孟亚楠,何常德,张斌珍,张文栋,吴子君

(1.中北大学 动态测试技术省部共建实验室,山西 太原 030051；2.国网山西省电力公司朔州供电公司,山西 朔州 036000)

0 引 言

随着超声成像系统的发展,超声换能器作为其核心部件广泛应用于国防、医疗、工业等领域。电容式微机械超声换能器[1～3](capacitive micromachined ultrasonic transducer,CMUT)因其宽频带、易于制造二维阵列、微型化和高机电转换效率等优势,已成为一种重要的新型超声换能器。CMUT换能器在接收超声波信号时,其薄膜在超声波声压作用下发生振动,导致CMUT换能器极板间的电容值发生改变,然而改变量为皮法(pF)级,输出信号非常微弱,因此设计出低噪声、高增益、宽频带的信号检测电路对CMUT的研究发展具有重大意义。

根据不同的CMUT换能器信号检测原理,本文设计了应用于CMUT换能器微弱信号检测的电荷与跨阻放大电路[4～7]结构,分别实现将CMUT换能器产生的电荷、电流信号转换为电压信号,并将其进行放大。针对这两种不同的电路结构,分别进行理论、仿真、实验的分析与对比,最终选出一种更为适合CMUT换能器信号检测的接收电路[8,9],为后期CMUT换能器信号的采集与成像处理提供精确的信号值。

1 CMUT换能器的工作原理

单个CMUT阵元(图1(a))是由多个CMUT微单元结构按照一定的排列规则并联而成,每个CMUT微单元结构包括上电极、下电极、振动薄膜、绝缘层、硅衬底以及真空腔。

CMUT换能器既能发射超声波信号,也能接收超声波信号。CMUT换能器接收超声波信号时,将直流偏置电压施加至 CMUT换能器上……