WO2023143895A1 - Piezoelektrische wandlervorrichtung - Google Patents

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WO2023143895A1
WO2023143895A1 PCT/EP2023/050319 EP2023050319W WO2023143895A1 WO 2023143895 A1 WO2023143895 A1 WO 2023143895A1 EP 2023050319 W EP2023050319 W EP 2023050319W WO 2023143895 A1 WO2023143895 A1 WO 2023143895A1
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WO
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transducer device
bridge
carrier element
support structure
piezoelectric
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PCT/EP2023/050319
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English (en)
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Inventor
Christoph Schelling
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F04B43/046—Micropumps with piezoelectric drive
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/101—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical and mechanical input and output, e.g. having combined actuator and sensor parts
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041—Beam type
    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric transducer device.
  • the invention also relates to a manufacturing method for a piezoelectric transducer device.
  • Piezoelectric converter mechanisms such as the bending beam sensor for flow rate and mass flow measurement described in DE 10 2004 030 308 A1, are known from the prior art.
  • the present invention provides a piezoelectric transducer device having the features of claim 1 and a manufacturing method for a piezoelectric transducer device having the features of claim 11.
  • the present invention provides piezoelectric transducer devices which can advantageously be used selectively as actuator devices for adjusting at least one component or as sensor devices for detecting an external force acting on their carrier element, or a physical variable corresponding to the external force.
  • the piezoelectric transducer devices according to the invention can be manufactured comparatively inexpensively, despite their advantageous usability.
  • a further advantage of the piezoelectric converter devices according to the invention when they are used as actuator devices is that high deflections can be brought about when the at least one component is adjusted, even with a low power consumption of the respective piezoelectric converter device.
  • at least one comparatively high/clear sensor signal can be triggered by the external force or physical variable to be determined, even with a low power consumption of the respective piezoelectric converter device.
  • a first plane of symmetry that intersects the cavity in the middle and is aligned perpendicular to the first surface of the carrier element can be defined in such a way that the respective cavity is mirror-symmetrical with respect to the first plane of symmetry that intersects in the middle, each of the first planes of symmetry intersecting a first piezo transducer device in such a way that the respective first piezo transducer device is mirror-symmetrical with respect to the first plane of symmetry intersecting it in the middle.
  • Such an arrangement of first piezo transducer devices with respect to the cavities in the first bridge structure enables an advantageous symmetrical introduction/coupling of mechanical forces generated by means of the first piezo transducer devices via the first bridge structure into the support structure for advantageous deformation of the carrier element.
  • a second plane of symmetry located in between and aligned perpendicularly to the first surface of the carrier element can also be defined in such a way that the two cavities are mirror-symmetrical with respect to the second plane of symmetry in between, with each of the second planes of symmetry each intersect a first piezoelectric transducer device in such a way that the respective first piezoelectric transducer device is mirror-symmetrical with respect to the second plane of symmetry intersecting it in the middle.
  • the arrangement of the first piezo transducer devices in relation to the cavities of the first bridge structure also enables mechanical forces generated by the first piezo transducer devices to be coupled advantageously symmetrically into the support structure for elastic deformation of the carrier element.
  • the at least one first piezo transducer device is configured with a first electrode and at least one piezoelectric or piezoresistive material, with which an intermediate volume is at least partially filled, which is formed on its first side by the first electrode of the respective first piezo transducer device and on its second side by a second electrode of the same first piezoelectric transducer device or the at least one adjacent bridge element.
  • the design of the first piezo transducer devices described here is easy to implement, easy to connect, and enables the first piezo transducer devices to be controlled and/or read out reliably by means of electronics that are of comparatively simple and relatively inexpensive design.
  • the bridge elements can also be used as “the at least one second electrode” for the at least one first piezo transducer device. This also eliminates the need to form the at least one second electrode in addition to the bridge elements.
  • the at least one first electrode of the at least one first piezo transducer device cut in the middle of its first plane of symmetry is connected to a first conductor track and the at least one first electrode of the at least one first piezo transducer device cut in the middle of its second plane of symmetry is connected to a connected to the second track.
  • the piezoelectric converter device described here can be used simultaneously as an actuator and as a sensor device, in that the first piezo converter devices connected to one of the conductor tracks are used as an actuator and the first piezo converter devices connected to the other of the conductor tracks are used as sensors.
  • the carrier element can have a second bridge structure between its support structure and a second surface facing away from its first surface, with a plurality of cavities formed in the second bridge structure, which are each spanned by a bridge element on their side facing the second surface, wherein the bridge elements of the second bridge structure are anchored to the support structure, and wherein at least one second piezo transducer device is arranged and/or formed on the second surface of the carrier element.
  • the at least one second piezo transducer device can support the actuator or sensor function of the at least one first piezo transducer device and/or can be used as sensors for the deflection measurement if the at least one first piezo transducer device is used as an actuator or as an actuator if the at least one first piezo transducer device is used as a sensor become.
  • a deviation from a desired setpoint deflection can be determined in this way and corrected by targeted readjustment.
  • the support structure has a first flexural rigidity which is greater than a second flexural rigidity of the first bridge structure and/or greater than a third flexural rigidity of the second bridge structure.
  • first flexural rigidity which is greater than a second flexural rigidity of the first bridge structure and/or greater than a third flexural rigidity of the second bridge structure.
  • the cavities in the first bridge structure can be formed by locally removing material from at least the first bridge structure and/or the cavities in the second bridge structure can be formed by locally removing material from at least the second bridge structure.
  • the embodiment of the piezoelectric transducer device described here is comparatively simple and relatively inexpensive to produce.
  • the bridge elements of the first bridge structure and/or the bridge elements of the second bridge structure can be formed entirely from the same material as the support structure.
  • By forming the cavities in the first bridge structure and/or the cavities in the second bridge structure nevertheless ensures a more flexible design of the first bridge structure and/or the second bridge structure.
  • the support element can be changed from a first shape of the support element into a second shape of the carrier element can be converted, with a fluid channel running through the holder at the position of the carrier element having a first opening cross section when the carrier element is present in its first form and a second opening cross section deviating from the first opening cross section when the carrier element is present in its second form having.
  • the embodiment of the piezoelectric converter device described here can therefore advantageously be used as a valve, pump, loudspeaker, microphone or as a fluid flow measuring device.
  • FIG. 1 to 9 are schematic representations of various components
  • Embodiments of the piezoelectric transducer device; and 10 is a flow chart for explaining an embodiment of the manufacturing method for a piezoelectric transducer device.
  • Fig. La and lb show schematic representations of a first embodiment of the piezoelectric transducer device.
  • a formability of the holder 10 is neither limited to a specific substrate material nor to the use of a substrate.
  • the piezoelectric transducer device also has an elastically deformable carrier element 12, with at least one piezo transducer device 14 being arranged on a first surface 12a of the carrier element 12.
  • the first surface 12a of the carrier element 12 is preferably to be understood as meaning an outer surface of the carrier element 12 which lies exclusively on one side of the carrier element 12 .
  • the carrier element 12 is formed with a support structure 16, wherein at least a portion 16a of the support structure 16 is anchored to the mount 10, while at least one other portion 16b of the support structure 16 is formed cantilevered. This can also be paraphrased in such a way that the support structure 16 comprises at least one partial area 16a anchored to the mount 10 and at least one cantilevered partial area 16b.
  • the at least one piezo transducer device 14 is arranged and/or designed on the first surface 12a of the carrier element 12 in such a way that at least one voltage or current intensity signal (not equal to zero) applied to the at least one piezo transducer device 14 causes an adjustment movement of at least the self-supporting partial region 16b of the support structure 16 can be/is effected in relation to at least the anchored partial area 16b of the support structure 16 and/or by means of an external force (not equal to zero) on the carrier element 12 Adjusting movement of at least the cantilevered portion 16b of the support structure 16 in relation to at least the anchored portion 16a of the support structure 16 can cause a voltage or resistance change in the at least one piezo transducer device 14 / is caused.
  • the carrier element 12 with the at least one piezo transducer device 14 arranged on its first surface 12a can therefore be referred to as a force transducer, by means of which either the at least one voltage or current intensity signal applied to the at least one piezo transducer device 14 is converted into an adjustment movement of at least the self-supporting partial region 16b in In relation to at least the anchored partial area 16a, the adjusting force or the external force acting on the carrier element 12 can be converted into the voltage or resistance change occurring on the at least one piezoelectric converter device 14.
  • the piezoelectric converter device can therefore optionally be used as an actuator device for adjusting at least one component (not shown) that may be attached to the at least one cantilevered partial area 16b of the support structure 16 by converting the at least one voltage or current intensity signal into the adjusting force or as a sensor device for measuring the external force , or a physical variable corresponding to the external force, can be used by converting the external force into the change in voltage or resistance.
  • the carrier element 12 has a first bridge structure 18 between its first surface 12a and the support structure 16 .
  • the first surface 12a of the carrier element 12 can in particular be an outer surface of the first bridge structure 18 on its side directed away from the support structure 16 .
  • a plurality of cavities 20 are formed in the first bridge structure 18, each of the cavities 20 being spanned by a bridge element 22 on its side oriented toward the first surface 12a.
  • the bridge elements 22 of the first bridge structure 18 are anchored to the so-called pillar areas 24 on the support structure 16 .
  • the pillar areas 24 thus enable a “locally bundled” coupling of force/stress both from the first bridge structure 18 into the support structure 16 (especially when the piezoelectric converter device is used as an actuator device) and from the support structure 16 into the first bridge structure 18 (in particular when using the piezoelectric converter device as a sensor device).
  • the force density of the force coupling/stress coupling is locally optimized independently of the use of the piezoelectric converter device as an actuator device or as a sensor device such that operation of the piezoelectric converter device as an actuator device or improved as a sensor device.
  • the bridge elements 22 function as levers/mini-levers and can reinforce the effect of the carrier element 12 .
  • the possibly at least one component attached to the cantilevered partial area 16b of the carrier element 16 can be adjusted with a comparatively large deflection.
  • At least one sensor signal that is relatively high/clear compared to the external force acting on the carrier element 16 can be produced as a voltage or resistance change in the at least one piezoelectric transducer device 14 .
  • each of the first planes of symmetry 26 advantageously intersects a piezo transducer device 14 in the middle, the respective piezo transducer device 14 being mirror-symmetrical with respect to the first plane of symmetry 26 intersecting it in the middle.
  • the arrangement of piezo transducer devices 14 shown in FIG. The central arrangement of each piezo transducer device 14 on the bridge element 22 assigned to it ensures an advantageously mirror-symmetrical Force coupling/stress coupling through the pillar areas 24, which contributes to the additional optimization of the actuator function or the sensor function of the piezoelectric converter device.
  • the at least one first piezo transducer device 14 preferably has a first electrode 14a and at least one piezoelectric or piezoresistive material 14c, with which an intermediate volume of the respective first piezo transducer device 14 is at least partially filled.
  • the intermediate volume of the respective first piezo transducer device 14 is to be understood as meaning a volume which on its first side is occupied by the first electrode 14a of the respective first piezo transducer device 14 and on its second side directed away from the first side by either a second electrode 14b of the same first piezo transducer device 14 or by the at least one adjacent bridge element 22 is limited.
  • the at least one voltage or current signal applied to the at least one piezo transducer device 14 is an electrical signal which is transmitted between the first electrode 14a and the second electrode 14b of the same piezo transducer device 14 or between the first electrode 14a and the at least one adjacent bridge element 22 is applied, whereby a deformation of the at least one piezoelectric or piezoresistive material 14c occurs, which leads to a force coupling/stress coupling via the first surface 12a of the carrier element 12 and the first bridge structure 18 into the support structure 16.
  • the adjustment movement triggered by the external force on the carrier element 12 (at least of the cantilevered partial area 16b in relation to at least the anchored partial area 16a) and the resulting force coupling/stress coupling (via the first bridge structure 18 and the first surface 12a of the supporting element 12) triggered in the at least one piezo transducer device 14, the voltage or resistance change in the at least one piezoelectric or piezoresistive material 14c.
  • the triggered in the at least one piezoelectric or piezoresistive material 14c voltage or The change in resistance can then be identified and evaluated using at least one sensor signal present between the first electrode 14a and the second electrode 14b of the same piezo transducer device 14 or between the first electrode 14a and the at least one adjacent bridge element 22 .
  • the external force or the physical variable corresponding to the external force can therefore be reliably measured or determined by evaluating the at least one sensor signal of the at least one piezo transducer device 14 .
  • the first electrodes 14a of a plurality of piezo transducer devices 14 are preferably connected to a first conductor track 28, while the second electrodes 14b of the piezo transducer devices 14 are connected to a second conductor track 30.
  • a plurality of piezo converter devices 14 can be controlled by means of a single voltage or current intensity signal.
  • the piezoelectric converter device is used as a sensor device, the voltage or resistance change in the piezo converter devices 14 can be detected/read out by means of a single sensor signal determined on the two conductor tracks 28 and 30 .
  • Electronics suitable for driving a plurality of piezo transducer devices 14 or for detecting/reading out the voltage or resistance change in a plurality of piezo transducer devices 14 can therefore be designed relatively inexpensively and with a comparatively small installation space requirement. Instead of the activation or reading of all piezo transducer devices 14 as a common group, as shown in FIG.
  • the support element 12 has its maximum extent along a spatial direction x, while the first surface 12a of the support element 12 in the case of a voltage or current signal and an external force is equal to zero in one of the spatial directions x and a spatial direction oriented perpendicular thereto y spanned plane lies. Only one end 32 of the support member 12 is on the bracket 10 anchored.
  • the configuration of the support element 12 as a beam or cantilever shown in FIG. 1b is only to be interpreted as an example.
  • the carrier element 12 can also be designed as a membrane, for example.
  • a plurality of piezoelectric transducer devices 14 are arranged one behind the other along the spatial direction x on the first surface 12a of the carrier element, while the bridge elements 22 are also arranged one behind the other in a strip-like manner along the spatial direction x.
  • the piezo transducer devices 14 can also be arranged in a grid-like manner, ie as a 2-dimensional field, on the first surface 12a of the carrier element, with the bridge elements 22 preferably also being designed as a 2-dimensional field in this case.
  • the arrangement of several piezo transducer devices 14 and the bridge elements 22 can be a periodic arrangement, in particular with the same distance between two adjacent piezo transducer devices 14 and/or with the same distance between two adjacent bridge elements 22.
  • the support structure 16 preferably has a first flexural rigidity which is greater than a second flexural rigidity of the first bridge structure 18 .
  • This can be implemented in a simple manner even if the bridge elements 22 of the first bridge structure 18 are (entirely) made of the same material as that of the support structure 16, by locally removing the cavities 20 in the first bridge structure 18 with the same material as that of the support structure 16 are/are formed in the areas of the later cavities 20 .
  • the support structure 16 and the first bridge structure 18 can therefore be structured out of a single semiconductor layer 34 by locally removing the material of the semiconductor layer 34 in the areas of the later cavities 20 . If the support structure 16 and the first bridge structure 18 are formed from the semiconductor layer 34, there are also advantageously no heterogeneous interfaces between the bridge elements 22 and the support structure 16, which could reduce the robustness of the structure.
  • FIGS. 2a and 2b show schematic representations of a second embodiment of the piezoelectric transducer device.
  • the piezoelectric converter device shown in FIGS. 2a and 2b differs from the previously explained embodiment of FIGS. la and lb only in the arrangement of its piezo converter devices 14 in relation to the cavities 20 formed in the first bridge structure 18.
  • a second plane of symmetry 36 lying in between and aligned perpendicular to the first surface 12a of the carrier element 12 can be defined in such a way that the two cavities 20 are mirror-symmetrical with respect to the second plane of symmetry 36 lying in between.
  • each of the second planes of symmetry 36 intersects a piezo transducer device 14 in the middle in such a way that the respective piezo transducer device 14 is mirror-symmetrical with respect to the second plane of symmetry 36 intersecting it in the middle.
  • the arrangement of the piezo transducer devices 14 shown in FIGS. 2a and 2b in relation to the bridge elements 22 of the first bridge structure 18 can also be referred to as a central arrangement of each piezo transducer device 14 on two adjacent bridge elements 22.
  • Such an arrangement of the piezo transducer devices 14 in relation to the cavities 20/bridge elements 22 of the first bridge structure 18 also ensures an advantageously symmetrical force coupling/stress coupling via the pillar areas 24 of the bridge elements 22.
  • Fig. 2b shows the piezoelectric transducer device when a non-zero voltage or current signal is applied to its piezo transducer devices 14, as a result of which the carrier element 12, by means of the lateral tensile forces triggered by the piezo transducer devices 14, is at least partially shifted from the plane spanned by the spatial directions x and y into a vertical spatial direction z aligned thereto is curved out. Only the end 32 of the carrier element 12 anchored to the holder 10 remains in its initial position. A periodic arrangement of the piezoelectric transducer devices 14 and the bridge elements 22 allows a constant curvature of the carrier element 12 to be achieved out of the plane spanned by the spatial directions x and y.
  • a maximum deflection of the cantilevered portion 16b of the support structure 16 in relation to the anchored portion 16a of the support structure 16 can be additionally increased by the design of the bridge height and the bridge thickness of the bridge elements 22 . How 2b, a maximum deflection of the carrier element 12 curved out in the spatial direction z is not limited by a height of the caverns 20 of the first bridge structure 18 in the spatial direction z.
  • 3a to 3c show schematic representations of a third embodiment of the piezoelectric transducer device.
  • the piezoelectric transducer device shown schematically in FIGS. 3a to 3c is a combination of the embodiments of FIGS. 1 and 2.
  • the piezoelectric transducer device of FIGS as well as additionally the at least one further piezo transducer device 14-2 cut in the middle of its second plane of symmetry 36. While the at least one first electrode 14a of the at least one piezo transducer device 14-1 is connected to a first conductor track 28a, there is an electrical connection of the at least one first electrode 14a of the at least one piezo transducer device 14-2 to a second conductor track 28b.
  • a plurality of piezo transducer devices 14-1 cut centrally from their first plane of symmetry 26 are electrically connected to the first conductor track 28a via their first electrode 14a and a plurality of further piezo transducer devices 14-2 cut centrally from their second plane of symmetry 36 to the second conductor track 28b via their first electrode 14a .
  • the second electrodes 14b of all piezo transducer devices 14-1 and 14-2 or the bridge element 22 adjacent to the piezo transducer devices 14-1 and 14-2 can be electrically connected to a third conductor track 30.
  • the third conductor track 30 is then preferably at ground potential.
  • Fig. 3a shows the piezoelectric transducer device of Figs. 3a to 3c in a state in which neither a voltage or current signal to the Conductor tracks 28a, 28b and 30 is still applied an external force on the carrier element 12 acts.
  • the piezoelectric converter device of FIGS. 3a to 3c can be used simultaneously as an actuator and as a sensor device by using its first piezo converter devices 14-1 and 14-2 partly as an actuator and partly as a sensor become.
  • a voltage or current intensity signal Vdnve (not equal to zero) is applied via the second conductor track 28b to the at least one piezo transducer device 14-2, which is cut centrally by its second plane of symmetry 36, causing an adjustment movement at least of the cantilevered portion 16b of the support structure 16 relative to at least the anchored portion 16a of the support structure 16 is released.
  • a maximum deflection of the self-supporting partial area 16b of the support structure 16 during its adjustment movement is limited by the design of the bridge height and the bridge thickness of the bridge elements 22, which is why comparatively large deflections can also be achieved.
  • the at least one piezo transducer device 14-1 cut in the middle of its first plane of symmetry 26 can be used to determine the deflection/deformation of the carrier element 12 by tapping a sensor signal Vse nse on the first conductor track 28a.
  • the at least one piezo converter device 14-1 which is cut centrally from its first plane of symmetry 26, can also be used as an actuator for effecting an adjustment movement of at least the cantilevered partial area 16b of the support structure 16 in relation to at least the anchored one Section 16a may be employed by applying the voltage or current signal Vdrive (non-zero) to the first conductive trace 28a.
  • Vdrive non-zero
  • the at least one piezo transducer device 14-2 cut centrally by its second plane of symmetry 36 the deflection/deformation of the carrier element 12 can be detected/determined using the sensor signal V se nse tapped on the second conductor track 28b.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a fourth embodiment of the piezoelectric transducer device.
  • the piezoelectric transducer device in FIG. 4 differs from the embodiment in FIG.
  • the second semiconductor layer 40 can have a second material composition that differs from the first material composition.
  • a region of the first semiconductor layer 38 directed away from the depressions serves as support structure 16.
  • the pillar regions 24 of the bridge elements 22 are thus formed from the material of the first semiconductor layer 38, while the remainder of the bridge elements 22 consists of the material of the second semiconductor layer 40.
  • the second flexural rigidity of the first bridge structure 18 can be chosen relatively freely by means of the second material composition and the thickness of the second semiconductor layer 40 .
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a fifth embodiment of the piezoelectric transducer device.
  • the support structure 16 consists of the first semiconductor layer 38 with a first material composition, while the bridge elements 22 of the first bridge structure 18 are formed entirely of the second semiconductor layer 40 .
  • the second semiconductor layer 40 is deposited in such a way that the cavities 20 of the first bridge structure 18 formed between the first semiconductor layer 38 and the second semiconductor layer 40 are only separated from the first Surface 12a of the carrier element 12 adjoin the side directed away from the first semiconductor layer 38 of the support structure 16 .
  • the second material composition and/or thickness of the second semiconductor layer 40 can be selected to deviate from the first material composition and/or thickness such that the second flexural rigidity of the first bridge structure 18 is set to a preferred value.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a sixth embodiment of the piezoelectric converter device.
  • the piezoelectric converter device of FIG. 6 its piezo converter devices 14 are ring-shaped and are arranged one behind the other along the spatial direction x. As shown schematically in FIG. 6, in this embodiment the carrier element 12 can also be curved about an axis 42 running in the spatial direction x by means of the piezoelectric converter devices 14 .
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a seventh embodiment of the piezoelectric converter device.
  • the carrier element 12 has a second bridge structure 44 as a development compared to the embodiment of FIG. 1 between its support structure 16 and a second surface 12b directed away from its first surface 12a.
  • a plurality of cavities 46 are also formed in the second bridge structure 44 .
  • the cavities 46 in the second bridge structure 44 each have one on their side aligned with the second surface 12b of the carrier element 12 Bridge element 48 spans.
  • the bridge elements 48 of the second bridge structure 44 are anchored to the support structure 16 by means of pillar regions 50 of the bridge elements 48 .
  • At least one further piezo transducer device 52 is arranged and/or formed on the second surface 12b of the carrier element 12 .
  • the at least one further piezo transducer device 52 can support the actuator or sensor function of the at least one piezo transducer device 14 on the first surface 12a of the carrier element 12 and/or when the at least one first is used as an actuator
  • Piezo transducer device 14 are used on the first surface 12a as a sensor, or in a sensory use of at least one first piezo transducer device 14 on the first surface 12a as an actuator.
  • a push-pull actuation of the piezoelectric converter device can also be improved by arranging the piezo converter devices 14 and 52 on both sides on the carrier element 12 .
  • Piezo transducer device 52 can correspond to the design and function of the at least one (previously explained) piezo transducer device 14 on first surface 12a of carrier element 12 .
  • a third flexural rigidity of the second bridge structure 44 can also be smaller than the first flexural rigidity of the support structure 16 .
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of an eighth embodiment of the piezoelectric converter device.
  • the piezoelectric transducer device shown schematically in FIG. 8 has a segment 54 as a further development of the embodiment in FIG. It can be seen that the segment 54 has a maximum extent in the spatial direction z. However, it is pointed out that a shape of the segment 54 can be selected in almost any way.
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of a ninth embodiment of the piezoelectric converter device.
  • the carrier element 12 shown schematically in Fig. 9 is also in a first form by means of an adjustment movement caused by the at least one voltage or current intensity signal or the external force of at least the cantilevered partial area 16b of its support structure 16 in relation to at least the anchored partial area 16a of the support structure 16 of the carrier element 12 can be converted into a second form of the carrier element 12.
  • the carrier element 12 can therefore be arranged within a recess 56 formed in the holder 10/the substrate in such a way that the carrier element 12 in its first form or in its second form at least partially covers/seals the recess.
  • the recess 56 is a fluid channel 56 running through the holder 10. It is pointed out that the formation of two access openings 56a on the fluid channel 56 and the cover 58, which is also shown in Fig is only optional.
  • the fluid channel 56 has a first opening cross section at the position of the carrier element 12 when the carrier element 12 is present in its first form, which differs from a second opening cross section of the fluid channel 56 at the position of the carrier element 12 when the Support element 12 deviates in its second form. In the fluid channel 56, the carrier element 12 can therefore interact with a fluid flow 60 through its fluid resistance.
  • the carrier element 12 can either itself this fluid flow 60 by means of a transition at least once between its first shape and its second shape, or measure the externally triggered fluid flow 60 transitioning between its first shape and its second shape at least once.
  • the carrier element 12 can therefore be used to control, pump or measure the fluid flow 60 through the fluid channel 56 .
  • the piezoelectric transducer device of FIG. 9 can therefore be used as a microvalve, micropump, loudspeaker, microphone or as a fluid flow sensor.
  • each of the piezoelectric transducer devices of FIGS. 1 to 8 can also be designed as an AFM tip, an energy generator, a force sensor or as a resonator.
  • the deformable support element 12 represents the backbone of the piezoelectric transducer device, while the at least one bridge element 18 and 44 of the respective piezoelectric transducer device transmits mechanical stresses between piezo transducer devices 14 and 52 and the support structure 16.
  • FIG. 10 is a flow chart for explaining an embodiment of the manufacturing method for a piezoelectric transducer device.
  • an elastically deformable support element with at least one support structure is attached to a Holder of the later piezoelectric transducer device arranged that at least a portion of the support structure is anchored to the bracket.
  • at least one piezo transducer device is arranged and/or formed on a first surface of the carrier element in such a way that at least one voltage or current intensity signal applied to the at least one piezo transducer device causes an adjustment movement of at least one cantilevered partial area of the support structure in relation to at least the part of the support structure anchored to the holder and/or a change in voltage or resistance in the at least one piezo transducer device is brought about by means of an adjustment movement, triggered by an external force on the carrier element, of at least the cantilevered part area of the support structure in relation to at least the anchored part area of the support structure.
  • a bridge structure of the carrier element is formed between its first surface and the support structure, with several cavities, each of which is spanned by a bridge element on its side facing the first surface, being formed in the bridge structure, and with the bridge elements on anchored to the support structure.
  • the method steps S1 to S3 can be carried out in any order, simultaneously or overlapping in time.
  • piezoelectric transducer devices discussed above can be produced using the manufacturing method described herein. However, practicability of the manufacturing method is not limited to producing such a piezoelectric transducer device.
  • a piezoelectric transducer device that differs from the embodiments explained above but is produced by means of the manufacturing method also has the advantages listed above.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Wandlervorrichtung mit einer Halterung (10), einem elastisch verformbaren Trägerelement (12) mit zumindest einer Stützstruktur (16) und mindestens eine erste Piezowandlereinrichtung (14), welche derart auf einer ersten Oberfläche (12a) des Trägerelements (12) angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass eine Verstellbewegung zumindest eines freitragenden Teilbereichs (16b) der Stützstruktur (16) in Bezug zu zumindest einem an der Halterung (10) verankerten Teilbereich (16a) der Stützstruktur (16) bewirkbar ist, wobei das Trägerelement (12) zwischen seiner ersten Oberfläche (12a) und der Stützstruktur (16) eine erste Brückenstruktur (18) mit mehreren in der ersten Brückenstruktur (18) ausgebildeten Kavitäten (20), welche jeweils auf ihrer zu der ersten Oberfläche (12a) ausgerichteten Seite von je einem Brückenelement (22) überspannt sind, aufweist, wobei die Brückenelemente (22) der ersten Brückenstruktur (18) an der Stützstruktur (16) verankert sind.

Description

Beschreibung
Titel
Piezoelektrische
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Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Wandlervorrichtung. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine piezoelektrische Wandlervorrichtung.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind piezoelektrische Wandlermechanismen, wie beispielsweise der in der DE 10 2004 030 308 Al beschriebene Biegebalkensensor zur Durchfluss- und Massenflussmessung, bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine piezoelektrische Wandlervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für eine piezoelektrische Wandlervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft piezoelektrische Wandlervorrichtungen, welche vorteilhaft wahlweise als Aktorvorrichtungen zum Verstellen mindestens einer Komponente oder als Sensorvorrichtungen zum Detektieren einer auf ihr Trägerelement wirkenden externen Kraft, bzw. einer der externen Kraft entsprechenden physikalischen Größe, eingesetzt werden können. Wie anhand der nachfolgenden Beschreibung deutlich wird, können die erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlervorrichtungen trotz ihrer vorteilhaften Verwendbarkeit vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden.
Aufgrund der Ausstattung einer erfindungsgemäß piezoelektrischem Wandlervorrichtung mit der mindestens einen Piezowandlereinrichtung entfallen auch die Nachteile einer herkömmlichen Verwendung von elektrostatischen Antrieben, wie beispielsweise ihr nichtlineares Verhalten (d.h. eine bewirkte anziehende Kraft nimmt mit abnehmendem Elektrodenabstand zu), die Begrenzung einer maximal bewirkten Auslenkung durch eine sogenannte Kollapsspannung und die Gefahr einer unerwünschten Kontaktierung von zwei Strukturen unterschiedlicher Potentiale, was einen unerwünschten Punktschweißvorgang und damit eine Beschädigung/einen Ausfall des elektrostatischen Antriebs auslösen kann. Die mittels der vorliegenden Erfindung realisierten Aktorvorrichtungen und Sensorvorrichtungen sind deshalb verglichen mit dem Stand der Technik vorteilhafter verwendbar.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlervorrichtungen ist bei deren Verwendung als Aktorvorrichtungen, dass selbst bei einer geringen Leistungsaufnahme der jeweiligen piezoelektrischen Wandlervorrichtung hohe Auslenkungen beim Verstellen der mindestens einen Komponente bewirkt werden können. Entsprechend kann auch bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlervorrichtungen als Sensorvorrichtungen selbst bei einer geringen Leistungsaufnahme der jeweiligen piezoelektrischen Wandlervorrichtung mindestens ein vergleichsweise hohes/deutliches Sensorsignal von der zu bestimmenden externen Kraft oder physikalischen Größe ausgelöst werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung ist für jede der Kavitäten in der ersten Brückenstruktur je eine die Kavität mittig schneidende und senkrecht zu der ersten Oberfläche des Trägerelements ausgerichtete erste Symmetrieebene derart definierbar, dass die jeweilige Kavität bezüglich der sie mittig schneidenden ersten Symmetrieebene spiegelsymmetrisch ist, wobei jede der ersten Symmetrieebenen je eine erste Piezowandlereinrichtung so mittig schneidet, dass die jeweilige erste Piezowandlereinrichtung bezüglich der sie mittig schneidenden ersten Symmetrieebene spiegelsymmetrisch ist. Eine derartige Anordnung von ersten Piezowandlereinrichtungen bezüglich der Kavitäten in der ersten Brückenstruktur ermöglicht eine vorteilhafte symmetrische Einleitung/Einkopplung von mittels der ersten Piezowandlereinrichtungen erzeugten mechanischen Kräften über die erste Brückenstruktur in die Stützstruktur zur vorteilhaften Verformung des Trägerelements.
Alternativ oder ergänzend kann auch für jeweils zwei benachbarte Kavitäten in der ersten Brückenstruktur je eine dazwischen liegende und senkrecht zu der ersten Oberfläche des Trägerelements ausgerichtete zweite Symmetrieebene derart definierbar sein, dass die zwei Kavitäten bezüglich der dazwischen liegenden zweiten Symmetrieebene spiegelsymmetrisch sind, wobei jede der zweiten Symmetrieebenen je eine erste Piezowandlereinrichtung so mittig schneidet, dass die jeweilige erste Piezowandlereinrichtung bezüglich der sie mittig schneidenden zweiten Symmetrieebene spiegelsymmetrisch ist. Auch die in diesem Absatz erläuterte Anordnung von ersten Piezowandlereinrichtungen zu den Kavitäten der ersten Brückenstruktur ermöglicht eine vorteilhafte symmetrische Einkopplung von mittels der ersten Piezowandlereinrichtungen erzeugten mechanischen Kräften in die Stützstruktur zur elastischen Verformung des Trägerelements.
Vorzugsweise ist die mindestens eine erste Piezowandlereinrichtung ausgebildet mit je einer ersten Elektrode und jeweils mindestens einem piezoelektrischen oder piezoresistiven Material, mit welchem ein Zwischenvolumen zumindest teilweise gefüllt ist, welches auf seiner ersten Seite von der ersten Elektrode der jeweiligen ersten Piezowandlereinrichtung und auf seiner zweiten Seite von einer zweiten Elektrode der gleichen ersten Piezowandlereinrichtung oder dem mindestens einen benachbarten Brückenelement begrenzt ist. Die hier beschriebene Ausbildung der ersten Piezowandlereinrichtungen ist leicht realisierbar, leicht verschaltbar und ermöglicht ein verlässliches Ansteuern und/oder Auslesen der ersten Piezowandlereinrichtungen mittels einer vergleichsweise einfach und relativ kostengünstig ausgebildeten Elektronik. Wahlweise können die Brückenelemente außerdem als „die mindestens eine zweite Elektrode“ für die mindestens eine erste Piezowandlereinrichtung genutzt werden. Dadurch entfällt auch die Notwendigkeit einer Ausbildung der mindestens einen zweiten Elektrode zusätzlich zu den Brückenelementen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung ist die mindestens eine erste Elektrode der mindestens einen von ihrer ersten Symmetrieebene mittig geschnittenen ersten Piezowandlereinrichtung an einer ersten Leiterbahn angebunden und die mindestens eine erste Elektrode der mindestens einen von ihrer zweiten Symmetrieebene mittig geschnittenen ersten Piezowandlereinrichtung ist an einer zweiten Leiterbahn angebunden. Die hier beschriebene piezoelektrische Wandlervorrichtung kann gleichzeitig als Aktor- und als Sensorvorrichtung eingesetzt werden, indem die an einer der Leiterbahnen angebundenen ersten Piezowandlereinrichtungen als Aktor und die an der anderen der Leiterbahnen angebundenen ersten Piezowandlereinrichtungen als Sensorik genutzt werden. Als vorteilhafte Weiterbildung kann das Trägerelement zwischen seiner Stützstruktur und einer von seiner ersten Oberfläche weg gerichteten zweiten Oberfläche eine zweite Brückenstruktur mit mehreren in der zweiten Brückenstruktur ausgebildeten Kavitäten, welche auf ihrer zu der zweiten Oberfläche ausgerichteten Seite von je einem Brückenelement überspannt sind, aufweisen, wobei die Brückenelemente der zweiten Brückenstruktur an der Stützstruktur verankert sind, und wobei mindestens eine zweite Piezowandlereinrichtung auf der zweiten Oberfläche des Trägerelements angeordnet und/oder ausgebildet sind. Die mindestens eine zweite Piezowandlereinrichtung kann in diesem Fall die Aktor- oder Sensorfunktion der mindestens einen ersten Piezowandlereinrichtung unterstützen und/oder bei einer aktormäßigen Nutzung der mindestens einen ersten Piezowandlereinrichtung als Sensorik für die Auslenkungsmessung oder bei einer sensormäßigen Nutzung der mindestens einen ersten Piezowandlereinrichtung als Aktorik eingesetzt werden. Mit anderen Worten kann auf diese Weise eine Abweichung von einer gewünschten Soll-Auslenkung ermittelt und durch gezielte Nachregelung korrigiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung weist die Stützstruktur eine erste Biegesteifigkeit auf, welche größer als eine zweite Biegesteifigkeit der ersten Brückenstruktur und/oder größer als eine dritte Biegesteifigkeit der zweiten Brückenstruktur ist. Insbesondere mittels der Ausbildung der Kavitäten in der ersten Brückenstruktur und/oder in der zweiten Brückenstruktur ist eine Reduzierung der zweiten Biegesteifigkeit und/oder der dritten Biegesteifigkeit unter die erste Biegesteifigkeit leicht realisierbar.
Beispielsweise können die Kavitäten in der ersten Brückenstruktur durch lokales Entfernen von Material zumindest der ersten Brückenstruktur und/oder die Kavitäten in der zweiten Brückenstruktur durch lokales Entfernen von Material zumindest der zweiten Brückenstruktur ausgebildet sein. Die hier beschriebene Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung ist vergleichsweise einfach und relativ kostengünstig herstellbar.
Insbesondere können die Brückenelemente der ersten Brückenstruktur und/oder die Brückenelemente der zweiten Brückenstruktur vollständig aus dem gleichen Material wie die Stützstruktur gebildet sein. Durch die Ausbildung der Kavitäten in der ersten Brückenstruktur und/oder der Kavitäten in der zweiten Brückenstruktur ist trotzdem eine biegbarere Ausbildung der ersten Brückenstruktur und/oder der zweiten Brückenstruktur gewährleistet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung ist mittels einer von dem mindestens einen Spannungs- oder Stromstärkesignal oder der externen Kraft bewirkten Verstellbewegung zumindest des freitragenden Teilbereichs der Stützstruktur in Bezug zu zumindest dem verankerten Teilbereich der Stützstruktur das Trägerelement aus einer ersten Form des Trägerelements in eine zweite Form des Trägerelements überführbar, wobei ein durch die Halterung verlaufender Fluid-Kanal an der Position des Trägerelements bei einem Vorliegen des Trägerelements in seiner ersten Form einen ersten Öffnungsquerschnitt und bei einem Vorliegen des Trägerelements in seiner zweiten Form einen von dem ersten Öffnungsquerschnitt abweichenden zweiten Öffnungsquerschnitt aufweist. Die hier beschriebene Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung kann deshalb vorteilhaft als Ventil, Pumpe, Lautsprecher, Mikrofon oder als Fluidstrom-Messvorrichtung verwendet werden.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch gewährleistet bei einem Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für eine piezoelektrische Wandlervorrichtung. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen von piezoelektrischen Wandlervorrichtungen weitergebildet werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 9 schematische Darstellungen von verschiedenen
Ausführungsformen der piezoelektrischen Wandlervorrichtung; und Fig. 10 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine piezoelektrische Wandlervorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. la und lb zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung.
Die mittels der Fig. la und lb schematisch wiedergegebene piezoelektrische Wandlervorrichtung hat eine Halterung 10, welche lediglich beispielhaft ein Substrat, wie speziell ein Siliziumsubstrat, ist/umfasst. Eine Ausbildbarkeit der Halterung 10 ist weder auf ein bestimmtes Substratmaterial noch auf die Verwendung eines Substrats beschränkt.
Die piezoelektrische Wandlervorrichtung weist auch ein elastisch verformbares Trägerelement 12 auf, wobei mindestens eine Piezowandlereinrichtung 14 auf einer ersten Oberfläche 12a des Trägerelements 12 angeordnet sind. Unter der ersten Oberfläche 12a des Trägerelements 12 ist vorzugsweise eine Außenoberfläche des Trägerelements 12 zu verstehen, welche ausschließlich auf einer Seite des Trägerelements 12 liegt. Das Trägerelement 12 ist mit einer Stützstruktur 16 ausgebildet, wobei zumindest ein Teilbereich 16a der Stützstruktur 16 an der Halterung 10 verankert ist, während mindestens ein anderer Teilbereich 16b der Stützstruktur 16 freitragend ausgebildet ist. Man kann dies auch so umschreiben, dass die Stützstruktur 16 zumindest den einen an der Halterung 10 verankerten Teilbereich 16a und zumindest den einen freitragenden Teilbereich 16b umfasst.
Die mindestens eine Piezowandlereinrichtung 14 ist derart auf der ersten Oberfläche 12a des Trägerelements 12 angeordnet und/oder ausgebildet, dass mittels mindestens eines an die mindestens eine Piezowandlereinrichtung 14 angelegten Spannungs- oder Stromstärkesignals (ungleich null) eine Verstellbewegung zumindest des freitragenden Teilbereichs 16b der Stützstruktur 16 in Bezug zu zumindest dem verankerten Teilbereich 16b der Stützstruktur 16 bewirkbar ist/bewirkt wird und/oder mittels einer von einer externen Kraft (ungleich null) auf das Trägerelement 12 ausgelösten Verstellbewegung zumindest des freitragenden Teilbereichs 16b der Stützstruktur 16 in Bezug zu zumindest dem verankerten Teilbereich 16a der Stützstruktur 16 eine Spannungs- oder Widerstandsänderung in der mindestens einen Piezowandlereinrichtung 14 bewirkbar ist/bewirkt wird. Das Trägerelement 12 mit der mindestens einen auf seiner ersten Oberfläche 12a angeordneten Piezowandlereinrichtung 14 kann deshalb als ein Kraftwandler bezeichnet werden, mittels welchem entweder das mindestens eine an die mindestens eine Piezowandlereinrichtung 14 angelegte Spannungs- oder Stromstärkesignal in eine die Verstellbewegung zumindest des freitragenden Teilbereichs 16b in Bezug zu zumindest dem verankerten Teilbereich 16a auslösende Verstellkraft oder die auf das Trägerelement 12 einwirkende externe Kraft in die an der mindestens einen Piezowandlereinrichtung 14 auftretende Spannungs- oder Widerstandsänderung umwandelbar ist/umgewandelt wird. Die piezoelektrische Wandlervorrichtung kann deshalb wahlweise als Aktorvorrichtung zum Verstellen mindestens einer an dem zumindest einen freitragenden Teilbereich 16b der Stützstruktur 16 ggf. befestigten (nicht skizzierten) Komponente durch Umwandlung des mindestens einen Spannungs- oder Stromstärkesignals in die Verstellkraft oder als Sensorvorrichtung zum Messen der externen Kraft, bzw. einer der externen Kraft entsprechenden physikalischen Größe, durch Umwandlung der externen Kraft in die Spannungs- oder Widerstandsänderung eingesetzt werden.
Wie in Fig. la erkennbar ist, weist das Trägerelement 12 zwischen seiner ersten Oberfläche 12a und der Stützstruktur 16 eine erste Brückenstruktur 18 auf. Die erste Oberfläche 12a des Trägerelements 12 kann insbesondere eine Außenoberfläche der ersten Brückenstruktur 18 auf ihrer von der Stützstruktur 16 weg gerichteten Seite sein. In der ersten Brückenstruktur 18 sind eine Mehrzahl an Kavitäten 20 ausgebildet, wobei jede der Kavitäten 20 auf ihrer zu der ersten Oberfläche 12a ausgerichteten Seite von je einem Brückenelement 22 überspannt ist. Die Brückenelemente 22 der ersten Brückenstruktur 18 sind an sogenannten Pfeilerbereichen 24 an der Stützstruktur 16 verankert. Die Pfeilerbereiche 24 ermöglichen damit eine „lokal gebündelte“ Krafteinkopplung/Stresseinkopplung sowohl von der ersten Brückenstruktur 18 in die Stützstruktur 16 (speziell bei einer Nutzung der piezoelektrischen Wandlervorrichtung als Aktorvorrichtung) als auch von der Stützstruktur 16 in die erste Brückenstruktur 18 (insbesondere bei einer Nutzung der piezoelektrischen Wandlervorrichtung als Sensorvorrichtung).
Durch die mittels der Ausbildung der Kavitäten 20 und der Brückenelemente 22 bewirkte laterale Strukturierung der ersten Brückenstruktur 18 ist die Kraftdichte der Krafteinkopplung/Stresseinkopplung unabhängig von der Nutzung der piezoelektrischen Wandlervorrichtung als Aktorvorrichtung oder als Sensorvorrichtung lokal derart optimiert, dass ein Betrieb der piezoelektrischen Wandlervorrichtung als Aktorvorrichtung oder als Sensorvorrichtung verbessert ist. Zusätzlich fungieren die Brückenelemente 22 als Hebel/Minihebel und können die Wirkung des Trägerelements 12 verstärken. Damit ist selbst bei einem leistungsarmen Betrieb der piezoelektrischen Wandlervorrichtung als Aktorvorrichtung die ggf. mindestens eine an dem freitragenden Teilbereich 16b des Trägerelements 16 befestigte Komponente mit einer vergleichsweise großen Auslenkung verstellbar. Ebenso ist bei einem leistungsarmen Betrieb der piezoelektrischen Wandlervorrichtung als Sensorvorrichtung mindestens ein verglichen mit der auf das Trägerelement 16 einwirkenden externen Kraft relativ hohes/deutliches Sensorsignal als Spannungs- oder Widerstandsänderung in der mindestens einen Piezowandlereinrichtung 14 bewirkbar.
Wie in Fig. la erkennbar ist, ist bei der hier beschriebenen Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung für jede der Kavitäten 20 in der ersten Brückenstruktur 18 je eine die Kavität 20 mittig schneidende und senkrecht zu der ersten Oberfläche 12a des Trägerelements 12 ausgerichtete erste Symmetrieebene 26 derart definierbar, dass die jeweilige Kavität 20 bezüglich der sie mittig schneidenden ersten Symmetrieebene 26 spiegelsymmetrisch ist. Vorteilhafterweise schneidet außerdem jede der ersten Symmetrieebenen 26 je eine Piezowandlereinrichtung 14 mittig, wobei die jeweilige Piezowandlereinrichtung 14 bezüglich der sie mittig schneidenden ersten Symmetrieebene 26 spiegelsymmetrisch ist. Die in Fig. la wiedergegebene Anordnung von Piezowandlereinrichtungen 14 in Bezug zu den Kavitäten 20 und den Brückenelementen 22 der ersten Brückenstruktur 18 kann auch als eine mittige Anordnung jeder Piezowandlereinrichtung 14 auf dem ihr zugeordneten Brückenelement 22 bezeichnet werden. Die mittige Anordnung jeder Piezowandlereinrichtung 14 auf dem ihr zugeordneten Brückenelement 22 gewährleistet eine vorteilhaft spiegelsymmetrische Krafteinkopplung/Stresseinkopplung durch die Pfeilerbereiche 24, was zur zusätzlichen Optimierung der Aktorfunktion oder der Sensorfunktion der piezoelektrischen Wandlervorrichtung beiträgt.
Vorzugsweise weist die die mindestens eine erste Piezowandlereinrichtung 14 je eine erste Elektrode 14a und jeweils mindestens ein piezoelektrisches oder piezoresistives Material 14c, mit welchem ein Zwischenvolumen der jeweiligen ersten Piezowandlereinrichtung 14 zumindest teilweise gefüllt ist, auf. Unter dem Zwischenvolumen der jeweiligen ersten Piezowandlereinrichtung 14 ist ein Volumen zu verstehen, welches auf seiner ersten Seite von der ersten Elektrode 14a der jeweiligen ersten Piezowandlereinrichtung 14 und auf seiner von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite entweder von einer zweiten Elektrode 14b der gleichen ersten Piezowandlereinrichtung 14 oder von dem mindestens einen benachbarten Brückenelement 22 begrenzt ist. Lediglich beispielhaft umfasst die mindestens eine Piezowandlereinrichtung 14 der piezoelektrischen Wandlervorrichtung der Fig. la und lb je ihre erste Elektrode 14a und je ihre zweite Elektrode 14b, welche zwischen der ersten Elektrode 14a der gleichen Piezowandlereinrichtung 14 und der ersten Oberfläche 12a des Trägerelements 12 liegt. Unter dem mindestens einen an die mindestens eine Piezowandlereinrichtung 14 angelegten Spannungs- oder Stromstärkesignal ist ein elektrisches Signal zu verstehen, welches jeweils zwischen der ersten Elektrode 14a und der zweiten Elektrode 14b der gleichen Piezowandlereinrichtung 14 oder zwischen der ersten Elektrode 14a und dem mindestens einen benachbarten Brückenelement 22 angelegt ist, wodurch eine Verformung des mindestens einen piezoelektrischen oder piezoresistiven Materials 14c auftritt, welche zu einer Krafteinkopplung/Stresseinkopplung über die erste Oberfläche 12a des Trägerelements 12 und die erste Brückenstruktur 18 in die Stützstruktur 16 führt. Entsprechend wird durch die von der externen Kraft auf das Trägerelement 12 ausgelösten Verstellbewegung (zumindest des freitragenden Teilbereichs 16b in Bezug zu zumindest dem verankerten Teilbereich 16a) und die resultierende Krafteinkopplung/Stresseinkopplung (über die erste Brückenstruktur 18 und die erste Oberfläche 12a des Trägerelements 12) in die mindestens eine Piezowandlereinrichtung 14 die Spannungs- oder Widerstandsänderung in dem mindestens einen piezoelektrischen oder piezoresistiven Material 14c ausgelöst. Die in dem mindestens einen piezoelektrischen oder piezoresistiven Material 14c ausgelöste Spannungs- oder Widerstandsänderung ist dann anhand mindestens eines zwischen der ersten Elektrode 14a und der zweiten Elektrode 14b der gleichen Piezowandlereinrichtung 14 oder zwischen der ersten Elektrode 14a und dem mindestens einen benachbarten Brückenelement 22 anliegenden Sensorsignals erkennbar und auswertbar ist. Die externe Kraft oder die der externen Kraft entsprechende physikalische Größe kann deshalb mittels einer Auswertung des mindestens einen Sensorsignals der mindestens einen Piezowandlereinrichtung 14 verlässlich gemessen oder bestimmt werden.
Fig. lb zeigt eine Draufsicht auf die erste Oberfläche 12a des Trägerelements 12. Vorzugsweise sind die ersten Elektroden 14a mehrerer Piezowandlereinrichtungen 14 an einer ersten Leiterbahn 28 angebunden, während die zweiten Elektroden 14b der Piezowandlereinrichtungen 14 an einer zweiten Leiterbahn 30 angebunden sind. Bei einer Nutzung der piezoelektrischen Wandlervorrichtung als Aktorvorrichtung kann in diesem Fall das Ansteuern von mehreren Piezowandlereinrichtungen 14 mittels eines einzigen Spannungs- oder Stromstärkesignals erfolgen. Entsprechend kann bei einer Nutzung der piezoelektrischen Wandlervorrichtung als Sensorvorrichtung das Detektieren/Auslesen der Spannungs- oder Widerstandsänderung in den Piezowandlereinrichtungen 14 mittels eines einzigen an den zwei Leiterbahnen 28 und 30 ermittelten Sensorsignals geschehen. Eine zum Ansteuern mehrerer Piezowandlereinrichtungen 14 oder zum Detektieren/Auslesen der Spannungsoder Widerstandsänderung in mehreren Piezowandlereinrichtungen 14 geeignete Elektronik kann deshalb relativ kostengünstig und mit einem vergleichsweise geringen Bauraumbedarf ausgebildet sein. Anstelle der in Fig. lb wiedergegebenen Ansteuerung oder Auslesung aller Piezowandlereinrichtungen 14 als eine gemeinsame Gruppe können die Piezowandlereinrichtungen 14 jedoch alternativ derart verschaltet sein, dass ihre Ansteuerung oder Auslesung in mehreren Gruppen oder einzeln möglich ist.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform weist das Trägerelement 12 entlang einer Raumrichtung x seine maximale Ausdehnung auf, während die erste Oberfläche 12a des Trägerelements 12 bei einem Spannungs- oder Stromstärkesignal und einer externen Kraft gleich null in einer von der Raumrichtung x und einer senkrecht dazu ausgerichteten Raumrichtung y aufgespannten Ebene liegt. Lediglich ein Ende 32 des Trägerelements 12 ist an der Halterung 10 verankert. Die in Fig. lb dargestellte Ausbildung des Trägerelements 12 als Balken oder Cantilever ist jedoch nur beispielhaft zu interpretieren. Alternativ kann das Trägerelement 12 beispielsweise auch als eine Membran ausgebildet sein. Mehrere Piezowandlereinrichtungen 14 sind entlang der Raumrichtung x hintereinander auf der ersten Oberfläche 12a des Trägerelements angeordnet, während auch die Brückenelemente 22 streifenförmig entlang der Raumrichtung x entsprechend hintereinander angeordnet sind. Alternativ können die Piezowandlereinrichtungen 14 auch rasterartig, d.h. als ein 2-dimensionales Feld, auf der ersten Oberfläche 12a des Trägerelements angeordnet sein, wobei bevorzugter Weise in diesem Fall auch die Brückenelemente 22 als ein 2-dimensionales Feld ausgebildet sind. In beiden Fällen kann die Anordnung von mehreren Piezowandlereinrichtungen 14 und der Brückenelemente 22 eine periodische Anordnung, insbesondere mit dem gleichen Abstand zwischen zwei benachbarten Piezowandlereinrichtungen 14 und/oder mit dem gleichen Abstand zwischen zwei benachbarten Brückenelementen 22, sein.
Vorzugsweise weist die Stützstruktur 16 eine erste Biegesteifigkeit auf, welche größer als eine zweite Biegesteifigkeit der ersten Brückenstruktur 18 ist. Dies ist auf einfache Weise selbst bei einer Ausbildung der Brückenelemente 22 der ersten Brückenstruktur 18 (vollständig) aus dem gleichen Material wie dem der Stützstruktur 16 realisierbar, indem die Kavitäten 20 in der ersten Brückenstruktur 18 durch lokales Entfernen des gleichen Materials wie das der Stützstruktur 16 in den Bereichen der späteren Kavitäten 20 ausgebildet sind/werden. Die Stützstruktur 16 und die erste Brückenstruktur 18 können deshalb aus einer einzigen Halbleiterschicht 34 durch lokales Entfernen des Materials der Halbleiterschicht 34 in den Bereichen der späteren Kavitäten 20 herausstrukturiert sein/werden. Bei einer Ausbildung der Stützstruktur 16 und der ersten Brückenstruktur 18 aus der Halbleiterschicht 34 liegen vorteilhaft auch keine heterogenen Grenzflächen zwischen den Brückenelementen 22 und der Stützstruktur 16 vor, die die Robustheit der Struktur verringern könnten.
Fig. 2a und 2b zeigen schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung. Die in Fig. 2a und 2b dargestellte piezoelektrische Wandlervorrichtung unterscheidet sich von der zuvor erläuterten Ausführungsform der Fig. la und lb lediglich in der Anordnung ihrer Piezowandlereinrichtungen 14 in Bezug zu den in der ersten Brückenstruktur 18 ausgebildeten Kavitäten 20. Bei der piezoelektrischen Wandlervorrichtung der Fig. 2a und 2b ist für jeweils zwei benachbarte Kavitäten 20 in der ersten Brückenstruktur 18 je eine dazwischenliegende und senkrecht zu der ersten Oberfläche 12a des Trägerelements 12 ausgerichtete zweite Symmetrieebene 36 derart definierbar, dass die zwei Kavitäten 20 bezüglich der dazwischenliegenden zweiten Symmetrieebene 36 spiegelsymmetrisch sind. Zusätzlich schneidet jede der zweiten Symmetrieebenen 36 je eine Piezowandlereinrichtung 14 derart mittig, dass die jeweilige Piezowandlereinrichtung 14 bezüglich der sie mittig schneidenden zweiten Symmetrieebene 36 spiegelsymmetrisch ist. Die in Fig. 2a und 2b wiedergegebene Anordnung der Piezowandlereinrichtungen 14 in Bezug zu den Brückenelementen 22 der ersten Brückenstruktur 18 kann auch als eine mittige Anordnung jeder Piezowandlereinrichtung 14 auf zwei benachbarten Brückenelementen 22 bezeichnet werden. Auch eine derartige Anordnung der Piezowandlereinrichtungen 14 in Bezug zu den Kavitäten 20/Brückenelementen 22 der ersten Brückenstruktur 18 gewährleistet eine vorteilhaft symmetrische Krafteinkopplung/Stresseinkopplung über die Pfeilerbereiche 24 der Brückenelemente 22.
Fig. 2b zeigt die piezoelektrische Wandlervorrichtung während eines Anliegens eines Spannungs- oder Stromstärkesignals ungleich null an ihren Piezowandlereinrichtungen 14, wodurch das Trägerelement 12 mittels der durch die Piezowandlereinrichtungen 14 ausgelösten lateralen Zugkräfte zumindest teilweise aus der von den Raumrichtungen x und y aufgespannten Ebene in eine senkrecht dazu ausgerichtete Raumrichtung z heraus gekrümmt wird. Lediglich das an der Halterung 10 verankerte Ende 32 des Trägerelements 12 verbleibt in seiner Ausgangsposition. Durch eine periodische Anordnung der Piezowandlereinrichtungen 14 und der Brückenelemente 22 kann eine konstante Krümmung des Trägerelements 12 aus der von den Raumrichtungen x und y aufgespannten Ebene heraus erreicht werden. Eine maximale Auslenkung des freitragenden Teilbereichs 16b der Stützstruktur 16 in Bezug zu dem verankerten Teilbereich 16a der Stützstruktur 16 kann durch das Design der Brückenhöhe und der Brückendicke der Brückenelemente 22 zusätzlich verstärkt werden. Wie in Fig. 2b außerdem erkennbar ist, wird eine maximale Auslenkung des in die Raumrichtung z heraus gekrümmten Trägerelements 12 nicht durch eine Höhe der Kavernen 20 der ersten Brückenstruktur 18 in der Raumrichtung z begrenzt.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale der piezoelektrischen Wandlervorrichtung der Fig. 2a und 2b wird auf die zuvor erläuterte Ausführungsform der Fig. la und lb verwiesen.
Fig. 3a bis 3c zeigen schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung.
Die in den Fig. 3a bis 3c schematisch dargestellte piezoelektrische Wandlervorrichtung ist eine Kombination der Ausführungsformen der Fig. 1 und 2. Dazu weist die piezoelektrische Wandlervorrichtung der Fig. 3a bis 3c sowohl die mindestens eine von ihrer ersten Symmetrieebene 26 mittig geschnittene Piezowandlereinrichtung 14-1 als auch zusätzlich noch die mindestens eine von ihrer zweiten Symmetrieebene 36 mittig geschnittene weitere Piezowandlereinrichtung 14-2 auf. Während die mindestens eine erste Elektrode 14a der mindestens einen Piezowandlereinrichtung 14-1 an einer ersten Leiterbahn 28a angebunden ist, liegt eine elektrische Anbindung der mindestens einen ersten Elektrode 14a der mindestens einen Piezowandlereinrichtung 14-2 an einer zweiten Leiterbahn 28b vor. Vorzugsweise sind mehrere von ihrer ersten Symmetrieebene 26 mittig geschnittene Piezowandlereinrichtungen 14-1 über ihre erste Elektrode 14a an der ersten Leiterbahn 28a und mehrere von ihrer zweiten Symmetrieebene 36 mittig geschnittene weitere Piezowandlereinrichtungen 14-2 über ihre erste Elektrode 14a an der zweiten Leiterbahn 28b elektrisch angebunden.
Die zweiten Elektroden 14b aller Piezowandlereinrichtungen 14-1 und 14-2 oder die zu den Piezowandlereinrichtungen 14-1 und 14-2 benachbarten Brückenelement 22 können an einer dritten Leiterbahn 30 elektrisch angebunden sein. Vorzugsweise liegt dann die dritte Leiterbahn 30 auf Massepotential.
Fig. 3a zeigt die piezoelektrische Wandlervorrichtung der Fig. 3a bis 3c in einem Zustand, in welchem weder ein Spannungs- oder Stromstärkesignal an den Leiterbahnen 28a, 28b und 30 anliegt noch eine externe Kraft auf das Trägerelement 12 wirkt.
Wie anhand der Fig. 3b und 3c deutlich wird, kann die piezoelektrische Wandlervorrichtung der Fig. 3a bis 3c gleichzeitig als Aktor- und als Sensorvorrichtung eingesetzt werden, indem ihre ersten Piezowandlereinrichtungen 14-1 und 14-2 teilweise als Aktorik und teilweise als Sensorik genutzt werden. In dem mittels der Fig. 3b schematisch wiedergegebenen Betriebszustand der piezoelektrischen Wandlervorrichtung wird über die zweite Leiterbahn 28b an die mindestens eine von ihrer zweiten Symmetrieebene 36 mittig geschnittene Piezowandlereinrichtung 14-2 ein Spannungs- oder Stromstärkesignal Vdnve (ungleich null) angelegt, wodurch eine Verstellbewegung zumindest des freitragenden Teilbereichs 16b der Stützstruktur 16 in Bezug zu zumindest dem verankerten Teilbereich 16a der Stützstruktur 16 ausgelöst wird. Eine maximale Auslenkung des freitragenden Teilbereichs 16b der Stützstruktur 16 während seiner Verstellbewegung wird durch das Design der Brückenhöhe und der Brückendicke der Brückenelemente 22 begrenzt, weshalb auch vergleichsweise große Auslenkungen erreicht werden können. Gleichzeitig kann die mindestens eine von ihrer ersten Symmetrieebene 26 mittig geschnittene Piezowandlereinrichtung 14-1 zum Ermitteln der Auslenkung/Deformation des Trägerelements 12 genutzt werden, indem an der ersten Leiterbahn 28a ein Sensorsignal Vsense abgegriffen wird.
Wie anhand des Betriebszustands der piezoelektrischen Wandlervorrichtung der Fig. 3c erkennbar ist, kann auch die mindestens eine von ihrer ersten Symmetrieebene 26 mittig geschnittene Piezowandlereinrichtung 14-1 als Aktor zum Bewirken einer Verstellbewegung zumindest des freitragenden Teilbereichs 16b der Stützstruktur 16 in Bezug zu zumindest dem verankerten Teilbereich 16a eingesetzt werden, indem das Spannungs- oder Stromstärkesignal Vdrive (ungleich null) an die erste Leiterbahn 28a angelegt wird. Gleichzeitig kann unter Verwendung der mindestens einen von ihrer zweiten Symmetrieebene 36 mittig geschnittenen Piezowandlereinrichtung 14-2 die Auslenkung/Deformation des Trägerelements 12 anhand des an der zweiten Leiterbahn 28b abgegriffenen Sensorsignals Vsense detektiert/ermittelt werden. Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale der piezoelektrischen Wandlervorrichtung der Fig. 3a bis 3c wird auf die zuvor erläuterten Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 verwiesen.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung.
Die piezoelektrische Wandlervorrichtung der Fig. 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 1 durch die Ausbildung der Kavitäten 20 in der ersten Brückenstruktur 18 als Vertiefungen in einer ersten Halbleiterschicht 38 mit einer ersten Materialzusammensetzung, welche von einer zweiten Halbleiterschicht 40 überspannt werden. Insbesondere kann die zweite Halbleiterschicht 40 eine von der ersten Materialzusammensetzung abweichende zweite Materialzusammensetzung aufweisen. Ein von den Vertiefungen weg gerichteter Bereich der ersten Halbleiterschicht 38 dient als Stützstruktur 16. Die Pfeilerbereiche 24 der Brückenelemente 22 sind somit aus dem Material der ersten Halbleiterschicht 38 gebildet, während der Rest der Brückenelemente 22 aus dem Material der zweiten Halbleiterschicht 40 besteht. Die zweite Biegesteifigkeit der ersten Brückenstruktur 18 kann mittels der zweiten Materialzusammensetzung und der Dicke der zweiten Halbleiterschicht 40 relativ frei gewählt werden.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale der piezoelektrischen Wandlervorrichtung der Fig. 4 wird auf die zuvor erläuterte Ausführungsform der Fig. 1 verwiesen.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung.
Bei der piezoelektrischen Wandlervorrichtung der Fig. 5 besteht die Stützstruktur 16 aus der ersten Halbleiterschicht 38 mit einer ersten Materialzusammensetzung, während die Brückenelemente 22 der ersten Brückenstruktur 18 vollständig aus der zweiten Halbleiterschicht 40 gebildet sind. Die zweite Halbleiterschicht 40 ist dazu derart abgeschieden, dass die zwischen erster Halbleiterschicht 38 und zweiter Halbleiterschicht 40 ausgebildeten Kavitäten 20 der ersten Brückenstruktur 18 lediglich an ihrer von der ersten Oberfläche 12a des Trägerelements 12 weg gerichteten Seite an die erste Halbleiterschicht 38 der Stützstruktur 16 angrenzen. Auch in diesem Fall kann die zweite Materialzusammensetzung und/oder Dicke der zweiten Halbleiterschicht 40 derart abweichend von der ersten Materialzusammensetzung und/oder Dicke gewählt sein, dass die zweite Biegesteifigkeit der ersten Brückenstruktur 18 auf einen bevorzugten Wert festgelegt ist.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale der piezoelektrischen Wandlervorrichtung der Fig. 5 wird auf die zuvor erläuterte Ausführungsform der Fig. 1 verwiesen.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung.
Bei der piezoelektrischen Wandlervorrichtung der Fig. 6 sind ihre Piezowandlereinrichtungen 14 ringförmig ausgebildet und entlang der Raumrichtung x hintereinander angeordnet. Wie in Fig. 6 schematisch wiedergegeben ist, kann das Trägerelement 12 bei dieser Ausführungsform auch um eine in der Raumrichtung x verlaufende Achse 42 mittels der Piezowandlereinrichtungen 14 gekrümmt werden.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale der piezoelektrischen Wandlervorrichtung der Fig. 6 wird auf die zuvor erläuterte Ausführungsform der Fig. 1 verwiesen.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung.
Bei der piezoelektrischen Wandlervorrichtung der Fig. 7 weist das Trägerelement 12 als Weiterbildung verglichen mit der Ausführungsform der Fig. 1 zwischen seiner Stützstruktur 16 und einer von seiner ersten Oberfläche 12a weg gerichteten zweiten Oberfläche 12b eine zweite Brückenstruktur 44 auf. Auch in der zweiten Brückenstruktur 44 sind mehrere Kavitäten 46 ausgebildet. Die Kavitäten 46 in der zweiten Brückenstruktur 44 sind auf ihrer zu der zweiten Oberfläche 12b des Trägerelements 12 ausgerichteten Seite jeweils von je einem Brückenelement 48 überspannt. Außerdem sind die Brückenelemente 48 der zweiten Brückenstruktur 44 mittels Pfeilerbereiche 50 der Brückenelemente 48 an der Stützstruktur 16 verankert.
Zusätzlich ist mindestens eine weitere Piezowandlereinrichtung 52 auf der zweiten Oberfläche 12b des Trägerelements 12 angeordnet und/oder ausgebildet. Die mindestens eine weitere Piezowandlereinrichtung 52 kann die Aktor- oder Sensorfunktion der mindestens einen Piezowandlereinrichtung 14 auf der ersten Oberfläche 12a des Trägerelements 12 unterstützen und/oder bei einer aktormäßigen Nutzung der mindestens einen ersten
Piezowandlereinrichtung 14 auf der ersten Oberfläche 12a als Sensorik, bzw. bei einer sensormäßigen Nutzung der mindestens einen ersten Piezowandlereinrichtung 14 auf der ersten Oberfläche 12a als Aktorik eingesetzt werden. Auch eine Druck-Zug-Aktuation der piezoelektrischen Wandlervorrichtung lässt sich durch beidseitige Anordnung der Piezowandlereinrichtungen 14 und 52 an dem Trägerelement 12 verbessern. Die Ausbildung und Funktion der mindestens einen weiteren
Piezowandlereinrichtung 52 kann der Ausbildung und Funktion der mindestens einen (zuvor erläuterten) Piezowandlereinrichtung 14 auf der ersten Oberfläche 12a des Trägerelements 12 entsprechen.
Auch eine dritte Biegesteifigkeit der zweiten Brückenstruktur 44 kann kleiner als die erste Biegesteifigkeit der Stützstruktur 16 sein. Bezüglich der Möglichkeiten zum Anordnen der mindestens einen Piezowandlereinrichtung 52 auf der zweiten Oberfläche 12b des Trägerelements 12 und zum Ausbilden der zweiten Brückenstruktur 44 wird auf die verschiedenen Ausführungsformen der ersten Brückenstruktur 18 der Fig. 1 bis 5 verwiesen.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale der piezoelektrischen Wandlervorrichtung der Fig. 7 wird auf die zuvor erläuterte Ausführungsform der Fig. 1 verwiesen.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung. Die in Fig. 8 schematisch wiedergegebene piezoelektrische Wandlervorrichtung weist als Weiterbildung zu der Ausführungsform der Fig. 2 ein Segment 54 auf, welches an dem freitragenden Bereich 16b der Stützstruktur 16 angebunden ist. Erkennbar ist, dass das Segment 54 eine maximale Ausdehnung in der Raumrichtung z aufweist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Form des Segments 54 nahezu beliebig gewählt werden kann.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale der piezoelektrischen Wandlervorrichtung der Fig. 8 wird auf die Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 verwiesen.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform der piezoelektrischen Wandlervorrichtung.
Auch das in Fig. 9 schematisch dargestellte Trägerelement 12 ist mittels einer von dem mindestens einen Spannungs- oder Stromstärkesignal oder der externen Kraft bewirkten Verstellbewegung zumindest des freitragenden Teilbereichs 16b seiner Stützstruktur 16 in Bezug zu zumindest dem verankerten Teilbereich 16a der Stützstruktur 16 aus einer ersten Form des Trägerelements 12 in eine zweite Form des Trägerelements 12 überführbar. Das Trägerelement 12 kann deshalb innerhalb einer in der Halterung 10/dem Substrat ausgebildeten Ausnehmung 56 derart angeordnet sein, dass das Trägerelement 12 in seiner ersten Form oder in seiner zweiten Form die Ausnehmung zumindest teilweise überdeckt/abdichtet.
Bei der Ausführungsform der Fig. 9 ist die Ausnehmung 56 ein durch die Halterung 10 verlaufender Fluid- Kanal 56. Es wird darauf hingewiesen, dass die Ausbildung von zwei Zugangsöffnungen 56a an dem Fluid-Kanal 56 und des in Fig. 9 ebenfalls dargestellten Deckels 58 lediglich optional ist. Der Fluid- Kanal 56 weist an der Position des Trägerelements 12 bei einem Vorliegen des Trägerelements 12 in seiner ersten Form einen ersten Öffn ungsqu erseh nitt auf, welcher von einem zweiten Öffnungsquerschnitt des Fluid- Kanals 56 an der Position des Trägerelements 12 bei einem Vorliegen des Trägerelements 12 in seiner zweiten Form abweicht. In dem Fluid- Kanal 56 kann das Trägerelement 12 darum durch seinen Fluid-Widerstand mit einem Fluid-Strom 60 interagieren. Das Trägerelement 12 kann entweder selbst diesen Fluid-Strom 60 mittels eines mindestens einmaligen Übergangs zwischen seiner ersten Form und seiner zweiten Form erzeugen oder den extern ausgelösten Fluid-Strom 60 unter einem mindestens einmaligen Übergang zwischen seiner ersten Form und seiner zweiten Form vermessen. Das Trägerelement 12 kann deshalb dazu genutzt werden, den Fluid-Strom 60 durch den Fluid-Kanal 56 zu steuern, zu pumpen oder zu messen. Die piezoelektrische Wandlervorrichtung der Fig. 9 kann deshalb als Mikroventil, Mikropumpe, Lautsprecher, Mikrofon oder als Fluid- Stromsensor eingesetzt werden.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale der piezoelektrischen Wandlervorrichtung der Fig. 9 wird auf die Ausführungsform der Fig. 1 verwiesen.
Obwohl die piezoelektrische Wandlervorrichtung der Fig. 9 als Mikroventil, Mikropumpe, Lautsprecher, Mikrofon oder Fluid-Stromsensor bildlich wiedergegeben ist, ist die Ausbildbarkeit der oben erläuterten piezoelektrischen Wandlervorrichtungen nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann jede der piezoelektrischen Wandlervorrichtungen der Fig. 1 bis 8 auch als AFM-Spitze, Energiegenerator, Kraftsensor oder als Resonator ausgebildet sein. Bei allen diesen Ausführungsformen stellt das verformbare Trägerelement 12 das Rückgrat der piezoelektrischen Wandlervorrichtung dar, während das zumindest eine Brückenelement 18 und 44 der jeweiligen piezoelektrischen Wandlervorrichtung mechanische Spannungen zwischen Piezowandlereinrichtungen 14 und 52 und der Stützstruktur 16 überträgt.
Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass durch das Fehlen von elektrostatischen Aktoren an den oben erläuterten piezoelektrischen Wandlervorrichtungen der Fig. 1 bis 9 keine Kollapsgefahr und keine Gefahr eines durch Kurzschluss ausgelösten lokalen Verschweißens vorliegt. Außerdem zeichnen sich die piezoelektrischen Wandlervorrichtungen der Fig. 1 bis 9 durch eine erhöhte mechanische Robustheit aus.
Fig. 10 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine piezoelektrische Wandlervorrichtung.
In einem Verfahrensschritt S1 des Herstellungsverfahrens wird ein elastisch verformbares Trägerelement mit zumindest einer Stützstruktur so an einer Halterung der späteren piezoelektrischen Wandlervorrichtung angeordnet, dass zumindest ein Teilbereich der Stützstruktur an der Halterung verankert wird. Zusätzlich wird in einem Verfahrensschritt S2 mindestens eine Piezowandlereinrichtung derart auf einer ersten Oberfläche des Trägerelements angeordnet und/oder ausgebildet, dass mittels mindestens eines an die mindestens eine Piezowandlereinrichtung angelegten Spannungs- oder Stromstärkesignals eine Verstellbewegung zumindest eines freitragenden Teilbereichs der Stützstruktur in Bezug zu zumindest dem an der Halterung verankerten Teilbereich der Stützstruktur bewirkt wird und/oder mittels einer von einer externen Kraft auf das Trägerelement ausgelösten Verstellbewegung zumindest des freitragenden Teilbereichs der Stützstruktur in Bezug zu zumindest dem verankerten Teilbereich der Stützstruktur eine Spannungs- oder Widerstandsänderung in der mindestens einen Piezowandlereinrichtung bewirkt wird. Des Weiteren wird als Verfahrensschritt S3 eine Brückenstruktur des Trägerelements zwischen seiner ersten Oberfläche und der Stützstruktur ausgebildet, wobei mehrere Kavitäten, welche auf ihrer zu der ersten Oberfläche ausgerichteten Seite von je einem Brückenelement überspannt sind, in der Brückenstruktur ausgebildet werden, und wobei die Brückenelemente an der Stützstruktur verankert werden. Die Verfahrensschritte S1 bis S3 können in beliebiger Reihenfolge, gleichzeitig oder zeitlich überschneidend ausgeführt werden.
Alle oben erläuterten piezoelektrischen Wandlervorrichtungen können mittels des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens produziert werden. Jedoch ist eine Ausführbarkeit des Herstellungsverfahrens nicht auf das Produzieren einer derartigen piezoelektrischen Wandlervorrichtung beschränkt. Auch eine von den oben erläuterten Ausführungsformen abweichende, jedoch mittels des Herstellungsverfahrens produzierte piezoelektrische Wandlervorrichtung weist die oben aufgezählten Vorteile auf.

Claims

Ansprüche
1. Piezoelektrische Wandlervorrichtung mit: einer Halterung (10); einem elastisch verformbaren Trägerelement (12) mit zumindest einer Stützstruktur (16); und mindestens einer ersten Piezowandlereinrichtung (14), welche derart auf einer ersten Oberfläche (12a) des Trägerelements (12) angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass mittels mindestens eines an die mindestens eine erste Piezowandlereinrichtung (14) angelegten Spannungs- oder Stromstärkesignals eine Verstellbewegung zumindest eines freitragenden Teilbereichs (16b) der Stützstruktur (16) in Bezug zu zumindest einem an der Halterung (10) verankerten Teilbereich (16a) der Stützstruktur (16) bewirkbar ist und/oder mittels einer von einer externen Kraft auf das Trägerelement (12) ausgelösten Verstellbewegung zumindest des freitragenden Teilbereichs (16b) der Stützstruktur (16) in Bezug zu zumindest dem verankerten Teilbereich (16a) der Stützstruktur (16) eine Spannungs- oder Widerstandsänderung in der mindestens einen ersten Piezowandlereinrichtung (14) bewirkbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (12) zwischen seiner ersten Oberfläche (12a) und der Stützstruktur (16) eine erste Brückenstruktur (18) mit mehreren in der ersten Brückenstruktur (18) ausgebildete Kavitäten (20), welche jeweils auf ihrer zu der ersten Oberfläche (12a) ausgerichteten Seite von je einem Brückenelement (22) überspannt sind, aufweist, wobei die Brückenelemente (22) der ersten Brückenstruktur (18) an der Stützstruktur (16) verankert sind.
2. Piezoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei für jede der Kavitäten (20) in der ersten Brückenstruktur (18) je eine die Kavität (20) mittig schneidende und senkrecht zu der ersten Oberfläche (12a) des Trägerelements (12) ausgerichtete erste Symmetrieebene (26) derart definierbar ist, dass die jeweilige Kavität (20) bezüglich der sie mittig schneidenden ersten Symmetrieebene (26) spiegelsymmetrisch ist, und wobei jede der ersten Symmetrieebenen (26) je eine erste Piezowandlereinrichtung (14) so mittig schneidet, dass die jeweilige erste Piezowandlereinrichtung (14) bezüglich der sie mittig schneidenden ersten Symmetrieebene (26) spiegelsymmetrisch ist. Piezoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei für jeweils zwei benachbarte Kavitäten (20) in der ersten Brückenstruktur (18) je eine dazwischen liegende und senkrecht zu der ersten Oberfläche (12a) des Trägerelements (12) ausgerichtete zweite Symmetrieebene (36) derart definierbar ist, dass die zwei Kavitäten (20) bezüglich der dazwischen liegenden zweiten Symmetrieebene (36) spiegelsymmetrisch sind, und wobei jede der zweiten Symmetrieebenen (36) je eine erste Piezowandlereinrichtung (14) so mittig schneidet, dass die jeweilige erste Piezowandlereinrichtung (14) bezüglich der sie mittig schneidenden zweiten Symmetrieebene (36) spiegelsymmetrisch ist. Piezoelektrische Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine erste Piezowandlereinrichtung (14) ausgebildet ist mit je einer ersten Elektrode (14a) und jeweils mindestens einem piezoelektrischen oder piezoresistiven Material (14c), mit welchem ein Zwischenvolumen zumindest teilweise gefüllt ist, welches auf seiner ersten Seite von der ersten Elektrode (14a) der jeweiligen ersten Piezowandlereinrichtung (14) und auf seiner zweiten Seite von einer zweiten Elektrode (14b) der gleichen ersten Piezowandlereinrichtung (14) oder dem mindestens einen benachbarten Brückenelement (22) begrenzt ist. Piezoelektrische Wandlervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei die mindestens eine erste Elektrode (14a) der mindestens einen von ihrer ersten Symmetrieebene (26) mittig geschnittenen ersten Piezowandlereinrichtung (14) an einer ersten Leiterbahn (28a) angebunden ist und die mindestens eine erste Elektrode (14a) der mindestens einen von ihrer zweiten Symmetrieebene (36) mittig geschnittenen ersten Piezowandlereinrichtung (14) an einer zweiten Leiterbahn (28b) angebunden ist. Piezoelektrische Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägerelement (12) zwischen seiner Stützstruktur (16) und einer von seiner ersten Oberfläche (12a) weg gerichteten zweiten Oberfläche (12b) eine zweite Brückenstruktur (44) mit mehreren in der zweiten Brückenstruktur (44) ausgebildeten Kavitäten (46), welche auf ihrer zu der zweiten Oberfläche (12b) ausgerichteten Seite von je einem Brückenelement (48) überspannt sind, aufweist, wobei die Brückenelemente (48) der zweiten Brückenstruktur (44) an der Stützstruktur (16) verankert sind, und wobei mindestens eine zweite Piezowandlereinrichtung (52) auf der zweiten Oberfläche (12b) des Trägerelements (12) angeordnet und/oder ausgebildet ist. Piezoelektrische Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stützstruktur (16) eine erste Biegesteifigkeit aufweist, welche größer als eine zweite Biegesteifigkeit der ersten Brückenstruktur (18) und/oder größer als eine dritte Biegesteifigkeit der zweiten Brückenstruktur (44) ist. Piezoelektrische Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kavitäten (20) in der ersten Brückenstruktur (18) durch lokales Entfernen von Material zumindest der ersten Brückenstruktur (18) und/oder die Kavitäten (46) in der zweiten Brückenstruktur (44) durch lokales Entfernen von Material zumindest der zweiten Brückenstruktur (44) ausgebildet sind. Piezoelektrische Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brückenelemente (22) der ersten Brückenstruktur (18) und/oder die Brückenelemente (48) der zweiten Brückenstruktur (44) vollständig aus dem gleichen Material wie die Stützstruktur (16) gebildet sind. Piezoelektrische Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels einer von dem mindestens einen Spannungsoder Stromstärkesignal oder der externen Kraft bewirkten Verstellbewegung zumindest des freitragenden Teilbereichs (16b) der Stützstruktur (16) in Bezug zu zumindest dem verankerten Teilbereich (16a) der Stützstruktur (16) das Trägerelement (12) aus einer ersten Form des Trägerelements (12) in eine zweite Form des Trägerelements (12) überführbar ist, und wobei ein durch die Halterung (10) verlaufender Fluid- Kanal (56) an der Position des Trägerelements (12) bei einem Vorliegen des Trägerelements (12) in seiner ersten Form einen ersten Öffnungsquerschnitt und bei einem Vorliegen des Trägerelements (12) in seiner zweiten Form einen von dem ersten Öffnungsquerschnitt abweichenden zweiten Öffnungsquerschnitt aufweist. Herstellungsverfahren für eine piezoelektrische Wandlervorrichtung mit den Schritten:
Anordnen eines elastisch verformbaren Trägerelements (12) mit zumindest einer Stützstruktur (16) so an einer Halterung (10) der späteren piezoelektrischen Wandlervorrichtung, dass zumindest ein Teilbereich (16a) der Stützstruktur (16) an der Halterung (10) verankert wird (Sl) ; und
Anordnen und/oder Ausbilden mindestens einer Piezowandlereinrichtung (14) derart auf einer ersten Oberfläche (12a) des Trägerelements (12), dass mittels mindestens eines an die mindestens eine Piezowandlereinrichtung (14) angelegten Spannungs- oder Stromstärkesignals eine Verstellbewegung zumindest eines freitragenden Teilbereichs (16b) der Stützstruktur (16) in Bezug zu zumindest dem an der Halterung (10) verankerten Teilbereich (16a) der Stützstruktur (16) bewirkt wird und/oder mittels einer von einer externen Kraft auf das Trägerelement (12) ausgelösten Verstellbewegung zumindest des freitragenden Teilbereichs (16a) der Stützstruktur (16) in Bezug zu zumindest dem verankerten Teilbereich (16a) der Stützstruktur (16) eine Spannungs- oder Widerstandsänderung in der mindestens einen Piezowandlereinrichtung (14) bewirkt wird (S2); gekennzeichnet durch den Schritt:
Ausbilden einer Brückenstruktur (18) des Trägerelements (12) zwischen seiner ersten Oberfläche (12a) und der Stützstruktur (16), wobei mehrere Kavitäten (20), welche auf ihrer zu der ersten Oberfläche (12a) ausgerichteten Seite von je einem Brückenelement (22) überspannt sind, in der Brückenstruktur (18) ausgebildet werden, und wobei die Brückenelemente (20) an der Stützstruktur (16) verankert werden (S3).
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