超聲波因其無創性、低功耗、高靈敏度和高分辨率等特點，廣泛應用于工業無損檢測和生物醫學成像領域。在工業無損檢測中，需要通過超聲波換能器接收從成像目標反射回來的聲波，以生成工業設備內部結構的圖像。高頻聲波（>20
MHz）在工業無損檢測中具有優異的空間分辨率和高靈敏度，是檢測芯片封裝等精密電子組件內部缺陷的理想選擇。
傳統聚焦方法（機械壓力、聲學透鏡、相控陣）存在機械損傷壓電元件、傳輸效率低、成本高或復雜度高等問題，并且在實際應用中難以實現高精度和穩定的聚焦。
西安電子科技大學的研究人員提出一種無需機械壓力或透鏡的自聚焦高頻超聲換能器（HFUT），解決傳統聚焦方法的局限性，提升NDT的性能。相關內容發表在最新一期的Nature子刊Scientific Reports上面，研究得到了多項中國國家自然科學基金和其他科研項目的資助。
1. 半凹壓電元件設計和制作
通過精確的微納加工技術，在壓電元件（LiNbO3單晶）利用幾何梯度的方式設計并制造了一種工作頻率為62.7 MHz的自聚焦半凹超聲換能器。該換能器具有優異的橫向分辨率（39 μm）和-6 dB帶寬（76.6%）。采用微納加工技術制造半凹LiNbO3壓電元件，其焦距為1 mm，孔徑半徑R為1 mm。元件的厚度t按照以下公式分布：
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其中，R代表焦距；d0為元件最薄地方的厚度；r代表距離元件中心的水平距離。元件的制造過程包括使用高精度數控銑床對塊狀壓電材料進行減薄、濺射電極層、添加背襯材料、拋光壓電元件、電磁屏蔽處理、沉積保護涂層等步驟。
2. 無損高效聚焦
采用這種聚焦形式帶來的好處，首先是避免機械壓力導致的壓電元件短路或陶瓷開裂問題，其次，也消除了聲學透鏡的材料吸收和反射損耗，提升靈敏度與帶寬。自聚焦高頻超聲換能器相關示意圖
1. 有限元仿真驗證
使用
COMSOL Multiphysics
軟件創建二維軸對稱有限元模型，模擬聲場分布，驗證半凹壓電元件聚焦特性。COMSOL模擬顯示聲波在去離子水中聚焦形成單焦點，焦點位置與設計相符，約在1
mm焦距處形成，橫向半高寬（FWHM）36 μm，軸向FWHM 119 μm，驗證了設計的有效性。
HFUT 的聲場分布模擬結果
2.性能測試與成像驗證
超聲無損檢測系統搭建
該系統含主機、脈沖接收器等六部分，各部件協同完成信號的控制、采集、轉換和處理，實現對檢測目標的成像。超聲無損檢測系統示意圖
脈沖回波測試：測量了HFUT的脈沖回波，實驗結果表明該半凹高頻換能器具有寬頻域響應，中心頻率為62.7 MHz，-6 dB帶寬為76.6%，未放大信號峰值-峰值達0.335 V，驗證高頻響應能力。分辨率測試：使用不銹鋼分辨率板和鎢絲模型對換能器的分辨率進行測試。結果表明，換能器的橫向分辨率優于100 μm，在鎢絲模型中測得的橫向分辨率為36 μm（-6 dB），軸向分辨率為119 μm（-6 dB）。芯片成像測試：對多層電路板和芯片進行C模式成像，結果清晰地顯示了多層電路板的過孔、焊盤和元件編號，以及芯片的不同截面的物理結構，證明了該換能器在微電子封裝檢測中的應用潛力。基本成像性能評估結果及其芯片和多層 PCB 的成像結果
1. 性能指標
高頻（62.7 MHz）、寬帶（76.6%）、高分辨率（39 μm），優于多數文獻報道的高頻換能器（如參考文獻30-33）。2. 技術突破
首次將半凹結構應用于高頻自聚焦換能器，實現無損、高效聚焦。無需匹配層即可達到寬頻帶，簡化工藝并降低成本。由于該結構可以通過微納加工技術批量制造，未來可以集成多個具有出色成像性能的HFUT用于工業無損檢測成像，進一步提高檢測效率和精度。3. 應用潛力
特別適合芯片封裝缺陷檢測（如焊點裂紋、空洞），推動微電子工業NDT技術進步。1. 局限性
目前僅驗證單頻點性能，多頻段或動態調諧能力未提及。實際工業場景中的復雜介質（如復合材料）適應性需進一步測試。2. 未來方向
擴展至多頻/寬帶換能器陣列，提升掃描速度與三維成像能力。探索壓電材料優化（如LiNbO3摻雜）以進一步提升性能。本文提出了一種基于半凹壓電元件的自聚焦高頻超聲換能器，通過微納加工技術實現了高分辨率、寬頻帶的無損聚焦。實驗結果驗證了其在芯片封裝NDT中的優異性能，為工業精密檢測提供了新工具，具有顯著的工程應用價值。未來可通過材料優化和陣列集成進一步擴大其應用范圍。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41598-025-93195-y
