CN102639258B - 用于电容式机电变换器的控制设备以及控制电容式机电变换器的方法 - Google Patents

用于电容式机电变换器的控制设备以及控制电容式机电变换器的方法 Download PDF

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Abstract

提供了具有发送/接收效率方面的较小的减少并且具有不同频率范围的发送/接收特性的集合的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法。该设备具有多个单元，每个单元包括经由空隙而彼此面对的第一电极和第二电极；该设备包括驱动/检测部件和外部应力施加部件。所述驱动/检测部件执行如下操作中的至少一个：通过在电极之间产生AC静电引力来使得第二电极振动和发送弹性波，以及检测电极之间的电容的变化，所述变化是由在接收弹性波时振动的第二电极引起的。该外部应力施加部件改变施加到第二电极的外部应力。该驱动/检测部件通过与外部应力的改变对应地改变限定在发送/接收操作中使用的频率区域的参数来调整频率特性。

Description

用于电容式机电变换器的控制设备以及控制电容式机电变换器的方法
技术领域
本发明涉及用于执行弹性波（例如超声）的发送/接收（在本说明书中，“发送/接收”意指发送和接收中的至少一种）的机电变换器（例如超声探头）的控制设备，并且还涉及控制机电变换器的方法。
背景技术
作为执行超声的发送/接收的变换器，已经提出了作为通过应用有半导体工艺的MEMS(微机电系统)工艺制造的电容式超声变换器的CMUT（电容式微加工超声变换器）。存在如下的测量方法，即利用超声变换器，超声被发送到测量对象，并且由测量对象反射的超声被接收以便获得关于测量对象的信息。存在如下的建议的方法，即在上述测量方法中使用的发送/接收变换器是有代表性地具有要被发送/接收的超声的相对宽的频率范围（宽带）的CMUT。
已知的是，CMUT具有在其中在接收超声时振动的振动膜的情形变化的两种模式：常规模式和塌陷模式(参见PTL 1)。在常规模式中，即使振动膜是凹形的，振动膜在发送/接收操作期间也不与下电极接触。另一方面，在塌陷模式中，在发送/接收操作期间使振动膜在为凹形的时与下电极接触。PTL 1公开了可以通过使振动膜在常规模式与塌陷模式之间振动来发射具有较大幅度的超声。
根据通过发送和接收测量超声的方法，所要求的频率范围随着测量对象而变化。典型的特征的示例包括以5MHz为中心的特征(例如，约1MHz到5MHz)以及以10MHz为中心的特征(例如，约7MHz到12MHz)。作为前一特征的示例，存在接收在光发射之后由测量对象产生的超声的方法。这也被称为光声层析成像(PAT)。作为后一特征的示例，存在在超声发送之后接收由测量对象反射的超声的方法。因而，电容式变换器所要求的频率范围根据测量对象的尺寸、测量的深度或测量方法而改变。
引用列表
专利文献
PTL 1：美国专利No.7,274,623
发明内容
技术问题
即使为了满足上述要求CMUT具有宽带特性，也难以利用单个CMUT来执行在5MHz和10MHz的两个频率处的发送/接收。如果变换器被设计为包括具有彼此不同的频率特性的CMUT，以便以不同的频率发送/接收超声，则在每个CMUT中要被用于发送/接收的面积变得较小，并且变换器的超声发送/接收效率变得较差。PTL 1没有描述用于满足这种要求的方法。
问题的解决方案
鉴于上述问题，根据本发明的用于电容式机电变换器的控制设备具有以下特征。也就是说，用于电容式机电变换器的控制设备包括驱动/检测部件和外部应力施加部件，所述电容式机电变换器包括多个单元（cell），每个单元包括彼此面对的第一电极和第二电极，在第一电极和第二电极之间介入有空隙。所述驱动/检测部件执行驱动操作和检测操作中的至少一个，所述驱动操作用于通过在第一电极与第二电极之间产生AC静电引力来使得第二电极振动和发送弹性波，所述检测操作用于检测第一电极和第二电极之间的电容的变化，所述电容的变化是由在接收弹性波时振动的第二电极引起的。所述外部应力施加部件改变要被施加到第二电极的外部应力。此外，所述驱动/检测部件通过与外部应力的改变对应地改变限定要在发送/接收操作中使用的频率区域的参数来调整频率特性。
此外，鉴于上述问题，根据本发明的控制电容式机电变换器的方法具有以下特征。也就是说，用于控制电容式机电变换器的方法包括第一到第三步骤，所述电容式机电变换器包括多个单元，每个单元包括彼此面对的第一电极和第二电极，在第一电极和第二电极之间介入有空隙。在第一步骤中，执行以下两个操作中的至少一个：驱动操作，用于通过在第一电极与第二电极之间产生AC静电引力来使得第二电极振动和发送弹性波，以及检测操作，用于检测第一电极和第二电极之间的电容的变化，该电容的变化由在接收弹性波时振动的第二电极引起。在第二步骤中，要被施加到第二电极的外部应力被改变，从而改变第二电极响应于其的频率特性。在第三步骤中，通过与外部应力的改变对应地改变限定要在发送/接收操作中使用的频率区域的参数来调整频率特性。以该方式，电容式机电变换器中的发送/接收弹性波的操作中的频率特性或者发送/接收带被改变。
本发明的有利效果
根据本发明的用于机电变换器的控制设备和控制方法，通过与第二电极响应于其的频率特性的改变对应地改变限定要在发送/接收操作中使用的频率区域的参数来调整频率特性。因此，单个机电变换器可以有例如具有可以被使用的低频率侧的截止频率与高频率侧的截止频率之间的不同的频率范围的发送/接收特性的集合、或者输入-输出关系中的频率特性。
附图说明
[图1A]图1A示出根据第一实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法。
[图1B]图1B示出根据第一实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法。
[图2A]图2A示出根据第二实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法。
[图2B]图2B示出根据第二实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法。
[图2C]图2C示出根据第三实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法。
[图2D]图2D示出根据第三实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法。
[图3A]图3A示出根据第四实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法中的电流检测部件。
[图3B]图3B示出根据第四实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法中的电流检测部件。
[图3C]图3C示出根据第四实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法中的电流检测部件。
[图3D]图3D示出根据第四实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法中的电流检测部件。
[图4A]图4A示出根据第五实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法中的电流检测部件。
[图4B]图4B示出根据第五实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法中的电流检测部件。
[图5A]图5A示出根据第六实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法。
[图5B]图5B示出根据第六实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法。
[图5C]图5C示出根据第七实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法。
[图5D]图5D示出根据第七实施例的用于电容式机电变换器的控制设备和控制方法。
具体实施方式
以下为本发明的实施例的描述。本发明的本质点在于，通过与第二电极或振动膜响应的频率特性的变化对应地改变限定要在发送/接收操作中使用的频率区域的参数来调整频率特性。这里，通过改变要被施加到第二电极或振动膜的外部应力或外力来调整频率特性。第二电极或振动膜响应于其的频率特性典型地为每单位输入压力的第二电极或振动膜的位移的频率分布。与限定要在发送/接收操作中使用的频率区域的参数有关的频率特性为与表示在发送操作（驱动操作）中的驱动信号中包含的主要成分的频率分布的参数有关的特性。在接收操作(检测操作)中，与限定要在发送和接收操作中使用的频率区域的参数有关的频率特性典型地是与指示相对于输入电流的输出的转换增益的频率分布的参数有关的特性。此外，术语“与……对应”典型地暗示在各个频率分布中在低频侧的截止频率与高频侧的截止频率之间的频率区域基本上相同或者充分地彼此重叠。
基于该概念，根据本发明的用于电容式机电变换器的控制设备具有下面的特征。也就是说，该设备是用于电容式机电变换器的控制设备，该电容式机电变换器具有多个单元，每个单元包括彼此面对的第一电极和第二电极，其中在第一电极和第二电极之间介入有空隙，该设备包括驱动/检测部件以及外部应力施加部件。该驱动/检测部件执行驱动操作和检测操作中的至少一个，该驱动操作用于通过在第一电极与第二电极之间产生AC静电引力来使得第二电极振动和发送弹性波，该检测操作用于检测第一电极和第二电极之间的电容的变化，该电容的变化是由在接收弹性波时振动的第二电极引起的。该外部应力施加部件改变要被施加到第二电极的外部应力。此外，该驱动/检测部件通过与外部应力的改变对应地改变限定要在发送/接收操作中使用的频率区域的参数来调整频率特性。
此外，基于该概念，根据本发明的控制电容式机电变换器的方法具有下面的特征。也就是说，该方法是控制电容式机电变换器的方法，该电容式机电变换器具有多个单元，每个单元包括彼此面对的第一电极和第二电极，其中在第一电极和第二电极之间介入有空隙，该方法包括第一到第三步骤。在第一步骤中，执行以下两个操作中的至少一个：驱动操作，用于通过在第一电极与第二电极之间产生AC静电引力来使得第二电极振动和发送弹性波；以及检测操作，用于检测第一电极和第二电极之间的电容的变化，该电容的变化由在接收弹性波时振动的第二电极引起。在第二步骤中，要被施加到第二电极的外部应力被改变，从而改变第二电极响应的频率特性。在第三步骤中，通过与外部应力的改变对应地改变限定要在发送/接收操作中使用的频率区域的参数来调整频率特性。以该方式，电容式机电变换器中的发送/接收弹性波的操作中的频率特性或者发送/接收带被改变。
基于上述基本形式，可以实现下面描述的实施例。例如，具有包括彼此面对的两个电极且在这两个电极之间介入有空隙的设置的单元可以包括其上形成有第二电极的振动膜、支撑振动膜的支撑部以及位于经由空隙面向第二电极的位置的第一电极（参见后面描述的第一实施例和其它实施例）。第二电极是后述的上电极，并且第一电极是后述的下电极。外部应力施加部件改变外部应力，从而将情形在非接触情形与接触情形之间进行切换，在该非接触情形中第二电极或振动膜不与第一电极接触，并且在接触情形中第二电极或振动膜与第一电极接触（参见后面描述的第一实施例和其它实施例）。当外部应力施加部件以使得实现接触情形的方式改变外部应力时，驱动/检测部件将频率特性切换为第一状态。当外部应力施加部件以使得实现非接触状态的方式改变外部应力时，驱动/检测部件将频率特性切换为第二状态。在第一状态中，与第二状态中相比，要被使用的整个频率区域位于更高频率侧（参见后面描述的第一实施例和其它实施例）。
可以使得驱动/检测部件的第一状态中的频率特性的中心频率（其为基本上在低频率侧的截止频率与高频率侧的截止频率之间的中点处的频率）几乎为第二状态中的频率特性的中心频率的两倍高。此外，外部应力施加部件可以被设计为通过改变由第一电极与第二电极之间的电势差产生的静电引力来改变外部应力（参见后面描述的第二实施例）。
驱动/检测部件可以被设计为包括电流检测部件，该电流检测部件包含执行检测操作的跨阻抗电路。驱动/检测部件通过改变跨阻抗电路的反馈部的参数来调整检测操作的频率特性（参见后面描述的第四实施例）。驱动/检测部件还可以被设计为包括具有彼此不同的频率特性的驱动器/检测器，并且与由外部应力施加部件引起的外部应力的改变对应地在驱动器/检测器之中切换要被操作的驱动器/检测器（参见后面描述的第五实施例）。
该结构还可以包括互连件切换部件，该互连件切换部件与外部应力施加部件将情形在接触情形与非接触情形之间进行切换相关地改变要被连接到单个驱动/检测部件的第一电极的数量(或者单元的数量)。在该情况下，驱动/检测部件和第二电极可以以要被连接到单个驱动/检测部件的第一电极的数量在接触情形中比在非接触情形中少的方式彼此连接（参见后面描述的第六实施例）。可以设置多于一个驱动/检测部件，并且互连件切换部件可以维持与由电容式机电变换器保持的输入/输出信号的数量相同的数量的与第一电极(单元)连接的驱动/检测部件（参见后面描述的第七实施例）。通过执行这种互连件切换，器件节距（pitch）可以被改变，并且可以获得与要被使用的频带对应的互连件形式。例如，在随着频率变得更高而器件节距需要被使得更窄的情况下，互连件形式可以被变为应付更窄的器件节距。
下面是参考附图对根据本发明的用于机电变换器的控制设备和控制机电变换器的方法的实施例的详细描述。
(第一实施例)
图1A和图1B是示出第一实施例的截面图，该第一实施例包括振动膜101、作为第二电极的上电极102、支撑部103、空隙104、作为第一电极的下电极105、衬底106、外部应力施加部件200和驱动/检测部件202。其上形成有上电极102的振动膜101由形成在衬底106上的支撑部103支撑，并且与上电极102一起振动。下电极105被形成在衬底106上的经由空隙104与振动膜101上的上电极102面对的位置处。在本实施例中，振动膜101和支撑部103由具有电绝缘特性的材料制成。为了使得设备发送/接收弹性波（例如超声），上电极102和下电极105连接到驱动/检测部件202。外部应力施加部件200和驱动/检测部件202构成控制器。控制器驱动在衬底106上形成的机电变换器（在下文中被描述为CMUT）的器件组件101到105，并且检测来自器件组件101到105的信号。
在本实施例中，单元具有包括彼此面对的上电极102和下电极105并且在上电极102和下电极105之间介入有空隙104的结构。通常，作为变换器阵列的CMUT包括约200到4000个器件，其中每个器件包括许多单元（通常约100到3000个单元）。设备的尺寸是几毫米到几厘米。这里，每一个器件是用于在发送/接收超声时执行驱动(发送)和检测(接收)的最小尺寸的区域。每个器件具有其中一个或更多个单元并联电连接的结构。单元的数量、单元的布置以及每个器件中的每个空隙的形状被任意地设定，只要机电变换功能可以被实现即可。还可以根据需要设定器件的布置和数量。上电极还可以用作振动膜。然而，在该情况下，由具有电绝缘特性的材料制成的层需要被设置在上电极与下电极之间。例如，绝缘层需要被形成在下电极上。
本实施例的CMUT改变了振动膜101的参考位置(发送或接收操作中不被影响的情形)，从而改变用于发送/接收的频带。更具体而言，将情形在如图1A所示的其中振动膜101的下部不与下电极105接触的非接触情形与如图1B所示的其中振动膜101的下部与下电极105接触的接触情形之间进行切换。图1A中示出的非接触情形是上述的常规模式。图1B中示出的接触情形是上述的塌陷模式。这里，振动膜101响应于其的频率区域与振动膜101的共振频率有高相关性。典型地，常规模式中的振动膜101的共振频率几乎为塌陷模式中的振动膜101的共振频率的两倍高。例如，在常规模式中的振动膜101的共振频率大约为5MHz的情况下，塌陷模式中的振动膜101的共振频率大约为10MHz。因此，通过将相同结构的情形在常规模式与塌陷模式之间进行切换，可以使得振动膜101响应于不同的频率区域。换句话说，可以改变频率特性。
常规模式与塌陷模式之间的切换可以通过改变在朝向下电极105的方向上要施加于振动膜101的外部应力来执行。具体而言，外部应力施加部件200在朝向下电极105的方向上向振动膜101施加外部应力。外部应力施加部件200可以通过使用静电引力、电磁力、压力、压电效应等来实现。后面将描述其中使用静电引力的情况。在使用电磁力的情况下，磁性材料位于振动膜101上，并且利用位于固定部分上（例如在支撑部103上或者在衬底106上）的适当位置处的线圈而将外部应力施加到振动膜101。在使用压力的情况下，振动膜101之下的空隙103中的内部压力由作为压力调整部件的外部应力施加部件200改变，并且利用空隙103中的内部压力与施加到振动膜101的表面上的大气压力之间的差而改变要被施加到振动膜101的外部应力。在使用压电效应的情况下，压电器件位于振动膜101或者支撑部103附近，并且要被施加到压电器件的电压被改变，从而改变要被施加到振动膜101的外部应力。
当施加到振动膜101的外部应力变得大于由于振动膜101的弹性成分而在与下电极105相反的方向上作用的振动膜101的恢复力时，振动膜101被变形并且与下电极105接触。另一方面，通过减少外部应力，振动膜101与下电极105分离。通过利用该现象，振动膜101可以在常规模式与塌陷模式之间切换。为了使得能够进行该切换操作，振动膜101需要不是太硬。例如，要被施加以便利用后述的静电引力使得振动膜101塌陷的电压需要低于器件的耐受电压。
在本实施例中，在朝向下电极105的方向上施加到振动膜101的力在F1与F2之间切换，并且情形也在常规模式与塌陷模式之间切换。以该方式，振动膜101响应于其的频率特性(共振频率)改变。此外，驱动/检测部件202被设计为能够改变在发送超声时供应到CMUT的驱动信号的成分的频率分布以及在接收超声时检测EMUT的电容的变化中的频率特性。外部应力F1和F2的大小显示出被表示为F1<F2的关系。频率特性的中心频率f1和f2显示出被表示为f1<f2的关系。此外，驱动/检测部件202的驱动信号的幅度或者检测电路的增益可以与常规模式和塌陷模式的特性对应地被调整。
如上所述，CMUT的振动膜101响应于其的频率特性(共振频率)被改变，并且CMUT为了执行发送/接收而需要的检测电容变化中或者驱动信号中的频率特性与上述改变的频率特性对应地被改变。因此，具有不同频率范围的发送和接收特性可以利用单个CMUT来实现。由于发送/接收特性可以利用单个CMUT来实现，因此不需要制备多于一个的结构，并且与在相同的变换器面积方面要求两个或更多个结构的情况下相比，器件可以被更有效地布置。因此，可以在没有降低发送/接收效率的情况下在有限的变换器面积中实现高功率发送和高灵敏的接收。
此外，通过使用根据本实施例的CMUT控制设备和方法，可以利用具有高灵敏度的一个变换器来测量不同的测量对象。此外，可以在不同的测量方法中使用一个CMUT。例如，可以通过使用不同的频率来更精确地测量同一个测量对象。此外，由于可以利用同一个CMUT在两个不同的频率处执行测量，因此可以在不改变相对于测量对象的位置关系的情况下精确地获得两个测量结果。
(第二实施例)
现在参考图2A和图2B描述第二实施例。第二实施例涉及在朝向下电极105的方向上向振动膜101施加力的机构的特定示例。除此之外，本实施例与第一实施例基本相同。在本实施例中，通过外部应力施加部件要在朝向下电极105的方向上向振动膜101施加的力为由上电极102与下电极105之间的电势差产生的静电引力。图2A和图2B示出包括作为外部应力施加部件的DC电势施加部件201、作为驱动部件的AC电势产生部件203、保护开关204和作为检测部件的电流检测部件205的本实施例。驱动/检测部件202包括AC电势产生部件202、保护开关204和电流检测部件205。
CMUT中的所有上电极102被电连接，并且与DC电势施加部件201连接。DC电势施加部件201向每个上电极102施加在上电极和下电极之间的期望的电势，以便引起与每个对应下电极105的电势的电势差。以该方式，在上电极102与下电极105之间产生静电引力。该静电引力由在上电极102与下电极105之间的距离和电势差确定，并且可以精确地控制要被施加到振动膜101的力。
驱动/检测部件202还与每个下电极105连接。为了发送/接收超声，驱动/检测部件202包括驱动CMUT的驱动部件以及检测CMUT中的电容变化的检测部件。在超声不被发送时下电极105通过驱动/检测部件202被固定到一定电势处。
在本实施例中，通过改变上电极102与下电极105之间的电势差来执行在常规模式与塌陷模式之间的切换。当拉振动膜101的力由于对由上电极与下电极之间的电势差产生的静电引力的控制而超过一定值时，振动膜101被立即拉向下电极105。该现象被称为拉入（pull-in）。这取决于将振动膜101拉向下电极105的力(通过结合静电引力、由空隙104中的压力与大气压力之间的差产生的力等而产生的力)与由于振动膜101的弹性成分而在与下电极105相反的方向上使振动膜101返回的恢复力之间的幅度关系。
在本实施例中，不同的电势差V1和V2被施加在上电极102与下电极105之间，以便将情形在常规模式（图2A中示出的情形）和塌陷模式（图2B中示出的情形）之间进行切换，并且改变振动膜101响应于其的频率特性。以该方式，要被施加到振动膜101的力F1和F2可以由简单的机构产生。此外，简单地通过改变要施加到上电极102的电势，可以精确地改变要被施加到振动膜101的力的幅度。因此，振动膜101的操作模式可以被更确定地切换。
(第三实施例)
现在参考图2C和图2D描述第三实施例。第三实施例涉及CMUT的驱动/检测部件202的特定结构。除此之外，本实施例与第二实施例基本相同。在本实施例的驱动/检测部件202中，根据振动膜101的操作模式，使得在发送超声时向CMUT供应的驱动信号的成分的频率分布的中心频率与在接收时检测CMUT的电容变化中的频率特性的中心频率彼此为大约两倍高或低。这里，驱动信号的中心频率为在驱动信号中包含的频率成分之中具有最大幅度的频率成分的频率。检测时的频率特性的中心频率为几乎在低检测频率特性侧的截止频率与高检测频率特性侧的截止频率之间的中点处的频率。
现在顺序地描述要由用于发送超声和接收超声的驱动/检测部件202执行的操作。在发送超声时，与下电极105连接的AC电势产生部件203向下电极105施加AC电势。结果，在上电极102与下电极105之间产生AC电势差，并且在振动膜101中产生AC静电引力。在该点处，与下电极105连接的保护开关204被断开，以便保护电流检测部件205的输入部件免受由AC电势产生部件203产生的电势。振动膜101由于以该方式产生的静电引力而振动，并且CMUT发送超声。
AC电势产生部件203可以根据振动膜101在常规模式与塌陷模式之间的切换而产生具有不同的频率成分的驱动信号。可以与振动膜101的常规操作和塌陷操作中的响应频率对应地使得可以产生的驱动信号的中心频率大约为彼此的两倍高或低。例如，塌陷操作中的驱动信号的中心频率可以为常规操作中的驱动信号的中心频率的两倍高。AC电势产生部件203可以利用电压控制振荡器等来形成。驱动信号由例如正弦波或方波的一些周期（波形的一些重复的周期，而不是连续的波形）或者单脉冲波形成。
另一方面，在接收超声时，AC电势产生部件203被置于高阻抗情形，并且不影响下电极105的电势（图2D中示出的情形）。将端子置于断开情形是用于实现高阻抗情形的最简单方式。实践中，与端子连接的开关全部被断开以便产生高阻抗情形。同时，保护开关204被导通，并且电流检测部件205的输入部件与下电极105彼此连接。在该点处，如果振动膜101由于从外部施加的超声而振动，在上电极102和下电极105之间引起电容的变化。由于上电极102被固定在一定电势(其根据操作模式是常规模式还是塌陷模式而变化)，因此非常小量的电流由于在下电极105中产生的感应电荷而流过下电极105的互连件。由于电流检测部件205检测非常小的电流变化，因此可以检测已经引起电容变化的超声的幅度。在该点处，下电极105的电势被驱动/检测部件202固定在一定电势处。
电流检测部件205可以与振动膜101在常规模式与塌陷模式之间的切换对应地改变用于执行电流检测的频率特性。电流检测部件205在塌陷操作中的频率特性被设定为具有比常规操作中的频率特性的中心频率高的中心频率（约为两倍高）。换句话说，即使在操作模式在常规模式与塌陷模式之间切换并且振动膜101在接收超声时响应于其的频率变为几乎两倍高时，电流检测部件205也可以基于频率来检测电流。
根据本实施例，在常规模式与塌陷模式之间，在发送/接收时驱动/检测部件202的频率特性的中心频率的变化的形状可以被使得基本等于振动膜101的中心频率的变化的形状。因此，可以在时间轴上切换的常规模式和塌陷模式两者中在整个CMUT中获得最佳频率特性。
第四实施例
现在参考图3A、图3B、图3C和图3D描述第四实施例。第四实施例涉及电流检测部件205的特定结构。除此之外，本实施例与第一到第三实施例中的一个实施例相同。在本实施例中，可以改变频率特性的电流检测部件205由作为将非常小量的电流的变化转换成电压的电流-电压转换电路的跨阻抗电路形成。
图3A、图3B、图3C和图3D示出跨阻抗电路，每一个跨阻抗电路作为本实施例的电流检测部件205而包括运算放大器301、电阻器302、304和306、电容器303、305和307、以及电路器件切换部件308。跨阻抗电路还包括可变电阻器309、可变电容器310和高速开关311。在图3A、图3B、图3C和图3D中，运算放大器301与正电源VDD和负电源VSS连接。
首先，描述图3A中示出的其中振动膜101正在操作于常规模式中的情况。在图3A中，运算放大器301的反相输入端子(-IN)经由保护开关204连接到CMUT的下电极105。至于运算放大器301的输出端子(OUT)，彼此并联连接的电阻器302和电容器303被电路器件切换部件308连接到反相输入端子(-IN)，并且其输出信号被反馈到运算放大器301。运算放大器301的非反相输入端子(+IN)通过彼此并联连接的电阻器304和电容器305而连接到接地端子(GND)。接地端子(GND)的电压是在正电源VDD与负电源VSS之间的中间电势。电阻器302和电阻器304的值是相同的值，并且电容器303和电容器305的值是相同的值。那些值用作匹配常规操作中的振动膜101的频率特性的参数。
当振动膜101操作在图3B中示出的塌陷模式中时，电路器件切换部件308被切换到其中向运算放大器301的反馈由彼此并联连接的电阻器306和电容器307来执行的结构。该电阻器306和电容器307用作匹配塌陷操作中的振动膜101的频率特性的参数。通过以上述方式使用电路器件切换部件308，跨阻抗电路的电流-电压转换的频率特性可以被切换。
现在参考图3C描述可以改变频率特性的电流检测部件205的另一个电路结构。在图3C中，没有设置图3A和图3B中示出的电路器件切换部件308，并且代替电阻器302的可变电阻器309和代替电容器303的可变电容器310与反相输入端子(-IN)连接。可变电阻器309和可变电容器310的值被改变，使得图3C中示出的跨阻抗电路的电流-电压转换的频率特性可以被变为与模式切换对应的最佳的特性。
现在参考图3D描述又一个电路结构。在图3D中，没有设置图3C中示出的可变电阻器309和可变电容器310。代替的是，插入高速开关311和电容器303。高速开关311可以以高速被接通和断开，并且运算放大器301的反馈部的参数可以根据开关被接通和断开的占空比而改变。通过以上述方式改变高速开关311的占空比，图3D中示出的跨阻抗电路的电流-电压转换的频率特性可以容易地与模式切换对应地改变。
在本实施例中，可以利用简单的电路结构来与模式切换对应地改变电流检测部件205的频率特性。在图3A、图3B、图3C和图3D中示出的示例中的每一个中，仅仅运算放大器301的反馈部的电路器件被改变。然而，虽然运算放大器301的反馈部的电路器件被改变，但是可以与上面相同地构成在运算放大器301的非反相输入端子(+IN)与接地端子之间的器件结构，使得器件常数可以根据振动膜101的模式而被切换。
(第五实施例)
现在参考图4A和图4B描述第五实施例。第五实施例涉及驱动/检测部件202的电流检测部件的特定示例。除此之外，本实施例与第一到第三实施例中的一个实施例相同。本实施例有代表性地包括具有彼此不同的频率特性的电流检测器。
图4A和图4B示出本实施例的电流检测部件的结构，其包括第一电流检测器401、第二电流检测器402以及互连件切换部件403和404。这些组件构成电流检测部件。在该电流检测部件中，互连件由互连件切换部件403切换到第一电流检测器401或者第二电流检测器402的输入端子。此外，第一电流检测器401和第二电流检测器402的输出之一具有要由互连件切换部件404切换到电流检测部件的输出端子的互连件。在互连件切换部件403与第一电流检测器401的输入侧连接的情况下，互连件切换部件404与第一电流检测器401的输出侧连接（图4A中示出的情形）。在输入端子和输出端子之一与第二电流检测器402连接的情况下，输入端子和输出端子中的另一个也与第二电流检测器402连接（图4B中示出的情形）。
第一电流检测器401具有第一频率特性，并且第二电流检测器402具有第二频率特性。第一频率特性与振动膜101在操作于常规模式中时对其敏感的频率区域对应地被设置。第二频率特性与振动膜101在操作于塌陷模式中时对其敏感的频率区域对应地被设置。第一频率特性的中心频率比第二频率特性的中心频率低。因此当振动膜101正操作于常规模式中时，在图4A中示出的情形中连接互连件切换部件403和404。利用该布置，与振动膜101在操作于常规模式中时对其敏感的频率对应地设置的第一电流检测器401检测电流的变化，并且输出来自电流检测部件的检测结果。另一方面，当振动膜101正操作于塌陷模式中时，如图4B中所示出地连接互连件切换部件403和404。利用该布置，与振动膜101在操作于塌陷模式中时对其敏感的频率对应地设置的第二电流检测器402检测电流的变化，并且输出来自电流检测部件的检测结果。
由于本实施例包括多个电流检测器，因此适用于各个操作模式的电路的参数可以彼此独立地被设定，并且可以在各个模式中更适当地（合适地）执行电流检测。因此，可以执行具有更高特性的电流检测，并且可以实现更高的接收特性。虽然在本实施例中已经描述了包括多个电流检测器的电流检测部件的特定结构，但是其中具有彼此不同的频率特性的组件根据操作模式而被切换的结构也可以被应用于AC电势产生部件203。也就是说，具有与上述相同的原理的互连件切换部件可以被用于AC电势产生部件203。
(第六实施例)
现在参考图5A和图5B描述第六实施例。第六实施例涉及改变器件的尺寸的特定示例。除此之外，本实施例与第一到第五实施例中的一个实施例相同。本实施例有代表性地与塌陷模式或常规模式中的操作对应地改变器件的尺寸。
图5A和图5B示出包括器件501和器件互连件切换部件502的本实施例的CMUT。这里，每个器件包括单元，并且同一个器件中的单元的所有下电极105被电连接。器件互连件切换部件502根据CMUT的操作模式来切换在每个器件501与检测/驱动部件202之间的互连件。在塌陷模式中的操作中，每个器件501中的下电极105与每个对应的驱动/检测部件202连接（图5A中示出的情形）。因此每个器件501的尺寸为塌陷模式中的每个器件的尺寸。
另一方面，在常规模式中的操作中，几个(在本示例中为四个)器件501的下电极105与一个驱动/检测部件202连接（图5B中示出的情形）。因此几个(四个)器件501的总尺寸是常规模式中的一个器件的尺寸。这里，器件节距在其中要被使用的频带相对高的塌陷模式中更窄。然而，每个器件的尺寸在塌陷模式与常规模式之间的关系当然可以被反转。
必需的频率根据测量对象和测量方法而变化。同样，一个器件的所需的尺寸可以改变。根据本实施例，测量可以通过在具有相同结构的单个CMUT中使用不同的频率和不同的器件尺寸来实现。因此，可以实现对于每个测量对象更合适的测量，并且可以获得关于每个测量对象的更特定的信息。
(第七实施例)
现在参考图5C和图5D描述第七实施例。第七实施例涉及与输入/输出信号的数量有关的示例。除此之外，本实施例与第六实施例相同。在本实施例中，当在塌陷模式中正在执行操作时，仅仅与变换器的输入/输出信号的数量相同的数量的器件与驱动/检测部件202连接。
在图5C和图5D中，CMUT中的器件的数量由X表示，CMUT的塌陷模式中的操作中的器件的数量由Z表示(X>Z)，并且来自CMUT的输入/输出信号的数量也为Z，与塌陷模式中的器件的数量相同。在该示例中，X为16，并且Z为4。在图5C示出的塌陷模式中的操作中，CMUT的中心部分中的Z个器件501中的下电极105中的每一个通过器件互连件切换部件502连接到Z个驱动/检测部件202。以该方式，Z个信号被输入到CMUT或者从CMUT输出（图5C中示出的情形）。另一方面，（X-Z）个器件501中的下电极105不与驱动/检测部件202连接，并且不被用于超声的发送/接收。
在常规模式中的操作中，几个(在本示例中为四个)器件501的下电极105通过器件互连件切换部件502而与每个驱动/检测部件202连接。存在Z个驱动/检测部件202，并且Z个信号被输入或输出（图5D中示出的情形）。在该情况下，CMUT中的所有器件501被用于发送/接收超声。以该方式，在塌陷模式中一些器件不被用于发送/接收。因此，在常规模式和塌陷模式中合适的信号可以利用相同数量的输出线来被处理。在本实施例中，该关系可以类似地在塌陷模式与常规模式之间反转。虽然在图5C中的塌陷模式中互连件被连接到相应的相邻器件，但是互连件可以被连接到以与常规模式中的器件间隔相同的间隔布置的器件。因此，仅仅在发送/接收时的频率特性可以被改变，而不改变接收信号的器件之间的间隔。
根据本实施例，即使通过将操作模式在常规模式与塌陷模式之间进行切换来在不同器件尺寸的情况下执行驱动和检测，也可以使用与信号线相同数量的输入/输出信号。因此，负载不由于信号线的数量的较大的增大而被施加在互连件和信号处理部件上，并且可以有效地仅仅提取必需的信息。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围将被给予最宽的解释从而包括所有这样的修改、等同的结构与功能。
本申请要求2009年12月11日提交的日本专利申请No2009-282278的权益，其整体通过参考被并入于此。

Claims (9)

1.一种用于电容式机电变换器的控制设备，所述电容式机电变换器包括多个单元，每个单元包括彼此面对的第一电极和第二电极，在第一电极和第二电极之间介入有空隙，
所述控制设备包括：
驱动/检测部件，所述驱动/检测部件执行驱动操作和检测操作中的至少一个，所述驱动操作用于通过在第一电极与第二电极之间产生AC静电引力来使得第二电极振动和发送弹性波，所述检测操作用于检测第一电极和第二电极之间的电容的变化，所述电容的变化是由在接收弹性波时振动的第二电极引起的；以及
外部应力施加部件，所述外部应力施加部件改变要被施加到第二电极的外部应力，
其中，在所述驱动/检测部件执行驱动操作时，所述驱动/检测部件与外部应力的改变对应地调整供应给所述电容式机电变换器的驱动信号的频率特性，以及
其中，在所述驱动/检测部件执行检测操作时，所述驱动/检测部件与外部应力的改变对应地调整在驱动/检测部件中的电流检测部件的频率特性。
2.根据权利要求1所述的用于电容式机电变换器的控制设备，其中每个单元包括其上形成有第二电极的振动膜、支撑振动膜的支撑部以及位于经由所述空隙面向在振动膜上形成的第二电极的位置的第一电极。
3.根据权利要求1和2中的一个所述的用于电容式机电变换器的控制设备，其中所述外部应力施加部件改变外部应力，以便将情形在非接触情形与接触情形之间进行切换，在所述非接触情形中第二电极或振动膜不与第一电极接触，在所述接触情形中第二电极或振动膜与第一电极接触。
4.根据权利要求3所述的用于电容式机电变换器的控制设备，其中
当所述外部应力施加部件改变外部应力以便实现接触情形时，所述驱动/检测部件将频率特性调整到第一状态，
当所述外部应力施加部件改变外部应力以便实现非接触情形时，所述驱动/检测部件将频率特性调整到第二状态，以及
在第一状态中，与第二状态中相比，要被使用的整个频率区域的位置更接近高频侧。
5.根据权利要求1和2中的一个所述的用于电容式机电变换器的控制设备，其中所述外部应力施加部件通过改变由第一电极与第二电极之间的电势差产生的静电引力来改变外部应力。
6.根据权利要求1和2中的一个所述的用于电容式机电变换器的控制设备，其中
所述驱动/检测部件执行检测操作并且包括包含执行检测操作的跨阻抗电路的电流检测部件，并且通过与外部应力的改变对应地改变跨阻抗电路的反馈部分的参数来调整电流检测部件的频率特性。
7.根据权利要求1和2中的一个所述的用于电容式机电变换器的控制设备，其中
所述驱动/检测部件包括具有彼此不同的频率特性的多个电流检测部件和切换部件，并且所述切换部件与外部应力的改变对应地切换在所述多个电流检测部件之中要被操作的电流检测部件。
8.根据权利要求1和2中的一个所述的用于电容式机电变换器的控制设备，还包括互连件切换部件，所述互连件切换部件根据所述外部应力施加部件在接触情形与非接触情形之间切换而改变要被连接到单个驱动/检测部件的第一电极的数量。
9.一种用于控制电容式机电变换器的方法，所述电容式机电变换器包括多个单元，每个单元包括彼此面对的第一电极和第二电极，在第一电极和第二电极之间介入有空隙，
所述方法包括：
执行驱动操作和检测操作中的至少一个，所述驱动操作用于通过在第一电极与第二电极之间产生AC静电引力来使得第二电极振动和发送弹性波，所述检测操作用于检测第一电极和第二电极之间的电容的变化，所述电容的变化由在接收弹性波时振动的第二电极引起；
改变要被施加到第二电极的外部应力，以便改变第二电极响应的频率特性；
其中，在执行驱动操作时，与外部应力的改变对应地调整供应给所述电容式机电变换器的驱动信号的频率特性；以及
其中，在执行检测操作时，与外部应力的改变对应地调整电流检测部件的频率特性。
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