硅油介质中矩形电容式微机械超声换能器发射与接收声场特性研究∗

高碧珍 张 赛,2 何常德 王智豪 王子渊 张文栋

(1 中北大学仪器与电子学院 动态测试省部共建实验室 太原 030051)

(2 江苏大学物理与电子工程学院 镇江 212013)

0 引言

超声计算机断层成像(Ultrasound computer tomography,超声CT)由于其重建图像具有较高的空间分辨率和媒质密度分辨率等优势，在医学超声成像领域得到了迅速发展，吸引了众多国内外学者的关注[1-3]。其中，高密度的超声换能器阵列是乳腺超声CT 系统实现的核心器件[4]。现有的超声CT 系统大多采用压电超声换能器，但是制作包含数千个高一致性阵元的压电换能器阵列存在工艺难度大、成本高、功耗大等问题，更难以制作高密度压电换能器面阵[5]。相比于传统压电式超声换能器，基于微机电系统(Micro-electro-mechanical system,MEMS)技术制作的电容式微机械超声换能器(Capacitive micromechanical ultrasonic transducer,CMUT)具有明显的优势[6]。随着MEMS微加工工艺的迅速发展，CMUT 制备工艺更加成熟、灵活、简便，如牺牲释放工艺[7]、晶圆键合工艺[8]等，且其易于批量生产，易于集成，可实现复杂的CMUT 传感器阵列。除此之外，因其振膜具有较低的机械阻抗[6,9-10]，可与传播介质更好的声学匹配，具有更大的带宽，即使在更高的工作频率下也是如此。诸多内在特性和优势使得CMUT 在乳腺超声成像领域具有良好的发展前景[11-13]。

近年来，国内外针对CMUT 器件微元及阵列结构设计开展了大量理论研究工作。Bayram等[14]利用有限元软件分析方形单元膜在不同偏置电压下的声压，并通过实验对比得出，崩溃模式下(即对CMUT施加高于塌陷电压的偏置电压，振动薄膜与硅基座相接触)CMUT输出声压更高；Park等[10]对CMUT 多微元振动进行了仿真与测试分析，研究多微元CMUT 的速度响应，优化CMUT 微元设计；Wygant 等[15]依据CMUT 单元结构等效电路模型进行有限元建模仿真，分析不同结构CMUT的传输压力和接收信噪比，设计较优的CMUT 结构；Savoia 等[16]改进等效电路模型，拟合多个偏置电压下的电阻测量值评估CMUT 机电和寄生参数，用于CMUT 阵列的芯片级表征，以评估微加工过程的均匀性和产量；Zhang 等[17]设计了一种空气耦合六边形CMUT 阵列，仿真确定CMUT 结构参数并进行制备，测试性能良好，实现了低频声信号的初步检测；Shuai 等[18]提出了一种由4 个同心环形单元组成CMUT阵列并模拟了CMUT阵列的声场，结果表明此结构阵列在空气中具有产生聚焦超声的潜力；Yu 等[19]提出了在崩溃模式下工作的膜上具有环形浮雕图案的CMUT 结构，实验表征表明压花CMUT 在输出压力和分数带宽方面比均匀膜CMUT 性能更好；Wang 等[20]研究了不同结构以及不同微元间距、数量对CMUT 带宽的影响，仿真分析包含不同膜结构的CMUT 在介质中的带宽，为CMUT的设计提供了指导。

人体组织与水阻抗接近，乳腺超声CT 成像以水作为耦合剂可实现超声能量的高效传递。然而，CMUT换能器振膜表面含覆盖电极，因而不能直接用于水环境。为此，张睿等[21]提出了基于透声液(硅油)和透声薄膜(聚氨酯)的封装结构，将封装好的CMUT 器件至于水中。尽管此方法可以起到绝缘与芯片保护的作用，但难以实现宽频、宽角度的声波高效传输。因此，开展硅油介质中矩形CMUT器件的声场特性理论及实验研究，将对CMUT器件封装设计以及基于CMUT 阵列的乳腺超声CT 成像系统的研制提供重要参考价值。

1 CMUT芯片结构

CMUT 芯片由多个CMUT 微元并联而成，单个CMUT 微元由上电极、绝缘层、振动薄膜、真空空腔、边缘固支、绝缘层、衬底、下电极组成，如图1 所示。CMUT 工作模式可分为两种，包括发射模式和接收模式。当CMUT 处于发射模式时，在上下电极间施加直流偏置电压(Vdc)，产生的静电力使振动薄膜垂直向下弯曲变形，因薄膜有一定的回弹力，在两种力的作用下，薄膜达到平衡状态，此时施加频率为f的交流电压(Vac)，激励薄膜做往复运动，辐射出相应频率的超声波。当CMUT处于接收模式时，只在上下电极间施加直流偏置电压，振动薄膜处于平衡状态，当介质中传播的超声波作用在振动薄膜时，薄膜做往复运动，CMUT 空腔间距发生改变，引起极板间电容变化，产生电流信号，经过跨阻放大电路等处理，实现超声波的电信号接收[22-23]。

图1 CMUT 结构示意图Fig.1 Structural diagram of CMUT

图2 所示为自主研制的矩形CMUT，表1 为主要结构参数。该CMUT 由900 (30×30)个微元并联构成，利用传统的硅晶圆键合工艺制备而成[8]。CMUT 阵元芯片的下电极通过环氧树脂导电胶粘接于电路板上，上电极通过引线与电路板金属焊点连接，从电路板上引出上下电极的测试导线。

表1 CMUT 结构参数Table 1 Structure parameters of CMUT

图2 CMUT 换能器芯片Fig.2 Structural diagram of CMUT

2 CMUT换能器指向性理论及仿真

2.1 矩形CMUT指向性理论

指向性是CMUT发射/接收响应的幅度随主波束角扫描变化的特性[24]。指向性的好坏对超声成像效果有着显著影响，主瓣宽度越窄，成像分辨率越高。CMUT发射/接收超声的过程即为CMUT的振动过程，往往将其看作为一个振动系统进行分析，考虑CMUT 的实际振动情况去计算声场较为复杂，CMUT 单个微元尺寸微小，近似为活塞，因而可将不同频率下的微元振动都等效为活塞振动去分析CMUT声场。

对于CMUT 圆形微元，半径为R，由贝塞尔函数的性质可知，当x=0 时，J1(x)/x=1/2，J1表示第1类一阶贝塞尔函数，其发射指向特性为

其中，波束数k=2π/λ，θ为声线与z轴正方向的夹角。

CMUT 阵元是由多个圆形微元排列组成的二维矩形平面，如图3 所示。dx、dy分别为沿x轴和y轴方向的各微元间中心间距。阵元指向性函数可由微元结构的指向性函数通过加法定理和乘积定理组合而成，假设二维矩形平面阵元由M×N个CMUT微元组成，根据Bridge乘积原理[25]，该阵元的发射指向性函数为

图3 CMUT M×N 阵元模型Fig.3 M×N array element model of CMUT

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

由式(2)∼(4)分析可知，CMUT 的指向性不仅取决于本身的形状、尺寸，还取决于其在不同媒质中的振动模式和工作参数。

在辐射声场中，若各换能器均为互易换能器，根据换能器的特性及声场的互易性，可以证明：一个换能器的发射指向性与接收指向性是相同的[25]。然而这一结论尚未有实验证实。

2.2 硅油介质中矩形CMUT指向性仿真

首先，对矩形CUMT的三维指向性进行数值演示。假设CMUT以振速幅值为1 mm/s 在硅油介质中(声速998 m/s)正弦振动，在不考虑微元间的互辐射影响及声波在传播过程中的波阵面扩展损失的前提下，依据等式(2)，建立指向性函数分析模型。以上述自主研制的CMUT结构为参考，单个圆形微元半径R=90 µm，微元间中心间距S=200 µm。对于M×M个微元组成的矩形CMUT，在1 MHz频率下的辐射声场指向性如图4所示。当M分别为20、30 和40 时，随着微元个数的增加，CMUT 的主瓣宽度逐渐减小。图5 为三维指向性在XZ平面上的投影数据，当M=20 时，主瓣宽度为12.8°；当M=30 时，主瓣宽度为8.8°；当M=40 时，主瓣宽度为6.8°。简而言之，矩形CMUT尺寸增大，其指向性愈来愈尖锐，指向性增强。

图4 不同尺寸CMUT-1 MHz 三维指向性Fig.4 CMUT of different sizes-1 MHz three dimensional directivity

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

阵元指向性除了受自身尺寸的影响，还需考虑工作参数的影响。图6为矩形CMUT在不同频率下的辐射声场指向性。在图6(a)∼(c)中，CMUT 尺寸一定(M=20)，发射频率分别为0.5 MHz、1 MHz和1.8 MHz，在偏转角为-30°∼30°范围内，随着频率的增大，主瓣宽度减小，指向性增强。改变CMUT尺寸，如图6(d)∼(f)以及图6(g)∼(i)所示，可得到相同的规律。基于图6 中辐射声场指向性的对称结构，可将不同阵元在XZ平面的投影数据绘制于同一曲线图中，以便于多组数据对比分析，结果如图7所示。

图6 不同尺寸CMUT 在不同频率下的三维指向性Fig.6 Three dimensional directivity of different size CMUTs at different frequencies

图7 XZ 截面不同尺寸CMUT 在不同频率下的指向性曲线Fig.7 Directivity curves of CMUT of different sizes in XZ section under different frequencies

3 硅油介质中矩形CMUT发射-接收性能测试

为进一步分析矩形CMUT 的发射/接收声场特性，本文在硅油中对已有的矩形CMUT 裸芯片(M=30)进行声场特性测试。在相同距离不同方位的远场位置上，声压幅值与theta 角有关，即在远声场具有一定的指向性[26]。所以，在对CMUT 换能器指向性进行测试时，需确保接收换能器处于发射换能器的远场区域。根据公式(5)可计算出圆形活塞辐射的远近场临界点[27]：其中，R为活塞半径，λ为波长。当活塞半径一定时，频率增大，其远近场临界距离增大。

首先，对CMUT 发射指向性进行测试时，需保证水听器位于CMUT 远辐射声场中，CMUT 为矩形声源(长与宽相等)，可将矩形CMUT 的长近似为等效半径R，根据公式(5)可计算出1.8 MHz 时CMUT 的远近场临界点为2.25 cm (实测临界点为2 cm)。对CMUT 接收指向性进行测试时，选用压电换能器(R=0.7 cm)发射超声波，CMUT应位于压电换能器远辐射声场中，根据公式(5)可计算出1.8 MHz 时测试所用压电换能器的远近场临界点为8.82 cm (实测为9 cm)。

对CMUT 做发射指向性测试，见图8。硅油介质中，CMUT 作为发射端固定在精密分度转盘的杆中央，激励参数取幅值为10 Vpp、频率分别为1 MHz 与1.8 MHz 的5 个连续正弦脉冲激励信号，脉冲间隔10 ms，直流偏置为20 V。CMUT 随分度盘从-30°到30°进行旋转扫描，单次步进值为1°。标准水听器作为接收信号端被分别放置在距离发射端正对面3 cm 和20 cm 处，且与CMUT 保持中心平齐等高。

图8 CMUT 发射指向性测试Fig.8 CMUT emission directivity test

实验结果与理论曲线见图9(a)和图9(b)。当f=1 MHz时，实测CMUT的发射指向性曲线与和数值模拟结果吻合较好，改变收发间距，CMUT 的发射指向性不变。当f=1.8 MHz时，结论与1 MHz一致。即在远场区域收发间距对指向性无影响，距离的增加只会使声衰减增大，造成接收到的辐射声压值较小。实际测试中，传感器的校准、分度盘的旋转误差以及电压幅值的读取均可能导致实验结果和数值结果之间的差异。尽管有这些影响，数值和实验结果本质上仍是一致的。

图9 不同频率、不同收发间距下CMUT 发射指向性测试结果Fig.9 Test results of CMUT transmission directivity at different frequencies and different transmission/reception distances

理论上，kR≫1，CMUT 具有较好的指向性，且频率越高，发射指向性越强。对比1 MHz与1.8 MHz 下测试所得CMUT 的发射指向性，见图9(c)和图9(d)。收发间距一定时，频率为1.8 MHz，实测主瓣宽度比1 MHz 的主瓣宽度窄，即接收指向性增强，与理论一致。

根据声场互易定理可知，CMUT发射指向性与接收指向性一致。对矩形CMUT 的接收指向性进行测试，测试装置如图10所示。硅油介质中，CMUT作为接收端固定在精密分度转盘的杆中央，并随分度盘从-30°到30°进行自转扫描。压电换能器作为发射端被固定在距离接收端正对面20 cm 处，且与CMUT 保持中心平齐等高。CMUT 阵元由20 V直流偏置电压激励。每旋转1°保存一组接收信号数据。实验结果如图11 所示。忽略实际操作中造成的误差，频率固定为1 MHz 或1.8 MHz，实测CMUT 发射与CMUT 接收主瓣宽度相同，即发射与接收指向性一致，这验证了CMUT 指向性互易定理。

图10 CMUT 接收指向性测试Fig.10 CMUT receiving directivity test

图11 不同频率下CMUT 发射、接收指向性测试结果Fig.11 Test results of CMUT transmission and reception directivity at different frequencies

通过理论分析与实验验证，CMUT 作为换能器，具备发射与接收超声波的能力，且发射指向性与接收指向性一致。在实际应用中，需针对CMUT 的用途来进行结构设计。虽然CUMT 发射声压能够通过微元数目的增多而增大，以解决单个微元发射声压弱的问题，但其接收指向性也随之增强，较窄的主瓣宽度不利于信息的采集。因此，CUMT 阵元结构设计过程中需要综合考虑CUMT 微元数目的选取，这为CMUT结构设计提供了思路。

4 结论

本文对基于硅晶圆键合工艺制备出的矩形CMUT 进行了声场指向性仿真与测试分析。根据乘积原理推导矩形CMUT 阵元的指向性函数，并对包含不同微元数目的矩形CMUT 阵元进行不同频率下的指向性分析。结果表明，微元尺寸一定时，CMUT 微元数目越多，主瓣宽度越窄，指向性越强；微元数目一定时，CMUT 振动频率越高，主瓣宽度越窄，指向性越强。同时，对900(30×30)个微元并联而成的矩形CMUT阵元进行声学实验测试，测试结果与理论仿真结果相符，且实验验证了CMUT接收指向性与发射指向性一致的理论。本文理论仿真与实验验证可以在CMUT 结构设计阶段提供有效的帮助，有助于根据实际用途提供合适的结构，优化CMUT 的声学性能。本文只针对CMUT 阵元指向性进行分析，后续将进一步在CMUT阵列指向性方面进行深入研究。