基于PMN-PT單晶材料的醫用超聲相控陣換能器設計

張 浩，曾 濤

(上海材料研究所 上海市工程材料應用與評價重點實驗室，上海 200437)

醫療超聲診斷技術具有直觀安全、對軟組織鑒別力強、方便快捷等優點，是當代醫學成像診斷中的首選技術[1]。超聲換能器是醫療超聲診斷系統的核心部件，可實現電能和聲能之間的轉換，其性能決定著圖像質量。為了得到優質的超聲圖像，需要超聲換能器具有高靈敏度，高帶寬[2]的特點。

傳統醫療換能器常用的功能元件是由PbZrO3-PbTiO3[3]制成的PZT(鋯鈦酸鉛)系列壓電陶瓷，其具有較低的壓電性能，使得換能器的靈敏度和帶寬較低，進而影響了圖像的分辨率和清晰度。近年來，隨著以鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)系列弛豫鐵電單晶為代表的高性能壓電材料的發展[4-5]，綜合性能優于PZT的PMN-PT成為高靈敏度、低噪聲換能器的理想功能材料，目前已應用于醫用超聲相控陣換能器的研制中。人的心臟位于肋骨之下，超聲聲束僅能通過肋骨之間的窄縫進入胸腔，這要求換能器體積必須小。

筆者設計了PMN-32%PT單晶材料的醫用超聲相控陣換能器，該換能器中心頻率約為2.6 MHz，-6 dB帶寬為80%以上，且具有高靈敏度，可用于對心臟疾病的顯像診斷。

1 換能器的設計

1.1 PMN-32%PT單晶材料性能

選取(001方向)PMN-32%PT單晶材料進行換能器設計。設計的壓電振子長12 mm，寬0.23 mm，高0.37 mm(見圖1)，寬高比<0.7[6]，其阻抗曲線如圖2所示，諧振頻率為2.22 MHz，反諧振頻率為4.28 MHz，壓電振子處于完全的縱向振動模式。實測PMN-PT和PZT壓電振子的性能如表1所示。

圖1 PMN-32%PT壓電振子模型

圖2 PMN-32%PT壓電振子阻抗曲線

表1 實測PMN-PT和PZT壓電振子的性能參數

從基本性能來看，PMN-32%PT單晶的壓電常數與機電耦合系數都明顯高于PZT系列陶瓷的，其壓電常數d33和k33分別高達1 620 pC·N-1和0.88，可進一步提高超聲換能器的帶寬和靈敏度。PZT系壓電陶瓷的聲阻抗為35 MRayl,而水負載聲阻抗只有1.5 MRayl ,阻抗相差很大,難以進行匹配層設計(低聲阻抗壓電材料更容易進行阻抗匹配),限制了換能器的帶寬。

1.2 匹配層設計

匹配層技術是拓寬厚度振動換能器頻帶最有效的方法，一定厚度的匹配層不但能產生多頻諧振來拓展換能器帶寬，還能提高聲傳輸特性。筆者采用兩匹配層方案(匹配層層數越多，帶寬越大)進行換能器設計。匹配層技術的基本原理是：在換能器的輻射表面黏接一層匹配層(即一種具有一定聲阻抗的材料層)，增加換能器自身的負載，換能器的基頻就會降低。由于匹配層的聲阻抗小于換能器敏感材料的聲阻抗，故其第二諧振頻率也會降低，這樣就形成了靠近的諧振峰。

理論上，匹配層厚度通常需滿足λ/4條件[7]，λ為匹配層中的聲波波長。單匹配層的聲阻抗Zm需要滿足

Zm=(ZPZL)1/2

(1)

式中:ZP和ZL分別為壓電材料和負載的聲阻抗率。

兩層匹配下，各匹配層聲阻抗可修正為[8]

對于PMN-32%PT單晶陣列換能器，其硅橡膠透鏡的聲阻抗為1.25 MRayl，根據上述公式計算出的Zm1和Zm2分別為7.03,2.30 MRayl。為了平衡換能器的帶寬和靈敏度，應選擇合適的背襯層阻抗。配制的各匹配層參數如表2所示。

表2 配制的匹配層參數

1.3 換能器的測試分析

醫用超聲相控陣換能器是由壓電陶瓷、聲學匹配層、聲透鏡、背襯、柔性電路板、低電容同軸電纜和調諧電感等部分組成。醫用相控陣單晶換能器外觀如圖3所示。

圖3 醫用相控陣單晶換能器外觀

采用串聯電感調諧的低電容同軸電纜來匹配單晶陣列的高阻抗。采用5072PR型脈沖信號源對該單晶陣列進行回波性能分析，其水中響應測試結果(64個基元測試)如圖4所示。

圖4 醫用相控陣換能器水中響應測試結果(64個基元測試)

制作的醫用相控陣單晶換能器中心頻率為2.68 MHz，帶寬約為83%，具有較高的靈敏度和較好的陣元一致性。

1.4 超聲圖像評估

PMN-PT單晶和PZT陶瓷陣列換能器獲得的超聲圖像如圖5，6所示，在組織諧波模式下，PMN-PT換能器得到的二維圖像具有更好的穿透力、分辨率以及對比度。

圖5 PMN-PT陣列換能器獲得的超聲圖像

圖6 PZT陣列換能器獲得的超聲圖像

2 結論

選取PMN-32%PT(001)單晶材料，采用兩匹配層結構進行換能器設計，并根據設計制作樣品換能器。得到的換能器中心頻率約為2.6 MHz，-6 dB帶寬為80%以上，可用于對心臟疾病的顯像診斷。