穆林楓，張文棟，何常德，張 睿，宋金龍，薛晨陽

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051；2.中北大學測試技術重點實驗室，山西太原 030051)

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微電容超聲傳感器的設計與測試

穆林楓1,2，張文棟1,2，何常德1,2，張 睿1，宋金龍1，薛晨陽1,2

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051；2.中北大學測試技術重點實驗室，山西太原 030051)

針對現(xiàn)有微電容超聲傳感器(CMUT)寄生電容大的問題，采用絕緣技術將振動薄膜與上電極金屬完全隔離的方法，避免了摻雜效應的發(fā)生，從而減小了寄生電容。文中以電容變化率為主線，分別對微傳感器和跨阻檢測電路的電容變化率進行了計算和仿真，建立了傳感器與電路檢測的通道，并通過水下測試系統(tǒng)的搭建，對其進行實驗驗證。測試結果表明，實際輸出電壓的值為0.8 V，與理論計算值0.61 V相近，從而驗證了CMUT的可用性及其測試系統(tǒng)的可行性。

微電容超聲傳感器；寄生電容；電容變化率；跨阻檢測電路；系統(tǒng)測試

0 引言

近年來，超聲成像系統(tǒng)逐漸在醫(yī)學領域、海底探測、無損檢測領域得到了廣泛的應用[1-3]。其關鍵器件，比如壓阻超聲傳感器的高頻特性差、壓電超聲傳感器的材料-空氣不耦合現(xiàn)象，也因一些固有特性在使用中受到了限制[4]。而CMUT因其高頻特性和獨特的表面微加工技術得到了超聲成像領域及高?？蒲腥藛T的廣泛關注[5]。與此同時，由CMUT產(chǎn)生的微弱電流信號的檢測也成為系統(tǒng)研究的一大難點。

本文針對CMUT的接收模式對中心頻率為400 kHz的微傳感器進行了設計，并通過添加絕緣層的方式來減小其寄生電容，改善器件性能。本文以電容變化率為主線，對微傳感器和檢測電路的電容變化率分別進行了仿真和計算，并與系統(tǒng)測試結果進行比較。

1 微傳感器結構

微電容超聲傳感器是由多個傳感器的敏感單元按照一定間距排列成一維或二維陣列組成的。單個CMUT單元主要由上電極、薄膜、空腔、絕緣層和襯底組成，如圖1(a)所示。傳統(tǒng)的CMUT將金屬鋁直接濺射到材料為硅的薄膜上形成上電極，這樣會使三價元素鋁對半導體硅進行摻雜，增加了硅中空穴的數(shù)量而使其導電性增強。當外界施加直流電壓時，帶點粒子就會做定向運動聚集在薄膜的一側，當多個敏感單元并聯(lián)時就會引入很大的寄生電容。針對這個問題，本文在上電極和薄膜之間添加了絕緣層，有效避免了摻雜現(xiàn)象的發(fā)生。所設計的CMUT器件如圖1(b)所示。

(a)單元剖面圖

(b)CMUT版圖圖1 微電容超聲傳感器

現(xiàn)有的微電容超聲傳感器多為收發(fā)一體結構，但是接收模式和發(fā)射模式的設計側重點各有不同[6-7]。因為收發(fā)一體的微傳感器的電容變化率明顯小于收發(fā)分離的傳感器[8]，所以本文針對其接收性能設計了中心頻率為400 kHz的CMUT。表1為結合ANASY有限元仿真得到的傳感器參數(shù)。

表1 電容式超聲傳感器的各項參數(shù)

根據(jù)上述結構參數(shù)設計加工的傳感器實物如圖2所示，圖2(a)為在6寸硅片上加工完成的傳感器裸片，通過與PCB的導線連接，將其在設計的鋁殼中進行油封，封裝完的傳感器實物圖如圖2(b)所示。

(a)封裝前

(b)封裝后

2 理論分析

2.1 微傳感器電容變化率

當外界一定頻率的正弦超聲信號對CMUT進行激勵時，會引起傳感器靜態(tài)電容的改變，由Q=CU可得到傳感器因電容變化而產(chǎn)生的電流。式(1)為單個敏感單元產(chǎn)生的電流：

(1)

由此可知，在CMUT中影響電流輸出的不是電容變化量，而是電容變化率。電容變化率可表示為電容對時間的導數(shù)，因此單個敏感單元的電容變化率可表示為

(2)

式中：v為薄膜的振動速度；x為薄膜的位移；deff為施加直流偏置時的有效腔高；ε0為真空介電常數(shù)；S為平行板電容極的有效面積。

如圖3所示為氣壓為1 atm(1 atm=101.325 kPa)時，施加50 V直流偏置時AB路徑上的位移曲線，由圖可知薄膜的最大位移為0.296 μm。根據(jù)薄膜平均位移和最大位移1/3的比例關系，可得到薄膜的平均位移為0.0987 μm，因此式(2)中deff的值即為0.7 μm。

(a)位移云圖

(b)位移曲線圖3 ANSYS靜態(tài)仿真結果

在瞬態(tài)分析的時間歷程后處理器中對振動薄膜半徑中心點的位移和速度進行了提取，結合電容變化率的計算公式，采用MATLAB得到電容變化率隨時間變化的曲線圖4所示。

圖4 電容變化率曲線

從圖4可知，在5 kPa聲壓下，單個敏感單元電容變化率的最大值為1.359×10-11F/s。由式(1)可知，當外界施加50 V的直流偏置時，單個敏感單元產(chǎn)生的電流為0.68 nA，則由900個敏感單元組成的一個陣元產(chǎn)生的電流即為612 nA。

2.2 檢測電路電容變化率

在上述結構設計中，由CMUT直接輸出的電流很小，經(jīng)常會被淹沒在噪聲中，所以需要對該微弱電流進行提取。如圖5所示為跨阻放大法檢測電路的原理圖，其中Vin為直流偏置電壓，C1為微電容超聲傳感器的等效模型，C2、C3分別為電路的等效雜散電容，它們的存在可以減小雜散電容對信號檢測的干擾。Rf為反饋電阻，在電路中形成的深度負反饋將超聲作用下的微弱電流信號轉換為較強的電壓信號輸出，從而實現(xiàn)聲電轉換。補償電容Cf的存在可以對電路信號中的自激振蕩和拖尾現(xiàn)象起到良好的改善，從而得到較為規(guī)則的輸出信號波形。

圖5 跨阻放大法檢測電路的原理圖

如圖5所示，當傳感器產(chǎn)生一定頻率的電流后，通過反饋回路的轉換，信號就會以較強的電壓信號輸出，實現(xiàn)了傳感器的聲壓轉換。輸出電壓的計算公式如(3)所示：

(3)

設定反饋電阻的值為1 MΩ，則一個陣元輸出的電壓應為0.61 V。

3 測試

3.1 系統(tǒng)框圖

如圖6所示為CMUT與跨阻放大檢測電路用于水下測試的系統(tǒng)框圖。A為壓電超聲發(fā)射傳感器，發(fā)射信號是頻率為400 kHz的脈沖信號，B與C分別為CMUT超聲接收傳感器和壓電超聲接收傳感器。

圖6 系統(tǒng)框圖

3.2 接收測試

按照圖6所示的系統(tǒng)框圖，對該水下測試系統(tǒng)進行搭建，測試實物圖如圖7所示。實驗臺由跨阻檢測電路、示波器、供電電源及測試水箱組成。在水箱中，發(fā)射用壓電超聲傳感器、接收用CMUT和接收用壓電超聲傳感器并列放置在水箱的同一側，障礙物則放在水箱的另一側。發(fā)射信號經(jīng)障礙物反射后，由微傳感器B和C進行接收，并顯示在示波器上。

圖7 水下測試系統(tǒng)實物圖

示波器界面顯示如圖8所示：通道1為壓電傳感器發(fā)射的超聲波，其中包括15個等間距的脈沖信號，通道2和3分別為壓電超聲傳感器和CMUT的接收信號。通過比較可知，CMUT對障礙物的反射信號有較強的接收能力，且一次回波的信號峰峰值為0.8 V，與理論計算的0.61 V有一定的偏差。這是由于在實際測量中，還要考慮到水壓、測試間距、發(fā)射超聲波功率及接收超聲波功率等一系列因素對輸出電壓的影響。

4 結論

首先，本文針對現(xiàn)有CMUT寄生電容大的問題，在結構設計上進行了改善。其次，以電容變化率為主線，通過對跨阻放大檢測電路的設計和理論計算，建立起檢測電路和微電容超聲傳感器之間的聯(lián)系。最后，對水下測試系統(tǒng)進行了搭建，測試結果驗證了微傳感器和檢測電路理論設計正確性和測試系統(tǒng)的可行性。

圖8 測試結果分析

[1] 余薇.醫(yī)學超聲成像技術方法學進展.北京生物醫(yī)學工程，2001(4):225-229.

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Design and Test of Capacitance Micro-machined Ultrasonic Transducer

MU Lin-feng1,2,ZHANG Wen-dong1,2,HE Chang-de1,2,ZHANG Rui1,SONG Jin-long1,XUE Chen-yang1,2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Science and Technology on Electronic Test and Measurement,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Due to the problem of higher parasitic of Capacitance Micro-machined Ultrasonic Transducer (CMUT),isolation technology was adopted to apart the vibrating membrane from top electrode,which avoided the effect of doping.The capacitance change rate was the main line of the paper,the calculation and simulation of micro transducer and detection circuit were presented,which built the road between micro transducer and detection circuit.Test system underwater was also conducted.The test results show that the actual output voltage is 0.8 V,and the theory value is 0.61 V,which demonstrates the applicability of CMUT and the feasibility of test system.

CMUT;parasitic capacitance;capacitance change rate;transimpedance detection circuit;system test

國家自然科學基金項目(61127008)

2015-04-17

TN552

A

1002-1841(2015)08-0001-03

穆林楓(1990—)，碩士，主要研究方向為水下超聲成像、MEMS超聲傳感器信號提取電路的設計。E-mail：muxiaotengjy@163.com張文棟(1962—)，博士，教授，博士生導師，目前主要從事動態(tài)測試技術、微納機電系統(tǒng)(MEMS與NEMS)及超聲成像的研究。E-mail：wdzhang@sxedu.gov.cn