電容式微機(jī)械超聲換能器的電流信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)*

黨 榮， 何常德， 孟亞楠， 盧小星， 張國(guó)軍， 張文棟

(中北大學(xué) 省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引 言

超聲換能器在無(wú)損檢測(cè)、醫(yī)學(xué)成像、水下聲波探測(cè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，而電容式微機(jī)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(tǒng)緊密集成的能力[1～3]，而被積極研究用于超聲成像。CMUT本質(zhì)上是一個(gè)平行板電容器，CMUT在接收超聲波信號(hào)時(shí)，其表面薄膜振動(dòng)，導(dǎo)致CMUT上下極板間距發(fā)生變化，從而產(chǎn)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(jí)別，極易受外界干擾的影響，因此,設(shè)計(jì)一種高增益、低噪聲、寬頻帶的微弱信號(hào)檢測(cè)電路極其重要[4～7]。

針對(duì)CMUT超聲換能器產(chǎn)生的微弱電信號(hào)，提出了一種低噪放大電路結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了瞬態(tài)及交流特性分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最終確定了電路的最佳性能參數(shù)。目前實(shí)驗(yàn)室中，CMUT與其檢測(cè)電路之間使用電纜進(jìn)行連接，不僅會(huì)引入寄生電容從而影響CMUT的信號(hào)，而且測(cè)試過(guò)程容易受外界環(huán)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(shí)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(wěn)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(yīng)用，也是便攜式超聲成像設(shè)備研制與應(yīng)用的關(guān)鍵與難點(diǎn)所在[8]。

1 CMUT換能器的工作原理

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

圖1 CMUT換能器結(jié)構(gòu)及工作原理

CMUT超聲換能器可以實(shí)現(xiàn)聲能和電能的相互轉(zhuǎn)換，因此CMUT換能器有發(fā)射模式和接收模式兩種工作模式。當(dāng)CMUT換能器處于接收模式時(shí)，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(hào)時(shí)，CMUT換能器上表面薄膜會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，其上下極板間距會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致CMUT換能器的電容值發(fā)生變化，從而產(chǎn)生微弱的電流信號(hào)，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(shù)；A為振動(dòng)薄膜的面積；?d(t)/?t為CMUT薄膜振動(dòng)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(jié)構(gòu)與外界環(huán)境條件不變的情況下，CMUT所能輸出的感應(yīng)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(yīng)盡可能大。

2 CMUT換能器微弱信號(hào)檢測(cè)

2.1 低噪放大電路設(shè)計(jì)

針對(duì)CMUT換能器在接收超聲波信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)，本文設(shè)計(jì)一種低噪放大電路結(jié)構(gòu)，能在引入噪聲極低的同時(shí)，將CMUT輸出的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換并放大為與之成比例的電壓信號(hào)。

運(yùn)算放大器的選型對(duì)整體電路的設(shè)計(jì)非常重要，本文選用LMH6624運(yùn)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(zhuǎn)換速率、穩(wěn)定的閉環(huán)放大倍數(shù)，而且由于其供電最大可以設(shè)置為±6 V，決定了其輸出電壓限幅高于其他的運(yùn)算放大器，CMUT換能器在測(cè)試中受間距、交流驅(qū)動(dòng)影響其信號(hào)的幅值差異很大?；贚MH6624芯片的低噪放大電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)CMUT換能器微弱的電流信號(hào)的放大，同時(shí)滿足不同間距下的測(cè)試，不會(huì)出現(xiàn)小間距失真、大間距信號(hào)檢測(cè)困難的情況，是理想的CMUT接收電路。

根據(jù)負(fù)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(guān)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(shè)計(jì)的低噪放大電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了獲得LMH6624芯片的最佳性能，R2應(yīng)不小于25 Ω。并聯(lián)電容器C2是一個(gè)低通濾波器，可將R2的附加噪聲降至最低，也可以用來(lái)減少?gòu)碾娫瓷蟼鱽?lái)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(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 電路結(jié)構(gòu)

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

利用MULTISIM軟件對(duì)放大電路進(jìn)行瞬態(tài)和交流特性分析。電路輸入幅值為500 μA電流信號(hào)，反饋電阻值設(shè)置為300 Ω～1 kΩ，反饋電容值設(shè)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(shù)及輸出電壓峰峰值之間的關(guān)系。

表1 低噪放大電路輸出電壓峰峰值與反饋電阻關(guān)系

結(jié)合表1中反饋電阻參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性，確定低噪放大電路中各元器件參數(shù)：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(jù)。

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(tài)輸出電壓如圖 4 所示，低噪放大電路輸出信號(hào)峰峰值為1 V，對(duì)輸入電流放大了1 000倍，與仿真結(jié)果具有一致性。

圖4 低噪放大電路瞬態(tài)仿真

2.2 CMUT與檢測(cè)電路集成設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室中的CMUT需要通過(guò)導(dǎo)電膠粘貼在PCB上，使CMUT可以進(jìn)行電氣連接，現(xiàn)有的測(cè)試方法中CMUT與檢測(cè)電路一般是兩個(gè)分立的部分，需要通過(guò)長(zhǎng)電纜進(jìn)行連接才能實(shí)現(xiàn)CMUT輸出信號(hào)的檢測(cè)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(cè)電路的長(zhǎng)電纜增加了顯著的寄生電容，會(huì)嚴(yán)重降低CMUT的信號(hào)，引入噪聲，從而降低成像質(zhì)量。

因此,將CMUT換能器的信號(hào)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(cè)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(shù)對(duì)CMUT接收信號(hào)的信噪比的影響，并且使CMUT與檢測(cè)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(tǒng)的便攜性。設(shè)計(jì)出的實(shí)物如圖5所示，由雙層板構(gòu)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(hào)間的傳遞通過(guò)板內(nèi)過(guò)孔及引線實(shí)現(xiàn)。

圖5 集成化CMUT換能器實(shí)物

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 電路性能測(cè)試

對(duì)低噪放大電路的幅頻特性以及線性度進(jìn)行測(cè)試，利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生峰峰值為100 mV的交流電壓信號(hào)，改變交流信號(hào)輸入頻率從10 kHz至30 MHz，記錄其輸出電壓信號(hào)。圖6為檢測(cè)電路的幅頻特性曲線。

圖6 低噪放大電路頻率響應(yīng)實(shí)測(cè)曲線

由圖6可以看出，輸入頻率為10 kHz～10 MHz時(shí)，低噪放大電路都具有較為穩(wěn)定的性能，滿足實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的CMUT換能器的寬頻帶檢測(cè)需求。測(cè)試結(jié)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(shí)，電路增益平穩(wěn)下降。

利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為0.1，1，5，10 MHz的信號(hào)，將交流輸入電壓范圍設(shè)置為50～750 mV，步進(jìn)為50 mV，記錄低噪放大電路的輸出電壓信號(hào)，圖7為電路在不同頻率下輸出電壓信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系。

圖7 不同頻率下輸出電壓與輸入信號(hào)關(guān)系

根據(jù)圖7經(jīng)過(guò)計(jì)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(guān)系數(shù)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(nèi)都能維持良好的穩(wěn)定性而不失真，更有利于CMUT換能器輸出信號(hào)的可靠檢測(cè)。

3.2 集成化CMUT換能器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 超聲波信號(hào)接收測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)在硅油中利用一個(gè)CMUT換能器(見(jiàn)圖8(a))作為發(fā)射端，一個(gè)集成了前端接收電路的CMUT超聲換能器(見(jiàn)圖5(b))作為接收端，兩個(gè)CMUT超聲換能器的型號(hào)相同，測(cè)試間距為10 cm。整體測(cè)試系統(tǒng)如圖8(b)所示。

圖8 CMUT換能器與測(cè)試系統(tǒng)示意

利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生5個(gè)峰峰值為20 V的正弦脈沖交流信號(hào)，將其施加在發(fā)射端CMUT換能器的上電極，將20 V直流電壓分別施加在發(fā)射端和接收端CMUT換能器的下電極，為兩個(gè)換能器提供直流偏置電壓。

集成化CMUT換能器的接收信號(hào)曲線如圖9所示，將接收信號(hào)局部放大可以看出，接收信號(hào)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(jù)信噪比計(jì)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(hào)

3.2.2 線性度測(cè)試

將發(fā)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(duì)準(zhǔn)。同樣施加20 V的直流偏置電壓，通過(guò)改變交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)峰峰值從10 V增加到20 V，步進(jìn)為1 V。

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為1,2,3 MHz下，輸出電壓峰峰值均隨著交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)的增大而線性增大，經(jīng)過(guò)計(jì)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(hào)關(guān)系

3.2.3 帶寬測(cè)試

本文通過(guò)掃頻法對(duì)CMUT換能器的帶寬進(jìn)行測(cè)試，利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生5個(gè)峰峰值為20 V的正弦脈沖交流信號(hào)，將其施加在發(fā)射端CMUT換能器的上電極，將20 V直流電壓分別施加在發(fā)射端和接收端CMUT換能器的下電極，為兩個(gè)換能器提供直流偏置電壓。設(shè)置輸入頻率為0.8～3.5 MHz，對(duì)接收端集成后的CMUT換能器信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)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(duì)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(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11 集成化CMUT換能器掃頻結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)所設(shè)計(jì)的低噪放大電路進(jìn)行了交流及瞬態(tài)仿真分析，并對(duì)電路性能進(jìn)行了測(cè)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(cè)電路之間連接線引入的寄生參數(shù)影響，進(jìn)行了超聲波信號(hào)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：低噪放大電路具有良好的線性度與帶寬特性，能實(shí)現(xiàn)對(duì)CMUT換能器微弱輸出信號(hào)的檢測(cè)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(duì)帶寬(FBW)為101.98 %，完美地展現(xiàn)了CMUT換能器的性能，并且具有體積小、一體化程度高等優(yōu)勢(shì)，對(duì)基于CMUT換能器的超聲成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。