第一節(jié) 產(chǎn)品技術發(fā)展現(xiàn)狀

壓電換能器的應用十分廣泛，它按應用的 行業(yè) 分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、生活、醫(yī)療及軍事等；按實現(xiàn)的功能分為超聲加工、超聲清洗、超聲探測、檢測、監(jiān)測、遙測、遙控等；按工作環(huán)境分為液體、固體、氣體、生物體等；按性質分為功率超聲、檢測超聲、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來實現(xiàn)電壓輸出的。其輸入部分用正弦電壓信號驅動，通過逆壓電效應使其產(chǎn)生振動，振動波通過輸入和輸出部分的機械耦合到輸出部分，輸出部分再通過正壓電效應產(chǎn)生電荷，實現(xiàn)壓電體的電能—機械能—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，且結構簡單、便于制作、易批量生產(chǎn)，在某些領域成為電磁變壓器的理想替代元件等優(yōu)點。此類變壓器用于開關轉換器、筆記本電腦、氖燈驅動器等。

2、超聲馬達

超聲馬達是把定子作為換能器，利用壓電晶體的逆壓電效應讓馬達定子處于超聲頻率的振動，然后靠定子和轉子間的摩擦力來傳遞能量，帶動轉子轉動。超聲馬達體積小，力矩大，分辨率高，結構簡單，直接驅動，無制動機構，無軸承機構，這些優(yōu)點有益于裝置的小型化。它們廣泛應用于光學儀器、激光、半導體微電子工藝、精密機械與儀器、機器人、醫(yī)學與生物工程領域。

3、超聲波清洗

超聲清洗的機理是利用超聲波在清洗液中傳播時的空化、輻射壓、聲流等物理效應，對清洗件上的污物產(chǎn)生的機械起剝落作用，同時能促進清洗液與污物發(fā)生化學反應，達到清洗物件的目的。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和彎曲振動的。超聲清洗在各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用設備、電子、汽車、橡膠、印刷、飛機、食品、醫(yī)院和醫(yī)學 研究 等 行業(yè) 得到了越來越廣泛的應用。

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已獲得較為普遍的應用。它是利用換能器產(chǎn)生的超聲振動，通過上焊件把超聲振動能量傳送到焊區(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，縮短了加工時間，提高了生產(chǎn)效率，有經(jīng)濟、快速和可靠等特點。

5、超聲加工

把微細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，使材料破碎而達到去除材料的目的。超聲加工主要應用于寶石、玉器、大理石、瑪瑙、硬質合金等脆硬材料的加工以及異型孔和細深孔的加工。此外，在普通切削工具上加超聲波振動時，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和微機械振動，將人體表皮下多余的脂肪細胞破碎、乳化后排出體外，達到減肥、塑形的目的。這是國際上90年代發(fā)展起來的一項新技術。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年來超聲去脂技術在國內(nèi)外得以迅速發(fā)展。

7、超聲育種

對植物種子進行適當頻率和強度的超聲波照射，可提高種子的發(fā)芽率，降低霉爛率，促進種子的生長，提高植物生長速度。據(jù)資料介紹，超聲波可使某些植物種子生長速度提高2～3倍。

8、電子血壓計

利用壓電換能器接收血管的壓力，當氣囊加壓緊壓血管時，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；而當氣囊逐漸泄氣，壓電換能器對血管的壓力隨之減小到某一數(shù)值時，二者的壓力達到平衡，此時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，給出血壓值。電子血壓計由于取消了聽診器，可減輕醫(yī)務人員的勞動強度。

9、遙測遙控

在有毒、放射性等惡劣環(huán)境中，人們不能接近工作，需要遠地控制；電視機，電風扇以及電燈等電器開關需要遙控，都可裝上壓電超聲換能器，通過遠地發(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，把聲信號轉變成電信號使開關動作。

10、交通監(jiān)測

現(xiàn)代交通，自動監(jiān)測車輛的通行和計數(shù)以便掌握車輛的運行情況是非常必要的。如交通監(jiān)理站安裝一個收發(fā)兼用的超聲換能器及其附屬設備，當車輛通過時就有一個聲脈沖返回，通過計數(shù)累計可得到日行車輛的數(shù)量。給汽車尾部裝一個收發(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)測噪聲指數(shù)。

11、測距

超聲測距裝置又叫聲尺。它是通過收發(fā)兩用的換能器，測量脈沖時間間隔。目前的聲尺可測10m以內(nèi)的距離，精度可達千分之幾。

12、檢漏及氣體流量檢測

對于壓力系統(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。對于非壓力系統(tǒng)，可在密閉系統(tǒng)內(nèi)安放一個超聲源，然后從密閉系統(tǒng)外部接收。一般未泄漏時測到的信號幅度極小或沒有，在泄漏處信號幅度有突然增大的趨勢。氣體流量檢測也是化工中的重要手段之一。流量檢測目前有多種方法，如浮子流量計等。但超聲法主要優(yōu)點是不妨礙流體的流動。

13、機器人成像信息采集

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

第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點或流程

壓電陶瓷工藝流程如下：配料→混合磨細→預燒→二次磨細→造粒→成型→排塑→燒結成瓷→外形加工→被電極→高壓極化→老化測試。

一、配料

進行料前處理，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

目的是將各種原料混勻磨細，為預燒進行完全的固相反應準備條件.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、預燒

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

四、二次細磨

目的是將預燒過的壓電陶瓷粉末再細振混勻磨細，為成瓷均勻性能一致打好基礎。

五、造粒

目的是使粉料形成高密度的流動性好的顆粒。方法可以手工進行但效率較低，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成所要求的預制尺寸的毛坯。

七、排塑

目的是將制粒時加入的粘合劑從毛坯中除掉。

八、燒結成瓷

將毛坯在高溫下密封燒結成瓷。此環(huán)節(jié)相當重要。

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置上導電電極。一般方法有銀層燒滲、化學沉積和真空鍍膜。

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、老化測試

陶瓷性能穩(wěn)定后檢測各項指標，看是否達到了預期的性能要求。

第三節(jié) 國內(nèi)外技術未來發(fā)展趨勢 分析

壓電超聲換能器當前發(fā)展方向為大功率、低壓驅動、高頻、薄膜化、微型化、集成化。

1、大功率換能器

在許多場合需要大功率的換能器。在大功率換能器領域，鈮鎂酸鉛(PMN)陶瓷是有發(fā)展前途的材料。PMN的優(yōu)點是在中度的電場中就可以產(chǎn)生大的應變，遲滯小。但電致伸縮效應是非線性的，相應的物理常數(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用。

2、低壓驅動換能器

許多諧振超聲裝置如超聲馬達和大功率換能器需產(chǎn)生大的振幅。鋯鈦酸鉛(PZT)是廣泛應用的電聲轉化材料。在20kHz時，PZT在400kV/m的電場中，在共振條件下產(chǎn)生的振幅要達到微米級，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，大振幅的超聲頻率必須用低壓驅動。減小多層陶瓷的電極間的距離可解決這個問題。因為當場強一定時，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遠小于單層的。

法國 研究 人員對多層PZT郎之萬換能器的諧振子進行了實驗 研究 。在低電壓下得到了大的振幅(10V，5μm)。發(fā)現(xiàn)當換能器連續(xù)工作時，去極化是個嚴重問題?？赏ㄟ^對陶瓷片的界面拋光和對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，縱向振動頻率約13kHz。響應的耦合系數(shù)等于0.22。多層壓電陶瓷的界面多，損失大，發(fā)熱嚴重。為了減小損失和防止去極化，裝配前對各層結合面進行了拋光，(粗糙度Ra=0.04μm，平面度0.5mm，平行度1μm)。此外，疊片只是靠機械預應力保持緊密貼合，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)療上的應用已有十幾年了，高頻超聲應用范圍的增加促進了一些領域的迅速發(fā)展，如換能器(壓電材料、靈敏度和聚焦性)，信號的快速電路和數(shù)字化等。

目前利用鈦酸鉛(PbTiO3)的厚度伸縮振動的三次諧波模式，已經(jīng)制成高達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1000MHz。如用波長表示超聲波段的范圍，在液體、固體中最短的超聲波長為微米量級，可以和可見光波的波長相比。

高頻壓電陶瓷器件以其體積小、質量輕、能耗低、無需調整等優(yōu)點被廣泛用于電視機、錄相機、自動化電子裝置、通信設備、復印機、計算機、語音合成器和遙控器等電器中。隨著電子技術的發(fā)展，需要越來越大。國內(nèi)僅電視機、遙控器、音響、計算機等電子設備年應用量約10億只，而國內(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口，市場缺口非常大。隨著壓電陶瓷元器件制作工藝技術的改進，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，具有極大的推廣應用前景，有良好的市場空間。

4、壓電薄膜換能器

隨著沉積技術、微細加工技術的發(fā)展，壓電薄膜制備技術日趨成熟，它帶來了許多優(yōu)點，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)運用MEMS技術可很方便地將換能器與驅動、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 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，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外已有報道，頻率范圍在50～100MHz，國內(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力元件的微型化，在動力微元件中，壓電超聲馬達以其體積小、轉速低、力矩大而受到重視。壓電超聲換能器是壓電微馬達的核心部件。

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。美國賓夕法尼亞州大學致動和換能器國際中心對壓電變壓器與超聲馬達的集成進行了 研究 。超聲馬達的定子和壓電換能器在相同的徑向振動模式下工作。它們的尺寸非常接近，可產(chǎn)生密切匹配的共振頻率。因此，它們不用感應線圈而能耦合到一起。用壓電陶瓷制作的超聲馬達，需要較高的交流電場去激勵一個行波或駐波來驅動轉子。傳統(tǒng)的方法是驅動電路由振動源、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。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，近年來微細加工的容性超聲換能器(cMUTs)已成為 研究 的熱點。

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