KR102563920B1 - 액추에이터로서의 벤딩 변환기, 센서로서의 벤딩 변환기, 벤딩 변환기 시스템 - Google Patents

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Abstract

액추에이터로 작동하는 벤딩 변환기가 제시되며, 상기 변환기는 편향 가능한 요소, 및 편향 가능한 요소의 중심 섬유를 따라 연장하여 제 1 전기 신호가 인가될 때 편향 가능한 요소를 제 1 방향(161, 161b)으로 편향시키는 마이크로 전자기계적 변환기, 및 중심 섬유를 따라 연장하여 제 2 전기 신호가 인가될 때 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 편향 가능한 요소를 편향시키는 제 2 마이크로 전자기계적 변환기를 포함하고, 중심 섬유는 서로 반대쪽을 향하는 제 1 및 제 2 마이크로 전자기계적 변환기의 측면 사이에 위치하며, 전기 제어부는 입력 신호에 따라 제 1 전기 신호 및 제 2 전기 신호를 변경하여 제 1 전기 신호의 변경 및 제 2 전기 신호의 변경이 전기 입력 신호에 좌우되고, 제 1 및 제 2 전기 신호의 위상이 서로에 대해 편이되도록 구성된다. 센서로 작동하는 벤딩 변환기도 또한 제시된다.

Description

액추에이터로서의 벤딩 변환기, 센서로서의 벤딩 변환기, 벤딩 변환기 시스템
본 발명은 벤딩 변환기(bending transducer) 및 액추에이터 또는 센서로서의 벤딩 변환기의 용도 및 벤딩 변환기 시스템에 관한 것이다.
마이크로기계적 장치(MEMS)는 액추에이터의 경우 전기 신호를 기계적 효과로 변환하거나, 또는 센서의 경우 기계적 효과를 전기 신호로 변환하기 위해 필요하다. 이를 적용하는 데에 있어, '효과'는 예를 들어 작업 수행 및 벤딩 모멘트가 관련되어 편향되거나 적용된 것을 의미한다.
마이크로 전자기계적 부품의 기계적 효과(전송 특성)와 전기 신호와 사이의 관계의 선형성에 대한 정규적인 요구가 높다. 이것은 예를 들어, 마이크로 전자기계적 부품을 사용하여 마이크 또는 라우드 스피커에 사용하는 경우에 적용된다. 전송 특성의 비선형성은 마이크로 전자기계적 부품들이 이들이 의도한 기능을 수행할 수 있고 액추에이터의 경우 복잡한 제어로 수정되어야 하고 센서의 경우 복잡한 신호 처리로 수정되어야 하는 데에 필요한 정밀도에 부정적인 영향을 미친다.
예를 들어, 라우드 스피커 또는 마이크와 같은 마이크로 기계식 사운드 변환기의 전송 특성의 비선형성은 높은 왜곡 요인으로 이어지며 마이크로 프로세서 또는 신호 처리를 추가로 사용하여 수정되어야 한다.
요약하면 마이크로 스피커와 같은 실용적인 애플리케이션이 있는데, 이 때 인가된 신호 전압 수준과 장치에서 생성되는 기계적 효과의 크기, 즉 수행할 작업 사이의 선형 관계가 중요하다. 동시에, 출력 신호의 스펙트럼 구성(라우드 스피커의 경우, 공기 중 사운드)은 낮은 왜곡 계수에 해당하는 입력 신호의 스펙트럼 구성과 동일해야 한다. 선형성 범위는 진폭과 주파수에 따라 달라지며 가능한 한 커야 한다. 이를 위해서는, 선형성을 크게 변경하지 않고 (전기적) 작동 매개 변수를 변경하여 감도와 주파수를 변경하는 것이 필요하다. 이 애플리케이션에 있어서, 민감도는 효과의 변화와 신호의 변화 사이의 관계를 의미한다. 전송 특성의 선형성이 개선된 MEMS 장치의 이전 설계 구현은 (풀-인(pull-in) 불안정성 관련하여) 구조적으로 제한된 동적 범위에서 바람직하지 않은 고전압 요구 사항을 갖는 MEMS 기술을 기반으로 하므로, 제한된 주파수 범위는 모바일 애플리케이션에 적합하지 않다. 예시적으로 US 97 834 08 B2 문서를 참조한다.
WO 2095185 A1은 저전력 소모로 고성능을 갖는 MEMS 소자를 설계하는 방법을 설명하지만, 선형성을 개선하고 조정할 수 있는 방법은 설명하고 있지 않다. 벤딩 반경을 늘리거나 동일한 벤딩 특성으로 구동 효율을 늘리기 위해서, 중성 섬유로 분리된 두 개의 벤딩 변환기로 구성된 벤딩 변환기 시스템이 DE 10 2015 206 774 A1에 제안되어 있다. 이 프로세스에서 형성된 캐비티는 벤딩 특성에 긍정적인 영향을 미치기 위한 것으로 의도된다. 선형성을 개선하고 조정하기 위한 조치는 공개되지 않았다.
따라서, 본 발명의 목적은 벤딩 변환기 및 이러한 벤딩 변환기의 액추에이터 또는 센서로서의 사용 및 벤딩 변환기의 시스템을 제공하며, 이들은 동일하거나 유사한 효율성으로 개선된 조정 가능한 선형성을 보여준다.
이 목적은 독립 청구항의 주제에 의해 해결된다.
본 출원의 핵심 아이디어는 액추에이터로 사용되는 벤딩 변환기가 편향 가능한 요소의 중심 섬유를 따라 연장하는 제 1 마이크로 전자기계적 변환기 (이하 MEMS 변환기로 약칭)와 중심 섬유를 따라 연장하는 제 2 MEMS 변환기를 갖는 편향 가능한 요소를 포함할 때 필적할만한 성능에서 개선되고 조정 가능한 선형성을 제공하고, 이 때 중심 섬유는 적어도 서로 마주보는 MEMS 변환기의 말단 가장자리 또는 측면 사이 또는 MEMS 변환기 사이에 위치되며, 상기 편향 가능한 요소는 제 1 또는 제 2 MEMS 변환기에 제 1 또는 제 2 전기 신호가 인가될 때, 및 제 1 및 제 2 전기 신호의 위상이 서로에 대해 편이되도록 전기 입력 신호에 따라 제 1 및 제 2 전기 신호의 변화가 수행 될 때 반대 방향으로 편향된다는 것이다. 위상 편이는 양쪽을 포함하여 0.001 ~ 240 °간, 또는 양쪽 포함 60 ~ 200 °또는 180 °일 수 있다. 이 실시 예는 성능 문제없이 달성되는 대칭 제어를 갖는 3 전극 원리를 사용하여 그렇지 않으면 가능할 선형성 측면에서 이점을 얻을 수 있게 한다. 본 발명에 따르면, 제어에 의해, 큰 주파수 범위에서 높은 역학, 즉 큰 진폭 범위를 갖는 큰 선형성 범위가 얻어질 수 있다. 유사하게, 본 출원의 핵심 아이디어의 일부는 벤딩 변환기에 편향 가능한 요소의 중심 섬유가 다시 제 1 및 제 2 MEMS 변환기의 반대편 사이에 위치하는 편향 가능한 요소가 장착될 때, 및 편향 가능한 요소의 변형시 변환기의 단자에서 출력되는 전기 신호가 출력 신호를 생성하는 데 사용되어 출력 신호의 변경이 제 1 변환기에서 제 1 전기 신호의 변경과 제 2 변환기에서 제 2 전기 신호의 변경의 차이에 좌우될 때, 센서로 사용되는 벤딩 변환기가 유사한 성능에서 개선되고 조정 가능한 선형성이 성취될 수 있다는 것이다. 한편으로는 부하 변경 중에 선형성을 최적화 할 수 있고, 반면에 감도와 선택성 (이 경우 공진 주파수) 은 선형 동적 범위 (이 경우 진폭) 및 선형 주파수 대역을 최대화하기 위해 응용 분야별로 조정할 수 있다.
실시 예에 따르면, 제 1 및 제 2 MEMS 변환기는 각각 세그먼트 사이의 각 플레이트 커패시터의 전극을 서로에 대해 고정함으로써, 편향 가능한 요소의 길이 방향을 따라 또한 중심 섬유를 따라 세그먼트로 분할된 플레이트 커패시터이다. 이러한 방식으로 벤딩 변환기의 편향은 두 전극 사이의 거리에 비해 클 수 있다. 중심 섬유는 적어도 서로 마주보고 있는 MEMS 변환기의 측면 사이, 즉 서로 이격된 MEMS 변환기의 말단 전극의 반대 측면 사이에, 또는 MEMS 변환기의 말단 전극 사이에서, 또는 MEMS 변환기 중 인접 전극 또는 서로 가장 멀리 떨어져 있는 전극의 반대쪽면 사이에, 또는 MEMS 변환기 사이, 즉 MEMS 변환기의 근위 전극의 마주보는 측면 사이에 위치할 수 있다. 이들 실시 예 중 일부에서, 각각의 플레이트 커패시터의 전극은 세그먼트로 교대 배치 방식으로 구성되므로, 한 전극의 돌출부가 다른 전극의 해당 돌출부 사이의 틈에 돌출되고 그 반대의 경우가 된다. 이로 인해 성능과 감도가 증가된다.
벤딩 변환기를 액추에이터로 사용하는 실시 예에서, 전기 구동부는 제 1 전기 신호로서 입력 신호에 따라 제 1 바이어스와 제 1 신호 부분의 조합을 제 1 MEMS 변환기에 인가하고/하거나 제 2 전기 신호로서 입력 신호에 의존하는 제 2 바이어스 및 제 2 신호 부분의 조합을 제 2 MEMS 변환기에 인가하도록 배열된다. 전기 신호는 예를 들어 전기 전압 또는 전류일 수 있다. 액추에이터로 사용되는 벤딩 변환기의 MEMS 변환기의 제어는 바이어스 U0 및 가변 신호 전압 Usignal이 있는 두 개의 연결된 네트워크 루프로 구성될 수 있다. 이에 의해, 전기 제어는 편향 가능한 요소에 대한 비대칭 부하를 보상하기 위해 상이한 진폭으로 제 1 및 제 2 전기 신호의 변화를 수행하도록 구성된다. 비대칭 하중은 예를 들어 마이크로 전자기계적 변환기의 구조적 비대칭 및/또는 압력 차이와 같이 편향 가능한 요소에 작용하는 비대칭 힘이다. 마찬가지로 센서로 사용되는 벤딩 변환기는 편향 가능한 요소의 비대칭 부하를 보상할 수 있다. 센서로 사용되는 벤딩 변환기의 제어는 바이어스를 제 1 MEMS 변환기 및/또는 제 2 MEMS 변환기에 적용하도록 구성될 수 있다. 실시 예들에 따르면, 벤딩 변환기의 바이어스 또는 바이어스들은 편향 가능한 요소에 대한 외부 기계적 영향 없이 그리고 액추에이터로 사용되는 벤딩 변환기의 경우, 입력 신호에 따라 신호 부분 없이, 편향 가능한 요소의 중심 섬유가 편향되지 않도록 설정된다.
실시 예들에 따르면, 벤딩 변환기에는 제 1 및/또는 제 2 MEMS 변환기에 바이어스를 적용하도록 구성된 제어가 제공되고, 이에 의해 벤딩 변환기의 유효 스프링 강성 및/또는 벤딩 변환기의 감도 및/또는 벤딩 변환기의 공진 주파수는 제 1 및/또는 제 2 MEMS 변환기에서 바이어스 또는 바이어스들을 조정함으로써 조정될 수 있다. MEMS 변환기의 유효 스프링 강성은 고정 전압 또는 바이어스 수준에 따라 기계적 스프링 강성과 관련하여 변경된다. 이 실시 예는 선형성을 조정할 수 있게 한다.
실시 예들에 따르면, 액추에이터로 사용되는 벤딩 변환기의 전기적 제어부는, 센서가 있는 적절한 피드백 루프를 통해 비대칭 부하의 영향을 동적으로 보상하기 위한 피드백 루프를 구비한다. 또는 트랜지스터, 연산 증폭기 등과 같은 능동 네트워크 구성 요소를 사용하여 전력 소비, 임피던스, 전압, 전류와 같은 관련 전기 네트워크 매개변수를 각 부하 상황에 맞게 조정할 수 있다. 전반적으로 피드백 시스템은 전송 특성의 동적으로 개선된 선형성을 의미한다.
실시 예에 따르면, 벤딩 변환기 시스템은 복수의 벤딩 변환기를 포함하며, 여기서 벤딩 변환기는 MEMS 변환기의 치수와 일치한다. 즉, 벤딩 변환기를 동일하게 구성 할 수 있다. 유효 스프링 강성 및/또는 공진 주파수 및/또는 벤딩 변환기의 감도는 대부분의 벤딩 변환기의 제 1 및/또는 제 2 MEMS 변환기의 바이어스를 통해 개별적으로 조정될 수 있다. 한 가지 장점은 공진 주파수 또는 공진 주파수 이하의 동적 동작을 애플리케이션의 상황에 따라 바이어스를 통해 개별적으로 조정할 수 있다는 것이다. 따라서 전반적으로 향상된 선형성을 얻을 수 있는데, 이는 각 벤딩 변환기가 특정 주파수 대역에 대해서만 책임이 있으며 주파수 대역에 서로 다른 수의 벤딩 변환기를 할당하여 주파수 대역 간의 성능 편차를 보상할 수 있기 때문이다. 즉, 동일하게 구성된 벤딩 변환기를 서로 다른 비율로 개별 바이어스 제어를 통해 민감하게 되는 개별 주파수 대역에 연관시킬 수 있다. 비율은 벤딩 변환기가 하나의 주파수 대역에 대해서 다른 주파수 대역에 대한 것보다 더 민감하고/효과적이거나 덜 민감하고/효과적인 것을 보상 할 수 있다.
일부 실시 예는 전체 입력 신호를 복수의 벤딩 변환기에 대한 복수의 입력 신호로 스펙트럼 분할하거나, 복수의 벤딩 변환기의 복수의 출력 신호로부터의 전체 출력 신호를 스펙트럼으로 결합하도록 구성된 회로를 구비한 벤딩 변환기 시스템과 관련된다. 회로는 부분적으로 또는 완전히 제어의 일부일 수 있다. 전체 입력 신호의 스펙트럼 분할 또는 출력 신호의 스펙트럼 구성의 한 가지 측면은 여러 벤딩 변환기를 배열하여 마이크로 전자기계적 변환기의 선형성을 높일 수 있다는 사실이다. 이 구성은 개별 벤딩 변환기의 효과가 더해져 이 배열의 개별적 벤딩 변환기가 동적 범위의 일부에서만 작동하도록(예를 들어, 편향) 설계될 수 있다. 이것은 전체 시스템의 선형성을 향상시킨다.
일부 실시 예는 액추에이터 또는 센서로서 기능하도록 구성된 벤딩 변환기 및 액추에이터 또는 센서로서 벤딩 변환기를 작동하도록 설계된 회로에 관한 것이다. 애플리케이션에 따라 동일한 벤딩 변환기를 센서 또는 액추에이터로 사용할 수 있기 때문에 구성은 공간 절약이 가능하다.
일부 실시 예는 복수의 벤딩 변환기 및 액추에이터로서 벤딩 변환기의 전체 중 제 1 부분 및 센서로서 벤딩 변환기의 전체 중 제 2 부분을 제어하도록 구성된 회로를 구비한 벤딩 변환기 시스템과 관련된다. 이러한 두 하위 부분으로의 분할은 정적일 수 있거나 제어 신호에 따라 동적으로 수행될 수 있다. 벤딩 변환기는 하나의 시간격에서 액추에이터 및 센서 둘 다로 또는 제 1 시간격에서 센서로 제 2 시간격에서 액추에이터로, 또는 제 1 시간격에서 액츄에이터로 제 2 시간격에서 센서로 제어될 수 있다. 센서 또는 액추에이터의 수는 애플리케이션 분야에 따라 정적 또는 동적 제어 신호를 통해 조정할 수 있다.
본 출원의 바람직한 실시 예는 도면을 참조하여 이하에서 보다 상세히 설명될 것이다. 도면은 다음과 같다:
도 1은 마이크로 전자기계적 장치의 변형 가능한 요소의 스프링 특성 곡선을 도시하는 도면이다;
도 2는 2 전극 원리의 개략도이다;
도 3은 2 전극 원리에 따른 액추에이터의 신호 전압과 편향 사이의 관계를 나타낸 도면이다;
도 4a는 푸쉬-풀 원리의 변형을 도시하는 개략도이다;
도 4b는 푸쉬-풀 원리의 변형을 도시하는 개략도이다;
도 5는 3 전극 원리에 따른 전기적 신호 강도와 기계적 변형의 관계를 도시하는 도면이다;
도 6은 활성층이 양면에 부착되어 있는 변형 가능한 요소의 개략도이다;
도 7a는 대칭적인 전체 시스템의 블록도 및 실시 예의 개략도이다;
도 7b는 도 7a에 도시된 실시 예의 전송 특성을 도시하는 도면이다;
도 8은 제어의 추상적인 원리을 도시하는 개략도이다;
도 9는 액추에이터로서 벤딩 변환기를 도시하는 개략도이다;
도 10은 센서로서 벤딩 변환기를 도시하는 개략도이다;
도 11은 하중 조정을 도시하는 블록도이다;
도 12는 동적 하중 조정을 도시하는 블록도이다;
도 13은 스펙트럼 분할 회로를 갖는 벤딩 변환기 시스템을 도시하는 개략도이다;
도 14는 스펙트럼 조합 회로를 갖는 벤딩 변환기 시스템을 도시하는 개략도이다;
도 15는 바이어스 조정을 갖는 벤딩 변환기 시스템을 도시하는 개략도이다;
도 16은 액추에이터 및/또는 센서로서 벤딩 변환기를 작동하도록 구성된 회로를 갖는 액추에이터 및/또는 센서로서 작동될 수 있는 벤딩 변환기를 도시하는 개략도이다;
도 17은 벤딩 변환기를 개별적으로 액추에이터 및/또는 센서로 작동하도록 구성된 회로를 포함하는 벤딩 변환기 시스템을 도시하는 개략도이다;
도 18a는 두 방향으로 편향될 수 있는 대칭적인 정전 캔틸레버 및 외부 전극에서의 캔틸레버형 전기 바이어스를 도시하는 개략도이다;
도 18b는 두 방향으로 편향될 수 있는 대칭적인 정전 캔틸레버 및 내부 전극의 캔틸레버형 전기 바이어스를 도시하는 개략도이다;
도 18c는 두 방향으로 편향될 수 있는 대칭적인 정전 캔틸레버 및 내부 전극의 캔틸레버형 전기 바이어스를 도시하는 개략도이다;
도 18d는 두 방향으로 편향될 수 있는 대칭적인 정전 캔틸레버 및 외부 전극에서의 캔틸레버형 전기 바이어스를 도시하는 개략도이다;
도 19a는 내부 및 외부 전극을 갖는 정전 편향 가능한 캔틸레버형 캔틸레버의 단면을 도시하는 개략도이다;
도 19b는 기울어진 전극을 갖는 정전 편향 가능한 캔틸레버형 캔틸레버의 단면을 도시하는 개략도이다;
도 19c는 빗형 전극을 갖는 정전 편향 가능한 캔틸레버형 캔틸레버의 단면을 도시하는 개략도이다;
도 20a는 다층 전극 구조를 가지며, 세그먼트의 절반만이 도시되는, 편향 가능한 요소를 도시하는 개략도이다;
도 20b는 도 20a에 추가하여 중앙 공동을 갖는 편향 가능한 요소를 도시하는 개략도이다;
도 20c는 도 20a와 대조적으로, 근위 전극이 볼록하게 돌출하지 않고 평면에 평행하도록 구성된 편향 가능한 요소를 도시하는 개략도이다;
도 21a는 도 19c와 비교하여 볼록 세그먼트 구성으로 증착 가능한 전기장 에너지를 증가시키기 위한 빗살형 전극을 갖는 절반 세그먼트을 도시하는 개략도이다;
도 21b는 도 19c와 비교하여 오목한 세그먼트 구성으로 증착 가능한 전기장 에너지를 증가시키기 위한 빗살형 전극을 갖는 절반 세그먼트을 도시하는 개략도이다; 및
도 22는 도 19a와 비교하여 2 개의 MEMS 변환기의 비대칭 구성을 갖는 캔틸레버형 편향 가능한 요소를 도시하는 개략도이다.
본 발명의 실시 예가 아래에 설명되기 전에, 어떤 고려 사항이 선행되었는지가 먼저 설명된다. 물론, 이러한 설명의 과정에서, 아래에 설명된 실시 예의 특징에 대해 이미 참조되었고, 이는 또한 동일하게 전달 가능해야 한다.
마이크로 전자기계적 구성 요소의 비선형성은 전기 기계 구조 및 그 작동 원리에서, 소위 정적 비선형성을, 그리고 장치의 동적 거동에서, 소위 동적 비선형성을 갖는다. 동적 비선형성은 기계 및/또는 전기 설계 기능의 결과이다. 상호 변조, 작동 지점 드리프트, 저조파 공명과 같은 동적 비선형성은 정적 비선형성의 결과이다. 기존의 동적 비선형성을 수정하는 것은 주어진 상황 하에서 실행 가능한 경우에도 기술적으로 복잡하다.
본 명세서에서 고려되는 형태의 MEMS 장치에는 적어도 하나의 변형 가능한 요소가 있다. 변형에 필요한 힘은 스프링 특성 곡선으로 특성화할 수 있다. 엄격한 선형 전송 동작을 위해서는 선택한 작동 지점에서 해당 스프링 특성 곡선이 선택한 전체 동적 범위에 걸쳐 엄격하게 선형이어야 한다.
도 1은 변형 가능한 요소의 스프링 특성 곡선을 보여준다. 관련 변형 가능 요소가 빔, 플레이트 또는 플레이트 세그먼트인 경우, 큰 편향의 경우 관련 스프링 특성의 과정은 선형이 아니라, 부분적으로 또는 완전히 프로그레시브(progressive)하거나 디그레시브(다이그레시브, degressive)하다. 또는, 조합하여 발생할 수 있다. 제 1 시간 간격에서 디그레시브이고, 제 2 시간 간격에서 프로그레시브인 조합이 발생할 수도 있다. 프로그레시브 또는 디그레시브 스프링 특성은 정기적으로 불리한 비선형 전송 특성을 초래한다. MEMS 장치의 작동을 위해, 해당 스프링 특성 곡선에서 A, B, C 또는 D와 같은 작동 지점을 선택할 수 있으며, 이들 주변에서 변형 가능한 요소가 특정 최대 진폭 또는 동적 범위로 그 움직임을 실행한다. 예를 들어 이는 작동 지점 A에서 상대적으로 큰 동적 범위에 적용된다. 작동 지점 B에서, 선형 작동을 위한 가능한 동적 범위는 스프링 특성 곡선의 프로그레시브 또는 디그레시브 코스의 시작에 의해 제한된다. 작동 지점 C 또는 D를 선택하면 감도가 높은 MEMS 장치가 생성되는데, 즉, 스프링 특성 곡선이 특히 가파르다. 이 증가의 변화는 본 명세서에서 더 높은 양적 수준을 가지므로, 동적 범위에 부정적인 영향을 미친다.
도 2는 2 전극 원리에 기반한 MEMS 소자를 보여준다. 2 전극 원리에 따라 용량적으로 작동하는 MEMS 장치에는 적어도 하나의 변형 가능하거나 이동 가능한 요소, 소위, 전극으로 구성된 변환기 또는 셔틀(1810)(그 스프링 특성 곡선이 도 1에 도시됨) 및 추가의 고정 대향 전극, 소위 고정자(1820)를 포함한다. 전압(1830)이 인가될 때, 전극들 사이에 생성된 정전 인력은 변환기(1810)를 고정자(1820)쪽으로 당긴다. 인력은 인가된 전압(1830)의 부호와 무관하다. 센서로 사용될 때, 장치는 변환기(1810)가 기계적으로 영향을 받을 때 커패시턴스를 변경한다. 이 경우, 용량 변경은 출력 신호를 생성하는 데 사용된다.
도 3은 도 2와 같이, 2 전극 원리에 따른 MEMS 소자에 대한 전기 신호 강도 또는 전압과 기계적 변형 또는 편향 사이의 일반적인 관계를 보여준다. 2 전극 원리에 따라 용량성 MEMS 장치를 작동하려면, 동작점(예를 들어, A, B 또는 C)은 바이어스 UDC를 인가하여 선택된다. 액추에이터로 사용되는 벤딩 변환기의 경우 신호 전압 UAC가 이 바이어스에 중첩될 수 있다. 센서로 사용되는 벤딩 변환기의 경우, 기계적 동작이 움직임에 영향을 미치고 작동 지점 주변에 해당 신호 전압을 생성할 수 있다. 바이어스와 신호 전압의 절대 합은 임계 전압 양, 이른바 풀-인 전압 Upull-in을 초과해서는 안된다. 이 임계 전압 값은 이 한계를 초과하는 전압에 대해 의도된 기능에 필요한 기계적 힘과 전기적 힘의 평형이 불안정하므로 관련이 없다는 사실에 의해 정의된다.
작동 지점 A에는 0인 바이어스가 필요하다. 도 1에 나타낸 것처럼 스프링 특성 곡선은 이 작동 점에서 실질적으로 선형이지만, 신호 전압은 신호에 관계없이 한 방향으로만 움직임을 생성하므로 주파수 배가 또는 동적으로 발생하는 동작 지점의 이동과 같은 강력한 비선형 전송 동작이 발생한다.
동작 지점 B는 신호 전압의 부호의 변화에 따라 변형 가능한 요소의 이동 방향을 변경할 수 있다. 할당된 스프링 특성 곡선의 과정은 또한 바이어스가 충분히 작게 선택된 선형 전송 동작을 가능하게 하지만; 선형 작동에서 가능한 최대 편향 또는 동적 범위는 음의 신호 전압으로 가능한 낮은 최대 편향에 의해 심각하게 제한된다.
작동점 C는 신호 전압의 부호의 변화와 기본적으로 큰 동적 범위에 따라 변형 가능한 요소의 이동 방향의 변경을 가능하게 한다. 그러나, 이 작동점 근처에서, 관련 스프링 특성 곡선과 편향 전압 특성은 모두 강하게 비선형이다.
따라서 설계 관련 비선형성은 2 전극 원리의 특징이다. 이는 의도한 대로 장치에 의해 수행되는 기계적 움직임이 전기적 입력 신호를 비례하여 따르지 않음을 의미한다. 이러한 비선형성은 기계적 움직임의 최대 허용 진폭의 불리한 제한과 함께 작동 지점으로 일시적으로 일정한 바이어스를 인가함으로써 좁은 한계 내에서만 본질적으로 감소될 수 있다. 또 다른 문제는 일정한 전기적 바이어스 또는 동작점을 증가시킴으로써 입력 신호의 변화에 비해 장치의 유리한 감도 증가가 선형성에 불리한 영향을 미친다는 것이다. 언급된 장치의 또 다른 문제는 주어진 비선형성이 의도된 목적에 따라 장치에 의해 수행되는 기계적 진동이 제로인 지점의 기하학적 위치가 동적으로 이동하는 결과와 함께 짝수차 고조파를 생성한다는 것이다. 이 경우의 구분은 2 전극 원리에 따라 용량성 MEMS 장치를 센서로 사용할 때도 유사하게 적용된다.
또한, 3 전극 원리에 기반한 용량성 MEMS 장치가 있다. 도 4a 및 4b는 적어도 하나의 이동 가능 또는 변형 가능한 요소 또는 변환기(2010) 및 하나의 고정 요소 또는 고정자(2020)를 갖는 3 전극 원리 또는 푸시-풀 원리에 기반한 MEMS 장치를 예시한다. 3 전극 배열은 고정 바이어스 UB 및 추가적으로 가변 신호 전압 US로 작동된다. 전극 배열은 변환기(2010)가 결과의 정전기력에 의해 고정자(2020)에 대해 두 개의 반대 방향으로 편향될 수 있는 방식의 전기 제어부(2030)를 허용한다. 이를 가능하게 하기 위해서, 고정자(2020) 및 변환기(2010)에는 서로 다른 기능을 가진 총 3 개 이상의 전극이 제공된다. 대칭 디자인을 갖는 3 전극 원리는 선형성 동작을 최소한으로 개선하지만, 풀-인 위험과 같은 단점 및 낮은 성능의 측면에서의 단점이 있다.
도 5는 대칭 제어의 경우 도 4a 및 4b에 표시된 대로, 3 전극 원리에 기반한 MEMS 장치에 대한 전기 신호 강도 또는 전압과 기계적 변형 또는 편향 사이의 일반적인 관계를 도시한다. 대칭 제어를 사용하면, 변환기의 나머지 위치는, 신호 전압이 제로인 위치에서 전기 바이어스와 무관하다. 작업 지점에서 변형 가능한 요소는 기계적으로 정지 위치에 있는데, 즉, 변형되지 않는다. 이는 스프링 특성 곡선과 작동 지점에서 최대 동적 범위에 대해 편향과 신호 전압 간의 관계 특성이 모두 선형이라는 것을 의미한다.
이하에서는, 벤딩 변환기 및 벤딩 변환기 시스템의 기본 구조와 기본 작동 모드를 개략도에 기반하여 설명한다.
도 6은 활성층 또는 MEMS 변환기(141b 및 142b)가 양쪽에 부착되어 있는 변형 가능하거나 편향 가능한 요소(1300)의 개략적 사시도를 도시한다. 제 1 전기 신호가 MEMS 변환기(141b)에 인가될 때, 편향 가능한 요소(1300)는 제 1 방향(161b)으로 편향된다. 마찬가지로, MEMS 변환기(142b)에 제 2 전기 신호가 인가되면, 편향 가능한 요소(1300)는 제 1 방향과 반대인 제 2 방향(162b)으로 편향된다.
편향 가능한 요소의 전송 특성의 개선된 선형성은 변형 가능한 요소(1300)의 대칭 구성 및 대칭적 전기 제어와 조합하여 변형 가능한 요소(1300)상의 바이모프(bimorph) 구조(141b, 142b)의 대칭 구성 및 대칭 배열에 의해 달성될 수 있다.
대칭 하중(1019)의 경우에 대한 대응 예시(1020) 및 블록도(1010)가 도 7a에 도시된다. 블록도(1010)는 대칭 제어부(1013), 대칭 MEMS 변환기(1016) 및 대칭 하중(1019)의 3 개의 블록으로 구성된다. 실시 예(1020)는 대칭 MEMS 변환기(1016a, 1016b)를 갖는 대칭 편향 가능한 요소(110n) 및 2 개의 연결된 네트워크 루프로 구성된 대칭 제어부(1013a)를 도시한다. 대칭은 제어, MEMS 변환기 및 하중로 구성된 전체 시스템의 전송 특성이 대칭 원리를 준수하도록 구성되어야 하는데, 즉, 신호 전압의 부호가 반전되면, 본질적으로 동일한 양이지만 부호가 반대인 변형 가능한 요소의 편향이 발생한다.
이 대칭은 기계적 짝수차 고조파를 억제하는 결과를 가져온다. 본 명세서에서 고려되는 정전 변환기의 경우, 제 3 고조파의 진폭은 항상 제 2 고조파의 진폭보다 작다. 따라서 대칭은 3 차 고조파의 진폭도 감소시킨다. 전반적으로 이는 낮은 고조파 왜곡(THD), 즉 현저하게 향상된 선형성을 의미한다.
도 7b는 도 7a에 도시된 실시 예의 전송 특성을 도시한다. 실제 작동을 위해 표시된 곡선의 점선 분기가 적합하다. 따라서 대칭의 원리는 이 실시 예에 의해 충족된다.
대칭 제어부(1013a)는 도 8에 제시된 추상적인 원리를 사용한다. 도 7a의 제어부(1013a)는 두 개의 루프, 루프 I, 루프 II로서 도 8에 도시된다. 루프 I는 제 1 MEMS 변환기(1016a) 또는 바이모프 I에 연결되고 루프 II는 제 2 MEMS 변환기(1016b) 또는 바이모프 II에 연결된다. 루프 I 및 루프 II의 제 1 및 제 2 전기 신호는 각각 바이어스 U01 또는 U02 및 신호 전압 Usignal1 또는 Usignal2를 갖는 연결된 네트워크 루프를 가지고 있다. 대칭의 경우, 루프 I 및 루프 II의 바이어스 U01 및 U02는 각각 동일하고, 루프 I 및 루프 II의 신호 전압 Usignal1 및 Usignal2는 각각 양은 같지만 반대 부호로 작동한다.
다음 예제는 위의 결과와 고려 사항을 사용하며 낮은 전압 요구 사항과 고성능으로 전송 특성이 향상된 선형성을 제공할 수 있다.
도 9는 액추에이터로 작동하는 벤딩 변환기를 보여준다. 참조 번호 100으로 동일하게 표시된다. 벤딩 변환기(100)는 도 6에서 더 상세히 도시된 바와 같이 편향 가능한 요소(110) 및 도 8에 제시된 원리를 사용하는 전기 제어부(120)를 포함한다. 편향 가능한 요소(110)는 편향 가능한 요소(110)의 중심 섬유(130)로부터 이격되고 이를 따라 연장하는 제 1 MEMS 변환기(141) 및 중심 섬유(130)로부터 이격되어 연장되는 제 2 MEMS 변환기(142)를 포함한다. 중심 섬유(130)는 편향 가능한 요소(110)가 길이 방향(x)을 가로지르는 절단 평면에서 중심을 갖는 모든 지점을 정의한다. 다시 말해서, 중심 섬유는 편향 가능한 요소의 복수의 연속적인 단면 영역의 중심으로부터 결과된 다수의 지점으로 구성되거나 이들을 연결하는 부재의 경로를 정의한다. 또한, 이들 예시(190 및 191)는 중심 섬유(130)로부터 반대 방향으로 이격된 2 개의 섬유를 도시한다. 도 9의 예에서 전압 Us1의 제 1 전기 신호가 MEMS 변환기(141)에 인가될 때, 편향 가능한 요소(110)는 제 1 방향(161)으로 편향된다. 유사하게, 제 2 전기 신호(본 명세서에서 전압 Us2로 도시됨)가 MEMS 변환기(142)에 인가될 때, 편향 가능한 요소(110)는 제 1 방향에 반대되는 제 2 방향(162)으로 편향된다. 즉, 활성화되면, MEMS 변환기(141)는 전압을 가하여 방향(161)에서 중심 섬유(130) 앞에 위치된 요소(110)의 섬유(190)의 측면 변형에 의해 방향(161)에서 편향을 야기하고, 또한 방향(161)으로 중심 섬유(130) 뒤에 위치된 섬유(191)의 동시적인 수축을 야기한다. 이것은 나중에 설명할 제 1 시간 간격에서 제어 장치의 위상 편이에 의해 발생한다. 제 2 시간 간격에서, 다른 MEMS 변환기, 즉 142는 활성화될 때, 전압을 인가함으로써 섬유(191)의 측면 변형 및 섬유(190)의 수축과 함께 방향(162)에서 요소(110)의 편향을 야기한다. 본 명세서에서는 일례로, 해당 신호를 각 MEMS 변환기(141, 142)에 인가할 때 발생하는 스트레인의 경우를 나타내지만, 다른 경우도 가능하다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 MEMS 변환기(141, 142)는 각각 본 출원의 실시 예에 따라 편향 가능한 요소(130)의 길이 방향(x)을 따라 분할된 플레이트 커패시터로 설계될 수 있다. 각각의 플레이트 커패시터(141, 142)로 된 전극(151 내지 154)은 세그먼트 경계(170)에서 세그먼트(169) 사이에서 서로 고정 절연된다. 각각의 플레이트 커패시터(141, 142)의 전극(151 내지 154) 사이에 위치한 스페이서 층이 제공되고 측면으로 구성되어 세그먼트 경계(170)에 스페이서를 형성하고, 이는 각각의 MEMS 변환기의 전극을 서로에 대해 고정시킬 수 있다. 전압이 전극(151)과 전극(152) 사이 또는 전극(153)과 전극(154) 사이에 인가되면, 변형이 발생하거나, 또는 세그먼트의 특정 구성으로 인해 수축이 발생하므로 설명된 편향이 결과된다. 자세한 내용은 WO2012095185에서 확인할 수 있다.
전기 제어부(120)는 입력 신호 UE에 따라 제 1 전기 신호 Us1 및 제 2 전기 신호 Us2를 변경하도록 구성되므로, 제 1 전기 신호(Us1)의 변화와 제 2 전기 신호 Us2의 변화가 전기 입력 신호 UE에 의존하고, 제 1 및 제 2 전기 신호 Us1, Us2의 위상이 예를 들어 180 °로 위상이 반대방향에 있거나, 양쪽을 포함하여 0.001과 240 °간 또는 60 과 200 °간 위상 편이만큼 위상이 편이되는 것과 같이, 서로에 대해 편이된다.
예를 들어, 중심 섬유(130)는 도 7a와 관련하여 도시된 바와 같이 이것의 대칭 평면과 대칭 제어를 형성하도록, 변형 가능한 요소(110)의 대칭 구성의 가능성에 의해, 대칭적인 전기 제어와 상호 작용하여 높은 선형성과 동시에 높은 효율성을 달성할 수 있다. 이하, 이 목적의 달성을 더욱 향상시킬 조치가 설명된다.
도 10은 도 6에 도시된 바와 같이 편향 가능한 요소(110a) 및 도 8에 제시된 원리를 사용하는 전기 회로(320)를 갖는 센서로서 작동되는 벤딩 변환기(300)를 도시한다. 벤딩 변환기(300)의 편향 가능 요소(110a)는 액추에이터로 사용되는 도 9의 벤딩 변환기(100)의 편향 가능 요소(110)와 같이 구성될 수 있으며, 따라서 도 9의 설명을 참조하고 동일한 참조 번호를 사용한다. 편향 가능한 요소(110a)의 변형은 제 1 또는 제 2 전기 신호에 의해 제 1 또는 제 2 MEMS 변환기(141a, 142a)에서 결정될 수 있으며, 이 신호들은 본 명세서에서 전압 Us1, Us2로 예시된다. MEMS 변환기(141a, 142a)가 플레이트 커패시터로 구성되는 경우, 신호는 예를 들어 이것의 전극에서 전압으로 생성된다. 전기 회로(320)는 제 1 전기 신호 Us1 및 제 2 전기 신호 Us2로부터 출력 신호 Uout를 생성하도록 구성되므로, 출력 신호 Uout의 변화는 제 1 전기 신호의 변화와 제 2 전기 신호 Us1, Us2의 변화의 차이에 의존하도록 한다. 도 9에서와 같이, 예를 들어, 중심 섬유(130)가 대칭 평면을 형성하고, 대칭 전기적 사전 연결부(1013a)가 도 7a와 관련하여 도시된 바와 같이, 높은 선형성과 동시에 높은 성능을 가능하게 하도록, 변형 가능한 요소(110)의 대칭 구성이 가능하다. 이하, 벤딩 변환기를 센서로 작동하는 현재의 경우에도이 목표의 달성을 개선하는 조치가 설명된다.
다음 설명에서 구체적으로 지적하지 않았지만, 편향 가능한 요소(110 또는 110a)는 예를 들어 상술한 분할 방향 x를 따라 편향 가능한 요소의 한쪽 끝에서 클램핑을 갖는, 캔틸레버 요소, 예를 들어, 캔틸레버 빔일 수 있다. 도면에서 클램핑은 때때로 왼쪽에서 해칭으로 표시된다.
의도한 대로 사용하면, 벤딩 변환기의 변형 가능한 요소(110, 110a)는 외부 힘 또는 외부 하중을 받게 되고, 이는 예를 들어 자체 무게에 의해서 또는 마이크로 펌프의 피스톤 운동의 경우에서와 같이, 변형 가능한 요소의 이동 방향에 대해 비대칭적일 수 있다. 도 11은 비대칭 하중(1130)를 갖는 대칭적 전체 시스템(1100)의 블록도를 도시한다. 대칭적 전체 시스템(1100)의 블록도는 다음의 3 개의 블록을 포함한다: 대칭이 적응된 제어부(1110), 대칭 적응된 변형 가능한 요소(1120), 비대칭 하중(1130).
도 9에 개시된, 제어부(120), 변형 가능한 요소(110, 110a) 및 하중으로 구성된 전체 시스템의 필요한 대칭은, 변환기 구성의 특정 적응 및/또는 비대칭 하중(1130)에 대한 전기 제어의 적응에 의해 달성된다. 도 7a에 도시된 것처럼 전체 시스템의 개별 부분의 대칭은 필요하지 않다. 벤딩 변환기의 대칭은 비대칭 하중(1130)(도 11)에 적합한 벤딩 변환기의 비대칭 바이모프 구조, 즉, 예를 들어 도 9 및 10의 요소(110, 110a)의 대칭에 의해 달성될 수 있다. 바이모프 구조(141, 141a, 1 42, 142a)의 대칭 적응은 무엇보다도 변형 가능 요소(110, 110a)의 대칭선의 양측 사이의 전극 두께 또는 전극 간격을 변경함으로써 달성될 수 있다. 이에 대한 예가 도 22에 개시되어 있다. 그러나, 대칭 적응은 예를 들어, 루프 I 또는 루프 II 또는 MEMS 변환기(141,141a, 142,142a)에 할당된 제어의 각 부분에 보상 전기 임피던스를 도입함으로써 제어부(120) 또는 회로(320)(도 10)를 적응시켜 또한 발생할 수 있다. 마지막으로, 변형 가능한 요소(110, 110a)의 유효 스프링 강성 k'는 고정 전압 U0의 레벨에 따른 기계적 스프링 강성 k과 관련하여 변한다.
따라서 시스템은 즉, 도 9의 경우 제어부(120)에 의해 MEMS 변환기 유닛(141 및 142)에 상이한 바이어스를 인가하거나, 도 10의 경우에 전기 회로(320)에 의한 상이한 바이어스의 제공에 의해 루프 I 및 루프 II에서 서로 다른 고정 전압 U01 및 U02를 선택함으로써 비대칭 하중(1130)에 적응될 수 있다. 제어 수준 및 편향 가능한 요소(110, 110a)에서 대칭 적응에 대한 측정은 전체 시스템에 대한 대칭 원리가 실질적으로 관련된 한계 내에서 충족되도록 구성될 수 있다.
즉, 도 9 및 10에서, 전기 회로(320) 및 제어부(120)는 각각 예를 들어, 작업의 결과이며 일정한, 편향 가능한 요소(110/110a)의 비대칭 하중를 보상하기 위해서, 하중의 비대칭을 보상하는 다른 바이어스로 MEMS 변환기(141/141a) 및/또는 MEMS 변환기(142/142a)를 작동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 비대칭 하중이 방향(162)의 휴지 위치에서 편향 가능한 요소의 편향을 유발하는 경우, 반대 방향으로 편향을 일으키는 MEMS 변환기는 더 높은 바이어스로 작동된다.
변환기 대칭 및/또는 전기 제어부(120) 및 회로(320)를 각각 비대칭 하중(1130)에 적응하게 되면 또한 도 11과 달리, 적절한 센서와 피드백 시스템을 사용하여, 동적으로, 즉 교대 하중으로 작동 중에 달성될 수 있다. 트랜지스터, 연산 증폭기 등과 같은 능동 네트워크 구성 요소를 통해 임피던스, 전압, 전류와 같은 관련 전기 네트워크 매개변수가 각 하중 상황에 맞게 조정된다. 도 12는 피드백 시스템을 갖는 대칭적 전체 시스템(1200)의 블록도를 도시한다. 블록도는 3 개의 연속적인 블록과 하나의 피드백 시스템(1240)을 보여준다. 3 개의 블록은: 동적 대칭 적응 제어부(1210), 동적 대칭 적응된 변형 가능한 요소(1220) 및 비대칭 하중(1230)이다. 피드백(1240)은 비대칭 하중(1230)를 변형 가능한 요소(1220) 및 제어부(1210)에 연결한다.
즉, 도 9 및 도 10에서 편향 가능한 요소(110/110a) 상의 비대칭 하중이 측정되는 경우일 수 있다. 이 측정은 외부에서 수행되고 제어부(120) 또는 전기 회로(320)에 공급되므로, 후자는 MEMS 변환기(141/141a) 및/또는 MEMS 변환기(142/142a)에 대한 바이어스 또는 그에 따라 두 바이어스 간의 차이를 조정하도록한다. 비대칭 하중 측정은 내부 센서로도 수행할 수 있다. 제어부(120) 또는 전기 회로(320)는 MEMS 변환기(141/142)의 기계적-전기적 변환을 통해 편향 가능한 요소의 비대칭 하중를 스스로 검출할 수 있다.
중요한 측면은 대칭에 의한 짝수차 고조파 억제를 통해, 동적으로 인한 휴지 위치 또는 작동 지점의 이동을 방지할 수 있다. 그렇지 않고 작동 지점 동적으로 이동하게 되면 액추에이터 또는 센서로 사용될 때 입력 신호 또는 자극의 스펙트럼 구성에 따라 시스템 특성을 변경하므로, 특히 바람직하지가 않다.
시스템의 선형성을 높이면, 저조파 공진의 발생도 억제된다. 저조파 공명은 광대역 신호를 갖는 액추에이터로 작동되는 비선형 벤딩 변환기(100)를 제어할 때 규칙적으로 발생한다. 이들은 기술적으로 사용 가능한 주파수 범위를 공진 주파수의 일부, 보통 1/2, 1/3, 1/5 등으로 제한하는데, 제어 전자 장치(120)의 출력은 주파수 축에서 이것을 통과할 때 실질적으로 단락되기 때문이다. 교차 변조 현상이 비선형성에서도 발생하기 때문에, 저조파 공진은 일반적으로 액티브 피드백 시스템(1200)에 의해서만 불완전하게 감소될 수 있다. 또한, 액티브 피드백 시스템(1200)은 시스템 비용을 증가시킨다. 시스템 댐핑 또는 전력 손실을 증가시켜 저조파 공진을 억제하면 구동 효율을 불필요하게 감소시키고, 특히 모바일 애플리케이션에 바람직하지 않다. 대조적으로, 변형 가능한 요소의 선형화가 특히 바람직하다.
또 다른 측면에서는 감도, 즉 전달 함수의 가파른 정도를 제어부(120) 및 전기 회로(320) 및 MEMS 변환기(141, 141a, 142, 142a)의 설계를 사용하여 고정 전압 U0를 변경하여 조정할 수 있다. 감도는 고정 전압 U0의 제곱에 비례하다:
결과적으로, 예를 들어, 고정 전압 U0를 증가시킴으로써, 최대 편향을 달성하는 데 필요한 신호 전압 Usignal의 진폭은 선형성을 상당하게 손실시키지 않고 감소될 수 있다.
이 측면은 작동에 필요한 전기 무효 전력은 신호 전압 Usignal의 제곱에 비례하고 바이어스 U0를 증가시킴으로써 크게 감소될 수 있기 때문에 벤딩 변환기(300)를 액추에이터(100)로 사용하는 데 중요하다.
높은 무효 전력 소비는 제어 전자 장치(120)에서 높은 전기 손실을 발생시키고 모바일 애플리케이션에서 벤딩 변환기의 사용과 호환되지 않는다. 용량성, 자기 또는 압전 액추에이터와 같은 종래 기술과 비교할 때, 이 측면은 확실히 이점이 된다.
이 측면은 센서의 감도를 크게 높일 수 있고 예를 들어, 이 벤딩 변환기로 구현된 마이크의 신호 대 잡음비를 크게 향상시킬 수 있기 때문에 벤딩 변환기를 센서로 사용하는 데에 있어 중요하다.
이 측면은 신호 전압 진폭의 유리한 선택으로, 필요한 제어 전자 장치(120) 또는 회로(320)에 대한 비용이 상당히 감소될 수 있기 때문에, 벤딩 변환기를 액추에이터 및 센서로 사용하는 데 있어 모두 중요하다. 예를 들어, 12V 미만의 전압을 위한 CMOS 전자 제품 생산은 특히 비용에 있어 효율적이다. 5V 미만의 신호 전압은 저가 전자 부품에 널리 사용되는 TTL 표준을 충족한다. 1.3V 미만의 신호 전압은 최신 신호 프로세서의 전기 출력에 의해, 추가 구동 회로없이 직접 제어할 수 있다.
변형 가능 요소(110, 110a)의 감도, 즉 0에서의 전달 함수의 접선 기울기는 설계 조치에 의해 개선될 수 있다. 본 명세서에서 결정적인 요소는 감도가 최대 편향에서 변형 가능한 요소(110, 110a)에 증착된 탄성 변형 에너지에 대한 바이모프 구조(141, 141a, 142, 142a)에 증착 가능한 최대 정전 에너지의 비율에 비례한다는 것이다:
이것은 바이모프 구조(141, 141a, 142, 142a)에 증착 가능한 최대 정전기 에너지를 증가시킴으로써 및/또는 최대 편향에 필요한 변형 에너지를 감소시킴으로써, 벤딩 변환기(ceteris paribus)의 감도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 일정한 감도를 조정하는데 필요한 고정 전압 U0를 낮출 수 있다.
바이모프 구조(141, 141a, 142, 142a)에 증착 가능한 최대 정전기 에너지는 능숙하게 선택된 전극 구조 및 배열에 의해 증가될 수 있더, 예를 들어, 도 19c에 도시된 바와 같이 빗 구조 형태의 교대 배치형 배열이 전극 사이에 배열될 수 있다. 특히, 도 19c는 MEMS 변환기(141a)의 전극(151 및 152)의 돌출부가 어떻게 서로 맞물려서 용량을 증가시키고 또한 증착 가능한 정전기 에너지를 증가시키는지를 보여준다. 다른 MEMS 변환기(142/142a)에 대해서도 동일하게 표시된다.
변형 가능한 요소(110/110a)에 증착 가능한 최대 탄성 에너지는 능숙하게 선택된 기계 설계에 의해 감소될 수 있다.
예를 들어, 지지 구조의 원리에 따라 편향 중에 변형되는 고체 부피를 최소화할 수 있다.
변형 가능 요소(110, 110a)가 캔틸레버 빔이고 의도된 이동 방향이 웨이퍼 평면 내에 있는 벤딩 변환기(100, 300)의 경우, 최대 빔 길이 및 이에 따라 가능한 최저 공진 주파수는 수직 풀-인에 의해 제한된다. 이동 방향에 수직인 변형 가능 요소(110, 110a)의 스프링 강성이 수직 풀-인에 결정적인 반면, 움직임 방향의 스프링 강성은 공진 주파수에 대해 결정적이다. 위에서 설명한 유효 스프링 강성과 고정 전압 U0 사이의 관계는 주로 이동 방향의 스프링 강성에 적용된다. 이것은 기계적으로 결정된 한계에 대해 고정 전압을 증가시킴으로써 주어진 변형 가능 요소(110, 110a)의 가능한 최저 공진 주파수를 더욱 감소시키는 것을 가능하게 한다.
변형 가능 요소(110, 110a)의 유효 스프링 강성 k'는 고정 전압 U0에 의하여 기계적 스프링 강성 k과 관련하여 낮출 수 있다:
이를 기반으로, 전자 가변 벤딩 변환기(100/300) 또는 벤딩 변환기 시스템이 구현될 수 있으며, 여기에서 공진 주파수 또는 동적 동작은 애플리케이션 상황에 따라 고정 전압 U0을 통해 공진 주파수 미만으로 조정될 수 있다.
이하에서, 여러 벤딩 변환기의 협력을 기반으로 하는 일부 실시 예가 설명될 것이다.
도 13은 복수의 벤딩 변환기(100a-n) 및 분할 회로(220)를 포함하는 벤딩 변환기 시스템(210)을 도시한다. n은 2 이상일 수 있다. 복수의 벤딩 변환기(100a-n) 각각은 액추에이터로 사용되며 도 9에 설명된 바와 같이 구성되지만, 스펙트럼 효율성과 감도가 다르다. 이것은 아래 설명된 바와 같이 달성될 수 있다. 도 13에서, 편향 가능한 요소의 서로 다른 치수화에 의해 상호 스펙트럼적으로 상이한 효율이 달성됨이 표시된다. 분할 회로(220)는 벤딩 변환기(100a-n)에 개별적으로 결합되고, 전체 입력 신호 UE(230)를 복수의 벤딩 변환기(100a-n)에 대한 복수의 입력 신호 UEa 내지 UEd(240a-n)로 스펙트럼 분할하도록 구성되므로, 각 벤딩 변환기(100a-n)는 감도 및 선형성이 높거나 각각의 벤딩 변환기와 관련된 주파수 대역에 적합한 입력 신호(230)의 스펙트럼 부분을 수신하도록 한다. 분할 회로는 선택 사항이며 생략될 수도 있다. 선형성은 도 13과 같이 여러 개의 벤딩 변환기(100a-n)를 사용하여 증가시킬 수 있다. 벤딩 변환기(100a-n)의 기계적 효과가 증가하므로 이 구성의 개별적 벤딩 변환기는 동적 범위 또는 편향의 일부에서만 작동할 수 있다. 유사한 효과, 즉 변형 가능한 요소가 하나 뿐이고 효율성이 동일한 배열을 갖는 단일 벤딩 변환기는 동일한 선형성을 가능하게 하는 높은 수준의 정밀도와 측정을 필요로 한다.
도 14는 복수의 벤딩 변환기(300a-n) 및 회로(420)를 갖는 벤딩 변환기 시스템(410)을 도시한다. 숫자 n은 2 이상일 수 있다. 각각 센서로 작동되는 벤딩 변환기(300a-n)는 도 10의 벤딩 변환기와 동일한 방식으로 구성된다. 회로(420)는 벤딩 변환기(300a-n)에 연결되어 복수의 벤딩 변환기(300a-n)의 복수의 출력 신호 Uout, a 내지 Uout, n로부터 총 출력 신호 Uout를 스펙트럼으로 조립한다. 도 13에서와 같이, 벤딩 변환기는 스펙트럼 효율 또는 감도가 서로 다르며, 이는 도 14에 표시된 바와 같이 크기가 서로 다르다는 사실에 의해 실현될 수 있다. 각 벤딩 변환기(100a-n)는 감도와 선형성이 높은 특정 스펙트럼 부분 또는 주파수 대역에 대해 구성되기 때문에, 선형성이 증가되어 벤딩 변환기의 효과가 추가될 수 있다. 유사한 효과를 갖는 단일 벤딩 변환기, 즉 하나의 변형 가능한 요소만 있고 동일한 효율을 갖는 배열은, 동일한 선형성을 가능하게 하기 위해 높은 수준의 정밀도와 측정을 필요로 한다.
도 15는 복수의 벤딩 변환기(730a-n) 및 바이어스 조정을 위한 회로, 즉 720을 갖는 벤딩 변환기 시스템을 도시한다. 벤딩 변환기는 도 13의 벤딩 변환기(100a-n)와 같이 액츄에이터로 사용되는 것이거나, 도 14의 벤딩 변환기(300a-n)와 같이 센서로 작동되는 벤딩 변환기인 것을 나타내기 위해 참조 번호 730a-n으로 도 15에 표시되어 있다. 도 13 및 14와 달리, 도 15의 벤딩 변환기(730a-n)는 치수가 다르지 않게 하여 도시되어 있다. 그럼에도 불구하고, 벤딩 변환기(730a-n)의 스펙트럼 효율 또는 감도를 변화시키는 것이 가능하다. 이것은 바이어스 조정 회로(720)에 의해 수행된다. 이는 MEMS 변환기가 벤딩 변환기(730a-n)의 편향 가능한 요소에서 작동되는 전술한 바이어스를 개별적으로 조정할 수 있다. 이 조정은 벤딩 변환기(730a-n)의 스펙트럼 효율성 또는 감도가 개별화되거나 상이한 주파수 대역에 대한 것이 되게 한다. 예를 들어, 바이어스 조정 회로(720)는 벤딩 변환기의 마이크로 조정을 수행하기 위해서, 주파수 분할 회로(220)에 추가하거나, 도 13 및 14의 시스템의 합성 회로(400)에 추가하여 사용될 수 있다. 반대로, 회로(220/420)가 또한 도 15에 제공될 수 있다.
센서 또는 액추에이터로 작동할 수 있는 벤딩 변환기를 제공할 수 있다. 도 16은 이러한 벤딩 변환기(840)를 도시한다. 센서 및/또는 액추에이터로서 작동될 수 있는 벤딩 변환기(840)에는 센서 및/또는 액추에이터로서 벤딩 변환기(840)를 작동하도록 구성된 회로(820)가 제공된다. 벤딩 변환기는 도 9의 편향 가능한 요소(110) 및/또는 도 10의 편향 가능한 요소(110a)와 같이 구조화된 편향 가능한 요소(110b) 및 입력 신호 Uin에 따라 제 1 및 제 2 전기 신호 Us1, Us2를 변화시키거나 제 1 및 제 2 전기 신호 Us1, Us2로부터 출력 신호 Uout를 생성하도록 구성된 전기 회로(830)를 포함한다. 회로(820)는 회로(830)와 결합되고 벤딩 변환기(840)를 센서 및/또는 액추에이터로 작동하도록 구성된다.
액추에이터 또는 센서로서의 사용과 관련하여 아직 정의되지 않은 벤딩 변환기도 도 16에서 대표적으로 설명된 것처럼 하나의 시스템으로 결합될 수 있다. 도 17은 이러한 시스템을 보여준다.
도 17은 벤딩 변환기 시스템(910) 및 회로(920)를 도시한다. 벤딩 변환기 시스템은 복수의 벤딩 변환기(840a-n)를 포함한다. 벤딩 변환기(840a-n)는 도 16의 벤딩 변환기(840)와 같이 구성될 수 있으며 액추에이터 및/또는 센서로 작동될 수 있다. 회로(920)는 벤딩 변환기에 개별적으로 결합되고, 벤딩 변환기의 전체 중 제 1 부분이 액추에이터로 선택되고 벤딩 변환기의 전체 중 제 2 부분이 센서로 선택되도록 구성되고, 여기에서 이들 부분은 제어 신호 S에 따라 분포된다. 즉, 회로(920)는 제어 회로로서의 기능 또는 전기 회로로서의 기능을 인계하도록 도 16의 회로(830)에 명령한다.
상기에서 언급한 바와 같이 여러 벤딩 변환기로 구성된 시스템은 향상된 선형성을 달성할 수 있다. 여러 벤딩 변환기는 기계적 효과가 더해지도록 사용되므로, 예를 들어, 각각의 배열 또는 시스템의 개별 벤딩 변환기는 시스템의 전체 동적 범위의 일부에서만 작동하면 된다. 변형 가능한 요소가 하나 뿐인 구성 및 동일한 기능을 갖는 유사한 형상의 액추에이터는 더 높은 정밀도와 더 많은 측정을 필요로 한다.
벤딩 변환기 및 편향 가능한 요소의 추가 실시 예가 이하 설명된다.
벤딩 변환기를 기반으로 하고 액추에이터로 작동하는 장치의 구조는 캔틸레버 빔을 기반으로 하여 도 18a-d에서 다시 한 번 도시된다. 절연 스페이서 층(170') 및 전기 전도성 재료(151 및 154)가 전기 전도성 빔(1201)의 양쪽에 적용된다. 예를 들어, 절연 스페이서 층(170')은 희생 층 기술에 의해 측면으로 구조되므로 얇은 공동(1304 및 1404)이 전극(1201 및 151) 사이 또는 각 세그먼트(169)의 전극(1201 및 154) 사이에 형성되고, 편향 가능한 요소가 길이 방향(x)을 따라 세그먼트화되고, 절연 스페이서(170)가 세그먼트 경계에 남아 있도록 한다. 공동은 유전체 희생 층의 두께를 가지므로 커패시터의 플레이트 간격을 정의한다. 전극(1201과 151) 사이 또는 전극(1201과 154) 사이에 전압이 인가되면, 정전기장의 y 방향의 힘으로 인해 x 방향으로 빔의 표면에 측면 변형이 발생하게 된다. 빔(1201)은 표면 변형의 결과로 편향된다. 일반 측면 형상을 사용하는 경우, 표면 변형은 거의 일정하며 구형 변형 프로파일이 생성된다.
전기 배선은 전기 DC 전압 UB가 외부 전극(151 및 154)에 인가되고 오디오 신호와 같은 AC 신호 전압(US)이 중간 전극 또는 빔에 인가되는 방식으로 이루어진다. 외부 전극(151 및 154)에는 전기적 바이어스가 제공된다. AC 신호 전압 US의 진폭은 전기 바이어스 UB와 동일하거나 바람직하게는 더 작다. 시스템에서 가장 높은 전위는 경제적으로 합리적인 방식으로 선택되어야 하며 해당 지침 및 표준을 준수할 수 있다. 외부 전극의 전기적 바이어스로 인해 빔의 곡률은 신호 AC 전압 US를 따른다. AC 신호 전압 US의 양의 반 파장은 음의 y 방향으로 빔(1201)의 곡률로 이어진다. 음의 반 파장은 양의 y 방향으로 빔(1201)의 곡률로 이어진다. 도 18a 내지 18d는 전기 접촉의 추가 변형을 보여준다.
도 18a는 전기 DC 전압이 제공되지만, 반대 전위를 가진 도 18b와 비교되는 각각의 외부 전극을 도시한다.
도 18c 및 도 18d는 내부 전극(들)의 전기적 바이어스의 변형을 보여준다. 신호 전압은 외부 전극에 인가된다.
외부 또는 내부 전극(들)에 전기적으로 인가되는 바이어스 대신, 일렉트릿, 예를 들어. 이산화규소으로서 외부 또는 내부 전극(들)의 영구적 분극이 가능하다. 이전 도면에 도시된 전압 소스 대신에, 전류원이 사용될 수 있다.
도 19a-c는 편향 가능한 요소의 추가 실시 예 또는 MEMS 변환기의 전극의 대안적인 모양을 도시하며, 여기서 제어부는 명확성을 위해 표시되지 않는다. 도 18a-c의 참조 번호와 기본 설명은 계속 적용된다.
도 18a-d는 구부러지는 요소 또는 그로(gro) 또는 캐리어(1201) 자체가 전극으로서 기능할 수 있음을 예시한다. 도 19a는 가능한 구성을 도시하며, 이에 따라 각각의 플레이트 커패시터의 개별 근위 전극이 플레이트 커패시터를 향하는 지지체(1201)의 표면 또는 상측 및 하측에 직접 제공된다. 본 명세서에서, 152 및 153은 내부 또는 근위 전극이고 151 및 154는 외부 또는 말단 전극이다.
전극의 모양은 도 19b에 개략적으로 표시된 것처럼 구성될 수 있다. 또한, 다른 모양의 전극, 돔 모양의 전극이 가능하다. 커패시터 면적과 증착 가능한 정전기 에너지를 추가로 늘리기 위해 도 19c에서 도시한 바와 같이 빗 형상의 전극이 가능하다.
구부릴 요소, 예를 들어, 빔은 캔틸레버되거나 양쪽에 클램핑될 수 있다.
도 20a-c 및 21a-b는 편향 가능한 요소의 추가 가능한 실시 예를 도시한다. 이들 각각의 도면에서 절반 세그먼트(169)가 도시된다. 나머지 절반은 각각 대칭으로 형성될 수 있다. 벤딩 변환기 또는 편향 가능한 요소는 예를 들어 길이 방향(x)으로 연속적으로 이러한 방식으로 형성된 짝수의 세그먼트(169)로 이루어진다. 이도면에서 전극과 절연 스페이서 층 사이를 구분하지 않고 모양만 보여준다.
특히, 도 20a는 각각의 세그먼트(169)가 중심 섬유(130)를 통해 서로 마주 보는 두 전극(151 및 154)의 전극(151 및 154)이 각각 중심 섬유(130)에 의해 전방으로 돌출되도록 형성되는 경우를 도시하고, 이것을 다른 전극(152 및 153)과 분리되는 공동(1304 및 1404)은 각각 중심 섬유(130)의 방향으로 대략 일정한 두께를 갖는다. 즉, 세그먼트(169)의 내부 전극(152 및 153)은 또한 중심 섬유(130)로부터 멀어지게 만곡된다. 도 20a의 경우, 내부 전극(152 및 153) 사이의 편향 가능한 요소는 일체로, 즉 공동 없이 연결된다. 도 20b는 도 20a의 실시 예의 변형으로, 전극(152 및 153) 사이에 공동(1500)이 형성된 것을 도시한다. 도 20c는 내부 전극(152 및 153)이 중심 섬유(130)로부터 바깥쪽으로 돌출되지 않고 중심 섬유(130)에 평행하게 유지되므로, 이들 전극(152, 153)을 각각의 말단 전극(151/154)과 분리하는 공동(1304/1404)이 길이 방향(x)으로 다양한 두께를 가지는데, 특히 세그먼트 경계(170)로부터 세그먼트의 중심을 향해 증가하는 변형을 도시한다.
도 20a-c는 말단 전극(151 및 154)이 다층화된 구성을 도시한다. 이것은 도 20a 및 20b의 구성에서 각 세그먼트의 편향 가능한 요소가 중심 섬유(130)로부터 멀어지는 양 방향으로 세그먼트 경계(170) 사이에서 돌출되는 방식, 즉 세그먼트의 중심을 향해 더 두꺼워져 근위 전극(151 및 152)도 그에 따라 돌출되도록 구성된다. 근위 전극(152 및 153)에 따라, 전극(151)을 형성하는 2 개의 층(1601, 1602) 및 전극(151)을 형성하는 전극 층(1603 및 1604)은 중심 섬유(130)와 마주보는 근위 전극(152 및 153)의 측면에서 각각 연장된다. 전극 쌍(1601, 1602, 1603, 1604) 사이에 각각 길이 방향 x를 따라 일정한 두께의 공동이 다시 형성된다. 한 쪽의 층(1601-1602) 및 다른 한 쪽의 층(1603 및 1604)는 동일한 전위를 제공할 수 있다. 대안으로, 3 개의 전극(152, 1601 및 1602) 또는 (153, 1603 및 1604)이 장착되도록 각 MEMS 변환기를 수정하는 것이 가능하다. 도 20c는 층(1601 및 1602 또는 1603 및 1604) 쌍 사이의 공동이 길이 방향 x를 따라 다양한 두께를 갖도록, 즉 세그먼트의 중심에서 최대가 되도록보여준다.
도 21a 및 21b는 도 19c의 구성의 변형을 도시하는 것으로, 각 세그먼트의 말단 전극(151 및 154)이 각각 오목하거나 불룩한 것, 즉 도 21a에 따라 볼록한 경우에는 세그먼트 중앙에서 대부분 돌출하고, 도 21b의 경우에는, 근위 전극(152 및 153)에 가장 가깝게 돌출하지만 전극(151-154)의 돌출부는 빗형의 방식으로 서로 맞물리거나 서로에 돌출한 것이 다르다.
도 20a 내지 21b는 지금까지 도시된 지형과 비교하여 더 많은 양의 에너지가 증착될 수 있게 하여 액추에이터의 더 큰 편향을 허용하는 지형을 보여준다. 특히,도 20a-c에 따른 말단 전극의 이중 전극 구조와 전극의 교대 배치형 디자인을 갖는 말단 전극의 요철 곡선 구성은, 다량의 증착 가능한 에너지와 이와 동시에 최대한의 편향을 가능하게 하기 위해서 재료에 적합한 모양과 관련하여 이점을 가능하게 한다.
도 22는 캔틸레버된 비대칭 구성된 편향 가능한 요소(110)를 갖는 비대칭 액추에이터(100) 또는 벤딩 변환기(100)의 실시 예를 개시한다. 제 1 MEMS 변환기(141)의 전극(151, 152)은 제 2 MEMS 변환기(142)의 전극(153, 154)보다 더 두껍다. 이것은 또한 전극(151 및 152) 사이의 거리를 증가시킨다. 유리하게는, 비대칭 구조는 액추에이터의 비대칭 효과를 가져온다. 따라서 도 22는 외부 비대칭을 보상하기 위해 사용될 수 있는 구조적 비대칭 가능성을 예시한다.
따라서, 상기 실시 예는 넓은 동적 및 주파수 범위에서 특히 선형으로 작동하는 변환기를 설계하는 것을 가능하게 한다. 실시 예들에 따르면, 적당한 전압 만이 필요하다. 동시에 동일한 성능이 높다.
전술 한 실시 예는 본 발명의 원리에 대한 예시 일 뿐이다. 본 명세서에 기술된 배열 및 세부 사항의 수정 및 변경은 당업자에게 명백할 것이라는 것이 이해된다. 따라서, 본 발명은 본 명세서의 실시 예의 설명에 의해 제시된 특정 세부 사항에 의해서는 제한되지 않고, 첨부된 특허 청구 범위에 의해서만 제한되는 것이다.

Claims (24)

  1. 편향 가능한 요소(110, 110a-n, 1120, 1220, 1300)를 갖는 액추에이터(100, 100a-n, 730a-n)로서의 벤딩 변환기에 있어서,
    상기 편향 가능한 요소의 중심 섬유(130, 130a)를 따라 연장되어 제 1 전기 신호(US, US1, USignal, USignal1)가 인가될 때 상기 편향 가능한 요소(110, 110a-n, 1120, 1220, 1300)를 제 1 방향(161, 161b)으로 편향시키는 제 1 마이크로 전자기계적 변환기(141, 141a-b, 1016a), 및
    상기 중심 섬유(130, 130a)를 따라 연장되어 제 2 전기 신호(US, US2, USignal, USignal2)가 인가될 때 상기 제 1 방향과 반대인 제 2 방향(162, 162b)으로 상기 편향 가능한 요소를 편향시키는 제 2 마이크로 전자기계적 변환기(142, 142a-b, 1016b)
    를 포함하고,
    상기 중심 섬유(130, 130a)는 서로 마주보는 상기 제 1 마이크로 전자기계적 변환기(141, 141a-b, 1016a) 및 제 2 마이크로 전자기계적 변환기(142, 142a-b, 1016b)의 측면 사이에 위치하며,
    전기 제어부(120, 1013a)는, 상기 제 1 전기 신호(US, US1, USignal, USignal1)의 변경과 상기 제 2 전기 신호(US, US2, USignal, USignal2)의 변경을 야기하도록, 입력 신호(UE, UEa 내지 UEd, Uin, Uin1 내지 Uin3)에 따라 상기 제 1 전기 신호(US, US1, USignal, USignal1) 및 상기 제 2 전기 신호(US, US2, USignal, USignal2)를 변경하며, 상기 제 1 및 제 2 전기 신호(US, US1, US2, USignal, USignal1, USignal2)의 위상이 서로에 대해 편이되도록 구성되는, 벤딩 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 마이크로 전자기계적 변환기(141, 141a-b, 1016a) 및 상기 제 2 마이크로 전자기계적 변환기(142, 142a-b, 1016b)는 상기 편향 가능한 요소의 길이 방향을 따라 세그먼트(169)로 분할된 플레이트 커패시터를 포함하는, 벤딩 변환기(100, 100a-n, 300, 300a-n, 730a-n, 840, 840a-n).
  3. 제 2 항에 있어서, 제 1 플레이트 커패시터 및 제 2 플레이트 커패시터의 전극(151-154, 151a-154a)은 교대 배치형으로 구성되는, 벤딩 변환기(100, 100a-n, 300, 300a-n, 730a-n, 840, 840a-n).
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 전기 제어부(120, 1013a, 1110, 1210)는 상기 입력 신호(UE, UEa 내지 UEd, Uin, Uin1 내지 Uin3)에 따라 제 1 바이어스(U0, U01, U0a 내지 U0n, UB)와 제 1 신호 부분의 조합을 상기 제 1 전기 신호(US, US1, USignal, Usignal1)로서 인가하고/하거나 상기 입력 신호(UE, UEa 내지 UEd, Uin, Uin1 내지 Uin3)에 따라 제 2 바이어스(U0, U02, U0a 내지 U0n, UB) 및 제 2 신호 부분의 조합을 상기 제 2 전기 신호(US, US2, Usignal, Usignal2)로서 인가하도록 구성되는, 벤딩 변환기(100, 100a-n, 300, 300a-n, 730a-n, 840, 840a-n).
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 바이어스(U0, U01, U0a 내지 U0n, UB) 및/또는 상기 제 2 바이어스(U0, U02, U0a 내지 U0n, UB)는 상기 입력 신호(UE, UEa 내지 UEd, Uin, Uin1 내지 Uin3)에 따른 신호 부분 없이 및 상기 편향 가능한 요소(110, 110a-n, 1120, 1220, 1300)에 대한 외부 기계적 영향 없이 상기 편향 가능한 요소의 상기 중심 섬유(130, 130a)가 편향되지 않도록 조정되는, 벤딩 변환기(100, 100a-n, 300, 300a-n, 730a-n, 840, 840a-n).
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 전기 제어부(120, 1013a, 1110, 1210)는 상기 제 1 및/또는 상기 제 2 마이크로 전자기계적 변환기(141, 141a-b, 142, 142a-b, 1016a, 1016b)에서 상기 바이어스(U0, U01, U02, U0a 내지 U0n, UB) 또는 바이어스들(U0, U01, U02, U0a 내지 U0n, UB)을 조정하여, 상기 벤딩 변환기의 스프링 강성 및/또는 상기 벤딩 변환기의 감도 및/또는 상기 벤딩 변환기의 공진 주파수가 조정 가능하도록 구성되는, 벤딩 변환기(100, 100a-n, 300, 300a-n, 730a-n, 840, 840a-n).
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 제어부(120, 1013a, 1110, 1210)는 상기 편향 가능한 요소(110, 110a-n, 1120, 1220, 1300)의 비대칭 하중(1130, 1230)을 보상하기 위해 상이한 진폭을 가지는 상기 제 1 및 제 2 전기 신호(US, US1, US2, USignal, USignal1, USignal2)의 변경을 수행하도록 구성되는, 벤딩 변환기(100, 100a-n, 300, 300a-n, 730a-n, 840, 840a-n).
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 비대칭 하중(1130, 1230)은 상기 제 1 및 제 2 마이크로 전자기계적 변환기(141, 141a-b, 142, 142a-b, 1016a, 1016b)의 구조적 비대칭 및/또는 상기 편향 가능한 요소(110, 110a-n, 1120, 1220, 1300)에 작용하는 비대칭 힘인, 벤딩 변환기(100, 100a-n, 300, 300a-n, 730a-n, 840, 840a-n).
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 전기 제어부(120, 1013a, 1110, 1210)는 교대 하중으로 작동 중에 상기 비대칭 하중(1130, 1230)의 효과를 동적으로 보상하기 위한 피드백 루프(1240)를 포함하는, 벤딩 변환기(100, 100a-n, 300, 300a-n, 730a-n, 840, 840a-n).
  10. 제 1 항에 따른 복수의 벤딩 변환기(100, 100a-n, 300, 300a-n, 730a-n, 840, 840a-n)를 포함하는 벤딩 변환기 시스템(210, 410, 710. 910)에 있어서, 상기 복수의 마이크로 전자기계적 변환기(141, 141a-b, 142, 142a-b, 1016a, 1016b)의 치수가 일치하고, 상기 복수의 벤딩 변환기(100, 100a-n, 300, 300a-n, 730a-n, 840a-n)의 스프링 강성 및/또는 공진 주파수 및/또는 감도는 상기 제 1 및/또는 제 2 마이크로 전자기계적 벤딩 변환기(100, 100a-n, 300, 300a-n, 730a-n, 840, 840a-n)에 대한 바이어스를 통해 개별적으로 조정 가능한, 벤딩 변환기 시스템(210, 410, 710. 910).
  11. 제 1 항에 따른 복수의 벤딩 변환기(100, 100a-n, 300, 300a-n, 730a-n, 840, 840a-n) 및 전체 입력 신호(UE, Uin)를 상기 복수의 벤딩 변환기에 대한 복수의 입력 신호(UEa 내지 UEd, Uin1 내지 Uin3)로 스펙트럼 분할하도록 구성된 분할 회로(220)를 포함하는, 벤딩 변환기 시스템(210, 410, 710. 910).
  12. 편향 가능한 요소(110, 110a-n, 1120, 1220, 1300)를 구비한 센서(300, 300a-n, 730a-n)로서의 벤딩 변환기에 있어서,
    상기 편향 가능한 요소의 중심 섬유(130, 130a)를 따라 연장되어, 그 단자에서 상기 편향 가능한 요소(110, 110a-n, 1120, 1220, 1300)의 변경에 따라 제 1 전기 신호(US1, USignal1)가 결정되며, 빔 구조를 포함하는 제 1 마이크로 전자기계적 변환기(141, 141a-b, 1016a), 및
    상기 편향 가능한 요소의 상기 중심 섬유(130, 130a)를 따라 연장되어, 그 단자에서 상기 편향 가능한 요소(110, 110a-n, 1120, 1220, 1300)의 변경에 따라 제 2 전기 신호(US2, USignal2)가 결정되며, 빔 구조를 포함하는 제 2 마이크로 전자기계적 변환기(142, 142a-b, 1016b)
    를 포함하고,
    상기 중심 섬유(130, 130a)는 서로 마주보는 상기 제 1 마이크로 전자기계적 변환기(141, 141a-b, 1016a) 및 제 2 마이크로 전자기계적 변환기(142, 142a-b, 1016b)의 측면 사이에 위치하며,
    전기 회로(320)는 상기 제 1 전기 신호(US1, USignal1) 및 상기 제 2 전기 신호(US2, USignal2)로부터 출력 신호(Uout, Uouta 내지 Uoutd, Uout, Uout1 내지 Uout3)를 생성하여, 상기 출력 신호(Uout, Uouta 내지 Uoutd, Uout, Uout1 내지 Uout3)의 변경이 상기 제 1 전기 신호(US1, USignal1)의 변경과 상기 제 2 전기 신호(US2, USignal2)의 변경 간의 차이에 따라 좌우되도록 구성되는, 벤딩 변환기.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 마이크로 전자기계적 변환기(141, 141a-b, 1016a)는 상기 편향 가능한 요소의 길이 방향을 따라 세그먼트된 제 1 플레이트 커패시터를 포함하고 상기 제 2 마이크로 전자기계적 변환기(142, 142a-b, 1016b)는 상기 편향 가능한 요소의 길이 방향을 따라 세그먼트된 제 2 플레이트 커패시터를 포함하는, 벤딩 변환기.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 플레이트 커패시터 및 제 2 플레이트 커패시터의 전극은 교대 배치형으로 구성되는, 벤딩 변환기.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 전기 회로는 상기 제 1 마이크로 전자기계적 변환기(141, 141a-b, 1016a) 및/또는 상기 제 2 마이크로 전자기계적 변환기(142, 142a-b, 1016b)에 바이어스를 인가하도록 구성되는, 벤딩 변환기.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 바이어스 또는 바이어스들은 상기 편향 가능한 요소의 상기 중심 섬유가 상기 편향 가능한 요소에 미치는 외부 기계적 영향없이 편향되지 않도록 조정되는, 벤딩 변환기.
  17. 제 12 항에 있어서, 상기 전기 회로는 상기 편향 가능한 요소에 대한 비대칭 하중이 보상되도록 상기 출력 신호를 생성하도록 구성되는, 벤딩 변환기.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 비대칭 하중은 상기 제 1 마이크로 전자기계적 변환기(141, 141a-b, 1016a) 또는 상기 제 2 마이크로 전자기계적 변환기(142, 142a-b, 1016b)의 구조적 비대칭 및/또는 상기 편향 가능한 요소에 작용하는 비대칭 힘인, 벤딩 변환기.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 전기 회로(320) 또는 제어부(120)는 상기 벤딩 변환기의 스프링 강성 및/또는 상기 벤딩 변환기의 감도 및/또는 상기 벤딩 변환기의 공진 주파수를 조정하기 위해 상기 제 1 및/또는 상기 제 2 마이크로 전자기계적 변환기에 바이어스를 인가하도록 구성되는, 벤딩 변환기.
  20. 제 12 항에 따른 복수의 벤딩 변환기(730a-n)를 포함하는 벤딩 변환기 시스템에 있어서, 상기 복수의 마이크로 전자기계적 변환기의 치수가 일치하고, 상기 복수의 벤딩 변환기의 스프링 강성 및/또는 공진 주파수 및/또는 감도는 제 1 및/또는 제 2 마이크로 전자기계적 변환기에 대한 바이어스를 통해 개별적으로 조정 가능한, 벤딩 변환기 시스템.
  21. 제 12 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 복수의 벤딩 변환기 및 상기 복수의 벤딩 변환기의 복수의 출력 신호로부터의 총 출력 신호를 스펙트럼적으로 조립하도록 구성된 회로(420)를 포함하는, 벤딩 변환기 시스템.
  22. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 전기 신호의 변경 및 상기 제 2 전기 신호의 변경을 야기하도록, 상기 제 1 전기 신호 및 상기 제 2 전기 신호를 입력 신호에 따라 변경하고, 상기 제 1 및 제 2 전기 신호의 위상이 서로에 대해 편이되도록 구성되는 전기 제어부(830), 및
    상기 벤딩 변환기를 센서 및/또는 액추에이터로 작동하도록 구성되는 회로(820)
    를 포함하는, 벤딩 변환기.
  23. 제 1 항 또는 제 12항에 따른 복수의 벤딩 변환기 및 상기 벤딩 변환기의 전체 중 제 1 부분이 액추에이터로 작동하고 상기 벤딩 변환기의 전체 중 제 2 부분이 센서로 작동하도록 구성된 회로(920) - 상기 부분들로의 분할은 제어 신호에 따라 좌우됨 -
    를 포함하는, 벤딩 변환기 시스템.
  24. 제 1 항 또는 제 12항에 따른 복수의 벤딩 변환기를 포함하는 벤딩 변환기 시스템에 있어서, 벤딩 변환기는 시간격에서 액추에이터 및 센서 둘 다로 제어되거나, 상기 벤딩 변환기는 제 1 시간격에서 센서로 제 2 시간격에서 액츄에이터로 제어되거나, 상기 벤딩 변환기는 제 1 시간격에서 액츄에이터로 제 2 시간격에서 센서로 제어되는, 벤딩 변환기 시스템.
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