专利名称：用于压电装置的接口电子设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及压电装置和方法，尤其涉及优化压电装置的性能和可靠性的方法和接口电子电路。
背景技术：
压电材料用于各种传感器和致动器中。压电材料将机械能转换成电能，反之亦然。例如，如果施压到压电晶体上，比例地生成电信号，从而形成传感器功能。响应于作用力或压力的电信号生成被称作“初级压电效应”。类似地，如果将电信号施加到压电晶体上，它将如致动器比例地扩展。响应于施加的电信号的几何变形(膨胀或收缩)被成为“次级压电效应”。不管用作传感器还是致动器，导电电极分别被适当地置于压电晶体上用于分别采集或施加电信号。因此，压电传感器或致动器名义上包括a)一部分压电材料，和b)导电电极，它们被适当地安排以便在压电材料和电子电路之间转移电能。
许多压电材料经受称作“极性调整(poling)”的过程以对准分子和激活压电性能。极性调整通常包括施加大电场，有时伴随有高温。在极性调整后，根据初级或次级压电效应可以使用压电材料构成传感器或致动器。
压电材料已用于形成各种简单的传感器和致动器。传感器的实例包括振动传感器、麦克风和超声传感器。致动器实例包括超声发送器和线性定位装置。但是，在多数这些实例中，以粗糙的方式加工和装配大块压电材料以实现低复杂性的装置。
经过各种机械装置随时间的过去压电材料的属性会劣化。压电材料趋于“疲劳”。疲劳随重复的机械加载产生，其间极性调整时建立的分子对准变得劣化。其次，压电材料还“老化”。老化是分子对准的自然松弛，它在压电材料中随时间的过去而产生，从而进一步劣化压电属性。最后，如果的电场施加与原始极性调整场相反，则“去极性调整(depoling)”会出现于压电材料中。如同其名称所暗示的，去极性调整场趋于部分颠倒分子对准的方向，劣化压电属性。在大块压电材料上再次进行极性调整过程是非常昂贵或不可能的。因此，利用由大块压电材料构成的传感器和致动器的应用需要严格限制以防止或降低压电属性劣化的程度。
与常规的大块压电材料不同，薄膜压电体可集成于半导体过程中以形成具有改良功能和性能的传感器。薄膜压电材料的厚度通常小于约10微米。尽管薄膜压电体具有优点，疲劳、老化和去极性调整的效果还是会出现。在某些情况中，采用薄膜压电材料，劣化机制甚至会被扩大。
因此，需要专门的电子器件和方法，用于与压电装置对接，特别在薄膜形式中。
发明内容
为了解决以上和其它问题，本发明提供了一种通过在操作中施加适当的电场偏压而改善压电装置属性的方法。本发明进一步提供特殊电子电路，它同时将电场偏压施加到压电传感器上并提取由压电传感器形成的电信号。本发明进一步提供特定电子电路，它同时将电场偏压施加到压电致动器上并将致动电信号施加到致动器上。将电场偏压施加到压电装置上能在压电材料内形成静电场。对静电场加以定向以加强压电材料内的极化方向，从而减小疲劳、老化和去极化调整的影响同时增加机电效率。因此，本发明改善了压电装置的总性能和可靠性。
将电场偏压施加到压电装置上提供了以下关键优点响应-电场偏压的施加使得压电装置内的分子极化最大化，从而使得材料呈现的压电效应和机电效率最大化。
可靠性-采用适当施加的电场偏压，压电装置的属性在较长时间段内更可靠。减小疲劳、老化和去极性调整的影响。
精度-偏压的施加维持压电装置内的极化程度，避免压电材料中随时间自然出现的劣化。因此，压电装置的响应在时间上和在更宽的温度范围上更加稳定。
成本-由于属性随时间劣化，常规压电装置必需频繁地重新校准。可以减少或消除将部件送出进行校准的时间和开支。
以上优点是本发明固有的并使得提升整个装置和系统性能的新颖配置和独特特点成为可能。
通过以下详细描述将使本发明的这些和其它特点和优点为本领域熟练技术人员显而易见，其中示出并描述了本发明的说明性实施例，包括实施本发明的最佳模式。如可以实现的，本发明能在各个明显方面进行修改，而不背离本发明的精神和范围。因此，附图和详细描述被认为是说明性而非限制性的。
附图概述
图1是压电传感器的常规设置的电路示意图。
图2是根据本发明原理的单端压电传感器的一个实施例的电路示意图。
图3是根据本发明原理的单端压电传感器的另一个实施例的电路示意图。
图4是根据本发明原理的差分压电传感器的一个实施例的电路示意图。
图5是根据本发明原理的单端压电传感器的较佳实施例的电路示意图。
图6是根据本发明原理的单端压电传感器的另一个较佳实施例的电路示意图。
图7是根据本发明原理的单端压电传感器的再一个较佳实施例的电路示意图。
图8是根据本发明原理的单端压电传感器的又一个较佳实施例的电路示意图。
图9是根据本发明原理的差分压电传感器的较佳实施例的电路示意图。
图10是压电致动器装置的常规配置的电路示意图。
图11是根据本发明原理的压电致动器的一个实施例的电路示意图。
图12是根据本发明原理的压电致动器的另一个实施例的电路示意图。
具体实施例方式
本发明提供了一种用于改善使用压电材料的传感器和致动器性能的方法，其中将电场偏压施加到压电材料上。本发明还提供了用于在保持压电装置的所需操作的同时施加电场偏压的多个电路实施例。压电传感器的常规配置如图1所示并包括压电传感器元件1’和电子信号放大器3’之间的直接连接。压电传感器元件1’响应于诸如力、加速度或压力的物理刺激生成第一压电信号。第一压电信号连接于电路端子5’和7’之间。电路端子5’和7’也连接到生成电子信号输出9’的电子信号放大器3’的输入端子。电子信号放大器3’可生成电子信号输出9’，它与连接到电路端子5’和7’的输入处的电压差成比例。这样，电子信号输出9’与第一压电信号成比例。
图2说明了根据本发明原理的单端压电传感器的一个实施例。图2中，压电传感器元件1连接到电子信号放大器3且进一步连接到电场偏压发生器11。类似于图1的配置，压电传感器元件1响应于诸如力、加速度或压力的物理刺激生成第一压电信号，且电子信号放大器3按比例生成电子信号输出9。根据本发明，在正常操作中，电场偏压发生器11将电场偏压信号施加到压电传感器元件1以减小疲劳、老化和去极性调整的影响同时增加机电效率。
图3中示出了根据本发明原理的单端压电传感器的另一个实施例。图3中，压电传感器元件25被分配为等效电路元件，包括等效压电传感器电容15和压电信号17。压电信号17通过压电传感器元件25响应于诸如力、加速度或压力的物理刺激而生成。通过将压电传感器元件25经过偏压电阻器21连接到偏压19实现图3中的电场偏压发生器。其结果是，在较长时间段内，第一电路端子13处的平均偏压等于偏压19。在更短的时间段内，第一电路端子13处的偏压等于压电传感器元件25生成的压电信号17。
同样如图3所示，偏压19还连接到第二电路端子23。电子信号放大器3的输入连接到第一电路端子13和第二电路端子23。电子信号放大器3生成与第一电路端子13和第二电路端子23之间的电压差成比例的电信号输出9。
图3中，根据应用需要，设定偏压电阻器21的值。例如，如果应用需要在电信号输出9处出现频率超过1000Hz(1000周秒)的物理刺激且压电传感器电容15是330皮法，则偏压电阻器21将被选为大于约480000欧姆。如果所需的频率响应更低，则偏压电阻器21必需更大，且如果所需的频率响应更高，则偏压电阻器21可以更小。总之，协同压电传感器电容15的偏压电阻器21的值确定频率范围，在该频率范围上电信号输出9与电信号17成比例。
图4示出了根据本发明原理的差分压电传感器的一个实施例。图4中，第一压电传感器元件25被分配为等效电路元件，包括等效压电传感器电容15和第一压电信号17。第二压电传感器元件27被分配成等效电路元件，包括等效压电传感器电容35和第二压电信号37。第一压电信号17通过第一压电传感器元件25响应于诸如力、加速度或压力的物理刺激而生成。同样，第二压电信号37通过第二压电元件27响应于诸如力、加速度或压力的物理刺激而生成。通过将第一和第二压电传感器元件25和27经过偏压电阻器31和33连接到偏压19实现图4中的电场偏压发生器。其结果是，在较长的时间段内，第一电路端子13和第二电路端子29处的平均偏压等于偏压19。在更短的时间段内，第一电路端子13处的偏压等于第一压电传感器元件25生成的第一压电信号17。同样，在更短的时间段内，第二电路端子29处的偏压等于第二压电传感器元件27生成的第二压电信号37。电子信号放大器3的输入连接到第一电路端子13和第二电路端子29。电子信号放大器3生成与第一电路端子13和第二电路端子29之间的电压差成比例的电信号输出9。
图4中，根据应用需要设定偏压电阻器31和33的值。例如，如果应用需要在电信号输出9处出现频率超过1000Hz(1000周秒)的物理刺激且压电传感器电容15和35各自是330皮法，则偏压电阻器31和33将分别被选为大于约480000欧姆。如果所需的频率响应更低，则偏压电阻器31和33必需大于约480000欧姆；且如果所需的频率响应更高，则偏压电阻器31和33可以小于约480000欧姆。总之，协同压电传感器电容15和35的偏压电阻器31和33的值确定频率范围，在该频率范围上电信号输出9与第一压电信号17以及第二压电信号37之间的差成比例。
图5示出了单端压电传感器的本发明的较佳实施例。图5中，压电传感器元件25被分配成等效电路元件，包括压电传感器电容15和压电信号17。压电信号17通过压电传感器元件25响应于诸如力、加速度或压力的物理刺激而生成。通过将压电传感器元件25连接到运算放大器43的输入以及包含反馈电容器47和反馈电阻器45的反馈网络实现图5中的电场偏压发生器。偏压19连接到运算放大器43的第二输入。在正常操作期间，电路端子39和41处的运算放大器43的两个输入处于近似相等的电压电平。可以理解，运算放大器43的细节可由本领域熟练技术人员理解。运算放大器43协同反馈电容器47和反馈电阻器45形成电荷放大器，它生成与压电信号17成比例的电信号输出49。电信号输出49和压电信号17之间的比例常数近似等于等效压电传感器电容15和反馈电容器47的值之比。电荷放大器的频率响应由反馈电容器47和反馈电阻器45的电极(pole)确定。在较长的时间段内，平均电信号输出49等于偏压19。在更短的时间段内，电信号输出49与压电传感器元件25生成的压电信号17成比例。
图6示出了单端压电传感器的本发明的另一个较佳实施例。图6中，压电传感器元件25被分配为等效电路元件，包括压电传感器电容15和第一压电信号17。压电信号17通过压电传感器元件25响应于诸如力、加速度或压力的物理刺激而生成。通过将电路端子41处的压电传感器元件25连接到运算放大器43的输入和包含反馈电容器47和反馈电阻器45的反馈网络实现图6中的电场偏压发生器。压电传感器元件25进一步连接到偏压19，同时运算放大器43的第二输入连接到电路端子7处的参考电压。在正常操作期间，电路端子7和41处的运算放大器43的两个输入处于近似相等的电压电平。可以理解，运算放大器43的细节是本领域熟练技术人员可以理解的。运算放大器43协同反馈电容器47和反馈电阻器45形成电荷放大器，它生成与压电信号17成比例的电信号输出49。电信号输出49和压电信号17之间的比例常数约等于等效压电传感器电容15和反馈电容器47的值之比。电荷放大器的频率响应通过反馈电容器47和反馈电阻器45的电极确定。在较长的时间段内，平均电输出信号49等于电路端子7处的参考电压。在更短的时间段内，电信号输出49与压电传感器元件25生成的压电信号17成比例。
现有许多方法来实现与图6所示的电路配置一致的信号放大器。图7示出了单端压电传感器的本发明的又一个较佳实施例。图7中，图6中的反馈电阻器45由场效应晶体管51替代。图7中，压电传感器元件25被分配成等效电路元件，包括压电传感器电容15和压电信号17。压电信号17由压电传感器元件25响应于诸如力、加速度或压力的物理刺激而生成。通过将电路端子41处的压电传感器元件25连接到运算放大器43的输入和包含反馈电容器47和反馈晶体管51的反馈网络实现图7中的电场偏压发生器。压电传感器元件25进一步连接到偏压19，同时运算放大器43的第二输入连接到电路端子7处的参考电压。正常操作期间，电路端子7和41处的运算放大器43的两个输入近似处于相同的电压电平。可以理解，运算放大器43的细节是本领域熟练技术人员所理解的。运算放大器43协同反馈电容器47和反馈晶体管51形成电荷放大器，它生成与压电信号17成比例的电信号输出49。电信号输出49和压电信号17之间的比例常数约等于等效压电传感器电容15和反馈电容器47的值之比。电荷放大器的频率响应由反馈电容器47和反馈晶体管51的电极确定。在较长时间段内，平均电信号输出49等于电路端子7处的参考电压。在更短的时间段内，电信号输出49与压电传感器元件25生成的压电信号17成比例。
图7中，选择反馈晶体管51并以实现所需频率响应的等效电阻值工作。反馈晶体管51上的控制端子57处的电压设定该等效电阻。生成控制端子57处的电压的一种方法是迫使电流55从电压源61流过偏压晶体管53。偏压晶体管53被配置成使其控制端子59连接到反馈晶体管51的控制端子57。
图8示出了单端压电传感器的本发明的另一个较佳实施例。图8中，图6的反馈电阻器45由包含开关电容器63和开关65、67、69、71的开关电容器网络替代。图8中，压电传感器元件25被分配成等效电路元件，包括压电传感器电容15和压电信号17。压电信号17由压电传感器元件25响应于诸如力、加速度或压力的物理刺激而生成。通过将电路端子41处的压电传感器元件25连接到运算放大器43的输入和包含反馈电容器47和开关电容器网络63、65、67、69和71的反馈网络实现图8中的电场偏压发生器。压电传感器元件25进一步连接到偏压19，同时运算放大器43的第二输入连接到电路端子7处的参考电压。在正常操作期间，电路端子7和41处的运算放大器的两个输入近似处于相同的电压电平。可以理解，运算放大器43的细节是本领域数量技术人员理解的。运算放大器43协同反馈电容器47和开关电容器网络63、65、67、69和71形成电荷放大器，它生成与压电信号17成比例的电信号输出49。电信号输出49和压电信号17之间的比例常数近似等于等效压电传感器电容15和反馈电容器47的值之比。电荷放大器的频率响应由反馈电容器47和开关电容器网络63、65、67、69和71的电极确定。在较长的时间段内，平均电信号输出49等于电路端子7处的参考电压。在更短的时间段内，电信号输出49与压电传感器元件25生成的压电信号17成比例。
图8中，选择开关电容器网络63、65、67、69和71并以实现所需频率响应的等效电阻值工作。开关电容器网络的等效电阻由开关电容器63的值和开关的工作频率确定。可以理解，开关电容器网络的细节是本领域熟练技术人员所了解的且已有几种已知方法可实现该等效电阻器。图8中，开关65和67一致地工作，同时开关69和71一致地工作。当开关65和67打开时，开关69和71闭合。当开关65和67闭合时，开关69和71打开。开关65、67、69和71的打开和闭合以时钟频率连续循环。开关电容器网络63、65、67、69和71的等效电阻由时钟频率和开关电容器63的值确定。以开关电容器63的更低值或更低的时钟频率实现更高的等效电阻。以开关电容器63的更高值或更高的时钟频率实现更低的等效电阻。
图9示出了差分压电传感器的本发明的较佳实施例。图9中，第一压电传感器元件25被分配成等效电路元件，包括等效压电传感器电容15和第一压电信号17。第二压电传感器元件27被分配成等效电路元件，包括等效压电传感器电容35和第二压电信号37。第一压电信号17通过第一压电传感器元件25响应于诸如力、加速度或压力的物理刺激而生成。第二压电信号37通过第二压电传感器元件27响应于诸如力、加速度或压力的物理刺激而生成。通过将电路端子40和42处的压电传感器元件25和27连接到差分运算放大器44的输入实现图9中的电场偏压发生器。差分运算放大器44具有电路端子40处的倒相输入、电路端子42处的非倒相输入、电路端子50处的非倒相输出以及电路端子52处的倒相输出。包含第一反馈电容器47和第一反馈电阻器45的第一反馈网络连接于电路端子50和40之间。包含第二反馈电容器48和第二反馈电阻器46的第二反馈网络连接于电路端子52和42之间。可以理解，差分运算放大器44是本领域熟练技术人员了解的。压电传感器元件25和27进一步连接到偏压19。在正常操作期间，电路端子40和42处的差分运算放大器44的两个输入近似处于与端子7处的参考电压电平相同的电压电平。运算放大器44协同反馈电容器47和48以及反馈电阻器45和46形成差分电荷放大器，其生成与第一压电信号17和第二压电信号37之差成比例的电路端子50和52之间的差分信号输出。端子50和52处的差分信号输出与第一压电信号17和第二压电信号37之差之间的比例常数近似等于等效压电传感器电容15和35与反馈电容器47和48的值之比。电荷放大器的频率响应由反馈电容器47和48以及反馈电阻器45和46的电极决定。在较长的时间段内，端子50和52处的平均电输出信号等于电路端子7处的参考电压。在更短的时间段内，端子50和52之间的差分电信号输出与第一压电传感器元件25生成的第一压电信号17与第二压电传感器元件27生成的第二压电信号37之差成比例。
可以理解，图9中的反馈电阻器45和46可由其它电路部件替代，诸如场效应晶体管或开关电容器网络，以实现相似效果。
压电致动器的常规配置在图10中示出并包括压电致动器元件91’和电子驱动信号发生器73’之间的直接连接。压电致动器元件91’响应于端子75’处的电子驱动信号产生物理运动。
图11说明了根据本发明原理的压电致动器的一个实施例。压电致动器包括压电致动器元件91，它连接到电子驱动信号发生器73并进一步连接到偏压19。压电致动器元件91响应于端子75处由驱动信号发生器73生成的电子驱动信号产生物理运动。偏压19的存在维持了压电致动器元件91的压电材料中的电场偏压以减小疲劳、老化和去极性调整的影响同时增加机电效率。
图12示出了根据本发明原理的压电致动器的可选实施例。图12中，压电致动器元件91连接到端子81处的信号求和电路77和参考端子7。电子驱动信号发生器73在端子75处生成驱动信号，端子75还连接到信号求和电路77的第一输入。偏压19在端子79处连接到信号求和电路77的第二输入。信号求和电路77在端子81处生成电信号输出，它是端子75和79处的信号输入之和。压电致动器元件91响应于端子75处由驱动信号发生器73生成的电子驱动信号产生物理运动。偏压19的存在维持压电致动器元件91的压电材料中的电场偏压以减小疲劳、老化和去极性调整的影响同时提升机电效率。
通过以上的描述和附图，本领域的普通技术人员可以理解，所示和所述的特殊实施例仅用于说明而非旨在限制本发明的范围。本领域的普通技术人员可以了解，本发明体现于其它特定形式而不背离其精神或基本特征。特殊实施例的细节参照并非旨在限制本发明的范围。
权利要求
1.一种能减小压电材料效应的压电装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤将电场偏压连接到压电装置；以及在压电装置的操作期间，将电场偏压施加到压电装置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，压电装置是压电传感器元件，且施加电场偏压的步骤包括将偏压经过电路阻抗部件连接到压电传感器元件。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，压电装置是压电致动器元件，且施加电场偏压的步骤包括将偏压添加到电致动信号上。
4.一种用于放大压电传感器的电压输出的电路，其特征在于，包括电压放大器，用于生成与压电传感器的电压输出成比例的电信号输出；以及偏压网络，它将电场偏压施加到压电传感器上。
5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，偏压网络由连接到偏压的电路阻抗部件构成。
6.一种用于放大多个压电传感器的电压输出的电路，其特征在于，包括电压放大器，用于生成与这多个压电传感器的电压输出之差成比例的电信号输出；以及偏压网络，它将电场偏压施加到这多个压电传感器上。
7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，偏压网络由连接到偏压的电路阻抗部件构成。
8.一种用于放大压电传感器的电荷输出的电路，其特征在于，包括电荷放大器，用于生成与压电传感器的电荷输出成比例的电信号输出；以及偏压网络，它将电场偏压施加到压电传感器上。
9.如权利要求8所述的电路，其特征在于，偏压网络由连接到偏压的电路阻抗部件构成。
10.一种用于放大多个压电传感器的电荷输出的电路，其特征在于，包括电荷放大器，用于生成与这多个压电传感器的电荷输出之差成比例的电信号输出；以及偏压网络，它将电场偏压施加到这多个压电传感器。
11.如权利要求10所述的电路，其特征在于，偏压网络由连接到偏压的电路阻抗部件构成。
12.一种用于驱动压电致动器的电路，其特征在于，包括用于生成致动信号输出的初级驱动器电路和用于生成电场偏压的次级驱动器电路。
13.一种能减小压电材料效应的压电传感器装置，其特征在于，包括用于检测和放大压电传感器装置的输出的电路。
14.如权利要求13所述的压电传感器装置，其特征在于，压电材料是薄膜压电材料。
15.一种能减小压电材料效应的压电致动器装置，其特征在于，包括用于驱动致动器装置以生成致动信号输出和电场偏压的电路。
16.如权利要求15所述的压电致动器装置，其特征在于，压电材料是薄膜压电材料。
全文摘要
本发明提供了用于改善压电装置和压电装置的接口电子装置的性能的方法。其中，在压电装置的正常操作期间，将电场偏压施加到压电材料上。
文档编号H01L41/04GK1689171SQ03823947
公开日2005年10月26日 申请日期2003年9月4日 优先权日2002年9月4日
发明者P·J·西勒 申请人:三位感应器股份有限责任公司