空气耦合电容式微超声换能器线阵设计与测试*

张 慧,郑冠儒,李 志,曾周末

(天津大学,精密测试技术与仪器国家重点实验室,天津 300072)

空气耦合式超声检测作为一种非接触式的检测技术有着广泛的应用前景,其相较于传统的超声检测方法具有非接触、非侵入、完全无损等优点[1]。最新的研究成果将此项技术应用于人机交互[2]和医学成像[3]等前沿领域。在这些研究当中,空气耦合的超声换能器是最核心的部分。传统的压电式超声换能器由于固体和气体的声阻抗相差较大,因此存在着阻抗匹配的问题,限制了其在空气耦合检测领域中的应用。上世纪70年代后,随着MEMS技术的快速发展,硅微声学器件成为了研究热点。硅微声学器件是指利用体硅工艺、表面硅工艺等手段在硅材料上加工出的声学器件,其尺寸一般在微米级甚至纳米级。硅结构微加工超声换能器可分为两类,分别是电容式微加工超声换能器CMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)和压电式微加工超声换能器PMUT(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer)。CMUT的单个敏感单元的结构从上至下分别为上电极、振膜、空腔、绝缘层和基底。工作时,需要预先在CMUT的两端加载一个直流电压,电容中形成一个静电场,振膜在电场力的作用下发生形变,从而在振膜中形成一个预紧力。在发射模式下,当在振膜两端外加一个脉冲激励时,CMUT振膜的平衡状态会被打破,振膜做自由阻尼振动,向外界发射超声波。接收模式是发射模式的逆过程。相对于PMUT来说,CMUT的振动膜结构使得其机电耦合效率更高,更易于在空气等工作介质中使用;CMUT在接收灵敏度、带宽范围等各项指标上均优于PMUT。除此之外,CMUT换能器还有一些其他的优势,如采用MEMS工艺,敏感单元尺寸可以做到微米级别,易于设计成高密度的线阵或面阵阵列;易于和信号放大电路集成,降低由于走线或分立元件而造成的噪声。因此,空气耦合的CMUT换能器及其阵列的研究,具有较大价值。

1996年斯坦福大学的研究小组首次设计加工了CMUT换能器,并论证了CMUT作为一种新型换能器相较传统换能器的优势。此后二十年以该研究小组为首的国外研究机构陆续有针对CMUT换能器及其阵列的研究成果发表[4-6],目前已在缺陷检测、医学成像、手势识别等相关领域取得一定的研究成果。国内各研究机构目前的研究主要集中在CMUT的理论设计、仿真[7],以及液体耦合的CMUT阵列的设计、测试等[8]。针对空气耦合CMUT阵列的研究鲜有报道。

本文设计并制作了一种新型空气耦合CMUT换能器阵列,阵列的加工采用了SOI晶元键合工艺。主要的创新点包括,针对空气介质设计了CMUT换能器阵列,对阵列的参数进行了分析;使用Field Ⅱ声场仿真工具对不同参数下的CMUT阵列指向性进行了仿真,根据仿真结果确定了最优的阵列参数;设计了CMUT阵列的加工工艺,通过声学实验测试了所加工的CMUT阵列在不同偏转角下的声场指向性。

1 CMUT阵列设计

CMUT阵列的设计需要考虑的参数主要包括阵元间距、阵元个数和阵元大小,其中阵元的大小跟CMUT的单膜共振频率相关,因此在设计CMUT阵列之前首先需要确定单个振元的共振频率。本节将通过公式的推导来计算CMUT振膜的单膜共振频率,然后使用声场仿真软件Field Ⅱ来对阵列指向性进行分析,最终确定阵列的设计参数。

1.1 CMUT单膜共振频率

单个CMUT振膜可以看成是一个周边固支的圆形薄板,于是可以通过板壳理论对其建模分析。根据板壳理论可以写出振膜的振动方程为:

(1)

式中:

(2)

通过分离变量法可以最终求得该方程的解为:

(3)

式中:a为振膜半径,μ为柱贝塞尔函数的根值,通过查柱贝塞尔函数的根值表可以确定一阶根值为3.2,从而可以写得圆形薄板的一阶振动频率为:

(4)

本文所设计的CMUT阵列的使用环境为空气介质,由于空气中信号传播时的衰减速率和频率的平方衰减的,因此频率的选择不宜过高,本文所设计的敏感单元的中心频率为250 kHz,根据表1中的特性参数可以确定单个敏感单元的半径应为400 μm。

表1 CMUT振膜材料的特性参数

1.2 CMUT阵列设计

CMUT换能器阵列的设计原则可以归纳为,减小主瓣宽度,消除栅瓣,抑制旁瓣。这其中需要考虑的参数主要是阵元间距和阵元个数。阵列的阵元间距越大,其主瓣宽度越小,但是超过一定范围后将会出现栅瓣,栅瓣的存在将会在成像中形成伪像,影响阵列的成像质量。本文所设计的CMUT阵列的单个敏感单元半径为400 μm,在加工中为保证分割阵元时有足够空间,应在敏感单元之间留下200 μm的间隔,因此阵元间距最小为1 000 μm。

使用Field Ⅱ声场仿真软件可以比较不同阵列参数下的声场指向性,从而确定CMUT阵列的阵列参数。Field Ⅱ是一款基于线性声学,能仿真超声探头发射声场的免费MATLAB工具包。Field Ⅱ中默认的超声信号的衰减速度为0,对于空气耦合式换能器来说,由于空气的声阻抗很小,因此超声信号在传播途中的衰减不可忽视。根据式(5)可以计算出不同频率的超声信号在空气中的衰减速度。由此得到所设计频率下的超声信号在空气中的衰减速度为10.2 dB/m。

(5)

计算阵列声场的指向性时,需要构建CMUT阵列的换能器模型。Field Ⅱ中默认换能器的孔径形状为矩形,为了得到更加精确的仿真结果,本文使用ele_apodization函数对换能器的单个阵元的形状进行重新定义,设置圆形的区域为有效区。之后使用xdc_2D_aperture函数来创建换能器阵列,阵列的形貌如图1所示。

图1 仿真阵列形貌

通过仿真得到如图2的结果,图中的横坐标表示阵列的偏转角,纵坐标表示归一化的空间脉冲响应。图2(a)、2(b)、2(c)分别表示了阵列主波束相对于阵列法向偏转0°、30°和45°的声场指向性仿真结果,从图中可以看出,当阵列的间距d设置为1 mm,阵列个数N设置为8时,30°的声束偏转没有明显的栅瓣,45°的声束偏转在-45°左右的偏转角处出现栅瓣,但是栅瓣强度较小,并且距离主瓣的位置较远,实际的影响比较小。

图2 阵列的声场指向性仿真

阵列的阵元个数越多,阵列的发射声场主瓣宽度越窄,分辨率越高[10]。但是,阵列的个数增多一方面会使得阵列孔径变大,在近场形成近场盲区,使得其应用范围变窄;另一方面阵列个数越多,所需要的通道数越多,驱动电路和放大电路的设计也就越复杂,硬件成本较高。考虑到同CMUT换能器所匹配的硬件电路的设计,本文选择了16×8的线阵阵列,即每16个敏感单元并联组成一列,8列这样的阵元组成一个线阵的换能器阵列。每列将16个敏感单元并联是为了提高换能器的发射强度。综合考虑阵列的成像质量、加工工艺要求以及匹配电路的设计难度,最终所设计的CMUT阵列的参数如表2所示。

表2 CMUT阵列设计参数

2 CMUT加工与表面形貌测试

本文采用了SOI晶圆键合技术来加工所设计的CMUT阵列。SOI晶圆键合技术是一种体硅工艺[11-13]。该技术克服了牺牲层的缺陷,通过对硅衬底材料的深刻蚀来获得较大的单元尺寸。另外,晶圆键合技术还避免了在CMUT振膜表面打通孔,因此可以保证阵元的发射强度不会因通孔而造成损失。

CMUT阵列加工所需要的掩膜版图如图3(a)所示。所设计的阵列为13阵元,前8阵元为本文所使用的8路CMUT阵列,阵元间距1 000 μm,后5阵元间距1 500 μm,用于验证其他的设计。两组阵列之间由刻槽隔开,完全独立工作。单列阵元敏感单元为16个,顶电极相连。

在CMUT裸片加工完成后,需要将裸片通过bonding工艺固定至PCB板上。bonding工艺中的连接线使用的是延展性和导电性都较好的金线。绑定完成的CMUT器件如图3(b)所示。在绑定完成后,使用Sensofar 3D共聚焦干涉显微轮廓仪来对CMUT进行表面形貌测试。结果如图4。从图中可以看到,采用SOI晶圆键合技术所加工的CMUT敏感单元,其完整性良好,未发现振膜存在破损的情况。振膜的中心存在一定的塌陷,这是由于振膜内外的大气压差所导致。

使用阻抗分析仪测试得到,所加工的CMUT的实际中心频率为230 kHz。

图3 掩膜版图及实物图

图4 共聚焦成像结果

3 测试结果与分析

3.1 CMUT相控偏转实验

测试CMUT阵列的发射偏转性能,实验示意图如图5所示。使用NCG200-D25空耦探头测量CMUT阵列在不同偏转角下的声场指向性,CMUT阵列各个通道的延时由FPGA来控制,实验中放大电路增益为40 dB,空耦探头距离CMUT阵列15 cm,直流偏置电压为80 V,信号产生单元所激发的脉冲宽度为500 ns,幅值为-12 V。

图5 相控偏转实验图和示意图

实验结果如图6所示,图中横坐标为偏转角θ,纵坐标为归一化信号强度,图中将仿真结果和实验结果做了对比,虚线表示仿真得到的波形,实线表示采用三次样条插值拟合得到的曲线。图6(a)表示了CMUT阵列在30°偏转下的声场指向性,从图中可以看出主瓣的位置在30°处;偏转角小于-20°之后信号能量逐渐增强,同仿真的趋势一致。图6(b)表示了CMUT阵列在45°偏转下的声场指向性,图中声场主瓣的位置和仿真的结果存在较小的偏差,这是由于数据量较少所导致的曲线拟合误差;在偏转角小于-40°之后信号迅速变强,出现栅瓣。实验结果同仿真结果在变化趋势上是一致的,某些点存在的差异是由于测量所使用的空耦探头孔径较大,横向分辨率较差所致。从结果中可知,所设计的阵列相控偏转的角度小于45°时,在相对于声束主方向的正负90°范围内,栅瓣强度较小,不会对实际的使用造成影响。

图6 相控偏转实验结果

图7 CMUT发射聚焦实验结果

3.2 CMUT发射聚焦实验

测试CMUT阵列的发射聚焦性能。NCG200-D25空耦探头作为接收端放置在CMUT阵列正前方3 cm处。CMUT阵列的激励信号由FPGA产生,分别产生焦距为3 cm和未聚焦两种信号,实验结果如图7,从图7可以看出焦距为3 cm的强度略大于未聚焦时的强度。这说明波束在3 cm处汇聚。但是这个差距并不明显,这是由于受实验条件限制,接收端的空耦探头孔径较大,无法准确测量阵列的声场,所接收到的信号反映的是一个较大区域的叠加值,因此会使得两者的差距因为平均效应而缩小。

3.3 CMUT相控接收实验

测试CMUT阵列多通道接收的性能。实验中将NCG200-D25空耦超声探头作为声源放置在距CMUT阵列20 cm、与CMUT法线呈30°夹角的位置处。直流电压80 V,信号发生器输出230 kHz,10 V的单脉冲正弦波激励空耦探头。CMUT阵列接收的信号通过一个8通道信号处理和采集单元进行记录。图8(a)表示没有采用相控接收,直接将8路阵元的信号叠加输出的结果。图8(b)通过延迟算法将CMUT阵列聚焦于声源处。从比较结果中可以看出,CMUT阵列通过相控偏转提高了偏转方向上接收到的信号强度。

图8 CMUT相控接收实验结果

4 结论

本文设计并加工了一种空气耦合式的电容式微超声换能器阵列,并通过声学实验测试了所设计阵列的指向性。从实验结果中可以得到如下结论:本文所设计的CMUT阵列在空气中偏转角小于45°时的栅瓣较小,对实际影响较小,当大于45°后由于阵元间距的因素会导致栅瓣逐渐变大;本文所设计的CMUT阵列在聚焦延时法则下焦点处信号强度增强,但是聚焦效果一般,其原因是接收端所使用的空耦探头孔径较大,由于平均效应而使得聚焦效果不明显。综上分析,本文设计的空气耦合式的电容微超声换能器阵列满足设计要求。本文对将来的研究及参数优化,具有参考价值。

参考文献:

[1] 张斌,何梅洪,杨涛. 复合材料空气耦合超声检测技术[J]. 玻璃钢/复合材料,2015(12):94-98.

[2] Pang D C,Chiang Y H. A Transparent Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer(CMUT)Array for Finger Hover-Sensing Dial Pads[C]//2017 19th International Conference on Solid-State Sensors,Actuators and Microsystems(TRANSDUCERS). IEEE,2017:2171-2174.

[3] Boulmé A,Ngo S,Minonzio J G,et al. A Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer Probe for Assessment of Cortical Bone[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2014,61(4):710-723.

[4] Khuri-Yakub B T,Cheng C H,Degertekin F L,et al. Silicon Micromachined Ultrasonic Transducers[J]. Japanese Journal of Applied Physics,2000,39(5S):2883.

[5] Wygant I O,Zhuang X,Yeh D T,et al. Integrated Ultrasonic Imaging Systems Based on CMUT Arrays:Recent progress[C]//Ultrasonics Symposium,2004 IEEE. IEEE,2004,1:391-394.

[6] Caspani A,Langfelder G,Minotti P,et al. Characterization and Operation of Different cMUT Membranes in Air[C]//Ultrasonics Symposium(IUS),2013 IEEE International. IEEE,2013:1720-1723.

[7] 张慧,赵晓楠,张雯,等. 空气耦合式电容微超声换能器的设计与分析[J]. 仪器仪表学报,2016,37(10):2218-2225.

[8] 李玉平. 面向水下成像应用的微电容超声波换能器线阵设计与测试[D]. 太原:中北大学,2015.

[9] 张慧,石建超,张雯,等. 电容式微超声换能器等效电路模型与阵元优化[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版),2016,49(11):1209-1215.

[10] 龙绒蓉,王海涛,郭瑞鹏,等. 二维超声相控阵的声场特性[J]. 无损检测,2015,37(12):1-4,9.

[11] 于佳琪. 基于Si-SOI键合的微电容超声波换能器设计[D]. 太原:中北大学,2014.

[12] 田芳. 晶圆叠层3D封装中晶圆键合技术的应用[J]. 电子工业专用设备,2013,42(1):5-7,42.

[13] 苗静,何常德,廉德钦,等. 基于硅晶圆键合工艺的MEMS电容式超声传感器设计[J]. 传感技术学报,2012,25(12):1653-1658.