DE102019126795A1 - Acoustic transducer and method for generating / receiving an acoustic wave - Google Patents

Acoustic transducer and method for generating / receiving an acoustic wave Download PDF

Info

Publication number
DE102019126795A1
DE102019126795A1 DE102019126795.1A DE102019126795A DE102019126795A1 DE 102019126795 A1 DE102019126795 A1 DE 102019126795A1 DE 102019126795 A DE102019126795 A DE 102019126795A DE 102019126795 A1 DE102019126795 A1 DE 102019126795A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
acoustic
transducer
membrane
acoustic wave
piezoelectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019126795.1A
Other languages
German (de)
Inventor
Omar Ben Dali
Axel Jäger
Mario Kupnik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Darmstadt
Original Assignee
Technische Universitaet Darmstadt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Darmstadt filed Critical Technische Universitaet Darmstadt
Priority to DE102019126795.1A priority Critical patent/DE102019126795A1/en
Priority to EP20199561.0A priority patent/EP3799966B1/en
Publication of DE102019126795A1 publication Critical patent/DE102019126795A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0292Electrostatic transducers, e.g. electret-type
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207Driving circuits
    • B06B1/0223Driving circuits for generating signals continuous in time
    • B06B1/0238Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave
    • B06B1/0246Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave with a feedback signal
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/0666Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface used as a diaphragm
    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/28Sound-focusing or directing, e.g. scanning using reflection, e.g. parabolic reflectors
    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/50Application to a particular transducer type

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)

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).

4a zeigt einen Aufbau eines CMUT wie er beispielsweise in der DE 10 2010 042 875 A1 offenbart ist. Der gezeigte akustische Wandler umfasst eine Membrane 410, die als deformierbare/verbiegbare Platte auf einem Rahmen 420 gehalten wird und eine Plattenelektrode 431 aufweist. Der Rahmen (Gehäuse) 420 bildet einen Hohlraum 415, der durch die Membrane 410 auf einer Seite begrenzt ist. Auf einem Boden (gegenüberliegend der Membrane 410) ist eine Rückseitenelektrode 432 ausgebildet. Der Wandler kann beispielsweise kreisförmig ausgebildet sein, sodass er rotationssymmetrisch um die Drehachse R gebildet sein kann. 4a shows a structure of a CMUT as it is for example in the DE 10 2010 042 875 A1 is revealed. The acoustic transducer shown comprises a diaphragm 410 that act as a deformable / bendable plate on a frame 420 is held and a plate electrode 431 having. The frame (housing) 420 forms a cavity 415 that passes through the membrane 410 is limited on one side. On a floor (opposite the membrane 410 ) is a back electrode 432 educated. The transducer can, for example, be circular so that it is rotationally symmetrical about the axis of rotation R. can be formed.

Bei dem gezeigten CMUT verursacht ein elektrisches Feld zwischen der Plattenelektrode 431 und der Rückseitenelektrode 432 eine Verformung der Biegeplatte (Membrane 410) im Sendebetrieb. Eine mechanische Vorspannung der Membrane ist durch eine Vakuumkavität und eine angelegte Biasspannung (DC) gegeben. Im Empfangsbetrieb sorgt die Verformung der Platte 410 durch Schallwellen für eine messbare Änderung der Kapazität.In the CMUT shown, it creates an electric field between the plate electrode 431 and the back electrode 432 a deformation of the bending plate (membrane 410 ) in broadcast mode. The membrane is mechanically pretensioned by a vacuum cavity and an applied bias voltage (DC). The plate is deformed in reception mode 410 by sound waves for a measurable change in capacitance.

4B zeigt einen Aufbau eines konventionellen PMUT mit einem piezoelektrischen Element 440, das die Biegeplatte (Membrane 410) zu Schwingungen anregen kann. Auch bei diesem Wandler ist die Membrane 410 auf einem Rahmen 420 ausgebildet, der einen Hohlraum 415 bildet, der wiederum durch die Membrane 410 auf einer Seite begrenzt wird. Dieser Hohlraum 415 kann auf einer Seite hin auch offen ausgeführt sein. Der piezoelektrische Wandler 440 umfasst beispielhaft ein piezoelektrisches Material 441 und eine Isolationsschicht 442, die auf der Membrane 410 ausgebildet sind. Das piezoelektrische Material 441 wird einem elektrischen Feld ausgesetzt (durch Anlegen einer Spannung AC), was in Abhängigkeit der Orientierung der in dem piezoelektrischen Material vorhandenen Dipole zu einer Deformation (Ausdehnung bzw. Zusammenziehen) des piezoelektrischen Material 441 führt. Zum Anlegen des elektrischen Feldes sind wieder entsprechende Elektrodenschichten vorgesehen, wobei die Membrane 410 selbst als eine Elektrode wirken kann, wenn sie elektrische leitfähiges Material aufweist. 4B shows a structure of a conventional PMUT with a piezoelectric element 440, which the bending plate (diaphragm 410 ) can stimulate vibrations. The diaphragm is also in this converter 410 on a frame 420 formed, which has a cavity 415 forms, which in turn through the membrane 410 is limited on one side. This cavity 415 can also be open on one side. The piezoelectric transducer 440 comprises, for example, a piezoelectric material 441 and an insulation layer 442 that are on the membrane 410 are trained. The piezoelectric material 441 is exposed to an electric field (by applying a voltage AC), which, depending on the orientation of the dipoles present in the piezoelectric material, leads to a deformation (expansion or contraction) of the piezoelectric material 441 leads. Corresponding electrode layers are again provided for applying the electrical field, with the membrane 410 can itself act as an electrode if it comprises electrically conductive material.

Beim PMUT ist somit der piezoelektrische Effekt Ursache für eine Ausdehnung des Piezomaterials in radialer Richtung. So bewirkt ein fester Verbund des piezoelektrischen Materials 441 mit der Biegeplatte 410 eine Verformung der Biegeplatte 410 senkrecht zur Ausdehnung des piezoelektrischen Wandlers auf Grund des Monomorph-Effekts. Im Empfangsbetrieb lässt sich nach der Verformung der Platte eine elektrische Spannung auf Grund des direkten piezoelektrischen Effekts abgreifen.With PMUT, the piezoelectric effect is the cause of expansion of the piezo material in the radial direction. This creates a solid bond between the piezoelectric material 441 with the bending plate 410 deformation of the flexure plate 410 perpendicular to the expansion of the piezoelectric transducer due to the monomorphic effect. In reception mode, after the plate has been deformed, an electrical voltage can be picked up due to the direct piezoelectric effect.

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

5a, 5b zeigen den Betrag einer elektrischen Impedanz eines Ultraschallwandlers als Funktion der Frequenz, wobei in 5a die Resonanz und Antiresonanz dargestellt sind und in der 5b die Empfangsbandbreite. Wie gesagt, findet die effizienteste Wandlung von elektrischer Energie in Schall bei der Resonanz im Minimum der Impedanz statt. Umgekehrt ist die Wandlung von Schall in ein elektrisches Signal bei der Antiresonanz am Maximum der Impedanz am empfindlichsten (siehe 5a). Die Empfangsbandbreite ist definiert als der Frequenzbereich Δf, bei dem die Impedanz mindestens 2-1/2 = 0,707 des Maximums beträgt. Die 5b zeigt beispielhaft einen schmalbandigen Wandler (durchgezogene Linie) mit der Empfangsbandbreite Δf1 und einen breitbandigen Wandler (gestrichelte Linie) mit der Empfangsbandbreite Δf2. Die gleiche Definition kann auch für die Sendebandbreite um das Minimum der elektrischen Impedanz verwendet werden (nicht gezeigt). Im Folgenden wir daher nicht mehr zwischen Empfangs- und Sendebandbreite unterschieden, sondern der allgemeine Begriff Bandbreite verwendet. 5a , 5b show the magnitude of an electrical impedance of an ultrasonic transducer as a function of the frequency, where in 5a the resonance and anti-resonance are shown and in the 5b the receive bandwidth. As already mentioned, the most efficient conversion of electrical energy into sound takes place at the resonance in the minimum of the impedance. Conversely, the conversion of sound into an electrical signal is most sensitive with anti-resonance at the maximum of the impedance (see 5a) . The reception bandwidth is defined as the frequency range Δf in which the impedance is at least 2 -1/2 = 0.707 of the maximum. The 5b shows an example of a narrow-band converter (solid line) with the reception bandwidth Δf 1 and a broadband converter (dashed line) with the reception bandwidth Δf 2 . The same definition can also be used for the transmission bandwidth around the minimum of the electrical impedance (not shown). In the following, we no longer differentiate between receive and transmit bandwidth, but rather use the general term bandwidth.

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.
Optionally, the acoustic transducer further comprises a control unit which is designed to apply and / or tap at least one of the following AC voltage signals:
  • - 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.
Optionally, the step of developing the mechanical prestress can be carried out in the method as follows:
  • - 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).
Optionally, the method can further comprise:
  • - 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.
The exemplary embodiments of the present invention will be better understood with reference to the following detailed description and the accompanying drawings of the various exemplary embodiments, which, however, should not be understood in such a way that they restrict the disclosure to the specific embodiments, but merely serve for explanation and understanding.
  • 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

1 zeigt einen akustischen Wandler zum Erzeugen und/oder Empfangen einer akustischen Welle 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Wandler umfasst eine erste Membrane 110, an der ein erster piezoelektrischer Wandler 210 ausgebildet ist. Außerdem umfasst der akustische Wandler eine zweite Membrane 120, an der ein zweiter piezoelektrischer Wandler 220 ausgebildet ist. Die erste Membrane 110 und die zweite Membrane 120 begrenzen an gegenüberliegenden Seiten einen Hohlraum 115, der durch einen entsprechenden Rahmen oder Gehäuse 240 seitlich begrenzt wird. Der akustische Wandler kann rotationssymmetrisch um eine Achse R gebildet sein und somit kreisförmige Membrane 110, 120 in einer Draufsicht aufweisen. Die Erfindung soll aber nicht auf eine bestimmte Form eingeschränkt werden. 1 shows an acoustic transducer for generating and / or receiving an acoustic wave 50 according to an embodiment of the present invention. The transducer includes a first diaphragm 110 on which a first piezoelectric transducer 210 is trained. The acoustic transducer also includes a second diaphragm 120 , to which a second piezoelectric transducer 220 is trained. The first membrane 110 and the second membrane 120 delimit a cavity on opposite sides 115 that by an appropriate frame or housing 240 is laterally limited. The acoustic transducer can be rotationally symmetrical about an axis R. be formed and thus circular membrane 110 , 120 have in a plan view. However, the invention is not intended to be limited to any particular form.

In dem Hohlraum 115 kann Luft, ein Gas oder ein Vakuum sein und die erste Membrane 110 und die zweite Membrane 120 können in einem vorbestimmten Abstand d voneinander ausgebildet sein. Falls in dem Hohlraum 115 Luft vorhanden ist, erzeugen die erste Membrane 110 und die zweite Membrane 120 akustische Wellen 50 in beiden Richtungen, d.h. vom Wandler weg als auch in den Hohlraum 115 hinein. Daher kann es vorteilhaft sein, den Abstand d derart zu wählen, dass sich die akustischen Wellen 50 entsprechend verstärken, um so den Schalldruck zu erhöhen (wenn sie mit gleicher Frequenz ausgesendet werden sollen). Falls in dem Hohlraum 115 ein Vakuum ausgebildet ist, kann der Abstand d auch anders (z.B. kleiner) gewählt werden, da die akustischen Wellen in diesem Fall in der 1 in vertikaler Richtung nach oben und nach unten abgestrahlt werden, nicht aber oder kaum in den Hohlraum 115 hinein.In the cavity 115 can be air, a gas or a vacuum and the first membrane 110 and the second membrane 120 can be at a predetermined distance d be formed from each other. If in the cavity 115 Air is present, creating the first membrane 110 and the second membrane 120 acoustic waves 50 in both directions, ie away from the transducer and into the cavity 115 into it. Therefore it can be beneficial to keep the distance d to choose such that the acoustic waves 50 amplify accordingly in order to increase the sound pressure (if they are to be transmitted with the same frequency). If in the cavity 115 a vacuum is formed, the distance can d can also be chosen differently (e.g. smaller), since the acoustic waves in this case are in the 1 are radiated in the vertical direction up and down, but not or hardly in the cavity 115 into it.

Wenn Luft oder ein anderes Gas in dem Hohlraum 115 vorhanden ist, kann eine kleine Öffnung (nicht dargestellt in der 1) für einen Druckausgleich des Hohlraumes 115 nach außen vorgesehen sein (ein sogenannter „venting channel“, wie zum Beispiel auch bei jedem elektrostatischen Mikrophon genutzt wird).If air or some other gas in the cavity 115 is present, a small opening (not shown in the 1 ) for pressure equalization of the cavity 115 be provided to the outside (a so-called "venting channel", as is also used, for example, with every electrostatic microphone).

Der erste und der zweite piezoelektrische Wandler 210, 220 umfassen jeweils zwei Elektroden, zwischen denen jeweils ein piezoelektrisches Material 214, 224 (als Film oder Schicht) und jeweils eine (optionale) Isolierschicht 216, 226 ausgebildet sind. Wenn die Membrane(n) isolierend ist/sind, wären für die Kontaktierung der piezoelektrischen Schichten zwei Elektroden oberhalb und unterhalb der piezoelektrischen Schicht nötig. Auch wenn dieser Fall nicht dargestellt ist, versteht es sich, dass dann die einzelnen Spannungsquellen (Ansteuereinheit 150) an diesen Elektroden für die piezoelektrischen Wandler anzuschließen sind. Falls die erste/zweite Membrane 110, 120 aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist/sind, kann die ersten Membrane 110 und/oder die zweite Membrane 120 eine der beiden Elektroden bilden, während die jeweils andere Elektrode auf dem piezoelektrischen Materialien 214, 224 angeordnet sein kann.The first and second piezoelectric transducers 210 , 220 each comprise two electrodes, between each of which a piezoelectric material 214 , 224 (as a film or layer) and an (optional) insulating layer in each case 216 , 226 are trained. If the membrane (s) is / are insulating, two electrodes above and below the piezoelectric layer would be necessary for contacting the piezoelectric layers. Even if this case is not shown, it goes without saying that the individual voltage sources (control unit 150) then have to be connected to these electrodes for the piezoelectric transducers. If the first / second membrane 110 , 120 is / are formed from an electrically conductive material, the first membrane 110 and / or the second membrane 120 form one of the two electrodes, while the other electrode is on the piezoelectric materials 214 , 224 can be arranged.

Der akustische Wandler umfasst weiter eine Ansteuereinheit 150, die ausgebildet ist, um ein erstes Wechselspannungssignal AC1 an dem ersten piezoelektrischen Wandler 210 anzulegen und ein drittes Wechselspannungssignal AC3 an dem zweiten piezoelektrischen Wandler 220 anzulegen oder entsprechend abzugreifen (beim Empfangsbetrieb). Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes an die piezoelektrischen Materialien 214, 224 kommt es zu einer Längenänderung des piezoelektrischen Materials 214, 224, die dazu führt, dass sich die erste und die zweite Membrane 110, 120 aufgrund der Längenänderung des piezoelektrischen Materials 214, 224 verbiegen. Beim Anlegen einer Wechselspannung führt dies zu Schwingungen in der Membrane 110, die dann bei entsprechender Stärke als eine akustische Welle 50 ausgesendet werden.The acoustic transducer further comprises a control unit 150 which is designed to transmit a first alternating voltage signal AC1 to the first piezoelectric transducer 210 to apply and a third AC voltage signal AC3 to the second piezoelectric transducer 220 to be created or tapped accordingly (when receiving). By applying an electric field to the piezoelectric materials 214 , 224 there is a change in length of the piezoelectric material 214 , 224 which causes the first and the second membrane 110 , 120 due to the change in length of the piezoelectric material 214 , 224 bend. When an alternating voltage is applied, this leads to vibrations in the membrane 110 which then, with the appropriate strength, as an acoustic wave 50 be sent out.

Der zweite piezoelektrische Wandler 220 kann in einer gleichen Weise ausgebildet werden, wie der erste piezoelektrische Wandler 210. Sowohl der erste piezoelektrische Wandler 210 als auch der zweite piezoelektrische Wandler 220 können an einer Seite (innen oder außen) der ersten bzw. zweiten Membrane 110, 120 angeordnet werden.The second piezoelectric transducer 220 can be formed in a same manner as the first piezoelectric transducer 210 . Both the first piezoelectric transducer 210 as well as the second piezoelectric transducer 220 can be on one side (inside or outside) of the first or second membrane 110 , 120 to be ordered.

Es versteht sich, dass das Empfangen von akustischen Wellen in analoger Weise verläuft, d.h. die ankommenden akustischen Wellen regen die Membrane 110, 120 zu Schwingungen an, die dann elektrische Wechselspannungssignale AC1, AC3 erzeugen, die wiederum durch die Ansteuereinheit 150 ausgewertet werden können.It goes without saying that acoustic waves are received in an analogous manner, ie the incoming acoustic waves excite the membrane 110 , 120 to vibrations, which then generate electrical alternating voltage signals AC1, AC3, which in turn can be evaluated by the control unit 150.

Außerdem ist zwischen der ersten Membrane 110 und der zweiten Membrane 120 bzw. den darauf ausgebildeten Elektroden (es können auch die Elektroden der piezoelektrischen Wandler 210, 220 genutzt werden) ein zweites Wechselspannungssignal AC2 anlegbar. Als Folge kommt es zu einer elektrischen Anziehung der erste und der zweite Membrane 110, 120 kann, sodass das zweite Wechselspannungssignal AC2 ebenfalls zu Schwingungsanregungen der Membranen 110, 120 führt. Dementsprechend bilden die erste und zweite Membrane 110, 120 zusammen mit den fest an ihnen ausgebildeten Elektrodenschichten (die auch Teil der piezoelektrischen Wandler 210, 220 sein können) eine kapazitiven Wandler 230. Alle drei Wandler 210, 220, 230 sind unabhängig voneinander durch die Wechselspannungssignale AC1, AC2, AC3 anregbar. Auch wenn drei unabhängige Möglichkeiten bestehen, werden dafür nur zwei Membrane genutzt. Es bestehen also nur zwei unabhängige „Kanäle“ für das Aussenden/Empfangen von Schallwellen.There is also between the first membrane 110 and the second membrane 120 or the electrodes formed thereon (the electrodes of the piezoelectric transducer 210 , 220 can be used) a second alternating voltage signal AC2 can be applied. As a result, there is an electrical attraction between the first and second membranes 110 , 120 can, so that the second alternating voltage signal AC2 also excites the diaphragms to vibrate 110 , 120 leads. The first and second diaphragms form accordingly 110 , 120 along with those stuck to them formed electrode layers (which are also part of the piezoelectric transducer 210 , 220 can be) a capacitive converter 230 . All three converters 210 , 220 , 230 can be excited independently of one another by the AC voltage signals AC1, AC2, AC3. Even if there are three independent options, only two membranes are used for this. So there are only two independent “channels” for sending / receiving sound waves.

Zusätzlich zu dem Wechselspannungssignalen AC1, AC2, AC3 kann ein elektrostatisches Potential oder ein Gleichspannungssignal DC angelegt werden, welches - in Abhängigkeit der Polarität - die Membranen 110, 120 entweder nach oben bzw. nach unten verbiegt. Es versteht sich, dass es zu einer Abstoßung kommt es, wenn die Gesamtmenge der Ladungsträger auf den Membranen 110, 120 ungleich Null ist (Massepotential ist dann nicht symmetrisch zwischen den elektrostatischen Potentialen auf den Membranen 110, 120). Dies verändert die mechanische Spannung innerhalb der Membranen 110, 120, was wiederum dazu führt, dass die Resonanzfrequenzen für die Membranschwingungen sich ändern. Das Gleichspannungssignal DC kann im Prinzip jedem Wechselspannungssignal AC1, AC2, AC3 separat überlagert werden, sodass die erste Membrane 110 und/oder die zweite Membrane 120 separat oder gemeinsam mechanisch vorgespannt werden können. So wie in 1 gezeichnet, wird das Gleichspannungssignal DC jedoch am effektivsten wirken, wenn beide Membrane 110, 120 relativ zueinander elektrostatisch vorgespannt (linearisiert und bzgl. Empfindlichkeit erhöht) werden. In der 1 ist nur beispielhaft das Gleichspannungssignal DC für den kapazitiven Wandler 230 gezeigt, es kann aber, wie gesagt, auch dem ersten und/oder dem dritten Wechselspannungssignal AC1, AC3 überlagert werden.In addition to the alternating voltage signals AC1, AC2, AC3, an electrostatic potential or a direct voltage signal DC can be applied, which - depending on the polarity - the membranes 110 , 120 either bent upwards or downwards. It goes without saying that repulsion occurs when the total amount of charge carriers on the membranes 110 , 120 is not equal to zero (ground potential is then not symmetrical between the electrostatic potentials on the membranes 110 , 120 ). This changes the mechanical tension within the membranes 110 , 120 which in turn leads to the fact that the resonance frequencies for the membrane vibrations change. The direct voltage signal DC can in principle be superimposed separately on each alternating voltage signal AC1, AC2, AC3, so that the first membrane 110 and / or the second membrane 120 can be mechanically preloaded separately or together. As in 1 shown, the direct voltage signal DC will work most effectively when both membranes 110 , 120 electrostatically biased relative to each other (linearized and increased with regard to sensitivity). In the 1 is only an example of the direct voltage signal DC for the capacitive converter 230 shown, but, as said, it can also be superimposed on the first and / or the third AC voltage signal AC1, AC3.

Die Änderung der Resonanzeigenschaften der Membranen 110, 120 durch das Gleichspannungssignal DC kann genutzt werden, um die Sensitivität hinsichtlich des Aussendens und des Empfangens von akustischen Wellen zu optimieren. Abgesehen von diesem Effekt, kann die Vorspannung auch zur Kompensation einer Verbiegung infolge eines Vakuums in der dem Hohlraum 215 genutzt werden. Wenn ein besonders gutes Vakuum zur Entkopplung der Schwingungsanregungen auf der ersten und zweiten Membrane 110, 120 ausgebildet werden soll, kann dies zu einer Verbiegung der Membrane führen, die - zumindest in einem gewissen Rahmen - durch das Aufbringen einer positiven/negativen Gesamtladungsmenge an den Wandlern rückgängig gemacht werden kann. Das bietet den Vorteil, dass die mechanische Belastung an der Fixierung der Membrane 110, 120 verringert wird.The change in the resonance properties of the membranes 110 , 120 The direct voltage signal DC can be used to optimize the sensitivity with regard to the transmission and reception of acoustic waves. Apart from this effect, the preload can also be used to compensate for a deflection due to a vacuum in the cavity 215 be used. When there is a particularly good vacuum to decouple the vibration excitations on the first and second membrane 110 , 120 is to be formed, this can lead to a bending of the membrane, which - at least to a certain extent - can be reversed by applying a positive / negative total amount of charge to the transducers. This has the advantage that the mechanical stress on the fixation of the membrane 110 , 120 is decreased.

2 veranschaulicht das Verschieben der Resonanzfrequenz beim Anlegen einer Vorspannung, wobei jeweils ein großes und ein kleines Signal für verschiedene Gleichspannungswerte DC im Rahmen einer Simulation genutzt wurden. Konkret ist der Ausschlag des Mittelpunktes einer Membrane (gleichbedeutend mit der Oberflächengeschwindigkeit) bei der Schwingung gezeigt, wobei die Resonanz mit dem maximalen Ausschlag korreliert. 2 illustrates the shift of the resonance frequency when a bias voltage is applied, whereby a large and a small signal for different DC voltage values DC were used in a simulation. Specifically, the deflection of the center of a membrane (equivalent to the surface speed) is shown during the oscillation, with the resonance correlating with the maximum deflection.

Zunächst stellt die durchgezogene Linie 250 das piezoelektrische Anregungssignal dar. Die gestrichelte Linie 260 zeigt die Überlagerung des piezoelektrischen mit dem kapazitiven Anregungssignal. Beide Linien zeigen den Fall ohne eine Vorspannung (DC=0).First represents the solid line 250 represents the piezoelectric excitation signal. The dashed line 260 shows the superposition of the piezoelectric with the capacitive excitation signal. Both lines show the case without a bias (DC = 0).

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.Lines 270 show the corresponding resonance curves for a first bias voltage, which is 50% of a so-called “pull-in” voltage (eg 1352 V), while lines 280 show the corresponding resonance curves for a bias voltage of 60% and lines 290 the resonance curves for a preload equal to 70% of the pull-in tension. For each case two lines are shown corresponding to a stronger and a weaker signal.

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 2 zu entnehmen ist, ist der Wandler rotationssymmetrisch um die Achse R, wobei die piezoelektrischen Wandler 210, 220 eine radiale Ausdehnung von ca. 3 mm und die Membrane von ca. 3,7 mm aufweisen. Die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht ist beispielhaft 210 µm und umfasst ein Material: PZT 7B. Die Membrane hat eine Dicke von 290 µm und umfasst ein Material: CuNi18Zn27.The following values were taken as examples for this simulation: d = 10 µm, AC1 = AC3 = 10 volts, AC2 = 0 volts. How to continue the right side of the 2 can be seen, the converter is rotationally symmetrical about the axis R. , the piezoelectric transducer 210 , 220 have a radial extension of approx. 3 mm and the membrane of approx. 3.7 mm. The layer thickness of the piezoelectric layer is 210 μm, for example, and comprises a material: PZT 7B. The membrane is 290 µm thick and consists of a material: CuNi 18 Zn 27 .

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 50 mit einer bestimmten Frequenz ausgesendet werden kann und gleichzeitig mit dem gleichen Wandler effizient empfangen werden kann (zum Beispiel nach einer Reflexion an einem Körper oder einer Materialstruktur; unter Vernachlässigung von Dopplerverschiebungen).According to further exemplary embodiments, a different bias voltage can therefore be used during transmission than during reception, so that a acoustic wave 50 can be transmitted with a certain frequency and can be received efficiently at the same time with the same transducer (for example after a reflection on a body or a material structure; neglecting Doppler shifts).

Es ist aber auch möglich, dass einer der drei Wandler 210, 220, 230 zum Senden und ein anderer Wandler zum Empfangen genutzt wird, wobei die Vorspannung entsprechend genutzt wird, um beide Wandler möglichst sensitiv für das Senden bzw. Empfangen zu machen. Wie zuvor beschrieben, können durch mehrere Vorspannungen die Resonanzfrequenz jedes Wandlers adaptiv eingestellt werden.But it is also possible that one of the three converters 210 , 220 , 230 for sending and another transducer is used for receiving, the bias voltage being used accordingly to make both transducers as sensitive as possible for sending and receiving. As described above, the resonance frequency of each transducer can be adjusted adaptively by means of a plurality of bias voltages.

3a zeigt weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der akustische Wandler zumindest einen akustischen Reflektor 310 aufweist, um in verschiedene Richtungen ausgesandte akustische Wellen 50 in ein Vorzugsrichtung V zu reflektieren. Der zumindest eine Reflektor 310 kann beidseitig der Membranen 110, 120 ausgebildet sein (es können auch zwei separate Reflektoren 310 sein), um die von den Membranen 110, 120 ausgesandten akustischen Wellen 50 umzuleiten (z.B. in die gewünschte Richtung V). 3a shows another embodiment in which the acoustic transducer has at least one acoustic reflector 310 comprises acoustic waves emitted in different directions 50 in a preferred direction V to reflect. The at least one reflector 310 can be on both sides of the membranes 110 , 120 be formed (there can also be two separate reflectors 310 be) to those of the membranes 110 , 120 emitted acoustic waves 50 redirect (e.g. in the desired direction V ).

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann unterhalb der zweiten Membrane 120 auch ein Parabolreflektor vorhanden sein, um die akustische Welle 50 von der zweiten Membrane 120 in die gleiche Richtung zu lenken wie die akustische Welle 50, die von der ersten Membrane 110 ausgesendet wird (vertikal nach oben). In diesem Fall braucht oberhalb der ersten Membrane 110 kein weiterer Reflektor vorhanden sein.According to further exemplary embodiments, below the second membrane 120 also a parabolic reflector may be present to pick up the acoustic wave 50 from the second membrane 120 in the same direction as the acoustic wave 50 that from the first membrane 110 is transmitted (vertically upwards). In this case needs above the first membrane 110 no further reflector be available.

Es versteht sich, dass die gleiche Anordnung auch vorteilhaft für den Empfang von akustischen Wellen 50 genutzt werden kann. Hierbei werden ankommende akustische Wellen 50 getrennt auf die zwei Membranen 110, 120 gelenkt.It goes without saying that the same arrangement is also advantageous for the reception of acoustic waves 50 can be used. Here are incoming acoustic waves 50 separated on the two membranes 110 , 120 steered.

3b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für den akustischen Wandler, welcher sich von dem Ausführungsbeispiel aus der 1 dadurch unterscheidet, dass der akustische Wandler oberhalb eines Resonator-Hohlraums 215 ausgebildet ist. Der Resonator-Hohlraum 215 ist in einem Resonatorgehäuse 320 gebildet und wird durch die zweite Membrane 120 begrenzt oder verschlossen, so dass die zweite Membrane 120 zwischen dem Resonator-Hohlraum 215 und dem Hohlraum 115 angeordnet ist und beide Hohlräume voneinander trennt. 3b shows a further embodiment for the acoustic transducer, which differs from the embodiment from FIG 1 differs in that the acoustic transducer is located above a resonator cavity 215 is trained. The resonator cavity 215 is in a resonator housing 320 and is formed by the second membrane 120 limited or closed so that the second membrane 120 between the resonator cavity 215 and the cavity 115 is arranged and separates both cavities from each other.

Der Resonator-Hohlraum 215 führt dazu, dass die vertikal nach unten (d.h. in den Resonator-Hohlraum 215) ausgesendeten akustischen Wellen in dem Resonator-Hohlraum 215 reflektiert und zurückgeleitet werden. Anschließend können sie sich ebenfalls nach oben ausbreiten. Dazu kann beispielsweise in dem Hohlraum 115 ebenfalls Luft vorhanden sein, um die Ausbreitung zu ermöglichen.The resonator cavity 215 causes the vertically downward (ie into the resonator cavity 215 ) emitted acoustic waves in the resonator cavity 215 be reflected and fed back. Then they can also spread upwards. For this purpose, for example, in the cavity 115 air should also be present to allow the spread.

Außerdem kann der Resonator-Hohlraum 215 in Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle 50 eine Tiefe 1 aufweisen, die die Hälfte der Wellenlänge der akustischen Welle 50 beträgt, sodass nach einer Reflexion an der Bodenfläche des Resonator-Hohlraumes 215 eine konstruktive Überlagerung (sogenannte Resonanzüberhöhung) der durch die zweite Membrane 120 erzeugten akustischen Welle und der reflektierten Welle entsteht, die dann beide zusammen in Richtung zu der ersten Membrane 110 abgesendet werden.In addition, the resonator cavity 215 in the direction of propagation of the acoustic wave 50 a depth 1 have half the wavelength of the acoustic wave 50 amounts, so that after a reflection on the bottom surface of the resonator cavity 215 a constructive overlay (so-called resonance exaggeration) of the second membrane 120 generated acoustic wave and the reflected wave arises, which then both together towards the first membrane 110 be sent.

Außerdem kann der Abstand d zwischen der ersten Membrane 110 und der zweiten Membrane 120 derart gewählt sein, dass die in Richtung zur ersten Membrane 110 sich ausbreitende akustische Welle durch die von der ersten Membrane 110 erzeugten Welle verstärkt wird (konstruktiv überlagern). Auf diese Weise kann die akustische Welle 50, die in der 3 vertikal nach oben gesendet wird, einen maximalen Schalldruck aufweisen.Also, the distance can d between the first membrane 110 and the second membrane 120 be chosen so that the in the direction of the first membrane 110 acoustic wave propagating through that of the first membrane 110 generated wave is reinforced (constructively superimpose). In this way the acoustic wave can 50 that are in the 3 is sent vertically upwards, have a maximum sound pressure.

Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann eine Vorspannung zum Beispiel zwischen der ersten Membrane 110 und der zweiten Membrane 120 ausgebildet werden, die beide Membranen 110, 120 unter einer mechanischen Vorspannung hält, wodurch wiederum die Resonanzfrequenz oder Anti-Resonanzfrequenz verschoben wird.In this exemplary embodiment, too, a preload can for example be applied between the first membrane 110 and the second membrane 120 be formed, the two membranes 110 , 120 holds under a mechanical bias, which in turn shifts the resonance frequency or anti-resonance frequency.

Alle weiteren Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben wurden, können optional auch in diesem Ausführungsbeispiel vorhanden sein.All other features in connection with the exemplary embodiment of 1 have been described, can optionally also be present in this exemplary embodiment.

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.
Advantageous aspects of exemplary embodiments can be summarized as follows:
  • 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.
Embodiments thus relate in particular to the following subjects:
  • - 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

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102010042875 A1 [0003]DE 102010042875 A1 [0003]

Claims (15)

Akustischer Wandler zum Erzeugen oder Empfangen einer akustischen Welle (50), der Wandler umfasst: eine erste Membrane (110) mit einem ersten piezoelektrischen Wandler (210); und eine zweite Membrane (120) mit einem zweiten piezoelektrischen Wandler (220), wobei die erste Membrane (110) und die zweite Membrane (120) schwingbar und durch einen Hohlraum (115) voneinander getrennt sind, 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), the transducer comprising: 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) being oscillatable and separated from one another by a cavity (115) to excite the acoustic wave (50) the first piezoelectric transducer (210) and / or the second piezoelectric transducer (220) to generate or receive. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, wobei die erste Membrane (110) und die zweite Membrane (120) beidseitig frei liegen und der Hohlraum (115) Luft oder ein anderes Gas aufweist oder luftleer ist, sodass der akustische Wandler in der Lage ist, um akustische Wellen in zwei entgegensetzte Richtungen zu senden oder von dort zu empfangen.Acoustic converter according to Claim 1 , wherein the first membrane (110) and the second membrane (120) are exposed on both sides and the cavity (115) has air or another gas or is evacuated, so that the acoustic transducer is able to transmit acoustic waves in two opposite directions to send or receive from there. Akustischer Wandler nach Anspruch 2, wobei die erste Membrane (110) und die zweite Membrane (120) einen vorbestimmten Abstand (d) aufweisen, um einen akustischen Druck infolge einer konstruktive Interferenz zwischen den erzeugten akustischen Wellen (50) zu verstärken.Acoustic converter according to Claim 2 wherein the first diaphragm (110) and the second diaphragm (120) have a predetermined distance (d) in order to amplify an acoustic pressure due to a constructive interference between the generated acoustic waves (50). Akustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiter zumindest einen akustischen Reflektor aufweist, um in verschiedene Richtungen ausgesandte akustische Wellen (50) in ein Vorzugsrichtung (V) zu reflektieren.Acoustic transducer according to one of the preceding claims, which further comprises at least one acoustic reflector in order to reflect acoustic waves (50) emitted in different directions in a preferred direction (V). Akustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiter einen Resonator-Hohlraum (215) aufweist, wobei die zweite Membrane (120) zwischen der ersten Membrane (110) und dem Resonator-Hohlraum (215) ausgebildet ist, um akustische Wellen zumindest teilweise in den Resonator-Hohlraum (215) auszusenden oder von dort zu empfangen, und der Resonator-Hohlraum (215) ausgebildet ist, um die erzeugten akustischen Wellen (50) zu reflektieren und so einen Schalldruck von abgestrahlten akustischen Wellen zu vergrößern.Acoustic transducer according to one of the preceding claims, further comprising a resonator cavity (215), wherein the second membrane (120) is formed between the first membrane (110) and the resonator cavity (215) to at least partially absorb acoustic waves to transmit or receive the resonator cavity (215), and the resonator cavity (215) is designed to reflect the generated acoustic waves (50) and thus to increase a sound pressure of radiated acoustic waves. Akustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiter eine Ansteuereinheit (150) umfasst, die ausgebildet ist, um zum Erzeugen/Empfangen der akustischen Welle(n) (50) zumindest eines der folgenden Wechselspannungssignale (AC1, AC2, AC3) anzulegen oder abzugreifen: - ein erstes Wechselspannungssignal (AC1) an/von dem ersten piezoelektrischen Wandler (210), - ein zweites Wechselspannungssignal (AC2) zwischen der ersten Membrane (110) und der zweiten Membrane (120), um einen zusätzlichen kapazitiven Wandler zu bilden, - ein drittes Wechselspannungssignal (AC3) an/von dem zweiten piezoelektrischen Wandler (220).Acoustic transducer according to one of the preceding claims, which further comprises a control unit (150) which is designed to apply or tap at least one of the following AC voltage signals (AC1, AC2, AC3) for generating / receiving the acoustic wave (s) (50) : - A first alternating voltage signal (AC1) to / from the first piezoelectric transducer (210), - A second alternating voltage signal (AC2) between the first membrane (110) and the second membrane (120) in order to form an additional capacitive transducer, - A third alternating voltage signal (AC3) to / from the second piezoelectric transducer (220). Akustischer Wandler nach Anspruch 6, wobei die Ansteuereinheit (150) weiter ausgebildet ist, um ein Gleichspannungssignal (DC) als Vorspannung an zumindest einen der folgenden Wandler (210, 220, 230) anzulegen: - den ersten piezoelektrischen Wandler (210), - den zweiten piezoelektrischen Wandler (220), - den kapazitiven Wandler (230), um durch Änderung einer mechanischen Vorspannung eine Resonanzfrequenz der ersten Membrane (110) und/oder der zweiten Membrane (120) zu ändern.Acoustic converter according to Claim 6 , wherein the control unit (150) is further designed to apply a direct voltage signal (DC) as a bias voltage to at least one of the following converters (210, 220, 230): - the first piezoelectric converter (210), - the second piezoelectric converter (220 ), - the capacitive transducer (230) in order to change a resonance frequency of the first membrane (110) and / or the second membrane (120) by changing a mechanical preload. Akustischer Wandler nach Anspruch 7, wobei die akustische Welle eine bestimmte Frequenz aufweist und die Ansteuereinheit (150) weiter ausgebildet ist, um das Gleichspannungssignal (DC) derart zu wählen, dass die akustische Welle (50) mit der bestimmten Frequenz sowohl effizient erzeugt als auch effizient empfangen werden kann.Acoustic converter according to Claim 7 , wherein the acoustic wave has a specific frequency and the control unit (150) is further designed to select the direct voltage signal (DC) in such a way that the acoustic wave (50) with the specific frequency can be efficiently generated as well as efficiently received. Akustischer Wandler nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei die Ansteuereinheit (150) weiter ausgebildet ist, um das Gleichspannungssignal (DC) an nur einem der Wandler (210, 220, 230) anzulegen, um 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.Acoustic converter according to Claim 7 or Claim 8 , wherein the control unit (150) is further designed to apply the direct voltage signal (DC) to only one of the transducers (210, 220, 230) in order to use the one transducer to generate / receive the acoustic wave, and to use at least one of the to use the remaining transducer for receiving / generating the acoustic wave. Akustischer Wandler nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei die Ansteuereinheit (150) weiter ausgebildet ist, um das Gleichspannungssignal (DC) an zumindest einem der Wandler (210, 220, 230) anzulegen und den zumindest einen der Wandler (210, 220, 230) zur Erzeugung und zum Empfang der akustischen Welle (50) zu nutzen.Acoustic converter according to Claim 7 or Claim 8 , wherein the control unit (150) is further designed to apply the direct voltage signal (DC) to at least one of the converters (210, 220, 230) and the at least one of the converters (210, 220, 230) to generate and receive the acoustic Use shaft (50). Akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Ansteuereinheit (150) weiter ausgebildet ist, um das Gleichspannungssignal (DC) nur während eines Sendens der akustischen Welle (50) oder nur während eines darauffolgenden Empfangens einer Reflexion der akustischen Welle (50) anzulegen.Acoustic converter according to one of the Claims 7 to 10 , wherein the control unit (150) is further designed to apply the direct voltage signal (DC) only during a transmission of the acoustic wave (50) or only during a subsequent reception of a reflection of the acoustic wave (50). Verfahren zum Erzeugen oder Empfangen einer akustischen Welle unter Nutzung eines akustischen Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 11.Method for generating or receiving an acoustic wave using an acoustic transducer according to one of the Claims 1 to 11 . Verfahren nach Anspruch 12, das weiter zumindest einen der folgenden Schritte umfasst: Ausbilden einer mechanischen Vorspannung in der ersten Membrane (110) und/oder in der zweiten Membrane (120), um ein effektives Erzeugen und ein effektives Empfangen einer akustischen Welle (50) einer vorbestimmten Frequenz zu ermöglichen, Ändern einer mechanischen Vorspannung in der ersten Membrane (110) und/oder in der zweiten Membrane (120), um ein gleichzeitiges Senden und/oder ein gleichzeitiges Empfangen von akustischen Wellen (50) verschiedener Frequenzen zu ermöglichen.Procedure according to Claim 12 which further comprises at least one of the following steps: forming a mechanical preload in the first diaphragm (110) and / or in the second diaphragm (120) in order to produce an effective to enable effective reception of an acoustic wave (50) of a predetermined frequency, changing a mechanical preload in the first membrane (110) and / or in the second membrane (120) in order to simultaneously transmit and / or receive acoustic waves ( 50) of different frequencies. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Ausbildens der mechanischen Vorspannung derart ausgeführt wird: - dass ein effektives Aussenden der akustischen Welle (50) durch einen der Wandler (210, 220, 230) und, nach einer Reflexion der akustischen Welle (50), ein effektives Empfangen der akustischen Welle (50) durch den einen Wandler oder durch einen anderen Wandler erreicht wird; oder - dass eine gewünschte Reichweitenänderung der akustischen Welle (50) oder eine gewünschte Auflösungsänderung für die akustische Welle erreicht wird.Procedure according to Claim 13 wherein the step of establishing the mechanical preload is carried out in such a way: - that an effective emission of the acoustic wave (50) by one of the transducers (210, 220, 230) and, after a reflection of the acoustic wave (50), an effective reception the acoustic wave (50) is reached by the one transducer or by another transducer; or - that a desired change in range of the acoustic wave (50) or a desired change in resolution for the acoustic wave is achieved. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, das weiter Folgendes umfasst: - Anregen des ersten und/oder zweiten piezoelektrischen Wandlers (210, 220); und - Messen einer Auslenkung der ersten und/oder der zweiten Membrane (110, 120), die durch das Anregen des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Wandlers (210, 220) verursacht wurde, durch den kapazitiven Wandler (230).Method according to one of the Claims 12 to 13th which further comprises: - exciting the first and / or second piezoelectric transducer (210, 220); and - measuring a deflection of the first and / or the second membrane (110, 120), which was caused by the excitation of the first and / or the second piezoelectric transducer (210, 220), by the capacitive transducer (230).
DE102019126795.1A 2019-10-04 2019-10-04 Acoustic transducer and method for generating / receiving an acoustic wave Pending DE102019126795A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019126795.1A DE102019126795A1 (en) 2019-10-04 2019-10-04 Acoustic transducer and method for generating / receiving an acoustic wave
EP20199561.0A EP3799966B1 (en) 2019-10-04 2020-10-01 Acoustic transducer and method for generating/receiving an acoustic wave

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019126795.1A DE102019126795A1 (en) 2019-10-04 2019-10-04 Acoustic transducer and method for generating / receiving an acoustic wave

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019126795A1 true DE102019126795A1 (en) 2021-04-08

Family

ID=72717731

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019126795.1A Pending DE102019126795A1 (en) 2019-10-04 2019-10-04 Acoustic transducer and method for generating / receiving an acoustic wave

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP3799966B1 (en)
DE (1) DE102019126795A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005008511A1 (en) * 2005-02-24 2006-08-31 Epcos Ag Micro electro mechanical system microphone, has microphone membrane and auxiliary membrane, which are electrically coupled so that movement of auxiliary membrane is effected simultaneously during movement of microphone membrane
US20100272310A1 (en) * 2009-04-28 2010-10-28 Avago Technologies Wireless Ip (Singapore) Pte. Ltd. Microcap acoustic transducer device
DE102010042875A1 (en) * 2010-10-25 2012-04-26 Siemens Aktiengesellschaft Method for regulating a bias voltage for a capacitive micromechanical ultrasonic transducer
DE102017223869A1 (en) * 2017-12-29 2019-07-04 Infineon Technologies Ag MEMS device and mobile device with the MEMS device

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6383882B2 (en) * 2015-10-22 2018-08-29 富士フイルム株式会社 Electroacoustic transducer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005008511A1 (en) * 2005-02-24 2006-08-31 Epcos Ag Micro electro mechanical system microphone, has microphone membrane and auxiliary membrane, which are electrically coupled so that movement of auxiliary membrane is effected simultaneously during movement of microphone membrane
US20100272310A1 (en) * 2009-04-28 2010-10-28 Avago Technologies Wireless Ip (Singapore) Pte. Ltd. Microcap acoustic transducer device
DE102010042875A1 (en) * 2010-10-25 2012-04-26 Siemens Aktiengesellschaft Method for regulating a bias voltage for a capacitive micromechanical ultrasonic transducer
DE102017223869A1 (en) * 2017-12-29 2019-07-04 Infineon Technologies Ag MEMS device and mobile device with the MEMS device

Also Published As

Publication number Publication date
EP3799966A3 (en) 2021-06-30
EP3799966A2 (en) 2021-04-07
EP3799966B1 (en) 2024-04-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2559024B1 (en) Method for driving an ultrasound sensor and ultrasound sensor
DE102012220819B4 (en) SOUND TRANSFORMERS WITH A FIRST AND A SECOND QUANTITY OF MATCHING COMB
DE69407592T2 (en) HIGH PRESSURE LOW IMPEDANCE ELECTROSTATIC CONVERTER
DE3119272A1 (en) "BOW SCANNING ULTRASONIC CONVERTER ARRANGEMENT"
DE102008028885A1 (en) Method for tuning a resonance frequency of a piezoelectric component
EP1467593A2 (en) Directional microphone
EP3136751A1 (en) Mems loudspeaker with position sensor
WO2011073414A2 (en) Oscillatory system for an ultrasonic transducer and method for producing the oscillatory system
DE1487304A1 (en) Electromechanical acoustic transmitter
DE10341730B4 (en) Versatile transducer array configurations
DE60315286T2 (en) GROUP OF MEMBRANE ULTRASOUND TRANSFORMERS
EP3095530B1 (en) Device for transmitting and receiving of acoustic signals
EP2144715A1 (en) Ultrasound converter array for applications in gaseous media
EP3297774A1 (en) Acoustic transducer device comprising a piezo sound transducer and a micromachined ultrasonic transducer (mut), method for operating same, acoustic system, acoustic coupling structure, and method for producing an acoustic coupling structure
EP3799966B1 (en) Acoustic transducer and method for generating/receiving an acoustic wave
DE102011052767A1 (en) Ultrasonic transducer assembly used in sensor for sensing location of object, has coupler that is connected to surface of resonator plate adjacent to end of major dimension of elongated element
EP3010655A1 (en) Electroacoustic transducer
DE102017209823A1 (en) ultrasonic sensor
DE102019132086A1 (en) ULTRASONIC TRANSDUCER, METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF, AND ULTRASONIC IMAGING DEVICE
DE102019130488B3 (en) Object detection sensor
WO2020229466A1 (en) Acoustic bending transducer system and acoustic device
DE102015213813A1 (en) Electro-acoustic transducer with path addition away from the sound direction
DE4135408A1 (en) Converting electric energy into vibrations - using piezoelectric effect to translate contraction or expansion to vibration of diaphragm
DE19833213C2 (en) Ultrasonic transmission arrangement
DE69200439T2 (en) Sonar converter.

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R083 Amendment of/additions to inventor(s)