层叠式PVDF薄膜超声换能器及其频谱特性

　　0　引言

　　超声换能器作为声能与电能相互转换的部件已广泛用于无损探伤、遥控探测、医学成像等技术领域。超声压电材料作为各种超声应用的核心部件一直是世界各国长期研究和开发的重点。目前，压电陶瓷PZT以机电效率高和性能稳定等优点成为最常用的压电材料，但其带宽窄，声阻抗高和机械性能强度低等不足使基于PZT的超声换能器的应用受限[1]，而一种新型的高分子聚合物压电材料聚偏二氟乙烯(PVDF)越来越受关注。PVDF具有灵敏度高;压电常数(g31=216×10^-3V/N)与PZT的高20倍，其声阻抗(S=2.7×10⁶Pa·s/m3)跟水、人体肌肉的声阻抗很接近;柔韧度高，易弯曲并能制成厚10μm～1mm形状各异的大面积薄膜;PVDF有很宽的频响范围，在室温下从准静态、低频、高频至超高频均能实现高效的机电转换[2]。PVDF不仅在许多领域中能替代传统压电陶瓷材料，还可应用到水听器和柔性薄膜成像器件等PZT不能使用的场合。但目前PVDF压电应变系数(d33=21pC/N)不高，机电耦合系数(k3≈14%)较小，从而使PVDF在超声换能器方面的应用中通常需要外接高压激励电路。

　　本文提出一种基于PVDF压电薄膜的层叠式结构超声换能器，并重点利用Mathcad软件对该结构超声换能器的幅频特性进行理论仿真分析与讨论。

　　1　PVDF薄膜层叠结构

　　目前基于单片PVDF薄膜超声换能器产生的表面电荷、电压增益及机械振动幅度极其有限，通常在发射端采用高压激励电路来增加输出功率，在接收端采用集成接收放大电路[3-4]来提高信号增益，但由此限制了换能器集成化和微型化。为了获得更好的探测效果，可通过多层薄膜晶片的不同层叠方式(见图1)实现低驱动电压及高信号增益。

　　对于发射端，即电声转换的逆压电效应，需将薄膜晶片并联层叠[5]，从而使声场强度线性叠加，如图2(a)所示[6]，其等效电路如图2(b)所示，即通过层叠来增大薄膜的有效应变面积，因为声场强度与薄膜晶片的面积成正比[5]。而对于接收端，即声电转换的正压电效应，则需将薄膜晶片串联层叠，即将晶片的感应电压串联叠加，从而有效提高接收端电压，如图3(a)所示[6]，其等效电路如图3(b)所示。

　　因此，如果要实现超声探头收发复用，则必须通过将薄膜晶片并联-串联结合层叠，同时满足大输出功率及高接收灵敏度等实用需求[7]。多块晶片的并联增加了压电薄膜的表面感应电荷量，从而可提高接收端的带负载能力[6]。

　　2　层叠式超声探头的幅频特性

　　当PVDF压电薄膜应用于高频(1MHz～1GHz)范围的超声探伤时，由于在PVDF薄膜内传播的超声波长很短(1.5mm～1.5μm)，薄膜厚度并未远小于波长，所以超声波在薄膜中传播会产生一定的相位差且不能被忽略。假设HPVDF为PVDF厚度，hAl为铝电极厚度，根据图2(a)所示，第i层激发的超声波传播到换能器出射面处形成的相位差θi可表示为