張 慧,鄭冠儒,李 志,曾周末

(天津大學(xué),精密測試技術(shù)與儀器國家重點實驗室,天津 300072)

空氣耦合式超聲檢測作為一種非接觸式的檢測技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景,其相較于傳統(tǒng)的超聲檢測方法具有非接觸、非侵入、完全無損等優(yōu)點[1]。最新的研究成果將此項技術(shù)應(yīng)用于人機交互[2]和醫(yī)學(xué)成像[3]等前沿領(lǐng)域。在這些研究當(dāng)中,空氣耦合的超聲換能器是最核心的部分。傳統(tǒng)的壓電式超聲換能器由于固體和氣體的聲阻抗相差較大,因此存在著阻抗匹配的問題,限制了其在空氣耦合檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用。上世紀(jì)70年代后,隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展,硅微聲學(xué)器件成為了研究熱點。硅微聲學(xué)器件是指利用體硅工藝、表面硅工藝等手段在硅材料上加工出的聲學(xué)器件,其尺寸一般在微米級甚至納米級。硅結(jié)構(gòu)微加工超聲換能器可分為兩類,分別是電容式微加工超聲換能器CMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)和壓電式微加工超聲換能器PMUT(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer)。CMUT的單個敏感單元的結(jié)構(gòu)從上至下分別為上電極、振膜、空腔、絕緣層和基底。工作時,需要預(yù)先在CMUT的兩端加載一個直流電壓,電容中形成一個靜電場,振膜在電場力的作用下發(fā)生形變,從而在振膜中形成一個預(yù)緊力。在發(fā)射模式下,當(dāng)在振膜兩端外加一個脈沖激勵時,CMUT振膜的平衡狀態(tài)會被打破,振膜做自由阻尼振動,向外界發(fā)射超聲波。接收模式是發(fā)射模式的逆過程。相對于PMUT來說,CMUT的振動膜結(jié)構(gòu)使得其機電耦合效率更高,更易于在空氣等工作介質(zhì)中使用;CMUT在接收靈敏度、帶寬范圍等各項指標(biāo)上均優(yōu)于PMUT。除此之外,CMUT換能器還有一些其他的優(yōu)勢,如采用MEMS工藝,敏感單元尺寸可以做到微米級別,易于設(shè)計成高密度的線陣或面陣陣列;易于和信號放大電路集成,降低由于走線或分立元件而造成的噪聲。因此,空氣耦合的CMUT換能器及其陣列的研究,具有較大價值。

1996年斯坦福大學(xué)的研究小組首次設(shè)計加工了CMUT換能器,并論證了CMUT作為一種新型換能器相較傳統(tǒng)換能器的優(yōu)勢。此后二十年以該研究小組為首的國外研究機構(gòu)陸續(xù)有針對CMUT換能器及其陣列的研究成果發(fā)表[4-6],目前已在缺陷檢測、醫(yī)學(xué)成像、手勢識別等相關(guān)領(lǐng)域取得一定的研究成果。國內(nèi)各研究機構(gòu)目前的研究主要集中在CMUT的理論設(shè)計、仿真[7],以及液體耦合的CMUT陣列的設(shè)計、測試等[8]。針對空氣耦合CMUT陣列的研究鮮有報道。

本文設(shè)計并制作了一種新型空氣耦合CMUT換能器陣列,陣列的加工采用了SOI晶元鍵合工藝。主要的創(chuàng)新點包括,針對空氣介質(zhì)設(shè)計了CMUT換能器陣列,對陣列的參數(shù)進行了分析;使用Field Ⅱ聲場仿真工具對不同參數(shù)下的CMUT陣列指向性進行了仿真,根據(jù)仿真結(jié)果確定了最優(yōu)的陣列參數(shù);設(shè)計了CMUT陣列的加工工藝,通過聲學(xué)實驗測試了所加工的CMUT陣列在不同偏轉(zhuǎn)角下的聲場指向性。

1 CMUT陣列設(shè)計

CMUT陣列的設(shè)計需要考慮的參數(shù)主要包括陣元間距、陣元個數(shù)和陣元大小,其中陣元的大小跟CMUT的單膜共振頻率相關(guān),因此在設(shè)計CMUT陣列之前首先需要確定單個振元的共振頻率。本節(jié)將通過公式的推導(dǎo)來計算CMUT振膜的單膜共振頻率,然后使用聲場仿真軟件Field Ⅱ來對陣列指向性進行分析,最終確定陣列的設(shè)計參數(shù)。

1.1 CMUT單膜共振頻率

單個CMUT振膜可以看成是一個周邊固支的圓形薄板,于是可以通過板殼理論對其建模分析。根據(jù)板殼理論可以寫出振膜的振動方程為:

(1)

式中:

(2)

通過分離變量法可以最終求得該方程的解為:

(3)

式中:a為振膜半徑,μ為柱貝塞爾函數(shù)的根值,通過查柱貝塞爾函數(shù)的根值表可以確定一階根值為3.2,從而可以寫得圓形薄板的一階振動頻率為:

(4)

本文所設(shè)計的CMUT陣列的使用環(huán)境為空氣介質(zhì),由于空氣中信號傳播時的衰減速率和頻率的平方衰減的,因此頻率的選擇不宜過高,本文所設(shè)計的敏感單元的中心頻率為250 kHz,根據(jù)表1中的特性參數(shù)可以確定單個敏感單元的半徑應(yīng)為400 μm。

表1 CMUT振膜材料的特性參數(shù)

1.2 CMUT陣列設(shè)計

CMUT換能器陣列的設(shè)計原則可以歸納為,減小主瓣寬度,消除柵瓣,抑制旁瓣。這其中需要考慮的參數(shù)主要是陣元間距和陣元個數(shù)。陣列的陣元間距越大,其主瓣寬度越小,但是超過一定范圍后將會出現(xiàn)柵瓣,柵瓣的存在將會在成像中形成偽像,影響陣列的成像質(zhì)量。本文所設(shè)計的CMUT陣列的單個敏感單元半徑為400 μm,在加工中為保證分割陣元時有足夠空間,應(yīng)在敏感單元之間留下200 μm的間隔,因此陣元間距最小為1 000 μm。

使用Field Ⅱ聲場仿真軟件可以比較不同陣列參數(shù)下的聲場指向性,從而確定CMUT陣列的陣列參數(shù)。Field Ⅱ是一款基于線性聲學(xué),能仿真超聲探頭發(fā)射聲場的免費MATLAB工具包。Field Ⅱ中默認的超聲信號的衰減速度為0,對于空氣耦合式換能器來說,由于空氣的聲阻抗很小,因此超聲信號在傳播途中的衰減不可忽視。根據(jù)式(5)可以計算出不同頻率的超聲信號在空氣中的衰減速度。由此得到所設(shè)計頻率下的超聲信號在空氣中的衰減速度為10.2 dB/m。

(5)

計算陣列聲場的指向性時,需要構(gòu)建CMUT陣列的換能器模型。Field Ⅱ中默認換能器的孔徑形狀為矩形,為了得到更加精確的仿真結(jié)果,本文使用ele_apodization函數(shù)對換能器的單個陣元的形狀進行重新定義,設(shè)置圓形的區(qū)域為有效區(qū)。之后使用xdc_2D_aperture函數(shù)來創(chuàng)建換能器陣列,陣列的形貌如圖1所示。

圖1 仿真陣列形貌

通過仿真得到如圖2的結(jié)果,圖中的橫坐標(biāo)表示陣列的偏轉(zhuǎn)角,縱坐標(biāo)表示歸一化的空間脈沖響應(yīng)。圖2(a)、2(b)、2(c)分別表示了陣列主波束相對于陣列法向偏轉(zhuǎn)0°、30°和45°的聲場指向性仿真結(jié)果,從圖中可以看出,當(dāng)陣列的間距d設(shè)置為1 mm,陣列個數(shù)N設(shè)置為8時,30°的聲束偏轉(zhuǎn)沒有明顯的柵瓣,45°的聲束偏轉(zhuǎn)在-45°左右的偏轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)柵瓣,但是柵瓣強度較小,并且距離主瓣的位置較遠,實際的影響比較小。

圖2 陣列的聲場指向性仿真

陣列的陣元個數(shù)越多,陣列的發(fā)射聲場主瓣寬度越窄,分辨率越高[10]。但是,陣列的個數(shù)增多一方面會使得陣列孔徑變大,在近場形成近場盲區(qū),使得其應(yīng)用范圍變窄;另一方面陣列個數(shù)越多,所需要的通道數(shù)越多,驅(qū)動電路和放大電路的設(shè)計也就越復(fù)雜,硬件成本較高?？紤]到同CMUT換能器所匹配的硬件電路的設(shè)計,本文選擇了16×8的線陣陣列,即每16個敏感單元并聯(lián)組成一列,8列這樣的陣元組成一個線陣的換能器陣列。每列將16個敏感單元并聯(lián)是為了提高換能器的發(fā)射強度。綜合考慮陣列的成像質(zhì)量、加工工藝要求以及匹配電路的設(shè)計難度,最終所設(shè)計的CMUT陣列的參數(shù)如表2所示。

表2 CMUT陣列設(shè)計參數(shù)

2 CMUT加工與表面形貌測試

本文采用了SOI晶圓鍵合技術(shù)來加工所設(shè)計的CMUT陣列。SOI晶圓鍵合技術(shù)是一種體硅工藝[11-13]。該技術(shù)克服了犧牲層的缺陷,通過對硅襯底材料的深刻蝕來獲得較大的單元尺寸。另外,晶圓鍵合技術(shù)還避免了在CMUT振膜表面打通孔,因此可以保證陣元的發(fā)射強度不會因通孔而造成損失。

CMUT陣列加工所需要的掩膜版圖如圖3(a)所示。所設(shè)計的陣列為13陣元,前8陣元為本文所使用的8路CMUT陣列,陣元間距1 000 μm,后5陣元間距1 500 μm,用于驗證其他的設(shè)計。兩組陣列之間由刻槽隔開,完全獨立工作。單列陣元敏感單元為16個,頂電極相連。

在CMUT裸片加工完成后,需要將裸片通過bonding工藝固定至PCB板上。bonding工藝中的連接線使用的是延展性和導(dǎo)電性都較好的金線。綁定完成的CMUT器件如圖3(b)所示。在綁定完成后,使用Sensofar 3D共聚焦干涉顯微輪廓儀來對CMUT進行表面形貌測試。結(jié)果如圖4。從圖中可以看到,采用SOI晶圓鍵合技術(shù)所加工的CMUT敏感單元,其完整性良好,未發(fā)現(xiàn)振膜存在破損的情況。振膜的中心存在一定的塌陷,這是由于振膜內(nèi)外的大氣壓差所導(dǎo)致。

使用阻抗分析儀測試得到,所加工的CMUT的實際中心頻率為230 kHz。

圖3 掩膜版圖及實物圖

圖4 共聚焦成像結(jié)果

3 測試結(jié)果與分析

3.1 CMUT相控偏轉(zhuǎn)實驗

測試CMUT陣列的發(fā)射偏轉(zhuǎn)性能,實驗示意圖如圖5所示。使用NCG200-D25空耦探頭測量CMUT陣列在不同偏轉(zhuǎn)角下的聲場指向性,CMUT陣列各個通道的延時由FPGA來控制,實驗中放大電路增益為40 dB,空耦探頭距離CMUT陣列15 cm,直流偏置電壓為80 V,信號產(chǎn)生單元所激發(fā)的脈沖寬度為500 ns,幅值為-12 V。

圖5 相控偏轉(zhuǎn)實驗圖和示意圖

實驗結(jié)果如圖6所示,圖中橫坐標(biāo)為偏轉(zhuǎn)角θ,縱坐標(biāo)為歸一化信號強度,圖中將仿真結(jié)果和實驗結(jié)果做了對比,虛線表示仿真得到的波形,實線表示采用三次樣條插值擬合得到的曲線。圖6(a)表示了CMUT陣列在30°偏轉(zhuǎn)下的聲場指向性,從圖中可以看出主瓣的位置在30°處;偏轉(zhuǎn)角小于-20°之后信號能量逐漸增強,同仿真的趨勢一致。圖6(b)表示了CMUT陣列在45°偏轉(zhuǎn)下的聲場指向性,圖中聲場主瓣的位置和仿真的結(jié)果存在較小的偏差,這是由于數(shù)據(jù)量較少所導(dǎo)致的曲線擬合誤差;在偏轉(zhuǎn)角小于-40°之后信號迅速變強,出現(xiàn)柵瓣。實驗結(jié)果同仿真結(jié)果在變化趨勢上是一致的,某些點存在的差異是由于測量所使用的空耦探頭孔徑較大,橫向分辨率較差所致。從結(jié)果中可知,所設(shè)計的陣列相控偏轉(zhuǎn)的角度小于45°時,在相對于聲束主方向的正負90°范圍內(nèi),柵瓣強度較小,不會對實際的使用造成影響。

圖6 相控偏轉(zhuǎn)實驗結(jié)果

圖7 CMUT發(fā)射聚焦實驗結(jié)果

3.2 CMUT發(fā)射聚焦實驗

測試CMUT陣列的發(fā)射聚焦性能。NCG200-D25空耦探頭作為接收端放置在CMUT陣列正前方3 cm處。CMUT陣列的激勵信號由FPGA產(chǎn)生,分別產(chǎn)生焦距為3 cm和未聚焦兩種信號,實驗結(jié)果如圖7,從圖7可以看出焦距為3 cm的強度略大于未聚焦時的強度。這說明波束在3 cm處匯聚。但是這個差距并不明顯,這是由于受實驗條件限制,接收端的空耦探頭孔徑較大,無法準(zhǔn)確測量陣列的聲場,所接收到的信號反映的是一個較大區(qū)域的疊加值,因此會使得兩者的差距因為平均效應(yīng)而縮小。

3.3 CMUT相控接收實驗

測試CMUT陣列多通道接收的性能。實驗中將NCG200-D25空耦超聲探頭作為聲源放置在距CMUT陣列20 cm、與CMUT法線呈30°夾角的位置處。直流電壓80 V,信號發(fā)生器輸出230 kHz,10 V的單脈沖正弦波激勵空耦探頭。CMUT陣列接收的信號通過一個8通道信號處理和采集單元進行記錄。圖8(a)表示沒有采用相控接收,直接將8路陣元的信號疊加輸出的結(jié)果。圖8(b)通過延遲算法將CMUT陣列聚焦于聲源處。從比較結(jié)果中可以看出,CMUT陣列通過相控偏轉(zhuǎn)提高了偏轉(zhuǎn)方向上接收到的信號強度。

圖8 CMUT相控接收實驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計并加工了一種空氣耦合式的電容式微超聲換能器陣列,并通過聲學(xué)實驗測試了所設(shè)計陣列的指向性。從實驗結(jié)果中可以得到如下結(jié)論:本文所設(shè)計的CMUT陣列在空氣中偏轉(zhuǎn)角小于45°時的柵瓣較小,對實際影響較小,當(dāng)大于45°后由于陣元間距的因素會導(dǎo)致柵瓣逐漸變大;本文所設(shè)計的CMUT陣列在聚焦延時法則下焦點處信號強度增強,但是聚焦效果一般,其原因是接收端所使用的空耦探頭孔徑較大,由于平均效應(yīng)而使得聚焦效果不明顯。綜上分析,本文設(shè)計的空氣耦合式的電容微超聲換能器陣列滿足設(shè)計要求。本文對將來的研究及參數(shù)優(yōu)化,具有參考價值。

參考文獻:

[1] 張斌,何梅洪,楊濤. 復(fù)合材料空氣耦合超聲檢測技術(shù)[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料,2015(12):94-98.

[2] Pang D C,Chiang Y H. A Transparent Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer(CMUT)Array for Finger Hover-Sensing Dial Pads[C]//2017 19th International Conference on Solid-State Sensors,Actuators and Microsystems(TRANSDUCERS). IEEE,2017:2171-2174.

[3] Boulmé A,Ngo S,Minonzio J G,et al. A Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer Probe for Assessment of Cortical Bone[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2014,61(4):710-723.

[4] Khuri-Yakub B T,Cheng C H,Degertekin F L,et al. Silicon Micromachined Ultrasonic Transducers[J]. Japanese Journal of Applied Physics,2000,39(5S):2883.

[5] Wygant I O,Zhuang X,Yeh D T,et al. Integrated Ultrasonic Imaging Systems Based on CMUT Arrays:Recent progress[C]//Ultrasonics Symposium,2004 IEEE. IEEE,2004,1:391-394.

[6] Caspani A,Langfelder G,Minotti P,et al. Characterization and Operation of Different cMUT Membranes in Air[C]//Ultrasonics Symposium(IUS),2013 IEEE International. IEEE,2013:1720-1723.

[7] 張慧,趙曉楠,張雯,等. 空氣耦合式電容微超聲換能器的設(shè)計與分析[J]. 儀器儀表學(xué)報,2016,37(10):2218-2225.

[8] 李玉平. 面向水下成像應(yīng)用的微電容超聲波換能器線陣設(shè)計與測試[D]. 太原:中北大學(xué),2015.

[9] 張慧,石建超,張雯,等. 電容式微超聲換能器等效電路模型與陣元優(yōu)化[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版),2016,49(11):1209-1215.

[10] 龍絨蓉,王海濤,郭瑞鵬,等. 二維超聲相控陣的聲場特性[J]. 無損檢測,2015,37(12):1-4,9.

[11] 于佳琪. 基于Si-SOI鍵合的微電容超聲波換能器設(shè)計[D]. 太原:中北大學(xué),2014.

[12] 田芳. 晶圓疊層3D封裝中晶圓鍵合技術(shù)的應(yīng)用[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備,2013,42(1):5-7,42.

[13] 苗靜,何常德,廉德欽,等. 基于硅晶圓鍵合工藝的MEMS電容式超聲傳感器設(shè)計[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2012,25(12):1653-1658.