悬臂压电换能器制造技术

本公开涉及悬臂压电换能器。压电换能器包括：锚定件(16a)；半导体材料的梁(25)，从锚定件(16a)开始在平行于第一轴(Y)的主方向上以悬臂方式延伸，并且具有平行于第一平面(XY)的面(25c)，第一平面由第一轴(Y)和垂直于第一轴(Y)的第二轴(X)限定；以及压电层(26)，在梁(25)的面(25c)上。梁(25、125、225、325)的垂直于第一轴(Y)的截面是非对称的，并且被成形为使得梁(25)响应于施加到锚定件(16)并且根据第一轴(X)定向的力，而呈现离开第一平面(XY)的变形。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及非对称悬臂压电换能器。本专利技术特别适合提供可以用于小型化能量收集系统的压电微换能器，除其他之外，该小型化能量收集系统适合供应电子部件和/或电子设备，诸如频繁用于便携式电子设备(诸如蜂窝电话、平板电脑、便携式计算机(膝上型计算机)、摄像机、照相机、用于视频游戏的控制台等)的低耗传感器和致动器。
技术介绍
众所周知，用于从环境能量源收集能量的系统(称为“能量收集系统”或者“能量捡拾系统”)已经在范围广泛的
内引起了并继续引起相当大的兴趣。通常，能量收集系统被设计为收集和存储由机械源生成的能量，并且将其转移到电类型的通用负载。以这一方式，电负载不需要电池或其它电源系统，电池或其它电源系统通常笨重并且呈现对机械应力的差的耐受性并且需要维护费用用于替换干预。此外，用于收集环境能量的系统涵盖对在任何情形下都设置有电池供应系统的设备的相当大的兴趣，然而，电池电源系统呈现相当有限的自主性。例如，变得越来越普遍使用的很多便携式电子设备，诸如蜂窝电话、平板电脑、便携式计算机(膝上型计算机)、摄像机、照相机、用于视频游戏的控制台等，就是这种情况。用于收集环境能量的系统可以被用于供应并入的部件或者设备，以便减少从电池吸收的能量并且因此增加自主性。环境能量可以从各种可用的源收集并且通过特意提供的换能器转换为电能。例如，可用的能量源可以为机械或者声学振动，或者更通常地，可以为力或者压力、化学能量源、电磁场、环境光、热能源等。除其他之外，压电换能器可以用于收集和转换。常用类型的压电换能器使用微结构，该微结构包括连接有悬臂元件的支撑体，该悬臂元件由在一端被约束到支撑体并且至少在面的一部分上具有压电材料区域的平板限定。悬臂元件的自由端(附加的质量体(mass)可以连接至该端)响应于支撑体的移动或者传输到支撑体的振动而弹性振荡。由于在振荡期间的弯曲和延伸的移动，压电材料产生可以被收集并且存储在存储元件中的电荷。这种压电换能器适合高效率地转换在所谓的“平面外”方向上的在垂直于悬臂元件(处于静息状态)的面的方向上的机械作用。在这些方向上，实际上，可能获得悬臂元件的最大弯曲。
技术实现思路
然而，对于在所谓的“平面内”方向上的平行于悬臂元件的面的机械作用，这种类型的换能器的响应几乎为零。不考虑使用布置在不同平面内(在任何情形下以占用更大空间为代价)的换能器或者悬臂元件的可能性，由单个悬臂元件执行的机械能到电能的转换只在一个方向上是高效率的并且因此相对有限。本专利技术的目的是提供压电换能器，其将能够克服或者至少弱化上述限制。根据本专利技术，提供了如在权利要求1中限定的压电换能器。附图说明为了更好地理解本专利技术，现在将单纯通过非限制性示例的方式并且参照附图描述本专利技术的一些实施例，其中：-图1为能量收集系统的简化框图；-图2为根据本专利技术的一个实施例的并入在图1的能量收集系统中的压电转换器的简化顶视平面图，该压电换能器以第一操作配置图示；-图3示出了在第二操作配置中的图2中的压电转换器；-图4为根据本专利技术的一个实施例的集成在图2中的转换器中的压电换能器的顶透视图；-图5为图4中的压电换能器的沿图2中的线IV-IV所取的放大截面图；-图6为在变形配置中的图5中的压电换能器的前视图；-图7为示出了图5中的压电换能器响应于各种机械应力的振荡的图；-图8为在第一配置中的图2中的转换器的细节的放大顶视平面图；-图9为在第二操作配置中的图8中的细节的顶视平面图；-图10为根据本专利技术的不同实施例的压电换能器的截面图；-图11为根据本专利技术的另一实施例的压电换能器的截面图；并且-图12为根据本专利技术的其它不同实施例的压电换能器的截面图；并且-图13为根据本专利技术的其它实施例的压电换能器的顶透视图。具体实施方式参照图1，能量收集系统作为整体通过附图标记1指定。能量收集系统1特别(但非排他地)适合被用于供应诸如在便携式电子设备(诸如蜂窝电话、平板电脑、便携式计算机(膝上型计算机)、摄像机、照相机、用于视频游戏的控制台等)中越来越频繁使用的低耗传感器和致动器之类的电子部件和/或设备。可以使得由能量收集系统1供应的电子部件和设备完全或者部分自给，以便减少或者消除从主供应系统(通常为电池)的能量吸收，其因此具有更大的自主性，这对用户是有利的。此外，在一些应用中，能量收集系统1可以用作用于上述电子部件和/或设备的主供应源或者用作用于上述电子部件和/或设备的辅助供应源。在这一情形下，能量收集系统1可以布置在常规电源系统(例如电池类型的)旁边，并且当主电源系统耗尽或者出现故障时进入操作。能量收集系统1包括压电转换器2、收集接口3、存储元件5、选择性连接设备6、以及电压调节器7。此外，电压调节器7的输出供应电负载8。压电转换器2响应于由收集系统1外部的环境能量源4供应的能量，而供应收集电压VH。压电转换器2响应于从外部环境传输的机械振动而供应收集电压VH并且将在下面更详细地描述。当由存储元件5供应时，收集接口3从压电转换器2接收收集电压VH并且向存储元件5供应充电电流ICH。存储在存储元件5中的能量由于充电电流ICH而增加并且确定存储电压VST。选择性连接设备6基于压电转换器2的响应而选择性地连接和断开收集接口3的供应输入3a和存储元件5。更准确地，当收集电压VH超出激活阈值VA时(其表示其中压电转换器2激活并且从外部接收环境能量的状态)，选择性连接设备6将收集接口3连接到存储元件5，使得收集接口3接收存在于存储元件5上的存储电压VST。收集接口因此可以使用收集电压VH用于对存储元件5充电。相反地，当压电转换器2不接收环境能量并且收集电压VH低于激活阈值VA时，选择性连接设备6将收集接口3从存储元件5断开，使得收集接口3停止消耗能量。特别地，在一个实施例中，选择性连接设备包括开关10和驱动级11，该驱动级被配置为基于收集电压VH和激活阈值VA之间的比较来控制开关10。电压调节器7接收存储电压VST并且根据需要将经调节的供应电压VDD供应到电负载8。选择性供应设备6使得收集接口3的消耗在压电转换器2不激活的情况下能够基本减少到零，并且因此防止当收集系统1不处于从环境接收能量的状况下时，在存储元件5上积累的能量在无有效需求的情况下消散。根据图2和图3所示的本专利技术的一个实施例，压电转换器2包括微结构，该微结构包括支撑体15、可移动质量体16、以及多个悬臂压电换能器17。支撑体15、可移动质量体16、以及悬臂压电换能器17的一部分为半导体材料的，例如单晶硅。支撑体15可以为半导体单片体，或者可以通过将两个或者更多半导体芯片键合(可能通过插入键合层和/或介电层)获得。可移动质量体16通过悬浮系统18弹性连接到支撑体15，该悬浮系统被配置为实现可移动质量体16根据轴(通常为平移轴或者旋转轴)的位移。特别地，在所描述的示例中，可移动质量体16可以沿着轴X在第一位置X1(图2)和第二位置X2(图3)之间平移。可移动质量体16除了半导体结构之外，还可以包括重金属(诸如铅或者钨)层或者部分，以便提高能量收集效率。第一双稳态机构20和第二双稳态机构21连接到可移动质量体16的关于轴X的相反侧面，并且被配置为当沿着轴X指向并且大于触发阈值的力被施加到可移动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电换能器，包括：锚定件(16a)；半导体材料的梁(25、125、225、325、425)，从所述锚定件(16a)开始在平行于第一轴(Y)的主方向上悬臂式延伸，并且具有平行于第一平面(XY)的面(25c、125c、225c、325c)，所述第一平面由所述第一轴(Y)和垂直于所述第一轴(Y)的第二轴(X)限定；以及压电层(26)，在所述梁(25、125、225、325、425)的所述面(25c、125c、225c、325c)上；所述梁(25、125、225、325、425)的垂直于所述第一轴(Y)的截面是非对称的，并且被成形为使得所述梁(25、125、225、325、425)响应于施加到所述锚定件(16)并且根据所述第一轴(X)指向的力而呈现离开所述第一平面(XY)的变形。

【技术特征摘要】
2015.06.18 IT 1020150000252551.一种压电换能器，包括：锚定件(16a)；半导体材料的梁(25、125、225、325、425)，从所述锚定件(16a)开始在平行于第一轴(Y)的主方向上悬臂式延伸，并且具有平行于第一平面(XY)的面(25c、125c、225c、325c)，所述第一平面由所述第一轴(Y)和垂直于所述第一轴(Y)的第二轴(X)限定；以及压电层(26)，在所述梁(25、125、225、325、425)的所述面(25c、125c、225c、325c)上；所述梁(25、125、225、325、425)的垂直于所述第一轴(Y)的截面是非对称的，并且被成形为使得所述梁(25、125、225、325、425)响应于施加到所述锚定件(16)并且根据所述第一轴(X)指向的力而呈现离开所述第一平面(XY)的变形。2.根据权利要求1所述的压电换能器，其中所述梁(25、125、225、325、425)的垂直于所述第一轴(Y)的所述截面关于重心平面是非对称的。3.根据权利要求2所述的压电换能器，其中所述梁(25、125、225、325、425)的垂直于所述第一轴(Y)的所述截面关于平行于所述第一平面(XY)的重心平面和平行于第二平面(YZ)的重心平面是非对称的，所述第二平面由所述第一轴(Y)以及垂直于所述第一轴(Y)和所述第二轴(X)的第三轴(Z)限定。4.根据前述权利要求中的任一项所述的压电换能器，其中所述梁(25)具有沿着第一纵向边缘(25d)的第一厚度(T1)和沿着第二纵向边缘(25e)的小于所述第一厚度(T1)的第二厚度(T2)。5.根据权利要求4所述的压电换能器，其中所述梁(25)的第一纵向部分(25f)沿着所述第一纵向边缘(25d)延伸并且具有所述第一厚度(T1)；并且所述梁(25)的第二纵向部分(25g)沿着所述
\t第二纵向边缘(25e)延伸并且具有所述第二厚度(T2)。6.根据前述权利要求中的任一项所述的压电换能器，其中所述梁(25)的垂直于所述第一轴(Y)的所述截面为L形的。7.根据前述权利要求中的任一项所述的压电换能器，其中所述压电层(26)被布置在第一电极(27)和第二电极(28)之间，所述第一电极(27)位于所述梁(25)的所述面(25c)上。8.根据前述权利要求中的任一项所述的压电换能器，包括在所述梁(425)的一个端部(425b)处的重物(426)。9.一种压电转换器，包括：半导体材料的支撑体(15)；半导体材料的质量体(16)，能够关于所述支撑体(15)移动；以及锚定到所述质量体(16)的根据前述权利要求中任一项的多个压电换能器(17)。10.根据权利要求9所述的压电转换器，其中所述质量体(16)被弹性约束到所述支撑体(15)，并且能够沿着所述第二轴(X)在第一位置(X1)和第...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·普罗科皮奥，A·弗兰吉，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT