深夜的實(shí)驗(yàn)室里，一臺(tái)高精度超聲顯微鏡正對(duì)航空復(fù)合材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，屏幕顯示著清晰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。完成這項(xiàng)精密探測(cè)的核心部件，正是TORAY東麗研發(fā)的基于PVDF壓電薄膜的超聲波換能器。

高頻超聲波產(chǎn)生與探測(cè)能力的突破為現(xiàn)代精密檢測(cè)帶來(lái)了革命性變化。

從基于聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物壓電薄膜的獨(dú)特技術(shù)，到覆蓋15MHz至150MHz的頻率范圍，東麗的超聲波換能器代表了材料科學(xué)在聲學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

01 技術(shù)背景與核心創(chuàng)新

傳統(tǒng)超聲波換能器多采用壓電陶瓷(PZT)，這種材料雖能高效轉(zhuǎn)換電信號(hào)與機(jī)械振動(dòng)，卻存在明顯的局限性。

壓電陶瓷聲阻抗高達(dá)30 MRayl，遠(yuǎn)高于水和生物組織的1.48 MRayl，導(dǎo)致聲能傳輸過(guò)程中產(chǎn)生顯著損耗。

傳統(tǒng)陶瓷換能器通常需要復(fù)雜的聲學(xué)透鏡和匹配層設(shè)計(jì)來(lái)改善聲學(xué)耦合，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

上世紀(jì)70年代末，東麗公司的工程師大東弘二與團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了PVDF壓電薄膜在超聲領(lǐng)域的潛力，這一發(fā)現(xiàn)最初發(fā)表在1980年的日本超音波醫(yī)學(xué)會(huì)期刊上。

經(jīng)過(guò)數(shù)年研究，1987年Kimura和Ohigashi在《應(yīng)用物理雜志》上發(fā)表論文，展示了5微米厚P(VDF-TrFE)膜在250MHz時(shí)具有0.26的高機(jī)電耦合系數(shù)，標(biāo)志著高頻超聲波技術(shù)的重大突破。

02 PVDF材料：技術(shù)優(yōu)勢(shì)的科學(xué)原理

聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物薄膜成為東麗超聲波換能器的核心技術(shù)基礎(chǔ)，絕非偶然。這種材料經(jīng)過(guò)極化處理后會(huì)表現(xiàn)出壓電效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電信號(hào)與機(jī)械振動(dòng)之間的高效轉(zhuǎn)換。

與傳統(tǒng)壓電陶瓷相比，PVDF薄膜的核心優(yōu)勢(shì)源自其獨(dú)特的材料特性：其聲阻抗僅為4 MRayl，遠(yuǎn)低于陶瓷的30 MRayl，更接近水和生物組織的聲學(xué)特性。

這種聲學(xué)匹配度的提升帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)。PVDF換能器無(wú)需復(fù)雜的聲學(xué)透鏡即可發(fā)射和接收超聲波，能夠拉近被測(cè)物體與換能器之間的距離，消除聲學(xué)透鏡中混響引起的噪聲影響，從而獲得更清晰的檢測(cè)波形。

高分子材料的柔韌性和可塑性也帶來(lái)了應(yīng)用上的靈活性。與傳統(tǒng)脆性陶瓷不同，PVDF薄膜可以制成曲面、大面積陣列，或貼合復(fù)雜形狀的檢測(cè)表面，為特殊應(yīng)用場(chǎng)景提供可能。

03 性能對(duì)比與傳統(tǒng)換能器

為直觀(guān)展示東麗PVDF換能器的創(chuàng)新價(jià)值，我們將其與傳統(tǒng)PZT陶瓷換能器進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)對(duì)比：

PVDF換能器也存在局限性，其發(fā)射功率相對(duì)較低，PVDF的壓電常數(shù)低于PZT陶瓷，在需要高能量輸出的應(yīng)用場(chǎng)景中不具優(yōu)勢(shì)。此外，其壓電性能對(duì)溫度變化較為敏感，工作溫度范圍通常有一定限制。

04 產(chǎn)品系列與典型應(yīng)用

東麗超聲波換能器已形成豐富的產(chǎn)品系列，覆蓋多種頻率和尺寸規(guī)格。以PT20-3-10型號(hào)為例，它提供20MHz頻率、3mm口徑和10mm焦距，而PT100-1.2-1.5型號(hào)則提供100MHz高頻和極小的1.2mm口徑，適用于高精度的微區(qū)檢測(cè)。

醫(yī)療領(lǐng)域是東麗換能器的重要應(yīng)用方向。在醫(yī)學(xué)超聲成像中，PVDF換能器主要用于高頻超聲探頭，如血管內(nèi)超聲、眼科超聲和皮膚超聲，實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。

1980年代的研究已證實(shí)，單元素PVDF凹面換能器(3.5-7.5MHz)相比傳統(tǒng)陶瓷換能器能提供更高質(zhì)量的圖像。

在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，東麗換能器展現(xiàn)出獨(dú)特值。它們特別適用于高頻精密檢測(cè)，如薄壁材料、復(fù)合涂層、精密陶瓷或半導(dǎo)體元件的微缺陷檢測(cè)。水浸檢測(cè)應(yīng)用中，這類(lèi)換能器廣泛應(yīng)用于航空航天復(fù)合材料、鋰電池極片等的高分辨率C掃描成像。

隨著技術(shù)發(fā)展，新型應(yīng)用場(chǎng)景不斷涌現(xiàn)。在半導(dǎo)體行業(yè)，東麗換能器被用于超聲顯微鏡(SAM)和超聲成像設(shè)備(SAT)，實(shí)現(xiàn)對(duì)封裝器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非接觸式無(wú)損檢測(cè)。

05 技術(shù)前沿與發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，超聲波換能器技術(shù)正朝著更高頻率、更小尺寸和更強(qiáng)功能的方向發(fā)展。東麗公司已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)條件下驗(yàn)證了P(VDF-TrFE)薄膜在250MHz高頻下的優(yōu)異性能，其厚度擴(kuò)展模式下表現(xiàn)出0.26的機(jī)電耦合系數(shù)。

使用3微米厚薄膜制作的換能器，在150MHz頻率下表現(xiàn)出6.5dB的轉(zhuǎn)換效率和30ns的振鈴時(shí)間寬度，這一性能指標(biāo)為超高頻超聲成像奠定了基礎(chǔ)。

未來(lái)超聲波換能器的發(fā)展將更加注重系統(tǒng)集成和智能化。通過(guò)優(yōu)化PWM調(diào)制算法，現(xiàn)代超聲系統(tǒng)已能實(shí)現(xiàn)0.1Hz步進(jìn)的頻率微調(diào)，使系統(tǒng)能夠根據(jù)不同材質(zhì)密度動(dòng)態(tài)調(diào)整穿透深度。

在驅(qū)動(dòng)40kHz換能器陣列時(shí)，相位同步誤差可控制在±0.5°范圍內(nèi)，確保了聲場(chǎng)能量的均勻分布。

微型化和低功耗是另一個(gè)重要趨勢(shì)。隨著半導(dǎo)體制造工藝的引入，超聲波換能器正在變得更小更精密。國(guó)內(nèi)企業(yè)已成功開(kāi)發(fā)出6F(約2mm)微型介入探頭，可應(yīng)用于心腔內(nèi)超聲、冠脈檢測(cè)等領(lǐng)域。

這些技術(shù)進(jìn)步正在推動(dòng)超聲波換能器向更廣泛的領(lǐng)域擴(kuò)展，包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)的傳感系統(tǒng)、消費(fèi)電子產(chǎn)品中的手勢(shì)識(shí)別，以及智能家居中的非接觸式控制。

隨著實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)記錄的完成，檢測(cè)屏幕上一條掃描線(xiàn)收束，形成完整的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

東麗工程師設(shè)計(jì)的新型PVDF薄膜換能器，性能參數(shù)顯示在150MHz下仍保持6.5dB的高效轉(zhuǎn)換，檢測(cè)分辨率較上一代產(chǎn)品提升近40%。

這款厚度不足人類(lèi)頭發(fā)直徑十分之一的壓電薄膜，正在重新定義人類(lèi)“觀(guān)察"物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的極限。