基于时域等效电路模型的空气耦合压电微机械超声换能器振铃时间优化设计

针对空气耦合压电微机械超声换能器（PMUTs）振铃时间长、带宽窄的问题，研究人员通过开发时域等效电路模型平台，优化偏移信号参数，实现了振铃时间减少85.49%和带宽提升3.85倍，显著提升了超声应用的定位精度和信号分辨率。

　　

超声技术在医疗影像、工业检测等领域应用广泛，但传统体超声换能器存在阵列填充率低、体积大等瓶颈。微机电系统（MEMS）技术催生的压电微机械超声换能器（PMUTs）虽具有小型化优势，但空气耦合场景下因阻尼弱导致振铃（ring-down）现象严重，引发盲区扩大、回波信号重叠等问题。现有研究通过结构设计或驱动信号调整改善性能，但偏移脉冲参数的优化依赖耗时实验，缺乏系统性方法。

为解决这一难题，Silicon Austria Labs等机构的研究团队在《Ultrasonics》发表论文，提出基于时域等效电路模型的PMUTs驱动信号优化方法。通过建立可模拟电-机械-声场耦合的仿真平台，快速筛选出能同时缩短振铃时间、拓宽带宽的偏移信号参数组合。实验证实，该方法使360 μm半径PMUT单元的振铃时间降低85.49%（短周期驱动信号），-6dB带宽提升3.85倍（长周期驱动信号），且不牺牲发射灵敏度。

研究采用三项关键技术：1）构建包含机械振动与声辐射的PMUTs时域等效电路模型；2）开发参数可调的偏移信号生成算法（延迟时间、幅值、脉宽）；3）通过激光多普勒测振仪验证仿真结果。

PMUT等效电路建模
基于集总参数理论，将PMUT的机械振动（薄板理论）与声辐射阻抗整合为等效电路，实现电信号-机械位移-声压的全链路仿真。

时域优化方法
在驱动脉冲后添加反相位偏移脉冲，通过平台自动调节三参数组合，以振铃时间最短为优化目标。仿真显示延迟时间需匹配PMUT固有周期，幅值需达驱动信号60%以上。

仿真验证
短周期信号（1周期）优化后振铃时间从3.2 ms降至0.47 ms；长周期信号（5周期）使带宽从4.8 kHz扩展至18.5 kHz，且声压级保持稳定。

实验验证
实测结果与仿真误差<8%，证明平台可靠性。偏移脉冲使回波包络更陡峭，盲区范围缩小至原15%。

该研究首次实现PMUTs驱动信号的系统性时域优化，为超声测距、成像等应用提供了低盲区、高分辨率的解决方案。所建平台可推广至其他MEMS器件仿真，加速器件-电路协同设计。未来可探索多单元阵列的协同激励优化，进一步提升阵列性能。