面向CMUT阵元的阻抗匹配设计与声场特性测试

电容式微机械超声换能器（CMUT）是利用MEMS微加工技术制作的超声换能器，具有低声阻抗、宽带宽、体积小等优点。然而，相比于压电式超声换能器，CMUT存在发射灵敏度较低、输出声压不够高等问题。

据麦姆斯咨询报道，为了解决CMUT声发射能力弱、输出声压低的问题，中北大学研究人员根据CMUT工作原理与阻抗匹配理论设计了匹配电路，实现信号源端到CMUT的最大功率传递，以此提升CMUT的声发射性能，为CMUT的实际应用提供解决方案。相关研究成果已发表于《传感器与微系统》期刊。

单个CMUT阵元由许多CMUT微元构成，其中每个CMUT微元由上下电极、振动薄膜、边缘支撑、真空空腔、绝缘层和基座等部分组成。该研究所使用的CMUT的振动薄膜设计为圆形，为使CMUT获得较大的机电耦合系数，取上电极半径为振动薄膜半径的1/2，这种设计称为半铺电极。由于CMUT并非在所有的频率上都具有较高的机电转换效率，为增强CMUT在特定频率下的声发射能力，需设计面向CMUT的阻抗匹配电路。考虑到CMUT的脉冲激励条件，不能使用并联到地的电感对CMUT进行阻抗匹配电路的设计。研究人员通过Smith圆图设计了L形阻抗匹配电路。

CMUT微元结构示意

CMUT微元显微镜观测

为探究阻抗匹配电路对CMUT阵元的影响，研究人员在脉冲激励参数不变的情况下，对比测试了4mm × 4mm的CMUT阵元在有无阻抗匹配时的声发射特性。轴向声场特性对比测试结果显示：阻抗匹配后的CMUT输出声压与未匹配时其声压变化规律一致，但有阻抗匹配的CMUT输出声压持续高于无匹配时CMUT输出声压。辐射声场指向性对比测试结果显示：无阻抗匹配的CMUT在偏转角度为±15°时，水听器接收到的声压信号淹没在噪声中，无法检测在此偏转角度下的信号幅值。但当相同的偏转角度时，有阻抗匹配的CMUT输出声压强度一直高于无阻抗匹配时CMUT输出声压，且有无阻抗匹配的主瓣宽度都约为6.2°，因此，阻抗匹配电路不影响CMUT输出辐射声场的主瓣宽度。

轴向声场测试示意与测试结果

CMUT的声发射能力测试环境示意与测试结果

阻抗匹配电路对CMUT阵元各参数的影响

综合而言，该研究根据CMUT阵元的工作原理与测试所得的阻抗特性，通过Smith圆图设计了L形阻抗匹配电路。该阻抗匹配电路能够有效改变CMUT阵元的阻抗特性，在不改变CMUT输出的轴向声场与辐射声场指向性的前提下，同时提升CMUT的声发射效率。对后续更大带宽的CMUT阵元匹配网络的设计，以及CMUT的实际应用提供了一定帮助。

论文链接：

https://doi.org/10.13873/j.1000-9787(2022)04-0089-04

来源：MEMS