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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Schallwandleranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Stand der Technik
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Obwohl prinzipiell auf beliebige mikromechanische Schallwandleranordnungen, beispielsweise Lautsprecher und Mikrofone, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrunde liegende Problematik anhand von mikromechanischen Mikrofonanordnungen auf Siliziumbasis erläutert.
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Mikromechanische Mikrofonanordnungen weisen üblicherweise eine auf einem MEMS-Chip (MEMS = mikroelektromechanisches System) integrierte Schallwandlungseinrichtung zum Wandeln von Schallenergie in elektrische Energie auf, wobei eine durch Schallenergie auslenkbare erste Elektrode und eine feststehende perforierte zweite Elektrode (Backplate) kapazitiv zusammenwirken. Die Auslenkung der ersten Elektrode wird durch die Differenz der Schalldrücke vor und hinter der ersten Elektrode bestimmt. Ändert sich die Auslenkung, wird die Kapazität des durch die erste und zweite Elektrode gebildeten Kondensators verändert, was messtechnisch erfassbar ist. Eine derartige mikromechanische Mikrofonanordnung ist aus der
US 2002/0067663 A1 bekannt.
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Durch die feststehende perforierte zweite Elektrode (Backplate) ist die Bewegung der Membran begrenzt und daher der dynamische Bereich der Mikrofonanordnung begrenzt, und zudem wird zusätzliches Rauschen durch den Luftströmungswiderstand erzeugt.
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Piezoelektrische Mikrofonanordnungen mit Schwingungsbalken sind aus der
US 2014/0339657 A1 bekannt. Dies ermöglicht einen größeren dynamischen Bereich und eine Verhinderung zusätzlichen Rauschens, was die Gesamtqualität erhöht. Das grundlegende Prinzip der piezoelektrischen Mikrofonanordnungen ist die Verwendung eines piezoelektrischen Materials, beispielsweise von AIN oder PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) oder eines anderen geeigneten piezoelektrischen Materials, welches bei Deformation Ladungen produziert und demzufolge eine Spannung messtechnisch erfassbar macht.
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Für jegliche Mikrofonanordnung gibt es einen akustischen Leckweg zwischen dem Rückvolumen des Mikrofons und der Umgebung, um statische Druckvariationen zu eliminieren. Zu diesem Zweck weisen die Schwingungselemente einige oder mehrere Löcher oder Schlitze mit präzise eingestellter Geometrie auf, die einen Druckausgleich zwischen dem Volumen vor und hinter den Schwingungselementen ermöglichen.
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Diese Löcher oder Schlitze können in jeder physikalischen Wirkung durch ein RC-Modell beschrieben werden, was bedeutet, dass sie die Zeitkonstante der Mikrofonanordnung und damit die untere Grenzfrequenz des Erfassungsbereichs festlegen. Es ist sehr wichtig, dass diese Grenzfrequenz mit sehr geringen Toleranzen während des Herstellungsprozesses eingestellt wird, d.h. über die Geometrie der Löcher/Schlitze, um eine möglichst hohe Performance und Reproduzierbarkeit zu erhalten.
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Ein gewisses Problem bei piezoelektrischen Mikrofonanordnungen stellen intrinsische Schichtspannungen und Spannungsgradienten dar, welche in den piezoelektrischen Schichten nach der Abscheidung vorliegen. Dies resultiert in einer Auslenkung der Biegebalken außerhalb der durch sie festgelegten Ebene. Diese Auslenkungen resultieren in einem großen akustischen Leckweg, welcher durch den Spalt zwischen den Biegebalken und dem Substrat definiert ist, falls die Auslenkung in Richtung weg von der Substratoberfläche zeigt. Dieser Leckweg verschlechtert die Performance und das Frequenzverhalten der Mikrofonanordnung. Außerdem variiert die Größe der Schichtspannungen und Spannungsgradienten typischerweise innerhalb eines Wafers und von Wafer zu Wafer, was eine große Streuung der Performance der Mikrofonanordnungen mit sich bringt.
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Eine Lösung zur Minimierung dieses Leckweges durch eine spezielle dreieckförmige Ausgestaltung der Biegebalken ist in der
US 2012/0250909 A1 offenbart.
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Ein anderer Ansatz zur Verringerung der Schichtspannungen und Spannungsgradienten liegt in gezielter Wahl der Abscheideparameter bzw. in der Abscheidung zusätzlicher Schichten mit entgegengesetztem Stressgradienten. Jedoch können letztere Verfahren die Streuungen zwischen den verschiedenen Mikrofonanordnungen innerhalb eines Wafers und von Wafer zu Wafer nicht beseitigen.
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4a)-d) sind schematische Darstellungen einer beispielhaften mikromechanischen Schallwandleranordnung zur Erläuterung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Problematik, und zwar 4a) in Draufsicht im ungekrümmten Zustand, 4b) in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie D-D‘ in 4a), 4c) in Draufsicht im gekrümmten Zustand und 4d) in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie D-D‘ in 4c).
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In 4a)-b) bezeichnet Bezugszeichen S ein Substrat mit einer Vorderseite V und einer Rückseite R sowie einer Kaverne K, welche sich von der Rückseite R hin zur Vorderseite V erstreckt und einen membranartigen Bereich definiert, in dem ein erster piezoelektrischer Schwingungsbalken Z1 und ein zweiter piezoelektrischer Schwingungsbalken Z2 strukturiert sind, welche elastisch aufgehängt sind, und zwar innerhalb eines Kavernenrandbereichs KR oder über zusätzliche Schichten (nicht dargestellt), welche auf der Vorderseite V abgeschieden und strukturiert sind.
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Unter piezoelektischer Schwingungsbalken soll hier ein Biegebalken mit mindestens einer (nicht dargestellten) piezoelektrischen Schicht oder ein Stapel mit mehreren piezoelektrischen Schichten und Elektrodenschichten und evtl. Zusatzschichten, wie z.B. Isolationsschichten, verstanden werden.
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Der erste rechteckige piezoelektrische Schwingungsbalken Z1 weist einen ersten Seitenrandbereich R11, einen zweiten Seitenrandbereich R12 und einen ersten Stirnrandbereich ST1 auf. Der zweite rechteckige piezoelektrische Schwingungsbalken Z2 weist einen dritten Seitenrandbereich R21, einen vierten Seitenrandbereich R22 und einen zweiten Stirnrandbereich ST2 auf. Der erste bis vierte Seitenrandbereich R11, R12, R21, R22 sind durch einen Spalt SP beabstandet entlang des Kavernenrandbereichs KR angeordnet, und der erste und zweite Stirnrandbereich ST1, ST2 sind ebenfalls voneinander beabstandet angeordnet. Die Abstände zwischen den Seitenrandbereichen R11, R12, R21, R22 und dem Substrat S und zwischen den Stirnrandbereichen ST1, ST2 können, müssen aber nicht, gleich groß eingestellt werden.
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Wie in 4c) und d) dargestellt, ergibt sich in einem prozessbedingten aus der Kaverne K ausgelenkten Zustand der Schwingungsbalken Z1, Z2 insbesondere in einem Mittelbereich, d.h. in der Umgebung der Stirnrandbereiche ST1, ST2, ein vergrößerter Spalt SPA, welcher einen störenden lateralen Leckweg für den zu erfassenden Schall erzeugt.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit erstreckt sich dieser vergrößerte Spalt SPA bis zu einer Entfernung L von den Stirnrandseiten ST1, ST2. Je nach Abscheidebedingungen der piezoelektrischen Schichten kann die Ausdehnung bzw. die Gestalt des vergrößerten Spalts SPA unterschiedlich sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Schallwandleranordnung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 13.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es somit, den akustischen Leckweg unabhängig von dem Spalt, der sich zwischen dem Substrat und den Schwingungsbalken einstellt, zu kontrollieren. Mit anderen Worten ist bei der erfindungsgemäßen Lösung der Leckweg unabhängig von der Spannung bzw. dem Spannungsgradienten innerhalb der Schwingungsbalken (insbesondere auch unabhängig vom der Auslenkung durch Schall). Dies ermöglicht eine größere Flexibilität im Design der Schallwandleranordnungen, insbesondere die Realisierung einer Schallwandleranordnung mit einem einzelnen Schwingungsbalken, und eine einfachere Prozessführung.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, unerwünschte Schall-Leckbereiche bei piezoelektrischen Schallwandlern mit auslenkbaren Schwingungsbalken durch ein oder mehrere Schallblockierungswände zu blockieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind ein erster rechteckiger piezoelektrischer Schwingungsbalken mit einem ersten Seitenrandbereich, einem zweiten Seitenrandbereich und einem ersten Stirnrandbereich und ein zweiter rechteckiger piezoelektrischer Schwingungsbalken mit einem dritten Seitenrandbereich, einem vierten Seitenrandbereich und einem zweiten Stirnrandbereich vorgesehen, wobei der erste bis vierte Seitenrandbereich durch den Spalt beabstandet entlang des Kavernenrandbereichs verlaufen und wobei der erste und zweite Stirnrandbereich voneinander beabstandet angeordnet sind. So läßt sich eine Doppelbalkenstruktur realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind eine erste Schallblockierungswand und eine zweite Schallblockierungswand an gegenüberliegenden Seiten des Kavernenrandbereichs angeordnet, wobei die erste Schallblockierungswand entlang des ersten und dritten Seitenrandbereichs und die zweite Schallblockierungswand entlang des zweiten und vierten Seitenrandbereichs verlaufen. Dies ermöglicht eine effektive Kontrolle des Schall-Leckweges der Doppelbalkenstruktur.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind ein erster rechteckiger piezoelektrischer Schwingungsbalken mit einem ersten Seitenrandbereich, einem zweiten Seitenrandbereich und einem ersten Stirnrandbereich, ein zweiter rechteckiger piezoelektrischer Schwingungsbalken mit einem dritten Seitenrandbereich, einem vierten Seitenrandbereich und einem zweiten Stirnrandbereich, ein dritter rechteckiger piezoelektrischer Schwingungsbalken mit einem fünften Seitenrandbereich, einem sechsten Seitenrandbereich und einem dritten Stirnrandbereich und ein vierter rechteckiger piezoelektrischer Schwingungsbalken mit einem siebenten Seitenrandbereich, einem achten Seitenrandbereich und einem vierten Stirnrandbereich vorgesehen, wobei der erste und dritte und sechste und achte Seitenrandbereich durch den Spalt beabstandet entlang des Kavernenrandbereichs verlaufen und wobei der erste und zweite Stirnrandbereich und der dritte und vierte Stirnrandbereich jeweils voneinander beabstandet angeordnet sind. So läßt sich eine Vierfachbalkenstruktur realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind eine erste Schallblockierungswand und eine zweite Schallblockierungswand an gegenüberliegenden Seiten des Kavernenrandbereichs angeordnet, wobei die erste Schallblockierungswand entlang des ersten und dritten Seitenrandbereichs und die zweite Schallblockierungswand entlang des sechsten und achten Seitenrandbereichs verlaufen. Dies ermöglicht eine effektive Kontrolle des Schall-Leckweges der Vierfachbalkenstruktur.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein fünfter, beispielsweise rechteckiger, piezoelektrischer Schwingungsbalken mit einem neunten Seitenrandbereich, einem zehnten Seitenrandbereich und einem fünften Stirnrandbereich vorgesehen, wobei der neunte Seitenrandbereich, der zehnte Seitenrandbereich und der fünfte Stirnrandbereich durch den Spalt beabstandet entlang des Kavernenrandbereichs verlaufen. So läßt sich eine Einfachbalkenstruktur realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind eine erste Schallblockierungswand und eine zweite Schallblockierungswand an gegenüberliegenden Seiten des Kavernenrandbereichs angeordnet, wobei die erste Schallblockierungswand entlang des ersten neunten Seitenrandbereichs und die zweite Schallblockierungswand entlang des zehnten Seitenrandbereichs verlaufen und wobei eine dritte Schallblockierungswand an der dem fünften Stirnwandbereich gegenüberliegenden Seite des Kavernenrandbereichs angeordnet ist. Dies ermöglicht eine effektive Kontrolle des Schall-Leckweges der Einfachbalkenstruktur.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Schallblockierungswände als einteilige oder mehrteilige Schallblockierungsbalken oder mehrere Schwingungsbalken zusammenhängend gebildet. Derartige Schallblockierungsbalken sind besonders einfach herstellbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Schallblockierungswände aus einem Halbleiter- oder Isolationsmaterial, wie z.B. Si, SiO2, SiC, SiN, und/oder einem Polymer und/oder einem Metall gebildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Schallblockierungswände unmittelbar am Kavernenrandbereich gebildet. Dies sorgt für eine hochpräzise Einstellung des Schall-Leckweges.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung bilden die Schallblockierungswände einen Überhang (z.B. durch eine schräge Schallblockierungswand (Winkel zum Substrat > 90°) oder durch eine Doppelschichtstruktur, wobei die obere Schicht über die untere hinausreicht). Der Überhang beschränkt die maximale Auslenkung des Schwingungsbalken (durch Schall, Druck oder Beschleunigung), so dass der Schwingungsbalken nicht brechen kann.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1a),b) schematische Darstellungen einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im gekrümmten Zustand, und zwar 1a) in Draufsicht und 1b) in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie A-A‘ in 1a);
- 2a),b) schematische Darstellungen einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im gekrümmten Zustand, und zwar 2a) in Draufsicht und 2b) in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie B-B‘ in 2a);
- 3a),b) schematische Darstellungen einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im gekrümmten Zustand, und zwar 3a) in Draufsicht und 3b) in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie C-C‘ in 3a); und
- 4a)-d) schematische Darstellungen einer beispielhaften mikromechanischen Schallwandleranordnung zur Erläuterung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Problematik, und zwar 4a) in Draufsicht im ungekrümmten Zustand, 4b) in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie D-D‘ in 4a), 4c) in Draufsicht im gekrümmten Zustand und 4d) in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie D-D‘ in 4c).
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1a),b) sind schematische Darstellungen einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im gekrümmten Zustand, und zwar 1a) in Draufsicht und 1b) in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie A-A‘ in 1a).
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Mit Bezug auf 1a), b) bezeichnen die bereits oben im Zusammenhang mit 4a)-d) beschriebenen Elemente gleiche Elemente, weshalb auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird und auf die Beschreibung im Zusammenhang mit 4a)-d) verwiesen wird.
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Bei der ersten Ausführungsform sind zusätzlich zu den bereits beschriebenen Elementen eine erste Schallblockierungswand B1 und eine zweite Schallblockierungswand B2 an gegenüberliegenden Seiten des Kavernenrandbereichs KR angeordnet. Die erste Schallblockierungswand B1 erstreckt sich unmittelbar am Kavernenrandbereich KR entlang des ersten und dritten Seitenrandbereichs R11, R21, und die zweite Schallblockierungswand B2 gegenüberliegend unmittelbar am Kavernenrandbereich entlang des zweiten und vierten Seitenrandbereichs R12, R22. Die erste Schallblockierungswand B1 und die zweite Schallblockierungswand B2 sind jeweils einteilig in Balkenform gefertigt und decken die entsprechenden Seiten des Kavernenrandbereichs KR vollständig ab.
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Die Fertigung der Schallblockierungswände B1, B2 erfolgt vorzugsweise in einem Abscheide- und Strukturierungsprozess von Silizium (z.B. Polysilizium) und/oder einer Polymerlayer (z.B. Fotolack) und/oder einer Metallschicht. Typische Höhen h ausgehend von der Vorderseite des Substrats S sind 5 bis 100 µm. Ein typischer Prozessfluss innerhalb der Herstellung der gesamten mikromechanischen Schallwandleranordnung sieht zunächst eine Abscheidung und Strukturierung der piezoelektrischen Schichten auf einem Wafer vor. Daran anschließend können die Abscheidung und Strukturierung der Schallblockierungswände B1, B2 erfolgen, und schließlich über einen Rückseitenprozess kann die Kaverne K hergestellt werden, verbunden mit der Freilegung der Schwingungsbalken Z1, Z2.
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Die Höhe der Schallblockierungswände B1, B2 wird zweckmäßigerweise derart eingestellt, dass sie höher liegt als die spannungsbedingte und schallbedingte maximale Auslenkung der Schwingungsbalken Z1, Z2, welche während der Fertigung kontrolliert eingestellt werden kann.
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Wie aus 1b) erkennbar, verhindern die Schallblockierungswände B1, B2, dass ein lateraler Schalldurchtritt entlang des vergrößerten Spalts SPA auftritt, wodurch der Schall-Leckweg unabhängig von Prozesstoleranzen der Schichtspannungsgradienten/ Schichtspannungen kontrolliert ist.
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2a),b) sind schematische Darstellungen einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im gekrümmten, und zwar 2a) in Draufsicht und 2b) in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie B-B‘ in 2a).
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Bei der in 2a), b) dargestellten zweiten Ausführungsform sind neben dem ersten rechteckigen piezoelektrischen Schwingungsbalken Z1 und dem gegenüberliegenden zweiten rechteckigen piezoelektrischen Schwingungsbalken Z2 ein dritter rechteckiger piezoelektrischer Schwingungsbalken Z3 und ein vierter rechteckiger piezoelektrischer Schwingungsbalken Z4 vorgesehen.
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Der dritte rechteckige piezoelektrische Schwingungsbalken Z3 weist einen fünften Seitenrandbereich R31, einen sechsten Seitenrandbereich R32 und einen dritten Stirnrandbereich ST3 auf. Der vierte rechteckige piezoelektrische Schwingungsbalken Z4 weist einen siebten Seitenrandbereich R41, einen achten Seitenrandbereich R42 und einen vierten Stirnrandbereich ST4 auf.
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Der erste, dritte, sechste und achte Seitenrandbereich R11, R21, R32, R42 sind durch den Spalt SP beabstandet entlang des Kavernenrandbereichs KR angeordnet, wobei der erste und zweite Stirnrandbereich ST1, ST2 und der dritte und vierte Stirnrandbereich ST3, ST4 jeweils voneinander beabstandet angeordnet sind.
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Analog wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform sind eine erste Schallblockierungswand B1 und eine zweite Schallblockierungswand B2 an gegenüberliegenden Seiten des Kavernenrandbereichs KR unmittelbar am Kavernenrandbereich KR angeordnet, wobei die erste Schallblockierungswand B1 entlang des ersten und dritten Seitenrandbereichs R11, R21 und die zweite Schallblockierungswand B2 entlang des sechsten und achten Seitenrandbereichs R32, R42 verläuft.
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Wie bei der ersten Ausführungsform erstrecken sich beide Schallblockierungswände B1, B2 entlang der jeweiligen gesamten Seite des Kavernenrandbereichs KR.
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Wie in 2b) dargestellt, ist der dadurch erzielte Effekt analog wie bei der ersten Ausführungsform, d.h., der vergrößerte maximale Spalt SPA wird hinsichtlich lateraler Schallausbreitung blockiert.
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3a),b) sind schematische Darstellungen einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im gekrümmten Zustand, und zwar 3a) in Draufsicht und 3b) in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie C-C‘ in 3a).
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Wie in 3a), b) dargestellt, ist bei der dritten Ausführungsform ein einziger fünfter rechteckiger piezoelektrischer Schwingungsbalken Z5 mit einem neunten Seitenrandbereich R51 und einem zehnten Seitenrandbereich R52 und einem fünften Stirnrandbereich ST5 vorgesehen. Der neunte Seitenrandbereich R51, der zehnte Seitenrandbereich R52 und der fünfte Stirnrandbereich ST5 verlaufen durch den Spalt SP beabstandet entlang des Kavernenrandbereichs KR.
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Bei dieser Ausführungsform sind eine erste Schallblockierungswand B1, eine zweite Schallblockierungswand B2 und eine dritte Schallblockierungswand B3 einteilig miteinander verbunden vorgesehen. Die erste Schallblockierungswand B1 und die zweite Schallblockierungswand B2 sind an gegenüberliegenden Seiten des Kavernenrandbereichs KR angeordnet, wobei die erste Schallblockierungswand B1 entlang des neunten Seitenrandbereichs R51 und die zweite Schallblockierungswand B2 entlang des zehnten Seitenrandbereichs R52 verläuft. Die dritte Schallblockierungswand B3 ist an der dem fünften Stirnrandbereich ST5 gegenüberliegenden Seite des Kavernenrandbereichs KR angeordnet.
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Somit ist eine mikromechanische Schallwandleranordnung mit nur einem einzelnen Schwingungsbalken Z5 realisiert, welche ebenfalls einen kontrollierten Schall-Leckweg durch den vergrößerten maximalen Spalt SPA aufweist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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Obwohl die obigen Ausführungsformen Schallblockierungswände in Form von Schallblockierungsbalken offenbaren, welche sich einfach herstellen lassen, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern eine beliebige Wandgeometrie kann eingestellt werden.
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Obwohl bei den obigen Ausführungsbeispielen die Schallblockierungswände die gesamte jeweilige Seite des Kavernenrandbereichs überspannen, ist dies nicht unbedingt erforderlich, sondern die Schallblockierungswände können auch derart gestaltet werden, dass sie lediglich den Bereich des zu erwartenden vergrößerten maximalen Spalts abdecken.
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Obwohl die obigen Ausführungsformen die Schwingungsbalken in Form von rechteckigen Schwingungsbalken offenbaren, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern eine beliebige Schwingungsbalkengeometrie (z.B. trapezförmig oder paddelförmig) kann eingestellt werden.
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Insbesondere sind auch die angeführten Geometrien und Materialien nur beispielhaft und können je nach Anwendung beliebig variiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2002/0067663 A1 [0003]
- US 2014/0339657 A1 [0005]
- US 2012/0250909 A1 [0009]
