深夜的實驗室里，一臺高精度超聲顯微鏡正對航空復合材料進行無損檢測，屏幕顯示著清晰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。完成這項精密探測的核心部件，正是TORAY東麗研發(fā)的基于PVDF壓電薄膜的超聲波換能器。

高頻超聲波產(chǎn)生與探測能力的突破為現(xiàn)代精密檢測帶來了革命性變化。

從基于聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物壓電薄膜的獨特技術(shù)，到覆蓋15MHz至150MHz的頻率范圍，東麗的超聲波換能器代表了材料科學在聲學領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

01 技術(shù)背景與核心創(chuàng)新

傳統(tǒng)超聲波換能器多采用壓電陶瓷(PZT)，這種材料雖能高效轉(zhuǎn)換電信號與機械振動，卻存在明顯的局限性。

壓電陶瓷聲阻抗高達30 MRayl，遠高于水和生物組織的1.48 MRayl，導致聲能傳輸過程中產(chǎn)生顯著損耗。

傳統(tǒng)陶瓷換能器通常需要復雜的聲學透鏡和匹配層設(shè)計來改善聲學耦合，增加了系統(tǒng)復雜性和成本。

上世紀70年代末，東麗公司的工程師大東弘二與團隊發(fā)現(xiàn)了PVDF壓電薄膜在超聲領(lǐng)域的潛力，這一發(fā)現(xiàn)最初發(fā)表在1980年的日本超音波醫(yī)學會期刊上。

經(jīng)過數(shù)年研究，1987年Kimura和Ohigashi在《應(yīng)用物理雜志》上發(fā)表論文，展示了5微米厚P(VDF-TrFE)膜在250MHz時具有0.26的高機電耦合系數(shù)，標志著高頻超聲波技術(shù)的重大突破。

02 PVDF材料：技術(shù)優(yōu)勢的科學原理

聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物薄膜成為東麗超聲波換能器的核心技術(shù)基礎(chǔ)，絕非偶然。這種材料經(jīng)過極化處理后會表現(xiàn)出壓電效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電信號與機械振動之間的高效轉(zhuǎn)換。

與傳統(tǒng)壓電陶瓷相比，PVDF薄膜的核心優(yōu)勢源自其獨特的材料特性：其聲阻抗僅為4 MRayl，遠低于陶瓷的30 MRayl，更接近水和生物組織的聲學特性。

這種聲學匹配度的提升帶來顯著優(yōu)勢。PVDF換能器無需復雜的聲學透鏡即可發(fā)射和接收超聲波，能夠拉近被測物體與換能器之間的距離，消除聲學透鏡中混響引起的噪聲影響，從而獲得更清晰的檢測波形。

高分子材料的柔韌性和可塑性也帶來了應(yīng)用上的靈活性。與傳統(tǒng)脆性陶瓷不同，PVDF薄膜可以制成曲面、大面積陣列，或貼合復雜形狀的檢測表面，為特殊應(yīng)用場景提供可能。

03 性能對比與傳統(tǒng)換能器

為直觀展示東麗PVDF換能器的創(chuàng)新價值，我們將其與傳統(tǒng)PZT陶瓷換能器進行技術(shù)指標對比：

PVDF換能器也存在局限性，其發(fā)射功率相對較低，PVDF的壓電常數(shù)低于PZT陶瓷，在需要高能量輸出的應(yīng)用場景中不具優(yōu)勢。此外，其壓電性能對溫度變化較為敏感，工作溫度范圍通常有一定限制。

04 產(chǎn)品系列與典型應(yīng)用

東麗超聲波換能器已形成豐富的產(chǎn)品系列，覆蓋多種頻率和尺寸規(guī)格。以PT20-3-10型號為例，它提供20MHz頻率、3mm口徑和10mm焦距，而PT100-1.2-1.5型號則提供100MHz高頻和極小的1.2mm口徑，適用于高精度的微區(qū)檢測。

醫(yī)療領(lǐng)域是東麗換能器的重要應(yīng)用方向。在醫(yī)學超聲成像中，PVDF換能器主要用于高頻超聲探頭，如血管內(nèi)超聲、眼科超聲和皮膚超聲，實現(xiàn)高分辨率成像。

1980年代的研究已證實，單元素PVDF凹面換能器(3.5-7.5MHz)相比傳統(tǒng)陶瓷換能器能提供更高質(zhì)量的圖像。

在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域，東麗換能器展現(xiàn)出獨特值。它們特別適用于高頻精密檢測，如薄壁材料、復合涂層、精密陶瓷或半導體元件的微缺陷檢測。水浸檢測應(yīng)用中，這類換能器廣泛應(yīng)用于航空航天復合材料、鋰電池極片等的高分辨率C掃描成像。

隨著技術(shù)發(fā)展，新型應(yīng)用場景不斷涌現(xiàn)。在半導體行業(yè)，東麗換能器被用于超聲顯微鏡(SAM)和超聲成像設(shè)備(SAT)，實現(xiàn)對封裝器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非接觸式無損檢測。

05 技術(shù)前沿與發(fā)展趨勢

當前，超聲波換能器技術(shù)正朝著更高頻率、更小尺寸和更強功能的方向發(fā)展。東麗公司已經(jīng)在實驗條件下驗證了P(VDF-TrFE)薄膜在250MHz高頻下的優(yōu)異性能，其厚度擴展模式下表現(xiàn)出0.26的機電耦合系數(shù)。

使用3微米厚薄膜制作的換能器，在150MHz頻率下表現(xiàn)出6.5dB的轉(zhuǎn)換效率和30ns的振鈴時間寬度，這一性能指標為超高頻超聲成像奠定了基礎(chǔ)。

未來超聲波換能器的發(fā)展將更加注重系統(tǒng)集成和智能化。通過優(yōu)化PWM調(diào)制算法，現(xiàn)代超聲系統(tǒng)已能實現(xiàn)0.1Hz步進的頻率微調(diào)，使系統(tǒng)能夠根據(jù)不同材質(zhì)密度動態(tài)調(diào)整穿透深度。

在驅(qū)動40kHz換能器陣列時，相位同步誤差可控制在±0.5°范圍內(nèi)，確保了聲場能量的均勻分布。

微型化和低功耗是另一個重要趨勢。隨著半導體制造工藝的引入，超聲波換能器正在變得更小更精密。國內(nèi)企業(yè)已成功開發(fā)出6F(約2mm)微型介入探頭，可應(yīng)用于心腔內(nèi)超聲、冠脈檢測等領(lǐng)域。

這些技術(shù)進步正在推動超聲波換能器向更廣泛的領(lǐng)域擴展，包括自動駕駛汽車的傳感系統(tǒng)、消費電子產(chǎn)品中的手勢識別，以及智能家居中的非接觸式控制。

隨著實驗室數(shù)據(jù)記錄的完成，檢測屏幕上一條掃描線收束，形成完整的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

東麗工程師設(shè)計的新型PVDF薄膜換能器，性能參數(shù)顯示在150MHz下仍保持6.5dB的高效轉(zhuǎn)換，檢測分辨率較上一代產(chǎn)品提升近40%。

這款厚度不足人類頭發(fā)直徑十分之一的壓電薄膜，正在重新定義人類“觀察"物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的極限。