CN102113213A

CN102113213A - 机电换能器以及提供机电换能器的方法

Info

Publication number: CN102113213A
Application number: CN2009801308426A
Authority: CN
Inventors: 马特吉·戈森斯; 约瑟夫·T·M·范贝克
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2029-07-28
Also published as: US20110187347A1; EP2313973B1; US8686714B2; ATE540473T1; EP2313973A1; CN102113213B; WO2010015963A1

Abstract

本发明涉及一种机电换能器(100)。该机电换能器(100)包括：悬梁(101)和激励单元(102)，该激励单元(102)适于激励悬梁(101)的运动。检测单元(103)适于响应于悬梁(101)的受激运动检测电信号(i_out)。

Description

机电换能器以及提供机电换能器的方法

技术领域

本发明涉及一种机电换能器、一种机电换能器系统、以及一种多机电换能器系统。

此外，本发明涉及一种提供机电换能器的方法。

背景技术

已知换能器用于将电输入电压、输入电流或输入信号转换为期望的电输出信号。因此，换能器可以接收电源电压，基于电源电压换能器将输入信号变换成期望输出信号。优选地，在也被称作(MEMS)系统的微机电系统中使用换能器。微机电系统可以表示为极小元件的技术，并且以纳米级别合并到纳米机电系统(NEMS)和纳米技术中。MEMS由大小为1μm到100μm之间的组件组成，并且MEMS器件的大小通常从20μm到1mm变化。

在WO 2004/053431中公开了针对这种MEMS结构的示例换能器和电子器件，其中，公开了一种包括沿着纵向延伸具有一定长度的导电性谐振器元件。可以通过导电性致动器使导电谐振器元件发生弹性变形，使得弹性变形包括长度的变化。谐振器元件电连接至第一接触区和第二接触区，从而构成电路。在该电路中，谐振器元件构成具有欧姆电阻的电阻器，欧姆电阻是长度的函数。换能器还包括电连接至电路的测量点，以提供作为电阻函数的电信号。从而，使用包括压阻式读出的硅谐振器。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有正确输出信号特性的机电换能器。

为了实现上述目的，提供了根据独立权利要求所述的一种机电换能器、机电换能器系统、多机电换能器系统以及提供机电换能器的方法。

根据本发明的第一示例实施例，提供了一种机电换能器(例如，被配置为MEMS器件)，包括：悬梁(例如，一端固定并且与所述一端相对的另一端自由悬挂的杆，用作机械谐振器)，激励单元(例如，响应于以非接触方式施加影响悬臂的电激励信号，以机械方式激励悬臂移动，具体是振动)以及检测单元。激励单元可以适于激励悬梁的运动(例如，根据激励单元的电刺激信号来激励悬臂的机械运动)。从而，检测单元可以适于响应于悬梁的受激运动检测电信号(例如，根据悬臂固定端来采样，并且是甚至与悬梁的运动成比例的特性)。

根据本发明的另一示例实施例，提供了一种提供机电换能器功能的方法。例如通过激励单元来激励悬梁的运动。接着，例如通过检测单元响应于悬梁的受激运动来检测电信号。

术语“悬梁”可以特别被配置为微机电系统(MEMS)领域的物理结构。例如，根据单晶硅或多晶硅或者其他材料来制造MEMS悬臂。在实施例中，这种MEMS悬臂可以在射频滤波器、谐振器或振荡器中使用。术语“悬梁”也可以描述纳米悬臂，纳米悬臂具体表示悬梁具有至少一个nm(纳米)或几十nm(纳米)或几百nm(纳米)量级的尺寸。

在实施例中，悬梁可以由特定电信号(例如，电压或电压分布)以特定频率或频率分布来激励，并且从而提供在悬臂的谐振频率下或者围绕悬臂的谐振频率优选的悬臂的受激运动(特别是机械振动)。受激运动特性可以取决于激励功率或激励电压的频率和强度，并因此可以是激励信号的指纹。然而，悬臂的物理特性(例如，长度、厚度、硬度、柔性)可以允许提供影响机械运动信号的性质特性的某种类型的滤波器函数。悬梁可以包括自由端和对端，在对端处夹紧或固定悬梁，例如通过将对端附着至衬底。由于激励单元所提供的激励电压或电流(例如，表示要由换能器处理的信号)，悬梁可以围绕对端旋转或振动，并且在自由端提供具有振幅的受激运动。

激励单元可以包括一个或多个电极或由一个或多个电极组成，所述一个或多个电极适于向悬梁提供激励电压或功率，并因此激励悬梁的运动。具体地，激励单元所提供的施加激励电压可以是AC(交流)电压，并且可以包括接近或在悬梁的谐振频率处的频率贡献。激励单元的电极可以包括铜材料。电极也可以包括或者由金、铝、铜、硅等组成。

检测单元可以适于基于悬梁的机械运动，来感测输出信号，具体是感测电输出信号。因此，例如，如果激励单元向悬梁提供具有各种频率的激励电压，则悬梁仅可以在谐振频率处或者围绕谐振频率受到激励，谐振频率表示多个激励电压频率之一或者频率范围。因此，检测单元仅可以提供与悬梁的谐振频率有关的电信号。因此，机电换能器可以用作某种类型的带通滤波器，或者用作正确定义提供给检测单元的信号的振荡器。

通过使用机械固定在两个对端处的传统硅谐振器，可用的输入信号(相应地激励电压)非常低以至于不能促动悬臂的足够运动，使得输出信号包括不令人满意的质量和量。在本发明的实施例中，为了在换能器的谐振下获得足够强的电阻变化，并从而提供正确的可检测输出信号，在检测单元测量到电信号或电流的位置处集中悬梁的机械应变是可能的。有利地，通过使用悬梁的杠杆作用，可以对输入信号进行放大，使得可以提供改善的输出信号质量和高信噪比。换言之，当使用以机械方式可弯曲至可调整程度的悬梁时，或者在较宽范围上通过相应地设置悬梁的机械尺寸，可以提供较大激励振幅。因此，激励力可以作用以及通过其可以激励悬梁的面积比可以较高且精确。此外，例如，通过压阻元件来测量输出信号，压阻元件可以具备良好的机械应变，以提供精确输出信号。通过使用悬梁的杠杆作用，可以提高检测单元测量到输出信号的悬梁位置处的机械应变或具备机械应变。因此，甚至对于低激励电压，可以提供用于测量输出信号的足够机械应变。

接着，说明机电换能器的另一示例实施例。然而，这些实施例也适用于机电换能器系统和方法。

根据本发明的另一示例实施例，机电换能器还包括可压缩压阻元件，即，适于在激励悬梁时被机械压缩的压阻元件。附加或备选地，可以使用一个或多个可压缩压电元件。可压缩压阻元件可以适于将悬梁夹持到检测单元。悬梁可以适于对可压缩压阻元件进行压缩，这是由于悬梁的受激运动，使得可压缩压阻元件向检测单元提供电信号。

术语“压阻元件”具体可以表示适于提供压阻作用的元件。压阻作用描述由于所施加的机械应力而引起的压阻元件的材料的电阻变化。即，如果悬梁向可压缩压阻元件提供激励力，则可以改变压阻元件的电阻。因此，当通过压阻元件施加偏置电压时，由于压阻元件的变化电阻，电流变化是可测量的。这种电流变化提供了基于偏置电流并且受到变化电阻影响的电信号。因此，电信号是激励电压和受激运动的函数。换言之，电信号表示悬梁的规定运动。

根据机电换能器的另一示例实施例，提供可拉伸的(或可膨胀的)压阻元件。附加或备选地，可以使用一个或多个可拉伸压电元件。可拉伸压阻元件可以适于将悬梁夹持到检测单元。悬梁可以适于由于悬梁的受激运动来拉伸可拉伸压阻元件，使得可拉伸压阻元件向检测单元提供电信号。当悬梁拉伸可拉伸压阻元件时，压阻元件的电阻改变，使得例如通过压阻元件的变化电阻来改变流经压阻元件的电流，从而检测单元可以对电信号进行测量。因此电信号取决于悬梁的受激运动的移动。

通过应用可压缩压阻元件和/或可伸缩压阻元件，使得各种设计是可能的，即，压阻元件可以置于悬梁的优选部分。根据悬梁的旋转轴的位置，由于悬梁的受激运动，可以拉伸或压缩压阻元件。通过使用可拉伸或压缩的压阻元件，不存在压阻元件相对于悬梁的位置约束，具体地，可以调整悬梁的旋转轴。在相同实施例中，压阻元件根据悬梁的受激运动的方向可压缩和/或可拉伸。

根据机电换能器的另一示例实施例，激励单元可以包括激励区(例如，一个或多个激励电极)，其中，激励区可以适于在激励间隙(可以分隔激励区和悬梁)上施加激励电压，以影响悬梁。当激励电压的频率或频率分量符合悬梁的谐振时，可以引起悬梁的受激运动。因此，通过正确确定激励区的尺寸且定位激励区，可以对悬梁施加较高的激励力，使得可以放大受激运动，并因此放大反作用力。

根据机电换能器的另一示例实施例，悬梁可以包括从悬梁的旋转轴向悬梁的第一端延伸的杠杆部分。可以施加激励电压，以影响杠杆部分，并因此产生悬梁的合(resulting)激励力。在相对于旋转轴的激励距离处提供合激励力施加点(或工作点)。当增大与旋转轴的距离时，可以延长杠杆臂，使得激励力在与旋转轴的激励距离之内可以较小，但是在旋转轴的区域中或者接近旋转轴的区域可以较强。因此，即使激励电压较低，并因此产生在与旋转轴较远的施加点产生较小的激励力，由于相对于旋转轴杠杆臂较小，激励力在旋转轴的区域中可以仍足够强，以产生输出信号或电信号。因此，甚至当施加小激励电压时，可以将足够激励力传输至检测单元，以产生电信号。

根据机电换能器的另一示例实施例，可以在与悬梁的旋转轴的第一距离处提供可压缩压阻元件。激励距离和第一距离可以沿着杠杆部分在相同(具体地在同一方向)方向上延伸。激励距离可以大于第一距离。因此，如果激励距离大于第一距离，则可以放大感测到悬梁的受激运动或谐振的位置处的激励力的放大。因此，甚至当对杠杆部分施加较小激励电压时，也可以在检测单元产生电信号的区域处施加足够的激励力。

根据机电换能器的另一示例实施例，可以在与旋转轴的第二距离处提供可拉伸的压阻元件。激励距离和第二距离可以沿着杠杆部分在不同方向上延伸。激励距离可以大于第二距离。即，旋转轴可以位于可拉伸压阻元件与激励力的合施加点之间。因此，在激励区中的激励力可以引起可拉伸压阻元件的拉伸。如果可拉伸压阻元件位于比激励力的施加点更接近旋转轴的位置处，则通过不同距离或杠杆臂对作用于可拉伸压阻元件的激励力进行放大。

根据机电换能器的另一示例实施例，检测单元可以包括第一锚元件和第二锚元件。第一锚元件和第二锚元件可以被布置为，使得在第一锚元件与第二锚元件之间提供锚间隙，例如，将锚元件彼此电去耦合。可压缩压阻元件可以附着至第一锚元件。可拉伸压阻元件可以附着至第二锚元件。如果第一锚元件和第二锚元件分别通过可压缩压阻元件和可拉伸压阻元件来连接，则可以施加偏置电压。锚间隙将第一锚元件与第二锚元件分离，使得电流可以从第一锚元件开始流至第二锚元件，其中欧姆电阻由压阻元件来定义。因此，由于可压缩和可拉伸压阻元件响应于悬臂运动的电阻变化，电配置变化，并因此提供对应的电信号。因此，电信号基于悬梁的移动，并且还基于激励电压。

根据机电换能器的另一示例实施例，可压缩压阻元件和/或可拉伸压阻元件由半导体材料构成，半导体材料选自由以下各项组成的组：n型掺杂材料、p型掺杂材料、p⁺⁺掺杂材料以及n--掺杂材料。因此，当改变压阻元件的掺杂类型和/或浓度时，可以修改和优化压阻作用的符号(sign)和幅度。

根据本发明的另一示例实施例，激励间隙提供悬梁的长度与激励区之间的非恒定(或者在空间上相关)间隔。因此，当激励间隙的间隔向着旋转轴减小，相应地当增加与悬梁的第一端的距离时，那么悬梁可以提供较大受激运动，而无需接触激励单元，相应地无需接触激励区。因此，无需在整个激励区上提供较大激励间隙的情况下，悬梁(相应地，受激运动)的较大机械振幅是可能的。

根据本发明的另一示例实施例，机电换能器包括多个可压缩压阻元件和多个可拉伸压阻元件中的至少一个。因此，如果一个可压缩压阻元件或者一个可拉伸压阻元件损坏，则其他压阻元件仍可以操作，使得为整体系统提供冗余。此外，当提供多个压阻元件时可以更精确地测量电信号。

根据本发明的另一示例实施例，提供了一种机电换能器系统，其中，该换能器系统包括：具有上述属性的第一机电换能器，以及具有上述属性的第二机电换能器。第一机电换能器的第一悬梁的激励运动和第二机电换能器的第二悬梁激励运动是围绕公共旋转轴的旋转运动。因此，第一和第二悬梁中的每一个可以包括与旋转轴距离最远的自由端。可以向第一和第二悬梁的自由端的一部分提供第一和第二激励器件(例如电极)。此外，在自由端上，可以向第一和第二悬梁的对侧提供电极。因此，可以降低用于激励第一和第二悬梁的总能量。换言之，通过组合如上所述的机电换能器，机电换能器的两个悬梁能够围绕一个公共旋转轴旋转。因此，例如可以提供较大激励距离，这是因为从旋转轴开始，悬梁可以从旋转轴开始沿着两个方向延伸。当压阻元件之一是p型和其他n型时，该实施例工作最佳。

根据本发明的另一示例实施例，提供了一种多机电换能器系统。多机电换能器系统可以包括：具有上述属性的第一机电换能器系统，以及具有上述属性的第二机电换能器系统。第一机电换能器系统和第二机电换能器系统中的每一个的第一第一机电换能器可以包括第一公共或共享激励单元和第一公共或共享检测单元。第一机电换能器系统和第二机电换能器系统的第二机电换能器可以包括第二公共或共享激励单元和第二公共或共享检测单元。

通过使用针对第一机电换能器的第一公共激励单元和第一公共检测单元，简要的驱动电子装置和较低的驱动激励电压足以提供要测量的电信号。

根据多换能器系统的另一示例实施例，以不同方式掺杂第一机电换能器系统和第二机电换能器系统的第一悬梁的可压缩压阻元件以及第一机电换能器系统和第二机电换能器系统的第二悬梁的可拉伸压阻元件。

因此，受激运动沿着第一机电换能器系统和第二机电换能器系统的第一悬梁与第二悬梁之间的反方向，尽管可以施加一个且相同的激励电压。可以将激励电压施加于各个端子，例如，包括电极等激励器件。因此第一公共检测单元的压阻元件可以被压缩，第二公共检测单元的压阻元件可以被拉伸。当改变受激运动的方向时，第一悬梁的可压缩压阻元件被拉伸，第二悬梁的可拉伸压阻元件被压缩。因此，可以对杠杆作用进行放大。同样可以放大针对电信号的激励电压的放大因子。

本发明的实施例不限于特定材料，使得可以使用许多不同材料。对于导电结构，能够使用金属化结构、硅化物或多晶硅结构。对于半导体区或组件，可以使用晶体硅或多晶硅。对于绝缘部分，可以使用二氧化硅或氮化硅。

在实施例中，例如，机电换能器可以单片集成到半导体技术中，更具体地集成到硅技术中。

根据下文将要描述的实施例的示例，本发明的上述方面和其他方面将变得显而易见，并且参照实施例的这些示例来说明。针对机电换能器和机电换能器系统描述的示例实施例也可以应用于方法的示例实施例，反之亦然。

附图说明

在下文中，参照附图，为了进一步说明和更好的理解，对本发明的示例实施例进行描述。

图1示出了根据本发明一个实施例的机电换能器的方案；

图1a示出了机电换能器的另一示例实施例的示意图；

图2示出了图1的示例实施例的机械等同图的示意图；

图2a示出了图1a的示例实施例的机械等同图的示意图；

图3示出了根据本发明示例实施例的悬梁变型的FEM分析的示意图；

图4示出了图3的示例实施例的示意和详图；

图5示出了图4的示例实施例的FEM分析的扩大图；

图6示出了根据本发明的示例实施例的关于悬梁位置的FEM分析的应力方向的图；

图7示出了根据本发明示例实施例的MEMS的层结构的示意图；

图8A至图8D示出了根据本发明示例实施例的以不同方式掺杂的压阻元件的示意图；

图9示出了根据本发明示例实施例的包括具有变化距离的激励间隙的机电换能器的示意图；

图10示出了根据本发明示例实施例的包括梳状激励区系统的机电换能器的示意图；

图11示出了根据本发明示例实施例的机电换能器系统和多机电换能器系统的示意图。

具体实施方式

附图中的示例是示意性的。在不同附图中，类似或相同的元件具备相同的附图标记。附图中的视图是示意性的并未完全按比例示出。

图1示出了本发明的示例实施例。图1所示的机电换能器100包括悬梁101和激励单元102，激励单元102适于激励悬梁101的运动。检测单元103适于响应于悬梁101的受激运动，来检测电信号i_out。

此外，在图1中示出了可压缩压阻元件104和可拉伸压阻元件105。可压缩压阻元件104和可拉伸压阻元件105适于将悬梁101夹持到或柔性地固定到检测单元103。激励单元102包括向悬梁102提供激励电压v_in的激励区109。在另一示例实施例中，还能够对激励单元102施加偏置电压V_g0，其中，附加地，对检测单元103施加或覆盖(overlay)激励电压v_in。如果偏置电压V_g0和激励电压v_in之和包括悬梁101的谐振频率，则如图1中曲线箭头所示，悬梁101以受激运动方式移动。

通过可压缩压阻元件104和/或可拉伸压阻元件105将悬梁104夹持到检测单元103。如图1所示，悬梁101可以围绕旋转轴112旋转，并因此压缩可压缩压阻元件104或拉伸可拉伸压阻元件105。因此，压阻元件104、105的电阻由于悬梁101的受激运动而发生变化，使得提供特定电信号i_out。

可以向检测单元103施加偏置电流I_d0。该偏置电流I_d0可以流经可压缩压阻元件104和/或可拉伸压阻元件105。如果压阻元件104、105的电阻变化，则该电阻变化也可以改变电信号i_out。由于压阻元件104、105的(机械)延长与缩短与电阻的关系，电信号i_out取决于悬梁101的受激运动，并因此取决于激励单元102的激励电压v_in。

激励单元102提供激励区109和悬梁101、杠杆部分111。在激励区109与杠杆部分111之间提供激励间隙110。如果激励区109和/或杠杆部分111增大，和/或间隙减小，则同样可以增大悬梁101的力F1。因此，通过增加对悬梁101施加激励力或激励电压v_in的面积比，即使激励电压v_in较小，也可以提供改善的电信号i_out。

此外，为了在谐振下在压阻元件104、105处获得更好的电阻变化，并因此获得改善的输出电信号i_out，有利地在施加电感测电流(即，可压缩压阻元件104和/或可拉伸压阻元件105)的位置处集中机械应变。因此，悬梁101的杠杆作用可以用来改善针对小激励电压V_in的电信号i_out。通过使用具有杠杆部分111的悬梁101，可以对压阻元件104、105的电阻变化感测到谐振的位置处的激励力F2进行放大。

换言之，图1示出了实施例，其中对激励力F2进行放大，通过使用杠杆作用获得反作用力F1。如图1的实施例所示，悬梁101提供了旋转轴112。在与旋转轴112的第一距离x1处，定位可压缩压阻元件104，在第二距离处，即激励距离x2，定位激励力F2的施加点。因此运动的平衡方程是：

x₁F₁+x₂F₂＝0

因此，当激励力F2较小，激励距离x2较长，以及第一距离x1较小时，增加反作用力F1，反作用力F1是以机械方式作用于可压缩压阻元件104的力，并从而足够的机械力可用于产生可压缩压阻元件104的电阻变化，并因此给出有用的电信号i_out。

类似的作用施加于可拉伸压阻元件105。沿着激励力F2的施加点方向以第二距离x3放置可拉伸压阻元件105。因此，由于激励力F2而引起的悬梁101的移动引起可拉伸压阻元件105的拉伸。如果第二距离x3小于激励距离x2，则对激励力F2进行放大，这获得更高的反作用力F1。

换言之，在激励间隙110上，通过激励电压V_in(例如AC电压)来激励谐振器。悬梁101用作谐振器并且遵照曲线箭头所指的受激运动。可压缩压阻元件104和可拉伸压阻元件105将悬梁101连接至检测单元102，检测单元102可以包括或由第一锚元件106和第二锚元件107组成。由于悬梁101的受激运动，压阻元件104、105被拉伸和压缩。通过测量压阻元件104、105的压阻，相应地测量压阻元件104、105的电阻变化，来检测压阻元件104、105的延长和缩短。

图1a示出了机电换能器100的示例实施例，其中，激励单元102位于悬梁101的右第一端113上。激励单元102可以包括悬梁101两侧上的电极。因此在悬梁101的上侧和下侧上提供激励区109。

图2示出了图1实施例的放大作用的机械等同图。

对悬梁102施加激励力F2，悬梁102在弹簧常数k1处获得反作用力F1。弹簧常数k1取决于压阻元件104、105的材料特性。反作用力F1以与旋转轴112的激励距离x2提供施加点。在图2中，示出了可压缩压阻元件104，并且可压缩压阻元件104位于与旋转轴112的第一距离x1处。移动的平衡方程是：

x₁F₁+x₂F₂＝0

将该方程应用于悬梁101的受激运动和弹簧k1的延长y1(即，可压缩压阻元件104的延长)的方程，获得以下方程：

m_{2} y_{1}^{''} + γ y_{1}^{'} + {(\frac{x_{1}}{x_{2}})}^{2} k_{1} y_{1} = (\frac{x_{1}}{x_{2}}) F_{2}

其中阻尼因子γ和质量m2。谐振频率和Q因子由以下方程给出：

ω_{0} = \frac{x_{1}}{x_{2}} \sqrt{\frac{k_{1}}{m_{2}}}

Q = \frac{x_{1}}{x_{2}} \frac{\sqrt{k_{1} m_{2}}}{γ}

谐振下的最大延长y1，max由以下方程给出：

y_{1, \max} = \frac{Q F_{2}}{k_{1}} \frac{x_{2}}{x_{1}}

弹簧常数k1和激励力F2以及杠杆臂或激励距离x2由以下方程给出：

k_{1} = E \frac{w_{1} h}{l}

F_{2} = v_{in} V_{g 0} \frac{ϵ_{0} w_{2} h}{g^{2}}

x₂＝w₂/2

因此，悬梁101谐振下作用于可压缩压阻元件104的机械应变ε＝y1，max/l是：

ϵ_{1, \max} = v_{in} V_{g 0} \frac{ϵ_{0} Q}{2 E g^{2}} \frac{x_{2}}{x_{1}} \frac{x_{2}}{w_{1}}

机械应变获得由于压阻作用而引起的电阻变化dR/R，

\frac{dR}{R} = Kϵ

其中K是压阻高斯因子。当利用电流i_d0对谐振器(即，悬梁101)施加偏置，那么谐振下激励电压V_in上的调制电流(即，电信号i_out)由以下方程给出：

\frac{i_{out}}{v_{in}} = I_{d 0} V_{g 0} \frac{ϵ_{0} K}{2 E} \frac{Q}{g^{2}} \frac{x_{2}}{x_{1}} \frac{x_{2}}{w_{1}} = I_{d 0} V_{g 0} \frac{ϵ_{0} K}{2 E} \frac{Q}{g^{2}} η_{arm} η_{area}

例如，在滤波器和振荡器应用中应当最大化比值g_m＝i_out/v_in。这可以通过增加η_area区域(例如，通过增加激励区109或杠杆部分111)来进行。然而，杠杆作用也可以用来增加感测元件(即，压阻元件)的电阻变化，使得可以使用η_arm来增加gm。

图2a是示出了图1a实施例的放大作用的机械等同图。针对悬梁101的第一端113，示出了激励力F2的施加点。在可压缩和可拉伸压阻元件104、105的位置处，示出了反作用力F1的施加点。激励力F2与反作用力F1之间的机械关系可以类似于图1的示例实施例：

x₁F₁+x₂F₂＝0

图3至图6示出了有限元分析的结果。在目前为止的分析中，假定悬梁101优选地旋转可弯曲，并且杠杆部分111优选地是刚性的。为了验证这些假定，执行有限元分析。在图3中示出了谐振器(即，悬梁101)的顶视图。在图4中示出了感测杆(即，压阻元件104、105)的缩小视图，以及谐振器接合(即，悬梁101)的放大视图。窄杆(例如，可压缩压阻元件104)用于压阻感测。在这种情况下，杠杆部分111可以与弹簧并行，但是也等同于图2所示的质量弹簧系统。悬梁101的这种特定结构的谐振频率例如可以在150至180、160至170kHz(千赫)之间的范围内，或者如图3至图6所示大约162kHz，假定定向单晶硅Si的材料属性(100)。将激励力F2设置为在200μm长谐振器边缘(即，悬梁101的杠杆部分111)上施加的大约1N。

根据图4，可以看出实际应变集中在窄杆(例如，可压缩压阻元件104)中，但是在宽杆(例如，可拉伸压阻元件105)中也可以观察到一些相反应变。在图5和图6中示出了窄杆(例如，可压缩压阻元件104)宽度上的应力曲线.

图5示出了沿着感测元件(即，可压缩压阻元件104)的y方向的应力分布的缩放。

图6示出了根据杆(例如，压阻元件104、105)的一半处选取的x位置的y方向应力分布。

根据该图，可以看出平均应力近似为55.2N/μm。考虑0.3μm的杆宽度，上述可以转换成杠杆作用η_arm＝16.6。根据几何图形，可以看出x1＝2.45μm和x2＝100μm，因此弹簧质量模型所预测的杠杆作用是η_arm＝40.8。仿真的η_arm低于所计算的η_arm的事实是由于以下事实：旋转点具有有限的弯曲硬度，并因此激励力F2的一部分可以通过将宽杆(例如，可拉伸压阻元件105)弯曲成其最终形状所需的力F1来筛选。

图7示出了在硅衬底上制作的机电换能器。如何构建并使用机电换能器的示例方法可以类似于用于制作MEMS谐振器(衬底的三个截面图)的方法。原始材料可以是绝缘体上硅晶片(SOI)。可以在SOI层中刻蚀谐振器布局(即，悬梁101布局)。然后可以通过埋氧层(BOX)的各项同性刻蚀来释放谐振器(即，悬梁101)。在图7中，谐振器(即，悬梁101)的受激运动在衬底平面中。

可以在CMOS技术中实现上述制造方法，这是由于上述过程符合CMOS技术。

对于任何方法步骤，可以实现从半导体技术中获知的任何传统过程。形成层或组件可以包括沉积技术，例如CVD(化学汽相沉积)、FECVD(等离子增强化学汽相沉积)、ALD(原子层沉积)或者溅射。移除层或组件可以包括刻蚀技术，例如，湿刻蚀、汽相刻蚀等，以及图案化技术，例如，光学刻蚀、UV光刻、电子束刻蚀等。

可以在纯晶体硅晶片上或者在SOI晶片(绝缘体上硅)形成结构。可以实现例如CMOS、BIPOLAR、BICMOS的工艺技术。

图8a至图8d示出了可压缩压阻元件104和可拉伸压阻元件105的示例实施例。可以通过修改应力梁(即，可压缩压阻元件104和可拉伸压阻元件105)中的掺杂来提供另一示例实施例。

可以在例如可以由SOI层组成的可压缩压阻元件104和可拉伸压阻元件105中散布不同类型的掺杂。这样，可以提供针对压阻Gauge因子的正和负值。

图8a示出了进行了相同掺杂的压阻元件104、105。在这种情况下，对于两个压阻元件104、105而言所感应的电阻变化是相反的。因此，压阻元件104、105中的任一个是可压缩压阻元件104和可拉伸压阻元件105，或者使得压阻元件104、105的宽度不相同，以便获得净输出电信号i_out。例如，可以减小宽杆(例如，可拉伸压阻元件105)中的电阻和应变，并因此输出信号受窄杆(例如，可压缩压阻元件105)的主导。

图8b示出了实施例，其中，两个杆(即，两个压阻元件104、105)掺杂不同(例如，一个p型，另一n型)，或者掺杂浓度部分(例如，一个p另一个p++，或者一个n另一个n--)，则两个压阻元件104、105可以具有相同的几何形状。在图8b所示以不同等级掺杂的两个压阻元件104、105的情况下，具有低掺杂等级的压阻元件104、105可以主导响应。

如图8c所示，当用不同类型的掺杂剂掺杂两个压阻元件104、105时，总电阻变化是两个压阻元件104、105的和，这是因为压阻元件104、105中的一个在被压缩时会增加/减小电阻，另一个在被拉伸的情况下会增加/减小电阻。这是由于例如对于n型和p型硅而言压阻作用是相反的。

图8d示出了压阻元件104、105中的一个合并了p-n结的几何形状。在这种情况下，压结用于感测而不是压阻作用。当对该结施加反相偏置时，通过接合的电阻受该结的主导，并因此主要检测压结作用。

因此杠杆作用可以用来增大可压缩和可拉伸压阻元件104、105的电阻变化。

图9示出了机电换能器的示例实施例，其中，激励间隙110提供悬梁101与激励区109的长度之间的非恒定间隔。激励间隙110的宽度向着谐振量或悬梁101的悬端缩减。这可以提供较大机械振幅具有较低致动电压的优点。间隙也可以是梳状的。这还增大了激励间隙110，并且可以根据位移使激励力F2线性化。

图10示出了梳状激励区109的示例实施例。梳状激励区109包括锯齿状元件，锯齿状元件沿着到悬梁101的方向从激励区109伸出。悬梁101包括相应的锯齿，该锯齿沿着到激励区域109的方向从悬梁101的表面伸出。悬梁101的锯齿元件适合于与梳状激励区109的锯齿元件合并，但彼此不接触。在梳状激励区109的锯齿元件与悬梁101的锯齿元件之间仍提供激励间隙110。因此激励间隙110通过悬梁101的锯齿和激励区109的锯齿形成梳状结构。因此，总激励区109增大，而无需延长悬梁101或激励单元102。

图11示出了机电换能器系统和多机电换能器系统的示例实施例。在图11中，示出了第一机电换能器系统1300和第二机电换能器系统1400。第一和第二机电换能器系统1300、1400分别包括第一机电换能器1100和第二机电换能器1200。每个机电换能器1100、1200包括第一和第二悬梁1101、1102。第一和第二悬梁1101、1102通过公共旋转轴112连接。第一悬梁1101和第二悬梁1102的激励运动提供围绕一个公共旋转轴112的相同旋转受激运动。在第一距离x1和第二距离x3处，放置可压缩压阻元件104和可拉伸压阻元件105。压阻元件104、105可以根据第一和第二悬梁1101、1102的受激运动可压缩和/或可拉伸。在悬梁1101、1102的第一端113上，提供第一和第二公共激励单元1002、1004。第一和第二激励单元1002、1004可以包括第一和第二悬梁1101、1102两侧上的电极。如果沿着第一和第二悬梁1101、1102的两侧放置电极，则致动信号或激励电压V_IN的相位差是180°。这可以提供需要较低驱动电压的效果。

在示例实施例中，第一悬梁1101可以包括第一公共激励单元1002，第二悬梁1102可以包括第二公共激励单元1004。此外，在另一示例实施例中，第一公共激励单元1002和第二公共激励单元1004彼此相互作用。例如，第一公共激励单元1002和第二公共激励单元1004中的每一个包括位于每个悬梁1101、1102内侧的电极和位于每个悬梁1101、1102外侧的电极。位于第一悬梁1101内侧的电极接收与第二悬梁1102的外侧电极相同的激励电压V_IN，例如，相同频率或强度。因此，位于第一悬梁1101外侧的电极可以接收与第二悬梁1102的内侧电极相同的激励电压V_IN。因此，不需要调整激励电压V_IN的复杂控制器件。

此外，图11示出了多机电换能器系统，其中两个机电换能器系统1300、1400耦合在一起，并因此使用第一公共激励单元1002和/或第二公共激励单元1004以及第一公共检测单元1003和/或第二公共检测单元1005。因此，第一公共激励单元1002和/或第二公共激励单元1004可以激励第一或第二悬梁1001和1002的受激运动。

通过移动第一和第二机电换能器1101、1102的第一和第二悬梁1101、1102的移动，公共压阻元件104、105被延长，并且利用一个公共检测单元1003、1005来测量。

此外，图11示出了第一机电换能器系统1300和第二机电换能器系统1400中的第一和第二机电换能器1100、1200的第一和第二悬梁1001、1002。连接第一悬梁1101的压阻元件104和连接第二悬梁1102的压阻元件105按照不同方式掺杂。

利用机电换能器，例如硅谐振器的压阻输出信号(即，电信号i_out)可以使用悬梁101上至少两个适当选择的位置上的压阻元件104、105所夹持的悬梁101的杠杆部分111来提供。

机电换能器100的应用适合于基于MEMS的滤波器和振荡器。要求保护的机电换能器110降低了这种器件的偏置电流i_d0、功耗以及偏置电压v_g0。使用要求保护的机电换能器100所需的功率电平能够允许来自电池的直接馈送。这极大地简化了便携式设备的应用，在便携式设备中例如可以使用振荡器来保持时间和频率参考。

应当注意术语“包括”不排除其他元件或特征。同样可以对与不同实施例相关联描述的元件进行组合。

还应当注意权利要求中的附图标记不应视为限制权利要求的范围。

附图标记：

100 机电换能器

101 悬梁

102 激励单元

103 检测单元

104 可压缩压阻元件

105 可拉伸压阻元件

106 第一锚单元

107 第二锚单元

108 锚间隙

109 激励区

110 激励间隙

111 杠杆部分

112 旋转轴

113 第一端

1002 第一公共激励单元

1003 第一公共检测单元

1004 第二公共激励单元

1005 第二公共检测单元

1100 第一机电换能器

1200 第二机电换能器

1101 第一机电换能器的第一悬梁

1102 第二机电换能器的第二悬梁

1300 第一机电换能器系统

1400 第二机电换能器系统

v_g0 偏置电压

V_in 激励电压

i_d0 偏置电流

i_out 电信号

F1 反作用力

F2 激励力

x1 第一距离

x2 激励距离

x3 第二距离

w1 压阻元件的长度

w2 杠杆部分的长度

k 弹簧常数

Claims

1.一种机电换能器，包括：

悬梁(101)；

激励单元(102)，适于激励悬梁(101)的运动；

检测单元(103)，适于响应于悬梁(101)的受激运动检测电信号(i_out)。

2.根据权利要求1所述的机电换能器，还包括：

可压缩压阻元件(104)；

其中，所述可压缩压阻元件(104)适于将悬梁(101)夹持到检测单元(103)；

其中，悬梁(101)适于由于悬梁(101)的受激运动来压缩可压缩压阻元件(104)，使得可压缩压阻元件(104)向检测单元(103)提供电信号(i_out)。

3.根据权利要求1所述的机电换能器，还包括：

可拉伸压阻元件(105)；

其中，所述可拉伸压阻元件(105)适于将悬梁(101)夹持到检测单元(103)；

其中，悬梁(101)适于由于悬梁(101)的受激运动来拉伸可拉伸压阻元件(105)，使得可拉伸压阻元件(105)向检测单元(103)提供电信号(i_out)。

4.根据权利要求1所述的机电换能器，其中，激励单元(102)适于在激励间隙(110)上施加激励电压(V_in)，以影响悬梁(101)。

5.根据权利要求4所述的机电换能器，其中，

悬梁(101)包括从悬梁(101)的旋转轴(112)延伸到悬梁(101)的第一端(113)的杠杆部分(111)；

激励单元(102)适于施加激励电压(V_in)以影响杠杆部分(111)，所述杠杆部分(111)用于产生作用于悬梁(101)的合激励力(F2)；

在与旋转轴(112)的激励距离(x2)处提供合激励力(F2)施加点。

6.根据权利要求5所述的机电换能器，其中，

在与悬梁(101)的旋转轴(112)的第一距离(x1)处提供可压缩压阻元件(104)；

激励距离(x2)和第一距离(x1)沿着杠杆部分(111)在相同方向上延伸；

激励距离(x2)大于第一距离(x1)。

7.根据权利要求5所述的机电换能器，其中，

在与旋转轴(112)的第二距离(x3)处提供可拉伸压阻元件(105)；

激励距离(x2)和第二距离(x3)沿着杠杆部分(111)在不同方向上延伸；

激励距离(x2)大于第二距离(x3)。

8.根据权利要求2和3所述的机电换能器，其中，

检测单元(103)包括第一锚元件(106)和第二锚元件(107)；

第一锚元件(106)和第二锚元件(107)被布置为，使得在第一锚元件(106)和第二锚元件(107)之间提供锚间隙(108)；

可压缩压阻元件(104)附着至第一锚元件(106)；

可拉伸压阻元件(105)附着至第二锚元件(107)。

9.根据权利要求2和3所述的机电换能器，其中，

可压缩压阻元件(104)和可拉伸压阻元件(105)中的至少一个由选自包括n型掺杂材料和p型掺杂半导体材料的组的材料制成。

10.根据权利要求4所述的机电换能器，其中，

激励间隙(110)提供悬梁(101)的长度与可施加激励电压(V_in)的激励区(109)之间的非恒定间隔。

11.根据权利要求1所述的机电换能器，其中，

包括至少一个压阻元件(104、105)，具体是多个可压缩压阻或压结元件(104)和多个可拉伸压阻元件(105)中的至少一个。

12.一种机电换能器系统，包括：

根据权利要求1所述的第一机电换能器(1100)；

根据权利要求1所述的第二机电换能器(1200)；

其中，第一机电换能器(1100)的第一悬梁(1101)的激励运动和第二机电换能器(1200)的第二悬梁(1102)的激励运动是围绕公共旋转轴(112)的旋转运动。

13.一种多机电换能器系统，包括：

根据权利要求12所述的第一机电换能器系统(1300)；

根据权利要求12所述的第二机电换能器系统(1400)；

其中，第一机电换能器系统(1300)的第一机电换能器(1100)和第二机电换能器系统(1400)的第一机电换能器(1100)包括第一公共激励单元(1002)和第一公共检测单元(1003)；

其中，第一机电换能器系统(1300)的第二机电换能器(1200)和第二机电换能器系统(1400)的第二机电换能器(1200)包括第二公共激励单元(1004)和第二公共检测单元(1005)。

14.根据权利要求13所述的多机电换能器系统，其中，

第一机电换能器系统(1300)的第一悬梁(1101)的可压缩压阻元件(104)、第二机电换能器系统(1400)的第一悬梁(1101)的可压缩压阻元件(104)、第一机电换能器系统(1300)的第二悬梁(1102)的可拉伸压阻元件(105)、和第二机电换能器系统(1400)的第二悬梁(1102)的可拉伸压阻元件(105)以不同方式掺杂。

15.一种机电换能方法，其中，所述方法包括：

激励悬梁(101)的运动；

响应于悬梁(101)的受激运动检测电信号(i_out)。