第一節(jié) 產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

壓電換能器的應(yīng)用十分廣泛，它按應(yīng)用的 行業(yè) 分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、生活、醫(yī)療及軍事等；按實(shí)現(xiàn)的功能分為超聲加工、超聲清洗、超聲探測(cè)、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、遙測(cè)、遙控等；按工作環(huán)境分為液體、固體、氣體、生物體等；按性質(zhì)分為功率超聲、檢測(cè)超聲、超聲成像等。

1、壓電陶瓷變壓器

壓電變壓器是利用極化后壓電體的壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電壓輸出的。其輸入部分用正弦電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)，通過逆壓電效應(yīng)使其產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)波通過輸入和輸出部分的機(jī)械耦合到輸出部分，輸出部分再通過正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷，實(shí)現(xiàn)壓電體的電能—機(jī)械能—電能的兩次變換，在壓電變壓器的諧振頻率下獲得最高輸出電壓。與電磁變壓器相比，這具有體積小，質(zhì)量輕，功率密度高，效率高，耐擊穿，耐高溫，不怕燃燒，無電磁干擾和電磁噪聲，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制作、易批量生產(chǎn)，在某些領(lǐng)域成為電磁變壓器的理想替代元件等優(yōu)點(diǎn)。此類變壓器用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器、筆記本電腦、氖燈驅(qū)動(dòng)器等。

2、超聲馬達(dá)

超聲馬達(dá)是把定子作為換能器，利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)讓馬達(dá)定子處于超聲頻率的振動(dòng)，然后靠定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來傳遞能量，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。超聲馬達(dá)體積小，力矩大，分辨率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接驅(qū)動(dòng)，無制動(dòng)機(jī)構(gòu)，無軸承機(jī)構(gòu)，這些優(yōu)點(diǎn)有益于裝置的小型化。它們廣泛應(yīng)用于光學(xué)儀器、激光、半導(dǎo)體微電子工藝、精密機(jī)械與儀器、機(jī)器人、醫(yī)學(xué)與生物工程領(lǐng)域。

3、超聲波清洗

超聲清洗的機(jī)理是利用超聲波在清洗液中傳播時(shí)的空化、輻射壓、聲流等物理效應(yīng)，對(duì)清洗件上的污物產(chǎn)生的機(jī)械起剝落作用，同時(shí)能促進(jìn)清洗液與污物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到清洗物件的目的。清洗所用的頻率根據(jù)清洗物的大小和目的可選用10～500kHz，一般多為20～50kHz。隨著頻率的增加，可采用郎之萬振子、縱向振子、厚度振子等。在小型化方面，也有采用圓片振子的徑向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的。超聲清洗在各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用設(shè)備、電子、汽車、橡膠、印刷、飛機(jī)、食品、醫(yī)院和醫(yī)學(xué) 研究 等 行業(yè) 得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

4、超聲焊接

超聲焊接有超聲金屬焊接和超聲塑料焊接兩大類。其中超聲塑料焊接技術(shù)已獲得較為普遍的應(yīng)用。它是利用換能器產(chǎn)生的超聲振動(dòng)，通過上焊件把超聲振動(dòng)能量傳送到焊區(qū)。由于焊區(qū)即兩焊件交界處聲阻大，所以會(huì)產(chǎn)生局部高溫使塑料熔化，在接觸壓力的作用下完成焊接工作。超聲塑料焊接可方便焊接其他焊接法無法焊接的部位，另外，還節(jié)約了塑料制品昂貴的模具費(fèi)，縮短了加工時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，有經(jīng)濟(jì)、快速和可靠等特點(diǎn)。

5、超聲加工

把微細(xì)磨料隨超聲加工工具一起以一定靜壓力加在工件上，就能加工出與工具相同的形狀。加工時(shí)需在15～40kHz的頻率下，產(chǎn)生15～40Lm的振幅。超聲工具使工件表面的磨料以相當(dāng)大的沖擊力連續(xù)沖擊，破壞超聲輻射部位，使材料破碎而達(dá)到去除材料的目的。超聲加工主要應(yīng)用于寶石、玉器、大理石、瑪瑙、硬質(zhì)合金等脆硬材料的加工以及異型孔和細(xì)深孔的加工。此外，在普通切削工具上加超聲波振動(dòng)時(shí)，也可起到提高精度和效率的作用。

6、超聲減肥

利用超聲波的空化效應(yīng)和微機(jī)械振動(dòng)，將人體表皮下多余的脂肪細(xì)胞破碎、乳化后排出體外，達(dá)到減肥、塑形的目的。這是國(guó)際上90年代發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。意大利的Zocchi首次將超聲去脂用于臨床，并獲得成功，為整形、美容開創(chuàng)了先河。近10年來超聲去脂技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得以迅速發(fā)展。

7、超聲育種

對(duì)植物種子進(jìn)行適當(dāng)頻率和強(qiáng)度的超聲波照射，可提高種子的發(fā)芽率，降低霉?fàn)€率，促進(jìn)種子的生長(zhǎng)，提高植物生長(zhǎng)速度。據(jù)資料介紹，超聲波可使某些植物種子生長(zhǎng)速度提高2～3倍。

8、電子血壓計(jì)

利用壓電換能器接收血管的壓力，當(dāng)氣囊加壓緊壓血管時(shí)，因外加壓力高于血管舒張壓力，壓電換能器感受不到血管的壓力；而當(dāng)氣囊逐漸泄氣，壓電換能器對(duì)血管的壓力隨之減小到某一數(shù)值時(shí)，二者的壓力達(dá)到平衡，此時(shí)壓電換能器就能感受到血管的壓力，該壓力即為心臟的收縮壓，通過放大器發(fā)出指示信號(hào)，給出血壓值。電子血壓計(jì)由于取消了聽診器，可減輕醫(yī)務(wù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

9、遙測(cè)遙控

在有毒、放射性等惡劣環(huán)境中，人們不能接近工作，需要遠(yuǎn)地控制；電視機(jī)，電風(fēng)扇以及電燈等電器開關(guān)需要遙控，都可裝上壓電超聲換能器，通過遠(yuǎn)地發(fā)射超聲波由裝在需要控制系統(tǒng)上的接收換能器所接收，把聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)使開關(guān)動(dòng)作。

10、交通監(jiān)測(cè)

現(xiàn)代交通，自動(dòng)監(jiān)測(cè)車輛的通行和計(jì)數(shù)以便掌握車輛的運(yùn)行情況是非常必要的。如交通監(jiān)理站安裝一個(gè)收發(fā)兼用的超聲換能器及其附屬設(shè)備，當(dāng)車輛通過時(shí)就有一個(gè)聲脈沖返回，通過計(jì)數(shù)累計(jì)可得到日行車輛的數(shù)量。給汽車尾部裝一個(gè)收發(fā)兩用的換能器，可防止倒車相撞事故發(fā)生。在公路上安裝接收型壓電超聲換能器還可以監(jiān)測(cè)噪聲指數(shù)。

11、測(cè)距

超聲測(cè)距裝置又叫聲尺。它是通過收發(fā)兩用的換能器，測(cè)量脈沖時(shí)間間隔。目前的聲尺可測(cè)10m以內(nèi)的距離，精度可達(dá)千分之幾。

12、檢漏及氣體流量檢測(cè)

對(duì)于壓力系統(tǒng)，在泄漏處，由于壓力容器的內(nèi)外壓差造成射流噪聲。這種噪聲頻譜極寬。對(duì)于非壓力系統(tǒng)，可在密閉系統(tǒng)內(nèi)安放一個(gè)超聲源，然后從密閉系統(tǒng)外部接收。一般未泄漏時(shí)測(cè)到的信號(hào)幅度極小或沒有，在泄漏處信號(hào)幅度有突然增大的趨勢(shì)。氣體流量檢測(cè)也是化工中的重要手段之一。流量檢測(cè)目前有多種方法，如浮子流量計(jì)等。但超聲法主要優(yōu)點(diǎn)是不妨礙流體的流動(dòng)。

13、機(jī)器人成像信息采集

智能機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在空間自由行走、辨認(rèn)物體等功能，不僅要用超聲換能器測(cè)距導(dǎo)盲，而且要成像辨識(shí)。所以，需要小型的超聲換能器陣，以實(shí)現(xiàn)多種功能，這方面將成為一項(xiàng)重要的 研究 課題，吸引著眾多的科學(xué)家為之奮斗。

第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點(diǎn)或流程

壓電陶瓷工藝流程如下：配料→混合磨細(xì)→預(yù)燒→二次磨細(xì)→造粒→成型→排塑→燒結(jié)成瓷→外形加工→被電極→高壓極化→老化測(cè)試。

一、配料

進(jìn)行料前處理，除雜去潮，然后按配方比例稱量各種原材料，注意少量的添加劑要放在大料的中間。

二、混合磨細(xì)

目的是將各種原料混勻磨細(xì)，為預(yù)燒進(jìn)行完全的固相反應(yīng)準(zhǔn)備條件.一般采取干磨或濕磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取攪拌球磨或氣流粉碎的方法，效率較高。

三、預(yù)燒

目的是在高溫下，各原料進(jìn)行固相反應(yīng)，合成壓電陶瓷.此道工序很重要。會(huì)直接影響燒結(jié)條件及最終產(chǎn)品的性能。

四、二次細(xì)磨

目的是將預(yù)燒過的壓電陶瓷粉末再細(xì)振混勻磨細(xì)，為成瓷均勻性能一致打好基礎(chǔ)。

五、造粒

目的是使粉料形成高密度的流動(dòng)性好的顆粒。方法可以手工進(jìn)行但效率較低，目前高效的方法是采用噴霧造粒。此過程要加入粘合劑。

六、成型

目的是將制好粒的料壓結(jié)成所要求的預(yù)制尺寸的毛坯。

七、排塑

目的是將制粒時(shí)加入的粘合劑從毛坯中除掉。

八、燒結(jié)成瓷

將毛坯在高溫下密封燒結(jié)成瓷。此環(huán)節(jié)相當(dāng)重要。

九、外形加工

將燒好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。

十、被電極

在要求的陶瓷表面設(shè)置上導(dǎo)電電極。一般方法有銀層燒滲、化學(xué)沉積和真空鍍膜。

十一、高壓極化

使陶瓷內(nèi)部電疇定向排列，從而使陶瓷具有壓電性能。

十二、老化測(cè)試

陶瓷性能穩(wěn)定后檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)，看是否達(dá)到了預(yù)期的性能要求。

第三節(jié) 國(guó)內(nèi)外技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì) 分析

壓電超聲換能器當(dāng)前發(fā)展方向?yàn)榇蠊β?、低壓?qū)動(dòng)、高頻、薄膜化、微型化、集成化。

1、大功率換能器

在許多場(chǎng)合需要大功率的換能器。在大功率換能器領(lǐng)域，鈮鎂酸鉛(PMN)陶瓷是有發(fā)展前途的材料。PMN的優(yōu)點(diǎn)是在中度的電場(chǎng)中就可以產(chǎn)生大的應(yīng)變，遲滯小。但電致伸縮效應(yīng)是非線性的，相應(yīng)的物理常數(shù)取決于溫度和頻率，且需直流偏壓，這就需要 研究 如何處理這些問題。

在工業(yè)液體處理中使用的高強(qiáng)度超聲波需特殊的大功率換能器，在功率容量、效率、輻射面積和指向性方面都有要求。階梯換能器為在液體中高效地產(chǎn)生高強(qiáng)度的超聲輻射提供了一種優(yōu)化系統(tǒng)。大功率換能器有望在礦藏勘探和鉆井上得到應(yīng)用。

2、低壓驅(qū)動(dòng)換能器

許多諧振超聲裝置如超聲馬達(dá)和大功率換能器需產(chǎn)生大的振幅。鋯鈦酸鉛(PZT)是廣泛應(yīng)用的電聲轉(zhuǎn)化材料。在20kHz時(shí)，PZT在400kV/m的電場(chǎng)中，在共振條件下產(chǎn)生的振幅要達(dá)到微米級(jí)，需2000V的電壓，5mm厚的壓電陶瓷環(huán)。在某些情況下(航空航天，便攜式裝置)，使用高壓是一種缺陷。此時(shí)，大振幅的超聲頻率必須用低壓驅(qū)動(dòng)。減小多層陶瓷的電極間的距離可解決這個(gè)問題。因?yàn)楫?dāng)場(chǎng)強(qiáng)一定時(shí)，極間距越小，所需電壓也越小。多層壓電陶瓷的薄層厚度30～200μm，電極的間距等于陶瓷層厚。所以，要用相同尺寸的裝置得到同樣的位移，多層壓電陶瓷的電壓就遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單層的。

法國(guó) 研究 人員對(duì)多層PZT郎之萬換能器的諧振子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn) 研究 。在低電壓下得到了大的振幅(10V，5μm)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)換能器連續(xù)工作時(shí)，去極化是個(gè)嚴(yán)重問題?？赏ㄟ^對(duì)陶瓷片的界面拋光和對(duì)換能器加直流偏壓解決。他們用的郎之萬換能器，多層壓電陶瓷由20層陶瓷片組成，每層厚100μm，每端加了絕緣陶瓷。換能器的總高度為38mm，縱向振動(dòng)頻率約13kHz。響應(yīng)的耦合系數(shù)等于0.22。多層壓電陶瓷的界面多，損失大，發(fā)熱嚴(yán)重。為了減小損失和防止去極化，裝配前對(duì)各層結(jié)合面進(jìn)行了拋光，(粗糙度Ra=0.04μm，平面度0.5mm，平行度1μm)。此外，疊片只是靠機(jī)械預(yù)應(yīng)力保持緊密貼合，而沒做任何粘接。

3、高頻換能器

頻率大于15～20MHz的B超在醫(yī)療上的應(yīng)用已有十幾年了，高頻超聲應(yīng)用范圍的增加促進(jìn)了一些領(lǐng)域的迅速發(fā)展，如換能器(壓電材料、靈敏度和聚焦性)，信號(hào)的快速電路和數(shù)字化等。

目前利用鈦酸鉛(PbTiO3)的厚度伸縮振動(dòng)的三次諧波模式，已經(jīng)制成高達(dá)l00MHz以上的高頻壓電陶瓷振子。振子厚度只有70Lm，能與高頻石英晶體振子相比，而最高的超聲振子的頻率可達(dá)1000MHz。如用波長(zhǎng)表示超聲波段的范圍，在液體、固體中最短的超聲波長(zhǎng)為微米量級(jí)，可以和可見光波的波長(zhǎng)相比。

高頻壓電陶瓷器件以其體積小、質(zhì)量輕、能耗低、無需調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于電視機(jī)、錄相機(jī)、自動(dòng)化電子裝置、通信設(shè)備、復(fù)印機(jī)、計(jì)算機(jī)、語音合成器和遙控器等電器中。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，需要越來越大。國(guó)內(nèi)僅電視機(jī)、遙控器、音響、計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備年應(yīng)用量約10億只，而國(guó)內(nèi)僅有極少數(shù)幾家生產(chǎn)13MHz以下器件，產(chǎn)量約3億只，供需矛盾突出，尤其是13MHz以上的器件基本上依靠進(jìn)口，市場(chǎng)缺口非常大。隨著壓電陶瓷元器件制作工藝技術(shù)的改進(jìn)，諧振頻率及特性的不斷提高，它將越來越廣泛地取代石英晶體器件，其應(yīng)用量將以每年5%～10%的速度遞增。所以研制高頻壓電陶瓷諧振器產(chǎn)品，具有極大的推廣應(yīng)用前景，有良好的市場(chǎng)空間。

4、壓電薄膜換能器

隨著沉積技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，壓電薄膜制備技術(shù)日趨成熟，它帶來了許多優(yōu)點(diǎn)，即

(1)便于換能器微型化;

(2)提高了換能器的頻率、帶寬和分辨率;

(3)便于組成各種聚焦換能器和換能器陣;

(4)運(yùn)用MEMS技術(shù)可很方便地將換能器與驅(qū)動(dòng)、控制電路集成在一起。

超聲成像裝置的圖像分辨率受到超聲換能器頻率的限制。因此，提高超聲圖像的分辨率已成為超聲成像技術(shù) 研究 的方向之一。最近，一系列頻率范圍為20～100MHz的超聲換能器問世。壓電薄膜制成的換能器具有良好的脈沖響應(yīng)，用于超聲成像可獲得高分辨率的圖像。用壓電薄膜制作的球形聚焦換能器國(guó)外已有報(bào)道，頻率范圍在50～100MHz，國(guó)內(nèi)現(xiàn)主要是將壓電薄膜用于水聽器。

5、換能器的微型化

裝置的微型化離不開動(dòng)力元件的微型化，在動(dòng)力微元件中，壓電超聲馬達(dá)以其體積小、轉(zhuǎn)速低、力矩大而受到重視。壓電超聲換能器是壓電微馬達(dá)的核心部件。

6、換能器的集成化

集成包括器件的集成以及器件與電路的集成。超聲馬達(dá)通常在高于常備電池的交流電壓下工作，這就需升壓的變壓器。美國(guó)賓夕法尼亞州大學(xué)致動(dòng)和換能器國(guó)際中心對(duì)壓電變壓器與超聲馬達(dá)的集成進(jìn)行了 研究 。超聲馬達(dá)的定子和壓電換能器在相同的徑向振動(dòng)模式下工作。它們的尺寸非常接近，可產(chǎn)生密切匹配的共振頻率。因此，它們不用感應(yīng)線圈而能耦合到一起。用壓電陶瓷制作的超聲馬達(dá)，需要較高的交流電場(chǎng)去激勵(lì)一個(gè)行波或駐波來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。傳統(tǒng)的方法是驅(qū)動(dòng)電路由振動(dòng)源、變換器和電磁變壓器組成。而電磁變壓器體積大，并產(chǎn)生電磁噪聲，而用壓電變壓器則無此缺點(diǎn)。集成還有利于減小回路中的寄生電感和電容。除上面所列的方向外，近年來微細(xì)加工的容性超聲換能器(cMUTs)已成為 研究 的熱點(diǎn)。

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