基于磁控溅射法的超声换能器压电晶片镀膜方法应用

　　0 前言

　　超声波是频率高于20kHz、超出人们耳朵辨别能力并且穿透性很强的声波，准确来说，把频率为2×10⁴～10⁹Hz的声波称为超声波。

　　在无损检测领域，利用超声波在物体中的多种传播特性，如反射与折射、散射与衍射、衰减、谐振以及声速等的变化，可以测知物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等，已被广泛使用，人们通常把该项技术叫超声检测技术。

　　超声波的检测应用主要包括在工业上对各种材料的检测和医疗上对人体的检测诊断。对被测物体(比如工业材料、人体)发生超声波，然后利用其发射、多普勒效应、透射等来获取被测物体内部的信息并经过处理形成图像。人们通过它可以探测出在金属等工业材料中有没有气泡、伤痕、裂缝等缺陷，可以检测出人们身体的软组织、血流等是否正常。

　　在超声波检测过程中涉及到很多方面的问题，包括超声波的产生、接收、信号转换和处理等。其中，产生超声波的方法是通过电路产生激励电信号传给具有压电效应的晶体(如石英、铌酸锂等)，使其振动从而产生超声波;而接收方法是超声波回来的时候，这个石英晶体又会受到反射回来的声波的压力而产生电信号并传给信号处理电路进行一系列的处理，最后形成图像供人们观察判断。

　　超声换能器在上述测量中扮演重要的角色，它是信号采集的前端部分。所谓换能器，就是进行能量转换的器件，是将声能转变成电能的装置。

　　1 超声换能器概述

　　换能器是进行能量转换的零器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置。

　　在声学研究领域中，换能器主要是指电声换能器，它能够实现电能与声能之间的相互转换。一般在超声测量中，使用最多的就是压电超声换能器。压电换能器是通过具有压电效应的电介质，如压电陶瓷、石英、铌酸锂、压电复合材料以及压电薄膜等，将电信号转换成声信号，或将声信号转换成电信号，从而实现能量转换。一般，用单晶体为电介质的超声换能器，由于其稳定性比较高和复现性好等特点，已作为标准超声功率源压电材料被广泛应用。

　　在超声领域中，由于两种介质的声阻抗失配而造成声传播困难的情况是经常发生的。对于超声换能器，表现为压电晶片与工作介质(如水)之间的阻抗匹配。阻抗的显著差异，即严重的阻抗失配不仅会降低界面处的声波投射系数，而且使压电晶片以较高的机械Q值谐振，造成频带窄而脉冲长，从而严重降低探头的发射效率。

　　因此，为了换能器能更好地向照射的介质辐射声能，通常在换能器的发射面上匹配面材，又称为保护膜，即采用真空磁控溅射镀膜技术，对压电晶体两个表面进行镀金处理，进行声阻抗匹配，减少声能损失，提高效率，通常选取的匹配层厚度为l=λ/4[1-3]。