DE102021211813A1 - Microfluidic component, corresponding arrangement and corresponding method of operation - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft ein mikrofluidisches Bauelement, eine entsprechende Anordnung und ein entsprechendes Betriebsverfahren. Die mikrofluidische Bauelement ist versehen mit einem Substrat (S) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS) und einer Rückseitenkaverne (K), welche sich von der Rückseite (RS) bis zur Vorderseite (VS) erstreckt, einer ersten perforierten Membraneinrichtung (M1), welche die Rückseitenkaverne (K) auf der Vorderseite (VS) überspannt, einer zweiten perforierten Membraneinrichtung (M2), welche bezüglich der Vorderseite (VS) oberhalb der ersten Membraneinrichtung (M1) angeordnet ist und welche die Rückseitenkaverne (K) auf der Vorderseite (VS) überspannt, einer perforierten Backplate (BP), welche zwischen der ersten und zweiten Membraneinrichtung (M1, M2) und von der ersten und zweiten Membraneinrichtung (M1, M2) beanstandet angeordnet ist und welche die Rückseitenkaverne (K) auf der Vorderseite (VS) überspannt, einer ersten elektrischen Antriebseinrichtung (P1) zum oszillierenden Antreiben der ersten Membraneinrichtung (M 1) und einer zweiten elektrischen Antriebseinrichtung (P2) zum oszillierenden Antreiben der zweiten Membraneinrichtung (M2). Die erste Antriebseinrichtung (P1) und/oder die zweite Antriebseinrichtung (P2) weist einen Piezoantrieb (P1; P2) auf. The present invention creates a microfluidic component, a corresponding arrangement and a corresponding operating method. The microfluidic component is provided with a substrate (S) with a front side (VS) and a back side (RS) and a back side cavern (K), which extends from the back side (RS) to the front side (VS), a first perforated membrane device (M1), which spans the rear side cavern (K) on the front side (VS), a second perforated membrane device (M2), which is arranged above the first membrane device (M1) with respect to the front side (VS) and which has the rear side cavern (K). the front side (VS), a perforated backplate (BP), which is arranged between the first and second membrane device (M1, M2) and spaced apart from the first and second membrane device (M1, M2) and which the rear side cavern (K) on the Front (VS) spanned, a first electric drive device (P1) for oscillating driving of the first membrane device (M 1) and a second electric drive device (P2) for oscillating driving of the second membrane device (M2). The first drive device (P1) and/or the second drive device (P2) has a piezo drive (P1; P2).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Bauelement, eine entsprechende Anordnung und ein entsprechendes Betriebsverfahren.The present invention relates to a microfluidic component, a corresponding arrangement and a corresponding operating method.
Stand der TechnikState of the art
Die Mikrofluidik beschäftigt sich mit dem Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinstem Raum. Mikrofluidische Bauelemente dienen dementsprechend zum Transport bzw. der Modulation von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinstem Raum, beispielsweise durch mikromechanische Strukturen.Microfluidics deals with the behavior of liquids and gases in the smallest of spaces. Accordingly, microfluidic components serve to transport or modulate liquids and gases in the smallest of spaces, for example through micromechanical structures.
Obwohl prinzipiell auf beliebige mikrofluidische Bauelemente, beispielsweise Lautsprecher und Pumpen, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrunde liegende Problematik anhand von mikromechanischen Lautsprechern auf Siliziumbasis erläutert.Although in principle applicable to any microfluidic components, for example loudspeakers and pumps, the present invention and the problems on which it is based are explained using micromechanical loudspeakers based on silicon.
MEMS-Lautsprecher versprechen gegenüber herkömmlichen elektrodynamischen Lautsprechern wesentliche Vorteile, z.B. bezüglich geringerer Latenzzeit, geringerem Energieverbrauch, geringerer Baugröße, Lötfähigkeit, etc. Auf der anderen Seite weisen sie derzeit noch Defizite im Hinblick auf erreichbare Schallpegel auf.MEMS loudspeakers promise significant advantages over conventional electrodynamic loudspeakers, e.g. in terms of lower latency, lower energy consumption, smaller size, solderability, etc. On the other hand, they still have deficits in terms of the sound level that can be achieved.
Als vielversprechender Ansatz erweist sich ein Ultraschall-Abwärtskonversionsprinzip. Hierbei werden eine Pumpmembran bzw. eine Modulationsmembran bei einer fixen Ultraschallfrequenz angetrieben, während auf die andere mittels Frequenzmodulation ein akustisches Signal aufmoduliert wird. Es ergeben sich dann ein nicht wahrnehmbares Summensignal bei etwas mehr als der doppelten Ultraschallfrequenz und ein Schwebungs- bzw. Differenzsignal, das im hörbaren akustischen Bereich liegen kann. An ultrasonic down-conversion principle is proving to be a promising approach. Here, a pump membrane or a modulation membrane is driven at a fixed ultrasonic frequency, while an acoustic signal is modulated onto the other by means of frequency modulation. This results in an imperceptible sum signal at slightly more than twice the ultrasonic frequency and a beat or difference signal that can be in the audible acoustic range.
Der Vorteil dabei ist, dass sich mit MEMS-Lautsprechern sehr hohe Ultraschallfrequenzpegel erreichen lassen, die über die Abwärtskonversion für hohe Schallpegel insbesondere auch bei niedrigen akustischen Frequenzen sorgen.The advantage here is that very high ultrasonic frequency levels can be achieved with MEMS loudspeakers, which, via down-conversion, ensure high sound levels, especially at low acoustic frequencies.
In der
Die
Die
Eine mikromechanische Mikrofonanordnung ist aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Die vorliegende Erfindung schafft ein mikrofluidisches Bauelement nach Anspruch 1, eine entsprechende Anordnung nach Anspruch 12 und ein entsprechendes Betriebsverfahren nach Anspruch 16.The present invention creates a microfluidic component according to claim 1, a corresponding arrangement according to
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred developments are the subject of the dependent claims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, dass die erste Antriebseinrichtung zum oszillierenden Antreiben der ersten Membraneinrichtung und/oder die zweite Antriebseinrichtung zum oszillierenden Antreiben der zweiten Membraneinrichtung einen Piezoantrieb aufweist.The idea on which the present invention is based is that the first drive device for driving the first membrane device in an oscillating manner and/or the second drive device for driving the second membrane device in an oscillating manner has a piezo drive.
Das erfindungsgemäße mikrofluidische Bauelement ermöglicht somit eine sehr hohe Wandlungseffizienz von elektrischer in akustische Energie. Es ist lötfähig, besitzt eine geringe Latenzzeit und kann sehr klein gebaut werden. Es weist keine Limitierung der piezoelektrisch angetriebenen Membraneinrichtung aufgrund elektrostatischer Anziehung auf, was größere Auslenkungen und größere Abstände als bei elektrostatisch betriebenen Membraneinrichtungen ermöglicht.The microfluidic component according to the invention thus enables a very high conversion efficiency from electrical to acoustic energy. It can be soldered, has a low latency time and can be built very small. It has no limitation of the piezoelectrically driven membrane device due to electrostatic attraction, which allows larger deflections and larger distances than with electrostatically operated membrane devices.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung überspannen die erste Membraneinrichtung, die zweite Membraneinrichtung und die Backplate die Rückseitenkaverne im Wesentlichen vollständig und weisen im Wesentlichen eine gleiche Flächenausdehnung auf. So lässt sich fluidische Leckage minimieren bzw. vermeiden.According to a preferred development, the first membrane device, the second membrane device and the backplate span the rear side cavern essentially completely and essentially have the same surface area. In this way, fluid leakage can be minimized or avoided.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die erste Membraneinrichtung eine erste Mehrzahl von Perforationen mit einer ersten Ausdehnung, die zweite Membraneinrichtung eine zweite Mehrzahl von Perforationen mit einer zweiten Ausdehnung und die Backplate eine dritte Mehrzahl von Perforationen mit einer dritten Ausdehnung auf und überdecken sich die ersten und zweiten Perforationen im Wesentlichen nicht mit den dritten Perforationen. Dies ermöglicht eine sehr effiziente Ventilwirkung.According to a further preferred development, the first membrane device has a first plurality of perforations with a first extent, the second membrane device has a second plurality of perforations with a second extent, and the backplate has a third plurality of perforations with a third extent, and the first and second perforations substantially unrelated to the third perforations. This enables a very efficient valve action.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die erste und zweite Ausdehnung kleiner als die dritte Ausdehnung. So lässt sich die Pumpleistung erhöhen.According to a further preferred development, the first and second extents are smaller than the third extent. In this way, the pump performance can be increased.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Perforationsgrad der Backplate größer als ein Perforationsgrad der ersten und zweiten Membraneinrichtung. So lässt sich ebenfalls die Pumpleistung erhöhen.According to a further preferred development, a degree of perforation of the backplate is greater than a degree of perforation of the first and second membrane device. The pumping power can also be increased in this way.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Piezoantrieb in einem Randbereich oder einem Mittenbereich der zugehörigen Membraneinrichtung angeordnet. Dies sorgt für eine gleichmäßige Fluidverteilung.According to a further preferred development, the piezo drive is arranged in an edge area or a central area of the associated membrane device. This ensures even fluid distribution.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Backplate eine größere Dicke als die erste und zweite Membraneinrichtung auf. So kann bei Verwendung desselben Materials für die Backplate und die erste und zweite Membraneinrichtung die benötigte Starrheit der Backplate eingestellt werden.According to a further preferred development, the backplate has a greater thickness than the first and second membrane device. Thus, when using the same material for the backplate and the first and second membrane device, the required rigidity of the backplate can be adjusted.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die erste Antriebseinrichtung und die zweite Antriebseinrichtung einen jeweiligen ersten und zweiten Piezoantrieb auf. Diese schafft noch mehr Energieeffizienz verbunden mit größeren Auslenkungen der Membraneinrichtungen.According to a further preferred development, the first drive device and the second drive device have a respective first and second piezo drive. This creates even more energy efficiency combined with larger deflections of the membrane devices.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen der erste und zweite Piezoantrieb einen gemeinsamen Masseanschluss auf. Dies wirkt platzsparend.According to a further preferred development, the first and second piezo drive have a common ground connection. This saves space.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung dient die erste bzw. zweite Membraneinrichtung selbst als eine elektrische Elektrode für den ersten bzw. zweiten Piezoantrieb. Auf diese Weise kann der Stresshaushalt der Membranen definierter eingestellt werden und eine Temperaturdrift des Bauelements vermindert werden. According to a further preferred development, the first or second membrane device itself serves as an electrical electrode for the first or second piezo drive. In this way, the stress balance of the membranes can be set in a more defined manner and a temperature drift of the component can be reduced.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die erste Membraneinrichtung und/oder die zweite Membraneinrichtung ein Versteifungselement, insbesondere einen Verdickungsbereich, auf. Dies vermindern eine Deformation im Membranzentrum der Membraneinrichtungen und minimiert Klirreffekte.According to a further preferred development, the first membrane device and/or the second membrane device has a stiffening element, in particular a thickened area. This reduces deformation in the membrane center of the membrane devices and minimizes distortion effects.
Figurenlistecharacter list
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.The present invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments given in the schematic figures of the drawings.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines mikrofluidischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines mikrofluidischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines mikrofluidischen Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
1 a schematic cross-sectional representation of a microfluidic component according to a first embodiment of the present invention; -
2 a schematic cross-sectional representation of a microfluidic component according to a second embodiment of the present invention; and -
3 a schematic cross-sectional representation of a microfluidic component according to a third embodiment of the present invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote the same elements or elements with the same function.
In
Die MEMS-Lautsprechervorrichtung 10 weist ein Substrat S mit einer Vorderseite VS und einer Rückseite RS auf und ist beispielsweise ein Siliziumsubstrat.The
Im Substrat S ist eine Rückseitenkaverne K vorgesehen, welche sich von der Rückseite RS bis zur Vorderseite VS erstreckt und ein Rückvolumen (Backvolume) bzw. einen Zugang zu einem Rückvolumen zur Verfügung stellt. Sie wird benötigt, um den Einfluss der fluidischen Rückstellfeder zu verringern.A rear side cavern K is provided in the substrate S, which extends from the rear side RS to the front side VS and provides a rear volume (back volume) or access to a rear volume. It is required to reduce the influence of the fluidic return spring.
Auf der Vorderseite VS ist eine erste Isolationsschicht l1, beispielsweise aus Siliziumoxid, vorgesehen, welche im Bereich der Rückseitenkaverne K unterbrochen ist, um einen Schalldurchtritt zu ermöglichen. Auf der ersten Isolationsschicht l1 ist eine erste Membraneinrichtung M1 vorgesehen, welche beispielsweise aus einer mikromechanischen Funktionsschicht aus Polysilizium gebildet ist. Die erste Membraneinrichtung M1 weist eine Vielzahl von Perforationen PF1 auf, welche eine Ausdehnung b1 aufweisen.A first insulation layer L1, for example made of silicon oxide, is provided on the front side VS, which is interrupted in the region of the rear side cavity K in order to allow sound to pass through. A first membrane device M1 is provided on the first insulation layer L1, which is formed from a micromechanical functional layer made of polysilicon, for example. The first membrane device M1 has a multiplicity of perforations PF1, which have an extent b1.
Auf der ersten Membraneinrichtung M1 ist eine erste leitfähige Elektrodenschicht E11 aufgebracht und strukturiert. Auf der ersten leitfähigen Elektrodenschicht E11 ist eine erste Piezoschicht PZ1, z.B. aus PZT oder AIN, aufgebracht und strukturiert. Auf der ersten Piezoschicht PZ1 ist eine zweite leitfähige Elektrodenschicht E12 aufgebracht und strukturiert. Die erste und zweite Elektrodenschicht E11, E12 können dabei aus Pt oder auch aus Polysilizium gebildet sein.A first conductive electrode layer E11 is applied and structured on the first membrane device M1. A first piezo layer PZ1, e.g. made of PZT or AIN, is applied and structured on the first conductive electrode layer E11. A second conductive electrode layer E12 is applied and structured on the first piezo layer PZ1. The first and second electrode layers E11, E12 can be formed from Pt or from polysilicon.
Die Strukturierung ist derart, dass die erste Elektrodenschicht E11 und die zweite Elektrodenschicht E12 zusammen mit der dazwischenliegenden ersten Piezoschicht PZ1 einen ersten Piezoantrieb P1 zum piezoelektrischen Anregen der ersten Membraneinrichtung M1 bilden, welcher sich im Wesentlichen in einem Randbereich außerhalb des Bereiches der Rückseitenkaverne K befindet.The structuring is such that the first electrode layer E11 and the second electrode layer E12 together with the intervening first piezo layer PZ1 form a first piezo drive P1 for piezoelectrically exciting the first membrane device M1, which is essentially located in an edge area outside the area of the rear side cavern K.
Über einen ersten Kontakt K11 ist die erste Elektrodenschicht E11 und über einen zweiten Kontakt K12 ist die zweite Elektrodenschicht E12 extern elektrisch mit einer (nicht dargestellten) Spannungsversorgung kontaktierbar.The first electrode layer E11 can be contacted externally via a first contact K11 and the second electrode layer E12 can be electrically contacted externally to a voltage supply (not shown) via a second contact K12.
Auf der zweiten Elektrodenschicht E12 ist eine zweite Isolationsschicht I2, beispielsweise aus Siliziumoxid, vorgesehen, welche ebenfalls im Bereich der Rückseitenkaverne K unterbrochen ist, um einen Schalldurchtritt zu ermöglichen. Auf der zweiten Isolationsschicht I2 ist eine Backplate BP vorgesehen, welche ebenfalls beispielsweise aus einer mikromechanischen Funktionsschicht aus Polysilizium gebildet ist. Die Backplate BP weist eine Vielzahl von Perforationen PFB auf, welche eine Ausdehnung b3 aufweisen. Die Perforationen PFB der Backplate BP sind lateral versetzt zu der Perforationen PF1 der ersten Membranschicht M1 angeordnet.A second insulation layer I2, for example made of silicon oxide, is provided on the second electrode layer E12, which is also interrupted in the region of the rear side cavity K in order to allow sound to pass through. A backplate BP is provided on the second insulation layer I2, which is also formed, for example, from a micromechanical functional layer made of polysilicon. The backplate BP has a multiplicity of perforations PFB, which have an extent b3. The perforations PFB of the backplate BP are arranged offset laterally with respect to the perforations PF1 of the first membrane layer M1.
Auf der Backplate BP ist eine dritte Isolationsschicht I3, beispielsweise aus Siliziumoxid, vorgesehen, welche im Bereich der Rückseitenkaverne K unterbrochen ist, um einen Schalldurchtritt zu ermöglichen. Auf der dritten Isolationsschicht I3 ist eine zweite Membraneinrichtung M2 vorgesehen, welche beispielsweise aus einer mikromechanischen Funktionsschicht aus Polysilizium gebildet ist. Die zweite Membraneinrichtung M2 weist ebenfalls eine Vielzahl von Perforationen PF2 auf, welche eine Ausdehnung b2 aufweisen. Die Perforationen PF2 der zweiten Membraneinrichtung M2 sind lateral versetzt zu der Perforationen PFB der Backplate BP angeordnet.A third insulation layer I3, for example made of silicon oxide, is provided on the backplate BP, which is interrupted in the region of the rear side cavity K in order to allow sound to pass through. A second membrane device M2 is provided on the third insulation layer I3, which is formed from a micromechanical functional layer made of polysilicon, for example. The second membrane device M2 also has a multiplicity of perforations PF2, which have an extent b2. The perforations PF2 of the second membrane device M2 are arranged offset laterally with respect to the perforations PFB of the backplate BP.
Auf der zweiten Membraneinrichtung M2 ist eine dritte leitfähige Elektrodenschicht E21 aufgebracht und strukturiert. Auf der dritten leitfähigen Elektrodenschicht E21 ist eine zweite Piezoschicht PZ2, z.B. aus PZT oder AIN, aufgebracht und strukturiert. Auf der zweiten Piezoschicht PZ2 ist eine vierte leitfähige Elektrodenschicht E22 aufgebracht und strukturiert. Die dritte und vierte Elektrodenschicht E21, E22 können dabei aus Pt oder auch aus Polysilizium gebildet sein.A third conductive electrode layer E21 is applied and structured on the second membrane device M2. A second piezo layer PZ2, e.g. made of PZT or AIN, is applied and structured on the third conductive electrode layer E21. A fourth conductive electrode layer E22 is applied and structured on the second piezo layer PZ2. The third and fourth electrode layers E21, E22 can be formed from Pt or from polysilicon.
Die Strukturierung ist derart, dass die dritte Elektrodenschicht E21 und die vierte Elektrodenschicht E22 zusammen mit der dazwischenliegenden zweiten Piezoschicht PZ2 einen zweiten Piezoantrieb P2 zum piezoelektrischen Anregen der zweiten Membraneinrichtung M2 bilden, welcher sich im Wesentlichen in einem Randbereich außerhalb des Bereiches der Rückseitenkaverne K befindet.The structuring is such that the third electrode layer E21 and the fourth electrode layer E22 together with the intervening second piezo layer PZ2 form a second piezo drive P2 for piezoelectrically exciting the second membrane device M2, which is essentially located in an edge area outside the area of the rear side cavern K.
Über einen dritten Kontakt K21 ist die dritte Elektrodenschicht E21 und über einen vierten Kontakt K22 ist die vierte Elektrodenschicht E22 extern elektrisch mit einer (nicht dargestellten) Spannungsversorgung kontaktierbar. Der dritte und vierte Kontakt K21, K22 sind durch eine vierte Isolationsschicht I4, beispielsweise aus Siliziumoxid, geführt.The third electrode layer E21 can be contacted externally via a third contact K21 and the fourth electrode layer E22 can be electrically contacted to a voltage supply (not shown) via a fourth contact K22. The third and fourth contacts K21, K22 are routed through a fourth insulating layer I4, made of silicon oxide, for example.
Die beiden piezoelektrisch angetriebenen Membraneinrichtungen M1, M2 sorgen im fluidischen Zusammenspiel mit der Backplate BP dafür, dass ein hochfrequent gepulster Fluidstrom mit einer Schwebungsfrequenz im akustisch hörbaren Bereich erzeugt wird. The two piezoelectrically driven membrane devices M1, M2, in fluid interaction with the backplate BP, ensure that a high-frequency, pulsed fluid flow is generated with a beat frequency in the acoustically audible range.
Um dies zu erreichen sind die Membraneinrichtungen M1, M2 flexibel, wohingegen die Backplate BP dazu relativ starr ist, also nicht zu den hochfrequenten Schwingungen der Membraneinrichtungen M1, M2 anregbar bzw. antreibbar.In order to achieve this, the membrane devices M1, M2 are flexible, whereas the backplate BP is relatively rigid, ie it cannot be excited or driven to cause the high-frequency vibrations of the membrane devices M1, M2.
Die Pumpmembraneinrichtung, hier beispielsweise die zweite Membraneinrichtung M2, erzeugt im Zwischenraum zwischen den Membraneinrichtungen M1, M2 eine Druckänderung, während die Modulationsmembraneinrichtung, hier beispielsweise die erste Membraneinrichtung M1, zusammen mit der Backplate BP einem Ventil gleich Druckstöße passieren lässt.The pump membrane device, here for example the second membrane device M2, generates a pressure change in the space between the membrane devices M1, M2, while the modulation membrane device, here for example the first membrane device M1, together with the backplate BP allows pressure surges to pass through a valve.
Die Antriebsfrequenzen der Membraneinrichtungen M1, M2 liegen im beide Ultraschallbereich (>40kHz), unterscheiden sich jedoch um Frequenzen <20kHz. Durch die Frequenzverstimmung (20Hz bis 20kHz) der Membraneinrichtungen M1, M2 untereinander wird so eine Schwebungsfrequenz im akustischen Frequenzbereich erzeugt. Mittels einer Modulation der Antriebsfrequenz einer der Modulationsmembraneinrichtungen M1, M2 lassen sich nun Schwebungsfrequenzen bzw. Töne im gesamten hörbaren Bereich erzeugen.The drive frequencies of the membrane devices M1, M2 are both in the ultrasonic range (>40 kHz), but differ by frequencies <20 kHz. A beat frequency in the acoustic frequency range is thus generated by the frequency detuning (20 Hz to 20 kHz) of the membrane devices M1, M2 with one another. Beat frequencies or tones in the entire audible range can now be generated by modulating the drive frequency of one of the modulation membrane devices M1, M2.
Um einen fluid-akustischen Kurzschluss zu minimieren bzw. vermeiden, überspannen beide Membraneinrichtungen M1, M2 die Rückseitenkaverne K möglichst vollständig. Die Piezoantriebe P1, P2 sind besonders energieeffizient und können die Membraneinrichtungen M1, M2 ausreichend hochfrequent antreiben.In order to minimize or avoid a fluid-acoustic short circuit, both membrane devices M1, M2 span the rear side cavern K as completely as possible. The piezo drives P1, P2 are particularly energy-efficient and can drive the membrane devices M1, M2 with a sufficiently high frequency.
Die Membraneinrichtungen M1, M2 und die Backplate BP sind beim vorliegenden Beispiel gleich, als gilt b1 = b2 = b3, können aber auch unterschiedliche Perforationen PF1, PF2, PFB aufweisen. Dies gilt sowohl hinsichtlich Anordnung als auch dem Grad der Perforationen PF1, PF2, PFB. Diese Unterschiede können der Erreichung besserer Pumpleistungen dienen. Beispielweise kann die Backplate BP einen höheren Perforationsgrad (perforierte Fläche/Gesamtfläche) und damit einen geringeren fluidischen Widerstand aufweisen als die beiden angetriebenen Membraneinrichtungen M1, M2.The membrane devices M1, M2 and the backplate BP are the same in the present example, as if b1=b2=b3, but they can also have different perforations PF1, PF2, PFB. This applies to both the arrangement and the degree of the perforations PF1, PF2, PFB. These differences can serve to achieve better pump performance. For example, the backplate BP can have a higher degree of perforation (perforated area/total area) and thus a lower fluidic resistance than the two driven membrane devices M1, M2.
Zur Realisierung der Ventilwirkung ist es erforderlich, dass sich die Perforationen PF1, PF2 der Membraneinrichtungen M1, M2 und die Perforationen PFB der Backplate BP im Wesentlichen nicht überdecken.In order to realize the valve effect, it is necessary that the perforations PF1, PF2 of the membrane devices M1, M2 and the perforations PFB of the backplate BP essentially do not overlap.
Zur Erzielung hoher Schalldrücke sind einerseits möglichst große Membranflächen und - auslenkungen der Membraneinrichtungen M1, M2 notwendig. Andererseits darf die Membrangröße der Membraneinrichtungen M1, M2 eine kritische Größe nicht überschreiten, damit die Membraneinrichtungen M1, M2 noch mit hoher Auslenkung um oder unterhalb ihrer Eigenfrequenz betrieben werden können.On the one hand, to achieve high sound pressure levels, the largest possible membrane surfaces and deflections of the membrane devices M1, M2 are necessary. On the other hand, the membrane size of the membrane devices M1, M2 must not exceed a critical size so that the membrane devices M1, M2 can still be operated with a high deflection around or below their natural frequency.
Um dennoch höhere Schalldrücke zu erzielen, kann deshalb eine Mehrzahl der fluidischen Bauelemente 10 nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat S angeordnet sein und eine oder auch mehrere Matrixanordnungen bilden, die gemeinsam durch eine Parallelschaltung oder getrennt durch eine (nicht dargestellte) elektrische Steuervorrichtung angesteuert werden können. In diesem Fall können sich mehrere der fluidischen Bauelemente 10 eine gemeinsame Rückseitenkaverne K teilen.In order to nevertheless achieve higher sound pressure levels, a plurality of the
Eine elektrische Parallelschaltung vereinfacht die simultane, phasengleiche Ansteuerung aller fluidischen Bauelemente 10 und verhindert akustische Verzerrungen durch Phasendifferenzen einzelner fluidischer Bauelemente 10.An electrical parallel circuit simplifies the simultaneous, in-phase control of all
Um die Vorteile einer piezoelektrischen Anregung zu erreichen, muss wenigstens eine der beiden Membraneinrichtungen M1, M2 wenigstens in einem Teilbereich, hier Peripherie, einen Piezoantrieb P1, P2 mit Piezoschicht PZ1, PZ2 und mit Elektrodenschichten E11, E12, E21, E21 aufweisen. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann ein solcher Piezoantrieb auch in einem anderen Bereich der Membraneinrichtungen M1, M2 liegen, beispielsweise in der Mitte.In order to achieve the advantages of piezoelectric excitation, at least one of the two membrane devices M1, M2 must have a piezo drive P1, P2 with piezo layer PZ1, PZ2 and with electrode layers E11, E12, E21, E21 at least in a partial area, here periphery. In an embodiment that is not shown, such a piezo drive can also be located in another area of the membrane devices M1, M2, for example in the middle.
Wenn die beiden Membraneinrichtungen M1, M2 beide über einen Piezoantrieb P1, P2 angetrieben werden, können sie sich einen gemeinsamen Masseanschluss, z.B. Kontakt K11, teilen.If the two membrane devices M1, M2 are both driven via a piezo drive P1, P2, they can share a common ground connection, e.g. contact K11.
Die beiden Membraneinrichtungen M1, M2 weisen eine im Wesentlichen gleiche Dicke auf. Dies ist bei Verwendung desselben Materials eine Voraussetzung für ähnliche Resonanzfrequenzen, die für niedrige Schwebungsfrequenzen im unteren Bereich des Hörbaren erforderlich sind. Die Backplate BP weist eine größere Dicke als die beiden Membraneinrichtungen M1, M2 auf. Die Backplate BP sollte möglichst steif gegenüber Deformationen sein, damit sie keine Ausweichbewegungen macht und die Ventilwirkung möglichst gut erfüllen kann.The two membrane devices M1, M2 have essentially the same thickness. This is a prerequisite for similar resonant frequencies required for low beat frequencies in the lower audible range using the same material. The backplate BP is thicker than the two membrane devices M1, M2. The backplate BP should be as stiff as possible against deformation so that it does not make any evasive movements and can fulfill the valve function as well as possible.
In
Die MEMS-Lautsprechervorrichtung 10' gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der MEMS-Lautsprechervorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform durch der Aufbau der ersten und zweiten Membraneinrichtung M1', M2'.The MEMS speaker device 10' according to the second specific embodiment differs from the
Wie bei der ersten Ausführungsform weisen die Membraneinrichtungen M1', M2' jeweilige Perforationen PF1', PF2' auf, welche dieselbe Ausdehnung b1' bzw. b2' haben und versetzt zu den Perforationen PFB der Backplate BP angeordnet sind.As in the first embodiment, the membrane devices M1', M2' have respective perforations PF1', PF2', which have the same extent b1' or b2' and are arranged offset to the perforations PFB of the backplate BP.
Die Membraneinrichtungen M1', M2' der MEMS-Lautsprechervorrichtung 10' weisen im Zentrumsbereich oberhalb der Rückseitenkaverne K ein Versteifungselement, wie z.B. einen jeweiligen Verdickungsbereich V1' bzw. V2', auf.The membrane devices M1', M2' of the MEMS loudspeaker device 10' have a stiffening element, such as a respective thickened area V1' or V2', in the central area above the rear side cavity K.
Solche Versteifungselemente vermindern eine Deformation im Membranzentrum der Membraneinrichtungen M1', M2' und befördern eine wünschenswerte verzerrungsarme Schallerzeugung im sogenannten Zylindermodus („piston mode“).Such stiffening elements reduce deformation in the membrane center of the membrane devices M1′, M2′ and promote a desirable low-distortion sound generation in the so-called cylinder mode (“piston mode”).
Ansonsten ist die zweite Ausführungsform genauso wie die erste Ausführungsform ausgestaltet.Otherwise, the second embodiment is designed in exactly the same way as the first embodiment.
In
Die MEMS-Lautsprechervorrichtung 10" gemäß der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der MEMS-Lautsprechervorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform durch den Antrieb der ersten Membraneinrichtung M1".The
Wie bei der ersten Ausführungsform weisen die Membraneinrichtungen M1", M2" jeweilige Perforationen PF1", PF2" auf, welche dieselben Ausdehnungen b1" bzw. b2" haben und versetzt zu den Perforationen PFB der Backplate BP angeordnet sind.As in the first embodiment, the membrane devices M1", M2" have respective perforations PF1", PF2" which have the same dimensions b1" or b2" and are arranged offset to the perforations PFB of the backplate BP.
Die erste Membraneinrichtung M1" weist eine elektrostatische Antriebseinrichtung P1' auf, wobei der erste Piezoantrieb P1 mit den Elektrodenschichten E11, E12 und der ersten Piezoschicht PZ1 entfällt.The first membrane device M1" has an electrostatic drive device P1', the first piezo drive P1 with the electrode layers E11, E12 and the first piezo layer PZ1 being omitted.
Die erste Membraneinrichtung M1" ist über einen ersten Kontakt K11" elektrisch an eine (nicht dargestellte) Spannungsversorgung anschließbar und bildet eine erste Kondensatorplatte. Über einen zweiten Kontakt K2" ist die Backplate BP an einen Masseanschluss anschließbar. Über eine entsprechende externe Wechselspannung lässt sich somit die erste Membraneinrichtung M1" zu hochfrequenten Schwingungen antreiben.The first membrane device M1" can be electrically connected to a power supply (not shown) via a first contact K11" and forms a first capacitor plate. The backplate BP can be connected to a ground connection via a second contact K2". The first membrane device M1" can thus be driven to oscillate at high frequencies via a corresponding external AC voltage.
Ansonsten ist die dritte Ausführungsform genauso wie die erste Ausführungsform ausgestaltet.Otherwise, the third embodiment is designed in exactly the same way as the first embodiment.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention has been fully described above on the basis of preferred exemplary embodiments, it is not restricted to them, but rather can be modified in a variety of ways.
Insbesondere sind die angeführten Geometrien und Materialien nur beispielhaft und können je nach Anwendung beliebig variiert werden.In particular, the geometries and materials listed are only examples and can be varied as desired depending on the application.
Bei dem mikrofluidischen Bauelement 10, 10', 10" kann es sich nicht nur um einen Lautsprecher, sondern auch um eine Fluidpumpe handeln. Im Gegensatz zum Lautsprecher erfordert der Betrieb des fluidischen Bauelements 10, 10', 10" als Fluidpumpe eine gleiche Antriebsfrequenz und einen festen Phasenversatz der beiden Membraneinrichtungen M1, M2.The
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