什么是MEMS傳感器？

微機電系統(tǒng)（MEMS）是一項將機械結(jié)構(gòu)與電子電路集成在同一芯片上的技術(shù)。它利用硅材料獨特的機械特性，制造出尺寸在微米乃至納米級別的敏感元件，能夠感知加速度、角速率、振動、壓力、溫度、濕度以及聲波等物理和環(huán)境信號。

如今，MEMS傳感器已無處不在：智能手機中的加速度計和陀螺儀、汽車中的氣囊觸發(fā)傳感器和胎壓監(jiān)測、無人機中的慣性測量單元、可穿戴設備中的心率監(jiān)測……而在眾多MEMS器件中，超聲MEMS傳感器正成為一個快速增長的重要分支。

超聲MEMS傳感器

與傳統(tǒng)壓電超聲換能器相比，基于MEMS的超聲傳感器（如電容式微機械超聲換能器，CMUT）體積更小、帶寬更寬、功耗更低，且易于與信號處理電路集成。這些優(yōu)勢使其在醫(yī)學成像、汽車自動駕駛、無人機避障、物聯(lián)網(wǎng)測距等領域獲得了越來越廣泛的應用。

然而，超聲MEMS器件的測試與表征面臨一系列挑戰(zhàn)：需要高電壓幅度（通常10 Vpp以上）的驅(qū)動脈沖、可編程的脈沖寬度和上升/下降時間、靈活的多電平脈沖生成能力，以及模擬真實噪聲環(huán)境的信號源。這些需求對信號發(fā)生器提出了很高的要求。

本文介紹的德思特TS-AWG4000系列任意波形發(fā)生器，正是應對這些挑戰(zhàn)的理想解決方案。

AWG在各行業(yè)超聲MEMS

測試中的關(guān)鍵應用

汽車自動駕駛：

傳感器安全性的驗證工具

自動駕駛技術(shù)的安全性高度依賴于傳感器的可靠性。超聲波傳感器在汽車中有兩個典型應用場景：低速行駛時的泊車輔助與障礙物檢測，以及高速行駛時的盲點監(jiān)測。傳感器應準確檢測障礙物，同時避免誤報。

然而，超聲波傳感器面臨著潛在的安全威脅：

• 欺騙攻擊：攻擊者發(fā)射與傳感器自身信號（頻率、調(diào)制等完全相同）的偽造回波，使傳感器錯誤報告不存在的障礙物。通過精心調(diào)整信號時機，可以在任意位置“制造”假障礙物。

• 干擾攻擊：注入相似但更強的信號壓制真實回波，導致傳感器無法檢測真實障礙物，甚至進入拒絕服務狀態(tài)。

超聲傳感器面臨的欺騙示意圖

TS-AWG4000的解決方案

• 欺騙攻擊模擬：序列器可裝載脈沖序列、直流電平（模擬暫停）和回波信號，精確復現(xiàn)攻擊波形。通過獲得與目標傳感器相同頻率的換能器，并由AWG-4000驅(qū)動，可在實驗室復現(xiàn)各類欺騙場景。

• 干擾攻擊模擬：在高阻抗下輸出最高24 Vpp的方波脈沖，干擾距離由輸出電壓電平精確控制。內(nèi)置高斯隨機噪聲發(fā)生器可產(chǎn)生持續(xù)的超聲噪聲，模擬干擾攻擊導致的傳感器膜持續(xù)振動狀態(tài)。

• 環(huán)境噪聲模擬：波形編輯器支持為信號添加噪聲和濾波功能，驗證傳感器在真實嘈雜環(huán)境下的可靠性。

TS-AWG4000系列的序列器裝載了一列脈沖、一個作為暫停的直流電平和一個作為超聲響應的回波

無人機與機器人：

微型化測距與通信

基于MEMS的超聲傳感器提供與傳統(tǒng)超聲傳感器同等的性能和可靠性，但其體積縮小至傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/1000以下，功耗降低約100倍。這些微型傳感器使智能手機、可穿戴設備、無人機等緊湊型設備中的超聲波傳感成為可能。

在測距應用中，傳感器發(fā)出超聲波脈沖（或“啁啾”信號），通過飛行時間（ToF）計算與目標的距離。在通信應用中，采用頻率呈鋸齒波變化的啁啾信號進行FMCW調(diào)制，可估算節(jié)點間的相對距離和速度，且無需精確的時鐘同步。

超聲傳感器在測距與通信中的應用示意圖

TS-AWG4000的解決方案

• Simple AFG界面支持直接生成掃頻啁啾信號，無需復雜編程

• 可實時調(diào)整掃頻范圍、周期和幅度，快速驗證不同參數(shù)下的測距與通信性能

醫(yī)學超聲成像：

CMUT器件的理想驅(qū)動

在醫(yī)學超聲成像領域，CMUT技術(shù)近年來備受關(guān)注。與傳統(tǒng)的壓電換能器相比，CMUT具有更寬的操作帶寬、更小的器件體積，以及更易于實現(xiàn)大型陣列的制造工藝。這些特性使其在低成本、非侵入性、高時空分辨率的實時醫(yī)學成像中具有顯著優(yōu)勢。

CMUT驅(qū)動面臨的挑戰(zhàn)：CMUT器件需要高壓脈沖信號來實現(xiàn)足夠的聲壓輸出。具體而言，在驅(qū)動浸入油環(huán)境中的CMUT器件時，需要頻率約1.25 MHz、幅度超過10 Vpp的脈沖信號。脈沖寬度、周期以及聲壓量（與最大電壓相關(guān)）需根據(jù)具體成像應用和換能器特性在系統(tǒng)層級確定。

TS-AWG4000的解決方案

• 提供高達24Vpp@ HiZ 的輸出電壓，可實現(xiàn)48V的電壓輸出窗口，遠超10 Vpp的基本需求

• 支持兩電平、三電平脈沖的便捷生成，滿足不同成像模式的驅(qū)動要求

• 通過波形編輯器軟件工具允許實時添加噪聲和濾波器，模擬臨床真實環(huán)境

使用TS-AWG4000任意波形發(fā)生器進行超聲微機動系統(tǒng)測試

德思特AT任意波形發(fā)生器波形編輯器工具

在實際測試配置中，CMUT安裝的PCB置于模擬水下環(huán)境的容器中（常用植物油），水聽器放置在距離CMUT幾毫米處測量傳遞的聲壓并轉(zhuǎn)換為電壓信號。TS-AWG4000提供精確的驅(qū)動脈沖，是實現(xiàn)這一測試閉環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

總結(jié)

超聲MEMS傳感器正在從醫(yī)學成像、工業(yè)無損檢測、汽車自動駕駛到無人機避障、物聯(lián)網(wǎng)測距等各個領域發(fā)揮著日益重要的作用。市場預測顯示，該細分市場規(guī)模在2025年將達到約60億美元。

在這一快速增長的領域中，高效、可靠的測試與表征工具不可或缺。德思特TS-AWG4000系列任意波形發(fā)生器憑借其高壓輸出（24Vpp@Hiz）、快速邊沿（1.1 ns）、靈活的參數(shù)調(diào)整能力、多級脈沖生成、內(nèi)置噪聲源和序列器功能，已成為下一代超聲MEMS系統(tǒng)及其組件設計、測試與表征的關(guān)鍵工具。

無論是驅(qū)動CMUT進行醫(yī)學成像研究，還是驗證自動駕駛超聲波傳感器的安全性，抑或是開發(fā)微型化的無人機測距模塊，TS-AWG4000都提供了一個靈活、強大且易于使用的信號生成平臺。