本文主题总体上涉及使用换能器以确定界面与换能器之间的距离的距离检测系统。
背景技术：
越来越多的机器被设计带有传感器，该传感器检测物体与可检测的边界之间的距离。例如，车辆使用接近度传感器来确定在车辆的路径内是否存在障碍物，并当识别到障碍物时警告操作者。这些接近度传感器还可以用于自动控制车辆，例如用于避免撞车。一种类型的接近度传感器包括超声波换能器。超声波换能器响应于指定的驱动信号生成声波。声波可以是间歇脉冲或连续传输。声波在存在阻抗不匹配的边界处反射。例如，声波可以被气液界面、气固界面或液固界面反射。反射的声波被超声波换能器检测。声波从超声换能器传播并返回的持续时间可以称为“飞行时间”(tof)。tof值用于计算声波传播的距离以及超声波换能器与边界之间的距离。
超声波换能器可以使用一个或多个超声波元件(例如压电元件)，其用于发送声波(在此称为“脉冲波”)并用于检测反射的声波(在此称为“反射波”或“回声”)。在某些超声波换能器中，相同的超声波元件可以以不同的模式操作以发送脉冲波并以检测(或接收)反射波。尽管上述超声波换能器可以准确估计一定的距离范围，但检测较短的距离可能遇到挑战。例如，当脉冲波被距离超声波元件少于十五(15)毫米的界面反射时，可能难以计算距离。
更具体地，由于超声波元件在响应驱动信号，甚至在驱动信号停止之后，因此难以计算距离。驱动信号是激发换能器的电信号。在响应驱动信号的时候，由超声波元件引起的振动生成声波。甚至在驱动信号停止之后，超声波元件继续振动，从而引起由传感器检测到的声波。这种现象称为“振铃(ringing)”或“衰荡(ring-down)”。因此，可能在反射波到达超声波换能器之前检测到来自超声波元件本身的振动。由振动引起的信号使得难以确定是否已接收到任何反射波。
为了解决该问题，超声波换能器通常具有时间窗口(称为“死区”)，在该时间窗口中，任何可检测的声波不被依赖用于计算距离。例如，超声波换能器可以只考虑在驱动信号停止5.0ms之后检测到的声波。减小该窗口可能需要巨大的换能器/电路设计变更，并显著增加成本。即使可以减小衰荡时间，在驱动信号期间仍然存在一段时间，在该时间中，可检测的声波不被考虑。因此，可能无法检测到距离超声波元件一定短距离的边界。
本发明所要解决的问题是：提供一种距离检测系统，其能够在超声波元件响应于驱动信号时或在超声波元件的衰荡期间检测反射声波。
技术实现要素：
上述问题由一种距离检测系统解决，其包括配置为提供驱动信号的信号发生器和具有至少一个超声波元件的超声波换能器。超声波换能器配置为响应于驱动信号发送声波的脉冲。脉冲被导向界面。超声波换能器配置为检测反射声波。距离检测系统还包括接收器，其配置为从超声波换能器接收检测信号。检测信号包括表示超声波换能器的混响的混响分量和表示来自界面的反射声波的反射分量。接收器配置为接收驱动对消信号，该驱动对消信号相对于检测信号的混响分量反相，且其中接收器配置为基于检测信号确定飞行时间测量结果，在该飞行时间测量结果中，检测信号的混响分量通过驱动对消信号减小。
附图说明
现在将参照附图以举例的方式描述本发明，在附图中：
图1示出了根据实施例形成的距离检测系统。
图2是根据实施例形成的距离检测系统的示意图，该距离检测系统可以与图1的距离检测系统相似或相同。
图3是示出了根据实施例形成的方法的流程图。
图4是根据实施例形成的距离检测系统的示意图，该距离检测系统具有以反相的驱动信号操作的第一超声波元件和第二超声波元件。
图5是示出了包括驱动分量和混响分量的检测信号的曲线图。
图6是示出了根据实施例的在抑制驱动分量和混响分量之后的检测信号的曲线图。
图7是示出了当液位在九(9)毫米(mm)处时具有抑制的驱动分量和反射分量的检测信号的图。
图8是示出了当液位在2.5mm时处具有抑制的驱动分量和反射分量的检测信号的图。
图9是示出了非反相的驱动信号的峰间电压的曲线图，非反相的驱动信号由反相的驱动信号减小，且反射分量在2.4-3.6mhz频率范围内。
图10是根据实施例形成的距离检测系统的示意图，该距离检测系统具有以反相的驱动信号操作的超声波元件和虚设超声波元件。
图11是根据实施例形成的距离检测系统的示意图，该距离检测系统具有第一超声波元件和第二超声波元件，该第一超声波元件和第二超声波元件被位移并以反相的驱动信号操作。
图12是根据实施例形成的距离检测系统的示意图，该距离检测系统具有第一超声波元件和第二超声波元件，该第一超声波元件和第二超声波元件具有相反的极性并以反相的驱动信号操作。
图13是根据实施例形成的距离检测系统的示意图，该距离检测系统具有超声波元件和等效的谐振电路，该谐振电路提供反相的驱动信号。
图14a是可以与图13的距离检测系统一起使用的等效的谐振电路的电路图。
图14b也是可以与图13的距离检测系统一起使用的等效的谐振电路的电路图。
图15是可以被一个或多个实施例使用的压电超声波元件的示意性截面图。
图16是可以被一个或多个实施例使用的电容性微机械超声换能器(cmut)元件的示意性截面图。
图17是可以被一个或多个实施例使用的压电微机械超声换能器(pmut)元件的示意性截面图。
具体实施方式
本文阐述的实施例包括距离检测系统、超声波传感器及其操作方法。超声波传感器包括将声波导向界面(例如液体-空气界面或空气-固体界面)的换能器。声波被反射回换能器。换能器检测反射声波，并将电信号通信到电子电路用于处理电信号。电子电路使用电信号来确定有用的信息，例如飞行时间(tof)测量结果。tof测量结果表示当发送声波的脉冲时与当检测到反射声波时之间的时间间隔。tof测量结果可用于确定指定的参数，例如超声波换能器与界面之间的距离。本文阐述的实施例可用于确定一个物体与另一物体(例如，车辆与障碍物)之间的距离，或者可用于监测液位(例如，储罐内的液位)和/或识别液体的类型或质量。
图1示出了根据实施例形成的距离检测系统100。距离检测系统100包括控制模块102、超声波传感器104和通信电缆110，通信电缆110通信地联接超声波传感器104和控制模块102。因此，在图示的实施例中，传感器104和模块102彼此布线。然而，在其他实施例中，传感器104和模块102可以通过无线标准(例如，蓝牙)通信地联接。
传感器104包括具有至少一个超声波元件105的超声波换能器106。在某些实施例中，超声波元件是分离的晶体。具有多个超声波元件的实施例可以配置为形成指定的阵列换能器。例如，超声波元件可以是矩形的，并且定位为形成指定的阵列(例如，线性或一维阵列)。超声波元件可以是正方形的，并且定位为形成指定的阵列(例如，二维阵列)。超声波元件可以是同心设置的环形以形成环形阵列。可选地，实施例可以同时发送和接收。例如，阵列的一个或多个超声波元件可以用作发送器，同时阵列的一个或多个超声波元件可以用作接收器。
作为上述的替代或附加，可以制造单晶(例如，切块和填充，微机械)以包括离散的部分。这些离散的部分可以用作离散的超声波元件。因此，可以制造单晶以提供阵列换能器。示例可以包括一维阵列、二维阵列和环形阵列。可选地，实施例可以同时发送和接收。例如，阵列的一个或多个超声波元件可以用作发送器，同时阵列的一个或多个超声波元件可以用作接收器。
控制模块102配置为向传感器104提供驱动信号。例如，控制模块102可以包括用于生成电驱动信号的电路，该电驱动信号通信到超声波换能器106的。驱动信号引起超声波元件105振荡并生成声波的脉冲。驱动信号可以具有各种形式和一定范围的频率。例如，驱动信号可以包括正弦波或方形脉冲(例如单极性、多级单极性、双极性)。该驱动信号可以被反相以产生如本文所述的驱动对消信号。
声波被界面(例如，液体和气体之间的边界)反射，且一部分声波被反射回超声波元件105。反射声波引起超声波元件105振荡，从而生成电信号，该电信号被通信到控制模块102。当施加驱动信号时，超声波元件105的振荡有助于电信号，并被通信到控制模块102。在驱动信号停止之后，超声波元件105可能会继续振荡，并且这些振荡也有助于被通信到控制模块102的电信号。
相应地，控制模块102接收到的检测信号包括驱动分量、混响分量和反射分量。驱动分量是在超声波元件105被驱动信号激活时主要由超声波元件105的振荡引起的。混响分量主要是在驱动信号停止激活超声波元件105之后由超声波元件105的振荡引起的。
如图所示，传感器104可以包括配件108和传感器外壳116。配件108配置为联接到用于定位换能器106的容器或其他设备(未示出)。传感器外壳116联接到换能器106并支撑换能器106。传感器外壳116在所示的实施例中是长形的，并且可以基于最终应用具有任何期望的长度。通信电缆110可在相对端处具有连接器118，连接器118配置为机械地和电气地联接到控制模块102的配合连接器119。
控制模块102包括电子电路112用于处理检测信号以偏移或抑制混响分量并移除错误的反射回声。对于某些应用，检测信号可能会受到声波传播通过的介质(或多种介质)的温度的影响。为此，控制模块102和/或超声波传感器104可以包括一个或多个温度传感器用于确定周围环境(例如液体和/或空气)的温度。当确定tof测量结果时，电子电路112可以考虑温度。
在所示的实施例中，电子电路112包括模拟前端(afe)模块114和处理器113。afe模块114配置为驱动超声波换能器106并将检测信号转换为表示tof测量结果的开始(start)和结束(stop)的数字信号。afe模块114或处理器113可以处理检测信号以抑制混响分量。处理器113可以控制afe模块114，测量开始信号和停止信号之间的时间差，并将tof测量结果处理成为液位值。液位值然后可以通过控制模块102的显示器120或通过另一种形式的通信(例如，智能电话应用)通信给用户。
在图1中，电子电路112示出为分离的硬件部件(afe模块113和处理器114)。然而，应当理解，电子电路112可以集成到单个装置中或者可以具有两个以上的电子部件。此外，由afe模块113或处理器114执行的本文描述的功能和/或操作可以由其他部件或附加电子部件共享和/或执行。
尽管未在图1中示出，但是电子电路112除了别的以外可以包括：用于生成驱动信号的信号发生器、用于反相驱动信号的反相电路、加法电路和接收器。在一些实施例中，电子电路112可以包括用于改变超声波换能器106的操作模式的切换电路、匹配电路和谐振电路。
实施例可以减小(称为“死区”)的时间段，在该时间段中，任何可检测的声波不被依赖用于计算距离。该时间段有效地转换为距超声波换能器的距离，在该距离中无法进行可靠的测量。作为示例，实施例可以在液位应用将该死区从25mm减小到2.5mm。然而，死区的尺寸可能会影响各种超声波装置的性能。因此，实施例可以改善各种超声波装置和应用。
相反地，实施例可以使超声波换能器能够以更高的振幅和/或更高的周期次数被驱动，从而生成更大的能量传递。对于某些应用，更大的能量传递可以改善穿透深度。例如，实施例可以适用于军事航程传感器。
除了距离检测系统(例如，液位监测系统)之外，可以预期的是，实施例可以被利用于密度测量系统中，该系统测量光敏材料中的光密度。实施例可使密度测量系统能够具有较小的足印。
图2是根据实施例形成的距离检测系统150的示意图，该距离检测系统150可以与距离检测系统100(图1)相似或相同。例如，距离检测系统150包括具有超声波元件156的超声波换能器154。距离检测系统150还包括信号发生器151和信号反相电路152，其也可以称为信号反相器。信号发生器151配置为提供驱动信号用于激发超声波元件156。超声波元件156响应于驱动信号生成声波160的脉冲。
如图2所示，驱动信号162通过信号反相电路152发送。信号反相电路152配置为提供可以用于有效地减小或消除混响分量的反相的驱动信号。例如，信号反相电路152可以配置为反相驱动信号，使得反相的驱动信号相对于非反相的驱动信号相移180°。在某些实施例中，信号反相电路152可以包括有效地反相驱动信号的驱动转换器。信号反相电路152配置为提供非反相的驱动信号162给超声波元件156，并提供反相的驱动信号163给抑制模块164。在其他实施例中，信号反相电路152提供非反相的驱动信号162给抑制模块164，并提供反相的驱动信号163给超声波元件156。在某些实施例中，信号反相电路152可以包括中心抽头的电感器。这样的实施例可能特别适合于较低的频率(例如，小于一兆赫兹的频率)。
如上所述，超声波元件156将未反相的检测信号172通信到接收器170。检测信号172包括驱动分量、混响分量和反射分量。
抑制模块164是配置为生成驱动对消信号174并将驱动对消信号通信到接收器170的元件。如本文所述，术语“抑制模块”可以包括谐振电路、另一有源超声波元件或虚设超声波元件。例如，抑制模块164可以是由反相的驱动信号163驱动的超声波元件181。抑制模块164可以是超声波元件182，其由反相的驱动信号163驱动，且具有与超声波元件156的极性相反的极性。抑制模块164可以是超声波元件182，其由非反相的驱动信号162驱动，但具有与超声波元件156的极性相反的极性。抑制模块164可以是超声波元件183，其由非反相的驱动信号163驱动，且具有与超声波元件156的极性相同的极性，但是超声波元件183偏移为使得超声波元件156和超声波元件183不是平面的。因此，超声波元件183的脉冲相对于来自超声波元件156的脉冲160是异相的。抑制模块164可以是虚设超声波元件184，其由非反相的驱动信号163驱动，但是具有吸收器186，吸收器186有效地阻挡来自超声波元件184的任何脉冲。在一些实施例中，抑制模块164可以是配置为提供驱动对消信号的谐振电路184。谐振电路184可以响应于驱动信号或反相的驱动信号。
可选地，一个或多个抑制模块可以响应于转换的驱动信号163，并提供驱动对消信号174给接收器170。
驱动对消信号用于偏移或抑制检测信号的驱动分量和/或混响分量。当驱动分量和/或混响分量被抑制时，反射分量可能更容易识别。在特定实施例中，反射分量可以在衰荡期间被识别或者在超声波元件响应于驱动信号时被识别。
在图2中，驱动对消信号称为反相的检测信号。在其他实施例中，驱动对消信号是由谐振电路生成的合成信号。相应地，术语“驱动对消信号”包括由谐振电路生成的反相的检测信号和合成信号。
接收器170配置为从超声波换能器154或更具体地从超声波元件156接收检测信号172。检测信号包括表示超声波元件156的混响的混响分量和表示来自界面的反射声波的反射分量。接收器170配置为接收驱动对消信号174，驱动对消信号174相对于检测信号的混响分量反相。接收器170配置为基于检测信号172确定tof测量结果，在tof测量结果中，混响分量被驱动对消信号174偏移。
图3是示出了根据实施例形成的方法200的流程图。将参照距离检测系统150(图2)来描述方法200。方法200也可以由一个或多个其他实施例执行，例如距离检测系统400(图10)、系统500(图11)、系统600(图12)和系统700(图13)。方法200包括在202处生成驱动信号162，驱动信号16被配置为激活或激发超声波波元156，使得声波的脉冲160从超声波元件156发出并导向界面(图2中未示出)。驱动信号162可以是电信号的形式。声波的脉冲可以包括一系列的声波(或声波周期)。
声波的脉冲160具有指定的频率。例如，指定频率可以在500hz和20mhz之间。在特定的实施方式中，指定的频率在100khz和10mhz之间。脉冲160也具有周期数。例如，脉冲160可以包括三(3)个周期或更多个周期(例如10个或更多个周期)。在204处，驱动信号162被反相，使得反转的驱动信号163相对于驱动信号162异相约180°。驱动信号162在205处通信到超声波元件156，反相的驱动信号163在207处通信到抑制模块164。
在206处，脉冲160从超声波元件156发送。检测信号172在超声波元件156处生成，并通信到接收器170。在210处，检测信号被接收器170接收。检测信号可以包括驱动分量、混响分量和反射分量。对于界面在死区之外的实施例，反射分量将与混响分量和驱动分量分离。然而，如果界面足够靠近超声波元件156，则反射系数可以与混响分量以及可能与驱动分量重叠。
在一些实施例中，当驱动信号162被提供给超声波元件156时，反相的驱动信号163也被提供给抑制模块164。反相的驱动信号163在212处激活抑制模块164。在214处，驱动对消信号174由抑制模块164生成。驱动对消信号174是反相的驱动信号163的功能。驱动对消信号174在216处由接收器170接收。
驱动对消信号174相对于检测信号172大致异相。实际上，由于界面、超声波元件(一个或多个)以及液体相对于重力的可能的非理想条件和特性，驱动对消信号174不可能完全异相。因此，驱动对消信号174将相对于检测信号172基本上异相。在218处，驱动对消信号174可用于减小驱动分量和混响分量。
在220处，可以确定tof测量结果。tof测量结果是指定的起始点和指定的停止点之间的差。起始点与从超声波换能器的脉冲发射相关联，停止点与由超声波换能器的回波检测相关联。tof测量结果可以用于确定指定的参数。例如，tof测量结果可以指示流体身份、浓度或距离(例如，液位)。使用tof测量结果和通过指定介质的已知声速，可以在222处确定距离。在一些实施例中，参数使用编程算法计算。在其他实施例中，可以使用例如查找表(lut)来识别参数，在查找表中，其中tof测量结果与参数值相关联。
如返回箭头224所指示的，方法200可以以指定的间隔等连续地重复。例如，可以每十秒钟多次计算液位。
图4和图10-14中图示了不同的距离检测系统。在每种情况下，实施例都可以利用驱动对消信号减小死区的尺寸。图4是根据实施例形成的距离检测系统300的示意图。距离检测系统300包括超声波换能器301，超声波换能器301具有以不同的驱动信号操作的第一超声波元件302和第二超声波元件304。超声波换能器的第一超声波元件302和第二超声波元件304距离检测系统300包括与距离检测系统100(图1)相似或相同的部件。例如，距离检测系统300包括信号发生器312和信号反相器314。距离检测系统300还包括切换电路316、匹配电路318和接收器320。
如图所示，驱动信号324通信到信号反相器314。在反相驱动信号324以提供反相的驱动信号326之后，驱动信号324和反相的驱动信号326通信到相应的超声波元件302、304。
超声波元件302、304中的每一个都具有被容器315的材料层覆盖的表面。超声波探头302、304朝向界面330发射脉冲。脉冲的声波被反射回超声波元件302、304，后者检测反射分量。显而易见地，由相应地超声波元件302、304检测到的反射分量基本上异相。检测信号和驱动对消信号然后通信到匹配电路，且然后通信到接收器320。
通常认为，当两个超声波元件反相驱动时，由相应的超声波元件检测到的信号将对消。但是，当脉冲的波长λ小且两个换能器的分隔远大于波长λ时，则仅在容器的角度设置非常精确时对消才发生。两个超声波元件之间的距离很小，且临界角对于3mhz为0.55度。该条件很难满足，且接收的信号不会被对消。稍微不稳定的液面和不理想的容器设置会使得似乎不存在对消。
图5是示出了包括驱动分量322和混响分量324的检测信号(mv/μs)的曲线图。如图所示，驱动分量322在一微秒处开始，并一直持续到五微秒。在驱动信号停止之后，超声波元件继续振荡，从而生成可检测的信号，该信号逐渐减小并形成混响分量324。图6是示出了根据实施例的在抑制驱动分量322和混响分量324之后的检测信号的曲线图。如图所示，驱动分量和混响分量已被显著减小。
图7和图8示出了当液体相对较高(9mm，如图7所示)和液体相对较低(2.5mm)时可能获取的检测信号。图7和图8中脉冲的周期数为21个周期，操作频率为3mhz。如图8所示，实施例可能能够在驱动信号施加到超声元件时且在衰荡期间检测反射分量。
图9是示出了非反相的驱动信号、非反相的驱动信号结合反相的驱动信号、以及反射分量跨越频率范围(2.4-3.6mhz)的峰间电压(mvpp)的曲线图。对于在2.9mhz和3.4mhz之间的频率，反射分量的mvpp大于由反相的驱动信号减小的非反相的驱动信号。
图10是根据实施例形成的距离检测系统400的示意图。距离检测系统400包括与距离检测系统100(图1)的元件相似或相同的元件。例如，距离检测系统400包括信号发生器412和信号反相器414。距离检测系统400还包括切换电路426、匹配电路418和接收器420。
距离检测系统400也包括具有超声波元件402和虚设超声波元件404的超声波换能器401。为了区别两者，超声波元件402(图4)可以称为“有源超声波元件”，或者虚设超声波元件404可以称为“虚设元件”。与超声波元件304不同，虚设超声波元件404不检测和通信反射分量。相反，虚设超声波元件404响应于由驱动信号和随后的混响引起的振荡生成电信号。
在图示的实施例中，超声波元件402和虚设超声波元件404由异相的驱动信号驱动。超声波元件402配置为发送声波的脉冲并检测来自声波的脉冲的反射分量。然而，虚设超声波元件404设置为使得脉冲是不可发送到介质中的，并且因此反射分量不能被虚设超声波元件404检测到。例如，超声波换能器401可以包括吸收器415，吸收器415吸收由虚设超声波元件404生成的任何声波。然而，虚设超声波元件404是由反相的驱动信号驱动的，从而引起虚设超声波元件404振荡。虚设超声波元件404响应于虚设超声波元件404的振荡生成电信号。
相应地，仅超声波元件402朝向界面发射脉冲。脉冲的声波反射回超声波元件402，超声波元件402检测反射分量。反射分量与虚设超声波元件的任何反射分量都不是异相的，因为该反射分量不存在。然而，虚设超声波元件404提供反相的检测信号给接收器420，该反相的检测信号包括反相的驱动分量和反相的混响分量。相应地，虚设超声波元件404提供反相的检测信号，该反相的检测信号用于在不会减小来自超声波元件402的检测信号的反射分量的情况下，减小驱动分量和混响分量。
图11是根据实施例形成的距离检测系统500的示意图。距离检测系统500具有相对彼此移位的第一超声波元件502和第二超声波元件504，使得超声波元件中的一个设置在另一个超声波元件前方的半波长处。第一超声波元件502和第二超声波元件504配置为由非反相的驱动信号和反相的驱动信号驱动。距离检测系统500可以具有与距离检测系统500的元件相似或相同的元件。
如图11所示，第一超声波元件502和第二超声波元件504相对于彼此偏移。因此，在第一超声波元件502和第二超声波元件504处检测到的任何反射分量不会被对消。更具体地，超声波元件504设置在超声波元件502前方的半波长处，使得反射分量在前轴处不被对消。然而，反相的驱动信号的驱动分量和混响分量与非反相的驱动信号的驱动分量和混响分量是异相的。因此，反相的驱动信号的驱动分量和混响分量用于减小非反相的驱动信号的驱动分量和混响分量。然而，反射分量不是异相的。
图12是根据实施例形成的具有第一超声波元件602和第二超声波元件604的距离检测系统600的示意图，第一超声波元件602和第二超声波元件604具有相反的极性(如“ /-”和“-/ ”所指示的)。第一超声波元件602和第二超声波元件604分别由非反相的驱动信号和反相的驱动信号驱动。距离检测系统600包括具有第一超声波元件602和第二超声波元件604的超声波换能器601。因为第一超声波元件602和第二超声波元件604具有相反的极性，所以异相的驱动信号引起第一超声波元件602和第二超声波元件604同相移动。然而，由第一超声波元件602和第二超声波元件604相对于驱动和混响分量提供的检测信号是异相的，并且可以用于减小驱动和混响分量。
图13是根据实施例形成的距离检测系统700的示意图。距离检测系统700包括具有超声波元件702和等效的谐振电路704的超声波换能器701。距离检测系统700可以还包括与距离检测系统100(图1)的元件相似或相同的元件。例如，距离检测系统700包括信号发生器712和信号反相器714。距离检测系统700还包括切换电路716、匹配电路718和接收器720。
如图所示，驱动信号724通信到信号反相器714。在生成反相的驱动信号726之后，驱动信号724和反相的驱动信号726分别通信到超声波元件702和等效的谐振电路704。与上述实施例类似，超声波元件702配置为提供包括驱动分量、混响分量和反射分量的检测信号。等效的谐振电路704配置为接收反相的驱动信号726并生成反相的检测信号，该反相的检测信号用于减小驱动和混响的分量。
图14a和14b分别是可以与距离检测系统700(图13)一起使用的等效的谐振电路742、744的电路图。谐振电路742是纯压电谐振器等效电路，其中空气在超声波元件的前后处。在低频f<<f0处，测得的电容c≈cs cp，在高频f>>f0处，测得的电容c≈cs。在谐振f0处，测得的电阻r≈rs。当前后的材料为塑料/水和吸收剂时，可以增加其他电阻。
图15-17示出了元件，其单独可以形成如本文所述的超声波元件，或可以形成如本文所述的超声波元件的一部分。更具体地，图15是可以被一个或多个实施例使用的压电超声波元件760的示意性截面图。元件760包括夹在高电导率电极层764、766之间的压电材料762，其可以包括例如金或铂。电极层766由背衬层768支撑。电极层764、766分别电联接到导体770、772。
图16是可以被一个或多个实施例使用的电容性微加工超声换能器(cmut)元件774的示意性截面图。如图所示，cmut元件774包括金属化的悬挂膜片776(例如，氮化硅(sixny))，该悬挂膜片设置在腔778之上。cmut元件774还包括刚性基板780。当在两个电极782、784之间施加dc电压时，膜片776被偏转，由静电力朝向基板吸引。由膜片776的刚度引起的机械恢复力抵抗了吸引力。结果，超声波可以在交流电压输入的情况下从膜片776的振动生成。
图17是可以被一个或多个实施例使用的压电微加工超声换能器(pmut)元件784的示意性截面图。pmut元件784包括夹在电极层788、790之间的膜786。pmut元件784中的膜片786的偏转是由来自膜片786的压电效应生成的横向应变引起的。膜片786包括至少一个压电层792和无源弹性层794。在操作中，pmut的谐振频率不直接取决于压电层792的厚度。相反，挠曲模共振频率与膜片的形状、尺寸、边界条件、固有应力和机械刚度密切相关。
1.一种距离检测系统(150)，包括：
信号发生器(151)，其配置为提供驱动信号(162)；
超声波换能器(106)，其具有至少一个超声波元件(105)，所述超声波换能器配置为响应于所述驱动信号(162)发送声波的脉冲(160)，所述脉冲被导向界面(330)，所述超声波换能器配置为检测反射声波；以及
接收器(170)，其配置为从所述超声波换能器接收检测信号(172)，所述检测信号包括表示所述超声波换能器的混响的混响分量和表示来自所述界面的反射声波的反射分量；
其中所述接收器配置为接收驱动对消信号(174)，所述驱动对消信号相对于所述检测信号的混响分量反相，且其中所述接收器配置为基于所述检测信号确定飞行时间测量结果，在所述飞行时间测量结果中，所述检测信号的混响分量通过所述驱动对消信号减小。
2.如权利要求1所述的距离检测系统(150)，还包括信号反相器(152)，其配置为基于所述驱动信号生成反相的驱动信号，其中所述驱动对消信号由被馈送所述反相的驱动信号的抑制模块(164)生成。
3.如权利要求1所述的距离检测系统(150)，其中所述接收器(170)配置为当所述脉冲朝向所述界面发送时接收所述检测信号，并确定当发送所述脉冲时接收到的所述反射分量的飞行时间测量结果。
4.如权利要求1所述的距离检测系统(150)，还包括切换电路(314)，其配置为在发送模式和接收模式之间进行切换，所述检测信号在所述接收模式期间被接收，所述接收模式在没有死区的情况下发生。
5.如权利要求1所述的距离检测系统(150)，其中所述超声波换能器(301)包括第一超声波元件(302)，所述脉冲是第一脉冲，且所述检测信号是第一检测信号，所述距离检测系统还包括：
第二超声波元件(304)，其用于将声波的第二脉冲导向所述界面，所述第二脉冲响应于接收到反相的驱动信号被发送；
其中所述接收器配置为从所述第二超声波元件接收第二检测信号，所述第二检测信号包括所述驱动对消信号。
6.如权利要求1所述的距离检测系统(150)，其中所述超声波换能器包括第一超声波元件(602)，所述脉冲是第一脉冲，且所述检测信号是第一检测信号，所述距离检测系统还包括：
第二超声波元件(604)，其用于响应于所述驱动信号将声波的第二脉冲导向所述界面，其中所述第一超声波元件和第二超声波元件具有相反的极性；
其中所述接收器配置为从所述超声波换能器接收第二检测信号，所述第二检测信号包括所述驱动对消信号。
7.如权利要求1所述的距离检测系统(150)，其中所述超声波换能器包括第一超声波元件，所述脉冲是第一脉冲，且所述检测信号是第一检测信号，所述距离检测系统还包括：
第二超声波元件(604)，其用于将声波的第二脉冲导向所述界面，其中所述信号发生器(151)配置为向所述第二超声波元件提供反相的驱动信号，其中所述第一超声波元件和第二超声波元件具有相反的极性；
从所述超声波换能器接收第二检测信号，所述第二检测信号包括所述驱动对消信号。
8.如权利要求1所述的距离检测系统(150)，其中所述检测信号是第一检测信号，所述距离检测系统还包括：
虚设超声波元件(404)，其配置为从所述信号发生器(151)接收反相的驱动信号，其中所述接收器配置为从所述虚设超声波换能器接收第二检测信号，所述第二检测信号包括所述驱动对消信号。
9.如权利要求1所述的距离检测系统(150)，还包括配置为提供所述驱动对消信号的谐振电路(704)。
10.如权利要求1所述的距离检测系统(150)，其中所述至少一个超声波元件的谐振频率在100khz和10mhz之间，且所述脉冲中的周期的数量包括至少3个周期。
11.一种方法，包括：
向超声波换能器(106)提供驱动信号(162)，所述超声波换能器用于向界面(330)发送声波的脉冲(160)；
从所述超声波换能器接收检测信号(172)，所述检测信号包括表示所述超声波换能器的混响的混响分量和表示来自所述界面的反射声波的反射分量；
接收驱动对消信号(174)，所述驱动对消信号相对于所述检测信号的混响分量反相；以及
基于所述检测信号确定飞行时间测量结果，在所述飞行时间测量结果中，所述混响分量通过所述驱动对消信号减小。
12.如权利要求11所述的方法，还包括反相所述驱动信号以形成反相的驱动信号，其中所述驱动对消信号由被馈送所述反相的驱动信号的抑制模块(165)生成。
13.如权利要求11所述的方法，其中接收所述检测信号包括当所述脉冲朝向所述界面发送时接收所述反射分量并确定当发送所述脉冲时接收到的所述反射分量的飞行时间测量结果。
14.如权利要求11所述的方法，还包括在发送模式和接收模式之间进行切换，所述检测信号在所述接收模式期间被接收，所述接收模式在没有死区的情况下发生。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述超声波换能器包括第一超声波元件，所述脉冲是第一脉冲，且所述检测信号是第一检测信号，所述方法还包括：
向第二超声波元件提供反相的驱动信号，所述第二超声波元件用于将声波的第二脉冲导向所述界面；
从所述超声波换能器接收第二检测信号，所述第二检测信号包括所述驱动对消信号。
技术总结