俞曉霞， 曹永剛， 王月兵， 鄭慧峰

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

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粘接層對(duì)PVDF換能器性能影響研究*

俞曉霞， 曹永剛， 王月兵， 鄭慧峰

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

環(huán)氧樹(shù)脂作為聚偏氟乙烯(PVDF)膜與背襯之間的粘接層將會(huì)影響換能器的性能。采用52 μm厚的PVDF壓電薄膜制作換能器，以EPO-TEK 301環(huán)氧樹(shù)脂和銅分別作為粘接材料和背襯。通過(guò)阻抗分析儀和脈沖回波測(cè)試得到PVDF薄膜和換能器的壓電性能，并與KLM等效模型的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。研究結(jié)果表明：隨著粘接層厚度的增加，換能器的靈敏度和中心頻率將會(huì)降低，因此，在PVDF換能器設(shè)計(jì)制作過(guò)程中需合理控制粘接層的厚度。

粘接層；聚偏氟乙烯換能器；脈沖回波

0　引　言

聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜具有壓電性能強(qiáng)、聲阻抗低、頻率響應(yīng)寬、質(zhì)量輕、柔軟易加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于研制窄脈沖、寬頻帶的換能器[1，2]。

因?yàn)镻VDF是一種氟化聚合物，難以附著于金屬材料和其它無(wú)機(jī)材料上。一般對(duì)PVDF的表面進(jìn)行處理，例如砂磨、蝕刻等，可以極大地提高到PVDF電極的粘合性，將其粘附于背襯和匹配層上，但是這種方法在用來(lái)制作高頻換能器時(shí)容易使PVDF膜破裂。另一種方法是采用樹(shù)脂材料進(jìn)行粘接，如EPO-TEC環(huán)氧樹(shù)脂，環(huán)氧樹(shù)脂的粘接層的厚度不能太大[3]。到目前為止，關(guān)于粘接層如何影響PVDF換能器的性能的報(bào)告比較少。

用來(lái)研究換能器壓電性能的機(jī)電等效電路模型中，Mason模型和KLM模型最為常用，而KLM模型避免了Mason模型中的負(fù)電容元件，更為簡(jiǎn)單合理[4,5]。在以往壓電陶瓷換能器的仿真過(guò)程中通常忽略粘接層，只考慮背襯層、電極層、壓電元件和匹配層。而PVDF膜和陶瓷的物理性質(zhì)有很大的不同，如聲阻抗、夾持介電常數(shù)和機(jī)械品質(zhì)因子等。目前，研究人員已經(jīng)用采用PVDF薄膜研制了超高頻(VHF)換能器，而粘結(jié)層厚度對(duì)其壓電性能的影響還有待研究[6]。

本文通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量不同直徑，厚度為52 μm的PVDF膜和PVDF換能器的阻抗特性，并和KLM模型的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析比較。同時(shí)制作出粘結(jié)層厚度不同的換能器，根據(jù)換能器KLM等效電路模型，利用傳輸矩陣模擬了換能器的聲學(xué)特性，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了粘接層厚度對(duì)PVDF換能器性能的影響[7,8]。

1　理　論

在KLM模型中壓電元件的特性用集中參數(shù)表示，顯示在電路的機(jī)械端，當(dāng)添加其他結(jié)構(gòu)時(shí)，用傳輸線(xiàn)依次連接進(jìn)行分析，與機(jī)械端相等效的電路端由電阻X1和電容C0組成，二者之間存在φ:1的等效關(guān)系。

本文所采用的換能器結(jié)構(gòu)如圖1所示，PVDF上下表面鍍有銀電極，環(huán)氧樹(shù)脂膠EPO-TEK301作為粘接層將PVDF薄膜與銅背襯連接，因此，考慮粘接層的KLM等效電路模型如圖2所示。

圖1　PVDF換能器結(jié)構(gòu)Fig 1　Structure of PVDF transducer

圖2　PVDF換能器KLM等效電路Fig 2　KLM equivalent circuit of PVDF transducer

KLM等效電路中各參量如下

(1)

Z0=ρcA

(2)

(3)

(4)

式中ε為PVDF薄膜的介電常數(shù)，h為壓電壓力常數(shù)，ρ為密度，c為聲波在壓電元件中的縱向傳播速率，ω為角頻率，d為厚度，A為面積。

每一層材料的聲學(xué)阻抗都可看作是一段傳輸線(xiàn)，傳輸矩陣為

(5)

式中Zi=ρc為聲阻抗，γi=j/k(1-j/2Qm)，k為波矢，tj為材料厚度，Qm為對(duì)應(yīng)材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。

通過(guò)對(duì)機(jī)械端的分析，可以獲得機(jī)械端的聲阻抗Zmt，它包括了各層材料阻抗；電路端的阻抗Zin為

(6)

根據(jù)式(6)，電路端的等效電阻Re與電感Xe可以推導(dǎo)得出。根據(jù)下列式(7)，可計(jì)算出換能器輻射聲壓

(7)

式中Rs為纜線(xiàn)電阻。根據(jù)Pm可以計(jì)算得到換能器的諧振頻率、接收靈敏度、脈沖響應(yīng)曲線(xiàn)等。

2　KLM仿真與實(shí)驗(yàn)分析

2.1PVDF薄膜和PVDF換能器的導(dǎo)納特性

采用阻抗分析儀(HP4194A)對(duì)以下各樣品的導(dǎo)納進(jìn)行測(cè)定，并與KLM等效電路模型的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。PVDF薄膜樣品厚度均為52μm，其中，半徑分別為2.5，4.8，7.0mm，以及采用這些薄膜制作而成的PVDF換能器，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3　厚度為52 μm的PVDF薄膜的導(dǎo)納特性的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果Fig 3　Simulation and measurement result of admittance properties of 52 μm PVDF film

圖4　PVDF換能器的導(dǎo)納特性的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果Fig 4　Simulation and measurement result of admittance properties of PVDF transducers

仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果均表明：諧振頻率在11MHz左右，隨著PVDF直徑的增加，幅值以1︰3.7︰7.6的比例增加。理論上，幅值與元件面積呈線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)半徑的比例為1︰1.92︰2.8(2.5，4.8,7.0mm)，幅值比例應(yīng)為1︰3.69︰7.8，可以看到理論計(jì)算與仿真和測(cè)量的結(jié)果相近。但是在15MHz以后仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)了偏差，這與圖3(b)導(dǎo)納的相位角出現(xiàn)的偏差結(jié)果相符合。造成這些偏差的原因可能是測(cè)量?jī)x器的長(zhǎng)時(shí)間使用造成內(nèi)元件電容變化。

采用上述PVDF薄膜制作換能器進(jìn)行仿真和測(cè)量，得到的導(dǎo)納圖如圖4所示。圖4(a)中在低頻范圍內(nèi)(10MHz以下)模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果基本一致，諧振頻率在6.5MHz左右，幅值的比例與PVDF膜的比例變化吻合，為1︰3.8︰7.6。圖4(b)為PVDF換能器的相位圖，可以看出曲線(xiàn)形狀不太一致，這可能是由于儀器和換能器結(jié)構(gòu)造成的，如粘接層厚度。同時(shí)從仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，兩者較為一致，因此，改進(jìn)之后的KLM模型可靠性較高。

2.2粘接層厚度對(duì)PVDF換能器脈沖回波特性影響

在換能器制作過(guò)程中，固定住換能器一端，可通過(guò)改變液壓機(jī)給換能器另一端施加的壓力，對(duì)換能器的粘接層厚度加以控制。圖5為不同壓力作用下的粘接層，施加力為49,98,294,490,686kPa，相應(yīng)的膠層厚度分別為54,37,22,13,11μm。

圖5　不同壓力作用下的粘接層Fig 5　Photographs of bonding layers under different pressure

材料厚度與壓力關(guān)系的擬合模型[9]為

f(x)=ae(b/x0.5)+c

(8)

如圖6所示，通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以擬合得到粘接層厚度與施加的壓力的函數(shù)關(guān)系，置信區(qū)間為95 %的擬合結(jié)果：a=2 995(-3.966×105,4.026×105)；b=0.135(-17.65,17.92)；c=-3 000(-4.026×105,3.966×105)。

圖6　粘接層厚度與壓力的關(guān)系和擬合曲線(xiàn)Fig 6　Relationship between thickness of bonding layer and pressure and its fitting curve

從圖中可以看到:隨著施加壓力的增大，粘接層厚度呈指數(shù)型減小，并在壓力達(dá)到300kPa以后，粘接層厚度的變化趨于平緩。

采用厚度52μm、直徑5mm的PVDF膜作為壓電元件，銅為背襯，EPO-TEK301環(huán)氧樹(shù)脂作為粘合層制作換能器。液壓機(jī)(ShimadzuSSP—10A)分別對(duì)3個(gè)換能器施加686,490,49kPa的壓力，相應(yīng)地制作出PVDF薄膜直徑為5mm,厚度為52μm，粘接層厚度分別為11,13,54μm的換能器。

對(duì)PVDF換能器進(jìn)行脈沖回波測(cè)試。測(cè)試條件：工作環(huán)境為25 ℃的除氣泡水介質(zhì)，PVDF換能器平面垂直放置于反射體上面，其表面距離反射體表面5cm。將PVDF換能器連接到脈沖發(fā)射接收器的發(fā)射器端口，寬帶接收器端口與示波器相連，用來(lái)監(jiān)視回波，后面板觸發(fā)信號(hào)端口與示波器外部觸發(fā)端口進(jìn)行連接。設(shè)定模式為脈沖回波；脈沖發(fā)射器脈沖寬度-15～20MHz，脈沖電壓為400V，脈沖波波數(shù)為1，重復(fù)頻率為100Hz；寬帶接收器的輸入阻抗設(shè)為50Ω，帶寬為35MHz(-3dB)時(shí)可得到各換能器脈沖回波波形圖如圖7(b)所示。

采用上述KLM等效電路模型對(duì)粘接層厚度為0,11,13,54μm的PVDF換能器進(jìn)行仿真，得到的脈沖回波波形圖如圖7(a)所示。

圖7　粘接層厚度不同的換能器的脈沖回波時(shí)域圖Fig 7　Waveform of transducer with different thickness of bonding layer

圖7(a)所示粘接層厚度為11μm和13μm時(shí)，脈沖回波波形與無(wú)粘接層時(shí)的波形相似，但在幅值上與粘接層厚度成反比，且在粘接層厚度達(dá)到54μm時(shí)，接收到的脈沖回波信號(hào)失真。造成波形失真的原因?yàn)椋涸摀Q能器的中心頻率大約為7MHz(λ=210μm)，54μm的粘接層厚度大于λ/4，因此，會(huì)出現(xiàn)不必要的聲反射干擾脈沖回波信號(hào)。圖7(b)為換能器脈沖回波實(shí)測(cè)波形，與仿真結(jié)果基本一致。

對(duì)脈沖回波信號(hào)進(jìn)行處理，可以得到圖8不同粘接層厚度設(shè)為換能器的功率譜，表征換能器的功率衰減。相同頻率下，粘接層厚度越大，接收到的脈沖回波功率衰減越大，意味著換能器的接收靈敏度越低。同時(shí)可以看到，隨著粘接層厚度的增大，換能器接收的回波信號(hào)中心頻率向低頻方向移動(dòng)。大多數(shù)環(huán)氧樹(shù)脂的聲阻抗和縱向聲速與PVDF相近，式(9)給出了換能器的λ/4諧振振頻率與粘合層厚度的關(guān)系[7]

圖8　粘接層厚度不同的換能器的功率譜Fig 8　Power spectra of transducer with different thickness of bonding layer

(9)

式中v為PVDF的縱向聲速，t1和t2分別為壓電元件和粘接層的厚度。隨著粘接層厚度的增大，換能器的λ/4諧振頻率將會(huì)降低。當(dāng)粘接層厚度接近于PVDF薄膜厚度時(shí)，λ/2諧振頻率會(huì)出現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn),在粘接層厚度達(dá)到54μm時(shí)，換能器將會(huì)出現(xiàn)另外一個(gè)工作模態(tài)，即λ/2工作模態(tài)。

圖9表示PVDF換能器的脈沖回波中心頻率和粘接層厚度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上上下浮動(dòng)，兩者吻合性較好。從圖中可看出:粘接層厚度從0μm逐漸增加到60μm，而中心頻率由7.6MHz降到3.4MHz，變化幅度較大。圖10所示,在換能器中心頻率下，粘接層功率譜幅值與其厚度的關(guān)系，以粘接層厚度為0μm時(shí)衰減-5dB為基礎(chǔ)，厚度從0μm逐漸增加到60μm，功率衰減幅度達(dá)到20dB，表征換能器的接收靈敏度將大大減小；且在粘接層厚度達(dá)到54μm時(shí)，即粘接層厚度超過(guò)聲波波長(zhǎng)后，換能器將出現(xiàn)其他的工作模態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。

圖9　中心頻率和粘接層厚度的關(guān)系Fig 9　Relationship between center frequency and thickness of bonding layer

圖10　換能器功率譜與粘接層厚度的關(guān)系Fig 10　Relationship between power spectra of transducer and different thickness of bonding layer

3　結(jié)　論

粘接層厚度對(duì)PVDF換能器性能的影響較大。隨著粘接層厚度的增加，換能器的靈敏度和中心頻率將會(huì)降低；粘接層厚度較小時(shí)，測(cè)量所得波形與仿真相似；當(dāng)粘接層厚度接近或超過(guò)1/4波長(zhǎng)時(shí)，脈沖回波信號(hào)將受到粘接層中聲反射的干擾。所以，在設(shè)計(jì)制作PVDF換能器時(shí)應(yīng)考慮粘接層厚度的影響，使其盡量小于1/4波長(zhǎng)。本文給出的換能器KLM等效電路模型可為PVDF換能器性能的優(yōu)化提供理論計(jì)算和方向。

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曹永剛，通訊作者,E—mail:15A0202111@cjlu.edu.cn。

Research on influence of bonding layer on characteristics of PVDF transducer*

YU Xiao-xia, CAO Yong-gang, WANG Yue-bing, ZHENG Hui-feng

(College of Metrological Technology and Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

Used as bonding layer between PVDF film and backing material,epoxy will influence characteristics of transducer.EPO-TEK 301 epoxy is used to bond 52 μm-thick PVDF film with copper as backing material.Piezoelectric properties of original PVDF films and transducers are measured by impedance analyzer and in pulse-echo test.The measurement results are compared with simulation ones obtained by KLM model.It is shown that both the results are consistent.It is demonstrated that with increase of thickness of bonding layer,sensitivity and center frequency of transducer will be reduced,therefore,it is necessary to control thickness of bonding layer reasonably while designing and fabricating PVDF transducer.

bonding layer; PVDF transducer; pulse-echo

2016—06—01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11474259)；國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)課題項(xiàng)目(JSJC2013604C012)；浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目(2014C31109)；浙江省“儀器科學(xué)與技術(shù)”重中之重學(xué)科開(kāi)放基金資助項(xiàng)目；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目

TN 384

A

1000—9787(2016)08—0020—04

俞曉霞(1991-)，女，浙江金華人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫軆x器與機(jī)械的研究。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0020—04