DE102016114454A1

DE102016114454A1 - System und Verfahren für einen Pumplautsprecher

Info

Publication number: DE102016114454A1
Application number: DE102016114454.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Barzen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2017-02-09
Also published as: US20170041708A1; US11039248B2; US9843862B2; CN106454666B; US20180035206A1; KR101901204B1; US10244316B2; US20190174229A1; KR20170017788A; CN106454666A

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines Lautsprechers mit einer Schallpumpe: Generieren eines Trägersignals mit einer ersten Frequenz durch Anregen der Schallpumpe mit der ersten Frequenz und Generieren eines Schallsignals mit einer zweiten Frequenz durch Verstellen des Trägersignals. Bei derartigen Ausführungsformen liegt die erste Frequenz außerhalb eines hörbaren Frequenzbereichs und die zweite Frequenz liegt innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs. Das Verstellen des Trägersignals beinhaltet das Durchführen von Verstellungen an dem Trägersignal mit der zweiten Frequenz. Andere Ausführungsformen beinhalten entsprechende Systeme und Vorrichtungen, die jeweils konfiguriert sind zum Durchführen entsprechender Ausführungsform-Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Lautsprecher und in besonderen Ausführungsformen ein System und ein Verfahren für einen Pumplautsprecher.
Wandler wandeln Signale von einem Bereich in einen anderen um und werden oftmals als Sensoren verwendet. Beispielsweise wandeln Schallwandler zwischen Schallsignalen und elektrischen Signalen um. Ein Mikrofon ist eine Art von Schallwandler, der Schallwellen, d. h. Schallsignale, in elektrische Signale umwandelt, und ein Lautsprecher ist eine Art von Schallwandler, der elektrische Signale in Schallwellen umwandelt.
Auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basierende Sensoren enthalten eine Familie von Wandlern, die unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden. Einige MEMS, wie etwa ein MEMS-Mikrofon, sammeln Informationen aus der Umgebung durch Messen der Änderung eines physikalischen Zustands im Wandler und Transferieren des Signals, das durch die Elektronik, die mit dem MEMS-Sensor verbunden ist, verarbeitet werden soll. Einige MEMS, wie etwa ein MEMS-Mikrolautsprecher, wandeln elektrische Signale in eine Änderung beim physikalischen Zustand im Wandler um. MEMS-Einrichtungen können unter Verwendung von Mikrobearbeitungsfabrikationstechniken hergestellt werden, die jenen ähnlich sind, die für integrierte Schaltungen verwendet werden.
MEMS-Einrichtungen können so ausgelegt werden, dass sie als Oszillatoren, Resonatoren, Beschleunigungsmesser, Kreisel, Drucksensoren, Mikrofone, Mikrospiegel, Mikrolautsprecher usw. funktionieren. Viele MEMS-Einrichtungen verwenden kapazitive Erfassungs- oder Betätigungstechniken zum Umwandeln des physikalischen Phänomens in elektrische Signale und umgekehrt. Bei solchen Anwendungen wird die Kapazitätsänderung im Wandler unter Verwendung von Schnittstellenschaltungen in ein Spannungssignal umgewandelt oder ein Spannungssignal wird an die kapazitive Struktur im Wandler angelegt, um zwischen Elementen der kapazitiven Struktur eine Kraft zu generieren.
Beispielsweise enthält ein kapazitives MEMS-Mikrofon eine Gegenelektrode und eine parallel zur Gegenelektrode angeordnete Membran. Die Gegenelektrode und die Membran bilden einen Parallelplattenkondensator. Die Gegenelektrode und die Membran werden durch eine auf einem Substrat angeordnete Stützstruktur gestützt.
Das kapazitive MEMS-Mikrofon kann Schalldruckwellen, beispielsweise Sprache, an der parallel zur Gegenelektrode angeordneten Membran umwandeln. Die Gegenelektrode ist perforiert, so dass die Schalldruckwellen durch die Gegenelektrode hindurchgehen, während bewirkt wird, dass die Membran aufgrund einer über der Membran ausgebildeten Druckdifferenz schwingt. Somit variiert der Luftspalt zwischen der Membran und der Gegenelektrode mit Schwingungen der Membran. Die Variation der Membran bezüglich der Gegenelektrode bewirkt eine Variation bei der Kapazität zwischen der Membran und der Gegenelektrode. Diese Variation bei der Kapazität wird als Reaktion auf die Bewegung der Membran in ein Ausgangssignal umgewandelt und bildet ein umgewandeltes Signal.
Unter Verwendung einer ähnlichen Struktur kann ein Spannungssignal zwischen der Membran und der Gegenelektrode angelegt werden, um zu bewirken, dass die Membran schwingt und Schalldruckwellen generiert. Somit kann eine kapazitive Platten-MEMS-Struktur als ein Mikrolautsprecher arbeiten.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines Lautsprechers mit einer Schallpumpe: Generieren eines Trägersignals mit einer ersten Frequenz durch Anregen der Schallpumpe mit der ersten Frequenz und Generieren eines Schallsignals mit einer zweiten Frequenz durch Verstellen des Trägersignals. Bei derartigen Ausführungsformen liegt die erste Frequenz außerhalb eines hörbaren Frequenzbereichs und die zweite Frequenz liegt innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs. Das Verstellen des Trägersignals beinhaltet das Durchführen von Verstellungen an dem Trägersignal mit der zweiten Frequenz. Andere Ausführungsformen beinhalten entsprechende Systeme und Vorrichtungen, die jeweils konfiguriert sind zum Durchführen entsprechender Ausführungsform-Verfahren.
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
1 ein Systemblockdiagramm eines Ausführungsform-Pumplautsprechersystems;
2a und 2b Wellenformdiagramme von veranschaulichenden Schallsignalen;
3a und 3b Querschnittsansichten von Ausführungsform-Pumplautsprechern;
4a, 4b, 4c und 4d Querschnittsansichten eines anderen Ausführungsform-Pumplautsprechers;
5a, 5b, 5c und 5d Querschnittsansichten eines weiteren Ausführungsform-Pumplautsprechers;
6a und 6b Querschnittsansichten noch eines anderen Ausführungsform-Pumplautsprechers;
7a und 7b eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht noch eines weiteren Ausführungsform-Pumplautsprechers;
8a, 8b, 8c, 8d, 8e und 8f Querschnittsansichten von Ventilsystemen für Ausführungsform-Pumplautsprecher;
9a und 9b Systemdiagramme von Ausführungsform-Pumplautsprechersystemen;
10 ein Systemdiagramm eines anderen Ausführungsform-Pumplautsprechersystems; und
11 ein Systemblockdiagramm eines Ausführungsform-Arbeitsverfahrens für einen Pumplautsprecher.
Entsprechende Zahlen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich allgemein auf entsprechende Teile, sofern nicht etwas anderes angegeben ist. Die Figuren sind gezeichnet, um die relevanten Aspekte der Ausführungsformen klar zu veranschaulichen, und sie sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
Das Herstellen und Verwenden verschiedener Ausführungsformen werden unten ausführlich erörtert, um eine detaillierte Beschreibung von veranschaulichenden Ausführungsformen bereitzustellen. Es versteht sich jedoch, dass die hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen in einer großen Vielzahl an spezifischen Kontexten anwendbar sind. Die erörterten spezifischen Ausführungsformen sind lediglich veranschaulichend für spezifische Wege zum Herstellen und Verwenden verschiedener Ausführungsformen und sollten nicht in einem beschränkten Schutzbereich ausgelegt werden.
Die Beschreibung erfolgt bezüglich verschiedener Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext, nämlich Schallwandlern, und insbesondere MEMS-Mikrolautsprechern. Einige der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen beinhalten MEMS-Mikrolautsprecher, Schallwandlersysteme, Pumplautsprecher und Pump-MEMS-Mikrolautsprecher. Bei anderen Ausführungsformen können Aspekte auch auf andere Anwendungen angewendet werden, die eine beliebige Art von Wandler beinhalten, der ein physikalisches Signal gemäß einer beliebigen Art, wie in der Technik bekannt, in einen anderen Bereich umwandelt.
Lautsprecher sind Wandler, die elektrische Signale in Schallsignale umwandeln. Das Schallsignal wird dadurch erzeugt, dass die Lautsprecherstruktur Druckschwingungen mit einer Frequenz generieren. Beispielsweise beträgt der hörbare Bereich von Menschen etwa 20 Hz bis 22 kHz, wobei einige Menschen weniger als diesen Bereich hören können und einige Menschen über diesen Bereich hinaus hören können. Somit wandelt ein Lautsprecher, der arbeitet, um hörbare Schallsignale zu erzeugen, elektrische Signale in Druckschwingungen mit Frequenzen zwischen 20 Hz und 22 kHz. Ein Signal mit konstanter Frequenz wird als ein einfacher Ton, ähnlich einer Note auf einem Klavier, mitgeteilt. Sprache und andere typische Töne wie etwa z. B. Musik bestehen aus zahlreichen Schallsignalen mit zahlreichen Frequenzen.
Mikrolautsprecher arbeiten gemäß den gleichen Prinzipien wie Lautsprecher, werden aber unter Verwendung von Mikrobearbeitungs- oder Mikrofabrikationstechniken hergestellt. Somit enthalten hörbare Mikrolautsprecher kleine Strukturen, die durch elektrische Signale angeregt werden, um Druckschwingungen im hörbaren Frequenzbereich zu generieren.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist ein Lautsprecher oder Mikrolautsprecher konfiguriert zum Generieren hörbarer Schallsignale durch Schwingen mit Frequenzen über dem hörbaren Frequenzbereich. Bei solchen Ausführungsformen ist der Lautsprecher konfiguriert zum Generieren von Druckschwingungen mit einer Frequenz über dem hörbaren Bereich und Modifizieren der Richtung und Amplitude der Druckschwingungen gemäß einer niedrigeren Frequenz im hörbaren Frequenzbereich. Bei zusätzlichen Ausführungsformen können die Lautsprecher konfiguriert sein zum Generieren von Druckschwingungen mit einer Frequenz über dem hörbaren Bereich und Modifizieren der Richtung und Amplitude der Druckschwingungen gemäß einer niedrigeren Frequenz immer noch außerhalb des hörbaren Frequenzbereichs, um als ein Ultraschallwandler zu arbeiten.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird der Lautsprecher als ein Pumplautsprecher bezeichnet. Die Frequenz des Pumplautsprechers kann den Betrieb außerhalb des hörbaren Frequenzbereichs aufrechterhalten, während die Pumpwirkung die Amplitude und Richtung der Schwingungen gemäß anderer Frequenzen innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs abändert. Bei solchen Ausführungsformen kann der Pumplautsprecher eine Pumpstruktur oder eine Mikropumpe enthalten, die konfiguriert ist zum Pumpen mit einer Frequenz über der hörbaren Frequenzgrenze, Variieren der Amplitude des Pumpens und Steuern der Richtung des Pumpens. Verschiedene Ausführungsformen sind hier unten näher beschrieben.
1 veranschaulicht ein Systemblockdiagramm eines Ausführungsform-Pumplautsprechersystems 100 mit einem Mikrolautsprecher 102, einer applikationsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) 104 und einem Audioprozessor 106. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen generiert der Mikrolautsprecher 102 ein Schallsignal 108, das Druckschwingungen mit einer Frequenz über der hörbaren Grenze, z. B. 22 kHz, mit Amplituden- und Richtungsverstellungen der Druckschwingungen beinhaltet. Die Amplitude und Richtung der Druckschwingungen werden mit Frequenzen im hörbaren Bereich verstellt. Somit generiert der Mikrolautsprecher 102 das Schallsignal 108 mit einem aus einem unhörbaren Schallsignal ausgebildeten hörbaren Schallsignal.
Bei verschiedenen Ausführungsformen enthält der Mikrolautsprecher 102 eine Schallpumpe oder eine Mikropumpe. Verschiedene Ausführungsbeispiel-Mikropumpen werden hier unten näher beschrieben. Der Mikrolautsprecher 102 wird durch vom ASIC 104 gelieferte Ansteuersignale angesteuert. Der ASIC 104 kann analoge Ansteuersignale auf der Basis eines digitalen Eingangssteuersignals generieren. Bei einigen Ausführungsformen sind der ASIC 104 und der Mikrolautsprecher 102 an einer gleichen Leiterplatte angebracht. Bei anderen Ausführungsformen sind der ASIC 104 und der Mikrolautsprecher 102 auf einem gleichen Halbleiter-Die ausgebildet. Der ASIC 104 kann Vorspannungs- und Versorgungsschaltungen, eine analoge Ansteuerschaltung und einen Digital-Analog-Umsetzer (DAU) enthalten. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Mikrolautsprecher 102 beispielsweise ein Mikrofon enthalten und der ASIC 104 kann auch eine Ausleseelektronik wie etwa einen Verstärker oder einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) enthalten.
Bei einigen Ausführungsformen empfängt der DAU im ASIC 104 ein digitales Steuersignal an einem Eingang, der von dem Audioprozessor 106 beliefert wird. Das digitale Steuersignal ist eine digitale Darstellung des Schallsignals, das der Mikrolautsprecher 102 erzeugt. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Audioprozessor 106 ein dedizierter Audioprozessor, ein allgemeiner Systemprozessor wie etwa eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), ein Mikroprozessor oder ein feldprogrammierbares Gatearray (FPGA) sein. Bei alternativen Ausführungsformen kann der Audioprozessor 106 aus diskreten Logikblöcken oder anderen Komponenten gebildet sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen generiert der Audioprozessor 106 die digitale Darstellung des Schallsignals 108 und liefert die digitale Darstellung des Schallsignals 108. Bei anderen Ausführungsformen liefert der Audioprozessor 106 die digitale Darstellung nur des hörbaren Teils des Schallsignals 108 und der ASIC 104 generiert das Schallsignal 108 mit den höheren unhörbaren Frequenzschwingungen und den hörbaren Frequenzschwingungen auf der Basis von Amplituden- und Richtungsverstellungen.
Bei anderen Ausführungsformen kann der Mikrolautsprecher 102 als eine beliebige Art von Lautsprecher implementiert sein, der unter Verwendung von dem Fachmann bekannten Techniken hergestellt wird.
Gemäß verschiedenen zusätzlichen Ausführungsformen kann der Mikrolautsprecher 102 auch das Schallsignal 108 generieren, das Druckschwingungen mit einer Frequenz über der hörbaren Grenze, z. B. 22 kHz, mit Amplituden- und Richtungsverstellungen der Druckschwingungen enthält, die auf Frequenzen verstellt sind, die ebenfalls über dem hörbaren Bereich liegen. Beispielsweise kann der Mikrolautsprecher 102 als ein Ultraschallwandler für Ultraschallbildgebung oder für Ultraschallnahfelddetektion arbeiten. Bei solchen Ausführungsformen arbeitet der Mikrolautsprecher 102 mit einer höheren Frequenz als ein Trägersignal, das eine gemäß einer niedrigeren Frequenz des generierten Zielsignals verstellte Amplitude und Richtung besitzt, wie etwa beispielsweise ein Ultraschallsignal.
Die 2a und 2b veranschaulichen Wellenformdiagramme von veranschaulichenden Schallsignalen. 2a zeigt das Schallsignal A_SIG, das beispielsweise durch einen Lautsprecher erzeugt werden kann. Das Schallsignal A_SIG besitzt eine Amplitude A_amp und eine Frequenz A_freq, d. h. eine Periode A_T = 1 ÷ A_freq. Das Schallsignal A_SIG kann eine durch einen Lautsprecher erzeugte Schallwelle veranschaulichen. Während des Betriebs besitzt die Schallwelle eine Frequenz A_freq, die innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs für einen Menschen liegt, d. h. zwischen etwa 20 Hz und 22 kHz. 2a veranschaulicht die Amplitude A_amp für das Schallsignal A_SIG mit einem unspezifizierten Pegel. Für einen MEMS-Mikrolautsprecher kann das Generieren eines großen Schalldruckpegels (SPL – Sound Pressure Level) aufgrund der geringen Größe der Membran insbesondere bei niedriger Frequenz Herausforderungen darstellen. Beispielsweise kann ein MEMS-Mikrolautsprecher eine Abnahme von 40 dB bei dem SPL pro Dekade beinhalten, wenn die Frequenz durch den hörbaren Frequenzbereich abnimmt. Somit kann es eine Herausforderung darstellen, höhere SPLs bei Frequenzen von beispielsweise unter 1–10 kHz zu generieren, ohne die Größe der Pumpstruktur zu vergrößern, als Beispiel.
2b zeigt das Pumpschallsignal PA_SIG, das durch einen Ausführungsform-Pumplautsprecher oder -Mikrolautsprecher wie etwa einen MEMS-Mikrolautsprecher erzeugt werden kann. Gemäß verschiedener Ausführungsformen besitzt das Pumpschallsignal PA_SIG die Amplitude PA_amp und die Frequenz PA_freq, d. h. eine Periode PA_T = 1 ÷ PA_freq, und wird aus dem Trägersignal C_SIG gebildet, das eine variable Amplitude C_amp und Frequenz C_freq besitzt, d. h. eine Periode C_T = 1 ÷ C_freq. Wie gezeigt, ist die Frequenz C_freq viel höher als die Frequenz PA_freq. Insbesondere liegt die Frequenz C_freq über dem hörbaren Frequenzbereich eines Menschen, d. h. über 22 kHz, und die Frequenz PA_freq liegt innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs eines Menschen, d. h. zwischen etwa 20 Hz und 22 kHz. Bei solchen Ausführungsformen wird die Amplitude C_amp verstellt, um die ansteigende und abfallende Wellenform des Pumpschallsignals PA_SIG zu bilden. Weiterhin wird auch die Richtung der Amplitude C_amp verstellt, um das Pumpen in spezifischen Richtungen zu gestatten, um die ansteigende und abfallende Wellenform des Pumpschallsignals PA_SIG auszubilden. Die Abwandlung der Amplitude C_amp und der Richtung des Trägersignals C_SIG wird mit einer spezifischen Frequenz durchgeführt, um das Pumpschallsignal PA_SIG mit der Frequenz PA_freq auszubilden.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Amplitude PA_amp des Schallsignals PA_SIG größer sein als ein Nicht-Pumplautsprecher, der mit einer hörbaren Frequenz schwingt. Bei spezifischen Ausführungsformen bleibt die Schwingung des Pumplautsprechers auf einer höheren Frequenz, so dass der SPL des Pumpschallsignals PA_SIG nicht viel oder überhaupt nicht abnimmt, wenn die Frequenz PA_freq unter etwa 1–10 kHz und über etwa 10 Hz liegt, als Beispiel.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Frequenz C_freq konstant gehalten werden, wenn die Amplitude C_amp und die Richtung des Trägersignals C_SIG variiert werden. Bei spezifischen Ausführungsformen kann die Frequenz C_freq an die Resonanzfrequenz des Lautsprechers oder Mikrolautsprechers angepasst werden, um stärkere Schwingungen der Membran- oder Pumpstruktur zu erzeugen. Bei anderen Ausführungsformen kann die Frequenz C_freq variabel sein. Bei bestimmten Beispielen liegt die Frequenz C_freq zwischen 50 kHz und 10 MHz. Bei spezifischeren Ausführungsformen liegt die Frequenz C_freq zwischen 100 kHz und 300 kHz. Bei solchen verschiedenen Ausführungsformen liegt die Frequenz PA_freq unter 25 kHz. Insbesondere liegt die Frequenz PA_freq im hörbaren Frequenzbereich von Menschen, d. h. zwischen 20 Hz und 22 kHz, wobei dieser Bereich für einige Menschen erweitert und für andere verengt werden kann. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Frequenz PA_freq über 25 kHz liegen. Bei solchen Ausführungsformen kann das Pumpschallsignal PA_SIG anstelle eines Schallsignals ein Ultraschallsignal sein, das in einem Ultraschallwandler für Ultraschallbildgebung oder Nahfelddetektion verwendet wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden Lautsprecher oder Mikrolautsprecher, wie etwa MEMS-Mikrolautsprecher, wie unter Bezugnahme auf 2b beschrieben unter Verwendung eines Trägersignals über dem hörbaren Frequenzbereich betrieben, um ein Pumpschallsignal innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs auszubilden. Verschiedene Ausführungsform-Lautsprecher werden hier unten beschrieben, um einige der spezifischen Anwendungen zu veranschaulichen, einschließlich kapazitiver Plattenstrukturen und anderer Pumpstrukturen.
Wieder unter Bezugnahme auf 1 bei Betrachtung der 2a und 2b ist der ASIC 104 im Pumplautsprechersystem 100 konfiguriert zum Bestimmen der Resonanzfrequenz des Mikrolautsprechers 102 bei solchen Ausführungsformen. Bei solchen Ausführungsformen kann der ASIC 104 den Mikrolautsprecher 102 mit mehreren Frequenzen anregen und die Antwort für jede Frequenz messen. Auf der Basis der gemessenen Antwort bestimmt der ASIC 104 die Resonanzfrequenz des Mikrolautsprechers 102. Bei solchen Ausführungsformen kann der ASIC 104 die Frequenz C_freq für das Trägersignal C_SIG auf die bestimmte Resonanzfrequenz einstellen. Bei anderen alternativen Ausführungsformen kann der ASIC 104 Elemente des Mikrolautsprechers 102 steuern, um die Resonanzfrequenz so zu verstellen, dass sie der Frequenz C_freq für das Trägersignal C_SIG entspricht. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Steuern der Elemente das Verstellen mechanischer Komponenten des Mikrolautsprechers 102. Bei einer alternativen Ausführungsform beinhaltet das Steuern der Elemente das Verstellen aktiver oder passiver elektrischer Komponenten des Mikrolautsprechers 102.
Die 3a und 3b veranschaulichen Querschnittsansichten von Ausführungsform-Pumplautsprechern 110 und 111. 3a zeigt einen Einzelgegenelektroden-Pumplautsprecher 110 mit einem Substrat 112, einer Membran 114, einer unteren Gegenelektrode 116 und Strukturmaterial 120. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen arbeitet der Einzelgegenelektroden-Pumplautsprecher 110 als ein kapazitiver Plattenwandler. Eine durch eine Metallisierung 122 an die Membran 114 und durch die Metallisierung 124 an die untere Gegenelektrode 116 angelegte Spannung erzeugt eine Anziehungskraft zwischen der Membran 114 und der unteren Gegenelektrode 116. Die Anziehungskraft zwischen der Membran 114 und der unteren Gegenelektrode 116 bewirkt ein Auslenken der Membran 114. Die an diese beiden Platten angelegte Spannung kann mit einer Frequenz angelegt werden, um zu bewirken, dass die Membran schwingt. Während die Membran schwingt, werden Druckänderungen durch die Membran in der Luft erzeugt, was Schallsignale, z. B. Schallwellen, verursacht. Das Anlegen der Spannung an die Membran 114 und die untere Gegenelektrode 116 kann abgestimmt werden, um verschiedene Schwingungsfrequenzen und folglich Schallsignale zu erzeugen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Spannung an die Membran 114 und die untere Gegenelektrode 116 angelegt werden, um zu bewirken, dass die Membran 114 gemäß dem Trägersignal C_SIG schwingt, das das Pumpschallsignal PA_SIG erzeugt, wie hier oben unter Bezugnahme auf 2b beschrieben.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist das Substrat 112 ein Halbleiterwafer. Das Substrat 112 kann beispielsweise aus Silizium ausgebildet werden. Bei anderen Ausführungsformen wird das Substrat 112 aus anderen Halbleitermaterialien wie etwa beispielsweise Galliumarsenid, Indiumphosphid oder anderen Halbleitern gebildet. Bei weiteren Ausführungsformen ist das Substrat 112 ein Polymersubstrat. Bei alternativen Ausführungsformen ist das Substrat 112 ein Metallsubstrat. Bei anderen Ausführungsformen ist das Substrat 112 Glas. Beispielsweise ist in einer bestimmten Ausführungsform das Substrat 112 Siliziumdioxid. Bei verschiedenen Ausführungsformen enthält das Substrat 112 einen Hohlraum 118, der im Substrat 112 unter den Wandlerplatten ausgebildet ist, die durch die untere Gegenelektrode 116 und die Membran 114 gebildet werden. Der Hohlraum 118 kann von der Rückseite des Substrats 112 aus mit einer Bosch-Ätzung ausgebildet werden.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird das Strukturmaterial 120 in mehreren Abscheidungen ausgebildet und strukturiert, um Strukturschichten für das Stützen der Membran 114 und der unteren Gegenelektrode 116 herzustellen. Bei einer spezifischen Ausführungsform wird das Strukturmaterial 120 unter Verwendung einer Abscheidung von Tetraethylorthosilikat (TEOS) ausgebildet, um Schichten aus Siliziumoxid auszubilden. Bei weiteren Ausführungsformen wird das Strukturmaterial 120 aus anderen Materialien oder mehreren Materialien ausgebildet. Bei solchen Ausführungsformen wird das Strukturmaterial 120 aus Materialien einschließlich Polymeren, Halbleitern, Oxiden, Nitriden oder Oxynitriden ausgebildet.
Bei verschiedenen Ausführungsformen werden die Membran 114 und die untere Gegenelektrode 116 aus leitenden Materialien gebildet. Bei spezifischen Ausführungsformen werden die Membran 114 und die untere Gegenelektrode 116 aus Polysilizium ausgebildet. Bei anderen Ausführungsformen können die Membran 114 und die untere Gegenelektrode 116 aus dotierten Halbleitern oder Metallen wie etwa Aluminium, Platin oder Gold ausgebildet werden, als Beispiel. Weiterhin können die Membran 114 und die untere Gegenelektrode 116 aus mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen ist die Membran 114 auslenkbar und die untere Gegenelektrode 116 ist starr. Die untere Gegenelektrode 116 ist bei verschiedenen Ausführungsformen perforiert.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird die Metallisierung 122 im Strukturmaterial 120 ausgebildet und kontaktiert die Membran 114 elektrisch, die Metallisierung 124 wird im Strukturmaterial 120 ausgebildet und kontaktiert die untere Gegenelektrode 116 elektrisch, und die Metallisierung 126 wird in Strukturmaterial 120 ausgebildet und kontaktiert das Substrat 112 elektrisch.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Membran 114 über der unteren Gegenelektrode 116 angeordnet (wie gezeigt). Bei anderen Ausführungsformen ist die Membran 114 unter der unteren Gegenelektrode 116 angeordnet (nicht gezeigt). Analog kann ein Schallport in einer Kapselung (nicht gezeigt) um den Einzelgegenelektroden-Pumplautsprecher 110 enthalten sein. Der Schallport kann unter dem Hohlraum 118 und akustisch daran gekoppelt sein, wie etwa in einer an dem Substrat 112 angebrachten Leiterplatte. Bei anderen Ausführungsformen kann der Schallport über einem Einzelgegenelektroden-Pumplautsprecher 110 ausgebildet werden, wie etwa in einem Kapselungsdeckel, der über dem Einzelgegenelektroden-Pumplautsprecher 110 liegt, als Beispiel.
3b zeigt einen Doppelgegenelektroden-Pumplautsprecher 111 mit dem Substrat 112, der Membran 114, der unteren Gegenelektrode 116, einer oberen Gegenelektrode 117 und dem Strukturmaterial 120. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält der Doppelgegenelektroden-Pumplautsprecher 111 Elemente wie hier oben unter Bezugnahme auf 3a beschrieben, mit dem Zusatz der oberen Gegenelektrode 117 und der Metallisierung 128, in dem Strukturmaterial 120 ausgebildet und die obere Gegenelektrode 117 elektrisch kontaktierend. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die obere Gegenelektrode 117 Materialien und Strukturen enthalten, wie ähnlich hier oben unter Bezugnahme auf die untere Gegenelektrode 116 in 3a beschrieben.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen arbeitet der Doppelgegenelektroden-Pumplautsprecher 111 wie analog hier oben unter Bezugnahme auf den Einzelgegenelektroden-Pumplautsprecher 110 beschrieben, mit dem Zusatz, dass die obere Gegenelektrode 117 Anziehungskräfte auf die Membran 114 generiert. Bei solchen Ausführungsformen können Spannungen zwischen der oberen Gegenelektrode 117 und der Membran 114 oder zwischen der unteren Gegenelektrode 116 und der Membran 114 angelegt werden, um Anziehungskräfte in beiden Richtungen zu generieren. Spannungen werden an die Membran 114, die untere Gegenelektrode 116 und die obere Gegenelektrode 117 angelegt, um zu bewirken, dass die Membran 114 gemäß dem Trägersignal C_SIG schwingt, das das Pumpschallsignal PA_SIG erzeugt, wie hier oben unter Bezugnahme auf 2b beschrieben.
Bei verschiedenen Ausführungsformen werden die Amplitude C_amp und die Richtung des Trägersignals C_SIG verstellt, um das Pumpschallsignal PA_SIG zu erzeugen, wie hier oben unter Bezugnahme auf 2b beschrieben. Der Einzelgegenelektroden-Pumplautsprecher 110 und der Doppelgegenelektroden-Pumplautsprecher 111 können asymmetrische Auslenkungen, Ventilationslöcher oder Ventile beinhalten, um die Richtung des Trägersignals C_SIG zu steuern. Unterschiedliche weitere Ausführungsformen werden hier unten als veranschaulichende Ausführungsform-Pumpmechanismen beschrieben.
Die 4a, 4b, 4c und 4d veranschaulichen eine Draufsicht und Querschnittsansichten eines weiteren Ausführungsform-Pumplautsprechers 130 mit einer partitionierten Membran 132, einer oberen Gegenelektrode 134 und einer unteren Gegenelektrode 136. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält die partitionierte Membran 132 Partitionen 132a, 132b, 132c und 132d, die durch Schlitze 138 getrennt sind und sich separat bewegen können. Die obere Gegenelektrode 134 enthält elektrische Partitionen 134a, 134b, 134c und 134d, die in der Lage sind, unterschiedliche elektrische Felder über den Partitionen 132a, 132b, 132c und 132d zu erzeugen. Für die obere Gegenelektrode 134 ist die Elektrode 140 an elektrische Partitionen 134b und 134d gekoppelt, und die Elektrode 142 ist an elektrische Partitionen 134a und 134c gekoppelt. Analog enthält die untere Gegenelektrode 136 elektrische Partitionen 136a, 136b, 136c und 136d, die in der Lage sind, unterschiedliche elektrische Felder unter den Partitionen 132a, 132b, 132c und 132d zu generieren. Für die untere Gegenelektrode 136 ist die Elektrode 144 an die elektrischen Partitionen 136a und 136c gekoppelt, und die Elektrode 146 ist an die elektrischen Partitionen 136b und 136d gekoppelt. 4a zeigt eine Draufsicht auf die partitionierte Membran 132, und die 4b, 4c und 4d zeigen Querschnittsansichten des Pumplautsprechers 130 während unterschiedlicher Auslenkungen der partitionierten Membran 132, um eine Pumpwirkung zu veranschaulichen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt 4b die partitionierte Membran 132 mit Partitionen 132a, 132b, 132c und 132d, die sich zur oberen Gegenelektrode 134 bewegen, wenn durch die Elektroden 140 und 142 eine gleiche Spannung an die elektrischen Partitionen 134a, 134b, 134c und 134d angelegt wird. Die an die elektrischen Partitionen 134a, 134b, 134c und 134d der oberen Gegenelektrode 134 angelegte gleiche Spannung generiert eine Anziehungskraft auf jede der Partitionen 132a, 132b, 132c und 132d, die bewirkt, dass sich die partitionierte Membran 132 auslenkt. Bei solchen Ausführungsformen bewegt sich Luft durch Perforationen in der unteren Gegenelektrode 136, wie in 4b gezeigt. Die an die elektrischen Partitionen 136a, 136b, 136c und 136d der unteren Gegenelektrode 136 angelegte Spannung kann null oder kleiner sein, wenn sich die partitionierte Membran 132 zur oberen Gegenelektrode 134 bewegt.
Die 4c zeigt Partitionen 132b und 132d der partitionierten Membran 132, die sich zur unteren Gegenelektrode 136 bewegen, und die Partitionen 132a und 132c, die nahe an der oberen Gegenelektrode 134 bleiben. Bei solchen Ausführungsformen wird durch die Elektrode 142 eine Spannung an die elektrischen Partitionen 134a und 134c angelegt, die eine Anziehungskraft auf die Partitionen 132a und 132c zur oberen Gegenelektrode 134 generiert, und durch die Elektrode 146 wird eine Spannung an die elektrischen Partitionen 136b und 136d angelegt, die eine Anziehungskraft auf Partitionen 132b und 132d zur unteren Gegenelektrode 136 generiert. Bei derartigen Ausführungsformen bewegt sich Luft in das Gebiet hinter den Partitionen 132b und 132d, wie in 4c gezeigt. Die an die elektrischen Partitionen 134b und 134d der oberen Gegenelektrode 134 und die elektrischen Partitionen 136a und 136c der unteren Gegenelektrode 136 angelegte Spannung kann null betragen oder klein sein, wenn sich die partitionierte Membran 132 bewegt, wie in 4c gezeigt.
Die 4d zeigt die partitionierte Membran 132, wobei sich die Partitionen 132a, 132b, 132c und 132d zur unteren Gegenelektrode 136 bewegen, wenn durch die Elektroden 144 und 146 eine Spannung an die elektrischen Partitionen 136a, 136b, 136c und 136d angelegt wird. Wie in 4c gezeigt, befinden sich die Partitionen 132b und 132d möglicherweise bereits nahe der unteren Gegenelektrode 136 und bewegen sich möglicherweise nicht oder bewegen sich sehr wenig. Die an die elektrischen Partitionen 136a, 136b, 136c und 136d der unteren Gegenelektrode 136 angelegte Spannung generiert eine Anziehungskraft auf jede der Partitionen 132a, 132b, 132c und 132d, was bewirkt, dass die partitionierte Membran 132 ausgelenkt wird. Bei solchen Ausführungsformen kann die Luftbewegung durch die Perforationen in der oberen Gegenelektrode 134 wegen der Luftbewegung hinter den Partitionen 132b und 132d, in 4c gezeigt, klein sein. Die an die elektrischen Partitionen 134a, 134b, 134c und 134d der oberen Gegenelektrode 134 angelegte Spannung kann null betragen oder klein sein, wenn sich die partitionierte Membran 132 zur unteren Gegenelektrode 136 bewegt. Weiterhin kann es sich bei der an die elektrischen Partitionen 134a, 134b, 134c und 134d der oberen Gegenelektrode 134 angelegte Spannung um die gleiche Spannung oder ähnliche Spannungen für die verschiedenen Partitionen handeln. Bei noch weiteren Ausführungsformen kann die an die elektrischen Partitionen 134a, 134b, 134c und 134d der oberen Gegenelektrode 134 angelegte Spannung für die verschiedenen Partitionen unterschiedlich sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann durch Aufteilen der Bewegung der partitionierten Membran 132 in Sektionen in einer Richtung und Kombinieren der Bewegung der partitionierten Membran 132 in der anderen Richtung eine Pumpwirkung durchgeführt werden. Somit erzeugt, wie in 4b, 4c und 4d gezeigt, das Anlegen unterschiedlicher Spannungen an die Elektroden 140, 142, 144 und 146 ein Pumpen in einer Aufwärtsrichtung, d. h. durch die obere Gegenelektrode 134, während ein Zurückpumpen in einer Abwärtsrichtung reduziert wird. Die an die Elektroden 140, 142, 144 und 146 angelegten Spannungen können so ausgelegt sein, dass eine Pumpwirkung in beiden Richtungen durch das Bewegen der Partitionen 132a, 132b, 132c und 132d der partitionierten Membran 132 zusammen in der Richtung des Pumpens und separat in der anderen Richtung durchgeführt wird. Somit kann in verschiedenen Ausführungsformen der Pumplautsprecher 130 durch durch die Elektroden 140, 142, 144 und 146 angelegte Spannungen gesteuert werden, um zu bewirken, dass die partitionierte Membran 132 gemäß dem Trägersignal C_SIG schwingt, das das Pumpschallsignal PA_SIG erzeugt, wie hier oben unter Bezugnahme auf 2b beschrieben. Bei derartigen Ausführungsformen können sowohl die Amplitude C_amp als auch die Richtung des Trägersignals C_SIG für die partitionierte Membran 132 verstellt werden, um ein Pumpschallsignal PA_SIG zu erzeugen, wie hier oben unter Bezugnahme auf 2b beschrieben. Insbesondere wird der Pumplautsprecher 130 gesteuert, die Richtung des Pumpens gemäß dem erzeugten Pumpschallsignal PA_SIG zu ändern.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die partitionierte Membran 132 an verankerten Strukturen wie etwa einem Strukturmaterial an zwei Kanten fixiert, wie in 4a gezeigt. Weiterhin können die anderen beiden Kanten der partitionierten Membran 132 sich bei einigen Ausführungsformen frei bewegen. Bei anderen Ausführungsformen können alle Kanten der partitionierten Membran 132 an verankerten Strukturen fixiert sein. Bei weiteren Ausführungsformen können die obere Gegenelektrode 134 und die untere Gegenelektrode 136 zusätzliche elektrische Partitionen oder zusätzliche Elektroden enthalten.
Die 5a und 5b zeigen Querschnittsansichten eines weiteren Ausführungsform-Pumplautsprechers 150 mit einer flexiblen Membran 152, einer oberen Gegenelektrode 154 und einer unteren Gegenelektrode 156. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird die flexible Membran 152 in beiden Richtungen signifikant ausgelenkt und ist nicht steif oder starr. Während des Betriebs kann sich die flexible Membran 152 mit einer wellenartigen oder schlangenartigen Auslenkung auslenken, wie in 5a und 5b gezeigt. Ähnlich wie bei der hier oben unter Bezugnahme auf die 4a, 4b, 4c und 4d beschriebenen oberen Gegenelektrode 134 enthält die obere Gegenelektrode 154 elektrische Partitionen 154a, 154b, 154c und 154d, die unterschiedliche elektrische Felder über der flexiblen Membran 152 generieren können. Bei der oberen Gegenelektrode 154 ist die Elektrode 160 an die elektrischen Partitionen 154b und 154d gekoppelt, und die Elektrode 162 ist an die elektrischen Partitionen 154a und 154c gekoppelt. Analog zur hier oben unter Bezugnahme auf 4a, 4b, 4c und 4d beschriebenen unteren Gegenelektrode 136 enthält die untere Gegenelektrode 156 elektrische Partitionen 156a, 156b, 156c und 156d, die unterschiedliche elektrische Felder unter der flexiblen Membran 152 generieren können. Bei der unteren Gegenelektrode 156 ist die Elektrode 164 an die elektrischen Partitionen 156a und 156c gekoppelt, und die Elektrode 166 ist an die elektrischen Partitionen 156b und 156d gekoppelt. Die 5a und 5b zeigen Querschnittsansichten des Pumplautsprechers 150 während unterschiedlicher Auslenkungen der flexiblen Membran 152, um eine Pumpwirkung zu veranschaulichen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen legen die Elektroden 160, 162, 164 und 166 Spannungen an die elektrischen Partitionen 154a, 154b, 154c und 154d der oberen Gegenelektrode 154 und an die elektrischen Partitionen 156a, 156b, 156c und 156d der unteren Gegenelektrode 156 an, um eine schlangenartige Bewegung der flexiblen Membran 152 zu generieren, wie in den 5a und 5b gezeigt. Bei solchen Ausführungsformen beinhaltet die schlangenartige Bewegung ein Bewegen der flexiblen Membran 152 nach oben über die perforierte Sektion 157 der unteren Gegenelektrode 156, um Luft durch die perforierte Sektion 157 und in den Raum zwischen der oberen Gegenelektrode 154 und der unteren Gegenelektrode 156 zu bewegen (wie in 5a gezeigt). Die schlangenartige Bewegung beinhaltet dann das Bewegen der flexiblen Membran 152 nach oben unter der perforierten Sektion 155 der oberen Gegenelektrode 154, um Luft aus dem Raum zwischen der oberen Gegenelektrode 154 und der unteren Gegenelektrode 156 durch die perforierte Sektion 155 hinauszubewegen (wie in 5b gezeigt). Bei solchen Ausführungsformen kann die flexible Membran 152 Löcher oder Schlitze (nicht gezeigt) in der Membran enthalten. Beispielsweise kann die Membran 152 Löcher oder Schlitze um die Kante der flexiblen Membran 152 oder in der Mitte der flexiblen Membran 152 enthalten. Bei anderen besonderen Ausführungsformen enthält eine Stützstruktur, die um die Kante der Membran verbunden ist, Löcher oder Schlitze (nicht gezeigt). Auf der Basis der Löcher oder Schlitze in der flexiblen Membran 152 kann Luft während des Pumpens der flexiblen Membran 152 durch die Löcher hindurchtreten.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Sequenz der durch die Elektroden 160, 162, 164 und 166 angelegten Spannung in einer umgekehrten Reihenfolge angelegt werden, um Luft in der entgegengesetzten Richtung zu bewegen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Pumplautsprecher 150 durch durch die Elektroden 160, 162, 164 und 166 angelegte Spannungen gesteuert werden, um zu bewirken, dass die flexible Membran 152 gemäß dem Trägersignal C_SIG schwingt, das das Pumpschallsignal PA_SIG erzeugt, wie hier oben unter Bezugnahme auf 2b beschrieben. Bei solchen Ausführungsformen können sowohl die Amplitude C_amp als auch die Richtung des Trägersignals C_SIG für die flexible Membran 152 verstellt werden, um das Pumpschallsignal PA_SIG zu erzeugen, wie hier oben unter Bezugnahme auf 2b beschrieben. Insbesondere wird der Pumplautsprecher 150 gesteuert, um die Richtung des Pumpens gemäß dem erzeugenden Pumpschallsignal PA_SIG zu ändern. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Pumplautsprecher 150 als eine schlangenartige Pumpe bezeichnet werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist die flexible Membran 152 sehr flexibel oder weich. Somit kann die flexible Membran 152 aus einer dünnen Schicht aus Silizium oder Polysilizium ausgebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen ist die flexible Membran 152 weniger als 700 nm dick. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist die flexible Membran 152 660 nm dick. Bei anderen Ausführungsformen ist die flexible Membran 152 weniger als 500 nm dick. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die flexible Membran 152 aus einem leitfähigen Material wie etwa einem Halbleitermaterial oder einem Metall ausgebildet werden, als Beispiel. Bei einigen spezifischen Ausführungsformen wird die flexible Membran 152 aus Kohlenstoff- oder Siliziumnitrid mit einer Schicht aus Polysilizium ausgebildet.
Bei einigen Ausführungsformen können zusätzliche Elektroden enthalten sein, um elektrische Partitionen 154a, 154b, 154c und 154d oder 156a, 156b, 156c und 156d an unabhängige Elektroden zu koppeln. Weiterhin können die obere Gegenelektrode 154 und die untere Gegenelektrode 156 zusätzliche elektrische Partitionen oder zusätzliche Elektroden enthalten.
Die 5c und 5d veranschaulichen Querschnittsansichten des Ausführungsform-Pumplautsprechers 151, der eine allgemeine Version des Pumplautsprechers 150 ist, mit der flexiblen Membran 153, der oberen Gegenelektrode 154 und der unteren Gegenelektrode 156. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die flexible Membran 153 beliebige der Merkmale der flexiblen Membran 152 enthalten und kann Löcher oder Schlitze enthalten, als Beispiel. Bei solchen Ausführungsformen kann die flexible Membran 153 eine beliebige Art an asymmetrischer Bewegung aufweisen, die eine asymmetrische Pumpwirkung erzeugt, was zu einem gerichteten Pumpen führt. Bei einigen Ausführungsformen kann die flexible Membran 153 in der Mitte oder um die Kante der flexiblen Membran 153 herum Belüftungslöcher oder -schlitze enthalten. Bei verschiedenen Ausführungsformen können sich die perforierte Sektion 155 und die perforierte Sektion 157 je nach den verschiedenen Ausführungsform-Anwendungen über einen beliebigen Abschnitt der oberen Gegenelektrode 154 beziehungsweise der unteren Gegenelektrode 156 erstrecken. Die asymmetrische Bewegung der flexiblen Membran 153 kann in beiden Richtungen asymmetrisch sein, um ein Pumpen in beiden Richtungen durch die perforierte Sektion 155 und die perforierte Sektion 157 zu erzeugen.
Die 6a und 6b veranschaulichen Querschnittsansichten noch eines weiteren Ausführungsform-Pumplautsprechers 170 mit einer Membran 172, einer oberen Gegenelektrode 174 und einer unteren Gegenelektrode 176. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält die Membran 172 Ventile 178 zum Steuern der Pumprichtung. Während des Betriebs kann die Membran 172 in beiden Richtungen auslenken, während die Ventile 178 in einer Richtung geschlossen und in der anderen Richtung offen bleiben, um die Richtung des Pumpens zu steuern. Die 6a und 6b zeigen Querschnittsansichten des Pumplautsprechers 170 während verschiedener Auslenkungen der Membran 172, um eine Pumpwirkung zu veranschaulichen.
Ähnlich wie bei der hier oben unter Bezugnahme auf die 4a, 4b, 4c und 4d beschriebenen oberen Gegenelektrode 134 enthält die obere Gegenelektrode 174 elektrische Partitionen 174a, 174b, 174c und 174d, die unterschiedliche elektrische Felder über der Membran 172 generieren können. Bei der oberen Gegenelektrode 174 ist die Elektrode 180 an die elektrischen Partitionen 174b und 174d gekoppelt, und die Elektrode 182 ist an die elektrischen Partitionen 174a und 174c gekoppelt. Ähnlich wie bei der hier oben unter Bezugnahme auf die 4a, 4b, 4c und 4d beschriebenen unteren Gegenelektrode 136 enthält die untere Gegenelektrode 176 elektrische Partitionen 176a, 176b, 176c und 176d, die verschiedene elektrische Felder unter der Membran 172 generieren können. Bei der unteren Gegenelektrode 176 ist die Elektrode 184 an die elektrischen Partitionen 176a und 176c gekoppelt, und die Elektrode 186 ist an die elektrischen Partitionen 176b und 176d gekoppelt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen legen die Elektroden 180, 182, 184 und 186 Spannungen an elektrische Partitionen 174a, 174b, 174c und 174d der oberen Gegenelektrode 174 und an die elektrischen Partitionen 176a, 176b, 176c und 176d der unteren Gegenelektrode 176 an, um eine Bewegung der Membran 172 zu generieren, wie in 6a und 6b gezeigt. Bei solchen Ausführungsformen generiert die Aufwärtsbewegung der Membran 172 ein Pumpen in einer Aufwärtsrichtung durch Perforationen in der oberen Gegenelektrode 174, wenn die Ventile 178 geschlossen bleiben. Die folgende Abwärtsbewegung der Membran 172 generiert kein Pumpen in einer Abwärtsrichtung durch Perforationen in der unteren Gegenelektrode 176, weil die Ventile 178 geöffnet sind, damit sich Luft durch die Ventile 178 bewegen kann. Bei verschiedenen anderen Ausführungsformen sind die Ventile 178 konfiguriert, sich während Aufwärts- oder Abwärtsbewegungen zu öffnen oder zu schließen, um ein Pumpen durch die Bewegungen der Membran 172 in beiden Richtungen bereitzustellen. Bei solchen Ausführungsformen sind die Ventile 178 konfiguriert, sich nur während einer Abwärtsbewegung der Membran 172 zu öffnen. Bei anderen derartigen Ausführungsformen sind die Ventile 178 konfiguriert, sich nur während einer Aufwärtsbewegung der Membran 172 zu öffnen. Bei weiteren Ausführungsformen sind die Ventile 178 konfiguriert, sich während einer Aufwärts- oder Abwärtsbewegung der Membran 172 zu öffnen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Ventile 178 durch Anlegen von Spannungen gesteuert werden, um die Ventile 178 zu öffnen oder zu schließen. Bei anderen Ausführungsformen können die Ventile 178 konfiguriert sein, sich mit einer gewissen Resonanzfrequenz zu öffnen und zu schließen, während die Membran 172 mit einer anderen Frequenz schwingt. Bei solchen Ausführungsformen kann die Resonanzfrequenz der Membran 172 von der Resonanzfrequenz der Ventile 178 verschieden sein und mit der Differenz kann das Öffnen und Schließen der Ventile 178 bezüglich der Schwingungen der Membran 172 gesteuert werden.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Pumplautsprecher 170 durch durch die Elektroden 180, 182, 184 und 186 angelegte Spannungen gesteuert werden, um zu bewirken, dass die Membran 172 gemäß dem Trägersignal C_SIG schwingt, das das Pumpschallsignal PA_SIG erzeugt, wie hier oben unter Bezugnahme auf 2b beschrieben. Bei derartigen Ausführungsformen können sowohl die Amplitude C_amp als auch die Richtung des Trägersignals C_SIG durch Steuern der Schwingungen der Membran 172 und des Öffnens und Schließens der Ventile 178 verstellt werden, um das Pumpschallsignal PA_SIG zu erzeugen, wie hier oben unter Bezugnahme auf 2b beschrieben. Insbesondere wird der Pumplautsprecher 170 gesteuert, die Richtung des Pumpens durch Steuern der Ventile 178 gemäß dem erzeugenden Pumpschallsignal PA_SIG zu verändern.
Gemäß einigen Ausführungsformen können Ventile 178 in der oberen Gegenelektrode 174 oder der unteren Gegenelektrode 176 enthalten sein. Bei solchen Ausführungsformen können die Ventile 178 von der Membran 172 weggelassen werden oder können zusätzlich in der Membran 172 enthalten sein. Bei einigen Ausführungsformen können zusätzliche Elektroden enthalten sein, um die elektrischen Partitionen 174a, 174b, 174c und 174d oder 176a, 176b, 176c und 176d an unabhängige Elektroden zu koppeln. Weiterhin können die obere Gegenelektrode 174 und die untere Gegenelektrode 176 zusätzliche elektrische Partitionen oder zusätzliche Elektroden enthalten.
Die 7a und 7b veranschaulichen eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht eines noch weiteren Ausführungsform-Pumplautsprechers 190 mit einem Rotor 192, einem oberen Stator 194 und einem unteren Stator 196. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält der Rotor 192 mehrere Kammern und dreht sich auf der Basis von angelegten Spannungen von dem oberen Stator 194 und dem unteren Stator 196. Während der Rotor 192 immer noch hin und her schwingt, werden das Ventil 198 im oberen Stator 194 und das Ventil 199 im unteren Stator 196 geöffnet und geschlossen, um die Pumprichtung des Pumplautsprechers 190 zu steuern. Während des Betriebs kann der Rotor 192 in beiden Richtungen auslenken, während sich das Ventil 198 und das Ventil 199 abwechselnd öffnen und schließen, um die Richtung des Pumpens zu steuern. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Pumplautsprecher 190 als eine Rotorpumpe bezeichnet werden.
Ähnlich der hier oben unter Bezugnahme auf die 4a, 4b, 4c und 4d beschriebenen oberen Gegenelektrode 134 enthält der obere Stator 194 elektrische Partitionen 194a, 194b, 194c und 194d, die verschiedene elektrische Felder über dem Rotor 192 generieren können. Für den oberen Stator 194 ist die Elektrode 200 an die elektrischen Partitionen 194b und 194d gekoppelt, und die Elektrode 202 ist an die elektrischen Partitionen 194a und 194c gekoppelt. Ähnlich wie bei der hier oben unter Bezugnahme auf die 4a, 4b, 4c und 4d beschriebenen unteren Gegenelektrode 136 enthält der untere Stator 196 elektrische Partitionen 196a, 196b, 196c und 196d, die verschiedene elektrische Felder unter dem Rotor 192 generieren können. Für den unteren Stator 196 ist die Elektrode 204 an die elektrischen Partitionen 196a und 196c gekoppelt, und die Elektrode 206 ist an die elektrischen Partitionen 196b und 196d gekoppelt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen legen die Elektroden 200, 202, 204 und 206 Spannungen an die elektrischen Partitionen 194a, 194b, 194c und 194d des oberen Stators 194 und an elektrische Partitionen 196a, 196b, 196c und 196d des unteren Stators 196 an, um eine Bewegung des Rotors 192 zu generieren, wie in den 7a und 7b gezeigt. Bei derartigen Ausführungsformen generiert die Bewegung des Rotors 192 ein Pumpen in beiden Richtungen durch Öffnen und Schließen des Ventils 198 oder des Ventils 199. Beispielsweise kann ein Aufwärtspumpen durch Öffnen des Ventils 198 generiert werden, während sich der Rotor 192 dreht, um eine Luftbewegung durch das Ventil 198 zu erzwingen, und Schließen des Ventils 198, während sich der Rotor 192 in der anderen Richtung dreht, um zu verhindern, dass Luft durch das Ventil 198 zurückgezogen wird. Analog kann ein Abwärtspumpen durch Öffnen des Ventils 199 generiert werden, während sich der Rotor 192 dreht, um eine Luftbewegung durch das Ventil 199 zu erzwingen, und Schließen des Ventils 199, während sich der Rotor 192 in die andere Richtung dreht, um zu verhindern, dass Luft durch das Ventil 199 zurückgezogen wird.
Bei verschiedenen unterschiedlichen Ausführungsformen sind das Ventil 198 und das Ventil 199 konfiguriert, während Aufwärts- oder Abwärtsbewegungen zu öffnen oder zu schließen, um ein Pumpen durch die Bewegungen des Rotors 192 in beiden Richtungen bereitzustellen. Bei einigen derartigen Ausführungsformen sind das Ventil 198 und das Ventil 199 konfiguriert, nur während einer Bewegung des Rotors 192 im Uhrzeigersinn zu öffnen. Bei anderen derartigen Ausführungsformen sind das Ventil 198 und das Ventil 199 konfiguriert, nur während einer Bewegung des Rotors 192 entgegen dem Uhrzeigersinn zu öffnen. Bei weiteren Ausführungsformen sind das Ventil 198 und das Ventil 199 konfiguriert, während einer Bewegung des Rotors 192 im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn zu öffnen, und können entsprechend gesteuert werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen können das Ventil 198 und das Ventil 199 durch Anlegen von Spannungen zum Öffnen oder Schließen des Ventils 198 und des Ventils 199 gesteuert werden. Bei anderen Ausführungsformen können das Ventil 198 und das Ventil 199 konfiguriert sein, nur für einen Luftstrom in einer Richtung zu öffnen, d. h., das Ventil 198 und das Ventil 199 können Rückschlagventile sein.
Bei verschiedenen. Ausführungsformen kann der Pumplautsprecher 190 durch durch die Elektroden 200, 202, 204 und 206 angelegte Spannungen gesteuert werden, um zu bewirken, dass der Rotor 192 gemäß dem Trägersignal C_SIG schwingt, das das Pumpschallsignal PA_SIG erzeugt, wie hier oben unter Bezugnahme auf 2b beschrieben. Bei solchen Ausführungsformen können sowohl die Amplitude C_amp als auch die Richtung des Trägersignals C_SIG durch Steuern der Schwingungen des Rotors 192 und das Öffnen und Schließen des Ventils 198 und des Ventils 199 verstellt werden, um das Pumpschallsignal PA_SIG zu erzeugen, wie hier oben unter Bezugnahme auf 2b beschrieben. Insbesondere wird der Pumplautsprecher 190 gesteuert, die Richtung des Pumpens zu ändern, indem das Ventil 198 und das Ventil 199 gemäß dem erzeugenden Pumpschallsignal PA_SIG gesteuert werden. Bei spezifischen Ausführungsformen wird der Rotor 192 gesteuert, mit einer Frequenz über 50 kHz zu schwingen.
Gemäß einiger Ausführungsformen können zusätzliche Ventile in dem oberen Stator 194 oder dem unteren Stator 196 enthalten sein. Bei einigen Ausführungsformen können zusätzliche Elektroden enthalten sein, um die elektrischen Partitionen 194a, 194b, 194c und 194d oder die elektrischen Partitionen 196a, 196b, 196c und 196d an unabhängige Elektroden zu koppeln. Weiterhin können der obere Stator 194 und der untere Stator 196 zusätzliche elektrische Partitionen oder zusätzliche Elektroden enthalten.
Die 8a, 8b, 8c, 8d, 8e und 8f veranschaulichen Querschnittsansichten von Ventilsystemen 300, 301 und 303 für Ausführungsform-Pumplautsprecher. Die 8a und 8b veranschaulichen ein selbstschließendes Ventilsystem 300 mit einem Ventil 302. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen schließt das Ventil 302 automatisch, sofern nicht zwischen einem Druck P1 und einem Druck P2 eine große Druckdifferenz vorliegt. Wie in 8a gezeigt, bleibt das Ventil 302 für den Druck P1 und P2 geschlossen. Wenn der Druck P2 viel größer ist als der Druck P1, wird das Ventil 302 durch die Druckdifferenz aufgedrückt, wie in 8b gezeigt.
Die 8c und 8d veranschaulichen ein selbstöffnendes Ventilsystem 301 mit einem Ventil 304. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen öffnet das Ventil 304 automatisch, sofern nicht zwischen dem Druck P1 und dem Druck P2 eine große Druckdifferenz vorliegt. Wie in 8c gezeigt, bleibt das Ventil 304 für den Druck P1 und P2 offen. Wenn der Druck P1 viel größer ist als der Druck P2, wird das Ventil 304 durch die Druckdifferenz zugedrückt, wie in 8d gezeigt.
Die 8e und 8f veranschaulichen ein spannungsgesteuertes Ventilsystem 303 mit einem Ventil 306 und einer Stromversorgung 308 zum Steuern einer an das Ventil 306 angelegten Spannung V1. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist das Ventil 306 geschlossen, wenn die Stromversorgung 308 aktiv ist, um die Spannung V1 an das Ventil 306 anzulegen, wie in 8e gezeigt. Das Ventil 306 ist geöffnet, wenn die Spannungsversorgung 308 inaktiv oder getrennt ist und keine Spannung an das Ventil 306 angelegt wird, wie in 8f gezeigt.
Die Materialien und Strukturen verschiedener selbstschließender Ventile, selbstöffnender Ventile und spannungsgesteuerter Ventile sind zahlreich und dem Fachmann bekannt. Solche zahlreichen Material- und Strukturimplementierungen sind in verschiedenen Ausführungsformen enthalten.
Die 9a und 9b veranschaulichen Systemdiagramme eines Ausführungsform-Pumplautsprechersystems 320 und eines Ausführungsform-Pumplautsprechersystems 321. Das Pumplautsprechersystem 320 enthält ein Rückvolumen 322, ein Frontvolumen 324, eine Filtermembran 326, eine monodirektionale Pumpe 328, ein Ventil 330 und ein Ventil 332. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen arbeiten die monodirektionale Pumpe 328, das Ventil 330 und das Ventil 332 wie hier oben unter Bezugnahme auf die anderen Figuren beschrieben, um das Trägersignal C_SIG zu generieren, das das Pumpschallsignal PA_SIG erzeugt, wie hier oben unter Bezugnahme auf 2b beschrieben. Bei solchen Ausführungsformen können sowohl die Amplitude C_amp als auch die Richtung des Trägersignals C_SIG durch die monodirektionale Pumpe 328, das Ventil 330 und das Ventil 332 verstellt werden, um das Pumpschallsignal PA_SIG zu erzeugen, wie hier oben unter Bezugnahme auf 2b beschrieben. Bei solchen Ausführungsformen werden das Ventil 330 und das Ventil 332 gesteuert, um die Richtung des Pumpens zwischen dem Gegenvolumen 322 und dem Frontvolumen 324 zu steuern. Durch Steuern des Ventils 330 und des Ventils 332 ist das Pumplautsprechersystem 320 in der Lage, ein bidirektionales Pumpen bereitzustellen, und steuert somit die Richtung des Pumpens, um das Pumpschallsignal PA_SIG zu generieren, während die monodirektionale Pumpe 328 verwendet wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden die Richtung und Größe des Pumpens verstellt, wie hier oben beschrieben, um das Pumpschallsignal PA_SIG aus dem Frontvolumen 324 heraus zu erzeugen. Bei solchen Ausführungsformen kann die Filtermembran 326 an einer Grenzfläche oder einem Ausgang des Frontvolumens 324 enthalten sein, um eine Tiefpassfilterung des generierten Signals bereitzustellen und um einen zusätzlichen Staub- und Partikelschutz für die monodirektionale Pumpe 328, das Ventil 330 und das Ventil 332 bereitzustellen. Die Filtermembran 326 lässt Frequenzen im hörbaren Frequenzbereich durch und filtert Frequenzen über dem hörbaren Frequenzbereich. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Filtermembran 326 auch Frequenzen über dem hörbaren Frequenzbereich durchlassen, beispielsweise bei Ultraschall- oder Nahfelddetektionsanwendungen. Weiterhin können die monodirektionale Pumpe 328, das Ventil 330 und das Ventil 332 gegenüber Beschädigung durch Partikel oder Staub in der Luft empfindlich sein und die Filtermembran 326 kann einen zusätzlichen Schutz vor Staub, Schmutz oder anderen Partikeln in der Luft bereitstellen.
Das Pumplautsprechersystem 321 in 9b enthält das Gegenvolumen 322, das Frontvolumen 324, die Filtermembran 326 und eine bidirektionale Pumpe 334. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen arbeitet das Pumplautsprechersystem 321 mit der bidirektionalen Pumpe 334 wie unter Bezugnahme auf das Pumplautsprechersystem 320 und die monodirektionale Pumpe 328 beschrieben, wo das Ventil 330 und das Ventil 332 weggelassen sind. Bei solchen Ausführungsformen ist die bidirektionale Pumpe 334 in der Lage, ein bidirektionales Pumpen zwischen dem Gegenvolumen 322 und dem Frontvolumen 324 ohne das Ventil 330 oder das Ventil 332 bereitzustellen, und somit ist sie in der Lage, die Richtung des Pumpens zu steuern, um das Pumpschallsignal PA_SIG zu generieren, wie hier oben unter Bezugnahme auf die 2b und 9a beschrieben.
Bei verschiedenen Ausführungsformen können das Gegenvolumen 322 und das Frontvolumen 324 unversiegelte Volumina sein, wie etwa offene Volumina in einem Einrichtungspackage. Bei einigen Ausführungsformen können das Gegenvolumen 322 und das Frontvolumen 324 ausgelegte Formen für verschiedene Anwendungen besitzen. Beispielsweise können das Gegenvolumen 322 und das Frontvolumen 324 ausgelegt sein, um die Schallpumpeffizienz, die Systemkosten oder die Systemgröße zu verbessern. Somit können bei verschiedenen Ausführungsformen das Gegenvolumen 322 und das Frontvolumen 324 eine beliebige Art von Form besitzen.
10 veranschaulicht ein Systemdiagramm eines weiteren Ausführungsform-Pumplautsprechersystems 350 mit einem Mikrolautsprecherarray mit Mikrolautsprechern 352-1, 352-2, 352-3, 352-4, 352-5, 352-6, 352-7, 352-8, 352-9, 352-10, 352-11 und 352-12. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Mikrolautsprecher 352-1, 352-2, 352-3, 352-4, 352-5, 352-6, 352-7, 352-8, 352-9, 352-10, 352-11 und 352-12 jeweils einen beliebigen der hierin beschriebenen Ausführungsform-Mikrolautsprecher und -Mikropumpen beinhalten. Bei einigen Ausführungsformen enthält jeder Mikrolautsprecher im Pumplautsprechersystem 350 einen gleichen Ausführungsform-Mikrolautsprecher. Bei anderen Ausführungsformen kann das Pumplautsprechersystem 350 mehrere Arten von Ausführungsform-Mikrolautsprechern enthalten.
Das Pumplautsprechersystem 350 ist mit 12 Mikrolautsprechern 352-1, 352-2, 352-3, 352-4, 352-5, 352-6, 352-7, 352-8, 352-9, 352-10, 352-11 und 352-12 dargestellt, doch kann das Pumplautsprechersystem 350 bei anderen Ausführungsformen eine beliebige Anzahl an Mikrolautsprechern enthalten. Beispielsweise kann das Pumplautsprechersystem 350 bei einigen Ausführungsformen zwischen 2 und 24 Mikrolautsprecher enthalten. Bei anderen Ausführungsformen kann das Pumplautsprechersystem 350 mehr als 24 Mikrolautsprecher enthalten. Bei verschiedenen Ausführungsformen werden die Mikrolautsprecher 352-1, 352-2, 352-3, 352-4, 352-5, 352-6, 352-7, 352-8, 352-9, 352-10, 352-11 und 352-12 im Substrat 354 ausgebildet. Bei einer Ausführungsform ist das Substrat 354 ein einzelner Halbleiter-Die. Bei einer anderen Ausführungsform ist das Substrat 354 eine Leiterplatte (PCB).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen generiert ein Mikrolautsprecherarray, wie es etwa im Pumplautsprechersystem 350 enthalten ist, Signale mit einer höheren kombinierten Amplitude im Vergleich zu einem einzelnen Mikrolautsprecher. Bei solchen Ausführungsformen können die in einem Array ausgebildeten Mikrolautsprecher zusammen Schallsignale mit höheren SPLs erzeugen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Pumplautsprechersystem 350 verschiedene Mikrolautsprecher enthalten, die so abgestimmt sind, dass sie Schallsignale in verschiedenen Frequenzbereichen mit besserer Leistung erzeugen. Beispielsweise können die Mikrolautsprecher 352-1, 352-2, 352-3, 352-4, 352-5 und 352-6 so abgestimmt sein, dass sie Frequenzen zwischen 20 Hz und 1 kHz mit einer besseren Leistung erzeugen, und die Mikrolautsprecher 352-7, 352-8, 352-9, 352-10, 352-11 und 352-12 können so abgestimmt sein, dass sie Frequenzen zwischen 1 kHz und 20 kHz mit besserer Leistung erzeugen. Somit kann es bei einigen Ausführungsformen so abgestimmt sein, dass ein Mikrolautsprecherarray mit besserer Leistung und Effizienz arbeitet, indem eine heterogene Selektion von Mikrolautsprechern anstatt einer homogenen Selektion von Mikrolautsprechern verwendet wird.
11 veranschaulicht ein Systemblockdiagramm eines Ausführungsform-Betriebsverfahrens 400 für einen Pumplautsprecher. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Betriebsverfahren 400 die Schritte 402 und 404 und beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines Lautsprechers, der eine Schallpumpe enthält. Der Schritt 402 beinhaltet das Generieren eines Trägersignals mit einer ersten Frequenz durch Anregen der Schallpumpe mit der ersten Frequenz. Die erste Frequenz liegt bei solchen Ausführungsformen außerhalb eines hörbaren Frequenzbereichs. Der Schritt 404 beinhaltet das Generieren eines Schallsignals mit einer zweiten Frequenz durch Verstellen des Trägersignals. Die Verstellungen an dem Trägersignal werden mit der zweiten Frequenz durchgeführt. Bei solchen Ausführungsformen liegt die zweite Frequenz innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs.
Gemäß einigen Ausführungsformen beinhaltet das Generieren des Schallsignals durch Verstellen des Trägersignals in Schritt 404 das Verstellen der Größe des Trägersignals gemäß der zweiten Frequenz und Verstellen der Richtung des Pumpens für die Schallpumpe gemäß der zweiten Frequenz. Weitere Schritte können in verschiedenen zusätzlichen Ausführungsformen im Arbeitsverfahren 400 enthalten sein.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines Lautsprechers mit einer Schallpumpe das Generieren eines Trägersignals mit einer ersten Frequenz durch Anlegen der Schallpumpe mit der ersten Frequenz und Generieren eines Schallsignals mit einer zweiten Frequenz durch Verstellen des Trägersignals. Bei solchen Ausführungsformen liegt die erste Frequenz außerhalb eines hörbaren Frequenzbereichs und die zweite Frequenz innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs. Das Verstellen des Trägersignals beinhaltet das Durchführen von Verstellungen am Trägersignal mit der zweiten Frequenz. Andere Ausführungsformen beinhalten entsprechende Systeme und Vorrichtungen, die jeweils konfiguriert sind zum Durchführen entsprechender Ausführungsform-Verfahren.
Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Generieren des Schallsignals durch Verstellen des Trägersignals das Verstellen einer Größe des Trägersignals gemäß der zweiten Frequenz und Verstellen einer Richtung des Pumpens für die Schallpumpe gemäß der zweiten Frequenz. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die zweite Frequenz mehrere Frequenzen innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs, und das Schallsignal enthält mehrere Töne mit den mehreren Frequenzen innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs. Das Anregen der Schallpumpe kann das Anregen einer Mikropumpenstruktur beinhalten.
Bei verschiedenen Ausführungsformen liegt die erste Frequenz über 100 kHz und die zweite Frequenz unter 23 kHz. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste Frequenz so gewählt, dass sie eine Resonanzfrequenz der Schallpumpe entspricht. Bei bestimmten Ausführungsformen wird die erste Frequenz konstant gehalten und die zweite Frequenz wird variiert. Bei weiteren Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren weiterhin, vor dem Generieren des Trägersignals, das Anregen der Schallpumpe mit mehreren Frequenzen, Messen mehrerer Antworten der Schallpumpe entsprechend den mehreren Frequenzen, und Bestimmen einer Resonanzfrequenz der Schallpumpe auf der Basis des Messens der mehreren Antworten. Bei noch weiteren Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren weiterhin, vor dem Generieren des Trägersignals, das Einstellen der ersten Frequenz auf die Resonanzfrequenz. Gemäß einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren weiterhin, vor dem Generieren des Trägersignals, das Abstimmen der Resonanzfrequenz der Schallpumpe durch Verstellen mechanischer Komponenten innerhalb der Schallpumpe.
Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Mikrolautsprecher eine Schallmikropumpenstruktur, konfiguriert zum Pumpen mit einer ersten Frequenz über einer oberen hörbaren Frequenzgrenze, und Generieren eines Schallsignals durch Verstellen einer Größe und einer Richtung des Pumpens gemäß einer zweiten Frequenz unter der oberen hörbaren Frequenzgrenze. Andere Ausführungsformen enthalten entsprechende Systeme und Vorrichtungen, die jeweils konfiguriert sind zum Durchführen entsprechender Ausführungsform-Verfahren.
Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. Bei verschiedenen Ausführungsformen enthält der Mikrolautsprecher weiterhin eine an die Schallmikropumpenstruktur gekoppelte integriert Schaltung. Die integrierte Schaltung ist konfiguriert zum Betreiben der Schallmikropumpenstruktur mit mehreren Testfrequenzen, Messen mehrerer Frequenzantworten der Schallmikropumpenstruktur entsprechend den mehreren Testfrequenzen, Bestimmen einer Resonanzfrequenz der Schallmikropumpenstruktur auf der Basis des Messens der mehreren Frequenzantworten, und Einstellen der ersten Frequenz auf der Basis der Resonanzfrequenz.
Bei verschiedenen Ausführungsformen enthält die Schallmikropumpenstruktur eine auslenkbare Membran, die in mehrere Sektionen unterteilt ist mit Schlitzen, die die mehreren Sektionen trennen. Bei einigen Ausführungsformen enthält die Schallmikropumpenstruktur eine schlangenartige Pumpe. Bei weiteren Ausführungsformen enthält die Schallmikropumpenstruktur eine auslenkbare Membran mit Ventilen in der auslenkbaren Membran. Bei solchen Ausführungsformen beinhalten die Ventile möglicherweise Rückschlagventile. Bei anderen derartigen Ausführungsformen können die Ventile spannungsgesteuerte Ventile beinhalten.
Bei verschiedenen Ausführungsformen enthält die Schallmikropumpenstruktur eine Rotorpumpe. Bei einigen Ausführungsformen enthält der Mikrolautsprecher weiterhin ein Gegenvolumen, das an die Schallmikropumpenstruktur gekoppelt ist, und ein Frontvolumen, das an die Schallmikropumpenstruktur gekoppelt ist und einen Ausgang besitzt, der konfiguriert ist zum Ausgeben des Schallsignals. Bei solchen Ausführungsformen ist die Schallmikropumpenstruktur weiterhin konfiguriert zum Pumpen zwischen dem Gegenvolumen und dem Frontvolumen. Bei einigen Ausführungsformen enthält das Frontvolumen eine Filtermembran am Ausgang. Bei weiteren Ausführungsformen enthält die Schallmikropumpenstruktur mehrere Schallmikropumpenstrukturen, die in einem gleichen Substrat angeordnet und als ein Mikropumpenarray konfiguriert sind.
Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Lautsprecher eine Schallpumpe, die konfiguriert ist zum Generieren eines Trägersignals mit einer ersten Frequenz durch Anregen der Schallpumpe mit der ersten Frequenz und Generieren eines Schallsignals mit einer zweiten Frequenz durch Verstellen des Trägersignals. Die erste Frequenz liegt außerhalb eines hörbaren Frequenzbereichs und die zweite Frequenz innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs. Bei solchen Ausführungsformen beinhaltet das Verstellen des Trägersignals das Durchführen von Verstellungen am Trägersignal mit der zweiten Frequenz. Andere Ausführungsformen beinhalten entsprechende Systeme und Vorrichtungen, die jeweils konfiguriert sind zum Durchführen entsprechender Ausführungsform-Verfahren.
Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten. Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Generieren des Schallsignals durch Verstellen des Trägersignals das Verstellen einer Größe des Trägersignals gemäß der zweiten Frequenz und Verstellen einer Richtung des Pumpens für die Schallpumpe gemäß der zweiten Frequenz. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die zweite Frequenz mehrere Frequenzen innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs und das Schallsignal enthält mehrere Töne mit den mehreren Frequenzen innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die erste Frequenz so gewählt, dass sie einer Resonanzfrequenz der Schallpumpe entspricht. Bei einigen Ausführungsformen wird die erste Frequenz konstant gehalten und die zweite Frequenz wird variiert. Bei weiteren Ausführungsformen enthält der Lautsprecher weiterhin eine integrierte Schaltung, die an die Schallpumpe gekoppelt und konfiguriert ist zum Anlegen der Schallpumpe mit mehreren Frequenzen, Messen mehrerer Antworten der Schallpumpe entsprechend den mehreren Frequenzen, und Bestimmen einer Resonanzfrequenz der Schallpumpe auf der Basis des Messens der mehreren Antworten. Die integrierte Schaltung kann weiterhin konfiguriert sein zum Einstellen der ersten Frequenz auf die Resonanzfrequenz. Bei noch einer weiteren Ausführungsform ist die integrierte Schaltung weiterhin konfiguriert zum Abstimmen der Resonanzfrequenz der Schallpumpe durch Verstellen mechanischer Komponenten innerhalb der Schallpumpe.
Ein Vorteil verschiedener Ausführungsformen kann beispielsweise Mikrolautsprecher beinhalten, die in der Lage sind, hörbare Töne mit SPLs zu erzeugen, die bei niedrigeren Frequenzen, z. B. unter 100 Hz, wenig oder nicht nachlassen. Ein weiterer Vorteil verschiedener Ausführungsformen kann eine gesteigerte Effizienz für den Betrieb für Mikrolautsprecher beinhalten. Weitere Vorteile verschiedener Ausführungsformen können Mikrolautsprecher mit großen Auslenkungen auf der Basis einer Resonanzmodenanregung und Mikrolautsprecher, die in der Lage sind, hörbare Töne mit hohen SPLs zu erzeugen, beinhalten. Noch ein weiterer Vorteil verschiedener Ausführungsformen kann einen Mikrolautsprecher mit einer flachen Frequenzkurve beinhalten. Noch ein weiterer Vorteil einiger Ausführungsformen kann einen Mikrolautsprecher beinhalten, der in der Lage ist, Frequenzen über dem hörbaren Bereich zur Verwendung bei der Ultraschall- oder Nahfelddetektion zu erzeugen, als Beispiel.
Die Beschreibung erfolgt hier primär unter Bezugnahme auf Schallsignale in der Luft. Bei weiteren Ausführungsformen jedoch können Ausführungsform-Verfahren und Strukturen auf in einem beliebigen Medium erzeugte Signale angewendet werden.
Wenngleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben worden ist, soll diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinne ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich dem Fachmann bei Bezugnahme auf die Beschreibung. Es ist deshalb beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen oder Ausführungsformen einschließen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Lautsprechers umfassend eine Schallpumpe, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Generieren eines Trägersignals mit einer ersten Frequenz durch Anlegen der Schallpumpe mit der ersten Frequenz, wobei die erste Frequenz außerhalb eines hörbaren Frequenzbereichs liegt; und Generieren eines Schallsignals mit einer zweiten Frequenz durch Verstellen des Trägersignals, wobei das Verstellen des Trägersignals das Durchführen von Verstellungen an dem Trägersignal mit der zweiten Frequenz umfasst und die zweite Frequenz innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Generieren des Schallsignals durch Verstellen des Trägersignals Folgendes umfasst: Verstellen einer Größe des Trägersignals gemäß der zweiten Frequenz, und Verstellen einer Richtung des Pumpens für die Schallpumpe gemäß der zweiten Frequenz.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Frequenz mehrere Frequenzen innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs umfasst; und das Schallsignal mehrere Geräusche mit den mehreren Frequenzen innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Anlegen der Schallpumpe das Anlegen einer Mikropumpenstruktur umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Frequenz über 100 kHz liegt und die zweite Frequenz unter 23 kHz liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Frequenz gewählt ist zum Entsprechen einer Resonanzfrequenz der Schallpumpe.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Frequenz konstant gehalten wird und die zweite Frequenz variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend, vor dem Generieren des Trägersignals: Anlegen der Schallpumpe mit mehreren Frequenzen; Messen mehrerer Antworten der Schallpumpe entsprechend den mehreren Frequenzen; und Bestimmen einer Resonanzfrequenz der Schallpumpe auf der Basis des Messens der mehreren Antworten.
Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend, vor dem Generieren des Trägersignals, das Einstellen der ersten Frequenz auf die Resonanzfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend, vor dem Generieren des Trägersignals, das Abstimmen der Resonanzfrequenz der Schallpumpe durch Verstellen mechanischer Komponenten innerhalb der Schallpumpe.
Mikrolautsprecher, umfassend: eine Schallmikropumpenstruktur, konfiguriert zum Pumpen mit einer ersten Frequenz über einer oberen hörbaren Frequenzgrenze; und Generieren eines Schallsignals durch Verstellen einer Größe und einer Richtung des Pumpens gemäß einer zweiten Frequenz unter der oberen hörbaren Frequenzgrenze.
Mikrolautsprecher nach Anspruch 11, weiterhin umfassend eine integrierte Schaltung, die an die Schallmikropumpenstruktur gekoppelt und konfiguriert ist zum: Betreiben der Schallmikropumpenstruktur mit mehreren Testfrequenzen; Messen mehrerer Frequenzantworten der Schallmikropumpenstruktur entsprechend den mehreren Testfrequenzen; Bestimmen einer Resonanzfrequenz der Schallmikropumpenstruktur auf der Basis des Messens der mehreren Frequenzantworten; und Einstellen der ersten Frequenz auf der Basis der Resonanzfrequenz.
Mikrolautsprecher nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Schallmikropumpenstruktur eine auslenkbare Membran umfasst, die in mehrere Sektionen unterteilt ist mit Schlitzen, die die mehreren Sektionen trennen.
Mikrolautsprecher nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Schallmikropumpenstruktur eine Serpentinpumpe umfasst.
Mikrolautsprecher nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Schallmikropumpenstruktur eine auslenkbare Membran mit Ventilen in der auslenkbaren Membran umfasst.
Mikrolautsprecher nach Anspruch 15, wobei die Ventile Rückschlagventile umfassen.
Mikrolautsprecher nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Ventile spannungsgesteuerte Ventile umfassen.
Mikrolautsprecher nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die Schallmikropumpenstruktur eine Rotorpumpe umfasst.
Mikrolautsprecher nach einem der Ansprüche 11 bis 18, weiterhin umfassend: ein Gegenvolumen, das an die Schallmikropumpenstruktur gekoppelt ist; ein Frontvolumen, das an die Schallmikropumpenstruktur gekoppelt ist und einen Ausgang besitzt, der konfiguriert ist zum Ausgeben des Schallsignals; und wobei die Schallmikropumpenstruktur weiterhin konfiguriert ist zum Pumpen zwischen dem Gegenvolumen und dem Frontvolumen.
Mikrolautsprecher nach Anspruch 19, wobei das Frontvolumen eine Filtermembran am Ausgang umfasst.
Mikrolautsprecher nach einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei die Schallmikropumpenstruktur mehrere Schallmikropumpenstrukturen umfasst, die in einem gleichen Substrat angeordnet und als ein Mikropumpenarray konfiguriert sind.
Lautsprecher, der Folgendes umfasst: eine Schallpumpe, die konfiguriert ist zum Generieren eines Trägersignals mit einer ersten Frequenz durch Anregen der Schallpumpe mit der ersten Frequenz, wobei die erste Frequenz außerhalb eines hörbaren Frequenzbereichs liegt; und Generieren eines Schallsignals mit einer zweiten Frequenz durch Verstellen des Trägersignals, wobei das Verstellen des Trägersignals das Durchführen von Verstellungen an dem Trägersignal mit der zweiten Frequenz umfasst und die zweite Frequenz innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs liegt.
Lautsprecher nach Anspruch 22, wobei das Generieren des Schallsignals durch Verstellen des Trägersignals Folgendes umfasst: Verstellen einer Größe des Trägersignals gemäß der zweiten Frequenz, und Verstellen einer Richtung des Pumpens für die Schallpumpe gemäß der zweiten Frequenz.
Lautsprecher nach Anspruch 22 oder 23, wobei die zweite Frequenz mehrere Frequenzen innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs umfasst; und das Schallsignal mehrere Geräusche mit den mehreren Frequenzen innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs umfasst.
Lautsprecher nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die erste Frequenz gewählt ist zum Entsprechen einer Resonanzfrequenz der Schallpumpe.
Lautsprecher nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die erste Frequenz konstant gehalten wird und die zweite Frequenz variiert wird.
Lautsprecher nach einem der Ansprüche 22 bis 26, weiterhin umfassend eine integrierte Schaltung, die an die Schallpumpe gekoppelt ist und konfiguriert ist zum: Anregen der Schallpumpe mit mehreren Frequenzen; Messen mehrerer Antworten der Schallpumpe entsprechend den mehreren Frequenzen; und Bestimmen einer Resonanzfrequenz der Schallpumpe auf der Basis des Messens der mehreren Antworten.
Lautsprecher nach Anspruch 27, wobei die integrierte Schaltung weiterhin konfiguriert ist zum Einstellen der ersten Frequenz auf die Resonanzfrequenz.
Lautsprecher nach Anspruch 27, wobei die integrierte Schaltung weiterhin konfiguriert ist zum Abstimmen der Resonanzfrequenz der Schallpumpe durch Verstellen mechanischer Komponenten innerhalb der Schallpumpe.