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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Schallwandleranordnung und ein entsprechendes Schallwandlungsverfahren.
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Stand der Technik
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Obwohl prinzipiell auf beliebige mikromechanische Schallwandleranordnungen, beispielsweise Lautsprecher und Mikrofone bzw. akustische Fluidpumpen, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrunde liegende Problematik anhand von mikromechanischen Kopfhöreranordnungen erläutert.
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Mikromechanische Kopfhöreranordnungen (z.B. In-Ear-Kopfhörer) weisen üblicherweise eine auf einem MEMS-Chip integrierte Schallwandlungseinrichtung zum Wandeln von elektrischer Energie in Schallenergie auf.
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Diese sind nicht einfach miniaturisierbar und auch in der Fertigung ergeben sich einige Probleme, wie zum Beispiel, dass sie häufig nicht lötbar sind.
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Die MEMS-Technologie hat Potential sowohl was die Miniaturisierung als auch eine kostengünstige und zuverlässige Fertigung in hohen Stückzahlen angeht. Ein Problem bei der Miniaturisierung der schallerzeugenden Elemente ist, dass kleine Membranen gerade im Bereich niedriger Frequenzen nicht genügend hohe Schalldrücke erzeugen. Der erreichbare Schalldruck ist proportional zur Membranfläche, ihrer Auslenkung und zum Quadrat der Frequenz f mit der sie schwingt - in manchen Näherungen sogar proportional zu f3.
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Es gibt verschiedene Ansätze diesem Problem zu begegnen. In einigen dieser Ansätze werden mehrere schallerzeugende Elemente verwendet.
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Insbesondere bei piezoelektrisch betriebener Schallerzeugung, wie z.B. in der
US 2021/0329386 A1 offenbart, ist ein Übereinanderschichten der Elemente senkrecht zur Oberfläche des Substrats aus prozesstechnischen Gründen schwierig, daher bedeuten mehr Elemente hier auch eine größere Fläche des MEMS-Lautsprechers.
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Gemäß der
US 9,164,277 B2 werden vertikale Lamellen verwendet, was den Vorteil bietet, dass mit der Höhe des Elementes gearbeitet werden kann und zudem sehr viele nebeneinander angeordnete Lamellen zur Schallerzeugung beitragen können, ohne die Fläche des Lautsprechers inakzeptabel zu vergrößern.
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Der Nachteil des in der
US 9,164,277 B2 beschriebenen elektrostatischen Antriebs besteht darin, dass der Antrieb und die akustisch relevante Fläche in einer Struktur vereint sind. Um den Antrieb unabhängiger von der akustisch relevanten Fläche optimieren zu können, wäre es von Vorteil, die Antriebsstruktur stärker von der schallerzeugenden Struktur zu trennen. Dies wurde zum Beispiel bei der Anordnung gemäß der
US 2022/0002143 A1 versucht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Schallwandleranordnung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Schallwandlungsverfahren nach Anspruch 14.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine effektive Entkopplung von Antrieb und Akustik und vereinfacht die Optimierung eines Designs unter den Randbedingungen eines Herstellungsprozesses.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, vertikal angeordnete, in mindestens einem Teilbereich beidseitig eingespannte Lamellen zu verwenden, die durch einen elektrostatischen Antrieb im Bereich ihrer Aufhängung zur Erzeugung von Schallwellen bewegt werden bzw. bei denen Schall kapazitiv durch deren Bewegungen erfasst wird. Der Antrieb zieht bei Schallerzeugung die vorverwölbten Lamellen auseinander. Die Steifigkeit und/oder Struktur der Lamellen ist so gewählt, dass sie sich unter einer glattziehenden Kraft und der relaxierenden Kraft vertikal zu dieser Bewegung auslenkt.
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Unter einer Lamelle ist ein Verdrängungselement zu verstehen. Dieses weist Flächen auf, wobei diese entsprechend eben ausgebildet, bezogen auf das Substrat vertikal angeordnet und zusammen mit den Wänden im Substrat und/oder einer weiteren Lamelle einen entsprechenden ersten und zweiten Teilraum innerhalb des Hohlraums bildet. Hierbei sind die Höhe und die Länge der Lamelle wesentlich größer als deren Breite bzw. Dicke.
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Durch die Bewegung der Lamelle wird ein im Hohlraum durch die Lamelle gebildetes Teilvolumen verdichtet, indem durch die Bewegung der Lamelle der entsprechende Teilraum verkleinert wird, während zeitgleich das andere durch die Lamelle gebildete Teilvolumen verdünnt wird, da dort durch die Bewegung des Verdrängungselements der Teilraum vergrößert wird. Durch eine Fluidöffnung auf einer Substratoberfläche kann hierbei Fluid aus dem verdichteten Teilvolumen in die Umgebung ausströmen, während durch eine weitere Fluidöffnung auf einer anderen, insbesondere gegenüberliegenden Substratoberfläche Fluid aus der Umgebung in das verdünnte Teilvolumen nachströmt. Auf diese Weise ergibt sich insbesondere ein Nettovolumenfluss des Fluids der Umgebung in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats. Bewegt sich das Verdrängungselement in die entgegengesetzte Richtung, ergibt sich eine umgekehrte Flussrichtung des Fluids. Mit anderen Worten kann mit dem Interaktionselement eine akustische Schallwelle mit positiver und negativer Druckhalbwelle in einem Fluid der Umgebung erzeugt werden.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass die Antriebsstruktur/Erfassungsstruktur von der akustisch aktiven Fläche der Lamellen separiert ist. Die Tiefe der Elektroden kann separat von der Tiefe der Lamellen gewählt werden, wodurch sich eine bessere Kapazitätsoptimierung ergibt. Auch die Nichtliniaritäten und die pull-in Gefahr können besser reduziert werden, z.B. durch Verwendung eines Kammantriebes/interdigital Elektroden und durch die Wölbung der Lamellen. Die Tiefe der beweglichen Halterungsblöcke kann ebenfalls optimal gewählt werden.
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Um eine gewünschte Lautstärke/Pumpleistung zu generieren, kann eine entsprechende Anzahl von Lamellen und Schallwandlereinrichtungen parallel zueinander anforderungsgemäß angeordnet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die zweite Halterungseinrichtung beweglich gestaltet, wobei eine zweite Schallwandlereinrichtung vorgesehen ist, welche zwischen der zweiten Halterungseinrichtung und der Gehäuseeinrichtung angeordnet ist, wobei die zweite Schallwandlereinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie eine zeitlich veränderliche Zugkraft auf die gewölbten Lamellen in Längsrichtung unter Verminderung und anschließender Relaxation der Wölbung zur Erzeugung von Schallwellen ausüben kann und/oder dass sie eine zeitlich veränderliche Zugkraft der gewölbten Lamellen in Längsrichtung unter Verminderung und anschließender Relaxation der Wölbung zur Detektion von Schallwellen erfassen kann. So kann an beiden Längsenden Schwingungsenergie auf die Lamellen übertragen werden bzw. davon erfasst werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die erste Halterungseinrichtung eine Mehrzahl beweglicher erster Halterungsblöcke auf, wobei das erste Längsende je eine Lamelle in einem zugehörigen ersten Halterungsblock gehaltert ist, und wobei die erste Schallwandlereinrichtung eine entsprechende Mehrzahl erster Schallwandlerblöcke aufweist, welche jeweils zwischen einem ersten Halterungsblock und der Gehäuseeinrichtung angeordnet sind. Dies ermöglicht eine unabhängige Steuerung jeder einzelnen Lamelle am ersten Längsende.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die erste Halterungseinrichtung einen einzigen zweiten Halterungsblock auf, wobei alle erste Längsenden der Lamellen in dem einzigen zweiten Halterungsblock gehaltert sind und wobei die erste Schallwandlereinrichtung einen einzigen erster Schallwandlerblock aufweist, welcher zwischen dem einzigen ersten Halterungsblock und der Gehäuseeinrichtung angeordnet ist. Dies ermöglicht eine Vereinfachung des strukturellen Aufbaus und der Ansteuerung am ersten Längsende.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die zweite Halterungseinrichtung eine Mehrzahl beweglicher zweiter Halterungsblöcke auf, wobei das zweite Längsende je eine Lamelle in einem zugehörigen zweiten Halterungsblock gehaltert ist und wobei die zweite Schallwandlereinrichtung eine entsprechende Mehrzahl zweiter Schallwandlerblöcke aufweist, welche jeweils zwischen einem zweiten Halterungsblock und der Gehäuseeinrichtung angeordnet sind. Dies ermöglicht eine unabhängige Steuerung jeder einzelnen Lamelle am zweiten Längsende.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die zweite Halterungseinrichtung einen einzigen beweglichen zweiten Halterungsblock auf, wobei alle zweite Längsenden der Lamellen in dem einzigen zweiten Halterungsblock gehaltert sind, und wobei die zweite Schallwandlereinrichtung einen einzigen zweiten Schallwandlerblock aufweist, welcher zwischen dem einzigen zweiten Halterungsblock und der Gehäuseeinrichtung angeordnet ist. Dies ermöglicht eine Vereinfachung des strukturellen Aufbaus und der Ansteuerung am zweiten Längsende.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen der oder die ersten Schallwandlerblöcke eine jeweilige erste Federeinrichtung und eine jeweilige erste kapazitive Struktureinrichtung auf. So läßt sich ein robuster kapazitiver Antrieb bzw. eine entsprechende Erfassung am ersten Längsende realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind eine dritte Halterungseinrichtung, welche an einer der ersten Schallwandlereinrichtung gegenüberliegenden Seite der ersten Halterungseinrichtung angeordnet ist und feststehend in oder an der Gehäuseeinrichtung ausgebildet ist, und eine dritte Schallwandlereinrichtung, welche zwischen der der ersten Halterungseinrichtung und der dritten Halterungseinrichtung angeordnet ist und welche derart ausgebildet ist, dass sie dass sie eine zeitlich veränderliche Gegenzugkraft auf die gewölbten Lamellen in Längsrichtung ausüben kann und/oder dass sie eine zeitlich veränderliche Gegenzugkraft der gewölbten Lamellen in Längsrichtung zur Detektion von Schallwellen erfassen kann, vorgesehen. Dies trägt zur Linearisierung beim Antrieb bzw. zur Erhöhung der Empfindlichkeit bei der Erfassung am ersten Längsende bei.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen der oder die zweiten Schallwandlerblöcke eine jeweilige zweite Federeinrichtung und eine jeweilige zweite kapazitive Struktur auf. So läßt sich ein robuster kapazitiver Antrieb bzw. eine entsprechende Erfassung am zweiten Längsende realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind eine vierte Halterungseinrichtung, welche an einer der zweiten Schallwandlereinrichtung gegenüberliegenden Seite der zweiten Halterungseinrichtung angeordnet ist und feststehend in oder an der Gehäuseeinrichtung ausgebildet ist, und eine vierte Schallwandlereinrichtung, welche zwischen der der zweiten Halterungseinrichtung und der vierten Halterungseinrichtung angeordnet ist und welche derart ausgebildet ist, dass sie dass sie eine zeitlich veränderliche Gegenzugkraft auf die gewölbten Lamellen in Längsrichtung ausüben kann und/oder dass sie eine zeitlich veränderliche Gegenzugkraft der gewölbten Lamellen in Längsrichtung zur Detektion von Schallwellen erfassen kann, vorgesehen. Dies trägt zur Linearisierung beim Antrieb bzw. zur Erhöhung der Empfindlichkeit bei der Erfassung am zweiten Längsende bei.
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Vorzugsweise wird die Vorverwölbung der Lamelle durch Anlegen einer Gegenspannung an der dritten und vierten Schallwandlereinrichtung erreicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die zweite Halterungseinrichtung feststehend in oder an der Gehäuseeinrichtung ausgebildet. So läßt sich eine einseitige Einspeisung bzw. Erfassung von Schwingungsenergie realsieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Gehäuseeinrichtung eine umlaufende Rahmeneinrichtung und eine obere Deckplatte und eine untere Deckplatte auf, wobei die obere Deckplatte erste Schalldurchtrittsöffnungen und die untere Deckplatte zweite Schalldurchtrittsöffnungen aufweist.
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Bevorzugt ist der Abstand zwischen oberer Deckplatte und Lamelle bzw. unterer Deckplatte und Lamelle minimal. Bevorzugt weniger als 5µm oder 1µm.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Lamellen eine korrugierte Oberfläche auf. So läßt sich die Steifigkeit der Lamellen kontrolliert einstellen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht;
- 2 eine schematische Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht;
- 3a),b) schematische Teildarstellungen einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 3a) in Draufsicht und 3b) in senkrechtem Querschnitt;
- 4a),b) schematische Teildarstellungen einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 4a) in Draufsicht und 4b) in senkrechtem Querschnitt;
- 5 eine schematische Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht;
- 6 eine schematische Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht; und
- 7 eine schematische Teildarstellung einer Lamellenstruktur für eine mikromechanische Schallwandleranordnung gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht.
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In 1 bezeichnen Bezugszeichen 1 und 1' eine erste und eine zweite gewölbte Lamelle, von denen ein erstes Längsende in einer ersten Halterungseinrichtung 2, 2' und ein zweites Längsende in einer zweiten Halterungseinrichtung 20, 20' gehaltert ist.
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Die erste Halterungseinrichtung 2, 2` weist zwei bewegliche erste Halterungsblöcke 2, 2' auf, wobei das erste Längsende der ersten Lamelle 1 am Halterungsblock 2 gehaltert ist und wobei das erste Längsende der zweiten Lamelle 1' am Halterungsblock 2' gehaltert ist.
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Die zweite Halterungseinrichtung 20, 20' weist zwei bewegliche erste Halterungsblöcke 20, 20' auf, wobei das zweite Längsende der ersten Lamelle 1 am Halterungsblock 20 gehaltert ist und wobei das zweite Längsende der zweiten Lamelle 1' am Halterungsblock 20' gehaltert ist.
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Eine bereichsweise schalldurchlässige Gehäuseeinrichtung 50, 70, 75 der mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß der ersten Ausführungsform ist in 1 nur teilweise dargestellt, nämlich Form einer umlaufenden Rahmeneinrichtung 50. Die Gehäuseeinrichtung 50, 70, 75 ist beispielsweise von einem Substrat gebildet. Die obere Deckplatte 70 und die untere Deckplatte 75 sind in 1 aus Gründen der Vereinfachung weggelassen (vgl. 3b) und 4b)).
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Eine erste Schallwandlereinrichtung 3, 4, 6 und 3', 4', 6' ist zwischen der ersten Halterungseinrichtung 2, 2' und der Rahmeneinrichtung 50 angeordnet, welche derart ausgebildet ist, dass sie eine zeitlich veränderliche Zugkraft auf die in Ruhestellung gewölbten Lamellen 1, 1' in Längsrichtung unter Verminderung und anschließender Relaxation der Wölbung zur Erzeugung von Schallwellen ausüben kann und/oder dass sie eine zeitlich veränderliche Zugkraft der in Ruhestellung gewölbten Lamellen 1, 1' in Längsrichtung unter Verminderung und anschließender Relaxation der Wölbung zur Detektion von Schallwellen erfassen kann.
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Die erste Schallwandlereinrichtung 3, 4, 6 und 3', 4', 6' weist zwei erste Schallwandlerblöcke 3, 4, 6 und 3', 4`, 6' auf, welche zwischen dem ersten Halterungsblock 2 und der Rahmeneinrichtung 50 bzw. zwischen dem ersten Halterungsblock 2' und der Rahmeneinrichtung 50 angeordnet sind.
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Die ersten Schallwandlerblöcke 3, 4, 6 und 3', 4', 6' weisen eine jeweilige erste Federeinrichtung 3 bzw. 3' und eine jeweilige erste kapazitive Struktureinrichtung 4, 6 bzw. 4', 6' auf. Die Federeinrichtung 3 weist mindestens eine Feder auf, welche den ersten Halterungsblock 2 mit der Rahmeneinrichtung 50 verbindet, und die Federeinrichtung 3` weist mindestens eine Feder auf, welche den ersten Halterungsblock 2` mit der Rahmeneinrichtung 50 verbindet. Die kapazitive Struktureinrichtung 4, 6 weist eine erste Kondensatorplatte 4 auf, welche an der Rahmeneinrichtung 50 vorgesehen ist, und weist eine zweite Kondensatorplatte 6 auf, welche an dem ersten Halterungsblock 2 vorgesehen ist.
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Die kapazitive Struktureinrichtung 4', 6' weist eine erste Kondensatorplatte 4' auf, welche an der Rahmeneinrichtung 50 vorgesehen ist, und weist eine zweite Kondensatorplatte 6' auf, welche an dem ersten Halterungsblock 2' vorgesehen ist.
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Die Kontaktierung von 4,6 und 4`, 6` ist der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Diese Kontaktierung kann beispielsweise über Bondpads auf dem Substrat/der Gehäuseeinrichtung, leitende Strukturen im Substrat/der Gehäuseeinrichtung über leitende Strukturen auf/in den Federlementen zu den Kondensatoren verlaufen.
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Eine zweite Schallwandlereinrichtung 30, 40, 60 und 30`, 40', 60' ist zwischen der zweiten Halterungseinrichtung 20, 20' und der Rahmeneinrichtung 50 angeordnet, welche ebenfalls derart ausgebildet ist, dass sie eine zeitlich veränderliche Zugkraft auf die in Ruhestellung gewölbten Lamellen 1, 1' in Längsrichtung unter Verminderung und anschließender Relaxation der Wölbung zur Erzeugung von Schallwellen ausüben kann und/oder dass sie eine zeitlich veränderliche Zugkraft der in Ruhestellung gewölbten Lamellen 1, 1' in Längsrichtung unter Verminderung und anschließender Relaxation der Wölbung zur Detektion von Schallwellen erfassen kann.
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Die zweite Schallwandlereinrichtung 30, 40, 60 und 30`, 40', 60' weist zwei zweite Schallwandlerblöcke 30, 40, 60 und 30', 40', 60' auf, welche zwischen dem zweiten Halterungsblock 20 und der Rahmeneinrichtung 50 bzw. zwischen dem zweiten Halterungsblock 20' und der Rahmeneinrichtung 50 angeordnet sind.
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Die zweiten Schallwandlerblöcke 30, 40, 60 und 30', 40', 60' weisen eine jeweilige erste Federeinrichtung 30 bzw. 30` und eine jeweilige erste kapazitive Struktureinrichtung 40, 60 bzw. 40', 60' auf. Die Federeinrichtung 30 weist mindestens eine Feder auf, welche den zweiten Halterungsblock 20 mit der Rahmeneinrichtung 50 verbindet, und die Federeinrichtung 3" weist mindestens eine Feder auf, welche den zweiten Halterungsblock 20' mit der Rahmeneinrichtung 50 verbindet.
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Die kapazitive Struktureinrichtung 40, 60 weist eine erste Kondensatorplatte 40 auf, welche an der Rahmeneinrichtung 50 vorgesehen ist, und weist eine zweite Kondensatorplatte 60 auf, welche an dem zweiten Halterungsblock 20 vorgesehen ist.
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Die kapazitive Struktureinrichtung 40', 60' weist eine erste Kondensatorplatte 40' auf, welche an der Rahmeneinrichtung 50 vorgesehen ist, und weist eine zweite Kondensatorplatte 06` auf, welche an dem zweiten Halterungsblock 20' vorgesehen ist. Die Kontaktierung von 40,60 und 40', 60' ist der Übersichtlichkeit wegen ebenfalls nicht dargestellt.
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Die Wölbung der Lamellen 1, 1' kann über das Design der Struktur oder durch Einstellung einer Zugspannung im Material der Lamelle (durch Wahl des Materials bzw. der Prozessführung) erreicht werden. Typische Dimensionen der Lamellen 1, 1' sind Länge 300 bis 1000 Mikrometer, Höhe 200 bis 400 Mikrometer und Dicke 10 bis 50 Mikrometer.
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Vorliegend werden beispielsweise alle oben beschriebenen Komponenten der mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß der ersten Ausführungsform in Siliziumtechnologie auf Waferebene gefertigt, wonach eine Vereinzelung der Bauelemente erfolgt. Dabei können die Deckplatten 70, 75 beispielsweise über Waferbonding vorgesehen werden.
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Die Federn der Federeinrichtungen 3, 3`, 30, 30' sind bei dieser ersten Ausführungsform in x-Richtung relativ weich, aber in y-Richtung relativ steif. Alternative Federanordnungen mit Verlauf in z-Richtung und entsprechend geänderten Steifigkeiten sind prinzipiell ebenfalls möglich.
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Zur Erzeugung von Schallwellen wird im Betrieb eine entsprechende elektrische Spannung an die kapazitiven Antriebe 4, 6 und 4', 6' sowie 40, 60 und 40', 60' angelegt und so eine elektrostatische Kraft dazwischen in Antriebsrichtung AR erzeugt, mit deren Hilfe sich die Lamelle 1 in Auslenkungsrichtung BR glattziehen lässt.
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Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn das Glattziehen nicht bis zur vollständigen Planarität erfolgt und der verspannte Zustand der Nulllage nur minimal ist, d.h. gerade so groß, dass eine genügende Auslenkungsänderung erfolgen kann. So kann unter anderem verhindert werden, dass die Lamellen 1, 1' bei der anschließenden Relaxation in einen anderen stabilen Zustand (Wölbung in entgegengesetzter Richtung) springen. Ein Zurückfahren der Spannung führt auf Grund der Federkraft zu einer Rückkehr in den ursprünglichen gewölbten Ruhezustand. Mit einer Wechselspannung, die auch einen Offset haben kann, können die Lamelle 1, 1' vor und zurück bewegt werden. Man kann die Halterungsblöcke 2, 2', 20, 20' entweder auf Substratpotential legen oder über die Federn 3, 3', 30, 30' an ein anderes Potential anbinden. Mit den Kondensatorplatten 3, 4,und 3', 4' sowie 30, 40 und 30', 40' verhält es sich ebenso.
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2 zeigt eine schematische Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht.
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Die Schallwandleranordnung gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass anstelle der plan-parallelen Kondensatorplatten 3, 4,und 3', 4' sowie 30, 40 und 30', 40' interdigitale Kammanordnungen 8a, 8b und 8a', 8b' sowie 80a, 80b und 80a', 80b' als elektrische Komponenten der Schallwandlereinrichtungen vorgesehen sind.
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Ansonsten ist die Schallwandleranordnung gemäß der zweiten Ausführungsform analog zur Schallwandleranordnung gemäß der ersten Ausführungsform aufgebaut.
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3a),b) zeigen schematische Teildarstellungen einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 3a) in Draufsicht und 3b) in senkrechtem Querschnitt.
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Die Schallwandleranordnung gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich gemäß 3a) von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass die Lamellen 1, 1' am zweiten Längsende an der Rahmeneinrichtung 50 feststehend angebracht sind und daher nur einseitig aktuiert bzw. detektiert werden.
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3b) zeigt die obere Deckplatte 70 und die untere Deckplatte 75, wobei ebenfalls eine Schalldurchtrittsöffnung 70a in der oberen Deckplatte 70a dargestellt ist, welche die Form eine Längsschlitzes aufweist.
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Die obere Deckplatte 70 und die untere Deckplatte 75 führen zum Einschluss eines Volumens. Dabei ist darauf zu achten, dass der Abstand zwischen den Lamellen zu einer oberen und einer unteren Deckplatte 70, 75 möglichst gering ist, da dieser die niedrigste Frequenz bestimmt, für die noch eine signifikante Lautstärke erzeugt werden kann. Die Schalldurchtrittsöffnungen 70a in der oberen Deckplatte 70 und in der unteren Deckplatte 75 sorgen einerseits dafür, dass Schall ein- bzw. austreten kann und andererseits Luft nachströmen kann. Die Frequenz und die Stärke der angelegten elektrischen Spannung bestimmen die Frequenz des so erzeugten Tons und seine Lautstärke.
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Dabei ist darauf zu achten, dass die Lamellen nicht über eine solche Schalldurchtrittsöffnung 70a schwingen, da dies einen akustischen Kurzschluss erzeugen würde.
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Ansonsten ist die Schallwandleranordnung gemäß der dritten Ausführungsform analog zur Schallwandleranordnung gemäß der zweiten Ausführungsform aufgebaut.
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4a),b) zeigen schematische Teildarstellungen einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 4a) in Draufsicht und 4b) in senkrechtem Querschnitt.
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Die Schallwandleranordnung gemäß der vierten Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass eine dritte gewölbte Lamelle 1" und eine vierte gewölbte Lamelle 1''' vorgesehen sind, welche am ersten Längsende an einem ersten Halterungsblock 2'' bzw. 2''' und am zweiten Längsende an einem zweiten Halterungsblock 20'' bzw- 20''' gehaltert sind.
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Zwischen dem ersten Halterungsblock 2'' und der Rahmeneinrichtung 50 ist eine Schallwandlereinrichtung 8a'', 8b'', 3'' vorgesehen, und zwischen dem ersten Halterungsblock 2''' und der Rahmeneinrichtung 50 ist eine Schallwandlereinrichtung 8a''', 8b''', 3''' vorgesehen, welche analog aufgebaut sind wie die Schallwandlereinrichtungen 8a, 8b, 3 bzw. 8a', 8b', 3', also eine jeweilige Federeinrichtung 3' bzw. 3'' und eine jeweilige interdigitale kapazitive Struktureinrichtung 8a'', 8b'' bzw. 8a''', 8b''' aufweisen.
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Zwischen dem zweiten Halterungsblock 20'' und der Rahmeneinrichtung 50 ist eine Schallwandlereinrichtung 80a'', 80b'', 30'' vorgesehen, und zwischen dem zweiten Halterungsblock 20''' und der Rahmeneinrichtung 50 ist eine Schallwandlereinrichtung 80a''', 80b''', 30''' vorgesehen, welche analog aufgebaut sind wie die Schallwandlereinrichtungen 8a, 8b, 3 bzw. 8a', 8b', 3', also eine jeweilige Federeinrichtung 30' bzw. 30'' und eine jeweilige interdigitale kapazitive Struktureinrichtung 80a'', 80b'' bzw. 80a''', 80b''' aufweisen.
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Weiterhin sind gemäß 4a) Schalldurchtrittsöffnungen 70a, 70b in der oberen Deckplatte 70 und eine Schalldurchtrittsöffnung 70a' in der unteren Deckplatte 75 vorgesehen, wobei diese nicht-fluchtend in Schallabstrahlrichtung (z- Richtung) angeordnet sind, um akustische Lecks zu vermeiden.
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4b) zeigt die Schallwandleranordnung gemäß der vierten Ausführungsform in senkrechtem Querschnitt.
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Ansonsten ist die Schallwandleranordnung gemäß der vierten Ausführungsform analog zur Schallwandleranordnung gemäß der zweiten Ausführungsform aufgebaut.
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5 zeigt eine schematische Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht.
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Die Schallwandleranordnung gemäß der fünften Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass die Schallwandlereinrichtungen der einzelnen Lamellen 1, 1' nicht getrennt sind, sondern an den Längsenden jeweils eine durchgehende Schallwandlereinrichtung 800a, 800b, 300 bzw. 800a', 800b', 300' und ein durchgehender erster und zweiter Halterungsblock 200 bzw. 220 vorgesehen sind, die dann alle Lamellen 1, 1' gekoppelt glattziehen.
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Die Schallwandlereinrichtungen 800a, 800b, 300 bzw. 800a', 800b', 300' sind analog aufgebaut wie die Schallwandlereinrichtungen 8a, 8b, 3 bzw. 8a', 8b', 3', weisen also eine jeweilige Federeinrichtung 300 bzw. 300' und eine jeweilige interdigitale kapazitive Struktureinrichtung 800a, 800b bzw. 800a', 800b' auf.
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Ansonsten ist die Schallwandleranordnung gemäß der fünften Ausführungsform analog zur Schallwandleranordnung gemäß der zweiten Ausführungsform aufgebaut.
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6 zeigt beine schematische Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht.
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Die Schallwandleranordnung gemäß der sechsten Ausführungsform unterscheidet sich von der fünften Ausführungsform dadurch, dass eine dritte Halterungseinrichtung 500a, 500b, 500c mit drei Halterungsblöcken 500a, 500b, 500c vorgesehen ist, welche an einer der ersten Schallwandlereinrichtung 300, 800a, 800b gegenüberliegenden Seite der ersten Halterungseinrichtung 200 angeordnet ist und feststehend in oder an der Gehäuseeinrichtung 50, 70, 75 ausgebildet ist.
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Eine dritte Schallwandlereinrichtung 801a', 802a', 803a', 804a', 805a', 806a' ist zwischen der ersten Halterungseinrichtung 200 und der dritten Halterungseinrichtung 500a, 500b, 500c angeordnet ist und ist derart ausgebildet, dass sie dass sie eine zeitlich veränderliche Gegenzugkraft auf die gewölbten Lamellen 1, 1' in Längsrichtung ausüben kann und/oder dass sie eine zeitlich veränderliche Gegenzugkraft der gewölbten Lamellen 1, 1' in Längsrichtung zur Detektion von Schallwellen erfassen kann.
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Weiterhin weist die Schallwandleranordnung gemäß der sechsten Ausführungsform eine vierte Halterungseinrichtung 500a', 500b', 500c' mit drei Halterungsblöcken 500a', 500b', 500c' auf, welche an einer der zweiten Schallwandlereinrichtung 300', 800a', 800b' gegenüberliegenden Seite der zweiten Halterungseinrichtung 220 angeordnet ist und feststehend in oder an der Gehäuseeinrichtung 50, 70, 75 ausgebildet ist.
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Eine vierte Schallwandlereinrichtung 801b', 802b', 803b', 804b', 805b', 806b' ist zwischen der der zweiten Halterungseinrichtung 220 und der vierten Halterungseinrichtung 500a', 500b', 500c' angeordnet und derart ausgebildet, dass sie dass sie eine zeitlich veränderliche Gegenzugkraft auf die gewölbten Lamellen 1, 1' in Längsrichtung ausüben kann und/oder dass sie eine zeitlich veränderliche Gegenzugkraft der gewölbten Lamellen 1, 1' in Längsrichtung zur Detektion von Schallwellen erfassen kann.
So lässt sich durch einen Push-Pull-Betrieb eine Linearisierung der Bewegung der Lamellen 1, 1' erreichen.
Push-Pull Betrieb bedeutet in diesem Fall, dass zum Glattziehen der Lamellen die elektrische Spannung an den Schallwandleranordnungen 800a,b,a' und b' erhöht wird, für die Gegenbewegung wird diese Spannung dann langsam zurückgefahren und in gleichem Maße die elektrische Spannung an den Schallwandleranordnungen 801a' und b', 802 a' und b', 803a' und b', 804 a' und b' sowie 805a' und b' hochgefahren.
Die Kontaktierung ist auch in diesem Bild der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt.
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Ansonsten ist die Schallwandleranordnung gemäß der sechsten Ausführungsform analog zur Schallwandleranordnung gemäß der fünften Ausführungsform aufgebaut.
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7 zeigt eine schematische Teildarstellung einer Lamellenstruktur für eine mikromechanische Schallwandleranordnung gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Um die Auslenkbarkeit der Lamelle 1a noch mehr zu vergrößern, also deren Steifigkeit in x-Richtung zu verringern, weist die Lamelle 1a gemäß 7 eine korrugierte Oberfläche 11'' auf.
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Derartige Lamellen 1a sind selbstverständlich bei sämtlichen Ausführungsformen einsetzbar.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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Insbesondere sind die gezeigten Geometrien und Materialien nur beispielhaft und können je nach Anwendung nahezu beliebig variiert werden.
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Optionale geeignet geformte und platzierte Anschlagsstrukturen an der Rahmeneinrichtung und/oder den sonstigen Komponenten können z.B. verhindern, dass sich die beweglichen Halterungsblöcke, z.B. beim Fallenlassen des Devices, unerwünscht stark bewegen, sich verkeilen oder eine sonstige Bewegung machen, die das Device beschädigen könnten.
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Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung sind neben Mikrofonen und Lautsprechern auch Mikropumpen oder Mikrogeneratoren für beliebige Fluide. Unter dem Begriff Fluid werden in der Physik Flüssigkeiten und Gase zusammengefasst. Das Gas kann beispielsweise gewöhnliche Luft sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2021/0329386 A1 [0007]
- US 9164277 B2 [0008, 0009]
- US 2022/0002143 A1 [0009]
