超声成像（常被称为（诊断性）医学超声检查）是医学成像领域的主要技术之一。用于产生超声波的换能器技术的进步，是医学超声研发领域中一个发展迅速的研究课题。
电容式微加工超声换能器（cMUT）是此类超声应用中极具前景的换能器。与传统的压电超声换能器相比，cMUT本身具有许多独特特性。
cMUT薄膜的挠曲振模降低了器件的机械阻抗，并改善了与周围介质的能量耦合。此外，微加工技术使其能够轻松实现低成本、高密度间距的批量生产。
此外，cMUTs还受益于其底层的CMOS电路，因为驱动和读出电路的距离越近，信噪比就越高。电气互连问题也得到了解决，这使得大规模的一维或更复杂的二维阵列配置成为可能。鉴于上述事实，cMUTs已被公认为非常适合用于下一代超声诊断成像。 在过去的二十年里，已有若干研究团队报道了基于 cMUT 的超声成像原型。然而，无论是有限元法（FEM）建模、解析建模还是实验研究，对单个 cMUT 单元的研究往往未被涉及。
事实上，对输出压力及相应频率响应的精确预测，为超声换能器的设计提供了有用且重要的信息。我们同时采用了有限元（FEM）仿真和光学扫描技术来获取换能器表面的瞬态响应，随后利用这些结果通过瑞利积分法构建空间压力场。此外，还通过水听器检测了cMUT的输出压力，并对仿真结果与测量结果进行了对比。
设备与技术积累
本研究选取了一个具有圆角的孤立方形cMUT单元。将单元孤立开来的优点在于，任何干扰性邻域效应（如串扰、锚定等）均可被降低到可忽略不计的水平。 图1(a)为该器件的俯视图；方形膜片的直径为60 μm，上面设有两个探针垫，其中最靠近器件的一个连接到底电极，另一个连接到顶电极。当分别向两个探针垫施加直流和交流电压，或者将直流和交流电压叠加施加到其中一个探针垫上而另一个接地时，膜片将发生振动，并在负载介质中产生相应的超声波。 本文中，该装置在两种介质中进行驱动：空气和一种特定的氟烷FC-84（来自美国3MTM公司）。
测量：光学和声学
利用Polytec公司的MSAMicro System Analyzer 激光多普勒振动计，对cMUT单元的动态行为进行了研究。实验装置如图2(a)所示。cMUT单元浸没在深度约为5 mm的FC-84流体中。
将脉冲发生器产生的+60 V、持续时间为50 ns的脉冲施加到连接cMUT单元底电极的触点上。将-160 V直流偏压（相当于理论拉入电压的60%）施加到另一个触点上。脉冲电压和直流偏压的极性设计使得有效电压相加。 测量在空气中和FC-84中分别进行。对于FC-84中的测量结果，需进行校正：将测得的位移除以1.261（即FC-84的折射率）。
动态（共振）响应
根据声学理论，作为附着在换能器表面的一定质量（称为辐射质量），部分流体将随换能器一同振动。该辐射质量会降低振膜的共振频率（或压力频率响应曲线中的中心频率）。为了评估流体载荷的影响，分别在空气和FC-84环境中对cMUT传感单元的频率响应特性进行了评估。
“air”的搜索结果：
在ANSYS仿真中，首先对cMUT单元施加160 V直流恒定偏压，随后进行预应力谐波仿真。计算中心点的位移，并将其归一化为最大位移（图3）。在空气介质中，仿真结果显示共振峰值出现在约9.43 MHz处，而Polytec 的测量结果则显示峰值响应出现在9.5 MHz处。 有限元模拟与测量结果之间的中心频率偏差微乎其微。然而，观测到的Q因子的差异却相当显著。
Q因子由共振响应相对于其中心频率的-3 dB带宽来表征。ANSYS模拟得到的Q因子为496，约为测量值232的两倍。这被认为是合理的，因为除了空气阻尼损耗外，模拟中未考虑其他额外损耗。 因此，空气阻尼可忽略不计，而材料阻尼和/或支撑或锚固（损耗）阻尼起主导作用。
FC-84的检测结果：
同样，在FC-84中也进行了对比（图4）；采用多项式拟合来降低流体测量中的噪声。无论是模拟还是实验，与空气中的测量结果相比，共振频率都出现了明显的偏移。 FC-84中的中心频率约为5.5 MHz（相比之下，空气中的中心频率为9.5 MHz）。这种频率下移归因于FC-84的辐射质量远大于空气。与空气中的Q因子相比，FC-84中观测到的Q因子也大幅降低。 由于流体阻尼起主导作用，FC-84中的Q因子（模拟值Q=1.2，测量值Q=1.1）与实际测量结果的吻合度远高于空气中的结果，且测得的Q因子小于1，这说明了cMUT单元的宽带特性。
动态（位移）响应
在ANSYS中进行带预应力的瞬态仿真时，首先需要进行一次不考虑瞬态效应的瞬态仿真（ANSYS命令：timint, off），并仅施加160 V直流偏压；随后，在160 V直流偏压上叠加脉冲，进行常规瞬态仿真。 考虑到Polytec 测量中的延迟，将不包含瞬态效应的瞬态仿真时间设定为175 ns，这意味着60 V、持续时间为50 ns的脉冲将在175 ns时施加。随后再次评估中心节点的位移。由于Polytec 数据中不存在静态偏差，因此对测量到的位移进行了调整，以便与仿真结果进行比较。
“air”的搜索结果：
图5展示了利用ANSYS仿真和Polytec 测量所得的cMUT单元在空气中的动态响应。在前几个循环中，振幅吻合良好。由于共振频率和Q因子的不匹配，经过几个循环后，仿真结果与测量结果之间的差异变得显著。 然而在实测案例中，由于除了空气阻尼外还存在额外阻尼（材料阻尼、锚固损耗），因此预计其响应衰减速度将远快于模拟案例。
FC-84的检测结果：
在FC-84中重复了类似的仿真和测量。当器件浸入FC-84中时，介质阻尼变得显著，无论在仿真还是测量中，瞬态位移信号都迅速衰减（图6）。
结论
本文对单个cMUT电池的有限元（FEM）仿真与实验研究进行了清晰的关联性研究，并展示了对cMUT电池行为的深入理解。ANSYS仿真结果与Polytec 测量结果之间具有良好的一致性。
相应的空间压力结果也与水听器测量结果吻合良好。这证明了ANSYS结合瑞利积分法是一种快速且有效的压力场仿真方法。我们认为，这对未来成像应用中复杂cMUT阵列的设计具有重要帮助。
