CN111034223A - 微机械声音换能器 - Google Patents

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Abstract

根据第一方面的微机械声音换能器包括具有自由端的第一弯曲换能器和具有自由端的第二弯曲换能器，这两个弯曲换能器布置在共同平面中，其中第一弯曲换能器的自由端经由狭缝与第二弯曲换能器的自由端分开。第二弯曲换能器与第一弯曲换能器的垂直振动同相地被激励。根据第二方面的微机械声音换能器包括被激励以垂直地振动的第一弯曲换能器以及垂直于第一弯曲换能器延伸的隔膜元件，该隔膜元件经由狭缝与第一弯曲换能器的自由端分开。

Description

微机械声音换能器
本发明的实施例涉及一种具有至少一个弯曲致动器(一般而言：弯曲换能器)和小型化狭缝的微机械声音换能器，以及一种具有级联的弯曲换能器的小型化声音换能器。附加的实施例涉及对应的制造方法。
虽然MEMS用在几乎所有领域中，但仍使用精密工程技术来制造小型化声音换能器。这些所谓的“微型扬声器”基于电动驱动系统，其中膜片被在永久磁场中移动的移动线圈偏转。这些常规电动声音换能器的主要缺点是效率低以及导致的常常是超过一瓦若干倍的高功耗。此外，这种声音换能器不包括任何位置传感器系统，从而膜片的移动不受限制，并且在较高声压水平下会发生大的变形。进一步的缺点是大系列偏差以及常常是超过3mm若干倍的大高度尺寸。
由于超精密制造方法以及能效驱动原理，MEMS具有克服这些缺点并实现新一代声音换能器的潜力。但是，MEMS声音换能器的声压水平太低仍然是个基本问题。其主要原因是难以生成尺寸尽可能小的足够大的冲程移动。另一个复杂的因素是，为了防止声学短路，需要一种膜片，该膜片由于其附加的弹簧刚度而对总挠度有负面影响。可以通过使用非常柔软且三维形状的膜片(例如，具有圆环)来使弹簧刚度最小化，但是，柔软且三维形状的膜片目前不能使用MEMS技术来制造，因此只能以复杂且昂贵的混合方式集成。
出版物和专利说明书涉及不同实施方式的MEMS声音换能器，除其他以外，由于上面提到的问题而这并没有产生上市产品。这些概念基于闭合膜片，闭合膜片被设置为振动并生成声音。例如，[Hou13.US2013/156253A1]描述了一种电动MEMS声音换能器，其要求聚酰亚胺膜和永磁体环的混合集成。[Yi09，Dej12，US7003125，US8280079，US2013/0294636A1]示出压电MEMS声音换能器的概念。在此，压电材料(诸如PZT、AIN或ZnO)被直接施加到硅基声音换能器膜片上，但由于其低弹性而不允许足够大的偏转。[US20110051985A1]示出另一种压电MEMS声音换能器，其具有板状主体，该板状主体经由膜片或若干致动器以活塞状方式偏转离开平面。[Gla13，US7089069，US20100316242A1]描述了基于具有静电驱动的膜片的阵列的数字MEMS声音换能器，但是，它们只能在高频下生成足够高的声压。因此，需要改进的方法。
本发明的目的是提供一种微机械声音换能器，其在声压、频率响应和制造努力之间提供更好的折衷。
这个目的通过独立权利要求实现。
本发明的实施例提供了一种具有第一弯曲换能器或弯曲致动器以及第二弯曲换能器或弯曲致动器的微机械声音换能器(例如，设置在基板中)。第一弯曲致动器包括自由端和例如至少一个或两个自由侧，并且被配置为例如通过音频信号被激励以垂直地振动并发出(或接收)声音。第二弯曲致动器也包括自由端并且被布置为与第一弯曲致动器相对，使得第一弯曲致动器和第二弯曲致动器位于或悬于共同平面中。此外，该布置被实现为使得在第一弯曲致动器和第二弯曲致动器之间形成分开两个弯曲致动器的狭缝(例如，在微米范围内)。激励第二弯曲致动器以始终与第一弯曲致动器同相振动，这导致狭缝跨弯曲致动器的整个偏转而基本保持恒定。
本发明的这个方面的实施例基于以下发现：通过使用以最小(分离)狭缝分开的若干分开的弯曲换能器或致动器，在两个换能器或致动器的完全相同的偏转离开平面的情况下，可以实现两个致动器之间的狭缝保持近似恒定地小(在微米范围内)，从而在狭缝中始终存在高粘度损失，该高粘度损失因而防止了(弯曲致动器的)后体积和前体积之间的声学短路。与主要基于闭合膜片的现有MEMS系统相比，本概念允许显著提高性能。主要原因是，由于致动器的解耦，无需使用能量来使附加的机械膜片元件变形，这允许显著更高的偏转和力。此外，非线性仅在明显更大的移动幅度下发生。然而常规系统有时要求形状复杂的膜片和磁体，到目前为止，形状复杂的膜片和磁体在MEMS技术中可能尚未实现而只能以巨大的努力以混合方式集成，而本发明的概念可以用已知的硅技术方法来实现。关于制造过程和成本，这提供了显著的优点。由于出于概念和材料的原因，振动质量小，因此可以实现具有非常宽频率范围以及同时大移动幅度的系统。
另一方面提供了一种微机械声音换能器，该微机械声音换能器具有第一弯曲换能器或弯曲致动器(被配置为被激励以垂直地振动)和垂直延伸(即，延伸出基板的板，因此也延伸出弯曲换能器的延伸平面)到第一弯曲换能器或弯曲致动器的隔膜元件。隔膜元件通过狭缝(间隙)与第一弯曲致动器的自由端分开。
这方面的发现是，由于隔膜元件，可以实现(由于振动)隔膜元件与致动器的自由端之间的距离跨换能器或致动器的整个移动范围而近似保持恒定。这实现了与上述相同的效果，即，由于在自由端(以及可能也在自由侧)或在狭缝中的高粘度损失，可以防止声学短路。因此，出现了相同的优点，特别是关于声音转换器的效率、宽带特点和制造成本。
实施例涉及这种具有隔膜元件的致动器的制造方法。这种方法包括以下步骤：对层进行构造以便形成第一弯曲致动器；以及制造或沉积垂直隔膜元件，使得隔膜元件延伸超出第一弯曲致动器的层。术语“垂直”应理解为相对于基板垂直(垂直于基板平面)或大致成角度(角度范围75°-105°)。
关于至少两个弯曲致动器的变化，应该注意的是，根据实施例，第一和第二弯曲致动器是相同类型的弯曲致动器。例如，可以有平面的、矩形的、梯形的或一般多边形的弯曲致动器。根据进一步的实施例，这些弯曲致动器可以各自具有三角形或圆弓形形状。三角形或圆弓形形状常常用在包括多于两个弯曲致动器的微机械声音换能器中。因此，根据进一步的实施例，微机械声音换能器包括一个或若干个另外的弯曲致动器，例如，三个或四个弯曲致动器。
如上所述，同时或同相驱动弯曲致动器，或者提供隔膜元件，使得有可能在假设(在空闲状态下)小于第一弯曲致动器的表面区域的10％或甚至小于5％、2.5％、1％、0.1％或0.01％的狭缝的情况下狭缝跨整个移动范围而保持小，即，即使偏转，狭缝也最多包括第一弯曲致动器的表面区域的15％或甚至仅10％(或1％或0.1％或0.01％)。关于具有隔膜元件的变型，应当注意的是，隔膜元件的高度被确定尺寸使得该高度等于线性操作中的第一弯曲致动器的最大偏转(即，线性机械-弹性范围)或者第一弯曲换能器的最大弹性偏转(通常为5-100％)的至少30％或50％，或优选地90％，或甚至100％或更大。可替代地，可以取决于狭缝宽度(狭缝宽度的至少0.5倍、1倍、3倍或5倍)或取决于弯曲换能器的厚度(厚度的至少0.1倍、0.5倍、1倍、3倍或5倍)来定义高度。用于两个变型的这些确定尺寸规则允许跨整个偏转范围并且因此跨整个声音水平范围的上述声学短路的功能/防止。
根据进一步的实施例，隔膜元件不仅可以被布置为与自由端相对，而且还可以例如被布置在弯曲致动器周围的未夹紧的侧面处。特别地，如果弯曲致动器是在一侧中夹紧的弯曲致动器，那么这是有意义的。
根据实施例，隔膜元件在其横截面中可以包括变化的几何形状(例如，朝着致动器弯曲/倾斜的几何形状)，从而狭缝沿着致动器移动而大多具有恒定的横截面。根据实施例，隔膜可以形成机械止动件以防止机械过载。
进一步的实施例提供了一种微机械声音换能器，该微机械声音换能器包括控制器，该控制器驱动第二弯曲致动器，使得第二弯曲致动器被激励以与第一弯曲致动器同相振动。此外，根据进一步的实施例，可以是有利的是，提供一种感测第一弯曲致动器和/或第二弯曲致动器的振动和/或位置以允许控制器驱动两个弯曲致动器同相的传感器系统。与大多不具有传感器系统并且仅感测驱动器(不仅仅是膜片)的偏转的常规系统相比，在此原理下，可以借助于良好集成的传感器系统轻松确定发声元件的实际位置。这是非常有利的并且允许显著更精确和可靠的检测。这构成了调节激励(闭环)的基础，该激励可以通过电子方式补偿外部影响、老化效应和非线性性。
根据实施例，弯曲致动器还可以包括所谓的“级联连接(级联)”。即，第一和/或第二弯曲致动器各自包括至少一个第一和第二弯曲元件。这些元件串联连接。根据实施例，“串联连接”是指第一弯曲元件和第二弯曲元件包括夹紧端和自由端，并且第二弯曲元件以其夹紧端抓住第一弯曲致动器的自由端并以其自由端形成整个弯曲致动器的自由端。在这种情况下，两个弯曲元件之间的连接例如可以由柔性元件形成。可选地，微机械声音换能器可以包括附加框架，该附加框架例如在第一弯曲元件和第二弯曲元件之间的过渡区域中提供。它用于加固并用于模式解耦。关于两个弯曲元件，要注意的是，根据优选实施例，它们可以用不同的控制信号来驱动，使得例如一个或多个内侧弯曲元件用于更高的频率，而外侧弯曲元件被驱动在较低的频率范围内振动。
另一方面提供了一种具有至少一个，优选地两个，弯曲致动器的微机械声音换能器，其中每个弯曲致动器包括串联连接的第一和第二弯曲元件。根据另一个实施例，这种弯曲致动器可以包括柔性连接而不是分离狭缝。
本发明的这个方面的实施例基于以下发现：通过使用弯曲致动器的若干弯曲元件的串联连接，可以实现不同的弯曲致动器负责不同的频率范围。因此，例如，内侧弯曲致动器可以被配置用于高频范围，而外侧的另一个致动器可以被操作用于低频范围。与常规的膜片方法相比，本文所述的概念使得能够与若干可单独驱动的致动器级进行级联连接。此外，由于与压电驱动器相结合的频率分开控制，可以实现能效的显著提高。高质量的模式解耦在再现质量上提供了优点。例如，特别地空间有效的多路声音换能器的实现是另一个优点。
即使在具有级联连接的弯曲致动器的这个实施例中，也可以根据附加实施例来应用上述的进一步开发。在此，特别要提到关于级联连接的确切实施的特征(例如，连接元件或框架)。此外，关于级联声音换能器配置的平面、矩形、梯形或三角形(一般为多边形)的弯曲致动器几何形状的子方面也是相关的。
进一步的实施例涉及一种用于制造具有级联弯曲致动器的微机械声音换能器的方法。该方法包括以下步骤：提供形成(分别)具有第一弯曲元件和第二弯曲元件的第一(和第二)弯曲致动器的第一层，以及(分别)连接第一弯曲元件和第二弯曲元件。
根据实施例，可以想到的是，使致动器彼此交错和/或以不同的尺寸设计它们，例如，以便覆盖不同的频率范围。
从属权利要求中定义了进一步开发。参考附图描述本发明的实施例，其中：
图1a示出了根据实施例的具有两个弯曲致动器的微机械声音换能器的示意图；
图1b示出了根据进一步的基本实施例的具有一个弯曲致动器和垂直隔膜元件的微机械声音换能器的示意图；
图1c示出了具有相邻结构的弯曲致动器的示意图，以便描绘与常规技术形成对比的图1a和1b的概念的改进；
图2a-c示出了根据实施例的可能致动器元件的示意性横截面；
图3a-d示出了根据实施例的弯曲致动器构造的示意性顶视图；
图4示出了示意图，以便图示用于不同实施例的模拟声压水平；
图5示出了根据实施例的具有两个弯曲致动器的微机械声音换能器的示意图，每个弯曲致动器包括级联连接；
图6a-c示出了根据实施例的具有级联连接的弯曲致动器构造的示意性顶视图；
图7示出了示意图，以便描绘具有级联连接的弯曲致动器构造的模拟声压水平；
图8a、b示出了根据进一步的实施例的具有级联连接的弯曲致动器构造的顶视图的示意图或局部视图；
图9示出了示意图，以便描绘根据实施例的具有级联连接的微机械声音换能器的FEM模拟偏转；
图10a-c示出了根据实施例的具有侧向布置的隔膜元件的弯曲致动器的示意性顶视图；
图11a-d示出了示意图，以便描绘根据实施例的在微机械声音换能器的制造期间的过程顺序；
图12示出了根据实施例的具有多个微机械声音换能器的阵列的示意图；
图13a-i示出了根据实施例的在图1b中描述的隔膜结构的不同实施方式的示意图；
图14a-c示出了根据附加实施例的具有盖子的微机械声音换能器的示意图；
图15a-h示出了根据实施例的微机械声音换能器的顶视图的示意图；以及
图16示出了根据实施例的在两侧上被夹紧的微机械声音换能器的示意图。
在随后基于附图更详细地描述本发明的实施例之前，要注意的是，具有相同效果的元件和结构具有相同的附图标记，从而它们的描述可以彼此应用并且可以彼此互换。
图1a示出了具有第一弯曲致动器10和第二弯曲致动器12的声音换能器1。两者都被布置或夹紧在平面E1中，如基于夹具10e和12e所见。可以通过从共同基板(未示出)蚀刻出弯曲致动器10和12以使弯曲致动器10和12在一侧上与基板连接以及通过在致动器10和12下方形成(共同)腔体(未示出)来实现夹紧。在这一点上，应该注意的是，所示的弯曲致动器10和12可以例如被偏置，从而该图示或者示出空闲状态或者偏转的快照(如果是这种情况，那么借助于点线示出空闲状态)。如可以看出的，两个致动器10和12被布置为彼此水平相邻，从而致动器10和12或者至少夹具10e和12e处于共同平面E1中。优选地，这种陈述涉及空闲状态，其中，在偏置的情况下，平面E1主要涉及共同夹紧区域10e和12e。
两个致动器10和12彼此相对地布置，从而例如为5μm、25μm或50μm(一般在1μm和90μm之间的范围内，优选地小于50μm或小于20μm)的狭缝14位于两者之间。将在一侧夹紧的两个弯曲致动器12和14分开的这个狭缝14可以被称为解耦狭缝。解耦狭缝14仅跨致动器10和12的整个偏转范围而最小限度地变化，例如以1、1.5或4倍(一般在0.5-5的范围内)，即，变化小于(在空闲状态下的)狭缝宽度的+500％、+300％、+100％或+75％或小于+50％，以便能够省略附加的密封，这将在下面进行说明。
优选地，致动器10和12以压电方式被驱动。例如，这些致动器10和12中的每一个可以包括层结构，并且除了压电有源层之外，还可以包括一个或若干个无源功能层。可替代地，静电、热或磁驱动原理是可能的。如果向致动器12施加电压，那么其自身变形，或者在压电情况下，致动器10和12的压电材料自身变形，并使致动器10和12弯曲离开平面。这种弯曲导致空气的移位。利用周期性的控制信号，激励相应的致动器10和12振动，以便发出声音信号(或者在麦克风的情况下：接收声音信号)。致动器10和12或对应的驱动信号被配置为使得致动器10和12的分别邻近的致动器边缘或自由端经历近似完全相同的偏转离开平面E1。自由端用附图标记10f和12f指示。由于致动器10和12或自由端10f和12f彼此平行地移动，因此它们是同相的。因此，致动器10和12的偏转被称为同相的。
因此，在处于被驱动状态下的所有致动器10和12的整体结构中形成仅由狭窄的解耦狭缝14中断的连续偏转剖面。由于解耦狭缝的狭缝宽度在微米范围内，因此在狭缝侧壁10w和12w处实现了高粘度损失，从而强烈地遏制了通过的气流。因此，致动器10和12的前侧和后侧之间的动态压力均衡不会足够快地发生，使得与致动器频率无关地减少了声学短路。这意味着，在所考虑的声学频率范围内，具有窄狭缝的致动器结构在流体学方面表现得像闭合膜片。
图1b示出了关于没有密封的微机械声音换能器的致动器如何获得良好的声压行为的另一个变型。图1b的实施例示出了包括致动器10的声音换能器1'，该致动器10被固定地夹在点10e处。弯曲致动器10可以从基板(未示出)中蚀刻出来，从而在其下方形成腔体(未示出)。自由端10f可以被激励以跨范围B振动。与自由端10f相对地提供垂直布置的隔膜元件22。优选地，这个隔膜元件至少与自由端10f的移动范围B一样大或大于自由端10f的移动范围B。优选地，隔膜元件22在致动器的前侧和/或后侧上延伸，即，从平面E1(基板平面)观察，在较低平面和较高平面(例如，垂直于基板)中延伸。在隔膜元件22和自由端10f之间提供有与图1a的狭缝14相当的狭缝14'。
即使在偏转状态下(参见B)，隔膜元件22也使得有可能使所提供的解耦狭缝14'的宽度保持近似相同。因此，在具有邻近的边缘的这种构造中，没有由于偏转引起的明显开口，例如如图1c中所示。
图1c示出了也夹在点10e处的致动器10。与之相对地提供了没有垂直扩展和移动的任意相邻的结构23。由于致动器10的偏转，在致动器的自由端10f的区域中存在开口。这个开口用附图标记“o”表示。取决于偏转，这些开口横截面140可以显著大于解耦狭缝(参见图1a和1b)，或者一般而言大于在空闲状态下的耦合狭缝。通过该开口，在前侧和后侧之间可以存在气流，从而导致声学短路。
根据实施例，隔膜元件22或隔膜元件22的侧表面可以适于致动器10在偏转范围B内的移动。在实践中，可以想到凹形。
图1a的结构1和图1b的结构1'使得有可能通过提供跨整个移动范围而保持解耦狭缝14或14'近似恒定的手段来防止声学短路。
如上面所解释的，根据实施例，可以使用压电材料。图2在图示a-c中示出了可能的致动器元件的三个不同横截面。图2a图示了单态结构。这里，压电层10pe或12pe被施加在无源层10p、12p上。
图2b示出了双晶结构。这里提供了两个压电层10pe_1或12pe_1和10pe_2或12pe_2，以及无源中间层10p或12p。
图2c示出了具有两个压电层10pe_1或12pe_1和10pe_2或12pe_2的压电层堆叠。
图2a至2c中所示的所有压电致动器的共同点是，它们由至少两层构成，即，压电层10pe或12pe，以及另一层(诸如无源层10p或12p，或另外的压电层10pe_2或12pe_2)。压电层10pe、12pe、10pe_1、12pe_1、10pe_2、12pe_2可以被配置为具有附加分离层(参见10p、12p层)的多层系统，和/或可以来自任意数量的子层的自身形成(参见点线)。例如，通过平面或叉指电极进行接触。
根据替代实施例，可以使用可以包括类似于压电致动器的多层结构的热驱动器。基本上，热驱动器的结构于是对应于针对压电层的关于图2a-c描述的结构，其中使用热活性层代替压电层。
关于图3a-c描述包括至少两个相对的致动器(参见图3b)的不同致动器布置。
图3a示出了具有四个致动器10'、11'、12'和13'的致动器布置。这些致动器10'至13'中的每一个被配置为三角形，并且沿着斜边在一侧被夹紧。根据实施例，这些三角形是直角三角形，从而致动器10'至13'的直角尖端全部集中在一个点上。因此，反馈狭缝14各自在直角边之间延伸。
根据实施例，各个致动器10'至13'可以被进一步细分，如借助于点线所指示。当被细分时，显然不再沿着斜边进行夹紧，而是沿着一条直角边进行夹紧，同时解耦狭缝则沿着斜边和另一条直角边延伸。
不管是有四个还是八个致动器，三角形实施方式允许邻近的自由端(由相应的狭缝14分开)经历尽可能相等的偏转。
图3b基本上示出了图1a的实施例的顶视图，其指示致动器10和致动器12可以例如沿着对称轴(参见点线)细分。
图3c示出了进一步的实施方式，其中整个声音换能器以圆弓形形状布置，并且包括总数为四个90°弓形作为被分离狭缝14分开的致动器10”至13”。利用这种圆形声音换能器，可以再次细分各个致动器10”至13”，如基于点线所指示的。
图3a至3c的所有实施例的共同之处在于，它们在边缘处被夹紧，如由相应的区域10e'至13e'或10e和12e或10e”至13e”所指示的。
此外，在这一点上要注意的是，分离狭缝14优选地沿着对称线延伸，如基于图3a-3c的实施例所示。因此，在具有多于两个致动器的实施例中，这意味着，根据优选实施例，分离狭缝在声音换能器的总区域的焦点处会合。
图3d(以顶视图)示出了另一种版本的微机械声音换能器，其具有四个(这里为矩形或正方形)致动器10”'、11”'、12”'和13”'，它们以矩形或正方形的四个象限的形状布置。四个致动器10”'至13”'由两个交叉的分离狭缝14分开。致动器10”'至13”'中的每一个在转角处(即，在外边缘的两侧)被夹紧。
图4图示了狭缝宽度的影响。图4示出了对于四种不同狭缝宽度(5μm、10μm、25μm和50μm)跨500Hz至20kHz频率范围的所得声压水平SPL。在所示的频率范围内，对于低于10μm的列宽，可以忽略声压水平SPL的降低(声学短路)，并且该结构在声学上表现得像闭合膜片。如可以进一步看到的，狭缝宽度的影响在较大的频率范围内(例如在6000Hz以上)显著减小。与具有闭合膜片的系统相比，由于各个致动器的解耦，本发明的系统以明显更高的效率而与众不同。后者以非常大的偏转和声压水平表示。此外，在线性性方面还有另外的优点。
关于图5，基于对应的另一方面描述了实施例。图5示出了具有两个致动器10*和12*的微机械声音换能器1”的结构。两个致动器10*和12*各自包括内部级和外部级。即，致动器10*包括第一致动器元件10a*(外部级)和第二致动器元件10i*(内部级)。类似地，致动器12*包括致动器元件12a*和致动器元件12i*。
如这里所示，外部级10a*和12a*被夹紧，即，经由区域10e*和12e*。致动器10a*和12a*的相对端分别被称为自由端。内部级10i*和12i*借助于可选的连接元件17耦合到这个自由端。它们被耦合，使得耦合经由内部致动器元件10i*或12i*的端部完成，即，使得内部致动器10i*或12i*的相对端用作自由端。换句话说，致动器10*或12*被构造成使得内部级10i*(或12i*)相对地串联连接至外部级10a*(12a*)。
如这里所示，在元件10i*和12i*的自由端之间形成解耦狭缝14*。对于所有实施例，有必要形成它，如结合以上实施例描述的解耦狭缝(参见图1a)。即，类似于以上实施例，致动器10*和12*经由具有几微米大小的解耦狭缝14彼此分开，并且它们优选地被实现为使得分别邻近的结构边缘(内部元件10e*和12e*的自由边缘)在操作中经历尽可能相等的偏转(同步，或同相)离开平面El(其中布置有致动器10*和12*，或者夹紧区域10e*和12e*)。可替代地，内部元件10i*和12i*的连接将可能在所示狭缝的区域中，例如，借助于柔性材料。
根据可选实施例，各个级联级可以位于框架19上。在这个实施例中，框架19被布置为使得内部级10i*和12i*的被夹紧的端部位于相同的框架19上。但是，一般而言，框架19优选地被布置为使得其在连接点(参见连接元件17)的区域中。框架使得有可能抑制寄生振动模式以及不期望的机械变形。
即使以上实施例假设提供两个致动器10*和12*，每个致动器具有有致动器元件10a*、10i*、12a*、12i*的内部和外部致动器级，但是应该注意的是，进一步的实施例提供了仅具有一个致动器(例如，致动器10*)的微机械声音换能器，该致动器具有相应地串联布置的第一级10a*和第二级10i*。例如，这个致动器可以相对于固定端自由地振动，从而在它们之间形成狭缝，或者可以柔性地连接到固定端。根据进一步的实施例，也可以想到如图1b中示例性描述的隔膜。
关于图6a至6c，在示意性顶视图中描述了根据实施例的三个声音换能器，其中，通过级联连接(两级级联配置)增强了图3a至3c的配置。
图6a示出了具有四个致动器10*'至13*'的微机械声音换能器，其中每个致动器10*'至13*'包括两个致动器元件10a*'或10i*'至13i*'或13a*'。内部元件10i*'至13i*'各自是三角形的(关于表面区域)，而外部元件10a*'至13a*'各自是梯形形状的(关于表面区域)。梯形致动器10a*'至13a*'的较小直角边经由连接元件17连接到三角形致动器10i*'至13i*'的斜边。在这个实施例中，可选的连接元件优选地布置在梯形或三角形的角落处。
图6b基本上以顶视图示出了具有内部致动器10i*和12i*以及外部致动器10a*和12a*的图5的机电声音换能器。这里，连接元件17也在矩形的内部和外部元件10i*、10a*、12i*和12a*的角落处提供。
基于圆弓形形状的微机械声音换能器，图6c示出了级联的致动器10*”至13*”，其中每个致动器包括内部致动器元件和外部致动器元件。内部致动器元件10i*”至13i*”被配置为圆弓形形状的元件，而外部元件10a*”至13a*”被配置为圆盘形片段。再次，经由连接元件17完成连接。
根据优选实施例，图6a至6c的所有实施例的共同点在于，致动器10*'至13*'、或10*至12*或10*”至13*”由分离狭缝14分开。此外，可以在仅经由连接元件17桥接的内部致动器(例如，10i*'和10a*')之间提供分离狭缝15。换句话说，外部级(例如，图6b中的10a*和12a*)经由至少一个连接元件，然而优选地经由隔开的两个或更多个连接元件17，连接到第二内部级10i*或12i*。连接元件可以被实现为机械弹簧元件或接头。
如结合图3a-c所解释的，致动器可以被进一步细分，以便为每个致动器元件10*或12*创建任何数量的致动器(参见点线)。
在描述了声音换能器的结构之后，随后将描述其功能：在被驱动状态下，外部级的致动器使内部级偏离平面，其中内部级的致动器执行进一步的偏转。由于解耦狭缝中的高粘度损失，这导致在声学上表现得像闭合膜片的偏转的结构。
可替代地，级联的整体结构还可以包括三个或更多个级。可选地，可以用完全相同或不同的驱动信号来控制不同的级。在不同驱动信号的情况下，这些级可以在不同的频率范围下操作，并且例如可以形成具有特别低空间要求的多路声音换能器。
在这一点上，要注意的是，关于图1b描述的流隔膜的概念也可以扩展到多件式级联系统，例如，以最小化连接元件与致动器或中间级之间的声学损失。
关于以上实施例，要注意的是，图6a至6c中描述的变型可以根据附加实施例以任何方式组合。因此，例如，如图6b所示，有可能仅提供两个内部致动器元件10i*和12i*，而不是图6a的四个内部致动器元件10a*'至13a*'。此外，还可以想到的是，仅提供一个内部致动器元件，例如还与隔膜结合(参见图1b的实施例)。
图7示出了跨整个频率范围的模拟声压的图，根据内部和外部级进行了分解。如可以看出的，外部级特别地服务于低频范围(1500Hz左右的最大声压)，而内部级则服务于较高的频率范围(10000Hz左右的最大声压)。本例假设MEMS声音换能器的芯片尺寸为1×1cm，在10cm的距离处进行测量。
图8使用具体的两级设计的示例图示了级联连接的概念。图8a示出了顶视图，而图8b示出了连接区域的截面放大图。
如基于图8a可以看出的，两级设计包括外部致动器10a*'和内部致动器10i*'。关于配置，可以将图8a中所示的设计与图6a的设计进行比较。在这里示出的实施例中，解耦狭缝14用实线指示。如从图8b中的放大图中可以特别看出的，在各个级之间还提供有相应的解耦狭缝14。
与图6a相比，在图8a的设计中，附加地图示了框架结构19*'，其侧向尺寸小于所有内侧级10e*'的侧向尺寸。
如基于图8b可以看出的，其间隙提供有解耦的填充结构17f*'(例如，弹簧或致动器的材料)的折叠式弹簧用作连接元件17*'。与此类似，两级的致动器之间的间隙14包括这种填充结构17f*'。
图9在三维横截面中示出了图8a和8b的示例设计的偏转剖面，该偏转剖面是借助于FEM模拟获得的。如基于由阴影所示的偏转值所示，虽然存在解耦狭缝，但仍形成仅由狭窄的解耦狭缝14中断的近似连续的偏转剖面。
参考图10，描述了图1a的设计和图1b的设计的增强。可以将图10a的构造与图1b的构造进行比较，其中，与在一侧上被夹紧(参见夹具10e)的致动器10相对地提供的隔膜元件22不仅在自由端10f的区域中提供，而且还附加地沿着致动器的侧面(即，沿着整个解耦狭缝14')延伸。侧向布置的隔膜元件用附图标记22s指示。
图10b基于具有两个相对的致动器10和12的声音换能器构造，如图3b中示例性地示出的。这些致动器各自再次在一侧被夹紧(参见夹具10e或12e)。在这个实施例中，垂直地布置的隔膜元件22s沿着侧向解耦狭缝14延伸。
通过使用侧向布置的隔膜元件22s，图10a的实施例和图10b的实施例允许在具有不连续偏转剖面的所示结构中的前侧和后侧的良好流体分离。
图10c示出了另一个变型，其中四个致动器10””、11””、12””和13””基于中心表面16延伸。四个致动器10””至13””以梯形形状实现，并且经由它们的短边在与表面16相对的一侧上被夹紧。四个致动器10””至13””经由四个沿对角线布置的分离狭缝14(作为表面16的对角线延长而延伸)彼此分开，从而致动器10””至13””的长边可以自由地振动。为了使得能够抵靠边缘区域“密封”，沿着梯形致动器10””至13””的长边提供垂直地实现的(环绕)隔膜元件22s。
图12示出了呈阵列形式的微机械声音换能器。这里示出的微机械声音换能器包括八个声音换能器1，例如，如参考图1a所述。这八个声音换能器1被布置为两行四列。这可以实现大的表面扩展并因此实现高声压。假设声音换能器1的每个致动器具有5×5mm的底面积，可以说实现了200mm2的“膜片面积”。一般而言，所示的声音换能器可以以任何方式缩放，从而可以实现例如长度为1cm或更大(一般在1mm至50cm的范围内)的声音换能器大小。
虽然在这里示出的实施例中已经示例性地描述了图12的微机械声音换能器1，但是要注意的是，可以使用如上所述的任何其它声音换能器，例如，图1b的声音换能器1'或者还有图5的级联声音换能器。也可以想到不同的形状和布置。
根据进一步的实施例，以上单独描述的致动器可以设有传感器。传感器使得有可能确定致动器的实际偏转。这些传感器通常连接到致动器的控制器，从而在反馈回路中调节用于各个致动器的控制信号，使得使各个致动器同相振动。传感器也可以用于检测非线性性并在控制中使信号失真，使得可以补偿或减少非线性性。
其背景是，由于致动器同时形成发声元件，因此老化效应和非线性性可被直接测量，并且在操作期间有可能被电补偿。与不具有传感器系统或仅允许在驱动器处而不是在发声膜片元件处检测到行为的常规基于膜片的系统相比，这是个大优点。
优选地，位置检测是经由压电效应完成的。为此，致动器上的压电层的一个或若干区域可以设有分开的传感器电极，经由这些传感器电极，可以感测与偏转近似成比例的电压信号或电荷信号。此外，可以实现若干压电层，其中至少一层被部分地用于位置检测。也有可能将不同的压电材料组合在一起，这些压电材料彼此上下布置或者彼此挨着(例如，用于致动器的PZT，用于传感器的AIN)。
作为压电传感器元件的替代方案，也有可能集成薄膜扩展测量条(或应变仪)或用于电容性位置检测的附加电极。如果致动器结构由硅树脂制成，那么也可以直接集成压阻硅树脂电阻器。
所有上面提到的方面共同点在于产生了一种用于生成大声压的概念，该概念无膜片且与MEMS制造工艺完全兼容。可选的级联连接使得能够实现集成的多路声音换能器。根据利用集成位置传感器的进一步开发，控制器可以被配置为使得发出的声音包括最小限度的失真。
在随后的表格中，可以找到各个功能元件的可能材料。
功能 材料
压电层 PZT、PNZT、AIN、AlScN、ZnO、BCZT、KNN
无源层 Si、poly-Si、SiN、SiNO、SiO<sub>2</sub>、AIN、金属
框架 Si、金属、玻璃、[压电层]、[无源层]
隔膜 硅、金属、玻璃、聚合物、[压电层]、[无源层]
连接元件 [无源层]、[压电层]
以下尺寸是可能的：
-致动器表面积：50×50μm2-5×5cm2
-解耦狭缝：0.1μm-40μm
-偏转幅度：0.01μm—3mm
例如，此类换能器可以以10Hz至300kHz的第一正常模式操作。例如，静态选择高达300kHz的激励频率。
所描述的致动器结构可以用在将要在10Hz和300kHz之间的频率范围内生成声音且部件体积尽可能小(<10cm3)的领域中。尤其是，这主要适用于可穿戴设备、智能电话、平板电脑、膝上型计算机、耳机、助听器和超声音换能器的小型化声音换能器。也可以考虑流体被移位的其它应用(例如，流机械和气动驱动和引导结构，喷墨)。
实施例提供了一种用于使气体和液体移位的小型化装置，其具有至少一个可被偏离平面的弯曲致动器，其特征在于该装置包括狭窄的开口狭缝，开口狭缝的流动阻力的量值使得该装置在流体学方面在声学和超声频率范围(20Hz至300kHz)内表现得近似像闭合膜片。
根据进一步的实施例，该装置可以包括：致动器材料中的解耦狭缝，这些狭缝的总长度至多为总致动器表面区域的5％，并且具有超过10的平均长宽比。根据实施例，该装置可以附加地被配置为使得在偏转状态下产生的开口小于总致动器表面区域的10％，使得即使没有闭合隔膜，也可以实现在前侧和后侧之间的高流体分离。
根据进一步的实施例，该装置可以包括两个或更多个相对的分开的致动器。
根据进一步的实施例，致动器可以以压电方式、静电地、热地、电磁地或借助于若干概念的组合被驱动。根据附加实施例，还可以想到的是，该装置配置有经由连接元件耦合的两个或更多个致动器级。
根据进一步的实施例，还可以想到的是，该装置包括两个或更多个致动器级，该致动器级由分开的信号驱动，并因此形成双路或多路声音换能器。
参考图5或6a至c的实施例，应当注意的是，每个致动器元件10a*、12a*、10i*和12i*是有源的、可单独控制的元件。例如，它可以以压电方式或使用本文描述的任何其它概念来操作。
根据进一步的实施例，该装置具有用于加固和模式解耦的框架结构。
在以上实施例中，致动器特别地被描述为在一侧上被夹紧的致动器。在这一点上，应当注意的是，一般可以想到两侧被夹紧(参见图3d)或多侧被夹紧。
进一步的实施例提供了一种具有流隔膜的装置，以便减小在偏转状态下的前侧和后侧之间的开口的横截面。根据进一步的实施例，该装置可以包括用于位置检测和调节的传感器元件。
根据附加的实施例，该设备可以被配置用于在空气(气态介质)中，即在20Hz到300kHz的范围内，生成声音或超声。另外的应用领域是气流的生成和控制，即，用于冷却。
随后，参考图11描述以上声音换能器的可能的制造方法。例如，这里图示的图11a-d的实施例使得能够制造图1b中所示的实施例。但是，通过细微的变化，可以使用这里图示的方法来制造其它附图(特别是图1a)的实施例。
在图11a中所示的第一步中，在提供具有两个电极50e的压电层50pe之前，将无源层50p施加到基板48上。
基板48可以是包括SI基板的SOI晶片(绝缘体上的硅树脂)。然后，具有图11b所示的绝缘体50pi的SiO2层50p和Si绝缘层(例如，压电功能层(PZT)50pe)沉积在其上。然后，可以沉积对应的金属电极(Pt、Au、MO、...)50e。
在如图11b中所示的下一步中，然后构造电极50e、PZT 50pe和绝缘层50p。例如，这在压电层50pe中产生沟槽50g。可以经由湿蚀刻或干蚀刻来进行构造。取决于期望的产品设计，执行沟槽50g构造或引入的步骤，使得其仅具有最小尺寸，以便生成图1a的产品，或者使得其具有更大尺寸，从而然后关于1b的产品开发这里示出的中间产品。
为了制造图1a的产品，施加小沟槽50g，然后跳过图11c所示的步骤，以便如图11d中所示借助于单级或多级蚀刻方法打开后侧，并释放可移动结构。在这个步骤中，在钝化层50p下方，特别是在与构造的压电致动器50pe对准的区域中，移除基板。这产生了腔体48c。
为了制造如参考图1b描述的产品，执行图11c中所示的可选步骤。图11c图示了施加垂直延伸的隔膜元件57。将它们引入压电层50pe的沟槽50g中。可选地，可以选择沟槽57的侧向位置，使得它们与构造的钝化层50p的区域对准，从而例如垂直隔膜元件75使无源层50p中的沟槽的壁伸长。例如。隔膜元件57的施加可以通过流电沉积来完成，并且优选地使得隔膜元件57延伸超出压电元件50p的层。
在施加了隔膜片元件57之后，如以上关于图1a的实施例所描述的，对基板48的后侧执行单级或多级蚀刻以制造腔体48c。如这里所示，基板48的个别区域可以保留，以便框架48f在腔体48c内形成。例如，这个框架与图5中描述的框架19对应。
可以在上述制造步骤中采用MEMS技术，从而可以用常规制造方法来制造上述产品。
虽然已经结合装置描述了一些方面，但是要注意的是，这些方面也表示对对应方法的描述，因此，装置的块或部件也应被理解为对应的方法步骤或方法步骤的特征。与此类似，结合方法步骤或作为方法步骤描述的方面也是对应装置的对应块或者细节或特征的描述。
随后，基于图1b的基本实施例，描述隔膜22的不同实施方式。在所有随后讨论的实施例中，假设所讨论的隔膜22*、22etc用狭缝14'与弯曲致动器10(固定地在参考点10e处被夹紧)分开，从而弯曲致动器10的自由端10f可以沿着隔膜元件22*或22etc的垂直扩展移动。这里，应当注意的是，隔膜的随后讨论的实施例或以上讨论的实施例的各方面可以彼此组合(例如，具有修圆/倾斜侧的盖子(隔膜)或具有盖子和止动件的不对称隔膜…)。
图13a示出了隔膜结构的示意性横截面。可以看出，隔膜结构22*由若干片段22a*、22b*和22c*组成。片段22a*从基板平面(参考点10e的平面)延伸，在该基板平面中，弯曲致动器10处于其空闲状态，例如离开基板，而片段22b*位于参考点10e的所述平面中。片段22c*位于基板中，或从基板表面延伸到基板中。根据实施例，所有示出的片段22a*、22b*、22c*都可以包括不同的几何形状，即，纵向扩展和横向扩展以及可变的横截面。根据实施例，还可以想到的是，各个片段22a*、22b*和22c*包括不同的材料或材料实施方式。例如，片段22c*和22b*可以由基板本身形成，而片段22a*可以生长。
根据进一步的实施例，也可以想到提供多于三个示出的片段22a*、22b*和22c*。
在以上和随后的实施例中，要注意的是，中间位置不必一定与空闲状态对应，而是还可以以任何方式向上或向下移位(电或机械偏置)。
图13b示出了隔膜结构的进一步的实施方式，这里是隔膜结构22**。隔膜结构22**，或者特别是延伸出基板平面的片段，包括朝着致动器10延伸的倾斜横截面。这实现了狭缝14'包括相对恒定的宽度，而与致动器10的位置无关。其背景是，隔膜结构22**的与致动器10直接相对的一侧近似沿着移动路径(围绕固定点10e的圆形路径)延伸。如这里在图13b中所示，隔膜22**可以仅朝着上侧和/或仅朝着下侧倾斜。所示的非对称结构仅仅是示例，即，隔膜结构22**的下部片段显然也可以类似地倾斜以便实现对称结构。
具有倾斜内侧的隔膜结构22*的这个实施例具有以下优点：可以以较大的幅度减小或补偿狭缝扩展。从制造的角度来看，可以通过调整漆面剖面或蚀刻工艺来实现倾斜。
图13c示出了图13b的隔膜结构22*的进一步开发，即，隔膜结构22***。隔膜结构22***包括弯曲/修圆的内侧。这种修圆沿着致动器10或致动器10的自由端10f的圆弧形形状的移动路径延伸。虽然这里仅在延伸出基板的一侧示出了修圆的内侧，但是这种修圆的内侧显然也可以存在于基板平面中的隔膜结构侧上。类似于图13b的实施例，通过具有修圆的内侧的隔膜结构22***，狭缝扩展以较大幅度减小或得到补偿。从制造的角度来看，例如可以通过调整漆面剖面或蚀刻剖面来实现修圆。
图13d示出了进一步的隔膜结构，即，隔膜结构22****。这里，隔膜结构22****的端部处的横截面包括加宽部或突出部，其用作致动器10或致动器的自由端10f的机械止动件。有利的是，这种止动件实现了机械过载保护。
图13e示出了进一步的隔膜结构22*****，其中隔膜结构22*****被非对称地构造。其背景是，存在主要在一侧上偏转的致动器10，从而隔膜22*****的垂直扩展到达一个方向(在这里是离开基板平面的方向)。虽然这里将致动器10的偏转或隔膜结构22的扩展示出为向上(离开基板平面)，但根据实施例，这显然也可以是相反的，即，使得两个元件都延伸到基板中。要注意的是，致动器的空闲位置的移位可以通过驱动信号中的电偏移或机械投影(例如，致动器层中的层应力)来实现。
图13f示出了具有小扩展的隔膜结构22******的示例。如果致动器10的偏转小，那么隔膜结构22******可以被实现为平坦的。例如，隔膜22******的高度扩展在致动器厚度的范围内。这种变化在制造方面具有优点，因为可以省略附加施加的隔膜结构区域。
图13g示出了由基板区域23s和实际的隔膜元件22*******组成的隔膜结构22*******的示例。上部隔膜结构22*******可以被制造为流电构造的金属或聚合物(SU8、BCB、...)，或者也可以由玻璃或硅树脂制造。根据进一步的实施例，下部隔膜结构23s主要由基板(例如，硅树脂或玻璃)本身组成，并且可以设有附加层。
图13h示出了没有附加施加的元件的进一步的隔膜结构。这里，假设弯曲致动器10特别地振动进入基板25平面内，从而可以省略从基板平面延伸出的隔膜元件。因此，隔膜元件在这里由形成下部隔膜结构的基板元件23s组成。在这一点上，要注意的是，如上面所解释的，致动器10的空闲位置可以经由机械偏置或电偏移向下移位，从而在这里形成的隔膜元件23s是足够的。在操作中，致动器可以仅向下偏转，从而不需要朝向上侧的隔膜，并且可以减少制造工作量。
图13i示出了进一步的隔膜结构22********，其基本上由施加到基板元件23s上的薄层组成。取决于期望的致动器偏转，隔膜元件22********的层厚度可以在致动器厚度的范围内。基板23s可以(但不是必须)另外用作隔膜结构，并且可以与隔膜结构22********齐平或包括偏移。
关于图14a至图14c描述进一步的实施例，其中通过另外的基板220a、220b和220c(盖子)来增强微机械声音换能器。根据实施例，另外的基板220a、220b、220c形成隔膜结构。
图14a示出了被配置为盖子的基板220a，其被放置在弯曲致动器10的腔体23k上方的基板23s上，从而弯曲致动器10可以在盖子220a内或由内部盖子空间220a和腔体23限定的空间内振动。盖子220a布置在与自由端相对的一侧，使得盖子220a的内侧壁通过狭缝140与端部10e分开。由于在这个实施例中盖子220a完全闭合，因此弯曲致动器10例如通过腔体23k发出声音。
在这个实施例中，要注意的是，在所有以上实施例或其描述中，基本上假设声音是从基板发出的。显然，根据实施例，还可以想到，声音通过基板或通过基板的腔体被引出。
在这一点上，要注意的是，图14a图示了通过基板220a的横截面，其中另一个基板例如以圆形形状或成角度的方式围绕弯曲致动器10延伸，以便提供(后)体积或一般而言用于其的盖。从制造的角度来看，要注意的是，盖子220a可以由例如第二结构基板(即，具有腔体的基板)(参见附图标记221k)制造。然后将这个第二基板施加到具有弯曲致动器10的基板上，从而腔体221k至少在区域中(在狭缝140的区域中)与腔体23齐平。
图14b示出了具有经修改的盖子220b的进一步的实施例，其中其余结构与相同的致动器10和基板23s对应。盖子220b与盖子220a的不同之处在于，盖子220b包括可选的声音开口222o或222s。声音开口222o或若干声音开口222o被施加在盖220b上的主表面上，而开口222s侧向地提供。根据实施例，要注意的是，仅提供一个开口也是足够的，或者是开口222o或者是开口222s。腔体221k中被围住的空气体积可以借助于这些开口222o或222s来通风。开口可以用于使声音离开或可以实现压力均衡。若干开口可以一起形成一个或若干栅格结构，该栅格结构保护致动器免受机械影响和灰尘。
图14c示出了具有盖子220c的另外的声音换能器，盖子220c具有开口222o。弯曲致动器在包括侧向开口232s的另外的基板230s上提供。将基板230s施加到另外的基板233s或盖子233s上，从而闭合腔体230k。这个另外的基板233s还可以包括可选声音开口233o。这使得有可能形成通过可选开口232s、233o、222o中的至少一个闭合或通风的体积。该体积基本上由腔体221k和230k形成，并经由至少一个或若干开口打开。开口可以用于使声音离开或实现压力平衡。若干开口可以协作并形成一个或若干栅格结构，该栅格结构保护致动器10免受机械影响和灰尘。
随后，参考图15a至15h描述与图10的几何形状相比增强的不同致动器几何形状。在图示中，致动器被提供有附图标记100或100_1至100_4，而隔膜被提供有附图标记225。被提供有附图标记140的耦合狭缝总是在致动器和隔膜之间延伸。
在实施例中，要注意的是，致动器几何形状可以以任何方式组合(例如，图15f具有修圆或三角形的致动器)。
图15a示出了修圆的致动器100的顶视图，而图15b示出了三角形致动器100的顶视图。相同或不同的致动器100可以以任何方式组合，如基于图15c、15d和15e示例性地示出的。
图15c示出了三角形致动器100_1至100_4，它们一起描述了矩形的表面区域，其中四个致动器100_1至100_4被以十字形方式布置的隔膜结构225分开。狭缝145再次在致动器100_1至100_4与隔膜结构225之间提供。可替代地，也可以想到具有3、5、6…个致动器的布置。此外，要注意的是，总表面区域不必一定是矩形的，而是也可以是多边形的。
图15d示出了描述矩形的两个相对的矩形致动器100_5和100_6。矩形致动器100_5和100_6各自形成三个自由端，这三个自由端由具有相关联的狭缝140的H形隔膜225限制。
图15e示出了四个十字弓形形状的致动器100_7至100_10，它们由具有狭缝140的十字形隔膜225分开，类似于图15c。在图15c的变型中，每个三角形致动器100_1至100_4的斜边被夹紧，而在图15e的实施例中，每个十字弓形弧100_7至100_10被固定地夹紧。可替代地，具有3、5、6…个致动器的布置将也是可以想到的。此外，要注意的是，总表面区域不必一定是矩形，而是也可以是多边形。
通过组合不同的致动器，例如，可以实现多路系统，如基于图15f、图15g和图15h所示的。
例如，图15f组合了三个不同形状但矩形的致动器100_11至100_13，每个致动器都在四个侧面之一上被夹紧，其中四个侧面中的三个形成自由端。在自由端之间提供迷宫形的隔膜225，其利用狭缝140将致动器100_11至100_13分开。例如，所有致动器100_11至100_13具有不同的大小(表面积)，因此可以被配置用于不同的频率范围。
图15g示出了两个致动器100_14和100_15，其中第一致动器100_14是矩形的小致动器。较大的致动器100_15也是矩形的，但是，包括用于另一个致动器100_14的凹部100_15a。凹部100_15a被布置成使得两个致动器在同一侧上被夹紧。这些致动器100_14和100_15可以借助于在两个致动器100_14和100_15之间提供的狭缝140在其移动中解耦。例如，较大的致动器100_15可以用于低色调范围，而内部致动器100_14可以用于高色调范围。
图15h示出了致动器100_14和100_15的类似结构，其中除了借助于两个致动器100_14和100_15的狭缝140的分离之外，还提供了另外的隔膜225。两个实施例(图15g和图15h)的共同点在于，包括狭缝140的隔膜225至少沿着具有凹部100_15a的较大致动器100_15的自由端布置，在该凹部中布置有小致动器100_14。较大和较小的致动器的这种内部交错布置或配置使得一般有可能用不同的致动器覆盖不同的频率范围。
图16示出了弯曲致动器10**的示意性顶视图，该弯曲致动器10**在两侧或若干侧上被夹紧(参见区域10e1和10e2)，包括至少一个自由侧10f**(在这里是2个)。如上面所解释的，这个自由侧10f**可以借助于相对的隔膜22**(根据所描述的变型，在这里是2个)在声学上分开，在隔膜之间具有狭缝14**。
在以上实施例中，特别地假设提供用于发出声音的声音换能器(扬声器)，这就是为什么使用术语“弯曲致动器”的原因。显然，也可以颠倒这个原理，从而根据实施例的声音换能器形成麦克风，其中弯曲换能器(参见弯曲致动器)被配置为例如被空气激励，以便(例如，垂直地)振动以输出电信号(一般而言，用于检测周围的声波)。进一步的实施例基于上述概念创建包括扬声器和麦克风的设备。这里，两个设备可以在同一基板上形成，从制造的角度来看这也是有利的。
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Claims (55)

1.一种在基板中设置的微机械声音换能器(1，1'，1”)，包括：
第一弯曲换能器(10)，沿着基板的平面延伸并且包括自由端(10f)或自由侧，并且被配置为被激励以垂直地振动以便发出或接收声音；以及
隔膜元件(22)，垂直于第一弯曲换能器(10)延伸，所述隔膜元件经由狭缝(14)与第一弯曲换能器(10)的自由端(10f)或自由侧分开。
2.如权利要求1所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中隔膜元件(22)延伸出基板的平面。
3.如权利要求2所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中隔膜元件(22)延伸出基板的固定区域。
4.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一弯曲致动器(10)能够被激励以振动离开基板的平面，或者能够被激励以垂直于所述基板的平面振动。
5.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中隔膜元件(22)的高度等于第一弯曲换能器(10)在线性操作中的最大偏转或第一弯曲致动器(10)的最大弹性偏转的至少50％或至少100％，或者等于狭缝(14)的宽度的至少3倍或弯曲换能器(10)的厚度的至少1倍，或者等于弯曲换能器(10)的长度的至少0.1％或1％。
6.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，包括垂直地延伸到第一弯曲换能器(10)的隔膜元件(22)，所述隔膜元件经由狭缝(14)与第一弯曲换能器(10)的可移动侧分开。
7.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中隔膜元件(22)在其横截面中包括变化的几何形状。
8.如权利要求7所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中几何形状变化，使得当弯曲换能器(10)垂直地振动时，沿着自由端的移动路径面向弯曲换能器(10)的表面区域是弯曲的或倾斜的。
9.如权利要求7或8所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中隔膜元件(22)包括用于弯曲换能器(10)的机械止动件。
10.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中隔膜元件(22)不对称地延伸出基板的平面以及延伸到基板的平面中。
11.如权利要求1至9中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中隔膜元件(22)对称地延伸出基板的平面以及延伸到基板的平面中；和/或其中，基于弯曲换能器(10)的空闲位置，隔膜元件(22)包括从基板的平面扩展出和扩展到基板的平面中的相同高度。
12.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中基板形成隔膜结构或隔膜结构在基板内的部分。
13.如前述权利要求中的任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中微机械声音换能器(1，1'，1”)包括盖子，盖子被放置在基板上的第一弯曲换能器(10)的区域中，从而至少第一弯曲换能器(10)和隔膜元件(22)被盖子或第一基板(233s)覆盖。
14.如权利要求13所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中盖子(220a，220b，220c)形成隔膜元件(22)。
15.如权利要求13或14所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，包括盖子中的一个或多个开口；和/或其中微机械声音换能器(1，1'，1”)包括基板中的一个或多个声音开口。
16.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中微机械声音换能器(1，1'，1”)包括具有自由端的第二弯曲换能器(12)，所述第二弯曲换能器与第一弯曲换能器(10)布置在共同平面(e1)中，并且其中隔膜元件(22)布置在第一弯曲换能器(10)的自由端和第二弯曲换能器(10)的自由端之间。
17.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，包括第二弯曲换能器(12)，所述第二弯曲换能器(12)包括自由端(12f)并且与第一弯曲换能器(10)布置在共同平面(e1)中，从而第一弯曲换能器(10)的自由端(10f)经由狭缝(14)与第二弯曲换能器(12)的自由端(10f)分开，其中第二弯曲换能器(12)与第一弯曲换能器(10)的垂直振动同相地被激励。
18.如权利要求17所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一弯曲换能器和第二弯曲换能器(10，12)是相同类型的弯曲换能器。
19.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一弯曲换能器和/或第二弯曲换能器(12)是平面的、梯形形状的或矩形的弯曲换能器。
20.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一弯曲换能器和/或第二弯曲换能器(10，12)是三角形或圆弓形形状或修圆的弯曲换能器。
21.如权利要求17至20中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，包括布置在共同表面区域中的一个或多个另外的弯曲换能器，从而一个或多个另外的弯曲换能器的自由端经由狭缝(14)与第一弯曲换能器和/或第二弯曲换能器(10，12)的自由端(10f，12f)分开，其中至少一个另外的弯曲换能器被激励以与第一弯曲换能器和/或第二弯曲换能器(10，12)的垂直振动同相地垂直振动。
22.如权利要求17至21中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，包括控制器，所述控制器驱动第一弯曲换能器和第二弯曲换能器(12)以使第一弯曲换能器和第二弯曲换能器被激励以同相地垂直振动。
23.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，包括被配置为感测第一弯曲换能器和/或第二弯曲换能器(12)的垂直振动和/或位置的传感器系统。
24.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中狭缝(14)小于第一弯曲换能器(10)的表面区域的10％或5％或1％或0.1％或0.01％。
25.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中，在偏转后，狭缝(14)小于第一弯曲换能器(10)的表面区域的15％或小于第一弯曲换能器(10)的表面区域的10％、5％、1％、0.1％或0.01％。
26.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中狭缝(14)在第一弯曲换能器(10)的空闲状态下存在。
27.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一弯曲换能器(10)在与基板和/或基础元件相对的一侧或多个侧上被夹紧。
28.如前述权利要求中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一弯曲换能器(10)或第二弯曲换能器(12)各自包括串联连接的第一弯曲元件和第二弯曲元件，以便形成相应的弯曲换能器。
29.如权利要求28所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一弯曲元件包括夹紧端和自由端(10f)，并且第二元件以其夹紧端抓住第一弯曲元件(10)的自由端(10f)，并以其自由端(10f)形成第一弯曲换能器和/或第二弯曲换能器(12)的自由端(10f，12f)。
30.如权利要求28或29所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一弯曲元件经由柔性元件连接到第二弯曲元件。
31.如权利要求28至30中的任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中所述微机械声音换能器包括框架。
32.如权利要求31所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中框架布置在第一弯曲元件与第二弯曲元件之间的过渡区域中。
33.如权利要求28至32中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中能够利用不同的控制信号来驱动第一弯曲元件和第二弯曲元件。
34.一种用于制造在基板中设置的微机械声音换能器的方法，所述微机械声音换能器具有沿着基板的平面延伸的第一弯曲换能器(10)，以及垂直于第一弯曲换能器(10)延伸的隔膜元件(22)，所述方法包括：
对层进行构造，以便形成第一弯曲换能器(10)，使得第一弯曲换能器(10)包括自由端(10f)或自由侧并被配置为被激励以垂直地振动以便发出或接收声音；以及
实现垂直隔膜元件(22)，使得隔膜元件延伸超过第一弯曲换能器(10)的层并经由狭缝(14)与第一弯曲换能器(10)的自由端(10f)分开。
35.一种微机械声音换能器(1，1'，1”)，具有第一弯曲换能器(10)，所述微机械声音换能器具有自由端(10f)或自由侧并且被配置为被激励以垂直地振动以便发出或接收声音；
其中第一弯曲换能器(10，12)包括串联连接的第一弯曲元件和第二弯曲元件以便形成第一弯曲换能器，其中能够用第一控制信号驱动第一弯曲元件，而能够用第二控制信号驱动第二弯曲元件。
36.如权利要求35所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一控制信号不同于第二控制信号。
37.如权利要求36所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一控制信号和第二控制信号是从共同的原始信号得出的，并且其中第一控制信号相对于第二控制信号被修改。
38.如权利要求36或37所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一控制信号包括与第二控制信号不同或与第二控制信号部分重叠的频率范围，并且其中第一控制信号和第二控制信号是从共同的原始信号得出的，并且其中第一控制信号经历了与第二控制信号不同的频率滤波。
39.如权利要求38所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一控制信号包括比第二控制信号更低的频率范围。
40.如权利要求35至39中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，包括第二弯曲换能器(12)，所述第二弯曲换能器(12)包括自由端(12f)并且与第一弯曲换能器(10)布置在共同平面(e1)中，其中第二弯曲换能器(10，12)包括串联连接的第一弯曲元件和第二弯曲元件(10，12)以便形成第二弯曲换能器。
41.如权利要求35至40中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一弯曲元件包括夹紧端和自由端，并且第二弯曲元件以其夹紧端接触第一弯曲元件(10)的自由端并以其自由端形成第一弯曲换能器和/或第二弯曲换能器(10，12)的自由端(10f，12f)。
42.如权利要求35至41中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一弯曲元件经由柔性元件连接到第二弯曲元件。
43.如权利要求35至42中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中所述微机械声音换能器包括框架。
44.如权利要求43所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中框架布置在第一弯曲元件与第二弯曲元件之间的过渡区域中。
45.如权利要求35至44中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中利用不同的控制信号来驱动第一弯曲元件和第二弯曲元件。
46.如权利要求35至45中的任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一弯曲换能器和/或第二弯曲换能器(10，12)是平面的、梯形形状的或矩形的弯曲换能器。
47.如权利要求35至46中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中第一弯曲换能器和/或第二弯曲换能器(12)是三角形或圆弓形形状的弯曲换能器。
48.如权利要求35至47中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，包括布置在共同平面中的一个或多个另外的弯曲换能器，使得一个或多个另外的弯曲换能器的自由端经由狭缝(14)与第一弯曲换能器和/或第二弯曲换能器(12)的自由端(10f，12f)分开，其中至少一个另外的弯曲换能器(12)被激励以与第一弯曲换能器和/或第二弯曲换能器(10，12)的垂直振动同相地垂直振动。
49.如权利要求35至48中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中狭缝(14)小于第一弯曲换能器(10)的表面的10％或5％或1％或0.1％或0.01％。
50.如权利要求35至49中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中，在偏转后，狭缝(14)小于第一弯曲换能器(10)的区域的15％或10％、5％、1％、0.1％或0.01％。
51.如权利要求35至50中任一项所述的用于制造微机械声音换能器的方法，所述微机械声音换能器包括第一弯曲换能器(10)，所述方法包括：
在共同平面(e1)中提供第一层，所述第一层至少形成第一弯曲换能器(10)，第一弯曲换能器(10)分别具有第一弯曲元件和第二弯曲元件，使得第一弯曲换能器(10)包括自由端(10f)；以及
将相应的第一弯曲元件连接到相应的第一弯曲换能器的第二弯曲元件。
52.如权利要求1至33或35至50中任一项所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中两个弯曲换能器(10)以其夹紧端相对于基板(23s)来定位，其中两个弯曲换能器中的第一个的几何形状被两个弯曲换能器(10)中的第二个的几何形状封闭或包围。
53.如权利要求52所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中所述两个弯曲换能器(10)中的第二个包括用于所述两个弯曲换能器(10)中的第一个的凹部。
54.如权利要求52或53所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中所述两个弯曲换能器经由狭缝或具有隔膜的狭缝分开。
55.如权利要求52、53或54所述的微机械声音换能器(1，1'，1”)，其中能够利用两个不同的控制信号或针对两个不同频率范围的两个控制信号来驱动两个弯曲换能器。
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