面向CMUT陣元的阻抗匹配設(shè)計(jì)與聲場(chǎng)特性測(cè)試

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

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了解決CMUT聲發(fā)射能力弱、輸出聲壓低的問題，中北大學(xué)研究人員根據(jù)CMUT工作原理與阻抗匹配理論設(shè)計(jì)了匹配電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)源端到CMUT的最大功率傳遞，以此提升CMUT的聲發(fā)射性能，為CMUT的實(shí)際應(yīng)用提供解決方案。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《傳感器與微系統(tǒng)》期刊。

單個(gè)CMUT陣元由許多CMUT微元構(gòu)成，其中每個(gè)CMUT微元由上下電極、振動(dòng)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(dòng)薄膜設(shè)計(jì)為圓形，為使CMUT獲得較大的機(jī)電耦合系數(shù)，取上電極半徑為振動(dòng)薄膜半徑的1/2，這種設(shè)計(jì)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(jī)電轉(zhuǎn)換效率，為增強(qiáng)CMUT在特定頻率下的聲發(fā)射能力，需設(shè)計(jì)面向CMUT的阻抗匹配電路?？紤]到CMUT的脈沖激勵(lì)條件，不能使用并聯(lián)到地的電感對(duì)CMUT進(jìn)行阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)。研究人員通過Smith圓圖設(shè)計(jì)了L形阻抗匹配電路。

CMUT微元結(jié)構(gòu)示意

CMUT微元顯微鏡觀測(cè)

為探究阻抗匹配電路對(duì)CMUT陣元的影響，研究人員在脈沖激勵(lì)參數(shù)不變的情況下，對(duì)比測(cè)試了4mm × 4mm的CMUT陣元在有無阻抗匹配時(shí)的聲發(fā)射特性。軸向聲場(chǎng)特性對(duì)比測(cè)試結(jié)果顯示：阻抗匹配后的CMUT輸出聲壓與未匹配時(shí)其聲壓變化規(guī)律一致，但有阻抗匹配的CMUT輸出聲壓持續(xù)高于無匹配時(shí)CMUT輸出聲壓。輻射聲場(chǎng)指向性對(duì)比測(cè)試結(jié)果顯示：無阻抗匹配的CMUT在偏轉(zhuǎn)角度為±15°時(shí)，水聽器接收到的聲壓信號(hào)淹沒在噪聲中，無法檢測(cè)在此偏轉(zhuǎn)角度下的信號(hào)幅值。但當(dāng)相同的偏轉(zhuǎn)角度時(shí)，有阻抗匹配的CMUT輸出聲壓強(qiáng)度一直高于無阻抗匹配時(shí)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(chǎng)的主瓣寬度。

軸向聲場(chǎng)測(cè)試示意與測(cè)試結(jié)果

CMUT的聲發(fā)射能力測(cè)試環(huán)境示意與測(cè)試結(jié)果

阻抗匹配電路對(duì)CMUT陣元各參數(shù)的影響

綜合而言，該研究根據(jù)CMUT陣元的工作原理與測(cè)試所得的阻抗特性，通過Smith圓圖設(shè)計(jì)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(chǎng)與輻射聲場(chǎng)指向性的前提下，同時(shí)提升CMUT的聲發(fā)射效率。對(duì)后續(xù)更大帶寬的CMUT陣元匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，以及CMUT的實(shí)際應(yīng)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