懸臂壓電換能器的製作方法

2023-10-23 23:41:22 3

本發明涉及非對稱懸臂壓電換能器。

本發明特別適合提供可以用於小型化能量收集系統的壓電微換能器，除其他之外，該小型化能量收集系統適合供應電子部件和/或電子設備，諸如頻繁用於可攜式電子設備(諸如蜂窩電話、平板電腦、可攜式計算機(膝上型計算機)、攝像機、照相機、用於視頻遊戲的控制臺等)的低耗傳感器和致動器。

背景技術：

眾所周知，用於從環境能量源收集能量的系統(稱為「能量收集系統」或者「能量撿拾系統」)已經在範圍廣泛的技術領域內引起了並繼續引起相當大的興趣。通常，能量收集系統被設計為收集和存儲由機械源生成的能量，並且將其轉移到電類型的通用負載。以這一方式，電負載不需要電池或其它電源系統，電池或其它電源系統通常笨重並且呈現對機械應力的差的耐受性並且需要維護費用用於替換幹預。此外，用於收集環境能量的系統涵蓋對在任何情形下都設置有電池供應系統的設備的相當大的興趣，然而，電池電源系統呈現相當有限的自主性。例如，變得越來越普遍使用的很多可攜式電子設備，諸如蜂窩電話、平板電腦、可攜式計算機(膝上型計算機)、攝像機、照相機、用於視頻遊戲的控制臺等，就是這種情況。用於收集環境能量的系統可以被用於供應併入的部件或者設備，以便減少從電池吸收的能量並且因此增加自主性。

環境能量可以從各種可用的源收集並且通過特意提供的換能器轉換為電能。例如，可用的能量源可以為機械或者聲學振動，或者更通常地，可以為力或者壓力、化學能量源、電磁場、環境光、熱能源等。

除其他之外，壓電換能器可以用於收集和轉換。

常用類型的壓電換能器使用微結構，該微結構包括連接有懸臂元件的支撐體，該懸臂元件由在一端被約束到支撐體並且至少在面的一部分上具有壓電材料區域的平板限定。懸臂元件的自由端(附加的質量體(mass)可以連接至該端)響應於支撐體的移動或者傳輸到支撐體的振動而彈性振蕩。由於在振蕩期間的彎曲和延伸的移動，壓電材料產生可以被收集並且存儲在存儲元件中的電荷。這種壓電換能器適合高效率地轉換在所謂的「平面外」方向上的在垂直於懸臂元件(處於靜息狀態)的面的方向上的機械作用。在這些方向上，實際上，可能獲得懸臂元件的最大彎曲。

技術實現要素：

然而，對於在所謂的「平面內」方向上的平行於懸臂元件的面的機械作用，這種類型的換能器的響應幾乎為零。不考慮使用布置在不同平面內(在任何情形下以佔用更大空間為代價)的換能器或者懸臂元件的可能性，由單個懸臂元件執行的機械能到電能的轉換隻在一個方向上是高效率的並且因此相對有限。

本發明的目的是提供壓電換能器，其將能夠克服或者至少弱化上述限制。

根據本發明，提供了如在權利要求1中限定的壓電換能器。

附圖說明

為了更好地理解本發明，現在將單純通過非限制性示例的方式並且參照附圖描述本發明的一些實施例，其中：

-圖1為能量收集系統的簡化框圖；

-圖2為根據本發明的一個實施例的併入在圖1的能量收集系統中的壓電轉換器的簡化頂視平面圖，該壓電換能器以第一操作配置圖示；

-圖3示出了在第二操作配置中的圖2中的壓電轉換器；

-圖4為根據本發明的一個實施例的集成在圖2中的轉換器中的壓電換能器的頂透視圖；

-圖5為圖4中的壓電換能器的沿圖2中的線IV-IV所取的放大截面圖；

-圖6為在變形配置中的圖5中的壓電換能器的前視圖；

-圖7為示出了圖5中的壓電換能器響應於各種機械應力的振蕩的圖；

-圖8為在第一配置中的圖2中的轉換器的細節的放大頂視平面圖；

-圖9為在第二操作配置中的圖8中的細節的頂視平面圖；

-圖10為根據本發明的不同實施例的壓電換能器的截面圖；

-圖11為根據本發明的另一實施例的壓電換能器的截面圖；並且

-圖12為根據本發明的其它不同實施例的壓電換能器的截面圖；並且

-圖13為根據本發明的其它實施例的壓電換能器的頂透視圖。

具體實施方式

參照圖1，能量收集系統作為整體通過附圖標記1指定。能量收集系統1特別(但非排他地)適合被用於供應諸如在可攜式電子設備(諸如蜂窩電話、平板電腦、可攜式計算機(膝上型計算機)、攝像機、照相機、用於視頻遊戲的控制臺等)中越來越頻繁使用的低耗傳感器和致動器之類的電子部件和/或設備。

可以使得由能量收集系統1供應的電子部件和設備完全或者部分自給，以便減少或者消除從主供應系統(通常為電池)的能量吸收，其因此具有更大的自主性，這對用戶是有利的。

此外，在一些應用中，能量收集系統1可以用作用於上述電子部件和/或設備的主供應源或者用作用於上述電子部件和/或設備的輔助供應源。在這一情形下，能量收集系統1可以布置在常規電源系統(例如電池類型的)旁邊，並且當主電源系統耗盡或者出現故障時進入操 作。

能量收集系統1包括壓電轉換器2、收集接口3、存儲元件5、選擇性連接設備6、以及電壓調節器7。此外，電壓調節器7的輸出供應電負載8。

壓電轉換器2響應於由收集系統1外部的環境能量源4供應的能量，而供應收集電壓VH。壓電轉換器2響應於從外部環境傳輸的機械振動而供應收集電壓VH並且將在下面更詳細地描述。

當由存儲元件5供應時，收集接口3從壓電轉換器2接收收集電壓VH並且向存儲元件5供應充電電流ICH。存儲在存儲元件5中的能量由於充電電流ICH而增加並且確定存儲電壓VST。

選擇性連接設備6基於壓電轉換器2的響應而選擇性地連接和斷開收集接口3的供應輸入3a和存儲元件5。更準確地，當收集電壓VH超出激活閾值VA時(其表示其中壓電轉換器2激活並且從外部接收環境能量的狀態)，選擇性連接設備6將收集接口3連接到存儲元件5，使得收集接口3接收存在於存儲元件5上的存儲電壓VST。收集接口因此可以使用收集電壓VH用於對存儲元件5充電。相反地，當壓電轉換器2不接收環境能量並且收集電壓VH低於激活閾值VA時，選擇性連接設備6將收集接口3從存儲元件5斷開，使得收集接口3停止消耗能量。

特別地，在一個實施例中，選擇性連接設備包括開關10和驅動級11，該驅動級被配置為基於收集電壓VH和激活閾值VA之間的比較來控制開關10。

電壓調節器7接收存儲電壓VST並且根據需要將經調節的供應電壓VDD供應到電負載8。

選擇性供應設備6使得收集接口3的消耗在壓電轉換器2不激活的情況下能夠基本減少到零，並且因此防止當收集系統1不處於從環境接收能量的狀況下時，在存儲元件5上積累的能量在無有效需求的情況下消散。

根據圖2和圖3所示的本發明的一個實施例，壓電轉換器2包括 微結構，該微結構包括支撐體15、可移動質量體16、以及多個懸臂壓電換能器17。支撐體15、可移動質量體16、以及懸臂壓電換能器17的一部分為半導體材料的，例如單晶矽。

支撐體15可以為半導體單片體，或者可以通過將兩個或者更多半導體晶片鍵合(可能通過插入鍵合層和/或介電層)獲得。

可移動質量體16通過懸浮系統18彈性連接到支撐體15，該懸浮系統被配置為實現可移動質量體16根據軸(通常為平移軸或者旋轉軸)的位移。特別地，在所描述的示例中，可移動質量體16可以沿著軸X在第一位置X1(圖2)和第二位置X2(圖3)之間平移。可移動質量體16除了半導體結構之外，還可以包括重金屬(諸如鉛或者鎢)層或者部分，以便提高能量收集效率。

第一雙穩態機構20和第二雙穩態機構21連接到可移動質量體16的關於軸X的相反側面，並且被配置為當沿著軸X指向並且大於觸發閾值的力被施加到可移動質量體16時，選擇性地實現可移動質量體16從第一位置X1到第二位置X2、或者反之亦然從第二位置X2到第一位置X1的移動。在一個實施例中，第一雙穩態機構20和第二雙穩態機構21耦合到質量體16的關於第二軸X的相反側面。

第一雙穩態機構20和第二雙穩態機構21當可移動質量體16處於第一位置X1時具有相應第一穩定配置(圖2)，並且當可移動質量體16處於第二位置X2時具有相應第二穩定配置(圖3)。第一穩定配置和第二穩定配置對應於第一雙穩態機構20和第二雙穩態機構21的勢能最小的相應配置。當可移動質量體16受到強度低於觸發閾值的力時，第一雙穩態機構20和第二雙穩態機構21可以稍微變形並且接著在移除了力之後返回到起始穩定配置。相反地，當施加到可移動質量體16的力超出觸發閾值時，第一雙穩態機構20和第二雙穩態機構21突然到達與起始穩定配置相反的穩定配置，即使在轉變完成之前移除了力。由雙穩態機構20、21存儲的能量(以便用於它們經歷超過觸發配置的變形)因此非常快地釋放並且返回到可移動質量體16。以這一方式，可移動質量體16接收脈衝類型的應力，該應力覆 蓋了非常寬的頻率帶。觸發閾值可以用作以足夠的準確性限定條件的參數，該條件用於從第一穩定配置切換到第二穩定配置並且反之亦然。

參照圖4和圖5，每個懸臂壓電換能器17包括半導體材料的梁25。梁25以懸臂方式從可移動質量體16的相應錨定部分16a開始在由垂直於軸X的軸Y限定的主方向上延伸。梁25從可移動質量體16單片式形成，並且具有固定到可移動質量體16的錨定部分16a的約束端25a、和與約束端25a相反的自由端25b。

梁25具有平行於由軸X和軸Y限定的平面XY的面25c。梁25的面25c具有沿著軸Y的主尺寸和沿著軸X的次尺寸。

壓電層26被布置在梁25的面25c的至少一個部分上。在一個實施例中，壓電層26可以為PZT(鋯鈦酸鉛)的。壓電層26被布置在第一電極27和第二電極28之間。第一電極27轉而位於梁25的面25c上，並且通過由例如氧化矽製成的介電層29與其電絕緣。電極27、28可以為金屬材料的。面25c和包括第一電極27、壓電層26、以及第二電極28的堆疊由鈍化層30塗覆，該鈍化層由例如氧化矽製成。

梁25被成形以便響應於傳輸到可移動質量體16的機械應力而彎曲，特別地以便引起在壓電層26的與第一電極27和第二電極28接觸的面之間的局部收集電壓。實際上，對建立局部收集電壓有用的變形包括離開由軸X和軸Y限定的平面XY的彎曲。

梁25被成形以便還響應於平行於軸X的平面內的力而彎曲離開平面XY。詳細地，梁25的垂直於其主方向(即垂直於軸Y)的截面至少沿著梁25的伸展是非對稱的。在一個實施例中，梁25的截面關於重心平面非對稱，特別地關於平行於平面XY的重心平面和平行於平面YZ(其由軸Y以及垂直於軸X和軸Y的軸Z限定)的重心平面兩者非對稱。在一個實施例中，梁25具有沿著第一縱向邊緣25d的第一厚度T1和沿著第二縱向邊緣25e的小於第一厚度T1的第二厚度T2。此外，在一個實施例中，第一厚度T1小於梁25的寬度W(平行於軸X)。例如，梁25的垂直於其主方面的截面是L形的。梁25 的第一縱向部分25f沿著第一縱向邊緣25d延伸並且具有第一厚度T1，並且梁25的第二縱向部分25g沿著第二縱向邊緣25e延伸並且具有第二厚度T2。在一個實施例中，第一縱向部分25f和第二縱向部分25g之間的轉變由垂直於軸X的壁25h限定。

梁25經歷主要響應於作用在平行於軸Z的方向上的力(平面外的力，實際上垂直於平面XY)的變形。然而，由於非對稱幾何結構，梁25還用離開平面XY的變形響應在平行於軸X的方向上定向的力。如圖6所示，沿著軸X作用在可移動質量體16上的力產生變形的第一分量(在平面XY內)，並且因此，產生梁25的自由端25b的相對於約束端25a的第一位移ΔX。變形的第一分量本身並不有助於機械能到電能的轉換，因為壓電層26未被加載以用於生成在第一電極27和第二電極28之間的局部收集電壓。然而，沿著軸X作用的力還產生垂直於平面XY的第二分量並且因此產生梁25的自由端25b的相對於約束端25a的第二位移ΔY。這一類型的變形基本上是由於梁25的非對稱性，特別地由於垂直於軸Y的截面的非對稱性。實際上，在截面上產生的應力轉而是非對稱的並且導致離開平面XY的變形。不像變形的第一分量，變形的第二分量有助於生成電能，因為壓電層26的加載產生在第一電極27和第二電極28之間的局部收集電壓。圖7中的圖用實線示出了由於平行於軸X的力脈衝，梁25的自由端25b沿著軸Z的振蕩。如可以注意到的，雖然振蕩具有比由於直接沿著軸Z施加的力脈衝得到的振蕩(虛線)更小的振幅，然而，該貢獻不可忽略並且顯著提高壓電轉換器2的整體效率。

圖9和圖10更詳細地圖示了第一雙穩態機構20。除了在任何情形下將在下文中描述的細節之外，下面描述的內容基本上還適用於第二雙穩態機構21。

第一雙穩態機構20包括線性彈性元件的系統。特別地，在一個實施例中，第一雙穩態機構20包括由相應的半導體材料的柔性板限定的第一彈性層疊(lamina)元件20a和第二彈性層疊元件20b。備選地，彈性層疊元件20a、20b可以是其它材料的，諸如玻璃或者金 屬。第一彈性層疊元件20a和第二彈性層疊元件20b具有通過錨定件31固定到支撐體15的表面的相應端部，並且其它部分平行於平面XY在第一穩定配置和第二穩定配置之間可移動。此外，橋接元件32將第一彈性層疊元件20a和第二彈性層疊元件20b的中心部分接合到可移動質量體16。

在第一穩定配置和第二穩定配置中，第一彈性層疊元件20a和第二彈性層疊元件20b具有拱形形狀(具有根據期望的力閾值選取的幾何構形)，並且彼此平行。更具體地，在第一穩定配置中，第一彈性層疊元件20a和第二彈性層疊元件20b限定在面對可移動質量體16的側開口的相應第一凹狀。相反地，在第二穩定配置中，第一彈性層疊元件20a和第二彈性層疊元件20b限定在與可移動質量體16相反的側開口的相應第二凹狀。

同樣地，第二雙穩態機構21(未示出)包括在端部固定到支撐體15並且在中心處通過橋接元件固定到可移動質量體16的兩個彈性層疊元件。通過在第一穩定配置中在與可移動質量體16相反的側開口的凹狀和在第二穩定配置中在面對可移動質量體16的側開口的凹狀，彈性層疊元件成拱形。

如先前已經提及的那樣，在相應第一穩定配置和相應第二穩定配置之間的雙穩態機構20、21的轉變需要施加具有大於觸發閾值的強度並且沿著軸X定向的力。當這些條件出現時，雙穩態機構20、21的轉變非常快，並且使得力以脈衝方式傳輸到可移動質量體16。除了還響應於沿著軸X指向的平面內的力之外，懸臂壓電換能器17在寬頻率帶上受到激勵，該頻率帶還包括懸臂壓電換能器17本身的機械共振頻率。實際上，雙穩態機構20、21的轉變使得能夠將通常在低頻率(通常為幾赫茲)出現但是組成重要的環境能量收集源的那些機械應力的效應平移到相對高的頻率。這一類型的源非常有用，特別對於可攜式和可穿戴設備而言，因為它們通常源自於諸如行走之類的用戶移動，並且因此總是可用的。然而，本質上受人類移動影響的頻率低於懸臂壓電換能器17的自然共振頻率。在沒有頻率平移機構的情 況下，懸臂壓電換能器17的響應將被弱化或者甚至可忽略。相反地，由於雙穩態機構20、21，由平行於軸X的平面內的力引起的能量轉換也以高效率的方式執行，並且可以利用更寬範圍的機械應力源。

圖10至圖12示出了本發明的不同實施例，其中梁的截面具有不同的輪廓(再次非對稱)。

在圖10的示例中，梁125的截面基本上是三角形的。壓電層126位於平行於平面XY的平面125c上。

在圖11的示例中，壓電層226位於平面梁225的平行於平面XY的面225c上。與面225c相反的面為樓梯形狀的，並且具有從縱向邊緣225d(在這裡梁225的厚度更大)向第二縱向邊緣225e(在這裡梁225的厚度更小)降級的輪廓。

在圖12的示例中，梁325在一個面325c上承載壓電層326。梁325的相反面具有從縱向邊緣325d(在這裡梁325的厚度更大)向第二縱向邊緣325e(在這裡梁325的厚度更小)降級的拱形輪廓。

圖13圖示了包括懸臂壓電換能器417的壓電轉換器402的細節。懸臂壓電換能器417包括以懸臂方式從支撐體(例如彈性約束到基板(未示出)的可移動質量體416)延伸的梁425。在橫向於其自身主尺寸的方向上，梁425具有非對稱截面，例如L形狀的。重物426被固定到梁425的自由端425b。在一個實施例中，重物426由與梁425一體式的並且具有等於梁425自身的最大厚度的厚度的半導體材料的質量體來限定。重物426的設計(其在生產階段可以容易地控制)實現對懸臂壓電換能器417的共振頻率的精確限定。

最後，明顯的是，可以對本文所描述的壓電換能器做出修改和變化，而不會由此脫離如在所附權利要求中限定的本發明的範圍。