压电式微机械超声波换能器（PMUT）在医疗成像、测距、无损检测和流量感应等领域有着广阔的应用前景。PMUT通过挠性膜的振动输出超声压力波，因此，输出声压的强度是衡量其测距能力的一个重要指标。
据麦姆斯咨询报道，针对传统结构PMUT输出声压较低的问题，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所轻量化实验室、长春理工大学以及中国科学院多功能材料与轻巧系统重点实验室的研究人员合作提出了一种集成亥姆霍兹（Helmholtz）谐振腔的声压增强型PMUT。有限元仿真结果表明，该PMUT中心轴线上的声压比传统结构的PMUT的声压高42%。测距实验结果表明，集成了Helmholtz谐振腔的PMUT测距范围达到2.62 m，比传统结构的PMUT提升了27%。相关研究成果近期以“声压增强型压电微机械超声换能器”为题发表在《压电与声光》期刊上。
PMUT设计与仿真
该研究构建了声压增强型PMUT的电气、机械和声学等效电路模型，同时采用有限元法进行仿真分析，对比了传统结构与集成了Helmholtz谐振腔的PMUT的轴上声压。声压增强型PMUT的结构如图1所示。其中，悬膜直径为1200 μm，其中心有一个直径为100 μm的通孔，用于释放谐振腔中的声压。此外，锥形腔由湿法腐蚀形成，其开口处宽度为700 μm，深度为370 μm，侧壁与底部的夹角为54.74°。为了避免锥形腔影响悬膜振动，将其顶部与悬膜底部的距离设置为30 μm。
图1 声压增强型PMUT结构图
（1）谐振频率
该研究使用二维轴对称模型分别模拟PMUT和Helmholtz谐振腔的频率响应。如图2所示，将频域范围设定为20 kHz ~ 100 kHz，步长为1 kHz，通过仿真得到Helmholtz谐振腔内的平均绝对声压。仿真结果显示，在频率为70 kHz时，Helmholtz谐振腔内声压达到最大，故此谐振腔的谐振频率为70 kHz。PMUT的谐振频率与Helmholtz谐振腔接近，因此两者形成谐振。
图2 PMUT与Helmholtz谐振腔的频率响应
（2）轴上声压
声压增强型PMUT模型的轴对称截面图如图3（a）所示。为了模拟声波在远离声源传播过程中被吸收的情况，在空气域的周围设置了完美匹配层。空气域的半径为2000 μm，完美匹配层厚度为400 μm。声压增强型PMUT被完全置于空气域内，腔体的边界条件定义为完全反射壁。图3（b）为在70 kHz的激发频率下，沿换能器中心轴的声压随z坐标变化情况。实线是求解的声压在空气域内与几何边的z坐标的关系，该几何边从PMUT表面沿换能器轴竖直向上穿过内空气域的半径，虚线为外场计算求得的压力。结果显示，与传统PMUT相比，声压增强型PMUT在空气域内的最大输出声压高42%。
图3 传统PMUT和声压增强型PMUT的声压对比
测距演示
超声波可在不同的介质中传播，不受物体颜色和光照强度的影响，因此超声波测距技术能够被广泛应用于各个领域。在该研究中，研究人员使用相同尺寸的声压增强型PMUT和传统结构PMUT分别进行了测距实验，测距装置如图4（a）所示。PMUT被固定在测距电路板上，在水平方向进行扫描。当PMUT处于发射模式时，悬膜振动，从而向空气中发射超声波；当PMUT处于接收模式时，障碍物反射的超声波被接收，从而将机械信号转化成电信号显示在示波器中，测试结果如图4（b）所示。为了防止误报，信噪比阈值必须设置得足够高。当阈值为12 dB时，传统PMUT的最大测距范围是2.06 m，而声压增强型PMUT的最大测距范围则提升了27%，达到2.62 m。
图4 两种结构的PMUT的测距对比
测距范围的增益与声压仿真的增益相比略有减少，主要原因有：（1）PMUT与谐振腔在制造过程中产生了误差，这导致PMUT与谐振腔的频率并不完全匹配，所以声压放大效果降低；（2）仿真时使用了简化的模型，实际制造的金字塔型谐振腔与仿真时圆锥型谐振腔结构不一致。
综上所述，该研究提出了一种集成Helmholtz谐振腔的声压增强型PMUT，其将轴上声压提高了42%，并且最远测距达到2.62 m，相较于传统结构的PMUT提升了27%。这种结构为PMUT在提升测距能力和拓宽应用场景方面提供了一种新思路。
论文信息：
DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2023.04.027
