较差，而且将其加工成用于3D成像的2D换能器阵列的本钱昂扬。相反，微机械超声换能器（MUT）的声...。
较差，而且将其加工成用于3D成像的2D换能器阵列的本钱昂扬。相反，微机械超声换能器（MUT）的声阻抗低，可以与空气/液体杰出耦合。此外，PMUT还具有元件尺度小、功耗低、本钱低以及易于与
无需贵重的切开工艺，高频（≥ 10 MHz）PMUT是块体型压电超声换能器阵列的一种入神的代替方案。更高的频率代表更高的空间分辨率，但在介质中的衰减也更高，这将适用于需求在短距离内取得高分辨率的使用，例如指纹辨认和内窥镜成像等。以往的PMUT研讨大多散布在在根本模态，Smith等人给出了多环电极驱动PMUT的格林函数（Green’s function）解析解和等效电路模型，但没有给出高阶模态的最佳电极规划。此外，高阶模态PMUT在发射和往复功能方面的优势尚未被提醒。
经过优化的电极装备和厚度，所提出的PMUT规划在传输和往复灵敏度方面的功能得到了明显改进。与相同半径的传统一阶PMUT比较，三阶PMUT的发射灵敏度和往复灵敏度别离提高了约10.2倍和4.12倍。脉冲回波剖析标明，与相同半径的一阶PMUT比较，三阶PMUT的接纳电压提高了8.6倍。有限元模仿依据成果得出，本文所提出的高阶模态PMUT规划具有高频、往复灵敏度较高、指向性强等特色，在构建高频大规模PMUT阵列中具有宽广的使用远景。
具有单压电晶片结构（包含电极、压电资料和支撑资料的堆叠层）的PMUT器材被近似为具有固支鸿沟的均匀薄板，该薄板的横截面图和俯视图如图1（a）和1（b）所示。
图1 多电极驱动的圆板（由固支鸿沟的多层构成）的（a）横截面图和（b）俯视图
在之前的研讨中，PMUT的榜首轴对称模态（0, 1）被以为具有最大的体积位移和速度，因而可发生尽可能高的声压。可是，第三轴对称模态（0, 3）的谐振频率是模态（0, 1）的10倍以上，因为PMUT的输出声压与ω²成正比，因而发生的声压更高。
为了证明提出的规划设想并验证所提出的高阶PMUT的优越性，考虑到发射和接纳灵敏度之间的权衡，研讨人员挑选模态（0, 3）作为剖析的示例。
为了评价所提出的高阶PMUT规划，研讨人员在COMSOLMultiphysics中建立了2D轴对称FEM模型。模型选用COMSOL中的默许资料参数。图2（a）-（c）别离显现了用于模仿发射灵敏度、接纳灵敏度和脉冲回波呼应的COMSOL模型装备。频域中的灵敏度模仿供给了更安稳、更高效的全频带信息和优化辅导，而时域中的脉冲回波模仿供给了包含发射和接纳进程在内的往复功能，全面评价了整体功能，更挨近飞翔时刻（ToF）使用的实践场景。
图2 用于（a）发射灵敏度（b）接纳灵敏度和（c）脉冲回波呼应的PMUT的2D轴对称FEM模型的装备
图3（a）-（c）显现了针对（0, 1）和（0, 3）模态来优化的两种PMUT规划的发射灵敏度STx、接纳灵敏度SRx和往复灵敏度SRT的频率呼应，别离标记为（0, 1）和（0, 3）。
图3 不同PMUT规划在相同半径a = 50 μm下的模仿发射、接纳和往复功能
图4 （0, 3）模态PMUT与传统（0, 1）模态PMUT输出声压级的空间散布和指向性比较
与（0, 1）PMUT比较，提出的（0, 3）PMUT表现出杰出的往复功能。PMUT中心的外表声压（P0）如图5（a）所示。两种PMUT规划由图5（c）所示的电压驱动，该电压是高斯函数和正弦函数的乘积。（0, 3）PMUT发生的外表声压为10.6 kPa，是（0, 1）PMUT（4.96 kPa）的2.15倍。图5（b）显现了经刚性鸿沟反射后回来PMUT外表的回波声压。经刚性鸿沟反射后，（0, 3）PMUT的回波声压（62.0 Pa）是（0, 1）PMUT（5.88 Pa）的10.5倍，这与STx的改进（10.2倍）是共同的。
PMUT的接纳电压如图5（d）所示。在接纳进程中，（0, 3）PMUT的最大接纳电压为6.53 µV，是（0, 1）PMUT（0.76 µV）的8.6倍。因为终端电阻与PMUT电抗不匹配，两种规划的接纳电压比高于SRT比（4.12倍）。（0, 1）和（0, 3）PMUT的电容别离为0.368和0.140 pF，对应的电抗别离为136和61 kΩ，导致输出电压比为2.05。因而，两者的最大接纳电压比约为4.12 × 2.05 ≈ 8.5。
图5 具有相同半径的（0, 1）模态与（0, 3）模态PMUT的模仿脉冲回波呼应
综上所述，本研讨提出了具有高阶轴对称模态的PMUT规划。为了证明这一规划设想，研讨人员选用了三阶模态做多元化的剖析，而将传统的一阶轴对称模态作为参阅。他们建立了n阶轴对称模态的剖析模型，并将其用于谐振频率f0、位移灵敏度As、发射灵敏度STx、接纳灵敏度SRx、往复灵敏度SRT和指向性的功能剖析，为优化高阶PMUT供给辅导，并经过FEM模仿进行了验证。经过优化电极装备和层厚度，与传统的（0, 1）PMUT规划比较，所提出的（0, 3）PMUT在发射、往复功能和高指向性方面的功能得到了明显改进。这些特性使得高阶模态PMUT在构建高频大规模阵列方面具有宽广的使用远景。
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