DE102022211284A1 - Micromechanical structure and micromechanical loudspeaker - Google Patents
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Abstract
Es werden eine mikromechanische Struktur 200 und ein mikromechanischer Lautsprecher vorgeschlagen. Die mikromechanische Struktur 200 umfasst zumindest eine bewegliche Biegeeinheit 220, die eine Mehrzahl an Biegeelementen 225 aufweist, wobei die Mehrzahl an Biegeelementen 225 als auslenkbare Federelemente ausgebildet sind. Ein erstes Federelement 230 weist eine lineare Federkonstante und/oder ein zweites Federelement 235 weist eine nichtlineare Federkonstante in einem zugehörigen Kraft-Wege-Diagramm auf. Das erste und/oder zweite Federelement 230, 235 sind funktional aktuierbar, in der Ausbildung der mikromechanischen Struktur 200 als Lautsprecher, funktional aktuierbar zur Erzeugung von Schall. Das erste und/oder zweite Federelement 230, 235 sind mechanisch gekoppelt 250, sodass ihre gemeinsame Federkennlinie im Kraft-Wege Diagramm einen Wendepunkt aufweist. Das erste und/oder zweite Federelement 230, 235 werden zur Einstellung der gemeinsamen Federkennlinie für einen funktionalen Betrieb der mikromechanischen Struktur lateral 240 und/oder rotatorisch mittels zumindest eines Aktuierungselements 245 vorausgelenkt, wobei das zumindest eine Aktuierungselement 245 eine temporäre oder permanente Vorauslenkung bewirkt. Der mikromechanische Lautsprecher weist ferner eine Signalverarbeitungseinheit zum Anlegen und Verarbeiten von Signalen der mikromechanischen Struktur auf.A micromechanical structure 200 and a micromechanical loudspeaker are proposed. The micromechanical structure 200 comprises at least one movable bending unit 220, which has a plurality of bending elements 225, wherein the plurality of bending elements 225 are designed as deflectable spring elements. A first spring element 230 has a linear spring constant and/or a second spring element 235 has a non-linear spring constant in an associated force-displacement diagram. The first and/or second spring elements 230, 235 are functionally actuable, in the design of the micromechanical structure 200 as a loudspeaker, functionally actuable to generate sound. The first and/or second spring elements 230, 235 are mechanically coupled 250, so that their common spring characteristic curve has an inflection point in the force-displacement diagram. The first and/or second spring elements 230, 235 are laterally 240 and/or rotationally pre-deflected by means of at least one actuating element 245 in order to set the common spring characteristic curve for functional operation of the micromechanical structure, wherein the at least one actuating element 245 causes a temporary or permanent pre-deflation. The micromechanical loudspeaker also has a signal processing unit for applying and processing signals from the micromechanical structure.
Description
Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Struktur und einen mikromechanischen Lautsprecher.The invention relates to a micromechanical structure and a micromechanical loudspeaker.
Stand der TechnikState of the art
Eine mikromechanische Struktur (als Beschleunigungssensor ausgebildet) mit einer Mehrzahl an Biegeelementen ist aus der Offenlegungsschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte mikromechanische Struktur und einen optimierten mikromechanischen Lautsprecher anzugeben.The object of the present invention is to provide an improved micromechanical structure and an optimized micromechanical loudspeaker.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is solved by the features of the independent claims. Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Es werden eine mikromechanische Struktur und ein mikromechanischer Lautsprecher vorgeschlagen. Die mikromechanische Struktur, umfasst zumindest eine bewegliche Biegeeinheit, die eine Mehrzahl an Biegeelementen aufweist, wobei die Mehrzahl an Biegeelementen als auslenkbare Federelemente ausgebildet sind. Zumindest ein erstes Federelement weist eine lineare Federkonstante in einem zugehörigen Kraft-Wege-Diagramm auf und/oder zumindest ein zweites Federelement weist eine nichtlineare Federkonstante in einem zugehörigen Kraft-Wege-Diagramm auf. Das erste Federelement und/oder das zweite Federelement sind funktional aktuierbar, insbesondere funktional aktuierbar zur Erzeugung von Schall, um einen mikromechanischen Lautsprecher zu bilden. Das erste Federelement und/oder das zweite Federelement sind mechanisch gekoppelt, sodass ihre gemeinsame Federkennlinie im Kraft-Wege Diagramm einen Wendepunkt aufweist. Das erste Federelement und/oder das zweite Federelement werden zur Einstellung der gemeinsamen Federkennlinie für einen funktionalen Betrieb der mikromechanischen Struktur lateral und/oder rotatorisch mittels zumindest eines Aktuierungselements vorausgelenkt, wobei das zumindest eine Aktuierungselement eine temporäre oder permanente Vorauslenkung bewirkt. Bei der Ausbildung der mikromechanischen Struktur als ein mikromechanischer Lautsprecher sind erste Federelement und/oder das zweite Federelement funktional aktuierbar zur Erzeugung von Schall ausgebildet. Der mikromechanische Lautsprecher weist ferner eine Signalverarbeitungseinheit zum Anlegen und Verarbeiten von Signalen der mikromechanischen Struktur auf. Die Signalverarbeitungseinheit kann auch eine Steuereinheit bilden bzw. umfassen, zum Ansteuern der mikromechanischen Struktur.A micromechanical structure and a micromechanical loudspeaker are proposed. The micromechanical structure comprises at least one movable bending unit which has a plurality of bending elements, wherein the plurality of bending elements are designed as deflectable spring elements. At least one first spring element has a linear spring constant in an associated force-displacement diagram and/or at least one second spring element has a non-linear spring constant in an associated force-displacement diagram. The first spring element and/or the second spring element can be functionally actuated, in particular functionally actuated to generate sound in order to form a micromechanical loudspeaker. The first spring element and/or the second spring element are mechanically coupled so that their common spring characteristic curve has an inflection point in the force-displacement diagram. The first spring element and/or the second spring element are laterally and/or rotationally pre-deflected by means of at least one actuating element in order to set the common spring characteristic for functional operation of the micromechanical structure, wherein the at least one actuating element causes a temporary or permanent pre-deflation. When the micromechanical structure is designed as a micromechanical loudspeaker, the first spring element and/or the second spring element are designed to be functionally actuable to generate sound. The micromechanical loudspeaker also has a signal processing unit for applying and processing signals from the micromechanical structure. The signal processing unit can also form or comprise a control unit for controlling the micromechanical structure.
Vorteilhaft sinkt die Federsteifigkeit durch die Vorauslenkung auf Werte, die für die Funktion bzw. den funktionalen Betrieb der mikromechanischen Struktur erforderlich sind. Die Federsteifigkeit für laterale, vertikale und rotatorische Auslenkung kann vorteilhaft unterschiedlich stark ausgelegt werden und bietet somit größtmögliche Flexibilität in der Implementierung. Zum Beispiel kann die Federsteifigkeit für eine Auslenkungen lateral (nach Vorauslenkung) klein und zugleich für vertikale Auslenkungen groß ausgelegt werden. In ähnlicher Weise können auch unerwünschte (ggf. höhere) Schwingungsmodi verringert bzw. vermieden werden.The spring stiffness advantageously drops due to the pre-deflection to values that are required for the function or functional operation of the micromechanical structure. The spring stiffness for lateral, vertical and rotational deflection can advantageously be designed to varying degrees, thus offering the greatest possible flexibility in implementation. For example, the spring stiffness can be designed to be small for a lateral deflection (after pre-deflection) and large for vertical deflection. In a similar way, undesirable (possibly higher) vibration modes can also be reduced or avoided.
Die Einstellung der gemeinsamen Federkennlinie für einen funktionalen Betrieb der mikromechanischen Struktur kann eine weitere Auslenkung des ersten Federelements und/oder des zweiten Federelements in einem näherungsweise linearen Bereich um den Wendepunkt der gemeinsamen Federkennlinie im Kraft-Wege Diagramm bedeuten. Der funktionale Betrieb der mikromechanischen Struktur, die funktionale Aktuierung oder die weitere Auslenkung des ersten und/oder zweiten Federelements können dabei jeweils als Synonyme aufgefasst werden. Die weitere Auslenkung des ersten und/oder zweiten Federelements oder eines an den genannten Federelementen angefügten oder mit den genannten Federelementen verbundenen Elements, das nicht als Federelement ausgebildet ist, führt zu einer Bewegung des ersten und/oder zweiten Federelements, wodurch die angrenzende Luft ebenfalls in Bewegung versetzt wird.The setting of the common spring characteristic curve for functional operation of the micromechanical structure can mean a further deflection of the first spring element and/or the second spring element in an approximately linear range around the turning point of the common spring characteristic curve in the force-displacement diagram. The functional operation of the micromechanical structure, the functional actuation or the further deflection of the first and/or second spring element can each be understood as synonyms. The further deflection of the first and/or second spring element or of an element attached to or connected to the spring elements mentioned, which is not designed as a spring element, leads to a movement of the first and/or second spring element, whereby the adjacent air is also set in motion.
Die akustische Leistung eines MEMS-Lautsprechers entsteht durch die Verdichtung der Luft durch eine bewegte Membran, Lamelle oder durch bewegte Federelemente (z.B. ein erstes und/oder zweites Federelement), wie oben beschrieben. Je größer das Volumen der komprimierten Luft, d.h. die Fläche oder die Bewegungsamplitude der Membran (bei vertikaler Auslenkung) oder Federelement bzw. Lamelle (bei lateraler Auslenkung) mit den für die gewünschten Töne entsprechenden Frequenzen ist, umso größer ist die akustische Leistung des Lautsprechers.The acoustic performance of a MEMS loudspeaker is created by the compression of air by a moving membrane, lamella or by moving spring elements (e.g. a first and/or second spring element), as described above. The larger the volume of compressed air, i.e. the area or the amplitude of movement of the membrane (with vertical deflection) or spring element or lamella (with lateral deflection) with the frequencies corresponding to the desired sounds, the greater the acoustic performance of the loudspeaker.
Der Schalldruckpegel ist ein Maß für die Schallleistung, die dem Quadrat des Schalldruckes proportional ist. Bei MEMS-Lautsprechern ist die erzielbare Auslenkung durch die limitierte Kraft der Elemente beschränkt. Die Auslenkung der Membran, des/der Federelement/e oder der Lamelle ist in weiten Bereichen in der Regel der Kraft proportional. Die Proportionalitätskonstante ist die „Federkonstante“ oder „Steifigkeit“ der Membran, des/der Federelement/e oder der Lamelle. Die Steifigkeit ist eine Funktion u.a. der Membran-, der Federelement- bzw. der Lamellengeometrie (i.W. Dicke/Höhe, Durchmesser/Länge) und des Elastizitätsmoduls des Materials. Die Steifigkeit der Membrane/Federelemente/Lamellen bestimmt ihre Resonanzfrequenz. Die Resonanzfrequenz von Lautsprechern liegt oberhalb der Frequenzen, die sie im Betrieb als Schall erzeugt.The sound pressure level is a measure of the sound power, which is proportional to the square of the sound pressure. In MEMS loudspeakers, the achievable deflection is restricted by the limited force of the elements. The deflection of the membrane, spring element(s) or lamella is generally proportional to the force over a wide range. The proportionality constant is the "spring constant" or "stiffness" of the membrane, spring element(s) or lamella. The stiffness is a function of, among other things, the membrane, spring element or lamella geometry (i.e. thickness/height, diameter/length) and the elastic modulus of the material. The stiffness of the membrane/spring elements/lamellas determines their resonance frequency. The resonance frequency of loudspeakers is above the frequencies that they generate as sound during operation.
Eine fundamentale Schwierigkeit mikromechanischer (MEMS-) Lautsprecher nach dem Stand der Technik besteht darin, dass ihre akustische Schalleistung für viele Anwendungen nicht ausreicht. MEMS-Lautsprecher mit lateral auslenkbaren Lamellen ist ein Konzept für MEMS-Lautsprecher mit dem potenziell eine hohe akustische Leistung erreichbar ist. Zur Erreichung dieses Ziels sind große Auslenkungen oder Lamellenflächen erforderlich. Bei gewünscht kleinen lateralen Abmessungen für das Bauteil sind große Lamellenflächen durch eine große Lamellenhöhe (dicke Funktionsschicht) erreichbar. Mit einer großen Lamellenhöhe steigt aber zugleich auch ihre Steifigkeit, was wiederum die Auslenkamplitude herabsenkt. Um eine möglichst niedrige Federsteifigkeit für eine möglichst große Auslenkung bei limitierter Kraft zu erhalten, müssen die Lamellen in ihrer gesamten Höhe sehr dünn ausgeführt werden. Für ihre Strukturierung sind daher sehr hohe, bisher fertigungssicher nicht erreichbare, Aspektverhältnisse (Trenchtiefe zu Trenchbreite) und möglichst senkrechte Trenchwandwinkel mit sehr geringen Geometrie-Toleranzen zu realisieren.A fundamental difficulty of state-of-the-art micromechanical (MEMS) loudspeakers is that their acoustic sound power is insufficient for many applications. MEMS loudspeakers with laterally deflectable lamellae are a concept for MEMS loudspeakers with which a high acoustic performance can potentially be achieved. To achieve this goal, large deflections or lamella areas are required. If the lateral dimensions for the component are small, large lamella areas can be achieved by a large lamella height (thick functional layer). However, with a large lamella height, their rigidity also increases, which in turn reduces the deflection amplitude. In order to achieve the lowest possible spring stiffness for the greatest possible deflection with limited force, the lamellae must be made very thin across their entire height. For their structuring, very high aspect ratios (trench depth to trench width), which were previously not reliably achievable in production, and trench wall angles that are as vertical as possible with very low geometric tolerances must therefore be achieved.
Mithilfe der oben vorgeschlagenen mikromechanischen Struktur können vorteilhaft große (hohe) Silizium-Lamellenflächen bzw. große (hohe) Silizium-Federelemente bei gleichzeitig niedriger Federsteifigkeit realisiert werden. Denn durch geeignete Dimensionierung der Biegeelemente (Zusammenschaltung gekrümmter und/oder gefalteter Elemente bzw. Federelemente) kann die Federkennlinie (Kennlinie) in der Umgebung dieses Bereichs variiert werden. So kann die Federkennlinie in einem weiten Bereich um den Wendepunkt nahezu linear und mit kleiner Steigung gestaltet werden. Üblicherweise werden Sensoren und Aktoren für den Betrieb in einem linearen Steifigkeitsbereich ausgelegt. Wird ein MEMS-Lautsprecher dieses Typs - d.h. mit lateral angeordneten Biegeelementen (Federelemente) - durch eine Vorauslenkung in diesen Bereich gebracht und betrieben, ist die für eine Aktuierung erforderliche Kraft vorteilhaft gering bzw. es können vorteilhaft mit kleinen Kräften große Bewegungsamplituden - entsprechend hohe Schalleistungen - erzielt werden. Insbesondere können Lamellen (lateral biegsame Balken) bzw. Federelemente mit solchem Federkennlinienverlauf für Silizium-MEMS-Sensoren und -Aktoren, bereitgestellt werden, die sich nur durch eine durch Vorauslenkung verkleinerte, positive oder negative Federsteifigkeit realisieren lassen.Using the micromechanical structure proposed above, it is advantageous to realize large (high) silicon lamella surfaces or large (high) silicon spring elements with low spring stiffness at the same time. This is because by appropriately dimensioning the bending elements (connection of curved and/or folded elements or spring elements), the spring characteristic (characteristic curve) can be varied in the vicinity of this range. In this way, the spring characteristic can be designed to be almost linear and with a small gradient in a wide range around the turning point. Sensors and actuators are usually designed for operation in a linear stiffness range. If a MEMS loudspeaker of this type - i.e. with laterally arranged bending elements (spring elements) - is brought into this range by pre-deflection and operated, the force required for actuation is advantageously low, or large movement amplitudes - correspondingly high sound power - can be achieved with small forces. In particular, lamellae (laterally flexible beams) or spring elements with such spring characteristics can be provided for silicon MEMS sensors and actuators, which can only be realized by a positive or negative spring stiffness reduced by pre-deflection.
In einer weiteren Ausführungsform ist die mikromechanische Struktur funktional aktuierbar zur Verwendung als eine der nachfolgenden Komponenten ausgebildet: ein Gravimeter, eine Waage, insbesondere eine Nano-Waage, ein xy- und/oder Drehaktor, insbesondere für ein Translations- oder Rotations-Mikropositionierelement, ein Energy-harvester, ein Relais, das monostabil oder bistabil ausgebildet ist. Das oben beschriebene Prinzip ermöglicht vorteilhaft die Realisierung eines großen Anwendungsspektrums von MEMS-Sensoren und Aktoren (in Silizium) auch für die beispielhaft genannten anderen Anwendungen, die gegenüber Zerstörung durch Überlast vorteilhaft sehr robust sind, und dennoch durch ihre geringe Steifigkeit im Betrieb große Bewegungsamplituden für die Sensierung oder für die Aktuierung ermöglichen.In a further embodiment, the micromechanical structure is designed to be functionally actuable for use as one of the following components: a gravimeter, a scale, in particular a nano-scale, an xy and/or rotary actuator, in particular for a translational or rotary micro-positioning element, an energy harvester, a relay that is designed to be monostable or bistable. The principle described above advantageously enables the realization of a wide range of applications for MEMS sensors and actuators (in silicon), also for the other applications mentioned as examples, which are advantageously very robust against destruction by overload, and yet enable large movement amplitudes for sensing or actuation due to their low rigidity during operation.
Während der Herstellung befindet sich das Bauteil - ohne Einwirkung von Kräften - im Kennlinienbereich mit einer großen Steifigkeit (große Steigung in der Federkennlinie in
In einer weiteren Ausführungsform ist das zumindest eine Aktuierungselement elektrostatisch aktuierbar und/oder pneumatisch aktuierbar und/oder piezoelektrisch aktuierbar und/oder magnetisch aktuierbar und/oder thermisch aktuierbar ausgebildet.In a further embodiment, the at least one actuating element is designed to be electrostatically actuated and/or pneumatically actuated and/or piezoelectrically actuated and/or magnetically actuated and/or thermally actuated.
Je nach Geometrie der Federelemente und der eingesetzten Aktorelemente kann über die Vorauslenkung ihre Federkonstante bzw. ihre Resonanzfrequenz variiert werden, sodass für eine weitere Auslenkung (funktionaler Betrieb) eines Sensors oder Aktors vorteilhaft nur noch eine kleine Kraft erforderlich ist.Depending on the geometry of the spring elements and the actuator elements used, their spring constant or their resonance frequency can be varied via the pre-deflection, so that only a small force is required for further deflection (functional operation) of a sensor or actuator.
Bekannte Lösungen, beispielsweise MEMS Aktoren/Sensoren, die als Gravimeter ausgebildet sind, nutzen eine Auslenkung der seismischen Masse und damit der Federelemente über das Gravitationsfeld der Erde statt einem Aktuierungselement. Eine Vorauslenkung der Lamellen eines lateral aktuierten MEMS-Lautsprechers im Gravitationsfeld ist aufgrund der erforderlichen Steifigkeit aber nicht möglich. Auch sollte die Funktion eines MEMS-Lautsprechers nicht von ihrer Orientierung im Gravitationsfeld beeinflusst sein. Die Verwendung eines vorgeschlagenen Aktuierungselements zur Vorauslenkung der mikromechanischen Struktur kann diese Nachteile vorteilhaft überwinden.Known solutions, such as MEMS actuators/sensors designed as gravimeters, use a deflection of the seismic mass and thus of the spring elements via the earth's gravitational field instead of an actuating element. However, a pre-deflection of the lamellae of a laterally actuated MEMS loudspeaker in the gravitational field is not possible due to the required stiffness. The function of a MEMS loudspeaker should also not be influenced by its orientation in the gravitational field. The use of a proposed actuating element to pre-deflection of the micromechanical structure can advantageously overcome these disadvantages.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein erstes Ende und/oder ein zweites Ende des ersten Federelements fixiert. Ein erstes Ende und/oder ein zweites Ende des zweiten Federelements ist ebenfalls fixiert. Ein Mittenabschnitt des ersten Federelements und/oder ein Mittenabschnitt des zweiten Federelements sind mechanisch miteinander gekoppelt. Oberhalb des ersten Federelements und/oder unterhalb des ersten Federelements und/oder zwischen dem ersten und zweiten Federelement ist ein Elektrodenpaar als elektrostatisch aktuierbares Aktuierungselement angeordnet, das mit dem ersten Federelement und/oder mit dem zweiten Federelement verbunden ist. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an das Elektrodenpaar wird eine elektrische Kraft erzeugt, die attraktiv auf das Elektrodenpaar wirkt und das Elektrodenpaar aus einer Ruhelage auslenkt, um eine laterale und/oder rotatorische Vorauslenkung des ersten Federelements und/oder des zweiten Federelements zu bewirken.In a further embodiment, a first end and/or a second end of the first spring element is fixed. A first end and/or a second end of the second spring element is also fixed. A central section of the first spring element and/or a central section of the second spring element are mechanically coupled to one another. Above the first spring element and/or below the first spring element and/or between the first and second spring elements, an electrode pair is arranged as an electrostatically actuatable actuation element, which is connected to the first spring element and/or to the second spring element. When an electrical voltage is applied to the electrode pair, an electrical force is generated that has an attractive effect on the electrode pair and deflects the electrode pair from a rest position in order to bring about a lateral and/or rotational pre-deflection of the first spring element and/or the second spring element.
Je nach Geometrie der Federelemente und der Ausbildung der eingesetzten Aktorelemente kann über die Vorauslenkung ihre Federkonstante bzw. ihre Resonanzfrequenz variiert werden, sodass für eine weitere Auslenkung (funktionaler Betrieb) eines Sensors oder Aktors vorteilhaft nur noch eine kleine Kraft erforderlich ist. Anstatt sehr schmaler Federelemente für eine geringe Steifigkeit können breitere, steifere Federelemente hergestellt bzw. genutzt werden. Durch die Vorauslenkung sinkt die Federsteifigkeit vorteilhaft auf Werte, die für die Funktion erforderlich sind. Mit gleichen absoluten Breitentoleranzen in der Herstellung ist die absolute Toleranz für die Steifigkeit bei breiten Federelementen geringer. Eine enge Toleranz in der Federsteifigkeit ist für die Einhaltung der Funktionseigenschaften ein wesentlicher Vorteil (z.B. kleine Streuung in der Resonanzfrequenz der MEMS-Lautsprecher).Depending on the geometry of the spring elements and the design of the actuator elements used, their spring constant or their resonance frequency can be varied via the pre-deflection, so that only a small force is required for further deflection (functional operation) of a sensor or actuator. Instead of very narrow spring elements for low stiffness, wider, stiffer spring elements can be manufactured or used. The pre-deflection advantageously reduces the spring stiffness to values that are required for the function. With the same absolute width tolerances in production, the absolute tolerance for the stiffness is lower for wide spring elements. A narrow tolerance in the spring stiffness is a significant advantage for maintaining the functional properties (e.g. small scatter in the resonance frequency of the MEMS loudspeakers).
Wird das Elektrodenpaar entgegengesetzt wirkend angeordnet, so kann die funktionale Aktuierung der mikromechanischen Struktur vorteilhaft bidirektional erfolgen. Vorteilhaft kann die Vorauslenkung damit flexibel auf die individuellen MEMS Sensor bzw. Aktor Anforderungen angewendet werden.If the pair of electrodes is arranged in opposite directions, the functional actuation of the micromechanical structure can advantageously be bidirectional. The pre-deflection can therefore be flexibly applied to the individual MEMS sensor or actuator requirements.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Elektrodenpaar ineinandergreifend ausgebildet. Eine erste Elektrode des Elektrodenpaares weist an einer ersten Seite, die einer zweiten Elektrode des Elektrodenpaares zugewandt ist, eine Mehrzahl an Vorsprüngen auf. Die zweite Elektrode des Elektrodenpaares weist an einer ersten Seite, die der ersten Elektrode des Elektrodenpaares zugewandt ist, eine Mehrzahl an Vorsprüngen auf, die versetzt zu der Mehrzahl an Vorsprüngen an der ersten Seite der ersten Elektrode angeordnet sind. Die Mehrzahl an Vorsprüngen der ersten Elektrode und die Mehrzahl an Vorsprüngen der zweiten Elektrode zahnartig oder kantenformartig oder konusstumpfartig ausgebildet sind.In a further embodiment, the electrode pair is designed to engage with one another. A first electrode of the electrode pair has a plurality of projections on a first side that faces a second electrode of the electrode pair. The second electrode of the electrode pair has a plurality of projections on a first side that faces the first electrode of the electrode pair, which are arranged offset from the plurality of projections on the first side of the first electrode. The plurality of projections of the first electrode and the plurality of projections of the second electrode are designed to be tooth-like, edge-like, or truncated cone-like.
Vorteilhaft kann über die unterschiedliche geometrische Anordnung der Elektrodeneine unidirektionale oder bidirektionale funktionale Aktuierung der vorgeschlagenen Struktur ermöglicht werden. Sind die Elektroden des Elektrodenpaares konusstumpfartig ausgebildet, so weisen diese vorteilhaft eine selbstbeschränkende Wirkung auf, d.h. sie können also nicht bis zum Anschlag/Zusammenhaften aufeinander zu bewegt werden, im Gegensatz zu den anderen Ausbildungen der Elektroden.Advantageously, the different geometric arrangement of the electrodes can enable unidirectional or bidirectional functional actuation of the proposed structure. If the electrodes of the electrode pair are designed like a truncated cone, they advantageously have a self-limiting effect, i.e. they cannot be moved towards each other until they stop/stick together, in contrast to the other designs of the electrodes.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt eine funktionale Aktuierung mittels elektrostatisch aktuierbaren und/oder piezoelektrisch aktuierbaren und/oder magnetisch aktuierbaren Aktuierungselement, wobei dazu ein Signal auf die mikromechanische Struktur aufmodulierbar ist.In a further embodiment, functional actuation is carried out by means of an electrostatically actuatable and/or piezoelectrically actuatable and/or magnetically actuatable actuation element, wherein a signal can be modulated onto the micromechanical structure for this purpose.
In einer weiteren Ausführungsform ist die funktionale Aktuierung unidirektional oder bidirektional einstellbar. Diese Ausgestaltung bietet vorteilhaft größtmögliche Flexibilität in der Implementierung.In a further embodiment, the functional actuation can be set to be unidirectional or bidirectional. This design advantageously offers the greatest possible flexibility in implementation.
In einer weiteren Ausführungsform ist als pneumatisch aktuierbares Aktuierungselement eine lateral zumindest teilweise gekrümmte oder gefaltete Rohrfeder verwendbar, die als erstes Federelement und/oder als zweites Federelement ausgebildet oder an dem ersten Federelement und/oder an dem zweiten Federelement angebracht ist oder mit dem ersten Federelement und/oder mit dem zweiten Federelement verbunden ist. Ein Druckunterschied wird zwischen einem Innenvolumen der Rohrfeder und einem Außenvolumen der Rohrfeder hergestellt, der zu einer Bewegung der Rohrfeder führt, um eine laterale und/oder rotatorische Vorauslenkung des ersten Federelements und/oder des zweiten Federelements zu bewirken. Beispielsweise sind verschiedene (nicht abschließende) geometrische Ausgestaltungen für die Rohrfeder denkbar: spiralförmig, s-förmig, gefaltet, mit abgerundeten bzw. gerundeten Kanten, etc..In a further embodiment, a laterally at least partially curved or folded tubular spring can be used as the pneumatically actuatable actuation element, which is designed as a first spring element and/or as a second spring element or is attached to the first spring element and/or to the second spring element or is connected to the first spring element and/or to the second spring element. A pressure difference is created between an inner volume of the tubular spring and an outer volume of the tubular spring, which leads to a movement of the tubular spring in order to achieve a lateral and/or rotational To cause the first spring element and/or the second spring element to deflect forward. For example, various (non-exhaustive) geometric designs for the tube spring are conceivable: spiral-shaped, S-shaped, folded, with rounded or curved edges, etc.
Vorteilhaft kann somit bekannte Technik zur permanenten Vorauslenkung der vorgeschlagenen Struktur genutzt werden. Da die permanente Auslenkung in der Regel bereits im Herstellungsprozess der Struktur erfolgt und die pneumatische Aktuierung für die funktionale Aktuierung zu träge ist, eignet sich die vorgeschlagene Art der Aktuierung vorteilhaft zur Bereitstellung einer permanenten Vorauslenkung.Known technology can therefore be used to provide permanent pre-deflection of the proposed structure. Since the permanent deflection usually already occurs during the manufacturing process of the structure and pneumatic actuation is too slow for functional actuation, the proposed type of actuation is advantageously suited to providing permanent pre-deflection.
In einer weiteren Ausführungsform ist als piezoelektrisch aktuierbares Aktuierungselement ein piezoelektrisches Streifenpaar verwendbar, das an dem ersten Federelement und/oder an dem zweiten Federelement angebracht ist, also auf eine Oberfläche des ersten Federelements und/oder auf eine Oberfläche des zweiten Federelements aufgebracht oder mit dem ersten Federelement und/oder mit dem zweiten Federelement verbunden ist. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung mit entgegengesetzter Polarität an das piezoelektrische Streifenpaar, ist das piezoelektrische Streifenpaar ausgelegt, eine Dehnbewegung und/oder Stauchbewegung auszuführen, um eine laterale und/oder rotatorische Vorauslenkung des ersten Federelements und/oder des zweiten Federelements zu bewirken.In a further embodiment, a piezoelectric strip pair can be used as the piezoelectrically actuatable actuation element, which is attached to the first spring element and/or to the second spring element, i.e. applied to a surface of the first spring element and/or to a surface of the second spring element or connected to the first spring element and/or to the second spring element. When an electrical voltage with opposite polarity is applied to the piezoelectric strip pair, the piezoelectric strip pair is designed to carry out an expansion movement and/or compression movement in order to bring about a lateral and/or rotational pre-deflection of the first spring element and/or the second spring element.
Somit kann vorteilhaft bekannte Technik einfach und zuverlässig implementiert werden. Ist die mikromechanische Struktur z.B. als Inertialsensor/Beschleunigungssensor ausgebildet, so kann bei Verwendung eines Federelements mit degressiv-horizontal-progressiver Kennlinie (z.B.
In einer weiteren Ausführungsform ist als magnetisch aktuierbares Aktuierungselement eine Stromschiene aus elektrisch leitfähigem Material in einem Magnetfeld verwendbar. Die Stromschiene ist an dem ersten Federelement und/oder an dem zweiten Federelement angebracht, also auf eine Oberfläche des ersten und/oder zweiten Federelements aufgebracht bzw. in das erste und/oder zweite Federelements, eingelassen sein, sofern das erste und/oder zweite Federelement jeweils aus Silizium ausgebildet sind, oder mit dem ersten Federelement und/oder mit dem zweiten Federelement verbunden. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Stromschiene wird ein Stromfluss erzeugt, der im Magnetfeld eine magnetische Kraft auf die Stromschiene erzeugt und eine laterale und/oder rotatorische Vorauslenkung des ersten Federelements und/oder des zweiten Federelements bewirkt.In a further embodiment, a busbar made of electrically conductive material in a magnetic field can be used as a magnetically actuatable actuation element. The busbar is attached to the first spring element and/or to the second spring element, i.e. applied to a surface of the first and/or second spring element or embedded in the first and/or second spring element, provided that the first and/or second spring element are each made of silicon, or connected to the first spring element and/or to the second spring element. When an electrical voltage is applied to the busbar, a current flow is generated which generates a magnetic force on the busbar in the magnetic field and causes a lateral and/or rotational pre-deflection of the first spring element and/or the second spring element.
In einer weiteren Ausführungsform ist als thermisch aktuierbares Aktuierungselement ein Bimetall-Streifen verwendbar. Der Bimetall-Streifen ist an dem ersten Federelement und/oder an dem zweiten Federelement angebracht oder mit dem ersten Federelement und/oder mit dem zweiten Federelement verbunden. Ein erstes Ende des Bimetall-Streifens ist fixierbar ausgebildet und/oder ein zweites Ende des Bimetall-Streifens ist bewegbar ausgebildet. Der Bimetallstreifen ist bei einer Erwärmung ausgelegt, eine Bewegung auszuführen, um eine laterale und/oder rotatorische Vorauslenkung des ersten Federelements und/oder des zweiten Federelements zu bewirken. Die Erwärmung des Bimetallstreifens kann entweder durch einen Kurzschluss des Bimetallstreifens oder durch Verwendung eines Heizelements erreicht werden.In a further embodiment, a bimetal strip can be used as a thermally actuatable actuation element. The bimetal strip is attached to the first spring element and/or to the second spring element or is connected to the first spring element and/or to the second spring element. A first end of the bimetal strip is designed to be fixable and/or a second end of the bimetal strip is designed to be movable. When heated, the bimetal strip is designed to carry out a movement in order to cause a lateral and/or rotational pre-deflection of the first spring element and/or the second spring element. The heating of the bimetal strip can be achieved either by short-circuiting the bimetal strip or by using a heating element.
In einer weiteren Ausführungsform ist als thermisch aktuierbares Aktuierungselement eine Formgedächtnislegierung verwendbar. Die Formgedächtnislegierung ist an dem ersten Federelement und/oder an dem zweiten Federelement angebracht oder mit dem ersten Federelement und/oder mit dem zweiten Federelement verbunden. Ein erstes Ende der Formgedächtnislegierung ist fixierbar ausgebildet und/oder ein zweites Ende der Formgedächtnislegierung ist bewegbar ausgebildet. Die Formgedächtnislegierung ist bei einer Erwärmung ausgelegt, einen Phasenübergang zu vollführen, wobei der Phasenübergang eine Strukturänderung der Formgedächtnislegierung herbeiführt, um eine laterale und/oder rotatorische Vorauslenkung des ersten Federelements und/oder des zweiten Federelements zu bewirken.In a further embodiment, a shape memory alloy can be used as a thermally actuatable actuation element. The shape memory alloy is attached to the first spring element and/or to the second spring element or is connected to the first spring element and/or to the second spring element. A first end of the shape memory alloy is designed to be fixable and/or a second end of the shape memory alloy is designed to be movable. The shape memory alloy is designed to undergo a phase transition when heated, the phase transition bringing about a structural change in the shape memory alloy in order to bring about a lateral and/or rotational pre-deflection of the first spring element and/or the second spring element.
In einer weiteren Ausführungsform ist die bewegliche Biegeeinheit als Rotationseinheit mit einem Rotationskörper für eine rotatorische Vorauslenkung ausgebildet. Vorteilhaft kann diese Ausgestaltung bei Sensoren und Aktoren mit rotatorisch bewegten Elementen angewandt werden. Vorteilhaft können auf diese Weise Drehbewegungen bzw. Aktoren oder Sensoren mit Drehelementen umgesetzt werden.In a further embodiment, the movable bending unit is designed as a rotation unit with a rotation body for a rotary pre-deflection. This design can advantageously be used for sensors and actuators with rotary elements. Rotary movements or actuators or sensors with rotary elements can advantageously be implemented in this way.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Rotationskörper im Wesentlichen kreisförmig und beweglich ausgebildet. Innerhalb des Rotationskörpers ist das erste Federelement angeordnet, das einseitig mit dem Rotationskörper verbunden und einseitig fixiert ist. Das erste Federelement ist als pneumatisch aktuierbare zumindest teilweise gekrümmte oder gefaltete Rohrfeder zur rotatorischen Vorauslenkung des ersten Federelements und/oder des zumindest eines zweiten Federelements ausgebildet. Beispielsweise ist die zumindest teilweise gekrümmte oder gefaltete Rohrfeder als spiralförmig ausgebildete Rohrfeder ausgebildet. Alternativ sind auch andere (nicht abschließende) geometrische Ausgestaltungen denkbar, wie z.B. s-förmig, gefaltet, mit abgerundeten bzw. gerundeten Kanten, etc. Das zumindest eine zweite Federelement ist einseitig mit dem Rotationskörper und einseitig mit dem Fixierungselement verbunden, wobei das Fixierungselement unbeweglich ausgebildet ist. Vorteilhaft können auf diese Weise Drehbewegungen bzw. Aktoren oder Sensoren mit Drehelementen umgesetzt werden.In a further embodiment, the rotary body is essentially circular and movable. The first spring element is arranged within the rotary body and is connected to the rotary body on one side and fixed on one side. The first spring element is designed as a pneumatically actuated, at least partially curved or folded tubular spring for the rotational pre-deflection of the first spring element and/or the at least one second spring element. For example, the at least partially curved or folded tubular spring is designed as a spiral-shaped tubular spring. Alternatively, other (non-exhaustive) geometric designs are also conceivable, such as S-shaped, folded, with rounded or rounded edges, etc. The at least one second spring element is connected to the rotary body on one side and to the fixing element on one side, the fixing element being immovable. In this way, rotary movements or actuators or sensors can advantageously be implemented with rotary elements.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Rotationskörper und dem Fixierungselement ferner ein Elektrodenpaar als elektrostatisch aktuierbares Aktuierungselement angeordnet, zur rotatorischen Vorauslenkung des ersten Federelements und/oder des zumindest einen zweiten Federelements.In a further embodiment, a pair of electrodes is arranged between the rotational body and the fixing element as an electrostatically actuatable actuation element for the rotational pre-deflection of the first spring element and/or the at least one second spring element.
In einer weiteren Ausführungsform sind das erste Federelement und/oder das zumindest eine zweite Federelement zumindest teilweise zueinander überlappend angeordnet. Zumindest teilweise zueinander überlappend kann dabei im Sinne einer zumindest teilweise übereinander gestapelten Anordnung verstanden werden. Die zumindest teilweise zueinander überlappende Anordnung wird erreicht, indem das zumindest eine zweite Federelement einseitig mit dem Rotationskörper verbunden ist und einseitig fixiert ist. Die Anordnung des ersten Federelements innerhalb des Rotationskörpers kann dabei wie vorstehend ausgebildet sein, nämlich einseitig mit dem Rotationskörper verbunden und einseitig fixiert. Vorteilhaft können auf diese Weise Drehbewegungen bzw. Aktoren oder Sensoren mit Drehelementen umgesetzt werden.In a further embodiment, the first spring element and/or the at least one second spring element are arranged to at least partially overlap one another. At least partially overlapping one another can be understood in the sense of an arrangement that is at least partially stacked on top of one another. The at least partially overlapping arrangement is achieved in that the at least one second spring element is connected to the rotary body on one side and is fixed on one side. The arrangement of the first spring element within the rotary body can be designed as above, namely connected to the rotary body on one side and fixed on one side. In this way, rotary movements or actuators or sensors can advantageously be implemented with rotary elements.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.The advantageous embodiments and further developments of the invention explained above and/or reproduced in the subclaims can - except, for example, in cases of clear dependencies or incompatible alternatives - be used individually or in any combination with one another.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich in Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Lautsprechers; -
2 eine schematische Darstellung der mikromechanischen Struktur in1 mit zumindest einer beweglichen Biegeeinheit; -
3 a und b schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der beweglichen Biegeeinheit in2 ; -
4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der beweglichen Biegeeinheit in2 ; -
5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der beweglichen Biegeeinheit in2 ; -
6 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der beweglichen Biegeeinheit in2 ; -
7 a und b schematische Darstellungen einer fünften Ausführungsform der beweglichen Biegeeinheit in2 mit einem elektrostatisch aktuierbaren Aktuierungselement; -
7 c bis f weitere schematische Darstellungen für elektrostatisch aktuierbare Aktuierungselemente, die in den7 a und b gezeigt sind; -
8 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform der beweglichen Biegeeinheit in den7 a und b; -
9 a bis c schematische Darstellungen für pneumatisch aktuierbare Aktuierungselemente; -
10 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform der beweglichen Biegeeinheit in2 ; -
11 a bis c weitere schematische Darstellungen von Aktuierungselementen, die piezoelektrisch mittels PZT und/oder thermisch mittels Bimetallstreifen oder Formgedächtnislegierung aktuierbar sind; -
12 a und b weitere schematische Darstellungen für ein elektrostatisch aktuierbares Aktuierungselement; -
13 eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform der beweglichen Biegeeinheit in2 ; -
14 a bis e schematische Darstellungen von Federkennlinien für Federelemente in einem Kraft-Wege-Diagramm; und -
15 a bis c schematische Darstellungen einer neunten bis elften Ausführungsform der beweglichen Biegeeinheit.
-
1 a schematic representation of a micromechanical loudspeaker; -
2 a schematic representation of the micromechanical structure in1 with at least one movable bending unit; -
3 a and b schematic representations of a first embodiment of the movable bending unit in2 ; -
4 a schematic representation of a second embodiment of the movable bending unit in2 ; -
5 a schematic representation of a third embodiment of the movable bending unit in2 ; -
6 a schematic representation of a fourth embodiment of the movable bending unit in2 ; -
7 a and b schematic representations of a fifth embodiment of the movable bending unit in2 with an electrostatically actuatable actuation element; -
7c to f further schematic representations for electrostatically actuatable actuation elements, which are shown in the7 a and b; -
8th a schematic representation of a sixth embodiment of the movable bending unit in the7 a and b; -
9 a to c schematic representations for pneumatically actuated actuation elements; -
10 a schematic representation of a seventh embodiment of the movable bending unit in2 ; -
11 a to c show further schematic representations of actuating elements which can be actuated piezoelectrically by means of PZT and/or thermally by means of bimetallic strips or shape memory alloy; -
12 a and b further schematic representations for an electrostatically actuatable actuation element; -
13 a schematic representation of an eighth embodiment of the movable bending unit in2 ; -
14 a to e schematic representations of spring characteristics for spring elements in a force-displacement diagram; and -
15 a to c are schematic representations of a ninth to eleventh embodiment of the movable bending unit.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Figuren lediglich schematischer Natur und nicht maßstabsgetreu sind. In diesem Sinne können in den Figuren gezeigte Komponenten und Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß oder verkleinert dargestellt sein. Ferner wird darauf hingewiesen, dass die Bezugszeichen in den Figuren unverändert gewählt worden sind, wenn es sich um gleich ausgebildete Elemente und/oder Komponenten handelt.It should be noted that the figures are merely schematic in nature and not to scale. In this sense, components and elements shown in the figures may be exaggeratedly large or reduced in size for better understanding. It should also be noted that the reference symbols in the figures have been chosen unchanged if they refer to elements and/or components of the same design.
Gegenstand der vorliegenden Anmeldung sind lateral aktuierte und/oder rotatorisch aktuierte Biegeelemente (Lamellen bzw. Federelemente), aufweisend Biegeelemente mit z.B. linearer und nicht nichtlinearer Federkennlinie, die bei gemeinsamer, zusammengeschalteter Auslenkung im Kraft-Wege-Diagramm einen Wendepunkt aufweisen. Durch geeignete Dimensionierung der Biegeelemente (Zusammenschaltung gekrümmter und/oder gefalteter Elemente bzw. Federelemente) kann die Federkennlinie in der Umgebung dieses Bereichs variiert werden. So kann die Federkennlinie in einem weiten Bereich um den Wendepunkt nahezu linear und mit kleiner Steigung gestaltet werden. Üblicherweise werden Sensoren und Aktoren für den Betrieb in einem linearen Steifigkeitsbereich ausgelegt. Wird ein MEMS-Lautsprecher dieses Typs - d.h. mit lateral angeordneten Biegeelementen (Federelemente) - durch eine Vorauslenkung in diesem Bereich gebracht und betrieben, ist die für eine Aktuierung erforderliche Kraft gering bzw. es können mit kleinen Kräften große Bewegungsamplituden - entsprechend hohe Schalleistungen - erzielt werden.The subject of the present application are laterally actuated and/or rotationally actuated bending elements (lamellae or spring elements), having bending elements with, for example, linear and non-linear spring characteristics, which have an inflection point in the force-displacement diagram when they are jointly deflected together. By appropriately dimensioning the bending elements (connecting curved and/or folded elements or spring elements), the spring characteristic can be varied in the vicinity of this area. In this way, the spring characteristic can be designed to be almost linear and with a small gradient in a wide area around the inflection point. Sensors and actuators are usually designed for operation in a linear stiffness range. If a MEMS loudspeaker of this type - i.e. with laterally arranged bending elements (spring elements) - is brought and operated in this area by a pre-deflection, the force required for actuation is low, or large movement amplitudes - correspondingly high sound power - can be achieved with small forces.
Vorteilhaft sinkt die Federsteifigkeit durch die Vorauslenkung auf Werte, die für die Funktion bzw. den funktionalen Betrieb der mikromechanischen Struktur erforderlich sind.Advantageously, the spring stiffness is reduced by the pre-deflection to values that are required for the function or functional operation of the micromechanical structure.
Kern der Erfindung sind derart zusammengesetzte Biegelamellen bzw. Federelemente sowie Elemente für deren temporäre oder dauerhafte Vorauslenkung. Können derart kombinierte Lamellen bzw. Federelemente temporär oder dauerhaft vorausgelenkt werden, lässt sich vorteilhaft ein Betrieb (Auslenkungen) der MEMS Struktur im Bereich kleiner Federsteifigkeit mit möglichst linearem Federkennlinienverlauf realisieren. Mit der so erreichbaren kleinen Federsteifigkeit sind mit kleinen Aktorkräften große Bewegungsamplituden (bei MEMS-Lautsprechern eine hohe Schalleistung) erzielbar.The core of the invention are bending lamellas or spring elements assembled in this way as well as elements for their temporary or permanent pre-deflection. If lamellas or spring elements combined in this way can be temporarily or permanently pre-deflected, it is advantageous to operate (deflections) the MEMS structure in the range of low spring stiffness with the spring characteristic curve being as linear as possible. With the low spring stiffness that can be achieved in this way, large movement amplitudes (high sound power in MEMS loudspeakers) can be achieved with small actuator forces.
Je größer das Volumen der komprimierten Luft, d.h. die Fläche oder die Bewegungsamplitude der Membran (bei vertikaler Auslenkung) oder Lamelle (bei lateraler Auslenkung) mit den für die gewünschten Töne entsprechenden Frequenzen ausgebildet ist, umso größer ist die akustische Leistung des mikromechanischen Lautsprechers 100. Der Schalldruckpegel ist ein Maß für die Schalleistung, die dem Quadrat des Schalldruckes proportional ist. Bei MEMS-Lautsprechern ist die erzielbare Auslenkung durch die limitierte Kraft der Elemente bzw. Komponenten beschränkt. Die Auslenkung der Membran oder Lamelle ist in weiten Bereichen in der Regel der Kraft proportional. Die Proportionalitätskonstante ist die Federkonstante oder Steifigkeit der Membran oder der Lamelle. Die Steifigkeit ist eine Funktion u.a. der Membran- bzw. der Lamellengeometrie (im Wesentlichen Dicke/Höhe, Durchmesser/Länge) und des Elastizitätsmoduls des Materials. Die Steifigkeit der Membrane/Lamellen bestimmt ihre Resonanzfrequenz.The larger the volume of compressed air, i.e. the area or the movement amplitude of the membrane (with vertical deflection) or lamella (with lateral deflection) with the frequencies corresponding to the desired tones, the greater the acoustic performance of the
Die mikromechanische Struktur 200 und die Signalverarbeitungseinheit 105 können operativ über die Verbindung 110 miteinander verbunden sein, wobei die genannte Verbindung 110 einer elektrischen Verbindung entsprechen kann, die beispielsweise als Bonddraht verwirklicht sein kann. Zudem sind alternative Ausgestaltungen denkbar.The
In der schematischen Darstellung in
Das erste Federelement 230 und das zweite Federelement 235 werden zur Einstellung der gemeinsamen Federkennlinie für einen funktionalen Betrieb der mikromechanischen Struktur (also z.B. zur Schallerzeugung) lateral 240 mittels zumindest eines Aktuierungselements 245 vorausgelenkt, wobei das Aktuierungselement 245 in
Das elektrostatisch aktuierbare Aktuierungselement 245 kann hierzu in das erste Federelement 230 eingebettet und in Form eines NED-Aktuators (NED: Nanoscopic Electrostatic Drive) ausgebildet sein. Eingebettet ist hier so zu verstehen, dass der NED-Aktuator in das erste Federelement, also in das Volumen des ersten Federelements 230, integriert ist. Das heißt das erste Federelement 230 kann ein nicht dargestelltes Elektrodenpaar umfassen, das bei Anlegen einer elektrischen Spannung zum Ausbilden eines elektrischen Feldes zwischen dem Elektrodenpaar und damit einer elektrischen Kraft führt, wobei die elektrische Kraft eine laterale Bewegung/Deformation/Biegung des ersten Federelements 230 hervorruft und damit eine laterale Vorauslenkung 240 bewirken kann, wie in den
In den
In
Die gemeinsame Federkennlinie kann einen degressiv-horizontal-progressiven Verlauf aufweisen, wie in
Die
Die Rohrfedern sind gefaltet (
Damit eine beidseitige Befestigung des ersten Federelements 430, in das das pneumatisch aktuierbare Aktuierungselement 445 als s-förmig ausgebildete Rohrfeder in
Die
Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an das Elektrodenpaar 685 wird eine elektrische Kraft erzeugt (nicht dargestellt), die attraktiv auf das Elektrodenpaar 685 wirkt und das Elektrodenpaar 685 aus einer Ruhelage 694 auslenkt, um eine laterale Vorauslenkung 240 des ersten Federelements 230 und/oder des zweiten Federelements 235 aufgrund der Verbindung des Elektrodenpaares 685 mit dem ersten und/oder zweiten Federelement 230, 235 zu bewirken. Im dargestellten Beispiel ist das Elektrodenpaar 685 ineinandergreifend ausgebildet. Die erste Elektrode 690 des Elektrodenpaares 685 ist zum Beispiel beweglich ausgebildet und die zweite Elektrode 691 des Elektrodenpaares 685 ist zum Beispiel fixiert. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die erste und zweite Elektrode 690, 691 wird eine attraktiv wirkende elektrische Kraft auf das Elektrodenpaar 685 erzeugt, die zu einer Bewegung der ersten Elektrode 690 in Richtung der zweiten Elektrode 691 führt. Aufgrund der Verwendung des Verbindungselements 665, das mit der ersten Elektrode 690 und dem ersten Federelement 230 sowie dem zweiten Federelement 235 verbunden ist, ist es schließlich möglich die beiden Federelemente 230, 235 lateral vorauszulenken.When an electrical voltage is applied to the
Die erste Elektrode 690 des Elektrodenpaares 685 weist an einer ersten Seite 695, die der zweiten Elektrode 691 des Elektrodenpaares 685 zugewandt ist, eine Mehrzahl an Vorsprüngen 692 auf. Die zweite Elektrode 691 des Elektrodenpaares 685 weist an einer ersten Seite 696, die der ersten Elektrode 690 des Elektrodenpaares 685 zugewandt ist, eine Mehrzahl an Vorsprüngen 693 auf, die versetzt zu der Mehrzahl an Vorsprüngen 692 an der ersten Seite 695 der ersten Elektrode 690 angeordnet sind. Die Mehrzahl an Vorsprüngen 692 der ersten Elektrode 690 und die Mehrzahl an Vorsprüngen 693 der zweiten Elektrode 691 sind zahnartig 687 (oder keilformartig) oder kantenformartig 688 oder konusstumpfartig 689 ausgebildet.
Alternativ wäre denkbar ein nur einseitig angeordnetes Elektrodenpaar 685 zu verwenden, sofern das erste Federelement 230 und das zweite Federelement 235 ebenfalls nur einseitig ausgebildet sind. In der gezeigten Darstellung sind das das erste Federelement 230 und das Federelement 235 jeweils symmetrisch entlang einer Symmetrieebene 201 ausgebildet. Es versteht sich, dass die symmetrische Ausbildung auch für die vorangehenden und ähnliche ausgebildete nachfolgende Ausführungsbeispiele gilt, wobei es denkbar ist, dass auch die bereits erläuterten Ausführungsbeispiele jeweils nur einseitig ausgebildete Federelemente 230, 235 umfassen, die dann jeweils nur durch ein einzelnes Aktuierungselement vorauslenkbar sind.Alternatively, it would be conceivable to use an
Die auf das Elektrodenpaar 685 einwirkende elektrische Kraft wirkt wie oben genannt attraktiv, also anziehend. Auf diese Weise kann also eine unidirektionale Aktuierung bzw. Vorauslenkung der Federelemente 230, 235 erfolgen. Wäre das Elektrodenpaar 685 entgegengesetzt wirkend angeordnet, so könnte alternativ eine bidirektionale Aktuierung bzw. Vorauslenkung der Federelemente 230, 235 ermöglicht werden.The electrical force acting on the
Wie oben erwähnt, kann die lateral zumindest teilweise gekrümmte oder gebogene Rohrfeder z.B. auch linear mit abgerundeten Kanten bzw. mit gebogenen Kanten ausgebildet sein und das erste Federelement 630 bilden, wie in der Darstellung in
Bei Anlegen einer elektrischen Spannung mit entgegengesetzter Polarität an das piezoelektrische Streifenpaar 1023 (nicht dargestellt), ist das piezoelektrische Streifenpaar 1023 ausgelegt, eine Dehnbewegung/Dilatation 1025 und/oder Stauchbewegung/Kontraktion 1024 auszuführen, um eine laterale Vorauslenkung 240 (und/oder rotatorische Vorauslenkung, nicht dargestellt) des ersten Federelements 630 und/oder des zweiten Federelements 235 zu bewirken. In der Darstellung in den
Weiterhin zeigt
Eine weitere Alternative für ein thermisch aktuierbares Aktuierungselement 1245 das in den Ausschnitt 10 in
Die Formgedächtnislegierung kann bei einer Erwärmung ausgelegt sein (beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Heizelements), einen Phasenübergang zu vollführen, wobei der Phasenübergang eine Strukturänderung der Formgedächtnislegierung herbeiführt, um eine laterale Vorauslenkung 240 (und/oder eine rotatorische Vorauslenkung, nicht dargestellt) des ersten Federelements 630 und/oder des zweiten Federelements 235 zu bewirken. In der dargestellten Ausführungsform bewirkt die Änderung der Temperatur der Formgedächtnislegierung eine Strukturänderung der Legierung, also Verformung der Legierung, und eine resultierende laterale Vorauslenkung 240 des ersten Federelements 630 und des zweiten Federelements 235. Die laterale Vorauslenkung 240 kann hierbei permanent sein. Auch eine rotatorische Vorauslenkung kann permanent sein.The shape memory alloy can be designed to undergo a phase transition when heated (for example by means of a heating element (not shown)), the phase transition bringing about a structural change in the shape memory alloy in order to bring about a lateral pre-deflection 240 (and/or a rotational pre-deflection, not shown) of the
In der Darstellung in
In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Eigenschaften der unterschiedlichen Aktuierungsmöglichkeiten für die Vorauslenkung zusammengefasst. Zudem enthält Tabelle 1 auch eine Spalte „funktionale Aktuierung“ für den funktionalen Betrieb der mikromechanischen Struktur 200, z.B. zur Erzeugung von Schall für eine als mikromechanischer Lautsprecher 100 ausgebildete MEMS Struktur 200. Auch die (Einstell-)Richtung der funktionalen Aktuierung ist hierbei angegeben. Tabelle 1
Die Aktuierungselemente 245, 345, 445, 545, 645, 745, 845, 945, 1045, 1145, 1245, 1345, 1445 für die Vorauslenkung (Aktoren bzw. Biegeaktoren) können sowohl in das erste (lineare) Federelement 230, 330, 430, 530, 630, 730 und/oder das zweite (nichtlineare) Federelement 235, 335 integriert oder an dem ersten Federelement 230, 330, 430, 530, 630, 730 und/oder an dem zweiten Federelement 235, 335 angeordnet werden.The
Für die funktionale Aktuierung (z.B. für die Erzeugung von Schall) können elektrostatisch 245, 645, 745, 845 und/oder piezoelektrisch 1045 und/oder magnetische 1345 Aktuierungselemente (Biegeaktoren) an das zweite Federelement 235, 335 angebracht und/oder in das zweite Federelement 235, 335 integriert bzw. eingebettet oder mit dem zweiten Federelement 235, 335 verbunden werden. Elektrostatische Interdigitalelektroden als Elektrodenpaar 685 können auch auf dem Verbindungselement 265 zwischen dem ersten (linearen) Federelement 230, 630, 730 und dem zweiten (nichtlinearen) Federelement 235, 335 angebracht werden. Die funktionalen Aktoren und die Aktuierungselemente 245, 645, 745, 845, 1045, 1345 für die Vorauslenkung können zusammenwirken. Das Zusammenwirken kann je nach Eigenschaften der Aktoren synchron und gleichgerichtet erfolgen und ermöglicht eine vergrößerte Auslenkung.For functional actuation (e.g. for generating sound), electrostatic 245, 645, 745, 845 and/or piezoelectric 1045 and/or magnetic 1345 actuation elements (bending actuators) can be attached to the
Aktuierungselemete gem. Nr. 1, 3, 4 und 5 in Tabelle 1 können prinzipiell sowohl für die laterale Vorauslenkung als auch für die funktionale Aktuierung eingesetzt werden. Der funktionale Betrieb der Aktoren (z.B. für die Erzeugung von Schall) kann in diesem Fall mit Signalen erfolgen, die einen konstanten Offset (mit entsprechender Polung für die Vorauslenkung) aufweisen, die zusätzlich mit Signalen moduliert werden, die für die Erzeugung des akustischen Schalls bestimmt sind. Das heißt eine funktionale Aktuierung kann mittels elektrostatisch aktuierbarem 245, 645, 745, 845 und/oder piezoelektrisch 1045 aktuierbarem und/oder magnetisch 1345 aktuierbarem Aktuierungselement erfolgen, wobei dann ein oben genanntes Signal auf die mikromechanische Struktur 200 aufmodulierbar ist.Actuating elements according to numbers 1, 3, 4 and 5 in Table 1 can in principle be used for both lateral pre-deflection and functional actuation. In this case, the functional operation of the actuators (e.g. for generating sound) can be carried out with signals that have a constant offset (with corresponding polarity for the pre-deflection), which are additionally modulated with signals that are intended for generating acoustic sound. This means that functional actuation can be carried out by means of electrostatically actuated 245, 645, 745, 845 and/or piezoelectrically 1045 actuated and/or magnetically 1345 actuated actuating elements, whereby an above-mentioned signal can then be modulated onto the
Die Aktuierungselemente 245, 345, 445, 545, 645, 745, 845, 945, 1045, 1145, 1245, 1345, 1445 können in allen Konstellationen an dem/in dem ersten (linearen) Federelement 230, 330, 430, 530, 630, 730 und/oder an dem/in dem zweiten (nichtlinearen) Federelement 235, 335 eingesetzt werden. Hierbei sind folgende Konstellationen denkbar:
- 1. Ein temporär wirkendes Aktuierungselement für Vorauslenkung und funktionale Aktuierung
- 2. Zwei temporär wirkende Aktuierungselemente beide für die Vorauslenkung und funktionale Aktuierung
- 3. Zwei temporär wirkende Aktuierungselemente - eines für Vorauslenkung und das zweite für die funktionale Aktuierung
- 4. Zwei Aktuierungselemente - eines für eine permanente Vorauslenkung und das zweite für die funktionale Aktuierung.
- 1. A temporarily acting actuation element for pre-deflection and functional actuation
- 2. Two temporarily acting actuation elements both for pre-deflection and functional actuation
- 3. Two temporarily acting actuation elements - one for pre-deflection and the second for functional actuation
- 4. Two actuation elements - one for permanent pre-deflection and the second for functional actuation.
Wird ein temporär wirkendes Aktuierungselement 245, 645, 745, 845, 1045, 1145, 1345 für die Vorauslenkung verwendet, so können über den Grad der Vorauslenkung verschiedene Arbeitspunkte im Federkennlinienfeld der kombinierten bzw. mechanisch gekoppelten ersten und zweiten Federelemente 230, 235, 335, 630, 730 mit unterschiedlichen Federsteifigkeiten und damit unterschiedliche Resonanzfrequenzen des MEMS-Lautsprechers 100 eingestellt werden.If a temporarily acting
Die
Innerhalb des Rotationskörpers 1031 ist das erste Federelement 530 angeordnet, wobei das erste Federelement 530 einseitig 521 mit dem Rotationskörper 1031 verbunden und einseitig 522 fixiert 40 ist. Das erste Federelement 530 ist als pneumatisch aktuierbare zumindest teilweise gekrümmte oder gefaltete Rohrfeder ausgebildet, zur rotatorischen Vorauslenkung des ersten Federelements 530 und/oder des zumindest einen zweiten Federelements 335. Im dargestellten Beispiel ist die Rohrfeder spiralförmig ausgebildet und bildet das erste Federelement 530. Alternative geometrische Ausgestaltungen der Rohrfeder, wie z.B. in den vorangehenden Figuren sind ebenfalls denkbar. Das zumindest eine zweite Federelement 335 ist einseitig 339 mit dem Rotationskörper 1031 verbunden und einseitig 338 mit einem Fixierungselement 1032 verbunden. Das Fixierungselement 1032 ist unbeweglich ausgebildet und ist in der Darstellung z.B. ebenfalls kreisförmig ausgebildet. Die geometrische Form des Fixierungselements 1032 kann jedoch auch alternativ zum gezeigten Beispiel umgesetzt sein.The
Die Biegeeinheit 1020 in
Die rotatorische Vorauslenkung 1040 der als spiralförmig ausgebildeten Rohrfeder, die das erste Federelement 530 bildet, kann hierbei z.B. permanent erfolgen. Die Vorauslenkung 1040 kann dazu beitragen, dass die Rückstellkraft des ersten Federelements 530 und des zweiten Federelements 335 in der gemeinsamen Federkennlinie danach reduziert ist und eine Drehbewegung der Rotationeinheit mit verkleinerter Rückstellkraft infolge der Vorauslenkung 1040 ermöglicht wird. Auf diese Weise können auch rotatorische Aktoren und/oder Sensoren bereitgestellt werden. Als Alternative zur beschriebenen Rohrfeder als Aktuierungselement 545, können auch die oben beschriebenen Aktuierungselemente für eine laterale Vorauslenkung 240 in die Biegeeinheiten 1020, 1120, 1220 der
Im Unterschied zu
Mögliche Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung bilden MEMS-Sensoren oder -Aktoren bei denen Elemente lateral bewegt werden, z.B.
- - MEMS-Lautsprecher
- - Gravimeter
- - Waagen mit großer Empfindlichkeit, z.B. (Nano-) Waagen
- - xy- und/oder Drehaktor mit großem Hub/Winkel z.B. für ein Translations- oder Rotations-Mikropositionierelement
- - Energy-harvester, oder
- - Relais (monostabil/bistabil).
- - MEMS speakers
- - Gravimeter
- - Scales with high sensitivity, e.g. (nano) scales
- - xy and/or rotary actuator with large stroke/angle e.g. for a translational or rotational micropositioning element
- - Energy harvester, or
- - Relay (monostable/bistable).
Die Erfindung wurde im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Anstelle der beschriebenen Ausführungsbeispiele sind weitere Ausführungsbeispiele denkbar, welche weitere Abwandlungen oder Kombinationen von beschriebenen Merkmalen aufweisen können. Die Erfindung ist aus diesem Grund nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt, da vom Fachmann andere Variationen daraus abgeleitet werden können, ohne dabei den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.The invention has been described in detail by means of preferred embodiments. Instead of the embodiments described, further embodiments are conceivable, which may have further modifications or combinations of the described features. For this reason, the invention is not limited by the disclosed examples, since other variations can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the scope of the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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