陳沈理，郭廣建，李敏毅

(1.廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510405；2. 廣東省現(xiàn)代幾何與力學計量技術重點實驗室，廣東 廣州 510405)

1 引 言

醫(yī)學超聲成像技術、X-CT、MRI及ECT是現(xiàn)代醫(yī)學成像技術的4大醫(yī)學影像技術，己廣泛應用于多個醫(yī)學部門。鑒于超聲傳播中穿透能力強、非侵入式等特征[1]，超聲成像技術與其他成像技術相比，具有實時性好、無損傷以及低成本等獨特優(yōu)點，在實際臨床中得到廣泛應用[2]。我國的《JJG 639—1998醫(yī)用超聲診斷儀超聲源檢定規(guī)程》對醫(yī)用的超聲波輸出劑量做出了嚴格限制，規(guī)定：超聲波的強度不得超過10 mW/cm2；如果一旦超出該標準，必須將具體的值顯示出來，而且明確指出“孕婦嚴禁使用”[3]。所以，準確測定超聲波的功率具有現(xiàn)實意義，標準超聲功率源屬于超聲功率量值計量環(huán)節(jié)重要一環(huán)，具有承上啟下的作用。

標準超聲功率源是一種超聲功率傳遞標準，是已知聲功率輸出的固定頻率連續(xù)波超聲源。它能復現(xiàn)一組標準超聲功率量值，用于將聲功率量值由超聲功率基準或副基準傳遞到聲功率標準裝置，用于基準和副基準之間的量值比對，也可用于超聲功率量值從基準或副基準傳遞到超聲功率計標準裝置，超聲功率計標準裝置把超聲功率量值傳遞到醫(yī)學超聲類設備，確保了醫(yī)學超聲設備的超聲功率量值準確性[4]。

標準超聲功率源一般是由功率信號發(fā)生器、標準超聲換能器組成。其中標準超聲換能器的頻率決定了標準超聲功率源的頻率，目前國際上超聲換能器的工作頻率研究已經(jīng)到達了16 MHz以上，其中IEC 61161-2013 Ultrasonics—Power measurement—Radiation force balances and performance requirements已將超聲波功率測量范圍擴展至25 MHz[5]。從國內外研究的發(fā)展趨勢來看，通過選擇合理的壓電材料和匹配電路設計，超聲換能器的頻率可以實現(xiàn)多個頻率點工作，配合穩(wěn)定的高頻功放和信號發(fā)生器，同時可以實現(xiàn)高頻超聲波的輸出，從而實現(xiàn)多頻、高頻超聲功率源。

本文結合理論方法研究和具體硬件的設計，實現(xiàn)基于鈮酸鋰單晶基片三頻點的標準超聲換能器，通過單片機控制DDS芯片實現(xiàn)3種頻率的正弦信號產生，經(jīng)過高頻運算放大器電路實現(xiàn)對標準超聲換能器的激勵實現(xiàn)標準超聲功率的輸出，從而成功設計出三頻點標準超聲功率源，三頻點標準超聲功率源實現(xiàn)了最高為18.9 MHz高頻超聲波的輸出。通過將實驗數(shù)據(jù)和英國國家物理實驗室NPL校準數(shù)據(jù)進行比對，驗證了三頻點標準超聲功率源輸出數(shù)據(jù)的有效性。

2 標準超聲換能器的設計

標準超聲換能器是由壓電晶體材料、外殼和導線組成，而壓電晶體材料的結構是決定其性能的關鍵部分。當前國內外對壓電材料的研究更加廣泛更加深入，而且技術發(fā)展特別快。從早期對天然壓電晶體的探索、研究，到目前可以人工合成壓電晶體、甚至可以合成復合材料的壓電晶體，基于壓電材料的研究和突破，其性能取得更大改進，不同特性的壓電材料在不同領域有廣泛用途，其種類隨著科技的發(fā)展越來越多。當前壓電材料有5類：壓電單晶體、壓電多晶體、壓電高分子聚合物、壓電復合材料和壓電半導體等[8]。本文設計的三頻點超聲換能器，采用壓電單晶晶體——鈮酸鋰晶體作為換能器的壓電材料。

采用鈮酸鋰材料作為晶片的基體時，不同切割方向和方式，其壓電特性和振動形式會不一樣。鈮酸鋰晶片的工作于厚度伸縮振動模式(TE模式)下，可以在施加了電壓后能夠產生與電場平行的超聲波。在TE模式下，由于鈮酸鋰晶片的特性是高機械品質因數(shù)，所以其電能轉化成機械能損耗比較小，具有較高的機電耦合系數(shù)，能量從電能轉化機械能的轉換效率就特別高，這樣采用鈮酸鋰作為晶片的基體可以實現(xiàn)較高的轉換效率[9]。

2.1 晶片的Y-36°切割

根據(jù)鈮酸鋰晶片在工程應用上的經(jīng)驗，鈮酸鋰晶片切割經(jīng)典切割方式見圖1，采用z-cut的切割方式得到的鈮酸鋰單晶基片，在伸縮振動模式下應用于超聲換能器中，其耦合系數(shù)為0.17，相較石英材料的x-cut晶片優(yōu)勢并不明顯，所以不采用z-cut的切割方式。鈮酸鋰材料采用36°rotatedy-cut得到的單晶基片，在伸縮振動模式下應用于超聲換能器中，其耦合系數(shù)相當高，高達0.55，相比石英晶體基片和z-cut的鈮酸鋰基片優(yōu)勢特別明顯。通過對鈮酸鋰單晶基片在超聲換能器中應用的伸縮振動模式的分析，可知采用鈮酸鋰36°rotatedy-cut晶片是非常有優(yōu)勢的選擇。

圖1 鈮酸鋰壓電晶片的典型切割方式Fig.1 Typical cutting methods of LiNbO3 piezoelectric wafer

2.2 基片電極層鍍膜的設計

鈮酸鋰單晶基片能夠把電能轉換成機械能還需要進行正負電極的設計。為了在基片上實現(xiàn)電學的正負極，在基片的兩面分別采用鍍金膜層作為電極使用。在基片的其中一面上用絕緣的圓環(huán)形(約 1 mm)來分隔兩電極，這一面上的中間部分形成圓形島狀電極，此電極作為正極。另一面和基片邊緣鍍金部分形成基片的負極，這樣完整的鈮酸鋰單晶基片就能高效地將電能轉換成機械能。

將基片的電極設計成中間圓形島狀主要的原因是為了實現(xiàn)換能器的能限振動模式，也稱為能量封閉振動模式。這種振動模式的振動，主要的能量被限制在基片的圓形島狀電極發(fā)射面內，在島狀電極發(fā)射面外的機械能量將快速被損耗掉，所以基片與外殼產生的高次泛音振動和其他的假響應就不會出現(xiàn)，有效地消除了基片的高次干擾雜波[10]。

2.3 基于晶片切割特性設計厚度

鈮酸鋰單晶基片的切割方式選擇36°rotatedy-cut，耦合系數(shù)為0.55，頻率常數(shù)為3.62 MHz·mm，特別適用于高頻的超聲波換能器中。基于頻率常數(shù)是固定的，如果需要設計相應頻率的超聲換能器，鈮酸鋰的單晶基片的厚度d的選擇尤為關鍵，可以根據(jù)式(1)得到基片的厚度：

d=N、f0

(1)

式中：d為鈮酸鋰基片的厚度，mm；N為頻率常數(shù)，對于36°Y切割的鈮酸鋰晶體取3.62 MHz·mm；f0為基片的頻率值，Hz。

根據(jù)式(1)，若要設計頻率18 MHz以上的超聲晶片，晶片厚度應為0.201 mm，由于0.2 mm左右厚度切割、鍍金和焊接極為困難，同時厚度太薄時，換能器轉換的超聲功率就非常有限。所以在設計時，考慮采用基片基數(shù)的倍頻方法進行倍頻的超聲波輸出的設計，另外考慮實現(xiàn)3個固定頻率點的超聲功率輸出，因此按照1、3、5次倍頻，令最高頻率f5=18 MHz/5=3.6 MHz，再重新根據(jù)式(1)，計算晶片厚度約為1 mm，考慮鍍金層厚度(單層約為 0.03 mm)和切割誤差，設計的基片厚度為 0.95 mm?？紤]輸出的超聲功率最大值期望實現(xiàn) 1 W，直徑設計為25 mm。

2.4 標準超聲換能器結構組成

標準超聲換能器的結構如圖2所示，超聲換能器的塞子、套管和外殼采用不銹鋼作為原材料，采用數(shù)控機床進行精確加工，同時采用硅膠對壓電晶體基片固定和作水密性處理。

圖2 超聲換能器的結構示意圖Fig.2 Structure diagram of ultrasonic transducer

BNC的正極以導線與鈮酸鋰基片的正極導通，BNC負極以導線與鈮酸鋰基片的環(huán)形負極連接，同時固定于外殼上，壓電晶片內嵌到外殼內，并采用橡膠進行緩沖。

2.5 標準超聲換能器電學匹配設計

鈮酸鋰晶片基片設計的標準超聲換能器在共振狀態(tài)時，電學阻抗是容性阻抗，為了與后面設計的功率信號發(fā)生器電學匹配，在換能器的回路中串聯(lián)或并聯(lián)電感來實現(xiàn)電學匹配，使得諧振時阻抗角為零[11]。為了實現(xiàn)3個頻率點的超聲功率輸出，采用常用的串聯(lián)高頻電感實現(xiàn)3個諧振頻率。經(jīng)過阻抗分析儀的實驗測試，在頻率為3.361、11.27、18.9 MHz 上實現(xiàn)了電學共軛的匹配，其阻抗特性為純電阻，阻抗角約為0°，阻抗值分別為48.9、52.4、40.3 Ω。

3 功率信號發(fā)生器的設計

功率信號發(fā)生器由控制電路、正弦信號產生電路、信號電壓與功率放大電路和顯示及按鍵輸入電路組成，見圖3。

圖3 功率信號發(fā)生器電路組成框圖Fig.3 Power signal generator circuit block diagram

3.1 正弦信號的產生

隨著數(shù)字信號處理和集成電路技術的發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術的應用也越來越廣泛。特別是DDS具有相位和頻率分辨率高、穩(wěn)定度好、頻率轉換時間短、輸出相位連續(xù)、可以實現(xiàn)多種數(shù)字與模擬調制的優(yōu)點[12]。

正弦信號的產生選擇高度集成的DDS芯片來實現(xiàn)，由于需要實現(xiàn)不同頻率和不同幅值的正弦信號的產生，選擇AD9910來進行設計。

AD9910是一種直接數(shù)字合成器(DDS)，具有集成的14位DAC和支持采樣率高達1 GSP。其采用了先進的專有DDS技術，在不犧牲性能的情況下提供了顯著的功耗降低。DDS/DAC組合形成數(shù)字可編程、高頻、模擬輸出合成器，能夠在頻率達到400 MHz的頻率下產生頻率捷變的正弦波形。

設計時，可以訪問控制DDS的3個信號控制參數(shù)：頻率、相位和幅值。DDS利用32位累加器提供快速跳頻和頻率調諧分辨率。在1 GSP采樣率下，調諧分辨率為0.23 Hz。DDS還可以實現(xiàn)快速的相位和幅度切換能力[13]。對于實現(xiàn)3.361、11.27、18.9 MHz和電壓幅值的控制是理想的選擇。

由于AD9910產生的正弦信號電壓較小，且電路接收到的高頻干擾信號較多時，需要在AD9910輸出的后面增加一個7階高頻濾波電路，設計濾波為低通25 MHz[14]，以獲取更純的正弦信號。

3.2 正弦信號的電壓和功率放大

由于AD9910輸出的正弦信號的電壓和功率都非常小，不足以驅動超聲換能器輸出超聲波信號，所以在AD9910后面需要設計電壓放大和電流放大，以達到期望的輸出功率大小。

本文采用AD811和BUF634組成的寬頻運算放大電路，見圖4。AD811是一款寬帶電流反饋運算放大器，其帶寬可以維持在一個很寬的增益范圍，該運算放大器具有低電壓和電流噪聲，出色的直流精度，適合寬動態(tài)范圍的應用。電路在AD811的反饋回路增加BUF634的目的是為了提高AD811的輸出電流，實現(xiàn)功率放大的效果。AD811作為電流反饋運算放大器，其放大倍數(shù)A見式(2)。由于AD9910模塊產生的正弦信號在50 Ω負載下的最大實測電壓為0.32 V，為了保守估計，BUF634輸出最小需要的功率為2 W(約50 Ω)，所以放大后的最大電壓應達到：10 V(有效值)，運算放大器放大倍數(shù)應為31倍。電路中電阻R1設計為120 Ω，可調電阻RV1最大應為：3.8 kΩ，采用5.2 kΩ可調電阻即可。基于功率設計輸出電流放大BUF634部分，其中BUF634最大驅動電流能力為0.25 A，為了確保電路發(fā)熱在安全范圍內，采用兩個BUF634芯片并聯(lián)放大電流。為了在3個頻率中均能獲得最大的輸出功率，BUF634輸出內阻設計為：47Ω，采用無感電阻。

圖4 AD811與BUF634組成高頻運放模塊Fig.4 AD811 and buf634 constitute high frequency operational amplifier module

A=1+RV1/R1

(2)

3.3 外設的控制和設計

外設的控制芯片選用STC12C5A60S2，STC12-C5A60S2系列單片機是宏晶科技生產的單片機，其單時鐘/機器周期高達1 T，I/O多達44個，足以開發(fā)多路按鍵的輸入和顯示的輸出。另外STC12C5A60S2有兩個通用全雙工異步串行口(UART)，為開發(fā)上位機對標準超聲功率源進行控制提供接口[15]。

STC12C5A60S2的外設設計包括按鍵輸入、顯示輸出和對AD9910控制命令。按鍵輸入采用普通I/O口上拉電阻(僅輸入模式)作為輸入，實時掃查按鍵輸入狀態(tài)；顯示部分采用通用的LCD1602模塊，單片機的I/O設置為強上拉輸出模式，通過I/O的8位數(shù)據(jù)和控制位實現(xiàn)顯示；對AD9910的控制命令傳輸采用高速的串口模式，占用其中一個串口用來實現(xiàn)對AD9910的頻率、相位和幅值的控制。詳細流程圖見圖5。

圖5 STC12C5A60S2控制流程圖Fig.5 Control flow chart of STC12C5A60S2

4 實驗設計和測試實例

4.1 實驗設計

基于上述的設計，三頻點標準超聲功率源輸出的功率點分別設計為：3.361 MHz：10 mW、100 mW、1 W；11.27 MHz：100 mW和18.9 MHz：100 mW。

超聲功率的測量，采用國家毫瓦級和瓦級超聲功率基準裝置進行，測量原理是采用輻射力天平法。對于低頻段的3.361 MHz采用反射靶進行測量，由于中高頻段的超聲波在水中衰減比較快，功率源和靶的距離對測量結果影響較大，所以中高頻段的11.27 MHz和18.9 MHz采用平面的吸收靶進行測量。

4.2 實驗數(shù)據(jù)

標準超聲功率源在2019年1年內測量7次的實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data mW

從表1和圖6～圖8可以看出每次測量值誤差均不大于±5%。對表1的數(shù)據(jù)取算術平均作為測量值，見表2。

圖6 2019年一年內3.361 MHz超聲功率曲線Fig.6 3.361 MHz ultrasonic power curve in 2019

圖7 2019年一年內11.27 MHz超聲功率曲線Fig.7 11.27 MHz ultrasonic power curve in 2019

圖8 2019年一年內18.9 MHz超聲功率曲線Fig.8 18.9 MHz ultrasonic power curve in 2019

4.3 實驗數(shù)據(jù)驗證

為了驗證標準超聲功率源輸出的超聲功率量值準確性，采用國家毫瓦級和瓦級超聲功率量值基準裝置測量數(shù)據(jù)，同時也將該功率源送到了英國國家物理實驗室(NPL)超聲和水聲組進行比對，比對的數(shù)據(jù)見表3(數(shù)據(jù)來源報告：NPL證書號2018010257-1)。

表3 英國國家物理實驗室(NPL)輻射力天平法裝置測量的超聲功率值Tab.3 The value of ultrasonic power measured by the radiation force balance device of National Physical Laboratory(NPL)

標準超聲功率源輸出的超聲功率量值測量具體示值和不確定度[16]如表2。

表2 國家超聲功率基準裝置測量的超聲功率值Tab.2 Ultrasonic power value measured by national ultrasonic power reference device

由表2和表3的數(shù)據(jù)可以驗證本文設計的標準超聲功率源量值的準確性和有效性，最大誤差不大于±5%，符合JJG 868—1994《毫瓦級標準超聲源檢定規(guī)程》對超聲功率輸出的要求。

5 結 論

本文基于單晶鈮酸鋰晶片設計了一種三頻點標準超聲功率源，該超聲功率源的輸出功率值，經(jīng)過國家毫瓦級和瓦級超聲功率基準裝置和英國國家物理實驗室的輻射力天平法裝置的測量比對，實驗數(shù)據(jù)非常理想，驗證了高頻標準超聲功率源輸出超聲功率量值的準確性和有效性，同時證明了本設計方案是可行的。