面向CMUT阵元的阻抗匹配设计与声场特性测试

发布时间:2023-07-25  

电容式微机械超声换能器()是利用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,存在发射灵敏度较低、输出声压不够高等问题。

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据麦姆斯咨询报道,为了解决声发射能力弱、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。

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CMUT微元结构示意

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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。

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轴向声场测试示意与测试结果

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CMUT的声发射能力测试环境示意与测试结果

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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

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