定量超聲法是近年發展起來的經濟有效的骨密度測量新方法，與傳統測量方法相比，定量超聲法具有廉價、便攜、無電離輻射、操作簡單、精密度高等優勢。目前國內使用的定量超聲測量儀主要依賴進口，對定量超聲測量儀的研究還處於萌芽階段。超聲波感測器是定量超聲測量儀的關鍵部件，其性能和品質直接影響著整機性能。研製高性能的超聲波感測器對開發整個定量超聲測量系統具有極其重要的意義，其關鍵技術是找出主要部件設計參數和感測器性能之間的關係，以及合理設計感測器的收發電路。

 

超聲波骨密度感測器結構示意圖(見圖1)，它是一種單晶片、非聚焦的收發兩用直探頭。

 

 

其中，超聲換能器是探頭的功能部件和重要組成部件，主要完成聲能與電能之間的互相轉換。換能器的主要構件包括壓電元件、匹配層、背襯塊和聚焦件。

壓電元件作為超聲換能器的主要部件，主要實現電能和聲能之間的相互轉換，依據測量人體跟骨所需要的探測深度和壓電材料的性能參數選用頻率為0．5MHz的壓電陶瓷PZT-5作為壓電元件直徑20mm，厚度3．8mm。

 

匹配層採用氧化鋁剛玉保護膜作為壓電晶片和人體組織之間的匹配層，既起到保護壓電晶片的作用，又解決人體軟組織的聲特性阻抗(約1．5×106Pa·s／m)與壓電陶瓷片的聲特性阻抗(30×106Pa·s／m)的匹配問題。背襯塊位於壓電元件的背後，主要功能是將後向輻射的聲能幾乎全部吸收以消除後向干擾。這裏採用環氧樹脂和鎢粉直接混合調配的方法製作背襯塊，並通過改變它們的配比來研究背襯塊對換能器性能的影響。

 

鎢粉比例對感測器性能的影響

製作6組感測器，每組感測器背襯塊中的鎢粉比例逐漸增加，鎢粉比例分別為30％、40％、50％、60％、70％、80％，單層匹配層(兼作保護膜)。用超聲耦合劑將每組發射和接收感測器直接耦合，用研製的配套電路對六組進行性能測試。

多次實驗得出6組感測器輸出波形電壓平均幅值和振盪次數隨鎢粉比例增加的變化關係(見圖2，3）。

 

 

由圖3可知，隨著背襯塊中鎢粉比例的增加，超聲信號峰-峰和振盪次數都逐漸減小，且近似成線性關係。表明背襯塊阻抗愈大，阻尼愈明顯，增加阻抗能使波束收斂得到尖的窄脈衝，軸向分辨力也越好，但波形的幅值減小，輻射效率和換能器的靈敏度降低。因此，在製作背襯塊時要合理選擇阻抗，在靈敏度和脈衝寬度之間要進行很好的折衷。

 

匹配層層數對感測器性能的影響

製作兩組感測器，一組加單層匹配層，另一組加雙層匹配層，背襯塊鎢粉比例均為80％。用耦合劑將兩組感測器直接耦合，對兩組感測器進行性能測試。

 

反復實驗後，取兩組不同匹配層數的感測器波形數據的平均值(見表1)。由表1可知，增加匹配層數可減少振盪次數，得到尖的窄脈衝，使整機具有較好的軸向分辨力，但換能器的靈敏度降低，這與鎢粉比例對感測器性能的影響很相似。

 

 

綜合實驗結果，採用含有60％鎢粉的單匹配層感測器進行實驗，窄脈衝的分辨力和換能器的靈敏度達到預期的效果。