Passive sensor system using ultrasonic energy

【発明の詳細な説明】 超音波エネルギを用いる受動センサシステム 発明の分野 この発明は一般に受動センサに関し、特に超音波受動センサに関する。 発明の背景 （人体に埋込むか、または機械内のアクセスが困難な場所に装着するための） 受動センサはこの技術において既知である。 このセンサは典型的には電磁性であり、活性化されると電磁信号を与える。 典型的に、先行技術のセンサシステムは機械に埋込まれるセンサと活性化および検出システムとを含む。 センサは典型的に測定されるべき物理変数に応答して振動周波数が変化する発振回路である。 発振回路は典型的にキャパシタおよびインダクタを含み、そのうちの１つが測定される物理変数に従って変化するように作られる。 結果として、回路の振動周波数は物理変数の関数である。 センサが活性化システムからの電磁エネルギで照らされるとき、単一の入射周波数または複数の入射周波数が回路の（測定される物理変数に依存する）共振周波数にいかに近いかに依存して、エネルギのうちのいくらかが発振回路によって吸収される。 発振回路によるエネルギ吸収のための、電磁界における変化は検出システムによって検出される。 電磁センサおよびシステムは米国特許第４，１２７，１ １０号および以下の論文に記述される。 カーター Ｃ． コリンズ（Carter C．Collins）による「目に埋込むための小型受動圧力トランセンサ」（“Miniature Passive Pressure Transensor for Im planting in the Eye”）IEEE生物医学工学会誌（IEEE Transactions on Bio-Me dical Engineering）第ＢＭＥ−１４巻第２号、１９９７年４月 生体組織内では、受動センサは残念なからそのアンテナ（発振回路の一部）の直径の１０倍の範囲内でしか検出可能ではない。 さらに、センサシステムは導電性エンクロージャ内では動作しない。 この発明の概要 したがって、この発明の目的は、上に挙げられた欠点を有さない受動センサシステムを提供することである。 この発明は超音波エネルギを利用する受動センサシステムを提供する。 受動センサは振動周波数が（圧力、温度などのような）物理変数に応じて変化する振動可能な素子を含む。 外部の活性化および検出システムは、ある範囲の周波数を有する超音波を、超音波が振動可能な素子の現在の振動周波数を含む場合のみに応じて共振する受動センサに送信する超音波変換器を含む。 この発明は超音波を利用するので、その範囲は１ＭＨｚ未満で人間に用いるのに十分である。 さらに、センサは導電性エンクロージャ内において動作する。 この発明の好ましい実施例に従って、超音波活性化および検出システムは、ａ ）所望の周波数帯を有する超音波を発生するための超音波発生器と、ｂ）超音波を送信し、それに応答して超音波を受信するための超音波変換器システムと、ｃ ）受信された超音波からセンサの振動周波数を検出するための周波数検出器とを含む。 さらに、この発明の好ましい実施例に従って、受動センサは励振周波数および送信周波数を有する。 さらに、センサは基準振動周波数を有することができる。 センサの一実施例に従って、センサはａ）ハウジング、ｂ）ハウジングに取付けられ、物理変数に応答する膜、ｃ）ハウジングの１つの端部に取付けられる振動可能なビーム、およびｄ）膜と振動可能なビームの小部分とに取付けられ、膜の動きに応答して振動可能なビームを曲げる結合器を含む。 センサの別の実施例に従って、振動可能なビームは２つの端部に取付けられ、 結合器はビームを、励振周波数および送信周波数で振動可能な、２つの別個であるか結合している振動可能なビームに分割する。 さらに、この発明のさらなる好ましい実施例に従って、センサはａ）励振周波数で振動可能な薄い膜から形成された平坦なベースを有する第１のカップ形状本体と、ｂ）送信周波数で振動可能な厚い膜から形成された平坦なベースを有する第２のカップ形状本体とを含む。 第１および第２ の本体は囲まれた空間をその間に生じるように連結される。 最後に、この発明のさらなる好ましい実施例に従って、センサシステムは、各々が共通の入力振動周波数範囲と少なくとも１つの出力振動周波数とを有する、 複数個の超音波的に振動可能なセンサを含む。 超音波活性化および検出システムは入力周波数範囲内の周波数を有する超音波を送信し、異なった出力振動周波数を検出する。 図面の簡単な説明 この発明は、図面と関連して、以下の詳細な説明からさらに十分に理解かつ認識されるであろう。 図１は、この発明の好ましい実施例に従って構成され、かつ動作する超音波受動センサシステムの概略図である。 図２Ａは、図１のセンサシステムに役立つ受動センサの概略図である。 図２Ｂは、圧力が存在する場合の図２Ａのセンサの概略図である。 図２Ｃは、温度に高感度であるセンサの、図２Ａに類似した概略図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、２つの結合した振動ビームと基準ビームとを有する代替的なセンサの概略図であり、図３Ａは側面図であり、図３Ｂは図３Ａの線III Ｂ−IIIＢに沿った上面図である。 図４Ａは代替的な２膜センサの概略図である。 図４Ｂは、化学組成に高感度であるセンサの、図４Ａに類似した概略図である。 図５は、複数個の受動センサで動作するセンサシステムの概略図である。 好ましい実施例の詳細な説明 この発明の超音波センサシステムを例示する図１を今から参照する。 このシステムは受動センサ１０と外部の超音波活性化および検出システム１４とを含む。 センサ１０は人体のような超音波を受け入れることができる媒体１２に埋込可能であるか、またはエンクロージャの内壁に装着可能である。 センサ１０は適切なものであればどのようなセンサであってもよく、その例は図２−４に関連して以下に説明される。 このセンサは、音波が存在するときに音叉が振動するように超音波が存在するときに機械的に振動する。 したがって、センサ１０は図１において音叉として概略的に表わされる。 センサ１０の振動周波数は、感知される物理変数の少なくとも関数であるその現在の振動周波数である。 活性化および検出システム１４は典型的に、超音波発生器２０、少なくとも１ つの超音波変換器２２、周波数検出器２４およびデータ処理装置２５を含む。 超音波発生器２０および変換器２２は活性化素子を構成し、変換器２２、周波数検出器２４およびデータ処理装置２５は検出素子を構成する。 英国ミルトンキーンズ（Milton Keynes）のボルトゥ・ ソナテスト／シュランベルジェイ（Balteu Sonatest/Schlumberger）によって製造される非破壊試験ユニットのモデルIIＢ ＵＳＴＦのような発生器２０は、超音波変換器２２によって媒体１２を経てセンサ１０に送信されるべき超音波を発生する。 典型的に、媒体１２の外端部２８に位置する超音波ゲル２６が利用されて変換器２２を媒体１２に結合する。 典型的に、送信される超音波は単一の周波数か、またはある範囲の周波数からなる。 典型的に、非破壊試験ユニットの一部であるような超音波変換器２２はまた媒体１２から超音波を受信する。 こういった超音波のうちのいくらかは送信された波の反射であり、他はセンサ１０からのものである。 代替的な実施例では、送信するためのものと受信するためのものとの２つの超音波変換器２２がある。 送信される超音波がセンサ１０の現在の振動周波数に近いか、またはそれに相当する周波数を有するならば、それは振動するようにセンサ１０を励振させ、事実上、現在の振動周波数で送信された波の少なくともいくらかを吸収する。 このように、変換器２２によって受信される波は他の周波数のものほどセンサ１０の現在の振動周波数をあまり含まない。 さらに、センサ１０は超音波の送信が停止した後でも振動し続ける。 このように、変換器２２は超音波を受信し続け、これらはセンサ１０の現在の振動周波数である。 米国のヒューレット・パッカード（Hewlett Packard）社によって製造される８５９０Ａスペクトラムアナライザに類似した周波数検出器２４は受信した超音波を分析して、どの周波数がセンサ１０によって吸収されたか、および／または、送信された超音波によってもはや励振されない場合にどの周波数でセンサ１０ が共振するかを判断する。 データ処理装置２５は周波数検出器２４によって判断された周波数を測定される物理変数の値に変換する。 この変換に必要な情報は、以下にさらに詳細に説明されるような、センサ１０の実際の構造に依存する。 この発明のシステムは生体組織内または導電性エンクロージャ内に深く埋込可能であることが認識されるであろう。 このシステムは、電磁的な共振ではなく、 機械的な振動で動作する。 次に、圧力に応答する、３０と符号を付けられた例示的な受動センサの第１の実施例を示す図２Ａおよび図２Ｂを参照する。 図２Ａおよび図２Ｂはそれぞれ圧力がある場合と圧力がない場合とにおけるセンサ３０を示す。 センサ３０は典型的にシリコンから作られ、リセス３４、振動可能なビーム３ ６、膜３８および結合器４０を有するカップ形状のハウジング３２を典型的に含む。 振動可能なビーム３６は典型的にハウジング３２に一体的に取付けられ、リセス３４へ延びる。 結合器４０は典型的に膜３８とビーム３６の遠端４２とを接続する。 結合器４０は膜３８ か振動可能なビーム３６のいずれかに一体的に取付けられる。 図２Ｂに示されるように、膜３８は典型的に外部からの圧力に応答してリセス３４の方に曲がる。 このために、硬い結合器４０が遠端４２を押し，ビーム３６ を曲げさせ、したがって歪ませる。 この技術において知られているように、歪んだビームは歪まないビームよりも高い周波数で振動する。 このように、膜３８にかかる圧力が高ければ高いほど、ビーム３６の振動周波数が高くなる。 ビーム３ ６の圧力と周波数との間の特定的な関係はビーム３６の材料、その長さおよびその断面積に依存し、ある程度、リセス３４内の媒体がどのようなものであれ、その温度および粘性のような他の要因に依存する。 膜が多くの材料から作られるか、または他の材料でコーティングされるならば、温度のような他の物理変数に応じて曲がることがわかる。 たとえば図２Ｃは温度に反応するセンサを示し、以下に説明される図４Ｂは化学組成に反応するセンサを示す。 次に図２Ｃを簡単に参照する。 このセンサでは、各々が異なった熱係数を有する２つの材料４２および４４で膜が作られる。 例示的な材料はシリコンおよびシリコン窒化物である。 材料が異なった割合で拡張かつ収縮するので、膜は温度の関数として歪む。 次に、異なった送信周波数および受信周波数を有する受動センサの代替的な実施例を示す図３Ａおよび図３Ｂを参照する。 さらに、図３ Ａおよび図３Ｂのセンサはまた基準周波数を有する。 図３Ａは５０と符号を付けられたセンサの側面図であり、図３Ｂは図３Ａの線IIIＢ−IIIＢに沿った上面図である。 センサ５０は、５２と符号を付けられたハウジングとリセスとを有する点でセンサ３０（図２）と類似している。 しかしながら、センサ５０の振動可能な素子は短縮していない長さのビーム５８である。 センサ３０と同様に、センサ５０も膜３８および結合器４０を有する。 この実施例では、異なった周波数で振動する、２つの別個であるが結合している振動可能なビーム６０および６２を作るように、結合器４０はビーム５８にその中央以外の場所で結合される。 図３Ａに示されるように、ビーム５８の、ハウジング５２の左端部６４から結合器４０までの長さとして規定されるビーム６０は、ビーム５８の、ハウジング５２の右端部６６から結合器４０までの長さとして規定されるビーム６２よりも長い。 したがって、ビーム６０はビーム６２よりも低い周波数で振動する。 圧力が存在するとき、膜３８は曲がり、結合器４０をリセス５４の方へとさらに押し、ビーム５８を曲げ、ビーム６０および６２の両方を歪ませる。 動作中において、この発明のセンサシステムは、その周波数範囲がほぼ長いビーム６０の振動周波数の範囲である超音波でセンサ５０を励振させる。 長いビーム６０は励振し、その励振のために短がビーム６２もまた振動するか、それはその現在の振動周波数においてである。 短いビーム６２が典型的に長いビーム６０とは著しく異なった振動周波数範囲を有するので、超音波変換器２２および周波数検出器２４は受信の目的のために、短いビーム６２の周波数範囲に同調させられることだけを必要とする。 短いビーム６２だけがその周波数範囲において活性化しているので、変換器２２によって受信される信号の信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比は高い。 なぜなら、励振周波数に関連したノイズがほとんどまたは全くないからである。 センサ５０はまた、ビーム５８の隣に位置する基準ビーム６８（図３Ｂ）を含んでもよい。 ビーム６８はハウジング５２の両端に接続されるが、結合器４０には接続されない。 したがって、ビーム６８の振動周波数は圧力では変化しない。 その振動周波数のどのような変化もしたがって、ビーム６０および６２への影響を及ぼす、温度および粘性ダンピングなどのような他の原因によるものに違いない。 したがって、基準ビーム６８の出力はデータ処理装置２５によって利用されて、ビーム６０および６２から判断された圧力値を補正する。 次に、２つのシリコンウェハ７０および７２から形成されたセンサのさらなる代替的な実施例を示す図４Ａを簡単に参照する。 典型的に、各ウェハは大まかに四角に仕切ったカップ形状に形成され、その２つは囲まれた空間７４を生じるように結合される。 各カップのベースは平坦であり、空間７４へと自由に振動できる膜を形成する。 ２つの異なった、 結合した周波数を図４Ａのセンサに与えるために、７６および７８と符号付けられた膜の厚さは異なる。 図３Ａの実施例と同様に、より低い振動周波数で振動する素子（すなわち、薄い膜７８）が超音波信号を受信し、他の膜、すなわち厚い膜７６が反射した超音波信号を送信する。 ２つの振動する素子はウェハ７０および７２の側面によって、また、どのようなものであれ、囲まれた空間７４に置かれる媒体を介して結合される。 図４Ａに示されるのと類似したセンサが化学組成を測定するために用いられ得る。 結果として生じるセンサは今から参照される図４Ｂに示される。 図４Ｂの厚い膜７６は、気相アナライト（analyte）を吸収する薄く軟らかいポリマーフィルム７９でコーティングされる。 アナライトはフィルム７９に重みを加え、その粘弾性を変化させる。 結果として、振動周波数が変化する。 次に、複数個の受動センサ８０を有するセンサシステムを示す図５を参照する。 センサ８０は典型的に少なくとも２つの振動周波数、すなわち入力周波数ｆｉ および出力周波数ｆｏ _iを有し、図５の例ではｉ＝１から５である。 入力周波数は各センサ８０について同一であり得るか、予め定められた範囲内であり得る。 出力周波数ｆｏ _iは、測定される物理変数のあらゆる値に対して各センサが個々に検出可能であるように典型的に異なった重複しない周波数範囲であるようにされる。 このように、物理変数の値は一度に線に沿ってまたは領域内で測定できる。 センサ８０は図３および図４に示されるのと類似したセンサから形成できる。 図３と類似した１組のセンサでは、各々の長いビームの長さは同様の長さであるが、短いビームの長さは著しく異なる。 図４と類似した一組のセンサでは、各々の薄い膜は同様の厚さであるが、厚い膜の厚さは異なる。 この発明は、以上で特定的に示され、かつ説明されたものに限定されないことが当業者によって認識されるであろう。 むしろ、この発明の範疇は以下の請求の範囲によって規定される。