同步扫描正弦技术在利用激光多普勒振动测量法对电容式微机械传感器（CMUT）进行特性分析中的应用

《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》：Application of Synchronized Swept-Sine Technique in CMUT Characterization Using Laser-Doppler Vibrometry

　　

摘要：

电容式微机械超声换能器（CMUTs）为临床成像和可穿戴设备提供了大规模生产且成本效益高的换能器解决方案。然而，它们固有的非线性特性，尤其是在高激励电压下，会降低性能和图像质量。这需要直接在晶圆上对单个CMUT换能器进行快速的非接触式表征。本研究首次将同步扫描正弦技术（SST）应用于激光多普勒振动测量（LDV），以实现对单个换能器单元的全面表征。在SST中，通过使用指数啁啾信号进行激励并应用逆滤波器，可以从单次测量中提取线性和非线性谐波传递函数。利用扫描式LDV系统，我们在空气和油环境中对一个包含64个单元（直径50 μm）的CMUT阵列中的每个单元进行了1...16 MHz频率范围内的表征。该方法揭示了定量频谱数据，包括该CMUT在6.4 MHz处的共振频率以及相对于基频低11.8 dB的二次谐波失真。结果表明，不同单元之间的谐波传递函数存在显著差异，并且由于单元间的声学耦合，即使在没有激励的情况下也会出现非线性行为。这些发现表明，SST-LDV是一种强大的补充技术，可以与电阻抗测量方法相结合。该方法提供了对CMUTs发展、模型验证以及潜在的高通量MEMS制造质量控制至关重要的空间分辨机械信息。