空氣耦合電容式微超聲換能器線陣設計與測試*

張 慧,鄭冠儒,李 志,曾周末

(天津大學,精密測試技術與儀器國家重點實驗室,天津 300072)

空氣耦合式超聲檢測作為一種非接觸式的檢測技術有著廣泛的應用前景,其相較于傳統的超聲檢測方法具有非接觸、非侵入、完全無損等優點[1]。最新的研究成果將此項技術應用于人機交互[2]和醫學成像[3]等前沿領域。在這些研究當中,空氣耦合的超聲換能器是最核心的部分。傳統的壓電式超聲換能器由于固體和氣體的聲阻抗相差較大,因此存在著阻抗匹配的問題,限制了其在空氣耦合檢測領域中的應用。上世紀70年代后,隨著MEMS技術的快速發展,硅微聲學器件成為了研究熱點。硅微聲學器件是指利用體硅工藝、表面硅工藝等手段在硅材料上加工出的聲學器件,其尺寸一般在微米級甚至納米級。硅結構微加工超聲換能器可分為兩類,分別是電容式微加工超聲換能器CMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)和壓電式微加工超聲換能器PMUT(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer)。CMUT的單個敏感單元的結構從上至下分別為上電極、振膜、空腔、絕緣層和基底。工作時,需要預先在CMUT的兩端加載一個直流電壓,電容中形成一個靜電場,振膜在電場力的作用下發生形變,從而在振膜中形成一個預緊力。在發射模式下,當在振膜兩端外加一個脈沖激勵時,CMUT振膜的平衡狀態會被打破,振膜做自由阻尼振動,向外界發射超聲波。接收模式是發射模式的逆過程。相對于PMUT來說,CMUT的振動膜結構使得其機電耦合效率更高,更易于在空氣等工作介質中使用;CMUT在接收靈敏度、帶寬范圍等各項指標上均優于PMUT。除此之外,CMUT換能器還有一些其他的優勢,如采用MEMS工藝,敏感單元尺寸可以做到微米級別,易于設計成高密度的線陣或面陣陣列;易于和信號放大電路集成,降低由于走線或分立元件而造成的噪聲。因此,空氣耦合的CMUT換能器及其陣列的研究,具有較大價值。

1996年斯坦福大學的研究小組首次設計加工了CMUT換能器,并論證了CMUT作為一種新型換能器相較傳統換能器的優勢。此后二十年以該研究小組為首的國外研究機構陸續有針對CMUT換能器及其陣列的研究成果發表[4-6],目前已在缺陷檢測、醫學成像、手勢識別等相關領域取得一定的研究成果。國內各研究機構目前的研究主要集中在CMUT的理論設計、仿真[7],以及液體耦合的CMUT陣列的設計、測試等[8]。針對空氣耦合CMUT陣列的研究鮮有報道。

本文設計并制作了一種新型空氣耦合CMUT換能器陣列,陣列的加工采用了SOI晶元鍵合工藝。主要的創新點包括,針對空氣介質設計了CMUT換能器陣列,對陣列的參數進行了分析;使用Field Ⅱ聲場仿真工具對不同參數下的CMUT陣列指向性進行了仿真,根據仿真結果確定了最優的陣列參數;設計了CMUT陣列的加工工藝,通過聲學實驗測試了所加工的CMUT陣列在不同偏轉角下的聲場指向性。

1 CMUT陣列設計

CMUT陣列的設計需要考慮的參數主要包括陣元間距、陣元個數和陣元大小,其中陣元的大小跟CMUT的單膜共振頻率相關,因此在設計CMUT陣列之前首先需要確定單個振元的共振頻率。本節將通過公式的推導來計算CMUT振膜的單膜共振頻率,然后使用聲場仿真軟件Field Ⅱ來對陣列指向性進行分析,最終確定陣列的設計參數。

1.1 CMUT單膜共振頻率

單個CMUT振膜可以看成是一個周邊固支的圓形薄板,于是可以通過板殼理論對其建模分析。根據板殼理論可以寫出振膜的振動方程為:

(1)

式中:

(2)

通過分離變量法可以最終求得該方程的解為:

(3)

式中:a為振膜半徑,μ為柱貝塞爾函數的根值,通過查柱貝塞爾函數的根值表可以確定一階根值為3.2,從而可以寫得圓形薄板的一階振動頻率為:

(4)

本文所設計的CMUT陣列的使用環境為空氣介質,由于空氣中信號傳播時的衰減速率和頻率的平方衰減的,因此頻率的選擇不宜過高,本文所設計的敏感單元的中心頻率為250 kHz,根據表1中的特性參數可以確定單個敏感單元的半徑應為400 μm。

表1 CMUT振膜材料的特性參數

1.2 CMUT陣列設計

CMUT換能器陣列的設計原則可以歸納為,減小主瓣寬度,消除柵瓣,抑制旁瓣。這其中需要考慮的參數主要是陣元間距和陣元個數。陣列的陣元間距越大,其主瓣寬度越小,但是超過一定范圍后將會出現柵瓣,柵瓣的存在將會在成像中形成偽像,影響陣列的成像質量。本文所設計的CMUT陣列的單個敏感單元半徑為400 μm,在加工中為保證分割陣元時有足夠空間,應在敏感單元之間留下200 μm的間隔,因此陣元間距最小為1 000 μm。

使用Field Ⅱ聲場仿真軟件可以比較不同陣列參數下的聲場指向性,從而確定CMUT陣列的陣列參數。Field Ⅱ是一款基于線性聲學,能仿真超聲探頭發射聲場的免費MATLAB工具包。Field Ⅱ中默認的超聲信號的衰減速度為0,對于空氣耦合式換能器來說,由于空氣的聲阻抗很小,因此超聲信號在傳播途中的衰減不可忽視。根據式(5)可以計算出不同頻率的超聲信號在空氣中的衰減速度。由此得到所設計頻率下的超聲信號在空氣中的衰減速度為10.2 dB/m。

(5)

計算陣列聲場的指向性時,需要構建CMUT陣列的換能器模型。Field Ⅱ中默認換能器的孔徑形狀為矩形,為了得到更加精確的仿真結果,本文使用ele_apodization函數對換能器的單個陣元的形狀進行重新定義,設置圓形的區域為有效區。之后使用xdc_2D_aperture函數來創建換能器陣列,陣列的形貌如圖1所示。

圖1 仿真陣列形貌

通過仿真得到如圖2的結果,圖中的橫坐標表示陣列的偏轉角,縱坐標表示歸一化的空間脈沖響應。圖2(a)、2(b)、2(c)分別表示了陣列主波束相對于陣列法向偏轉0°、30°和45°的聲場指向性仿真結果,從圖中可以看出,當陣列的間距d設置為1 mm,陣列個數N設置為8時,30°的聲束偏轉沒有明顯的柵瓣,45°的聲束偏轉在-45°左右的偏轉角處出現柵瓣,但是柵瓣強度較小,并且距離主瓣的位置較遠,實際的影響比較小。

圖2 陣列的聲場指向性仿真

陣列的陣元個數越多,陣列的發射聲場主瓣寬度越窄,分辨率越高[10]。但是,陣列的個數增多一方面會使得陣列孔徑變大,在近場形成近場盲區,使得其應用范圍變窄;另一方面陣列個數越多,所需要的通道數越多,驅動電路和放大電路的設計也就越復雜,硬件成本較高。考慮到同CMUT換能器所匹配的硬件電路的設計,本文選擇了16×8的線陣陣列,即每16個敏感單元并聯組成一列,8列這樣的陣元組成一個線陣的換能器陣列。每列將16個敏感單元并聯是為了提高換能器的發射強度。綜合考慮陣列的成像質量、加工工藝要求以及匹配電路的設計難度,最終所設計的CMUT陣列的參數如表2所示。

表2 CMUT陣列設計參數

2 CMUT加工與表面形貌測試

本文采用了SOI晶圓鍵合技術來加工所設計的CMUT陣列。SOI晶圓鍵合技術是一種體硅工藝[11-13]。該技術克服了犧牲層的缺陷,通過對硅襯底材料的深刻蝕來獲得較大的單元尺寸。另外,晶圓鍵合技術還避免了在CMUT振膜表面打通孔,因此可以保證陣元的發射強度不會因通孔而造成損失。

CMUT陣列加工所需要的掩膜版圖如圖3(a)所示。所設計的陣列為13陣元,前8陣元為本文所使用的8路CMUT陣列,陣元間距1 000 μm,后5陣元間距1 500 μm,用于驗證其他的設計。兩組陣列之間由刻槽隔開,完全獨立工作。單列陣元敏感單元為16個,頂電極相連。

在CMUT裸片加工完成后,需要將裸片通過bonding工藝固定至PCB板上。bonding工藝中的連接線使用的是延展性和導電性都較好的金線。綁定完成的CMUT器件如圖3(b)所示。在綁定完成后,使用Sensofar 3D共聚焦干涉顯微輪廓儀來對CMUT進行表面形貌測試。結果如圖4。從圖中可以看到,采用SOI晶圓鍵合技術所加工的CMUT敏感單元,其完整性良好,未發現振膜存在破損的情況。振膜的中心存在一定的塌陷,這是由于振膜內外的大氣壓差所導致。

使用阻抗分析儀測試得到,所加工的CMUT的實際中心頻率為230 kHz。

圖3 掩膜版圖及實物圖

圖4 共聚焦成像結果

3 測試結果與分析

3.1 CMUT相控偏轉實驗

測試CMUT陣列的發射偏轉性能,實驗示意圖如圖5所示。使用NCG200-D25空耦探頭測量CMUT陣列在不同偏轉角下的聲場指向性,CMUT陣列各個通道的延時由FPGA來控制,實驗中放大電路增益為40 dB,空耦探頭距離CMUT陣列15 cm,直流偏置電壓為80 V,信號產生單元所激發的脈沖寬度為500 ns,幅值為-12 V。

圖5 相控偏轉實驗圖和示意圖

實驗結果如圖6所示,圖中橫坐標為偏轉角θ,縱坐標為歸一化信號強度,圖中將仿真結果和實驗結果做了對比,虛線表示仿真得到的波形,實線表示采用三次樣條插值擬合得到的曲線。圖6(a)表示了CMUT陣列在30°偏轉下的聲場指向性,從圖中可以看出主瓣的位置在30°處;偏轉角小于-20°之后信號能量逐漸增強,同仿真的趨勢一致。圖6(b)表示了CMUT陣列在45°偏轉下的聲場指向性,圖中聲場主瓣的位置和仿真的結果存在較小的偏差,這是由于數據量較少所導致的曲線擬合誤差;在偏轉角小于-40°之后信號迅速變強,出現柵瓣。實驗結果同仿真結果在變化趨勢上是一致的,某些點存在的差異是由于測量所使用的空耦探頭孔徑較大,橫向分辨率較差所致。從結果中可知,所設計的陣列相控偏轉的角度小于45°時,在相對于聲束主方向的正負90°范圍內,柵瓣強度較小,不會對實際的使用造成影響。

圖6 相控偏轉實驗結果

圖7 CMUT發射聚焦實驗結果

3.2 CMUT發射聚焦實驗

測試CMUT陣列的發射聚焦性能。NCG200-D25空耦探頭作為接收端放置在CMUT陣列正前方3 cm處。CMUT陣列的激勵信號由FPGA產生,分別產生焦距為3 cm和未聚焦兩種信號,實驗結果如圖7,從圖7可以看出焦距為3 cm的強度略大于未聚焦時的強度。這說明波束在3 cm處匯聚。但是這個差距并不明顯,這是由于受實驗條件限制,接收端的空耦探頭孔徑較大,無法準確測量陣列的聲場,所接收到的信號反映的是一個較大區域的疊加值,因此會使得兩者的差距因為平均效應而縮小。

3.3 CMUT相控接收實驗

測試CMUT陣列多通道接收的性能。實驗中將NCG200-D25空耦超聲探頭作為聲源放置在距CMUT陣列20 cm、與CMUT法線呈30°夾角的位置處。直流電壓80 V,信號發生器輸出230 kHz,10 V的單脈沖正弦波激勵空耦探頭。CMUT陣列接收的信號通過一個8通道信號處理和采集單元進行記錄。圖8(a)表示沒有采用相控接收,直接將8路陣元的信號疊加輸出的結果。圖8(b)通過延遲算法將CMUT陣列聚焦于聲源處。從比較結果中可以看出,CMUT陣列通過相控偏轉提高了偏轉方向上接收到的信號強度。

圖8 CMUT相控接收實驗結果

4 結論

本文設計并加工了一種空氣耦合式的電容式微超聲換能器陣列,并通過聲學實驗測試了所設計陣列的指向性。從實驗結果中可以得到如下結論:本文所設計的CMUT陣列在空氣中偏轉角小于45°時的柵瓣較小,對實際影響較小,當大于45°后由于陣元間距的因素會導致柵瓣逐漸變大;本文所設計的CMUT陣列在聚焦延時法則下焦點處信號強度增強,但是聚焦效果一般,其原因是接收端所使用的空耦探頭孔徑較大,由于平均效應而使得聚焦效果不明顯。綜上分析,本文設計的空氣耦合式的電容微超聲換能器陣列滿足設計要求。本文對將來的研究及參數優化,具有參考價值。

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