超声波因其无创性、低功耗、高灵敏度和高分辨率等特点，广泛应用于工业无损检测和生物医学成像领域。在工业无损检测中，需要通过超声波换能器接收从成像目标反射回来的声波，以生成工业设备内部结构的图像。高频声波（>20
MHz）在工业无损检测中具有优异的空间分辨率和高灵敏度，是检测芯片封装等精密电子组件内部缺陷的理想选择。
传统聚焦方法（机械压力、声学透镜、相控阵）存在机械损伤压电元件、传输效率低、成本高或复杂度高等问题，并且在实际应用中难以实现高精度和稳定的聚焦。
西安电子科技大学的研究人员提出一种无需机械压力或透镜的自聚焦高频超声换能器（HFUT），解决传统聚焦方法的局限性，提升NDT的性能。相关内容发表在最新一期的Nature子刊Scientific Reports上面，研究得到了多项中国国家自然科学基金和其他科研项目的资助。
1. 半凹压电元件设计和制作
通过精确的微纳加工技术，在压电元件（LiNbO3单晶）利用几何梯度的方式设计并制造了一种工作频率为62.7 MHz的自聚焦半凹超声换能器。该换能器具有优异的横向分辨率（39 μm）和-6 dB带宽（76.6%）。采用微纳加工技术制造半凹LiNbO3压电元件，其焦距为1 mm，孔径半径R为1 mm。元件的厚度t按照以下公式分布：
其中，R代表焦距；d0为元件最薄地方的厚度；r代表距离元件中心的水平距离。元件的制造过程包括使用高精度数控铣床对块状压电材料进行减薄、溅射电极层、添加背衬材料、抛光压电元件、电磁屏蔽处理、沉积保护涂层等步骤。
2. 无损高效聚焦
采用这种聚焦形式带来的好处，首先是避免机械压力导致的压电元件短路或陶瓷开裂问题，其次，也消除了声学透镜的材料吸收和反射损耗，提升灵敏度与带宽。自聚焦高频超声换能器相关示意图
1. 有限元仿真验证
使用
COMSOL Multiphysics
软件创建二维轴对称有限元模型，模拟声场分布，验证半凹压电元件聚焦特性。COMSOL模拟显示声波在去离子水中聚焦形成单焦点，焦点位置与设计相符，约在1
mm焦距处形成，横向半高宽（FWHM）36 μm，轴向FWHM 119 μm，验证了设计的有效性。
HFUT 的声场分布模拟结果
2.性能测试与成像验证
超声无损检测系统搭建
该系统含主机、脉冲接收器等六部分，各部件协同完成信号的控制、采集、转换和处理，实现对检测目标的成像。超声无损检测系统示意图
脉冲回波测试：测量了HFUT的脉冲回波，实验结果表明该半凹高频换能器具有宽频域响应，中心频率为62.7 MHz，-6 dB带宽为76.6%，未放大信号峰值-峰值达0.335 V，验证高频响应能力。分辨率测试：使用不锈钢分辨率板和钨丝模型对换能器的分辨率进行测试。结果表明，换能器的横向分辨率优于100 μm，在钨丝模型中测得的横向分辨率为36 μm（-6 dB），轴向分辨率为119 μm（-6 dB）。芯片成像测试：对多层电路板和芯片进行C模式成像，结果清晰地显示了多层电路板的过孔、焊盘和元件编号，以及芯片的不同截面的物理结构，证明了该换能器在微电子封装检测中的应用潜力。基本成像性能评估结果及其芯片和多层 PCB 的成像结果
1. 性能指标
高频（62.7 MHz）、宽带（76.6%）、高分辨率（39 μm），优于多数文献报道的高频换能器（如参考文献30-33）。2. 技术突破
首次将半凹结构应用于高频自聚焦换能器，实现无损、高效聚焦。无需匹配层即可达到宽频带，简化工艺并降低成本。由于该结构可以通过微纳加工技术批量制造，未来可以集成多个具有出色成像性能的HFUT用于工业无损检测成像，进一步提高检测效率和精度。3. 应用潜力
特别适合芯片封装缺陷检测（如焊点裂纹、空洞），推动微电子工业NDT技术进步。1. 局限性
目前仅验证单频点性能，多频段或动态调谐能力未提及。实际工业场景中的复杂介质（如复合材料）适应性需进一步测试。2. 未来方向
扩展至多频/宽带换能器阵列，提升扫描速度与三维成像能力。探索压电材料优化（如LiNbO3掺杂）以进一步提升性能。本文提出了一种基于半凹压电元件的自聚焦高频超声换能器，通过微纳加工技术实现了高分辨率、宽频带的无损聚焦。实验结果验证了其在芯片封装NDT中的优异性能，为工业精密检测提供了新工具，具有显著的工程应用价值。未来可通过材料优化和阵列集成进一步扩大其应用范围。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-025-93195-y
