針對空氣耦合超聲無損檢測的電容式微超聲換能器設計研究

王江江 黎文鵬

摘 要：本文以電容式微超聲換能器的設計方案作為研究主體，采用振動薄膜、空腔、絕緣層與上下電極組成CMUT器件的敏感單元，將各單元并聯構成陣元，選取16個陣元完成陣列設計，并完成CMUT器件的加工制作與性能測試。測試結果表明，該器件在發射性能、接收性能上均呈現出良好表現，具備良好適用價值。

關鍵詞：空氣耦合式;超聲檢測;CMUT技術

引言：無損檢測為航空工業和國防領域的材料缺陷檢測、零件探傷等提供重要技術支持，空氣耦合式是一種基于非接觸形式實現對待測對象無損檢測的新型檢測方法，以電容式微超聲換能器作為檢測工具，能夠有效克服傳統設備在阻抗匹配上面臨的限制條件，提高陣列設計便捷度且支持批量化生產，滿足實際使用需求。

1空氣耦合式CMUT結構設計

1.1結構組成

電容式微超聲換能器（CMUT）由振動薄膜、空腔、絕緣層、上電極與基底共五個敏感單元組成，將各敏感單元以并聯方式連接組成陣元，再根據實際需要完成不同維度陣列的建構。在器件參數設計上，換能器由16個陣元組成，工作頻率范圍為100kHz～2MHz，其中振動薄膜由硅晶片制成，薄膜厚度為10μm、半徑為400μm，材料密度為2320kg/m?、泊松比為0.22，諧振頻率為257.28kHz;根據塌陷電壓特性，將空腔深度設為5μm，保證提高CMUT器件的最大發射聲壓與接收靈敏度;絕緣層厚度為2.2μm，兼顧電絕緣效果與接收靈敏度要求;上電極半徑為200μm，厚度為0.2μm[1]。

1.2工作原理

CMUT基于多場耦合原理運轉，在實際應用環節通過調整外部影響因素、采取陣列分域控制方案，即可依托單獨的CMUT陣列實現發射與接收功能[2]。其中在發射功能的實現上，將CMUT器件的上電極、基底分別作為電容器的極板;通過向電極間施加直流偏置電壓，使由此生成的靜電力有效適應振動薄膜的恢復，保證振動薄膜居于適中穩定位置;在此基礎上，通過向電極間施加交流激勵電壓，改變振動薄膜所處的平衡狀態、使其產生振動，并且向外部輻射超聲波，以此完成由電能→機械能→聲能的能量轉化，實現發射功能。在接收功能的實現上，同樣向上電極、基底之間施加直流偏置電壓，同時外接信號處理電路，用于檢測薄膜的振動現象，實現對外界施加超聲波信息的動態反饋，以此完成由聲能→機械能→電能的能量轉換過程，實現接收功能。

1.3陣列設計

首先，針對CMUT超聲波聲場的分布特征進行分析，分別觀察單個敏感單元、整體陣列結構的指向性圖像，從中可以看出敏感單元的指向性較差，因此需在陣列組成方式上進行優化設計，構成線性陣列。

其次，基于連續波理論進行陣元間距設計，將聲場不出現柵瓣情況下（）的最大偏轉角設為，陣元數量為N，則陣元間距應滿足：

根據振動薄膜半徑參數與陣元間的有效分隔條件，兼顧后續器件加工環節要求，將陣元間距設為1000μm。

再次，基于橫向分辨力數值要求進行陣元數量設計，通常陣元數量與橫向分辨力成正比、與主瓣寬度成反比，但倘若陣元數量過多將影響到后續電路設計環節的結構復雜度，結合陣元間距與線陣指向性特征，將陣元數量取值為16個。

最后，為改善一維線陣結構的指向性，引入稀疏陣列方法進行參數優化設計，針對CMUT的發射、接收陣列間距進行差異化設計，使得兩聲場的聲壓旁瓣與零點位于相同點位，借此降低聲場所受的干擾。經由優化設計后，發射、接收兩陣列的振動薄膜數量均為16個、間距均為1000μm，陣元數量分別為8個和5個，對應的陣元間距分別為1000μm和1500μm。

2測試結果分析

2.1器件加工制作

基于SOI直接鍵合工藝進行器件陣列的加工制作，選取單晶硅制作振動薄膜，上電極、基底分別選用鋁材、低阻硅材制成，將SiO2作為絕緣層材料，采用刻蝕工藝在基底板處加工溝槽，完成多陣元結構陣列的設計。觀察CMUT陣列的加工效果可以發現，振動薄膜結構形態完好，陣列上各陣元實現整齊排布，且表面清潔、無雜質，外觀質量初步符合產品制造要求。

2.2性能測試結果分析

2.2.1靜態形貌檢測

采用3D光學輪廓儀進行CMUT陣列敏感單元的形貌與規格測試，觀察測試結果可以發現，振動薄膜規格尺寸的偏差值控制在允許范圍內，且振膜外觀完整、清潔，但其中心測點與邊緣測點未位于同一平面上，說明振動薄膜在環境大氣壓條件下存在一定的形變、產生高度差;在此基礎上，分別對不同敏感單元的靜態截面進行觀測，完成中心與邊緣點位高度差的計算，測得振動薄膜在初始狀態下的形變量最大值為3.5μm，符合設計要求。

2.2.2輸入阻抗測試

輸入阻抗數值的大小將直接影響到CMUT器件的諧振頻率，選用高精密阻抗分析儀進行陣元輸入阻抗的測試，生成振動薄膜與陣元的阻抗測試結果。由于該器件中選用16個振動薄膜以并聯方式連接組成陣列結構，因此獲取到的阻抗測試結果體現出所有振動薄膜在同步運轉狀態下的等效電容、等效電阻總值，將兩數值的變化量與單個振動薄膜變化量進行比較，可發現其數值偏高，說明相較于振動薄膜而言陣列的諧振特性更好。

2.2.3諧振特性測試

運用激光測振儀進行振動薄膜諧振特性測試，在敏感單元間隔處接入偏置電路，向電路中分兩次通入60V、40～80V的直流偏置電壓和1～5V、2V的交流激勵電壓，觀察振動薄膜的振動情況、測量其具體的振動位移量，并收集匯總多組測試結果進行統計分析。觀察測試結果可以發現，在直流偏置電壓數值恒定的情況下，當交流激勵電壓數值增大時，振動薄膜產生的位移量也將擴大4～5倍;在交流激勵電壓數值保持恒定的情況下，伴隨直流偏置電壓數值的增大，振動薄膜產生的位移量變化幅值約增大1.1～1.2倍，由此說明上文構建的發射模型、接收模型均具備較高的精確度。

2.2.4聲學性能測試

在空氣環境下分別對CMUT器件的發射、接收性能進行測試，其中在發射性能測試環節，對器件的發射探頭施加正弦波脈沖串，利用放大器將接收信號放大后輸出，觀察其聲學性能測試結果可以發現，在交流激勵下器件的聲學響應幅值較初始數值略微下降，但整體響應信號仍具備一定強度，符合性能測試要求;在接收性能測試環節，對接入的Bias-T電路分別施加直流偏置電壓和交流激勵信號，觀察接收端探頭輻射的超聲波結果可以發現，在交流激勵信號一致的基礎上，其輻射聲壓數值約為商用探頭的50%。在此基礎上，在鎂鋁合金板中進行CMUT器件的性能測試，測試結果與空氣環境下的發射聲壓最大值、接收靈敏度均保持一致，且能夠成功收發Lamb波，具備良好性能優勢，符合檢測要求。

結論：總體來看，本文基于空氣耦合形式進行超聲無損檢測工藝的創新，完成電容式微超聲換能器的結構設計與性能分析，測試結果表明，該空氣耦合式CMUT器件在發射和接收性能、電路集成化設計、檢測靈敏度等方面均呈現出顯著性能優勢，且引入微加工工藝后可有效適應批量化生產需求，能夠為超聲無損檢測技術領域的研發與創新提供重要借鑒思路。

參考文獻：

[1]李驥，張旻，PIWAKOWSKI Bogdan.空氣耦合超聲換能器聲場的時域計算方法[J].無損檢測，2020，（05）：59-62.

[2]楊樂，張亞.基于硅硅鍵合的電容式微超聲波換能器設計與測試[J].傳感器與微系統，2019，（02）：72-74.