直流偏置對電容式微機械超聲換能器性能影響的研究

索文宇，張文棟，任勇峰，吳敏，吳子君，何常德

(1. 中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2. 國網山西省電力公司朔州供電公司，山西 朔州 036000 )

0 引言

隨著微機電系統(micro-electro-mechanical system, MEMS)技術的發展，電容式微機械超聲換能器(capacitive micromachined ultrasonic transducer, CMUT)向著陣列化和小型化發展。與傳統的壓電超聲換能器相比，CMUT具有顯著的優勢，其體積小，易于大規模集成，帶寬高，成本低[1-3]，是未來超聲換能器發展的趨勢。在無損檢測[4]和醫療成像[5]中，CMUT器件都是關鍵組件。因此，CMUT器件的性能直接關系到發射和接收的超聲波信號的質量。

CMUT與傳統的壓電換能器的不同之處在于，當CMUT發送和接收超聲波時除了施加交流激勵電壓還必須施加直流偏置電壓，而且在不同的直流偏置電壓下CMUT的收發性能不同。因此，本文研究分析了不同的直流偏置電壓下CMUT器件的振動薄膜速度、位移、發送和接收超聲波的特性，以獲得良好的應用效果。

1 電容式微機械超聲換能器

1.1 CMUT器件的結構

CMUT陣列的每個陣元由許多敏感單元組成，敏感單元通常由金屬上電極、隔離層、振動薄膜、邊緣支撐、空腔、絕緣層和下電極組成[6]。圖1給出了CMUT敏感單元的結構尺寸，CMUT器件在共聚焦顯微鏡圖像如圖2(a)所示。封裝使用低衰減率和防水聚氨酯橡膠和低黏度的硅油，具有防水性和良好的透聲性，封裝后CMUT如圖2(b)所示。

圖1 CMUT單元結構

圖2 CMUT器件

1.2 CMUT的工作原理

CMUT通過膜的振動發射和接收超聲波，當在敏感單元的上下電極施加直流偏置電壓時，兩個非常接近但彼此絕緣的導電體表面迅速產生電荷，電容被充電，電荷之間的相互作用力為靜電力。

當CMUT發射超聲波時，在上、下電極施加直流偏置后，靜電力導致振動薄膜向下彎曲，直到靜電力與彈性恢復力達到平衡狀態，此時再施加正弦波脈沖波的交流激勵，薄膜振動發出超聲波。

當接收超聲波時，CMUT上的電壓僅為直流偏置電壓，超聲波作用在振動薄膜上時，薄膜的平衡狀態被破壞，薄膜振動改變敏感單元的電容值，從而產生電流信號，使用跨阻放大電路轉化為電壓信號。

2 不同直流偏置電壓下CMUT振動薄膜

2.1 仿真模型分析

首先，使用軟件COMSOL對CMUT敏感單元進行建模，根據CMUT器件各部分的尺寸建立仿真模型，如圖3所示。實際使用直流偏置電壓一般不超過40 V，因此，研究CMUT的直流偏置電壓為0～35 V。

圖3 CMUT仿真模型

在上、下電極施加變化范圍為0～35 V的直流偏置電壓和3 MHz的正弦交流激勵電壓，直流偏置變化步長為5 V。不同直流偏置電壓下的位移曲線如圖4所示(本刊黑白印刷，相關疑問請咨詢作者)。當CMUT敏感單元隨施加直流增加時，薄膜產生較大的位移變化。隨著直流偏置電壓的增加，薄膜的位移越來越大。

圖4 仿真不同直流偏置下薄膜位移

2.2 測試分析

本文使用激光多普勒測振儀MSA500(MSA-500,Polytec)對CMUT測試位移和速度的變化。交流激勵為3 MHz，峰值為20 V的正弦波，直流偏置電壓在0～35 V內變化，變化步長是5 V。薄膜振動到最高和最低位置時的位移和速度如圖5所示。

圖5 振動位移和速度測試系統

不同直流偏置電壓下薄膜的最大位移如圖6所示，隨著直流偏置電壓的增加，薄膜的最大振動位移增大。當直流偏置電壓為0、5、10、15、20、25、30和35 V時，薄膜中心最大位移分別為17.55、84.27、155.62、183.24、307.42、338.31、362.04和543.57 pm。這與仿真結果基本一致。系統測試不同直流偏置電壓下薄膜中心點的最大振動速度如圖7所示，薄膜中心的最大振動速度也隨著直流偏置電壓的增加而增加。當直流偏置電壓為0、5、10、15、20、25、30、35 V時，薄膜中心的最大速度分別為0.225、1.016、1.956、2.316、3.825、4.228、4.423、6.863 mm/s。

圖6 不同直流偏置電壓下CMUT薄膜的最大振動位移

圖7 不同直流偏置電壓下CMUT薄膜的最大振動速度

3 不同直流偏置電壓下CMUT中心頻率的研究

首先搭建CMUT中心頻率測試系統，如圖8所示。在實驗中，選擇了兩個相同的CMUT器件，距離為10 cm，使用一個窄脈沖驅動和一個CMUT發射超聲波，另一個CMUT用于接收超聲波。窄脈沖幅值為15 V，持續時間為117 ns。兩個CMUT器件的直流偏置電壓從0 V變化到35 V，變化幅度為5 V，示波器采集接收信號。

圖8 不同直流偏置電壓下CMUT中心頻率水下測試平臺

不同直流偏置電壓下接收信號的頻率如圖9所示，當直流偏置電壓分別為0、5、10、15、20和25 V時，CMUT器件的中心頻率分別為4.880、4.855、4.793、4.725、4.638、4.510 MHz。隨著直流偏置電壓的增加，CMUT器件的中心頻率變小，且趨勢愈加明顯，主要是由于振動薄膜形變程度不同導致振動薄膜的固有頻率的變化。

圖9 不同直流偏置電壓下CMUT的中心頻率

4 不同直流偏置下CMUT發射性能分析

水下測試系統如圖10所示，CMUT發射超聲波，水聽器接收，相距10 cm。交流信號由信號發生器產生，通過功率放大器放大，直流偏置電壓由功率放大器提供。針狀水聽器接收到的信號由示波器采集。

圖10 不同直流偏置電壓的CMUT發射特性水下測試平臺

交流激勵頻率為3 MHz，峰峰值為20 V，3個周期的正弦波，CMUT發射時改變直流偏置，水聽器接收到的信號如圖11所示。針式水聽器的靈敏度為1 088 mV/MPa，根據針式水聽器的靈敏度計算出CMUT發射的聲壓和靈敏度值。

圖11 針式水聽器接收的電壓信號

由圖11可以看出，當直流偏置電壓為5、10、15、20、25、30、35 V時，針式水聽器接收到的電壓峰峰值分別為12、14、17、22、27、34、41 mV。隨著直流偏置電壓的增大，發射的超聲信號的幅值增大。

使用針式水聽器接收到的電壓信號和靈敏度計算得到10 cm處的聲壓值如圖12所示，隨著直流偏置電壓的增大，CMUT發射的聲壓也隨之增大。當直流偏置為5、10、15、20、25、30和35 V時，10 cm處聲壓值分別為11.02、12.86、15.63、20.22、24.81、31.25和37.68 kPa，直流偏置電壓>15 V時，聲壓增大趨勢越發明顯。

圖12 不同直流偏置電壓下CMUT發射的聲壓值

根據CMUT的驅動電壓和發射聲壓得到CMUT器件的發射靈敏度如圖13所示。由圖可知，當直流偏置電壓為5、10、15、20、25、30、35 V時，CMUT的靈敏度分別為0.551、0.643、0.782、1.011、1.241、1.563、1.884 kPa/V；CMUT的靈敏度隨著直流偏置電壓的增加而增加。

圖13 不同直流偏置電壓下CMUT的發射靈敏度

當直流偏置電壓<15 V時，對CMUT發射的超聲信號、聲壓和發射靈敏度的影響較小。當直流偏置電壓>15 V時，CMUT發射的超聲信號幅值、聲壓和發射靈敏度變化較大，直流偏置越接近崩潰電壓CMUT器件的發射性能越強。

5 不同直流偏置下CMUT接收特性分析

實驗測試平臺如圖14所示，壓電換能器發射，CMUT和水聽器在同一位置接收，距離為10 cm，壓電換能器的激勵頻率為3 MHz、3個周期、幅值為20 V的正弦波。

圖14 不同直流偏置電壓下CMUT接收特性測試平臺

壓電換能器在交流激勵驅動下發射超聲波，用示波器采集不同直流偏置電壓下的CMUT接收信號，然后用針式水聽器代替CMUT在相同位置接收超聲信號，根據針式水聽器的接收電壓值和靈敏度計算接收位置的聲壓值。

CMUT器件在不同的直流偏置電壓下的接收信號如圖15所示，當直流偏置電壓為 5、10、15、20、25、30和35 V時，接收信號的峰峰值分別為48.44、345.50、637.70、1 299.80、2 044.80和3 172.00 mV。接收信號的電壓幅度隨直流偏置電壓的增加而增加。

圖15 不同直流偏置電壓下CMUT接收的電壓信號

針式水聽器接收到的電壓值為144 mV，計算得到的聲壓為132.35 kPa，根據聲壓值計算的CMUT的接收靈敏度如圖16所示。隨著直流偏置電壓的增加，CMUT的接收靈敏度變得越來越大。當直流偏置電壓為0、5、10、15、20、25、30、35 V時，CMUT器件的接收靈敏度分別為0.366、2.611、4.818、9.821、15.451、23.971、32.796 mV/kPa。

圖16 不同直流偏置電壓下CMUT的接收靈敏度

綜上所述，當直流偏置電壓<15 V時，CMUT的接收電壓值和接收靈敏度只會受到較小的影響。當直流偏置電壓>15 V時，CMUT的接收電壓值范圍增大，接收靈敏度增大。

6 結語

通過仿真和實驗研究得出以下結論,在恒定交流激勵的條件下:

1)隨著CMUT直流偏置電壓的增加，振動薄膜的最大位移幅度和最大振動速度也增加。

2)CMUT的直流偏置電壓增大，CMUT的中心頻率趨于變小。

3)CMUT的發射聲壓和發射靈敏度隨直流偏置電壓的增加而增加。

4)CMUT的接收靈敏度和接收電壓幅度隨直流偏置電壓的增加而增加。

因此，CMUT在不同的應用需求中調節適當的CMUT直流偏置電壓，以獲得合適的應用效果。