CN109952767B - 用于操作压电mems声换能器的方法和电路以及具有此类电路的集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作压电MEMS声换能器(4)、特别是在可听波长谱和/或超声范围中工作的MEMS扬声器和/或MEMS麦克风的方法，其中电能存储在至少一个储能器(2)中，并且该电能经由至少一个传输单元(3，13)在该储能器(2)和压电MEMS声换能器(4)之间间接传送。根据本发明，至少一个传输单元(3，13)和压电MEMS声换能器(4)被布置在并联连接(5)中并且被切换，使得为了操作压电MEMS声换能器(4)，在第一切换状态下首先由储能器(2)对该至少一个传输单元(3)进行充电，并且随后在第二切换状态下，该传输单元(3)再次放电并且向该压电MEMS声换能器(4)进行充电，和/或为了电能回收，在第三切换状态下，压电MEMS声换能器(4)再次放电并且该至少一个传输单元(3，13)被充电，以及随后在第四切换状态下，该传输单元(3，13)再次放电并且储能器(2)被充电。

Description

用于操作压电MEMS声换能器的方法和电路以及具有此类电路 的集成电路

技术领域

本发明涉及一种用于操作被构造为MEMS声换能器的压电组件的方法，其中将电能储存在至少一个储能器中。压电MEMS声换能器尤其是在可听波长谱和/或超声范围内操作的MEMS扬声器和/或在可听波长谱和/或超声范围内操作的MEMS麦克风。因此，MEMS声换能器尤其可以被用于声音应用和/或超声应用。MEMS声换能器例如可用于医疗技术。然而，MEMS声换能器也可以用作扬声器和/或麦克风，特别是在诸如耳机，移动电话或平板电脑之类的移动设备中。在该方法中，电能通过至少一个传输单元在储能器和被构造为MEMS声换能器的压电组件之间作间接传送。此外，本发明涉及一种具有储能器的用于操作压电MEMS声换能器的电路，在该储能器中可以储存电能。电能借助在储能器和压电MEMS声换能器之间的至少一个传输单元来传送。此外，本发明涉及具有这种电路的集成电路。

背景技术

在DE 10 2013 109 098 A1中揭示出了一种压电驱动器，其被配置为向压电组件提供电荷，并且被配置为在压电驱动器的各种操作状态期间将电荷从压电组件转移到无源储能组件。压电驱动器还包括被配置用于压电组件与第一无源电能储存部件和第二无源电能储存部件之间的电连接的电压转换器。电压转换器被配置为从第一无源电能储存部件以及从第二无源电能储存部件向压电组件提供电荷，反之亦然。该压电驱动器的缺点在于电压转换器的低操作效能。这导致高功率损耗，其作为热量必须从电路或压电驱动器排出。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于操作被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的方法和电路，借助该方法和电路，压电MEMS声换能器可以低功率损耗来操作。

该目的通过根据独立权利要求的特征来操作被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的方法和电路来实现。

提议了一种用于操作压电组件的方法，其中电能储存在至少一个储能器中。特别是在全部以下描述中，压电组件被构造为压电MEMS声换能器。此类MEMS声换能器优选地基本上包括压电致动器和可由该致动器偏转的薄膜。MEMS声换能器优选地是在可听波长谱和/或超声范围内操作的MEMS扬声器和/或在可听波长谱和/或超声范围内操作的MEMS麦克风。MEMS声换能器优选地用于声音应用和/或超声应用，例如在医疗技术中。然而，MEMS声换能器也可以用作MEMS扬声器和/或MEMS麦克风。

电能经由至少一个传输单元在储能器和被构造为MEMS声换能器的压电组件之间作间接传送。

根据本发明，至少一个传输单元和被构造为压电MEMS声换能器的压电组件彼此并联布置。在这种情况下，其切换方式为：为了操作被构造为压电MEMS声换能器的压电组件，在第一切换状态下首先从储能器向至少一个传输单元充电。随后，在第二切换状态下，传输单元再次放电并且向被构造为压电MEMS声换能器的压电组件充电。

当被构造为压电MEMS声换能器的压电组件被电能充电时会产生偏转-即发生被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的形变。通过这种偏转或形变，例如可以产生声波。因此，被构造为压电MEMS声换能器的压电组件借助于第二切换状态被偏转。

另外或替代地，在第三切换状态下，被构造为压电MEMS声换能器的压电组件再次放电以进行电能回收，从而使至少一个传输单元充电。随后，在第四切换状态下，传输单元再次放电，并且使储能器充电。被构造为压电MEMS声换能器的压电组件在放电期间返回初始状态。通过电能回收，可以更有效地操作被构造为压电MEMS声换能器的压电组件。

有利地，在至少一个传输单元中，可以至少暂时地储存电能。

在本发明的有利的进一步改进中，电能在储能器和被构造为压电MEMS声换能器的压电组件之间逐步转移，使得电能被部分地转移。被构造为压电MEMS声换能器的压电组件可以具有通过该方法被充电到一定的最终电压的电容。通过用电能对被构造为压电MEMS声换能器的压电组件进行逐步充电也可以将电压逐渐增加到最终电压。通过逐步充电降低了被构造为压电MEMS声换能器的压电组件工作时的功率损耗。这同样适用于被构造为压电MEMS声换能器的压电元件的放电和/或电能回收。

逐步充电是以始终重复第一切换状态和第二切换状态的方式进行的，使得电能部分地在每个循环期间被充电到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件。

被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的充电是以在每个充电步骤期间，被构造为压电MEMS声换能器的压电组件处的电压被增加终端电压的恒定分数的方式来执行的。另外或替代地，电压也可以在不同的电压下增加直到最终电压。例如，被构造为压电MEMS声换能器的压电组件处的电压可以增加最终电压的1/1000，从而进行1000个充电步骤以达到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的最终电压。然后，也可以用最终电压来实现被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的预定偏转。

通过逐步充电，也可以达到比例如在储能器处提供的电压更高的电压。由于被构造为压电MEMS声换能器的压电组件处的电压与压电MEMS声换能器上的电荷成比例，并且通过充电步骤将电荷充电到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件，所以可进一步提高电压。例如，如果储能器供应的电压小于被构造为压电MEMS声换能器的压电组件处的瞬时电压，则也可以进行这种操作。因此，该方法也可以用于例如由储能器提供的较低电压产生被构造为压电MEMS声换能器的压电组件处的更高电压。

在本发明的有利的进一步改进中，为了操作被构造为压电MEMS声换能器的压电组件，在第一切换状态中，来自储能器的电能首先在第一电流路径上至少部分地传输到第一传输单元。在随后的步骤中，在第二切换状态中，电能在第一电流回路中至少部分地传送到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件。由此，由于只有第一电流路径或第一电流回路加载有电流，所以电路加载有较低的电流。在这种情况下，为了例如在1000次充电步骤中实现最终电压，相应地频繁地重复该过程。为了执行1000次充电步骤，执行1000次对至少一个传输单元充电并且随后再充电到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的循环。在这种情况下，例如，在每个充电步骤期间，被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的电压增加了最终电压的1/1000。此外，在每个充电步骤期间，相应的小电能由此通过第一传输单元从储能器传送到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件，使得所涉及的电气部件(例如导线)可以保持得较小，因为相应地充电较小的电能。此外，这种充电具有高效率，使得在完全充电过程期间几乎没有电能损失或转换成热量。

另外或替代地，为了电能回收，在第三切换状态中，被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的电能首先在第一电流回路中从被构造为压电MEMS声换能器的压电组件传送到第一传输单元，然后在第四切换状态中在第一电流路径上转移到储能器。电能回收也可以逐步进行，从而当被构造为压电MEMS声换能器的压电组件放电时，功率损耗也会降低，因为在每个放电步骤中只有少量的电能被储存回储能器。例如，这也可以在1000个步骤中执行。

在本发明的另外的改进中，通过第二传输单元在储能器和被构造为压电MEMS声换能器的压电组件之间传送电能是有利的，使得被构造为压电MEMS声换能器的压电组件被充电以进行操作和/或被放电以进行电能回收。

为了操作被构造为压电MEMS声换能器的压电组件，在第五切换状态中，来自储能器的电能首先在第二电流路径上通过至少一个第二传输单元传送到该第二传输单元。随后，在第六切换状态中，电能在至少一个第二电流回路中从第二传输单元传送到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件。

另外或替代地，为了电能回收的目的，在第七切换状态下，被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的电能首先在第二电流回路中从被构造为压电MEMS声换能器的压电组件转移到第二传输单元。在第八切换状态下，电能随后在第二电流路径上被储存在储能器中。

在这种情况下，第二传输单元的第五至第八切换状态可以描述与第一至第四切换状态相同或相似的切换状态。切换状态的计数仅被选择以区分可能的其他切换状态。实质上，第一和第五切换状态导致各个传输单元的充电。第二和第六切换状态导致电能从相应的传输单元传送到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件。第三和第七切换状态导致电能从被构造为压电MEMS声换能器的压电组件到相应的传输单元的再充电，以便回收电能。第四和第八切换状态导致电能从相应的传输单元重新充电回储能器。相关联的切换状态，例如第一和第五切换状态，可以是相同的切换状态。

通过第二传输单元，可以更灵活地执行该方法。

还有利的是，在第一传输单元经由第一电流回路向被构造为压电MEMS声换能器的压电组件进行充电期间，储能器也经由第二电流路径将电能传送到第二传输单元。

另外或替代地，有利的是，在第二电流回路中将电能从第二传输单元传送到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件期间，电能也经由第一电流路径从储能器传送到第一传输单元和/或储存于第一传输单元。

由此，可以缩短被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的充电过程，因为同时通过一个传输单元将电能转移到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件，并且相应的另一传输单元同时由储能器充电。

电能回收也可以并行进行。例如，如果电能从被构造为压电MEMS声换能器的压电组件转移到第一传输单元，则由压电组件预先储存在第二传输单元中的电能可以被传送到储能器。因此，电能回收也可以加快。

另外或替代地，来自被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的电能也可以被传送到第二传输单元，并且先前由压电组件储存在第一传输单元中的电能可以被传送到储能器。

此外，有利的是，为了补偿电能损失，增加储能器、至少第一传输单元和/或至少第二传输单元中的电能。电能损耗可以通过电源来补偿。在此，可以例如在其电能不在被传送的相应部件中增加电能。

此外，有利的是，电路包括为了形成不同的切换状态而被打开和/或关闭的多个切换单元和/或开关，其中第一电流路径、第二电流路径、第一电流回路和/或第二电流回路被中断和/或导通。由此，电能被转移到相应的部件，并且阻止电能转移到各个其他部件上。附加地或替代地，电路还可以包括布置成使得电流在一个方向上被阻挡的二极管。例如，第一电流路径具有初始不导电以使得第一电流路径被中断的切换单元。如果该切换单元是导通的，则电能可以被传送到第一电流路径。因此电能在储能器和第一传输单元之间传送。各个其它切换单元、开关和/或二极管被连接和/或布置成使得能够阻止另一个部件上的电能。例如，第一电流回路具有二极管，该二极管被布置成使得在电能在第一电流路径上被传送到第一传输单元时，阻止第一电流回路中的电流。

切换单元本身也可以包括例如二极管和/或开关。通过二极管，可以在一个方向上阻止电流，使得电流虽然可以从传输单元传送到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件，但从压电组件回流到传输单元的电流被阻挡。例如，通过开关，可以至少临时地桥接二极管，以便至少暂时地将电流传导到二极管(通过二极管的桥接)。例如，这可以在上述的例子中进行，以便将压电组件的电能充电到传输单元。

切换单元和/或开关可由控制器切换。

此外，有利的是，储能器和至少第一和/或至少第二传输单元。另外或替代地，至少一个第一和/或第二传输单元和被构造为压电MEMS声换能器的压电组件可以形成电振荡电路、特别是谐振电路。开关和/或切换单元的优选切换方式是在相应的振荡电路的电流过零点中进行切换。由此，当电能被完全充电时，开关才被切换。

此外，提供了一种用于操作被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的电路，其包括至少一个能够储存电能的储能器。此外，该电路包括压电组件。特别是在全部以下描述中，压电组件被构造为压电MEMS声换能器。此类MEMS声换能器优选地基本上包括压电致动器和可由该致动器偏转的薄膜。MEMS声换能器优选地是在可听波长谱和/或超声范围内操作的MEMS扬声器和/或在可听波长谱和/或超声范围内操作的MEMS麦克风。MEMS声换能器优选地用于声音应用和/或超声应用，例如在医疗技术中。MEMS声换能器也可以用作MEMS扬声器和/或MEMS麦克风。

此外，该电路包括至少一个传输单元，借助于该传输单元，电能可以在储能器和被构造为压电MEMS声换能器的压电组件之间传送。

根据本发明，至少一个传输单元和被构造为压电MEMS声换能器的压电组件彼此并联布置。此外，电路可以根据前述和/或后续描述的至少一个特征进行操作。由于并联连接，传输单元的充电可以与被构造为压电MEMS声换能器的压电组件无关。

例如，为了操作被构造为压电MEMS声换能器的压电组件，可以在第一切换状态中借助于并联连接来对传输单元进行充电。在该第一切换状态下，该传输单元和储能器不对被构造为压电MEMS声换能器的压电组件进行充电。仅在随后的步骤中，在第二切换状态下，电能从传输单元传送到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件。由此，可以更有效地对被构造为压电MEMS声换能器的压电组件执行充电。

在这种情况下，可以重复多次从储能器向传输单元进行充电并且传输单元随后将电能输出至压电组件的循环。切换状态的循环如下。首先，进行第一切换状态，其中传输单元由储能器充电。之后是第二切换状态，从而从传输单元向被构造为压电MEMS声换能器的压电组件充电。然后，循环在第一切换状态下再次开始，直到所有电能被充电到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件。由此，能够提高电路的效率。特别地，电路的电能损耗减小。

由此，在被构造为压电MEMS声换能器的压电组件处也可以达到比由储能器提供的电压更高的电压。通过逐步充电，允许增加被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的电荷。因此，压电组件上的电荷与压电组件的当前电压成比例。

另外或替代地，也可以在放电循环中进行电能回收。为了通过传输单元进行电能回收，电路具有第三切换状态，其中电能从被构造为压电MEMS声换能器的压电组件充电到传输单元。随后，在第四切换状态中，电能从传输单元充电到储能器中。

有利地，电路还具有引导通过第一传输单元的第一电流路径和引导通过压电组件的第三电流路径。第一电流路径和第三电流路径可以彼此独立地加载电流。由此，电能可以在第一电流路径上从储能器传送到第一传输单元。通过并联连接，可以阻止在该步骤中电能转移到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件上。随后才能将电能从第一传输单元传送到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件。由此，可以在第一步骤中在第一切换状态下首先将电能从储能器传送到第一传输单元。仅在后续步骤中在第二切换状态下，充电到第一传输单元的电能可以被传送到并联电路内或经由第一电流回路传送到压电组件。可以在多个步骤中执行首先将电能传送到第一传输单元然后传送到压电组件，从而每次只传送少量的电能。由此，可以提高电路的效率。特别是，转换为热量并且必须散逸的损耗功率减少了。因此，电路可以更经济地操作。由于电能的逐步传送，电路也可以被设计成更小或更紧密，因为在每个步骤中传送较少的电能，使得部件承受较低的负载。例如，小的电流流动，使得例如可以使导体布线更小。

例如，在第一切换状态下，可以从储能器对传输单元进行充电，其中第一电流路径在第一切换状态下导通。

例如，在第二切换状态下，可以在第一电流回路上将电能从传输单元充电到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件。为此，第一电流回路接通。此外，可以中断第一电流路径。

例如，在第三切换状态下，能够在第一电流回路中将电能从被构造为压电MEMS声换能器的压电组件充电到第一传输单元以用于电能回收。为此，第一电流回路接通。另外，可以中断第一电流路径，使得储能器中的电流被阻断。

例如，在第四切换状态下，能够在第一电流路径上将电能从第一传输单元充电到储能器以用于电能回收。在这种情况下，第一电流路径接通。此外，第一电流回路可以被中断，使得电流在被构造为压电MEMS声换能器的压电组件中被阻断。

在本发明的有利的改进中，电路包括第二传输单元，通过该第二传输单元，电能可以在储能器和被构造为压电MEMS声换能器的压电组件之间传送。电能的传送也可以在两个方向进行。可以对压电组件进行充电以进行操作。电能从储能器充电到第二传输单元并从那里转移到压电组件。可以将压电组件放电以进行电能回收。为此，电能可以从压电组件传送到第二传输单元，并从那里转移回储能器。

第二传输单元和被构造为压电MEMS声换能器的压电组件布置在并联电路中，使得第二电流路径可以通过第二传输单元并且第三电流路径可以通过压电组件彼此独立地加载电流。由此，在第一步骤中，电能可以首先被传送到第二传输单元，然后传送到压电组件。由此，被构造为压电MEMS声换能器的压电组件可以逐步充电，例如1000次，从而提高了压电组件的操作效率。

在这种情况下，例如，能够在第五切换状态下从储能器向第二传输单元充电。第二电流路径是导电的。此外，在第二电流回路中阻断电流，以阻止去往被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的电流。

例如，在第六切换状态下，能够从第二传输单元向被构造为压电MEMS声换能器的压电组件充电。在这种情况下，第二电流路径被中断，而第二电流回路导通。

例如，电能回收也可以在这里进行。例如，在第七切换状态下，来自被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的电能可以被充电到第二传输单元。此时，第二电流回路是导通的，而第二电流路径被阻断，从而阻止电流去往储能器。

例如，在第八切换状态下，电能可以由第二传输单元充电到储能器。第二电流路径是导通的。第二电流回路被阻断，使得被构造为压电MEMS声换能器的压电组件中的电流被阻断。

有利的是，第一传输单元和第二传输单元布置在并联连接中，使得第一电流路径和第二电流路径可以彼此独立地加载电流。因此，第一传输单元可以与第二传输单元分开使用以传送电能。

有利地，至少一个第一传输单元和被构造为压电MEMS声换能器的压电组件相对于彼此布置成使得形成第一电流回路。因此，第一电流回路通过第一传输单元并且通过压电组件。

另外或替代地，第二传输单元和被构造为压电MEMS声换能器的压电组件可以相对于彼此布置成使得形成第二电流回路。因此，第二电流回路通过第二传输单元并且通过压电组件。

通过第一和/或第二电流回路，当电能从第一或第二传输单元传送到被构造为压电MEMS声换能器的压电组件时，电流可以被限制到相应的电流回路上(即，电流仅形成在相应的电流回路中)。由此，例如，第一或第二电流回路外部的组件未加载电流。

有利地，第一传输单元和/或第二传输单元包括储能单元，使得电能可以储存在传输单元中。储能单元可以例如包括具有电感的线圈。电能可以在磁场中储存在线圈中。因此，当电流流过线圈并因此在第一和第二电流路径上时，线圈产生磁场。线圈可再次发出电能，从而产生电流。

此外，有利的是，储能器包括具有电容的电容器，使得电能可以被储存在其中。因此，电容器可以将电能储存在电场中并再次释放。

储能器和第一和/或第二传输单元形成电振荡电路也是有利的。另外或替代地，第一和/或第二传输单元和被构造为压电MEMS声换能器的压电组件也可以形成电振荡电路。因此，储存在电振荡电路中的电能可以在各个部件之间振荡。振荡电路可以是谐振电路，使得电能可以在没有激励的情况下振荡。

如果电路具有能够补偿电能损耗的电源也是有利的。此外，电源连接到储能器，连接到第一传输单元和/或第二传输单元，使得可以借助增加储能器、第一传输单元和/或第二传输单元中的电能来补偿电能损失。电源可以例如电连接到储能器，使得储能器中的电能可以通过电流来补偿。另外或替代地，电源也可以例如磁性地连接到传输单元。例如，如果传输单元包括线圈，则能够通过交变磁场根据变压器原理来将电能馈送到线圈中。

本发明的有利的进一步改进是电路具有控制器和多个切换单元和/或开关和/或二极管，使得可以形成相应的切换状态，其中可以通过控制器来控制切换单元和/或开关以能够中断和/或导通第一、第二、第三电流路径、第一电流回路和/或第二电流回路。由此，可以中断各个电流路径和/或电流回路中的电流。另外或替代地，也可以再次接通各个电流路径和/或电流回路。开关和/或切换单元可以例如包括晶体管，例如双极型晶体管和/或场效应晶体管。通过控制器来切换晶体管，使得例如可以产生频率为1000Hz的声音。控制器切换开关，使得被构造为压电MEMS声换能器的压电组件在1毫秒(ms)(1/1000Hz)内执行声音的一个周期。在这种情况下，压电组件在1毫秒内完全充电，并且随后放电。充电可以例如在半个周期内进行，即在0.5毫秒内进行。当以1000个步骤进行充电时，控制器以2MHz的频率切换开关。控制器还可以以更高的频率来控制开关。例如，如果要产生更高的声音频率和/或要执行更多的充电步骤，则控制器还可以以500MHz控制开关。

另外或替代地，充电也可能比被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的放电持续更长的时间。例如，充电可以是充电-放电循环的75％，放电可以是充电-放电循环的25％。

有利地，切换单元包括至少一个开关和/或可以选择性地中断两个方向和/或一个方向上的电流的二极管，使得可以控制电能流入和/或流出被构造为压电MEMS声换能器的压电组件。如果切换单元例如布置在振荡电路中并且阻止一个方向上的电流，则电流只能在一个方向上振荡。振荡电路中例如在传输单元和压电组件之间振荡的电能然后仅可以从传输单元振荡到压电组件。例如，切换单元中的二极管阻止电能再次振荡回来。为了将来自压电组件的电能再充电回到该传输单元，例如可以通过控制器来控制切换单元，以便从其中切换单元例如用二极管来在一个方向上进行阻挡的状态切换到其中切换单元在两个方向上导通电流的状态。例如，切换单元中的二极管可以例如短暂地桥接。切换单元可以布置在例如第一、第二、第三电流路径、第一和/或第二电流回路中。

此外，本发明提出了一种集成电路，其包括根据前述和/或以下描述的至少一个特征的电路。该集成电路例如可以是ASIC。

附图说明

在以下的示例性实施例中说明了本发明的其它优点。在图中：

图1是用于操作被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的电路的框图，该电路具有储能器、传输单元和被构造为压电MEMS声换能器的压电组件；

图2是用于操作被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的电路的框图，该电路具有储能器和两个传输单元；以及

图3是用于操作被构造为压电MEMS声换能器的压电组件的替换电路的框图，该电路具有储能器和两个传输单元。

具体实施方式

在以下附图中示出了被构造为压电MEMS声换能器4的压电组件。此类MEMS声换能器4优选地基本上包括压电致动器和可由该致动器偏转的薄膜。MEMS声换能器4优选地是在可听波长谱和/或超声范围内操作的MEMS扬声器和/或在可听波长谱和/或超声范围内操作的MEMS麦克风。MEMS声换能器优选地用于声音应用和/或超声应用，例如在医疗技术中。然而，MEMS声换能器也可以用作例如在诸如移动电话或平板电脑之类的移动设备中的MEMS扬声器和/或MEMS麦克风。

图1示出了用于操作具有储能器2、传输单元3和压电MEMS声换能器4的电路1的框图。压电MEMS声换能器4可以优选地用于声音应用和/或超声应用，例如在医疗技术中。然而，压电MEMS声换能器4也可用于音响***，例如耳机、扬声器和/或麦克风。

压电MEMS声换能器4具有在用电能充电期间变形的特性-即，产生压电MEMS声换能器4、特别是致动器的偏转，该致动器与薄膜耦合，该薄膜由此可被置于振动。特别地，压电MEMS声换能器或者尤其是其压电致动器在用电能充电时发生偏转。根据偏转的幅度和/或频率，可以产生具有声音振幅和/或声音频率的声波。

压电MEMS声换能器4也可以具有电容。因此，压电MEMS声换能器4由电荷充电，使得电能被储存在电场中。因此，压电MEMS声换能器4具有类似于电容器的性质。

为了提供电能给压电MEMS声换能器4，电路1具有储能器2以储存电能。

电路1还包括传输单元3，通过该传输单元3使电能可以在储能器2和压电MEMS声换能器4之间传送。电能可以在两个方向上传送。为了操作压电MEMS声换能器4，传输单元3可以将来自储能器2的电能传送到压电MEMS声换能器4，从而使压电MEMS声换能器4充电。通过对压电MEMS声换能器4进行充电来使压电MEMS声换能器4(或者其压电致动器和/或致动器结构)产生偏转，从而可以产生声波。

为了回收电能，传输单元3可以将来自压电MEMS声换能器4的电能传送返回到储能器2，从而电能再次储存在储能器2中。通过电能回收，电路可以更经济高效地运行。

此外，至少一个传输单元3和压电MEMS声换能器4布置成彼此并联连接5。通过并联连接5，使得从储能器2引导通过至少一个传输单元3的第一电流路径6以及从储能器2引导通过压电MEMS声换能器4的第三电流路径7可以彼此独立地加载电流。电流路径6、7通过接地11形成封闭回路。

通过将至少一个传输单元3和压电MEMS声换能器4并联布置，使得电能可以在第一步骤中首先被充电到传输单元3。通过并联连接5，可以阻止第三电流路径7上的电流。因此，能够在该步骤中抑制该压电MEMS声换能器4的充电。随后，通过第一电流回路8将充电到传输单元3的电能转移到压电MEMS声换能器4。有利地，可以在数个单独的步骤中对压电MEMS声换能器4进行充电。在将电能从传输单元3传送到压电MEMS声换能器4之后，电能可以在附加步骤中再次充电到传输单元3中，然后将其再次传送到已部分充电的压电MEMS声换能器4。通过各电能部分对压电MEMS声换能器4进行充电，直到所需的总电能储存在压电MEMS声换能器4上。当在压电MEMS声换能器4上达到总电能时，即达成压电MEMS声换能器4的最终偏转。由于压电MEMS声换能器4具有电容，所以可以充电到一定量的电荷。因此，压电MEMS声换能器4被充电到一定的最终电压。

在这种情况下，也可以利用该电路从由储能器2提供的电压实现压电MEMS声换能器4处的较高电压。通过逐步充电，可以逐步地增加压电MEMS声换能器4的电压，直至超过储能器2处的电压。

当压电MEMS声换能器4被充电到总电能或最终电压时，该状态可以保持一段时间，使得压电MEMS声换能器4保持偏转。此后才能回收压电MEMS声换能器4的电能。或者，也可以在达到总电能之后立即回收电能。

为了与第三电流路径7独立地向第一电流路径6加载电流，本实施例中的电路1具有两个开关9a，9b以及切换单元10。开关9a，9b可以是例如电晶体，特别是双极型晶体管和/或场效应晶体管。切换单元10还可以包括二极管和/或另一开关。通过切换单元10，可以选择性地仅在一个方向上传送电流或在两个方向上传送电流或者在两个方向上阻挡电流。

为了形成第一切换状态并且在第一步骤中将来自储能器2的电能传送到第一电流路径6上的至少一个传输单元3，两个开关9a和9b闭合以便通过电流。因此，切换单元10被切换成阻止电流通过切换单元10并且因此阻止第三电流路径7上的电流。这可以例如通过二极管来实现，该二极管阻止来自储能器2的电流进入压电MEMS声换能器4。另外或者替代地，还可以在切换单元10中布置断开的开关，使得第三电流路径7被中断。

通过开关9a和9b，来自储能器2的电能即可经由第一电流路径6传送到传输单元3。在这种情况下，传送到压电MEMS声换能器4的总电能的仅一部分能够传送到传输单元3。

如果电能已被传送到传输单元3，则开关9a被断开，使得第一电流路径6被中断。开关9b继续关闭或导通。现在可以形成第二切换状态。传送到传输单元3的电能现在可以在第一电流回路8中传送到压电MEMS声换能器4。切换单元10可以按这样的方式进行切换，使得其在至少一个方向上将电能传送到压电MEMS声换能器4。切换单元10可以包括将电能传送到压电MEMS声换能器的二极管。如果电能已从传输单元3传送到压电MEMS声换能器4，则例如可以断开开关9b，使得电流回路8被中断。另外或替代地，还可以在切换单元10中设置二极管，使得虽然电能可以传送到压电MEMS声换能器4，但是能够阻止从压电MEMS声换能器4向传输单元3充电。

可重复从储能器2到压电MEMS声换能器4的电能转移过程，直到达到压电MEMS声换能器4上的总电能或总电荷。因此，压电MEMS声换能器4的电能或电荷递增地或逐步地增加。由此，电路1中的功率损耗减小。这导致较少的余热，使得可以更紧密和更有效地形成电路1。

为了在第三切换状态下从压电MEMS声换能器4回收电能，可将开关9b闭合。开关9a断开，使得可以阻断储能器2中的电流。此外，切换单元10可以将来自压电MEMS声换能器4的电能传送到传输单元3。由此，电能再次从第一电流回路8中的压电MEMS声换能器4传送到传输单元3。如果已向传输单元3充电，则可以断开设置在切换单元10中的开关，以阻止电能回流到压电MEMS声换能器4。然而，也可以通过切换单元10中的二极管来实现电能的回流。

在第四切换状态下，能够将储存在传输单元3中的电能充电到储能器2。为此，开关9a闭合，使得第一电流路径6变为导通状态。开关9b也闭合。然后即可将电能再次充电到储能器2。

对于电能回收，可以重复第三和第四切换状态，直到完全的电能被充电回到储能器2中。

为了补偿电路1中的电能损失，电路1具有电源12，通过该电源可以补偿电能损失。在该示例实施例中，电源12可以增加储能器2中的电能，从而补偿电能损失。

图2示出了用于操作被构造为压电MEMS声换能器4的压电组件的替换电路1的框图。电路1包括被构造为压电MEMS声换能器4的压电组件、储能器2、第一传输单元3和第二传输单元13。

除了与压电MEMS声换能器4并联连接5的第一传输单元3之外，电路1还具有第二传输单元13。第二传输单元13也布置成与压电MEMS声换能器4并联连接5。此外，第二传输单元13与第一传输单元3并联。由于两个传输单元3，13和压电MEMS声换能器4的并联布置，相应组件3、4、13可以彼此独立地加载电流。第二电流路径14从储能器2引出到第二传输单元13。例如，通过第一传输单元3的电流路径6可以独立于通过第二传输单元13的第二电流路径14地加载电流。由此，可以更灵活地执行压电MEMS声换能器4的操作。

此外，第一传输单元3和第二传输单元13包括具有电感的线圈。由此，磁场形式的电能可以至少暂时地储存在传输单元3、13中。

此外，储能器2包括具有电容的电容器，在该电容器中能够以电场的形式储存电能。

在图2中，压电MEMS声换能器4被示为电容器，因为压电MEMS声换能器4基本上具有电容器的电特性。

储能器2的电容器以及压电MEMS声换能器4的电容和传输单元3、13的线圈分别彼此(当然只有成对的电容器线圈)形成电振荡电路，其中电能可以在各组件之间振荡。

为了操作压电MEMS声换能器4，储存在储能器2中的电能将逐步转移到压电MEMS声换能器4上。由于储能器2被设计为电容器，所以储能器2在其中储存有电能时具有电压。通过闭合开关9a，9b(所有开关9a-9c初始断开)，储能器2的电压可在第一电流路径6中产生电流。形成第一切换状态。此外，在电路1中设置二极管16a，二极体16a阻止第三电流路径7上的通过压电MEMS声换能器4或通过第二传输单元13的电流。这是并联连接5的优点，使得只有第一电流路径6可以独立于其它电流路径来加载电流。

由于储能器2具有电容器，并且至少一个第一传输单元3具有线圈，所以它们形成电振荡电路，使得第一电流路径6中的电能在储能器2和第一传输单元3之间振荡。振荡电路形成谐振振荡电路。

当来自储能器2的电能已被传送到传输单元3时(其中电能在线圈中存储在磁场中)，开关9a断开。结果，振荡电路被中断，使得在储能器2和第一传输单元3之间不能传送电能。开关9b保持关闭。现在形成第二切换状态。

由于开关9b仍然闭合，所以第一电流回路8闭合，使得储存在第一传输单元3或线圈中的电能可以被传送到压电MEMS声换能器4。第一传输单元3的线圈和压电MEMS声换能器4的电容也形成电振荡电路、特别是谐振电路。因此电能通过第一电流回路8中的电流从线圈传送到压电MEMS声换能器4。在这种情况下，二极管16a被定向成使得电流从传输单元3传送到压电MEMS声换能器4，但来自压电MEMS声换能器4的电流被阻挡流回到传输单元3。电能因此保存在压电MEMS声换能器4中，由此使压电MEMS声换能器4或者其致动器或者与该致动器耦合的薄膜偏转。

在这种情况下，通过上述方法仅将压电MEMS声换能器4的操作所需的总电能的一部分转移到压电MEMS声换能器4。例如，总电能的1/1000已被传送到压电MEMS声换能器4。

并联连接5的优点在于，在另一步骤中，再次闭合开关9a，电能再次从储能器2传送到第一传输单元3。再次建立第一切换状态。然而，这里还没有电能转移到压电MEMS声换能器4。当电能已传送到第一传输单元3时，开关9a断开，从而将储存在第一传输单元3中的电能传送到压电MEMS声换能器4。电路1现在又处于第二切换状态。此时，压电MEMS声换能器4的能量为总电能的两个分数值(例如2乘1/1000)。或者，双倍电荷量也可以设置在压电MEMS声换能器4上。

可以继续执行该方法，直到总电能转移到压电MEMS声换能器4，并且实现压电MEMS声换能器4期望的偏转。

为了回收储存在压电MEMS声换能器4中的电能，使得电路1能够更经济高效地***作，在该实施例中在使压电MEMS声换能器4偏转之后借助于第二传输单元13来将电能传送到储能器2。在第二传输单元13中，在该示例性实施例中也设置了线圈，使得压电MEMS声换能器4和第二传输单元13也形成尤其是谐振电路。通过闭合开关9c，闭合了第二电流回路15，使得电能从压电MEMS声换能器4传送到第二传输单元13。现在形成第七切换状态。开关9b可以被断开，使得第一电流回路8被中断以阻止电能向第一传输单元3传送。另外或替代地，二极管16a还可以阻止第一传输单元3中的电流。

当电能已被传送到第二传输单元13时，开关9c断开，使得电能经由第二电流路径14被传送回储能器2。现在形成第八切换状态。电能回收的过程也可以以多个步骤进行，使得分别仅将压电MEMS声换能器4的总电能的一部分转移到储能器2。

注意切换状态的编号。例如，第七切换状态仅描述将电能从压电MEMS声换能器4传送到第二传输单元13。编号仅被选择用来将其中电能从压电MEMS声换能器4传送到第二传输单元13的状态与其中电能从压电MEMS声换能器4传送到第一传输单元3的状态进行区分。第七切换状态并不意味着必须实现其他六个切换状态。

为了切换开关9a-9c，电路1具有控制器17，通过该控制器可以切换开关9a-9c。

期望的声波也可以通过控制器17和开关9a-9c的切换来产生。例如，应该产生频率为1000Hz的声音。因此，声音的一个周期为1毫秒(ms)(1/1000Hz)。这意味着压电MEMS声换能器4应当在例如0.5毫秒内被充电。剩余的0.5毫秒可用于电能回收。如果压电MEMS声换能器4也通过1000个充电步骤来充电，则充电步骤需要0.5微秒(μs)或500奈秒(ns)。这意味着控制器17必须以2MHz的频率切换开关9a-9c。如果执行更多的充电步骤和/或要产生具有较高频率的声音，则控制器17也可以更快地切换开关9a-9c。控制器17可例如以500MHz的频率来控制开关。

图3示出了用于操作被构造为压电MEMS声换能器4的压电组件的替换电路1的框图。除了压电MEMS声换能器4之外，该电路还包括储能器2和两个传输单元3、13。

压电MEMS声换能器4的操作可以与两个传输单元3，13并联地进行。例如，首先在第一切换状态下，来自储能器2的电能可以传送到第一传输单元3，为此，两个开关9a，9b闭合。在开关9b已经在第二切换状态下断开之后，电能在第一电流回路8中可以从第一传输单元3传送到压电MEMS声换能器4。切换单元10a设置在第一电流回路8中，并且可以例如包括二极管，藉此可以阻止电能从压电MEMS声换能器4回流到第一传输单元3。此外，切换单元10a还可以包括至少一个开关，使得第一电流回路8可以被中断。通过切换单元10a，也可以在两个方向上传导电流。

在将电能从第一传输单元3传送到压电MEMS声换能器4期间，在第五切换状态下，将电能从储能器2传送到第二传输单元13是有利的。在这种情况下，电能经由第二电流路径14流到第二传输单元13。第二电流路径14具有切换单元10c，切换单元10c可包括二极管和/或至少一个开关，使得电流在两个方向上流动、仅在一个方向上流动和/或不在任何方向上流动。因此，切换单元10c被切换，使得当电能已被充电到第二传输单元13时，能够阻止电能回流到储能器2。当电能已被充电到第二传输单元13时，在第六切换状态中，该电能可经由第二电流回路15传送到压电MEMS声换能器4。切换单元10b设置在第二电流回路15中，其可以例如包括二极管和/或至少一个开关，通过该二极管和/或开关可以阻止电能从压电MEMS声换能器4到第二传输单元13的回流。通过切换单元10b也可以在两个方向上传送电流和/或电流可以在两个方向上被阻挡。例如，当在第一切换状态下将电能从储能器2传送到第一传输单元3时，可以在第六切换状态下从第二传输单元13向压电MEMS声换能器4充电。另外或替代地，也可以在第一切换状态下将电能从储能器2传送到第一传输单元3，并且同时在第五切换状态下将电能从储能器2传送到第二传输单元13。另外或替代地，第一传输单元3和第二传输单元13可以同时将电能传送到压电MEMS声换能器4。通过并行地和/或时间偏移地将电能传送到两个传输单元3，13以及压电MEMS声换能器4，可以更快地进行电能传送。

另外或替代地，还可以并行地和/或时间偏移的方式针对电能回收进行电能的传送。例如，来自压电MEMS声换能器4的电能可以传送到两个传输单元3，13。然后可以将来自两个传输单元3，13的电能同时充电到储能器2中。因此，电能回收也可以更快地进行。

本发明不限于所示出和所描述的实施例。即使在不同的示例性实施例中示出和描述这些特征，在专利权利要求的框架中的偏离也是可能的，例如特征的组合。

附图标记列表

1 电路

2 储能器

3 第一传输单元

4 压电MEMS声换能器

5 并联连接

6 第一电流路径

7 第三电流路径

8 第一电流回路

9a，9b，9c 开关

10，10a，10b，10c 切换单元

11 接地

12 电源

13 第二传输单元

14 第二电流路径

15 第二电流回路

16a，16b 二极管

17 控制器

Claims (23)

1.一种用于操作压电MEMS声换能器（4）的方法，

其中电能被储存在至少一个储能器（2）中，

并且电能经由至少一个传输单元（3，13）在所述储能器（2）和所述压电MEMS声换能器（4）之间间接传送，

其特征在于，

所述至少一个传输单元（3，13）和所述压电MEMS声换能器（4）彼此布置在并联连接（5）中并且被切换成：

为了操作所述压电MEMS声换能器（4），在第一切换状态下，首先由所述储能器（2）对所述至少一个传输单元（3，13）进行充电，并且随后在第二切换状态下，所述传输单元（3，13）再次放电并且所述压电MEMS声换能器（4）被充电，以及

为了电能回收，在第三切换状态下，所述压电MEMS声换能器（4）再次放电并且所述至少一个传输单元（3，13）被充电，并且随后在第四切换状态下，所述传输单元（3，13）再次放电并且所述储能器（2）被充电，

所述储能器中的电能被增加以补偿电能损失，

所述电能在所述储能器(2)和所述压电MEMS声换能器(4)之间逐步转移，使得该电能的一部分被转移。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压电MEMS声换能器(4)包括在可听波长谱和/或超声范围中工作的MEMS扬声器和/或MEMS麦克风。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了操作所述压电MEMS声换能器（4），在第一切换状态下首先在第一电流路径（6）上将电能从所述储能器（2）至少部分地充电到第一传输单元（3），并且随后在第二切换状态下在第一电流回路（8）中将电能至少部分地传送到所述压电MEMS声换能器（4），和/或

为了电能回收，在第三切换状态下首先在所述第一电流回路（8）中将所述压电MEMS声换能器（4）的电能从所述压电MEMS声换能器（4）充电到所述第一传输单元（3），并且随后在第四切换状态下在所述第一电流路径（6）上将该电能传送到所述储能器（2）。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述方法中借助第二传输单元（13）来在所述储能器（2）与所述压电MEMS声换能器（4）之间传送电能，

为了操作所述压电MEMS声换能器（4），在第五切换状态下首先在至少一个第二电流路径（14）上将电能从所述储能器（2）至少部分地传送到所述第二传输单元（13），并且随后在第六切换状态下在第二电流回路（15）中将电能从所述第二传输单元（13）至少部分地传送到所述压电MEMS声换能器（4），和/或

为了电能回收，在第七切换状态下首先在所述第二电流回路（15）中将所述压电MEMS声换能器（4）的电能从所述压电MEMS声换能器（4）传送到所述第二传输单元（13），并且随后在第八切换状态下在所述第二电流路径（14）上将该电能传送到所述储能器（2）。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

在第一电流回路（8）中将电能从第一传输单元（3）传送到所述压电MEMS声换能器（4）期间，在第二电流路径（14）上将电能从所述储能器（2）传送到第二传输单元（13），和/或

在第二电流回路（15）中将电能从所述第二传输单元（13）传送到所述压电MEMS声换能器（4）期间，在第一电流路径（6）上将电能从所述储能器（2）传送到所述第一传输单元（3）。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，电路（1）包括多个切换单元（10）和/或开关（9）和/或多个二极管（16），所述切换单元（10）和/或开关（9）被断开和/或闭合并且所述二极管（16）被布置成使得能够形成不同的切换状态，其中所述第一电流路径（6）、所述第二电流路径（14）、所述第一电流回路（8）和/或所述第二电流回路（15）被中断和/或导通，以使得电能能够在所述储能器（2）、所述第一传输单元（3）、所述第二传输单元（13）和/或所述压电MEMS声换能器（4）之间传送。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述储能器(2)、所述第一传输单元(3)、所述第二传输单元(13)和/或所述压电MEMS声换能器(4)形成电振荡电路，其中所述开关(9)和/或切换单元(10)被切换成使得在相应的振荡电路的电流过零点中进行切换。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电振荡电路包括谐振电路。

9.一种用于操作压电MEMS声换能器的电路，其包括：

其中能储存电能的至少一个储能器（2），

压电MEMS声换能器（4），以及

至少一个传输单元（3，13），借助其能在所述储能器（2）与所述压电MEMS声换能器（4）之间传送电能，

其特征在于，

所述至少一个传输单元（3，13）和所述压电MEMS声换能器（4）彼此布置在并联连接（5）中并且能够用根据权利要求1-8中的任一项所述的方法来操作。

10.如权利要求9所述的电路，其特征在于，所述压电MEMS声换能器（4）包括在可听波长谱和/或超声范围中工作的MEMS扬声器和/或MEMS麦克风。

11.如权利要求9所述的电路，其特征在于，

所述电路(1)包括第一传输单元(3)，其中第一电流路径（6）延伸通过所述第一传输单元（3）并且第三电流路径（7）延伸通过所述压电MEMS声换能器（4），并且其中所述第一电流路径（6）和所述第三电流路径（7）能彼此独立地加载电流。

12.如权利要求11所述的电路，其特征在于，所述电路(1)包括第二传输单元(13)，其中第二电流路径（14）延伸通过所述第二传输单元（13）并且第三电流路径（7）延伸通过所述压电MEMS声换能器（4），并且其中所述第二电流路径（14）和所述第三电流路径（7）能彼此独立地加载电流。

13.如权利要求12所述的电路，其特征在于，所述第一传输单元(3)和所述第二传输单元(13)布置在并联连接(5)中，使得所述第一电流路径(6)和所述第二电流路径(14)能彼此独立地加载电流。

14.如权利要求12所述的电路，其特征在于，所述第一传输单元(3)和所述压电MEMS声换能器(4)彼此连接形成第一电流回路(8)和/或所述第二传输单元(13)和所述压电MEMS声换能器(4)彼此连接形成第二电流回路(15)。

15.如权利要求12所述的电路，其特征在于，所述第一传输单元(3)和/或所述第二传输单元(13)包括储能单元，以使得电能能储存在所述传输单元（3，13）中。

16.如权利要求15所述的电路，其特征在于，所述储能单元 包括具有电感的线圈。

17.如权利要求9所述的电路，其特征在于，所述储能器(2)包括具有电容的电容器，以使得在所述储能器（2）中能储存电能。

18.如权利要求12所述的电路，其特征在于，所述储能器(2)、所述第一传输单元(3)、所述第二传输单元(13)和/或所述压电MEMS声换能器(4)形成电振荡电路，使得储存在所述电振荡电路中的电能能够在各个部件之间振荡。

19.如权利要求18所述的电路，其特征在于，所述电振荡电路包括谐振电路。

20.如权利要求12所述的电路，其特征在于，所述电路(1)包括控制器(17)和多个切换单元(10)和/或开关(9)和/或二极管(16)，以使得能形成相应的切换状态，其中，所述切换单元(10)和/或开关(9)能由所述控制器(17)控制，以使得所述第一电流路径(6)、所述第二电流路径 (14)、所述第三电流路径(7)、所述第一电流回路(8)和/或所述第二电流回路(15)能被中断和/或导通，从而相应的电流路径（6，7，14）和/或电流回路（8，15）中的电流能被中断和/或导通。

21.如权利要求20所述的电路，其特征在于，所述开关（9）包括晶体管。

22.一种集成电路，所述集成电路包括根据权利要求9-21中的一项来构造的电路（1）。

23.如权利要求22所述的集成电路，其特征在于，所述集成电路包括专用集成电路ASIC。

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