《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》：Airborne Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers in Pitch-catch Mode: Modelling and Characterization of the Measurement Chain
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为了解决电容式微加工超声换能器（CMUT）在空中（气耦合）应用中完整测量链的宽频带建模与性能预测问题，研究人员开展了空中收发模式下CMUT测量链的建模与表征研究。他们通过集总参数等效电路、声场仿真与实验验证相结合的方法，对电压、电荷和跨阻三种前置放大器在0.5-5 MHz范围内的性能进行了评估。结果显示仿真与实验吻合良好，为基于CMUT的可靠、可预测的空中超声传感（如气体传感建模）奠定了基础。
超声波技术在我们的世界中扮演着许多关键角色，从医院里的B超检查到海底的声纳探测，都离不开它。然而，当超声波离开液体或人体组织，进入我们日常呼吸的空气中时，挑战便随之而来。空气对超声波的衰减远高于水或生物组织，这使得在空中高效地产生和检测超声波变得异常困难。传统的压电超声换能器在空中往往显得力不从心，其带宽和灵敏度难以满足高精度传感的需求。这时，一种名为电容式微加工超声换能器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer, CMUT）的技术进入了研究者的视野。CMUT以其宽频带操作和高灵敏度的特点，在医学成像和水下通信领域已展现出巨大潜力，但它在“空中”这个更具挑战性的环境中的表现如何？能否构建一个完整、可靠的空中超声波测量系统，用于未来的气体成分分析、非接触式传感等前沿应用？这些问题激励着研究人员去深入探索。
为了回答这些问题，一个研究团队在《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》上发表了一项研究，题为“Airborne Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers in Pitch-catch Mode: Modelling and Characterization of the Measurement Chain”。他们的核心目标是建立并验证一个覆盖从电信号激励到声波传播、再到信号接收的完整CMUT空中测量链模型，从而实现对系统性能的可靠预测，为CMUT在气耦合应用（如气体传感）中的实际部署铺平道路。
研究人员采用了多层次的建模与实验验证相结合的方法。首先，他们利用集总参数等效电路对CMUT阵列本身进行建模，其关键参数并非凭空假设，而是通过精密的电气阻抗测量和干涉位移分析实验提取获得，确保了模型的物理真实性。其次，对于超声波在空气中的传播过程，他们借助MATLAB中的Field II软件进行仿真，并特别考虑了频率对空气衰减的影响。研究中使用的衰减系数（≈100 Np/m at 2.5 MHz）同样来自专门设计的实验，这使得仿真更贴近现实。最后，为了评估整个信号链的性能，他们在发射与接收CMUT间距6毫米的条件下，系统性地比较了三种不同类型的前置放大器：电压放大器、电荷放大器和跨阻放大器，考察它们对系统输出信号幅度的影响。
研究结果
1. 测量链的建模与仿真
研究人员成功构建了从电学驱动到声学传播再到电学接收的完整CMUT空中测量链模型。该模型的核心是将CMUT的机电行为用集总参数等效电路描述，并与模拟声波在空气中衰减及传播的Field II仿真相结合。通过这种方式，他们能够在0.5 MHz至5 MHz的宽频率范围内，对系统的输出响应进行理论计算。
2. 模型与实验的验证对比
为了验证模型的准确性，研究团队进行了实际的测量。他们使用中心频率为2.5 MHz、幅度为10 V的激励信号，并在CMUT上施加45 V的偏置电压。在发射与接收器相距6毫米的条件下，测量了系统使用不同前置放大器时的输出电压。结果显示，仿真预测与实验测量结果高度吻合。具体而言，使用电压放大器时，输出幅度约为30 dBmV；使用跨阻放大器时，约为35 dBmV；而使用电荷放大器时，输出幅度最高，达到约40 dBmV。这种良好的一致性证明了所建立的测量链模型是可靠且有效的。
3. 前置放大器性能评估
研究表明，前置放大器的类型对系统最终输出信号幅度有显著影响。在相同的实验条件下，电荷放大器提供了最高的信号增益（约40 dBmV），跨阻放大器次之（约35 dBmV），电压放大器最低（约30 dBmV）。这一结果为特定CMUT空中应用中选择合适的信号调理电路提供了直接的实验依据。
结论与讨论
本研究的核心结论是，通过结合基于实验参数提取的CMUT集总参数模型、以及融入了实测空气衰减系数的声场仿真，可以建立起一个精准预测CMUT空中收发测量链性能的完整模型。该模型在0.5-5 MHz频段内得到了实验数据的有效验证，尤其证明了电荷放大器在此类系统中具有最佳的信号输出性能。
这项工作的意义重大。它首次为CMUT在气耦合环境下的完整传感链提供了经过实验验证的建模框架，将CMUT器件建模、声波在耗散介质中的传播以及电路接口特性统一在一个分析体系内。这克服了以往研究中可能只关注器件本身或忽略空气高频衰减的局限性。更重要的是，可靠的模型是设计和优化系统的基础。此研究成果为后续开发基于CMUT的先进空中超声应用，特别是气体传感（通过监测声速和衰减变化来反演气体成分）奠定了坚实的基础。它意味着，未来研究者可以借助此模型，在制作硬件之前就对CMUT气体传感器的性能进行预测和优化，从而加速从实验室原理到实际应用的转化进程，预示着CMUT技术在环境监测、工业过程控制乃至未来的无线功率传输等领域将拥有更广阔、更可靠的应用前景。
