梁偉健，何常德，杜以恒，張文棟

(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)

0 引言

近年來隨著微電子技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展以及對(duì)超聲設(shè)備小型化需求，基于MEMS技術(shù)的電容式微機(jī)電超聲換能器(capacitor micromechanical ultrasonic transducer,CMUT)在國(guó)際上得到了廣泛的研究與應(yīng)用。CMUT具有頻帶寬，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率、靈敏度高，易于陣列集成化的優(yōu)點(diǎn)，使得其在水下及醫(yī)療超聲領(lǐng)域有很好的發(fā)展前景[1-3]。

對(duì)于CMUT應(yīng)用的電路研究方面，國(guó)外以實(shí)現(xiàn)了CMUT與IC電路的集成應(yīng)用研究[3-4]，國(guó)內(nèi)這方面的研究較少。CMUT與IC電路的集成研究成本高、難度大，因此本文運(yùn)用傳統(tǒng)的超聲成像系統(tǒng)發(fā)射電路方案[3-4]，結(jié)合CMUT的工作方式設(shè)計(jì)用于CMUT的超聲發(fā)射電路，節(jié)約硬件資源，減小電路體積，為后續(xù)的線性掃和相控成像提供硬件支持。

1 CMUT的工作原理

圖1為CMUT的基本結(jié)構(gòu)，通過在硅襯底加工，形成電容結(jié)構(gòu)的振動(dòng)單元。換能器的陣元由以上結(jié)構(gòu)的多個(gè)微小的振動(dòng)單元(敏感微電容)排列而成。在CMUT上加載直流電壓，使得器件的振動(dòng)薄膜在靜電力與彈性恢復(fù)力作用下保持平衡。當(dāng)在上下電極施加一定頻率的交流電壓信號(hào)，打破靜電力和回復(fù)力之間的平衡，促使薄膜振動(dòng)發(fā)出超聲波。

圖1 CMUT單元結(jié)構(gòu)

加載的直流電DC會(huì)使得振動(dòng)薄膜形變位移，當(dāng)薄膜中心位移下降超過腔高的1/3時(shí)，薄膜就會(huì)吸附至腔底發(fā)生塌陷。這個(gè)臨界電壓值即為CMUT的塌陷電壓。通過ANSYS對(duì)CMUT模型進(jìn)行塌陷電壓和諧振頻率仿真分析，得出CMUT的塌陷電壓為83 V[5]，一階諧振頻率為1.4 MHz，在液體環(huán)境中，超聲換能器的諧振頻率會(huì)有所下降，一般為空氣中的1/5～1/3。取塌陷電壓的60%為CMUT的工作電壓，50 V；工作中心頻率測(cè)試后為400 kHz。

CMUT的激勵(lì)電壓中包含直流電壓和交流電壓，兩者的優(yōu)化配比可使得CMUT的發(fā)射效率達(dá)到最大[6]。對(duì)所使用的傳感器進(jìn)行激勵(lì)時(shí)當(dāng)DC為32 V，AC幅值18 V時(shí)發(fā)射能力最強(qiáng)。

2 前端發(fā)射電路設(shè)計(jì)

超聲成像系統(tǒng)前端發(fā)射部分包括了16陣元的CMUT，高壓脈沖發(fā)射模塊，陣元選通電路，F(xiàn)PGA的邏輯控制單元，及收發(fā)隔離電路[7]。根據(jù)上述功能結(jié)構(gòu)對(duì)電路進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，功能框圖如圖2所示。

圖2 前端發(fā)射電路框圖

圖2中，F(xiàn)PGA是整個(gè)硬件電路控制核心，通過產(chǎn)生脈沖發(fā)射控制信號(hào)及選通信號(hào)來控制電路,選用Spartan-3系列的XC3S1000；由高壓脈沖芯片產(chǎn)生發(fā)出高壓脈沖激勵(lì)信號(hào)；T/R開關(guān)芯片隔離高壓脈沖保護(hù)接收電路。使用Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)了超聲脈沖控制信號(hào)及高壓選通信號(hào)。設(shè)計(jì)了8通道的高壓脈沖發(fā)射電路，通過高壓選通開關(guān)對(duì)16陣元的CMUT器件分組進(jìn)行激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)順序掃描。

2.1 脈沖激勵(lì)電路

典型的超聲脈沖發(fā)射電路是通過FPGA產(chǎn)生脈沖控制信號(hào)，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)高壓MOSFET產(chǎn)生高壓脈沖作用于換能器陣元。高壓脈沖芯片HV7350是集成了上述功能的8通道高壓脈沖芯片。該芯片最大可輸出1 A、±60 V的高壓脈沖，脈沖信號(hào)幅值大小由其輸入端VPP，VNN的電壓決定。其電路原理圖如圖3所示。

圖3 脈沖發(fā)射電路簡(jiǎn)圖

FPGA發(fā)出的8對(duì)互補(bǔ)邏輯控制信號(hào)輸入HV7350芯片對(duì)應(yīng)的PIN、NIN引腳，分別決定脈沖的正、負(fù)半周期輸出。采用異步模式，控制其輸出8路雙極性兩周期的高壓脈沖信號(hào)，其時(shí)序見圖4。脈沖信號(hào)的頻率及脈沖間隔時(shí)間由寫入FPGA的程序控制，設(shè)計(jì)了頻率為400 kHz，間隔2 ms的脈沖激勵(lì)信號(hào)。

圖4 異步時(shí)序圖

2.2 陣元選通電路

為了節(jié)約硬件資源，實(shí)現(xiàn)16陣元的分組激勵(lì)，通過陣元選通電路與16陣元的換能器相連，采用分時(shí)復(fù)用的方式共用8路脈沖發(fā)射通道。本次設(shè)計(jì)使用16通道的HV2605作為高壓開關(guān)與高壓脈沖電路、換能器相連，該芯片耐高壓，開關(guān)切換速度不超過5 μs,導(dǎo)通電阻小于30 Ω。HV2605的內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 HV2605內(nèi)部原理圖

將換能器陣列中1/9、2/10、…、8/16陣元通過HV2605芯片分別連接脈沖發(fā)射的8個(gè)通道，通過控制程序?qū)崿F(xiàn)1～8陣元、2～9陣元、…、9～16陣元的順序掃描。先將開關(guān)代碼存入ROM中，并由FPGA為HV2605提供10MHz時(shí)鐘信號(hào)。圖6為選通陣元的時(shí)序仿真圖。

圖6 時(shí)序仿真波形圖

2.3 收發(fā)隔離電路

激勵(lì)CMUT的超聲脈沖達(dá)幾十V，當(dāng)收發(fā)一體時(shí)，高壓脈沖會(huì)一同進(jìn)入后續(xù)的回波接收電路。為了避免接收電路受到損壞，在發(fā)射與接收之間需要加入隔離保護(hù)電路，起到限制大幅值信號(hào)和使小信號(hào)無衰減通過的作用。本次設(shè)計(jì)使用兩片4通道的高壓保護(hù)T/R芯片MD0101作為隔離電路，該芯片采用限流與限幅的方式，使得高壓脈沖衰減后通過，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。當(dāng)TX端壓降幅值差大于2 V時(shí)通道關(guān)閉的，同時(shí)最大可通過0.2 mA的電流，不影響CMUT接收回波信號(hào)時(shí)輸出電流信號(hào)的通過。

圖7 MD0101的內(nèi)部

3 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行制板，見圖8。下載程序調(diào)試電路，測(cè)試電路的輸出信號(hào)是否滿足設(shè)計(jì)要求，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)激勵(lì)16陣元的換能器進(jìn)行了水下實(shí)測(cè)試驗(yàn)。

圖8 換能器陣列與電路實(shí)物

在電路功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，給FPGA上電后，將控制信號(hào)的輸出口接示波器，觀察其輸出信號(hào)，其結(jié)果如圖9所示，符合設(shè)計(jì)要求。之后給電路板VPP、VNN端供電，測(cè)試陣元經(jīng)選通電路后每一路的脈沖輸出信號(hào)，其中連接第4陣元的SW3通道的測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖9 控制信號(hào)

圖10 SW3的脈沖信號(hào)

由圖10可知，SW3通道的高壓脈沖在前4個(gè)周期中有信號(hào)輸出，后4個(gè)周期無輸出，其結(jié)果符合順序掃描的設(shè)計(jì)要求。

將發(fā)射電路板接到換能器上，并將反射的回波信號(hào)經(jīng)T/R隔離電路后接入接收電路中。某個(gè)陣元的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，通道4為激勵(lì)脈沖，檢測(cè)其經(jīng)隔離電路后幅值衰減為2.08V，通道1檢測(cè)到回波信號(hào)。

圖11 隔離信號(hào)與回波檢測(cè)

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于FPGA的8通道的發(fā)射電路可以激勵(lì)16陣元的CMUT超聲探頭。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電路實(shí)現(xiàn)了CMUT陣列的線性掃描功能，收發(fā)隔離電路可將高壓脈沖信號(hào)幅值衰減至2 V以內(nèi)。電路可以靈活地對(duì)脈沖參數(shù)、線掃方式進(jìn)行編程，也可用于CMUT的相控發(fā)射，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期。