DE102019124236A1 - Sound measuring device with an acoustic MEMS sensor mounted on a circuit board - Google Patents

Sound measuring device with an acoustic MEMS sensor mounted on a circuit board Download PDF

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Tobias Kleindienst
Thomas Ahlefeldt
Carsten Spehr
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Abstract

Bei einer Schallmessvorrichtung (1) mit einem an einer Platine (4) montierten akustischen MEMS-Sensor (2), wobei eine durch Schall auslenkbare Sensormembran (3) des MEMS-Sensors (2) hinter einem in der Platine (4) ausgebildeten Schallloch (5) angeordnet ist, überspannt eine Dämmmembran (6) einen Lochquerschnitt des Schalllochs (5). Am Rand des Lochquerschnitts ist die Dämmmembran (6) starr abgestützt.In the case of a sound measuring device (1) with an acoustic MEMS sensor (2) mounted on a circuit board (4), a sensor membrane (3) of the MEMS sensor (2) that can be deflected by sound behind a sound hole (4) formed in the circuit board (4). 5) is arranged, an insulating membrane (6) spans a hole cross-section of the sound hole (5). The insulating membrane (6) is rigidly supported on the edge of the hole cross-section.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schallmessvorrichtung mit einem akustischen MEMS-Sensor. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Schallmessvorrichtung mit einem an einer Platine montieren akustischen MEMS-Sensor, wobei eine durch Schall auslenkbare Sensormembran des MEMS-Sensors hinter einem in der Platine ausgebildeten Schallloch angeordnet ist.The invention relates to a sound measuring device with an acoustic MEMS sensor. In particular, the invention relates to a sound measuring device with an acoustic MEMS sensor mounted on a circuit board, wherein a sensor membrane of the MEMS sensor that can be deflected by sound is arranged behind a sound hole formed in the circuit board.

MEMS steht für Micro Electro-Mechanical System. Ein MEMS-Sensor ist entsprechend ein in Mikrosystemtechnik ausgeführter Sensor. Ein akustischer MEMS-Sensor weist eine durch Schall auslenkbare Sensormembran auf, wobei durch das Auslenken der Sensormembran ein Schallsignal des akustischer MEMS-Sensors generiert wird.MEMS stands for Micro Electro-Mechanical System. A MEMS sensor is accordingly a sensor implemented using microsystem technology. An acoustic MEMS sensor has a sensor membrane that can be deflected by sound, a sound signal of the acoustic MEMS sensor being generated by the deflection of the sensor membrane.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Akustische MEMS-Sensoren werden millionenfach in Endverbraucher-Produkten wie Smartphones und Tablets als Mikrofone eingesetzt.Acoustic MEMS sensors are used millions of times as microphones in consumer products such as smartphones and tablets.

Aufgrund ihrer geringen Baugröße, der geringen Schwankungen ihrer elektromechanischen Eigenschaften und ihres günstigen Preises eignen sich akustische MEMS-Sensoren grundsätzlich auch für bildgebende akustische Messverfahren, die auf der Verwendung einer großen Anzahl von Mikrofonen, z. B. sog. Mikrofonarrays, basieren.Due to their small size, the small fluctuations in their electromechanical properties and their low price, acoustic MEMS sensors are basically also suitable for imaging acoustic measurement methods that rely on the use of a large number of microphones, e.g. B. so-called. Microphone arrays are based.

Kommerziell erhältliche akustische MEMS-Sensoren weisen jedoch einen begrenzten maximalen Schallpegel auf, der zur Realisierung von komplexen Messverfahren mit hohen Maximalschallpegeln, wie sie z. B. in Windkanälen oder bei Flugversuchen auftreten, nicht ausreicht. Wird der maximale Schallpegel eines akustischen MEMS-Sensors überschritten, kommt es zu Verzerrungen zwischen dem anregenden Schall und dem Schallsignal, im Extremfall sogar zur Zerstörung des akustischen MEMS-Sensors.Commercially available acoustic MEMS sensors, however, have a limited maximum sound level, which is necessary for the implementation of complex measuring methods with high maximum sound levels, such as those used in e.g. B. occur in wind tunnels or during flight tests is not sufficient. If the maximum sound level of an acoustic MEMS sensor is exceeded, there will be distortions between the stimulating sound and the sound signal, in extreme cases even destruction of the acoustic MEMS sensor.

Derzeit werden daher für akustische Messverfahren bei hohen Schallpegeln sehr teure Messmikrofone verwendet, die zudem sehr groß und häufig für eine Integration bei Flugtests oder in Windkanälen ungeeignet sind.Therefore, very expensive measurement microphones are currently used for acoustic measurement methods at high sound levels, which are also very large and often unsuitable for integration in flight tests or in wind tunnels.

Aus der DE 10 2014 214 153 A1 ist ein oberflächenmontierbares Mikrofonpackage bekannt, das ein erstes Mikrofon und ein zweites Mikrofon umfasst. Weiterhin umfasst das Mikrofonpackage eine erste Öffnung für das erste Mikrofon und eine zweite Öffnung für das zweite Mikrofon, die auf gegenüberliegenden Seiten des oberflächenmontierbaren Mikrofonpackages angeordnet sind. Das oberflächenmontierbare Mikrofonpackage wird durch Löten auf einer Oberseite einer Leiterplatte angeordnet. Die Leiterplatte weist ein Schallloch auf, das vor der zweiten Öffnung des Mikrofonpackages angeordnet ist. Schallwellen, die von der einen Seite der Leiterplatte her durch das Loch der Leiterplatte passieren, passieren auch die zweite Öffnung und treffen ohne weitere Ablenkung auf das zweite Mikrofon. Das erste Mikrofon wird hingegen von Schallwellen durch die erste Öffnung erreicht, die von der anderen Seite der Leiterplatte kommen.From the DE 10 2014 214 153 A1 a surface-mountable microphone package is known which comprises a first microphone and a second microphone. Furthermore, the microphone package comprises a first opening for the first microphone and a second opening for the second microphone, which are arranged on opposite sides of the surface-mountable microphone package. The surface mount microphone package is placed on a top of a circuit board by soldering. The circuit board has a sound hole which is arranged in front of the second opening of the microphone package. Sound waves that pass from one side of the circuit board through the hole in the circuit board also pass through the second opening and hit the second microphone without any further distraction. The first microphone, however, is reached through the first opening by sound waves coming from the other side of the circuit board.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schallmessvorrichtung mit einem kommerziell erhältlichen akustischen MEMS-Sensor aufzuzeigen, die auch für hohe Schallpegel geeignet ist.The invention is based on the object of providing a sound measuring device with a commercially available acoustic MEMS sensor which is also suitable for high sound levels.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Schallmessvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schallmessvorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.The object of the invention is achieved by a sound measuring device with the features of independent claim 1. Preferred embodiments of the sound measuring device according to the invention are defined in the dependent claims.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Bei einer erfindungsgemäßen Schallmessvorrichtung mit einem an einer Platine montierten akustischen MEMS-Sensor, wobei eine durch Schall auslenkbare Sensormembran des MEMS-Sensors hinter einem in der Platine ausgebildeten Schallloch angeordnet ist, überspannt eine Dämmmembran einen Lochquerschnitt des Schalllochs, und am Rand des Lochquerschnitts ist die Dämmmembran starr abgestützt.In a sound measuring device according to the invention with an acoustic MEMS sensor mounted on a circuit board, wherein a sensor membrane of the MEMS sensor that can be deflected by sound is arranged behind a sound hole formed in the circuit board, an insulating membrane spans a hole cross section of the sound hole, and at the edge of the hole cross section is the Insulation membrane rigidly supported.

Unter einer Platine wird hier eine Leiterplatte, insbesondere eine gedruckte Leiterplatte verstanden, die auch als PCB (printed circuit board) bezeichnet wird. Indem der akustische MEMS-Sensor auf der Platine montiert ist, ist der dort zumindest mechanisch abgestützt, vielfach aber auch elektrisch kontaktiert, wie es für seine Funktion erforderlich ist.A circuit board is understood here to mean a circuit board, in particular a printed circuit board, which is also referred to as a PCB (printed circuit board). Since the acoustic MEMS sensor is mounted on the circuit board, it is at least mechanically supported there, but in many cases also electrically contacted, as is necessary for its function.

Die Dämmmembran, die den Lochquerschnitt des Schalllochs in der Platine überspannt und am Rand des Lochquerschnitts starr abgestützt ist, reduziert den Schallpegel des durch das Schallloch hindurchtretenden Schalls. Damit ist der maximale Schallpegel der erfindungsgemäßen Schallmessvorrichtung gegenüber dem maximalen Schallpegel nur des MEMS-Sensors erhöht. Mit Hilfe der Eigenschaften der Dämmmembran kann das Maß dieser Erhöhung des maximalen Schallpegels festgelegt werden. Bei geeigneter elastische Ausbildung der Dämmmembran bewirkt diese eine lineare Reduktion des Schallpegels der durch das Schallloch hindurchtretenden Schallwellen in dem interessierenden Frequenzbereich.The insulating membrane, which spans the hole cross-section of the sound hole in the board and is rigidly supported on the edge of the hole cross-section, reduces the sound level of the sound passing through the sound hole. The maximum sound level of the sound measuring device according to the invention is thus increased compared to the maximum sound level of only the MEMS sensor. With the help of the properties of the insulating membrane, the extent of this increase in the maximum sound level can be determined. With suitable elastic training the insulating membrane, this causes a linear reduction in the sound level of the sound waves passing through the sound hole in the frequency range of interest.

Konkret kann die Dämmmembran eine Lage aus Metall, Kunststoff oder Faserverbundwerkstoff aufweisen. Die Dämmmembran kann auch überwiegend aus Metall, Kunststoff oder Faserverbundwerkstoff bestehen und im Extremfall eine reine Metall-, Kunststoff- oder Faserverbundwerkstoffmembran sein.Specifically, the insulating membrane can have a layer made of metal, plastic or fiber composite material. The insulating membrane can also predominantly consist of metal, plastic or fiber composite material and, in the extreme case, be a pure metal, plastic or fiber composite material membrane.

Das Metall der Dämmmembran kann Kupfer oder eine Kupferlegierung sein, wie es/sie bei der üblichen Platinenherstellung zum Einsatz kommt. Der Kunststoff kann entsprechend ein Kunsstoff sein, wie er bei der üblichen Platinenherstellung zum Einsatz kommt. Grundsätzlich kann auch anderes Material für die Dämmmembran verwendet werden, insbesondere jedes, das bei der Ausbildung von Platinen üblicherweise zum Einsatz kommt. Bei dem Kunststoff kann es sich konkret um ein Polyimid handeln, beispielsweise wie es als KAPTON von der Firma Du Pont vertrieben wird (KAPTON ist eine eingetragene Marke der Firma Du Pont). Der Faserverbundwerkstoff kann Kohlenstofffasern in einer Kunstharzmatrix aufweisen.The metal of the insulating membrane can be copper or a copper alloy, such as is used in the usual production of circuit boards. The plastic can accordingly be a plastic, as it is used in the usual production of circuit boards. In principle, other material can also be used for the insulating membrane, in particular any that is usually used in the formation of circuit boards. The plastic can specifically be a polyimide, for example as sold as KAPTON by the Du Pont company (KAPTON is a registered trademark of the Du Pont company). The fiber composite material can have carbon fibers in a synthetic resin matrix.

Diese Dämmmembran kann bei der Herstellung der Platine durch eine über das Schallloch hinweg durchlaufende Lage der Platine ausgebildet werden. Zum Beispiel kann die Dämmmembran aus einer Kupfer- oder Polyimidfolie bestehen, welche bei der Herstellung der Platine mit anderen Schichten der Platine verpresst und/oder verklebt wird.During the manufacture of the circuit board, this insulating membrane can be formed by a layer of the circuit board running through the sound hole. For example, the insulating membrane can consist of a copper or polyimide foil, which is pressed and / or glued to other layers of the board during the production of the board.

Die Dämmmembran kann aber beispielsweise auch nach der Herstellung der Platine auf die dem zu montierenden akustischen MEMS-Sensor gegenüberliegende Seite der Platine über das dort bereits eingebrachte Schallloch hinweg aufgeklebt werden.The insulating membrane can, however, also be glued onto the side of the board opposite the acoustic MEMS sensor to be mounted, for example after the board has been manufactured, over the sound hole already made there.

Grundsätzlich kann die Dämmmembran mit Durchbrechungen versehen sein. Für eine lineare Reduktion des Schallpegels erweist es sich jedoch als vorteilhaft, wenn die Dämmmembran geschlossen ist und eine Dicke im Bereich von wenigen bis wenigen 10µm, d. h. von beispielsweise 3 bis 50 µm oder vorzugsweise von 10 bis 40 µm, aufweist. Dabei ist eine Dämmmembran aus Kunststoff typischerweise etwas dicker als eine solche aus Metall aber immer noch dünner als viele handelsübliche Polyimidfolien.In principle, the insulating membrane can be provided with perforations. For a linear reduction of the sound level, however, it proves to be advantageous if the insulating membrane is closed and has a thickness in the range from a few to a few 10 μm, i.e. H. for example from 3 to 50 µm or preferably from 10 to 40 µm. An insulating membrane made of plastic is typically a little thicker than one made of metal, but is still thinner than many commercially available polyimide films.

Die Dämmmembran der erfindungsgemäßen Schallmessvorrichtung schützt die hinter ihr liegende Sensormembran des akustischen MEMS-Sensors nicht nur vor hohen Schallpegeln sondern auch vor Feuchtigkeit und anderen Kontaminationen.The insulating membrane of the sound measuring device according to the invention protects the sensor membrane of the acoustic MEMS sensor located behind it not only against high sound levels but also against moisture and other contaminations.

Das Schallloch in der Platine der erfindungsgemäßen Schallmessvorrichtung kann ein Rundloch sein, grundsätzlich aber auch eine andere Querschnittsgestaltung aufweisen.The sound hole in the circuit board of the sound measuring device according to the invention can be a round hole, but in principle also have a different cross-sectional design.

Mit der Querschnittsgestaltung, vor allem aber dem Querschnittsverlauf des Schalllochs kann zusätzlich zu der Dämmmembran auf den maximalen Schallpegel der Schallmessvorrichtung, verglichen mit dem maximalen Schallpegel ihres akustischen MEMS-Sensors, Einfluss genommen werden. So kann eine freie Querschnittsfläche des Schalllochs über die Tiefe des Schalllochs um mindestens 20 % ihres kleinsten Werts variieren. Konkret kann die freie Querschnittsfläche über die Tiefe des Schalllochs um mindestens 40 % und höchstens 400 % ihres kleinsten Werts variieren. Typischerweise nimmt die Querschnittsfläche des Schalllochs dabei zu der Sensormembran des akustischen MEMS-Sensors hin ab. Diese Abnahme kann stetig oder in einer oder mehreren Stufen erfolgen.With the cross-sectional design, but above all the cross-sectional profile of the sound hole, in addition to the insulating membrane, the maximum sound level of the sound measuring device can be influenced compared to the maximum sound level of its acoustic MEMS sensor. Thus, a free cross-sectional area of the sound hole can vary over the depth of the sound hole by at least 20% of its smallest value. Specifically, the free cross-sectional area can vary over the depth of the sound hole by at least 40% and at most 400% of its smallest value. The cross-sectional area of the sound hole typically decreases towards the sensor membrane of the acoustic MEMS sensor. This decrease can take place continuously or in one or more stages.

In absoluten Werten kann die freie Querschnittsfläche des Schalllochs in einem typischen Bereich zwischen 0,1 mm2 und 2 mm2 liegen.In absolute values, the free cross-sectional area of the sound hole can be in a typical range between 0.1 mm 2 and 2 mm 2 .

Die Platine der erfindungsgemäßen Schallmessvorrichtung kann flexibel sein, um sie an vorhandene gekrümmte Strukturen anformen zu können.The circuit board of the sound measuring device according to the invention can be flexible in order to be able to shape it onto existing curved structures.

Die erfindungsgemäße Schallmessvorrichtung ist einfach für die Verwendung bei akustischen Messverfahren einschließlich bildgebenden akustischen Messverfahren herrichtbar. Dazu können der akustische MEMS-Sensor und weitere gleichartige akustische MEMS-Sensoren nebeneinander auf einer Seite der Platine montiert werden, wobei jedem MEMS-Sensor ein eigenes Schallloch mit Dämmmembran zugeordnet ist. Dabei können die Schalllöcher und entsprechend die akustischen MEMS-Sensoren in einem regelmäßigen zweidimensionalen Feld oder auch in einer für das jeweilige Messverfahren optimierten quasistochastischen Verteilung in der Platine angeordnet sein, um ein Mikrofonarray auszubilden.The sound measuring device according to the invention can be easily set up for use in acoustic measuring methods including imaging acoustic measuring methods. For this purpose, the acoustic MEMS sensor and other similar acoustic MEMS sensors can be mounted next to one another on one side of the circuit board, with each MEMS sensor being assigned its own sound hole with an insulating membrane. The sound holes and correspondingly the acoustic MEMS sensors can be arranged in a regular two-dimensional field or also in a quasi-stochastic distribution optimized for the respective measuring method in the board in order to form a microphone array.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.Advantageous further developments of the invention emerge from the patent claims, the description and the drawings.

Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the description are merely exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively without the advantages necessarily having to be achieved by embodiments according to the invention.

Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.With regard to the disclosure content - not the scope of protection - of the original application documents and the patent, the following applies: Further features can be found in the drawings - in particular the geometries shown and the relative dimensions of several components to one another and their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different patent claims is also possible in a way deviating from the selected back-references of the patent claims and is hereby suggested. This also applies to features that are shown in separate drawings or mentioned in their description. These features can also be combined with features of different patent claims. Features listed in the claims can also be omitted for further embodiments of the invention, but this does not apply to the independent claims of the granted patent.

Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem MEMS-Sensor die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein MEMS-Sensor, zwei MEMS-Sensoren oder mehr MEMS-Sensoren vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die die jeweilige Schallmessvorrichtung aufweist.The number of features mentioned in the claims and the description are to be understood in such a way that precisely this number or a greater number than the number mentioned is present without the need for an explicit use of the adverb “at least”. So when a MEMS sensor is mentioned, for example, it is to be understood that there is exactly one MEMS sensor, two MEMS sensors or more MEMS sensors. The features cited in the patent claims can be supplemented by further features or be the only features that the respective sound measuring device has.

Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.The reference signs contained in the claims do not restrict the scope of the subject matter protected by the claims. They only serve the purpose of making the claims easier to understand.

FigurenlisteFigure list

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schallmessvorrichtung in einem Längsschnitt durch ihr Schallloch.
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schallmessvorrichtung in einem Längsschnitt durch ihr Schallloch und
  • 3 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schallmessvorrichtung zur Ausbildung eines Mikrofonarrays.
In the following, the invention is further explained and described with reference to preferred exemplary embodiments shown in the figures.
  • 1 shows a first embodiment of the sound measuring device according to the invention in a longitudinal section through its sound hole.
  • 2 shows a second embodiment of the sound measuring device according to the invention in a longitudinal section through its sound hole and
  • 3 is a plan view of a further embodiment of the sound measuring device according to the invention for forming a microphone array.

FIGURENBESCHREIBUNGFIGURE DESCRIPTION

Die in 1 dargestellte Schallmessvorrichtung 1 umfasst einen akustischen MEMS-Sensor 2, wie er kommerziell verfügbar und für begrenzte Schallpegel geeignet ist. Der akustische MEMS-Sensor 2 weist eine Sensormembran 3 auf, die durch Schall auslenkbar ist, wobei der akustische MEMS-Sensor 2 abhängig von der Auslenkung seiner Sensormembran ein Schallsignal ausgibt. Der akustische MEMS-Sensor 2 ist auf einer Platine 4 montiert. Dies bedeutet, dass der akustische MEMS-Sensor 2 mechanisch an der Platine 4 abgestützt ist. Zudem ist er hier elektrisch über die Platine 4 kontaktiert, so wie dies für seinen Betrieb erforderlich ist. Bei der Montage auf der Platine 4 ist der akustische MEMS-Sensor 2 so ausgerichtet, dass seine Sensormembran 3 der Platine 4 zugekehrt ist. Vor der Sensormembran 3 ist in der Platine 4 ein Schallloch 5 ausgebildet, durch das hindurch Schallwellen zu der Sensormembran 3 gelangen. Dabei werden die Schallwellen nicht nur aufgrund der kleinen geometrischen Abmessungen des Schalllochs 5 gedämmt, sondern auch durch eine den Lochquerschnitt des Schalllochs 5 überspannende Dämmmembran 6 in Form eines Bereichs einer dünnen Folie 12, beispielsweise einer Kupferfolie einer Dicke von 18 µm. Die Folie 12 kann über die Fläche der Platine 4 durchlaufen. Konkret kann die Folie 12 zwischen zwei Lagen 7 und 8 der Platine 4 verklebt sein. Die Dämmmembran 6 bewirkt eine weitestgehend lineare Reduktion des durch das Schallloch 5 hindurchtretenden Schalls und erhöht somit den maximal möglichen Schallpegel, welcher von der Schallmessvorrichtung 1 verzerrungsfrei gemessen werden kann, gegenüber dem maximalen Schallpegel nur des akustischen MEMS-Sensors 2. Dabei versteht es sich, dass die Erhöhung des maximalen Schallpegels insbesondere von der Dicke der Dämmmembran 6 abhängig ist.In the 1 Sound measuring device shown 1 includes an acoustic MEMS sensor 2 as it is commercially available and suitable for limited sound levels. The acoustic MEMS sensor 2 has a sensor membrane 3 which is deflectable by sound, the acoustic MEMS sensor 2 emits a sound signal depending on the deflection of its sensor membrane. The acoustic MEMS sensor 2 is on a circuit board 4th assembled. This means that the acoustic MEMS sensor 2 mechanically on the board 4th is supported. In addition, it is electrical here via the circuit board 4th contacted as necessary for its operation. When mounting on the circuit board 4th is the acoustic MEMS sensor 2 aligned so that its sensor membrane 3 the board 4th is facing. In front of the sensor membrane 3 is in the board 4th a sound hole 5 formed through which sound waves to the sensor membrane 3 reach. The sound waves are not only due to the small geometric dimensions of the sound hole 5 insulated, but also by a cross-section of the sound hole 5 spanning insulating membrane 6th in the form of a portion of a thin film 12th , for example a copper foil with a thickness of 18 µm. The foil 12th can over the area of the board 4th run through. Specifically, the slide can 12th between two layers 7th and 8th the board 4th be glued. The insulating membrane 6th causes a largely linear reduction of the through the sound hole 5 penetrating sound and thus increases the maximum possible sound level, which of the sound measuring device 1 can be measured without distortion, compared to the maximum sound level only of the acoustic MEMS sensor 2 . It goes without saying that the increase in the maximum sound level depends in particular on the thickness of the insulating membrane 6th is dependent.

Bei der Ausführungsform der Schallmessvorrichtung 1 gemäß 2 ist zusätzlich zu 1 die freie Querschnittsfläche des Schalllochs 5 über die Tiefe des Schalllochs 5 zu der Sensormembran 3 hin variiert. Konkret nimmt die freie Querschnittsfläche des Schalllochs 5 vor der Sensormembran 3 stufenförmig auf etwa ein Achtel ab. Hiermit kann die Dämmung des Schalls und somit der maximale Schallpegel ebenfalls erhöht werden. Außerdem besteht die Option, durch Anpassung des Durchmessers der dem Schall ausgesetzten Dämmmembran 6 den Frequenzgang des akustischen MEMS-Sensors 2 im Sinne eines räumlichen Filters zu beeinflussen. Realisiert ist die stufenförmige Gestaltung der Querschnittsfläche des Schalllochs 5 durch eine weitere Lage 9 der Platine 4, in der das Schallloch 5, das grundsätzlich als Rundloch ausgestaltet sein kann, einen reduzierten Durchmesser aufweist.In the embodiment of the sound measuring device 1 according to 2 is in addition to 1 the free cross-sectional area of the sound hole 5 about the depth of the sound hole 5 to the sensor membrane 3 varies. Specifically, it takes the free cross-sectional area of the sound hole 5 in front of the sensor membrane 3 gradually down to about an eighth. This can also increase the sound insulation and thus the maximum sound level. There is also the option of adjusting the diameter of the insulating membrane exposed to the sound 6th the frequency response of the acoustic MEMS sensor 2 to influence in the sense of a spatial filter. The stepped design of the cross-sectional area of the sound hole has been implemented 5 through another location 9 the board 4th in which the sound hole 5 , which can basically be designed as a round hole, has a reduced diameter.

3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schallmessvorrichtung 1 mit einer Vielzahl von Schalllöchern 5 und dahinter angeordneten akustischen MEMS-Sensoren 2 mit Sensormembranen 3. Konkret sind die Schalllöcher 5 und entsprechend auch die akustischen MEMS-Sensoren 2 in einem zweidimensionalen Feld 10 angeordnet, um ein Mikrofonarray 11 auszubilden. Bei dem Mikrofonarray 11 schützen die Dämmmembranen 6 vor den Sensormembranen 3 die Sensormembranen 3 und die gesamten akustischen MEMS-Sensoren 2, die hinter der Platine 4 liegen, vor Feuchtigkeit und Kontamination aufgrund anderer Substanzen, die im Bereich eines mit dem Mikrofonarrays 11 gemessenen Schallfelds auftreten können. 3 shows an embodiment of the sound measuring device according to the invention 1 with a variety of sound holes 5 and acoustic MEMS sensors arranged behind it 2 with sensor membranes 3 . The sound holes are concrete 5 and accordingly also the acoustic MEMS sensors 2 in a two-dimensional field 10 arranged around a microphone array 11 to train. With the microphone array 11 protect the insulation membranes 6th in front of the sensor membranes 3 the sensor membranes 3 and all of the acoustic MEMS sensors 2 that is behind the board 4th from moisture and contamination due to other substances in the area of one with the microphone array 11 measured sound field can occur.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
SchallmessvorrichtungSound measuring device
22
MEMS-SensorMEMS sensor
33
SensormembranSensor membrane
44th
Platinecircuit board
55
SchalllochSoundhole
66th
DämmmembranInsulating membrane
77th
Lagelocation
88th
Lagelocation
99
Lagelocation
1010
Feldfield
1111
MikrofonarrayMicrophone array
1212th
Foliefoil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102014214153 A1 [0007]DE 102014214153 A1 [0007]

Claims (14)

Schallmessvorrichtung (1) mit einem an einer Platine (4) montierten akustischen MEMS-Sensor (2), wobei eine durch Schall auslenkbare Sensormembran (3) des MEMS-Sensors (2) hinter einem in der Platine (4) ausgebildeten Schallloch (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dämmmembran (6) einen Lochquerschnitt des Schalllochs (5) überspannt und am Rand des Lochquerschnitts starr abgestützt ist.Sound measuring device (1) with an acoustic MEMS sensor (2) mounted on a circuit board (4), a sound-deflectable sensor membrane (3) of the MEMS sensor (2) behind a sound hole (5) formed in the circuit board (4) is arranged, characterized in that an insulating membrane (6) spans a hole cross-section of the sound hole (5) and is rigidly supported at the edge of the hole cross-section. Schallmessvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmmembran (6) eine Lage aus Metall, Kunststoff oder Faserverbundwerkstoff aufweist.Sound measuring device (1) according to Claim 1 , characterized in that the insulating membrane (6) has a layer made of metal, plastic or fiber composite material. Schallmessvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmmembran (6) überwiegend aus Metall, Kunststoff oder Faserverbundwerkstoff besteht.Sound measuring device (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the insulating membrane (6) consists predominantly of metal, plastic or fiber composite material. Schallmessvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Kupfer oder eine Kupferlegierung ist, der Kunststoff ein Polyimid ist und der Faserverbundwerkstoff Kohlenstofffasern aufweist.Sound measuring device (1) according to Claim 2 or 3 , characterized in that the metal is copper or a copper alloy, the plastic is a polyimide and the fiber composite material has carbon fibers. Schallmessvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmmembran (6) Teil einer über das Schallloch (5) hinweg durchlaufenden Lage der Platine (4) ist.Sound measuring device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating membrane (6) is part of a layer of the circuit board (4) which extends over the sound hole (5). Schallmessvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmmembran (6) geschlossen ist.Sound measuring device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating membrane (6) is closed. Schallmessvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämmmembran (6) eine Dicke von 3 bis 50 µm oder von 10 bis 40 µm aufweist.Sound measuring device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating membrane (6) has a thickness of 3 to 50 µm or 10 to 40 µm. Schallmessvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallloch (5) ein Rundloch ist.Sound measuring device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the sound hole (5) is a round hole. Schallmessvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine freie Querschnittfläche des Schalllochs (5) über die Tiefe des Schalllochs (5) um mindestens 20 % ihres kleinsten Werts variiert.Sound measuring device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a free cross-sectional area of the sound hole (5) varies over the depth of the sound hole (5) by at least 20% of its smallest value. Schallmessvorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Querschnittfläche des Schalllochs (5) über die Tiefe des Schalllochs (5) um mindestens 40 % und höchstens 400 % ihres kleinsten Werts variiert.Sound measuring device (1) according to Claim 9 , characterized in that the free cross-sectional area of the sound hole (5) varies over the depth of the sound hole (5) by at least 40% and at most 400% of its smallest value. Schallmessvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oder eine freie Querschnittfläche des Schalllochs (5) zwischen 0,1 mm2 und 2 mm2 beträgt.Sound measuring device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the or a free cross-sectional area of the sound hole (5) is between 0.1 mm 2 and 2 mm 2 . Schallmessvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (4) flexibel ist.Sound measuring device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the plate (4) is flexible. Schallmessvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische MEMS-Sensor (2) und weitere gleichartige akustische MEMS-Sensoren (2) nebeneinander auf einer Seite der Platine (4) montiert sind, wobei jedem MEMS-Sensor (2) ein eigenes Schallloch (5) mit Dämmmembran (6) zugeordnet ist.Sound measuring device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the acoustic MEMS sensor (2) and other similar acoustic MEMS sensors (2) are mounted next to one another on one side of the board (4), each MEMS sensor ( 2) its own sound hole (5) with an insulating membrane (6) is assigned. Schallmessvorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalllöcher in einem regelmäßigen zweidimensionalen Feld (10) oder in einer quasistochastischen Verteilung in der Platine (4) angeordnet sind.Sound measuring device (1) according to Claim 13 , characterized in that the sound holes are arranged in a regular two-dimensional field (10) or in a quasi-stochastic distribution in the board (4).
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