粘接层对PVDF换能器性能影响研究*

俞晓霞， 曹永刚， 王月兵， 郑慧峰

(中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018)



粘接层对PVDF换能器性能影响研究*

俞晓霞， 曹永刚， 王月兵， 郑慧峰

(中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018)

环氧树脂作为聚偏氟乙烯(PVDF)膜与背衬之间的粘接层将会影响换能器的性能。采用52 μm厚的PVDF压电薄膜制作换能器，以EPO-TEK 301环氧树脂和铜分别作为粘接材料和背衬。通过阻抗分析仪和脉冲回波测试得到PVDF薄膜和换能器的压电性能，并与KLM等效模型的仿真结果进行比较，实验结果与仿真结果基本一致。研究结果表明：随着粘接层厚度的增加，换能器的灵敏度和中心频率将会降低，因此，在PVDF换能器设计制作过程中需合理控制粘接层的厚度。

粘接层；聚偏氟乙烯换能器；脉冲回波

0　引　言

聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜具有压电性能强、声阻抗低、频率响应宽、质量轻、柔软易加工等优点，被广泛应用于研制窄脉冲、宽频带的换能器[1，2]。

因为PVDF是一种氟化聚合物，难以附着于金属材料和其它无机材料上。一般对PVDF的表面进行处理，例如砂磨、蚀刻等，可以极大地提高到PVDF电极的粘合性，将其粘附于背衬和匹配层上，但是这种方法在用来制作高频换能器时容易使PVDF膜破裂。另一种方法是采用树脂材料进行粘接，如EPO-TEC环氧树脂，环氧树脂的粘接层的厚度不能太大[3]。到目前为止，关于粘接层如何影响PVDF换能器的性能的报告比较少。

用来研究换能器压电性能的机电等效电路模型中，Mason模型和KLM模型最为常用，而KLM模型避免了Mason模型中的负电容元件，更为简单合理[4,5]。在以往压电陶瓷换能器的仿真过程中通常忽略粘接层，只考虑背衬层、电极层、压电元件和匹配层。而PVDF膜和陶瓷的物理性质有很大的不同，如声阻抗、夹持介电常数和机械品质因子等。目前，研究人员已经用采用PVDF薄膜研制了超高频(VHF)换能器，而粘结层厚度对其压电性能的影响还有待研究[6]。

本文通过阻抗分析仪测量不同直径，厚度为52 μm的PVDF膜和PVDF换能器的阻抗特性，并和KLM模型的仿真结果进行了分析比较。同时制作出粘结层厚度不同的换能器，根据换能器KLM等效电路模型，利用传输矩阵模拟了换能器的声学特性，并结合实验研究了粘接层厚度对PVDF换能器性能的影响[7,8]。

1　理　论

在KLM模型中压电元件的特性用集中参数表示，显示在电路的机械端，当添加其他结构时，用传输线依次连接进行分析，与机械端相等效的电路端由电阻X1和电容C0组成，二者之间存在φ:1的等效关系。

本文所采用的换能器结构如图1所示，PVDF上下表面镀有银电极，环氧树脂胶EPO-TEK301作为粘接层将PVDF薄膜与铜背衬连接，因此，考虑粘接层的KLM等效电路模型如图2所示。

图1　PVDF换能器结构Fig 1　Structure of PVDF transducer

图2　PVDF换能器KLM等效电路Fig 2　KLM equivalent circuit of PVDF transducer

KLM等效电路中各参量如下

(1)

Z0=ρcA

(2)

(3)

(4)

式中ε为PVDF薄膜的介电常数，h为压电压力常数，ρ为密度，c为声波在压电元件中的纵向传播速率，ω为角频率，d为厚度，A为面积。

每一层材料的声学阻抗都可看作是一段传输线，传输矩阵为

(5)

式中Zi=ρc为声阻抗，γi=j/k(1-j/2Qm)，k为波矢，tj为材料厚度，Qm为对应材料的机械品质因数。

通过对机械端的分析，可以获得机械端的声阻抗Zmt，它包括了各层材料阻抗；电路端的阻抗Zin为

(6)

根据式(6)，电路端的等效电阻Re与电感Xe可以推导得出。根据下列式(7)，可计算出换能器辐射声压

(7)

式中Rs为缆线电阻。根据Pm可以计算得到换能器的谐振频率、接收灵敏度、脉冲响应曲线等。

2　KLM仿真与实验分析

2.1PVDF薄膜和PVDF换能器的导纳特性

采用阻抗分析仪(HP4194A)对以下各样品的导纳进行测定，并与KLM等效电路模型的仿真结果进行比较。PVDF薄膜样品厚度均为52μm，其中，半径分别为2.5，4.8，7.0mm，以及采用这些薄膜制作而成的PVDF换能器，仿真和实测结果如图3、图4所示。

图3　厚度为52 μm的PVDF薄膜的导纳特性的仿真和实测结果Fig 3　Simulation and measurement result of admittance properties of 52 μm PVDF film

图4　PVDF换能器的导纳特性的仿真和实测结果Fig 4　Simulation and measurement result of admittance properties of PVDF transducers

仿真结果与测量结果均表明：谐振频率在11MHz左右，随着PVDF直径的增加，幅值以1︰3.7︰7.6的比例增加。理论上，幅值与元件面积呈线性关系。当半径的比例为1︰1.92︰2.8(2.5，4.8,7.0mm)，幅值比例应为1︰3.69︰7.8，可以看到理论计算与仿真和测量的结果相近。但是在15MHz以后仿真结果和测量结果出现了偏差，这与图3(b)导纳的相位角出现的偏差结果相符合。造成这些偏差的原因可能是测量仪器的长时间使用造成内元件电容变化。

采用上述PVDF薄膜制作换能器进行仿真和测量，得到的导纳图如图4所示。图4(a)中在低频范围内(10MHz以下)模拟结果与测量结果基本一致，谐振频率在6.5MHz左右，幅值的比例与PVDF膜的比例变化吻合，为1︰3.8︰7.6。图4(b)为PVDF换能器的相位图，可以看出曲线形状不太一致，这可能是由于仪器和换能器结构造成的，如粘接层厚度。同时从仿真结果和实测结果来看，两者较为一致，因此，改进之后的KLM模型可靠性较高。

2.2粘接层厚度对PVDF换能器脉冲回波特性影响

在换能器制作过程中，固定住换能器一端，可通过改变液压机给换能器另一端施加的压力，对换能器的粘接层厚度加以控制。图5为不同压力作用下的粘接层，施加力为49,98,294,490,686kPa，相应的胶层厚度分别为54,37,22,13,11μm。

图5　不同压力作用下的粘接层Fig 5　Photographs of bonding layers under different pressure

材料厚度与压力关系的拟合模型[9]为

f(x)=ae(b/x0.5)+c

(8)

如图6所示，通过以上实验数据可以拟合得到粘接层厚度与施加的压力的函数关系，置信区间为95 %的拟合结果：a=2 995(-3.966×105,4.026×105)；b=0.135(-17.65,17.92)；c=-3 000(-4.026×105,3.966×105)。

图6　粘接层厚度与压力的关系和拟合曲线Fig 6　Relationship between thickness of bonding layer and pressure and its fitting curve

从图中可以看到:随着施加压力的增大，粘接层厚度呈指数型减小，并在压力达到300kPa以后，粘接层厚度的变化趋于平缓。

采用厚度52μm、直径5mm的PVDF膜作为压电元件，铜为背衬，EPO-TEK301环氧树脂作为粘合层制作换能器。液压机(ShimadzuSSP—10A)分别对3个换能器施加686,490,49kPa的压力，相应地制作出PVDF薄膜直径为5mm,厚度为52μm，粘接层厚度分别为11,13,54μm的换能器。

对PVDF换能器进行脉冲回波测试。测试条件：工作环境为25 ℃的除气泡水介质，PVDF换能器平面垂直放置于反射体上面，其表面距离反射体表面5cm。将PVDF换能器连接到脉冲发射接收器的发射器端口，宽带接收器端口与示波器相连，用来监视回波，后面板触发信号端口与示波器外部触发端口进行连接。设定模式为脉冲回波；脉冲发射器脉冲宽度-15～20MHz，脉冲电压为400V，脉冲波波数为1，重复频率为100Hz；宽带接收器的输入阻抗设为50Ω，带宽为35MHz(-3dB)时可得到各换能器脉冲回波波形图如图7(b)所示。

采用上述KLM等效电路模型对粘接层厚度为0,11,13,54μm的PVDF换能器进行仿真，得到的脉冲回波波形图如图7(a)所示。

图7　粘接层厚度不同的换能器的脉冲回波时域图Fig 7　Waveform of transducer with different thickness of bonding layer

图7(a)所示粘接层厚度为11μm和13μm时，脉冲回波波形与无粘接层时的波形相似，但在幅值上与粘接层厚度成反比，且在粘接层厚度达到54μm时，接收到的脉冲回波信号失真。造成波形失真的原因为：该换能器的中心频率大约为7MHz(λ=210μm)，54μm的粘接层厚度大于λ/4，因此，会出现不必要的声反射干扰脉冲回波信号。图7(b)为换能器脉冲回波实测波形，与仿真结果基本一致。

对脉冲回波信号进行处理，可以得到图8不同粘接层厚度设为换能器的功率谱，表征换能器的功率衰减。相同频率下，粘接层厚度越大，接收到的脉冲回波功率衰减越大，意味着换能器的接收灵敏度越低。同时可以看到，随着粘接层厚度的增大，换能器接收的回波信号中心频率向低频方向移动。大多数环氧树脂的声阻抗和纵向声速与PVDF相近，式(9)给出了换能器的λ/4谐振振频率与粘合层厚度的关系[7]

图8　粘接层厚度不同的换能器的功率谱Fig 8　Power spectra of transducer with different thickness of bonding layer

(9)

式中v为PVDF的纵向声速，t1和t2分别为压电元件和粘接层的厚度。随着粘接层厚度的增大，换能器的λ/4谐振频率将会降低。当粘接层厚度接近于PVDF薄膜厚度时，λ/2谐振频率会出现。在实验结果和仿真结果中可以发现,在粘接层厚度达到54μm时，换能器将会出现另外一个工作模态，即λ/2工作模态。

图9表示PVDF换能器的脉冲回波中心频率和粘接层厚度的关系，实验所得结果在仿真结果的基础上上下浮动，两者吻合性较好。从图中可看出:粘接层厚度从0μm逐渐增加到60μm，而中心频率由7.6MHz降到3.4MHz，变化幅度较大。图10所示,在换能器中心频率下，粘接层功率谱幅值与其厚度的关系，以粘接层厚度为0μm时衰减-5dB为基础，厚度从0μm逐渐增加到60μm，功率衰减幅度达到20dB，表征换能器的接收灵敏度将大大减小；且在粘接层厚度达到54μm时，即粘接层厚度超过声波波长后，换能器将出现其他的工作模态，实验结果和仿真结果会出现一定的偏差。

图9　中心频率和粘接层厚度的关系Fig 9　Relationship between center frequency and thickness of bonding layer

图10　换能器功率谱与粘接层厚度的关系Fig 10　Relationship between power spectra of transducer and different thickness of bonding layer

3　结　论

粘接层厚度对PVDF换能器性能的影响较大。随着粘接层厚度的增加，换能器的灵敏度和中心频率将会降低；粘接层厚度较小时，测量所得波形与仿真相似；当粘接层厚度接近或超过1/4波长时，脉冲回波信号将受到粘接层中声反射的干扰。所以，在设计制作PVDF换能器时应考虑粘接层厚度的影响，使其尽量小于1/4波长。本文给出的换能器KLM等效电路模型可为PVDF换能器性能的优化提供理论计算和方向。

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曹永刚，通讯作者,E—mail:15A0202111@cjlu.edu.cn。

Research on influence of bonding layer on characteristics of PVDF transducer*

YU Xiao-xia, CAO Yong-gang, WANG Yue-bing, ZHENG Hui-feng

(College of Metrological Technology and Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

Used as bonding layer between PVDF film and backing material,epoxy will influence characteristics of transducer.EPO-TEK 301 epoxy is used to bond 52 μm-thick PVDF film with copper as backing material.Piezoelectric properties of original PVDF films and transducers are measured by impedance analyzer and in pulse-echo test.The measurement results are compared with simulation ones obtained by KLM model.It is shown that both the results are consistent.It is demonstrated that with increase of thickness of bonding layer,sensitivity and center frequency of transducer will be reduced,therefore,it is necessary to control thickness of bonding layer reasonably while designing and fabricating PVDF transducer.

bonding layer; PVDF transducer; pulse-echo

2016—06—01

国家自然科学基金资助项目(11474259)；国防技术基础课题项目(JSJC2013604C012)；浙江省公益技术应用研究项目(2014C31109)；浙江省“仪器科学与技术”重中之重学科开放基金资助项目；国家级大学生创新创业训练计划资助项目

TN 384

A

1000—9787(2016)08—0020—04

俞晓霞(1991-)，女，浙江金华人，硕士研究生，主要研究方向为精密仪器与机械的研究。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0020—04