Page 155 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 Vol. 43, No. 1
2024 年 1 月 Journal of Applied Acoustics January, 2024

⋄ 研究报告 ⋄

硅油介质中矩形电容式微机械超声换能器发射与

接收声场特性研究 ∗

高碧珍 1 张 赛 1,2 何常德 1 王智豪 1 王子渊 1 张文栋 1†

(1 中北大学仪器与电子学院 动态测试省部共建实验室 太原 030051)
(2 江苏大学物理与电子工程学院 镇江 212013)

摘要：与传统压电式超声换能器相比，基于微机电系统微加工技术制备的电容式微机械超声换能器 (CMUT)
具有频带宽、灵敏度高、一致性好、易于集成等优势，在医学超声成像中具有广阔的应用前景。该文针对研制
的矩形 CMUT 器件，开展硅油介质中 CMUT 发射、接收声场特性的理论分析及实验验证研究。首先，针对
CMUT 阵元结构特征和工作原理，根据指向性函数理论和 Bridge 乘积原理，建立了矩形 CMUT 阵元指向性
函数分析模型。此基础上，分析微元数目以及谐振频率对 CMUT 指向性的影响规律。最后，针对 7 mm×7 mm
二维矩形 CMUT 在硅油介质中的发射和接收特性进行了实验验证，测试表明发射指向性曲线与仿真理论曲
线基本吻合；此外，CMUT 接收与发射指向性的测试表明，收发指向性具有一致性，从而验证了声场的互易
性。该文的研究对 CMUT 器件的封装设计以及基于 CMUT 阵列的乳腺超声 CT 成像系统的研制具有重要
参考价值。
关键词：电容式微机械超声换能器；矩形阵元；指向性；声场互易
中图法分类号: TB552 文献标识码: A 文章编号: 1000-310X(2024)01-0151-09
DOI: 10.11684/j.issn.1000-310X.2024.01.018

The characteristics of transmitting and receiving sound field of rectangular

capacitive micromechanical ultrasonic transducer in silicone oil medium

GAO Bizhen 1 ZHANG Sai 1,2 HE Changde 1 WANG Zhihao 1
WANG Ziyuan 1 ZHANG Wendong 1

(1 School of Instrument and Electronics, North University of China, State key Laboratory of Dynamic Testing Technology,
Taiyuan 030051, China)
(2 Department of Physics, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract: Compared with the traditional piezoelectric ultrasonic transducer, the capacitive micromachined
ultrasonic transducer (CMUT) based on micro-electro-mechanical system (MEMS) micromachining technology
has the advantages of wide frequency band, high sensitivity, good consistency, easy integration and so
on, and has broad application prospects in medical ultrasonic imaging. Aiming at the rectangular CMUT
device developed, this paper carries out theoretical analysis and experimental verification of the sound field
characteristics of CMUT emission and reception in silicone oil medium. Firstly, according to the structural
characteristics and working principle of CMUT array elements, the directional function analysis model of
rectangular CMUT array elements is established according to the directional function theory and Bridge product

2022-08-09 收稿; 2022-09-20 定稿
国家重大科研仪器研制项目 (61927807), 国家自然科学基金面上项目 (62271235)
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作者简介: 高碧珍 (1999– ), 女, 山西运城人, 硕士研究生, 研究方向: CMUT 超声系统测试。
† 通信作者 E-mail: wdzhang@nuc.edu.cn