基于行列寻址的PMUT柔性曲面阵列设计

微机械超声换能器（MUT）是利用MEMS技术制备的一种新型超声换能器。其中，压电式微机械超声换能器（PMUT）被广泛应用于超声成像系统。单个PMUT通常不能满足实际应用中的多方面要求，而PMUT阵列则可以。因此，设计更精良的PMUT阵列是提高超声成像质量的关键因素。此外，由于从三维图像中可以获取更详细的信息，近年来，研究人员越来越重视对三维超声成像系统的开发，而二维PMUT面阵是能够实现三维超声成像的重要器件，因此，国内外众多研究机构都对二维PMUT面阵展开了研究。

据麦姆斯咨询报道，近期，中北大学的研究人员研制了基于行列寻址（RCA）的14 × 14二维PMUT曲面阵列，其能够以行列寻址的方式发射和接收超声信号，并且能够对体模进行成像，在超声成像领域有广阔的应用前景。相关研究成果以“基于行列寻址的压电超声换能器柔性曲面阵的研制”为题发表在《微纳电子技术》期刊上。

PMUT结构

如图1a所示，构成单个PMUT阵元的基本组件包括外壳、压电材料、背衬材料、匹配层、电极和导线等。PMUT阵列则由多个单阵元组成（图1b）。

图1 PMUT单阵元及阵列结构图

PMUT曲面阵列制备

研究人员首先将尺寸为4 cm × 4 cm的锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷片与柔性印刷电路板（PCB）键合，随后使用划片机将键合后的压电陶瓷片划成2.45 mm × 2.45 mm的阵元，划片沟槽宽度（2个阵元间的间距）约为350 μm。接着，研究人员在沟槽内填充环氧树脂胶，之后将阵元粘在曲面模具上，并在阵元上溅射金属形成上电极，从而制备出二维PMUT曲面阵列，其曲率半径为10 cm。最后，研究人员将该PMUT曲面阵列采用行列寻址的方式进行接线，相比于传统全连接的方式，其接线数目显著减少，从而极大地降低了接线难度及成本。

图2 PMUT曲面阵列制备流程图

PMUT曲面阵列性能测试

将焊线封装后的PMUT曲面阵列放入水中进行超声信号的发射和接收性能测试，测试结果表明，其能够以行列寻址的方式发射和接收超声信号，并且能够在穿透体模的情况下进行超声信号的发射和接收。此外，将该PMUT曲面阵列连接数据采集系统进行反射成像测试，测试结果表明，其能够实现脉冲回波成像。因此，这项研究制备的PMUT曲面阵列在超声成像领域具有广阔的应用前景，并且可以为后续研制直径为20 cm的柱面阵列提供参考。

审核编辑：刘清