面向CMUT声发射特性的驱动电路优化设计∗

李一凡 张国军 何常德 王子渊 高鹏飞 孟亚楠

(中北大学仪器与电子学院 动态测试省部共建实验室 太原 030051)

0 引言

长期以来，压电陶瓷是超声换能器中最常用的材料，但是压电式超声换能器因为带宽窄、灵敏度低等问题，存在发展瓶颈。利用微机电系统(Microelectro-mechanical system, MEMS)微加工技术制作的电容式微机械超声换能器(Capacitance micromachined ultrasonic transducer, CMUT)具有宽频带、高灵敏度等优势[1−3]，作为新兴的超声换能器具有良好的应用前景。Haller 等[4]最早提出了微电容超声换能器概念并制作了器件。Yaar 等[5]采用不同的交流激励信号(正弦波、方波和锯齿波)驱动CMUT，以确定激励CMUT 的最佳波形。Chen等[6]通过分析CMUT 的工作原理，对比二级电平与三级电平驱动CMUT 对输出声功率的影响，提出了一种增强CMUT 的声发射效率的方法。王红亮[7]对CMUT 进行建模并对阵元与阵列的声场特性进行详细分析。

本文基于CMUT 的工作原理设计了驱动电路，确保驱动CMUT 发射频率可调的超声波。对脉冲激励信号的过冲现象进行理论分析并提出解决方法，讨论了不同匹配值对脉冲信号的影响。通过现场可编程逻辑门阵列(Field programmable gate array, FPGA)改变激励信号的脉冲个数与占空比，进而分析激励信号参数对CMUT 的声发射性能的影响，结合实际需要选取最佳的脉冲激励参数。

1 CMUT的工作原理与封装

一个CMUT 阵元由多个微元并联组成[8]，其微元是由上下电极、振动薄膜、硅衬底组成。上电极与下电极构成了平行板电容器，为了CMUT在工作中获得最大限度的灵敏度和带宽，在上下电极间施加合适的直流偏置电压，振动薄膜在静电力的作用下向衬底移动，如图1(a)所示。当薄膜自身回复力与静电力达到平衡后，薄膜保持静止。在上下电极间施加脉冲激励信号，薄膜的平衡被打破并做往复运动，进而引起介质振动产生超声波。本文所用CMUT 面向的应用领域为水下，所以对CMUT 进行透声防水封装。以聚氨酯橡胶透声膜做声匹配介质，选用耐腐蚀、易加工的PVC材料作为外壳，内部填充硅油，引出焊接线与外部电路进行连接，封装结构如图1(b)所示。

2 脉冲驱动电路设计

脉冲驱动电路的整体工作流程如图2所示。FPGA 接收到上位机的驱动脉冲参数后，向高压脉冲芯片发送逻辑控制，以此改变脉冲宽度、间隔时间、个数等参数。高压脉冲激励芯片选用Maxim 的MAX14808 芯片，该芯片能同时输出8 通道的高压脉冲信号，输出电压幅值大小由VPPA和VNNA引脚端的输入电压大小控制[9]。同时芯片内置了发送/接收开关(T/R 开关)，有效避免高压脉冲对接收调理电路的干扰，为CMUT的收发一体硬件电路提供便利。Bias-Tee 电路由一个电阻与一个电容组成，其中电阻的作用是短路保护，电容的作用是隔绝直流电压对交流电压的干扰[10]。

图2 脉冲驱动电路的工作流程图Fig.2 Block diagram of pulse driving circuit

2.1 脉冲驱动芯片及其控制逻辑

本文选用的FPGA芯片为Xilinx的XC6SLX9，对MAX14808 的控制逻辑如图3所示。MAX14808有多种输出模式，因驱动CMUT的激励信号采用双极性方波脉冲，所以使用三级电平模式，此模式只需两个I/O 端口即可控制输出一路的脉冲激励信号。为减少传输期间的漏电流，在每次产生方波控制信号之前都将T/R开关关断3 µs，所以在发射脉冲之前DINN和DINP同时拉低置0延时3 µs。

图3 MAX14808 的简化逻辑控制图Fig.3 Simplified schematic for MAX14808 logical control

2.2 电源模块的优化设计

驱动电路需要多个供电电压。结合CMUT 的驱动需求，优化设计了电源模块。使用一个直流电压源提供可调节的正高压VPPA 与负高压VNNA，通过BOOST、BUCK、LDO等电压转换芯片升降电压转换为FPGA、MAX14808、直流偏置所需的电压值，如图4所示。测试各芯片输出值，确保电源模块能有效地进行电压转换。

图4 电源模块转换示意图Fig.4 Power module block diagram

3 脉冲激励信号的过冲现象分析与改进

本文根据所用CMUT 的实际测试，确定最佳驱动电压为40 V，其中直流为20 V，交流脉冲为±10 V。因CMUT 阵元的中心频率为3 MHz，当激励信号的脉冲频率与其中心频率保持一致时，薄膜出现共振现象，使得CMUT输出声压达到最大。

驱动电路发出±10 V 的方波后，实测脉冲激励信号的峰值电压与谷值电压超过期望电压值，出现尖峰脉冲，此现象为信号线阻抗不匹配所产生的过冲问题。设信号线源端的电压为V1，阻抗为Z1；信号线末端的电压为V2，阻值为Z2；反射回源端的电压为V3。

由串联电路的电压特性可得

因源端电流流向与反射回源端的电流流向相反，由欧姆定律与串联电流特性可得

通过式(1)～(2)可得反射系数r与传输系数t：

由公式(3)可知，当Z1大于Z2时，末端的电压V2小于源端电压V1；反之，V2大于V1。因源端阻值不为零，所以电压信号在源端与末端之间存在多次反射，导致过冲现象的出现。过冲现象会造成CMUT的损坏，需要针对此现象提出解决方法。

本文采用源端串联匹配电阻的方法，消除信号的过冲现象。通过不同阻值的电阻进行匹配。由图5得到脉冲信号变化规律，当串行匹配的电阻较小时，信号变化快、上升时间短且过冲现象有所减弱；随着串行匹配的电阻值增大，过冲现象被消除但是信号的上升时间增加、信号变化越来越平缓。因此根据需求选择合适的阻值进行匹配，将信号匹配到理想的状态。

图5 不同匹配阻值与脉冲信号的关系Fig.5 Relationship between different matching resistance and pulse signal

4 脉冲激励参数对CMUT发射特性的影响

为探究脉冲激励参数对CMUT 的声发射特性影响，用驱动电路对水下CMUT 阵元激励3 MHz的脉冲信号，FPGA 控制MAX14808 发出不同参数的脉冲激励信号，由针式水听器接收CMUT的输出声压作为数据来源。实验平台如图6所示，水听器为Precision Acoustics 公司制造，频带为10 kHz～60 MHz。通过改变激励信号的脉冲个数与脉冲占空比，在时域与频域分析水听器的接收信号，从而研究不同激励参数下CMUT 的发射特性。

图6 CMUT 发射特性研究实验Fig.6 Setup of cmut transmitting characteristic experiment

4.1 不同脉冲个数驱动CMUT的声发射特性

当占空比恒为50%、单个脉冲频率为3 MHz时，改变激励信号连续发射的脉冲个数驱动CMUT 阵元。选取脉冲方波个数为1、3、5、7、9、11、13、15，其时域与频域变化规律如图7所示。随着激励脉冲个数的增加，输出声压的强度无明显变化，但持续时间更长。CMUT 输出声信号在3 MHz 处的强度逐渐增强，有效带宽逐渐变窄，二次谐波(6 MHz)信号强度也逐渐变大。

图7 不同脉冲激励个数时的时域与频域图Fig.7 Time domain and frequency domain diagrams for different number of pulse excitation

4.2 不同占空比脉冲驱动CMUT的声发射特性

当激励信号脉冲个数恒为5 个、单个脉冲频率为3 MHz 时，改变激励信号脉冲的占空比驱动CMUT 阵元。选取脉冲占空比为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%，其时域与频域变化规律如图8所示。占空比主要影响输出声压的强度，对有效带宽无明显影响。随着占空比的增加，CMUT的输出声压先快速增大再缓慢减小，在占空比为50%时输出声压最大，同时二次谐波信号强度呈现先减小后增大的规律，在占空比为50%时，二次谐波信号最小。

图8 不同脉冲占空比时的时域与频域图Fig.8 Time domain and frequency domain diagrams with different pulse duty cycle

5 结论

本文根据CMUT 阵元的工作原理，设计了脉冲驱动电路，编写控制程序通过FPGA 控制方波脉冲的各项参数。采用串行匹配消除脉冲信号的过冲现象，避免因尖峰脉冲损坏CMUT阵元。探究了CMUT 的声发射特性与激励信号的脉冲个数及其占空比的对应关系。随着激励信号脉冲个数增加，CMUT输出声信号的有效带宽逐渐变窄，二次谐波逐渐明显；随着激励信号脉冲占空比增加，CMUT的输出声压先增大后减小，二次谐波先减小后增大。在占空比为50%时输出声压最大，且二次谐波最小。上述研究结果为后续CMUT 的应用与测试提供了参考依据。