Page 85 - 《应用声学》2022年第3期

第 41 卷 第 3 期 何常德等： 面向水下应用的电容式微机械超声换能器 407

出了 CMUT 换能器的电容单元局部细节显微照片， 如图4(a)所示。再将待测的2号CMUT换能器放置
照片内显示了 12 个电容单元的金属上电极互联的 于针式水听器相同的位置，接收发射换能器发出的
方式，从照片中也可以看出，电容单元的可动薄极板 超声波信号，示波器记录经低噪放大器后的输出电
在大气压的作用下出现了变形。 压信号，测试装置如图4(b)所示。

ηՂԧၷ٨ ᇨฉ٨ ηՂԧၷ٨ ᇨฉ٨
Ҫဋஊܸ٨ ᄰืᏹՌ٨ Ҫဋஊܸ٨ Ͱ٪ஊܸ٨
DC
8800 mm DC DC

ඵզ٨
CMUT(1Ղ) CMUT(1Ղ) CMUT(2Ղ)
(a) ᧫रඵզ٨ᄊᣥѣ฾᝺ᜉᎶ (b) 2ՂCMUT૱ᑟ٨ᄊᣥѣ฾តᜉᎶ
8800 mm
图 4 CMUT 换能器接收灵敏度的装置示意图
图 2 CMUT 换能器芯片 Fig. 4 Schematic of the measurement setup of the
Fig. 2 Fabricated CMUT device CMUT receiving sensitivity
在 CMUT 换 能 器 接 收 灵 敏 度 测 试 中， 1 号
CMUT 换能器始终施加了 20 V 直流偏置电压，
峰 -峰值幅度为 20 V 的 3 个正弦脉冲电压驱动换
能器发出超声波信号。2号CMUT 换能器也始终施
加了 20 V 直流偏置电压。分别测试得到在 1 MHz、
90 µm
2 MHz 和 3 MHz 频率时针式水听器的输出电压信
号 (如图 5(a) 所示) 和 2 号 CMUT 换能器的输出电
180 µm
压信号 (如图 5(b) 所示)。2 号 CMUT 换能器的输
图 3 多个电容单元的显微照片 出经低噪运算放大器输出至示波器，但在测试过程
中该低噪运算放大器的增益设置为 0 dB，其作用是
Fig. 3 Micrograph of magnified view of cells
将换能器的输出电流转换为电压信号。
2 CMUT换能器的性能测试与讨论 表 2 中分别列出了在不同频率下针式水听器
输出电压信号的峰 -峰值幅度 (V N )、针式水听器的
用环氧树脂导电胶将 CMUT 换能器芯片的金
接收灵敏度 (S N )、2 号 CMUT换能器输出电压信号
属下电极粘接于印制电路板的金属焊盘上，将
的峰 -峰值幅度 (V C )、计算得到的 2 号 CMUT 换能
CMUT 换能器芯片的金属上电极焊盘与印制电路
器的接收灵敏度 (S C ) 和分贝量表示的接收灵敏度
板上的金属焊盘通过引线连接，从印制电路板上引
(S CdB )。在 1 MHz、2 MHz 和 3 MHz 频率时，2 号
出上电极和下电极的测试导线。由于硅油与水具有
CMUT 换能器的接收灵敏度分别为 −218.29 dB、
相近的声阻抗参数，以及测试过程中电绝缘的需要，
−219.39 dB 和 −218.11 dB，其中参考灵敏度为
对 CMUT 换能器的测试在硅油中进行。本文对制
1 V/µPa。在 CMUT 换能器接收灵敏度测试过程
备出的CMUT换能器的接收灵敏度、带宽和脉冲回
中，1 号换能器和 2 号换能器具有相同结构参数，
波响应性能进行了测试和分析。
作为发射换能器的 1 号 CMUT 换能器工作稳定可
2.1 接收灵敏度测试
靠，验证了制备的 CMUT 换能器具有发射超声波
本文采用互易校准法测试 CMUT 换能器的接 的功能。由于针式水听器的接收电压和灵敏度已
收灵敏度 [15−16] ，图 4 给出了接收灵敏度测试装置 知，可以计算得到在 1 MHz、2 MHz 和 3 MHz 频
示意图。1 号 CMUT 换能器为发射换能器，将已知 率时，1 号 CMUT 换能器的发送电压响应级分别为
接收灵敏度的针式水听器接收发射换能器发出的 160.81 dB、168.44 dB 和 174.76 dB，其中基准值为
超声波信号，示波器记录其输出电压信号，测试装置 1 µPa·m/V。