CN102458692A - 电容型电气机械变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及能够对于每个元件任意地改变振动膜的挠曲量的电气机械变换器。该电气机械变换器包括多个包含至少一个包含第一电极和与第一电极相对且在它们之间夹有间隙的第二电极的单元的元件，以及被配置为对于各元件被设置并且分别向各元件中的第一电极施加直流电压的直流电压施加单元。第一电极和第二电极对于每个元件电气分离。

Description

电容型电气机械变换器
技术领域
本发明涉及诸如电容型微机械加工超声换能器的电容型电气机械变换器。
背景技术
作为执行超声波的传送和接收中的至少任一种的电气机械变换器，提出电容型微机械加工超声换能器(CMUT)(例如，参照PCT日文翻译专利公开No.2003-527947)。通过使用被应用半导体工艺的微机电系统(MEMS)工艺来制造CMUT。
图7是典型的CMUT的示意性截面图。参照图7，一个第一电极102和一个第二电极105的集合被称为一个单元。第一电极102与第二电极105相对，并且振动膜101和间隙104被夹在它们之间。振动膜101被在基板106上形成的支撑体103支撑。在CMUT中，所有第一电极102相互电连接。一定水平的直流(DC)电压被均匀施加到第一电极102，使得在第一电极102和第二电极105之间产生希望的电势差。对于每个元件(多个单元的群集)，第二电极105电气分离。交流(AC)驱动电压被施加到第二电极105，以在第一和第二电极之间产生AC静电吸引，这使振动膜101以一定的频率振动，以传送超声波。另外，振动膜101响应于接收到的超声波而振动，以在第二电极105上产生由静电感应导致的微小电流。可以测量该电流的值以对于每个元件获取接收信号。
超声波的传送和接收的特性由向第一电极102施加DC电压时的振动膜101的挠曲量确定。各单元的间隙104中的压力一般低于大气压力，并且振动膜101由于大气压力和间隙104中的压力之间的差而向基板106挠曲(deflection)。振动膜101的挠曲量由基于包括振动膜101的尺寸、形状、厚度和材料的参数的机械特性确定。当CMUT工作时，为了增加超声波的传送和接收的效率，在两个电极之间施加一定的电势差，以在电极之间导致静电吸引。振动膜101由于该静电吸引而进一步向基板106挠曲。在超声波的传送中，由于静电吸引与距离的平方成正比，因此，随着电极之间的距离减小，传送和接收的效率增加。作为对比，在超声波的接收中，由于检测到的微小电流的大小与电极之间的距离成反比并且与电极之间的电势差成比例，因此，传送和接收的效率也随着电极之间的距离的减小而增加。
引文列表
专利文献
PTL 1：PCT日文翻译专利公开No.2003-527947
发明内容
但是，增加两个电极之间的电势差导致由电极之间的静电力和压力差导致的力超过振动膜的机械特性的复原力。作为结果，振动膜与基板上的电极接触以进入塌陷状态，因此CMUT的特性大大改变。因此，当CMUT正常工作(不在塌陷状态中被驱动)时，电极之间的电势差被设定为使得实现高的传送和接收效率并且振动膜具有不导致塌陷状态的挠曲量。
在现有技术中，在CMUT中所有的第一电极相互电连接。因此，在CMUT的工作期间向第一电极施加均匀的电压。由于振动膜的上述的参数由于CMUT的制造中的各种因素改变，因此即使电极之间没有电势差，也导致振动膜的挠曲量的变化。另外，CMUT的工作期间的振动膜的挠曲量也改变。
作为结果，传送和接收的效率偏离期望值和/或有时在一些单元中导致塌陷状态，从而大大改变每个元件的传送和接收特性。为了解决以上的问题，本发明提供了能够对于每个元件任意地改变振动膜的挠曲量的电容型电气机械变换器。
根据本发明的实施例，电气机械变换器包括多个包含至少一个包含第一电极和与第一电极相对且在其间具有间隙的第二电极的单元的元件，和被配置为对于各元件被设置并且向在各元件中的第一电极单独地施加直流电压的直流电压施加单元。第一电极和第二电极对于每个元件电气分离。
根据本发明，能够对于每个元件任意地改变电气机械变换器中的振动膜的挠曲量。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的电气机械变换器的示意性截面图。
图2示出根据本发明的第一实施例的电气机械变换器的配置的例子。
图3是根据本发明的第二实施例的电气机械变换器的截面图。
图4示出根据本发明的第三实施例的电气机械变换器的配置的例子。
图5示出根据本发明的第四实施例的电气机械变换器的配置的例子。
图6A示出根据本发明的第五实施例的电气机械变换器的配置的例子。
图6B示出根据本发明的第五实施例的电气机械变换器的配置的另一例子。
图7是现有技术中的电容型电气机械变换器的示意性截面图。
具体实施方式
这里，将参照附图详细描述根据本发明的实施例的电容型电气机械变换器。
第一实施例
图1是根据本发明的第一实施例的电气机械变换器的示意性截面图。在本发明的实施例中，第一电极被称为上电极，并且第二电极被称为下电极。其上形成第一电极102的振动膜101被在基板106上形成支撑体103支撑。振动膜101连同第一电极102一起振动。在基板106上与振动膜101上的第一电极102相对的位置处形成第二电极105，使得在它们之间夹有间隙104。在本发明的实施例中，包含彼此相对的并且在它们之间夹有间隙104的上电极和下电极的组成(composition)被称为单元107。元件108包含至少一个单元107。具体地，元件108是包含一个单元107或包含相互电连接(并联连接)的多个(至少两个)单元的组成。虽然在图1中两个单元构成一个元件，但是，本发明不限于该配置。多个单元可按二维阵列图案相互连接。在电气机械变换器中形成多个(两个或更多个)元件。
在本发明的实施例中使用的上电极可由包含铝(Al)、铬(Cr)、钛(Ti)、金(Au)、铂(Pt)、铜(Cu)、银(Ag)、钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)和镍(Ni)的金属和包含AlSi、AlCu、AlTi、MoW和AlCr的合金中的至少一种制成。上电极可被设置在振动膜的上表面上、振动膜的背面上或振动膜内部其中至少之一，或者，当振动膜由导电材料或半导体材料制成时，振动膜自身可用作上电极。在本发明的实施例中使用的下电极可由与上电极相同的金属或合金制成。当基板由诸如硅的半导体材料制成时，基板可用作下电极。
图2示出根据本发明的第一实施例的电气机械变换器的配置的例子。根据第一实施例的电气机械变换器的特征在于对于每个元件，不仅下电极105被电气分离，而且上电极102被电气分离。在各元件中，多个上电极102相互电连接，并且多个下电极105相互电连接。虽然在第一实施例中，各元件中的上电极对于每个单元单独地形成并且通过在振动膜上形成的布线(未示出)相互电连接，但是，可对于每个元件形成一个上电极。下电极也可如在第一实施例中那样对于每个单元单独形成，或者可对于每个元件形成一个下电极。
DC电压施加单元201与各元件中的上电极102连接。DC电压施加单元201对于每个元件向上电极施加希望水平的电压，以在上电极和下电极之间导致与下电极的电压的电势差。振动膜101的挠曲量由该电势差确定。驱动检测单元202与各元件中的下电极105连接。驱动检测单元202包含AC电压产生单元203、电流检测单元205和保护开关204。
当电气机械变换器包含N个元件时，在第一实施例的配置中包括N个DC电压施加单元201。在第一实施例的配置中还包括数量与元件的数量相同的驱动检测单元202。
现在将描述超声波传送中的各驱动检测单元202的工作和超声波接收中的各驱动检测单元202的工作。在超声波的传送中，通过与下电极105连接的AC电压产生单元203施加AC电压。AC电压的施加在上电极102和下电极105之间导致AC电势差，以在振动膜101上产生AC静电吸引。静电吸引导致振动膜101振动以传送超声波。由于与下电极105连接的保护开关204在超声波的传送中被关断，因此，保护电流检测单元205的输入部分免受由AC电压产生单元203产生的电压影响。
在超声波的接收中，AC电压产生单元203处于高阻抗状态，并且对于下电极105的电势没有影响。保护开关204被接通以连接下电极105与AC电压产生单元203的输入部分。从外面施加的超声波导致振动膜101振动以改变上电极和下电极之间的静电电容。由于上电极被固定于一定的电势，因此，在下电极105出现的感应电荷导致微小电流通过用于下电极105的布线。可通过电流检测单元205检测微小电流的变化以检测导致电容变化的超声波的大小。除了传送超声波时以外，下电极的电势通过驱动检测单元202被固定到一定的值。
由于在第一实施例的配置中，对于每个元件不仅下电极被电气分离而且上电极被电气分离，并且DC电压施加单元与每个元件的上电极连接，因此，能够分别向各元件中的上电极施加DC电压。因此，可向不同的元件施加不同的静电吸引，以调整振动膜的挠曲量。因此，能够减少超声波的传送和接收特性的变化。
虽然在第一实施例中DC电压施加单元201与上电极102连接并且电流检测单元205与下电极105连接，但是，DC电压施加单元可与下电极连接，并且电流检测单元可与上电极连接。另外，驱动检测单元的配置不限于在本说明书中描述的配置，可以使用其他配置、仅用于传送的配置或仅用于接收的配置。
第二实施例
现在将参照图3描述本发明的第二实施例。第二实施例涉及来自上电极和下电极的布线的配置。第二实施例中的其它配置与第一实施例中的配置相同。
图3是根据本发明的第二实施例的电气机械变换器的截面图。贯通布线基板303包括两种类型的贯通基板的布线：下电极贯通布线301(第二电极贯通布线)和上电极贯通布线302(第一电极贯通布线)。每一元件中的所有的下电极105与一个下电极贯通布线301连接。下电极贯通布线301从贯通布线基板303的向着下电极的面延伸到该贯通布线机板303的向着印刷电路板的面，以与相应的凸块电极304连接。每一元件中的上电极102也与一个上电极贯通布线302连接，该上电极贯通布线302与相应的凸块电极304连接。
在贯通布线基板303的向着印刷电路板的面上形成的凸块电极304中的每一个上形成凸块305。下电极贯通布线301和上电极贯通布线302通过凸块305与印刷电路板306上的布线连接。来自各下电极105的电信号通过与下电极贯通布线301电连接的印刷电路板306上的布线被供给到驱动检测单元202。来自各上电极102的电信号通过与上电极贯通布线302电连接的印刷电路板306上的布线被供给到DC电压施加单元201。
第二实施例中的配置的特征是存在数量与元件的数量相同的下电极贯通布线301和上电极贯通布线302。存在数量与元件的数量相同的下电极贯通布线301和上电极贯通布线302允许即使当设置多个元件时，仍在对于各元件用于上电极102的布线被分离的情况下用于上电极的布线被引向贯通布线基板的背面。因此，能够在用于超声波的传送和接收的元件的面积几乎不减小(传送和接收效率几乎不降低)的情况下连接用于上电极的布线与多个DC电压施加单元201。
第三实施例
现在将参照图4描述本发明的第三实施例。第三实施例的特征在于设置控制信号产生单元以向DC电压施加单元201指示要被施加的DC电压。第三实施例中的其它配置与第一和第二实施例中的任一个中的配置相同。
图4示出根据本发明的第三实施例的电气机械变换器的配置的例子。振动膜状态检测单元401检测振动膜101的挠曲量(这等同于检测上电极和相应的下电极之间的距离)。由于在各下电极处检测到的电流的大小与上电极和下电极之间的距离(以下，简称为电极距离)的平方成反比并且与电极之间的电势差成比例，因此，在第三实施例中，与下电极连接的电流检测单元用作振动膜状态检测单元。
第三实施例的振动膜状态检测单元401的使用允许通过例如从外部传送单一频率的超声波并且检测从每个元件的下电极输出的电流来检测元件之间的振动膜的挠曲量的差。作为替代方案，AC电压可重叠于要被施加到上电极的DC电压上，以检测由重叠的AC电压产生的电流(后面作为第四实施例描述)。除用于检测电流的单元以外的单元可被用作振动膜状态检测单元，以例如直接测量振动膜的挠曲量。具体地，可以使用通过利用压阻效应检测振动膜的挠曲的方法或光学检测挠曲量的方法。
由各振动膜状态检测单元401检测到的信号被供给到相应的控制信号产生单元402。控制信号产生单元402基于检测到的信号向DC电压施加单元201提供指示要施加的DC电压的信号，使得CMUT中的振动膜101具有希望的挠曲量。DC电压施加单元201基于由控制信号产生单元402指示的信号产生DC电压并且向上电极102施加产生的DC电压。可通过使用例如电压控制信号传送电路和电容器容易地形成执行以上的工作的DC电压施加单元201。
根据第三实施例，能够对于每个元件检测振动膜101的挠曲量。另外，由于DC电压可被施加到各元件中的上电极以减少元件之间的挠曲量的变化，因此可以进一步减少振动膜之间的挠曲量的差。并且，即使影响振动膜101的参数由于时间变化和/或环境变化而改变，也能够对于每个元件调整振动膜101的状态。
第四实施例
现在将参照图5描述本发明的第四实施例。第四实施例的特征在于设置AC电压重叠单元403以在要被施加到上电极的DC电压上重叠AC电压。第四实施例中的其它配置与第三实施例中的配置相同。图5示出根据本发明的第四实施例的电气机械变换器的配置的例子。
每一元件中的上电极102与一个AC电压重叠单元403连接。仅在检测振动膜的挠曲量(测量挠曲量的变化)的时段期间，AC电压重叠单元403在要由DC电压施加单元201施加到上电极102的DC电压上重叠AC电压。即使振动膜101不振动，在要被施加到上电极102的DC电压上重叠的AC电压也在每一个下电极105上感应电荷，以从下电极105引起电流。如果要重叠的AC电压具有恒定的水平，则该电流具有其大小与上电极102和下电极105之间的电极距离对应的值。因此，通过电流检测单元205的电流检测允许作为电极距离检测振动膜101的挠曲量。
要重叠的AC电压可具有不等于振动膜101振动的频率的频率。这允许仅检测电极距离而不会通过重叠的AC电压使振动膜101振动。
信号切换单元404与各电流检测单元205的输出部分连接。信号切换单元404在测量挠曲量的变化的时段期间向控制信号产生单元402供给输出信号。相反，在不测量挠曲量的变化(基于振动膜的振动测量超声波)的时段期间，信号切换单元404向例如外部图像处理装置提供输出信号来自传感器的输出。信号切换单元404的设置允许在挠曲量的变化的测量和超声波的测量两者中使用电流检测单元205。
控制信号产生单元402基于接收到的信号向DC电压施加单元201提供指示DC电压的信号，使得振动膜101具有希望的挠曲量。
通过第四实施例的配置，AC电压的重叠和通过电流检测单元的对下电极上产生的电流的检测允许对于每个元件检测振动膜的挠曲量。另外，通过将要被重叠的AC电压的频率设为不等于振动膜的振动频率值的值，允许在不使振动膜振动的情况下检测振动膜的挠曲量(上电极和下电极之间的电极距离)。因此，振动膜的机械振动特性可被去除以便以高精度实现测量。由于可对于每个元件向上电极施加DC电压以减少元件之间的挠曲量的变化，因此，能够减少振动膜之间的挠曲量的差异。另外，即使影响振动膜101的参数由于时间变化和/或环境变化而改变，也能够对于每个元件调整振动膜101的挠曲量。并且，由于电流检测单元205可用于挠曲量的变化的测量和超声波的测量两者，因此，能够以简单的配置实现电气机械变换器。
第五实施例
现在将参照图6A和图6B描述本发明的第五实施例。第五实施例的特征在于，电流检测单元205在挠曲量的变化的测量时和超声波的测量时之间切换电路参数。第五实施例中的其它配置与第四实施例中的配置相同。
使用跨导倒数(transimpedance)电路以描述第五实施例，该跨导倒数电路为将微小电流的变化转换成电压的电流电压转换电路。图6A和图6B示出根据第五实施例的作为电流检测单元205的跨导倒数电路的配置的例子。参照图6A和图6B，附图标记601表示运算放大器(op-amp)、附图标记602、604和606表示电阻器，附图标记603、605、607表示电容器，并且，附图标记608表示电路元件切换单元。
在图6A和图6B中的例子中，op-amp 601与正电源和负电源连接。现在将参照图6A描述超声波的测量时的工作。op-amp 601的反相输入端子-IN通过保护开关204与上电极102连接。op-amp 601的输出端子OUT通过相互并联的电阻器602和电容器603以及电路元件切换单元608与反相输入端子-IN连接，以反馈输出信号。op-amp601的非反相输入端子+IN通过相互并联连接的电阻器604和电容器605与接地端子连接。接地端子的电压等于正电源的电压值和负电源的电压值之间的中间值。电阻器602具有与电阻器604相同的电阻值，并且，电容器603具有与电容器605相同的电容值。电阻器602和604的电阻值以及电容器603和605的电容值是与超声波测量时的规定匹配的参数。
现在将参照图6B描述挠曲量变化的测量时的工作。在挠曲量变化的测量时，电路元件切换单元608被切换，并且通过相互并联连接的电阻器606和电容器607执行输出信号的反馈。电阻器606的电阻值和电容器607的电容值是与挠曲量变化的测量时的规定匹配的参数。
根据第五实施例，能够根据在挠曲量变化的测量时使用的包括频率和电流的大小的规定和在超声波的测量时使用的包括超声波的频率和电流的大小的规定来执行电流检测。虽然在图6A和图6B的例子中电路元件切换单元608仅用于op-amp 601的反馈部分中，但是，可以在op-amp的非反相输入端子+IN和接地端子之间使用相同的配置，以根据挠曲量变化的测量时和超声波的测量时的切换来切换元件常数。
虽然在以上的实施例中振动膜101被描述为在常规模式中工作，在该常规模式中在电气机械变换器的传送和接收工作中振动膜101和下电极105之间的间隙恒定地存在，但是本发明不限于以上的工作。本发明适于在诸如振动膜101和下电极105之间的间隙的一部分被消除的塌陷模式的另一状态中工作。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的这样的变更方式、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.2009-146936的益处，通过引用将其全文并入此。
附图标记列表
101振动膜
102上电极(第一电极)
103支撑体
104间隙
105下电极(第二电极)
106基板
201 DC电压施加单元
202驱动检测单元
203 AC电压产生单元
204保护开关
205电流检测单元
301下电极贯通布线
302上电极贯通布线
303贯通布线基板
401振动膜状态检测单元
402控制信号产生单元
403 AC电压重叠单元
404信号切换单元
608电路元件切换单元

Claims (6)

1.一种电气机械变换器，包括：
多个元件，包含至少一个包含第一电极和第二电极的单元，第二电极与第一电极相对并且在它们之间夹有间隙，第一电极和第二电极对于每个元件电气分离；以及
直流电压施加单元，被配置为对于各元件被设置并且分别向各元件中的第一电极施加直流电压。
2.根据权利要求1的电气机械变换器，
其中，在各元件内，第一电极的数量与第二电极的数量相同。
3.根据权利要求1或2的电气机械变换器，还包括：
基板，被配置为在其中对于每个元件形成一个第一电极贯通布线和一个第二电极贯通布线。
4.根据权利要求3的电气机械变换器，还包括：
电流检测单元，被配置为对于各元件被设置、与各元件中的第二电极连接并且检测从第二电极输出的电流；以及
控制信号产生单元，被配置为对于各元件被设置并且基于检测到的电流向直流电压施加单元指示要被施加的直流电压。
5.根据权利要求4的电气机械变换器，还包括：
交流电压重叠单元，被配置为对于各元件被设置、与各元件中的第一电极连接并且在所述直流电压上重叠交流电压，
其中，由所述交流电压导致的电流由电流检测单元检测，并且，所述直流电压基于从所述交流电压产生的电流被指示给控制信号产生单元。
6.根据权利要求5的电气机械变换器，还包括：
信号切换单元，被配置为对于各元件被设置，并且切换来自电流检测单元的输出信号，以便在从交流电压产生的电流的检测中使所述输出信号与控制信号产生单元连接，并且在从其上形成第一电极或第二电极的振动膜的振动产生的电流的检测中使所述输出信号不与控制信号产生单元连接。
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