第一节 产品技术发展现状
压电换能器的应用十分广泛，它按应用的 行业 分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等；按实现的功能分为超声加工、超声清洗、超声探测、检测、监测、遥测、遥控等；按工作环境分为液体、固体、气体、生物体等；按性质分为功率超声、检测超声、超声成像等。
1、压电陶瓷变压器
压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动，通过逆压电效应使其产生振动，振动波通过输入和输出部分的机械耦合到输出部分，输出部分再通过正压电效应产生电荷，实现压电体的电能—机械能—电能的两次变换，在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。与电磁变压器相比，这具有体积小，质量轻，功率密度高，效率高，耐击穿，耐高温，不怕燃烧，无电磁干扰和电磁噪声，且结构简单、便于制作、易批量生产，在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。
2、超声马达
超声马达是把定子作为换能器，利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声频率的振动，然后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量，带动转子转动。超声马达体积小，力矩大，分辨率高，结构简单，直接驱动，无制动机构，无轴承机构，这些优点有益于装置的小型化。它们广泛应用于光学仪器、激光、半导体微电子工艺、精密机械与仪器、机器人、医学与生物工程领域。
3、超声波清洗
超声清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空化、辐射压、声流等物理效应，对清洗件上的污物产生的机械起剥落作用，同时能促进清洗液与污物发生化学反应，达到清洗物件的目的。清洗所用的频率根据清洗物的大小和目的可选用10～500kHz，一般多为20～50kHz。随着频率的增加，可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。在小型化方面，也有采用圆片振子的径向振动和弯曲振动的。超声清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学 研究 等 行业 得到了越来越广泛的应用。
4、超声焊接
超声焊接有超声金属焊接和超声塑料焊接两大类。其中超声塑料焊接技术已获得较为普遍的应用。它是利用换能器产生的超声振动，通过上焊件把超声振动能量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大，所以会产生局部高温使塑料熔化，在接触压力的作用下完成焊接工作。超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位，另外，还节约了塑料制品昂贵的模具费，缩短了加工时间，提高了生产效率，有经济、快速和可靠等特点。
5、超声加工
把微细磨料随超声加工工具一起以一定静压力加在工件上，就能加工出与工具相同的形状。加工时需在15～40kHz的频率下，产生15～40Lm的振幅。超声工具使工件表面的磨料以相当大的冲击力连续冲击，破坏超声辐射部位，使材料破碎而达到去除材料的目的。超声加工主要应用于宝石、玉器、大理石、玛瑙、硬质合金等脆硬材料的加工以及异型孔和细深孔的加工。此外，在普通切削工具上加超声波振动时，也可起到提高精度和效率的作用。
6、超声减肥
利用超声波的空化效应和微机械振动，将人体表皮下多余的脂肪细胞破碎、乳化后排出体外，达到减肥、塑形的目的。这是国际上90年代发展起来的一项新技术。意大利的Zocchi首次将超声去脂用于临床，并获得成功，为整形、美容开创了先河。近10年来超声去脂技术在国内外得以迅速发展。
7、超声育种
对植物种子进行适当频率和强度的超声波照射，可提高种子的发芽率，降低霉烂率，促进种子的生长，提高植物生长速度。据资料介绍，超声波可使某些植物种子生长速度提高2～3倍。
8、电子血压计
利用压电换能器接收血管的压力，当气囊加压紧压血管时，因外加压力高于血管舒张压力，压电换能器感受不到血管的压力；而当气囊逐渐泄气，压电换能器对血管的压力随之减小到某一数值时，二者的压力达到平衡，此时压电换能器就能感受到血管的压力，该压力即为心脏的收缩压，通过放大器发出指示信号，给出血压值。电子血压计由于取消了听诊器，可减轻医务人员的劳动强度。
9、遥测遥控
在有毒、放射性等恶劣环境中，人们不能接近工作，需要远地控制；电视机，电风扇以及电灯等电器开关需要遥控，都可装上压电超声换能器，通过远地发射超声波由装在需要控制系统上的接收换能器所接收，把声信号转变成电信号使开关动作。
10、交通监测
现代交通，自动监测车辆的通行和计数以便掌握车辆的运行情况是非常必要的。如交通监理站安装一个收发兼用的超声换能器及其附属设备，当车辆通过时就有一个声脉冲返回，通过计数累计可得到日行车辆的数量。给汽车尾部装一个收发两用的换能器，可防止倒车相撞事故发生。在公路上安装接收型压电超声换能器还可以监测噪声指数。
11、测距
超声测距装置又叫声尺。它是通过收发两用的换能器，测量脉冲时间间隔。目前的声尺可测10m以内的距离，精度可达千分之几。
12、检漏及气体流量检测
对于压力系统，在泄漏处，由于压力容器的内外压差造成射流噪声。这种噪声频谱极宽。对于非压力系统，可在密闭系统内安放一个超声源，然后从密闭系统外部接收。一般未泄漏时测到的信号幅度极小或没有，在泄漏处信号幅度有突然增大的趋势。气体流量检测也是化工中的重要手段之一。流量检测目前有多种方法，如浮子流量计等。但超声法主要优点是不妨碍流体的流动。
13、机器人成像信息采集
智能机器人要实现在空间自由行走、辨认物体等功能，不仅要用超声换能器测距导盲，而且要成像辨识。所以，需要小型的超声换能器阵，以实现多种功能，这方面将成为一项重要的 研究 课题，吸引着众多的科学家为之奋斗。
第二节 产品工艺特点或流程
压电陶瓷工艺流程如下：配料→混合磨细→预烧→二次磨细→造粒→成型→排塑→烧结成瓷→外形加工→被电极→高压极化→老化测试。
一、配料
进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，注意少量的添加剂要放在大料的中间。
二、混合磨细
目的是将各种原料混匀磨细，为预烧进行完全的固相反应准备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。
三、预烧
目的是在高温下，各原料进行固相反应，合成压电陶瓷.此道工序很重要。会直接影响烧结条件及最终产品的性能。
四、二次细磨
目的是将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细，为成瓷均匀性能一致打好基础。
五、造粒
目的是使粉料形成高密度的流动性好的颗粒。方法可以手工进行但效率较低，目前高效的方法是采用喷雾造粒。此过程要加入粘合剂。
六、成型
目的是将制好粒的料压结成所要求的预制尺寸的毛坯。
七、排塑
目的是将制粒时加入的粘合剂从毛坯中除掉。
八、烧结成瓷
将毛坯在高温下密封烧结成瓷。此环节相当重要。
九、外形加工
将烧好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。
十、被电极
在要求的陶瓷表面设置上导电电极。一般方法有银层烧渗、化学沉积和真空镀膜。
十一、高压极化
使陶瓷内部电畴定向排列，从而使陶瓷具有压电性能。
十二、老化测试
陶瓷性能稳定后检测各项指标，看是否达到了预期的性能要求。
第三节 国内外技术未来发展趋势 分析
压电超声换能器当前发展方向为大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化。
1、大功率换能器
在许多场合需要大功率的换能器。在大功率换能器领域，铌镁酸铅(PMN)陶瓷是有发展前途的材料。PMN的优点是在中度的电场中就可以产生大的应变，迟滞小。但电致伸缩效应是非线性的，相应的物理常数取决于温度和频率，且需直流偏压，这就需要 研究 如何处理这些问题。
在工业液体处理中使用的高强度超声波需特殊的大功率换能器，在功率容量、效率、辐射面积和指向性方面都有要求。阶梯换能器为在液体中高效地产生高强度的超声辐射提供了一种优化系统。大功率换能器有望在矿藏勘探和钻井上得到应用。
2、低压驱动换能器
许多谐振超声装置如超声马达和大功率换能器需产生大的振幅。锆钛酸铅(PZT)是广泛应用的电声转化材料。在20kHz时，PZT在400kV/m的电场中，在共振条件下产生的振幅要达到微米级，需2000V的电压，5mm厚的压电陶瓷环。在某些情况下(航空航天，便携式装置)，使用高压是一种缺陷。此时，大振幅的超声频率必须用低压驱动。减小多层陶瓷的电极间的距离可解决这个问题。因为当场强一定时，极间距越小，所需电压也越小。多层压电陶瓷的薄层厚度30～200μm，电极的间距等于陶瓷层厚。所以，要用相同尺寸的装置得到同样的位移，多层压电陶瓷的电压就远远小于单层的。
法国 研究 人员对多层PZT郎之万换能器的谐振子进行了实验 研究 。在低电压下得到了大的振幅(10V，5μm)。发现当换能器连续工作时，去极化是个严重问题。可通过对陶瓷片的界面抛光和对换能器加直流偏压解决。他们用的郎之万换能器，多层压电陶瓷由20层陶瓷片组成，每层厚100μm，每端加了绝缘陶瓷。换能器的总高度为38mm，纵向振动频率约13kHz。响应的耦合系数等于0.22。多层压电陶瓷的界面多，损失大，发热严重。为了减小损失和防止去极化，装配前对各层结合面进行了抛光，(粗糙度Ra=0.04μm，平面度0.5mm，平行度1μm)。此外，叠片只是靠机械预应力保持紧密贴合，而没做任何粘接。
3、高频换能器
频率大于15～20MHz的B超在医疗上的应用已有十几年了，高频超声应用范围的增加促进了一些领域的迅速发展，如换能器(压电材料、灵敏度和聚焦性)，信号的快速电路和数字化等。
目前利用钛酸铅(PbTiO3)的厚度伸缩振动的三次谐波模式，已经制成高达l00MHz以上的高频压电陶瓷振子。振子厚度只有70Lm，能与高频石英晶体振子相比，而最高的超声振子的频率可达1000MHz。如用波长表示超声波段的范围，在液体、固体中最短的超声波长为微米量级，可以和可见光波的波长相比。
高频压电陶瓷器件以其体积小、质量轻、能耗低、无需调整等优点被广泛用于电视机、录相机、自动化电子装置、通信设备、复印机、计算机、语音合成器和遥控器等电器中。随着电子技术的发展，需要越来越大。国内仅电视机、遥控器、音响、计算机等电子设备年应用量约10亿只，而国内仅有极少数几家生产13MHz以下器件，产量约3亿只，供需矛盾突出，尤其是13MHz以上的器件基本上依靠进口，市场缺口非常大。随着压电陶瓷元器件制作工艺技术的改进，谐振频率及特性的不断提高，它将越来越广泛地取代石英晶体器件，其应用量将以每年5%～10%的速度递增。所以研制高频压电陶瓷谐振器产品，具有极大的推广应用前景，有良好的市场空间。
4、压电薄膜换能器
随着沉积技术、微细加工技术的发展，压电薄膜制备技术日趋成熟，它带来了许多优点，即
(1)便于换能器微型化;
(2)提高了换能器的频率、带宽和分辨率;
(3)便于组成各种聚焦换能器和换能器阵;
(4)运用MEMS技术可很方便地将换能器与驱动、控制电路集成在一起。
超声成像装置的图像分辨率受到超声换能器频率的限制。因此，提高超声图像的分辨率已成为超声成像技术 研究 的方向之一。最近，一系列频率范围为20～100MHz的超声换能器问世。压电薄膜制成的换能器具有良好的脉冲响应，用于超声成像可获得高分辨率的图像。用压电薄膜制作的球形聚焦换能器国外已有报道，频率范围在50～100MHz，国内现主要是将压电薄膜用于水听器。
5、换能器的微型化
装置的微型化离不开动力元件的微型化，在动力微元件中，压电超声马达以其体积小、转速低、力矩大而受到重视。压电超声换能器是压电微马达的核心部件。
6、换能器的集成化
集成包括器件的集成以及器件与电路的集成。超声马达通常在高于常备电池的交流电压下工作，这就需升压的变压器。美国宾夕法尼亚州大学致动和换能器国际中心对压电变压器与超声马达的集成进行了 研究 。超声马达的定子和压电换能器在相同的径向振动模式下工作。它们的尺寸非常接近，可产生密切匹配的共振频率。因此，它们不用感应线圈而能耦合到一起。用压电陶瓷制作的超声马达，需要较高的交流电场去激励一个行波或驻波来驱动转子。传统的方法是驱动电路由振动源、变换器和电磁变压器组成。而电磁变压器体积大，并产生电磁噪声，而用压电变压器则无此缺点。集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容。除上面所列的方向外，近年来微细加工的容性超声换能器(cMUTs)已成为 研究 的热点。
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