CN110224682B - CMUTs谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法及匹配网络 - Google Patents

CMUTs谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法及匹配网络 Download PDF

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Abstract

本发明公开了CMUTS谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法及匹配网络，CMUTs谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法，包括电压源，LC调谐网络，CMUTs等效电路网络以及负载网络。电压源，主要为LC调谐网络，CMUTs等效电路网络以及负载网络提供交流电压。通过LC调谐网络对CMUTs等效电路网络在并联谐振频率处电抗进行阻抗匹配，使其串并联谐振频率过零点。本发明使CMUTs在低电压下具有过零点的串并联谐振频率，所述阻抗匹配方法简单方便，能够使CMUTs在小于30V直流偏置电压下谐振，反射损失S11在谐振工作频率点减小到‑25dB～‑40dB之间，提高回波损耗S21大于‑3dB，降低了CMUTs功耗并提高传输效率。

Description

CMUTs谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法及匹配网络
技术领域
本发明属于MEMS传感器电子测量技术领域，特别涉及基于CMUTs(CapacitiveMicromachined Ultrasonic Transducers，电容式微加工超声换能器)谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法。
背景技术
阻抗匹配是一种负载阻抗与输入端的内阻抗相适配，系统达到最大输出功率的工作状态，并与系统类型相关，分为物理匹配和电学匹配。物理匹配主要针对声阻抗匹配，通过添加匹配材料减少声能的耗散。当系统为纯电阻电路时，若负载阻抗与输入端的内阻抗相等，系统输出功率最高；当系统为波长短的高频信号时，传输线上的信号产生反射并形成驻波，会产生振荡和辐射干扰。阻抗匹配技术广泛应用在雷达通信、卫星广播、射频电子系统、压电换能器件等领域。
通常采用史密斯阻抗匹配圆来对系统进行阻抗匹配分析，常用的方式有Γ型、反Γ型、T 型以及Π型网络。其中，Γ型适用于匹配负载阻抗小于输入端阻抗的情况，反Γ型适用于匹配负载阻抗大于输入端阻抗的情况，T型和Π型是由Γ型和反Γ型按不同组合方式级联形成的复杂阻抗匹配网络，适应于复杂阻抗匹配环境。
国外学者针对频率为3MHz的CMUTs超声治疗应用，通过阻抗匹配方法提高了输出声压，这对超声成像和聚焦具有重要作用。国内中船重工集团第七一五研究所针对压电式超声换能器通过串联电感的方式进行阻抗匹配，减小了传输线缆上的分布电容；中北大学设计了电感-电容复合匹配网络对声光可调滤光器进行了匹配，传输效率在宽带范围内均提高至85％以上，衍射效率最高可达92.67％，使反射损失S11参数小于-10dB，插入损耗S21参数大于-1dB；研究人员还利用史密斯阻抗匹配方法对天线进行调谐匹配提高信号收发质量。因此，针对CMUTs以及压电换能器的阻抗匹配，主要应用在超声聚焦以及治疗等方面，能够较好地提高发射声压的强度和功率。
CMUTs谐振式生化传感器近年来成为研究热点，主要特点为交直流激励、品质因子高(功能化后可达几百～几千)，谐振频率高(MHz级)，检测灵敏度高(可达ppb级别)，能实现实时生化物质检测。由于CMUTs本身电容性结构以及寄生电容的影响，其电抗在较大直流偏置电压下才具有过零的串并联谐振点，低电压下明显为负的容性电抗，直接造成其能量损耗大，反射损失S11和回波损耗S21大，低电压下难以谐振，无法使用。
综上所述，针对CMUTs谐振式生化传感器，在低电压下对CMUTs电抗进行交流调谐，形成过零的串并联谐振点，需要研究相应的阻抗匹配方法，这对降低CMUTs谐振式生化传感器功耗和建立低电压谐振电学模型具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供CMUTS谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法及匹配网络，获得LC调谐网络，以使CMUTs在电压小于30V的条件下仍然具有过零的串并联谐振点，能够正常工作。
一种基于CMUTs谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法，包括以下步骤：
步骤1、设计CMUTs等效电路网络，利用巴特沃斯·范得克(Butterworth vandyke)压电等效电路原理，将CMUTs薄膜损失等效为电阻R，将CMUTs薄膜质量等效为电感L，将CMUTs 薄膜刚度等效为电容C，将CMUTs物理结构电容等效为电容C0，计算等效元件的参数；
步骤2、设计LC调谐网络，并确定LC调谐网络中电感L1的电感值和调谐电容C1电容值：结合CMUTs等效电路中网络的电阻和电抗，导入ADS软件中，进行阻抗匹配，得到电感L1的电感值和调谐电容C1电容值的最终参数。
其中，阻抗匹配包括以下步骤，
步骤2.1、进行LC调谐网络中，结合CMUTs等效电路电阻和CMUTs等效电路并联谐振频率，计算调谐电感L1的电感值和调谐电容C1电容值，作为初始条件；
步骤2.2、利用史密斯圆图，结合CMUTs等效电路的电抗和CMUTs等效电路并联谐振频率，调整调谐电感L1的电感值和调谐电容C1电容值，使电抗CMUTs等效电路和LC调谐网络整体的电抗为0，电阻为50Ω±5Ω；得到电感L1的电感值和调谐电容C1电容值的最终参数。50Ω为射频传输带的标准输入阻抗。
步骤3、将LC调谐网络连接在CMUTs的输入端。
一种为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
低电压CMUTs谐振阻抗匹配网络包括电压源、LC调谐网络、CMUTs等效电路网络以及负载网络。
进一步地，电压源主要为LC调谐网络、CMUTs等效电路网络以及负载网络提供交流电压，电压源另一端接地。
进一步地，LC调谐网络由调谐电感L1和调谐电容C1组成，其中调谐电感L1一端与电压源连接，另一端与调谐电容C1连接，调谐电感L1与调谐电容C1形成串联关系，调谐电感L1与调谐电容C1之间与CMUTs等效电路网络连接，C1另一端接地。
进一步地，CMUTs等效电路网络主要包括4个单元，分别是电阻R、电感L、电容C和电容C0。其中，电阻R、电感L以及电容C依次串联形成RLC串联网络，电容C0并联在RLC 串联网络两端形成RLCC0串并联网络，RLCC0串并联网络的一端与LC调谐网络连接，另一端与负载网络连接。
进一步地，负载网络由负载电阻R0构成，负载电阻R0一端与CMUTs等效电路网络连接，另一端接地。
电感L1采用贴片电感，精度达到1％；电容C1采用多层陶瓷电容，精度达到1％。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明所述的阻抗匹配方法，设计LC调谐网络，并与CMUTs等效网络连接，使CMUTs在低电压(小于30V)工作条件下，整体形成具有过零点的串并联谐振频率，实现谐振工作。
(2)低电压CMUTs谐振阻抗匹配网络包括LC调谐网络，并与CMUTs连接，使CMUTs 在低电压(小于30V)工作条件下，在串并联谐振频率附近实现电容性向电感性的转变，反射损失S11在谐振工作频率点减小到-25dB～-40dB之间，提高回波损耗S21大于-3dB，降低了CMUTs功耗并提高信号传输效率。
进一步的，电感L1采用贴片电感，精度达到1％；电容C1采用多层陶瓷电容，精度达到 1％。降低寄生效应。
附图说明
图1为基于CMUTs谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法原理图；
图2为低电压时未匹配的CMUTs电抗特征曲线；
图3为低电压时未匹配的CMUTs的S11和S21参数曲线；
图4为低电压时匹配后的CMUTs电抗特征曲线；
图5为低电压时匹配后的CMUTs的S11和S21参数曲线；
图6为低电压CMUTs谐振阻抗匹配网络与电源和负载连接电路图。
附图中：1-电压源，2-LC调谐网络，3-CMUTs谐振式生化传感器的等效电路网络，4-负载网络。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1，一种基于CMUTs谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法，包括以下步骤：
步骤1、设计CMUTs等效电路网络，利用巴特沃斯·范得克(Butterworth vandyke)压电等效电路原理，将CMUTs薄膜损失等效为电阻R，将CMUTs薄膜质量等效为电感L，将CMUTs 薄膜刚度等效为电容C，将CMUTs物理结构电容等效为电容C0，计算等效元件的参数；
步骤2、设计LC调谐网络，并确定LC调谐网络中电感L1的电感值和调谐电容C1电容值：结合CMUTs等效电路中网络的电阻和电抗，导入ADS软件中，进行阻抗匹配，得到电感L1的电感值和调谐电容C1电容值的最终参数。
其中，阻抗匹配包括以下步骤，
步骤2.1、进行LC调谐网络中，结合CMUTs等效电路电阻和CMUTs等效电路并联谐振频率，计算调谐电感L1的电感值和调谐电容C1电容值，作为初始条件；
步骤2.2、利用史密斯圆图，结合CMUTs等效电路的电抗和CMUTs等效电路并联谐振频率，调整调谐电感L1的电感值和调谐电容C1电容值，使电抗CMUTs等效电路和LC调谐网络整体的电抗为0，电阻为50Ω±5Ω；得到电感L1的电感值和调谐电容C1电容值的最终参数。50Ω为射频传输带的标准输入阻抗。
步骤3、将LC调谐网络连接在CMUTs的输入端。
电压源1以一定幅值、相位和频率为后端LC调谐网络2、CMUTs等效电路网络3和负载网络4供交流电，设置交流电幅值为500mV、相位为0°以及频率为50kHz，且阻抗为50Ω，其一端与LC调谐网络2连接，另一端接地。
LC调谐网络2由调谐电感L1和调谐电容C1组成，调谐电感L1一端与电压源1连接，另一端与调谐电容C1连接，调谐电感L1与调谐电容C1形成串联关系，调谐电感L1与调谐电容 C1之间与CMUTs等效电路网络3连接，C1另一端接地。假如CMUTs等效电路网络3的并联谐振频率为1.79MHz，在低电压30V的情况下，其未匹配时的电抗特征曲线为图2所示，在谐振频率附近的电抗为负数。其未匹配时的反射损失S11和回波损耗S21参数曲线如图3所示， S11参数在谐振频率附近接近0dB，表示信号传递过程的反射较大；S21参数在谐振频率附近接近-15dB，表示信号馈入损失较大。
根据史密斯阻抗匹配原理调整调谐电感L1和调谐电容C1的值，当L1＝26μH，C1＝123pF 时，使其与CMUTs等效电路网络3在此频率下的电抗为0，此时，如图4所示，CMUTs的串、并联谐振频率都处于过零点的位置。另外，如图5所示，S11在谐振频率点处减小到-34dB，S21参数在谐振频率点增大到-3dB左右，有效地提高了信号的传输能力，减少了信号馈损。
CMUTs等效电路网络3主要包括4个单元，分别是电阻R、电感L、电容C和电容C0。其中，电阻R、电感L以及电容C依次串联形成RLC串联网络，电容C0并联在RLC串联网络两端形成RLCC0串并联网络，RLCC0串并联网络的一端与LC调谐网络2连接，另一端与负载网络4连接。通过阻抗分析仪测试直流偏置电压30V情况下的CMUTs电阻电抗特征曲线，拟合得出CMUTs等效电路网络3中的各个参数值，并得到并联谐振频率为1.79MHz。
负载网络4由负载电阻R0构成，负载电阻R0一端与CMUTs等效电路网络3连接，另一端接地。设置负载电阻R0为50Ω。
参照图6，低电压CMUTs谐振阻抗匹配网络包括LC调谐网络2和CMUTs谐振式生化传感器，LC调谐网络2连接在电压源1和CMUTs谐振式生化传感器之间，CMUTs谐振式生化传感器输出端用于连接负载网络4。LC调谐网络包括电感L1和调谐电容C1，所述电感L1的第一端和电源连接，第二端和调谐电容C1的第一端连接，所述调谐电容C1的第一端接地。
CMUTs谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法，包括电压源，LC调谐网络，CMUTs等效电路网络以及负载网络。电压源，主要为LC调谐网络，CMUTs等效电路网络以及负载网络提供交流电压。通过LC调谐网络对CMUTs等效电路网络在并联谐振频率处电抗进行阻抗匹配，使其串并联谐振频率过零点。本发明使CMUTs在低电压下具有过零点的串并联谐振频率，所述阻抗匹配方法简单方便，能够使CMUTs在小于30V直流偏置电压下谐振，反射损失S11在谐振工作频率点减小到-25dB～-40dB之间，提高回波损耗S21大于-3dB，降低了CMUTs 功耗并提高传输效率。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.CMUTS谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、设计CMUTs的等效电路网络；
步骤2、根据步骤1得到的CMUTs的等效电路网络设计LC调谐网络，LC调谐网络包括电感L 1和调谐电容C 1，并确定LC调谐网络中电感L 1的电感值和调谐电容C 1电容值；
步骤3、将LC调谐网络连接在CMUTs的输入端；
步骤1中的具体过程为：将CMUTs薄膜损失等效为电阻R，将CMUTs薄膜质量等效为电感L，将CMUTs薄膜刚度等效为电容C，将CMUTs物理结构电容等效为电容C 0，然后计算电阻R，电感L，电容C和电容C0的参数；
CMUTs的等效电路网络包括电阻R、电感L、电容C和电容C0，所述电阻R、电感L以及电容C依次串联形成RLC串联网络，电容C 0并联在RLC串联网络两端；
步骤2包括以下步骤：
步骤2.1、根据CMUTs等效电路电阻和CMUTs等效电路并联谐振频率，计算调谐电感L 1的电感值和调谐电容C 1电容值，作为初始条件；
步骤2.2、利用史密斯圆图，结合CMUTs等效电路的电抗和CMUTs等效电路并联谐振频率，调整调谐电感L 1的电感值和调谐电容C 1电容值，使电抗CMUTs等效电路和LC调谐网络整体的电抗为0，电阻为50Ω±5Ω；记录此时的电感L 1的电感值和调谐电容C 1电容值分别作为LC调谐网络中电感L电感值和调谐电容C电容值。
2.根据权利要求1所述的CMUTS谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法，其特征在于，步骤2.2中，取使得电抗CMUTs等效电路和LC调谐网络整体的电抗为0，电阻为50Ω时的电感L 1的电感值和调谐电容C 1电容值作为LC调谐网络中电感L的电感值和调谐电容C电容值。
3.一种低电压CMUTs谐振阻抗匹配网络，其特征在于，包括CMUTs谐振式生化传感器和连接在CMUTs谐振式生化传感器输入端的LC调谐网络，所述LC调谐网络包括电感L 1和调谐电容C 1，所述电感L 1的电感值和调谐电容C 1的电容值利用权利要求1或2中的步骤2计算得到；所述电感L 1的第一端和电源连接，第二端和调谐电容C 1的第一端连接，所述调谐电容C 1的第一端接地。
4.根据权利要求3所述的一种低电压CMUTs谐振阻抗匹配网络，其特征在于，电感L1采用贴片电感。
5.根据权利要求3所述的一种低电压CMUTs谐振阻抗匹配网络，其特征在于，电容C1采用多层陶瓷电容。
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