Page 156 - 《应用声学》2024年第1期

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principle. On this basis, the influence of the number of micro elements and resonant frequency on the directivity
of CMUT is analyzed. Finally, the emission and reception characteristics of 7 mm×7 mm two-dimensional rect-
angular CMUT in silicone oil medium are experimentally verified. The test shows that the emission directivity
curve is basically consistent with the simulation theoretical curve; In addition, the test of CMUT receiving
and transmitting directivity shows that the receiving and transmitting directivity is consistent, which verifies
the reciprocity of the sound field. The research of this paper has important reference value for the packaging
design of CMUT devices and the development of breast ultrasound CT imaging system based on CMUT array.
Keywords: Capacitive micromechanical ultrasonic transducer; Rectangular array element; Directivity; Sound
field reciprocity

模型进行有限元建模仿真，分析不同结构 CMUT
0 引言
的传输压力和接收信噪比，设计较优的 CMUT 结
构；Savoia 等 [16] 改进等效电路模型，拟合多个偏置
超声计算机断层成像 (Ultrasound computer
电压下的电阻测量值评估 CMUT 机电和寄生参数，
tomography, 超声CT)由于其重建图像具有较高的
用于 CMUT 阵列的芯片级表征，以评估微加工过
空间分辨率和媒质密度分辨率等优势，在医学超
程的均匀性和产量；Zhang 等 [17] 设计了一种空气
声成像领域得到了迅速发展，吸引了众多国内外
耦合六边形 CMUT 阵列，仿真确定 CMUT 结构参
学者的关注 [1−3] 。其中，高密度的超声换能器阵列
数并进行制备，测试性能良好，实现了低频声信号
是乳腺超声 CT 系统实现的核心器件 [4] 。现有的超
的初步检测；Shuai 等 [18] 提出了一种由 4 个同心环
声 CT 系统大多采用压电超声换能器，但是制作包
形单元组成 CMUT阵列并模拟了 CMUT阵列的声
含数千个高一致性阵元的压电换能器阵列存在工
场，结果表明此结构阵列在空气中具有产生聚焦超
艺难度大、成本高、功耗大等问题，更难以制作高
声的潜力；Yu 等 [19] 提出了在崩溃模式下工作的膜
密度压电换能器面阵 [5] 。相比于传统压电式超声
上具有环形浮雕图案的 CMUT 结构，实验表征表
换能器，基于微机电系统(Micro-electro-mechanical
明压花 CMUT 在输出压力和分数带宽方面比均匀
system, MEMS) 技术制作的电容式微机械超声换
膜 CMUT 性能更好；Wang 等 [20] 研究了不同结构
能器(Capacitive micromechanical ultrasonic trans-
以及不同微元间距、数量对 CMUT 带宽的影响，仿
ducer, CMUT)具有明显的优势 [6] 。随着MEMS微
真分析包含不同膜结构的 CMUT 在介质中的带宽，
加工工艺的迅速发展，CMUT 制备工艺更加成熟、
为CMUT的设计提供了指导。
灵活、简便，如牺牲释放工艺 [7] 、晶圆键合工艺 [8]
人体组织与水阻抗接近，乳腺超声 CT 成像以
等，且其易于批量生产，易于集成，可实现复杂的
水作为耦合剂可实现超声能量的高效传递。然而，
CMUT 传感器阵列。除此之外，因其振膜具有较低
CMUT换能器振膜表面含覆盖电极，因而不能直接
的机械阻抗 [6,9−10] ，可与传播介质更好的声学匹配，
用于水环境。为此，张睿等 [21] 提出了基于透声液
具有更大的带宽，即使在更高的工作频率下也是如
(硅油) 和透声薄膜 (聚氨酯) 的封装结构，将封装好
此。诸多内在特性和优势使得 CMUT 在乳腺超声
的 CMUT 器件至于水中。尽管此方法可以起到绝
成像领域具有良好的发展前景 [11−13] 。
缘与芯片保护的作用，但难以实现宽频、宽角度的
近年来，国内外针对 CMUT 器件微元及阵列
声波高效传输。因此，开展硅油介质中矩形 CMUT
结构设计开展了大量理论研究工作。Bayram等 [14]
器件的声场特性理论及实验研究，将对CMUT器件
利用有限元软件分析方形单元膜在不同偏置电压
封装设计以及基于 CMUT 阵列的乳腺超声 CT 成
下的声压，并通过实验对比得出，崩溃模式下 (即
像系统的研制提供重要参考价值。
对CMUT施加高于塌陷电压的偏置电压，振动薄膜
与硅基座相接触)CMUT输出声压更高；Park等 [10]
1 CMUT芯片结构
对 CMUT 多微元振动进行了仿真与测试分析，研
究多微元 CMUT 的速度响应，优化 CMUT 微元设 CMUT 芯片由多个 CMUT 微元并联而成，单
计；Wygant 等 [15] 依据 CMUT 单元结构等效电路 个 CMUT 微元由上电极、绝缘层、振动薄膜、真空