电容式微机械超声换能器的电流信号检测电路设计*

党 荣， 何常德， 孟亚楠， 卢小星， 张国军， 张文栋

(中北大学 省部共建动态测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051)

0 引 言

超声换能器在无损检测、医学成像、水下声波探测等领域有广泛的应用，而电容式微机械超声换能器(capacitive micromachined ultrasonic transducer，CMUT)因其宽频带、易于制造大阵列和与电子系统紧密集成的能力[1～3]，而被积极研究用于超声成像。CMUT本质上是一个平行板电容器，CMUT在接收超声波信号时，其表面薄膜振动，导致CMUT上下极板间距发生变化，从而产生电容值的改变，但由于CMUT电容值的变化量非常微弱，在皮法(pF)级别，极易受外界干扰的影响，因此,设计一种高增益、低噪声、宽频带的微弱信号检测电路极其重要[4～7]。

针对CMUT超声换能器产生的微弱电信号，提出了一种低噪放大电路结构，进行了瞬态及交流特性分析，并通过实验测试与仿真结果进行对比，最终确定了电路的最佳性能参数。目前实验室中，CMUT与其检测电路之间使用电缆进行连接，不仅会引入寄生电容从而影响CMUT的信号，而且测试过程容易受外界环境的干扰，因此将该电路与CMUT超声换能器集成在同一印刷电路板(PCB)基板上，可以避免CMUT超声换能器连接接收电路时受电缆等外部条件引入的噪声影响，提高CMUT换能器的信噪比，使CMUT换能器更加稳定的工作。

超声探头和前端接收电路的微型化和智能化的集成应用，也是便携式超声成像设备研制与应用的关键与难点所在[8]。

1 CMUT换能器的工作原理

CMUT超声换能器通常由多个敏感单元并联构成阵元，其单个敏感单元基本结构如图1(a)所示，主要由下电极、硅衬底、绝缘层、真空腔、振动薄膜以及上电极构成[9]。

图1 CMUT换能器结构及工作原理

CMUT超声换能器可以实现声能和电能的相互转换，因此CMUT换能器有发射模式和接收模式两种工作模式。当CMUT换能器处于接收模式时，直流偏置电压施加于其上下电极之间，在接收到外界的超声波信号时，CMUT换能器上表面薄膜会产生机械振动，其上下极板间距会发生变化，导致CMUT换能器的电容值发生变化，从而产生微弱的电流信号，如图1(b)所示。CMUT换能器输出的电流[10]可表示为

(1)

式中VDC为施加在CMUT换能器上下两极板之间的直流偏置电压；C(t)为CMUT换能器的电容；ε0为真空介电常数；A为振动薄膜的面积；∂d(t)/∂t为CMUT薄膜振动的速度，其中，d(t)为在外界声波作用下CMUT真空腔腔隙的变化量。由式(1)得出，在CMUT自身结构与外界环境条件不变的情况下，CMUT所能输出的感应电流的大小与直流偏置电压VDC成正比，因此为了提高CMUT的接收灵敏度，施加的VDC应尽可能大。

2 CMUT换能器微弱信号检测

2.1 低噪放大电路设计

针对CMUT换能器在接收超声波信号时产生的微弱电流信号，本文设计一种低噪放大电路结构，能在引入噪声极低的同时，将CMUT输出的微弱电流信号转换并放大为与之成比例的电压信号。

运算放大器的选型对整体电路的设计非常重要，本文选用LMH6624运算放大芯片,其拥有高增益带宽、低输入电压噪声、低输入偏移电压、高转换速率、稳定的闭环放大倍数，而且由于其供电最大可以设置为±6 V，决定了其输出电压限幅高于其他的运算放大器，CMUT换能器在测试中受间距、交流驱动影响其信号的幅值差异很大。基于LMH6624芯片的低噪放大电路能够实现对CMUT换能器微弱的电流信号的放大，同时满足不同间距下的测试，不会出现小间距失真、大间距信号检测困难的情况，是理想的CMUT接收电路。

根据负反馈原理以及欧姆定律可知，低噪放大电路输出电压与输入电流之间的关系为

Vo=-Rfi(t)

(2)

式中Rf为反馈电阻，i(t)为电路输入电流，即CMUT换能器输出电流。

本文所设计的低噪放大电路结构如图2所示。为了获得LMH6624芯片的最佳性能，R2应不小于25 Ω。并联电容器C2是一个低通滤波器，可将R2的附加噪声降至最低，也可以用来减少从电源上传来的噪声。电路的带宽公式为

(3)

Cf与Rf分别为反馈电容与反馈电阻，两者的取值决定了电路的带宽。电路结构如图2。

图2 电路结构

在实际低噪放大电路中，反馈电阻两端并联的反馈电容的作用为引入极点，进行相位补偿，抑制高频噪声，防止电路发生自激振荡，其大小为皮法级别，并且从反相输入端输入使电路抗干扰能力强。低噪放大电路可将换能器输出的电流信号转换为与其成比例的电压信号，并且具有宽频带和低噪声特性，能够满足CMUT换能器的测试需求，同时使输出信号的信噪比得到大幅提升。

利用MULTISIM软件对放大电路进行瞬态和交流特性分析。电路输入幅值为500 μA电流信号，反馈电阻值设置为300 Ω～1 kΩ，反馈电容值设为2.2 pF，分析其输出电压Vo，表1列出了低噪放大电路的反馈电阻参数及输出电压峰峰值之间的关系。

表1 低噪放大电路输出电压峰峰值与反馈电阻关系

结合表1中反馈电阻参数的动态特性，确定低噪放大电路中各元器件参数：R1=R3=100 Ω，R2=100 Ω,C1=C3=10 μF,C2=100 nF,Rf=1 kΩ,Cf=2.2 pF。从图3中可以看到其增益为80 dB，-3 dB带宽约为72 MHz，符合理论依据。

图3 低噪放大电路交流仿真

给电路输入500 μA/300 kHz的交流电流，瞬态输出电压如图 4 所示，低噪放大电路输出信号峰峰值为1 V，对输入电流放大了1 000倍，与仿真结果具有一致性。

图4 低噪放大电路瞬态仿真

2.2 CMUT与检测电路集成设计

实验室中的CMUT需要通过导电胶粘贴在PCB上，使CMUT可以进行电气连接，现有的测试方法中CMUT与检测电路一般是两个分立的部分，需要通过长电缆进行连接才能实现CMUT输出信号的检测与放大，由于CMUT输出电容值的变化量只有几到几十皮法，将CMUT连接到检测电路的长电缆增加了显著的寄生电容，会严重降低CMUT的信号，引入噪声，从而降低成像质量。

因此,将CMUT换能器的信号输出端直接引至低噪放大电路输入端，使CMUT换能器与其检测电路集成在同一PCB基板上，从而避免外接电缆，这样做能够有效降低寄生参数对CMUT接收信号的信噪比的影响，并且使CMUT与检测电路连接更加紧密，功耗更低，有利于提高基于CMUT的超声成像系统的便携性。设计出的实物如图5所示，由双层板构成，面积为3.8 cm2，顶层是低噪放大电路，底层是CMUT换能器，信号间的传递通过板内过孔及引线实现。

图5 集成化CMUT换能器实物

3 测试结果与分析

3.1 电路性能测试

对低噪放大电路的幅频特性以及线性度进行测试，利用信号发生器产生峰峰值为100 mV的交流电压信号，改变交流信号输入频率从10 kHz至30 MHz，记录其输出电压信号。图6为检测电路的幅频特性曲线。

图6 低噪放大电路频率响应实测曲线

由图6可以看出，输入频率为10 kHz～10 MHz时，低噪放大电路都具有较为稳定的性能，满足实验室设计的CMUT换能器的宽频带检测需求。测试结果表明:低噪放大电路的-3 dB带宽为26 MHz，输入频率为10～30 MHz时，电路增益平稳下降。

利用信号发生器产生频率为0.1，1，5，10 MHz的信号，将交流输入电压范围设置为50～750 mV，步进为50 mV，记录低噪放大电路的输出电压信号，图7为电路在不同频率下输出电压信号与输入信号的关系。

图7 不同频率下输出电压与输入信号关系

根据图7经过计算可以得出此放大电路在0.1，1，5，10 MHz下残差平方和分别为0.015 2,0.017 01,0.013 23,0.012 56，相关系数分别为99.995 %,99.994 %,99.998 %,99.997 %，都具有良好的线性度，输出电压在0～10 V范围内都能维持良好的稳定性而不失真，更有利于CMUT换能器输出信号的可靠检测。

3.2 集成化CMUT换能器实验结果

3.2.1 超声波信号接收测试

本实验在硅油中利用一个CMUT换能器(见图8(a))作为发射端，一个集成了前端接收电路的CMUT超声换能器(见图5(b))作为接收端，两个CMUT超声换能器的型号相同，测试间距为10 cm。整体测试系统如图8(b)所示。

图8 CMUT换能器与测试系统示意

利用信号发生器产生5个峰峰值为20 V的正弦脉冲交流信号，将其施加在发射端CMUT换能器的上电极，将20 V直流电压分别施加在发射端和接收端CMUT换能器的下电极，为两个换能器提供直流偏置电压。

集成化CMUT换能器的接收信号曲线如图9所示，将接收信号局部放大可以看出，接收信号为1.89 V，具有良好的均匀性和一致性，而噪声为11.8 mV，根据信噪比计算公式可得，信噪比为50.62 dB。

图9 集成化CMUT换能器输出信号

3.2.2 线性度测试

将发射端CMUT 换能器与接收端集成化CMUT换能器固定在硅油中相距10 cm处并使其中心对准。同样施加20 V的直流偏置电压，通过改变交流驱动信号峰峰值从10 V增加到20 V，步进为1 V。

由图10可以发现，在驱动信号频率为1,2,3 MHz下，输出电压峰峰值均随着交流驱动信号的增大而线性增大，经过计算，集成化CMUT换能器在1,2,3 MHz频率下，线性度分别为-0.505 %,1.612 %,2.658 %，具有良好的线性度。

图10 集成化CMUT换能器输出电压与输入信号关系

3.2.3 带宽测试

本文通过扫频法对CMUT换能器的带宽进行测试，利用信号发生器产生5个峰峰值为20 V的正弦脉冲交流信号，将其施加在发射端CMUT换能器的上电极，将20 V直流电压分别施加在发射端和接收端CMUT换能器的下电极，为两个换能器提供直流偏置电压。设置输入频率为0.8～3.5 MHz，对接收端集成后的CMUT换能器信号进行检测，测试结果表明CMUT换能器的中心频率约为2.02 MHz，6 dB带宽范围约为0.99～3.05 MHz，相对带宽(FBW)为101.98 %，与CMUT换能器本身带宽一致。集成化CMUT换能器扫频测试结果如图11所示。

图11 集成化CMUT换能器扫频结果

4 结束语

本文对所设计的低噪放大电路进行了交流及瞬态仿真分析，并对电路性能进行了测试，并将该电路与CMUT换能器集成在同一PCB基板上，以减小CMUT与其检测电路之间连接线引入的寄生参数影响，进行了超声波信号检测实验。实验结果表明：低噪放大电路具有良好的线性度与带宽特性，能实现对CMUT换能器微弱输出信号的检测与放大，而集成后的CMUT换能器信噪比为50.62 dB，在1,2,3 MHz频率下的线性度分别为-0.505 %,1.612 %,2.658 %，相对带宽(FBW)为101.98 %，完美地展现了CMUT换能器的性能，并且具有体积小、一体化程度高等优势，对基于CMUT换能器的超声成像系统的实现具有重要意义。