悬臂压电换能器的制作方法

本发明涉及非对称悬臂压电换能器。

本发明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。

背景技术：

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”)已经在范围广泛的技术领域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。

技术实现要素：

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。

本发明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。

根据本发明，提供了如在权利要求1中限定的压电换能器。

附图说明

为了更好地理解本发明，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发明的一些实施例，其中：

-图1为能量收集系统的简化框图；

-图2为根据本发明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为根据本发明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为根据本发明的不同实施例的压电换能器的截面图；

-图11为根据本发明的另一实施例的压电换能器的截面图；并且

-图12为根据本发明的其它不同实施例的压电换能器的截面图；并且

-图13为根据本发明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V_H。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V_H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V_H并且向存储元件5供应充电电流I_CH。存储在存储元件5中的能量由于充电电流I_CH而增加并且确定存储电压V_ST。

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V_H超出激活阈值V_A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V_ST。收集接口因此可以使用收集电压V_H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V_H低于激活阈值V_A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V_H和激活阈值V_A之间的比较来控制开关10。

电压调节器7接收存储电压V_ST并且根据需要将经调节的供应电压V_DD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所示的本发明的一个实施例，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质量体16时，选择性地实现可移动质量体16从第一位置X₁到第二位置X₂、或者反之亦然从第二位置X₂到第一位置X₁的移动。在一个实施例中，第一双稳态机构20和第二双稳态机构21耦合到质量体16的关于第二轴X的相反侧面。

第一双稳态机构20和第二双稳态机构21当可移动质量体16处于第一位置X₁时具有相应第一稳定配置(图2)，并且当可移动质量体16处于第二位置X₂时具有相应第二稳定配置(图3)。第一稳定配置和第二稳定配置对应于第一双稳态机构20和第二双稳态机构21的势能最小的相应配置。当可移动质量体16受到强度低于触发阈值的力时，第一双稳态机构20和第二双稳态机构21可以稍微变形并且接着在移除了力之后返回到起始稳定配置。相反地，当施加到可移动质量体16的力超出触发阈值时，第一双稳态机构20和第二双稳态机构21突然到达与起始稳定配置相反的稳定配置，即使在转变完成之前移除了力。由双稳态机构20、21存储的能量(以便用于它们经历超过触发配置的变形)因此非常快地释放并且返回到可移动质量体16。以这一方式，可移动质量体16接收脉冲类型的应力，该应力覆 盖了非常宽的频率带。触发阈值可以用作以足够的准确性限定条件的参数，该条件用于从第一稳定配置切换到第二稳定配置并且反之亦然。

参照图4和图5，每个悬臂压电换能器17包括半导体材料的梁25。梁25以悬臂方式从可移动质量体16的相应锚定部分16a开始在由垂直于轴X的轴Y限定的主方向上延伸。梁25从可移动质量体16单片式形成，并且具有固定到可移动质量体16的锚定部分16a的约束端25a、和与约束端25a相反的自由端25b。

梁25具有平行于由轴X和轴Y限定的平面XY的面25c。梁25的面25c具有沿着轴Y的主尺寸和沿着轴X的次尺寸。

压电层26被布置在梁25的面25c的至少一个部分上。在一个实施例中，压电层26可以为PZT(锆钛酸铅)的。压电层26被布置在第一电极27和第二电极28之间。第一电极27转而位于梁25的面25c上，并且通过由例如氧化硅制成的介电层29与其电绝缘。电极27、28可以为金属材料的。面25c和包括第一电极27、压电层26、以及第二电极28的堆叠由钝化层30涂覆，该钝化层由例如氧化硅制成。

梁25被成形以便响应于传输到可移动质量体16的机械应力而弯曲，特别地以便引起在压电层26的与第一电极27和第二电极28接触的面之间的局部收集电压。实际上，对建立局部收集电压有用的变形包括离开由轴X和轴Y限定的平面XY的弯曲。

梁25被成形以便还响应于平行于轴X的平面内的力而弯曲离开平面XY。详细地，梁25的垂直于其主方向(即垂直于轴Y)的截面至少沿着梁25的伸展是非对称的。在一个实施例中，梁25的截面关于重心平面非对称，特别地关于平行于平面XY的重心平面和平行于平面YZ(其由轴Y以及垂直于轴X和轴Y的轴Z限定)的重心平面两者非对称。在一个实施例中，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的小于第一厚度T1的第二厚度T2。此外，在一个实施例中，第一厚度T1小于梁25的宽度W(平行于轴X)。例如，梁25的垂直于其主方面的截面是L形的。梁25 的第一纵向部分25f沿着第一纵向边缘25d延伸并且具有第一厚度T1，并且梁25的第二纵向部分25g沿着第二纵向边缘25e延伸并且具有第二厚度T2。在一个实施例中，第一纵向部分25f和第二纵向部分25g之间的转变由垂直于轴X的壁25h限定。

梁25经历主要响应于作用在平行于轴Z的方向上的力(平面外的力，实际上垂直于平面XY)的变形。然而，由于非对称几何结构，梁25还用离开平面XY的变形响应在平行于轴X的方向上定向的力。如图6所示，沿着轴X作用在可移动质量体16上的力产生变形的第一分量(在平面XY内)，并且因此，产生梁25的自由端25b的相对于约束端25a的第一位移ΔX。变形的第一分量本身并不有助于机械能到电能的转换，因为压电层26未被加载以用于生成在第一电极27和第二电极28之间的局部收集电压。然而，沿着轴X作用的力还产生垂直于平面XY的第二分量并且因此产生梁25的自由端25b的相对于约束端25a的第二位移ΔY。这一类型的变形基本上是由于梁25的非对称性，特别地由于垂直于轴Y的截面的非对称性。实际上，在截面上产生的应力转而是非对称的并且导致离开平面XY的变形。不像变形的第一分量，变形的第二分量有助于生成电能，因为压电层26的加载产生在第一电极27和第二电极28之间的局部收集电压。图7中的图用实线示出了由于平行于轴X的力脉冲，梁25的自由端25b沿着轴Z的振荡。如可以注意到的，虽然振荡具有比由于直接沿着轴Z施加的力脉冲得到的振荡(虚线)更小的振幅，然而，该贡献不可忽略并且显著提高压电转换器2的整体效率。

图9和图10更详细地图示了第一双稳态机构20。除了在任何情形下将在下文中描述的细节之外，下面描述的内容基本上还适用于第二双稳态机构21。

第一双稳态机构20包括线性弹性元件的系统。特别地，在一个实施例中，第一双稳态机构20包括由相应的半导体材料的柔性板限定的第一弹性层叠(lamina)元件20a和第二弹性层叠元件20b。备选地，弹性层叠元件20a、20b可以是其它材料的，诸如玻璃或者金 属。第一弹性层叠元件20a和第二弹性层叠元件20b具有通过锚定件31固定到支撑体15的表面的相应端部，并且其它部分平行于平面XY在第一稳定配置和第二稳定配置之间可移动。此外，桥接元件32将第一弹性层叠元件20a和第二弹性层叠元件20b的中心部分接合到可移动质量体16。

在第一稳定配置和第二稳定配置中，第一弹性层叠元件20a和第二弹性层叠元件20b具有拱形形状(具有根据期望的力阈值选取的几何构形)，并且彼此平行。更具体地，在第一稳定配置中，第一弹性层叠元件20a和第二弹性层叠元件20b限定在面对可移动质量体16的侧开口的相应第一凹状。相反地，在第二稳定配置中，第一弹性层叠元件20a和第二弹性层叠元件20b限定在与可移动质量体16相反的侧开口的相应第二凹状。

同样地，第二双稳态机构21(未示出)包括在端部固定到支撑体15并且在中心处通过桥接元件固定到可移动质量体16的两个弹性层叠元件。通过在第一稳定配置中在与可移动质量体16相反的侧开口的凹状和在第二稳定配置中在面对可移动质量体16的侧开口的凹状，弹性层叠元件成拱形。

如先前已经提及的那样，在相应第一稳定配置和相应第二稳定配置之间的双稳态机构20、21的转变需要施加具有大于触发阈值的强度并且沿着轴X定向的力。当这些条件出现时，双稳态机构20、21的转变非常快，并且使得力以脉冲方式传输到可移动质量体16。除了还响应于沿着轴X指向的平面内的力之外，悬臂压电换能器17在宽频率带上受到激励，该频率带还包括悬臂压电换能器17本身的机械共振频率。实际上，双稳态机构20、21的转变使得能够将通常在低频率(通常为几赫兹)出现但是组成重要的环境能量收集源的那些机械应力的效应平移到相对高的频率。这一类型的源非常有用，特别对于便携式和可穿戴设备而言，因为它们通常源自于诸如行走之类的用户移动，并且因此总是可用的。然而，本质上受人类移动影响的频率低于悬臂压电换能器17的自然共振频率。在没有频率平移机构的情 况下，悬臂压电换能器17的响应将被弱化或者甚至可忽略。相反地，由于双稳态机构20、21，由平行于轴X的平面内的力引起的能量转换也以高效率的方式执行，并且可以利用更宽范围的机械应力源。

图10至图12示出了本发明的不同实施例，其中梁的截面具有不同的轮廓(再次非对称)。

在图10的示例中，梁125的截面基本上是三角形的。压电层126位于平行于平面XY的平面125c上。

在图11的示例中，压电层226位于平面梁225的平行于平面XY的面225c上。与面225c相反的面为楼梯形状的，并且具有从纵向边缘225d(在这里梁225的厚度更大)向第二纵向边缘225e(在这里梁225的厚度更小)降级的轮廓。

在图12的示例中，梁325在一个面325c上承载压电层326。梁325的相反面具有从纵向边缘325d(在这里梁325的厚度更大)向第二纵向边缘325e(在这里梁325的厚度更小)降级的拱形轮廓。

图13图示了包括悬臂压电换能器417的压电转换器402的细节。悬臂压电换能器417包括以悬臂方式从支撑体(例如弹性约束到基板(未示出)的可移动质量体416)延伸的梁425。在横向于其自身主尺寸的方向上，梁425具有非对称截面，例如L形状的。重物426被固定到梁425的自由端425b。在一个实施例中，重物426由与梁425一体式的并且具有等于梁425自身的最大厚度的厚度的半导体材料的质量体来限定。重物426的设计(其在生产阶段可以容易地控制)实现对悬臂压电换能器417的共振频率的精确限定。

最后，明显的是，可以对本文所描述的压电换能器做出修改和变化，而不会由此脱离如在所附权利要求中限定的本发明的范围。