壓電式微機械超聲波換能器（PMUT）在醫療成像、測距、無損檢測和流量感應等領域有著廣闊的應用前景。PMUT通過撓性膜的振動輸出超聲壓力波，因此，輸出聲壓的強度是衡量其測距能力的一個重要指標。

據麥姆斯咨詢報道，針對傳統結構PMUT輸出聲壓較低的問題，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所輕量化實驗室、長春理工大學以及中國科學院多功能材料與輕巧系統重點實驗室的研究人員合作提出了一種集成亥姆霍茲（Helmholtz）諧振腔的聲壓增強型PMUT。有限元仿真結果表明，該PMUT中心軸線上的聲壓比傳統結構的PMUT的聲壓高42%。測距實驗結果表明，集成了Helmholtz諧振腔的PMUT測距范圍達到2.62 m，比傳統結構的PMUT提升了27%。相關研究成果近期以“聲壓增強型壓電微機械超聲換能器”為題發表在《壓電與聲光》期刊上。

PMUT設計與仿真

該研究構建了聲壓增強型PMUT的電氣、機械和聲學等效電路模型，同時采用有限元法進行仿真分析，對比了傳統結構與集成了Helmholtz諧振腔的PMUT的軸上聲壓。聲壓增強型PMUT的結構如圖1所示。其中，懸膜直徑為1200 μm，其中心有一個直徑為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，其開口處寬度為700 μm，深度為370 μm，側壁與底部的夾角為54.74°。為了避免錐形腔影響懸膜振動，將其頂部與懸膜底部的距離設置為30 μm。

圖1 聲壓增強型PMUT結構圖

（1）諧振頻率

該研究使用二維軸對稱模型分別模擬PMUT和Helmholtz諧振腔的頻率響應。如圖2所示，將頻域范圍設定為20 kHz ~ 100 kHz，步長為1 kHz，通過仿真得到Helmholtz諧振腔內的平均絕對聲壓。仿真結果顯示，在頻率為70 kHz時，Helmholtz諧振腔內聲壓達到最大，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

（2）軸上聲壓

聲壓增強型PMUT模型的軸對稱截面圖如圖3（a）所示。為了模擬聲波在遠離聲源傳播過程中被吸收的情況，在空氣域的周圍設置了完美匹配層?？諝庥虻陌霃綖?000 μm，完美匹配層厚度為400 μm。聲壓增強型PMUT被完全置于空氣域內，腔體的邊界條件定義為完全反射壁。圖3（b）為在70 kHz的激發頻率下，沿換能器中心軸的聲壓隨z坐標變化情況。實線是求解的聲壓在空氣域內與幾何邊的z坐標的關系，該幾何邊從PMUT表面沿換能器軸豎直向上穿過內空氣域的半徑，虛線為外場計算求得的壓力。結果顯示，與傳統PMUT相比，聲壓增強型PMUT在空氣域內的最大輸出聲壓高42%。

圖3 傳統PMUT和聲壓增強型PMUT的聲壓對比

測距演示

超聲波可在不同的介質中傳播，不受物體顏色和光照強度的影響，因此超聲波測距技術能夠被廣泛應用于各個領域。在該研究中，研究人員使用相同尺寸的聲壓增強型PMUT和傳統結構PMUT分別進行了測距實驗，測距裝置如圖4（a）所示。PMUT被固定在測距電路板上，在水平方向進行掃描。當PMUT處于發射模式時，懸膜振動，從而向空氣中發射超聲波；當PMUT處于接收模式時，障礙物反射的超聲波被接收，從而將機械信號轉化成電信號顯示在示波器中，測試結果如圖4（b）所示。為了防止誤報，信噪比閾值必須設置得足夠高。當閾值為12 dB時，傳統PMUT的最大測距范圍是2.06 m，而聲壓增強型PMUT的最大測距范圍則提升了27%，達到2.62 m。

圖4 兩種結構的PMUT的測距對比

測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與諧振腔在制造過程中產生了誤差，這導致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）仿真時使用了簡化的模型，實際制造的金字塔型諧振腔與仿真時圓錐型諧振腔結構不一致。

綜上所述，該研究提出了一種集成Helmholtz諧振腔的聲壓增強型PMUT，其將軸上聲壓提高了42%，并且最遠測距達到2.62 m，相較于傳統結構的PMUT提升了27%。這種結構為PMUT在提升測距能力和拓寬應用場景方面提供了一種新思路。

審核編輯：湯梓紅