CN107925834A - 具有封闭控制系统的mems声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于生成和/或检测可听波长频谱中的声波的MEMS声换能器，尤其是MEMS扬声器和/或MEMS话筒，其具有支撑元件(9)、沿z轴相对于支撑元件(9)可偏转的膜(2)、支撑在支撑元件(9)上的用于使膜(2)偏转的至少一个压电致动器(7)、以及用于驱动致动器(7)的电子控制单元(11)。根据本发明，MEMS声换能器的特征在于至少一个位置传感器(19)，控制单元(11)通过该位置传感器能够提供取决于膜偏转的传感器信号(37)。此外，控制单元(11)被设计成使得为了功能性自测试、为了失真减少、为了损坏保护和/或为了行为改变的补偿，传感器信号(37)能够被分析和/或能够与存储在控制单元(11)中的参考信号(8)相比较，并且致动器(7)能够通过计及分析结果(35)和/或比较结果(34)以受控的方式被驱动。
Description
本发明涉及用于生成和/或检测可听波长频谱中的声波的MEMS声换能器，尤其涉及MEMS扬声器和/或MEMS话筒，其具有支撑元件(具体地是膜支撑框架)、沿z轴相对于支撑元件可偏转的膜、支撑在支撑元件上的用于使膜偏转的至少一个压电致动器，以及用于驱动致动器的一个电子控制单元。
术语“MEMS”表示微机电系统。此类系统尤其被安装在提供很小安装空间的电子设备中。已知MEMS扬声器的性能极大地取决于理想环境状况。即便很小的撞击或其他环境影响(诸如温度或气压)也可能对系统的性能产生不良效果。此外，老化效应可能对此类MEMS声换能器的性能产生负面影响。然而，如今对此类MEMS扬声器的要求需要在即便具有不断改变的外部影响的情况下也至少长期一致的声音质量。
本发明的任务是提供一种MEMS声换能器，通过该MEMS声换能器能够消除现有技术中已知的缺点，具体来说提供一种与现有技术已知的MEMS声换能器相比以更长服务寿命、改进的性能和/或改进的声音质量为特征的一种MEMS扬声器。
该任务通过具有独立权利要求1的特征的MEMS扬声器来达成。
提出了用于生成和/或检测可听波长频谱中的声波的一种MEMS声换能器，具体地是一种MEMS扬声器和/或MEMS话筒。该MEMS声换能器的特征在于：支撑元件，以及沿z轴相对于该支撑元件可偏转的膜。在此，支撑元件可以是支撑框架。膜优选地跨越支撑框架的凹部，以使得膜相对于支撑元件能够偏转以生成和/或检测z方向上的声波。此外，MEMS声换能器包括支撑在支撑元件上的用于使膜偏转的至少一个压电致动器。在此，压电致动器优选地被设计为悬臂。相应地，它的两个端部之一被固定地附连到支撑元件，而另一方面，自由端部在z方向上是可偏转的。通过相对于支撑元件可自由移动的另一端部，致动器优选地经由支撑结构间接连接到膜，以使得当致动器被偏转时，膜同时在z轴上被偏转。压电致动器优选地包括至少一个压电层。
另外，MEMS换能器包括用于驱动致动器的电子控制单元。此外，MEMS声换能器的特征在于至少一个位置传感器。通过该位置传感器，能够间接和/或直接地检测膜沿z轴的位置或偏转。位置传感器优选地是压电式、压阻式和/或电容式传感器。通过位置传感器，控制单元可以提供取决于膜偏转的传感器信号。
控制单元电连接到至少一个致动器和位置传感器。此外，控制单元被设计成执行功能性自测试或功能性自测试过程。在这么做的时候，存在对MEMS声换能器(具体来说是其个体组件，诸如致动器、位置传感器和/或膜)是否正常工作的检查。此外，控制单元被设计成执行失真减少或失真减少过程。在此，通过对致动器的合适驱动，控制单元阻止或至少减少MEMS声换能器在声音输出方面的失真。另外，控制单元被设计成执行损坏保护或损坏保护过程，通过此举，MEMS声换能器的移动组件(即，具体来说致动器、位置传感器和/或膜)受到保护以免于由此所得的过载和损坏。此外，控制单元被设计成执行补偿过程，通过该补偿过程，具体来说，为由老化效应和/或外部影响引起的MEMS声换能器的行为改变提供补偿。为了能够执行功能性自测试过程、失真减少过程、损坏保护过程和/或补偿过程，控制单元被设计成使得传感器信号能够被分析以获得分析结果和/或能够被比较以获得与存储在控制单元中的参考信号的比较结果。相应地，控制单元分析传感器信号和/或将其与参考信号进行比较。例如，MEMS声换能器的属性(诸如其自然频率)可通过对实际传感器信号的分析来确定。此外，例如，传感器信号的非线性振荡可以被标识。
通过将传感器信号与参考信号进行比较，当检测到偏差时就能检测到MEMS声换能器的行为改变。此类行为改变可以例如由外部影响(具体来说温度和/或压力改变)引起。然而，同样地，老化效应(具体来说致动器的压电层)也可引起行为改变。因而，由于外部影响或老化效应，压电系数可能退化，压电性能由此被降低。结果，经过一定的时间，在参考电压处，压电致动器可引起越来越低的力并且因此膜的越来越小的提升力。
此外，通过此类比较，引起发出的声音的失真的MEMS声换能器的非线性振荡也能够被标识。然而，可导致对MEMS换能器的移动组件的损坏的过载也能够通过此类分析和/或此类比较来标识。
为了能够避免对MEMS声换能器的损坏以及能够确保一致地高水平的声音质量，独立于外部影响和老化效应，控制单元还被设计成使得致动器能够计及分析结果和/或比较结果以受控的方式被驱动，或者由控制单元以受控制的方式被驱动。相应地，例如，在检测到与老化有关的功率减小或由外部影响引起的功率减小之际，致动器此后可以以较高电压来操作。相应地，在此，压电致动器以较高电压来操作，从而对功率减小进行补偿。然而，在检测到过载和/或失真之际，压电致动器也可以减小的电压来操作。总之，必须相应地声明，根据前述描述来设计的具有控制单元的MEMS声换能器能够以更持久的方式来操作和/或以一致地高声音质量在较长时间段上操作。
如果通过控制单元，至少一个信号值能够被分析和/或与参考值进行比较，则是有利的。附加地或者替换地，如果传感器信号的按时间排序的信号序列能够被分析和/或与参考信号序列进行比较，则也是有利的。这可以优选地在一时间窗口和/或所定义的频率范围内进行。因而，分析至少一个个体信号值和/或将其与参考值进行比较以便能够执行功能性测试、能够调整行为改变和/或标识过载是尤其有利的。此外，可具体地通过分析和/或比较信号曲线来确定非线性振荡以减少失真。
为了功能性自测试和/或为了调整行为改变，有利地，控制单元被设计成使得通过对从位置传感器传送到控制单元的实际传感器信号的分析可以确定MEMS声换能器的实际标准行为。此时，具体来说在MEMS声换能器的初始启动期间，所确定的此类实际标准行为可以作为参考标准行为被存储在控制单元的存储器中。在第一步骤中检测到的此类实际标准行为接着形成新的参考信号或者新的目标标准行为，藉此能够通过新的比较来检测MEMS声换能器的新的行为改变。
为了功能性自测试，有利地，取决于参考致动器信号的目标传感器信号被存储在控制单元中。此类目标传感器信号相应地反映了MEMS声换能器的目标标准行为。
为了功能性自测试，有利地，控制单元被设计成使得致动器能够以参考致动器信号来驱动，这引起或生成膜的目标偏转。在通过参考致动器信号的这一驱动之后，有利地，取决于实际偏转的实际传感器信号能够与目标传感器信号进行比较。此外，有利地，在此类比较之际，控制单元能够确定实际传感器信号与目标传感器信号的偏离。附加地或替换地，控制单元有利地在检测到偏离的情况下发出错误消息和/或将其报告给较高阶的控制单元。作为结果，MEMS声换能器优选地可独立地检查其是否正常工作。如果情况并非如此，则控制单元被有利地设计成使得从此之后在致动器的驱动之际通过对电子驱动的调整来对此类行为改变作出补偿。
此外，有利地，控制单元被设计成使得它能够在由传感器检测到事件之际自动地执行功能性自测试。此类事件具体来说是所标识出的系统启动、由传感器检测到的外部作用、或由传感器检测到的MEMS换能器的行为改变。
在功能性自测试之际，有利地，控制单元被设计成使得它能够在至少两种类型的错误(具体来说是致动器损坏、膜损坏和/或声输出开口的堵塞)之间进行区分。以此方式，目标对策可以被发起以便至少部分地补偿所标识出的错误。
在以下描述中，提出了用于减小失真的控制单元的有利实施例。相应地，用于减少失真的控制单元有利地被设计成使得MEMS声换能器的非线性振荡可通过对实际传感器信号的分析来确定。出于这一目的，传感器信号的按时间排序的信号序列优选地被分析。通过此类所标识出的非线性振荡可以检测失真。
为了减少失真，有利地，控制单元被设计成使得致动器能够用至少部分地减少所确定的非线性振荡的补偿致动器信号来驱动。结果，MEMS声换能器的声音质量可以被改进。
为了实现损坏保护，控制单元优选地根据以下描述来设计。相应地，控制单元有利地被设计成使得膜的最大偏转能够通过对实际传感器信号的分析(具体来说至少一个信号值的高度)来确定。结果，MEMS声换能器的移动组件的已经发生或即将发生的过载能够被可靠地标识。
为了损坏保护，具有最大可准许阈值水平的阈值被存储在控制单元中也是有利的。在此，该阈值或其阈值高度定义了沿z轴的最大可准许偏转，其是MEMS声换能器在没有损坏的情况下最多可操作的程度。
另外，有利地，用于MEMS声换能器的损坏保护的控制单元被设计成使得：为了检测过载，取决于第一偏转的实际传感器信号(具体来说至少一个个体信号值)能够与最大可准许阈值进行比较。此外，控制单元被有利地设计成当阈值被超过时能够用所标识的(具体来说经减小的)致动器信号(该致动器信号生成相对于第一偏转被减小的第二偏转)来驱动致动器。以此方式，能够有利地避免MEMS声换能器的移动组件被强烈偏转以致它们被损坏。
控制单元的以下规范尤其有利于MEMS声换能器的损坏保护和/或MEMS声换能器的行为改变的补偿。相应地，出于这一目的，控制单元被有利地设计成使得MEMS声换能器的实际自然频率能够通过对实际传感器信号的分析来确定。在此，实际自然频率表示一属性，该属性表示MEMS声换能器的当前行为。此外，关于实际自然频率的知识是必要的，以便在自然频率的范围中驱动的时间过长的情况下能够避免对MEMS声换能器的损坏。
如果分析信号(具体来说噪声信号)被存储在用于确定实际自然频率的控制单元中，则是有利的。分析信号优选地在低于MEMS声换能器的谐振频率的频率范围内延伸。
就此而言，如果用于确定实际自然频率的控制单元被设计成使得致动器能够用分析信号来驱动和/或可以确定标识频率范围内的实际自然频率的最大值，则是更有利的。结果，MEMS声换能器的实际自然频率能够快速地且以简单手段来确定。
为了损坏保护和/或为了行为改变的补偿，如果参考自然频率被存储在控制单元中，则是有利的。
此外，如果用于损坏保护和/或用于行为改变的补偿的控制单元被设计成使得所确定的MEMS声换能器的实际自然频率能够与所存储的参考自然频率相比较，则在此方面是有利的。
附加地或替换地，如果在实际自然频率偏离参考自然频率之际，所确定的实际自然频率能够作为新的参考自然频率被存储，则也是有利的。
就此，如果用于损坏保护和/或用于行为改变的补偿的控制单元被设计成使得致动器的驱动在计及新的参考自然频率的情况下进行，则是有利的。相应地，新确定和存储的参考自然频率接着可以被纳入考虑以便避免过载，并且以在时间上减少的方式在新自然频率的范围中驱动MEMS声换能器。此外，最后，新存储的参考自然频率被用于标识附加行为改变。
优选地，控制单元被设计成使得它单独地或者在功能性自测试过程、失真减少过程、损坏保护过程和/或补偿过程的框架内以任何组合方式执行上述过程特征。
还提出了根据前述描述的MEMS声换能器的工作过程，而上述特征、尤其是关于控制单元的操作模式的特征可单独地或以任何组合的方式存在。此外，具体地，提出了用于功能性自测试、用于失真减少、用于损坏保护和/或用于行为改变的补偿的工作过程，而此类过程中的至少一者根据前述描述来设计。此处同样地，所规定的过程特征可单独地或以任何组合的方式存在。
相应地，具体来说，提出了用于功能性自测试、用于失真减少、用于损坏保护和/或用于行为改变的补偿的MEMS声换能器过程，其中取决于膜偏转的传感器信号经由至少一个位置传感器来检测，该传感器信号被传送到控制单元，该控制单元分析该传感器信号和/或将其与存储在控制单元中的参考信号进行比较，并且通过计及分析结果和/或比较结果以受控的方式来驱动致动器。该过程通过根据上述描述的MEMS声换能器来执行，而MEMS声换能器(具体来说其控制单元)执行功能性自测试过程、失真减少过程、损坏保护过程和/或补偿过程。
本发明的进一步优点在以下实施例中进行描述。以下示出了：
图1示出了根据本发明的一个实施例的MEMS扬声器的透视剖面图，
图2示出了具有集成位置传感器的压电致动器的一实施例的示意性俯视图，
图3示出了具有集成位置传感器的压电致动器的第二实施例的示意性俯视图，
图4示出了具有集成位置传感器的压电致动器的第二实施例的示意性侧视图，
图5示出了具有压阻式位置传感器的压电致动器的第三实施例的示意性俯视图，
图6示出了具有电容式位置传感器的压电致动器的第四实施例的示意性俯视图，
图7示出了解说MEMS换能器的操作模式的控制单元、致动器和位置传感器之间的信息流的示意性表示。
在附图的以下描述中，为了定义各元素之间的关系，参考附图中示出的对象的位置，使用相对术语，诸如以上、以下、上、下、之上、之下、左、右、垂直和水平。此类术语在与设备和/或附图中所示的元素的位置发生偏离的情况下可以改变是不言自明的。相应地，例如，在设备取向和/或所示元素相对于附图被反转时，在附图的以下描述中被规定为“以上”的特征现在将被布置为“以下”。因而，相对术语仅仅被用于对下文描述的个体设备和/或元素之间的相对关系的较简单描述。
图1示出了MEMS声换能器的第一实施例，其优选地被设计为MEMS扬声器1。替换地，这也可被具体地设计为MEMS话筒。
MEMS扬声器1被设计成生成可听波长频谱中的声波。出于此目的，MEMS扬声器1具有膜2和膜载体3。膜2在其边缘区域4中与膜载体3连接，并且能够相对于膜载体3沿z轴振荡。在此，z轴基本上垂直于膜2延伸。加固元件5被布置在膜2的底部。
MEMS扬声器1的特征在于，除了膜2之外，还包括耦合到膜2的提升结构6以及至少一个压电致动器7。致动器7经由在z方向上可移动的提升结构6连接到膜2。膜载体3被布置在压电致动器7的载体基板9上。压电致动器7被布置在膜2以下和/或基本上与膜2平行。压电致动器7被设计成引起提升结构6的单向或双向提升移动以便使膜2偏转。它与膜2一起工作以便将电信号转换成在声学上可感知的声波。压电致动器7或压电致动器结构根据具体情况被布置在载体基板9的背对膜2的一侧上。
此外，MEMS扬声器1包括印刷电路板10。电子控制单元11(具体来说是ASIC)完全被嵌入到印刷电路板10中。因而，控制单元11被完全封装。除了控制单元11之外，附加无源组件12(诸如电阻器和/或I/O触点)可以被嵌入在印刷电路板10中和/或被布置在其上。MEMS扬声器1以及具体地压电致动器7通过未在附图中进一步解说的电触点连接到控制单元11。因而，MEMS扬声器1可经由控制单元11来驱动或操作，以使得通过压电致动器7，膜2被设置成振动以相对于膜支撑件3生成声音能量。压电致动器7在此被设计为悬臂13。相应地，它具有固定钳夹端部和自由振动端部。
根据图1，MEMS扬声器1被布置在外壳14中。外壳14包括上外壳部分15和下外壳部分16。上外壳部分15形成具有声学入口/出口开口18的声音传导通道17。这被横向地布置在MEMS扬声器1的外表面上。外壳14尤其提供针对膜2的附加保护，因为它相对于环境覆盖膜2。
MEMS扬声器1的特征在于至少一个位置传感器19。位置传感器19被设计成向电子控制单元11提供取决于膜偏转的传感器信号。控制单元11被设计成基于该传感器信号以受控的方式来驱动致动器7。出于该目的，位置传感器19可以是压电式、压阻式和/或电容式传感器。位置传感器19至少部分地被集成在致动器7中，具体来说是悬臂13中。
在图1所解说的实施例中，位置传感器19可以根据各附图中示出的后续实施例来设计。相应地，根据图2解说的实施例的位置传感器19和压电致动器7由公共压电层41形成(参见图2)。压电层14由锆钛酸铅(PZT)形成。至少一个区域是传感器区域20，两个致动器区域21通过该传感器区域20布置在相对于彼此一距离处。传感器区域和致动器区域20、21彼此电隔离。由于对传感器和致动器的要求可能不同，具有不同属性的不同压电材料的组合也是可构想的。在此，传感器区域20可以由PZT制成，而致动器区域21可以由氮化铝(AIN)制成。
根据图2，传感器区域20被布置在两个致动器区域21之间，并且在悬臂的纵向方向上对称地延伸。致动器区域21通过传感器区域20彼此完全隔开。传感器区域20和致动器区域21的特征在于：在悬臂的纵向方向上的相同长度。就面积而言，两个致动器区域21大于传感器区域20。
当膜2经由致动器7被偏转时，根据具体情况，其位置或在z方向上的偏转通过位置传感器19来检测。在此，经由压电效应生成的电压(其约与提升结构6的偏转成比例)经由致动器电极被分接或者被相应地评估。基于该检测到的输入信号，控制单元11根据具体情况确定膜2的实际位置或实际偏转。在这么做的时候，连接元件22的弹性振动特性被纳入考虑。连接元件22将位置传感器19的自由端部连接到提升结构6。根据膜2的此类检测到的实际位置，控制单元11确定取决于此的膜2的期望目标位置和/或电子输出信号。输出信号被传送到致动器7，其相应地使膜2偏转。在偏转移动期间和/或在偏转移动结束时，经由位置传感器19，膜2的实际位置再次被检测，并且在恰当时根据前述描述被再次调整到环境状况。
如上文已经提及的，图2示出了具有集成位置传感器19的压电致动器7的第一实施例的示意性俯视图。在此，压电致动器7的特征在于两个致动器区域21，它们通过传感器区域20彼此隔开。区域20、21两者都由PZT形成。然而，其他压电材料也是可构想的。同样还构想了大部分被用于致动器且仅有一个小区域被用于传感器。在此，传感器区域20与致动器区域21电隔离。为了阻止提升结构6由于非对称驱动而引起的不想要的倾斜，致动器和传感器区域21、20应当成对地彼此相对地布置。
图3和4中的每一者示出了具有位置传感器19的压电致动器7的第二实施例的示意图。在此，根据图4的压电位置传感器19由第一压电层23(具体由AIN制成)形成。压电致动器7由第二压电层24(具体由PZT制成)形成。这两个层彼此电隔离，并且相对于z轴被布置成一者在另一者之上。
根据图3，第一压电层23被细分为多个传感器区域20。传感器区域20彼此隔开和/或电隔离。在图3示出的实施例中，形成三个传感器区域20，它们以间隔开的方式被布置在悬臂的横向方向上。具体地，这等距地完成。第二压电层24的特征在于在悬臂13上延伸的致动器区域21。此类致动器区域21在悬臂13的整个表面上延伸，至少在俯视图中。两个致动器区域21的特征在于在悬臂的纵向方向上的相同长度。然而，还构想了传感器区域20不在悬臂的整个纵向方向上延伸，而是仅覆盖其中的一部分。在此情形中，悬臂长度的不同将由另一致动器区域形成，这未被示出。
如图4所示，压电层23、24形成堆叠，其由支撑层25支撑。支撑层25被连接到印刷电路板10。在所示实施例中，形成位置传感器19的第一压电层23被布置在第二压电层24上，具体来说在致动器7上。然而，第一压电层23也可被布置在压电致动器7以下。
图5示出了具有集成位置传感器19的压电致动器7的第三实施例的示意性俯视图。在此，位置传感器19被形成为压阻式，具体来说通过电力线26来形成。电力线26通过压电致动器7的支撑层25中的离子植入工艺来形成。电力线26从第一电触点27延伸到第二电触点28。两个电触点27、28优选地被布置在致动器7的固定钳夹端部29的区域中。电力线26被形成为U形，并且特征在于第一纵向部分30和第二纵向部分31。第一纵向部分30从第一电触点27延伸到悬臂13，在悬臂13的纵向方向上开始。从横向部分32，第二纵向部分31(在悬臂的纵向方向上开始)从悬臂13向外延伸到第二电触点28，而横向部分32在悬臂的横向方向上延伸。按照刚刚描述的方式，在当前情形中，四个此类电阻器33被形成。电阻器33彼此不同，并且按照形成惠斯登测量电桥的方式连接至控制单元11。
在此，电力线26(具体来说电阻器33)对作为从膜偏转导致的压力改变的结果而产生的变形作出反应。电阻器33以电阻改变来对此作出反应，该电阻改变由控制单元11来检测和评估。
图6示出了具有集成电容式位置传感器19的压电致动器7的第四实施例的示意性俯视图。电容式位置传感器19的特征在于凹部(未更详细地示出)，在这些凹部中的每一者中布置了延伸部。每一延伸部在z方向上可移动。在所解说的实施例中，凹部被布置在框架36上并且延伸部被布置在悬臂13上。悬臂13也可在z方向上偏转。作为对比，框架36是静止的，并且优选地由载体基板9形成。然而，还构想了凹部被形成在悬臂13中，并且延伸部被形成在框架36上。凹部的特征在于两个内表面，而这两个内表面中的至少一者被设计为第一测量电极。延伸部被设计为第二测量电极或电介质。通过这种方式，电容器被形成。
作为致动器7对膜2的激励的结果，悬臂13上的延伸部也被偏转。在此之际，个体延伸部到各自对应的凹部的距离增大。因此，根据具体情况，两个测量电极的距离或者第一测量电极与电介质之间的距离也增大。由于电容就是通过该距离来确定的，因此控制单元11检测到由于偏转而引起的电容改变。根据该电容式传感器信号，致动器7能够以受控方式被驱动以便以受控方式来驱动膜2(同样参见图1)。
图7示意性地示出了被设计为MEMS扬声器1和/或MEMS话筒的MEMS声换能器的(具体来说根据前述描述的)操作模式。在此，MEMS声换能器包括膜2，根据具体情况它以在z方向上可偏转的方式被安装在支撑元件或膜支撑件3中。此外，MEMS声换能器包括压电致动器7和位置传感器19。进而，这些组件被电连接到控制单元11。
控制单元11被设计成执行功能性测试，以便减少失真，以便避免对MEMS声换能器的损坏，和/或以便识别和补偿MEMS声换能器的行为改变。出于此目的，控制单元11被设计成使得它能够分析实际传感器信号37和/或能够将其与存储在控制单元11中的参考信号8相比较。此外，控制单元11被设计成使得致动器7能够在考虑分析结果35和/或比较结果的情况下以受控的方式来驱动，该分析结果35可以通过对实际传感器信号37的分析来确定。
为了功能性自测试或为了执行功能性自测试过程(比较圆形元素37、42、48)，MEMS声换能器能够相应地用参考致动器信号48来驱动致动器7。在控制单元11的存储器单元中，目标传感器信号42被存储为参考信号8，其表示取决于参考致动器信号48的膜2的目标偏转。通过致动器7用参考致动器信号48来驱动膜2，膜2被偏转。偏转由位置传感器19来检测，其将实际传感器信号37传送到控制单元11。实际传感器信号表示实际标准行为38和/或用于确定MEMS声换能器的实际标准行为38。在实际/目标比较的框架内，控制单元11将实际传感器信号37与所存储的目标传感器信号42作比较。如果比较结果34未产生这两个信号之差，则MEMS声换能器正在正确地工作。否则，控制单元11识别错误的操作模式。上述的功能性单元自测试或此类功能性自测试过程可以由控制单元11自动地执行，尤其是在系统启动期间或在外部干扰之后。
此外，控制单元11被设计成使得它能够分析传入的实际传感器信号37。根据分析结果35，控制单元11可以具体地确定MEMS声换能器的最大偏转44、实际自然频率46和/或非线性振荡43。此外，控制单元11(具体来说存储器)存储阈值45和/或参考自然频率47。
在失真减少或失真减少过程的框架内(参见六边形元素43、49)，控制单元11能够相应地通过对实际传感器信号37的分析来检测膜2的非线性振荡43。此类非线性振荡是所发出的声音的失真的指示。在实际传感器信号37的分析和/或比较中，控制单元11具体地使用传感器信号的至少一个个体信号值和/或具体地在一个频率范围内的按时间排序的信号序列。
为了能够对该标识出的失真进行补偿，控制单元11被进一步设计成使得它能够用补偿致动器信号49来驱动致动器7，这至少部分地减少了检测到的非线性振荡43。结果，膜2能够再次被引导回到非失真偏转区域。
为了执行损坏保护过程以便阻止由于过载而对膜2、致动器7和/或位置传感器19造成的损坏，控制单元11被进一步设计成使得最初通过对实际传感器信号37的分析以及通过与阈值45的比较，它能够标识对应的过载(参见正方形元素39、44、45)。相应地，阈值45定义了最大可准许阈值水平，其是MEMS换能器在至少没有损坏的情况下能够操作的最大程度。
通过最大偏转44和阈值45的比较，控制单元11可确定过载是即将发生的还是已经发生的。在最大偏转44超过阈值45之前不久或者在紧接着它超过阈值45之后，控制单元11用减小的致动器信号39来驱动致动器7。相应地，此类致动器信号39(在与先前致动器信号进行比较时被减小)使得第二偏转相对于膜2的第一偏转被减小。结果，能够有利地避免已经被移动的MEMS组件的过载。
此外，知晓MEMS声换能器的实际自然频率46对于损坏保护或对于执行损坏保护过程而言是有利的。根据具体情况，这同样适用于对MEMS声换能器的行为改变的补偿或者对补偿过程的执行(参见三角形元素46、47、49)。
为了能够分析式地确定实际自然频率46，分析致动器信号50被存储在控制单元11的存储器单元中。这优选地包括在低于MEMS声换能器的谐振频率的一个频率范围中延伸的噪声信号。致动器7用该分析致动器信号50来驱动。由位置传感器19反馈的实际传感器37被控制单元11分析以便能够确定该频率范围内的最大值。该最大值接着标识MEMS声换能器的实际自然频率46。控制单元11接着被设计成使得通过分析式确定的实际自然频率46与所存储的参考自然频率47的比较，它能够确定自然频率的改变。
在检测到偏离的情况下，如果新的自然频率(即，实际自然频率46)作为新的参考自然频率47被存储在控制单元11的存储器中，则对于损坏保护而言是有利的。为了阻止对MEMS声换能器的损坏，这可具体地仅在自然频率的范围中被激励达一有限的时间段。在对膜2的进一步驱动之际，控制单元11接着计及新的参考自然频率47并且相应地以时间受控的方式在此类频率范围中驱动膜2。
然而，此外，MEMS声换能器的自然频率的此类改变也可以是外部影响(具体来说是压力或温度变化)或老化效应的结果。为了补偿MEMS声换能器的此类行为改变，如果在分析式确定的对自然频率的改变之际，实际自然频率46作为新的参考自然频率47被存储并且在之后在致动器7的驱动中被纳入考虑，则相应地也是有利的。出于该目的，控制单元11用对应的补偿致动器信号49来驱动致动器7。
本发明不限于所解说和所描述的实施例。在权利要求书的范围内的各变体是可能的，如同各特征的组合那样，即便它们在不同实施例中被解说和描述。
参考标号的列表
1 MEMS扬声器
2 膜
3 膜载体
4 边缘区域
5 加固元件
6 提升结构
7 致动器
8 所存储的参考信号
9 载体基板
10 电路板
11 控制单元
12 附加无源组件
13 悬臂
14 外壳
15 上外壳部分
16 下外壳部分
17 声音传导通道
18 声学入口/出口开口
19 位置传感器
20 传感器区域
21 致动器区域
22 连接元件
23 第一压电层
24 第二压电层
25 支撑层
26 电力线
27 第一电触点
28 第二电触点
29 固定钳夹端部
30 第一纵向部分
31 第二纵向部分
32 横向部分
33 电阻器
34 比较结果
35 分析结果
36 框架
37 实际传感器信号
38 实际标准行为
39 减小的致动器信号
40 ASIC
41 公共压电层
42 目标传感器信号
43 非线性振荡
44 最大偏转
45 阈值
46 实际自然频率
47 参考自然频率
48 参考致动器信号
49 补偿致动器信号
50 分析致动器信号
Claims (15)
1.一种用于生成和/或检测可听波长频谱中的声波的MEMS声换能器，具体地是MEMS扬声器和/或MEMS话筒，包括：
支撑元件(9)，
能够沿z轴相对于所述支撑元件(9)偏转的膜(2)，
支撑在所述支撑元件(9)上的用于使所述膜(2)偏转的至少一个压电致动器(7)，
用于驱动所述致动器(7)的电子控制单元(11)，以及
至少一个位置传感器(19)，所述控制单元(11)能够通过所述至少一个位置传感器(19)来提供取决于膜偏转的传感器信号(37)，
其特征在于
所述控制单元(11)被设计成使得：
它执行功能性自测试过程、失真减少过程、损坏保护过程和/或用于行为改变的补偿的补偿过程，
其中所述控制单元(11)分析所述传感器信号(37)以获得分析结果(35)和/或将所述传感器信号(37)与存储在所述控制单元(11)中的参考信号(8)进行比较以获得比较结果(34)，以及
通过计及所述分析结果(35)和/或所述比较结果(34)以受控的方式来驱动所述致动器(7)。
2.根据前述权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，所述控制单元(11)分析和/或比较所述传感器信号(37)的至少一个信号值和/或具体来说在一个频率范围内的按时间排序的信号序列。
3.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，在所述功能性自测试过程期间，通过对实际传感器信号(37)的分析，所述控制单元(11)确定所述MEMS声换能器的实际标准行为(38)。
4.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，为了执行所述功能性自测试过程，取决于参考致动器信号(48)的目标传感器信号(42)被存储在所述控制单元(11)中，所述目标传感器信号(42)反映所述MEMS声换能器的目标标准行为。
5.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，在所述功能性自测试过程期间，所述控制单元(11)用生成目标偏转的参考致动器信号(48)来驱动所述致动器(7)，
将取决于实际偏转的实际传感器信号(37)与所述目标传感器信号(42)进行比较，
确定所述实际传感器信号(37)与所述目标传感器信号(42)的偏离，和/或
在检测到偏离的情况下发出错误消息。
6.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，在所述失真减少过程期间，在失真的情况下，所述控制单元(11)通过对所述实际传感器信号(37)的分析来确定所述MEMS声换能器的非线性振荡(43)。
7.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，在所述失真减少过程期间，所述控制单元(11)用至少部分地减少所确定的非线性振荡(43)的补偿致动器信号(49)来驱动所述致动器(7)。
8.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，在所述损坏保护过程期间，所述控制单元通过对所述实际传感器信号(37)的分析来确定所述MEMS声换能器的最大偏转(44)。
9.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，为了执行所述损坏保护过程，特别是具有最大可准许阈值水平的阈值(45)被存储在所述控制单元(11)中，所述阈值(45)是所述MEMS换能器至少在没有损坏的情况下能够操作的最大程度。
10.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，在所述损坏保护过程期间，为了检测过载，所述控制单元(11)将取决于第一偏转的实际传感器信号(37)与最大可准许阈值(45)进行比较，和/或
在超过所述阈值(45)之际，用生成与所述第一偏转相比被减小的第二偏转的经减小的致动器信号(39)来驱动所述致动器(7)。
11.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，在所述损坏保护过程期间和/或在所述补偿过程期间，所述控制单元(11)通过对所述实际传感器信号(37)的分析来确定所述MEMS声换能器的实际自然频率(46)。
12.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，在所述损坏保护过程期间和/或在所述补偿过程期间，所述控制单元(11)用分析致动器信号(50)来驱动所述致动器(7)以确定所述实际自然频率(46)，和/或
确定标识所述频率范围内的实际自然频率(46)的最大值。
13.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，参考自然频率(47)被存储在所述控制单元(11)中以供所述损坏保护过程和/或所述补偿过程的执行。
14.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，在所述损坏保护过程期间和/或在所述补偿过程期间，所述控制单元(11)将所确定的所述MEMS声换能器的实际自然频率(46)与所存储的参考自然频率(47)进行比较，和/或
在偏离之际，将所确定的实际自然频率(46)存储为新的参考自然频率(47)。
15.根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，所述控制单元(11)在计及所述新的参考自然频率(47)的情况下驱动所述致动器(7)，而对于所检测到的行为改变的补偿，这优选地通过补偿致动器信号(49)来进行。
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