TW201222907A - A transducer - Google Patents

Description

201222907 、發明說明： 相關申請案之交叉引用 本申請案主張申請於2010年9月22日之新加坡專利 申凊案第201006909-4號之優先權之權益，該案之内容 出於所有目的在此以引用之方式全部併入本文。 【發明所屬之技術領域】 各種實施例係關於一種轉換器。 【先前技術】 由於與互補金氧半導體（c〇mplen^ntary metal-oxide-semiconductor; CM〇s)電路系統整合之能 力、寬頻寬及高度緊密的大小，微電機電容轉換器已被 廣泛開發作為電容式麥克風、加速度計、壓力感測器及 此等電容轉換器之效能可受固有 超音波裝置等。然而， 物理定律限制。 具有平行板結構之電容鏟拖4 A % 1,...

崩潰。平行板電容轉換器之崩潰之發生 電容轉換器之效能。 之機械靈敏度之間的 對於轉換器之頻寬與該等轉換器 201222907 十折衷而言’為擴展該等轉換器之頻寬，轉換器需要 八有知:小的柔性’此舉導致機械靈敏度下降。此外，轉 換益之柔性亦可能影響用以平衡所施加靜電力的恢復力 之值。在具有平行板結構之電容轉換器之狀況下，當靜 電力變彳于大於結構能夠提供之恢復力時，靜電力「軟化」 轉換盗之結構並使轉換器結構崩潰。隨後，電容轉換器 之崩潰係由偏壓及該等電容轉換器之電極之間的間隙大 小決疋。偏壓愈高，轉換器可具有愈高的電氣靈敏度但 疋變得更可能崩潰。當設計電容致動器時，該情形可能 更加糟糕。爲了獲得較高的靜電能量密度，電容致動器 通常具有較窄的間隙大小，然而，此狀況受避免崩潰之 能力限制。 電容轉換器之另一規格為機械雜訊底，通常認為該機 械雜訊底由該等電容轉換器之被動阻尼係數決定。阻尼 愈小’雜訊底愈低。然而，輕阻尼轉換器可能顯示劣化 之動態效能並導致轉換器設計之故障。 對於轉換器陣列而言，每一轉換器單元之間的靈敏度 公差對於陣列之效能至關重要。由於製造問題，微電： 電容轉換器之機械靈敏度中存在偏差，對於商業產品而 言，該等偏差常常展現±1犯至±2肋之靈敏度:差 前述設計折衷已變為改良電容轉換器之效能之主要限 制。此外’習知轉換器使用限制於單個方向上進行調譜 之電容調諧或需要複雜轉換器結構之磁調諧。 咕 5 201222907 【發明内容】 根據一實施例’本發明提供—種轉換器。該轉換器可 包括·一第一電極，—第二電極，該第二電極配置在該 第電極上方，使得該帛—電極及該帛^電極形成一電 容器之各別電容電極，該第二電極包含一核心部分及一 周邊部分；一第三電極’該第三電極相對於該第二電極 而配置’I得該第三電極與該第二電極t該周邊部分重 疊，以及一壓電元件’該壓電元件配置在該第二電極之 該周邊部分與该第二電極之間，以便藉由改變施加於該 第一電極與該第二電極之間的—壓電電壓，而調諧由該 壓電元件提供至該第二電極上之一張力。 根據-實施例’本發明提供一種轉換器。該轉換器可 包括第-電極；—第二電極，該第二電極配置在該 第一電極上方’使得該第—電極及該第二電極形成一電 容器之各別電容電極，該第 周邊部分；以及一壓電元件 電極之該周邊部分與該第— 一電極包含一核心部分及一 ，該壓電元件配置在該第二 電極之間，以便藉由改變施 加於該第一電極與該第二電極之間的一壓電電壓，而調 諧由該壓電元件提供至該第二電極上之一張力。 【實施方式】 以下詳細描述參照以說明之方式展示具體細節及實施 例之隨附圖式，本發明可實施於該等具體細節及實施例 中。此等實施例係収夠詳細的方式來描述’以使熟習 6 201222907 此項技術者能夠實施本發明。可使用其他實施例，且在 不脫離本發明之範疇的情況下可進行結構、邏輯及電氣 變化各種實施例不—定互斥，因為某些實施例可與一 或更多其他實施例結合，以形成新的實施例。 在各種實施例之情形中，應瞭解到，在裝置中—者之 情形中描述之實施例對於其他一或更多裝置可類似地有 效。 在各種實施例之情形中，用語「至少大體上」可包括 「準確」及其±5。/。之變化。作為實例而非限制，「A至少 大體上與B相同」可涵蓋a與B準確相同之實施例、或A 可在B之（例如值之）±5%之變化内之實施例或反之亦然。 在各種實施例之情形中，術語「約」.或「近似」在應 用於值時可涵蓋精確值及值之土5 %之變化。 各種貫施例提供具有壓電調諧之電容轉換器或微電機 電容轉換器。可例如藉由調諧所施加之壓電電壓來進行 壓電調諧。 在各種實施例中，轉換器可具有兩個電極之電容平行 板結構，該兩個電極之電容平行板結構提供結構簡單及 熱穩定性並含有壓電元件，其中該壓電元件堆疊在電極 上方或堆疊在電極之間’且該壓電元件至少大體上定位 在結構之圓周邊界或周邊部分周圍。平行板電容器結構 之電容電極中之一者可為撓性及/或可移動且可為薄 膜。當啟動壓電元件時，該壓電元件可拉伸電容薄膜。 藉由控制張力’壓電元件可調整電容薄膜之剛性及總阻 7 201222907 尼。施加張力之方式可允許剛性調諧、阻尼調諧及靈敏 度匹配之控制，以及其他方式。 在各種實施例中，壓電調諧可藉由調整對結構薄膜之 張力來提供實施調諧（諸如剛性調諧及阻尼調諧）之有 效方式。壓電調諧亦可藉由剛性調諧及主動阻尼調諧提 供設計高效能微電機電容轉換器之更大的自由度。 在各種實施例中，剛性調諧及/或主動阻尼調諧可為靜 態調諧及/或動態調諧。在各種實施例之情形中，例如根 據控制法則’術語「靜態調諧」可意謂調整或調諧施加 於壓電電極之直流（directeurrent;DC)電壓，而術語「動 態調諧」可意謂線上調整或調諧動態地施加於壓電電極 之交流（alternative current; Ac)電壓。此等調諧能力可給 予電容轉換器高功率輸出效率、改良之靈敏度及相當低 的雜訊底之優點。壓電調諧方案可有益於具有平行板之 電容轉換器，該等電容轉換器諸如（但不限於）電容式 麥克風、超音波轉換器、微型揚聲器、加速度計及壓力 感測器。 在各種實施例中，藉由在電極或電極薄膜之圓周邊界 上而非在薄膜之較大表面區域上方(諸如在全部表面區 域上方）提供壓電元件，存在對薄膜之運動之最小干擾， 且因此或許不會不利地影響轉換器之效能。換言之，藉 由在電極薄膜之圓周邊界上酉己置愿電元#，電㈣膜之 大區域保持暴露，並且對該電極薄膜之運動干擾最小。 201222907 轉換器或電容轉換器之各種實施例併入壓電調諧之形 式之額外物理機制。與習知轉換器相比，壓電結構可展 現致動方向之更大的自由度及得到改良的功率輸出效 率。藉由將壓電層或元件與電容轉換器組合，各種實施 例之壓電轉換器或許能夠克服習知轉換器之設計折衷， 且因此超過設計折衷之限制地改良轉換器之效能。在各 種貫施例中’壓電元件遍佈於電容電極之邊界而置放於 周邊，並且是在電極板之間或在頂電極板之頂部上（或 上方）。 壓電轉換器之各種實施例為電容轉換器並使用靜電法 則來達成感測或致動功能。壓電層或元件提供壓電調諧 能力，例如以剛性調諧及主動阻尼調諧之形式，以改良 或最佳化平衡設計中轉換器總體效能。 各種貫施例可提供併入用於增加靈敏度同時維持頻寬 之壓電S周諧之電容轉換器，從而具有低靈敏度偏差及高 輻射壓力輸出。可在（但不限於）麥克風、壓力感測器 及電容微機電超音波轉換器（CMUTS)之情況下實施壓電 調諧。 各種實施例可提供併入壓電調諧之電容轉換器，該等 電容轉換器與習知轉換器或單純的電容轉換器相比，可 使用主動阻尼及靈敏度匹配提供較高功率輸出、較高機 械靈敏度、較低雜訊《另外，各種實施例之具有壓電調 諸之電容轉換器’對於電容感測器可具有超低熱雜訊， 而不增加感測器之尺寸。換言之，具有包括主動阻尼之 201222907 壓電調諧之各種實施例的電容轉換器，可有助於減少熱 雜訊’同時使轉換器能夠維持小尺寸。相比之下，習知 電容轉換器要具有大尺寸才能使熱雜訊保持為低，因為 熱雜訊與轉換器/感測器之尺寸逆相關。 各種實施例之轉換器可形成於基板上，該基板例如具 有介電質層之矽基板、晶圓或絕緣層上矽晶 (silicon-on-insulator; SOI)基板。 轉換器之各種實施例以低成本提供具有改良之效能之 簡單結構’且可使用微機電系統（micr〇electr〇mechanical system; MEMS)處理來製造該等轉換器之各種實施例。 為了可容易地理解本發明，且可將本發明投入實際使 用，現將以實例而非限制且參閱諸圖來描述具體實施例。 第1A圖圖示根據各種實施例之轉換器1〇〇之示意性方 塊圖。轉換器1〇〇包括：第一電極1〇2;第二電極1〇4，該 第一電極104配置在第一電極1〇2上方，使得第一電極 及第二電極104形成電容器之各別電容電極，第二電極 HH包括核心部分（或核心區）1〇6及周邊部分（或周邊 區第三f極11()’該第三電極㈣相對於第二電極 而配置，使得第三電極11〇與第二電極ι〇4之周邊部分 1 重疊，以及屢電元件112，該屋電元件η〗配置在第二 電極104之周邊部分1〇8盥第： ，、乐—電極11 〇之間，以便藉由改 支把加於第—電極1Q4與第三電極⑽之間的壓電電塵， 而調諸由虔電元件112提供至第二電極1〇4上之張力。第 二電極110及/或愿雷开杜彳丨 X至罨兀件112可具有某種形狀或幾何構 10 201222907 形，所述之該種形狀或幾何構形至少大體上與第二電極 104之周邊部分108之形狀或幾何構形相同。 由壓電兀件112提供至第二電極1〇4上之張力可在一方 向上，该方向大體上垂直於施加於第二電極丨〇4與第三電 極110之間的壓電電壓之方向。此可提供垂直電容驅動。 張力可包括拉伸應變。 在各種實施例中，第一電極1〇2及第二電極1〇4可經設 置以大體上平行於彼此β在各種實施例中，可將第二電 極104配置在第一電極102上方，使得第一電極1〇2之至少 一部分與第二電極104之至少一部分可由氣隙或真空分 離。 在第1Α圖中，表示為114之線說明不同組件之間的關 係，該線可包括電耦接及/或機械耦接。 第1Β圖圖示根據各種實施例之轉換器12〇之示意性方 塊圖。轉換器120包括第一電極1〇2、第二電極1〇4、第三 電極110及壓電元件112，該第二電極1〇4包括核心部分 106及周邊部分108;該第一電極1〇2、該第二電極1〇4、 該第三電極110及該壓電元件112可類似於如第ία圖之 上下文中所述之實施例。 在各種實施例中’可大體上沿與第三電極110相同之平 面定位第一電極1〇2。 在各種實施例中，轉換器120可進一步包括第一隔離器 或絕緣體122，該第一隔離器或絕緣體122配置在第一電 11 201222907 極102與第三電極110之間。第一電極ι〇2可包括小於第二 電極104之橫截面尺寸。 在各種實施例中，轉換器120可進一步包括第二隔離器 或絕緣體124 ’該第二隔離器或絕緣體124配置在第一電 極102與第二電極104之間。第一電極1〇2可包括大體上類 似於第二電極104之橫截面尺寸。在各種實施例中，第一 電極102、第二電極1〇4及第三電極110中之每一者皆可定 位於大體上不同的平面中。 在各種實施例中，第二電極104可包括或可為振動薄膜 (亦稱為電容薄膜）126，該振動薄膜126可移動或可拉 伸。在各種實施例中，可將壓電元件丨丨2配置在第二電極 1 〇 4之周邊部分！ 0 8與第三電極i丨〇之間，以便最小化對第 二電極104之運動之干擾。 在第1B圖中’表示為1 2 8之線說明不同組件之間的關 係’該線可包括電耦接及/或機械耦接。 第ic圖圖示根據各種實施例之轉換器14〇之示意性方 塊圖。轉換器140包括：第一電極1〇2;第二電極1〇4，該 第二電極104配置在第-電極1〇2上方，使得第一電極1〇2 及第二電極104形成電容器之各別電容電極，第二電極 104包括核心部分106及周邊部分1〇8 ;以及壓電元件 該壓電元件11 2配置在第 112， 與第一電極1 0 2之間，以便藉 與第二電極104之間的磨電電 提供至第二電極104上的張力 二電極104之周邊部分1〇8 由改變施加於第一電極1 〇2 屋’而調諧由壓電元件112 °壓電元件112可具有某種 12 201222907 大體上與第

形狀或幾何構形，該種形狀或幾何構形至少 二電極1 0 4之.周邊部 在各種實施例中， (亦稱為電容薄膜）。 件之間的關 在第1C圖中，表示為142之線說明不同組 係’該線可包括電耦接及/或機械耦接。 在各種實施例之情形中，轉換器1〇〇 置’以在電容電壓施加於第—電極1〇2與第 間時執行電容轉換。 ιζυ、14〇可經設 —電極1 04之 在各種實施例之情形中，壓電元件112可包括選自由以 鍅鈦酸鉛 下物質組成之群組之材料：氮化鋁（A1N)、 (ρζτ)、聚偏二氟乙烯（PPVDF)及氧化辞（Ζη〇)。 在各種實施例之情形中，第一電極102、第二電極1〇4 及第三電極110中之每一者皆可包括選自由以下物質組 成之群組之金屬：鋁（Α1)、鈦（Ti)、鉻（Cr)及鉬（Mo)。 在各種實施例之情形中’第一電極102、第二電極1〇4 及第二電極110中之每一者皆可包括掺雜多晶矽或單結 在各種實施例之情形中，第一隔離器122及第二隔離器 124中之每一者皆可包括選自由以下物質組成之群組之 材料：碳化矽（SiC)及二氧化矽（si〇2)。 在各種實施例之情形中，第一電極1 〇2、第二電極104、 第三電極110、第一隔離器122、第二隔離器124及壓電元 件112之各別尺寸可取決於轉換器及應用之類型。 13 201222907 在各種實施例中，壓電元件112可具有在約〇」μιη與約 2 μιη之間的範圍内之厚度，例如約〇 5 μηι與約〖5 ^爪之 間的範圍或約0.8 μηι與約1-2㈣之間的範圍，且該壓電 兀件112可具有在約50 μιη與約1〇〇〇 μιη之間的範圍内之 大小’例如約200 μιη與約800 μηι之間的範圍或約4〇〇 與約600 μπι之間的範圍。 在各種實施例中，第一隔離器122及第二隔離器124中 之每一者皆可具有在約1 μηι與約4 μπι之間的範圍内之寬 度，例如約1.5 μπι與約3.5 μπι之間的範圍或約2 μπι與約3 μπι之間的範圍。 在各種實施例之情形中，轉換器1〇〇、12〇、14〇的各別 大小可在約50 μπι與約2 mm (2000 μπι)之間的範圍内，例 如約100 μπι與約1.5 mm之間的範圍或約500 μιη與約i mm之間的範圍，此取決於應用。在各種實施例中，各別 轉換器100、120、140可具有圓形形狀、正方形形狀或矩 形形狀，其中大小可代表橫截面尺寸/大小。在任一轉換 器100、12〇、14〇具有圓形形狀之情況下，大小可代表轉 換器之直徑。 在各種實施例之情形中，術語「電容器電極」意謂界 定電容器且用於電容轉換之電極。 在各種實施例之情形中’術語「壓電電極」意謂用於 壓電調諧之電極。在各種實施例中，一或更多電極可作 為電谷器電極及壓電電極兩者之部分共用。換言之，一 或更多電極可用於電容轉換及壓電調諸兩者。 14 201222907 在各種貫施例之情形中，可將電容電壓施加至電容器 電極，使得轉換器可執行電容轉換。電容電壓可包括施 加於電容器電極之DC偏壓及AC電壓，以藉由電容變化 來感測電極或電極薄膜之運動，或驅動電極或電極薄膜 之運動。 在各種實施例之情形中，可將壓電電壓施加至壓電電 極以用於轉換器之壓電調諧。換言之，可藉由改變壓電 電壓來進行轉換器之壓電調諧。壓電電壓可為施加於壓 電電極之DC電壓，以致動壓電電極在電極或電極薄膜上 產生拉伸力，以用於剛性調諧。對於主動阻尼調諧而言， 壓電電壓可包括DC電壓及/或AC電壓。 第2A圖圖示根據各種實施例之轉換器2〇〇之局部透視

圖。第2B圖圖示在壓電調諧期間沿方向a觀察時，第2A

圖之:T施例的轉換器200之橫截面圖。應瞭解到，第2A

圖圓示轉換器200之-半。換言之，轉換器鳩具有第2A 圖中所示之半結構之連續設置的圓形結構，該第2A圖中 所示之半結構鄰接第2A圖之半結構之鏡像。然而，應瞭 解到，轉換器200可具有其他結構形狀，例如正方形結構 或矩形結構。 轉換器200包括第一電極2〇2及第二電極2〇4,該第二電 極204配置在第—電極加上方，其中第—電極2G2及第二 電極204形成電容器之各別電容電極。第一電極2〇2具有 小於第二電極204之橫截面尺寸。 15 201222907 $二電極204具有連續結構，其中該連續結構之一部分 可疋義為核心部分206，而剩餘部分可定義為周邊部分 208 〇 如第2A圖及第2B圖中所示，帛一電極2〇2及第二電極 204之至少—部分（例如核心部分2〇6)由間隙Μ”例如 氣隙或真空）分離。 轉換器200進一步包括第三電極21〇，該第三電極21〇 相對於第二電極204而配置，使得第三電極21〇與第二電 極204之周邊部分重疊。第三電極21〇具有某種形狀或 幾何構形，該種形狀或幾何構形至少大體上類似於第二 電極204之周邊部分2〇8之形狀或幾何構形。 如第2A圖中所不，當沒有進行壓電調諸時，第一電極 202與第二電極2〇4至少大體上平行於彼此。此外，當沒 有進行壓電調諧時，篦_ Φ1 于弟—電極204與第三電極210至少大 體上平行於彼此。 轉換器200進-步包括壓電元件212，該㈣元件 配置在第一電極204之周邊部分2〇8與第三電極之 間換5之，塵電疋件212遍佈於第二電極綱及第三電 極210之邊界而置放於周邊處，且在第二電極204與第三 電極2H)之間4電元件212可具有某種形狀或幾何構 形’該種形狀或幾何構形至少大體上類似於第二電極204 之f邊部分繼之形狀或幾何構形。壓電元件212具有與 ^谷平打電極（亦即，第二電極2〇4與第三電極㈣）之 間的間隙大小或距離相等之厚度。 16 201222907 壓電兀件212可提供張力至第二電極2()4上，其中可藉 由改變施加於第二電極2〇4與第三電極2 10之間的麗電電 壓，而調諧或改變該張力。 張力（。亥張力可包括拉伸應變）之方向大體上垂直於 鉍加於第一電極2〇4與第三電極21〇之間的壓電電壓之方 向。 轉換器200 &纟包括隔離器214’該隔離器214配置在 第電極202與第二電極210之間。雖然未清晰地圖示， 但是隔離器2 14經設置以至少大體上環繞第一電極2〇2。 因此，第三電極210與第—電極2〇2由隔離器214隔離或分 離。 如第2A圖及第2B圖中所示，第一電極2〇2、隔離器214 及第三電極210至少大體上沿相同平面而定位。 在各種實施例中，第一電極2〇2及第二電極2〇4為電容 電極，該等電容電極經設置用於電容轉換，而第二電極 204及第三電極210為壓電電極，該等壓電電極經設置用 於壓電調諧。因此，第二電極2〇4分別相對於第一電極2〇2 及第三電極210充當電容電極及壓電電極兩者。 如第2B圖中所示’可藉由與第一電極2〇2及第二電極 204電連通之方式提供第一能量源220，例如藉由提供電 容電壓，使得轉換器200可執行電容轉換。此外，可藉由 與第三電極210及第二電極204電連通之方式提供第二能 量源222，例如藉由提供壓電電壓，使得壓電元件2丨2在 壓電調讀期間產生機電搞接效應。在轉換器2〇〇之壓電調 17 201222907 諧期間，壓電元件212可在第二電極204上提供拉伸力（如 由方向箭頭224所表示）或壓縮力。 第一能量源220及第二能量源222提供相同電勢至第二 電極204’而第一電極202及第三電極210之各別電勢可相 同或彼此不同。 第3A圖圖示根據各種實施例之轉換器300之局部透視 圖。應瞭解到，第3A圖圖示轉換器3〇〇之一半。換言之， 轉換器300具有如第3A圖中所示之半結構之連續設置之 圓形結構，該第3 A圖中所示之半結構鄰接第3 A圖之半結 構之鏡像。然而，應瞭解到，轉換器3 〇〇可具有其他結構 形狀，例如正方形結構或矩形結構。 轉換器300包括第一電極3〇2及第二電極3〇4，該第二電 極304配置在第一電極3〇2上方，其中第一電極3〇2及第二 電極304形成電容器之各別電容電極。第一電極具有 大體上類似於第二電極304之橫截面尺寸。 電極304具有連續結構 六τ线埂躓結構 一，、一町〜邱分 °定義為核心部分3〇6’而剩餘部分可定義為周邊部八 :其:疊

轉換器300進一步句社笛-愈扣：οι 相對於莖Φ 14,該第三電極3M 、第—電極3〇4而配置’使得第三電極川與 4之周邊部分308重疊。第二 幾何構形，…電極314具有某種形狀或 電極304之Η @ γ 少大體上頰似於第 之周邊部分3〇8之形狀或幾何構形。 201222907 如第3A圖中所示，當沒有進行壓電調諧時，第一電極 3〇2、第二電極204及第三電極314至少大體上平行於彼 此0 在轉換器300中，壓電元件31〇配置在第二電極3〇4之周 邊部分308與第三電極314之間。換言之，壓電元件31〇 遍佈於第二電極3〇4及第三電極314之邊界而置放於周邊 處，且在第二電極304與第三電極314之間。壓電元件31〇 可具有某種形狀或幾何構形，該種形狀或幾何構形至少 大體上類似於第二電極3〇4之周邊部分烟之形狀或幾何 構形。壓電元件31〇具有與壓電電極（亦即，第二電極咖 與第三電極314)之間的間隙大小或距離相等之厚度。 壓電7°件3 10可提供張力至第二電極304上，其中可藉 由改變施加於第二電極3G4與第三電極314之間的壓電^ 壓，而調諧或改變該張力。 張力（該張力可包括拉伸應變）方向大體上垂直於施 加在第二電極3〇4與第三電極3 14之間的壓電電壓之方 轉換器300進-步包括隔離器316’該隔離器316配置在 電極302與第二電極304之間。隔離器316可具有某種 ^或幾何構形，該種形狀或幾何構形至少大體上類似 或幾I;:3。。4之周邊部分308及/或第三電極314之形狀 圖圖不根據各種實施例之轉換器340之橫截面 。在壓電調諧期間沿方向B觀察時，轉換器34〇大體上 201222907 類似於第3A圖之轉換器300，但其中存在用於說明不同 實施例之一些結構差異。轉換器340可具有圓形結構、正 方形結構或矩形結構。 轉換器340可包括隔離器316，該隔離器316延伸至第一 電極302且沿第一電極302之平面延伸，使得第一電極3〇2 具有小於第二電極304之橫截面尺寸。 此外，轉換器340可包括第四電極342,該第四電極342 配置在第二電極3〇4與壓電元件31〇之間。第四電極342 可具有某種形狀或幾何構形，該種形狀或幾何構形至少 大體上類似於第二電極3〇4之周邊部分3〇8及/或壓電元 件310之形狀或幾何構形。第四電極342可為金屬電極。 第四電極342可起到與第二電極3〇4之功能相似的功能。 因此，可提供具有夾層結構之壓電結構，該夹層結構具 有提供於或接合於第三電極314與第四電極342之間的壓 電元件310。在各種實施例之情形中，第四電極Μ]可包 括選自由以下物質組成之群組之金屬：鋁（A1)、鈦、 絡（Cr)及鉬（Mo)。 在各種實施例中，第四電極342可充當用於沈積壓電元 件310(例如氮化鋁（A1N))之晶種層（例如金屬晶種層）， 以便可生長具有較佳或改良的品質之壓電元件3 ι〇之壓 電材料。 應瞭解到，其他實施例或許為可能的，例如，隔離器 316延伸至第一電極3〇2或第四電極342且沿第一電極 或第四電極342之平面延伸。 20 201222907 在各種實加例中’第一電極3〇2及第二電極咖為電容 電極，該等電容電極經設置用於電容轉換，而第二電極 3〇4及第三電極314為壓電電極，該等壓電電極經設置用 於壓電調諸。因此’第二電極304分別相對於第一電極3〇2 及第三電極314充當電容電極及壓電電極兩者·»壓電元件 310置放於可移動電容電極3〇4之頂部上或可移動電容電 極304上方。 如第3B圖中所示，可藉由與第一電極3〇2及第二電極 3〇4電連通之方式提供第一能量源344，例如藉由提供電 容電壓，使得轉換器340可執行電容轉換。此外，在具有 第四電極提供於轉換器34〇中之情況下可藉由與第三電 極3 14及第四電極342電連通之方式提供第二能量源 346，或在沒有第四電極提供於轉換器34〇中之情況下， 可藉由與第二電極314及第二電極3 〇4電連通之方式提供 第二能量源346。在各種實施例中，第四電極342具有與 第二電極3 04之電勢相同的電勢。 第二能量源346例如提供壓電電壓，使得壓電元件31〇 在壓電調諧期間產生機電耦接效應。在轉換器340之壓電 調拍期間’壓電元件3〖〇可在第二電極3〇4上提供拉伸力 (如由方向箭頭348所表示）或壓縮力。 第—能量源344及第二能量源346可提供相同或不同的 電勢至第一電極3〇2及第三電極3M。 如第3A圖及第3B圖中所示，第一電極3 〇2之至少一部 分與第二電極304之至少一部分（例如核心部分306 )由 21 201222907 間隙312 (例如氣隙或真空）分離。此外，第二電極304 之周邊邓分308之一部分與第一電極3〇2可由間隙312分 離。 如第3Α圖及第3Β圖中所示，第—電極3 〇2、第二電極 3 04及第二電極3 14中之每一者皆定位於大體上不同的平 面中。 第4圖圖示根據各種實施例轉換器400在壓電調諧期間 之橫截面圖。轉換器4〇〇可具有整體圓形結構。然而，應 瞭解到，轉換器400可具有其他結構形狀，例如正方形結 構或矩形結構。轉換器400包括第一電極402及第二電極 404’該第二電極4〇4配置在第一電極4〇2上方，其中第一 電極402及第二電極404形成電容器之各別電容電極。第 一電極402具有大體上類似於第二電極4〇4之橫截面尺 寸。當沒有進行壓電調諧時，第一電極4〇2及第二電極4〇4 至少大體上平行於彼此。 第二電極404具有連續結構，其中該連續結構之一部分 可定義為核心部分406，而剩餘部分可定義為周邊部分 408 〇 如第4圖中所示，第一電極搬之至少一部分與第二電 極204之至少一部分（例如核心部分4〇6)由間隙41〇(例 如氣隙或真空）分離。 轉換器400進一步包括壓電元件412，該壓電元件μ? 配置在第二電極404之周邊部分4〇8與第一電極4〇2之周 邊部分4Μ之間。換言之，愿電元件412遍佈於第一電極 22 201222907 及第一電極404之邊界而置放於周邊處，且在第一電 與第：電極4()4之間。壓電元件412可具有某種形狀 S幾何構形’該種形狀或幾何構形至少大體上與第二電 極4〇4之周邊部分408之形狀或幾何構形相同。壓電元件 412具有與電容平行電@ (亦即，第—電極4〇2與第二電 極4〇4 )之間的間隙大小或距離相等之厚度。 壓電元件412可提供張力至第二電極404上，其中可藉 由改變施加於第一電極4〇2與第二電極4〇4之間的壓電電 壓’而調諧或改變該張力。 張力（該張力可包括拉伸應變）方向大體上垂直於施 加在第一電極4〇2與第二電極4〇4之間的壓電電壓之方 向。 可藉由與第一電極4〇2及第二電極4〇4電連通之方式提 '、:；!：源4 1 6例如藉由提供電壓（作為電容電壓及壓電 電壓兩者）’該電壓可包括Dc偏壓及八〇驅動電壓，使得 轉換器400可執行電谷轉換，且亦使得壓電元件4 2在壓 電調咱期間產生機電耦接效應。因此，使用相同電極進 行電容轉換及壓電調諧。換言之，第一電極4〇2及第二電 極4 04充田電谷電極及壓電電極兩者，且施加相同電壓作 為電容電壓及壓電電壓兩者。然而，此設置可能減少調 為剛性及主動阻尼之自由度或靈活性。 在轉換器400之壓電調諧期間，壓電元件412可在第二 電極404上提供拉伸力（如由方向箭頭418所表示）或壓 縮力。 23 201222907 與轉換器300 (第3A圖）、340(第3B圖）之設置相比， 轉換器200之製造（第2A圖及第2B圖）所需之製造遮罩 層數目減少，同時維持至少大體上相似的一般轉換器效 能及壓電耦接效應。轉換器4〇〇 (第4圖）之製造所需之 遮罩層數目進一步減少。 根據各種實施例’第5 A圖圖示圓形設置之轉換器500 之平面圖，而第5B圖圖示正方形設置之轉換器520之平 面圖。 第5A圖圖示根據各種實施例之壓電元件或層5〇2之平 面圖’該壓電元件或層502配置在圓形設置之轉換器500 之電極（例如第二電極）504周邊部分的上方◊電極5〇4 可具有在約100 μιη與約1 mm (1〇00 μηι)之間的範圍内之 半徑〜/ec，例如約200 μιη與約8〇〇 μιη之間的範圍或約400 μηι與約600 μιη之間的範圍，此取決於應用，而電極5〇4 之核心部分506可具有近似〜心之四分之三（亦即， 〇.75*re/ec)之半徑〜因此，壓電元件502可具有近似 0.25*re/ec 之寬度 w。 圖5B圖示根據各種實施例之壓電元件或層522之平面 圖’該壓電元件或層522配置在正方形設置之轉換器520 之電極（例如第二電極）524周邊部分的上方。電極524 可具有在約100 μπι與約1 mm (1〇〇〇 μιη)之間的範圍内之 寬度及長度m，例如約200 μιη與約800 μηι之間的範圍或 約400 μηι與600 μιη之間的範圍，此取決於應用，而電極 524之核心部分526可具有近似w之四分之三（亦即， 24 201222907 .之寬度及長度《。因此’壓電元件5 22可具有近 似〇.25*w之寬度尸。 然而’應瞭解到，各種實施例之轉換器可具有其他適 合形狀（例如橢圓形、卵形或矩形）及/或尺寸。 在第2A圖、第2B圖、第3A圖、第3B圖及第4圖之實施 例之情形中，第二電極2〇4、304、404可包括或可為電容 薄膜或振動薄膜，該電容薄膜或振動薄膜可為可移動、 可拉伸或可撓性的’其中壓電元件或層212、31〇、412 配置在第二電極2〇4、304、404之周邊部分208、308、408 上方，使得笫二電極2〇4、3〇4、4〇4 (例如電容薄膜）之 多數表面區域（第5A圖及第5B圖中亦有圖示）暴露出 來。藉由將壓電元件212、310、412接合或緊密地接合至 電容薄膜204、304、404之周邊部分2〇8、308、408，可 存在對電容薄膜204、304、404之動態行為最小的干擾， 且此舉可允許將薄且柔性薄膜用於靈敏度改良及機械阻 抗匹配。 在各種貫施例之情形中’可密封轉換器2〇〇、3〇〇、34〇、 400之結構，以便在第一電極2〇2、3〇2、4〇2與第二電極 204、304、404之間形成真空腔室。 當施加電容電壓於電容電極之間（例如在第一電極 202、3 02、402與第二電極2〇4、3〇4、4〇4之間）時轉 換器200、300、340、4〇〇執行電容轉換，此舉可為致動 或感測。t充電壓電電極時，例如在第2八圖、第2B圖、 第3A圖及第3B圖之第二電極2〇4、3〇4與第三電極21〇、 25 201222907 314之間或在第4圖之第一電極402與第二電極404之間， 壓電元件212、310、412開始產生機電耦接效應。 在各種實施例中’壓電元件212、310、412之極化方向 (Poling Direction )至少大體上被對準至垂直於電容薄 膜204、3 04、404之平面，進而使得能夠使用壓電致動之 「d31」模式。對於「d31」模式而言，第一下標「3」表 示電場之方向與極化方向平行，且第二下標「1」表示沿 水平方向相應產生的機械應力，此意謂，當在壓電電極 之間橫向施加壓電電壓時，壓電元件可在第二電極（或 電容薄膜）204、3(Μ、404上產生側向應變。 當壓電電壓之方向至少大體上被對準至壓電元件 212、310、412之極化方向時，由壓電元件212、310、412 在第二電極（或電容薄膜）204、304、404上產生之機械 應變為拉伸應變。因此’壓電元件212、310、412可藉由 「d3!」耗接模式在振動薄膜204、304、404上提供額外 拉伸力，其中該拉伸力之強度可藉由調整壓電電壓來控 制。 當壓電電壓之方向至少大體上被對準至與壓電元件 212、310、412之極化方向反向時，由壓電元件212、31〇、 412在第二電極（或電容薄膜）2〇4、3〇4、4〇4上產生之 機械應變為壓縮應變^ 因此’取決於壓電電壓之方向，壓電元件212、31〇、 412使電容薄膜204 ' 304、404由於壓縮力而收縮或壓縮 或由於拉伸力而伸長或拉伸。 26 201222907 在不考慮電谷薄臈204、3〇4、404上之外部壓力之情況 下壓電拉伸力連同結構恢復剛性力可與電容電極之間 的靜電吸引力競爭，進而最小化或防止電容轉換之「崩 潰模式」。 現將如下描述電容薄膜之動態特徵方程式（dynamic governing equati〇n)及上述動態特徵方程式之推導。 可移動板之振動可由以下板特徵方程式決定：

D V4w + phw = P (方程式1 ) 其中w=w(x，y)為板之橫位移，其中χ表示χ軸，且y表示 y軸； 9x4 dji2dy2 dyA * 為彈性常數； E為板之楊氏模數（Young's modulus)，該揚氏模數為材 料之固有特性且可依用於不同設計及/或應用之板之材 料而變化； h為板之厚度； //為泊松比（Poisson's ratio)，該泊松比為材料之固有 特性且可依用於不同設計及/或應用之板之材料而變化； P為板材料之密度，該板材料之密度為材料之固有特 性且可依用於不同設計及/或應用之板之材料而變化；且 27 201222907 p為外部壓力。 當施加電容電壓時，如下產生靜電壓力

(方程式2) 其中為由電極板運動造成之電容偏差· V為所施加之電容電壓·， 回應 w=W()+w’，其中橫位移你表示為平衡位置、及動態回 W’ ；且 兩個電極板之間的間隙大小g=g()+w()+w,。 田僅考慮板之基本振動模式時，板之橫位移可表示如 ^(Χ,^ί) = φ(χ}γ)η(ί)

C方程式3 ) J為用於具有固定 邊界之正方形板之模態形狀； η為模態座標； t為時間； a為正方形板之邊緣之長度；且 {ε = 4·7300408，α=0.98250222}為係數。 當藉由泰勒展開（Taylor expansion)圍繞平衡位置 (g〇+w〇)展開方程式2時，方程式}變為兩個方程式，亦 即，決定板之平衡位置之方程式（方程式4)及圍繞板之 平衡位置之動態方程式（方程式5)。 28 201222907 ι>ν4Φη〇 (方程式4 ) r (方程式5 η 其中d2n. (g〇+w0)' -V02 為負靜電剛性係數； η 〇表示系統之初始狀態；且 靜電電壓或電容電壓ν分解為Dc偏壓ν<^^Α(：分量 藉由引入壓電調講至初始特徵方程式，方程式丨變為： DV4 w + phw « P + Pe + ίΝ χ +N 5!w ^

、ax2 ^ ay2J (方程式6 ) 在沒有考慮電極薄膜上之外部壓力p，且其中在平行 「€V?) 板轉換器之狀況下之靜電壓力匕為(2(g0+w)2j之情況 下方程式6可表不為方程式7，方程式了作為可移動板或 電容薄膜之動態特徵方程式。 DV4wf-phw=N,-^ + N εν2 y9y2 ； (方程式7) 八中W W(X，y)為電容薄膜之垂直位移，其中X表示X 執’且y表示y軸； D： 12(1為彈性常數； 為薄膜之揚氏模數’該揚氏模數可依用於不同設計 及/或應用之材料而變化； 29 201222907 h為薄膜之厚度； 从為泊松比，該泊松比可依用於不同設計及/或應用之 材料而變化； P為薄骐之密度，該薄膜之密度可依用於不同設計及/ (1 一 或應用之材料而變化； N. 為由壓電致動造成之沿縱向方向每單位 長度之拉伸力； (1-μΧ -all 為由對稱結構造成之類似於Nx的量； a為薄膜之邊緣之長度； d3i為壓電耦接係數； VP為施加於壓電電極之電壓，亦即，壓電電壓； tp為壓電元件之厚度；

二 cV3 \ k, %〇+w)3J 為平行板轉換器之狀況下之靜電壓力Pe; v為電容電極之間的電勢差，亦即，電容電壓； go為電容電極之間的標稱間隙大小；且 ε=4·7300408為係數。 可圍繞w=w〇及V=V〇處之平衡狀態而線性化方程式 以獲得以下方程式： (方程式8 ) 為負靜電剛性係數；且靜電電壓或電容 ―而㈣餅.卜泰-為 其中（（ge + wj 電愿V分解為DC偏壓v〇及AC分量v 30 201222907 π方程式8之右側表示線性化之靜電致動而左側表現出 靜電壓力可「軟化」板結構並減少系統等效剛性，然而 壓電拉伸力可沿正方向或負方向調譜等效剛性。當拉件 力Nx為張力時，拉伸力增加等效剛性。因此，藉由調整 壓電電壓Vp之值及靜電電壓乂之〇(：偏壓V。，可在相對寬 的範圍内調譜系統等效剛性。因此，存在關於用於感測 及致動之塵電剛性之調諸的各種可能性或料其中壓 電調諸之併人提供用於平衡靜電崩潰之方法並使電容轉 換器之設計能夠具有靈活性。 。例如在5又a十諸如麥克風或超音波接收器之電容感測 器之狀况下’電谷薄膜應為薄的且為柔性的以便獲得 相對高的機械聲學耗接係數。然而，柔性薄膜結構可能 ^有相對低的共振頻率，此狀況可能需要壓電元件或層 提供電軋剛性，以將共振頻率調諧至所要的值。當製造 傳統電容式麥克風時’將麥克風薄膜拉伸為如「鼓筒頭」 狀，且張力經調整以調諧麥克風之共振頻率。然而，由 ： 寸及人力成本，此舉對於微電機電容感測器可能 不實用。因此’壓電剛性調諧提供一種用於開發小型、 高靈敏度微電機電容感測器之方法。 當設計諸如超音波發射機或微電機微型揚聲器之電容 致動器日夺，應考慮之要求為功率輸出之強度及效率。為 匹配磁致動器或壓電致動器之能量密度，電容致動器可 能必須維持小間隊大小，此舉可減少崩溃電壓。另一方 面，致動器之薄膜應為薄的以用於與媒體進行機械阻抗 31 201222907 匹配，此舉可〉咸少結構剛且可進—纟％低崩潰電壓。 藉由提供Μ電剛性調譜（包括靜態剛性調請及動態剛性 調》白）’電谷致動器可維持薄的薄膜且可相對增加間隙大 小’同時增加崩潰電壓。 現參閱以下非限制性實例描述各種實施例之轉換器之 數值模擬及分析。 對於轉換ι§設計而言，存在頻寬與機械靈敏度之間的 折衷。舉例而言’在設計平行板電容轉換器之狀況下， 具有較薄的板提供較高的機械靈敏度。然而，隨著板變 侍愈來愈薄，結構剛性減小且因此減少轉換器之頻寬。 使用麥克風設計作為轉換器之實例，機械靈敏度Smech 可定義如下： s -y—的Φ·成如〆Πφ岭 1

ρ κX (方程式9 ) 其中w為電容薄膜或板之垂直位移； wm為電容板之中間處之回應或位移； φ為用於具有固定邊界之正方形電容板之模態形狀； η為模態坐標； a為正^形電容板之邊緣之長度； fc" ei2〇^2)JJV<#dxdy; 120 f*)為彈性常數D ; E為電容板之揚氏模數； h為電容板之厚度； 卩為泊松比；且 32 201222907 p為外部愿力。 第6圖圖示說明轉換器之頻寬 係之曲線圖6〇〇。 與機 械靈敏度之間的關 第7圖圖示說明習知雷 • 式麥克風之頻率回應（或頻寬 靈敏度）702、且右齡巷也 -杈4板之習知電容式麥克風之頻率 回應7 0 4與各種實施例之罝 ^之具有壓電調諧之麥克風之頻率 回應706之比較曲線圖7〇〇。 結果7〇2對應於習知麥克風，其中該習知麥克風之振動 膜或薄膜具有約2_㈣之邊緣長度认約2陶之厚度 h’且該習知麥克風之共振頻率設定在約6_ 處該 共振頻率由結構所決定。 藉由將厚度減少至近似0.2 μηι以增加機械靈敏度，該 %知麥克風之共振頻率減小至約55〇 Ηζ，如結果7〇4中所 示’此對於麥克風應用可能過低。 然而，藉由併入壓電調諧至具有較薄板之相同設計且 應用近似0·06 V之壓電電壓，可達成約6〇〇〇Ηζ之共振頻 率，如結果706中所示，該共振頻率類似於習知麥克風之 彼共振頻率’同時與習知麥克風相比亦達成約2〇 dB之較 咼靈敏度。因此，儘管為較薄電容薄膜，但是實施壓電 調諧可克服頻寬與機械靈敏度之間的設計折衷，使得各 種實施例之轉換器或許能夠藉由維持至少大體上類似的 頻寬同時增加機械靈敏度而克服此折衷。 第8圖圖示說明根據各種實施例具有壓電調諳之轉換 器之頻率回應曲線圖800。曲線圖800圖示用於超音波轉 33 201222907 換器之結果’該超音波轉換器具有正方形形狀薄膜，該 正方形形狀薄膜具有約100 μπι之邊緣長度a、約〇 4 μπ1之 厚度h及約〇·3 μηι之標稱間隙大小g〇之結構參數，並且所 施加之電容DC電壓V〇為約20 V ’且對於不同壓電剛性調 譜’壓電調諧電壓Vp在約0 V至約50 V之間。對於Vp=0 V’獲得結果802;對於Vp=30 V，獲得結果8〇4;對於vp = 4〇 V’獲得結果806;且對於VP = 50V，獲得結果8〇8。圖示 結果8 1 〇作為參考設計，例如具有所要的頻寬，以說明各 種實施例之轉換器之壓電電壓Vp之調諧，以便至少大體 上匹配參考設計之頻寬。 在各種實施例中，壓電剛性調諧可藉由靜態改變壓電 電壓Vp而調整電容轉換器之整體等效剛性，而壓電主動 阻尼調為可藉由反饋控制方案提供主動阻尼至轉換器或 轉換器系統。藉由靜態改變Vp(意謂著預先設定Vp)，在 操作期間或在操作模式中、係恆定或保持大體上恆定。 在各種實施例中，不提供靜態Dc壓電電壓至壓電電 極，而是藉由饋送電容感測輸出至控制系統之控制器且 藉由控制器輸出驅動壓電電極，可形成或提供使用如第9 圖中所不之反饋控制方案9〇〇之電氣控制系統，以動態調 整電極薄膜上之拉伸力。控制器可為主動阻尼調諧及/ 或剛性調諧提供控制。 反饋控制方案9〇〇包括以聲音壓力及電氣壓力作為輸 入之求和算子9〇2、電容轉換器裝置區塊9〇4、電容感測 34 201222907 增益區塊906、電氣增益區塊908、反饋控制器區塊910 及壓電致動增益區塊912。 電谷轉換器裝置區塊904提供機械轉換器本身之轉換 功能’且電容感測增益區塊9〇6將轉換器之輸出（例如薄 膜之位移）轉換為電容偏差。然後，電氣增益區塊9〇8 放大電容偏差’以產生輸出電壓。然後，將輸出電壓提 供至反饋控制器區塊9 1 〇，其中由主動阻尼控制法則決定 用於壓電元件之輸出驅動電壓。壓電致動增益區塊912 表現等效轉換功能，該等效轉換功能將電氣致動電壓轉 換為電氣壓力或等效機械壓力。 當電容感測提供受限狀態資訊（例如位移之狀態）時， 用於轉換器之控制系統可實施輸出反饋控制方案9〇〇，其 中感測輸出V反饋至控制器91 〇中。然後，主動阻尼控制 器910以電壓Vp驅動壓電元件。與Vp為靜態dc值之剛性 調諧方案相比，主動阻尼調諧方案藉由控制器輸出Vp動 態調整壓電拉伸力，該控制器輸出、包括DC及/或AC值。 在各種實施例中，主動阻尼調諧方案可減少轉換器之 雜訊（例如，熱雜訊）’例如電容式麥克風之雜訊底，此 舉與麥克風之被動阻危關聯。因此，可設計轉換器（諸 如電容式麥克風）’使得轉換器的被動聲學阻尼（取決於 聲學孔）保持為低值，同時藉由壓電調諧使用電氣主動 阻尼來補償轉換器之動態效能，進而為轉換器提供大的 有效阻尼。 35 201222907 第ίο圖圖示不同麥克風阻尼方案之雜訊效能（呈功率 谱密度之形式）的曲線圖丨000，以說明經由壓電調諧之 主動阻尼方案之有效性。曲線圖1 〇〇〇圖示對應於阻尼比 右-0.03 5之雜訊回應1002'阻尼比g =1之雜訊回應 及主動阻尼之雜訊回應1〇〇6之結果。 雜訊回應1006表現出，與ξ=1之雜訊回應1〇〇4相比，主 動阻尼提供大體上類似的阻尼回應及較低雜訊。 在各種實施例中，除提供主動阻尼至轉換器系統之 外，反饋控制方案亦可藉由壓電剛性調諧控制適應性地 調整轉換器之共振頻率及靈敏度。此舉可改良轉換器之 效能，尤其是在需要每一個別單元或元件之一致性之轉 換器陣列中。 在各種實施例中，轉換器設計可需要用於效能改良之 陣列設置，其中要求陣列之個別轉換器元件具有用於改

良之陣列效能之均勻靈敏度。然而， 。然而’即使對於藉由MEMS

轉換器之各種實施㈣可為肖換器元件<陣列提供改良之 靈敏度均勻性，進而轉換g太色@ &

每一陣列之設計 36 201222907 或設置皆具有六個個別轉換器元件，該等六個個別轉換 器元件分別基於與第7圖之情形中類似的設計或設置。陣 列之個別元件可佈置於例如3行X2列之網格圖樣中。曲線 圖1100的y軸表示分貝（decibel; dB)值或刻度，其中項 「ref: 1 [m/pa]」代表用於dB刻度之參考值，或其中 dB=20*log丨〇(y一vaiue/i)。項 y_value代表以[m/pa]為單位 而獲得的機械靈敏度值。 可將用於習知電容式麥克風之每一元件之標稱參數設 定為約2000 μιη之邊緣長度a及約2 μϊη之厚度h0 ’而可將 用於各種實施例之具有壓電調諧之麥克風的每一元件之 標稱參數設定為約2〇〇〇 μιη之邊緣長度a及約〇 2 μηι之厚 度〇 個別元件之實際厚度}1可定義為h=h()(1+(5)，其中卜為 標稱厚度且6為厚度偏差。 在厚度偏差5 =±〇,2之情況下，習知電容式麥克風之結 果1102圖示約9 dB之靈敏度變化，而具有壓電調諧之各 種實施例之麥克風的結果丨丨〇4圖示小於約3 dB之靈敏度 變化’使得使用壓電調諧將靈敏度變化自約9 dB減少至 約2.5 dB ’該壓電調諧與較薄轉換器元件耦接。 電容微機電超音波轉換器（cMUTs)可提供陣列製造、 月1J端電路整合及相對低的聲音阻抗。然而，cMUT承受低 聲音功率輸出的缺點，此狀況受崩潰電壓限制。然而， 壓電調諸機制之併入可幫助增加cMUT之輻射壓力。 37 201222907 來自擋板之輻射壓力可由如 由如下雷利積分（Rayleigh Integration)決定： p., (3p , rxm~i--r«Mx.'dy' 2π 其中r’=r’（x’，y|)為轉換器板上的坐標 r=r(x，y)為觀測點之坐標； (方程式1 0 ) f ^dxdy η = Β||ν4φφς[χ<ιγ 為模態回應； ω為角頻率，其中（ω/2?Γ )為頻率f ; P為板之密度；且 P為用於具有固定邊界之正方形電容板之模態形狀。 增加驅動電壓V會增加輻射壓力輸出。然而，因為習 知CMUT之驅動電壓v受崩潰電壓限制’所以輻射壓力之 增加5：限且在各種應用中可能不會根據需要增加。

相比之下，對於具有壓電調諧之各種實施例2CMUT 而言，可將具有分解DC偏壓v〇及AC分量％之驅動電壓v 增加至超過習知崩潰電壓限制，進而產生更高的輻射壓 力。 第12 A圖圖示根據各種實施例在約8 MHz下具有壓電 調"自之電谷微機電超音波轉換器（CMUT)之輻射壓力分 佈1200各轴表示以（m)為單位之（x，y，z)幾何坐標。 第12B圖圖示說明根據各種實施例在約1〇〇 V之驅動 電壓下具有堡電調諧之電容微機電超音波轉換器（cMUT) 38 201222907 的表面處平均壓力輸出的曲線圖1210。如第12B圖中所 示’在約8 MHz下可獲得約40 MPa之輻射壓力輸出。 第13圖圖示說明在習知電容微機電超音波轉換器 (cMUT) 13〇2與各種實施例之具有壓電調諧之cMUT 13 04之表面處聲音輻射壓力比較曲線圖13〇〇。 曲線圖1300圖示用於習知CMUT 1302及具有壓電調諳 之cMUT 1304兩者之結果，該習知cMUT 1302及具有壓 電調諧之cMUT 13 04具有結構參數為以下所述之正方形 形狀薄膜：約1 00 μιη之邊緣長度a、約4 μπι之厚度h及約 0.3 μπι之標稱間隙大小g。；對於習知cMUT 1302具有約5 V之施加的電容DC電壓VQ及約15 V之電容AC電壓Vi，且 對於具有壓電調諧之cMUT 1304具有約20 V之施加的電 容DC電壓VQ、約1〇〇 V之電容AC電壓V!及約0.1 V之壓電 電壓vp。 對應於習知cMUT之結果1302圖示約0.43 MPa之峰值 聲音輻射壓力及約29 V之崩潰電壓（單獨決定），而對應 於具有壓電調諳之cMUT之結果1304圖示約16 MPa之峰 值聲音輻射壓力，而沒有崩潰電壓。 雖然已參閱具體實施例特別展示且描述了本發明，但 是熟習此項技術者應理解，在不脫離如由隨附申請專利 範圍所定義之本發明之精神及範疇的情況下可於其中進 行形式及細節的各種變化。因此，本發明之範疇係由隨 附申請專利範圍來指示，且因此意欲涵蓋在具有申請專 利範圍之等效性之意義及範圍内的所有變化。 39 201222907 【圖式簡單說明】 . 在圖式中，相同元件符號在全部不同視圖中通常代表 . 相同零件。圖式不必按比例繪示，而是大體上重點放在 說明本發明之原理上。在以下描述中’參閱以下圖式描 述本發明之各種實施例’其中： 第1A圖圖示根據各種實施例之轉換器之示意性方塊 圖。 第1B圖圖示根據各種實施例之轉換器之示意性方塊 圖。 第1 C圖圖示根據各種實施例之轉換器之示意性方塊 圖。 第2A圖圖示根據各種實施例之轉換器之局部透視圖。 第2B圖圖示沿方向A觀察時第2A圖之實施例之轉換 器之橫截面圖。 第3 A圖圖示根據各種實施例之轉換器之局部透視圖。 第3 B圖圖示根據各種實施例之轉換器之橫截面圖。 第4圖圖示根據各種實施例之轉換器之橫截面圖。 • 第5A圖及第5B圖圖示根據各種實施例之壓電元件之 平面圖，該壓電元件配置在轉換器之電極之周邊部分上 方。 第6圖圖示說明轉換器之頻寬與機械靈敏度之間的關 係之曲線圖。 第7圖圖示說明習知電容式麥克風、具有較薄板之習 40 201222907 知電容式麥克風與各種實施例之具有壓電調諧之麥 之頻率響應比較的曲線圖。 第8圖圖示說明根據各種實施例之具有壓電調諧之轉 換器之頻率響應的曲線圖。 第9圖圖示根據各種實施例之用於主動阻尼調諧之反 饋控制方案之示意性方塊圖。 圖10圖示不同麥克風阻尼方案之雜訊效能之曲線圖。 第U圖圖示說明習知電容式麥克風與各種實施例具 有壓電調諧之麥克風之間的靈敏度匹配比較曲線圖。 第12 A圖圖示根據各種實施例在約8 mHz下具有壓電 調咕之電容微機電超音波轉換器卜㈣也― micromachined ultrasound transducer; cMUT)的輻射壓力 分佈。 第12Β圖圖示說明根據各種實施例在約^⑼ν之驅動 電壓下具有壓電調諧的電容微機電超音波轉換器（cMUT) 表面處平均壓力輸出的曲線圖。 第B圖圖示說明在習知電容微電機超音波轉換器 (cMUT)與各種實施例之具有壓電調諧的cMUT的表面處 之聲音輻射壓力比較曲線圖。 【主要元件符號說明】 100 104 108 112 120 轉換器 第二電極 周邊部分/周邊區 壓電元件 轉換器 102 106 110 114 122 第一電極 核心部分/核心區 第三電極 線 第一隔離器或絕 緣體/第一隔離器 41 201222907 124 第二隔離器或絕 緣體/第二隔離器 126 振動薄膜 128 線 140 轉換器 142 線 200 轉換器 202 第一電極 204 第二電極 206 核心部分 208 周邊部分 209 間隙 210 第三電極 212 壓電元件 214 隔離器 220 第一能量源 222 第二能量源 224 方向箭頭 300 轉換器 302 第一電極 304 第二電極 306 核心部分 308 周邊部分 3 10 壓電元件 312 間隙 3 14 第三電極 316 隔離器 340 轉換器 342 第四電極 344 第一能源 346 第二能源 348 方向箭頭 400 轉換器 402 第一電極 404 第二電極 406 核心部分 408 周邊部分 410 間隙 412 壓電元件 414 周邊部分 416 能量源 418 方向箭頭 500 轉換器 502 壓電元件或層/壓504 電元件 電極 506 核心部分 520 轉換器 522 壓電元件或層/壓524 電元件 電極 526 核心部分 600 曲線圖 700 曲線圖 702 習知電容式麥克 風之頻率回應/結 果 704 具有較薄板之習 知電容式麥克風 之頻率回應/結果 706 各種實施例之具 有壓電調諧之麥 克風之頻率回應/ 結果 800 曲線圖 802 結果 804 結果 806 結果 808 結果 810 結果 900 反饋控制方案 902 求和算子 42 201222907 904 電容轉換 器裝 置906 區塊 908 電氣增益區塊 910 912 壓電致動 塊 增益 區 1000 1002 雜訊回應 1004 1006 雜訊回應 1100 1102 電容式麥 習知陣列 克風 之 1104 1200 曲線圖 1210 1300 曲線圖 1302 1304 具有壓電調諧之m cMUT/結果 η 寬度及長度 rc。 r e 1 e c 半徑 V Vp 電壓、控制器輸出w 電容感測增益區 塊 反饋控制器區塊 曲線圖 雜訊回應 曲線圖 具有各種實施例 之壓電調諧之麥 克風陣列 曲線圖 習知電容微機電 超音波轉換器/習 知cMUT/結果 寬度及長度 出 輸 徑測度 半感寬 43

Claims (1)

1. 201222907 七、申請專利範圍： 1·種轉換器’該轉換器包含： 一第—電極； -:：電極，胃第二電極配置在該第—電極上方，使得該 弟—電極及該第二電極形成—電容器之各別電容電極， 該第二電極包含一核心部分及一周邊部分； 第一電極，該第三電極相對於該第二電極而配置，使得 該第三電極與該第二電極之該周邊部分重疊；以及 —壓電元件，該壓電元件配置在該第二電極之該周邊部分 與該第三電極之間，以便藉由改變施加於該第二電極與 該第三電極之間的一壓電電壓，而調諧由該壓電元件提 供至該第二電極上之一張力。 2.如請求項丨所述之轉換器，其中由該壓電元件提供至該第 二電極上之該張力的一方向係大體上垂直於施加於該第 二電極與該第三電極之間的該壓電電壓之方向。 3·如請求項1所述之轉換器，其中該張力包含一拉伸應變。 4.如請求項1所述之轉換器’其中該第一電極及該第二電極 經設置以大體上平行於彼此。 - 201222907 5. 如請求項1所述之轉換器’其中該第二電極配置在該第一 電極上方，使得該第一電極之至少一部分與該第二電極 之至少一部分由一氣隙或真空分離。 6. 如請求項1所述之轉換器’其中該第二電極包含一振動薄 膜。 7. 如請求項6所述之轉換器’其中該壓電元件配置於該第二 電極之該周邊部分與該第三電極之間，以便最小化對該 第二電極之運動之干擾。 8. 如請求項1至7中任一項所述之轉換器，其中大體上沿與 該第三電極相同的平面定位該第一電極。 9. 如請求項8所述之轉換器，該轉換器進一步包含一第一隔 離器，該第一 隔離器配置於該第一電極與該第三電極之 10.如請求項1至7中任—項 包含小於該第二電極之 項所述之轉換器，其中該第一電極 夂~~橫截面尺寸。 Π.如請求項1至7中任— 包含一第二隔離器， 該第二電極之間。 項所述之轉換器，該轉換器進—步 該第二隔離器配置於該第一電極與 45 201222907 12·如請求項11所述之轉換器，其中該第—電極包含大體上 類似於該第二電極之一橫截面尺寸。 13.如請求項丨丨所述之轉換器，其中該第—電極、該第二電 極及該第三電極中之每一者皆定位於大體上不同的平面 中。 14_如請求項1至7中任一項所述之轉換器，其中該轉換器經 设置以在將一電容電壓施加於該第一電極與該第二電極 之間時執行一電容轉換。 15. 如請求項丨至？中任一項所述之轉換器，其中該壓電元件 包含選自由以下材料組成之一群組之一材料：氮化鋁 (Α1Ν)、鍅鈦酸鉛（ρτζ)、聚偏二氟乙烯（pvDF)及氧化鋅 (ZnO)〇 16. 如叫求項7中任一項所述之轉換器，其中該第一電 極、該第二電極及該第三電極中之每一者皆包含選自由 以下物質組成之—群組之一金屬：鋁（A1)、鈦（Ti)、鉻（Cr) 及銷（M〇)。 46 201222907 電 的 17.如請求項！至7中任一項所述之轉換器，其中該第— 和^第―電極及該第三電極中之每一者皆包含摻雜 多晶矽或單結晶矽。 18.如請求項m中任一項所述之轉換器，其中該第—隔離 器及該第二隔離器中之每一者皆包含選自由以下物質組 成之一群組之—材料：碳化石夕⑽)及二氧化邦i〇2)’。 19.一種轉換器’該轉換器包含： 一第一電極； -第二電極，該第二電極配置在該第一電極上方，使得該 第一電極及該第二電極形成—電容器之各別電容電極， 該第二電極包含一核心部分及一周邊部分；以及 -壓電元件’該壓電元件配置在該第二電極之該周邊部分 與該第-電極之間’以便藉由改變施加於該第一電極與 該第二電極之間的一壓電電壓，而調諧由該壓電元件提 供至該第二電極上之一張力。 20.如請求項19所述之轉換器，其中該第二電極包含―振動 薄膜。 47