專利名稱：用于驅(qū)動電容性機電變換裝置的裝置和方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及驅(qū)動電容性機電變換裝置(capacitive electromechanical transduction apparatus)的裝置和方法，所述電容性機電變換裝置被配置為接收通過光聲效應導致的聲波(acoustic wave)。在本說明書中，使用術(shù)語“聲波”來描述包含音波 (sonic wave)、超音波(ultrasonic wave)和光聲波的各種各樣的聲波，其是當用諸如近紅外線的光(電磁波)照射待測量對象時在待測量對象中(通過光聲效應)產(chǎn)生的彈性波。
背景技術(shù)：
用于接收/發(fā)送超音波的機電變換裝置的例子是作為電容性超音變換器的 CMUT(電容性微加工(Micromachined)超音變換器)?？墒褂没诎雽w工藝的MEMS(微機電系統(tǒng))工藝來制備CMUT。已提出在利用光聲效應的測量裝置中使用CMUT作為超音波變換器(機電變換裝置)(例如參見美國專利申請公開No. 2007/0287912)。為了允許待測量對象通過光聲效應產(chǎn)生聲波，例如，通過光源周期性發(fā)射具有特定脈寬的高強度光，并且，用發(fā)射光照射待測量對象。但是，當待測量對象為活體時，在活體的表面上的皮膚處也通過光聲效應產(chǎn)生聲波。并且，如果用光照射位于待測量對象附近的另一對象，那么也通過光聲效應產(chǎn)生聲波。以上述方式產(chǎn)生的聲波可到達聲波接收單元。在這種情況下，由聲波接收單元接收的聲波不包含關(guān)于待測量對象的任何信息，由此接收的聲波起噪聲的作用。源自于由光源發(fā)射的光的聲波的噪聲在幅度(magnitude)方面比在待測量對象中(例如，通過諸如存在于活體中的腫瘤的光吸收體)產(chǎn)生的聲波大。如果這種噪聲被輸入到對于待測量對象所產(chǎn)生的聲波的特定幅度被最優(yōu)化的CMUT(用作機電變換裝置)，那么輸入的噪聲可對于CMUT的聲波接收操作施加大的影響。如上所述，在測量待測量對象時，噪聲可導致測量精度的降低。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種裝置被配置為驅(qū)動變換裝置，所述變換裝置包括具有被設置為經(jīng)由間隙彼此相對的第一電極和第二電極的單元(cell)。所述裝置包括定時檢測單元(timing detection unit)，被配置為檢測從被配置為輸出用于照射待測量對象的電磁波的電磁波源輸出電磁波的定時；以及控制單元，被配置為同步于檢測到的定時控制所述變換裝置，使得所述變換裝置僅對于接收在被電磁波照射的對象內(nèi)部產(chǎn)生的聲波的時段被置于接收狀態(tài)中。從參照附圖對示例性實施例的以下描述，本發(fā)明的進一步的特征將變得明顯。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的聲波測量系統(tǒng)的示圖。圖2A至圖2F是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的驅(qū)動和控制操作的曲線圖。圖3A和圖:3B是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的驅(qū)動機電變換裝置的裝置和方法的示圖。圖4A和圖4B是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的驅(qū)動機電變換裝置的裝置和方法的示圖。圖5A和圖5B是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的驅(qū)動機電變換裝置的裝置和方法的示圖。圖6A和圖6B是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的驅(qū)動機電變換裝置的裝置和方法的示圖。
具體實施例方式以下參照實施例進一步詳細描述本發(fā)明。本發(fā)明涉及驅(qū)動PAT(光聲層析攝影術(shù) (Tomography))等中的諸如用于接收聲波的CMUT的電容性機電變換裝置的裝置和方法。例如，當用光照射待測量對象時，存在在待測量對象的表面處產(chǎn)生具有大的幅度的聲波(表面聲波)的可能性。這種表面聲波等可對于隨后的聲波接收操作施加影響。在本發(fā)明中， 電容性機電變換裝置的驅(qū)動被控制，使得不接收源自表面聲波等的聲波，并且，在表面聲波已通過之后接收聲波。更具體而言，在根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動電容性機電變換裝置的裝置和方法中，同步于從電磁波源輸出電磁波的定時，機電變換裝置僅對于接收通過光聲效應在待測量對象內(nèi)部產(chǎn)生的聲波的時段被置于接收狀態(tài)中?；诟鶕?jù)本發(fā)明的驅(qū)動機電變換裝置的裝置和方法的上述基本方面，可以以如下所述的各種方式來實施所述裝置和方法。典型地，電磁波源間隔地(例如，周期性地)輸出脈沖形式的電磁波。同步于電磁波輸出的定時，控制單元在接收狀態(tài)和非接收狀態(tài)之間切換機電變換裝置的狀態(tài)，以僅接收與以脈沖形式的電磁波照射的待測量對象內(nèi)部的對象相關(guān)的聲波。注意，可以執(zhí)行與電磁波輸出的同步，使得當在輸出電磁波之后已經(jīng)過預定時間時執(zhí)行切換。電磁波的脈沖形式的使用使得源自待測量對象內(nèi)部的聲波可以與源自待測量對象表面的聲波分離地行進到機電變換裝置，由此變得可以僅選擇性地檢測源自待測量對象內(nèi)部的聲波?，F(xiàn)在，以下參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動電容性機電變換裝置的裝置和方法的實施例。在以下描述的實施例中，作為例子假定上部電極用作向其施加偏壓的第二電極，而下部電極用作從其輸出感應(induced)電流的第一電極。注意，上部電極和下部電極的作用可被交換。在以下描述的一些實施例中，作為例子假定定時檢測單元被設置在DC電勢施加單元或電流檢測單元中，使得定時檢測單元基于電磁波源的接收驅(qū)動信號檢測電磁波的輸出的定時。作為替代方案，定時檢測單元可被設置在DC電勢施加單元或電流檢測單元之外，使得定時檢測單元接收從電磁波源發(fā)射的電磁波的一部分，并且基于接收的電磁波檢測電磁波的輸出的定時。在以下描述的一些實施例中，作為例子假定控制單元也被設置在 DC電勢施加單元或電流檢測單元中，并且，控制單元根據(jù)由定時檢測單元提供的檢測結(jié)果驅(qū)動機電變換裝置，使得機電變換裝置僅對于接收在待測量對象內(nèi)部產(chǎn)生的聲波的時段被置于接收狀態(tài)中。作為替代方案，控制單元可被設置在DC電勢施加單元或電流檢測單元之外，并且，控制單元可控制DC電勢施加單元或電流檢測單元。第一實施例以下描述根據(jù)第一實施例的驅(qū)動機電變換裝置的裝置和方法。在該實施例中，同步于可提供光聲效應的電磁波的周期性發(fā)射(脈沖發(fā)射)驅(qū)動機電變換裝置，使得僅對于接收在待測量對象內(nèi)部產(chǎn)生的聲波的時段將機電變換裝置置于聲波接收狀態(tài)中，而對于其它時段，絕對不接收聲波或者接收靈敏度被降低以使得基本上不接收聲波。在示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的聲波測量系統(tǒng)的配置的圖1中，附圖標記101表示放射電磁波的光源，附圖標記102表示待測量對象，附圖標記103表示用作機電變換裝置的超音波變換器。附圖標記111表示驅(qū)動光源101的驅(qū)動信號，附圖標記112表示作為從光源101輸出的電磁波的輸出光(脈沖光)，附圖標記113表示由超音波變換器103檢測的檢測信號。以下參照示出與聲波測量系統(tǒng)相關(guān)的定時的圖2A至圖2D描述根據(jù)本實施例的驅(qū)動和控制操作的原理。在圖2A至圖2F中的每一個中，橫軸表示時間?？v軸在圖2A中表示驅(qū)動信號111的幅度，在圖2B中表示從光源101輸出的光112的強度，在圖2C中表示由超音波變換器103檢測的聲波的檢測信號113的幅度。在圖2D中，縱軸表示超音波變換器 103是處于接收狀態(tài)(ON狀態(tài))中還是處于非接收狀態(tài)(OFF狀態(tài))中。光源101被定位為經(jīng)由待測量對象102與超音波變換器103相對。以下，在待測量對象102的兩個表面之中，面向光源101的表面被稱為表面A，并且，超音波變換器103側(cè)的表面被稱為表面B。在待測量對象102中，待測量范圍由C表示。在以下的描述中，假定待測量對象102具有均勻的厚度。還假定待測量對象102為活體。在根據(jù)本實施例的測量系統(tǒng)中，利用光聲效應獲取關(guān)于存在于待測量對象102中的特定物質(zhì)的信息(關(guān)于位置、形狀、類型等)。光源101以適當確定的間隔產(chǎn)生脈沖光。更具體而言，在本實施例中，根據(jù)輸入到光源101的驅(qū)動信號111 (參見圖2A)周期性地發(fā)射光(參見圖2B)。周期性地發(fā)射光的一個原因是經(jīng)由重復執(zhí)行的測量所獲得的小的聲波信號的平均值可給出改善的檢測精度。發(fā)射的光照射待測量對象102的表面，并且入射光傳播到待測量對象102中。當傳播光到達待測量對象102中的特定物質(zhì)時，通過光聲效應產(chǎn)生聲波。所產(chǎn)生的聲波的幅度依賴于傳播光的強度、物質(zhì)的特性、物質(zhì)的尺寸等。如果超音波變換器103接收產(chǎn)生的聲波， 那么超音波變換器103輸出包含指示所接收的聲波的幅度的信息的檢測信號113。如上所述，入射到待測量對象102上的光在待測量對象102的表面A和B處產(chǎn)生大的聲波。即，在存在于待測量對象102的表面上的皮膚等處產(chǎn)生大的聲波信號。在表面A 處，入射光還沒有遇到將在待測量對象102中出現(xiàn)的衰減，由此入射光具有大的強度，這允許它產(chǎn)生大的聲波。在待測量對象102中的各位置處產(chǎn)生的聲波在衰減的同時以對于待測量對象102特有的速度在待測量對象102中行進，最終聲波在特定時間的行進之后到達超音波變換器103。在較接近超音波變換器103的位置處產(chǎn)生的聲波較早到達。因此，基于各聲波到達超音波變換器103的時間，可以確定產(chǎn)生聲波的位置。在根據(jù)本實施例的測量系統(tǒng)中，基于到達時間的差異，獲得關(guān)于待測量對象102的信息，并且使用所獲得的信息來產(chǎn)生諸如圖像的信息。聲波以下述次序到達超音波變換器103。首先，在待測量對象102的表面B處產(chǎn)生的聲波到達。接下來，在待測量對象102中的測量范圍C中產(chǎn)生的聲波到達。最后，在待測量對象102的表面A處產(chǎn)生的聲波到達。即，作為位于在表面A和B處產(chǎn)生并且不被用于測量中的聲波之間的信號，檢測將被用于測量中的在待測量對象102內(nèi)部產(chǎn)生的聲波(參見圖2C)。在待測量對象102的表面A和B處產(chǎn)生的聲波不僅是不必要的，而且，如果當該聲波到達時機電變換裝置處于接收狀態(tài)中，那么該聲波還可對于接收操作施加影響。在表面B處產(chǎn)生的聲波已到達之后，在待測量對象102內(nèi)部產(chǎn)生的聲波開始到達，由此，對于接收操作的影響可直接導致將被測量的聲波的接收特性的劣化。為了避免這種劣化，在本實施例中，除了在待測量對象102的內(nèi)部區(qū)域中產(chǎn)生的聲波到達超音波變換器103的時段以外，超音波變換器103不被置于接收狀態(tài)中。更具體而言，僅對于自來自光源101的各周期性發(fā)光已經(jīng)過特定過渡(transition)時間段D之后的特定時段P啟用接收狀態(tài)(參見圖 2D)。過渡時段D被設為比在表面B處產(chǎn)生的聲波到達超音波變換器103所需要的時間長。時段P被設為比從在表面B處產(chǎn)生的聲波到達超音波變換器103的時間到在表面A處產(chǎn)生的聲波到達超音波變換器103的時間的時段短。通過設定過渡時段D和時段P，變得可以在待測量對象102的表面處產(chǎn)生的聲波到達的時段上將超音波變換器103置于非接收狀態(tài)中，由此變得可以防止或抑制大的聲波對于將被檢測用于測量的聲波的接收特性的影響。當開始將被測量的聲波的測量時，超音波變換器103被激活以接收聲波。這使得可以在如上所述抑制不希望的聲波對于接收特性的影響的同時，進行將被檢測的聲波的高精確度檢測。更具體而言，控制超音波變換器103，使得根據(jù)輸出電磁波的定時，超音波變換器 103對于第一時段D被置于非接收狀態(tài)中，超音波變換器103對于隨后的第二時段P被置于接收狀態(tài)中，并且，超音波變換器103對于第三時段被置于非接收狀態(tài)中。在設定中，可從關(guān)于待測量對象的厚度和待測量對象中的聲波速度的已知信息計算過渡時段D和時段P，并且，可在裝置中事先設定過渡時段D和時段P的計算值。作為替代方案，可以如下執(zhí)行設定。首先，裝置對于所有時段被設為處于接收狀態(tài)中，以使得可以測量從發(fā)射光的時間到裝置檢測到諸如圖2C所示的信號的信號的時間的時段。隨后，由測量結(jié)果，裝置自動設定過渡時段D和時段P。之后，裝置開始實際測量。在以下的解釋中，作為例子假定使用CMUT作為超音波變換器103。圖3A和圖示出CMUT的配置。在圖3A和圖;3B中，附圖標記201表示CMUT的單元的振動膜，附圖標記202表示上部電極，附圖標記203表示支撐振動膜201的支撐部件，附圖標記204表示間隙(空隙)，附圖標記205表示下部電極，附圖標記206表示基板，附圖標記301表示DC電勢施加單元，附圖標記302表示電流檢測單元。在該CMUT中，在振動膜201上形成上部電極202，該振動膜201由基板206上形成的支撐部件203支撐。下部電極205被設置在基板206上，使得下部電極205經(jīng)由間隙204(通常為IOnm至900nm)與振動膜201上的上部電極202相對。經(jīng)由振動膜201和間隙204彼此相對的一組的兩個電極202和205被稱為單元。CMUT是如下的變換器陣列其中，多個(通常為100至3000個)單元形成一個元件 (像素)，并且共存在200至4000個元件。CMUT —般具有IOmm至IOcm的尺寸。在CMUT的整個區(qū)域上，上部電極202被共同連接。上部電極202與DC電勢施加單元301連接，使得DC電勢施加單元301均勻地給上部電極202施加特定的DC電勢，由此在上部電極202和下部電極205之間產(chǎn)生特定的電勢差。在這種狀態(tài)下，如果振動膜201接收到聲波，那么振動膜201依賴于聲波的幅度而振動。因此，聲波被轉(zhuǎn)換成由支撐部件203 支撐的振動膜201的振動。振動膜201的振動導致在下部電極205中出現(xiàn)靜電感應。結(jié)果， 在下部電極205中出現(xiàn)小的電流。通過與下部電極205連接的電流檢測單元302檢測該電流。因此，獲得與聲波對應的接收信號。如上所述，在CMUT中，振動通過振動膜201上的上部電極202和下部電極205被轉(zhuǎn)換成電流，并且該電流通過電流檢測單元302被轉(zhuǎn)換成檢測信號。
在具有大的幅度的聲波被輸入到CMUT的情況下，在CMUT中出現(xiàn)非常大的振動和相應大的電流。但是，在這種狀態(tài)下，CMUT處于被最優(yōu)化以接收和檢測具有小的幅度的聲波的變化的狀況中。因此，大的振動或大的電流可改變CMUT的操作點，這可導致信息(諸如電流)的轉(zhuǎn)換比的大變化，或者可導致一些部分飽和。CMUT返回通常的接收狀態(tài)可能花費一定的時間。這可劣化CMUT的聲波接收特性。在本實施例中，光源101的驅(qū)動信號111被輸入到DC電勢施加單元301或電流檢測單元302。S卩，DC電勢施加單元301或電流檢測單元302包含接收驅(qū)動信號111的上述定時檢測單元。在DC電勢施加單元301或電流檢測單元302中，同步于驅(qū)動信號111向光源101的輸入(或同步于來自光源101的光發(fā)射)執(zhí)行接收狀態(tài)和非接收狀態(tài)之間的切換。 更具體而言，設置在DC電勢施加單元301或電流檢測單元302中的控制單元基于從定時檢測單元提供的檢測結(jié)果，同步于來自光源101的光發(fā)射在接收狀態(tài)和非接收狀態(tài)之間切換狀態(tài)?？赏ㄟ^改變將振動膜201的振動轉(zhuǎn)換成電流的比(ratio)、或?qū)㈦娏鱾魉偷诫娏鳈z測單元302的比、或?qū)㈦娏鬓D(zhuǎn)換成檢測信號的比來執(zhí)行切換。為了改變將振動膜201的振動轉(zhuǎn)換成電流的比，光源101的驅(qū)動信號111可被輸入到DC電勢施加單元301 (如圖3A所示的配置中那樣)。為了改變將電流傳送到電流檢測單元302的比或?qū)㈦娏鬓D(zhuǎn)換成檢測信號的比，光源101的驅(qū)動信號111可被輸入到電流檢測單元302(如圖;3B所示的配置中那樣)。通過以上述的方式改變所述比，可以抑制CMUT 中振動或電流傳輸信息的幅度的過量對于CMUT的接收狀態(tài)的不利影響。通過在利用光聲效應的測量中以上述方式驅(qū)動電容性機電變換裝置，可以抑制由待測量對象以外的對象產(chǎn)生的聲波對于將被檢測的聲波的接收特性的影響。注意，雖然在本實施例中假定不必要的信號源自在待測量對象102的表面處產(chǎn)生的聲波，但是，本發(fā)明不限于這種情況。例如，根據(jù)本實施例的裝置和方法可被應用于不必要的信號源自由位于待測量對象102之外的另一對象產(chǎn)生的聲波的情況。第二實施例以下參照圖4A和圖4B描述第二實施例。在第二實施例中，對于在ON和OFF狀態(tài)之間(即，在接收狀態(tài)和非接收狀態(tài)之間)切換接收操作的狀態(tài)的驅(qū)動裝置和驅(qū)動方法，公開了更加具體的配置。除了以上情況以外，第二實施例與上述的第一實施例類似。在第二實施例中，通過改變將電流轉(zhuǎn)換成檢測信號的比來開啟/關(guān)閉接收操作狀態(tài)。在本實施例中，使用跨阻抗(transimpedance)電路作為電流-電壓轉(zhuǎn)換電路以將電流的小變化轉(zhuǎn)換成電壓變化。圖4A和圖4B示出用作根據(jù)本實施例的電流檢測單元302 的跨阻抗電路的配置。在圖4A和圖4B中，附圖標記401表示運算放大器，附圖標記402和 404表示電阻器，附圖標記403和405表示電容器，附圖標記406表示用作控制單元的路徑閉合單元。在圖4A和圖4B所示的配置中，運算放大器401與正電源VDD和負電源VSS連接。首先，以下描述檢測電容變化的操作。運算放大器401的反相(inverting)輸入端子 (-IN)與CMUT的下部電極205連接。運算放大器401的輸出端子(OUT)經(jīng)由路徑閉合單元 406以及電阻器402與電容器403的并聯(lián)連接而與反相輸入端子(-IN)連接，使得輸出信號被反饋到反相輸入端子(-IN)。運算放大器401的非反相輸入端子(+IN)經(jīng)由電阻器404 和電容器405的并聯(lián)連接而與接地端子(GND)連接。接地端子(GND)具有在正電源VDD和負電源VSS的電勢之間的中間電壓。電阻器402和404具有相等的電阻，并且電容器403和405具有相等的電容，所述電阻和電容被確定為滿足CMUT的關(guān)于電流檢測(在通常的接收狀態(tài)中)的規(guī)范。當超音波變換器103處于非接收狀態(tài)(OFF狀態(tài))中時，基于由定時檢測單元提供的檢測結(jié)果控制路徑閉合單元406，使得路徑中的兩個布線的端部如圖4A所示的那樣不被連接(即，它們被打開)。在這種狀態(tài)下，通過振動膜201的振動在下部電極205中產(chǎn)生的電流不流過電流檢測單元302的運算放大器401的反饋路徑。因此，不管輸入電流如何，用作電流檢測單元302的跨阻抗電路都不輸出任何檢測信號。因此，即使當輸入具有大幅度的不必要的聲波時，也可以防止電流檢測單元302通過輸入到電流檢測單元302的大電流而飽和，這種飽和可能使得不能在特定時段上獲取檢測信號。還可以防止輸入到電流檢測單元302的大電流對于其它元件的檢測信號施加影響。另一方面，當超音波變換器103處于接收狀態(tài)(ON狀態(tài))中時，路徑閉合單元406 的兩個端口如圖4B所示的那樣被連接(被短路)。在這種狀態(tài)下，當通過振動膜201的振動在下部電極205中產(chǎn)生的電流經(jīng)由電流檢測單元302的輸入端子流入電流檢測單元302 中時，電流流過包含處于ON狀態(tài)中的路徑閉合單元406以及電阻器402與電容器403的并聯(lián)連接的反饋路徑。因此，用作電流檢測單元302的跨阻抗電路輸出與輸入電流對應的檢測信號，即，可以接收聲波。如上所述，同步于由定時檢測單元檢測的電磁波輸出，控制單元 (路徑閉合單元406)控制被配置為檢測第一電極中的感應電流的電流檢測單元302，使得在接收狀態(tài)中檢測感應電流，而在非接收狀態(tài)中不檢測感應電流。在本實施例中，簡單地通過在電流檢測單元302中插入路徑閉合單元，可以實現(xiàn)如下的驅(qū)動裝置和驅(qū)動方法所述驅(qū)動裝置和驅(qū)動方法允許在接收時段中執(zhí)行利用光聲效應的測量，而在接收特性方面不被待測量對象以外的對象所產(chǎn)生的聲波明顯影響。第三實施例以下參照圖5A和圖5B描述第三實施例。在該第三實施例中，對于在ON和OFF狀態(tài)之間(即，在接收狀態(tài)和非接收狀態(tài)之間)切換接收操作的狀態(tài)的驅(qū)動裝置和驅(qū)動方法， 公開了更加具體的配置。在第三實施例中，接收操作狀態(tài)依賴于通過振動在下部電極205 中產(chǎn)生的電流是否被輸入到電流檢測單元302(即，依賴于電流被傳送到電流檢測單元302 的比)而在ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)之間被切換。在表示根據(jù)本實施例的CMUT的配置的圖5A和圖5B中，附圖標記303表示用作控制單元的路徑切換單元。在本實施例中，路徑切換單元303被設置在下部電極205和電流檢測單元302之間的路徑中。路徑切換單元303被配置為在電流檢測單元302的輸入端子和接地端子(GND)之間切換下部電極205的連接。接地端子(GND)被設為施加有預定電勢。 當CMUT處于非接收狀態(tài)(OFF狀態(tài))中時，路徑切換單元303基于由定時檢測單元提供的檢測結(jié)果被控制，使得連接如圖5A所示的那樣被切換。在這種狀態(tài)下，通過振動膜201的振動在下部電極205中產(chǎn)生的電流流入接地端子中。因此，即使當輸入具有大幅度的不必要的聲波時，也可以防止電流檢測單元302通過輸入到電流檢測單元302的大電流而飽和， 這種飽和可能使得不能在特定時段上獲取檢測信號。還可以防止輸入到電流檢測單元302 的大電流對于其它元件的檢測信號施加影響。另一方面，當超音波變換器103處于接收狀態(tài)(0N狀態(tài))中時，路徑切換單元303 如圖5B所示的那樣切換連接，使得通過振動膜201的振動在下部電極205中產(chǎn)生的電流流入電流檢測單元302的輸入端子中。因此，允許電流檢測單元302檢測與接收的聲波的幅度對應的電流信號并且輸出得到的檢測信號。以上述的方式，同步于由定時檢測單元檢測的電磁波輸出來控制用作切換單元的控制單元(路徑切換單元303)。即，在接收狀態(tài)中， 控制單元在第一電極和檢測在第一電極中感應的電流的電流檢測單元302之間進行連接， 而在非接收狀態(tài)中，控制單元在第一電極和檢測在第一電極中感應的電流的電流檢測單元 302之間斷開連接。在本實施例中，簡單地通過設置路徑切換單元303，可以在利用光聲效應的測量中防止待測量對象的接收特性被待測量對象以外的對象所產(chǎn)生的聲波明顯影響。第四實施例 以下參照圖6A和圖6B描述第四實施例。在該第四實施例中，對于在ON和OFF狀態(tài)之間(即，在接收狀態(tài)和非接收狀態(tài)之間)切換接收操作的狀態(tài)的驅(qū)動裝置和驅(qū)動方法， 公開了更加具體的配置。在第四實施例中，通過改變振動膜201的振動被轉(zhuǎn)換成電流的比來開啟/關(guān)閉接收操作狀態(tài)。圖6A和圖6B示出根據(jù)本實施例的振動膜201的位置。圖2E和圖2F指示與根據(jù)本實施例的聲波測量系統(tǒng)相關(guān)的定時。在圖2E和圖2F中的每一個中，橫軸表示時間。在圖2E中，縱軸表示電極202和205之間的電勢差，而縱軸在圖2F中表示振動膜201的彎曲量。在本實施例中，通過根據(jù)由定時檢測單元提供的檢測結(jié)果由DC電勢施加單元301中的控制單元改變在上部電極202和下部電極205之間施加的電勢差，改變振動膜201的振動被轉(zhuǎn)換成電流的比。更具體而言，當電勢差被設為基本上為0時，振動膜201被置于振動膜 201如圖6A所示的那樣基本上沒有彎曲的狀態(tài)中，并且，用作超音波變換器103的CMUT處于非接收狀態(tài)(OFF狀態(tài))中。另一方面，當電勢差被設為等于預定值Vd時，振動膜201被置于振動膜201如圖6B所示的那樣朝下部電極205彎曲的狀態(tài)中，并且，使得CMUT進入接收狀態(tài)(ON狀態(tài))中。以下進一步詳細描述這兩種狀態(tài)。當CMUT處于非接收狀態(tài)(OFF狀態(tài))中時，上部電極202和下部電極205之間的電勢差基本上等于0，并且，振動膜201朝基板206輕微彎曲。出現(xiàn)這種輕微彎曲的原因在于單元的間隙204被抽空(evacuate)到低于大氣壓力的壓力，由此，振動膜201通過由間隙204的內(nèi)部壓力和大氣壓力之間的差所產(chǎn)生的力輕微向基板206彎曲。振動膜201的彎曲量依賴于振動膜201的由包含其尺寸、形狀、厚度、膜質(zhì)量等的參數(shù)確定的機械特性。當接收聲波時，檢測的小電流的幅度與電極202和205之間的距離成反比，并與電極202和 205之間的電勢差成比例。在該狀態(tài)下，振動膜201的彎曲是輕微的，電極之間的距離大，并且電勢差基本上等于0，因此，通過由接收的聲波產(chǎn)生的振動膜201的振動基本上不產(chǎn)生電流。即，將振動膜201的振動轉(zhuǎn)換成電流的比基本上等于0，并因此不輸出與接收的聲波對應的檢測信號。即，CMUT可被視為處于非接收狀態(tài)中。另一方面，當CMUT處于接收狀態(tài)(ON狀態(tài))中時，上部電極202和下部電極205之間的電勢差被設為等于特定值Vd,由此振動膜201進一步朝基板206彎曲。出現(xiàn)這種進一步彎曲的原因在于在上部電極202和下部電極205之間施加的特定電勢差Vd在兩個電極之間產(chǎn)生靜電吸引力，由此振動膜201被朝基板206大程度地吸引。注意，彎曲量被設為等于或小于上部電極202和下部電極205之間的原始距離的三分之一。如果電勢差被設為太大，那么存在如下的可能性振動膜201由于靜電吸引力大程度地彎曲而超過兩個電極之間的原始距離的三分之一，并且振動膜201可與下部電極205接觸。在振動膜201與下部電極205接觸的塌陷狀態(tài)中，在振動膜201的振動特性或電容特性中出現(xiàn)大的變化，由此， 在CMUT的聲波接收特性中出現(xiàn)大的不希望的變化。如上所述，當在上部電極202和下部電極205之間施加的電勢差被增大時，兩個電極之間的靜電吸引力增大并且振動膜201的彎曲增大，由此兩個電極之間的距離減小。兩個電極之間的距離越小，則通過振動膜201的相同振動在下部電極205中產(chǎn)生的電流越大。 并且，兩個電極之間的較大的電勢差導致電流的進一步增大。即，CMUT被置于振動膜201的振動以增大的比被轉(zhuǎn)換成電流的狀態(tài)中。因此，CMUT處于適合于接收聲波的接收狀態(tài)中。 如上所述，DC電勢施加單元301中的控制單元同步于由定時檢測單元檢測的電磁波輸出來控制兩個電極之間的電勢差，使得非接收狀態(tài)中的電勢差比接收狀態(tài)中的電勢差小，由此在非接收狀態(tài)中通過上部電極202的振動在下部電極205中感應的電流比在接收狀態(tài)中感應的小。在本實施例中，DC電勢施加單元301中的控制單元同步于通過光源101的光發(fā)射來控制上部電極202和下部電極205之間的電勢差，使得以適當?shù)拈g隔(更具體而言，周期性地同步于通過光源101的周期性光發(fā)射(參見圖2E))在0和Vd之間切換電勢差。注意， 與切換過渡時段(上升時間和下降時間)中的信號變化相關(guān)的頻率可被設為在振動膜201 負責防止振動膜201由于電勢差的變化而振動的頻率范圍之外。響應于0和Vd之間的電勢差的變化，振動膜201的彎曲量如圖2F所示的那樣周期性變化。這導致將振動膜201的振動轉(zhuǎn)換成電流的比的周期性變化，其導致抑制不必要的聲波的接收。在本實施例中，如上所述，簡單地通過由DC電勢施加單元301中的控制單元改變施加給CMUT的上部電極202的電勢，可以在接收狀態(tài)和非接收狀態(tài)之間切換CMUT的狀態(tài)。 當CMUT處于非接收狀態(tài)中時，由于振動膜201的彎曲量是輕微的，因此，具有大幅度的不必要的聲波的輸入不導致振動膜201進入將導致振動膜201的狀態(tài)的大變化的塌陷狀態(tài)中。 即使輸入具有大幅度的不必要的聲波并且振動膜201大程度地振動，振動也基本上不在下部電極205中產(chǎn)生電流。因此，可以防止電流檢測單元302通過大的輸入電流而飽和，這種飽和將使得不能對于特定時段獲得檢測信號。還可以防止其它元件的檢測信號被輸入到電流檢測單元302的大電流影響。在本實施例中，簡單地通過改變施加給電極的電勢而不必提供附加的部分或處理，可以在利用光聲效應的測量中防止接收特性被由待測量對象以外的對象產(chǎn)生的聲波明顯影響，由此，變得可以精確檢測將被檢測的聲波。雖然已參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但要理解，本發(fā)明不限于公開的示例性實施例。所附的權(quán)利要求的范圍要被賦予最寬的解釋，以包含所有這樣的修改以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1.一種被配置為驅(qū)動變換裝置的裝置，所述變換裝置包括具有被設置為經(jīng)由間隙彼此相對的第一電極和第二電極的單元，所述裝置包括定時檢測單元，被配置為檢測從被配置為輸出用于照射待測量對象的電磁波的電磁波源輸出電磁波的定時；以及控制單元，被配置為同步于檢測到的定時控制所述變換裝置，使得所述變換裝置僅對于接收在被電磁波照射的所述待測量對象內(nèi)部產(chǎn)生的聲波的時段被置于接收狀態(tài)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，所述控制單元同步于周期性的所述檢測到的定時在接收狀態(tài)和非接收狀態(tài)之間切換所述變換裝置的狀態(tài)，使得僅接收在所述待測量對象內(nèi)部產(chǎn)生的聲波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，還包括電流檢測單元，被配置為檢測在所述第一電極中感應的電流；以及路徑切換單元，被設置在所述電流檢測單元和所述第一電極之間，其中，所述控制單元同步于所述檢測到的定時控制所述路徑切換單元，使得在接收狀態(tài)中所述第一電極與所述電流檢測單元連接，而在非接收狀態(tài)中所述第一電極與所述電流檢測單元電斷開。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，還包括電流檢測單元，被配置為檢測在所述第一電極中感應的電流，其中，所述控制單元同步于所述檢測到的定時控制所述電流檢測單元，使得在接收狀態(tài)中所述電流檢測單元檢測感應的電流，而在非接收狀態(tài)中所述電流檢測單元不檢測感應的電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，還包括電勢施加單元，被配置為調(diào)整所述第一電極和所述第二電極之間的電勢差，其中，所述控制單元同步于所述檢測到的定時控制所述電勢施加單元，使得所述電勢差在非接收狀態(tài)中比在接收狀態(tài)中小，由此通過所述第二電極的振動在所述第一電極中感應的電流在非接收狀態(tài)中比在接收狀態(tài)中小。
6.一種驅(qū)動變換裝置的方法，所述變換裝置包括具有被設置為經(jīng)由間隙彼此相對的第一電極和第二電極的單元，所述方法包括檢測從被配置為輸出用于照射待測量對象的電磁波的電磁波源輸出電磁波的定時；以及同步于檢測到的定時控制所述變換裝置，使得所述變換裝置僅對于接收在被電磁波照射的所述待測量對象內(nèi)部產(chǎn)生的聲波的時段被置于接收狀態(tài)中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，執(zhí)行控制，使得所述變換裝置的狀態(tài)同步于周期性的所述檢測到的定時在接收狀態(tài)和非接收狀態(tài)之間切換，從而僅接收在所述待測量對象內(nèi)部產(chǎn)生的聲波。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，執(zhí)行所述檢測，使得檢測所述電磁波源的驅(qū)動信號或來自所述電磁波源的電磁波，由此檢測輸出電磁波的定時。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，執(zhí)行控制，使得所述變換裝置對于輸出電磁波的定時之后的第一時段被置于非接收狀態(tài)中，對于所述第一時段之后的第二時段被置于接收狀態(tài)中，并且對于所述第二時段之后的第三時段被置于非接收狀態(tài)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于驅(qū)動電容性機電變換裝置的裝置和方法。一種裝置被配置為驅(qū)動變換裝置，所述變換裝置包含具有被設置為經(jīng)由間隙彼此相對的第一電極和第二電極的單元。所述裝置包含定時檢測單元和控制單元。定時檢測單元檢測從被配置為輸出用于照射待測量對象的電磁波的電磁波源輸出電磁波的定時?？刂茊卧接跈z測到的定時驅(qū)動和控制變換裝置，使得電容性機電變換裝置僅對于接收在被電磁波照射的對象內(nèi)部產(chǎn)生的聲波的時段被置于接收狀態(tài)中。
文檔編號A61B8/00GK102204813SQ201110065850
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月18日
發(fā)明者真島正男, 香取篤史 申請人:佳能株式會社