直流偏置對(duì)電容式微機(jī)械超聲換能器性能影響的研究

索文宇，張文棟，任勇峰，吳敏，吳子君，何常德

(1. 中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2. 國(guó)網(wǎng)山西省電力公司朔州供電公司，山西 朔州 036000 )

0 引言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system, MEMS)技術(shù)的發(fā)展，電容式微機(jī)械超聲換能器(capacitive micromachined ultrasonic transducer, CMUT)向著陣列化和小型化發(fā)展。與傳統(tǒng)的壓電超聲換能器相比，CMUT具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其體積小，易于大規(guī)模集成，帶寬高，成本低[1-3]，是未來(lái)超聲換能器發(fā)展的趨勢(shì)。在無(wú)損檢測(cè)[4]和醫(yī)療成像[5]中，CMUT器件都是關(guān)鍵組件。因此，CMUT器件的性能直接關(guān)系到發(fā)射和接收的超聲波信號(hào)的質(zhì)量。

CMUT與傳統(tǒng)的壓電換能器的不同之處在于，當(dāng)CMUT發(fā)送和接收超聲波時(shí)除了施加交流激勵(lì)電壓還必須施加直流偏置電壓，而且在不同的直流偏置電壓下CMUT的收發(fā)性能不同。因此，本文研究分析了不同的直流偏置電壓下CMUT器件的振動(dòng)薄膜速度、位移、發(fā)送和接收超聲波的特性，以獲得良好的應(yīng)用效果。

1 電容式微機(jī)械超聲換能器

1.1 CMUT器件的結(jié)構(gòu)

CMUT陣列的每個(gè)陣元由許多敏感單元組成，敏感單元通常由金屬上電極、隔離層、振動(dòng)薄膜、邊緣支撐、空腔、絕緣層和下電極組成[6]。圖1給出了CMUT敏感單元的結(jié)構(gòu)尺寸，CMUT器件在共聚焦顯微鏡圖像如圖2(a)所示。封裝使用低衰減率和防水聚氨酯橡膠和低黏度的硅油，具有防水性和良好的透聲性，封裝后CMUT如圖2(b)所示。

圖1 CMUT單元結(jié)構(gòu)

圖2 CMUT器件

1.2 CMUT的工作原理

CMUT通過(guò)膜的振動(dòng)發(fā)射和接收超聲波，當(dāng)在敏感單元的上下電極施加直流偏置電壓時(shí)，兩個(gè)非常接近但彼此絕緣的導(dǎo)電體表面迅速產(chǎn)生電荷，電容被充電，電荷之間的相互作用力為靜電力。

當(dāng)CMUT發(fā)射超聲波時(shí)，在上、下電極施加直流偏置后，靜電力導(dǎo)致振動(dòng)薄膜向下彎曲，直到靜電力與彈性恢復(fù)力達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)再施加正弦波脈沖波的交流激勵(lì)，薄膜振動(dòng)發(fā)出超聲波。

當(dāng)接收超聲波時(shí)，CMUT上的電壓僅為直流偏置電壓，超聲波作用在振動(dòng)薄膜上時(shí)，薄膜的平衡狀態(tài)被破壞，薄膜振動(dòng)改變敏感單元的電容值，從而產(chǎn)生電流信號(hào)，使用跨阻放大電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。

2 不同直流偏置電壓下CMUT振動(dòng)薄膜

2.1 仿真模型分析

首先，使用軟件COMSOL對(duì)CMUT敏感單元進(jìn)行建模，根據(jù)CMUT器件各部分的尺寸建立仿真模型，如圖3所示。實(shí)際使用直流偏置電壓一般不超過(guò)40 V，因此，研究CMUT的直流偏置電壓為0～35 V。

圖3 CMUT仿真模型

在上、下電極施加變化范圍為0～35 V的直流偏置電壓和3 MHz的正弦交流激勵(lì)電壓，直流偏置變化步長(zhǎng)為5 V。不同直流偏置電壓下的位移曲線如圖4所示(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問(wèn)請(qǐng)咨詢作者)。當(dāng)CMUT敏感單元隨施加直流增加時(shí)，薄膜產(chǎn)生較大的位移變化。隨著直流偏置電壓的增加，薄膜的位移越來(lái)越大。

圖4 仿真不同直流偏置下薄膜位移

2.2 測(cè)試分析

本文使用激光多普勒測(cè)振儀MSA500(MSA-500,Polytec)對(duì)CMUT測(cè)試位移和速度的變化。交流激勵(lì)為3 MHz，峰值為20 V的正弦波，直流偏置電壓在0～35 V內(nèi)變化，變化步長(zhǎng)是5 V。薄膜振動(dòng)到最高和最低位置時(shí)的位移和速度如圖5所示。

圖5 振動(dòng)位移和速度測(cè)試系統(tǒng)

不同直流偏置電壓下薄膜的最大位移如圖6所示，隨著直流偏置電壓的增加，薄膜的最大振動(dòng)位移增大。當(dāng)直流偏置電壓為0、5、10、15、20、25、30和35 V時(shí)，薄膜中心最大位移分別為17.55、84.27、155.62、183.24、307.42、338.31、362.04和543.57 pm。這與仿真結(jié)果基本一致。系統(tǒng)測(cè)試不同直流偏置電壓下薄膜中心點(diǎn)的最大振動(dòng)速度如圖7所示，薄膜中心的最大振動(dòng)速度也隨著直流偏置電壓的增加而增加。當(dāng)直流偏置電壓為0、5、10、15、20、25、30、35 V時(shí)，薄膜中心的最大速度分別為0.225、1.016、1.956、2.316、3.825、4.228、4.423、6.863 mm/s。

圖6 不同直流偏置電壓下CMUT薄膜的最大振動(dòng)位移

圖7 不同直流偏置電壓下CMUT薄膜的最大振動(dòng)速度

3 不同直流偏置電壓下CMUT中心頻率的研究

首先搭建CMUT中心頻率測(cè)試系統(tǒng)，如圖8所示。在實(shí)驗(yàn)中，選擇了兩個(gè)相同的CMUT器件，距離為10 cm，使用一個(gè)窄脈沖驅(qū)動(dòng)和一個(gè)CMUT發(fā)射超聲波，另一個(gè)CMUT用于接收超聲波。窄脈沖幅值為15 V，持續(xù)時(shí)間為117 ns。兩個(gè)CMUT器件的直流偏置電壓從0 V變化到35 V，變化幅度為5 V，示波器采集接收信號(hào)。

圖8 不同直流偏置電壓下CMUT中心頻率水下測(cè)試平臺(tái)

不同直流偏置電壓下接收信號(hào)的頻率如圖9所示，當(dāng)直流偏置電壓分別為0、5、10、15、20和25 V時(shí)，CMUT器件的中心頻率分別為4.880、4.855、4.793、4.725、4.638、4.510 MHz。隨著直流偏置電壓的增加，CMUT器件的中心頻率變小，且趨勢(shì)愈加明顯，主要是由于振動(dòng)薄膜形變程度不同導(dǎo)致振動(dòng)薄膜的固有頻率的變化。

圖9 不同直流偏置電壓下CMUT的中心頻率

4 不同直流偏置下CMUT發(fā)射性能分析

水下測(cè)試系統(tǒng)如圖10所示，CMUT發(fā)射超聲波，水聽(tīng)器接收，相距10 cm。交流信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，通過(guò)功率放大器放大，直流偏置電壓由功率放大器提供。針狀水聽(tīng)器接收到的信號(hào)由示波器采集。

圖10 不同直流偏置電壓的CMUT發(fā)射特性水下測(cè)試平臺(tái)

交流激勵(lì)頻率為3 MHz，峰峰值為20 V，3個(gè)周期的正弦波，CMUT發(fā)射時(shí)改變直流偏置，水聽(tīng)器接收到的信號(hào)如圖11所示。針式水聽(tīng)器的靈敏度為1 088 mV/MPa，根據(jù)針式水聽(tīng)器的靈敏度計(jì)算出CMUT發(fā)射的聲壓和靈敏度值。

圖11 針式水聽(tīng)器接收的電壓信號(hào)

由圖11可以看出，當(dāng)直流偏置電壓為5、10、15、20、25、30、35 V時(shí)，針式水聽(tīng)器接收到的電壓峰峰值分別為12、14、17、22、27、34、41 mV。隨著直流偏置電壓的增大，發(fā)射的超聲信號(hào)的幅值增大。

使用針式水聽(tīng)器接收到的電壓信號(hào)和靈敏度計(jì)算得到10 cm處的聲壓值如圖12所示，隨著直流偏置電壓的增大，CMUT發(fā)射的聲壓也隨之增大。當(dāng)直流偏置為5、10、15、20、25、30和35 V時(shí)，10 cm處聲壓值分別為11.02、12.86、15.63、20.22、24.81、31.25和37.68 kPa，直流偏置電壓>15 V時(shí)，聲壓增大趨勢(shì)越發(fā)明顯。

圖12 不同直流偏置電壓下CMUT發(fā)射的聲壓值

根據(jù)CMUT的驅(qū)動(dòng)電壓和發(fā)射聲壓得到CMUT器件的發(fā)射靈敏度如圖13所示。由圖可知，當(dāng)直流偏置電壓為5、10、15、20、25、30、35 V時(shí)，CMUT的靈敏度分別為0.551、0.643、0.782、1.011、1.241、1.563、1.884 kPa/V；CMUT的靈敏度隨著直流偏置電壓的增加而增加。

圖13 不同直流偏置電壓下CMUT的發(fā)射靈敏度

當(dāng)直流偏置電壓<15 V時(shí)，對(duì)CMUT發(fā)射的超聲信號(hào)、聲壓和發(fā)射靈敏度的影響較小。當(dāng)直流偏置電壓>15 V時(shí)，CMUT發(fā)射的超聲信號(hào)幅值、聲壓和發(fā)射靈敏度變化較大，直流偏置越接近崩潰電壓CMUT器件的發(fā)射性能越強(qiáng)。

5 不同直流偏置下CMUT接收特性分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖14所示，壓電換能器發(fā)射，CMUT和水聽(tīng)器在同一位置接收，距離為10 cm，壓電換能器的激勵(lì)頻率為3 MHz、3個(gè)周期、幅值為20 V的正弦波。

圖14 不同直流偏置電壓下CMUT接收特性測(cè)試平臺(tái)

壓電換能器在交流激勵(lì)驅(qū)動(dòng)下發(fā)射超聲波，用示波器采集不同直流偏置電壓下的CMUT接收信號(hào)，然后用針式水聽(tīng)器代替CMUT在相同位置接收超聲信號(hào)，根據(jù)針式水聽(tīng)器的接收電壓值和靈敏度計(jì)算接收位置的聲壓值。

CMUT器件在不同的直流偏置電壓下的接收信號(hào)如圖15所示，當(dāng)直流偏置電壓為 5、10、15、20、25、30和35 V時(shí)，接收信號(hào)的峰峰值分別為48.44、345.50、637.70、1 299.80、2 044.80和3 172.00 mV。接收信號(hào)的電壓幅度隨直流偏置電壓的增加而增加。

圖15 不同直流偏置電壓下CMUT接收的電壓信號(hào)

針式水聽(tīng)器接收到的電壓值為144 mV，計(jì)算得到的聲壓為132.35 kPa，根據(jù)聲壓值計(jì)算的CMUT的接收靈敏度如圖16所示。隨著直流偏置電壓的增加，CMUT的接收靈敏度變得越來(lái)越大。當(dāng)直流偏置電壓為0、5、10、15、20、25、30、35 V時(shí)，CMUT器件的接收靈敏度分別為0.366、2.611、4.818、9.821、15.451、23.971、32.796 mV/kPa。

圖16 不同直流偏置電壓下CMUT的接收靈敏度

綜上所述，當(dāng)直流偏置電壓<15 V時(shí)，CMUT的接收電壓值和接收靈敏度只會(huì)受到較小的影響。當(dāng)直流偏置電壓>15 V時(shí)，CMUT的接收電壓值范圍增大，接收靈敏度增大。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究得出以下結(jié)論,在恒定交流激勵(lì)的條件下:

1)隨著CMUT直流偏置電壓的增加，振動(dòng)薄膜的最大位移幅度和最大振動(dòng)速度也增加。

2)CMUT的直流偏置電壓增大，CMUT的中心頻率趨于變小。

3)CMUT的發(fā)射聲壓和發(fā)射靈敏度隨直流偏置電壓的增加而增加。

4)CMUT的接收靈敏度和接收電壓幅度隨直流偏置電壓的增加而增加。

因此，CMUT在不同的應(yīng)用需求中調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)腃MUT直流偏置電壓，以獲得合適的應(yīng)用效果。