TWI723582B - 做為致動器的彎曲換能器、做為感測器的彎曲換能器、及彎曲換能器系統 - Google Patents

做為致動器的彎曲換能器、做為感測器的彎曲換能器、及彎曲換能器系統 Download PDF

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Abstract

本發明描述一種做為致動器操作的彎曲換能器，其包含：一可偏轉元件；一微機電換能器，其沿著該可偏轉元件之一質心纖維延伸，該質心纖維在施加一第一電信號時在一第一方向上使該可偏轉元件偏轉；以及一第二微機電換能器，其沿著該質心纖維延伸，該質心纖維在施加一第二電信號時在與該第一方向相反之一第二方向上使該可偏轉元件偏轉；其中該質心纖維位於彼此背對之該第一及第二微機電換能器的側面之間；以及一電控制件，其經組配以視一輸入信號更改該第一電信號及該第二電信號以使得該第一電信號之一改變及該第二電信號之一改變取決於電輸入信號，且該第一及第二電信號之相位相對於彼此移位。本發明亦提出一種做為感測器操作之彎曲換能器。

Description

做為致動器的彎曲換能器、做為感測器的彎曲換能器、及彎曲換能器系統
發明領域 本發明係關於一種彎曲換能器及其做為致動器或感測器之使用及一種彎曲換能器系統。
發明背景 需要微機械裝置(MEMS)以將電信號轉換成機械效應，即在致動器之情況下，或將機械效應轉換成電信號，即在感測器之情況下。出於本申請案之目的，『效應』意謂例如，工作及相關聯偏轉或彎矩之應用。
微機電組件之電信號與機械效應(傳輸特性)之間的關係之線性經常受制於高需求。此適用於例如，在麥克風或揚聲器中使用此類微機電組件。傳輸特性之非線性不利地影響微機電組件可滿足其預期功能之精度且必須在致動器之情況下用複雜控制校正或在感測器的情況下用複雜信號處理校正。
舉例而言，微機械聲音換能器(亦即揚聲器或麥克風)之傳輸特性中之非線性導致高失真因數且必須藉由額外使用微處理器或信號處理進行校正。
總體而言，存在諸如微揚聲器之實際應用，其中所施加信號電壓之位準與由設備產生的機械效應(亦即待實行之工作)之量值之間的線性關係為至關重要。同時，輸出信號(就揚聲器而言為空氣傳聲)之光譜組成應等同於輸入信號之光譜組成，其與低失真因數相對應。線性範圍取決於振幅及頻率且應儘可能為大。就此而言，藉由改變(電)操作參數而不顯著地改變線性來更改敏感度及頻率係有必要的。出於此申請案之目的，敏感度意謂效應改變與信號改變之間的關係。具有傳輸特性之改良線性之MEMS裝置的先前設計實施方案係基於在結構有限動態範圍(相對於拉入不穩定性)且因此有限頻率範圍中具有不利高電壓要求之MEMS技術，其不適合用於移動應用。對文獻US 97 834 08 B2進行例示性參考。
WO 2095185 A1描述了如何設計具有高效能及低功耗之MEMS裝置，但並未描述改良及調整線性之可能措施。出於增加彎曲半徑或增加具有相同彎曲特性之驅動效率之目的，DE 10 2015 206 774 A1中提出由藉由中性纖維分隔開之兩個彎曲換能器組成之彎曲換能器系統。在製程中形成之空腔僅意欲對彎曲特性具有正效應。未揭露改良及調整線性之措施。
發明概要 因此，本發明之目標為提供一種彎曲換能器及其做為致動器或感測器之使用及此類彎曲換能器之系統，該彎曲換能器展示具有相同或相當效率之經改良及可調整線性。
此目標係藉由獨立請求項之標的物解決。
本申請案之核心理念為：當彎曲換能器包含具有第一微機電換能器(以下簡稱作MEMS換能器)及第二MEMS換能器之可偏轉元件時，做為致動器使用之彎曲換能器可在相當效能處提供經改良及可調整線性，該第一MEMS換能器沿著可偏轉元件之質心纖維延伸且第二MEMS換能器沿著質心纖維延伸，該質心纖維至少位於彼此背對之MEMS換能器之遠端邊緣之間或側面之間，或甚至位於MEMS換能器之間，且當將第一或第二電信號施加至第一或第二MEMS換能器時，且在視電輸入信號而執行第一及第二電信號變化時，在相反方向上使可偏轉元件偏轉，使得第一及第二電信號之相位相對於彼此移位。相移可在0.001°至240°之間(包括兩者)，或甚至在60°至200°之間(包括兩者)或180°。此實施例允許獲得將另外可能使用具有對稱控制件之三電極原理來實現而不具有效能問題的線性方面之優勢。根據本發明，藉由該控制件，可在大頻率範圍內獲得具有高動態之大線性範圍，亦即大振幅範圍。類似地，本申請案之核心理念之部分已認識到：當彎曲換能器配備有可偏轉元件時，做為感測器使用之彎曲換能器可在相當效能處獲得經改良及可調整線性，其中可偏轉元件之質心纖維再次位於第一及第二MEMS換能器的相反側之間，且在偏轉元件變形之後即刻在換能器之終端處輸出的電信號用以產生輸出信號以使得輸出信號之改變取決於在第一換能器處之第一電信號之改變與在第二換能器處之第二電信號之改變之差異。一方面，可在負載改變期間使線性最佳化，另一方面，可在特定應用調適敏感度及選擇率(在此情況下為共振頻率)以便最大化線性動態範圍(在此情況下為振幅)及線性頻帶。
根據實施例，第一及第二MEMS換能器為沿著可偏轉元件之縱向方向細分成區段之每個板電容器，且因此亦藉由在區段之間互相固定各別板電容器之電極而沿著質心纖維細分。以此方式，彎曲換能器之偏轉相對於兩個電極之間的距離可較大。質心纖維可至少位於彼此背對的MEMS換能器之側面之間，亦即彼此間隔放置的MEMS換能器之遠端電極或電極的相反側之間；或甚至MEMS換能器之遠端電極之間；或MEMS換能器之近端電極或彼此遠離的電極之相反側之間；或甚至MEMS換能器之間，亦即面朝MEMS換能器之近端電極的側面。在此等實施例中之一些中，各別板電容器之電極以交叉指方式組配於區段中，使得一個電極之投影在另一電極之對應投影之間的間隙中投影，且反之亦然。此增加效能及敏感度。
在使用做為致動器之彎曲換能器之實施例中，電驅動經配置以將第一偏壓及取決於輸入信號之第一信號部分之組合做為第一電信號施加至第一MEMS換能器，及/或將第二偏壓及取決於輸入信號之第二信號部分之組合做為第二電信號施加至第二MEMS換能器。電信號可為例如電壓或電流。做為致動器使用之彎曲換能器之MEMS換能器的控制件可由具有偏壓U0 及可變信號電壓Usignal 之兩個串接網路迴路組成。藉此，電控制件經組配以執行具有不同振幅之第一及第二電信號的改變以補償可偏轉元件上之不對稱負載。不對稱負載為例如，微機電換能器之結構不對稱及/或作用於可偏轉元件之不對稱力(諸如壓力差)。類似地，做為感測器使用之彎曲換能器可補償可偏轉元件上之不對稱負載。做為感測器使用之彎曲換能器的控制件可經組配以將偏壓施加至第一MEMS換能器及/或至第二MEMS換能器。根據實施例，彎曲換能器之偏壓以此方式設定為使得可偏轉元件之質心纖維在對可偏轉元件無外部機械影響之情況下不偏轉，且就做為致動器使用之彎曲換能器而言在無取決於輸入信號的信號部分的情況下不偏轉。
根據實施例，彎曲換能器因此設置有經組配以將偏壓施加至第一MEMS換能器及/或至第二MEMS換能器之控制件，由此可藉由在第一MEMS換能器處及/或在第二MEMS換能器處調整偏壓來調整彎曲換能器之有效彈簧剛度、及/或彎曲換能器之敏感度及/或彎曲換能器之共振頻率。MEMS換能器之有效彈簧剛度相對於其具有固定電壓或偏壓之位準的機械彈簧剛度而改變。此實施例使得調整線性成為可能。
根據實施例，做為致動器使用之彎曲換能器之電控制件具有反饋迴路以便藉由具有感測器之合適的反饋迴路(亦即在交替負載之操作期間)動態地補償不對稱負載之效應。或者，主動網路組件諸如電晶體、操作放大器等可用以調整與各別負載情況相關之電網路參數，諸如功率消耗、阻抗、電壓、電流。總體而言，反饋系統意謂傳輸特性之經動態改良線性。
根據實施例，彎曲換能器系統包含多個彎曲換能器，其中彎曲換能器與MEMS換能器之尺寸標註相匹配。換言之，可相同地組配彎曲換能器。彎曲換能器之有效彈簧剛度、及/或共振頻率及/或敏感度可經由大部分彎曲換能器之第一及/或第二MEMS換能器處的偏壓來單獨地調整。一個優勢為共振頻率或共振頻率之下的動態行為可視應用情況而經由偏壓單獨地調整。總體而言，由於每個彎曲換能器僅對特定頻帶負責，因此可實現改良的線性，且頻帶之間的效能偏差可藉由將不同數目之彎曲換能器分派至頻帶進行補償。換言之，藉由不同比例之個別偏壓控制將相同組配之彎曲換能器與個別頻帶相關聯，隨後該等彎曲換能器為對於頻帶敏感的。比例可對彎曲換能器對於一個頻帶比另一彎曲換能器對於另一頻帶更敏感/有效或較不敏感/有效進行補償。
一些實施例係關於一種具有電路的彎曲換能器系統，該電路經組配以將總輸入信號光譜地***成用於多個彎曲換能器之多個輸入信號，或光譜地合併來自多個彎曲換能器之多個輸出信號之總輸出信號。電路可部分地或完全地為控制件之一部分。總輸入信號之光譜***或輸出信號之光譜組成的一個態樣為可藉由配置若干彎曲換能器來增加微機電換能器之線性的發現。可以此方式設計配置使得個別彎曲換能器之效應相加，使得該配置之個別彎曲換能器僅在動態範圍(例如偏轉)的部分中操作。此改良總系統之線性。
一些實施例係關於一種經組配以做為致動器或做為感測器運行之彎曲換能器，及經設計以操作做為致動器或做為感測器的彎曲換能器之電路。由於同一彎曲換能器可視應用而做為感測器或做為致動器使用，故該等組配為節省空間的。
一些實施例係關於一種具有多個彎曲換能器之彎曲換能器系統，及經組配以控制做為致動器之彎曲換能器之總量的第一部分及做為感測器之彎曲換能器之總量的第二部分之電路。取決於控制信號，分成兩個子集可為靜態的或可動態地執行。可在一次時間間隔中控制彎曲換能器做為致動器及做為感測器兩者，或在第一時間間隔中做為感測器及在第二時間間隔中做為致動器，或在第一時間間隔中做為致動器及在第二時間間隔中做為感測器。感測器或致動器之數目可取決於應用區域經由靜態或動態控制信號進行調整。
較佳實施例之詳細說明 在將在下文描述本發明之實施例之前，首先解釋何種考量引導發明人至該等實施例。當然，在此等解釋之過程中，已經對下文所描述之實施例的特徵作出參考，該等特徵亦可轉移至相同實施例。
微機電組件之非線性具有源於機電結構造及其操作原理兩者，即所謂的靜態非線性，及源於裝置之動態行為，即所謂的動態非線性。動態非線性為機械及/或電設計特徵之結果。諸如互調、操作點偏移、副諧波共振之動態非線性通常為靜態非線性之結果。若現有動態非線性之校正在給定情況下完全可實行，則技術上係複雜的。
此處考慮之形式的MEMS裝置具有至少一個可變形元件。可藉由彈簧特性曲線表徵用於變形所需之力。嚴格線性傳輸行為要求所選擇操作點處之對應彈簧特性曲線在整個所選擇動態範圍內為嚴格線性的。
圖1展示可變形元件之彈簧特性曲線。若相關可變形元件為樑、板或板區段，則用於更大偏轉之相關聯彈簧特性之過程不為線性的，而是部分地或完全地漸進或遞減。或者，亦可出現組合。在第一時間間隔中遞減，在第二時間間隔中漸進。漸進或遞減彈簧特性通常產生不利的非線性傳輸特性。對於MEMS裝置之操作而言，可在對應彈簧特性曲線處選擇諸如A、B、C或D之操作點，可變形元件在特定最大振幅或動態範圍內在其周圍執行其移動。此將應用於例如在操作點A處之相對較大動態範圍。在操作點B處，用於線性操作的可能動態範圍受彈簧特性曲線之漸進或遞減過程的開始限制。選擇操作點C或D產生具有高敏感度之MEMS裝置，亦即彈簧特性曲線在此處尤其陡峭。此增加之改變在此處具有更高定量位準且因此對動態範圍具有負效應。
圖2展示基於雙電極原理之MEMS裝置。根據雙電極原理之電容操作MEMS裝置包括至少一個可變形或可移動元件，即經組配做為電極且其彈簧特性曲線在圖1中說明之所謂的轉換器或梭子1810，及另一固定反電極，即所謂的定子1820。當施加電壓1830時，電極之間所產生的靜電引力將轉換器1810朝向定子1820拉動。引力與施加電壓1830之符號無關。當做為感測器使用時，裝置在轉換器1810受機械影響時改變其電容。在此情況下，容量變化用以產生輸出信號。
圖3展示根據如圖2中所說明之雙電極原理的MEMS裝置之電信號強度或電壓與機械變形或偏轉之間的典型關係。為了根據雙電極原理操作電容式MEMS裝置，藉由施加偏壓UDC 來選擇操作點(例如A、B或C)。就做為致動器使用之彎曲換能器而言，可在此偏壓上疊加信號電壓UAC 。就做為感測器使用之彎曲換能器而言，機械動作可實現移動且在操作點周圍產生對應信號電壓。偏壓及信號電壓之絕對總和不應超出臨界電壓量，即所謂的拉入電壓Upull-in 。此臨界電壓值由以下事實定義：對於高於此限制之電壓而言，預期功能所需之機械力及電力之平衡為不穩定的且因此不相關。
操作點A要求偏壓等於零。儘管如圖1中所說明之彈簧特性曲線在此操作點處實際上為線性的，但信號電壓在不考慮其符號之情況下僅在一個方向上產生移動且因此引起強非線性傳輸行為(諸如頻率加倍)，或操作點之動態引起的移位。
操作點B使得可變形元件之移動方向之改變能夠隨著信號電壓之符號改變而改變。所分配彈簧特性曲線之過程亦使得具有所選擇之偏壓的線性傳輸行為能夠變得足夠小；然而，線性操作中之最大可能偏轉或動態範圍受具有負信號電壓之低最大可能偏轉的嚴重限制。
操作點C使得可變形元件之移動方向的改變能夠隨著信號電壓之符號改變而改變且基本上為大的動態範圍。然而，在操作點附近，相關聯之彈簧特性曲線及偏轉電壓特性兩者為強非線性。
因此，與設計相關之非線性為雙電極原理之特性是。此意謂按預期藉由裝置執行之機械移動並未按比例遵循電輸入信號。此非線性本質上僅可藉由施加時間恆定偏壓做為操作點，結合機械移動之最大可容許振幅的不利限制條件在較窄限制內縮減。又一問題為：與藉由增加恆定電偏壓或操作點之輸入信號的變化相比，裝置之有利敏感度增加對線性具有不利影響。所提及之設備之又一問題為：此處給定之非線性產生偶次諧波，其結果為藉由設備根據其預期目的實行之機械振動之零點的幾何位置動態地移位。當根據雙電極原理使用電容式MEMS裝置做為感測器時，此情況之區別亦適用類似之情況。
另外，存在基於三電極原理之電容式MEMS裝置。圖4a及圖4b說明基於三電極原理或推拉原理之MEMS裝置，其具有至少一個可移動或可變形元件或轉換器2010及一個靜止元件或定子2020。三電極配置藉由固定偏壓UB 操作及使用可變化信號電壓US 額外操作。電極配置允許電控制件2030以此方式使得轉換器2010可藉由所得靜電力經由相對於定子2020在兩個相反方向上偏轉。為了實現這一目的，定子2020及轉換器2010設置有總共至少三個具有不同功能的電極。三電極原理以其對稱設計最低限度地改良線性行為，但具有諸如拉入風險之缺點及低效能方面的缺點。
圖5展示就對稱控制而言用於基於如圖4a及4b中所說明之三電極原理之MEMS裝置的電信號強度或電壓與機械變形或偏轉之間的典型關係。在對稱控制之情況下，轉換器之靜止位置(亦即在信號電壓為零處)與電偏壓無關。在工作點處，可變形元件機械地位於靜止位置，亦即不變形。此意謂彈簧特性曲線及在操作點處及最大動態範圍之偏轉與信號電壓之間的關係之特性兩者皆為線性的。
在下文中，彎曲換能器及彎曲換能器系統之基礎結構以及其基礎操作模式將基於示意性說明描述。
圖6展示兩側上附接有活性層或MEMS換能器141b及142b之可變形或可偏轉元件1300的示意性透視圖。當將第一電信號施加至MEMS換能器141b時，可偏轉元件1300在第一方向161b上偏轉。類似地，當將第二電信號施加至MEMS換能器142b時，可偏轉元件1300在與第一方向相反之第二方向162b上偏轉。
可偏轉元件之傳輸特性之改良線性可藉由可變形元件1300之對稱組配及與對稱電控制組合的可變形元件1300上之雙壓電晶片結構141b、142b的對稱組配及對稱配置來實現。
圖7a中展示用於對稱負載1019之情況之對應實施例1020及方塊圖1010。方塊圖1010由以下三個區塊組成：對稱控制件1013、對稱MEMS換能器1016及對稱負載1019。實施例1020說明具有對稱MEMS換能器1016a、1016b之對稱可偏轉元件110n及由兩個串接網路迴路組成之對稱控制件1013a。對稱應經組配以使得總系統(由控制件、MEMS換能器及負載組成)之傳輸特性遵守對稱原理，亦即若信號電壓之符號為反向，則可變形元件之偏轉本質上為相同量，但具有相反的符號結果。
此對稱導致機械偶次諧波之抑制。對於本文所考慮之靜電換能器而言，三次諧波之振幅始終小於二次諧波之振幅。因此，對稱亦減小三次諧波之振幅。總體而言，此意謂低諧波失真(THD)，亦即顯著改良的線性。
圖7b展示圖7a中所展示之實施例的傳輸特性。對於實際操作而言，所展示之曲線之虛線分支係相關的。因此對稱之原理藉由此實施例實現。
對稱控制件1013a使用圖8中顯示的抽象化原理。7a圖中之控制件1013a在圖8中說明為兩個迴路：迴路I、迴路II。迴路I耦接至第一MEMS換能器1016a或雙壓電晶片I，且迴路II耦接至第二MEMS換能器1016b或雙壓電晶片II。迴路I及迴路II之第一及第二電信號分別地具有具備偏壓U01 或U02 及信號電壓Usignal1 或Usignal2 之串接網路迴路。在對稱之情況下，迴路I及迴路II之偏壓U01 及U02 分別地相等，且迴路I及迴路II之信號電壓Usignal1 及Usignal2 之量分別地相等，但使用相反的符號操作。
以下實例使用上述發現及考量且能夠提供具有低電壓要求及高效能之傳輸特性的經改良線性。
圖9展示做為致動器操作之彎曲換能器。用附圖標號100展示相同彎曲換能器。如在圖6中更詳細地說明，彎曲換能器100包含可偏轉元件110，及使用在圖8中所顯示之原理的電控制件120。可偏轉元件110包含與該可偏轉元件110之質心纖維130間隔開且沿著該質心纖維130延伸之第一MEMS換能器141，及與質心纖維130間隔開且沿著該質心纖維130延伸之第二MEMS換能器142。質心纖維130定義可偏轉元件110在橫向於縱向方向x之切割平面中具有質心之所有點。換言之，質心纖維定義構件中之路徑，該路徑由可偏轉元件之多個連續橫截面積之質心所產生的數個點組成或連接。另外，實例190及191展示在相反方向上與質心纖維130間隔開的兩個纖維。當將電壓Us1 之第一電信號(在圖9之實例中)施加至MEMS換能器141時，可偏轉元件110在第一方向161上偏轉。類似地，當將第二電信號(此處亦說明為電壓Us2 )施加至MEMS換能器142時，可偏轉元件110在與第一方向相反之第二方向162上偏轉。換言之，當啟動時，MEMS換能器141藉由施加電壓藉由位於質心纖維130前部之元件110之纖維190在方向161上的橫向應變及位於質心纖維130後部之纖維191在方向161上的同時收縮導致方向161上之偏轉。此係藉由在稍後描述之第一時間間隔內之控制中的相移發生的。在第二時間間隔內，另一MEMS換能器(即142)在啟動時藉由施加電壓通過纖維191之橫向應變及纖維190之收縮導致元件110在方向162上的偏轉。此處，作為實例，展示在將對應信號施加至各別MEMS換能器141、142後即發生應變之情況，但另一情況亦為可能的。如圖9中所說明，第一MEMS換能器141及第二MEMS換能器142可各自經設計為沿著根據本申請案之實施例之可偏轉元件130的縱向方向x分段之板電容器。各別板電容器141、142之電極151至154在區段邊界170處的區段169之間固定為彼此絕緣的。可在各別板電容器141、142之電極151至154之間提供間隔物層且經橫向地構造以在區段邊界170處形成間隔物，其將各別MEMS換能器之電極互相固定。若在電極151與電極152之間或在電極153與電極154之間施加電壓，則產生應變或替代地(在區段之特定組配情況下)收縮且因此產生所描述的偏轉。可在WO2012095185發現其他細節。
電控制件120經調適以視輸入信號UE 而更改第一電信號Us1 及第二電信號Us2 ，使得第一電信號Us1 之改變及第二電信號Us2 之改變取決於電輸入信號UE ，且第一電信號Us1 及第二電信號Us2 之相位相對於彼此移位，諸如藉由180°反相或藉由0.001°至240°之間(包括兩者)或在60°至200°之間的相移而相移位。
藉由可變形元件110之對稱組配之可能性使得，例如質心纖維130形成其相同對稱面，及如圖7a中有關對稱控制之說明，在與對稱電控制件相互作用之情況下，在高線性之同時實現高效率係可能的。在下文中，描述將進一步改良此目標之實現的措施。
圖10展示具有如6圖中所說明之可偏轉元件110a之做為感測器操作的彎曲換能器300，及使用在圖8中所顯示之原理的電路320。彎曲換能器300之可偏轉元件110a可經構建與圖9中之做為致動器使用的彎曲換能器100之可偏轉元件110類似，此為參考圖9之描述及使用相同附圖標號之原因。可偏轉元件110a之變形可藉由第一或第二電信號(此處再次說明為電壓Us1 、Us2 )在第一MEMS換能器141a或第二MEMS換能器142a處判定。在MEMS換能器141a、142a經組配為板電容器之情況下，產生例如在相同之電極處做為電壓之信號。電路320經組配以自第一電信號Us1 及第二電信號Us2 產生輸出信號Uout ，使得輸出信號Uout 之改變取決於第一電信號Us1 之改變與第二電信號Us2 之改變的差異。如在圖9中，可變形元件110之對稱組配之可能性使得，例如質心纖維130形成其相同對稱面，及如相對於圖7a中所說明，對稱電預連接1013a使得在高線性之同時實現高效能。在下文中，亦在操作作為感測器之彎曲換能器之當前情況下描述改良此目標之實現的措施。
在以下描述中無需特定地指出此情況，其應提及可偏轉元件110或110a可為沿著前述分段方向x在可偏轉元件之一末端處夾持的懸臂式元件(例如懸臂式樑)。在圖式中，夾持有時藉由左側之影線指示。
當按預期使用時，彎曲換能器之可變形元件110、110a受制於外部力或外部負載，其本身(諸如藉由自有重量或在微型泵中活塞移動之情況下)可能與相對於可變形元件之移動方向不對稱。圖11展示具有不對稱負載1130之對稱總系統1100之方塊圖。對稱總系統1100之方塊圖包含以下三個區塊：具有經調適對稱之控制件1110、具有經調適對稱之可變形元件1120及不對稱負載1130。
由揭露於圖9中之控制件120、可變形元件110、110a及負載組成的總系統之必要對稱可藉由換能器組配之特定調適及/或對不對稱負載1130之其電控制之調適來實現。如在圖7a中所指示之總系統之個別部分的對稱係不必要的。彎曲換能器之對稱可藉由適於不對稱負載1130 (圖11)之彎曲換能器之不對稱雙壓電晶片結構來實現，亦即(例如)圖9及圖10中之元件110、110a之對稱。除其他之外，雙壓電晶片結構141、141a、142、142a之對稱調適可藉由改變可變形元件110、110a之對稱線的兩側之間的電極厚度或電極間距來實現。圖22中揭露此實現之實例。然而，對稱調適亦可藉由調適控制件120或電路320（圖10)，例如藉由引入分配至MEMS換能器141、141a、142、142a的控制件的迴路I或迴路II或各別部分中之補償電阻抗來發生。最終，可變形元件110、110a之有效彈簧剛度k'相對於其機械彈簧剛度k隨著固定電壓U0 之位準而改變。
Figure 02_image001
系統可因此藉由在迴路I及迴路II中選擇不同固定電壓U01 及U02 調適成不對稱負載1130，亦即藉由在圖9之情況下藉由控制件120將不同偏壓施加至MEMS換能器單元141及142或在圖10之情況下藉由電路320提供不同偏壓。用於在控制件及可偏轉元件110、110a之位準處進行對稱調適的量測可經組配以使得總系統之對稱原理在實際相關限度內實現。
換言之，在圖9及圖10中，電路320及控制件120可分別地經組配以使用不同偏壓操作MEMS換能器141/141a及/或MEMS換能器142/142a，從而補償負載之不對稱以便補償可偏轉元件110/110a上的不對稱負載(例如由操作及恆定造成)。若(例如)不對稱負載導致可偏轉元件在方向162上之靜止位置中偏轉，則使用較高偏壓來操作導致相反方向上之偏轉的MEMS換能器。
與圖11形成對比，藉由合適之感測器及反饋系統，分別地對不對稱負載1130之換能器對稱之調適及/或其電控制件120及電路320之調適亦可動態地(亦即在操作期間使用交替負載）實現。藉由主動網路組件(諸如電晶體、操作放大器等)、相關電網路參數(諸如阻抗、電壓、電流)對各別負載情況進行調整。圖12展示具有反饋系統1200之對稱總系統之方塊圖。方塊圖展示三個連續區塊及一個反饋系統1240。三個區塊為：具有經動態調適對稱之控制件1210、具有經動態調適對稱之可變形元件1220及不對稱負載1230。反饋1240將不對稱負載1230鏈接至可變形元件1220及至控制件1210。
換言之，此可為量測圖9及圖10中之可偏轉元件110/110a上的不對稱負載的情況。量測可在外部進行且饋入至控制件120或至電路320，使得後者對MEMS換能器141/141a及/或MEMS換能器142/142a之偏壓或兩個偏壓之間的差進行相應地調整。亦可藉由內部感測器執行不對稱負載之量測。控制件120或電路320可經由MEMS換能器141/142之機械至電轉換自行偵測可偏轉元件上之不對稱負載。
一重要態樣為：藉由偶次諧波之對稱誘發之抑制，可防止靜止位置或操作點之動態引起的移位。當做為致動器或感測器使用時，此操作點之動態移位將以其他方式改變取決於輸入信號或刺激物之光譜組成之系統特性，且因此尤其為不利的。
藉由增加系統之線性，亦抑制副諧波共振的發生。副諧波共振通常在控制120做為具有寬頻帶信號之致動器操作的非線性彎曲換能器100時發生。其將技術上可使用之頻率範圍限制為共振頻率之分數，典型地為1/2、1/3、1/5等，此係因為控制電子器件120之輸出在頻率軸線上傳遞通過其時為實際上短路的。副諧波共振通常僅可不完全地藉由主動反饋系統1200減小，此係因為交叉調制現象亦通過非線性發生。另外，主動反饋系統1200增加系統成本。藉由不必要地增加系統阻尼或功率耗散抑制副諧波共振降低驅動效率且對移動應用尤其不利。相比之下，可變形元件之線性化係尤其有利的。
又一態樣為發現：敏感度(亦即其傳遞函數之陡度)可藉由使用控制件120及電路320以及MEMS換能器141、141a、142、142a之設計改變固定電壓U0 進行調整。敏感度與固定電壓U0 之平方成比例：
Figure 02_image003
因此，例如藉由增加固定電壓U0 ，可減小實現最大偏轉所需之信號電壓Usignal 之振幅而無任何明顯之線性損耗。
此態樣對於使用做為致動器100之彎曲換能器300而言至關重要，此係因為操作所需之電無功功率與信號電壓Usignal 之平方成比例且可藉由增加偏壓U0 大大地減小。
Figure 02_image005
高無功功率消耗在控制電子器件120中產生高電損耗且在移動應用中與彎曲換能器之使用不兼容。與先前技術(諸如電容式致動器、磁性致動器或壓電致動器)相比，此態樣具有明顯的優勢。
此態樣對於做為感測器的彎曲換能器之使用至關重要，此係因為感測器之敏感度可大大地增加且(例如)可顯著地提高用此彎曲換能器實現之麥克風的信雜比。
此態樣對於做為致動器及做為感測器的彎曲換能器之使用至關重要，此係因為通過對信號電壓振幅之良好選擇，可顯著地降低必要控制電子器件120或電路320之成本。舉例而言，電壓>12 V之CMOS電子器件之生產尤其具成本效益。信號電壓>5V符合廣泛地用於低成本電子組件之TTL標準。信號電壓>1.3 V可藉由現代信號處理器之電輸出直接地(亦即無需額外驅動器電路)控制。
可變形元件110、110a之敏感度(亦即在零處之傳遞函數之切線斜率)可藉由設計措施進行改良。此處之決定性因數為：敏感度與雙壓電晶片結構141、141a、142、142a中之可沈積之最大靜電能量之比率與在最大偏轉處在可變形元件110、110a中沈積的彈性變形能量成比例。
Figure 02_image007
此使得彎曲換能器(在其他相同情況下)將藉由增加可在雙壓電晶片結構141、141a、142、142a中沈積之最大靜電能量及/或藉由減少用於最大偏轉所需之變形能量來增加。因此，可降低調整某一敏感度所需之固定電壓U0 。
可在雙壓電晶片結構141、141a、142、142a中沈積之最大靜電能量可藉由巧妙地選擇之電極幾何及配置來增加。舉例而言，如圖19c中所展示之呈梳狀結構形式之交叉指配置可配置於電極之間。特定而言，圖19c展示MEMS換能器141(a)之電極151及152的投射如何互鎖，從而增加容量且因此亦增加可沈積靜電能量。其他MEMS換能器142/142a之展示亦相同。
可在可變形元件110/110a中沈積之最大彈性能量亦有可能藉由巧妙選擇之機械設計來減小。
舉例而言，根據支撐結構之原理，可使在偏轉期間變形之固體容積最小化。
對於其中可變形元件110、110a為懸臂式樑且其預期移動方向在晶圓平面中的彎曲換能器100、300，最大樑長度且因此最低可能共振頻率受豎直拉入限制。當垂直於移動方向之可變形元件110、110a之彈簧剛度對豎直拉入起決定性作用時，移動方向上之彈簧剛度對共振頻率起決定性作用。上文所描述的有效彈簧剛度與固定電壓U0 之間的關係主要適用於移動方向上之彈簧剛度。此發現使得藉由相對於機械判定之限度增加固定電壓來進一步減小給定可變形元件110、110a的最低可能共振頻率成為可能。
可藉由固定電壓U0 相對於機械彈簧剛度k'降低可變形元件110、110a之有效彈簧剛度k'：
Figure 02_image001
利用此知識，可實現電子可變化彎曲換能器100/300或彎曲換能器系統，其中視應用情況可經由固定電壓U0 將共振頻率或動態行為調整為共振頻率以下。
在下文中，將描述基於若干彎曲換能器之配合的一些實施例。
圖13展示包含多個彎曲換能器100a-n之彎曲換能器系統210及***電路220。數字n可為2或大於2。多個彎曲換能器100a-n中之每一者做為致動器使用且如圖9中所描述構建，但在光譜效率及敏感度方面不同。此可實現如下文所描述：在圖13中，指示藉由可偏轉元件之相互不同之尺寸標註來達成相互不同之光譜效率。***電路220單獨地耦接至彎曲換能器100a-n且經調適以將總輸入信號UE 230光譜地***成用於多個彎曲換能器100a-n之多個輸入信號UEa -UEd 240a-n，以使得每個彎曲換能器100a-n接收其敏感度及線性為高的輸入信號230之光譜部分，或適用於與各別彎曲換能器相關聯之頻帶。***電路為任選的且亦可經發射。可藉由使用如圖13中所說明之若干100a-n彎曲換能器增加線性。將100a-n彎曲換能器之機械效應相加以使得該配置之個別彎曲換能器僅可在動態範圍或偏轉之一小部分內操作。具有相當效應之單個彎曲換能器(亦即僅具有一個可變形元件且具有相同效率之配置)將需要高度之精度及量測以實現相同線性。
圖14展示具有多個彎曲換能器300a-n之彎曲換能器系統410及電路420。數字n可為2或大於2。其中每一個做為感測器操作之彎曲換能器300a-n以與圖10中之彎曲換能器相同的方式構建。電路420耦接至彎曲換能器300a-n以自多個彎曲換能器300a-n之多個輸出信號Uout,a -Uout,n 光譜地集合總輸出信號Uout 。如在圖13中，彎曲換能器之光譜效率或敏感度彼此不同，其如圖14所指示可藉由以彼此不同之標註尺寸這一事實來實現。由於每個彎曲換能器100a-n經組配以用於其敏感度及線性為高之特定光譜部分或頻帶，故可增加線性，藉此增加彎曲換能器之效應。具有相當效應之單個彎曲換能器(亦即僅具有一個可變形元件且具有相同效率之配置)將需要高度之精度及量測以實現相同線性。
圖15展示具有多個彎曲換能器730a-n之彎曲換能器系統及用於偏壓調整之電路(即720)。在圖15中以附圖標號730a-n指示彎曲換能器以指示彼等者(諸如圖13之彎曲換能器100a-n)可做為致動器使用,或做為感測器操作之彎曲換能器(諸如圖14之彎曲換能器300a-n)。與圖13及圖14不同，圖15之彎曲換能器730a-n以其尺寸沒有差別之方式來展示。然而，更改彎曲換能器730a-n之光譜效率或敏感度係可能的。此係藉由偏壓調整電路720完成。偏壓調整電路能夠單獨地調整MEMS換能器在彎曲換能器730a-n之可偏轉元件中使用其操作的前述偏壓。此調整轉而將允許彎曲換能器730a-n之光譜效率或敏感度個性化或對不同頻帶進行負責。舉例而言，除了亦在圖13及圖14之系統中的頻率分解電路220或除了組合電路400之外，亦可使用偏壓調整電路720，以在此處進行彎曲換能器之精細調整。相對而言，圖15中亦可提供電路220/420。
提供可做為感測器或致動器操作之彎曲換能器係可能的。圖16展示此彎曲換能器840。可做為感測器及/或做為致動器操作之彎曲換能器840設置有電路820，該電路820經組配以將彎曲換能器840做為感測器及/或做為致動器操作。彎曲換能器包含與圖9中之可偏轉元件110及/或圖10中之可偏轉元件110a構造相似之可偏轉元件110b，及經組配以視輸入信號Uin 而更改第一電信號Us1 及第二電信號Us2中之一者的電路830，或以自第一電信號Us1 及自第二電信號Us2 產生輸出信號Uout 。電路820與電路830耦接且經組配以將彎曲換能器840做為感測器及/或做為致動器操作。
儘管該等彎曲換能器尚未相對定義為做為致動器或感測器使用，但如圖16中代表性地描述可併入至一個系統。圖17展示此系統。
圖17展示彎曲換能器系統910及電路920。彎曲換能器系統包含多個彎曲換能器840a-n。彎曲換能器840a-n可與圖16中之彎曲換能器840構造相似且可做為致動器及/或感測器來操作。電路920單獨地耦接至彎曲換能器且經組配以使得選擇彎曲換能器之總量的第一部分做為致動器及選擇彎曲換能器之總量的第二部分做為感測器，其中子集依據控制信號S而分佈。換言之，電路920向圖16之電路830發送命令以接替充當控制電路或充當電路。
如上文已提及，所顯示之由若干彎曲換能器組成之系統能夠實現改良之線性。對若干彎曲換能器進行使用以使得其機械效應相加，使得各別配置或系統之個別彎曲換能器僅須(例如)在系統之總動態範圍之小部分內進行操作。僅配置一個可變形元件且功能相同之幾何相當的致動器將需要更高精度及更多量測。
將在下文描述彎曲換能器及可偏轉元件之其他實施例。
在圖18a-d中再次展示以懸臂式樑為基礎之基於彎曲換能器且做為致動器操作的裝置結構。在導電樑1201之兩側上施加絕緣分隔層170'以及導電材料151及154。舉例而言，絕緣分隔層170'可藉由犧牲層技術橫向地構造以使得薄空腔1304及1404在區段169中之每一者的電極1201與151之間或電極1201與154之間形成，其中可偏轉元件沿著縱向方向x分段，且絕緣間隔物170在區段邊界處保持。空腔具有介電犧牲層之厚度且因此定義電容器之板間距。若在電極1201與151之間或在電極1201與154之間施加電壓，則在靜電場之y方向上的力導致x方向上之樑之表面上的橫向應變。由於表面應變，故樑1201偏轉。若使用規則橫向幾何形狀，則表面應變近似恆定且形成球形變形輪廓。
以此方式製作電線使得將電DC電壓UB 施加至外部電極151及154，且將AC信號電壓US (諸如音訊信號)施加至中間電極或樑。外部電極151及154提供有電偏壓。AC信號電壓US 之振幅與電偏壓UB 相等或較佳地為小於電偏壓UB 。系統中之最高電勢必須以經濟合理之方式進行選擇且可符合可適用指令及標準。由於外部電極之電偏壓，樑之曲率遵循信號AC電壓US 。AC信號電壓US 之正半波導致樑1201在負y方向上彎曲。負半波導致樑1201在正y方向上彎曲。圖18a-d展示電接觸之其他變體。
圖18a展示提供有電DC電壓之各別外部電極，但相較於圖18b具有相反電位。
圖18c及圖18d展示具有內部電極之電偏壓的變體。信號電壓施加至外部電極。
代替電性施加至外部或內部電極之偏壓，做為駐極體(例如二氧化矽)之外部或內部電極的永久性極化係可能的。可使用電流源代替展示於先前圖式中之電壓源。
圖19a-c展示可偏轉元件之其他實施例或MEMS換能器之電極的替代構形，其中為清楚起見未展示控制件。繼續應用圖18a-c之附圖標號及基礎描述。
圖18a-d說明待彎曲之元件或gro或載體1201自身可充當電極。圖19a說明可能之組配，根據該組配代替地將各別板電容器之單獨的近端電極直接提供在面朝板電容器之支撐件1201的表面或上部及下部側面上。此處，152及153為內部或近端電極，以及151及154為外部或遠端電極。
電極之表面構形可如圖19b中所示意性展示進行構造。另外，不同形狀之電極(例如穹狀電極)係可能的。為了進一步增加電容器區域及因此可沈積靜電能量，梳狀電極(如圖19c中所展示)係可能的。
待彎曲之元件(例如樑)可為懸臂式或夾持在兩側上。
圖20a-c及21a-b展示可偏轉元件之其他可能實施例。此等圖式中之每一者中展示半區段169。另一半可各自為對稱形狀。彎曲換能器或可偏轉元件由(例如)以在縱向方向x上連續方式形成之偶數區段169組成。在說明中僅展示表面形貌，而未展示電極與絕緣分隔層之間的區別。
特定而言，圖20a展示各區段169形成之情況以使得經由質心纖維130彼此相對之兩個電極151及154之電極151及154藉由質心纖維130轉送而各自凸起，空間1304及1404分別地將相同空間與另一電極152及153分隔開，在質心纖維130之方向上具有近似恆定的厚度。換言之，區段169中之內部電極152及153亦遠離質心纖維130彎曲。在圖21a之情況下，內部電極152與內部電極153之間的可偏轉元件為整體地連接，亦即沒有空腔。圖21b展示圖21a之實施例的修改，其中空腔1500形成於電極152與電極153之間。圖21c展示一變化，其中內部電極152及153沒有自質心纖維130朝外凸出，而是保持與在質心纖維130平行，使得將此等電極152、153自各別遠端電極151/154分隔開之空腔1304/1404在縱向方向x上具有變化的厚度，尤其為自區段邊界170朝向區段之中心增加。
圖20a-c展示其中遠端電極151及154為多層之組配。此意謂在圖20a及20b之組配中，各區段中之可偏轉元件以此種方式組配：在遠離質心纖維130之兩個方向上在區段邊界170之間凸出(亦即朝向區段之中心變得更厚)，使得近端電極151及152亦相應地凸出。根據近端電極152及153、形成電極151之兩個層1601、1602，以及形成電極151之電極層1603及1604分別地背對質心纖維130在近端電極152及153之側面上延伸。分別在電極對1601及1602及1603及1604之間，沿著縱向方向x再次形成厚度恆定之空腔。一方面之層1601至1602以及另一方面1603及1604可提供有相同之電位。或者，將有可能將每個MEMS換能器修改為配備有三個電極152、1601及1602或153、1603及1604。圖20c展示層對1601及1602或1603及1604之間的空腔沿著縱向方向x (亦即在區段之中心處以最大程度地)可能具有變化的厚度。
圖21a及圖21b展示圖19c之組配之修改，其不同之處在於各區段中遠端電極151及154為分別地凹面地或凸面地凸出，亦即根據圖21a之凸面情況中，在區段之中心最凸出；在圖21b之情況下，最接近近端電極152及153凸出而電極151至154之投射分別地以梳狀方式嚙合或彼此投影。
與到目前為止所展示之表面構形相比，圖20a至圖21b展示之表面構形允許待沈積之能量的更大量且因此允許致動器之更大偏轉。特定而言，根據圖20a-c之遠端電極之雙電極結構及具備電極之交叉指設計之遠端電極的凹凸彎曲組配允許相對於高量可沈積能量之優勢且同時相對於適用於材料之拓樸結構以便實現最大可能之偏轉。
圖22揭露不對稱致動器100或具有不對稱組配之可偏轉元件110之彎曲換能器100 (其為懸臂式)的實施例。第一MEMS換能器之電極151及152比141第二MEMS換能器142之電極153及154更厚。此亦增加電極151與電極152之間的距離。有利地，不對稱結構導致致動器之不對稱效應。圖22因此說明可用於補償外部不對稱之結構不對稱的可能性。
因此，上述實施例使得設計在廣泛動態及頻率範圍中尤其線性地操作之本土換能器成為可能。根據實施例，僅需要適度之電壓。同時，其具有高效能位準。
上述實施例僅說明本揭露內容之原理。應理解，對本文中所描述之配置及細節的修改及變化將對熟習此項技術者顯而易見。因此，本發明意欲僅受隨附申請專利範圍之範疇限制且不受藉助於描述及解釋本文中之實施例而呈現的特定細節限制。
100、100a-n、300、300a-n、730a-n、840、840a-n、910:彎曲換能器 110、110a-n、1120、1220、1300:可偏轉元件 120、830、1013、1013a、1110、1210、2030:控制件 130、130a:質心纖維 141、141a-b、142、142a、142b、1016、1016a、1016b:微機電換能器 151、152、153、154:電極 161、161b:第一方向 162、162b:第二方向 169:區段 170:區段邊界 170':絕緣分隔層 190、191:實例 210、410、710、910:彎曲換能器系統 320、420、820、920:電路 220:***電路 1019:對稱負載 1100:總系統 1130、1230:不對稱負載 1200:反饋系統 1201:樑/電極/支撐件 1240:反饋 1304、1404:薄空腔 1500:空腔 1601、1602、1603、1604:層 1810:轉換器或梭子 1820、2020:定子 1830:電壓 2010:轉換器 UE、UEa-UEd、Uin、Uin1-Uin3、230、240a-n:輸入信號 Uout:總輸出信號 Uout,a、Uout,b、Uout,c、Uout,n:輸出信號 Upull-in:拉入電壓 US、US1、USignal、USignal1:第一電信號 US、US2、USignal、USignal2:第二電信號 U0、U01、U0a-U0n、UB:第一偏壓 U0、U02、U0a-U0n、UB:第二偏壓 x、y、z:方向
下文將參考圖式更詳細解釋本申請案之較佳實施例。其展示： 圖1     微機電裝置之可變形元件之彈簧特性曲線的圖解； 圖2     雙電極原理之示意性表示； 圖3     根據雙電極原理的致動器之偏轉與信號電壓之間的關係之圖解； 圖4a   推拉原理之變體之示意性表示； 圖4b   推拉原理之變體之示意性表示； 圖5     根據三電極原理的電信號強度與機械變形之間的關係之圖解； 圖6     兩側上附接有活性層之可變形元件之示意性表示； 圖7a   對稱總系統之方塊圖及一實施例之示意性表示； 圖7b   圖7a中所展示之實施例之傳輸特性的圖解； 圖8     控制件之抽象化原理之示意性表示； 圖9     做為致動器之彎曲換能器之示意性表示； 圖10   做為感測器之彎曲換能器之示意性表示； 圖11   負載調整之方塊圖； 圖12   動態負載調整之方塊圖； 圖13   具有光譜***電路之彎曲換能器系統之示意性表示； 圖14   具有光譜組合電路之彎曲換能器系統之示意性表示； 圖15   具有偏壓調整之彎曲換能器系統之示意性表示； 圖16   可做為致動器及/或做為感測器操作之彎曲換能器之示意性表示，其具有經組配以操作做為致動器及/或做為感測器的彎曲換能器之電路； 圖17   彎曲換能器系統之示意性表示，其包含經組配以單獨地操作做為致動器及/或做為感測器的彎曲換能器之電路； 圖18a  可在兩個方向上偏轉之對稱靜電懸臂及在外部電極處之懸臂式電偏壓的示意性表示； 圖18b 可在兩個方向上偏轉之對稱靜電懸臂及內部電極之懸臂式電偏壓的示意性表示； 圖18c  可在兩個方向上偏轉之對稱靜電懸臂及內部電極之懸臂式電偏壓的示意性表示； 圖18d 可在兩個方向上偏轉及懸臂式的對稱靜電懸臂之示意性表示； 圖19a  具有內部及外部電極之靜電可偏轉及懸臂式懸臂之橫截面的示意性表示； 圖19b 具有傾斜電極之靜電可偏轉及懸臂式懸臂之橫截面的示意性表示； 圖19c  具有梳狀電極之靜電可偏轉及懸臂式懸臂的橫截面之示意性表示； 圖20a  可偏轉元件之示意性表示，其中僅展示具有多層電極結構之一半區段； 圖20b 除圖20a以外的具有中心空腔之可偏轉元件的示意性表示； 圖20c  可偏轉元件之示意性表示，其中與圖20a形成對比，近端電極經組配為平面平行的且不凸面地膨脹； 圖21a  具有與圖19c相比用於使用凸面區段組配增加可沈積電場能量的梳狀電極之一半區段的示意性表示； 圖21b 具有與圖19c相比用於使用凹面區段組配增加可沈積電場能量的梳狀電極之一半區段的示意性表示； 圖22   具有與圖19a相比的兩個MEMS換能器之不對稱組配的懸臂式可偏轉元件之示意性表示。
141b、142b:MEMS換能器
161b:第一方向
162b:第二方向
1300:可偏轉元件

Claims (24)

  1. 一種具有可偏轉元件的做為致動器的彎曲換能器，其包含： 沿著該可偏轉元件之一質心纖維延伸的一微機電換能器，其在施加一第一電信號時在一第一方向上使該可偏轉元件偏轉，以及 沿著該質心纖維延伸的一第二微機電換能器，其在施加一第二電信號時在與該第一方向相反之一第二方向上使該可偏轉元件偏轉， 該質心纖維位於彼此背對之該第一及第二微機電換能器的側面之間，以及 一電控制件，其經組配以取決於一輸入信號而更改該第一電信號及該第二電信號，以使得該第一電信號之一改變及該第二電信號之一改變取決於電輸入信號，且該第一及第二電信號之相位相對於彼此偏移。
  2. 如請求項1之彎曲換能器，其中該第一微機電換能器及該第二微機電換能器包含沿著該可偏轉元件之一縱向方向分段的一板電容器。
  3. 如請求項2之彎曲換能器，其中該第一及第二板電容器之電極經組配為交叉指型。
  4. 如請求項2之彎曲換能器，其中該電控制件經組配以將做為該第一電信號之一第一偏壓及取決於該輸入信號之一第一信號部分的一組合施加至該第一微機電換能器，及/或將做為該第二電信號之一第二偏壓及取決於該輸入信號之一第二信號部分之一組合施加至該第二微機電換能器。
  5. 如請求項4之彎曲換能器，其中該第一偏壓及/或該第二偏壓經調整使得該可偏轉元件之該質心纖維在無取決於該輸入信號之信號部分及對於該可偏轉元件無外部機械影響之情況下不偏轉。
  6. 如請求項4或5之彎曲換能器，其中該電控制件經組配使得該彎曲換能器之彈簧剛度及/或該彎曲換能器之敏感度及/或該彎曲換能器之共振頻率可藉由調整在該第一微機電換能器及/或在該第二微機電換能器處之偏壓來調整。
  7. 如請求項1之彎曲換能器，其中該電控制件經組配以用不同振幅執行該第一及第二電信號之改變，從而補償該可偏轉元件上的不對稱負載。
  8. 如請求項7之彎曲換能器，其中該不對稱負載為該微機電換能器之一結構不對稱性及/或作用於該可偏轉元件上之一不對稱力。
  9. 如請求項7或8之彎曲換能器，其中該電控制件包含用於動態地補償該不對稱負載之效應的一反饋迴路。
  10. 一種彎曲換能器系統，其包含多個如請求項1之彎曲換能器，其中該等彎曲換能器與相對於該等微機電換能器的一尺寸標註相匹配，其中該等多個彎曲換能器之彈簧剛度及/或共振頻率及/或靈敏度可經由該第一及/或第二微機電彎曲換能器的一偏壓單獨地調整。
  11. 一種彎曲換能器系統，其包含多個如請求項1之彎曲換能器及一***電路，該***電路經組配以將一總輸入信號光譜地***成用於該多個彎曲換能器之多個輸入信號。
  12. 一種具有可偏轉元件的做為感測器的彎曲換能器，其包含： 一第一微機電換能器，其沿著該可偏轉元件之一質心纖維延伸，在該第一微機電換能器之末端處可根據該可偏轉元件之一變形判定一第一電信號， 一第二微機電換能器，其沿著該可偏轉元件之一質心纖維延伸，在該第二微機電換能器之末端處可根據該可偏轉元件之該變形判定一第二電信號, 該質心纖維位於彼此背對之該第一及第二微機電換能器的側面之間，以及 一電氣電路，其經組配以自該第一電信號及該第二電信號產生一輸出信號，使得該輸出信號之一改變取決於該第一電信號之一改變與該第二電信號之一改變之間的一差異。
  13. 如請求項12之彎曲換能器，其中該第一微機電換能器及該第二微機電換能器包含沿著該可偏轉元件之一縱向方向分段的一板電容器。
  14. 如請求項13之彎曲換能器，其中該第一及第二板電容器之該等電極經組配為交叉指型。
  15. 如請求項13之彎曲換能器，其中該電氣電路經組配以將一偏壓施加至該第一微機電換能器及/或至該第二微機電換能器。
  16. 如請求項15之彎曲換能器，其中該偏壓或該等偏壓經調整使得該可偏轉元件之該質心纖維在對於該可偏轉元件無外部機械影響的情況下不偏轉。
  17. 如請求項12之彎曲換能器，其中該電氣電路經組配以產生該輸出信號從而補償該可偏轉元件上的一不對稱負載。
  18. 如請求項17之彎曲換能器，其中該不對稱負載為該電微機電換能器之一結構不對稱性及/或作用於該可偏轉元件的一不對稱力。
  19. 如請求項12之彎曲換能器，其包含一控制件，該控制件經組配以將一偏壓施加至該第一及/或至該第二微機電換能器，從而調整該彎曲換能器之該彈簧剛度及/或該彎曲換能器之該敏感度及/或該彎曲換能器之該共振頻率。
  20. 一種彎曲換能器系統，其包含如請求項12之多個彎曲換能器，其中該等彎曲換能器與相對於該微機電換能器之一尺寸標註相匹配，其中該多個彎曲換能器之一彈簧剛度及/或一共振頻率及/或敏感度可經由至該第一及/或第二微機電換能器的一偏壓單獨地調整。
  21. 一種彎曲換能器系統，其包含多個如請求項12之彎曲換能器及一電路，該電路經組配以從該多個彎曲換能器之多個輸出信號光譜地集合一總輸出信號。
  22. 如請求項12之彎曲換能器，其包含： 一電控制件，其經組配以依據一輸入信號而更改該第一電信號及該第二電信號，使得該第一電信號之一改變及該第二電信號之一改變取決於該電輸入信號，且該第一及第二電信號的相位相對於彼此偏移；以及 一電路，經組配以操作該等彎曲換能器做為感測器及/或做為致動器。
  23. 一種彎曲換能器系統，其包含多個如請求項1或12之彎曲換能器及一電路，該電路經組配使得該等彎曲換能器之總量的一第一部分將做為致動器來操作，及該等彎曲換能器之該總量的一第二部分將做為感測器來操作，子集之分割取決於一控制信號。
  24. 一種彎曲換能器系統，其包含多個如請求項1或12之彎曲換能器，其中一彎曲換能器在一時間間隔中受控制做為致動器及做為感測器兩者，或該彎曲換能器在一第一時間間隔中受控制做為感測器及在一第二時間間隔中受控制做為致動器，或該彎曲換能器在一第一時間間隔中受控制做為致動器及在一第二時間間隔中受控制做為感測器。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019205735B3 (de) 2019-04-18 2020-08-13 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mikromechanischer Schallwandler
WO2022053165A1 (de) 2020-09-14 2022-03-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mems-bauelement, hearable, mems-pumpe, lautsprecher und verfahren zum ansteuern eines mems-bauelements
WO2022253443A1 (de) 2021-06-04 2022-12-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mems zum kontrollieren eines fluidstroms
DE102022204443A1 (de) 2022-05-05 2023-11-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Mechanische Systeme mit angepasster Linearität
EP4297433A1 (en) 2022-06-24 2023-12-27 Robert Bosch GmbH Microelectromechanical acoustic pressure-generating device with improved drive
DE102022210972A1 (de) 2022-10-18 2024-04-18 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Schichtstruktur mit hohem Aspektverhältnis und mikromechanische Schichtstruktur
DE102022128242A1 (de) 2022-10-25 2024-04-25 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikroelektromechanische Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks
DE102022211284A1 (de) 2022-10-25 2024-04-25 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikromechanische Struktur und mikromechanischer Lautsprecher

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2376549A1 (fr) * 1977-01-04 1978-07-28 Thomson Csf Systeme bistable a electrets
CN206743129U (zh) * 2017-04-22 2017-12-12 吉林大学 一种具有双稳态特性的压电梁与电容复合式双向集能器

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4234237C2 (de) * 1992-10-10 2000-11-30 Bosch Gmbh Robert Temperaturkompensierter Mikroaktor
US6964201B2 (en) * 2003-02-25 2005-11-15 Palo Alto Research Center Incorporated Large dimension, flexible piezoelectric ceramic tapes
ATE376704T1 (de) * 2005-03-21 2007-11-15 Delfmems Rf mems schalter mit einer flexiblen und freien schaltmembran
JP2009537337A (ja) * 2006-05-17 2009-10-29 ミクロガン ゲーエムベーハー 第ｉｉｉ族窒化物半導体を含むマイクロメカニカル・アクチュエータ
US8798291B2 (en) 2008-09-19 2014-08-05 United Microelectronics Corp. Structure of MEMS electroacoustic transducer and fabricating method thereof
JP2010162508A (ja) * 2009-01-19 2010-07-29 Authentic Ltd 撓み振動型アクチュエータ
CN102884352B (zh) * 2010-03-05 2014-06-18 弗兰霍菲尔运输应用研究公司 弯曲换能器、微型泵和微型阀的制造方法以及微型泵和微型阀
WO2012095185A1 (de) 2011-01-14 2012-07-19 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mikromechanisches bauelement
US9032797B2 (en) * 2011-02-11 2015-05-19 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Sensor device and method
US9148726B2 (en) * 2011-09-12 2015-09-29 Infineon Technologies Ag Micro electrical mechanical system with bending deflection of backplate structure
WO2013145411A1 (ja) * 2012-03-30 2013-10-03 東海ゴム工業株式会社 スピーカー
JP5916668B2 (ja) * 2013-07-17 2016-05-11 富士フイルム株式会社 ミラー駆動装置及びその駆動方法
DE102015206774B4 (de) 2015-04-15 2018-10-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mikromechanische Vorrichtung mit einem aktiv biegbaren Element

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2376549A1 (fr) * 1977-01-04 1978-07-28 Thomson Csf Systeme bistable a electrets
CN206743129U (zh) * 2017-04-22 2017-12-12 吉林大学 一种具有双稳态特性的压电梁与电容复合式双向集能器

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