DE102021201784A1

DE102021201784A1 - MEMS-Schallwandler-Array

Info

Publication number: DE102021201784A1
Application number: DE102021201784.3A
Authority: DE
Inventors: Fabian LOFINK; Fabian Stoppel; Florian Niekiel; Bernhard Wagner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-08-25
Also published as: EP4298798A1; WO2022180161A1

Abstract

MEMS-Schallwandler-Array umfassend mindestens zwei Schallwandler, wobei ein erster Schallwandler der mindestens zwei Schallwandler ausgebildet ist, einen Amplitudengang mit einer ersten Resonanzfrequenz zu reproduzieren, und wobei ein zweiter Schallwandler der mindestens zwei Schallwandler ausgebildet ist, einen Amplitudengang mit einer zweiten Resonanzfrequenz zu reproduzieren. Die zweite Resonanzfrequenz ist höher ist als die erste Resonanzfrequenz. Der zweite Schallwandler weist einen Gütefaktor Q von ≥ 1 oder ≥ 3 auf.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein MEMS-Schallwandler-Array sowie auf ein System mit einem MEMS-Schallwandler-Array. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Mikro-Lautsprecher mit hohem Schalldruck durch Ausnutzung von Resonanzüberhöhung. Im Allgemeinen liegt die Erfindung auf dem Gebiet von Mikro-Lautsprechern in MEMS-Technologie.
Lautsprecher dienen der Erzeugung von Luftschall im hörbaren Bereich zur Interaktion mit dem menschlichen Hörsinn. Mikro-Lautsprecher zeichnen sich durch möglichst geringe Abmessungen aus und finden Anwendung insbesondere in tragbaren Geräten der Unterhaltungs- und Telekommunikationsbranche, z. B. SmartPhones, Tablets und Wearables. Auch in der Medizintechnik werden Mikro-Lautsprecher verwendet, z. B. in Hörgeräten zur Unterstützung von Hörgeschädigten.
Die technische Herausforderung bei Mikro-Lautsprechern liegt im Erreichen hoher Schalldruckpegel (sound pressure level, SPL). Für einen Kolbenschwinger ergibt sich der erreichte Schalldruckpegel im Freifeld in Abstand r bei der Frequenz f zu $S P L_{r} (ƒ) = 20 {log}_{10} (\frac{\sqrt{2} π ρ A Δ x ƒ^{2}}{_{P r e f} r})$
mit A aktiver Fläche, Δx Auslenkung der aktiven Fläche, ρ Dichte der Luft und p_ref Referenzdruck (20 µPa).
In einem abgeschlossenen Volumen V₀ kommt es zum sogenannten Druckkammer-Effekt, der erreichte Schalldruckpegel lässt sich errechnen zu $S P L_{V_{0}} = 20 {log}_{10} (1.4 \frac{p_{0} A Δ x}{_{p r e f} v_{0}}),$
mit p₀ Druck im abgeschlossenen Volumen.
Der erreichte Schalldruckpegel ist somit sowohl im Freifeld als auch im geschlossenen Volumen (z.B. bei in-ear Anwendungen) direkt proportional zum verdrängten Volumen A·Δx (vor Umrechnung auf die logarithmische Skala). Somit müssen bei steigender Miniaturisierung (A→0) sowohl für Freifeld- als auch für In-Ohr-Lautsprecher immer größere Auslenkungen Δx der Lautsprechermembran realisiert werden, um ausreichend hohe Schalldrücke für Audioanwendungen (Δp > 120 dB) zu realisieren. Bei Mikro-Lautsprechern für Freifeld-Anwendungen hat zudem die Frequenzabhängigkeit des erreichten Schalldruckpegels signifikante Auswirkungen. Zu tiefen Frequenzen fällt der Schalldruckpegel schnell ab (12 dB pro Frequenzhalbierung). In konventionellen Lautsprechern wird dieser Effekt über die Fläche ausgeglichen, bei Mikro-Lautsprecher ist dies keine Option. Daher zeigen Mikro-Lautsprecher im Freifeld üblicherweise einen starken Einbruch des SPL bei niedrigen Frequenzen.
Durch die Forderungen an Lautsprecher für mobile und i.d.R. auch körpernahe Anwendungen (Hearables, Wearables, ...) nach moderaten Treiberspannungen von < 30 V, einem sehr geringem Energieverbrauch (> 120 dB/mW) und einer kompakten Bauweise (< 20 mm²) kommen klassische Lösungen zur Erzeugung hoher Schalldrücke (> 120 dB) heute an ihre Grenzen.
Als Weiterentwicklung konventioneller Lautsprecher sind Mikro-Lautsprecher aus einer Miniaturisierung des etablierten elektrodynamischen Antriebs hervorgegangen. Bei der am weitesten verbreiteten Tauchspulenanordnung ist eine Spule auf der Rückseite der Membran befestigt, die sich beim Anlegen eines Stromsignals in dem Magnetfeld eines festen Permanentmagneten bewegt und so die Membran auslenkt.
Eine Entwicklung aus den Hörgerätanwendungen sind die sogenannten Balanced-Armature-Wandler (BA-Wandler). Ein spulenumwickelter Stab befindet sich im Entkopplungsschlitz eines ringförmigen Permanentmagneten und ist mit einer Membran verbunden. Ein Stromsignal auf die Spule magnetisiert den Stab, auf den dann durch das Magnetfeld des Permanentmagneten ein Drehmoment wirkt. Die Drehung wird über eine starre Verbindung auf die Membran übertragen. Der Stab befindet sich im Grundzustand in einem instabilen Gleichgewicht der magnetischen Anziehungskräfte. Durch diesen instabilen Zustand können mit geringem Aufwand (Antriebskräfte, Energie) höhere Auslenkungen erreicht werden. BA-Wandler zeichnen sich daher durch höhere erreichbare Schalldruckpegel aus und werden auf Grund ihrer Baugröße bevorzugt für in-ear Anwendungen genutzt.
Getrieben durch die Anforderung der Miniaturisierung und beflügelt durch die Erfolge auf dem Gebiet der Mikrofone hat sich die Mikrosystemtechnik dem Thema der Mikro-Lautsprecher angenommen. Eine Entwicklung des Fraunhofer ISIT zusammen mit der Firma USound resultierte in einem MEMS-Lautsprecher auf Basis von piezoelektrischen Biegeaktoren, die eine hybrid aufgebrachte Membran auslenken [1].
Weitere Entwicklungen des Fraunhofer ISIT basieren auf piezoelektrischen Biegeaktoren, die ohne zusätzliche Membran auskommen [2,3]. Die Aktoren sind über dünne Schlitze mechanisch entkoppelt und fungieren als akustisch abstrahlende Membran. Geringe Entkopplungsschlitzbreiten von wenigen Mikrometern sowie optionale Strömungsblenden verhindern einen akustischen Kurzschluss und ermöglichen trotz der mechanisch offenen Bauweise hohe Schalldruckpegel.
Es sind auch verschiedene Konzepte elektrodynamisch betätigter MEMS-Lautsprecher bekannt. Erwähnenswert sind insbesondere die Arbeiten an der Universite Paris-Sud und der Universite du Maine [4,5]. Eine an Si-Federn aufgehängte versteifte Si-Membran bildet einen Kolbenschwinger. Die Spule ist als Planarspule direkt auf die Si-Membran aufgebracht und bewegt die Membran im Magnetfeld eines hybrid aufgebrachten Permanentmagneten.
Ein verwandter Ansatz, verfolgt von mehreren Gruppen [6,7,8,9,10,11], besteht darin, dass die Planarspule auf eine weiche Polymermembran anstelle der versteiften Si-Membran aufgebracht wird.
Im Gegensatz zu piezoelektrisch betätigten sind MEMS-Lautsprecher mit elektrodynamischem Antrieb von einer kommerziellen Nutzung jedoch noch weit entfernt. Aufgrund der hybriden Montage der benötigten Magnete bestehen kostentechnisch keine Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik. Der geringe Windungsquerschnitt integrierter Planarspulen sowie die schlechte Wärmeabfuhr über die dünne Membran begrenzen den Spulenstrom, so dass der Schalldruckpegel konventioneller Mikro-Lautsprecher nicht erreicht wird. Das Problem der Strombegrenzung lässt sich verringern, wenn die Planarspule auf dem Substrat platziert wird und der Magnet stattdessen auf der beweglichen Membran. Dank der hohen Wärmeleitfähigkeit von Silizium sind dann in der Spule um Größenordnungen höhere Stromdichten möglich. Bei den in Ref. [12, 13] beschriebenen Bauelement wurden die Mikromagnete auf Substratebene integriert. Dafür wurde NdFeB-Pulver in geätzte Mikroformen eingebracht und anschließend mittels Wachs verfestigt. Aufgrund der unzureichenden Beständigkeit der wachsgebundenen Strukturen ist diese Entwicklung jedoch nicht über einen Demonstrator hinausgegangen.
Das Konzept eines magnetostriktiv getriebenen Mikro-Lautsprechers wird von Albach et al. [14] verfolgt. Der Schallwandler besteht hier aus einem zweiteiligen Aufbau. Den ersten Teil bildet ein Mikro-Lautsprecher-Chip, der die magnetostriktive Membran des Lautsprechers trägt. Durch Anlegen eines Magnetfelds wird die Membran aus der Ebene des Chips ausgelenkt und Schall erzeugt. Den zweiten Teil des Mikro-Lautsprechers bildet eine stromdurchflossene Spule, die das zum Betrieb benötigte Magnetfeld erzeugt. Das hier vorgeschlagene Konzept sieht dazu einen zweiten Chip vor, der entsprechende Mikroflachspulen trägt.
Ein weiteres Mikro-Lautsprecher-Konzept basiert auf dem nanoskopischen elektrostatischen Antrieb (nanoscopic electrostatic drive, NED) [15]. Das Bauelement umfasst geklemmte elektrostatische Biegeaktoren die paarweise in Zeilen und Entkopplungsschlitzen innerhalb der Bauelementschicht eines SOI-Wafers (Silicon on Insulator) angeordnet und mit einem weiteren Wafer bedeckt sind, welcher mit einem geringen Abstand auf den SOI-Wafer gebondet ist. Zwischen jeder benachbarten Reihe von Aktoren sind akustisch wirksame Öffnungen abwechselnd in die Ober- und Unterseite des Wafers integriert, um die Abstrahlung von Schall aus dem Bauelement ohne akustische Kurzschluss zu ermöglichen.
Zusammenfassend ist anzumerken, dass die vorhandenen MEMS-Lautsprecher-Konzepte überwiegend komplexe, kostspielige sowie teilweise hybride Herstellungsverfahren erfordern und überwiegend unzureichende Leistungseigenschaften aufzeigen. Unter diesen Gesichtspunkten ist der Ansatz mit piezoelektrischen Biegewandlern und festen Strömungsblenden [2] aktuell als besonders vielversprechend anzusehen, da er gute Leistungsmerkmale mit einer vergleichsweise guten Herstellbarkeit in MEMS-Technologie verbindet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Wiedergabequalität, insbesondere die Schalldruckfähigkeit von Mikro-Lautsprechern zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein MEMS-Schallwandler-Array mit mindestens zwei Schallwandlern. Der erste Schallwandler ist ausgebildet, einen Amplitudengang mit einer ersten Resonanzfrequenz (fres), z. B. 3 kHz zu reproduzieren. Der zweite, dritte, usw. Schallwandler sind ausgebildet einen Amplitudengang mit einer zweiten, dritte, usw. Resonanzfrequenz, z. B. 7 kHz, 12 kHz, usw. zu reproduzieren.. Im Allgemeinen ist die zweite Resonanzfrequenz höher als die erste Resonanzfrequenz.
Weiter ist der zweite, dritte, usw. Schallwandler derart ausgeführt, dass diese einen Gütefaktor Q von ≥ 1 oder ≥ 3 aufweisen. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann auch der erste Schallwandler einen Q-Faktor von ≥ 1 oder ≥ 3 aufweisen. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wäre es auch denkbar, dass der Q-Faktor für den ersten und zweiten Schallwandler ≥ 5 ist.
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Verwendung (ein oder) mehrerer Schallwandler mit Güte ≥ 1 oder Güte ≥ 3 und unterschiedlichen Resonanzfrequenzen es in einem Bauteil ermöglicht, die Schalldruckpegel in einem breiten Frequenzbereich effizient zu steigern. Insofern kommt es zu einer Ausnutzung der erhöhten Auslenkung eines Schallwandlers in seiner mechanischen Resonanz zur Steigerung des Schalldrucks (sound pressure level, SPL). Die verwendeten Gütefaktoren von mindestens drei ermöglichen die Ausnutzung der Resonanzen. Dadurch, dass die Schallwandler für unterschiedliche Amplitudengänge ausgelegt sind, weisen diese auch unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf, so dass so in Summe über den breiten Frequenzbereich der Schalldruckpegel gesteigert werden kann.
Aufgrund der Abhängigkeit des Schalldrucks von der ausgelenkten Membranfläche eines MEMS-Schallwandlers können im Array mindestens zwei Schallwandler der mindestens 3 Schallwandler eine erste Gruppe bilden, um z.B. die Membranfläche je Frequenzbereich zu vergrößern. Die Schallwandler der ersten Gruppe werden z.B. über eine „gemeinsame“ Bandbreite definiert. Beispielsweise kann einer der Schallwandler ein erste Bandbreite fres/Q um seine Resonanzfrequenz definieren, wobei dann der oder die weiteren Schallwandler derselben Gruppe mit ihrer Resonanzfrequenz / Resonanzpeak innerhalb dieser ersten Bandbreite liegen. D.h. dass die Schallwandler dieser Gruppe mit ihrer Resonanzfrequenzen um maximal fres/Q voneinander abweichen.
Entsprechend Ausführungsbeispielen können bei mehr als drei Schalwandlern im MEMS-Schallwandler-Array mehrere Schallwandler eine oder mehrere Gruppen bilden insofern, als dass die Schallwandler einer Gruppe in ihren Resonanzfrequenzen um maximal fres/Q voneinander abweichen. Dabei ist die Anzahl der Schallwandler zugehörig zu der zweiten Gruppe größer oder gleich als die Anzahl der Schallwandler zugehörig zu der ersten Gruppe. Das heißt also, dass die zweite Gruppe z. B. einen oder zwei oder mehr Schallwandler aufweisen kann.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Array mindestens ein oder zwei dritte Schallwandler einer dritten Gruppe umfassen, wobei die mindestens ein oder zwei dritten Schallwandler ausgebildet sind, einen Amplitudengang mit einer dritten Resonanzfrequenz zu reproduzieren. Diese dritte Resonanzfrequenz ist höher als die zweite. Alle Amplitudengänge zugehörig zu der ersten/zweiten/dritten Gruppe bilden den Amplitudengang der das Übertragungsverhalten des MEMS-Arrays. Auch die Anzahl der Schallwandler zugehörig zu einerweiteren Gruppe kann größer oder gleich der Anzahl der Schallwandler zugehörig zu der ersten Gruppe sein.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wird die Anzahl der Gruppen der Schalwandler als eine ungerade Anzahl an Schallwandlern gewählt. Dabei können dann die gemäß dem Wert ihrer Resonanzfrequenz benachbarten Gruppen verschiedenphasig, oder anti-phasig angesteuert werden. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Schalldruckpegel proportional zur Membranfläche des Schallwandlers ist, und das daher für höhere Frequenzen mehrere Biegewandler mit nahezu identischen Eigenschaften parallel betrieben werden sollten, um den Amplitudengang solch einer Gruppe von Schallwandlern für den adressierten Frequenzbereich optimal zu steigern und den Schallamplituden der Wandler geringerer Frequenz anzunähern, umso durch eine Überlagerung der Amplitudengänge mehrerer Gruppen den Amplitudengang des gesamten Arrays gezielt einzustellen und/oder optimal zu verstärken. Dies ist insbesondere für den In-Ohr Fall eines geschlossenen oder nahezu geschlossenen Ohrvolumens von besonderer Relevanz, da hier nicht, wie im Freifeld-Fall, ein kompensierender frequenzabhängiger Beitrag zur Schallamplitude existiert.
In anderen Worten ausgedrückt heißt es, dass entsprechend Ausführungsbeispielen im In-Ear-Fall die Anzahl der Schallwandler je Gruppe mit zunehmender Resonanzfrequenz zunehmen kann, um einen möglichst gleichmäßigen Frequenzgang zu erreichen. Wenn ein Abfall im SPL z. B. in einem sehr hohen Frequenzbereich (> 15 kHz) tolerierbar ist, kann hier auch eine entsprechend kleinere Anzahl an Schallwandlern für diese Gruppe mit der hohen Resonanzfrequenz gewählt werden. Im Freifeld-Fall wäre es denkbar, dass ebenfalls die Anzahl der Schallwandler für eine Gruppe mit hoher Resonanzfrequenz nicht mehr erhöht wird, da hier der kompensierende frequenzabhängige Beitrag zur Schallamplitude ausgenutzt werden kann.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel können die drei Resonanzfrequenzen beziehungsweise zumindest eine der drei Resonanzfrequenzen in einem Frequenzbereich von 1 bis 20 kHz liegen, das heißt also im hörbaren Bereich. Selbstverständlich ist die Anwendung allerdings auch auf Ultraschallwandler oder ähnlichem erweiterbar. Entsprechend Ausführungsbeispielen wird der Frequenzabstand zwischen der ersten und der zweiten Resonanzfrequenz (ersten Resonanzfrequenz beispielsweise niedriger als die zweiten (oder oberste) Resonanzfrequenz) beziehungsweise allgemein zwischen den Resonanzfrequenzen so gewählt, dass ab einer Güte von Q ≥ 3 eine Resonanzüberhöhung generiert wird, um den Schalldruck zumindest in einem Frequenzband oberhalb der ersten Resonanzfrequenz und/oder unterhalb der höchsten Resonanzfrequenz / zumindest partiell zu steigern oder im gesamten Bereich unterhalb der (höheren) höchsten Resonanzfrequenz zu steigern. Das ermöglicht vorteilhafter Weise eine gezielte Einstellung von Schalldruckpegeln und Zielfrequenzgang durch Überlagerung der Amplituden mehrerer Schallwandler. Hierbei kommt es zu einer Steigerung des Schalldruckpegels im Zielfrequenzgang durch gezielte Überlagerung der Amplituden mehrerer Schallwandler, z. B. mit einer mechanischen Güte von Q ≥ 3 oder Q ≥ 5. Das schafft ferner alternativ zu der Steigerung des Schalldrucks auch die Möglichkeit, durch dieses Vorgehen den Energieverbrauch des Bauelements zu verringern und/oder die Baugröße zu reduzieren.
Nachfolgend wird in Bezug auf die Ansteuerung der Schallwandler eingegangen. Um die Verstärkungswirkung durch Überlagerung mehrerer Schallwandler bei Ausnutzung ihrer Resonanzüberhöhung optimal auszunutzen kann man die unterschiedlichen Gruppen entweder verschiedenphasig oder anti-phasig betreiben. Dadurch kommt es im gesamten Frequenzbereich von Interesse zu einer überwiegend konstruktiven Interferenz der verschiedenen Amplitudengänge der unterschiedlichen Schalwandler und damit zu einer optimalen Steigerung des Schalldruckpegels des MEMS-Schallwandler Arrays. In einfacher Weise ist die anti-phasige Ansteuerung bei einem piezoelektrischem Biegewandler durch abwechselnd vertauschtes Kontaktieren der Top und Bottom-Elektroden des Piezo-Kondensators der jeweils benachbarten Gruppen zu realisieren. Alternativ zur verschiedenphasigen Ansteuerung kann man auch eine Frequenzweiche einsetzen.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel wird ein in-ear Ohrhörer oder ein Hörgerät basierend auf dem MEMS-Schallwandler-Array geschaffen. Diese Applikation profitiert von der gezielten Verbesserung der Leistungsfähigkeit des MEMS-Schallwandlers für applikationsspezifische, individuelle Frequenzbereiche. Beispiel Hörgerät: Hier wird insbesondere im niederfrequenten Bereich ein hoher Schallpegel gefordert und durch das MEMS-Schallwandler-Array erreicht. Die Leistungsfähigkeit im hochfrequenten Bereich ist hier eher sekundär. Weiter ist für Hörgeräte sowie auch für mobile Anwendungen vor allem auch eine Reduktion des Energieverbrauchs zentral, was ebenfalls entsprechend obigen Ausführungsbeispielen, wie bereits erläutert, erreicht wird.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kommen beispielsweise Biegewandler als Schallwandler zugehörig zu der ersten und zweiten Gruppe zum Einsatz. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann der Biegewandler derart realisiert sein, dass zwischen ihm und der umgebenden Struktur beziehungsweise ihm und dem nächsten Biegewandler ein Entkopplungsschlitz vorgesehen ist. Im Vergleich zu bisher, meist auf geschlossenen Membranen basierenden MEMS-Systemen, ermöglicht das vorliegende Konzept eine deutliche Leistungssteigerung, da infolge der Biegewandlerentkopplung keine Energie für die Verformung von zusätzlichen mechanischen Membranelementen aufgewendet werden muss, wodurch höhere Auslenkungen und Kräfte möglich sind. Darüber hinaus treten Nichtlinearitäten erst bei deutlich größerer Bewegungsamplitude auf. Durch die konzept- und materialbedingte geringe schwingende Masse lassen sich Systeme mit außerordentlich breiten Frequenzbereich und gleichzeitig hohen Bewegungsamplituden realisieren. Entsprechend Ausführungsbeispielen erfolgt die Abdichtung des Entkopplungsschlitzes durch Verwendung von Blenden. Das führt zu hoher Kostenersparnis, da auf die Hybridmontage und Prozessintegration einer Membran verzichtet werden kann. Hierbei erstercken sich eine oder mehrere Blenden entlang der einen oder mehreren geformten Entkopplungsschlitzen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein System umfassend eine Steuerung sowie ein MEMS-Schallwandler-Array, wie es bereits erläutert wurde. Die Steuerung ist ausgebildet, das MEMS-Schallwandler-Array entsprechend anzusteuern. Entsprechend Ausführungsbeispielen erfolgt eine direkte Ansteuerung von zumindest einem oder zwei Schallwandlern. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann auch eine direkte Ansteuerung jedes einzelnen Schallwandlers erfolgen. Das hat den Vorteil, dass, wie bereits oben erläutert, eine antiphasige Ansteuerung in ihrer Frequenz benachbarter Schallwandler oder Gruppen von Schallwandler möglich ist, um den Schalldruckpegel weiter zu steigern. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann die Steuerung eine Frequenzweiche umfassen, um z. B. das Frequenzband zugehörig zu der ersten/zweiten/dritten Resonanzfrequenz gegeneinander zu separieren beziehungsweise die entsprechenden ersten/zweiten/dritten Schallwandler anzusteuern. An dieser Stelle sei aber auch angemerkt, dass die Schallwandler aufgrund ihrer Güte selbst als Filter wirken können und daher zum effektiven Betrieb prinzipiell keine weiteren elektrischen Frequenzweichen notwendig sind. Insofern ist ein Mehrwegebetrieb ohne die Notwendigkeit einer Frequenzweiche gegeben, das heißt es wird der Aufwand auf Systemseiten reduziert, was Miniaturisierungs- und Einsparpotenzial bietet.
Allgemein ist durch die Verwendung von mehreren Schallwandlern als One-Chip Lösung, wobei die Schallwandler als eine Art Resonatoren mit hoher mechanischer Güte verwendet werden, es möglich, Anwendungen zu adressieren, die sonst nur mit hohem Aufwand oder herkömmlichen Technologien erreichbar waren. Im Gegensatz zu bisherigen Systemen, die meist über keine Sensorik verfügen oder nur die Auslenkung des Antriebs (nicht der Membran) erfassen, lässt sich bei diesem Prinzip mithilfe der gut integrierbaren Sensorik die tatsächliche Position des schallerzeugenden Elements bestimmen. Dies ist von großem Vorteil und ermöglicht eine deutlich genauere und zuverlässigere Detektion. Diese bildet z. B. die Grundlage für eine geregelte Anregung (Closed-Loop), mit der sich äußere Einflüsse, Alterungseffekte und Nichtlinearitäten elektronisch kompensieren lassen.
Während herkömmliche Systeme mitunter komplex geformte Membranen oder Magnete benötigen, die sich bislang nicht in MEMS-Technologie realisieren, sondern nur mit hohem Aufwand hybrid integrieren lassen, lässt sich das vorliegende Konzept mit gängigen Verfahren der Siliziumtechnologie realisieren. Dies bietet signifikante Vorteile bei Herstellung und Kosten.
Weitere Bildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1a eine schematische Darstellung eines MEMS-Schallwandlers gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
1b eine schematische Darstellung eines MEMS-Schallwandlers gemäß Nutzung von Gruppen von Schallwandlern gemäß von Ausführungsbeispielen;
2a und 2b die Illustration von Abhängigkeiten für die Phase (2a) und Amplitude (2b) eines Resonators für unterschiedliche Gütefaktoren zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen;
3a und 3b schematische Diagramme einer Biegelinie eines Biegewandlers (3a) für unterschiedliche Anregungsformen und die Änderung des statisch generierbaren Schalldrucks (3b) eines Biegewandlers bei Erhöhung der Resonanzfrequenz für einen piezoelektrisch angeregten Schallwandler (Fall A) zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen;
3c drei schematische Darstellungen eines idealisierten Biegewandlers für die Erläuterung der Diagramme aus 3a und 3b;
4a ein schematisches Diagramm zur Darstellung des Schalldrucks als Funktion der Frequenz für unterschiedliche Arrays aus den 4b bis 4d zur Illustration der Schalldruckpegelsteigerung gemäß Ausführungsbeispielen;
4b bis 4d schematische Darstellungen von Schallwandler-Arrays in der Draufsicht gemäß Ausführungsbeispielen;
5 ein schematisches Diagramm zur Illustration des Schalldrucks als Funktion der Frequenz für das Resonator-Array aus 4d für unterschiedliche Resonator-Güten Q;
6a und 6b schematische Diagramme zur Erläuterung der Anzahl (a) der benötigten Schallwandler für gleiche Maximalamplitude in der Resonanz und exemplarischen Frequenzgang (b) für das sich aus den Punkten in (a) ergebende, antiphasig angeregte Set gemäß Ausführungsbeispielen;
7 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Mikroschallwandlers mit mehreren Biegewandlern gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen mit Blenden und Entkopplungsschlitzen; und
8a bis 8c schematische Querschnitte möglicher Biegewandler gemäß Ausführungsbeispielen. Unimorph (a); Bimorph mit passiver Zwischenschicht (b); Bimorph (c). Die piezoelektrischen Schichten können in beliebig viele Schichten unterteilt sein (gestrichelte Linie) und mit Elektroden sowie Trennschichten versehen sein

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar beziehungsweise austauschbar ist.
1a zeigt ein MEMS-Schallwandler-Array 10 mit drei Schallwandlern 12, 13 und 14 unterschiedlicher Resonanzfrequenz. Der Schallwandler 13 kann als optional betrachtet werden, ermöglicht aber vorteilhafterweise die maximale Ausnutzung der Chipfläche. Alle Schallwandler 12, 13 und 14 können beispielsweise als Biegeschallwandler realisiert sein, die aus einer Substratebene (vgl. umgebende Struktur 11) herausschwingen. Die Schallwandler 12, 13 und 14 weisen eine sehr hohe mechanische Güte auf, z.B. ≥1.
Die Güte wird mit einem Gütefaktor Q bestimmt. Der Gütefaktor Q ist hier im Bereich von ≥1, ≥ 3 beziehungsweise sogar ≥ 5 angesiedelt. Der Gütefaktor oder auch Resonanzschärfe beziehungsweise Q-Faktor genannt, ist in der Technik ein Maß für die Dämpfung beziehungsweise den Energieverlust eines Schwingungssystems. Eine hohe Güte eines Systems besagt, dass das System schwach gedämpft ist. Der Gütefaktor ist ein Verhältnismaß zwischen Energieverlust im Verhältnis zu gespeicherten Energie pro Schwingung. Wird mehr Energie pro Schwingungsperiode im System gespeichert als durch die Dämpfung verbraucht wird, dann wird der Wert für den Gütefaktor > 1. Das heißt also, dass bei hohen Gütefaktoren, wie Faktor 3, die Dämpfung so schwach ist, dass signifikant mehr Energie im System gespeichert werden kann, was zu einer erhöhten Auslenkung des Schallwandlers in seiner mechanischen Resonanz und so zur Steigerung des Schalldrucks führt. Die Güte gibt an, um wieviel die Amplitude in der Resonanz gegenüber der Amplitude im statischen Fall erhöht ist. In anderen Worten ausgedrückt, wird durch Ausnutzung der erhöhten Auslenkung eines Schallwandlers 14 in seiner mechanischen Resonanz, der Schalldruck gesteigert (Vergl. 2b). Insbesondere wird durch die Verwendung mehrerer Schallwandler mit einer Güte > 1 und unterschiedlichen Resonanzfrequenzen (vgl. unterschiedliche Schallwandlerauslegungen der Schallwandler 12 gegenüber dem Schallwandler 14 der Schalldruckpegel über einen breiten Frequenzbereich effizient gesteigert. Dabei ist speziell die Anhebung des Schalldrucks im Tieftonbereich < 1 kHz von zentralem Interesse. So lässt sich zum einen der Einbruch des erreichten Schalldrucks hin zu niedrigen Frequenzen bei der Abstrahlung ins Freifeld kompensieren. Zum anderen können Schallwandler für abgeschlossene Volumen (in-ear) mit erheblich gesteigerten Schalldruckpegel im Bassbereich realisiert werden ohne einen Einbruch im Hochtonbereich.
Das dahinterstehende Prinzip wird nachfolgend Bezug nehmend auf die 2a, 2b, 3a, 3b und 3c im Detail erläutert.
1b zeigt ein MEMS-Schallwandler-Array 10* mit einer ersten Gruppe von Schallwandlern 12 und einer zweiten Gruppe von Schallwandlern 14. Die erste Gruppe von Schallwandlern 12 umfasst zumindest einen Schallwandler 12a und optionaler Weise einen zweiten Schallwandler 12b. Die zweite Gruppe von Schallwandlern umfasst zumindest einen Schallwandler 14a oder entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen zumindest zwei zweite, hier drei Schallwandler 14a bis 14c. Alle Schallwandler 12a bis 12b und 14a bis 14c können beispielsweise als Biegeschallwandler realisiert sein, die aus einer Substratebene (vgl. umgebende Struktur 11) herausschwingen.
Hierzu sind die Biegeschallwandler 12a bis 12b beziehungsweise 14a bis 14c zumindest teilweise mit dem Substrat 12 verbunden. Exemplarisch ist hier ein eingespanntes Ende je Schallwandler 12a bis 12b beziehungsweise 14a bis 14c markiert, wobei zwischen den einzelnen Schallwandlern 12a und 12b beziehungsweise 14a und 14b beziehungsweise 14b und 14c sowie zwischen den Schallwandlern 12a bis 12b und 14a bis 14c und der umgebenden Struktur 11 ein Entkopplungsschlitz vorgesehen sein kann.
Allgemein ist festzustellen, dass entsprechend Ausführungsbeispielen die Anzahl der Biegeschallwandler 14a bis 14c der zweiten Gruppe 14 größer oder gleich ist als die Anzahl der Biegeschallwandlern 12a und 12c. Ferner sei an dieser Stelle festgehalten, dass bevorzugter Weise die Biegeschallwandler 14a bis 14c, alternativ aber auch alle Schallwandler 12a bis 12b und 14a bis 14c eine sehr hohe mechanische Güte aufweisen, wie oben erläutert wurde.
Grundlage hierfür bildet zum einen der Zusammenhang zwischen Anregungsamplitude A₀ und Auslenkung A eines Resonators als Funktion seiner Schwingungsfrequenz ω, gegeben durch $A (ω, Q, A_{0}) = A_{0} \frac{1}{\sqrt{{(1 - {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{2})}^{2} + (\frac{ω}{Q ω_{0}})}}$
wobei Q die mechanische Güte des Resonators und ω₀ seine Resonanzfrequenz ist, sowie der Verlauf seiner Schwingungsphase, gegeben durch $φ (ω) = arctan (\frac{ω}{(1 - {(\frac{ω}{ω_{0}})}^{2}) Q_{ω_{0}}})$
2a und 2b zeigen die Abhängigkeiten für Phase und Auslenkung für unterschiedliche Gütefaktoren.
2a zeigt die Frequenzabhängigkeit für Phase (a) und Amplitude (b) eines Resonators aufgetragen für unterschiedliche Gütefaktoren. Der hier beschriebene Schallwandler ist weiter als Biegewandler (vgl. 3c) ausgeführt, der sowohl piezoelektrisch, thermisch, magnetisch als auch elektrostatisch zu Schwingung angeregt werden kann.
In 3c sind drei Belastungsfälle auf einen starr aufgehängten Biegewandler 12 dargestellt, wie sie für unterschiedliche Anregungsmechanismen (siehe oben) auftreten können. Der Biegewandler 12 hat eine Länge I, wobei bei Fall A eine kontinuierliche Belastung auf die Fläche, bei Fall B eine punktuelle Belastung am Kraftangriffspunkt I und bei Fall C eine Drehmomentbelastung dargestellt wird. Die entsprechenden resultierenden Biegekurven sind zugeordnet zu dem Fall A/B/C in 3a dargestellt.
Die Fläche A_Biege unter der Biegelinien eines Biegewandlers (3 a) kann unter Vernachlässigung der Resonanzüberhöhung (2) als Maß für den erzeugten Schalldruckpegel dienen. Da bei identischem Schichtaufbau die Frequenz ω eines Biegewandlers gemäß $ƒ = \frac{1}{2 π} \frac{a_{n}^{2} d}{\sqrt{12} l^{2}} \cdot \sqrt{\frac{Y}{ρ}}$
$\frac{1}{2 π} \frac{α_{n}^{2} d}{\sqrt{12} l^{2}} \cdot \sqrt{\frac{y}{ρ}}$
direkt proportional zu $ƒ \propto \frac{1}{l^{2}}$
ist kann dann $20 {log}_{10} (A_{B i e g e} (ω_{1}) ω_{1}^{2} / (A_{B i e g e} (ω_{2}) ω_{2}^{2}))$

20 log₁₀ (A_Biege(ω₁)/A_Biege(ω₂)) (geschlossenen Volumens bzw. In-Ohr Fall. Vergl. Gl. (2))
als Maß für die frequenzabhängige Änderung des generierten Schalldruckpegels verwendet werden (3b).
Wie in 3b zu erkennen ist, nimmt der statisch erzeugbare Schalldruck für höhere Resonatoren höherer Resonanzfrequenzen stark ab, so dass es zunächst vorteilhaft scheint Resonatoren mit möglichst geringer Resonanzfrequenz einzusetzen, um einen möglichst hohen Schalldruck zu erzeugen. Dies gilt sowohl für das Freifeld als auch für den In-Ohr Fall. Betrachtet man allerdings die Grafik in 2b, so wird deutlich, dass unter Berücksichtigung des Phasenverhaltens eines Resonators der Schalldruck oberhalb der Resonanzfrequenz deutlich abnimmt, so dass er bereits bei einem Faktor 3 oberhalb der Resonanzfrequenz um etwa $10 L o g [\frac{A (ω, Q, A_{0})}{A_{0}}] = 10 d B$
abgefallen ist. Daher scheint es zwar zunächst günstig einen Schallwandler mit möglichst geringer Resonanzfrequenz zu verwenden, um einen möglichst hohen Schalldruck im niederfrequenten Bereich zu erzeugen, dann aber in geeignetem Frequenzabstand oberhalb und über das gesamte Frequenzspektrum hinweg weitere Resonatoren zur Schallerzeugung zu platzieren. Aufgrund des in 2a dargestellten 180° Phasensprungs beim Durchgang durch die Resonanz können benachbarte Resonatoren antiphasig angeregt werden (4), da ansonsten der Schallpegel zwischen den Resonanzen aufgrund destruktiver Interferenz einbricht (Vergl. 4 gepunktete Linien). Beim Vergleich mit einem bei höheren Frequenz platzierten Resonator (schwarze Kurve in 4) kann durch diesen Ansatz (V2 und V1 Kurve in 4) der Schallpegel im gesamten Bereich unterhalb der obersten Resonanzfrequenz deutlich gesteigert werden. Ohne antiphasigen Betrieb erzielt man im niederfrequenten Bereich unterhalb der untersten Resonanzfrequenz eine noch stärkere Amplitudenerhöhung. Dies geht allerdings auf Kosten der bereits erwähnten Einbrüche im oberen Frequenzbereich (gestrichelte Linie). Beide Betriebsmodi haben je nach Anwendung ihre Berechtigung. Alternativ kann auch eine Frequenzweiche eingesetzt werden, die den einzelnen Schallwandlern in sinnvoller Weise gewisse Ausschnitte aus dem gesamten Frequenzspektrum zuweist, so dass es zu keiner destruktiven Interferenz kommt. Dies bietet die Möglichkeit einer noch individuelleren Beeinflussung des Amplitudengangs des MEMS-Schallwandler Arrays. Dies geht allerdings mit einem höheren technischen Aufwand und damit verbundenen höheren Systemkosten einher, zumal die Resonatoren aufgrund ihrer hohen Güten ohnehin als Frequenzfilter wirken.
In 4 ist der Schalldruckpegel als Funktion der Frequenz für unterschiedliche Arrays dargestellt. Die drei exemplarischen Arrays sind in 4b bis d illustriert. 4b zeigt ein Biegewandler-Array 10' mit 20 Biegewandlern 14. Diese Biegewandler 14 sind gegenüber einer angrenzenden Struktur beziehungsweise einem Substrat 11 angeordnet, nämlich in 4 Reihen ä 5 Biegewandlern 14. Zwischen den Biegewandlern 14 sind Entkopplungsschlitze 15 vorgesehen, wobei diese Entkopplungsschlitze durch Blenden 17 abgedichtet werden.
Dieses Array 10` weist also in der dargestellten Konfiguration v0 20 × 12 kHz Schallwandler auf, wobei 12 kHz eben die Resonanzfrequenz darstellt. Diese 20 Biegewandler bilden eine Gruppe, da die einzelnen Biegewandler fertigungsbedingt in ihrer Resonanzfrequenz nur gering aber maximal um den Wert fres/Q voneinander abweichen. Bei paralleler Ansteuerung aller Elemente 14 stellt sich die Kurve v0a ein.
In 4c ist eine andere Konfiguration eines Arrays 10" dargestellt, deren totale Fläche allerdings identisch 10' ist. Dieses Array umfasst in der Konfiguration v1 16 × 12 kHz Wandler (vgl. Bezugszeichen 14) und 2 × 3 kHz Wandler (vgl. Bezugszeichen 12). Wie zu erkennen ist, ist die Anzahl der 3 kHz Wandler 12 gegenüber der Anzahl der 12 kHz Wandler 14 reduziert. Darüber hinaus ist je (Einzel-) Wandler 12 eine größere Länge und/oder Fläche (z. B. eine 1,x- fache Läng/Fläche oder eine doppelte Länge/Fläche) im Vergleich zu dem (Einzel-) Wandler 14 vorgesehen.
Zwischen den Wandlern 14 und 14 beziehungsweise 14 und 12 beziehungsweise 12 und 12 sind wiederum die im Zusammenhang mit 4b erläuterten Entkopplungsschlitzen 15 beziehungsweise Blenden 17 zur Abdichtung der Entkopplungsschlitzen 15 implementiert.
In 4a ist der resultierende Schalldruckpegel mit v1g für gleichphasig und v1a für antiphasig dargestellt.
4b zeigt ein Array 10'''' in einer Konfiguration v2 mit 8 × 12 kHz (vgl. Bezugszeichen 14), 2 × 3 kHz (vgl. Bezugszeichen 12) sowie 6 × 7 kHz (vgl. Bezugszeichen 16), deren totale Fläche allerdings identisch 10' und 10" ist. Die Anzahl der Schallwandler nimmt von 12 kHz (Bezugszeichen 14) zu 3 kHz (vgl. Bezugszeichen 12) ab. Die Anzahl der Schallwandler und die Größe der Schallwandler 16 befindet sich zwischen 12 und 14. Die Gesamtfläche der Arrays 10' bis 10''' (vgl. v1 bis v3) ist immer vergleichbar. Weiter wird die Güte aller Resonatoren beispielsweise auf 5 festgelegt. Mit komplexeren Arrays kann in einem immer vollständigerem Maße im gesamten Frequenzbereich unterhalb der höchsten Resonanzfrequenz eine Steigerung des Schallpegels bewirkt werden, wie anhand von 4a erkennbar ist. Hier sei beispielsweise auf den Vergleich v0 zu v2 verwiesen. Für die Referenzkurve v0a stimmt der Maximalwert in der Resonanz sowie der SPL-Wert bei 20 kHz exakt mit den Messwerten eines real vermessenen MEMS-Biegewandlers überein.
Nachfolgend wird entsprechend einem Ausführungsbeispiel die Dimensionierung derartiger Arrays 10' bis 10''' erläutert. Der Frequenzabstand kann zwischen den verschiedenen Resonatoren so gewählt werden, dass ab einer bestimmten Resonator-Güte Q die Resonanzüberhöhung (2b bzw. 5) zu einer deutlichen Steigerung des generierten Schalldrucks im Frequenzbereich unterhalb des hochfrequentesten Resonators führt (5). Im dargestellten Beispiel ist dies ab einer Güte von Q = 5 der Fall.
Anhand der Biegelinie (6a) lässt sich die Anzahl der Schallwandler berechnen, die notwendig ist, um bei gleicher Güte für alle Resonatoren die gleiche Maximalamplitude in Resonanz zu generieren. So zeigt beispielsweise das Set (1 × 3 kHz + 6 × 6 kHz + 32 × 12 kHz, in 6a) ein solches Verhalten.
6a zeigt den Zusammenhang zwischen dem Frequenzverhältnis unterschiedlicher Biegewandler (ω/ω₁) und der benötigten Anzahl an Schallwandlern für gleiche Maximalamplitude in Resonanz. In 6b ist exemplarisch der Frequenzgang für 3 Arrays entsprechend den 3 Punkten x1 bis x3 aus 6a dargestellt. Hierbei wird einmal von einem Set 1 × 3 kHz + 6 × 6 kHz + 32 × 12 kHz (x3) sowie einem reduzierten Set von 1 × 3 kHz + 3 × 6 kHz + 6 × 12 kHz (vgl. X2) ausgegangen und dieses einem 1 × 3 kHz Wandler gegenübergestellt.
Wie man beim Vergleich sieht kann die Anzahl der Resonatoren insbesondre im hochfrequenten Bereich reduziert werden, da das SPL nicht von den Maximalwerten, sondern von den Minima im Frequenzgang limitiert wird. Diese dürfen bis auf die p0-Linie (hier als 100 dB in 5 gewählt) abfallen. Im vorliegenden Fall kann das Set daher auf (1 × 3 kHz + 3 × 6 kHz + 6 × 12 kHz) reduziert werden.
In 7 findet sich ein zu 6b (X2) mögliches Ausführungsbeispiel. Im illustrierten Beispiel ist jeder Schallwandler als ein aus der Ebene auslenkbarer Biegewandler ausgeführt.
Auf dem umliegenden Substrat befinden sich aus der Ebene herausragend akustische Blendenelemente, die bei Bewegung der Biegewandler einen akustischen Kurzschluss verhindern. Alternativ könnten diese Blendenelemente auch auf den Biegewandlern ausgeführt werden. Die einzelnen Schallwandler sind weiter dadurch gekennzeichnet, dass sie sowohl zu anderen Biegewandlern als auch zum Substrat hin durch einen schmalen Entkopplungsschlitz beabstandet sind, der zum einen eine mechanische Entkopplung der Biegewandler vom Substrat herstellt, zum anderen aber ausreichend schmal ausgeführt ist, um einen akustischen Kurzschluss zu verhindern. Da sich Biegewandler gleicher Resonanzfrequenz in diesem Mikro-Lautsprecher immer gleich bewegen kann man sie prinzipiell auch als ein Element ausführen bzw. sie an den Spitzen verbinden oder wie dargestellt durch einen schmalen Schlitz mechanisch entkoppeln um etwaige Abweichungen im Amplituden und Frequenzverhalten von einem schmalen Resonator zu vermeiden. Die Schlitze müssen dennoch hinreichend schmal ausgeführt werden, um einen akustischen Kurzschluss zu verhindern. Eine Blendenstruktur ist nur zwischen Biegewandlern unterschiedlicher Resonanzfrequenz oder zum Substrat hin nötig. Die Blenden können sowohl auf dem Substrat, als auch auf den Biegewandlern ausgeführt werden.
Bezug nehmend auf 7 wird nun ein Mikro-Lautsprecher 10'''' bestehend aus mehreren Biegewandlern 14, 16 und 12 erläutert. Im Detail ist hier der Biegewandler X2 aus 6b dargestellt. Dieser weist einen 3 kHz Wandler (vgl. Bezugszeichen 12), 3 6 kHz Wandler (vgl. Bezugszeichen 16) und 6 12 kHz Wandler (vgl. Bezugszeichen 14) auf. Die Wandler 14 sind in einem Feld in zwei Reihen ä 3 Wandler angeordnet. Angrenzend zu dem Feld ist ein weiteres Feld mit den 3 Wandlern 16 angeordnet. Zwischen den Wandlern sind Entkopplungsschlitze (vgl. Bezugszeichen 15) vorgesehen. Sowohl seitlich zu jeder Reihe als auch zwischen den einzelnen Reihen sind Blendenelemente 19 vorgesehen, die vertikal aus dem Substrat 11 herausragen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Blendenelemente 19 an der angrenzenden Struktur angeordnet, so dass aus der Substratebene heraus die Blendenelemente 19 wirken und in die Substratebene hinein sich entweder das Blendenelement 19 fortführt oder das Substrat selbst als eine Art Blende geführt wird. Hierzu ist der Schlitz zwischen dem Biegewandler 14 und der Blende 19 beziehungsweise dem Substrat 11 entsprechend klein, so dass durch die hohen Strömungsverluste eine gute akustische Entkopplung von Vordervolumen und Rückvolumen möglich ist. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können die Blenden natürlich auch anders angeordnet sein, z. B. auf der Biegewandlerstruktur 14 selbst. Das ermöglicht dann auch, dass der Entkopplungsschlitz zwischen den einzelnen Biegewandlern 14 durch die Blendenelemente 19 abgedichtet werden kann.
Neben dem Feld bestehend aus den Wandlern 14 und 16 ist der eine Wandler 12 vorgesehen.
Unabhängig von der Ausführungsform werden die Biegewandler vorzugsweise piezoelektrisch angetrieben oder ausgelesen. Alternativ sind auch elektrostatische, thermische oder magnetische Wandlungsprinzipien möglich. Beim piezoelektrischen Wandlungsprinzip bestehen die Wandler aus mindestens zwei Schichten, wobei mindestens eine Schicht piezoelektrisch ist. Die piezoelektrischen Schichten können als Mehrschichtsysteme mit zusätzlichen Trennschichten ausgelegt sein und werden über flächige oder interdigitale Elektroden kontaktiert. Gemäß 8a, 8b und 8c können die Wandlerelemente neben piezoelektrisch aktiven Schichten eine oder mehrere passive Funktionsschichten aufweisen. Bei dem thermischen Wandlungsprinzip entsprechen in Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. die thermisch aktiven Schichten den piezoelektrischen Schichten.
Bei den Implementierungen aus 8 a, b, c, die jeweils einen Querschnitt möglicher Biegewandler darstellt, ist die piezoelektrische Schicht mit 14p und die passive Zwischenschicht mit 14z versehen. 8a stellt hierbei einen unimorphen Aufbau, 8b einen bimorphen Aufbau mit passiver Zwischenschicht und 8c einen bimorphen Aufbau ohne Zwischenschicht dar. Die piezoelektrischen Schichten können in beliebig vielen Schichten unterteilt sein (vgl. gestrichelte Linie) und mit Elektroden sowie Trennschichten versehen sein (nicht dargestellt).
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Array aus miniaturisierten Schallwandlern zur Schallerzeugung (Audio beziehungsweise hörbarer Schall und Ultraschall),

a. wobei jeder Schallwandler eine mechanische Güte Q ≥ 3 besitzt (alternativ Q ≥ 5)
b. wobei die Anzahl der Schallwandler im Array n ≥ 3 ist (alternativ: wobei mindestens 2 Schallwandler im Bereich zwischen 1 kHz und 20 kHz liegen) wobei jeder Schallwandler ein aus der Ebene auslenkbarer Biegewandler ist und mindestens ein vertikal aus der Ebene herausragendes akustisches Blendenelement besitzt, dass sich entweder auf dem Biegewandler oder auf dem angrenzenden Substratbereich befindet
c. wobei die einzelnen Schallwandler dadurch gekennzeichnet sind, dass die Strömungsblende durch einen schmalen Entkopplungsschlitz von einer umliegenden Struktur beabstandet ist.

Entsprechend Ausführungsbeispielen ist die Höhe und Geometrie des Blendenelements so ausgeführt, dass ein akustischer Kurzschluss durch den Entkopplungsschlitz im Audio- und Ultraschall-Frequenzbereich (20 Hz bis 300 kHz) weitgehend oder ganz unterbunden wird.
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist die Entkopplungsschlitzbreite zwischen Blendenelement und der umliegenden Struktur hinreichend klein ausgeführt, dass ein akustischer Kurzschluss durch den Entkopplungsschlitz im Audio- und Ultraschall-Frequenzbereich (20 Hz bis 300 kHz) weitgehend oder ganz unterbunden wird. Hierbei kann entsprechend Ausführungsbeispielen eine oder mehrere Frequenzweichen zur weiteren Verbesserung der Leistungsfähigkeit eingesetzt werden (nicht notwendigerweise).
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist der Antrieb des Schallwandlers piezoelektrisch, magnetisch, elektrostatisch oder thermisch realisiert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft einen Schallwandler, wobei der Schalldruckpegel über den gesamten Zielfrequenzgang durch verschiedenphasiges (Sonderfall: antiphasige) ansteuern benachbarter Schallwandler verbessert werden kann.
Hierbei können folgende Fälle vorgesehen sein:

a. im antiphasigen Fall kann eine ungerade Anzahl an Schallwandlern eingesetzt werden (von Vorteil ist)
b. im Falle eines piezoelektrischen Antriebs kann eine 180° Phasenverschiebung (antiphasiges Ansteuerung) durch das einfache vertauschen der elektrischen Anschlüsse von Top- und Bottom-Elektrode realisiert werden

Der Biegewandler ist gemäß Ausführungsbeispielen zur Schallerzeugung in Luft bestimmt. Entsprechenden Ausführungsbeispielen kann auch ein Sensorelement zur Positions- oder Phasenbestimmung vorgesehen sein.
Die beschriebenen Biegewandler-Strukturen eigenen sich für Anwendungsgebiete, in denen bei möglichst geringen Bauteilvolumina (< 10 cm³) Schall in einem Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 500 kHz erzeugt werden soll. Dies trifft in erster Linie auf miniaturisierte Lautsprecher für Wearables, Smartphones, Tablets, Laptops, Kopfhörer, Hörgeräte aber auch Ultraschallwandler zu. Insgesamt kommen auch andere Anwendungen in Betracht, bei denen Fluide verdrängt werden (z. B. strömungsmechanische und aerodynamische Antriebs- und Führungsstrukturen, Inkjets).

Claims

MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10''', 10'''') umfassend mindestens zwei Schallwandler (12, 14), wobei ein erster Schallwandler (12) der mindestens zwei Schallwandler ausgebildet ist, einen Amplitudengang mit einer ersten Resonanzfrequenz zu reproduzieren, und wobei ein zweiter Schallwandler (14) der mindestens zwei Schallwandler (12, 14) ausgebildet ist, einen Amplitudengang mit einer zweiten Resonanzfrequenz zu reproduzieren; wobei die zweite Resonanzfrequenz höher ist als die erste Resonanzfrequenz; wobei der zweite Schallwandler (14) einen Gütefaktor Q von ≥ 1 oder ≥ 3 aufweist.
MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10''', 10'''') gemäß Anspruch 1, wobei der zweiten Schallwandler (14) eine Güte Q von ≥ 5 aufweist; und/oder wobei der erste Schallwandler (12) einen Q-Faktor von ≥ 3 aufweist.
MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10''', 10'''') gemäß Anspruch 1, wobei mindestens drei Schallwandler in dem MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10''', 10''''') vorgesehen sind.
MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10'''', 10'''') gemäß Anspruch 3, wobei mindestens zwei Schallwandler der mindestens 3 Schallwandler eine erste Gruppe bilden; oder wobei mindestens zwei Schallwandler der mindestens drei Schallwandler eine erste Gruppe bilden und wobei in der ersten Gruppe einer der Schallwandler ein erste Bandbreite fres/Q um seine Resonanzfrequenz definiert und der oder die weiteren Schallwandler der Gruppe mit ihrer Resonanzfrequenz innerhalb der ersten Bandbreite liegen.
MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10'''', 10'''') gemäß Anspruch 4, wobei mindestens zwei unterscheidbare Gruppen von Schallwandlern ausgebildet sind, wobei die Resonanzfrequenzen der Schallwandler der zweiten Gruppe der zwei Gruppen über den Resonanzfrequenzen der ersten Gruppe der zwei Gruppen liegen.
MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10''', 10'''') gemäß Anspruch 5, wobei die Anzahl der Schallwandler (14) zugehörig zu der zweiten Gruppe größer ist als die Anzahl der Schallwandler (12) zugehörig zu der ersten Gruppe.
MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10''', 10'''') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Frequenzabstand zwischen der ersten und der zweiten Resonanzfrequenz und/oder wobei die ersten Resonanzfrequenz niedriger als die zweiten Resonanzfrequenz gewählt ist, dass ab einer Resonator-Güte von Q ≥ 3 eine Amplitudenüberhöhung generiert wird, um den Schalldruck in einem Frequenzbereich unterhalb der zweiten Resonanzfrequenz zumindest partiell zu steigern.
MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10''', 10'''') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei in der Abfolge der ihrer Resonanzfrequenzen aufeinanderfolgenden Schallwandler (12, 14) oder Gruppen von Schallwandlern (12, 14) verschiedenphasig betrieben werden oder antiphasig betrieben werden.
MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10''', 10'''') gemäß Anspruch 8, wobei das Array eine ungerade Anzahl an Schallwandlern oder eine ungerade Anzahl an Gruppen von Schallwandlern aufweist.
MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10''', 10'''') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens einer der Schallwandler (12, 14) durch Biegeschallwandler gebildet ist.
MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10''', 10'''') gemäß Anspruch 10, wobei zwischen den Biegeschallwandlern oder zwischen den Biegeschallwandlern und einer umgebenden Struktur ein Entkopplungsschlitz (15) vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Spaltbreite des Entkopplungsschlitzes (15) zwischen Blendenelement und der umliegenden Struktur hinreichend klein ausgeführt ist, dass ein akustischer Kurzschluss durch den Spalt im Audio- und Ultraschall-Frequenzbereich (20 Hz bis 300 kHz) weitgehend oder ganz unterbunden wird.
MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10''', 10'''') gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei entlang des Entkopplungsschlitzes (15) mindestens ein vertikal aus der Ebene herausragendes akustisches Blendenelement (17, 19) ausgebildet ist, dass sich entweder auf dem Biegewandler oder auf dem angrenzenden Substratbereich befindet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei die Höhe und Geometrie des akustischen Blendenelements (17, 19) so ausgeführt ist, dass ein akustischer Kurzschluss durch den Spalt im Audio- und Ultraschall-Frequenzbereich (20 Hz bis 300 kHz) mindestens weitgehend oder ganz unterbunden wird.
MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10''', 10'''') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens zwei Schallwandler (12, 14) eine Resonanzfrequenz im Bereich von 1 bis 20 kHz besitzen.
System umfassend eine Steuerung sowie einen MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10''', 10'''') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuerung ausgebildet ist, das MEMS-Schallwandler-Array (10, 10', 10'', 10''', 10'''') anzusteuern.
System gemäß Anspruch 16, wobei die Steuerung eine Frequenzweiche umfasst, die ausgebildet ist, um den mindestens einen ersten Schallwandler (12a, 12b) sowie den mindestens einen zweiten Schallwandler (14a, 14b, 14c) mit einem Frequenzband zugehörig zu der ersten und zweiten Resonanzfrequenz anzusteuern.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Antrieb der mindestens zwei Schallwandler (12, 14) piezoelektrisch, magnetisch, elektrostatisch oder thermisch realisiert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder einem der vorherigen Ansprüche mit Rückbezug auf Anspruch 8, wobei die anti-phasige Schallwandler (12, 14) unterschiedlicher Resonanzfrequenz durch das Vertauschen der elektrischen Anschlüsse von oberer und unterer Elektrode realisiert wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Biegewandler zur Schallerzeugung in Luft bestimmt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche mit Sensorelementen zur Positions- oder Phasendetektion.