In this study, a 0-3 piezoelectric composite based on lead zirconate-titanate (PZT)/polyvinyl-butyral (PVB) was fabricated and characterized for its potential application in tactile sensing. The 0-3 composite was developed to incorporate the advantages of both ceramic and polymer. The paste of 0-3 PZT–PVB composite was printed using a conventional screen-printing technique on alumina and mylar substrates. The thickness of the prepared composite was approximately 80 μm. After printing the top electrode of the silver paste, 10 kV/mm of DC field was applied at 25 °C, 120 °C, and 150 °C for 10 min to align the electric dipoles in the composite. The piezoelectric charge coefficient of $d_{33}$ and the piezoelectric voltage coefficient of $g_{33}$ were improved by increasing the temperature of the poling process. The maximum values of $d_{33}$ and $g_{33}$ were 14.3 pC/N and 44.2 mV·m/N, respectively, at 150 °C. The sensor’s sensitivity to the impact force was measured by a ball drop test. The sensors showed a linear behavior in the output voltage with increasing impact force. The sensitivity of the sensor on the alumina and mylar substrates was 1.368 V/N and 0.815 V/N, respectively. The rising time of the sensor to the finger touch was 43 ms on the alumina substrate and 35 ms on the mylar substrate. Consequently, the high sensitivity and fast response time of the sensor make the 0-3 PZT–PVB composite a good candidate for tactile sensors.

Zusammenfassung: Ultraschallwandler werden zum Senden und Empfangen akustischer Wellen eingesetzt und bilden damit das Herzstück eines jeden Ultraschallprüfgeräts. Je nach Anwendung arbeiten sie in unterschiedlichen Frequenzbereichen. Ultraschallwandler mit niedrigen Arbeitsfrequenzen von 1 kHz bis 1 MHz werden insbesondere für Sonaranwendungen benötigt, wohingegen Hochfrequenz-Ultraschallwandler mit Arbeitsfrequenzen von mehr als 15 MHz für die hochauflösende Bildgebung im Rahmen biomedizinischer Untersuchungen und zerstörungsfreier Prüfverfahren interessant sind. Herkömmliche zerstörungsfreie Diagnose- und klinische Ultraschallbildgebungssysteme werden typischerweise mit Ultraschallwandlern, die bei Frequenzen zwischen 1 MHz und 10 MHz arbeiten, betrieben. Im Hinblick auf eine leistungsfähige Auslegung und kosteneffektive Fertigung müssen sowohl die verwendeten piezoelektrischen Komponenten als auch die Größe und innere Struktur solcher Wandler auf den Anwendungsfall zugeschnitten sein. Neben dem Ultraschallwandler, als aktives Element zur Umwandlung von elektrischer Energie in Schallenergie und umgekehrt, werden in einem Ultraschallprüfkopf weitere Komponenten wie Dämpfungskörper und Anpassschichten integriert um die Funktion an die jeweilige Messaufgabe anzupassen. Der Aufbau funktionsfähiger Ultraschallgeräte umfasst darüber hinaus die Ansteuer- und Auswerteelektronik sowie die Bildverarbeitung. Im vorliegenden Artikel werden verschiedene Fertigungstechnologien für Ultraschallwandler unterschiedlicher Frequenzbereiche vorgestellt, die von den Autoren in den vergangenen Jahren entwickelt wurden. 1-3-Piezokomposite auf der Basis von piezokeramischen Fasern können in nahezu jeder Dicke hergestellt werden, was Arbeitsfrequenzen entsprechender Ultraschallwandler zwischen 40 kHz und 8 MHz erlaubt. Das Soft-Mold-Verfahren ermöglicht die Herstellung von Hochfrequenz-Ultraschallwandlern mit Arbeitsfrequenzen von 5 MHz bis 40 MHz. Hochintegrierte Wandler können durch Siebdruck von Elektroden-, Piezokeramik- und Isolationsschichten auf mikroelektronischen Substraten hergestellt werden. Damit sind strukturierte Ultraschallwandler mit Arbeitsfrequenzen zwischen 5 MHz und 30 MHz möglich.

High frequency ultrasonic transducers have attained a lot of interest for high-resolution imaging, especially for non-destructive testing and biomedical imaging applications. Conventional dice-and-fill technique for fabrication of 1–3 piezocomposites becomes laborious and time-consuming as pillar size and gap width decrease. The soft mold process offers the opportunity for fabrication of fine-scale piezoceramic arrays with free design of ceramic pillars and different spatial distribution. Here, we report on the development of a 20 MHz ultrasonic transducer. Different designs of piezoceramic rods and spacings have been tested and characterized to shift spurious modes to frequencies approximately twice as working frequency. Ceramic pillars based on triangle and half hexagon cross sections tend to topple during sintering. Best results have been obtained using circular pillars in hexagonal arrangement with sintered dimensions of 34 µm diameter, 160 µm height and 10 µm spacing. 1–3 piezocomposites based on these structures show a coupling coefficient kt = 0.6 at the thickness resonance of 20 MHz. First resonance of pillar-to-pillar periodicity is measured at 37 MHz far enough away from thickness mode resonance.

Scanning Acoustic Microscopes for nondestructive imaging commonly use strong focusing single element probes with center frequencies up to 230 MHz. Depending on the test scenario and the materials a resolution down to 10 µm is reachable. This high resolution means a small extension of the sensitivity zone in lateral and axial direction and leads to the necessity of multiple C-Scans for the inspection of a volume. Using an annular-array transducer, the focal point can be shifted in axial direction. Thus, multiple scans in different depth can be replaced by a single scan. To achieve a comparable resolution to strong focused single element transducers it is necessary to increase the center frequency of annular-array transducers. So we present a prototype of a probe, that contains a planar annular-array transducer with a center frequency of 20 MHz and an aperture of 5.4 mm, separated into four quartered rings (16 elements). The characterization of the sound field, using a spherical reflector, shows a sensitivity zone with a lateral extension of 300 µm for focusing without a lens.