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面向CMUT陣元的阻抗匹配設(shè)計與聲場特性測試

發(fā)布時間:2023-08-21 來源:MEMS 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】電容式微機械超聲換能器(CMUT)是利用MEMS微加工技術(shù)制作的超聲換能器,具有低聲阻抗、寬帶寬、體積小等優(yōu)點。然而,相比于壓電式超聲換能器,CMUT存在發(fā)射靈敏度較低、輸出聲壓不夠高等問題。


據(jù)麥姆斯咨詢報道,為了解決CMUT聲發(fā)射能力弱、輸出聲壓低的問題,中北大學(xué)研究人員根據(jù)CMUT工作原理與阻抗匹配理論設(shè)計了匹配電路,實現(xiàn)信號源端到CMUT的最大功率傳遞,以此提升CMUT的聲發(fā)射性能,為CMUT的實際應(yīng)用提供解決方案。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《傳感器與微系統(tǒng)》期刊。


單個CMUT陣元由許多CMUT微元構(gòu)成,其中每個CMUT微元由上下電極、振動薄膜、邊緣支撐、真空空腔、絕緣層和基座等部分組成。該研究所使用的CMUT的振動薄膜設(shè)計為圓形,為使CMUT獲得較大的機電耦合系數(shù),取上電極半徑為振動薄膜半徑的1/2,這種設(shè)計稱為半鋪電極。由于CMUT并非在所有的頻率上都具有較高的機電轉(zhuǎn)換效率,為增強CMUT在特定頻率下的聲發(fā)射能力,需設(shè)計面向CMUT的阻抗匹配電路??紤]到CMUT的脈沖激勵條件,不能使用并聯(lián)到地的電感對CMUT進行阻抗匹配電路的設(shè)計。研究人員通過Smith圓圖設(shè)計了L形阻抗匹配電路。


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CMUT微元結(jié)構(gòu)示意


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CMUT微元顯微鏡觀測


為探究阻抗匹配電路對CMUT陣元的影響,研究人員在脈沖激勵參數(shù)不變的情況下,對比測試了4mm × 4mm的CMUT陣元在有無阻抗匹配時的聲發(fā)射特性。軸向聲場特性對比測試結(jié)果顯示:阻抗匹配后的CMUT輸出聲壓與未匹配時其聲壓變化規(guī)律一致,但有阻抗匹配的CMUT輸出聲壓持續(xù)高于無匹配時CMUT輸出聲壓。輻射聲場指向性對比測試結(jié)果顯示:無阻抗匹配的CMUT在偏轉(zhuǎn)角度為±15°時,水聽器接收到的聲壓信號淹沒在噪聲中,無法檢測在此偏轉(zhuǎn)角度下的信號幅值。但當(dāng)相同的偏轉(zhuǎn)角度時,有阻抗匹配的CMUT輸出聲壓強度一直高于無阻抗匹配時CMUT輸出聲壓,且有無阻抗匹配的主瓣寬度都約為6.2°,因此,阻抗匹配電路不影響CMUT輸出輻射聲場的主瓣寬度。


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軸向聲場測試示意與測試結(jié)果


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CMUT的聲發(fā)射能力測試環(huán)境示意與測試結(jié)果


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阻抗匹配電路對CMUT陣元各參數(shù)的影響


綜合而言,該研究根據(jù)CMUT陣元的工作原理與測試所得的阻抗特性,通過Smith圓圖設(shè)計了L形阻抗匹配電路。該阻抗匹配電路能夠有效改變CMUT陣元的阻抗特性,在不改變CMUT輸出的軸向聲場與輻射聲場指向性的前提下,同時提升CMUT的聲發(fā)射效率。對后續(xù)更大帶寬的CMUT陣元匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計,以及CMUT的實際應(yīng)用提供了一定幫助。


論文鏈接:

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


來源:MEMS



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