超聲相控陣傳感器因其在醫學診斷、工程結構無損檢測以及結構健康監測等領域的廣泛應用而備受關注。傳統超聲相控陣傳感器通常為平面剛性結構，難以貼合曲面目標（如人體表面或工業管道），導致界面處產生強烈的超聲反射，進而影響檢測性能。柔性超聲相控陣傳感器的出現為克服這一局限性提供了新思路，能夠實現與曲面的完美貼合。據麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學院力學研究所成功研發了一種用于曲面構件無損檢測的柔性可彎曲超聲相控陣傳感器（BPAUT），解決了柔性超聲傳感器在變形過程中壓電陣元間距變化的難題，在當前的工程應用中更具可行性。該研究成果以“Bendable Phased-Array Ultrasound Transducer for Imaging on Curved Surfaces”為題近期發表于國際學術期刊ACS Nano上。
BPAUT采用了一種恒定間距保持（Constant-spacing-preservation, CPP）壓電陣元陣列設計，該設計包含12×12個壓電陣元，陣元之間通過硅橡膠粘接（圖1）。這種設計不僅使傳感器能夠彎曲變形以貼合曲面構件，還能在變形過程中保持壓電陣元間距恒定，從而精確實現超聲聲束的聚焦和偏轉。
圖1 BPAUT展示；a）BPAUT結構展示；b）多層柔性正極；c）柔性負極；d，e，f）柔性CPP壓電陣元陣列；g）背襯層；h）匹配層；l）BPAUT彎曲展示
此外，該傳感器的壓電陣列中每個壓電陣元都配備了獨立的背襯層和匹配層。背襯層用于吸收陣元向后傳播的超聲波，防止其反射干擾向前傳播的超聲波，從而提高超聲圖像的軸向分辨率。匹配層則用于最小化聲阻抗的不匹配，提高超聲能量的傳輸效率（圖2）。
圖2 BPAUT部件的性能；a）壓電陣元的阻抗譜曲線和相位角譜曲線；b，c）背襯層性能的模擬（COMSOL）；d，e，f）匹配層性能的計算
為了確保傳感器的輕便性，研究團隊采用了多層柔性電路板來實現144條信號電路的連接。通過理論公式和有限元模擬，研究團隊驗證了該BPAUT在實現彎曲變形的同時保持壓電陣元間距不變的特性（圖3）。
圖3 BPAUT的性能；a）陣元連接結構的有限元模擬；b）Cu最大應變和彎曲半徑的關系；c）陣元間距和彎曲半徑的關系；d）144獨立信號通路的布置；e）BPAUT的三維指向圖；f）脈沖回波曲線
脈沖回波實驗和扇形掃描實驗進一步驗證了這一特性，并證實了該BPAUT能夠有效應用于曲面構件的無損檢測（圖4）。
圖4 脈沖回波和扇形掃描實驗；a，b，c）延時法則；d，e，f）可視化聲場（COMSOL）；g）曲面測試塊；h）脈沖回波原理；i）扇形掃描原理；j）BPAUT貼合到曲面測試塊；k）脈沖回波實驗的回波曲線；l）扇形掃描實驗的缺陷成像圖
該論文第一作者為中國科學院力學研究所研究生尹世珍，通訊作者為蘇業旺研究員。該工作得到了來自國家自然科學基金委和中國科學院的項目支持。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c16028
