專利名稱：機(jī)電換能器以及提供機(jī)電換能器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)電換能器、一種機(jī)電換能器系統(tǒng)、以及一種多機(jī)電換能器系統(tǒng)。此外，本發(fā)明涉及一種提供機(jī)電換能器的方法。
背景技術(shù)：
已知換能器用于將電輸入電壓、輸入電流或輸入信號轉(zhuǎn)換為期望的電輸出信號。 因此，換能器可以接收電源電壓，基于電源電壓換能器將輸入信號變換成期望輸出信號。優(yōu) 選地，在也被稱作(MEMS)系統(tǒng)的微機(jī)電系統(tǒng)中使用換能器。微機(jī)電系統(tǒng)可以表示為極小元 件的技術(shù)，并且以納米級別合并到納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)和納米技術(shù)中。MEMS由大小為1 μ m 到100 μ m之間的組件組成，并且MEMS器件的大小通常從20 μ m到Imm變化。在WO 2004/053431中公開了針對這種MEMS結(jié)構(gòu)的示例換能器和電子器件，其中， 公開了一種包括沿著縱向延伸具有一定長度的導(dǎo)電性諧振器元件?？梢酝ㄟ^導(dǎo)電性致動器 使導(dǎo)電諧振器元件發(fā)生彈性變形，使得彈性變形包括長度的變化。諧振器元件電連接至第 一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)，從而構(gòu)成電路。在該電路中，諧振器元件構(gòu)成具有歐姆電阻的電阻 器，歐姆電阻是長度的函數(shù)。換能器還包括電連接至電路的測量點，以提供作為電阻函數(shù)的 電信號。從而，使用包括壓阻式讀出的硅諧振器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有正確輸出信號特性的機(jī)電換能器。為了實現(xiàn)上述目的，提供了根據(jù)獨立權(quán)利要求所述的一種機(jī)電換能器、機(jī)電換能 器系統(tǒng)、多機(jī)電換能器系統(tǒng)以及提供機(jī)電換能器的方法。根據(jù)本發(fā)明的第一示例實施例，提供了一種機(jī)電換能器(例如，被配置為MEMS器 件)，包括懸梁(例如，一端固定并且與所述一端相對的另一端自由懸掛的桿，用作機(jī)械諧 振器)，激勵單元(例如，響應(yīng)于以非接觸方式施加影響懸臂的電激勵信號，以機(jī)械方式激 勵懸臂移動，具體是振動)以及檢測單元。激勵單元可以適于激勵懸梁的運(yùn)動(例如，根據(jù) 激勵單元的電刺激信號來激勵懸臂的機(jī)械運(yùn)動)。從而，檢測單元可以適于響應(yīng)于懸梁的受 激運(yùn)動檢測電信號(例如，根據(jù)懸臂固定端來采樣，并且是甚至與懸梁的運(yùn)動成比例的特 性)。根據(jù)本發(fā)明的另一示例實施例，提供了一種提供機(jī)電換能器功能的方法。例如通 過激勵單元來激勵懸梁的運(yùn)動。接著，例如通過檢測單元響應(yīng)于懸梁的受激運(yùn)動來檢測電信號。術(shù)語“懸梁”可以特別被配置為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域的物理結(jié)構(gòu)。例如，根據(jù) 單晶硅或多晶硅或者其他材料來制造MEMS懸臂。在實施例中，這種MEMS懸臂可以在射頻 濾波器、諧振器或振蕩器中使用。術(shù)語“懸梁”也可以描述納米懸臂，納米懸臂具體表示懸 梁具有至少一個nm(納米)或幾十nm(納米)或幾百nm(納米)量級的尺寸。在實施例中，懸梁可以由特定電信號(例如，電壓或電壓分布)以特定頻率或頻率分布來激勵，并且從而提供在懸臂的諧振頻率下或者圍繞懸臂的諧振頻率優(yōu)選的懸臂的受 激運(yùn)動(特別是機(jī)械振動)。受激運(yùn)動特性可以取決于激勵功率或激勵電壓的頻率和強(qiáng)度， 并因此可以是激勵信號的指紋。然而，懸臂的物理特性(例如，長度、厚度、硬度、柔性)可 以允許提供影響機(jī)械運(yùn)動信號的性質(zhì)特性的某種類型的濾波器函數(shù)。懸梁可以包括自由端 和對端，在對端處夾緊或固定懸梁，例如通過將對端附著至襯底。由于激勵單元所提供的激 勵電壓或電流(例如，表示要由換能器處理的信號)，懸梁可以圍繞對端旋轉(zhuǎn)或振動，并且 在自由端提供具有振幅的受激運(yùn)動。 激勵單元可以包括一個或多個電極或由一個或多個電極組成，所述一個或多個電 極適于向懸梁提供激勵電壓或功率，并因此激勵懸梁的運(yùn)動。具體地，激勵單元所提供的施 加激勵電壓可以是AC (交流)電壓，并且可以包括接近或在懸梁的諧振頻率處的頻率貢獻(xiàn)。 激勵單元的電極可以包括銅材料。電極也可以包括或者由金、鋁、銅、硅等組成。檢測單元可以適于基于懸梁的機(jī)械運(yùn)動，來感測輸出信號，具體是感測電輸出信 號。因此，例如，如果激勵單元向懸梁提供具有各種頻率的激勵電壓，則懸梁僅可以在諧振 頻率處或者圍繞諧振頻率受到激勵，諧振頻率表示多個激勵電壓頻率之一或者頻率范圍。 因此，檢測單元僅可以提供與懸梁的諧振頻率有關(guān)的電信號。因此，機(jī)電換能器可以用作某 種類型的帶通濾波器，或者用作正確定義提供給檢測單元的信號的振蕩器。通過使用機(jī)械固定在兩個對端處的傳統(tǒng)硅諧振器，可用的輸入信號(相應(yīng)地激勵 電壓)非常低以至于不能促動懸臂的足夠運(yùn)動，使得輸出信號包括不令人滿意的質(zhì)量和 量。在本發(fā)明的實施例中，為了在換能器的諧振下獲得足夠強(qiáng)的電阻變化，并從而提供正確 的可檢測輸出信號，在檢測單元測量到電信號或電流的位置處集中懸梁的機(jī)械應(yīng)變是可能 的。有利地，通過使用懸梁的杠桿作用，可以對輸入信號進(jìn)行放大，使得可以提供改善的輸 出信號質(zhì)量和高信噪比。換言之，當(dāng)使用以機(jī)械方式可彎曲至可調(diào)整程度的懸梁時，或者在 較寬范圍上通過相應(yīng)地設(shè)置懸梁的機(jī)械尺寸，可以提供較大激勵振幅。因此，激勵力可以作 用以及通過其可以激勵懸梁的面積比可以較高且精確。此外，例如，通過壓阻元件來測量輸 出信號，壓阻元件可以具備良好的機(jī)械應(yīng)變，以提供精確輸出信號。通過使用懸梁的杠桿作 用，可以提高檢測單元測量到輸出信號的懸梁位置處的機(jī)械應(yīng)變或具備機(jī)械應(yīng)變。因此，甚 至對于低激勵電壓，可以提供用于測量輸出信號的足夠機(jī)械應(yīng)變。接著，說明機(jī)電換能器的另一示例實施例。然而，這些實施例也適用于機(jī)電換能器 系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明的另一示例實施例，機(jī)電換能器還包括可壓縮壓阻元件，S卩，適于在激 勵懸梁時被機(jī)械壓縮的壓阻元件。附加或備選地，可以使用一個或多個可壓縮壓電元件。 可壓縮壓阻元件可以適于將懸梁夾持到檢測單元。懸梁可以適于對可壓縮壓阻元件進(jìn)行壓 縮，這是由于懸梁的受激運(yùn)動，使得可壓縮壓阻元件向檢測單元提供電信號。術(shù)語“壓阻元件”具體可以表示適于提供壓阻作用的元件。壓阻作用描述由于所 施加的機(jī)械應(yīng)力而引起的壓阻元件的材料的電阻變化。即，如果懸梁向可壓縮壓阻元件提 供激勵力，則可以改變壓阻元件的電阻。因此，當(dāng)通過壓阻元件施加偏置電壓時，由于壓阻 元件的變化電阻，電流變化是可測量的。這種電流變化提供了基于偏置電流并且受到變化 電阻影響的電信號。因此，電信號是激勵電壓和受激運(yùn)動的函數(shù)。換言之，電信號表示懸梁 的規(guī)定運(yùn)動。
根據(jù)機(jī)電換能器的另一示例實施例，提供可拉伸的(或可膨脹的)壓阻元件。附 加或備選地，可以使用一個或多個可拉伸壓電元件?？衫靿鹤柙梢赃m于將懸梁夾持 到檢測單元。懸梁可以適于由于懸梁的受激運(yùn)動來拉伸可拉伸壓阻元件，使得可拉伸壓阻 元件向檢測單元提供電信號。當(dāng)懸梁拉伸可拉伸壓阻元件時，壓阻元件的電阻改變，使得例 如通過壓阻元件的變化電阻來改變流經(jīng)壓阻元件的電流，從而檢測單元可以對電信號進(jìn)行 測量。因此電信號取決于懸梁的受激運(yùn)動的移動。通過應(yīng)用可壓縮壓阻元件和/或可伸縮壓阻元件，使得各種設(shè)計是可能的，S卩，壓 阻元件可以置于懸梁的優(yōu)選部分。根據(jù)懸梁的旋轉(zhuǎn)軸的位置，由于懸梁的受激運(yùn)動，可以拉 伸或壓縮壓阻元件。通過使用可拉伸或壓縮的壓阻元件，不存在壓阻元件相對于懸梁的位 置約束，具體地，可以調(diào)整懸梁的旋轉(zhuǎn)軸。在相同實施例中，壓阻元件根據(jù)懸梁的受激運(yùn)動 的方向可壓縮和/或可拉伸。根據(jù)機(jī)電換能器的另一示例實施例，激勵單元可以包括激勵區(qū)(例如，一個或多 個激勵電極)，其中，激勵區(qū)可以適于在激勵間隙(可以分隔激勵區(qū)和懸梁)上施加激勵電 壓，以影響懸梁。當(dāng)激勵電壓的頻率或頻率分量符合懸梁的諧振時，可以引起懸梁的受激運(yùn) 動。因此，通過正確確定激勵區(qū)的尺寸且定位激勵區(qū)，可以對懸梁施加較高的激勵力，使得 可以放大受激運(yùn)動，并因此放大反作用力。根據(jù)機(jī)電換能器的另一示例實施例，懸梁可以包括從懸梁的旋轉(zhuǎn)軸向懸梁的 第一端延伸的杠桿部分?？梢允┘蛹铍妷?，以影響杠桿部分，并因此產(chǎn)生懸梁的合 (resulting)激勵力。在相對于旋轉(zhuǎn)軸的激勵距離處提供合激勵力施加點(或工作點)。當(dāng) 增大與旋轉(zhuǎn)軸的距離時，可以延長杠桿臂，使得激勵力在與旋轉(zhuǎn)軸的激勵距離之內(nèi)可以較 小，但是在旋轉(zhuǎn)軸的區(qū)域中或者接近旋轉(zhuǎn)軸的區(qū)域可以較強(qiáng)。因此，即使激勵電壓較低，并 因此產(chǎn)生在與旋轉(zhuǎn)軸較遠(yuǎn)的施加點產(chǎn)生較小的激勵力，由于相對于旋轉(zhuǎn)軸杠桿臂較小，激 勵力在旋轉(zhuǎn)軸的區(qū)域中可以仍足夠強(qiáng)，以產(chǎn)生輸出信號或電信號。因此，甚至當(dāng)施加小激勵 電壓時，可以將足夠激勵力傳輸至檢測單元，以產(chǎn)生電信號。根據(jù)機(jī)電換能器的另一示例實施例，可以在與懸梁的旋轉(zhuǎn)軸的第一距離處提供可 壓縮壓阻元件。激勵距離和第一距離可以沿著杠桿部分在相同(具體地在同一方向)方向 上延伸。激勵距離可以大于第一距離。因此，如果激勵距離大于第一距離，則可以放大感測 到懸梁的受激運(yùn)動或諧振的位置處的激勵力的放大。因此，甚至當(dāng)對杠桿部分施加較小激 勵電壓時，也可以在檢測單元產(chǎn)生電信號的區(qū)域處施加足夠的激勵力。根據(jù)機(jī)電換能器的另一示例實施例，可以在與旋轉(zhuǎn)軸的第二距離處提供可拉伸的 壓阻元件。激勵距離和第二距離可以沿著杠桿部分在不同方向上延伸。激勵距離可以大于 第二距離。S卩，旋轉(zhuǎn)軸可以位于可拉伸壓阻元件與激勵力的合施加點之間。因此，在激勵區(qū) 中的激勵力可以引起可拉伸壓阻元件的拉伸。如果可拉伸壓阻元件位于比激勵力的施加點 更接近旋轉(zhuǎn)軸的位置處，則通過不同距離或杠桿臂對作用于可拉伸壓阻元件的激勵力進(jìn)行 放大。根據(jù)機(jī)電換能器的另一示例實施例，檢測單元可以包括第一錨元件和第二錨元 件。第一錨元件和第二錨元件可以被布置為，使得在第一錨元件與第二錨元件之間提供錨 間隙，例如，將錨元件彼此電去耦合。可壓縮壓阻元件可以附著至第一錨元件?？衫靿鹤?元件可以附著至第二錨元件。如果第一錨元件和第二錨元件分別通過可壓縮壓阻元件和可拉伸壓阻元件來連接，則可以施加偏置電壓。錨間隙將第一錨元件與第二錨元件分離，使得 電流可以從第一錨元件開始流至第二錨元件，其中歐姆電阻由壓阻元件來定義。因此，由于 可壓縮和可拉伸壓阻元件響應(yīng)于懸臂運(yùn)動的電阻變化，電配置變化，并因此提供對應(yīng)的電 信號。因此，電信號基于懸梁的移動，并且還基于激勵電壓。根據(jù)機(jī)電換能器的另一示例實施例，可壓縮壓阻元件和/或可拉伸壓阻元件由半 導(dǎo)體材料構(gòu)成，半導(dǎo)體材料選自由以下各項組成的組n型摻雜材料、ρ型摻雜材料、p++摻雜 材料以及η-摻雜材料。因此，當(dāng)改變壓阻元件的摻雜類型和/或濃度時，可以修改和優(yōu)化 壓阻作用的符號(sign)和幅度。根據(jù)本發(fā)明的另一示例實施例，激勵間隙提供懸梁的長度與激勵區(qū)之間的非恒定 (或者在空間上相關(guān))間隔。因此，當(dāng)激勵間隙的間隔向著旋轉(zhuǎn)軸減小，相應(yīng)地當(dāng)增加與懸 梁的第一端的距離時，那么懸梁可以提供較大受激運(yùn)動，而無需接觸激勵單元，相應(yīng)地?zé)o需 接觸激勵區(qū)。因此，無需在整個激勵區(qū)上提供較大激勵間隙的情況下，懸梁(相應(yīng)地，受激 運(yùn)動)的較大機(jī)械振幅是可能的。根據(jù)本發(fā)明的另一示例實施例，機(jī)電換能器包括多個可壓縮壓阻元件和多個可拉 伸壓阻元件中的至少一個。因此，如果一個可壓縮壓阻元件或者一個可拉伸壓阻元件損壞， 則其他壓阻元件仍可以操作，使得為整體系統(tǒng)提供冗余。此外，當(dāng)提供多個壓阻元件時可以 更精確地測量電信號。根據(jù)本發(fā)明的另一示例實施例，提供了一種機(jī)電換能器系統(tǒng)，其中，該換能器系統(tǒng) 包括具有上述屬性的第一機(jī)電換能器，以及具有上述屬性的第二機(jī)電換能器。第一機(jī)電換 能器的第一懸梁的激勵運(yùn)動和第二機(jī)電換能器的第二懸梁激勵運(yùn)動是圍繞公共旋轉(zhuǎn)軸的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此，第一和第二懸梁中的每一個可以包括與旋轉(zhuǎn)軸距離最遠(yuǎn)的自由端?？梢?向第一和第二懸梁的自由端的一部分提供第一和第二激勵器件(例如電極)。此外，在自由 端上，可以向第一和第二懸梁的對側(cè)提供電極。因此，可以降低用于激勵第一和第二懸梁的 總能量。換言之，通過組合如上所述的機(jī)電換能器，機(jī)電換能器的兩個懸梁能夠圍繞一個公 共旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。因此，例如可以提供較大激勵距離，這是因為從旋轉(zhuǎn)軸開始，懸梁可以從旋 轉(zhuǎn)軸開始沿著兩個方向延伸。當(dāng)壓阻元件之一是P型和其他η型時，該實施例工作最佳。根據(jù)本發(fā)明的另一示例實施例，提供了一種多機(jī)電換能器系統(tǒng)。多機(jī)電換能器系 統(tǒng)可以包括具有上述屬性的第一機(jī)電換能器系統(tǒng)，以及具有上述屬性的第二機(jī)電換能器 系統(tǒng)。第一機(jī)電換能器系統(tǒng)和第二機(jī)電換能器系統(tǒng)中的每一個的第一第一機(jī)電換能器可以 包括第一公共或共享激勵單元和第一公共或共享檢測單元。第一機(jī)電換能器系統(tǒng)和第二機(jī) 電換能器系統(tǒng)的第二機(jī)電換能器可以包括第二公共或共享激勵單元和第二公共或共享檢 測單元。通過使用針對第一機(jī)電換能器的第一公共激勵單元和第一公共檢測單元，簡要的 驅(qū)動電子裝置和較低的驅(qū)動激勵電壓足以提供要測量的電信號。根據(jù)多換能器系統(tǒng)的另一示例實施例，以不同方式摻雜第一機(jī)電換能器系統(tǒng)和第 二機(jī)電換能器系統(tǒng)的第一懸梁的可壓縮壓阻元件以及第一機(jī)電換能器系統(tǒng)和第二機(jī)電換 能器系統(tǒng)的第二懸梁的可拉伸壓阻元件。因此，受激運(yùn)動沿著第一機(jī)電換能器系統(tǒng)和第二機(jī)電換能器系統(tǒng)的第一懸梁與第 二懸梁之間的反方向，盡管可以施加一個且相同的激勵電壓?？梢詫⒓铍妷菏┘佑诟鱾€端子，例如，包括電極等激勵器件。因此第一公共檢測單元的壓阻元件可以被壓縮，第二公 共檢測單元的壓阻元件可以被拉伸。當(dāng)改變受激運(yùn)動的方向時，第一懸梁的可壓縮壓阻元 件被拉伸，第二懸梁的可拉伸壓阻元件被壓縮。因此，可以對杠桿作用進(jìn)行放大。同樣可以 放大針對電信號的激勵電壓的放大因子。本發(fā)明的實施例不限于特定材料，使得可以使用許多不同材料。對于導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，能 夠使用金屬化結(jié)構(gòu)、硅化物或多晶硅結(jié)構(gòu)。對于半導(dǎo)體區(qū)或組件，可以使用晶體硅或多晶 硅。對于絕緣部分，可以使用二氧化硅或氮化硅。在實施例中，例如，機(jī)電換能器可以單片集成到半導(dǎo)體技術(shù)中，更具體地集成到硅 技術(shù)中。根據(jù)下文將要描述的實施例的示例，本發(fā)明的上述方面和其他方面將變得顯而易 見，并且參照實施例的這些示例來說明。針對機(jī)電換能器和機(jī)電換能器系統(tǒng)描述的示例實 施例也可以應(yīng)用于方法的示例實施例，反之亦然。


在下文中，參照附圖，為了進(jìn)一步說明和更好的理解，對本發(fā)明的示例實施例進(jìn)行 描述。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的機(jī)電換能器的方案；圖Ia示出了機(jī)電換能器的另一示例實施例的示意圖；圖2示出了圖1的示例實施例的機(jī)械等同圖的示意圖；圖2a示出了圖Ia的示例實施例的機(jī)械等同圖的示意圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的懸梁變型的FEM分析的示意圖；圖4示出了圖3的示例實施例的示意和詳圖；圖5示出了圖4的示例實施例的FEM分析的擴(kuò)大圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的示例實施例的關(guān)于懸梁位置的FEM分析的應(yīng)力方向的 圖；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的MEMS的層結(jié)構(gòu)的示意圖；圖8A至圖8D示出了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的以不同方式摻雜的壓阻元件的示意 圖；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的包括具有變化距離的激勵間隙的機(jī)電換能 器的示意圖；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的包括梳狀激勵區(qū)系統(tǒng)的機(jī)電換能器的示意 圖；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的機(jī)電換能器系統(tǒng)和多機(jī)電換能器系統(tǒng)的示 意圖。
具體實施例方式附圖中的示例是示意性的。在不同附圖中，類似或相同的元件具備相同的附圖標(biāo) 記。附圖中的視圖是示意性的并未完全按比例示出。圖1示出了本發(fā)明的示例實施例。圖1所示的機(jī)電換能器100包括懸梁101和激勵單元102，激勵單元102適于激勵懸梁101的運(yùn)動。檢測單元103適于響應(yīng)于懸梁101的 受激運(yùn)動，來檢測電信號i。ut。此外，在圖1中示出了可壓縮壓阻元件104和可拉伸壓阻元件105?？蓧嚎s壓阻元 件104和可拉伸壓阻元件105適于將懸梁101夾持到或柔性地固定到檢測單元103。激勵 單元102包括向懸梁102提供激勵電壓Vin的激勵區(qū)109。在另一示例實施例中，還能夠?qū)?激勵單元102施加偏置電壓Vgtl，其中，附加地，對檢測單元103施加或覆蓋(overlay)激勵 電壓vin。如果偏置電壓Vgtl和激勵電壓vin之和包括懸梁101的諧振頻率，則如圖1中曲線 箭頭所示，懸梁101以受激運(yùn)動方式移動。通過可壓縮壓阻元件104和/或可拉伸壓阻元件105將懸梁104夾持到檢測單元 103。如圖1所示，懸梁101可以圍繞旋轉(zhuǎn)軸112旋轉(zhuǎn)，并因此壓縮可壓縮壓阻元件104或 拉伸可拉伸壓阻元件105。因此，壓阻元件104、105的電阻由于懸梁101的受激運(yùn)動而發(fā)生
變化，使得提供特定電信號i。ut?？梢韵驒z測單元103施加偏置電流IdQ。該偏置電流Idtl可以流經(jīng)可壓縮壓阻元件 104和/或可拉伸壓阻元件105。如果壓阻元件104、105的電阻變化，則該電阻變化也可以 改變電信號i。ut。由于壓阻元件104、105的(機(jī)械)延長與縮短與電阻的關(guān)系，電信號i。ut 取決于懸梁101的受激運(yùn)動，并因此取決于激勵單元102的激勵電壓vin。激勵單元102提供激勵區(qū)109和懸梁101、杠桿部分111。在激勵區(qū)109與杠桿部 分111之間提供激勵間隙110。如果激勵區(qū)109和/或杠桿部分111增大，和/或間隙減 小，則同樣可以增大懸梁101的力F1。因此，通過增加對懸梁101施加激勵力或激勵電壓 Vin的面積比，即使激勵電壓Vin較小，也可以提供改善的電信號i。ut。此外，為了在諧振下在壓阻元件104、105處獲得更好的電阻變化，并因此獲得改 善的輸出電信號i。ut，有利地在施加電感測電流(即，可壓縮壓阻元件104和/或可拉伸壓 阻元件105)的位置處集中機(jī)械應(yīng)變。因此，懸梁101的杠桿作用可以用來改善針對小激勵 電壓Vin的電信號i。ut。通過使用具有杠桿部分111的懸梁101，可以對壓阻元件104、105 的電阻變化感測到諧振的位置處的激勵力F2進(jìn)行放大。換言之，圖1示出了實施例，其中對激勵力F2進(jìn)行放大，通過使用杠桿作用獲得反 作用力F1。如圖1的實施例所示，懸梁101提供了旋轉(zhuǎn)軸112。在與旋轉(zhuǎn)軸112的第一距 離xl處，定位可壓縮壓阻元件104，在第二距離處，即激勵距離x2，定位激勵力F2的施加 點。因此運(yùn)動的平衡方程是X1F^x2F2 = 0因此，當(dāng)激勵力F2較小，激勵距離x2較長，以及第一距離xl較小時，增加反作用 力F1，反作用力Fl是以機(jī)械方式作用于可壓縮壓阻元件104的力，并從而足夠的機(jī)械力可 用于產(chǎn)生可壓縮壓阻元件104的電阻變化，并因此給出有用的電信號i。ut。類似的作用施加于可拉伸壓阻元件105。沿著激勵力F2的施加點方向以第二距離 x3放置可拉伸壓阻元件105。因此，由于激勵力F2而引起的懸梁101的移動引起可拉伸壓 阻元件105的拉伸。如果第二距離x3小于激勵距離x2，則對激勵力F2進(jìn)行放大，這獲得更 高的反作用力F1。換言之，在激勵間隙110上，通過激勵電壓Vin(例如AC電壓)來激勵諧振器。懸 梁101用作諧振器并且遵照曲線箭頭所指的受激運(yùn)動?？蓧嚎s壓阻元件104和可拉伸壓阻元件105將懸梁101連接至檢測單元102，檢測單元102可以包括或由第一錨元件106和 第二錨元件107組成。由于懸梁101的受激運(yùn)動，壓阻元件104、105被拉伸和壓縮。通過 測量壓阻元件104、105的壓阻，相應(yīng)地測量壓阻元件104、105的電阻變化，來檢測壓阻元件 104、105的延長和縮短。圖Ia示出了機(jī)電換能器100的示例實施例，其中，激勵單元102位于懸梁101的 右第一端113上。激勵單元102可以包括懸梁101兩側(cè)上的電極。因此在懸梁101的上側(cè) 和下側(cè)上提供激勵區(qū)109。圖2示出了圖1實施例的放大作用的機(jī)械等同圖。對懸梁102施加激勵力F2，懸梁102在彈簧常數(shù)kl處獲得反作用力F1。彈簧常 數(shù)kl取決于壓阻元件104、105的材料特性。反作用力Fl以與旋轉(zhuǎn)軸112的激勵距離x2 提供施加點。在圖2中，示出了可壓縮壓阻元件104，并且可壓縮壓阻元件104位于與旋轉(zhuǎn) 軸112的第一距離Xl處。移動的平衡方程是X1F^x2F2 = 0將該方程應(yīng)用于懸梁101的受激運(yùn)動和彈簧kl的延長yl(即，可壓縮壓阻元件 104的延長)的方程，獲得以下方程
權(quán)利要求
1.一種機(jī)電換能器，包括 懸梁(101)；激勵單元(102)，適于激勵懸梁(101)的運(yùn)動；檢測單元(103)，適于響應(yīng)于懸梁(101)的受激運(yùn)動檢測電信號(i。ut)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)電換能器，還包括 可壓縮壓阻元件(104)；其中，所述可壓縮壓阻元件(104)適于將懸梁(101)夾持到檢測單元(103)； 其中，懸梁(101)適于由于懸梁(101)的受激運(yùn)動來壓縮可壓縮壓阻元件(104)，使得 可壓縮壓阻元件(104)向檢測單元(103)提供電信號(i。ut)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)電換能器，還包括 可拉伸壓阻元件(105)；其中，所述可拉伸壓阻元件(105)適于將懸梁(101)夾持到檢測單元(103)； 其中，懸梁(101)適于由于懸梁(101)的受激運(yùn)動來拉伸可拉伸壓阻元件(105)，使得 可拉伸壓阻元件(105)向檢測單元(103)提供電信號(i。ut)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)電換能器，其中，激勵單元(102)適于在激勵間隙(110)上 施加激勵電壓(Vin)，以影響懸梁(101)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)電換能器，其中，懸梁(101)包括從懸梁(101)的旋轉(zhuǎn)軸(112)延伸到懸梁(101)的第一端(113)的杠 桿部分(111)；激勵單元(102)適于施加激勵電壓(Vin)以影響杠桿部分(111)，所述杠桿部分(111) 用于產(chǎn)生作用于懸梁(101)的合激勵力(F2)；在與旋轉(zhuǎn)軸(112)的激勵距離(x2)處提供合激勵力(F2)施加點。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)電換能器，其中，在與懸梁(101)的旋轉(zhuǎn)軸(112)的第一距離(Xl)處提供可壓縮壓阻元件(104)； 激勵距離(x2)和第一距離(xl)沿著杠桿部分(111)在相同方向上延伸； 激勵距離(x2)大于第一距離(xl)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)電換能器，其中，在與旋轉(zhuǎn)軸(112)的第二距離(x3)處提供可拉伸壓阻元件(105)； 激勵距離(x2)和第二距離(x3)沿著杠桿部分(111)在不同方向上延伸； 激勵距離(x2)大于第二距離(x3)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2和3所述的機(jī)電換能器，其中，檢測單元(103)包括第一錨元件(106)和第二錨元件(107)； 第一錨元件(106)和第二錨元件(107)被布置為，使得在第一錨元件(106)和第二錨 元件(107)之間提供錨間隙(108)；可壓縮壓阻元件(104)附著至第一錨元件(106)； 可拉伸壓阻元件(105)附著至第二錨元件(107)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2和3所述的機(jī)電換能器，其中，可壓縮壓阻元件(104)和可拉伸壓阻元件(105)中的至少一個由選自包括η型摻雜材 料和ρ型摻雜半導(dǎo)體材料的組的材料制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)電換能器，其中，激勵間隙(110)提供懸梁(101)的長度與可施加激勵電壓(Vin)的激勵區(qū)(109)之間 的非恒定間隔。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)電換能器，其中，包括至少一個壓阻元件(104、105)，具體是多個可壓縮壓阻或壓結(jié)元件(104)和多個 可拉伸壓阻元件(105)中的至少一個。
12.一種機(jī)電換能器系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一機(jī)電換能器(1100)；根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二機(jī)電換能器(1200)；其中，第一機(jī)電換能器(1100)的第一懸梁(1101)的激勵運(yùn)動和第二機(jī)電換能器 (1200)的第二懸梁(1102)的激勵運(yùn)動是圍繞公共旋轉(zhuǎn)軸(112)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
13.一種多機(jī)電換能器系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求12所述的第一機(jī)電換能器系統(tǒng)(1300)；根據(jù)權(quán)利要求12所述的第二機(jī)電換能器系統(tǒng)(1400)；其中，第一機(jī)電換能器系統(tǒng)(1300)的第一機(jī)電換能器(1100)和第二機(jī)電換能器系 統(tǒng)(1400)的第一機(jī)電換能器(1100)包括第一公共激勵單元(1002)和第一公共檢測單元 (1003)；其中，第一機(jī)電換能器系統(tǒng)(1300)的第二機(jī)電換能器(1200)和第二機(jī)電換能器系 統(tǒng)(1400)的第二機(jī)電換能器(1200)包括第二公共激勵單元(1004)和第二公共檢測單元 (1005)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多機(jī)電換能器系統(tǒng)，其中，第一機(jī)電換能器系統(tǒng)(1300)的第一懸梁(1101)的可壓縮壓阻元件(104)、第二機(jī) 電換能器系統(tǒng)(1400)的第一懸梁(1101)的可壓縮壓阻元件(104)、第一機(jī)電換能器系統(tǒng) (1300)的第二懸梁(1102)的可拉伸壓阻元件(105)、和第二機(jī)電換能器系統(tǒng)(1400)的第 二懸梁(1102)的可拉伸壓阻元件(105)以不同方式摻雜。
15.一種機(jī)電換能方法，其中，所述方法包括激勵懸梁(101)的運(yùn)動；響應(yīng)于懸梁(101)的受激運(yùn)動檢測電信號(i。ut)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機(jī)電換能器(100)。該機(jī)電換能器(100)包括懸梁(101)和激勵單元(102)，該激勵單元(102)適于激勵懸梁(101)的運(yùn)動。檢測單元(103)適于響應(yīng)于懸梁(101)的受激運(yùn)動檢測電信號(iout)。
文檔編號H03H9/02GK102113213SQ200980130842
公開日2011年6月29日 申請日期2009年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月8日
發(fā)明者約瑟夫·T·M·范貝克, 馬特吉·戈森斯 申請人:Nxp股份有限公司