專利名稱：壓電隔離變換器的制作方法
背景技術(shù)：
電隔離變換器提供電氣元件之間的電隔離。傳統(tǒng)的隔離變換器基于磁耦合，傳統(tǒng)上都是行頻。工作于行頻的隔離變換器都很大，重，并且難于與它們在其間提供隔離的電路元件集成。最近出現(xiàn)了工作于比行頻更高的頻率的隔離變換器。其減小了隔離變換器的大小和重量，但是這樣的隔離變換器仍然難于與它們在其間提供隔離的電路元件集成。通過光耦合器和微電機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)設(shè)備提供了小功率電隔離。然而，這種設(shè)備的能量傳輸能力被限制在幾毫瓦。而且，光耦合器的GaAs光發(fā)射器難于在硅集成電路管芯上制造。
因此，需要的是一種能夠提供電隔離并且能夠傳送不止幾毫瓦功率的電功率隔離器。在一些應(yīng)用中，額外需要的是一種能夠與所要隔離的電路集成的電功率隔離器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明滿足了這種需要。在本發(fā)明的第一個實施例中，一種壓電隔離變換器的特征在于其工作頻率范圍，并且包括了一個在工作頻率范圍內(nèi)具有至少一個機(jī)械諧振的諧振結(jié)構(gòu)。該諧振結(jié)構(gòu)包括一個絕緣基底，一個第一電-聲變換器和一個第二電-聲變換器。該基底具有一個第一主表面和一個與第一主表面相對的第二主表面。第一電-聲變換器機(jī)械耦合到第一主表面。第二電-聲變換器機(jī)械耦合到第二主表面。
其中一個變換器可以將工作頻率范圍內(nèi)的輸入電能轉(zhuǎn)化為能夠在諧振結(jié)構(gòu)中激勵機(jī)械振動的聲能。另外一個變換器將機(jī)械振動轉(zhuǎn)化為輸出電能。
在本發(fā)明的第二實施例中，DC到DC轉(zhuǎn)換器包含一個振蕩器，一個整流器和一個壓電隔離變換器。該壓電隔離變換器具有電連接到振蕩器的輸入端和電連接到整流器的輸出端。可選地，DC到DC轉(zhuǎn)換器包括一個使用額外的壓電隔離變換器的反饋型調(diào)節(jié)器。該壓電隔離變換器通常制造于同一個基底上。
在本發(fā)明的第三實施例中，公開了一種制造方法。提供一個絕緣基底。該絕緣基底具有第一主表面和與第一主表面相對的第二主表面。第一電-聲變換器形成于基底的第一主表面上，第二電-聲變換器形成于基底的第二主表面上。
本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點將從下面的詳細(xì)描述中體現(xiàn)，結(jié)合附圖通過實例闡述了本發(fā)明的原理。


圖1A描述了一個根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的壓電隔離變換器。
圖1B描述了一個用來對來自圖1A的壓電隔離變換器的電能進(jìn)行整流和濾波的電路。
圖1C描述了提供全波整流的壓電隔離變換器的另一個實施例。
圖2A和圖2B描述了輸入到圖1A的壓電隔離變換器的典型輸入電能的電壓波形。
圖3A和圖3B描述了圖1A的壓電隔離變換器的典型輸出電能的電壓波形。
圖4，圖5和圖6描述了圖1A的壓電隔離變換器的工作頻率和輸出電壓之間的關(guān)系。
圖7描述了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的DC到DC轉(zhuǎn)換器。
圖8A和圖8B描述了來自圖3A和圖3B的電路的典型DC輸出電能的電壓波形。
圖9描述了根據(jù)本發(fā)明制造壓電隔離變換器的方法的流程圖。
圖10，11A，11B和11C描述了根據(jù)本發(fā)明的壓電隔離變換器的另一實施例。
圖12是本發(fā)明的壓電隔離變換器制造于集成電路管芯上的頂視圖。
圖13A，13B，13C和13D是圖12的壓電隔離變換器沿著圖12的剖面線13D-13D的橫截面圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參考顯示本發(fā)明不同實施例的附圖對本發(fā)明進(jìn)行描述。在圖中，一些結(jié)構(gòu)或部分的大小可能被放大了，為了便于描述沒有按照結(jié)構(gòu)或者部分的大小比例，因此，它們被用來描述本發(fā)明的通用結(jié)構(gòu)。另外，參考相對其它結(jié)構(gòu)或者部分或它們兩者位于“上面”或者“正上方”位置的結(jié)構(gòu)或者部分描述了本發(fā)明的各個方面。在這里用相對關(guān)系的術(shù)語或者短語，例如“上面”或者“正上方”來描述如圖所示的一個結(jié)構(gòu)或者部分相對干另一個結(jié)構(gòu)或者部分的關(guān)系。應(yīng)當(dāng)理解這樣相對關(guān)系的術(shù)語包含了圖中描述方向之外的不同設(shè)備方向。例如，圖中的設(shè)備翻轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)，或者二者皆有，在其它結(jié)構(gòu)或者部分“上面”或者“正上方”的結(jié)構(gòu)或者部分將被描述為在其它結(jié)構(gòu)或者部分的“下面”或者“正下方”，“左邊”，“右邊”，“前面”或者“后面”。將一個結(jié)構(gòu)或者部分稱為在其它結(jié)構(gòu)或者部分的“上面”或者“正上方”表示額外的結(jié)構(gòu)或者部分可能插入進(jìn)來。
在沒有插入結(jié)構(gòu)或者部分情形下在另一結(jié)構(gòu)或者部分上形成的一個結(jié)構(gòu)或者部分在這里描述為“直接在”其它結(jié)構(gòu)或者部分的“上面”或者“正上方”。在這篇文檔中相同的參考號表示相同的元件。
為便于描述，如圖所示，以一個包含諧振結(jié)構(gòu)、其特征為一個工作頻率范圍的壓電隔離變換器為例來說明本發(fā)明的實施例。諧振結(jié)構(gòu)具有在工作頻率范圍內(nèi)的至少一個機(jī)械諧振。諧振結(jié)構(gòu)包含一個絕緣基底，一個第一電-聲變換器和一個第二電-聲變換器?；子幸粋€第一主表面和一個與第一主表面相對的第二主表面。第一電-聲變換器機(jī)械耦合到第一主表面。第二電-聲變換器機(jī)械耦合到第二主表面。
其中一個電-聲變換器將在工作頻率范圍內(nèi)的輸入電能轉(zhuǎn)化成諧振結(jié)構(gòu)中激勵機(jī)械振動的聲能。另外一個變換器將機(jī)械振動轉(zhuǎn)化為輸出電能。
第一和第二變換器是電-聲變換器，例如壓電電-聲變換器，其把電能轉(zhuǎn)換為聲能以及把聲能轉(zhuǎn)換為電能。應(yīng)用于第一電-聲變換器的諧振結(jié)構(gòu)的一個諧振處或者接近一個諧振處的工作頻率的輸入電能(交流(AC)電能或者脈沖直流(DC)電能)通過第一電-聲變換器轉(zhuǎn)換為聲能。該聲能激勵諧振結(jié)構(gòu)以工作頻率機(jī)械振動。輸入電能的持續(xù)施加引起了處在工作頻率的諧振結(jié)構(gòu)的聲能的增大。第二電-聲變換器將諧振結(jié)構(gòu)的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為輸出電能。本發(fā)明中，術(shù)語AC應(yīng)當(dāng)理解為包含脈沖DC。
本發(fā)明的壓電隔離變換器的工作頻率為十或百兆赫數(shù)量級，大大高于通常使用在電能隔離變換器中的頻率。高工作頻率允許壓電隔離變換器比任何傳統(tǒng)隔離變換器小得多。壓電隔離變換器可以在面積小于1平方毫米或者更小的管芯上實現(xiàn)。這比任何已有的電隔離器或者變換器設(shè)備都小。壓電隔離變換器小得以至于使用已知的和傳統(tǒng)的集成電路(IC)制造方法同時可以制造成千的壓電隔離變換器。這允許本發(fā)明的壓電隔離變換器可以制造成比現(xiàn)有技術(shù)中的隔離器或者變換器具有更大的容量和更低的成本。
基于現(xiàn)有的IC制造工藝，由于其小尺寸和制造工藝的兼容性，本發(fā)明的壓電隔離變換器可以和其被設(shè)計用于進(jìn)行隔離的其它電路一起制造在一個芯片上。從性能上，本發(fā)明的壓電隔離變換器在從DC到大約1GHz的頻率范圍內(nèi)都能提供良好的電隔離。本發(fā)明的壓電隔離變換器的應(yīng)用范圍很廣。例如，本發(fā)明的壓電隔離變換器可以應(yīng)用在例如以太網(wǎng)適配器的無線電通訊應(yīng)用的IC芯片上。
另外，本發(fā)明不但顯著地減少了電隔離器和變換器的成本，而且使隔離器和變換器有了新的應(yīng)用，包括高速數(shù)字和模擬電路的單片隔離。而且，例如，新的應(yīng)用可能涉及諸如醫(yī)療應(yīng)用的相對高性能環(huán)境中的電能隔離，其中一個電路和另一個電路之間的電能隔離可能對于生命維持系統(tǒng)來講很重要。
圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的壓電隔離變換器20。參考圖1A，壓電隔離變換器20被實施成一個在工作頻率范圍內(nèi)具有至少一個機(jī)械諧振的諧振結(jié)構(gòu)21。在典型實施例中，工作頻率范圍的中心頻率在大約20MHz到大約500MHz的范圍內(nèi)。這里描述的典型實施例的工作頻率范圍的中心頻率是大約200MHz。
諧振結(jié)構(gòu)21由一個絕緣基底30，一個第一電-聲變換器40和一個第二電-聲變換器50組成?；?0具有一個第一主表面32和一個與第一主表面32相對的第二主表面34。第一電-聲變換器40機(jī)械耦合到基底30的第一主表面32。第二電-聲變換器50機(jī)械耦合到基底30的第二主表面34。
基底30的材料是高電阻率的硅，鋁，玻璃，陶瓷，剛玉或者一個或更多數(shù)量的電絕緣材料?？商娲?，基底由至少部分導(dǎo)電材料和至少一個絕緣層組成。絕緣基底或絕緣層將第一電-聲變換器40和第二電-聲變換器50電隔離，從而使壓電隔離變換器20電隔離。
例如，電-聲變換器40和50都是薄膜式電-聲變換器。每一個變換器40和50都可以將輸入AC電能轉(zhuǎn)換為聲能，也可以將聲能轉(zhuǎn)換為輸出AC電能。
包括基底30和電-聲變換器40和50的諧振結(jié)構(gòu)21被構(gòu)造成以工作頻率范圍內(nèi)的至少一種諧振頻率產(chǎn)生機(jī)械諧振。通常，諧振結(jié)構(gòu)21在工作頻率范圍內(nèi)有不止一種諧振頻率。
在示出的實施例中，第一電-聲變換器40是一個薄膜式電-聲變換器，其具有一個底部電極42，一個壓電層44和一個頂部電極46。電極42和46將壓電層44夾在中間，并且電極42和46由諸如金(Au)或者鉑(Pt)的導(dǎo)電材料制成。電極42和46電連接到壓電隔離變換器20的AC輸入終端13。壓電層44的材料是任意適合的壓電材料，例如，鉛鋯鈦酸鹽Pb(Zr，Ti)O3(PZT)。第一電-聲變換器40的尺寸和總質(zhì)量，比如它的厚度41，取決于例如工作頻率這樣的因素。
第二電-聲變換器50是一個薄膜電-聲變換器，其具有一個底部電極52，一個壓電層54和一個頂部電極56。電極52和56將壓電層54夾在中間，并且電極52和56由諸如金(Au)或者鉑(Pt)的導(dǎo)電性材料制成。電極52和56電連接到壓電隔離變換器20的AC輸出終端15。壓電層54的材料是任意適合的壓電材料，例如，鉛鋯鈦酸鹽Pb(Zr，Ti)O3(PZT)。第二電-聲變換器50的尺寸和總質(zhì)量，比如它的厚度，取決于例如工作頻率這樣的因素。
第一和第二電-聲變換器40和50通常被構(gòu)造為具有額定等于工作頻率的機(jī)械諧振頻率。然而，參考圖4將在下面進(jìn)行更詳細(xì)的描述，電-聲變換器的機(jī)械諧振Q顯著低于諧振結(jié)構(gòu)21的諧振Q。特別地，第一電-聲變換器40的厚度41是額定頻率等于工作頻率的聲波在電-聲變換器中的波長的二分之一的整數(shù)倍。因為壓電層44占第一電-聲變換器厚度41的大部分，厚度41接近于下面所述在PZT中聲速約為每秒4500米。在206MHz的工作頻率下，第一電-聲變換器的聲波的波長約為22微米(μm)，計算如下(4.5×103米每秒)/(2.06×108)為了獲得額定頻率等于工作頻率的聲波在電-聲變換器中的波長的二分之一的整數(shù)倍的厚度，第一電-聲變換器40的厚度41被制成例如22μm。通常，第一電-聲變換器40的厚度41，比如，接近于10-20μm。第一電-聲變換器40的側(cè)向尺寸43在幾百微米到幾千微米的范圍內(nèi)，例如300μm到3000μm之間。第二電-聲變換器50的結(jié)構(gòu)與此類似。
工作頻率的輸入AC電能IAC被施加在AC輸入終端13。第一電-聲變換器40將輸入AC電能IAC轉(zhuǎn)換為聲能，即機(jī)械振動。聲能引起諧振結(jié)構(gòu)21以工作頻率機(jī)械振動。輸入AC電能IAC的頻率就是或者接近于諧振結(jié)構(gòu)21的諧振頻率之一。
圖2A示出了圖1A中所示輸入AC電能IAC的一個可能的電壓波形13a。電壓波形13a是在工作頻率處交替的雙極方波，例如，206MHz?？商娲?，圖1A中示出的輸入AC電能IAC可以是脈沖DC電能，其在圖2B中示出的電壓波形13b是在工作頻率處交替的單極方波。方便起見，在本篇文檔中，術(shù)語AC涉及并且包括雙極AC，例如，AC電壓波形13a，和單極脈沖DC，例如，脈沖DC電壓波形13b。
再參考圖1A，由第一電-聲變換器40響應(yīng)輸入AC電能IAC生成的聲能引起諧振結(jié)構(gòu)21以工作頻率諧振。然而基底30，第一電-聲變換器40和第二電-聲變換器50共同決定諧振結(jié)構(gòu)21的諧振頻率，諧振頻率主要由基底30的厚度和在基底材料中的聲速來決定。因此，基底的厚度和材料主要決定了諧振結(jié)構(gòu)21的機(jī)械諧振頻率。工作頻率被選擇成額定等于諧振頻率之一。例如，基底30的厚度31是基底中額定頻率為工作頻率的聲波半波長的整數(shù)倍。硅中的聲速大約是8500米每秒。在206MHz的工作頻率處，額定頻率等于工作頻率的聲波在基底30中的波長大約是41微米，計算式如下(8.5×103米每秒)/(2.06×108)因此，基底30的厚度31是(41/2)微米的整數(shù)倍，例如164μm(8個半波長)。通常，基底30具有一百微米量級的厚度31。
來自第一電-聲變換器40的聲能導(dǎo)致諧振結(jié)構(gòu)21諧振，也就是機(jī)械振動。另外，持續(xù)地對第一電-聲變換器40施加輸入AC電能IAC導(dǎo)致工作頻率處的聲能在諧振結(jié)構(gòu)21中積累。諧振結(jié)構(gòu)21的機(jī)械振動激活了第二電-聲變換器50。第二電-聲變換器50將機(jī)械振動轉(zhuǎn)化為在輸出終端15傳遞的輸出AC電能OAC。
圖3A示出了第二電-聲變換器50響應(yīng)圖2A中所示雙極輸入AC電壓波形13a生成的輸出AC電能OAC的電壓波形15a。圖3B示出了第二電-聲變換器50響應(yīng)圖2B中所示脈沖DC電壓波形13b生成的輸出AC電能OAC的電壓波形15b。圖3A和圖3B的輸出AC電壓波形15a和15b與圖2A和2B中示出的輸入AC電壓波形13a和13b分別具有相同的頻率。
由壓電隔離變換器20生成的輸出AC電能OAC依賴于各種不同的因素，包括與諧振機(jī)械結(jié)構(gòu)21的諧振頻率相關(guān)的輸入AC電能IAC的頻率。這是因為壓電隔離變換器20通過其諧振結(jié)構(gòu)21的機(jī)械諧振將輸入AC電能轉(zhuǎn)換為輸出AC電能。
現(xiàn)在參考圖4和圖1A，曲線22示出了壓電隔離變換器20的典型實施例計算出的正向傳遞系數(shù)S21在典型頻率范圍140MHz到260MHz之間是如何依賴于頻率的。壓電隔離變換器20的正向傳遞系數(shù)S21是由第二電-聲變換器50輸出的輸出AC電能OAC與施加在第一電-聲變換器40上的輸入AC電能IAC的比率。在計算壓電隔離變換器20的計算出的正向傳遞系數(shù)時，第一和第二電-聲變換器40和50的正向傳遞系數(shù)S21假定在指示的頻率范圍上保持恒定，使曲線22示出對諧振機(jī)械結(jié)構(gòu)21的諧振的頻率依賴性。由于諧振機(jī)械結(jié)構(gòu)21的多機(jī)械諧振，由曲線22示出的正向傳遞系數(shù)在某工作頻率上、例如206MHz會比其它工作頻率、比如215MHz更大。正向傳遞系數(shù)在諧振機(jī)械結(jié)構(gòu)21的諧振頻率上有一峰值。由于曲線22示出的正向傳遞系數(shù)在多個頻率上有峰值，壓電隔離變換器20具有多模式操作特征。
圖4示出了曲線29，其也示出了第一電-聲變換器40一個典型實施例被計算出的正向傳遞系數(shù)S21是如何隨著頻率變化的。第二電-聲變換器50具有相似的正向傳遞系數(shù)特征。第一電-聲變換器40被計算出的正向傳遞系數(shù)是第一電-聲變換器40生成的聲能與施加在第一電-聲變換器40上的輸入AC電能IAC的比率。第一電-聲變換器的正向傳遞系數(shù)頻率特征是典型的諧振設(shè)備，其具有比諧振機(jī)械結(jié)構(gòu)21的諧振Q更低的Q。這使得工作頻率可以在一個頻率范圍內(nèi)變化，例如從206MHz到215MHz，這導(dǎo)致了壓電隔離變換器20的正向傳遞系數(shù)的顯著變化，但是也導(dǎo)致了電-聲變換器40和50的正向傳遞系數(shù)的很小的變化。
再參考圖1A和1B，圖1B示出了一個可選的整流和平流濾波電路64，其形成了壓電隔離變換器20的部分實施例。整流和平流濾波電路64連接AC輸出終端15以將第二電-聲變換器50輸出的輸出AC電能OAC轉(zhuǎn)化為輸出DC電能ODC。整流和平流濾波電路64由整流器60和濾波電容器61組成。在一個實施例中，整流器60是一個能夠產(chǎn)生半波整流的單一二極管整流器。在另一實施例中，整流器60是能夠提供全波整流的橋式整流器。橋式整流器由四個二極管組成。整流和平流濾波電路64傳遞輸出DC電能ODC到DC輸出終端17。圖1B示出了連接在DC輸出終端17的負(fù)載62。負(fù)載62可以是一個電阻器，但是更通常地是一個從壓電隔離變換器20汲取DC電能的電路。
在另一實施例中，如圖1C所示，第二電-聲變換器50被分成兩個子變換器50a和50b。子變換器50a和50b以圖1A中示出的類似方法機(jī)械耦合到基底30的第一主表面32。子變換器50a和50b共用一個通用壓電元件54，但是有各自的電極52a，56a以及52b和56b。子變換器50a和50b串聯(lián)電連接以便產(chǎn)生反相電壓。這使圖1C示出的實施例能夠只通過兩個二極管提供全波整流。串聯(lián)是通過連接子變換器50b的電極52b和子變換器50a的電極56a實現(xiàn)的。電極52b和56a之間的連接通過AC輸出終端15之一連接到電容器61的一邊。子變換器50a的電極52a和子變換器50b的電極56b的每一個都通過各自的AC輸出終端15和二極管63連接到電容器61的另一邊。
圖5示出了由包括整流和平流濾波電路64的壓電隔離變換器20一個實施傳遞的輸出DC電壓在不同工作頻率下對負(fù)載62的阻抗的依賴性。參考圖1A，1B和5，曲線23，24，25，26，27和28示出了輸出DC電壓分別在200MHz，202MHz，203MHz，205MHz，206MHz，207MHz工作頻率下對負(fù)載62的阻抗的依賴性。在示出的實例中，負(fù)載62的阻抗范圍在約2歐姆到約50歐姆之間。在圖5示出的實例中，輸出DC電壓在工作頻率206MHz處最高。這個工作頻率相應(yīng)于圖4中示出的206MHz處的諧振峰值。
圖6示出了工作頻率和輸出DC電壓在不同方式下的關(guān)系。曲線102代表輸入AC電能IAC的電壓波形。在200MHz的頻率處，電壓正弦地在峰值的+10v和-10v之間變化。頻率200MHz的輸入AC電能導(dǎo)致具有大約5V DC電壓的輸出DC電能ODC。輸出DC電能的電壓波形由曲線104示出。圖6示出了在不改變輸入AC電能IAC的電壓或者負(fù)載62阻抗的情況下將輸入AC電能106的頻率從200MHz改變到206MHz的影響。輸入AC電能的電壓波形由曲線106示出。頻率為206MHz的輸入AC電能導(dǎo)致輸出DC電能的電壓幾乎達(dá)到40V。輸出DC電能的電壓波形由曲線108示出。因此，當(dāng)工作頻率是206MHz時壓電隔離變換器20比工作頻率是200MHz時能夠傳遞幾乎八倍的DC電壓。這與圖4和5示出的圖形是一致的。
圖4，5和6示出了輸出DC電能ODC相對圖1A示出的壓電隔離變換器20的輸入電能IAC的比率很大程度上依賴于工作頻率同壓電隔離變換器20的諧振結(jié)構(gòu)21的諧振頻率之間的關(guān)系，所述工作頻率即輸入AC電能IAC的頻率。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的DC到DC轉(zhuǎn)換器的典型實施例110的方塊圖。DC到DC轉(zhuǎn)換器110包含了上面參考圖1A描述的壓電隔離變換器20的實施例。參考圖1A，1B，和7，DC到DC轉(zhuǎn)換器110由振蕩器12，壓電隔離變換器20和整流器60組成。振蕩器12連接壓電隔離變換器20的AC輸入終端13。整流器60連接壓電隔離變換器20的AC輸出終端15。
在圖7示出的實例中，整流器60是整流和平流濾波電路64的一部分。振蕩器12將DC輸入終端11接收的輸入DC電能IDC轉(zhuǎn)化為輸入AC電能IAC，并將輸入AC電能IAC供給到壓電隔離變換器20的AC輸入終端13。輸入AC電能IAC的頻率在壓電隔離變換器20的工作頻率范圍內(nèi)。如上所述，壓電隔離變換器20將接收自振蕩器12的輸入AC電能IAC轉(zhuǎn)化為輸出AC電能OAC，并傳遞輸出AC電能到AC輸出終端15。整流器60從壓電隔離變換器20的輸出終端15接收輸出AC電能OAC并將輸出AC電能整流以提供原始DC電能。在示出的實施例中，整流和平流濾波電路64由整流器60和濾波電容器61組成，濾波電容器61濾波原始DC電能以在DC輸出終端17處提供輸出DC電能ODC。圖7示出了連接到DC輸出終端17的負(fù)載62。
濾波電容器61的電容通常很小，因為濾波電容器61的電容和負(fù)載62的最小預(yù)期電阻的RC時間常數(shù)僅需要比約4納秒稍大一些(在206MHz處大約是一個周期)。例如，在一個以最大電流1安傳遞輸出10V DC電壓的實施例中，最小負(fù)載阻抗為10歐姆。在這樣的實施例中，電容器61的電容大約是一毫微法。其比工作在更低頻率的電源中使用的幾十或者幾百微法電容明顯小。濾波電容器61的容量和整流器60的二極管類型可以有較大變化，這依賴于實施方式和工作頻率。
圖8A和8B示出了輸出DC電能ODC的典型電壓波形。圖8A示出了由一個實施例生成的輸出DC電能ODC的電壓波形17a，該實施例中整流和平流濾波電路64響應(yīng)圖3A示出的輸出AC電能OAC的電壓波形15a提供全波整流。圖8B示出了由一個實施例生成的輸出DC電能ODC的電壓波形17b，該實施例中整流和平流濾波電路64響應(yīng)圖3B示出的輸出AC電能OAC的電壓波形15a提供半波整流。濾波電容器61與圖8A和8B中示出的實施例具有相同的電容。
如圖4，5和6所示以及上面所討論的，相對于諧振機(jī)械結(jié)構(gòu)21(圖1A)的諧振頻率和負(fù)荷吸收的電流，由壓電隔離變換器20傳遞的輸出DC電能ODC的電壓對由頻率控制振蕩器12生成的輸入AC電能IAC的頻率很靈敏。在DC到DC轉(zhuǎn)換器110的一些實施例中，振蕩器12是一個固定頻率的振蕩器，DC到DC轉(zhuǎn)換器另外包括一個在DC輸出終端17和負(fù)載62之間插入的傳統(tǒng)DC調(diào)整器(未示出)。盡管輸入AC電能的頻率、隨溫度等變化的諧振機(jī)械結(jié)構(gòu)21的諧振頻率，以及負(fù)載電流的一個或多個會發(fā)生變化，DC調(diào)整器的工作能夠給負(fù)載62提供恒定電壓。
圖7中所示的DC到DC轉(zhuǎn)換器110的實施例包括一個反饋控制電路，其能以一種方式控制輸入AC電能的頻率，這種方式導(dǎo)致DC到DC轉(zhuǎn)換器以恒定電壓傳遞輸出DC電能ODC，盡管輸入AC電源的頻率、隨溫度等而變化的諧振機(jī)械結(jié)構(gòu)21的諧振頻率，以及負(fù)載電流中的一個或多個會發(fā)生變化。在DC到DC轉(zhuǎn)換器110中，振蕩器12是一個包括頻率控制輸入端65的頻率控制振蕩器。施加在頻率控制電壓上的頻率控制信號FCS決定了頻率控制振蕩器12將在哪一頻率下把DC輸入終端11接收的輸入DC電能IDC轉(zhuǎn)化為傳遞到壓電隔離變壓器20的AC輸入終端13的輸入AC電能IAC。另外，振蕩器12可以包括監(jiān)控施加在第一變換器40上的輸入AC電能IAC的電壓和流入第一變換器40的電流之間的相位關(guān)系的電路，從而決定工作頻率和機(jī)械諧振系統(tǒng)21的機(jī)械諧振頻率之間的相對關(guān)系。
上面提到的反饋回路連接在DC到DC轉(zhuǎn)換器110的DC輸出終端17和頻率控制振蕩器12的頻率控制輸入端65之間，以提供頻率控制信號FCS。反饋回路包括一個調(diào)制器64，一個反饋壓電隔離變換器420，一個解調(diào)器66和一個比較器68。
反饋壓電隔離變換器420和壓電隔離變換器20制造在同一基底69上。反饋壓電隔離變換器420在結(jié)構(gòu)上類似于壓電隔離變換器20，并且具有一個由基底69的一部分、一個第一電-聲變換器440和一個第二電-聲變換器450組成的諧振結(jié)構(gòu)421。
調(diào)制器64具有一個電連接于DC輸出終端17的調(diào)制輸入端和一個電連接于壓電隔離變換器20的AC輸出終端15的載波輸入端。調(diào)制器64還具有一個電連接于反饋壓電隔離變換器420的第一電-聲變換器440的輸出端。在調(diào)制器64的載波輸入端接收來自壓電隔離變壓器20的AC輸出終端15的輸出AC電能OAC的AC電壓波形，并作為載波信號。
反饋壓電隔離變換器420的第二電-聲變換器450電連接于解調(diào)器66的調(diào)制信號輸入端。解調(diào)器66還具有一個載波輸入端和一個輸出端。載波輸入端電連接于壓電隔離變換器20的輸入終端13。輸出端連接于比較器68的一個輸入端。比較器68還具有一個參考輸入端和一個輸出端。參考輸入端被電連接以接收一個參考電壓VREF。輸出端電連接于頻率控制振蕩器12的頻率控制輸入端65。
在工作期間，調(diào)制器64可以作為一混和器嵌入，其利用從DC輸出終端17接收的輸出DC電能ODC的DC電壓調(diào)制從壓電隔離變換器20的AC輸出終端15接收的載波信號。調(diào)制是以這樣一種方式執(zhí)行的，這種方式使經(jīng)過調(diào)制的載波信號MCS能夠以一種在沒有顯著精確性損失的情況下傳遞通過反饋壓電隔離變換器420的方式來表示輸出DC電能ODC的電壓。由于反饋壓電隔離變換器420的正向傳遞功能以圖4中示出的曲線22描述的方式依賴于工作頻率和構(gòu)成反饋壓電隔離變壓器的一部分的諧振機(jī)械結(jié)構(gòu)的諧振頻率之間的關(guān)系，振幅調(diào)制不是優(yōu)選的調(diào)制方法，雖然它也可以使用。適合的替代的實例是頻率調(diào)制、相位調(diào)制、脈沖調(diào)制和數(shù)字編碼。
反饋壓電隔離變換器420的工作類似于壓電隔離變換器20。也就是，反饋壓電隔離變換器420在其第一電-聲變換器440處接收由調(diào)制器64生成的調(diào)制載波信號MCS。第一電-聲變換器將調(diào)制載波信號轉(zhuǎn)化為能夠在諧振機(jī)械結(jié)構(gòu)421中激發(fā)機(jī)械振動的聲能。調(diào)制載波信號與輸出AC電能OAC具有相同的頻率，機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)421具有與諧振機(jī)械結(jié)構(gòu)21類似的諧振。因此，調(diào)制載波信號在反饋壓電隔離變換器420的工作頻率范圍內(nèi)。第二電-聲變換器450將諧振結(jié)構(gòu)42 1中的部分機(jī)械振動轉(zhuǎn)化為輸出調(diào)制載波信號OMC。
解調(diào)器66使用其載波輸入端接收的來自AC輸入終端13的信號解調(diào)輸出調(diào)制載波信號OMC，以產(chǎn)生解調(diào)反饋信號DFS。解調(diào)反饋信號是一個在DC到DC轉(zhuǎn)換器110的輸出終端17表示DC電壓的DC電平。比較器68比較解調(diào)反饋信號DFS和參考電壓VREF來生成頻率控制信號FCS。比較器68將頻率控制信號FCS供給到頻率控制振蕩器12的頻率控制輸入端65。
因此，如果輸出DC電能ODC的DC電壓在DC輸出終端17處發(fā)生變化，則調(diào)制載波信號MCS、輸出調(diào)制載波信號OMC和解調(diào)反饋信號DFS也發(fā)生相應(yīng)的變化。解調(diào)反饋信號和參考電壓比較，導(dǎo)致頻率控制振蕩器12的頻率控制輸入端65的頻率控制信號FCS也發(fā)生變化。在頻率控制振蕩器12，源自輸出DC電能ODC電壓改變的頻率控制輸入端65的頻率控制信號FCS的改變以翻轉(zhuǎn)輸出DC電能ODC的電壓變化的方式改變輸入AC電能IAC的頻率。這將輸出DC電能ODC的電壓恢復(fù)到其原始電平。
圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明的制造壓電隔離變換器的方法的流程圖70。在方塊72中，提供了一個絕緣基底。該絕緣基底具有一個第一主表面和一個與第一主表面相對的第二主表面。在方塊74中，第一電-聲變換器形成在基底的第一主表面上。在方塊76中，第二電-聲變換器形成在與第一主表面相對的基底的第二主表面上。
在圖9示出該方法的一個實施例中，制造了圖1A示出的壓電隔離變換器20的一個實施例，方塊72中提供了具有第一主表面32和與第一主表面32相對的第二主表面34的絕緣基底30。在方塊74中第一電-聲變換器40形成在基底30的第一主表面32上。在方塊76中，第二電-聲變換器50與第一電-聲變換器40相對，形成在基底30的第二主表面34上。
如上所述的方法通常用于在一個晶片上同時制造成千的壓電隔離變換器。在過程的最后，晶片被單分(singulate)成獨立的的壓電隔離變換器。這顯著降低了制造每個壓電隔離變換器的成本。制造單個壓電隔離變換器的另外方法在下面進(jìn)行了描述，應(yīng)當(dāng)理解它們也是在晶片上同時大規(guī)模制造成千壓電隔離變換器常用的方法。
圖9中所示的制造壓電隔離變換器的方法也可以應(yīng)用在制造與圖1A中所示壓電隔離變換器20的結(jié)構(gòu)在細(xì)節(jié)上有所不同的壓電隔離變換器。例如，圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的壓電隔離變換器120的另一實施例。圖10的壓電隔離變換器120中相應(yīng)于圖1A的壓電隔離變換器20的元件給出了類似的參考編號。參考圖10，壓電隔離變換器120包括一個絕緣基底130，其包括一個由至少部分導(dǎo)電的材料組成的基層136。為了使電-聲變換器40和50互相電絕緣，基底130還包括一個插入在每一個電-聲變換器40和50以及基層136之間的絕緣材料層131?？商娲?，基底130另外包括僅在電-聲變換器40和50之一和基層136之間的絕緣材料層131。在另外的實施例中(未示出)，絕緣材料層被兩個至少部分導(dǎo)電的基底材料夾在中間，每一個電-聲變換器40和50都分別在其中一個基層上制造。電-聲變換器40和50之間的至少一個絕緣材料層131的出現(xiàn)允許把基底130認(rèn)為是絕緣的，盡管其至少部分由導(dǎo)電性材料組成。在另一實施例中，基底130的材料是具有高電阻的硅、鋁、玻璃、陶瓷、剛玉或者其它適合的電絕緣材料。
圖11A，11B和11C示出了根據(jù)本發(fā)明的壓電隔離變換器的另一實施例220。圖11A，11B，11C中示出的壓電隔離變換器220中相應(yīng)于圖1A中示出的壓電隔離變換器20的元件給出了相同的參考編號，并且在此不再加以描述。類似但發(fā)生變化的部分給出了后面跟有字母“a”的相同的參考編號。
參考圖11A，11B和11C，壓電隔離變換器220由第一基底132和第二基底134組成。每一基底都有一個第一主表面和一個與第一主表面相對的第二主表面，也就是，第一基底132具有第一主表面32a和與第一主表面32a相對的第二主表面33，第二基底134具有第一主表面34a和與第一主表面34a相對的第二主表面37。第一電-聲變換器40位于第一基底132的第一主表面32a上。第二電-聲變換器50位于第二基底134的第一主表面34a上。第一基底132和第二基底134通過將第二主表面33和第二主表面37并置在一起而連接起來，并使得第一電-聲變換器40與第二電-聲變換器50相對。第一基底132和第二基底134共同組成了絕緣基底30a。
壓電隔離變換器220按照如下所述的制造提供第一基底132和第二基底134。每一個基底都具有如剛才所述的第一主表面和與第一主表面相對的第二主表面。第一電-聲變換器40形成在第一基底132的第一主表面32a上。第二電-聲變換器50形成在第二基底134的第一主表面34a上。每一電-聲變換器都以類似如下所述的方式順序地沉淀和圖案化第一電極層、壓電層和第二電極層而形成。第一基底132的第二主表面33連接到第二基底134的第二主表面37，使得第一電-聲變換器40與第二電-聲變換器50被相對地放置。連接第一基底132和第二基底134形成了絕緣基底30a。
在一個實施例中，第一基底132的第二主表面33和第二基底134的第二主表面37中的每一個在進(jìn)行第一基底132和第二基底134的連接之前都被打磨、拋光或另外處理以確保它們之間的緊密連接。傳統(tǒng)的基底結(jié)合技術(shù)被用來連接基底132和134。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的壓電隔離變換器的一個可替代的實施例320的頂視圖。圖12是出現(xiàn)壓電隔離變換器制造在集成電路芯片上時的俯視圖。在圖12中，壓電隔離變換器隱藏在其它部分之下或之后的部分都未示出；然而，使用虛線示出了壓電隔離變換器320選擇的隱藏部分以幫助描述壓電隔離變換器320。圖13A、13B、13C和13D是壓電隔離變換器320在制造期間不同階段的剖面圖。剖面圖都是沿著圖12中示出的剖面線13D-13D截取的。在圖12和圖13A至圖13D中，示出了本發(fā)明壓電隔離變換器的結(jié)構(gòu)和制造方法的其它細(xì)節(jié)。
根據(jù)上面參考圖9闡述的過程制造的壓電隔離變換器320，使用了已知的半導(dǎo)體制造流程，例如，沉淀、圖案化和蝕刻。圖12和圖13A至圖13D中示出的壓電隔離變換器320中與圖1A中的壓電隔離變換器20的元件相對應(yīng)的元件給出了相同的參考編號，在此將不再描述。
首先參考圖12和13D，壓電隔離變換器320由第一基底82和第二基底92組成。第一電-聲變換器40和第二電-聲變換器50位于相對的位置上并且分別在第一基底82相對的主表面85和87上。第二基底92定義了一個從主表面95延伸進(jìn)第二基底的空腔94。第二基底92和第一基底82結(jié)合，其主表面95與主表面85并列，并且第一電-聲變換器40位于空腔94內(nèi)。在下面將進(jìn)行更多細(xì)節(jié)的描述，基底82和92在第二電-聲變換器50制造之前結(jié)合在一起。因此，第二基底92在制造第二電-聲變換器50期間保護(hù)了第一電-聲變換器40。
壓電隔離變換器320如下所述地被制造。提供第一絕緣基底82和第二絕緣基底92。每一個基底都有一個第一主表面和與第一主表面相對的第二主表面。第一電-聲變換器40形成在第一基底82的第一主表面85上。從第二基底92的第一主表面95延伸的空腔94形成在第二基底內(nèi)。第一絕緣基底82的第一主表面85和第二基底92的第一主表面95結(jié)合在一起，且第一變換器40位于第二基底92的空腔94中。結(jié)合之后，第二變換器50形成在與第一電-聲變換器40相對的第一絕緣基底82的第二主表面87上。
參考圖12，圖13A至圖13D，更詳細(xì)地描述了壓電隔離變換器320的制造。首先參考圖13A，提供了具有第一主表面85和與第一主表面85相對的第二主表面87的第一基底82。例如，第一基底82是硅片的一部分。在另一實施例中，第一基底82的材料是具有高電阻率的硅、鋁、玻璃、陶瓷、剛玉或者其它適合的電絕緣材料。第一基底82組成了壓電隔離變換器320的至少一部分絕緣基底。
第一基底82被氧化形成熱硅氧化物(SiO2)的絕緣層84，其在主表面85上具有100納米到10微米之間的厚度。絕緣層84可替代地被化學(xué)蒸汽沉淀物沉淀。假如需要另外的絕緣體隔離，絕緣層84可以另外或者替代地由100納米到10微米厚的噴射沉積絕緣材料，例如鋁氧化物(AlOx)組成。絕緣層84的主表面成為第一基底82的主表面85。
然后形成了從主表面85延伸進(jìn)第一基底82的接觸通路80a，80b?？梢孕纬扇我鈹?shù)量的接觸通路。參考編號80用來指代一般的接觸通路，但是緊跟字母例如“a”的參考編號80用來指代一個特殊的接觸通路或者一組接觸通路。
通過使用傳統(tǒng)的深侵蝕過程，首先通過絕緣層84的蝕刻，然后通過基底82的部分蝕刻形成接觸通路80。通路80具有厚度81，厚度81依賴于圖1A中示出的絕緣基底30需要的最終厚度。在示出的實例中，通路80具有大約100微米的深度81和不少于10微米的直徑83。在一個實施例中，第一基底82已經(jīng)是需要的最終厚度，接觸通路80貫穿第一基底82的整個厚度。接觸通路80充滿了高導(dǎo)電性金屬，例如金(Au)、鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)或者鉑(Pt)。如果需要，通路80的頂面與主表面85被制成共同的平面，使用CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)或者后侵蝕流程。
在第一基底82上制造第一電-聲變換器40之前，例如TiAlN(鈦鋁氮化物)的黏附層86沉淀在第一基底82的主表面85上。黏附層86提高第一電-聲變換器40和第一基底82之間的黏附性。另外，黏附層86作為通路80和第一變換器40的底部電極42之間的導(dǎo)電擴(kuò)散屏障。這樣保護(hù)接觸通路80在壓電層44沉淀期間免受破壞。對于黏附層86，優(yōu)選防氧化材料，因為壓電層44在一個高溫氧化環(huán)境(例如，550℃)下沉淀。黏附層86的其它可能的材料包括TaSiN(鉭硅氮化物)、TiN(鈦氮化物)以及TiAl。黏附層86具有幾十納米數(shù)量級的厚度，例如50納米到100納米。
隨后第一電-聲變換器40在第一基底82的第一主表面85上制造。第一變換器40包括幾層，每層都依次沉淀并依次蝕刻。然而，在示出的實施例中，第一電-聲變換器40的層42、44和46都按順序沉淀，然后按自頂向下的順序蝕刻。為了制造第一變換器40，底部電極42被噴射沉淀成具有例如約100納米的厚度。底部電極42的材料是任意合適的貴金屬，例如，鉑(Pt)或者銥(Ir)。為了改進(jìn)串聯(lián)電阻，底部電極另外由適合的高導(dǎo)電性金屬層制成，例如，金(Au)，例如噴射沉淀約1微米的厚度。上述的貴金屬層沉淀在高導(dǎo)電性金屬的頂層。底部電極42的延伸位于圖12示出的接觸通絡(luò)80b的上面，并且和接觸通路80b電連接。
壓電層44是具有例如大約1微米到大約20微米厚度范圍的噴射沉淀PZT層。其它的沉淀方法也可以用于形成壓電層44，包括例如化學(xué)固溶沉淀物和金屬有機(jī)化學(xué)蒸汽沉淀物。頂部電極46被具有例如100納米厚度的鉑(Pt)或者金(Au)再一次噴射沉淀。當(dāng)使用金時，頂部電極46可以包括一個在壓電層44和金層之間的例如鉻(Cr)的薄的頂部黏附層(圖中未示出)。
頂部電極46使用具有合適侵蝕化學(xué)處理的干蝕刻技術(shù)定型和蝕刻。壓電層44使用濕蝕刻或者干蝕刻技術(shù)成型和蝕刻。底部電極42和黏附層86使用于蝕刻技術(shù)再次成型和蝕刻。底部電極42和黏附層86的蝕刻在絕緣層84停止，同樣在接觸通路80a停止。
為改進(jìn)串聯(lián)電阻，金層可以被加在頂部電極46的頂部，例如使用發(fā)射技術(shù)。該層未在圖中示出。在一個實施例中，壓電層44上部的頂部電極46的厚度與壓電層44下部的底部電極42的厚度是相同的。第一變換器40的側(cè)向尺寸取決于應(yīng)用。在一典型實施例中，第一變換器40的側(cè)向尺寸43在約300微米到約3毫米的范圍內(nèi)。
絕緣層，例如SiO2層，被沉淀和蝕刻以形成一個階梯形絕緣體47。階梯形絕緣體47覆蓋了壓電層44的一部分和第一電-聲變換器40的底部電極42。適合的導(dǎo)電性材料層例如金(Au)層被沉淀成幾微米的典型厚度，例如大約1微米到大約3微米。該層被蝕刻以形成一個傳導(dǎo)軌跡49，其通過階梯形絕緣體從第一變換器40的頂部電極46延伸到接觸通路80a。傳導(dǎo)軌跡49和第一變換器40之間的交疊被最小化，從而最小化在第一變換器40、壓電隔離變換器20或者二者兼有上的傳導(dǎo)軌跡49的交疊部分的附加物質(zhì)的影響。
現(xiàn)在參考圖12和13B，提供了第二基底92。第二基底92具有第一主表面95和與第一主表面95相對的第二主表面97。通常，如上所述，基底82和92是各自硅片的一部分?？涨?4形成在第二基底92中?？涨粡牡谝恢鞅砻?5延伸進(jìn)第二基底92。空腔94具有足夠大的深度91和側(cè)向尺寸93，以容納第一電-聲變換器40及其各自的空隙?？障对诖蠹s50微米到大約100微米之間的范圍通常是足夠的。
接下來第一基底82通過同第一主表面95連接的第一主表面85結(jié)合到第二基底92上，并且使第一變換器40置于空腔94內(nèi)。一個標(biāo)準(zhǔn)硅結(jié)合流程被用來結(jié)合基底82和92。結(jié)合的結(jié)果在圖13B中示出。兩個基底82和92的密封結(jié)合將第一變換器40密封在空腔94中。這在制造第一基底82的第二主表面87上與第一變換器40相對的第二電-聲變換器期間，保護(hù)了第一變換器40。
現(xiàn)在參考圖12和13C，第一基底82的第二主表面87被打磨和拋光。一個粗劣的后打磨技術(shù)被用于從第一基底82的第二主表面87移除材料，新的第二主表面87被CMP流程拋光。CMP流程允許拋光流程在接觸通路80處停止。在一個接觸通路是100微米深度的實例中，第一基底82在經(jīng)過打磨和拋光流程后的額定厚度是大約100微米。因此，接觸通路80在后打磨和拋光流程之后延伸通過第一基底82。因此，接觸通路80對于后打磨和拋光流程起到停機(jī)指示器的作用，并且為制造第二電-聲變換器50提供定位目標(biāo)。接觸通路80在密封在空腔94內(nèi)的第一電-聲變換器40的電極42、46和將隨后制造在第一基底82的第二主表面87上的接觸襯墊48c和48d之間提供電連接。
后打磨和拋光流程之后，在與第一電-聲變換器40相對的第一基底82的第二主表面87上制造第二電-聲變換器50。制造第二電-聲變換器50的流程類似于制造第一電-聲變換器40的流程，在此不再詳細(xì)描述。
現(xiàn)在參考圖12和13D，在制造第二電-聲變換器50之后，一個導(dǎo)電性材料的厚層被加在頂部電極56的頂部來最小化串聯(lián)電阻。導(dǎo)電性材料例如是金(Au)，例如使用發(fā)射流程沉淀。圖中作為頂部電極56的一部分示出了厚導(dǎo)電層。頂部電極56和底部電極52的總厚度通常相等。第二電-聲變換器50的側(cè)向尺寸取決于應(yīng)用。通常，第二電-聲變換器50的側(cè)向尺寸和第一電-聲變換器40的側(cè)向尺寸相同。
例如SiO2的絕緣層被沉淀和蝕刻來形成階梯形絕緣體57。階梯形絕緣體57覆蓋壓電層54的一部分和第二電-聲變換器50的底部電極52。隨后適合的導(dǎo)電材料層例如金(Au)層被沉淀成幾微米的典型厚度；例如，1微米到3微米。該層被蝕刻以形成接觸襯墊48a和48b以及接觸襯墊59a和59b。接觸襯墊48a和48b的多個部分分別電連接接觸襯墊80a和80b。接觸襯墊48a和48b和接觸襯墊80c和80d分別提供到密封在空腔94內(nèi)的第一電-聲變換器40的頂部電極46和底部電極42的電連接。接觸通路59a的一個部分通過階梯形絕緣體57延伸并電連接到第二變換器50的頂部電極56。接觸通路59b的多個部分電連接到第二變換器50的底部電極52。接觸通路59a和第二變換器50之間的交疊被最小化，以最小化在第二變換器50、壓電隔離變換器20或者二者兼有的諧振特征上的接觸通路59a的交疊部分的附加物質(zhì)的影響。
另外參考圖1A，接觸襯墊48a和48b提供了將輸入AC電能IAC分別供給到第一電-聲變換器40的電極46和42的AC輸入終端13。接觸襯墊59a和59b提供了能分別從第二電-聲變換器50的電極56和52接收輸出AC電能OAC的AC輸出終端15。
雖然上面對本發(fā)明的特殊實施例進(jìn)行了描述和闡明，但本發(fā)明并不限于如此描述和闡明部分的特殊形式或者配置。例如，可以使用不同的配置，大小或者材料，這仍在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。本發(fā)明由隨后的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種以一個工作頻率范圍為特征的壓電隔離變換器(20，120，220，320)，該壓電隔離變換器包含在該工作頻率范圍之內(nèi)具有至少一個機(jī)械諧振的諧振結(jié)構(gòu)(21)，所述的諧振結(jié)構(gòu)包括絕緣基底(30，30a，82)，具有第一主表面(32，32a，85)和與所述第一主表面相對的第二主表面(34，33，87)；以及第一電-聲變換器(40)和第二電-聲變換器(50)分別機(jī)械耦合到所述基底的所述第一主表面和所述第二主表面，其中一個所述電-聲變換器可以將所述工作頻率范圍內(nèi)的輸入電能轉(zhuǎn)化為能夠在所述諧振結(jié)構(gòu)中激勵機(jī)械振動的聲能，另外一個所述電-聲變換器將所述的機(jī)械振動轉(zhuǎn)化為輸出電能。
2.如權(quán)利要求1的隔離變換器，其中所述的第一電-聲變換器包含一個底部電極(42)、一個頂部電極(46)和所述電極之間的一個壓電層(44)。
3.如權(quán)利要求1的隔離變換器，其中所述的絕緣基底包含第一基底(132)和第二基底(134)；所述的第一電-聲變換器位于所述第一基底上；所述第二電-聲變換器位于所述第二基底上；并且所述第一基底和所述第二基底同與所述第二電-聲變換器相對的所述第一電-聲變換器結(jié)合在一起。
4.如權(quán)利要求1的隔離變換器，其中所述的隔離變換器另外包括一個連接在所述絕緣基底(82)上的額外基底(92)，所述額外基底形成了一個空腔(94)；以及所述第一電-聲變換器位于所述空腔內(nèi)。
5.如權(quán)利要求5的隔離變換器，其中所述的壓電隔離變換器另外包括一個通路(80)，其延伸通過所述的絕緣基底并電連接到所述的第一電-聲變換器。
6.如前面所述的任一權(quán)利要求的隔離變換器，其中所述輸出電能和所述輸入電能的特征在于各自的電壓具有一個比率，所述比率依賴于所述的輸入電能的頻率和所述的至少一個機(jī)械諧振頻率之間的關(guān)系。
7.一種DC到DC轉(zhuǎn)換器(110)，包括振蕩器(12)；整流器(60)；以及根據(jù)前述任一權(quán)利要求的壓電隔離變換器(20，120，220，320)，所述壓電隔離變換器電連接到所述振蕩器以接收來自那里的所述輸入電能，并電連接到所述的整流器以提供到那里的所述輸出電能。
8.如權(quán)利要求7的DC到DC轉(zhuǎn)換器，其中所述的整流器包括一個橋式整流器。
9.如權(quán)利要求7的DC到DC轉(zhuǎn)換器，其中所述振蕩器包括一個頻率控制輸入端(65)；并且所述DC到DC轉(zhuǎn)換器另外包括一個連接在所述整流器和所述振蕩器的所述頻率控制輸入端之間的反饋回路(64，420，66，68)，所述反饋回路包括一個額外的壓電隔離變換器(420)。
10.如權(quán)利要求9的DC到DC轉(zhuǎn)換器，其中所述額外的壓電隔離變換器包括一個輸入端和一個輸出端；并且所述反饋回路包括調(diào)制器(64)，電連接以接收來自所述整流器的DC信號和來自所述壓電隔離變換器的所述輸出端的AC載波信號，所述調(diào)制器具有一個電連接到所述額外的壓電隔離變換器的所述輸入端的輸出端，以及解調(diào)器(66)，電連接到所述額外的壓電隔離變換器的所述輸出端，所述解調(diào)器具有一個輸出端，以及比較器(68)，具有連接到一個基準(zhǔn)以及所述解調(diào)器的所述輸出端的多個輸入端，另外具有一個連接到所述振蕩器的所述頻率控制輸入端的輸出端。
11.如權(quán)利要求10的DC到DC轉(zhuǎn)換器，其中所述額外的壓電隔離變換器(420)具有依賴于所述AC載波信號的頻率的正向傳遞系數(shù)；并且所述調(diào)制器響應(yīng)所述DC信號而調(diào)制所述AC載波信號，以生成具有獨立于所述額外的壓電隔離變換器的所述正向傳遞系數(shù)的調(diào)制屬性的一個調(diào)制載波信號。
12.如權(quán)利要求9的DC到DC轉(zhuǎn)換器，另外包括一個為所述壓電隔離變換器和所述額外的壓電隔離變換器共用的基底(69)。
13.如權(quán)利要求7的DC到DC轉(zhuǎn)換器，其中所述壓電隔離變換器包括電絕緣基底(30)、第一電-聲變換器(40)和第二電-聲變換器(50)，所述電絕緣基底(30)具有第一主表面和與所述第一主表面相對的第二主表面，第一電-聲變換器(40)和第二電-聲變換器(50)分別機(jī)械耦合到所述基底的所述第一主表面和所述第二主表面；以及所述第二電-聲變換器包括串聯(lián)連接的第一子變換器和第二子變換器來提供相位相反的電壓。
14.一種制造壓電隔離變換器的方法，該方法包括提供具有第一主表面和與所述第一主表面相對的第二主表面的絕緣基底；在所述基底的所述第一主表面上形成第一電-聲變換器；以及在與所述第一主表面相對的所述基底的所述第二主表面上形成第二電-聲變換器。
15.如權(quán)利要求14的方法，其中所述的絕緣基底包括一個至少部分導(dǎo)電的基底(136)；以及一個在所述第一和第二變換器之間的絕緣材料層(131)。
16.如權(quán)利要求14的方法，其中所述方法另外包括提供第一基底(132)和第二基底(134)，每一基底都具有第一主表面和與第一主表面相對的第二主表面；所述的形成第一電-聲變換器包括在所述第一基底的所述第一主表面上形成所述的第一電-聲變換器；所述的形成第二電-聲變換器包括在所述第二基底的所述第一主表面上形成所述的第二電-聲變換器；以及所述的提供絕緣基底包括連接所述的第一基底的所述第二主表面和所述第二基底的所述第二主表面，使得所述第一電-聲變換器與所述第二電-聲變換器相對。
17.如權(quán)利要求14的方法，其中該方法另外包括提供一個具有第一主表面和與第一主表面相對的第二主表面的額外基底(92)；在所述額外基底中形成一個空腔(94)，其從所述第一主表面延伸進(jìn)所述額外基底；以及結(jié)合所述絕緣基底(82)的所述第一主表面和所述額外基底的所述第一主表面，使得所述第一變換器位于所述空腔內(nèi)；以及所述的形成所述第二電-聲變換器包括在所述結(jié)合之后，在與所述第一電-聲變換器相對的所述絕緣基底的所述第二主表面上形成第二電-聲變換器。
18.如權(quán)利要求14的方法，其中該方法另外包括在所述絕緣基底(82)中形成從所述絕緣基底的所述第一主表面延伸的接觸通路(80a)，以及制造與所述接觸通路連接的接觸襯墊(48a)；以及所述的形成所述第一電-聲變換器包括在電連接于所述接觸通路的所述絕緣基底的所述第一主表面上形成所述的第一電-聲變換器。
19.如權(quán)利要求18的方法，另外包括從所述的絕緣基底的第二主表面移除基底材料以在所述絕緣基底的所述第二主表面上露出所述的接觸通路。
全文摘要
一種壓電隔離變換器(20)以其工作頻率范圍為特征，并且包括一個在工作頻率范圍內(nèi)具有至少一個機(jī)械諧振的諧振結(jié)構(gòu)(21)。諧振結(jié)構(gòu)具有一個絕緣基底(30)、一個第一電－聲變換器(40)和一個第二電－聲變換器(50)?；拙哂幸粋€第一主表面和與第一主表面相對的第二主表面。第一電－聲變換器機(jī)械耦合到第一主表面。第二電－聲變換器機(jī)械耦合到第二主表面。其中一個變換器(40，50)可以將工作頻率范圍內(nèi)的輸入電能轉(zhuǎn)化為能夠在諧振結(jié)構(gòu)中激勵機(jī)械振動的聲能。另外一個變換器將機(jī)械振動轉(zhuǎn)化為輸出電能。
文檔編號H01L41/08GK101023537SQ200580002040
公開日2007年8月22日 申請日期2005年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月22日
發(fā)明者J·D·拉森三世, S·R·吉爾伯特, K·A·尼什穆拉 申請人:阿瓦戈科技 Ecbu Ip(新加坡)股份有限公司