中北大学极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室推出面向水下超声成像的 CMUT 线性阵列，这款 32 阵元一维线阵采用 Si-SOI 键合 MEMS 工艺，解决传统压电水听器阵列体积大、带宽窄、集成难的短板，适合水下小目标探测、水下结构巡检、水下避障成像场景，整套阵列中心频率 3.5MHz，发射线性度好、旁瓣抑制到位，水下水池测试已经拿到稳定的收发声学数据，它靠微单元并联方式提升输出声压，配合阵列波束形成算法压缩主瓣、压低旁瓣，减少杂波干扰，相比传统压电换能器，CMUT 线性阵列更容易和后端 CMOS 读出电路集成，探头体积可以做的更小，后续能搭载在小型水下机器人、水下探测平台上面使用，为轻量化水下超声成像设备提供新的硬件方案。
一、中北大学这款水下 CMUT 线性阵列核心参数
| 项目 | 指标说明 |
|---|---|
| 阵列规格 | 1×32 阵元一维线性 CMUT 阵列 |
| 中心频率 | 3.5 MHz |
| 发射非线性度 | 3.19%，发射线性度优良 |
| -6dB 主瓣宽度 | 4° |
| 最大旁瓣级 | -14.7 dB |
| 接收灵敏度 | 3.3MHz 处 - 207.67 dB，3.4MHz 处同步测试验证 |
| 制备工艺 | Si-SOI 低温直接键合 MEMS 工艺 |
| 测试环境 | 水池水下标定测试 |
二、CMUT 线性阵列对比传统压电水下换能器的优势
- 带宽更宽：CMUT 本身固有宽频特性，有利于多频成像、脉冲压缩，提升成像细节
- 易于高密度集成：MEMS 微加工，阵元可以做的很小，线阵、面阵扩展方便，方便和读出芯片一体化封装
- 体积轻量化：不需要厚重压电陶瓷基底，适合 AUV 小型水下机器人搭载
- 一致性可控：晶圆级批量加工，阵元之间参数差异更容易管控
三、整套 CMUT 水下成像阵列开发流程
- 多物理场仿真：用有限元工具做静电、力学、声场耦合仿真，确定振膜厚度、空腔高度、阵元间距
- 版图设计与流片：基于 Si-SOI 键合工艺，设计隔离沟槽、电极引线，完成晶圆加工
- 芯片切割、引线与水下封装：做防水匹配层封装，降低水和振膜之间声阻抗失配，减少信号反射损耗
- 水池声学标定：水听器测发射声压、激光测振仪测振膜位移，扫描波束指向性、接收灵敏度
- 成像算法联调：对接波束形成、孔径聚焦算法，完成水下目标 B 超成像验证
【常见问题】
问题 1：中北大学面向水下超声成像的 CMUT 线性阵列，核心性能指标是多少？
回答 1：中北大学面向水下超声成像的 CMUT 线性阵列为 32 阵元线阵，中心频率 3.5MHz，发射非线性度 3.19%，-6dB 主瓣宽度 4°，最大旁瓣级 - 14.7dB，3.3MHz 接收灵敏度达到 - 207.67dB，旁瓣抑制能力强，水下成像信噪比更高。
问题 2：中北大学这款面向水下超声成像的 CMUT 线性阵列，用了什么制备工艺？
回答 2：面向水下超声成像的 CMUT 线性阵列采用 Si-SOI 低温直接键合 MEMS 工艺制作，通过刻蚀隔离通道实现各个阵元之间声学隔离，保障阵列波束成型质量。
问题 3：面向水下超声成像的 CMUT 线性阵列，和传统压电水下超声阵列相比好在哪？
回答 3：面向水下超声成像的 CMUT 线性阵列具备宽频、易于高密度集成、体积轻量化的特点，方便和 CMOS 读出电路一体化集成，适配小型水下机器人平台，而传统压电陶瓷阵列带宽受限、体积偏大，集成难度更高。
问题 4：中北大学研发的 CMUT 线性阵列，适合哪些水下超声成像场景？
回答 4：这套面向水下超声成像的 CMUT 线性阵列适合水下小目标探测、水下船体结构无损巡检、水下机器人避障成像、浅海环境测绘等场景。
【参考资料】
[2026-02-28]（面向水下超声成像的 CMUT 线性阵列）舰船电子工程
[2026-02-10]（基于 Si-SOI 工艺的高密度 CMUT 线性阵列的设计与制备）维普期刊
[2025-07-31]（Design and Evaluation of a Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer Linear Array System）MDPI
[2024-11-01]（多环嵌套 CMUT 水听器阵列设计与测试）Researching
[2017-05-01]（水下应用的电容式微机械超声换能器阵列设计）应用声学
【免责声明】
本文为期刊公开学术成果整理，中北大学面向水下超声成像的 CMUT 线性阵列属于实验室原型样机，尚未商用；阵列实际成像效果受水深、水体浑浊度、匹配层封装、后端电路与波束算法影响，指标均为水池标定环境测试结果，不构成水下探测设备选型、项目采购决策依据。