DE102017200393B4

DE102017200393B4 - System und Verfahren für einen Wandler mit variablem Durchfluss

Info

Publication number: DE102017200393B4
Application number: DE102017200393.6A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe; Christoph Glacer; David Tumpold
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2037-01-12
Also published as: US20170201192A1; US10367430B2; US11387747B2; CN106961651B; DE102017200393A1; CN106961651A; US20190181776A1

Abstract

MEMS-Wandler (102; 110; 130; 150, 151; 180, 181, 182; 200a-d; 111a-b; 250), der Folgendes umfasst:eine ablenkbare Membran (112; 154; 168; 204; 252, 254), die an einer Stützstruktur (202) befestigt ist;eine akustische Ventilstruktur (114; 160; 180; 181; 182; 206; 212; 216; 218), die konfiguriert ist, zu verursachen, dass die ablenkbare Membran in einem ersten Modus akustisch transparent und in einem zweiten Modus akustisch opak ist, wobei die akustische Ventilstruktur (114; 160; 180; 181; 182; 206; 212; 216; 218) mehrere piezoelektrische Ventile umfasst; undeinen Betätigungsmechanismus (116), der an die ablenkbare Membran gekoppelt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Wandler und in speziellen Ausführungsformen auf ein System und ein Verfahren für einen Wandler mit variablem Durchfluss.
HINTERGRUND
Wandler setzen Signale von einem Bereich in einen anderen um und werden oft als Sensoren verwendet. Akustische Wandler setzen z. B. zwischen akustischen Signalen und elektrischen Signalen um. Ein Mikrophon ist ein Typ eines akustischen Wandlers, der Schallwellen, d. h., akustische Signale, in elektrische Signale umsetzt, während ein Lautsprecher ein Typ eines akustischen Wandlers ist, der elektrische Signale in Schallwellen umsetzt.
Auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basierende Wandler enthalten eine Familie von Wandlern, die unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden. Einige MEMS-Wandler, wie z. B. ein MEMS-Mikrophon, sammeln Informationen von der Umgebung durch das Messen der Änderung des physikalischen Zustands in dem Wandler und das Übertragen des Signals, das durch die Elektronik zu verarbeiten ist, die mit dem MEMS-Sensor verbunden ist. Andere MEMS-Wandler, wie z. B. MEMS-Mikrolautsprecher, setzen elektrische Signale in eine Änderung des physikalischen Zustands des Wandlers um. MEMS-Vorrichtungen können unter Verwendung von Mikrobearbeitungs-Herstellungstechniken, die zu jenen ähnlich sind, die für integrierte Schaltungen verwendet werden, hergestellt werden.
MEMS-Vorrichtungen können entworfen sein, um als Oszillatoren, Resonatoren, Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Drucksensoren, Mikrophone, Mikrospiegel, Mikrolautsprecher usw. zu arbeiten. Viele MEMS-Vorrichtungen verwenden kapazitive Abtast- oder Betätigungstechniken zum Umsetzen des physikalischen Phänomens in elektrische Signale und umgekehrt. In derartigen Anwendungen wird die Kapazitätsänderung in dem Wandler unter Verwendung von Schnittstellenschaltungen in ein Spannungssignal umgesetzt, oder ein Spannungssignal wird an die kapazitive Struktur in dem Wandler angelegt, um eine Kraft zwischen den Elementen der kapazitiven Struktur zu erzeugen.
Ein kapazitives MEMS-Mikrophon enthält z. B. eine Rückplattenelektrode und eine Membran, die parallel zu der Rückplattenelektrode angeordnet ist. Die Rückplattenelektrode und die Membran bilden einen Parallelplattenkondensator. Die Rückplattenelektrode und die Membran sind durch eine auf einem Substrat angeordnete Stützstruktur gestützt.
Das kapazitive MEMS-Mikrophon kann Schalldruckwellen, z. B. Sprache, an der parallel zu der Rückplattenelektrode angeordneten Membran umsetzen. Die Rückplattenelektrode ist perforiert, so dass die Schalldruckwellen durch die Rückplatte hindurchgehen, während sie die Membran veranlassen, aufgrund einer über der Vorderseite und der Rückseite der Membran gebildeten Druckdifferenz zu schwingen. Folglich variiert der Luftspalt zwischen der Membran und der Rückplattenelektrode mit den Schwingungen der Membran. Die Variation der Membran in Bezug auf die Rückplattenelektrode verursacht eine Variation der Kapazität zwischen der Membran und der Rückplattenelektrode. Diese Variation der Kapazität wird in ein auf die Bewegung der Membran reagierendes Ausgangssignal transformiert und bildet ein umgesetztes Signal.
Unter Verwendung einer ähnlichen Struktur kann ein Spannungssignal zwischen der Membran und der Rückplatte angelegt werden, um die Membran zu veranlassen, zu schwingen und Druckimpulse, wie z. B. Schalldruckwellen, zu erzeugen. Folglich kann eine MEMS-Struktur kapazitiver Platten als ein Mikrolautsprecher arbeiten.
Die nachveröffentlichte Patentveröffentlichung DE 10 2016 114 454 A1 bezieht sich auf ein System und Verfahren für einen Pumplautsprecher. Das Verfahren zum Betreiben eines Lautsprechers mit einer Schallpumpe umfasste Schritte des Generierens eines Trägersignals mit einer ersten Frequenz durch Anregen der Schallpumpe mit der ersten Frequenz und des Generierens eines Schaltsignals mit einer zweiten Frequenz durch Verstellen des Trägersignals. Das Verstellen des Trägersignals beinhaltet das Durchführen von Verstellungen an dem Trägersignal mit der zweiten Frequenz.
Die Patentveröffentlichung DE 10 2014 213 386 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung mit MEMS-Struktur und Lüftungsweg in einer Stützstruktur. Die Vorrichtung umfasst eine Stützstruktur, ein Schalltor, das in der Stützstruktur angeordnet ist, und eine MEMS-Struktur, die eine mit dem Schalltor akustisch gekoppelte Membran umfasst. Die Membran trennt einen ersten Raum, der mit einer ersten Seite der Membran in Kontakt steht, von einem zweiten Raum, der mit einer gegenüberliegenden zweiten Seite der Membran in Kontakt steht. Die Vorrichtung umfasst ferner einen einstellbaren Lüftungsweg, der in der Stützstruktur angeordnet ist und sich von dem Schalltor zum zweiten Raum erstreckt.
KURZFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Wandler mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) eine ablenkbare Membran, die an einer Stützstruktur befestigt ist, eine akustische Ventilstruktur, die konfiguriert ist, die ablenkbare Membran zu veranlassen, in einem ersten Modus akustisch transparent zu sein und in einem zweiten Modus akustisch sichtbar zu sein, und einen Betätigungsmechanismus, der an die ablenkbare Membran gekoppelt ist. Andere Ausführungsformen enthalten entsprechende Systeme und Vorrichtungen, wobei jedes bzw. jede konfiguriert ist, die Verfahren der verschiedenen Ausführungsformen auszuführen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen Bezug genommen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden, worin:

1 ein Systemblockdiagramm eines Wandlers mit variablem Durchfluss einer Ausführungsform veranschaulicht;
2A und 2B graphische Darstellungen der Signalformen veranschaulichender akustischer Signale veranschaulichen;
3A, 3B und 3C Seitenansichts-Querschnitte eines Wandlers mit variablem Durchfluss einer Ausführungsform veranschaulichen;
4A, 4B und 4C einen Wandler mit variablem Durchfluss eines Modells einer Ausführungsform und eine entsprechende graphische Darstellung der Signalformen veranschaulichen;
5A und 5B Seitenansichts-Querschnitte eines Wandlers mit variablem Durchfluss einer zusätzlichen Ausführungsform veranschaulichen;
6A, 6B und 6C Seitenansichts-Querschnitte akustischer Ventile der Ausführungsformen veranschaulichen;
7A, 7B, 7C und 7D Draufsichten der Wandler mit variablem Durchfluss weiterer Ausführungsformen veranschaulichen;
8A und 8B Seitenansichts-Querschnitte der Wandler mit variablem Durchfluss weiterer Ausführungsformen veranschaulichen;
9A, 9B und 9C Seitenansichts-Querschnitte und eine Draufsicht eines Wandlers mit variablem Durchfluss einer weiteren Ausführungsform veranschaulichen;
10A, 10B und 10C graphische Darstellungen der Signalformen des Betriebs eines Wandlers mit variablem Durchfluss einer Ausführungsform veranschaulichen;
11 eine zusätzliche graphische Darstellung der Signalform des Betriebs des Wandlers mit variablem Durchfluss einer Ausführungsform veranschaulicht; und
12 einen Ablaufplan eines Verfahrens einer Ausführungsform des Betriebs für einen Wandler mit variablem Durchfluss veranschaulicht.

Entsprechende Bezugszeichen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, wenn es nicht anderweitig angegeben ist. Die Figuren sind gezeichnet, um die relevanten Aspekte der Ausführungsformen deutlich zu veranschaulichen, und sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden die Herstellung und die Verwendung verschiedener Ausführungsformen ausführlich erörtert. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen in einer umfassenden Vielfalt spezifischer Kontexte anwendbar sind. Die erörterten spezifischen Ausführungsformen veranschaulichen lediglich verschiedene Weisen, um die verschiedenen Ausführungsformen herzustellen und zu verwenden, wobei sie nicht in einem eingeschränkten Schutzumfang ausgelegt werden sollten.
Die Beschreibung wird bezüglich verschiedener Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext, nämlich akustischer Wandler, und spezieller MEMS-Mikrolautsprecher, gegeben. Einige der hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen enthalten MEMS-Mikrolautsprecher, akustische Wandlersysteme, Wandler mit variablem Volumenstrom und MEMS-Mikrolautsprecher mit variablem Volumenstrom. In anderen Ausführungsformen können die Aspekte außerdem auf andere Anwendungen angewendet werden, die irgendeinen Typ eines Wandlerbereichs gemäß irgendeiner Form, die in der Technik bekannt ist, einbeziehen.
Lautsprecher sind Wandler, die elektrische Signale in akustische Signale umsetzen. Das akustische Signal wird durch die Lautsprecherstruktur erzeugt, die Druckschwingungen mit einer Frequenz erzeugt. Der hörbare Bereich der Menschen reicht von etwa 20 Hz bis 20 kHz, wobei einige Menschen weniger als diesem Bereich hören können und einige Menschen über diesen Bereich hinaus hören können. Folglich setzt ein Lautsprecher, der arbeitet, um hörbare akustische Signale zu erzeugen, elektrische Signale in Schalldruckschwingungen mit Frequenzen zwischen 20 Hz und 20 kHz um. Ein Signal mit konstanter Frequenz wird als ein einfacher Ton, ähnlich zu einer Note auf einem Klavier, übermittelt. Sprache und andere typische Schalle, wie z. B. Musik, setzen sich gleichzeitig aus zahlreichen akustischen Signalen mit zahlreichen Frequenzen zusammen.
Mikrolautsprecher arbeiten gemäß den gleichen Prinzipien wie Lautsprecher, wobei sie aber unter Verwendung von Mikrobearbeitungs- oder Mikrofertigungstechniken hergestellt werden. Folglich enthalten hörbare Mikrolautsprecher kleine Strukturen, die durch elektrische Signale angeregt werden, um Druckschwingungen im hörbaren Frequenzbereich zu erzeugen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist ein Lautsprecher oder ein Mikrolautsprecher konfiguriert, hörbare akustische Signale durch das Schwingen bei Frequenzen über dem hörbaren Frequenzbereich zu erzeugen. In derartigen Ausführungsformen ist der Lautsprecher konfiguriert, Druckschwingungen bei einer Frequenz über dem hörbaren Bereich zu erzeugen und den Volumenstrom der Druckschwingungen gemäß einer tieferen Frequenz in dem hörbaren Frequenzbereich zu modifizieren. In derartigen Ausführungsformen erkennt das menschliche Hörsystem die Enveloppe der Druckschwingungen, wobei es wie ein Tiefpassfilter wirkt. In zusätzlichen Ausführungsformen kann der Lautsprecher konfiguriert sein, Druckschwingungen bei einer Frequenz über dem hörbaren Bereich zu erzeugen und den Volumenstrom der Druckschwingungen gemäß einer tieferen Frequenz immer noch außerhalb des hörbaren Frequenzbereichs zu modifizieren, um als ein Ultraschall-Wandler zu arbeiten.
In verschiedenen Ausführungsformen wird der Lautsprecher als ein Wandler mit variablem Durchfluss bezeichnet. Die Frequenz des Wandlers mit variablem Durchfluss kann den Betrieb außerhalb des hörbaren Frequenzbereichs aufrechterhalten, während der Volumenstrom den positiven und den negativen Schalldruck der Schwingungen gemäß anderer Frequenzen, die sich innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs befinden, ändert. In derartigen Ausführungsformen kann der Wandler mit variablem Durchfluss eine ablenkbare Membran mit mehreren Ventilstrukturen enthalten, die konfiguriert sind, die akustische Impedanz einzustellen und den Volumenstrom zu ändern, wenn die ablenkbare Membran über dem hörbaren Frequenzbereich schwingt. Hier werden im Folgenden verschiedene Ausführungsformen weiter beschrieben.
1 veranschaulicht ein Systemblockdiagramm eines Wandlers 100 mit variablem Durchfluss einer Ausführungsform, der einen Mikrolautsprecher 102, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 104 und einen Audioprozessor 106 enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen erzeugt der Mikrolautsprecher 102 ein akustisches Signal 108, das Druckschwingungen mit einer Frequenz über der hörbaren Grenze, z. B. 20 kHz, enthält, mit Einstellungen des positiven und des negativen Schalldrucks während der Schwingungen. Der positive und der negative Schalldruck können unter Verwendung der Ventile der Ausführungsformen eingestellt werden, um die akustische Impedanz einer Membran in dem Mikrolautsprecher 102 einzustellen. Durch das Einstellen des Volumenstroms durch die Steuerung des positiven und des negativen Schalldrucks können Niederfrequenz-Schalldrucksignale im hörbaren Bereich von der Membran erzeugt werden, die mit einer Frequenz über der hörbaren Grenze schwingt. Folglich erzeugt der Mikrolautsprecher 102 ein akustisches Signal 108, das ein hörbares akustisches Signal enthält, das aus einem unhörbaren akustischen Signal gebildet wird. In verschiedenen Ausführungsformen weisen die Druckschwingungen des akustischen Signals 108 eine Frequenz auf, die wenigstens das Zweifache der Grenze des menschlichen Hörbereichs, z. B. 40 kHz, ist, um das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem zu erfüllen.
In verschiedenen Ausführungsformen enthält der Mikrolautsprecher 102 eine ablenkbare Membran mit Ventilen. Die Strukturen verschiedener beispielhafter Ausführungsformen werden hier im Folgenden weiter beschrieben. Der Mikrolautsprecher 102 ist durch die von der ASIC 104 bereitgestellten Ansteuersignale angesteuert. Die ASIC 104 kann basierend auf einem digitalen Eingangssteuersignal analoge Ansteuersignale erzeugen. In einigen Ausführungsformen sind die ASIC 104 und der Mikrolautsprecher 102 an derselben Leiterplatte befestigt. In anderen Ausführungsformen sind die ASIC 104 und der Mikrolautsprecher 102 auf demselben Halbleiter-Die ausgebildet. Die ASIC 104 kann Vorspannungs- und Versorgungschaltungen, eine analoge Treiberschaltung und einen Digital-Analog-Wandler (DAC) enthalten. In weiteren Ausführungsformen kann der Mikrolautsprecher 102 z. B. ein Mikrophon enthalten, während die ASIC 104 außerdem eine Ausgabeelektronik, wie z. B. einen Verstärker oder einen Analog-DigitalWandler (ADC), enthalten kann.
In einigen Ausführungsformen empfängt der DAC in der ASIC 104 ein digitales Steuersignal an einem Eingang, der durch den Audioprozessor 106 versorgt wird. Das digitale Steuersignal ist eine digitale Darstellung des akustischen Signals, das der Mikrolautsprecher 102 erzeugt. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Audioprozessor 106 ein dedizierter Audioprozessor, ein allgemeiner Systemprozessor, wie z. B. eine Zentraleinheit (CPU), ein Mikroprozessor oder eine feldprogrammierbare Gatteranordnung (FPGA), sein. In alternativen Ausführungsformen kann der Audioprozessor 106 aus diskreten Logikblöcken oder anderen Komponenten ausgebildet sein. In verschiedenen Ausführungsformen erzeugt der Audioprozessor 106 die digitale Darstellung des akustischen Signals 108, wobei er die digitale Darstellung des akustischen Signals 108 bereitstellt. In anderen Ausführungsformen stellt der Audioprozessor 106 die digitale Darstellung nur des hörbaren Abschnitts des akustischen Signals 108 bereit, während die ASIC 104 das Ansteuersignal für das akustische Signal 108 mit den Schwingungen mit höheren unhörbaren Frequenzen und den Schwingungen mit hörbaren Frequenzen basierend auf den Variationen des Volumenstroms erzeugt.
Gemäß verschiedenen zusätzlichen Ausführungsformen kann der Mikrolautsprecher 102 außerdem das akustische Signal 108, das Druckschwingungen mit einer Frequenz über der hörbaren Grenze, z. B. 20 kHz, enthält, mit Volumenstromeinstellungen der Schalldruckschwingungen, die bei Frequenzen eingestellt werden, die sich außerdem über dem hörbaren Bereich befinden, erzeugen. Der Mikrolautsprecher 102 kann z. B. als ein Ultraschall-Wandler für die Ultraschall-Bildgebung oder für die Ultraschall-Nahfelddetektion arbeiten. In derartigen Ausführungsformen arbeitet der Mikrolautsprecher 102 bei einer höheren Frequenz als ein Trägersignal, das einen positiven und einen negativen Schalldruck aufweist, die gemäß einer tieferen Frequenz des erzeugten Zielsignals, wie z. B. eines Ultraschallsignals, eingestellt werden.
2a und 2b veranschaulichen graphische Darstellungen der Signalformen veranschaulichender akustischer Signale. 2a zeigt ein akustisches Signal A_SIG, das z. B. durch einen Lautsprecher erzeugt werden kann. Das akustische Signal A_SIG weist eine Amplitude A_amp und eine Frequenz A_freq, d. h., eine Periode A_T = 1 ÷ A_freq, auf. Das akustische Signal A_SIG kann eine durch einen Lautsprecher erzeugte Schallwelle veranschaulichen. Während des Betriebs weist die Schallquelle eine Frequenz A_freq auf, die sich innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs für einen Menschen, z. B. zwischen etwa 20 Hz und 20 kHz, befindet. 2a veranschaulicht die Amplitude A_amp für das akustische Signal A_SIG auf einem unspezifizierten Pegel. Für einen MEMS-Mikrolautsprecher kann das Erzeugen eines großen Schalldruckpegels (SPL) aufgrund der kleinen Größe der Membran Herausforderungen darstellen, insbesondere bei einer tiefen Frequenz. Ein MEMS-Mikrolautsprecher kann z. B. eine Abnahme von 40 dB des SPL pro Dekade enthalten, wenn die Frequenz durch den hörbaren Frequenzbereich abnimmt. Folglich kann es herausfordernd sein, höhere SPLs bei Frequenzen z. B. unter 1-10 kHz zu erzeugen, ohne z. B. die Größe der Pumpstruktur zu vergrößern.
2b zeigt ein moduliertes akustisches Signal MA_SIG, das durch einen Wandler mit variablem Durchfluss einer Ausführungsform, wie z. B. einen MEMS-Mikrolautsprecher, erzeugt werden kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist das modulierte akustische Signal MA_SIG eine Amplitude MA_amp und eine Frequenz MA_freq, d. h., eine Periode MA_T = 1 ÷ MA_freq, auf, wobei es aus einem Trägersignal C_SIG gebildet ist, das eine variable Amplitude C_amp und eine Frequenz C_freq, d. h., eine Periode C_T = 1 ÷ C_freq, aufweist. Wie gezeigt ist, ist die Frequenz C_freq viel höher als die Frequenz MA_freq. Spezifisch befindet sich die Frequenz C_freq über dem hörbaren Frequenzbereich eines Menschen, d. h., über 20 kHz, während sich die Frequenz MA_freq innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs eines Menschen, d. h., zwischen etwa 20 Hz und 20 kHz, befindet. In derartigen Ausführungsformen ist die Amplitude C_amp eingestellt, um eine ansteigende und eine fallende Signalform des akustischen Pumpsignals PA_SIG zu bilden. Ferner sind der negative oder der positive Schalldruck für das Trägersignal C_SIG entfernt oder verringert, um die ansteigende und die abfallende Signalform des modulierten akustischen Signals MA_SIG zu bilden. Die Schwingungen einer ablenkbaren Membran enthalten im Allgemeinen einen symmetrischen Volumenstrom, der einen positiven und einen negativen Druck, die gleich sind, enthält. In verschiedenen Ausführungsformen enthält das Trägersignal C_SIG nur einen Typ des Schalldrucks, z. B. den positiven Schalldruck, für die erste Halbwelle (MA_T/2) des modulierten akustischen Signals MA_SIG, und nur einen zweiten Typ des Schalldrucks, z. B. den negativen Schalldruck, für die zweite Halbwelle (MA_T/2) des modulierten akustischen Signals MA_SIG. In derartigen Ausführungsformen formt das Trägersignal C_SIG die erste Halbwelle mit positivem Schalldruck des modulierten akustischen Signals MA_SIG durch das Entfernen (oder Verringern) der Komponenten mit negativem Schalldruck und die zweite Halbwelle mit negativem Schalldruck des modulierten akustischen Signals MA_SIG durch das Entfernen (oder Verringern) der Komponenten mit positivem Schalldruck. Die Variation der Amplitude C_amp und der Richtung des Trägersignals C_SIG durch das Verringern oder Entfernen des positiven oder des negativen Schalldrucks wird mit einer spezifischen Frequenz ausgeführt, um das modulierte akustische Signal MA_SIG mit der Frequenz MA_freq, die sich im hörbaren Bereich, z. B. 20 Hz bis 20 kHz, befindet, zu bilden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen stellen die Wandler mit variablem Durchfluss die akustische Impedanz einer ablenkbaren Membran ein, um den negativen oder den positiven Schalldruck zu verringern oder zu entfernen.
In speziellen Ausführungsformen kann die Amplitude MA_amp des modulierten akustischen Signals MA_SIG größer als die eines herkömmlichen Mikrolautsprechers sein, der mit einer hörbaren Frequenz schwingt. In spezifischen Ausführungsformen bleibt die Schwingung des Pump-Lautsprechers bei einer höheren Frequenz, so dass der SPL des modulierten akustischen Signals MA_SIG nicht viel oder überhaupt nicht abnimmt, wenn sich die Frequenz MA_freq z. B. unter etwa 1-10 kHz und über etwa 10 Hz befindet. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind die erzeugten Schall- oder Druckimpulse des modulierten akustischen Signals MA_SIG gleich oder etwa gleich der zweiten Ableitung der Position der ablenkbaren Membran, die die Beschleunigung der ablenkbaren Membran ist. Folglich kann in verschiedenen Ausführungsformen die Steuerung der Pumpwirkung, wie z. B. die Steuerung des positiven und des negativen Schalldrucks, auf der Beschleunigung der ablenkbaren Membran basieren.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Frequenz C_freq konstant gehalten werden, wenn die Amplitude C_amp und die Richtung des Trägersignals C_SIG variiert werden. In spezifischen Ausführungsformen kann die Frequenz C_freq an die Resonanzfrequenz des Lautsprechers oder des Mikrolautsprechers angepasst sein, um größere Schwingungen der ablenkbaren Membran zu erzeugen. In anderen Ausführungsformen kann die Frequenz C_freq variabel sein. In speziellen Beispielen befindet sich die Frequenz C_freq zwischen 40 kHz und 10 MHz. In spezifischeren Ausführungsformen befindet sich die Frequenz C_freq zwischen 100 kHz und 300 kHz. In derartigen verschiedenen Ausführungsformen befindet sich die Frequenz MA_freq unter 20 kHz. Spezifisch befindet sich die Frequenz MA_freq im hörbaren Frequenzbereich der Menschen, d. h., zwischen 20 Hz und 20 kHz, wobei dieser Bereich für einige Menschen erweitert und für andere verschmälert sein kann. In alternativen Ausführungsformen kann sich die Frequenz MA_freq über 20 kHz befinden. In derartigen Ausführungsformen kann das modulierte akustische Signal MA-_SIG anstelle eines akustischen Signals ein Ultraschallsignal sein, das in einem Ultraschall-Wandler zur Ultraschall-Bildgebung oder zur Nahfelddetektion verwendet wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden Wandler mit variablem Durchfluss, wie z. B. MEMS-Mikrolautsprecher, unter Verwendung eines Trägersignals über dem hörbaren Frequenzbereich betrieben, um ein moduliertes akustisches Signal innerhalb des hörbaren Frequenzbereichs zu bilden, was bezüglich 2b beschrieben ist. Hier werden im Folgenden Wandler mit variablem Durchfluss verschiedener Ausführungsformen beschrieben, um einige der spezifischen Anwendungen einschließlich kapazitiver Plattenstrukturen und anderer Pumpstrukturen zu veranschaulichen. Derartige Wandler mit variablem Volumenstrom der Ausführungsformen stellen die akustische Impedanz der ablenkbaren Membran ein, um den negativen oder den positiven Schalldruck zu verringern oder zu entfernen.
In 1 im Hinblick auf die 2a und 2b ist die ASIC 104 in dem Wandler 100 mit variablem Durchfluss in einigen Ausführungsformen konfiguriert, die Resonanzfrequenz des Mikrolautsprechers 102 zu bestimmen. In derartigen Ausführungsformen kann die ASIC 104 den Mikrolautsprecher 102 bei mehreren Frequenzen anregen und die Reaktion für jede Frequenz messen. Basierend auf der gemessenen Reaktion bestimmt die ASIC 104 die Resonanzfrequenz des Mikrolautsprechers 102. In derartigen Ausführungsformen kann die ASIC 104 die Frequenz C_freq für das Trägersignal C_SIG auf die bestimmte Resonanzfrequenz setzen. In anderen alternativen Ausführungsformen kann die ASIC 104 die Elemente des Mikrolautsprechers 102 steuern, um die Resonanzfrequenz einzustellen, damit sie der Frequenz C_freq für das Trägersignal C_SIG entspricht. In einer Ausführungsform enthält das Steuern der Elemente das Einstellen der mechanischen Komponenten des Mikrolautsprechers 102. In einer alternativen Ausführungsform enthält das Steuern der Elemente das Einstellen der aktiven oder passiven elektrischen Komponenten des Mikrolautsprechers 102.
Die 3A, 3B und 3C veranschaulichen Seitenansichts-Querschnitte eines Wandlers 110 mit variablem Durchfluss einer Ausführungsform. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen stellt der Wandler 110 mit variablem Durchfluss die akustische Impedanz während der Schwingungen ein, um die Erzeugung des positiven und des negativen Schalldrucks zu regeln. In verschiedenen Ausführungsformen enthält der Wandler 110 mit variablem Durchfluss eine Membran 112, die akustischen Ventile 114 und die Betätigungsstrukturen 116. In derartigen Ausführungsformen können die Betätigungsstrukturen 116 eine piezoelektrische Schicht oder piezoelektrische Schichten enthalten, die konfiguriert sind, basierend auf einer angelegten Spannung eine Kraft auf die Membran 112 zu erzeugen. Die Betätigungsstrukturen 116 sind auf einer Oberfläche der Membran 112 in dem Betätigungsbereich 122a ausgebildet. Die Betätigungsstrukturen 116 können in einigen Ausführungsformen auf der Oberseite der Membran 112 ausgebildet sein, wie veranschaulicht ist, oder können in anderen Ausführungsformen auf der Unterseite der Membran 112 ausgebildet sein. In weiteren Ausführungsformen können die Betätigungsstrukturen 116 auf der Ober- und der Unterseite der Membran 112 ausgebildet sein. In derartigen Ausführungsformen ist die Ansteuerkraft zwischen der oberen und der unteren Betätigungsstruktur 116 invers.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein elektrisches Ansteuersignal, wie z. B. eine Steuerspannung, den Betätigungsstrukturen 116 bereitgestellt, um die Membran 112 anzuregen, um mit einer ersten Frequenz über dem hörbaren Bereich, d. h., über 20 kHz, zu schwingen. In einigen Ausführungsformen wird die Membran 112 z. B. angeregt, um mit einer Resonanzfrequenz zu schwingen, die von 75 kHz bis 200 kHz reichen kann. In derartigen Ausführungsformen kann die erste Frequenz der Frequenz C_freq für das Trägersignal C_SIG entsprechen, wie oben bezüglich 2B beschrieben worden ist. Folglich schwingt die Membran 112 mit Aufwärts- und Abwärtsbewegungen, wie in den 3B und 3C gezeigt ist. In verschiedenen Ausführungsformen sind die akustischen Ventile 114 während einer positiven Beschleunigung für die Bewegung in einer ersten Richtung geschlossen, wie z. B. in 3B gezeigt ist, und während der negativen Beschleunigung, wie sie während des Bremsens der Membran auftritt, offen. 3C zeigt die zweite Richtung, wobei die positive Beschleunigung in dieser Richtung auftritt und die negative Beschleunigung in der inversen Richtung auftritt.
In verschiedenen Ausführungsformen weist die Membran 112 eine erste akustische Impedanz, wenn die akustischen Ventile 114 geschlossen sind, und eine zweite akustische Impedanz, wenn die akustischen Ventile 114 offen sind, auf. Die erste Impedanz ist viel größer als die zweite Impedanz. Wenn in derartigen Ausführungsformen die akustische Impedanz höher ist, d. h., wenn die akustischen Ventile 114 geschlossen sind, befindet sich der durch die Schwingungen der Membran 112 erzeugte Schalldruck auf einem normalen oder großen Pegel. Wenn umgekehrt die akustische Impedanz geringer ist, d. h., wenn die akustischen Ventile 114 offen sind, befindet sich der durch die Schwingungen der Membran 112 erzeugte Schalldruck auf einem tieferen oder verringerten Pegel. Folglich ist in verschiedenen Ausführungsformen der Wandler 110 mit variablem Durchfluss konfiguriert, die akustische Impedanz der Membran 112 durch das Öffnen und Schließen der akustischen Ventile 114 einzustellen und bei einer positiven Beschleunigung normale oder große Schalldruckpegel und bei einer negativen Beschleunigung tiefere oder verringerte Schalldruckpegel zu erzeugen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die akustische Impedanz der Membran 112 eingestellt werden, so dass sie für einen bestimmten Prozentsatz der Membranfläche akustisch transparent ist, wenn die akustischen Ventile 114 offen sind. In einigen Ausführungsformen können die Qualität und die Fläche der akustischen Ventile 114 verursachen, dass die Membran 112 in einer speziellen Ausführungsform 90 % akustisch transparent ist. In einer weiteren speziellen Ausführungsform verursachen die Qualität und die Fläche der akustischen Ventile 114, dass die Membran 112 50 % akustisch transparent ist. In anderen Ausführungsformen kann die akustische Transparenz der Membran 112 von 30 % bis 95 % reichen.
Wie oben bezüglich 2B beschrieben worden ist, kann der Wandler 110 mit variablem Durchfluss durch das Einstellen der akustischen Impedanz der Membran 112, so dass sie während einer positiven Beschleunigung bei Aufwärtsbewegungen groß ist und während des Bremsens oder einer negativen Beschleunigung für Aufwärtsbewegungen verringert ist (wie in den 3B gezeigt ist), den negativen oder den positiven Schalldruck entfernen oder verringern und eine erste Halbwelle eines akustischen Signals bilden, das eine zweite Frequenz aufweist, die sich innerhalb des hörbaren Bereichs befindet. In derartigen Ausführungsformen kann die zweite Frequenz der Frequenz MA_freq für das modulierte akustische Signal MA_SIG entsprechen, wie oben bezüglich 2B beschrieben worden ist. Ähnlich kann der Wandler 110 mit variablem Durchfluss durch das Einstellen der akustischen Impedanz der Membran 112, so dass sie während der Abwärtsbewegungen für positive Beschleunigungen groß ist und während der Abwärtsbewegungen für eine negative Beschleunigung verringert ist (wie in 3C gezeigt ist), die negativen Schalldrücke entfernen oder verringern und eine zweite Halbwelle des akustischen Signals bilden. Folglich kann durch das Modulieren der akustischen Impedanz, um die erzeugten Schalldrücke zu steuern, die Membran 112 mit der ersten Frequenz, die sich außerhalb des hörbaren Bereichs befindet, schwingen und ein akustisches Signal mit der zweiten Frequenz, die sich innerhalb des hörbaren Bereichs befindet, erzeugen. In derartigen verschiedenen Ausführungsformen können ähnliche Leistungen oder Techniken, die als die digitale Schallrekonstruktion bezeichnet werden, implementiert sein.
In verschiedenen Ausführungsformen enthalten die akustischen Ventile 114 piezoelektrische Materialien, die die akustischen Ventile 114 basierend auf elektrischen Steuersignalen öffnen und schließen. Die akustischen Ventile 114 sind überall in einem Ventilationsbereich 122b der Membran 112 ausgebildet. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Membran 112 aus einer Strukturschicht 118 und einer Isolationsschicht 120 ausgebildet. In einigen Ausführungsformen ist die Strukturschicht 118 eine leitfähige Schicht, wie z. B. ein Halbleiter oder ein Metall, während die Isolationsschicht 120 eine elektrisch isolierende Schicht, wie z. B. eine Oxidschicht, eine Nitridschicht oder eine Oxynitridschicht, ist. In anderen Ausführungsformen können die Strukturschicht 118 und die Isolationsschicht 120 in eine einzige leitfähige oder elektrisch isolierende Schicht kombiniert sein. Wie gezeigt ist, kann die Membran 112 an einem Umfang an einer Stützstruktur verankert sein. Weitere strukturelle Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsformen werden im Folgenden bezüglich der anderen Figuren beschrieben. In anderen Ausführungsformen können die akustischen Ventile 114 oder die Membran 112 elektrostatisch anstatt piezoelektrisch betätigt sein, wie gezeigt ist.
Die 4A, 4B und 4C veranschaulichen einen Wandler mit variablem Durchfluss eines Modells einer Ausführungsform und eine entsprechende graphische Darstellung der Signalformen. Spezifisch stellt 4A einen mit Erläuterungen versehenen Wandler 130 mit variablem Durchfluss dar, stellt 4B ein Kolbenmodell 132 dar und stellt 4C eine Signalform 134 der Auslenkung der Membran und eine Signalform 136 der Beschleunigung der Membran dar. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist die Membran 112 eine hohe akustische Impedanz auf, wenn die akustischen Ventile 114 geschlossen sind, wie durch den geschlossenen Ventilabschnitt 138 des mit Erläuterungen versehenen Wandlers 130 mit variablem Durchfluss und das Kolbenmodell 132 veranschaulicht ist. Wenn umgekehrt die akustischen Ventile 114 offen sind, weist die Membran 112 eine geringe akustische Impedanz auf, wie durch den offenen Ventilabschnitt 142 des mit Erläuterungen versehenen Wandlers 130 mit variablem Durchfluss und das Kolbenmodell 132 veranschaulicht ist. Der Übergang zwischen einer hohen akustischen Impedanz und einer geringen akustischen Impedanz ist durch einen Übergangsabschnitt 140 dargestellt. In derartigen Ausführungsformen können die Schwingungen der Membran 112 mit einer gleichen Auslenkung der gesamten Membran gemäß dem Kolbenmodell 132 modelliert werden. Wenn die Membran 112 eine geringe akustische Impedanz aufweist, kann das akustische Medium, wie z. B. die Luft, leicht von einer Seite der Membran 112 zur anderen hindurchgehen. Wenn die Membran 112 eine hohe akustische Impedanz aufweist, kann das akustische Medium, wie z. B. die Luft, nicht leicht von einer Seite der Membran 112 zur anderen hindurchgehen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Übergehen von dem geschlossenen Ventilabschnitt 138 zu dem offenen Ventilabschnitt 142 auf der Beschleunigung der Membran 112 basieren. Wie durch die Signalform 134 der Auslenkung der Membran und die Signalform 136 der Beschleunigung der Membran veranschaulicht ist, sind die akustischen Ventile 114 geschlossen, wenn die Beschleunigung der Membran 112 einen positiven Wert aufweist, während die akustischen Ventile 114 offen sind, wenn die Beschleunigung der Membran 112 einen negativen Wert aufweist. In derartigen Ausführungsformen können das positive und das negative Vorzeichen der Beschleunigung basierend auf der Halbwelle des akustischen Signals, der positiven oder der negativen Halbwelle (siehe 2B), die erzeugt wird, gewechselt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die akustische Impedanz basierend auf der Auslenkung oder der Beschleunigung der Membran 112 eingestellt werden, um zum Bilden hörbarer akustischer Signale positive oder negative Schalldruckwellen selektiv zu erzeugen.
Im Folgenden werden die Wandler mit variablem Durchfluss weiterer Ausführungsformen als veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben.
Die 5A und 5B veranschaulichen Seitenansichts-Querschnitte eines Wandlers 150 mit variablem Durchfluss einer zusätzlichen Ausführungsform und eines Wandlers 151 mit variablem Durchfluss einer Ausführungsform. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält der Wandler 150 mit variablem Durchfluss ein Substrat 152, eine Membran 154, eine obere Rückplatte 156 oder eine untere Rückplatte 158 und die akustischen Ventile 160. Die akustischen Ventile 160 sind generisch als gestrichelte Strukturen gezeigt und können als piezoelektrisch oder elektrostatisch steuerbare Ventile implementiert sein. Die akustischen Ventile beispielhafter Ausführungsformen werden im Folgenden bezüglich der 6A, 6B und 6C weiter beschrieben.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Membran 154 eine ablenkbare Membran, die durch das Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen der Membran 154 und der oberen Rückplatte 156 oder zwischen der Membran 154 und der unteren Rückplatte 158 elektrostatisch betätigt wird. In einigen Ausführungsformen ist der Wandler 150 mit variablem Durchfluss ein Mikrolautsprecher mit doppelter Rückplatte, der sowohl eine obere Rückplatte 156 als auch eine untere Rückplatte 158 enthält. In anderen Ausführungsformen ist der Wandler 150 mit variablem Durchfluss ein Mikrolautsprecher mit einer einzigen Rückplatte, der entweder eine obere Rückplatte 156 oder eine untere Rückplatte 158 enthält. In verschiedenen Ausführungsformen enthalten die obere Rückplatte 156 und die untere Rückplatte 158 die Perforationen 157, die einen fluidischen Transport von einer Seite der oberen Rückplatte 156 oder der unteren Rückplatte 158 zur anderen Seite ermöglichen. In derartigen Ausführungsformen ermöglicht der fluidische Transport, dass akustische Signale durch die obere Rückplatte 156 und die untere Rückplatte 158 hindurchgehen, die eine geringe akustische Impedanz bereitstellen.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Membran 154 elektrostatisch angetrieben, so dass sie mit einer Frequenz über dem hörbaren Bereich schwingt. In spezifischen Ausführungsformen schwingt die Membran 154 mit einer Frequenz, die von 40 kHz bis 300 kHz reicht. Während der Schwingungen werden die akustischen Ventile 160 gesteuert, um die Erzeugung eines positiven oder eines negativen Schalldrucks aus den Schwingungen der Membran 154 zu regeln und modulierte akustische Signale zu bilden, die Frequenzen innerhalb des hörbaren Bereichs aufweisen, wie oben bezüglich der 2A, 2B, 3A, 3B, 3C, 4A, 4B und 4C beschrieben worden ist.
In einigen Ausführungsformen sind ein Umgehungsweg 166, eine Umgehungsstruktur 162 und die akustischen Ventile 160 in der Umgehungsstruktur 162 enthalten, wobei sie die Membran 154 umgeben. In anderen Ausführungsformen sind der Umgehungsweg 166, die Umgehungsstruktur 162 und die akustischen Ventile 160 in der Umgehungsstruktur 162 weggelassen. In einigen Ausführungsformen, die den Umgehungsweg 166 enthalten, können die akustischen Ventile 160 an der Membran 154 weggelassen sein. In anderen Ausführungsformen, die den Umgehungsweg 166 enthalten, sind die akustischen Ventile 160 an der Membran 154 enthalten.
In verschiedenen Ausführungsformen ist das Substrat 152 aus einem Halbleitermaterial ausgebildet. Das Substrat 152 kann in speziellen Ausführungsformen z. B. Silicium, wie z. B. Polysilicium, Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) oder Kohlenstoff sein. In anderen Ausführungsformen ist das Substrat 152 aus einem dielektrischen Material, wie z. B. einem Glas, ausgebildet. In noch weiteren Ausführungsformen ist das Substrat aus einem Polymer, wie z. B. Hexamethyldisilazan (HMDS), ausgebildet. In anderen alternativen Ausführungsformen ist das Substrat 152 aus einem Keramikmaterial ausgebildet. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Membran 154 aus einem Halbleiter oder einem Metall, wie z. B. Polysilicium, Gold, Aluminium, Kupfer oder Platin, ausgebildet. In anderen Ausführungsformen ist die Membran 154 aus einer nichtleitenden Schicht und einer leitfähigen Schicht ausgebildet. In verschiedenen Ausführungsformen sind die obere Rückplatte 156 und die untere Rückplatte 158 aus einem Halbleiter oder einem Metall, wie z. B. Polysilicium, Gold, Aluminium, Kupfer oder Platin, ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen sind die obere Rückplatte 156 und die untere Rückplatte 158 aus mehreren Schichten, einschließlich leitfähiger Schichten und nichtleitender oder elektrisch isolierender Schichten ausgebildet. In einer speziellen Ausführungsform sind die obere Rückplatte 156 und die untere Rückplatte 158 aus Polysilicium und Siliziumnitrid ausgebildet. Das Substrat 152 enthält einen Hohlraum 164, der durch die Gesamtheit des Substrats 152, wie z. B. durch einen Wafer, der das Substrat 152 enthält, hindurchgehen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält der Wandler 151 mit variablem Durchfluss ein Substrat 152, eine Membran 168 und die akustischen Ventile 160. In derartigen Ausführungsformen ist die Membran 168 eine ablenkbare Membran, die durch das Anlegen eines Spannungssignals an eine piezoelektrische Schicht 170 piezoelektrisch betätigt ist. Durch das Anlegen eines Spannungssignals an die piezoelektrische Schicht 170 wird in der piezoelektrischen Schicht 170 eine Deformation erzeugt, die eine Kraft auf die Membran 168 erzeugt. Die Anregung der Membran 168 wird mit einer höheren Frequenz über dem hörbaren Bereich ausgeführt, wobei die akustischen Ventile 160 gesteuert werden, um modulierte akustische Signale zu bilden, die Frequenzen innerhalb des hörbaren Bereichs aufweisen, wie oben bezüglich des Wandlers 150 mit variablem Durchfluss in 5A beschrieben worden ist.
In verschiedenen Ausführungsformen enthält die Membran 168 eine Strukturschicht 172, eine Isolationsschicht 174 und eine piezoelektrische Schicht 170. In einigen Ausführungsformen ist die Strukturschicht 172 eine leitfähige Schicht, wie z. B. eine Halbleiterschicht oder eine Metallschicht. Die Isolationsschicht 174 kann eine elektrisch isolierende Schicht, wie z. B. eine Oxidschicht, eine Nitridschicht oder eine Oxynitridschicht, sein. In verschiedenen Ausführungsformen enthält die piezoelektrische Schicht 170 eine piezoelektrische Keramik oder piezoelektrische Kristalle. In speziellen Ausführungsformen enthält die piezoelektrische Schicht 170 Bleizirconattitanat (PZT) oder Bariumtitanat (BaTiO₃). In anderen speziellen Ausführungsformen enthält die piezoelektrische Schicht 170 Zinkoxid (ZnO), Aluminiumnitrid (AIN) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind der Wandler 150 mit variablem Durchfluss und der Wandler 151 mit variablem Durchfluss in den 5A und 5B im Querschnitt veranschaulicht, wobei sie bei Betrachtung von oben irgendeine Membranform enthalten können. Spezifisch können die Membran 154 und die Membran 168 in speziellen Ausführungsformen rund, einschließlich kreisförmiger oder ovaler Formen, oder rechteckig sein. In einigen Ausführungsformen ist der Umgehungsweg 166 weggelassen und erstreckt sich das Substrat 152 zu der Membran 154 oder der Membran 168 und umgibt das Substrat 152 die Membran 154 oder die Membran 168. In anderen Ausführungsformen ist der Umgehungsweg 166 enthalten und enthält das Substrat 152 einen Abschnitt, der die Membran 154 oder die Membran 168 umgibt und stützt und der mit dem Hauptabschnitt des Substrats 152 verbunden ist. In derartigen Ausführungsformen enthalten Abschnitte des Umfangs der Membran 154 oder der Membran 168 den Umgehungsweg 166, während andere Abschnitte des Umfangs der Membran 154 oder der Membran 168 massive Abschnitte des Substrats 152 enthalten. Im Folgenden werden bezüglich der Draufsichten, die in den 7A, 7B, 7C und 7D veranschaulicht sind, Wandler mit variablem Durchfluss verschiedener Ausführungsformen beschrieben.
Die 6A, 6B und 6C veranschaulichen Seitenansichts-Querschnitte der akustischen Ventile 180, 181 und 182 der Ausführungsformen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können das akustische Ventil 180, das akustische Ventil 181 oder das akustische Ventil 182 verwendet werden, um irgendeines der hier beschriebenen akustischen Ventile, wie z. B. das akustische Ventil 114 oder das akustische Ventil 160, die oben beschrieben worden sind, zu implementieren.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält das akustische Ventil 180 eine Strukturschicht 184, eine Isolationsschicht 186, eine akustische Klappe 188 und eine piezoelektrische Schicht 190. In verschiedenen Ausführungsformen kann die piezoelektrische Schicht 190 irgendeines der Materialien enthalten, die oben bezüglich der piezoelektrischen Schicht 170 beschrieben worden sind. Die piezoelektrische Schicht 190 ist auf der akustischen Klappe 188 angeordnet. In verschiedenen Ausführungsformen weist die akustische Klappe 188 mechanische Elastizität auf. In speziellen Ausführungsformen ist die akustische Klappe 188 Einkristallsilicium oder Polysilicium. In verschiedenen weiteren Ausführungsformen kann die akustische Klappe 188 irgendein Typ eines elektrisch isolierenden Materials mit geeigneten mechanischen Eigenschaften für die Betätigung sein. In noch weiteren Ausführungsformen kann die akustische Klappe 188 irgendein Typ eines elektrisch leitfähigen Materials mit einer Isolationsschicht enthalten. In spezifischen Ausführungsformen besteht die akustische Klappe 188 aus Graphen mit einer Isolationsschicht. In verschiedenen Ausführungsformen erstreckt sich die piezoelektrische Schicht 190 nur über einen Teil der Oberseite der akustischen Klappe 188, wie gezeigt ist. In alternativen Ausführungsformen erstreckt sich die piezoelektrische Schicht 190 über die gesamte Oberseite der akustischen Klappe 188 (was nicht gezeigt ist). In alternativen Ausführungsformen kann die piezoelektrische Schicht 190 in verschiedenen Weisen geformt sein, um verschiedene Übergangsventileigenschaften aufgrund der strukturellen oder mechanischen Wechselwirkungen zu erreichen. Die piezoelektrische Schicht 190 kann z. B. mit einem massiven Bereich, einem Kammbereich, einem kreisförmigen Bereich oder irgendeiner anderen Form geformt sein, um die Übergangsventileigenschaften einzustellen.
In verschiedenen Ausführungsformen dichtet die akustische Klappe 188 eine Öffnung 185 in der Strukturschicht 184 und in der Isolationsschicht 186 ab. Wenn ein elektrisches Ansteuersignal, wie z. B. eine Steuerspannung, an die piezoelektrische Schicht 190 angelegt wird, beginnt die piezoelektrischen Schicht 190, sich zu deformieren, was eine Kraft auf die akustische Klappe 188 verursacht. Die Kraft auf die akustische Klappe 188 bewegt die akustische Klappe 188, um sie zu öffnen und um den Fluidtransport durch die Öffnung 185 zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen wird die erste Steuerspannung an die piezoelektrische Schicht 190 angelegt, um die akustische Klappe 188 zu schließen und die Öffnung 185 abzudichten, während eine zweite Steuerspannung an die piezoelektrische Schicht 190 angelegt wird, um die akustische Klappe 188 zu öffnen und um die Öffnung 185 zu öffnen.
In verschiedenen Ausführungsformen besteht die Isolationsschicht 186 aus einem elektrisch isolierenden Material. In einigen Ausführungsformen besteht die Isolationsschicht 186 aus einem Oxid, einem Nitrid oder einem Oxynitrid. In speziellen Ausführungsformen besteht die Isolationsschicht 186 aus Siliciumnitrid (SiN) oder Siliciumoxid (SiO₂). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen besteht die Strukturschicht 184 aus einem elektrisch leitfähigen oder halbleitfähigen Material. In einigen Ausführungsformen besteht die Strukturschicht 184 aus einem kristallinen oder amorphen Halbleiterelement oder aus einer kristallinen oder amourösen Halbleiterverbindung. In speziellen Ausführungsformen besteht die Strukturschicht 184 aus Polysilicium. In anderen Ausführungsformen besteht die Strukturschicht 184 aus einem Metall. In speziellen Ausführungsformen besteht die Strukturschicht 184 aus Aluminium, Platin, Gold oder Kupfer. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Strukturschicht 184 ein Abschnitt einer ablenkbaren Membran sein, wie sie z. B. hier bezüglich der anderen Figuren beschrieben ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält das akustische Ventil 181 die Strukturschicht 184, die Isolationsschicht 186, eine akustische Klappe 192 und eine piezoelektrische Schicht 194. In derartigen Ausführungsformen ist die akustische Klappe 192 ein Abschnitt der Strukturschicht 184. Die piezoelektrische Schicht 194 kann irgendeines der Materialien enthalten, die oben bezüglich der piezoelektrischen Schicht 190 in 6A beschrieben worden sind. Ferner kann sich die piezoelektrische Schicht 190 nur über einen Abschnitt der Oberseite der akustischen Klappe 192 erstrecken, wie gezeigt ist. In alternativen Ausführungsformen erstreckt sich die piezoelektrische Schicht 190 über die gesamte Oberseite der akustischen Klappe 192 (was nicht gezeigt ist).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält das akustische Ventil 182 die Strukturschicht 184, die Isolationsschicht 186, eine strukturelle Stütze 196 und eine elektrostatische Dichtungsschicht 198. In derartigen Ausführungsformen ist eine Steuerspannung an die elektrostatische Dichtungsschicht 198 angelegt, um eine elektrostatische Kraft zu erzeugen, die die elektrostatische Dichtungsschicht 198 schließt und die Öffnung 185 abdichtet. In verschiedenen Ausführungsformen besteht die elektrostatische Dichtungsschicht 198 aus einem leitfähigen oder halbleitenden Material. In verschiedenen speziellen Ausführungsformen besteht die elektrostatische Dichtungsschicht 198 aus Polysilicium, Gold, Aluminium, Kupfer oder Platin. Die strukturelle Stütze 196 ist aus einem elektrisch isolierenden Strukturmaterial ausgebildet. In einigen Ausführungsformen ist die strukturelle Stütze 196 aus einem Oxid, wie z. B. Tetraethylorthosilicatoxid (TEOS-Oxid) ausgebildet.
In verschiedenen Ausführungsformen ist eine Spannungsdifferenz zwischen der elektrostatischen Dichtungsschicht 198 und der Strukturschicht 184 angelegt, um eine elektrostatische Kraft auf die elektrostatische Dichtungsschicht 198 zu erzeugen. Wenn die Spannungsdifferenz angelegt ist, dichtet die elektrostatische Dichtungsschicht 198 die Öffnung 185 ab, während, wenn keine Spannungsdifferenz angelegt ist, sich die elektrostatische Dichtungsschicht 198 weg von der Öffnung 185 bewegt und einen Fluidtransport durch die Öffnung 185 ermöglicht.
Die 7A, 7B, 7C und 7D veranschaulichen Draufsichten der Wandler 200a, 200b, 200c und 200d mit variablem Durchfluss weiterer Ausführungsformen. 7A veranschaulicht einen Wandler 200a mit variablem Durchfluss, der eine Stützstruktur 202, eine Membran 204 und die akustischen Ventile 206 enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Membran 204 angesteuert, um über einer höheren ersten Frequenz zu schwingen, während die akustischen Ventile 206 gesteuert sind, sich zu öffnen und zu schließen, um den positiven und den negativen Schalldruck zu formen, die die akustischen Signale mit Frequenzen unter einer tieferen zweiten Frequenz bilden. In einigen Ausführungsformen kann die Membran 204 mit einer Frequenz schwingen, die von 40 kHz bis 300 kHz reicht, wobei die akustischen Ventile 206 geöffnet und geschlossen werden können, um die akustischen Signale mit Frequenzen, die von 20 Hz bis 20 kHz reichen, zu bilden.
In derartigen Ausführungsformen können die akustischen Ventile 206 implementiert sein, wie oben bezüglich der akustischen Ventile 114, 160, 180, 181 oder 182 bezüglich der anderen Figuren beschrieben worden ist. In speziellen Ausführungsformen entsprechen die akustischen Ventile 206 dem akustischen Ventil 180 oder dem akustischen Ventil 181, die oben bezüglich der 6A bzw. 6B beschrieben worden sind. In spezifischen Ausführungsformen enthalten die akustischen Ventile 206 die akustischen Klappen 208 und die piezoelektrischen Betätigungsschichten 210, die auf einer Oberseite der akustischen Klappe 208 ausgebildet sind.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Stützstruktur 202 ein Substrat, wie es z. B. oben bezüglich des Substrats 152 in den 5A und 5B beschrieben worden ist, sein. In anderen Ausführungsformen kann die Stützstruktur 202 aus einem Oxid, wie z. B. einem TEOS-Oxid, oder einem Polymer bestehen. In derartigen Ausführungsformen kann die Stützstruktur 202 auf einem Substrat ausgebildet sein. Die Membran 204 kann irgendeine der Strukturen und irgendeines der Materialien, die oben bezüglich der Membran 154 oder der Membran 168 in den 5A bzw. 5B beschrieben worden sind, enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen ist ein Hohlraum in dem Substrat unter der Membran 204 ausgebildet.
7B veranschaulicht einen Wandler 200b mit variablem Durchfluss, der die Stützstruktur 202, die Membran 204 und die akustischen Ventile 212 enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der Wandler 200b mit variablem Durchfluss zu dem Wandler 200a mit variablem Durchfluss ähnlich, mit Ausnahme, dass die akustischen Ventile 206, die piezoelektrisch betätigt sind, durch die akustischen Ventile 212 ersetzt sind, die elektrostatisch betätigt sind. In derartigen Ausführungsformen entsprechen die akustischen Ventile 212 dem akustischen Ventil 182, das oben bezüglich 6C beschrieben worden ist. Die akustischen Ventile 212 enthalten eine elektrostatische Dichtungsschicht 214.
7C veranschaulicht einen Wandler 200c mit variablem Durchfluss, der die Stützstruktur 202, die Membran 204 und die akustischen Ventile 216 enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind die akustischen Ventile 216 in der Stützstruktur 202 um die Membran 204 ausgebildet. In derartigen Ausführungsformen entsprechen die akustischen Ventile 216 dem Umgehungsweg 166, der Umgehungsstruktur 162 und den akustischen Ventilen 160 in der Umgehungsstruktur 162, die oben bezüglich der 5A und 5B beschrieben worden sind.
In speziellen Ausführungsformen können die akustischen Ventile 216 implementiert sein, wie oben bezüglich der akustischen Ventile 114, 160, 180, 181 oder 182 bezüglich der anderen Figuren beschrieben worden ist. In derartigen Ausführungsformen können die akustischen Ventile 216 mehrere separate akustische Ventile, wie z. B. mit quadratischen akustischen Klappen oder kontinuierlich gebogenen akustischen Klappen, die den Umfang der Membran 204 umgeben, enthalten. Die akustischen Ventile 216 können in verschiedenen Ausführungsformen elektrostatisch oder piezoelektrisch betätigt sein. In anderen Ausführungsformen kann die Membran 204 außerdem (nicht gezeigte) akustische Ventile enthalten, die z. B. oben bezüglich des Wandlers 200a mit variablem Durchfluss und des Wandlers 200b mit variablem Durchfluss in den 7A bzw. 7B beschrieben worden sind.
7D veranschaulicht einen Wandler 200d mit variablem Durchfluss, der die Stützstruktur 202, die Membran 204 und die akustischen Klappen 220 enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind in der Membran 204 die akustischen Ventile 218 ausgebildet. Die Membranschlitze 222 in der Membran 204 ermöglichen es, dass die akustischen Klappen 220 separat von der Membran 204 abgelenkt werden. In derartigen Ausführungsformen sind die piezoelektrischen Betätigungsschichten 224 auf einer Oberseite der Membran 204 ausgebildet, wobei sie verursachen, dass die akustischen Klappen 220 abgelenkt werden, wenn ein Steuersignal, wie z. B. eine Betätigungsspannung, an die piezoelektrischen Betätigungsschichten 224 angelegt ist. In verschiedenen Ausführungsformen entsprechen die akustischen Ventile 218 dem akustischen Ventil 181, das oben bezüglich 6B beschrieben worden ist. In anderen Ausführungsformen können der Wandler 200d mit variablem Durchfluss und die akustischen Ventile 218 modifiziert sein, um dem akustischen Ventil 180 zu entsprechen, das oben bezüglich 6A beschrieben worden ist.
In verschiedenen Ausführungsformen enthalten die Wandler 200a, 200b, 200c und 200d mit variablem Durchfluss kreisförmige Membranen, wie gezeigt ist. In anderen Ausführungsformen können die Wandler 200a, 200b, 200c und 200d mit variablem Durchfluss (nicht gezeigte) ovale oder rechteckige Membranen enthalten. In noch weiteren Ausführungsformen können die Wandler 200a, 200b, 200c und 200d mit variablem Durchfluss irgendeine Form der Membran, wie z. B. sechseckig oder achteckig, enthalten.
Die 8A und 8B veranschaulichen Seitenansichts-Querschnitte der Wandler 111 a und 111 b mit variablem Durchfluss weiterer Ausführungsformen. Die Wandler 111a und 111b mit variablem Durchfluss enthalten jeder die Membran 112, die akustischen Ventile 114 und die Betätigungsstrukturen 116, die oben bezüglich des Wandlers 110 mit variablem Durchfluss in den 3A, 3B und 3C beschrieben worden sind. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind die akustischen Ventile 114 in verschiedenen Anzahlen und Konfigurationen enthalten. Spezifisch enthält der Wandler 111a mit variablem Durchfluss die akustischen Ventile 114, die in einem zentralen Bereich 123a angeordnet sind, wie in 8A gezeigt ist. In derartigen Ausführungsformen ist der Umfangsbereich 123b massiv. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Ablenkung der Membran 112 in der Nähe der Mitte am größten und in der Nähe des Ankers am kleinsten.
In anderen Ausführungsformen enthält der Wandler 111 b mit variablem Durchfluss die akustischen Ventile 114, die in einem Umfangsbereich 123b angeordnet sind, wie in 8B gezeigt ist. In derartigen Ausführungsformen ist der zentrale Bereich 123a massiv. In derartigen Ausführungsformen können die Betätigungsstrukturen 116 auf der Oberseite der Membran 112 am Rand des zentralen Bereichs 123a ausgebildet sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann irgendeine Anzahl und irgendeine Anordnung der akustischen Ventile in irgendeinem Abschnitt der Membran angeordnet sein. Ferner veranschaulichen die 7A und 7B nur eine einzige Reihe der akustischen Ventile, die in einem Kreis auf der Membran 204 angeordnet sind, wobei aber verschiedene andere Ausführungsformen zwei, drei oder mehr akustische Ventile enthalten können, die in konzentrischen Kreisen auf einer Membran angeordnet sind, wie für den Wandler 111 a mit variablem Durchfluss und den Wandler 111 b mit variablem Durchfluss in den 8A bzw. 8B veranschaulicht ist. Die Fachleute auf dem Gebiet erkennen leicht verschiedene Modifikationen der Anzahl und der Konfiguration der akustischen Ventile der Ausführungsformen für die Wandler mit variablem Durchfluss der Ausführungsformen. Derartige Modifikationen befinden sich richtig im Schutzumfang der hier beschriebenen Ausführungsformen.
Die 9A, 9B und 9C sind Seitenansichts-Querschnitte und eine Draufsicht eines Wandlers 250 mit variablem Durchfluss einer weiteren Ausführungsform, der eine untere Membran 252 und eine obere Membran 254 enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält die untere Membran 252 die akustischen Entlüftungen 256, während die obere Membran 254 die akustischen Entlüftungen 258 enthält. Die akustischen Entlüftungen 256 und die akustischen Entlüftungen 258 sind versetzt, so dass sich die Entlüftungen nicht überlappen. Wenn in derartigen Ausführungsformen eine Spannungsdifferenz zwischen der unteren Membran 252 und der oberen Membran 254 angelegt ist, zieht eine elektrostatische Kraft die untere Membran 252 und die obere Membran 254 zusammen und dichtet die akustischen Entlüftungen 256 und die akustischen Entlüftungen 258 ab, wie in 9B gezeigt ist. Wenn keine Spannungsdifferenz oder eine kleine Spannungsdifferenz zwischen der unteren Membran 252 und der oberen Membran 254 angelegt ist, bleiben die Membranen getrennt und sind die akustischen Entlüftungen 256 und die akustischen Entlüftungen 258 offen, wie in 9A gezeigt ist.
Wenn gemäß verschiedenen Ausführungsformen die akustischen Entlüftungen 256 und die akustischen Entlüftungen 258 abgedichtet sind, sind die untere Membran 252 und die obere Membran 254 akustisch massiv, d. h., akustisch sichtbar oder akustisch opak. Wenn die akustischen Entlüftungen 256 und die akustischen Entlüftungen 258 offen sind, sind die untere Membran 252 und die obere Membran 254 akustisch transparent.
In verschiedenen Ausführungsformen sind die untere Membran 252 und die obere Membran 254 angesteuert, um über einer höheren ersten Frequenz zu schwingen, während die akustischen Entlüftungen 256 und die akustischen Entlüftungen 258 gesteuert sind, um sich zu öffnen und abzudichten, um den positiven und den negativen Schalldruck zu formen, die die akustischen Signale mit Frequenzen unter einer tieferen zweiten Frequenz bilden. In einigen Ausführungsformen können die untere Membran 252 und die obere Membran 254 mit einer Frequenz schwingen, die von 40 kHz bis 300 kHz reicht, wobei die akustischen Entlüftungen 256 und die akustischen Entlüftungen 258 geöffnet und abgedichtet werden können, um akustische Signale mit Frequenzen zu bilden, die von 20 Hz bis 20 kHz reichen.
Eine Anordnung einer Ausführungsform der akustischen Entlüftungen 256 und der akustischen Entlüftungen 258 ist in 9C gezeigt. In verschiedenen Ausführungsformen können die akustischen Entlüftungen 256 und die akustischen Entlüftungen 258 in irgendeinem Typ einer zufälligen Anordnung oder einem nicht zufälligen Muster angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind die untere Membran 252 und die obere Membran 254 entweder piezoelektrisch oder elektrostatisch angesteuert, um zu schwingen. Spezifisch können die untere Membran 252 und die obere Membran 254 mit oberen oder unteren perforierten Rückplatten oder piezoelektrischen Betätigungsschichten angeordnet sein, wie oben bezüglich des Wandlers 150 mit variablem Durchfluss und des Wandlers 151 mit variablem Durchfluss in den 5A bzw. 5B beschrieben worden ist. In derartigen Ausführungsformen sind die untere Membran 252 und die obere Membran 254 zusammen angesteuert, um mit einer höheren Frequenz über dem hörbaren Frequenzbereich zu schwingen.
Gemäß alternativen Ausführungsformen können die untere Membran 252 und die obere Membran 254 piezoelektrisch betätigt sein, um die akustischen Entlüftungen 256 und die akustischen Entlüftungen 258 zu öffnen und abzudichten. In derartigen Ausführungsformen sind die optionalen piezoelektrischen Betätigungsschichten 255 auf der unteren Membran 252 und der oberen Membran 254 ausgebildet, um Kräfte bereitzustellen, um die akustischen Entlüftungen 256 und die akustischen Entlüftungen 258 zu öffnen und abzudichten.
Die 10A, 10B und 10C veranschaulichen graphische Darstellungen der Signalformen des Betriebs eines Wandlers mit variablem Durchfluss einer Ausführungsform. Die 10A, 10B und 10C enthalten graphische Darstellungen der Signalformen, die auf einer normierten vertikalen Achse gegen die Zeit gezeigt sind. 10A veranschaulicht die Signalform 270 der Auslenkung der Membran und die Signalform 272 der Beschleunigung der Membran, die oben bezüglich der Signalform 134 der Auslenkung der Membran und der Signalform 136 der Beschleunigung der Membran in 4C ähnlich beschrieben worden sind. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Membran piezoelektrisch oder elektrostatisch angesteuert, um mit einer Frequenz oder Frequenzen über dem hörbaren Bereich zu schwingen. Die Membran kann z. B. angesteuert sein, um mit einer Resonanzfrequenz der Membran, wie z. B. 100 kHz, zu schwingen.
In verschiedenen Ausführungsformen wird die akustische Impedanz der Membran während der Schwingungen eingestellt, um ein moduliertes akustisches Signal zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen werden die akustischen Ventile geöffnet, wenn die Membran verzögert, was als Bremsen bezeichnet werden kann. 10B veranschaulicht die Signalform 276 des Bremsens und die Signalform 274 des Volumenstroms, die den Beschleunigungen und den Verzögerungen der Signalform 272 der Beschleunigung der Membran in 10A entsprechen.
Wenn die Membran verzögert, d. h., wenn die Signalform 276 des Bremsens einen Wert von 1 aufweist, sind die akustischen Ventile offen. In einigen Ausführungsformen ist die Membran akustisch transparent, die akustische Impedanz ist z. B. verringert, wobei der Volumenstrom des akustischen Mediums, z. B. der Luft, verringert ist, wie durch die Signalform 274 des Volumenstroms gezeigt ist. In einigen Ausführungsformen ist der Volumenstrom während des Bremszeitraums 280, wenn die Signalform 276 des Bremsens einen Wert von 1 aufweist, ein halb, wie durch die Signalform 274 des Volumenstroms gezeigt ist. In derartigen Ausführungsformen ist die Membran während des Bremszeitraums 280, wenn die akustischen Ventile offen sind, 50 % akustisch transparent. In anderen Ausführungsformen kann die Membran andere Werte für die akustische Transparenz aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Membran zwischen 30 % und 95 % akustisch transparent, wenn die akustischen Ventile offen sind. In spezifischen Ausführungsformen ist die Membran zwischen 50 % und 80 % akustisch transparent, wenn die akustischen Ventile offen sind. In derartigen verschiedenen Ausführungsformen entspricht der Volumenstrom der akustischen Transparenz. In einigen Ausführungsformen kann die akustische Transparenz außerdem als ein akustischer Kurzschluss bezeichnet werden.
Wenn die Membran beschleunigt, d. h., wenn die Signalform 276 des Bremsens einen Wert von 0 aufweist, sind die akustischen Ventile geschlossen. In derartigen Ausführungsformen ist die Membran akustisch opak, die akustische Impedanz ist z. B. vergrößert oder befindet sich auf einem Maximum, wobei der Volumenstrom des akustischen Mediums, z. B. der Luft, vergrößert ist, wie durch die Signalform 274 des Volumenstroms gezeigt ist. In einigen Ausführungsformen ist während des Beschleunigungszeitraums 278, wenn die Signalform 276 des Bremsens einen Wert von 0 aufweist, der Volumenstrom voll, wie durch die Signalform 274 des Volumenstroms gezeigt ist.
10C veranschaulicht die Signalform 282 eines Volumenstroms von 100 % und die Signalform 284 eines Volumenstroms von 50 %, die der Signalform 276 des Bremsens und der Signalform 274 des Volumenstroms in 10B entsprechen. Der Volumenstrom für eine Membran ohne die akustischen Ventile der Ausführungsformen kann, wie hier beschrieben ist, für positive Auslenkungen (1, 0) und negative Auslenkungen (0, -1) gleich sein, wie durch die Signalform 282 des Volumenstroms von 100 % gezeigt ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Volumenstrom für eine Membran mit den akustischen Ventilen der Ausführungsformen so gesteuert sein, dass sie für positive Auslenkungen (1, 0) und negative Auslenkungen (0, -1) verschiedene Werte aufweist, wie durch die Signalform 284 des Volumenstroms von 50 % gezeigt ist, wie hier beschrieben ist. In speziellen Ausführungsformen ist die Membran 50 % akustisch transparent, wenn die akustischen Ventile offen sind, wie z. B. während des Bremsens, was 50 % des Volumenstroms (für negative Werte der Signalform 284 des Volumenstroms von 50 %) erzeugt. Wenn die akustischen Ventile geschlossen sind, wie z. B. während des Beschleunigens, ist die Membran akustisch opak, was 100 % des Volumenstroms (für positive Werte der Signalform 284 des Volumenstroms von 50 %) erzeugt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Polarität der Steuerung der akustischen Ventile gewechselt werden, um sowohl positive als auch negative Halbwellen eines hörbaren akustischen Signals zu formen. Durch das strategische Öffnen und Schließen der akustischen Ventile können die positiven und negativen Schalldruckpegel aus Schwingungen mit höherer Frequenz geformt werden. In verschiedenen Ausführungsformen besteht die Qualität der akustischen Transparenz, die als die akustische Impedanz oder der akustische Kurzschluss bezeichnet werden kann, mit der Anzahl, der Größe, der Form, der Verteilung und dem Betrieb der akustischen Ventile in Beziehung, wie oben bezüglich der anderen Figuren beschrieben worden ist.
11 veranschaulicht eine zusätzliche graphische Darstellung der Signalformen des Betriebs eines Wandlers mit variablem Durchfluss einer Ausführungsform, die die Hochfrequenz-Signalform 290, die Hochfrequenz-Signalform 292 und die modulierte akustische Signalform 294 enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind die Hochfrequenz-Signalform 290 und die Hochfrequenz-Signalform 292 Trägersignale, die Frequenzen über dem hörbaren Frequenzbereich aufweisen, wie z. B. oben bezüglich des Trägersignals C_SIG in 2B beschrieben worden ist. Die modulierte akustische Signalform 294 ist ein aus der Hochfrequenz-Signalform 290 oder der Hochfrequenz-Signalform 292 gebildetes moduliertes Signal, wie oben bezüglich des modulierten akustischen Signals MA_SIG in 2B beschrieben worden ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beeinflussen die Qualität der akustischen Ventile und die entsprechenden akustischen Wege oder Perforationen in der Membran die akustische Transparenz der Membran. In speziellen Ausführungsformen entspricht die Hochfrequenz-Signalform 290 einer Membran, die 50 % akustisch sichtbar (50 % akustisch transparent) ist, wenn die akustischen Wege oder Ventile offen sind, während die Hochfrequenz-Signalform 292 einer Membran entspricht, die 10 % akustisch sichtbar (90 % akustisch transparent) ist, wenn die akustischen Wege oder Ventile offen sind. In derartigen Ausführungsformen erzeugt die Membran aufgrund der akustischen Transparenz während der ersten Halbwelle von 0 bis 0,1 ms im Zustand der positiven Beschleunigung einen vollen Volumenstrom und im Zustand der negativen Beschleunigung einen verringerten Volumenstrom. Ferner erzeugt die Membran aufgrund der akustischen Transparenz während der zweiten Halbwelle von 0,1 ms bis 0,2 ms im Zustand der negativen Beschleunigung einen vollen Volumenstrom und im Zustand der positiven Beschleunigung einen verringerten Volumenstrom. Der Volumenstrom, wenn die akustischen Ventile offen sind, ist für die 50 % akustisch sichtbare Membran nicht vernachlässigbar, wobei er aber durch den größeren Betrag des Volumenstroms dominiert wird, wenn die akustischen Ventile geschlossen sind. Wie durch die Hochfrequenz-Signalform 290 und die Hochfrequenz-Signalform 292 gezeigt ist, ist der Volumenstrom, wenn die akustischen Ventile offen sind, für die Membran, die 50 % akustisch sichtbar ist, viel größer als für die Membran, die 10 % akustisch sichtbar ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird die modulierte akustische Signalform 294 durch die Hochfrequenz-Signalform 290 oder die Hochfrequenz-Signalform 292 gebildet oder geformt. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Amplitude der modulierten akustischen Signalform 294 sowohl von der Amplitude der Hochfrequenz-Signalform 290 oder der Hochfrequenz-Signalform 292 als auch von dem Ausmaß der akustischen Transparenz der Membran, wenn die akustischen Ventile offen sind, abhängig sein.
12 veranschaulicht einen Ablaufplan eines Verfahrens einer Ausführungsform des Betriebs 300 für den Wandler mit variablem Durchfluss. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist ein Betriebsverfahren 300 ein Verfahren zum Betreiben eines MEMS-Wandlers, wobei das Verfahren die Schritte 305, 310 und 315 enthält. In derartigen Ausführungsformen enthält der Schritt 305 das Betätigen einer ablenkbaren Membran, so dass sie schwingt. Die ablenkbare Membran kann mit einer Frequenz oder Frequenzen über dem hörbaren Bereich schwingen. In speziellen Ausführungsformen schwingt die ablenkbare Membran z. B. mit einer Frequenz oder Frequenzen, die von 40 kHz bis 300 kHz reichen.
In verschiedenen Ausführungsformen enthält der Schritt 310 das Steuern mehrerer steuerbarer akustischer Wege in der ablenkbaren Membran, um während eines ersten Modus Wege mit geringer akustischer Impedanz zwischen einem ersten Volumen und einem zweiten Volumen bereitzustellen. Die akustischen Wege können die steuerbaren akustischen Ventile enthalten, die oben bezüglich der anderen Figuren beschrieben worden sind. Das Bereitstellen der Wege mit geringer Impedanz kann in einigen Ausführungsformen das Öffnen der akustischen Ventile enthalten. Der Schritt 315 enthält das Steuern der mehreren steuerbaren akustischen Wege in der ablenkbaren Membran, um während eines zweiten Modus Wege mit hoher akustischer Impedanz zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen bereitzustellen. Das Bereitstellen der Wege mit hoher akustischer Impedanz kann in einigen Ausführungsformen das Schließen der akustischen Ventile enthalten. In derartigen Ausführungsformen kann der Weg mit hoher Impedanz eine sehr große akustische Impedanz enthalten.
Gemäß einer Ausführungsform enthält ein MEMS-Wandler mikroelektromechanischer Systeme eine ablenkbare Membran, die an einer Stützstruktur befestigt ist, eine akustische Ventilstruktur, die konfiguriert ist, zu verursachen, dass die ablenkbare Membran in einem ersten Modus akustisch transparent und in einem zweiten Modus akustisch sichtbar ist, und einen Betätigungsmechanismus, der an die ablenkbare Membran gekoppelt ist. Andere Ausführungsformen enthalten entsprechende Systeme und Vorrichtungen, wobei jedes bzw. jede konfiguriert ist, die Verfahren der verschiedenen Ausführungsformen auszuführen.
In verschiedenen Ausführungsformen ist der Betätigungsmechanismus konfiguriert, Schwingungen der ablenkbaren Membran anzuregen, wobei die Schwingungen eine Frequenz von über 40 kHz aufweisen. Der MEMS-Wandler kann ferner ein Substrat enthalten, wobei die Stützstruktur auf dem Substrat angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen enthält die akustische Ventilstruktur mehrere piezoelektrische Ventile. In derartigen Ausführungsformen können die mehreren piezoelektrischen Ventile auf der ablenkbaren Membran ausgebildet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen enthält die akustische Ventilstruktur mehrere elektrostatische Ventile. In derartigen Ausführungsformen können die mehreren elektrostatischen Ventile auf der ablenkbaren Membran ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen enthält der Betätigungsmechanismus eine perforierte Rückplatte, die durch einen Trennungsabstand von der ablenkbaren Membran getrennt ist. In anderen Ausführungsformen enthält der Betätigungsmechanismus eine piezoelektrische Schicht, die auf der ablenkbaren Membran ausgebildet ist.
Gemäß einer Ausführungsform enthält ein MEMS-Wandler eine Stützstruktur, die auf einem Substrat angeordnet ist, eine ablenkbare Membran, die durch die Stützstruktur gestützt ist und die ein erstes Volumen von einem zweiten Volumen trennt, und eine Betätigungsstruktur, die an die ablenkbare Membran gekoppelt ist. Die ablenkbare Membran enthält mehrere steuerbare akustische Wege in der ablenkbaren Membran, wobei jeder steuerbare akustische Weg der mehreren steuerbaren akustischen Wege konfiguriert ist, während eines ersten Modus einen Weg mit geringer akustische Impedanz zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen bereitzustellen und während eines zweiten Modus einen Weg mit hoher akustische Impedanz zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen bereitzustellen. Andere Ausführungsformen enthalten entsprechende Systeme und Vorrichtungen, wobei jedes bzw. jede konfiguriert ist, die Verfahren der verschiedenen Ausführungsformen auszuführen.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Betätigungsstruktur konfiguriert, die ablenkbare Membran anzuregen, so dass sie mit einer Frequenz über 40 kHz schwingt. In einigen Ausführungsformen enthält der MEMS-Wandler ferner eine Steuerschaltung, die an die Betätigungsstruktur gekoppelt ist und konfiguriert ist, der Betätigungsstruktur erste Steuersignale bereitzustellen. In derartigen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung ferner konfiguriert sein, den mehreren steuerbaren akustischen Wegen zweite Steuersignale bereitzustellen, wobei die zweiten Steuersignale betreibbar sind, um die mehreren steuerbaren akustischen Wege zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus zu wechseln, um positive und negative Schalldrücke, die hörbare akustische Signale mit Frequenzen unter 20 kHz bilden, selektiv zu erzeugen, während die ablenkbare Membran mit der Frequenz über 40 kHz schwingt.
In verschiedenen Ausführungsformen enthalten die mehreren steuerbaren akustischen Wege mehrere piezoelektrische Ventile, die in der ablenkbaren Membran ausgebildet sind. In einigen Ausführungsformen enthalten die mehreren steuerbaren akustischen Wege mehrere elektrostatische Ventile, die in der ablenkbaren Membran ausgebildet sind.
Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Verfahren zum Betreiben eines MEMS-Wandlers das Betätigen einer ablenkbaren Membran, so dass sie schwingt, das Steuern mehrerer steuerbarer akustischer Wege in der ablenkbaren Membran, um während eines ersten Modus Wege mit geringer akustischer Impedanz zwischen einem ersten Volumen und einem zweiten Volumen bereitzustellen, und das Steuern der mehreren steuerbaren akustischen Wege in der ablenkbaren Membran, um während eines zweiten Modus Wege mit hoher akustischer Impedanz zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen bereitzustellen. Andere Ausführungsformen enthalten entsprechende Systeme und Vorrichtungen, wobei jedes bzw. jede konfiguriert ist, die Verfahren der verschiedenen Ausführungsformen auszuführen.
In verschiedenen Ausführungsformen wird die ablenkbare Membran betätigt, um mit einer Frequenz über 40 kHz zu schwingen. In einigen Ausführungsformen enthält das Verfahren ferner das selektive Erzeugen positiver und negativer Schalldrücke durch das Wechseln der mehreren steuerbaren akustischen Wege zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus, wobei die positiven und negativen Schalldrücke hörbare akustische Signale mit Frequenzen unter 20 kHz bilden, während die ablenkbare Membran mit der Frequenz über 40 kHz schwingt.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Steuern der mehreren steuerbaren akustischen Wege in der ablenkbaren Membran, um die Wege mit geringer akustischer Impedanz bereitzustellen, das piezoelektrische Öffnen mehrerer piezoelektrischer akustischer Ventile enthalten, während das Steuern der mehreren steuerbaren akustischen Wege in der ablenkbaren Membran, um die Wege mit hoher akustischer Impedanz bereitzustellen, das piezoelektrische Schlie-ßen mehrerer piezoelektrischer akustischer Ventile enthalten kann. In einigen Ausführungsformen enthält das Steuern der mehreren steuerbaren akustischen Wege in der ablenkbaren Membran, um die Wege mit geringer akustischer Impedanz bereitzustellen, das elektrostatische Öffnen mehrerer elektrostatischer akustischer Ventile, während das Steuern der mehreren steuerbaren akustischen Wege in der ablenkbaren Membran, um die Wege mit hoher akustischer Impedanz bereitzustellen, das elektrostatische Schließen mehrerer elektrostatischer akustischer Ventile enthält.
Gemäß einer Ausführungsform enthält ein MEMS-Wandler eine erste ablenkbare Membran, die an einer Stützstruktur befestigt ist und erste mehrere Perforationen enthält, eine zweite ablenkbare Membran, die an der Stützstruktur befestigt ist und zweite mehrere Perforationen enthält, einen Schließmechanismus, der an die erste ablenkbare Membran und an die zweite ablenkbare Membran gekoppelt ist, und einen Betätigungsmechanismus, der konfiguriert ist, Schwingungen der ersten ablenkbaren Membran und der zweiten ablenkbaren Membran anzuregen. Die zweiten mehreren Perforationen sind von den ersten mehreren Perforationen versetzt. Der Schließmechanismus ist konfiguriert, während eines ersten Modus einen akustischen Weg durch die erste ablenkbare Membran und die zweite ablenkbare Membran zu schließen durch das Bewegen der ersten ablenkbaren Membran und der zweiten ablenkbaren Membran, so dass diese in Kontakt kommen, und während eines zweiten Modus den akustischen Weg zu offen durch das Bewegen der ersten ablenkbaren Membran und der zweiten ablenkbaren Membran, so dass diese außer Kontakt kommen. In derartigen Ausführungsformen sind die ersten mehreren Perforationen an der zweiten ablenkbaren Membran abgedichtet und sind die zweiten mehreren Perforationen an der ersten ablenkbaren Membran abgedichtet, wenn der akustische Weg geschlossen ist. Andere Ausführungsformen enthalten entsprechende Systeme und Vorrichtungen, wobei jedes bzw. jede konfiguriert ist, die Verfahren der verschiedenen Ausführungsformen auszuführen.
In verschiedenen Ausführungsformen weisen die Schwingungen der ersten ablenkbaren Membran und der zweiten ablenkbaren Membran eine Frequenz über 40 kHz auf. In einigen Ausführungsformen enthält der Schließmechanismus eine elektrostatische Struktur, die konfiguriert ist, während des ersten Modus eine elektrostatische Kraft zwischen der ersten ablenkbaren Membran und der zweiten ablenkbaren Membran zu erzeugen. In anderen Ausführungsformen enthält der Schließmechanismus eine piezoelektrische Struktur, die konfiguriert ist, während des ersten Modus eine erste Kraft auf die erste ablenkbare Membran und eine zweite Kraft auf die zweite ablenkbare Membran zu erzeugen, wobei die erste Kraft und die zweite Kraft konfiguriert sind, die erste ablenkbare Membran und die zweite ablenkbare Membran in Kontakt zu bewegen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Betätigungsmechanismus eine perforierte Rückplatte enthalten, die an der Stützstruktur befestigt ist, wobei er konfiguriert ist, eine elektrostatische Kraft zwischen der perforierten Rückplatte und der ersten ablenkbaren Membran und der zweiten ablenkbaren M1embran zu erzeugen. In anderen Ausführungsformen enthält der Betätigungsmechanismus eine piezoelektrische Struktur, die konfiguriert ist, eine erste Kraft auf die erste ablenkbare Membran und eine zweite Kraft auf die zweite ablenkbare Membran zu erzeugen.
Die Vorteile der hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen können Signale mit hohem Schalldruckpegel mit tiefen Frequenzen enthalten, die unter Verwendung von Schwingungen mit höherer Frequenz einer Membran gebildet werden. Weitere Vorteile der hier beschriebenen Ausführungsformen können die ablenkbaren Membranen mit einer steuerbaren akustischen Impedanz enthalten. Einige Vorteile der verschiedenen Ausführungsformen können die Fähigkeit, positive Schalldrücke ohne oder mit verringerten negativen Schalldrücken zu bilden, oder die Fähigkeit, negative Schalldrücke ohne oder mit verringerten positiven Schalldrücken zu bilden, enthalten.

Claims

MEMS-Wandler (102; 110; 130; 150, 151; 180, 181, 182; 200a-d; 111a-b; 250), der Folgendes umfasst: eine ablenkbare Membran (112; 154; 168; 204; 252, 254), die an einer Stützstruktur (202) befestigt ist; eine akustische Ventilstruktur (114; 160; 180; 181; 182; 206; 212; 216; 218), die konfiguriert ist, zu verursachen, dass die ablenkbare Membran in einem ersten Modus akustisch transparent und in einem zweiten Modus akustisch opak ist, wobei die akustische Ventilstruktur (114; 160; 180; 181; 182; 206; 212; 216; 218) mehrere piezoelektrische Ventile umfasst; und einen Betätigungsmechanismus (116), der an die ablenkbare Membran gekoppelt ist.
MEMS-Wandler nach Anspruch 1, wobei der Betätigungsmechanismus konfiguriert ist, Schwingungen der ablenkbaren Membran anzuregen, wobei die Schwingungen eine Frequenz über 40 kHz aufweisen.
MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, der ferner ein Substrat (152) umfasst, wobei die Stützstruktur auf dem Substrat angeordnet ist.
MEMS-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren piezoelektrischen Ventile (114; 160; 180; 181; 182; 206; 212; 216; 218) auf der ablenkbaren Membran (112; 154; 168; 204; 252, 254) ausgebildet sind.
MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Betätigungsmechanismus eine perforierte Rückplatte (156, 158) umfasst, die von der ablenkbaren Membran um einen Trennungsabstand getrennt ist.
MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Betätigungsmechanismus eine piezoelektrische Schicht (170) umfasst, die auf der ablenkbaren Membran ausgebildet ist.
MEMS-Wandler (102; 110; 130; 150, 151; 180, 181, 182; 200a-d; 111 a-b; 250), der Folgendes umfasst: eine Stützstruktur (202), die auf einem Substrat (152) angeordnet ist; eine ablenkbare Membran (112; 154; 168; 204; 252, 254), die durch die Stützstruktur (202) gestützt ist und ein erstes Volumen von einem zweiten Volumen trennt, wobei die ablenkbare Membran mehrere steuerbare akustische Wege in der ablenkbaren Membran umfasst, wobei die mehreren steuerbaren akustischen Wege mehrere piezoelektrische Ventile (114; 160; 180; 181; 182; 206; 212; 216; 218) umfassen, die in der ablenkbaren Membran ausgebildet sind, wobei jeder steuerbare akustische Weg der mehreren steuerbaren akustischen Wege konfiguriert ist, während eines ersten Modus einen Weg mit geringer akustischer Impedanz zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen bereitzustellen; und während eines zweiten Modus einen Weg mit hoher akustischer Impedanz zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen bereitzustellen; und eine Betätigungsstruktur (116), die an die ablenkbare Membran gekoppelt ist.
MEMS-Wandler nach Anspruch 7, wobei die Betätigungsstruktur konfiguriert ist, die ablenkbare Membran anzuregen, so dass sie mit einer Frequenz über 40 kHz schwingt.
MEMS-Wandler nach Anspruch 8, der ferner eine Steuerschaltung (116) umfasst, die an die Betätigungsstruktur gekoppelt ist und konfiguriert ist, der Betätigungsstruktur erste Steuersignale bereitzustellen.
MEMS-Wandler nach Anspruch 9, wobei die Steuerschaltung (116) ferner konfiguriert ist, den mehreren steuerbaren akustischen Wegen zweite Steuersignale bereitzustellen; und die zweiten Steuersignale betreibbar sind, die mehreren steuerbaren akustischen Wege zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus zu wechseln, um selektiv positive und negative Schalldrücke zu erzeugen, die hörbare akustische Signale mit Frequenzen unter 20 kHz bilden, während die ablenkbare Membran mit der Frequenz über 40 kHz schwingt.
Verfahren (300) zum Betreiben eines Wandlers mikroelektromechanischer Systeme (MEMS), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Betätigen (305) einer ablenkbaren Membran, so dass sie schwingt; Steuern (310) mehrerer steuerbarer akustischer Wege in der ablenkbaren Membran, um während eines ersten Modus Wege mit geringer akustischer Impedanz zwischen einem ersten Volumen und einem zweiten Volumen bereitzustellen; und Steuern (315) der mehreren steuerbaren akustischen Wege in der ablenkbaren Membran, um während eines zweiten Modus Wege mit hoher akustischer Impedanz zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen bereitzustellen; wobei das Steuern der mehreren steuerbaren akustischen Wege in der ablenkbaren Membran, um Wege mit geringer akustischer Impedanz bereitzustellen, das piezoelektrische Öffnen mehrerer piezoelektrischer akustischer Ventile umfasst; und das Steuern der mehreren steuerbaren akustischen Wege in der ablenkbaren Membran, um Wege mit hoher akustischer Impedanz bereitzustellen, das piezoelektrische Schließen mehrerer piezoelektrischer akustischer Ventile umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die ablenkbare Membran betätigt wird, so dass sie mit einer Frequenz über 40 kHz schwingt.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner das selektive Erzeugen positiver und negativer Schalldrücke durch das Wechseln der mehreren steuerbaren akustischen Wege zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus umfasst, wobei die positiven und die negativen Schalldrücke hörbare akustische Signale mit Frequenzen unter 20 kHz bilden, während die ablenkbare Membran mit der Frequenz über 40 kHz schwingt.
MEMS-Wandler (250), der Folgendes umfasst: eine erste ablenkbare Membran (252), die an einer Stützstruktur befestigt ist und erste mehrere Perforationen (256) umfasst; eine zweite ablenkbare Membran (254), die an der Stützstruktur befestigt ist und zweite mehrere Perforationen umfasst (258), wobei die zweiten mehreren Perforationen (258) von den ersten mehreren Perforationen (256) versetzt sind; einen Schließmechanismus (255), der an die erste ablenkbare Membran (252) und an die zweite ablenkbare Membran (254) gekoppelt ist, wobei der Schließmechanismus (255) konfiguriert ist, während eines ersten Modus einen akustischen Weg durch die erste ablenkbare Membran (252) und die zweite ablenkbare Membran (254) zu schließen durch das Bewegen der ersten ablenkbaren Membran (252) und der zweiten ablenkbaren Membran (254), so dass diese in Kontakt kommen, und während eines zweiten Modus den akustischen Weg zu öffnen durch das Bewegen der ersten ablenkbaren Membran (252) und der zweiten ablenkbaren Membran (254), so dass diese außer Kontakt kommen, wobei die ersten mehreren Perforationen (256) an der zweiten ablenkbaren Membran (254) abgedichtet sind und die zweiten mehreren Perforationen (258) an der ersten ablenkbaren Membran (252) abgedichtet sind, wenn der akustische Weg geschlossen ist; und einen Betätigungsmechanismus, der konfiguriert ist, Schwingungen der ersten ablenkbaren Membran (252) und der zweiten ablenkbaren Membran (254) anzuregen.
MEMS-Wandler nach Anspruch 14, wobei die Schwingungen der ersten ablenkbaren Membran (252) und der zweiten ablenkbaren Membran (254) eine Frequenz über 40 kHz aufweisen.
MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei der Schließmechanismus (255) eine elektrostatische Struktur umfasst, die konfiguriert ist, während des ersten Modus eine elektrostatische Kraft zwischen der ersten ablenkbaren Membran (252) und der zweiten ablenkbaren Membran (254) zu erzeugen.
MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Schließmechanismus (255) eine piezoelektrische Struktur umfasst, die konfiguriert ist, während des ersten Modus eine erste Kraft auf die erste ablenkbare Membran (252) und eine zweite Kraft auf die zweite ablenkbare Membran (254) zu erzeugen, wobei die erste Kraft und die zweite Kraft konfiguriert sind, die erste ablenkbare Membran (252) und die zweite ablenkbare Membran (254) in Kontakt zu bewegen.
MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei der Betätigungsmechanismus eine perforierte Rückplatte umfasst, die an der Stützstruktur befestigt ist, und konfiguriert ist, eine elektrostatische Kraft zwischen der perforierten Rückplatte und der ersten ablenkbaren Membran und der zweiten ablenkbaren Membran zu erzeugen.
MEMS-Wandler nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei der Betätigungsmechanismus eine piezoelektrische Struktur umfasst, die konfiguriert ist, eine erste Kraft auf die erste ablenkbare Membran und eine zweite Kraft auf die zweite ablenkbare Membran zu erzeugen.
MEMS-Wandler (102; 110; 130; 150, 151; 180, 181, 182; 200a-d; 111 a-b; 250), der Folgendes umfasst: eine ablenkbare Membran (112; 154; 168; 204; 252, 254), die an einer Stützstruktur (202) befestigt ist; eine akustische Ventilstruktur (114; 160; 180; 181; 182; 206; 212; 216; 218), die konfiguriert ist, zu verursachen, dass die ablenkbare Membran in einem ersten Modus akustisch transparent und in einem zweiten Modus akustisch opak ist; und einen piezoelektrischen Betätigungsmechanismus (116), der an die ablenkbare Membran gekoppelt ist, um die ablenkbare Membran anzuregen.
MEMS-Wandler (102; 110; 130; 150, 151; 180, 181, 182; 200a-d; 111 a-b; 250), der Folgendes umfasst: eine Stützstruktur (202), die auf einem Substrat (152) angeordnet ist; eine ablenkbare Membran (112; 154; 168; 204; 252, 254), die durch die Stützstruktur (202) gestützt ist und ein erstes Volumen von einem zweiten Volumen trennt, wobei die ablenkbare Membran mehrere steuerbare akustische Wege in der ablenkbaren Membran umfasst, wobei jeder steuerbare akustische Weg der mehreren steuerbaren akustischen Wege konfiguriert ist, während eines ersten Modus einen Weg mit geringer akustischer Impedanz zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen bereitzustellen; und während eines zweiten Modus einen Weg mit hoher akustischer Impedanz zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen bereitzustellen; und eine piezoelektrische Betätigungsstruktur (116), die an die ablenkbare Membran gekoppelt ist, um die ablenkbare Membran anzuregen.
Verfahren (300) zum Betreiben eines Wandlers mikroelektromechanischer Systeme (MEMS), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Betätigen (305) einer piezoelektrisch ablenkbaren Membran, so dass sie schwingt; Steuern (310) mehrerer steuerbarer akustischer Wege in der piezoelektrisch ablenkbaren Membran, um während eines ersten Modus Wege mit geringer akustischer Impedanz zwischen einem ersten Volumen und einem zweiten Volumen bereitzustellen; und Steuern (315) der mehreren steuerbaren akustischen Wege in der piezoelektrisch ablenkbaren Membran, um während eines zweiten Modus Wege mit hoher akustischer Impedanz zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen bereitzustellen.