硅油介質中矩形電容式微機械超聲換能器發射與接收聲場特性研究?

高碧珍 張 賽,2 何常德 王智豪 王子淵 張文棟

(1 中北大學儀器與電子學院 動態測試省部共建實驗室 太原 030051)

(2 江蘇大學物理與電子工程學院 鎮江 212013)

0 引言

超聲計算機斷層成像(Ultrasound computer tomography,超聲CT)由于其重建圖像具有較高的空間分辨率和媒質密度分辨率等優勢，在醫學超聲成像領域得到了迅速發展，吸引了眾多國內外學者的關注[1-3]。其中，高密度的超聲換能器陣列是乳腺超聲CT 系統實現的核心器件[4]?，F有的超聲CT 系統大多采用壓電超聲換能器，但是制作包含數千個高一致性陣元的壓電換能器陣列存在工藝難度大、成本高、功耗大等問題，更難以制作高密度壓電換能器面陣[5]。相比于傳統壓電式超聲換能器，基于微機電系統(Micro-electro-mechanical system,MEMS)技術制作的電容式微機械超聲換能器(Capacitive micromechanical ultrasonic transducer,CMUT)具有明顯的優勢[6]。隨著MEMS微加工工藝的迅速發展，CMUT 制備工藝更加成熟、靈活、簡便，如犧牲釋放工藝[7]、晶圓鍵合工藝[8]等，且其易于批量生產，易于集成，可實現復雜的CMUT 傳感器陣列。除此之外，因其振膜具有較低的機械阻抗[6,9-10]，可與傳播介質更好的聲學匹配，具有更大的帶寬，即使在更高的工作頻率下也是如此。諸多內在特性和優勢使得CMUT 在乳腺超聲成像領域具有良好的發展前景[11-13]。

近年來，國內外針對CMUT 器件微元及陣列結構設計開展了大量理論研究工作。Bayram等[14]利用有限元軟件分析方形單元膜在不同偏置電壓下的聲壓，并通過實驗對比得出，崩潰模式下(即對CMUT施加高于塌陷電壓的偏置電壓，振動薄膜與硅基座相接觸)CMUT輸出聲壓更高；Park等[10]對CMUT 多微元振動進行了仿真與測試分析，研究多微元CMUT 的速度響應，優化CMUT 微元設計；Wygant 等[15]依據CMUT 單元結構等效電路模型進行有限元建模仿真，分析不同結構CMUT的傳輸壓力和接收信噪比，設計較優的CMUT 結構；Savoia 等[16]改進等效電路模型，擬合多個偏置電壓下的電阻測量值評估CMUT 機電和寄生參數，用于CMUT 陣列的芯片級表征，以評估微加工過程的均勻性和產量；Zhang 等[17]設計了一種空氣耦合六邊形CMUT 陣列，仿真確定CMUT 結構參數并進行制備，測試性能良好，實現了低頻聲信號的初步檢測；Shuai 等[18]提出了一種由4 個同心環形單元組成CMUT陣列并模擬了CMUT陣列的聲場，結果表明此結構陣列在空氣中具有產生聚焦超聲的潛力；Yu 等[19]提出了在崩潰模式下工作的膜上具有環形浮雕圖案的CMUT 結構，實驗表征表明壓花CMUT 在輸出壓力和分數帶寬方面比均勻膜CMUT 性能更好；Wang 等[20]研究了不同結構以及不同微元間距、數量對CMUT 帶寬的影響，仿真分析包含不同膜結構的CMUT 在介質中的帶寬，為CMUT的設計提供了指導。

人體組織與水阻抗接近，乳腺超聲CT 成像以水作為耦合劑可實現超聲能量的高效傳遞。然而，CMUT換能器振膜表面含覆蓋電極，因而不能直接用于水環境。為此，張睿等[21]提出了基于透聲液(硅油)和透聲薄膜(聚氨酯)的封裝結構，將封裝好的CMUT 器件至于水中。盡管此方法可以起到絕緣與芯片保護的作用，但難以實現寬頻、寬角度的聲波高效傳輸。因此，開展硅油介質中矩形CMUT器件的聲場特性理論及實驗研究，將對CMUT器件封裝設計以及基于CMUT 陣列的乳腺超聲CT 成像系統的研制提供重要參考價值。

1 CMUT芯片結構

CMUT 芯片由多個CMUT 微元并聯而成，單個CMUT 微元由上電極、絕緣層、振動薄膜、真空空腔、邊緣固支、絕緣層、襯底、下電極組成，如圖1 所示。CMUT 工作模式可分為兩種，包括發射模式和接收模式。當CMUT 處于發射模式時，在上下電極間施加直流偏置電壓(Vdc)，產生的靜電力使振動薄膜垂直向下彎曲變形，因薄膜有一定的回彈力，在兩種力的作用下，薄膜達到平衡狀態，此時施加頻率為f的交流電壓(Vac)，激勵薄膜做往復運動，輻射出相應頻率的超聲波。當CMUT處于接收模式時，只在上下電極間施加直流偏置電壓，振動薄膜處于平衡狀態，當介質中傳播的超聲波作用在振動薄膜時，薄膜做往復運動，CMUT 空腔間距發生改變，引起極板間電容變化，產生電流信號，經過跨阻放大電路等處理，實現超聲波的電信號接收[22-23]。

圖1 CMUT 結構示意圖Fig.1 Structural diagram of CMUT

圖2 所示為自主研制的矩形CMUT，表1 為主要結構參數。該CMUT 由900 (30×30)個微元并聯構成，利用傳統的硅晶圓鍵合工藝制備而成[8]。CMUT 陣元芯片的下電極通過環氧樹脂導電膠粘接于電路板上，上電極通過引線與電路板金屬焊點連接，從電路板上引出上下電極的測試導線。

表1 CMUT 結構參數Table 1 Structure parameters of CMUT

圖2 CMUT 換能器芯片Fig.2 Structural diagram of CMUT

2 CMUT換能器指向性理論及仿真

2.1 矩形CMUT指向性理論

指向性是CMUT發射/接收響應的幅度隨主波束角掃描變化的特性[24]。指向性的好壞對超聲成像效果有著顯著影響，主瓣寬度越窄，成像分辨率越高。CMUT發射/接收超聲的過程即為CMUT的振動過程，往往將其看作為一個振動系統進行分析，考慮CMUT 的實際振動情況去計算聲場較為復雜，CMUT 單個微元尺寸微小，近似為活塞，因而可將不同頻率下的微元振動都等效為活塞振動去分析CMUT聲場。

對于CMUT 圓形微元，半徑為R，由貝塞爾函數的性質可知，當x=0 時，J1(x)/x=1/2，J1表示第1類一階貝塞爾函數，其發射指向特性為

其中，波束數k=2π/λ，θ為聲線與z軸正方向的夾角。

CMUT 陣元是由多個圓形微元排列組成的二維矩形平面，如圖3 所示。dx、dy分別為沿x軸和y軸方向的各微元間中心間距。陣元指向性函數可由微元結構的指向性函數通過加法定理和乘積定理組合而成，假設二維矩形平面陣元由M×N個CMUT微元組成，根據Bridge乘積原理[25]，該陣元的發射指向性函數為

圖3 CMUT M×N 陣元模型Fig.3 M×N array element model of CMUT

其 中，D1(α,θ,αs,θs)、D1(α,θ,αs,θs)分別如式(3)、式(4)所示：

由式(2)～(4)分析可知，CMUT 的指向性不僅取決于本身的形狀、尺寸，還取決于其在不同媒質中的振動模式和工作參數。

在輻射聲場中，若各換能器均為互易換能器，根據換能器的特性及聲場的互易性，可以證明：一個換能器的發射指向性與接收指向性是相同的[25]。然而這一結論尚未有實驗證實。

2.2 硅油介質中矩形CMUT指向性仿真

首先，對矩形CUMT的三維指向性進行數值演示。假設CMUT以振速幅值為1 mm/s 在硅油介質中(聲速998 m/s)正弦振動，在不考慮微元間的互輻射影響及聲波在傳播過程中的波陣面擴展損失的前提下，依據等式(2)，建立指向性函數分析模型。以上述自主研制的CMUT結構為參考，單個圓形微元半徑R=90 μm，微元間中心間距S=200 μm。對于M×M個微元組成的矩形CMUT，在1 MHz頻率下的輻射聲場指向性如圖4所示。當M分別為20、30 和40 時，隨著微元個數的增加，CMUT 的主瓣寬度逐漸減小。圖5 為三維指向性在XZ平面上的投影數據，當M=20 時，主瓣寬度為12.8°；當M=30 時，主瓣寬度為8.8°；當M=40 時，主瓣寬度為6.8°。簡而言之，矩形CMUT尺寸增大，其指向性愈來愈尖銳，指向性增強。

圖4 不同尺寸CMUT-1 MHz 三維指向性Fig.4 CMUT of different sizes-1 MHz three dimensional directivity

圖5 XZ 截面不同尺寸CMUT-1 MHz 指向性曲線Fig.5 In XZ section CMUT of different sizes-1 MHz directivity curve

陣元指向性除了受自身尺寸的影響，還需考慮工作參數的影響。圖6為矩形CMUT在不同頻率下的輻射聲場指向性。在圖6(a)～(c)中，CMUT 尺寸一定(M=20)，發射頻率分別為0.5 MHz、1 MHz和1.8 MHz，在偏轉角為-30°～30°范圍內，隨著頻率的增大，主瓣寬度減小，指向性增強。改變CMUT尺寸，如圖6(d)～(f)以及圖6(g)～(i)所示，可得到相同的規律?；趫D6 中輻射聲場指向性的對稱結構，可將不同陣元在XZ平面的投影數據繪制于同一曲線圖中，以便于多組數據對比分析，結果如圖7所示。

圖6 不同尺寸CMUT 在不同頻率下的三維指向性Fig.6 Three dimensional directivity of different size CMUTs at different frequencies

圖7 XZ 截面不同尺寸CMUT 在不同頻率下的指向性曲線Fig.7 Directivity curves of CMUT of different sizes in XZ section under different frequencies

3 硅油介質中矩形CMUT發射-接收性能測試

為進一步分析矩形CMUT 的發射/接收聲場特性，本文在硅油中對已有的矩形CMUT 裸芯片(M=30)進行聲場特性測試。在相同距離不同方位的遠場位置上，聲壓幅值與theta 角有關，即在遠聲場具有一定的指向性[26]。所以，在對CMUT 換能器指向性進行測試時，需確保接收換能器處于發射換能器的遠場區域。根據公式(5)可計算出圓形活塞輻射的遠近場臨界點[27]：其中，R為活塞半徑，λ為波長。當活塞半徑一定時，頻率增大，其遠近場臨界距離增大。

首先，對CMUT 發射指向性進行測試時，需保證水聽器位于CMUT 遠輻射聲場中，CMUT 為矩形聲源(長與寬相等)，可將矩形CMUT 的長近似為等效半徑R，根據公式(5)可計算出1.8 MHz 時CMUT 的遠近場臨界點為2.25 cm (實測臨界點為2 cm)。對CMUT 接收指向性進行測試時，選用壓電換能器(R=0.7 cm)發射超聲波，CMUT應位于壓電換能器遠輻射聲場中，根據公式(5)可計算出1.8 MHz 時測試所用壓電換能器的遠近場臨界點為8.82 cm (實測為9 cm)。

對CMUT 做發射指向性測試，見圖8。硅油介質中，CMUT 作為發射端固定在精密分度轉盤的桿中央，激勵參數取幅值為10 Vpp、頻率分別為1 MHz 與1.8 MHz 的5 個連續正弦脈沖激勵信號，脈沖間隔10 ms，直流偏置為20 V。CMUT 隨分度盤從-30°到30°進行旋轉掃描，單次步進值為1°。標準水聽器作為接收信號端被分別放置在距離發射端正對面3 cm 和20 cm 處，且與CMUT 保持中心平齊等高。

圖8 CMUT 發射指向性測試Fig.8 CMUT emission directivity test

實驗結果與理論曲線見圖9(a)和圖9(b)。當f=1 MHz時，實測CMUT的發射指向性曲線與和數值模擬結果吻合較好，改變收發間距，CMUT 的發射指向性不變。當f=1.8 MHz時，結論與1 MHz一致。即在遠場區域收發間距對指向性無影響，距離的增加只會使聲衰減增大，造成接收到的輻射聲壓值較小。實際測試中，傳感器的校準、分度盤的旋轉誤差以及電壓幅值的讀取均可能導致實驗結果和數值結果之間的差異。盡管有這些影響，數值和實驗結果本質上仍是一致的。

圖9 不同頻率、不同收發間距下CMUT 發射指向性測試結果Fig.9 Test results of CMUT transmission directivity at different frequencies and different transmission/reception distances

理論上，kR?1，CMUT 具有較好的指向性，且頻率越高，發射指向性越強。對比1 MHz與1.8 MHz 下測試所得CMUT 的發射指向性，見圖9(c)和圖9(d)。收發間距一定時，頻率為1.8 MHz，實測主瓣寬度比1 MHz 的主瓣寬度窄，即接收指向性增強，與理論一致。

根據聲場互易定理可知，CMUT發射指向性與接收指向性一致。對矩形CMUT 的接收指向性進行測試，測試裝置如圖10所示。硅油介質中，CMUT作為接收端固定在精密分度轉盤的桿中央，并隨分度盤從-30°到30°進行自轉掃描。壓電換能器作為發射端被固定在距離接收端正對面20 cm 處，且與CMUT 保持中心平齊等高。CMUT 陣元由20 V直流偏置電壓激勵。每旋轉1°保存一組接收信號數據。實驗結果如圖11 所示。忽略實際操作中造成的誤差，頻率固定為1 MHz 或1.8 MHz，實測CMUT 發射與CMUT 接收主瓣寬度相同，即發射與接收指向性一致，這驗證了CMUT 指向性互易定理。

圖10 CMUT 接收指向性測試Fig.10 CMUT receiving directivity test

圖11 不同頻率下CMUT 發射、接收指向性測試結果Fig.11 Test results of CMUT transmission and reception directivity at different frequencies

通過理論分析與實驗驗證，CMUT 作為換能器，具備發射與接收超聲波的能力，且發射指向性與接收指向性一致。在實際應用中，需針對CMUT 的用途來進行結構設計。雖然CUMT 發射聲壓能夠通過微元數目的增多而增大，以解決單個微元發射聲壓弱的問題，但其接收指向性也隨之增強，較窄的主瓣寬度不利于信息的采集。因此，CUMT 陣元結構設計過程中需要綜合考慮CUMT 微元數目的選取，這為CMUT結構設計提供了思路。

4 結論

本文對基于硅晶圓鍵合工藝制備出的矩形CMUT 進行了聲場指向性仿真與測試分析。根據乘積原理推導矩形CMUT 陣元的指向性函數，并對包含不同微元數目的矩形CMUT 陣元進行不同頻率下的指向性分析。結果表明，微元尺寸一定時，CMUT 微元數目越多，主瓣寬度越窄，指向性越強；微元數目一定時，CMUT 振動頻率越高，主瓣寬度越窄，指向性越強。同時，對900(30×30)個微元并聯而成的矩形CMUT陣元進行聲學實驗測試，測試結果與理論仿真結果相符，且實驗驗證了CMUT接收指向性與發射指向性一致的理論。本文理論仿真與實驗驗證可以在CMUT 結構設計階段提供有效的幫助，有助于根據實際用途提供合適的結構，優化CMUT 的聲學性能。本文只針對CMUT 陣元指向性進行分析，后續將進一步在CMUT陣列指向性方面進行深入研究。