超声检测技术在医疗卫生、工业无损检测、化工生产、海洋地形勘探及军事声纳等领域具有重要工程应用价值和广阔应用前景。其中，电容式微加工超声换能器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer, CMUT）是采用微加工技术而制备的微型超声换能器，相对于传统的超声换能器，CMUT 所具有的突出性能优势使其在无损检测、超声指纹识别、3D 超声姿态识别以及非接触控制等领域表现出巨大应用潜力，因此，开展CMUT的相关研究将有力促进上述应用领域的发展，具有重要意义。

然而，CMUT工作时所需加载的高直流偏置电压（高于100V）、用于超声波发射和接收的CMUT需分离设计、超声波输出声压和接收灵敏度无法同时提高已成为限制其广泛应用的主要难题。如何在降低CMUT工作电压的同时增大CMUT输出声压和接收灵敏度、实现超声波发射和接收CMUT的一体化设计与制备是目前CMUT亟待解决的难题。

鉴于此，小组提出具有T形腔的CMUT结构（T-CMUT）。这种改进使得整个膜片的平均位移显著增加，从而在不限制最大振动幅度（最大输出压力）的情况下，大幅提升了发射和接收灵敏度。此外，由于膜位移增大，T形腔有助于大幅降低塌陷电压。这种现象主要基于外围空腔高度的降低提高了静电刚度软化效应，使得膜外围区域的刚度与中心区域相比下降相对更显著。本文主要通过有限元法（FEM）研究了所提出的T-CMUT的主要性能指标与T形空腔结构参数间的影响规律，进而分析得到T形空腔的最优参数范围，并成功验证相比于常规结构和其他报道提出的结构T-CMUT有更优异的整体性能。这将有力推动CMUT在便携式3D超声成像、超声3D生物识别和超声手势识别等领域的应用。

图1 T-CMUT结构及原理示意图

图2 T形腔关键参数对CMUT塌陷电压和阈值位移的影响规律

图3  T形腔关键参数对CMUT薄膜变形的影响规律

图4 不同T形腔参数下CMUT表面的声场分布

表1 T-CMUT与前期报道的CMUT结构的主要性能比较

该文章以“Design and Modeling of CMUTs with T-shape Cavities for Low Working Voltage, High Ultrasound Transmission and Reception”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4.7。西安交通大学仪器科学与技术学院李支康副教授为该论文第一作者，博士生秦韶辉为该论文学生第一作者，，赵一鹤助理教授、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、安徽省重大科技项目、陕西省青年科技新星项目的资助。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/11008879