专利名称：用于驱动电容性机电变换装置的装置和方法用于接收/发送超音波的机电变换装置的例子是作为电容性超音变换器的 CMUT(电容性微加工(Micromachined)超音变换器)。可使用基于半导体工艺的MEMS(微机电系统)工艺来制备CMUT。已提出在利用光声效应的测量装置中使用CMUT作为超音波变换器(机电变换装置)(例如参见美国专利申请公开No. 2007/0287912)。为了允许待测量对象通过光声效应产生声波，例如，通过光源周期性发射具有特定脉宽的高强度光，并且，用发射光照射待测量对象。但是，当待测量对象为活体时，在活体的表面上的皮肤处也通过光声效应产生声波。并且，如果用光照射位于待测量对象附近的另一对象，那么也通过光声效应产生声波。以上述方式产生的声波可到达声波接收单元。在这种情况下，由声波接收单元接收的声波不包含关于待测量对象的任何信息，由此接收的声波起噪声的作用。源自于由光源发射的光的声波的噪声在幅度(magnitude)方面比在待测量对象中(例如，通过诸如存在于活体中的肿瘤的光吸收体)产生的声波大。如果这种噪声被输入到对于待测量对象所产生的声波的特定幅度被最优化的CMUT(用作机电变换装置)，那么输入的噪声可对于CMUT的声波接收操作施加大的影响。如上所述，在测量待测量对象时，噪声可导致测量精度的降低。
根据本发明的一个方面，一种装置被配置为驱动变换装置，所述变换装置包括具有被设置为经由间隙彼此相对的第一电极和第二电极的单元(cell)。所述装置包括定时检测单元(timing detection unit)，被配置为检测从被配置为输出用于照射待测量对象的电磁波的电磁波源输出电磁波的定时；以及控制单元，被配置为同步于检测到的定时控制所述变换装置，使得所述变换装置仅对于接收在被电磁波照射的对象内部产生的声波的时段被置于接收状态中。从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。 图1是示出根据本发明实施例的声波测量系统的示图。图2A至图2F是示出根据本发明实施例的驱动和控制操作的曲线图。图3A和图:3B是示出根据本发明实施例的驱动机电变换装置的装置和方法的示图。图4A和图4B是示出根据本发明实施例的驱动机电变换装置的装置和方法的示图。图5A和图5B是示出根据本发明实施例的驱动机电变换装置的装置和方法的示图。图6A和图6B是示出根据本发明实施例的驱动机电变换装置的装置和方法的示图。在具有大的幅度的声波被输入到CMUT的情况下，在CMUT中出现非常大的振动和相应大的电流。但是，在这种状态下，CMUT处于被最优化以接收和检测具有小的幅度的声波的变化的状况中。因此，大的振动或大的电流可改变CMUT的操作点，这可导致信息(诸如电流)的转换比的大变化，或者可导致一些部分饱和。CMUT返回通常的接收状态可能花费一定的时间。这可劣化CMUT的声波接收特性。在本实施例中，光源101的驱动信号111被输入到DC电势施加单元301或电流检测单元302。S卩，DC电势施加单元301或电流检测单元302包含接收驱动信号111的上述定时检测单元。在DC电势施加单元301或电流检测单元302中，同步于驱动信号111向光源101的输入(或同步于来自光源101的光发射)执行接收状态和非接收状态之间的切换。 更具体而言，设置在DC电势施加单元301或电流检测单元302中的控制单元基于从定时检测单元提供的检测结果，同步于来自光源101的光发射在接收状态和非接收状态之间切换状态。可通过改变将振动膜201的振动转换成电流的比(ratio)、或将电流传送到电流检测单元302的比、或将电流转换成检测信号的比来执行切换。为了改变将振动膜201的振动转换成电流的比，光源101的驱动信号111可被输入到DC电势施加单元301 (如图3A所示的配置中那样)。为了改变将电流传送到电流检测单元302的比或将电流转换成检测信号的比，光源101的驱动信号111可被输入到电流检测单元302(如图;3B所示的配置中那样)。通过以上述的方式改变所述比，可以抑制CMUT 中振动或电流传输信息的幅度的过量对于CMUT的接收状态的不利影响。通过在利用光声效应的测量中以上述方式驱动电容性机电变换装置，可以抑制由待测量对象以外的对象产生的声波对于将被检测的声波的接收特性的影响。注意，虽然在本实施例中假定不必要的信号源自在待测量对象102的表面处产生的声波，但是，本发明不限于这种情况。例如，根据本实施例的装置和方法可被应用于不必要的信号源自由位于待测量对象102之外的另一对象产生的声波的情况。第二实施例以下参照图4A和图4B描述第二实施例。在第二实施例中，对于在ON和OFF状态之间(即，在接收状态和非接收状态之间)切换接收操作的状态的驱动装置和驱动方法，公开了更加具体的配置。除了以上情况以外，第二实施例与上述的第一实施例类似。在第二实施例中，通过改变将电流转换成检测信号的比来开启/关闭接收操作状态。在本实施例中，使用跨阻抗(transimpedance)电路作为电流-电压转换电路以将电流的小变化转换成电压变化。图4A和图4B示出用作根据本实施例的电流检测单元302 的跨阻抗电路的配置。在图4A和图4B中，附图标记401表示运算放大器，附图标记402和 404表示电阻器，附图标记403和405表示电容器，附图标记406表示用作控制单元的路径闭合单元。在图4A和图4B所示的配置中，运算放大器401与正电源VDD和负电源VSS连接。首先，以下描述检测电容变化的操作。运算放大器401的反相(inverting)输入端子 (-IN)与CMUT的下部电极205连接。运算放大器401的输出端子(OUT)经由路径闭合单元 406以及电阻器402与电容器403的并联连接而与反相输入端子(-IN)连接，使得输出信号被反馈到反相输入端子(-IN)。运算放大器401的非反相输入端子(+IN)经由电阻器404 和电容器405的并联连接而与接地端子(GND)连接。接地端子(GND)具有在正电源VDD和负电源VSS的电势之间的中间电压。电阻器402和404具有相等的电阻，并且电容器403和405具有相等的电容，所述电阻和电容被确定为满足CMUT的关于电流检测(在通常的接收状态中)的规范。当超音波变换器103处于非接收状态(OFF状态)中时，基于由定时检测单元提供的检测结果控制路径闭合单元406，使得路径中的两个布线的端部如图4A所示的那样不被连接(即，它们被打开)。在这种状态下，通过振动膜201的振动在下部电极205中产生的电流不流过电流检测单元302的运算放大器401的反馈路径。因此，不管输入电流如何，用作电流检测单元302的跨阻抗电路都不输出任何检测信号。因此，即使当输入具有大幅度的不必要的声波时，也可以防止电流检测单元302通过输入到电流检测单元302的大电流而饱和，这种饱和可能使得不能在特定时段上获取检测信号。还可以防止输入到电流检测单元302的大电流对于其它元件的检测信号施加影响。另一方面，当超音波变换器103处于接收状态(ON状态)中时，路径闭合单元406 的两个端口如图4B所示的那样被连接(被短路)。在这种状态下，当通过振动膜201的振动在下部电极205中产生的电流经由电流检测单元302的输入端子流入电流检测单元302 中时，电流流过包含处于ON状态中的路径闭合单元406以及电阻器402与电容器403的并联连接的反馈路径。因此，用作电流检测单元302的跨阻抗电路输出与输入电流对应的检测信号，即，可以接收声波。如上所述，同步于由定时检测单元检测的电磁波输出，控制单元 (路径闭合单元406)控制被配置为检测第一电极中的感应电流的电流检测单元302，使得在接收状态中检测感应电流，而在非接收状态中不检测感应电流。在本实施例中，简单地通过在电流检测单元302中插入路径闭合单元，可以实现如下的驱动装置和驱动方法所述驱动装置和驱动方法允许在接收时段中执行利用光声效应的测量，而在接收特性方面不被待测量对象以外的对象所产生的声波明显影响。第三实施例以下参照图5A和图5B描述第三实施例。在该第三实施例中，对于在ON和OFF状态之间(即，在接收状态和非接收状态之间)切换接收操作的状态的驱动装置和驱动方法， 公开了更加具体的配置。在第三实施例中，接收操作状态依赖于通过振动在下部电极205 中产生的电流是否被输入到电流检测单元302(即，依赖于电流被传送到电流检测单元302 的比)而在ON状态和OFF状态之间被切换。在表示根据本实施例的CMUT的配置的图5A和图5B中，附图标记303表示用作控制单元的路径切换单元。在本实施例中，路径切换单元303被设置在下部电极205和电流检测单元302之间的路径中。路径切换单元303被配置为在电流检测单元302的输入端子和接地端子(GND)之间切换下部电极205的连接。接地端子(GND)被设为施加有预定电势。 当CMUT处于非接收状态(OFF状态)中时，路径切换单元303基于由定时检测单元提供的检测结果被控制，使得连接如图5A所示的那样被切换。在这种状态下，通过振动膜201的振动在下部电极205中产生的电流流入接地端子中。因此，即使当输入具有大幅度的不必要的声波时，也可以防止电流检测单元302通过输入到电流检测单元302的大电流而饱和， 这种饱和可能使得不能在特定时段上获取检测信号。还可以防止输入到电流检测单元302 的大电流对于其它元件的检测信号施加影响。另一方面，当超音波变换器103处于接收状态(0N状态)中时，路径切换单元303 如图5B所示的那样切换连接，使得通过振动膜201的振动在下部电极205中产生的电流流入电流检测单元302的输入端子中。因此，允许电流检测单元302检测与接收的声波的幅度对应的电流信号并且输出得到的检测信号。以上述的方式，同步于由定时检测单元检测的电磁波输出来控制用作切换单元的控制单元(路径切换单元303)。即，在接收状态中， 控制单元在第一电极和检测在第一电极中感应的电流的电流检测单元302之间进行连接， 而在非接收状态中，控制单元在第一电极和检测在第一电极中感应的电流的电流检测单元 302之间断开连接。在本实施例中，简单地通过设置路径切换单元303，可以在利用光声效应的测量中防止待测量对象的接收特性被待测量对象以外的对象所产生的声波明显影响。第四实施例 以下参照图6A和图6B描述第四实施例。在该第四实施例中，对于在ON和OFF状态之间(即，在接收状态和非接收状态之间)切换接收操作的状态的驱动装置和驱动方法， 公开了更加具体的配置。在第四实施例中，通过改变振动膜201的振动被转换成电流的比来开启/关闭接收操作状态。图6A和图6B示出根据本实施例的振动膜201的位置。图2E和图2F指示与根据本实施例的声波测量系统相关的定时。在图2E和图2F中的每一个中，横轴表示时间。在图2E中，纵轴表示电极202和205之间的电势差，而纵轴在图2F中表示振动膜201的弯曲量。在本实施例中，通过根据由定时检测单元提供的检测结果由DC电势施加单元301中的控制单元改变在上部电极202和下部电极205之间施加的电势差，改变振动膜201的振动被转换成电流的比。更具体而言，当电势差被设为基本上为0时，振动膜201被置于振动膜 201如图6A所示的那样基本上没有弯曲的状态中，并且，用作超音波变换器103的CMUT处于非接收状态(OFF状态)中。另一方面，当电势差被设为等于预定值Vd时，振动膜201被置于振动膜201如图6B所示的那样朝下部电极205弯曲的状态中，并且，使得CMUT进入接收状态(ON状态)中。以下进一步详细描述这两种状态。当CMUT处于非接收状态(OFF状态)中时，上部电极202和下部电极205之间的电势差基本上等于0，并且，振动膜201朝基板206轻微弯曲。出现这种轻微弯曲的原因在于单元的间隙204被抽空(evacuate)到低于大气压力的压力，由此，振动膜201通过由间隙204的内部压力和大气压力之间的差所产生的力轻微向基板206弯曲。振动膜201的弯曲量依赖于振动膜201的由包含其尺寸、形状、厚度、膜质量等的参数确定的机械特性。当接收声波时，检测的小电流的幅度与电极202和205之间的距离成反比，并与电极202和 205之间的电势差成比例。在该状态下，振动膜201的弯曲是轻微的，电极之间的距离大，并且电势差基本上等于0，因此，通过由接收的声波产生的振动膜201的振动基本上不产生电流。即，将振动膜201的振动转换成电流的比基本上等于0，并因此不输出与接收的声波对应的检测信号。即，CMUT可被视为处于非接收状态中。另一方面，当CMUT处于接收状态(ON状态)中时，上部电极202和下部电极205之间的电势差被设为等于特定值Vd,由此振动膜201进一步朝基板206弯曲。出现这种进一步弯曲的原因在于在上部电极202和下部电极205之间施加的特定电势差Vd在两个电极之间产生静电吸引力，由此振动膜201被朝基板206大程度地吸引。注意，弯曲量被设为等于或小于上部电极202和下部电极205之间的原始距离的三分之一。如果电势差被设为太大，那么存在如下的可能性振动膜201由于静电吸引力大程度地弯曲而超过两个电极之间的原始距离的三分之一，并且振动膜201可与下部电极205接触。在振动膜201与下部电极205接触的塌陷状态中，在振动膜201的振动特性或电容特性中出现大的变化，由此， 在CMUT的声波接收特性中出现大的不希望的变化。如上所述，当在上部电极202和下部电极205之间施加的电势差被增大时，两个电极之间的静电吸引力增大并且振动膜201的弯曲增大，由此两个电极之间的距离减小。两个电极之间的距离越小，则通过振动膜201的相同振动在下部电极205中产生的电流越大。 并且，两个电极之间的较大的电势差导致电流的进一步增大。即，CMUT被置于振动膜201的振动以增大的比被转换成电流的状态中。因此，CMUT处于适合于接收声波的接收状态中。 如上所述，DC电势施加单元301中的控制单元同步于由定时检测单元检测的电磁波输出来控制两个电极之间的电势差，使得非接收状态中的电势差比接收状态中的电势差小，由此在非接收状态中通过上部电极202的振动在下部电极205中感应的电流比在接收状态中感应的小。在本实施例中，DC电势施加单元301中的控制单元同步于通过光源101的光发射来控制上部电极202和下部电极205之间的电势差，使得以适当的间隔(更具体而言，周期性地同步于通过光源101的周期性光发射(参见图2E))在0和Vd之间切换电势差。注意， 与切换过渡时段(上升时间和下降时间)中的信号变化相关的频率可被设为在振动膜201 负责防止振动膜201由于电势差的变化而振动的频率范围之外。响应于0和Vd之间的电势差的变化，振动膜201的弯曲量如图2F所示的那样周期性变化。这导致将振动膜201的振动转换成电流的比的周期性变化，其导致抑制不必要的声波的接收。在本实施例中，如上所述，简单地通过由DC电势施加单元301中的控制单元改变施加给CMUT的上部电极202的电势，可以在接收状态和非接收状态之间切换CMUT的状态。 当CMUT处于非接收状态中时，由于振动膜201的弯曲量是轻微的，因此，具有大幅度的不必要的声波的输入不导致振动膜201进入将导致振动膜201的状态的大变化的塌陷状态中。 即使输入具有大幅度的不必要的声波并且振动膜201大程度地振动，振动也基本上不在下部电极205中产生电流。因此，可以防止电流检测单元302通过大的输入电流而饱和，这种饱和将使得不能对于特定时段获得检测信号。还可以防止其它元件的检测信号被输入到电流检测单元302的大电流影响。在本实施例中，简单地通过改变施加给电极的电势而不必提供附加的部分或处理，可以在利用光声效应的测量中防止接收特性被由待测量对象以外的对象产生的声波明显影响，由此，变得可以精确检测将被检测的声波。虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附的权利要求的范围要被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。


本发明涉及用于驱动电容性机电变换装置的装置和方法。一种装置被配置为驱动变换装置，所述变换装置包含具有被设置为经由间隙彼此相对的第一电极和第二电极的单元。所述装置包含定时检测单元和控制单元。定时检测单元检测从被配置为输出用于照射待测量对象的电磁波的电磁波源输出电磁波的定时。控制单元同步于检测到的定时驱动和控制变换装置，使得电容性机电变换装置仅对于接收在被电磁波照射的对象内部产生的声波的时段被置于接收状态中。