[发明专利]CMUTs谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法及匹配网络

说明书

本发明公开了CMUT_S谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法及匹配网络，CMUTs谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法，包括电压源，LC调谐网络，CMUTs等效电路网络以及负载网络。电压源，主要为LC调谐网络，CMUTs等效电路网络以及负载网络提供交流电压。通过LC调谐网络对CMUTs等效电路网络在并联谐振频率处电抗进行阻抗匹配，使其串并联谐振频率过零点。本发明使CMUTs在低电压下具有过零点的串并联谐振频率，所述阻抗匹配方法简单方便，能够使CMUTs在小于30V直流偏置电压下谐振，反射损失S₁₁在谐振工作频率点减小到‑25dB～‑40dB之间，提高回波损耗S₂₁大于‑3dB，降低了CMUTs功耗并提高传输效率。

技术领域

本发明属于MEMS传感器电子测量技术领域，特别涉及基于CMUTs(CapacitiveMicromachined Ultrasonic Transducers，电容式微加工超声换能器)谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法。

背景技术

阻抗匹配是一种负载阻抗与输入端的内阻抗相适配，系统达到最大输出功率的工作状态，并与系统类型相关，分为物理匹配和电学匹配。物理匹配主要针对声阻抗匹配，通过添加匹配材料减少声能的耗散。当系统为纯电阻电路时，若负载阻抗与输入端的内阻抗相等，系统输出功率最高；当系统为波长短的高频信号时，传输线上的信号产生反射并形成驻波，会产生振荡和辐射干扰。阻抗匹配技术广泛应用在雷达通信、卫星广播、射频电子系统、压电换能器件等领域。

通常采用史密斯阻抗匹配圆来对系统进行阻抗匹配分析，常用的方式有Γ型、反Γ型、T 型以及Π型网络。其中，Γ型适用于匹配负载阻抗小于输入端阻抗的情况，反Γ型适用于匹配负载阻抗大于输入端阻抗的情况，T型和Π型是由Γ型和反Γ型按不同组合方式级联形成的复杂阻抗匹配网络，适应于复杂阻抗匹配环境。

国外学者针对频率为3MHz的CMUTs超声治疗应用，通过阻抗匹配方法提高了输出声压，这对超声成像和聚焦具有重要作用。国内中船重工集团第七一五研究所针对压电式超声换能器通过串联电感的方式进行阻抗匹配，减小了传输线缆上的分布电容；中北大学设计了电感-电容复合匹配网络对声光可调滤光器进行了匹配，传输效率在宽带范围内均提高至85％以上，衍射效率最高可达92.67％，使反射损失S₁₁参数小于-10dB，插入损耗S₂₁参数大于-1dB；研究人员还利用史密斯阻抗匹配方法对天线进行调谐匹配提高信号收发质量。因此，针对CMUTs以及压电换能器的阻抗匹配，主要应用在超声聚焦以及治疗等方面，能够较好地提高发射声压的强度和功率。

CMUTs谐振式生化传感器近年来成为研究热点，主要特点为交直流激励、品质因子高(功能化后可达几百～几千)，谐振频率高(MHz级)，检测灵敏度高(可达ppb级别)，能实现实时生化物质检测。由于CMUTs本身电容性结构以及寄生电容的影响，其电抗在较大直流偏置电压下才具有过零的串并联谐振点，低电压下明显为负的容性电抗，直接造成其能量损耗大，反射损失S₁₁和回波损耗S₂₁大，低电压下难以谐振，无法使用。

综上所述，针对CMUTs谐振式生化传感器，在低电压下对CMUTs电抗进行交流调谐，形成过零的串并联谐振点，需要研究相应的阻抗匹配方法，这对降低CMUTs谐振式生化传感器功耗和建立低电压谐振电学模型具有重要意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供CMUT_S谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法及匹配网络，获得LC调谐网络，以使CMUTs在电压小于30V的条件下仍然具有过零的串并联谐振点，能够正常工作。

一种基于CMUTs谐振式生化传感器的低电压阻抗匹配方法，包括以下步骤：