靳 遙,李永川,馬 騰,劉忠俠
(1.鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院,河南 鄭州 450001; 2.中國(guó)科學(xué)院 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院保羅·C·勞特伯生物醫(yī)學(xué)成像研究中心,廣東 深圳 518055)
超聲換能器是一種將電能(聲能)轉(zhuǎn)化為聲能(電能)的裝置,核心部件為壓電元件。超聲相控陣來(lái)源于雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù),通過(guò)延時(shí)控制,超聲波束在目標(biāo)中無(wú)需使用任何機(jī)械系統(tǒng)來(lái)操縱換能器便可使聲束偏轉(zhuǎn)、聚焦[1-3]。目前,超聲相控陣換能器研制的主要問(wèn)題是:如何保證在陣元間距不大于介質(zhì)中傳播聲速半波長(zhǎng)的同時(shí)降低其電阻抗接近電路系統(tǒng)阻抗(50 Ω)。傳統(tǒng)的解決方法是對(duì)每個(gè)陣元采用電阻抗匹配,對(duì)于大規(guī)模換能器陣列,其陣元尺寸減小,單個(gè)陣元阻抗增加導(dǎo)致匹配難度上升,換能器電聲轉(zhuǎn)換效率降低,制作過(guò)程復(fù)雜且成本高。
為了解決大規(guī)模陣列換能器電阻抗匹配的問(wèn)題,可通過(guò)改變陣元的構(gòu)造方法來(lái)降低單個(gè)陣元的電阻抗,使其接近50 Ω。目前降低陣元電阻抗[4-8]的方法有兩種:
1) 采用多層(N)壓電結(jié)構(gòu)構(gòu)造陣元,陣元電阻抗與單層結(jié)構(gòu)的層數(shù)平方成反比例(1/N2)[4-5]。
2) 在多層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,利用壓電陶瓷具有多種振動(dòng)模式的特性,在橫向振動(dòng)模式下激發(fā)陣元,通過(guò)進(jìn)一步增加陣元的夾持電容從而降低橫向模式多層結(jié)構(gòu)的陣元電阻抗為厚度模式單層結(jié)構(gòu)的1/(k×N)2倍(k=w/t為陣元寬厚比,w、t分別為陣元寬度、厚度,一般情況下k<1)[6-8]。
本文以多層結(jié)構(gòu)、橫向振動(dòng)為基礎(chǔ),提出了一種雙層、橫向振動(dòng)壓電元件的構(gòu)造方法,結(jié)合仿真分析,將制得的單個(gè)壓電元件電阻抗降低至近50 Ω;同時(shí)改進(jìn)了制作工藝,采用側(cè)邊引出電極的方法,降低構(gòu)造難度。
壓電陶瓷具有多模態(tài)特性:對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)、寬、厚為l、w、t的壓電元件(見(jiàn)圖1),其振動(dòng)模式存在3種,壓電元件在l、t、w的邊平行的3個(gè)方向均能產(chǎn)生諧振運(yùn)動(dòng),則有
i×Fi=Hi(i=l,t,w)
(1)
式中:i為振動(dòng)方向上壓電元件的尺寸;Fi為振動(dòng)方向上的諧振頻率;Hi為常數(shù)。通常,振動(dòng)方向平行于極化方向?yàn)楹穸日駝?dòng)模式(見(jiàn)圖1(a)),垂直于極化方向?yàn)闄M向振動(dòng)模式(見(jiàn)圖1(b))。
圖1 壓電陶瓷的振動(dòng)模式
壓電元件的電阻抗(Z)與夾持電容(CS)成反比,利用壓電陶瓷具有多種振動(dòng)模式的特性,將基于厚度振動(dòng)模式工作的壓電元件轉(zhuǎn)換為基于橫向振動(dòng)模式工作。在此過(guò)程中,壓電元件振動(dòng)方向不變,電極面積增加,間距減小,從而其夾持電容增加,電阻抗降低。
單層厚度振動(dòng)模式:
(2)
雙層橫向振動(dòng)模式:
(3)
式中ε為壓電材料介電常數(shù)。通常,壓電元件的電阻抗大于電路系統(tǒng),雙層橫向振動(dòng)模式與傳統(tǒng)單層厚度振動(dòng)模式相比,其電容增加為22·(t/w)2倍(t>w),電阻抗相應(yīng)地大幅降低。
Pzflex仿真軟件是一款基于有限元分析的仿真軟件,可以仿真壓電元件的多個(gè)振動(dòng)模式。設(shè)計(jì)并制作橫向振動(dòng)、雙層結(jié)構(gòu)壓電元件仿真模型,壓電材料為PZT-5H(3203HD;CTS),性能如表1所示。確定設(shè)計(jì)諧振頻率為800 kHz,對(duì)應(yīng)厚度(t)為2 mm,寬厚比為0.35,則w為0.7 mm。改變壓電元件的l,其余變量不變(見(jiàn)表2),分析其電阻抗大小,確定阻抗最接近50 Ω的壓電元件尺寸。
表1 PZT-5H(3203HD;CTS)仿真參數(shù)
表2 壓電元件仿真模型參數(shù)
圖2為橫向振動(dòng)、雙層結(jié)構(gòu)壓電元件示意圖。由圖可知,橫向振動(dòng)、雙層結(jié)構(gòu)壓電材料由兩片壓電陶瓷通過(guò)環(huán)氧壓合粘接而成,每層均雙面施加電極(50 nmNi-Cr+100 nmAu),一側(cè)保留包邊電極,用以連通中間層電極,外電極直接引出,內(nèi)、外電極通過(guò)切縫斷開(kāi)連接;所制備的雙層結(jié)構(gòu)的w可由精密磨床精確控制,l、t可由高精度劃片機(jī)精確控制,所制得的樣品精度達(dá)到微米級(jí)。
圖2 壓電元件示意圖
Junho Song等提出一種基于橫向模式的雙層結(jié)構(gòu)壓電元件的制作方法[7]。該方法中,雙層結(jié)構(gòu)通過(guò)銀箔、環(huán)氧粘接,內(nèi)、外電極分別通過(guò)銀箔和導(dǎo)電環(huán)氧引出,內(nèi)、外電極通過(guò)非導(dǎo)電填充斷開(kāi)電路連通。本實(shí)驗(yàn)采用的雙層結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法無(wú)需采用銀箔引出內(nèi)電極,制作時(shí)雙層結(jié)構(gòu)的粘接層不確定性減小,制作過(guò)程較簡(jiǎn)單,在不提高設(shè)備成本的情況下制作精度較高。
對(duì)表2中3種尺寸的壓電元件進(jìn)行仿真分析,得到各尺寸參數(shù)下的壓電元件阻抗-相位曲線(見(jiàn)圖3),表3為各尺寸對(duì)應(yīng)的相位極值點(diǎn)處頻率與阻抗參數(shù)。結(jié)果表明,3種長(zhǎng)度不同的橫向振動(dòng)、雙層結(jié)構(gòu)壓電元件在橫向振動(dòng)方向(t方向,t=2 mm)相位極值點(diǎn)的頻率非常接近(800 kHz左右),隨著長(zhǎng)度增加,阻抗先降低后增加;長(zhǎng)度為12 mm時(shí),壓電元件阻抗達(dá)到最低,即當(dāng)壓電元件長(zhǎng)、寬、高分別是12 mm、0.7 mm、2 mm,單層厚度為0.35 mm時(shí),電阻抗在諧振頻率791.2 kHz處達(dá)到58.06 Ω(最接近50 Ω)。
圖3 3種尺寸壓電元件仿真
尺寸/mm頻率/kHz阻抗/Ω相位/(°)10×0.7×2803.775.8968.7812×0.7×2791.258.0669.8914×0.7×2806.867.3170.68
根據(jù)仿真結(jié)果制作橫向振動(dòng)、雙層結(jié)構(gòu)壓電元件,其長(zhǎng)、寬、高分別是12 mm、0.7 mm、2 mm。對(duì)其進(jìn)行阻抗測(cè)試,并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖4)。由圖可知,橫向振動(dòng)、雙層結(jié)構(gòu)壓電元件的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性良好,阻抗相位極值點(diǎn)絕對(duì)值接近,曲線分布重合度較高。壓電元件存在橫向振動(dòng)模式和厚度振動(dòng)模式,其橫向振動(dòng)的仿真與實(shí)驗(yàn)相位極值點(diǎn)分別在791.2 kHz與782 kHz處,阻抗分別為58.06 Ω、58.31 Ω。由圖4可知,本實(shí)驗(yàn)制作的橫向振動(dòng)、雙層結(jié)構(gòu)壓電元件阻抗接近電路系統(tǒng)阻抗,且與理論仿真結(jié)果接近,達(dá)到預(yù)期要求。
圖4 阻抗對(duì)比結(jié)果
本文基于橫向振動(dòng)模式與多層結(jié)構(gòu)有效降低壓電元件電阻抗的原理,提出一種橫向振動(dòng)、雙層結(jié)構(gòu)壓電元件的構(gòu)造方法。此方法可以減小材料制備的不確定性,在保證精度的前提下簡(jiǎn)化制作工藝,降低成本。建立有效仿真模型,對(duì)橫向振動(dòng)、雙層結(jié)構(gòu)壓電元件的振動(dòng)模式進(jìn)行仿真分析,得到最佳制作方案。制作了基于橫向振動(dòng)模式的雙層結(jié)構(gòu)壓電元件,測(cè)試結(jié)果與理論仿真結(jié)果接近,分別在782 kHz與791.2 kHz處達(dá)到相位極值點(diǎn),阻抗分別為58.31 Ω、58.06 Ω,接近電路系統(tǒng)阻抗(50 Ω),達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期。