TWI741846B - 超聲波感測裝置與元件 - Google Patents
超聲波感測裝置與元件 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI741846B TWI741846B TW109136451A TW109136451A TWI741846B TW I741846 B TWI741846 B TW I741846B TW 109136451 A TW109136451 A TW 109136451A TW 109136451 A TW109136451 A TW 109136451A TW I741846 B TWI741846 B TW I741846B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- piezoelectric transducer
- transducer unit
- ultrasonic sensing
- signal generating
- inductor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
- G01S15/06—Systems determining the position data of a target
- G01S15/08—Systems for measuring distance only
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
一種超聲波感測裝置，包含：一訊號產生/接收電路、一壓電換能單元以及一電感。該訊號產生/接收電路具有一發射端、一接收端及一共用端。該壓電換能單元具有一第一端與一第二端。該電感具有一第三端與一第四端，其中該第三端電性連接該訊號產生/接收電路的發射端，以及該第四端電性連接該壓電換能單元的第一端。再者，該訊號產生/接收電路的接收端電性連接於該壓電換能單元的第一端與該電感之間，以及該訊號產生/接收電路的共用端電性連接該壓電換能單元的第二端。
Description
本發明係關於超聲波感測裝置，尤指一種利用被動元件進行阻抗匹配，從而提升回波電壓的振幅大小的超聲波感測裝置以及超聲波感測元件。
一般來說，超聲波感測裝置可用來進行距離量測，其中，超聲波感測裝置先透過一個壓電換能單元，對外發射出一超聲波，該超聲波在碰撞到障礙物後，形成一反射波。透過量測發射與接收的超聲波之間的時間差，便可得知超聲波感測裝置與障礙物之間的距離。在偵測的過程中，會讓壓電換能單元將反射波轉換成一回波電壓，從而確定收到反射波的時間點，而通常超聲波感測裝置中還具有一個訊號接收裝置，用來偵測回波電壓。為了保證回波電壓的振幅具備一定大小，從而得到可靠的距離量測結果，一般會透過訊號放大電路來放大回波電壓，然而，訊號放大電路會增加超聲波感測裝置的尺寸以及功耗。
有鑑於此，本發明提出一種全新的超聲波感測裝置以及超聲波感測裝置單元的架構，相較於傳統的超聲波感測裝置，可以有效地縮小尺寸與功耗，並且進一步地降低製造成本。其中，在本發明的超聲波感測裝置以及超聲波感測裝置單元中，壓電換能單元的驅動電壓輸入點，以及回波電壓輸出點並不相
同，兩個端點之間還包含了一個電感，從而提供了一定的阻抗匹配效果，以提高回波電壓的振幅大小。另外，在本發明的多個實施例中，也提供了由不同被動元件組成的濾波網路，從而提高回波電壓的訊雜比。由於本發明的架構有效地提高回波電壓的振幅大小，因此可以省去訊號放大電路的使用，從而縮小超聲波感測裝置的尺寸與降低功耗，並且進一步地降低製造成本。另外，由於回波電壓的振幅大小被提高，所以本發明也間接地提升了超聲波感測裝置的有效量測距離，以及降低對於驅動電壓的振幅大小的要求。
本發明之一實施例提供一種超聲波感測裝置，該超聲波感測裝置包含：一訊號產生/接收電路、一壓電換能單元以及一電感。該訊號產生/接收電路具有一發射端、一接收端及一共用端。該壓電換能單元具有一第一端與一第二端。該電感具有一第三端與一第四端，其中該第三端電性連接該訊號產生/接收電路的發射端，以及該第四端電性連接該壓電換能單元的第一端。再者，該訊號產生/接收電路的接收端電性連接於該壓電換能單元的第一端與該電感之間，以及該訊號產生/接收電路的共用端電性連接該壓電換能單元的第二端。
本發明之一實施例提供一種超聲波感測單元，該超聲波感測單元用以電性連接一訊號產生/接收電路。該超聲波感測元件包含：一壓電換能單元以及一電感。該壓電換能單元具有一第一端與一第二端。該電感具有一第三端與一第四端，其中，該第三端電性連接該訊號產生/接收電路的一發射端，以及該第四端電性連接該壓電換能單元的第一端。再者，該訊號產生/接收電路的一接收端電性連接於該壓電換能單元的第一端與該電感之間，以及該訊號產生/接收電路的一共用端電性連接該壓電換能單元的第二端。
100:超聲波感測裝置
110:訊號產生/接收電路
120、220:壓電換能單元
130、230:電感
140、240:電容
150、250:電阻
200:超聲波感測元件
121、122、221、222、131、132、231、232、RE、TE、CE:元件端點
第1圖為本發明實施例之超聲波感測裝置的架構示意圖。
第2圖為本發明之另一實施例之超聲波感測裝置的架構示意圖。
第3圖為本發明實施例之超聲波感測元件的架構示意圖。
第4圖為本發明之另一實施例之超聲波感測元件的架構示意圖。
在以下內文中，描述了許多具體細節以提供閱讀者對本發明實施例的透徹理解。然而，本領域的技術人士將能理解，如何在缺少一個或多個具體細節的情況下，或者利用其他方法或元件或材料等來實現本發明。在其他情況下，眾所皆知的結構、材料或操作不會被示出或詳細描述，從而避免模糊本發明的核心概念。
說明書中提到的「一實施例」意味著該實施例所描述的特定特徵、結構或特性可能被包含於本發明的至少一個實施例中。因此，本說明書中各處出現的「在一實施例中」不一定意味著同一個實施例。此外，前述的特定特徵、結構或特性可以以任何合適的形式在一個或多個實施例中結合。
請參考第1圖，該圖為本發明實施例之超聲波感測裝置的架構示意圖。如圖所示，超聲波感測裝置100包含：一訊號產生/接收電路110、一壓電換能單元120以及一電感130。壓電換能單元120用以進行壓電轉換，從而基於一驅動電壓來產生一超聲波，或者根據一反射波產生一回波電壓。訊號產生/接收電路110具有一發射端TE、一接收端RE及一共用端CE，並且用以透過發射端TE提
供該驅動電壓，使得壓電換能單元120產生該超聲波，或者是透過接收端RE接收壓電換能單元120所產生之該回波電壓。壓電換能單元120具有一第一端121與一第二端122，且電感130具有一第三端131與一第四端131。
其中，電感130的第三端131電性連接訊號產生/接收電路110的發射端TE，用以接收該驅動電壓，以及電感130的第四端132電性連接壓電換能單元120的第一端121。再者，訊號產生/接收電路110的接收端RE電性連接於壓電換能單元120的第一端121與電感130之間，用以接收該回波電壓。另外，訊號產生/接收電路110的共用端CE電性連接壓電換能單元120的第二端。由於訊號產生/接收電路110在提供該驅動電壓給壓電換能單元120，從而產生該超聲波是透過電感130的第三端131，以及在接收壓電換能單元120產生的該回波電壓時是透過電感130的第四端132，而兩個端點之前的電感130提供了一定的阻抗匹配效果，因此訊號產生/接收電路110可以得到較高的回波電壓。
在本發明不同實施例中，電感130可以透過封裝技巧設置於壓電換能單元120中，或者是整合在訊號產生/接收電路110的電路板上，而電感130的電感值L可以根據壓電換能單元120的諧振頻率fs所決定。進一步來說，壓電換能單元120的諧振頻率為
，其中L為電感130的電感值，C為壓電換能單元120自身的電容值，因此，可以透過固定電容值C與諧振頻率fs來選擇電感130的電感值L。
另外，在一實施例中，超聲波感測裝置100可能還含包含有一電容140，並且電容140與壓電換能單元120並聯。其中，電容140的電容值C可以根據壓電換能單元120自身的等效電容值、壓電換能單元120的諧振頻率fs以及電感
130的電感值L所決定。由於電感130與電容140可以形成一濾波網路，因此可以提高系統的雜訊抵抗能力，提高回波電壓的訊雜比。再者，在本發明的另一個實施例中，超聲波感測裝置100可能還含包含有一電阻150，並且電阻150與壓電換能單元120並聯。透過電阻150的設置，有助於更進一步地提高回波電壓的振幅大小。
請注意，儘管圖式第1圖中同時繪示出了電容140以及電阻150，但在本發明的眾多實施例中，超聲波感測裝置100可能僅包含電容140以及電阻150中之一者。換言之，超聲波感測裝置100中所包含的被動元件可能有以下幾種組合：1)電感130、電容140以及電阻150；2)電感130以及電容140；3)電感130以及電阻150；4)電感130。
在第2圖所示本發明另一個實施例的超聲波感測裝置中，訊號產生/接收電路110的接收端RE可以電性連接於電感130的第三端131，而非電性連接壓電換能單元120的第一端121與電感130之間。儘管在本實施例中，訊號產生/接收電路110的接收端RE與發送端TE連接在同一個端點，也就是電感130的第三端131，但是仍可透過電感130所提供的阻抗匹配效果來提高回波電壓的振幅大小。
本發明還提供一種超聲波感測裝置元件，請參考第3圖的圖示。如圖所示，超聲波感測元件200包含：一壓電換能單元220以及一電感230。其中，超聲波感測元件200用以電性連接訊號產生/接收電路110。壓電換能單元220用以進
行壓電轉換，從而基於一驅動電壓來產生一超聲波，或者根據一反射波產生一回波電壓。訊號產生/接收電路110具有一發射端TE、一接收端RE及一共用端CE，並且用以透過發射端TE提供該驅動電壓，使得壓電換能單元220產生該超聲波，或者是透過接收端RE接收壓電換能單元220所產生之該回波電壓。壓電換能單元220具有一第一端221與一第二端222，且電感230具有一第三端231與一第四端231。
其中，電感230的第三端231電性連接訊號產生/接收電路110的發射端TE，用以接收該驅動電壓，以及電感230的第四端232電性連接壓電換能單元220的第一端221。再者，訊號產生/接收電路110的接收端RE電性連接於壓電換能單元220的第一端221與電感230之間，用以接收該回波電壓。另外，訊號產生/接收電路110的共用端CE電性連接壓電換能單元220的第二端。由於訊號產生/接收電路110在提供該驅動電壓給壓電換能單元220，從而產生該超聲波是透過電感230的第三端231，以及在接收壓電換能單元220產生的該回波電壓時是透過電感230的第四端232，而兩個端點之間的電感230提供了一定的阻抗匹配效果，因此超聲波感測裝置元件200可以讓訊號產生/接收電路110量測到得到較高的回波電壓。
在本發明不同實施例中，電感230可以透過封裝技巧設置於壓電換能單元220中，或者是整合在訊號產生/接收電路110的電路板上，而電感230的電感值L可以根據壓電換能單元220的諧振頻率fs所決定。進一步來說，壓電換能單元220的諧振頻率為
，其中L為電感130的電感值，C為壓電換能單元220自身的電容值，因此，可以透過固定電容值C與諧振頻率fs來選擇電感230的電感值L。
另外，在一實施例中，超聲波感測單元200可能還含包含有一電容240，並且電容240與壓電換能單元220並聯。其中，電容240的電容值C可以根據壓電換能單元220自身的等效電容值、壓電換能單元220的諧振頻率fs以及電感230的電感值L所決定。由於電感230與電容240可以形成一濾波網路，因此可以提高系統的雜訊抵抗能力，提高回波電壓的訊雜比。再者，在本發明的另一個實施例中，超聲波感測單元200可能還含包含有一電阻250，並且電阻250與壓電換能單元220並聯。透過電阻250的設置，有助於更進一步地提高回波電壓的振幅大小。
請注意，儘管圖式第3圖中同時繪示出了電容240以及電阻250，但在本發明的眾多實施例中，超聲波感測單元200可能僅包含電容240以及電阻250中之一者。換言之，超聲波感測單元200中所包含的被動元件可能有以下幾種組合：1)電感230、電容240以及電阻250；2)電感230以及電容240；3)電感230以及電阻250；4)電感230。
在第4圖所示本發明另一個實施例的超聲波感測元件中，訊號產生/接收電路110的接收端RE可以電性連接於電感230的第三端231，而非電性連接壓電換能單元220的第一端221與電感230之間。儘管在本實施例中，訊號產生/接收電路110的接收端RE與發送端TE連接在同一個端點，也就是電感230的第三端231，但是仍可透過電感230所提供的阻抗匹配效果來提高回波電壓的振幅大小。
總結來說，本發明所提出的超聲波感測裝置以及超聲波感測單元架構，可讓訊號產生/接收電路偵測到較高的回波電壓，如此一來，便可保證回波電壓具有一定的振幅大小，從而獲點許多好處。首先，在訊號產生/接收電路所提供的驅動電壓大小不變的情況下，可以偵測較到振幅較高的回波電壓，實質上等同於提高了超聲波感測裝置以及超聲波感測單元的可用偵測距離。另一方面來看，若不需要增加超聲波感測裝置以及超聲波感測單元的可用偵測距離，也可以降低驅動電壓大小，從而減少超聲波感測裝置以及超聲波感測單元的功耗。另外，由於壓電換能單元的尺寸與回波電壓的大小有正相關，因此在本發明的架構下，即便使用了尺寸較小的壓電換能單元，仍可保證回波電壓的振幅具有一定的大小。最後，由於本發明的架構保證了回波電壓的振幅大小，所以可以視情況省去訊號放大電路的設置。綜上，本發明所提供的架構，有助於實現長偵測距離、小尺寸且低功耗的超聲波感測裝置以及超聲波感測單元。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:超聲波感測裝置
110:訊號產生/接收電路
120:壓電換能單元
130:電感
140:電容
150:電阻
121、122、131、132、RE、TE、CE:元件端點
Claims (10)
- 一種超聲波感測裝置，包含：一訊號產生/接收電路，具有一發射端、一接收端及一共用端；一壓電換能單元，具有一第一端與一第二端，用以基於一驅動電壓產生一超聲波，並且基於該超聲波接觸到物體之反射，從而產生一回波電壓；以及一電感，具有一第三端與一第四端，該第三端電性連接該訊號產生/接收電路的發射端，以及該第四端電性連接該壓電換能單元的第一端和該訊號產生/接收電路的接收端；其中該訊號產生/接收電路的共用端電性連接該壓電換能單元的第二端，且該訊號產生/接收電路的發射端透過該電感的第三端提供該驅動電壓給該壓電換能單元，而該訊號產生/接收電路的接收端透過該電感的第四端從該壓電換能單元接收該回波電壓。
- 如請求項1所述的超聲波感測裝置，其中該電感的一電感值係根據該壓電換能單元的一諧振頻率所決定。
- 如請求項1所述的超聲波感測裝置，其中該超聲波感測裝置還包含有一電容，該電容與該壓電換能單元並聯。
- 如請求項3所述的超聲波感測裝置，其中該電容的一電容值係根據該壓電換能單元的一諧振頻率以及該電感的一電感值所決定。
- 如請求項3所述的超聲波感測裝置，其中該超聲波感測裝置還包含 有一電阻，該電阻與該壓電換能單元並聯。
- 一種超聲波感測元件，用以電性連接一訊號產生/接收電路，該超聲波感測元件包含：一壓電換能單元，具有一第一端與一第二端，用以基於一驅動電壓產生一超聲波，並且基於該超聲波接觸到物體之反射，從而產生一回波電壓；以及一電感，具有一第三端與一第四端，該第三端電性連接該訊號產生/接收電路之一發射端，該第四端電性連接該壓電換能單元之第一端和該訊號產生/接收電路的一接收端；其中該訊號產生/接收電路的一共用端電性連接該壓電換能單元的第二端，且該訊號產生/接收電路的發射端透過該電感的第三端提供該驅動電壓給該壓電換能單元，而該訊號產生/接收電路的接收端透過該電感的第四端從該壓電換能單元接收該回波電壓。
- 如請求項6所述的超聲波感測元件，其中該電感的一電感值係根據該壓電換能單元的一諧振頻率所決定。
- 如請求項6所述的超聲波感測元件，其中該超聲波感測元件還包含有一電容，該電容與該壓電換能單元並聯。
- 如請求項8所述的超聲波感測元件，其中該電容的一電容值係根據該壓電換能單元的一諧振頻率以及該電感的一電感值所決定。
- 如請求項9所述的超聲波感測元件，其中該超聲波感測元件還包 含有一電阻，該電阻與該壓電換能單元並聯。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW109136451A TWI741846B (zh) | 2020-10-21 | 2020-10-21 | 超聲波感測裝置與元件 |
| CN202011340518.1A CN114384526A (zh) | 2020-10-21 | 2020-11-23 | 超声波感测装置与组件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW109136451A TWI741846B (zh) | 2020-10-21 | 2020-10-21 | 超聲波感測裝置與元件 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI741846B true TWI741846B (zh) | 2021-10-01 |
| TW202217356A TW202217356A (zh) | 2022-05-01 |
Family
ID=80782344
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW109136451A TWI741846B (zh) | 2020-10-21 | 2020-10-21 | 超聲波感測裝置與元件 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114384526A (zh) |
| TW (1) | TWI741846B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102149429A (zh) * | 2008-07-10 | 2011-08-10 | 康奈尔大学 | 产生超声波的装置 |
| CN104272135A (zh) * | 2012-05-07 | 2015-01-07 | 株式会社村田制作所 | 超声波传感器驱动电路 |
| US20190044459A1 (en) * | 2017-07-17 | 2019-02-07 | Georgia Tech Research Corporation | Parametric Resonator for Electrical Transduction |
| TW202017534A (zh) * | 2018-06-19 | 2020-05-16 | 美商蝴蝶網路公司 | 包含直接耦合到類比至數位轉換器之電容式微加工超音波換能器的設備 |
| US20200164405A1 (en) * | 2017-08-08 | 2020-05-28 | Koninklijke Philips N.V. | Capacitive micro-machined ultrasound transducer (cmut) devices and control methods |
| TW202023646A (zh) * | 2018-11-30 | 2020-07-01 | 美商奧賽拉公司 | 用於增強超音波治療的功效之系統和方法 |
-
2020
- 2020-10-21 TW TW109136451A patent/TWI741846B/zh active
- 2020-11-23 CN CN202011340518.1A patent/CN114384526A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102149429A (zh) * | 2008-07-10 | 2011-08-10 | 康奈尔大学 | 产生超声波的装置 |
| CN104272135A (zh) * | 2012-05-07 | 2015-01-07 | 株式会社村田制作所 | 超声波传感器驱动电路 |
| US20190044459A1 (en) * | 2017-07-17 | 2019-02-07 | Georgia Tech Research Corporation | Parametric Resonator for Electrical Transduction |
| US20200164405A1 (en) * | 2017-08-08 | 2020-05-28 | Koninklijke Philips N.V. | Capacitive micro-machined ultrasound transducer (cmut) devices and control methods |
| TW202017534A (zh) * | 2018-06-19 | 2020-05-16 | 美商蝴蝶網路公司 | 包含直接耦合到類比至數位轉換器之電容式微加工超音波換能器的設備 |
| TW202023646A (zh) * | 2018-11-30 | 2020-07-01 | 美商奧賽拉公司 | 用於增強超音波治療的功效之系統和方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 魏憲忠，淺談超音波諧振電路，京華超音波電子報(第11期)，2010/05/17，(https://www.ksonic.com.tw/files/epaper1608.html) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202217356A (zh) | 2022-05-01 |
| CN114384526A (zh) | 2022-04-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11269067B2 (en) | Response-based determination of piezoelectric transducer state | |
| CN103954823B (zh) | 声表面波电流传感器 | |
| CN101644608A (zh) | 一种集成式的声表面波无线温度传感器 | |
| CN106053614B (zh) | 改进型lcl谐振电路的电磁超声换能器及其元器件参数设计方法 | |
| JP5628185B2 (ja) | 周期的に振動する信号応答の開始の瞬間を決定する方法 | |
| US20190079174A1 (en) | Measuring resonance parameters of piezoelectric transducers | |
| JP2010197273A (ja) | 超音波を用いたボルトの締め付け状態評価システム | |
| US9673776B2 (en) | Wide band directional coupler | |
| CN207181685U (zh) | 一种超声波测距装置 | |
| TWI741846B (zh) | 超聲波感測裝置與元件 | |
| JP4615599B2 (ja) | 内燃機関におけるシリンダ圧を測定するための測定システム | |
| Abdelmejeed et al. | Monolithic 180nm CMOS controlled GHz ultrasonic impedance sensing and imaging | |
| CN106483526B (zh) | 一种无盲区超声波测距探头及测距方法 | |
| TWM605655U (zh) | 超聲波感測裝置 | |
| Poulsen | Low loss wideband protection circuit for high frequency ultrasound | |
| JPH0374560B2 (zh) | ||
| Kuo et al. | Wideband material detection for spoof resistance in GHz ultrasonic fingerprint sensing | |
| EP1295092B1 (en) | Arrangement and method for measuring the speed of sound | |
| Xu et al. | Lift-off performance of receiving emat transducer enhanced by voltage resonance | |
| CN204613400U (zh) | 一种高精度超声波反射信号接收处理电路 | |
| CN215646735U (zh) | 一种产生巴克码脉冲的压电超声传感器功率放大电路 | |
| JP2020056722A (ja) | 物体検知装置 | |
| JP7238448B2 (ja) | 超音波式距離検出装置 | |
| Yang et al. | Design of an Emerging Ultrasonic Transmitting and Receiving Circuit for Ultrasonic Testing Method of Internal Structure of Transformer | |
| Konovalov et al. | On the problem of the frequency dependences of the input electric impedance of a broadband immersion transducer |