DE102021202573B3

DE102021202573B3 - Mems-schallwandler mit ausnehmungen und auskragungen

Info

Publication number: DE102021202573B3
Application number: DE102021202573.0A
Authority: DE
Inventors: Fabian Stoppel; Malte Florian Niekiel; Bernhard Wagner; Fabian LOFINK
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2041-03-17
Also published as: CN117223294A; US20230421947A1; WO2022194880A1; EP4309379A1

Abstract

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beschreiben MEMS-Schallwandler zur Erzeugung von Schall mit einem Aktor, wobei der Aktor durch einen oder mehrere Spalte von einer umgebenden Struktur getrennt ist und ausgebildet ist, um eine Relativbewegung zwischen dem Aktor und der umgebenden Struktur auszuführen. Ferner weist der MEMS-Schallwandler die umgebende Struktur auf, wobei der Aktor und die umgebende Struktur eine Vielzahl von Ausnehmungen und Auskragungen aufweisen, die durch einen oder mehrere Spalte getrennt sind, wobei die Vielzahl von Auskragungen zugehörig zu dem Aktor in die Vielzahl von Ausnehmungen zugehörig zu der umgebenden Struktur und/oder die Vielzahl von Auskragungen zugehörig zu der umgebenden Struktur in die Vielzahl von Ausnehmungen zugehörig zu dem Aktor ineinandergreifend angeordnet sind.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf MEMS-Schallwandler mit Ausnehmungen und Auskragungen. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf MEMS-Schallwandler mit Mikrostrukturen zur Luftdämpfung.
Hintergrund der Offenbarung
MEMS-Lautsprecher beruhen ebenso wie konventionelle Lautsprecher auf dem Verdrängen von Luft durch die Hubbewegung oder Biegebewegung eines Aktors. Der dabei erzeugte Schallpegel ist proportional zum verdrängten Luftvolumen. Eine Ausführung eines MEMS-Lautsprechers mit piezoelektrisch angetriebenen, sich in vertikaler Richtung bewegenden Mikroaktoren ist in 1 dargestellt (aus F. Stoppel, A. Männchen, F. Niekiel, D. Beer, T. Giese, I. Pieper, D. Kaden, S. Grünzig, B. Wagner, Piezoelektrische MEMS-Lautsprecher für In-Ear-Anwendungen, MikroSystemTechnik Kongress 2019, Berlin, 182-185; DE 10 2017 208 911 A1 ).
1 zeigt eine schematische Darstellung eines MEMS-Lautsprechers 100 im nicht-ausgelenkten (oben) und ausgelenkten Zustand (unten). Der MEMS-Lautsprecher weist einen Chip-Rahmen 110, bspw. ein Substrat, sowie am Chip-Rahmen 110 eingespannte Aktoren 120 auf. Die Aktoren sind zweischichtig, aus einer Schicht aus piezoelektrischem PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) 130 und einer Schicht aus Poly-Silizium 140 gebildet. Zwischen den Aktoren sind Entkopplungsschlitze 150 angeordnet. Bei der Auslenkung (unten) können sich die Aktoren durch die Entkopplungsschlitze 150 entkoppelt voneinander bewegen.
Im gezeigten Fall ist die schallerzeugende Aktorstruktur nicht durch eine geschlossene Membran, sondern aus mehreren, durch enge Schlitze 150 getrennte Aktoren 120 ausgebildet. Die bewegten MEMS-Aktorstrukturen können dabei allerdings hohe Resonanzgüten (Überhöhungen der Schwingungsamplituden) mit Werten im Bereich von 100 haben. Dadurch kann der erzeugte Schalldruckpegel im Frequenzgang scharfe Resonanzpeaks aufweisen, die zu akustischen Verzerrungen führen können (siehe 2 und 3).
2 zeigt Schalldruckpegel (SPL) in dB des MEMS-Lautsprechers, gemessen in einem Ohr-Simulator bei verschiedenen Antriebsspannungen mit und ohne Equalizer (EQ)-Filter über der Frequenz in Hz. Die untere durchgezogene Linie beschreibt einen Schalldruckpegel bei einem Volt mit einem EQ-Filter, die gepunktete Linie einen Schalldruckpegel bei einem Volt ohne EQ-Filter und die obere durchgezogene Linie einen Schalldruckpegel bei zehn Volt mit EQ-Filter. Der Schalldruckpegel bei einem Volt ohne EQ-Filter zeigt einen großen Peak bei etwas mehr als 8000 Hz. 2 zeigt, dass durch elektronische Filter der Schalldruckpegel geglättet werden kann. Allerdings können durch diese Maßnahme die Verzerrungen, d.h. das Klirren des Lautsprechers, nicht reduziert werden (siehe 3).
3 zeigt Harmonische Verzerrungen in % bei 1 V Amplitude mit EQ-Filter (entspricht ca. 85 dB SPL) über der Frequenz in Hz. In 3 sind die gesamte harmonische Verzerrung (THD - Total Harmonic Distortion) und Anteile einzelner Oberschwingungen am Klirrfaktor (k2, k3, k5) aufgetragen. Die aufgetragenen Größen geben ein Verhältnis eines bspw. unerwünschten Oberschwingungsanteils am Signal an. 3 zeigt im Bereich von knapp 2000 Hz und im Bereich von etwas mehr als 3000 Hz hohe Peaks der Verzerrung und der Anteile am Klirrfaktor. 3 zeigt, dass EQ-Filter diese Signalverzerrungen nicht glätten können.
Aufgrund der Verzerrungen kann beispielsweise nicht die gesamte Bandbreite eines entsprechenden MEMS-Schallwandlers genutzt werden. Beispielsweise bei Anwendungen im Ultraschallbereich sind Schallwandler mit niedriger Güte, d.h. hoher Bandbreite gefordert. Damit kann der Wandler unter anderem im Impuls-Echo-Verfahren kurze Impulse erzeugen oder im continuous-wave (Dauerstrich-) Verfahren modulierte Signale senden oder empfangen.
Auf einem ähnlichen technischen Gebiet ist hierzu bspw. die DE 10 2012 220 819 A1 bekannt. Die DE 10 2012 220 819 A1 befasst sich mit einem Schallwandler umfassend ein Substrat mit einem Hohlraum mit Ausstrecken von einer ersten Oberfläche des Substrats, einem Körper, der den Hohlraum mindestens teilweise abdeckt und durch mindestens ein nachgiebiges Gelenk mit dem Substrat verbunden ist, eine erste Menge von Kammfingern, die am Substrat angebracht ist, und eine zweite Menge von Kammfingern, die am Körper angebracht ist. Die erste Menge von Kammfingern und die zweite Menge von Kammfingern greifen ineinander und sind konfiguriert, eine elektrostatische Kraft, die den Körper in einer zur ersten Oberfläche des Substrats senkrechten Richtung antreibt, zu bewirken. Der Körper und das mindestens eine nachgiebige Gelenk sind für eine resonante oder eine fast resonante Anregung durch die elektrostatische Kraft konfiguriert.
Die DE 10 2007 052 367 A1 befasst sich mit einem mikromechanischen System umfassend ein Substrat, eine Aufhängung, eine Basis und einen mikromechanischen Sensor, wobei die Aufhängung die Basis über dem Substrat beweglich trägt und wobei der mikromechanische Sensor an der Basis angeordnet ist. Dabei kann der eigentliche mikromechanische Sensor von dem Substrat oder von anderen Teilen des mikromechanischen Systems über die Aufhängung mechanisch entkoppelt werden.
Die DE 600 37 132 T2 befasst sich mit einer Zeitbasis, die einen Resonator und eine integrierte elektronische Schaltung zum Anregen des Resonators zu einer Oszillation und zum Erzeugen in Reaktion auf die Oszillation eines Signals mit einer bestimmten Frequenz umfasst. Dabei ist der Resonator ein integrierter mikromechanischer Stimmgabel-Resonator, der über einem Substrat unterstützt ist und gemäß einer ersten Oszillationsbetriebsart in einer zu dem Substrat im Wesentlichen parallelen Ebene oszillieren kann, wobei der Stimmgabel-Resonator ein Basiselement, das sich im Wesentlichen senkrecht von dem Substrat erstreckt, eine freistehende Oszillationsstruktur, die mit dem Basiselement verbunden ist und wenigstens ein erstes Paar von im Wesentlichen parallelen Gabelzinken, die in der Ebene angeordnet sind, enthält, und eine Elektrodenstruktur, die benachbart zu den Gabelzinken angeordnet und mit der integrierten elektronischen Schaltung verbunden ist, umfasst.
Die US 2018/0 288 532 A1 befasst sich mit einer MEMS-Vorrichtung, wie etwa ein kapazitives MEMS-Mikrofon, bereit, das einen Luftstrombegrenzer umfasst. Dabei umfasst ein Luftkanal eine erste Innenwand und eine zweite Innenwand, zwischen denen Luft strömen kann. Ein Graben wird von der ersten Innenwand ausgespart, und ein Einsatz wird von der zweiten Innenwand verlängert und in den Graben eingesetzt. Die räumliche Beziehung zwischen dem Einsatz und dem Graben kann variieren oder oszillieren. Der Luftwiderstand des Kanals kann entsprechend durch die Grabentiefe gesteuert werden.
Bei bisherigen MEMS-Schallwandlern können die Resonanzen der Aktoren nicht gezielt gedämpft werden. Bspw. wäre es wünschenswert Güten in den Bereich kleiner als 5 zu erreichen und/oder den Resonanzpeak komplett zu unterdrücken. Deshalb besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.
Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung liegt darin ein Konzept zu schaffen, welches es ermöglicht Resonanzen von Aktoren von MEMS-Schallwandlern gezielt zu dämpfen.
Zusammenfassung der Offenbarung
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen MEMS-Schallwandler zur Erzeugung von Schall mit einem Aktor, der durch einen oder mehrere Spalte von einer umgebenden Struktur getrennt ist und ausgebildet ist, um eine Relativbewegung zwischen dem Aktor und der umgebenden Struktur auszuführen. Der MEMS-Schallwandler weist ferner die umgebende Struktur auf, wobei der Aktor und die umgebende Struktur eine Vielzahl von Ausnehmungen und Auskragungen aufweisen, wobei die Vielzahl von Auskragungen zugehörig zu dem Aktor in die Vielzahl von Ausnehmungen zugehörig zu der umgebenden Struktur, und/oder die Vielzahl von Auskragungen zugehörig zu der umgebenden Struktur in die Vielzahl von Ausnehmungen zugehörig zu dem Aktor, ineinandergreifend angeordnet sind, wobei die ineinandergreifenden Elemente durch einen oder mehrere Spalte getrennt sind. Ferner sind die ineinandergreifenden Elemente so durch einen oder mehrere Spalte getrennt, dass die ineinandergreifenden Elemente eine Dämpfungsfunktion, also bspw. die zuvor erläuterte Dämpfung, bei einer Relativbewegung zwischen Aktor und umgebender Struktur aufweisen.
Darüber hinaus ist die umgebende Struktur durch ein Substrat gebildet. Durch die Ausbildung von Auskragungen und Ausnehmungen direkt auf dem Substrat kann eine bspw. besonders einfache und kostengünstige Umsetzung eines MEMS-Schallwandlers gemäß der vorliegenden Offenbarung umgesetzt werden. Der Aktor kann bspw. direkt aus dem Substrat herausgeätzt werden und dabei mit Auskragungen und Ausnehmungen versehen werden, welche in entsprechende Strukturen des Substrats ineinandergreifen.
Ferner sind die Vielzahl von Ausnehmungen und Auskragungen als Mikrostrukturen mit einem Aspektverhältnis von Höhe/Breite von mehr als 5 ausgebildet, wobei die Höhe eine Höhe orthogonal zu einer Oberfläche des Aktors oder der umgebenden Struktur ist, auf der die Auskragung angeordnet ist. Dabei ist die Breite eine Breite parallel zu der Oberfläche des Aktors oder der umgebenden Struktur, auf der die Auskragung angeordnet ist.
Ferner ist der Aktor in einer ersten Ebene angeordnet und die umgebende Struktur ist in einer zweiten Ebene angeordnet, wobei die erste und die zweite Ebene parallel zueinander sind und wobei der Aktor ausgebildet ist, um die Relativbewegung zwischen dem Aktor und der umgebenden Struktur senkrecht zu der ersten und zweiten Ebene auszuführen. Dabei weist der Aktor eine Vielzahl von Auskragungen in Form von Säulen und/oder Kämmen auf, wobei die Säulen und/oder Kämme senkrecht zu den parallelen Ebenen, auf einer, der umgebenden Struktur zugewandten, Oberfläche des Aktors, angeordnet sind. Die umgebende Struktur weist eine Vielzahl von Ausnehmungen in Form von Löchern und/oder Schlitzen auf, wobei die Säulen und/oder Kämme des Aktors und die Löcher und/oder Schlitze der umgebenden Struktur so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen.
Alternativ ist die umgebende Struktur in einer ersten Ebene angeordnet und der Aktor in einer zweiten Ebene, wobei die erste und die zweite Ebene parallel zueinander sind. Der Aktor ist ausgebildet, um die Relativbewegung zwischen dem Aktor und der umgebenden Struktur senk-recht zu der ersten und zweiten Ebene auszuführen. Dabei weist die umgebende Struktur eine Vielzahl von Auskragungen in Form von Säulen und/oder Kämmen auf, wobei die Säulen und/oder Kämme senkrecht zu den parallelen Ebenen, auf einer, dem Aktor zugewandten, Oberfläche der umgebenden Struktur, angeordnet sind. Der Aktor weist eine Vielzahl von Ausnehmungen in Form von Löchern und/oder Schlitzen auf, wobei die Säulen und/oder Kämme der umgebenden Struktur und die Löcher und/oder Schlitze des Aktors so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen.
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung beruhen auf dem Kerngedanken durch die Anordnung von Ausnehmung und Auskragungen, z.B. in Form ineinandergreifender Mäander, eine frequenzabhängige Signaldämpfung eines MEMS-Schallwandlers zu ermöglichen. Durch die Relativbewegung zwischen dem Aktor und der umgebenden Struktur wird ein, in dem Spalt zwischen Aktor und umgebener Struktur befindliches Gas, bspw. Luft (allgemein Medium), verdrängt. Hierdurch kommt es zur (Luft-) Reibung, welche wiederum den Aktor dämpft. Die Geschwindigkeit des Gases im Spalt weist dabei eine Abhängigkeit von der Schwingfrequenz des Aktors auf. Durch eine entsprechende Wahl der Geometrien von Aktor und umgebender Struktur kann die geschwindigkeitsabhängige und damit frequenzabhängige Dämpfung ausgenutzt werden, um bestimmte Frequenzen des MEMS-Schallwandlers zu dämpfen. Das ermöglicht vorteilhafterweise eine Optimierbarkeit des Schallwandlers bzw. der akustischen Eigenschaften.
Ein erfindungsgemäßer MEMS-Lautsprecher kann ein nicht oder nur schwer elektronisch filterbares Klirren (siehe bspw. 3) unterdrücken. Die Dämpfung ist dabei abhängig von den überlappenden Flächen von Aktor und umgebender Struktur, welche sich durch die Relativbewegung aneinander vorbeibewegen, sowie von dem Abstand der überlappenden Flächen von Aktor und umgebender Struktur zueinander. Die überlappenden Flächen sind dabei anders ausgedrückt die Flächen des Aktors bzw. der umgebenden Struktur, welche der umgebenden Struktur bzw. dem Aktor unmittelbar gegenüberstehen und welche sich durch die Relativbewegung aneinander vorbeibewegen. Beispielsweise können diese Flächen von Aktor und umgebender Struktur parallel zueinander ausgebildet sein und sich durch die Relativbewegung parallel aneinander oder zumindest partiell parallel aneinander vorbei bewegen.
Um die Dämpfung zu verstärken, wird daher offenbarungsgemäß diese Fläche durch die Verwendung von ineinandergreifenden Auskragungen und/oder Vertiefungen bspw. mit zusätzlichen Plattenstrukturen auf dem Aktor und der umgebenden Struktur vergrößert. Zusätzlich oder alternativ kann die Dämpfung durch einen geringen Abstand der Flächen zueinander verstärkt werden.
In anderen Worten beruhen Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung auf der Idee, zusätzliche strömungsmechanische Strukturen, beispielsweise Plattenstrukturen und/oder Auskragungen und/oder Ausnehmungen zu integrieren, durch die der MEMS-Schallwandler, bspw. ausgebildet als Lautsprecher, mittels viskoser Gasströmung oder Luftströmung gedämpft wird.
Durch ein hohes Aspektverhältnis kann die viskose Reibung und damit die Dämpfung verstärkt werden. Durch die entsprechende Ausbildung der Ausnehmungen und Auskragungen kann die Fläche zwischen Aktor und umgebender Struktur, welche zur Reibung beiträgt, z.B. für einen gewünschten Frequenzbereich, vergrößert werden und bspw. zugleich einen geringeren Abstand der Elemente zueinander realisiert werden, um die Dämpfung weiter zu erhöhen. Dabei sei darauf hingewiesen, dass das Aspektverhältnis hierbei nicht ausschließlich nur für Höhen von Strukturen gilt, sondern analog zu korrespondierenden Tiefen bspw. für den Fall von Ausnehmungen. Ferner können Ausnehmungen und/oder Auskragungen entsprechende Höhen oder Tiefen bspw. insbesondere orthogonal zu der Bewegungsrichtung des Aktors aufweisen, wobei die Breite der Ausnehmung oder Struktur parallel zu der Bewegungsrichtung ausgerichtet sein kann.
Die Ausbildung der umgebenden Struktur mit Löchern und/oder Schlitzen ermöglicht eine bspw. einfach und kostengünstig herstellbare Form der Ausnehmung da hierbei, z.B. durch ein Ätzverfahren nicht auf eine bestimmte Tiefe der Ätzung geachtet werden muss. Ferner kann ein solcher offenbarungsgemäßer MEMS-Schallwandler mit geringem Bauraumbedarf ausgebildet sein, bspw. durch das Ineinandergreifen der Säulen und/oder Kämme mit den Schlitzen und/oder Löchern, da diese durch die Relativbewegung bspw. quasi formschlüssig, getrennt durch einen Spalt aneinander vorbeigleiten können. Zusätzlich oder alternativ können weitere Ausnehmungen und/oder Auskragungen in der Ebene des Aktors, um den Aktor herum angeordnet sein, welche wiederum ineinandergreifend mit korrespondierenden Auskragungen und/oder Ausnehmungen der umgebenden Struktur oder einer weiteren umgebenden Struktur angeordnet sind.
Der Aktor kann bspw. insbesondere nur teilweise als Loch- und/oder Schlitzplatte ausgebildet sein. Dies kann bspw. Vorteile im Hinblick auf den erzielbaren Schalldruck mit sich bringen. Ferner kann ein Herausätzen von Säulen und/oder Kämmen aus einem bspw. unbeweglichen Substrat, welche die umgebende Struktur bildet, fertigungstechnische Vorteile aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung weist der Aktor einen piezoelektrischen oder magnetischen oder elektrostatischen Antrieb auf. Alternativ oder zusätzlich kann der Aktor durch einen Biegewandler geformt sein. Der piezoelektrische Antrieb kann beispielsweise vorzugsweise durch integrierte piezoelektrische Schichten erfolgen, z.B. für Anwendungen als MEMS-Lautsprecher. Piezoelektrische Antriebe können dabei Vorteile im Hinblick auf kurze Ansprechzeiten, hohe Beschleunigungen und geringen Energiebedarf aufweisen. Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung sind dabei jedoch nicht auf piezoelektrische Antriebe begrenzt, sondern ermöglichen die Verwendung von, bspw. für eine Applikation besonderes vorteilhafte, Antriebskonzepte, bspw. wahlweise elektrostatische oder magnetische Konzepte oder Prinzipien. Die Ausbildung des Aktors als bspw. piezoelektrischer Biegewandler bzw. Biegeaktor kann Vorteile im Hinblick auf Stellweg und Stellkraft, sowie die Zuverlässigkeit aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen die Auskragungen der Vielzahl von Auskragungen eine Höhe von mehr als 50 µm auf, wobei die Höhe eine Höhe orthogonal zu einer Oberfläche des Aktors oder der umgebenden Struktur ist, auf der die jeweilige Auskragung angeordnet ist.
Die offenbarungsgemäße Ausbildung der Höhe der Auskragungen ermöglicht eine ausreichende Dämpfung zur zumindest teilweisen Unterdrückung von bspw. unerwünschtem Klirren (siehe 3). Dadurch kann bspw. ein vorteilhaftes Aspektverhältnis von Auskragungen und korrespondierenden Ausnehmungen erzielt werden, sodass die viskose Gasreibung die gewünschte Dämpfung ermöglicht.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist die Vielzahl von Auskragungen als Säulen und/oder Kämme ausgebildet und die Vielzahl von Ausnehmungen als Löcher und/oder Schlitze ausgebildet. Säulen und Kämme, sowie korrespondierende Löcher und Schlitze sind durch kostengünstige und ausgereifte Herstellungsprozesse realisierbar, sodass ein entsprechender MEMS-Schallwandler in großen Stückzahlen und/oder kostengünstig hergestellt werden kann. Ferner ermöglichen entsprechende Strukturen wie bspw. Säulen oder Kämme ein vorteilhaftes Aspektverhältnis, um die Dämpfung bspw. entsprechend den Anforderungen einer Applikation ausreichend stark einstellen zu können. Darüber hinaus ermöglichen zu den Säulen und Kämmen korrespondierende Löcher und Schlitze sehr geringe Abstände der jeweiligen Elemente zu einander, was wiederum vorteilhaft für die Dämpfung sein kann.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung besteht die Vielzahl von Ausnehmungen und Auskragungen aus zumindest einem aus einem Halbleiter, wie Silizium, Silizium-Verbindungen, Metallen oder Polymeren. Das ermöglicht einen einfache Herstellbarkeit mit konventionellen MEMS-Herstellungstechnologien.
Offenbarungsgemäße MEMS-Schallwandler ermöglichen die Verwendung von Materialien mit guter Verfügbarkeit, deren zugehörige Herstellungsverfahren technisch ausgereift sind, sodass ein entsprechender MEMS-Schallwandler mit geringen Kosten und hoher Qualität gefertigt werden kann.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der MEMS-Schallwandler ausgebildet, um ein Schallsignal bei Anregung mit einem elektrischen Signal zu emittieren. Eine offenbarungsgemäße Ausführung des MEMS-Schallwandlers als MEMS-Lautsprecher ermöglicht es dabei Probleme, bspw. bisheriger Lautsprecher, z.B. in Bezug auf Klirren, durch die Vielzahl von Ausnehmungen und Auskragungen zu beheben oder zumindest abzuschwächen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der MEMS-Schallwandler ausgebildet, um Signale in einem Frequenzbereich von zumindest 20 Hz und/oder bis 20 kHz zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann der MEMS-Schallwandler als ein MEMS-Ultraschallwandler ausgebildet sein. Ein offenbarungsgemäßer MEMS-Ultraschallwandler kann ausgebildet sein, um Signale in einem Frequenzbereich von zumindest 20 kHz und/oder bis 100 MHz zu erzeugen.
Die Auslegung des MEMS-Schallwandlers auf einen Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz, oder in anderen Worten auf den für Menschen hörbaren Frequenzbereich, ermöglicht den Einsatz des Schallwandlers in akustischen Applikationen wie beispielsweise In-Ear-Kopfhörern, Smartphones oder Headsets. Durch die offenbarungsgemäße Verwendung von Ausnehmungen und Auskragungen kann dabei beispielsweise eine hohe Audioqualität erzielt werden. Insbesondere kann beispielsweise auch bei hohen Frequenzen, ein zum Beispiel unerwünschtes, Klirren unterdrückt werden. Ein offenbarungsgemäßer MEMS-Ultraschallwandler kann ferner durch die Dämpfung von harmonischen Verzerrungen für hohe Frequenzen eine hohe Bandbreite erzielen, sodass, beispielsweise für Messverfahren wie Impuls-Echo-Verfahren, kurze Impulse erzeugt werden können oder für Dauerstrich-Verfahren modulierte Signale gesendet werden können.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung weist der eine oder die mehreren Spalte eine Breite weniger als 20 µm, weniger als 10 µm oder weniger als 5 µm auf, beziehungsweise weisen allgemein eine Breite auf, die im Bereich von 0,1 µm bis 20 µm liegt. Bei der Breite des Spalts kann es sich dabei bspw. um ein Breite in lateraler Richtung oder horizontaler Richtung des Bauelements oder MEMS-Schallwandlers handeln.
Durch die Breiten im µm-Bereich können entsprechende MEMS-Schallwandler zum einen mit geringem Bauraumbedarf gebaut werden, zum anderen kann eine ausreichende Entkopplung der Schalldrücke vor bzw. hinter dem Aktor ermöglicht werden, sodass ein definierter akustischer Schalldruck erzeugt werden kann. Darüber hinaus kann eine entsprechende Dimensionierung der Spalte vorteilhaft für die frequenzabhängige Dämpfung bspw. zur Unterdrückung von Klirren sein.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der Aktor als Biegeaktor ausgebildet und der Biegeaktor und die umgebende Struktur stehen sich einander lateral in einer Ebene gegenüber. Der Biegeaktor ist zumindest einseitig gegenüber der umgebenen Struktur eingespannt und ausgelegt, um mit einem Ende des Biegeaktors die Relativbewegung zwischen Biegeaktor und umgebender Struktur, zumindest partiell senkrecht zu der Ebene, auszuführen. Am bewegten Ende des Biegeaktors ist eine Vielzahl von Ausnehmungen und/oder Auskragungen in Form einer ersten Kammstruktur, in der gemeinsamen Ebene von Biegeaktor und umgebender Struktur, ausgebildet. Die umgebende Struktur weist auf einer, dem bewegten Ende des Biegeaktors zugewandten Seite eine Vielzahl von Ausnehmungen und/oder Auskragungen in Form einer zweiten Kammstruktur auf, wobei die erste und zweite Kammstruktur so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen.
Durch die Anordnung von Aktor und umgebender Struktur lateral in einer Ebene kann ein entsprechender offenbarungsgemäßer MEMS-Schallwandler mit geringem Bauraumbedarf senkrecht zu der Ebene ausgebildet werden. Durch die Verwendung eines Biegeaktors können ferner bspw. für bestimmte Applikationen vorteilhafte, hohe Schalldrücke, erzeugt werden. Durch die Hebelbewegung kann hierbei die Relativbewegung des Aktors partiell senkrecht zur umgebenden Struktur erfolgen, sodass bspw. auch die überlappenden Flächen partiell senkrecht aneinander vorbei bewegt werden. Ferner kann der Biegeaktor von der umgebenden Struktur an mehreren Enden umgeben sein, sodass bspw. an mehreren Seiten des Aktors, die eine Relativbewegung in Bezug auf die umgebende Struktur ausführen Ausnehmungen und Auskragungen angeordnet sein können, bspw. in Form einer Kammstruktur. Analog können zusätzlich oder alternativ auf den korrespondierenden Seiten der umgebenden Struktur Auskragungen und Ausnehmungen, bspw. in Form der zweiten Kammstruktur, ausgebildet sein, sodass die Ausnehmungen und Auskragungen des Aktors und die Auskragungen und Ausnehmungen der umgebenden Struktur ineinandergreifen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der Aktor als Hubaktor ausgebildet und der Hubaktor und die umgebende Struktur sind in einer Ebene angeordnet. Der Hubaktor ist dabei ausgebildet, um die Relativbewegung zwischen dem Hubaktor und der umgebenden Struktur, senkrecht zu der Ebene, auszuführen und weist entlang seines Umfangs in der Ebene eine Vielzahl von Ausnehmungen und/oder Auskragungen in Form einer ersten Kammstruktur auf. Ferner weist die umgebende Struktur auf einer, der ersten Kammstruktur zugewandten Seite eine Vielzahl von Ausnehmungen und/oder Auskragungen in Form einer zweiten Kammstruktur auf, wobei die erste und zweite Kammstruktur so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen.
Ein solcher offenbarungsgemäßer MEMS-Schallwandler kann einen geringen Bauraumbedarf in Richtung der Ebene, in der Aktor und umgebende Struktur angeordnet sind, oder in anderen Worten orthogonal zur Bewegungsrichtung des Aktors, aufweisen. Der Hubaktor kann ferner bspw. als kolbenförmiger Aktor ausgebildet sein.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen MEMS-Schallwandler zur Erzeugung von Schall mit einem Aktor, der durch einen oder mehrere Spalte von einer umgebenden Struktur getrennt ist. Ferner weist der MEMS-Schallwandler die umgebende Struktur auf. Dabei ist der Aktor ausgebildet, um eine Relativbewegung zwischen dem Aktor und der umgebenden Struktur auszuführen. Die Strukturen von Aktor und/oder umgebender Struktur weisen dabei die Vielzahl von Ausnehmungen und Auskragungen auf, wobei die Vielzahl von Auskragungen zugehörig zu dem Aktor und/oder zugehörig zu den Plattenstrukturen des Aktors in die Vielzahl von Ausnehmungen zugehörig zu der umgebenden Struktur und/oder zugehörig zu den Plattenstrukturen der umgebenden Struktur und/oder die Vielzahl von Auskragungen zugehörig zu der umgebenden Struktur und/oder zugehörig zu den Plattenstrukturen der umgebenden Struktur in die Vielzahl von Ausnehmungen zugehörig zu dem Aktor und/oder zugehörig zu den Plattenstrukturen des Aktors ineinandergreifend angeordnet sind, wobei die ineinandergreifenden Elemente durch einen oder mehrere Spalte getrennt sind.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung von Ausnehmungen und Auskragungen, also bspw. die Integration von zusätzlichen Ausnehmungen und Auskragungen auf Plattenstrukturen, welche wiederum selbst eine Auskragung oder einen Teil einer Auskragung oder analog Ausnehmung bilden können, ermöglicht verbesserte Dämpfungseigenschaften, bspw. um ein unerwünschtes Klirren bei hohen Frequenzen zu dämpfen.
Figurenliste
Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hinsichtlich der dargestellten schematischen Figuren wird darauf hingewiesen, dass die dargestellten Funktionsblöcke sowohl als Elemente oder Merkmale der offenbarungsgemäßen Vorrichtung als auch als entsprechende Verfahrensschritte des offenbarungsgemäßen Verfahrens zu verstehen sind, und auch entsprechende Verfahrensschritte des offenbarungsgemäßen Verfahrens davon abgeleitet werden können. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines MEMS-Lautsprechers im nicht-ausgelenkten (oben) und ausgelenkten Zustand (unten);
2 Schalldruckpegel (SPL) in dB des MEMS-Lautsprechers, gemessen in einem Ohr-Simulator bei verschiedenen Antriebsspannungen mit und ohne Equalizer (EQ)-Filter über der Frequenz in Hz;
3 Harmonische Verzerrungen in % bei 1 V Amplitude mit EQ-Filter (entspricht ca. 85 dB SPL) über der Frequenz in Hz;
4 ein Beispiel für viskose Luftdämpfung einer Platte bei Parallelbewegung nahe an einem feststehenden Plattenelement zur Erläuterung des physikalischen Prinzips bei Ausführungsbeispielen;
5 eine schematische Aufsicht eines MEMS-Schallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
6 eine schematische Darstellung eines MEMS-Schallwandlers gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung mit kammförmigen Ausnehmungen und Auskragungen am Rand von Aktor und umgebender Struktur, welche ein Festelement aufweist;
7 eine Abwandlung des MEMS-Schallwandlers aus 6 gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung mit Plattenstrukturen mit Auskragungen und Ausnehmungen;
8 eine schematische Seitenansicht eines MEMS-Schallwandlers gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung mit Säulen bzw. vertikalen Kammstrukturen auf dem Aktor sowie Loch- bzw. Schlitzplatte als Festelement; und
9 eine schematische Seitenansicht eines MEMS-Schallwandlers gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung mit einem Aktor mit Lochplatte und Säulen und/oder Kämmen auf Festelement.

Detaillierte Beschreibung der Beispiele gemäß den Figuren
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
5 zeigt eine schematische Aufsicht eines MEMS-Schallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. 5 zeigt den MEMS-Schallwandler 500 mit einem Aktor 510, der durch einen Spalt 520 von einer umgebenden Struktur 530 (z.B. dem Substrat) getrennt ist. Der Aktor 510 und die umgebende Struktur 530 weisen eine Vielzahl von Auskragungen 510-1, 530-1 und Ausnehmungen 510-2, 530-2 auf, wobei die Vielzahl von Auskragungen 510-1 zugehörig zu dem Aktor in die Vielzahl von Ausnehmungen 530-2 zugehörig zu der umgebenden Struktur und/oder die Vielzahl von Auskragungen 530-1 zugehörig zu der umgebenden Struktur in die Vielzahl von Ausnehmungen 510-2 zugehörig zu dem Aktor ineinandergreifend angeordnet sind, wobei die ineinandergreifenden Elemente durch den Spalt 520 getrennt sind.
Der Aktor 510 ist dabei dazu ausgebildet eine Relativbewegung zwischen dem Aktor 510 und der umgebenden Struktur 530, senkrecht zur Bildebene, auszuführen. Durch die Relativbewegung kann der Aktor 510 ein akustisches Signal aus einer elektrischen Anregung erzeugen. Durch die Auskragungen 510-1, 530-1 und Ausnehmungen 510-2, 530-2 weist der MEMS-Schallwandler große Flächen zwischen dem bewegten Aktor 510 und der umgebenden Struktur 530 auf, die eine frequenzabhängige Dämpfung durch viskose Gasdämpfung ermöglichen. Durch die Anordnung kann dabei der Spalt 520 sehr schmal gewählt werden, was sich wiederum positiv auf eine gewünschte Dämpfung auswirken kann. Dadurch können bestimmte Frequenzbereiche, die bspw. hohe Verzerrungen aufweisen, gedämpft werden.
Die Auskragungen 510-1, 530-1 und Ausnehmungen 510-2, 530-2 können dabei in einer Vielzahl von Variationen ausgebildet sein. Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen trigonometrische Verläufe der Auskragungen 510-1 und Ausnehmungen 510-2 bzw. der Auskragungen 530-1 und Ausnehmungen 530-2 wie in 5 gezeigt. Ferner weisen Ausführungsbeispiele auch MEMS-Schallwandler mit Auskragungen und Ausnehmungen mit Kämmen, Säulen, Mäandern, Zapfen oder Dreiecken auf. Offenbarungsgemäße Auskragungen und Ausnehmungen sind bspw. so ausgebildet, dass die Länge des Spaltes 520 und die Fläche zwischen Aktor 510 und umgebender Struktur 530 möglichst groß wird um die Dämpfung zu verstärken. Darüber hinaus kann der Aktor 510 als ein mehrteiliger Aktor ausgebildet sein, oder in anderen Worten eine mehrteilige Membran aufweisen. Außerdem kann der Aktor 510 zweischichtig, aus einer Schicht aus piezoelektrischem PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) und einer Schicht aus Poly-Silizium gebildet sein.
4 zeigt ein Beispiel für viskose Luftdämpfung einer Platte bei Parallelbewegung nahe, bspw. bezüglich des Abstands der Platten in Bezug auf die Plattenfläche, an einem feststehenden Plattenelement und illustriert dabei die Schnittdarstellung durch Aktor und umgebende Struktur. Die Oberfläche der hier als Platte diktierten Elemente Aktor und gegenüberliegende Struktur sind entsprechend Ausführungsbeispielen durch Mäanderstrukturen bzw. allgemein Ausnehmung und Auskragung maximiert. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Platte 410 der umgebenden Struktur, welche ein Festelement aufweist und eine Platte 420 des Aktors. Allgemein kann das Festelement ein bspw. unbeweglicher Teil der umgebenden Struktur sein, oder die umgebende Struktur selbst. Das Festelement kann bspw. ein Substrat sein. Die beiden Platten sind mit einem Abstand d 430 voneinander beabstandet angeordnet. Die Platte 420 des Aktors weist eine Relativgeschwindigkeit v_Platte 440 auf, sodass sie sich parallel zu der Platte 410 der umgebenden Struktur an dieser vorbei bewegt. Zwischen den Platten 410, 420 ist eine Geschwindigkeitsverteilung 450 der Geschwindigkeit der Luft v_Luft des Zwischenraums zwischen den beiden Platten 410, 420 aufgetragen.
Wenn der Abstand d 430 der Platten klein gegenüber den Plattendimensionen ist, kann die Geschwindigkeit der Luft von der feststehenden Platte 410 bis zur bewegten Platte 420 linear von Null bis zu dem Wert v zunehmen. Die Luftschichten zwischen den Platten können also mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aneinander vorbeigleiten. Dadurch kann sich eine Reibungskraft F_r ergeben, die mit dem Newtonschen Reibungsgesetz berechnet werden kann $F_{r} = η Av / d .$
Dabei ist A der Überlapp der Plattenflächen, d der Plattenabstand 430, v die Geschwindigkeit 440 der bewegten Platte (v_Platte) und η die Viskosität der Luft. Die Reibungskraft ist proportional zur Geschwindigkeit 440 der bewegten Platte und bildet in der Differentialgleichung der Plattenbewegung oder -schwingung ein Dämpfungsglied.
Dementsprechend kann also durch eine offenbarungsgemäße Ausbildung von Aktor und umgebender Struktur mit Ausnehmungen und/oder Auskragungen bzw. mit Plattenstrukturen, z.B. als Auskragungen, ein MEMS-Schallwandler geschaffen werden, welcher eine erwünschte Dämpfung bestimmter Frequenzen durch Anpassung der überlappenden Fläche und des Abstands der relativ bewegten Flächen von Aktor und umgebender Struktur ermöglicht.
6 zeigt schematische Ansichten eines MEMS-Schallwandlers gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung mit Auskragungen und Ausnehmungen. 6 oben zeigt eine schematische Schnittansicht eines MEMS-Schallwandlers 800 und 6 unten eine schematische Aufsicht des MEMS-Schallwandlers 800.
6 oben zeigt den MEMS-Schallwandler 800 mit einem Aktor 810, der durch einen oder mehrere Spalte 520 von einer umgebenden Struktur 530 getrennt ist, wobei die umgebende Struktur 530 ein Festelement aufweist. Der Aktor 810 ist ausgebildet, um eine Relativbewegung 620 zwischen dem Aktor 810 und der umgebenden Struktur 530 auszuführen. Der Aktor 810 und die umgebende Struktur 530, die als Kammstrukturen ausgebildet sein können, sodass der Spalte 520 ebenfalls der Kammstruktur folgt sind in der Draufsicht im unteren Teil der Figur dargestellt.
6 unten zeigt in der AufsichtAusnehmungen und Auskragungen 820 zwischen Hubaktor 810 und der umgebenden Struktur 530, welche ein Festelement aufweist. Die Ausnehmungen und Auskragungen 820 können dabei als Kammstrukturen ausgebildet sein und so beispielsweise (durchgehend entlang den einander zugewandten Randflächen von Hubaktor 810 und umgebender Struktur 530) ineinandergreifend angeordnet sein. 6 zeigt eine mögliche Kombination offenbarungsgemäßer Ausprägungen von Auskragungen und Ausnehmungen. Mittels 6 soll ferner verdeutlicht werden, dass offenbarungsgemäß eine Vielzahl von möglichen Anordnungen, welche eine gewünschte Dämpfung, beispielsweise bestimmter Frequenzen, für MEMS-Schallwandler möglich sind. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Plattenstrukturen (nicht dargestellt) bzw. optionale Platten oder Blenden, die z.B. senkrecht zu dem Aktor 610 am Rand der umgebenden Struktur 530 (vgl. dem Aktor 610 zugewandter Rand) oder des Aktors angeordnet sein können. Die Blenden / Platten erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu der Bewegungsrichtung 630 (z.B. aus dem Substrat heraus) und verhindern entlang der Bewegung, dass der Spalt aufklafft. Durch die Plattenstrukturen können ferner die überlappende Fläche zwischen Aktor 610 und umgebender Struktur 530 vergrößert werden, um eine viskose Gasreibung und dementsprechend eine Dämpfung bestimmter Resonanzfrequenzen zu verstärken. Die Plattenstrukturen können dabei als Auskragungen ausgebildet sein, wobei der Aktor als Ausnehmung ausgebildet sein kann oder umgekehrt.
Durch die Kombination mit dem Beispiel aus 6 kann bspw. eine starke Dämpfung, durch die Vergrößerung der überlappenden Flächen erzielt werden. Zur technologischen Implementierung der zuvor erläuterten Dämpfung auf dem sich in vertikaler Richtung bewegenden Aktor 810 des MEMS-Schallwandlers, bspw. Lautsprechers und auf einer gegenüberliegenden, umgebenden Struktur 530, bspw. einem gegenüberstehenden feststehenden Element oder Festelement mit Ausnehmungen und Auskragungen 820 angeordnet werden. Durch diese strömungsmechanischen Strukturen kann die Aktorbewegung durch die viskose Gasströmung, bspw. Luftströmung gedämpft werden. Aus der Gleichung für die Reibungskraft wird ersichtlich, dass die Dämpfung maximiert wird, wenn möglichst große Flächen in möglichst nahem Abstand angeordnet werden. Das bedeutet, dass Dämpfungsstrukturen mit Ausnehmungen und Auskragungen 820 mit einem hohen Aspektverhältnis vorteilhaft sein können. Die überlappende Fläche der Elemente 610 kann auch dadurch vergrößert werden, in dem die Elemente als ineinandergreifende Kammstrukturen mit einer Vielzahl von Fingern ausgebildet werden bzw. die Ausnehmungen und Auskragungen 820 als ineinandergreifende Kammstrukturen mit einer Vielzahl von Fingern ausgebildet werden.
Der Aktor 810 kann wie in 6 gezeigt optional als Hubaktor ausgebildet sein. Weitere Ausführungsbeispiele umfassen jedoch auch entsprechende Biegeaktoren mit zugehörigen Plattenstrukturen mit Ausnehmungen und Auskragungen.
7 zeigt eine schematische Aufsicht eines MEMS-Schallwandlers gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung mit kammförmigen Ausnehmungen und Auskragungen am Rand von Aktor und umgebender Struktur, welche ein Festelement aufweist. 7 zeigt einen MEMS-Schallwandler 700 mit einem Biegeaktor 710, der einer umgebenden Struktur 530, welche ein Festelement aufweist, lateral in einer Ebene gegenübersteht. Der Biegeaktor 710 ist zumindest einseitig gegenüber der umgebenen Struktur 530 eingespannt und ausgelegt, um mit einem Ende des Biegeaktors 710 eine Relativbewegung zwischen Biegeaktor 710 und umgebender Struktur 530 zumindest partiell senkrecht zu der Ebene, also zumindest partiell senkrecht zu der Bildebene von 7, auszuführen.
Am bewegten Ende des Biegeaktors 710 ist eine Vielzahl von Ausnehmungen 710-1 und Auskragungen 710-2 in Form einer ersten Kammstruktur 710-3, in der gemeinsamen Ebene von Biegeaktor 710 und umgebender Struktur 530, ausgebildet. Die umgebende Struktur weist auf einer, dem bewegten Ende des Biegeaktors zugewandten Seite eine Vielzahl von Ausnehmungen 530-2 und Auskragungen 530-1 in Form einer zweiten Kammstruktur 530-3 auf, wobei die erste und zweite Kammstruktur so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen. Die beiden Kammstrukturen sind dabei durch einen Spalt 520 voneinander getrennt.
In anderen Worten zeigt 7 Kammstrukturen am Rand von Aktor und umgebender Struktur, welche ein Festelement aufweist. Wie oben schon erwähnt kann die bspw. überlappende Fläche, z.B. der dämpfenden Plattenstrukturen, durch Ausbildung als Kämme vergrößert werden. In dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel werden am bewegten Ende eines Biegeaktors 710 Kammstrukturen 710-3, bspw. mit hohem Aspektverhältnis angeordnet. Diese bewegen sich ineinander mit eng beabstandeten Kammstrukturen 530-3 auf der umgebenden Struktur 530, bspw. einem feststehenden, lateral gegenüberstehenden Element. In gleicher Weise können dämpfende Kammstrukturen auch bei sich kolbenförmig bewegenden Hubaktoren (bspw. analog zu 6) integriert werden. In diesem Fall können die Kammstrukturen entlang des ganzen Umfangs des Aktors angeordnet werden.
8 zeigt eine schematische Seitenansicht eines MEMS-Schallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung mit Säulen bzw. vertikalen Kammstrukturen auf dem Aktor sowie Loch- bzw. Schlitzplatte als Festelement, welche die umgebende Struktur oder einen Teil der umgebenden Struktur bildet. 8 zeigt einen MEMS-Schallwandler 900 mit einem Aktor 510 in einer ersten Ebene, einer umgebenden Struktur 530 in einer zweiten Ebene, wobei die umgebenden Struktur 530 ein Festelement aufweist, welches als Loch- bzw. Schlitzplatte ausgebildet ist und wobei die erste und die zweite Ebene parallel zueinander sind. Der Aktor ist ausgebildet, um eine Relativbewegung 620 zwischen dem Aktor 510 und der umgebenden Struktur 530 senkrecht zu der ersten und zweiten Ebene auszuführen. Der Aktor weist eine Vielzahl von Auskragungen in Form von Säulen und/oder Kämmen 510-4 auf, wobei die Säulen und/oder Kämme 510-4 senkrecht zu den parallelen Ebenen, auf einer, der umgebenden Struktur 530 zugewandten, Oberfläche des Aktors, angeordnet sind. Die umgebende Struktur 530 weist eine Vielzahl von Ausnehmungen in Form von Löchern und/oder Schlitzen 530-4 auf und die Säulen und/oder Kämme 510-4 des Aktors und die Löcher und/oder Schlitze 530-4 der umgebenden Struktur sind so ausgebildet, dass sie ineinandergreifen und durch einen Spalt 520 getrennt sind.
In anderen Worten zeigt 8 Säulen bzw. vertikale Kammstrukturen auf dem Aktor 510 und eine Loch- bzw. Schlitzplatte als Festelement, welches die umgebende Struktur oder einen Teil der umgebenden Struktur bildet. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Dämpfungsstrukturen auf der ganzen Fläche des Aktors 510 angeordnet. Sie können als Säulen und/oder als Kämme 510-4 ausgeführt werden. Das Festelement 530 ist hier vertikal über dem Aktor 510 angeordnet und als Loch- und/oder Schlitzplatte ausgeführt. In gleicher Weise könnten die Dämpfungsstrukturen unter dem Aktor 510 oder auf beiden Seiten des Aktors angeordnet werden.
Ein MEMS-Schallwandler gemäß 8 kann durch die Verwendung einer Loch- oder Schlitzplatte einfach und damit mit geringen Kosten fertigbar sein, da bspw. keine definierten Ätztiefen für die Ausnehmungen zu beachten sind. Ferner ermöglicht die Anordnung einer Vielzahl von Säulen und/oder Kämmen 510-4 und zugehörigen Löchern und/oder Schlitzen 530-4 eine starke Vergrößerung der überlappenden Fläche, sodass starke Dämpfungen realisiert werden können.
9 zeigt eine schematische Seitenansicht eines MEMS-Schallwandlers gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung mit einem Aktor mit Lochplatte und Säulen und/oder Kämmen auf Festelement, welches die umgebende Struktur oder einen Teil der umgebenden Struktur bildet. 9 zeigt einen MEMS-Schallwandler 1000 mit einer umgebenden Struktur 530, die in einer ersten Ebene angeordnet ist und einem Aktor 510, der in einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Ebene parallel zueinander sind. Der Aktor 510 ist ausgebildet, um eine Relativbewegung 620 zwischen dem Aktor 510 und der umgebenden Struktur 530 senkrecht zu der ersten und zweiten Ebene auszuführen. Die umgebende Struktur 530 weist eine Vielzahl von Auskragungen in Form von Säulen und/oder Kämmen 530-5 auf, wobei die Säulen und/oder Kämme 530-5 senkrecht zu den parallelen Ebenen, auf einer, dem Aktor 510 zugewandten, Oberfläche der umgebenden Struktur, angeordnet sind. Der Aktor 510 weist eine Vielzahl von Ausnehmungen in Form von Löchern und/oder Schlitzen 510-5 auf, wobei der Aktor 510 jedoch nur zum Teil als Loch bzw. Schlitzplatte ausgebildet ist. Die Säulen und/oder Kämme 530-5 der umgebenden Struktur und die Löcher und/oder Schlitze 510-5 des Aktors sind dabei so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen und durch einen Spalt 520 getrennt sind.
In anderen Worten zeigt 9 einen Aktor mit Lochplatte und Säulen und/oder Kämmen 530-5 auf einer umgebenden Struktur 530, welche ein Festelement aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel trägt die umgebende Struktur 530 oder das Festelement Säulen oder Kämme 530-5, in die sich der Aktor 510 hinein bzw. heraus bewegt. Der Aktor 510 ist dazu zumindest teilweise als Loch- und/oder Schlitzplatte ausgeführt.
Ein MEMS-Schallwandler gemäß 9 ermöglicht die bereits zu 8 erläuterten Vorteile bezüglich der Fertigung. Eine nur teilweise Ausbildung des Aktors 510 als Loch bzw. Schlitzplatte kann vorteilhaft bezüglich des möglichen Schalldruckpegels sein und zu einer besseren Entkopplung zwischen abgestrahltem Luftvolumen und dem Schalldruck hinter dem Aktor, entgegen der Abstrahlrichtung führen.
Schlussfolgerungen und weitere Anmerkungen
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen MEMS-Lautsprecher oder MEMS-Ultraschallwandler mit viskoser Luftdämpfung, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf einem in vertikaler Richtung bewegenden Aktor und auf einem vertikal oder lateral gegenüberstehenden feststehenden Element oder umgebender Struktur jeweils Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhältnis angeordnet werden, die sich in engem Abstand relativ zueinander bewegen, wodurch die Aktorbewegung durch die Luftströmung viskos gedämpft wird.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen MEMS-Lautsprecher mit piezoelektrischem oder magnetischem oder elektrostatischem Antrieb.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen ein Aspektverhältnis der Mikrostrukturen Höhe/Breite > 10 und/oder Höhe der Mikrostrukturen > 50 µm auf.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen Dämpfungsstrukturen, bspw. Ausnehmungen und Auskragungen am Rand des Aktors und der umgebenden Struktur und/oder des Festelements auf, bspw. in Form von Platten oder Kammstrukturen.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen Säulen oder Kammstrukturen auf Aktorfläche, Loch- oder Schlitzstrukturen auf der umgebenden Struktur, bspw. dem Festelement auf.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen Loch- oder Schlitzstrukturen in der Aktorfläche, Säulen oder Kammstrukturen auf der umgebenden Struktur bspw. dem Festelement auf.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen Dämpfungsstrukturen aus Silizium, Si-Verbindungen, Metallen oder Polymeren auf.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen MEMS-Lautsprecher mit Frequenzbereich von 20 Hz - 20 kHz.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen schaffen MEMS-Ultraschallwandler mit Frequenzbereich von 20 kHz bis 100 MHz.
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen MEMS-Schallwandler oder Lautsprecher für In-Ear-Kopfhörer und/oder Freifeld-Lautsprecher für ohrnahe-Anwendungen.
Ganz allgemein schaffen Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung, dass die Lautsprecherdämpfung direkt in die MEMS-Struktur, bspw. den MEMS-Schallwandler integriert werden kann und durch die Anordnung und Dimensionierung der Mikrostrukturen eingestellt werden können. Dies kann einen entscheidenden Vorteil offenbarungsgemäßer MEMS-Schallwandler bilden, z.B. im Hinblick auf Bauraum und Funktionalität, bspw. für mobile Anwendungen.
Alle hierin aufgeführten Aufzählungen der Materialien, Umwelteinflüsse, elektrischen Eigenschaften und optischen Eigenschaften sind hierbei als beispielhaft und nicht als abschließend anzusehen.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Offenbarung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) zur Erzeugung von Schall mit folgenden Merkmalen: einen Aktor (510, 710, 810), wobei der Aktor (510, 710, 810) durch einen oder mehrere Spalte (520) von einer umgebenden Struktur (530) getrennt ist und ausgebildet ist, um eine Relativbewegung (620) zwischen dem Aktor (510, 710, 810) und der umgebenden Struktur (530) auszuführen, und die umgebende Struktur, wobei der Aktor (510, 710, 810) und die umgebende Struktur (530) eine Vielzahl von Ausnehmungen (510-2, 510-5, 530-2, 530-4, 710-2) und Auskragungen (510-1, 510-1-1, 510-4, 530-1, 530-1-1, 530-5, 710-1) aufweisen, wobei die Vielzahl von Auskragungen (510-1, 510-1-1, 510-4, 710-1) zugehörig zu dem Aktor (510, 710, 810) in die Vielzahl von Ausnehmungen (530-2) zugehörig zu der umgebenden Struktur (530) und/oder die Vielzahl von Auskragungen (530-1, 530-1-1, 530-5) zugehörig zu der umgebenden Struktur (530) in die Vielzahl von Ausnehmungen (510-2, 510-5, 710-2) zugehörig zu dem Aktor (510, 710, 810) ineinandergreifend angeordnet sind, wobei die ineinandergreifenden Elemente durch einen oder mehrere Spalte (520) getrennt sind, und wobei die ineinandergreifenden Elemente so durch einen oder mehrere Spalte (520) getrennt sind, dass die ineinandergreifenden Elemente eine Dämpfungsfunktion bei einer Relativbewegung zwischen Aktor (510, 710 , 810) und umgebender Struktur (530) aufweisen, und wobei die umgebende Struktur (530) durch ein Substrat gebildet ist, und wobei die Vielzahl von Ausnehmungen (510-2, 510-5, 530-2, 530-4, 710-2) und Auskragungen (510-1, 510-1-1, 510-4, 530-1, 530-1-1, 530-5, 710-1) als Mikrostrukturen mit einem Aspektverhältnis von Höhe/Breite von mehr als 5 ausgebildet sind, wobei die Höhe eine Höhe orthogonal zu einer Oberfläche des Aktors oder der umgebenden Struktur (530) ist, auf der die Auskragung angeordnet ist, und wobei die Breite eine Breite parallel zu der Oberfläche des Aktors oder der umgebenden Struktur (530) ist, auf der die Auskragung angeordnet ist; und wobei: i) entweder der Aktor (510, 710, 810) in einer ersten Ebene angeordnet ist und wobei die umgebende Struktur (530) in einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Ebene parallel zueinander sind, und wobei der Aktor (510, 710, 810) ausgebildet ist, um die Relativbewegung (620) zwischen dem Aktor (510, 710, 810) und der umgebenden Struktur (530) senkrecht zu der ersten und zweiten Ebene auszuführen, und wobei der Aktor (510, 710, 810) eine Vielzahl von Auskragungen in Form von Säulen und/oder Kämmen (510-4) aufweist, wobei die Säulen und/oder Kämme (510-4) senkrecht zu den parallelen Ebenen, auf einer, der umgebenden Struktur (530) zugewandten, Oberfläche des Aktors, angeordnet sind, und wobei die umgebende Struktur (530) eine Vielzahl von Ausnehmungen in Form von Löchern und/oder Schlitzen (530-4) aufweist, und wobei die Säulen und/oder Kämme (510-4) des Aktors und die Löcher und/oder Schlitze (530-4) der umgebenden Struktur (530) so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen; ii) oder die umgebende Struktur (530) in einer ersten Ebene angeordnet ist und wobei der Aktor (510, 710, 810) in einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Ebene parallel zueinander sind, und wobei der Aktor (510, 710, 810) ausgebildet ist, um die Relativbewegung (620) zwischen dem Aktor (510, 710, 810) und der umgebenden Struktur (530) senkrecht zu der ersten und zweiten Ebene auszuführen, und wobei die umgebende Struktur (530) eine Vielzahl von Auskragungen in Form von Säulen und/oder Kämmen (530-5) aufweist, wobei die Säulen und/oder Kämme (530-5) senkrecht zu den parallelen Ebenen, auf einer, dem Aktor (510, 710, 810) zugewandten, Oberfläche der umgebenden Struktur, angeordnet sind, und wobei der Aktor (510, 710, 810) eine Vielzahl von Ausnehmungen in Form von Löchern und/oder Schlitzen (510-5) aufweist, und wobei die Säulen und/oder Kämme (530-5) der umgebenden Struktur (530) und die Löcher und/oder Schlitze (510-5) des Aktors so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen.
MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der Aktor (510, 710, 810) einen piezoelektrischen oder magnetischen oder elektrostatischen Antrieb aufweist; und/oder wobei der Aktor (510, 710, 810) durch einen Biegewandler (710) geformt ist.
MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Vielzahl von Ausnehmungen (510-2, 510-5, 530-2, 530-4, 710-2) und Auskragungen (510-1, 510-1-1, 510-4, 530-1, 530-1-1, 530-5, 710-1) aus zumindest einem aus Silizium, Silizium-Verbindungen, Metallen oder Polymeren bestehen.
MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorigen Ansprüche, und wobei der MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) ausgebildet ist, um Signale in einem Frequenzbereich von zumindest 20 Hz und bis 20 kHz zu erzeugen; und/oder wobei der MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) ein MEMS-Ultraschallwandler ist, wobei der MEMS-Ultraschallwandler ausgebildet ist, um Signale in einem Frequenzbereich von zumindest 20 kHz und bis 100 MHz zu erzeugen.
MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der eine oder die mehreren Spalte (520) eine Breite aufweisen, die im Bereich von 0,1 µm bis 20 µm liegt.