TW201436447A - 壓電轉換裝置及使用該壓電轉換裝置的流量感測器 - Google Patents

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Junya Ogawa
Takashi Nakagawa
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Panasonic Corp
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Abstract

壓電轉換裝置包含：支持部；對向部，與支持部成對向；以及振動區塊，位於支持部與對向部之間，一端固定於支持部，另一端與對向部隔開。振動區塊包含：樑部，薄於支持部，受支持部自由搖擺地支持；配重部，設於樑部的前端，厚於樑部；突出部，在配重部朝向與樑部側相反側突出，薄於配重部及對向部；以及壓電轉換部，因應於樑部的振動而產生交流電壓。振動區塊翹成突出部的前端面之法線與對向部不交叉。

Description

壓電轉換裝置及使用該壓電轉換裝置的流量感測器
本發明係關於壓電轉換裝置及使用該壓電轉換裝置的流量感測器。
就壓電轉換裝置已有人提案例如圖20A及圖20B所示構成之發電裝置(例如參照日本專利公開2011-91977號公報)。以下將日本專利公開2011-91977號公報稱為文獻1。
此發電裝置包含：懸臂樑形成基板120；以及壓電轉換部124。壓電轉換部124因應於懸臂樑形成基板120之懸臂樑部122的振動而產生交流電壓。懸臂樑形成基板120具有：配重部123，配置於框狀支持部121及支持部121的內側。配重部123係經由懸臂樑部122而受支持部121自由搖擺地支持。壓電轉換部124係在懸臂樑形成基板120的一表面側形成於懸臂樑部122。
支持部121、懸臂樑部122與配重部123係使用元件形成基板120a來形成。文獻1中記載有將SOI(Silicon on Insulator，絕緣層上矽)基板等作為元件形成基板120a。
壓電轉換部124係藉由下部電極124a、壓電層124b、以及上部電極124c來構成。
習知技術中，就具有橋式電路的流量感測器而言，已知有使用加熱器的熱式流量感測器(例如參照日本專利公開2002-310762號公報)。以下將日本專利公開2002-310762號公報稱為文獻2。
文獻2中記載有一種熱式流量感測器，係將用於橋式電路的電阻器，與加熱器、電阻測溫計、溫度感測器整合到同一半導體基板上之構成。
又，習知已有人提案將藉由風力使壓電元件振動的發電機構利用作為偵測風速之感測器(例如參照日本專利公開2010-106809號公報)。以下將日本專利公開2010-106809號公報稱為文獻3。
此發電機構例如圖21所示，包含：壓電元件110；保持體140；受風翼120；連接體130。保持體140固接有壓電元件110。連接體130將受風翼120連接至壓電元件110。連接體130將受風翼120的振動運動等傳達至壓電元件110。另，發電機構係於1個保持體140分別各具有8個壓電元件110、受風翼120及連接體130。
壓電元件110係壓電雙層致動元件。壓電雙層致動元件利用2片PZT系陶瓷板以夾住不鏽鋼的墊板(shim)。
文獻3舉例顯示平均風速與生成電壓之關係，記載有「平均風速到達7m/sec左右生成電壓為增加，超過之後生成電壓則減少」之內容。
又，文獻3記載有一種壓電發電模組，例如包含：發電機構，藉由風力使壓電元件振動；蓄電機構，貯蓄該發電機構所發電的電能量；以及電路，係間歇性自蓄電機構供給電力。又，文獻3記載有無線傳送系統。無線傳送系統定為包含下述構成：無線傳送模組，係自上述的壓電發電模組供給電力，間歇性進行風速之資料傳送。又，文獻3記載有一種風速監視系統，包含：上述無線傳送模組；以及傳送訊號之接收器。
另外，熱式流量感測器必須使電流過加熱器，低耗電化很困難。
又，上述發電機構係推測：藉由產生卡門漩渦(Karman vortex)能賦予壓電元件110持續的振動。但是，上述發電機構中，在壓電元件110以外還必須具有保持體140、連接體130及受風翼120，相對於壓電元件110而言，發電機構將會大型化。因此，利用上述發電機構作為偵測風速之感測器時，難以將偵測風速之感測器小型化。
本案發明人設計：藉由流體使上述發電裝置之懸臂樑部122振動而進行發電。所以，本案發明人探討將上述發電裝置配置於流體的流道，利用流體而非外部振動來使發電裝置進行發電。
但是，上述發電裝置難以利用流體來進行發電。
所以，本發明之目的在於提供一種壓電轉換裝置及使用該壓電轉換裝置的流量感測器，能進行流體誘發振動，且達到提昇流體誘發振動時的壓電轉換效率。
本發明之壓電轉換裝置，特徵在於包含：支持部；對向部，與該支持部成對向；以及振動區塊，位於該支持部與該對向部之間。該振動區塊一端固定於該支持部，另一端與該對向部隔開。該振動區塊包含：樑部；配重部；突出部；以及壓電轉換部。樑部，薄於該支持部，受該支持部自由搖擺地支持。該配重部，設在該樑部的前端，厚於該樑部。該突出部，在該配重部朝向與該樑部側相反側突出，且薄於該配重部及該對向部。該壓電轉換部，因應於該樑部之振動而產生交流電壓。該振動區塊翹成該突出部的前端面之法線與該對向部不交叉。藉此，在本發明之壓電轉換裝置中具有能進行流體誘發振動，且達到提升流體誘發振動時的壓電轉換效率之 效果。
該壓電轉換裝置中，宜使該突出部之固有頻率大於該振動區塊之固有頻率。
該壓電轉換裝置中，宜使該對向部在與該支持部成對向的對向面和該對向部之厚度方向的一面之間設有傾斜面，該傾斜面使得該突出部與該對向部之距離加長。
該壓電轉換裝置中，宜使該對向部設有往該突出部即第1突出部側突出的第2突出部，且該第2突出部朝向與該第1突出部相反側翹曲。
該壓電轉換裝置中，宜使該振動區塊係於該配重部之厚度方向的兩面之中的離該樑部較遠之面形成有凹部。
該壓電轉換裝置中，宜使該樑部係由下述者構成：第1矽層；以及第1絕緣膜，形成於該第1矽層之厚度方向的一面側。該第1絕緣膜藉由該第1絕緣膜之壓縮應力而翹曲。該突出部該突出部係藉由下述者構成：第2矽層；以及第2絕緣膜，形成於該第2矽層之厚度方向的一面側。該第2絕緣膜藉由該第2絕緣膜之壓縮應力而翹曲。
該壓電轉換裝置中，宜使該樑部係由下述者構成：第1矽層；以及第1絕緣膜，形成於該第1矽層之厚度方向的一面側。該第1絕緣膜藉由該第1絕緣膜之壓縮應力而翹曲。該第1突出部係藉由下述者構成：第2矽層；以及第2絕緣膜，形成於該第2矽層之厚度方向的一面側。該第2絕緣膜藉由該第2絕緣膜之壓縮應力而翹曲。該第2突出部係由下述者構成：第3矽層；以及第3絕緣膜，形成於該第3矽層之厚度方向的一面側。該第3絕緣膜藉由該第3絕緣膜之拉伸應力而翹曲。
該壓電轉換裝置中，宜使該振動區塊中該振動區塊之俯視形狀係矩 形。該振動區塊中該樑部之寬度與該配重部之寬度係相同。該配重部之長度除以該配重部之長度與該樑部之長度的和所得之值係在0.4以上，0.6以下。
本發明之流量感測器，其特徵在於包含前述壓電轉換裝置；以及偵測部，偵測該壓電轉換部所產生的交流電壓。藉此，在本發明之流量感測器中，因為具有能進行流體誘發振動，且達到提升流體誘發振動時的壓電轉換效率之壓電轉換裝置，所以能達成低耗電化及小型化之效果。
該流量感測器中宜包含：無線傳送部，間歇性進行包含該偵測部之偵測結果的無線信號之傳送。
該流量感測器中，宜包含：蓄電部；以及切換電路。該蓄電部，將該壓電轉換部所產生的交流電壓加以整流並進行蓄電。該切換電路構成為可在下述狀態中進行切換：第1狀態；以及第2狀態。該第1狀態中，使該壓電轉換部與該蓄電部電性連接。該第2狀態中，使該壓電轉換部與該偵測部電性連接。該偵測部及該無線傳送部可將該蓄電部作為電源而運作。
1‧‧‧壓電轉換裝置
2‧‧‧偵測部
5‧‧‧蓄電部
6‧‧‧無線傳送部
7‧‧‧蓄電量監視部
9‧‧‧切換電路
10‧‧‧基板
10a‧‧‧矽基板
10b‧‧‧埋入氧化膜
10c‧‧‧矽層
10ca‧‧‧第1矽層
10cc‧‧‧第2矽層
10cd‧‧‧第3矽層
10d‧‧‧狹縫
10e‧‧‧傾斜面
10f‧‧‧空間
10h‧‧‧第1溝槽
10i‧‧‧第2溝槽
11‧‧‧框架部
11a‧‧‧支持部
11b‧‧‧對向部
11c‧‧‧連結部
12‧‧‧振動區塊
12a‧‧‧樑部
12b‧‧‧配重部
12bb‧‧‧凹部
12c‧‧‧突出部
12cc‧‧‧前端面
13‧‧‧第2突出部
14‧‧‧壓電轉換部
14a‧‧‧第1電極(下部電極)
14b‧‧‧壓電體層
14c‧‧‧第2電極(上部電極)
15‧‧‧流道
16a‧‧‧第1配線
16c‧‧‧第2配線
17a‧‧‧第1焊墊電極
17c‧‧‧第2焊墊電極
18a、18b、18c‧‧‧絕緣膜
18aa‧‧‧第1絕緣膜
18ac‧‧‧第2絕緣膜
18cc‧‧‧第3絕緣膜
19‧‧‧絕緣層
71‧‧‧無線接收部
72‧‧‧控制部
73‧‧‧電動機
74‧‧‧風扇
75‧‧‧運轉開關
76‧‧‧設定部
110‧‧‧壓電元件
120‧‧‧受風翼
120a‧‧‧元件形成基板
121‧‧‧支持部
122‧‧‧懸臂樑部
123‧‧‧與配重部
124‧‧‧壓電轉換部
124a‧‧‧下部電極
124b‧‧‧壓電層
124c‧‧‧上部電極
130‧‧‧連接體
140‧‧‧保持體
141‧‧‧第1壓電轉換部
142‧‧‧第2壓電轉換部
A1‧‧‧流量感測器
A2‧‧‧空調機
F1‧‧‧相關例
F2‧‧‧相關例
F3‧‧‧相關例
La‧‧‧長度
Lb‧‧‧長度
Ha‧‧‧寬度
Hb‧‧‧寬度
以下更詳細敘述本發明之較佳實施形態。本發明之其他特徵及優點可藉由以下的詳細敘述及附加圖式關聯而進一步更加理解。
圖1A係實施形態1之壓電轉換裝置的概略俯視圖。圖1B係圖1A之X-X線段概略剖視圖。
圖2A~圖2F係說明實施形態1之壓電轉換裝置的製造方法之主要步驟剖視圖。
圖3係實施形態1之壓電轉換裝置的尺寸說明圖。
圖4係關於實施形態1之壓電轉換裝置而言，振動區塊之共振頻率與流體誘發振動產生的臨界流速之關係說明圖。
圖5係實施形態1之壓電轉換裝置的振動特性圖。
圖6係實施形態1之壓電轉換裝置的振動特性圖。
圖7係實施形態1之壓電轉換裝置的振動特性圖。
圖8係顯示實施形態1之壓電轉換裝置中的配重部之比例與共振頻率之變化量的關係之模擬結果。
圖9A係實施形態1之壓電轉換裝置中的第1變形例之概略俯視圖。圖9B係圖9A之X-X線段概略剖視圖。
圖10A係實施形態1之壓電轉換裝置中的第2變形例之概略俯視圖。 圖10B係圖10A之X-X線段概略剖視圖。
圖11係實施形態1之壓電轉換裝置中的第2變形例之尺寸說明圖。
圖12係實施形態1之壓電轉換裝置中的第2變形例之振動特性圖。
圖13A係實施形態2之壓電轉換裝置的概略俯視圖。圖13B係圖13A之X-X線段概略剖視圖。
圖14係實施形態3之流量感測器的概略構成圖。
圖15係實施形態3之流量感測器的特性說明圖。
圖16係實施形態3之流量感測器的特性說明圖。
圖17係實施形態3之流量感測器中的第1變形例之概略構成圖。
圖18係實施形態3中的空調管理系統之概略構成圖。
圖19係實施形態3之流量感測器中的第2變形例之概略構成圖。
圖20A係習知例發電裝置之概略俯視圖。圖20B係圖20A的A-A’線段概略剖視圖。
圖21係示意性顯示其他習知例中的發電機構之說明圖。
【實施發明之最佳形態】
(實施形態1)
以下依據圖1來說明本實施形態的壓電轉換裝置1。
壓電轉換裝置1包含：支持部11a；對向部11b，與支持部11a成對向； 以及振動區塊12，位於支持部11a與對向部11b之間。振動區塊12係一端固定於支持部11a，另一端與對向部11b隔開。藉此，壓電轉換裝置1在振動區塊12的另一端與對向部11b之間形成有流體可通過的流道15。壓電轉換裝置1係構成為支持部11a與對向部11b之相對性位置關係不變。
振動區塊12包含：樑部12a，受支持部11a自由搖擺地支持；配重部12b，設於樑部12a的前端；突出部12c，在配重部12b朝向與樑部12a側相反側突出；以及壓電轉換部14。所以，突出部12c從配重部12b突出。振動區塊12中，由樑部12a中的支持部11a側之端來構成振動區塊12的一端(固定端)，由突出部12c中的前端來構成振動區塊12的另一端(自由端)。
樑部12a薄於支持部11a。配重部12b厚於樑部12a。又，突出部12c薄於配重部12b及對向部11b。壓電轉換部14因應於振動區塊12的樑部12a之振動而產生交流電壓。振動區塊12翹成突出部12c的前端面12cc之法線與對向部11b不交叉。藉此，壓電轉換裝置1能進行流體誘發振動，且達成提昇流體誘發振動時的壓電轉換效率。流體誘發振動係再將壓電轉換裝置1配置於流場中的狀態等，藉由在流場中流動的流體通過流道15而產生的振動區塊12之振動。此流體誘發振動係自誘發振動。就流體而言，例如有空氣、氣體、空氣與氣體的混合氣體、液體等。流體為氣體時，就流場而言，例如有空調機的供氣導管之內部，或空調機的排氣導管之內部等，並無特別限定。壓電轉換裝置1，相較於不具有配重部12b之情形而言，藉由振動區塊12具有配重部12b，可加大振動區塊12的振動時之慣性力，能加大振動區塊12的振幅。又，壓電轉換裝置1係藉由振動區塊12具有配重部12b，而能在振動區塊12振動時，將集中地使應變產生於樑部12a及壓電轉換部14，能達到提昇壓電轉換效率。又，壓電轉換裝置1藉由振動區塊12具有配重部12b，而能降低振動區塊12的共振頻率，能達到使得振動區塊12開始振動的流體之流速低速化。又，壓電轉換裝置1藉由具有對向部11b，而變得容易從在流道15流動的流體之流束引發振動區塊12之振動。
壓電轉換裝置1宜使突出部12c的固有頻率大於振動區塊12的固有頻率。藉此，壓電轉換裝置1可抑制突出部12c以配重部12b為基點，單獨進行振動，可抑制突出部12c單獨振動所引起的振動能量降低。
以下詳細說明壓電轉換裝置1的各構成要素。
壓電轉換裝置1可利用MEMS(micro electro mechanical systems，微機電系統)之製造技術來製造。
壓電轉換裝置1係由基板10來形成支持部11a、對向部11b、樑部12a、配重部12b及突出部12c。壓電轉換裝置1係於基板10的一表面側形成有樑部12a及突出部12c。基板10具有一表面與另一表面。以下將基板10的一表面亦稱為第1表面，基板10的另一表面亦稱為第2表面。
壓電轉換裝置1宜包含框狀之框架部11，其具有支持部11a與對向部11b。亦即，壓電轉換裝置1宜係由基板10來形成框架部11、樑部12a、配重部12b及突出部12c。換言之，支持部11a及對向部11b宜藉由框架部11個別的一部分來構成。藉此，壓電轉換裝置1可提高支持部11a與對向部11b之相對位置精度。又，壓電轉換裝置1可提高振動區塊12與對向部11b之相對位置精度。另，以下將框架部11之中，使支持部11a與對向部11b加以連結的2個部位均稱為連結部11c。
基板10例如可使用由形成於矽基板10a上的埋入氧化膜10b以及埋入氧化膜10b上的矽層10c所形成的SOI基板。另，埋入氧化膜10b係由氧化矽膜構成。基板10的第1表面定為(100)面，但不限於(100)面，例如亦可係(110)面。
支持部11a、對向部11b及各連結部11c可係由SOI基板之中的矽基板10a與埋入氧化膜10b及矽層10c所形成。
樑部12a係由SOI基板之中的矽層10c所形成。樑部12a的厚度尺寸小於支持部11a，具有可撓性。
突出部12c係由SOI基板之中的矽層10c所形成，厚度尺寸小於支持部11a及對向部11b。壓電轉換裝置1將突出部12c的長度設定為短於樑部12a的長度，使得突出部12c的固有頻率大於振動區塊12的固有頻率。
壓電轉換裝置1將基板10與壓電轉換部14藉由形成於基板10之第1表面側的絕緣膜18a來電性絕緣。絕緣膜18a例如可藉由氧化矽膜來構成。此氧化矽膜係藉由例如熱氧化法來形成，但不限於此，亦可藉由CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沉積)法等方式來形成。
壓電轉換裝置1係利用下者來構成樑部12a：矽層10c的一部分；形成於矽層10c之厚度方向的一面側之絕緣膜18a的一部分。在此，絕緣膜18a具有壓縮應力。所以，樑部12a係利用下述者來構成：矽層10c之中構成樑部12a的部位之第1矽層10ca；以及絕緣膜18a之中形成於第1矽層10ca之厚度方向的一面側之部位的第1絕緣膜18aa；且藉由第1絕緣膜18aa的壓縮應力而翹曲。
又，壓電轉換裝置1係利用下述者來構成突出部12c：矽層10c的一部分；以及形成於矽層10c之厚度方向的一面側之絕緣膜18a的一部分。在此，絕緣膜18a具有壓縮應力。所以，突出部12c係利用下述者來構成：矽層10c之中構成突出部12c的部位之第2矽層10cc；以及絕緣膜18a之中形成於第2矽層10cc之厚度方向的一面側之部位的第2絕緣膜18ac；且藉由第2絕緣膜18ac之壓縮應力而翹曲。
壓電轉換裝置1中，形成於基板10之第1表面側的絕緣膜18a不僅具有將基板10與壓電轉換部14電性絕緣之功能，還具有使樑部12a及突出部12c翹曲的功能。藉此，壓電轉換裝置1，比起在絕緣膜18a外另外分別於樑部12a及突出部12c形成應力控制用的薄膜之情形而言，可使製造過程 簡化。
基板10不限於SOI基板，亦可使用單晶矽基板、多晶矽基板、氧化鎂(MgO)基板、金屬基板、玻璃基板、以及聚合物基板等。
框架部11其框狀的形狀宜採用矩形框狀。亦即，框架部11宜係外周形狀為矩形。另，矩形不僅意指長方形，亦包含正方形。藉此，壓電轉換裝置1可在製造時提昇晶片切割步驟之作業性。在壓電轉換裝置1之製造時，例如首先準備SOI晶圓，作為要成為框架部11、樑部12a、配重部12b及突出部12c之基礎的晶圓。壓電轉換裝置1之製造時，進行於晶圓形成多數壓電轉換裝置1的前步驟，並在後步驟中利用晶片切割步驟來分離成各個壓電轉換裝置1。另，壓電轉換裝置1之製造方法將述於後。
框架部11的內周形狀不限於矩形，亦可係例如矩形以外的多邊形、圓形或楕圓形等形狀。另，框架部11的外周形狀亦可係矩形以外的形狀。
壓電轉換裝置1將振動區塊12配置於俯視時框架部11之內側。壓電轉換裝置1在基板10形成有於俯視時包圍振動區塊12的U字形之狹縫10d。U字形的狹縫10d係將振動區塊12中與框架部11之連結部位以外的部分，與框架部11空間性隔開。藉此，振動區塊12之俯視形狀形成為矩形。壓電轉換裝置1中，狹縫10d構成流道15。
壓電轉換部14形成於絕緣膜18a上。壓電轉換部14從樑部12a側起依序具有：第1電極(下部電極)14a、壓電體層14b、及第2電極(上部電極)14c。亦即，壓電轉換部14包含：壓電體層14b；以及第1電極14a、及第2電極14c，從厚度方向的兩側夾著壓電體層14b而成對向。
壓電轉換裝置1藉由振動區塊12之振動使得壓電轉換部14的壓電體層14b承受應力，在第2電極14c與第1電極14a產生電荷不平衡，而在壓電轉換部14中產生交流電壓。所以，壓電轉換裝置1係壓電轉換部14利 用壓電材料之壓電效果來產生交流電壓。壓電轉換裝置1可使用作為振動型的發電裝置。
壓電體層14b的平面形狀可形成為矩形。壓電體層14b的平面尺寸設定為略小於第1電極14a的平面尺寸，且略大於第2電極14c的平面尺寸。以下中，將振動區塊12之厚度方向中，第1電極14a、壓電體層14b、與第2電極14c所重疊的區域稱為壓電轉換區域。
壓電轉換裝置1在俯視時，連結支持部11a與振動區塊12的方向，將壓電轉換區域之支持部11a側的端，對齊於支持部11a與振動區塊12之邊界，即第1邊界。藉此，相較於使壓電轉換區域之支持部11a側的端位於比第1邊界更靠振動區塊12側之情形而言，壓電轉換裝置1可使振動區塊12振動時，應力變大的部分所存在之壓電轉換區域的面積增大，而能提昇壓電轉換效率。
又，壓電轉換裝置1在俯視時，連結支持部11a與振動區塊12的方向，將壓電轉換區域之配重部12b側的端，對齊樑部12a與配重部12b之邊界，即第2邊界。藉此，相較於使壓電轉換區域之配重部12b側的端位於比第2邊界更靠樑部12a側之情形而言，壓電轉換裝置1可使振動區塊12振動時，應力變大的部分所存在之壓電轉換區域的面積增大，而能提昇壓電轉換效率。
壓電轉換部14所產生的交流電壓成為因應於壓電體層14b之振動的正弦波形之交流電壓。壓電轉換裝置1的壓電轉換部14可藉由流體在流道15流動而產生的自誘發振動來發電。壓電轉換裝置1之共振頻率係由振動區塊12之結構參數及材料等來決定。
壓電轉換裝置1在支持部11a中設有第1焊墊電極17a，經由第1配線16a而電性連接於第1電極14a。壓電轉換裝置1在支持部11a中設有第2焊墊電極17c，經由第2配線16c而電性連接於第2電極14c。第1配線16a、 第2配線16c、第1焊墊電極17a及第2焊墊電極17c之材料係採用Au，但不限於Au，亦可係例如Mo、Al、Pt、Ir等。又，第1配線16a、第2配線16c、第1焊墊電極17a及第2焊墊電極17c之材料不限於相同的材料，亦可個別採用不同的材料。
又，第1配線16a、第2配線16c、第1焊墊電極17a及第2焊墊電極17c係由單層構造的金屬層來構成。但第1配線16a、第2配線16c、第1焊墊電極17a及第2焊墊電極17c並不限於由單層構造的金屬層來構成，亦可利用2層以上的多層構造來構成。
又，壓電轉換裝置1設有：絕緣層19，防止第2配線16c與第1電極14a之短路。絕緣層19係由氧化矽膜來構成。但絕緣層19不限於氧化矽膜，例如亦可由氮化矽膜來構成。
壓電體層14b之壓電材料係採用PZT(Pb(Zr，Ti)O3)。但壓電材料不限於PZT(Pb(Zr，Ti)O3)，例如亦可係PZT-PMN(Pb(Mn，Nb)O3)或添加其他不純物的PZT。又，壓電材料亦可係AlN、ZnO、KNN(K0.5Na0.5NbO3)或於KN(KNbO3)、NN(NaNbO3)、KNN添加不純物(例如Li、Nb、Ta、Sb、Cu等)者等。壓電轉換裝置1宜將壓電體層14b藉由壓電薄膜來構成。
第1電極14a之材料係採用Pt，但不限於Pt，例如亦可係Au、Al、Ir等。又，第2電極14c之材料係採用Au，但不限於Au，例如亦可係Mo、Al、Pt、Ir等。
壓電轉換裝置1設定第1電極14a之厚度為500nm、壓電體層14b之厚度為3000nm、第2電極14c之厚度為500nm，但此等數值僅係一例，並無特別限定。
壓電轉換裝置1亦可係於基板10與第1電極14a之間設置緩衝層的構造。緩衝層係用於提昇第1電極14a上的壓電體層14b之結晶性。緩衝層 之材料只要因應於壓電體層14b的壓電材料來適當選擇即可。壓電體層14b之壓電材料為PZT之情況，宜採用例如SrRuO3、(Pb，La)TiO3、PbTiO3、MgO、LaNiO3等。又，緩衝層亦可由例如Pt膜與SrRuO3膜之疊層膜來構成。另，壓電轉換裝置1藉由設置緩衝層，而能提昇壓電體層14b之結晶性。
壓電轉換裝置1之構成不限於上述例，例如亦可將沿著壓電轉換部14中的樑部12a之寬度方向(圖1A的上下方向)的方向之寬度尺寸縮小，並於1個樑部12a的一面側在上述寬度方向並排設置複數之壓電轉換部14。此時，壓電轉換裝置1可構成為將複數之壓電轉換部14之串聯電路的一端電性連接至第1焊墊電極17a，將串聯電路的另一端電性連接至第2焊墊電極17c。
以下說明壓電轉換裝置1之製造方法。
於壓電轉換裝置1的製造時，首先，準備由SOI基板所構成的基板10(參照圖2A)，其後進行第1步驟。在第1步驟中，利用熱氧化法等，於基板10的第1表面側形成由氧化矽膜所構成的絕緣膜18a，並且於基板10的另一表面，即第2表面側，形成由氧化矽膜所構成的絕緣膜18b(參照圖2B)。在第1步驟中，係採用熱氧化法來作為形成絕緣膜18a及絕緣膜18b的方法，但不限於熱氧化法，亦可採用CVD法等。
在壓電轉換裝置1之製造方法中，於第1步驟之後依序進行第2步驟、第3步驟。在第2步驟中，於基板10的第1表面側整面形成第1導電層，作為第1電極14a及第1配線16a之基礎。在第2步驟中，就形成第1導電層的方法而言係採用濺鍍法，但不限於濺鍍法，例如亦可採用CVD法或蒸鍍法等。在第3步驟中，形成作為壓電體層14b之基礎的壓電材料層。在第3步驟中形成壓電材料層的方法係採用濺鍍法，但不限於濺鍍法，例如亦可採用CVD法或溶膠凝膠法等。
在壓電轉換裝置1之製造方法中，於第3步驟之後依序進行第4步驟、第5步驟。在第4步驟中，利用微影技術及蝕刻技術，將壓電材料層圖案化成壓電體層14b之既定形狀。在第5步驟，利用微影技術及蝕刻技術，將第1導電層圖案化成第1電極14a及第1配線16a之既定形狀。
在壓電轉換裝置1之製造方法中，於第5步驟之後依序進行第6步驟、第7步驟、第8步驟。在第6步驟中，於基板10的第1表面側形成絕緣層19。在第6步驟中，利用掀離法(lift-off)來形成絕緣層19。在第6步驟中形成絕緣層19的方法不限於掀離法。在第7步驟中，於基板10的第1表面側整面形成第2導電層，作為第2電極14c及第2配線16c之基礎。在第7步驟中形成第2導電層的方法係採用濺鍍法，但不限於濺鍍法，例如亦可採用CVD法或蒸鍍法等。在第8步驟中，利用微影技術及蝕刻技術，將第2導電層圖案化成第2電極14c及第2配線16c之既定形狀(參照圖2C)。
在壓電轉換裝置1之製造方法中，於第8步驟之後依序進行第9步驟、第10步驟。在第9步驟中，於基板10的第1表面側整面形成第3導電層，作為第1焊墊電極17a及第2焊墊電極17c之基礎。在第9步驟中形成第3導電層的方法係採用濺鍍法，但不限於濺鍍法，例如亦可採用CVD法或蒸鍍法等。在第10步驟中，利用微影技術及蝕刻技術，將第3導電層圖案化成第1焊墊電極17a及第2焊墊電極17c之既定形狀。在壓電轉換裝置1之製造方法中，亦可利用掀離法來形成第1焊墊電極17a及第2焊墊電極17c，以取代依序進行的第9步驟與第10步驟。又，在壓電轉換裝置1之製造方法中，亦可利用金屬遮罩等，而藉由蒸鍍法等來形成第1焊墊電極17a及第2焊墊電極17c，以取代依序進行的第9步驟與第10步驟。
在壓電轉換裝置1之製造方法中，於第10步驟之後依序進行第11步驟、第12步驟。在第11步驟中，從基板10的第1表面側起，將狹縫10d的預定形成區域蝕刻直到第1既定深度，藉以形成第1溝槽10h(參照圖2D)。狹縫10d之預定形成區域可定為在到第10步驟結束的基板10中，對應於支持部11a、對向部11b、各連結部11c、樑部12a、配重部12b及突出 部12c之部分以外的部位。在第11步驟中，利用微影技術及蝕刻技術等，蝕刻絕緣膜18a及矽層10c，藉以形成第1溝槽10h。在第11步驟的蝕刻宜為採用可垂直深挖之感應耦合電漿型乾蝕刻裝置的乾蝕刻。在第11步驟中，可利用基板10之埋入氧化膜10b來作為蝕刻阻擋層。在第12步驟中，從基板10的第2表面側起，排除對應於支持部11a、對向部11b、各連結部11c及配重部12b的部位，蝕刻直到第2既定深度，藉以形成第2溝槽10i(參照圖2E)。在第12步驟中，利用微影技術及蝕刻技術等，蝕刻絕緣膜18b及矽基板10a，藉以形成第2溝槽10i。在第12步驟之蝕刻宜為使用可垂直深挖的感應耦合電漿型之乾蝕刻裝置的乾蝕刻。在第12步驟中，可利用基板10之埋入氧化膜10b來作為蝕刻阻擋層。壓電轉換裝置1之製造方法亦可使第11步驟與第12步驟之順序相反。
在壓電轉換裝置1之製造方法中，於第11步驟、第12步驟之後進行第13步驟。在第13步驟中，係將埋入氧化膜10b之中，分別存在於狹縫10d之預定形成區域、樑部12a之預定形成區域及突出部12c之預定形成區域的部分加以蝕刻。壓電轉換裝置1之製造方法係藉由進行第13步驟來形成狹縫10d、樑部12a及突出部12c(參照圖2F)。又，在第13步驟中蝕刻埋入氧化膜10b及絕緣膜18b。在壓電轉換裝置1之製造方法中，藉由進行從第1步驟到第13步驟為止的步驟，獲得壓電轉換裝置1。
在壓電轉換裝置1之製造中，能以晶圓層級進行到第13步驟結束為止，而後藉由進行晶片切割步驟來分割成各個壓電轉換裝置1。
在壓電轉換裝置1之製造方法中，在第13步驟藉由蝕刻埋入氧化膜10b來形成振動區塊12時，可使振動區塊12翹曲。壓電轉換裝置1藉由絕緣膜18a的內部應力，即壓縮應力，使得振動區塊12翹曲。在壓電轉換裝置1之製造方法中，可藉由於絕緣膜18a之形成時，適當設定絕緣膜18a之製程條件來控制絕緣膜18a的內部應力。絕緣膜18a的內部應力，在例如藉由熱氧化法來形成絕緣膜18a之情形，可藉由適當設定氧化溫度等製程條件來控制。又，絕緣膜18a的內部應力，在例如藉由濺鍍法或CVD法將絕緣 膜18a成膜之情形，可藉由適當設定氣壓或溫度等製程條件來控制。
壓電轉換裝置1在振動區塊12沒有外部振動或流體等作用的初始狀態下，振動區塊12翹曲成突出部12c之前端面12cc的法線與對向部11b不交叉。振動區塊12因為突出部12c翹曲，所以能使沿著突出部12c之前端面12cc的面，以及沿著與支持部11a對向的對向部11b的面相交叉。在此，振動區塊12翹曲成厚度方向的一面側為凹曲面狀，另一面側為凸曲面狀。
壓電轉換裝置1係配置成如下方式使用：當欲使振動區塊12進行流體誘發振動時，基板10的第1表面側為流體之上游側，基板10的第2表面側為流體之下游側。換言之，壓電轉換裝置1配置成如下方式使用：對向部11b之厚度方向的一面(圖1B的頂面)側為流體之上游側，對向部11b之厚度方向的另一面(圖1B的底面)側為流體之下游側。在壓電轉換裝置1中，從上游側朝向壓電轉換裝置1流動的流體通過流道15時的流速變快。壓電轉換裝置1在流體之流速變快後，配重部12b、突出部12c及對向部11b所包圍的空間10f之壓力下降，使得突出部12c往靠近對向部11b位移。換言之，壓電轉換裝置1中，突出部12c往空間10f側位移。並且，推測在此壓電轉換裝置1中，突出部12c之厚度方向的兩側之壓力差消失後，由於振動區塊12之彈性力而使得振動區塊12回到原來位置的力會起作用。推測壓電轉換裝置1藉由重複此種動作，使得振動區塊12進行自誘發振動，而在壓電轉換部14產生交流電壓。
以上說明的本實施形態之壓電轉換裝置1包含：支持部11a；對向部11b，與支持部11a成對向；以及振動區塊12，位於支持部11a與對向部11b之間，一端固定於支持部11a，另一端與對向部11b隔開。振動區塊12包含：樑部12a；配重部12b；突出部12c；以及壓電轉換部14。樑部12a薄於支持部11a，受支持部11a自由搖擺地支持。配重部12b設於樑部12a之前端，厚於樑部12a。突出部12c朝向與配重部12b中的樑部12a側之相反側突出，且薄於配重部12b及對向部11b。壓電轉換部14因應於樑部12a的振動而產生交流電壓。振動區塊12翹曲成突出部12c的前端面12cc之法 線與對向部11b不交叉。藉此，壓電轉換裝置1能進行流體誘發振動，且達到提昇流體誘發振動時之壓電轉換效率。
此外，本案發明人特地研究的結果，得知有時因為壓電轉換裝置1之結構參數使得在低流速域不會誘發振動。又，本案發明人得知，有時因為壓電轉換裝置1之結構參數，隨著流速增加之振幅增加會達到飽和，使得壓電轉換效率將會飽和。
所以，作為振動區塊12之結構參數，如圖3所示，在振動區塊12未翹曲的狀態之俯視時，假定樑部12a之寬度為Ha，配重部12b之寬度為Hb，樑部12a之長度為La，配重部12b之長度為Lb。並且，本案發明人製作複數之壓電轉換裝置1，將樑部12a之寬度Ha與配重部12b之寬度Hb定為相同，並使得將配重部12b之長度Lb除以配重部12b的長度Lb與樑部12a的長度La之和後的值再乘以100後之值不同。以下，將配重部12b之長度Lb除以配重部12b的長度Lb與樑部12a的長度La之和後的值再乘以100後之值，稱為配重部12b的比例R。圖4係集合分別對於各壓電轉換裝置1測定共振頻率及流體誘發振動的發生臨界流速之結果，顯示共振頻率與流體誘發振動的發生臨界流速之關係。流體誘發振動的發生臨界流速係意指能夠發生振動區塊12之自誘發振動的流速之下限值。
本案發明人從圖4得知，發生臨界流速與共振頻率大致呈正比例關係，為了以低流速使振動區塊12進行振動，必須降低振動區塊12之共振頻率。
圖5至圖7顯示每種配重部12b之比例R的壓電轉換裝置1之振動特性的測定結果。圖5至圖7中，橫軸為流體之流速，縱軸為振動區塊12之振幅。配重部12b之比例R在La=Lb時成為50%。
得到圖5之振動特性的壓電轉換裝置1，與得到圖6之振動特性的壓電轉換裝置1，係將樑部12a之寬度Ha及配重部12b之寬度Hb定為相同，配重部12b的長度Lb與樑部12a的長度La之和不同。得到圖6之振動特 性的壓電轉換裝置1，係La+Lb大於得到圖5之振動特性的壓電轉換裝置1者。又，得到圖7之振動特性的壓電轉換裝置1，係樑部12a之寬度Ha及配重部12b之寬度Hb短於得到圖6之振動特性的壓電轉換裝置1者，且係La+Lb大於得到圖6之振動特性的壓電轉換裝置1者。
另，在圖5中，比例R=20%、50%各者的壓電轉換裝置1之振動區塊12的共振頻率分別係200Hz、170Hz。又，在圖6中，比例R=80%、50%及0%各者的壓電轉換裝置1之振動區塊12的共振頻率分別係150Hz、200Hz及300Hz。又，在圖7中，比例R=35%、65%各者的壓電轉換裝置1之振動區塊12的共振頻率分別係，80Hz、80Hz。
從圖5至圖7可知，相對於在配重部12b之比例R為50%的壓電轉換裝置1中具有振動區塊12之振幅隨著流速增加而變大的傾向而言，比例R為0%、20%、35%、65%及80%各者的壓電轉換裝置1中具有振動區塊12的振幅隨著流速增加而飽和的傾向。就此點而言，本案發明人認為係因為在比例R為50%之壓電轉換裝置1中，可取得作為產生振動區塊12之復原力的彈性部分之樑部12a的面積，與承受流體流動所致的壓力之振動區塊12全體的面積之平衡。
圖8係顯示：配重部12b之比例R與自比例R為50%時的共振頻率的共振頻率之變化量，兩者關係之模擬結果。模擬係採用有限元素法的模態分析(固有值分析)。
圖8係：Ha=Hb；且La+Lb為固定值時的模擬結果。從圖8可知：壓電轉換裝置1在：Ha=Hb；且La+Lb為固定值，且將配重部12b之比例R定為50%時，共振頻率為最低。並且，如上述方式，為了以更低流速使振動區塊12進行振動，必須降低振動區塊12之共振頻率。換言之，壓電轉換裝置1定為：Ha=Hb；La+Lb為固定值，且將配重部12b之比例R定為50%時，若定為La=Lb，則能使流體誘發振動之發生臨界流速為最慢。又，從圖8而言，若將配重部12b的比例R定為40%以上60%以下，則共振頻 率之變化量為2%以下，配重部12b的質量之差為20%左右，樑部12a的剛性之差為20%左右，可期待與配重部12b之比例R為50%時相同程度之振動特性。
從以上結果可知，壓電轉換裝置1宜係振動區塊12之俯視形狀為矩形，樑部12a之寬度Ha與配重部12b之寬度Hb為相同，且將配重部12b之長度Lb除以配重部12b的長度Lb與樑部12a的長度La之和的值在0.4以上0.6以下。藉此，壓電轉換裝置1能達到使得流體誘發振動之發生臨界流速低速化，且能達到提昇壓電轉換效率。
本實施形態之壓電轉換裝置1的第1變形例如圖9所示，係在下述點與圖1之構成不同：於對向部11b設有傾斜面10e，將突出部12c與對向部11b之距離加長。對向部11b係在：與支持部11a成對向的對向面，和對向部11b之厚度方向的上述一面，兩者之間設有傾斜面10e。藉此，在第1變形例之壓電轉換裝置1中，因為於對向部11b設有傾斜面10e，所以能使流體流道15更有效率地流動，而能提昇從流體能量到振動區塊12之振動能量的轉換效率。所以，第1變形例之壓電轉換裝置1能提升從流體能量轉換為電能量的轉換效率。
本實施形態之壓電轉換裝置1的第2變形例如圖10所示，在下述點與圖1之構成不同：於振動區塊12中，在配重部12b之厚度方向的兩面之中遠離樑部12a的面上，形成有凹部12bb。藉此，相較於圖1之構成而言，在第2變形例之壓電轉換裝置1中可提高振動區塊12之固有頻率，而能對應於流速較快的流體能量來進行振動。另，凹部12bb之形狀並不特別限定。又，凹部12bb之數量不限定為1個，亦可係複數個。
本案發明人，就壓電轉換裝置1的第2變形例而言，如圖11所示，規定在振動區塊12未翹曲的狀態之俯視時，樑部12a之寬度為Ha，配重部12b之寬度為Hb，樑部12a的長度為La，配重部12b的長度為Lb，來作為振動區塊12之結構參數。
圖12係顯示：將樑部12a之寬度Ha及配重部12b之寬度Hb定為相同，將配重部12b之比例R定為50%時，壓電轉換裝置1之第2變形例的振動特性之測定結果。圖12中，橫軸為流體之流速，縱軸為振動區塊12之振幅。振動區塊12之共振頻率係275Hz。得到圖12之振動特性的壓電轉換裝置1之第2變形例，與得到圖5之振動特性的壓電轉換裝置1，係樑部12a之寬度Ha及配重部12b之寬度Hb相同，且La+Lb亦相同。
在第2變形例中，亦可知藉由與實施形態1之壓電轉換裝置1同樣地將配重部12b之比例R定為50%，而具有振幅隨著流速之增加而增加的傾向。從圖5至圖7及圖12的結果可知，即使共振頻率及流體誘發振動之發生臨界流速因為凹部12bb的有無而產生變化，但只要配重部12b之比例R係50%，即能使振幅隨著流速的增加而增大，而能達到提昇壓電轉換效率。
另，評估獲得上述圖4至圖7及圖12所示測定結果的振動特性時，進行使用圓筒狀風洞的實驗。風洞係內徑為0.1m，長度為2m。在實驗中，於風洞內在風洞的流出口附近配置壓電轉換裝置1，並從風洞的流入口側使用風扇使氣流流入。在此實驗中，將壓電轉換裝置1固定成：支持部11相對於流場呈垂直，並藉由雷射都卜勒振動位移計，來測定振動區塊12之振幅。又在此實驗，係藉由風扇來改變流體之流速。
第1變形例的壓電轉換裝置1中，亦可於配重部12b設置第2變形例的壓電轉換裝置1之凹部12bb。
壓電轉換裝置1在使用作為發電裝置時，例如可利用作為致動器、感測器、固態發光元件、無線通信元件與運算元件等的電源。另，就感測器而言，例如有溫度感測器、加速度感測器與壓力感測器等。就固態發光元件而言，例如有發光二極體與半導體雷射等。就運算元件而言，例如有MPU(Micro Processor Unit，微處理器單元)等。
(實施形態2)
以下根據圖13來說明本實施形態之壓電轉換裝置1。本實施形態之壓電轉換裝置1在下述各點不同：於對向部11b設有朝向突出部12c即第1突出部12c側突出的第2突出部13，第2突出部13朝向與第1突出部12c相反側翹曲。另，就與實施形態1同樣的構成要素而言，係標註同樣的符號，並省略說明。
本實施形態1之壓電轉換裝置1中，在對向部11b中形成於矽層10c上者並非實施形態1中說明之由氧化矽膜所構成的絕緣膜18a，而係由氮化矽膜所構成的絕緣膜18c。
第2突出部13係藉由下述者構成：第3矽層10cd，矽層10c之中構成第2突出部13的部位；以及第3絕緣膜18cc，絕緣膜18c之中形成於第3矽層10cd之厚度方向的一面側的部位。第2突出部13藉由第3絕緣膜18cc的內部應力即拉伸應力而翹曲。絕緣膜18c的內部應力，例如在藉由濺鍍法與CVD法使絕緣膜18c成膜時，可藉由適當設定氣壓、溫度等製程條件來控制。
在本實施形態之壓電轉換裝置1中，藉由具有上述第2突出部13，使得流體在流道15更有效率地容易流動，而能提昇從流體能量到振動區塊12之振動能量的轉換效率。所以，第1變形例之壓電轉換裝置1能提昇從流體能量轉換成電能量的轉換效率。
本實施形態之壓電轉換裝置1中，亦可於配重部12b設置實施形態1之第2變形例的壓電轉換裝置1之凹部12bb。
(實施形態3)
以下根據圖14來說明本實施形態之流量感測器A1。
流量感測器A1包含：實施形態1之壓電轉換裝置1；以及偵測部2， 偵測從壓電轉換裝置1之壓電轉換部14輸出的電信號。從壓電轉換部14輸出的電信號係壓電轉換部14所產生的交流電壓。
壓電轉換部14所產生的交流電壓成為因應於振動區塊12之振動的正弦波形交流電壓。壓電轉換裝置1係藉由在流道15通過的流體之流動所產生的突出部12c之厚度方向兩側的壓力差，以及振動區塊12之彈性，而可產生自誘發振動，並能因應於流體之流速或流量而產生峰值電壓之絕對值會變化的交流電壓。
就偵測部2中偵測的電信號而言，例如有壓電轉換部14所產生的交流電壓之峰值或頻率等。
偵測部2可藉由，例如偵測從壓電轉換部14輸出之交流電壓的峰值電壓之絕對值的峰值保持電路(峰值電壓偵測電路)、控制峰值保持電路的控制電路等來構成。峰值保持電路可構成為包含：整流電路、保持整流電路之輸出最大值的電容器、將電容器保持的電荷加以放電的重置電路、控制重置電路的控制部等。
藉此，偵測部2能間歇性偵測壓電轉換部14所產生之交流電壓的峰值電壓之絕對值。偵測部2亦可，例如藉由搭載有適當程式的微電腦等來構成控制部，控制部具有記憶表格的記憶體，該表格已將壓電轉換部14所產生的交流電壓之絕對值與流速預先相對應。
在此，壓電轉換部14所產生的交流電壓之峰值的絕對值係隨著流體之流速增加而增加。圖15係顯示由交流電壓之峰值的絕對值所構成的生成電壓與流速之相關例。在圖15中，係顯示3種壓電轉換裝置1各者的相關例F1、F2、F3。3種壓電轉換裝置1係，振動區塊12的長度尺寸相同而振動區塊12之寬度尺寸有所不同。相對上而言，相關例F1為振動區塊12之寬度尺寸較小，相關例F3為振動區塊12之寬度尺寸較大，而相關例F2係振動區塊12之寬度尺寸位於相關例F1與相關例F3中間。從圖15可知，壓 電轉換裝置1若使振動區塊12之寬度尺寸變大，則開始自誘發振動的流速變大，但有生成電壓隨著流速增加而緩慢增加的傾向。所以，壓電轉換裝置1可用於在較寬流速域偵測流速的流量感測器A1。另一方面，壓電轉換裝置1若使振動區塊12之寬度尺寸變小，則開始自誘發振動的流速變小，且具有生成電壓隨著流速增加而急遽增加的傾向。所以，壓電轉換裝置1可用於在較窄流速域偵測流速的流量感測器A1。又，壓電轉換裝置1若使振動區塊12之寬度尺寸變小，因為生成電壓發生飽和現象的流速較低，所以認為適合用於欲維持穩定的生成電壓之情形的發電用途。
又，壓電轉換部14所產生的交流電壓之頻率如圖16所示，隨著流體流速增加而減少。推測此係因為流體之流速增加後，振動區塊12的一面側之壓力增加，振動區塊12進行振動的頻率降低。流速與頻率之關係幾乎係為線性。另，壓電轉換部14所產生的交流電壓之頻率，可藉由例如電壓-頻率轉換電路來偵測。此時，偵測部2亦可為上述控制部具有記憶表格的記憶體，該表格已將壓電轉換部14所產生的交流電壓之頻率與流速預先相對應。已將交流電壓之頻率與流速預先相對應的表格，例如有利用圖16之資料者。
以上說明的流量感測器A1包含：壓電轉換裝置1，在承受流體而進行自誘發振動的振動區塊12設有壓電轉換部14；以及偵測部2，偵測從壓電轉換部14輸出的電信號。在此流量感測器A1中，因為不必將電力供給至用於感測流體的壓電轉換部14，所以相較於文獻2中記載的熱式流量感測器而言，可達到低耗電化。又，在此流量感測器A1中，因為具有於承受流體而進行自誘發振動的振動區塊12設置壓電轉換部14的壓電轉換裝置1，相較於文獻3中記載的發電機構而言，能達到小型化。藉此，流量感測器A1能達到低耗電化及小型化。又，流量感測器A1藉由達到低耗電化而能降低維護頻率及成本。
又，流量感測器A1可在壓電轉換裝置1中將通過流道15的流體之能量以高效率的方式轉換成振動區塊12之振動能量。所以，流量感測器A1 可提昇流體之流速與流量之偵測精度。
流量感測器A1亦可如圖17所示的第1變形例，構成為包含：無線傳送部6，間歇性進行含有偵測部2之偵測結果的無線信號之傳送。藉此，流量感測器A1可間歇性傳送包含偵測部2之偵測結果的無線信號。所以，流量感測器A1可使設置場所的自由度變高，提高泛用性。又，亦能在利用複數之流量感測器A1的氣流感測器中，藉由適當配置複數之流量感測器A1來調查氣流狀態的分布。另，就無線傳送部6的無線通信規格而言，可採用例如EnOcean(註冊商標)、Zigbee(註冊商標)、Bluetooth(註冊商標)、特定低功率無線電、微弱無線電、Wi-Fi(註冊商標)、UWB(Ultra Wide Band，超寬頻)等，並不特別限定。
圖18係使用流量感測器A1的空調管理系統之概略構成圖。此空調管理系統中的流量感測器A1包含：蓄電部5，將壓電轉換裝置1所產生的交流電壓加以整流並進行蓄電；以及切換電路9。
切換電路9構成為可在以下狀態中進行切換：第1狀態，使壓電轉換部14與蓄電部5電性連接；第2狀態，使壓電轉換部14與偵測部2電性連接。換言之，壓電轉換部14係連接於切換電路9，而切換電路9在以下狀態中進行切換：第1狀態，使壓電轉換部14與蓄電部5電性連接；以及第2狀態，使壓電轉換部14與偵測部2電性連接。又，偵測部2及無線傳送部6能以蓄電部5作為電源而運作。
流量感測器A1宜包含：開關元件8，設於從蓄電部5往偵測部2及無線傳送部6的電力供給途徑；以及蓄電量監視部7，監視蓄電部5的蓄電量。開關元件8，例如可藉由MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金氧半導體場效電晶體)等來構成。蓄電量監視部7具有將蓄電部5之輸出端間的電壓作為蓄電量來進行監視，並根據蓄電量與預先設定的規定值之比較結果來使開關元件8導通斷開的功能。例如，蓄電量監視部7在蓄電部5之蓄電量到達用於偵測部2及無線傳送部6之驅動的預先 設定之上述規定量後，使開關元件8導通。蓄電量監視部7在低於上述規定量述後，使開關元件8斷開。藉此，偵測部2及無線傳送部6從蓄電部5間歇性地受到電力供給而驅動。
切換電路9，例如只要蓄電量監視部7控制導通、斷開即可。在此，蓄電量監視部7只要在蓄電部5之蓄電量到達上述規定值時將切換電路9從第1狀態切換成第2狀態即可。
流量感測器A1，藉由包含切換電路9，能縮短每次蓄電部5充電時蓄電部5之蓄電量到達上述規定值為止的時間。
蓄電部5，例如可利用下述者來構成：全波整流電路，由將壓電轉換裝置1所產生的交流電壓加以整流的二極體電橋所構成；電容器，連接於全波整流電路的輸出端間。此時，流量感測器A1只要將壓電轉換裝置1的一邊之輸出端連接於全波整流電路的一邊之輸入端，將壓電轉換裝置1的另一邊之輸出端連接於全波整流電路的另一邊之輸入端，並將偵測部2與無線傳送部6連接於電容器的兩端間即可。
蓄電部5，例如可藉由全波倍電壓整流電路來構成。全波倍電壓整流電路可採用，例如將2個二極體之串聯電路與2個電容器之串聯電路並聯連接的構成。換言之，全波倍電壓整流電路可採用將2個二極體與2個電容器加以橋接的構成。蓄電部5係全波倍電壓整流電路之情形，流量感測器A1只要將壓電轉換裝置1的一邊之輸出端連接於2個二極體之串聯電路的兩二極體之連接點，並將壓電轉換裝置1的另一邊之輸出端連接於2個電容器之串聯電路中的兩電容器之連接點即可。並且，流量感測器A1只要將偵測部2與無線傳送部6連接於2個電容器之串聯電路的兩端間即可。
空調管理系統包含：流量感測器A1；以及空調機A2。流量感測器A1係配置於空調機A2之供氣導管(未圖示)或者排氣導管(未圖示)的內部。
空調機A2包含：無線接收部71，接收來自無線傳送部6的無線信號；以及控制部72，根據無線接收部71所接收的無線信號來控制風扇74之運轉狀態，以使流體之流量或流速成為目標值。藉此，因為空調管理系統包含可低耗電化及小型化的流量感測器A1，所以能達到空調管理系統全體的低耗電化。
空調機A2包含：電動機73，使風扇74旋轉；運轉開關75；控制部72，藉由控制電動機73來控制風扇74之運轉狀態；以及設定部76，根據來自遙控器的遙控信號等來設定流量或流速之目標值。空調機A2藉由使運轉開關75導通，使得控制部72驅動電動機73使風扇74旋轉。控制部72回授控制電動機73之旋轉速度以成為設定部76所設定的流量或者流速之目標值。藉此，空調管理系統可達到節能化。另，控制部72只要將構成定為，例如包含由搭載有適當程式的微電腦等所構成的控制電路、驅動電動機73的驅動電路等即可。
本實施形態之流量感測器A1的第2變形例如圖19所示，係壓電轉換裝置1之構成不同。第2變形例之流量感測器A1中的壓電轉換裝置1，就壓電轉換部14而言，包含：第1壓電轉換部141；以及第2壓電轉換部142。第1壓電轉換部141係連接於蓄電部5。第2壓電轉換部142係連接於偵測部2。
壓電轉換裝置1可採用於實施形態1所說明的壓電轉換裝置1中，沿著樑部12a之寬度方向並排設置有2個壓電轉換部14，各壓電轉換部14每者設置第1焊墊電極17a與第2焊墊電極17c的構成。此種情況，只要將一邊的壓電轉換部14定為第1壓電轉換部141、另一邊的壓電轉換部14定為第2壓電轉換部142即可。
第2變形例之流量感測器A1因為包含：第1壓電轉換部141，連接於蓄電部5；以及第2壓電轉換部142，連接於偵測部2；所以能以簡單的電路構成，利用偵測部2以偵測從壓電轉換部14輸出的電信號。
另，壓電轉換部14之數量不限於2個，亦可係3個以上，只要包含至少第1壓電轉換部141與第2壓電轉換部142各一個即可。又，流量感測器A1亦可定為將具有1個壓電轉換部14的壓電轉換裝置1，並排設置2個的構成。
上述實施形態1與實施形態2等中進行說明的各圖係示意性，各構成要素之大小或厚度各自之比不一定有反映出實物的尺寸比。
以上根據實施形態1至實施形態3等來說明本案發明之構成，但本案發明不限於實施形態1至實施形態3之構成，例如，亦可係將實施形態1至實施形態3等的部分構成加以適當組合來構成。又，記載於實施形態1至實施形態3的材料、數值等，僅係舉例顯示較佳者，不限定於此。再者，本案發明可在不脫離其技術思想的範圍內，對於構成加上適當變更。
1‧‧‧壓電轉換裝置
10‧‧‧基板
10a‧‧‧矽基板
10b‧‧‧埋入氧化膜
10c‧‧‧矽層
10ca‧‧‧第1矽層
10cc‧‧‧第2矽層
10d‧‧‧狹縫
10f‧‧‧空間
11‧‧‧框架部
11a‧‧‧支持部
11b‧‧‧對向部
11c‧‧‧連結部
12‧‧‧振動區塊
12a‧‧‧樑部
12b‧‧‧配重部
12c‧‧‧突出部
12cc‧‧‧前端面
14‧‧‧壓電轉換部
14a‧‧‧第1電極(下部電極)
14b‧‧‧壓電體層
14c‧‧‧第2電極(上部電極)
15‧‧‧流道
16a‧‧‧第1配線
16c‧‧‧第2配線
17a‧‧‧第1焊墊電極
17c‧‧‧第2焊墊電極
18a‧‧‧絕緣膜
18aa‧‧‧第1絕緣膜
18ac‧‧‧第2絕緣膜
19‧‧‧絕緣層

Claims (11)

  1. 一種壓電轉換裝置，其特徵在於包含：支持部；對向部，與該支持部成對向；以及振動區塊，位於該支持部與該對向部之間，一端固定於該支持部，另一端與該對向部隔開；且該振動區塊包含：樑部，薄於該支持部，受該支持部自由搖擺地支持；配重部，設在該樑部的前端，厚於該樑部；突出部，在該配重部朝向與該樑部側相反側突出，且薄於該配重部及該對向部；以及壓電轉換部，因應於該樑部之振動而產生交流電壓；且該振動區塊翹成該突出部的前端面之法線與該對向部不交叉。
  2. 如申請專利範圍第1項之壓電轉換裝置，其中，該突出部之固有頻率大於該振動區塊之固有頻率。
  3. 如申請專利範圍第1項之壓電轉換裝置，其中，該對向部在與該支持部成對向的對向面和該對向部之厚度方向的一面之間設有傾斜面，該傾斜面使得該突出部與該對向部之距離加長。
  4. 如申請專利範圍第1項之壓電轉換裝置，其中，該對向部設有往該突出部即第1突出部側突出的第2突出部，且該第2突出部朝向與該第1突出部相反側翹曲。
  5. 如申請專利範圍第1項之壓電轉換裝置，其中，該振動區塊係於該配重部之厚度方向的兩面之中的離該樑部較遠之面形成有凹部。
  6. 如申請專利範圍第1項之壓電轉換裝置，其中，該樑部係由下述者構成：第1矽層；以及第1絕緣膜，形成於該第1矽層之厚度方向的一面側，並具有壓縮應力；且藉由該第1絕緣膜之壓縮應力而翹曲，該突出部係藉由下述者構成：第2矽層；以及第2絕緣膜，形成於該第2矽層之厚度方向的一面側，並具有壓縮應力；且藉由該第2絕緣膜之壓縮應力而翹曲，。
  7. 如申請專利範圍第4項之壓電轉換裝置，其中，該樑部係由下述者構成：第1矽層；以及第1絕緣膜，形成於該第1矽層之厚度方向的一面側，並具有壓縮應力；且藉由該第1絕緣膜之壓縮應力而翹曲，該第1突出部係藉由下述者構成：第2矽層；以及第2絕緣膜，形成於該第2矽層之厚度方向的一面側，並具有壓縮應力；且藉由該第2絕緣膜之壓縮應力而翹曲，該第2突出部係由下述者構成：第3矽層；以及第3絕緣膜，形成於該第3矽層之厚度方向的一面側，並具有拉伸應力；且藉由該第3絕緣膜之拉伸應力而翹曲。
  8. 如申請專利範圍第1項之壓電轉換裝置，其中，該振動區塊之俯視形狀係矩形，該樑部之寬度與該配重部之寬度係相同，該配重部之長度除以該配重部之長度與該樑部之長度的和所得之值係在0.4以上，0.6以下。
  9. 一種流量感測器，其特徵在於包含：如申請專利範圍第1項記載之壓電轉換裝置；以及偵測部，偵測該壓電轉換部所產生的交流電壓。
  10. 如申請專利範圍第9項之流量感測器，其包含：無線傳送部，間歇性進行包含該偵測部之偵測結果的無線信號之傳送。
  11. 如申請專利範圍第10項之流量感測器，其包含：蓄電部，將該壓電轉換部所產生的交流電壓加以整流並進行蓄電；以及切換電路；且該切換電路構成為可在下述狀態中進行切換：第1狀態，使該壓電轉換部與該蓄電部電性連接；以及第2狀態，使該壓電轉換部與該偵測部電性連接；且該偵測部及該無線傳送部可將該蓄電部作為電源而運作。
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