基于电容式微机械超声换能器的脉冲回波接收电路设计

余远昱，王久江，张 双，2,刘 鑫，徐 晶，李 尧

(1.内江师范学院人工智能学院，四川内江 641100；2.电子科技大学生命科学与技术学院，四川成都 611731；3.澳门大学模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室，澳门 999078；4.澳门大学科技学院电机与电脑工程系，澳门 999078)

0 引言

超声换能器是一种能够实现电信号与超声信号相互转换的器件，在医学超声成像和工业无损探伤中广泛应用。近年来，随着微机电工艺(MEMS)技术的飞速发展，基于静电力原理的电容式微机械超声换能器(CMUT)研究也取得了巨大的进步[1]。相较于普通的压电式超声换能器，CMUT具有带宽大、能与前端电路集成、易于实现高密度复杂阵列等优点[2-3]，逐步在生物医学和工业领域中得到应用[4-6]。与压电超声换能器不同，CMUT工作在发射模式与接收模式时都需要施加一个直流偏置电压。工作在接收模式时，入射超声波使得CMUT薄膜产生振动，导致器件电容值改变，在直流偏置电压的作用下产生变化的电流。为了实现超声波的检测，需使用跨阻放大电路将电流转换为电压信号。CMUT属于MEMS器件，对于中频或者高频CMUT，一个CMUT单元的直径为数十μm，其电容值在fF数量级。为了获得较大的输出声压，在应用中需将多个CMUT单元并联后组成阵元，再通过引线连接到发射和接收电路。一个CMUT阵元的电容值在数十pF数量级，而输入超声波所引起的电容变化值会更小，需要高灵敏度、低噪声跨阻放大电路才能实现超声波的检测[7]。因此，现有压电超声换能器的发射和接收电路不能直接用于CMUT，这给CMUT的推广与应用带来不便[8]。

根据CMUT的工作原理与特点，本文设计了一种适用于CMUT发射与接收超声回波的电路，可用于医学超声或工业超声无损探伤中常用的脉冲回波法检测。当CMUT工作在发射模式时，为保护低电压跨阻放大器电路，开关会自动断开CMUT与接收电路之间的通路。当CMUT工作在接收模式下，CMUT输出的微弱电流信号则送往后级的跨阻放大电路实现电流转换电压和放大处理。

1 CMUT结构与工作原理

图1为圆形CMUT单元的剖面结构示意图[9]。CMUT在高掺杂的硅晶圆上进行制备，硅晶圆既是器件的基底，也作为CMUT的底电极。硅基底上方是由SiO2和Si3N4组成的复合绝缘层。绝缘层之上是真空腔，可提供薄膜振动的空间。空腔上方是圆形的Si3N4振动薄膜。振动薄膜上方为铝材质的顶电极。由此可见，CMUT单元可以等效为一个电容器，其电容为

图1 CMUT结构示意图

(1)

式中：A为顶电极的面积；g为空腔的初始高度。

图2为CMUT工作模式示意图。在发射或接收模式，都需要在电极之间施加一个直流偏置电压以维持CMUT的工作点。在发射模式时，在直流偏置电压上叠加脉冲或者交流信号以产生变化的电场，激励薄膜振动产生超声波，如图2(a)所示。在接收模式时，入射超声波冲击CMUT的薄膜产生振动，从而导致电极之间的电容发生变化。在直流偏置电压作用下，CMUT电极间变化的电荷以微弱的电流信号iΔC输出，经过跨阻放大器电路转换为电压信号，如图2(b)所示。

(a)发射模式CMUT

入射超声波冲击CMUT振动薄膜，产生随时间t变化的位移ω(t)，使得CMUT单元的电容发生改变[10]，如式(2)所示：

(2)

在施加在CMUT电极直流偏置电压VDC的作用下，变化的电容转换为电流信号iΔC(t)，如式(3)所示：

(3)

由式(3)可看出，电流信号iΔC(t)直接与振动薄膜的位移ω(t)相关，ω(t)则反映了施加在CMUT薄膜上的声波特征。因此，将iΔC(t)转换为电压即可还原入射超声波。

在医学超声诊断设备，通常使用频率范围2～10 MHz的超声换能器。对应频率的CMUT薄膜直径一般在数十μm的数量级，所需直流偏置电压在数十V至数百V之间。为了产生足够强的输出声压，发射模式时所施加的脉冲/交流信号的峰-峰值一般可达数十V。

2 CMUT的回波接收电路设计

在超声脉冲回波技术中，超声换能器首先发射超声波，之后进入接收模式接收超声回波，依此顺序循环实现对目标的探测。图3为基于CMUT的脉冲回波系统框图，该系统是由CMUT、信号发生器组、脉冲回波接收电路和示波器组成。图3中虚线框为脉冲回波接收电路。

图3 基于CMUT的脉冲回波系统框图

由图2(a)和图2(b)可知，CMUT发射超声波时需要在顶电极施加高压脉冲交流信号，为了防止突变高电压损坏后级的低电压接收电路，在接收通路上增加开关电路：在发射模式下断开CMUT与跨阻放大器电路的连接，而在接收模式下实现连通。

本设计的脉冲回波接收电路包括高速开关电路、跨阻放大器电路和电源电路3部分。信号发生器组输出重复的脉冲序列用于发射超声波，同时也将同步信号送往高速开关电路以实现输出脉冲时断开接收通路、在接收模式下导通接收通路。CMUT输出的微弱电流经跨阻放大器电路转换为电压信号并在示波器上显示。

2.1 高速开关电路设计

在CMUT的脉冲回波实验中，信号发生器输出重复的窄脉冲信号(脉冲宽度为50～100 ns，幅度为10～20 V，重复频率为1 kHz)。为了减小回波信号接收的盲区，发射时间要尽可能短[11]。因此要求开关电路能够承受高电压，并能够实现高速开启和关闭。

本设计中，选用ADG5419芯片实现高速开关功能[12]，电路如图4所示。ADG5419的导通电阻为13.5 Ω，在单电源+36 V供电模式下，器件典型的开启时间/关闭时间<200 ns，可满足CMUT工作在脉冲回波方式下的高电压和高速工作的要求。引脚1为芯片输出信号(ECHO)，连接到后级的跨阻放大器电路。信号发生器组所输出的同步信号TRIG送往控制开关状态的引脚6。当TRIG信号为低电平(≤0.8 V)时，ADG5419的输出引脚1内部导通输入引脚SA，也即连接到CMUT的顶电极端的INPUT信号，连通CMUT与后级的跨阻放大电路；当TRIG信号为高电平(≥2.0 V)时，ADG5419的输出引脚1内部导通输入引脚SB，即连接到地，断开CMUT与后级的跨阻放大器电路。设置信号发生器组的输出信号，使得其输出TRIG信号的高电平脉宽大于发射脉冲的脉宽，即可实现在发射脉冲之前断开信号通路，发射脉冲之后连接信号通路的功能。

图4 高速开关电路

2.2 跨阻放大器电路设计

为实现对CMUT输出微弱的电流信号进行转换和放大，选用低电流噪声和电压噪声的运算放大器芯片OPA657[13]。图5为基于OPA657的跨阻放大器电路设计。

图5 跨阻放大器电路

OPA657的引脚2连接到前级开关电路ADG5419的输出引脚(ECHO信号)。跨阻放大器的-3 dB闭环带宽由式(4)计算。

(4)

式中：GBP为运算放大器的增益带宽乘积；Rf为反馈电阻；Cs为前端的输入寄生电容。

由OPA657的数据手册可知，其GBP数值为1 600 dB·MHz，芯片的输入差分和共模寄生电容合计5.2 pF。考虑CMUT阵元电容，PCB板寄生电容，同轴电缆电容[14]和BNC连接器电容，预估Cs值的范围在140～180 pF之间，取中间值为160 pF。反馈电阻Rf为2.2 kΩ，因此，由式(4)所计算的-3 dB带宽约为27 MHz，可满足在医学超声和工业无损检测中常用超声波频率范围的需求。

2.3 电源电路设计

ADG5419工作电压为+36 V，OPA657工作电压分别为+5 V和-5 V。在设计中，选用线性稳压器(LDO)LM1117输出+5 V电压。由于LDO的输入输出电压差值过大时会降低转换效率，因此LDO的输入电压选择为+9 V，由外部直流电压源提供。+36 V由外部直流电压源提供。-5 V电压由电荷泵电压转换器MAX861[15]提供。为了保证电源质量，在每组电压的输出引脚旁都并联了钽电容和陶瓷电容进行滤波。

3 电路测试与分析

根据以上电路设计了双层印制电路板，尺寸为5.4 cm×4.4 cm，如图6所示。焊接元件并调试后，首先对电路板的增益带宽和相位进行波特图测量，然后将CMUT连接到电路板上进行脉冲回波实验。

图6 电路板实物图

3.1 波特图测量

使用网络分析仪(4395A)对图6的电路板进行波特图(增益带宽和相位)测量。图7为该电路的增益和带宽测试结果。测量该电路的最大增益为39 dB，12 MHz处的增益仍在38 dB以上，-3 dB带宽的截止频率为24.2 MHz。截止频率比设计目标的27 MHz略小，可能是在测量装置连线中引入了较大的寄生电容所致。图8为跨阻放大器电路的相位图，符合反相放大器的相位特性。

图7 增益带宽测试图

图8 相位测试图

3.2 脉冲回波测试

搭建了脉冲回波实验平台，将接收电路板与CMUT连接，进行脉冲回波实验测试，如图9所示。因为制备的CMUT电极上没有覆盖保护层，为防止器件在高电压下出现短路或击穿，将CMUT浸泡在食用油中。CMUT器件面朝上，与油面的距离约为6 mm，CMUT发射超声波并接收在油-空气的界面所产生的超声回波。

图9 脉冲回波实验测试平台

CMUT工作所需的直流偏置电压由可编程高压直流电源(HSPY-400-01)提供，信号发生器(33500B)提供CMUT发射的窄脉冲信号，信号发生器(33250A)输出发射的同步信号，连接到高速开关电路的控制开关控制引脚TRIG端。双路直流电源(U8031A)输出+36 V与+9 V直流电压，提供高速开关电路与电源电路所需的电压。混合数字示波器(DSOS254A)连接跨阻放大器的输出端，显示超声回波信号。

基于此实验平台，分别对编号为1#和2#的2款不同规格的CMUT进行脉冲回波实验。图10为1# CMUT(单元半径为13 μm)阵元所接收的油面超声回波信号。实验中施加到CMUT阵元的直流偏置电压为104 V，发射窄脉冲宽度80 ns，脉冲幅值为20 V，重复频率为1 kHz。由图10可见，超声回波信号出现在约8.3 μs的位置，与CMUT距离油面的高度相符。图11是该回波信号的频率响应图，可知1# CMUT的中心频率为5.8 MHz，-6 dB相对带宽为57%,数值与器件的设计指标相近。

图10 1# CMUT超声回波信号

图11 1# CMUT超声回波频率响应

图12是对2# CMUT的阵元(单元半径为10 μm)的测试的超声回波信号，实验中对CMUT所施加的直流偏置电压为190 V，发射窄脉冲宽度为80 ns，脉冲幅值20 V，重复频率1 kHz。如图12所示，超声回波信号也出现在约8.3 μs的位置，与实验中CMUT距离油面高度结果相符。图13为该回波信号的频率响应，可知2# CMUT的中心频率为9.4 MHz，-6 dB相对带宽为28%，与器件的设计指标相近。

图12 2# CMUT超声回波信号

图13 2# CMUT超声回波频率响应

3.3 测试结果分析

波特图测量结果表明该电路在医学、工业中常用的超声频率范围内具有较大的增益与带宽。基于此电路板对2款不同频率的CMUT阵元进行了脉冲回波实验，测试结果表明高速开关电路在CMUT发射时能够有效保护后级敏感的接收电路，跨阻放大电路能将CMUT接收超声波所产生的微弱电流信号转换为电压信号。因此本电路能够用于CMUT的特性测试[16]与超声回波成像[17]应用。

4 结论

结合CMUT工作的特点，本文设计了适用于CMUT脉冲回波技术的电路，包括高速开关电路、跨阻放大器电路和电源电路3个模块。高速开关电路在CMUT发射时能够保护后级低电压敏感电路不受高压发射脉冲损坏；跨阻放大器电路能够将微弱电流信号转换为放大的电压信号；电源电路则提供各模块电路工作所需的电压。经过波特图测量与CMUT器件测试，表明本电路具备较大的增益与带宽，能够将CMUT所接收的超声回波信号转换为电压输出，供后级电路进一步处理，可满足CMUT在医学超声、工业无损探伤等领域内应用的需求。