高頻超聲換能器技術研究進展與展望*

吳大偉

(南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室 南京，210016)

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高頻超聲換能器技術研究進展與展望*

吳大偉

(南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室 南京，210016)

高頻超聲是超聲技術前沿研究領域，可以提供更高的空間分辨率、更精準的檢測診斷信息，在生物醫學臨床與基礎研究、先進裝備制造無損檢測等領域具有重要的應用價值,但其核心器件高頻超聲換能器的研制一直是高頻超聲技術發展的瓶頸。首先，介紹了超聲換能器基本理論；然后，論述了高頻超聲換能器技術發展現狀、面臨技術難題及解決途徑，并結合高頻超聲換能器研制實例予以說明；最后，對高頻超聲換能器技術進行了討論與展望。

高頻超聲； 超聲換能器； 微加工； 壓電器件

引 言

高頻超聲(高于30 MHz)是超聲技術的重要分支和研究熱點，與光學、射線和核磁等無損檢測與成像技術相比，其優勢在于：a.可以很好地平衡高分辨率與高穿透性之間矛盾；b.可以在微觀尺度表征物體的機械性能。經過近二三十年的發展，高頻超聲已經在電子器件評估與檢測、材料微觀機械性能表征和生物醫學高分辨率成像等領域發揮著不可取代的作用，并已經在生物組織病理定量研究、細胞成像與細胞機械性能檢測以及超聲鑷子等前沿基礎研究與應用技術中表現出廣泛的前景[1-3]。

超聲換能器是超聲技術的核心器件，其特性參數從根本上決定整個超聲系統的性能,但超聲換能器的研制一直是超聲技術中的技術瓶頸。其主要原因有：a.超聲換能器結構復雜、工藝繁瑣；b.超聲換能器研制涉及到聲學、振動、材料、電子、機械，甚至化學、醫學等學科知識。高頻超聲換能器尺寸小，精度要求高，給換能器設計、材料、工藝提出更高的要求[4]。

1 壓電超聲換能器原理

1.1 壓電超聲換能器基本結構

圖1與圖2為部分中低頻率(低于20 MHz)商業壓電超聲換能器。圖1為工業用超聲換能器，包括斜探頭、可變角探頭、直探頭和聚焦探頭等。圖2為醫學臨床常用超聲換能器，包括線陣、凸陣、相控陣和腔內探頭等。這些換能器雖然因用途不同外形各異，但其工作原理相同，基本結構類似。

圖1 工業用超聲換能器(廣東多浦樂電子)Fig.1 Ultrasonic transducer arrays for industrial applications (Doppler Electronic Technologies)

圖2 醫學臨床超聲換能器(汕頭超聲儀器研究所)Fig.2 Clinical ultrasonic transducer arrays(SIUI)

圖3為常見的一維陣列超聲換能器典型結構示意圖,其結構包括陣元、匹配層、背襯層、聲透鏡和陣元連線等，其中壓電材料制備的陣元是換能器核心部件。對于壓電陶瓷材料超聲換能器，其壓電陣元的聲阻抗(介質密度與介質中聲速乘積)通常大于匹配層與背襯層的聲阻抗，此時壓電陣元取其基波共振對應的厚度

(1)

其中：f0為陣元基波共振頻率；cp，λp分別為壓電陣元中的聲速和聲波長。

圖3 超聲線陣結構圖Fig.3 Construction of an ultrasonic linear array

對于PVDF壓電聚合物，其聲阻抗小于背襯層，其負載多為水或軟組織而無需匹配層，此時陣元基波共振對于厚度[5]為

(2)

從圖3可見，換能器的每個陣元都有各自連線，形成獨立通道。前端電路可借此控制陣元激發聲波時序，實現聲束電子聚焦(focusing)與掃描(steering)[6]

(3)

其中：xn，Δtn，Δrn分別為中間陣元與邊上第n個陣元之間距離，及它們到達聚焦點P(r,φ)的時間差與路徑差；cm為傳播介質中聲速；式(3)的第1與第2部分分別對應聚焦與掃描的時間延遲。

除了上述電子聚焦，圖3所示的聲透鏡可實現與電子聚焦方向相垂直的物理聚焦，決定超聲圖像的成像厚度d

(4)

其中：D為孔徑大小；λm為介質中聲波長。

Fc為聲透鏡聚焦距離

(5)

其中：Rc為透鏡的曲率半徑；c1，c2分別為聲透鏡與介質中的聲速。

圖4為圖3中陣元結構局部放大圖?？梢钥吹?，各壓電陣元被等間距隔開且被匹配層與背襯層夾在中間。因為陣列中陣元等間隔分布，換能器聲場因陣元間聲場的干涉在φg角度處出現柵瓣[7]

(6)

其中：n為整數；g為兩相鄰陣元中心間距；λm為介質中聲波長；θs為相控陣的掃描角(對于線陣θs=0)。

圖4 超聲換能器陣元結構圖Fig.4 Construction of ultrasonic array elements

為了抑制90°成像視角內出現柵瓣，線陣的g不能大于λm，相控陣的g不能大于λm/2。此外，為了抑制陣元的寄生振動，陣元寬厚比(w/L)要小于0.6[6]，因此

w<0.6L

(7)

陣元前面的匹配層實現壓電陣元與待測物體間的聲阻抗匹配，讓更多超聲能量傳輸出去和接收回來，增強信號的靈敏度。對應單一頻率的平面波，當匹配層厚度為1/4波長且聲阻抗Zm0滿足

(8)

則可實現壓電材料(聲阻抗Zp)與介質(聲阻抗Zm)之間100%能量傳播。檢測、成像用超聲換能器都是寬帶器件(通常大于50%)，Desilets等[8]證明，對于寬頻超聲換能器，單一1/4波長匹配層的聲阻抗應為

(9)

如果為獲取更高帶寬采用雙1/4波長匹配層，其聲阻抗分別為

(10)

(11)

此外，陣元后面的背襯層用以消除/削弱信號震蕩，調控信號帶寬，通常背襯層厚度是其聲波長20倍以上。可見，超聲換能器研制中需考慮的因素較多，這些因素互相關聯制約，需通過計算機輔助設計結合研制者經驗，做許多折中處理選取合適的壓電陣元、匹配層和背襯層等物理和幾何參數，平衡超聲換能器空間分辨率、穿透力、聲束聚焦和研制成本等，以滿足具體應用要求。

從式(1)，(2)，(6)，(7)等可知，換能器的陣元、陣元間隔和匹配層厚等幾何尺度與換能器頻率成反比關系，頻率越高，幾何尺度越小。例如在生物醫學成像應用中，基于PZT-5H壓電材料的1 MHz超聲換能器線陣，陣元厚度為2 mm、寬度為1.2 mm，相鄰陣元中心間隔為1.5 mm，陣元槽口為0.3 mm。如果換能器頻率提高到50 MHz，同樣基于PZT-5H材料，則陣元厚度為40 μm、寬度為24 μm，相鄰陣元中心間隔為30 μm，陣元槽口為6 μm?？梢?，高頻超聲換能器部件尺寸小、精度要求高，這給設計、材料和工藝提出更高的要求，低頻超聲換能器中使用的常規材料與制備工藝已無法滿足要求。

1.2 壓電超聲換能器陣元

壓電超聲換能器的核心部件是壓電陣元。壓電陣元的幾何形狀因不同換能器類型而各異[7]。圖5中的(a)和(b)陣元常用于厚度振動模式下的單陣元超聲換能器，(c)常用于直條振動模式下二維超聲陣列或壓電復合材料，(d)常用于長梁振動模式下的一維線陣與相控陣。

圖5 不同幾何形狀陣元的振動模態Fig.5 Transducer element′s geometries for different modes

需要特別注意的是，壓電材料是各向異性材料。壓電陣元的重要參數包括聲速、聲阻和機電耦合系數等，因其幾何形狀、極化方向、電極位置不同而數值不同。表1為極化沿厚度方向(圖5中d方向)，電極面垂直于極化方向條件下，壓電陣元在不同幾何形狀對應的振動模式下的主要聲學參數。

表1 不同振動模式下PZT的材料參數

Tab.1 Material properties of PZT of different modes

性能參數直條模式長梁模式厚度模式聲速/(m·s-1)385045804000聲阻/Mrayl28.934.430.0機電耦合系數0.750.510.73

1 Mrayl = 106kg/(s·m2)

Selfridge等[9]對壓電陣元幾何尺寸與其重要聲學參數間定量關系進行了理論分析與預測。圖6為Selfridge理論預測的壓電陣元聲速分布隨陣元寬高比變化規律。圖的左邊對應圖5(d)長梁模式，右邊對應圖5(a)和圖5(b)的厚度模式。當寬高比的值處于中間位置(寬高比為1左右)，陣元的寄生振動會影響到換能器的性能，在寬頻換能器設計中陣元應盡量避免采用此幾何形狀。

圖6 壓電陣元聲速與其寬高比關系Fig.6 Sound speed dispersion for a transducer element as a function of w/d aspect ratio

1.3 壓電超聲換能器物理模型

換能器陣元的電學特性可通過圖7所示的集總參數電路模型獲得[7]。其中：C0為壓電陣元的固有電容；Rs，Cs，Ls為陣元壓電效應產生的輻射阻抗(radiation impedance)轉化出的等效集總電路的電阻、電容與電感

C0=εSA/d

(12)

(13)

(14)

(15)

圖7 單陣元換能集總參數電路模型Fig.7 Electrical lumped equivalent circuit for a transducer element

其中：εS為壓電陣元材料受夾介電常數；A為壓電陣元電極面積；d為壓電陣元厚度；Z1和Z2為陣元前后端負載(通常為匹配層與背襯層)聲阻抗；kT為壓電材料機電耦合系數；ω1為等效電路的串聯共振頻率；陣元聲阻抗率Zc=ρcA。

此等效電路可有效模擬具有匹配層與背襯層的換能器陣元的電學特性，缺點是無法描述聲學響應。圖8為三端等效電路模型，完整模擬換能器聲、電特性。此類等效電路主要包括Mason模型、Redwood模型和KLM模型等，其中KLM模型[10]最為常用，如圖9所示。

圖8 壓電陣元的三端等效電路模型Fig.8 Three-port equivalent circuit for a transducer element

圖9 單陣元換能器KLM等效電路模型Fig.9 The KLM model for a transducer element

KLM模型將換能器結構中的壓電層、匹配層、背襯層和黏結層等視為傳輸線，其優點是可以將聲、電接口分離：聲學前端口連接匹配層、黏結層、電極層、聲透鏡和負載等，聲學后端口連接背襯層、黏結層和電極層等，電子端口連接電阻匹配網絡、電信號接收端等。采用此模型，換能器的聲阻匹配、背襯、電阻匹配等可被分開來研究，簡化了換能器設計。

1.4 壓電超聲換能器材料

壓電超聲換能器材料可分為兩類，一類是壓電材料(active materials)，包括壓電陶瓷、壓電單晶、壓電聚合物、壓電膜和壓電復合材料等；一類是無源材料(passive materials)，包括匹配層材料、背襯層材料、聲透鏡材料、槽口填充材料、黏結材料和電極材料等。

壓電材料的機電耦合系數、介電常數和聲阻抗等是換能器設計中關鍵參數。例如，醫學成像壓電換能器的極限帶寬與機電耦合系數的平方成正比關系[7]

(16)

PZT(PbZr1-xTixO3)壓電陶瓷家族具有較高的機電耦合系數與介電常數，是最常見的換能器材料。其中：PZT-5A和PZT-5H屬于軟PZT材料，靈敏度高，常用于水聽器、醫學超聲換能器等；PZT-2，PZT-4，PZT-8等屬于硬PZT材料，耐高壓，不易退極化，常用于功率超聲換能器。近年來由于環保與健康考慮，無鉛壓電陶瓷(如KNN，BNT)成為國內外研究熱點[11]。

PMN-PT，PZN-PT壓電單晶擁有卓越的壓電性能，機電耦合系數甚高，基于它們的超聲換能器帶寬可達100%，且靈敏度高[12]。PMN-PT等壓電單晶已用于制備高端超聲換能器陣列。

壓電陶瓷、壓電單晶等材料一個主要缺點是聲阻抗非常高(30～40Mrayls)，需要多層聲阻抗匹配。如將這些材料切割出網格分布槽口并填充低聲阻抗的聚合物如環氧樹脂，可得到性能優異的1-3壓電復合材料。相比壓電陶瓷，1-3壓電復合材料聲阻抗低易匹配、機電耦合系數更高、脆性降低[13]。缺點是加工成本較高，高頻壓電復合材料制備難度高。

PVDF有機壓電聚合物薄膜雖然機電耦合系數和介電系數均較低，但其聲阻抗與水、軟組織接近，且具有高柔順系數和高壓電電壓常數(g)，常用于制備水聽器和單陣元高頻換能器[14]。

此外，ZnO，PZT，AIN等材料的壓電薄膜常用于制備特高頻超聲換能器或聲表面波器件[15]。表2為超聲換能器常用壓電材料性能比較。

壓電換能器中除了陣元是壓電材料，剩余部件的材料都屬于無源材料。它們因用途和功能需求不同，材料性能各異，聲阻抗與聲衰減值是設計中最關心的參數。對于醫學成像超聲換能器，匹配層材料要求聲衰減低，聲阻抗2～10Mrayls左右；背襯層材料要求聲衰減高，聲阻抗5～30Mrayls左右；聲透鏡材料要求聲衰減低，聲阻抗1～2Mrayls左右；陣元槽口填充材料聲阻抗1～2Mrayls左右。表3為超聲換能器常用無緣材料的部分性能參數。

1.5 壓電超聲換能器聲場

超聲換能器聲場參數是超聲檢測、成像應用的重要指標。無論在工業檢測還是在醫學成像應用中，超聲換能器的尺寸和超聲波長處于一個量級，因此超聲換能器的聲場具有典型的衍射特征。依據惠更斯理論將衍射聲場視為換能器孔徑內無限小的點陣元聲場互相干涉形成，并通過Rayleigh-Sommerfeld積分實現聲場的理論計算[10]。圖10是直徑為D，半徑為r的活塞型換能器在頻率為f正弦波驅動下的發射聲場橫截面圖及聲場輪廓圖。

圖10 活塞式超聲換能器發射聲場及其輪廓Fig.10 Beam profile and beam contour of a piston ultrasonic transducer

圖10(a)可見，靠近換能器表面區域聲場分布比較復雜，聲強與聲壓幅值振蕩，此區域為換能器聲場近場(Fresnel區域)。距離較遠處聲場分布簡單，聲強與聲壓幅值各自以1/Z2，1/Z規律衰減(Z為換能器表面中心的軸向距離,如圖10(b)所示)，此區域為遠場(Fraunhofer區域)。在聲速為cm，聲波長為λm的介質中，近場與遠場的分界點距離換能器表面

(17)

此距離Z0亦稱換能器的自然焦距。在常規超聲檢測與成像中，應避開使用換能器近場。超過自然焦距Z0，超聲聲場沿著φ開始往外擴散，如圖10(b)所示，聲場擴散角遵循

sinφ=0.61λm/r

(18)

實際使用的超聲換能器大都經過物理或電子聚焦來抑制聲場擴散，形成窄而長的聲束，并多在脈沖回波模式下工作，其聲場輪廓如圖11所示。其中，關鍵的參數是聲場焦點長度FZ和焦點處聲束寬度BD。焦點長度FZ決定軸向檢測和成像區域大小，焦點處聲束寬度BD決定橫向成像空間分辨率。FZ可由以下公式求得

(19)

圖11 聚焦超聲換能器發射聲場輪廓Fig.11 Beam contour of a focused ultrasonic transducer

SF定義為

SF=F/Z0

(20)

其中：F為換能器聚焦點距離；Z0為換能器自然焦距；對于未聚焦的平面換能器，SF=1。

BD可由下式求得

(21)

其中：λm為聲波在介質中波長；f#為相對孔徑。

f#定義為

f#=Fc/D

(21)

BD可用于表征換能器的橫向分辨率，換能器的縱向分辨率為

(22)

其中：BW為超聲信號-6 dB帶寬與超聲信號中心頻率比值。

表2 超聲換能器常用壓電材料重要參數

Tab.2 Piezoelectric materials for ultrasonic transducers

參數PVDF石英(x-cut)PZT-5HPZT-5APMN-33%PTPZT-5H復合材料機電耦合系數kT0.110.0930.50.490.640.66介電常數(ε33S/ε0)124.51470830680622聲阻抗/Mrayls3.913.33433.737.416

表3 超聲換能器常用無源材料參數

2 高頻換能器制備技術現狀

高頻超聲換能器與常規低頻超聲換能器一樣，其研制包括陣元加工、匹配層制備、背襯層制備、陣元電極連線、聲透鏡制備和封裝等工藝。近一二十年，國內外許多學者一直致力于高頻超聲換能器制備新技術的研究。筆者主要介紹其中比較關鍵的陣元加工與連線技術現狀。

2.1 陣元加工技術

加工超聲陣元的壓電陶瓷和壓電單晶等材料較硬且脆性大，屬于難加工材料。高頻超聲換能器陣元尺寸小、幾何精度和加工工藝要求高。目前常用的加工方法有如下幾種。

2.1.1 刀片機械切割

刀片切割是最常見的超聲換能器加工工藝，它通過高速運轉的刀片機械切割壓電材料形成陣元；陣元間隙由刀片厚度決定。低頻(<10 MHz)線陣、相控陣和面陣通常都是通過此方法實現。高頻陣列也可通過使用超薄刀片實現。美國南加州大學超聲換能器研究中心的Kirk Shung教授小組使用10～15 μm刀片成功實現35 MHz的高頻線陣[16]。這種方法的局限是只能切割直線，無法實現例如環形陣列等復雜形狀。

2.1.2 激光微加工

激光微加工是利用微米尺度激光束產生高溫融化或氣化被加工壓電材料形成陣元；陣元間隙的大小主要由激光束光斑尺寸決定。加拿大多倫多大學的F.S. Foster小組使用UV激光器產生8 μm光斑，成功加工出35～45 MHz超聲換能器陣列[17]。激光微加工的一個顯著優點是可以加工出復雜幾何形狀，因此亦被用于加工高頻環形陣列[18]；缺點是設備昂貴，加工成本高。

2.1.3 MEMS微加工

MEMS微加工技術由半導體加工技術改造而來，通過綜合運用光刻、刻蝕(包括濕法刻蝕、干法刻蝕)等技術研制微米尺度器件。最近一二十年被應用于加工高頻超聲陣列，并成為研究熱點。日本Ito等[19]用濕法刻蝕ZnO壓電薄膜，研制出100 MHz線陣。微加工技術的另一重要應用是用于加工電容式微加工換能器(cMUT)。美國斯坦福大學的Yakubi教授是這一領域的先驅[20]。與傳統基于壓電材料的超聲換能器不同，它是利用微加工技術在硅材料上形成覆蓋薄膜的空腔(cavity),通過靜電力引起薄膜的振動產生超聲波。微加工技術的優點是可以加工復雜平面陣列，可批量生產；缺點是設備昂貴、工藝復雜。

2.2 陣元電極連接技術

超聲換能器每個陣元都有自己的連線以形成獨立通道。對于擁有幾百甚至上萬陣元的換能器陣列，陣元電極連線技術是換能器制備的關鍵與難點，尤其對于陣元更小的高頻換能器陣列更是如此。

2.2.1 柔性電極連線

通常超聲換能器陣列的陣元電極連接通過柔性電路(flexible circuits)實現：將電極連線制備在柔性絕緣基底上，比如聚酰亞胺(Kapton)，通過環氧樹脂將柔性電路上的電極與陣元對準粘合，如圖12(a)所示。此方法工藝簡單、彎折性好、連接密度較高而獲得廣泛應用。但對于高頻超聲換能器，特別是面陣應用中，此方法面臨兩個問題：a.柔性電路厚度通常為10 μm以上，黏結層厚度為2～5 μm，此厚度在低頻應用中可做聲透明處理，在高頻應用中無法忽略，會明顯影響到換能器性能；b.高頻面陣陣元尺寸小，柔性電路與陣元間的對準粘合非常困難。

圖12 柔性電極連線與超聲焊接連線Fig.12 Examples of flexible circuits bonding and ultrasonic wire bonding

2.2.2 超聲焊接連線

超聲焊接連線利用熱、壓力和超聲波能量使細金屬線與基板緊密焊合，廣泛應用于半導體芯片等電力電子領域。超聲換能器結構復雜，此技術只適用稀疏陣元連線，不適用高密度陣元，特別是超聲面陣。圖12(b)為筆者通過超聲焊接技術給50 MHz超聲環形陣列的陣元連線實例。

2.2.3 倒裝封裝連線

倒裝封裝連線(flip chip bonding)通過陣列排列的焊料凸點實現與基底部件連接，直接以對準倒扣方式將連線板上連接點與基底上凸點鍵和，如圖13所示。此技術連接點小、對準精確，適合高密度、微型陣元電極連線。筆者研制的點焊面陣電極連線即采用此技術(詳見3.2高頻超聲面陣)。但在超聲換能器應用中，倒裝封裝只能通過背襯層進行，要求背襯層具有較高的聲衰減同時具有良好的導電性，限制了此技術應用。

圖13 倒裝封裝示意圖與實例Fig.13 Illustration and an example of flip chip bonding

2.2.4 微加工封裝連線

近年，筆者采用微加工連線工藝實現微型多陣元電極連接：在陣元電極表面旋涂(spin-coating)一層1～2 μm厚的SU-8 2000(MicroChem,USA)絕緣隔離層，通過掩模曝光光刻，在SU-8隔離層上開出一系列幾十微米、大小具有平滑過渡面的連接窗口，濺射銀導電層并通過掩模曝光光刻形成連接線路[21]。圖14為以此工藝完成的超聲環形面陣陣元連接照片與局部放大圖。此方法制備的陣元互連層厚度小、精度高、可靠性高。

圖14 基于SU-8的微加工連線局部放大圖與連線實例Fig.14 Illustration and an example of SU-8 based micro-machined interconnection

3 高頻超聲換能器研制實例

結合上述換能器設計、換能器材料、換能器陣元加工、換能器連線封裝知識，介紹幾款筆者近年來研制的高頻壓電超聲換能器。

3.1 微加工高頻超聲陣列

50～100 MHz高頻超聲陣列要求陣元厚度為20～40 μm，陣元間槽口為4～10 μm，傳統壓電陶瓷(晶粒尺寸為1～10 μm)結合機械切割技術(切割槽口為10 μm以上)不再適用，筆者采用微加工壓電厚膜技術制備了一系列50～100 MHz超聲換能器陣列。圖15為此制備技術的工藝流程。首先，甩涂方法在硅片基底上制備PZT壓電厚膜；然后，用干刻蝕技術微加工PZT厚膜形成微小陣元，用濕刻蝕除去PZT陣列下面的硅片基底并填充背襯層，制備匹配層后封裝連線[22-23]。

為了獲得亞微米晶粒、致密PZT厚膜，需先將PZT陶瓷粉末球磨，并與PZT凝膠溶膠以優化比例混合后再球磨制成漿料，每次甩涂燒結后用抽真空技術將PZT凝膠溶膠滲入膜中再次燒結，如此反復直至到達需求的厚度[24]。

為了獲得10 μm以下垂直的微型陣元槽口，先用光刻技術結合脈沖電鍍生成鎳金屬掩模，然后采用基于氯基腐蝕氣體的深反應離子干刻蝕技術(DRIE)刻蝕出微型槽口[22]。

圖16(a)為微加工PZT厚膜局部放大圖，可以看到槽口寬度(6 μm)小于10 μm且非常的垂直(展弦比大于10),滿足50～100 MHz超聲陣列制備需求。圖16(b),(c),(d)分別為依此技術制備的高頻環形陣列、線性陣列與復合陣列[22-25]。圖17為基于此技術制備的90 MHz超聲換能器得到的羊神經根超聲圖像與光學圖像。

圖15 微加工PZT厚膜超聲陣列工藝流程圖Fig.15 Fabrication flow of PZT film ultrasonic arrays

圖16 基于PZT厚膜的微加工高頻超聲換能器Fig.16 Micro-machined high-frequency PZT films ultrasonic transducer arrays

圖17 羊神經根的90 MHz超聲圖像與光學圖像Fig.17 90 MHz ultrasonic image and optical image of spinal roots of a sheep

3.2 高頻超聲面陣

圖18 機械切割超聲換能器面陣陣元Fig.18 2D ultrasonic array elements formed by mechanical dicing

Epotek-30環氧樹脂黏滯性低，流動性好，且具有較好的溫度和機械性能，被選用為陣元間槽口的填充材料。圖18中切割后的樣品需經過離子處理(plasma treatment)，改善表面親水性，使環氧樹脂更容易滲入陣元槽口中。環氧樹脂的填充過程在抽真空環境下進行，以保證樹脂充分滲入到陣元底部，并排除樹脂溶液中的氣泡。

匹配層和背襯層材料都是由固體粉末與環氧樹脂制備的復合材料。匹配層由氧化鋁粉末與環氧樹脂制備而成，背襯層由鎢粉與銀粉混合金屬粉末與環氧樹脂制備而成。因具體應用需求，它們對聲學和電學等性能的要求差異較大，其中背襯層要求導電性能好、聲阻抗值適中、聲衰減系數較高、具有一定硬度、溫度和機械穩定性好等要求。有限元仿真表明，此背襯層的聲阻抗值取10Mrayls時，可以保證換能器兼具需要的信號靈敏度和帶寬性。此外，背襯層需要有良好的導電性，以便使用倒裝連線技術連接陣元。為滿足上述要求，采用如下制備工藝：3～7 μm顆粒大小的鎢粉與8～10 μm顆粒大小的銀粉以重量比2∶1均勻混合，放入適量(與金屬粉末重量比為1∶10)環氧樹脂Epotek-301人工攪拌1 min，球磨4～5 h；然后加入環氧樹脂硬化劑，人工攪拌半分鐘，球磨半分鐘。攪拌好的背襯漿料傾倒在Pz31壓電陶瓷表面，在9 kr/min轉速下離心5～7 min。離心后的樣品需在室溫下經過24 h和溫箱65℃環境2 h硬化過程。需要注意的是，在離心過程中環氧樹脂會積聚在背襯上層和部分金屬粉末形成不導電材料，需打磨去除。匹配層由氧化鋁粉末與環氧樹脂以類似工藝流程制備而成，其聲阻抗值需滿足式(9)，厚度為1/4波長。圖19為連線封裝后的點焊用高頻超聲面陣正反面圖片。

圖19 點焊用高頻超聲面陣正面與背面Fig.19 Front and back sides of ultrasonic 2D arrays for spot-welding applications

上述陣列采用的是倒裝封裝連線，如果結合微加工封裝連線，可制備出如圖20所示的高頻超聲陣列。

圖20 微加工陣元連線高頻超聲面陣Fig.20 High frequency ultrasonic 2D array with micro-machined element interconnections

3.3 特高頻超聲環陣

聲學顯微鏡在生物醫學高分辨率成像、芯片封裝無損評估、材料微觀機械性能研究等前沿領域有重要應用。傳統聲學顯微鏡都采用單陣元換能器結合堅硬(摩氏硬度為9，聲速11ms/μs)的藍寶石作為聲透鏡材料實現聲束高度聚焦。藍寶石價格昂貴、加工困難且聲阻抗非常高(40Mrayls)。筆者采用特高頻環形陣列結合價格低廉、易加工、低聲阻抗、低聲衰減的石英玻璃(摩氏硬度為7，聲阻抗為12Mrayls)實現高度聚焦聲束。此換能器采用射頻磁控濺射法制備的氧化鋅薄膜作為壓電材料，通過濕法刻蝕氧化鋅薄膜形成環形陣列，最后用微加工陣元連線實現陣元連接。圖21為制備出的特高頻超聲環形陣列及特高頻聲透鏡。

圖21 聲學顯微鏡用超聲環形陣列與其聲透鏡Fig.21 Ultrasonic ring array and its acoustic lens for acoustic microscopy

基于此特高頻(400 MHz)換能器的聲顯微鏡可提供最高3～4 μm的空間分辨率，首次實現了木頭細胞(細胞大小為40 μm左右，細胞壁為7 μm左右)的超聲圖像，如圖22(b)所示。與圖22(a)的光學圖像比較可發現，超聲圖像可以顯示光學圖像無法呈現的信息：細胞壁主要由纖維素組成，相鄰細胞的細胞壁結合處含較多果膠質，聲學圖像可顯示它們具有不同的反射強度，光學圖像則難以發現區別[26]。

圖22 植物細胞的光學圖像與超聲圖像Fig.22 Optical and ultrasonic images of wood cells

4 討論與展望

首先，介紹了壓電超聲換能器基本結構及工作原理，指出高頻超聲換能器制備中面臨的技術難點；然后，筆者結合所研制的幾個高頻超聲換能器實例，從換能器設計、材料制備、材料加工、陣元連線和封裝等方面給出可行的技術解決途徑。

筆者所介紹的換能器制備方法都屬于減法制造(subtractive manufacturing)，它們共同的缺點是：換能器的設計制造周期長、工藝復雜、加工成本高。現代高頻超聲的發展需求微型、尺寸精確、多陣元、甚至特殊陣元形狀與特殊陣元分布的新型換能器。超聲換能器結構復雜且所需的壓電陶瓷脆性大不易加工，這給傳統減法制備帶來技術挑戰。

增材制造(additive manufacturing，或稱3D打印)，是現代數字化制造技術的代表,它直接從數字模型通過材料堆積快速成型來制造任意結構三維實體，能最大限度地使用原材料、極大縮短產品的研制周期、降低研制成本。近些年，增材制造技術在陶瓷器件制備領域得到了廣泛重視與迅速發展，出現以光刻成型、熔融沉積成型、選擇性激光燒結和電子束熔化成型等為代表的增材制造技術[27-28]。其中，光刻成型技術通過逐層疊加含光敏固化劑陶瓷漿料、逐層光固化成型；在眾多增材制造技術中具有最高的成型精度且系統簡單、制造速度快、成本低[29]。光固化成型技術結合現代的微加工技術進一步發展出的微立體光刻成型技術(Micro-stereolithography，縮寫μSLA)[30]，可以快速制造出其他微加工技術無法實現的微型、高精度、三維器件[31-33]，契合高頻超聲換能器制備的需求，為高頻超聲換能器的研制與應用提供了新的空間。

目前，微立體光刻成型打印壓電陶瓷材料及器件工作國內外都還尚處于萌芽探索階段，工作主要集中在以下兩個方面：a.克服打印壓電陶瓷需要高濃度的漿料與高濃度瓷漿料黏稠性高、散射強影響固化成型之間的矛盾[34]；b.克服打印精度要求高與器件固化成型皺縮變形、熱處理變形之間的矛盾[35]。相關的工作主要包括：a.加州伯克利大學的Xiang Zhang教授小組較早的探索微立體光刻成型打印鋯鈦酸鉛壓電薄膜[36]；b.通用電器(GE)研發中心通過使用帶有線陣圖形的掩膜(mask)作為投射圖像的模式產生器，制造1～25 MHz超聲換能器線陣陣元[37]；c.南加州大學Qifa Zhou教授近年嘗試打印高頻壓電器件的陣元[38]。目前，已報導的工作只限于壓電陶瓷材料與壓電陶瓷陣元的打印，發展基于微立體光刻成型技術的壓電陣元、背襯層、匹配層、電極連接的全打印應用基礎研究是微型高頻超聲換能器領域具有挑戰性和重要性的前沿課題[39]。

此外，集成超聲器件具有結構完整、性能優異、體積小和成本低等優點，是目前超聲換能器領域研究熱點，也是未來技術發展趨勢。美國賓州州立大學Trolier-McKinstry教授團隊基于微加工壓電薄膜換能器(pMUT)[40]發展出的集成壓電薄膜換能器[41],以及美國斯坦福大學Khuri-yakub教授團隊的集成電容式微加工換能器(cMUT)[42-43]均已取得重要進展，并有初步應用。但是更高頻率(高于20 MHz)、特殊陣元形狀與特殊陣元分布的集成超聲器件的制備技術仍有待突破。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.01.001

*國家自然科學基金資助項目(51675278)

2016-12-25

TB552; O426.9

吳大偉，男，1976年8月生，南加州大學博士、南京航空航天大學教授、博士生導師。主要研究方向為高頻超聲器件與超聲檢測、超聲電機在醫學中應用等。近年主持新西蘭自然科學基金項目、上海航天科技創新基金重點項目、自然科學基金面上項目等科研課題,參與美國國立衛生研究院基金等科研項目。在國際期刊和國際會議上發表論文近40篇。2015年入選“江蘇特聘教授”和中組部“青年千人計劃”。學術兼職包括廣東工業大學兼職特聘教授、全國高校機械工程測試技術研究會常務理事、中國振動工程學會動態測試專業委員會常務委員及《振動、測試與診斷》常務副主編等。 E-mail:dwu@nuaa.edu.cn