块体式压电超声换能器 vs. 光机械MEMS超声传感器
2025-10-25 14:00:24 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

对基于高灵敏度环形谐振器的光机械MEMS超声传感器（OMUS）与单元聚焦压电超声换能器（FPUT）进行了差异对比。比较内容包括：两种探测器的信噪比（SNR）、脉冲响应、轴向点扩散函数（PSF）以及空间灵敏度。

利用光机械MEMS超声传感器（OMUS）进行光学声波探测是一种在光声（OptA）成像中极具前景的检测技术。该技术能够实现数十微米级的小型有效检测面积，并且其灵敏度不随面积变化而下降。此外，它还具有低成本阵列化生产的潜力。然而，尽管OMUS的灵敏度常以噪声等效声压密度（NEPD）来表征，但目前尚无在相同实验条件下与传统块体式压电超声换能器进行直接比较的研究工作。

据麦姆斯咨询报道，近期，德国慕尼黑工业大学（TUM）和比利时微电子研究中心（imec）的研究人员组成的团队在相同实验条件下，对基于高灵敏度环形谐振器的OMUS与单元聚焦压电超声换能器（FPUT）进行了差异对比。比较内容包括：两种探测器的信噪比（SNR）、脉冲响应、轴向点扩散函数（PSF）以及空间灵敏度。研究结果表明，在相同的工作距离下，OMUS的信噪比低于FPUT；但当探测器靠近被测样品（例如在光声显微应用中）时，两者性能相当。OMUS的独特优势在于其点状声学探测器的空间特性，可有效降低FPUT因大面积探测所受超声干扰的影响。最后，该研究还探讨了这两种探测方案在光声系统设计中的应用意义。上述研究成果以“Comparison of Bulk Piezoelectric and Opto-Mechanical Micromachined Detectors for Optoacoustic and Ultrasound Sensing”为题发表于IEEE Sensors Journal期刊。

OMUS vs. FPUT

图1 OMUS vs. FPUT

实验设置

用于表征OMUS和FPUT的宽带声点源是在一个定制光学分辨率的光声显微镜中通过光声效应创建的（图2）。首先，使用中性密度滤光片以及旋转偏振器和偏振分束器的组合来调节波长为515 nm、重复频率为1.2 kHz、脉冲宽度为1.2 ns的二极管泵浦固态激光器发出的光的功率，以在确保OMUS处于线性工作区的同时，为表征测量提供充足声压。在使用望远镜对光束进行空间清洁和扩展后，通过显微镜物镜将光线聚焦到110 μm薄的黑色乙烯基胶带上。使用带有光电二极管传感器的功率计测得物镜前的平均功率约为200 μW。

实验设置

图2 实验设置

OMUS的光学读出电路是使用一台波长调谐范围为1520-1630 nm、线宽为150 kHz的连续波激光器实现的。激光器的输出通过光纤偏振控制器和配置为光隔离器的循环器耦合到OMUS芯片。通过OMUS芯片传输的光由平衡光电探测器检测，并使用由定制MATLAB代码连接的数据采集卡对信号进行数字化。对于FPUT，光学读出电路被偏置三通（bias-tee）取代，为换能器的内部前置放大器供电。偏置三通的信号输出则直接连接至数据采集卡。

用于比较的FPUT是定制的球面聚焦换能器，其敏感元件分别为压电复合材料或铌酸锂（LiNbO₃），并集成30 dB放大器。压电复合材料换能器的标称中心频率为25 MHz，两个铌酸锂换能器的标称中心频率分别为25 MHz和50 MHz。压电复合材料换能器通过几何聚焦，而铌酸锂换能器则采用声透镜聚焦。每个换能器均具有4 mm的焦距和4 mm宽孔径。用于比较的OMUS样品是由imec提供的直径20 μm的器件。该OMUS芯片被固定在铝基座上，以提供声学背衬。

实验结果

A. OMUS的信噪比低于FPUT，并且轴向分辨率有限

为了对比不同探测器元件的性能，研究人员在光学分辨率光声显微镜中，利用相同的宽带声学点声源对OMUS和三个不同的FPUT进行了表征。所有探测器均在相当的工作距离下运行。

图3展示了OMUS与FPUT的脉冲响应对比。图3a显示了原始的光声瞬态信号（单次采集），而图3b显示了通过平均处理以去除非相关噪声后计算得到的脉冲响应。此外，图3b还展示了轴向声学点扩散函数（PSF）的估计结果，该值通过计算平均瞬态信号的解析信号的幅值获得。假设水中的声速为1500 m/s，PSF的宽度通过解析信号幅值的半高全宽（FWHM）估算得出：OMUS的PSF宽度为135 μm，而FPUT的PSF宽度介于18至66 μm之间。OMUS较宽的PSF意味着，当其作为光声系统中的探测器使用时，轴向分辨率将受到限制。此外，从图3a中的数据可观察到，OMUS记录的原始光声瞬态信号噪声显著高于FPUT所记录的信号。

OMUS和三个FPUT在时域中的脉冲响应测量结果

图3 OMUS和三个FPUT在时域中的脉冲响应测量结果

在图4中，研究人员通过比较原始瞬态信号的功率谱密度（PSD）与瞬态之前的噪声PSD，对各探测器的噪声性能进行了更精细的对比。结果显示，OMUS的峰值信噪比为11 dB，而FPUT的峰值信噪比范围为23至36 dB。

OMUS和三个FPUT在频域中的脉冲响应测量结果

图4 OMUS和三个FPUT在频域中的脉冲响应测量结果

B. OMUS提供点状探测器的空间特性

图5对比了OMUS与FPUT的空间特性。图5a显示了本研究中测试的三个FPUT的灵敏度场切片。图5b展示了三个FPUT与OMUS的横向灵敏度，而图5c则显示了四个探测器的轴向灵敏度。与声透镜聚焦的铌酸锂换能器相比，几何聚焦的25 MHz压电复合材料换能器产生的声学焦点横向更宽、轴向更长。两个铌酸锂换能器的声学焦点在轴向上的延伸长度相当。然而，根据声学衍射的聚焦极限，随着换能器中心频率和带宽的增加，声学焦点的横向尺寸会减小。相比之下，OMUS表现为点状探测器，其灵敏度几乎不受声学点源相对于探测器位置的影响。在这些测量中，OMUS与FPUT被放置在相同的工作距离（约 4 mm）处。

OMUS与三个FPUT的空间特性

图5 OMUS与三个FPUT的空间特性

C. OMUS和FPUT在光学分辨率光声显微镜中的表现相当

图6对比了小鼠耳部血管的两张离体显微图像，分别使用在长工作距离下工作的OMUS（图6a）和25 MHz 压电复合材料FPUT（图6b）记录获得，25 MHz FPUT在频率响应上最接近OMUS。与FPUT显微图像相比（红色箭头标示），OMUS较低的峰值信噪比可能导致其显微图像中小型、低强度特征的缺失。通过计算血管与血管旁背景之间的对比噪声比（CNR）量化这种对比度下降，OMUS的对比噪声比为74，而FPUT的对比噪声比为194。然而，即使OMUS的对比噪声比较低，两张显微图像中可见的主要特征也基本相当。

分别使用OMUS和25 MHz FPUT记录的小鼠耳部血管系统的离体显微图像