加拿大团队开发低频CMUT，可应用于火星风速测量
2022-09-11 10:17:15   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近日，一支由加拿大曼尼托巴大学（University of Manitoba）和温莎大学（University of Windsor）的研究人员组成的团队开发了一种适用于火星风速测量的低频（67.5kHz）电容式微机械超声换能器（CMUT），相关研究成果以“Design, Development, and Characterization of a Low Frequency CMUT-Based Anemometer”为题发表在IEEE Access期刊上。

风速计可用于风速测量，大致分为机械式或电子式。超声风速测量法是一种利用超声信号发射和接收的电子技术。自上个世纪以来，超声被广泛用于各种应用。火星风速测量现在主要集中于这种超声风速测量技术的研究。超声风速测量法利用飞行时间（ToF）计算法来估计风速。这是通过将发射和接收换能器相隔一个固定距离（通常约为12cm）来完成的。风速增加，超声波速度增加，反之亦然。因此，风速与超声波在发射器和接收器之间传播所花费的时间直接相关。基于超声的风速测量法是一种电子技术，具有非接触式工作的优点，并避免了其他技术（如热丝和热膜）的缺点。

压电器件可以产生超声。许多基于压电的超声换能器已经商用化，它们可以在给定的频率范围内工作。然而，压电式换能器具有较高的声阻抗（约30 Mrayl），导致匹配不良，从而造成功率损失。因此，为了使用压电器件，需要一个额外的阻抗匹配层，这增加了制造的复杂性。CMUT也可用于产生超声。CMUT可提供更好的声学匹配，使其非常适合火星的大气条件。

CMUT是通过在固定的底部电极上方设置一层固支薄膜来构建的。如图1所示，电源直接连接到这两层。两层之间的间隙可以是空气或真空。为了使CMUT产生超声，需要将由交流电压叠加的直流电压施加在薄膜和底部电极上。所施加的直流电压作为吸合电压。额外施加的交流信号使薄膜围绕其谐振频率振动。在直流电源的影响下，常规薄膜可能弯曲的情况如图1中虚线所示。图1还说明了超声信号从可活动的薄膜中的产生。

图1 CMUT和超声的产生示意图

为了在火星环境下实现低信号衰减，CMUT器件的工作频率被限制为低于100kHz。这是由于与地球空气相比，火星上的低密度CO₂大气具有高衰减，以及声阻抗失配换能损耗。研究人员已开发出工作频率低于100kHz的CMUT。然而，在已发表文献中描述的CMUT要么尺寸大于4mm，要么工作电压大于170V。考虑到应用于火星环境，在规定功率下的便携性和正常工作是主要的限制因素，而现有器件在连接成阵列时难以使用。本论文设计和开发了一种具有较低工作电压（37V）和较小尺寸（半径170μm）的CMUT，可用于产生所需频率的超声。所开发器件的工作频率被设计为低于最大极限的67.5kHz。在火星环境中，该频率具有最小可能的信号衰减。本论文中提出的技术成本低、体积小，将有助于消除与其他风速测量技术（如热膜或热丝）相关的灵敏度和响应时间问题。

图2 研究人员提出的低频CMUT的三维模型图

在本论文研究中，作者们设计、制造和开发了一种适用于火星风速测量的低频（67.5kHz）CMUT。提出的低频CMUT器件是采用MEMSCAP公司的PolyMUMPs工艺设计和制造的。他们利用COMSOL Multiphysics和MATLAB仿真分别分析和研究了该器件的关键设计参数和可行性。仿真结果表明，所设计的薄膜半径为170μm的CMUT单元具有约65kHz的谐振频率。该器件在20V直流偏压下表现出105nm的静态位移。使用开发的单元模型，他们制造并评估了一个3×10阵列的低频CMUT风速计，它在实验室环境中可产生约65kHz的声信号。该CMUT风速计可在电源小于38 V的情况下工作。他们使用名为CAP1的商用空气耦合电容麦克风评估了其器件性能。从开发的二维CMUT阵列到CAP1（间隔1–15 cm的范围内），他们成功地进行了超声的发射-接收实验。在实验室环境中进行的实验结果表明，提出的基于低频CMUT的超声风速测量技术可以准确测量声速和大气衰减，精度为±5%。

图3 制造的半径为170μm的低频CMUT

图4 低频CMUT阵列的声学特性测试实验设置

图5 声速的估计

论文信息：DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3112107　

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