DE102022208829A1 - MEMS, MEMS speakers and method of making the same - Google Patents
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Abstract
Ein MEMS umfasst einen Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten und eine in dem Schichtstapel angeordnete Kavität, die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur zumindest teilweise begrenzt ist. Das MEMS umfasst eine Aktuatoreinrichtung, die ausgebildet ist, um ein in der Kavität angeordnetes Strukturelement des MEMS zu bewegen, wobei das Strukturelement mit der Begrenzungsstruktur mechanisch gekoppelt ist und die Aktuatoreinrichtung ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement zu bewegen.A MEMS comprises a layer stack comprising a plurality of MEMS layers and a cavity arranged in the layer stack, which is at least partially delimited by a boundary structure comprising at least part of a MEMS layer of the layer stack. The MEMS comprises an actuator device which is designed to move a structural element of the MEMS arranged in the cavity, the structural element being mechanically coupled to the limiting structure and the actuator device being designed to move the limiting structure to the structural element.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf MEMS, insbesondere MEMS mit einem Schichtstapel und einer darin angeordneten Kavität, die ein Strukturelement aufweist, welches zur Interaktion mit einem Fluid ausgelegt ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich darauf, zusätzliche Massen zu verwenden und vermittels einer Aktuatoreinrichtung zu bewegen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein kompaktes MEMS-Bauelement.The present invention relates to MEMS, in particular MEMS with a layer stack and a cavity arranged therein, which has a structural element which is designed to interact with a fluid. The present invention relates to using additional masses and moving them by means of an actuator device. The present invention relates in particular to a compact MEMS device.
Ein mechanischer Resonator ist ein elastischer oder akustischer Feder-Masse-Schwinger. Ein solcher Schwinger weist eine Eigenfrequenz auf. Wird ein Resonator mit einem harmonischen Signal sehr nah oder genau bei der Eigenfrequenz angeregt, entstehen große Schwingungsamplituden, was auch Resonanz genannt wird. Das heißt, eine Zuführung von kleinen Energien kann sehr große Amplituden verursachen, was wiederum gezielt eingesetzt werden kann, um Frequenzgänge von akustischen oder elastischen Systemen zu justieren. Unterhalb der Eigenfrequenz wird das Verhalten des Resonators durch statische Steifigkeit (potenzielle Energie) dominiert und die Auslenkung ist immer in Phase zu der Erregung. Oberhalb der Eigenfrequenz wird das Schwingverhalten durch die Masse (kinetische Energie) bestimmt und die Auslenkung ist gegenphasig zur Erregung. Die Eigenfrequenz berechnet sich als Quadratwurzel der effektiven Steifigkeit geteilt durch die effektive Masse.A mechanical resonator is an elastic or acoustic spring-mass oscillator. Such an oscillator has a natural frequency. If a resonator is excited with a harmonic signal very close to or exactly at the natural frequency, large oscillation amplitudes are created, which is also called resonance. This means that an application of small energies can cause very large amplitudes, which in turn can be used specifically to adjust the frequency responses of acoustic or elastic systems. Below the natural frequency, the behavior of the resonator is dominated by static stiffness (potential energy) and the deflection is always in phase with the excitation. Above the natural frequency, the vibration behavior is determined by the mass (kinetic energy) and the deflection is in anti-phase to the excitation. The natural frequency is calculated as the square root of the effective stiffness divided by the effective mass.
Die Schwierigkeit bei MEMS, insbesondere bei MEMS-Lautsprechern, besteht darin, Resonatoren mit tiefen Eigenfrequenzen zu konstruieren und diese in die Schallführung einzukoppeln. Ein tieffrequenter Helmholtzresonator (rein akustisches Feder-Masse-System) würde zwar sehr gut in das Schallfeld einkoppeln, benötigt jedoch zu viel Platz, so dass eine Umsetzung als MEMS nicht wirtschaftlich ist. Ein passiver elastischer tieffrequenter Resonator kann aber so ausgeführt werden, dass es in MEMS untergebracht werden kann. Nichtsdestotrotz ist ein solches Design viel aufwendiger als es aus der allgemeinen technischen Mechanik bekannt ist. Wenn Feder mit sehr kleinen und für MEMS üblichen Abmessungen hergestellt werden, so führt dies zu großen Steifigkeiten und gleichzeitig sind die schwingenden Massen sehr gering. Dies wiederum führt dazu, dass die Eigenfrequenzen von solchen kleinen Schwingern im Allgemeinen wesentlich höher liegen und im Bereich tiefer Eigenfrequenzen nur begrenzt umzusetzen sind. Des Weiteren ist die Einkopplung von rein mechanischen Schwingungen in die akustische Region ebenfalls nicht trivial und konstruktiv sehr aufwendig.The difficulty with MEMS, especially with MEMS loudspeakers, is to construct resonators with low natural frequencies and to couple them into the sound guidance. A low-frequency Helmholtz resonator (purely acoustic spring-mass system) would couple very well into the sound field, but requires too much space so that implementation as MEMS is not economical. However, a passive elastic low-frequency resonator can be designed to be accommodated in MEMS. Nevertheless, such a design is much more complex than is known from general technical mechanics. If springs are manufactured with very small dimensions that are typical for MEMS, this leads to high stiffness and at the same time the oscillating masses are very small. This in turn means that the natural frequencies of such small oscillators are generally much higher and can only be implemented to a limited extent in the area of low natural frequencies. Furthermore, the coupling of purely mechanical vibrations into the acoustic region is also non-trivial and very complex in terms of construction.
Wünschenswert wären kompakte resonant zu betreibende MEMS mit niedrigen Frequenzen.Compact, resonantly operated MEMS with low frequencies would be desirable.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, MEMS, MEMS-Lautsprecher und Verfahren zum Herstellen derselben bereitzustellen, die einen resonanten Betrieb mit geringen Frequenzen und gleichzeitig geringem Bauraumbedarf ermöglichen.An object of the present invention is therefore to provide MEMS, MEMS loudspeakers and methods for producing the same, which enable resonant operation with low frequencies and at the same time require little installation space.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This task is solved by the subject matter of the independent patent claims.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, als schwingende Masse zumindest einen Teil einer eine Kavität des MEMS umgebenden Begrenzungsstruktur zu verwenden, also einer Struktur, die für die Definition der Kavität bereits benötigt wird, um diesen Teil des MEMS synergetisch als schwingende Masse des Feder-Masse-Systems eines Resonators nutzen zu können. Dadurch kann vermittels hoher Massen eine geringe Frequenz erhalten werden und da die entsprechenden Strukturteile im MEMS-Schichtstapel bereits vorhanden sind, kann der Effekt ohne nennenswerte zusätzliche Komponenten erhalten werden, so dass der Bauraumbedarf gering bleibt und auch der Herstellungsaufwand gering ist.A core idea of the present invention is to use as a vibrating mass at least part of a boundary structure surrounding a cavity of the MEMS, i.e. a structure that is already required for the definition of the cavity in order to synergistically use this part of the MEMS as a vibrating mass of the spring To be able to use the mass system of a resonator. As a result, a low frequency can be obtained by means of high masses and since the corresponding structural parts are already present in the MEMS layer stack, the effect can be achieved without any significant additional components, so that the installation space requirement remains low and the manufacturing effort is also low.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS einen Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten. In dem Schichtstapel ist eine Kavität angeordnet, die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur zumindest teilweise begrenzt ist. Das MEMS umfasst eine Aktuatoreinrichtung, die ausgebildet ist, um ein in der Kavität angeordnetes Strukturelement des MEMS zu bewegen. Das Strukturelement ist mit der Begrenzungsstruktur mechanisch gekoppelt und die Aktuatoreinrichtung ist ausgebildet, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement zu bewegen. Durch Mitbewegen der Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement kann das Schwingungsverhalten eines entsprechenden Schwingers durch die zusätzliche Masse der Begrenzungsstruktur angepasst werden und insbesondere zu niedrigen Frequenzen verschoben werden, was unter Verwendung der für die Begrenzung der Kavität bereits vorhandenen Begrenzungsstruktur möglich ist.According to one embodiment, a MEMS comprises a layer stack comprising a plurality of MEMS layers. A cavity is arranged in the layer stack and is at least partially delimited by a boundary structure comprising at least part of a MEMS layer of the layer stack. The MEMS includes an actuator device that is designed to move a structural element of the MEMS arranged in the cavity. The structural element is mechanically coupled to the limiting structure and the actuator device is designed to move the limiting structure with the structural element. By moving the limiting structure with the structural element, the vibration behavior of a corresponding oscillator can be adjusted by the additional mass of the limiting structure and, in particular, shifted to low frequencies, which is possible using the limiting structure already present for limiting the cavity.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS einen Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten und eine in den Schichtstapel angeordnete Kavität, die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur zumindest teilweise begrenzt ist. In der Kavität ist ein Strukturelement angeordnet. Das MEMS umfasst ferner eine Aktuatoreinrichtung, die ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur bezüglich des Strukturelements des MEMS zu bewegen, um eine Interaktion des Strukturelements mit einem in der Kavität angeordneten Fluid bereitzustellen. Auch hier kann durch Bewegung der Begrenzungsstruktur und durch Nutzen deren Masse das Schwingungsverhalten unter Ausnutzen bereits vorhandener struktureller Elemente angepasst werden und insbesondere geringere Schwingungsfrequenzen angeregt werden.According to one exemplary embodiment, a MEMS comprises a layer stack comprising a plurality of MEMS layers and a cavity arranged in the layer stack, which is at least partially delimited by a boundary structure comprising at least part of a MEMS layer of the layer stack. A structural element is arranged in the cavity. The MEMS further comprises an actuator device which is designed to move the confining structure with respect to the structural element of the MEMS to provide interaction of the structural element with a fluid disposed in the cavity. Here too, by moving the boundary structure and using its mass, the vibration behavior can be adjusted using existing structural elements and, in particular, lower vibration frequencies can be stimulated.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Lautsprecher einen Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten und eine in dem Schichtstapel angeordnete Kavität zur Aufnahme eines Fluids. Die Kavität ist von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur zumindest teilweise begrenzt. Der MEMS-Lautsprecher umfasst eine Aktuatoreinrichtung, die ausgebildet ist, um ein in der Kavität angeordnetes Strukturelement des MEMS zu Interaktion mit dem Fluid zu bewegen, um ein akustisches Signal in der Kavität zu erzeugen. Das Strukturelement ist mit der Begrenzungsstruktur mechanisch gekoppelt und die Aktuatoreinrichtung ist ausgebildet, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement zu bewegen. Ein derartiger MEMS-Lautsprecher kann für ein resonantes Verhalten insbesondere bei geringen Frequenzen angepasst sein und gleichzeitig unter Verwendung geringem Bauraums ausgebildet werden.According to one embodiment, a MEMS speaker comprises a layer stack comprising a plurality of MEMS layers and a cavity arranged in the layer stack for receiving a fluid. The cavity is at least partially delimited by a boundary structure comprising at least part of a MEMS layer of the layer stack. The MEMS speaker includes an actuator device that is designed to move a structural element of the MEMS arranged in the cavity to interact with the fluid in order to generate an acoustic signal in the cavity. The structural element is mechanically coupled to the limiting structure and the actuator device is designed to move the limiting structure with the structural element. Such a MEMS speaker can be adapted for resonant behavior, especially at low frequencies, and at the same time can be designed using a small installation space.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Verfahren zum Herstellen von MEMS und einem MEMS-Lautsprecher.Further embodiments relate to methods for producing MEMS and a MEMS speaker.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2 eine schematische Draufsicht auf ein MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
3a -b korrespondierend zur2 eine Darstellung von Schichten eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
4a zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Teil des MEMS aus2 mit einer Schnittlinie, -
4b -c schematische Seitenschnittansichten des aus4a in einem unausgelenkten und einem ausgelenkten Zustand; -
5a eine schematische Seitenschnittansicht durch ein MEMS in einem unausgelenkten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel analog zur4b , wobei ein zusätzlicher beweglicher Bereich vorgesehen ist; -
5b einen ausgelenkten Zustand des MEMS aus5a ; -
6 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeilspiel, bei dem eine Aktuatoreinrichtung ausgebildet ist, um eine laterale Schicht gegenüber einem Strukturelement auszulenken; -
7 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Mehrzahl von in der Kavität angeordneten Strukturelementen vorgesehen ist; -
8a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die bewegliche Begrenzungsstruktur in Segmente unterteilt ist; -
8b eine schematische Seitenschnittansicht durch eine Schnittlinie der8a ; -
9 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel zur Implementierung eines beispielhaften Zwei-Wege-Ansatzes eines Lautsprechers; -
10a eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die die Begrenzungsstruktur als beweglicher Bereich einer Deckelschicht gebildet ist; und -
10b eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem MEMS aus10a dahingehend modifiziert ist, dass das Strukturelement die beweglichen Bereiche gegenüberliegender Schichten miteinander verbindet, wie es im Zusammenhang mit dem MEMS aus5a und5b beschrieben ist.
-
1 a schematic perspective view of a MEMS according to an embodiment; -
2 a schematic top view of a MEMS according to an exemplary embodiment; -
3a -b corresponding to2 a representation of layers of a MEMS according to an exemplary embodiment; -
4a shows a schematic top view of part of the MEMS2 with a cutting line, -
4b -c schematic side section views of the from4a in an undeflected and a deflected state; -
5a a schematic side sectional view through a MEMS in an undeflected state according to an exemplary embodiment analogous to4b , with an additional movable area being provided; -
5b a deflected state of the MEMS5a ; -
6 a schematic side sectional view of a MEMS according to an exemplary embodiment, in which an actuator device is designed to deflect a lateral layer relative to a structural element; -
7 a schematic side sectional view of a MEMS according to an exemplary embodiment, in which a plurality of structural elements arranged in the cavity are provided; -
8a a schematic top view of a MEMS according to an embodiment in which the movable boundary structure is divided into segments; -
8b a schematic side section view through a section line of the8a ; -
9 a schematic side sectional view of a MEMS according to an embodiment for implementing an example two-way approach to a speaker; -
10a a schematic side sectional view of a MEMS according to an exemplary embodiment, in which the boundary structure is formed as a movable region of a cover layer; and -
10b a schematic side sectional view of a MEMS according to an embodiment, which is opposite the MEMS10a is modified in such a way that the structural element connects the movable areas of opposite layers to one another, as is the case with MEMS5a and5b is described.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung 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 Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.Before exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the drawings, it should be noted that identical, functionally identical or equivalent elements, objects and/or structures are provided with the same reference numerals in the different figures, so that those shown in different exemplary embodiments Description of these elements is interchangeable or can be applied to one another.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer Detaildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit gegenteilig beschrieben ist.Embodiments described below are described in connection with a large number of details. Examples of embodiments can However, they can also be implemented without these detailed features. Furthermore, for the sake of clarity, exemplary embodiments are described using block diagrams as a replacement for a detailed representation. Furthermore, details and/or features of individual exemplary embodiments can easily be combined with one another, as long as it is not explicitly described to the contrary.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mikromechanische Bauelemente (MEMS-Bauelemente). Die hierin beschriebenen MEMS-Bauelemente können mehrschichtige Schichtstrukturen sein. Derartige MEMS können beispielsweise durch Prozessieren von Halbleitermaterialien auf Wafer-Level erhalten werden, was auch eine Kombination mehrerer Wafer und/oder die Abscheidung von Schichten auf Wafer-Ebenen beinhalten kann. Manche der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele gehen auf MEMS-Ebenen ein. Als eine MEMS-Ebene wird eine nicht notwendigerweise zweidimensionale oder ungekrümmte Ebene verstanden, die sich im Wesentlichen parallel zu einem prozessierten Wafer erstreckt, etwa parallel zu einer Hauptseite des Wafers bzw. des späteren MEMS. Eine Ebenenrichtung einer derartigen Ebene oder Schichtebene kann als eine Richtung innerhalb dieser Ebene verstanden werden, was auch mit dem englischen Begriff „in-plane“ bezeichnet werden kann. Eine Richtung senkrecht hierzu, das bedeutet, senkrecht zu einer Ebenenrichtung, kann vereinfacht als Dickenrichtung oder Stapelrichtung bezeichnet werden, wobei der Begriff der Dicke keine Limitierung im Sinne einer Orientierung dieser Richtung im Raum entfaltet. Es versteht sich, dass hierin verwendete Begriffe wie „Länge“, „Breite“, „Höhe“, „oben“, „unten“, „links“, „rechts“ und dergleichen lediglich zur Illustration hierin beschriebener Ausführungsbeispiele herangezogen werden, da ihre Lage im Raum beliebig veränderbar ist und die Ausführungsbeispiele insofern nicht hierauf einzuschränken sind.The following exemplary embodiments relate to micromechanical components (MEMS components). The MEMS devices described herein may be multilayer layer structures. Such MEMS can be obtained, for example, by processing semiconductor materials at wafer level, which can also include a combination of multiple wafers and/or the deposition of layers at wafer levels. Some of the embodiments described herein address MEMS levels. A MEMS plane is understood to be a not necessarily two-dimensional or non-curved plane that extends essentially parallel to a processed wafer, for example parallel to a main side of the wafer or the later MEMS. A plane direction of such a plane or layer plane can be understood as a direction within this plane, which can also be referred to with the English term “in-plane”. A direction perpendicular to this, that is, perpendicular to a plane direction, can be simply referred to as the thickness direction or stacking direction, whereby the term thickness does not have any limitation in the sense of an orientation of this direction in space. It is understood that terms used herein such as “length,” “width,” “height,” “top,” “bottom,” “left,” “right,” and the like are used solely to illustrate embodiments described herein because of their location can be changed as desired in space and the exemplary embodiments are not limited to this.
Manche der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Lautsprecher-Konfiguration oder Lautsprecher-Funktion eines entsprechenden MEMS-Bauelements beschrieben. Es versteht sich, dass diese Ausführungen mit Ausnahme der Alternativen oder zusätzlichen Funktion einer sensorischen Auswertung des MEMS-Bauelements bzw. der Bewegung oder Position beweglicher Elemente hiervon auf eine Mikrofon-Konfiguration bzw. Mikrofon-Funktion des MEMS-Audioelements übertragbar sind, so dass derartige Mikrofone ohne Einschränkung weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen.Some of the embodiments described herein are described in the context of a speaker configuration or speaker function of a corresponding MEMS device. It is understood that, with the exception of the alternatives or additional function of a sensory evaluation of the MEMS component or the movement or position of movable elements thereof, these statements can be transferred to a microphone configuration or microphone function of the MEMS audio element, so that such Microphones represent further embodiments of the present invention without limitation.
Manche der hierin beschriebenen MEMS beziehen sich auf MEMS mit Resonatoren, worunter Feder-Masse-Systeme verstanden werden können, die zu einer resonanten Schwingung angeregt werden können, etwa vermittels eines Aktuators, um bei Schwingung zumindest in der Nähe des Resonanzbereichs unter Einsatz vergleichsweise geringer Energien große Schwingungsamplituden zu erzielen. Hierzu beschreiben die vorliegenden MEMS ein zur Schwingung angeregtes Strukturelement, welches zusätzlich mit einem Masseelement gekoppelt wird, das die schwingfähige Masse des Feder-Masse-Systems erhöht, womit die Resonanzfrequenz verringert wird. Dieses Masseelement kann die Kavität, in welcher das schwingfähige Strukturelement zur Schwingung angeregt wird, begrenzen, lateral, in der Ebene und/oder aus der Ebene heraus.Some of the MEMS described herein refer to MEMS with resonators, which can be understood as meaning spring-mass systems that can be excited to a resonant oscillation, for example by means of an actuator, in order to oscillate at least in the vicinity of the resonance range using comparatively low energies to achieve large vibration amplitudes. For this purpose, the present MEMS describe a structural element that is excited to oscillate, which is additionally coupled to a mass element that increases the oscillatable mass of the spring-mass system, thereby reducing the resonance frequency. This mass element can limit the cavity in which the oscillatable structural element is excited to oscillate, laterally, in the plane and/or out of the plane.
Zur Vereinfachung der Bezugnahme wird hierfür ein beispielhaftes kartesisches Koordinatensystem mit den Richtungen x, y und z verwendet, wobei beispielhaft eine x/y-Ebene als Ebene parallel zur Schichtebene verstanden werden kann und sowohl die x-Richtung als auch die y-Richtung als in-plane verstanden werden können. Die z-Richtung kann parallel zur Stapelrichtung 16 im Raum angeordnet sein.To simplify reference, an exemplary Cartesian coordinate system with the directions x, y and z is used, whereby, for example, an x/y plane can be understood as a plane parallel to the layer plane and both the x direction and the y direction can be understood as in-plane. The z-direction can be arranged in space parallel to the stacking
Das MEMS 10 umfasst eine Aktuatoreinrichtung 18, die gemäß einer Ausführungsform ausgebildet ist, um ein in der Kavität 14 angeordnetes Strukturelement 22 zu bewegen. Das Strukturelement kann ausgebildet sein, um mittelbar vermittels weiterer mechanisch gekoppelter Elemente oder unmittelbar mit einem in der Kavität angeordneten Fluid zu interagieren.The
Das Strukturelement 22 kann beispielsweise einen Aktuator der Aktuatoreinrichtung 18 ganz oder teilweise bilden, kann alternativ hierzu aber auch passiv gebildet sein. Beispielsweise kann das Strukturelement 22 einen sogenannten Nanoscopic Electrostatic Drive (NED) Aktuator umfassen. NED beschreibt eine Form von Aktuator, die beispielsweise als längliche Balkenstruktur gebildet sein kann, welcher sich in-plane verformen kann und somit gleichzeitig als Element zum Verdrängen von Fluid als auch als Aktuator genutzt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Aktuatoreinrichtung 18 aber beispielsweise auch piezoelektrische und/oder elektrostatische Antriebe, etwa einen Kammantrieb oder dergleichen, umfassen, welcher mit dem Strukturelement 22 gekoppelt ist. Das bedeutet, das Strukturelement 22 kann zumindest teilweise den Aktuator bilden oder ein damit verbundenes Element umfassen, etwa eine Finne oder dergleichen. Das Strukturelement 22 kann mit einem in der Kavität 14 angeordneten Fluid interagieren.The
Das Strukturelement 22 ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Begrenzungsstruktur mechanisch gekoppelt und die Aktuatoreinrichtung 18 ist ausgebildet, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement 22 zu bewegen. Hierzu kann die Aktuatoreinrichtung 18 beispielsweise ein Ansteuersignal 24 an ein aktives Element senden oder ein derartiges Signal umsetzen, um eine Kraft zu erzeugen. Für den Fall eines Betriebs des MEMS 10 als Sensor, etwa Mikrofon, kann die Aktuatoreinrichtung 18 als Sensoreinrichtung gebildet sein, um die Bewegung des Strukturelements 22 und der Begrenzungsstruktur in ein Sensorsignal umzusetzen, das beispielsweise optisch und/oder elektrisch gebildet sein kann.According to an embodiment of the present invention, the
Erfindungsgemäß wird dabei die Begrenzungsstruktur zusammen mit dem Strukturelement 22 bewegt, was für einen resonanten Betrieb bzw. eine resonante Schwingung bedeutet, dass die Masse beider Teile, des Strukturelements 22 und der Begrenzungsstruktur, eine schwingende Masse bilden können und das Schwingungsverhalten beeinflusst.According to the invention, the limiting structure is moved together with the
Gemäß einer möglichen Ausführung kann das Strukturelement 22 beispielsweise mit zumindest einer der Bodenschicht 121 und der Deckelschicht 123 mechanisch gekoppelt sein, um diese Schicht mit zu bewegen und deren Masse in das Schwingungsverhalten miteinzubeziehen. Alternativ oder zusätzlich ist es ebenfalls möglich, die laterale Schicht 122 mit zu bewegen. Hierzu kann beispielsweise die Schicht 122 mit einer der Schichten 121 oder 123 verbunden sein und ebenfalls mitbewegt werden.According to a possible embodiment, the
Verglichen mit einer Bewegung des Strukturelements 22 allein kann somit eine höhere Masse für eine Schwingung genutzt werden. Das MEMS 10 kann ebenso wie die anderen hierin beschriebenen MEMS für einen Betrieb ausgelegt sein, bei dem das Strukturelement 22 zusammen mit der Begrenzungsstruktur zu einer resonanten Schwingung angeregt wird, etwa aufgrund externer Kräfte und/oder der Aktuatoreinrichtung. Das Strukturelement 22 kann zusammen mit der Begrenzungsstruktur einen Teil eines Resonators bilden, der energieeffizient Schallwellenerzeugen kann.Compared to a movement of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die MEMS-Schichten 121-123 entlang der Stapelrichtung 16, die senkrecht zu der Schichtebene x/y angeordnet sein kann, benachbart zueinander in dem Schichtstapel 12 angeordnet. Die Aktuatoreinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um eine Bewegung der Begrenzungsstruktur parallel hierzu, das bedeutet in-plane und parallel zu der Schichtebene bereitzustellen.According to one exemplary embodiment, the MEMS layers 12 1 -12 3 are arranged adjacent to one another in the
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Begrenzungsstruktur einen Teil zumindest einer MEMS-Schicht und beispielsweise einen Teil einer MEMS-Schicht, die einen Boden oder einen Deckel der Kavität 14 bereitstellt. Derartige angrenzende Schichten können sich problemlos miteinander verbinden lassen oder teilweise auseinander herauslösen lassen, etwa vermittels Bonden, Aufwachsen oder Äzten.In an advantageous embodiment of the present invention, the boundary structure comprises a part of at least one MEMS layer and, for example, a part of a MEMS layer that provides a bottom or a lid of the
Alternativ oder zusätzlich kann auch lediglich oder in Kombination mit anderen Elementen die Schicht 122 zumindest in Teilen mitbewegt werden um bezogen auf das Strukturelement eine zusätzliche Masse bereitzustellen. Die Begrenzungsstruktur kann somit bspw. einen Teil einer MEMS-Schicht umfassen, die die Kavität lateral begrenzt, wie es beispielsweise für die Schicht 122 beschrieben ist.Alternatively or additionally, the
Sowohl die Verwendung eines Deckels ober Bodens als auch einer lateralen Schicht ermöglichen die Verwendung mehrerer Teilstrukturen einer Begrenzungsstruktur. So kann beispielsweise der Boden oder der Deckel zusammen mit der lateral begrenzenden Schicht 122 oder mehrerer solcher Schichten verbunden sein oder es können beispielsweise sowohl der Deckel als auch der Boden 121 und 123 jeweils eine Teilstruktur der Begrenzungsstruktur bilden. Beispielsweise können die Schichten 121 und 123 vermittels des Strukturelements 22 oder anderweitig mechanisch miteinander gekoppelt sein.Both the use of a top cover and a lateral layer enable the use of several substructures in one Boundary structure. For example, the base or the lid can be connected together with the laterally delimiting
In manchen Ausführungsformen ist es bevorzugt, wenn eine Masse der Begrenzungsstruktur größer ist als eine Masse des Strukturelements, was einen deutlichen Einfluss der Masse der Begrenzungsstruktur auf die Resonanzfrequenz ermöglicht.In some embodiments, it is preferred if a mass of the boundary structure is greater than a mass of the structural element, which enables the mass of the boundary structure to have a significant influence on the resonance frequency.
Die Schicht 121 kann beispielsweise eine Öffnung 261 aufweisen, die für einen Luftstrom 281 als Einlass in die Kavität 14 oder Auslass aus der Kavität 14 dienen kann. In der Ebene der Schicht 122 kann das Strukturelement angeordnet sein. Gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform kann das Strukturelement einen Bereich 22A umfassen, der bspw. eine flexible aktiv oder passiv gebildete Struktur umfasst. Eine aktive Struktur des Bereichs 22A kann bspw. einen Balkenaktuator umfassen, etwa als NED gebildet. Eine passive Struktur des Bereichs 22A kann bspw. einen elastischen Balken oder eine Membran umfassen. Der Bereich 22A kann lateral fest eingespannt sein, etwa an einem Randbereich des Bereichs 22A und mit der Schicht 122, wobei weder das Vorhandensein der Einspannung noch deren Ort einschränkend ist. So könnte das Element 22A auch starr sein oder an den Schichten 121 und oder 123 eingespannt sein.The
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Strukturelement 22 an einem diskreten Bereich mit der Begrenzungsstruktur 34 mechanisch gekoppelt sein, worunter verstanden werden kann, dass die Begrenzungsstruktur 34 nicht in voller Fläche, sondern lediglich teilweise in Kontakt mit dem Strukturelement steht. Ein derartiger diskreter Bereich bzw. Befestigungsbereich kann an einem Ort maximaler Auslenkung des Strukturelements 22 angeordnet sein, das bedeutet, der Ort der Kontaktierung kann eine maximale Auslenkung des Strukturelements und/oder der Begrenzungsstruktur definieren. Ausführungsbeispiele beziehen sich beispielsweise auch darauf, dass ein mechanischer Kontakt des Strukturelements mit umgebendem festen Substrat eine Einrichtung zur Bewegungsbegrenzung implementiert, um eine mechanische Überlast bei Überschreiten einer maximalen Auslenkung zu verhindern. So kann beispielsweise ein mechanischer Kontakt mit der Schicht 121 bei Ausführen der Bewegung 361 und/oder 362 eine weitere Bewegung begrenzen, wobei die mechanische Verbindung zwischen Strukturelement und Bewegungsstruktur in bevorzugter Weise auf eine derartige mechanische Belastung ausgelegt ist.According to an exemplary embodiment, the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Strukturelement 22 eine beidseitig eingespannte Balkenstruktur, die ausgebildet ist, um sich bezogen auf eine MEMS-Schicht in-plane zu verformen. Wie es in
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Strukturelement 22 Teil der Aktuatoreinrichtung und weist an diskreten Bereichen miteinander fest verbundene und in-plane verformbare Balkenelemente auf, die ausgebildet sind, um eine Verformung des Strukturelements in-plane bezogen auf den Schichtstapel bereitzustellen. So können beispielsweise die an diskreten Bereichen fest miteinander verbundenen Balken genutzt werden, um eine Hin- und Her-Bewegung in-plane zu erzeugen.According to an exemplary embodiment, the
Ein optionaler Bereich 22B des Strukturelements 22 kann genutzt werden, um bspw. das Strukturelement 22 mit zumindest einer der Schichten 121 und/oder 123 mechanisch zu koppeln, etwa um einen Teil einer derartigen Schicht als Begrenzungsstruktur mitzubewegen. Der Bereich 22B kann als Koppelstelle dienen.An
Die Aktuatoreinrichtung 18 kann sich beispielsweise an dem Strukturelement 22 abstützen oder einen Teil davon bilden und kann beispielsweise als sogenannter asymmetrischer nanoskopischer elektrostatischer Antrieb, Asymmetric Nanoscopic Electrostatic Drive (ANED), als lateraler nanoskopisch elektrostatischer Antrieb, Lateral Electrostatic Drive (LNED) oder als ausgeglichener nanoskopischer elektrostatischer Antrieb, Balanced Electrostatic Drive (BNED) ausgeführt sein Hier können nebeneinander angeordnete Balkenstrukturen verformbar gebildet sein und an diskreten Bereichen selektiv mit einander gekoppelt sein, um bei einer Aktuierung eine Verformung der Gesamtstruktur zu erreichen. Eine Aktuierung kann bspw. elektrostatisch oder elektrodynamisch, aufgrund thermisch induzierter Verformung oder basierend auf piezoelektrischen Effekten erhalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Aktuatoreinrichtung 18 anders gebildet sin und der Bereich 22A eine extern angetriebene Finne aufweisen oder bereitstellen. Hierzu kann die Krafterzeugung an einem anderen Ort erfolgen und entsprechend übertragen werden.The
Durch das Strukturelement 22 kann die Kavität 14 in eine erste Teilkavität 14a und eine zweite Teilkavität 14b unterteilt werden. Eine Vergrößerung der einen Teilkavität kann zu einer entsprechenden Verkleinerung der anderen Teilkavität führen.The
Für die Schicht 123 ist dargestellt, dass diese einen möglicherweise als Substrat genutzten ortsfesten Bereich 42 und einen beweglichen Bereich 34 aufweisen kann. Der bewegliche Bereich 34 kann gegenüber dem festen Bereich 32 entlang einer positiven und/oder negativen Bewegungsrichtung 361, 362 beweglich sein, wobei der ortsfeste Bereich 32 auch entfallen kann. Vermittels der Aktuatorstruktur kann beispielsweise das Strukturelement 22 an der Schicht 122 abgestützt sein, so dass beispielsweise der bewegliche Bereich 34 durch die Aktuatoreinrichtung mit dem Strukturelement 22 mitbewegt wird. Eine Verformung des Strukturelements 22 kann dabei in der Ebene der Schicht 122 erfolgen, indem das Strukturelement 22 in Bereichen der Verformung von den Schichten 121 und 123 beabstandet oder gleitfähig gelagert sein kann, ohne hierbei einen akustischen Kurzschluss zwischen den Teilkavitäten 14a und 14b zu erzeugen.For the
Die in der
Eine Öffnung 262 in der Deckelebene 123 kann die Teilkavität 14b mit der Umgebung verbinden, um einen Luftstrom 282 aus der Kavität 14 in die Umgebung herauszuführen oder in die Kavität 14 bzw. die Teilkavität 14b hinein. So kann beispielsweise bei einer Bewegung des Strukturelements 22 und des als Begrenzungsstruktur dienenden beweglichen Bereichs 34 entlang der Richtung 361 der Luftstrom 281 in die Teilkavität 14a geführt werden und der Luftstrom 282 aus der Teilkavität 14b hinaus. Bei einer Umkehrung der Bewegung in die Richtung 362 können sich auch die Richtungen der Luftströme 281 und 282 umkehren.An opening 26 2 in the
Wie es in
Wie es in der
In anderen Worten zeigt
Die
Eine Position des Koppelelements 22B kann dabei an einem Ort der maximalen Auslenkung des Strukturelements 22 bzw. des Bereichs 22A angeordnet sein, was sich beispielsweise mittig bei einer beidseitigen eingespannten Konfiguration einer Balkenstruktur oder am auslenkbaren Ende einer einseitig eingespannten Balkenstruktur ergeben kann.A position of the
Zwischen benachbarten Kavitäten 141 und 142 oder 142 und 143 kann eine Trennwand 381 bzw. 382 angeordnet sein, die beispielsweise aus Material der Schicht 122 gebildet sein kann und je nach Ausführungsform als auch feste Finne bezeichnet werden kann. In Ausführungsformen, bei denen die Schicht 122 gegenüber anderen Elementen bewegt wird, kann eine bewegliche Finne implementiert sein.A partition 38 1 or 38 2 can be arranged between
Die
In anderen Worten zeigt die
In
In anderen Worten zeigen die
In anderen Worten zeigt
Während die
Ebenso wie in den
Zwischen benachbarten Strukturelementen 221-223 kann eine jeweilige Teilkavität 14b und 14c angeordnet sein, die unter dem Einfluss einer Bewegung der benachbarten Strukturelemente ein veränderliches Volumen aufweist. Eine jeweilige Teilkavität 14b und 14c kann durch eine Öffnung in dem MEMS-Schichtstapel mit einer Umgebung des Schichtstapels fluidisch verbunden sein. Eine analoge Konfiguration gilt auch für Teilkavitäten 14a und 14d, zumindest in manchen Ausführungsformen, wobei hier ein Strukturelement lediglich auf einer Seite der jeweiligen Teilkavität vorgesehen sein kann. Die Anordnung von drei Strukturelementen zur beispielhaften Definition von vier Teilkavitäten 14a-14d ist dabei lediglich beispielhaft. Es können auch weniger oder mehr Strukturelemente in der Kavität angeordnet sein. Eine erste Teilmenge von Strukturelementen, bevorzugt jene, die entlang einer gleichen Richtung beweglich angeordnet sind, wie es beispielsweise für die Strukturelemente 221 und 223 einerseits und das Strukturelement 222 andererseits dargestellt ist, sind mit einer jeweiligen Begrenzungsstruktur 342 bzw. 341 mechanisch gekoppelt, wobei die Begrenzungsstrukturen 341 und 342 gegenüberliegend zueinander angeordnet sind. Ein entsprechendes Konzept lässt sich ohne weiteres auch auf das MEMS 60 übertragen, bei dem der Chiprahmen bzw. die Schicht 121 beweglich angeordnet ist. Hier könnten beispielsweise unterschiedliche Seiten gegeneinander bewegt werden oder es könnte eine erste Teilmenge von Strukturelementen ortsfest angeordnet sein und eine zweite Teilmenge beweglich.A respective
Die entsprechenden Aktuatoren können einzeln oder in Gruppen angeordnet sein und beispielsweise an den Schichten 121 und 123 angeordnete Aktuatoren umfassen oder Gruppen von Aktuatoren, die jeweils an der Schicht 121 bzw. der Schicht 123 angeordnet sind.The corresponding actuators can be arranged individually or in groups and include, for example, actuators arranged on the
In anderen Worten zeigt
In
In anderen Worten zeigt
Die beweglichen Bereiche 341,2 und 342,1 und/oder die beweglichen Bereiche 341,1 und 342,2 können mechanisch mit einer nicht dargestellten mechanischen Kopplung gekoppelt sein, um eine synchrone und gleiche Auslenkung der beweglichen Bereiche bzw. Begrenzungsstrukturen zu ermöglichen. Alternativ können die beweglichen Bereiche auch unabhängig voneinander schwingen und möglicherweise mit unterschiedlichen Massen ausgestattet sein, etwa um voneinander verschiedene Resonanzfrequenzen bereitzustellen, wobei die Akuatoreinrichtung eingerichtet sein kann, um die voneinander verschiedenen Resonanzfrequenzen anzuregen.The
Unter Verweis auf die MEMS 70 und 80 beziehen sich manche Ausführungsbeispiele darauf, dass unterschiedliche Strukturelemente mit voneinander verschiedenen Begrenzungsstrukturen gekoppelt sein können und mehr als ein einziges Feder-Masse-System in dem MEMS bereitstellen können. Das bedeutet, unterschiedliche Strukturelemente können mit unterschiedlichen Begrenzungsstrukturen gekoppelt sein, um unterschiedliche Feder-Masse-Systeme bereitzustellen. Die Aktuatoreinrichtung kann ausgebildet sein, um die jeweiligen Feder-Masse-Systeme anzuregen, etwa indem das jeweilige Strukturelement zusammen mit der Begrenzungsstruktur bewegt wird. Resonanzfrequenzen der unterschiedlichen Feder-Masse-Systeme können gleich oder voneinander verschieden sein, wobei voneinander verschiedene Resonanzfrequenzen ein breiteres Abstrahlspektrum oder ein breiteres Empfangsspektrum ermöglichen und übereinstimmende Resonanzfrequenzen eine höhere Amplitude bzw. höhere Sensitivität bei einer gezielten Frequenz aufweisen können.Referring to the
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können auch mehrere Feder-Masse-Systeme übereinstimmende Resonanzfrequenz und mehrere Feder-Masse-Systeme unterschiedliche Resonanzfrequenz gleichzeitig aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein MEMS ausgebildet, um basierend auf der resonanten Bewegung einen Schalldruck mit einer auf einer Resonanzfrequenz der resonanten Schwingung basierenden Frequenz zu erzeugen.In accordance with the present invention, several spring-mass systems can also have the same resonance frequency and several spring-mass systems can have different resonance frequencies at the same time. According to one embodiment, a MEMS is designed to generate a sound pressure based on the resonant movement with a frequency based on a resonant frequency of the resonant vibration.
Unterschiedliche Frequenzen können gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch anders erhalten werden, etwa über einen Mehr-Wege-Ansatz.Different frequencies can also be obtained differently according to embodiments of the present invention, such as via a multi-path approach.
In anderen Worten zeigt
In der Kavität 14 oder einer weiteren Kavität, die von der Kavität 14 akustisch getrennt sein kann, können zusätzliche Aktuatoren oder Elemente zur Schallerzeugung 441-444 angeordnet sein. Diese können beispielsweise gleich oder ähnlich gebildet sein wie die Aktuatoren zur Bewegung der Strukturelemente 221 und 222, können aufgrund geringerer Masse aber für Schwingungen in höheren Frequenzbereichen f2 ausgelegt sein und insofern einen im Vergleich zu den durch die Öffnungen 261 und 262 austretenden und eine Frequenz oder Frequenzbereich f1 aufweisenden tieffrequenten Schall höherfrequenten Schall oder Schallbereich durch entsprechende Öffnung 461-465 ausgeben. Eine Position der Öffnungen 461-465 kann dabei möglicherweise auf eine Bewegungsamplitude der beweglichen Bereiche 341 und 342 abgestimmt sein, so dass entsprechende Teilkavitäten zwischen benachbarten Schallerzeugern 441-444 mit einer jeweiligen Öffnung 461-465 mit einer Umgebung des MEMS 90 verbunden sein können. Die Frequenzen f1 und/oder f2 können dabei im für den Menschen hörbaren Bereich liegen, wobei dies nicht erforderlich ist. Es können mit den hierin beschriebenen Strukturen anwendungsspezifisch beliebige Frequenzen angeregt werden, etwa alternativ oder zusätzlich im Ultraschallbereich.In the
So kann beispielsweise ein Zwei-Wege-Lautsprecher implementiert werden, der sowohl einen Subwoofer, insbesondere einen vergleichsweise kleinen µSubwoofer zusammen mit einem Hochtöner (engl.: Tweeter), insbesondere einem vergleichsweise kleinen µTweeter, umfasst. Dabei kann eine Bewegung der Strukturelemente 221 und 222 als Tieftöner/Subwoofer und eine Bewegung der Schallerzeuger 441-444 als Hochtöner genutzt werden. Gemäß Ausführungsbeispielen ist zumindest ein bewegliches Element in der Kavität 14 angeordnet, das zur Erzeugung eines Schalls in einem in der Kavität angeordneten Fluid eingerichtet ist.For example, a two-way loudspeaker can be implemented that includes both a subwoofer, in particular a comparatively small µSubwoofer, together with a tweeter, in particular a comparatively small µTweeter. A movement of the
In anderen Worten zeigt
Die Begrenzungsstruktur bzw. der bewegliche Bereich 34 kann über eine mechanische Aufhängung 48 mit einem Substrat des MEMS 1001 mechanisch gekoppelt sein, beispielsweise ein verbleibender Bereich der Schicht 123, etwa der Bereich 32. Die mechanische Aufhängung 48 kann ausgebildet sein, um eine mechanische Dämpfung 52 und/oder eine mechanische Steifigkeit 54 bereitzustellen, die eine Resonanzfrequenz eines das Strukturelement 22 und die Begrenzungsstruktur 34 umfassenden Feder-Masse-Systems zumindest teilweise bestimmt. Eine entsprechende Aufhängung kann genutzt werden, um das Schwingungsverhalten einzustellen und anzupassen. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die mechanische Aufhängung 48 auch adaptiv ausgestaltet sein, um eine Anpassung des Frequenzgangs im laufenden Betrieb oder zu Justagezwecken zu ermöglichen.The boundary structure or the
In der Ausführung der
Das MEMS 1001 kann ebenso wie andere hierin beschriebene MEMS eine Steuerungseinrichtung 58 aufweisen oder mit einer solchen verbindbar sein. Die Steuerungseinrichtung 58 kann ausgebildet sein, um die Aktuatoreinrichtung zum Bewegen des Strukturelements 22 anzusteuern, um eine resonante Bewegung des Strukturelements 22 einzustellen. Eine Resonanzfrequenz der resonanten Bewegung kann von einer Masse des Strukturelements 22 und der Masse der Begrenzungsstruktur 34 beeinflusst sein. Möglicherweise, aber nicht notwendigerweise ist ein derartiges MEMS als MEMS-Lautsprecher gebildet, der ausgebildet ist, um basierend auf einer gemeinsamen Bewegung des Strukturelements 22 und der Begrenzungsstruktur 34 in der Kavität Schall in dem Fluid zu erzeugen.The MEMS 100 1 , like other MEMS described herein, may have or be connectable to a
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mechanische Aufhängung 48 aber auch so ausgestaltet sein, dass diese eine Vorzugsrichtung aufweist, entlang der die Auslenkung des Strukturelements 34 höchstens unwesentlich beeinflusst wird. So kann beispielsweise eine out-of-plane Bewegung entlang der z-Richtung beschränkt oder verhindert werden, während die mechanische Aufhängung 48 eine möglichst freie Bewegung in-plane, etwa entlang x und/oder y, zulässt. Alternativ kann eine Bewegung entlang x eingeschränkt und entlang y, d. h. entlang positiver oder negativer Bewegungsrichtung 362, höchstens unwesentlich beeinflusst werden. Dies kann eine hohe Qualität von in dem Luftstrom 281 und/oder 282 enthaltenen Luftschall ermöglichen.According to one exemplary embodiment, the
In anderen Worten zeigt
Unabhängig hiervon kann das MEMS 1002 ebenso wie andere hierin beschriebene MEMS eine Einrichtung 56 zur Bewegungsbegrenzung aufweisen. Die Einrichtung 56 kann ausgebildet sein, um eine maximale Auslenkung der beweglichen Struktur entlang einer oder mehrerer Richtungen zu begrenzen und eine auf das MEMS durch Überschreiten einer derartigen maximalen Auslenkung auftretenden mechanischen Überlast zu verhindern. Beispielsweise kann die Einrichtung 56 ein mechanischer Anschlag sein und/oder eine andere Form der Überlastvermeidung implementieren. Die mechanische Einrichtung 56 kann an einem beliebigen Element des MEMS angeordnet sein und insofern nicht notwendigerweise an dem Bereich 341 und/oder 342.Regardless of this, the MEMS 100 2, like other MEMS described herein, may have a
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich insofern auf einen MEMS-Lautsprecher mit einem Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten 121-123, einer in dem Schichtstapel angeordneten Kavität zur Aufnahme eines Fluids, wobei die Kavität von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur, lateral, in-plane und/oder entlang der Stapelrichtung out-of-plane zumindest teilweise begrenzt ist. Eine Aktuatoreinrichtung ist ausgebildet, um ein in der Kavität angeordnetes Strukturelement des MEMS zu Interaktion mit dem Fluid zu bewegen, um ein akustisches Signal zu erzeugen, bevorzugt vermittels einer resonanten Schwingung. Das Strukturelement 22 ist mit der Begrenzungsstruktur 34 mechanisch gekoppelt und die Aktuatoreinrichtung ist ausgebildet, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement mit zu bewegen.Embodiments of the present invention relate to a MEMS speaker with a layer stack comprising a plurality of MEMS layers 12 1 -12 3 , a cavity arranged in the layer stack for receiving a fluid, the cavity being composed of at least a part of a MEMS layer. Layer of the layer stack comprising boundary structure, is at least partially limited laterally, in-plane and / or along the stacking direction out-of-plane. An actuator device is designed to move a structural element of the MEMS arranged in the cavity to interact with the fluid in order to generate an acoustic signal, preferably by means of a resonant vibration. The
In anderen Worten zeigt
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Aufbau, welcher mehrschichtig mit mindestens drei Schichten ausgebildet ist, wobei eine Schicht so mit einer anderen Schicht gekoppelt wird, dass für die Resonanzfrequenz einer Schwingung die Steifigkeit aus der ersten Schicht und die Masse aus der zweiten Schicht maßgeblich beeinflusst wird, wobei dies unter Verweis auf die
Ausführungsformen beziehen sich auf eine große Chipentität als Massekörper mit integrierter Schallführung, wie es beispielsweise für die beweglichen Bereiche 34 beschrieben ist. Dazu können der Deckelwafer und/oder der Bodenwafer in Teilen als Massekörper verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Chiprahmen, die Schicht 122, als Massekörper verwendet werden, zusätzlich oder als Umkehrung zum Prinzip des Deckel/Boden-Massekörpers. Bei Verwendung mehrerer Strukturelemente können entsprechende Finnen oder Elemente abwechselnd am Bodenwafer und am Deckelwafer gekoppelt sein.Embodiments relate to a large chip entity as a mass body with integrated sound guidance, as described for example for the
Die Chipentität kann über Federn und/oder Dämpfungen angekoppelt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung dergestalt ausgebildet sein, dass die Auslenkung nicht begrenzt wird, etwa durch ein Duffing, Drehung oder dergleichen. Dies ist im Zusammenhang mit der Vorzugsrichtung beschrieben. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung so ausgebildet sein, dass die Chipentität einen mechanischen Stoßschutz aufweist, um beispielsweise eine Schockfestigkeit zu erhalten. Dies ist im Zusammenhang mit der Einrichtung zur Bewegungsbegrenzung beschrieben. Wie es beispielsweise im Zusammenhang mit der
Hierin beschriebene MEMS-Bauelemente weisen Schichtstapel auf, die zumindest aus einer Substratschicht bestehen, in der die Elektroden und die passiven Elemente angeordnet sind. Weitere Schichten betreffen einen Boden, der auch als Handlingwafer bezeichnet werden kann und einen Deckel, der auch als Deckelwafer bezeichnet werden kann. Sowohl Deckelwafer als auch Handlingwafer können über stoffschlüssige Verfahren, vorzugsweise Bonden, mit der Substratebene verbunden sein, wodurch akustisch abgedichtete Zwischenräume in einem Bauelement entstehen können. In diesem Zwischenraum, der der Deviceebene entspricht, können sich die verformbaren Bauelemente verformen, in anderen Worten kann die Verformung in-plane erfolgen. Die Schichten können beispielsweise elektrisch leitfähige Materialien aufweisen, z. B. dotiere Haltleitermaterialien und/oder Metallmaterialien. Die schichtweise Anordnung elektrisch leitfähiger Schichten ermöglicht eine einfache Ausgestaltung, da durch selektives Herauslösen aus der Schicht Elektroden, etwa für auslenkbare Elemente und passive Elemente, gebildet werden können. Sofern elektrisch nicht leitfähige Werkstoffe angeordnet sein sollen, kann der schichtweise Auftrag dieser Werkstoffe beispielweise durch Abscheidungsverfahren erfolgen.MEMS components described herein have layer stacks that consist of at least one substrate layer in which the electrodes and the passive elements are arranged. Further layers relate to a base, which can also be referred to as a handling wafer, and a lid, which can also be referred to as a lid wafer. Both cover wafers and handling wafers can be connected to the substrate plane via cohesive processes, preferably bonding, which can create acoustically sealed gaps in a component. In this space, which corresponds to the device level, the deformable components can deform; in other words, the deformation can take place in-plane. The layers can, for example, comprise electrically conductive materials, e.g. B. doped semiconductor materials and / or metal materials. The layered arrangement of electrically conductive layers enables a simple design Electrodes, for example for deflectable elements and passive elements, can be formed selectively from the layer. If electrically non-conductive materials are to be arranged, these materials can be applied in layers, for example by deposition processes.
Manche der hierin beschriebenen MEMS können beispielsweise als Lautsprecher und insbesondere in In-Ohr-Anwendungen eingesetzt werden. Bei der In-Ohr-Anwendung kann der Raum zwischen Trommelfell und Hearable eine Druckkammer darstellen, die als dicht angesehen werden kann. Für tiefe Frequenzen zeigt die sogenannte Harman-Kurve für In-Ohr-Ohrhörer eine Präferenz für höhere Schalldruckpegel. Die Gestaltung des Frequenzgangs kann durch Resonatorelemente oder eine Kombination von unterschiedlichen Aktuatoren mit verschiedenen Resonatorelementen erfolgen. Bei Nahfeldlautsprechern ergibt sich ein anderes Bild. Der Übertragungsbereich wird nach unten durch die Lage der Resonanz begrenzt; unterhalb der Resonanz nimmt der Pegel ab. Durch die Erhöhung der Aktormasse kann die Resonanzfrequenz des Aktors gesenkt werden und der Übertragungsbereich nach unten vergrößert werden. Weitere Möglichkeiten ergeben sich durch die Ankopplung zusätzlicher Resonatoren, deren Resonanz unterhalb der eigentlichen Aktorresonanz liegen kann. Zusätzliche Resonatoren benötigen in bekannten Ausgestaltungen in beiden Fällen zusätzliche Chipfläche und die Nutzfläche für Aktoren wird damit eingeschränkt bzw. die Gesamtfläche des Chips wird damit vergrößert. Die Gestaltung des Schichtsystems kann dabei so ausgeführt werden, dass die Masse aus passiven Schichten, beispielsweise wenn keine Aktoren vorhanden sind, an die Aktoren in der aktiven Schicht angekoppelt werden, dabei wird die akustische Luftführung direkt durch Öffnungen in den angekoppelten und bewegten Bereichen der passiven Schicht realisiert, was in hierin erörterten Ausführungsbeispielen implementiert ist.Some of the MEMS described herein can be used, for example, as loudspeakers and in particular in in-ear applications. When used in the ear, the space between the eardrum and the hearable can represent a pressure chamber that can be considered tight. For low frequencies, the so-called Harman curve for in-ear headphones shows a preference for higher sound pressure levels. The frequency response can be designed using resonator elements or a combination of different actuators with different resonator elements. A different picture emerges with near-field loudspeakers. The transmission range is limited at the bottom by the position of the resonance; below resonance the level decreases. By increasing the actuator mass, the resonance frequency of the actuator can be reduced and the transmission range can be increased downwards. Further possibilities arise from coupling additional resonators, whose resonance can be below the actual actuator resonance. In known embodiments, additional resonators require additional chip area in both cases and the usable area for actuators is therefore limited or the total area of the chip is thereby increased. The design of the layer system can be carried out in such a way that the mass of passive layers, for example if there are no actuators, are coupled to the actuators in the active layer; the acoustic air guidance is directly through openings in the coupled and moving areas of the passive Layer realizes what is implemented in embodiments discussed herein.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen es, den Übertragungsbereich der Schallquellen gegenüber bekannten Lösungen zu erweitern und bestimmte Frequenzbereiche durch Resonanz zusätzlich zu verstärken. Schallquellen im Sinne dieser Anmeldung sind beispielsweise Lautsprecher, insbesondere für In-Ohr-Anwendungen und Nahfeldanwendungen, beispielsweise in Handys oder Tablets. Dabei können beide Anwendungsfälle unterschieden werden.Embodiments of the present invention make it possible to expand the transmission range of the sound sources compared to known solutions and to additionally amplify certain frequency ranges through resonance. Sound sources within the meaning of this application are, for example, loudspeakers, in particular for in-ear applications and near-field applications, for example in cell phones or tablets. Both use cases can be distinguished.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein MEMS-Schichtsystem gelöst. In einer Ebene mit einer oder mehreren Schichten des Schichtsystems sind Kavitäten ausgebildet, in denen auslenkbare Elemente angeordnet sind, die lateral zueinander beabstandet angeordnet sein können. In einer weiteren Ebene des MEMS-Schichtsystems ist eine schwingende Masse angeordnet, die entweder mit dem Substrat nicht verbunden ist oder mittels Verbindungselementen mit dem umgebenden Substrat gekoppelt ist. Die Masse und die auslenkbaren Elemente und ggf. die Verbindungselemente können zusammen einen Resonator bilden. Die Masse kann alternativ oder zusätzlich auch in derselben Ebene angeordnet sein. Dieser Resonator ist zu den auslenkbaren Elementen in manchen Ausführungsformen vertikal beabstandet angeordnet und bildet zugleich die Schallführung (den Deckel) mit für die Schallerzeugung und Abgabe eingerichteten Luftauslassöffnungen. Die Koppelelemente zu den auslenkbaren Elementen und die Verbindungselemente können derart ausgestaltet sein, dass eine laterale Verformung in der Ebene möglich ist. Eine Verformung senkrecht zur Ebene kann durch die Geometrie der auslenkbaren Elemente oder der Verbindungselemente reduziert, behindert oder verhindert werden. Das auslenkbare Element kann ein aktiv auslenkbares Element sein, das die bevorzugte Ausgestaltung darstellt. In Ausführungsbeispielen kann das auslenkbare Element passiv sein. Dann kann es über Koppelelemente mit einem aktiv auslenkbaren Element verbunden sein. In Manchen Anwendungsgebieten kann es bevorzugt sein, die aktiv auslenkbaren Elemente in einer anderen Ebene anzuordnen als die passiv auslenkbaren Elemente. Dies bietet den Vorteil, dass in der Ebene der aktiv auslenkbaren Elemente eine höhere Anzahl dieser als Aktuatoren bezeichneten auslenkbaren Elemente angeordnet sein kann. Das kann die aufbringbare Kraft innerhalb der Aktuatorebene erhöhen und den Füllfaktor ebenfalls erhöhen. Das bedeutet, gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein MEMS oder MEMS-Lautsprecher dergestalt ausgebildet, dass das Strukturelement passiv ausgebildet ist und ein Aktuator der Aktuatorstruktur in einer von dem Strukturelement verschiedenen Ebene oder Schicht des MEMS angeordnet ist.The object according to the invention is achieved by a MEMS layer system. In a plane with one or more layers of the layer system, cavities are formed in which deflectable elements are arranged, which can be arranged laterally spaced apart from one another. A vibrating mass is arranged in a further level of the MEMS layer system, which is either not connected to the substrate or is coupled to the surrounding substrate by means of connecting elements. The mass and the deflectable elements and possibly the connecting elements can together form a resonator. The mass can alternatively or additionally also be arranged in the same plane. In some embodiments, this resonator is arranged at a vertical distance from the deflectable elements and at the same time forms the sound guide (the cover) with air outlet openings designed for sound generation and emission. The coupling elements to the deflectable elements and the connecting elements can be designed in such a way that lateral deformation in the plane is possible. Deformation perpendicular to the plane can be reduced, hindered or prevented by the geometry of the deflectable elements or the connecting elements. The deflectable element can be an actively deflectable element, which represents the preferred embodiment. In exemplary embodiments, the deflectable element can be passive. It can then be connected to an actively deflectable element via coupling elements. In some areas of application, it may be preferred to arrange the actively deflectable elements in a different plane than the passively deflectable elements. This offers the advantage that a higher number of these deflectable elements, referred to as actuators, can be arranged in the plane of the actively deflectable elements. This can increase the force that can be applied within the actuator level and also increase the fill factor. This means, according to one exemplary embodiment, a MEMS or MEMS speaker is designed in such a way that the structural element is designed to be passive and an actuator of the actuator structure is arranged in a plane or layer of the MEMS that is different from the structural element.
Der Abstand zwischen Resonator und dem umgebenden Substrat senkrecht zur Ebene kann dabei gering bis minimal ausgestaltet sein, so dass ein akustischer Kurzschluss verhindert wird. Der Resonator beinhaltet Öffnungen für die Schallführung, die durch die Schwingbewegung des Resonators mitbewegt werden können. Die Schallenergie kann in einem derartigen Fall senkrecht zur Schichtebene aus dem MEMS-Schichtsystem austreten, während die Öffnungen lateral schwingen. Die Schwingfrequenz und die Schallfrequenz können unterschiedlich sein und durch unterschiedliche aktiv auslenkbare Elemente erzeugt werden.The distance between the resonator and the surrounding substrate perpendicular to the plane can be small to minimal, so that an acoustic short circuit is prevented. The resonator contains openings for sound guidance, which can be moved by the oscillating movement of the resonator. In such a case, the sound energy can emerge from the MEMS layer system perpendicular to the layer plane, while the openings vibrate laterally. The oscillation frequency and the sound frequency can be different and can be generated by different actively deflectable elements.
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.Although some aspects have been described in connection with a device, it is understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding process step or as a feature of a process step. Analogously, aspects that have been described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung 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.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will occur to others skilled in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the following claims and not by the specific details presented from the description and explanation of the exemplary embodiments herein.
Claims (28)
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