DE102023200560A1 - Drive circuit for operating a microelectroacoustic transducer device and method for operating a microelectroacoustic transducer device by means of a drive circuit - Google Patents
Drive circuit for operating a microelectroacoustic transducer device and method for operating a microelectroacoustic transducer device by means of a drive circuit Download PDFInfo
- Publication number
- DE102023200560A1 DE102023200560A1 DE102023200560.3A DE102023200560A DE102023200560A1 DE 102023200560 A1 DE102023200560 A1 DE 102023200560A1 DE 102023200560 A DE102023200560 A DE 102023200560A DE 102023200560 A1 DE102023200560 A1 DE 102023200560A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- switch
- capacitance
- microelectroacoustic
- piezoelectric
- drive circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 49
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 abstract description 10
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 101100116570 Caenorhabditis elegans cup-2 gene Proteins 0.000 description 2
- 101100116572 Drosophila melanogaster Der-1 gene Proteins 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000002336 repolarization Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003957 acoustic microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000002431 foraging effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 description 1
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 1
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/0207—Driving circuits
- B06B1/0223—Driving circuits for generating signals continuous in time
- B06B1/0238—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
- H02M1/0054—Transistor switching losses
- H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/01—Resonant DC/DC converters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
- B06B2201/20—Application to multi-element transducer
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
- B06B2201/50—Application to a particular transducer type
- B06B2201/55—Piezoelectric transducer
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/36—Means for starting or stopping converters
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung (19) wird zunächst eine Spule (8) einer Antriebsschaltung (1) geladen, indem elektrische Energie in einem Magnetfeld der Spule (8) gespeichert wird. Diese Energie wird genutzt, um eine piezoelektrische Kapazität (13) der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung (19) zu laden. Durch Entladen der piezoelektrischen Kapazität (13) wird ein Speicherkondensator (7) geladen. Der Speicherkondensator (7) wird entladen, um die piezoelektrische Kapazität (13) erneut zu laden. Das Umladen der elektrischen Energie zwischen Speicherkondensator (7) und piezoelektrischer Kapazität (13) wird dabei von der Spule (8) vermittelt.In a method for operating a microelectroacoustic transducer device (19), a coil (8) of a drive circuit (1) is first charged by storing electrical energy in a magnetic field of the coil (8). This energy is used to charge a piezoelectric capacitance (13) of the microelectroacoustic transducer device (19). A storage capacitor (7) is charged by discharging the piezoelectric capacitance (13). The storage capacitor (7) is discharged in order to recharge the piezoelectric capacitance (13). The transfer of electrical energy between the storage capacitor (7) and the piezoelectric capacitance (13) is mediated by the coil (8).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsschaltung zum Betreiben einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung mittels einer Antriebsschaltung.The present invention relates to a drive circuit for operating a microelectroacoustic transducer device and a method for operating a microelectroacoustic transducer device by means of a drive circuit.
Piezoelektrische mikrobearbeitete Ultraschallwander (engl.: piezoelectric micromachined ultrasonic transducers, PMUTs), im Folgenden auch als mikroelektroakustische Wandlervorrichtungen bezeichnet, finden immer breitere Anwendung in der Erzeugung und Detektion von Ultraschallsignalen. Sie kommen unter anderem bei bildgebenden Verfahren in der Medizin, bei der zerstörungsfreien Materialprüfung mittels akustischer Mikroskopie, sowie bei Ultraschallradarsystemen für Anwendungen in der Mobilität und für intelligente industrielle Maschinen zum Einsatz. Aus den Druckschriften
PMUT weisen den entscheidenden Vorteil auf, dass sie als mikroelektromechanische Systeme (MEMS) mit den Verfahren der Mikrosystemtechnik in hohen Stückzahlen kostengünstig produziert werden können, und dabei gleichzeitig kleiner, besser integrierbar und effizienter als massive piezoelektrische Wandler sind. Während das Funktionsprinzip der letzteren auf der Expansion oder Kontraktion einer aus einer piezoelektrischen Keramik bestehenden Platte bei Anlegen einer elektrischen Spannung basiert, nutzen PMUT die Biegebewegung einer Membran aus, auf welcher ein dünner piezoelektrischer Film aufgetragen wurde. Eine elektrische Spannung führt zu einer lateralen Expansion oder Kontraktion des piezoelektrischen Films, welche zu einer Verformung der mit ihm verbundenen Membran führt.PMUTs have the decisive advantage that they can be produced cost-effectively in large quantities as microelectromechanical systems (MEMS) using microsystem technology processes, and at the same time are smaller, easier to integrate and more efficient than solid piezoelectric transducers. While the functional principle of the latter is based on the expansion or contraction of a plate made of piezoelectric ceramic when an electrical voltage is applied, PMUTs use the bending movement of a membrane on which a thin piezoelectric film has been applied. An electrical voltage leads to a lateral expansion or contraction of the piezoelectric film, which leads to a deformation of the membrane connected to it.
Durch ein wiederholtes Auf- und Abbauen der Spannung am Piezofilm kann die Membran in Schwingung versetzt und zur Aussendung von Ultraschallwellen gebracht werden. Umgekehrt führt die Anregung der Membran durch eine andere Schallquelle zur Erzeugung einer Wechselspannung am piezoelektrischen Film, welche gemessen und somit zur Detektion akustischer Signale genutzt werden kann. So ist es zum Beispiel möglich, durch Aussendung eines Schallsignals und anschließender Detektion der an einem Objekt reflektierten Welle den Abstand zu diesem Objekt anhand der Laufzeit zu bestimmen.By repeatedly increasing and decreasing the voltage on the piezo film, the membrane can be set into vibration and caused to emit ultrasonic waves. Conversely, the excitation of the membrane by another sound source leads to the generation of an alternating voltage on the piezoelectric film, which can be measured and thus used to detect acoustic signals. For example, it is possible to determine the distance to an object based on the travel time by emitting a sound signal and then detecting the wave reflected from this object.
Die Verwendung dünner Piezofilme für die Aktorik einer Membran weist neben vielen Vorteilen (Kostenreduzierung, Miniaturisierung, etc.) jedoch die Schwierigkeit auf, dass diese unter gewissen Gegebenheiten nur mit einer unipolaren - also entweder mit einer rein positiven oder rein negativen - Spannung sinnvoll betrieben werden können. Die Notwendigkeit eines Betriebs mit einer unipolaren Spannung kann insbesondere bei piezoelektrischen Filmen aus ferroelektrischen Materialien auftreten. Im Vergleich zu anderen Piezoelektrika wie etwa Aluminiumnitrit (AIN) oder Zinkoxid (ZnO) zeigen Ferroelektrika wie zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) typischerweise eine ausgeprägtere piezoelektrische Antwort, was zumindest im Hinblick auf die Sendeleistung und Empfangsgenauigkeit von Vorteil ist. Gleichzeitig weisen Ferroelektrika ein oftmals unerwünschtes Hystereverhalten auf.The use of thin piezo films for the actuators of a membrane has many advantages (cost reduction, miniaturization, etc.), but the difficulty is that under certain circumstances they can only be operated sensibly with a unipolar voltage - i.e. with either a purely positive or purely negative voltage. The need for operation with a unipolar voltage can arise particularly with piezoelectric films made of ferroelectric materials. Compared to other piezoelectrics such as aluminum nitride (AIN) or zinc oxide (ZnO), ferroelectrics such as lead zirconate titanate (PZT) typically show a more pronounced piezoelectric response, which is advantageous at least with regard to transmission power and reception accuracy. At the same time, ferroelectrics often exhibit undesirable hysteresis behavior.
Liegt eine gewisse positive Maximalspannung am ferroelektrischen Piezofilm an, so ist auch die Ausdehnung des Films maximal. Wird nun die Spannung allmählich reduziert, so verringert sich auch die Ausdehnung des Films. Verschwindet die Spannung, so weist der Piezofilm aufgrund einer remanenten Polarisierung immer noch eine geringe Ausdehnung auf. Bei einer kleinen negativen Spannung wir diese Polarisation aufgehoben und der Piezofilm zeigt keinerlei Verformung. Wird nun die Spannung weiter reduziert, so kontrahiert der Piezofilm so lange bis eine Umpolarisierung der Mehrzahl der Dipole des Ferroelektrikums erfolgt ist. Ein weiteres Herabsenken der Spannung bis zu einer negativen Minimalspannung führt dann wieder zu einer Expansion des Piezofilm. Wird die Spannung nun wieder bis zu ihrem positiven Maximalwert erhöht, erfolgt zunächst wieder eine Kontraktion bis zur Umpolarisierung der Dipole bei einer positiven Spannung, bevor schließlich die maximale Ausdehnung wieder erreicht wird.If a certain positive maximum voltage is applied to the ferroelectric piezo film, the expansion of the film is also at its maximum. If the voltage is gradually reduced, the expansion of the film also decreases. If the voltage disappears, the piezo film still shows a small expansion due to remanent polarization. With a small negative voltage, this polarization is canceled and the piezo film shows no deformation. If the voltage is now reduced further, the piezo film contracts until the majority of the dipoles of the ferroelectric have been repolarized. Further reduction of the voltage to a negative minimum voltage then leads to an expansion of the piezo film again. If the voltage is now increased again to its positive maximum value, a contraction initially occurs again until the dipoles are repolarized at a positive voltage, before finally the maximum expansion is reached again.
Eine Möglichkeit, die Problematik der Umpolarisierung und der daraus resultierenden Hysterese zu umgehen, ist, am Piezofilm eine unipolare Wechselspannung anzulegen. Um trotzdem eine Auslenkung der Membran in verschiedene Richtungen zu bewirken, kann auf dieser ein zweiter Piezofilm aufgetragen werden, welcher gegenphasig zum ersten Piezofilm betrieben wird. Je dicker der Piezofilm ist, desto größer ist der Betrag der Spannung, bei dem es zur Umpolarisierung kommt. Klassische Ultraschallwandler verwenden hinreichend massive Piezofilme, welche mit einer bipolaren Wechselspannung betrieben werden können, ohne dass es zu einem signifikanten Hystereseverhalten kommt.One way to avoid the problem of repolarization and the resulting hysteresis is to apply a unipolar alternating voltage to the piezo film. In order to still cause the membrane to deflect in different directions, a second piezo film can be applied to it, which is operated in antiphase to the first piezo film. The thicker the piezo film, the greater the amount of voltage at which repolarization occurs. Classic ultrasound transducers use sufficiently solid piezo films that can be operated with a bipolar alternating voltage without significant hysteresis behavior occurring.
Wie im Folgenden gezeigt wird, wird ein direkter Antrieb des Piezofilms mit einer unipolaren Spannung von potentiell sehr bedeutsamen Blindströmen und Blindleistungsverlusten beeinträchtigt, welche sich jedoch nicht ohne Weiteres kompensieren lassen. Es kann zum Beispiel eine sinusförmige Wechselspannung der Form U (t) = Û cos (ωt) am Piezofilm angelegt werden. Elektrisch betrachtet verhält sich der Piezofilm im Wesentlichen wie ein Kondensator mit einer Kapazität CP. Der Strom durch den Piezofilm beträgt somit
Wird angenommen, dass die ohmschen Wirkverluste durch einen zum Piezofilm parallel geschalteten Widerstand R beschrieben seien, so ist der Strom durch diesen Widerstand also
Der Gesamtstrom I, welcher von der Spannungsquelle geliefert werden muss, beläuft sich demnach auf
Während die ohmsche Wirkleistung PR(t) = Û2/Rcos2 (ωt) rein positiv ist, wechselt die kapazitive Blindleistung PP(t) = -ωCPÛ2sin (ωt) cos (ωt) im Laufe einer Schwingungsperiode ihr Vorzeichen. Der Piezofilm speist also seine gespeicherte Energie innerhalb einer Periode wieder zurück in die Spannungsquelle. Ist die Spannungsquelle jedoch nicht darauf ausgelegt, diese zurückgespeiste Energie wiederzuverwenden, wird sie als Abwärme dissipiert.While the ohmic active power P R (t) = Û 2 /Rcos 2 (ωt) is purely positive, the capacitive reactive power P P (t) = -ωC P Û 2 sin (ωt) cos (ωt) changes its sign over the course of an oscillation period. The piezo film therefore feeds its stored energy back into the voltage source within one period. However, if the voltage source is not designed to reuse this fed-back energy, it is dissipated as waste heat.
In diesem Fall ist es für einen möglichst effizienten Betrieb also notwendig, die kapazitive Blindleistung in der Gesamtbilanz zu eliminieren. Typischerweise wird diese Blindleistungskompensation mit einer zur Kapazität des Piezofilms CP parallel geschalteten Spule der Induktivität L=1/(ω2CP) realisiert. Für den Strom IL(t) durch die Spule gilt U (t) =L dIL(t)/dt, wobei sich mit der Anfangsbedingung IL(0)=0 durch Integration
Sei der Piezofilm nun derart, dass er zum Beispiel mit einer unipolaren sinusförmigen Wechselspannung der Form U (t) =U0 + Û cos (ωt) angetrieben werden muss, wobei |Uo| ≥ |Û| gewährleistet, dass sich ihr Vorzeichen nicht wechselt. Betrachtet man nun aber die Ströme durch die einzelnen Komponenten, so stellt sich heraus, dass der Ansatz einer parallel zur Kapazität des Piezofilms CP parallel geschalteten Spule mit der Induktivität L=1/(ω2CP) nicht zum Erfolg führt. Der Strom durch den Widerstand beläuft sich nun nämlich auf
Der Strom durch den Piezofilm beträgt wie zuvor
In der Gesamtbilanz findet man also, dass der Strom durch den Piezofilm zwar durch die Spule kompensiert wird, die Spule dafür aber aufgrund der Gleichspannungskomponente einen zusätzlichen, linear ansteigenden Strom ω2CPU0t liefert:
Aufgrund dieses ansteigenden Spulenstroms ist diese Art der Blindleistungskompensation gänzlich ungeeignet, wenn der Piezofilm mit einer unipolaren Wechselspannung angetrieben werden soll. Sie führt in der Tat sogar zu einer Erhöhung des Strom- und Leistungsverbrauchs. Eine Aufgabe der hier beschriebenen Erfindung ist es, einen möglichst verlustarmen Antrieb eines Piezofilms bzw. Piezoelements mit einer unipolaren Wechselspannung zu ermöglichen.Due to this increasing coil current, this type of reactive power compensation is completely unsuitable if the piezo film is to be driven with a unipolar alternating voltage. In fact, it even leads to an increase in current and power consumption. One object of the invention described here is to enable a piezo film or piezo element to be driven with a unipolar alternating voltage with as little loss as possible.
Neben hohen Blindströmen treten in der Praxis aber oftmals noch weitere Schwierigkeiten auf. So muss häufig (z. B. im Automobilbereich) die Antriebsspannung durch einen Spannungswandler (z. B. ein Transformator) um- bzw. hochgewandelt werden (z. B. von einer 8V-Gleichspannung auf eine 80V-Wechselspannung). Außerdem muss die Energiequelle (im Automobil eine 12V-Batterie) durch einen weiteren Spannungsregler stabilisiert werden, um Performance-Schwankungen zu verhindern.In addition to high reactive currents, other difficulties often arise in practice. For example, the drive voltage often has to be converted or increased by a voltage converter (e.g. a transformer) (e.g. from an 8V direct current to an 80V alternating current) using a voltage converter (e.g. in the automotive sector). In addition, the energy source (in the automobile a 12V battery) has to be stabilized by another voltage regulator to prevent performance fluctuations.
Die Sendefrequenz ist aufgrund der notwendigen Auslegung der Komponenten (z. B. des Transformators) auf einen engen Bereich um 50 kHz eingeschränkt (z.B. auf 40 bis 60 kHz im Automobilbereich). Zudem ist eine Erweiterung auf mehrere voneinander unabhängig schwingende Ultraschallwandler (Arrays) nur mit einem deutlich höherem Schaltungsaufwand möglich. So müsste z. B. für jeden Ultraschallwandler ein zusätzlicher Transformator eingeführt werden.Due to the necessary design of the components (e.g. the transformer), the transmission frequency is limited to a narrow range of around 50 kHz (e.g. 40 to 60 kHz in the automotive sector). In addition, an extension to several independently oscillating ultrasonic transducers (arrays) is only possible with a significantly higher circuit complexity. For example, an additional transformer would have to be introduced for each ultrasonic transducer.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Antriebsschaltung zum Betreiben einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung bereitzustellen und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung mittels einer Antriebsschaltung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsschaltung zum Betreiben einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung mittels einer Antriebsschaltung mit den Merkmalen der jeweils unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.One object of the present invention is to provide an improved drive circuit for operating a microelectroacoustic transducer device and to specify an improved method for operating a microelectroacoustic transducer device by means of a drive circuit. This object is achieved by a drive circuit for operating a microelectroacoustic transducer device and a method for operating a microelectroacoustic transducer device by means of a drive circuit having the features of the respective independent claims. Advantageous further developments are specified in dependent claims.
Eine Antriebsschaltung zum Betreiben einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung weist einen ersten und einen zweiten Versorgungsanschluss zum Anlegen einer Versorgungsspannung, einen ersten und zweiten Speicheranschluss zum Verbinden mit einem Speicherkondensator, eine Spule, einen ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Schalter, eine erste und zweite Diode und einen ersten und einen zweiten Wandleranschluss zum Verbinden einer piezoelektrischen Kapazität der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung mit der Antriebsschaltung auf. Der erste Versorgungsanschluss ist mit dem ersten Speicheranschluss verbunden und der zweite Speicheranschluss ist mit dem ersten Schalter verbunden. Der Speicherkondensator ist zwischen den ersten Versorgungsanschluss und den ersten Schalter schaltbar. Der erste Schalter ist mit der Spule verbunden. Die Spule ist mit dem zweiten Schalter und der ersten Diode verbunden. Der zweite Schalter ist mit der zweiten Diode verbunden. Die erste Diode ist mit dem dritten Schalter verbunden. Die zweite Diode und der dritte Schalter sind mit dem ersten Wandleranschluss verbunden. Die erste Diode und die zweite Diode sind in entgegengesetzte Richtung geschaltet. Der zweite Wandleranschluss ist mit dem ersten Speicheranschluss verbunden. Die piezoelektrische Kapazität ist über die Wandleranschlüsse zwischen den ersten Versorgungsanschluss und die zweite Diode sowie den dritten Schalter schaltbar. Der vierte Schalter ist mit dem zweiten Versorgungsanschluss und der Spule verbunden. Der fünfte Schalter ist mit der Spule und dem ersten Versorgungsanschluss verbunden. Der sechste Schalter ist mit dem zweiten Versorgungsanschluss und dem ersten Wandleranschluss verbunden.A drive circuit for operating a microelectroacoustic transducer device has a first and a second supply connection for applying a supply voltage, a first and a second storage connection for connecting to a storage capacitor, a coil, a first, second, third, fourth, fifth and sixth switch, a first and a second diode and a first and a second transducer connection for connecting a piezoelectric capacitance of the microelectroacoustic transducer device to the drive circuit. The first supply connection is connected to the first storage connection and the second storage connection is connected to the first switch. The storage capacitor can be switched between the first supply connection and the first switch. The first switch is connected to the coil. The coil is connected to the second switch and the first diode. The second switch is connected to the second diode. The first diode is connected to the third switch. The second diode and the third switch are connected to the first converter terminal. The first diode and the second diode are connected in opposite directions. The second converter terminal is connected to the first storage terminal. The piezoelectric capacitance can be switched between the first supply terminal and the second diode as well as the third switch via the converter terminals. The fourth switch is connected to the second supply terminal and the coil. The fifth switch is connected to the coil and the first supply terminal. The sixth switch is connected to the second supply terminal and the first converter terminal.
Die Spule ist durch Schließen des vierten und des fünften Schalters mittels der Versorgungsspannung ladbar. Die piezoelektrische Kapazität der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung ist mittels der geladenen Spule und durch Schlie-ßen des zweiten Schalters und Öffnen des fünften Schalters ladbar. Die piezoelektrische Kapazität ist durch Öffnen des zweiten und vierten Schalters und Schließen des ersten und des dritten Schalters entladbar und eine Speicherkapazität des Speicherkondensators über die Spule ladbar. Die Speicherkapazität ist durch Öffnen des dritten Schalters und Schließen des zweiten Schalters über die Spule entladbar und die piezoelektrische Kapazität erneut ladbar.The coil can be charged by closing the fourth and fifth switches using the supply voltage. The piezoelectric capacitance of the microelectroacoustic transducer device can be charged using the charged coil and by closing the second switch and opening the fifth switch. The piezoelectric capacitance can be discharged by opening the second and fourth switches and closing the first and third switches, and a storage capacitance of the storage capacitor can be charged via the coil. The storage capacitance can be discharged by opening the third switch and closing the second switch via the coil, and the piezoelectric capacitance can be recharged.
Der Antriebsschaltung liegt die Idee zugrunde, in der piezoelektrischen Kapazität der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung gespeicherte Energie über die Spule verlustarm auf den Speicherkondensator und auch wieder zurück zu übertragen. Ein Spannungsverlauf an der piezoelektrischen Kapazität wird hierbei also nicht durch eine äußere Spannungsquelle vorgegeben, sondern mittels eines Schwingkreises realisiert, wobei die Spule als Transferelement für das Umladen von elektrischer Energie zwischen dem Speicherkondensator und der piezoelektrischen Kapazität dient. Die Antriebsschaltung ermöglicht es vorteilhafterweise, dass eine unipolare Wechselspannung an die piezoelektrische Kapazität angelegt werden kann, wodurch insbesondere dünne Piezofilme und/oder ferromagnetisch ausgebildete Piezoelemente verwendet werden können. Gleichzeitig kann der Antrieb der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung besonders verlustfrei erfolgen, da Blindleistungsverluste vermieden werden können. Die Spule fungiert dabei nicht als Energiespeicher und muss daher auch nicht entsprechend groß dimensioniert sein. Die Spule dient lediglich dazu, elektrische Ladung möglichst verlustarm von der piezoelektrischen Kapazität zum Speicherkondensator - und wieder zurück - zu transferieren, daher kann diese vergleichsweise sehr klein dimensioniert werden. Im Wesentlichen dienen die piezoelektrische Kapazität und der Speicherkondensator als Energiespeicher, wodurch Bauteilkosten gespart werden können.The drive circuit is based on the idea of transferring energy stored in the piezoelectric capacitance of the microelectroacoustic transducer device via the coil to the storage capacitor and back again with minimal loss. A voltage curve on the piezoelectric capacitance is therefore not specified by an external voltage source, but rather realized by means of an oscillating circuit, with the coil serving as a transfer element for the transfer of electrical energy between the storage capacitor and the piezoelectric capacitance. The drive circuit advantageously makes it possible to apply a unipolar alternating voltage to the piezoelectric capacitance, which means that thin piezo films and/or ferromagnetic piezo elements in particular can be used. At the same time, the microelectroacoustic transducer device can be driven with particularly little loss, since reactive power losses can be avoided. The coil does not function as an energy store and therefore does not have to be dimensioned accordingly. The sole purpose of the coil is to transfer electrical charge from the piezoelectric capacitance to the storage capacitor - and back again - with as little loss as possible, so it can be dimensioned comparatively very small. Essentially, the piezoelectric capacitance and the storage capacitor serve as energy storage, which can save component costs.
Bei einem üblichen Schwingkreis bestimmen die Kapazität und die Induktivität eine Oszillationsfrequenz. Um auch die Sendefrequenz variieren zu können, weist die Antriebsschaltung zwei parallel verlaufende Glieder aus je einer Diode und einem Schalter auf. Die Durchlassrichtungen der beiden Dioden sind hierbei entgegengesetzt geschaltet, und die beiden Schalter werden niemals gleichzeitig geöffnet. Durch das Schließen eines Schalters wird der Schwingkreis geschlossen, kann aber aufgrund der mit dem Schalter in Reihe geschalteten Diode nur in eine Richtung schwingen. Durch eine entsprechende Taktung der Schalter kann also der zeitliche Abstand zwischen zwei Umladevorgängen von außen vorgegeben werden. Die benötigte Zeit für einen Umladevorgang entspricht dabei der halben Periode des Schwingkreises. Diese muss entsprechend der maximal gewünschten Antriebsfrequenz des Piezofilms hinreichend kurz sein. Da die Umladezeit bzw. Schwingkreisperiode aber proportional zur Quadratwurzel der Induktivität der Spule ist, ist die Induktivität in erster Linie nach oben, aber nicht nach unten hin beschränkt. Somit können auch kleine Spulen - sowohl hinsichtlich des Bauraums als auch der Induktivität - verwendet werden, was zu einer beträchtlichen Kostenreduktion führen kann.In a conventional oscillating circuit, the capacitance and inductance determine an oscillation frequency. In order to be able to vary the transmission frequency, the drive circuit has two parallel elements, each consisting of a diode and a switch. The forward directions of the two diodes are connected in opposite directions and the two switches are never opened at the same time. Closing a switch closes the oscillating circuit, but can only oscillate in one direction because the diode is connected in series with the switch. By timing the switches accordingly, the time interval between two charge transfers can be specified from the outside. The time required for a charge transfer corresponds to half the period of the oscillating circuit. This must be sufficiently short to match the maximum desired drive frequency of the piezo film. However, since the charge transfer time or oscillating circuit period is proportional to the square root of the inductance of the coil, the inductance is primarily limited upwards, but not downwards. This means that even small coils - both in terms of installation space and inductance - can be used, which can lead to considerable cost reduction.
Die Serienschaltung der Spule mit dem Speicherkondensator und der piezoelektrischen Kapazität bietet gegenüber einem Parallelschwingkreis den Vorteil, dass die Induktivität der Spule nicht auf die Kapazität der piezoelektrischen Last sowie die angestrebte Antriebsfrequenz der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung abgestimmt sein muss, um eine möglichst hohe Güte und damit auch eine Wechselspannung mit möglichst hoher Amplitude an der piezoelektrischen Kapazität zu erzeugen. Die Serienschaltung ermöglicht eine viel größere Freiheit bei der Wahl der Induktivität der Spule. Diese muss lediglich hinreichen klein sein, damit der Umladevorgang schnell genug abläuft, um die gewünschte Antriebsfrequenz zu realisieren. Sie kann aber auch ohne wesentliche Einbußen deutlich kleiner als diese obere Grenze gewählt werden. Dadurch erhält man auch hohe Freiheitsgrade bzgl. der Form des Antriebssignals, welches nicht mehr auf sinusförmige Signale beschränkt ist.The series connection of the coil with the storage capacitor and the piezoelectric capacitance offers the advantage over a parallel resonant circuit that the inductance of the coil does not have to be matched to the capacitance of the piezoelectric load and the desired drive frequency of the microelectroacoustic transducer device in order to generate the highest possible quality and thus also an alternating voltage with the highest possible amplitude at the piezoelectric capacitance. The series connection allows much greater freedom in the choice of the inductance of the coil. This only has to be small enough so that the recharging process takes place quickly enough to achieve the desired drive frequency. However, it can also be chosen to be significantly smaller than this upper limit without significant losses. This also gives a high degree of freedom with regard to the shape of the drive signal, which is no longer limited to sinusoidal signals.
Da das Konzept nicht auf eine bestimmte Sendefrequenz zugeschnitten ist, kann diese vorteilhafterweise aus einem breiten Bereich gewählt werden. Diesen Umstand können Algorithmen zur Verarbeitung von Ultraschallsignalen vielfältig nutzen. Ein Beispiel ist die bessere Artefakt-Erkennung bei der Objektdetektion durch Verwendung bisher nicht zugänglicher Sendefrequenzen. Ebenfalls können z. B. auf Fern- und Nahfeld optimierte Sendefrequenzen eingesetzt werden, während man sich bisher auf eine Frequenz festlegen musste. Die Reichweite im Fernfeld könnte so beispielsweise gesteigert werden.Since the concept is not tailored to a specific transmission frequency, this can advantageously be selected from a wide range. Algorithms for processing ultrasound signals can use this fact in many ways. One example is better artifact detection in object detection by using previously inaccessible transmission frequencies. Transmission frequencies optimized for the far and near field can also be used, whereas previously it was necessary to decide on one frequency. The range in the far field could be increased in this way, for example.
Ein weiterer Vorteil der Antriebsschaltung ist, dass sie lediglich eine Niedrigvolt-Spannungsquelle benötigt, es aber trotzdem ermöglicht, die piezoelektrische Kapazität auf eine deutlich höhere Spannung anzuheben. Beispielsweise ist es möglich, eine Versorgungsgleichspannung von 8V zu verwenden, während die piezoelektrische Kapazität auf 80V geladen werden kann. Im Wesentlichen erfolgt dies nach dem Prinzip eines Aufwärtswandlers (engl.: boost converter). Ein zusätzlicher Wechselrichter/Transformator ist somit überflüssig.Another advantage of the drive circuit is that it only requires a low-voltage power source, but still allows the piezoelectric capacitance to be boosted to a much higher voltage. For example, it is possible to use a DC supply voltage of 8V, while the piezoelectric capacitance can be charged to 80V. Essentially, this is done according to the principle of a boost converter. An additional inverter/transformer is therefore superfluous.
Außerdem können Schwankungen in der Spannungsversorgung (etwa Abweichung vom Nominalwert oder lastabhängige dynamische Schwankungen) mittels der Antriebsschaltung kompensiert werden. Es wird also kein Spannungsregler zur Stabilisierung der Spannungsversorgung benötigt. Ein großer Vorteil ist zudem die flexible Regelbarkeit der Spannung, welche an der piezoelektrischen Kapazität anliegt. Diese kann in weiten Bereichen frei eingestellt werden, was neuartige Möglichkeiten im Hinblick auf die Kalibrierung bietet. So könnte z. B. eine laufende Kalibrierung der Performance zum Ausgleich von Alterungseffekten implementiert werden.In addition, fluctuations in the voltage supply (such as deviation from the nominal value or load-dependent dynamic fluctuations) can be compensated using the drive circuit. This means that no voltage regulator is required to stabilize the voltage supply. Another major advantage is the flexible controllability of the voltage applied to the piezoelectric capacitance. This can be freely adjusted over a wide range, which offers new possibilities in terms of calibration. For example, ongoing calibration of the performance could be implemented to compensate for aging effects.
In einer Ausführungsform ist eine Speicherkapazität des Speicherkondensators so groß ist wie die piezoelektrische Kapazität. Vorteilhafterweise kann dadurch die elektrische Energie sowie das Spannungsniveau bei einem Umladevorgang (nahezu) vollständig von der piezoelektrischen Kapazität auf die Speicherkapazität (und auch wieder zurück) übertragen werden, und somit ein übermäßiges Laden der Speicherkapazität oder der piezoelektrischen Kapazität vermieden werden.In one embodiment, a storage capacity of the storage capacitor is as large as the piezoelectric capacity. Advantageously, the electrical energy and the voltage level can thereby be (almost) completely transferred from the piezoelectric capacity to the storage capacity (and back again) during a recharging process, thus avoiding excessive charging of the storage capacity or the piezoelectric capacity.
In einer Ausführungsform sind der Speicherkondensator und/oder die piezoelektrische Kapazität und/oder die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung Bestandteil der Antriebsschaltung. Der Speicherkondensator, die Spule und die piezoelektrische Kapazität bzw. die gesamte mikroelektroakustische Wandlervorrichtung können beispielsweise auf einer Leiterplatte angeordnet sein. Der Speicherkondensator und/oder die piezoelektrische Kapazität bzw. die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung müssen jedoch nicht zwingenderweise Bestandteil der Antriebsschaltung sein, es kann sich vielmehr auch um externe Bauelemente handeln, die über die Speicheranschlüsse und die Wandleranschlüsse mit der Antriebsschaltung verbindbar ausgebildet sind.In one embodiment, the storage capacitor and/or the piezoelectric capacitance and/or the microelectroacoustic transducer device are part of the drive circuit. The storage capacitor, the coil and the piezoelectric capacitance or the entire microelectroacoustic transducer device can be arranged on a circuit board, for example. However, the storage capacitor and/or the piezoelectric capacitance or the microelectroacoustic transducer device do not necessarily have to be part of the drive circuit; they can also be external components that are designed to be connectable to the drive circuit via the storage connections and the transducer connections.
In einer Ausführungsform ist der Speicherkondensator als eine weitere piezoelektrische Kapazität der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung oder einer weiteren mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung ausgebildet. Anders gesagt, dienen in diesem Fall die piezoelektrische Kapazität und die weitere piezoelektrische Kapazität einander als Speicherkapazität. Vorteilhafterweise ist die Antriebsschaltung dadurch besonders für den Betrieb von Arrays von piezoelektrischen Kapazitäten geeignet, da ein Schaltungsaufwand deutlich reduziert ist. Beispielsweise ist für jeweils zwei piezoelektrische Kapazitäten eines Arrays, die einander als Speicherkondensator dienen, nur eine Spule erforderlich. Außerdem kann vorteilhafterweise insbesondere ein gegenphasiger Betrieb zweier unipolar angetriebener piezoelektrischer Kapazitäten ermöglicht werden.In one embodiment, the storage capacitor is designed as a further piezoelectric capacitance of the microelectroacoustic transducer device or a further microelectroacoustic transducer device. In other words, in this case the piezoelectric capacitance and the further piezoelectric capacitance serve each other as a storage capacitance. Advantageously, the drive circuit is therefore particularly suitable for operating arrays of piezoelectric capacitances, since circuit complexity is significantly reduced. For example, only one coil is required for each two piezoelectric capacitances of an array that serve each other as a storage capacitor. In addition, in particular, antiphase operation of two unipolarly driven piezoelectric capacitances can advantageously be enabled.
Ein Verfahren zum Betreiben einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung mittels einer Antriebsschaltung gemäß einer der Ausführungsformen umfasst folgende Verfahrensschritte. Es wird eine Versorgungsspannung an die Versorgungsanschlüsse angelegt und der vierte und der fünfte Schalter werden geschlossen, wodurch die Spule geladen wird. Der zweite Schalter wird geschlossen und der fünfte Schalter wird geöffnet, wodurch die piezoelektrische Kapazität der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung geladen wird. Der zweite und vierte Schalter werden geöffnet und der erste und der dritte Schalter werden geschlossen, wodurch die piezoelektrische Kapazität entladen und eine Speicherkapazität des Speicherkondensators geladen wird. Der dritte Schalter wird geöffnet und der zweite Schalter wird geschlossen, wodurch die Speicherkapazität entladen und die piezoelektrische Kapazität erneut geladen wird.A method for operating a microelectroacoustic transducer device by means of a drive circuit according to one of the embodiments comprises the following method steps. A supply voltage is applied to the supply terminals and the fourth and fifth switches are closed, thereby charging the coil. The second switch is closed and the fifth switch is opened, thereby charging the piezoelectric capacitance of the microelectroacoustic transducer device. The second and fourth switches are opened and the first and third switches are closed, thereby discharging the piezoelectric capacitance and charging a storage capacitance of the storage capacitor. The third switch is opened and the second switch is closed, thereby discharging the storage capacitance and recharging the piezoelectric capacitance.
Vorteilhafterweise erfolgt im Rahmen des Verfahrens ein Umladen von elektrischer Energie zwischen dem Speicherkondensator und der piezoelektrischen Kapazität. Baut die piezoelektrische Kapazität während der Phase der Kontraktion ihre elektrische Spannung ab, wird die dabei freiwerdende Energie nicht in eine Spannungsquelle zurückgespeist, sondern stattdessen zur weiteren Nutzung im Speicherkondensator zwischengespeichert. Im nächsten Zyklus wird diese Energie dann wieder auf die piezoelektrische Kapazität übertragen und diese so zur Expansion angeregt. Durch dieses Prinzip der Energierekuperation lässt sich die piezoelektrische Kapazität äußerst effizient antreiben.Advantageously, the method involves a transfer of electrical energy between the storage capacitor and the piezoelectric capacitance. If the piezoelectric capacitance reduces its electrical voltage during the contraction phase, the energy released is not converted into a The energy is not fed back into the voltage source, but instead temporarily stored in the storage capacitor for further use. In the next cycle, this energy is then transferred back to the piezoelectric capacitance, stimulating it to expand. This principle of energy recuperation allows the piezoelectric capacitance to be driven extremely efficiently.
In einer Ausführungsform werden das Laden der Spule und das Laden der piezoelektrischen Kapazität wiederholt, bis die piezoelektrische Kapazität auf eine Maximalspannung geladen ist, bevor die Speicherkapazität geladen wird. Vorteilhafterweise kann die piezoelektrische Kapazität dadurch mit einer signifikant größeren Spannung als der Versorgungsspannung beaufschlagt werden.In one embodiment, charging of the coil and charging of the piezoelectric capacitance are repeated until the piezoelectric capacitance is charged to a maximum voltage before the storage capacitance is charged. Advantageously, the piezoelectric capacitance can thereby be subjected to a voltage significantly greater than the supply voltage.
In einer Ausführungsform wird die piezoelektrische Kapazität nach dem Entladen durch Öffnen des ersten und dritten Schalters und Schließen des sechsten Schalters auf eine Minimalspannung geladen bzw. entladen. Beim erneuten Laden der piezoelektrischen Kapazität wird der erste Schalter geschlossen und der sechste Schalter geöffnet, während der dritte Schalter geöffnet bleibt. Bei der Minimalspannung handelt es sich um die angelegte Versorgungsspannung.In one embodiment, the piezoelectric capacitance is charged or discharged to a minimum voltage after discharging by opening the first and third switches and closing the sixth switch. When the piezoelectric capacitance is recharged, the first switch is closed and the sixth switch is opened while the third switch remains open. The minimum voltage is the applied supply voltage.
In einer Ausführungsform werden die Verfahrensschritte zyklisch wiederholt. In einer Ausführungsform wird die piezoelektrische Kapazität mit einer unipolaren Wechselspannung beaufschlagt. Vorteilhafterweise können dadurch besonders dünne und ferromagnetische Piezofilme verlustarm angetrieben werden.In one embodiment, the process steps are repeated cyclically. In one embodiment, the piezoelectric capacitance is subjected to a unipolar alternating voltage. This advantageously allows particularly thin and ferromagnetic piezo films to be driven with low losses.
In einer Ausführungsform wird eine weitere piezoelektrische Kapazität der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung oder einer weiteren mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung als Speicherkapazität verwendet. Die piezoelektrische Kapazität und die weitere piezoelektrische Kapazität werden gegenphasig betrieben. Vorteilhafterweise kann beispielsweise eine Membran der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung, auf der die piezoelektrische Kapazität und die weitere piezoelektrische Kapazität angeordnet sind in entgegengesetzte Richtungen ausgelenkt werden. Es können auch die Membranen unterschiedlicher mikroelektroakustischer Wandlervorrichtungen gegenphasig betrieben werden.In one embodiment, a further piezoelectric capacitance of the microelectroacoustic transducer device or of a further microelectroacoustic transducer device is used as storage capacitance. The piezoelectric capacitance and the further piezoelectric capacitance are operated in antiphase. Advantageously, for example, a membrane of the microelectroacoustic transducer device on which the piezoelectric capacitance and the further piezoelectric capacitance are arranged can be deflected in opposite directions. The membranes of different microelectroacoustic transducer devices can also be operated in antiphase.
Die Antriebsschaltung zum Betreiben einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung und das Verfahren zum Betreiben einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung mittels einer Antriebsschaltung werden im Folgenden im Zusammenhang mit schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 : eine Antriebsschaltung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform in Form eines elektrischen Schaltplans; -
2 bis6 : verschiedene Zustände der Antriebsschaltung der1 im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung; -
7 : einen Spannungsverlauf an einer piezoelektrischen Kapazität einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung, die gemäßdem Verfahren der 2 bis 6 betrieben wird; und -
8 : eine beispielhafte Umsetzung der Antriebsschaltung der1 auf einer Leiterplatte.
-
1 : a drive circuit according to an exemplary embodiment in the form of an electrical circuit diagram; -
2 until6 : different states of the drive circuit of the1 in the context of a method for operating a microelectroacoustic transducer device; -
7 : a voltage curve at a piezoelectric capacitance of a microelectroacoustic transducer device manufactured according to the method of2 until6 operated; and -
8th : an exemplary implementation of the drive circuit of the1 on a circuit board.
Die Antriebsschaltung 1 weist einen ersten und einen zweiten Versorgungsanschluss 2, 3 zum Anlegen einer Versorgungsspannung 4 und einen ersten und zweiten Speicheranschluss 5, 6 zum Verbinden der Antriebsschaltung 1 mit einem Speicherkondensator 7 auf. Der Speicherkondensator 7 weist eine Speicherkapazität Cs auf. In der beispielhaften Ausführungsform der Antriebsschaltung 1 der
Die Antriebsschaltung 1 weist ferner eine Spule 8 mit Induktivität L, einen ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Schalter S1, S2, S3, S4, S5, S6, eine erste und zweite Diode 9, 10 und einen ersten und einen zweiten Wandleranschluss 11, 12 zum Verbinden einer piezoelektrischen Kapazität 13 mit einer Kapazität CP einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung mit der Antriebsschaltung 1 auf. Die Speicherkapazität Cs des Speicherkondensators 7 kann im Idealfall so groß sein wie die piezoelektrische Kapazität 13, CP. In der beispielhaften Ausführungsform der Antriebsschaltung 1 der
Bei dem Speicherkondensator 7 kann es sich auch um eine weitere piezoelektrische Kapazität der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung oder einer weiteren mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung handeln. In diesem Fall dient die weitere piezoelektrische Kapazität als eine Speicherkapazität. Sie kann aus diesem Grund als ein Speicherkondensator 7 angesehen werden. Die piezoelektrische Kapazität 13 und die weitere piezoelektrische Kapazität können beispielsweise Bestandteil einer gemeinsamen mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung sein, beispielsweise als Bestandteil eines Arrays von piezoelektrischen Kapazitäten. Die piezoelektrische Kapazität 13 und die weitere piezoelektrische Kapazität können jedoch auch Bestandteile unterschiedlicher mikroelektroakustischer Wandlervorrichtungen sein.The
Der erste Versorgungsanschluss 2 ist geerdet und mit dem ersten Speicheranschluss 5 verbunden und der zweite Speicheranschluss 6 ist mit dem ersten Schalter S1 verbunden, wodurch der Speicherkondensator 7 zwischen den ersten Versorgungsanschluss 2 und den ersten Schalter S1 schaltbar ist. Der erste Schalter S1 ist mit der Spule 8 verbunden. Die Spule 8 ist mit dem zweiten Schalter S2 und der ersten Diode 9 verbunden. Der zweite Schalter S2 ist mit der zweiten Diode 10 verbunden. Die erste Diode 9 ist mit dem dritten Schalter S3 verbunden. Die zweite Diode 10 und der dritte Schalter S3 sind mit dem ersten Wandleranschluss 11 verbunden. Die erste Diode 9 und die zweite Diode 10 sind in entgegengesetzte Richtung geschaltet. Der zweite Wandleranschluss 12 ist mit dem ersten Speicheranschluss 5 verbunden. Die piezoelektrische Kapazität 13 ist über die Wandleranschlüsse 11, 12 zwischen den ersten Versorgungsanschluss 2 und die zweite Diode 10 sowie den dritten Schalter S3 schaltbar. Der vierte Schalter S4 ist mit dem zweiten Versorgungsanschluss 3 und der Spule 8 verbunden. Der fünfte Schalter S5 ist mit der Spule 8 und dem zweiten Wandleranschluss 12 verbunden. Der sechste Schalter S6 ist mit dem zweiten Versorgungsanschluss 3 und dem ersten Wandleranschluss 11 verbunden.The
In der beispielhaften Ausführungsform der
In der beispielhaften Ausführungsform der Antriebsschaltung 1 mit erstem Widerstand 14 wurde zusätzlich der zweite Schalter S2 geschlossen. Dadurch fließt im Zustand der Antriebsschaltung 1 gemäß
Die Verfahrensschritte können zyklisch wiederholt werden. Der Zyklus beginnt wieder von vorne, mit dem Unterschied, dass nun an der Speicherkapazität Cs eine etwas größere Spannung Us als UMIN und an der piezoelektrischen Kapazität CP eine etwas kleinere Spannung UP als UMAX anliegt (anstatt jeweils 0V wie ganz zu Beginn). Beim Laden der Spule 8 und der piezoelektrischen Kapazität 13 muss also nur die Differenz zwischen UMAX und UP > 0 nachgeladen werden, während beim Entladen der piezoelektrischen Kapazität 13 die Spannung fast auf UMIN (anstatt 0 V) abfällt.The process steps can be repeated cyclically. The cycle starts again from the beginning, with the difference that now a slightly higher voltage Us than U MIN is applied to the storage capacitance Cs and a slightly lower voltage U P than U MAX is applied to the piezoelectric capacitance C P (instead of 0V as at the very beginning). When charging the
Zu erkennen ist, dass die piezoelektrische Kapazität 13 zunächst auf eine Maximalspannung aufgeladen und anschließend mit einer unipolaren Wechselspannung beaufschlagt wurde. Die beispielhafte zur Verfügung stehende Versorgungsspannung 4 von Uo = 8V konnte dabei verwendet werden, um die piezoelektrische Kapazität 13 auf eine Maximalspannung von ca. 80V zu laden. Der Umladeprozess, bei dem elektrische Energie zwischen der piezoelektrischen Kapazität 13 und dem Speicherkondensator 7 über die Spule 8 umgeladen wird, ist im Diagramm der
Der anfängliche Aufladevorgang der Spule 8 findet nur einmal in der Anfangsphase statt, wie
Lediglich beispielhaft ist der Speicherkondensator 7 Bestandteil der Antriebsschaltung 1, während ebenso beispielhaft die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 19 als ein externes Bauelement ausgebildet ist. Aus diesem Grund ist der Speicherkondensator 7 zusammen mit der Spule 8 auf der Leiterplatte 18 angeordnet, während die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 19 nicht auf der Leiterplatte 18 angeordnet ist. Die Versorgungsanschlüsse 2, 3, die Speicheranschlüsse 5, 6 und die Wandleranschlüsse 11, 12 sind auf der Leiterplatte 18 vorgesehen. Die Schalter SJ sind zusammen mit einer Steuerung 20 zum Steuern der Schalter SJ in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 21 (engl.: application-specific integrated circuit, ASIC) implementiert. Ferner umfasst die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 21 einen Signalverstärker 22 und eine Signalverarbeitungseinrichtung 23, die dazu ausgebildet sind, ein Empfangssignal 24 der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung 19 auszugeben. Die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 19 kann als Sender und/oder als Empfänger betrieben werden.Merely by way of example, the
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA accepts no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102007052887 A1 [0002]DE 102007052887 A1 [0002]
- CN 109952767 A [0002]CN109952767A [0002]
Claims (10)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102023200560.3A DE102023200560A1 (en) | 2023-01-25 | 2023-01-25 | Drive circuit for operating a microelectroacoustic transducer device and method for operating a microelectroacoustic transducer device by means of a drive circuit |
PCT/EP2024/051060 WO2024156569A1 (en) | 2023-01-25 | 2024-01-17 | Drive circuit for operating a micro-electro-acoustic converter device, and method for operating a micro-electro-acoustic converter device using a drive circuit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102023200560.3A DE102023200560A1 (en) | 2023-01-25 | 2023-01-25 | Drive circuit for operating a microelectroacoustic transducer device and method for operating a microelectroacoustic transducer device by means of a drive circuit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102023200560A1 true DE102023200560A1 (en) | 2024-07-25 |
Family
ID=89661085
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102023200560.3A Pending DE102023200560A1 (en) | 2023-01-25 | 2023-01-25 | Drive circuit for operating a microelectroacoustic transducer device and method for operating a microelectroacoustic transducer device by means of a drive circuit |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102023200560A1 (en) |
WO (1) | WO2024156569A1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004011193A1 (en) | 2003-03-06 | 2004-09-16 | General Electric Co. | Mosaic array arrangement that uses micromachined ultrasound transducers |
DE102004046192A1 (en) | 2004-09-23 | 2006-04-27 | Siemens Ag | Circuit arrangement and method for charging and discharging at least one capacitive load |
DE102007052887A1 (en) | 2007-11-02 | 2009-05-07 | Braun Gmbh | Circuit arrangement and method for supplying a capacitive load |
DE102013208870A1 (en) | 2013-05-14 | 2014-12-04 | Robert Bosch Gmbh | Circuit for bipolar charge recovery of a piezoelectric drive, method for driving the drive and micromechanical drive |
CN108498115A (en) | 2017-02-24 | 2018-09-07 | 意法半导体股份有限公司 | Electronic circuit, corresponding ultrasonic device and method |
CN109952767A (en) | 2016-09-14 | 2019-06-28 | 悠声股份有限公司 | For operating the method and circuit and integrated circuit with such circuit of piezoelectric mems sonic transducer |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19744236A1 (en) * | 1997-10-07 | 1999-04-08 | Fev Motorentech Gmbh & Co Kg | Procedure for loss-free periodic control of capacitive load, especially piezoelectric actuator |
DE19827052A1 (en) * | 1998-06-18 | 1999-12-23 | Bosch Gmbh Robert | Expansion control method for piezoelectric element e.g. piezoelectric setting element for i.c. engine fuel injection valve |
-
2023
- 2023-01-25 DE DE102023200560.3A patent/DE102023200560A1/en active Pending
-
2024
- 2024-01-17 WO PCT/EP2024/051060 patent/WO2024156569A1/en unknown
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004011193A1 (en) | 2003-03-06 | 2004-09-16 | General Electric Co. | Mosaic array arrangement that uses micromachined ultrasound transducers |
DE102004046192A1 (en) | 2004-09-23 | 2006-04-27 | Siemens Ag | Circuit arrangement and method for charging and discharging at least one capacitive load |
DE102007052887A1 (en) | 2007-11-02 | 2009-05-07 | Braun Gmbh | Circuit arrangement and method for supplying a capacitive load |
DE102013208870A1 (en) | 2013-05-14 | 2014-12-04 | Robert Bosch Gmbh | Circuit for bipolar charge recovery of a piezoelectric drive, method for driving the drive and micromechanical drive |
CN109952767A (en) | 2016-09-14 | 2019-06-28 | 悠声股份有限公司 | For operating the method and circuit and integrated circuit with such circuit of piezoelectric mems sonic transducer |
CN108498115A (en) | 2017-02-24 | 2018-09-07 | 意法半导体股份有限公司 | Electronic circuit, corresponding ultrasonic device and method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2024156569A1 (en) | 2024-08-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102004009373B4 (en) | Piezo actuator drive circuit | |
DE69518896T2 (en) | Piezoelectric converter | |
EP0054703B1 (en) | Circuit for a piezoelectric positioning element and the like | |
EP0951741B1 (en) | Device and process for controlling at least one capacitative actuator | |
EP0946998B1 (en) | Device and process for controlling of at least one capacitative actuator | |
EP2780125B1 (en) | Ultrasound transducer and corresponding apparatus for monitoring vehicle surroundings | |
EP1099260B1 (en) | Method and device for controlling at least one capacitive actuator | |
DE102010021094B4 (en) | Improved electrical energy extraction from piezoelectric energy converters with the possibility of polarity reversal of these energy converters | |
DE102023200560A1 (en) | Drive circuit for operating a microelectroacoustic transducer device and method for operating a microelectroacoustic transducer device by means of a drive circuit | |
EP1761695B1 (en) | Control device for piezo actuators of fuel injection valves | |
DE102004040073B4 (en) | Method and circuit arrangement for operating a piezoelectric actuator | |
WO2018172220A1 (en) | Driver circuit for analyzing and controlling a piezoelectric component, button providing haptic feedback, and operating method | |
EP2804229B1 (en) | Circuit for the bipolar charge recovery of a piezoelectric actuator, method for controlling the drive and micro-mechanical drive | |
DE10251685B4 (en) | Device for charging and discharging a variable capacitive load | |
EP3537177A1 (en) | Device and method for transducer-free control of an ultrasonic transducer | |
DE602004005550T2 (en) | Method for driving a layered piezoelectric device | |
EP3513574A1 (en) | Method and circuit for operating a piezoelectric mems sound transducer and integrated circuitry having such a circuit | |
EP2692451B1 (en) | Electrical circuit for operating a transceiver unit | |
DE102010015660A1 (en) | Circuit arrangement for switching capacitor in e.g. switching power supply, has switching element controlling switch device, such that switch device cancels short-circuit of capacitor when preset charge state of capacitor is reached | |
DE10328623B4 (en) | Converter circuit and internal combustion engine | |
EP3534621A1 (en) | Method for operating a piezoelectric speaker | |
EP1784874A1 (en) | Control circuit for an actuator | |
DE102018105283A1 (en) | Device and method for the transferless control of an ultrasonic transducer with signals having an amplitude above twice the supply voltage amplitude | |
DE112021007190T5 (en) | Object detection system | |
DE102018105284A1 (en) | Device and method for the transferless control of an ultrasonic transducer with signals having an amplitude above twice the supply voltage amplitude |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified |