一片压电陶瓷，如何实现超声波的发射与接收？汉得利控股波速解析微型超声波传感

汽车倒车雷达如何在驾驶员看不见障碍物时感知距离？机器人怎样发现前方的物体？工业设备又如何在不直接接触目标的情况下测量位置与液位？这些看似不同的应用，背后都可能使用同一种技术——超声波传感。

很多人以为，超声波传感器内部应该有两个独立装置，一个负责发射，另一个负责接收。但实际上，在不少收发一体式设计中，同一个压电换能元件就可以通过分时工作完成这两项任务。它先把电信号转换成超声波发射出去，再将反射回来的机械波转换成电信号，让设备获得距离和环境信息。

更值得关注的是，实现这一过程的核心，可能只是一片直径几毫米的压电陶瓷。从材料角度看，这片陶瓷既不是传统意义上的扬声器，也不是普通的电子传感芯片，而是一种能够在电能与机械能之间进行双向转换的功能材料。

汉得利控股的江苏波速传感器有限公司，正是长期围绕这类压电材料开展研发与规模制造的企业。对于准备开发微型超声波传感器、测距模组、液位检测装置或者其他超声换能产品的客户来说，真正需要解决的问题并不只是传感器应该采用什么外壳，而是怎样选择一片能够稳定发射、准确接收，并适合批量生产的压电陶瓷。

同一片陶瓷为什么既能发射，又能接收？

压电陶瓷*特殊的地方，在于它能够利用两种相反方向的物理过程完成机电转换。

当交变电压施加到经过极化的压电陶瓷上时，材料会随电场发生微小伸缩，进一步带动振动结构产生机械波，这就是逆压电效应。反过来，当外界超声波作用到换能结构上，引起陶瓷振动与应力变化时，材料又会产生电荷和电压信号，这就是正压电效应。

因此，同一片陶瓷既可以成为声波的产生端，也可以成为声波的接收端。不过，真正的收发一体式传感器还需要驱动电路、收发切换、信号放大及处理系统配合，通常并不是在完全相同的时间同时发射和接收。

以常见的40 kHz空气超声测距系统为例，它每秒产生约4万次振动，单个振动周期仅25微秒。在约20℃的空气中，声速约为343 m/s，如果目标距离传感器1米，超声波往返2米所需的时间大约是5.8毫秒。系统只需识别发射与回波之间的时间差，就可以利用“距离=声速×往返时间÷2”的关系计算目标位置。

这也是超声波测距中经常提到的ToF（飞行时间）原理。

但这里还隐藏着一个真正影响产品性能的问题：压电陶瓷在发射脉冲结束后，并不会立即停止振动。由于振动系统自身具有惯性和机械储能，它可能继续产生短暂的衰减振动，也就是工程师所说的余振或振铃（Ringdown）。

如果余振持续时间过长，近距离目标反射回来的弱信号就可能被自身的振动掩盖，形成所谓的近距离检测盲区。这也解释了为什么有些超声波传感器可以探测较远的物体，却难以稳定识别近处目标。

真正高质量的超声换能结构，不只是要让陶瓷“发得响”，还要考虑发射结束后能否较快停止振动、回波到来时能否有效接收，以及整个系统能否保持稳定的信噪比。

一片压电陶瓷的双向换能能力，决定了超声波传感能够成立；而材料与结构之间的匹配，则决定了它*终能够做得多好。

真正决定超声性能的，不是一片陶瓷的尺寸

很多客户第一次选择超声波压电陶瓷时，往往先关注直径、厚度和工作频率。但实际开发中，一块陶瓷是否适合某种超声应用，还取决于压电常数、机电耦合系数、谐振特性、介电损耗以及与外部结构的机械匹配。

波速现有超声波专用压电陶瓷产品中，一款单层PZT陶瓷外径约为5 mm，厚度仅0.2±0.03 mm，压电常数d33达到470 pC/N以上，平面机电耦合系数kp大于0.64，径向谐振频率为405±20 kHz，电容约为1.4 nF。如此小的尺寸，却集成了能够实现电能与机械能转换的核心材料能力。

这些数字真正值得关注的地方，并不是单纯说明陶瓷很薄。

d33反映材料在相应方向上的压电响应能力，是评价机电转换性能的重要指标之一；kp则与陶瓷在平面振动模式下的机电耦合能力有关。而电容不仅影响电气阻抗，也关系到驱动电路输出能力、接收端阻抗匹配及信号处理设计。

波速另一款超声波专用陶瓷采用约7 mm的圆形结构，厚度约170～200微米，径向谐振频率为310±10 kHz，电容为2.5～2.8 nF，平面机电耦合系数大于0.55。与前一款相比，其尺寸、电容和频率特性有所不同，也对应着不同的结构匹配需求。

这里有一个非常值得超声波研发工程师注意的知识点：陶瓷本身的径向谐振频率，并不等于所有装配方案下超声波传感器*终的工作频率。

例如，常见的空气测距方案可以采用40 kHz左右的中心频率，而上述波速陶瓷公开参数中的310 kHz、405 kHz，描述的是对应陶瓷的径向谐振特性。它们属于不同的性能定义，不能直接混为一谈。真正完成传感器设计时，还要根据实际振动模式、机械负载、匹配层、固定结构和应用介质，确定整体换能器的工作特性。

这也是为什么专业客户选择压电陶瓷时，不能简单地只看某个频率是否“对得上”。

另一个重要指标是机械品质因数Qm。它与振动系统的能量损耗及谐振特性密切相关。较高的机械品质因数通常有利于获得较强的共振响应，但过于明显的窄带共振，也可能带来更长的振铃时间，不利于快速收发切换和近距离回波识别。因此，对于同时承担发射与接收任务的换能器，材料选型往往需要在输出能力、接收灵敏度、带宽和余振之间寻找平衡。

对波速而言，真正的陶瓷供应能力也不能只停留在“能做5 mm或7 mm的陶瓷片”，而在于根据客户对频率、驱动、接收灵敏度和结构空间的要求，选择适合的材料体系与器件规格。

科研正在回答：为什么陶瓷性能好，传感器却未必表现好？

如果把超声换能技术进一步向材料和结构层面追溯，就会发现科研界已经开始研究更深一层的问题：怎样同时提高压电陶瓷的机电性能、加工精度以及声波输出效率。

国际学术期刊《Nature Communications》发表的研究《3D Printing and Processing of Miniaturized Transducers with Near-pristine Piezoelectric Ceramics for Localized Cavitation》，通过优化压电陶瓷成型与烧结工艺，实现了复杂微结构压电元件的制造。研究中，特定实验材料的d33达到583 pC/N，厚度机电耦合系数达到0.57，并展示了微型超声换能器对声场的精细控制能力。

这些数值属于该研究中的实验材料，并不是波速产品参数。但这项研究说明了一个重要方向：超声换能性能并不只取决于材料是否具备压电效应，陶瓷的致密程度、微观结构、加工精度以及与整体换能器的集成方式，同样能够改变*终输出。

另一个值得关注的研究来自《Sensors and Actuators A: Physical》，论文《Design, Fabrication, and Characterization of 1-3 Piezoelectric Composite Air-Coupled Ultrasonic Transducers with Micro-Membrane Filter Matching Layer》针对空气耦合超声换能器进行了材料与匹配结构优化。研究人员通过PZT复合结构及双层声学匹配设计，在特定400～600 kHz实验系统中获得了*高15.6%的6 dB相对带宽。

这项研究背后的工程逻辑非常重要。

压电陶瓷能够高效振动，并不意味着产生的机械能量一定能顺利进入空气。因为陶瓷与空气之间存在很大的声阻抗差异，部分声能会在界面处发生反射。只有进一步设计声学匹配层、振动结构和介质耦合方式，才能把陶瓷内部的机械运动更加有效地传递出去。

这对于开发超声波传感器的企业是一个很有价值的提醒：不能把陶瓷材料、机械结构和声学匹配看成三个完全独立的环节。研发越往后推进，就越需要让材料供应商提前理解整机设计目标。

也正是在这一点上，长期掌握材料配方和器件制造能力的企业，能够发挥更加直接的工程价值。

从数十种配方到规模制造，波速的积累始于压电材料

对于江苏波速传感器有限公司来说，超声波压电陶瓷并不是为了某一项新兴应用才开始布局的产品。公司自2012年成立以来，长期围绕压电陶瓷和传感器开展研发、制造与应用，技术及产品领域覆盖超声波传感、爆震感知、工业传感和其他精密压电器件。

这段积累真正有价值的地方，在于超声波陶瓷不仅需要良好的单片性能，还必须具备稳定的制造工艺和批量一致性。

常州市侨联公开报道显示，波速已经掌握数十种压电陶瓷芯片配方，并在相关压电传感材料的自主研发和国产化方面取得突破。产品已进入汽车电子、工业控制与物联网等应用市场，并出口欧洲、美洲及东南亚地区。

对超声波传感器开发客户来说，“数十种配方”并不只意味着企业拥有更多材料选择，更意味着可以针对不同的工作条件，在压电响应、机械损耗、介电性能和温度特性之间进行综合匹配。

因为真正进入量产阶段以后，问题已经不再是某一片陶瓷能否达到理想的谐振频率，而是不同批次、不同生产周期的产品能否长期保持稳定。

粉体配比、成型厚度、烧结收缩、电极加工和极化状态的细微变化，都可能影响*终的压电性能。对于微型超声波传感器来说，即使材料性能只有一定程度的偏差，也可能进一步沿着装配结构传递到谐振、灵敏度和回波响应中。

因此，波速的优势不只是提供一片已经加工完成的陶瓷，更在于围绕材料配方、精密制造和质量控制建立持续的生产与供应基础。

这种底层技术能力，也得到母公司汉得利长期产业积累的支撑。

汉得利（常州）电子股份有限公司成立于2002年，业务从微电声器件逐步扩展到汽车声学、传感器、触觉反馈和微型热管理等领域。作为*专精特新“小巨人”企业，汉得利在先进压电陶瓷制造方面形成了较为完整的技术链条，已经具备50～100层高层叠压电陶瓷的稳定量产能力，部分单层结构厚度达到十余微米级。

虽然本文介绍的两款超声波专用陶瓷属于单层器件，并不需要直接套用多层制造结构，但从材料平台的角度看，单层陶瓷、复合振子与高层叠压电器件之间，存在共同的材料、烧结、电极和极化技术基础。母公司在多层压电陶瓷上的技术积累，也为波速进一步开展不同类型的核心器件开发提供了产业支持。

在产学研方面，汉得利曾整合天津大学、四川大学、南京航空航天大学以及*科学院上海硅酸盐研究所等高校院所创新资源，推动相关技术研发。其中，“堆叠式低温共烧高灵敏度压电陶瓷传感器关键技术及应用”项目，以汉得利、南京航空航天大学、江苏理工学院和江苏波速传感器有限公司为主要完成单位，进入江苏省科学技术奖相关提名名单。

这些公开技术成果并不意味着本文两款超声波陶瓷由上述院校直接研发，但能够反映汉得利控股体系在压电材料与器件制造领域的持续研发基础。

对于下游客户来说，这种能力*终应该体现为更加具体的合作价值：不仅能够获得符合结构要求的陶瓷产品，还能围绕工作频率、尺寸、电极、材料性能及批量一致性，建立更有针对性的选型与开发协同。

一片能够稳定量产的陶瓷，才是超声传感真正的起点

从汽车泊车辅助、机器人避障，到工业液位测量、距离检测和非接触式感知，不同的超声波应用对工作介质、检测范围、灵敏度、驱动条件以及结构尺寸有着不同要求。

对于研发企业来说，如果只把压电陶瓷当成一个固定规格的采购零件，往往会在后续结构设计和调试过程中遇到新的问题。更合理的开发方式，是从目标应用出发，在早期就同时考虑压电材料、机械振动模式、声学匹配和电子驱动之间的关系。

汉得利控股的波速传感器，凭借多年形成的压电陶瓷配方、制造工艺与批量供应基础，能够为超声波传感器、换能器及相关功能模组开发企业提供专业的压电核心材料与器件选择。

对于*终用户来说，他们看到的是一台能够识别距离和障碍物的智能设备；对于传感器研发人员来说，背后则是驱动电路、回波处理、声学结构和压电换能元件之间的共同工作。

而再向上游追溯，所有这些感知功能都有一个值得重新认识的起点。

一片压电陶瓷，可以让设备向外发出听不见的声音，也可以让设备重新听见物理世界的回应。

真正决定这种能力能否进入更多终端产品的，不只是压电效应本身，而是这片陶瓷能否被精确设计、稳定制造，并*终成为客户可以持续采购和规模应用的核心器件。