DE102012220819A1

DE102012220819A1 - Schallwandler mit einer ersten und einer zweiten menge von ineinandergreifenden kammfingern

Info

Publication number: DE102012220819A1
Application number: DE102012220819A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe; Shu-Ting Hsu
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2032-11-15
Also published as: US9402137B2; US9674627B2; CN110012411A; US20130121509A1; US20160234619A1; CN103124389A; CN105050022B; CN110012411B; CN103124389B; CN105050022A; DE102012220819B4

Abstract

Ein Schallwandler umfasst ein Substrat mit einem Hohlraum mit Ausstrecken von einer ersten Oberfläche des Substrats, einen Körper, der den Hohlraum mindestens teilweise abdeckt und durch mindestens ein nachgiebiges Gelenk mit dem Substrat verbunden ist, eine erste Menge von Kammfingern, die am Substrat angebracht ist, und eine zweite Menge von Kammfingern, die am Körper angebracht ist. Die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern greifen ineinander und sind konfiguriert, eine elektrostatische Kraft, die den Körper in einer zur ersten Oberfläche des Substrats senkrechten Richtung antreibt, zu bewirken. Der Körper und das mindestens eine nachgiebige Gelenk sind für eine resonante oder eine fast resonante Anregung durch die elektrostatische Kraft konfiguriert.

Description

STAND DER TECHNIK
Mikrolautsprecher sind kleine Schallwandler und manche Mikrolautsprecher können unter Verwendung von Halbleitertechnik gefertigt werden, sodass die verschiedenen Teile des Mikrolautsprechers aus einem Halbleitermaterial oder einem Material, das für einen halbleiterorientierten Fertigungsprozess geeignet ist, sind. Ein Mikrolautsprecher muss in der Regel eine hohe Luftvolumenverschiebung erzeugen, um einen signifikanten Schalldruckpegel zu erreichen.
Für die Betätigung einer Membran eines Mikrolautsprechers gibt es einige Optionen. Manche Mikrolautsprechergeräte nutzen piezoelektrische Betätigungsglieder oder elektrostatische Parallelplatten-Betätigungsglieder. Ein anderes Vorgehen ist, eine elektrostatische Kammantriebsstruktur in zwei Ebenen zu verwenden (d. h. ein erster Teil der Kammantriebsstruktur ist in einer ersten Ebene angeordnet und ein zweiter Teil der Kammantriebsstruktur ist in einer zweiten Ebene angeordnet), um die Membran senkrecht zu den Ebenen zu betätigen.
Die Ausgestaltung eines geeigneten digitalen Mikrolautsprechers geht mit Kompromissen zwischen hoher Frequenz und Betätigung bei niedriger Leistung einher. Dieser Kompromiss kann in der mechanischen Ausgestaltung des Geräts, nämlich der Membran und der Feder, angegangen werden. Derzeit werden Bemühungen unternommen, um Betätigungsglieder auszugestalten, die schnell sind (hohe Resonanzfrequenz) und gleichzeitig hinreichend flexibel sind (niedrige Resonanzfrequenz), um eine hohe Betätigung bei niedriger Leistung zu ermöglichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen einen Schallwandler und in manchen Ausführungsformen einen Schallwandler mit einer ersten und einer zweiten Menge von ineinandergreifenden Kammfingern. Manche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine Gruppierung von Schallwandlern. Manche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen einen resonant anregbaren Schallwandler. Manche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Schallreproduktionssystem. Manche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Verfahren zum Betreiben eines Schallwandlers. Manche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Verfahren zum Fertigen eines Schallwandlers.
Gemäß einem Aspekt der hierin offenbarten Lehren weist ein Schallwandler ein Substrat, einen Körper, eine erste Menge von Kammfingern und eine zweite Menge von Kammfingern auf, bzw. beinhaltet oder umfasst diese Elemente. Das Substrat weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, wobei die erste Oberfläche eine erste Ebene definiert. Des Weiteren weist das Substrat einen Hohlraum mit einer inneren peripheren Kante auf, wobei sich der Hohlraum von der ersten Oberfläche erstreckt. Der Körper weist eine äußere periphere Kante auf. Der Körper ist parallel zur ersten Ebene und deckt den Hohlraum mindestens teilweise ab. Der Körper ist durch mindestens ein nachgiebiges Gelenk mit dem Substrat verbunden. Die erste Menge von Kammfingern ist am Substrat angebracht und mit einer ersten elektrischen Verbindung verbunden. Die zweite Menge von Kammfingern ist am Körper angebracht und erstreckt sich über die äußere periphere Kante des Körpers hinaus, bzw. an der äußeren peripheren Kante vorbei. Die zweite Menge von Kammfingern ist mit einer zweiten elektrischen Verbindung, die von der ersten Verbindung isoliert ist, verbunden. Die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern greifen ineinander und sind konfiguriert, eine elektrostatische Kraft, die den Körper in einer zur ersten Ebene senkrechten Richtung antreibt, zu bewirken. Der Körper und das mindestens eine nachgiebige Gelenk sind für eine resonante oder eine fast resonante Anregung durch die elektrostatische Kraft konfiguriert.
Gemäß einem anderen Aspekt der hierin offenbarten Lehren weist eine Gruppierung von Schallwandlern ein Substrat auf, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche eine erste Ebene definiert. Jeder Schallwandler weist einen Körper auf, der eine äußere periphere Kante aufweist. Der Körper ist parallel zur ersten Ebene und sperrt mindestens teilweise einen einer Vielzahl von Hohlräumen im Substrat. Der Hohlraum weist eine innere periphere Kante auf und der Körper ist durch das mindestens eine nachgiebige Gelenk mit dem Substrat verbunden. Eine erste Menge von Kammfingern ist am Substrat angebracht, wobei die erste Menge von Kammfingern mit einer ersten elektrischen Verbindung verbunden ist. Eine zweite Menge von Kammfingern ist am Körper angebracht und erstreckt sich über die äußere periphere Kante des Körpers hinaus, bzw. daran vorbei, wobei die zweite Menge von Kammfingern mit einer zweiten elektrischen Verbindung, die von der ersten Verbindung isoliert ist, verbunden ist. Die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern greifen g ineinander, sodass, wenn sich der Körper bewegt, die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern eine relative Beabstandung beibehalten. Die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern sind konfiguriert, eine elektrostatische Kraft in einer zur ersten Ebene senkrechten Richtung zu bewirken. Der Körper und das mindestens eine nachgiebige Gelenk sind für eine resonante oder fast resonante Anregung durch die elektrostatische Kraft konfiguriert. Die Schallwandler sind individuell oder gruppenweise in digitaler Weise steuerbar, sodass ein Gesamtschallsignal der Gruppierung von Schallwandlern aus individuellen Schallsignalen, die von den individuell oder gruppenweise gesteuerten Schallwandlern produziert werden, zusammengesetzt ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der hierin offenbarten Lehren weist ein resonant anregbarer Schallwandler ein Substrat, eine mechanische Resonatorstruktur und einen ineinandergreifenden Kammantrieb auf. Das Substrat weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, wobei die erste Oberfläche eine erste Ebene definiert. Das Substrat weist einen Hohlraum mit einer inneren peripheren Kante auf. Der Hohlraum erstreckt sich von der ersten Oberfläche und/oder der zweiten Oberfläche. Die mechanische Resonatorstruktur sperrt den Hohlraum mindestens teilweise. Die mechanische Resonatorstruktur ist durch das mindestens eine nachgiebige Gelenk mit dem Substrat verbunden und konfiguriert, eine Verschiebung eines Fluids innerhalb des Hohlraums im Wesentlichen auf einer Resonanzfrequenz der mechanischen Resonatorstruktur zu verursachen. Der ineinandergreifende Kammantrieb ist an einem Spalt zwischen dem Substrat und der mechanischen Resonatorstruktur angeordnet und konfiguriert, eine elektrostatische Kraft zu bewirken, um eine resonante oder fast resonante Anregung der mechanischen Resonatorstruktur zu verursachen.
Gemäß einem anderen Aspekt der hierin offenbarten Lehren weist ein Schallreproduktionssystem bzw. ein Schallwiedergabesystem einen elektrostatischen Schallwandler und eine Steuereinheit auf. Der elektrostatische Schallwandler weist eine Membranstruktur und eine Elektrodenstruktur auf. Die Steuereinheit ist konfiguriert, ein Eingangssignal zu empfangen, das einen zu reproduzierenden Schall darstellt, und ein Steuersignal für den elektrostatischen Schallwandler zu erzeugen. Die Steuereinheit ist konfiguriert, ein Modulationssignal auf Basis des Eingangssignals zu erzeugen und ein Trägersignal, das eine Frequenz im Wesentlichen auf der Resonanzfrequenz des elektrostatischen Schallwandlers aufweist, zu amplitudenmodulieren.
Gemäß einem anderen Aspekt der hierin offenbarten Lehren weist ein Verfahren zum Betreiben eines Schallwandlers ein Erzeugen eines Trägersignals auf, das eine Trägersignalfrequenz aufweist, und ein Amplitudenmodulieren des Trägersignals mit einem Steuersignal, das auf einem Eingangssignal basiert, das ein vom Schallwandler zu wandelndes Schallsignal darstellt. Beim Amplitudenmodulieren wird ein amplitudenmoduliertes Trägersignal produziert. Das Verfahren weist ferner ein Anlegen des amplitudenmodulierten Trägersignals an einen ineinandergreifenden Kammantrieb des Schallwandlers auf. Der ineinandergreifende Kammantrieb ist konfiguriert, eine resonante oder fast resonante Anregung eines beweglichen Körpers des Schallwandlers zu verursachen, um dadurch ein Fluid neben dem beweglichen Körper gemäß dem amplitudenmodulierten Trägersignal zu verschieben. Die Trägersignalfrequenz ist im Wesentlichen gleich oder nahe einer Resonanzfrequenz des beweglichen Körpers. Während eines Betriebs des Schallwandlers weist das amplitudenmodulierte Trägersignal eine minimale Amplitude ungleich null auf, sodass die resonante oder fast resonante Anregung des beweglichen Körpers beibehalten wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der hierin offenbarten Lehren weist ein Verfahren zum Fertigen eines Schallwandlers ein Bereitstellen eines Substrats auf, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist. Die erste Oberfläche definiert eine erste Ebene und definiert eine Grabenätzmaske für mindestens einen Isolationsgraben. Das Verfahren weist ferner ein Ätzen des mindestens einen Isolationsgrabens unter Verwendung der Grabenätzmaske und Nachfüllen eines Isolatormaterials in den mindestens einen Isolationsgraben auf. Des Weiteren weist das Verfahren ein Definieren mindestens einer Ätzmaske für einen Körper, mindestens ein nachgiebiges Gelenk, das den Körper mit dem Substrat verbindet, eine mit dem Substrat assoziierte erste Menge von Kammfingern und eine mit dem Körper assoziierte zweite Menge von Kammfingern. Die erste Menge von Kammfingern ist mit einer ersten elektrischen Verbindung verbunden und die zweite Menge von Kammfingern ist mit einer zweiten elektrischen Verbindung, die durch den mindestens einen Isolationsgraben von der ersten Verbindung isoliert ist, verbunden. Das Verfahren weist auch ein gleichzeitiges Ätzen des Körpers, des nachgiebigen Gelenks, der ersten Menge von Kammfingern und der zweiten Menge von Kammfingern unter Verwendung der mindestens einen Ätzmaske, sodass der Körper vom Substrat gelöst wird. Die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern greifen ineinander. Der Körper und das mindestens eine nachgiebige Gelenk sind für eine resonante oder eine fast resonante Anregung konfiguriert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Verwendung der beiliegenden Zeichnungen detaillierter beschrieben, in denen
1 einen schematischen Querschnitt eines Schallwandlers, der ein Prinzip für piezoelektrische Membranbetätigung nutzt, zeigt;
2 einen schematischen Querschnitt eines Schallwandlers, der ein Prinzip für elektrostatische Parallelplatten-Membranbetätigung nutzt, zeigt;
3 einen schematischen Querschnitt eines Schallwandlers, der einen elektrostatischen Kammantrieb für Membranbetätigung nutzt, zeigt;
4 einen schematischen Querschnitt eines Schallwandlers gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Lehren zeigt;
5 eine schematische Draufsicht eines Schallwandlers gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Lehren zeigt;
6 eine schematische Draufsicht eines Details eines Schallwandlers gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren zeigt;
7A einen schematischen Querschnitt eines Details eines Schallwandlers gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren in einer Ruheposition zeigt;
7B das in 7A abgebildete Detail in einem Betätigungszustand zeigt;
8A eine schematische perspektivische Ansicht eines Details eines Schallwandlers gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren in einer Ruheposition zeigt;
8B das in 8A abgebildete Detail in einem Betätigungszustand zeigt;
9 eine erste Option für elektrische Isolation schematisch veranschaulicht;
10 eine zweite Option für elektrische Isolation schematisch veranschaulicht;
11 eine schematische Draufsicht eines Details eines Schallwandlers gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren zeigt;
12 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Schallwandlers gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Lehren zeigt;
13 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Fertigen eines Schallwandlers gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Lehren zeigt;
14A eine Legende für die folgenden 14B bis 14H zeigt;
14B bis 14H verschiedene Stufen eines Verfahrens zum Fertigen eines Schallwandlers gemäß den hierin offenbarten Lehren veranschaulichen;
15 einen schematischen Querschnitt und eine Draufsicht einer Gruppierung von Schallwandlern gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Lehren zeigt;
16 ein schematisches Blockdiagramm eines Schallreproduktionssystems gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Lehren zeigt;
17 zwei Signale, die vom Schallreproduktionssystem von 16 für eine analoge Schallreproduktion verarbeitet werden, veranschaulicht;
18 zwei Signale, die vom Schallreproduktionssystem von 16 für eine digitale Schallreproduktion verarbeitet werden, veranschaulicht;
19 eine Eingangs-/Ausgangseigenschaft eines De-Expanders, der im Schallreproduktionssystem von 16 verwendet werden kann, veranschaulicht; und
20A bis 20C eine Option für digitale Schallrekonstruktion unter Verwendung einer Gruppierung von Schallwandlern veranschaulichen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevor Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben werden, ist darauf hinzuweisen, dass dieselben oder funktional gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind und dass auf eine wiederholte Beschreibung von mit denselben Bezugszeichen versehenen Elementen verzichtet wird. Des Weiteren können manche funktional gleichen Elemente auch mit ähnlichen Bezugszeichen versehen sein, wobei die zwei letzten Stellen gleich sind. Folglich sind für Elemente mit denselben Bezugszeichen oder mit ähnlichen Bezugszeichen bereitgestellte Beschreibungen untereinander austauschbar, sofern nicht anders angemerkt.
In der folgenden Beschreibung werden eine Vielzahl von Details dargelegt, um eine eingehendere Erläuterung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Es ist jedoch für den Fachmann ersichtlich, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch ohne diese spezifischen Details praktisch umgesetzt werden können. In anderen Fällen werden weithin bekannte Strukturen und Geräte statt im Detail in schematischen Querschnittsansichten oder Draufsichten gezeigt, um die Verständlichkeit der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht zu beeinträchtigen. Zusätzlich können Merkmale der unterschiedlichen, nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen mit anderen Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich anders angemerkt.
Wie oben erwähnt, gibt es einige Optionen für die Betätigung einer Membran eines Mikrolautsprechers, etwa piezoelektrische Betätigung, elektrostatische Parallelplatten-Betätigung und elektrostatische Betätigung unter Verwendung eines Kammantriebs, in dem der Membranseitenkamm in einer anderen Ebene als der Substratseitenkamm (Kammantrieb außerhalb der Ebene) angeordnet ist.
Der erste Typ der Mikrolautsprecherausgestaltung nutzt piezoelektrisches Material für die Betätigung. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Schallwandlers, der ein Prinzip für piezoelektrische Membranbetätigung nutzt. Der in 1 gezeigte Schallwandler beinhaltet bzw. weist auf: ein Substrat 110, einen Hohlraum 112 innerhalb des Substrats 110 und eine Membranstruktur 120. Die Membranstruktur 120 beinhaltet einen vorpolarisierten piezoelektrischen Film 124 und einen anderen strukturellen Film 122. Der vorpolarisierte piezoelektrische Film 124 ist auf dem anderen strukturellen Film 122 aufgebracht. Der piezoelektrische Film 124 ist mit einer ersten Elektrode (nicht gezeigt) verbunden. Der andere strukturelle Film 122 ist mit einer zweiten Elektrode (nicht gezeigt) verbunden. Wenn zwischen den Elektroden eine elektrische Potentialdifferenz vorgesehen ist, kontrahiert oder expandiert der piezoelektrische Film 124 und verursacht, dass sich die bimorphe Membran 120 beult, und erzeugt somit die benötigte Schwingung, die entlang den angezeigten Bewegungsrichtungen erfolgt.
Die piezoelektrischen Betätigungsglieder erfordern spezielle Materialien, etwa PZT (Blei-Zirkonat-Titanat), Zinkoxid (ZnO), Aluminiumnitrid (AlN), PVDF (Polyvinylidenfluorid), um die Dehnung für Deformation zu produzieren. Unter ihnen ist PZT nicht mit CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, komplementärem Metalloxid-Halbleiter) kompatibel. PVDF ist ein Aufschleuderpolymer, doch die piezoelektrische Beschaffenheit des Films 124 wird durch die folgenden Prozesse nach dem Aufschleuderschritt beeinflusst. AlN und ZnO können gesputtert werden, doch ihre piezoelektrischen Konstanten sind von der Ausrichtung der Körner innerhalb der Filme abhängig. Im Fall von AlN produziert eine epitaxiale Ablagerung bei hoher Temperatur die besten Ergebnisse, doch begrenzt gleichzeitig die Freiheit in der Ausgestaltung und der Prozessintegration.
Ein zweiter Typ eines Mikrolautsprechers ist schematisch in 2 gezeigt und beinhaltet eine bewegliche Membran 220 und eine Rückplattenelektrode 240. Diese Konfiguration wird in der Regel als elektrostatisches Parallelplattenbetätigungsglied bezeichnet. Die Membran 220 ist von der Rückplatte 240 durch einen Abstandhalter 230 mit einer Dicke d getrennt, die auch die Distanz zwischen der Membran 220 und der Rückplatte 240 definiert, wenn die Membran in einer Ruheposition ist. Die Membran 220 wird von der Elektrode 240 angezogen, wenn zwischen ihnen eine Potentialdifferenz angelegt wird. Ein Wechselstromsteuersignal kann ein Zurück- und Vorschwingen der Membran 220 auslösen. Die Verschiebung elektrostatischer Parallelplatten-Betätigungsglieder wird durch die Distanz der zwei Elektroden, d. h. der Membran 220 und der Elektrode 240, begrenzt. Dadurch wird es schwierig, mit Oberflächenmikrobearbeitungsprozessen große Verschiebungen zu erzielen. Außerdem ist die durch die Elektroden erzeugte Kraft umgekehrt proportional zum Quadrat der Distanz, wodurch die Schwierigkeit beim Hochskalieren der Verschiebungsamplitude zunimmt.
Ungeachtet dessen, welches Betätigungsprinzip verwendet wird, kann eine Mikrolautsprecheranordnung zur digitalen Schallrekonstruktion genutzt werden. Zur digitalen Schallrekonstruktion wird eine Gruppierung einzelner Lautsprecherelemente in der Regel auf einer hohen Trägerfrequenz von mindestens der doppelten gewünschten Tonbandbreite angetrieben. Die individuellen Elemente weisen nur diskrete Zustände auf, um Schall-Wavelets, die das (im menschlichen Ohr tiefpassgefilterte) abschließende Tonsignal bilden, zu produzieren. Für einen digitalen Mikrolautsprecher ist es wünschenswert, eine relativ steife Membran für hohe Frequenz und eine große Fläche zu haben, um ein großes Volumen von Luft zum Schwingen zu bringen. Dies für ein Parallelplattengerät zu erzielen ist schwierig, da die unbelastete Membran selbst als Biegeelement dient, mit dem die Resonanzfrequenz auf r³ umgekehrt bezogen ist, wobei r der Durchmesser der Membran ist. Dasselbe Argument kann auf piezoelektrisch betätigte Geräte angewendet werden.
Die hierin offenbarten Lehren offenbaren, wie ein Volumen mit einer Frequenz zwischen 50 Hz und 200 kHz unter Verwendung eines mikrobearbeiteten Kammantriebsbetätigungsglieds, z. B. in Siliciumtechnik, zum Schwingen gebracht wird. Einige solche Lautsprecher können in Gruppierungskonstellation angeordnet sein.
Die durch ein Parallelplattenbetätigungsglied von Fläche A erzeugte Kraft ist:
Die Verschiebung in der Mitte der Platte ist:
Die ungedämpfte Schwingungsfrequenz ist:
In den obigen Gleichungen ist

ε₀: die Vakuumpermittivität,
A: die aktive Fläche des Parallelplattenbetätigungsglieds,
D: die Distanz zwischen der Membran 220 und der Rückplatte 240,
V: die zwischen der Membran 220 und der Rückplatte 240 angelegte Spannung,
ν: das Poisson-Verhältnis der Membran,
E: der Young-Modul der Membran,
P: der Druck auf der Membran,
t: die Dicke der Membran,
r: der Radius der Membran,
k: die Federkonstante des Oszillationssystems, das die Membran beinhaltet, und
m: die äquivalente Masse des Oszillationssystems, das die Membran beinhaltet.

Das Problem kann gelöst werden, indem eine sehr dicke Membran verwendet wird, um die nötige Steifigkeit bereitzustellen, um eine hohe Frequenz zu erzielen. Jedoch würden dicke Membranen mit großer Distanz zwischen zwei Platten die Prozesskomplexität wesentlich erhöhen und würden dennoch nicht die große Ablenkung, die für große Amplitudenbetätigungen wünschenswert ist, vor allem im Fall eines Parallelplattenbetätigungsprinzips, bereitstellen.
Ein ähnlicher Kompromiss kann im Fall von Membranen unter hoher Zugspannung beobachtet werden.
Ein alternatives Vorgehen unter Verwendung einer elektrostatischen Kammantriebsstruktur wurde oben bereits erwähnt. Eine solche Struktur kann bei Frequenzen unter ihrer mechanischen Eigenresonanz arbeiten. In der Regel beinhaltet der Kammantrieb einen festen Teil und einen mobilen Teil, wobei der mobile Teil parallel zum festen Teil, doch außerhalb der Ebene mit Bezug zum festen Teil ist. Mit anderen Worten, der feste Teil ist in einer ersten Ebene angeordnet und der mobile Teil ist in einer zweiten Ebene parallel zur ersten Ebene angeordnet. Auf diese Weise kann eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen dem festen Teil und dem mobilen Teil erzeugt werden, was bewirkt, dass sich der mobile Teil dem festen Teil annähert. Jedoch ist es ziemlich schwierig, eine solche Kammantriebsstruktur außerhalb der Ebene anzufertigen.
Gemäß den hierin offenbarten Lehren und wie in 3 veranschaulicht wird ein ineinandergreifendes Kammantriebsbetätigungsglied verwendet, um die Kolbenbewegung anzutreiben. Die Kolbenbewegung produziert Druck, der in einer akustischen Welle resultiert.
Der in 3 gezeigte Schallwandler beinhaltet ein Substrat 110, eine Kammantriebsstruktur 360, eine Membran 320 und eine Vielzahl von Federn 352. Ein Hohlraum 112 wird im Substrat gebildet und erstreckt sich von einer ersten Oberfläche 114 zu einer zweiten Oberfläche 115 des Substrats 110. Der Kammantrieb 360 kann ein Kammantrieb außerhalb der Ebene sein und beinhaltet eine am Substrat 110 angebrachtee erste Menge von Kammfingern 362 und eine an der Membran 320 angebrachtee zweite Menge von Kammfingern 364. Die erste Menge von Kammfingern 362 ist über eine Stützstruktur 368 (z. B. als ein Rahmen), die auf der ersten Oberfläche 114 angeordnet ist, am Substrat 110 angebracht.
Der Hohlraum 112 ist durch eine innere periphere Kante 116 der Stützstruktur 368 abgegrenzt. Die Membran 320 wird durch einen Körper, der eine äußere periphere Kante 326 aufweist, gebildet. Der Körper 320 deckt den Hohlraum 112 mindestens teilweise ab und ist durch mindestens ein nachgiebiges Gelenk oder eine Vielzahl nachgiebiger Gelenke, die durch die Federn 352 in der in 3 gezeigten Konfiguration gebildet sind, mit dem Substrat verbunden.
Die erste Menge von Kammfingern 362 ist mit einer ersten elektrischen Verbindung (nicht gezeigt) verbunden. Die zweite Menge von Kammfingern 364 erstreckt sich über die äußere Kante des Körpers 320 hinaus (bzw. daran vorbei) und ist mit einer zweiten elektrischen Verbindung (nicht gezeigt), die von der ersten elektrischen Verbindung isoliert ist, verbunden. Die erste Menge von Kammfingern 362 und die zweite Menge von Kammfingern 364 greifen ineinander und sind konfiguriert, eine elektrostatische Kraft, die den Körper 320 in einer zur ersten Ebene 114 senkrechten Richtung antreibt, zu bewirken. 3 zeigt den Kammantrieb 360 in einer Zwischenposition, in der sich die erste Menge von Kammfingern 362 und die zweite Menge von Kammfingern 364 zum Teil überdecken.
Der Körper 320 und die nachgiebigen Gelenke 352 sind für eine resonante oder fast resonante Anregung durch die elektrostatische Kraft konfiguriert. Der Körper 320 und die nachgiebigen Gelenke 352 bilden ein Resonanzsystem. Eine Resonanzfrequenz des Resonanzsystems wird durch eine äquivalente Masse und eine Federkonstante definiert. Die äquivalente Masse wird nicht nur durch die Masse des Körpers 320, sondern auch durch eine Masse eines Volumens von Luft (oder allgemeiner eines Fluids), die den Körper 320 umgibt und vom Körper 320 angetrieben wird, definiert. Die durch die erste Menge von Kammfingern 362 und die zweite Menge von Kammfingern 364 bewirkte elektrostatische Kraft variiert mit einer Frequenz, die eine Funktion der Resonanzfrequenz, z. B. ungefähr die Resonanzfrequenz, ist. Im Resonanzfall weist die Verschiebung des Resonanzsystems in der Regel eine 90-Grad-Phasendifferenz mit Bezug zu der elektrostatischen Kraft/den elektrostatischen Kräften auf.
4 zeigt eine andere Ausführungsform eines Schallwandlers gemäß den hierin offenbarten Lehren in einem schematischen Querschnitt. Der Schallwandler beinhaltet eine Membranstruktur (oder einen Körper) 420, die ein Membranmaterial 422 und einen Dünnfilm 424 beinhaltet. Die Membranstruktur 420 beinhaltet auch eine periphere Kante 426. Der Schallwandler beinhaltet ferner einen Kammantrieb 460 in der Ebene, dessen Position in 3 schematisch angezeigt ist. Nicht explizit in 4 gezeigt werden die erste Menge von Kammfingern 462 und die zweite Menge von Kammfingern 464 und es wird Bezug auf 5 genommen, die den ineinandergreifenden Kammantrieb 460 und die erste und die zweite Menge von Kammfingern 462, 464 zeigt.
Die Stützstruktur 468 ist auf einer Isolierschicht 456, welche die Stützstruktur 468 vom Substrat 110 isoliert, angeordnet. Die Stützstruktur 468 beinhaltet den Festelektrodenkontakt (erste elektrische Verbindung) 465, den Membrankontakt (zweite elektrische Verbindung) 466, einen Membranleiter 451 und Isoliergräben 453. Der Membrankontakt 466 ist mit dem Membranleiter 451 verbunden, um die zweite Menge von Kammfingern 464 mit einem von einer Steuereinheit (nicht gezeigt) bereitgestellten elektrischen Potential zu verbinden, sodass die elektrostatische Kraft zwischen der ersten und der zweiten Menge von Kammfingern zusammenwirkend mit einem anderen elektrischen Potential, das an die erste Menge von Kammfingern 462 angelegt wird, erzeugt werden kann.
Gemäß den hierin offenbarten Lehren wird die Mikrolautsprechermembran 420 durch in der Ebene ineinandergreifende Elektroden des Kammantriebs 460 betätigt, um eine Kolbenbewegung annähernd auf einer mechanischen Resonanzfrequenz des die Membran 420 beinhaltenden Resonanzsystems durchzuführen. Die Betätigungsamplitude der Membran 420 wird nicht durch den Spalt zwischen Elektroden begrenzt. Die Elektroden 462, 464 können innerhalb eines einzelnen Schritts für Lithographie und Ätzung angefertigt werden und sind mit CMOS-kompatiblem Material oder CMOS-kompatiblen Materialien konstruiert. Eine geringe Asymmetrie ist zum Starten der Betätigung schon ausreichend.
Wenn die Membran 420 in einer Ruheposition ist, befinden sich die erste Menge von Kammfingern 462 und die zweite Menge von Kammfingern 464 im Wesentlichen in einer minimalen Distanz zueinander oder mindestens nahe einer solchen minimalen Distanz. Deshalb führt das Bewirken einer elektrostatischen Anziehungskraft zwischen der ersten Menge von Kammfingern 462 und der zweiten Menge von Kammfingern 464 zu gar keiner Bewegung oder nur zu einer sehr kleinen Bewegung, da die erste Menge von Kammfingern 462 und die zweite Menge von Kammfingern 464 nicht noch näher zueinander gelangen können (ähnlich einem Totpunkt in einer Hubkolbenmaschine). Dies trifft insbesondere zu, falls die erste Menge von Kammfingern 462 und die zweite Menge von Kammfingern 464 mit Bezug zueinander im Wesentlichen symmetrisch positioniert sind, wenn die Membran 420 in der Ruheposition ist, weil die elektrostatische Kraft dann in einer zu der Bewegungsrichtung/den Bewegungsrichtungen der Membran im Wesentlichen senkrechten Richtung wirkt. Jedoch besitzt ein echter Schallwandler in der Regel einen gewissen Grad von Asymmetrie, sodass die elektrostatische Kraft eine Komponente beinhaltet, die parallel zu der Bewegungsrichtung/den Bewegungsrichtungen ist. Die Asymmetrie kann durch Fertigungstoleranzen oder externe Einwirkungen, etwa die auf die Membran 420 wirkende Schwerkraft, verursacht werden.
Die ineinandergreifende Kammantriebsstruktur 460 wird als Struktur in der Ebene angefertigt und kann nahe der Eigenresonanz betätigt werden. Eine geringfügige anfängliche Verschiebung des beweglichen Kamms 464 gegen den Statorkamm 462 ist zum Starten der Betätigung schon ausreichend. Solche Verschiebungen können durch anfängliches Biegen oder eine leichte bei der Anfertigung ausgelöste Asymmetrie der Kammstruktur 460 erzeugt werden.
Aufgrund der Kammantriebsstruktur in der Ebene ist die Membranbewegung kolbenartig und ermöglicht eine weite Verschiebung. Der Bewegungsbereich ist nicht durch die Distanz zwischen den Elektroden begrenzt, und die elektrostatische Kraft kann mit der Anzahl der Elektroden und einer verringerten Distanz zwischen den Gegenelektroden erhöht werden. Die Federn können für unterschiedliche Steifigkeit ausgestaltet sein, um unterschiedliche Frequenzanforderungen zu berücksichtigen, ohne die Membrangröße und -dicke zu beeinflussen. Des Weiteren gibt es keine Parallelelektrode, welche die Bewegung durch Luftstromdämpfung begrenzt.
Die federgestützte Membran 420 setzt sich aus CMOS-kompatiblen Materialien zusammen, die polykristallines Silicium (poly-Si), amorphes Silicium, Siliciumoxid (SiO₂), Siliciumnitrid (Si₃N₄), Aluminium oder Bulk-Silicium (Bulk-Si) mit jeglicher Kombination des obigen Filmstapels umfassen. Die Dicke der Membran 420 kann von 1 μm bis 100 μm reichen. Die Biegeelemente (z. B. die elastischen Gelenke 452, siehe 5) setzen sich aus Bulk-Si oder Bulk-Si und anderen Dünnfilmmaterialien, wie oben erwähnt, zusammen. Insbesondere kann der Dünnfilm 424 eine Eigenspannung, die sich von einer Eigenspannung innerhalb des Membranmaterials 422 unterscheidet, aufweisen. Diese Differenz der Eigenspannungen führt in der Regel dazu, dass sich die Membranstruktur 420 in einer Richtung, zum Beispiel weg vom Hohlraum 112 oder in den Hohlraum 112, biegt oder wölbt. Auf diese Weise kann eine Asymmetrie für die Ruheposition der Membranstruktur 420 bewusst eingeführt werden, sodass die Membranstruktur auf eine definierte Weise in Bewegung gebracht werden kann, wenn aus der Ruheposition im Gegensatz zu einer (fast) symmetrischen Ruheposition gestartet wird, aus der die Membranstruktur kaum in Bewegung gebracht werden kann, da die Anziehungskraft zwischen der ersten und der zweiten Menge von Kammfingern im Wesentlichen keine Komponente in der Richtung der Bewegung der Membranstruktur 420 (d. h. senkrecht zur Hauptoberfläche der Membran) aufweist.
Das Betätigungsglied mindestens mancher Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren ist mit zwei Mengen ineinandergreifender Elektroden 462, 464 mit einer kleinen, beabsichtigten, vertikalen Verschiebung zwischen den Elektroden konstruiert. Wie oben erwähnt, kann dies durch Vorspannen der Membran mit einem Dünnfilm aus SiO₂, Si₃N₄, Aluminium, Polyimid oder einer Kombination der obigen Materialien erzielt werden. Die Eigenspannungsdiskrepanz verursacht, dass die Membran eine Krümmung aufweist, und bewirkt somit eine Verschiebung zwischen den zwei Elektroden. Der Film eines Materials, das eine sich von einer Eigenspannung eines Körpermaterials und eines Gelenkmaterials unterscheidende Eigenspannung aufweist, kann sich an oder in dem Körper und/oder dem mindestens einen nachgiebigen Gelenk befinden, sodass aufgrund einer Eigenspannungsdifferenz die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern mit Bezug zueinander in der zur ersten Ebene senkrechten Richtung verschoben werden. Zum Beispiel sind die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern, wenn sie in der Ruheposition sind, mit Bezug zueinander in der zur ersten Ebene senkrechten Richtung um einen Versatz von weniger als oder gleich 10% einer maximalen Amplitude eines Betriebsversatzes des Körpers in der zur ersten Ebene senkrechten Richtung versetzt. Der Versatz kann sogar weniger als 10% der maximalen Amplitude des Betriebsversatzes des Körpers ausmachen, etwa 8%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1% und weniger, sowie Werte zwischen den erwähnten Werten.
Eine andere Option zum bewussten Einführen einer Asymmetrie zwischen der ersten und der zweiten Menge von Kammfingern, wenn die Membranstruktur 320, 420 in der Ruheposition ist, ist, die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern mit unterschiedlichen Ausstreckungen bzw. Erstreckungen in der zur ersten Ebene senkrechten Richtung bereitzustellen.
Die Elektroden 462, 464 sind mit einer Potentialdifferenz mit einer Frequenz bei bzw. auf oder annähernd bei bzw. auf ihren mechanischen Resonanzfrequenzen vorgesehen. Dadurch wird eine elektrostatische Kraft bewirkt, um die Elektroden zusammenzuziehen. Falls die Kraft hinreichend groß ist und die vorgesehene Spannung annähernd auf oder auf der Resonanzfrequenz des Geräts ist, wird die Membranbewegung erweitert, bis sie durch Dämpfung ausgeglichen wird. Dadurch werden eine große Verschiebung und somit eine starke Schwingung des Luftvolumens neben der Membran bewirkt.
Die erzeugte elektrostatische Kraft vom Betätigungsglied F ist proportional zu der Anzahl von Mengen von Elektroden N, dem Quadrat der Elektrodenüberdeckungslänge l², und ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Distanz zwischen einer Menge von Elektroden.
Dies trifft zu, wenn die Verschiebung kleiner als die Elektrodendicke t ist, wobei der Fringing-Effekt klein ist. In der in dieser Erfindungsoffenbarung vorgeschlagenen Ausgestaltung kann die Dicke der Elektroden von 5 μm bis 70 μm reichen, der Spalt zwischen Elektroden g kann von 2 μm bis 10 μm reichen, und die Länge der Elektroden liegt zwischen 10 μm und 150 μm. Mit diesen Quantitäten ergibt sich die durch das ineinandergreifende Kammantriebsbetätigungsglied erzeugte Kraft durch die folgende Gleichung: F_c = ε₀N l / g·V².
Der Körper 320, 420 und/oder das mindestens eine nachgiebige Gelenk 352, 452 können monolithisch in das Substrat 110 integriert sein.
Der Körper 320, 420 kann eine zur ersten Ebene parallele Querausstreckung zum Beispiel zwischen 200 μm und 1000 μm oder zwischen 400 μm und 800 μm aufweisen. Der Körper 320, 420 kann eine Dicke in der zur ersten Ebene senkrechten Richtung zum Beispiel zwischen 5 μm und 70 μm oder zwischen 10 μm und 50 μm aufweisen.
Der Körper 320, 420 und das mindestens eine nachgiebige Gelenk 352, 452 können eine Resonanzstruktur bilden. Die erste Menge von Kammfingern 362, 462 und die zweite Menge von Kammfingern 364, 464 können konfiguriert sein, die Resonanzstruktur während eines Betriebs des Schallwandlers in einer im Wesentlichen permanenten resonanten oder fast resonanten Anregung anzutreiben und eine resultierende Oszillation des Körpers 320, 420 auf oder annähernd auf der Resonanzfrequenz der Resonanzstruktur mit einem Steuersignal, das auf einem vom Schallwandler zu wandelnden elektrischen Eingangssignal basiert, zu amplitudenmodulieren.
Ein Teil des Substrats 110 kann mittels eines PN-Übergangs und/oder einer vergrabenen Oxidisolationsschicht und/oder einer dielektrischen Schicht elektrisch isoliert sein. Die Isolierschicht 456 in 4 kann eine vergrabene Oxidisolationsschicht oder eine dielektrische Schicht sein.
Die erste Menge von Kammfingern 362, 462 und die zweite Menge von Kammfingern 364, 464 können, wenn sich der Körper 320, 420 bewegt, eine minimale relative Beabstandung beibehalten. Die relative Beabstandung bezieht sich auf eine Distanz zwischen der ersten und der zweiten Menge von Kammfingern in einer zu einer Richtung der Hauptbewegung des Körpers senkrechten Richtung. Der Umstand, dass eine minimale relative Beabstandung beibehalten wird, bedeutet, dass die erste und die zweite Menge von Kammfingern während der Bewegung des Körpers nicht näher als in der erwähnten minimalen relativen Beabstandung zueinander gelangen.
Der Körper 320, 420 und das mindestens eine nachgiebige Gelenk 352, 452 können eine Resonanzstruktur bilden, die eine Resonanzfrequenz zum Beispiel zwischen 40 kHz und 400 kHz oder zwischen 60 kHz und 300 kHz oder zwischen 80 kHz und 200 kHz aufweist.
Die in den 3 und 4 veranschaulichten Schallwandler können mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sein und können unter Verwendung der MEMS-Fertigungstechnik gefertigt werden. Die Eigenresonanz ergibt sich durch die mechanischen Beschaffenheiten der MEMS-Struktur, doch auch das umgebende Gehäuse 491 kann zum Unterstützen einer Resonanz, z. B. durch Luftfeder-/Masse-Systeme, etwa einen Helmholtzschen Resonator oder den Helmholtz-Resonator 490, verwendet werden. Solche Strukturen können innerhalb von Bulk-Si-Material angefertigt werden und der Prozess ist vollständig CMOS-kompatibel.
Die in den 3 und 4 gezeigten Schallwandler können alternativ als ein Substrat 110 mit einer ersten Oberfläche 114 und einer zweiten Oberfläche 115 aufweisend beschrieben werden. Die erste Oberfläche definiert eine erste Ebene. Das Substrat 110 weist einen Hohlraum 112 mit einer inneren peripheren Kante 116 auf. Der Hohlraum 112 erstreckt sich von der ersten Oberfläche 114 und/oder der zweiten Oberfläche 115. Der Schallwandler beinhaltet ferner eine mechanische Resonatorstruktur, die den Hohlraum 112 mindestens teilweise sperrt, wobei die mechanische Resonatorstruktur durch mindestens ein nachgiebiges Gelenk 352, 452 mit dem Substrat 110 verbunden und konfiguriert ist, eine Verschiebung eines Fluids innerhalb des Hohlraums 112 im Wesentlichen auf einer Resonanzfrequenz der mechanischen Resonatorstruktur zu verursachen. Ein ineinandergreifender Kammantrieb 360, 460 ist an einem Spalt zwischen dem Substrat 110 und der mechanischen Resonatorstruktur angeordnet und ist konfiguriert, eine elektrostatische Kraft zu bewirken, um eine resonante oder fast resonante Anregung der mechanischen Resonatorstruktur zu verursachen.
5 zeigt eine schematische Draufsicht eines Schallwandlers gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Lehren. Der Hohlraum 112 und der Körper 420 weisen beide eine im Wesentlichen quadratische Form auf und sind kongruent und konzentrisch zueinander. Der Schallwandler beinhaltet einen Kammantrieb 460, der vier Abschnitte aufweist, wobei ein Abschnitt an jeder Seite des quadratischen Körpers 420 ist. Die erste Menge von Kammfingern 462 und die zweite Menge von Kammfingern 464 sind in 5 ersichtlich.
Der in 5 gezeigte Schallwandler beinhaltet ferner elastische Gelenke oder Federn 452. Die elastischen Gelenke 452 sind an den Ecken des quadratförmigen Körpers 420 angeordnet. Jedes elastische Gelenk 452 verbindet eine Ecke des Körpers 420 mit einem Anker 558, der in einer entsprechenden Ecke des Hohlraums 112 angeordnet ist. Jedes Gelenk 452 beinhaltet einen Drehzapfen 454 und einen Stab 455. Wenn sich der Körper 420 in der zur Zeichnungsebene von 5 senkrechten Richtung bewegt, führt der Drehzapfen 454 eine drehelastische Bewegung durch, die den Stab 455 ablenkt. Zusätzlich kann der Stab 455 eine Translationsablenkung durchführen. Diese Ausgestaltung der elastischen Gelenke 452 ist zum Beibehalten einer Ausrichtung des Körpers 420 mit Bezug zum Substrat 110 fähig, sodass eine relative Beabstandung der ersten und der zweiten Menge von Kammfingern des Kammantriebs 460 während der Bewegung des Körpers 420 im Wesentlichen beibehalten wird.
Die Anker 558 sind L-förmig und können als elektrisch leitende Elemente verwendet werden, um auf den Körper 420 und somit auf die zweite Menge von Kammfingern 464 des Kammantriebs 460 ein elektrisches Potential anzuwenden. In diesem Fall können die Anker 558 vom umgebenden Substrat 110 elektrisch isoliert werden.
6 zeigt eine schematische Draufsicht eines Details eines Schallwandlers gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren. Insbesondere wird in 6 eine alternative Ankerausgestaltung relativ zur in 5 gezeigten Ausgestaltung gezeigt. Jedes elastische Gelenk 452 ist mit zwei Ankerabschnitten 658, die durch Isolationsgräben 653 vom umgebenden Substrat individuell isoliert sind, verbunden.
6 veranschaulicht auch den Spalt g zwischen einem Finger 662 der ersten Menge von Kammfingern 462 und einem Finger 664 der zweiten Menge von Kammfingern 464. Der Spalt g wird auch relative Beabstandung der ersten und der zweiten Menge von Kammfingern genannt.
7A zeigt einen schematischen Querschnitt eines Details eines Schallwandlers gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren in einer Ruheposition. Insbesondere sind der erste Finger 662 der ersten Menge von Kammfingern 462 und der zweite Finger 664 der zweiten Menge von Kammfingern 464 ersichtlich. Der erste Finger 662 und der zweite Finger 664 überdecken sich um eine Länge l. Sowohl der erste Finger 662 als auch der zweite Finger 664 weisen eine Dicke t in der Richtung der Bewegung des Körpers 420 auf. Der zweite Finger 664 ist nach oben (d. h. weg vom Hohlraum 112) mit Bezug zum ersten Finger 662 leicht versetzt. Auf diese Weise verursacht eine elektrostatische Kraft zwischen dem ersten Finger 662 und dem zweiten Finger 664, dass der zweite Finger 664 nach unten bewegt wird, sodass sich die Membran 420 durch die elektrostatische Kraft in dieser Richtung beschleunigt. Aufgrund von Anziehungskräften wird die Membran um den Versatz herum verschoben und wegen der Resonanz wird die Amplitude der Verschiebung erweitert.
7B zeigt das in 7A abgebildete Detail in einem Betätigungszustand, in dem der zweite Finger 664 in einer Richtung weg vom Hohlraum 112 verschoben wird.
8A zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Details eines Schallwandlers gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren in einer Ruheposition und 8B zeigt dasselbe Detail in einem Betätigungszustand. Ein elektrisches Potential V1 wird an das Substrat 110 angelegt und ein elektrisches Potential V2 wird an die Membran 420 angelegt. Wenn der Schallwandler in der Ruheposition ist, wie in 8A abgebildet, haben das erste und das zweite elektrische Potential V1 und V2 entgegengesetzte Vorzeichen. Deshalb wird zwischen der ersten und der zweiten Menge von Kammfingern 462, 464 des Kammantriebs 460 eine elektrostatische Anziehungskraft bewirkt, welche die Membran 420 zur Ruheposition zieht. Alternativ sind die erste und die zweite Menge von Kammfingern im Wesentlichen frei von elektrischer Ladung, sodass keine signifikante elektrostatische Kraft bewirkt wird. 8B zeigt den Schallwandler, wenn er nach oben betätigt ist.
9 veranschaulicht schematisch eine erste Option für elektrische Isolation der Anker 558 vom Substrat 110 sowie für andere Isolieraufgaben. Ein Teil des Bulk-Si-Volumens 110 ist über einen PN-Übergang und tiefe Isolationsgräben 953 elektrisch isoliert. Das Substrat 110 ist n-dotiert, während eine auf einer Oberfläche des Substrats angeordnete Epitaxialschicht „P + EPI” p-dotiert ist. An der Grenzfläche wird ein PN-Übergang gebildet, der sperrt, wenn das n-Typ-Substrat ein höheres elektrisches Potential als die p-Typ-Schicht hat. 9 zeigt auch eine erste elektrische Verbindung 957 und den Anker 558. Die erste elektrische Verbindung 957 wird verwendet, um die erste Menge von Kammfingern 362, 462 mit einem Steuersignalerzeuger für den Kammantrieb 360, 460 elektrisch zu verbinden. Der Anker 558 dient als zweite elektrische Verbindung für die zweite Menge von Kammfingern 364, 464. Die erste elektrische Verbindung 957 ist mittels der Gräben 953 vom Anker 558 elektrisch isoliert. Die Gräben 953 müssen sich nicht ganz hinunter zur zweiten Oberfläche 115 der Oberfläche erstrecken, da die erste elektrische Verbindung 957 mittels zwei PN-Übergängen, die entgegengesetzte Richtungen aufweisen, auch vom Anker 558 getrennt ist. Demgemäß ist mindestens einer der zwei PN-Übergänge in der Regel in einem Sperrzustand.
10 veranschaulicht schematisch eine zweite Option für elektrische Isolation, bei der eine vergrabene Oxidisolationsschicht 456 verwendet wird. In dieser Konfiguration erstrecken sich die Isolationsgräben 453 zur vergrabenen Oxidisolationsschicht 456, sodass die erste elektrische Verbindung 957 vom Anker 558 elektrisch isoliert ist.
In einem alternativen Prozess kann sich die Isolation der statischen Kämme 362, 462 mit Bezug zu beweglichen Kämmen 364, 464 durch eine isolierende dielektrische Schicht 456 ergeben, die gleichzeitig als das stützende Biegeelement des Betätigungsglieds dient. In diesem Fall begrenzt die Höhe des Betätigungsglieds nicht die Ausgestaltung des stützenden Biegeelements. Es kann quer ausgestaltet sein, etwa als ein Mäandertyp oder vertikal zur Wellung.
11 zeigt eine schematische Draufsicht eines Details eines Schallwandlers gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren. Die erste Menge von Kammfingern 462 beinhaltet Antihaftreibungsstrukturen 1162. In alternativen Ausführungsformen können die Antihaftreibungsstrukturen an der zweiten Menge von Kammfingern 464 oder an sowohl der ersten als auch der zweiten Menge von Kammfingern 462, 464 angeordnet sein. Die Antihaftreibungsstruktur 1162 ist konfiguriert, eine Haftreibung der ineinandergreifenden Kammfinger 462, 464 zu verhindern. Eine Haftreibung der ineinandergreifenden Kammfinger kann eine schwerwiegende Angelegenheit bei der Produktion und der Verwendung sein. Ein einfacher Layout-Trick, um zu verhindern, dass solche Vorfälle auftreten, ist, entlang dem Kamm scharfe Strukturen auszugestalten, die beim Anhaften an einer entsprechenden Seite des zugewandten Kammfingers die Kontaktkraft verringern.
12 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Schallwandlers gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Lehren. Bei einem Schritt 1202 wird ein Trägersignal, das eine Trägersignalfrequenz aufweist, erzeugt. Die Trägersignalfrequenz ist im Wesentlichen gleich oder mindestens nahe einer Resonanzfrequenz des beweglichen Körpers eines Schallwandlers. Die Resonanzfrequenz des beweglichen Körpers wird durch die Beschaffenheiten eines Oszillations- oder Resonanzsystems bestimmt, das den Körper und ein oder mehrere nachgiebige Gelenke, die den beweglichen Körper mit einem Substrat verbinden, beinhaltet. Bei einem Schritt 1204 wird das Trägersignal mit einem Steuersignal, das auf einem Eingangssignal basiert, das ein vom Schallwandler zu reproduzierendes Schallsignal darstellt, amplitudenmoduliert. Beim Amplitudenmodulieren wird ein amplitudenmoduliertes Trägersignal (AM-Trägersignal) produziert. Während eines Betriebs des Schallwandlers weist das amplitudenmodulierte Trägersignal eine minimale Amplitude ungleich null (mit Ausnahme der üblichen Nulldurchgänge) auf, sodass die resonante oder fast resonante Anregung des beweglichen Körpers beibehalten wird. Die minimale Amplitude ungleich null bedeutet, dass, selbst wenn das Steuersignal auf null abnimmt, das amplitudenmodulierte Signal weiter mit der minimalen Amplitude ungleich null oszilliert (d. h. die Spitzen der Oszillationen weisen die minimale Amplitude ungleich null auf). Dies kann durch Verwendung eines Modulationsindexes h < 100% erzielt werden. Durch Beibehalten der resonanten oder fast resonanten Anregung des beweglichen Körpers wird verhindert, dass der bewegliche Körper in der Ruheposition verharrt, in welcher der bewegliche Körper nicht einfach beschleunigt werden kann (Totpunkt), da die Komponenten der elektrostatischen Kraft hauptsächlich in der zur Bewegungsrichtung in der Ruheposition senkrechten Richtung wirken.
Bei einem Schritt 1206 wird das amplitudenmodulierte Trägersignal an einen ineinandergreifenden Kammantrieb des Schallwandlers angelegt. Der ineinandergreifende Kammantrieb ist konfiguriert, eine resonante oder fast resonante Anregung des beweglichen Körpers des Schallwandlers zu verursachen, um dadurch ein Fluid neben dem beweglichen Körper gemäß dem amplitudenmodulierten Trägersignal zu verschieben. Dadurch wird ein Schallsignal produziert, das an einen Zuhörer gesendet wird. Das Ohr des Zuhörers kann den raschen Oszillationen, die auf das Trägersignal zurückführbar sind, in der Regel nicht folgen. Im Ohr des Zuhörers erfolgt eine natürliche Tiefpassfilterung, sodass der Zuhörer zum Extrahieren und Hören des Eingangssignals (oder eines dem Eingangssignal ähnlichen Signals) fähig ist.
Das amplitudenmodulierte Trägersignal kann gleichstromvorgespannt sein. Auf diese Weise kann der Wunsch zum Beibehalten der minimalen Amplitude ungleich null für beinahe alle Wellenformen des Steuersignals verwirklicht werden (eine seltene Ausnahme wäre, falls das Steuersignal ein Gleichstromsignal ist, das eine Amplitude aufweist, die das additive Inverse der Gleichstromvorspannung ist). Eine gleichstromvorgespannte Wechselspannung kann an die an die Membran angeschlossenen Elektroden 464 angelegt werden, während die andere Menge von Elektroden 462 und das Bulk-Substrat 110 geerdet sind.
Das Steuersignal kann ein digitales Steuersignal sein, das mindestens einen niedrigen Signalwert und einen hohen Signalwert aufweist, sodass das amplitudenmodulierte Trägersignal eine kleine Amplitude ungleich null, wenn es mit dem niedrigen Signalwert amplitudenmoduliert wird, und eine hohe Amplitude, wenn es mit dem hohen Signalwert amplitudenmoduliert wird, aufweist.
Das Verfahren kann ferner Vergleichen des Eingangssignals mit einem Schwellwert und Setzen des Steuersignals auf einen hohen Signalwert, falls das Eingangssignal über dem Schwellwert liegt, und Setzen des Steuersignals auf einen niedrigen Signalwert ungleich null, falls das Eingangssignal kleiner als der Schwellwert ist, beinhalten. In einer Gruppierung von Schallwandlern können unterschiedliche Schallwandler unterschiedliche Schwellwerte aufweisen, sodass für einen spezifischen Eingangssignalwert eine spezifische Anzahl der Schallwandler durch das niedrige, bei einer Amplitude ungleich null modulierte Trägersignal angetrieben wird und eine verbleibende Anzahl der Schallwandler durch das hohe amplitudenmodulierte Trägersignal angetrieben wird. Mit sich vergrößernder Amplitude des Eingangssignals können immer mehr Schallwandler durch das hohe amplitudenmodulierte Trägersignal angetrieben werden.
13 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Fertigen eines Schallwandlers gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Lehren. Bei einem Schritt 1302 wird ein Substrat, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, bereitgestellt. Die erste Oberfläche definiert eine erste Ebene. Bei einem Schritt 1304 wird eine Grabenätzmaske für mindestens einen Isolationsgraben definiert. Bei einem Schritt 1306 wird der mindestens eine Isolationsgraben unter Verwendung der Grabenätzmaske geätzt. Bei einem Schritt 1308 wird in den mindestens einen Isolationsgraben ein Isolatormaterial nachgefüllt.
Bei einem Schritt 1310 wird mindestens eine Ätzmaske für einen Körper, nachgiebige Gelenke, eine erste Menge von Kammfingern und eine zweite Menge von Kammfingern definiert. Die nachgiebigen Gelenke verbinden im fertiggestellten/gefertigten Schallwandler schließlich den Körper mit dem Substrat. Die erste Menge von Kammfingern ist mit dem Substrat assoziiert und wird schließlich mit einer ersten elektrischen Verbindung im fertiggestellten Schallwandler verbunden. Die zweite Menge von Kammfingern ist mit dem Körper assoziiert und wird schließlich mit einer zweiten elektrischen Verbindung, die durch den mindestens einen Isolationsgraben von der ersten Verbindung isoliert ist, verbunden. Die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern greifen ineinander. Im gefertigten Schallwandler sind der Körper und die nachgiebigen Gelenke für eine resonante oder eine fast resonante Anregung konfiguriert.
Bei einem Schritt 1312 werden der Körper, die nachgiebigen Gelenke, die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern unter Verwendung der mindestens einen Ätzmaske gleichzeitig geätzt, sodass der Körper vom Substrat im Wesentlichen gelöst wird und über die Gelenke nur mit dem Substrat verbunden ist.
Der mindestens eine Isolationsgraben kann eine Gelenkverbindungsregion, wie etwa einen Anker 558, des Substrats 110 abgrenzen, an der mindestens eines des mindestens einen nachgiebigen Gelenks 452 verbunden ist. Folglich isoliert der Isolationsgraben die Gelenkverbindungsregion elektrisch vom Substrat 110.
Während des Verlaufs des Verfahrens zum Fertigen des Schallwandlers kann der Schritt des Bereitstellens des Substrats eine Bildung einer Isolierschicht 456 innerhalb des Substrats parallel zur ersten Oberfläche 114 beinhalten. Die Isolierschicht 456 kann als eine untere Isolierung für Substratregionen, die durch den mindestens einen Isolationsgraben 453, 653 quer isoliert sind, fungieren.
Das Verfahren kann ferner einen Rückseitenätzschritt vor oder nach dem Schritt des gleichzeitigen Ätzens des Körpers, des mindestens einen nachgiebigen Gelenks, der ersten Menge von Kammfingern und der zweiten Menge von Kammfingern beinhalten. Bei der Rückseitenätzung wird ein Hohlraum 112 für den Körper, die erste Menge von Kammfingern 362, 462 und die zweite Menge von Kammfingern 364, 464 produziert.
Die 14A bis 14H veranschaulichen eine Ausführungsform des Verfahrens zum Fertigen eines Schallwandlers gemäß den hierin offenbarten Lehren.
14A zeigt eine Legende für die folgenden 14B bis 14H, um die verschiedenen Materialien anzuzeigen. Die 14B bis 14H zeigen schematische Querschnitte, um verschiedene Stufen eines Verfahrens zum Fertigen eines Schallwandlers gemäß den hierin offenbarten Lehren zu veranschaulichen.
In 14B wird ein Siliciumsubstrat 110 bereitgestellt. Des Weiteren ist eine Siliciumdioxidschicht 1456 auf einer ersten Hauptoberfläche des Substrats 110 angeordnet. Eine andere Siliciumschicht 1457 ist auf der Siliciumoxidschicht 1456 angeordnet. Auf diese Weise wird eine Silicium-auf-Isolator(SOI)-Struktur gebildet. Eine andere Siliciumoxidschicht 1458 ist auf der Siliciumschicht 1457 angeordnet. Das Bulk-Silicium-Substrat 110 kann zum Beispiel 400 μm dick sein. Es sollte beachtet werden, dass sich der Begriff „Substrat” und das Bezugszeichen 110 nicht nur auf die Bulk-Silicium-, sondern auch auf die in 14B gezeigte Mehrschichtstruktur beziehen können.
In 14C wurde eine Vordermaske verwendet, um Isolationsstrukturen, insbesondere Querisolationsstrukturen, des künftigen Schallwandlers zu definieren. Demgemäß werden unter Verwendung der Vordermaske ein oder mehrere Isolationsgräben 1453 gebildet. Anschließend wird die Photoresist(PR)-Maske entfernt, eine Oxidation wird durchgeführt und der eine oder die mehreren Gräben werden nachgefüllt. 14B zeigt die Isolationsgräben, in die Siliciumdioxid nachgefüllt wurde.
14D zeigt den Schallwandler, nachdem eine weitere Schicht aus Oxid aufgebracht worden ist und eine weitere Vordermaske verwendet worden ist, um einen oder mehrere vorläufige Hohlräume 1467 für künftige Kontaktzonen zu definieren. Des Weiteren wurde das Oxid trockengeätzt.
14E zeigt eine Stufe des Fertigungsprozesses, auf der die Kontaktzonen 1468 unter Verwendung eines Metallsputterprozesses gebildet wurden. Die Kontaktzonen 1468 füllen die vorläufigen Hohlräume 1467. Eine andere Vordermaske wird verwendet, um die Kontaktzonen (oder „Pads”) 1468 zu strukturieren. Die Pads 1468 werden dann unter Verwendung der Vordermaske trockengeätzt. Die Kontaktzonen 1468 können schließlich als die erste elektrische Verbindung und/oder die zweite elektrische Verbindung fungieren.
In 14F wurde eine weitere Siliciumdioxidschicht 1471 auf den Pads und der bereits bestehenden Dioxidschicht 1458 aufgebracht. Mittels einer Vordermaske und eines Trockenätzens des Oxids werden die Finger des ineinandergreifenden Kammantriebs in der Siliciumschicht 1457 strukturiert.
In 14G wurden eine Rückseitenmaske 1473 und ein Trockenätzschritt verwendet, um einen Rückseitengraben 112 zu strukturieren.
14H zeigt das Ergebnis, nachdem ein Trockenätzschritt von der Vorderseite und ein Nassätzschritt mit Wirkung auf ausgewählte Abschnitte des Oxids durchgeführt worden sind.
15 zeigt einen schematischen Querschnitt und eine schematische Draufsicht einer Gruppierung von Schallwandlern gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Lehren. Zum Beispiel kann die in 15 veranschaulichte Gruppierung eine Fast-Resonanz-Kolbentyp-Mikrolautsprecher-Gruppierung mit ineinandergreifenden elektrostatischen Betätigungsgliedern (d. h. den Schallwandlern) sein. Das Substrat 1510 kann einen weiteren Hohlraum 1512 mit einer weiteren inneren peripheren Kante 1516 aufweisen, wobei sich der weitere Hohlraum 1512 zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche erstreckt. Die Gruppierung von Schallwandlern beinhaltet ferner einen weiteren Körper 1520, der eine weitere äußere periphere Kante 1526 aufweist, wobei der weitere Körper 1520 parallel zur ersten Ebene ist und den weiteren Hohlraum 1512 mindestens teilweise sperrt. Der weitere Körper 1520 ist durch weitere nachgiebige Gelenke 1552 mit dem Substrat 110 verbunden. Der Hohlraum 112 und der Körper 420 bilden ein erstes schallwandelndes Gerät und der weitere Hohlraum 1512 und der weitere Körper 1520 bilden ein zweites schallwandelndes Gerät. In der Konfiguration von 15 sind elf weitere schallwandelnde Geräte veranschaulicht. Das erste und das zweite schallwandelnde Gerät können mit einer Polysiliciumleitung, einer Metallleitung, einer aus einem anderen elektrisch leitenden Material bestehenden Leitung oder einer Kombination dieser untereinander verbunden sein. Insbesondere können die Membranen von zwei oder mehr schallwandelnden Geräten untereinander verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ können die substratseitigen Mengen von Kammfingern von zwei oder mehr schallwandelnden Geräten untereinander verbunden sein. Das erste und das zweite schallwandelnde Gerät können durch tiefe Gräben (in 15 nicht gezeigt) im Substrat 110 elektrisch isoliert sein. Mit anderen Worten, mehrere Geräte können mit einer Polysilicium- oder einer Metallleitung untereinander verbunden und/oder mit tiefen Siliciumgräben isoliert sein, in die dielektrische Materialien, etwa SiO₂, Si₃N₄, Polymer oder eine Kombination der obigen Materialien, nachgefüllt werden.
Somit beinhaltet jeder Schallwandler einen Körper 420, 1520, der eine äußere periphere Kante 426, 1526 aufweist. Der Körper 420, 1520 ist parallel zur ersten Ebene und sperrt mindestens teilweise einen einer Vielzahl von Hohlräumen 112, 1512 im Substrat 110. Der Hohlraum 112, 1512 weist eine innere periphere Kante 116, 1516 auf und der Körper 420, 1520 ist durch mindestens ein nachgiebiges Gelenk 452, 1552 mit dem Substrat 110 verbunden. In der in 15 veranschaulichten Konfiguration ist jeder Körper 420, 1520 durch vier nachgiebige Gelenke 452, 1552 mit dem Substrat 110 verbunden. Der Kammantrieb 460, 1560 in der Ebene beinhaltet eine am Substrat angebrachte erste Menge von Kammfingern und eine zweite Menge von Kammfingern. Die erste Menge von Kammfingern ist mit einer ersten elektrischen Verbindung (nicht gezeigt) verbunden. Die zweite Menge von Kammfingern ist am Körper 420, 1520 angebracht und erstreckt sich über die äußere periphere Kante 426, 1526 des Körpers hinaus (bzw. daran vorbei). Die zweite Menge von Kammfingern ist mit einer zweiten elektrischen Verbindung, die von der ersten elektrischen Verbindung isoliert ist, verbunden. Die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern des Kammantriebs 460, 1560 greifen ineinander, sodass, wenn sich der Körper 420, 1520 bewegt, die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern eine relative Beabstandung (in einer im Wesentlichen zur Richtung der Bewegung senkrechten Richtung) beibehalten. Die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern sind konfiguriert, eine elektrostatische Kraft in einer zur ersten Ebene senkrechten Richtung zu bewirken. Der Körper 420, 1520 und das mindestens eine nachgiebige Gelenk 452, 1552 sind für eine resonante oder fast resonante Anregung durch die elektrostatische Kraft konfiguriert. Die Schallwandler sind individuell oder gruppenweise in digitaler Weise steuerbar, sodass ein Gesamtschallsignal der Gruppierung von Schallwandlern aus individuellen Schallsignalen, die von den individuell gesteuerten Schallwandlern produziert werden, zusammengesetzt ist.
Mit der in 15 gezeigten Gruppierung können die Geräte über Verbindungsverdrahtung gruppiert oder kann über Verbindungsverdrahtung individuell auf die Geräte zugegriffen werden und können die Geräte eine hochfrequente akustische Welle produzieren, die dann mit anderen Frequenzen innerhalb des menschlichen Hörbereichs unterschiedlicher Amplituden moduliert werden kann. Alternativ können ein oder mehrere digitale Steuersignale verwendet werden, um die hochfrequenten akustischen Wellen, die durch die verschiedenen schallwandelnden Elemente erzeugt werden, zu modulieren.
16 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Schallreproduktionssystems gemäß einer Ausführungsform der hierin offenbarten Lehren. Das Schallreproduktionssystem beinhaltet eine Steuereinheit 1670 und einen elektrostatischen Schallwandler 1680. Die Steuereinheit 1670 empfängt ein Eingangssignal, das eine Wellenform eines vom Schallreproduktionssystem zu reproduzierenden Schallsignals darstellt. Die Steuereinheit 1670 ist konfiguriert, das Eingangssignal zu verarbeiten und um ein Steuersignal für den elektrostatischen Schallwandler 1680 zu erzeugen. Das Steuersignal ist ein amplitudenmoduliertes Signal, das durch Amplitudenmodulieren eines Trägersignals, das eine relativ hohe Trägersignalfrequenz aufweist, mit dem Eingangssignal erlangt wird. Die Trägersignalfrequenz ist gleich einer Resonanzfrequenz des elektrostatischen Schallwandlers 1680 oder mindestens relativ nahe der Resonanzfrequenz. Somit reagiert der elektrostatische Schallwandler gut auf die Anregung des Steuersignals. Eine Membran des elektrostatischen Schallwandlers 1680 ist somit zum Durchführen relativ weiter Oszillationen fähig, wie für den Resonanzfall erwartet werden kann. Deshalb kann der elektrostatische Schallwandler 1680 schnell einer Änderung der Spitzenamplitude der Oszillationen des Steuersignals folgen, sodass eine Einhüllende des Steuersignals eine Funktion des Eingangssignals ist. Es ist zu beachten, dass zwischen dem Eingangssignal und der Einhüllenden des Steuersignals eine Frequenzverdopplung erfolgt. Der reproduzierte Schall, der vom elektrostatischen Wandler 1680 ausgegeben wird, wird von einem Zuhörer aufgrund einer Eigenschaft der natürlichen Tiefpassfilterung des menschlichen Ohrs „decodiert”.
17 veranschaulicht schematisch zwei Signale, die vom Schallreproduktionssystem von 16 für eine analoge Schallreproduktion verarbeitet werden. Das Eingangssignal ist ein Tonsignal im Hörfrequenzbereich, z. B. von ungefähr 40 Hz bis 16 kHz. Das Steuersignal ist ein amplitudenmoduliertes Signal, das durch Amplitudenmodulieren eines Trägersignals mit dem Eingangssignal erlangt wird. Es ist zu beachten, dass, selbst wenn das Eingangssignal innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls null ist, das Steuersignal nach wie vor Oszillationen mit einer minimalen Amplitude A_min (Spitze-Spitze-Amplitude ist 2A_min) durchführt. Diese Oszillation mit minimaler Amplitude hält die Membran des elektrostatischen Schallwandlers in Bewegung, sodass die Membran nicht an einem Totpunkt der Oszillation verharrt. Der durch die Oszillation mit minimaler Amplitude produzierte Schall ist in der Regel nicht wahrnehmbar, da der entsprechende Schalldruckpegel sehr niedrig ist und die Frequenz sowieso jenseits des Hörbereichs des menschlichen Ohrs ist.
18 veranschaulicht zwei Signale, die vom Schallreproduktionssystem von 16 für eine digitale Schallreproduktion verarbeitet werden. Das Eingangssignal kann für ein einzelnes schallwandelndes Gerät einer Gruppierung von Schallwandlern oder für eine Gruppe von schallwandelnden Geräten der Gruppierung von Schallwandlern bestimmt sein. Das Eingangssignal ist digital und kann zwei Werte annehmen. Ein erster Wert ist eine logische „0” und ein zweiter Wert ist eine logische „1”. Wenn das Eingangssignal den Wert „0” aufweist, führt das Steuersignal Oszillationen mit minimaler Amplitude durch. Wenn das Eingangssignal den Wert „1” aufweist, führt das Steuersignal relativ große Oszillationen auf der Resonanzfrequenz des Resonanzsystems des elektrostatischen Schallwandlers durch. Wird der Schallwandler auf Resonanzfrequenz betrieben, kann er eine Nach-Impuls-Oszillation oder Nachschwingen („Ringing”) durchführen, nachdem das Steuersignal von den Oszillationen mit großer Amplitude zu den Oszillationen mit minimaler Amplitude übergegangen ist. Durch Anpassen (Erhöhen) der Dämpfung des Resonanzsystems des elektrostatischen Schallwandlers kann solches Nachschwingen erheblich verringert werden. Alternativ kann das Nachschwingen der Membran beim Erzeugen des digitalen Eingangssignals einbezogen und sogar vorteilhaft verwendet werden. Insbesondere können die abfallenden Flanken innerhalb des digitalen Steuersignals um ein spezifisches Zeitintervall vorweggenommen („antizipiert”) werden, sodass das Nachschwingen während einer Zeit erfolgt, die mit einer abschließenden Phase eines Zeitintervalls bei hoher Amplitude zusammenfällt.
19 veranschaulicht eine Eingangs-/Ausgangseigenschaft eines De-Expanders, der im Schallreproduktionssystem von 16 verwendet werden kann. Der De-Expander ist ein nichtlinearer Filter, der die minimale Amplitude A_min zur Größe des Eingangssignals hinzufügt. Der De-Expander kann das Eingangssignal von 17 oder 18 vor der Amplitudenmodulation verarbeiten. Aufgrund der minimalen Amplitude behält das amplitudenmodulierte Signal mindestens eine kleine Oszillation bei, selbst wenn das Eingangssignal im Wesentlichen null ist, um die Membran in resonanter Bewegung zu halten.
Bei einem anfänglichen Einschalten des elektrostatischen Wandlers ist eine kleine Asymmetrie in der Regel ausreichend, damit bei der Resonanzmodusanregung eine permanente Oszillation innerhalb einer bestimmten Anzahl von Oszillationen, etwa innerhalb von zehn Oszillationen, 20 Oszillationen oder 100 Oszillationen, aufgebaut werden kann.
Die 20A bis 20C veranschaulichen ein mögliches Schema für digitale Schallrekonstruktion unter Verwendung einer Gruppierung von Schallwandlern. 20A veranschaulicht, welche Schallwandler für ein vorgegebenes Bit betätigt werden. Folglich wird ein einzelner Schallwandler betätigt, wenn Bit 1 aktiv ist. Zwei (unterschiedliche) Schallwandler werden betätigt, wenn Bit 2 aktiv ist, und vier weitere Schallwandler werden aktiviert, wenn Bit 3 aktiv ist.
20B veranschaulicht, wie ein (durch seine Momentanleistung dargestelltes) Eingangssignal durch die drei Bits 1 bis 3 digital dargestellt wird. Zu diesem Zweck wird das Eingangssignal mit einer Abtastrate von zum Beispiel 40 kHz abgetastet. Die Abtastrate wird von einem Taktgeber (CLK) bereitgestellt. Die Anzahl aktiver Schallwandler im Zeitablauf wird im unteren Teil von 20B graphisch veranschaulicht. Durch Überlagern der von den individuellen Schallwandlern produzierten Schallsignale wird ein Gesamtschallsignal der Gruppierung erzeugt, welches das Eingangssignal reproduziert.
20C veranschaulicht ein Steuersignal für die Schallwandler, die Bit 2 zugewiesen sind. Die Schallwandler werden mit einem Signal, das eine Trägerfrequenz von z. B. 200 kHz aufweist, angetrieben. Wenn Bit 2 niedrig ist, weist das Steuersignal nur eine kleine Amplitude (z. B. A_min, oben im Kontext von 17 und 19 erwähnt) auf. Wenn Bit 2 hoch ist, weist das Steuersignal eine relativ hohe Amplitude auf.
Obwohl manche Aspekte im Kontext einer Vorrichtung beschrieben wurden, liegt es auf der Hand, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wenn ein Block oder ein Gerät einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog stellen im Kontext eines Verfahrensschritts beschriebene Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Bestandteils oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Manche oder alle der Verfahrensschritte können anhand (oder durch Verwendung) einer Hardware-Vorrichtung wie zum Beispiel eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung ausgeführt werden. In manchen Ausführungsformen können ein oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte anhand einer solchen Vorrichtung ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen dienen allein der Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich, dass für den Fachmann Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der Details, die hierin beschrieben werden, ersichtlich sind. Deshalb ist eine Eingrenzung nur durch den Umfang der beiliegenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen, mithilfe der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsformen hierin aufgezeigten Details beabsichtigt.

Claims

Schallwandler, der Folgendes aufweist: ein Substrat, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche eine erste Ebene definiert, das Substrat einen Hohlraum mit einer inneren peripheren Kante aufweist und sich der Hohlraum von der ersten Oberfläche erstreckt; einen Körper, der eine äußere periphere Kante aufweist, wobei der Körper parallel zur ersten Ebene ist und den Hohlraum mindestens teilweise abdeckt, wobei der Körper durch mindestens ein nachgiebiges Gelenk mit dem Substrat verbunden ist; eine erste Menge von Kammfingern, die am Substrat angebracht ist, wobei die erste Menge von Kammfingern mit einer ersten elektrischen Verbindung verbunden ist; und eine zweite Menge von Kammfingern, die am Körper angebracht ist und sich über die äußere periphere Kante des Körpers hinaus erstreckt, wobei die zweite Menge von Kammfingern mit einer zweiten elektrischen Verbindung, die von der ersten elektrischen Verbindung isoliert ist, verbunden ist, wobei die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern ineinandergreifen und konfiguriert sind, eine elektrostatische Kraft zu bewirken, die den Körper in einer zur ersten Ebene senkrechten Richtung antreibt; und wobei der Körper und das mindestens eine nachgiebige Gelenk für eine resonante oder eine fast resonante Anregung durch die elektrostatische Kraft konfiguriert sind.
Schallwandler gemäß Anspruch 1, wobei die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern eine Kammantriebsstruktur in der Ebene bilden.
Schallwandler gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern in einer Ruheposition des Körpers mit Bezug zueinander in der zur ersten Ebene senkrechten Richtung um einen Versatz von weniger als oder gleich 10% einer maximalen Amplitude eines Betriebsversatzes des Körpers in der zur ersten Ebene senkrechten Richtung versetzt sind.
Schallwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern unterschiedliche Erstreckungen in der zur ersten Ebene senkrechten Richtung aufweisen.
Schallwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, der ferner einen Film aus einem Material aufweist, das eine sich von einer Eigenspannung eines Körpermaterials und eines Gelenkmaterials unterscheidende Eigenspannung aufweist, wobei sich der Film an oder in dem Körper und/oder dem mindestens einen nachgiebigen Gelenk befindet, sodass aufgrund einer Eigenspannungsdifferenz die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern mit Bezug zueinander in der zur ersten Ebene senkrechten Richtung verschoben sind.
Schallwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Körper und das mindestens eine nachgiebige Gelenk monolithisch in das Substrat integriert sind.
Schallwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Körper eine zur ersten Ebene parallele Querausstreckung zwischen 200 μm und 1000 μm und eine Dicke in der zur ersten Ebene senkrechten Richtung zwischen 5 μm und 70 μm aufweist.
Schallwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Körper und das mindestens eine nachgiebige Gelenk eine Resonanzstruktur bilden, die eine Resonanzfrequenz zwischen 40 kHz und 400 kHz aufweist.
Schallwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Körper und das mindestens eine nachgiebige Gelenk eine Resonanzstruktur bilden und wobei die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern konfiguriert sind, die Resonanzstruktur während eines Betriebs des Schallwandlers in einer im Wesentlichen permanenten resonanten oder fast resonanten Anregung anzutreiben und eine resultierende Oszillation des Körpers bei oder annähernd bei einer Resonanzfrequenz der Resonanzstruktur mit einem Steuersignal, das auf einem vom Schallwandler zu wandelnden elektrischen Eingangssignal basiert, zu amplitudenmodulieren.
Schallwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, der ferner einen Helmholtz-Resonator aufweist.
Schallwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Substrat einen weiteren Hohlraum mit einer weiteren inneren peripheren Kante aufweist, wobei sich der weitere Hohlraum zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche erstreckt; und wobei der Schallwandler ferner einen weiteren Körper aufweist, der eine weitere äußere periphere Kante aufweist, wobei der weitere Körper parallel zur ersten Ebene ist und den weiteren Hohlraum mindestens teilweise sperrt, wobei der weitere Körper durch weitere nachgiebige Gelenke mit dem Substrat verbunden ist.
Schallwandler gemäß Anspruch 11, wobei der Hohlraum und der Körper ein erstes schallwandelndes Gerät bilden und der weitere Hohlraum und der weitere Körper ein zweites schallwandelndes Gerät bilden, wobei das erste und das zweite schallwandelnde Gerät mit einer Polysilicium- oder einer Metallleitung untereinander verbunden sind.
Schallwandler gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei der Hohlraum und der Körper ein erstes schallwandelndes Gerät bilden und der weitere Hohlraum und der weitere Körper ein zweites schallwandelndes Gerät bilden, wobei das erste und das zweite schallwandelnde Gerät durch tiefe Gräben im Substrat elektrisch isoliert sind.
Schallwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei ein Teil des Substrats mittels eines PN-Übergangs und/oder einer vergrabenen Oxidisolationsschicht und/oder einer dielektrischen Schicht elektrisch isoliert ist.
Schallwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, der ferner eine Antihaftreibungsstruktur an der ersten Menge von Kammfingern und/oder der zweiten Menge von Kammfingern aufweist, wobei die Antihaftreibungsstruktur konfiguriert ist, eine Haftreibung der ineinandergreifenden Finger zu verhindern.
Schallwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern eine minimale relative Beabstandung beibehalten, wenn sich der Körper bewegt.
Gruppierung von Schallwandlern, wobei die Gruppierung ein Substrat aufweist, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche eine erste Ebene definiert; wobei jeder Schallwandler einen Körper aufweist, der eine äußere periphere Kante aufweist, wobei der Körper parallel zur ersten Ebene ist und einen einer Vielzahl von Hohlräumen im Substrat mindestens teilweise sperrt, wobei jeder Hohlraum eine innere periphere Kante aufweist und der Körper durch mindestens ein nachgiebiges Gelenk mit dem Substrat verbunden ist; eine erste Menge von Kammfingern, die am Substrat angebracht ist, wobei die erste Menge von Kammfingern mit einer ersten elektrischen Verbindung verbunden ist; eine zweite Menge von Kammfingern, die am Körper angebracht ist und sich über die äußere periphere Kante des Körpers hinaus erstreckt, wobei die zweite Menge von Kammfingern mit einer zweiten elektrischen Verbindung, die von der ersten elektrischen Verbindung isoliert ist, verbunden ist, wobei die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern ineinandergreifen, sodass, wenn sich der Körper bewegt, die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern eine relative Beabstandung beibehalten, wobei die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern konfiguriert sind, eine elektrostatische Antriebskraft in einer zur ersten Ebene senkrechten Richtung zu bewirken; wobei der Körper und das mindestens eine nachgiebige Gelenk für eine resonante oder fast resonante Anregung durch die elektrostatische Antriebskraft konfiguriert sind; und wobei die Schallwandler individuell oder gruppenweise in digitaler Weise steuerbar sind, sodass ein Gesamtschallsignal der Gruppierung von Schallwandlern aus individuellen Schallsignalen, die von den individuell oder gruppenweise gesteuerten Schallwandlern produziert werden, zusammengesetzt ist.
Gruppierung von Schallwandlern gemäß Anspruch 17, wobei jeder individuell steuerbare Schallwandler konfiguriert ist, während eines Betriebs der Gruppierung von Schallwandlern in mindestens zwei Betriebszuständen betrieben zu werden, wobei der Körper des individuell gesteuerten Schallwandlers konfiguriert ist, mit einer relativ niedrigen Amplitude bei oder annähernd bei einer Resonanzfrequenz einer Resonanzstruktur, die durch den Körper und das mindestens eine nachgiebige Gelenk gebildet wird, in einem ersten Betriebszustand zu oszillieren, und wobei der Körper konfiguriert ist, mit einer relativ hohen Amplitude bei oder annähernd bei der Resonanzfrequenz der Resonanzstruktur während eines zweiten Betriebsmodus zu oszillieren.
Resonant anregbarer Schallwandler, der Folgendes aufweist: ein Substrat, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche eine erste Ebene definiert, das Substrat einen Hohlraum mit einer inneren peripheren Kante aufweist und sich der Hohlraum von der ersten Oberfläche und/oder der zweiten Oberfläche erstreckt; eine mechanische Resonatorstruktur, die den Hohlraum mindestens teilweise sperrt, wobei die mechanische Resonatorstruktur durch mindestens ein nachgiebiges Gelenk mit dem Substrat verbunden und konfiguriert ist, eine Verschiebung eines Fluids innerhalb des Hohlraums im Wesentlichen auf einer Resonanzfrequenz der mechanischen Resonatorstruktur zu verursachen; und einen ineinandergreifenden Kammantrieb, der an einem Spalt zwischen dem Substrat und der mechanischen Resonatorstruktur angeordnet und konfiguriert ist, eine elektrostatische Kraft zu bewirken, um eine resonante oder fast resonante Anregung der mechanischen Resonatorstruktur zu verursachen.
Resonant anregbarer Schallwandler gemäß Anspruch 19, wobei der ineinandergreifende Kammantrieb eine Struktur in der Ebene aufweist.
Resonant anregbarer Schallwandler gemäß Anspruch 19 oder 20, wobei das Substrat und mindestens ein Abschnitt der mechanischen Resonatorstruktur monolithisch integriert sind.
Schallreproduktionssystem, das Folgendes aufweist: einen elektrostatischen Schallwandler, der eine Membranstruktur und eine Elektrodenstruktur aufweist; und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, ein Eingangssignal, das einen zu reproduzierenden Schall darstellt, zu empfangen und ein Steuersignal für den elektrostatischen Schallwandler zu erzeugen, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, ein Modulationssignal auf Basis des Eingangssignals zu erzeugen und ein Trägersignal, das eine Frequenz im Wesentlichen auf einer Resonanzfrequenz des elektrostatischen Schallwandlers aufweist, zu amplitudenmodulieren.
Schallreproduktionssystem gemäß Anspruch 22, wobei Niedrigamplitudenteilabschnitte im Eingangssignal in Teilabschnitte im Modulationssignal, die eine minimale Amplitude aufweisen, gewandelt werden, sodass das amplitudenmodulierte Trägersignal mit mindestens der minimalen Amplitude oszilliert.
Schallreproduktionssystem gemäß Anspruch 22 oder 23, wobei die Steuereinheit einen De-Expander zum Erzeugen des Modulationssignals auf Basis des Eingangssignals aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Schallwandlers, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Erzeugen eines Trägersignals, das eine Trägersignalfrequenz aufweist; Amplitudenmodulieren des Trägersignals mit einem Steuersignal, das auf einem Eingangssignal, das ein vom Schallwandler zu wandelndes Schallsignal darstellt, basiert, wobei beim Amplitudenmodulieren ein amplitudenmoduliertes Trägersignal produziert wird; und Anlegen des amplitudenmodulierten Trägersignals an einen ineinandergreifenden Kammantrieb des Schallwandlers, wobei der ineinandergreifende Kammantrieb konfiguriert ist, eine resonante oder fast resonante Anregung eines beweglichen Körpers des Schallwandlers zu verursachen, um dadurch ein Fluid neben dem beweglichen Körper gemäß dem amplitudenmodulierten Trägersignal zu verschieben; wobei die Trägersignalfrequenz im Wesentlichen gleich oder nahe einer Resonanzfrequenz des beweglichen Körpers ist, wobei während eines Betriebs des Schallwandlers das amplitudenmodulierte Trägersignal eine minimale Amplitude ungleich null aufweist, sodass die resonante oder fast resonante Anregung des beweglichen Körpers beibehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei das amplitudenmodulierte Trägersignal gleichstromvorgespannt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25 oder 26, wobei das Steuersignal ein digitales Steuersignal ist, das mindestens einen niedrigen Signalwert und einen hohen Signalwert aufweist, sodass das amplitudenmodulierte Trägersignal eine kleine Amplitude ungleich null, wenn es mit dem niedrigen Signalwert amplitudenmoduliert wird, und eine hohe Amplitude, wenn es mit dem hohen Signalwert amplitudenmoduliert wird, aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 27, das ferner Folgendes aufweist: Vergleichen des Eingangssignals mit einem Schwellwert; und Setzen des Steuersignals auf einen hohen Signalwert, falls das Eingangssignal über dem Schwellwert liegt, und Setzen des Steuersignals auf einen niedrigen Signalwert ungleich null, falls das Eingangssignal kleiner als der Schwellwert ist; wobei in einer Gruppierung von Schallwandlern unterschiedliche Schallwandler unterschiedliche Schwellwerte aufweisen, sodass für einen spezifischen Eingangssignalwert eine spezifische Anzahl der Schallwandler durch ein niedriges, bei einer Amplitude ungleich null moduliertes Trägersignal angetrieben werden und eine verbleibende Anzahl der Schallwandler durch ein hohes amplitudenmoduliertes Trägersignal angetrieben werden.
Verfahren zum Fertigen eines Schallwandlers, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Bereitstellen eines Substrats, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche eine erste Ebene definiert; Definieren einer Grabenätzmaske für mindestens einen Isolationsgraben; Ätzen des mindestens einen Isolationsgrabens unter Verwendung der Grabenätzmaske; Nachfüllen eines Isolatormaterials in den mindestens einen Isolationsgraben; Definieren mindestens einer Ätzmaske für einen Körper, mindestens ein nachgiebiges Gelenk, das den Körper mit dem Substrat verbindet, eine mit dem Substrat assoziierte erste Menge von Kammfingern und eine mit dem Körper assoziierte zweite Menge von Kammfingern, wobei die erste Menge von Kammfingern mit einer ersten elektrischen Verbindung verbunden ist und die zweite Menge von Kammfingern mit einer zweiten elektrischen Verbindung, die durch den mindestens einen Isolationsgraben von der ersten elektrischen Verbindung isoliert ist, verbunden ist; und gleichzeitiges Ätzen des Körpers, des mindestens einen nachgiebigen Gelenks, der ersten Menge von Kammfingern und der zweiten Menge von Kammfingern unter Verwendung der mindestens einen Ätzmaske, sodass der Körper vom Substrat gelöst wird; wobei die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern ineinandergreifen; und wobei der Körper und das mindestens eine nachgiebige Gelenk für eine resonante oder eine fast resonante Anregung konfiguriert sind.
Verfahren gemäß Anspruch 29, wobei der mindestens eine Isolationsgraben eine Gelenkverbindungsregion des Substrats abgrenzt, an der mindestens eines des mindestens einen nachgiebigen Gelenks verbunden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 29 oder 30, wobei das Bereitstellen des Substrats ein Bilden einer Isolierschicht innerhalb des zur ersten Oberfläche parallelen Substrats aufweist, wobei die Isolierschicht als eine untere Isolierung für Substratregionen fungiert, die durch den mindestens einen Isolationsgraben quer isoliert sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 29 bis 31, das ferner Folgendes aufweist: Durchführen einer Rückseitenätzung vor dem gleichzeitigem Ätzen des Körpers, des mindestens einen nachgiebigen Gelenks, der ersten Menge von Kammfingern und der zweiten Menge von Kammfingern, wobei bei der Rückseitenätzung ein Hohlraum für den Körper, die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern produziert wird.