基于CMUT的超声波信号检测及放大电路设计

张泽芳，任勇峰，何常德

(中北大学仪器与电子学院，山西太原 030051)

0 引言

超声传感器主要应用于无损检测及水下声波探测等领域，电容式微机械超声传感器(CMUT)作为一个关键性的超声传感部件，从提出起就引起了广大研究人员的关注[1]。CMUT由于其结构简单、自身噪声低、宽频带、高灵敏度、低成本等优点[2]，有取代压电传感器的趋势[3]。然而，只有将CMUT接收到的超声波信号转换为电压信号输出才能使这些优点得到充分发挥。本文所提及的CMUT静态电容量约为1nF，处于接收状态时仅产生pC级的电荷量信号，输出阻抗很高，带负载能力差，极易受到外界干扰的影响，因此，设计性能良好的信号检测及放大电路对该器件的广泛应用有着非常重要的意义。本文利用电荷放大电路将换能器产生的电荷量信号转换为电压信号，并对其进行放大[4]，完成超声波信号的检测与放大，为后端信号采集与处理提供标准的电压输入信号。

1 电容式超声换能器(CMUT)

1.1 CMUT工作原理

典型的CMUT如图1所示，主要由上下电极、振动薄膜、支撑臂、硅衬底等构成，下电极固定于硅衬底，上电极与振动薄膜可以弯曲，其结构类似于传统的平板式电容器[1,5]。CMUT可以发射和接收超声波，本文主要探讨换能器的接收状态。

图1 CMUT结构

CMUT处于接收状态时的工作模式如图2所示，其工作原理为：在直流偏置作用下，换能器上下电极保持不动；当超声波信号到来，薄膜开始上下振动，从而引起CMUT电容值发生变化。当该换能器工作于接收状态时，CMUT电容的变化量正比于超声波信号引起的电荷变化量，所以可通过检测电荷变化量来检测接收到的超声波信号。

图2 接收模式

1.2 C-V特性

本文所涉及的2个CMUT工作频率均为3 MHz，由于CMUT电容变化量是被检测量，因而CMUT的C-V特性参数测量可以为信号检测及放大电路的设计与调试提供参考。C-V特性曲线通过E4990A阻抗分析仪测得[6]，测试结果如图3和图4所示。

图3 发射端CMUT的C-V特性

图4 接收端CMUT的C-V特性

观察图3可知：该CMUT不加直流偏置电压时，换能器的电容值为最小值1.036 08 nF，且在0 V附近，电容量变化不明显；接40 V电压时，CMUT电容取值为1.143 43 nF，上极板位移明显。因而，在进行调试实验时，可为发射CMUT提供20 V直流信号和振幅为20 V的交流信号，此时CMUT有较好的发射性能。

观察图4可知：该CMUT不加直流偏置时，电容取最小值1.013 76 nF，接40 V电压时，CMUT电容值为1.032 67 nF；且该曲线在0～20 V时，电容值趋于平缓，在20～40 V时，电容变化率随电压增加而增大，因此，为方便检测，可将信号检测电路的直流信号设置到20 V到40 V区间。

2 信号检测及放大电路设计

对于电容式传感器，电荷放大电路可将传感器感应到的微弱电荷信号转换为与其成正比的电压信号输出，同时又能将传感器的高输出阻抗变为低输出阻抗[7]，因此，适合用作CMUT换能器前端信号检测及放大。

2.1 电荷放大电路工作原理分析

在实际应用中，考虑到CMUT自身电阻、连接线缆电容等参数后的电荷放大电路模型如图5所示。

图5 实际等效模型

其中，Q为CMUT自身产生的电荷量；Ca为CMUT板间电容，Cc为连接线缆电容，Ri为放大器的输入电阻，Ci为放大器的输入电容，Cf为反馈电容，Rf为积分漂移泄漏电阻，A为放大器开环放大倍数。理论分析得：

(1)

由式(1)可知，电荷放大电路输出电压与传感器产生的电荷量成正比，即可通过改变反馈电容的取值满足信号放大的要求。电荷放大电路的反馈环路呈现一定的高通特性，传感器输出信号频率需要大于低频截止频率fL，低频截止频率fL为

(2)

2.2 基于CMUT的电荷放大电路设计

CMUT为电容式传感器，处于接收状态时，可将超声波信号转化为电容值的变化[8]；CMUT两端电压不变，由电容内电荷变化量为电容与两端电压的乘积可知，通过检测电荷变化量即可实现对超声波信号的检测。因此，电荷放大原理可作为超声波信号的检测及放大原理。

运算放大器作为电荷放大电路的核心部件，其选型对于整体电路设计至关重要。为了与超声波换能器进行阻抗匹配，要求使用高输入阻抗的运算放大器；为了能对3 MHz的超声波信号进行有效放大，需要使用高增益带宽积的运算放大器,以满足带宽和增益的需求；为了减少噪声对电路的影响，需要选用低输入偏置电流、低失调电压的运算放大器。最后，选用LTC6268型运放。该运放可提供大于1 000 GΩ的高输入阻抗和250 V/mV的开环电压增益(即A=2.5×105)，使得输出电荷泄漏和滞留降到最低；该运放的增益带宽积为500 MHz，对于3 MHz的信号可以实现转换并放大；而且该运放输入偏置电流低至0.9 pA，输入失调电压不超过4.5 mV，对信号干扰极小，非常适合微型电容式超声换能器所产生的微弱电荷信号的放大；设计的电荷放大电路如图6所示[10]。

图6 电路设计

由于CMUT工作时需要提供直流偏置，所以电荷放大电路采用交流耦合放大。隔直电容C1阻断了放大电路中的直流电流，使得正输入端的2.5 V可以顺利传递到运放的输出端，并且，它耦合通过了频率为3 MHz的交变信号，完成了信号的放大。

通过测试和查阅数据手册，可得Ca+Cc+Ci约为1.2 nF，有(1+A)Cf=2.5 μF>>1.2 nF；又1/Ri=1/1 000 G≈0；(1+A)/Rf=(2.5×105)/10 M≈0；因此，式(1)可以简写为

(3)

从式(3)中可看出电荷放大器的输出电压与传感器产生的电荷量Q成正比，与连接线缆电容Cc无关；与信号的频率也没有关系；由于为电容负反馈，所以符号表示输出与输入相位相差180°。

3 信号检测及放大电路仿真和实验

3.1 电荷放大电路瞬态特性分析

为了验证电荷放大电路设计的可行性，利用Multisim软件对其进行了瞬态特性分析。当两极板间聚集一定电荷量后，上下电极间出现电压，所以CMUT也可等效为因存储电荷而产生的电动势Ut与一个输出电容Ct串联。由于仿真软件中没有电容式传感器，所以利用信号源Ut串联输出电容Ct来等效微型电容式超声换能器产生的电荷量，如图7所示，Ut、Ct、和Q间的关系为：

(4)

图7 等效电路

瞬态分析用于分析电路中信号随时间变化的情况，即电路的时域特性。当信号源设置的峰峰值为1 V，频率为3 MHz，输出电容Ct为30 pF时，经过电荷放大电路的输出电压波形如图8所示。由图8可知，电荷放大电路将Q=15sin(6.28×3×106)pC的电荷量放大为峰峰值为2.985 V的电压信号。这表示：当CMUT产生变化的30 pC电荷量信号时，该电路可输出2.985 V的电压信号，可满足对CMUT的放大需求。

图8 仿真波形

当信号源Ut=0.5sin(6.28×3×106)V，Ct=30 pF时，即已知电荷量的情况下，改变Cf的取值，可得到理论输出电压UO1，通过仿真，得到输出电压仿真数据UO，如表1所示。观察表1可得，经过电荷放大电路的输出电压UO与反馈电容Cf成反比例关系，Cf取值越大，输出电压UO等比例减小，且当Cf取10 pF时，可以将满量程30 pC的电荷量信号转变为峰峰值为2.985 V的电压信号输出，符合预期电荷放大电路设计。

表1 UO-Cf关系

3.2 调试实验

本实验利用2个中心频率为3 MHz的CMUT进行调试，其C-V特性如图3和图4所示，整体测试框架如图9所示。根据C-V特性曲线，为获得CMUT最佳输出性能，将发射CMUT的直流信号设置为20 V，交流信号设置为振幅为20 V的正弦信号，为接收CMUT提供25 V的直流偏置电压；接收端在距发射端6 cm的位置接收超声波信号后通过电荷放大电路进行信号转换及放大，最后，利用示波器观测输出电压信号。

图9 整体测试框图

调试结果如图10，发射端发射3个正弦脉冲，接收端接收到峰峰值为2.04 V的电压信号，信号清晰，杂波干扰小。其后的反射信号为接收信号通过CMUT封装反射后的信号，幅值小于接收信号的一半，实际应用中可通过相应限幅电路将其滤除。通过输出电压可知CMUT产生的电荷变化量约为20 pC，由于接收CMUT接25 V直流偏置，所以电容值在1.017 13 nF左右浮动，通过计算可得电容变化量为0.8 pF。因此，该信号检测及放大电路灵敏度为2.5 V/pF，灵敏度良好，满足超声波信号的检测及放大要求。

图10 信号波形

4 结束语

通过研究CMUT的工作原理以及电荷放大电路的基本原理，设计了适用于CMUT的信号检测及放大电路，通过电路仿真和调试实验，对该电路的工作原理进行了相应验证。通过调试结果可得：该电路可以将CMUT所产生的电荷信号转换为电压信号，并且信号可以得到有效放大。该信号调理电路设计思路清晰，外围电路简单，成本低廉，易于集成化，同时为今后多阵元电容式传感器的信号调理电路设计提供了有效的设计方案。