基于PMN-PT单晶材料的医用超声相控阵换能器设计

张 浩，曾 涛

(上海材料研究所 上海市工程材料应用与评价重点实验室，上海 200437)

医疗超声诊断技术具有直观安全、对软组织鉴别力强、方便快捷等优点，是当代医学成像诊断中的首选技术[1]。超声换能器是医疗超声诊断系统的核心部件，可实现电能和声能之间的转换，其性能决定着图像质量。为了得到优质的超声图像，需要超声换能器具有高灵敏度，高带宽[2]的特点。

传统医疗换能器常用的功能元件是由PbZrO3-PbTiO3[3]制成的PZT(锆钛酸铅)系列压电陶瓷，其具有较低的压电性能，使得换能器的灵敏度和带宽较低，进而影响了图像的分辨率和清晰度。近年来，随着以铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)系列弛豫铁电单晶为代表的高性能压电材料的发展[4-5]，综合性能优于PZT的PMN-PT成为高灵敏度、低噪声换能器的理想功能材料，目前已应用于医用超声相控阵换能器的研制中。人的心脏位于肋骨之下，超声声束仅能通过肋骨之间的窄缝进入胸腔，这要求换能器体积必须小。

笔者设计了PMN-32%PT单晶材料的医用超声相控阵换能器，该换能器中心频率约为2.6 MHz，-6 dB带宽为80%以上，且具有高灵敏度，可用于对心脏疾病的显像诊断。

1 换能器的设计

1.1 PMN-32%PT单晶材料性能

选取(001方向)PMN-32%PT单晶材料进行换能器设计。设计的压电振子长12 mm，宽0.23 mm，高0.37 mm(见图1)，宽高比<0.7[6]，其阻抗曲线如图2所示，谐振频率为2.22 MHz，反谐振频率为4.28 MHz，压电振子处于完全的纵向振动模式。实测PMN-PT和PZT压电振子的性能如表1所示。

图1 PMN-32%PT压电振子模型

图2 PMN-32%PT压电振子阻抗曲线

表1 实测PMN-PT和PZT压电振子的性能参数

从基本性能来看，PMN-32%PT单晶的压电常数与机电耦合系数都明显高于PZT系列陶瓷的，其压电常数d33和k33分别高达1 620 pC·N-1和0.88，可进一步提高超声换能器的带宽和灵敏度。PZT系压电陶瓷的声阻抗为35 MRayl,而水负载声阻抗只有1.5 MRayl ,阻抗相差很大,难以进行匹配层设计(低声阻抗压电材料更容易进行阻抗匹配),限制了换能器的带宽。

1.2 匹配层设计

匹配层技术是拓宽厚度振动换能器频带最有效的方法，一定厚度的匹配层不但能产生多频谐振来拓展换能器带宽，还能提高声传输特性。笔者采用两匹配层方案(匹配层层数越多，带宽越大)进行换能器设计。匹配层技术的基本原理是：在换能器的辐射表面黏接一层匹配层(即一种具有一定声阻抗的材料层)，增加换能器自身的负载，换能器的基频就会降低。由于匹配层的声阻抗小于换能器敏感材料的声阻抗，故其第二谐振频率也会降低，这样就形成了靠近的谐振峰。

理论上，匹配层厚度通常需满足λ/4条件[7]，λ为匹配层中的声波波长。单匹配层的声阻抗Zm需要满足

Zm=(ZPZL)1/2

(1)

式中:ZP和ZL分别为压电材料和负载的声阻抗率。

两层匹配下，各匹配层声阻抗可修正为[8]

对于PMN-32%PT单晶阵列换能器，其硅橡胶透镜的声阻抗为1.25 MRayl，根据上述公式计算出的Zm1和Zm2分别为7.03,2.30 MRayl。为了平衡换能器的带宽和灵敏度，应选择合适的背衬层阻抗。配制的各匹配层参数如表2所示。

表2 配制的匹配层参数

1.3 换能器的测试分析

医用超声相控阵换能器是由压电陶瓷、声学匹配层、声透镜、背衬、柔性电路板、低电容同轴电缆和调谐电感等部分组成。医用相控阵单晶换能器外观如图3所示。

图3 医用相控阵单晶换能器外观

采用串联电感调谐的低电容同轴电缆来匹配单晶阵列的高阻抗。采用5072PR型脉冲信号源对该单晶阵列进行回波性能分析，其水中响应测试结果(64个基元测试)如图4所示。

图4 医用相控阵换能器水中响应测试结果(64个基元测试)

制作的医用相控阵单晶换能器中心频率为2.68 MHz，带宽约为83%，具有较高的灵敏度和较好的阵元一致性。

1.4 超声图像评估

PMN-PT单晶和PZT陶瓷阵列换能器获得的超声图像如图5，6所示，在组织谐波模式下，PMN-PT换能器得到的二维图像具有更好的穿透力、分辨率以及对比度。

图5 PMN-PT阵列换能器获得的超声图像

图6 PZT阵列换能器获得的超声图像

2 结论

选取PMN-32%PT(001)单晶材料，采用两匹配层结构进行换能器设计，并根据设计制作样品换能器。得到的换能器中心频率约为2.6 MHz，-6 dB带宽为80%以上，可用于对心脏疾病的显像诊断。