超声换能器环氧树脂-氧化铝匹配层研究

张 剑，吕加兵，朱鑫乐，崔崤峣，李章剑

(1.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州 215163；
2.长春理工大学机电工程学院，吉林长春 130021)

在医学超声成像系统中，超声换能器的性能直接决定了图像的分辨率和成像质量[1-4]。对于常规压电超声换能器，其压电晶片的声阻抗值和人体的阻抗有着较大差距，后端的压电材料(Z≈3.5×107 Pa·s·m-1)与前端负载(一般为人体组织，Z≈1.55×106 Pa·s·m-1)不能进行较为理想的声阻抗匹配，从而大大降低了换能器的使用效率[5-6]。因此，寻找合适的匹配层材料是换能器设计中的关键。

ZHOU等提出了一种制备氧化铝/环氧纳米复合材料的自旋涂覆方法，可作为40 MHz高频超声换能器的四分之一波长(λ)匹配层，当氧化铝的体积分数从14%增加到32%时，纳米复合材料的声阻抗可由 2.8 MRayl(1 MRayl=106Pa·s·m-3)提高到5.1 MRayl[7]。WANG等针对25～65 MHz频率范围内，对环氧树脂-氧化铝和环氧树脂-钨进行了声学特性测试，发现了较高的密度与较大的声速相对应，可以用于设计高频超声换能器[8]。同时在匹配层的厚度方面，Desilets等基于一系列传输线理论模型，提出了一种高带宽压电换能器设计方法即四分之一波长匹配技术，并通过理论和实验证明了该技术[9]。ZHONG等结合压电复合材料和四分之一波长匹配层技术，通过数值计算分析发现：当匹配层的厚度为四分之一波长时，换能器可以获得较大的带宽[10]。CHEN等建立了压电换能器有损传输线的数学模型，利用PSPICE软件计算出了适合于换能器匹配层的最佳厚度，还得出0.5λ匹配层换能器的性能不如具有0.2λ或0.3λ匹配层的换能器[11]。以上研究证明环氧复合材料可以有效提升换能器的性能，但将在高频应用中依然缺少足够的数据支持。

本文通过比较微米级环氧树脂-氧化铝的不同组份材料的声学特性，并通过脉冲-回波方法比较其对于换能器的性能影响，得到其最佳组份比例和最佳厚度。最终实现一种基于环氧树脂-氧化铝的换能器匹配层材料。

1.1 匹配层制备方法

实验中所用到的氧化铝粉末为粒径是1 μm的不规则球形，环氧树脂为301-2，采用浇铸的方法制备氧化铝环氧树脂匹配层。试验中制备了不同质量分数氧化铝粉末的匹配层，氧化铝粉末所占的质量分数分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%。样品的制备过程如下：

在抽去气泡的环氧树脂基体中加入相应质量分数的氧化铝粉末，用玻璃搅拌棒和研磨锤搅拌均匀，直到形成细腻的白色混合物为止，最后放到真空箱内除去混合物中的气泡；
将去除气泡的混合物倒入模具当中抽去浇铸过程中产生的气泡，去除气泡后放入恒温烤箱中固化；
最后用砂纸处理固化成型的样品表面使其厚度均匀。

利用上述匹配层的制备方法制作了不同组份的匹配层样品，样品为厚3 mm、半径为10 mm的圆柱形。用物理方法对样品的密度进行了计算，再利用时差法对样品的声学特性进行测试。

1.2 声学特性测试方法

本实验使用“时差法”进行材料声速的测定[12]。时差法测试声速的基本原理是基于速度(V)=距离(S)/时间(T)，通过在已知的距离内测量声波传播的时间计算声波的传播速度。具体到本实验，则是由DPR500脉冲发生器定时向换能器发出脉冲激励，换能器发出声波脉冲，声波遇到样品表面部分声波反射回来并被换能器接收，其余声波继续向前传播，经过第二个界面时再次发生声波的反射，接收到的信号经放大、滤波后计算出两个回波信号的时间差Δt1，从而得到声波在待测材料中的传播时间，测量其厚度d(即传播距离)即可得到材料的声速c。计算公式为

实验设置如图1所示。

图1 时差法测量材料声速原理示意图Fig.1 Principle diagram of time difference method for measuring material sound velocity

同时，为了降低其他回波的干扰，比如回波在换能器界面处的反射波，换能器与待测样品之间应该保持一定的距离，避免回波范围内出现其他无关的回波。在得到声速的数据后，声速与材料的密度相乘即是材料的声阻抗。

为了减小测试实验中的误差，样品厚度选择多次测量取其平均值，回波测试中一般选择样品上的三个点作为实验数据的采集。

1.3 声衰减系数的测量

声波在介质中传播时，其强度随传播距离的增加而逐渐减弱，由声散射和声吸收造成的声衰减一般服从指数分布[13]。本实验基于此前提进行声衰减系数的测量，即声波在介质中传输距离x后，声波强度由y0衰减为y，声波强度分别为两个回波信号的幅值，此时有：

式中：α为介质中的衰减系数。

两边取对数：

回波信号为时域信号，x=ct，则有：

将Np·m-1转换为dB·m-1，最终的衰减系数方程为

在测试样品的声速之前，需要对样品的厚度进行测量，从而可以计算出不同组份氧化铝粉末匹配层样品的密度。利用时差法对厚度为3 mm、半径为10 mm的匹配层样品进行了声速的测试，在实验中利用12 MHz的超声换能器进行信号的发射和接收，最后通过声速的结果计算出了样品声阻抗和声衰减的值。

1.4 换能器的研制与性能测试方法

1.4.1 换能器的研制

在本试验中为了减少其他因素对换能器的影响，只对压电陶瓷进行匹配层的粘接和背衬的浇铸以及引线的粘接工作。制作了无匹配层、质量分数为10%、30%和60%匹配层的换能器进行对比分析。

根据四分之一波长匹配层理论[14-15]，要将制作好的匹配层样品研磨到要求的厚度。通过计算质量分数为10%、30%及60%组份匹配层样品的厚度分别为：53，55和60 μm。经过匹配层的粘接、背衬的浇铸、阵元的切割以及引线的粘接工作就完成了整个换能器的研制过程。换能器结构图如图2所示。

图2 能器结构示意图Fig.2 Schematic diagram of transducer structure

1.4.2 换能器性能测试方法

对制作完成的换能器进行回波测试，换能器回波测试装置如图3所示。通过对回波测试的结果进行频域和时域分析，得到了换能器的峰值、带宽以及波形状况等参数。

图3 换能器回波测试装置Fig.3 Echo testing device of transducer

测试过程中将制作完成的超声换能器固定在位置调节装置上并插入到水中，通过电脑主机控制DPR500发射脉冲使换能器发射超声信号，超声信号打在水槽边缘的亚克力板(声阻抗为3.26 MRayl)上，换能器接收从亚克力板上反射回来的超声信号，DPR500将接收到的信号传输到示波器上。通过位置调节装置调节超声信号为最佳状态(幅值最大)。将示波器上的数据记录下来，对信号进行时域和频域分析从而到了超声换能器的性能参数。

2.1 匹配层样品测试结果

本文以氧化铝粉末的质量分数为横坐标，对样品的密度、声速、声阻抗及声衰减的数据进行了汇总。利用时差法测量的样品厚度、回波时差和声速如表1所示。

表1 匹配层样品参数Table 1 Sample parameters of matching layer

匹配层样品的密度随着氧化铝粉末质量分数的增加而增大，并且与质量分数呈正相关关系如图4所示，从质量分数为10%的1 200 kg·m-3一直增加到质量分数为60%的1 975 kg·m-3。在复合材料中环氧树脂的密度小于氧化铝粉末的密度，随着氧化铝粉末质量分数的增加，样品的密度也随之增加。在图5中，复合材料的声速随着氧化铝粉末质量分数的增加而增大，从质量分数为10%的(2 595±11)m·s-1一直增加到质量分数为60%的(2 925±20)m·s-1，同时可以看出复合材料的声速变化范围不大，在不同组份范围的增长速度也有差异。

图4 样品密度随氧化铝粉末质量分数变化曲线Fig.4 The change curve of sample density with the mass fraction of alumina powder

图5 样品声速随氧化铝粉末质量分数变化曲线Fig.5 The change curve of sample sound speed with the mass fraction of alumina powder

从图6中可以看出样品的声阻抗随着氧化铝粉末质量分数的增加而增大，从质量分数为10%的3.110 MRayl一直增加到质量分数为60%的5.898 MRayl，而声阻抗受密度和声速的影响，从图5和中可以看出声速的整体变化范围小于样品密度的变化范围，样品声阻抗和密度的变化趋势比较接近，可以推出样品的声阻抗主要受样品密度的影响，尤其是当氧化铝粉末质量分数较大时，尽管质量分数为50%和60%组份的样品声速相差不大，但声阻抗的增速相比于其他组份的增速基本相同。

图6 样品声阻抗随氧化铝粉末质量分数变化曲线Fig.6 The change curve of sample acoustic impedance with the mass fraction of alumina powder

匹配层声衰减的变化相对于样品的其他声学参数，缺乏明显的规律性，在结果中把各个样品的衰减数据进行了曲线拟合得到样品声衰减随氧化铝粉末质量分数的变化曲线，如图7所示，拟合结果为：y=-5.966 43·10-4-4x2+0.060 22x+2.590 12。从衰减的数值上看，40%样品的声衰减为最大，达到了4.214dB·mm-1，经过计算该匹配层的厚度为(57±5)μm，声衰减为0.24 dB，此衰减值对于声波的衰减能力非常小，满足我们对于匹配层低衰减的要求，所以尽管样品声衰减的变化规律性不强，但其数值都在可以的接受范围之内。相对于匹配层来说，在声学参数上更加注重材料声阻抗值的大小，通过阻抗匹配初步计算，匹配层阻抗值选择在7 MRayl左右，质量分数为60%组份样品的阻抗值已经非常接近理论数值。同时为了方便对比，选择了质量分数为10%、30%和60%三种组份的匹配层样品用来作为换能器的匹配层试验。

图7 样品声衰减随氧化铝粉末质量分数变化曲线Fig.7 The change curve of sample sound attenuation with the mass fraction of alumina powder

2.2 换能器回波测试结果

不同匹配层换能器的性能参数如表2所示换能器的回波测试结果如图8所示。通过对换能器回波信号的时域和频域分析，计算出无匹配层、质量分数分别为10%、30%和60%的Al2O3匹配层换能器信号的峰峰值分别为558、1 168、1 168、1 136 mV。由此说明粘接了匹配层可以有效地增加换能器回波信号的幅值，信号幅值的提高可以进一步提高换能器的探测深度。虽然不同组份氧化铝粉末匹配层的声阻抗不同，但其对于信号幅值的提升效果几乎相同。对回波信号进行傅里叶变换并归一化处理后得到了换能器回波的频域图，从频域图的结果看出，随着氧化铝粉末质量分数的提高，换能器的带宽显著增加，质量分数为60%的Al2O3匹配层换能器的-6 dB相对带宽相对于没有粘接匹配层的换能器从24%提升到了50%，并且相比于其他两种匹配层来说带宽的提升效果也是最好的。这是因为随着匹配层声阻抗的提高，使得压电材料和外部介质(水)实现了更好的匹配效果，进而提高了换能器的带宽。在大多数的应用中，通常选用带宽较高的换能器，高的带宽可以实现更好的轴向分辨率，因为回波长度决定了超声系统的轴向分辨率。

图8 相应于表2的换能器接收回波的波形及其频谱图Fig.8 Echo waveforms and frequency spectrums received by the transducer without or with the matching layers shown in Table 2

表2 换能器无或有不同匹配层的特性参数Table 2 Characteristic parameters of the transducer without or with different matching layers

2.3 匹配层厚度优化

根据2.2节中各种匹配层的测试结果，综合比较质量分数为60%的Al2O3粉末的匹配层换能器的各项数据相对于其他匹配层的换能器更优。但从图8(d)中可以看出，该换能器的回波频域图存在一定的拖尾现象，从匹配层的制备角度出发，可能由于匹配层在厚度上存在±5 μm的制作误差以及匹配层和压电陶瓷间的胶水导致匹配层与换能器存在厚度不匹配的因素[16]。为了证明上述观点，在下面的实验中制备了不同厚度的匹配层样品(氧化铝粉末的质量分数仍为60%)，从研磨的样品中选取了四组表面质量较好的匹配层，其厚度分别为(40±4)μm、(48±2)μm、(52±2)μm、(71±2)μm并制作了四组不同厚度匹配层的换能器，来观察匹配层厚度对换能器性能的影响。

对换能器的回波信号进行测量和分析，得到了图9和表3的换能器的各项参数。从图9中可以发现图9(a)、图9(b)和图9(c)三组的时域图形的波形拖尾有了一定的改善，峰峰值与图8(d)的峰峰值略有下降但相差不大，同时图9(c)的频域图形相对于图9(a)、图9(b)两组波形顶端更加平缓，频域信号更好。图9(d)中的匹配层厚度更厚，从而导致其信号波形并没有明显的改善。由此可以得知相对于60%组份氧化铝粉末的匹配层来说厚度在略小于四分之一波长厚度时的换能器具有较优的性能。

表3 不同厚度匹配层换能器的特性参数Table 3 Characteristic parameters of the transducer with the matching layers of different thicknesses

图9 粘接不同厚度匹配层换能器回波时域频域图Fig.9 Echo waveforms and frequency spectrums received by the transducers with the matching layers of different thicknesses shown in Table 3

本文通过改变环氧树脂-氧化铝复合材料中氧化铝粉末的质量分数来研究其物理和声学特性，通过分析选取几组不同组份的匹配层，制作相应的频率为12 MHz的单匹配层超声换能器，研究匹配层性能对换能器特性的影响。结果表明：质量分数为60%、厚度为1 μm氧化铝-环氧树脂的声阻抗达到最大为5.898 MRayl，利用该组份匹配层的换能器脉冲幅值提高到1 136 mV，-6 dB带宽提高到49.679%，相比于其他组份匹配层的换能器，该组份换能器性能达到了最优。与此同时，本文针对换能器四分之一波长厚度不匹配的问题，通过几组不同厚度的匹配层换能器实验，结果说明略小于四分之一波长厚度的匹配层改善了波形拖尾的问题，这是由于匹配层和压电材料之间的胶水在一定程度上增加了匹配层的厚度。通过以上实验结果证明：环氧树脂-1 μm氧化铝粉末复合材料可以作为超声换能器匹配层的材料并可以有效提升换能器的性能，有望应用于更高频超声换能器的匹配层材料研究。