基于電容式微機(jī)械超聲換能器的脈沖回波接收電路設(shè)計(jì)

余遠(yuǎn)昱，王久江，張 雙，2,劉 鑫，徐 晶，李 堯

(1.內(nèi)江師范學(xué)院人工智能學(xué)院，四川內(nèi)江 641100；2.電子科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 611731；3.澳門大學(xué)模擬與混合信號(hào)超大規(guī)模集成電路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，澳門 999078；4.澳門大學(xué)科技學(xué)院電機(jī)與電腦工程系，澳門 999078)

0 引言

超聲換能器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電信號(hào)與超聲信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的器件，在醫(yī)學(xué)超聲成像和工業(yè)無(wú)損探傷中廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著微機(jī)電工藝(MEMS)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于靜電力原理的電容式微機(jī)械超聲換能器(CMUT)研究也取得了巨大的進(jìn)步[1]。相較于普通的壓電式超聲換能器，CMUT具有帶寬大、能與前端電路集成、易于實(shí)現(xiàn)高密度復(fù)雜陣列等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，逐步在生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用[4-6]。與壓電超聲換能器不同，CMUT工作在發(fā)射模式與接收模式時(shí)都需要施加一個(gè)直流偏置電壓。工作在接收模式時(shí)，入射超聲波使得CMUT薄膜產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致器件電容值改變，在直流偏置電壓的作用下產(chǎn)生變化的電流。為了實(shí)現(xiàn)超聲波的檢測(cè)，需使用跨阻放大電路將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。CMUT屬于MEMS器件，對(duì)于中頻或者高頻CMUT，一個(gè)CMUT單元的直徑為數(shù)十μm，其電容值在fF數(shù)量級(jí)。為了獲得較大的輸出聲壓，在應(yīng)用中需將多個(gè)CMUT單元并聯(lián)后組成陣元，再通過(guò)引線連接到發(fā)射和接收電路。一個(gè)CMUT陣元的電容值在數(shù)十pF數(shù)量級(jí)，而輸入超聲波所引起的電容變化值會(huì)更小，需要高靈敏度、低噪聲跨阻放大電路才能實(shí)現(xiàn)超聲波的檢測(cè)[7]。因此，現(xiàn)有壓電超聲換能器的發(fā)射和接收電路不能直接用于CMUT，這給CMUT的推廣與應(yīng)用帶來(lái)不便[8]。

根據(jù)CMUT的工作原理與特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種適用于CMUT發(fā)射與接收超聲回波的電路，可用于醫(yī)學(xué)超聲或工業(yè)超聲無(wú)損探傷中常用的脈沖回波法檢測(cè)。當(dāng)CMUT工作在發(fā)射模式時(shí)，為保護(hù)低電壓跨阻放大器電路，開關(guān)會(huì)自動(dòng)斷開CMUT與接收電路之間的通路。當(dāng)CMUT工作在接收模式下，CMUT輸出的微弱電流信號(hào)則送往后級(jí)的跨阻放大電路實(shí)現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換電壓和放大處理。

1 CMUT結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為圓形CMUT單元的剖面結(jié)構(gòu)示意圖[9]。CMUT在高摻雜的硅晶圓上進(jìn)行制備，硅晶圓既是器件的基底，也作為CMUT的底電極。硅基底上方是由SiO2和Si3N4組成的復(fù)合絕緣層。絕緣層之上是真空腔，可提供薄膜振動(dòng)的空間?？涨簧戏绞菆A形的Si3N4振動(dòng)薄膜。振動(dòng)薄膜上方為鋁材質(zhì)的頂電極。由此可見(jiàn)，CMUT單元可以等效為一個(gè)電容器，其電容為

圖1 CMUT結(jié)構(gòu)示意圖

(1)

式中：A為頂電極的面積；g為空腔的初始高度。

圖2為CMUT工作模式示意圖。在發(fā)射或接收模式，都需要在電極之間施加一個(gè)直流偏置電壓以維持CMUT的工作點(diǎn)。在發(fā)射模式時(shí)，在直流偏置電壓上疊加脈沖或者交流信號(hào)以產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，激勵(lì)薄膜振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，如圖2(a)所示。在接收模式時(shí)，入射超聲波沖擊CMUT的薄膜產(chǎn)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致電極之間的電容發(fā)生變化。在直流偏置電壓作用下，CMUT電極間變化的電荷以微弱的電流信號(hào)iΔC輸出，經(jīng)過(guò)跨阻放大器電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，如圖2(b)所示。

(a)發(fā)射模式CMUT

入射超聲波沖擊CMUT振動(dòng)薄膜，產(chǎn)生隨時(shí)間t變化的位移ω(t)，使得CMUT單元的電容發(fā)生改變[10]，如式(2)所示：

(2)

在施加在CMUT電極直流偏置電壓VDC的作用下，變化的電容轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)iΔC(t)，如式(3)所示：

(3)

由式(3)可看出，電流信號(hào)iΔC(t)直接與振動(dòng)薄膜的位移ω(t)相關(guān)，ω(t)則反映了施加在CMUT薄膜上的聲波特征。因此，將iΔC(t)轉(zhuǎn)換為電壓即可還原入射超聲波。

在醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備，通常使用頻率范圍2～10 MHz的超聲換能器。對(duì)應(yīng)頻率的CMUT薄膜直徑一般在數(shù)十μm的數(shù)量級(jí)，所需直流偏置電壓在數(shù)十V至數(shù)百V之間。為了產(chǎn)生足夠強(qiáng)的輸出聲壓，發(fā)射模式時(shí)所施加的脈沖/交流信號(hào)的峰-峰值一般可達(dá)數(shù)十V。

2 CMUT的回波接收電路設(shè)計(jì)

在超聲脈沖回波技術(shù)中，超聲換能器首先發(fā)射超聲波，之后進(jìn)入接收模式接收超聲回波，依此順序循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。圖3為基于CMUT的脈沖回波系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)是由CMUT、信號(hào)發(fā)生器組、脈沖回波接收電路和示波器組成。圖3中虛線框?yàn)槊}沖回波接收電路。

圖3 基于CMUT的脈沖回波系統(tǒng)框圖

由圖2(a)和圖2(b)可知，CMUT發(fā)射超聲波時(shí)需要在頂電極施加高壓脈沖交流信號(hào)，為了防止突變高電壓損壞后級(jí)的低電壓接收電路，在接收通路上增加開關(guān)電路：在發(fā)射模式下斷開CMUT與跨阻放大器電路的連接，而在接收模式下實(shí)現(xiàn)連通。

本設(shè)計(jì)的脈沖回波接收電路包括高速開關(guān)電路、跨阻放大器電路和電源電路3部分。信號(hào)發(fā)生器組輸出重復(fù)的脈沖序列用于發(fā)射超聲波，同時(shí)也將同步信號(hào)送往高速開關(guān)電路以實(shí)現(xiàn)輸出脈沖時(shí)斷開接收通路、在接收模式下導(dǎo)通接收通路。CMUT輸出的微弱電流經(jīng)跨阻放大器電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并在示波器上顯示。

2.1 高速開關(guān)電路設(shè)計(jì)

在CMUT的脈沖回波實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)發(fā)生器輸出重復(fù)的窄脈沖信號(hào)(脈沖寬度為50～100 ns，幅度為10～20 V，重復(fù)頻率為1 kHz)。為了減小回波信號(hào)接收的盲區(qū)，發(fā)射時(shí)間要盡可能短[11]。因此要求開關(guān)電路能夠承受高電壓，并能夠?qū)崿F(xiàn)高速開啟和關(guān)閉。

本設(shè)計(jì)中，選用ADG5419芯片實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)功能[12]，電路如圖4所示。ADG5419的導(dǎo)通電阻為13.5 Ω，在單電源+36 V供電模式下，器件典型的開啟時(shí)間/關(guān)閉時(shí)間<200 ns，可滿足CMUT工作在脈沖回波方式下的高電壓和高速工作的要求。引腳1為芯片輸出信號(hào)(ECHO)，連接到后級(jí)的跨阻放大器電路。信號(hào)發(fā)生器組所輸出的同步信號(hào)TRIG送往控制開關(guān)狀態(tài)的引腳6。當(dāng)TRIG信號(hào)為低電平(≤0.8 V)時(shí)，ADG5419的輸出引腳1內(nèi)部導(dǎo)通輸入引腳SA，也即連接到CMUT的頂電極端的INPUT信號(hào)，連通CMUT與后級(jí)的跨阻放大電路；當(dāng)TRIG信號(hào)為高電平(≥2.0 V)時(shí)，ADG5419的輸出引腳1內(nèi)部導(dǎo)通輸入引腳SB，即連接到地，斷開CMUT與后級(jí)的跨阻放大器電路。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器組的輸出信號(hào)，使得其輸出TRIG信號(hào)的高電平脈寬大于發(fā)射脈沖的脈寬，即可實(shí)現(xiàn)在發(fā)射脈沖之前斷開信號(hào)通路，發(fā)射脈沖之后連接信號(hào)通路的功能。

圖4 高速開關(guān)電路

2.2 跨阻放大器電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)CMUT輸出微弱的電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，選用低電流噪聲和電壓噪聲的運(yùn)算放大器芯片OPA657[13]。圖5為基于OPA657的跨阻放大器電路設(shè)計(jì)。

圖5 跨阻放大器電路

OPA657的引腳2連接到前級(jí)開關(guān)電路ADG5419的輸出引腳(ECHO信號(hào))?？缱璺糯笃鞯?3 dB閉環(huán)帶寬由式(4)計(jì)算。

(4)

式中：GBP為運(yùn)算放大器的增益帶寬乘積；Rf為反饋電阻；Cs為前端的輸入寄生電容。

由OPA657的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，其GBP數(shù)值為1 600 dB·MHz，芯片的輸入差分和共模寄生電容合計(jì)5.2 pF。考慮CMUT陣元電容，PCB板寄生電容，同軸電纜電容[14]和BNC連接器電容，預(yù)估Cs值的范圍在140～180 pF之間，取中間值為160 pF。反饋電阻Rf為2.2 kΩ，因此，由式(4)所計(jì)算的-3 dB帶寬約為27 MHz，可滿足在醫(yī)學(xué)超聲和工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中常用超聲波頻率范圍的需求。

2.3 電源電路設(shè)計(jì)

ADG5419工作電壓為+36 V，OPA657工作電壓分別為+5 V和-5 V。在設(shè)計(jì)中，選用線性穩(wěn)壓器(LDO)LM1117輸出+5 V電壓。由于LDO的輸入輸出電壓差值過(guò)大時(shí)會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率，因此LDO的輸入電壓選擇為+9 V，由外部直流電壓源提供。+36 V由外部直流電壓源提供。-5 V電壓由電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器MAX861[15]提供。為了保證電源質(zhì)量，在每組電壓的輸出引腳旁都并聯(lián)了鉭電容和陶瓷電容進(jìn)行濾波。

3 電路測(cè)試與分析

根據(jù)以上電路設(shè)計(jì)了雙層印制電路板，尺寸為5.4 cm×4.4 cm，如圖6所示。焊接元件并調(diào)試后，首先對(duì)電路板的增益帶寬和相位進(jìn)行波特圖測(cè)量，然后將CMUT連接到電路板上進(jìn)行脈沖回波實(shí)驗(yàn)。

圖6 電路板實(shí)物圖

3.1 波特圖測(cè)量

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀(4395A)對(duì)圖6的電路板進(jìn)行波特圖(增益帶寬和相位)測(cè)量。圖7為該電路的增益和帶寬測(cè)試結(jié)果。測(cè)量該電路的最大增益為39 dB，12 MHz處的增益仍在38 dB以上，-3 dB帶寬的截止頻率為24.2 MHz。截止頻率比設(shè)計(jì)目標(biāo)的27 MHz略小，可能是在測(cè)量裝置連線中引入了較大的寄生電容所致。圖8為跨阻放大器電路的相位圖，符合反相放大器的相位特性。

圖7 增益帶寬測(cè)試圖

圖8 相位測(cè)試圖

3.2 脈沖回波測(cè)試

搭建了脈沖回波實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將接收電路板與CMUT連接，進(jìn)行脈沖回波實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如圖9所示。因?yàn)橹苽涞腃MUT電極上沒(méi)有覆蓋保護(hù)層，為防止器件在高電壓下出現(xiàn)短路或擊穿，將CMUT浸泡在食用油中。CMUT器件面朝上，與油面的距離約為6 mm，CMUT發(fā)射超聲波并接收在油-空氣的界面所產(chǎn)生的超聲回波。

圖9 脈沖回波實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

CMUT工作所需的直流偏置電壓由可編程高壓直流電源(HSPY-400-01)提供，信號(hào)發(fā)生器(33500B)提供CMUT發(fā)射的窄脈沖信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器(33250A)輸出發(fā)射的同步信號(hào)，連接到高速開關(guān)電路的控制開關(guān)控制引腳TRIG端。雙路直流電源(U8031A)輸出+36 V與+9 V直流電壓，提供高速開關(guān)電路與電源電路所需的電壓?；旌蠑?shù)字示波器(DSOS254A)連接跨阻放大器的輸出端，顯示超聲回波信號(hào)。

基于此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別對(duì)編號(hào)為1#和2#的2款不同規(guī)格的CMUT進(jìn)行脈沖回波實(shí)驗(yàn)。圖10為1# CMUT(單元半徑為13 μm)陣元所接收的油面超聲回波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中施加到CMUT陣元的直流偏置電壓為104 V，發(fā)射窄脈沖寬度80 ns，脈沖幅值為20 V，重復(fù)頻率為1 kHz。由圖10可見(jiàn)，超聲回波信號(hào)出現(xiàn)在約8.3 μs的位置，與CMUT距離油面的高度相符。圖11是該回波信號(hào)的頻率響應(yīng)圖，可知1# CMUT的中心頻率為5.8 MHz，-6 dB相對(duì)帶寬為57%,數(shù)值與器件的設(shè)計(jì)指標(biāo)相近。

圖10 1# CMUT超聲回波信號(hào)

圖11 1# CMUT超聲回波頻率響應(yīng)

圖12是對(duì)2# CMUT的陣元(單元半徑為10 μm)的測(cè)試的超聲回波信號(hào)，實(shí)驗(yàn)中對(duì)CMUT所施加的直流偏置電壓為190 V，發(fā)射窄脈沖寬度為80 ns，脈沖幅值20 V，重復(fù)頻率1 kHz。如圖12所示，超聲回波信號(hào)也出現(xiàn)在約8.3 μs的位置，與實(shí)驗(yàn)中CMUT距離油面高度結(jié)果相符。圖13為該回波信號(hào)的頻率響應(yīng)，可知2# CMUT的中心頻率為9.4 MHz，-6 dB相對(duì)帶寬為28%，與器件的設(shè)計(jì)指標(biāo)相近。

圖12 2# CMUT超聲回波信號(hào)

圖13 2# CMUT超聲回波頻率響應(yīng)

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

波特圖測(cè)量結(jié)果表明該電路在醫(yī)學(xué)、工業(yè)中常用的超聲頻率范圍內(nèi)具有較大的增益與帶寬?；诖穗娐钒鍖?duì)2款不同頻率的CMUT陣元進(jìn)行了脈沖回波實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明高速開關(guān)電路在CMUT發(fā)射時(shí)能夠有效保護(hù)后級(jí)敏感的接收電路，跨阻放大電路能將CMUT接收超聲波所產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。因此本電路能夠用于CMUT的特性測(cè)試[16]與超聲回波成像[17]應(yīng)用。

4 結(jié)論

結(jié)合CMUT工作的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了適用于CMUT脈沖回波技術(shù)的電路，包括高速開關(guān)電路、跨阻放大器電路和電源電路3個(gè)模塊。高速開關(guān)電路在CMUT發(fā)射時(shí)能夠保護(hù)后級(jí)低電壓敏感電路不受高壓發(fā)射脈沖損壞；跨阻放大器電路能夠?qū)⑽⑷蹼娏餍盘?hào)轉(zhuǎn)換為放大的電壓信號(hào)；電源電路則提供各模塊電路工作所需的電壓。經(jīng)過(guò)波特圖測(cè)量與CMUT器件測(cè)試，表明本電路具備較大的增益與帶寬，能夠?qū)MUT所接收的超聲回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓輸出，供后級(jí)電路進(jìn)一步處理，可滿足CMUT在醫(yī)學(xué)超聲、工業(yè)無(wú)損探傷等領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的需求。