DE3811052C1 - - Google Patents

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DE3811052C1
DE3811052C1 DE19883811052 DE3811052A DE3811052C1 DE 3811052 C1 DE3811052 C1 DE 3811052C1 DE 19883811052 DE19883811052 DE 19883811052 DE 3811052 A DE3811052 A DE 3811052A DE 3811052 C1 DE3811052 C1 DE 3811052C1
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DE
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Grant
Patent type
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DE19883811052
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German (de)
Inventor
Walter Dipl.-Phys. Dr. 8012 Ottobrunn De Kroy
Helmut Dipl.-Phys. Dr. 8130 Starnberg De Seidel
Oskar Dipl.-Ing. Dr. 8000 Muenchen De Bschorr
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Airbus Defence and Space GmbH
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Airbus Defence and Space GmbH
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0292Electrostatic transducers, e.g. electret-type
    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18Methods or devices for transmitting, conducting, or directing sound
    • G10K11/26Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K13/00Cones, diaphragms, or the like, for emitting or receiving sound in general

Description

Die Erfindung betrifft einen Schallerzeuger mit membranartigem Bereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a sound generator with membranous area according to the preamble of claim 1.

Meist weisen bekannte Schallerzeuger eine dünne Membran oder Folie (Metall-) auf, die durchbiegbar - nach einer oder beiden Seiten - aufge lagert ist und von außen elektromagnetisch oder piezoelektrisch erregt werden kann. Usually, known sound generator, a thin membrane or film (metal) on the deflectable - is layered up and can be excited electromagnetically or piezo-electrically from the outside - to one or both sides. Für die Befestigung und/oder Halterung solch dünner Membra nen oder Folien ist großer Fertigungsaufwand nötig. For fixing and / or holding of such thin films or Membra nen is necessary large manufacturing effort.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 29 29 541 ist eine Ultraschallwandlerzuordnung bekanntgeworden, bei der einzelne Ultraschallschwinger durch Sägen mechanisch aufgetrennt werden. From the German Offenlegungsschrift 29 29 541 an ultrasonic transducer assignment has become known, are separated mechanically at the single ultrasonic vibrator by sawing. Dies bedingt relativ große Abstände (Sägeblattdicken) der einzelnen Schwinger zueinander. This requires relatively large distances (saw blade thickness) of each oscillator to each other. Durch die Zunahme der Spaltbreite bezogen auf die Fläche steigen die Schnittverluste entsprechend. acquired by the increase in the gap width on the surface of the cutting losses increase accordingly. Die Abstrahlung pro Flächeneinheit wird somit vermindert. The radiation per unit area is thus reduced. Die Befestigung erfolgt durch Kleben. The attachment is made by gluing.

Aus der deutschen Zeitschrift "Funkschau", 15/1986 vom 22.07.86, Seite 9 ist ein Mini-Mikrofon bekanntgeworden, das aus Siliziumnitrit gefertigt ist. The German magazine "Radio Show", 15/1986 of 07/22/86, page 9, a mini microphone has become known, which is made of silicon nitride. Das Fertigungsverfahren ähnelt jedoch nur der IC-Produktion. However, the manufacturing process is similar, only the IC production. Man wagt hier gerade nicht die Übernahme dort üblicher Verfahren in die Produktion bei Schallempfängern. One dares not here just taking over where conventional methods for the production by sound receivers.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, Mikro-Membranen so zusammen- oder herzustellen, daß eine einfache Ansteuerung/Erregung derselben in ge wünschter Phasenbeziehung erfolgen kann und der Aufbau (oder diese Inte gration) auf geringstem Raum möglich wird. The invention has as its object, together or so constructed that a simple activation / excitement of the same may be carried out in ge wünschter phase relationship and the structure (or these inte gration) in the smallest space possible micro-membranes. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Anwendung von - an sich bei Halbleitern bekannter - Ätztechni ken für Substrate und eine bestimmte Anordnung der Mikromem branen gemäß Anspruch 1. This object is achieved by the application of - ken Ätztechni for substrates and a particular arrangement of the membranes according to claim 1 Mikromem - per se known in semiconductors.

Vorteile des mikromechanischen Schallgebers: Advantages of the micromechanical sounder:

Mit Hilfe des angegebenen mikromechanischen Fertigungsverfahrens ist es möglich, sehr kleine Wandler-Bauelemente zu erzeugen, und eine Vielzahl solcher Bauelemente auf engstem Raum eines Substrats zu integrieren. With the aid of the micromechanical manufacturing process specified it is possible to generate very small transducer devices, and to integrate a variety of such devices in confined spaces of a substrate. Aufgrund dieser Fertigungsmöglichkeiten wird hier vorgeschlagen, eine Vielzahl von miniaturisierten Schallgebern in flächenhafter Anordnung und Verteilung auf dem Substrat in bestimmter Weise miteinander zu kom binieren. Due to this manufacturing facility a plurality of miniaturized sound generators in areal arrangement and distribution on the substrate in a certain way is proposed here to bine kom each other. Als Substrat-Werkstoffe kommen insbesondere einkristalline Halbleitermaterialien wie Silizium oder GaAs in Anwendung, aber auch Gläser können Verwendung finden. As substrate materials, particularly single-crystal semiconductor materials such as silicon or GaAs come into use, but also glasses can be used. Dadurch kann z. This can eg. B. durch eine gezielte Phasenverschiebung der einzelnen Schallgeber untereinander eine gerich tete Abstrahlung erzielt werden. As among themselves a court tete radiation can be achieved through a targeted phase shift of each sounder. Ferner bestehen interessante Anwen dungsmöglichkeiten im Bereich des Antischalls. Further, there are interesting appli cation possibilities in the field of anti-sound.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung Description of embodiments of the invention

Die einzelnen Elemente des Schallwandlers können auf verschiedene Art aufgebaut werden. The individual elements of the transducer can be built in different ways. Eine Möglichkeit besteht darin, dünne Folien in der Art mikromechanische Elemente zu verwenden, wie sie z. One possibility is to use thin films in the manner of micro-mechanical elements as such. B. aus Silizium herausgeätzt werden. B. be etched from silicon. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 und 2 ge zeigt. An exemplary embodiment is shown in Fig. 1 and 2 ge. Es besteht aus einer im Silizium freigeätzten Membran 1 , die an mehreren Federarmen 2 elastisch gelagert ist. It consists of a etched in the silicon diaphragm 1, which is elastically supported at a plurality of spring arms. 2

Diese Membran verschließt eine Ventilöffnung 3 in einem gegenüberliegen den Glas- oder Siliziumsubstrat 4 . This membrane closes a valve hole 3 in a opposing to the glass or silicon substrate. 4 Die Ansteuerung der Membran erfolgt vorzugsweise elektrostatisch, mittels einer um die Öffnung herum ange brachten Gegenelektrode 5 . The actuation of the membrane is preferably carried out electrostatically, by means of a around the opening attached counter electrode. 5 Mit Hilfe dieser Anordnung kann ein unter Druck stehender Gasstrom gesteuert und somit ein Schallsignal erzeugt werden. With this arrangement, a pressurized gas stream can be controlled and thus an acoustic signal are generated.

Für eine Mikromembran dieser Bauart ist mit einem Flächenbedarf von etwa 1 mm 2 zu rechnen. For a micro-membrane of this type is to be expected with a footprint of about 1 mm 2. Auf einer in der Halbleitertechnik vielfach verwen deten Siliziumscheibe mit 100 mm Durchmesser könnten somit mehrere 1000 Einzelelemente integriert werden. In a widely USAGE in semiconductor technology Deten silicon wafer with 100 mm diameter several 1000 individual elements could thus be integrated. Jedes Einzelelement kann individuell angesteuert werden. Each individual element can be individually controlled. Es besteht die Möglichkeit, die dazu erforderliche Ansteuerlogik unmittelbar auf der Siliziumscheibe mit zu integrieren. It is possible that this required to integrate control logic directly on the silicon wafer. Der prinzipielle Aufbau einer solchen Gesamtanordnung ist in Fig. 3 dargestellt. The basic structure of such an overall arrangement is shown in Fig. 3.

Die einzelnen Schallgeber können auch so ausgeführt werden, daß sie den Gasstrom nicht vollständig verschließen, sondern nur modulierend beein flussen. The individual sound generator can also be carried out so that they do not completely close the flow of gas, but only influence modulating impressive. Dazu kann die Membran in Fig. 2 zB mit Öffnungen versehen werden. For this purpose, the diaphragm in FIG. 2, for example, can be provided with openings.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die einzelnen Schallgeber als dünne Membranen auszuführen, die durch ihre Bewegung in Luft eine Schallwelle erzeugen. Another possibility is to perform the single sound transmitter as thin membranes, which through its movement in the air a sound wave. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 4 dargestellt. An example of this is shown in Fig. 4. Die Membranen 1 können durch Gegenelektroden 5 angesteuert werden. The membranes 1 can be driven by counter-electrode. 5 Zur Redu zierung der Volumensteifigkeit des Zwischenbereiches 6 können Öffnungen 4 in das hintere Substrat eingebracht werden. Redu to the volume stiffness of the intermediate region 6 cation openings 4 may be incorporated in the rear substrate. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, auf die Öffnungen 3 zu verzichten, dafür aber den Zwi schenraum 6 zwischen Teil 1 und Teil 4 zu evakuieren. Another possibility is to dispense with the openings 3, but for it to evacuate the interim rule space 6 between Part 1 and Part. 4

Zum Betreiben aller vorgeschlagenen Schallerreger ist neben dem bereits erwähnten, elektrostatischen Antrieb auch ein Betrieb mit magnetischen, piezoelektrischen oder thermischen Kräften (Bimetall) möglich. For operating all the proposed sound generator in addition to the already mentioned, electrostatic drive also includes an operating with magnetic, piezoelectric or thermal forces (bimetal) is possible.

Hinsichtlich der Auslegung des Gesamtsystems bestehen zwei Möglichkei ten. Zum einen können die einzelnen Schallerreger (Membran) im Frequenz umfang breitbandig ausgelegt werden. With regard to the design of the overall system are ten two possible answer. Firstly, the individual sound generator (membrane) can be designed in a broad band of frequencies. Somit überträgt jeder einzelne Ge ber das gesamte zu übertragende Signal. Thus, each individual Ge transmits over the entire signal to be transmitted. Durch Einstellung definierter Phasenbeziehungen der Einzelgeber untereinander kann die Abstrahlrich tung des Schallsignals gezielt eingestellt werden. establishing defined phase relationships of the individual donors among themselves the Abstrahlrich can processing the sound signal to be adjusted.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, jeden Einzelgeber (Membran) schmalbandig nur in seiner Eigenresonanz zu betreiben. Another possibility is to operate each individual sensor (diaphragm) narrowband only in its natural resonance. Dazu müssen die Geber mit gestaffelten Eigenfrequenzen ausgelegt werden. These donors have to be designed with staggered natural frequencies. Die Notwendig keit, den Frequenzgang der Geber zu glätten, entfällt damit und es sind geringere Kräfte zum Ansteuern erforderlich. The necessary ness to smooth out the frequency response of donors is thus eliminated and there is less force required to drive. Der Aufwand an Steuerkräf ten läßt sich heiter verringern, wenn die Geber auf Selbsterregung bei Luftdurchströmung ausgelegt sind (Harmonika-Prinzip). The effort to control Strengthens th can be cheerful decrease when donors are designed for self-excitation in air flow (accordion principle). Das wiederzugeben de, im allgemeinen Fall, breitbandige Signal, läßt sich nach der Theorie der Fourier-Synthese aus den monofrequenten Einzelsignalen synthetisie ren. Notwendig ist dazu eine Individuelle Amplituden- und Phasensteue rung der Einzelgeber. The play us, in the general case, wideband signal can be ren synthetisie according to the theory of the Fourier synthesis of the single-frequency individual signals. It is necessary to an individual amplitude and Phasensteue tion of individual donors.

Um den Abstrahlungsgrad zu erhöhen, ist es vorteilhaft, mehrere gleich abgestimmte Geber zu verwenden und diese gleichmäßig über die abstrah lende Fläche zu verteilen. To increase the radiation level, it is advantageous to use several equally matched donors and to distribute them evenly over the abstrah loin area. Der gegenseitige Abstand sollte kleiner als λ /2 sein ( λ = Schallwellenlänge). The mutual distance should be less than λ / 2 may be = sound wave length). Bei dieser Auslegung vergrößert sich der Strahlungswiderstand und damit die Effektivität. In this design, the radiation resistance and thus the effectiveness increased.

Durch die vorgeschlagene Erfindung können sehr kompakte, flache Schall geber erzeugt werden. The proposed invention is very compact, flat sound generator can be generated. Aufgrund der einstellbaren Phasenbeziehungen der Einzelgeber kann eine gezielte Richtcharakteristik des Schallwandlers erreicht werden (Phasen-Array-Prinzip) . Due to the adjustable phase relationships of the individual donor a specific directional characteristic of the transducer can be achieved (phased array principle). Ferner könnte diese Anordnung als Antischallgeber verwendet werden. Furthermore, this arrangement could be used as anti-sounder.

Claims (6)

  1. 1. Schallerzeuger mit membranartigem Bereich und daran wenigstens einseitig anschließendem Fluid, das bei Erregung der Membran durch einen Antrieb Schallsignale abgibt, wobei in einem platten- oder scheibenförmigen Körper eine Vielzahl von einzelnen Schwingern gebildet sind, die matrixförmig über die Fläche mit der größten Ausdehnung des Körpers verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß er einen einzigen Substratkörper aufweist, in dem in einem Array ohne Trennflächen Mikro-Membrane freigeätzt sind, die - insbesondere federnd - gelagert, vom Antrieb bewegbar sind und daß der Antrieb und seine Ansteuerung auf dem Substratkörper integriert sind. 1. sonicator with membranous area and thereon at least one side subsequent fluid discharges upon excitation of the membrane by a drive sound signals, wherein a plurality are formed of individual oscillators in a plate- or disk-shaped body, the matrix form on the surface with the greatest extent of the are body distributed, characterized in that it comprises a single substrate body in which micro-membranes are etched in an array without dividing surfaces - in particular elastically - mounted, can be moved by the drive and that the drive and its controller are integrated on the substrate body ,
  2. 2. Schallerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Siliziumhalbleiter oder einen anderen Halbleiter oder Glas als Substratkörper aufweist. 2. Sound generator according to claim 1, characterized in that it comprises a silicon semiconductor or other semiconductor or glass as the substrate body.
  3. 3. Schallerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikromembranen einzeln, parallel oder seriell ansteuerbar sind. 3. sound generator according to claim 1, characterized in that the individual micro-membranes are parallel or serially controlled.
  4. 4. Schallerzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb für die Erregung der jeweiligen Mikro-Membranen elektrostatisch, elektromagnetisch, piezoelektrisch, thermisch (Bimetall) oder fluidisch erfolgt. 4. Sound generator according to claim 3, characterized in that the drive electrostatic, electromagnetic, piezo-electric, thermal (bimetal) or fluidically for the excitation of the respective micro-membranes is carried out.
  5. 5. Schallerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikro-Membranen auf verschiedene Resonanzfre quenzen abgestimmt sind und bei Resonanzfrequenz betrieben werden, so daß das Schallsignal durch Fouriersynthese gebildet wird. 5. Sound generator according to any one of the preceding claims, characterized in that the micro-membranes are tuned to different frequencies Resonanzfre and operated at resonance frequency, so that the sound signal is formed by Fourier synthesis.
  6. 6. Schallerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikro-Membranen in einer einstellbaren Phasen beziehung zueinander (Phasen-Array) angesteuert werden, so daß der Schall in eine bestimmte Vorzugsrichtung abgegeben wird. 6. Sound generator according to any one of the preceding claims, characterized in that the micro-membranes are driven at an adjustable phase relationship to each other (phased array), so that the sound is emitted in a certain preferred direction.
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