超声相控阵传感器因其在医学诊断、工程结构无损检测以及结构健康监测等领域的广泛应用而备受关注。传统超声相控阵传感器通常为平面刚性结构，难以贴合曲面目标（如人体表面或工业管道），导致界面处产生强烈的超声反射，进而影响检测性能。柔性超声相控阵传感器的出现为克服这一局限性提供了新思路，能够实现与曲面的完美贴合。近日，中国科学院力学研究所成功研发了一种用于曲面构件无损检测的柔性可弯曲超声相控阵传感器（BPAUT），解决了柔性超声传感器在变形过程中压电阵元间距变化的难题，在当前的工程应用中更具可行性。该研究成果以“Bendable Phased-Array Ultrasound Transducer for Imaging on Curved Surfaces”为题近期发表于国际学术期刊ACS Nano上。

BPAUT采用了一种恒定间距保持（Constant-spacing-preservation, CPP）压电阵元阵列设计，该设计包含12×12个压电阵元，阵元之间通过硅橡胶粘接（图1）。这种设计不仅使传感器能够弯曲变形以贴合曲面构件，还能在变形过程中保持压电阵元间距恒定，从而精确实现超声声束的聚焦和偏转。此外，该传感器的压电阵列中每个压电阵元都配备了独立的背衬层和匹配层。背衬层用于吸收阵元向后传播的超声波，防止其反射干扰向前传播的超声波，从而提高超声图像的轴向分辨率（图2）。匹配层则用于最小化声阻抗的不匹配，提高超声能量的传输效率（图2）。为了确保传感器的轻便性，研究团队采用了多层柔性电路板来实现144条信号电路的连接。通过理论公式和有限元模拟，研究团队验证了该BPAUT在实现弯曲变形的同时保持压电阵元间距不变的特性（图3）。脉冲回波实验和扇形扫描实验进一步验证了这一特性，并证实了该BPAUT能够有效应用于曲面构件的无损检测（图4）。

论文第一作者为中国科学院力学研究所研究生尹世珍，通讯作者为苏业旺研究员。该工作得到了来自国家自然科学基金委和中国科学院的项目支持。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c16028

图1. BPAUT展示。a）BPAUT结构展示。b）多层柔性正极。c）柔性负极。d，e，f）柔性CPP压电阵元阵列。g）背衬层。h）匹配层。i）BPAUT弯曲展示

图2. BPAUT部件的性能。a）压电阵元的阻抗谱曲线和相位角谱曲线。b，c）背衬层性能的模拟（COMSOL）。d，e，f）匹配层性能的计算

图3. BPAUT的性能。a）阵元连接结构的有限元模拟。b）Cu最大应变和弯曲半径的关系。c）阵元间距和弯曲半径的关系。d）144独立信号通路的布置。e）BPAUT的三维指向图。f）脉冲回波曲线

图4. 脉冲回波和扇形扫描实验。a，b，c）延时法则。d，e，f）可视化声场（COMSOL）。g）曲面测试块。h）脉冲回波原理。i）扇形扫描原理。j）BPAUT贴合到曲面测试块。k）脉冲回波实验的回波曲线。l）扇形扫描实验的缺陷成像图