从自动驾驶到医疗成像：一台AWG如何撬动超声MEMS的百亿市场？

超声MEMS传感器正从医疗成像到自动驾驶等领域重塑百亿级市场。然而其测试面临高压驱动、快速边沿、多级脉冲等严苛挑战。本文以德思特TS-AWG4000系列任意波形发生器为核心解析其如何以12Vpp50Ω以及24VppHiz高压输出、1.1ns边沿和灵活序列器功能成为超声MEMS设计验证的关键工具。一、什么是MEMS传感器微机电系统MEMS是一项将机械结构与电子电路集成在同一芯片上的技术。它利用硅材料独特的机械特性制造出尺寸在微米乃至纳米级别的敏感元件能够感知加速度、角速率、振动、压力、温度、湿度以及声波等物理和环境信号。如今MEMS传感器已无处不在智能手机中的加速度计和陀螺仪、汽车中的气囊触发传感器和胎压监测、无人机中的惯性测量单元、可穿戴设备中的心率监测……而在众多MEMS器件中超声MEMS传感器正成为一个快速增长的重要分支。超声MEMS传感器与传统压电超声换能器相比基于MEMS的超声传感器如电容式微机械超声换能器CMUT体积更小、带宽更宽、功耗更低且易于与信号处理电路集成。这些优势使其在医学成像、汽车自动驾驶、无人机避障、物联网测距等领域获得了越来越广泛的应用。然而超声MEMS器件的测试与表征面临一系列挑战需要高电压幅度通常10 Vpp以上的驱动脉冲、可编程的脉冲宽度和上升/下降时间、灵活的多电平脉冲生成能力以及模拟真实噪声环境的信号源。这些需求对信号发生器提出了很高的要求。本文介绍的德思特TS-AWG4000系列任意波形发生器正是应对这些挑战的理想解决方案。二、AWG在各行业超声MEMS测试中的关键应用1.汽车自动驾驶传感器安全性的验证工具自动驾驶技术的安全性高度依赖于传感器的可靠性。超声波传感器在汽车中有两个典型应用场景低速行驶时的泊车辅助与障碍物检测以及高速行驶时的盲点监测。传感器应准确检测障碍物同时避免误报。然而超声波传感器面临着潜在的安全威胁欺骗攻击攻击者发射与传感器自身信号频率、调制等完全相同的伪造回波使传感器错误报告不存在的障碍物。通过精心调整信号时机可以在任意位置“制造”假障碍物。干扰攻击注入相似但更强的信号压制真实回波导致传感器无法检测真实障碍物甚至进入拒绝服务状态。超声传感器面临的欺骗示意图TS-AWG4000的解决方案欺骗攻击模拟序列器可装载脉冲序列、直流电平模拟暂停和回波信号精确复现攻击波形。通过获得与目标传感器相同频率的换能器并由AWG-4000驱动可在实验室复现各类欺骗场景。干扰攻击模拟在高阻抗下输出最高24 Vpp的方波脉冲干扰距离由输出电压电平精确控制。内置高斯随机噪声发生器可产生持续的超声噪声模拟干扰攻击导致的传感器膜持续振动状态。环境噪声模拟波形编辑器支持为信号添加噪声和滤波功能验证传感器在真实嘈杂环境下的可靠性。TS-AWG4000系列的序列器装载了一列脉冲、一个作为暂停的直流电平和一个作为超声响应的回波2.无人机与机器人微型化测距与通信基于MEMS的超声传感器提供与传统超声传感器同等的性能和可靠性但其体积缩小至传统产品的1/1000以下功耗降低约100倍。这些微型传感器使智能手机、可穿戴设备、无人机等紧凑型设备中的超声波传感成为可能。在测距应用中传感器发出超声波脉冲或“啁啾”信号通过飞行时间ToF计算与目标的距离。在通信应用中采用频率呈锯齿波变化的啁啾信号进行FMCW调制可估算节点间的相对距离和速度且无需精确的时钟同步。超声传感器在测距与通信中的应用示意图TS-AWG4000的解决方案Simple AFG界面支持直接生成扫频啁啾信号无需复杂编程可实时调整扫频范围、周期和幅度快速验证不同参数下的测距与通信性能3.医学超声成像CMUT器件的理想驱动在医学超声成像领域CMUT技术近年来备受关注。与传统的压电换能器相比CMUT具有更宽的操作带宽、更小的器件体积以及更易于实现大型阵列的制造工艺。这些特性使其在低成本、非侵入性、高时空分辨率的实时医学成像中具有显著优势。CMUT驱动面临的挑战CMUT器件需要高压脉冲信号来实现足够的声压输出。具体而言在驱动浸入油环境中的CMUT器件时需要频率约1.25 MHz、幅度超过10 Vpp的脉冲信号。脉冲宽度、周期以及声压量与最大电压相关需根据具体成像应用和换能器特性在系统层级确定。TS-AWG4000的解决方案提供高达24Vpp HiZ 的输出电压可实现48V的电压输出窗口远超10 Vpp的基本需求支持两电平、三电平脉冲的便捷生成满足不同成像模式的驱动要求通过波形编辑器软件工具允许实时添加噪声和滤波器模拟临床真实环境使用TS-AWG4000任意波形发生器进行超声微机动系统测试德思特AT任意波形发生器波形编辑器工具在实际测试配置中CMUT安装的PCB置于模拟水下环境的容器中常用植物油水听器放置在距离CMUT几毫米处测量传递的声压并转换为电压信号。TS-AWG4000提供精确的驱动脉冲是实现这一测试闭环的关键环节。三、总结超声MEMS传感器正在从医学成像、工业无损检测、汽车自动驾驶到无人机避障、物联网测距等各个领域发挥着日益重要的作用。市场预测显示该细分市场规模在2025年将达到约60亿美元。在这一快速增长的领域中高效、可靠的测试与表征工具不可或缺。德思特TS-AWG4000系列任意波形发生器凭借其高压输出24VppHiz、快速边沿1.1 ns、灵活的参数调整能力、多级脉冲生成、内置噪声源和序列器功能已成为下一代超声MEMS系统及其组件设计、测试与表征的关键工具。无论是驱动CMUT进行医学成像研究还是验证自动驾驶超声波传感器的安全性抑或是开发微型化的无人机测距模块TS-AWG4000都提供了一个灵活、强大且易于使用的信号生成平台。