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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Schallwandlervorrichtung und ein entsprechendes Schallwandlungsverfahren.
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Stand der Technik
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Obwohl prinzipiell auf beliebige mikromechanische Schallwandlervorrichtungen, beispielsweise Lautsprecher und Mikrofone, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrunde liegende Problematik anhand von mikromechanischen Lautsprecheranordnungen erläutert.
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Miniaturisierte Lautsprecher mit typischen Durchmessern bis zu ca. 10mm werden heutzutage beispielsweise bei In-Ohr Kopfhörern bzw. Hörgeräten oder als Lautsprecher in mobilen Endgeräten wie Smartphones, Wearables, Tablets oder Laptops eingesetzt.
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Ein Lautsprecher stellt einen sogenannten elektromechanischen Wandler dar, der elektrische Energie in mechanische Bewegung umsetzt. Für die erwähnten Anwendungen werden heutzutage überwiegend kleine elektrodynamische Wandler, die aus einer magnetischen Struktur mit einer Schwingspule bestehen, eingesetzt. Die Miniaturisierung dieser Technologie ist schwierig, und so werden in den letzten Jahren vermehrt Konzepte auf Basis der sog. MEMS-Technologie (MEMS = Micro-Electro-Mechanical-System) betrachtet.
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Diese erlauben zum einen eine bessere Miniaturisierung und bieten zum anderen die Möglichkeit einer hohen Integration, da die eigentliche Lautsprecher-Struktur zusammen mit der Elektronik (z.B. D/A-Wandler, Signalprozessierung, Verstärker) auf einer Platine/ einem Chip integriert werden kann.
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Bei MEMS-Lautsprechern wird typischerweise das elektrostatische bzw. kapazitive oder das piezoelektrische Wandlungsprinzip genutzt. Allgemein stellt sich bei immer kleiner werdenden Lautsprechern die Herausforderung, Schallsignale mit genügend hoher Lautstärke zu erzeugen.
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Der von einem Lautsprecher erzeugte Schalldruck hängt wesentlich von der aktiv schwingenden Fläche des Lautsprechers, die oft als Membran bezeichnet wird, und von der erzeugbaren Auslenkung dieser Fläche ab. Für einen kreisrunden, in einer starren Umgebung eingebauten Strahler (sog. Kolbenstrahler) ist der erzeugbare Schalldruck im Fernfeld direkt proportional zur Membrangröße und deren Schwinggeschwindigkeit. Die Schwinggeschwindigkeit wiederum ist bei einer gegebenen Frequenz direkt proportional zur Auslenkung der Fläche. Um einen möglichst hohen Schalldruck zu erzeugen, muss daher in einem vorgegebenen Bauraum die aktiv schwingende Fläche des Lautsprechers möglichst groß sein und mit möglichst hoher Amplitude schwingen.
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Piezoelektrische Lautsprecher nutzen den sog. inversen piezoelektrischen Effekt durch Verwendung piezokeramischer Wandlungselemente. Wird an ein piezokeramisches Wandlungselement eine elektrische Spannung angelegt, so verformt sich dieses. Mit sogenannten piezoelektrischen Biegeaktoren können besonders hohe Auslenkungen erzielt werden. Dabei wird ein piezokeramisches Material auf ein Trägermaterial aufgebracht. Bei Anlegen einer Spannung an die Piezokeramik verformt sich diese und die Verbundstruktur aus Träger und Piezokeramik wird zu einer Biegung angeregt.
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Die Auslenkungen können weiter gesteigert werden, indem sogenannte Bimorph-Aktoren verwendet werden, bei der sich eine Trägerschicht zwischen zwei piezokeramischen Schichten befindet, welche aufgrund der angelegten Spannung oder ihrer Polarisation eine entgegengerichtete Bewegung ausführen. Zum Beispiel wird das Piezoelement auf der Unterseite der Trägerschicht kontrahiert und das auf der Oberseite expandiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Schallwandlervorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Schallwandlungsverfahren nach Anspruch 10.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, durch Nutzung von piezoelektrischen Biegeaktoren hohe Schalldruckamplituden bei miniaturisierten MEMS-Lautsprechern zu erzeugen. Das erfindungsgemäße Design der schwingungsdynamischen Struktur besteht aus einer schwingfähigen Membran mit mehreren segmentierten Einzelflächen, welche an einer zentralen mechanischen Stützstruktur bzw. Auflage bzw. Halterung fixiert sind, die von einer piezoelektrischen Antriebseinrichtung zur Schwingung angeregt wird.
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Bei diesem Konzept eines Pilz- oder Regenschirm-artigen Schallwandlers treten die maximalen Schwingungsamplituden im äußeren Bereich der Membranfläche auf und haben damit einen hohen Flächenanteil. Damit können bei kleiner Membranfläche hohe Schalldrücke erzeugt werden. Durch eine vollständige Realisierung dieser Struktur in MEMS-Technologie mit Hilfe von z.B. Ätz- oder Abscheideprozessen ist eine hohe Integration auf einem IC realisierbar.
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Die Schallerzeugung durch die segmentierten Membranflächen basiert auf dem Prinzip eines einseitig eingespannten Biegebalkens mit maximalen Schwingungsamplituden am freien Ende. Die mechanische Einspannung oder Fixierung befindet sich bei der vorgeschlagenen Lösung im zentralen Bereich der räumlich ausgedehnten Membranfläche und wird durch die Stützstruktur realisiert, die in ihren Abmessungen so dimensioniert ist, dass eine ausreichende Steifigkeit vorhanden ist und die Höhe dieser Stützstruktur die Schwingungsauslenkung der Membranfläche nicht begrenzt.
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Die Außenkontur der Elemente kann so gestaltet sein, dass sich eine kreisförmige, quadratische oder beliebig geformte Strahlerfläche ergibt. Das gilt ebenso für die Form des zentralen Stützelementes. Die Membranfläche wird durch Schlitze in einzelne Membransegmente unterteilt. Die Anzahl und Verteilung der Schlitze orientiert sich an der Größe der Membran und der äußeren Kontur. Bevorzugt wird ein möglichst symmetrischer Aufbau des Lautsprecherelementes, da dieser zu einer gleichmäßigen Schallabstrahlung in alle Raumrichtungen führt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weisen die piezoelektrischen Antriebe jeweils eine erste Elektrodenschicht, eine dazwischenliegende piezoelektrische Schicht und eine zweite Elektrodenschicht auf, welche auf der Rückseite aufgebracht sind. So lässt sich ein robuster Antrieb realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die jeweilige erste Elektrodenschicht und zweite Elektrodenschicht über jeweilige Bonddrähte und/oder jeweilige Leiterbahnen an entsprechende Kontaktbereiche in der Gehäuseeinrichtung angeschlossen. Dies ermöglicht eine einfache Montage in der Gehäuserinrichtung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Gehäuseeinrichtung auf der Seite der Stützeineinrichtung eine oder mehrere Druckausgleichslöcher aufweist. Dies trägt zur Optimierung das Klangverhaltens bei.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Membraneinrichtung eine quadratische, kreisförmige oder sechseckige Symmetrie auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist an der Stützeinrichtung eine Aktoreinrichtung zum Erzeugen einer Auf- und Abwärtsbewegung der Stützeinrichtung vorgesehen ist, wobei die Auf- und Abwärtsbewegung niedrigere Frequenzen abdeckt als durch die Schallerzeugungseinrichtung zu erzeugende Frequenzen. So lassen sich über die Auf- und Abwärtsbewegung niedrige Frequenzbereiche abdecken und insgesamt ein möglichst konstanter Frequenzgang erzeugen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Aktoreinrichtung aus einem piezokeramischen Material hergestellt und in die Stützeeinrichtung integriert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Aktoreinrichtung eine unterhalb der Stützeinrichtung vorgesehene Biegemembran auf, welche in einer Rahmeneinrichtung eingespannt ist und durch einen piezoelektrischen Biegeschwinger anregbar ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Mehrzahl von Schallerzeugungseinrichtungen in einer Array-Anordnung, insbesondere in einer hexagonalen Array-Anordnung, in der Gehäuseeinrichtung angeordnet. Dies trägt zur Erhöhung der Lautstärke bei. Bei einer unterschiedlichen elektrischen Ansteuerung der einzelnen Array-Elemente lässt sich so auch eine Richtwirkung des abgestrahlten Schallsignales erzeugen.
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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:
- 1a)-c) schematische Teildarstellungen einer mikromechanischen Schallwandlervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a) in perspektivischer Vorderseitenansicht in unausgelenktem Zustand, 1b) in perspektivischer Vorderseitenansicht in ausgelenktem Zustand und 1c) in perspektivischer Rückseitenansicht;
- 2a),b) schematische Darstellungen der mikromechanischen Schallwandlervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Gehäuse, und zwar 2a) in perspektivischer Vorderseitenansicht und 2b) in senkrechtem Querschnitt;
- 3) eine schematische perspektivische Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandlervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4) eine schematische frontale Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandlervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5) eine schematische Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandlervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt; und
- 6) eine schematische Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandlervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
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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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1a)-c) zeigen schematische Teildarstellungen einer mikromechanischen Schallwandlervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a) in perspektivischer Vorderseitenansicht in unausgelenktem Zustand, 1b) in perspektivischer Vorderseitenansicht in ausgelenktem Zustand und 1c) in perspektivischer Rückseitenansicht.
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1a)-c) zeigen eine Schallerzeugungseinrichtung 4a-4d, PAb, PAc, welche eine Membraneinrichtung 4a-4d mit einer Vorderseite VS und einer Rückseite RS und eine piezoelektrische Antriebseinrichtung PAb, Pac aufweist.
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Die Membraneinrichtung 4a-4d weist eine Mehrzahl, durch einen jeweiligen Schlitz S1-S4 segmentierter, schwingungsfähiger Membranbereiche 4a-4d auf, welche an einer zentralen Stützeinrichtung 1 gehaltert sind.
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Die schwingungsfähigen Membranbereiche 4a-4d besitzen eine nach außen und eine nach innen gerichtete Fläche. Die Seite, an welcher die Membranbereiche 4a-4d an der Stützeinrichtung 1 fixiert sind, ist die Innenseite. Von der nach außen gerichteten Seite ist Schall abstrahlbar. Die entsprechende Bewegungsrichtung BR ist in 1b) dargestellt.
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Die segmentierten Membranbereiche 4a-4d mit der Stützeinrichtung 1 werden typischerweise aus dem im Herstellungsprozess verwendeten Substratmaterial hergestellt, beispielsweise Silizium oder Polysilizium. Die Strukturierung, also der Materialabtrag zur Erzeugung der geometrischen Kontur und Schlitze S1-S4 in der Membraneinrichtung zur Segmentierung der einzelnen Membranbereiche 4a-4d erfolgt typischerweise durch Ätzprozesse, z.B. Trocken- oder Nassätzen. Alternativ oder ergänzend kann die Struktur auch durch schichtweisen Materialaufbau erfolgen, beispielsweise durch chemische Abscheidung, Sputtern, Oxidation oder auch 3D-Druckverfahren. Abscheideverfahren kommen insbesondere zur Erzeugung dünner Strukturen mit Schichtdicken bis wenigen Mikrometern in Betracht, während dickere Strukturen aus dem Materialabtrag des Substrates erzeugt werden.
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Gemäß 1c) weist die Antriebseinrichtung PAb, PAc eine Mehrzahl piezoelektrischer Antriebe PAb, PAc auf, von denen jeweils ein Antrieb auf der Rückseite RS und/oder Vorderseite VS eines zugehörigen Membranbereichs 4a-4d vorgesehen ist. Beim vorliegenden Beispiel sind die piezoelektrischen Antriebe PAb, PAc auf der Rückseite RS vorgesehen und lediglich die piezoelektrischen Antriebe PAb, PAc dargestellt.
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Die Teildarstellungen gemäß 1a)-c) sind aus Gründen der Übersichtlichkeit ohne eine Gehäuseeinrichtung dargestellt (vgl. 2a), b)). Um einen sog. „akustischen Kurzschluss“, also den Druckausgleich zwischen dem vor (Außenseite) und hinter (Innenseite) den Membranbereichen 4a-4d befindlichen Luftvolumen zu verhindern, muss die MEMS-Schallwandlervorrichtung jedoch von einer Gehäuseeinrichtung umgeben sein.
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Auch die Schlitze S1-S4 zwischen den einzelnen Membranbereichen 4a-4d sowie der äußeren Membrankontur und der Gehäuseeinrichtung (vgl. 2a), b)) müssen so klein wie möglich ausgeführt werden, um auch hier einen Druckausgleich zwischen Vorder- und Rückseite der Membranfläche zu verhindern.
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2a),b) zeigen schematische Darstellungen der mikromechanischen Schallwandlervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Gehäuse, und zwar 2a) in perspektivischer Vorderseitenansicht und 2b) in senkrechtem Querschnitt. 2a) zeigt die Schallwandlervorrichtung gemäß 1a)-c), welche in einer Gehäuseeinrichtung 20 angebracht ist, indem die Stützeinrichtung 1 mit der inneren Unterseite der Gehäuseeinrichtung 20 verbunden, z.B. verklebt, wird.
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Gemäß 2b) weisen die piezoelektrischen Antriebe jeweils eine erste Elektrodenschicht E1b, E1d, eine zweite Elektrodenschicht E2b, E2d und eine dazwischenliegende piezoelektrische Schicht Pb, Pd auf, welche auf der Rückseite RS aufgebracht sind. Die jeweilige erste Elektrodenschicht E1b, E1d und zweite Elektrodenschicht E2b, E2d sind über jeweilige Bonddrähte Z1b, Z2b und/oder jeweilige Leiterbahnen (nicht dargestellt) an entsprechende Kontaktbereiche PS in der Gehäuseeinrichtung 20 angeschlossen.
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Sowohl die piezoelektrischen Schichten Pb, Pd als auch die Elektrodenschichten E1b, E2b, E1d, E2d werden typischerweise durch Abscheideverfahren erzeugt. Zur Strukturierung können nach der Abscheidung die oben beschriebenen Prozesse des Materialabtrages, z.B. Ätzprozesse, eingesetzt werden. Als Material für die Elektrodenschichten E1b, E2b, E1d, E2d kommen elektrisch leitfähige Materialien, typischerweise Metalle in Betracht. Mögliche Materialien sind beispielsweise Gold (Au), Wolfram (W), Titan (Ti), Kupfer (Cu), Platin (Pt), Tantal (Ta), Aluminium (Al) oder Verbundmaterialien bzw. Legierungen. Die piezoelektrischen Schichten Pb, Pd bestehen beispielsweise aus piezokeramischem Material, wie Bleizirkonattitanat (PZT) oder Aluminiumnitrid (AIN), können grundsätzlich jedoch durch jedes Material, welches den piezoelektrischen Effekt aufweist, beispielsweise auch Polymermaterialien (z.B. PVDF), realisiert werden.
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Die Gehäuseeinrichtung 20 schließlich weist zweckmäßigerweise auf der Seite der Stützeineinrichtung 1 eine oder mehrere Druckausgleichslöcher V auf.
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Die Abmessungen der MEMS-Schallwandlervorrichtung ergeben sich aus der konkreten Anwendung. Typischerweise beträgt die Bautiefe inklusive der Gehäuseeinrichtung 20 maximal wenige Millimeter, die Membrangesamtfläche zwischen wenigen mm2 bis wenigen 100mm2. Hieraus leitet sich im Wesentlichen die Schichtdicke der Membran, sowie die Dimensionierung der Stützeinrichtung 1 ab. Das Ziel ist hierbei, dass sich die erste mechanische Eigenresonanz der Struktur oberhalb der Betriebsfrequenzen befindet. Die Höhe der Stützeinrichtung 1 sollte so gewählt werden, dass die Schwingungsbewegung der äußeren Membranbereiche 4a-4d ungehindert ausgeführt werden kann. Die Dicke der Elektrodenschichten schichten liegt typischerweise zwischen 20nm und einem Mikrometer, die der piezoelektrischen Schichten typischerweise bei wenigen Mikrometern, sofern sie über ein Abscheideverfahren realisiert wird. Bei Verwendung anderer Prozesse kann diese Schicht auch deutlich dicker sein.
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Grundsätzlich kann des Lautsprecher-Element zur Erzeugung von Schallsignalen im Audiobereich aber auch im Ultraschallbereich Anwendung finden. Die segmentierten Membranbereiche 4a-4d werden dabei bevorzugt gleichphasig elektrisch angesteuert, beispielsweise durch eine elektrische Parallelschaltung der Elektrodenschichten. Zur gezielten Erzeugung einer unsymmetrischen Abstrahlung (Richtwirkung), insbesondere für Ultraschallanwendungen, können die einzelnen Teilsegmente der Membran aber auch unabhängig voneinander mit einer Phasendifferenz betrieben werden.
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3) zeigt eine schematische perspektivische Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandlervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der zweiten Ausführungsform weist die Membraneinrichtung 4a`-4c` eine Mehrzahl durch einen jeweiligen Schlitz S1'-S3' segmentierter schwingungsfähiger Membranbereiche 4a`-4c` auf, die in kreisförmiger Symmetrie angeordnet sind.
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Ansonsten ist die zweite Ausführungsform analog zur ersten Ausführungsform aufgebaut.
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4) zeigt eine schematische frontale Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandlervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Der mikromechanische Schallwandlervorrichtung kann eine einzelne Schallerzeugungseinrichung aufweisen oder aus einer Mehrzahl von einzelnen Schallerzeugungseinrichungen L1-L9 in einer sog. Array-Anordnung bestehen.
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Die Array-Anordnung kann der Vergrößerung der effektiven Lautsprecherfläche dienen oder ermöglicht durch eine unterschiedliche Ansteuerung der einzelnen Elemente die Veränderung der Richtung des abgestrahlten Schallsignales (Richtwirkung).
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Dabei können die einzelnen Schallerzeugungseinrichungen des Arrays jeweils von einer Gehäuseeinrichtung umgeben sein. Es kann aber in diesem Fall, insbesondere bei einer gleichartigen Ansteuerung aller Elemente, auch lediglich ein Gehäuse, das alle Array-Elemente umschließt, realisiert werden.
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Für die Array-Anordnung sind grundsätzlich alle geometrischen Konturen von Membranflächen möglich, bevorzugt kann für eine bestmögliche Flächennutzung hier eine hexagonale Form gewählt werden, wie in 4 dargestellt.
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Dabei umfasst eine Schallerzeugungseinrichtung eine Membraneinrichtung 4a''-4f'' mit einer Mehrzahl durch einen jeweiligen Schlitz segmentierter schwingungsfähiger Membranbereiche 4a''-4f'', die in hexagonaler Symmetrie angeordnet sind.
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Ansonsten ist die dritte Ausführungsform analog zur ersten Ausführungsform aufgebaut.
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5) zeigt eine schematische Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandlervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
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Um einen bestimmten Schalldruckpegel zu erzeugen, nimmt die hierfür erforderliche Auslenkung der Membranbereiche zu, je tiefer die zu erzeugende Frequenz ist. Höhere Auslenkungen der Membranbereiche bedeuten eine hohe mechanische Dehnung sowohl des Substrates, als auch der piezoelektrischen Schicht in den äußeren Bereichen der Membranbereiche. Dies kann zu einem nichtlinearen Übertragungsverhalten und einer Degradation des piezoelektrischen Effektes über die Lebensdauer führen. Eine Lösung dieser Problematik kann erfolgen, indem die beschriebene Schallwandlervorrichtung nur zur Erzeugung höherfrequenter Schallsignale genutzt wird, beispielsweise in einem Frequenzbereich ab 500 Hz. Die tieferen Töne werden erzeugt, indem über eine zusätzliche Aktorik die gesamte Schallwandlervorrichtung in eine niederfrequente Auf- und Abwärtsbewegung versetzt wird.
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Bei der vierten Ausführungsform ist an der Stützeinrichtung 1 eine Aktoreinrichtung AE zum Erzeugen einer Auf- und Abwärtsbewegung der Stützeinrichtung 1 vorgesehen, wobei die Auf- und Abwärtsbewegung niedrigere Frequenzen abdeckt als die durch die Schallerzeugungseinrichtung 4a-4d; PAb, PAc) zu erzeugenden Frequenzen. Die Aktoreinrichtung AE ist aus einem piezokeramischen Material hergestellt und in die Stützeeinrichtung 1 integriert und verformt sich bei Anlegen einer Spannung.
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Andere Aktorprinzipien, wie etwa elektrodynamische, magnetostriktive oder auch kapazitive Prinzipien sind ebenfalls möglich.
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Ansonsten ist die vierte Ausführungsform analog zur ersten Ausführungsform aufgebaut.
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6) zeigt eine schematische Teildarstellung einer mikromechanischen Schallwandlervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt. Bei der fünften Ausführungsform weist die Aktoreinrichtung ME, RE eine unterhalb der Stützeinrichtung 1 vorgesehene Biegemembran ME auf, welche in einer Rahmeneinrichtung RE eingespannt ist und durch einen piezoelektrischen Biegeschwinger PA` anregbar ist.
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Ansonsten ist die fünfte Ausführungsform analog zur ersten Ausführungsform aufgebaut.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20210329386 A1 [0010]
- US 9164277 B2 [0010]
- US 20220002143 A1 [0010]
