超声成像是医学影像技术的主要工具之一，通常被称为医学超声波诊断法。产生超声波的超声换能器技术的发展是医学超声研究的热门课题。
电容式微机械超声换能器(cMUTs)有着广泛的应用前景。与传统的压电超声换能器相比，cMUTs具有许多特有的优势。
cMUT振动膜的弯曲模态降低了器件的机械阻抗，更易于工作介质相匹配，机电耦合效率更高。此外，现如今先进的MEMS工艺能批量加工出尺寸很小的cMUT，质优价廉。
此外，cMUT还有一个优点就是其内部的CMOS电路，驱动和读取电路离的越近意味着信噪比越高。电路中的互连问题也得到了解决，易于设计成高密度的线阵或更复杂的面阵。综上所述，cMUTs被认为非常适用于下一代超声诊断成像。在过去的二十年里，虽然早有基于cMUTs的超声成像样机出现，但是对于单个cMUT单元的研究，无论是有限元建模(和分析)还是试验测量却鲜有报道。
事实上，对输出压力和相应的频率响应的准确预测，对于超声换能器的设计非常有价值。我们采用有限元模型仿真结合光学扫描技术，获得换能器的表面瞬态响应，然后用瑞利积分法构建空间压力场。利用水听器检测cMUT的输出压力，并将仿真结果与实测结果进行比较。
装置和技术搭建
选择一个独立的方形圆角cMUT单元作为试验对象（样品）。这样一来，可以将任何相邻的如串扰等影响降低至可忽略水平。
图1(a)为样品俯视图，方形振动膜的直径为60 μm，有两个探针垫，靠近样品的探针垫连接底部电极，另一个则连接顶部电极。
当将直流和交流电压分别施加在两个垫片上，或叠加在其中一个垫片上，另一个垫片接地时，薄膜将会振动，从而在周围介质中产生相应的超声波。
在本文中，我们在两种介质中驱动该样品：空气和氟化液FC-84(美国3M公司生产的氟化液)。
测试：光学和声学
我们使用德国Polytec公司的MSA-500显微式激光测振仪获取cMUT单元的动态特性。试验搭建图如图2(a)所示。将cMUT单元浸入FC-84中，深度约为5毫米。将源于脉冲发生器的+60v、持续时间为50ns的脉冲施加到连接cMUT电池底部电极的软垫上。将-160v 的直流偏置电压，等于60%的理论吸附电压施加到另一软垫上。脉冲电压和直流偏置电压的极性产生了电压叠加的效果，测试是在空气和FC-84中分别进行的。
需要注意的是，我们需要对在FC-84中的测试结果进行修正，将测试得到的位移除以1.261 (FC-84的折射率)。
动态(共振)响应
根据声学理论，附在换能器表面的液体会作为附加载荷(称为辐射质量)与换能器一起振动。辐射质量会降低振动膜的谐振频率(或压力频率响应谱图中的中心频率)。为了评估流体载荷的影响，我们分别在空气和FC-84中评估了cMUT单元的频响特性。
空气中的测量结果:
在ANSYS仿真软件中，首先对cMUT单元施加恒定的160V直流偏置电压形成预紧力，然后进行谐波仿真。评估中心点的位移，并归一化至最大值(图3)。
在空气中时，共振频率的仿真结果为9.43 MHz，而Polytec测得结果为9.5 MHz。有限元仿真结果与实测结果的中心频率的差异可忽略不计。然而，我们观察到，Q值的差异比较显著。Q值是共振峰中心频率的-3dB带宽决定的。从ANSYS仿真软件得到的Q值496大约是实测得到的Q值232的2倍。我们认为这个数据是合理的，因为在仿真时，除了空气阻尼损失外并没有将其它额外损失考虑在内。实际上，空气阻尼可以忽略不计，材料阻尼和/或支撑或固定(损耗)阻尼占主导地位。
FC-84中的测试结果:
同样的，以FC-84作为周围介质时，也对cMUT的仿真和实测结果进行了比较（图4）；采用多项式拟合来减小流体测试中的噪声。仿真和试验都表明，与在空气中测量相比，共振频率有明显的变化。FC-84中cMUT的中心频率约为5.5MHz（空气中为9.5MHz）。这种下降是由于FC-84的辐射质量比空气要大得多。在FC-84中获取的Q值也比空气中获取的Q值要小很多。
在FC-84中，仿真（Q值=1.2）和测量（Q值=1.1）之间的一致性比在空气中要好得多，这是由于在FC-84中流体阻尼占主导，Q值小于1表明了cMUT单元的高带宽特性。
动态（位移）响应
在ANSYS仿真软件中进行预紧力瞬态仿真时，首先需要进行无瞬态效应的瞬态仿真(ANSYS命令：timint, off)，只施加恒定的160 V直流偏置电压，然后再叠加一个脉冲进行正常的瞬态仿真。
考虑到Polytec测量的信号延迟，在无瞬态效应的瞬态仿真中设置175ns的持续时间，这意味着在第175ns时施加电压为60v, 持续时间为50nm的脉冲。再次评估中心节点的位移。由于Polytec数据不存在静态缺陷，因此对实测位移进行了调整，以便与仿真结果进行比较。
空气中的测试结果:
cMUT单元在空气中时，ANSYS仿真和Polytec实测的动态响应如图5所示。
在前几个周期内，两者的振幅匹配度很好。由于谐振频率和Q值的失配，几个周期后仿真和实测之间的差异变得比较明显。由于在实测时除空气阻尼外还有其它阻尼(材料阻尼、固定损失等)，其响应的衰减速度预计要比仿真时快得多。
FC-84中的测试结果:
在FC84中重复了类似的仿真和实测。当样品浸入在FC-84中时，介质阻尼是主导，无论是仿真还是实测，瞬态位移信号均发生迅速衰减(图6)。
结论
本文对单个cMUT单元的有限元仿真和试验进行了明确的相关性研究，并对cMUT单元的动态特性进行了清晰的阐述。ANSYS仿真结果与Polytec实测结果的一致性较高。相应的空间压力结果与水听器的测量结果也比较吻合。这说明ANSYS结合瑞利积分法是一种快速有效的压力场仿真方法。我们相信这对未来复杂cMUT阵列的设计大有裨益。
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