DE102022209187A1

DE102022209187A1 - Mikrofluidisches Interaktionselement zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids sowie eine akustische Vorrichtung mit einem solchen mikrofluidischen Interaktionselement

Info

Publication number: DE102022209187A1
Application number: DE102022209187.6A
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
Also published as: WO2024051991A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410) zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids, wobei das mikrofluidische Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410) ein Substrat (20) mit einem Hohlraum (30) aufweist, wobei der Hohlraum (30) wenigstens ein vertikal angeordnetes, starres Wandelement (40, 440) aufweist, welches mit einer Decke (31) und einem Boden (32) des Hohlraums (30) verbunden ist, und wobei zudem innerhalb des Hohlraums (30) ein bewegliches Verdrängungselement (50) mit vertikalen Flächen (51) derartig angeordnet ist, dass die Bewegungsrichtung (x) des Verdrängungselements (50) im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Wandelements (40, 440) ist, wobei das Verdrängungselement (50) das jeweilige Wandelement (40, 440) mit seinen vertikalen Flächen (51) lateral derartig umschließt, dass durch das Wandelement (40, 440) jeweils ein erster Teilraum (41) und ein zweiter Teilraum (42) innerhalb des Verdrängungselements (50) gebildet ist, wobei das mikrofluidische Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410) jeweils einen ersten Durchbruch (61) vom ersten Teilraum (41) zu einer Oberseite (21) des Substrats (20) und einen zweiten Durchbruch (62) vom zweiten Teilraum (42) zu einer Unterseite (22) des Substrats (20) aufweist.Zudem betrifft die Erfindung eine akustische Vorrichtung (500) mit wenigstens einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Interaktionselement zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids, welches insbesondere in einem Lautsprecher und/oder einem Mikrofon zum Einsatz kommen kann.
MEMS-Lautsprecher und -Mikrofone besitzen gegenüber herkömmlichen elektrodynamischen Lautsprechern und Mikrofonen wesentliche Vorteile, z. B. bezüglich geringerer Latenzzeit, geringerem Energieverbrauch, geringerer Baugröße oder auch der prinzipiellen Lötfähigkeit. Auf der anderen Seite weisen sie 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. Ungünstig ist zudem, dass zur Aktuierung verwendeten Biegebalken mechanisch nicht sehr robust sind und die leichte Variation ihrer Fertigungstoleranzen dazu führt, dass sie sich nicht phasengleich bewegen, was die erreichbaren Schallpegel mindert. Vergrößerungen einer horizontalen Fläche des Verdrängungselements sind zwar einfacher realisierbar, jedoch in puncto Bauelementgröße und -kosten kontraproduktiv.
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 einem Hohlraum aufweist, wobei der Hohlraum wenigstens ein vertikal angeordnetes, starres Wandelement aufweist, welches mit einer Decke und einem Boden des Hohlraums verbunden ist, und wobei zudem innerhalb des Hohlraums ein bewegliches Verdrängungselement mit vertikalen Flächen derartig angeordnet ist, dass die Bewegungsrichtung des Verdrängungselements im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Wandelements ist, wobei das Verdrängungselement das jeweilige Wandelement mit seinen vertikalen Flächen lateral derartig umschließt, dass durch das Wandelement jeweils ein erster Teilraum und ein zweiter Teilraum innerhalb des Verdrängungselements gebildet ist, wobei das mikrofluidische Interaktionselement jeweils einen ersten Durchbruch vom ersten Teilraum zu einer Oberseite des Substrats und einen zweiten Durchbruch vom zweiten Teilraum zu einer Unterseite aufweist. 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 Aktorelement 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 dass aufgrund der entsprechenden einstückigen Ausgestaltung des Verdrängungselements alle vertikalen Flächen des Verdrängungselements phasengleich bewegt werden können, was höhere Schallpegel erreichbar macht.
Durch die vertikale Ausrichtung der Flächen des Verdrängungselements im Zusammenspiel mit den vertikal angeordneten Wandelementen lässt sich zudem das verdrängte Volumen pro Fläche vergrößern, 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.
Durch eine horizontale Bewegung des Verdrängungselements auf ein starres Wandelement zu wird ein diesseits liegendes Teilvolumen verdichtet, während das jenseits der starren Wand liegende Teilvolumen verdünnt wird, da sich dort das Verdrängungselement von dem Wandelement wegbewegt. 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 durch das MEMS-Element 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 erzeugt werden.
Je nach Ausgestaltung des Wandelements kann die Haupterstreckungsebene des Wandelements auch leicht schräg gegenüber der Bewegungsrichtung des Verdrängungselements sein.
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.
Insbesondere ist es denkbar, dass das Interaktionselement mehrere Wandelemente aufweist, welche vom Verdrängungselement entsprechend umschlossen sind. Die Wandelemente sind flächig ausgebildet, vertikal angeordnet und bilden zusammen mit den vertikalen Flächen des Verdrängungselements jeweils entsprechende erste und zweite Teilräume innerhalb des vom Verdrängungselement umschlossenen Raumes. Hierbei ist das Verdrängungselement bezogen auf die Wandelemente entlang einer horizontalen Bewegungsrichtung, welche senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Wandelemente ausgerichtet ist, beweglich angeordnet. Durch eine Bewegung des Verdrängungselements lässt sich beispielsweise in den entsprechend ersten Teilräumen ein Unterdruck und gleichzeitig in den zweiten Teilräumen ein Überdruck generieren.
Unter Durchbruch ist eine Öffnung im Substrat zu verstehen, welche jeweils die im Hohlraum gebildeten Teilräume mit der Umgebung des Substrats verbindet.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Verdrängungselement über eine insbesondere federnde Aufhängung mit dem Substrat verbunden ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die Aufhängung die Beweglichkeit des Verdrängungselements sichergestellt werden kann. Durch die federnde Ausgestaltung kann zudem der Kraftaufwand zum Bewegen des Verdrängungselements verringert werden, da es bei einer Auslenkung eigenständig in die ursprüngliche Position zurückkehrt.
Unter Aufhängung ist ein Bauelement zu verstehen, durch welches das Verdrängungselement am Substrat fixiert ist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Aufhängung mit einer Wand des Hohlraums verbunden ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine einfache und robuste Möglichkeit darstellt, das Verdrängungselement im Hohlraum lateral aufzuhängen. Hierbei ist es denkbar, dass die Aufhängung entweder an den Wänden quer zur Bewegungsrichtung des Verdrängungselements und/oder an den Wänden in Bewegungsrichtung des Verdrängungselements angeordnet ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Aufhängung mit der Decke und dem Boden des Hohlraums verbunden ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass diese Art der Aufhängung einen geringen lateralen Platzbedarf hat, wodurch die Grundfläche des mikrofluidischen Interaktionselements verkleinert bzw. gering gehalten werden kann.
Die Aufhängung ist in diesem Fall säulenförmig ausgestaltet und reicht vom Boden des Hohlraums bis zu dessen Decke.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Aufhängung lateral vom Verdrängungselement umschlossen ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass eine einfache Möglichkeit darstellt, eine vertikale Aufhängung zu realisieren. Eine solche Aufhängung ist insbesondere besonders robust.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Aufhängung vertikal in das Verdrängungselement integriert ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass der Platzbedarf für die Aufhängung weiter reduziert werden kann, wodurch das mikrofluidische Interaktionselement selbst kleiner hergestellt werden kann.
Unter integriert ist hierbei zu verstehen, dass die Aufhängung einen Teil des Verdrängungselements darstellt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mikrofluidische Interaktionselement einen Aktorbereich mit einem Aktorelement aufweist, welches dazu eingerichtet ist, das Verdrängungselement entlang der Bewegungsrichtung anzutreiben, wobei das Aktorelement insbesondere als elektrostatischer Antrieb und/oder als piezoelektrischer Antrieb ausgestaltet ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein solches Aktorelement das Verdrängungselement gleichmäßig antreiben kann, wodurch eine phasengleiche Bewegung aller vertikaler Flächen des Verdrängungselements erzielt werden kann, um wiederum die Erzeugung des Schalldruckpegels zu optimieren.
Der elektrostatische Antrieb kann beispielsweise als Kammantrieb oder als NED (Nanoscopic Electrostatic Drive) ausgestaltet sein. Des Weiteren kann ein solches Aktorelement entweder direkt an der Aufhängung angeordnet bzw. in diese integriert sein oder auch als separate Struktur ausgestaltet sein. Bei einem piezoelektrischen Antrieb ist eine Anordnung des Aktorelements unmittelbar an der Aufhängung oder auch am Verdrängungselement selbst sinnvoll, um eine direkte Kraftübertragung von Aktorelement auf die Aufhängung und somit ans Verdrängungselement beziehungsweise direkt an das Verdrängungselement bewirken zu können. Die elektrische Kontaktierung des Aktorelements erfolgt dann beispielsweise mittels einer entsprechenden Strukturierung innerhalb oder auch auf der Aufhängung.
Insbesondere können auch die Wandelemente elektrisch isoliert vom Verdrängungselement ausgestaltet sein, wobei durch Anlegen einer Spannung zwischen Wandelement und Verdrängungselement eine elektrostatische Kraft erzeugt werden kann, da das Wandelement und das Verdrängungselement als Elektroden fungieren und sich entsprechend anziehen oder abstoßen.
Prinzipiell ist es hierbei auch denkbar, dass ein extern angetriebener 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 Aktorelement als Sensorelement erfasst werden. Somit kann ein Volumenstrom eines Fluids entsprechend auch erfasst werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Durchbruch und/oder der zweite Durchbruch jeweils weniger als 200µm, insbesondere weniger als 100µm, breit und mehr als 100µm, insbesondere mehr als 500µm, lang ist.
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 definiert, wohingegen die Länge horizontal quer zur Bewegungsrichtung des Verdrängungselements definiert ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen Wandelement und Verdrängungselement an beiden Stirnseiten des Wandelements kleiner als 20µm ist, 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 bei niedrigen Frequenzen.
Der Abstand ist hierbei als lateraler Abstand zwischen Wandelement und Verdrängungselement quer zur Bewegungsrichtung des Verdrängungselements zu verstehen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wandelemente wenigstens an einer Stirnseite wenigstens ein Quersegment senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Wandelements aufweist, insbesondere an beiden Stirnseiten.
Vorteilhaft ist hierbei, dass der Fluidwiderstand zwischen den Teilräumen weiter erhöht und somit die Fluidleckage aufgrund der Spalte zwischen Wandelement und Verdrängungselement entsprechend verringert werden kann.
Ein weiter Vorteil besteht darin, dass das wenigstens eine Quersegment als mechanischer Anschlag oder auch zur Dämpfung von Bewegungen des Verdrängungselements in unerwünschte Richtungen beziehungsweise mit unerwünscht großen Bewegungsamplituden dienen kann.
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.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wandelement wellenförmig und/oder geknickt ausgestaltet ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine Erhöhung des Füllfaktors des Interaktionselements erzielt werden kann, wodurch ein höherer Schalldruckpegel bei gleicher Grundfläche des Interaktionselements bzw. ein gleicher Schalldruckpegel bei kleinerer Grundfläche des Interaktionselements erzielt werden kann.
Als wellenförmig oder geknickt ist ein Wandelement zu verstehen, welches in Draufsicht beispielweise eine ondulierende Form aufweist oder auch mäanderförmig ausgestaltet ist.
Die Erfindung betrifft zudem eine akustische Vorrichtung, insbesondere Lautsprecher und/oder 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

1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht.
1b zeigt das erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements nach 1a in einer seitlichen Schnittansicht.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht.
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht.
5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht.
6 zeigt eine akustische Vorrichtung mit mehreren erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselementen.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht. Dargestellt ist mikrofluidisches Interaktionselement 10 zur Erzeugung 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.
Das mikrofluidische Interaktionselement 10 weist ein Substrat 20 mit einem Hohlraum 30 auf.
Der Hohlraum 30 weist hierbei drei vertikal angeordnete, starre Wandelemente 40 auf, welche fest mit einer Decke 31 und einem Boden 32 des Hohlraums 30 verbunden sind.
Zudem ist innerhalb des Hohlraums 30 ein bewegliches Verdrängungselement 50 mit vertikalen Flächen 51 derartig angeordnet, dass die Bewegungsrichtung x des Verdrängungselements 50 im Wesentlichen senkrecht zu den Haupterstreckungsebenen der Wandelemente 40 ist.
Das Verdrängungselement 50 umschließt das jeweilige Wandelement 40 mit seinen vertikalen Flächen 51 lateral derartig, dass durch jedes der Wandelemente 40 jeweils ein erster Teilraum 41 und ein zweiter Teilraum 42 innerhalb des Verdrängungselements 50 gebildet ist. Hierbei ist der Abstand d zwischen dem jeweiligen Wandelement 40 und dem Verdrängungselement 50 an beiden Stirnseiten 45 des Wandelements 40 kleiner als 20µm, insbesondere kleiner als 10µm.
Des Weiteren weisen die jeweiligen Wandelemente 40 an beiden Stirnseiten 45 jeweils ein Quersegment senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Wandelements 40 auf.
Des Weiteren weist das mikrofluidische Interaktionselement 10 jeweils einen ersten Durchbruch 61 vom ersten Teilraum 41 zu einer Oberseite 21 des Substrats 20 und einen zweiten Durchbruch 62 vom zweiten Teilraum 42 zu einer Unterseite 22 des Substrats 20 auf, was insbesondere in 1b nochmals deutlicher dargestellt ist. Der erste Durchbruch 61 und/oder der zweite Durchbruch 62 können hierbei jeweils weniger als 200µm, insbesondere weniger als 100µm, breit und mehr als 100µm, insbesondere mehr als 500µm, lang sein.
Das Verdrängungselement 50 ist über eine insbesondere federnde Aufhängung 70 mit dem Substrat 20 verbunden. Hierbei ist die Aufhängung 70 mit den Wänden 33 des Hohlraums 30 verbunden, wobei die Aufhängung 70 als Querbalken ausgebildet ist, welcher quer zur Bewegungsrichtung x des Verdrängungselements 50 ausgerichtet und auf zwei Seiten des Verdrängungselements 50 angeordnet und jeweils mittig mit dem Verdrängungselement 50 verbunden ist.
Zudem weist das mikrofluidische Interaktionselement 10 Aktorbereiche 80 mit je einem Aktorelement auf, welche das Verdrängungselement 50 entlang der Bewegungsrichtung x antreiben. Die Aktorelemente können beispielsweise als elektrostatischer Antrieb und/oder als piezoelektrischer Antrieb ausgestaltet sein. Hierbei kann die Anordnung des Aktorelements an der Aufhängung 70 erfolgen.
Wird das Verdrängungselement 50 beispielsweise durch die Aktorelemente nach rechts bewegt, wird das Volumen in den ersten Teilräumen 41 komprimiert und entsprechend das Volumen in den zweiten Teilräumen 42 vergrößert. Durch die ersten Durchbrüche 61 kann hierbei Fluid aus den verdichteten ersten Teilräumen 41 in die Umgebung des Interaktionselements 10 ausströmen, während durch die zweiten Durchbrüche 62 auf der gegenüberliegenden Substratoberfläche Fluid aus der Umgebung in die verdünnten zweiten Teilräume 42 nachströmt. Auf diese Weise ergibt sich ein Nettovolumenfluss des Fluids der Umgebung in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats 20. Bewegt sich das Verdrängungselement 50 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.
1b zeigt das erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselement nach 1a in einer seitlichen Schnittansicht.
Dargestellt ist wiederum das Interaktionselement 10 aus 1a, jedoch diesmal in einem seitlichen Querschnitt, welcher entlang der in 1a dargestellten Schnittebene A erfolgt ist.
Hierbei ist wiederum das Substrat 20 mit dem Hohlraum 30 dargestellt, in welchem die starren Wandelemente 40 und das in Bewegungsrichtung x bewegliche Verdrängungselement 50 mit seinen vertikalen Flächen 51 angeordnet sind. Zudem sind die durch die entsprechende Ausgestaltung und Anordnung der Wandelemente 40 und des Verdrängungselements 50 gebildeten ersten Teilräume 41 bzw. zweiten Teilräume 42 zu sehen, welche die ersten Durchbrüche 61 zur Oberseite 21 des Substrats 20 bzw. die zweiten Durchbrüche 62 zur Unterseite 22 des Substrats 20 aufweisen.
Der vertikale Abstand h zwischen dem Verdrängungselement 50 und dem Boden 32 des Hohlraums 30 und/oder zwischen dem Verdrängungselement 50 und der Decke 31 des Hohlraums 30 ist hierbei kleiner als 5µm, insbesondere kleiner als 2µm.
Wird das Verdrängungselement 50 beispielsweise, wie in 1a beschrieben, durch das Aktorelement nach rechts bewegt, erzeugt dies einen Volumenstrom des Fluids von unten nach oben bezogen auf das Substrat 20. Bewegt sich das Verdrängungselement 50 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, was durch die entsprechenden Doppelpfeile verdeutlicht werden soll.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht. Dargestellt ist ein mikrofluidisches Interaktionselement 110, welches sich lediglich in der Ausgestaltung der Aufhängung 170 von dem Interaktionselement 10 aus 1a unterscheidet. So weist in diesem Fall die Aufhängung 170 einen Längsbalken auf, welcher mit den Wänden 33 des Hohlraums 30 in Längsrichtung zur Bewegungsrichtung x des Verdrängungselements 50 verbunden ist.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht. Dargestellt ist ein mikrofluidisches Interaktionselement 210, welches sich wiederum in der Ausgestaltung der Aufhängung 270 von dem Interaktionselement 10 aus 1a unterscheidet. Die Aufhängung 270 ist mittig angeordnet und säulenartig ausgestaltet und entsprechend mit der Decke 31 und dem Boden 32 des Hohlraums 30 verbunden, was bildlich nicht ersichtlich ist, und ist zudem lateral vom Verdrängungselement 50 umschlossen. Hierbei ersetzt die Aufhängung 270 anordnungstechnisch quasi das mittlere Wandelement 40 im Vergleich zum Interaktionselement 10 nach 1a. Die mittig angeordnete, säulenartige Ausgestaltung der Aufhängung 270 ist über entsprechende Federn, auf welchen der Aktorbereich 80 angeordnet ist, mit dem Verdrängungselement 50 verbunden.
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht. Dargestellt ist ein mikrofluidisches Interaktionselement 310, welches sich wiederum in der Ausgestaltung der Aufhängung 370 von dem Interaktionselement 10 aus 1a unterscheidet. Die Aufhängung 370 ist wie die Aufhängung 270 in 3 säulenartig ausgestaltet und mit der Decke 31 und dem Boden 32 des Hohlraums 30 verbunden, was bildlich nicht ersichtlich ist, wobei die Aufhängung 370 im Unterschied zur Aufhängung 270 aus 3 vertikal in das Verdrängungselement 50 integriert ist. Hierbei ist der Aktorbereich 80 mit dem Aktorelement direkt am Verdrängungselement 50, beispielsweise als piezoelektrische Schicht, angeordnet.
5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht. Dargestellt ist ein mikrofluidisches Interaktionselement 410, welches sich in der Ausgestaltung der Wandelemente 440 von dem Interaktionselement 10 aus 1a unterscheidet. So ist das Wandelement 440 geknickt ausgestaltet, wodurch auf die gleiche Grundfläche wie bei dem Interaktionselement 10 nach 1a vier Wandelemente 440 statt nur drei Wandelemente 40 angeordnet werden können. Die Wandelemente 440 weisen an ihren Stirnseiten 445 wiederum Quersegmente auf, wobei der laterale Abstand d zwischen den Stirnseiten 445 der Wandelemente 440 und dem Verdrängungselement 50 jeweils wiederum kleiner als 20µm ist, insbesondere kleiner als 10µm.
6 zeigt eine akustische Vorrichtung mit mehreren erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselementen. Dargestellt ist eine akustische Vorrichtung 500, welche beispielsweise als Lautsprecher und/oder Mikrofon ausgestaltet sein kann. Die akustische Vorrichtung 500 weist mehrere mikrofluidische Interaktionselemente 10, 110, 210, 310, 410 auf, welche in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind. Mittels dieser mikrofluidischen Interaktionselemente 10, 110, 210, 310, 410 kann der Lautsprecher entsprechende Schalldruckpegel generieren. Die Interaktionselemente 10, 110, 210, 310, 410 können sich hierbei in ihrer lateralen Dimension voneinander unterscheiden und beispielsweise eine Matrixanordnung bilden. Die Ansteuerung der Interaktionselemente 10, 110, 210, 310, 410 kann dann durch gemeinsame oder auch separat ausgebildete, bildlich nicht dargestellte Steuerleitungen erfolgen.

Claims

Mikrofluidisches Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410) zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids, wobei das mikrofluidische Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410) ein Substrat (20) mit einem Hohlraum (30) aufweist, wobei der Hohlraum (30) wenigstens ein vertikal angeordnetes, starres Wandelement (40, 440) aufweist, welches mit einer Decke (31) und einem Boden (32) des Hohlraums (30) verbunden ist, und wobei zudem innerhalb des Hohlraums (30) ein bewegliches Verdrängungselement (50) mit vertikalen Flächen (51) derartig angeordnet ist, dass die Bewegungsrichtung (x) des Verdrängungselements (50) im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Wandelements (40, 440) ist, wobei das Verdrängungselement (50) das jeweilige Wandelement (40, 440) mit seinen vertikalen Flächen (51) lateral derartig umschließt, dass durch das Wandelement (40, 440) jeweils ein erster Teilraum (41) und ein zweiter Teilraum (42) innerhalb des Verdrängungselements (50) gebildet ist, wobei das mikrofluidische Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410) jeweils einen ersten Durchbruch (61) vom ersten Teilraum (41) zu einer Oberseite (21) des Substrats (20) und einen zweiten Durchbruch (62) vom zweiten Teilraum (42) zu einer Unterseite (22) des Substrats (20) aufweist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement (50) über eine insbesondere federnde Aufhängung (70, 170, 270, 370) mit dem Substrat (20) verbunden ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10, 110, 410) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängung (70, 170) mit einer Wand (33) des Hohlraums (30) verbunden ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (210, 310, 410) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängung (270, 370) mit der Decke (31) und dem Boden (32) des Hohlraums (30) verbunden ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (210, 410) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängung (270) lateral vom Verdrängungselement (50) umschlossen ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (310, 410) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängung (370) vertikal in das Verdrängungselement (50) integriert ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrofluidische Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410) einen Aktorbereich (80) mit einem Aktorelement aufweist, welches das Verdrängungselement (50) entlang der Bewegungsrichtung (x) antreibt, wobei das Aktorelement insbesondere als elektrostatischer Antrieb und/oder als piezoelektrischer Antrieb ausgestaltet ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Durchbruch (61) und/oder der zweite Durchbruch (62) jeweils weniger als 200µm, insbesondere weniger als 100µm, breit und mehr als 100µm, insbesondere mehr als 500µm, lang ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) zwischen Wandelement (40, 440) und Verdrängungselement (50) an beiden Stirnseiten (45, 445) des Wandelements (40, 440) kleiner als 20µm ist, insbesondere kleiner als 10µm.
Mikrofluidisches Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandelement (40, 440) wenigstens an einer Stirnseite (45, 445) wenigstens ein Quersegment senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Wandelements (40, 440) aufweist, insbesondere an beiden Stirnseiten (45, 445).
Mikrofluidisches Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Abstand (h) zwischen dem Verdrängungselement (50) und dem Boden (32) des Hohlraums (30) und/oder zwischen dem Verdrängungselement (50) und der Decke (31) des Hohlraums (30) kleiner als 5µm ist, insbesondere kleiner als 2µm.
Mikrofluidisches Interaktionselement (410) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandelement (440) wellenförmig und/oder geknickt ausgestaltet ist.
Akustische Vorrichtung (500), insbesondere Lautsprecher und/oder Mikrofon, mit wenigstens einem mikrofluidischen Interaktionselement (10, 110, 210, 310, 410) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.