壓電式微機(jī)械超聲波換能器（PMUT）在醫(yī)療成像、測(cè)距、無(wú)損檢測(cè)和流量感應(yīng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。PMUT通過(guò)撓性膜的振動(dòng)輸出超聲壓力波，因此，輸出聲壓的強(qiáng)度是衡量其測(cè)距能力的一個(gè)重要指標(biāo)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)PMUT輸出聲壓較低的問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所輕量化實(shí)驗(yàn)室、長(zhǎng)春理工大學(xué)以及中國(guó)科學(xué)院多功能材料與輕巧系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作提出了一種集成亥姆霍茲（Helmholtz）諧振腔的聲壓增強(qiáng)型PMUT。有限元仿真結(jié)果表明，該P(yáng)MUT中心軸線上的聲壓比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的PMUT的聲壓高42%。測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，集成了Helmholtz諧振腔的PMUT測(cè)距范圍達(dá)到2.62 m，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的PMUT提升了27%。相關(guān)研究成果近期以“聲壓增強(qiáng)型壓電微機(jī)械超聲換能器”為題發(fā)表在《壓電與聲光》期刊上。

PMUT設(shè)計(jì)與仿真

該研究構(gòu)建了聲壓增強(qiáng)型PMUT的電氣、機(jī)械和聲學(xué)等效電路模型，同時(shí)采用有限元法進(jìn)行仿真分析，對(duì)比了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與集成了Helmholtz諧振腔的PMUT的軸上聲壓。聲壓增強(qiáng)型PMUT的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，懸膜直徑為1200 μm，其中心有一個(gè)直徑為100 μm的通孔，用于釋放諧振腔中的聲壓。此外，錐形腔由濕法腐蝕形成，其開(kāi)口處寬度為700 μm，深度為370 μm，側(cè)壁與底部的夾角為54.74°。為了避免錐形腔影響懸膜振動(dòng)，將其頂部與懸膜底部的距離設(shè)置為30 μm。

圖1 聲壓增強(qiáng)型PMUT結(jié)構(gòu)圖

（1）諧振頻率

該研究使用二維軸對(duì)稱模型分別模擬PMUT和Helmholtz諧振腔的頻率響應(yīng)。如圖2所示，將頻域范圍設(shè)定為20 kHz ~ 100 kHz，步長(zhǎng)為1 kHz，通過(guò)仿真得到Helmholtz諧振腔內(nèi)的平均絕對(duì)聲壓。仿真結(jié)果顯示，在頻率為70 kHz時(shí)，Helmholtz諧振腔內(nèi)聲壓達(dá)到最大，故此諧振腔的諧振頻率為70 kHz。PMUT的諧振頻率與Helmholtz諧振腔接近，因此兩者形成諧振。

圖2 PMUT與Helmholtz諧振腔的頻率響應(yīng)

（2）軸上聲壓

聲壓增強(qiáng)型PMUT模型的軸對(duì)稱截面圖如圖3（a）所示。為了模擬聲波在遠(yuǎn)離聲源傳播過(guò)程中被吸收的情況，在空氣域的周?chē)O(shè)置了完美匹配層。空氣域的半徑為2000 μm，完美匹配層厚度為400 μm。聲壓增強(qiáng)型PMUT被完全置于空氣域內(nèi)，腔體的邊界條件定義為完全反射壁。圖3（b）為在70 kHz的激發(fā)頻率下，沿?fù)Q能器中心軸的聲壓隨z坐標(biāo)變化情況。實(shí)線是求解的聲壓在空氣域內(nèi)與幾何邊的z坐標(biāo)的關(guān)系，該幾何邊從PMUT表面沿?fù)Q能器軸豎直向上穿過(guò)內(nèi)空氣域的半徑，虛線為外場(chǎng)計(jì)算求得的壓力。結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)PMUT相比，聲壓增強(qiáng)型PMUT在空氣域內(nèi)的最大輸出聲壓高42%。

圖3 傳統(tǒng)PMUT和聲壓增強(qiáng)型PMUT的聲壓對(duì)比

測(cè)距演示

超聲波可在不同的介質(zhì)中傳播，不受物體顏色和光照強(qiáng)度的影響，因此超聲波測(cè)距技術(shù)能夠被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在該研究中，研究人員使用相同尺寸的聲壓增強(qiáng)型PMUT和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)PMUT分別進(jìn)行了測(cè)距實(shí)驗(yàn)，測(cè)距裝置如圖4（a）所示。PMUT被固定在測(cè)距電路板上，在水平方向進(jìn)行掃描。當(dāng)PMUT處于發(fā)射模式時(shí)，懸膜振動(dòng)，從而向空氣中發(fā)射超聲波；當(dāng)PMUT處于接收模式時(shí)，障礙物反射的超聲波被接收，從而將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)顯示在示波器中，測(cè)試結(jié)果如圖4（b）所示。為了防止誤報(bào)，信噪比閾值必須設(shè)置得足夠高。當(dāng)閾值為12 dB時(shí)，傳統(tǒng)PMUT的最大測(cè)距范圍是2.06 m，而聲壓增強(qiáng)型PMUT的最大測(cè)距范圍則提升了27%，達(dá)到2.62 m。

圖4 兩種結(jié)構(gòu)的PMUT的測(cè)距對(duì)比

測(cè)距范圍的增益與聲壓仿真的增益相比略有減少，主要原因有：（1）PMUT與諧振腔在制造過(guò)程中產(chǎn)生了誤差，這導(dǎo)致PMUT與諧振腔的頻率并不完全匹配，所以聲壓放大效果降低；（2）仿真時(shí)使用了簡(jiǎn)化的模型，實(shí)際制造的金字塔型諧振腔與仿真時(shí)圓錐型諧振腔結(jié)構(gòu)不一致。

綜上所述，該研究提出了一種集成Helmholtz諧振腔的聲壓增強(qiáng)型PMUT，其將軸上聲壓提高了42%，并且最遠(yuǎn)測(cè)距達(dá)到2.62 m，相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的PMUT提升了27%。這種結(jié)構(gòu)為PMUT在提升測(cè)距能力和拓寬應(yīng)用場(chǎng)景方面提供了一種新思路。

審核編輯：湯梓紅