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掃描，屏幕上清晰地顯示出材料內部的纖維鋪層與微小孔隙。實現(xiàn)這種精密“透視"的核心部件，是一塊厚度不足頭發(fā)直徑十分之一的高分子薄膜。

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部結構圖像。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。

01 技術背景

傳統(tǒng)超聲波換能器主要采用壓電陶瓷（如PZT）作為核心材料。這種材料雖然能夠高效實現(xiàn)電信號與機械振動的相互轉換，但其固有的材料特性帶來了多重限制。

壓電陶瓷的聲阻抗高達約30 MRayl，這遠高于水（1.48 MRayl）和生物組織的聲學特性。這種巨大的聲阻抗不匹配導致在耦合界面產生顯著的聲能反射和損耗。

為改善這一問題，傳統(tǒng)陶瓷換能器通常需要設計復雜的聲學透鏡和多層匹配層，這不僅增加了系統(tǒng)復雜性，還引入了額外的混響噪聲，降低了檢測信噪比和分辨率。

此外，傳統(tǒng)陶瓷材料質地硬脆，難以制作曲面或貼合復雜形狀的檢測表面，限制了其應用場景的拓展。

02 材料革命

東麗超聲波換能器的技術核心，在于其獨特的壓電材料選擇。聚偏氟乙烯及其共聚物壓電薄膜（PVDF/P(VDF-TrFE)）的應用，從根本上改變了超聲波換能器的設計與性能邊界。

這一材料創(chuàng)新源自上世紀70年代末，東麗工程師大東弘二與團隊發(fā)現(xiàn)了PVDF壓電薄膜在超聲領域的潛力。

1987年，東麗的研究人員在《應用物理雜志》上發(fā)表論文，展示了5微米厚P(VDF-TrFE)膜在250MHz時表現(xiàn)出高達0.26的機電耦合系數(shù)，這標志著高頻超聲波技術的重大突破。

與傳統(tǒng)PZT陶瓷相比，PVDF薄膜的聲阻抗僅為約4 MRayl，這與水和生物組織的聲學特性更為接近。這一特性使得東麗換能器無需復雜的聲學透鏡即可高效發(fā)射和接收超聲波。

東麗的獨特技術還在于其換能器部分使用公司專有的P(VDF-TrFE)膜，無需聲學透鏡即可發(fā)射和接收超聲波。這一設計簡化了系統(tǒng)結構，拉近了被測物體與換能器之間的距離，并消除了聲學透鏡中混響引起的噪聲，從而獲得更清晰的檢測波形。

03 性能對比

為直觀理解東麗PVDF換能器的技術優(yōu)勢，以下將其與傳統(tǒng)PZT陶瓷換能器進行性能對比：

東麗PVDF換能器的核心優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個方面：一是優(yōu)異的聲阻抗匹配特性，使其無需復雜的匹配層即可實現(xiàn)高效聲能傳輸；二是寬帶高頻特性，支持15MHz至150MHz的工作頻率，甚至可擴展至250MHz；三是材料柔性與可塑性，能夠適應復雜形狀的檢測表面。

04 產品系列與應用

東麗已開發(fā)出多樣化的超聲波換能器產品系列，覆蓋不同頻率、口徑和焦距組合，以滿足多樣化的應用需求。根據(jù)產品規(guī)格表，這些換能器的主要型號包括：

主要型號參數(shù)

• PT20-3-10：20MHz頻率，3mm口徑，10mm焦距

• PT50-3-10：50MHz頻率，3mm口徑，10mm焦距

• PT75-2.6-5：75MHz頻率，2.6mm口徑，5mm焦距

• PT100-1.2-1.5：100MHz頻率，1.2mm口徑，1.5mm焦距

產品頻率可在15MHz~125MHz之間以5MHz為增量進行調整，傳感器直徑可在1.2~8mm之間生產，焦距可在1.5~∞mm之間生產，用戶還可根據(jù)需求選擇UHF連接器或microdot連接器。

這些產品在多個領域展現(xiàn)出獨特值。在醫(yī)療領域，東麗換能器主要用于高頻超聲探頭，如血管內超聲、眼科超聲和皮膚超聲，實現(xiàn)高分辨率成像。

早在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量的圖像。

在工業(yè)無損檢測領域，東麗換能器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。水浸檢測應用中，這類換能器廣泛應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。

在半導體行業(yè)，東麗換能器被用于超聲顯微鏡和超聲成像設備，實現(xiàn)對封裝器件內部結構的非接觸式無損檢測。

05 前沿與趨勢

超聲波換能器技術正朝著更高頻率、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。

更高頻率與更小尺寸的融合將創(chuàng)造新的可能性。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。國內企業(yè)已成功開發(fā)出6F(約2mm)微型介入探頭，可應用于心腔內超聲、冠脈檢測等領域。

系統(tǒng)集成與智能化同樣是重要趨勢。通過優(yōu)化PWM調制算法，現(xiàn)代超聲系統(tǒng)已能實現(xiàn)0.1Hz步進的頻率微調，使系統(tǒng)能夠根據(jù)不同材質密度動態(tài)調整穿透深度。

新材料與結構創(chuàng)新將進一步拓展性能邊界。研究人員正在探索新型壓電聚合物和復合材料，以克服PVDF在發(fā)射功率和溫度穩(wěn)定性方面的局限。多層結構設計和納米復合材料的引入，有望在保持PVDF優(yōu)勢的同時，提升其能量輸出和熱穩(wěn)定性。

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，形成完整的材料內部結構圖。東麗工程師設計的新型PVDF薄膜換能器，檢測分辨率較上一代產品提升近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"物質內部結構的極限。

實驗室里，檢測屏幕上一條掃描線收束，形成完整的材料內部結構圖。東麗工程師設計的新型PVDF薄膜換能器，性能參數(shù)顯示在150MHz下仍保持6.5dB的高效轉換。

在醫(yī)療超聲探頭中，這種薄膜正幫助醫(yī)生看清微小的血管斑塊；在飛機制造線上，它正檢測著復合材料內部最細微的分層缺陷。這塊薄如蟬翼的材料，正悄然改變著我們“觀察"世界的方式。