電容式微加工超聲換能器（CMUT）是一種新興的超聲傳感器技術(shù)，將有可能取代壓電傳感器。一個(gè)CMUT器件就是一個(gè)真空封裝的膜，它可以通過電激勵(lì)發(fā)射或者接收聲信號。這些膜是可以使用標(biāo)準(zhǔn)微生產(chǎn)工藝批量制造的，這使得可以生產(chǎn)更小的傳感器單元從而實(shí)現(xiàn)更高的圖像分辨率。
CMUT技術(shù)相對于壓電傳感器，具有幾個(gè)優(yōu)勢。它可以提供更大的信號帶寬，而且通過改變膜的尺寸頻率可以調(diào)節(jié)。CMUT可以與CMOS電路兼容，有助于驅(qū)動(dòng)電路片內(nèi)集成，進(jìn)一步降低系統(tǒng)噪聲。
大的傳感器陣列通常使用上萬個(gè)CMUT單元來提供更大的圖像視場。這些傳感器單元生產(chǎn)出來后需要評估其工作性能，從而保證整個(gè)圖像陣列提供統(tǒng)一的特性。使用激光測振儀可以通過非接觸的測量得到其振動(dòng)的頻率和位移。單個(gè)的CMUT單元的截面圖如圖1所示。
圖1CMUT單元界面圖
測量器件性能
我們使用Polytec的MSA-500激光測振儀測量器件特性。CMUT陣列放置在樣品臺，使用探針連接。陣列驅(qū)動(dòng)信號為帶有偏置的AC信號，示意圖如圖2所示。在測試中，我們關(guān)注器件在不同驅(qū)動(dòng)信號下的共振頻率和動(dòng)態(tài)位移。除此之外，我們還測試器件不同位置的位移，從而發(fā)現(xiàn)由于電阻損耗造成的位移變化，最終測試出有問題的膜。
圖2樣品分析設(shè)置
數(shù)據(jù)評估
對于CMUT器件，每個(gè)膜振動(dòng)一致是非常重要的。如果同一個(gè)陣列出現(xiàn)偏差或者某個(gè)單元不起振，將會在圖像識別的時(shí)候造成假象。這些問題有些是可以通過顯微鏡識別出來的。但是，如果某個(gè)單元由于密封不嚴(yán)漏氣，將會導(dǎo)致這個(gè)單元頻率和位移的變化，這些問題是通過顯微鏡看不出來的。這類的問題只有在實(shí)際使用的時(shí)候才會發(fā)現(xiàn)。所以如果能提前測試出這些問題，就能盡早的解決，避免更大的浪費(fèi)。圖3所示的是一個(gè)這類問題的例子，圖中在正弦激勵(lì)的時(shí)候有兩個(gè)單元和其它的共振頻率不一樣。使用激光測振儀自帶的偽隨機(jī)信號我們可以進(jìn)一步測試完好的單元和有有問題的單元的共振頻率，如圖4所示。從數(shù)據(jù)我們可以看到，空氣的存在導(dǎo)致單元在規(guī)定的工作電壓下共振頻率提高了，動(dòng)態(tài)位移降低了。
圖3激光測振儀結(jié)果顯示出有問題的單元
圖4有問題的單元共振頻率對比
結(jié)論
CMUT醫(yī)學(xué)圖像換能器成功的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)依賴于完善的生產(chǎn)工藝從而生產(chǎn)出沒有缺陷的產(chǎn)品。在開發(fā)過程中，如果有能夠測試每個(gè)陣列確保產(chǎn)品質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備將會是非常有用的。使用Polytec的MSA系列激光測振儀，我們可以在生產(chǎn)過程中測試產(chǎn)品，識別有問題的產(chǎn)品，避免后續(xù)資源的浪費(fèi)。
