Fabrication and Application of Micro Piezoelectric Composite Ultrasonic Detector*

HUANG Yuan，LI Yigui*，BI Zhenfa，YAN Ping，WANG Huan，SUGIYAMA Susumu（.School of Science，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 048，China；.School of Railway Transportation，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 048，China；.Department of Microsystem，Ritsumeikan University，Kyoto 55-8577，Japan）



Fabrication and Application of Micro Piezoelectric Composite Ultrasonic Detector*

HUANG Yuan1，LI Yigui1*，BI Zhenfa2，YAN Ping1，WANG Huan1，SUGIYAMA Susumu3
（1.School of Science，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China；2.School of Railway Transportation，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China；3.Department of Microsystem，Ritsumeikan University，Kyoto 525-8577，Japan）

A kind of micro piezoelectric composite ultrasonic detector with good directivity is designed and fabricat⁃ed based on microfabrication process.The detector includes a piezoelectric vibrator，a damper，a relay and ultrahigh frequency（UHF）connector.A piezoelectric vibrator is composed of a 4×4 80 μm×80 μm×130 μm（length× width×height）lead zirconate titanate（PZT）piezoelectric columnar array and the array gap filling an epoxy resin. When the piezoelectric vibrator is applied a high frequency AC voltage to the columnar PZT array，it produces longi⁃tudinal stretching movement，thereby generating ultrasonic radiation to the media.As the epoxy filler material，it can absorb the noise due to the columnar PZT array caused by vibrations in other directions so that the detector can produce a good directivity ultrasonic wave in the longitudinal direction，and improve the detection sensitivity.The test results show that the fabricated micro piezo detector has a good directivity，a high sensitivity，a high accuracy，and can be used in measuring the moisture content in the sediment.

ultrasonic detector；piezoelectric composites；microfabrication process；ultrasonic directivity

超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名，是一种频率高于20000赫兹的声波。它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等，在医学、军事、工业、农业等领域上有很多的应用［1-6］。近年来，随着超声传感技术、微机电技术、计算机技术等高新技术的不断发展，医学超声技术得到了极大的发展和提高，为临床诊断提供了更多人体生理及病理变化的信息。在妇科临床工作中，由于超声诊断技术较其他技术具有明显的优势，因此被广泛地应用于妇科疾病和胎儿生长发育的观察和诊断中［7-8］。

此外，超声波还可以检测泥沙中的含水量。泥沙的含水量是工程领域的重要参数，例如混凝土拌合物配置时，水泥量和水量的比值直接影响到混凝土的强度和耐久性，而强度和耐久性又是衡量混凝土质量的主要指标。混凝土的物理力学性能受其结构的密实性与均匀性支配，若水分过少，和易性不好，则无法振捣密实，强度无法提高。反之，容易离析、泌水，孔隙率增大，强度降低。另外，由于沙子产地、种类不一，以及存放时间和天气环境的影响，在配制时要精确称量各种原材料的重量，才能保证混凝土拌和物的质量。一般的检测手段属于离线行为，在测量值与实际生产状态存在时间滞后现象。所以传统方法不能及时反应生产的瞬间状态值，使得人工估计给水量，不能保证生产的效率和质量。因此，精确在线测量泥沙含水量显得至关重要。另外，在轨道交通、陶瓷制作、地质灾害预防及生物孵化方面，泥沙含水量也是非常重要的［9-13］。

针对泥沙含水量测量的应用前景，本文设计并制备了一种基于微细加工工艺的微压电超声波探测器，包括压电振子、阻尼器、中继板和UHF连接器。压电振子由柱状PZT阵列与填充在其间的环氧树脂材料构成。柱状PZT阵列由切割工艺加工而成。环氧树脂作为填充材料，其作用是吸收横向噪声，使探测器产生指向性良好的超声波，从而提高探测灵敏度。

1　超声波探测器工作原理及设计

1.1工作原理

超声波探测器的工作原理如图1所示。根据压电晶体的电致伸缩原理，当压电材料上施加高频正弦交流电压时，压电材料产生电致伸缩运动，从而产生超声波并向介质辐射［14］。当超声波传播到不同含水量的泥沙中，由于水和泥沙对超声波反射和透射程度存在的差异，从而使得探测器接收到的超声波存在差异，根据这种差异来判断泥沙中含水量的高低。

图1　压电超声波探测器原理

1.2微超声波探测器探头设计

微超声波探测器探头结构如图2所示，它由压电振子、阻尼器、中继板和UHF连接器构成。其中，压电振子置于最上层，其次是阻尼器，中继板在下层，最下层是UHF连接器，整个探头的外径为16 mm，长度为50 mm。在应用的过程中采用超声波的反射方式，将探测器安装在超声波导管的顶端，并将超声波波导管插入到泥沙中。泥沙中含水状况不同，反射到波导管顶端的超声波波形存在差异，这种差异直接反映了含水量的多少。

图2　超声波探测器探头结构

1.3压电振子的设计

压电振子是微压电超声波探测器的核心部件，其结构设计关系着探测器的性能。微压电振子采用压电复合材料制成，其结构设计如图3所示。约130 μm厚的压电复合材料由压电材料（柱状PZT阵列）与填充材料（环氧树脂）制成，如图4所示。采用竖立式柱状PZT阵列（如图4（a）所示），主要是为了让压电体（PZT）在纵向上产生较强的振动；而在周围填充环氧树脂作为填充材料（如图4（b）所示），主要是为了消除由压电体（PZT）振动带来的横向噪声，从而使压电复合材料能产生指向性良好的超声波。最后，压电复合材料上还需覆上约1 μm厚的表面电极膜与约5 μm厚的表面电极引线，具体如图3所示。

图3　压电振子的结构

图4　压电复合材料料的构成

2　超声波探测器的制备工艺

超声波探测器制备主要包括一下几个步骤。首先，用切割硅片的切割机（DISCO公司的DAD522）把PZT基板切成柱状PZT阵列，每个柱子的尺寸约为80 μm×80 μm×130 μm，如图5（a）所示。切割工艺加工条件：刀片转数为3 000 r/min，进刀速度为2 mm/s，刀片厚度为50 μm。接着，在柱状PZT阵列周围填充环氧树脂，并放入80℃烘箱内烘烤半小时，使其固化。然后，在压电振子的上、下表面镀上厚约1 μm的表面电极膜，以及约5 μm厚的上、下表面电极银箔引出线，使交流电压可以通过内、表电极银箔引出线和表面电极膜施加在压电振子上。最后，将制备好的压电振子与阻尼器、中继板、UHF连接器、波导管进行组装，得到微压电超声波探测器的成品，如图5（b）所示。

图5　微压电超声波探测器的照片

3　实验与测试

搭建测试系统，对制备的微压电超声波探测器进行测试实验。采用的测试系统配置如图6所示。超声波探测器的输入电压为8 V，超声波的传输频率为40 kHz，而放大器和信号处理电路的输入电压设置为15 V。

图6　入射波测试系统

图7　超声波探测器的入射波形

3.1泥沙含水量对检测信号的影响

将超声波探测器波导管插入泥沙，检测泥沙中的含水量。入射波由超声波探测器探头发出，并在波导管中传播，如图8所示。当超声波传播至泥沙时，产生了反射波，并被探头中的接收器接收，在示波器中显示波形。泥沙中的阻抗随含水量的变化而变化，从而影响探测器接收到的反射波的波形。通过对反射波波形分析，检测出泥沙中的含水量。

图8　超声波检测泥沙含水量的示意图

超声波探测器的入射波形如图7所示。图中时间轴为2 ms/div，纵轴为2 V/div。

基于反射式超声波检测方法，检测了干燥泥沙和含足量水的泥沙两种状态结果如图9所示。

图9　超声波反射式的泥沙含水量的检测结果

图9（a）是泥沙在干燥的情况下的检测结果，而图9（b）是泥沙在含有足量水的情况下的检测结果（时间轴为2 ms/div，纵轴为2 V/div）。通过两幅图的对比，可以看出泥沙中含水量对反射波幅值的影响较大。因此，可以通过分析反射波的幅值变化检测出泥沙含水量的大小。

4.2导管长度对检测信号的影响

超声波波导管长度的选择也是影响超声波探测器性能的重要因素。将超声波波导管长度设置为0.3 m、0.5 m、0.8 m、1 m 4种长度，并分别对两种泥沙进行检测，并得到4种检测结果，如图10～图13所示（时间轴为1 ms/div，纵轴为500 mV/div）。

图10　波导管长0.3 m的检测结果

图11　波导管长0.5 m的检测结果

图12　波导管长0.8 m的检测结果

图13　波导管长1 m的检测结果

由图10～图13可知，在对两种泥沙检测结果的对比中，长度0.3 m的超声波波导管最为突出，在含水泥沙的检测图像中出现4个较为明显的反射波。另外，随着超声波波导管长度的增加，入射波与反射波的发生距离也在增加。因此，超声波波导管长度的选择为0.3 m。

5　结论

本文提出了基于微细加工工艺的微压电超声波探测器来监测泥沙中的含水量。这种探测器利用压电材料（柱状PZT阵列）的压电效应，即当施加高频交流电压时，柱状PZT阵列产生纵向伸缩运动，从而产生超声波并向介质辐射；利用环氧树脂作为填充材料吸收由压电体（PZT）振动引起的横向噪声，使其在纵向上产生指向性良好的超声波；基于超声波反射式工作原理，可以测定泥沙含水量，具有防灾（如防泥石流、滑坡等）应用前景。在超声波探测器的制备中，采用了切割工艺加工的方法来实现柱状PZT阵列的制备，每个柱子的尺寸约为80 μm×80 μm×130 μm，这种加工方法操作简单、成品率高、成本低廉。通过实验测试结果可以证明，采用微压电超声波探测器来监测泥沙中的含水量是具有可行性的。

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黄远（1990-），男，江苏徐州人，硕士研究生，2014年于南京航空航天大学金城学院获得学士学位，主要从事微光机电系统、微细加工工艺方面的研究，yhuang06@163.com；

李以贵（1965-），男，江西广昌人，博士，教授，博士生导师。1985年于哈尔滨工业大学获得学士学位，1991年于哈尔滨工业大学获得硕士学位，2000年毕业于日本东北大学获得博士学位，2001年3月-2013年8月任上海交通大学微纳研究院教授，博士生导师，现为上海应用技术学院理学院副院长，教授，博士生导师。主要从事微光机电系统（MEMS）方面的研究，ygli@sit.edu.cn；

颜平（1991-），男，四川简阳人，硕士研究生，2014年于上海电机学院获得学士学位，主要从事微光机电系统、微细加工工艺方面的研究，yp_huainanzi@ 126.com。

EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.06.026

微压电复合材料超声波探测器的制备及应用*

黄远1，李以贵1*，毕贞法2，颜平1，王欢1，山杉进3
（1.上海应用技术学院理学院，上海201418；2.上海应用技术学院轨道交通学院，上海201418；3.日本立命馆大学微系统系，日本京都525-8577）

基于微细加工工艺，设计并制备了一种指向性良好的压电复合材料的超声波探测器。该探测器由压电振子、阻尼器、中继板和特高频（UHF）连接器构成。压电振子由4×4个（80 μm×80 μm×130 μm）（长×宽×高）的锆钛酸铅（PZT）压电柱状阵列及阵列缝隙填充环氧树脂而构成。当压电振子施加高频交流电压时，柱状PZT阵列产生纵向伸缩运动，从而产生超声波并向介质辐射。作为填充材料的环氧树脂，能够吸收掉因柱状PZT阵列其他方向振动而引起的噪声，使探测器在纵向上能产生指向性良好的超声波，从而提高了该探测器的灵敏度。测试结果表明，该微压电探测器指向性好，灵敏度高，精度高和抗干扰性好，可应用在泥沙的含水量测量中。

超声波探测器；压电复合材料；微细加工工艺；超声波指向性

TH89

A

1004-1699（2016）06-0947-05

2015-12-09修改日期：2016-02-16

项目来源：国家自然科学基金课题项目（60777016）；国家自然基金课题项目（51405303）；上海联盟计划项目（LM201441）；上海应用技术学院重点学科项目（10210Q150005）；上海应用技术学院人才引进基金项目（YJ2014-03）