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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schallwandlervorrichtung, auf eine Sensorvorrichtung zum Bestimmen eines akustischen Signals, auf ein Verfahren zum Herstellen einer Schallwandlervorrichtung, auf ein Verfahren zum Bestimmen eines akustischen Signals und auf ein entsprechendes Computer-Programmprodukt.
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Schallwandler in Gestalt konventioneller Mikrofone nutzen einen von unterschiedlichen physikalischen Effekten zur Wandlung des Schalldruckes in ein elektrisches Signal. Eine Membranauslenkung kann beispielsweise optisch, piezoresistiv, piezoelektrisch oder kapazitiv erfasst werden. Die Patentschrift
US 2002/0067663 A1 offenbart einen Miniatur-Breitbandschallwandler.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Schallwandlervorrichtung, eine verbesserte Sensorvorrichtung zum Bestimmen eines akustischen Signals, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Schallwandlervorrichtung, ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen eines akustischen Signals und ein verbessertes Computer-Programmprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Schallwandlervorrichtung, die folgende Merkmale aufweist:
eine Membran, die ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, wobei die Membran durch ein auf dieselbe auftreffendes akustisches Signal auslenkbar ist; und
eine Erfassungseinrichtung, die ausgebildet ist, um in der Membran einen Wirbelstrom zu induzieren, der von einer durch das akustische Signal erzeugbaren Auslenkung der Membran beeinflussbar ist, und um eine von dem Wirbelstrom abhängige Impedanz der Erfassungseinrichtung zur Bestimmung des durch das akustische Signal repräsentierten Schalldrucks zu erfassen.
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Das elektrisch leitfähige Material der Membran kann als zumindest eine Schicht der Membran oder als zumindest ein Teilabschnitt der Membran ausgeformt sein. Somit kann die Membran zumindest eine Schicht des elektrisch leitfähigen Materials ausweisen oder zumindest teilweise aus dem elektrisch leitfähigen Material gebildet sein. Das elektrisch leitfähige Material in oder an der Membran kann durch Abscheidung des elektrisch leitfähigen Materials, insbesondere in Gestalt einer metallischen Schicht oder dergleichen, hergestellt sein oder werden. Auch kann eine Leitfähigkeit insbesondere einer aus Silizium bestehenden Membran durch Dotierung hergestellt sein oder werden. Das elektrisch leitfähige Material kann somit in Gestalt der Membran, einer elektrisch leitfähigen Schicht, eines zusammenhängenden Materialelements, einer durchgängigen Materiallage oder dergleichen vorliegen. Eine Auslenkung der Membran kann elastisch verformbar erfolgen. Die Auslenkung ist hierbei durch einen Schalldruck des akustischen Signals bewirkbar. Die Erfassungseinrichtung ist ausgebildet, um in der Membran zumindest einen Wirbelstrom zu induzieren. Bei der Erfassungseinrichtung kann es sich um eine elektrische Spule mit zumindest einer Wicklung handeln. Die zumindest eine Wicklung kann zumindest eine elektrische Leitung aufweisen. Dabei können Wicklungen der Spule in zumindest einer Wicklungsebene angeordnet sein. Somit kann die Spule eine sogenannte planare Spule oder eine dreidimensionale Spule sein. Dabei können die Membran mit dem elektrisch leitfähigen Material und die Erfassungseinrichtung bei Ausgangsbedingungen, die einen Ausgangsumgebungsdruck sowie eine Entkopplung der Membran von einem akustischen Signal umfassen, in einem vorbestimmbaren Ausgangsabstand bezüglich einander anordenbar oder angeordnet sein. Insbesondere kann die Membran bei den Ausgangsbedingungen eine definierte Ausgangsauslenkung bezüglich der Erfassungseinrichtung aufweisen. Wenn sich die Ausgangsbedingungen verändern, insbesondere wenn ein akustisches Signal auf die Membran auftrifft, kann sich auch der Ausgangsabstand bzw. die Ausgangsauslenkung verändern. Hierbei kann sich ein Abstand zwischen der Membran und der Erfassungseinrichtung bei einem Auftreffen eines akustischen Signals auf die Membran verringern oder vergrößern. Zwischen der Membran mit dem elektrisch leitfähigen Material und der Erfassungseinrichtung ist eine induktive Kopplung erzeugbar. Der Abstand bzw. eine Änderung des Abstands zwischen der Membran mit dem elektrisch leitfähigen Material und der Erfassungseinrichtung oder die Auslenkung bzw. eine Änderung der Auslenkung der Membran bezüglich der Erfassungseinrichtung kann hierbei mittels einer Wirbelstrommessung erfasst werden. Dabei wird die zumindest in einem Teilabschnitt elektrisch leitfähige Membran aufgrund eines sich verändernden Schalldrucks ausgelenkt, wodurch kommt es zu einer Änderung des induzierten Wirbelstroms kommt. Die Änderung des induzierten Wirbelstroms wiederum verursacht eine Änderung eines durch den Wirbelstrom bewirkten Magnetfeldes. Dieses Wirbelstrom-Magnetfeld wirkt einem Magnetfeld der Erfassungseinrichtung entgegen, was zu einer Änderung in der Impedanz der Erfassungseinrichtung führt. Die Impedanz der Erfassungseinrichtung ist zwischen zwei elektrischen Anschlüssen der Erfassungseinrichtung messbar bzw. abgreifbar. Eine auf der wirbelstromabhängigen Impedanz basierende Akustiksignalbestimmung kann in einer von der Erfassungseinrichtung separaten Auswerteeinrichtung erfolgen.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Sensorvorrichtung zum Bestimmen eines akustischen Signals, wobei die Sensorvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
eine Variante der vorstehend genannten Schallwandlervorrichtung; und
eine Auswerteeinrichtung, die mit der Erfassungseinrichtung der Schallwandlervorrichtung elektrisch verbindbar oder verbunden ist, wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, um die Impedanz der Erfassungseinrichtung einzulesen und auszuwerten, um das akustische Signal zu bestimmen.
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In Verbindung mit der Sensorvorrichtung kann eine Variante der hier vorgestellten Schallwandlervorrichtung vorteilhaft eingesetzt bzw. verwendet werden, um ein akustisches Signal zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung kann eine Elektronikbaugruppe mit einer elektrischen Schaltung, beispielsweise einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung bzw. ASIC (Application-Specific Integrated Circuit = anwendungsspezifischer Schaltkreis) oder dergleichen aufweisen. Die Sensorvorrichtung kann als ein Mikrofon verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Schallwandlervorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Membran, die ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, wobei die Membran durch ein auf dieselbe auftreffendes akustisches Signal auslenkbar ist, und einer Erfassungseinrichtung, die ausgebildet ist, um in der Membran einen Wirbelstrom zu induzieren, der von einer durch das akustische Signal erzeugbaren Auslenkung der Membran beeinflussbar ist, und um eine von dem Wirbelstrom abhängige Impedanz der Erfassungseinrichtung zur Bestimmung des durch das akustische Signal repräsentierten Schalldrucks zu erfassen; und
Anordnen der Membran und der Erfassungseinrichtung bezüglich einander derart, dass die Erfassungseinrichtung induktiv mit der Membran koppelbar oder gekoppelt ist.
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Durch Ausführung des Verfahrens zum Herstellen kann eine Variante der hier vorgestellten, vorteilhaften Schallwandlervorrichtung hergestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Bestimmen eines akustischen Signals, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Beaufschlagen einer durch ein akustisches Signal auslenkbaren Membran, die ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, mit dem akustischen Signal;
Leiten von elektrischem Strom durch eine Erfassungseinrichtung, um in der Membran einen Wirbelstrom zu induzieren, der von einer durch das akustische Signal erzeugbaren Auslenkung der Membran beeinflussbar ist;
Erfassen einer von dem Wirbelstrom abhängigen Impedanz der Erfassungseinrichtung zur Bestimmung des durch das akustische Signal repräsentierten Schalldrucks; und
Auswerten der Impedanz der Erfassungseinrichtung, um das akustische Signal zu bestimmen.
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In Verbindung mit dem Verfahren zum Bestimmen kann eine Variante der hier vorgestellten Sensorvorrichtung vorteilhaft eingesetzt bzw. verwendet werden, um ein akustisches Signal zu bestimmen. Die Impedanz lässt sich als Änderung einer Amplitude und einer Phasenlage von sinusförmiger Wechselspannung zu sinusförmigem Wechselstrom in der Erfassungseinrichtung messen.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung des oben genannten Verfahrens zum Bestimmen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Schallwandler bereitgestellt werden, der gemäß dem Wirbelstrommessprinzip den Schalldruck erfassen kann. Somit wird anders ausgedrückt ein Wirbelstromsensor als Mikrofon, insbesondere als ein MEMS-Mikrofon (MEMS = micro-electro-mechanical system; Mikrosystem) verwendet. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Mikrofon durch das Wirbelstrommessprinzip realisiert werden, wobei eine per Schalldruck bewegliche Membran, die ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, als Mikrofonmembran ausgelenkt werden kann. Diese Auslenkung wird detektiert. Eine Wirbelstromspule als Erfassungseinrichtung kann dabei in einem Bereich induktiver Kopplung bezüglich der Membran angeordnet sein oder werden, zum Beispiel direkt in einer Lage in ein MEMS-Sensorelement oder dergleichen integriert. Mittels der Wirbelstromspule bzw. Erfassungseinrichtung wird in der Membran ein Wirbelstrom induziert. Als Auswertesignal kann die Impedanz der Spule herangezogen werden.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass ein sehr einfacher Aufbau der Schallwandlervorrichtung bzw. Sensorvorrichtung bzw. des Mikrofons erreicht werden kann. Dadurch sind solche Sensoren bzw. Vorrichtungen zu einem günstigen Preis realisierbar. Aufgrund des Wirbelstrommessprinzips ist auch ein hoher Freiheitsgrad eines Perforationsgrades der Spulenebene bzw. der Erfassungseinrichtungsebene bei sehr guter Messkapazität sowie Signalintensität ermöglicht. Mit einem Mikrofon basierend auf dem Wirbelstrommessprinzip können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in sowohl sehr schnellen bzw. hochfrequenten als auch sehr hoch auflösenden bzw. hochsensitiven Ausführungen realisiert werden. Die Schallwandlervorrichtung und die Sensorvorrichtung bzw. das Messsignal der Sensorvorrichtung sind unempfindlich gegen Schmutz, Staubpartikel, Feuchte, Öl. Ferner sind Wirbelstromsensoren auch sehr störsicher in einem elektromagnetischen Umfeld. Dies eröffnet höhere Freiheitsgrade in der Platzierung der Schallwandlervorrichtung bzw. Sensorvorrichtung als Mikrofon z. B. in einem Gehäuse von Mobiltelefonen und dergleichen. Ferner ist eine Querempfindlichkeit gegenüber Feuchte und nichtleitfähigen Partikeln gering. Weitere Vorteile der Schallwandlervorrichtung bzw. Sensorvorrichtung in der Funktion als Mikrofon sind eine hohe Aufnahmequalität bei einer geringen Versorgungsspannung bzw. geringem Stromverbrauch sowie preiswerter Herstellung. Ferner vorteilhaft sind geringe Exemplarstreuungen, ein hoher Grad an möglicher Miniaturisierung sowie Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen wie Hitze, Feuchtigkeit, Partikeln oder Erschütterung. Insbesondere können aufgrund des Wirbelstrommessprinzips parasitäre Kapazitäten vorteilhafterweise vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Schallwandlervorrichtung kann das elektrisch leitfähige Material der Membran elektrisch isoliert sein, insbesondere von zumindest einer weiteren Komponenten der Schallwandlervorrichtung elektrisch isoliert sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein sehr einfacher Aufbau der Schallwandlervorrichtung ermöglicht ist, da lediglich die Erfassungseinrichtung elektrisch an eine Auswertelektronik anzuschließen ist. Die elektrisch leitfähige Membranfläche, die schalldruckabhängig ausgelenkt wird und in die Wirbelstromverluste induziert werden, muss somit vorteilhafterweise elektrisch nicht kontaktiert sein. Dadurch ist die Schallwandlervorrichtung zu einem günstigen Preis realisierbar.
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Auch kann das elektrisch leitfähige Material der Membran ein ferromagnetisches Material aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch ein leitfähiges Material mit ferromagnetischen Eigenschaften eine Erhöhung eines Signalpegels für die Erfassung der Wirbelströme bzw. des akustischen Signals erreicht werden kann.
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Ferner kann eine mikroelektromechanisch gefertigte Trägereinrichtung vorgesehen sein. Hierbei kann die Membran einen Membranabschnitt der Trägereinrichtung aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Erfassungseinrichtung in oder an einem Teilabschnitt der Trägereinrichtung ausgeformt sein. Die Trägereinrichtung kann als zumindest ein Teil eines Mikrosystems bzw. mikroelektromechanischen Systems bzw. MEMS vorgesehen sein. Die Trägereinrichtung kann aus Silizium, Kunststoff oder dergleichen gefertigt sein. Dabei kann die Membran als der Membranabschnitt der Trägereinrichtung ausgeformt sein. Der Teilabschnitt der Trägereinrichtung, in oder an dem die Erfassungseinrichtung angeordnet ist, kann von dem Membranabschnitt der Trägereinrichtung beabstandet oder an denselben angrenzend angeordnet sein. Die Trägereinrichtung kann ein einstückig gebildetes Bauteil oder getrennte Bauteile aufweisen. Insbesondere kann die Membran Teil eines ersten Bauteils der Trägereinrichtung sein und kann die Erfassungseinrichtung Teil eines zweiten Bauteils der Trägereinrichtung sein. Dabei können das erste Bauteil und das zweite Bauteil der Trägereinrichtung mittels einer Fügeverbindung verbindbar oder verbunden sein. Es können die Erfassungseinrichtung und die Membran als Teile von zwei getrennten Bauteilen vorliegen, wobei die Bauteile durch Kleben, eutektisches Bonden oder andere Fügeprozesse verbindbar oder verbunden sein können. Eine Möglichkeit ist es, eine z. B. in Leiterplatten-Architektur gefertigte Wirbelstromspule als Erfassungseinrichtung mit beispielsweise einer MEMS-Sensor-Trägereinrichtung zu kombinieren. Eine Leiterplatte, an der die Erfassungseinrichtung angeordnet ist, kann direkt auf die MEMS-Sensor-Trägereinrichtung aufgebracht werden. Ein deutlicher Vorteil des Einsatzes der Mikromechanik bei der Schallwandlervorrichtung liegt in einer Miniaturisierung der Vorrichtung, sodass auch insbesondere miniaturisierte Silizium-Mikrofone oder dergleichen ermöglicht werden. Neben kommerziellen Vorteilen weist eine solche Schallwandlervorrichtung für ein miniaturisiertes Silizium-Mikrofon verbesserte mechanische Eigenschaften der Membran auf. Durch die Miniaturisierung und die Verwendung dünner Schichten besitzt die Mikrofon-Membran eine sehr geringe Masse und ist daher unempfindlich gegenüber Erschütterungen. Alternativ können die Membran und die Erfassungseinrichtung auch Teil eines einstückig gebildeten Bauteils als Trägereinrichtung sein. Hierbei besteht die Möglichkeit einer Integration der Erfassungseinrichtung direkt in das Gehäuse des MEMS-Sensors bzw. in die Trägereinrichtung. Vorteil dieser Variante ist ein sehr exakter, reproduzierbarer Abstand zwischen der Erfassungseinrichtung und der beweglichen Membran bzw. Mikrofonmembranfläche. Dabei können die Erfassungseinrichtung und die Membran in einem genau definierten Abstand zueinander positioniert werden.
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Dabei kann der Membranabschnitt der Trägereinrichtung mittels zumindest eines Verbindungsabschnitts der Trägereinrichtung mechanisch mit einem Hauptabschnitt der Trägereinrichtung verbunden sein oder kann der Membranabschnitt der Trägereinrichtung freifliegend bezüglich eines Hauptabschnitts der Trägereinrichtung angeordnet sein. Hierbei können der Membranabschnitt, der zumindest eine Verbindungsabschnitt und der Hauptabschnitt der Trägereinrichtung einstückig gebildet sein. Der zumindest eine Verbindungsabschnitt kann ausgebildet sein, um den Membranabschnitt mechanisch spannungsfrei mit dem Hauptabschnitt der Trägereinrichtung zu verbinden. Wenn der Membranabschnitt der Trägereinrichtung freifliegend bezüglich des Hauptabschnitts der Trägereinrichtung angeordnet ist, so ist der Membranabschnitt der Trägereinrichtung mechanisch kontaktfrei bezüglich des Hauptabschnitts der Trägereinrichtung angeordnet. Auf diese Weisen kann die Membran relativ zu der Erfassungsvorrichtung vorteilhaft angeordnet sein oder werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung können die Erfassungseinrichtung der Schallwandlervorrichtung und die Auswerteeinrichtung in einem gemeinsamen Schaltungsgehäuse und zusätzlich oder alternativ an einer gemeinsamen Schaltungsplatine angeordnet sein. Das Schaltungsgehäuse kann einen Kunststoff, eine Vergussmasse bzw. Moldmasse oder dergleichen aufweisen, wobei die Auswerteeinrichtung und die Erfassungseinrichtung in dem Gehäuse verpackt bzw. eingegossen oder eingehaust sind. Insbesondere können die Auswerteeinrichtung und die Erfassungseinrichtung gemeinsam eingegossen oder eingießbar sein. Bei dem Schaltungsgehäuse kann es sich um ein Gehäuse der Auswerteeinrichtung oder der Sensorvorrichtung handeln, in das die Erfassungseinrichtung integriert ist. Auch kann die Erfassungseinrichtung an einer Schaltungsplatine angeordnet sein, die Teil der Auswerteeinrichtung oder der Sensorvorrichtung ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Erfassungseinrichtung in einem Gehäuse vor Umwelteinflüssen geschützt ist bzw. auf einer Platine auf einfache Weise mittels platineneigener Leiterbahnen mit der Auswerteeinrichtung verbunden sein kann. Ferner weist eine solche Ausführungsform den Vorteil auf, dass eine Integration bzw. monolithische Integration der Auswerteeinrichtung bzw. Signalverarbeitung und der Erfassungseinrichtung insbesondere auf einem Mikrofonchip zu einer weiteren Miniaturisierung und Kostenreduktion der Sensorvorrichtung führt, da die hybride Montage elektronischer Bauteile entfällt. Aufgrund kurzer Signalwege besitzt eine derartige integrierte Sensorvorrichtung eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit.
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Ferner kann die Schallwandlervorrichtung eine Mehrzahl von Membranen und zumindest eine Erfassungseinrichtung aufweisen. Somit kann die Schallwandlervorrichtung ein Array von Membranen oder ein Array von Membranen und Erfassungseinrichtungen aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Bestimmung des akustischen Signals genauer, empfindlicher und zuverlässiger erfolgen kann.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1A bis 9C Darstellungen von Schallwandlervorrichtungen, Sensorvorrichtungen und/oder deren Komponenten gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
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10 und 11 Ablaufdiagramme von Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1A zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Schallwandlervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Schallwandlervorrichtung 100 weist eine Trägereinrichtung mit einem Hauptabschnitt 102 sowie einem Verbindungsabschnitt 104, einen Sensorbaustein 105, eine Druckausgleichsöffnung 106, eine Membran 110 mit einem elektrisch leitfähigen Material in Gestalt einer elektrisch leitfähigen Schicht 115 bzw. Oberfläche, eine Erfassungseinrichtung in Gestalt einer elektrischen Spule 120 mit beispielhaft drei Wicklungen, wobei die Membran 110 und die Spule 120 in einem in 1A symbolisch dargestellten Kopplungsbereich 125 induktiver Kopplung angeordnet sind, und ein Spulensubstrat 130, das die Spule 120 umgebend angeordnet ist.
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Der Sensorbaustein 105 weist die Trägereinrichtung mit dem Hauptabschnitt 102 sowie dem Verbindungsabschnitt 104, die Druckausgleichsöffnung 106 und die Membran 110 mit der elektrisch leitfähigen Schicht 115 bzw. Oberfläche auf. Die Membran 110 stellt gemäß dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Membranabschnitt der Trägereinrichtung dar. Die Membran 110 ist mittels des Verbindungsabschnitts 104 mit dem Hauptabschnitt 102 der Trägereinrichtung mechanisch verbunden. Die Druckausgleichsöffnung 106 ist in Gestalt einer Durchgangsöffnung bzw. eines Durchgangsspalts in der Membran 110 ausgeformt. Die elektrisch leitfähige Schicht 115 ist beispielhaft an einer der Spule 120 zugewandten Oberfläche der Membran 110 angeordnet bzw. in der Membran 110 ausgeformt.
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Die Spule 120 ist beispielhaft Teil des Spulensubstrats 130. Dabei ist die Spule 120 in Gestalt einer sogenannten Luftspule ausgeformt, wobei Wicklungen der Spule 120 beispielhaft von dem Spulensubstrat 130 freiliegend angeordnet sind. Elektrische Anschlüsse der Spule 120 sind beispielhaft in dem Spulensubstrat 130 eingebettet, auch wenn es in 1A darstellungsbedingt nicht explizit gezeigt ist. Das Spulensubstrat 130 kann hierbei von den Wicklungen der Spule 120 beabstandet angeordnet sein. Dabei kann das Spulensubstrat 130 die Wicklungen der Spule 120 in einer Wicklungsebene der Spule 120 umgebend angeordnet sein. Das Spulensubstrat 130 mit der Spule 120 ist gemäß dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung an dem Sensorbaustein 105 angeordnet, insbesondere mittels einer Fügeverbindung angebracht. Genauer gesagt ist das Spulensubstrat 130 an dem Sensorbaustein 105 so angebracht, dass die elektrisch leitfähige Schicht 115 in dem Kopplungsbereich 125 induktiver Kopplung der Spule 120 angeordnet ist. Dabei ist die Spule 120 in einem Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht 115 der Membran 110 angeordnet. Insbesondere sind die Wicklungen der Spule 120 die elektrisch leitfähige Schicht 115 der Membran 110 zumindest teilweise überdeckend angeordnet. Insbesondere sind die Wicklungen der Spule 120 entlang einer Raumachse von der elektrisch leitfähigen Schicht 115 der Membran 110 beabstandet. Hierbei ist ein Zwischenraum bzw. eine Kavität zwischen der Spule 120 und der elektrisch leitfähigen Schicht 115 der Membran 110 ausgeformt. Eine Haupterstreckungsebene der Membran 110 im nicht-ausgelenkten Zustand ist innerhalb von Fertigungstoleranzen beispielhaft koplanar und beabstandet bezüglich einer Wicklungsebene der Spule 120. Die Spule 120 ist die Membran 110 bzw. die elektrisch leitfähige Schicht 115 überspannend angeordnet.
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1B zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Schallwandlervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei entspricht die Darstellung in 1B der Darstellung aus 1A bzw. entspricht die Schallwandlervorrichtung 100 in 1B der Schallwandlervorrichtung aus 1A mit der Ausnahme, dass in 1B symbolisch durch zwei Pfeile ein Schalldruck p eines akustischen Signals gezeigt ist, das auf die Membran 110 wirkt, wobei die Membran 110 durch den Schalldruck p zu der Spule 120 hin ausgelenkt ist.
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1C zeigt eine schematische Draufsicht auf die elektrisch leitfähige Schicht 115 der Membran der Schallwandlervorrichtung aus 1A bzw. 1B. In der elektrisch leitfähigen Schicht 115 sind symbolisch durch die Spule der Schallwandlervorrichtung erzeugte Wirbelströme I dargestellt.
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1D zeigt eine schematische Draufsicht auf eine elektrische Spule 120. Bei der Spule 120 kann es sich um die Spule der Schallwandlervorrichtung aus 1A bzw. 1B handeln, wobei die Spule 120 in 1D lediglich beispielhaft vier statt drei Wicklungen aufweist.
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Somit ist in den 1A bis 1D ein exemplarischer Aufbau einer Schallwandlervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Schallwandlervorrichtung 100 umfasst die drucksensitive Membran 110, die durch auftreffenden Schalldruck p ausgelenkt werden kann. Der Schalldruck p kann je nach Auslegung von der Spule 120 her (für ein sogenanntes „top port“-Mikrofon) oder von der spulenabgewandten Seite her (für ein sogenanntes „bottom port“-Mikrofon) an die Membran 110 herangeführt werden. Die Schallwandlervorrichtung 100 kann für ein Mikrofon auf Basis des Wirbelstrommessprinzips verwendet werden. Die Membran 110 mit der elektrisch leitenden Schicht 115 wird aufgrund eines veränderlichen Schalldrucks p ausgelenkt. Dadurch kommt es zu einer Änderung in den Wirbelströmen I der elektrisch leitenden Schicht 115, die wiederum ein verändertes Magnetfeld verursachen. Dieses Magnetfeld wirkt einem Feld der Spule 120 bzw. Erregerspule entgegen, was zu einer Änderung in einer Impedanz der Spule 120 führt. Die Impedanz lässt sich als Änderung einer Amplitude und einer Phasenlage eines Stroms bzw. einer Spannung in der Spule 120 messen. Bei der Spule 120 handelt es sich beispielhaft um eine flache Luftspule, z. B. eine Frontplate-Spule, die zur Ausbildung eines Magnetfelds um die Spule 120 herum mit Wechselstrom speisbar ist.
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2A zeigt eine schematische Draufsicht auf eine elektrische Spule 120 mit einem Spulensubstrat 130 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Spule 120 und dem Spulensubstrat 130 kann es sich um die Spule und das Spulensubstrat der Schallwandlervorrichtung aus 1A bzw. 1B handeln, wobei die Spule 120 in 2A lediglich beispielhaft eine Wicklung aufweist. Ferner ist in 2A ein Stromfluss 222 symbolhaft durch Richtungspfeile in der Spule dargestellt. Die Wicklung der Spule 120 erstreckt sich in Gestalt einer Schleife eines elektrischen Leiters von einem ersten Anschluss, der an dem Spulensubstrat 130 angeordnet ist, zu einem zweiten Anschluss, der an dem Spulensubstrat 130 angeordnet ist. Ferner weist die Spule 120 zusätzlich zu den Anschlüssen beispielhaft ein Aufhängungselement auf, mittels dessen die Spule 120 an dem Spulensubstrat 130 angebracht ist. Die Wicklung der Spule 120 ist von dem Spulensubstrat 130 beabstandet umgeben.
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2B zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Spule 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Anwendung in Verbindung mit der Schallwandlervorrichtung aus 1A bzw. 1B. Anders ausgedrückt kann es sich bei der Spule 120 um die Spule der Schallwandlervorrichtung aus 1A bzw. 1B handeln, wobei die Spule 120 in 2B lediglich beispielhaft als eine sogenannte dreidimensionale Spule bzw. 3D-Spule mit Windungen in mehreren Ebenen ausgeformt ist. Auch in 2B ist ein Stromfluss 222 in der Spule 120 symbolhaft durch Richtungspfeile gezeigt.
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2C zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Spule 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Anwendung in Verbindung mit der Schallwandlervorrichtung aus 1A bzw. 1B. Anders ausgedrückt kann es sich bei der Spule 120 um die Spule der Schallwandlervorrichtung aus 1A bzw. 1B handeln, wobei die Spule 120 in 2C lediglich beispielhaft als eine sogenannte Mehrdrahtspule mit mehreren elektrischen Leitern pro Wicklung ausgeformt ist. Lediglich beispielhaft ist in 2C die Spule 120 mit einer Wicklung dargestellt.
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2D zeigt einen Ausschnitt der Spule 120 aus 2C in einer vergrößerten Darstellung. Hierbei ist das Konzept der Mehrdrahtspule erkennbar.
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Somit sind in den 2A bis 2D mögliche Spulen 120 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gezeigt. So sind auch quadratisch, rund, etc. geformte Varianten der Spule 120 sowie mehrere Lagen oder eine 3D-Spule möglich. Eine solche Formgebung der Spule 120 kann eine Optimierungsmaßnahme zur Erhöhung der Induktivität bzw. Reduzierung eines Platzbedarfs der Spule 120 darstellen.
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3A zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Schallwandlervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei entspricht die Darstellung in 3A der Darstellung aus 1A bzw. entspricht die Schallwandlervorrichtung 100 in 3A der Schallwandlervorrichtung aus 1A mit der Ausnahme, dass die Spule 120 in einem die elektrisch leitfähige Schicht 115 der Membran 110 umgebenden Bereich angeordnet und beispielhaft in dem Spulensubstrat 130 eingebettet ist. Insbesondere sind die Wicklungen der Spule 120 entlang dreier Raumachsen von der elektrisch leitfähigen Schicht 115 der Membran 110 beabstandet.
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3B zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Schallwandlervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei entspricht die Darstellung in 3B der Darstellung aus 3A bzw. entspricht die Schallwandlervorrichtung 100 in 3B der Schallwandlervorrichtung aus 3A mit der Ausnahme, dass in 3B symbolisch durch einen Pfeil ein Schalldruck p eines akustischen Signals gezeigt ist, das auf die Membran 110 wirkt, wobei die Membran 110 durch den Schalldruck p zu der Wicklungsebene der Spule 120 hin ausgelenkt ist.
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Somit ist in den 3A und 3B ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schallwandlervorrichtung 100 gezeigt, wobei anders als in 1A bzw. 1B die Spule 120 hierbei seitlich relativ zu der verformbaren Membran 110 im Bereich des Hauptabschnitts 102 des Sensorbausteins 105 bzw. sozusagen auf dem „Festland“ angeordnet ist. Vorteil dieser Variante ist ein einfacher Aufbau der Schallwandlervorrichtung 100 ohne Kavität zwischen Membran 110 und Spule 120. Partikel können die Membran somit nicht verklemmen.
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4A zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Schallwandlervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei entspricht die Darstellung in 4A der Darstellung aus 3A bzw. entspricht die Schallwandlervorrichtung 100 in 4A der Schallwandlervorrichtung aus 3A mit der Ausnahme, dass die Spule 120 in der Haupterstreckungsebene der Membran 110 bzw. der elektrisch leitfähigen Schicht 115 oder angrenzend an die Haupterstreckungsebene der Membran 110 bzw. der elektrisch leitfähigen Schicht 115 angeordnet und lateral von der Membran 110 bzw. der elektrisch leitfähigen Schicht 115 beabstandet ist. Auch wenn es in der Darstellung von 4A nicht explizit gezeigt ist, kann die elektrisch leitfähige Schicht 115 ein ferromagnetisches Material aufweisen. Mit einem elektrisch leitfähigen Material mit ferromagnetischen Eigenschaften, insbesondere einer hohen magnetischen Permeabilität µr, auf der Membran 110 kann eine Erhöhung eines Signalpegels für eine Auswertung der Induktivität der Spule 120 erreicht werden.
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4B zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Schallwandlervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei entspricht die Darstellung in 4B der Darstellung aus 4A bzw. entspricht die Schallwandlervorrichtung 100 in 4B der Schallwandlervorrichtung aus 4A mit der Ausnahme, dass in 4B symbolisch durch einen Pfeil ein Schalldruck p eines akustischen Signals gezeigt ist, das auf die Membran 110 wirkt, wobei die Membran 110 durch den Schalldruck p bezüglich der Wicklungsebene der Spule 120 ausgelenkt ist.
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5A zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Schallwandlervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei entspricht die Darstellung in 5A der Darstellung aus 1A bzw. entspricht die Schallwandlervorrichtung 100 in 5A der Schallwandlervorrichtung aus 1A mit der Ausnahme, dass die Spule 120 beispielhaft in dem Spulensubstrat 130 eingebettet ist, wobei die Spule 120 und das Spulensubstrat 130 die Membran 110 bzw. die elektrisch leitfähige Schicht 115 überspannend angeordnet sein. Somit handelt es sich bei der Spule 120 um eine flache bzw. planare Spule 120, die in einem Spulensubstrat 130 eingebettet ist, das beispielhaft in Gestalt einer Leiterplatte realisiert ist. Das Spulensubstrat 130 weist eine Durchgangsöffnung auf, die einen Zugang zu der Kavität zwischen dem Spulensubstrat 130 mit der Spule 120 und der Membran 110 mit der elektrisch leitfähigen Schicht 115 vermittelt. Die Durchgangsöffnung bzw. Aussparung ist hierbei z. B. durch Fräsen des Spulensubstrats 130 bzw. der Leiterplatte realisiert. Die Spule 120 ist in dem Spulensubstrat 130 bzw. der Leiterplatte oder direkt in einem Gehäuse (nicht gezeigt) der Schallwandlervorrichtung 100 integriert und die Membran 110 bzw. MEMS-Sensormembran angebracht.
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5B zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Schallwandlervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei entspricht die Darstellung in 5B der Darstellung aus 5A bzw. entspricht die Schallwandlervorrichtung 100 in 5B der Schallwandlervorrichtung aus 5A mit der Ausnahme, dass in 5B symbolisch durch einen Pfeil ein Schalldruck p eines akustischen Signals gezeigt ist, das auf die Membran 110 wirkt, wobei die Membran 110 durch den Schalldruck p zu der Spule 120 hin ausgelenkt ist.
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6A zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Schallwandlervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei entspricht die Darstellung in 6A der Darstellung aus 5A bzw. entspricht die Schallwandlervorrichtung 100 in 6A der Schallwandlervorrichtung aus 5A mit der Ausnahme, dass die Durchgangsöffnung in dem Spulensubstrat 130 durch ein Sensor-Aufbauverfahren anderweitig ausgeformt ist.
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6B zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Schallwandlervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei entspricht die Darstellung in 6B der Darstellung aus 6A bzw. entspricht die Schallwandlervorrichtung 100 in 6B der Schallwandlervorrichtung aus 6A mit der Ausnahme, dass in 6B symbolisch durch einen Pfeil ein Schalldruck p eines akustischen Signals gezeigt ist, das auf die Membran 110 wirkt, wobei die Membran 110 durch den Schalldruck p zu der Spule 120 hin ausgelenkt ist.
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7A zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Sensorvorrichtung 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Sensorvorrichtung 700 weist eine Schallwandlervorrichtung 100 auf. Hierbei entspricht die Schallwandlervorrichtung 100 in 7A der Schallwandlervorrichtung aus einer der 1A, 1B, 3A bis 6B, 8A und 8B. Die Sensorvorrichtung 700 weist ferner eine Auswerteeinrichtung 740 auf. Bei der Auswerteeinrichtung 740 kann es sich um eine elektrische Schaltung, insbesondere eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung bzw. einen ASIC (ASIC = Application-Specific Integrated Circuit = anwendungsspezifischer Schaltkreis) oder dergleichen handeln. Die Auswerteeinrichtung 740 ist mit der Spule 120 elektrisch verbunden. Die Auswerteeinrichtung 740 ist in dem Spulensubstrat 130 angeordnet. Hierbei kann das Spulensubstrat 130 auch zumindest einen Teil eines Gehäuses der Auswerteeinrichtung 740 darstellen. Die Sensorvorrichtung 700 ist hierbei zum Beispiel als eine Zwei-Chip-Version realisiert. Dabei ist die Spule 120 bzw. Wirbelstromspule in einer oberflächennahen Lage des ein Gehäuse der Auswerteeinrichtung 740 darstellenden Spulensubstrats 130 bzw. ASIC-Bausteins gebildet. Das Spulensubstrat 130 bzw. der ASIC-Baustein kann direkt auf den Sensorbaustein 105 gestapelt bzw. gestackt angebracht werden, z. B. gebondet oder dergleichen. Im Übrigen entspricht die Darstellung in 7A der Darstellung aus 5A oder 6A.
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7B zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Sensorvorrichtung 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei entspricht die Darstellung in 7B der Darstellung aus 7A bzw. entspricht die Sensorvorrichtung 700 in 7B der Sensorvorrichtung aus 7A mit der Ausnahme, dass in 7B symbolisch durch einen Pfeil ein Schalldruck p eines akustischen Signals gezeigt ist, das auf die Membran 110 wirkt, wobei die Membran 110 durch den Schalldruck p zu der Spule 120 hin ausgelenkt ist. Die Auswerteeinrichtung 740 ist ausgebildet, um eine von der Auslenkung der Membran abhängige Impedanz der Spule 120 auszuwerten, um einen Schalldruck p bzw. das akustische Signal zu bestimmen.
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8A zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Schallwandlervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei entspricht die Darstellung in 8A der Darstellung aus 5A oder 6A bzw. entspricht die Schallwandlervorrichtung 100 in 8A der Schallwandlervorrichtung aus 5A oder 6A mit der Ausnahme, dass in 8A die Spule 120 die Membran 110 bzw. die elektrisch leitfähige Schicht 115 lediglich teilweise überdeckend angeordnet ist, das Spulensubstrat 130 eine geringere Dickenabmessung aufweist und ein Abstand zwischen dem Spulensubstrat und der elektrisch leitfähigen Schicht 115 geringer ist. Hierbei ist die Membran 110 mechanisch mittels des Verbindungsabschnittes 104 als mechanischem Anker an dem Hauptabschnitt 102 des Sensorbausteins 105 bzw. einem Substrat verankert. Somit ist bei der Schallwandlervorrichtung 100 eine spannungsfreie Membranaufhängung in Kombination mit dem Wirbelstrommessverfahren realisiert.
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8B zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Schallwandlervorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei entspricht die Darstellung in 8B der Darstellung aus 8A bzw. entspricht die Schallwandlervorrichtung 100 in 8B der Schallwandlervorrichtung aus 8A mit der Ausnahme, dass in 8B die Membran 110 in Gestalt einer freifliegenden Membran 110 frei von einer mechanischen Verbindung mit dem Hauptabschnitt 102 des Sensorbausteins 105 realisiert ist. Somit entfällt hierbei ein Verbindungsabschnitt.
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9A zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Sensorbaustein 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Sensorbaustein 105 kann es sich um den Sensorbaustein aus einer der 1A, 1B, 3A bis 6B und 8A handeln. Somit kann der Sensorbaustein 105 in 9A Teil der Schallwandlervorrichtung aus einer der 1A, 1B, 3A bis 6B und 8A oder der Sensorvorrichtung aus 7A bzw. 7B sein. Gezeigt sind von dem Sensorbaustein 105 in 9A der Hauptabschnitt 102, der Verbindungsabschnitt 104, die Druckausgleichsöffnung 106, die elektrisch leitfähige Schicht 115 sowie symbolisch die in der elektrisch leitfähigen Schicht 115 erzeugten Wirbelströme I. Die an der Membran gebildete, elektrisch leitfähige Schicht 115 ist in der Darstellung in 9A von dem Hauptabschnitt 102 des Sensorbausteins 105 in Gestalt eines Rahmens umgeben.
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9B zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung einer Mehrzahl von Sensorbausteinen 105 aus 9A und einer Mehrzahl von Spulen 120 aus beispielsweise 1D gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei sind die Sensorbausteine 105 und Spulen 120 beispielsweise Teil der Schallwandlervorrichtung aus einer der 1A, 1B, 3A bis 6B und 8A oder der Sensorvorrichtung aus 7A bzw. 7B. Die Sensorbausteine 105 und Spulen 120 sind abwechselnd in Gestalt eines Schachbrettmusters angeordnet. Lediglich beispielhaft ist in 9B ein schachbrettförmiges Array bzw. 4 × 4-Array von acht Sensorbausteinen 105 und acht Spulen 120 gezeigt. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Art der Anordnung sowie eine Anzahl von Sensorbausteinen 105 und Spulen 120 von dem in 9B Gezeigten abweichen.
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9C zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung einer Mehrzahl von Sensorbausteinen 105 aus 9A und einer Spule 120 aus beispielsweise 1D gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei sind die Sensorbausteine 105 und die Spule 120 beispielsweise Teil der Schallwandlervorrichtung aus einer der 1A, 1B, 3A bis 6B und 8A oder der Sensorvorrichtung aus 7A bzw. 7B. Hierbei sind die Sensorbausteine 105 in einer 3 × 3-Anordnung angeordnet. Die Spule 120 ist in der Draufsicht die Sensorbausteine 105 umgebend angeordnet.
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Die 9A bis 9C zeigen somit Darstellungen spannungsfreier Membranaufhängungen sowie mögliche Array-Anordnungen, wobei z. B. mehrere kleine Spulen 120 oder viele kleine Membranen 110 und eine Spule 120 vorgesehen sein können.
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10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Herstellen einer Schallwandlervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 1000 weist einen Schritt des Bereitstellens 1010 einer Membran und einer Erfassungseinrichtung auf. Die Membran weist ein elektrisch leitfähiges Material auf und ist durch ein auf dieselbe auftreffendes akustisches Signal auslenkbar. Die Erfassungseinrichtung ist ausgebildet, um in der Membran einen Wirbelstrom zu induzieren, der von einer durch das akustische Signal erzeugbaren Auslenkung der Membran beeinflussbar ist. Auch ist die Erfassungseinrichtung ausgebildet, um den Wirbelstrom in Gestalt einer von dem Wirbelstrom abhängigen Impedanz der Erfassungseinrichtung zu erfassen. Das Verfahren 1000 umfasst ferner einen Schritt des Anordnens 1020 der Membran und der Erfassungseinrichtung bezüglich einander derart, dass die Erfassungseinrichtung induktiv mit der Membran koppelbar ist. Mittels des Verfahrens 1000 zu Herstellen kann beispielsweise die Schallwandlervorrichtung aus einer der 1A bis 9C vorteilhaft hergestellt werden.
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11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1100 zum Bestimmen eines akustischen Signals gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 1100 weist einen Schritt des Beaufschlagens 1110 einer durch ein akustisches Signal auslenkbaren Membran, die ein elektrisch leitfähiges Material aufweist, mit einem akustischen Signal auf. Auch weist das Verfahren 1100 einen Schritt des Leitens 1120 von elektrischem Strom durch eine Erfassungseinrichtung auf, um in der Membran einen Wirbelstrom zu induzieren, der von einer durch das akustische Signal erzeugbaren Auslenkung der Membran beeinflussbar ist. Das Verfahren 1100 weist ferner einen Schritt des Erfassens 1130 des Wirbelstroms in Gestalt einer von dem Wirbelstrom abhängigen Impedanz der Erfassungseinrichtung auf. Zudem weist das Verfahren 1100 einen Schritt des Auswertens 1140 der Impedanz der Erfassungseinrichtung auf, um das akustische Signal zu bestimmen. Das Verfahren 1100 kann in Verbindung mit beispielsweise der Sensorvorrichtung bzw. der Schallwandlervorrichtung aus einer der 1A bis 9C vorteilhaft ausgeführt werden.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2002/0067663 A1 [0002]
