一种操作电声换能器的方法、相应的电路和装置制造方法及图纸

本公开的实施例涉及一种操作电声换能器的方法、相应的电路和装置。一种操作PMUT电声换能器的方法，该方法包括：在激励间隔上向换能器施加激励信号，激励信号被配置为朝向周围空间发射相应的超声脉冲；在接收器处采集在所述周围空间中反射的反射超声脉冲；生成参考回波信号；执行所述采集的接收超声脉冲与所述参考回波信号的互相关；基于互相关结果执行测量，特别是超声脉冲的飞行时间的测量，其中所述参考回波是通过如下而获得的：基于发射器振铃信号找到发射器的振荡频率，基于接收器振铃信号找到接收器的振荡频率，基于所述相应的振荡频率分别对发射器和接收器执行频率调谐，然后扫描发射器的输入频率以找到振铃信号中最大位移的频率，在发射器的振铃信号中最大位移的所述频率处执行接收器的频率调谐。的所述频率处执行接收器的频率调谐。的所述频率处执行接收器的频率调谐。

【技术实现步骤摘要】
一种操作电声换能器的方法、相应的电路和装置


[0001]本说明书涉及一种技术，该技术涉及电声换能器的使用，电声换能器是能够将电信号转换成声信号和/或将声信号转换成电信号的部件。本说明书特别涉及压电微加工超声换能器(PMUT)。

技术介绍

[0002]超声换能器可被考虑用于诸如声定位方法的各种应用中，其中(超)声波可被用于确定源或反射器的距离和/或方向。
[0003]基于多普勒效应和/或测量声波的飞行时间(TOF)的技术是可以使用这种换能器的其它领域的示例。
[0004]障碍物检测(一维、二维、三维)、体积测量、手势识别和(基于多普勒的)流量测量是可能应用领域的示例。
[0005]目前被称为PMUT(压电微加工超声波换能器)的超声波换能器是基于MEMS的压电换能器(其中MEMS是微机电系统的首字母缩写)，其与依赖于厚度模式运动的体压电换能器不同，利用了与薄压电膜耦合的薄膜的弯曲运动。
[0006]在图1A中，关于这一点，示出了PMUT换能器的示例，该PMUT换能器包括与薄压电膜1020耦合的膜1010。图1A的上部示出了当在顶部电极1030和形成被耦合到压电膜1020的底表面并接地的底部电极的金属层1050之间施加正电压时，膜1010和压电膜1020向上偏转。图1A的下部示出了当施加负电压时，膜1010和压电膜1020向下偏转。在下文中，当特别提到膜1010的机械性能，特别是刚度时，指的是由膜1010和膜1020表示的机械系统。具体而言，下文所述的所有集总参数均指基模，因此它们是模态参数(图5中的刚度、τ和RLC分支)。当在接近基模的固有频率的频率工作时，如果不激发，则可以不考虑其它的正常模态。
[0007]图1B的功能图以示例的方式涉及基于超声的障碍物检测和测距，其可以包括施加到发射脉冲发生器10(例如基于PMUT的发生器)的电传输信号TX，发射脉冲发生器10被配置为以给定的输入频率f
IN
向周围空间发射相应的声脉冲(超声脉冲)，例如作为输入电压V
IN,TX
。
[0008]在这种周围空间中反射的声音(例如，由“障碍物”反射，在图中不可见)可以在接收器20处采集，使得在可能的包络提取(由图1中虚线框30举例说明的可选操作)之后，可以在框40中与诸如参考回波RE的参考信号执行互相关。这样的参考信号可以在由框50表示的操作中产生(如下所述)，其中包络提取可能被应用于参考回波RE(如虚线60所示)。
[0009]如图1B所示，在框40处接收信号和参考信号RE的互相关的结果可以产生用于期望应用(例如，障碍物检测和测距)的测量信号MS。例如，由互相关产生的测量信号MS作为时间的函数示出一个或多个互相关峰值，其可对应于在不同位置反射超声脉冲的障碍物。峰值的时间坐标表示脉冲的飞行时间，由此可以获得距离，知道声脉冲的速度。
[0010]这种参考信号RE的可能时间行为在图1B的右侧举例说明。
[0011]此外，如前所述，可能的TX/RX障碍物检测/测距装置只是各种可能应用(体积测
量、手势识别、流量测量，仅举几例)的示例，其可能包括“发射器”部分和/或“接收器”部分。
[0012]在US 2020292684 A1中，公开了一种基于实时参考回波合成和频率调谐的用PMUT测量机载飞行时间的方法。该方法解决了与这种类型的传感器相关的一些技术问题，例如低机械阻尼、制造公差、对每个样本给出不同的机械响应(例如谐振频率)、低发射功率、机械参数的时变(漂移)。
[0013]这种参考回波合成基于线性模型，并且显示出与非线性机械响应相关的限制，首先是当增加驱动电压时由声压级饱和引起的有限范围。此外，由于将线性模型应用于非线性系统，它具有降低的精度。
[0014]这种非线性的主要原因是膜刚度不是恒定的，而是位移的函数。特别是，如果没有预应力，膜越远离平衡位置，刚度增加越多(硬化弹簧)。
[0015]非线性响应是这种类型的传感器的典型特征，因为膜的半径与厚度之比相当高。

技术实现思路

[0016]本文公开的各种实施例有助于通过解决某些问题来进一步改进电声换能器的操作，这些问题例如当增加驱动电压时由声压级饱和引起的有限范围和由将线性模型应用于非线性系统引起的精度降低。
[0017]根据一个或多个实施例，一种操作PMUT电声换能器的方法，包括：在激励间隔上向换能器施加激励信号，该激励信号被配置为朝向周围空间发射相应的超声脉冲；在接收器处采集在所述周围空间中反射的反射超声脉冲；生成参考回波信号；执行所述采集的接收超声脉冲与所述参考回波信号的互相关；基于互相关结果执行测量，特别是超声脉冲的飞行时间的测量，其中所述参考回波是通过如下而获得的：基于发射器振铃信号找到发射器的振荡频率，基于接收器振铃信号找到接收器的振荡频率，基于所述相应的振荡频率分别对发射器和接收器执行频率调谐，然后扫描发射器的输入频率以找到振铃信号中最大位移的频率，在发射器振铃信号中最大位移的所述频率处执行接收器的频率调谐。
[0018]一个或多个实施例可以涉及相应的设备(声位置传感器模块是这种设备的示例)。
[0019]一个或多个实施例可以涉及相应的系统。
[0020]障碍物检测系统(例如用于汽车领域)、体积测量系统、手势识别系统或流量计量系统是这种系统的示例。
附图说明
[0021]现在将参照附图以示例的方式描述一个或多个实施例，其中：
[0022]图1A是PMUT换能器的示例，PMUT换能器包括与薄压电膜耦合的膜。
[0023]图1B是基于超声的障碍物检测和测距的示例的功能图。
[0024]图2、图3和图4是可在实施例中采用的标准的示意性示例，以便识别电声换能器的某些参数。
[0025]图5、图6A和图6B是适用于实施例的模型的说明。
[0026]图7、图8A和图8B说明了在实施例中这种模型的可能利用。
[0027]图9A示出了根据实施例的驱动换能器的电路。
[0028]图9B示出了由图9A的电路发出的信号的时序图。
[0029]图10是在根据实施例的方法的操作中使用的过程的示例。
[0030]图11是根据实施例的电声换能器的可能行为的示意图。
[0031]图12是根据实施例的电声换能器的可能行为的另一示意图。
[0032]图13是示出根据实施例在此描述的方法的操作的流程图。
[0033]图14A、图14B是根据实施例的方法的第一操作的示例。
[0034]图15A、图15B、图15C是根据实施例的方法的第三操作的示例。
[0035]图16是根据实施例的方法的第四操作的示例。
[0036]图17和图18是根据实施例的在图15A的操作中的过程的示例。
[0037]图19是根据实施例可操作的系统的示例性。
具体实施方式
[0038]在随后的描述中，示出了一个或多个具体细节，以提供对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种方法，包括：在激励间隔上向电声换能器的发射器施加激励信号，所述激励信号被配置为从所述发射器向周围空间发射相应的超声脉冲；在所述电声换能器的接收器处采集在所述周围空间中反射的反射超声脉冲；生成参考回波信号，生成所述参考回波信号包括：基于发射器振铃信号确定所述发射器的振荡频率；基于接收器振铃信号确定所述接收器的振荡频率；分别基于所述发射器的振荡频率和所述接收器的振荡频率对所述发射器和所述接收器执行频率调谐；通过扫描所述发射器的输入频率来确定所述发射器振铃信号中的最大位移的频率；以及在所述发射器振铃信号中的所述最大位移的频率处执行所述接收器的频率调谐；执行所述反射超声脉冲与所述参考回波信号的互相关；以及基于所述互相关执行测量，所述测量包括所述超声脉冲的飞行时间。2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述发射器振铃信号中的所述最大位移的所述频率包括：将输入电压的振幅设置为最大值，在线性谐振区域中扫描所述发射器的所述输入频率，根据膜位移测量相应的振铃振幅，以及在所述振铃振幅的值为最大的情况下确定所述最大位移的频率。3.根据权利要求1所述的方法，还包括：执行所述发射器的参数和所述接收器的参数的识别；执行所述发射器的一个或多个非线性参数的识别；以及基于所述一个或多个非线性参数预测所述参考回波信号。4.根据权利要求1所述的方法，还包括：扫描所述发射器的偏置电压的值；确定与具有平衡预应力的工作点相关联的所述振荡频率的最小值；从所述发射器振铃信号获得与具有预应力的工作点相关联的谐振频率；以及根据与具有平衡预应力的所述工作点相关联的所述振荡频率的所述最小值和与具有预应力的所述工作点相关联的所述谐振频率，在Duffing Helmholtz方程中执行参数缩减。5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述发射器的所述振荡频率包括：向所述发射器施加脉冲激励，随后进行第一振铃采集；以及根据所采集的第一振铃来识别换能器参数，所述换能器参数包括所述发射器的所述振荡频率和所述发射器的衰减常数，并且确定所述接收器的所述振荡频率包括：向所述接收器施加脉冲激励，随后进行第二振铃采集；以及根据所采集的第二振铃来识别换能器参数，所述换能器参数包括所述接收器的所述振荡频率和所述接收器的衰减常数。6.根据权利要求5所述的方法，其中基于所述发射器的所述振荡频率和所述接收器的所述振荡频率对所述发射器和所述接收器执行所述频率调谐包括：
将所述发射器的所述振荡频率和所述接收器的所述振荡频率提供给相应的环路来更新调节块，所述调节块更新偏置发生器。7.根据权利要求5所述的方法，还包括：执行所述发射器的参数和所述接收器的参数的识别；执行所述发射器的一个或多个非线性参数的识别；以及基于所述一个或多个非线性参数预测所述参考回波信号，其中，执行所述发射器的所述参数的识别包括：基于所述换能器参数用Butterworth
‑
Van Dyke(BVD)模型执行识别，所述换能器参数包括：通过基于所述发射器振铃信号确定所述发射器的所述振荡频率而获得的所述发射器的所述振荡频率和所述发射器的所述衰减常数，以及执行所述接收器的所述参数的识别：包括基于所述换能器参数用Butterworth
‑
Van Dyke模型执行识别，所述换能器参数包括：通过基于所述接收器振铃信号确定所述接收器的所述振荡频率而获得的所述接收器的所述振荡频率和所述接收器的所述衰减常数。8.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：