Fabrication and Application of Micro Piezoelectric Composite Ultrasonic Detector*

HUANG Yuan，LI Yigui*，BI Zhenfa，YAN Ping，WANG Huan，SUGIYAMA Susumu（.School of Science，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 048，China；.School of Railway Transportation，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 048，China；.Department of Microsystem，Ritsumeikan University，Kyoto 55-8577，Japan）

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Fabrication and Application of Micro Piezoelectric Composite Ultrasonic Detector*

HUANG Yuan1，LI Yigui1*，BI Zhenfa2，YAN Ping1，WANG Huan1，SUGIYAMA Susumu3
（1.School of Science，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China；2.School of Railway Transportation，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China；3.Department of Microsystem，Ritsumeikan University，Kyoto 525-8577，Japan）

A kind of micro piezoelectric composite ultrasonic detector with good directivity is designed and fabricat?ed based on microfabrication process.The detector includes a piezoelectric vibrator，a damper，a relay and ultrahigh frequency（UHF）connector.A piezoelectric vibrator is composed of a 4×4 80 μm×80 μm×130 μm（length× width×height）lead zirconate titanate（PZT）piezoelectric columnar array and the array gap filling an epoxy resin. When the piezoelectric vibrator is applied a high frequency AC voltage to the columnar PZT array，it produces longi?tudinal stretching movement，thereby generating ultrasonic radiation to the media.As the epoxy filler material，it can absorb the noise due to the columnar PZT array caused by vibrations in other directions so that the detector can produce a good directivity ultrasonic wave in the longitudinal direction，and improve the detection sensitivity.The test results show that the fabricated micro piezo detector has a good directivity，a high sensitivity，a high accuracy，and can be used in measuring the moisture content in the sediment.

ultrasonic detector；piezoelectric composites；microfabrication process；ultrasonic directivity

超聲波因其頻率下限大于人的聽覺上限而得名，是一種頻率高于20000赫茲的聲波。它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域上有很多的應(yīng)用［1-6］。近年來，隨著超聲傳感技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，醫(yī)學(xué)超聲技術(shù)得到了極大的發(fā)展和提高，為臨床診斷提供了更多人體生理及病理變化的信息。在婦科臨床工作中，由于超聲診斷技術(shù)較其他技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，因此被廣泛地應(yīng)用于婦科疾病和胎兒生長發(fā)育的觀察和診斷中［7-8］。

此外，超聲波還可以檢測泥沙中的含水量。泥沙的含水量是工程領(lǐng)域的重要參數(shù)，例如混凝土拌合物配置時，水泥量和水量的比值直接影響到混凝土的強(qiáng)度和耐久性，而強(qiáng)度和耐久性又是衡量混凝土質(zhì)量的主要指標(biāo)?；炷恋奈锢砹W(xué)性能受其結(jié)構(gòu)的密實(shí)性與均勻性支配，若水分過少，和易性不好，則無法振搗密實(shí)，強(qiáng)度無法提高。反之，容易離析、泌水，孔隙率增大，強(qiáng)度降低。另外，由于沙子產(chǎn)地、種類不一，以及存放時間和天氣環(huán)境的影響，在配制時要精確稱量各種原材料的重量，才能保證混凝土拌和物的質(zhì)量。一般的檢測手段屬于離線行為，在測量值與實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)存在時間滯后現(xiàn)象。所以傳統(tǒng)方法不能及時反應(yīng)生產(chǎn)的瞬間狀態(tài)值，使得人工估計(jì)給水量，不能保證生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。因此，精確在線測量泥沙含水量顯得至關(guān)重要。另外，在軌道交通、陶瓷制作、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防及生物孵化方面，泥沙含水量也是非常重要的［9-13］。

針對泥沙含水量測量的應(yīng)用前景，本文設(shè)計(jì)并制備了一種基于微細(xì)加工工藝的微壓電超聲波探測器，包括壓電振子、阻尼器、中繼板和UHF連接器。壓電振子由柱狀PZT陣列與填充在其間的環(huán)氧樹脂材料構(gòu)成。柱狀PZT陣列由切割工藝加工而成。環(huán)氧樹脂作為填充材料，其作用是吸收橫向噪聲，使探測器產(chǎn)生指向性良好的超聲波，從而提高探測靈敏度。

1　超聲波探測器工作原理及設(shè)計(jì)

1.1工作原理

超聲波探測器的工作原理如圖1所示。根據(jù)壓電晶體的電致伸縮原理，當(dāng)壓電材料上施加高頻正弦交流電壓時，壓電材料產(chǎn)生電致伸縮運(yùn)動，從而產(chǎn)生超聲波并向介質(zhì)輻射［14］。當(dāng)超聲波傳播到不同含水量的泥沙中，由于水和泥沙對超聲波反射和透射程度存在的差異，從而使得探測器接收到的超聲波存在差異，根據(jù)這種差異來判斷泥沙中含水量的高低。

圖1　壓電超聲波探測器原理

1.2微超聲波探測器探頭設(shè)計(jì)

微超聲波探測器探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由壓電振子、阻尼器、中繼板和UHF連接器構(gòu)成。其中，壓電振子置于最上層，其次是阻尼器，中繼板在下層，最下層是UHF連接器，整個探頭的外徑為16 mm，長度為50 mm。在應(yīng)用的過程中采用超聲波的反射方式，將探測器安裝在超聲波導(dǎo)管的頂端，并將超聲波波導(dǎo)管插入到泥沙中。泥沙中含水狀況不同，反射到波導(dǎo)管頂端的超聲波波形存在差異，這種差異直接反映了含水量的多少。

圖2　超聲波探測器探頭結(jié)構(gòu)

1.3壓電振子的設(shè)計(jì)

壓電振子是微壓電超聲波探測器的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系著探測器的性能。微壓電振子采用壓電復(fù)合材料制成，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。約130 μm厚的壓電復(fù)合材料由壓電材料（柱狀PZT陣列）與填充材料（環(huán)氧樹脂）制成，如圖4所示。采用豎立式柱狀PZT陣列（如圖4（a）所示），主要是為了讓壓電體（PZT）在縱向上產(chǎn)生較強(qiáng)的振動；而在周圍填充環(huán)氧樹脂作為填充材料（如圖4（b）所示），主要是為了消除由壓電體（PZT）振動帶來的橫向噪聲，從而使壓電復(fù)合材料能產(chǎn)生指向性良好的超聲波。最后，壓電復(fù)合材料上還需覆上約1 μm厚的表面電極膜與約5 μm厚的表面電極引線，具體如圖3所示。

圖3　壓電振子的結(jié)構(gòu)

圖4　壓電復(fù)合材料料的構(gòu)成

2　超聲波探測器的制備工藝

超聲波探測器制備主要包括一下幾個步驟。首先，用切割硅片的切割機(jī)（DISCO公司的DAD522）把PZT基板切成柱狀PZT陣列，每個柱子的尺寸約為80 μm×80 μm×130 μm，如圖5（a）所示。切割工藝加工條件：刀片轉(zhuǎn)數(shù)為3 000 r/min，進(jìn)刀速度為2 mm/s，刀片厚度為50 μm。接著，在柱狀PZT陣列周圍填充環(huán)氧樹脂，并放入80℃烘箱內(nèi)烘烤半小時，使其固化。然后，在壓電振子的上、下表面鍍上厚約1 μm的表面電極膜，以及約5 μm厚的上、下表面電極銀箔引出線，使交流電壓可以通過內(nèi)、表電極銀箔引出線和表面電極膜施加在壓電振子上。最后，將制備好的壓電振子與阻尼器、中繼板、UHF連接器、波導(dǎo)管進(jìn)行組裝，得到微壓電超聲波探測器的成品，如圖5（b）所示。

圖5　微壓電超聲波探測器的照片

3　實(shí)驗(yàn)與測試

搭建測試系統(tǒng)，對制備的微壓電超聲波探測器進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。采用的測試系統(tǒng)配置如圖6所示。超聲波探測器的輸入電壓為8 V，超聲波的傳輸頻率為40 kHz，而放大器和信號處理電路的輸入電壓設(shè)置為15 V。

圖6　入射波測試系統(tǒng)

圖7　超聲波探測器的入射波形

3.1泥沙含水量對檢測信號的影響

將超聲波探測器波導(dǎo)管插入泥沙，檢測泥沙中的含水量。入射波由超聲波探測器探頭發(fā)出，并在波導(dǎo)管中傳播，如圖8所示。當(dāng)超聲波傳播至泥沙時，產(chǎn)生了反射波，并被探頭中的接收器接收，在示波器中顯示波形。泥沙中的阻抗隨含水量的變化而變化，從而影響探測器接收到的反射波的波形。通過對反射波波形分析，檢測出泥沙中的含水量。

圖8　超聲波檢測泥沙含水量的示意圖

超聲波探測器的入射波形如圖7所示。圖中時間軸為2 ms/div，縱軸為2 V/div。

基于反射式超聲波檢測方法，檢測了干燥泥沙和含足量水的泥沙兩種狀態(tài)結(jié)果如圖9所示。

圖9　超聲波反射式的泥沙含水量的檢測結(jié)果

圖9（a）是泥沙在干燥的情況下的檢測結(jié)果，而圖9（b）是泥沙在含有足量水的情況下的檢測結(jié)果（時間軸為2 ms/div，縱軸為2 V/div）。通過兩幅圖的對比，可以看出泥沙中含水量對反射波幅值的影響較大。因此，可以通過分析反射波的幅值變化檢測出泥沙含水量的大小。

4.2導(dǎo)管長度對檢測信號的影響

超聲波波導(dǎo)管長度的選擇也是影響超聲波探測器性能的重要因素。將超聲波波導(dǎo)管長度設(shè)置為0.3 m、0.5 m、0.8 m、1 m 4種長度，并分別對兩種泥沙進(jìn)行檢測，并得到4種檢測結(jié)果，如圖10～圖13所示（時間軸為1 ms/div，縱軸為500 mV/div）。

圖10　波導(dǎo)管長0.3 m的檢測結(jié)果

圖11　波導(dǎo)管長0.5 m的檢測結(jié)果

圖12　波導(dǎo)管長0.8 m的檢測結(jié)果

圖13　波導(dǎo)管長1 m的檢測結(jié)果

由圖10～圖13可知，在對兩種泥沙檢測結(jié)果的對比中，長度0.3 m的超聲波波導(dǎo)管最為突出，在含水泥沙的檢測圖像中出現(xiàn)4個較為明顯的反射波。另外，隨著超聲波波導(dǎo)管長度的增加，入射波與反射波的發(fā)生距離也在增加。因此，超聲波波導(dǎo)管長度的選擇為0.3 m。

5　結(jié)論

本文提出了基于微細(xì)加工工藝的微壓電超聲波探測器來監(jiān)測泥沙中的含水量。這種探測器利用壓電材料（柱狀PZT陣列）的壓電效應(yīng)，即當(dāng)施加高頻交流電壓時，柱狀PZT陣列產(chǎn)生縱向伸縮運(yùn)動，從而產(chǎn)生超聲波并向介質(zhì)輻射；利用環(huán)氧樹脂作為填充材料吸收由壓電體（PZT）振動引起的橫向噪聲，使其在縱向上產(chǎn)生指向性良好的超聲波；基于超聲波反射式工作原理，可以測定泥沙含水量，具有防災(zāi)（如防泥石流、滑坡等）應(yīng)用前景。在超聲波探測器的制備中，采用了切割工藝加工的方法來實(shí)現(xiàn)柱狀PZT陣列的制備，每個柱子的尺寸約為80 μm×80 μm×130 μm，這種加工方法操作簡單、成品率高、成本低廉。通過實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可以證明，采用微壓電超聲波探測器來監(jiān)測泥沙中的含水量是具有可行性的。

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黃遠(yuǎn)（1990-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，2014年于南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事微光機(jī)電系統(tǒng)、微細(xì)加工工藝方面的研究，yhuang06@163.com；

李以貴（1965-），男，江西廣昌人，博士，教授，博士生導(dǎo)師。1985年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，1991年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，2000年畢業(yè)于日本東北大學(xué)獲得博士學(xué)位，2001年3月-2013年8月任上海交通大學(xué)微納研究院教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)為上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院理學(xué)院副院長，教授，博士生導(dǎo)師。主要從事微光機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）方面的研究，ygli@sit.edu.cn；

顏平（1991-），男，四川簡陽人，碩士研究生，2014年于上海電機(jī)學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事微光機(jī)電系統(tǒng)、微細(xì)加工工藝方面的研究，yp_huainanzi@ 126.com。

EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.06.026

微壓電復(fù)合材料超聲波探測器的制備及應(yīng)用*

黃遠(yuǎn)1，李以貴1*，畢貞法2，顏平1，王歡1，山杉進(jìn)3
（1.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院理學(xué)院，上海201418；2.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院軌道交通學(xué)院，上海201418；3.日本立命館大學(xué)微系統(tǒng)系，日本京都525-8577）

基于微細(xì)加工工藝，設(shè)計(jì)并制備了一種指向性良好的壓電復(fù)合材料的超聲波探測器。該探測器由壓電振子、阻尼器、中繼板和特高頻（UHF）連接器構(gòu)成。壓電振子由4×4個（80 μm×80 μm×130 μm）（長×寬×高）的鋯鈦酸鉛（PZT）壓電柱狀陣列及陣列縫隙填充環(huán)氧樹脂而構(gòu)成。當(dāng)壓電振子施加高頻交流電壓時，柱狀PZT陣列產(chǎn)生縱向伸縮運(yùn)動，從而產(chǎn)生超聲波并向介質(zhì)輻射。作為填充材料的環(huán)氧樹脂，能夠吸收掉因柱狀PZT陣列其他方向振動而引起的噪聲，使探測器在縱向上能產(chǎn)生指向性良好的超聲波，從而提高了該探測器的靈敏度。測試結(jié)果表明，該微壓電探測器指向性好，靈敏度高，精度高和抗干擾性好，可應(yīng)用在泥沙的含水量測量中。

超聲波探測器；壓電復(fù)合材料；微細(xì)加工工藝；超聲波指向性

TH89

A

1004-1699（2016）06-0947-05

2015-12-09修改日期：2016-02-16

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金課題項(xiàng)目（60777016）；國家自然基金課題項(xiàng)目（51405303）；上海聯(lián)盟計(jì)劃項(xiàng)目（LM201441）；上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目（10210Q150005）；上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院人才引進(jìn)基金項(xiàng)目（YJ2014-03）