林錦豪 姚銀波 汕頭市超聲儀器研究所股份有限公司 （廣東 汕頭 515041）

內(nèi)容提要： 為了提升醫(yī)用相控陣的圖像性能，需要用高靈敏度、高帶寬的相控陣換能器。通過雙層PZT設(shè)計，降低換能器電阻抗，進(jìn)而改進(jìn)等效電阻抗匹配。在整體振元寬高比固定的情況下，測試不同厚度組合的靜態(tài)電容和壓電耦合系數(shù)，找出最佳的雙層PZT厚度組合；制作出等厚度雙層PZT相控陣換能器，該換能器比常規(guī)單層ZPT換能器在靈敏度提高4.56dB，帶寬提高5.23%。等厚雙層PZT工藝可有效改善小尺寸振元的電匹配，提升換能器整體性能。

傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料由于介電常數(shù)不高（＜4000），在應(yīng)用領(lǐng)域受到限制[1,2]。傳統(tǒng)的單層晶片設(shè)計方案，受特定換能器規(guī)格和晶片介電常數(shù)不高的限制，振元的靜態(tài)電容值較小，很難進(jìn)行等效電阻抗匹配優(yōu)化，制約著超聲換能器與主機(jī)之間的阻抗匹配。近年來，隨著壓電換能器向著小型化、多振元化方向發(fā)展，需要壓電陶瓷材料具有更高的介電常數(shù)、更高的機(jī)電耦合系數(shù)以及更好的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)良性能。高性能的超聲換能器對等效電阻抗匹配效率有較高的要求，從而對換能器的振元的靜態(tài)電容數(shù)提出了具體的要求，因此，本文設(shè)計了一種雙層晶片振元的設(shè)計方法來實現(xiàn)高靜態(tài)電容的晶片振元，制備高性能PZT相控陣換能器[3]。

1.基本原理

對于多振元的超聲換能器，為了每個振元的振動模式更加單純，一般需要每個振元分切成多個素子。振元的振動模式不是板的厚度振動模式，也不是電場平行于長度方向的長度伸縮振動模式，而是一種近似的寬度振動模式這種振動模式下的機(jī)電耦合系數(shù)見公式（1）～（3）。

注：式中k33、k31為壓電耦合系數(shù)，d31為壓電常數(shù)，εT33為自由介電常數(shù)，S1E1、S1T3、S3T3為彈性柔順常數(shù)。

一般認(rèn)為只有當(dāng)素子的寬度應(yīng)小于厚度的0.7倍，這時的振動模式才會接近厚度振動模式[4]。這種振元的振動模式越單純，換能器的頻率特性越光滑，能量損耗也越小。

無論是在壓電陶瓷或匹配層，材料的聲速都依賴于幾何振元的寬高比W/H。材料聲速與幾何尺寸的關(guān)系，主要受邊界條件影響，分切后的幾何體聲速會小于沒有分切的平板，聲速與幾何尺寸關(guān)系上可參考McKeighen提到的經(jīng)驗公式[5]。

通常情況下，為了避免雜散共振，一個陣列切割成素子時的主要間距應(yīng)該是寬度與高度的比例W/H為0.4～0.6。這種切割尺寸最大的優(yōu)勢是這個素子的壓電耦合系數(shù)高于平板壓電陶瓷。一般沒有切割的PZT平板壓電耦合系數(shù)是0.5，切割后壓電耦合系數(shù)可達(dá)0.7。

陣列換能器由于每一個振元的尺寸非常小，電容低和阻抗高，所以通常選擇陶瓷時要求相對介電常數(shù)和耦合系數(shù)非常高。本文認(rèn)為通過“雙層結(jié)構(gòu)+極性并聯(lián)”組合可有效且大幅度提振元的升靜態(tài)電容、降低小尺寸的電阻抗、提高靈敏度和帶寬。

對于同等材質(zhì)的PZT晶片，假設(shè)傳統(tǒng)單層PZT的厚度為d1，電容為C1；當(dāng)雙層晶片的總厚度與傳統(tǒng)單層PZT厚度相同時，若第1片PZT晶片厚度為αd1，且0＜α＜1，則第2片PZT晶片厚度d1-αd1。由于雙層晶片采用并聯(lián)方式，且厚度與電容值呈反比，則雙層晶片的電容C2可表示為公式（4）～（6）。

顯而易見，在總厚度相同的情況，雙層晶片至小可以比單層晶片提升4倍電容量。電阻抗與靜態(tài)電容C成反比，?=1/jwc，隨著電容的提升，可有效降低換能器的電阻抗。換能器的電纜線特征阻抗在50Ω，換能器聲學(xué)測試時阻尼也是采用50Ω。傳統(tǒng)的單層PZT陣列換能器，每個振元的電阻抗很高（100～600Ω），不利于系統(tǒng)電匹配。利用雙層PZT的并聯(lián)組合，相當(dāng)于同等頻率下，對振元的靜態(tài)電容進(jìn)行等效放大，將每個振元的電阻抗下降到（25～125Ω），可以更好地與電纜線、主機(jī)系統(tǒng)在整個換能器頻帶內(nèi)進(jìn)行電匹配，從而整體提升換能器的靈敏度和帶寬[6-9]。同時采用合適的振元寬高比，使振元振動更單純。

對于傳統(tǒng)的3MHz醫(yī)用相控陣換能器，靜態(tài)電容200pF的單層晶片，其在相控陣換能器3MHz附近的理論電阻抗為265Ω。若采用等厚雙層晶片，則理論電阻抗會降低61Ω，可有效降低換能器的電阻抗，更好地與系統(tǒng)進(jìn)行電阻抗匹配。

2.試驗與分析

2.1 振元晶片方案設(shè)計

為了使振動模式越單純，本文采用的振元的寬度與高度的比例為0.509，采用的振動模式更接近厚度振動模式；雙層素子共振后，可有效抵消單層素子的其他振動模式。

將常規(guī)設(shè)計方式為單層晶片的方式，以中心頻率3MHz的相控陣為例，振元晶片尺寸為厚度0.55mm，寬度0.28mm，長度14.4mm。本論文提出雙層振元晶片的設(shè)計方案，來提升振元晶片的靜態(tài)電容，并優(yōu)化電阻抗匹配效率。通過設(shè)計不同的雙層振元晶片厚度組合方案，并制作成對應(yīng)的樣品換能器，進(jìn)行聲電性能指標(biāo)的對比分析，以得出最優(yōu)的設(shè)計組合。

試驗組合分別選取了1/2+1/2，1/3+2/3，1/4+3/4 等三個雙層晶片厚度的振元組合，具體的組合厚度為分別為（0.275+0.275）mm、（0.183+0.367）mm、（0.137+0.413）mm，晶片組合參數(shù)如下表1所示。

表1 .晶片組合參數(shù)表

將雙層的晶片負(fù)極面與負(fù)極面經(jīng)過黏接后的振子如圖1所示。

圖1 .傳統(tǒng)單層晶片振元與雙層晶片振元的示意圖（注：1a.傳統(tǒng)單層晶片振元；1b.雙層晶片振元1/2+1/2；1c.雙層晶片振元1/3+2/3；1d.雙層晶片振元1/4+3/4）

2.2 振元電性能測試分析

對每個晶片類型進(jìn)行64個振元切槽，并進(jìn)行電容測試；從表2數(shù)據(jù)可以看出，采用雙層晶片設(shè)計方案可以大幅提升振元的靜態(tài)電容值，其中1/2-1/2的組合提升4倍電容值，且對應(yīng)的諧振頻率保持在設(shè)計的標(biāo)稱頻率范圍以內(nèi)（±15%）。

表2 .不同晶片厚度組合方案的電容值數(shù)據(jù)表

表3 .不同晶片厚度組合方案的串并聯(lián)諧振頻率、Kt值

表4 .換能器規(guī)格表

機(jī)電耦合系數(shù)測試與分析：采用并聯(lián)方式的雙層晶片，隨著靜態(tài)電容的提升，并聯(lián)諧振頻率逐漸下降。根據(jù)串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率的測試數(shù)據(jù)，結(jié)合壓電耦合系數(shù)（平方）St2公式（7）的計算，可知，雙層晶片中，兩片晶片厚度越接近，耦合系數(shù)越高[5]。

注：其中，F(xiàn)s=串聯(lián)諧振頻率=電導(dǎo)最大時的頻率；Fp=并聯(lián)諧振頻率=電阻最大時的頻率。

當(dāng)雙層晶片厚度越接近時，振動模式越單純，可以獲得更加理想的壓電耦合系數(shù)。兩層晶片厚度相差越大，壓電耦合系數(shù)下降越明顯。

3.雙層晶片超聲換能器設(shè)計與制備

3.1 換能器規(guī)格和設(shè)計參數(shù)

換能器規(guī)格見表1。晶片采用PZT-5H 晶片，振元間距0.32mm，切割縫隙0.04mm，雙層晶片厚度（0.275+0.275）mm，被動孔徑14.4mm；采用雙層匹配層，第一層匹配層聲阻抗9.0MRayls，聲速4000m/s，厚度0.298mm；第二匹配層聲阻抗3.5MRayls，聲速2600m/s，厚度0.177mm；透鏡采用RTV630，中心厚度1.05mm。背襯聲阻抗5.0MRayls。結(jié)構(gòu)實物截面圖如圖2所示。

圖2 .雙層PZT 換能器結(jié)構(gòu)實物截面圖

3.2 換能器制備與聲學(xué)性能指標(biāo)對比分析

對制備好的4款晶片類型換能器芯部進(jìn)行聲學(xué)性能測試，測試性能如表5所示。測試條件：采用奧林巴斯（泛美）5052脈沖發(fā)生器，阻尼50Ω，能量1μJ，激勵電壓為120V的單周期負(fù)尖脈沖。芯部配2.15m特征阻抗50Ω的電纜線。

表5 .傳統(tǒng)單層PZT晶片和雙層PZT晶片振元換能器樣品的聲學(xué)性能對比表

如圖3所示，從聲學(xué)性能指標(biāo)的對比可以看出，采用雙層晶片振元的設(shè)計方案可以有效地提升換能器靈敏度和相對帶寬，其中1/2+1/2的組合方案聲學(xué)性能指標(biāo)最優(yōu)，在中心頻率保持基本不變的前提下，靈敏度提升4.56dB，且-6dB相對帶寬提升5.23%。

圖3 .傳統(tǒng)單層晶片與雙層晶片的波形頻譜圖（3a.單層PZT 相控陣；3b.1/2+1/2 雙層PZT 相控陣）

3.3 換能器等效電阻抗測試及性能分析

理論分析和試驗測試表明，良好的頻率及阻抗匹配電路有利于優(yōu)化超聲波發(fā)射波形，提高轉(zhuǎn)換效率[10,11]。如圖4所示，從芯部電阻抗曲線可以看出，在3MHz頻率點(diǎn)上，雙層振元1/2+1/2的電阻抗實部在50Ω附近，而傳統(tǒng)單層振元的電阻抗實部在200Ω附近，小尺寸的雙層振元可以有更好的電阻抗匹配。

圖4 .換能器芯部等效電阻抗實部曲線（注：虛線-傳統(tǒng)單層振元換能器芯部；實線-雙層振元1/2+1/2 的換能器芯部）

從聲學(xué)性能指標(biāo)對比分析可知，1/2+1/2的組合方案聲學(xué)性能指標(biāo)最優(yōu)，在靈敏度和-6dB相對帶寬等指標(biāo)上有明顯的提升效果，本研究制備對應(yīng)的同規(guī)格的樣品換能器，分別為傳統(tǒng)單層PZT相控陣換能器和1/2+1/2雙層晶片振元PZT相控陣換能器，并進(jìn)行配套主機(jī)成像系統(tǒng)。

樣品換能器：傳統(tǒng)單層PZT相控陣換能器和1/2+1/2雙層晶片振元PZT相控陣換能器。

主機(jī)成像系統(tǒng)：便攜式彩超Apogee 2300，汕頭市超聲儀器研究所股份有限公司。檢查模式：成人心臟（穿透）B型模式。

試塊：中科院聲學(xué)所的KS107BD（L）體模試塊。

對儀器配用的相控陣換能器的深度和分辨率進(jìn)行檢驗的圖像如圖5所示。

圖5 .相控陣模式下試塊圖像對比（注：5a.傳統(tǒng)單層振元換能器；5b.雙層振元1/2+1/2 的換能器）

結(jié)果表明，雙層晶片振元PZT相控陣換能器相對于傳統(tǒng)單層晶片的相控陣換能器，超聲圖像質(zhì)量得以改善。1/2+1/2雙層晶片振元PZT相控陣換能器的圖像穿透靈敏度和靶點(diǎn)分辨率均有明顯的提升效果，穿透深度提升2cm，對提升心臟超聲診斷有較好的促進(jìn)作用。

4.小結(jié)

采用雙層晶片振元的設(shè)計方式可以有效提高晶片振元的靜態(tài)電容，能夠促進(jìn)換能器等效電阻抗匹配優(yōu)化，有利于制備高性能PZT相控陣換能器。通過試驗結(jié)果顯示，在3MHz相控陣換能器規(guī)格上，采用1/2+1/2雙層晶片振元設(shè)計方式的聲學(xué)性能指標(biāo)最優(yōu)，對大幅提升靈敏度和相對帶寬有明顯的促進(jìn)作用。