中華大學碩士論文

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中華大學碩士論文

高功率超音波換能器之材料設計與實驗分析

系所別: 機械工程學系碩士班學號姓名: M10208002 周芳國指導教授: 林育立博士

陳景欣博士

中華民國 104 年 7 月 30 日

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摘要

本研究之目的在於分析壓電複合材料中聚合物對於高功率超音波換能器之工作特性的影響。利用切割-填充法來製作壓電複合材料且經電極導線、封裝步驟後完成超音波換能器。本實驗設計與製作 24 個不同參數之 1-3 壓電複合材料換能器，然後針對這些換能器之耦合因數、品質因數、頻寬、損耗因數、電聲轉換效率進行實驗與分析。實驗結果顯示在相同寬高比與壓電柱體積比的條件下，spurr 環氧樹脂壓電複合材料換能器的耦合因數高於其他兩種環氧樹脂壓電複合材料換能器的耦合因數。在品質因數中，spurr 環氧樹脂壓電複合材料換能器的品質因數最高為 5.4 與 poss 環氧樹脂壓電複合材料換能器的品質因數最高為 3.7 相比之下有明顯的差異性。在頻寬中，由於頻寬與品質因數之倒數的關係，spurr 環氧樹脂壓電複合材料換能器的頻寬最高為 0.2 與 poss 環氧樹脂壓電複合材料換能器的頻寬最高為 0.33 相比之下有明顯的差異性。在介電損耗因數中，spurr 環氧樹脂壓電複合材料換能器的損耗因數最高為 0.013 與另外兩種環氧樹脂的損耗因數最高為 0.006 相比之下有明顯差異性。在以上四種因數最後反應出來的電聲轉換效率中，

spurr 環氧樹脂壓電複合材料換能器的電聲轉換效率最高的為 80%與另外兩種環氧樹脂壓電材料換能器的電聲轉換效率最高為 72%與 74%相比之下有明顯的差異性。

關鍵詞：壓電複合材料、壓電柱體積比、壓電柱寬高比、耦合係數、品質因數、

電聲轉換效率

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Abstract

The purpose of this study was to analyze the piezoelectric polymer composite material for high-power ultrasonic transducer characteristics of the work. The use of cutting - filling method to produce piezoelectric composite material and electrode leads after encapsulation steps to complete the ultrasound transducer. The experimental design and production of 24 different parameters of the 1-3 piezoelectric composite transducer, and for these transducers of coupling factor, quality factor, bandwidth, loss factor, the conversion efficiency of electro-acoustic experiment and analysis. Experimental results show that under the same aspect ratio as the piezoelectric column volume terms, spurr epoxy composite piezoelectric transducer coupling factor higher than the other two epoxy composite piezoelectric transducer coupling factor. The quality factor in, spurr epoxy piezoelectric composite transducer quality factor up to 5.4 and poss epoxy composite piezoelectric transducer highest quality factor of 3.7 compared with a significant difference. In bandwidth, because the relationship between the bandwidth and quality factor of the countdown, spurr epoxy composite piezoelectric transducer bandwidth of up to 0.2 and poss epoxy composite piezoelectric transducer bandwidth up to 0.33 In contrast there are obvious differences. In the dielectric loss factor in, spurr epoxy piezoelectric composite transducer loss factor of up to 0.013 and the other two epoxy highest dissipation factor of 0.006 compared to a significant difference. In the last of these four factors reflected in the electro-acoustic conversion efficiency, spurr epoxy composite piezoelectric transducer of the electro-acoustic conversion efficiency up to 80% and the other two piezoelectric material epoxy transducer electro-acoustic conversion efficiency up to 72% and 74% compared with a significant difference.

Key Words: Impedance analyzer, Pulse-echo measurement, Radiation force balance.

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致謝

首先我要感謝的是我的指導教授林育立教授，讓我在這兩年的碩士生涯中不論是在為學、待人、處事上皆有相當多的受惠，而且還給了我到國家衛生研究院去學習的機會，在此致上最誠摯的感謝。

再來要感謝的是國衛院的陳景欣博士，不厭其煩的教導我許多有關超音波方面的知識，而且對於我實驗的設計以及架設給予了寶貴的意見，還在我遇到困難的時候幫忙我一起解決困難，在此致上最誠摯的感謝。感謝國衛院的各位同仁，

大哥、裕信、孟宏、威霖、潘潘、彥縉、藝芬、慶祐教導我各個實驗的儀器使用方法以及在我做實驗遇到瓶頸時，在旁邊幫忙我解決問題，感謝信志、家睿在我不懂量測的時候特地抽空回來幫助我解決問題，感謝宜群在我碩士生涯的這兩年遇到困難時或著心情不好的時候總是陪著我鼓勵我一起熬過。

最後，感謝我的家人，讓我在求學的過程中沒有後顧之憂的學習也在我遇到困難時給我鼓勵。感謝所有教導過我的師長以及學長們，因為有你們我才能夠完成這篇論文。

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第一章緒論

1.1 前言

高強度聚焦超音波(High-intensity focused ultrasound, HIFU) 利用大面

積的探頭，得到較好的幾何聚焦特性，所以能夠發射較強的能量，如圖 1 所示。

因此 HIFU 超音波儀器，是利用超音波探頭，於焦點處產生高時間平均強度 (time-averaged intensity)的超音波，對組織產生破壞。一般診斷用的超音波探頭，其時間平均強度大約介於 0.1-100mW/cm² 之間，疏密波的壓力介於 0.001-0.003MPa ，但高強度聚焦超音波探頭的焦點區域強度，可達 100-10000W/cm²，疏密波的壓縮區域壓力，可達 30MPa，而稀疏區域壓力，則為 10MPa[1]。

高強度聚焦超音波的原理:組織吸收高音波強度後，可轉化為熱能，使區域溫度達到 60^oC 以上的數值，並於數秒之內造成凝結性壞死。高強度聚焦超音波除了造成熱效應之外，尚可引發機械現象 (mechanical phenomenon) ，例如穴蝕效應 (cavitation)為液體中微氣泡生成、脹縮的一連串過程，它常伴隨微氣泡的破裂

（destruction）。故以穴蝕效應為主之超音波治療法即是將穴蝕效應產生的能量運用於損害組織或是基因傳遞。穴蝕效應產生的機制可分為三類：分裂

（fragmentation）、穩定擴散（staticdiffusion）與聲學驅動擴散（acoustically driven diffusion）。分裂的情形發生於微氣泡受到負聲壓脹大但卻變得不穩定之時，最後會分解成數個小碎片，穩定擴散是微氣泡內氣體擴散至氣泡外的過程，

但不包含對流的效應在內，聲學驅動擴散為超音波照射下的氣體擴散作用，擴散速率易受到隨時間改變的聲場強度或是氣液交界的移動而影響[2]。當微氣泡為球狀對稱時是最穩定的時候，而此對稱狀態若受到擾動即會變得不穩定，如圖 2 所示。組織吸收高音波強度後，可轉化為熱能，使區域溫度達到 60^oC 以上的數值，

並於數秒之內造成凝結性壞死。高強度聚焦超音波除了造成熱效應之外，尚可引

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發機械現象 (mechanical phenomenon) ，例如穴蝕效應 (cavitation) 、微流 (microstreaming)，以及輻射力(radiation forces)等。超音波熱治療可提高腫瘤細胞對於化學治療(俗稱「化療」)與放射線治療(輻射治療，俗稱「放療」或「電療」)的感受性，增強化學治療與放射治療的治療效果[3]。

圖 1、HIFU 聚焦示意圖

(資料出處:http://www.hifu.ca/history-ablatherm-hifu.htm)

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圖 2、穴蝕效應示意圖

(資料出處: http://www.electrowave.org/Cavitation.html)

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1.2 文獻回顧

H.P. Savakus, K.A. Klicker and R.E. Newnham [4]等學者在西元 1981 年利用切割-填充法(dice-and-fill)製作 1-3 壓電複合材料，其中主動材料為壓電陶瓷 PZT501A，被動材料為 spurrs 樹脂。所設計的參數為 10~70%的陶瓷體積比以及幾種不同的陶瓷柱寬度，實驗結果顯示壓電複合材料的介電常數落在 200~1000 的範圍、而且因為複合材料可以將樹脂的應力轉移到 PZT 柱上，所以它的 d

33(200~350 pC/N)與 PZT501A 的 d

33 (400pC/N)非常接近，而且在相同陶瓷體積比下，陶瓷柱越細則 d33越高，應力傳遞效果越好。

J. Y. Chapelon et al.[5]等學者在西元 2000 年提到 1-3 壓電複合材料具有幾項特性(1)低聲阻抗(8 ~ 12 Mrayls)有利於將能量傳入水中(2)耦合係數 K

t(0.55 ~ 0.65)有利於能量的轉換跟增大頻寬(3)具有很強的異向性能夠降低除了厚度方向的振動模式，這個特性有利於陣列換能器的設計。

J. S. Park et al.[6]等學者在西元 2003 年提到 1-3 或 2-2 壓電複合材料能有效的提高機電耦合因數 K^t以及降低聲阻抗，所以在製造超音波換能器上已經被證明是有效的材料。因此微小尺寸及高寬高比的 1-3 壓電複合材料在高解析微型超音波換能器之應用是很有前途的。

西元 2012 年 Hyeong Jae Lee and Shujun Zhang[7]等學者提到 1-3 壓電複合材料在高功率應用上產生的熱會降低整體的轉換效率，所以利用改變聚合物材料來提高 1-3 壓電複合材料的機械品質因素和熱穩定性，在文獻中提到 spurr 環氧樹脂壓電複合材料換能器使用 PZT4 的 Qm 為 200 and kt 為 0.68 而使用 PZT8 的 Qm 為 400 and kt 為 0.6。

綜觀以上的文獻發現 1-3 壓電複合材料可以改善機械品質因素和電機偶合系數，進而提高超音波換能氣的轉換效率。

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1.3 研究動機與目的

HIFU 治療用超音波已經廣泛的運用，在高功率應用下換能器本身產生熱而

導致工作效率降低。本研究之目的針對材料設計來分析 1-3 壓電複合材料的電機耦合係數、機械品質因數、頻寬、介電損耗因數、電聲轉換效率，以期提供 HIFU 換能器之設計參考。

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第二章材料與方法

壓電材料可比擬為超音波換能器的心臟，本章節依序介紹何謂壓電效應、壓電材料的種類與統御方程式、壓電材料的特性參數。

2.1 壓電特性

2.1.1 壓電效應

壓電效應(piezoelectricitys)為一種機械能與電能互換的現象，此一現象在 1880 年由 Pierre Curie 及 Jacques Curie 兄弟所發現。居里兄弟發現當施予機械力於電氣石(tourmaline)時，電氣石表面會產生電荷;隔年，居里兄弟又發現壓電效應存在逆向效應，即外加電場於電氣石可導致晶體發生機械變形。因此，壓電現象包含了正壓電效應（Direct piezoelectric effect）與逆壓電效應（inverse piezoelectric effect）。 (1) 正壓電效應

當壓電材料接受到機械力時，材料內部晶格會產生形變，正負電荷間距離產生改變，導致極化電場増強或減少，此時電極兩端會產生一個與應力大小成比例的電荷或電壓。施加外力的方向與承受該力之壓電材料的極化方向相同時，壓電材料電極兩端的電壓差定義為正壓電；外力與極化方向相反時則定義為負電壓，

如圖 3 (a) 所示。此機械能轉換成電能的現象稱為正壓電效應。

(2) 逆壓電效應

當電場施加於壓電材料電極兩端時，若電場方向與極化方向相反，則壓電晶體會在極化方向上縮短變形，反之電場與極化方向一致時，極化電場增強使得壓電晶體會在極化方向上伸長變形，如圖 3 (b) 所示。當交流電場的頻率等於壓電晶體本身的諧振頻率時，晶體形變為最大，此種將電能轉換成機械能的現象稱之為逆壓電效應。

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圖 3、(a)正壓電效應示意圖 (b)逆壓電效應示意圖

2.1.2 壓電材料

壓電材料種類很多起源於 30 年前[8.9]，在西元 1990 年代開始研究壓電複合材料應用在診斷超音波換能器上[11]。壓電材料通常可分為五大類，各種材料都優劣點，單晶類有良好的溫度特性，Q 值高，但製造困難，需要特殊的晶體成長技術，特性方面受切面的影響，以及某些(例如電氣石，羅德鹽)遇水會分解。薄膜類需要真空技術，不同的真空條件會產生不同的特性。聚合物類柔軟可做甚薄的元件，但壓電參數小，且需甚高的極化電場。陶瓷類壓電活性良好，耐酸鹼，可製成任何形狀，同時其特性可隨組成作多樣性的變化，因此目前已成為壓電元件的主流。複合材料的特性大約在聚合物及陶瓷類之間。如表 1 所示[10]：

表 1 壓電材料種類

類型材料

單晶(single crystal)類石英、電氣石、羅德鹽、鉭酸鋰(lithium tanatalate，LiTaO3)、

鈮酸鋰(lithium niobate，LiNbO3)等

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8

薄膜(thin film)類氣化鋅(zinc oxide，ZnO)等聚合物(polymer)類聚篇二氟乙烯(PVDF)、尼龍等

陶瓷(ceramic)類鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋇(BiTiO3)等複合材料(composite

matterial)

鋯鈦酸鉛與矽、玻璃、尼龍、橡膠或聚合物結合等

1-3 壓電複合材料的 1-3 定義為壓電陶瓷在 1 個方向上互相連結(如圖 2 中綠色部分的 Z 軸)，而樹脂在 3 個方向上面皆互相連結(如圖 2 中紫色部分的 XYZ 軸)。

圖 1、1-3 複合材料結構示意圖

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2.2 壓電方程式

壓電現象為機械能與電能之間的轉換，對一般材料而言機械應力 T 的加入會產生一機械應變 S，兩者間的關係為:

S = sT 或

T = cS

其中 s 及 c 均為彈性常數，s 稱為彈性韌性(elastic compliance)，而 c 為彈性剛性

(elastic stiffeness)。而在一般材料的兩端加入一電場 E，材料內部會產生電位移 D，

兩者間關係為:

D = εE 或

E = βD

其中ε 稱為介電常數(dielectric constant)或誘電係數(permeability)，而 β 稱為反誘電係數(impermeability)。對壓電材料而言，因為機電能量轉換特性存在，而使其關係沒有上列各式那麼簡單，必須包含了機械項以及介電項兩部分。對壓電效應而言，

它所涉及的變數有四個，其中兩個為機械彈性量，應力 T 及應變 S，而另兩個為介電量，電場 E 及電位移或電通量密度 D，因此依所選的自變數及應變數之不同，

壓電方程式有四種不同的形態，即 d 型態 S = s T + d E^E _t D = d T +ε E^T g 型態 S = s T + g D^D _t

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10

E = - g T +β D^T e 型態 T = c S - e E^E _t D = e S +ε E^S d 型態 S = S T + d E^E _t

E = -hS + β DS

其中 d、g、e、h 稱為壓電參數(piezoelectric parameters)，而 dt、gt、et、ht分別表示 d、g、e、h 的易位矩陣(transpore matrix)，而各參數之上標表示其邊界條件 (boundary condition)。而 d、g、e、h 的定義如下:

(1) 壓電應變常數

T

d = [ S] E



單位(

m V

/ )

T

g = [ S] D



單位(

m c

/ )

(2) 壓電電荷常數

E

e = [ D] S



單位(

c m

/ )

E

d = [ D] T



單位(

c N

/ )

(3) 壓電電壓常數

D

g = [ E] T



單位(

V  m V

/ )

D

h = [ E] S



單位(

V m

/ )

(4) 壓電剛性常數

S

h = [ T] D



單位(

N c

/ )

S

e = [ T] E



單位(

N V

/

 m

)

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11

根據壓電材料應用的領域，會使用其合適的壓電常數來代表壓電材料的特性，例如，在振動方面的用途通常需要比較高的 d 值。

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12

2.3 壓電複合材料之特性參數

本節將要介紹有關壓電材料的特性參數，並說明特性參數與 HIFU 換能器工作表現之間的關係。

2.3.1 機電耦合因數(electromechanical coupling factor, K

33

)

機電耦合因數為壓電材料在共振時的彈性(機械)能與介電能之間的轉換能力，此定義為機電耦合能量密度與機械能及介電能密度幾何平均之比，如公式(1)。

而機電耦合因數與振動模式有關，例如，垂直於3軸(一般壓電陶瓷的極化軸)的平面振動稱為平面耦合因數Kp、除了厚度方向，其餘各方向均受限制的厚度振動稱為K_t、而以厚度方向為主，但其餘方向的振動不受限制的厚度振動稱為K₃₃。就1-3 壓電複合材料而言，最主要量測的耦合因數為K33，因為跟實際的振動狀況最接近，

而且耦合因數的值愈高表示在電場(外力)作用下壓電複合材料中的壓電柱其位移量(誘發電位)較大。然而壓電複合材料中壓電柱的位移在四周樹脂的耦合效應下而受限且呈現不均勻分布，故在HIFU的應用中，換能器的電聲轉換效率不僅與機電耦合因素相關，還與介電損耗因素以及機械品質因素相關。K33可由換能器的共振頻率及反共振頻率表示，如公式(2)[12]:

m

1 1

2 2

e d

K = = U

(U U ) 機電耦合能量密度

[(機械能密度)(電能密度)]

(1)



^p ^s



s 33

p p

π f - f K = πf tan

2f 2f

 

 

    

(2)

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13

2.3.2 介電損耗因數(dielectric loss tangent tanδ)

介電損耗是在描述壓電材料在交流電場中介電行為的損耗，基本上來源有二:(1)極化滯(2)介電質的漏電。理論上當電場加入後，極化會立即發生，但在實際狀況下，粒子的移動會延遲一些時間，所以極化不是隨著電場的加入馬上發生，

而是會有延遲的現象，此時就會產生一個相位θ，此種極化滯會導致介電損耗的發生。另外，任何介電質不可能為完全絕緣，亦即電阻不能為無限大，因此在介電質內會有漏電現象產生，於本研究中漏電流效應未被討論。對於 HIFU 換能器而言，高頻、高功率的輸入下，介電損耗越小，則換能器本身的溫升會越小且輸出聲功率越高。介電損耗因數可由公式(3)表示[13]:

Z sinθ

tanδ = X = = tanθ R Z cosθ

(3)

其中 X 為容抗(Capacitive Reactance)，R 為等效串聯電阻(Equivalent Series Resistance)

2.3.3 頻寬(bandwidth BW)

頻寬在許多應用中都是一個關鍵的概念，對於不同的應用領域有不同的精確定義，對於在數學上可以看作時間函數的模擬信號來說，頻寬是以赫茲為單位、

信號的傅立葉轉換不為0的頻率範圍，信號頻寬是信號隨著時間波動速度的一個度量，這樣，頻寬越大，信號的變化越快。上面是信號頻寬的描述，對於HIFU換能器而言，頻寬越大表示如果換能器在作動時因本身溫度稍微上升，導致共振頻率改變時，只要新的共振頻率依然落在頻寬內，即使繼續輸入相同的操作頻率，對換能器之輸出功率影響不大，所以對換能器來說頻寬不可以太窄，頻寬則可由 pulse-echo實驗中在最大訊號一半(-6db)時的頻率f¹、f²求得，如圖3所示。

2 1

BW = f - f

(4)

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圖 2、-6dB 時之頻寬

2.3.4 機械品質因數(mechanical quality factor, Q)

機械品質因數的定義如公式(5)[8]，當壓電材料作機械振動時，由於晶格變化而產生內部摩擦造成能量損失，機械品質因數和振動模式有關，而機械品質因數為能量損失之參數，其值高時表示內部阻尼小，能量損失少，反之則能量損失大會散發大量的熱量。對HIFU換能器而言，因為需要有高的能量輸出，所以機械品質因數要越高越好。

Q = 2π  共振時所儲存的機械能

共振時每週期機械損失之能量

(5)

而Q值還可由中心頻率f₀以及-6db時頻率f₁及f₂來表示，如公式(6):

0

2 1

Q = f

f - f

(6)

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15

2.3.5 電聲轉換效率(electro-acoustic conversion efficiency,η)

電聲轉換效率為換能器將電能轉換成機械能的能力，因為HIFU換能器需要很

高的功率輸出，所以轉換效率對HIFU換能器來說是重要的參數。而實際的轉換效率可以由實驗求得，計算方式如公式(8)。將於下一章節說明換能器之電聲轉換效率的量測實驗。

輸出聲功率=天秤重量×10^-6 ×9.8×水的聲速 (7)

電聲轉換效率 = 輸出聲功率/輸入電功率 (8)

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第三章特性參數測詴之實驗設備與流程

在這個章節我們將要介紹各個實驗設備的架構以及儀器的使用方法，還有實驗的步驟與方法以及在實驗過程中所需要注意的事項。

3.1 特性參數測詴實驗流程圖

圖 4、實驗流程圖

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3.2 1-3 壓電複合材料換能器製備

在本節將要介紹 1-3 壓電複合材料參數的設計以及製作的方法，還有在製作時需要注意的事項。

3.2.1 1-3 壓電複合材料換能器之設計

本實驗所使用之壓電材料為磁能設計公司所出產的 PZT 4 壓電陶瓷，1-3 壓電複合材料是由 PZT 4 陶瓷柱與樹脂所構成的，在設計複合材料換能器時陶瓷體積比(volume fraction,VF)與陶瓷寬高比(aspect ratio,AR)是設計參數的重點，其陶瓷體積比的定義為複合材料中單根陶瓷柱之體積占單根陶瓷柱與周遭樹脂體積總合的比率

VF    W

p

 W

p

 d   

²，陶瓷寬高比定義為複合材料中單根陶瓷柱寬度與高度之比

AR  W

_p

h

，如圖 5 所示，表 1 為不同特性換能器之設計參數。

圖 5、陶瓷樹脂複合材料之結構示意圖(a)上視圖，(b) 側視圖 Wp為 PZT8 陶瓷柱寬，d 為陶瓷柱間隙，h 為陶瓷柱高度

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表 1 三種材料不同特性換能器之設計參數

P8-EP301: 壓電陶瓷 PZT8 + Epoxy301 樹脂

P8- Spurr : 壓電陶瓷 PZT8 + Spurr 樹脂；P8- Poss: 壓電陶瓷 PZT8 + Poss 樹脂

3.2.2 1-3 壓電複合材料換能器之製作

我們自行製作六種 1-3 壓電陶瓷材料平面換能器編號為 A1~A6、六種 1-3 壓電陶瓷材料鍍銅平面換能器編號為 B₁~B₆、一種 PZT8 陶瓷平面換能器，其中 A₁~A₆ 和 B1~B6總面積相等的換能器。壓電陶瓷材料換能器的製作有很多種，如切割-填充法、激光切割法、注射成型法、脫模法等，本論文使用切割-填充法(dice-and-fill)。

製作方法步驟如下:

(1)壓電陶瓷換能器的製作方法是使用 dice‐and‐fill 方法[7]，進行切割及填入 Epoxy 如圖 6 所示。

圖 6、dice-and-fill 切割-填充法

(2)先將 PZT8 陶瓷片用蠟黏著在玻璃片上，使用晶圓切割機依照所設計的參數選

(25)

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用不同寬度的鑽石刀片切割出 X 與 Y 方向的切縫，而切縫底部不可完全切斷必須要留 1mm 左右的厚度，以便後續步驟。

(3)切完之後先確認切縫中是否有異物，如果有，必須要小心地把異物去除，必要時可以使用超音波振盪機將異物振出來。

(4)把切割好的 PZT8 陶瓷壓電片拿去顯微鏡下拍晶格圖，以確保尺寸大小是否符合預先設定好的尺寸並將結果做為參考，在顯微鏡下藍色正方型的為壓電柱，十字部分為切割的間距，如圖 7。

(5)在填入樹脂之前要先將陶瓷片的四周圍用膠帶封住，以防止樹脂在填入時從切縫邊緣漏出，因為樹脂有黏性，所以將樹脂填入之後為了要確保陶瓷柱與樹脂之間或者樹脂內部不會有空氣，所以將填好樹脂的 PZT8-epoxy301，PZT8-spurr，

PZT8-Poss 等複合材料放進真空機中將空氣抽出，由於 Spurr 屬於比較硬的樹脂，

所以要經過 70 度八小時的烘烤才會固化，而 Epoxy 與 Poss 則是放在室溫中 24 小時即可固化。

(6)固化完後再將多餘的樹脂利用刀片小心的刮除，再使用不同號數的砂紙將複合材料磨至設計參數的高度，然後利用九宮格量測方法(圖 8)來測量厚度而誤差必須控制在 0.10mm 左右。

(7)完成後再使用晶圓切割機裁切成所設計的大小，之後在排氣櫃中依序用三氯乙烯去除黏附在上面的臘、丙酮去除有機物質再用酒精做清潔的動作，清潔好之後使用真空濺鍍機鍍一層鉻(Cr)然後拿出來在使用鍍金機鍍一次層金。

(8)最後正負極兩邊各使用導電銀膠把線接起來，然後利用水管進行防水封裝成一個探頭就完成了。

(26)

20

圖 7、不同壓電複合材料之照片(放大 40 倍)

\

圖 8、量測九個點的示意圖

(27)

21

實驗方法與儀器設備

在本節將要介紹各個實驗的原理以及目的，還有各種實驗儀器的架設跟實驗時需要注意的事項。

3.2.3 阻抗分析

本實驗所使用的儀器為國衛院-奈米所的阻抗分析儀(6500B, Wayne Kerr Electronics, London, UK)，圖 12 為阻抗分析實驗設備圖，實驗前的準備工作是先將夾子連接到阻抗分析儀上做校正的動作，而每次做實驗前都必須要再重新校正過，校正完成後再從分析儀上設定所要量測的項目以及量測的範圍，我們所要量測的是阻抗以及相位，設定完成後將夾子連接在待測的換能器上，再將換能器前面放置於水中，利用阻抗分析儀可以量測換能器的共振頻率f_s及反共振頻率f_p，然後代入公式(2)求得耦合係數K33。

在阻抗量測結果的同時可以獲得換能器在共振頻率時的相位θ，然後使用公式(3)計算出損耗因數tanδ。

圖 9、阻抗分析實驗設備圖

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22

3.2.4 Pulse-echo 實驗

本實驗所使用的儀器為國衛院 -奈米所的數位螢光示波器 (TDS 3032B,

Tektronix)與脈衝產生/接收器(5072PR, OLYMPUS)，圖 13 為 Pulse-echo 實驗設備圖，實驗步驟是先將脈衝產生/接收器調整到模式一，模式一是指將同一個換能器當做發射與接收使用，再來將所要量測的換能器前面放置在水中，用夾具固定在金屬塊的正上方，而金屬塊因為是要做為反射用所以表面必須要很光滑，然後換能器經由脈衝產生/接收器發射一個脈衝然後經過金屬塊的反射再由換能器本身接收脈衝的訊號，其中因為接收到的訊號會根據換能器是否平行於金屬塊而有強弱的差別，所以必須要利用夾具不斷的調整換能器的位置及角度以求可以得到最大的訊號，當調整到可以收到最大訊號時就判斷它為換能器的中心頻率 f₀，再經由示波器的傅立葉轉換就可以得到探頭的中心頻率 f0及最大訊號時之-6dB 的頻率 f1 及 f₂，再代入公式(4)與公式(6)求得頻寬 BW 與品質因數 Q。

圖 10、Pulse-echo 實驗設備圖

(29)

23

3.2.5 電聲轉換效率量測實驗

本實驗所使用的儀器為國衛院-奈米所的精密天秤、吸音物質、射頻功率量測器(Model 4421 RF Power Meter, Bird)、功率放大器(1040L, Electronics & Innovation) 跟訊號產生器(33250A, Agilent)，圖 11 為電聲轉換效率量測實驗設備照，實驗儀器的架設，先將訊號產生器的 output 連接到功率放大器的 input 上，因為訊號產生器最大的輸出峰對峰電壓為 10V，而 HIFU 換能器在高功率的輸出時要很大的電壓，所以需要功率放大器來放大電壓，再將功率放大器的 output 連接到射頻功率量測器的 input 上，接者將要量測的換能器連接到射頻功率量測器的 output 上，再將裝置吸音物質的水槽裝入去氣水，裝入去氣水的用意是預防換能器在作動時會在表面產生氣泡而影響波的傳遞，然後將所要量測的換能器固定在移動平台上，

並移動到距離吸音物質上方 1cm 的位置，再使用訊號產生器輸入所要量測換能器的操作頻率以及要輸入的電壓，然後功率放大器(此型號會放大 50db、大約 316 倍) 會將設定的電壓放大之後再輸入，而此時射頻功率量測器(此型號可以量測到小數點後三位)可以準確的量測到實際所輸入的電功率，使用相同功率下每五秒記錄一次溫度與效率，經過六次之後直接使用功率 5~9 瓦下測得六次轉換效率，經由換能器將電功率轉換成聲功率再由吸音物質吸收，經過公式(7)計算後，獲得實際的輸出聲功率，將以上得到的數據代入公式(8)即可求得電聲轉換效率。

圖 11、電聲轉換效率量測圖

(30)

24

第四章實驗結果與討論

在這個章節我們將要討論實驗的結果以及針對不同特性換能器對於上一章所提到的各種實驗的結果加以整理，然後探討陶瓷寬高比與陶瓷體積比對於耦合因數、損耗因數、品質因數、與電聲轉換效率之間的關係。

4.1 三種環氧樹脂與機構設計對各種參數之影響

4.1.1 壓電片厚度與共振頻率與中心頻率的實驗結果

表 2、PZT8-Epoxy 壓電複合材料換能器的厚度量測

表 3、PZT8-Spurr 壓電複合材料換能器的厚度量測

表 4、PZT8-Poss 壓電複合材料換能器的厚度量測

(31)

25

表 5 為 PZT8-Spurr 與 PZT8-Poss 壓電複合材料換能器的共振頻率 f_r和中心頻率 f₀，

由於設計的壓電複合材料換能器為 1MHz 的換能器，所以共振頻率 f_r 都要落在 1MHz 左右，共振頻率與壓電片厚度有直接影響的關係，也可以說壓電片的厚度決定共振頻率 f_r的大小，所以厚度是很重要的因素，從 PZT8-Spurr-1~6 的共振頻率 fr 來看，共振頻率 fr 落在 0.96~1.03MHz 之間都有落在設計的範圍內，接著 PZT8-Spurr-1~6 的中心頻率 f₀來看，中心頻率 f₀在 0.97~1.04MHz 之間，共振頻率 f_r與中心頻率 f₀的誤差大約在 0.04MHz 以內，但是 PZT8-Spurr 壓電複合材料的頻寬都在 0.19MHz 以上(後面 4.1.3 頻寬會詳細討論)。從 PZT8-Poss-1~6 的共振頻率 fr來看，共振頻率 fr落在 0.97~1.02MHz 之間都有落在設計的範圍內，接著 PZT8-Poss-1~6 的中心頻率 f₀來看，中心頻率 f₀落在 1.02~1.04MHz 之間，共振頻率 f_r與中心頻率 f₀的誤差大約在 0.05MHz 以內，但是 PZT8-Epoxy301 壓電複合材料的頻寬都在 0.27MHz 以上(後面 4.1.3 頻寬會詳細討論)，所以 PZT8-Spurr 與 PZT8-Poss 的共振頻率 f_r都有落在中心頻率 f₀的頻寬中，這表示我們所製作的換能器符合我們原本的設計。

表 5、 Spurr 與 Poss 共振頻率與中心頻率的實驗結果

誤差值(%):(共振頻率-中心頻率)÷中心頻率×100 f_r:共振頻率 f₀:中心頻率

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26

表 6 為 PZT8-Epoxy301-1~6 的共振頻率 fr來看，共振頻率 fr落在 0.94~1.02MHz 之間都有落在設計的範圍內，接著 PZT8-Epoxy301-1~6 的中心頻率 f₀來看，中心頻率 f₀落在 0.98~1.04MHz 之間，共振頻率 f_r與中心頻率 f₀的誤差大約在 0.05MHz 以內，但是 PZT8-Epoxy301 壓電複合材料的頻寬都在 0.20MHz 以上(後面 4.1.3 頻寬會詳細討論)，所以 PZT4-Epoxy 與 PZT8-Epoxy 的共振頻率 fr都有落在中心頻率 f₀的頻寬中，這表示我們所製作的換能器符合我們原本的設計。

誤差值(%):(共振頻率-中心頻率)÷中心頻率×100 f_r:共振頻率 f₀:中心頻率

(33)

27

4.1.2 機電耦合因數

圖 12 為當陶瓷寬高比 0.19 與陶瓷體積比從 28%、39%及 59%的壓電複合材料之耦合因數，先從 PZT8-Epoxy 壓電複合材料換能器的耦合因數來看分別為 0.6、

0.62、0.61，接著是 PZT8-Spurr 壓電複合材料換能器的耦合因數來看分別為 0.63、

0.64、0.63，最後是 PZT8-Poss 壓電複合材料換能器的耦合因數來看分別為 0.625、

0.638、0.627。

圖 12、AR=0.19 時，1-3 壓電複合材料換能器之機電耦合因數

(34)

28

圖 13 為當陶瓷寬高比 0.5 與陶瓷體積比從 53%、64%及 79%的壓電複合材料之耦合因數，先從 PZT8-Epoxy 壓電複合材料換能器的耦合因數來看分別為 0.61、

0.62、0.63，接著是 PZT8-Spurr 壓電複合材料換能器的耦合因數來看分別為 0.62、

0.65、0.64，最後是 PZT8-Poss 壓電複合材料換能器的耦合因數來看分別為 0.618、

0.647、0.637。

圖 13、AR=0.5 時，1-3 壓電複合材料換能器之機電耦合因數

從結果來看，陶瓷寬高比 0.19 與 0.5 的耦合因數在不同的陶瓷體積比所量測出來的值都差不多，其原因是我們所量測的耦合因數為厚度方向的振動模式，所以在相同的陶瓷寬高比的條件下，改變陶瓷體積比並不會影響耦合因數的大小。

三種環氧樹脂嚴格比較起來的話，使用環氧樹脂 spurr 的比另外兩種環氧樹脂的耦合因數為最好。

(35)

29

4.1.3 機械品質因數

圖 14 為當陶瓷寬高比 0.19 與陶瓷體積比從 28%、39%及 59%的壓電複合材料之品質因數，先從 PZT8-Epoxy 壓電複合材料換能器的品質因數來看分別為 4.58、4.7、4.9，接著 PZT8-Spurr 壓電複合材料換能器的品質因數來看分別為 4.9、

5.1、5.4，最後是 PZT8-Poss 壓電複合材料換能器的品質因數來看分別為 3.3、3.45、

3.75。

圖 14、AR=0.19 時， 1-3 壓電複合材料換能器之品質因數

(36)

30

圖 15 為當陶瓷寬高比 0.5 與陶瓷體積比從 53%、64%及 79%的壓電複合材料之品質因數，先從 PZT8-Epoxy 壓電複合材料換能器的品質因數來看分別為 4.25、

4.65、5，接著是 PZT8-Spurr 壓電複合材料換能器的品質因數來看分別為 4.7、5.1、

5.2，最後是 PZT8-Poss 壓電複合材料換能器的品質因數來看分別為 3.2、3.38、3.7。

圖 15、AR=0.5 時，1-3 壓電複合材料換能器之品質因數

從結果來看，AR=0.19 與 AR=0.5 有相同的趨勢，發現隨著陶瓷體積比的增加品質因數隨之增加，原因是因為陶瓷體積比越大所填的環氧樹脂就越少，環氧樹脂本身的損耗比壓電柱還要少，所以品質因數才會隨之增加。在三種環氧樹脂複合材料當中，環氧樹脂 spurr 的損耗比另外兩種環氧樹脂還要少，所以品質因數也是最好的。

(37)

31

4.1.4 頻寬

圖 16 為當陶瓷寬高比 0.19 與陶瓷體積比分別為 53%、64%及 79%的壓電複合材料之頻寬，先從 PZT8-Epoxy 壓電複合材料換能器的頻寬來看分別為 0.21、

0.2、0.2，接著是 PZT8-Spurr 壓電複合材料換能器的頻寬來看分別為 0.2、0.19、

0.19，最後是 PZT8-Poss 壓電複合材料換能器的頻寬來看分別為 0.32、0.3、0.27。

圖 16、AR=0.19 時， 1-3 壓電複合材料換能器之頻寬

(38)

32

圖 17 為當陶瓷寬高比 0.5 與陶瓷體積比分別為 53%、64%及 79%的壓電複合材料之頻寬，先從 PZT8-Epoxy 壓電複合材料換能器的頻寬來看分別為 0.24、0.22、

0.22，接著是 PZT8-Spurr 壓電複合材料換能器的頻寬來看分別為 0.22、0.2、0.2，

最後是 PZT8-Poss 壓電複合材料換能器的頻寬來看分別為 0.32、0.31、0.28。

圖 17、AR=0.5 時，1-3 壓電複合材料換能器之頻寬

從結果來看，陶瓷寬高比 0.19 與 0.5 有相同的趨勢，發現隨著陶瓷體積比的增加頻寬隨之降低，原因是因為陶瓷體積比越大壓電柱就越多表面電壓就越大而頻寬自然就比較小。三種環氧樹脂複合材料當中，環氧樹脂 Poss 的頻寬最大，原因是因為頻寬與品質因數是倒數的關係。

(39)

33

4.1.5 介電損耗因數

圖 18 為當陶瓷寬高比 0.19 與陶瓷體積比分別為 28%、39%及 59%的壓電複合材料之損耗因數，先從 PZT8-Epoxy 壓電複合材料換能器的損耗因數來看分別為 0.005、0.006、0,006，接著是 PZT8-Spurr 壓電複合材料換能器的損耗因數來看分別為 0.012、0.013、0.012，最後是 PZT8-Poss 壓電複合材料換能器的損耗因數來看分別為 0.004、0.005、0.005。

圖 18、AR=0.19 時， 1-3 壓電複合材料換能器之介電損耗因數

(40)

34

圖 19 為當陶瓷寬高比 0.5 與陶瓷體積比分別為 53%、64%及 79%的壓電複合材料之損耗因數，先從 PZT8-Epoxy 壓電複合材料換能器的損耗因數來看分別為 0.006、0.007、0,006，接著是 PZT8-Spurr 壓電複合材料換能器的損耗因數來看分別為 0.013、0.014、0.014，最後是 PZT8-Poss 壓電複合材料換能器的損耗因數來看分別為 0.005、0.006、0.005。

圖 19、AR=0.5 時，1-3 壓電複合材料換能器之損耗因數

從結果來看，陶瓷寬高比 0.19 與 0.5 有相同的趨勢，發現隨著陶瓷體積比的增加介電損耗因數沒有明顯的影響。三種環氧樹脂複合材料當中，環氧樹脂 spurr 的介電損耗因數最大，原因猜測是因為環氧樹脂 spurr 需要高溫熱處理的關係而導致介電損耗因數的上升。

(41)

35

4.1.6 電聲轉換效率

圖 20 為 PZT8-Spurr 壓電複合材料換能器陶瓷寬高比為 0.19 經過 60 秒溫度變化，可以看出 VF 值為 28%的時候溫度上升最多，是因為間距大壓電住比較細所以填的環氧樹脂比較多而造成溫度上升較高，而 VF 值為 59%的時候溫度上升最少，是因為間距小壓電住比較多所以填的環氧樹脂比較少而造成溫度上升較少。

圖 21 為 60 秒之後轉換效率的改變，藍色部分為 30 秒後的轉換效率，紅色部分為 60 秒後的轉換效率，從圖 21 中可看出 VF 值為 39%的效率為最好，是因為壓電住之間干擾比較小而造成共振較一致性，而經過了 60 秒之後的溫差為 11.5 度，轉換效率從 80%降至 76%，效率整體下降了 4%，而 VF 為 59%的效率尚可，是因為間距很小壓電住之間太靠近而有互相干擾造成轉換效率的降低，然後經過 60 秒之後的溫差為 10.5 度，轉換效率從 78%降至 74%，效率整體下降了 4%，而 VF 為 28%

的效率最差，由於間距大壓電住本身細共振不一致而造成效率比較差，然後經過 60 秒之後的溫差為 15.5 度，轉換效率從 72%降至 65%，效率整體下降 7%，從這兩張圖可以得知 VF 值為 39%的效率最好，儘管是經過 30 秒的轉換效率 80%或者是經過 60 秒溫度改變之後的轉換效率 76%仍是最好的，由於 Spurr 的導熱率為 0.2，所以溫度上升會很快溫差自然就會差的比較多，還有可以得知隨著溫度上升轉換效率而隨之下降。

(42)

36

圖 20、AR=0.19 時，Spurr 經過 60 秒的溫度變化

圖 21、AR=0.19 時，Spurr 經過 60 秒後的轉換效率

(43)

37

圖 22 為 PZT8-Spurr 壓電複合材料換能器陶瓷寬高比為 0.5 經過 60 秒的溫度變化，可以看出 VF 值為 53%的時候溫度上升最高，是因為間距大壓電住比較少所以填的環氧樹脂比較多而造成溫度上升較高，而 VF 值為 79%的時候溫度上升最少，是因為間距小壓電住比較多所以填的環氧樹脂比較少而造成溫度上升較少。

圖 23 為 60 秒之後的轉換效率改變，藍色為 30 秒的轉換效率，紅色為 60 秒的轉換效率，從圖中可看出 VF 值為 64%的效率最好，是因為壓電住之間干擾比較小而造成共振較一致性，而經過了 60 秒之後的溫差為 8.2 度，轉換效率從 67%降至 64%，效率整體下降了 3%，而 VF 為 53%的效率尚可，由於間距大但是壓電住本身比較粗所以干擾沒有很大，但是經過 60 秒之後溫差為 12.5 度，轉換效率從 64%

降至 59%，效率整體下降了 5%，而 VF 為 79%的效率最差，由於間距小壓電住本身比較粗而導致彼此之間太靠近造成互相干擾而降低轉換效率，然後經過 60 秒之後的溫差為 6.5 度，轉換效率從 62%降至 59%，效率整體下降 3%，從兩張圖可以得知 VF 值為 64%的效率最好，儘管經過 60 秒的溫度改變之後仍是最好的，還有 VF 值為 53%雖然效率不是最差的，但是經過 60 秒之後效率變得與最差的 VF 值為 79%的一樣，如果溫度在提升的話，VF 值為 53%的效率會變成最差的，由此可知隨著溫度上升轉換效率隨之下降。

圖 22、AR=0.5 時，Spurr 經過 60 秒的溫度變化

(44)

38

圖 23、AR=0.5 時，Spurr 經過 60 秒後的轉換效率

圖 24 為 PZT8-Epoxy 壓電複合材料換能器陶瓷寬高比為 0.19 經過 60 秒的溫度變化，可以看出 VF 值為 28%的時候溫度上升最多，是因為間距大壓電住比較細所以填的環氧樹脂比較多而造成溫度上升較高，而 VF 值為 59%的時候溫度上升最少，是因為間距小壓電住比較多所以填的環氧樹脂比較少而造成溫度上升較少。

圖 25 為 60 秒之後轉換效率的改變，藍色部分為 30 秒後的轉換效率，紅色部分為 60 秒後的轉換效率，從圖中可看出 VF 值為 39%的效率最好，是因為壓電住之間干擾比較小而造成共振較一致性，而經過了 60 秒之後的溫差為 9.5 度，轉換效率從 72%降至 68%，效率整體下降了 4%，而 VF 為 59%與 VF 值為 28%的效率一樣，

但是經過 60 秒之後的溫差分別為 8.5 度與 12.5 度，轉換效率分別從 70%降至 66%

與 70%降至 64%，由於 VF 值為 28%的溫度上升較高而造成轉換效率降低許多，

從這兩張圖可以得知 VF 值為 39%的效率最好，儘管經過 60 秒的溫度改變之後效率仍是最好的，還有可以得知隨著溫度上升轉換效率而隨之下降。

(45)

39

圖 24、AR=0.19 時，Epoxy 經過 60 秒的溫度變化

圖 25、AR=0.5 時，Epoxy 經過 60 秒後的轉換效率

(46)

40

圖 26 為 PZT8-Epoxy 壓電複合材料換能器陶瓷寬高比為 0.5 經過 60 秒的溫度變化，可以看出 VF 值為 53%的時候溫度上升最高，是因為間距大壓電住比較少所以填的環氧樹脂比較多而造成溫度上升較高，而 VF 值為 79%的時候溫度上升最少，是因為間距小壓電住比較多所以填的環氧樹脂比較少而造成溫度上升較少。

圖 27 為 60 秒之後的效率改變，藍色部分為 30 秒後的轉換效率，紅色部分為 60 秒後的轉換效率，從圖中可看出 VF 值為 64%的效率最好，是因為壓電住之間干擾比較小而造成共振較一致性，而經過了 60 秒之後的溫差為 6 度，轉換效率從 65%

降至 62%，效率整體下降了 3%，而 VF 為 53%的效率尚可，由於間距大但是壓電住本身比較粗所以干擾沒有很大，但是經過 60 秒之後溫差為 10.5 度，轉換效率從 62.4%降至 57.1%，效率整體下降了 5%，而 VF 為 79%的效率最差，由於間距小壓電住本身比較粗而導致彼此之間太靠近造成互相干擾而降低轉換效率，然後經過 60 秒之後的溫差為 5 度，轉換效率從 51.4%降至 48.2%，效率整體下降 3%，從兩張圖可以得知 VF 值為 64%的效率最好，儘管經過 60 秒的溫度改變之後仍是最好的，由此可知隨著溫度上升轉換效率隨之下降。

圖 26、AR=0.5 時，Epoxy 經過 60 秒的溫度變化

(47)

41

圖 27、AR=0.5 時，Epoxy 經過 60 秒後的轉換效率

圖 28 為 PZT8-Poss 壓電複合材料換能器陶瓷寬高比為 0.19 經過 60 秒的溫度變化，，可以看出 VF 值為 28%的時候溫度上升最多，是因為間距大壓電住比較細所以填的環氧樹脂比較多而造成溫度上升較高，而 VF 值為 59%的時候溫度上升最少，是因為間距小壓電住比較多所以填的環氧樹脂比較少而造成溫度上升較少。

圖 29 為 60 秒之後轉換效率的改變，藍色部分為 30 秒後的轉換效率，紅色部分為 60 秒後的轉換效率，從圖 21 中可看出 VF 值為 39%的效率為最好，是因為壓電住之間干擾比較小而造成共振較一致性，而經過了 60 秒之後的溫差為 11.5 度，轉換效率從 74.6%降至 70.2%，效率整體下降了 4%，而 VF 為 59%的效率尚可，是因為間距很小壓電住之間太靠近而有互相干擾造成轉換效率的降低，然後經過 60 秒之後的溫差為 10 度，轉換效率從 73.8%降至 69.8%，效率整體下降了 4%，而 VF 為 28%的效率最差，由於間距大壓電住本身細共振不一致而造成效率比較差，然後經過 60 秒之後的溫差為 15 度，轉換效率從 70.2%降至 63.2%，效率整體下降 7%，

從這兩張圖可以得知 VF 值為 39%的效率最好，儘管是經過 30 秒的轉換效率 74.6%

(48)

42

或者是經過 60 秒溫度改變之後的轉換效率 70.2%仍是最好的，，還有可以得知隨著溫度上升轉換效率而隨之下降。

圖 28、AR=0.19 時，Poss 經過 60 秒的溫度變化

圖 29、AR=0.19 時，Poss 經過 60 秒後的轉換效率

(49)

43

圖 30 為 PZT8-Poss 壓電複合材料換能器陶瓷寬高比為 0.5 經過 60 秒的溫度變化，可以看出 VF 值為 53%的時候溫度上升最高，是因為間距大壓電住比較少所以填的環氧樹脂比較多而造成溫度上升較高，而 VF 值為 79%的時候溫度上升最少，是因為間距小壓電住比較多所以填的環氧樹脂比較少而造成溫度上升較少。

圖 31 為 60 秒之後的效率改變，藍色部分為 30 秒後的轉換效率，紅色部分為 60 秒後的轉換效率，從圖中可看出 VF 值為 64%的效率最好，是因為壓電住之間干擾比較小而造成共振較一致性，而經過了 60 秒之後的溫差為 7.5 度，轉換效率從 64.8%降至 61.2%，效率整體下降了 3%，而 VF 為 53%的效率尚可，由於間距大但是壓電住本身比較粗所以干擾沒有很大，但是經過 60 秒之後溫差為 11.5 度，轉換效率從 62.6%降至 57.2%，效率整體下降了 5%，而 VF 為 79%的效率最差，由於間距小壓電住本身比較粗而導致彼此之間太靠近造成互相干擾而降低轉換效率，

然後經過 60 秒之後的溫差為 6 度，轉換效率從 52%降至 49.2%，效率整體下降 3%，

從兩張圖可以得知 VF 值為 64%的效率最好，儘管經過 60 秒的溫度改變之後仍是最好的，由此可知隨著溫度上升轉換效率隨之下降。

圖 30、AR=0.5 時，Poss 經過 60 秒的溫度變化

(50)

44

圖 31、AR=0.5 時，Poss 經過 60 秒後的轉換效率

圖 32 為當陶瓷寬高比 0.19 時，三種環氧樹脂整體轉換效率的比較，藍色部分為 30 秒後的轉換效率，紅色部分為 60 秒後的轉換效率，PZT8-Spurr 壓電複合材料換能器在 VF 值為 28%、39%及 59%時 30 秒的轉換效率分別為 72%、80.2%

及 78%，60 秒的轉換效率分別為 65%、76.1%及 73.8%，PZT8-Epoxy 壓電複合材料換能器在 VF 值為 28%、39%及 59%時 30 秒的轉換效率分別為 70%、72.1%及 70%，60 秒的轉換效率分別為 64.2%、68%、66.2%，PZT8-Poss 壓電複合材料換能器在 VF 值為 28%、39%及 59%時 30 秒的轉換效率分別為 70%、74.6%及 73.8%，

60 秒的轉換效率分別為 63.2%、70.2%及 69.8%，環氧樹脂 Spurr 的導熱率為 0.2，

Poss 的導熱率為 0.3，Epoxy 的導熱率為 0.8，從導熱率來看 Spurr 的導熱率為最差，

所以上升溫度也是最多，而造成轉換效率降低也是最多的，因為從前面可以得知隨著溫度上升而轉換效率隨之降低。

(51)

45

圖 32、AR=0.19，30 秒後與 60 秒後的轉換效率比較

圖 33 為當陶瓷寬高比 0.5 時，三種環氧樹脂整體轉換效率的比較，藍色部分為 30 秒後的轉換效率，紅色部分為 60 秒後的轉換效率，PZT8-Spurr 壓電複合材料換能器在 VF 值為 53%、64%及 79%時 30 秒的轉換效率分別為 64%、67%及 62%，

60 秒的轉換效率分別為 59.1%、64%及 59%，PZT8-Epoxy 壓電複合材料換能器在 VF 值為 53%、64%及 79%時 30 秒的轉換效率分別為 62.4%、64.5%及 51.4%，60 秒的轉換效率分別為 57.1%、61.3%、48.2%，PZT8-Poss 壓電複合材料換能器在 VF 值為 53%、64%及 79%時 30 秒的轉換效率分別為 62.6%、64.8%及 52%，60 秒的轉換效率分別為 57.2%、61.2%及 49.2%，環氧樹脂 Spurr 的導熱率為 0.2，Poss 的導熱率為 0.3，Epoxy 的導熱率為 0.8，從導熱率來看 Spurr 的導熱率為最差，所以上升溫度也是最多，而造成轉換效率降低也是最多的，因為從前面可以得知隨著溫度上升而轉換效率隨之降低。

(52)

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圖 33、AR=0.5 時，30 秒後與 60 秒後的轉換效率比較

從實驗結果來看，陶瓷寬高比 0.19 與 0.5 使用環氧樹脂 Spurr 的壓電複合材料換能器的轉換效率為最好，儘管經過 60 秒後的溫度上升造成轉換效率降低，但是由於本身的轉換效率就比另外兩種環氧樹脂的壓電複合材料換能器還要高，所以最終的轉換效率還是使用環氧樹脂 Spurr 的為最好，在陶瓷寬高比 0.19 時比較有明顯的差異性，也許是因為陶瓷寬高比 0.5 本身的轉換效率就不高，所以沒有明顯的差異性，還有理論上隨著陶瓷體積比的增加轉換效率也會隨之增加，但是由於間係之間互相干擾導致轉換效率降低，所以當間係大於 0.02mm 時，壓電柱之間的干擾會大幅提升，而影響轉換效率的大小，所以最好的設計是在間距為 0.02mm 時的壓電複合材料換能器。

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第五章結論與未來研究工作結論:

經過了所有特性化參數測詴之後，從實驗結果可以得知，使用環氧樹脂 Spurr 的電聲轉換效率為最好，然後幾何參數設計建議為陶瓷寬高比小於 0.5，壓電陶瓷柱的間距大於 0.1mm。

依據本研究之結果歸納出以下幾個重點:

(1) 三種壓電複合材料當中，PZT8-環氧樹脂 Spurr 的耦合因數為最好；然後在 AR

≤ 0.5 時，間距 > 0.1 mm 時壓電複合材料可以得到較佳的耦合因數。

(2) 另外，PZT8-環氧樹脂 Spurr 的品質因數也是三種壓電複合材料當中為最高；

當AR ≤ 0.5 時，隨著 VF 值的增加品質因數也隨之增加。

(3) 頻寬的測量結果顯示 PZT8-環氧樹脂 Poss 的頻寬為最大，由於頻寬與品質因數是倒數的關係，所以隨著 VF 值的增加頻寬也隨之降低。

(4) 介電損耗因數的結果可以看出三種材料當中環氧樹脂 Spurr 的介電損耗為最大，是因為 spurr 本身需高溫熱處理的關係所以導致介電損耗比較大。

(5) 電聲轉換效率會受換能器的溫升而降低，溫升 15.5℃造成 7%的效率降低。三種壓電複合材料當中 PZT8-環氧樹脂 spurr 的轉換效率為最好，而且在 AR=0.19、間距為 0.2mm、VF 為 39%時轉換效率為最好。

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中華大學 碩士論文