电容式微机械超声换能器阵列的发射电路设计

0 引言

近年来随着微电子技术、微机电系统的发展以及对超声设备小型化需求，基于MEMS技术的电容式微机电超声换能器(capacitor micromechanical ultrasonic transducer,CMUT)在国际上得到了广泛的研究与应用。CMUT具有频带宽，机电转换效率、灵敏度高，易于阵列集成化的优点，使得其在水下及医疗超声领域有很好的发展前景[1-3]。

对于CMUT应用的电路研究方面，国外以实现了CMUT与IC电路的集成应用研究[3-4]，国内这方面的研究较少。CMUT与IC电路的集成研究成本高、难度大，因此本文运用传统的超声成像系统发射电路方案[3-4]，结合CMUT的工作方式设计用于CMUT的超声发射电路，节约硬件资源，减小电路体积，为后续的线性扫和相控成像提供硬件支持。

1 CMUT的工作原理

图1为CMUT的基本结构，通过在硅衬底加工，形成电容结构的振动单元。换能器的阵元由以上结构的多个微小的振动单元(敏感微电容)排列而成。在CMUT上加载直流电压，使得器件的振动薄膜在静电力与弹性恢复力作用下保持平衡。当在上下电极施加一定频率的交流电压信号，打破静电力和回复力之间的平衡，促使薄膜振动发出超声波。

图1 CMUT单元结构

加载的直流电DC会使得振动薄膜形变位移，当薄膜中心位移下降超过腔高的1/3时，薄膜就会吸附至腔底发生塌陷。这个临界电压值即为CMUT的塌陷电压。通过ANSYS对CMUT模型进行塌陷电压和谐振频率仿真分析，得出CMUT的塌陷电压为83 V[5]，一阶谐振频率为1.4 MHz，在液体环境中，超声换能器的谐振频率会有所下降，一般为空气中的1/5～1/3。取塌陷电压的60%为CMUT的工作电压，50 V；工作中心频率测试后为400 kHz。

CMUT的激励电压中包含直流电压和交流电压，两者的优化配比可使得CMUT的发射效率达到最大[6]。对所使用的传感器进行激励时当DC为32 V，AC幅值18 V时发射能力最强。

2 前端发射电路设计

超声成像系统前端发射部分包括了16阵元的CMUT，高压脉冲发射模块，阵元选通电路，FPGA的逻辑控制单元，及收发隔离电路[7]。根据上述功能结构对电路进行了软硬件设计，功能框图如图2所示。

图2 前端发射电路框图

图2中，FPGA是整个硬件电路控制核心，通过产生脉冲发射控制信号及选通信号来控制电路,选用Spartan-3系列的XC3S1000；由高压脉冲芯片产生发出高压脉冲激励信号；T/R开关芯片隔离高压脉冲保护接收电路。使用Verilog硬件描述语言设计了超声脉冲控制信号及高压选通信号。设计了8通道的高压脉冲发射电路，通过高压选通开关对16阵元的CMUT器件分组进行激励，实现顺序扫描。

2.1 脉冲激励电路

典型的超声脉冲发射电路是通过FPGA产生脉冲控制信号，经电平转换后驱动高压MOSFET产生高压脉冲作用于换能器阵元。高压脉冲芯片HV7350是集成了上述功能的8通道高压脉冲芯片。该芯片最大可输出1 A、±60 V的高压脉冲，脉冲信号幅值大小由其输入端VPP，VNN的电压决定。其电路原理图如图3所示。

图3 脉冲发射电路简图

FPGA发出的8对互补逻辑控制信号输入HV7350芯片对应的PIN、NIN引脚，分别决定脉冲的正、负半周期输出。采用异步模式，控制其输出8路双极性两周期的高压脉冲信号，其时序见图4。脉冲信号的频率及脉冲间隔时间由写入FPGA的程序控制，设计了频率为400 kHz，间隔2 ms的脉冲激励信号。

图4 异步时序图

2.2 阵元选通电路

为了节约硬件资源，实现16阵元的分组激励，通过阵元选通电路与16阵元的换能器相连，采用分时复用的方式共用8路脉冲发射通道。本次设计使用16通道的HV2605作为高压开关与高压脉冲电路、换能器相连，该芯片耐高压，开关切换速度不超过5 μs,导通电阻小于30 Ω。HV2605的内部主要结构如图5所示。

图5 HV2605内部原理图

引脚功能主要包括：高压供电端VPP、VNN，逻辑供电端VDD，以及逻辑信号端口CLK、LE、DIN、DOUT和16个独立开关接口。通过FPGA的IO口输出串行数据，对高压开关HV2605进行选通控制，串行数据在时钟上升沿的作用下移入寄存器中，在使能端的作用下进入锁存器，控制开关动作。

将换能器阵列中1/9、2/10、…、8/16阵元通过HV2605芯片分别连接脉冲发射的8个通道，通过控制程序实现1～8阵元、2～9阵元、…、9～16阵元的顺序扫描。先将开关代码存入ROM中，并由FPGA为HV2605提供10MHz时钟信号。图6为选通阵元的时序仿真图。

图6 时序仿真波形图

2.3 收发隔离电路

激励CMUT的超声脉冲达几十V，当收发一体时，高压脉冲会一同进入后续的回波接收电路。为了避免接收电路受到损坏，在发射与接收之间需要加入隔离保护电路，起到限制大幅值信号和使小信号无衰减通过的作用。本次设计使用两片4通道的高压保护T/R芯片MD0101作为隔离电路，该芯片采用限流与限幅的方式，使得高压脉冲衰减后通过，其内部结构如图7所示。当TX端压降幅值差大于2 V时通道关闭的，同时最大可通过0.2 mA的电流，不影响CMUT接收回波信号时输出电流信号的通过。

图7 MD0101的内部

3 系统测试及结果分析

根据上述的设计方案进行制板，见图8。下载程序调试电路，测试电路的输出信号是否满足设计要求，并在实验室内激励16阵元的换能器进行了水下实测试验。

图8 换能器阵列与电路实物

在电路功能测试实验中，给FPGA上电后，将控制信号的输出口接示波器，观察其输出信号，其结果如图9所示，符合设计要求。之后给电路板VPP、VNN端供电，测试阵元经选通电路后每一路的脉冲输出信号，其中连接第4阵元的SW3通道的测试结果如图10所示。

图9 控制信号

图10 SW3的脉冲信号

由图10可知，SW3通道的高压脉冲在前4个周期中有信号输出，后4个周期无输出，其结果符合顺序扫描的设计要求。

将发射电路板接到换能器上，并将反射的回波信号经T/R隔离电路后接入接收电路中。某个阵元的实验结果如图11所示，通道4为激励脉冲，检测其经隔离电路后幅值衰减为2.08V，通道1检测到回波信号。

图11 隔离信号与回波检测

4 结束语

本文设计的基于FPGA的8通道的发射电路可以激励16阵元的CMUT超声探头。实验结果表明，设计的电路实现了CMUT阵列的线性扫描功能，收发隔离电路可将高压脉冲信号幅值衰减至2 V以内。电路可以灵活地对脉冲参数、线扫方式进行编程，也可用于CMUT的相控发射，达到了设计的预期。