东丽超声波换能器：以高分子材料重构声学检测的边界

深夜的实验室里，一台高精度超声显微镜正对航空复合材料进行扫描，屏幕上清晰地显示出材料内部的纤维铺层与微小孔隙。实现这种精密“透视"的核心部件，是一块厚度不足头发直径十分之一的高分子薄膜。

深夜的实验室里，一台高精度超声显微镜正对航空复合材料进行无损检测，屏幕显示着清晰的内部结构图像。完成这项精密探测的核心部件，正是TORAY东丽研发的基于PVDF压电薄膜的超声波换能器。

01 技术背景

传统超声波换能器主要采用压电陶瓷（如PZT）作为核心材料。这种材料虽然能够高效实现电信号与机械振动的相互转换，但其固有的材料特性带来了多重限制。

压电陶瓷的声阻抗高达约30 MRayl，这远高于水（1.48 MRayl）和生物组织的声学特性。这种巨大的声阻抗不匹配导致在耦合界面产生显著的声能反射和损耗。

为改善这一问题，传统陶瓷换能器通常需要设计复杂的声学透镜和多层匹配层，这不仅增加了系统复杂性，还引入了额外的混响噪声，降低了检测信噪比和分辨率。

此外，传统陶瓷材料质地硬脆，难以制作曲面或贴合复杂形状的检测表面，限制了其应用场景的拓展。

02 材料革命

东丽超声波换能器的技术核心，在于其独特的压电材料选择。聚偏氟乙烯及其共聚物压电薄膜（PVDF/P(VDF-TrFE)）的应用，从根本上改变了超声波换能器的设计与性能边界。

这一材料创新源自上世纪70年代末，东丽工程师大东弘二与团队发现了PVDF压电薄膜在超声领域的潜力。

1987年，东丽的研究人员在《应用物理杂志》上发表论文，展示了5微米厚P(VDF-TrFE)膜在250MHz时表现出高达0.26的机电耦合系数，这标志着高频超声波技术的重大突破。

与传统PZT陶瓷相比，PVDF薄膜的声阻抗仅为约4 MRayl，这与水和生物组织的声学特性更为接近。这一特性使得东丽换能器无需复杂的声学透镜即可高效发射和接收超声波。

东丽的独特技术还在于其换能器部分使用公司专有的P(VDF-TrFE)膜，无需声学透镜即可发射和接收超声波。这一设计简化了系统结构，拉近了被测物体与换能器之间的距离，并消除了声学透镜中混响引起的噪声，从而获得更清晰的检测波形。

03 性能对比

为直观理解东丽PVDF换能器的技术优势，以下将其与传统PZT陶瓷换能器进行性能对比：

东丽PVDF换能器的核心优势主要体现在三个方面：一是优异的声阻抗匹配特性，使其无需复杂的匹配层即可实现高效声能传输；二是宽带高频特性，支持15MHz至150MHz的工作频率，甚至可扩展至250MHz；三是材料柔性与可塑性，能够适应复杂形状的检测表面。

04 产品系列与应用

东丽已开发出多样化的超声波换能器产品系列，覆盖不同频率、口径和焦距组合，以满足多样化的应用需求。根据产品规格表，这些换能器的主要型号包括：

主要型号参数

• PT20-3-10：20MHz频率，3mm口径，10mm焦距

• PT50-3-10：50MHz频率，3mm口径，10mm焦距

• PT75-2.6-5：75MHz频率，2.6mm口径，5mm焦距

• PT100-1.2-1.5：100MHz频率，1.2mm口径，1.5mm焦距

产品频率可在15MHz~125MHz之间以5MHz为增量进行调整，传感器直径可在1.2~8mm之间生产，焦距可在1.5~∞mm之间生产，用户还可根据需求选择UHF连接器或microdot连接器。

这些产品在多个领域展现出独特值。在医疗领域，东丽换能器主要用于高频超声探头，如血管内超声、眼科超声和皮肤超声，实现高分辨率成像。

早在1980年代的研究已证实，单元素PVDF凹面换能器(3.5-7.5MHz)相比传统陶瓷换能器能提供更高质量的图像。

在工业无损检测领域，东丽换能器特别适用于高频精密检测，如薄壁材料、复合涂层、精密陶瓷或半导体元件的微缺陷检测。水浸检测应用中，这类换能器广泛应用于航空航天复合材料、锂电池极片等的高分辨率C扫描成像。

在半导体行业，东丽换能器被用于超声显微镜和超声成像设备，实现对封装器件内部结构的非接触式无损检测。

05 前沿与趋势

超声波换能器技术正朝着更高频率、更小尺寸和更强功能的方向发展。东丽公司已经在实验条件下验证了P(VDF-TrFE)薄膜在250MHz高频下的优异性能，其厚度扩展模式下表现出0.26的机电耦合系数。

使用3微米厚薄膜制作的换能器，在150MHz频率下表现出6.5dB的转换效率和30ns的振铃时间宽度，这一性能指标为超高频超声成像奠定了基础。

更高频率与更小尺寸的融合将创造新的可能性。随着半导体制造工艺的引入，超声波换能器正在变得更小更精密。国内企业已成功开发出6F(约2mm)微型介入探头，可应用于心腔内超声、冠脉检测等领域。

系统集成与智能化同样是重要趋势。通过优化PWM调制算法，现代超声系统已能实现0.1Hz步进的频率微调，使系统能够根据不同材质密度动态调整穿透深度。

新材料与结构创新将进一步拓展性能边界。研究人员正在探索新型压电聚合物和复合材料，以克服PVDF在发射功率和温度稳定性方面的局限。多层结构设计和纳米复合材料的引入，有望在保持PVDF优势的同时，提升其能量输出和热稳定性。

随着实验室数据记录的完成，检测屏幕上一条扫描线收束，形成完整的材料内部结构图。东丽工程师设计的新型PVDF薄膜换能器，检测分辨率较上一代产品提升近40%。

这款厚度不足人类头发直径十分之一的压电薄膜，正在重新定义人类“观察"物质内部结构的极限。

实验室里，检测屏幕上一条扫描线收束，形成完整的材料内部结构图。东丽工程师设计的新型PVDF薄膜换能器，性能参数显示在150MHz下仍保持6.5dB的高效转换。

在医疗超声探头中，这种薄膜正帮助医生看清微小的血管斑块；在飞机制造线上，它正检测着复合材料内部最细微的分层缺陷。这块薄如蝉翼的材料，正悄然改变着我们“观察"世界的方式。