6 min

仿真VS实测

超声换能器的有限元验证

ultrasound transducers

超声成像是医学影像技术的主要工具之一,通常被称为医学超声波诊断法。产生超声波的超声换能器技术的发展是医学超声研究的热门课题。

电容式微机械超声换能器(cMUTs)有着广泛的应用前景。与传统的压电超声换能器相比,cMUTs具有许多特有的优势。

cMUT振动膜的弯曲模态降低了器件的机械阻抗,更易于工作介质相匹配,机电耦合效率更高。此外,现如今先进的MEMS工艺能批量加工出尺寸很小的cMUT,质优价廉。

此外,cMUT还有一个优点就是其内部的CMOS电路,驱动和读取电路离的越近意味着信噪比越高。电路中的互连问题也得到了解决,易于设计成高密度的线阵或更复杂的面阵。综上所述,cMUTs被认为非常适用于下一代超声诊断成像。在过去的二十年里,虽然早有基于cMUTs的超声成像样机出现,但是对于单个cMUT单元的研究,无论是有限元建模(和分析)还是试验测量却鲜有报道。

事实上,对输出压力和相应的频率响应的准确预测,对于超声换能器的设计非常有价值。我们采用有限元模型仿真结合光学扫描技术,获得换能器的表面瞬态响应,然后用瑞利积分法构建空间压力场。利用水听器检测cMUT的输出压力,并将仿真结果与实测结果进行比较。

 

装置和技术搭建

选择一个独立的方形圆角cMUT单元作为试验对象(样品)。这样一来,可以将任何相邻的如串扰等影响降低至可忽略水平。

图1(a)为样品俯视图,方形振动膜的直径为60 μm,有两个探针垫,靠近样品的探针垫连接底部电极,另一个则连接顶部电极。

当将直流和交流电压分别施加在两个垫片上,或叠加在其中一个垫片上,另一个垫片接地时,薄膜将会振动,从而在周围介质中产生相应的超声波。

在本文中,我们在两种介质中驱动该样品:空气和氟化液FC-84(美国3M公司生产的氟化液)。

cMUT cell
图1:a)cMUT单元的俯视显微图,b)cMUT单元的剖视图

测试:光学和声学

我们使用德国Polytec公司的MSA-500显微式激光测振仪获取cMUT单元的动态特性。试验搭建图如图2(a)所示。将cMUT单元浸入FC-84中,深度约为5毫米。将源于脉冲发生器的+60v、持续时间为50ns的脉冲施加到连接cMUT电池底部电极的软垫上。将-160v 的直流偏置电压,等于60%的理论吸附电压施加到另一软垫上。脉冲电压和直流偏置电压的极性产生了电压叠加的效果,测试是在空气和FC-84中分别进行的。

需要注意的是,我们需要对在FC-84中的测试结果进行修正,将测试得到的位移除以1.261 (FC-84的折射率)。

Schematic of the experimental set-ups: (a) Optical set-up for the dynamic characterization using a Polytec vibrometer system; (b) Acoustic set-up for the sound pressure measurements using a hydrophone.
图2:试验搭建示意图:(a)Polytec公司的显微式激光测振仪,(b)使用水听器测量声压

动态(共振)响应

根据声学理论,附在换能器表面的液体会作为附加载荷(称为辐射质量)与换能器一起振动。辐射质量会降低振动膜的谐振频率(或压力频率响应谱图中的中心频率)。为了评估流体载荷的影响,我们分别在空气和FC-84中评估了cMUT单元的频响特性。

空气中的测量结果:

在ANSYS仿真软件中,首先对cMUT单元施加恒定的160V直流偏置电压形成预紧力,然后进行谐波仿真。评估中心点的位移,并归一化至最大值(图3)。

在空气中时,共振频率的仿真结果为9.43 MHz,而Polytec测得结果为9.5 MHz。有限元仿真结果与实测结果的中心频率的差异可忽略不计。然而,我们观察到,Q值的差异比较显著。Q值是共振峰中心频率的-3dB带宽决定的。从ANSYS仿真软件得到的Q值496大约是实测得到的Q值232的2倍。我们认为这个数据是合理的,因为在仿真时,除了空气阻尼损失外并没有将其它额外损失考虑在内。实际上,空气阻尼可以忽略不计,材料阻尼和/或支撑或固定(损耗)阻尼占主导地位。

FC-84中的测试结果:

同样的,以FC-84作为周围介质时,也对cMUT的仿真和实测结果进行了比较(图4);采用多项式拟合来减小流体测试中的噪声。仿真和试验都表明,与在空气中测量相比,共振频率有明显的变化。FC-84中cMUT的中心频率约为5.5MHz(空气中为9.5MHz)。这种下降是由于FC-84的辐射质量比空气要大得多。在FC-84中获取的Q值也比空气中获取的Q值要小很多。

在FC-84中,仿真(Q值=1.2)和测量(Q值=1.1)之间的一致性比在空气中要好得多,这是由于在FC-84中流体阻尼占主导,Q值小于1表明了cMUT单元的高带宽特性。

动态(位移)响应

在ANSYS仿真软件中进行预紧力瞬态仿真时,首先需要进行无瞬态效应的瞬态仿真(ANSYS命令:timint, off),只施加恒定的160 V直流偏置电压,然后再叠加一个脉冲进行正常的瞬态仿真。

考虑到Polytec测量的信号延迟,在无瞬态效应的瞬态仿真中设置175ns的持续时间,这意味着在第175ns时施加电压为60v, 持续时间为50nm的脉冲。再次评估中心节点的位移。由于Polytec数据不存在静态缺陷,因此对实测位移进行了调整,以便与仿真结果进行比较。

空气中的测试结果:

cMUT单元在空气中时,ANSYS仿真和Polytec实测的动态响应如图5所示。

在前几个周期内,两者的振幅匹配度很好。由于谐振频率和Q值的失配,几个周期后仿真和实测之间的差异变得比较明显。由于在实测时除空气阻尼外还有其它阻尼(材料阻尼、固定损失等),其响应的衰减速度预计要比仿真时快得多。

FC-84中的测试结果:

在FC84中重复了类似的仿真和实测。当样品浸入在FC-84中时,介质阻尼是主导,无论是仿真还是实测,瞬态位移信号均发生迅速衰减(图6)。

结论

本文对单个cMUT单元的有限元仿真和试验进行了明确的相关性研究,并对cMUT单元的动态特性进行了清晰的阐述。ANSYS仿真结果与Polytec实测结果的一致性较高。相应的空间压力结果与水听器的测量结果也比较吻合。这说明ANSYS结合瑞利积分法是一种快速有效的压力场仿真方法。我们相信这对未来复杂cMUT阵列的设计大有裨益。

 

Images courtesy: Images courtesy of the authors unless otherwise specified. Cover image: ©istock.com/monkeybusinessimages