針對空氣耦合超聲無損檢測的電容式微超聲換能器設(shè)計研究

王江江 黎文鵬

摘 要：本文以電容式微超聲換能器的設(shè)計方案作為研究主體，采用振動薄膜、空腔、絕緣層與上下電極組成CMUT器件的敏感單元，將各單元并聯(lián)構(gòu)成陣元，選取16個陣元完成陣列設(shè)計，并完成CMUT器件的加工制作與性能測試。測試結(jié)果表明，該器件在發(fā)射性能、接收性能上均呈現(xiàn)出良好表現(xiàn)，具備良好適用價值。

關(guān)鍵詞：空氣耦合式;超聲檢測;CMUT技術(shù)

引言：無損檢測為航空工業(yè)和國防領(lǐng)域的材料缺陷檢測、零件探傷等提供重要技術(shù)支持，空氣耦合式是一種基于非接觸形式實現(xiàn)對待測對象無損檢測的新型檢測方法，以電容式微超聲換能器作為檢測工具，能夠有效克服傳統(tǒng)設(shè)備在阻抗匹配上面臨的限制條件，提高陣列設(shè)計便捷度且支持批量化生產(chǎn)，滿足實際使用需求。

1空氣耦合式CMUT結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1結(jié)構(gòu)組成

電容式微超聲換能器（CMUT）由振動薄膜、空腔、絕緣層、上電極與基底共五個敏感單元組成，將各敏感單元以并聯(lián)方式連接組成陣元，再根據(jù)實際需要完成不同維度陣列的建構(gòu)。在器件參數(shù)設(shè)計上，換能器由16個陣元組成，工作頻率范圍為100kHz～2MHz，其中振動薄膜由硅晶片制成，薄膜厚度為10μm、半徑為400μm，材料密度為2320kg/m?、泊松比為0.22，諧振頻率為257.28kHz;根據(jù)塌陷電壓特性，將空腔深度設(shè)為5μm，保證提高CMUT器件的最大發(fā)射聲壓與接收靈敏度;絕緣層厚度為2.2μm，兼顧電絕緣效果與接收靈敏度要求;上電極半徑為200μm，厚度為0.2μm[1]。

1.2工作原理

CMUT基于多場耦合原理運轉(zhuǎn)，在實際應(yīng)用環(huán)節(jié)通過調(diào)整外部影響因素、采取陣列分域控制方案，即可依托單獨的CMUT陣列實現(xiàn)發(fā)射與接收功能[2]。其中在發(fā)射功能的實現(xiàn)上，將CMUT器件的上電極、基底分別作為電容器的極板;通過向電極間施加直流偏置電壓，使由此生成的靜電力有效適應(yīng)振動薄膜的恢復(fù)，保證振動薄膜居于適中穩(wěn)定位置;在此基礎(chǔ)上，通過向電極間施加交流激勵電壓，改變振動薄膜所處的平衡狀態(tài)、使其產(chǎn)生振動，并且向外部輻射超聲波，以此完成由電能→機械能→聲能的能量轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)發(fā)射功能。在接收功能的實現(xiàn)上，同樣向上電極、基底之間施加直流偏置電壓，同時外接信號處理電路，用于檢測薄膜的振動現(xiàn)象，實現(xiàn)對外界施加超聲波信息的動態(tài)反饋，以此完成由聲能→機械能→電能的能量轉(zhuǎn)換過程，實現(xiàn)接收功能。

1.3陣列設(shè)計

首先，針對CMUT超聲波聲場的分布特征進(jìn)行分析，分別觀察單個敏感單元、整體陣列結(jié)構(gòu)的指向性圖像，從中可以看出敏感單元的指向性較差，因此需在陣列組成方式上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)成線性陣列。

其次，基于連續(xù)波理論進(jìn)行陣元間距設(shè)計，將聲場不出現(xiàn)柵瓣情況下（）的最大偏轉(zhuǎn)角設(shè)為，陣元數(shù)量為N，則陣元間距應(yīng)滿足：

根據(jù)振動薄膜半徑參數(shù)與陣元間的有效分隔條件，兼顧后續(xù)器件加工環(huán)節(jié)要求，將陣元間距設(shè)為1000μm。

再次，基于橫向分辨力數(shù)值要求進(jìn)行陣元數(shù)量設(shè)計，通常陣元數(shù)量與橫向分辨力成正比、與主瓣寬度成反比，但倘若陣元數(shù)量過多將影響到后續(xù)電路設(shè)計環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，結(jié)合陣元間距與線陣指向性特征，將陣元數(shù)量取值為16個。

最后，為改善一維線陣結(jié)構(gòu)的指向性，引入稀疏陣列方法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，針對CMUT的發(fā)射、接收陣列間距進(jìn)行差異化設(shè)計，使得兩聲場的聲壓旁瓣與零點位于相同點位，借此降低聲場所受的干擾。經(jīng)由優(yōu)化設(shè)計后，發(fā)射、接收兩陣列的振動薄膜數(shù)量均為16個、間距均為1000μm，陣元數(shù)量分別為8個和5個，對應(yīng)的陣元間距分別為1000μm和1500μm。

2測試結(jié)果分析

2.1器件加工制作

基于SOI直接鍵合工藝進(jìn)行器件陣列的加工制作，選取單晶硅制作振動薄膜，上電極、基底分別選用鋁材、低阻硅材制成，將SiO2作為絕緣層材料，采用刻蝕工藝在基底板處加工溝槽，完成多陣元結(jié)構(gòu)陣列的設(shè)計。觀察CMUT陣列的加工效果可以發(fā)現(xiàn)，振動薄膜結(jié)構(gòu)形態(tài)完好，陣列上各陣元實現(xiàn)整齊排布，且表面清潔、無雜質(zhì)，外觀質(zhì)量初步符合產(chǎn)品制造要求。

2.2性能測試結(jié)果分析

2.2.1靜態(tài)形貌檢測

采用3D光學(xué)輪廓儀進(jìn)行CMUT陣列敏感單元的形貌與規(guī)格測試，觀察測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，振動薄膜規(guī)格尺寸的偏差值控制在允許范圍內(nèi)，且振膜外觀完整、清潔，但其中心測點與邊緣測點未位于同一平面上，說明振動薄膜在環(huán)境大氣壓條件下存在一定的形變、產(chǎn)生高度差;在此基礎(chǔ)上，分別對不同敏感單元的靜態(tài)截面進(jìn)行觀測，完成中心與邊緣點位高度差的計算，測得振動薄膜在初始狀態(tài)下的形變量最大值為3.5μm，符合設(shè)計要求。

2.2.2輸入阻抗測試

輸入阻抗數(shù)值的大小將直接影響到CMUT器件的諧振頻率，選用高精密阻抗分析儀進(jìn)行陣元輸入阻抗的測試，生成振動薄膜與陣元的阻抗測試結(jié)果。由于該器件中選用16個振動薄膜以并聯(lián)方式連接組成陣列結(jié)構(gòu)，因此獲取到的阻抗測試結(jié)果體現(xiàn)出所有振動薄膜在同步運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的等效電容、等效電阻總值，將兩數(shù)值的變化量與單個振動薄膜變化量進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)其數(shù)值偏高，說明相較于振動薄膜而言陣列的諧振特性更好。

2.2.3諧振特性測試

運用激光測振儀進(jìn)行振動薄膜諧振特性測試，在敏感單元間隔處接入偏置電路，向電路中分兩次通入60V、40～80V的直流偏置電壓和1～5V、2V的交流激勵電壓，觀察振動薄膜的振動情況、測量其具體的振動位移量，并收集匯總多組測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。觀察測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在直流偏置電壓數(shù)值恒定的情況下，當(dāng)交流激勵電壓數(shù)值增大時，振動薄膜產(chǎn)生的位移量也將擴大4～5倍;在交流激勵電壓數(shù)值保持恒定的情況下，伴隨直流偏置電壓數(shù)值的增大，振動薄膜產(chǎn)生的位移量變化幅值約增大1.1～1.2倍，由此說明上文構(gòu)建的發(fā)射模型、接收模型均具備較高的精確度。

2.2.4聲學(xué)性能測試

在空氣環(huán)境下分別對CMUT器件的發(fā)射、接收性能進(jìn)行測試，其中在發(fā)射性能測試環(huán)節(jié)，對器件的發(fā)射探頭施加正弦波脈沖串，利用放大器將接收信號放大后輸出，觀察其聲學(xué)性能測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在交流激勵下器件的聲學(xué)響應(yīng)幅值較初始數(shù)值略微下降，但整體響應(yīng)信號仍具備一定強度，符合性能測試要求;在接收性能測試環(huán)節(jié)，對接入的Bias-T電路分別施加直流偏置電壓和交流激勵信號，觀察接收端探頭輻射的超聲波結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在交流激勵信號一致的基礎(chǔ)上，其輻射聲壓數(shù)值約為商用探頭的50%。在此基礎(chǔ)上，在鎂鋁合金板中進(jìn)行CMUT器件的性能測試，測試結(jié)果與空氣環(huán)境下的發(fā)射聲壓最大值、接收靈敏度均保持一致，且能夠成功收發(fā)Lamb波，具備良好性能優(yōu)勢，符合檢測要求。

結(jié)論：總體來看，本文基于空氣耦合形式進(jìn)行超聲無損檢測工藝的創(chuàng)新，完成電容式微超聲換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能分析，測試結(jié)果表明，該空氣耦合式CMUT器件在發(fā)射和接收性能、電路集成化設(shè)計、檢測靈敏度等方面均呈現(xiàn)出顯著性能優(yōu)勢，且引入微加工工藝后可有效適應(yīng)批量化生產(chǎn)需求，能夠為超聲無損檢測技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)與創(chuàng)新提供重要借鑒思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]李驥，張旻，PIWAKOWSKI Bogdan.空氣耦合超聲換能器聲場的時域計算方法[J].無損檢測，2020，（05）：59-62.

[2]楊樂，張亞.基于硅硅鍵合的電容式微超聲波換能器設(shè)計與測試[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019，（02）：72-74.