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第 37 卷 第 6 期 姜雪娇等： 微纳相控线阵超声换能器参数的理论分析 887

元数目为 72、焦点位置为 F(0,0,1.5 mm)、阵元间 波瓣。栅瓣出现不仅使声能产生能量 “泄露”，还会
距 100 µm，中心频率为 15 MHz，声速 1.5 mm/µs 产生干扰结构缺陷检测的伪信号。因此，栅瓣必须
时，图 6(b) 为一级旁瓣与主瓣比值与阵元宽度的 完全消除，否则不利于微纳线性相控阵超声成像
关系曲线，可以看出，阵元宽度增大，旁瓣大小得 检测。
到抑制；当线性阵列阵元间距为 70 µm、焦点位置 图 7 讨论了当线性阵列阵元数目为 72、焦点位
为 F(0,0,1.5 mm)，阵元宽度 50 µm，中心频率为 置为 F(0,0,1.5 mm)、阵元宽度 50 µm、中心频率为
15 MHz，声速1.5 mm/µs时，图6(c)中，旁瓣大小随 10 MHz、声速 1.5 mm/µs、波长 150 µm 时，随着阵
着阵元数目的增大而增大，因此，减小阵元数目可以 元间距增大 (60 µm, 70 µm, 120 µm, 160 µm)，微
抑制旁瓣。 纳线性相控阵横向声场分布图。可以看出，阵元间
旁瓣并不能被消除，只能抑制。根据以上讨论 距小于二分之一波长时，横向声场中没有栅瓣产生，
分析，增大阵元宽度，减小阵元间距或减小阵元数 阵元间距增大到超过二分之一波长时，横向声场分
目，能够减小一级旁瓣与主瓣的比值，使横向声场 布中出现明显的栅瓣，因此，为消除栅瓣，在设计微
具有较低的旁瓣，但是增大阵元宽度、减小阵元间 纳超声线性相控阵换能器时，阵元间距需要小于波
距均会导致−3 dB主瓣宽度变大，导致分辨率降低， 长的一半。
此外，减小阵元数目对主瓣宽度及强度也都会产生 上述关于阵元参数对横向声场中 −3 dB 主瓣
不利的影响。因此，在针对抑制旁瓣的优化设计中， 宽度及强度的影响规律研究，可以在斯坦福大学的

均衡考虑各方利弊是换能器制备的关键。 关于使用 PMUT 进行脉冲响应回波成像 [9] 的研究
中得到验证，如图 8 所示。图 8(a) 为采用本文模型
3.4 阵元参数对栅瓣的影响及理论分析 对不同阵元间距的微纳相控阵横向声场分布进行
栅瓣是相控阵横向声场图中某些位置出现的 仿真，图 8(b) 为斯坦福大学的文章中对不同阵元
幅值低于主瓣幅值且明显高于大部分旁瓣幅值的 间距的微纳相控阵横向声场测量与仿真结果的对比

1.0 1.0

0.8 0.8
ॆʷӑܦԍ 0.6 ॆʷӑܦԍ 0.6

0.4
0.4
0.2 0.2

0 0
−5 0 5 −5 0 5
ഷՔᡰሏ/mm ഷՔᡰሏ/mm
(a) 60 µm᫼Ћᫎᡰ (b) 70 µm᫼Ћᫎᡰ
1.0 1.0

0.8 0.8

ॆʷӑܦԍ 0.6 ॆʷӑܦԍ 0.6
0.4
0.4
0.2 0.2

0 0
−5 0 5 −5 0 5
ഷՔᡰሏ/mm ഷՔᡰሏ/mm
(c) 120 µm᫼Ћᫎᡰ (d) 160 µm᫼Ћᫎᡰ
图 7 不同阵元间距的相控阵横向声场分布
Fig. 7 The lateral sound field of phased array with different element pitch