超聲換能器

用於醫學影像的線陣超聲換能器

超聲換能器（Ultrasonic transducer）是在超聲波頻率範圍內，實現聲能和電能相互轉換的換能器，主要分為三類：發射器、接收器和收發兩用型換能器。用來發射超聲波的換能器稱為發射器，當換能器處於發射狀態時，將電能轉換為機械能，再轉換為聲能；用來接收聲波的換能器稱為接收器，當換能器處於接收狀態時，將聲能轉換為機械能，再轉換為電能；在有些情況下，換能器既可用作發射器，又可用作接收器，稱為收發兩用型換能器。它是超聲技術的核心內容和關鍵技術之一，廣泛應用於無損檢測、醫學影像、超聲顯微鏡、指紋識別及物聯網等領域。

與雷達、聲納類似，超聲換能器多用於利用回波信號評估目標物體的系統，通過測量超聲信號收發的時間間隔，可以確定目標物體與換能器間的距離。被動式超聲傳感器實際上就是檢測超聲波信號的麥克風。按照實現超聲換能器機電轉換的物理效應的不同，可將換能器分為電動式、電磁式、磁致伸縮式、壓電式和電致伸縮式等。目前理論研究和實際應用最為廣泛的是壓電超聲換能器。

通常發射換能器工作頻率等於其本身的諧振基頻以獲得最佳工作狀態。被動式接收換能器的工作頻率為一較寬頻帶，同時要求換能器自身的諧振基頻比頻帶的最高頻率高，以保證換能器有平坦的接收響應。

從維度上來講，換能器通常包含單個或多個陣元，從而有單陣元探頭、線陣探頭、面陣探頭和環陣探頭等。單陣元超聲換能器相對容易製造，但必須通過高線性精度的機械驅動以獲得超聲圖像，這限制了它的刷新頻率和成像質量。超聲換能器陣可以通過電子控制，從而快速獲得多維度的信息，結合相控陣技術，可以控制超聲波束的偏轉和聚焦，進一步提高解像度、靈敏度和輸出功率。

未經極化的壓電陶瓷中的電軸取向雜亂，不具壓電效應。經過極化工序處理後才能顯示壓電效應。極化過程就是在壓電陶瓷上加一個強直流電場，使陶瓷中的電軸沿電場方向取向排列。

發展

1880年，皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟發現電氣石具有壓電效應。第一次世界大戰期間，法國物理學家朗之萬於1916年研製成功了第一個真正實用的壓電換能器，並將其應用於潛艇的探測中。同時，由於壓電換能器作為高頻聲源的出現，使得高頻聲的研究成為現實，一個重要的聲學分支——超聲學也迅速發展起來，並得到了越來越多的重視。直到現在，朗之萬型換能器仍在得到廣泛的應用，如功率超聲和水聲工程之中。

自20世紀20年代起，陸續發現了各種具有磁致伸縮效應的材料。一類是金屬磁致伸縮材料，如鎳、鐵鈷合金、鋁鐵合金、鎳鐵合金、鎳鈷合金等。這類材料的特點是具有高機械強度、高居里點及工作性能穩定。聲吶設備中常採用這種材料製成的換能器。另一類是鐵氧體磁致伸縮材料，如鎳鋅鐵氧體、鎳銅鈷鐵氧體、鎳鋅鈷鐵氧體。這種材料最大優點是渦流和磁致損耗小，靈敏度高，可用來做水聽器和工作頻率要求較高的水聲換能器。但隨着PZT材料的廣泛應用，磁致伸縮材料幾乎被取代。因為功率要求不大時，壓電換能器具有結構簡單、性能穩定及成本低廉等優點。

隨着超聲技術的發展，氣體中的超聲技術應用越來越廣。空氣耦合式超聲換能器（氣介超聲換能器）也受到了人們的普遍重視。傳統的壓電換能器和磁致伸縮換能器因為阻抗匹配差，發射效率低的問題，不太適合氣介超聲的應用。微機械超聲換能器由於具有頻率高，機械阻抗低，從而有較好的耦合效果，在氣體中的超聲檢測等技術中獲得了廣泛的應用。

超聲換能器具有一定的方向特性。對發射換能器而言其方向特性曲線決定了發射聲能的集中程度；對接收換能器而言，方向特性曲線的尖銳程度決定了探索空間方向角的範圍。超聲換能器的方向特性也直接關係到超聲設備的作用距離。

換能器的分類

磁致伸縮換能器

磁致伸縮換能器是最早被採用的聲學換能器類型之一，後來壓電材料的發現，尤其是PZT材料的廣泛應用，磁致伸縮材料幾乎被取代。因為功率要求不大時，壓電換能器具有結構簡單、性能穩定及成本低廉等優點。 隨着現代聲納技術的發展和水聲學應用範圍的不斷擴大，研究新型換能器材料及新型水聲換能器或基陣顯得尤為重要。20世紀70年代初期發現的稀土超磁致伸縮材料，由於其卓越的性能以及在遠程聲納和其它低頻水聲系統中的適用性，引起了廣泛重視，成為目前換能器領域內的熱點方向之一。

壓電超聲換能器

壓電換能器是應用最為廣泛的一種聲電轉換元件，它的最簡單形式就是一個兩面鍍有電極的、圓形或方形的壓電陶瓷薄片。當把一定頻率和功率的交流信號加到兩個電極上時以後，壓電陶瓷片的厚度隨着交變電場而變化，此時相對於外部介質而言就是一個活塞振動的簡單聲源。由於其結構簡單，易於成形和加工，廣泛應用於醫學超聲探頭、工業無損檢測的超聲探頭當中。厚度振動壓電換能器，基於板的厚度伸縮振動模式，在超聲檢測、超聲診斷等領域廣泛應用。壓電陶瓷材料的不足之處在於脆性大、抗張強度低、大面積成型困難以及超薄高頻換能器不易加工。這一方面壓電薄膜如PVDF比壓電陶瓷較有優勢。

微機械超聲換能器

微機械超聲換能器（Micromachined Ultrasonic Transducer, MUT）是基於薄板翹曲振動的換能器，根據驅動機制的不同，分為壓電式微機械超聲換能器（piezoelectric-MUT, pMUT），與電容式微機械超聲換能器（capacitive-MUT, cMUT）。因為微機械超聲換能器通過MEMS工藝製備，從而與集成電路有較大的工藝兼容性，因而是微型化超聲系統最佳的實現方案，可以實現大規模的製備和封裝，應用在指紋識別、空氣測距、導管超聲及便攜式超聲等領域。

叉指換能器

叉指換能器（Interdigital Transducer, IDT）是在壓電基片上用真空蒸發澱積一層金屬薄膜，再用光刻方法得到兩個互相間隔形似叉指的梳形電極，製成用來激發和接收聲表面波的換能器。IDT電聲轉換損耗低，設計靈活且製造工藝簡單，容易工作在0.5-3 GHz的頻率範圍內，已成為激發與檢測聲表面波的主要技術，成為聲表面波器件和傳感器的基本組成部分，得到廣泛應用。

應用

超聲應用覆蓋了非常廣的頻率範圍。通常，超聲波被定義為超過可聽頻率的聲波，但也有一定應用工作在20 kHz以下。在一部分聲納系統中，頻率選定在數千赫茲以減少衰減。百赫茲的聲波在海洋聲學中用於全球層析成像；40 kHz的超聲往往被用於物體檢測，這主要是受聲波衰減限制的檢測範圍與頻率決定的解像度之間的折衷；對於傳統醫療檢測，超聲波的頻率範圍處於2 MHz - 20 MHz之間；兆赫茲的聲波一般用於金屬物體的超聲探傷。在固體材料的檢測中，橫波與縱波都有用到；超聲顯微鏡對於分析微電子器件非常有用，頻率通常在100 MHz – 1 GHz間，使得空間解像度接近光學顯微鏡。對於1 GHz以上更高的頻率，有時被用於材料表徵和科學研究領域；15 kHz – 100 kHz的振動系統也多用於傳統的功率超聲應用，如機械加工、焊接和清潔；也有超聲清潔器工作在兆赫茲，用於矽晶圓與電子設備的清潔。此外，更高的頻率上也探索了超聲焊接的應用，用於引線鍵合與塑料焊接，從而解決集成電路小型化的瓶頸。諸如濾波器、傳感器和驅動器等，多覆蓋20 kHz – GHz，取決於換能器的結構和應用。