增强声学性能的PMUT阵列理论建模与优化设计

微型芯片上的更清晰声束

超声不仅用于产前检查——它还是观察体内结构、检测飞机零件裂纹以及水下运动感知的多功能工具。本文探讨如何设计微型超声芯片，即压电微机械化超声换能器（PMUT）阵列，使其在保持小巧和节能的同时，能更强、更精确地发射和接收声波。

从笨重探头到微型超声芯片

传统超声探头依赖相对较大的陶瓷块来产生声波。PMUT将此功能缩小到构建在硅片上的微观振动膜，类似于计算机芯片。每个PMUT单元都是一个在施加电压时弯曲的薄鼓膜，将声波发射到周围的流体或组织中。由于这些单元的尺寸远小于其产生的声波波长，它们可以被密集排列成表现如可编程声源的阵列。通过控制数千个微型鼓膜的协同振动，工程师可以操控和聚焦超声束，有望实现便携式医学成像仪、可穿戴健康监测器和紧凑型水下传感器。

预测阵列表现的新方法

设计此类阵列具有挑战性，因为单元彼此紧密排列。当一个单元振动时，它不仅向外辐射声波，还通过周围流体影响相邻单元，这一现象称为串扰。现有的数学模型通常忽略这种相互作用，或仅用过于简化的描述来连接电信号、机械运动和声场。作者提出了一个更完整的等效电路模型，该模型耦合了电驱动、膜片弯曲和声场，同时考虑了每对单元间的相互影响。这种方法用一个快速的解析框架替代了极其耗时的三维全场数值仿真，且与详细仿真结果吻合度在几个百分点之内。

调整阵列的密度、尺寸与形状

借助该模型，团队研究了三项主要设计参数——单元的紧密度（填充率）、整体阵列尺寸和单元排列形状——如何影响性能。将填充率从约五分之一提高到超过一半的芯片面积，可提高总发射功率并显著拓宽有效频带，这有利于高分辨率成像。然而，更紧密的间距也会增强串扰，模糊焦点并降低能量在某一点的集中度。在保持单元间距不变的前提下，增大阵列物理尺寸则产生不同效果：更大的孔径能发出更多声能并提高焦点处的峰值压力，同时使声束更窄并延长焦距——类似于从小型手电筒反射杯切换到大型反射杯的变化。

布局模式为何重要

除了密度和尺寸外，单元的几何排列会强烈影响声场。作者比较了方形网格、错列与六角镶嵌、螺旋状图案以及环形（环带）布局，这些布局占地面积相近。方形阵列设计简单但在角落处串扰更强，导致焦点压力较低。圆形与螺旋状模式在波束轴线周围更对称，使发射波更好地对齐，从而在焦点处产生更高的压力并在旁瓣区更干净。环形阵列表现则不同：它们从环带发射声波，形成狭窄的中心主束并伴随明亮的环状旁瓣。这种结构在近芯片处集中能量的效率较低，但在较远距离保持强聚焦方面表现出色。

从理论到实际器件

为验证预测，研究者制造了几款不同阵列形状的PMUT芯片，并在液体中测量其电学与声学行为。观测到的谐振频率、带宽、焦点压力和焦点距离与模型预测紧密一致，通常相差仅几个百分点。脉冲—回波实验（芯片发出短脉冲并监听其从运动目标反射回来的信号）进一步证实了各设计在方向性上的不同表现。最后，模型被用于研究非常大的阵列——多达100×100单元——在这种规模下蛮力仿真几乎不可行。这些研究表明，功率大致随单元数量而增，且经过精心选择的布局可以在数百毫米外产生高声压，同时保持合理的计算时间。

这对未来超声工具意味着什么

对非专业读者而言，核心信息是：我们在芯片上如何排列与填充微型超声鼓膜，会显著影响声波聚焦的清晰度和距离。该新模型为设计者提供了一种快速、准确的方法来预测这些权衡并为特定用途定制PMUT阵列——无论是高分辨率医学成像、远程水下探测，还是大范围监听。通过将复杂的芯片物理学转化为高效的设计工具，这项工作有助于推动下一代紧凑型、智能超声设备的发展，这些设备可集成到可穿戴设备、微创探头和小型机器人中。

引用: 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

关键词: 微机械化超声, PMUT阵列, 声束形成, 超声成像, 传感器设计