CN115038008A - 基于空气耦合cmut阵列的双模式声参量阵发射装置 - Google Patents

基于空气耦合cmut阵列的双模式声参量阵发射装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空气耦合CMUT阵列的双模式声参量阵发射装置，包括：CMUT阵列由奇数阵元和偶数阵元构成，两种阵元上的激励频率不同。本发明利用CMUT器件的中心频率随偏置电压的变化而改变的原理，实现了通过一个CMUT阵列的奇偶阵元分别发射两个频率的超声波声束，经过空气非线性效应，形成低频指向性可听声束。本发明通过调整施加到CMUT阵列中奇数阵元和偶数阵元上的偏置电压的大小，使CMUT阵列奇偶阵元的中心频率相应发生变化，始终保持CMUT阵列奇偶阵元的两个激励频率处在对应中心频率上，便可产生多个频率的低频指向性可听声束。在声参量阵发射装置具有高指向性的基础上，提高了高指向性声能量的强度，并拓宽了工作带宽。

Description

基于空气耦合CMUT阵列的双模式声参量阵发射装置
技术领域
本发明涉及空气耦合超声换能器的应用领域，尤其涉及一种基于空气耦合CMUT阵列的双模式声参量阵发射装置。
背景技术
电容式微机械超声换能器(Capacitive Micromachined UltrasoundTransducer,CMUT)是一种基于微机电系统(Microelectromechanical System,MEMS)的制造和设计技术的换能器，与压电超声换能器相比：其不需要匹配层，声阻抗较低，与空气具有更好的声阻抗匹配特性。同时基于MEMS(微机电系统)制造技术，具有了易于制造各种形式的CMUT阵元，控制CMUT阵元的几何参数，可以灵活调整CMUT器件的发射和接收特性，构造CMUT阵列尺寸小等优点，显示出CMUT在空气耦合检测应用领域的潜力。
然而，由于空气对高频声波较强的衰减作用，大部分的空气耦合换能器工作频率在几百千赫兹左右，因此空气耦合CMUT同样也工作在这个范围。同时CMUT在空气中带宽较窄，且通常采用的是单频CMUT器件，因此有效拓展其带宽和进行双频及宽频CMUT的设计对空气耦合超声检测应用十分重要。
声波定向发射的核心概念是当两列具有不同频率的超声波在空气中同向传播时，由于非线性作用，两列超声波会发生交互作用和自解调而产生它们的和频率信号与差频率信号。若差频声波在可听声域，即产生可听声。由于超声波传播的高指向性，使得可听声波也具有指向性，因此声波定向发射在军事、商业以及交通指挥等领域具有重要应用前景。一般情况下这些场景中所用的声波定向发射装置需要很大的辐射面或阵列尺寸较长才能形成高指向性波束。
然而，声参量阵发射(即根据声学参量阵原理的定向声波发射)根据声波在空气中的非线性传播原理，采用较小孔径发射阵列沿同一轴线发射两束不同频率的高频初始波，便可以产生高指向性低频声波，由于MEMS工艺制作的CMUT阵列具有尺寸小的特点，可以满足声参量阵发射要求。
发明内容
本发明提供了一种基于空气耦合CMUT阵列的双模式模式声参量阵发射装置，本发明能在小孔径阵列尺寸下实现多场景应用的定向声波发射，本发明所用的CMUT阵列与传统的换能器阵列相比，可以在两种工作模式下产生两个频率的混合超声波束，既可以拓宽其工作带宽，又能使其发射的两个超声波束声能量最强，形成小型参量化发射装置，并传输多个频率的高方向性声音，详见下文描述：
一种基于空气耦合CMUT阵列的双模式声参量阵发射装置，所述装置包括：CMUT阵列，所述CMUT阵列由奇数阵元和偶数阵元构成，两种阵元上的激励频率不同，奇数阵元上的激励频率为f1，偶数阵元上的激励频率为f2；
利用信号发生器的两通道分别输出激励频率为f1和f2的高频超声波信号，经功率放大器放大，分别施加到CMUT阵列的奇数阵元和偶数阵元上，激励奇数阵元的直流偏置为DC1，激励偶数阵元的直流偏置为DC2，DC1和DC2跟随激励频率进行调整；
CMUT传感器阵列沿同一方向发射两束共轴的频率比较接近的高频超声到空气中，利用声波在空气中的非线性作用，进而得到低频高指向性信号f2-f1；
通过调整施加到CMUT阵列中奇数阵元和偶数阵元上的偏置电压的大小，使CMUT阵列奇偶阵元的中心频率相应发生变化，始终保持CMUT阵列奇偶阵元的两个激励频率处在对应中心频率上，产生多个频率的低频指向性可听声束。其中，所述CMUT阵列的工作模式为：
工作模式一：保持施加在CMUT阵列的奇偶阵元上的DC偏置电压一致，分别用两个不同频率的交流激励信号作用于CMUT阵列的奇偶阵元发射，并使其两个频率始终处在CMUT带宽范围内，经过非线性效应自解调，在空气中可产生低频和高方向性可听声束；
工作模式二：通过在CMUT阵列的奇偶阵元上分别施加不同的DC偏置电压，使CMUT阵列奇偶阵元的中心频率相应发生变化，同时让施加的两个不同频率的交流激励信号始终处在对应中心频率上，进而CMUT阵列的奇偶阵元发射出两个对应频率下最强的超声波束，经过非线性效应自解调，在空气中可产生低频和高方向性可听声束。
进一步地，所述奇偶阵元的下电极并联后通过一个接线端子与外部驱动电路的接地端相连，所有奇数阵元的上电极通过各自的接线端子并联后与外部驱动电路的一处激励端相连；所有偶数阵元的上电极通过各自的接线端子并联后分别与外部驱动电路的另一处激励端相连。
其中，所述CMUT阵列需要直流电压和交流电压同时激励，CMUT阵列的驱动发射电路内含交直流耦合电路，CMUT阵列设置两个交直流耦合接口，一个接口和奇数阵元激励端相连，另一个和偶数阵元激励端相连。
进一步地，所述交直流耦合电路中加入自适应阻抗匹配，该自适应阻抗使信号源输出的电压和电流相位相同，信号源的输出功率被最大化转化为CMUT的发射功率，使信号源的输出电阻与负载的有功电阻值相匹配。
其中，所述CMUT阵列通过MEMS工艺制造。奇偶阵元采用相同的工艺同步制造完成，两种阵元的电极厚度，振膜厚度，真空腔深度，绝缘层厚度等纵向尺寸完全相同，且电极半径、形状，振膜半径相同，两种阵元具有相同的频带范围，发射能力和接收能力相同。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明提出了一种用于声参量阵发射的双模式模式的空气耦合CMUT阵列，由于MEMS工艺制作的CMUT阵列具有尺寸小的特点，因此该声参量阵发射装置能在小孔径阵列尺寸下实现多场景应用的定向声波发射；
2、本发明利用CMUT器件的中心频率随偏置电压的变化而改变的原理，实现了通过一个CMUT阵列的奇偶阵元分别发射两个频率的超声波声束，经过空气非线性效应，形成低频指向性可听声束；
3、此外，通过调整施加到CMUT阵列中奇数阵元和偶数阵元上的偏置电压的大小，使CMUT阵列奇偶阵元的中心频率相应发生变化，始终保持CMUT阵列奇偶阵元的两个激励频率处在对应中心频率上，便可产生多个频率的低频指向性可听声束；
4、在声参量阵发射装置具有高指向性的基础上，提高了高指向性声能量的强度，并拓宽了工作带宽。
即：外部直流偏置发生变化时，CMUT的谐振频率会发生变化，具体关系为直流偏置增大，弹簧软化效应使CMUT的谐振频率降低。当输入外部直流偏置时，让激励频率和CMUT谐振频率一致，此时发射声能量强度最大。
因此，基于声参量阵产生的低频声波具有高指向性且不容易衰减的特性，为测量范围较大的风速或高精度声定位等应用领域提供了更为准确有效的声场形成方法，例如：使用CMUT阵列的奇偶阵元分别产生两种不同频率的高频超声波，在空气中产生非线性效应，形成高指向性差频声波，作为一种声场形成的方法，可以应用在一些高精度声定位，或者是声参量阵更远距离的风速测量。
附图说明
图1为一种基于空气耦合CMUT阵列的双模式声参量阵发射装置的结构图；
图2为CMUT阵列奇偶阵元排布示意图；
图3为CMUT阵列单个阵元结构工作原理示意图；
图4为CMUT阵列的交直流耦合及阻抗匹配电路图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：奇数阵元； 2：偶数阵元；
3：奇数阵元外部激励连线端子； 4：偶数阵元外部激励连线端子；
5：外部公共接地连线端子 6：金属上电极；
7：振膜； 8：真空腔；
9：绝缘层； 10：导电衬底下电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
技术背景：声参量阵发射(即根据声学参量阵原理的定向声波发射)根据声波在空气中的非线性传播原理，采用较小孔径发射阵列沿同一轴线发射两束不同频率的高频初始波，便可以产生高指向性低频声波，由于MEMS工艺制作的CMUT阵列具有尺寸小的特点，可以满足声参量阵发射要求。声参量阵发射可以应用在许多领域，例如，在基于声参量阵的大空间范围风速测量中，利用声参量阵发射两束超声波信号，在空气中自解调，可以产生高指向性的低频信号，可以传播更远的距离，通过增加声程可以提高测量精度，增加测量范围。此外，在高精度声定位应用中，利用声参量阵产生的低频声波的高指向性，可以实现更加准确的定位效果。
声参量阵发射的具体原理就是采用声参量阵技术能够产生具有高指向性的低频波束。声参量阵发射两种频率的高频声波沿同轴传播，由于两列高频超声波在空气中传播时的非线性效应，在其共同覆盖的区域内产生了和频波以及差频波。高频率范围的和频波被空气吸收而迅速衰减，而频率在声频范围内的差频波被视为在两列高频波束辐射范围内排布的次级波源。因为参量阵能够在声传播轴上形成接连排布的次级声源，故将其辐射场等效为长端射阵，即便传感器自身尺寸远小于低频波的波长，产生的低频波束仍有较高的指向性，所以小尺寸阵列也满足条件。
实施例1
本发明实施例提供了一种基于空气耦合CMUT阵列的双模式模式声参量阵发射装置，该CMUT阵列通过MEMS工艺制造，由奇数阵元和偶数阵元构成，其中两种阵元上的激励频率不同，奇数阵元上的激励频率为f1，偶数阵元上的激励频率为f2。利用信号发生器的两通道分别输出激励频率为f1和f2的高频超声波信号，经功率放大器放大，分别施加到CMUT阵列的奇数阵元和偶数阵元上。激励奇数阵元的直流偏置为DC1，激励偶数阵元的直流偏置为DC2,并且DC1和DC2跟随激励频率进行调整。CMUT传感器阵列沿同一方向发射两束共轴的频率比较接近的高频超声到空气中，利用声波在空气中的非线性作用，进而得到低频高指向性信号f2-f1。
其中，CMUT阵列的所有奇偶阵元采用相同的工艺同步制造完成，两种阵元的电极厚度，振膜厚度，真空腔深度，绝缘层厚度等纵向尺寸完全相同，且电极半径，电极形状，振膜半径等横向尺寸也完全相同。同时两种阵元具有相同的频带范围，发射能力和接收能力也相同。
具体实现时，CMUT阵列的所有奇偶阵元的下电极并联后通过一个接线端子与外部驱动电路的接地端相连。CMUT阵列的所有奇数阵元的上电极通过各自的接线端子并联后与外部驱动电路的一处激励端相连。CMUT阵列的所有偶数阵元的上电极通过各自的接线端子并联后分别与外部驱动电路的另一处激励端相连。
其中，CMUT阵列需要直流电压和交流电压同时激励，因此CMUT阵列的驱动发射电路内含交直流耦合电路。CMUT阵列设置两个交直流耦合接口，方便接入外部直流电压和交流电压，其中一个接口和奇数阵元激励端相连，另一个接口和偶数阵元激励端相连。
具体实现时，CMUT阵列的交直流耦合电路中加入自适应阻抗匹配，该自适应阻抗可任意调节，可使信号源输出的电压和电流相位相同，则电路中的无功分量减少，信号源的输出功率被最大化转化为CMUT的发射功率，提升系统发射效率，同时使信号源的输出电阻与负载的有功电阻值相匹配，从而使信号源的输出功率为最佳。
进一步地，两种阵元上的激励频率不同为：利用CMUT谐振频率和直流偏置的关系，外部输入两个不同的直流偏置电压，在阵列中产生两种不同谐振频率，同时令外部的激励频率和这两个谐振频率始终对应，阵列发射后这两束高频超声波后根据空气非线性效应，在空气中高频不断地衰减，只在远场留下差频声波，这个声波的频率就是上述两个谐振频率的差值。两个谐振频率必须是超声频率，大小需跟随谐振频率变化，而谐振频率的大小与外部直流偏置电压相关。例如：在80V的直流电压下，CMUT谐振频率为225kHz左右，应保持两个频率的差值在20kHz的低频范围内。
其中，CMUT阵列的工作模式为：
工作模式一：保持施加在CMUT阵列的奇偶阵元上的DC偏置电压一致，分别用两个不同频率的交流激励信号作用于CMUT阵列的奇偶阵元发射，并使其两个频率始终处在CMUT带宽范围内，经过非线性效应自解调，在空气中可产生低频和高方向性可听声束。
工作模式二：通过在CMUT阵列的奇偶阵元上分别施加不同的DC偏置电压，使CMUT阵列奇偶阵元的中心频率相应发生变化，同时让施加的两个不同频率的交流激励信号始终处在对应中心频率上，进而CMUT阵列的奇偶阵元发射出两个对应频率下最强的超声波束，经过非线性效应自解调，在空气中可产生低频和高方向性可听声束。
实施例2
下面结合图1-图4，对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
由于MEMS工艺制作的CMUT阵列具有尺寸小的特点，因此该声参量阵发射装置能在小孔径阵列尺寸下实现多场景应用的定向声波发射。本发明实施例利用CMUT器件的中心频率随偏置电压的变化而改变的原理，实现了通过一个CMUT阵列的奇偶阵元分别发射两个频率的超声波声束，经过空气非线性效应，形成低频指向性可听声束。此外，通过调整施加到CMUT阵列中奇数阵元和偶数阵元上的偏置电压的大小，使CMUT阵列奇偶阵元的中心频率相应发生变化，始终保持奇偶阵元的两个激励频率处在对应中心频率上，便可产生多个频率的低频指向性可听声束。在声参量阵发射装置具有高指向性的基础上，提高了高指向性声能量的强度，并拓宽了工作带宽。因此，为声参量阵大空间范围风速测量或高精度声定位等应用领域提供了更为准确有效的声场形成方法。
如图1所示，本实施例的声参量阵发射装置结构包括：产生不同超声频率f1、f2的信号发生器，功率放大器，产生直流偏置电压DC1、DC2的直流电源、CMUT奇偶阵元。利用信号发生器的两通道分别输出激励频率为f1和f2的高频超声波信号，经功率放大器放大，分别施加到CMUT阵列的奇数阵元和偶数阵元上。激励奇数阵元的直流偏置为DC1，激励偶数阵元的直流偏置为DC2，并且DC1和DC2跟随激励频率进行调整。CMUT传感器阵列沿同一方向发射两束共轴的频率比较接近的高频超声到空气中，利用声波在空气中的非线性作用，进而得到低频高指向性信号f2-f1。
其中，CMUT奇偶阵元排布示意图如图2所示。该CMUT阵列通过MEMS工艺制造，由奇数阵元1和偶数阵元2构成，其中两种阵元上的激励频率不同，奇数阵元上的激励频率为f1，偶数阵元上的激励频率为f2。
本实施例中，如图3所示，CMUT的奇数阵元1和偶数阵元2是由相同的工艺同步完成，两种阵元的金属上电极6的厚度，振膜7的厚度，真空腔8的深度，绝缘层9的厚度，和导电衬底下电极10的厚度等纵向尺寸完全相同，而金属上电极6的半径，形状，振膜7的半径等横向尺寸也相同。同时奇数阵元1和偶数阵元2具有相同的频带范围，发射能力和接收能力也相同。
本实施例中，CMUT阵列的所有奇偶阵元的导电衬底下电极10并联后通过一个外部公共接线端子5与外部驱动电路的接地端相连。CMUT阵列的所有奇数阵元金属上电极6并联后通过外部激励接线端子3与外部驱动电路的一处发射端相连。CMUT阵列的所有偶数阵元的金属上电极6并联后通过外部激励接线端子4与外部驱动电路的另一处发射端相连。
本实施例中，如图4为CMUT阵列的交直流耦合及阻抗匹配电路图，由交直流耦合部分加入可调节的阻抗组成。交直流电压耦合电路又称为Bias-T电路，直流电压UDC通过电阻R，交流电压UAC通过电容C后通过自适应阻抗匹配后共同施加到CMUT电极两端，电容C用于阻隔直流电压，R用于限流电容，U为实际接入CMUT两端的电压值，Z＝R+jC是CMUT的等效阻抗。
本实施例中，设置两个交直流耦合接口，其中一个接口和奇数阵元激励接线端子3相连，另一个接口和偶数阵元激励接线端子4相连，达到给奇偶阵元分别接入外部交直流电压的目的。
本实施例中，如图4，阻抗L为可调节的自适应电感，当完成自适应电感匹配后，由于流经CMUT的电流和其两端电压的相位差减小，电路中的无功功率减少，CMUT的发射功率显著提高，整个电路系统的能量传输效率得到提高。
本实施例中，CMUT可以工作在不同的模式。
工作模式一：保持施加在CMUT阵列的奇偶阵元上的DC偏置电压一致，分别用两个不同频率的交流激励信号作用于CMUT阵列的奇偶阵元发射，并使其两个频率始终处在CMUT带宽范围内，经过非线性效应自解调，在空气中可产生低频和高方向性可听声束。
例如，当DC偏置电压为80V时，CMUT阵列的中心频率为225kHz。因此可以用信号发生器产生两个频率为220kHz、225kHz，幅值相同的超声信号，经放大器放大后，分别作用在奇数阵和偶数阵上发射，同时两种阵列上的DC偏置电压都设置为80V，通过空气非线性效应，可得到频率为5kHz的低频指向性信号。由于两个频率始终处在CMUT的宽频带范围内，所以该工作模式可以应用在近距离的高精度声定位等领域中。
工作模式二：通过在CMUT阵列的奇偶阵元上分别施加不同的DC偏置电压，使CMUT阵列奇偶阵元的中心频率相应发生变化，同时让施加的两个不同频率的交流激励信号始终处在对应中心频率上，进而CMUT阵列的奇偶阵元发射出两个对应频率下最强的超声波束，经过非线性效应自解调，在空气中可产生低频和高方向性可听声束。
例如，当DC偏置电压为80V时，CMUT阵列的中心频率为225kHz。根据弹簧软化效应，当DC偏置电压为70V时，CMUT阵列的中心频率变为232kHz。因此可以用信号发生器产生两个频率为225kHz、232kHz，幅值相同的超声信号，经放大器放大后，分别作用在奇数阵和偶数阵上发射，同时两种阵列上的DC偏置电压分别对应设置为80V和70V，通过空气非线性效应，可得到频率为7kHz的低频指向性信号。由于两种阵列上的激励频率和该DC偏置电压下的中心频率始终保持一致，可保证各个阵元发射出自身最大的声功率，因此该低频指向性声音信号强度是最大的，所以该工作模式可以应用在远距离的大空间范围风速测量等领域中。
此外，在该工作模式二下，根据弹簧软化效应可知，在塌陷电压范围内，DC偏置电压越大，其CMUT阵列的中心频率越小。通过调整施加到CMUT阵列中奇数阵元和偶数阵元上的偏置电压的大小，使CMUT阵列奇偶阵元的中心频率相应发生变化，始终保持CMUT阵列奇偶阵元的两个激励频率处在对应中心频率上，便可产生多个频率的低频指向性可听声束，同时也拓宽了CMUT的工作带宽。
本发明实施例对各CMUT阵列的结构、工艺、材料除做特殊说明的以外，其他CMUT阵列的结构、工艺、材料不做限制，只要能完成上述功能的CMUT阵列均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于空气耦合CMUT阵列的双模式声参量阵发射装置，其特征在于，所述装置包括：CMUT阵列，所述CMUT阵列由奇数阵元和偶数阵元构成，两种阵元上的激励频率不同，奇数阵元上的激励频率为f1，偶数阵元上的激励频率为f2；
利用信号发生器的两通道分别输出激励频率为f1和f2的高频超声波信号，经功率放大器放大，分别施加到CMUT阵列的奇数阵元和偶数阵元上，激励奇数阵元的直流偏置为DC1，激励偶数阵元的直流偏置为DC2，DC1和DC2跟随激励频率进行调整；
CMUT传感器阵列沿同一方向发射两束共轴的频率比较接近的高频超声到空气中，利用声波在空气中的非线性作用，进而得到低频高指向性信号f2-f1；
通过调整施加到CMUT阵列中奇数阵元和偶数阵元上的偏置电压的大小，使CMUT阵列奇偶阵元的中心频率相应发生变化，始终保持CMUT阵列奇偶阵元的两个激励频率处在对应中心频率上，产生多个频率的低频指向性可听声束。
2.根据权利要求1所述的一种基于空气耦合CMUT阵列的双模式声参量阵发射装置，其特征在于，所述CMUT阵列的工作模式为：
工作模式一：保持施加在CMUT阵列的奇偶阵元上的DC偏置电压一致，分别用两个不同频率的交流激励信号作用于CMUT阵列的奇偶阵元发射，并使其两个频率始终处在CMUT带宽范围内，经过非线性效应自解调，在空气中可产生低频和高方向性可听声束；
工作模式二：通过在CMUT阵列的奇偶阵元上分别施加不同的DC偏置电压，使CMUT阵列奇偶阵元的中心频率相应发生变化，同时让施加的两个不同频率的交流激励信号始终处在对应中心频率上，进而CMUT阵列的奇偶阵元发射出两个对应频率下最强的超声波束，经过非线性效应自解调，在空气中可产生低频和高方向性可听声束。
3.根据权利要求1所述的一种基于空气耦合CMUT阵列的双模式声参量阵发射装置，其特征在于，所述奇偶阵元的下电极并联后通过一个接线端子与外部驱动电路的接地端相连，所有奇数阵元的上电极通过各自的接线端子并联后与外部驱动电路的一处激励端相连；所有偶数阵元的上电极通过各自的接线端子并联后分别与外部驱动电路的另一处激励端相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于空气耦合CMUT阵列的双模式声参量阵发射装置，其特征在于，所述CMUT阵列需要直流电压和交流电压同时激励，CMUT阵列的驱动发射电路内含交直流耦合电路，CMUT阵列设置两个交直流耦合接口，一个接口和奇数阵元激励端相连，另一个和偶数阵元激励端相连。
5.根据权利要求4所述的一种基于空气耦合CMUT阵列的双模式声参量阵发射装置，其特征在于，所述交直流耦合电路中加入自适应阻抗匹配，该自适应阻抗使信号源输出的电压和电流相位相同，信号源的输出功率被最大化转化为CMUT的发射功率，使信号源的输出电阻与负载的有功电阻值相匹配。
6.根据权利要求1所述的一种基于空气耦合CMUT阵列的双模式声参量阵发射装置，其特征在于，所述CMUT阵列通过MEMS工艺制造。
7.根据权利要求1所述的一种基于空气耦合CMUT阵列的双模式声参量阵发射装置，其特征在于，所述奇偶阵元采用相同的工艺同步制造完成，两种阵元的电极厚度，振膜厚度，真空腔深度，绝缘层厚度等纵向尺寸完全相同，且电极半径、形状，振膜半径相同，两种阵元具有相同的频带范围，发射能力和接收能力相同。
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