引 言
本应用说明阐述了如何使用AT-AWG-401X系列任意波形发生器生成超声MEMS传感器测试与设计所需的信号。
AT-AWG-4012/14/18系列任意波形发生器可简化脉冲信号和线性调频信号的生成， 这类信号常用于MEMS传感器的设计测试与性能表征 。针对输入为24Vpp 、连接至高阻抗负载（50Ω时为12Vpp） 并接入±12V高阻抗模拟偏移电压的测试场景， AWG-401X是此类测试的理想解决方案——该设备必须满足高电压幅度 、可编程脉冲宽度以及精确上升/下降时间的要求。
关键问题：
超声波MEMS传感器的设计与测试
解决方案：
AT- AWG -4012/4014/4018任意波形发生器
结果:
加速超声MEMS传感器的测试 、可靠性评估 、性能表征及失效分析。
缩短生成复杂序列脉冲场景所需的时间。
关于MEMS传感器的综合考量
MEMS（微机电系统）传感器利用硅的独特机械特性， 集成能够感知加速度 、旋转 、角速率 、振动 、位移 、航向及其他物理与环境参数的机械结构。
这些考量因素与具有优异谐波失真的模拟前端相结合， 形成了一种融合电气电路与三维机械结构的电路系统。
如今，MEMS传感器和麦克风已广泛应用于众多领域， 涵盖距离与运动检测 、移动设备 、物联网 、无人机 、汽车工业 、压力测量 、湿度与温度传感等诸多方面。
MEMS传感器的主要类型
• 加速度计
• 陀螺仪
• 数字罗盘
• 惯性测量单元（IMU）
• MEMS麦克风
• 压力传感器
• 温度传感器
• 接近传感器
• 湿度传感器
图 1：MEMS 传感器 图 2：MEMS 传感器
应用实例
用于距离测量的超声波传感器
为遏制新冠肺炎的传播， 要求各办公室和工厂营造一种能确保工人之间保持社交距离并落实安全工作措施的工作环境。
距离测量精度方面， 超声波传感器可达小于1厘米， UWB 可达小于10厘米； 而BLE技术的测量精度范围可达数米， 这不足以在两人接近推荐的安全距离（约2米） 时进行检测。
安装在传感器上的超声换能器发射超声脉冲并接收从物体表面反射回来的波。
利用这种飞行时间（ToF）技术， 可精确测定物体的距离。用于工业和汽车领域的超声波微机电系统（MEMS）工业应用领域包括精准农业 、建筑机械 、无人机 、 自动导引车（AGV） 、机器人及工业电机。
运动传感器数据在实现自动化 、提升效率以及监测这些工业应用中的运行状态方面已变得至关重要。
MEMS加速度计产品可提供这些应用所需的精确运动 、振动及倾斜测量数据。
在汽车领域， MEMS传感器可广泛应用于多种场景， 涵盖航位推算 、车辆间定位 、视觉系统 、增强现实 、车门升降控制 、远程信息处理 、车载信息娱乐系统以及智能天线等。
图3：农业中的无人机
MEMS气压传感器
最新的气压传感器采用创新的电容式MEMS架构， 相较于竞品技术可实现更低的功耗和更低的噪声水平。
这类MEMS器件能够测量低至5厘米的高度变化（小于单个台阶的高度）， 特别适用于智能手机 、平板电脑 、可穿戴设备 、无人机等多种设备， 可用于精准定位紧急呼叫位置 、追踪活动时的海拔变化以实现运动监测 、支持室内或三维导航以及其他基于运动或位置的服务。
图4 ：用于户外活动的气压传感器
MEMS中的信号生成超声医学成像应用
与磁共振成像 、计算机断层扫描和X射线等其他常用方法相比， 超声成像因其对人体危害较小的特点， 在医学领域备受关注。
此外， 过去十年间电容式微加工超声换能器（CMUT）技术的出现进一步激发了研究兴趣 。与压电式换能器相比， CMUT 具有更宽的工作带宽以及适用于大规模阵列应用的更简化制造工艺等优势。
高压输出脉冲驱动器与电平转换器采用多级堆叠架构， 并配备动态栅极偏置电路， 可在驱动浸于油环境中的CMUT 器件时， 生成频率为1.25MHz 、峰值电压超过10V的脉冲信号。
脉冲宽度 、周期以及所需产生的声压值（与输出脉冲信号的最大电压相关） 均在系统层面根据具体的医学成像应用需求以及后续换能器的设备特性进行确定。
将 CMUT 安装的PCB置于装有植物油的玻璃容器中以模拟水下环境， 而IC安装板则置于容器外部。水听器被置于距 CMUT 仅几毫米处， 用于测量产生的透射声压并将其转换为电压信号。
图5： AWG -401X驱动 CMUT 传感器
在设计阶段， 通常需要使用外部任意波形发生器来生成10Vpp的输入脉冲以驱动输出端的 CMUT 。
特定医学影像应用需要具有不同振幅水平的信号：
该 CMUT 将电信号转换为与施加电压大小相对应的声压信号。
Active Technologies AWG -4012/14/18型发电机具备无与伦比的电压摆幅能力， 并结合硬件偏移功能： 其12 V峰峰值（50 Ω至50 Ω) 的幅度范围以及±6 V（50 Ω至50 Ω) 的硬件偏置电压， 可提供总计24 V峰峰值至50 Ω或48 V峰峰值至高阻抗范围内的电压窗口。
图6：使用AWG -401X测量高阻抗脉冲下的24 V峰峰值电压
图 7 ：最小脉冲宽度为 2.5 纳秒
图 8 ：快速上升时间 – 1.1 纳秒
图9 ：采用AWG -401X的48V电压范围
通过任意函数发生器模式， 所有脉冲参数均可实时无误地调整： 可实时控制脉冲宽度 、上升/下降时间 、周期 、延迟及振幅。
图 10： AFG 模式用户界面
图 11：AT 波形编辑器
图 12： AWG 模式用户界面
图13：使用AT- AWG 401X生成的汽车传感器信号
适用于医学成像应用的多级脉冲技术
本文提出了一种两级或三级脉冲方案， 适用于医学超声成像领域， 尤其适用于采用电容式微加工超声换能器（CMUT） 的应用场景。
该脉冲发生器采用自举电路与动态偏置堆叠晶体管相结合的设计方案， 可在不降低器件可靠性的情况下实现高于工艺极限的高压工作状态。
医学超声成像技术通过以低成本 、无创方式提供具有高时空分辨率的不同器官实时图像， 对临床实践产生了深远影响 。近年来， 电容式微加工超声换能器（CMUT） 相较于传统块状压电换能器展现出多项优势 ：体积更小 、带宽更宽， 且易于与接口电路集成 。与压电换能器相比， 在相同面积下， CMUTs通常具有更高的电气阻抗。
超声脉冲发生器是医学超声成像系统的关键组件之一， 它驱动超声换能器（包括具有高电压输出摆幅的CMUT）产生朝向目标组织的超声压力脉冲。
图14 ：超声发生器电路 图 15： 多级脉冲
Active Technologies波形编辑器工具可让您轻松创建多级脉冲信号， 这是此类应用的关键要素； 同时还可添加噪声和/或滤波器以模拟真实环境。
图16：使用AT波形编辑器用户界面创建多级脉冲
图 17：具有真实仲裁用户界面的多级脉冲
图18：使用AWG -401X的多级脉冲
图19 多级脉冲 使用AWG 401X改变斜率
图20 ：采用AWG -401X的多级脉冲
自动驾驶车辆用超声波传感器的安全性
汽车行业是物联网（IoT） 最具前景的领域之一 。 自动驾驶技术基于现代传感器， 使车辆能够自主监测驾驶环境。
自动驾驶车辆的安全性取决于传感器的可靠性。
它们被广泛应用于物联网设备中进行距离测量和占用检测， 这对应于车辆中的两种应用场景：
1. 当汽车以低速行驶时的停车操作
2. 在高速行驶时检测盲区。
传感器应能检测所有存在的障碍物并避免误报； 车辆则需正确处理以下两种场景。
1. 遇障停车： 车辆应停止向行驶路径上的障碍物移动， 并避免发生主动碰撞。
2. 无障碍持续行驶： 车辆在行驶路径无障碍物时应保持持续行驶， 并避免与未预判情况的交通参与者发生被动碰撞。
在设计阶段， 可在实验室中模拟对独立式超声波传感器的攻击， 并在户外环境中模拟对多种车辆搭载式传感器的攻击。
通过使用任意波形发生器生成的空中信号进行传输， 可创建多种攻击场景以模拟以下情况：
1. 车辆在本应继续行驶时却突然停止： 我们通过设计两种欺骗攻击方式——随机欺骗攻击和自适应欺骗攻击， 诱使车载超声波传感器将检测范围内任何不存在的障碍物误判为真实障碍物。
2. 车辆在应停止时仍持续行驶： 超声波传感器的设计特性使其能够隐藏障碍物 。干扰攻击或自适应欺骗攻击均可能阻止传感器检测到道路上的障碍物。
超声波传感器于20世纪90年代初首次被应用于汽车， 作为停车辅助系统的传感器。
攻击场景： 攻击者可窃听车载传感器产生的物理信号， 并主动生成任意形式（频率 、幅度 、持续时间 、相位等） 的伪造回波， 从而干扰或压制传播过程中的其他并发物理信号。
图 21 ：汽车行业的攻击阻断框图
自动驾驶车辆用超声波传感器的安全性
1. 欺骗攻击： 欺骗攻击涉及发射精心设计的信号（例如超声脉冲）， 这些信号与传感器传输的信号 完全相同， 即具有相同的频率 、调制方式等参数。 因此， 传感器可能将欺骗信号与真实信号以相同方式识别， 并错误地检测到不存在的障碍物 。通过精确调整欺骗信号的发送时机， 攻击者可在其选定的不同位置“创建”虚假障碍物。
2. 干扰攻击： 干扰攻击通过注入类似但强度更高的信号来压制真实信号 。传感器通常设计为能够抵抗常见的环境噪声， 但几乎无法抵御强干扰信号 。 目前尚不清楚传感器在遭受干扰攻击时能否有效检测目标物体； 若干扰强度过大导致传感器服务中断， 传感器与汽车是否仍能平稳运行且不会引发故障亦不明确。
图 22 ：欺骗攻击与干扰攻击
构建随机欺骗器： 为验证欺骗攻击的有效性， 我们购置了工作频率与目标传感器完全相同的超声波换能器。
为驱动这些传感器， 我们采用了一种现成硬件设备——任意波形发生器。
下图展示了AWG -401X系列序列发生器的结构示意图： 其中包含一串脉冲信号 、一个作为暂停功能的直流电平以及一个作为超声波响应的回波信号。
图23：True-Arb 用户界面
图24：列车脉冲与超声波传感器
图 25 ：发送与接收的传感器信号
AWG -4012/14/18配备内置高斯随机噪声发生器， 可向信号中添加噪声， 以模拟超声传感器在嘈杂环境中的响应特性， 或模拟回波信号与环境之间的相互作用。
波形编辑器软件包可让您轻松创建高度复杂的模拟及数字波形； 此外， 还可为所编辑信号添加噪声处理与滤波功能。
图 26：AT 波形编辑器用户界面
图 27 ：接收来自 MEMS 传感器的失真信号
图28：模拟传感器接收的噪声信号
干扰攻击
干攻击会产生超声波噪声， 导致传感器膜持续振动， 从而使距离测量无法实现。
电压水平：压电晶体产生的声波振幅取决于驱动晶体的信号电压水平 。因此， 有效干扰距离由施加的电压决定。
AWG -4012/14/18型任意波形发生器可产生高达24伏的方波脉冲， 并适用于高阻抗环境。
图 29 ：啁啾信号
图 30 ：啁啾信号
用于传感器的超声波通信与测距系统
超声波飞行时间（ToF）传感器被公认为汽车 、工业领域以及无人机和机器人领域的最佳测距传感器 。与光学或红外传感器相比， 它具有诸多显著优势： 无论目标尺寸或颜色如何， 都能提供最精确的距离测量； 不受环境噪声影响； 且可在直射阳光下正常工作 。正因如此， 加之其结构坚固 、测量精度高且可靠性强， 超声波传感器已广泛应用于工业和汽车领域。
基于MEMS的超声波传感器在性能和可靠性方面与传统超声波传感器相当， 但体积可缩小至传统产品的千分之一， 功耗亦可降低至传统水平的十分之一。
其灵敏度比传统超声波传感器低100倍 。这些微型传感器体积小巧， 足以满足智能手机和可穿戴设备等紧凑型消费电子产品中全谱段超声波传感的需求。
图31：使用外部锁存器对地址/数据总线进行解复用
该传感器通过发射超声波“ 啁啾信号” 并接收来自其视场内目标物体的回波来测量距离 。每个回波均以声速传播， 其飞行时间可精确测定与对应目标物体之间的距离。
与其采用随时间线性递增频率的信号传输方式， 应使用具有锯齿状（上下） 频率变化特征的啁啾信号来估算节点间的相对距离和速度。
传统的 FMCW 方法利用环境物体反射的回波， 为这些物体提供距离测量功能 。该方法可应用于“ 随流而行”式距离测量方案： 此时， 集群中的每个节点均可独立完成距离测量， 因此无需同步处理。
图 32： AFG 用户界面扫描模式
图 33 ：生成正弦波形的频率扫描曲线
图 34 ：啁啾信号的生成
用于混凝土损伤检测的超声MEMS技术
在过去几十年中， 非线性超声技术已被开发用于检测土木工程领域相关材料（如混凝土或砂浆） 中的损伤存在情况。
高分辨率超声波形生成技术结合高压信号， 能够检测样品微观结构中的细微变化， 因此相较于传统线性超声技术更能有效识别微小裂纹或损伤区域。
缓慢动力学
使用 AWG -4012/14/18型任意波形发生器在样品一端施加激励信号； 通过数字示波器在另一端采集响应时序信号 。待系统达到稳态后， 立即在短时间内记录信号数据。
图 35 ：用于损伤检测的 MEMS 传感器框图
快速动力学
相同的样本及实验设置亦被用于评估快速动力学效应 。在此情况下， 源振幅变化的实验方案有所不同。
边缘处的信号振幅与样品中的应变振幅成正比， 因为我们激发的是压缩波 。结果表明材料会发生软化现象， 且衰减随应变增大而增加， 这与文献中对类似样品的观测结果一致。
结论
超声波MEMS传感器可应用于多种领域， 近年来已变得极为普及。
半导体及数字成像企业正向这一特定细分市场投入资金与研发资源； 预计该市场规模将在2025年达到约60亿美元 。 AWG -4012/14/18系列任意波形发生器是设计 、测试及表征下一代超声MEMS器件的关键组件。
