Page 115 - 《应用声学》2022年第3期

第 41 卷 第 3 期 陈谋等： 面向电容式微机械超声换能器器件的 32 通道收发电路设计与测试 437

signals based on CMUT array and detect the echo signal, and it can test the bandwidth of CMUT device. The
circuit has the advantages of perfect function and stable structure, which provides hardware support for the
application of ultrasonic imaging system based on CMUT array.
Keywords: Capacitive micromachined ultrasonic transducer; FPGA control; Pulse drive; Current signal de-
tection; Receiving and transmitting
32 通道收发电路来实现 CMUT 阵列超声信号的实
0 引言
时发射以及接收。

近年来，基于超声技术的成像系统在医学领
域的研究越发深入，而超声换能器的研制则以传 1 电容式微机械超声换能器(CMUT)
统的压电换能器以及基于微机电系统(Microeletro-
1.1 CMUT器件工作原理
mechanical system, MEMS) 工艺的电容式微机械
超声换能器 (Capacitive micromachined ultrasonic CMUT 阵列是由 CMUT 阵元所组成，每个阵
transducer, CMUT) 为 主。 相 较 于 压 电 换 能 器， 元则是由上千个敏感单元组成。CMUT敏感单元结
CMUT 具有高灵敏度、微型化、宽频带、易于阵 构如图 1(a) 所示，自上而下结构分别为上电极、硅
列化等优点 [1−4] 。然而，实现 CMUT阵列超声信号 薄膜、空腔、硅衬底、下电极，其中上下电极构成了平
的实时收发，仍然是目前CMUT器件测试与研究的 行板电容器 [5−6] 。当CMUT工作时，需要在上下电
一大难点。针对 32 阵元的 CMUT 阵列，本文设计 极之间加一个直流偏置电压，振膜在静电力的作用
包含现场可编程门阵列 (Field programmable gate 下发生形变 [7] ，如图 1(b) 所示，此时电场力与振膜
array, FPGA) 控制电路、脉冲电路以及接收电路的 的弹性恢复力处于平衡状态。

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(a) CMUTஐਖӭЋፇ౞ (b) ᄰืϠᎶͻၹʾCMUTፇ౞ᇨਓڏ
图 1 CMUT 敏感单元结构及直流偏置作用下的结构示意图
Fig. 1 CMUT sensitive cell structure and structure of CMUT under DC bias

CMUT 有两种工作模式，分别是发射模式和 为 CMUT 的电容值，F；ε 0 为真空介电常数，F/m；
接收模式。图2(a) 为发射模式，通过在CMUT 上下 d(t)为空腔厚度变化量，m；∂d(t)/∂t为CMUT 振动
电极之间施加直流偏置电压，振膜在静电力与弹性 薄膜的振动速度，m/s。通过设计跨阻放大电路，可
恢复力作用下处于向下拉伸的平衡状态，当施加一 以将微弱电流信号提取出来，实现 I/V 信号的转化
定频率的交流电压信号，就会使得薄膜振动发出超 以及放大。
声波。图 2(b) 为接收模式，在直流偏置电压作用的 1.2 CMUT阵列配电方式及参数
基础上，CMUT 在外界超声波作用下发生机械振
CMUT 为两端器件，传统施加激励的方式为
荡，电容值发生变化，从而产生微弱的电流信号。
CMUT 器件的一端施加交流激励和直流偏置电压，
CMUT输出电流信号i CMUT 可表示为 [8]
另一端接地，然而交流激励、直流偏置电压以及
C(t) 2 ∂d(t) CMUT器件三者会相互影响，交流激励与直流偏置
i CMUT = V DC · , (1)
ε 0 A ∂t 电压内的噪声会影响接收信号，另外交流与直流相
叠加更容易造成器件的损坏。因此，本文设计的收
式(1)中：i CMUT 为CMUT输出的电流信号，A；V DC
2
为直流偏置电压，V；A为振动薄膜的面积，m ；C(t) 发电路采用CMUT器件一端施加交流激励，另一端