针对空气耦合超声无损检测的电容式微超声换能器设计研究

王江江 黎文鹏

摘 要：本文以电容式微超声换能器的设计方案作为研究主体，采用振动薄膜、空腔、绝缘层与上下电极组成CMUT器件的敏感单元，将各单元并联构成阵元，选取16个阵元完成阵列设计，并完成CMUT器件的加工制作与性能测试。测试结果表明，该器件在发射性能、接收性能上均呈现出良好表现，具备良好适用价值。

关键词：空气耦合式;超声检测;CMUT技术

引言：无损检测为航空工业和国防领域的材料缺陷检测、零件探伤等提供重要技术支持，空气耦合式是一种基于非接触形式实现对待测对象无损检测的新型检测方法，以电容式微超声换能器作为检测工具，能够有效克服传统设备在阻抗匹配上面临的限制条件，提高阵列设计便捷度且支持批量化生产，满足实际使用需求。

1空气耦合式CMUT结构设计

1.1结构组成

电容式微超声换能器（CMUT）由振动薄膜、空腔、绝缘层、上电极与基底共五个敏感单元组成，将各敏感单元以并联方式连接组成阵元，再根据实际需要完成不同维度阵列的建构。在器件参数设计上，换能器由16个阵元组成，工作频率范围为100kHz～2MHz，其中振动薄膜由硅晶片制成，薄膜厚度为10μm、半径为400μm，材料密度为2320kg/m?、泊松比为0.22，谐振频率为257.28kHz;根据塌陷电压特性，将空腔深度设为5μm，保证提高CMUT器件的最大发射声压与接收灵敏度;绝缘层厚度为2.2μm，兼顾电绝缘效果与接收灵敏度要求;上电极半径为200μm，厚度为0.2μm[1]。

1.2工作原理

CMUT基于多场耦合原理运转，在实际应用环节通过调整外部影响因素、采取阵列分域控制方案，即可依托单独的CMUT阵列实现发射与接收功能[2]。……