BS-PT基高温压电超声换能器研究

鲜晓军，赵天龙，孙昕郝，石柯飞，费春龙，李瑞峰,侯京川

(1.中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060；2.西安电子科技大学 微电子学院，陕西 西安 710071)

0 引言

超声检测技术在现代科学技术中应用广泛，如复合材料和金属材料的质量控制、机器设备的安全检测等[1-3]。近年来，随着汽车制造、能源勘探和航空航天等领域的迅猛发展，高温超声检测技术得到前所未有的关注和重视[4-6]。作为高温超声检测技术的核心部件，高温压电超声换能器(HTUT)的研究进展相对缓慢，主要是受到高温压电材料发展的制约。目前广泛使用的商用压电材料以锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3，简称PZT)基压电陶瓷为主，因其成分和结构的原因，居里温度仅约360 ℃，而块体压电材料因其热老化作用，正常使用温度被限制在居里温度的一半以下[7]。传统的PZT基压电陶瓷无法在温度超过200 ℃的环境下稳定工作。

近年来，Eitel等报道了一种铋系高温压电陶瓷体系[8-9]，其中BiScO3-PbTiO3(BS-PT)压电陶瓷在其准同型相界(MPB)处，其压电常数d33高达460 pC/N，与传统的PZT基压电陶瓷相当；同时其居里温度Tc保持在450 ℃左右，具有一定的高温超声应用潜力。本文基于BS-PT基高温压电陶瓷材料，设计并制作了一款1 MHz的高温压电超声换能器，且在200 ℃下测试了该器件的电学和声学性能，研究了BS-PT基高温压电超声换能器的器件性能。

1 BS-PT基高温压电超声换能器结构设计

压电超声换能器的基本结构如图1所示。

针对上述结构，本文设计的BS-PT基高温压电超声换能器，其压电材料选择BS-PT基高温压电陶瓷，压电片的厚度约为2 mm，直径约为∅20 mm；背衬材料选择耐高温硅橡胶，厚度约为8 mm，直径与压电陶瓷片直径相同；外壳材料选择导热性能优良的铜外壳，导线选择耐高温铜线。为了保证换能器和外部电路的良好电学连接，本文选用通用的SMA接口。换能器各组件材料和尺寸如表1所示。

表1 超声换能器各组件材料及尺寸

2 BS-PT基高温压电超声换能器的性能仿真

针对上述BS-PT基高温压电超声换能器基本结构，本文采用器件仿真软件PiezoCAD进行了换能器性能仿真。通过输入器件结构和材料参数，基于KLM等效电路模型计算可得到压电换能器的电学特性和声学特性，如谐振频率，反谐振频率，阻抗谱，回波波形，中心频率和带宽等。PiezoCAD仿真需要的压电材料参数如表2所示。

表2 压电材料参数

本文设计的1 MHz BS-PT基高温压电超声换能器的电学、声学性能仿真结果如图2所示。由图可知，BS-PT基高温压电超声换能器仿真结果符合预期，其工作频率约为1 MHz，中心频率带宽大于20%。

3 BS-PT基高温压电超声换能器的制备与性能测试

3.1 BS-PT基高温压电超声换能器的制备

BS-PT基高温压电超声换能器的制备流程如下：首先测试并选取性能良好的压电材料，然后用耐高温铜导线连接背面电极，用耐高温硅橡胶将外壳与压电材料粘接，前端镀金，实现了压电材料和金属外壳的电气连接，后端引出的导线与SMA接口进行焊接。制备完成的BS-PT基高温压电超声换能器如图3所示。

3.2 BS-PT基高温压电超声换能器的性能测试

针对上述BS-PT基高温压电超声换能器，本文分别在室温(25 ℃)和200 ℃时，利用Agilent 4294A型精密阻抗分析仪在硅油中测量换能器的频率-阻抗响应曲线，如图4所示。由图可见，BS-PT基高温压电超声换能器的谐振频率约为1 MHz，且随着测试温度的升高，谐振频率的偏移较小，说明BS-PT基高温压电超声换能器电学性能具有很好的温度稳定性。

为了测试BS-PT基高温压电超声换能器的声学性能，本文分别在室温和200 ℃的硅油中对换能器进行脉冲回波测试。测试条件如下：采用Olympus 5073PR用于激励超声探头，设置匹配阻抗为50 Ω，激励能量为4 μJ，激励电压幅值为-125 V，KEYSIGHT DSOX3024A数字存储示波器用于显示和存储波形。

BS-PT基高温压电超声换能器的脉冲回波测试结果如图5所示。由图可以看出，超声换能器的中心频率约为1 MHz，且随着测试温度的升高，中心频率的偏移量较小；同时，脉冲回波幅值从室温的540 mV降到200 ℃的330 mV，回波幅值虽略有降低，但换能器的回波波形、中心频率带宽变化不大，带宽仍保持在20%左右。实验结果证明，本文制备的BS-PT基高温压电超声换能器具有很好的温度稳定性，可以在200 ℃环境中正常稳定工作。

4 结论

针对当今社会对于高温超声检测技术的应用需求，基于BS-PT基高温压电陶瓷材料，本文设计并制作了一款1 MHz的高温压电超声换能器，且在200 ℃下测试了该器件的电学和声学性能，研究了BS-PT基高温压电超声换能器的器件性能，得到如下结果：

1)设计了BS-PT基高温压电超声换能器的基本结构，并结合PiezoCAD器件仿真软件，实现了1 MHz高温压电超声换能器的仿真设计与制备。

2)在室温和200 ℃的硅油中测试了BS-PT基高温压电超声换能器的频率-阻抗响应曲线。结果表明，换能器的谐振频率约为1 MHz，且随着测试温度的升高，谐振频率的偏移量较小，换能器的电学性能具有很好的温度稳定性。

3)在室温和200 ℃的硅油中测试了BS-PT基高温压电超声换能器的脉冲回波曲线。结果表明，随着测试温度的升高，脉冲回波幅值虽略有降低，但换能器的回波波形、中心频率、带宽变化不大，其中带宽仍保持在20%左右，换能器的声学性能具有较好的温度稳定性。

综上所述，本文设计并制备的BS-PT基高温压电超声换能器可以在200 ℃环境中正常稳定工作。这不仅验证了BS-PT基高温压电陶瓷材料的高温超声应用潜力，同时也为200 ℃左右的高温超声检测技术提供了一种行之有效的手段，有助于进一步促进高温超声检测技术的应用和发展。