压电超声换能器的应用与发展

压电超声换能器的应用与发展

摘 要: 压电换能器是超声技术的主要部件, 其种类多, 用途及发展前景广。该文回顾了超声换能器的发展历程, 概括总结了压电超声换能器的分类和应用, 分析了压电超声换能器的发展趋势。大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化是当前的发展方向。

超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。最早的超声换能器是P1 郎之万(P1L angevin) 在 1917 年为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石英晶体为压电材料, 用两块钢板在两侧夹紧而成的。1933 年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器, 强度高、稳定性好、功率容量大, 迅速取代了当时的郎之万换能器。到了50 年代, 由于电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功, 使郎之万型超声换能器再度兴起。目前压电超声的应用范围很广, 且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。目前妨碍超声广泛应用的原因是缺少适用、可靠、经济、耐用的超声换能器。超声换能器历来是各种超声应用的关键部件, 国内外均大力研究, 近年来取得了很多成就。本文将介绍压电超声换能器的种类、应用和发展。

1 压电超声换能器的种类

压电超声换能器的种类很多, 按组成超声换能器的压电元件形状分为薄板形、圆片形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等; 按振动模式分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等; 按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向、径向等; 按压电转换方式分为发射型(电2声转换)、接收型(声2电转换)、发射 2接收复合型等。

2 压电换能器的应用

压电换能器的应用十分广泛, 它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等; 按实现的功能分为超声加工、超声清洗、超声探测、检测、监测、遥测、遥控等; 按工作环境分为液体、固体、气体、生物体等; 按性质分为功率超声、检测超声、超声成像等。

(1) 压电陶瓷变压器压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动, 通过逆压电效应使其产生振动, 振动波通过输入和输出部分的机械耦合到输出部分, 输出部分再通过正压电效应产生电荷, 实现压电体的电能2机械能2 电能的两次变换, 在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。与电磁变压器相比, 这具有体积小, 质量轻, 功率密度高, 效率高, 耐击穿, 耐高温, 不怕燃烧, 无电磁干扰和电磁噪声, 且结构简单、便于制作、易批量生产, 在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。 (2) 超声马达超声马达是把定子作为换能器, 利用压电晶体的逆压电效应

让马达定子处于超声频率的振动, 然后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量, 带动转子转动。超声马达体积小, 力矩大, 分辨率高, 结构简单, 直接驱动, 无制动机构, 无轴承机构, 这些优点有益于装置的小型化。它们广泛应用于光学仪器、激光、半导体微电子工艺、精密机械与仪器、机器人、医学与生物工程领域。

(3) 超声波清洗超声清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空化、辐射压、声流等物理效应, 对清洗件上的污物产生的机械起剥落作用, 同时能促进清洗液与污物发生化学反应, 达到清洗物件的目的。清洗所用的频率根据清洗物的大小和目的可选用10～ 500 kHz, 一般多为20～ 50 kHz。随着频率的增加, 可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。在小型化方面, 也有采用圆片振子的径向振动和弯曲振动的。超声清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到了越来越广泛的应用。

(4) 超声焊接超声焊接有超声金属焊接和超声塑料焊接两大类。其中超声塑料焊接技术已获得较为普遍的应用。它是利用换能器产生的超声振动, 通过上焊件把超声振动能量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大, 所以会产生局部高温使塑料熔化, 在接触压力的作用下完成焊接工作。超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位, 另外, 还节约了塑料制品昂贵的模具费, 缩短了加工时间, 提高了生产效率, 有经济、快速和可靠等特点。

(5) 超声加工把微细磨料随超声加工工具一起以一定静压力加在工件上, 就能加工出与工具相同的形状。加工时需在15～ 40 kHz 的频率下, 产生15～ 40 Lm 的振幅。超声工具使工件表面的磨料以相当大的冲击力连续冲击, 破坏超声辐射部位, 使材料破碎而达到去除材料的目的。超声加工主要应用于宝石、玉器、大理石、玛瑙、硬质合金等脆硬材料的加工以及异型孔和细深孔的加工。此外, 在普通切削工具上加超声波振动时, 也可起到提高精度和效率的作用。

(6) 超声减肥利用超声波的空化效应和微机械振动, 将人体表皮下多余的脂肪细胞破碎、乳化后排出体外, 达到减肥、塑形的目的。这是国际上90 年代发展起来的一项新技术。意大利的Zocch i 首次将超声去脂用于临床, 并获得成功, 为整形、美容开创了先河。近10 年来超声去脂技术在国内外得以迅速发展[ 1 ]。

(7) 超声育种对植物种子进行适当频率和强度的超声波照射, 可提高种子的发芽率, 降低霉烂率, 促进种子的生长, 提高植物生长速度。据资料介绍, 超声波可使某些植物种子生长速度提高2～ 3 倍。 (8) 电子血压计利用压电换能器接收血管的压力, 当气

囊加压紧压血管时, 因外加压力高于血管舒张压力, 压电换能器感受不到血管的压力; 而当气囊逐渐泄气, 压电换能器对血管的压力随之减小到某一数值时, 二者的压力达到平衡, 此时压电换能器就能感受到血管的压力, 该压力即为心脏的收缩压, 通过放大器发出指示信号, 给出血压值。电子血压计由于取消了听诊器, 可减轻医务人员的劳动强度[ 2 ]。

(9) 遥测遥控在有毒、放射性等恶劣环境中, 人们不能接近工作, 需要远地控制; 电视机, 电风扇以及电灯等电器开关需要遥控, 都可装上压电超声换能器, 通过远地发射超声波由装在需要控制系统上的接收换能器所接收, 把声信号转变成电信号使开关动作。

(10) 交通监测现代交通, 自动监测车辆的通行和计数以便掌握车辆的运行情况是非常必要的。如交通监理站安装一个收发兼用的超声换能器及其附属设备, 当车辆通过时就有一个声脉冲返回, 通过计数累计可得到日行车辆的数量。给汽车尾部装一个收发两用的换能器, 可防止倒车相撞事故发生。在公路上安装接收型压电超声换能器还可以监测噪声指数。

(11) 测距超声测距装置又叫声尺。它是通过收发两用的换能器, 测量脉冲时间间隔。目前的声尺可测10 m 以内的距离, 精度可达千分之几。

(12) 检漏及气体流量检测对于压力系统, 在泄漏处, 由于压力容器的内外压差造成射

流噪声。这种噪声频谱极宽。对于非压力系统, 可在密闭系统内安放一个超声源, 然后从密闭系统外部接收。一般未泄漏时测到的信号幅度极小或没有, 在泄漏处信号幅度有突然增大的趋势。气体流量检测也是化工中的重要手段之一。流量检测目前有多种方法, 如浮子流量计等。但超声法主要优点是不妨碍流体的流动。

(13) 机器人成像信息采集智能机器人要实现在空间自由行走、辨认物体等功能, 不仅

要用超声换能器测距导盲, 而且要成像辨识。所以, 需要小型的超声换能器阵, 以实现多种功能, 这方面将成为一项重要的研究课题, 吸引着众多的科学家为之奋斗

[ 3 ]。

表1 为压电换能器在各个领域的应用。

表1 压电换能器的应用 Table 1 The app lication of p iezoelectric transducers 应用环境性质实 例液体检测测深、鱼群探测、水中电话、潜艇、声纳浮标、标靶、流量计、波浪测量、水听器、水下地形显示、粘度测量、流速测量功率清洗、乳化、脱色、凝集、电镀、萃取、催化、雾化、过滤、加湿器固体检测探伤、探矿、延迟线、厚度计、硬度计功率加工、焊接、马达、印墨头、接线材料检验、压延、压力机、粉

碎、育种、农产品检测、干燥气体检测遥控、蜂鸣器、风向风速测量、气体检验、警报器、扬声器、液面计、积雪计、气流控制器、交通监测、噪声监测、超声驱虫、超声诱杀昆虫功率涂装、点火器、燃烧机、喷雾机、集尘机、超声催化生物检测B 超、血流机、心音计、血压计、断层诊断装置功率洁齿、手术、结石破碎、杀菌、美容、减肥

3 压电超声换能器的最新发展

压电超声换能器当前发展方向为大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化。

311 大功率换能器在许多场合需要大功率的换能器。在大功率换能器领域, 铌镁酸铅

(PMN ) 陶瓷是有发展前途的材料。PMN 的优点是在中度的电场中就可以产生大的应变, 迟滞小。但电致伸缩效应是非线性的, 相应的物理常数取决于温度和频率, 且需直流偏压, 这就需要研究如何处理这些问题[ 4 ]。在工业液体处理中使用的高强度超声波需特殊的大功率换能器, 在功率容量、效率、辐射面积和指向性方面都有要求。阶梯换能器为在液体中高效地产生高强度的超声辐射提供了一种优化系统。西班牙J1A 1Gallego2Jurez 等人开发了新型阶梯板状换能器, 它具有高的功率容量、效率和指向性。该换能器用五个圆形阶梯型换能器组成的阵列, 覆盖的照射面积大约1164 m ×1164 m , 组成阵列换能器的每个单元的特性: 照射板的直径Á 48 cm; 谐振频率为 21 kHz; 指向性(3 dB 波束宽度) 115°; 功率容量为 500W; 效率75% [ 5 ]。大功率换能器有望在矿藏勘探和钻井上得到应用。

312 低压驱动换能器许多谐振超声装置如超声马达和大功率换能器需产生大的振幅。

锆钛酸铅(PZT ) 是广泛应用的电声转化材料。在20 kHz 时, PZT 在400 kV öm 的电场中, 在共振条件下产生的振幅要达到微米级, 需2 000 V 的电压, 5 mm 厚的压电陶瓷环。在某些情况下(航空航天, 便携式装置) , 使用高压是一种缺陷。此时, 大振幅的超声频率必须用低压驱动。减小多层陶瓷的电极间的距离可解决这个问题。因为当场强一定时, 极间距越小, 所需电压也越小。多层压电陶瓷的薄层厚度30～ 200 Lm, 电极的间距等于陶瓷层厚。所以, 要用相同尺寸的装置得到同样的位移, 多层压电陶瓷的电压就远远小于单层的。法国B1Dubus 等人对多层PZT 郎之万换能器的谐振子进行了实验研究。在低电压下得到了大的振幅(10 V , 5 Lm)。发现当换能器连续工作时, 去极化是个严重问题。可通过对陶瓷片的界面抛光和对换能器加直流偏压解决。他们用的郎之万换能器, 多层压电陶瓷

由20 层陶瓷片组成, 每层厚100 Lm , 每端加了绝缘陶瓷。换能器的总高度为38 mm , 纵向振动频率约13 kHz。响应的耦合系数等于0122。 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 多层压电陶瓷的界面多, 损失大, 发热严重。为了减小损失和防止去极化, 装配前对各层结合面进行了抛光, (粗糙度R a= 0104 Lm, 平面度015 mm , 平行度1 Lm)。此外, 叠片只是靠机械预应力保持紧密贴合, 而没做任何粘接[ 6 ]。

313 高频换能器频率大于15～ 20MHz 的B 超在医疗上的应用已有十几年了, 高

频超声应用范围的增加促进了一些领域的迅速发展, 如换能器(压电材料、灵敏度和聚焦性) , 信号的快速电路和数字化等[ 7 ]。目前利用钛酸铅(PbT iO3 ) 的厚度伸缩振动的三次谐波模式, 已经制成高达l00MHz 以上的高频压电陶瓷振子。振子厚度只有70 Lm, 能与高频石英晶体振子相比, 而最高的超声振子的频率可达 1 000MHz。如用波长表示超声波段的范围, 在液体、固体中最短的超声波长为微米量级, 可以和可见光波的波长相比。高频压电陶瓷器件以其体积小、质量轻、能耗低、无需调整等优点被广泛用于电视机、录相机、自动化电子装置、通信设备、复印机、计算机、语音合成器和遥控器等电子整机中。随着电子技术的发展, 需要越来越大。国内仅电视机、遥控器、音响、计算机等电子设备年应用量约10 亿只, 而国内仅有极少数几家生产13MHz 以下器件, 产量约3 亿只, 供需矛盾突出, 尤其是13MHz 以上的器件基本上依靠进口, 市场缺口非常大。随着压电陶瓷元器件制作工艺技术的改进, 谐振频率及特性的不断提高, 它将越来越广泛地取代石英晶体器件, 其应用量将以每年5% ～ 10% 的速度递增。所以研制高频压电陶瓷谐振器产品, 具有极大的推广应用前景, 有良好的市场空间[ 8 ]。

314 压电薄膜换能器随着沉积技术、微细加工技术的发展, 压电薄膜制备技术日趋

成熟, 它带来了许多优点, 即 (1) 便于换能器微型化; (2) 提高了换能器的频率、带宽和分辨率; (3) 便于组成各种聚焦换能器和换能器阵; (4) 运用M EM S 技术可很方便地将换能器与驱动、控制电路集成在一起[ 9 ]。超声成像装置的图像分辨率受到超声换能器频率的限制。因此, 提高超声图像的分辨率已成为超声成像技术研究的方向之一。最近, 一系列频率范围为 20～ 100MHz 的超声换能器问世[ 10 ]。压电薄膜制成的换能器具有良好的脉冲响应, 用于超声成像可获得高分辨率的图像。用压电薄膜制作的球形聚焦换能器国外已有报道, 频率范围在50～ 100MHz, 国内现主要是将压电薄膜用于水听器。刘晓宙等人采用PVDF 压电薄

膜材料, 设计和制作了PVDF 高频超声聚焦换能器, 获得了满意的结果[ 11 ]。 315 换能器的微型化装置的微型化离不开动力元件的微型化, 在动力微元件中, 压

电超声马达以其体积小、转速低、力矩大而受到重视。压电超声换能器是压电微马达的核心部件。微型压电超声马达的研究起始于美国, 1992 年麻省理工学院的

A ntia1M 1F lynn 等人研制出转子直径为Á 115 mm 的薄膜式微型压电超声马达。随后, 日本Takesh iMorita 等成功地研制了PZT 压电薄膜圆柱微型超声马达, 马达定子换能器的外径Á 114mm , 内径Á 112mm , 长度5mm。在该研究中, 开发了“改良的成核工艺”, 成功地改善了沉积 PZT 薄膜的性能。PZT 薄膜的厚度为12 Lm, d 33= - 25 pCöN 。定子换能器的共振频率为227 kHz, 在 410 V 的驱动电压下振幅58 nm。转子靠摩擦力驱动并可反转。最大转速为680 röm in, 最大转矩0167 LNm [ 12 ]。2001 年, 我国清华大学的周铁英教授研制成功了世界上最细的超声马达, 直径只有Á 1 mm , 目前他们正积极开展直径Á 015 mm 超微马达的研制。但微型压电超声马达的设计和制作要求十分苛刻, 目前仍处于实验研究阶段, 离工业化还有一段距离。

316 换能器的集成化集成包括器件的集成以及器件与电路的集成。超声马达通常在

高于常备电池的交流电压下工作, 这就需升压的变压器。美国宾夕法尼亚州大学致动和换能器国际中心对压电变压器与超声马达的集成进行了研究。超声马达的定子和压电换能器在相同的径向振动模式下工作。它们的尺寸非常接近, 可产生密切匹配的共振频率。因此, 它们不用感应线圈而能耦合到一起。用压电陶瓷制作的超声马达, 需要较高的交流电场去激励一个行波或驻波来驱动转子。传统的方法是驱动电路由振动源、变换器和电磁变压器组成。而电磁变压器体积大, 并产生电磁噪声[ 13 ] , 而用压电变压器则无此缺点。集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容。除上面所列的方向外, 近年来微细加工的容性超声换能器(cMU T s) 已成为研究的热点[ 14～ 16 ]。

4 结束语

压电超声换能器是超声技术的关键部件, 其应用日趋广泛, 国际上对其研究十分活跃。近年来, 我国在压电换能器的研制、应用和开发方面越来越重视, 参加研究的单位也越来越多, 并且取得了一定的成绩, 有些研究成果与国外已很接近, 甚至处于先进水平。但总的来说, 与发达国家的差距仍较大, 尤其是在技术的实用化和产业化方面。因此我们应根据市场需求, 研究与市场相适应的应用技术, 使其真正成为推动生产力发

展的科技动力。同时国家应该在产业政策、投资力度、投资机制等方面予以支持, 以发展有自主知识产权的产业技术, 在全球经济一体化的大潮中取得主动地位。

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