第三章 医用超声换能器

医用超声换能器

应用超声波进行诊断时，首先要解决的问题是如何发射和接收超声波，通过使用超声换能器可以解决这个问题。

目前医学超声设备大多采用声电换能器来实现超声波的发射与接收。

声电换能器按工作原理分为两大类，即电场式和磁场式。

电场式中，利用电场所产生的各种力效应来实现声电能量的相互转换，其内部储能元件是电容，它又分为压电式、电致伸缩式、电容式。

磁场式中，是借助磁场的力效应实现声电能量的互相转换，内部储能元件是电感，它又分为电动式、电磁式、磁致伸缩式。

在医学超声工程中，使用的最多的是压电式超声换能器。

§3.1 压电效应与压电材料特性

一、压电效应

压电效应是法国物理学家Pierre Curie 和Jacqnes Curie 兄弟于1880年发现的。

图3-1 压电效应示意图

对某些单晶体或多晶体电介质，如石英晶体、陶瓷、高分子聚合材料等，当沿着一定方向对其施加机械力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应表面上便

产生符号相反的等量电荷，并且电荷密度与机械力大小成比例；而且当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为正压电效应，如图3-1。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场(加电压)作用时，这些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形；外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)。

如果在电介质的两面外加交变电场时，电介质产生压缩及伸张，即产生振动，此振动加到弹性介质上，介质亦将振动，产生机械波。如外加交变电场频率高于20KHz，则这种波即是超声波。

超声接收换能器采用了正压电效应，将来自人体中的声压转变为电压。超声波发射换能器采用了逆压电效应，将电压转变为声压，并向人体发射。

压电效应是可逆的，压电材料既具有正压电效应，又具有逆压电效应。医学超声设备中，常采用同一压电换能器作为发射和接收探头，但发射与接收必须分时工作。

当外加的交变电压的频率与固有频率一致时，产生的机械振动最强；当外加的机械力的频率与固有频率一致时，所产生的电荷也最多。在超声波诊断仪中激励脉冲的频率必须与探头的固有频率相同。

实验证明，当所施加力或电的频率不与晶体固有频率一致时，压电换能器晶体产生的电信号幅度和变形振动幅度都将变小，可见，它们都是频率的函数。

二、压电材料

具有压电效应的物质称为压电材料或压电元件。

目前已发现的压电材料品种繁多，性能各异，按系列可分为三大类。

（一）压电单晶体

超声换能器应用的天然单晶体有石英、电石等，人工制造的单晶体，如硫酸锂、鈮酸锂等，都具有同样的压电特性。

石英晶体的性能相当稳定，但需使用几千伏以上的高电压，而且要求加工精密度高，机电耦合系数（灵敏度）低，故目前医用诊断探头已很少使用。

（二）压电陶瓷

压电陶瓷品种最多，它是人工制成的压电多晶体材料，

由许多取向不同的单个晶粒所组成的多晶体。

通常人工烧制出来的初始的压电陶瓷，在没有极化之前不具有压电效应，是非压电体；压电陶瓷经过极化处理后具有压电效应。

钛酸钡是最先制造出来的人造陶瓷材料。但自1955年，PZT锆钛酸铅已逐步取代了其位置，成为使用最广泛的压电材料。

压电陶瓷的最大优点是它可以制成任何所需要的形状，并能在所需要的方向进行极化处理。

（三）压电高分子聚合材料

1969年，研制成功具有实用价值的有机压电材料----压电高分子聚合材料。

这是一种半结晶聚合物，其中性能较好的材料为聚偏氟乙烯（PVF2或PVDF），分子式为（CH2--CF2），材料外貌与聚乙烯相似。

压电高分子聚合材料薄膜的制备过程为制膜、拉伸、极化、上极。

压电高分子聚合材料有以下特性：

①结构简单、体软量轻、成本低、适于大量生产；

②力学性能较好，不易断裂和破碎，具有一定韧性，可

弯曲，柔软，耐冲击、振动，抗化学腐蚀，成型性好，

可制成几微米厚、大面积的压电薄膜；

③具有较好的抗腐蚀性；

④材料弹性刚度小，机械损耗小，适于宽带换能器；

⑤弹性刚度系数低，因而单位应力所产生的压电应变系

数高，比石英大10倍，比PZT大17倍，是一种良

好的接收型压电振子材料；

⑥材料的声阻抗，接近人体组织的声阻抗，容易获得良

好匹配；

⑦薄膜不受潮湿和灰尘的影响，在室温条件下性能稳

定。

四、压电体参数

压电体的参数是反映压电材料性能的标志，它除了力学性质、电学性质外，还有压电性质。

（一）机械品质因数Qm

压电元件在谐振时，要克服内摩擦而产生能量损耗，机械品质因数Qm就是衡量该能量损耗大小。

它可定义为：

械能量压电体谐振时损耗的机械能量谐振时压电体储存的机π2=m Q

机械品质因数与机械损耗成反比，Qm 越大，机械损耗越小，能量衰减越慢，通频带越窄。

机械品质因数Qm 是压电换能器的一个重要设计参数，与压电元件谐振模式有关，它决定了换能器通频带。

Qm 为无量纲的物理量，一般压电陶瓷因配方和工艺条件的不同，Qm 相差很大，如锆钛酸铅（PZT ）陶瓷的值可在50~3000之间大幅度调节。

（二）机电耦合系数k

压电体在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能，这种表示压电体中机械能和电能之间的耦合效应，用机电耦合系数k 表示。

k 值是综合反映压电材料性能的重要参数，是判别压电材料性能的重要依据。

k 不仅与压电材料有关，而且与压电体的振动模式和形状有关。

设计超声压电换能器要求机电耦合系数高，有利于发射或接收。

(三)压电常数

压电元件具有弹性力的力学特性和电介质的电学特性，压电方程反映了其力学量和电学量之间耦合关系，压电常数则反映了这种关系的参数。它有压电应变常数d 、压电电压常数g 、压电应力常数e 和压电劲度常数g 四种形式。

它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度。

（1）压电应变常数d

当压电体处于应力恒定的情况下，单位电场强度变化所引起的应变变化；或电场恒定时，单位应力变化所引起的电位移变化。

d 反映了压电元件的逆压电效应，d 愈大，压电元件由单位电场引起的变形也愈大。 d 大时宜于制造发射型换能器。

（2）压电应力常数e

压电体在应变恒定时，单位电场所引起的应力变化；或电场恒定时，单位应变所引起的电位移变化。

e 反映了压电元件的逆压电效应，e 愈大，愈能用较低的电压产生较大的压力。