DE102016201872A1

DE102016201872A1 - MEMS-Lautsprechervorrichtung sowie entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102016201872A1
Application number: DE102016201872.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schelling; Thomas Northemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-02-08
Filing date: 2016-02-08
Publication date: 2017-08-10
Also published as: US20170230756A1

Abstract

Die Erfindung schafft eine MEMS-Lautsprechervorrichtung sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die MEMS-Lautsprechervorrichtung umfasst ein erstes Substrat (S1) mit einer ersten Vorderseite (VS1) und einer ersten Rückseite (RS1), welches eine erste Rückseitenkaverne (K1) aufweist, die von einer Schallerzeugungseinrichtung (M) zumindest teilweise überdeckt ist; ein zweites Substrat (S2; S2‘) mit einer zweiten Vorderseite (VS2; VS2‘) und einer zweiten Rückseite (RS2; RS2‘), welches eine zweite Rückseitenkaverne (K2; K2‘) aufweist, die von einer ersten perforierten Platteneinrichtung (BP; SH‘) überdeckt ist; wobei die zweite Rückseite (RS2; RS2‘) derart auf die erste Vorderseite (VS1) gebondet ist, dass die zweite Rückseitenkaverne (K2; K2‘) oberhalb der Schallerzeugungseinrichtung (M) angeordnet ist; sowie eine zweite perforierte Platteneinrichtung (SH; BP‘; SH‘‘), welche oberhalb der ersten perforierten Platteneinrichtung (BP; SH‘) angebracht ist; wobei mindestens eine der ersten perforierten Platteneinrichtung (BP; SH‘) und der zweiten perforierten Platteneinrichtung (SH; BP‘; SH‘‘) derart elastisch auslenkbar ist, dass ein Durchtritt von Schall der Schallerzeugungseinrichtung (M) durch ein Zusammenwirken der ersten perforierten Platteneinrichtung (BP; SH‘) und der zweiten perforierten Platteneinrichtung (SH; BP‘; SH‘‘) modulierbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine MEMS-Lautsprechervorrichtung sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Stand der Technik
Obwohl auch beliebige mikromechanische Substrate anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von MEMS-Substraten auf Siliziumbasis erläutert.
Die Darstellung konkurrenzfähiger MEMS-Lautsprecher ist bisher dadurch erschwert, dass sich keine ausreichend hohen Schallpegel bei niedrigen Frequenzen erzielen lassen. Bedingt durch die physikalischen Eigenschaften ergibt sich im Fernfeld ein quadratischer Anstieg des Schalldrucks P mit der Kreisfrequenz gemäß nachfolgender Formel: P = ρ·d²h₀·ω²/8R
Dabei ist ρ die Dichte der Luft, d der Durchmesser der Membran, h₀ die maximale Auslenkung der Membran, R der Abstand des „Hörers" und ω die Kreisfrequenz. Normiert man diesen Schalldruck P auf einen Referenzdruck p₀ = 20 µPa und bildet den Logarithmus, erhält man den Sound Pressure Level (SPL): SPL = 20log₁₀(P/P₀)
Trägt man nun den SPL, auf Deutsch „Schalldruckpegel" oder kurz „Schallpegel" über der Frequenz auf, erkennt man einen Anstieg von 40 dB/Dekade aufgrund des quadratischen Anstiegs des Schalldrucks über der Frequenz. Die Erkenntnis lässt sich auch anders formulieren: Zu niedrigen Frequenzen fällt der Schallpegel mit 40dB/Dekade ab. Dadurch lassen sich tiefe Frequenzen (Bass) schlecht darstellen. Ein idealer Lautsprecher zeigt einen konstanten Verlauf des Schallpegels über den gesamten hörbaren Frequenzbereich (20Hz–20kHz) auf.
In der WO 2015/11 96 28 A2 wird das Prinzip eines mikromechanischen Ultraschall-Lautsprechers beschrieben, der über den gesamten hörbaren Bereich einen konstanten Schallpegel zur Verfügung stellt und somit auch bei niedrigen Frequenzen hohe Schallpegel ermöglicht. Der dort beschriebene Lautsprecher besitzt eine ultraschallgenerierende Membran, die mit einer ersten Frequenz schwingt, eine akustisch transparente Backplate (auch als Rückenplatte bezeichnet) und einen den Ultraschall modulierenden Shutter (auch als Verschließeinrichtung bezeichnet), der mit einer zweiten, variablen Frequenz schwingt. Die dort beschriebene Ausgestaltung auf einem einzelnen Substrat führt jedoch über die bedingt durch das kleine Volumen (zwischen Membran und Shutter) steife Gasfeder zu einer starken fluidischen Kopplung der Bewegungen der schallerzeugenden Membran und des modulierenden Shutters.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine MEMS-Lautsprechervorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 15.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, dass in einem ersten und wenigstens einem zweiten Substrat jeweils Rückseitenkavernen ausgebildet sind, wobei das erste und zweite Substrat miteinander verbunden sind und im ersten Substrat wenigstens eine Schallerzeugungseinrichtung, z.B. eine ultraschallerzeugende Membran bzw. wenigstens ein Biegebalken, realisiert ist. Entweder sind im zweiten Substrat wenigstens eine steife, perforierte Backplate und ein elastisch auslenkbarer Shutter realisiert. Alternativ ist im dritten Substrat die Backplate bzw. der Shutter realisiert oder zwei Shutter sind entweder auf dem zweiten oder jeweils auf dem zweiten und einem dritten Substrat realisiert. Weitere Shutter und/oder Backplates sind ebenfalls möglich.
Für den MEMS-Lautsprecher nach dem Ultraschall-Downconversion-Prinzip ist es besonders vorteilhaft, die freie Bewegung der Schallerzeugungseinrichtung, z.B. der ultraschallgebenden Membran, möglichst wenig zu dämpfen und sie von der Bewegung des Shutters zu entkoppeln. Die Bewegung der Schallerzeugungseinrichtung, z.B. der ultraschallgebenden Membran, wird durch die Gasfederkonstanten zu beiden Seiten der Membran gedämpft. Die Gasfederkonstante ist eine Funktion des Rückvolumens (je größer das Rückvolumen, desto kleiner die Federkonstante und damit die Dämpfung), weshalb ein möglichst großes Rückvolumen vorteilhaft ist. Dieses kann sich in der Substratkaveme (ca. 100 µm–800 µm tief) des ersten Substrats befinden, und zusätzlich in einer Kammer in der Verpackung oder über eine rückseitige Öffnung angeschlossen sein. Für die Gasfeder des Zwischenvolumens zwischen der Schallerzeugungseinrichtung, z.B. der ultraschallgebenden Membran, und Backplate/Shutter gilt dasselbe. Der hohe Fluidwiderstand bei geschlossenem Shutter führt zu einer vertikalen Anregung des Shutters, die eine unabhängige Shutterbewegung in vertikaler Richtung schlecht steuerbar machen würde. Ein lateraler Antrieb des Shutters (lineare oder rotatorische Bewegung in der Ebene) ist daher zu bevorzugen. Sowohl ein piezoelektrischer als auch ein elektrostatischer Antrieb sind realisierbar.
Ein elektrostatischer Antrieb der Schallerzeugungseinrichtung, z.B. der Membran, würde eine weitere feststehende Elektrode in vertikaler Anordnung erfordern, was eine Fluiddämpfung nach sich ziehen würde wegen der damit verbundenen Squeezefilmdämpfung. Daher ist ein piezoelektrischer Antrieb zu bevorzugen. Für den Betrieb ist außerdem eine geringe Masse der Schallerzeugungseinrichtung, z.B. der ultraschallgebenden Membran, wünschenswert. Dies ergibt sich z.B. durch eine hohe Eigenfrequenz der Membran, z. B. durch geringe Massendichte bzw. kleine Membrandicke (1–20 µm).
Der Shutter sollte als dicke Funktionsschicht (vorzugsweise > 5 µm) dargestellt werden, sodass sich eine hohe Steifigkeit in vertikaler Richtung ergibt, und die Druckstöße der Schallerzeugungseinrichtung, z.B. der ultraschallgebenden Membran, abgefangen werden können, ohne dass der Shutter an der Backplate anschlägt. Für den Fall, dass der Shutter doch einmal vertikal an die Backplate bzw. den zweiten Shutter anschlagen könnte, könnten Stopp-Bumps, z. B. auf den Querstegen, vorgesehen sein.
Die Erfindung schafft somit eine mikromechanische MEMS-Lautsprechervorrichtung, dessen Membran- und Shutterbewegungen weitgehend unabhängig voneinander sind, wobei die relative Anordnung von Backplate und Shutter zur Schallerzeugungseinrichtung, z.B. Membran, egal sind.
Weitere Vorteile sind u.a. eine niedrige Leistungsaufnahme, kein Abfall des Schallpegels zu niedrigen Frequenzen hin sowie eine geringe Baugröße.
Die Erfindung kann vorteilhaft zur Herstellung von mikromechanischen Lautsprechern eingesetzt werden, insbesondere für den Einsatz von Fernfeldlautsprechern, wie sie in flachen TV-Anlagen, Freisprecheinrichtungen von Smartphones (geringes Bauvolumen) usw. eingesetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die erste perforierte Platteneinrichtung eine starre Rückenplatte und die zweite perforierte Platteneinrichtung eine elastisch auslenkbare Verschließeinrichtung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die erste perforierte Platteneinrichtung eine elastisch auslenkbare Verschließeinrichtung und die zweite perforierte Platteneinrichtung eine starre Rückenplatte.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die erste perforierte Platteneinrichtung eine elastisch auslenkbare Verschließeinrichtung und die zweite perforierte Platteneinrichtung eine elastisch auslenkbare Verschließeinrichtung. Zur Vermeidung von Energieauskopplungen an die Verpackung können mehrere Verschließeinrichtungen bzw. Shutter eingesetzt werden, die mit entgegengesetzter Schwingungsrichtung angetrieben werden können. Außerdem wird damit die anzutreibende Einzelmasse verringert. Die Einzelshutterelemente können über einer Feder mechanisch miteinander gekoppelt werden, um eine identische Antriebsfrequenz sicherzustellen und ein Auseinanderlaufen der Phasen zu verhindern. Außerdem lassen sich mehrere leichte/kleine Einzelshutterelemente bei höherer Antriebsfrequenz betreiben und darüber hinaus schneller in ihrer Antriebsfrequenz modulieren.
Zur Vermeidung von äußeren Störeinflüssen wie linearen Beschleunigungen, Drehwinkelbeschleunigungen oder allgemein Vibrationen oder Energieverlusten über das Gehäuse werden bevorzugt mehrere gegen einander schwingende Shutter (mindestens 2, noch besser 4) mit identischer Masse eingesetzt. Ggfs. können mehrere gleichphasig schwingende Membranen mit jeweils gegenphasig schwingenden Shuttern verwendet werden. Die Shutter können dabei bevorzugt mechanisch und ggf. fluidisch gegenphasig betrieben werden, was es erlaubt, die Abstrahlung von Schallenergie im hochfrequenten Summenfrequenzbereich zu unterdrücken.
Bei Auftrennung der einzelnen Funktionen in separate Wafer können die Komponenten jeweils optimal ausgelegt werden, sowie deren vertikale Abstände voneinander frei gewählt werden.
Ein Betrieb der erfindungsgemäßen Lautsprechervorrichtung mit zwei Shutterebenen statt Shutter-Backplate-Kombination erlaubt eine geringere Antriebsspannung, da nur die halbe Auslenkung beider Shutterebenen erforderlich ist, um die Perforationen zu verschließen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die zweite perforierte Platteneinrichtung auf der zweiten Vorderseite gebildet. Somit werden zum Aufbau nur zwei Substrate benötigt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist ein drittes Substrat mit einer dritten Vorderseite vorgesehen, welches eine dritte Rückseitenkaverne aufweist, die von der zweiten perforierten Platteneinrichtung überdeckt ist, wobei die dritte Vorderseite auf die zweite Vorderseite gebondet ist. Dies ermöglicht eine weiter verbesserte Schwingungsentkopplung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Schallerzeugungseinrichtung eine Membraneinrichtung. Eine derartige Schallerzeugungseinrichtung ist sehr robust herstellbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Membraneinrichtung Ventilierungslöcher auf, die vorzugsweise in ihrem Randbereich vorgesehen sind und die vorzugsweise zum Öffnen und Verschließen steuerbar sind. Diese Ventilierungslöcher sind vorzugsweise mit kleinem Radius als Bypass im Randbereich der Membran eingebracht. Dies vermeidet die Ausbildung eines Unterdrucks/Überdrucks im Rückvolumen und damit eine Dämpfung bei tiefen Frequenzen, d. h. geringere SPLs, und erlaubt einen statischen Druckausgleich im Rückvolumen. Für hohe Frequenzen spielen die Ventilierungslöcher wegen ihres hohen Fluidwiderstandes keine Rolle. Dabei können diese Ventilierungslöcher durch mikromechanische Ventile, also steuerbare Ventilierungslöcher, ersetzt werden. Dadurch ließe sich ein unerwünschtes Entweichen der Luft während des Pumpzyklus vermeiden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Verschließeinrichtung und/oder die Membraneinrichtung über einen Feder-/Piezoantrieb oder einen Feder-/Elektrostatisch-Antrieb elastisch auslenkbar. Insbesondere der Feder-/Piezoantrieb benötigt keine Zusatzelektroden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Backplate einen variablen Perforationsgrad auf, der vorzugsweise von ihrem Zentrumsbereich zu ihrem Randbereich hin abnimmt. Die Backplate (z.B. 1–5 µm Dicke) kann dadurch einen möglichst geringen Strömungswiderstand aufweisen, dass eine besonders hohe Perforationsdichte im Bereich der größten Auslenkung der Schallerzeugungseinrichtung, z.B. der ultraschallgebenden Membran, realisiert ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist ein viertes Substrat vorgesehen, auf das die erste Rückseite gebondet ist und das ein Durchgangsloch aufweist, welches einen Fluidzugang zur ersten Rückseitenkaverne bildet. Das Rückvolumen im ersten Substrat ist von dem vierten Substrat (auch filmartig als fluiddurchlässige Folie möglich) mit Durchgangsloch bzw. Durchgangslöchern überdeckt. Dies erlaubt es, eine sehr definierte Luftleckage für das Rückvolumen darzustellen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die MEMS-Lautsprechervorrichtung auf einem Trägersubrat montiert, wobei auf dem Trägersubstrat ein die MEMS-Lautsprechervorrichtung umgebendes Kammersubstrat angebracht ist und wobei auf dem Kammersubstrat ein Deckelsubstrat vorgesehen ist, das eine Schallaustrittsöffnung aufweist. Zum Schutz der Lautsprechervorrichtung vor eindringenden Partikeln bzw. Nässe kann eine flexible, fluiddurchlässige Schutzfolie über der Schallaustrittsöffnung vorgesehen sein. So lässt sich eine einfache robuste Verpackung erstellen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das Kammersubstrat einen zentralen Bereich auf, in dem die MEMS-Lautsprechervorrichtung vorgesehen ist, und einen Randbereich, der über einen Kanal im Trägersubstrat mit der ersten Rückseitenkaverne im zentralen Bereich fluidisch verbunden ist und der ansonsten vom zentralen Bereich fluidisch entkoppelt ist. Dies ermöglicht ein abgeschlossenes relativ großes Rückvolumen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das Kammersubstrat einen Innenbereich auf, in dem die MEMS-Lautsprechervorrichtung vorgesehen ist, wobei das Trägersubstrat eine Durchgangsöffnung aufweist, die einen Fluidzugang zur ersten Rückseitenkaverne bildet. So erhält man ein externes Rückvolumen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Draufsicht der Shuttereinrichtung der MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
7 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 bezeichnet Bezugszeichen 10 allgemein eine MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche ein erstes Substrat S1 mit einer ersten Vorderseite VS1 und einer ersten Rückseite RS1 und ein zweites Substrat S2 mit einer zweiten Vorderseite VS2 und einer zweiten Rückseite RS2 aufweist.
Das erste Substrat S1 ist beispielsweise ein Siliziumsubstrat, welches einen Silizium-Trägerbereich S11 und einen darauf aufgebrachten Silizium-Funktionsbereich S12 aufweist.
Im Silizium-Trägerbereich S11 ist eine erste Rückseitenkaverne K1 vorgesehen, welche sich von der ersten Rückseite RS1 bis zum Silizium-Funktionsbereich S12 erstreckt und die Funktion eines Rückenvolumens (Backvolume) hat. Die Membraneinrichtung M weist Ventilierungslöcher H1 auf, die vorzugsweise in ihrem Randbereich vorgesehen sind und die vorzugsweise zum Öffnen und Verschließen ventilmäßig steuerbar sind.
Im Schwingungszustand bewegt sich die Membraneinrichtung M entlang der ersten Bewegungsrichtung B1. Eine elektrische Ansteuerung der Funktionselemente des Silizium-Funktionsbereichs S12 erfolgt über elektrische Kontaktpads, die hier beispielsweise mit Bezugszeichen P1, P2 bezeichnet sind.
Im vorliegenden Beispiel ist die Schallerzeugungseinrichtung eine Membraneinrichtung M, sie ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern kann beispielsweise auch die Form von einem oder mehreren Schwingungsbalken o. ä. annehmen.
Das zweite Substrat S2 ist beispielsweise ein SOI-Substrat (Silicon on insulator). Das zweite Substrat S2 weist einen Silizium-Trägerbereich S21, einen Siliziumoxidbereich S22, einen ersten Silizium-Funktionsbereich S23, einen Siliziumoxidverbindungsbereich S24 und einen zweiten Silizium-Funktionsbereich S25 auf.
Das zweite Substrat S2 weist eine zweite Rückseitenkaverne K2 auf, die sich von der zweiten Rückseite RS2 bis zum ersten Silizium-Funktionsbereich S23 erstreckt.
Oberhalb der zweiten Rückseitenkaverne K2 ist in dem ersten Silizium-Funktionsbereich S23 eine Backplate bzw. Rückenplatte BP ausgebildet, welche im Wesentlichen starr ist und Ventilierungslöcher H2 aufweist. Sie sollte einen möglichst geringen Strömungswiderstand für die Schallwellen der Membraneinrichtung M aufweisen und vorzugsweise eine hohe Perforationsdichte im Bereich der größten Auslenkung der Membraneinrichtung, also in ihrem zentralen Bereich.
Das zweite Substrat S2 ist mittels Bondverbindungen V1, V2 auf die erste Vorderseite VS1 des ersten Substrats S1 derart mit ihrer zweiten Rückseite RS2 gebondet, dass die zweite Rückseitenkaverne K2 oberhalb der Membraneinrichtung M angeordnet ist, sodass vorzugsweise ein möglichst großer Schalldurchtritt erfolgt.
In dem zweiten Silizium-Funktionsbereich S25 ist oberhalb der Rückplatte BP eine plattenförmige Shuttereinreichtung bzw. Verschließeinrichtung SH ausgebildet, welche ebenfalls Ventilierungslöcher H3 aufweist und welche in einer zweiten Bewegungsrichtung B2 in ihrer Plattenebene elastisch auslenkbar ist. Die Auslenkung erfolgt über einen Antriebsbereich AB, welcher nachstehend detaillierter mit Bezug auf 2 erläutert werden wird. Die zweite Bewegungsrichtung B2 ist im Wesentlichen senkrecht zur ersten Bewegungsrichtung B1 und derart gewählt, dass ein Durchtritt von Schall der Membraneinrichtung M durch ein Zusammenwirken der Rückenplatte BP und der Verschließeinrichtung SH modulierbar ist, sodass durch akustische Schwebungen die Lautsprecherfunktion realisierbar ist. Für den Antrieb der Verschließeinrichtung SH sind ebenfalls elektrische Kontaktpads vorgesehen, welche hier beispielsweise mit P3, P4 bezeichnet sind.
Da sich in der Praxis eine reine Bewegung in der Plattenebene der Verschließeinrichtung SH nicht realisieren lässt, können aus Sicherheitsgründen sowohl an der Rückenplatte BP als auch an der Verschließeinrichtung SH Stoppbumps vorgesehen werden, welche hier mit Bezugszeichen BU bezeichnet sind.
Obwohl im vorliegenden Beispiel die Verschließeinrichtung SH oberhalb der Rückenplatte BP liegt, kann die Anordnung auch umgekehrt sein, da für die Funktion der Lautsprechervorrichtung lediglich die Möglichkeit der akustischen Modulation durch die Bewegung entlang der zweiten Bewegungsrichtung B2 maßgeblich ist.
Beim Betrieb als Lautsprecher wird beispielsweise an die Membraneinrichtung M eine Frequenz von mehreren Hundert kHz angelegt und diese über die Verschließeinrichtung SH mit derselben Frequenz +20 kHz oder –20 kHz moduliert, wobei der Bereich von 0–20 kHz gerade dem akustischen Hörbereich entspricht. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Verschließeinrichtung SH mit konstanter Frequenz zu betreiben und die Membraneinrichtung M frequenzmoduliert zu betreiben.
2 ist eine schematische Draufsicht der Shuttereinrichtung der MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 2 ist die Shuttereinrichtung bzw. Verschließeinrichtung SH dargestellt, welche bei diesem Beispiel 4 plattenförmige elastisch aufgehängte Schwingmassen M1, M2, M3 und M4 aufweist, welche, wie durch die Pfeile dargestellt, gegenphasig getrieben werden. Über Stege ST sind die Schwingmassen M1, M2, M3, M4 jeweils beidseitig mit einem entsprechenden Feder-/Piezoantrieb FP1, FP2, FP3 und FP4 verbunden, welcher jeweils für die Auslenkung in Plattenebene aus der Ruhelage sorgt, wobei die Rückstellkraft durch die entsprechenden Federn erzeugt wird.
Stoppbumps BU‘ an den Schwingmassen M1, M2, M3 und M4 sorgen dafür, dass unerwünschte Bewegungen senkrecht zur zweiten Bewegungsrichtung B2 keine Beschädigungen hervorrufen können.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 3 bezeichnet Bezugszeichen 10a allgemein eine MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform, bei der Aufbau und Funktion des ersten Substrats S1 ebenso sind, wie zuvor bei der ersten Ausführungsform beschrieben.
Ein zweites Substrat S2‘ mit einer zweiten Rückseitenkaverne K2‘ ist bei dieser Ausführungsform ebenfalls ein SOI-Substrat mit einem Silizium-Trägerbereich S21‘, einem Siliziumoxidbereich S22‘ und einem Silizium-Funktionsbereich S23‘. Im Unterschied zu ersten Ausführungsform ist in dem Silizium-Funktionsbereich S23‘ eine Verschließeinrichtung SH‘ vorgesehen, welche in der zweiten Bewegungsrichtung B2 bewegbar ist und welche Ventilierungslöcher H3‘ oberhalb der Rückseitenkaverne K2‘ aufweist, welche sich von der zweiten Rückseite RS2‘ bis zum Silizium-Funktionsbereich S23‘ erstreckt. Analog zur ersten Ausführungsform ist die zweite Rückseite RS2‘ mittels Bondverbindungen V1, V2 auf die erste Vorderseite VS1 gebondet.
Zum Antrieb der Verschließeinrichtung SH‘ werden elektrische Kontaktpads verwendet, was beispielsweise hier mit Bezugszeichen P3‘ angedeutet ist. Die Funktion der Verschließeinrichtung SH‘ ist identisch, wie oben mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben. Der Antriebsbereich ist hier mit Bezugszeichen AB‘ bezeichnet.
Bei der zweiten Ausführungsform ist zusätzlich ein drittes Substrat S3 vorgesehen, welches eine dritte Vorderseite VS3 und eine dritte Rückseite RS3 aufweist.
Das dritte Substrat S3 ist in diesem Beispiel ebenfalls ein SOI-Substrat mit einem Silizium-Trägerbereich S31, einem Siliziumoxidbereich S32 und einem Silizium-Funktionsbereich S33. In dem Silizium-Funktionsbereich S33 ist eine im wesentlichen starre Rückenplatte bzw. Backplate BP‘ mit Ventilierungslöchern H2‘ vorgesehen, welche wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform mit der Verschließeinrichtung SH‘ zusammen wirkt.
Die dritte Vorderseite VS3 ist mittels Bondverbindungen V3, V4 auf die zweite Vorderseite S2‘ des zweiten Substrats S2‘ gebondet, so dass Verschließeinrichtung SH‘ und Rückenplatte BP‘ übereinanderliegen.
Durch Realisierung der dritten Rückseitenkaverne K3 lässt sich bei dieser zweiten Ausführungsform eine gerichtetere Schallabstrahlung erzielen. Hierbei ist diese dritte Rückseitenkaverne K3 selbstverständlich optional.
Auch bei der zweiten Ausführungsform, welche drei Substrate S1, S2‘, S3 verwendet, können die Anordnung der Verschließeinrichtung SH‘ und der Rückenplatte BP‘ vertauscht sein, d. h. die Rückenplatte BP‘ im zweiten Substrat S2‘ vorgesehen sein und die Verschließeinrichtung SH‘ im dritten Substrat S3 vorgesehen sein.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 4 bezeichnet Bezugszeichen 10b allgemein eine MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform, bei der Aufbau und Funktion des ersten Substrats S1 und des zweiten Substrats S2‘ ebenso sind, wie zuvor bei der zweiten Ausführungsform beschrieben.
Im Unterschied zur zweiten Ausführungsform ist bei der dritten Ausführungsform im dritten Substrat S3‘ mit einer dritten Vorderseite VS3‘ und einer dritten Rückseite RS3‘, welches ein SOI-Substrat ist und einen Silizium-Trägerbereich S21‘, einen Siliziumoxidbereich S22‘ und einen Silizium-Funktionsbereich S23‘ aufweist, eine zweite Verschließeinrichtung bzw. Shuttereinrichtung SH‘‘ mit Ventilierungslöchern H3‘‘oberhalb einer dritten Rückseitenkaverne K3‘ vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform werden die erste Verschließeinrichtung SH‘ und die zweite Verschließeinrichtung SH‘‘ gegenphasig betrieben, wie durch die Pfeile B2‘ und B2‘‘ angedeutet.
Durch den gegenphasigen Betrieb der ersten Verschließeinrichtung SH‘ und der zweiten Verschließeinrichtung SH‘‘ wird die anzutreibende Masse verringert. Die einzelnen Elemente der Verschließeinrichtungen SH‘ und SH‘‘ können über (nicht dargestellte) Federn mechanisch miteinander gekoppelt werden, um eine identische Antriebsfrequenz sicherzustellen und ein Auseinanderlaufen der Phasen zu verhindern.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der MEMS-Lautsprechervorrichtung 10c gemäß der vierten Ausführungsform ist im Unterschied zur dritten Ausführungsform unterhalb des ersten Substrats S1 ein viertes Substrat S4, beispielsweise ein Siliziumsubstrat, vorgesehen, auf das die erste Rückseite RS1 des ersten Substrats mittels Bondverbindungen V5, V6 gebondet ist. Im Bereich der ersten Rückseitenkaverne K1 weist das vierte Substrat S4 ein Durchgangsloch LO auf, welches einen externen Fluidzugang schafft.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der fünften Ausführungsform sind die oben beschriebenen MEMS-Lautsprechervorrichtungen 10, 10a, 10b, 10c im verpackten Zustand dargestellt. Hier trägt die verpackte Lautsprechervorrichtung allgemein Bezugszeichen 1a. Hierzu ist eine beliebige der MEMS-Lautsprechervorrichtungen 10, 10a, 10b, 10c auf einem Trägersubstrat TS mit Montagepads SP montiert. Auf dem Trägersubstrat TS ist ein dem MEMS-Lautsprechervorrichtung umgebendes Kammersubstrat KS angebracht, wobei auf dem Kammersubstrat KS ein Deckelsubstrat DS vorgesehen ist, das eine Schallaustrittsöffnung SA zum Austritt der Schallwellen SW oberhalb der MEMS-Lautsprechervorrichtung aufweist.
Das Kammersubstrat KS weist einen zentralen Bereich R1 auf, in dem die MEMS-Lautsprechervorrichtung 10, 10a, 10b, 10c vorgesehen ist, sowie einen Randbereich R2, der über einen Kanal CH im Trägersubstrat TS mit der ersten Rückseitenkaverne K1 im zentralen Bereich R1 fluidisch verbunden ist und ansonsten vom zentralen Bereich R1 fluidisch entkoppelt ist. Hierzu weist der Kanal eine erste Durchtrittsöffnung OL und eine zweite Durchtrittsöffnung OC auf. Der Randbereich R2 dient mit als Rückenvolumen bzw. Backvolume.
Im Randbereich R2 können zusätzlich Bauelemente montiert werden, wie z. B. ein ASIC mit Bezugszeichen AC. Das vorsehen weiterer Bauelemente und entsprechender elektrischer Verbindungen ist ebenfalls möglich.
7 ist eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Lautsprechervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der sechsten Ausführungsform trägt die verpackte Lautsprechervorrichtung allgemein Bezugszeichen 1b. Hier ist das Trägersubstrat mit Bezugszeichen TS‘ bezeichnet und weist ein Durchgangsloch KA als Fluidzugang für die erste Rückseitenkaverne K1 der MEMS-Lautsprechervorrichtung 10, 10a, 10b bzw. 10c auf. Das Kammersubstrat ist mit Bezugszeichen KS‘ bezeichnet und ist derart gestaltet, dass es einen einzigen Innenraum R0 aufweist, in dem die MEMS-Lautsprechervorrichtung 10, 10a, 10b bzw. 10c montiert ist.
Das Deckelsubstrat DS‘ weist wie bei der fünften Ausführungsform eine Schallaustrittsöffnung SA für den Durchtritt der Schallwellen SW der MEMS-Lautsprechervorrichtung 10, 10a, 10b bzw. 10c auf. Mittels der Montagepads SP ist die derart gestaltete verpackte Lautsprechervorrichtung auf beliebige Träger montierbar.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Verschließeinrichtungen jeweils mehrere Schwingmassen aufwiesen, ist es selbstverständlich möglich jeweils eine Verschließeinrichtung vorzusehen, welche nur eine einzige Schwingmasse aufweist.
Auch sollte erwähnt werden, dass es selbstverständlich möglich ist aus den oben beschriebenen Lautsprechervorrichtungen Anordnungen bzw. Arrays aufzubauen, welche eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Schallerzeugungseinrichtungen, bzw. Membraneinrichtungen, und jeweils darüber befindliche Verschließeinrichtungen und Rückenplatten aufweisen. Einzelne oder mehrere oder alle der Membraneinrichtungen bzw. der Verschließeinrichtungen können sich dabei entweder jeweils eine gemeinsame Kaverne bzw. Rückseitenkaverne teilen. Auch ist die Erfindung nicht auf die Anzahl der übereinander gestapelten Verschließeinrichtungen bzw. Rückenplatten beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/119628 A2 [0006]

Claims

MEMS-Lautsprechervorrichtung mit: einem ersten Substrat (S1) mit einer ersten Vorderseite (VS1) und einer ersten Rückseite (RS1), welches eine erste Rückseitenkaverne (K1) aufweist, die von einer Schallerzeugungseinrichtung (M) zumindest teilweise überdeckt ist; einem zweiten Substrat (S2; S2‘) mit einer zweiten Vorderseite (VS2; VS2‘) und einer zweiten Rückseite (RS2; RS2‘), welches eine zweite Rückseitenkaverne (K2; K2‘) aufweist, die von einer ersten perforierten Platteneinrichtung (BP; SH‘) überdeckt ist; wobei das zweite Substrat (S2; S2‘) derart auf die erste Vorderseite (VS1) gebondet ist, dass die zweite Rückseitenkaverne (K2; K2‘) oberhalb der Schallerzeugungseinrichtung (M) angeordnet ist; einer zweiten perforierten Platteneinrichtung (SH; BP‘; SH‘‘), welche oberhalb der ersten perforierten Platteneinrichtung (BP; SH‘) angebracht ist; wobei mindestens eine der ersten perforierten Platteneinrichtung (BP; SH‘) und der zweiten perforierten Platteneinrichtung (SH; BP‘; SH‘‘) derart elastisch auslenkbar ist, dass ein Durchtritt von Schall der Schallerzeugungseinrichtung (M) durch ein Zusammenwirken der ersten perforierten Platteneinrichtung (BP; SH‘) und der zweiten perforierten Platteneinrichtung (SH; BP‘; SH‘‘) modulierbar ist.
MEMS-Lautsprechervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste perforierte Platteneinrichtung (BP; SH‘) eine starre Rückenplatte (BP) und die zweite perforierte Platteneinrichtung (SH; BP‘; SH‘‘) eine elastisch auslenkbare Verschließeinrichtung (SH) ist.
MEMS-Lautsprechervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste perforierte Platteneinrichtung (BP; SH‘) eine elastisch auslenkbare Verschließeinrichtung (SH‘) und die zweite perforierte Platteneinrichtung (SH; BP‘; SH‘‘) eine starre Rückenplatte (BP‘) ist.
MEMS-Lautsprechervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste perforierte Platteneinrichtung (BP; SH‘) eine elastisch auslenkbare Verschließeinrichtung (SH‘) und die zweite perforierte Platteneinrichtung (SH; BP‘; SH‘‘) eine elastisch auslenkbare Verschließeinrichtung (SH‘‘) ist.
MEMS-Lautsprechervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite perforierte Platteneinrichtung (SH; BP‘; SH‘‘) auf der zweiten Vorderseite (VS2; VS2‘) gebildet ist.
MEMS-Lautsprechervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein drittes Substrat (S3; S3‘) mit einer dritten Vorderseite (VS3; VS3‘) vorgesehen ist, welches eine dritte Rückseitenkaverne (K3; K3‘) aufweist, die von der zweiten perforierten Platteneinrichtung (SH; BP‘; SH‘‘) überdeckt ist, wobei die dritte Vorderseite (VS3; VS3‘) auf die zweite Vorderseite (VS2; VS2‘) gebondet ist.
MEMS-Lautsprechervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schallerzeugungseinrichtung (M) eine Membraneinrichtung (M) oder ein Biegebalken ist.
MEMS-Lautsprechervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Membraneinrichtung (M) Ventilierungslöcher (H1) aufweist, die vorzugsweise in ihrem Randbereich vorgesehen sind und die vorzugsweise zum Öffnen und Verschließen steuerbar sind.
MEMS-Lautsprechervorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die Verschließeinrichtung (SH; SH‘; SH‘‘) und/oder die Membraneinrichtung (M) über einen Feder-/Piezoantrieb oder einen Feder-/ Elektrostatisch-Antrieb elastisch auslenkbar ist.
MEMS-Lautsprechervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Backplate (BP; BP‘) einen variablen Perforationsgrad aufweist, der vorzugsweise von ihrem Zentrumsbereich zu ihrem Randbereich hin abnimmt.
MEMS-Lautsprechervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein viertes Substrat (S4) vorgesehen ist, auf das die erste Rückseite (RS1) gebondet ist und das ein Durchgangsloch (LO) aufweist, welches einen Fluidzugang zur ersten Rückseitenkaverne (K1) bildet.
MEMS-Lautsprechervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die auf einem Trägersubrat (TS; TS‘) montiert ist, wobei auf dem Trägersubstrat (TS; TS‘) ein die MEMS-Lautsprechervorrichtung umgebendes Kammersubstrat (KS; KS‘) angebracht ist und wobei auf dem Kammersubstrat (KS; KS‘) ein Deckelsubstrat (DS; DS‘) vorgesehen ist, das eine Schallaustrittsöffnung (SA) aufweist.
MEMS-Lautsprechervorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Kammersubstrat (KS) einen zentralen Bereich (R1) aufweist, in dem die MEMS-Lautsprechervorrichtung vorgesehen ist, und einen Randbereich (R2) aufweist, der über einen Kanal (CH) im Trägersubstrat (TS) mit der ersten Rückseitenkaverne (K1) im zentralen Bereich (R1) fluidisch verbunden ist und der ansonsten vom zentralen Bereich (R1) fluidisch entkoppelt ist.
MEMS-Lautsprechervorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Kammersubstrat (KS) einen Innenbereich (R0) aufweist, in dem die MEMS-Lautsprechervorrichtung vorgesehen ist, wobei das Trägersubstrat (TS‘) eine Durchgangsöffnung (KA) aufweist, die einen Fluidzugang zur ersten Rückseitenkaverne (K1) bildet.
Verfahren zum Herstellen einer MEMS-Lautsprechervorrichtung mit den Schritten: Bilden von einem ersten Substrat (S1) mit einer ersten Vorderseite (VS1) und einer ersten Rückseite (RS1), welches eine erste Rückseitenkaverne (K1) aufweist, die von einer Schallerzeugungseinrichtung (M) zumindest teilweise überdeckt ist; Bilden von einem zweiten Substrat (S2; S2‘) mit einer zweiten Vorderseite (VS2; VS2‘) und einer zweiten Rückseite (RS2; RS2‘), welches eine zweite Rückseitenkaverne (K2; K2‘) aufweist, die von einer ersten perforierten Platteneinrichtung (BP; SH‘) überdeckt ist; wobei das zweite Substrat (S2; S2‘) derart auf die erste Vorderseite (VS1) gebondet wird, dass die zweite Rückseitenkaverne (K2; K2‘) oberhalb der Schallerzeugungseinrichtung (M) angeordnet ist; Bilden einer zweiten perforierten Platteneinrichtung (SH; BP‘; SH‘‘), welche oberhalb der ersten perforierten Platteneinrichtung (BP; SH‘) angebracht wird; wobei mindestens eine der ersten perforierten Platteneinrichtung (BP; SH‘) und der zweiten perforierten Platteneinrichtung (SH; BP‘; SH‘‘) derart elastisch auslenkbar gebildet wird, dass ein Durchtritt von Schall der Schallerzeugungseinrichtung (M) durch ein Zusammenwirken der ersten perforierten Platteneinrichtung (BP; SH‘) und der zweiten perforierten Platteneinrichtung (SH; BP‘; SH‘‘) modulierbar ist.