针对空气耦合超声无损检测的电容式微超声换能器设计研究
王江江 黎文鹏
摘 要：本文以电容式微超声换能器的设计方案作为研究主体，采用振动薄膜、空腔、绝缘层与上下电极组成CMUT器件的敏感单元，将各单元并联构成阵元，选取16个阵元完成阵列设计，并完成CMUT器件的加工制作与性能测试。测试结果表明，该器件在发射性能、接收性能上均呈现出良好表现，具备良好适用价值。
关键词：空气耦合式;超声检测;CMUT技术
引言：无损检测为航空工业和国防领域的材料缺陷检测、零件探伤等提供重要技术支持，空气耦合式是一种基于非接触形式实现对待测对象无损检测的新型检测方法，以电容式微超声换能器作为检测工具，能够有效克服传统设备在阻抗匹配上面临的限制条件，提高阵列设计便捷度且支持批量化生产，满足实际使用需求。
1空气耦合式CMUT结构设计
1.1结构组成
电容式微超声换能器（CMUT）由振动薄膜、空腔、绝缘层、上电极与基底共五个敏感单元组成，将各敏感单元以并联方式连接组成阵元，再根据实际需要完成不同维度阵列的建构。在器件参数设计上，换能器由16个阵元组成，工作频率范围为100kHz～2MHz，其中振动薄膜由硅晶片制成，薄膜厚度为10μm、半径为400μm，材料密度为2320kg/m?、泊松比为0.22，谐振频率为257.28kHz;根据塌陷电压特性，将空腔深度设为5μm，保证提高CMUT器件的最大发射声压与接收灵敏度;绝缘层厚度为2.2μm，兼顾电绝缘效果与接收灵敏度要求;上电极半径为200μm，厚度为0.2μm[1]。
1.2工作原理
CMUT基于多场耦合原理运转，在实际应用环节通过调整外部影响因素、采取阵列分域控制方案，即可依托单独的CMUT阵列实现发射与接收功能[2]。其中在发射功能的实现上，将CMUT器件的上电极、基底分别作为电容器的极板;通过向电极间施加直流偏置电压，使由此生成的静电力有效适应振动薄膜的恢复，保证振动薄膜居于适中稳定位置;在此基础上，通过向电极间施加交流激励电压，改变振动薄膜所处的平衡状态、使其产生振动，并且向外部辐射超声波，以此完成由电能→机械能→声能的能量转化，实现发射功能。在接收功能的实现上，同样向上电极、基底之间施加直流偏置电压，同时外接信号处理电路，用于检测薄膜的振动现象，实现对外界施加超声波信息的动态反馈，以此完成由声能→机械能→电能的能量转换过程，实现接收功能。
1.3阵列设计
首先，针对CMUT超声波声场的分布特征进行分析，分别观察单个敏感单元、整体阵列结构的指向性图像，从中可以看出敏感单元的指向性较差，因此需在阵列组成方式上进行优化设计，构成线性阵列。
其次，基于连续波理论进行阵元间距设计，将声场不出现栅瓣情况下（）的最大偏转角设为，阵元数量为N，则阵元间距应满足：
根据振动薄膜半径参数与阵元间的有效分隔条件，兼顾后续器件加工环节要求，将阵元间距设为1000μm。
再次，基于横向分辨力数值要求进行阵元数量设计，通常阵元数量与横向分辨力成正比、与主瓣宽度成反比，但倘若阵元数量过多将影响到后续电路设计环节的结构复杂度，结合阵元间距与线阵指向性特征，将阵元数量取值为16个。
最后，为改善一维线阵结构的指向性，引入稀疏阵列方法进行参数优化设计，针对CMUT的发射、接收阵列间距进行差异化设计，使得两声场的声压旁瓣与零点位于相同点位，借此降低声场所受的干扰。经由优化设计后，发射、接收两阵列的振动薄膜数量均为16个、间距均为1000μm，阵元数量分别为8个和5个，对应的阵元间距分别为1000μm和1500μm。
2测试结果分析
2.1器件加工制作
基于SOI直接键合工艺进行器件阵列的加工制作，选取单晶硅制作振动薄膜，上电极、基底分别选用铝材、低阻硅材制成，将SiO2作为绝缘层材料，采用刻蚀工艺在基底板处加工沟槽，完成多阵元结构阵列的设计。观察CMUT阵列的加工效果可以发现，振动薄膜结构形态完好，阵列上各阵元实现整齐排布，且表面清洁、无杂质，外观质量初步符合产品制造要求。
2.2性能测试结果分析
2.2.1静态形貌检测
采用3D光学轮廓仪进行CMUT阵列敏感单元的形貌与规格测试，观察测试结果可以发现，振动薄膜规格尺寸的偏差值控制在允许范围内，且振膜外观完整、清洁，但其中心测点与边缘测点未位于同一平面上，说明振动薄膜在环境大气压条件下存在一定的形变、产生高度差;在此基础上，分别对不同敏感单元的静态截面进行观测，完成中心与边缘点位高度差的计算，测得振动薄膜在初始状态下的形变量最大值为3.5μm，符合设计要求。
2.2.2输入阻抗测试
输入阻抗数值的大小将直接影响到CMUT器件的谐振频率，选用高精密阻抗分析仪进行阵元输入阻抗的测试，生成振动薄膜与阵元的阻抗测试结果。由于该器件中选用16个振动薄膜以并联方式连接组成阵列结构，因此获取到的阻抗测试结果体现出所有振动薄膜在同步运转状态下的等效电容、等效电阻总值，将两数值的变化量与单个振动薄膜变化量进行比较，可发现其数值偏高，说明相较于振动薄膜而言阵列的谐振特性更好。
2.2.3谐振特性测试
运用激光测振仪进行振动薄膜谐振特性测试，在敏感单元间隔处接入偏置电路，向电路中分两次通入60V、40～80V的直流偏置电压和1～5V、2V的交流激励电压，观察振动薄膜的振动情况、测量其具体的振动位移量，并收集汇总多组测试结果进行统计分析。观察测试结果可以发现，在直流偏置电压数值恒定的情况下，当交流激励电压数值增大时，振动薄膜产生的位移量也将扩大4～5倍;在交流激励电压数值保持恒定的情况下，伴随直流偏置电压数值的增大，振动薄膜产生的位移量变化幅值约增大1.1～1.2倍，由此说明上文构建的发射模型、接收模型均具备较高的精确度。
2.2.4声学性能测试
在空气环境下分别对CMUT器件的发射、接收性能进行测试，其中在发射性能测试环节，对器件的发射探头施加正弦波脉冲串，利用放大器将接收信号放大后输出，观察其声学性能测试结果可以发现，在交流激励下器件的声学响应幅值较初始数值略微下降，但整体响应信号仍具备一定强度，符合性能测试要求;在接收性能测试环节，对接入的Bias-T电路分别施加直流偏置电压和交流激励信号，观察接收端探头辐射的超声波结果可以发现，在交流激励信号一致的基础上，其辐射声压数值约为商用探头的50%。在此基础上，在镁铝合金板中进行CMUT器件的性能测试，测试结果与空气环境下的发射声压最大值、接收灵敏度均保持一致，且能夠成功收发Lamb波，具备良好性能优势，符合检测要求。
结论：总体来看，本文基于空气耦合形式进行超声无损检测工艺的创新，完成电容式微超声换能器的结构设计与性能分析，测试结果表明，该空气耦合式CMUT器件在发射和接收性能、电路集成化设计、检测灵敏度等方面均呈现出显著性能优势，且引入微加工工艺后可有效适应批量化生产需求，能够为超声无损检测技术领域的研发与创新提供重要借鉴思路。
参考文献：
[1]李骥，张旻，PIWAKOWSKI Bogdan.空气耦合超声换能器声场的时域计算方法[J].无损检测，2020，（05）：59-62.
[2]杨乐，张亚.基于硅硅键合的电容式微超声波换能器设计与测试[J].传感器与微系统，2019，（02）：72-74.