【解決方案】提升MUT設計與效能：採用 Quanscient Allsolve 解決方案

作者：Dr. Andrew Tweedie

重點摘要

• 微機電超音波傳感器（Micromachined Ultrasonic Transducers，簡稱 MUT）大幅提升超音波影像技術，使其更精巧、可攜、普及

• 高效能 MUT 陣列設計仍具挑戰，主因為打樣成本高與模擬能力有限

• 傳統模擬工具難以處理大規模 MUT 陣列，無法準確預測實際效能

• Quanscient Allsolve 可進行數百個 MUT 元件的全耦合多物理模擬，評估串擾、波束寬度等關鍵指標

• 藉由雲端平行運算，Allsolve 加速設計流程，降低原型成本，實現快速迭代

• 功能如幾何與材料參數掃描，有助於最佳化 MUT 設計，推動新一代超音波技術提升效率與精度

簡介

微機電超音波傳感器（MUT）在超音波技術發展中扮演關鍵角色，特別是在診斷用超音波領域。這類裝置能將電訊號轉換為超音波，廣泛應用於醫療、工業與科學影像檢測。MUT 經歷顯著技術進步，已成為現代超音波系統的核心元件。其體積小、可與控制電子元件高度整合且功耗低，使其在多元應用中更具可行性。

MUT 技術的重要成果之一是對診斷用超音波的影響。傳統超音波設備體積龐大，需佔用整個房間，如今已可透過手持式裝置操作，甚至將影像串流至手機。這種小型化讓超音波影像更普及、可攜、價格更親民，大幅提升病患照護品質。

儘管技術進展，MUT 設計與優化仍具挑戰。高效能陣列設計複雜且成本高昂，打樣費用往往達六位數美元。工程師必須在初次設計即達成目標，以避免昂貴反覆試錯。

此外，傳統模擬工具無法有效處理大型陣列，通常僅能模擬少量元件，導致難以取得真實效能指標，進而影響設計與優化。

Quanscient Allsolve 對 MUT 元件設計與效能的影響

Quanscient Allsolve 為上述挑戰提供解方，使工程師能模擬大規模 MUT 陣列。其支援全耦合多物理模擬，能同時考量數百個元件行為，評估如串擾、波束寬度、脈波形狀等陣列層級效能參數。

Allsolve 並具備強大運算能力，可平行執行數千筆模擬，快速探索多種設計變化，加速整體設計流程，並降低實體原型與設計迭代成本。

如圖1所示，我們模擬一組由 715 個 PMUT 元件組成的陣列，中央線性元件被驅動，觀察到相鄰元件的串擾。這類模擬在傳統工具中極具挑戰性。Allsolve 的全耦合模擬能力，使工程師能準確預測設計在實際應用中的表現。

簡易 MUT 元件範例

模擬目標

設計高效能 MUT 陣列的第一步，是開發單一 MUT 元件，須符合中心頻率、頻寬與靈敏度等關鍵規格，直接影響影像品質。本節介紹如何以單一 PMUT（壓電複合式微機電超音波傳感器）元件簡化模型，快速評估並優化其效能，提升模擬效率，節省時間與運算資源。後續文章將延伸探討多元件互動對整體效能的影響。

模型說明

模擬所用模型參考自 D. A. Horsley 等人在 2016 IEEE 國際超音波研討會發表的論文〈Ultrasonic fingerprint sensor based on a PMUT array bonded to CMOS circuitry〉。原設計用於指紋感測，但其核心特性亦適用於影像系統。模擬中將其應用於水載環境，以展示其在影像應用中的潛力。

為提升效率，我們利用系統對稱性，模擬單一元件以近似無限陣列行為，並進一步簡化為半個元件模型，甚至可使用四分之一元件以減少運算負擔。

圖2與圖3分別為完整與模擬所用之幾何結構，紅色虛線表示對稱面。模型忠實重現關鍵結構，模擬重點在於 PMUT 元件在水載中的行為，為多數超音波應用的標準條件。

模擬中使用暫態求解器，分析元件對施加電壓的時域響應，進一步取得關鍵參數：

• 電壓與電流：了解元件電性行為與能量轉換效率

• 電阻抗：評估與外部電路的匹配，確保能量傳輸效率

• 表面位移：反映產生超音波的機械響應

• 聲壓輸出：衡量其發射超音波的能力

激發訊號為中心頻率 16 MHz 的 wavelet 電壓脈波，模擬常見診斷用超音波條件，並透過暫態求解器取得元件完整響應。

關鍵結果

模擬結果提供元件效能的重要資訊，包括電壓與電流反應、電阻抗與表面位移，有助於了解其與環境互動及訊號轉換效率。

聲壓輸出則反映元件產生超音波的能力，是影像品質的關鍵指標。

發射靈敏度（Transmit Sensitivity） 

代表能量傳遞效率，進一步影響影像成像品質。

模擬亦包含動畫，呈現元件位移與水載中聲壓分布，協助工程師直觀掌握其動態行為。

展示的關鍵優勢

Allsolve 在 MUT 設計中展現多項優勢，可在全耦合多物理環境下模擬大規模陣列，協助工程師於設計初期評估串擾、波束寬度等指標，提升系統整體表現。

其雲端運算能力支援平行模擬數千任務，快速探索設計變化，降低原型需求與成本，並加快設計時程。

這些功能組合為工程師提供完整工具組，從多面向優化 MUT 設計。

Quanscient Allsolve 的其他優勢

除了上述功能，Allsolve 亦提供多項進階能力，如幾何參數掃描（geometry sweeps），工程師可快速模擬不同幾何設定，找出最適合特定應用的結構。

此外，Allsolve 支援不同材料與負載模擬，有助於了解設計在各種實際情境下的表現，特別適用於醫療影像等組織特性變異大的應用場景。

結論

高效能 MUT 陣列對超音波技術發展至關重要，但設計挑戰包含高成本與模擬限制。Quanscient Allsolve 提供多物理模擬平台，支援大規模陣列模擬、效能評估與設計優化。

Allsolve 降低設計成本、縮短時程，並透過全耦合模擬準確預測元件效能，協助工程師打造符合實際需求的產品。

隨著 MUT 在醫療與工業領域應用持續擴大，Allsolve 將成為設計與優化的重要工具。其強大模擬能力賦予工程師創新動能，推動超音波技術更高效、經濟且易於普及。

References

[1] Horsley, D. A., Lu, Y., Tang, H. Y., Jiang, X., Boser, B. E., Tsai, J. M., ... & Daneman, M. J. (2016, September). Ultrasonic fingerprint sensor based on a PMUT array bonded to CMOS circuitry. In 2016 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS) (pp. 1-4). IEEE.