DE102022209186A1

DE102022209186A1 - Microfluidic interaction element for generating and/or detecting a volume flow of a fluid and an acoustic device with such a microfluidic interaction element

Info

Publication number: DE102022209186A1
Application number: DE102022209186.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schelling
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 (110, 210, 310, 410) zur Erzeugung eines Volumenstroms eines Fluids, wobei das mikrofluidische Interaktionselement (110, 210, 310, 410) ein Substrat (20) mit wenigstens einem Hohlraum (30) aufweist, wobei innerhalb des Hohlraums (30) wenigstens ein bewegliches Verdrängungselement (40) mit einem vertikalen Flächenelement (41) mit einer Wand (31) des Hohlraums (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 Flächenelements (41) ist, wobei das Verdrängungselement (40) derartig ausgestaltet und angeordnet ist, dass durch das Flächenelement (41) jeweils ein erster Teilraum (44) und ein zweiter Teilraum (46) innerhalb des Hohlraums (30) gebildet ist, wobei das mikrofluidische Interaktionselement (110, 210, 310, 410) jeweils einen ersten Durchbruch (54) vom ersten Teilraum (44) zu einer Unterseite (24) des Substrats (20) und einen zweiten Durchbruch (56) vom zweiten Teilraum (46) zu einer Oberseite (26) des Substrats (20) aufweist, und wobei das Verdrängungselement (40) ein piezoelektrisches Wandlerelement (48) aufweist, welches dazu eingerichtet ist, das Verdrängungselement (40) entlang der Bewegungsrichtung (x) zu bewegen.Zudem betrifft die Erfindung eine akustische Vorrichtung (500) mit wenigstens einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselement (110, 210, 310, 410).The invention relates to a microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) for generating a volume flow of a fluid, wherein the microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) has a substrate (20) with at least one cavity (30), wherein within the cavity (30) at least one movable displacement element (40) with a vertical surface element (41) is connected to a wall (31) of the cavity (30) and is arranged such that the direction of movement (x) of the displacement element (40) is essentially is parallel to a main extension plane of the substrate (20) and perpendicular to a main extension plane of the surface element (41), the displacement element (40) being designed and arranged in such a way that a first subspace (44) and a second subspace pass through the surface element (41). Subspace (46) is formed within the cavity (30), wherein the microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) each has a first opening (54) from the first subspace (44) to an underside (24) of the substrate (20). and has a second opening (56) from the second subspace (46) to an upper side (26) of the substrate (20), and wherein the displacement element (40) has a piezoelectric transducer element (48) which is designed to drive the displacement element (40 ) along the direction of movement (x).The invention also relates to an acoustic device (500) with at least one microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) according to the invention.

Description

Stand der TechnikState of the art

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.The invention relates to a microfluidic interaction element for generating and/or detecting a volume flow of a fluid, which can be used in particular in a loudspeaker or a microphone.

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.MEMS speakers and MEMS microphones have significant advantages over conventional electrodynamic speakers or microphones, e.g. B. in terms of lower latency, lower energy consumption, smaller size or the basic soldering capability. On the other hand, conventional loudspeakers currently still have deficiencies in terms of achievable sound levels. To achieve high sound levels, a correspondingly large volume of air must be displaced. The displaced volume can be maximized either by larger deflections of a moving displacement element, such as a membrane or a bending beam, and/or by increasing the area of the displacement element. Larger deflections are difficult to achieve for micromechanical components, on the one hand because of the lack of resilience of the materials/structures and, on the other hand, because of low force generation densities. Although increasing the horizontal surface of the displacement element is easier to implement, it is counterproductive in terms of component size and costs.

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.Another disadvantage is that the bending beams used for actuation often have a slight variation due to manufacturing tolerances, so that they do not move in phase, which reduces the achievable sound levels.

Die genannten Probleme sollen durch die Erfindung gelöst werden.The problems mentioned are intended to be solved by the invention.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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 einem vertikalen Flächenelement mit einer Wand des Hohlraums verbunden und derartig angeordnet ist, dass die Bewegungsrichtung des Verdrängungselements im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats und senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Flächenelements ist, wobei das Verdrängungselement derartig ausgestaltet und angeordnet ist, dass durch das Flächenelement jeweils ein erster Teilraum und ein zweiter Teilraum innerhalb des Hohlraums gebildet ist, wobei das mikrofluidische Interaktionselement jeweils einen ersten Durchbruch vom ersten Teilraum zu einer Unterseite des Substrats und einen zweiten Durchbruch vom zweiten Teilraum zu einer Oberseite des Substrats aufweist, und wobei das Verdrängungselement ein piezoelektrisches Wandlerelement aufweist, welches dazu eingerichtet ist, das Verdrängungselement entlang der Bewegungsrichtung zu bewegen und/oder eine Bewegung des Verdrängungselements entlang der Bewegungsrichtung zu erfassen.The invention relates to a microfluidic interaction element for generating and/or detecting a volume flow of a fluid, wherein the microfluidic interaction element has a substrate with at least one cavity, wherein within the cavity at least one movable displacement element with a vertical surface element is connected to a wall of the cavity and arranged in such a way is that the direction of movement of the displacement element is essentially parallel to a main extension plane of the substrate and perpendicular to a main extension plane of the surface element, wherein the displacement element is designed and arranged such that a first subspace and a second subspace within the cavity are formed by the surface element , wherein the microfluidic interaction element each has a first breakthrough from the first subspace to an underside of the substrate and a second breakthrough from the second subspace to an upper side of the substrate, and wherein the displacement element has a piezoelectric transducer element which is designed to move the displacement element along the direction of movement to move and/or to detect a movement of the displacement element along the direction of movement.

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 Wandlerelement 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 Flächenelements 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.The advantage here is that the microfluidic interaction element enables a very high conversion efficiency from electrical to acoustic energy in order to achieve correspondingly high sound pressure levels in that the displacement element can be set in motion by a transducer element. Further advantages are that the interaction element can be soldered because no magnet is integrated, has a low latency due to its low mass and can also be built very small. In addition, the interaction element is very robust and the vertical orientation of the surface element of the displacement element in interaction with the corresponding subspaces can also increase the displaced volume per area, which in turn can be equated to an increased sound pressure level per area.

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.The microfluidic interaction element can be designed, for example, as a so-called MEMS element. A MEMS element is a micro-electromechanical system that combines or integrates electronic and mechanical components in a very small space.

Das Verdrängungselement weist ein Flächenelement auf, wobei dieses entsprechend flächig ausgebildet, bezogen auf das Substrat vertikal angeordnet und zusammen mit den Hohlraumwänden im Substrat einen entsprechenden ersten und zweiten Teilraum innerhalb des Hohlraums bildet. Das Flächenelement dient zudem als fluidischer Widerstandsteil des Verdrängungselements und kann beispielsweise als eine Art Finne ausgestaltet sein. Hierbei sind die Höhe und die Länge des Flächenelements wesentlich größer als dessen Breite.The displacement element has a surface element, which is correspondingly flat, arranged vertically with respect to the substrate and, together with the cavity walls in the substrate, forms a corresponding first and second subspace within the cavity. The surface element also serves as a fluidic resistance part of the displacement element and can be designed, for example, as a type of fin. The height and length of the surface element are significantly larger than its width.

Durch eine horizontale Bewegung des Verdrängungselements und insbesondere dessen Flächenelements wird ein im Hohlraum durch das Verdrängungselemente 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 der gegenüberliegenden Substratoberfläche Fluid aus der Umgebung in das verdünnte Teilvolumen nachströmt. Auf diese Weise ergibt sich 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.Through a horizontal movement of the displacement element and in particular its surface element, a partial volume formed in the cavity by the displacement element is compressed, in that the corresponding partial space is reduced by the movement of the displacement element, while at the same time the other through the Partial volume formed by displacement elements is diluted, since the partial space is enlarged there by the movement of the displacement element. Fluid can flow out of the compressed partial volume into the environment through a fluid opening on a substrate surface, while fluid from the environment flows into the diluted partial volume through a further fluid opening on the opposite substrate surface. This results in a net volume flow of the ambient fluid in a direction perpendicular to the main plane of extension of the substrate. If the displacement element moves in the opposite direction, the flow direction of the fluid is reversed. In other words, the interaction element can be used to generate an acoustic sound wave with positive and negative pressure half-waves in a fluid in the environment.

Ebenso ist es jedoch denkbar, dass eine Bewegung der Verdrängungselemente aufgrund eines Volumenflusses mittels der Wandlerelemente erfassbar ist und folglich der Volumenfluss des Fluids durch das Interaktionselement erfasst werden kann.However, it is also conceivable that a movement of the displacement elements due to a volume flow can be detected by means of the transducer elements and consequently the volume flow of the fluid can be detected by the interaction element.

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.In physics, the term fluid refers to liquids and gases. The gas can, for example, be ordinary air, which is moved by means of the interaction element and whereby a volume flow is correspondingly generated. Volume flow therefore means a movement of the fluid. If implemented appropriately, this volume flow can generate a sound pressure level as an oscillating movement, which can be perceived by the human ear, for example.

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.The term substrate can be understood to mean, for example, a silicon substrate which is used as a wafer substrate. The substrate is processed accordingly in order to produce the microfluidic interaction element from it. A recess is thus processed in the substrate, which forms the cavity with the corresponding openings between the cavity and the outside of the substrate. The recess in turn defines the interaction volume of the interaction element and is delimited from the environment by the substrate.

Unter Durchbruch ist eine Öffnung im Substrat zu verstehen, welche jeweils die im Hohlraum gebildeten Teilräume mit der Umgebung des Substrats verbindet.A breakthrough is understood to mean an opening in the substrate, which connects the partial spaces formed in the cavity with the surroundings of the substrate.

Das piezoelektrische Wandlerelement kann als Aktorelement ausgestaltet sein und entsprechend als Antrieb für das Verdrängungselement dienen, wobei eine Anordnung des Wandlerelements unmittelbar am Verdrängungselement selbst sinnvoll ist, um eine direkte Kraftübertragung von Wandlerelement auf das restliche Verdrängungselement und insbesondere auf das Flächenelement bewirken zu können. 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 können die Wandlerelemente Zugstress erzeugen und die Verdrängungselemente lateral in eine erste Bewegungsrichtung auslenken. Durch Wegnahme des Ansteuersignals kann das Verdrängungselement entgegengesetzt wieder in seine Ruhestellung zurückbewegt werden. Geschieht dies dynamisch, sorgt sein Trägheitsmoment darüber hinaus dafür, dass es beim Zurückschwingen über die Ruhestellung hinaus schwingt. Dies kann jedoch auch durch Anlegen einer umgekehrten Spannung erzielt beziehungsweise unterstützt werden.The piezoelectric transducer element can be designed as an actuator element and accordingly serve as a drive for the displacement element, with an arrangement of the transducer element directly on the displacement element itself making sense in order to be able to effect a direct force transmission from the transducer element to the remaining displacement element and in particular to the surface element. The electrical contacting of the transducer element is then carried out, for example, by means of a control line, which can be structured or arranged accordingly within or on the substrate. By applying a control signal, the transducer elements can generate tensile stress and deflect the displacement elements laterally in a first direction of movement. By removing the control signal, the displacement element can be moved back into its rest position in the opposite direction. If this happens dynamically, its moment of inertia also ensures that it swings beyond its rest position when it swings back. However, this can also be achieved or supported by applying a reverse voltage.

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.In principle, it is also conceivable that an externally excited volume flow of the fluid as an external sound pressure level sets the interaction element or, more precisely, the displacement element in motion. This can then be detected using the reverse actuator principle through the converter element as a sensor element. A volume flow of a fluid can therefore also be detected using the interaction element.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das mikrofluidische Interaktionselement mehrere Verdrängungselemente innerhalb des Hohlraums oder innerhalb von Hohlräumen aufweist, wobei die Haupterstreckungsebenen der jeweiligen Flächenelemente im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und wobei insbesondere die Verdrängungselemente wechselseitig mit sich gegenüberliegenden Wänden des Hohlraums und/oder der Hohlräume verbunden sind.One embodiment of the invention provides that the microfluidic interaction element has a plurality of displacement elements within the cavity or within cavities, the main extension planes of the respective surface elements being arranged essentially parallel to one another, and in particular the displacement elements being mutually opposite walls of the cavity and/or the cavities are connected.

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.The advantage here is that a larger volume flow can be generated by the plurality of displacement elements, whereby the sound pressure level can be increased. Due to the vertical arrangement of the surface elements, only a small amount of installation space is required.

Die Flächenelemente sind entsprechend flächig ausgebildet, vertikal angeordnet und bilden zusammen mit den anderen Flächenelementen und dem Hohlraum entsprechende erste und zweite Teilräume innerhalb des Hohlraums. Hierbei ist die im Wesentlichen parallele Ausrichtung der Haupterstreckungsebenen der Flächenelemente insbesondere auf den Ruhezustand bezogen.The surface elements are correspondingly flat, arranged vertically and, together with the other surface elements and the cavity, form corresponding first and second partial spaces within the cavity. Here, the essentially parallel alignment of the main extension planes of the surface elements is particularly related to the rest state.

Unter wechselseitig angeordnet ist zu verstehen, dass eine alternierende Anordnung der Verdrängungselemente entlang der Bewegungsrichtung vorliegt, beispielsweise indem ein erstes Verdrängungselement mit einer Seitenwand des Hohlraums verbunden ist, ein nächstes Verdrängungselement dann mit einer dieser Seitenwand gegenüberliegenden Seitenwand des Hohlraums verbunden ist und das darauffolgende Verdrängungselement wiederum mit der gleichen Seitenwand wie das erste Verdrängungselement verbunden ist.By alternately arranged is meant that an alternating arrangement of the ver displacement elements are present along the direction of movement, for example in that a first displacement element is connected to a side wall of the cavity, a next displacement element is then connected to a side wall of the cavity opposite this side wall and the subsequent displacement element is in turn connected to the same side wall as the first displacement element.

Durch eine Bewegung der Verdrängungselements lässt sich dann beispielsweise in den entsprechend ersten Teilräumen ein Unterdruck und gleichzeitig in den zweiten Teilräumen ein Überdruck generieren.By moving the displacement element, a negative pressure can then be generated, for example, in the corresponding first subspaces and at the same time an overpressure in the second subspaces.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das mikrofluidische Interaktionselement dazu eingerichtet ist, die Wandlerelemente der Verdrängungselemente gleichphasig anzusteuern.One embodiment of the invention provides that the microfluidic interaction element is set up to control the transducer elements of the displacement elements in phase.

Vorteilhaft ist hierbei, dass aufgrund der entsprechenden Ausgestaltung alle vertikalen Flächenelemente der Verdrängungselemente phasengleich bewegt werden können, was höhere Schallpegel erreichbar macht.The advantage here is that due to the corresponding design, all vertical surface elements of the displacement elements can be moved in phase, which makes higher sound levels achievable.

Eine solche phasengleiche Ansteuerung kann beispielsweise mittels einer Wechselspannung oder Halbwellenspannung erzielt werden, welche über entsprechende Steuerleitungen an die piezoelektrischen Wandlerelemente angelegt wird.Such an in-phase control can be achieved, for example, by means of an alternating voltage or half-wave voltage, which is applied to the piezoelectric transducer elements via appropriate control lines.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Verdrängungselement jeweils derartig ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Bewegungsrichtung des Verdrängungselements azimutal um einen Verbindungspunkt zwischen Verdrängungselement und Wand des Hohlraums ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass aufgrund des piezoelektrischen Antriebs eine solche Bewegungsform einfach umsetzbar ist.A further embodiment of the invention provides that the displacement element is designed and arranged in such a way that the direction of movement of the displacement element is azimuthal about a connection point between the displacement element and the wall of the cavity. The advantage here is that such a form of movement can be easily implemented due to the piezoelectric drive.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hohlraum derartig ausgestaltet ist, dass sich der Hohlraum ausgehend vom Verbindungspunkt zur gegenüberliegenden Wand des Hohlraums hin aufweitet, wobei insbesondere der Hohlraum parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats ein gleichschenkliges Trapez bildet, dessen Basis dem Verbindungspunkt zwischen Verdrängungselement und Wand des Hohlraums gegenüberliegt.According to one embodiment of the invention, it is provided that the cavity is designed in such a way that the cavity widens starting from the connection point to the opposite wall of the cavity, in particular the cavity forming an isosceles trapezoid parallel to the main extension plane of the substrate, the base of which corresponds to the connection point between the displacement element and wall of the cavity is opposite.

Vorteilhaft ist hierbei, dass das Volumen des Hohlraums optimal zur Erzeugung des Volumenstroms genutzt werden kann, indem die Form des Hohlraums an die Bewegung des Verdrängungselements angepasst ist.The advantage here is that the volume of the cavity can be optimally used to generate the volume flow by adapting the shape of the cavity to the movement of the displacement element.

Der Hohlraum bildet hierbei in Draufsicht mittels seiner Wände beispielsweise ein Trapez, wobei unter Basis, die längere Grundseite des Trapezes verstanden wird. Als dreidimensionale Ausgestaltung ergibt sich entsprechend ein Trapezprisma. Der Hohlraum könnte beispielsweise jedoch auch wie ein Kreisausschnitt geformt sein oder in seiner dreidimensionalen Ausgestaltung einen Pyramidenstumpf darstellen.In plan view, the cavity forms, for example, a trapezoid by means of its walls, whereby base is understood to mean the longer base side of the trapezoid. The three-dimensional design is a trapezoidal prism. However, the cavity could, for example, also be shaped like a circular section or, in its three-dimensional configuration, represent a truncated pyramid.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verdrängungselement jeweils einen Biegebalken aufweist, an welchem das vertikale Flächenelement des Verdrängungselements angeordnet ist und welcher mit der Wand des Hohlraums und/oder mit einer Decke des Hohlraums und/oder mit einem Boden des Hohlraums verbunden ist.According to a further embodiment of the invention it is provided that the displacement element each has a bending beam on which the vertical surface element of the displacement element is arranged and which is connected to the wall of the cavity and/or to a ceiling of the cavity and/or to a floor of the cavity is.

Vorteilhaft ist hierbei, dass mittels des Biegebalkens eine Bewegung des Flächenelements erzielt werden kann. Insbesondere kann hierbei der Biegebalken stabiler als das Flächenelement ausgestaltet sein, wodurch die Kraftübertragung von Wandlerelement auf den Biegebalken und dann vom Biegebalken auf das Flächenelement optimal ausgestaltet ist.The advantage here is that a movement of the surface element can be achieved by means of the bending beam. In particular, the bending beam can be designed to be more stable than the surface element, whereby the force transmission from the converter element to the bending beam and then from the bending beam to the surface element is optimally designed.

Der Biegebalken weist hierbei typischerweise einen rechteckigen, insbesondere quadratischen, Querschnitt auf, wobei dessen Länge um ein Vielfaches größer als seine Breite bzw. Höhe ist.The bending beam typically has a rectangular, in particular square, cross-section, with its length being many times greater than its width or height.

Insbesondere sind hierbei Flächenelement und Biegebalken vertikal gestapelt und in lateraler Richtung überlappend angeordnet. Das Wandlerelement kann dann wiederum ebenfalls vertikal gestapelt und in lateraler Richtung überlappend bezogen auf den Biegebalken angeordnet sein oder auch seitlich am Biegebalken angeordnet sein.In particular, the surface element and bending beam are stacked vertically and arranged to overlap in the lateral direction. The transducer element can then also be stacked vertically and overlapping in the lateral direction with respect to the bending beam or can also be arranged laterally on the bending beam.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wandlerelement jeweils längs an einer Kante des Biegebalkens angeordnet ist, insbesondere im Wesentlichen vollständig entlang der Kante und/oder außerhalb einer vertikalen Längssymmetrieachsenebene des Biegebalkens und/oder seitlich oder oberhalb des Biegebalkens.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the transducer element is arranged longitudinally on an edge of the bending beam, in particular essentially completely along the edge and/or outside a vertical longitudinal symmetry axis plane of the bending beam and/or laterally or above the bending beam.

Vorteilhaft ist hierbei, dass die Anordnung des Wandlerelements an der Kante des Biegebalkens eine sehr gute Verbiegung des Biegebalkens ermöglicht, wodurch ein entsprechender Volumenfluss des Fluids erzeugbar ist. Insbesondere bei einem im Wesentlichen vollständig entlang der Kante angeordneten Wandlerelement kann diese Verbiegung maximiert werden. Unter der Anordnung oberhalb des Biegebalkens ist zu verstehen, dass das Wandlerelement vertikal zum Biegebalken gestapelt und in lateraler Richtung den Biegebalken überlappend angeordnet ist.The advantage here is that the arrangement of the transducer element on the edge of the bending beam enables very good bending of the bending beam, whereby a corresponding volume flow of the fluid can be generated. In particular, with a transducer element arranged essentially completely along the edge, this deflection can be maximized. The arrangement above the bending beam means that the transducer element is stacked vertically to the bending beam and is arranged to overlap the bending beam in the lateral direction.

Bei mehreren Verdrängungselementen sind die jeweiligen Wandlerelemente insbesondere auf sich aufeinander zugerichteten Kanten der benachbarten Biegebalken angeordnet, wodurch bei einer gleichmäßigen Ansteuerung aller Wandlerelemente eine phasengleiche Bewegung aller vertikalen Flächenelemente erzielt werden kann, um wiederum die Erzeugung des Schalldruckpegels zu optimieren.If there are several displacement elements, the respective transducer elements are arranged in particular on edges of the adjacent bending beams that face one another, whereby with uniform control of all transducer elements, an in-phase movement of all vertical surface elements can be achieved in order to in turn optimize the generation of the sound pressure level.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verdrängungselement jeweils ein weiteres Wandlerelement aufweist, welches entlang der dem Wandlerelement gegenüberliegenden Kante des Biegebalkens angeordnet ist, wobei das mikrofluidisches Interaktionselement dazu eingerichtet ist, das Wandlerelement und das weitere Wandlerelement gegenphasig anzusteuern.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the displacement element each has a further transducer element, which is arranged along the edge of the bending beam opposite the transducer element, wherein the microfluidic interaction element is set up to control the transducer element and the further transducer element in anti-phase.

Vorteilhaft ist hierbei, dass der Biegebalken aktiv in beide Richtungen ausgelenkt werden kann und nicht allein von der Rückstellkraft der mechanischen Feder abhängt. Entsprechend kann die für die Erzeugung des Volumenstroms durch die Bewegung des Flächenelements notwendige Kraft erhöht werden. Somit kann entsprechend ein höherer Schalldruckpegel erzeugt werden.The advantage here is that the bending beam can be actively deflected in both directions and does not depend solely on the restoring force of the mechanical spring. Accordingly, the force required to generate the volume flow through the movement of the surface element can be increased. This means that a higher sound pressure level can be generated.

Das Wandlerelement und das weitere Wandlerelement sind hierbei jeweils außerhalb einer vertikalen Längssymmetrieachsenebene des Biegebalkens angeordnet.The transducer element and the further transducer element are each arranged outside a vertical longitudinal symmetry axis plane of the bending beam.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wandlerelement bimorph ausgestaltet und derartig angeordnet ist, dass das Wandlerelement wenigstens zwei Verdrängungselemente miteinander verbindet. Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine weitere einfache Möglichkeit darstellt, zwei benachbarte Biegebalken aufeinander zu bzw. voneinander wegzubewegen, um die entsprechenden Unter- und Überdrücke innerhalb der jeweiligen Teilräume zu generieren.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the converter element is designed to be bimorphous and is arranged in such a way that the converter element connects at least two displacement elements to one another. The advantage here is that this represents another simple way to move two adjacent bending beams towards or away from each other in order to generate the corresponding negative and positive pressures within the respective subspaces.

Ein bimorphes Wandlerelement weist wenigstens zwei piezoelektrisch aktive Schichten auf, welche entsprechend zur Krafterzeugung genutzt werden. Insbesondere ist es hierbei denkbar, dass das Wandlerelement wiederum direkt an den Biegebalken angeordnet ist und den Teilraum zwischen zwei Biegebalken überspannt.A bimorph transducer element has at least two piezoelectrically active layers, which are used to generate force. In particular, it is conceivable that the transducer element is again arranged directly on the bending beam and spans the partial space between two bending beams.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wandlerelement mittig oder beidseitig kantenlagig am jeweiligen Verdrängungselement angeordnet ist.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the converter element is arranged in the middle or on both sides at the edges of the respective displacement element.

Vorteilhaft ist hierbei, dass dies einfache Möglichkeiten darstellt, um mittels des bimorphen Wandlerelements eine Bewegung der Verdrängungselemente zu erzielen.The advantage here is that this represents simple options for achieving movement of the displacement elements using the bimorph transducer element.

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.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the first breakthrough and/or the second breakthrough are each between 10 μm and 200 μm wide and more than 100 μm, in particular more than 500 μm, long. The advantage here is that there is a low fluid resistance between the subspaces and the environment of the interaction element, which makes a simple volume flow of the fluid possible. This is important for the acoustic performance of the interaction element and in turn enables high sound pressure levels.

Die Breite ist hierbei in Bewegungsrichtung des Verdrängungselements bzw. senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Flächenelements in Ruhelage definiert, wohingegen die Länge horizontal quer zur Bewegungsrichtung des Verdrängungselements bzw. horizontal entlang der Haupterstreckungsebene des Flächenelements definiert ist.The width is defined in the direction of movement of the displacement element or perpendicular to the main plane of extension of the surface element in the rest position, whereas the length is defined horizontally transverse to the direction of movement of the displacement element or horizontally along the main plane of extension of the surface element.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass 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 ist, insbesondere kleiner als 10µm.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the distance between the displacement element and the wall of the cavity, which is located opposite the wall that is connected to the displacement element, is smaller than 20 μm, in particular smaller than 10 μm.

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 bei niedrigen Frequenzen.The advantage here is that there is a high fluid resistance between the partial spaces, whereby the fluid leakage can be reduced due to the necessary gaps between the displacement element and the wall element. This enables a high sound pressure level at low frequencies.

Der Abstand ist hierbei als lateraler Abstand zwischen der seitlichen Wand des Hohlraums, welche dem Verbindungspunkt des Verdrängungselements gegenüberliegt, und dem Verdrängungselement zu verstehen.The distance is to be understood here as the lateral distance between the side wall of the cavity, which lies opposite the connection point of the displacement element, and the displacement element.

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.According to a further embodiment of the invention it is provided that the vertical distance between the displacement element and the bottom of the cavity and/or between the displacement element and the ceiling of the cavity is less than 5µm, in particular less than 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.The advantage here is that there is a high fluid resistance between the partial spaces, whereby the fluid leakage can be reduced due to the necessary gaps between the cavity ceiling or floor and the displacement element. This in turn enables a high sound pressure level at low frequencies.

Die Erfindung betrifft zudem eine akustische Vorrichtung, insbesondere einen Lautsprecher und/oder ein Mikrofon, mit wenigstens einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselement.The invention also relates to an acoustic device, in particular a loudspeaker and/or a microphone, with at least one microfluidic interaction element according to the invention.

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.Loudspeakers are sound transducers that generate sound from an electrical input signal. Microphones, in turn, can convert sound into electrical output signals. The sound can be generated or detected by the respective interaction element. In the case of several interaction elements in a MEMS component, these can differ from one another in their lateral dimension and, for example, form a matrix arrangement. The interaction elements can then be controlled or evaluated using common or separately designed control lines. In particular, the control is carried out in such a way that, in order to generate an optimal sound pressure level, in particular a deflection of the respective displacement elements that is in phase for all interaction elements can be achieved.

Zeichnungendrawings

1a shows a first exemplary embodiment of a microfluidic interaction element according to the invention in a sectional view as a top view.
1b shows the first exemplary embodiment of a microfluidic interaction element according to the invention 1a in a side sectional view.
2a shows a second exemplary embodiment of a microfluidic interaction element according to the invention in a sectional view as a top view.
2 B shows the second exemplary embodiment of a microfluidic interaction element according to the invention 2a in a side sectional view.
3a shows a third exemplary embodiment of a microfluidic interaction element according to the invention in a sectional view as a top view.
3b shows the third exemplary embodiment of a microfluidic interaction element according to the invention 3a in a side sectional view.
4a shows a fourth exemplary embodiment of a microfluidic interaction element according to the invention in a sectional view as a top view.
4b shows the fourth exemplary embodiment of a microfluidic interaction element according to the invention 4a in a side sectional view.
5 shows an acoustic device with several microfluidic interaction elements according to the invention.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

1a und 1b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht und in einer seitlichen Schnittansicht. 1a and 1b show a first exemplary embodiment of a microfluidic interaction element according to the invention in a sectional view as a top view and in a side sectional view.

Dargestellt ist in 1a ein mikrofluidisches Interaktionselement 110 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 1b ersichtlich.Is shown in 1a a microfluidic interaction element 110 for generating and/or detecting a volume flow of a fluid, not shown in the picture, which is cut along a sectional plane B and shown in a top view. The exact position of the cutting plane B is in 1b visible.

In 1b ist wiederum das Interaktionselement 10 aus 1a dargestellt, jedoch diesmal in einem seitlichen Querschnitt, welcher entlang der in 1a dargestellten Schnittebene A erfolgt ist.In 1b is again the interaction element 10 1a shown, but this time in a lateral cross section, which is along the in 1a sectional plane A shown has taken place.

Das mikrofluidische Interaktionselement 110 weist ein Substrat 20 mit einem Hohlraum 30 auf.The microfluidic interaction element 110 has a substrate 20 with a cavity 30.

Innerhalb des Hohlraums 30 sind mehrere bewegliche Verdrängungselemente 40 mit je einem vertikalen Flächenelement 41 jeweils mit einer Wand 31 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 Flächenelements 41 ist. Zudem ist jedes der Verdrängungselemente 40 derartig ausgestaltet und angeordnet, dass die Bewegungsrichtung x des jeweiligen Verdrängungselements 40 jeweils azimutal um einen Verbindungspunkt 32 zwischen Verdrängungselement 40 und Wand 31 des Hohlraums 30 ist.Within the cavity 30, a plurality of movable displacement elements 40, each with a vertical surface element 41, are each connected to a wall 31 of the cavity 30 and arranged such that the direction of movement x of the respective displacement element 40 is essentially parallel to a main extension plane of the substrate 20 and perpendicular to a main extension plane of the surface element 41. In addition, each of the displacement elements 40 is designed and arranged such that the direction of movement x of the respective displacement element 40 is azimuthal about a connection point 32 between the displacement element 40 and the wall 31 of the cavity 30.

Des Weiteren sind die Haupterstreckungsebenen der jeweiligen Flächenelemente 41 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, wobei insbesondere die Verdrängungselemente 40 wechselseitig mit sich gegenüberliegenden Wänden 31 des Hohlraums 30 verbunden sind.Furthermore, the main extension planes of the respective surface elements 41 are arranged essentially parallel to one another, with the displacement elements 40 in particular being mutually connected to opposite walls 31 of the cavity 30.

Insbesondere weisen die Verdrängungselemente 40 jeweils einen Biegebalken 42 auf, an welchem das vertikale Flächenelement 41 des jeweiligen Verdrängungselements 40 angeordnet ist und welcher mit der Wand 31 des Hohlraums 30 verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann der jeweilige Biegebalken 42 mit einer Decke 36 des Hohlraums 30 und/oder mit einem Boden 34 des Hohlraums 30 verbunden sein.In particular, the displacement elements 40 each have a bending beam 42 on which the vertical surface element 41 of the respective gene displacement element 40 is arranged and which is connected to the wall 31 of the cavity 30. Alternatively or additionally, the respective bending beam 42 can be connected to a ceiling 36 of the cavity 30 and/or to a floor 34 of the cavity 30.

Der Abstand d zwischen dem Verdrängungselement 40 und der Wand 31 des Hohlraums 30, welche sich gegenüber der Wand 31 befindet, die mit dem Verdrängungselement 40 verbunden ist, ist kleiner als 20µm, insbesondere kleiner als 10µm.The distance d between the displacement element 40 and the wall 31 of the cavity 30, which is located opposite the wall 31 which is connected to the displacement element 40, is less than 20 μm, in particular less than 10 μm.

Der vertikale Abstand h zwischen dem Verdrängungselement 40 und dem Boden 34 des Hohlraums 30 und/oder zwischen dem Verdrängungselement 40 und der Decke 36 des Hohlraums 30 ist hierbei kleiner als 5µm, insbesondere kleiner als 2µm.The vertical distance h between the displacement element 40 and the bottom 34 of the cavity 30 and/or between the displacement element 40 and the ceiling 36 of the cavity 30 is here smaller than 5 μm, in particular smaller than 2 μm.

Des Weiteren ist jedes der Verdrängungselemente 40 derartig ausgestaltet und angeordnet, dass durch das zugehörige Flächenelement 41 jeweils ein erster Teilraum 44 und ein zweiter Teilraum 46 innerhalb des Hohlraums 30 gebildet ist.Furthermore, each of the displacement elements 40 is designed and arranged in such a way that a first subspace 44 and a second subspace 46 are formed within the cavity 30 by the associated surface element 41.

Zudem weist das das mikrofluidische Interaktionselement 110 jeweils einen ersten Durchbruch 54 vom ersten Teilraum 44 zu einer Unterseite 24 des Substrats 20 und einen zweiten Durchbruch 56 vom zweiten Teilraum 46 zu einer Oberseite 26 des Substrats 20 auf, was insbesondere in 1b nochmals deutlich dargestellt ist.In addition, the microfluidic interaction element 110 each has a first breakthrough 54 from the first subspace 44 to an underside 24 of the substrate 20 and a second breakthrough 56 from the second subspace 46 to a top side 26 of the substrate 20, which is particularly the case in 1b is clearly shown again.

Hierbei sind der erste Durchbruch 54 und/oder der zweite Durchbruch 56 jeweils zwischen 10µm und 200µm breit und mehr als 200µm lang, insbesondere mehr als 500µm lang.Here, the first breakthrough 54 and/or the second breakthrough 56 are each between 10µm and 200µm wide and more than 200µm long, in particular more than 500µm long.

Zudem weist jedes der Verdrängungselemente 40 ein piezoelektrisches Wandlerelement 48 auf, welches dazu eingerichtet ist, das jeweilige Verdrängungselement 40 entlang der Bewegungsrichtung x zu bewegen. Hierbei kann das Wandlerelement 48 jeweils längs an einer Kante des Biegebalkens 42 angeordnet sein, insbesondere im Wesentlichen vollständig entlang der Kante und/oder außerhalb einer vertikalen Längssymmetrieachsenebene des Biegebalkens 42 und/oder seitlich des Biegebalkens 42, wie bei den rechten drei Verdrängungselementen 40 dargestellt, oder oberhalb des Biegebalkens 42, wie bei den linken drei Verdrängungselementen 40 dargestellt.In addition, each of the displacement elements 40 has a piezoelectric transducer element 48, which is designed to move the respective displacement element 40 along the movement direction x. Here, the transducer element 48 can each be arranged longitudinally on an edge of the bending beam 42, in particular essentially completely along the edge and/or outside a vertical longitudinal axis of symmetry of the bending beam 42 and/or to the side of the bending beam 42, as shown in the right three displacement elements 40. or above the bending beam 42, as shown in the left three displacement elements 40.

Insbesondere sind die Wandlerelemente 48 von zwei benachbarten Verdrängungselementen 40 entweder beide einander zugewandten Kanten oder aber an voneinander abgewandten Kanten der jeweiligen Verdrängungselemente 40 angeordnet.In particular, the converter elements 48 of two adjacent displacement elements 40 are arranged either on both edges facing one another or on edges of the respective displacement elements 40 facing away from one another.

Das mikrofluidische Interaktionselement 110 kann dazu eingerichtet sein, die Wandlerelemente 48 der Verdrängungselemente 40 gleichphasig anzusteuern, um diese als Aktorelemente zu nutzen. Hierfür können entsprechende Steuerleitungen 47 dienen, mittels welcher die Wandlerelemente 48 ansteuerbar sind. Zusätzlich oder alternativ kann das mikrofluidische Interaktionselement 110 dazu eingerichtet sein, die Wandlerelemente 48 in Ihrem Wirkprinzip umzukehren und entsprechend die Bewegung der Verdrängungselemente 40 mittels der Wandlerelemente 48 als Sensorelemente über die Steuerleitungen 47 zu messen, um folglich den vorhandenen Volumenstrom des Fluids zu erfassen.The microfluidic interaction element 110 can be set up to control the transducer elements 48 of the displacement elements 40 in phase in order to use them as actuator elements. Corresponding control lines 47 can be used for this purpose, by means of which the converter elements 48 can be controlled. Additionally or alternatively, the microfluidic interaction element 110 can be set up to reverse the operating principle of the transducer elements 48 and accordingly measure the movement of the displacement elements 40 by means of the transducer elements 48 as sensor elements via the control lines 47 in order to consequently detect the existing volume flow of the fluid.

Werden beispielsweise zwei benachbarte Verdrängungselemente 40 während einer ersten Phase der azimutalen Bewegung aufeinander zu bewegt, wird das Volumen in den ersten Teilräumen 44 vergrößert und entsprechend das Volumen im dazwischenliegenden zweiten Teilraum 46 komprimiert. Durch die zweiten Durchbrüche 56 kann hierbei Fluid aus den verdichteten zweiten Teilräumen 56 in die Umgebung des Interaktionselements 110 ausströmen, während durch die ersten Durchbrüche 54 auf der gegenüberliegenden Substratoberfläche Fluid aus der Umgebung in die verdünnten ersten Teilräume 44 nachströmt, was wiederum einen Volumenstrom des Fluids von unten nach oben 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 die zwei benachbarten Verdrängungselemente 40 entsprechend in die entgegengesetzte Richtung voneinander weg, ergibt sich eine umgekehrte Flussrichtung des Fluids. Mit anderen Worten kann mit dem Interaktionselement 110 eine akustische Schallwelle mit positiver und negativer Druckhalbwelle in einem Fluid erzeugt werden, was durch die Doppelpfeile in 1b angedeutet ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Interaktionselement 110 dazu eingerichtet sein, einen Volumenfluss des Fluids der eine entsprechende Bewegung der Verdrängungselemente 40 bewirkt, mittels der Wandlerelemente 48 zu erfassen.For example, if two adjacent displacement elements 40 are moved towards each other during a first phase of the azimuthal movement, the volume in the first subspaces 44 is increased and the volume in the second subspace 46 in between is correspondingly compressed. Through the second openings 56, fluid can flow out of the compressed second partial spaces 56 into the surroundings of the interaction element 110, while fluid from the surroundings flows through the first openings 54 on the opposite substrate surface into the diluted first partial spaces 44, which in turn creates a volume flow of the fluid generated from bottom to top based on the substrate 20. This results in a net volume flow of the fluid in the environment in a direction perpendicular to the main extension plane of the substrate 20. If the two adjacent displacement elements 40 move away from one another in the opposite direction, the fluid flow direction is reversed. In other words, an acoustic sound wave with positive and negative pressure half-waves can be generated in a fluid with the interaction element 110, which is indicated by the double arrows in 1b is indicated. Alternatively or additionally, the interaction element 110 can be set up to detect a volume flow of the fluid, which causes a corresponding movement of the displacement elements 40, by means of the transducer elements 48.

2a und 2b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht und in einer seitlichen Schnittansicht. 2a and 2 B show a second exemplary embodiment of a microfluidic interaction element according to the invention in a sectional view as a top view and in a side sectional view.

Dargestellt ist ein mikrofluidisches Interaktionselement 210, welches in 2a entlang einer Schnittebene D aus 2b bzw. in 2b entlang einer Schnittebene C aus 2a aufgeschnitten ist und welches sich von dem mikrofluidischen Interaktionselement 110 aus 1a bzw. 1b unter anderem dadurch unterscheidet, dass das Substrat 20 mehrere Hohlräume 30 aufweist, in welchem je ein Verdrängungselement 40 mit einer Wand 31 des entsprechenden Hohlraums 30 verbunden ist.A microfluidic interaction element 210 is shown, which is in 2a along a cutting plane D 2 B or in 2 B along a cutting plane C 2a is cut open and which extends from the microfluidic interaction element 110 1a or. 1b differs, among other things, in that the substrate 20 has several cavities 30, in each of which a displacement element 40 is connected to a wall 31 of the corresponding cavity 30.

Hierbei weitet sich der Hohlraum 30 jeweils ausgehend vom Verbindungspunkt 32, um welchen sich das jeweilige Verdrängungselement 40 azimutal bewegt, auf. Insbesondere bildet der Hohlraum 30 parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats 20 ein gleichschenkliges Trapez, dessen Basis dem Verbindungspunkt 32 zwischen Verdrängungselement 40 und Wand 31 des Hohlraums 30 gegenüberliegt.Here, the cavity 30 widens starting from the connection point 32, around which the respective displacement element 40 moves azimuthally. In particular, the cavity 30 forms an isosceles trapezoid parallel to the main extension plane of the substrate 20, the base of which lies opposite the connection point 32 between the displacement element 40 and the wall 31 of the cavity 30.

Wird das Verdrängungselement 40 beispielsweise durch das jeweilige Wandlerelement 48 nach links bewegt, wird das Volumen in den ersten Teilräumen 44 komprimiert und entsprechend das Volumen in den zweiten Teilräumen 46 vergrößert. Durch die ersten Durchbrüche 54 kann hierbei Fluid aus den verdichteten ersten Teilräumen 44 in die Umgebung des Interaktionselements 210 ausströmen, während durch die zweiten Durchbrüche 56 auf der gegenüberliegenden Substratoberfläche Fluid aus der Umgebung in die verdünnten zweiten Teilräume 44 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, 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 der Verdrängungselemente 40, verursacht durch einen Volumenstrom eines Fluids, mittels der Wandlerelemente 48 erfasst werden. Die Ansteuerung bzw. Auswertung der Wandlerelemente 48 kann beispielsweise mittels Steuerleitungen 47 erfolgen.If the displacement element 40 is moved to the left, for example by the respective transducer element 48, the volume in the first subspaces 44 is compressed and the volume in the second subspaces 46 is correspondingly increased. Through the first openings 54, fluid can flow out of the compressed first partial spaces 44 into the surroundings of the interaction element 210, while fluid from the surroundings flows into the rarefied second partial spaces 44 through the second openings 56 on the opposite substrate surface. This results in a net volume flow of the fluid in the environment in a direction perpendicular to the main extension plane of the substrate 20, here from top to bottom. If the displacement element 40 moves in the opposite direction, the flow direction of the fluid is reversed. In other words, an acoustic sound wave with positive and negative pressure half-waves can be generated in a fluid with the interaction element 10. Likewise, additionally or alternatively, a corresponding movement of the displacement elements 40, caused by a volume flow of a fluid, can be detected by means of the transducer elements 48. The converter elements 48 can be controlled or evaluated using control lines 47, for example.

3a und 3b zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht und in einer seitlichen Schnittansicht. 3a and 3b show a third embodiment of a microfluidic interaction element according to the invention in a sectional view as a top view and in a side sectional view.

Dargestellt ist ein mikrofluidisches Interaktionselement 310, welches in 3a entlang einer Schnittebene F aus 3b bzw. in 3b entlang einer Schnittebene E aus 3a aufgeschnitten ist und welches sich von dem mikrofluidischen Interaktionselement 110 aus 1a und 1b unter anderem dadurch unterscheidet, dass das Wandlerelement 48 bimorph ausgestaltet und derartig angeordnet ist, dass das Wandlerelement 48 wenigstens zwei, insbesondere benachbarte, Verdrängungselemente 40 miteinander verbindet. Hierbei kann das Wandlerelement 48 mittig oder beidseitig kantenlagig am jeweiligen Verdrängungselement 40 angeordnet sein.A microfluidic interaction element 310 is shown, which is in 3a along a cutting plane F 3b or in 3b along a cutting plane E 3a is cut open and which extends from the microfluidic interaction element 110 1a and 1b differs, among other things, in that the transducer element 48 is designed bimorphically and is arranged in such a way that the transducer element 48 connects at least two, in particular adjacent, displacement elements 40 to one another. Here, the converter element 48 can be arranged in the middle or on both sides at the edges of the respective displacement element 40.

Hierdurch können beispielsweise zwei benachbarte Verdrängungselemente 40 durch das Wandlerelement 48 aufeinander zubewegt bzw. voneinander wegbewegt werden, um entsprechend zur 1a bzw. 1b einen Volumenstrom des Fluids zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann entsprechend mittels des Wandlerelements 48 ein Volumenstrom erfasst werden. Die Ansteuerung bzw. Auswertung des Wandlerelements 48 kann über entsprechende Steuerleitungen 47 erfolgen.As a result, for example, two adjacent displacement elements 40 can be moved towards or away from each other by the transducer element 48 in order to correspond to the 1a or. 1b to generate a volume flow of fluid. Alternatively or additionally, a volume flow can be detected using the converter element 48. The control or evaluation of the converter element 48 can take place via corresponding control lines 47.

4a und 4b zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht und in einer seitlichen Schnittansicht. 4a and 4b show a fourth exemplary embodiment of a microfluidic interaction element according to the invention in a sectional view as a top view and in a side sectional view.

Dargestellt ist ein mikrofluidisches Interaktionselement 410, welches in 4a entlang einer Schnittebene H aus 4b bzw. in 4b entlang einer Schnittebene G aus 4a aufgeschnitten ist und welches sich von dem mikrofluidischen Interaktionselement 110 aus 1a und 1b unter anderem dadurch unterscheidet, dass jedes der Verdrängungselemente 40 jeweils ein weiteres Wandlerelement 49 aufweist, welches entlang der dem Wandlerelement 48 horizontal gegenüberliegenden Kante des jeweiligen Biegebalkens 42 angeordnet ist. Insbesondere sind die Wandlerelemente 48 bzw. die weiteren Wandlerelemente 49 von zwei benachbarten Verdrängungselementen 40 entweder jeweils beide an einander zugewandten Kanten oder aber an voneinander abgewandten Kanten der jeweiligen Verdrängungselemente 48 angeordnet.A microfluidic interaction element 410 is shown, which is in 4a along a cutting plane H 4b or in 4b along a cutting plane G 4a is cut open and which extends from the microfluidic interaction element 110 1a and 1b differs, among other things, in that each of the displacement elements 40 each has a further transducer element 49, which is arranged along the edge of the respective bending beam 42 that is horizontally opposite the transducer element 48. In particular, the transducer elements 48 or the further transducer elements 49 of two adjacent displacement elements 40 are arranged either on edges facing each other or on edges of the respective displacement elements 48 facing away from one another.

Hierbei ist das mikrofluidische Interaktionselement 410 dazu eingerichtet, das Wandlerelement 48 und das weitere Wandlerelement 49 jeweils gegenphasig anzusteuern. Die Wandlerelemente 48 bilden entsprechend eine erste Gruppe und die weiteren Wandlerelemente 49 eine zweite Gruppe, wobei diese Gruppen gegenphasig über Steuerleitungen 47 ansteuerbar sind bzw. über diese Steuerleitungen 47 ausgewertet werden können.Here, the microfluidic interaction element 410 is set up to control the transducer element 48 and the further transducer element 49 in opposite phase. The converter elements 48 accordingly form a first group and the further converter elements 49 form a second group, whereby these groups can be controlled in anti-phase via control lines 47 or can be evaluated via these control lines 47.

5 zeigt ein akustische Vorrichtung mit mehreren erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselementen. 5 shows an acoustic device with several microfluidic interaction elements according to the invention.

Dargestellt ist eine akustische Vorrichtung 500, welche beispielsweise als Lautsprecher oder als Mikrofon ausgestaltet sein kann. Die akustische Vorrichtung 500 weist mehrere mikrofluidische Interaktionselemente 110, 210, 310, 410 auf, welche in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind. Mittels dieser mikrofluidischen Interaktionselemente 110, 210, 310, 410 kann akustische Vorrichtung 500 entsprechende Schalldruckpegel generieren oder auch erfassen. Die Interaktionselemente 110, 210, 310, 410 können sich hierbei in ihrer lateralen Dimension voneinander unterscheiden und beispielsweise eine Matrixanordnung bilden. Die Ansteuerung oder Auswertung der Interaktionselemente 110, 210, 310, 410 kann dann durch gemeinsame oder auch separat ausgebildete, bildlich hier nicht dargestellte Steuerleitungen 47 erfolgen.An acoustic device 500 is shown, which can be designed, for example, as a loudspeaker or as a microphone. The acoustic device 500 has a plurality of microfluidic interaction elements 110, 210, 310, 410, which are arranged next to one another in a plane. By means of these microfluidic interaction elements 110, 210, 310, 410, acoustic device 500 can be created Generate or record appropriate sound pressure levels. The interaction elements 110, 210, 310, 410 can differ from one another in their lateral dimension and, for example, form a matrix arrangement. The interaction elements 110, 210, 310, 410 can then be controlled or evaluated by common or separately designed control lines 47, not shown here.

Claims

Microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) for generating and/or detecting a volume flow of a fluid, wherein the microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) has a substrate (20) with at least one cavity (30), wherein within the cavity (30) at least one movable displacement element (40) with a vertical surface element (41) is connected to a wall (31) of the cavity (30) and is arranged such that the direction of movement (x) of the displacement element (40) is essentially is parallel to a main extension plane of the substrate (20) and perpendicular to a main extension plane of the surface element (41), the displacement element (40) being designed and arranged in such a way that a first subspace (44) and a second subspace pass through the surface element (41). Subspace (46) is formed within the cavity (30), wherein the microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) each has a first opening (54) from the first subspace (44) to an underside (24) of the substrate (20). and has a second opening (56) from the second subspace (46) to an upper side (26) of the substrate (20), and wherein the displacement element (40) has a piezoelectric transducer element (48) which is designed to drive the displacement element (40 ) to move along the direction of movement (x) and / or to detect a movement of the displacement element (40) along the direction of movement (x).

Microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) according to Claim 1 , characterized in that the microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) has a plurality of displacement elements (40) within the cavity (30) or within cavities (30), the main extension planes of the respective surface elements (41) being essentially parallel to one another are arranged, and in particular the displacement elements (40) are alternately connected to opposite walls (31) of the cavity (30) and / or the cavities (30).

Microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) according to Claim 2 , characterized in that the microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) is designed to control the transducer elements (48) of the displacement elements (40) in phase.

Microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) according to one of the preceding claims, characterized in that the displacement element (40) is designed and arranged in such a way that the direction of movement (x) of the displacement element (40) is azimuthal about a connection point (32 ) between the displacement element (40) and the wall (31) of the cavity (30).

Microfluidic interaction element (210) according to Claim 4 , characterized in that the cavity (30) is designed such that the cavity (30) expands starting from the connection point (32), in particular the cavity (30) forming an isosceles trapezoid parallel to the main extension plane of the substrate (20). Base lies opposite the connection point (32) between the displacement element (40) and the wall (31) of the cavity (30).

Microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) according to one of the preceding claims, characterized in that the displacement element (40) each has a bending beam (42) on which the vertical surface element (41) of the displacement element (40) is arranged and which is connected to the wall (31) of the cavity (30) and/or to a ceiling (36) of the cavity and/or to a floor (34) of the cavity (30).

Microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) according to Claim 6 , characterized in that the transducer element (48) is arranged longitudinally on an edge of the bending beam (42), in particular essentially completely along the edge and / or outside a vertical longitudinal axis of symmetry of the bending beam (42) and / or laterally or above the bending beam (42).

Microfluidic interaction element (410) according to Claim 7 , characterized in that the displacement element (40) each has a further transducer element (49), which is arranged along the edge of the bending beam (42) opposite the transducer element (48), the microfluidic interaction element (410) being designed to convert the transducer element (48) and the further converter element (49) to be controlled in anti-phase.

Microfluidic interaction element (310) according to Claim 2 or 3 , characterized in that the converter element (48) is designed to be bimorphic and is arranged such that the converter element (48) connects at least two displacement elements 40 to one another.

Microfluidic interaction element (310) according to Claim 9 , characterized in that the converter element (48) is arranged in the middle or on both sides at the edges of the respective displacement element (40).

Microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) according to one of the preceding claims, characterized in that the first breakthrough (54) and / or the second breakthrough (56) are each between 10µm and 200µm wide and more than 100µm, in particular more than 500µm long.

Microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) according to one of the preceding claims, characterized in that the distance (d) between the displacement element (40) and the wall (31) of the cavity (30), which is opposite the wall ( 31), which is connected to the displacement element (40), is smaller than 20µm, in particular smaller than 10µm.

Microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) according to one of the preceding claims, characterized in that the vertical distance (h) between the displacement element (40) and the bottom (34) of the cavity (30) and / or between the displacement element (40) and the ceiling (36) of the cavity (30) is smaller than 5µm, in particular smaller than 2µm.

Acoustic device (500), in particular loudspeaker and/or microphone, with at least one microfluidic interaction element (110, 210, 310, 410) according to one of the preceding claims.