電容式微機械超聲換能器的電流信號檢測電路設計*

黨 榮， 何常德， 孟亞楠， 盧小星， 張國軍， 張文棟

(中北大學 省部共建動態測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引 言

超聲換能器在無損檢測、醫學成像、水下聲波探測等領域有廣泛的應用，而電容式微機械超聲換能器(capacitive micromachined ultrasonic transducer，CMUT)因其寬頻帶、易于制造大陣列和與電子系統緊密集成的能力[1～3]，而被積極研究用于超聲成像。CMUT本質上是一個平行板電容器，CMUT在接收超聲波信號時，其表面薄膜振動，導致CMUT上下極板間距發生變化，從而產生電容值的改變，但由于CMUT電容值的變化量非常微弱，在皮法(pF)級別，極易受外界干擾的影響，因此,設計一種高增益、低噪聲、寬頻帶的微弱信號檢測電路極其重要[4～7]。

針對CMUT超聲換能器產生的微弱電信號，提出了一種低噪放大電路結構，進行了瞬態及交流特性分析，并通過實驗測試與仿真結果進行對比，最終確定了電路的最佳性能參數。目前實驗室中，CMUT與其檢測電路之間使用電纜進行連接，不僅會引入寄生電容從而影響CMUT的信號，而且測試過程容易受外界環境的干擾，因此將該電路與CMUT超聲換能器集成在同一印刷電路板(PCB)基板上，可以避免CMUT超聲換能器連接接收電路時受電纜等外部條件引入的噪聲影響，提高CMUT換能器的信噪比，使CMUT換能器更加穩定的工作。

超聲探頭和前端接收電路的微型化和智能化的集成應用，也是便攜式超聲成像設備研制與應用的關鍵與難點所在[8]。

1 CMUT換能器的工作原理

CMUT超聲換能器通常由多個敏感單元并聯構成陣元，其單個敏感單元基本結構如圖1(a)所示，主要由下電極、硅襯底、絕緣層、真空腔、振動薄膜以及上電極構成[9]。

圖1 CMUT換能器結構及工作原理

CMUT超聲換能器可以實現聲能和電能的相互轉換，因此CMUT換能器有發射模式和接收模式兩種工作模式。當CMUT換能器處于接收模式時，直流偏置電壓施加于其上下電極之間，在接收到外界的超聲波信號時，CMUT換能器上表面薄膜會產生機械振動，其上下極板間距會發生變化，導致CMUT換能器的電容值發生變化，從而產生微弱的電流信號，如圖1(b)所示。CMUT換能器輸出的電流[10]可表示為

(1)

式中VDC為施加在CMUT換能器上下兩極板之間的直流偏置電壓；C(t)為CMUT換能器的電容；ε0為真空介電常數；A為振動薄膜的面積；?d(t)/?t為CMUT薄膜振動的速度，其中，d(t)為在外界聲波作用下CMUT真空腔腔隙的變化量。由式(1)得出，在CMUT自身結構與外界環境條件不變的情況下，CMUT所能輸出的感應電流的大小與直流偏置電壓VDC成正比，因此為了提高CMUT的接收靈敏度，施加的VDC應盡可能大。

2 CMUT換能器微弱信號檢測

2.1 低噪放大電路設計

針對CMUT換能器在接收超聲波信號時產生的微弱電流信號，本文設計一種低噪放大電路結構，能在引入噪聲極低的同時，將CMUT輸出的微弱電流信號轉換并放大為與之成比例的電壓信號。

運算放大器的選型對整體電路的設計非常重要，本文選用LMH6624運算放大芯片,其擁有高增益帶寬、低輸入電壓噪聲、低輸入偏移電壓、高轉換速率、穩定的閉環放大倍數，而且由于其供電最大可以設置為±6 V，決定了其輸出電壓限幅高于其他的運算放大器，CMUT換能器在測試中受間距、交流驅動影響其信號的幅值差異很大。基于LMH6624芯片的低噪放大電路能夠實現對CMUT換能器微弱的電流信號的放大，同時滿足不同間距下的測試，不會出現小間距失真、大間距信號檢測困難的情況，是理想的CMUT接收電路。

根據負反饋原理以及歐姆定律可知，低噪放大電路輸出電壓與輸入電流之間的關系為

Vo=-Rfi(t)

(2)

式中Rf為反饋電阻，i(t)為電路輸入電流，即CMUT換能器輸出電流。

本文所設計的低噪放大電路結構如圖2所示。為了獲得LMH6624芯片的最佳性能，R2應不小于25 Ω。并聯電容器C2是一個低通濾波器，可將R2的附加噪聲降至最低，也可以用來減少從電源上傳來的噪聲。電路的帶寬公式為

(3)

Cf與Rf分別為反饋電容與反饋電阻，兩者的取值決定了電路的帶寬。電路結構如圖2。

圖2 電路結構

在實際低噪放大電路中，反饋電阻兩端并聯的反饋電容的作用為引入極點，進行相位補償，抑制高頻噪聲，防止電路發生自激振蕩，其大小為皮法級別，并且從反相輸入端輸入使電路抗干擾能力強。低噪放大電路可將換能器輸出的電流信號轉換為與其成比例的電壓信號，并且具有寬頻帶和低噪聲特性，能夠滿足CMUT換能器的測試需求，同時使輸出信號的信噪比得到大幅提升。

利用MULTISIM軟件對放大電路進行瞬態和交流特性分析。電路輸入幅值為500 μA電流信號，反饋電阻值設置為300 Ω～1 kΩ，反饋電容值設為2.2 pF，分析其輸出電壓Vo，表1列出了低噪放大電路的反饋電阻參數及輸出電壓峰峰值之間的關系。

表1 低噪放大電路輸出電壓峰峰值與反饋電阻關系

結合表1中反饋電阻參數的動態特性，確定低噪放大電路中各元器件參數：R1=R3=100 Ω，R2=100 Ω,C1=C3=10 μF,C2=100 nF,Rf=1 kΩ,Cf=2.2 pF。從圖3中可以看到其增益為80 dB，-3 dB帶寬約為72 MHz，符合理論依據。

圖3 低噪放大電路交流仿真

給電路輸入500 μA/300 kHz的交流電流，瞬態輸出電壓如圖 4 所示，低噪放大電路輸出信號峰峰值為1 V，對輸入電流放大了1 000倍，與仿真結果具有一致性。

圖4 低噪放大電路瞬態仿真

2.2 CMUT與檢測電路集成設計

實驗室中的CMUT需要通過導電膠粘貼在PCB上，使CMUT可以進行電氣連接，現有的測試方法中CMUT與檢測電路一般是兩個分立的部分，需要通過長電纜進行連接才能實現CMUT輸出信號的檢測與放大，由于CMUT輸出電容值的變化量只有幾到幾十皮法，將CMUT連接到檢測電路的長電纜增加了顯著的寄生電容，會嚴重降低CMUT的信號，引入噪聲，從而降低成像質量。

因此,將CMUT換能器的信號輸出端直接引至低噪放大電路輸入端，使CMUT換能器與其檢測電路集成在同一PCB基板上，從而避免外接電纜，這樣做能夠有效降低寄生參數對CMUT接收信號的信噪比的影響，并且使CMUT與檢測電路連接更加緊密，功耗更低，有利于提高基于CMUT的超聲成像系統的便攜性。設計出的實物如圖5所示，由雙層板構成，面積為3.8 cm2，頂層是低噪放大電路，底層是CMUT換能器，信號間的傳遞通過板內過孔及引線實現。

圖5 集成化CMUT換能器實物

3 測試結果與分析

3.1 電路性能測試

對低噪放大電路的幅頻特性以及線性度進行測試，利用信號發生器產生峰峰值為100 mV的交流電壓信號，改變交流信號輸入頻率從10 kHz至30 MHz，記錄其輸出電壓信號。圖6為檢測電路的幅頻特性曲線。

圖6 低噪放大電路頻率響應實測曲線

由圖6可以看出，輸入頻率為10 kHz～10 MHz時，低噪放大電路都具有較為穩定的性能，滿足實驗室設計的CMUT換能器的寬頻帶檢測需求。測試結果表明:低噪放大電路的-3 dB帶寬為26 MHz，輸入頻率為10～30 MHz時，電路增益平穩下降。

利用信號發生器產生頻率為0.1，1，5，10 MHz的信號，將交流輸入電壓范圍設置為50～750 mV，步進為50 mV，記錄低噪放大電路的輸出電壓信號，圖7為電路在不同頻率下輸出電壓信號與輸入信號的關系。

圖7 不同頻率下輸出電壓與輸入信號關系

根據圖7經過計算可以得出此放大電路在0.1，1，5，10 MHz下殘差平方和分別為0.015 2,0.017 01,0.013 23,0.012 56，相關系數分別為99.995 %,99.994 %,99.998 %,99.997 %，都具有良好的線性度，輸出電壓在0～10 V范圍內都能維持良好的穩定性而不失真，更有利于CMUT換能器輸出信號的可靠檢測。

3.2 集成化CMUT換能器實驗結果

3.2.1 超聲波信號接收測試

本實驗在硅油中利用一個CMUT換能器(見圖8(a))作為發射端，一個集成了前端接收電路的CMUT超聲換能器(見圖5(b))作為接收端，兩個CMUT超聲換能器的型號相同，測試間距為10 cm。整體測試系統如圖8(b)所示。

圖8 CMUT換能器與測試系統示意

利用信號發生器產生5個峰峰值為20 V的正弦脈沖交流信號，將其施加在發射端CMUT換能器的上電極，將20 V直流電壓分別施加在發射端和接收端CMUT換能器的下電極，為兩個換能器提供直流偏置電壓。

集成化CMUT換能器的接收信號曲線如圖9所示，將接收信號局部放大可以看出，接收信號為1.89 V，具有良好的均勻性和一致性，而噪聲為11.8 mV，根據信噪比計算公式可得，信噪比為50.62 dB。

圖9 集成化CMUT換能器輸出信號

3.2.2 線性度測試

將發射端CMUT 換能器與接收端集成化CMUT換能器固定在硅油中相距10 cm處并使其中心對準。同樣施加20 V的直流偏置電壓，通過改變交流驅動信號峰峰值從10 V增加到20 V，步進為1 V。

由圖10可以發現，在驅動信號頻率為1,2,3 MHz下，輸出電壓峰峰值均隨著交流驅動信號的增大而線性增大，經過計算，集成化CMUT換能器在1,2,3 MHz頻率下，線性度分別為-0.505 %,1.612 %,2.658 %，具有良好的線性度。

圖10 集成化CMUT換能器輸出電壓與輸入信號關系

3.2.3 帶寬測試

本文通過掃頻法對CMUT換能器的帶寬進行測試，利用信號發生器產生5個峰峰值為20 V的正弦脈沖交流信號，將其施加在發射端CMUT換能器的上電極，將20 V直流電壓分別施加在發射端和接收端CMUT換能器的下電極，為兩個換能器提供直流偏置電壓。設置輸入頻率為0.8～3.5 MHz，對接收端集成后的CMUT換能器信號進行檢測，測試結果表明CMUT換能器的中心頻率約為2.02 MHz，6 dB帶寬范圍約為0.99～3.05 MHz，相對帶寬(FBW)為101.98 %，與CMUT換能器本身帶寬一致。集成化CMUT換能器掃頻測試結果如圖11所示。

圖11 集成化CMUT換能器掃頻結果

4 結束語

本文對所設計的低噪放大電路進行了交流及瞬態仿真分析，并對電路性能進行了測試，并將該電路與CMUT換能器集成在同一PCB基板上，以減小CMUT與其檢測電路之間連接線引入的寄生參數影響，進行了超聲波信號檢測實驗。實驗結果表明：低噪放大電路具有良好的線性度與帶寬特性，能實現對CMUT換能器微弱輸出信號的檢測與放大，而集成后的CMUT換能器信噪比為50.62 dB，在1,2,3 MHz頻率下的線性度分別為-0.505 %,1.612 %,2.658 %，相對帶寬(FBW)為101.98 %，完美地展現了CMUT換能器的性能，并且具有體積小、一體化程度高等優勢，對基于CMUT換能器的超聲成像系統的實現具有重要意義。