EP3799966A2 - Akustischer wandler und verfahren zum erzeugen/empfangen einer akustischen welle - Google Patents

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EP3799966A2
EP3799966A2 EP20199561.0A EP20199561A EP3799966A2 EP 3799966 A2 EP3799966 A2 EP 3799966A2 EP 20199561 A EP20199561 A EP 20199561A EP 3799966 A2 EP3799966 A2 EP 3799966A2
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EP
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acoustic
transducer
membrane
acoustic wave
diaphragm
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EP20199561.0A
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EP3799966A3 (de
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Omar Ben Dali
Axel Jäger
Mario Kupnik
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Technische Universitaet Darmstadt
Original Assignee
Technische Universitaet Darmstadt
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Publication date
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Definitions

  • 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.
  • 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).
  • PMUT piezo electric micromachined ultrasound transducers
  • CMUT capactive micromachined ultrasound transducers
  • FIG. 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 membrane 410, which is held as a deformable / bendable plate on a frame 420 and has a plate electrode 431.
  • the frame (housing) 420 forms a cavity 415 which is delimited on one side by the membrane 410.
  • a back electrode 432 is formed on a bottom (opposite to the membrane 410).
  • the transducer can be designed, for example, circular, so that it can be designed to be rotationally symmetrical about the axis of rotation R.
  • CMUT In the CMUT shown, it creates an electric field between the plate electrode 431 and the rear electrode 432 deformation of the bending plate (membrane 410) in the transmission mode.
  • the membrane is mechanically pretensioned by a vacuum cavity and an applied bias voltage (DC).
  • DC bias voltage
  • the deformation of the plate 410 caused by sound waves causes a measurable change in capacitance.
  • FIG. 4B shows a structure of a conventional PMUT with a piezoelectric element 440, which can excite the bending plate (membrane 410) to vibrate.
  • the membrane 410 is formed on a frame 420 which forms a cavity 415, which in turn is delimited on one side by the membrane 410.
  • This cavity 415 can also be designed to be open on one side.
  • the piezoelectric transducer 440 comprises, for example, a piezoelectric material 441 and an insulation layer 442, which are formed on the membrane 410.
  • 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.
  • 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.
  • Corresponding electrode layers are again provided for applying the electrical field, the membrane 410 itself being able to act as an electrode if it has an electrically conductive material.
  • the piezoelectric effect is the cause of expansion of the piezo material in the radial direction.
  • a firm bond of the piezoelectric material 441 with the bending plate 410 causes a deformation of the bending plate 410 perpendicular to the expansion of the piezoelectric transducer due to the monomorphic effect.
  • an electrical voltage can be picked up due to the direct piezoelectric effect.
  • these converters would convert over a large frequency range with high efficiency; in fact, the conversion is only efficient with mechanical resonance. That is, only in a certain way, through the construction The conversion is efficient in the specified frequency range.
  • 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
  • Figures 5a, 5b show the magnitude of an electrical impedance of an ultrasonic transducer as a function of the frequency, where in Figure 5a the resonance and anti-resonance are shown and in the Figure 5b the receive bandwidth.
  • the most efficient conversion of electrical energy into sound takes place at the resonance in the minimum of the impedance.
  • the conversion of sound into an electrical signal is most sensitive with anti-resonance at the maximum of the impedance (see Figure 5a ).
  • the Figure 5b shows an example of a narrow-band converter (solid line) with the reception bandwidth ⁇ f 1 and a broadband converter (dashed line) with the reception bandwidth ⁇ f 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.
  • the same transducer is used in pulse-echo mode, i.e. for sending and receiving, it cannot also be used at the optimal transmission frequency, can still be operated at the optimal reception frequency.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • each piezoelectric transmission / reception and electrostatic transmission / reception can be referred to as a transducer.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • the two converters should advantageously not interfere with one another. As I said, this can be achieved by choosing the distance.
  • 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.
  • 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 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 below the second membrane in order to direct the acoustic wave from the second 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.
  • 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.
  • 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.
  • the distance between the first and second membrane can be selected again accordingly (e.g. a multiple of the wavelength of the acoustic wave).
  • 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).
  • 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.
  • an additional DC voltage signal to the first piezoelectric converter and / or to the second piezoelectric converter and / or to the capacitive converter.
  • 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.
  • the direct voltage signal can be applied independently of the alternating voltage signal (s) and therefore represents a so-called bias voltage (bias voltage).
  • 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.
  • 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.
  • the transducer can therefore be changed adaptronically or adaptively so that it is always operated at the optimal frequency (when transmitting and receiving).
  • a transmission frequency for example in order to increase the resolution.
  • the transmission frequency can 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 apply different DC voltage signals when sending or receiving.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • a piezoelectric excitation can be analyzed, ie it can be found out to which deflections the excitation has led.
  • 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.
  • Fig. 1 shows an acoustic transducer for generating and / or receiving an acoustic wave 50 according to an embodiment of the present invention.
  • the transducer comprises a first membrane 110 on which a first piezoelectric transducer 210 is formed.
  • the acoustic transducer comprises a second membrane 120 on which a second piezoelectric transducer 220 is formed.
  • the first membrane 110 and the second membrane 120 delimit a cavity 115 on opposite sides, which is laterally delimited by a corresponding frame or housing 240.
  • the acoustic transducer can be formed rotationally symmetrical about an axis R and thus have circular diaphragms 110, 120 in a plan view.
  • the invention is not intended to be limited to any particular form.
  • the cavity 115 can be air, a gas or a vacuum, and the first membrane 110 and the second membrane 120 can be formed at a predetermined distance d from one another. If air is present in the cavity 115, the first membrane 110 and the second membrane 120 generate acoustic waves 50 in both directions, ie away from the transducer as well as into the cavity 115. It can therefore be advantageous to choose the distance d in such a way that the acoustic waves 50 are amplified accordingly in order to increase the sound pressure (if they are to be emitted at the same frequency). If a vacuum is formed in the cavity 115, the distance d can also be selected differently (for example smaller), since the acoustic waves in this case are in the Fig. 1 are radiated upwards and downwards in the vertical direction, but not or hardly at all into the cavity 115.
  • a small opening (not shown in FIG Fig. 1 ) for pressure equalization of the Cavity 115 may be provided to the outside (a so-called “venting channel”, as is also used, for example, in any electrostatic microphone).
  • the first and the second piezoelectric transducer 210, 220 each comprise two electrodes, between which a piezoelectric material 214, 224 (as a film or layer) and an (optional) insulating layer 216, 226 are formed. 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.
  • first / second membrane 110, 120 is / are formed from an electrically conductive material, the first membrane 110 and / or the second membrane 120 can form one of the two electrodes, while the other electrode is arranged on the piezoelectric materials 214, 224 can be.
  • the acoustic transducer further comprises a control unit 150 which is designed to apply a first alternating voltage signal AC1 to the first piezoelectric transducer 210 and to apply a third alternating voltage signal AC3 to the second piezoelectric transducer 220 or to pick it off accordingly (during reception operation).
  • the application of an electric field to the piezoelectric materials 214, 224 results in a change in length of the piezoelectric material 214, 224, which causes the first and second diaphragms 110, 120 to bend due to the change in length of the piezoelectric material 214, 224 .
  • an alternating voltage is applied, this leads to vibrations in the membrane 110, which are then emitted as an acoustic wave 50 if the strength is appropriate.
  • the second piezoelectric transducer 220 can be formed in the same way as the first piezoelectric transducer 210. Both the first piezoelectric transducer 210 and the second piezoelectric transducer 220 can be on one side (inside or outside) of the first and second diaphragms 110, respectively. 120 can be arranged.
  • acoustic waves are received in an analogous manner, i.e. the incoming acoustic waves excite the membranes 110, 120 to vibrate, which then generate electrical alternating voltage signals AC1, AC3, which in turn can be evaluated by the control unit 150.
  • a second alternating voltage signal AC2 can be applied between the first diaphragm 110 and the second diaphragm 120 or the electrodes formed thereon (the electrodes of the piezoelectric transducers 210, 220 can also be used).
  • the first and second diaphragms 110, 120 can be attracted electrically, so that the second alternating voltage signal AC2 likewise leads to vibrations in the diaphragms 110, 120.
  • the first and second membranes 110, 120 together with the electrode layers firmly formed on them (which can also be part of the piezoelectric transducers 210, 220) form a capacitive transducer 230.
  • All three transducers 210, 220, 230 are independent of one another due to the alternating voltage signals AC1, AC2, AC3 can be excited. 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.
  • an electrostatic potential or a direct voltage signal DC can be applied which - depending on the polarity - bends the membranes 110, 120 either upwards or downwards. It goes without saying that repulsion occurs if 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 diaphragms 110, 120, which in turn leads to the resonance frequencies for the diaphragm vibrations changing.
  • the direct voltage signal DC can be any alternating voltage signal AC1, AC2, AC3 are superimposed separately so that the first membrane 110 and / or the second membrane 120 can be mechanically pretensioned separately or together.
  • the direct voltage signal DC will act most effectively if both membranes 110, 120 are electrostatically biased relative to one another (linearized and increased in terms of sensitivity).
  • the direct voltage signal DC for the capacitive converter 230 is shown only by way of example, but, as said, it can also be superimposed on the first and / or the third alternating voltage signal AC1, AC3.
  • the change in the resonance properties of the membranes 110, 120 by the direct voltage signal DC can be used to optimize the sensitivity with regard to the transmission and reception of acoustic waves.
  • the preload can also be used to compensate for a deflection due to a vacuum in the cavity 215. If a particularly good vacuum for decoupling the vibration excitations is to be formed on the first and second diaphragm 110, 120, this can lead to a bending of the diaphragm, which - at least to a certain extent - by applying a positive / negative total amount of charge to the transducers can be reversed. This offers the advantage that the mechanical load on the fixing of the membrane 110, 120 is reduced.
  • Fig. 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.
  • the solid line 250 represents the piezoelectric excitation signal.
  • 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.
  • a first bias voltage which is 50% of a so-called "pull-in" voltage (eg 1352 V)
  • lines 280 show the corresponding resonance curves for a bias voltage of 60%
  • 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.
  • 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.
  • the transducer is rotationally symmetrical about the axis R, the piezoelectric transducers 210, 220 having a radial extension of approx. 3 mm and the membrane of approx. 3.7 mm.
  • the layer thickness of the piezoelectric layer is 210 ⁇ m, for example, and comprises a material: PZT 7B.
  • the membrane is 290 ⁇ m thick and consists of a material: CuNi 18 Zn 27 .
  • a different bias voltage can therefore be used during transmission than during reception, so that an acoustic wave 50 can be transmitted with a specific frequency and at the same time can be received efficiently with the same transducer (for example after a reflection on a body or a material structure; neglecting Doppler shifts).
  • one of the three converters 210, 220, 230 is used for sending and another converter is used for receiving, the bias voltage being used accordingly in order to make both converters as sensitive as possible for sending and receiving.
  • the resonance frequency of each transducer can be adjusted adaptively by means of several bias voltages.
  • FIG. 12 shows another exemplary embodiment in which the acoustic transducer has at least one acoustic reflector 310 in order to reflect acoustic waves 50 emitted in different directions in a preferred direction V.
  • the at least one reflector 310 can be formed on both sides of the membranes 110, 120 (there can also be two separate reflectors 310) in order to redirect the acoustic waves 50 emitted by the membranes 110, 120 (for example in the desired direction V).
  • a parabolic reflector can also be present below the second membrane 120 in order to direct the acoustic wave 50 from the second membrane 120 in the same direction as the acoustic wave 50 which is emitted by the first membrane 110 (vertically upwards). . In this case, no further reflector needs to be present above the first membrane 110.
  • Figure 3b shows a further embodiment for the acoustic transducer, which differs from the embodiment from FIG Fig. 1 differs in that the acoustic transducer is formed above a resonator cavity 215 is.
  • the resonator cavity 215 is formed in a resonator housing 320 and is delimited or closed by the second membrane 120, so that the second membrane 120 is arranged between the resonator cavity 215 and the cavity 115 and separates the two cavities from one another.
  • the resonator cavity 215 causes the acoustic waves emitted vertically downwards (i.e. into the resonator cavity 215) to be reflected in the resonator cavity 215 and guided back. Then they can also spread upwards.
  • air can also be present in the cavity 115 in order to enable the expansion.
  • the resonator cavity 215 can have a depth 1 in the direction of propagation of the acoustic wave 50, which is half the wavelength of the acoustic wave 50, so that after a reflection on the bottom surface of the resonator cavity 215 a constructive superimposition (so-called resonance exaggeration) of the through the acoustic wave generated by the second diaphragm 120 and the reflected wave are produced, which are then both emitted together in the direction of the first diaphragm 110.
  • the distance d between the first membrane 110 and the second membrane 120 can be selected such that the acoustic wave propagating in the direction of the first membrane 110 is amplified (structurally superimposed) by the wave generated by the first membrane 110. In this way, the acoustic wave 50, which in the Fig. 3 is sent vertically upwards, have a maximum sound pressure.
  • a pretension can be formed, for example, between the first membrane 110 and the second membrane 120, which keeps both membranes 110, 120 under mechanical pretension, which in turn shifts the resonance frequency or anti-resonance frequency.

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Abstract

Ein akustischer Wandler zum Erzeugen oder Empfangen einer akustischen Welle (50) umfasst: eine erste Membrane (110) mit einem ersten piezoelektrischen Wandler (210); und eine zweite Membrane (120) mit einem zweiten piezoelektrischen Wandler (220). Die erste Membrane (110) und die zweite Membrane (120) sind schwingbar und durch einen Hohlraum (115) voneinander getrennt, um die akustische Welle (50) durch Anregungen des ersten piezoelektrischen Wandlers (210) und/oder des zweiten piezoelektrischen Wandlers (220) zu erzeugen oder zu empfangen.

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.
    • HINTERGRUND
  • 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.
  • Fig. 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.
  • 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.
  • Fig. 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.
  • 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.
  • 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 Antiresonanz
  • Fig. 5a, 5b zeigen den Betrag einer elektrischen Impedanz eines Ultraschallwandlers als Funktion der Frequenz, wobei in Fig. 5a die Resonanz und Antiresonanz dargestellt sind und in der Fig. 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 Fig. 5a). Die Empfangsbandbreite ist definiert als der Frequenzbereich Δf, bei dem die Impedanz mindestens 2-1/2 = 0,707 des Maximums beträgt. Die Fig. 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es wäre daher wünschenswert, bei der optimalen Sendefrequenz Ultraschall zu erzeugen und im Anschluss das gesendete Ultraschallsignal mit der optimalen Empfangsfrequenz zu empfangen.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • Auf diese Weise kann eine piezoelektrische Anregung analysiert werden, d.h. herausgefunden werden, zu welchen Auslenkungen die Anregung geführt hat. 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.
    • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 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.
    • Fig. 1
    zeigt einen akustischen Wandler zum Erzeugen oder Empfangen einer akustischen Welle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    Fig. 2
    veranschaulicht das Verschieben der Resonanzfrequenz beim Anlegen einer Vorspannung, wie es in Ausführungsbeispielen genutzt wird.
    Fig. 3a,3b
    zeigen akustische Wandler gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
    Fig. 4a,4b
    zeigen einen Aufbau von konventionellen Wandlern.
    Fig. 5a,5b
    zeigen eine elektrische Impedanz eines konventionellen Ultra-schallwandlers als Funktion der Frequenz, aus denen die optimale Sen-de- und Empfangsfrequenzen ermittelbar sind.
    DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Fig. 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.
  • 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 Fig. 1 in vertikaler Richtung nach oben und nach unten abgestrahlt werden, nicht aber oder kaum in den Hohlraum 115 hinein.
  • Wenn Luft oder ein anderes Gas in dem Hohlraum 115 vorhanden ist, kann eine kleine Öffnung (nicht dargestellt in der Fig. 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Fig. 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 Fig. 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.
  • 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.
  • Fig. 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.
  • 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).
  • Die Linien 270 zeigen die entsprechende Resonanzkurven für eine erste Vorspannung, die 50% einer sogenannten "pull-in" Spannung (z.B. 1352 V) beträgt, während die Linien 280 die entsprechenden Resonanzkurven für eine Vorspannung von 60% und die Linien 290 die Resonanzkurven für eine Vorspannung, wie 70% der pull-in Spannung entspricht. Für jeden Fall sind zwei Linien gezeigt, die einem stärkeren und einem schwächeren Signal entsprechen.
  • Mit zunehmender elektrischer Vorspannung DC sinkt somit die Resonanzfrequenz und die Oberflächengeschwindigkeit und damit nimmt die Wandlereffizienz beim Senden zu. Durch die Vorspannung DC kann also zum einen die Effizienz erhöht werden, zum anderen die optimale Sendefrequenz eingestellt werden, wenn die Zunahme der Wandlereffizienz durch eine geringere Anregungsspannung ausgeglichen wird.
  • Für diese Simulation wurden beispielhaft folgende Werte genommen: d = 10 µm, AC1 = AC3= 10 Volt, AC2 = 0 Volt. Wie weiter der rechten Seite der Fig. 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • Fig. 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).
  • 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.
  • 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.
  • Fig. 3b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für den akustischen Wandler, welcher sich von dem Ausführungsbeispiel aus der Fig. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Fig. 3 vertikal nach oben gesendet wird, einen maximalen Schalldruck aufweisen.
  • 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.
  • Alle weiteren Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 beschrieben wurden, können optional auch in diesem Ausführungsbeispiel vorhanden sein.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 50
    akustische Welle(n)
    110, 120, 410
    Membranen
    115, 415
    Hohlraum
    210
    erster piezoelektrischer Wandler
    220
    zweiter piezoelektrischer Wandler
    215
    Resonator-Hohlraum
    230
    kapazitiver Wandler
    240, 420
    Rahmen
    214, 224, 441
    piezoelektrische Materialien
    216, 226
    Isolationsschichten
    250, 260,...
    Membranenausschlag
    310
    akustische(r) Reflektor(en)
    320
    Gehäuse des Resonator-Hohlraumes
    431
    Plattenelektrode
    432
    Rückseitenelektrode
    442
    Pufferschicht/Isolationsschicht
    d
    Abstand der Membranen
    l
    Tiefe des Resonator-Hohlraumes
    R
    Rotationsdrehachse
    V
    Vorzugsrichtung von akustischen Wellen

Claims (15)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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).
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. Verfahren zum Erzeugen oder Empfangen einer akustischen Welle unter Nutzung eines akustischen Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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).
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