DE102019126795A1 - Acoustic transducer and method for generating / receiving an acoustic wave - Google Patents
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Abstract
Ein akustischer Wandler zum Erzeugen oder Empfangen einer akustischen Welle (50) umfasst: eine erste Membrane (110) mit einem ersten piezoelektrischen Wandler (210); und eine zweite Membrane (120) mit einem zweiten piezoelektrischen Wandler (220). Die erste Membrane (110) und die zweite Membrane (120) sind schwingbar und durch einen Hohlraum (115) voneinander getrennt, um die akustische Welle (50) durch Anregungen des ersten piezoelektrischen Wandlers (210) und/oder des zweiten piezoelektrischen Wandlers (220) zu erzeugen oder zu empfangen.An acoustic transducer for generating or receiving an acoustic wave (50) comprises: a first diaphragm (110) having a first piezoelectric transducer (210); and a second diaphragm (120) with a second piezoelectric transducer (220). The first diaphragm (110) and the second diaphragm (120) are oscillatable and separated from one another by a cavity (115) in order to generate the acoustic wave (50) through excitations of the first piezoelectric transducer (210) and / or the second piezoelectric transducer (220 ) to generate or receive.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen akustischen Wandler und ein Verfahren zum Erzeugen oder Empfangen einer akustischen Welle und insbesondere auf einen kombinierten piezoelektrisch-kapazitiven akustischen Wandler.The present invention relates to an acoustic transducer and a method for generating or receiving an acoustic wave, and in particular to a combined piezoelectric-capacitive acoustic transducer.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Akustische Wandler wandeln elektrische Energie in akustische Energie und umgekehrt. Beispiele sind Lautsprecher (elektrisch nach akustisch) oder Mikrofone (akustisch nach elektrisch). Je nach Frequenzbereich kommen unterschiedliche Wandlungsprinzipien zum Einsatz. In Lautsprechern für den Hörbereich dominieren elektrodynamische Wandler, Mikrofone arbeiten in der Regel nach dem kapazitiven Prinzip. Der Luftultraschallbereich wird von kapazitiven und piezoelektrischen Wandlern abgedeckt. Beide Prinzipien können auch mikromaschinell gefertigt werden. Die entsprechenden Wandler werden als „piezo electric micromachined ultrasound transducer“ (PMUT) oder „capacitive micromachined ultrasound transducer“ (CMUT) bezeichnet.Acoustic transducers convert electrical energy into acoustic energy and vice versa. Examples are loudspeakers (electrical to acoustic) or microphones (acoustic to electrical). Different conversion principles are used depending on the frequency range. In loudspeakers for the listening area, electrodynamic converters dominate, microphones usually work according to the capacitive principle. The air-ultrasonic area is covered by capacitive and piezoelectric transducers. Both principles can also be micromachined. The corresponding transducers are called "piezo electric micromachined ultrasound transducers" (PMUT) or "capacitive micromachined ultrasound transducers" (CMUT).
Bei dem gezeigten CMUT verursacht ein elektrisches Feld zwischen der Plattenelektrode
Beim PMUT ist somit der piezoelektrische Effekt Ursache für eine Ausdehnung des Piezomaterials in radialer Richtung. So bewirkt ein fester Verbund des piezoelektrischen Materials
Idealerweise würden diese Wandler über einen großen Frequenzbereich mit hoher Effizienz wandeln, tatsächlich ist die Wandlung nur bei mechanischer Resonanz effizient. Das heißt, nur in einem bestimmten, durch die Konstruktion festgelegten Frequenzbereich ist die Wandlung effizient. Zusätzlich unterscheiden sich optimale Frequenzen der beiden Wandlungsrichtungen: Die Wandlung von elektrischer zu akustischer Energie ist bei der Resonanz am effizientesten, im umgekehrten Fall von akustischer zu elektrischer Energie bei der AntiresonanzIdeally, these converters would convert over a large frequency range with high efficiency; in fact, the conversion is only efficient with mechanical resonance. This means that the conversion is only efficient in a certain frequency range determined by the design. In addition, the optimal frequencies of the two directions of conversion differ: the conversion from electrical to acoustic energy is most efficient with resonance, in the opposite case from acoustic to electrical energy with anti-resonance
Je ausgeprägter die beiden Resonanzen sind, desto effizienter ist die Wandlung in die jeweilige Richtung. Im Gegenzug ist das Frequenzband der optimalen Wandlung schmal. Bei einem schmalbandigen Wandler sind die Resonanzstellen stark ausgeprägt. Bei einem breitbandigen Wandler sind die Resonanzen weniger stark ausgeprägt, dafür ist die effiziente Wandlung in einem breiteren Frequenzbereich möglich. Die Konstruktion eines Wandlers ist daher immer ein Kompromiss zwischen Bandbreite und Wandlereffizienz.The more pronounced the two resonances, the more efficient the conversion in the respective direction. In return, the frequency band of the optimal conversion is narrow. In the case of a narrow-band converter, the resonance points are very pronounced. With a broadband converter, the resonances are less pronounced, but efficient conversion is possible in a broader frequency range. The design of a converter is therefore always a compromise between bandwidth and converter efficiency.
Wird der gleiche Wandler im Pulse-Echo-Betrieb, also zum Senden und Empfangen verwendet, kann er zusätzlich weder bei der optimalen Sendefrequenz, noch der optimalen Empfangsfrequenz betrieben werden.If the same transducer is used in pulse-echo mode, i.e. for sending and receiving, it can also be operated neither at the optimal transmission frequency nor the optimal reception frequency.
Es wäre daher wünschenswert, bei der optimalen Sendefrequenz Ultraschall zu erzeugen und im Anschluss das gesendete Ultraschallsignal mit der optimalen Empfangsfrequenz zu empfangen.It would therefore be desirable to generate ultrasound at the optimal transmission frequency and then to receive the transmitted ultrasound signal with the optimal reception frequency.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch einen akustischen Wandler nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen für die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.At least part of the above problems is solved by an acoustic transducer according to claim 1 and a method according to claim 11. The dependent claims define further advantageous embodiments for the subjects of the independent claims.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen akustischen Wandler zum Erzeugen oder Empfangen einer akustischen Welle. Der Wandler umfasst eine erste Membrane mit einem ersten piezoelektrischen Wandler und eine zweite Membrane mit einem zweiten piezoelektrischen Wandler. Die erste Membrane und die zweite Membrane sind schwingbar. Außerdem können die erste Membrane und die zweite Membrane durch einen Hohlraum voneinander getrennt sein, um die akustische Welle durch Anregungen des ersten piezoelektrischen Wandlers und/oder des zweiten piezoelektrischen Wandlers zu erzeugen oder zu empfangen.The present invention relates to an acoustic transducer for generating or receiving an acoustic wave. The transducer comprises a first diaphragm with a first piezoelectric transducer and a second diaphragm with a second piezoelectric transducer. The first membrane and the second membrane are oscillatable. In addition, the first membrane and the second membrane can be separated from one another by a cavity in order to generate or receive the acoustic wave by excitations of the first piezoelectric transducer and / or the second piezoelectric transducer.
Es versteht sich, dass der akustische Wandler im Allgemeinen mehrere akustische Wellen durch die mehreren Wandler erzeugt, die sich dann überlagern und ausgesendet werden können. Die Wandler können in einer Ausbreitungsrichtung die resultierende akustische Welle aussenden oder auch in verschiedene Richtungen (z.B. in entgegengesetzte Richtungen). Beim Empfangen von akustischen Wellen wird - wie in einem Mikrophon - die akustische Energie in elektrische Energie umgewandelt, während beim Senden elektrische Energie in akustische Energie umgewandelt wird.It goes without saying that the acoustic transducer generally generates a plurality of acoustic waves through the plurality of transducers, which waves then overlap and can be emitted. The transducers can emit the resulting acoustic wave in one direction of propagation or in different directions (e.g. in opposite directions). When receiving acoustic waves - like in a microphone - the acoustic energy is converted into electrical energy, while when transmitting, electrical energy is converted into acoustic energy.
Außerdem soll der Begriff „Wandler“ im Rahmen der vorliegenden Erfindung breit ausgelegt werden und sich nicht zwingend auf unabhängig voneinander operierende Wandler beschränkt werden. Unabhängig davon, ob zum Senden/Empfangen von akustischen Wellen gleiche oder verschiedene Membranen genutzt werden, soll jede Möglichkeit ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal umzuwandeln (und umgekehrt) unter einem Wandler fallen. Somit kann jedes piezoelektrisches Senden/Empfangen und elektrostatisches Senden/Empfangen als ein Wandler bezeichnet werden.In addition, the term “converter” is to be interpreted broadly within the scope of the present invention and is not necessarily limited to converters operating independently of one another. Regardless of whether the same or different membranes are used to transmit / receive acoustic waves, every possibility of converting an electrical signal into an acoustic signal (and vice versa) should fall under a transducer. Thus, each piezoelectric transmission / reception and electrostatic transmission / reception can be referred to as a transducer.
Optional liegen die erste Membrane und/oder die zweite Membrane beidseitig frei. Der Hohlraum kann Luft oder ein anderes Gas aufweisen oder luftleer sein, sodass der akustische Wandler in der Lage ist, um akustische Wellen in zwei entgegensetzte Richtungen zu senden oder von dort zu empfangen. Durch einen luftleeren Hohlraum wird die Schallausbreitung weitestgehend unterdrückt, sodass die gesamte gewandelte elektrische Energie gebündelt in beiden Richtungen weg vom Hohlraum ausgesendet wird. Wenn Luft oder ein anderes Gas in dem Hohlraum vorhanden ist, kann eine kleine Öffnung für einen Druckausgleich des Hohlraumes nach außen vorgesehen sein (ein sogenannter venting channel, wie zum Beispiel auch bei jedem elektrostatischen Mikrophon genutzt wird).Optionally, the first membrane and / or the second membrane are exposed on both sides. The cavity can contain air or another gas or be evacuated, so that the acoustic transducer is able to transmit or receive acoustic waves in two opposite directions. The propagation of sound is largely suppressed by an air-free cavity, so that all of the converted electrical energy is bundled and emitted in both directions away from the cavity. If air or another gas is present in the cavity, a small opening can be provided for pressure equalization of the cavity to the outside (a so-called venting channel, as is also used, for example, with every electrostatic microphone).
Optional sind die erste Membrane und die zweite Membrane in einem vorbestimmten Abstand angeordnet, um einen akustischen Druck infolge einer konstruktiven Interferenz zwischen den erzeugten akustischen Wellen zu verstärken. Diese Option ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in dem Hohlraum Luft vorhanden ist oder keine vollständige Entlüftung möglich ist. In diesem Fall sollten sich vorteilhafterweise beide Wandler nicht gegenseitig stören. Dies kann, wie gesagt, durch die Wahl des Abstandes erreicht werden. Das gezielte Einstellen des Abstandes kann aber auch für den Fall sinnvoll sein, dass im Hohlraum eigentlich ein Vakuum herrschen soll, jedoch mit der Zeit ein Eindringen von Luft nicht zuverlässig vermieden werden kann. Mit dieser Vorgehensweise würde die eingedrungene Luft nicht zu einer Verschlechterung der Effizienz der Wandler mit der Zeit führen.Optionally, the first diaphragm and the second diaphragm are arranged at a predetermined distance in order to amplify an acoustic pressure due to a structural interference between the generated acoustic waves. This option is particularly advantageous when there is air in the cavity or complete ventilation is not possible. In this case, the two converters should advantageously not interfere with one another. As I said, this can be achieved by choosing the distance. However, the targeted setting of the distance can also be useful in the event that a vacuum should actually prevail in the cavity, but the ingress of air cannot reliably be avoided over time. With this approach, the air that has entered would not degrade the efficiency of the transducers over time.
Optional kann der akustische Wandler zumindest einen akustischen Reflektor aufweisen, um in verschiedene Richtungen ausgesandte akustische Wellen in ein Vorzugsrichtung zu reflektieren. Der zumindest eine Reflektor kann beidseitig der Membranen ausgebildet sein (es können auch zwei separate Reflektoren sein), um die von den Membranen ausgesandten akustischen Wellen umzuleiten (z.B. in ein gewünschte Richtung). Unterhalb der zweiten Membrane kann auch ein Parabolreflektor vorhanden sein, um die akustische Welle von der zweiten Membrane in die gleiche Richtung zu lenken, die die akustische Welle, die von der ersten Membrane ausgesendet wird. Gleiches gilt wiederum für den Empfang von akustischen Wellen, die ebenfalls getrennt auf die zwei Membranen gelenkt werden können.Optionally, the acoustic transducer can have at least one acoustic reflector in order to reflect acoustic waves emitted in different directions in a preferred direction. The at least one reflector can be formed on both sides of the membranes (there can also be two separate reflectors) in order to redirect the acoustic waves emitted by the membranes (for example in a desired direction). A parabolic reflector can also be present underneath the second membrane to deflect the acoustic wave from the second To direct the membrane in the same direction as the acoustic wave emitted by the first membrane. The same applies in turn to the reception of acoustic waves, which can also be directed separately onto the two membranes.
Optional umfasst der Wandler weiter einen Resonator-Hohlraum, wobei die zweite Membrane zwischen der ersten Membrane und dem Resonator-Hohlraum ausgebildet ist, um akustische Wellen zumindest teilweise in den Resonator-Hohlraum auszusenden oder von dort zu empfangen. Der Resonator-Hohlraum kann ausgebildet sein, um die erzeugten akustischen Wellen zu reflektieren und so einen Schalldruck von abgestrahlten akustischen Wellen zu vergrößern. Hierzu kann der Resonator-Hohlraum in Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle eine vorbestimmte Tiefe aufweisen (z.B. eine halbe Wellenlänge), um dort stehende Welle zu erzeugen. Für diese Ausführungsform ist es außerdem vorteilhaft, wenn in dem Hohlraum zwischen den Membranen Luft vorhanden ist, sodass die im Resonator-Hohlraum reflektierte akustische Welle sich durch den Hohlraum leicht ausbreiten kann. Um keine unerwünschte destruktive Interferenz an der ersten Membrane zu verursachen, kann der Abstand der ersten und zweiten Membrane wieder entsprechend gewählt werden (z.B. ein Vielfaches der Wellenlänge der akustischen Welle).Optionally, the transducer further comprises a resonator cavity, the second membrane being formed between the first membrane and the resonator cavity in order to at least partially transmit acoustic waves into the resonator cavity or to receive them from there. The resonator cavity can be designed to reflect the generated acoustic waves and thus to increase a sound pressure of radiated acoustic waves. For this purpose, the resonator cavity can have a predetermined depth in the direction of propagation of the acoustic wave (e.g. half a wavelength) in order to generate standing waves there. For this embodiment it is also advantageous if air is present in the cavity between the membranes, so that the acoustic wave reflected in the resonator cavity can easily propagate through the cavity. In order not to cause any undesired destructive interference on the first membrane, the distance between the first and second membrane can be selected again accordingly (e.g. a multiple of the wavelength of the acoustic wave).
Optional umfasst der akustische Wandler weiter eine Ansteuereinheit, die ausgebildet ist zum Anlegen und/oder zum Abgreifen zumindest eines der folgenden Wechselspannungssignale:
- - ein erstes Wechselspannungssignal an/von dem ersten piezoelektrischen Wandler,
- - ein zweites Wechselspannungssignal zwischen der ersten Membrane und der zweiten Membrane, um einen zusätzlichen kapazitiven Wandler zu bilden,
- - ein drittes Wechselspannungssignal an/von dem zweiten piezoelektrischen Wandler.
- - a first AC voltage signal to / from the first piezoelectric transducer,
- - a second AC voltage signal between the first membrane and the second membrane to form an additional capacitive transducer,
- - A third AC voltage signal to / from the second piezoelectric transducer.
Es versteht sich, dass zum Anlegen/Abgreifen einer elektrischen Spannung entsprechende Elektroden vorhanden sind. Zum Beispiel kann eine Elektrode direkt auf der ersten oder zweiten Membrane ausgebildet sein (evtl. als Teil der entsprechenden piezoelektrischen Wandler). Es ist auch möglich, dass die erste und/oder die zweite Membrane selbst als Elektrode wirken können (z.B., wenn sie ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen).It goes without saying that corresponding electrodes are present for applying / tapping off an electrical voltage. For example, an electrode can be formed directly on the first or second membrane (possibly as part of the corresponding piezoelectric transducer). It is also possible that the first and / or the second membrane can itself act as an electrode (e.g. if they have an electrically conductive material).
Optional ist die Ansteuereinheit weiter ausgebildet, um ein (zusätzliches) Gleichspannungssignal an dem ersten piezoelektrischen Wandler und/oder an dem zweiten piezoelektrischen Wandler und/oder an dem kapazitiven Wandler anzulegen. Dadurch kann eine mechanischen (Vor-) Spannung der ersten und/oder der zweiten Membrane geändert werden, wodurch wiederum eine Resonanzfrequenz der ersten Membrane und/oder der zweiten Membrane sich ändert bzw. gezielt eingestellt werden kann. Es versteht sich, dass das Gleichspannungssignal unabhängig von den Wechselspannungssignale(n) anlegbar ist und daher eine sogenannte Biasspannung (Vorspannung) darstellt.Optionally, the control unit is further designed to apply an (additional) DC voltage signal to the first piezoelectric converter and / or to the second piezoelectric converter and / or to the capacitive converter. As a result, a mechanical (pre-) tension of the first and / or the second membrane can be changed, whereby a resonance frequency of the first membrane and / or the second membrane can in turn change or be set in a targeted manner. It goes without saying that the direct voltage signal can be applied independently of the alternating voltage signal (s) and therefore represents a so-called bias voltage (bias voltage).
Optional kann, wenn die akustische Welle eine bestimmte Frequenz aufweist, die Ansteuereinheit ausgebildet sein, um das Gleichspannungssignal derart zu wählen, dass die akustische Welle mit der bestimmten Frequenz sowohl effizient erzeugt als auch effizient empfangen werden kann. Dies wird möglich, da das Gleichspannungssignal die Resonanzfrequenz verschiebt, sodass dadurch die unterschiedlichen Frequenzsensitivitäten (beim Senden und Empfangen) ausgeglichen werden können. Somit wird es möglich, dass ein ausgesandtes Signal einer bestimmten Frequenz auch wieder effizient empfangen werden kann. Damit wird das eingangs genannte Problem der unterschiedlichen Sensitivitäten beim Senden und Empfangen von akustischen Wellen behoben oder zumindest gemildert. Der Wandler kann daher adaptronisch oder adaptiv so verändert werden, dass er immer mit der optimalen Frequenz (beim Senden und beim Empfangen) betrieben wird.Optionally, if the acoustic wave has a specific frequency, the control unit can be designed to select the DC voltage signal in such a way that the acoustic wave with the specific frequency can both be efficiently generated and efficiently received. This is possible because the DC voltage signal shifts the resonance frequency so that the different frequency sensitivities (when sending and receiving) can be compensated. This makes it possible that a transmitted signal of a certain frequency can also be efficiently received again. This eliminates or at least alleviates the problem mentioned at the beginning of the different sensitivities when transmitting and receiving acoustic waves. The transducer can therefore be changed adaptronically or adaptively so that it is always operated at the optimal frequency (when transmitting and receiving).
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, z.B. gezielt, eine Sendefrequenz zu ändern, um beispielsweise die Auflösung zu erhöhen. Ebenso kann gezielt die Sendefrequenz verringert werden, um beispielsweise die Reichweite der akustischen Welle zu ändern (z.B. zu vergrößern). Das kann beispielsweise für eine Materialprüfung genutzt werden, um so gezielt bestimmte Strukturen zu untersuchen und durch eine Frequenzerhöhung weitere Details sichtbar zu machen.According to further exemplary embodiments, it is also possible, for example in a targeted manner, to change a transmission frequency in order, for example, to increase the resolution. The transmission frequency can also be reduced in a targeted manner, for example to change the range of the acoustic wave (e.g. to increase it). This can be used, for example, for material testing in order to examine specific structures in a targeted manner and to make further details visible by increasing the frequency.
Optional ist die Ansteuereinheit weiter ausgebildet, um das Gleichspannungssignal an nur einem der Wandler anzulegen, um nur den einen Wandler zum Erzeugen (Empfangen) der akustischen Welle zu nutzen und um zumindest einen der verbleibenden Wandler zum Empfangen (Erzeugen) der akustischen Welle zu nutzen.Optionally, the control unit is further designed to apply the DC voltage signal to only one of the transducers, to use only one transducer to generate (receive) the acoustic wave and to use at least one of the remaining transducers to receive (generate) the acoustic wave.
Optional ist die Ansteuereinheit weiter ausgebildet, um das Gleichspannungssignal an zumindest einem der Wandler anzulegen und den zumindest einen der Wandler zur Erzeugung und zum Empfang der akustischen Welle zu nutzen.Optionally, the control unit is further designed to apply the DC voltage signal to at least one of the transducers and to use the at least one of the transducers to generate and receive the acoustic wave.
Optional ist die Ansteuereinheit weiter ausgebildet, um das Gleichspannungssignal nur während eines Sendens der akustischen Welle oder nur während eines darauffolgenden Empfangens einer Reflexion der akustischen Welle anzulegen. Oder jeweils andere Gleichspannungssignale beim Senden bzw. beim Empfangen anzulegen.Optionally, the control unit is further designed to apply the DC voltage signal only during a transmission of the acoustic wave or only during a subsequent reception of a reflection of the acoustic wave. Or each to apply other DC voltage signals when sending or receiving.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist es somit möglich den/die piezoelektrische(n) Wandler und den kapazitiven Wandler parallel gleichzeitig zu betreiben und flexibel eine Anpassung der Resonanzfrequenzen durchzuführen. Der Begriff „gleichzeitig“ kann auch den Fall umfassen, wo ein Wandler noch auf ein Reflexionssignal zu warten hat, sodass die Wandler für Bruchteile einer Sekunde später oder früher aktiv sind.According to exemplary embodiments, it is thus possible to operate the piezoelectric converter (s) and the capacitive converter in parallel at the same time and to flexibly adapt the resonance frequencies. The term “simultaneously” can also include the case where a transducer still has to wait for a reflection signal so that the transducers are active for a fraction of a second later or earlier.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zum Erzeugen oder Empfangen einer akustischen Welle, wobei das Verfahren einen der zuvor beschriebenen akustischen Wandler nutzt. Alle der zuvor beschriebenen funktionalen Merkmale können daher als weitere optionale Verfahrensschritte implementiert sein.Embodiments also relate to a method for generating or receiving an acoustic wave, the method using one of the acoustic transducers described above. All of the functional features described above can therefore be implemented as further optional method steps.
Insbesondere kann das Verfahren ein Ausbilden einer mechanischen Vorspannung in der ersten Membrane und/oder in der zweiten Membrane umfassen, um ein effektives Erzeugen und ein effektives Empfangen einer akustischen Welle einer vorbestimmten Frequenz zu ermöglichen.In particular, the method can include the formation of a mechanical preload in the first membrane and / or in the second membrane in order to enable an acoustic wave of a predetermined frequency to be effectively generated and received.
Optional kann das Verfahren auch ein Ändern einer mechanischen Vorspannung in der ersten Membrane und/oder in der zweiten Membrane umfassen, um ein Senden und/oder ein Empfangen von akustischen Wellen verschiedener Frequenzen zu ermöglichen. Das Senden/Empfangen kann auch gleichzeitig erfolgen, muss es aber nicht.Optionally, the method can also include changing a mechanical preload in the first membrane and / or in the second membrane in order to enable transmission and / or reception of acoustic waves of different frequencies. Sending / receiving can also take place at the same time, but does not have to be.
Optional kann in dem Verfahren der Schritt des Ausbildens der mechanischen Vorspannung derart ausgeführt werden:
- - dass ein effektives Aussenden der akustischen Welle durch einen der Wandler und, nach einer Reflexion der akustischen Welle(z.B. an einem Objekt oder einem Materialartefakt o.ä.), ein effektives Empfangen der akustischen Welle durch den einen Wandler oder durch einen anderen Wandler erreicht wird; oder
- - dass eine gewünschte Reichweitenänderung der akustischen Welle oder eine gewünschte Auflösungsänderung für die akustische Welle erreicht wird.
- - that an effective emission of the acoustic wave by one of the transducers and, after a reflection of the acoustic wave (e.g. on an object or a material artifact, etc.), an effective reception of the acoustic wave by one transducer or by another transducer is achieved becomes; or
- - That a desired change in range of the acoustic wave or a desired change in resolution for the acoustic wave is achieved.
Optional kann das Verfahren weiter Folgendes umfassen:
- - Anregen des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Wandlers; und
- - Messen einer Auslenkung der ersten und/oder der zweiten Membrane, die durch das Anregen des ersten und des zweiten piezoelektrischen Wandlers verursacht wurde, durch den kapazitiven Wandler (d.h. elektrostatisch).
- - Exciting the first and / or the second piezoelectric transducer; and
- - Measuring a deflection of the first and / or the second membrane, which was caused by the excitation of the first and the second piezoelectric transducer, by the capacitive transducer (ie electrostatic).
Auf diese Weise kann eine piezoelektrische Anregung analysiert werden, d.h. herausgefunden werden, zu welchen Auslenkungen die Anregung geführt hat. In this way, a piezoelectric excitation can be analyzed, i.e. it can be found out which deflections the excitation has led to.
Dieses Verfahren oder zumindest Teile davon kann/können ebenfalls in Form von Anweisungen in Software oder auf einem Computerprogrammprodukt implementiert oder gespeichert sein, wobei gespeicherte Anweisungen in der Lage sind, die Schritte nach dem Verfahren auszuführen, wenn das Verfahren auf einem Prozessor läuft. Daher bezieht sich die vorliegende Erfindung ebenfalls auf Computerprogrammprodukt mit darauf gespeichertem Software-Code (Softwareanweisungen), der ausgebildet ist, um eines der zuvor beschriebenen Verfahren auszuführen, wenn der Software-Code durch eine Verarbeitungseinheit ausgeführt wird. Die Verarbeitungseinheit kann jede Form von Computer oder Steuereinheit sein, die einen entsprechenden Mikroprozessor aufweist, der einen Software-Code ausführen kann.This method or at least parts thereof can also be implemented or stored in the form of instructions in software or on a computer program product, with stored instructions being able to carry out the steps according to the method when the method runs on a processor. The present invention therefore also relates to a computer program product with software code (software instructions) stored thereon, which is designed to carry out one of the methods described above when the software code is carried out by a processing unit. The processing unit can be any form of computer or control unit that has a corresponding microprocessor capable of executing software code.
FigurenlisteFigure list
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
-
1 zeigt einen akustischen Wandler zum Erzeugen oder Empfangen einer akustischen Welle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. -
2 veranschaulicht das Verschieben der Resonanzfrequenz beim Anlegen einer Vorspannung, wie es in Ausführungsbeispielen genutzt wird. -
3a ,3b zeigen akustische Wandler gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. -
4a ,4b zeigen einen Aufbau von konventionellen Wandlern. -
5a ,5b zeigen eine elektrische Impedanz eines konventionellen Ultraschallwandlers als Funktion der Frequenz, aus denen die optimale Sende- und Empfangsfrequenzen ermittelbar sind.
-
1 shows an acoustic transducer for generating or receiving an acoustic wave according to an embodiment of the present invention. -
2 illustrates the shift in the resonance frequency when a bias voltage is applied, as used in exemplary embodiments. -
3a ,3b show acoustic transducers according to further exemplary embodiments of the present invention. -
4a ,4b show a structure of conventional converters. -
5a ,5b show the electrical impedance of a conventional ultrasonic transducer as a function of the frequency, from which the optimal transmission and reception frequencies can be determined.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
In dem Hohlraum
Wenn Luft oder ein anderes Gas in dem Hohlraum
Der erste und der zweite piezoelektrische Wandler
Der akustische Wandler umfasst weiter eine Ansteuereinheit 150, die ausgebildet ist, um ein erstes Wechselspannungssignal AC1 an dem ersten piezoelektrischen Wandler
Der zweite piezoelektrische Wandler
Es versteht sich, dass das Empfangen von akustischen Wellen in analoger Weise verläuft, d.h. die ankommenden akustischen Wellen regen die Membrane
Außerdem ist zwischen der ersten Membrane
Zusätzlich zu dem Wechselspannungssignalen AC1, AC2, AC3 kann ein elektrostatisches Potential oder ein Gleichspannungssignal DC angelegt werden, welches - in Abhängigkeit der Polarität - die Membranen
Die Änderung der Resonanzeigenschaften der Membranen
Zunächst stellt die durchgezogene Linie
Die Linien 270 zeigen die entsprechende Resonanzkurven für eine erste Vorspannung, die 50% einer sogenannten „pull-in“ Spannung (z.B. 1352 V) beträgt, während die Linien 280 die entsprechenden Resonanzkurven für eine Vorspannung von 60% und die Linien 290 die Resonanzkurven für eine Vorspannung, wie 70% der pull-in Spannung entspricht. Für jeden Fall sind zwei Linien gezeigt, die einem stärkeren und einem schwächeren Signal entsprechen.
Mit zunehmender elektrischer Vorspannung DC sinkt somit die Resonanzfrequenz und die Oberflächengeschwindigkeit und damit nimmt die Wandlereffizienz beim Senden zu. Durch die Vorspannung DC kann also zum einen die Effizienz erhöht werden, zum anderen die optimale Sendefrequenz eingestellt werden, wenn die Zunahme der Wandlereffizienz durch eine geringere Anregungsspannung ausgeglichen wird.As the electrical bias DC increases, the resonance frequency and the surface speed decrease and the converter efficiency increases during transmission. The bias voltage DC can therefore, on the one hand, increase the efficiency and, on the other hand, set the optimum transmission frequency if the increase in converter efficiency is compensated for by a lower excitation voltage.
Für diese Simulation wurden beispielhaft folgende Werte genommen: d = 10 µm, AC1 = AC3 = 10 Volt, AC2 = 0 Volt. Wie weiter der rechten Seite der
Es versteht sich, dass diese Geometrie/Materialien nur ein Beispiel darstellen, um die Funktionsfähigkeit des akustischen Wandlers nachzuweisen, d.h. die gewählten Materialien und Geometrien sollen lediglich veranschaulichen, dass sich die Resonanzfrequenz mit zunehmender Vorspannung zu kleineren Frequenzen verschiebt.It goes without saying that these geometry / materials are only an example to demonstrate the functionality of the acoustic transducer, i.e. the selected materials and geometries are only intended to illustrate that the resonance frequency shifts to lower frequencies with increasing bias.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann daher beim Senden eine andere Vorspannung genutzt werden als beim Empfangen, so dass eine akustische Welle
Es ist aber auch möglich, dass einer der drei Wandler
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann unterhalb der zweiten Membrane
Es versteht sich, dass die gleiche Anordnung auch vorteilhaft für den Empfang von akustischen Wellen
Der Resonator-Hohlraum
Außerdem kann der Resonator-Hohlraum
Außerdem kann der Abstand
Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann eine Vorspannung zum Beispiel zwischen der ersten Membrane
Alle weiteren Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der
Vorteilhafte Aspekte von Ausführungsbeispiele können wie folgt zusammengefasst werden:
- Die Erfindung betrifft einen neuartigen Ultraschallwandler, bei dem die beiden bekannten Aktorprinzipien der elektrostatischen und der piezoelektrischen Anregung in einer Doppelstruktur kombiniert werden. Die Kombination ermöglicht die gleichzeitige Wandlung und/oder die gegenseitige Beeinflussung beider Wandlungsprinzipien. Damit wird weiter Folgendes ermöglicht
- - elektrostatische Wandlung in entgegengesetzten Raumrichtungen, beim Senden und Empfangen;
- - piezoelektrische Wandlung in entgegengesetzten Raumrichtungen, beim Senden und Empfangen;
- - dieselbe piezoelektrische Wandlung mit mechanischer Vorspannung durch elektrisches Feld, z.B. um adaptronisch zwischen optimaler Sende- und Empfangsfrequenz umzuschalten (z.B. zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen oder sogar dem gezielten Senden und Empfangen unterschiedlicher Frequenzen);
- - piezoelektrische Anregung mit gleichzeitigem elektrostatischem Empfang, z.B. um die Funktion des piezoelektrischen Systems zu überwachen;
- - elektrostatische Anregung mit piezoelektrischem Empfang, z.B. um die Funktion des elektrostatischen Systems zu überwachen;
- - elektrostatische Anregung mit zusätzlicher piezoelektrischer Vorspannung, z.B. um den möglichen Frequenzbereich gegenüber der reinen elektrischen Vorspannung weiter zu vergrößern;
- - gleichzeitige Anregung mit beiden Wandlungsprinzipien, z.B. um einen höheren Schalldruck zu erzeugen;
- - wird die Doppelstruktur auf einer Seite mit einer entsprechend abgestimmten Resonatorkavität ergänzt, kann die rückseitig erzeugte Schalleistung auf die Vorderseite reflektiert werden und damit ein höherer Schalldruck erzeugt werden.
- - zumindest ein Reflektor kann genutzt werden, um die in verschiedene Richtungen ausgesendeten akustischen Wellen in eine Vorzugsrichtung zu reflektieren.
- The invention relates to a novel ultrasonic transducer in which the two known actuator principles of electrostatic and piezoelectric excitation are combined in a double structure. The combination enables the simultaneous conversion and / or the mutual influencing of both conversion principles. This also enables the following
- - Electrostatic conversion in opposite spatial directions, when sending and receiving;
- - Piezoelectric conversion in opposite spatial directions, when sending and receiving;
- - the same piezoelectric conversion with mechanical bias by electrical Field, for example to switch adaptronically between the optimal transmission and reception frequency (e.g. to compensate for manufacturing tolerances or even the targeted transmission and reception of different frequencies);
- - Piezoelectric excitation with simultaneous electrostatic reception, for example to monitor the function of the piezoelectric system;
- - electrostatic excitation with piezoelectric reception, for example to monitor the function of the electrostatic system;
- - Electrostatic excitation with additional piezoelectric bias, for example to further enlarge the possible frequency range compared to the pure electrical bias;
- - Simultaneous excitation with both conversion principles, eg to generate a higher sound pressure;
- - If the double structure is supplemented on one side with a correspondingly matched resonator cavity, the sound power generated on the rear side can be reflected onto the front side and thus a higher sound pressure can be generated.
- - At least one reflector can be used to reflect the acoustic waves emitted in different directions in a preferred direction.
Ausführungsbeispiele beziehen sich somit insbesondere auf die folgenden Gegenstände:
- - einen Wandler bestehend aus einer Kombination von mindestens zwei piezoelektrischen Wandlern zu einem neuartigen Wandler, der zusätzlich nach dem kapazitiven Wandlungsprinzip arbeiten kann;
- - einen Wandler, der außerdem elektrostatisch vorgespannt und piezoelektrisch ausgelenkt wird;
- - einen Wandler, der außerdem piezoelektrisch vorgespannt und elektrostatisch ausgelenkt wird;
- - einen Wandler, der außerdem elektrostatisch vorgespannt und ausgelenkt wird und bei dem die Auslenkung piezoelektrisch beeinflusst wird;
- - einen Wandler, der außerdem piezoelektrisch ausgelenkt wird und dessen Auslenkung elektrostatisch gemessen wird;
- - einen Wandler, der außerdem kombiniert piezoelektrisch und elektrostatisch ausgelenkt wird;
- - einen Wandler, der außerdem elektrostatisch vorgespannt und piezoelektrisch empfängt;
- - einen Wandler, der außerdem piezoelektrisch vorgespannt wird und elektrostatisch empfängt;
- - einen Wandler, der außerdem auf der Rückseite eine Kavität aufweist, die akustische Energie reflektiert.
- - A converter consisting of a combination of at least two piezoelectric converters to form a new type of converter, which can also work according to the capacitive conversion principle;
- a transducer which is also electrostatically biased and piezoelectrically deflected;
- a transducer which is also piezoelectrically biased and electrostatically deflected;
- a transducer which is also electrostatically biased and deflected and in which the deflection is piezoelectrically influenced;
- a transducer which is also deflected piezoelectrically and whose deflection is measured electrostatically;
- a transducer which is also deflected in a combined piezoelectric and electrostatic manner;
- a transducer which is also electrostatically biased and receives piezoelectrically;
- a transducer which is also piezoelectrically biased and receives electrostatically;
- - A transducer, which also has a cavity on the back that reflects acoustic energy.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the description, the claims and the figures can be essential for the implementation of the invention both individually and in any combination.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 5050
- akustische Welle(n)acoustic wave
- 110, 120, 410110, 120, 410
- MembranenMembranes
- 115, 415115, 415
- Hohlraumcavity
- 210210
- erster piezoelektrischer Wandlerfirst piezoelectric transducer
- 220220
- zweiter piezoelektrischer Wandlersecond piezoelectric transducer
- 215215
- Resonator-HohlraumResonator cavity
- 230230
- kapazitiver Wandlercapacitive converter
- 240, 420240, 420
- Rahmenframe
- 214, 224, 441214, 224, 441
- piezoelektrische Materialienpiezoelectric materials
- 216, 226216, 226
- IsolationsschichtenInsulation layers
- 250, 260,...250, 260, ...
- MembranenausschlagMembrane rash
- 310310
- akustische(r) Reflektor(en)acoustic reflector (s)
- 320320
- Gehäuse des Resonator-HohlraumesHousing of the resonator cavity
- 431431
- PlattenelektrodePlate electrode
- 432432
- RückseitenelektrodeBack electrode
- 442442
- Pufferschicht/IsolationsschichtBuffer layer / insulation layer
- dd
- Abstand der MembranenDistance between the membranes
- 11
- Tiefe des Resonator-HohlraumesDepth of the resonator cavity
- RR.
- RotationsdrehachseRotational axis of rotation
- VV.
- Vorzugsrichtung von akustischen WellenPreferred direction of acoustic waves
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102010042875 A1 [0003]DE 102010042875 A1 [0003]
Claims (15)
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EP3799966A2 (en) | 2021-04-07 |
EP3799966B1 (en) | 2024-04-03 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified | ||
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) |