作为致动器的弯曲换能器、作为传感器的弯曲换能器、以及弯曲换能器系统的制作方法

本发明涉及一种弯曲换能器，及其作为致动器或者传感器的使用，以及一种弯曲换能器系统。

背景技术：

需要微机械装置(mems)以将电信号转换成机械效应，即在致动器的情况下，或者将机械效应转换成电信号，即在传感器的情况下。出于本申请的目的，“效应”意味着例如执行工作，以及相关联偏转或者弯矩的应用。

微机电组件的电信号与机械效应(传输特性)之间的关系的线性经常受制于高需求。这适用于例如，在麦克风或者扬声器中使用此类微机电组件。传输特性的非线性不利地影响微机电组件可以满足其预期功能的精度且必须在致动器的情况下用复杂控制校正或者在传感器的情况下用复杂信号处理校正。

举例而言，微机械声音换能器(即，扬声器或者麦克风)的传输特性中的非线性导致高失真因子且必须通过额外使用微处理器或者信号处理进行校正。

概括来讲，存在诸如微扬声器的实际应用，其中所施加信号电压的电平与由设备产生的机械效应(即待执行的工作)的幅值之间的线性关系是至关重要的。同时，输出信号(在扬声器的情况下，是空气载声)的光谱组成应等同于输入信号的光谱组成，其与低失真因子相对应。线性范围取决于振幅和频率，且应尽可能大。就此而言，通过在不显著改变线性的情况下改变(电)操作参数，来改变灵敏度及频率是有必要的。出于本申请的目的，灵敏度意味着效应中的变化与信号中的变化之间的关系。具有传输特性的改善线性的mems设备的先前设计实施方案是基于在结构有限动态范围(相对于拉入不稳定性)且因此有限频率范围中具有不利高电压要求的mems技术，其不适合用于移动应用。对文献us9783408b2进行例示性参考。

wo2095185a1描述了如何设计具有高性能及低功耗的mems设备，但并未描述改善和调整线性的可能措施。出于增加弯曲半径或者增加具有相同弯曲特性的驱动效率的目的，de102015206774a1中提出由通过中性纤维分隔开的两个弯曲换能器组成的弯曲换能器系统。在该工艺中形成的空腔仅意欲对弯曲特性具有正效应。未公开用于改善和调整线性的措施。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种弯曲换能器、及其作为致动器或者传感器的使用、以及此类弯曲换能器的系统，所述弯曲换能器示出具有相同或者相当的效率的经改善和可调整的线性。

此目的是通过独立权利要求的主题解决。

本申请的核心构思是，当弯曲换能器包括具有第一微机电换能器(以下简称作mems换能器)以及第二mems换能器的可偏转元件时，作为致动器使用的弯曲换能器可以在相当的性能处提供经改善和可调整的线性，第一mems换能器沿着可偏转元件的质心纤维延伸且第二mems换能器沿着质心纤维延伸，所述质心纤维至少位于彼此背对的mems换能器的远程边缘之间或者侧面之间，或者甚至位于mems换能器之间，且当将第一或者第二电信号施加至第一或者第二mems换能器时，且当根据电输入信号执行第一及第二电信号改变时，在相反方向上使可偏转元件偏转，使得第一及第二电信号的相位相对于彼此偏移。相移可以在0.001°至240°之间(包括两者)，或者甚至在60°至200°之间(包括两者)或者180°。此实施例允许获得原本使用三电极原理才可能实现的线性方面的优势，并且在不产生性能问题的情况下获得对称性控制件。根据本发明，通过该控制件，可以在大频率范围内获得具有高动态的大线性范围，即，大振幅范围。类似地，本申请的部分核心构思已认识到：当弯曲换能器配备有可偏转元件时，作为传感器使用的弯曲换能器可以在相当的性能处获得经改善和可调整的线性，其中可偏转元件的质心纤维仍然是位于第一及第二mems换能器的相反侧面之间，且一旦可偏转元件发生变形，在换能器的终端处输出的电信号就被用于产生输出信号以使得输出信号的变化取决于在第一换能器处的第一电信号的变化与在第二换能器处的第二电信号的变化的差异。一方面，可以在负载变化期间使线性优化，另一方面，可以特定于应用对灵敏度及选择率(在此情况下为共振频率)进行适配，以便最大化线性动态范围(在此情况下为振幅)以及线性频带。

根据实施例，第一及第二mems换能器是沿着可偏转元件的纵向方向细分成区段的每个板电容器，且因此也通过在区段之间互相固定各个板电容器的电极而沿着质心纤维细分。以此方式，弯曲换能器的偏转相对于两个电极之间的距离可以较大。质心纤维可以至少位于彼此背对的mems换能器的侧面之间，即，彼此间隔放置的mems换能器的远程电极或者电极的相反侧面之间；或者甚至mems换能器的远程电极之间；或者mems换能器的近端电极或者彼此远离的电极的相反侧面之间；或者甚至mems换能器之间，即，面朝mems换能器的近端电极的侧面。在这些实施例中的一些中，各个板电容器的电极以交叉指方式配置于区段中，使得一个电极的投影是投影在另一电极的对应投影之间的间隙中，且反之亦然。这提高了性能及灵敏度。

在使用弯曲换能器作为致动器的实施例中，电驱动被布置为将第一偏压以及根据输入信号的第一信号部分的组合作为第一电信号施加至第一mems换能器，和/或将第二偏压以及根据输入信号的第二信号部分的组合作为第二电信号施加至第二mems换能器。电信号可以是例如电压或者电流。作为致动器使用的弯曲换能器的mems换能器的控制件可以由两个具有偏压u0和可变信号电压usignal的级联(concatenated)网络回路组成。因此，电控制件被配置为以不同振幅执行第一及第二电信号的改变，以补偿可偏转元件上的不对称负载。不对称负载例如是微机电换能器的结构不对称和/或作用于可偏转元件的不对称力(诸如压力差)。类似地，作为传感器使用的弯曲换能器可以补偿可偏转元件上的不对称负载。作为传感器使用的弯曲换能器的控制件可以被配置为将偏压施加至第一mems换能器和/或施加至第二mems换能器。根据实施例，弯曲换能器的偏压或多个偏压被以下述方式设置：使得在对可偏转元件无外部机械影响的情况下不偏转可偏转元件的质心纤维，且在作为致动器使用的弯曲换能器的情形中，在没有取决于输入信号的信号部分的情况下不偏转。

根据实施例，弯曲换能器因此设置有被配置为将偏压施加至第一mems换能器和/或至第二mems换能器的控制件，由此可以通过在第一mems换能器处和/或在第二mems换能器处调整偏压来调整弯曲换能器的有效弹簧刚度、和/或弯曲换能器的灵敏度和/或弯曲换能器的共振频率。mems换能器的有效弹簧刚度相对于其具有固定电压或者偏压的电平的机械弹簧刚度而变化。此实施例使得调整线性成为可能。

根据实施例，作为致动器使用的弯曲换能器的电控制件具有反馈回路，以便通过具有传感器的合适的反馈回路，即在以交替负载操作期间，动态地补偿不对称负载的效应。替代地，诸如晶体管、操作放大器等有源网络组件可被用于调整与各个负载情况相关的电网络参数，诸如功率消耗、阻抗、电压、电流。总体而言，反馈系统意味着传输特性的经动态改善的线性。

根据实施例，弯曲换能器系统包括多个弯曲换能器，其中弯曲换能器与mems换能器的尺寸设定相匹配。换言之，可以相同地配置弯曲换能器。弯曲换能器的有效弹簧刚度、和/或共振频率和/或灵敏度可以经由大部分弯曲换能器的第一和/或第二mems换能器处的偏压来单独地调整。一个优势在于，能够取决于应用情的通过偏压单独地调整共振频率或者在该共振频率之下的动态行为。总体而言，由于每个弯曲换能器仅对特定频带负责，因此可以实现经改善的线性，且频带之间的性能偏差可以通过将不同数目的弯曲换能器分派至频带进行补偿。换言之，通过不同比例的各自偏压控制，将所配置的弯曲换能器完全相同地与该弯曲换能器随后对其敏感的各自频带相关联。所述比例可以对以下进行补偿：弯曲换能器对于一个频带比其对于另一频带更敏感/有效，或者更不敏感/有效。

一些实施例涉及一种弯曲换能器系统，其具有被配置为将总输入信号光谱地分裂成用于多个弯曲换能器的多个输入信号、或者从多个弯曲换能器的多个输出信号光谱地合成总输出信号的电路。所述电路可以部分地或者完全地是控制件的一部分。总输入信号的光谱分裂或者输出信号的光谱合成的一个方面是发现：能够通过配置若干弯曲换能器来增加微机电换能器的线性。该布置可以按以下方式设计：个体弯曲换能器的效应相加，使得该布置的个体弯曲换能器仅在动态范围(例如偏转)的一部分中操作。这改善了总系统的线性。

一些实施例涉及一种被配置为作为致动器或者作为传感器运行的弯曲换能器，以及经设计以操作所述弯曲换能器作为致动器或者作为传感器的电路。由于同一弯曲换能器可以取决于应用而作为传感器或者作为致动器使用，所以该配置是节省空间的。

一些实施例涉及一种弯曲换能器系统，具有多个弯曲换能器、以及被配置为控制所述弯曲换能器的总量的第一部分作为致动器以及控制所述弯曲换能器的总量的第二部分作为传感器的电路。取决于控制信号，分成两个子集的所述划分可以是静态的或者可以动态地执行。可以控制弯曲换能器在一个时间间隔中作为致动器和作为传感器两者，或者在第一时间间隔中作为传感器以及在第二时间间隔中作为致动器，或者在第一时间间隔中作为致动器以及在第二时间间隔中作为传感器。传感器或者致动器的数目可以取决于应用区域而经由静态或者动态控制信号进行调整。

附图说明

下文将参考附图更详细解释本申请的优选实施例。其示出：

图1微机电设备的可变形元件的弹簧特性曲线的示图；

图2双电极原理的示意图；

图3根据双电极原理的致动器的偏转与信号电压之间的关系的示图；

图4a推拉原理的变型的示意图；

图4b推拉原理的变型的示意图；

图5根据三电极原理的电信号强度与机械变形之间的关系的示图；

图6两侧上附接有活性层的可变形元件的示意图；

图7a对称总系统的方框图以及实施例的示意图；

图7b图7a中所示出的实施例的传输特性的示图；

图8控制件的抽象化原理的示意图；

图9作为致动器的弯曲换能器的示意图；

图10作为传感器的弯曲换能器的示意图；

图11负载调整的方框图；

图12动态负载调整的方框图；

图13具有光谱分裂电路的弯曲换能器系统的示意图；

图14具有光谱合成电路的弯曲换能器系统的示意图；

图15具有偏压调整的弯曲换能器系统的示意图；

图16可以作为致动器和/或作为传感器操作的弯曲换能器的示意图，其具有被配置为操作作为致动器和/或作为传感器的弯曲换能器的电路；

图17弯曲换能器系统的示意图，包括被配置为单独地操作作为致动器和/或作为传感器的弯曲换能器的电路；

图18a可以在两个方向上偏转的对称静电悬臂以及在外部电极处的悬臂式电偏压的示意图；

图18b可以在两个方向上偏转的对称静电悬臂以及内部电极的悬臂式电偏压的示意图；

图18c可以在两个方向上偏转的对称静电悬臂以及内部电极的悬臂式电偏压的示意图；

图18d可以在两个方向上偏转以及悬臂式的对称静电悬臂的示意图；

图19a具有内部以及外部电极的静电可偏转以及悬臂式悬臂的横截面的示意图；

图19b具有倾斜电极的静电可偏转以及悬臂式悬臂的横截面的示意图；

图19c具有梳状电极的静电可偏转以及悬臂式悬臂的横截面的示意图；

图20a可偏转元件的示意图，其中仅示出具有多层电极结构的一半区段；

图20b除图20a以外的具有中心空腔的可偏转元件的示意图；

图20c可偏转元件的示意图，其中与图20a形成对比，近端电极被配置为平面平行的且不凸面地膨胀；

图21a一半区段的示意图，与图19c相比具有用于使用凸面区段配置增加可沉积电场能量的梳状电极；

图21b一半区段的示意图，与图19c相比具有用于使用凹面区段配置增加可沉积电场能量的梳状电极；

图22悬臂式可偏转元件的示意图，与图19a相比具有两个mems换能器的不对称配置。

具体实施方式

在将在下文描述本发明的实施例之前，首先解释何种考虑将发明人引导至这些实施例。当然，在这些解释的过程中，已经对下文所描述的实施例的特征作出参考，这些特征对于这些实施例也应当是可转移的。

微机电组件的非线性具有两方面的起源：机电结构造及其操作原理，即所谓的静态非线性，以及设备的动态行为，即所谓的动态非线性。动态非线性是机械和/或电设计特征的结果。诸如互调、操作点偏移、副谐波共振的动态非线性通常是静态非线性的结果。如果现有动态非线性的校正完全在给定情况下可实践，则技术上是复杂的。

此处所考虑的这种形式的mems设备具有至少一个可变形元件。用于变形所需的力可以通过弹簧特性曲线来表征。严格线性传输行为要求所选择操作点处的对应弹簧特性曲线在整个所选择动态范围内是严格线性的。

图1示出可变形元件的弹簧特性曲线。如果相关可变形元件是梁、板或者板区段，则用于更大偏转的相关联弹簧特性的过程不是线性的，而是部分地或者完全地渐进或者递减。替代，也可能出现组合。在第一时间间隔中递减，在第二时间间隔中渐进。渐进或者递减的弹簧特性通常产生不利的非线性传输特性。对于mems设备的操作而言，可以在对应弹簧特性曲线处选择诸如a、b、c或者d的操作点，可变形元件在特定最大振幅或者动态范围内在其周围执行其移动。这将应用于例如在操作点a处的相对较大动态范围。在操作点b处，用于线性操作的可能动态范围受弹簧特性曲线的渐进或者递减过程的开始限制。选择操作点c或者d产生具有高灵敏度的mems设备，即，弹簧特性曲线在此处尤其陡峭。此增加中的变化在此处具有更高定量的级别，且因此对动态范围具有负效应。

图2示出基于双电极原理的mems设备。根据双电极原理的电容式操作的mems设备包括至少一个可变形或者可移动元件，即经配置作为电极且其弹簧特性曲线在图1中说明的所谓的转换器或者梭子1810，以及另一固定反电极，即所谓的定子1820。当施加电压1830时，电极之间所产生的静电引力将转换器1810朝向定子1820拉动。引力与施加电压1830的符号无关。当作为传感器使用时，当转换器1810受机械影响时，该设备改变其电容。在此情况下，电容变化被用于产生输出信号。

图3示出根据如图2中所说明的双电极原理的mems设备的电信号强度或者电压与机械变形或者偏转之间的典型关系。为了根据双电极原理操作电容式mems设备，通过施加偏压udc来选择操作点(例如a、b或者c)。就作为致动器使用的弯曲换能器而言，可以在此偏压上迭加信号电压uac。就作为传感器使用的弯曲换能器而言，机械动作可以实现移动且在操作点周围产生对应信号电压。偏压与信号电压的绝对总和不应超出临界电压量，即所谓的拉入电压upull-in。此临界电压值由以下事实定义：对于高于此限制的电压而言，预期功能所需的机械力和电力的平衡是不稳定的且因此不相关。

操作点a要求偏压等于零。尽管如图1中所说明的弹簧特性曲线在此操作点处实际上是线性的，但信号电压在不考虑其符号的情况下仅在一个方向上产生移动且因此引起强非线性传输行为(诸如频率加倍)，或者操作点的动态引起的偏移。

操作点b使得可变形元件的移动方向的变化能够随着信号电压的符号变化而变化。所分配的弹簧特性曲线的过程也使得具有所选择的偏压的线性传输行为能够变得足够小；然而，线性操作中的最大可能偏转或者动态范围严重受到具有负信号电压的低最大可能偏转的限制。

操作点c使得可变形元件的移动方向的变化能够随着信号电压的符号变化而变化，且允许基本上大的动态范围。然而，在操作点附近，相关联的弹簧特性曲线以及偏转电压特性两者是强非线性的。

因此，与设计相关的非线性对于双电极原理是特性的。这意味着通过所述设备按预期执行的机械移动并未按比例遵循电输入信号。此非线性本质上仅可以通过施加时间恒定偏压作为操作点，结合机械移动的最大可以容许振幅的不利限制条件，在较窄限制内缩减。另一问题是：与通过增加恒定电偏压或者操作点的输入信号的变化相比，所述设备的有利灵敏度增加对线性具有不利影响。所提及的装置的另一问题是：此处给定的非线性产生偶次谐波，其结果是通过设备根据其预期目的执行的机械振动的零点的几何位置动态地偏移。当根据双电极原理使用电容式mems设备作为传感器时，此情况的区别也适用类似的情况。

另外，存在基于三电极原理的电容式mems设备。图4a以及图4b说明基于三电极原理或者推拉原理的mems设备，其具有至少一个可移动或者可变形元件或者转换器2010以及一个静止元件或者定子2020。三电极配置通过固定偏压ub操作以及使用可变化信号电压us额外操作。电极配置允许电控制件2030以此方式使得转换器2010可以通过所得静电力经由相对于定子2020在两个相反方向上偏转。为了实现这一目的，定子2020以及转换器2010设置有总共至少三个具有不同功能的电极。三电极原理以其对称设计最低限度地改善线性行为，但具有诸如拉入风险的缺点以及低性能方面的缺点。

图5示出就对称控制而言用于基于如图4a以及4b中所说明的三电极原理的mems设备的电信号强度或者电压与机械变形或者偏转之间的典型关系。在对称控制的情况下，转换器的静止位置(即，在信号电压为零处)与电偏压无关。在工作点处，可变形元件机械地位于静止位置，即，不变形。这意味着弹簧特性曲线、以及在操作点处并且针对最大动态范围的偏转与信号电压之间的关系的特性这两者都是线性的。

在下文中，弯曲换能器和弯曲换能器系统的基础结构以及它们的基础操作模式将基于示意性图示进行描述。

图6示出两侧上附接有活性层或者mems换能器141b和142b的可变形或者可偏转元件1300的示意性透视图。当将第一电信号施加至mems换能器141b时，可偏转元件1300在第一方向161b上偏转。类似地，当将第二电信号施加至mems换能器142b时，可偏转元件1300在与第一方向相反的第二方向162b上偏转。

可偏转元件的传输特性的改善线性可以通过可变形元件1300的对称配置、以及与对称电控制相结合的在可变形元件1300上的双压电芯片结构141b、142b的对称配置和对称布置来实现。

图7a中示出用于对称负载1019的情况的对应实施例1020以及方框图1010。方框图1010由以下三个块组成：对称控制件1013、对称mems换能器1016以及对称负载1019。实施例1020说明具有对称mems换能器1016a、1016b的对称可偏转元件110n以及由两个级联网络回路组成的对称控制件1013a。对称应被配置为使得总系统(由控制件、mems换能器以及负载组成)的传输特性遵守对称原理，即，如果信号电压的符号为反向，则可变形元件的偏转本质上是相同量，但具有相反的符号结果。

这种对称导致机械偶次谐波的抑制。对于本文所考虑的静电换能器而言，三次谐波的振幅始终小于二次谐波的振幅。因此，对称也减小三次谐波的振幅。总体而言，这意味着低谐波失真(thd)，即，显著改善的线性。

图7b示出图7a中所示出的实施例的传输特性。对于实际操作而言，所示出的曲线的虚线分支是相关的。因此对称的原理通过此实施例实现。

对称控制件1013a使用图8中显示的抽象化原理。图7a中的控制件1013a在图8中被图示为两个回路：回路i、回路ii。回路i耦接至第一mems换能器1016a或者双压电芯片i，且回路ii耦接至第二mems换能器1016b或者双压电芯片ii。回路i及回路ii的第一及第二电信号分别地具有具备偏压u01或者u02以及信号电压usignal1或者usignal2的级联网络回路。在对称的情况下，回路i及回路ii的偏压u01及u02分别地相等，且回路i及回路ii的信号电压usignal1及usignal2的量分别地相等，但使用相反的符号操作。

以下示例使用上述发现以及考虑且能够提供具有低电压要求及高性能的传输特性的经改善线性。

图9示出作为致动器操作的弯曲换能器。用附图标号100示出相同弯曲换能器。如在图6中更详细地说明，弯曲换能器100包括可偏转元件110，以及使用在图8中所显示的原理的电控制件120。可偏转元件110包括与可偏转元件110的质心纤维130间隔开且沿着质心纤维130延伸的第一mems换能器141，以及与质心纤维130间隔开且沿着质心纤维130延伸的第二mems换能器142。质心纤维130定义可偏转元件110在横向于纵向方向x的切割平面中具有质心的所有点。换言之，质心纤维定义构件中的路径，所述路径由可偏转元件的多个连续横截面积的质心所产生的数个点组成或者连接。另外，示例190及191示出在相反方向上与质心纤维130间隔开的两个纤维。当将电压us1的第一电信号(在图9的示例中)施加至mems换能器141时，可偏转元件110在第一方向161上偏转。类似地，当将第二电信号(此处也图示为电压us2)施加至mems换能器142时，可偏转元件110在与第一方向相反的第二方向162上偏转。换言之，mems换能器141在被激活时，通过施加电压，通过在方向161上位于质心纤维130前部的组件110的纤维190的横向应变、以及在方向161上位于质心纤维130后部的纤维191的同时收缩，导致方向161上的偏转。这是通过在稍后描述的第一时间间隔内的控制中的相移发生的。在第二时间间隔内，另一mems换能器(即142)在被激活时，通过施加电压，通过纤维191的横向应变以及纤维190的收缩，导致元件110在方向162上的偏转。此处，作为示例，示出一旦将对应信号施加至各个mems换能器141、142便发生应变的情况，但其他情形也是可能的。如图9中所示，根据本申请的实施例，第一mems换能器141及第二mems换能器142每个可以被设计为沿着可偏转元件130的纵向方向x分段的板电容器。各个板电容器141、142的电极151至154在区段边界170处的区段169之间固定为彼此绝缘的。可以在提供位于各个板电容器141、142的电极151至154之间的间隔物层，且所述间隔物层被横向地构造以在区段边界170处形成间隔物，其将各个mems换能器的电极互相固定。如果在电极151与电极152之间或者在电极153与电极154之间施加电压，则产生应变或者替代地(在区段的特定配置情况下)收缩且因此产生所描述的偏转。可以在wo2012095185发现其他细节。

电控制件120被适配为根据输入信号ue改变第一电信号us1及第二电信号us2，使得第一电信号us1的变化及第二电信号us2的变化取决于电输入信号ue，且第一电信号us1及第二电信号us2的相位相对于彼此偏移，诸如按180°反相或者按0.001°至240°之间(包括两端)或者在60°至200°之间的相移而被相位偏移。

通过可变形元件110的对称配置的使得例如质心纤维130形成其对称面的可能性，以及通过如关于图7a中所图示的对称控制，在与对称电控制件相互作用的情况下，在高线性的同时实现高效率是可能的。在下文中，描述将进一步改善这一目的的实现的措施。

图10示出具有如6图中所示的可偏转元件110a的作为传感器操作的弯曲换能器300，以及使用在图8中所呈现的原理的电路320。能够与图9中的作为致动器使用的弯曲换能器100的可偏转元件110类似地来构建弯曲换能器300的可偏转元件110a，这是参考图9的描述以及使用相同附图标号的原因。可偏转元件110a的变形可以通过第一或者第二电信号(此处再次图示为电压us1、us2)在第一mems换能器141a或者第二mems换能器142a处确定。在mems换能器141a、142a被配置为板电容器的情况下，产生例如在相同的电极处作为电压的信号。电路320被配置为从第一电信号us1以及第二电信号us2产生输出信号uout，使得输出信号uout的变化取决于第一电信号us1的变化与第二电信号us2的变化的差异。如在图9中，可变形元件110的对称配置的这种使得例如质心纤维130形成其对称面的可能性、以及如关于图7a中所示的对称电预连接1013a，可在实现高线性的同时实现高性能。在下文中，也在将弯曲换能器操作作为传感器的当前情形中描述改善这一目的的实现的措施。

尽管在以下描述中并未特定地指出这一点，但是应提及的是，可偏转元件110或者110a可以是悬臂式元件(例如悬臂式梁)，其在沿着前述分段方向x的可偏转元件的一个末端处具有夹持。在附图中，所述夹持有时通过左侧的影线指示。

当按预期使用时，弯曲换能器的可变形元件110、110a经受外部力或者外部负载，诸如由于自身重量或者在微型泵中活塞移动的情形中，所述外部力或者外部负载可能与相对于可变形元件的移动方向不对称。图11示出具有不对称负载1130的对称总系统1100的方框图。对称总系统1100的方框图包括以下三个块：具有经适配对称的控制件1110、具有经适配对称的可变形元件1120以及不对称负载1130。

由公开于图9中的控制件120、可变形元件110、110a以及负载组成的总系统的必要对称可以通过换能器配置的特定适配和/或其电控制对于不对称负载1130的适配来实现。如在图7a中所指示的，总系统的各个部分的对称是不必要的。弯曲换能器的对称可以通过适配于不对称负载1130(图11)的弯曲换能器的不对称双压电芯片结构来实现，即，例如图9及图10中的元件110、110a的对称。除其他之外，双压电芯片结构141、141a、142、142a的对称适配可以通过改变可变形元件110、110a的对称线的两侧之间的电极厚度或者电极间距来实现。图22中公开了这一点的示例。然而，对称适配也可以通过以下方式发生：适配控制件120或者电路320(图10)，例如通过在分配至mems换能器141、141a、142、142a的控制件的回路i或者回路ii或者各个部分中引入补偿电阻抗。最终，可变形元件110、110a的有效弹簧刚度k'相对于其机械弹簧刚度k随着固定电压u0的电平而变化。

因此，该系统可以通过在回路i以及回路ii中选择不同固定电压u01及u02而被适配于不对称负载1130，即，通过在图9的情形中由控制件120将不同偏压施加至mems换能器单元141及142、或者在图10的情形中由电路320提供不同偏压。用于在控制件及可偏转元件110、110a的级别处进行对称适配的测量可以被配置为使得总系统的对称原理在实际相关限度内实现。

换言之，在图9及图10中，电路320及控制件120可以分别地被配置为使用不同偏压操作mems换能器141/141a和/或mems换能器142/142a，从而补偿负载的不对称以便补偿可偏转元件110/110a上的不对称负载，所述不对称负载例如由操作造成并且是恒定的。如果，例如，不对称负载导致可偏转元件在方向162上的静止位置中偏转，则使用较高偏压来操作导致相反方向上的偏转的mems换能器。

与图11形成对比，也可以动态地，即在操作期间以交替的负载，通过合适的传感器及反馈系统，实现换能器对称和/或其电控制件120及电路320分别对于不对称负载1130的适配。通过诸如晶体管、操作放大器等有源网络组件、诸如阻抗、电压、电流等相关电网络参数对相应负载情况进行调整。图12示出具有反馈系统1200的对称总系统的方框图。方框图示出三个连续块以及一个反馈系统1240。三个块为：具有经动态适配对称的控制件1210、具有经动态适配对称的可变形元件1220以及不对称负载1230。反馈1240将不对称负载1230链接至可变形元件1220以及链接至控制件1210。

换言之，这可以是如下情形：测量图9及图10中的可偏转元件110/110a上的不对称负载。该测量可以在外部进行且被馈送至控制件120或者馈送至电路320，使得后者对mems换能器141/141a和/或mems换能器142/142a的偏压或者两个偏压之间的差进行相应地调整。也可以通过内部传感器执行不对称负载的测量。控制件120或者电路320可以经由mems换能器141/142的机械至电转换，自己检测可偏转元件上的不对称负载。

一个重要方面是，通过偶次谐波的对称诱发的抑制，可以防止静止位置或者操作点的动态引起的偏移。这样的操作点的动态偏移原本会在作为致动器或者传感器使用时取决于输入信号或者刺激物的光谱组成而改变系统特性，并且因此是特别不利的。

通过增加系统的线性，也抑制副谐波共振的发生。副谐波共振通常在用宽带信号控制120作为致动器操作的非线性弯曲换能器100时发生的。它们将技术上可使用的频率范围限制为共振频率的分数，典型地为1/2、1/3、1/5等，因为当控制电子器件120的输出经由频率轴传递时实际上是短路的。副谐波共振通常仅能够不完美地通过主动反馈系统1200减小，因为交叉调制现象也会随着非线性发生。另外，主动反馈系统1200增加系统成本。由于不必要地增加系统阻尼或者功率耗散而导致的副谐波共振的抑制，降低了驱动效率，并且对于移动应用尤其不利。与之不同，可变形元件的线性化是尤其有利的。

另一方面在于以下发现：可以通过使用控制件120及电路320以及mems换能器141、141a、142、142a的设计改变固定电压u0，来调整灵敏度，即其传递函数的陡度。灵敏度与固定电压u0的平方成比例：

灵敏度∝(u0)²

因此，例如通过增加固定电压u0，可以减小实现最大偏转所需的信号电压usignal的振幅而无任何明显的线性损耗。

这一方面对于使用作为致动器100的弯曲换能器300而言至关重要，这是因为操作所需的电无功功率与信号电压usignal的平方成比例,且可以通过增加偏压u0而大大地减小。

无功功率∝(usignal)²

高无功功率消耗在控制电子器件120中产生高电损耗且在移动应用中与弯曲换能器的使用不兼容。与先前技术相比，诸如电容式致动器、磁性致动器或者压电致动器，这一方面具有明显的优势。

这一方面对于作为传感器的弯曲换能器的使用至关重要，这是因为传感器的灵敏度可以大大地增加，且例如可以显著地提高用此弯曲换能器实现的麦克风的信杂比。

这一方面对于作为致动器以及作为传感器的弯曲换能器的使用至关重要，这是因为通过对信号电压振幅的良好选择，可以显著地降低必要控制电子器件120或者电路320的成本。举例而言，电压<12v的cmos电子器件的生产尤其具成本效益。信号电压<5v符合广泛地用于低成本电子组件的ttl标准。信号电压<1.3v可以通过现代信号处理器的电输出直接地，即无需额外驱动器电路，来进行控制。

可变形元件110、110a的灵敏度，即在零处的传递函数的切线斜率，可以通过设计措施进行改善。此处的决定性因素在于，灵敏度与双压电芯片结构141、141a、142、142a中的可沉积的最大静电能量相对于在最大偏转处在可变形元件110、110a中沉积的弹性变形能量的比率成比例。

这允许通过增加在双压电芯片结构141、141a、142、142a中沉积的最大静电能量和/或通过减少用于最大偏转所需的变形能量，来增加弯曲换能器的灵敏度(在其他相同的情况下)将。因此，能够降低调整某一灵敏度所需的固定电压u0。

可以在双压电芯片结构141、141a、142、142a中沉积的最大静电能量可以通过巧妙地选择的电极几何以及配置来增加。举例而言，如图19c中所示出的呈梳状结构形式的交叉指配置可以配置于电极之间。特定而言，图19c示出mems换能器141(a)的电极151以及152的投射如何互锁，从而增加容量且因此也增加可沉积静电能量。也针对其他mems换能器142/142a示出相同内容。

也有可能的是，在可变形元件110/110a中可沉积的最大弹性能量能够通过巧妙选择的机械设计来减小。

举例而言，根据支撑结构的原理，可以使在偏转期间变形的固体容积最小化。

对于其中可变形元件110、110a为悬臂式梁且其预期移动方向是在晶圆平面中的弯曲换能器100、300，最大梁长度、以及因此最低可能共振频率受到垂直拉入(pull-in)限制。垂直于移动方向的可变形元件110、110a的弹簧刚度对垂直拉入起决定性作用，而移动方向上的弹簧刚度对共振频率起决定性作用。上文所描述的有效弹簧刚度与固定电压u0之间的关系主要适用于移动方向上的弹簧刚度。该发现使得通过相对于机械确定的限度增加固定电压来进一步减小给定可变形元件110、110a的最低可能共振频率成为可能。

可变形元件110、110a的有效弹簧刚度k'可以通过固定电压u0相对于机械弹簧刚度k'来降低：

利用此知识，可以实现电子可变化弯曲换能器100/300或者弯曲换能器系统，其中能够取决于应用情况经由固定电压u0将共振频率或者动态行为调整为共振频率之下。

在下文中，将描述基于若干弯曲换能器的协作的一些实施例。

图13示出包括多个弯曲换能器100a-n的弯曲换能器系统210及分裂电路220。数字n可以是2或者大于2。多个弯曲换能器100a-n中的每一个作为致动器使用，并且如图9中所描述来构建，但在光谱效率及灵敏度方面不同。这能够如下文所描述来实现：在图13中，指示通过可偏转元件的相互不同的尺寸设定来实现相互不同的光谱效率。分裂电路220单独地耦接至弯曲换能器100a-n，且被适配为将总输入信号ue230光谱地分裂成用于多个弯曲换能器100a-n的多个输入信号uea-ued240a-n，以使得每个弯曲换能器100a-n接收其灵敏度和线性针对该部分为高的输入信号230的光谱部分，或者适用于与相应弯曲换能器相关联的频带。分裂电路是可选的，且也可以省略。可以通过使用如图13中所示出的若干100a-n弯曲换能器来增加线性。将100a-n弯曲换能器的机械效应相加以使得所述布置的个体弯曲换能器仅可以在动态范围或者偏转的一部分中操作。具有相当效应的单个弯曲换能器，即仅具有一个可变形元件且具有相同效率的布置，原本需要高度的精度及测量才能实现相同的线性。

图14示出具有多个弯曲换能器300a-n的弯曲换能器系统410及电路420。数字n可以是2或者大于2。其中每一个作为传感器操作的弯曲换能器300a-n以与图10中的弯曲换能器相同的方式构建。电路420耦接至弯曲换能器300a-n以从多个弯曲换能器300a-n的多个输出信号uout,a-uout,n光谱地组成总输出信号uout。如在图13中，弯曲换能器的光谱效率或者灵敏度彼此不同，这如图14所指示的，可以通过以彼此不同的标注尺寸这一事实来实现。由于每个弯曲换能器100a-n是针对其灵敏度及线性为高的特定光谱部分或者频带配置的，因此能够增加线性，由此增加弯曲换能器的效应。具有相当效应的单个弯曲换能器，即仅具有一个可变形元件且具有相同效率的布置，原本需要高度的精度及测量才能实现相同的线性。

图15示出具有多个弯曲换能器730a-n的弯曲换能器系统及用于偏压调整的电路，即720。在图15中以附图标号730a-n指示弯曲换能器，以指示它们)可以作为致动器使用，诸如图13的弯曲换能器100a-n，或者作为传感器操作的弯曲换能器，诸如图14的弯曲换能器300a-n。与图13及图14不同，图15的弯曲换能器730a-n是以如下方式示出的：其尺寸没有差别。然而，改变弯曲换能器730a-n的光谱效率或者灵敏度是可能的。这是通过偏压调整电路720完成。偏压调整电路能够单独地调整用来在弯曲换能器730a-n的可偏转元件中操作mems换能器的前述偏压。此调整从而允许使得弯曲换能器730a-n的光谱效率或者灵敏度个体化，或者使之负责不同频带。举例而言，除了频率分解电路220或者也在图13以及图14的系统中的组合电路400之外，也可以使用偏压调整电路720，以在此处进行弯曲换能器的精细调整。相对而言，图15中也可以提供电路220/420。

提供可以作为传感器或者致动器操作的弯曲换能器是可能的。图16示出此弯曲换能器840。可以作为传感器和/或作为致动器操作的弯曲换能器840设置有电路820，所述电路820被配置为将弯曲换能器840操作作为传感器和/或作为致动器。弯曲换能器包括与图9中的可偏转元件110和/或图10中的可偏转元件110a构造相似的可偏转元件110b，以及被配置为取决于输入信号uin来改变第一电信号us1或者第二电信号us2的电路830，或者以从第一电信号us1以及从第二电信号us2产生输出信号uout。电路820与电路830耦接且被配置为操作弯曲换能器840作为传感器和/或作为致动器。

即使是那些尚未对它们作为致动器或者传感器的使用进行定义的弯曲换能器，如在图16中代表性地描述的弯曲换能器，也能够被组合为一个系统。图17示出这种系统。

图17示出弯曲换能器系统910及电路920。弯曲换能器系统包括多个弯曲换能器840a-n。弯曲换能器840a-n可以与图16中的弯曲换能器840构造相似且可以作为致动器和/或传感器来操作。电路920单独地耦接至弯曲换能器，且被配置为使得选择弯曲换能器的总量的第一部分作为致动器以及选择弯曲换能器的总量的第二部分作为传感器，其中所述子集是依据控制信号s来分配的。换言之，电路920向图16的电路830发出命令，以接管作为控制电路的功能或者作为电气电路的功能。

如上文已提及，所显示的由若干弯曲换能器组成的系统能够实现改善的线性。对若干弯曲换能器进行使用，使得其机械效应相加，从而各个布置或者系统的个体弯曲换能器例如仅需在系统的总动态范围的小部分内进行操作。布置仅一个可变形元件且具有相同功能的几何相当的致动器原本是需要更高精度和更多测量的。

将在下文描述弯曲换能器及可偏转元件的其他实施例。

在图18a-d中基于悬臂式梁再次示出基于弯曲换能器且作为致动器操作的设备的结构。在导电梁1201的两侧上应用绝缘分隔层170'以及导电材料151和154。举例而言，绝缘分隔层170'可以通过牺牲层技术横向地构造以使得薄空腔1304及1404形成在区段169中的每一个的电极1201与151之间或者电极1201与154之间，其中可偏转元件沿着纵向方向x分段，且绝缘间隔物170在区段边界处保持。空腔具有介电牺牲层的厚度且因此定义电容器的板间距。如果在电极1201与151之间或者在电极1201与154之间施加电压，则在静电场的y方向上的力导致x方向上的梁的表面上的横向应变。由于表面应变，因此梁1201偏转。如果使用规则横向几何形状，则表面应变近似恒定且形成球形变形轮廓。

以此方式制作电线使得将电dc电压ub施加至外部电极151及154，且将ac信号电压us，诸如音频信号，施加至中间电极或者梁。外部电极151及154被提供电偏压。ac信号电压us的振幅与电偏压ub相等或者优选为小于电偏压ub。系统中的最高电势必须以经济合理的方式进行选择且可以符合可以适用指令及标准。由于外部电极的电偏压，梁的曲率遵循信号ac电压us。ac信号电压us的正半波导致梁1201在负y方向上弯曲。负半波导致梁1201在正y方向上弯曲。图18a-d示出电接触的其他变型。

图18a示出被提供电dc电压的各个外部电极，但相较于图18b具有相反电位。

图18c及图18d示出具有内部电极的电偏压的变型。信号电压施加至外部电极。

不是电性施加至外部或者内部电极的偏压，代之以可以是作为驻极体(例如二氧化硅)的外部或者内部电极的永久性极化。可以使用电流源代替先前附图中示出的电压源。

图19a-c示出可偏转元件的其他实施例或者mems换能器的电极的替代构形，其中为清楚起见未示出控制件。继续应用图18a-c的附图标号及基础描述。

图18a-d说明待弯曲的组件或者gro或者载体1201自身可以充当电极。图19a示出可能的配置，根据所述配置代替地将各个板电容器的单独的近端电极直接提供在面朝板电容器的支撑件1201的表面或者上部以及下部侧面上。此处，152及153是内部或者近端电极，以及151及154是外部或者远程电极。

电极的表面构形可以如图19b中所示意性示出进行构造。另外，不同形状的电极(例如穹状电极)是可能的。为了进一步增加电容器区域以及因此可沉积静电能量，梳状电极(如图19c中所示出)是可能的。

待弯曲的组件(例如梁)可以是悬臂式或者夹持在两侧上。

图20a-c以及21a-b示出可偏转元件的其他可能实施例。这些附图中的每一个中示出半区段169。另一半可以每个对称地限定形状。弯曲换能器或者可偏转元件由例如在纵向方向x上以连续方式形成的偶数区段169组成。在图示中仅示出表面形貌，而未示出电极与绝缘分隔层之间的区别。

特别地，图20a示出以下情形：每个区段169被形成为使得经由质心纤维130彼此相对的两个电极151和154的电极151和154每一个通过质心纤维130而向前凸出(bulgedforward)，空间1304及1404分别将电极151和154与其他电极152和153分隔开，在质心纤维130的方向上具有近似恒定的厚度。换言之，区段169中的内部电极152及153也远离质心纤维130弯曲。在图21a的情形中，内部电极152与内部电极153之间的可偏转元件为整体地连接，即，没有空腔。图21b示出图21a的实施例的修改，其中空腔1500形成于电极152与电极153之间。图21c示出变型，其中内部电极152及153没有从质心纤维130朝外凸出，而是保持与在质心纤维130平行，使得将这些电极152、153从相应远程电极151/154分隔开的空腔1304/1404在纵向方向x上具有变化的厚度，尤其是从区段边界170朝向区段的中心增加。

图20a-c示出其中远程电极151及154为多层的配置。这意味着在图20a及20b的配置中，每个区段中的可偏转元件被以如下方式配置：在远离质心纤维130的两个方向上都在区段边界170之间凸出，即，朝向区段的中心变得更厚，使得近端电极151及152也相应地凸出。根据近端电极152及153，形成电极151的两个层1601、1602、以及形成电极151的电极层1603以及1604分别地背对质心纤维130在近端电极152及153的侧面上延伸。分别在电极对1601和1602以及1603和1604之间，再次形成沿着纵向方向x的厚度恒定的空腔。一方面的层1601至1602与另一方面的1603及1604可以被提供相同的电位。替代地，有可能的是将每个mems换能器修改为配备有三个电极152、1601和1602或者153、1603和1604。图20c表示在成对的层1601和1602或者1603和1604之间的空腔可具有沿着纵向方向x变化的厚度，即在区段的中心处最大。

图21a及图21b示出图19c的配置的修改，其不同之处在于每个区段中的远程电极151及154是分别凹面地或者凸面地凸出，即，在根据图21a的凸面情形中，在区段的中心最凸出，而在图21b的情形中，在最接近近端电极152及153处凸出，同时电极151至154的投影分别地以梳状方式彼此啮合或者投影到彼此中。

与到目前为止所示出的表面构形相比，图20a至图21b示出的表面构形允许待沉积的能量的更大量且因此允许致动器的更大偏转。特定而言，根据图20a-c的远程电极的双电极结构以及具备电极的交叉指设计的远程电极的凹凸弯曲配置可实现相对于高量可沉积能量的优势，以及同时相对于适用于材料的拓扑结构的优势，以便实现最大可能的偏转。

图22公开不对称致动器100或者具有不对称配置的可偏转元件110的弯曲换能器100的实施例，其为悬臂式。第一mems换能器的电极151及152比141第二mems换能器142的电极153及154更厚。这也增加了电极151与电极152之间的距离。有利地，不对称结构导致致动器的不对称效应。图22因此图示可用于补偿外部不对称的结构不对称的可能性。

因此，上述实施例使得设计在广泛动态以及频率范围中尤其线性地操作的本土换能器成为可能。根据实施例，仅需要适度的电压。同时，其具有高性能电平。

上述实施例仅说明本公开内容的原理。应理解，对本文中所描述的配置以及细节的修改以及变化将对于本领域技术人员是清楚明白的。因此，本发明意欲仅受随附专利权利要求的范畴的限制，且不受通过说明书以及本文对于实施例的解释而呈现的具体细节的限制。