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12Vpp@50Ω以及24Vpp@Hiz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。

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。

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

• 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

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

• 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

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。

• 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。

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（24Vpp@Hiz）、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。