超声换能器是超声波发射和接收的核心元件，在医用超声成像、超声治疗、工业无损检测和水下声纳等领域有着广泛的应用。近年来，随着MEMS技术的发展，电容式微加工超声换能器（CMUT）凭借其体积小、机电耦合系数高、带宽大、易集成、成本低等突出优势成为了替代传统PZT超声换能器，开发微型化、智能化和便携式医疗设备以及消费电子产品的下一代理想超声元器件。

为提供足够的超声能量，CMUT通常以由数百上千个单元组成的阵列结构进行工作。阵列结构及尺寸参数，包括填充因子、阵列尺寸和阵列排布形式，显著影响CMUT芯片的带宽、收发灵敏度、指向性和声场分布等性能。因此，建立CMUT阵列性能分析理论模型，构建阵列设计和优化策略具有重要意义。然而，现有研究多关注于CMUT阵列在空气中工作的情况，缺乏液体中单元间耦合效应增强情况下CMUT阵列设计与优化方法，以及CMUT阵列结构参数对声学性能影响的系统性研究，限制了如军用声呐、超声水下探测与成像等技术的发展。

鉴于此，小组系统研究了在液体环境中CMUT的阵列结构设计和优化方法，基于精确的分布式薄膜位移函数构建了高精度CMUT阵列性能分析理论，研究了CMUT阵列填充因子、阵列尺寸和阵列排布等结构参数对声学性能的影响规律，最终提出了CMUT阵列结构的设计和优化策略，并通过实验开展对比验证。该研究为液体环境下CMUT的阵列结构设计与优化提供高精度分析体系与优化策略，对于提高CMUT器件综合性能以及缩短产品研发周期具有重要意义。

图1 CMUT阵列填充因子、阵列尺寸、单元排布方式示意图

图2 CMUT阵列填充因子对声学性能的影响规律

图3 CMUT阵列尺寸对声学性能的影响规律

图4 CMUT阵列单元排布方式对声学性能的影响规律

该文章以“Modeling and Optimization of CMUTs Arrays for Improved Transmission and Reception Performance in Immersion”为题近日在国际高水平期刊IEEE Sensor Journal上在线发表，5年平均影响因子4.3。博士生袁佳炜为该论文学生第一作者，西安交通大学仪器科学与技术学院李支康副教授、赵立波教授为共同通讯作者。

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、重庆自然科学基础研究项目、陕西省青年科技新星项目的资助。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10413286