面向CMUT陣元的阻抗匹配設計與聲場特性測試

電容式微機械超聲換能器（CMUT）是利用MEMS微加工技術制作的超聲換能器，具有低聲阻抗、寬帶寬、體積小等優點。然而，相比于壓電式超聲換能器，CMUT存在發射靈敏度較低、輸出聲壓不夠高等問題。

據麥姆斯咨詢報道，為了解決CMUT聲發射能力弱、輸出聲壓低的問題，中北大學研究人員根據CMUT工作原理與阻抗匹配理論設計了匹配電路，實現信號源端到CMUT的最大功率傳遞，以此提升CMUT的聲發射性能，為CMUT的實際應用提供解決方案。相關研究成果已發表于《傳感器與微系統》期刊。

單個CMUT陣元由許多CMUT微元構成，其中每個CMUT微元由上下電極、振動薄膜、邊緣支撐、真空空腔、絕緣層和基座等部分組成。該研究所使用的CMUT的振動薄膜設計為圓形，為使CMUT獲得較大的機電耦合系數，取上電極半徑為振動薄膜半徑的1/2，這種設計稱為半鋪電極。由于CMUT并非在所有的頻率上都具有較高的機電轉換效率，為增強CMUT在特定頻率下的聲發射能力，需設計面向CMUT的阻抗匹配電路。考慮到CMUT的脈沖激勵條件，不能使用并聯到地的電感對CMUT進行阻抗匹配電路的設計。研究人員通過Smith圓圖設計了L形阻抗匹配電路。

CMUT微元結構示意

CMUT微元顯微鏡觀測

為探究阻抗匹配電路對CMUT陣元的影響，研究人員在脈沖激勵參數不變的情況下，對比測試了4mm × 4mm的CMUT陣元在有無阻抗匹配時的聲發射特性。軸向聲場特性對比測試結果顯示：阻抗匹配后的CMUT輸出聲壓與未匹配時其聲壓變化規律一致，但有阻抗匹配的CMUT輸出聲壓持續高于無匹配時CMUT輸出聲壓。輻射聲場指向性對比測試結果顯示：無阻抗匹配的CMUT在偏轉角度為±15°時，水聽器接收到的聲壓信號淹沒在噪聲中，無法檢測在此偏轉角度下的信號幅值。但當相同的偏轉角度時，有阻抗匹配的CMUT輸出聲壓強度一直高于無阻抗匹配時CMUT輸出聲壓，且有無阻抗匹配的主瓣寬度都約為6.2°，因此，阻抗匹配電路不影響CMUT輸出輻射聲場的主瓣寬度。

軸向聲場測試示意與測試結果

CMUT的聲發射能力測試環境示意與測試結果

阻抗匹配電路對CMUT陣元各參數的影響

綜合而言，該研究根據CMUT陣元的工作原理與測試所得的阻抗特性，通過Smith圓圖設計了L形阻抗匹配電路。該阻抗匹配電路能夠有效改變CMUT陣元的阻抗特性，在不改變CMUT輸出的軸向聲場與輻射聲場指向性的前提下，同時提升CMUT的聲發射效率。對后續更大帶寬的CMUT陣元匹配網絡的設計，以及CMUT的實際應用提供了一定幫助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.13873/j.1000-9787(2022)04-0089-04

來源：MEMS