专利名称：用于机电变换器装置的控制设备和方法以及测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于驱动机电变换器装置的控制设备和方法以及测量系统。具体地讲，本发明涉及一种用于接收由于光声效应而产生的声波的电容式机电变换器装置的控制设备和方法以及包括该机电变换器装置的测量系统。
背景技术：
存在一种测量系统，在该测量系统中，用光福照(irradiate)检查对象，以使该检查对象中的测量对象由于光声效应而产生声波(典型地，超声波)，并且使用机电变换器装置来接收所产生的光声波。示例性的现有的机电变换器装置是电容式微加工超声变换器(CMUT)装置，其是具有声波接收器频带宽的优点的电容式机电变换器装置。CMUT装置使用MEMS工艺生产，MEMS工艺是半导体工艺的应用技术。在专利文献PTL I中提出了使用CMUT 装置作为在基于光声效应的测量系统中所使用的机电变换器装置的方法。引文列表专利文献PTL I 美国专利申请公开 No. 2007/0287912A
发明内容
在基于光声效应的测量系统中，通过用光辐照检查对象来使检查对象基于光声效应产生光声波，所述光是通过使光源以具有预先确定的宽度的脉冲的形式周期性地执行发光来产生的。然而，当诸如活体的检查对象被检查时，用于辐照的光根据在检查对象内行进的距离而以指数方式衰减。因此，从测量对象(诸如肿瘤)产生的声波的强度(声压)取决于测量对象所存在的深度。当所产生的声压小时，机电变换器装置所接收的声压可低于机电变换器装置的接收器灵敏度(可接收的最小声压)。避免它的一种方式是将接收器灵敏度设置为总是处于高水平。然而，在这种情况下，具有高声压的检测信号饱和，并且不能输出。因此，本发明提供一种用于电容式机电变换器装置的、考虑检查对象中的光衰减的控制设备和方法。本发明提供一种控制机电变换器装置的控制设备，所述机电变换器装置具有包括第一电极和第二电极的兀件，所述第一电极与第二电极被布置为在它们之间具有间隙，并且在DC电压施加于第二电极的状态下，由于接收到通过辐照检查对象的光产生的声波，所述元件从第一电极输出电流，所述控制设备包括转换单元，其被配置为将从第一电极输出的电流转换为电压；DC电压施加单元，其被配置为将DC电压施加于第二电极；以及产生单元，其被配置为基于关于从所述检查对象被所述光辐照的时刻起所经过的时间的经过时间信息来产生控制信号，所述控制信号使所述DC电压和用于将所述电流转换为所述电压的转换比率中的至少一个改变。本发明还提供一种控制机电变换器装置的控制方法，所述机电变换器装置具有包括第一电极和第二电极的元件，所述第一电极和第二电极被布置为在它们之间具有间隙，并且在DC电压施加于第二电极的状态下，由于接收到辐照检查对象的光所产生的声波，所述兀件从第一电极输出电流，所述方法包括将从第一电极输出的电流转换为电压；将00电压施加于第二电极；并且基于关于从所述检查对象被所述光辐照的时刻起所经过的时间的信息来产生控制信号，所述控制信号使所述DC电压和用于将所述电流转换为所述电压的转换比率中的至少一个改变。因为考虑检查对象中的光的衰减来控制电容式机电变换器装置，所以机电变换器装置输出减小的影响减小。
图I是示出根据第一实施例的测量系统的示意图。图2A至图2D是示出光的产生和衰减的示意图。图3是示出可应用本发明的机电变换器装置的示意图。图4是示出获得转换系数的方法的示意图。图5是示出获得转换系数的方法的示意图。图6是示出其中提供参考信号产生器的测量系统的示意图。图7A和图7B是示出根据第二实施例的测量系统的示意图。
具体实施例方式在本发明中，以下两种方法中的至少一种用于处理由光的衰减引起的机电变换器装置的输出减小的影响。第一种方法是根据光的衰减来提高所需的接收器对声波的灵敏度，从而增大机电变换器装置的输出。使用这种方法的实施例被描述为第一实施例。第二种方法是根据光的衰减来增大用于将从机电变换器装置输出的电流转换为电压的转换系数，而不调整机电变换器装置的输出。使用这种方法的实施例被描述为第二实施例。因此，这两个实施例都可根据光的衰减来减小由输出到外部装置以用于产生图像数据的信号的强度的降低而引起的影响。以下，参照附图来详细描述本发明。指出，在本发明中，声波包括称为音波、超声波 和光声波的波，并且指通过用诸如近红外线的光(电磁波)辐照检查对象而在该检查对象内产生的弹性波。第一实施例本实施例的特征在于通过下述方式改变接收器灵敏度，S卩，根据从检查对象被光辐照的时刻起经过的时间来改变施加于电容式机电变换器装置的驱动电压(DC电压)。图I示出测量系统的示意图,该测量系统包括用于可应用于本实施例的机电变换器装置的控制设备。在利用光声效应的该测量系统中，通过使光源111响应于发光指令信号201产生光202 (脉冲光)来用光202辐照检查对象112。由于光202的辐照，从检查对象112内的测量对象(声波产生源)产生声波。作为声波接收器的机电变换器装置101接收该声波。机电变换器装置101将由所接收的声波引起的振动转换为电信号(电流)204，并且将电流204输出到电流一电压转换单元102。电流一电压转换单元102将输入电流204转换为电压205，并且将电压205输出到外部装置(未示出)的输入单元(诸如AD转换器或定相加法器(phasing adder)),以用于产生图像数据等。可用作电流一电压转换单元102的示例包括跨阻抗电路(transimpedance circuit)。经过时间信息产生单元103产生关于从包括在发光指令信号201中的ON信号(例如，与脉宽中心对应的时刻作为参考)起的经过时间的信息作为经过时间信息206，并且将经过时间信息206输出到控制信号产生单元104。控制信号产生单元104基于经过时间信息206产生控制信号207，并且将控制信号207输出到DC电压施加单元105，DC电压施加单元105将驱动电压(DC电压)施加于机电变换器装置101。根据本实施例的控制机电变换器装置101的控制设备至少包括控制信号产生单元104、DC电压施加单元105和电流一电压转换单元102。经过时间信息产生单元103可包括在控制设备中，或者可包括在分离的设备(诸如用于光源111的驱动控制器)中。这里，电流一电压转换单元102、经过时间信息产生单元103、控制信号产生单元104和DC电压施加单元105可使用例如PC或嵌入式CPU、FPGA或模拟电路来实现。这些单元可集成在专用控制IC芯片中，以便被布置在机电变换器装置101附近或者与机电变换器装置101集成。现在将参照图2A至图2D来描述本发明所关注的光202的产生和衰减。在图2A中，水平轴示出时间，垂直轴示出驱动光源111的驱动信号的幅度。在图2B中，水平轴示出时间，垂直轴示出从光源111产生的光的强度。在图2C中，水平轴示出光在检查对象内行进的距离xl，垂直轴示出光的强度。在图2D中，水平轴示出时间，垂直轴示出离机电变换器 装置101的距离x2。如图2A所示，发光指令信号201是周期性脉冲信号，并且当发光指令信号201为ON时，光源111产生光。光源111响应于发光指令信号201周期性地发射光(参照图2B)。检查对象112被光源111所产生的光202辐照。参照图2C，辐照检查对象112的光的强度根据光在检查对象内行进的距离以指数方式降低。在本发明中，光在检查对象内行进的距离xl与光强度之间的关系称为光衰减关系。因为光以非常高的速度行进，所以可认为光在与当光源产生该光时相同的时间到达检查对象中的每个地方。另一方面，因为通过光202产生的声波以固定的低速度行进通过检查对象，所以声波到达机电变换器装置101之前所花费的时间根据机电变换器装置101与声波产生源之间的距离X2而改变(参照图2D)。因此，可基于从光源111产生光的时刻(与检查对象被光辐照的时刻相同)起的经过时间t来确定声波产生位置离机电变换器装置101有多远。换句话讲，可根据从产生光的时刻起所经过的时间t、机电变换器装置101的位置、光202的辐照位置、检查对象112的位置等之间的关系确定声波产生源在检查对象112内的位置。基于声波产生源的此位置和光衰减关系，获得“从光辐照起的经过时间与光衰减之间的关系”。该关系示出引起产生在经过时间t之后到达的声波的接收光的量。这使得可确定到达机电变换器装置101的声波的强度(即，声压)，即，需要被接收的声波的强度。在本实施例中，根据光的衰减，通过增大来自机电变换器装置101的需要的输出的幅度来提高接收器对声波的灵敏度。这里，参照图3来描述可应用于本发明的机电变换器装置101。图3是示出机电变换器装置101、DC电压施加单元105、以及电流一电压转换单元102的截面的示意图。电容式机电变换器装置101的每个基元(cell)具有形成在其基板506上的下电极505和布置在下电极505上方的上电极502，在下电极505与上电极502之间具有间隙504 (通常为几十纳米到九百纳米)。在本实施例中，上电极502形成在振动膜501上，振动膜501由形成在基板506上的支承单元503支承。在本发明中，由彼此面对的并且在其之间具有振动膜501和间隙504的这样一对电极所形成的组件被称为基元，该基元为最小振动单元。其中多个基元彼此并联电连接的配置称为元件(element)。虽然在图3中两个基元构成一个元件，但是本发明不限于这种配置，单个基元可构成一个元件，或者多个基元可按两维阵列彼此连接。另外，可提供任何数量的元件，并且可按阵列布置任何数量的元件。作为机电变换器装置的CMUT装置通常具有按两维阵列布置的大约200到4000个元件，其中每个元件(一个像素)包括大约100到3000个基元。CMUT装置具有大约Icm到IOcm的尺寸。选自Al、Cr、Ti、Au、PT、Cu、Ag、W、Mo、Ta、Ni 的金属或者选自 AlSi、AlCu、AlTi、MoW、AlCr的合金中的至少一种可用于本发明中所使用的上电极。上电极可设置在振动膜的上表面、后表面或内部的至少一个位置处。另外，可利用这样的配置，在该配置中，当振动膜由导体或半导体形成时，振动膜用作上电极。下电极可使用与上电极的金属类似的金属。当基板由诸如硅的半导体制成时，该基板也可用作下电极。 在图3中，所有上电极502在机电变换器装置101中彼此电连接，并且控制信号产生单元104与上电极502连接。DC电压施加单元105将预先确定的DC电压均匀地施加于上电极502，以便使得在下电极505与上电极502之间产生预先确定的电势差。在每个基元中，当声波输入到振动膜501时,振动膜501根据该声波的强度振动。在下电极505中，由于振动膜501的振动，产生静电感应，由此产生微小电流。通过使用与每个基元的下电极505连接的电流一电压转换单元102将电流转换为电压，可作为用于每个基元的电压信号获得将被接收的声波信号。在本发明中，与电流一电压转换单元102连接的电极称为第一电极，与DC电压施加单元105连接的电极称为第二电极。也就是说，在图3中，下电极505是第一电极，上电极502是第二电极。然而，可通过使上电极502与电流一电压转换单元102连接来使上电极502成为第一电极，并且可通过使下电极505与DC电压施加单元105连接来使下电极505成为第二电极。现在将描述根据光的衰减来提高所需的接收器对声波的灵敏度的原理。当要驱动电容式机电变换器装置时，在第一电极与第二电极(下电极与上电极)之间施加预先确定的电势差，由此由于在所述电极之间产生的静电吸引力，振动膜501进入朝向基板506偏移(deflect)的状态。当接收到声波时，微小电流的强度与电极之间的距离成反比，并且与电极之间的电势差成比例。因此，当振动膜501接收到声波时所产生的电流根据所述电极之间的电势差而改变。更具体地讲，随着所述电极之间的电势差增大，静电吸引力增大，并且振动膜501的偏移量增大，由此电极之间的距离减小。关于与接收到固定声波的情况对应的固定振动，所产生的电流随着电极之间的距离减小而增大。除此之外，电极之间的电势更大。因此，所产生的电流进一步增大。另一方面，随着电极之间的电势差减小，静电吸引力减小，并且振动膜501的偏移减小，由此电极之间的距离增大。关于与接收到固定声波的情况对应的固定振动，所产生的电流随着电极之间的距离增大而减小。除此之外，电极之间的电势更小。因此，所产生的电流进一步减小。本实施例具有这样的配置，在该配置中，控制信号产生单元104所产生的控制信号207输出到DC电压施加单元105。DC电压施加单元105使施加于上电极502的DC电压根据输入的控制信号207而改变。从而，使上电极与下电极之间的电势差改变，由此所需的接收器对声波的灵敏度可根据光的衰减(从光辐照的时刻起所经过的时间)而改变。换句话讲，这意味着改变用于将由所接收的声波引起的机械振动转换为电流的转换比率(转换系数)。即，控制信号产生单元104通过获得基于经过时间t的该转换系数来产生与该转换系数对应的控制信号207，并且将控制信号207输出到DC电压施加单元105。这减轻了由光的衰减引起的、从机电变换器装置101输出的电流的减小的影响。从而，最终调整了输出到外部装置以用于产生图像数据的信号(从图I中的电流一电压转换单元102输出的电压205)。计算转换系数的方法现在将解释作为从由所接收的声波引起的机械振动到电流的转换比率的转换系数。计算转换系数的方法取决于光202的辐照方向与机电变换器装置101之间的位置关系。首先，参照图4，描述机电变换器装置101的声波接收表面面对与光202的辐射方向相反的方向的情况。参照图4，光源111垂直地朝向检查对象112辐射光202。机电变换器装置101布 置在与光源111相对的位置处，检查对象112在机电变换器装置101与光源111之间。在以下描述中，假设检查对象112具有均匀宽度T，并且机电变换器装置101布置在检查对象112上，在机电变换器装置101与检查对象112之间没有间隙。还假设在光源111与检查对象112之间光202不衰减。当光源111产生的用于辐照检查对象112的光202沿深度方向通过检查对象112时，光的强度以指数方式衰减。换句话讲，在检查对象112内，检查对象112的越接近光源111的部分被越强的光辐照，检查对象112的离光源111越远的部分被越弱的光辐照。在检查对象112的光辐照表面之下的深度d的位置处存在声波产生源的情况下，辐照该声波产生源的光的强度Φ用下式表达。Φ =AX exp (- μ eff X d) (I)在式(I)中，A是根据光强度确定的系数，μ eff是根据检查对象112的特性确定的系数。这里，因为光以非常高的速度在检查对象112中行进，所以可假设从光源111发射的光在与光的发射相同的定时到达检查对象112内的任何地方。对于声波产生源的给定材料性质和尺寸，根据福照该声波产生源的光的强度确定由于光声效应产生的声波的强度。换句话讲，在检查对象112内，在离光源111越近的位置处产生强度越高的声波，在离光源111越远的位置处产生强度越低的声波。也就是说，所需的接收器灵敏度显著地取决于声波产生源在检查对象112内的位置。通过设P为当具有给定结构的材料被具有强度Φ的光辐照时所产生的声波的强度，P用下式表达。P=BX Φ =B' X exp (_ μ eff X d) (2)这里，B和μ eff是根据声波产生源确定的系数。由于光声效应产生的声波在朝向机电变换器装置101的方向上传播通过检查对象112，并且被机电变换器装置101接收。因为声波在检查对象112内的传播速度与光的速度相比低，所以机电变换器装置101首先接收离机电变换器装置101较近(离光源111较远)地产生的声波，稍后接收离机电变换器装置101较远(离光源111较近)地产生的声波。这里，通过设X为从机电变换器装置101到声波产生源的距离，V为声波传播通过检查对象112的速率，从产生声波、直到声波被机电变换器装置101接收为止的时间t用下式表达。
t=x/v (3)从以上描述可看出，在图4中所示的配置中，首先接收由机电变换器装置101附近的弱光产生的弱声波，稍后接收由离机电变换器装置101远的位置处的强光产生的强声波。因此，在这样的配置中，本实施例的特征在于紧接在光源111发射光之后使转换系数大(提高接收器灵敏度)，并且随着时间推进使转换系数较小(降低接收器灵敏度)。通过使用离机电变换器装置101的距离X和检查对象112的宽度T，声波产生源位于检查对象112的光辐照表面之下的深度d用下式表达。d=T-x (4)从式⑶和(4)，获得下式。d=T-vXt (5)
通过设P'为位于检查对象112的光辐照表面之下的深度d处的声波产生源所产生的声波的强度W可用使用P (当不存在光衰减时所产生的声波的强度)的下式表达。P' =CXP/x (6)C是根据检查对象112确定的系数。从式(6)、⑵和(5)，获得下式。[数学式I]
权利要求
1.一种控制机电变换器装置的控制设备，所述机电变换器装置具有包括第一电极和第 二电极的元件，所述第一电极和第二电极被布置为在它们之间具有间隙，并且在DC电压施 加于所述第二电极的状态下，由于接收到辐照检查对象的光所产生的声波，所述元件从所 述第一电极输出电流，所述控制设备包括转换单元，所述转换单元被配置为将从所述第一电极输出的电流转换为电压；DC电压施加单元，所述DC电压施加单元被配置为将DC电压施加于所述第二电极；和产生单元，所述产生单元被配置为基于关于从所述检查对象被所述光辐照的时刻起所 经过的时间的经过时间信息来产生控制信号，所述控制信号使所述DC电压和用于将所述 电流转换为所述电压的转换比率中的至少一个改变。
2.根据权利要求I所述的控制设备，其中，所述经过时间信息是从指示光源发射光的 发光指令获得的。
3.根据权利要求I所述的控制设备，其中，所述经过时间信息是从所述机电变换器装 置接收到从参考信号产生器产生的声波的时间获得的，所述参考信号产生器设置在所述检 查对象与所述机电变换器装置之间。
4.一种控制机电变换器装置的控制方法，所述机电变换器装置具有包括第一电极和第 二电极的元件，所述第一电极和第二电极被布置为在它们之间具有间隙，并且在DC电压施 加于所述第二电极的状态下，由于接收到作为光辐照检查对象的结果所产生的声波，所述 元件从所述第一电极输出电流，所述方法包括将从所述第一电极输出的电流转换为电压；将DC电压施加于所述第二电极；和基于关于从所述检查对象被所述光辐照的时刻起所经过的时间的信息来产生控制信 号，所述控制信号使所述DC电压和用于将所述电流转换为所述电压的转换比率中的至少 一个改变。
5.一种测量系统，包括光源；机电变换器装置，所述机电变换器装置接收作为检查对象被由所述光源产生的光辐照 的结果而产生的声波；和根据权利要求I至3所述的控制设备之一，被布置为控制所述机电变换器装置。
全文摘要
存在下述情况，即，所产生的声波由于光衰减而减小，由此没有从接收该声波的机电变换器装置获得所希望的输出。本发明的用于控制机电变换器装置的控制设备包括转换单元，其将从机电变换器装置的第一电极输出的电流转换为电压；DC电压施加单元，其将DC电压施加于第二电极，所述第二电极被布置为在它自己与第一电极之间具有间隙；以及产生单元，其基于关于从检查对象被光辐照的时刻起所经过的时间的信息来产生控制信号，所述控制信号使所述DC电压和用于将所述电流转换为所述电压的转换比率中的至少一个改变。
文档编号B06B1/02GK102665939SQ20108005133
公开日2012年9月12日 申请日期2010年11月11日 优先权日2009年11月17日
发明者真岛正男, 香取笃史 申请人:佳能株式会社