TORAY东丽超声波换能器：高分子材料的声学革命

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。

高频超声波产生与探测能力的突破为现代精密检测带来了革命性变化。

从基于聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物压电薄膜的独特技术，到覆盖15MHz至150MHz的频率范围，东丽的超声波换能器代表了材料科学在声学领域的创新应用。

01 技术背景与核心创新

传统超声波换能器多采用压电陶瓷(PZT)，这种材料虽能高效转换电信号与机械振动，却存在明显的局限性。

压电陶瓷声阻抗高达30 MRayl，远高于水和生物组织的1.48 MRayl，导致声能传输过程中产生显著损耗。

传统陶瓷换能器通常需要复杂的声学透镜和匹配层设计来改善声学耦合，增加了系统复杂性和成本。

上世纪70年代末，东丽公司的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，这一发现最初发表在1980年的日本超音波医学会期刊上。

经过数年研究，1987年Kimura和Ohigashi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时具有0.26的高机电耦合系数，标志着高频超声波技术的重大突破。

02 PVDF材料：技术优势的科学原理

聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物薄膜成为东丽超声波换能器的核心技术基础，绝非偶然。这种材料经过极化处理后会表现出压电效应，能够实现电信号与机械振动之间的高效转换。

与传统压电陶瓷相比，PVDF薄膜的核心优势源自其独特的材料特性：其声阻抗仅为4 MRayl，远低于陶瓷的30 MRayl，更接近水和生物组织的声学特性。

这种声学匹配度的提升带来显著优势。PVDF换能器无需复杂的声学透镜即可发射和接收超声波，能够拉近被测物体与换能器之间的距离，消除声学透镜中混响引起的噪声影响，从而获得更清晰的检测波形。

高分子材料的柔韧性和可塑性也带来了应用上的灵活性。与传统脆性陶瓷不同，PVDF薄膜可以制成曲面、大面积阵列，或贴合复杂形状的检测表面，为特殊应用场景提供可能。

03 性能对比与传统换能器

为直观展示东丽PVDF换能器的创新价值，我们将其与传统PZT陶瓷换能器进行技术指标对比：

PVDF换能器也存在局限性，其发射功率相对较低，PVDF的压电常数低于PZT陶瓷，在需要高能量输出的应用场景中不具优势。此外，其压电性能对温度变化较为敏感，工作温度范围通常有一定限制。

04 产品系列与典型应用

东丽超声波换能器已形成丰富的产品系列，覆盖多种频率和尺寸规格。以PT20-3-10型号为例，它提供20MHz频率、3mm口径和10mm焦距，而PT100-1.2-1.5型号则提供100MHz高频和极小的1.2mm口径，适用于高精度的微区检测。

医疗领域是东丽换能器的重要应用方向。在医学超声成像中，PVDF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。

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，东丽换能器展现出独特值。它们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。

随着技术发展，新型应用场景不断涌现。在半导体行业，东丽换能器被用于超声显微镜(SAM)和超声成像设备(SAT)，实现对封装器件内部结构的非接触式无损检测。

05 技术前沿与发展趋势

当前，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。

未来超声波换能器的发展将更加注重系统集成和智能化。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。

在驱动40kHz换能器阵列时，相位同步误差可控制在±0.5°范围内，确保了声场能量的均匀分布。

微型化和低功耗是另一个重要趋势。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。

这些技术进步正在推动超声波换能器向更广泛的领域扩展，包括自动驾驶汽车的传感系统、消费电子产品中的手势识别，以及智能家居中的非接触式控制。

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，性能参数显示在150MHz下仍保持6.5dB的高效转换，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。