换能器 (带宽为 28%、插 (c) 1-3ܭՌӜᦡࡏ૱ᑟ٨ᄊࠄ฾֗വલᄊᮠ៨ڏ
入损耗为 −34.1 dB)。该真空沉积方法也适合曲面
图 5 1-3 复合匹配层的显微结构和换能器的性能表
换能器，第三个换能器为凹面聚焦型，带宽提高到 [32]
征
68%，但插入损耗降低到 −37 dB。该真空沉积方法 Fig. 5 Micrograph of the 1-3 composite matching
在复杂结构高频换能器匹配层方面具有广泛应用 layer and the performance of transducer [32]

表 3 不同匹配层参数的高频换能器性能
Table 3 High-frequency transducer with different matching layer

匹配层第一层/第二层 压电层 匹配层声阻抗/MRayl 厚度/µm f c/MHz BW/%
银粉和环氧树脂 (Insulcure9+
PMN-PT 陶瓷 7.3/2.5 10.5/12.5 39 80
Insulcast501))/Parylene [29]
氧化铈和环氧树脂 [31] PZT 陶瓷 4-7 5.25 100
硅和环氧树脂 [32] PZT 陶瓷 6.3 83 15 50
氧化铝和 Insulcast 502/ Parylene [33] PZT 陶瓷 9.47/2.59 18/9 53 91
聚对二甲苯 (Parylene) 和铜 [34] LiNbO 3 单晶 41.6 和 2.65 3.8 和 1.2 45 46