DE102022209183A1

DE102022209183A1 - Mikrofluidisches Interaktionselement zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids sowie eine akustische Vorrichtung mit einem solchen mikrofluidischen Interaktionselement

Info

Publication number: DE102022209183A1
Application number: DE102022209183.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schelling; Kerrin DOESSEL
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-05
Filing date: 2022-09-05
Publication date: 2024-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Interaktionselement (10) zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids, wobei das Interaktionselement (10) ein Substrat (20) mit wenigstens einem Hohlraum (30) aufweist, wobei innerhalb des Hohlraums (30) wenigstens ein bewegliches Verdrängungselement (40) mit vertikalen Flächen unmittelbar mit dem Hohlraum (30) verbunden und derartig angeordnet ist, dass die Bewegungsrichtung (x) des Verdrängungselements (40) im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats (20) und senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Verdrängungselements (40) ist, und wobei das Interaktionselement (10) wenigstens ein mechanisches Verbindungselement (60) mit wenigstens einem Wandlerelement (65) aufweist, wobei das Verbindungselement (60) das Verdrängungselement (40) mit einer parallel zum Verdrängungselement (40) ausgerichteten Wand (33) des Hohlraums (30) oder einem parallel zum Verdrängungselement (40) ausgerichteten, weiteren Verdrängungselement (45) unmittelbar verbindet, und wobei das Wandlerelement (65) dazu eingerichtet ist, das Verbindungselement (60) derartig zu deformieren, dass hierdurch eine Bewegung des Verdrängungselement (40) entlang der Bewegungsrichtung (x) relativ zur Wand (33) oder zum weiteren Verdrängungselement (45) erfolgt, und/oder eine Deformation des Verbindungselements (60) aufgrund einer Bewegung des Verdrängungselements (40) entlang der Bewegungsrichtung (x) relativ zur Wand (33) oder zum weiteren Verdrängungselement (45) zu erfassen.Zudem betrifft die Erfindung eine akustische Vorrichtung (100) mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Interaktionselement (10).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Interaktionselement zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids, welches insbesondere in einem Lautsprecher oder auch einem Mikrofon zum Einsatz kommen kann.
MEMS-Lautsprecher und MEMS-Mikrofone besitzen gegenüber herkömmlichen elektrodynamischen Lautsprechern bzw. Mikrofonen wesentliche Vorteile, z. B. bezüglich geringerer Latenzzeit, geringerem Energieverbrauch, geringerer Baugröße oder auch der prinzipiellen Lötfähigkeit. Auf der anderen Seite weisen herkömmliche Lautsprecher derzeit noch Defizite im Hinblick auf erreichbare Schallpegel auf. Zur Erreichung hoher Schallpegel muss ein entsprechend großes Luftvolumen verdrängt werden. Das verdrängte Volumen lässt sich entweder durch größere Auslenkungen eines bewegten Verdrängungselements, wie zum Beispiel einer Membran oder eines Biegebalkens, und/oder durch Vergrößerung der Fläche des Verdrängungselements maximieren. Größere Auslenkungen sind für mikromechanische Bauelemente einerseits wegen der fehlenden Belastbarkeit der Materialien/Strukturen und andererseits wegen geringer Krafterzeugungsdichten schwierig zu realisieren. Vergrößerungen einer horizontalen Fläche des Verdrängungselements sind zwar einfacher realisierbar, jedoch in puncto Bauelementgröße und -kosten kontraproduktiv. Ungünstig ist zudem, dass die zur Aktuierung verwendeten Biegebalken oftmals eine leichte Variation aufgrund von Fertigungstoleranzen aufweisen, so dass sie sich nicht phasengleich bewegen, was die erreichbaren Schallpegel mindert.
Die genannten Probleme sollen durch die Erfindung gelöst werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Interaktionselement zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids, wobei das mikrofluidische Interaktionselement ein Substrat mit wenigstens einem Hohlraum aufweist, wobei innerhalb des Hohlraums wenigstens ein bewegliches Verdrängungselement mit vertikalen Flächen insbesondere unmittelbar mit dem Hohlraum verbunden und derartig angeordnet ist, dass die Bewegungsrichtung des Verdrängungselements im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats und senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Verdrängungselements ist, wobei das Verdrängungselement derartig ausgestaltet und angeordnet ist, dass durch das Verdrängungselement jeweils ein erster Teilraum und ein zweiter Teilraum innerhalb des Hohlraums gebildet ist, wobei das mikrofluidische Interaktionselement wenigstens jeweils einen ersten Durchbruch vom ersten Teilraum zu einer ersten Seite des Substrats und einen zweiten Durchbruch vom zweiten Teilraum zu einer von der ersten Seite verschiedenen, zweiten Seite des Substrats aufweist, und wobei das mikrofluidische Interaktionselement wenigstens ein mechanisches Verbindungselement mit wenigstens einem Wandlerelement aufweist, wobei das Verbindungselement das Verdrängungselement mit einer im Wesentlichen parallel zum Verdrängungselement ausgerichteten Wand des Hohlraums oder einem im Wesentlichen parallel zum Verdrängungselement ausgerichteten, weiteren Verdrängungselement mit weiteren vertikalen Flächen unmittelbar verbindet, und wobei das Wandlerelement dazu eingerichtet ist, das Verbindungselement derartig zu deformieren, dass hierdurch eine Bewegung des Verdrängungselement entlang der Bewegungsrichtung relativ zur Wand oder zum weiteren Verdrängungselement erfolgt, und/oder eine Deformation des Verbindungselements aufgrund einer Bewegung des Verdrängungselements entlang der Bewegungsrichtung relativ zur Wand oder zum weiteren Verdrängungselement zu erfassen.
Vorteilhaft ist hierbei, dass das mikrofluidische Interaktionselement eine sehr hohe Wandlungseffizienz von elektrischer in akustische Energie ermöglicht, um entsprechend hohe Schalldruckpegel zu erzielen, indem das Verdrängungselement entsprechend von einem durch das Wandlerelement deformierten Verbindungselement in Bewegung versetzt werden kann. Weitere Vorteile sind, dass das Interaktionselement lötfähig ist, da kein Magnet integriert ist, eine geringe Latenzzeit aufgrund seiner geringen Masse besitzt und es zudem sehr klein gebaut werden kann. Hinzu kommt, dass das Interaktionselement sehr robust ist und sich durch die vertikale Ausrichtung des Verdrängungselements im Zusammenspiel mit den entsprechend Teilräumen zudem das verdrängte Volumen pro Fläche vergrößern lässt, was wiederum einem erhöhten Schalldruckpegel pro Fläche gleichgesetzt werden kann.
Das mikrofluidische Interaktionselement kann beispielsweise als sogenanntes MEMS-Element ausgestaltet sein. Unter MEMS-Element ist ein mikro-elektromechanisches System zu verstehen, welches insbesondere elektronische sowie mechanische Komponenten auf kleinstem Raum kombiniert bzw. integriert.
Das Verdrängungselement weist Flächen auf, wobei es entsprechend eben ausgebildet, bezogen auf das Substrat vertikal angeordnet und zusammen mit den Hohlraumwänden im Substrat einen entsprechenden ersten und zweiten Teilraum innerhalb des Hohlraums bildet. Die Teilräumen sind hierbei typischerweise nicht vollständig hermetisch voneinander getrennt, jedoch ist es von Vorteil, wenn fluidisch durchlässige Übergänge zwischen den Teilräumen möglichst klein gehalten werden. Die Flächen dienen als fluidischer Widerstandsteil des Verdrängungselements. Hierbei sind die Höhe und die Länge des Verdrängungselements wesentlich größer als dessen Breite bzw. Dicke. Die Verbindung zwischen Verdrängungselement und Hohlraum dient hierbei als Verankerung des Verdrängungselements im Hohlraums selbst.
Das Wandlerelement kann als Aktorelement fungieren und das Verbindungselement derartig verformen, dass hierdurch eine Bewegung des Verdrängungselements hervorgerufen wird. Durch die horizontale Bewegung des Verdrängungselements wird ein im Hohlraum durch das Verdrängungselement gebildetes Teilvolumen verdichtet, indem durch die Bewegung des Verdrängungselements der entsprechende Teilraum verkleinert wird, während zeitgleich das andere durch das Verdrängungselemente gebildete Teilvolumen verdünnt wird, da dort durch die Bewegung des Verdrängungselements der Teilraum vergrößert wird. Durch eine Fluidöffnung auf einer Substratoberfläche kann hierbei Fluid aus dem verdichteten Teilvolumen in die Umgebung ausströmen, während durch eine weitere Fluidöffnung auf einer anderen, insbesondere gegenüberliegenden Substratoberfläche Fluid aus der Umgebung in das verdünnte Teilvolumen nachströmt. Auf diese Weise ergibt sich insbesondere ein Nettovolumenfluss des Fluids der Umgebung in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats. Bewegt sich das Verdrängungselement in die entgegengesetzte Richtung, ergibt sich eine umgekehrte Flussrichtung des Fluids. Mit anderen Worten kann mit dem Interaktionselement eine akustische Schallwelle mit positiver und negativer Druckhalbwelle in einem Fluid der Umgebung erzeugt werden. Prinzipiell ist es hierbei auch denkbar, dass ein extern angeregter Volumenstrom des Fluids als externer Schalldruckpegel das Interaktionselement beziehungsweise genauer gesagt das Verdrängungselement in Bewegung versetzt. Dies kann dann mit dem umgekehrten Aktorprinzip durch das Wandlerelement als Sensorelement erfasst werden. Somit kann ein Volumenstrom eines Fluids mittels des Interaktionselements entsprechend auch erfasst werden.
Unter dem Begriff Fluid werden in der Physik Flüssigkeiten und Gase zusammengefasst. Das Gas kann beispielsweise gewöhnliche Luft sein, welche mittels des Interaktionselements bewegt wird und wodurch entsprechend ein Volumenfluss erzeugt wird. Unter Volumenfluss ist folglich eine Bewegung des Fluids zu verstehen. Dieser Volumenfluss kann bei entsprechender Umsetzung als schwingende Bewegung einen Schalldruckpegel erzeugen, welcher beispielsweise durch das menschliche Gehör wahrnehmbar ist.
Unter Substrat kann beispielsweise ein Silizium-Substrat verstanden werden, welches als Wafer-Substrat genutzt wird. Das Substrat wird entsprechend prozesstechnisch bearbeitet, um das mikrofluidische Interaktionselement daraus herzustellen. So wird eine Ausnehmung in das Substrat prozessiert, welche den Hohlraum mit den entsprechenden Durchbrüchen zwischen Hohlraum und Substrat-Außenseite bildet. Die Ausnehmung definiert wiederum das Interaktionsvolumen des Interaktionselements und wird durch das Substrat von der Umgebung abgegrenzt.
Unter Durchbruch ist eine Öffnung im Substrat zu verstehen, welche jeweils die im Hohlraum gebildeten Teilräume mit der Umgebung des Substrats verbindet.
Insbesondere kann das mikrofluidische Interaktionselement mehrere Verdrängungselemente innerhalb des Hohlraums oder innerhalb von Hohlräumen aufweisen, wobei die Haupterstreckungsebenen der jeweiligen Verdrängungselemente im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Entsprechend können auch mehrere weitere Verdrängungselemente oder entsprechende Mittelwände innerhalb des Hohlraums vorhanden sein, welche mit den jeweiligen Verdrängungselementen über ein Verbindungselement unmittelbar verbunden sind. Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die Mehrzahl an Verdrängungselementen ein größerer Volumenfluss erzeugt werden kann, wodurch der Schalldruckpegel erhöht werden kann. Durch die vertikale Anordnung der Flächenelemente wird hierbei zudem nur ein geringer Bauraum benötigt.
Das Verdrängungselement ist jeweils flächig ausgebildet, vertikal angeordnet und bildet zusammen mit den anderen Verdrängungselementen, den weiteren Verdrängungselementen und dem Hohlraum entsprechende erste und zweite Teilräume innerhalb des Hohlraums. Hierbei ist die im Wesentlichen parallele Ausrichtung der Haupterstreckungsebenen der Verdrängungselemente insbesondere auf den Ruhezustand bezogen. Die Verdrängungselemente dienen hierbei insbesondere aufgrund ihrer Ausgestaltung als fluidische Widerstände.
Insbesondere kann das mikrofluidische Interaktionselement dazu eingerichtet sein, die Wandlerelemente der Verdrängungselemente gleichphasig anzusteuern. Vorteilhaft ist hierbei, dass aufgrund der entsprechenden Ausgestaltung alle vertikal ausgerichteten Verdrängungselemente phasengleich bewegt werden können, was höhere Schallpegel erreichbar macht. Eine solche phasengleiche Ansteuerung kann beispielsweise mittels einer Wechselspannung oder Halbwellenspannung erzielt werden, welche über entsprechende Steuerleitungen an die piezoelektrischen Wandlerelemente angelegt wird.
Des Weiteren kann insbesondere, falls das Verdrängungselement lediglich über eine Stirnseite an einer Wand des Hohlraums verankert ist, der Abstand zwischen dem Verdrängungselement und der Wand des Hohlraums, welche sich gegenüber der Wand befindet, die mit dem Verdrängungselement verbunden ist, kleiner als 20µm sein, insbesondere kleiner als 10µm. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein hoher Fluidwiderstand zwischen den Teilräumen vorhanden ist, wodurch die Fluidleckage aufgrund der notwendigerweise vorhandenen Spalte zwischen dem Verdrängungselement und dem Wandelement verringert werden kann. Dies ermöglicht einen hohen Schalldruckpegel insbesondere bei niedrigen Frequenzen.
Der Abstand ist hierbei als lateraler Abstand zwischen der seitlichen Wand des Hohlraums, welche dem Verbindungspunkt des Verdrängungselements gegenüberliegt, und der Stirnseite des Verdrängungselements zu verstehen. Gleiches kann entsprechend auch für das weitere Verdrängungselement gelten.
Das Verbindungselement verbindet das Verdrängungselement unmittelbar mit einem weiteren Verdrängungselement oder mit einer Wand des Hohlraums. Insbesondere können auch mehrere Verbindungselemente zur unmittelbaren Verbindung von einem Verdrängungselement mit einem weiterem Verdrängungselement bzw. einer Wand des Hohlraums dienen. In diesem Fall können die Verbindungselemente untereinander nochmals unmittelbar über ein Zwischenverbindungselement miteinander verbunden sein. Das Zwischenverbindungselement kann beispielsweise auch einen Teil des Wandlerelements des Verbindungselements aufweisen. Insbesondere kann das Verbindungselement membranartig, sprich mit einer im Vergleich zur Dicke großen Ausdehnung, ausgestaltet sein.
Das Verbindungselement kann mittels des Wandlerelements deformiert werden bzw. kann eine Deformation des Verbindungselements mittels des Wandlerelements erfasst werden. Hierbei bedeutet die Formulierung, dass das Wandlerelement dazu eingerichtet ist, das Verbindungselement zu deformieren bzw. eine Deformation des Verbindungselements zu erfassen, eine passende Ausgestaltung und Anordnung des Wandlerelements voraussetzt. So kann das Wandlerelement in das Verbindungselement integriert sein oder einen Teil davon bilden oder gar das komplette Verbindungselement darstellen. Es wäre jedoch auch denkbar, dass das Wandlerelement am Verbindungselement angeordnet ist, beispielsweise oberhalb oder unterhalb. Insbesondere kann das Wandlerelement bei entsprechender Ausgestaltung zum Beispiel mehrere Einzelwandler zur Kraftübertragung zwischen Wandlerelement und Verbindungselement aufweisen, welche entsprechend zum Verbindungselement verteilt angeordnet sind.
Unter Deformieren ist hierbei ein Verbiegen des Wandlerelements zu verstehen, welches insbesondere reversibel erfolgt und gegebenenfalls sogar elastisch. Insbesondere kann das Verbindungselement mittels der Wandlerelements senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Verbindungselements deformiert werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Wandlerelement derartig angeordnet und ausgestaltet ist, dass das Verbindungselement mittels des Wandlerelements derartig deformierbar ist, dass das Verbindungselement entlang einer Wegstrecke zwischen dem Verdrängungselement und der im Wesentlichen parallel zum Verdrängungselement ausgerichteten Wand des Hohlraums oder dem weiteren Verdrängungselement eine mindestens dreifache Krümmung mit alternierendem Vorzeichen aufweist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass das Verbindungselement effektiv verformt bzw. verbogen wird, um eine möglichst große Bewegung des Verdrängungselements erzielen zu können.
Krümmung bedeutet hierbei eine Biegung des Verbindungselements derartig, dass dieses keine flache Ebene mehr darstellt. Insbesondere ist das Verbindungselement in einer Dimension senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Verbindungselements gekrümmt. Das bedeutet, dass die Krümmungsachse des Verbindungselements parallel zur mittels des Verbindungselements verbundenen Wand des Hohlraums bzw. zum mittels des Verbindungselements verbundenen weiteren Verdrängungselement verläuft. Eine Krümmung mit abwechselnden Vorzeichen bedeutet wiederum, dass das Verbindungselement von der Seite aus betrachtet abwechselnd links- und rechtsgekrümmt ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Haupterstreckungsebene des Verbindungselements im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine Deformation eines solch ausgerichteten Verbindungselements zu einer möglichst großen Auslenkung des Verdrängungselements führen kann, wodurch der Volumenfluss entsprechend vergrößert werden kann.
Insbesondere ist hierbei das Verbindungselement in einem undeformierten Zustand im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbindungselement als Membran oder als Feder ausgestaltet ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass ein solches Verbindungselement besonders einfach deformierbar ist, da es typischerweise eine hohe Flexibilität aufweist.
Eine Membran beschreibt eine dünne Struktur, die im Verhältnis zu ihrer Dicke eine große flächige Ausdehnung hat.
Eine Feder ist ein in der Regel technisches Bauteil, das sich im praktischen Gebrauch ausreichend elastisch verformen lässt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Länge des Verbindungselements kleiner als eine Länge des Verdrängungselements ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass ein verbesserter Volumenstrom erzielt werden kann, da das Fluid um das Verbindungselement herumströmen kann.
Die jeweilige Länge ist hierbei als Maß für die Größe der Wegstrecke des jeweiligen Elements definiert, welche senkrecht zur Bewegungsrichtung des Verdrängungselements und parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats ausgerichtet ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbindungselement korrugiert ausgestaltet ist und/oder Bereiche mit unterschiedlichen Dicken aufweist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine Vergrößerung der Auslenkung des Verbindungselements erzielt werden kann.
Unter korrugiert ist hierbei zu verstehen, dass eine Oberfläche des Verbindungselements eine entsprechende Rauheit bzw. Welligkeit aufweist und nicht glatt ist.
Unter Dicke ist hierbei die Ausdehnung des Verbindungselements senkrecht zu dessen Haupterstreckungsebene zu verstehen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wandlerelement derartig angeordnet und ausgestaltet ist, dass das Verbindungselement mittels des Wandlerelements nur bereichsweise deformierbar ist, und/oder dass das Verbindungselement bereichsweise derartig ausgestaltet ist, dass es mittels des Wandlerelements nicht deformierbar ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass eine erhöhte Auslenkung und vergrößerte Stabilität des Verbindungselements erzielt werden kann.
Das Verbindungselement kann als nicht deformierbar angesehen werden, wenn die mechanische Stabilität in diesem Bereich die maximale Krafteinwirkung durch das Wandlerelement übersteigt und es folglich zu keiner nennenswerten Deformation des Verbindungselements in dem entsprechenden Bereich kommt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verdrängungselement und/oder das weitere Verdrängungselement jeweils an gegenüberliegenden Stirnseiten mit dem Hohlraum verbunden ist, wobei insbesondere die Stirnseiten mit gegenüberliegenden Wänden des Hohlraums verbunden sind.
Vorteilhaft ist hierbei, dass bei einer beidseitigen Verankerung der Verdrängungselemente am Hohlraum in den Bereichen der Verankerung eine Fluidleckage verhindert werden kann, wodurch die akustische Leistungsfähigkeit des Interaktionselements erhöht wird und insbesondere höhere Schalldruckpegel erzielt werden können.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wandlerelement wenigstens ein bimorphes Piezo-Element und/oder ein NED-Wandlerelement aufweist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass diese Wandlerelemente eine hohe Kraftdichte und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen. Hierdurch kann eine Deformation des Verbindungselements mittels des Wandlerelements besonders effektiv erfolgen.
Ein bimorphes Piezo-Wandlerelement weist wenigstens zwei piezoelektrisch aktive Schichten auf, welche entsprechend zur Krafterzeugung genutzt werden. Unter NED (Nanoscopic Electrostatic Drive) ist ein Wandlerelement zu verstehen, welches als ein MEMS-Bauelement ausgestaltet ist, das wiederum als elektrostatischer Biegeaktor ausgestaltet sein kann. Der Biegeaktor kann hierbei balkenförmig oder flächenförmig ausgestaltet sein. Der Aktor besteht aus mindestens zwei zueinander beabstandeten Elektroden, die durch bis zu wenige 10nm dünne Spalte voneinander elektrisch getrennt sind. Durch Anlegen einer Steuerspannung wird ein elektrostatisches Feld zwischen diesen Elektroden erzeugt, woraus große Anziehungskräfte zwischen den Elektroden resultieren. Durch geeignete Geometrien und Topografien der balkenförmigen Elektroden werden diese Kräfte wiederum in laterale Zugkräfte transformiert.
Insbesondere ist es hierbei denkbar, dass das Wandlerelement in das Verbindungselement integriert ist bzw. Teile des Verbindungselements bildet oder gar, dass das Wandlerelement das komplette Verbindungselement bildet. Es wäre jedoch auch denkbar, dass das Wandlerelement am Verbindungselement entsprechend angeordnet ist.
Die elektrische Kontaktierung des Wandlerelements erfolgt dann beispielsweise mittels einer Steuerleitung, welche entsprechenden innerhalb oder auch auf dem Substrat strukturiert oder angeordnet werden kann. Durch Anlegen eines Ansteuersignals kann das Wandlerelemente Druck- bzw. Zugstress erzeugen und das Verbindungselement entsprechend deformieren, wodurch wiederum das Verdrängungselemente lateral in eine erste Bewegungsrichtung ausgelenkt wird. Durch Wegnahme des Ansteuersignals kann das Verbindungselement wieder in seine Ausgansform gebracht werden, wodurch das Verdrängungselement entgegengesetzt wieder in seine Ruhestellung zurückbewegt wird. Dies kann jedoch auch durch Anlegen einer umgekehrten Spannung erzielt beziehungsweise unterstützt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbindungselement mit einem Bereich des Verdrängungselements verbunden ist, wobei der Bereich das obere oder untere Drittel des Verdrängungselements bildet, wobei der Bereich insbesondere die oberen oder unteren 10% des Verdrängungselements bildet.
Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine Verstärkung der fluidischen Interaktion ermöglicht.
Insbesondere ist das Verbindungselement dann entsprechend auch am weiteren Verdrängungselement oder an der Wand des Hohlraums identisch zum Verdrängungselement angebunden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbindungselement in einem undeformierten Zustand eine Wölbung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Verbindungselements aufweist. Vorteilhaft ist hierbei, dass eine Vorspannung innerhalb des Verbindungselements vorhanden sein kann, welche die Deformation des Verbindungselements durch das Wandlerelement vereinfachen kann.
Unter Wölbung ist zu verstehen, dass das Verbindungselement bereits im undeformierten Zustand eine bogenförmige, gekrümmte Form hat, wodurch gegebenenfalls bereits eine innere Vorspannung vorliegt.
Das Verbindungselement befindet sich in hierbei einem undeformierten Zustand, wenn zu diesem Zeitpunkt keine externe Krafteinwirkung auf das Verbindungselement stattfindet, und zwar weder durch einen Fluidstrom noch durch das Wandlerelement. Dieser Zustand kann folglich als Ruhezustand bezeichnet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verdrängungselement oder das weitere Verdrängungselement derartig mit dem Hohlraum verbunden ist, dass das Verdrängungselement während der Bewegung innerhalb eines am Hohlraum angrenzenden Endbereichs einen Krümmungsradius aufweist, welcher größer als der minimale Krümmungsradius außerhalb von diesem Endbereich ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die entsprechende Wahl des Materials des Verdrängungselements, typischerweise Silizium, sowie die entsprechende Ausgestaltung des Verdrängungselements, beispielsweise durch entsprechende Anpassung von Dicke und Breite des Verdrängungselements, der Krümmungsradius im Bereich der Verankerung mit dem Hohlraum groß gehalten werden kann, um die Stabilität des Verdrängungselements in diesem kritischen Bereich zu vergrößern.
Unter Krümmungsradius ist hierbei ein Maß für die eindimensionale Biegung des Verbindungselements zu verstehen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Durchbruch und/oder der zweite Durchbruch jeweils zwischen 10 µm und 200µm breit und mehr als 100µm, insbesondere mehr als 500µm, lang sind. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein geringer Fluidwiderstand zwischen den Teilräumen und der Umgebung des Interaktionselements vorhanden ist, wodurch ein einfacher Volumenfluss des Fluids möglich ist. Dies ist wichtig für die akustische Leistungsfähigkeit des Interaktionselements und ermöglicht wiederum hohe Schalldruckpegel.
Die Breite ist hierbei in Bewegungsrichtung des Verdrängungselements bzw. senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Verdrängungselements in Ruhelage definiert, wohingegen die Länge horizontal quer zur Bewegungsrichtung des Verdrängungselements bzw. horizontal entlang der Haupterstreckungsebene des Verdrängungselements definiert ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der vertikale Abstand zwischen dem Verdrängungselement und dem Boden des Hohlraums und/oder zwischen dem Verdrängungselement und der Decke des Hohlraums kleiner als 5µm ist, insbesondere kleiner als 2µm.
Vorteilhaft ist hierbei, dass ein hoher Fluidwiderstand zwischen den Teilräumen vorhanden ist, wodurch die Fluidleckage aufgrund der notwendigerweise vorhandenen Spalte zwischen Hohlraumdecke bzw. -boden und dem Verdrängungselement verringert werden kann. Dies ermöglicht wiederum einen hohen Schalldruckpegel bei niedrigen Frequenzen. Gleiches kann wiederum auch für das weitere Verdrängungselement gelten.
Die Erfindung betrifft zudem eine akustische Vorrichtung, insbesondere einen Lautsprecher und/oder ein Mikrofon, mit wenigstens einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselement.
Unter Lautsprecher sind Schallwandler zu verstehen, die aus einem elektrischen Eingangssignal Schall erzeugen. Mikrofone wiederum können Schall in elektrische Ausgangssignale umwandeln. Hierbei ist der Schall durch das jeweilige Interaktionselement erzeugbar oder auch erfassbar. Im Falle mehrerer Interaktionselemente in einem MEMS-Bauelement können sich diese hierbei in ihrer lateralen Dimension voneinander unterscheiden und beispielsweise eine Matrixanordnung bilden. Die Ansteuerung oder auch Auswertung der Interaktionselemente kann dann durch gemeinsame oder auch separat ausgebildete Steuerleitungen erfolgen. Insbesondere erfolgt die Ansteuerung hierbei derartig, dass zur Erzeugung eines optimalen Schalldruckpegels insbesondere eine für alle Interaktionselemente phasengleiche Auslenkung der jeweiligen Verdrängungselemente erzielt werden kann.
Zeichnungen

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht.
2 zeigt das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements nach 1 in einer seitlichen Schnittansicht.
3 zeigt eine akustische Vorrichtung mit mehreren erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselementen.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht und in einer seitlichen Schnittansicht.
Dargestellt ist in 1 ein mikrofluidisches Interaktionselement 10 zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines bildlich nicht dargestellten Fluids, welches entlang einer Schnittebene B aufgeschnitten und in Draufsicht dargestellt ist. Die genaue Lage der Schnittebene B ist hierbei in 2 ersichtlich.
In 2 ist wiederum das Interaktionselement 10 aus 1 dargestellt, jedoch diesmal in einem seitlichen Querschnitt, welcher entlang der in 1 dargestellten Schnittebene A erfolgt ist.
Das mikrofluidische Interaktionselement 10 weist ein Substrat 20 mit einem Hohlraum 30 auf.
Innerhalb des Hohlraums 30 sind drei bewegliche Verdrängungselemente 40 mit vertikalen Flächen jeweils unmittelbar mit wenigstens einer Wand 33 des Hohlraums 30 verbunden und derartig angeordnet, dass die Bewegungsrichtung x des jeweiligen Verdrängungselements 40 im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats 20 und senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Verdrängungselements 40 ist. Des Weiteren sind die Haupterstreckungsebenen der jeweiligen Verdrängungselemente 40 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
Der vertikale Abstand h zwischen dem Verdrängungselement 40 und dem Boden 34 des Hohlraums 30 und/oder zwischen dem Verdrängungselement 40 und der Decke 35 des Hohlraums 30 ist hierbei kleiner als 5µm, insbesondere kleiner als 2µm. Die Verdrängungselemente 40 könnten alternativ, beispielsweise auch über ein Federelement mit dem Hohlraum verbunden sein und entsprechend dort aufgehängt sein.
Des Weiteren ist jedes der Verdrängungselemente 40 derartig ausgestaltet und angeordnet, dass durch das Verdrängungselement 40 jeweils ein erster Teilraum 31 und ein zweiter Teilraum 32 innerhalb des Hohlraums 30 gebildet ist.
Zudem weist das mikrofluidische Interaktionselement 10 jeweils einen ersten Durchbruch 51 vom ersten Teilraum 31 zu einer ersten Seite 21 des Substrats 20, hier der Oberseite, und einen zweiten Durchbruch 52 vom zweiten Teilraum 32 zu einer von der ersten Seite 21 verschiedenen, zweiten Seite 22 des Substrats 20, hier der Unterseite, auf. Dies ist insbesondere in 2 nochmals deutlich dargestellt.
Hierbei sind der erste Durchbruch 51 und/oder der zweite Durchbruch 52 jeweils zwischen 10µm und 200µm breit und mehr als 200µm lang, insbesondere mehr als 500µm lang.
Jedes der drei Verdrängungselemente 40, im Folgenden als linkes, mittleres und rechtes Verdrängungselement 40 bezeichnet, bildet gedanklich, im Zusammenspiel mit weiteren Elementen wie beispielsweise Verbindungselementen 60, weiteren Verdrängungselementen 45 oder einer Wand 30 des Hohlraums 30, je einen Teil von unterschiedlichen erfindungsgemäßen Ausgestaltungsmöglichkeiten, welche im Zusammenhang mit dem jeweiligen Verdrängungselement 40 nacheinander beschrieben werden sollen, wobei deren Konzepte und Besonderheiten jedoch prinzipiell beliebig kombinierbar bzw. untereinander austauschbar sind.
Das linke Verdrängungselement 40 ist über ein Verbindungselement 60 unmittelbar mit einem weiteren Verdrängungselement 45 mit weiteren vertikalen Flächen verbunden, wobei die Haupterstreckungsebenen des Verdrängungselements 40 im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene des weiteren Verdrängungselements 45 angeordnet ist. Des Weiteren sind das Verdrängungselement 40 und das weitere Verdrängungselement 45 jeweils an ihren horizontalen Stirnseiten unmittelbar mit entsprechend gegenüberliegenden Wänden 33 des Hohlraums 30 verbunden und entsprechend dort verankert.
Das Verbindungselement 60 ist hierbei derartig angeordnet, dass eine Haupterstreckungsebene des Verbindungselements 60 im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats 20 ist, wobei das Verbindungselement 60 mit einem Bereich des Verdrängungselements 40 verbunden ist, der das obere Drittel des Verdrängungselement 40 bildet, und insbesondere die oberen 10% des Verdrängungselements 40 bildet. Gleiches gilt für die Anordnung des Verbindungselements 60 am weiteren Verdrängungselement 45. Des Weiteren kann das Verbindungselement 60 beispielsweise als Membran oder als Feder ausgestaltet sein. Zudem ist eine Länge 61 des Verbindungselements 60 kleiner als eine Länge 41 des Verdrängungselements 40 und entsprechend auch kleiner als eine Länge des weiteren Verdrängungselements 45.
Das Verbindungselement 60 kann zudem korrugiert ausgestaltet sein und/oder Bereiche mit unterschiedlichen Dicken d aufweisen, was hier jedoch bildlich nicht dargestellt ist.
Das Verbindungselement 60 weist wiederum ein Wandlerelement 65 auf, welches dazu eingerichtet ist, das Verbindungselement 60 derartig zu deformieren, dass hierdurch eine Bewegung des Verdrängungselements 40 entlang der Bewegungsrichtung x relativ zum weiteren Verdrängungselement 45 erfolgt, und/oder eine Deformation des Verbindungselements 60 aufgrund einer Bewegung des Verdrängungselements 40 entlang der Bewegungsrichtung x relativ zum weiteren Verdrängungselement 45 zu erfassen.
Des Weiteren ist das Wandlerelement 65 derartig angeordnet und ausgestaltet, dass das Verbindungselement 60 mittels des Wandlerelements 65 derartig deformierbar ist, dass das Verbindungselement 60 entlang einer Wegstrecke zwischen dem Verdrängungselement 40 und dem im Wesentlichen parallel zum Verdrängungselement 40 ausgerichteten, weiteren Verdrängungselement 45 eine mindestens dreifache Krümmung mit alternierendem Vorzeichen aufweist, was in 2 durch die fein-gestrichelte Linie dargestellt ist. Entsprechend ist dort auch eine Bewegung des Verdrängungselements 40 sowie des weiteren Verdrängungselements 45 entlang der Bewegungsrichtung x aufgrund einer entsprechenden Deformation des Verbindungselements 60 dargestellt.
Das Wandlerelement 65 kann beispielsweise wenigstens ein bimorphes Piezo-Element und/oder ein NED-Wandlerelement aufweisen. Das Wandlerelement 65 bildet in diesem Beispiel das komplette Verbindungselement 60. Es wäre jedoch auch denkbar, dass das Wandlerelement 65 nur Teile des Verbindungselements 60 bildet, vergleiche das Verbindungselement 60 des mittleren Verdrängungselements 40, oder auch dass das Wandlerelement 65 oberhalb und/oder unterhalb am Verbindungselement 60 angeordnet ist, was hier jedoch bildlich nicht dargestellt ist.
Wird beispielsweise das Verdrängungselement 40 und das über das Verbindungselement 60 verbundene, weitere Verdrängungselement 45 während einer ersten Phase durch eine entsprechende Deformation des Verbindungselements 60 aufeinander zu bewegt, wird das Volumen im ersten Teilraum 31 vergrößert und entsprechend das Volumen im dazwischenliegenden zweiten Teilraum 32 komprimiert. Durch den zweiten Durchbruch 52 kann hierbei Fluid aus den verdichteten zweiten Teilräumen 32 in die Umgebung des Interaktionselements 10 ausströmen, während durch den ersten Durchbruch 51 auf der gegenüberliegenden Substratoberfläche, der ersten Seite 21 des Substrats, Fluid aus der Umgebung in die verdünnten ersten Teilräume 31 nachströmt, was wiederum einen Volumenstrom des Fluids von oben nach unten bezogen auf das Substrat 20 erzeugt. Auf diese Weise ergibt sich ein Nettovolumenfluss des Fluids der Umgebung in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats 20. Bewegen sich das Verdrängungselement 40 und das zugehörige weitere Verdrängungselement 45 durch eine gegenteilige Deformation des Verbindungselements 60 entsprechend in die entgegengesetzte Richtung voneinander weg, ergibt sich eine umgekehrte Flussrichtung des Fluids. Mit anderen Worten kann mit dem Interaktionselement 10 eine akustische Schallwelle mit positiver und negativer Druckhalbwelle in einem Fluid erzeugt werden, was durch die entsprechenden Doppelpfeile oberhalb bzw. unterhalb der ersten Durchbrüche 51 bzw. zweiten Durchbrüche 52 in 2 angedeutet ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Interaktionselement 10 dazu eingerichtet sein, einen Volumenfluss des Fluids, der eine entsprechende Bewegung des Verdrängungselements 40 und des weiteren Verdrängungselements 45 und folglich eine Deformation des Verbindungselements 60 bewirkt, mittels des Wandlerelements 65 zu erfassen.
Das mittlere Verdrängungselement 40 ist ebenfalls mit einem weiteren Verdrängungselement 45 verbunden, jedoch im Gegensatz zum linken Verdrängungselement 40 unmittelbar über vier Verbindungselemente 60, wobei zwei davon gemeinsam in einer horizontalen Ebene angeordnet sind, was in 1 zu sehen ist, und wobei je zwei davon vertikal übereinandergestapelt sind, was in 2 zu sehen ist. Hierbei sind die Verbindungselement 60 jeweils mit einem Bereich des Verdrängungselements 40 verbunden, der das obere bzw. das untere Drittel des Verdrängungselements 40 bildet.
Zudem unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel mit dem mittleren Verdrängungselement 40 von dem Ausführungsbeispiel mit dem linken Verdrängungselement 40 dadurch, dass das Verdrängungselement 40 nur an einer Stirnseite mit der Wand 33 des Hohlraums 30 unmittelbar verbunden ist. Entsprechend ist auch das weitere Verdrängungselement 45 nur an einer Stirnseite mit der Wand 33 des Hohlraums 30 unmittelbar verbunden, wobei es hier entsprechend gegenüberliegende Wände 33 sind. Der Abstand zwischen dem Verdrängungselement 40 und der Wand 33 des Hohlraums 30, welche sich gegenüber der Wand 33 befindet, die mit dem Verdrängungselement 40 unmittelbar verbunden ist, ist kleiner als 20µm, insbesondere kleiner als 10µm. Gleiches gilt auch für den horizontalen Abstand zwischen dem weiteren Verdrängungselement 45 und der Wand 33, welche sich gegenüber der Wand 33 befindet, die mit dem weiteren Verdrängungselement 45 unmittelbar verbunden ist.
Des Weiteren ist das Wandlerelement 65 derartig angeordnet und ausgestaltet, dass das Verbindungselement 60 mittels des Wandlerelements 65 nur bereichsweise deformierbar ist. Hierfür ist das Wandlerelement 65 jeweils durch zwei Einzel-Wandler gebildet, welche nur einen Teil des Verbindungselements 60 bilden. Alternativ oder zusätzlich kann das Verbindungselement 60 bereichsweise derartig ausgestaltet sein, dass es mittels des Wandlerelements 65 nicht deformierbar ist, indem die mechanische Stabilität in diesem Bereich die maximale Krafteinwirkung durch das Wandlerelement 65 übersteigt.
Zudem können bei einer unmittelbaren Verbindung des Verdrängungselements 40 mit dem weiteren Verdrängungselements 45 über mehrere Verbindungselementen 65 die Verbindungselemente 65 nochmals unmittelbar über ein Zwischenverbindungselement 66 miteinander verbunden sein.
Das Ausführungsbeispiel mit dem rechten Verdrängungselement 40 unterscheidet sich wiederum von dem Ausführungsbeispiel mit dem linken Verdrängungselement 40 und dem Ausführungsbeispiel mit dem mittleren Verdrängungselement 40 dadurch, dass das rechte Verdrängungselement 40 über das Verbindungselement 60 unmittelbar mit einer im Wesentlichen parallel zum Verdrängungselement 40 ausgerichteten Wand 33 des Hohlraums 30 verbunden ist. Die vertikale Ausrichtung des Verbindungselements 60 gegenüber dem Verdrängungselement 40 ist hierbei in etwa mittig ausgestaltet. In einem bildlich nicht dargestellten Beispiel könnte die Wand 33 auch als feste Zwischenwand des Hohlraums 30 ausgestaltet sein, was jedoch prinzipiell mit mehreren nebeneinander angeordneten Hohlräumen 30 gleichzusetzen wäre.
Des Weiteren weist das Verbindungselement 60 in einem undeformierten Zustand eine Wölbung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Verbindungselements 60 auf.
Zudem ist das Wandlerelement 65 dazu eingerichtet, das Verbindungselement 60 derartig zu deformieren, dass hierdurch eine Bewegung des Verdrängungselement 40 entlang der Bewegungsrichtung x relativ zur Wand 33 des Hohlraums 30 erfolgt, und/oder eine Deformation des Verbindungselements 60 aufgrund einer Bewegung des Verdrängungselements 40 entlang der Bewegungsrichtung x relativ zur Wand 33 zu erfassen.
Wird das rechte Verdrängungselement 40 beispielsweise durch Deformation des Verbindungselements 60 mittels des Wandlerelements 60 nach rechts auf die Wand 33 zu bewegt, wird das Volumen im zugehörigen ersten Teilraum 31 vergrößert und entsprechend das Volumen im zugehörigen zweiten Teilraum 32 komprimiert. Durch den zweiten Durchbruch 52 kann hierbei wiederum Fluid aus dem verdichteten zweiten Teilraum 32 in die Umgebung des Interaktionselements 10 ausströmen, während durch den ersten Durchbruch 51 auf der gegenüberliegenden Substratoberfläche Fluid aus der Umgebung in den verdünnten ersten Teilraum 31 nachströmt. Auf diese Weise ergibt sich ein Nettovolumenfluss des Fluids der Umgebung in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats 20, hier von oben nach unten. Bewegt sich das Verdrängungselement 40 in die entgegengesetzte Richtung und somit von der Wand 33 weg, ergibt sich eine umgekehrte Flussrichtung des Fluids. Mit anderen Worten kann mit dem Interaktionselement 10 eine akustische Schallwelle mit positiver und negativer Druckhalbwelle in einem Fluid erzeugt werden. Ebenso kann wiederum zusätzlich oder alternativ eine entsprechende Bewegung des Verdrängungselements 40, verursacht durch einen Volumenstrom eines Fluids, welcher eine Deformation des Verbindungselements 60 bewirkt, mittels des Wandlerelements 65 erfasst werden. Die Ansteuerung bzw. Auswertung des Wandlerelements 65 kann wiederum beispielsweise mittels bildlich nicht dargestellter Steuerleitungen erfolgen.
Für alle Ausführungsmöglichkeiten gilt, dass die Verdrängungselemente 40 oder die weiteren Verdrängungselemente 45 derartig ausgestaltet und mit dem Hohlraum 30 verbunden sein können, dass das jeweilige Verdrängungselement 40 oder das weitere Verdrängungselement 45 während der Bewegung innerhalb eines am Hohlraum 30 angrenzenden Endbereichs einen Krümmungsradius aufweist, welcher größer als der minimale Krümmungsradius außerhalb von diesem Endbereich ist.
Das mikrofluidische Interaktionselement 10 kann dazu eingerichtet sein, mehrere oder bevorzugt alle Wandlerelemente 65 gleichphasig anzusteuern, um diese als Aktorelemente zu nutzen. Hierfür können entsprechende Steuerleitungen dienen, mittels welcher die Wandlerelemente 65 ansteuerbar sind. Zusätzlich oder alternativ kann das mikrofluidische Interaktionselement 10 dazu eingerichtet sein, die Wandlerelemente 60 in Ihrem Wirkprinzip umzukehren und entsprechend die Bewegung der Verdrängungselemente 40, welche eine Deformation des Verbindungselements 60 bewirkt, mittels der Wandlerelemente 65 als Sensorelemente über die Steuerleitungen zu messen, um folglich den vorhandenen Volumenstrom des Fluids zu erfassen.
3 zeigt eine akustische Vorrichtung mit mehreren erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselementen.
Dargestellt ist eine akustische Vorrichtung 100, welche beispielsweise als Lautsprecher oder als Mikrofon ausgestaltet sein kann. Die akustische Vorrichtung 100 weist mehrere mikrofluidische Interaktionselemente 10 auf, welche in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind. Die Interaktionselemente 10 können hierbei entsprechende Ausführungsformen mit jeweils wenigstens einem Verdrängungselementen 40 und einem entsprechenden Verbindungselement 60 in beliebiger Kombination und/oder Anzahl aufweisen, wie diese in 1 und 2 exemplarisch dargestellt sind. Mittels dieser mikrofluidischen Interaktionselemente 10 kann die akustische Vorrichtung 100 entsprechende Schalldruckpegel generieren oder auch erfassen. Die Interaktionselemente 10 können sich hierbei in ihrer lateralen Dimension voneinander unterscheiden und beispielsweise eine Matrixanordnung bilden. Die Ansteuerung oder Auswertung der Interaktionselemente 10 kann dann durch gemeinsame oder auch separat ausgebildete, bildlich nicht dargestellte Steuerleitungen erfolgen.

Claims

Mikrofluidisches Interaktionselement (10) zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids, wobei das mikrofluidische Interaktionselement (10) ein Substrat (20) mit wenigstens einem Hohlraum (30) aufweist, wobei innerhalb des Hohlraums (30) wenigstens ein bewegliches Verdrängungselement (40) mit vertikalen Flächen insbesondere unmittelbar mit dem Hohlraum (30) verbunden und derartig angeordnet ist, dass die Bewegungsrichtung (x) des Verdrängungselements (40) im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats (20) und senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Verdrängungselements (40) ist, wobei das Verdrängungselement (40) derartig ausgestaltet und angeordnet ist, dass durch das Verdrängungselement (40) jeweils ein erster Teilraum (31) und ein zweiter (32)Teilraum innerhalb des Hohlraums (30) gebildet ist, wobei das mikrofluidische Interaktionselement (10) wenigstens jeweils einen ersten Durchbruch (51) vom ersten Teilraum (31) zu einer ersten Seite (21) des Substrats (20) und einen zweiten Durchbruch (52) vom zweiten Teilraum (32) zu einer von der ersten Seite (21) verschiedenen, zweiten Seite (22) des Substrats (20) aufweist, und wobei das mikrofluidische Interaktionselement (10) wenigstens ein mechanisches Verbindungselement (60) mit wenigstens einem Wandlerelement (65) aufweist, wobei das Verbindungselement (60) das Verdrängungselement (40) mit einer im Wesentlichen parallel zum Verdrängungselement (40) ausgerichteten Wand (33) des Hohlraums (30) oder einem im Wesentlichen parallel zum Verdrängungselement (40) ausgerichteten, weiteren Verdrängungselement (45) mit weiteren vertikalen Flächen unmittelbar verbindet, und wobei das Wandlerelement (65) dazu eingerichtet ist, das Verbindungselement (60) derartig zu deformieren, dass hierdurch eine Bewegung des Verdrängungselement (40) entlang der Bewegungsrichtung (x) relativ zur Wand (33) oder zum weiteren Verdrängungselement (45) erfolgt, und/oder eine Deformation des Verbindungselements (60) aufgrund einer Bewegung des Verdrängungselements (40) entlang der Bewegungsrichtung (x) relativ zur Wand (33) oder zum weiteren Verdrängungselement (45) zu erfassen.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (65) derartig angeordnet und ausgestaltet ist, dass das Verbindungselement (60) mittels des Wandlerelements (65) derartig deformierbar ist, dass das Verbindungselement (60) entlang einer Wegstrecke zwischen dem Verdrängungselement (40) und der im Wesentlichen parallel zum Verdrängungselement (40) ausgerichteten Wand (33) des Hohlraums (30) oder dem weiteren Verdrängungselement (45) eine mindestens dreifache Krümmung mit alternierendem Vorzeichen aufweist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haupterstreckungsebene des Verbindungselements (60) im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats (20) ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (60) als Membran oder als Feder ausgestaltet ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (61) des Verbindungselements (60) kleiner als eine Länge (41) des Verdrängungselements (40) ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (60) korrugiert ausgestaltet ist und/oder Bereiche mit unterschiedlichen Dicken (d) aufweist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (65) derartig angeordnet und ausgestaltet ist, dass das Verbindungselement (60) mittels des Wandlerelements (65) nur bereichsweise deformierbar ist, und/oder dass das Verbindungselement (60) bereichsweise derartig ausgestaltet ist, dass es mittels des Wandlerelements (65) nicht deformierbar ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement (40) und/oder das weitere Verdrängungselement (45) jeweils an gegenüberliegenden Stirnseiten mit dem Hohlraum (30) verbunden ist, wobei insbesondere die Stirnseiten mit gegenüberliegenden Wänden (33) des Hohlraums (30) verbunden sind.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (65) wenigstens ein bimorphes Piezo-Element und/oder ein NED-Wandlerelement aufweist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (60) mit einem Bereich des Verdrängungselements (40) verbunden ist, wobei der Bereich das obere oder untere Drittel des Verdrängungselements (40) bildet, wobei der Bereich insbesondere die oberen oder unteren 10% des Verdrängungselements (40) bildet.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (60) in einem undeformierten Zustand eine Wölbung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Verbindungselements (60) aufweist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement (40) oder das weitere Verdrängungselement (45) derartig ausgestaltet und mit dem Hohlraum (30) verbunden ist, dass das Verdrängungselement (40) oder das weitere Verdrängungselement (45) während der Bewegung innerhalb eines am Hohlraum (30) angrenzenden Endbereichs einen Krümmungsradius aufweist, welcher größer als der minimale Krümmungsradius außerhalb von diesem Endbereich ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Durchbruch (51) und/oder der zweite Durchbruch (52) jeweils zwischen 10µm und 200µm breit und mehr als 100µm, insbesondere mehr als 500µm, lang sind.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Abstand (h) zwischen dem Verdrängungselement (40) und dem Boden (34) des Hohlraums (30) und/oder zwischen dem Verdrängungselement (40) und der Decke (35) des Hohlraums (30) kleiner als 5µm ist, insbesondere kleiner als 2µm.
Akustische Vorrichtung (100), insbesondere Lautsprecher und/oder Mikrofon, mit wenigstens einem mikrofluidischen Interaktionselement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.