自聚焦PVDF超聲換能器制作與研究

金文韜+胡川+沈博

摘 要：針對目前常用的壓電陶瓷換能器加工難度大、制作周期長、成本高等問題，文章設計制作了一種基于PVDF壓電薄膜的自聚焦超聲換能器，充分利用PVDF薄膜成本低、易加工、耐腐蝕等優點。文章進行的聲場測試表明，制得的自聚焦PVDF超聲換能器尺寸達到了7mm，中心頻率為5MHz，縱向分辨率為0.38mm，橫向分辨率為1mm，和模擬值相符。相比于常用的壓電陶瓷換能器，文章極大程度上降低了制作成本，并有改造成內窺用超聲換能器的潛力。

關鍵詞：光聲成像；超聲換能器；PVDF；自聚焦

1 概述

光聲成像技術是一種新型的無損成像技術，結合了普通光學成像和超聲成像的優點，具有穿透深度大、成像分辨率高、安全無損等眾多優點，在血管生物學[1]、腫瘤學[2]等方面已經得到了廣泛的應用。光聲成像技術的主要原理是目標物體接受短脈沖激光照射迅速吸收激光照射產生的能量，之后產生熱能而振動對外發出超聲信號，光聲成像的結果實際反映的是目標物體各位置的光吸收系數，光聲成像技術所產生的超聲信號可以用超聲換能器來接收。

壓電原理是超聲換能器設計制作中常用的原理，壓電原理指的對某種材料施加電場會引起材料本身的形變，而材料本身如果發生形變又會使材料產生電場，這種材料就叫做壓電材料。PVDF壓電薄膜是壓電換能器制作中常用的壓電材料，已經被廣泛應用在生物醫學檢測中，雖然PVDF壓電薄膜的中心頻率通常不如另外一種常用的壓電材料-壓電陶瓷，但PVDF壓電薄膜的加工難度與加工成本遠低于壓電陶瓷，其本身易彎曲的特性也使它能適用于多種形狀的壓電換能器，而且其本身的聲阻抗值和人體組織更加匹配，所以本文選擇適用PVDF壓電薄膜來作為壓電材料。

聚焦超聲換能器又是超聲換能器的一大重要分支，實現聚焦的方式主要有主動式聚焦、被動式聚焦和相控陣聚焦。主動式聚焦是指通過改變換能器本身形狀來實現聚焦，一般是將換能器的壓電單元制成球面或柱面；被動式聚焦主要實現方式是使用一些輔助手段聚集超聲能量來實現聚焦，目前國內外的主要手段是在換能器前部添加一個聲透鏡；相控陣聚焦是指通過電子控制排列超聲換能器陣列來實現聚焦，它可以調節換能器的焦距、焦斑大小等。本文所設計的自聚焦超聲換能器屬于主動聚焦的方法，根據PVDF薄膜本身有易彎曲的特性，將PVDF薄膜彎曲成球面從而實現聚焦。

本文將充分利用PVDF薄膜易彎曲、聲阻抗低、耐腐蝕、成本低等一系列優點，嘗試以PVDF薄膜為壓電材料、以自聚焦為聚焦方式的超聲換能器制作，對制得的自聚焦PVDF超聲換能器進行聲場測試，并將實驗數據與仿真數據進行對比，驗證其各性能指標是否達到預期值。本文所設計的自聚焦超聲換能器主要包括三個單元，分別為壓電單元、背襯單元以及屏蔽單元。

2 換能器制作

本文采用52μm的PVDF壓電薄膜，其電極材料為銀，首先將PVDF壓電薄膜剪成一個半徑為3mm的圓，在圓的一側留有一個長約5mm的長條，留作連接正極用；之后使用丙酮將PVDF壓電薄膜邊緣的電極擦去，再將PVDF壓電薄膜的長條部分負極的電極全部擦去；下一步將PVDF壓電薄膜的圓形部分的正極貼在3D打印的樹脂支撐件的凹面上，用相應曲率的亞克力圓球將PVDF壓電薄膜壓緊在支撐件上；然后通過導電銀膠將屏蔽線正極固定在PVDF壓電薄膜長條部分的正極，待銀膠完全凝固后（約24小時）將PVDF壓電薄膜與支撐件整體裝入屏蔽銅殼；最后一步使用導電銀膠將屏蔽銅殼與PVDF薄膜負極聯通、屏蔽銅殼與屏蔽線負極聯通，之后在屏蔽銅殼后端灌入環氧樹脂膠即完成所有步驟，自聚焦PVDF換能器結構示意圖與其實物圖如圖1所示。

制得的自聚焦PVDF超聲換能器外徑為7mm，PVDF壓電薄膜半徑為3mm，曲率半徑為16mm，接下來將對超聲換能器進行聲場測試。

3 聲場測試

本文將利用光聲掃描系統對制得的自聚焦PVDF超聲換能器進行聲場測試，實驗裝置如圖2所示，Q-Swiched Nd：YAG激光器發出頻率為10MHz、波長為532nm、光強為320V的脈沖激光，激光記過光反射鏡反射后照射在頭發上，頭發埋在瓊脂仿體中，仿體中混入了脂肪粉和墨汁，散射和吸收系數分別為1mm-1、0.07mm-1[3]，換能器由步進電機帶動可以進行二維掃描，步進電機通過步進電機控制器最終由pc控制。以垂直換能器軸線以及頭發的方向為X軸，以平行換能器軸線的方向為Y軸，X軸方向掃描步長為0.1mm，掃描范圍8mm，Z軸方向掃描步長為1mm，掃描范圍8mm。

對每一個X軸方向的掃描結果進行圖像重建，將圖像重建結果拼接在同一幅圖中，成像結果如圖3（a）所示，可以看到，從Z軸13mm處開始，X方向的半高寬尺寸逐漸減小，到Z軸16mm附近時達到最小，之后又逐漸增大，說明本文所制得的自聚焦PVDF超聲換能器焦距約為16mm。

確定焦點位置后，提取焦點處信號數據進行傅里葉變換可得圖3（b），可以看到換能器中心頻率約為5MHz；圖3（c）實線為焦點處的原始信號，虛線為希爾伯特變換后的包絡曲線，可以算出換能器縱向分辨率約為0.38mm；圖3（d）中星號為聲場測試中得到的實驗值，實線為同樣參數下的模擬值，可以看到實驗值與模擬值非常接近，算得的橫向分辨率約為1mm。

4 結束語

相對于現有的自聚焦換能器多數采用壓電陶瓷或其它復合壓電材料，本文采用的PVDF壓電薄膜在很大程度上節約了成本，實驗結果也證明了PVDF壓電薄膜制得的換能器性能指標符合預期值。本文所制得的超聲換能器外徑僅有7mm，在尺寸上有潛力改造為內窺用的超聲換能器，有望在宮頸管、腸道等內窺系統中得到應用。

參考文獻

[1]OLADIPUPO S S， HU S， KOVALSKI，J R et al. VEGF is essential for hypoxia-inducible factor-mediated neovascularization but dispensable for endothelial sprouting[J].Proc Natl Acad Sci U.S.A， 2011，108（32）：13264-13269.

[2]ERPELDING T N， KIM C， PRAMANIK M et al. Sentinel Lymph Nodes in the Rat： Noninvasive photoacoustic and US Imaging with a clinical US system[J].Radiology，2010，256（1）：102-110.

[3]Peng K， He L， Wang B， et al. Detection of cervical cancer based on photoacoustic imaging-the in-vitro results[J].Biomedical Optical Express，2015，6（1）：135-143.