DE202022100037U1

DE202022100037U1 - MEMS-Schallwandler mit einer verstärkten Membran

Info

Publication number: DE202022100037U1
Application number: DE202022100037.9U
Authority: DE
Original assignee: USound GmbH
Current assignee: USOUND GMBH, AT
Priority date: 2022-01-03
Filing date: 2022-01-03
Publication date: 2022-02-02
Anticipated expiration: 2032-01-04
Also published as: CN218041773U

Abstract

MEMS-Schallwandler (2) zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen
mit einem Membranträger (40),
mit einer flexiblen Membran (30), die in ihrem Randbereich (37) mit dem Membranträger (40) verbunden ist und gegenüber dem Membranträger (40) entlang einer Hubachse (50) schwingen kann, mit einer MEMS-Einheit (70), die zumindest eine entlang der Hubachse (50) auslenkbare Wandlerstruktur (73) aufweist,
mit einem Koppelelement (74), das gemeinsam mit der Membran (30) entlang der Hubachse (50) schwingen kann und das die Membran (30) mittelbar mit der Wandlerstruktur (73) verbindet, und mit einem steifen Verstärkungselement (31), das an der Membran (30) befestigt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verstärkungselement (31) zumindest eine Aussparung (301) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen MEMS-Schallwandler zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen, insbesondere im hörbaren Wellenlängenspektrum mit einem Membranträger, mit einer flexiblen Membran, die in ihrem Randbereich mit dem Membranträger verbunden ist und gegenüber dem Membranträger entlang einer Hubachse schwingen kann, mit einer MEMS-Einheit, die zumindest eine entlang der Hubachse auslenkbare Wandlerstruktur aufweist, mit einem Koppelelement, das gemeinsam mit der Membran entlang der Hubachse schwingen kann und das die Membran mittelbar mit der Wandlerstruktur verbindet, und mit einem steifen Verstärkungselement, das an der Membran befestigt ist.
Derartige MEMS-Schallwandler sind sehr klein dimensioniert und werden deshalb zum Beispiel in Hörgeräten, In-Ohr-Kopfhörern, Mobiltelefonen, Tablet-Computern und anderen elektronischen Geräten, die nur wenig Bauraum bieten, als Lautsprecher und/oder Mikrofon verbaut.
Die Bezeichnung MEMS steht für mikroelektromechanische Systeme. Ein MEMS-Schallwandler zur Schallerzeugung bzw. ein MEMS-Lautsprecher ist beispielsweise aus der DE 10 2012 220 819 A1 bekannt. Die Schallerzeugung erfolgt über eine schwingbar gelagerte Membran des MEMS-Lautsprechers. Derartige Schallwandleranordnungen sind gemäß den akustischen und sonstigen Anforderungen des jeweiligen Anwendungsbereichs spezifisch aufgebaut und bestehen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Elemente.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen MEMS-Schallwandler zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen MEMS-Schallwandler mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.
Vorgeschlagen wird ein MEMS-Schallwandler zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen mit einem Membranträger. Der MEMS-Schallwander umfasst eine flexible Membran, die in ihrem Randbereich mit dem Membranträger verbunden ist und gegenüber dem Membranträger entlang einer Hubachse schwingen kann. Auch weist der MEMS-Schallwandler eine MEMS-Einheit auf, die zumindest eine entlang der Hubachse auslenkbare Wandlerstruktur aufweist. Ferner umfasst der MEMS-Schallwandler ein Koppelelement, das gemeinsam mit der Membran entlang der Hubachse schwingen kann und das die Membran mittelbar mit der Wandlerstruktur verbindet. Um die Membran in einem Bereich, insbesondere in einem Zentralbereich, zu verstärken, weist der MEMS-Schallwandler ein steifes Verstärkungselement auf, das an der Membran befestigt ist. Mit dem Verstärkungselement kann die Schalldruckleistung des MEMS-Schallwandlers erhöht werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass das Gewicht der Membran erhöht wird, so dass sich das Ansprechverhalten der Membran verschlechtert. Das Verstärkungselement weist zumindest eine Aussparung auf. Hierdurch kann das Gewicht des Verstärkungselements reduziert und das Ansprechverhalten verbessert werden. Zugleich behält das Verstärkungselement eine ausreichende Steifigkeit, so dass die Membran weiterhin optimal verstärkt ist.
Vorteilhaft ist es, wenn sich die Aussparung vollständig durch das Verstärkungselement hindurcherstreckt, so dass die Aussparung an ihren beiden Enden jeweils eine Öffnung aufweist.
Vorteilhaft ist es zudem, wenn das Verstärkungselement Außenaussparungen aufweist, die in einer Draufsicht auf das Verstärkungselement in einem Randabschnitt des Verstärkungselements angeordnet sind.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Außenaussparungen derart nebeneinander angeordnet sind, dass sie einer Außenkontur des Verstärkungselements folgen.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Außenaussparungen, insbesondere in einer Draufsicht, als Langlöcher ausgebildet sind. Vorzugsweise weisen die Langlöcher runde Enden auf.
Ebenso bringt es Vorteile mit sich, wenn die Außenaussparungen jeweils eine Längsachse aufweisen. Auch ist es vorteilhaft, wenn sich die Längsachse der Außenaussparungen in einem Zentrum des Verstärkungselements schneiden.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Verstärkungselement Innenaussparungen aufweist, die in einer Draufsicht auf das Verstärkungselement in einem Innenabschnitt des Verstärkungselements angeordnet sind.
Vorteile bringt es mit sich, wenn die Innenaussparungen nebeneinander angeordnet und jeweils durch einen Steg voneinander getrennt sind.
Auch ist es von Vorteil, wenn die Innenaussparungen als Kreissegmente ausgebildet sind.
Ebenso bringt es Vorteile mit sich, wenn das Verstärkungselement in seinem Zentrum eine Zentralaussparung aufweist.
Vorteilhaft ist es zudem, wenn die Zentralaussparung in einer Draufsicht eine Kreisform aufweist.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Verstärkungselement in einer Seitenansicht einen zentralen Fortsatz aufweist, so dass zwischen dem Randabschnitt und dem Innenabschnitt ein Absatz ausgebildet ist, in dem die Innenaussparungen und/oder die Zentralaussparung angeordnet sind.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn das Koppelelement an einem Ende des Fortsatzes befestigt ist.
Ebenso bringt es Vorteile mit sich, wenn die Membran an einer dem Fortsatz abgewandten Seite des Verstärkungselements befestigt ist.
Vorteile bringt es mit sich, wenn das Verstärkungselement in der Draufsicht eine Kreisform aufweist.
Vorgeschlagen wird ein Herstellungsverfahren für einen MEMS-Schallwandler gemäß der vorangegangenen Beschreibung, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Gemäß dem Herstellungsverfahren wird das Verstärkungselement durch Ätzen einer Aluminiumfolie hergestellt. Vorzugsweise wird die Aluminiumfolie hierbei von zwei Seiten geätzt.
Um Beschädigungen der Membran und/oder der Wandlerstruktur zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn der MEMS-Schallwandler einen ersten Stopper-Mechanismus und/oder einen zweiten Stopper-Mechanismus aufweist. Der erste Stopper-Mechanismus ist in einer Querschnittsansicht des MEMS-Schallwandlers vorzugsweise im Bereich des Koppelelements angeordnet, so dass dieser die Schwingungen des Koppelelements entlang der Hubachse in zumindest einer Richtung begrenzt. Der zweite Stopper-Mechanismus ist in einer Querschnittsansicht des MEMS-Schallwandlers vorzugsweise im Bereich der Wandlerstruktur angeordnet, so dass dieser die Schwingungen der Wandlerstruktur entlang der Hubachse in zumindest einer Richtung begrenzt. Durch den Stopper-Mechanismus ist die empfindliche Membran und/oder die Wandlerstruktur vor Beschädigungen durch zu große Bewegungen der Membran aufgrund von zu hohem Schalldruck oder äußeren Erschütterungen oder Stößen geschützt.
Vorteilhaft ist es, wenn der erste Stopper-Mechanismus einen dem Koppelelement in Richtung der Hubachse gegenüberliegenden Koppelelementanschlag aufweist, der in einer Neutralstellung des Koppelelements von diesem beabstandet ist und gegen das Koppelelement bei maximaler Auslenkung anstößt. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn der zweite Stopper-Mechanismus einen der Wandlerstruktur in Richtung der Hubachse gegenüberliegenden Wandlerstrukturanschlag aufweist, der in einer Neutralstellung der Wandlerstruktur von dieser beabstandet ist und gegen die Wandlerstruktur bei maximaler Auslenkung anstößt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Koppelelementanschlag und/oder der Wandlerstrukturanschlag in einer Querschnittsansicht des MEMS-Schallwandlers in einer Neutralstellung der Membran in Richtung der Hubachse den gleichen Abstand oder zueinander unterschiedliche Abstände vom Koppelelement und/oder von der Wandlerstruktur aufweisen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Koppelelementanschlag und/oder der Wandlerstrukturanschlag an einer Leiterplatte und/oder einem Gehäuseteil ausgebildet ist.
Vorteilhaft ist es, wenn der Koppelelementanschlag und/oder der Wandlerstrukturanschlag in einer Kavität des MEMS-Schallwandlers angeordnet sind. Bei dem Begriff „Kavität“ handelt es sich um einen auf der Rückseite der Membran ausgebildeten akustischen Hohlraum.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn der Koppelelementanschlag und/oder der Wandlerstrukturanschlag in einer Querschnittsansicht des MEMS-Schallwandlers im Bereich eines Hohlraums der Leiterplatte oder eines Hohlraums des Gehäuseteils angeordnet sind. Der jeweilige Hohlraum kann hierbei zumindest einen Teil der Kavität des MEMS-Schallwandler ausbilden.
Eine konstruktiv einfache Lösung kann realisiert werden, wenn der Koppelelementanschlag und/oder der Wandlerstrukturanschlag vorteilhafterweise jeweils an einem freien Ende eines Fortsatzes ausgebildet sind. Diesbezüglich ist es ferner vorteilhaft, wenn sich der zumindest eine Fortsatz von einem Kavitätsboden und/oder einer Kavitätswand der Kavität in die Kavität hinein und/oder in Richtung des Koppelelements und/oder der Wandlerstruktur erstreckt.
Vorteilhaft ist es, wenn der erste Stopper-Mechanismus einen ersten Gegenanschlag umfasst, der die Schwingungen des Koppelelements entlang der Hubachse in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung begrenzt. Diesbezüglich ist es auch vorteilhaft, wenn der erste Gegenanschlag in einer Querschnittansicht des MEMS-Schallwandlers dem Koppelelementanschlag gegenüberliegend angeordnet ist.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der zweite Stopper-Mechanismus einen zweiten Gegenanschlag umfasst, der in einer Querschnittansicht des MEMS-Schallwandlers dem Wandlerstrukturanschlag gegenüberliegend angeordnet ist.
Vorteilhaft ist es, wenn der erste und/oder zweite Gegenanschlag in einer Querschnittsansicht des MEMS-Schallwandlers im Bereich eines Schallleitkanals angeordnet sind.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der MEMS-Schallwandler einen dritten Stopper-Mechanismus aufweist, der in einer Querschnittsansicht des MEMS-Schallwandlers im Bereich der Membran ausgebildet ist, so dass dieser die Schwingungen der Membran entlang der Hubachse in zumindest einer Richtung begrenzt, und einen der Membran in Richtung der Hubachse gegenüberliegenden ersten Anschlag aufweist, der in einer Neutralstellung der Membran von dieser beabstandet ist und gegen die Membran bei maximaler Auslenkung anstößt.
Vorteilhaft ist es, wenn die Membran ein Verstärkungselement aufweist, das an einer der MEMS-Einheit zugewandten oder abgewandten Seite der Membran befestigt ist.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Membran, insbesondere das Verstärkungselement, zu dem ersten, zweiten und/oder dritten Stopper-Mechanismus korrespondierend ausgebildet ist und/oder bei Auslenkung in der zweiten Richtung gegen den ersten Gegenanschlag, den zweiten Gegenanschlag und/oder den zweiten Anschlag stößt.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Koppelelementanschlag, der Wandlerstrukturanschlag und/oder der erste Anschlag zumindest teilweise an der MEMS-Einheit, an dem Gehäuseteil und/oder an der Leiterplatte ausgebildet ist.
Vorteilhaft ist es, wenn die der Membran zugewandte Stirnseite des Trägersubstrates als erster Anschlag ausgebildet ist.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Membran, insbesondere das Verstärkungselement, eine mit dem ersten Gegenanschlag, dem zweiten Gegenanschlag und/oder dem ersten Anschlag korrespondierende Anschlagsfläche aufweist.
Vorteilhaft ist es, wenn die Membran, insbesondere das Verstärkungselement, eine Koppelfläche aufweist, in deren Bereich die Membran mit der Wandlerstruktur mittelbar über das Koppelelement verbunden ist.
Vorteilhaft ist es, wenn der Stopper-Mechanismus das Verstärkungselement umfasst, das an einer Seite der Membran angeordnet ist. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Stopper-Mechanismus den dem Verstärkungselement gegenüberliegenden ersten Anschlag umfasst, der in einer Neutralstellung der Membran von dieser beabstandet ist und gegen den das Verstärkungselement bei maximaler Auslenkung anstößt.
Vorteilhaft ist es, wenn die MEMS-Einheit ein MEMS-Aktuator und/oder MEMS-Sensor ist. Auch ist es vorteilhaft, wenn die MEMS-Einheit mit der Membran zusammenwirkt, um elektrische Signale in akustisch wahrnehmbare Schallwellen zu wandeln. Ebenso können natürlich auch akustisch wahrnehmbare Schallwellen in elektrische Signale gewandelt werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die MEMS-Einheit ein Trägersubstrat umfasst. An dem Trägersubstrat ist vorzugsweise die Wandlerstruktur befestigt. Die Wandlerstruktur ist vorzugsweise als zumindest ein Kragarm ausgebildet. Der zumindest eine Kragarm umfasst vorzugsweise ein mit dem Trägersubstrat verbundenes erstes Ende und ein von diesem abgewandtes freies Ende. Das freie Ende ist entlang der Hubachse auslenkbar und mit dem Koppelelement, insbesondere über zumindest ein Federelement, verbunden. Das Trägersubstrat ist vorzugsweise aus Silizium hergestellt.
Vorteilhaft ist es, wenn der erste Anschlag zumindest teilweise an der MEMS-Einheit, insbesondere an dem Trägersubstrat der MEMS-Einheit, insbesondere des MEMS-Aktuators und/oder des MEMS-Sensors, ausgebildet ist. Zusätzlich oder alternativ kann der erste Anschlag zumindest teilweise an einem Gehäuseteil und/oder an einer Leiterplatte ausgebildet sein. Somit sind zur Ausbildung des ersten Anschlags vorteilhafterweise keine zusätzlichen Bauteile erforderlich. Alternativ oder ergänzend ist das Verstärkungselement an einer der MEMS-Einheit zugewandten Seite an der Membran befestigt. Hierdurch ist die Membran beim Anschlagen gegen den ersten Anschlag mittels des Verstärkungselementes geschützt.
Vorteilhafterweise ist die der Membran zugewandte Stirnseite des Trägersubstrates der MEMS-Einheit, insbesondere des MEMS-Aktuators und/oder des MEMS-Sensors, als erster Anschlag ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn die MEMS-Einheit, insbesondere an einer der Membran abgewandten Seite des Trägersubstrates, eine Wandlerstruktur, insbesondere eine Aktuatorstruktur und/oder Sensorstruktur, aufweist. Die Wandlerstruktur ist vorzugsweise aus einer piezoelektrischen Schicht ausgebildet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Randbereich der Membran in einem von der MEMS-Einheit, insbesondere vom Trägersubstrat, vorzugsweise in x-, y- und/oder z-Richtung, beabstandeten Befestigungsbereich des Membranträgers befestigt. Durch diese Entkopplung der Membranaufhängung vom Trägersubstrat, kann die akustisch wirksame Fläche der Membran größer als das Trägersubstrat ausgebildet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung bilden zumindest ein Gehäuseteil und/oder eine Leiterplatte den Membranträger, wobei die Membran vorzugsweise zwischen zwei dieser Bauteile befestigt ist.
Vorteilhaft ist es, wenn die Membran einen, insbesondere als Wulst ausgebildeten, äußeren elastischen Bereich aufweist. Dieser ist vorzugsweise benachbart zum Randbereich angeordnet. Alternativ oder ergänzend weist die Membran einen inneren verstärkten Bereich auf, in dem das Verstärkungselement angeordnet ist. Der elastische Bereich erlaubt der Membran gegenüber dem Membranträger zu schwingen. So kann der innere verstärkte Bereich der Membran mit dem Verstärkungselement gegenüber dem äußeren Randbereich der Membran und/oder ihrem Befestigungsbereich schwingen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der verstärkte Bereich und/oder das Verstärkungselement, insbesondere unmittelbar, benachbart zu dem elastischen Bereich angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das Verstärkungselement aus einem Kunststoff, einem Metall und/oder einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet sein. Auch ist es vorteilhaft, wenn das Verstärkungselement plattenförmig ausgebildet ist, mit der, insbesondere aus Silikon bestehenden, Membran verklebt ist und/oder sich über den gesamten verstärkten Bereich erstreckt. In ihrem verstärkten Bereich bzw. durch das Verstärkungselement besitzt die Membran eine erhöhte Steifigkeit und somit bessere akustische Eigenschaften insbesondere mit Blick auf die erreichbare Lautstärke, den Frequenzumfang und/oder die Signaltreue.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist das Verstärkungselement eine mit dem ersten Anschlag korrespondierende dritte Anschlagsfläche auf. Die dritte Anschlagsfläche ist vorzugsweise als geschlossener Rahmen ausgebildet.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Verstärkungselement eine Koppelfläche aufweist, die vorzugsweise im Inneren der rahmenförmigen dritten Anschlagsfläche angeordnet ist und/oder in deren Bereich das Verstärkungselement mit der Wandlerstruktur, insbesondere mittelbar über das Koppelelement, verbunden ist.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die dritte Anschlagsfläche und die Koppelfläche in Richtung der Hubachse bzw. in z-Richtung voneinander beabstandet sind und/oder über einen, insbesondere trichterförmigen, Zwischenbereich des Verstärkungselementes miteinander verbunden sind.
Hierdurch vergrößert sich vorteilhafterweise die Gesamtfläche der Membran, ohne dass die Membran einen größeren Durchmesser aufweist, wodurch - bei gleichzeitiger Verbesserung der akustischen Eigenschaften der Membran - Bauraum und Material eingespart werden können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind das Trägersubstrat und das Koppelelement aus dem gleichen Substrat, insbesondere einem Siliziumsubstrat, hergestellt und weisen insbesondere die gleiche Dicke auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der dritte Stopper-Mechanismus einen zweiten Anschlag, der die Schwingungen der Membran entlang der der Hubachse, insbesondere z-Achse, in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung begrenzt, wobei der zweite Anschlag vorzugsweise in einem durch ein Gehäuseteil ausgebildeten Schallleitkanal angeordnet ist. Durch den zweiten Anschlag, welcher in entgegengesetzter Richtung zum ersten Anschlag wirkt, wird die Membran noch besser vor Beschädigungen geschützt.
Bevorzugt ist ferner vorgesehen, dass der erste und zweite Anschlag zueinander gegenüberliegend angeordnet sind und/oder das Verstärkungselement zwischen diesen beiden Anschlägen und von diesen beabstandet angeordnet ist.
Vorteilhaft ist es, wenn der MEMS-Schallwandler eine Leiterplatte umfasst, die einen vollständig eingebetteten ASIC und/oder eine sich durch die Leiterplatte erstreckende Aussparung aufweist, wobei vorzugsweise an einer ersten Öffnung der Aussparung die MEMS-Einheit und/oder an einer zweiten Öffnung der Aussparung zur Ausbildung einer geschlossenen Kavität ein Gehäuseteil angeordnet sind.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:

1 einen MEMS-Schallwandler in einer perspektivischen Schnittansicht,
2 den MEMS-Schallwandlers aus 2 in einer schematischen seitlichen Schnittansicht,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel des MEMS-Schallwandlers mit einer in eine erste Richtung ausgeschwungenen Membran in einer schematischen seitlichen Schnittansicht,
4 das erste Ausführungsbeispiel des MEMS-Schallwandlers mit einer in eine zweite Richtung ausgeschwungenen Membran in einer schematischen seitlichen Schnittansicht,
5 ein alternativer MEMS-Schallwandler in einer perspektivischen Schnittansicht,
6 den MEMS-Schallwandler aus 5 in einer schematischen seitlichen Schnittansicht,
7 ein zweites Ausführungsbeispiel des MEMS-Schallwandlers in einer schematischen seitlichen Schnittansicht,
8 ein Verstärkungselement zum Verstärken einer Membran eines MEMS-Schallwandlers, insbesondere gemäß den vorstehenden Ausführungsbeispielen, in einer perspektivischen Ansicht,
9 das Verstärkungselement in einer Draufsicht auf eine Seite, die zur Befestigung eines Koppelelements vorgesehen ist, und 10 das Verstärkungselement in einer Seitenansicht.

Bei der nachfolgenden Figurenbeschreibung werden, um die Beziehungen zwischen den verschiedenen Elementen zu definieren, bezugnehmend auf die jeweils in den Figuren dargestellte Lage der Objekte relative Begriffe, wie beispielsweise oberhalb, unterhalb, oben, unten, drüber, drunter, links, rechts, vertikal und horizontal, verwendet. Es versteht sich von selbst, dass sich diese Begrifflichkeiten bei einer Abweichung von der in den Figuren dargestellten Lage der Vorrichtungen und/oder Elemente verändern können. Demnach würde beispielsweise bei einer in Bezug auf die Figuren dargestellten invertierten Orientierung der Vorrichtungen und/oder Elemente ein in der nachfolgenden Figurenbeschreibung als oberhalb spezifiziertes Merkmal nunmehr unterhalb angeordnet sein. Die verwendeten Relativbegriffe dienen somit lediglich zur einfacheren Beschreibung der relativen Beziehungen zwischen den einzelnen im nachfolgenden beschriebenen Vorrichtungen und/oder Elemente.
Die 1 bis 2 zeigen eine Schallwandleranordnung 1 bzw. einen MEMS-Schallwandler 2 in verschiedenen Ansichten. Der MEMS-Schallwandler 2 ist ausgebildet zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum. Hierzu besitzt er eine Membran 30 und einen Membranträger 40. Die Membran 30 ist in ihrem Randbereich 37 mit dem Membranträger 40 verbunden und vermag gegenüber dem Membranträger 40 entlang einer Hubachse 50, insbesondere z-Achse, zu schwingen. Die Hubachse 50 verläuft dabei im Wesentlichen senkrecht zu der Membran 30. Der MEMS-Schallwandler weist ein Verstärkungselement 31 zum Verstärken der flexiblen Membran 30 auf.
Der MEMS-Schallwandler 2 weist außerdem einen dritten Stopper-Mechanismus 60 auf, der ausgebildet ist, die Schwingungen der Membran 30 in zumindest einer Richtung 51 zu begrenzen. Hierzu umfasst der dritte Stopper-Mechanismus 60 das Verstärkungselement 31. Dieses ist an einer Seite der Membran 30, vorzugsweise an der Unterseite der Membran 30, angeordnet. Das Verstärkungselements 31 kann hierbei gemäß dem in 8, 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein. Zum Anderen weist der dritte Stopper-Mechanismus 60 einen dem Verstärkungselement 31 gegenüberliegenden Anschlag 61 auf, der in einer Neutralstellung der Membran 30, wie in den 1 und 2 gezeigt, von der Membran 30 beabstandet ist und gegen den das Verstärkungselement 31 bei maximaler Auslenkung der Membran 30 in die Richtung 51, wie in der 3 gezeigt, anstößt.
In diesem Beispiel umfasst der dritte Stopper-Mechanismus 60 noch einen zweiten Anschlag 62, der die Schwingungen der Membran 30 entlang der Hubachse 50 in einer zur ersten Richtung 51 entgegengesetzten zweiten Richtung 52 begrenzt. Auch der zweite Anschlag 62 ist in einer Neutralstellung der Membran 30, wie in den 1 und 2 gezeigt, von der Membran 30 beabstandet, wobei das Verstärkungselement 31 bei maximaler Auslenkung der Membran 30 in die zweite Richtung 52, wie in der 4 gezeigt, gegen den zweiten Anschlag 62 anstößt. In diesem Fall liegt die Membran 30 zwischen dem zweiten Anschlag 62 und dem Verstärkungselement 31.
Infolgedessen ist die Membran 30 gemäß 3 soweit nach unten ausgeschwungen bzw. ausgelenkt, dass das Verstärkungselement 31 an den ersten Anschlag 61 anstößt, während die Membran 30 gemäß 4 soweit nach oben ausgeschwungen bzw. ausgelenkt ist, dass das Verstärkungselement 31 an den zweiten Anschlag 62 des dritten Stopper-Mechanismus 60 anstößt.
Wie insbesondere aus den 1 bis 4 ferner ersichtlich ist, sind die beiden Anschläge 61, 62 zueinander gegenüberliegend angeordnet, wobei das Verstärkungselement 31 zwischen diesen beiden Anschlägen und von diesen beabstandet angeordnet ist. Der zweite Anschlag 62 ist dabei an einem oberen Gehäuseteil 81, welches oberhalb der Membran 30 angeordnet ist, und insbesondere in einem durch das obere Gehäuseteil 81 gebildeten Schallleitkanal 92 angeordnet.
Der erste Anschlag 61 ist hingegen an einem Trägersubstrat 71 einer MEMS-Einheit 70, insbesondere eines MEMS-Aktuators und/oder MEMS-Sensors, angeordnet bzw. durch eine Seite des Trägersubstrates 71 ausgebildet. Diese MEMS-Einheit 70 ist unterhalb der Membran 30 und/oder im Wesentlichen parallel zu dieser angeordnet. Er wirkt mit der Membran 30 zusammen, um elektrische Signale in akustisch wahrnehmbare Schallwellen zu wandeln oder umgekehrt. Hierzu umfasst die MEMS-Einheit 70 eine Wandlerstruktur 73, insbesondere Aktuatorstruktur und/oder Sensorstruktur. Diese ist vorzugsweise piezoelektrisch ausgebildet. Des Weiteren ist die Wandlerstruktur 73 an einer der Membran 30 abgewandten Seite des Trägersubstrates 71 angeordnet. In diesem Beispiel ist die der Membran 30 zugewandte Stirnseite 72 des Trägersubstrates 71 der MEMS-Einheit 70, insbesondere des MEMS-Aktuators und/oder des MEMS-Sensors, als Anschlag 61 ausgebildet. Anders als hier gezeigt könnte der erste Anschlag 61 aber auch an einem Gehäuseteil wie dem mittleren Gehäuseteil 83 und/oder an einer Leiterplatte wie der Leiterplatte 84 ausgebildet sein. Das Verstärkungselement 31 ist vorliegend an der der MEMS-Einheit 70 zugewandten Seite an der Membran 30 befestigt. Zusätzlich oder alternativ könnte das Verstärkungselement 31 oder aber auch ein zusätzliches Verstärkungselement grundsätzlich auch an der der MEMS-Einheit 70 abgewandten Seite an der Membran 30 befestigt sein. Insbesondere weist das Verstärkungselement 31 eine mit den Anschlägen 61, 62 korrespondierende dritte Anschlagsfläche 33 auf.
Die Schallwandleranordnung 1 umfasst neben der Membran 30, dem Membranträger 40, der MEMS-Einheit 70 und den beiden Gehäuseteilen 81, 83 des MEMS-Schallwandlers 2 auch noch eine Leiterplatte 84 sowie ein unteres Gehäuseteil 89. In die Leiterplatte 84 ist ein ASIC 85 vollständig eingebettet. Zusätzlich zu dem ASIC können auch weitere passive Komponenten, wie elektrische Widerstände und/oder E/A-Kontakte, in die Leiterplatte eingebettet und/oder an dieser angeordnet sein.
Die Leiterplatte 84 weist eine Aussparung 86 auf, die sich vollständig durch die Leiterplatte erstreckt und zwei Öffnungen 87, 88 besitzt. An der ersten Öffnung 87 der Aussparung 86 ist die MEMS-Einheit 70 angeordnet. An der zweiten Öffnung 88 der Aussparung 86 ist zur Ausbildung einer geschlossenen Kavität 90 das untere Gehäuseteil 89 angeordnet. Somit ist die Leiterplatte 84 zwischen der MEMS-Einheit 70 und dem unteren Gehäuseteil 89 angeordnet.
Der MEMS-Schallwandler 2 und insbesondere die MEMS-Einheit 70 ist mit in den Figuren nicht weiter dargestellten elektrischen Kontakten mit dem ASIC 85 verbunden. Der MEMS-Schallwandler 2 kann somit über den ASIC 85 angesteuert bzw. betrieben werden. Wenn der MEMS-Schallwandler 2 zum Beispiel als Lautsprecher fungieren soll, kann er über den ASIC 85 derart angeregt werden, dass durch die MEMS-Einheit 70 die Membran 30 zur Erzeugung von Schallenergie gegenüber dem Membranträger 40 in Schwingung versetzt wird. Unter der Begrifflichkeit „Kavität“ 90 ist ein Hohlraum zu verstehen, mittels dem der Schalldruck des MEMS-Schallwandlers 2 verstärkt werden kann. Da die Kavität 90 teilweise bereits durch die Aussparung 86 der Leiterplatte 84 gebildet wird, kann die Schallwandleranordnung 1 bzw. der MEMS-Schallwandler 2 sehr bauraumsparend mit einem dennoch relativ großen akustisch wirksamen Kavitätsvolumen ausgebildet werden, da der durch das untere Gehäuseteil 89 zur Bildung der Kavität 90 bereitgestellte Hohlraum nunmehr kleiner ausfallen kann. Die Gehäuseteile 81, 83 und insbesondere das untere Gehäuseteil 89 weisen vorzugsweise ein zur Leiterplatte 84 unterschiedliches Material auf. Alternativ könnte aber auch zumindest eines der Gehäuseteile 81 Bestandteil der Leiterplatte 84 sein.
Die Schallwandleranordnung 1 bzw. der MEMS-Schallwandler 2 hat eine im Wesentlichen rechteckige Grundform und ist somit einfach und kostengünstig herstellbar und für zahlreiche Anwendungszwecke geeignet. Die Schallwandleranordnung 1 ist zudem sandwichartig aufgebaut, das heißt, dass das untere Gehäuseteil 89, die Leiterplatte 84 und der MEMS-Schallwandler 2 aufeinandergestapelt angeordnet sind. Der MEMS-Schallwandler 2, die Leiterplatte 84 und das untere Gehäuseteil 89 haben dabei alle denselben Außendurchmesser. Alternativ kann die Schallwandleranordnung 1 aber grundsätzlich auch eine andere, insbesondere eine runde, Grundform aufweisen.
Die Membran 30, welche insbesondere aus Silikon ausgebildet ist, ist in ihrem Randbereich 37 in dem Befestigungsbereich 41 des Membranträgers 40 befestigt, wobei der Befestigungsbereich 41 vorzugsweise in x-, y- und z-Richtung von der MEMS-Einheit 70 und dessen Trägersubstrat 71 beabstandet angeordnet ist. Der Membranträger 40 wird hier von dem oberen Gehäuseteil 81 und dem mittleren Gehäuseteil 83 gebildet, wobei der Befestigungsbereich zwischen den beiden Gehäuseteilen 81, 83 liegt und somit die Membran zwischen diesen beiden Gehäuseteilen befestigt ist. Der Membranträger 40 ist rahmenartig ausgebildet und umgibt die Membran 30. Anders als hier gezeigt könnte der Membranträger 40 aber auch zumindest teilweise durch eine Leiterplatte wie die Leiterplatte 84 gebildet werden.
Benachbart zu ihrem Randbereich 37 weist die Membran 30 einen vorliegende insbesondere als Wulst 39 ausgebildeten, äußeren elastischen Bereich 38 und einen inneren verstärkten Bereich 32, in dem das Verstärkungselement 31 angeordnet ist, auf. Dabei ist der verstärkte Bereich 32 bzw. das Verstärkungselement 31 unmittelbar benachbart zu dem elastischen Bereich 38 angeordnet. Der elastische Bereich 38 erlaubt der Membran 30 gegenüber dem Membranträger 40 und insbesondere dem innere verstärkten Bereich 32 gegenüber dem äußeren Randbereich 37 zu schwingen. Das Verstärkungselement 31 ist hier aus einem Metall und/oder plattenförmig ausgebildet, wobei es sich wie vorliegende vorzugsweise über den gesamten verstärkten Bereich 32 erstreckt und mit der Membran 30 verklebt ist. Die durch das Verstärkungselement 31 bereitgestellte und mit den Anschlägen 61, 62 korrespondierende dritte Anschlagsfläche 33 ist hier rahmenartig ausgebildet und unmittelbar benachbart zu dem ebenfalls rahmenartig ausgebildeten elastischen Bereich 38 angeordnet.
Auch der erster Anschlag 61 und der zweite Anschlag 62 sind in diesem Beispiel korrespondierend zur dritten Anschlagsfläche 33 rahmenartig ausgebildet. Dabei umgibt das Trägersubstrat 71, das an seiner Stirnseite 72 den ersten Anschlag 61 bereitstellt, rahmenartig die Wandlerstruktur 73, während das obere Gehäuseteil 81 einen Vorsprung 82 aufweist, welcher rahmenartig die akustische Ein-/Austrittsöffnung 93 des Schallleitkanals 92 umgibt und den zweiten Anschlag 62 bereitstellt.
Im Inneren der rahmenförmigen dritten Anschlagsfläche 33 weist das Verstärkungselement 31 der Membran 30 eine Koppelfläche 35 auf. Die dritte Anschlagsfläche 33 und die Koppelfläche 35 sind dabei in z-Richtung voneinander beabstandet und über einen Zwischenbereich 34 des Verstärkungselementes 31, welcher hier trichterförmig ausgebildet ist, miteinander verbunden. Da das Verstärkungselement 31 mit der Membran 30 verklebt ist, weist demzufolge auch die Membran 30 eine trichterartige Form auf. Im Bereich der Koppelfläche 35 ist das Verstärkungselement 31 mit der Wandlerstruktur 73 der MEMS-Einheit 70, insbesondere des MEMS-Aktuators und/oder des MEMS-Sensors, über ein Koppelelement 74 verbunden. Vorliegend ist das Trägersubstrat 71 und das Koppelelement 74 aus dem gleichen Substrat, insbesondere einem Siliziumsubstrat, hergestellt. Sie weisen ferner infolgedessen die gleiche Dicke auf. Anders als hier dargestellt, kann alternativ oder ergänzend zu dem Koppelelement 74 ein Adapterelement zur Verbindung mit der Wandlerstruktur 73 eingesetzt werden.
In den 3 und 4 ist ein Ausführungsbeispiel des MEMS-Schallwandler 2 gezeigt. Dieser weist die Merkmale des in 1 und 2 dargestellte MEMS-Schallwandler auf, wobei diese Merkmale auch einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Gleiche Merkmale wurden mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nachfolgend nicht nochmal im Detail erläutert, sofern diese bereits vorstehend erläutert wurden. Insbesondere ist das Verstärkungselements 31 hierbei gemäß dem in 8, 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet.
Der in 3 und 4 gezeigte MEMS-Schallwandler 2 zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum umfasst den Membranträger 40 und die Membran 30, die in ihrem Randbereich mit dem Membranträger 40 verbunden ist und gegenüber dem Membranträger 40 entlang der Hubachse, insbesondere der z-Achse, zu schwingen vermag. Des Weiteren weist der MEMS-Schallwandler 2 die MEMS-Einheit 70 auf, die zumindest eine entlang der Hubachse auslenkbare Wandlerstruktur 73 aufweist. Ferner umfass der MEMS-Schallwandler 2 das Koppelelement 74, das gemeinsam mit der Membran 30 entlang der Hubachse zu schwingen vermag und das die Membran 30 mittelbar mit der Wandlerstruktur 73 verbindet. Um Beschädigungen der Membran 30 und/oder der Wandlerstruktur 73 zu vermeiden, umfasst der MEMS-Schallwandler 2 des Weiteren einen ersten Stopper-Mechanismus 100 und/oder einen zweiten Stopper-Mechanismus 200. Der erste Stopper-Mechanismus ist in einer Querschnittsansicht des MEMS-Schallwandlers 2 im Bereich des Koppelelements 74 angeordnet, so dass dieser die Schwingungen des Koppelelements 74 entlang der Hubachse in zumindest einer Richtung begrenzt. Der zweite Stopper-Mechanismus 200 ist in einer Querschnittsansicht des MEMS-Schallwandlers 2 im Bereich der Wandlerstruktur 73 angeordnet, so dass dieser die Schwingungen der Wandlerstruktur 73 entlang der Hubachse in zumindest einer Richtung begrenzt.
Der erste Stopper-Mechanismus 100 weist einen dem Koppelelement 74 in Richtung der Hubachse gegenüberliegenden Koppelelementanschlag 101 auf, der in einer Neutralstellung des Koppelelements 74 von diesem beabstandet ist und gegen das Koppelelement 74 bei maximaler Auslenkung anstößt. Ferner weist der zweite Stopper-Mechanismus 200 einen der Wandlerstruktur 73 in Richtung der Hubachse gegenüberliegenden Wandlerstrukturanschlag 201 auf, der in einer Neutralstellung der Wandlerstruktur 73 von dieser beabstandet ist und gegen die Wandlerstruktur 73 bei maximaler Auslenkung anstößt.
Der Koppelelementanschlag 101 und/oder der Wandlerstrukturanschlag 201 weisen in einer Querschnittsansicht des MEMS-Schallwandlers 2 in einer Neutralstellung der Membran 30 in Richtung der Hubachse zueinander einen unterschiedlichen Abstände vom Koppelelement 74 und/oder von der Wandlerstruktur 73 auf. Der Koppelelementanschlag 101 und/oder der Wandlerstrukturanschlag 201 sind an dem Gehäuseteil 89 ausgebildet.
Der Koppelelementanschlag 101 und/oder der Wandlerstrukturanschlag 201 sind in der Kavität 90 des MEMS-Schallwandlers 2 angeordnet. Bei dem Begriff „Kavität“ handelt es sich um einen auf der Rückseite der Membran 30 ausgebildeten akustischen Hohlraum. Der Koppelelementanschlag 101 und/oder der Wandlerstrukturanschlag 201 sind in einer Querschnittsansicht des MEMS-Schallwandlers 2 im Bereich eines Hohlraums der Leiterplatte 84 angeordnet. Der Hohlraum bildet hierbei einen Teil der Kavität 90 des MEMS-Schallwandler 2 aus.
Der Koppelelementanschlag 101 und/oder der Wandlerstrukturanschlag 201 sind jeweils an einem freien Ende eines Fortsatzes 102, 202 ausgebildet. Der Fortsatz 102, 202 erstreckt sich hierbei von einem Kavitätsboden 94 der Kavität 90 in die Kavität 90 hinein. Alternativ könnte sich der jeweilige Fortsatz 102, 202 auch von einer Kavitätswand 95 in die Kavität 90 hineinerstrecken.
Der erste Stopper-Mechanismus 100 umfasst einen ersten Gegenanschlag 103, der die Schwingungen des Koppelelements 74 entlang der Hubachse in einer zur ersten Richtung 51 entgegengesetzten zweiten Richtung 52 begrenzt. Der erste Gegenanschlag 103 ist in einer Querschnittansicht des MEMS-Schallwandlers 2 dem Koppelelementanschlag 101 gegenüberliegend angeordnet.
Der zweite Stopper-Mechanismus 200 weist einen zweiten Gegenanschlag 203 auf, der in einer Querschnittansicht des MEMS-Schallwandlers 2 dem Wandlerstrukturanschlag 201 gegenüberliegend angeordnet ist. Der erste und/oder zweite Gegenanschlag 103, 203 sind in einer Querschnittsansicht des MEMS-Schallwandlers 2 im Bereich des Schallleitkanals 92 angeordnet.
Der MEMS-Schallwandler 2 weist den in 1 und 2 bereits beschriebenen dritten Stopper-Mechanismus 60 auf, der in einer Querschnittsansicht des MEMS-Schallwandlers 2 im Bereich der Membran 30 ausgebildet ist, so dass dieser die Schwingungen der Membran 30 entlang der Hubachse begrenzt. Des Weiteren umfasst der dritten Stopper-Mechanismus 60 den der Membran 30 in Richtung der Hubachse gegenüberliegenden ersten Anschlag 61, der in einer Neutralstellung der Membran 30 von dieser beabstandet ist und gegen die Membran 30 bei maximaler Auslenkung anstößt.
Die Membran 30 weist das Verstärkungselement 31 auf, das an einer der MEMS-Einheit 70 zugewandten Seite der Membran 30 befestigt ist. Alternativ könnte das Verstärkungselement 31 aber auch an einer der MEMS-Einheit 70 abgewandten Seite der Membran 30 befestigt sein. Die Membran 30, insbesondere das Verstärkungselement 31, ist zu dem ersten, zweiten und/oder dritten Stopper-Mechanismus 100, 200, 60 korrespondierend ausgebildet. Des Weiteren stößt die Membran bei Auslenkung in der zweiten Richtung 52 gegen den ersten Gegenanschlag 103, den zweiten Gegenanschlag 203 und/oder den zweiten Anschlag 62. Die Membran 30, insbesondere das Verstärkungselement 31, weist eine mit dem ersten Gegenanschlag 103, dem zweiten Gegenanschlag 203 und/oder dem ersten Anschlag 61 korrespondierende Anschlagsfläche auf. Die Membran 30, insbesondere das Verstärkungselement 31, weist die Koppelfläche 35 auf, in deren Bereich die Membran 30 mit der Wandlerstruktur 73 mittelbar über das Koppelelement 74 verbunden ist.
In den 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiele der Schallwandleranordnung 1 und des MEMS-Schallwandlers 2 gezeigt, wobei jeweils im Wesentlichen auf die Unterschiede in Bezug auf die bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen wird. So werden bei den 5 bis 7 und der nachfolgenden Beschreibung der weiteren Ausführungsbeispiele für Merkmale, die im Vergleich zum in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispielen in ihrer Ausgestaltung und/oder Wirkweise identisch und/oder zumindest vergleichbar sind, gleiche Bezugszeichen verwendet. Sofern diese Merkmale nicht nochmals detailliert erläutert werden, entspricht deren Ausgestaltung und Wirkweise den vorstehend bereits beschriebenen Merkmalen. Die nachfolgend beschriebenen Unterschiede können mit den Merkmalen der jeweils vorstehenden und nachfolgenden Ausführungsbeispiele kombiniert werden.
Die 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 und des MEMS-Schallwandlers 2 in verschiedenen Ansichten. Das Verstärkungselements 31 ist vorzugsweise gemäß dem in 8, 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Als wesentlicher Unterschied gegenüber den in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ist bei diesem Ausführungsbeispiel das obere Gehäuseteil 81 zu nennen. Das obere Gehäuseteil 81 bildet hier den Schallleitkanal 92 mit der akustischen Ein-/Austrittsöffnung 93 aus, die seitlich an der Außenfläche des MEMS-Schallwandlers 2 bzw. der Schallwandleranordnung 1 angeordnet ist. Das Gehäuseteil 81 bietet insbesondere einen zusätzlichen Schutz für die Membran 30, da es diese gegenüber der Umgebung abdeckt.
Allerdings ist bei diesem Ausführungsbeispiel kein zweiter Anschlag vorgesehen, das heißt an dem oberen Gehäuseteil 81 ist kein Anschlag für das Verstärkungselement 31 der Membran 30 angeordnet. Ferner ist das obere Gehäuseteil 81 hier nicht Bestandteil des Membranträgers 40. Dieser wird allein durch das mittlere Gehäuseteil 83 gebildet, so dass die Membran 30 allein an dem mittleren Gehäuseteil 83 befestigt ist. Das obere sowie das untere Gehäuseteil 81, 89 weisen gegenüber dem vorherigen Ausführungsbeispielen einen größeren Außendurchmesser auf, wodurch die Grundfläche der Schallwandleranordnung 1 vergrößert ist. Zudem ist das obere Gehäuseteil 81 in diesem Beispiel nicht auf dem mittleren Gehäuseteil 83, sondern auf dem unteren Gehäuseteil 89 angeordnet und mit diesem verbunden, so dass diese beiden Gehäuseteile zusammen ein Gehäuse bilden, das die übrigen Bauteile der Schallwandleranordnung 1 bzw. des MEMS-Schallwandlers 2 schützend umgibt.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 und des MEMS-Schallwandlers 2. Das Verstärkungselements 31 kann hierbei gemäß dem in 8, 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das obere Gehäuseteil 81 innerhalb des Schallleitkanals 92 einen Vorsprung 82 auf, welcher oberhalb der Membran 30 angeordnet ist und den zweiten Anschlag 62 das Verstärkungselement 31 der Membran 30 bildet.
Des Weiteren umfasst das in 7 dargestellt Ausführungsbeispiel den ersten Stopper-Mechanismus 100, der gemäß dem in 3 und 4 dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Auch umfasst dieses Ausführungsbeispiel den zweiten Stopper-Mechanismus 200, der auch gemäß dem in 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist.
In den 8, 9 und 10 ist ein Ausführungsbeispiel des Verstärkungselements 31 gezeigt. Dieses kann bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele des MEMS-Schallwandlers 2 zum Einsatz kommen. Das Verstärkungselement 31 ist steif. Des Weiteren weist es gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Kreisform auf. Das Verstärkungselement 31 ist dafür vorgesehen, an der Membran 30 des MEMS-Schallwandlers 2 befestigt zu werden. Das Verstärkungselement 31 weist zumindest eine Aussparung 301 auf. Durch die Aussparung 301 kann das Gewicht des Verstärkungselements 31 reduziert und das Ansprechverhalten verbessert werden. Zugleich behält das Verstärkungselement 31 eine ausreichende Steifigkeit, so dass die Membran 30 weiterhin optimal verstärkt ist. Die Aussparung 301 erstreckt sich vollständig durch das Verstärkungselement 31 hindurch, so dass die Aussparung 301 an ihren beiden Enden jeweils eine Öffnung 302 aufweist.
Das Verstärkungselement 31 umfasst gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel spezifische Aussparungen 301, nämlich mehrere Außenaussparungen 303. Diese sind gemäß 8 und 9 in einem Randabschnitt 304 des Verstärkungselements 31 angeordnet. Die Außenaussparungen 303 sind derart nebeneinander angeordnet, dass sie einer Außenkontur 305 des Verstärkungselements 31 folgen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Außenkontur 305 des Verstärkungselements 31 kreisrund ausgebildet. Infolgedessen sind auch die Außenaussparungen 303 in Umfangsrichtung des Verstärkungselements 31 auf einem Kreis angeordnet.
Die Außenaussparungen 303 sind vorliegend als Langlöcher ausgebildet. Ferner weise diese jeweils eine Längsachse auf, wobei die Außenaussparungen 303 derart ausgerichtet sind, dass sich ihre Längsachsen in einem Zentrum 306 des Verstärkungselements 31 schneiden.
Wie aus 8 und 9 hervorgeht, weist das Verstärkungselement 31 ferner Innenaussparungen 307 auf. Diese sind gemäß der in 9 gezeigten Draufsicht in einem Innenabschnitt 308 des Verstärkungselements 31 angeordnet. Die Innenaussparungen 307 sind nebeneinander angeordnet. Des Weiteren sind diese jeweils durch einen Steg 309 voneinander getrennt. Die Innenaussparungen 307 sind als Kreissegmente ausgebildet.
Wie aus 8 und 9 des Weiteren hervorgeht, weist das Verstärkungselement 31 in seinem Zentrum 306 eine Zentralaussparung 310 auf. Die Zentralaussparung 310 weist in einer Draufsicht eine Kreisform auf. Die Zentralaussparung 310 ist vorliegend vorzugsweise als Sackloch ausgebildet. Infolgedessen erstreckt sich die Zentralaussparung 310 nicht vollständig durch das Verstärkungselement 31 hindurch.
Gemäß 10 weist das Verstärkungselement 31 in der Seitenansicht einen zentralen Fortsatz 311 auf. Durch diesen Fortsatz 311 ist zwischen dem Randabschnitt 304 und dem Innenabschnitt 308 ein Absatz 312 ausgebildet. In dem Innenabschnitt 308 sind die Innenaussparungen 307 und die Zentralaussparung 310 angeordnet.
Der Fortsatz 311 weist gemäß 10 ein freies Ende 313 auf. An diesem wird das Koppelelement 74 befestigt. Die Membran 30 wird an einer dem Fortsatz 311 abgewandten Seite des Verstärkungselements 31 befestigt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

1: Schallwandleranordnung
2: MEMS-Schallwandler
30: Membran
31: Verstärkungselement
32: verstärkten Bereich
33: dritte Anschlagsfläche
34: Zwischenbereich
35: Koppelfläche
37: Randbereich
38: elastischer Bereich
39: Wulst
40: Membranträger
41: Befestigungsbereich
50: Hubachse
51: erste Richtung
52: zweite Richtung
60: dritter Stopper-Mechanismus
61: erster Anschlag
62: zweiter Anschlag
70: MEMS-Einheit
71: Trägersubstrat
72: Stirnseite
73: Wandlerstruktur
74: Koppelelement
81: Gehäuseteil
82: Vorsprung
83: Gehäuseteil
84: Leiterplatte
85: ASIC
86: Aussparung
87: erste Öffnung
88: zweite Öffnung
89: Gehäuseteil
90: Kavität
92: Schallleitkanal
93: akustische Ein-/Austrittsöffnung
94: Kavitätsboden
95: Kavitätswand
100: erster Stopper-Mechanismus
101: Koppelelementanschlag
102: erster Fortsatz
103: erster Gegenanschlag
104: erste Anschlagsfläche
200: zweiter Stopper-Mechanismus
201: Wandlerstrukturanschlag
202: zweiter Fortsatz
203: zweiter Gegenanschlag
204: zweite Anschlagsfläche
301: Aussparung
302: Öffnung
303: Außenaussparung
304: Randabschnitt
305: Außenkontur
306: Zentrum
307: Innenaussparung
308: Innenabschnitt
309: Steg
310: Zentralaussparung
311: Fortsatz
312: Absatz
313: Ende des Fortsatzes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012220819 A1 [0003]

Claims

MEMS-Schallwandler (2) zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen mit einem Membranträger (40), mit einer flexiblen Membran (30), die in ihrem Randbereich (37) mit dem Membranträger (40) verbunden ist und gegenüber dem Membranträger (40) entlang einer Hubachse (50) schwingen kann, mit einer MEMS-Einheit (70), die zumindest eine entlang der Hubachse (50) auslenkbare Wandlerstruktur (73) aufweist, mit einem Koppelelement (74), das gemeinsam mit der Membran (30) entlang der Hubachse (50) schwingen kann und das die Membran (30) mittelbar mit der Wandlerstruktur (73) verbindet, und mit einem steifen Verstärkungselement (31), das an der Membran (30) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (31) zumindest eine Aussparung (301) aufweist.
MEMS-Schallwandler nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aussparung (301) vollständig durch das Verstärkungselement (31) hindurcherstreckt, so dass die Aussparung (301) an ihren beiden Enden jeweils eine Öffnung (302) aufweist.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (31) Außenaussparungen (303) aufweist, die in einer Draufsicht auf das Verstärkungselement (31) in einem Randabschnitt (304) des Verstärkungselements (31) angeordnet sind.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenaussparungen (303) derart nebeneinander angeordnet sind, dass sie einer Außenkontur (305) des Verstärkungselements (31) folgen.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenaussparungen (303) als Langlöcher ausgebildet sind.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenaussparungen (303) jeweils eine Längsachse aufweisen und dass sich die Längsachsen in einem Zentrum (306) des Verstärkungselements (31) schneiden.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (31) Innenaussparungen (307) aufweist, die in einer Draufsicht auf das Verstärkungselement (31) in einem Innenabschnitt (308) des Verstärkungselements (31) angeordnet sind.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenaussparungen (307) nebeneinander angeordnet und jeweils durch einen Steg (309) voneinander getrennt sind.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenaussparungen (307) als Kreissegmente ausgebildet sind.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (31) in seinem Zentrum (306) eine Zentralaussparung (310) aufweist.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralaussparung (310) in einer Draufsicht eine Kreisform aufweist.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (31) in einer Seitenansicht einen zentralen Fortsatz (311) aufweist, so dass zwischen dem Randabschnitt (304) und dem Innenabschnitt (308) ein Absatz (312) ausgebildet ist, in dem die Innenaussparungen (307) und/oder die Zentralaussparung (310) angeordnet sind.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (74) an einem Ende (313) des Fortsatzes (311) befestigt ist.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (30) an einer dem Fortsatz (311) abgewandten Seite des Verstärkungselements (31) befestigt ist.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (31) in der Draufsicht eine Kreisform aufweist.