BS-PT基高溫壓電超聲換能器研究

鮮曉軍，趙天龍，孫昕郝，石柯飛，費春龍，李瑞峰,侯京川

(1.中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060；2.西安電子科技大學 微電子學院，陜西 西安 710071)

0 引言

超聲檢測技術在現代科學技術中應用廣泛，如復合材料和金屬材料的質量控制、機器設備的安全檢測等[1-3]。近年來，隨著汽車制造、能源勘探和航空航天等領域的迅猛發展，高溫超聲檢測技術得到前所未有的關注和重視[4-6]。作為高溫超聲檢測技術的核心部件，高溫壓電超聲換能器(HTUT)的研究進展相對緩慢，主要是受到高溫壓電材料發展的制約。目前廣泛使用的商用壓電材料以鋯鈦酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3，簡稱PZT)基壓電陶瓷為主，因其成分和結構的原因，居里溫度僅約360 ℃，而塊體壓電材料因其熱老化作用，正常使用溫度被限制在居里溫度的一半以下[7]。傳統的PZT基壓電陶瓷無法在溫度超過200 ℃的環境下穩定工作。

近年來，Eitel等報道了一種鉍系高溫壓電陶瓷體系[8-9]，其中BiScO3-PbTiO3(BS-PT)壓電陶瓷在其準同型相界(MPB)處，其壓電常數d33高達460 pC/N，與傳統的PZT基壓電陶瓷相當；同時其居里溫度Tc保持在450 ℃左右，具有一定的高溫超聲應用潛力。本文基于BS-PT基高溫壓電陶瓷材料，設計并制作了一款1 MHz的高溫壓電超聲換能器，且在200 ℃下測試了該器件的電學和聲學性能，研究了BS-PT基高溫壓電超聲換能器的器件性能。

1 BS-PT基高溫壓電超聲換能器結構設計

壓電超聲換能器的基本結構如圖1所示。

針對上述結構，本文設計的BS-PT基高溫壓電超聲換能器，其壓電材料選擇BS-PT基高溫壓電陶瓷，壓電片的厚度約為2 mm，直徑約為?20 mm；背襯材料選擇耐高溫硅橡膠，厚度約為8 mm，直徑與壓電陶瓷片直徑相同；外殼材料選擇導熱性能優良的銅外殼，導線選擇耐高溫銅線。為了保證換能器和外部電路的良好電學連接，本文選用通用的SMA接口。換能器各組件材料和尺寸如表1所示。

表1 超聲換能器各組件材料及尺寸

2 BS-PT基高溫壓電超聲換能器的性能仿真

針對上述BS-PT基高溫壓電超聲換能器基本結構，本文采用器件仿真軟件PiezoCAD進行了換能器性能仿真。通過輸入器件結構和材料參數，基于KLM等效電路模型計算可得到壓電換能器的電學特性和聲學特性，如諧振頻率，反諧振頻率，阻抗譜，回波波形，中心頻率和帶寬等。PiezoCAD仿真需要的壓電材料參數如表2所示。

表2 壓電材料參數

本文設計的1 MHz BS-PT基高溫壓電超聲換能器的電學、聲學性能仿真結果如圖2所示。由圖可知，BS-PT基高溫壓電超聲換能器仿真結果符合預期，其工作頻率約為1 MHz，中心頻率帶寬大于20%。

3 BS-PT基高溫壓電超聲換能器的制備與性能測試

3.1 BS-PT基高溫壓電超聲換能器的制備

BS-PT基高溫壓電超聲換能器的制備流程如下：首先測試并選取性能良好的壓電材料，然后用耐高溫銅導線連接背面電極，用耐高溫硅橡膠將外殼與壓電材料粘接，前端鍍金，實現了壓電材料和金屬外殼的電氣連接，后端引出的導線與SMA接口進行焊接。制備完成的BS-PT基高溫壓電超聲換能器如圖3所示。

3.2 BS-PT基高溫壓電超聲換能器的性能測試

針對上述BS-PT基高溫壓電超聲換能器，本文分別在室溫(25 ℃)和200 ℃時，利用Agilent 4294A型精密阻抗分析儀在硅油中測量換能器的頻率-阻抗響應曲線，如圖4所示。由圖可見，BS-PT基高溫壓電超聲換能器的諧振頻率約為1 MHz，且隨著測試溫度的升高，諧振頻率的偏移較小，說明BS-PT基高溫壓電超聲換能器電學性能具有很好的溫度穩定性。

為了測試BS-PT基高溫壓電超聲換能器的聲學性能，本文分別在室溫和200 ℃的硅油中對換能器進行脈沖回波測試。測試條件如下：采用Olympus 5073PR用于激勵超聲探頭，設置匹配阻抗為50 Ω，激勵能量為4 μJ，激勵電壓幅值為-125 V，KEYSIGHT DSOX3024A數字存儲示波器用于顯示和存儲波形。

BS-PT基高溫壓電超聲換能器的脈沖回波測試結果如圖5所示。由圖可以看出，超聲換能器的中心頻率約為1 MHz，且隨著測試溫度的升高，中心頻率的偏移量較小；同時，脈沖回波幅值從室溫的540 mV降到200 ℃的330 mV，回波幅值雖略有降低，但換能器的回波波形、中心頻率帶寬變化不大，帶寬仍保持在20%左右。實驗結果證明，本文制備的BS-PT基高溫壓電超聲換能器具有很好的溫度穩定性，可以在200 ℃環境中正常穩定工作。

4 結論

針對當今社會對于高溫超聲檢測技術的應用需求，基于BS-PT基高溫壓電陶瓷材料，本文設計并制作了一款1 MHz的高溫壓電超聲換能器，且在200 ℃下測試了該器件的電學和聲學性能，研究了BS-PT基高溫壓電超聲換能器的器件性能，得到如下結果：

1)設計了BS-PT基高溫壓電超聲換能器的基本結構，并結合PiezoCAD器件仿真軟件，實現了1 MHz高溫壓電超聲換能器的仿真設計與制備。

2)在室溫和200 ℃的硅油中測試了BS-PT基高溫壓電超聲換能器的頻率-阻抗響應曲線。結果表明，換能器的諧振頻率約為1 MHz，且隨著測試溫度的升高，諧振頻率的偏移量較小，換能器的電學性能具有很好的溫度穩定性。

3)在室溫和200 ℃的硅油中測試了BS-PT基高溫壓電超聲換能器的脈沖回波曲線。結果表明，隨著測試溫度的升高，脈沖回波幅值雖略有降低，但換能器的回波波形、中心頻率、帶寬變化不大，其中帶寬仍保持在20%左右，換能器的聲學性能具有較好的溫度穩定性。

綜上所述，本文設計并制備的BS-PT基高溫壓電超聲換能器可以在200 ℃環境中正常穩定工作。這不僅驗證了BS-PT基高溫壓電陶瓷材料的高溫超聲應用潛力，同時也為200 ℃左右的高溫超聲檢測技術提供了一種行之有效的手段，有助于進一步促進高溫超聲檢測技術的應用和發展。