压电材料与超生换能器11.ppt

1、压电材料与超声换能器,*,一、压电材料的简介,二、压电材料的基本特性,三、超生换能器的简介,四、超生换能器的基本结构,内容简要,压电材料,一、压电效应 正压电效应：某些电介质（如石英、经极化工序处理的有电极的压电陶瓷等）在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电状态。 逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失。,二、压电陶瓷,运用广泛的压电陶瓷：钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）、 锆钛酸铅Pb(ZrTi1-X)O3.,居里温度：当

2、温度低于TC时，压电材料具有压电效应。 当温度高于TC时，压电陶瓷失去压电效应。,三、压电材料的主要参数,任何一种压电元件，都希望选择合适该元件要求的压电材料，怎么 识别压电材料的优劣，通常选定一些反应材料性能的参数。比如说： 相对电容率 介电损耗 机械品质因素 机电耦合系数 频率常数 声速 弹性常数 等等。,声表面波器件,声表面波器件是利用声表面波对电信号进行模拟处理的器件。,声表面波滤波器的基本结构是在具有压电 特性的基片材料抛光面上制作两个金属薄膜构 成的电极结构，即声电换能器（叉指换能器）。,四、压电陶瓷振子的谐振特性,利用压电陶瓷的压电效应，可以设计制成各种用途的压电器件，其中最主要

3、的机理就是利用压电陶瓷片的谐振特性。 由于压电陶瓷是一个弹性体，因此存在谐振频率。当外界作用的频率等于谐振频率时，压电陶瓷片就会产生机械谐振，谐振时振子的振幅最大，弹性能量也最大。另一方面，由于压电陶瓷具有压电效应，使压电陶瓷产生机械谐振，而陶瓷片的机械谐振，又可以通过正压电效应而输出信号。,如图所示，恒压源信号发生器AC的频率从低频慢慢向高频变化时，通过压电振子的电流随着输入信号的频率变化而变化。 当信号频率等于fm时，通过压电陶瓷的 电流最大，即其等效阻抗最小、导纳最大， 称为最大导纳频率或者最小阻抗频率。同理fn为最小导纳频率或最大阻抗频率。 根据谐振理论，压电陶瓷振子在最小阻抗频率fm

4、附近，存在一个使信号电压与电流同相位的频率，这个频率就是谐振频率fr。同理，最大阻抗频率fn附近也存在一个反谐振频率fa。,五：压电复合材料,是将压电陶瓷和聚合物相按一定连通方式，一定的体积质量比， 及一定的空间分布而成的一种具有压电效用的新材料。它兼具了 陶瓷和聚合物两者的优点。,压电复合材料应用：由于压电复合材料机电耦合系数相当于压电陶 瓷材料的K33； 与人体的声阻抗比压电陶瓷材料更接近；利 用背衬和匹配层可以提高发射和接收灵敏度；而且由于压电陶瓷 只向一个方向伸展，声波向其他方向散射少，有优良的方向分辨 率。所以压电复合材料在医用超声诊断仪上得到了广泛的应用。 如B超诊断仪用线阵探头、

5、凸阵探头等。,声阻抗,六、压电陶瓷发展展望 随着对压电陶瓷的深入研究，对其特性的要求也越来越高，逐渐向无铅压电陶瓷、压电复合材料和纳米压电材料的方向发展。,超声换能器,一、超声换能器简介：,超声诊断设备主要依靠超声波传递信息，要实现信息传递的目的需要 一种具有特殊功能的器件，既能将电信号转换成超声信号，以便其在 人体软组织中传播，又能将超声信号转变为电信号，以便获取人体 组织内的回波信号后，将其变成电信号进行处理，最后在监视器上， 以图像形式显示，供医生分析和诊断疾病之用，具有这种功能的器 件称为超声探头。更具体的讲，发挥这一作用的是超声探头的功 能件，称为超声换能器。,二、超声换能器的分类,

6、超声换能器的种类繁多，结构各异，例如：线阵换能器：阵元均匀排列在一条直线上的阵列式换能器。凸阵换能器：阵元均匀排列在一条凸弧上的阵列式换能器。环阵换能器：环形阵元按规律依次排列在规定环上的阵列式换能器一维相控阵换能器：类似于线阵换能器。最简单的单元活塞型换能器另外还有很多专用的换能器：如穿刺用阵列式换能器，术中用阵列式换能器，腔内用阵列式换能器，复合式多普勒换能器等。这些换能器虽然千差万别，但基本结构还是相似的。,从右图中可以看出，超声换能器由振子、壳体、接插件、PCB等部件组成。,三、超声换能器的基本结构与设计,壳体,换能器的外壳是重要的构建之一，一般都采用工程塑料来制作，根据对外壳强度、耐

7、磨性、耐消毒液、耐腐蚀性以及热胀冷缩系数的要求选取不同的工程塑料。与人体相接触的外壳材料也应符合生物相容性的要求，外壳要求美观耐用，它与振子之间要有良好的可黏性。此外壳体还起着密闭，屏蔽噪声的作用。,PCB与接插件：,PCB和接插件一起起着重要的信息传递作用。它们将换能器各阵元 的信号引出来，然后与探头的电缆组件的接插件相连接，将脉冲回波信号送到超声诊断设备中进行处理。,PCB上面有一定的电路，比如说开关控制 电路、调谐匹配电路等。,在设计探头内部PCB时，需要控制PCB导线的阻抗，尽量使线宽 保持一致。,同轴电缆,同轴电缆,先由两根同轴心、相互绝缘的圆柱形金属导体构成基本单元(同轴对)，再由

8、单个或多个同轴 对组成的电缆。,振子,振子结构示意图,振子是超生换能器的主要部件，其 核心元件是压电晶体。在阵列式换能器 中，压电晶体会被分割成阵元，每个阵 元往往还会分割成若干个微晶元。为了 聚焦，有时还会将压电晶片做成瓦片形 或者其他弧面型，比如说碗型，这个要 根据需要进行加工。,右图为振子的结构示意图，分为五个模 块，分别为聚焦件、匹配层、压电晶体、 电极、背衬材料。,背衬材料,功能：它能吸声，起阻尼作用，能增宽换能器的频带宽度，缩短换能 器脉冲回波持续时间，提高超声诊断设备的轴向分辨力。,超声波衰减：它由背材的两个因素决定，一是填料产生的散射衰减， 这些被散射的超声波沿着复杂的路径传播

9、，最终变成热能； 另一个因素是背材的黏滞性，这种黏滞性会引起质点间的内摩擦，使 一部分声能转变为热能。,阻尼作用：背材的声特性阻抗是重要的参数，其值越大，对换能器所起的阻尼作用也就越大，如果没有背材，压电元件受电激励而起振，当点脉冲停止激励，压电元件并不会立即停振，而是要持续一段时间才停止。所以它所激起的脉冲波就要比激励脉冲要长得多，脉冲的回波持续时间也会长得多，使整机的轴向分辨力下降。如果加上背材，只要背材特性阻抗选择的适当的话，当激励脉冲停止时压电元件能同时停振，它所激起的脉冲波是一个窄脉冲波，这样，就可以改善整机的轴向分辨力。,背材增宽换能器的频带宽度：经试验证明，背衬材料的声学性能会影

10、响换能器的频带宽度，通常换能器的频带宽度随背材特性阻抗的增大而变宽。如果将背材的特性阻抗增加到压电陶瓷的80%以上，这时，在压电陶瓷和背材的交界处将具有非常小的反射系数，较多的能量将 进入背材，那背材又具有很强的吸声能力，那么少了这么多能量，就 会使换能器的发射效率降低，如果这是个收发两用的换能器的话， 那么灵敏度会明显降低。所以在选取背材的时候，不能单独追求带 宽，还应考虑其他性能，全面权衡。,匹配层,由于人体软组织的声特性阻抗与压电晶片的声特性阻抗相差悬殊，由压电晶片受电激励直接向人体软组织辐射超声波时，大部分的声能进入不了人体软组织，而是在界面处被反社会压电晶片，这样是无法实现超声波高效发射的传输。那么就可在压电晶片和人体软组织之间插入一层或多层均匀的介质层，改善发射性能。通常插入的较多的是一层或两层，两层以上的比较少。,聚焦件： 作用是聚焦声束，提高诊断设备的侧向分辨力。短轴方向的聚焦的目的是得到薄的切片厚度，提高图像的分辨力和清晰度。实现短轴方向聚焦的方法有有源自聚焦法、折射镜法、反射镜法和衍射法。目前在阵列式换能器中引用的最多的是有源自聚焦法和折射镜法。 有源自聚焦法