Теоретическое моделирование и оптимизационное проектирование массивов PMUT для повышения акустических характеристик

Более точные звуковые лучи на крошечном чипе

Ультразвук используется не только для пренатальных сканирований — это универсальный инструмент для заглядывания внутрь тела, проверки трещин в авиационных деталях и обнаружения движения под водой. В этой работе рассматривается, как проектировать крошечные ультразвуковые чипы, называемые пьезоэлектрическими микромеханическими ультразвуковыми преобразователями (PMUT), чтобы они могли посылать и принимать звук мощнее и точнее, оставаясь при этом компактными и энергоэффективными.

От громоздких зондов к миниатюрным ультразвуковым чипам

Традиционные ультразвуковые зонды опираются на относительно большие керамические блоки для генерации звуковых волн. PMUT сокращают эту функцию до микроскопических вибрирующих мембран, выполненных на кремнии, подобно компьютерным чипам. Каждая ячейка PMUT — это тонкий барабан, который изгибается при приложении напряжения и запускает звук в окружающую жидкость или ткань. Поскольку эти ячейки значительно меньше длины волны генерируемого звука, их можно сгруппировать в плотные массивы, которые функционируют как программируемые источники звука. Управляя тем, как тысячi этих миниатюрных мембран вибрируют совместно, инженеры могут направлять и фокусировать ультразвуковые лучи, что открывает возможности для портативных медицинских приборов, носимых устройств для мониторинга здоровья и компактных подводных датчиков.

Новый подход к прогнозированию поведения массивов

Проектирование таких массивов затруднено из‑за плотного расположения ячеек. Когда одна ячейка вибрирует, она не только излучает звук наружу, но и воздействует на соседей через окружающую среду — явление, известное как перекрестные связи (crosstalk). Существующие математические модели часто игнорируют это взаимодействие или используют чрезмерно простые описания связи между электрическими сигналами, механическим движением и звуковым полем. Авторы предлагают более полную эквивалентную цепную модель, которая связывает электрический привод, изгиб мембраны и звуковое поле, одновременно учитывая взаимное влияние каждой пары ячеек. Этот подход заменяет крайне трудоёмкие 3D‑моделирования быстрым аналитическим инструментом, который при этом совпадает с подробными симуляциями в пределах нескольких процентов.

Настройка плотности, размера и формы массива

Имея эту модель, команда изучает, как три основных параметра дизайна — плотность размещения ячеек (коэффициент заполнения), общий размер массива и геометрия расположения ячеек — влияют на характеристики. Увеличение коэффициента заполнения примерно с одной пятой до более чем половины площади чипа повышает суммарную передаваемую мощность и заметно расширяет полезный частотный диапазон, что выгодно для высокоразрешающей визуализации. Однако более близкое расположение усиливает перекрестные связи, что размывает фокус и снижает степень концентрации энергии в заданной точке. Увеличение физического размера массива действует иначе: при фиксированном расстоянии между ячейками большая апертура излучает больше звуковой энергии и повышает пиковое давление в фокусе, одновременно сужая луч и увеличивая фокусное расстояние — по аналогии со сменой маленького рефлектора фонарика на большой.

Почему важно расположение ячеек

Помимо плотности и размера, геометрический рисунок расположения ячеек сильно формирует звуковое поле. Авторы сравнивают квадратные решётки, смещённые и шестиугольные укладки, спиралевидные узоры и кольцевые (аннулярные) схемы при сопоставимом следе. Квадратные массивы легко проектировать, но у них сильнее проявляются перекрестные связи в углах и ниже пиковое давление в фокусе. Круглые и спиралевидные схемы, будучи более симметричными относительно оси луча, лучше согласуют излучаемые волны, обеспечивая более высокое давление в фокусе и чище боковые области. Аннулярные массивы ведут себя иначе: они излучают звук от кольца, формируя узкий центральный пучок с яркими кольцевыми боковыми зонами. Такая структура менее эффективна при концентрации энергии вблизи чипа, но превосходна в поддержании сильного фокуса на больших расстояниях.

От теории к реальным устройствам

Чтобы проверить предсказания, исследователи изготовили несколько PMUT‑чипов с разными формами массивов и измерили их электрические и акустические характеристики в жидкостях. Наблюдаемые резонансные частоты, полосы пропускания, фокусные давления и фокусные расстояния в целом следуют модели, обычно с точностью до нескольких процентов. Эксперименты в режиме импульс‑эхо, при которых чип одновременно посылает короткий импульс и слушает отражение от движущейся цели, дополнительно подтверждают различную направленность каждого дизайна. Наконец, модель применяется для исследования очень больших массивов — до 100×100 элементов — где «грубой силы» симуляции становятся непрактичны. Эти исследования показывают, что мощность примерно масштабируется с числом элементов, и что тщательно подобранные схемы позволяют получить высокое звуковое давление на сотни миллиметров, сохраняя при этом управляемое время расчётов.

Что это значит для будущих ультразвуковых инструментов

Для неспециалистов ключевая мысль в том, что способ расположения и упаковки микроскопических ультразвуковых мембран на чипе сильно влияет на то, насколько чётко и как далеко можно сфокусировать звук. Новая модель предоставляет разработчикам быстрый и точный инструмент для прогнозирования этих компромиссов и адаптации массивов PMUT под конкретные задачи — будь то высокоразрешающая медицинская визуализация, дистанционное подводное обнаружение или широкополосное прослушивание. Превратив сложную физику чипов в эффективный инструмент проектирования, эта работа прокладывает путь к следующему поколению компактных, умных ультразвуковых устройств, которые могут быть встроены в носимые гаджеты, минимально инвазивные зонды и небольшие роботы.

Цитирование: Li, Z., Lu, D., Li, Z. et al. Theoretical modelling and optimization design of PMUT arrays for enhanced acoustic performance. Microsyst Nanoeng 12, 133 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01159-7

Ключевые слова: микромеханический ультразвук, массивы PMUT, акустическое формирование луча, ультразвуковая визуализация, проектирование сенсоров