机电变换器和用于检测机电变换器的灵敏度变化的方法

文档序号:8042689阅读:233来源:国知局
专利名称:机电变换器和用于检测机电变换器的灵敏度变化的方法
技术领域
本发明涉及机电变换器(electromechanical transducer)和用于检测机电变换器的灵敏度变化的方法。
背景技术
机电变换器中的一种是电容型微加工超声变换器(CMUT)。一般地,CMUT包含具有下部电极的基板、被在基板上形成的支撑单元支撑的振动膜、以及在振动膜上形成的上部电极。下部电极面对上部电极,在上部电极和下部电极之间具有间隙。对于间隙包含振动膜、上部电极、以及下部电极的结构被称为“单元”,并且,相互电连接的一个或更多个单元被称为“元件”。在CMUT中,振动膜通过接收的超声波而振动,并且,通过使用电容的变化来检测超声波。CMUT包含以阵列状布置多个元件的元件阵列。所述元件中的每一个将接收的弹性波变换成电信号。但是,元件的特性相互不同。这些差异导致CMUT的灵敏度的变化。为了检测灵敏度的变化,例如PTL 1描述了用于从超声源传送具有单个频率的超声波的方法。 在PTL 1中,元件中的每一个接收超声波。通过使用被多个元件变换的电信号,元件的灵敏度被检测。引文列表专利文献PTL 1 日本专利公开 No. 2004-125514

发明内容
在PTL 1中,为了驱动振动膜,使用超声源。但是,为了使用元件阵列接收从超声源传送的超声波并且计算灵敏度变化,元件需要均勻地(uniformly)接收超声波。但是,从超声源传送的超声波具有方向性。另外,通过所述元件中的每一个接收的超声波的强度受到超声源与该元件之间的介质的影响。由于这些原因,难以在宽广的区域上传送具有均勻强度的超声波。因此,当将PTL 1中描述的用于检测灵敏度变化的方法应用于具有宽广的接收表面的元件阵列时,元件接收具有不同强度的超声波,由此,可能检测不到真实的灵敏度变化。因此,本发明提供一种机电变换器,该机电变换器能够通过向元件均勻地施加信号而在逐个元件的基础上检测在电信号中出现的灵敏度变化,而不管接收表面的尺寸如何。根据本发明的实施例,一种机电变换器包括多个元件,所述多个元件中的每个元件包含至少一个单元,其中所述单元包含第一电极和第二电极,在第一电极和第二电极之间具有间隙;电压施加单元,被配置为向第一电极施加AC (交流)电压;以及灵敏度变化计算单元,被配置为使用由于AC电压的施加而从所述多个元件中的每个元件的第二电极输出的信号来针对该元件计算灵敏度变化。根据本发明,一种机电变换器能够向该机电变换器均勻地施加信号,而不管信号接收表面的尺寸如何。因此,能够在不考虑所施加信号的强度的变化的情况下,检测机电变换器中的逐个元件的基础上的电信号中出现的灵敏度变化。


图1示出根据本发明的机电变换器的示例性配置。图2是用于在根据本发明的机电变换器中使用的用于检测灵敏度变化的方法的流程图。图3示出根据本发明的第一实施例的机电变换器的示例性配置。图4是用于在根据本发明的第一实施例的机电变换器中使用的用于检测灵敏度变化的方法的流程图。图5示出根据本发明的机电变换器的单元的示例性结构。图6示出根据本发明的第二实施例的检测灵敏度变化的机电变换器的示例性配置。图7是用于在根据本发明的第二实施例的机电变换器中使用的用于检测灵敏度变化的方法的流程图。
具体实施例方式根据本发明,检测各电极对中的电极之间的距离。然后,使用差值来检测灵敏度变化。如这里使用的那样,术语“灵敏度”指的是关于振动膜的位移的电流输出量。即,术语 “灵敏度变化”指的是对于各电极对振动膜位移之前的电流输出与振动膜位移之后的电流输出之比。另外,CMUT包含多个单元。根据本发明,元件包含一个或更多个单元。更具体而言,元件包含一个单元或相互电连接(并联)的至少两个单元。当元件包含多个单元时, 单元可具有不同的电极到电极距离。但是,由于在逐个元件的基础上输出电流,因此,逐个元件的基础上的灵敏度变化是重要的。即,根据本发明,不检测各单元的电极到电极距离, 而检测元件的虚拟的电极到电极距离。即,元件形成电容器。下面描述电极到电极距离对于灵敏度变化的影响。在其中在一对电极之间形成间隙的结构中,静电电容C被表达如下C= ε 0Χ ε XSX (1/d)(1),这里,d表示电极到电极距离,ε ^表示真空的介电常数(dielectricconstant), ε表示间隙中的介质的相对介电常数(permittivity),S表示电极面积。在电容型机电变换器中,电极对的电极之一通过诸如超声波的弹性波而位移。因此,当一对电极的电容变化时,机电变换器输出电流。使V表示一对电极之间的电势差。从而,存储于用作电容器的元件中的电荷的量被表达如下Q = CV (2)。此时,输出电流i被表达如下i = AQ/At = -VX E0XeXSX (1/d2) (3)。当接收具有恒定强度的弹性波时,振动膜位移。从式C3)可以看出,对于小位移的输出电流的量受电极到电极距离d影响。S卩,通过检测电极到电极距离d,可以估计单元的灵敏度变化。如本文使用的那样,术语“电极到电极距离d”指的是在振动膜由于外部压力 (例如,气压)和通过当使用时向振动膜施加的直流电流产生的静电吸引力而位移之后的电极到电极距离。元件的电容由面积S、电极到电极距离d、真空的介电常数ε 0、以及间隙中的介质的相对介电常数ε确定。但是,最经常出现电极到电极距离d的误差。这是由于电极到电极距离d受间隙的高度(支撑单元的高度)影响,因此,难以制成具有恒定间隙高度的元件。相反,可通过光刻法制成具有基本上正确的面积S的元件,并且,间隙维持在与真空的压力基本上相同的压力中。因此,介质的相对介电常数ε的误差可忽略地出现。根据本发明,通过使用上述的特性,测量元件中的每一个的电容C,并且,检测电极到电极距离d。由此,计算元件的灵敏度变化。以下参照附图更详细地描述本发明。图1示出根据本发明的能够检测灵敏度变化的机电变换器的示例性配置。图2是用于在根据本发明的机电变换器中使用的用于检测灵敏度变化的方法的流程图。机电变换器包含控制单元10、电压施加单元20、具有在其中形成的多个元件的元件阵列30、信号处理单元40、以及灵敏度评价单元50。元件阵列30包含分别用作电容器的 η个元件311 31η。以下参照图1更详细地描述机电变换器的这些部件。然后,参照图2 描述用于检测灵敏度变化的方法的操作步骤。控制单元10与电压施加单元20连接。控制单元10控制施加的电压,并且,在检测正常的弹性波的检测模式和测量灵敏度变化的测量模式之间切换(步骤S101)。当元件阵列被驱动时,电压施加单元20施加DC电压,并且在DC电压上叠加具有预定的频率f和电压Vin的AC电压(步骤S102)。此时,通过元件中的每一个产生根据AC电压的电流。通过信号处理单元40检测该电流。电压施加单元20与元件中的每一个的第一电极连接。信号处理单元40与元件的第二电极连接。第二电极面对第一电极。如图5所示,第一电极是上部电极101和下部电极104中的一个电极,而第二电极是另一个电极。根据本发明,在元件中的每一个中在一对电极之间形成间隙。由于形成了间隙,因此,当振动膜接收诸如超声波的弹性波时,振动膜移动。因此,电容变化。如图5所示,可以在振动膜上形成上部电极101。但是,当振动膜由半导体(例如,Si)或导电材料形成时,振动膜自身可用作上部电极101。信号处理单元40包含放大器电路411 41η、数据转换单元421 42η、数据处理单元43、以及数据累积单元44。数据处理单元43与多个通道连接。例如,在通道之一中, 从元件311输出的电流通过放大器电路411被转换成电压Vout,并且,模拟电压Vout通过数据转换单元421被转换成数字信号El。数据处理单元43获取转换后的数字信号El,并且计算元件311的电容(步骤S103)。使Vin表示施加的电压、f表示频率、R(Q)表示放大器的跨阻(transimpedance)、 以及Vout表示输出电压。则元件311的电容被表达如下[数学式1]
广. 1 Vout( Λ\Cm = ~—χ--t 4 J。
L JITrfR Vin对于与元件311 31η连接的通道中的每一个执行类似的处理。因此,使用数字信号El和数字信号Ε2 En来计算元件的电容值。计算的电容值被存储于数据累积单元 44中。
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灵敏度评价单元50从数据累积单元44读取元件的电容值。然后,灵敏度评价单元50使用电容值和式(1)计算电极到电极距离d。此外,通过将电极到电极距离d代入式 (3),可以计算元件中的每一个的灵敏度变化(步骤S104)。即,根据本发明,灵敏度评价单元50表示计算元件中的每一个的灵敏度变化的灵敏度变化计算单元。如上所述,根据本发明,向元件中的每一个施加AC电压,并且,检测输出电流。以这种方式,可以向整个元件阵列均勻地施加信号。因此,可以在不考虑施加的信号的变化的情况下检测具有大的面积的元件阵列的灵敏度变化。另外,可使用检测的灵敏度变化来校正灵敏度。为了校正灵敏度,可以使用在PTL 1中描述的增益调整。更具体而言,可对于元件中的每一个设定可编程增益放大器的增益, 使得计算的灵敏度变化减小。第一实施例以下参照图3和图4描述根据本发明的第一实施例的机电变换器和用于检测机电变换器的灵敏度变化的方法。图3示出根据本发明的检测灵敏度变化的机电变换器。图4示出用于在根据本发明的第一实施例的机电变换器中使用的用于检测灵敏度变化的方法。机电变换器包括控制单元10、电压施加单元20、元件阵列30、信号处理单元40、以及灵敏度评价单元50。控制单元10包含将模式变为灵敏度检测模式的模式切换单元11和控制电压施加单元20的输出电压的频率的电压控制单元12。以下更详细地描述电压控制单元12的功能。可以由诸如中央处理单元(CPU)的运算处理单元形成控制单元10。模式切换单元11将模式变为灵敏度检测模式(步骤S101A),并且,电压控制单元12指令电压施加单元20以产生AC电压(步骤S101B)。电压施加单元20产生通常向元件阵列施加的DC电压(例如,50V)以及具有例如 IOMHz的频率和20mV的电平(峰到峰的值)的AC电压(步骤S102)。电压施加单元20可由任意的波形发生器形成。元件阵列30包含分别用作电容器的η个元件311 31η。元件阵列30向信号处理单元40输出电流数据。信号处理单元40包含放大器电路411 41η、数据转换单元421 42η、数据处理单元43、以及数据累积单元44。数据处理单元43与多个通道连接。放大器电路411 41η由跨阻放大器形成。跨阻为例如20kQ。另外,数据转换单元421 42η 中的每一个由模数(AD)转换器形成。数据处理单元43读取从AD转换器输出的数字信号 El Εη,并且检测数字信号El En中的每一个的幅度和相位(步骤S103A)。另外,数据处理单元43使用所检测的数字信号El En的幅度和相位来计算电极对311 31η的电容值,并且将电容值存储于数据累积单元44中(步骤S103B)。同时,数字信号El En中的每一个的相位信息被存储于数据累积单元44中。即,电极对311 31η中的每一个的电容值被存储于数据累积单元44中。数据处理单元43可由诸如CPU的运算处理单元形成。 另外,数据累积单元44可由诸如半导体存储器的存储设备形成。以下描述电压控制单元12的功能。电压控制单元12与电压施加单元20连接。 电压控制单元12控制AC电压的频率和相位。因此,电压控制单元12与设置在信号处理单元40中的数据累积单元44连接。电压控制单元12比较从电压施加单元20输出的信号 Vin的相位Φ 1与存储于数据累积单元44中的数字信号El En的相位Φ2。然后,电压控制单元12控制由电压施加单元20施加的电压的频率,使得相位Φ2和Φ 1之间的相位差Δ φ为约90°。这是因为,如上所述,由于向电容器施加电压时的电流输出而使得所施加的电压的频率滞后90°,因此,只有没有振动膜特性的机械振动的元件的电气阻抗可通过控制频率而被提取。以下更详细地描述该控制的原理。根据本实施例。通过使用元件的电气阻抗计算电容器的电容,估计电极到电极距离。然后,使用电极到电极距离计算灵敏度变化。因此,根据本实施例,为了计算电气阻抗,施加AC电压,并且,测量此时的电流输出。由此,元件的阻抗被估计。但是,在根据本发明的机电变换器中,元件具有电容器的特性和振动膜的特性。 因此,在本实施例中估计的阻抗被分类成电气阻抗和机械阻抗。当向电容器施加正弦AC电压时,由于电流与电压的变化成比例,因此,相位滞后为90°。相对照地,当向包含振动膜的机电变换器施加具有接近于共振频率的频率的电压信号时,由于电流输出受到由振动膜的特性引起的元件的机械阻抗的影响,因此,电流的相位滞后不是90°。即,如果检测到相对于所施加电压信号的相位不具有90°相位滞后的电流,那么阻抗包含机械阻抗。为了使用通过使用这种检测的电流而计算的阻抗来估计灵敏度变化,只需要得到(retrieve)电气阻抗。根据本实施例,施加具有与元件的机械共振频率(例如,IOMHz)不同的频率(例如,IMHz)的AC电压信号。因此,只有电气阻抗可在不受机械阻抗影响的情况下被检测。更具体而言,电压控制单元12比较由电压施加单元20使用的相位Φ 1与存储于数据累积单元44中的相位Φ2。如果相位Φ2和相位Φ 1之间的相位滞后为约90°,那么处理前进到下一步骤。否则,电压控制单元12调整在电压施加单元20中使用的频率并且重复步骤S101B、S102、S103A和S103B,直到相位Φ 2和相位Φ 1之间的相位滞后等于约 90° (步骤 S201)。随后,灵敏度评价单元50从数据处理单元43读取元件的电容值,并且使用所读出的数据和式(4)来计算元件中的每一个的电极到电极距离d(步骤S104A)。然后,使用所计算的电极到电极距离d计算元件中的每一个的灵敏度变化(步骤S104B)。灵敏度评价单元 50可由诸如CPU的运算处理单元形成。如上所述,根据本实施例,通过向元件中的每一个施加AC电压并且测量输出电流,计算元件的阻抗。另外,电压控制单元12被设置在控制单元10中,并且,由电压施加单元20施加的电压的频率被控制,使得从电压施加单元20输出的信号的相位Φ 1和存储于数据累积单元44中的信号的相位Φ2之间的相位差Δ φ为约90°。以这种方式,元件的电气阻抗可以在不受振动膜的动态机械特性影响的情况下被测量,并且,灵敏度变化可被测量。第二实施例根据第二实施例,机电变换器包含序列(sequence)控制单元13。在改变由电压施加单元20产生的电压的DC分量的同时,在第一实施例中描述的步骤SlOlB S105被执行多次。由此,计算振动膜的弹簧常数(spring constant)k0该操作与第一实施例中的不同。如图5所示,振动膜102被支撑单元103支撑。在一对电极之间形成间隙。由于形成了间隙,因此,当接收到弹性波时,振动膜102移动。因此,电容变化。在当施以外部气压并且施加DC电压时振动膜102偏转之后,电极到电极距离d被表达如下d = h-PXS/k (5),这里,h表示支撑单元103的高度,k表示振动膜102的弹簧常数,P表示作为间隙内外之间的气压差与通过施加DC电压引起的静电吸引力之和的压力,并且,S表示振动膜 102的面积。在这些参数中,支撑单元103的高度h和振动膜102的弹簧常数k可在逐个元件的基础上具有变化。即,难以确定在第一实施例中测量的逐个元件基础上的电极到电极距离d的变化是由逐个元件的基础上的支撑单元103的高度h的变化引起的,还是由逐个元件基础上的振动膜102的弹簧常数k的变化引起的。当测量弹性波时,由于弹性波的接收,因此,上述的电极到电极距离d的值(当振动膜102因外部气压与通过施加DC电压引起的静电吸引力之和而偏转时)进一步增大。 此时,振动膜102的弹簧常数k影响位移量。因此,通过除了计算第一实施例的电极到电极距离d之外还计算振动膜102的弹簧常数k,可以确定振动膜102的振动多么容易地开始。 因此,可以更精确地检测灵敏度变化。在后面更详细地描述该操作。如上所述,术语“灵敏度”指的是关于振动膜的位移的输出电流的量。如式(3)所示,输出电流与d2成反比。另外,振动膜的位移由通过弹性波的接收导致的压力变化量ΔΡ 而导致。根据虎克定律(Hooke' s law), Δ d如下式所示的那样与k成反比Ad= APXS/k (6),BP,由于位移与k成反比,因此,灵敏度受振动膜的弹簧常数k影响。根据本实施例,包含弹簧常数k与实际测量的灵敏度的误差之间的对应关系的表被事先存储并在计算灵敏度时被灵敏度评价单元50使用。以下参照图6和图7描述根据第二实施例的机电变换器和用于检测机电变换器的灵敏度变化的方法。图6示出根据第二实施例的机电变换器的示例性配置。与关于第一实施例示出和描述的部件相同的部件由相同的附图标记表示。第二实施例与第一实施例的不同在于,除了模式切换单元11和电压控制单元12以外,控制单元10'还加入用于控制检测处理的序列的序列控制单元13。图7是用于在根据第二实施例的机电变换器中使用的用于检测灵敏度变化的方法的流程图。与关于第一实施例示出和描述的处理相同的处理由相同的附图标记表示。第二实施例与第一实施例的不同在于,通过每次改变由电压施加单元20所施的电压的DC分量,多次(在本实施例中为两次)执行用于计算灵敏度变化的处理。由于向元件施加的电压的DC分量改变,因此,在电极之间施以的静电吸引力改变。因此,电极到电极距离d根据振动膜的刚度(stiffness)(即,振动膜的弹簧常数k)而改变。因此,通过检测变化,可以计算振动膜的弹簧常数k。根据第二实施例,在完成步骤S101B、S102、S103和S105中执行的处理之后,序列控制单元13对重复次数计数。如果重复次数达到预定的次数,那么处理前进到步骤S104。 但是,如果重复次数没有达到预定次数,那么所施加电压的DC分量改变,并且,处理返回步骤SlOlB(步骤S201)。重复该操作,直到重复次数达到m(在本实施例中,m = 2)。注意, 每次处理被重复时被改变的所施加电压的DC分量至少包含当使用机电变换器时施加的DC 电压分量。
随后,对于第χ个元件,计算电极到电极距离dxl dxm。另外,每当处理被重复时, 通过使用静电吸引力(从施加的电压的DC分量计算的)的变化量、电极到电极距离dxl dxm的变化量、以及式(6),计算振动膜的弹簧常数kxl kx(m-l)。此时,可使用通过对于第χ个元件的m次重复而获得的弹簧常数kxl kx(m-l),计算弹簧常数kx。根据本实施例,使用弹簧常数kxl kx(m-l)的平均值作为弹簧常数kx。对于第1到第η个元件中的每一个执行该操作。然后,使用所计算的电极到电极距离dl dn和振动膜的弹簧常数kl kn计算灵敏度变化(步骤S2(^)。通过使用式(3) 确定电极到电极距离对于灵敏度的影响。另外,可通过参照预存储弹簧常数k与灵敏度的误差之间的对应关系的存储器,计算振动膜的弹簧常数kl kn对于灵敏度的影响。如上所述,根据第二实施例,设置改变电压施加单元20的DC电压信号的序列控制单元13。因此,可对于元件中的每一个计算弹簧常数。以这种方式,即使当弹簧常数具有分布时,也可更精确地检测逐个元件基础上的灵敏度变化。虽然已参照示例性实施例描述了本发明,但应理解,本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变更方式以及等同的结构和功能。本申请要求在2009年6月19日提交的日本专利申请No. 2009-146937的权益,在此以引入方式将其全部内容并入本文。附图标记列表10控制单元11模式切换单元12电压控制单元13序列控制单元20电压施加单元30元件阵列311 31η 元件40信号处理单元411 41η放大器电路421 42η数据转换单元43数据处理单元44数据累积单元50灵敏度评价单元
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权利要求
1.一种机电变换器,包括多个元件,每个元件包含至少一个单元,所述单元包含第一电极和第二电极,其中在第一电极和第二电极之间具有间隙;电压施加单元,被配置为向第一电极施加AC电压;以及灵敏度变化计算单元,被配置为使用由于AC电压的施加而从所述元件中的每一个的第二电极输出的信号来计算对于该元件的灵敏度变化。
2.根据权利要求1的机电变换器,还包括控制单元,被配置为在机电变换器的计算灵敏度变化的模式和检测弹性波的模式之间切换。
3.根据权利要求2的机电变换器,其中,控制单元包含被配置为将电流转换成电压的放大器电路和被配置为将从放大器电路输出的电压转换成数字信号的数据转换单元,以及其中,控制单元控制由电压施加单元施加的AC电压的频率,使得AC电压和数字信号之间的相位差基本上为90°。
4.根据权利要求2或3的机电变换器,其中,控制单元改变由电压施加单元施加的DC 电压,并且多次检测电流。
5.一种用于机电变换器中的用于检测灵敏度变化的方法,所述机电变换器具有多个元件,每个元件包含第一电极和第二电极,其中在第一电极和第二电极之间具有间隙,所述方法包括以下步骤向第一电极施加DC电压和AC电压;以及使用由于AC电压的施加而从元件中的每一个的第二电极输出的信号来计算对于该元件的灵敏度变化。
6.根据权利要求5的方法,还包括以下步骤控制AC电压的频率,使得AC电压和在检测电流并执行信号处理的步骤中被数字转换的数字信号之间的相位差基本上为90°。
7.根据权利要求5或6的方法,其中,当改变DC电压时,至少第一到第三步骤被执行多次。
全文摘要
一种机电变换器包括多个元件,每个元件包含第一电极和第二电极,在所述第一电极和第二电极之间具有间隙;电压施加单元,被配置为向第一电极施加AC电压;以及灵敏度变化计算单元,被配置为使用由于AC电压的施加而从元件中的每一个的第二电极输出的信号来计算对于该元件的灵敏度变化。
文档编号B06B1/02GK102458693SQ20108002673
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月18日 优先权日2009年6月19日
发明者真岛正男, 高木诚 申请人:佳能株式会社
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