Page 126 - 《应该声学》2022年第2期

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imaging of the cross section of biological tissue, and verified the availability of the prepared cMUT device. This
research has important reference value for the field of industrial and medical imaging.
Keywords: Capacitive micromechanical ultrasonic transducer; Sound field; Directivity; Axial sound pressure;
Circular scanning imaging

cMUT 也已经被研究应用于其他方面，Choe 等 [11]
0 引言 进行了 cMUT阵列的体积成像研究，Wang等 [12] 进
行了 cMUT 探头的非线性超声成像，Savoia 等 [13]
微机电系统(Micro-electro-mechanical system,
研究了一种高灵敏度的cMUT气体密度传感器。
MEMS) 器件是人们现在最常见的微型传感设备，
它们的尺寸从纳米到微米不等，并能够进行感知和
1 基本原理与方法
驱动 [1] 。基于 MEMS 技术制作的电容式微机械超
声换能器 (Capacitive micromechanical ultrasonic 1.1 cMUT阵元声场计算
transducer, cMUT)是用于产生超声的微机电系统， 由于声学辐射与振动有关，cMUT 上极板振动
也是现阶段超声波换能器研究的新热点以及发展 时会产生多种振动模态，而非谐振频率时上极板挠
趋势 [2] 。利用高精度(微米量级)微电子和微机械加 度是多阶模态叠加的结果，且不同频率下叠加的模
工技术严格降低了制作阵列的误差，在优化换能器 态权重也不尽相同，所以考虑 cMUT 的实际振动情
及其阵列尺寸的同时也提高了成像的分辨率 [3] 。声 况去计算声场比较复杂。然而幸运的是一般情况下
传感器大致分为压电换能器、cMUT换能器、pMUT 测试发现 cell 振动相位相同，且由于主要还是分析
换能器。cMUT 技术可以克服许多缺点，在带宽和 大尺度下阵元的声场，这样小尺度的 cell 就可近似
灵敏度方面提供了更好的性能，与压电换能器一样， 为活塞，不需特别考虑弯曲振动的声场分布。这样
cMUT 技术通过超薄板的弯曲模式来发射或接收 就可假设不同频率下cell 都等效为活塞振动去分析
声音 [4] 。超声成像是一种重要的成像方式，具有广 阵元的辐射，并由实验验证其准确性。
泛的应用领域，如医学诊断、水下探测和材料无损 cMUT 阵元是由多个圆形 cell 行列排列组成
评估。由于单个 cell 在发射功率、成像分辨率、成像 的，如图 1 所示，其中 cell 半径为 a，cell 间距为 S x 、
清晰度、指向性等方面存在一定的局限性，cMUT S y ，由 N 行 M 列 cell 组成。单个 cell 辐射的声压见
由多个 cell 组成阵元，或由阵元按特定的方式进行 公式(1)：
排列用来改善其性能 [5] 。You 等 [6] 对单个 cell 的声 [ ]
ρ 0 u a a 2 2J 1 (ka sin θ) j(ωt−kr)
学辐射进行了研究；Shuai 等 [7] 对 cMUT 阵列进行 p = jω 2r ka sin θ e , (1)
了声学仿真，但没有给出理论公式。王朝杰等 [8] 将
式 (1) 中，p为所计算场点声压，ρ 0 为传播介质密度，
cMUT 阵元整体近似为活塞进行声场仿真，没有考
u a 为振速的幅值，a 为 cell 半径，ω 为圆频率，r 是
虑 cell 不同分布的结果。而本文对多个 cell 组成的
场点到 cell 中心的距离。利用数学仿真软件将多个
阵元进行计算仿真与实验研究，填补了研究空白。
cell 辐射的声场由一组公式 (2) 进行叠加，得到整个
cMUT 上极板振动发声时会受到几种力：直流
阵元的辐射声场。
电产生的静电吸引力，外界大气压产生的大气压力， ( )
2m − 1 − M
还有交流电作用发生受迫振动的动态力。弹性体 x m = S x , (2a)
2
振动时除受外力外，还受恢复力、惯性力，一般还 ( 2n − 1 − N )
y n = S y , (2b)
存在阻尼力，薄板在多种力共同作用下振动发射与 2
接收超声波 [9−10] 。文章首先分析 cMUT 的振动膜 r mn = √ (x − x m ) + (y − y n ) + z , (2c)
2
2
2
态；之后基于活塞辐射声学理论进行计算仿真，为 ( √ / )
θ mn = arctan (y − y n ) + (x − x m ) 2 z , (2d)
2
cMUT 声学设计提供了理论依据；最后选择指向性
M N
强的 cMUT 器件实现了环形扫描成像，对工业与医 P(x, y, z) = ∑ ∑ p mn , (2e)
学领域横截面成像检测有很重要的借鉴意义。当然 m=1 n=1