張 睿， 潘理虎， 陳立潮， 張永梅， 薛晨陽， 張文棟， 何常德

(1.太原科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 太原，030024) (2.北方工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 北京，100144) (3.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 太原，030051)

引 言

超聲波具有較好的定向性能和穿透性，易于將聲能集中傳播，探測(cè)范圍廣，這些優(yōu)勢(shì)為快速、準(zhǔn)確獲取水下地理信息和資源信息提供了技術(shù)保障[1]。通常將發(fā)射和接收超聲波的探頭稱為超聲換能器，它是水下超聲探測(cè)系統(tǒng)最重要的部件，制約著水下探測(cè)技術(shù)的發(fā)展。基于微機(jī)電系統(tǒng) (micro-electro-mechanical system，簡稱MEMS)制作的超聲波換能器(micromachined ultrasonic transducer，簡稱MUT)是現(xiàn)階段超聲波換能器研究的新熱點(diǎn)以及將來的發(fā)展趨勢(shì)。新型MUT利用高精度(微米量級(jí))微電子和微機(jī)械加工技術(shù)嚴(yán)格降低了制作陣列的誤差，在優(yōu)化換能器及其陣列尺寸的同時(shí)提高了探測(cè)的分辨率[2]?；贛EMS技術(shù)的微電容超聲波換能器(capacitive micromachined ultrasonic transducer，簡稱CMUT)被近似認(rèn)為是一種下電極固定，上電極振動(dòng)的微型平行板電容器，工作模式下通過驅(qū)動(dòng)上電極的振動(dòng)使平行電容間電容量發(fā)生改變，進(jìn)而最終達(dá)到電能與聲能互相轉(zhuǎn)換的目的。

國內(nèi)外對(duì)CMUT 的研究多是針對(duì)3MHz以上醫(yī)學(xué)探測(cè)應(yīng)用，水下探測(cè)的研究剛剛起步，現(xiàn)有相關(guān)水下研究[3-5]并不多見，且報(bào)道的CMUT頻率與醫(yī)學(xué)探測(cè)頻率相近(≥2MHz)，限制了水下探測(cè)距離(≤300mm)。相比目前國內(nèi)外水下探測(cè)換能器主要采用的分立壓電陶瓷探測(cè)陣列、集成壓電陶瓷探測(cè)陣列而言，基于光刻工藝的CMUT擁有較低的聲特性阻抗，能夠在液體環(huán)境下實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，無需制備表面匹配層，頻帶較寬，靈敏度較高，且加工工藝復(fù)雜度較低，易于集成陣列[6-8]。這些優(yōu)勢(shì)使得CMUT陣列滿足成為水下高分辨率探測(cè)聲吶的條件，在水下探測(cè)領(lǐng)域具有較好的發(fā)展前景。

筆者以實(shí)現(xiàn)小型化CMUT陣列水下高分辨目標(biāo)探測(cè)為主要目標(biāo)，開展了水下探測(cè)CMUT陣列幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)、CMUT水下封裝和性能測(cè)試技術(shù)三方面的研究，為我國自主研發(fā)水下勘探超聲設(shè)備的改進(jìn)提供理論支撐。

1 工作原理

如圖1所示，CMUT陣列屬于多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，陣列由多組陣元規(guī)則排列構(gòu)成，單個(gè)陣元又由較多基礎(chǔ)元素敏感單元并行規(guī)則排列組成。敏感單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，由上而下依次為金屬鋁上電極、SOI片的頂層硅制作的振動(dòng)薄膜、氧化硅隔離層、氧化硅刻蝕得到的密閉真空腔體、氧化硅絕緣層、硅襯底及金屬鋁下電極構(gòu)成。CMUT的工作模式離不開直流偏置電壓，工作時(shí)需將直流偏置電壓施加在上下電極，產(chǎn)生的靜電力將薄膜垂直拉向下電極方向，但由于薄膜自身存在反向的回復(fù)力，薄膜很快停止運(yùn)動(dòng)，達(dá)到平衡狀態(tài)。若此刻再次施加所需頻率的交流激勵(lì)電壓，會(huì)使振動(dòng)薄膜發(fā)生撓曲，輻射相應(yīng)頻率的超聲波。若在平衡狀態(tài)下，外界變化的聲壓作用在薄膜上，會(huì)使薄膜產(chǎn)生撓曲，進(jìn)而改變空腔內(nèi)電容量，產(chǎn)生微弱的電流信號(hào)，后經(jīng)跨阻放大等處理，電路實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)接收。綜合大氣壓和水壓下最大位移、塌陷電壓、機(jī)電轉(zhuǎn)化系數(shù)要求以及Si-SOI鍵合工藝條件，利用課題組Ansys有限元分析方法的研究[9-10]確定了表1所示的敏感單元結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 CMUT陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketch map of CMUT array

圖2 CMUT敏感單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure sketch map of sensing unit for CMUT

結(jié)構(gòu)參數(shù)上電極半徑上電極厚度隔離層厚度薄膜半徑薄膜厚度空腔高度絕緣層厚度數(shù)值450.20.159030.80.15

2 CMUT一維線性復(fù)合陣列指向性

指向性是單個(gè)CMUT陣元或陣列發(fā)射/接收響應(yīng)的幅度隨主波束角掃描變化的特性[11]，是陣列設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一。

2.1 CMUT陣元指向性

分別假設(shè)CMUT陣元為一圓形平板(半徑為r，直徑為d)和一矩形平板(寬為a，長為b)，J1(x)表示第1類一階貝塞爾函數(shù)，θ為偏軸角，歸一化指向性表達(dá)式[12]分別為

(1)

(2)

圖3為不同尺寸下，面積相當(dāng)?shù)膬煞N陣元形狀聲輻射指向性分布。可以看到，不論陣列單元尺寸如何變化，面積相當(dāng)?shù)膯蝹€(gè)陣列矩形陣元指向性優(yōu)于圓形陣元結(jié)構(gòu)。

假設(shè)CMUT陣元是由筆者提出的n個(gè)均勻排列單元組成的二維矩形平面，由于kdcell=2πdcell/λ<1，敏感單元可以視作點(diǎn)聲源[12]來計(jì)算CMUT陣元的指向性，如圖4所示，dx,dy分別為沿x軸和y軸方向的敏感單元中心間距。根據(jù)Bridge乘積定理[13]，得到CMUT單陣元在xOz平面歸一化指向性函數(shù)為

圖3 CMUT陣元指向性Fig.3 Directivity map of CMUT element

D(α,θ,αs,θs)=D1(α,θ,αs,θs)×D2(α,θ,αs,θs)

(3)

D(α,θ,αs,θs)=

(4)

圖4 CMUT單陣元指向性模型Fig.4 Directivity model of a single CMUT element

2.2 CMUT線陣指向性

CMUT一維線性復(fù)合陣指向性模型如圖5所示，M′個(gè)等大小矩形陣元等間距(間距為d)沿x軸依次排列。由于ka=2πa/λ>1，a為陣元寬度。無法將陣列單元近似看作成點(diǎn)聲源[12]，由于CMUT陣元自身具有指向性，且存在一定的陣元間

距，因此，整個(gè)CMUT陣列的指向性既與單個(gè)CMUT陣元有關(guān)，又與陣元數(shù)的多少及組成的陣形有關(guān)，是CMUT陣元指向性與陣形指向性的復(fù)合系統(tǒng)。同理依據(jù)Bridge乘積定理[13]，此時(shí)該復(fù)合陣的歸一化指向性函數(shù)可表示為圖5 (a)所示的基于點(diǎn)聲源的均勻點(diǎn)線陣指向性Ds1(α,θ,αs,θs)和圖5 (b)所示的矩形點(diǎn)面陣陣元指向性D(α,θ,αs,θs)的乘積，即

若取xOz定向面，該CMUT一維線性復(fù)合陣列歸一化指向性參量表達(dá)式為

(7)

3 CMUT線陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 陣元數(shù)目與間距

選取合適的CMUT陣元數(shù)目需要盡可能兼顧C(jī)MUT陣列指向性性能、微加工工藝復(fù)雜度和系統(tǒng)控制可行性等要求。聲陣列的優(yōu)化原則是抑制旁瓣、消除柵瓣、保證主瓣寬度最窄。

1) CMUT一維線陣主瓣的寬度是輻射指向角所在波束的左右兩個(gè)零交點(diǎn)之間的距離。令CMUT一維線性復(fù)合陣指向性函數(shù)等于0，即可求出所有零交點(diǎn)的位置

圖5 CMUT線性復(fù)合陣指向性模型Fig.5 Directivity model of CMUT linear complex array

D1Da_rectangular(0,θ,0,θs)=0

(8)

(9)

其中:n≠0且不為M′的整數(shù)倍的整數(shù)。

n=±1時(shí)的角度代表主瓣波束兩邊的零交點(diǎn)位置,則標(biāo)準(zhǔn)化主瓣寬度(QMBW)定義為

(10)

2) 柵瓣幅值與主瓣幅值具有相同高度，均為1，即CMUT一維線性復(fù)合陣指向性函數(shù)等于1，便得到主瓣與柵瓣的位置，為了消除柵瓣，需將主瓣兩邊第1個(gè)柵瓣移出[-90°,90°]范圍，即可得到消除柵瓣的條件即為

(11)

圖6 陣列參數(shù)與指向性指標(biāo)之間的關(guān)系Fig.6 Impact of array parameter on directivity indicators

圖6(a)為CMUT陣元數(shù)目對(duì)其均勻線陣主瓣寬度QMBW參量的影響。可以發(fā)現(xiàn)，陣列數(shù)目N=16是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)數(shù)目增加超過16時(shí)，所引起的成本提高和換能器純?cè)黾优c所受益的指向性輕微改善不成比例，因此在CMUT線陣設(shè)計(jì)初期時(shí)，選取陣元數(shù)目N=16。圖6(b)為CMUT16單元均勻線陣陣元間距與陣列指向性指標(biāo)之間的關(guān)系圖。藍(lán)線為陣列中心距與標(biāo)準(zhǔn)主瓣寬度QMBW之間的關(guān)系，綠線是根據(jù)消除柵瓣最大陣元間距原則，給出的偏轉(zhuǎn)方向角與消除柵瓣最大陣元間距之間的變化情況。藍(lán)線表明中心間距的增大會(huì)使主瓣寬度減小，且d/λ=0.5同樣是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)d/λ>0.5，間距增加，主瓣寬度減小的程度逐漸縮小。綠線表明隨著偏轉(zhuǎn)方向角在[0°,90°)逐漸增大的同時(shí)，其最大消除柵瓣陣元中心間距QMBW在[0.48, 0.97]之間反比例逐漸減小，可以看到當(dāng)間距大于等于1時(shí)，柵瓣是必然出現(xiàn)的，已經(jīng)與偏轉(zhuǎn)方向角無關(guān)了。最終在設(shè)計(jì)中選取d=0.48λ作為16陣元線陣的陣列單元間距。

3.2 陣元結(jié)構(gòu)

圖7 CMUT線陣指向性仿真Fig.7 The directivity simulation of the CMUT linear array

陣元的橫向?qū)挾萢應(yīng)該小于陣元間距，即a

圖8 CMUT線陣實(shí)物圖Fig.8 The physical map of CMUT linear array

參數(shù)工作頻率/ kHz陣元數(shù)目陣元形狀陣元間距/μm陣元寬度/μm陣列長度/μm陣列寬度/μm數(shù)值40016矩形1 8001 7009 02030 600

4 CMUT封裝

由于CMUT陣列需要應(yīng)用到水下探測(cè)，所以水密透聲封裝是必不可少的。超聲波由CMUT發(fā)出后需分別經(jīng)過透聲液和透聲薄膜才能傳播至水中。透聲薄膜用于隔離介質(zhì)水和CMUT核心部件，透聲薄膜的選取必須使超聲波盡可能小的損耗傳至水中。透聲液是填充在透聲薄膜和CMUT核心部件之間的液體介質(zhì)。CMUT無論是工作在發(fā)射或是接收模式下，聲波都會(huì)經(jīng)過水介質(zhì)、透聲液和透聲薄膜。為了減小超聲波在異界面處的反射，當(dāng)且僅當(dāng)水介質(zhì)、透聲液和透聲薄膜3種材料聲阻抗相互接近時(shí)，超聲波才能低損耗地從封裝材料中透射至水介質(zhì)。根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]，選取氨酯橡膠(聲阻抗為1.626×106kg/(m2·s)，密度為1 070 kg/m3，聲速為1 520 m/s)作為透聲薄膜材料隔離水和核心部件CMUT陣列，硅油(聲阻抗為1.26×106kg/(m2·s)，密度為970 kg/m3，聲速為1 300 m/s)作為封裝液“銜接”核心部件CMUT陣列和透聲薄膜聚。CMUT陣列水密封裝示意圖如圖9所示。銅箔可以屏蔽靜電[15-16]、電磁波及各種干擾信號(hào)屏蔽。環(huán)氧樹脂[15-16]用作背襯材料，具有高阻抗、高衰減的特性，使換能器聲能經(jīng)芯片前表面輻射，保持高靈敏度。由于長期在水中工作，故選用耐腐蝕、易加工的PVC作為外殼[15-16]，同時(shí)還可以有效消除雜散聲場(chǎng)干擾。

圖9 封裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Sketch map of packing structure

值得注意的是，圖9中由于CMUT芯片上電極金屬焊盤極其微小，直接與導(dǎo)線焊接既難操作又極易破損斷裂，且下電極在陣列芯片反面，因此引入一種PCB板芯片封裝方式，如圖10所示。CMUT下電極通過導(dǎo)電膠與PCB矩形覆金區(qū)域粘貼，利用金絲鍵合將16個(gè)CMUT陣元上電極焊盤與PCB板相應(yīng)位置的焊盤相連接，屏蔽導(dǎo)線一端引入封裝外殼，并在PCB板引線孔處焊接，另一端連接控制電路，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固芯片，對(duì)芯片起到保護(hù)作用，避免陣列破損。CMUT1×16線陣的最終封裝實(shí)物如圖11所示。

圖10 PCB示意圖Fig.10 Schematic diagram of PCB

圖11 最終封裝Fig.11 Final packing

5 性能測(cè)試〗5.1 CMUT指向性分析

指向性測(cè)試實(shí)驗(yàn)圖如圖12所示。CMUT作為發(fā)射端固定在精密分度轉(zhuǎn)盤的下方，并隨分度盤從-90°到90°進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描。標(biāo)準(zhǔn)壓電換能器作為接收信號(hào)端被固定在距離發(fā)射端正對(duì)面1 m處，并與CMUT保持中心平齊等高。CMUT陣列由20 V偏置電壓和20 Vpp的脈沖信號(hào)(400 kHz，5-cycles)同時(shí)激勵(lì)。每旋轉(zhuǎn)3°保存一組接收信號(hào)數(shù)據(jù)。CMUT指向性測(cè)試結(jié)果如圖13所示。經(jīng)測(cè)試看出,CMUT陣列指向性對(duì)稱性好，-3 dB主瓣半功率角(波束寬度)為5°，最大旁瓣級(jí)為-13.5 dB，伴隨較低的旁瓣干擾，且在掃描范圍內(nèi)無柵瓣出現(xiàn)。所設(shè)計(jì)的CMUT陣列指向性測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖12 CMUT指向性測(cè)試圖Fig.12 The directivity test diagram of CMUT

圖13 CMUT指向性測(cè)試結(jié)果Fig.13 The directivity result map of CMUT

5.2 CMUT水下扇掃探測(cè)

CMUT陣列水下扇形掃描探測(cè)系統(tǒng)如圖14所示。CMUT陣列固定在精密分讀盤上，放于水槽中。兩個(gè)長寬均為1cm的正方體放置在CMUT陣列前方的掃描范圍內(nèi)。面朝兩目標(biāo)物體旋轉(zhuǎn)精密分度盤，-30°至30°，CMUT陣列發(fā)射并接收回波信號(hào)。超聲扇形掃描探測(cè)是由多束A-scan回波信號(hào)構(gòu)成。兩目標(biāo)物體的回波A-scan 信號(hào)如圖15所示。經(jīng)過濾波、包絡(luò)提取和對(duì)數(shù)壓縮后重建的60°扇形掃描圖如圖16所示。該次掃描探測(cè)給出了CMUT陣列60°前視110cm探測(cè)范圍內(nèi)景象，且清晰地給出了兩目標(biāo)體的位置，重建圖像連續(xù)性好，同時(shí)目標(biāo)輪廓明顯，達(dá)到了預(yù)計(jì)探測(cè)效果。

圖14 扇形掃描探測(cè)實(shí)驗(yàn)圖Fig.14 Sector scanning detection experiment figure

圖15 回波信號(hào)Fig.15 Echo Signal

圖16 扇形掃描結(jié)果Fig.16 Sector scanning results

6 結(jié)束語

根據(jù)CMUT陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合聲場(chǎng)特性分析，提出了CMUT陣列的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)和方法，并搭建了水下測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)陣列芯片水密封裝后進(jìn)行了 CMUT陣列收發(fā)性能和水下探測(cè)性能的測(cè)試分析。經(jīng)測(cè)試,CMUT陣列主瓣對(duì)稱，-3 dB半功率角為5°，最大旁瓣級(jí)為-13.5 dB，掃描范圍無柵瓣，1 m范圍內(nèi)扇形探測(cè)結(jié)果清晰，探測(cè)分辨率受旁瓣影響較低。結(jié)果表明，提出的CMUT陣列設(shè)計(jì)和水密封裝方法合理，初步實(shí)現(xiàn)了水下探測(cè)應(yīng)用，為改善微電容超聲波換能器陣列水下探測(cè)性能提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。筆者提出的線陣設(shè)計(jì)和封裝方法對(duì)CMUT二維面陣同樣有效。