李一凡 張國軍 何常德 王子淵 高鵬飛 孟亞楠

(中北大學儀器與電子學院 動態(tài)測試省部共建實驗室 太原 030051)

0 引言

長期以來，壓電陶瓷是超聲換能器中最常用的材料，但是壓電式超聲換能器因為帶寬窄、靈敏度低等問題，存在發(fā)展瓶頸。利用微機電系統(tǒng)(Microelectro-mechanical system, MEMS)微加工技術(shù)制作的電容式微機械超聲換能器(Capacitance micromachined ultrasonic transducer, CMUT)具有寬頻帶、高靈敏度等優(yōu)勢[1?3]，作為新興的超聲換能器具有良好的應用前景。Haller 等[4]最早提出了微電容超聲換能器概念并制作了器件。Yaar 等[5]采用不同的交流激勵信號(正弦波、方波和鋸齒波)驅(qū)動CMUT，以確定激勵CMUT 的最佳波形。Chen等[6]通過分析CMUT 的工作原理，對比二級電平與三級電平驅(qū)動CMUT 對輸出聲功率的影響，提出了一種增強CMUT 的聲發(fā)射效率的方法。王紅亮[7]對CMUT 進行建模并對陣元與陣列的聲場特性進行詳細分析。

本文基于CMUT 的工作原理設(shè)計了驅(qū)動電路，確保驅(qū)動CMUT 發(fā)射頻率可調(diào)的超聲波。對脈沖激勵信號的過沖現(xiàn)象進行理論分析并提出解決方法，討論了不同匹配值對脈沖信號的影響。通過現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field programmable gate array, FPGA)改變激勵信號的脈沖個數(shù)與占空比，進而分析激勵信號參數(shù)對CMUT 的聲發(fā)射性能的影響，結(jié)合實際需要選取最佳的脈沖激勵參數(shù)。

1 CMUT的工作原理與封裝

一個CMUT 陣元由多個微元并聯(lián)組成[8]，其微元是由上下電極、振動薄膜、硅襯底組成。上電極與下電極構(gòu)成了平行板電容器，為了CMUT在工作中獲得最大限度的靈敏度和帶寬，在上下電極間施加合適的直流偏置電壓，振動薄膜在靜電力的作用下向襯底移動，如圖1(a)所示。當薄膜自身回復力與靜電力達到平衡后，薄膜保持靜止。在上下電極間施加脈沖激勵信號，薄膜的平衡被打破并做往復運動，進而引起介質(zhì)振動產(chǎn)生超聲波。本文所用CMUT 面向的應用領(lǐng)域為水下，所以對CMUT 進行透聲防水封裝。以聚氨酯橡膠透聲膜做聲匹配介質(zhì)，選用耐腐蝕、易加工的PVC材料作為外殼，內(nèi)部填充硅油，引出焊接線與外部電路進行連接，封裝結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

2 脈沖驅(qū)動電路設(shè)計

脈沖驅(qū)動電路的整體工作流程如圖2所示。FPGA 接收到上位機的驅(qū)動脈沖參數(shù)后，向高壓脈沖芯片發(fā)送邏輯控制，以此改變脈沖寬度、間隔時間、個數(shù)等參數(shù)。高壓脈沖激勵芯片選用Maxim 的MAX14808 芯片，該芯片能同時輸出8 通道的高壓脈沖信號，輸出電壓幅值大小由VPPA和VNNA引腳端的輸入電壓大小控制[9]。同時芯片內(nèi)置了發(fā)送/接收開關(guān)(T/R 開關(guān))，有效避免高壓脈沖對接收調(diào)理電路的干擾，為CMUT的收發(fā)一體硬件電路提供便利。Bias-Tee 電路由一個電阻與一個電容組成，其中電阻的作用是短路保護，電容的作用是隔絕直流電壓對交流電壓的干擾[10]。

圖2 脈沖驅(qū)動電路的工作流程圖Fig.2 Block diagram of pulse driving circuit

2.1 脈沖驅(qū)動芯片及其控制邏輯

本文選用的FPGA芯片為Xilinx的XC6SLX9，對MAX14808 的控制邏輯如圖3所示。MAX14808有多種輸出模式，因驅(qū)動CMUT的激勵信號采用雙極性方波脈沖，所以使用三級電平模式，此模式只需兩個I/O 端口即可控制輸出一路的脈沖激勵信號。為減少傳輸期間的漏電流，在每次產(chǎn)生方波控制信號之前都將T/R開關(guān)關(guān)斷3 μs，所以在發(fā)射脈沖之前DINN和DINP同時拉低置0延時3 μs。

圖3 MAX14808 的簡化邏輯控制圖Fig.3 Simplified schematic for MAX14808 logical control

2.2 電源模塊的優(yōu)化設(shè)計

驅(qū)動電路需要多個供電電壓。結(jié)合CMUT 的驅(qū)動需求，優(yōu)化設(shè)計了電源模塊。使用一個直流電壓源提供可調(diào)節(jié)的正高壓VPPA 與負高壓VNNA，通過BOOST、BUCK、LDO等電壓轉(zhuǎn)換芯片升降電壓轉(zhuǎn)換為FPGA、MAX14808、直流偏置所需的電壓值，如圖4所示。測試各芯片輸出值，確保電源模塊能有效地進行電壓轉(zhuǎn)換。

圖4 電源模塊轉(zhuǎn)換示意圖Fig.4 Power module block diagram

3 脈沖激勵信號的過沖現(xiàn)象分析與改進

本文根據(jù)所用CMUT 的實際測試，確定最佳驅(qū)動電壓為40 V，其中直流為20 V，交流脈沖為±10 V。因CMUT 陣元的中心頻率為3 MHz，當激勵信號的脈沖頻率與其中心頻率保持一致時，薄膜出現(xiàn)共振現(xiàn)象，使得CMUT輸出聲壓達到最大。

驅(qū)動電路發(fā)出±10 V 的方波后，實測脈沖激勵信號的峰值電壓與谷值電壓超過期望電壓值，出現(xiàn)尖峰脈沖，此現(xiàn)象為信號線阻抗不匹配所產(chǎn)生的過沖問題。設(shè)信號線源端的電壓為V1，阻抗為Z1；信號線末端的電壓為V2，阻值為Z2；反射回源端的電壓為V3。

由串聯(lián)電路的電壓特性可得

因源端電流流向與反射回源端的電流流向相反，由歐姆定律與串聯(lián)電流特性可得

通過式(1)～(2)可得反射系數(shù)r與傳輸系數(shù)t：

由公式(3)可知，當Z1大于Z2時，末端的電壓V2小于源端電壓V1；反之，V2大于V1。因源端阻值不為零，所以電壓信號在源端與末端之間存在多次反射，導致過沖現(xiàn)象的出現(xiàn)。過沖現(xiàn)象會造成CMUT的損壞，需要針對此現(xiàn)象提出解決方法。

本文采用源端串聯(lián)匹配電阻的方法，消除信號的過沖現(xiàn)象。通過不同阻值的電阻進行匹配。由圖5得到脈沖信號變化規(guī)律，當串行匹配的電阻較小時，信號變化快、上升時間短且過沖現(xiàn)象有所減弱；隨著串行匹配的電阻值增大，過沖現(xiàn)象被消除但是信號的上升時間增加、信號變化越來越平緩。因此根據(jù)需求選擇合適的阻值進行匹配，將信號匹配到理想的狀態(tài)。

圖5 不同匹配阻值與脈沖信號的關(guān)系Fig.5 Relationship between different matching resistance and pulse signal

4 脈沖激勵參數(shù)對CMUT發(fā)射特性的影響

為探究脈沖激勵參數(shù)對CMUT 的聲發(fā)射特性影響，用驅(qū)動電路對水下CMUT 陣元激勵3 MHz的脈沖信號，F(xiàn)PGA 控制MAX14808 發(fā)出不同參數(shù)的脈沖激勵信號，由針式水聽器接收CMUT的輸出聲壓作為數(shù)據(jù)來源。實驗平臺如圖6所示，水聽器為Precision Acoustics 公司制造，頻帶為10 kHz～60 MHz。通過改變激勵信號的脈沖個數(shù)與脈沖占空比，在時域與頻域分析水聽器的接收信號，從而研究不同激勵參數(shù)下CMUT 的發(fā)射特性。

圖6 CMUT 發(fā)射特性研究實驗Fig.6 Setup of cmut transmitting characteristic experiment

4.1 不同脈沖個數(shù)驅(qū)動CMUT的聲發(fā)射特性

當占空比恒為50%、單個脈沖頻率為3 MHz時，改變激勵信號連續(xù)發(fā)射的脈沖個數(shù)驅(qū)動CMUT 陣元。選取脈沖方波個數(shù)為1、3、5、7、9、11、13、15，其時域與頻域變化規(guī)律如圖7所示。隨著激勵脈沖個數(shù)的增加，輸出聲壓的強度無明顯變化，但持續(xù)時間更長。CMUT 輸出聲信號在3 MHz 處的強度逐漸增強，有效帶寬逐漸變窄，二次諧波(6 MHz)信號強度也逐漸變大。

圖7 不同脈沖激勵個數(shù)時的時域與頻域圖Fig.7 Time domain and frequency domain diagrams for different number of pulse excitation

4.2 不同占空比脈沖驅(qū)動CMUT的聲發(fā)射特性

當激勵信號脈沖個數(shù)恒為5 個、單個脈沖頻率為3 MHz 時，改變激勵信號脈沖的占空比驅(qū)動CMUT 陣元。選取脈沖占空比為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%，其時域與頻域變化規(guī)律如圖8所示。占空比主要影響輸出聲壓的強度，對有效帶寬無明顯影響。隨著占空比的增加，CMUT的輸出聲壓先快速增大再緩慢減小，在占空比為50%時輸出聲壓最大，同時二次諧波信號強度呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，在占空比為50%時，二次諧波信號最小。

圖8 不同脈沖占空比時的時域與頻域圖Fig.8 Time domain and frequency domain diagrams with different pulse duty cycle

5 結(jié)論

本文根據(jù)CMUT 陣元的工作原理，設(shè)計了脈沖驅(qū)動電路，編寫控制程序通過FPGA 控制方波脈沖的各項參數(shù)。采用串行匹配消除脈沖信號的過沖現(xiàn)象，避免因尖峰脈沖損壞CMUT陣元。探究了CMUT 的聲發(fā)射特性與激勵信號的脈沖個數(shù)及其占空比的對應關(guān)系。隨著激勵信號脈沖個數(shù)增加，CMUT輸出聲信號的有效帶寬逐漸變窄，二次諧波逐漸明顯；隨著激勵信號脈沖占空比增加，CMUT的輸出聲壓先增大后減小，二次諧波先減小后增大。在占空比為50%時輸出聲壓最大，且二次諧波最小。上述研究結(jié)果為后續(xù)CMUT 的應用與測試提供了參考依據(jù)。