用于压电装置的接口电子设备制造方法及图纸

本发明专利技术提供了用于改善压电装置和压电装置的接口电子装置的性能的方法。其中，在压电装置的正常操作期间，将电场偏压施加到压电材料上。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及压电装置和方法，尤其涉及优化压电装置的性能和可靠性的方法和接口电子电路。
技术介绍
压电材料用于各种传感器和致动器中。压电材料将机械能转换成电能，反之亦然。例如，如果施压到压电晶体上，比例地生成电信号，从而形成传感器功能。响应于作用力或压力的电信号生成被称作“初级压电效应”。类似地，如果将电信号施加到压电晶体上，它将如致动器比例地扩展。响应于施加的电信号的几何变形(膨胀或收缩)被成为“次级压电效应”。不管用作传感器还是致动器，导电电极分别被适当地置于压电晶体上用于分别采集或施加电信号。因此，压电传感器或致动器名义上包括a)一部分压电材料，和b)导电电极，它们被适当地安排以便在压电材料和电子电路之间转移电能。许多压电材料经受称作“极性调整(poling)”的过程以对准分子和激活压电性能。极性调整通常包括施加大电场，有时伴随有高温。在极性调整后，根据初级或次级压电效应可以使用压电材料构成传感器或致动器。压电材料已用于形成各种简单的传感器和致动器。传感器的实例包括振动传感器、麦克风和超声传感器。致动器实例包括超声发送器和线性定位装置。但是，在多数这些实例中，以粗糙的方式加工和装配大块压电材料以实现低复杂性的装置。经过各种机械装置随时间的过去压电材料的属性会劣化。压电材料趋于“疲劳”。疲劳随重复的机械加载产生，其间极性调整时建立的分子对准变得劣化。其次，压电材料还“老化”。老化是分子对准的自然松弛，它在压电材料中随时间的过去而产生，从而进一步劣化压电属性。最后，如果的电场施加与原始极性调整场相反，则“去极性调整(depoling)”会出现于压电材料中。如同其名称所暗示的，去极性调整场趋于部分颠倒分子对准的方向，劣化压电属性。在大块压电材料上再次进行极性调整过程是非常昂贵或不可能的。因此，利用由大块压电材料构成的传感器和致动器的应用需要严格限制以防止或降低压电属性劣化的程度。与常规的大块压电材料不同，薄膜压电体可集成于半导体过程中以形成具有改良功能和性能的传感器。薄膜压电材料的厚度通常小于约10微米。尽管薄膜压电体具有优点，疲劳、老化和去极性调整的效果还是会出现。在某些情况中，采用薄膜压电材料，劣化机制甚至会被扩大。因此，需要专门的电子器件和方法，用于与压电装置对接，特别在薄膜形式中。
技术实现思路
为了解决以上和其它问题，本专利技术提供了一种通过在操作中施加适当的电场偏压而改善压电装置属性的方法。本专利技术进一步提供特殊电子电路，它同时将电场偏压施加到压电传感器上并提取由压电传感器形成的电信号。本专利技术进一步提供特定电子电路，它同时将电场偏压施加到压电致动器上并将致动电信号施加到致动器上。将电场偏压施加到压电装置上能在压电材料内形成静电场。对静电场加以定向以加强压电材料内的极化方向，从而减小疲劳、老化和去极化调整的影响同时增加机电效率。因此，本专利技术改善了压电装置的总性能和可靠性。将电场偏压施加到压电装置上提供了以下关键优点响应-电场偏压的施加使得压电装置内的分子极化最大化，从而使得材料呈现的压电效应和机电效率最大化。可靠性-采用适当施加的电场偏压，压电装置的属性在较长时间段内更可靠。减小疲劳、老化和去极性调整的影响。精度-偏压的施加维持压电装置内的极化程度，避免压电材料中随时间自然出现的劣化。因此，压电装置的响应在时间上和在更宽的温度范围上更加稳定。成本-由于属性随时间劣化，常规压电装置必需频繁地重新校准。可以减少或消除将部件送出进行校准的时间和开支。以上优点是本专利技术固有的并使得提升整个装置和系统性能的新颖配置和独特特点成为可能。通过以下详细描述将使本专利技术的这些和其它特点和优点为本领域熟练技术人员显而易见，其中示出并描述了本专利技术的说明性实施例，包括实施本专利技术的最佳模式。如可以实现的，本专利技术能在各个明显方面进行修改，而不背离本专利技术的精神和范围。因此，附图和详细描述被认为是说明性而非限制性的。附图概述附图说明图1是压电传感器的常规设置的电路示意图。图2是根据本专利技术原理的单端压电传感器的一个实施例的电路示意图。图3是根据本专利技术原理的单端压电传感器的另一个实施例的电路示意图。图4是根据本专利技术原理的差分压电传感器的一个实施例的电路示意图。图5是根据本专利技术原理的单端压电传感器的较佳实施例的电路示意图。图6是根据本专利技术原理的单端压电传感器的另一个较佳实施例的电路示意图。图7是根据本专利技术原理的单端压电传感器的再一个较佳实施例的电路示意图。图8是根据本专利技术原理的单端压电传感器的又一个较佳实施例的电路示意图。图9是根据本专利技术原理的差分压电传感器的较佳实施例的电路示意图。图10是压电致动器装置的常规配置的电路示意图。图11是根据本专利技术原理的压电致动器的一个实施例的电路示意图。图12是根据本专利技术原理的压电致动器的另一个实施例的电路示意图。具体实施例方式本专利技术提供了一种用于改善使用压电材料的传感器和致动器性能的方法，其中将电场偏压施加到压电材料上。本专利技术还提供了用于在保持压电装置的所需操作的同时施加电场偏压的多个电路实施例。压电传感器的常规配置如图1所示并包括压电传感器元件1’和电子信号放大器3’之间的直接连接。压电传感器元件1’响应于诸如力、加速度或压力的物理刺激生成第一压电信号。第一压电信号连接于电路端子5’和7’之间。电路端子5’和7’也连接到生成电子信号输出9’的电子信号放大器3’的输入端子。电子信号放大器3’可生成电子信号输出9’，它与连接到电路端子5’和7’的输入处的电压差成比例。这样，电子信号输出9’与第一压电信号成比例。图2说明了根据本专利技术原理的单端压电传感器的一个实施例。图2中，压电传感器元件1连接到电子信号放大器3且进一步连接到电场偏压发生器11。类似于图1的配置，压电传感器元件1响应于诸如力、加速度或压力的物理刺激生成第一压电信号，且电子信号放大器3按比例生成电子信号输出9。根据本专利技术，在正常操作中，电场偏压发生器11将电场偏压信号施加到压电传感器元件1以减小疲劳、老化和去极性调整的影响同时增加机电效率。图3中示出了根据本专利技术原理的单端压电传感器的另一个实施例。图3中，压电传感器元件25被分配为等效电路元件，包括等效压电传感器电容15和压电信号17。压电信号17通过压电传感器元件25响应于诸如力、加速度或压力的物理刺激而生成。通过将压电传感器元件25经过偏压电阻器21连接到偏压19实现图3中的电场偏压发生器。其结果是，在较长时间段内，第一电路端子13处的平均偏压等于偏压19。在更短的时间段内，第一电路端子13处的偏压等于压电传感器元件25生成的压电信号17。同样如图3所示，偏压19还连接到第二电路端子23。电子信号放大器3的输入连接到第一电路端子13和第二电路端子23。电子信号放大器3生成与第一电路端子13和第二电路端子23之间的电压差成比例的电信号输出9。图3中，根据应用需要，设定偏压电阻器21的值。例如，如果应用需要在电信号输出9处出现频率超过1000Hz(1000周秒)的物理刺激且压电传感器电容15是330皮法，则偏压电阻器21将被选为大于约480000欧姆。如果所需的频率响应更低，则偏压电阻器21必需更大，且如果所需的频率响应更高，则偏压电阻器21可以更小。总之，协同压电传感器电容15的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能减小压电材料效应的压电装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：将电场偏压连接到压电装置；以及在压电装置的操作期间，将电场偏压施加到压电装置。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：PJ西勒，
申请(专利权)人：三位感应器股份有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]