Page 157 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 高碧珍等： 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 153

空腔、边缘固支、绝缘层、衬底、下电极组成，如 运动，辐射出相应频率的超声波。当CMUT处于接
图 1 所示。CMUT 工作模式可分为两种，包括发射 收模式时，只在上下电极间施加直流偏置电压，振
模式和接收模式。当CMUT 处于发射模式时，在上 动薄膜处于平衡状态，当介质中传播的超声波作用
下电极间施加直流偏置电压 (V dc )，产生的静电力 在振动薄膜时，薄膜做往复运动，CMUT 空腔间距
使振动薄膜垂直向下弯曲变形，因薄膜有一定的回 发生改变，引起极板间电容变化，产生电流信号，
弹力，在两种力的作用下，薄膜达到平衡状态，此 经过跨阻放大电路等处理，实现超声波的电信号
时施加频率为 f 的交流电压 (V ac )，激励薄膜做往复 接收 [22−23] 。
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图 1 CMUT 结构示意图
Fig. 1 Structural diagram of CMUT
图 2 所示为自主研制的矩形 CMUT，表 1 为主
2 CMUT换能器指向性理论及仿真
要结构参数。该 CMUT 由 900 (30 × 30) 个微元并
联构成，利用传统的硅晶圆键合工艺制备而成 [8] 。 2.1 矩形CMUT指向性理论
CMUT 阵元芯片的下电极通过环氧树脂导电胶粘
指向性是CMUT发射/接收响应的幅度随主波
接于电路板上，上电极通过引线与电路板金属焊点
束角扫描变化的特性 [24] 。指向性的好坏对超声成
连接，从电路板上引出上下电极的测试导线。
像效果有着显著影响，主瓣宽度越窄，成像分辨率
表 1 CMUT 结构参数 越高。CMUT发射/接收超声的过程即为CMUT的
Table 1 Structure parameters of CMUT 振动过程，往往将其看作为一个振动系统进行分析，

考虑 CMUT 的实际振动情况去计算声场较为复杂，
参数 值
CMUT 单个微元尺寸微小，近似为活塞，因而可将
CMUT 换能器尺寸/µm 7000×7000
微元数量 900(30×30) 不同频率下的微元振动都等效为活塞振动去分析
硅薄板厚度/µm 2.83 CMUT声场。
真空腔体直径/µm 180 对于 CMUT 圆形微元，半径为 R，由贝塞尔函
真空腔体高度/µm 0.65 数的性质可知，当 x = 0 时，J 1 (x)/x = 1/2，J 1 表示
真空腔体底部绝缘层厚度/µm 0.15
第１类一阶贝塞尔函数，其发射指向特性为
金属上电极直径/µm 90

(p a ) 2J 1 (kR sin θ)
金属上电极和下电极厚度/µm 1 D(θ) = θ = , (1)
(p a ) kR sin θ
硅衬底厚度/µm 430 θ=0
其中，波束数 k = 2π/λ，θ 为声线与 z 轴正方向的
夹角。
CMUT 阵元是由多个圆形微元排列组成的二
维矩形平面，如图 3 所示。dx、dy 分别为沿 x 轴和
y 轴方向的各微元间中心间距。阵元指向性函数可
由微元结构的指向性函数通过加法定理和乘积定
理组合而成，假设二维矩形平面阵元由 M×N 个
图 2 CMUT 换能器芯片
Fig. 2 Structural diagram of CMUT CMUT微元组成，根据 Bridge乘积原理 [25] ，该阵元