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Die vorliegende Erfindung betrifft einen MEMS-Schallwandler, insbesondere zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum, mit einem Träger, einer Membran, die mit dem Träger verbunden und gegenüber diesem entlang einer Hubachse auslenkbar ist, zumindest einem in Richtung der Hubachse von der Membran beabstandeten Piezoelement zum Erzeugen und/oder Erfassen einer Auslenkung der Membran, das ein mit dem Träger verbundenes erstes Ende und ein in Richtung der Hubachse auslenkbares zweites Ende umfasst, und einem Koppelelement, das sich in Richtung der Hubachse zwischen dem Piezoelement und der Membran erstreckt und das zweite Ende des Piezoelements mit der Membran verbindet.
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Aus der
WO 2016/034665 A1 ist ein MEMS bekannt, das eine Membran, eine Hubstruktur, die mit der Membran gekoppelt ist, und zumindest zwei piezoelektrischen Aktuatoren, die über eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Verbindungselementen mit einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Kontaktpunkten der Hubstruktur verbunden sind, wobei die zumindest zwei piezoelektrischen Aktuatoren ausgebildet sind, um eine Hubbewegung der Hubstruktur hervorzurufen, um die Membran auszulenken. Nachteilig an diesem MEMS ist jedoch, dass eine Leistungsfähigkeit eingeschränkt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen MEMS-Schallwandler mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Vorgeschlagen wird ein MEMS-Schallwandler, welcher beispielsweise betrieben werden kann, um Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum zu erzeugen und/oder zu erfassen. Der MEMS-Schallwandler kann beispielsweise in einem Smartphone, einem Kopfhörer oder einem anderen elektrischen Gerät angeordnet sein. Der MEMS-Schallwandler kann aber auch zum Erzeugen und/oder Erfassen von Ultraschallwellen betrieben werden. Der MEMS-Schallwandler kann dann beispielsweise in medizinischen und/oder technischen Diagnosegeräten, in Abstandssensoren oder ähnlichem angeordnet sein.
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Der MEMS-Schallwandler umfasst ferner einen Träger und eine Membran, die mit dem Träger verbunden und gegenüber diesem entlang einer Hubachse auslenkbar ist. Die Membran kann dabei in ihrem gesamten Randbereich mit dem Träger verbunden sein. Mit Hilfe der Membran können zum einen Schallwellen erzeugt werden. Die Membran kann dazu in Schwingungen versetzt werden, die die über der Membran angeordnete Luft ebenfalls in Schwingungen versetzen. Die sich ausbreitenden Schwingungen sind die Schallwellen, die einen Ton transportieren. Zum anderen kann die Membran aber auch in Schwingung versetzt werden. Treffen Schallwellen auf die Membran, beginnt diese ebenfalls zu schwingen.
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Des Weiteren weist der MEMS-Schallwandler zumindest ein in Richtung der Hubachse von der Membran beabstandetes Piezoelement zum Erzeugen und/oder Erfassen einer Auslenkung der Membran auf. Das Piezoelement kann mit Hilfe einer elektrischen Spannung ausgelenkt werden. Wird das Piezoelement selbst durch eine auf das Piezoelement wirkende Kraft ausgelenkt, erzeugt es eine elektrische Spannung. Das Piezoelement umfasst ein erstes Ende, das mit dem Träger verbunden ist. Außerdem weist das Piezoelement ein in Richtung der Hubachse auslenkbares zweites Ende auf.
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Um das zweite Ende des Piezoelements mit der Membran zu verbinden, weist der MEMS-Schallwandler ein Koppelelement auf, das sich in Richtung der Hubachse zwischen dem Piezoelement und der Membran erstreckt. Mittels des Koppelelements kann zum Erzeugen von Schallwellen die durch die elektrische Spannung erzeugte Auslenkung des Piezoelements auf die Membran übertragen werden. Mittels eines elektrischen Signals kann die Membran durch das Koppelelement in entsprechende Schwingungen versetzt werden, so dass beispielsweise ein Ton erzeugt werden kann. Die Schwingungen der Schallwellen können mit Hilfe des Koppelelements auch von der Membran auf das Piezoelement übertragen werden, welches es in das elektrische Signal umsetzt.
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Erfindungsgemäß bilden das zumindest eine Piezoelement und das Koppelelement zusammen einen einseitig eingespannten Kragarm aus, der ein durch das erste Ende des Piezoelements gebildetes eingespanntes Ende und ein durch das Koppelelement gebildetes freies Ende aufweist. Dadurch kann der Kragarm am freien Ende frei schwingen. Infolgedessen kann das Piezoelement entlang der Hubachse eine hohe Auslenkung erfahren. Beispielsweise können damit Schallwellen mit einer hohen Amplitude erzeugt werden.
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Ferner weist der MEMS-Schallwandler eine hohe Linearität auf. Wenn das Piezoelement mit dem elektrischen Signal beaufschlagt wird, lenkt sich das freie Ende aus. Dadurch, dass das Piezoelement und das Koppelelement als Kragarm ausgebildet sind, ist die Auslenkung des freien Endes linear proportional zur momentanen Amplitude des elektrischen Signals. Die dadurch erzeugten Schallwellen weisen ebenfalls eine Schallamplitude auf, die linear proportional zur Auslenkung des freien Endes ist. Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen MEMS-Schallwandlers aus dem elektrischen Signal erzeugten Schallwellen weisen somit eine hohe Linearität auf.
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Durch die Ausbildung des Piezoelements und des Koppelelements als Kragarm kann die Membran vom Piezoelement auch mit einer hohen Kraft beaufschlagt werden. Dadurch kann die Membran vorteilhaft ausgelenkt bzw. in Schwingung versetzt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Kragarm im Bereich seines freien Endes ausschließlich mit der Membran verbunden. Dadurch kann das freie Ende frei schwingen, ohne dass es durch etwas anderes in der Schwingung beeinflusst wird. Das freie Ende wird beispielsweise nicht durch ein weiteres Bauteil in der Schwingung gehemmt bzw. gebremst. Dadurch ist beispielsweise die hohe Linearität des MEMS-Schallwandlers möglich. Ebenso kann dadurch eine hohe Auslenkung der Membran mit einer hohen Kraft erreicht werden.
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Von Vorteil ist es ferner, wenn in einer Seitenansicht zwischen der dem Aktor abgewandten Seite des Koppelelements und dem Träger ein Freiraum ausgebildet ist. Dadurch ist das Koppelelement vom Träger beabstandet und kann frei schwingen.
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Ebenso ist es vorteilhaft, wenn der Freiraum in einer Draufsicht eine U-Form aufweist, so dass der Kragarm an seinem freien Ende und seinen beiden Längsseiten vom Träger beabstandet ist. Dadurch weist lediglich das eingespannte Ende des Kragarms mit dem Träger einen Kontakt auf, so dass die Längsseiten und das freie Ende frei gegenüber dem Träger schwingen können.
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Von Vorteil ist es, wenn der Träger zumindest eine Aussparung aufweist, in der der Kragarm angeordnet ist. Die Aussparung kann dabei vollständig vom Träger umrahmt sein. Die Aussparung kann sich ferner vollständig in Richtung der Hubachse durch den Träger hindurch erstrecken, so dass die Aussparung eine obere und eine untere Öffnung aufweist. Eine der beiden Öffnungen kann von der Membran abgedeckt sein.
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Wenn in der Aussparung lediglich ein einziger Kragarm angeordnet ist, bringt dies auch Vorteile mit sich. Der Kragarm kann dann nicht von einem anderen Kragarm in der Auslenkung entlang der Hubachse gehemmt werden.
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Zusätzlich ist es von Vorteil, wenn der MEMS-Schallwandler mehrere Kragarme aufweist, die in der Draufsicht seitlich nebeneinander angeordnet sind. Zusätzlich oder alternativ können bei mehreren Kragärmen diese auch in der Draufsicht hintereinander angeordnet sein. Dadurch kann die Kraft auf die Membran erhöht werden. Außerdem kann mit mehreren voneinander beabstandeten Kragärmen die Membran gleichmäßig und insbesondere flächig ausgelenkt werden. Die Schallwellen können infolgedessen flächig erzeugt und/oder erfasst werden.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn zumindest zwei Kragärme gleich zueinander orientiert sind. Zusätzlich oder alternativ können zumindest zwei Kragärme entgegengesetzt zueinander orientiert sein. Dadurch kann die Membran vorteilhaft ausgelenkt werden.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn zumindest zwei nebeneinander angeordnete und gleichorientierte Kragärme mittels des Koppelelements im Bereich des freien Endes miteinander verbunden sind. Wenn die beiden Kragärme nebeneinander angeordnet sind, sind ihre Längsseiten zueinander zugewandt. Durch die Verbindung der beiden Kragärme mittels des Koppelelements kann die Kraft der beiden Kragärme bei der Auslenkung kombiniert werden.
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Von Vorteil ist es, wenn das Koppelelement mittels einer Gelenkverbindung mit dem Piezoelement verbunden ist, so dass das Koppelelement relativ zum Piezoelement verdrehbar ist. Die Gelenkverbindung kann beispielsweise eine elastische oder eine flexible Gelenkverbindung sein. Mittels der Verdrehbarkeit des Koppelelements kann beim Auslenken des Piezoelements das Koppelelement parallel zur Membran ausgerichtet bleiben. Die Membran wird dadurch in einem Kontaktbereich zwischen dem Koppelelement und der Membran weniger belastet.
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Vorteilhaft ist es außerdem, wenn das Piezoelement und das Koppelelement materialeinteilig ausgebildet sind. Dadurch kann beispielsweise in einem Herstellungsschritt das Piezoelement mit dem daran angeordneten Koppelelement hergestellt werden.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der MEMS-Schallwandler ein MEMS-Lautsprecher ist. Zusätzlich oder alternativ kann der MEMS-Schallwandler auch ein MEMS-Mikrofon sein.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines MEMS-Schallwandlers mit einem Träger, einem Piezoelement und einem Koppelelement,
- 2 eine seitliche Schnittansicht eines MEMS-Schallwandlers mit einem Kragarm,
- 3 eine seitliche Schnittansicht eines MEMS-Schallwandlers mit zwei entgegengesetzt orientierten Kragärmen,
- 4 eine seitliche Schnittansicht eines MEMS-Schallwandlers mit zwei gleich orientierten Kragärmen,
- 5 eine Draufsicht auf einen MEMS-Schallwandler mit zwei Kragärmen,
- 6 eine Draufsicht auf einen MEMS-Schallwandler mit einem Kragarm,
- 7 eine seitliche Schnittansicht eines MEMS-Schallwandlers mit zwei Kragarmen und einer Koppelplatte und
- 8 eine seitliche Schnittansicht eines MEMS-Schallwandlers mit einem Abstandselement zwischen der Membran und Koppelelementen.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines MEMS-Schallwandlers 1. Mittels des MEMS-Schallwandlers 1 können beispielsweise Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum erzeugt werden, so dass dieser als MEMS-Lautsprecher betrieben werden kann. Mit Hilfe des MEMS-Schallwandlers 1 können zusätzlich oder alternativ auch Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum erfasst werden, so dass dieser als MEMS-Mikrofon betrieben werden kann. Der MEMS-Schallwandler 1 kann ferner beispielsweise in einem Smartphone angeordnet sein, um beispielsweise das Telefonieren oder das Hören von Musik zu ermöglichen. Der MEMS-Schallwandler 1 kann beispielsweise auch in einem Kopfhörer angeordnet sein.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet des MEMS-Schallwandlers 1 kann aber auch die Erzeugung und/oder Erfassung von Ultraschallwellen sein. Der MEMS-Schallwandler 1 kann beispielsweise in einem Ultraschallsensor, beispielsweise einem Abstandssensor, angeordnet sein.
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Der MEMS-Schallwandler 1 umfasst ferner einen Träger 2, der ein Grundgerüst des MEMS-Schallwandlers 1 bilden kann. Der Träger 2 kann beispielsweise ein Halbleitersubstrat umfassen, das in einem Ätzverfahren hergestellt sein kann. Auf dem Träger 2 kann eine hier nicht gezeigte Membran 3 angeordnet sein, die beispielsweise vollumfänglich mit dem Träger 2 verbunden ist. Die Membran 3 ist entlang einer Hubachse 4 auslenkbar. Mit Hilfe der Auslenkung der Membran 3 kann die darüber angeordnete Luft in Schwingung versetzt werden, so dass die Schallwellen erzeugt werden. Die Membran 3 kann aber auch selbst von der schwingenden Luft in Schwingung versetzt und somit ausgelenkt werden. Die Membran 3 kann damit die Schallwellen erfassen.
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Zum Erfassen und/oder Erzeugen der Auslenkung der Membran 3 umfasst der MEMS-Schallwandler 1 zumindest ein in Richtung der Hubachse 4 von der Membran 3 beabstandetes Piezoelement 5. Das Piezoelement 5 kann mittels eines elektrischen Signals, das beispielsweise Musik umfasst, ausgelenkt werden, wobei die Auslenkung auf die Membran 3 übertragen wird, so dass die Schallwellen erzeugt werden. Das Piezoelement 5 wirkt somit als Piezoaktor. Der MEMS-Schallwandler 1 wird in diesem Fall als MEMS-Lautsprecher betrieben. Wird dagegen das Piezoelement 5 durch die Membran 3 ausgelenkt, erzeugt das Piezoelement 5 ein elektrisches Signal, das den durch die Membran 3 aufgenommenen Schallwellen entspricht. Das Piezoelement 5 wirkt somit als Piezosensor. Der MEMS-Schallwandler 1 wird dann als MEMS-Mikrofon betrieben.
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Das Piezoelement 5 weist außerdem ein erstes Ende 6 auf, das mit dem Träger 2 verbunden ist. Ferner umfasst das Piezoelement 5 ein in Richtung der Hubachse 4 auslenkbares zweites Ende 7 auf.
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Ebenso weist der MEMS-Schallwandler 1 ein Koppelelement 8 auf, das sich in Richtung der Hubachse 4 zwischen dem Piezoelement 5 und der Membran 3 erstreckt und das zweite Ende 7 des Piezoelements 5 mit der Membran 3 verbindet. Das Koppelelement 8 überträgt somit die Auslenkung des Piezoelements 5 auf die Membran 3, wenn der MEMS-Schallwandler 1 als Lautsprecher betrieben wird. Außerdem überträgt das Koppelelement 8 die Auslenkung der Membran 3 auf das Piezoelement 5, wenn der MEMS-Schallwandler 1 als Mikrofon betrieben wird.
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Vorzugsweise können der Träger 2 und das Koppelelement 8 aus einem gleichen Material, wie beispielsweise einem Halbleitermaterial, ausgebildet sein. Ferner können der Träger 2 und das Koppelelement 8 in Richtung der Hubachse 4 eine gleiche Dicke aufweisen. Beispielsweise können der Träger 2 und das Koppelelement 8 in einem Schichtverfahren zusammen ausgebildet sein, wobei die Hohlräume um den Träger 2 und/oder um das Koppelelement 8 mittels Ätzverfahren entfernt sind. Zusätzlich kann auch das Piezoelement 5 mittels des Schichtverfahrens mit dem Träger 2 und/oder dem Koppelelement 8 ausgebildet sein.
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Des Weiteren bilden das zumindest eine Piezoelement 5 und das Koppelelement 8 zusammen einen einseitig eingespannten Kragarm 9 aus. Der Kragarm 9 weist ein durch das erste Ende 6 des Piezoelements 5 gebildetes eingespanntes Ende 10 und ein durch das Koppelelement 8 gebildetes freies Ende 11 auf. Das Piezoelement 5 kann mit dem Koppelelement 8 einen Ausleger ausbilden, der am eingespannten Ende 10 mit dem Träger 2 verbunden ist. Das freie Ende 11 des Kragarms 9 kann frei schwingen, wenn es ausschließlich mit der Membran 3 verbunden ist. Insbesondere weist das freie Ende 11 keine Verbindung zum Träger 2 und/oder zu einem zum ersten gegenüberliegenden Piezoelement 5 auf. Das freie Ende 11 ist gegenüber dem Träger 2 entkoppelt. Dadurch kann das freie Ende 11 frei schwingen. Das freie Ende 11 wird nicht in der Schwingung behindert. Dadurch kann das freie Ende 11 weit ausgelenkt werden, so dass Schallwellen mit einer hohen Amplitude erzeugt und/oder erfasst werden können.
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Außerdem ist dadurch eine hohe Linearität gegeben. Die Amplitude des elektrischen Signals kann in eine linear proportionale Amplitude der Schallwellen umgesetzt werden. Gleiches gilt, wenn der MEMS-Schallwandler 1 als Mikrofon betrieben wird. Dann kann die Amplitude der Schallwellen in ein linear proportionales elektrisches Signal umgesetzt werden. Ferner kann mittels des Kragarms 9 die Membran 3 mit einer hohen Kraft ausgelenkt werden, da sich das freie Ende 11 ungehemmt bewegen kann.
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Das Koppelelement 8 kann ferner mittels einer Gelenkverbindung 14a, 14b am Piezoelement 5 angeordnet sein, die elastisch ausgebildet sein kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Gelenkverbindung 14a, 14b auch flexibel sein. Mit Hilfe der Gelenkverbindung 14a, 14b kann beim Auslenken des Kragarms 9 entlang der Hubachse 4 das Koppelelement 8 gegenüber dem Piezoelement 5 gedreht werden, so dass das Koppelelement 8 parallel zur Membran 3 orientiert bleiben kann. Die Gelenkverbindung 14a, 14b ist vorzugsweise durch zumindest ein flexibles und/oder elastisches Verbindungselement ausgebildet. Vorzugsweise ist das Piezoelement 5 aus mehreren Schichten, insbesondere zumindest einer Piezoschicht, einer Trägerschicht und/oder einer Elektrodenschicht, ausgebildet. Das zumindest eine Verbindungselement ist vorzugsweise durch eine dieser Schichten, insbesondere durch die Trägerschicht, ausgebildet.
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Der MEMS-Schallwandler 1 kann ferner gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der 1 in einer Seitenansicht zwischen der dem Piezoelement 5 abgewandten Seite des Koppelelements 8 und dem Träger 2 einen Freiraum 12 aufweisen. Mit Hilfe des Freiraums 12 kann der Kragarm 9 frei schwingen.
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Des Weiteren weist der Träger 2 eine Aussparung 13 auf, in dem der Kragarm 9 angeordnet ist. Die Aussparung 13 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel vollständig vom Träger 2 umrandet. Ferner erstreckt sich die Aussparung 13 vollständig in Richtung der Hubachse 4 durch den Träger 2.
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Bei der Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden jeweils für Merkmale, die im Vergleich zu den jeweils vorstehenden Ausführungsbeispielen in ihrer Ausgestaltung und/oder Wirkweise identisch oder zumindest vergleichbar sind, gleiche Bezugszeichen verwendet. Sofern diese nicht nochmals detailliert erläutert werden, entspricht deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise derjenigen der vorstehend bereits beschriebenen Merkmale.
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2 zeigt eine seitliche Schnittansicht des MEMS-Schallwandlers 1, wie er beispielsweise in 1 gezeigt ist. Auf dem Träger 2 ist hier die Membran 3 angeordnet. Die Membran 3 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einem Trägerelement 15 angeordnet, das mit dem Träger 2 verbunden ist. Die Membran 3 kann ferner auf dem Trägerelement 15 aufgespannt sein. Das Trägerelement 15 kann dadurch einen Rahmen für die Membran 3 bilden.
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Die Membran 3 kann des Weiteren im Bereich einer Oberseite 21 des MEMS-Schallwandlers 1 angeordnet sein. Der MEMS-Schallwandler 1 weist ferner eine zur Oberseite 21 gegenüberliegende Unterseite 20 auf. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann das Piezoelement 5 im Bereich der Unterseite 20 angeordnet sein. Das Koppelelement 8 erstreckt sich infolgedessen vom Piezoelement 5 von der Unterseite 20 zur Membran 3 an der Oberseite 21.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der MEMS-Schallwandler 1 eine Koppelplatte 16 auf, die zwischen dem Koppelelement 8 und der Membran 3 angeordnet ist und diese miteinander koppelt. Die Koppelplatte 16 ist dabei im Bereich der Oberseite 21 des MEMS-Schallwandlers 1 angeordnet. Mit Hilfe der Koppelplatte 16 ist eine flächige Kraftübertragung zwischen dem Koppelelement 8 und der Membran 3 gegeben.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines MEMS-Schallwandlers 1 mit zwei Kragärmen 9a, 9b. Jeder der beiden Kragärme 9a, 9b weist ein Koppelelement 8a, 8b und ein Piezoelement 5a, 5b auf. Zwischen den beiden Koppelementen 8a, 8b ist der Freiraum 12 angeordnet. Die beiden Kragärme 9a, 9b sind voneinander entkoppelt. Die beiden Kragärme 9a, 9b sind lediglich mit der Membran 3 verbunden. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jedem Koppelelement 8a, 8b eine Koppelplatte 16a, 16b zugeordnet, die das jeweilige Koppelelement 8a, 8b mit der Membran 3 verbindet.
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Die beiden Kragarme 9a, 9b sind ferner zueinander entgegengesetzt orientiert. Die beiden freien Enden 11a, 11b der beiden Kragarme 9a, 9b sind zueinander zugewandt. Die beiden Kragarme 9a, 9b sind lediglich über die Membran 3 miteinander verbunden.
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Der MEMS-Schallwandler 1 des Ausführungsbeispiels der vorliegenden 3 weist die Aussparung 13 auf, in der beide Kragarme 9a, 9b angeordnet sind.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines MEMS-Schallwandlers 1 mit zwei gleich orientierten Kragarmen 9a, 9b. Der MEMS-Schallwandler 1 kann zwei Aussparungen 13a, 13b aufweisen, wobei in jeweils einer Aussparung 13a, 13b ein Kragarm 9a, 9b angeordnet ist. Die beiden Aussparungen 13a, 13b sind von einem Mittelstück 17 des Trägers 2 voneinander getrennt. Am Mittelstück 17 ist der zweite Kragarm 9b angeordnet. Der erste Kragarm 9a und der zweite Kragarm 9b sind zueinander identisch ausgerichtet und/oder zueinander identisch orientiert. Der erste Kragarm 9a und der zweite Kragarm 9b sind jedoch in Querrichtung des MEMS-Schallwandlers 1 translatorisch zueinander versetzt. Sie weisen somit zueinander den gleichen Bewegungsfreiraum auf, greifen jedoch in unterschiedlichen translatorisch zueinander versetzten Bereichen an der Membran 3 an.
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Über das Mittelstück 17 erstreckt sich die Membran 3 hinweg. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der 4 ist zwischen dem Mittelstück 17 des Trägers 2 und der Membran 3 in der Neutralposition der Membran 3 ein Spalt 18 ausgebildet. Die Membran 3 ist somit vom Mittelstück 17 des Trägers 2 beabstandet. Die Membran 3 ist infolgedessen vom Mittelstück 17 entkoppelt. Vorliegend ist der Träger 2 im Bereich des Mittelstücks 17 genauso dick ausgebildet wie in seinem Randbereich. Alternativ könnte das Mittelstück 17 aber auch dünner als der Randbereich ausgebildet sein, so dass der Spalt 18 bzw. der Abstand zwischen Membran 3 und Mittelstück 17 vergrößert ist (vgl. 7). Alternativ könnte die Membran 3 in ihrer Neutralposition aber auch lose auf dem Mittelstück 17 aufliegen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Membran 3 aber auch mit dem Mittelstück 17 des Trägers 2 verbunden, insbesondere verklebt, sein.
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Mit Hilfe der beiden Kragarme 9a, 9b kann die Membran 3 noch weiter ausgelenkt werden. Außerdem kann die Membran 3 mit einer höheren Kraft und gleichmäßig flächig ausgelenkt werden.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines MEMS-Schallwandlers 1 in einer Draufsicht mit zwei Kragärmen 9a, 9b. Die beiden Kragärme 9a, 9b sind nebeneinander angeordnet und gleich orientiert. Die beiden Kragärme 9a, 9b weisen des Weiteren Längsseiten 19a - 19d auf, die jeweils zueinander parallel sind. Die erste Längsseite 19a des ersten Kragarms 9a sowie die zweite Längsseite 19d des zweiten Kragarms 9b sind dem Träger 2 zugewandt und von diesem beabstandet. Die zweite Längsseite 19b des ersten Kragarms 9a und die erste Längsseite 19c des zweiten Kragarms 9b sind einander zugewandt und voneinander beabstandet. Der Freiraum 12 ist somit U-förmig um den jeweiligen Kragarm 9a, 9b angeordnet. Der Freiraum 12 weist somit in dieser Draufsicht der 5 eine U-Form um jeweils einen Kragarm 9a, 9b auf. Der Freiraum 12 um beide Kragärme 9a, 9b weist eine W-Form auf.
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Die beiden Kragärme 9a, 9b weisen keine unmittelbare Verbindung zueinander auf. Die beiden Kragärme 9a, 9b sind voneinander entkoppelt. Die beiden Kragärme 9a, 9b sind lediglich beiden mit der Membran 3 verbunden.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines MEMS-Schallwandlers 1 mit einem Kragarm 9, der zwei Piezoelemente 5a, 5b und ein Koppelelement 8 umfasst. Die beiden Piezoelemente 5a, 5b sind nebeneinander angeordnet und gleich zueinander orientiert. Im Bereich ihrer zweiten Enden 7a, 7b sind die beiden Piezoelemente 5a, 5b mittels eines Koppelelements 8 miteinander verbunden. Dadurch kann die Membran 3 mit einer hohen Kraft ausgelenkt werden.
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Die erste Längsseite 19a und die zweite Längsseite 19b des Kragarms 9 sind jeweils vom Träger 2 beabstandet. Der Freiraum 12 ist hier U-förmig ausgebildet und erstreckt sich um den Kragarm 9 herum. Dadurch kann sich das freie Ende 11 des Kragarms 9 frei entlang der Hubachse 4 auslenken.
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7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines MEMS-Schallwandlers 1, der zwei Kragärme 9a, 9b umfasst. Die beiden Kragärme 9a, 9b sind gleich zueinander orientiert, wobei der zweite Kragarm 9b am Mittelstück 17 des Trägers 2 angeordnet ist. Die beiden Koppelelemente 8a, 8b der beiden Kragärme 9a, 9b sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels der gleichen, insbesondere einzigen, Koppelplatte 16 der Membran 3 verbunden. Dadurch kann die Membran 3 synchron von den beiden Kragärmen 9a, 9b ausgelenkt werden. Die Koppelplatte 16 erstreckt sich in Querrichtung des MEMS-Schallwandlers 1 sowohl über das erste Koppelelement 8a als auch über das zweite Koppelelement 8b.
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Der Spalt 18 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel größer als der Spalt 18 der 4 ausgebildet. Das Mittelstück 17 ist hierfür dünner als der Randbereich des Trägers 2 ausgebildet. Der Spalt 18 beträgt vorzugsweise etwa die Hälfte einer Dicke des Randbereichs des Trägers 2 in Richtung der Hubachse 4. Dadurch kann sich die Membran 3 weit in Richtung des Mittelstücks 17 auslenken, ohne an diesem anzustoßen. Alternativ kann jedoch das Mittelstück 17 auch bis an die Koppelplatte 16 heranreichen, so dass die Koppelplatte 16 in der Neutralstellung der Membran 3 lose auf dem Mittelstück 17 aufliegt. Das Mittelstück 17 kann somit auch genauso dick sein, wie der Randbereich des Trägers 2. Die sich über das Mittelstück 17 erstreckende starre Koppelplatte 16 ist jedoch vom Mittelstück 17 entkoppelt, insbesondere in der Neutralstellung der Membran 3 von diesem beabstandet.
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Zusätzlich können die beiden Kragarme 9a, 9b auch die hier nicht gezeigten Gelenkverbindungen 14a - d bzw. Verbindungselemente aufweisen. Dadurch können sich die Koppelelemente 8a, 8b der Kragarme 9a, 9b gegenüber den entsprechenden Piezoelementen 5a, 5b verdrehen, so dass die Koppelelemente 8a, 8b bei der Auslenkung der Membran 3 parallel zu dieser ausgerichtet bleiben.
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8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines MEMS-Schallwandlers 1. Zwischen der Membran 3 und den beiden Koppelelementen 8a, 8b dieses Ausführungsbeispiels ist jeweils ein Abstandselement 22a, 22b angeordnet. Die Abstandselemente 22a, 22b können in Richtung der Hubachse 4 eine zum Träger 2 und/oder zum Trägerelement 15 vergleichbare Dicke aufweisen. Insbesondere kann eine Summe der Dicken der Abstandselemente 22a, 22b und eine Dicke der Koppelplatte 16 der Dicke des Trägerelements 15 entsprechen. Die Abstandselemente 22a, 22b können beispielsweise nach einem Herstellungsverfahren der Koppelelemente 8a, 8b auf diese aufgeklebt sein. Durch die Abstandselemente 22a, 22b können beispielsweise die Volumen der Freiräume 12a, 12b sowie der Aussparungen 13a, 13b vergrößert sein. Dadurch können akustische Eigenschaften des MEMS-Schallwandlers 1 eingestellt werden.
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Gemäß 8 ist zwischen dem Mittelstück 17 und der Membran 3 ferner der Spalt 18 angeordnet, der dadurch verbreitert ist, dass zwischen der Membran 3 und den Koppelelementen 8a, 8b die Abstandselemente 22a, 22b angeordnet sind.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- MEMS-Schallwandler
- 2
- Träger
- 3
- Membran
- 4
- Hubachse
- 5
- Piezoelement
- 6
- erstes Ende
- 7
- zweites Ende
- 8
- Koppelelement
- 9
- Kragarm
- 10
- eingespanntes Ende
- 11
- freies Ende
- 12
- Freiraum
- 13
- Aussparung
- 14
- Gelenkverbindung
- 15
- Trägerelement
- 16
- Koppelplatte
- 17
- Mittelstück
- 18
- Spalt
- 19
- Längsseite
- 20
- Unterseite
- 21
- Oberseite
- 22
- Abstandselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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