Page 173 - 《应用声学》2022年第1期

第 41 卷 第 1 期 李一凡等： 面向 CMUT 声发射特性的驱动电路优化设计 169

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0 引言
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长期以来，压电陶瓷是超声换能器中最常用的 V CMUT V
V DC
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材料，但是压电式超声换能器因为带宽窄、灵敏度 ᨷ AC+DC
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低等问题，存在发展瓶颈。利用微机电系统 (Micro-
Si Al SiO 2
electro-mechanical system, MEMS) 微加工技术制
(a) CMUTॲЋፇ౞ᇨਓڏ (b) ᫹ඵࠛ࠰ፇ౞ᇨਓڏ
作的电容式微机械超声换能器(Capacitance micro-
图 1 CMUT 结构与封装图
machined ultrasonic transducer, CMUT)具有宽频
Fig. 1 Structure and package diagram of CMUT
带、高灵敏度等优势 [1−3] ，作为新兴的超声换能器
具有良好的应用前景。Haller 等 [4] 最早提出了微电 2 脉冲驱动电路设计
容超声换能器概念并制作了器件。Yaar 等 [5] 采用
不同的交流激励信号 (正弦波、方波和锯齿波) 驱 脉冲驱动电路的整体工作流程如图 2 所示。
动 CMUT，以确定激励 CMUT 的最佳波形。Chen FPGA 接收到上位机的驱动脉冲参数后，向高压脉
等 [6] 通过分析 CMUT 的工作原理，对比二级电平 冲芯片发送逻辑控制，以此改变脉冲宽度、间隔时
与三级电平驱动 CMUT 对输出声功率的影响，提 间、个数等参数。高压脉冲激励芯片选用 Maxim 的
出了一种增强 CMUT 的声发射效率的方法。王红 MAX14808 芯片，该芯片能同时输出 8 通道的高压
亮 [7] 对 CMUT 进行建模并对阵元与阵列的声场特 脉冲信号，输出电压幅值大小由VPPA和VNNA引
性进行详细分析。 脚端的输入电压大小控制 [9] 。同时芯片内置了发
本文基于 CMUT 的工作原理设计了驱动电路， 送/接收开关 (T/R 开关)，有效避免高压脉冲对接
确保驱动 CMUT 发射频率可调的超声波。对脉冲 收调理电路的干扰，为CMUT的收发一体硬件电路
激励信号的过冲现象进行理论分析并提出解决方 提供便利。Bias-Tee 电路由一个电阻与一个电容组
法，讨论了不同匹配值对脉冲信号的影响。通过 成，其中电阻的作用是短路保护，电容的作用是隔绝
现场可编程逻辑门阵列 (Field programmable gate 直流电压对交流电压的干扰 [10] 。
array, FPGA) 改变激励信号的脉冲个数与占空比，
进而分析激励信号参数对 CMUT 的声发射性能的 PCቫ ႃູവڱ
影响，结合实际需要选取最佳的脉冲激励参数。
FPGA ᰴԍᑢфᔇྟ T/RनТ
1 CMUT的工作原理与封装
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一个 CMUT 阵元由多个微元并联组成 [8] ，其 V DC ូေႃ᡹
微元是由上下电极、振动薄膜、硅衬底组成。上电 Bias-Teeႃ᡹
极与下电极构成了平行板电容器，为了CMUT在工
图 2 脉冲驱动电路的工作流程图
作中获得最大限度的灵敏度和带宽，在上下电极间
Fig. 2 Block diagram of pulse driving circuit
施加合适的直流偏置电压，振动薄膜在静电力的作
用下向衬底移动，如图 1(a) 所示。当薄膜自身回复 2.1 脉冲驱动芯片及其控制逻辑
力与静电力达到平衡后，薄膜保持静止。在上下电 本文选用的FPGA芯片为Xilinx的XC6SLX9，
极间施加脉冲激励信号，薄膜的平衡被打破并做往 对 MAX14808 的控制逻辑如图 3 所示。MAX14808
复运动，进而引起介质振动产生超声波。本文所用 有多种输出模式，因驱动CMUT的激励信号采用双
CMUT 面向的应用领域为水下，所以对 CMUT 进 极性方波脉冲，所以使用三级电平模式，此模式只需
行透声防水封装。以聚氨酯橡胶透声膜做声匹配介 两个 I/O 端口即可控制输出一路的脉冲激励信号。
质，选用耐腐蚀、易加工的PVC材料作为外壳，内部 为减少传输期间的漏电流，在每次产生方波控制信
填充硅油，引出焊接线与外部电路进行连接，封装结 号之前都将 T/R开关关断 3 µs，所以在发射脉冲之
构如图1(b)所示。 前DINN和DINP同时拉低置0延时3 µs。