Page 175 - 《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 497

在频率为 1 MHz 和 3 MHz 时，吸声系数分别达到 压成型，制得的背衬层声阻抗能达到 23 MRayl，声
94.4% 和100%。Cho 等 [42] 提出用净成形技术制备 衰减系数能达到 95 dB/cm@5 MHz。Amini 等 [44]
氧化铝/环氧的背衬材料。与其他机械加工方法相 将多孔陶瓷 (莫来石) 作为背衬层，用于高温磷酸镓
比，样品的表面粗糙度减小了 52%。因此交界面处 单晶超声换能器 (2.8 MHz) 的制备，该换能器可在
的超声波反射也随之减少，获得了更高的声衰减 700 C ∼ 800 C 高温范围工作，研究了不同孔隙率
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性能。 对声阻抗、衰减系数的影响。Amini 等 [45−46] 还提
蓝咏等 [43] 提出了挤压成型法制备背衬层。在 出采用氧化钇稳定二氧化锆多孔陶瓷作为高温超
30 ∼ 45 MPa 的压力下，用粉末压片机将钨粉、铝 声换能器的背衬层以提高换能器在高温下的耐用
粉、环氧树脂(E-54)、聚硫橡胶和三乙醇胺按比例挤 性。表4列出了不同背衬层的性能参数。

表 4 不同背衬层的性能参数
Table 4 Parameters of different backing layers

背衬层材料 压电层 f c/MHz 背衬声阻抗/MRayl 背衬声衰减/(dB·mm −1 @MHz)
聚氨酯和氧化铝/聚氨酯和钨粉/
5/7/8.5 3.4 15.42/28.59/38.01@5/7/8.5
聚氨酯、氧化铝和钨粉 [35]
金属铜和聚合物 [36] PZT 陶瓷 3 4 22@3
硅橡胶棒、钨粉和环氧树脂 [38] 2.91 19.29@2
石墨柱、环氧树脂 (3M DP420) 和钨粉 [39] PMN-PT 单晶 3.4 4.5
多孔陶瓷 (莫来石粉) [44] GaPO 4 单晶 2.8 15 ∼ 23 0.1-6.3@1.5-4.5

2.2 高频超声换能器(>15 MHz)背衬层 ical polishing, CMP) 制备 45 MHz 的 PMNT 单晶
高频超声换能器的压电层和匹配层都比较薄， 超声换能器，用声阻抗为 6 MRayl 的导电环氧 (E-
背衬层在一定程度上起到支撑的作用，且经常采用 solder 3022) 作为背衬层，−6 dB 的带宽为 25%。
导电背衬便于信号线的连接。Yang等 [47] 采用锰掺 Cabrera 等 [52] 制作了 15 MHz 侧面微型铌镁酸铅 -
杂铌铟酸铅 -铌镁酸铅 - 钛酸铅 (PIN-PMN-PT) 单 钛酸铅 (PMN-30%PT) 相控阵换能器导管，并且设
晶制备了高频单阵元针式换能器，中心频率约为 计了两层匹配层 (环氧树脂/银，聚对二甲苯 Pary-
48 MHz，−6 dB 带宽约为 40%。背衬层采用导电 lene) 和背衬层 (环氧树脂/43.2wt% 增塑剂)。实验
环氧 (E-Solder3022)，其声阻抗为 5.92 MRayl。Hsu 测得超声换能器阵列的平均中心频率为 17.7 MHz，
等 [48] 制备了中心频率为 200 MHz 的铌镁酸铅 -钛 −6 dB 带宽为 52.2%。Abellard 等 [53] 用电泳沉积
酸铅 -锆钛酸铅 (PMN-PT-PZT) 厚膜超高频率超 (Electrophoretic deposition, EPD) 技术制作专用
声换能器。将导电环氧 (E-solder3022) 离心附着在 于医学成像的锆钛酸铅 (PZT-Nb)厚膜高频超声换
压电膜上作为换能器的背衬，声阻抗为 5.9 MRayl。 能器，并且用多孔 PZT 陶瓷作为超声换能器的背
制备的换能器的 −6 dB 带宽为 32% 和插入损耗为 衬层。测得该换能器的中心频率为 40 MHz，−6 dB
−65 dB。Hejazi 等 [49] 用基于钛酸铋钠的三元体 带宽为 42%、插入损耗为 −31 dB。Kuscer 等 [54]
系压电陶瓷作为压电层，并且将钨粉/环氧树脂和 将模板方法、共凝聚过程和烧结相结合，制备出
银粉/环氧树脂作为超声换能器的背衬层和匹配 孔的形状、尺寸和分布都均匀的多孔锆钛酸铅
层。该超声换能器的中心频率为 23 MHz，−6 dB (Pb(Zr 0.53 Ti 0.47 )O 3 ) 背衬，且孔隙率可控。利用该
带宽和插入损耗分别为55%和−32 dB。Feng等 [50] 方法加工出孔隙率为20%，孔径分别为1.5 µm和10
提出了一种微机械加工技术制备自聚焦超声换能 µm 的背衬材料。在19 MHz 频率测试条件下，声衰
器，将 PZT 膜沉积在曲面 Parylene/RTV 的柔性背 减分别为 12 dB/mm 和 33 dB/mm。表 5 列出了不
衬层上，制备了中心频率为 50 MHz 的超声换能 同背衬材料对应的高频换能器性能差异。高频超声
器，其横向分辨率为 40 µm，−6 dB 的带宽为 30%。 换能器的背衬层一般声阻抗较低，以使大部分声能
Peng 等 [51] 通过化学机械抛光 (Chemical mechan- 经压电层前表面辐射，保持高灵敏度。