直流偏置对电容式微机械超声换能器性能影响的研究

时间：2024-07-28

索文宇，张文栋，任勇峰，吴敏，吴子君，何常德

(1. 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051；2. 国网山西省电力公司朔州供电公司，山西朔州 036000 )

0 引言

随着微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)技术的发展，电容式微机械超声换能器(capacitive micromachined ultrasonic transducer, CMUT)向着阵列化和小型化发展。与传统的压电超声换能器相比，CMUT具有显著的优势，其体积小，易于大规模集成，带宽高，成本低[1-3]，是未来超声换能器发展的趋势。在无损检测[4]和医疗成像[5]中，CMUT器件都是关键组件。因此，CMUT器件的性能直接关系到发射和接收的超声波信号的质量。

CMUT与传统的压电换能器的不同之处在于，当CMUT发送和接收超声波时除了施加交流激励电压还必须施加直流偏置电压，而且在不同的直流偏置电压下CMUT的收发性能不同。因此，本文研究分析了不同的直流偏置电压下CMUT器件的振动薄膜速度、位移、发送和接收超声波的特性，以获得良好的应用效果。

1 电容式微机械超声换能器

1.1 CMUT器件的结构

CMUT阵列的每个阵元由许多敏感单元组成，敏感单元通常由金属上电极、隔离层、振动薄膜、边缘支撑、空腔、绝缘层和下电极组成[6]。图1给出了CMUT敏感单元的结构尺寸，CMUT器件在共聚焦显微镜图像如图2(a)所示。封装使用低衰减率和防水聚氨酯橡胶和低黏度的硅油，具有防水性和良好的透声性，封装后CMUT如图2(b)所示。

图1 CMUT单元结构

图2 CMUT器件

1.2 CMUT的工作原理

CMUT通过膜的振动发射和接收超声波，当在敏感单元的上下电极施加直流偏置电压时，两个非常接近但彼此绝缘的导电体表面迅速产生电荷，电容被充电，电荷之间的相互作用力为静电力。

当CMUT发射超声波时，在上、下电极施加直流偏置后，静电力导致振动薄膜向下弯曲，直到静电力与弹性恢复力达到平衡状态，此时再施加正弦波脉冲波的交流激励，薄膜振动发出超声波。

当接收超声波时，CMUT上的电压仅为直流偏置电压，超声波作用在振动薄膜上时，薄膜的平衡状态被破坏，薄膜振动改变敏感单元的电容值，从而产生电流信号，使用跨阻放大电路转化为电压信号。

2 不同直流偏置电压下CMUT振动薄膜

2.1 仿真模型分析

首先，使用软件COMSOL对CMUT敏感单元进行建模，根据CMUT器件各部分的尺寸建立仿真模型，如图3所示。实际使用直流偏置电压一般不超过40 V，因此，研究CMUT的直流偏置电压为0～35 V。

图3 CMUT仿真模型

在上、下电极施加变化范围为0～35 V的直流偏置电压和3 MHz的正弦交流激励电压，直流偏置变化步长为5 V。不同直流偏置电压下的位移曲线如图4所示(本刊黑白印刷，相关疑问请咨询作者)。当CMUT敏感单元随施加直流增加时，薄膜产生较大的位移变化。随着直流偏置电压的增加，薄膜的位移越来越大。

图4 仿真不同直流偏置下薄膜位移

2.2 测试分析

本文使用激光多普勒测振仪MSA500(MSA-500,Polytec)对CMUT测试位移和速度的变化。交流激励为3 MHz，峰值为20 V的正弦波，直流偏置电压在0～35 V内变化，变化步长是5 V。薄膜振动到最高和最低位置时的位移和速度如图5所示。

图5 振动位移和速度测试系统

不同直流偏置电压下薄膜的最大位移如图6所示，随着直流偏置电压的增加，薄膜的最大振动位移增大。当直流偏置电压为0、5、10、15、20、25、30和35 V时，薄膜中心最大位移分别为17.55、84.27、155.62、183.24、307.42、338.31、362.04和543.57 pm。这与仿真结果基本一致。系统测试不同直流偏置电压下薄膜中心点的最大振动速度如图7所示，薄膜中心的最大振动速度也随着直流偏置电压的增加而增加。当直流偏置电压为0、5、10、15、20、25、30、35 V时，薄膜中心的最大速度分别为0.225、1.016、1.956、2.316、3.825、4.228、4.423、6.863 mm/s。

图6 不同直流偏置电压下CMUT薄膜的最大振动位移

图7 不同直流偏置电压下CMUT薄膜的最大振动速度

3 不同直流偏置电压下CMUT中心频率的研究

首先搭建CMUT中心频率测试系统，如图8所示。在实验中，选择了两个相同的CMUT器件，距离为10 cm，使用一个窄脉冲驱动和一个CMUT发射超声波，另一个CMUT用于接收超声波。窄脉冲幅值为15 V，持续时间为117 ns。两个CMUT器件的直流偏置电压从0 V变化到35 V，变化幅度为5 V，示波器采集接收信号。

图8 不同直流偏置电压下CMUT中心频率水下测试平台

不同直流偏置电压下接收信号的频率如图9所示，当直流偏置电压分别为0、5、10、15、20和25 V时，CMUT器件的中心频率分别为4.880、4.855、4.793、4.725、4.638、4.510 MHz。随着直流偏置电压的增加，CMUT器件的中心频率变小，且趋势愈加明显，主要是由于振动薄膜形变程度不同导致振动薄膜的固有频率的变化。

图9 不同直流偏置电压下CMUT的中心频率

4 不同直流偏置下CMUT发射性能分析

水下测试系统如图10所示，CMUT发射超声波，水听器接收，相距10 cm。交流信号由信号发生器产生，通过功率放大器放大，直流偏置电压由功率放大器提供。针状水听器接收到的信号由示波器采集。

图10 不同直流偏置电压的CMUT发射特性水下测试平台

交流激励频率为3 MHz，峰峰值为20 V，3个周期的正弦波，CMUT发射时改变直流偏置，水听器接收到的信号如图11所示。针式水听器的灵敏度为1 088 mV/MPa，根据针式水听器的灵敏度计算出CMUT发射的声压和灵敏度值。

图11 针式水听器接收的电压信号

由图11可以看出，当直流偏置电压为5、10、15、20、25、30、35 V时，针式水听器接收到的电压峰峰值分别为12、14、17、22、27、34、41 mV。随着直流偏置电压的增大，发射的超声信号的幅值增大。

使用针式水听器接收到的电压信号和灵敏度计算得到10 cm处的声压值如图12所示，随着直流偏置电压的增大，CMUT发射的声压也随之增大。当直流偏置为5、10、15、20、25、30和35 V时，10 cm处声压值分别为11.02、12.86、15.63、20.22、24.81、31.25和37.68 kPa，直流偏置电压>15 V时，声压增大趋势越发明显。

图12 不同直流偏置电压下CMUT发射的声压值

根据CMUT的驱动电压和发射声压得到CMUT器件的发射灵敏度如图13所示。由图可知，当直流偏置电压为5、10、15、20、25、30、35 V时，CMUT的灵敏度分别为0.551、0.643、0.782、1.011、1.241、1.563、1.884 kPa/V；CMUT的灵敏度随着直流偏置电压的增加而增加。

图13 不同直流偏置电压下CMUT的发射灵敏度

当直流偏置电压<15 V时，对CMUT发射的超声信号、声压和发射灵敏度的影响较小。当直流偏置电压>15 V时，CMUT发射的超声信号幅值、声压和发射灵敏度变化较大，直流偏置越接近崩溃电压CMUT器件的发射性能越强。

5 不同直流偏置下CMUT接收特性分析

实验测试平台如图14所示，压电换能器发射，CMUT和水听器在同一位置接收，距离为10 cm，压电换能器的激励频率为3 MHz、3个周期、幅值为20 V的正弦波。

图14 不同直流偏置电压下CMUT接收特性测试平台

压电换能器在交流激励驱动下发射超声波，用示波器采集不同直流偏置电压下的CMUT接收信号，然后用针式水听器代替CMUT在相同位置接收超声信号，根据针式水听器的接收电压值和灵敏度计算接收位置的声压值。

CMUT器件在不同的直流偏置电压下的接收信号如图15所示，当直流偏置电压为 5、10、15、20、25、30和35 V时，接收信号的峰峰值分别为48.44、345.50、637.70、1 299.80、2 044.80和3 172.00 mV。接收信号的电压幅度随直流偏置电压的增加而增加。

图15 不同直流偏置电压下CMUT接收的电压信号

针式水听器接收到的电压值为144 mV，计算得到的声压为132.35 kPa，根据声压值计算的CMUT的接收灵敏度如图16所示。随着直流偏置电压的增加，CMUT的接收灵敏度变得越来越大。当直流偏置电压为0、5、10、15、20、25、30、35 V时，CMUT器件的接收灵敏度分别为0.366、2.611、4.818、9.821、15.451、23.971、32.796 mV/kPa。

图16 不同直流偏置电压下CMUT的接收灵敏度

综上所述，当直流偏置电压<15 V时，CMUT的接收电压值和接收灵敏度只会受到较小的影响。当直流偏置电压>15 V时，CMUT的接收电压值范围增大，接收灵敏度增大。