作为致动器的弯曲换能器、作为传感器的弯曲换能器、以及弯曲换能器系统技术方案

本发明专利技术描述一种作为致动器操作的弯曲换能器，包括可偏转元件，沿着可偏转元件的质心纤维延伸的微机电换能器，当施加第一电信号时微机电换能器在第一方向上使可偏转元件偏转；以及沿着质心纤维延伸的第二微机电换能器，当施加第二电信号时第二微机电换能器在与第一方向相反的第二方向上可偏转元件偏转；其中质心纤维位于彼此背对的第一及第二微机电换能器的侧面之间；以及电控制件，被配置为根据输入信号改变第一电信号及第二电信号，以使得第一电信号的变化以及第二电信号的变化取决于电输入信号，且第一及第二电信号的相位相对于彼此偏移。本发明专利技术也提出一种作为传感器操作的弯曲换能器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】作为致动器的弯曲换能器、作为传感器的弯曲换能器、以及弯曲换能器系统
本专利技术涉及一种弯曲换能器，及其作为致动器或者传感器的使用，以及一种弯曲换能器系统。
技术介绍
需要微机械装置(MEMS)以将电信号转换成机械效应，即在致动器的情况下，或者将机械效应转换成电信号，即在传感器的情况下。出于本申请的目的，“效应”意味着例如执行工作，以及相关联偏转或者弯矩的应用。微机电组件的电信号与机械效应(传输特性)之间的关系的线性经常受制于高需求。这适用于例如，在麦克风或者扬声器中使用此类微机电组件。传输特性的非线性不利地影响微机电组件可以满足其预期功能的精度且必须在致动器的情况下用复杂控制校正或者在传感器的情况下用复杂信号处理校正。举例而言，微机械声音换能器(即，扬声器或者麦克风)的传输特性中的非线性导致高失真因子且必须通过额外使用微处理器或者信号处理进行校正。概括来讲，存在诸如微扬声器的实际应用，其中所施加信号电压的电平与由设备产生的机械效应(即待执行的工作)的幅值之间的线性关系是至关重要的。同时，输出信号(在扬声器的情况下，是空气载声)的光谱组成应等同于输入信号的光谱组成，其与低失真因子相对应。线性范围取决于振幅和频率，且应尽可能大。就此而言，通过在不显著改变线性的情况下改变(电)操作参数，来改变灵敏度及频率是有必要的。出于本申请的目的，灵敏度意味着效应中的变化与信号中的变化之间的关系。具有传输特性的改善线性的MEMS设备的先前设计实施方案是基于在结构有限动态范围(相对于拉入不稳定性)且因此有限频率范围中具有不利高电压要求的MEMS技术，其不适合用于移动应用。对文献US9783408B2进行例示性参考。WO2095185A1描述了如何设计具有高性能及低功耗的MEMS设备，但并未描述改善和调整线性的可能措施。出于增加弯曲半径或者增加具有相同弯曲特性的驱动效率的目的，DE102015206774A1中提出由通过中性纤维分隔开的两个弯曲换能器组成的弯曲换能器系统。在该工艺中形成的空腔仅意欲对弯曲特性具有正效应。未公开用于改善和调整线性的措施。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种弯曲换能器、及其作为致动器或者传感器的使用、以及此类弯曲换能器的系统，所述弯曲换能器示出具有相同或者相当的效率的经改善和可调整的线性。此目的是通过独立权利要求的主题解决。本申请的核心构思是，当弯曲换能器包括具有第一微机电换能器(以下简称作MEMS换能器)以及第二MEMS换能器的可偏转元件时，作为致动器使用的弯曲换能器可以在相当的性能处提供经改善和可调整的线性，第一MEMS换能器沿着可偏转元件的质心纤维延伸且第二MEMS换能器沿着质心纤维延伸，所述质心纤维至少位于彼此背对的MEMS换能器的远程边缘之间或者侧面之间，或者甚至位于MEMS换能器之间，且当将第一或者第二电信号施加至第一或者第二MEMS换能器时，且当根据电输入信号执行第一及第二电信号改变时，在相反方向上使可偏转元件偏转，使得第一及第二电信号的相位相对于彼此偏移。相移可以在0.001°至240°之间(包括两者)，或者甚至在60°至200°之间(包括两者)或者180°。此实施例允许获得原本使用三电极原理才可能实现的线性方面的优势，并且在不产生性能问题的情况下获得对称性控制件。根据本专利技术，通过该控制件，可以在大频率范围内获得具有高动态的大线性范围，即，大振幅范围。类似地，本申请的部分核心构思已认识到：当弯曲换能器配备有可偏转元件时，作为传感器使用的弯曲换能器可以在相当的性能处获得经改善和可调整的线性，其中可偏转元件的质心纤维仍然是位于第一及第二MEMS换能器的相反侧面之间，且一旦可偏转元件发生变形，在换能器的终端处输出的电信号就被用于产生输出信号以使得输出信号的变化取决于在第一换能器处的第一电信号的变化与在第二换能器处的第二电信号的变化的差异。一方面，可以在负载变化期间使线性优化，另一方面，可以特定于应用对灵敏度及选择率(在此情况下为共振频率)进行适配，以便最大化线性动态范围(在此情况下为振幅)以及线性频带。根据实施例，第一及第二MEMS换能器是沿着可偏转元件的纵向方向细分成区段的每个板电容器，且因此也通过在区段之间互相固定各个板电容器的电极而沿着质心纤维细分。以此方式，弯曲换能器的偏转相对于两个电极之间的距离可以较大。质心纤维可以至少位于彼此背对的MEMS换能器的侧面之间，即，彼此间隔放置的MEMS换能器的远程电极或者电极的相反侧面之间；或者甚至MEMS换能器的远程电极之间；或者MEMS换能器的近端电极或者彼此远离的电极的相反侧面之间；或者甚至MEMS换能器之间，即，面朝MEMS换能器的近端电极的侧面。在这些实施例中的一些中，各个板电容器的电极以交叉指方式配置于区段中，使得一个电极的投影是投影在另一电极的对应投影之间的间隙中，且反之亦然。这提高了性能及灵敏度。在使用弯曲换能器作为致动器的实施例中，电驱动被布置为将第一偏压以及根据输入信号的第一信号部分的组合作为第一电信号施加至第一MEMS换能器，和/或将第二偏压以及根据输入信号的第二信号部分的组合作为第二电信号施加至第二MEMS换能器。电信号可以是例如电压或者电流。作为致动器使用的弯曲换能器的MEMS换能器的控制件可以由两个具有偏压U0和可变信号电压Usignal的级联(concatenated)网络回路组成。因此，电控制件被配置为以不同振幅执行第一及第二电信号的改变，以补偿可偏转元件上的不对称负载。不对称负载例如是微机电换能器的结构不对称和/或作用于可偏转元件的不对称力(诸如压力差)。类似地，作为传感器使用的弯曲换能器可以补偿可偏转元件上的不对称负载。作为传感器使用的弯曲换能器的控制件可以被配置为将偏压施加至第一MEMS换能器和/或施加至第二MEMS换能器。根据实施例，弯曲换能器的偏压或多个偏压被以下述方式设置：使得在对可偏转元件无外部机械影响的情况下不偏转可偏转元件的质心纤维，且在作为致动器使用的弯曲换能器的情形中，在没有取决于输入信号的信号部分的情况下不偏转。根据实施例，弯曲换能器因此设置有被配置为将偏压施加至第一MEMS换能器和/或至第二MEMS换能器的控制件，由此可以通过在第一MEMS换能器处和/或在第二MEMS换能器处调整偏压来调整弯曲换能器的有效弹簧刚度、和/或弯曲换能器的灵敏度和/或弯曲换能器的共振频率。MEMS换能器的有效弹簧刚度相对于其具有固定电压或者偏压的电平的机械弹簧刚度而变化。此实施例使得调整线性成为可能。根据实施例，作为致动器使用的弯曲换能器的电控制件具有反馈回路，以便通过具有传感器的合适的反馈回路，即在以交替负载操作期间，动态地补偿不对称负载的效应。替代地，诸如晶体管、操作放大器等有源网络组件可被用于调整与各个负载情况相关的电网络参数，诸如功率消耗、阻抗、电压、电流。总体而言，反馈系统意味着传输特性的经动态改善的线性。根据实施例，弯曲换能器系统包括多个弯曲换能器，其中弯曲换能器与MEMS换能器的尺寸设定相匹配。换言之，可以相同地配置弯曲换能器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有可偏转元件(110,110a-n,1120,1220,1300)的作为致动器的弯曲换能器(100,100a-n,730a-n)，包括/n·沿着所述可偏转元件的质心纤维(130,130a)延伸的微机电换能器(141,141a-b,1016a)，当施加第一电信号(U

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种具有可偏转元件(110,110a-n,1120,1220,1300)的作为致动器的弯曲换能器(100,100a-n,730a-n)，包括
·沿着所述可偏转元件的质心纤维(130,130a)延伸的微机电换能器(141,141a-b,1016a)，当施加第一电信号(US,US1,USignal,USignal1)时所述微机电换能器在第一方向(161,161b)上使所述可偏转元件(110,110a-n,1120,1220,1300)偏转，以及
·沿着所述质心纤维(130,130a)延伸的第二微机电换能器(142,142a-b,1016b)，当施加第二电信号(US,US2,USignal,USignal2)时所述第二微机电换能器在与所述第一方向相反的第二方向(162,162b)上使所述可偏转元件偏转，
所述质心纤维(130,130a)位于彼此背对的第一微机电换能器和第二微机电换能器(141,141a-b,142,142a-b,1016a,1016b)的侧面之间，以及
电控制件(120,1013a)，被配置为根据输入信号(UE,UEa-UEd,Uin,Uin1-Uin3)改变所述第一电信号(US,US1,USignal,USignal1)和所述第二电信号(US,US2,USignal,USignal2)，使得所述第一电信号(US,US1,USignal,USignal1)的变化和所述第二电信号(US,US2,USignal,USignal2)的变化取决于所述电输入信号(UE,UEa-UEd,Uin,Uin1-Uin3)，且所述第一电信号和第二电信号(US,US1,US2,USignal,USignal1,USignal2)的相位相对于彼此偏移。


2.根据权利要求1所述的弯曲换能器(100,100a-n,300,300a-n,730a-n,840,840a-n)，其中所述第一微机电换能器(141,141a-b,1016a)和所述第二微机电换能器(142,142a-b,1016b)包括沿着所述可偏转元件的纵向方向分段(169)的板电容器。


3.根据权利要求2所述的弯曲换能器(100,100a-n,300,300a-n,730a-n,840,840a-n)，其中第一板电容器和第二板电容器的电极(151-154,151a-154a)被配置为交叉指型。


4.根据权利要求2所述的弯曲换能器(100,100a-n,300,300a-n,730a-n,840,840a-n)，其中所述电控制件(120,1013a,1110,1210)被配置为将第一偏压(U0,U01,U0a-U0n,UB)与取决于所述输入信号(UE,UEa-UEd,Uin,Uin1-Uin3)的第一信号部分的组合作为所述第一电信号(US,US1,USignal,Usignal1)施加至所述第一微机电换能器(141,141a-b,1016a)，和/或将第二偏压(U0,U02,U0a-U0n,UB)与取决于所述输入信号(UE,UEa-UEd,Uin,Uin1-Uin3)的第二信号部分的组合作为所述第二电信号(US,US1,Usignal,Usignal1)施加至所述第二微机电换能器(142,142a-b,1016b)。


5.根据权利要求4所述的弯曲换能器(100,100a-n,300,300a-n,730a-n,840,840a-n)，其中所述第一偏压(U0,U01,U0a-U0n,UB)和/或所述第二偏压(U0,U02,U0a-U0n,UB)被调整以使得所述可偏转元件的质心纤维(130,130a)在没有取决于所述输入信号(UE,UEa-UEd,Uin,Uin1-Uin3)的信号部分的情况下、以及在没有对于所述可偏转元件(110,110a-n,1120,1220,1300)的外部机械影响的情况下不被偏转。


6.根据权利要求4或5所述的弯曲换能器(100,100a-n,300,300a-n,730a-n,840,840a-n)，其中所述电控制件(120,1013a,1110,1210)被配置以使得所述弯曲换能器的弹簧刚度、和/或所述弯曲换能器的灵敏度、和/或所述弯曲换能器的共振频率是通过调整在所述第一微机电换能器处和/或在所述第二微机电换能器(141,141a-b,142,142a-b,1016a,1016b)处的偏压(U0,U01,U02,U0a-U0n,UB)或多个偏压(U0,U01,U02,U0a-U0n,UB)而可调整的。


7.根据先前权利要求中任一项所述的弯曲换能器(100,100a-n,300,300a-n,730a-n,840,840a-n)，其中所述电控制件(120,1013a,1110,1210)被配置为用不同振幅执行所述第一电信号和第二电信号(US,US1,US2,USignal,USignal1,USignal2)的改变，以补偿所述可偏转元件(110,110a-n,1120,1220,1300)上的不对称负载(1130,1230)。


8.根据权利要求7所述的弯曲换能器(100,100a-n,300,300a-n,730a-n,840,840a-n)，其中所述不对称负载(1130,1230)是所述微机电换能器(141,141a-b,142,142a-b,1016a,1016b)的结构不对称性和/或作用于所述可偏转元件(110,110a-n,1120,1220,1300)上的不对称力。


9.根据权利要求7或者8所述的弯曲换能器(100,100a-n,300,300a-n,730a-n,840,840a-n)，其中所述电控制件(120,1013a,1110,1210)包括用于动态地补偿所述不对称负载(1130,1230)的效应的反馈回路(1240)。


10.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：赫尔曼·谢尔克，伯特·凯瑟，卢茨·埃里格，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫应用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：德国;DE