超声技术广泛应用于军事领域和人民生产、生活中,然而近些年来伴随着其应用,作为超声探测系统核心的超声波换能器弊端日渐突显。结合MEMS(Micro-Electro-Mechanical System微机电系统)技术诞生的电容式微机械超声换能器CMUT(Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer),在器件成本、灵敏度、集成度、声阻抗匹配等方面,有着传统压电陶瓷材料构成的超声换能器无法比拟的优良特性,引起学术界和工程领域极大的关注。特别是我国超生医疗成像仪器长期依赖进口,超声探头发展滞后就是症结所在,因此针对CMUT的相关研究工作任重而道远。文章首先调研、梳理了国内外超声换能器发展状况,进而从CMUT基本结构、发射模式、接收工作模式的工作原理和特性参量公式推导几个方面进行理论研究,其中特别对塌陷电压有关理论和圆形振动薄板声压数学模型,以及二维均匀面阵列的指向性函数进行了深入研究。综上提出一种基于SOI(Silicon-On-Insulator)硅片的空气耦合二维CMUT阵列,采用MEMS面微加工技术实现。基于理论分析结果在选用特定材料和参数条件下,绘图分析器件固有频率与振动薄板半径关系,并分析厚度、空气间隙对塌陷电压的影响,为优化参数提供理论依据。综合考虑各方面因素,选择合适的参数利用COMSOL构建十字型悬臂梁支撑的圆形振动薄板结构CMUT单体模型,继而进行由结构力学和静电学构成的多物理场耦合下的静态压应力分析、位移分析和模态分析,得到振动板在金属上电极和自身重力作用下应力云图,偏置电压下应力和电势分布,不同频率下对应的振型。使用Field II超声仿真程序框架,完成阵列模型建立、轴向超声波强度和声压仿真、散射回波信号响应仿真工作,根据仿真结果得到不同单体间距、数量对阵列轴向声强、声压影响,以及不同单体尺寸对单体轴向声强、声压的影响。综合前部分研究、分析、仿真结果选定合适的SOI晶圆参数和MEMS微加工工艺,在千级微纳超净间(Clean Room)内完成CMUT阵列工艺。采用扫描电镜检查工艺效果,查看结构是否得到正确的释放。搭建测试系统完成低频耦合上电测试,分析不同激励信号下器件的响应特性。采用阻抗分析仪获得CMUT电输入阻抗,并使用多普勒振动仪得到不同偏置电压下振动薄板的位移曲线。测试结果表明器件结构通过微加工工艺得以正确释放,器件的固有特性参数基本符合设计要求,与现有CMUT技术相比,本文研究的空气耦合CMUT器件不仅结构简单,而且工艺流程步骤少,利于与后端处理电路的集成,为日后超声换能器芯片设计以及超声成像系统的研究奠定基础。