自聚焦PVDF超声换能器制作与研究

金文韬+胡川+沈博

摘 要：针对目前常用的压电陶瓷换能器加工难度大、制作周期长、成本高等问题，文章设计制作了一种基于PVDF压电薄膜的自聚焦超声换能器，充分利用PVDF薄膜成本低、易加工、耐腐蚀等优点。文章进行的声场测试表明，制得的自聚焦PVDF超声换能器尺寸达到了7mm，中心频率为5MHz，纵向分辨率为0.38mm，横向分辨率为1mm，和模拟值相符。相比于常用的压电陶瓷换能器，文章极大程度上降低了制作成本，并有改造成内窥用超声换能器的潜力。

关键词：光声成像；超声换能器；PVDF；自聚焦

1 概述

光声成像技术是一种新型的无损成像技术，结合了普通光学成像和超声成像的优点，具有穿透深度大、成像分辨率高、安全无损等众多优点，在血管生物学[1]、肿瘤学[2]等方面已经得到了广泛的应用。光声成像技术的主要原理是目标物体接受短脉冲激光照射迅速吸收激光照射产生的能量，之后产生热能而振动对外发出超声信号，光声成像的结果实际反映的是目标物体各位置的光吸收系数，光声成像技术所产生的超声信号可以用超声换能器来接收。

压电原理是超声换能器设计制作中常用的原理，压电原理指的对某种材料施加电场会引起材料本身的形变，而材料本身如果发生形变又会使材料产生电场，这种材料就叫做压电材料。PVDF压电薄膜是压电换能器制作中常用的压电材料，已经被广泛应用在生物医学检测中，虽然PVDF压电薄膜的中心频率通常不如另外一种常用的压电材料-压电陶瓷，但PVDF压电薄膜的加工难度与加工成本远低于压电陶瓷，其本身易弯曲的特性也使它能适用于多种形状的压电换能器，而且其本身的声阻抗值和人体组织更加匹配，所以本文选择适用PVDF压电薄膜来作为压电材料。

聚焦超声换能器又是超声换能器的一大重要分支，实现聚焦的方式主要有主动式聚焦、被动式聚焦和相控阵聚焦。主动式聚焦是指通过改变换能器本身形状来实现聚焦，一般是将换能器的压电单元制成球面或柱面；被动式聚焦主要实现方式是使用一些辅助手段聚集超声能量来实现聚焦，目前国内外的主要手段是在换能器前部添加一个声透镜；相控阵聚焦是指通过电子控制排列超声换能器阵列来实现聚焦，它可以调节换能器的焦距、焦斑大小等。本文所设计的自聚焦超声换能器属于主动聚焦的方法，根据PVDF薄膜本身有易弯曲的特性，将PVDF薄膜彎曲成球面从而实现聚焦。

本文将充分利用PVDF薄膜易弯曲、声阻抗低、耐腐蚀、成本低等一系列优点，尝试以PVDF薄膜为压电材料、以自聚焦为聚焦方式的超声换能器制作，对制得的自聚焦PVDF超声换能器进行声场测试，并将实验数据与仿真数据进行对比，验证其各性能指标是否达到预期值。本文所设计的自聚焦超声换能器主要包括三个单元，分别为压电单元、背衬单元以及屏蔽单元。

2 换能器制作

本文采用52μm的PVDF压电薄膜，其电极材料为银，首先将PVDF压电薄膜剪成一个半径为3mm的圆，在圆的一侧留有一个长约5mm的长条，留作连接正极用；之后使用丙酮将PVDF压电薄膜边缘的电极擦去，再将PVDF压电薄膜的长条部分负极的电极全部擦去；下一步将PVDF压电薄膜的圆形部分的正极贴在3D打印的树脂支撑件的凹面上，用相应曲率的亚克力圆球将PVDF压电薄膜压紧在支撑件上；然后通过导电银胶将屏蔽线正极固定在PVDF压电薄膜长条部分的正极，待银胶完全凝固后（约24小时）将PVDF压电薄膜与支撑件整体装入屏蔽铜壳；最后一步使用导电银胶将屏蔽铜壳与PVDF薄膜负极联通、屏蔽铜壳与屏蔽线负极联通，之后在屏蔽铜壳后端灌入环氧树脂胶即完成所有步骤，自聚焦PVDF换能器结构示意图与其实物图如图1所示。

制得的自聚焦PVDF超声换能器外径为7mm，PVDF压电薄膜半径为3mm，曲率半径为16mm，接下来将对超声换能器进行声场测试。

3 声场测试

本文将利用光声扫描系统对制得的自聚焦PVDF超声换能器进行声场测试，实验装置如图2所示，Q-Swiched Nd：YAG激光器发出频率为10MHz、波长为532nm、光强为320V的脉冲激光，激光记过光反射镜反射后照射在头发上，头发埋在琼脂仿体中，仿体中混入了脂肪粉和墨汁，散射和吸收系数分别为1mm-1、0.07mm-1[3]，换能器由步进电机带动可以进行二维扫描，步进电机通过步进电机控制器最终由pc控制。以垂直换能器轴线以及头发的方向为X轴，以平行换能器轴线的方向为Y轴，X轴方向扫描步长为0.1mm，扫描范围8mm，Z轴方向扫描步长为1mm，扫描范围8mm。

对每一个X轴方向的扫描结果进行图像重建，将图像重建结果拼接在同一幅图中，成像结果如图3（a）所示，可以看到，从Z轴13mm处开始，X方向的半高宽尺寸逐渐减小，到Z轴16mm附近时达到最小，之后又逐渐增大，说明本文所制得的自聚焦PVDF超声换能器焦距约为16mm。

确定焦点位置后，提取焦点处信号数据进行傅里叶变换可得图3（b），可以看到换能器中心频率约为5MHz；图3（c）实线为焦点处的原始信号，虚线为希尔伯特变换后的包络曲线，可以算出换能器纵向分辨率约为0.38mm；图3（d）中星号为声场测试中得到的实验值，实线为同样参数下的模拟值，可以看到实验值与模拟值非常接近，算得的横向分辨率约为1mm。

4 结束语

相对于现有的自聚焦换能器多数采用压电陶瓷或其它复合压电材料，本文采用的PVDF压电薄膜在很大程度上节约了成本，实验结果也证明了PVDF压电薄膜制得的换能器性能指标符合预期值。本文所制得的超声换能器外径仅有7mm，在尺寸上有潜力改造为内窥用的超声换能器，有望在宫颈管、肠道等内窥系统中得到应用。

参考文献

[1]OLADIPUPO S S， HU S， KOVALSKI，J R et al. VEGF is essential for hypoxia-inducible factor-mediated neovascularization but dispensable for endothelial sprouting[J].Proc Natl Acad Sci U.S.A， 2011，108（32）：13264-13269.

[2]ERPELDING T N， KIM C， PRAMANIK M et al. Sentinel Lymph Nodes in the Rat： Noninvasive photoacoustic and US Imaging with a clinical US system[J].Radiology，2010，256（1）：102-110.

[3]Peng K， He L， Wang B， et al. Detection of cervical cancer based on photoacoustic imaging-the in-vitro results[J].Biomedical Optical Express，2015，6（1）：135-143.