EP2362686A2 - Schallwandler zum Einsetzen in ein Ohr - Google Patents

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EP2362686A2
EP2362686A2 EP11001587A EP11001587A EP2362686A2 EP 2362686 A2 EP2362686 A2 EP 2362686A2 EP 11001587 A EP11001587 A EP 11001587A EP 11001587 A EP11001587 A EP 11001587A EP 2362686 A2 EP2362686 A2 EP 2362686A2
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EP
European Patent Office
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membrane structure
layer
membrane
electrodes
sound transducer
Prior art date
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EP11001587A
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English (en)
French (fr)
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EP2362686A3 (de
EP2362686B1 (de
Inventor
Dominik Kaltenbacher
Armin Schäfer
Jonathan Schächtele
Hans-Peter Zenner
Erich Goll
Ernst Dalhoff
Paul Muralt
Janine Conde
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP2362686A2 publication Critical patent/EP2362686A2/de
Publication of EP2362686A3 publication Critical patent/EP2362686A3/de
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Publication of EP2362686B1 publication Critical patent/EP2362686B1/de
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/005—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers using a piezoelectric polymer
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    • H04R25/00—Deaf-aid sets, i.e. electro-acoustic or electro-mechanical hearing aids; Electric tinnitus maskers providing an auditory perception
    • H04R25/60—Mounting or interconnection of hearing aid parts, e.g. inside tips, housings or to ossicles
    • H04R25/604—Mounting or interconnection of hearing aid parts, e.g. inside tips, housings or to ossicles of acoustic or vibrational transducers
    • H04R25/606—Mounting or interconnection of hearing aid parts, e.g. inside tips, housings or to ossicles of acoustic or vibrational transducers acting directly on the eardrum, the ossicles or the skull, e.g. mastoid, tooth, maxillary or mandibular bone, or mechanically stimulating the cochlea, e.g. at the oval window
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
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    • H04R1/10—Earpieces; Attachments therefor ; Earphones; Monophonic headphones
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/42—Piezoelectric device making

Definitions

  • the invention relates to a sound transducer for generating sound vibrations, which can be used in an ear and in particular can be used for an implantable hearing aid.
  • the sound transducer has at least one carrier layer and at least one piezoelectric layer, whereby a deflection is achieved via a bimorph principle, or a deflection can be detected by tapping a voltage.
  • implantable hearing aids also called active middle ear implants
  • active middle ear implants implantable hearing aids
  • the technical problem with hearing aid implants is the coupling of the implanted transducer to the auditory system of the middle and inner ear.
  • Current implants make a mechanical connection to the ossicles. This requires a healthy middle ear during implantation, which excludes patients with chronic otitis media and inoperable damage to the ankle chain from treatment.
  • a component is attached directly to the ossicles, which vibrates and amplifies the auditory ossicle movement via the direct mechanical coupling.
  • the oscillation of the attached to the ossicles component is, for example, electromagnetically by a moving between two coils iron core (eg AU 2009202560 A2 ) or by a permanent magnet oscillating in a magnetic field generated outside the middle ear (eg WO 0047138 A1 ) generated.
  • a problem with many prior art solutions is that they require a mastoidectomy, in particular to provide the transducer with electrical energy. Such procedures are relatively complex and usually can not be done on an outpatient basis carry out. To make matters worse, that the anatomical spaces that are available for implantation, are extremely small and the transducer therefore has to muster an extremely high energy density. In many solutions of the prior art also occur coupling losses and the coupling quality is poorly reproducible. Precisely because of this, however, the intervention for the insertion of a hearing aid is reserved for only a few specialists with expensive equipment, which is why these solutions are expensive and less widespread. In addition, existing actuators have a size that is suitable only in part of the patient to optimally couple to the desired anatomical structures such as the round window membrane, while a reduction of the existing sound transducer would lead to insufficient performance.
  • the object of the present invention is to specify a sound transducer which can be implanted with little effort, in particular without mastoidectomy, and at the same time achieves a high audiological quality.
  • a low variability of the audiological quality is desired.
  • the implantable sound transducer according to the invention is set up and suitable for generating and / or detecting sound vibrations and has at least one Membrane structure on.
  • the membrane structure of the sound transducer according to the invention is divided into at least one, two or more segments by at least one cut line in its planar extent.
  • Subdivision of the membrane surface means that the entire membrane, so both the support layer and the piezoelectric layers, and optionally electrode layers are subdivided by common cutting lines, so that the membrane is mechanically decoupled at the cutting line or lines, which means that two by a cutting line separate regions of the membrane structure are independently movable.
  • the subdivision or segmentation of the membrane surface thus means corresponding segmentation of the carrier layer and corresponding segmentation of the piezoelectric layers and optionally electrode layers.
  • the segmentation allows a high amplitude of vibration at a very small size, without this measure, the force is too low.
  • a sound transducer placed in front of the round or oval window can also be implanted by an implanting surgeon via access via the external auditory canal and eardrum in a relatively short time, possibly even on an outpatient basis.
  • the membrane structure is designed so that the sound transducer on, in or in front of a round window or an oval window of an ear or a hearing can be arranged so that it covers this window at least partially or completely.
  • the sound transducer can be arranged so that vibrations of the membrane structure cause sound vibrations through the round or oval window.
  • the membrane structure is in direct contact with the membrane of the corresponding window.
  • the sound transducer and the membrane structure is designed so that the sound transducer in a niche in front of the oval or round window of an ear, i. the round window, as measured by the average of the population or the majority of the population, is recoverable.
  • the round window as measured by the average of the population or the majority of the population.
  • an acoustic coupling between the membrane structure and the corresponding window membrane on the one hand by introducing material between the membrane structure and the window membrane, both touching, are produced.
  • the membrane structure is arranged on the round or oval window in such a way that it directly contacts the membrane of the corresponding window, it is however possible for layers to passivate or seal the membrane structure to be arranged between the actual membrane structure and the corresponding window membrane are.
  • sound vibrations are understood to mean vibrations with frequencies that are perceptible by the human ear, ie vibrations between approximately 2 Hz and 20,000 to 30,000 Hz Sound vibrations are also suitable to excite sound waves in a medium, in particular air or perilymph.
  • Sound vibrations are advantageously generated by the round or oval window.
  • the membrane structure has at least one carrier layer and at least one piezo layer arranged on the carrier layer, which has at least one piezoelectric material.
  • the carrier layer and the piezoelectric layer form a bimorph structure and are therefore arranged and configured such that the membrane structure can be set into oscillation by applying a voltage, in particular an alternating voltage, to the piezoelectric layer and / or the voltages generated in the piezoelectric layer by oscillation of the membrane are detectable.
  • the carrier layer and the piezo layer can be arranged on or against one another with parallel layer planes and should be connected to one another directly or indirectly. Said cut lines preferably cut through all layers of the membrane structure.
  • the membrane structure designed so that it allows a maximum deflection of 1 to 5 microns, preferably 5 microns.
  • a maximum deflection of 1 to 5 microns preferably 5 microns.
  • the average energy equals half of the product of maximum force and maximum displacement, in this example 4 ⁇ 10 -8 J, to obtain the power. Converted to a space of eg 2 mm 3 is needed in this example, therefore, an energy density of 20 J / m 3 .
  • the segments can be designed, in particular with regard to their length, so that the impedance is optimal.
  • the membrane structure is particularly preferably designed in thin-film technology.
  • Thin layers are advantageous because high fields are required to produce high energy densities while the applied voltages should be as low as possible due to the biological environment.
  • the required energy densities can be achieved in a thin-film membrane.
  • the piezoelectric layers can be produced according to the invention in thin-film technology.
  • piezo material is applied in the thickness of the piezo layer for a piezo layer of the membrane structure to be produced.
  • the application can be made via deposition techniques such as physical vapor deposition, chemical vapor deposition sputtering and others.
  • the piezo layers preferably have a thickness of ⁇ 20 ⁇ m, preferably ⁇ 10 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 5 ⁇ m and / or ⁇ 0.2 ⁇ m, preferably ⁇ 1 ⁇ m, preferably ⁇ 1.5 ⁇ m, particularly preferably 2 2 ⁇ m.
  • the electrode layers preferably have a thickness of ⁇ 0.5 ⁇ m, preferably ⁇ 0.2 ⁇ m, more preferably ⁇ 0.1 ⁇ m and / or ⁇ 0.02 ⁇ m, preferably ⁇ 0.05 ⁇ m and particularly preferably ⁇ 0.08 ⁇ m ,
  • Thin layers of the transducer - both the silicon beam structure and the piezo layer (s) - ensure that only a small mass is set in motion when the beams are deflected.
  • the resonant frequency of the vibration system is in the upper range of the frequency range of human hearing for the described Aktorditionn. It is thus a uniform excitation of the round window over the entire human frequency range possible.
  • the generation of the mechanical vibrations of the transducer according to the invention is based on the principle of elastic deformation of a bending beam, wherein the membrane or segments of the membrane can be considered as a bending beam.
  • the piezoelectric layer (piezoelectric layer) can be shortened and / or extended by applying the voltage and the electric field that can be generated thereby.
  • mechanical stresses are generated, leading to an upward bending of the beam or the Membrane structure lead to a shortening piezoelectric layer and a corresponding downward movement with extending piezoelectric layer. Whether the piezo layer extends or shortens depends on the polarization direction of the piezoelectric layer and the direction of the applied voltage or the applied electric field.
  • the described carrier layer may carry a single layer of piezoelectric material.
  • the electrodes form further components of the layer structure.
  • a bottom electrode can be applied directly or above a barrier layer on the silicon substrate, whereas a top electrode can be located on the piezoelectric layer.
  • the polarization direction of the piezoelectric material is preferably perpendicular to the surface of the silicon structure.
  • the membrane structure has a circular or oval circumference.
  • the circumference of the membrane structure corresponds to the circumference of the round or oval window of an ear, so that the peripheral line of the membrane structure runs parallel to the circumference of the round or oval window when the sound transducer is implanted.
  • the transducer By a round or slightly oval shape of the transducer can be placed directly on the membrane of the round window. Since the round window membrane can be regarded as firmly clamped on its bony border and there shows no oscillation deflection, the maximum oscillation deflections occur in the geometric center of the membrane. If the transducer is now placed in the middle of the round window membrane, the maximum deflections of transducer and membrane are superimposed, so that a good audiological coupling and a large sound amplification potential is achieved by the transducer. An n-angular extent of the membrane structure with n preferably ⁇ 8 is also possible.
  • the cutting lines which divide the membrane surface into segments, extend radially from an edge of the membrane structure in the direction of a center of the membrane.
  • the cutting lines do not start right at the edge and do not reach to the center, it is also sufficient if the cutting lines from the vicinity of the edge to the vicinity of the center run. If, however, the cutting lines do not reach the center point, a free region should be present in the center, in which the cutting lines end, so that the mechanical decoupling of the segments at that end facing the center point is ensured.
  • the segments may in this case be designed such that they are cake-shaped, that is, have two edges extending at an angle to each other as side edges and an outer edge, which on the circumference of the Membrane structure runs parallel to this circumference.
  • the segments may be tapered or cut so as to give a free area around the center.
  • the segments can then be fixedly disposed on the outer edge at the edge of the membrane structure and be independent of each other at the side edges and optionally that the edge facing the center, so that they can swing freely around the outer edge. The largest deflection will normally occur at that end of the segment facing the center.
  • the number of segments is ⁇ 8.
  • the cutting lines can in this case run radially straight, so that the segments have straight radial edges.
  • the radially extending cutting lines are curved so that there are segments with non-straight radially extending edges.
  • segments may thereby be formed that extend in an arcuate, wave-shaped or along a zigzag line in the radial direction. Numerous other geometries are conceivable.
  • the membrane structure can be structured in a spiral shape by at least one cutting line.
  • the at least one cutting line runs in such a way that at least one spiral-shaped segment results, which preferably winds around a center of the membrane structure. It is also possible to provide a plurality of cutting lines, which divide the membrane structure so that there are two or more spiral-shaped segments, which are advantageous in each case to wind the center of the membrane structure and particularly preferably run into each other.
  • At least one first and at least one second electrode layer may be arranged on the membrane structure, wherein the at least one piezoelectric layer is arranged between the first and the second electrode layer.
  • the electrode layers preferably cover the piezo layer and are arranged with parallel layer planes on or on the piezo layer.
  • the first or second electrode layer is arranged between the carrier layer and the piezo layer, so that the piezo layer is arranged on one of the electrode layers on the carrier layer.
  • the piezoelectric layer and the electrode layers completely cover each other.
  • segmental structures allows for a higher deflection as compared to an unstructured membrane, as the beam elements, where separated by the cutting lines, e.g. in the center of the disc, free to deform and thus experience a constant bend in one direction only.
  • the deformation of a continuous membrane is characterized by a change in direction of the curvature, which leads to lower deflections.
  • the membrane structure has a plurality of piezoelectric layers arranged on one another with parallel surfaces, an electrode layer being arranged between each two adjacent piezoelectric layers. It is thus on the support layer alternately one electrode layer and a piezoelectric layer arranged. Electrode layers and piezo layers can be arranged directly on one another, connected to one another, or arranged one above the other via one or more intermediate layers. With this embodiment, vibrations can be generated with a particularly large force or power and detect vibrations particularly accurately.
  • electrodes with different electrical potential alternate with piezoelectric layers in the layer structure.
  • the silicon structure is first followed by a bottom electrode, followed by a first piezoelectric layer, an electrode with opposite potential, a second piezoelectric layer, an electrode with the potential of the bottom electrode, etc.
  • the poling direction of the individual piezoelectric layers can be perpendicular to the surface of the membrane structure, as in the single-layer converter, but it shows in the opposite direction for alternating piezoelectric layers.
  • the electrical field which builds up between the electrodes and the polarization direction alternating for the individual piezoelectric layers ensures a common change in length of the entire layer structure, which in turn causes a bending of the silicon structure.
  • the electrode layers are configured or contacted so that each two adjacent electrode layers can be charged with charge of different polarity.
  • an electric field can be generated in the piezoelectric layers, which runs in each case from one electrode layer to the adjacent electrode layer.
  • the piezoelectric layers can be particularly uniformly interspersed with electric fields.
  • different signs of a voltage arising at the piezoelectric layer can be tapped in each case by adjacent electrode layers.
  • At least two band-shaped, ie elongate, electrodes forming a pair of electrodes may be arranged on the surface of the at least one piezoelectric layer or on the surface of the carrier layer so that they run parallel to the corresponding surface and preferably also parallel to each other.
  • the two electrodes of an electrode pair can each be charged with charge of different polarity, so that an electric field is formed between the electrodes of an electrode pair, which at least partially passes through the piezoelectric layer. If a plurality of pairs of electrodes is provided, an electric field can also form between electrodes of different polarity of adjacent pairs of electrodes, which penetrates the piezoelectric layer. In the case of vibration detection, different signs of the voltage below can be contacted accordingly by one electrode of the electrode pair.
  • the conductor track structures of the band-shaped electrodes may preferably have a rectangular cross-section.
  • a multiplicity of electrode pairs each with two electrodes which can be acted upon with different polarity, are so advantageous are arranged so that the electrodes of the plurality of electrode pairs are parallel to each other.
  • the electrode pairs should also be arranged so that in each case two adjacent electrodes with charge of different polarity can be acted upon. In this way, between each two adjacent electrodes forms an electric field passing through the piezoelectric layer.
  • a plurality of electrode pairs are provided, so are a plurality of electrodes on a surface of the piezoelectric layer or the carrier layer, which can be parallel to each other and can be arranged side by side with alternating polarity.
  • the polarity of the piezoelectric material is not distributed homogeneously over the entire piezoelectric layer in this case, but rather the polarization direction extends in a field-line fashion from the negative to the positive electrode. If, during operation of the converter, the comb-shaped electrodes are subjected to alternating electrical potential, an electric field is formed along the polarization direction of the piezoelectric material, along which the piezo material expands or shortens. As a result, the entire piezo layer is lengthened or shortened in the longitudinal direction of the beam, which leads to a downward bending or upward bending of the silicon structure.
  • the electrodes also extend parallel to the edge of the membrane structure.
  • the electrodes preferably form concentric circles around the center of the membrane structure. Accordingly, the electrodes are preferably oval in an oval membrane structure designed.
  • the electrodes can each extend along the entire circumference parallel to the circumference of the membrane structure or only on a part of the circumference, so that they have, for example, the shape of circular circumference sections.
  • Ribbon-shaped electrodes can be contacted particularly advantageously via common conductors, with a majority of the electrodes being contacted by a common conductor.
  • a plurality of the electrodes of one polarity may be connected to at least one first conductor and electrodes of the other polarity may be connected to at least one second conductor.
  • the electrodes of different polarity assigned to the different conductors can mesh with one another like a comb.
  • the common conductors may in this case intersect the electrodes of the polarity corresponding to them and run e.g. in the case of circular electrodes, particularly preferably radially.
  • the membrane structure can be designed in a multi-layered manner.
  • a plurality of piezo layers to be arranged one on top of another, in which case band-shaped electrodes can run between in each case two adjacent piezo layers.
  • the arrangement of the electrodes in this case corresponds to the arrangement described above on the surface of a piezoelectric layer.
  • the membrane structure has at least one piezoelectric layer which is penetrated by band-shaped electrodes or electrode pairs in one or more planes. In this case, the electrodes of the pairs of electrodes run inside the corresponding ones Piezo layer.
  • the various possibilities of arrangement here correspond to those of the above arrangement on the surface of the piezoelectric layer.
  • This variant of the sound transducer has over the previous solution to a thicker piezoelectric layer, which can be traversed by several layers of comb-shaped electrodes.
  • the polarization in the piezoelectric material in turn proceeds in a field-line fashion from the negative to the positive printed conductor electrodes.
  • an electric field is formed along the polarization direction, which leads to an expansion or shortening of the piezoelectric material along the field lines and to a downward bending or upward bending of the beam structure.
  • band-shaped electrodes may be arranged along the longitudinal direction of the segments.
  • an electrode pair is sufficient here.
  • the voltage with which the electrodes are applied is less than 3 volts, preferably less than 2 volts, particularly preferably less than 1.3 volts.
  • the piezoelectric effect in the range considered is proportional to the strength of the electric field which penetrates the material
  • very high fields can be produced by using very thin piezoelectric layers with a very small spacing of the electrodes (the electric field is calculated as a quotient in the homogeneous case applied voltage and distance of the electrodes) that the piezoelectric effect is sufficient to achieve the necessary for the excitation of the round window vibration deflections and forces.
  • the carrier layer may comprise or consist of silicon.
  • piezo materials are, inter alia, PbZr x Ti 1-x O 3 with preferably 0.45 ⁇ x ⁇ 0.59, more preferably with dopants of, for example La, Mg, Nb, Ta, Sr and the like, preferably with concentrations between 0.1 and 10%, in Question.
  • Other solid solutions with PbTiO 3 such as Pb (Mg 1/3 , Nb 2/3 ) O 3 , Pb (Sn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 are also suitable.
  • Possible materials are also lead-free materials containing KNbO 3 , NaNbO 3 , doping with Li, Ta, etc., Bi-containing piezo layers, Aurivilius phases with Ti, Ta, Nb, and also Perovskitphasen, such as BiFe 3 . Even classic thin-film materials such as A1N and ZnO are possible.
  • Silicon as a carrier material for the piezoelectric layers makes it possible to produce the disk-shaped structure and the cake-piece-shaped bending beam with the structuring techniques of microsystem technology.
  • Known and proven coating and etching processes for producing beams, electrodes and piezoelectric layer can be used, for example sol-gel techniques, sputtering, chem. Etching, ion etching, etc.
  • the methods of microsystem technology allow a parallelization of the manufacturing process; From a silicon wafer can be produced in a production passage a variety of transducers. This allows a cost-effective production.
  • the at least one piezoelectric layer preferably has a thickness of ⁇ 20 ⁇ m, preferably ⁇ 10 ⁇ m, more preferably ⁇ 5 ⁇ m and / or ⁇ 0.2 ⁇ m, preferably ⁇ 1 ⁇ m, preferably ⁇ 1.5 ⁇ m, particularly preferably 2 2 ⁇ m.
  • the electrode layers each preferably have a thickness of ⁇ 0.5 ⁇ m, preferably ⁇ 0.2 ⁇ m, more preferably ⁇ 0.1 ⁇ m and / or ⁇ 0.02 ⁇ m, preferably ⁇ 0.05 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 0.08 microns.
  • the sound transducer in the round window of an ear can be arranged, the dimensions of which can be understood as those of the majority or average of the population in the scope of the present document.
  • the sound transducer according to the invention can be coupled directly by placing the membrane surface directly on a membrane of the round or oval window. Since the maximum vibration deflection of the transducer in the geometric center of the disk is superimposed on the maximum vibration of the diaphragm in the center of the round window, a good audiological coupling with a high sound amplification potential is possible.
  • the sound transducer may also have a plurality of membrane structures as described above.
  • these membrane structures are structured in the same way and arranged one above the other in parallel to one another such that identical segments of the structure or the cut lines of the membrane structures overlap one another. Identical segments are then coupled to one another such that a deflection and / or force application of one of the segments is transmitted to the adjacent segments.
  • the membrane structures can be arranged one above the other so that when applying a voltage of a given polarity to the transducer all segments are deflected in the same direction.
  • the membrane structures are in this case the same orientation. In this case, a total force higher than that of a single membrane structure can be realized.
  • the membrane structures on one another in such a way that adjacent membrane structures are in each case oriented in the opposite direction, so that when a voltage of a given polarity is applied, adjacent membrane structures each deflect in different directions. In this case, a total deflection can be realized that is greater than that of a single membrane structure.
  • the embodiments of the invention may be specially adapted to the requirements of an implantable hearing aid with an audiological stimulation of the round or oval window in the middle ear.
  • the sound transducer is a sound generator. It is also possible to equip classic hearing aids, hearing aids that sit directly on the eardrum or other miniature speakers, such as headphones, with the transducer according to the invention.
  • the transducer is also used as a sensor can be used and allows to generate an electrical signal from a sound signal.
  • the transducer can therefore also be used as a microphone.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a transducer according to the invention for the generation and / or detection of sound vibrations, which can be used in an ear.
  • a membrane structure having a piezo layer 2 and two electrode layers 3 and 4 is arranged on a carrier layer 1, for example a silicon layer 1.
  • the carrier layer 1 (elastic layer 1) can be, for example, about one to two times as thick as the piezoelectric layer.
  • a voltage can be applied between the electrode layers 3 and 4 by means of a voltage source 5 or a voltage can be detected by means of a suitable detector.
  • the first one of the electrode layers 3 is arranged on the carrier layer 1, on which then the piezoelectric layer 2 is arranged.
  • the second electrode layer 4 is arranged on the side of the piezoelectric layer 2 contacting the electrode layer 3, the second electrode layer 4 is arranged.
  • the electrode layers 3 and 4 are charged with opposite polarity, so that between the electrode layers 3 and 4, an electric field is created, which passes through the piezoelectric layer 2.
  • FIG. 1A shows the state of the transducer in the event that no voltage is applied.
  • the carrier layer 1, the piezoelectric layer 2 and the electrode layers 3 and 4 in this case extend in a plane, are therefore flat.
  • a voltage applied by the voltage source 5 between the electrode layers 3 and 4 so passes through an electric field, the piezoelectric layer 2.
  • the piezoelectric layer 2 is shortened thereby, whereby the entire membrane structure of the carrier layer 1, the electrode layers 3 and 4 and the piezoelectric layer in Direction of the piezo layer bends upwards.
  • the voltage 5 is reversed, the piezoelectric layer 2 expands and the membrane structure bends away from the piezoelectric layer 2.
  • an alternating voltage is applied to the voltage source 5, the membrane structure can be set in oscillation.
  • FIG. 2 shows a sound transducer according to the invention, which is designed circular, so that it is particularly favorable placed in front of the round window of an ear.
  • FIG. 2A a view of the sound transducer, so that one of the electrode layers 4 can be seen
  • FIG. 2B shows a top view of one of in FIG. 2A shown side opposite side, so that the carrier layer 1 to see
  • Figure 2C shows a top view, the in FIG. 2A shown corresponds to supervision, but here is the membrane structure in the deflected state.
  • FIGS. 2A and 2B show a sound transducer according to the invention with a circular membrane structure in the undeflected state, in which no voltage is applied to the piezoelectric layers 3 and 4.
  • the membrane structure is divided in the example shown by section lines 7 in eight segments 9a, 9b.
  • the segments 9a, 9b are here cake piece-shaped and firmly connected to an edge 6 of the transducer.
  • the segments 9a, 9b are mechanically separated from each other at the cutting lines 7, so that they are movable relative to one another here.
  • a small opening 8 may be provided in which the cutting lines 7 terminate.
  • the cutting lines 7 run radially from the edge 6 in the direction of the center 8.
  • FIGS. 2A and 2B shows the in FIGS. 2A and 2B shown membrane structure in a state that occurs when, as in FIG. 1B , a voltage is applied between the electrode layers 3 and 4.
  • the segments 9a, 9b of the membrane structure bend here as bimorph bars in the direction of the electrode layer 4, in the example shown thus upwards.
  • the distance of the deflected segments from the plane in which the segments rest in the undeflected state increases in the direction of the center 8 and reaches its greatest value at those ends of the segments 9a, 9b facing the center.
  • the curvature of the segments 9a, 9b maintains its sign between edge 6 and middle 8 at.
  • the segments 9a, 9b bend in the direction of the carrier layer 1, ie in Figure 2C shown below.
  • the segments 9a, 9b can be set in vibration.
  • the membrane structure is segmented into segments 9a, 9b. This means that both the carrier layer 1 and the piezoelectric layer 2 and the electrode layers 3 and 4 are segmented into segments 9a, 9b in such a way that the carrier layer 1, the electrode layers 3 and 4 and the piezo layer 2 of a segment completely overlap each other ,
  • FIG. 3 shows two possible embodiments of the transducer according to the invention in comparison.
  • the FIG. 3A embodiment shown corresponds to that in FIG. 1 and 2 shown where the membrane structure is divided into segments 9a, 9b.
  • an unsegmented membrane structure is present in that in FIG. 3B
  • segmented embodiment allows this compared to the unstructured in FIG. 3B shown diaphragm a higher deflection, since the two elements 9a, 9b can deform freely in the center 8 of the circular membrane and therefore experience in the direction from the edge 6 to the center 8 a constant curvature in only one direction.
  • the deflection in the middle 8 is lower.
  • the curvature of the membrane changes from the edge 6 in the direction of the center 8 and changes its sign.
  • FIG. 3B facilitates the FIG. 3B a gas and liquid-tight closure of an opening by the sound transducer according to the invention.
  • FIG. 4 shows a section through an inventive Sound transducer in which a piezoelectric layer 2 is arranged between an electrode layer 3 and an electrode layer 4.
  • the embodiment substantially corresponds to that in FIG FIG. 1 shown.
  • a voltage source 5 a voltage between the electrode layers 3 and 4 can be applied, which causes an electric field 10 passing through the piezoelectric layer 2, as can be seen in the magnification.
  • the electric field causes the piezo layer 2 to expand or contract, as a result of which the membrane structure bends with the carrier layer 1, the electrode layers 3 and 4 and the piezo layer 2. If an AC voltage is applied to the voltage source 5, the membrane structure can be set in vibration.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the present invention, in which on a support layer 1 now a plurality of piezoelectric layers 2a, 2b, 2c, 2d arranged between them electrode layers 3, 4 is arranged.
  • an electrode layer 4 is initially arranged on the carrier layer 1, on which then a piezoelectric layer 2a is arranged.
  • An electrode layer is then arranged on the piezoelectric layer 2 a with the polarity of the aforementioned negative-polarity electrode layer 3.
  • a further piezoelectric layer 2b is now arranged, on which in turn an electrode layer with opposite polarity to the electrode layer 3 is arranged.
  • a total of four piezoelectric layers and three electrode layers 4 of one polarity and two electrode layers 3 of the opposite polarity alternate.
  • an electric field 10 is formed which passes between the piezoelectric layer 2 a, 2 b, 2 c, 2 d located between the electrode layers 3, 4, so that it expands or contracts.
  • the direction of the electric field changes according to the changing polarity of the electrode layers for the adjacent piezoelectric layers 2a, 2b, 2c, 2d.
  • the entire membrane system with carrier layer 1 and all piezoelectric layers 2 and electrode layers 3 and 4 can be set in vibration.
  • FIG. 6 shows another embodiment of the present invention.
  • a piezoelectric layer 2 is arranged on a carrier layer 1, which directly contacts the carrier layer 1 in the example shown.
  • band-shaped electrodes 3, 4 with alternating polarity are now arranged next to one another and parallel to one another.
  • electrodes of one polarity 3 alternate with the electrodes of the other polarity 4 in a sectional view.
  • the band-shaped electrodes 3 and 4 are shown in section and here have a substantial rectangular cross-section. The electrodes 3 and 4 are equidistant from each other.
  • an electric field 10 is now formed which extends from one of the electrodes 3 through the piezoelectric layer 2 to the adjacent electrode 4 of opposite polarity.
  • the electric field 10 by applying a voltage at the voltage source 5 between the electrodes 3 and 4 is formed, thus penetrating the piezoelectric layer 2. This thereby changes its length, so that the membrane structure with the carrier layer 1 and the piezoelectric layer 2 bends up or down.
  • the membrane structure may be supported by a frame 6 and be segmented or continuous.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the present invention, in which in turn a piezoelectric layer 2 is arranged on a carrier layer 1.
  • the piezoelectric layer 2 is again arranged directly on the carrier layer 1.
  • electrodes 3 and 4 are provided, which can be charged with different polarity when a voltage is applied.
  • the electrodes are designed in strip form and run parallel to each other in the longitudinal direction and parallel to the surface of the carrier layer 1 on the piezoelectric layer 2 FIG. 7
  • the electrodes 3 and 4 do not run on the surface of the piezoelectric layer 2 as shown in FIG FIG. 6 shown, but enforce the piezoelectric layer 2 in two planes. In each of the levels run in the same way as on the surface in FIG.
  • one electrode 3 of one polarity alternates with one electrode 4 of the other polarity in one plane.
  • electric fields 10 which extend between the electrodes 3 and 4 and pass through the piezoelectric layer 2 are formed.
  • the electrodes of the two planes shown above one another so that over an electrode of the lower level always one electrode of the upper level runs.
  • the electrodes running one above the other have the same polarity, so that the electric fields form predominantly between the electrodes of a plane.
  • the band-shaped electrodes 3 and 4 are arranged such that electrodes running one above the other always have a different polarity. Within a plane, the polarities can alternate.
  • FIG. 8 shows a plan view of a transducer according to the invention, in which the electrodes as in FIG. 6 or FIG. 7 are arranged.
  • the electrodes run on the surface shown. If the embodiment of those of FIG. 7 is, are within the piezoelectric layer below the electrodes shown 3 and 4 further electrodes 3 and 4 are arranged. The electrodes 3 and 4 then pass through the piezoelectric layer 2 in one or more planes.
  • the membrane shown in turn is circular and the electrodes are designed as concentric circular sections.
  • a plurality of electrodes 3 and 4 extend in a circle around the center 8 of the membrane, wherein the polarity of the electrodes 3 and 4 from the edge 6 in the direction of Center 8 alternates.
  • membrane is segmented into eight segments 9a, 9b, which are fixedly arranged on a common edge 6 and are mechanically decoupled from each other.
  • the plurality of electrodes 3 and 4 are in Figure 8A example shown contacted by conductors 11 and 12, which extend radially from the edge 6 in the direction of the center 8.
  • electrodes of one polarity 3 are always contacted by a conductor 11 and electrodes of the other polarity 4 by another conductor 12.
  • a plurality of electrodes 3 of the same polarity can always be contacted by a common conductor 11.
  • FIG. 8B shows a segment 9a in detail. It can be seen that the electrodes of one polarity 4 and those of the other polarity 3 engage in a comb-like manner and are contacted together at their one end by a common conductor 11 and 12, respectively.
  • the electrodes of one polarity 4 in this case run from their common conductor 12 in the direction of the conductor 11 of the other polarity, but end before they reach it, so that no electrical contact between electrodes 4 of one polarity and a conductor 11 of the other polarity is established.
  • electrodes 3 and 4 In the majority of the area between two conductors 11 and 12 of different polarity, electrodes 3 and 4 always run alternately in the radial direction, so that electric fields can form between the electrodes as shown above, which penetrate the piezoelectric layer and thereby expand or contract the piezoelectric layer 2 can effect.
  • FIG. 9 shows a possible arrangement of an inventive Sound transducer 91 in one ear.
  • the sound transducer 91 has a main body 92, on which via an edge 6, the membrane system is arranged, of which only the carrier layer 1 is shown here.
  • the sound transducer 91 can be supplied from outside the ear or from the middle ear with electrical energy.
  • the sound transducer 91 is arranged in the round window 94, specifically directly on the round window membrane 95. It would also be conceivable to arrange the sound transducer in front of the oval window, in front of which the stirrup 91 can be seen here.
  • the arrangement shown in front of the round window is particularly favorable, since here the sound transducer 91 can be used by a doctor in a relatively simple manner by the outer ear and the eardrum.
  • the membrane system is set in vibration, then the oscillation is transmitted directly to the round window membrane 95, whereby sound waves in the inner ear 96 can be generated.
  • Other possibilities of arranging a sound transducer 91 would be in other places in the ear, for example in front of the eardrum, similar to the round window membrane in the example shown, or as earphones in front of the external auditory canal.
  • the sound transducer 91 could also serve as a microphone.
  • the sound transducer 91 shown can also be coupled with any other sound sensors that enable its membrane structure to be activated.
  • the sound transducer can also be used in the external auditory canal as an earphone.
  • the external shape of sound transducer 91 and membrane structure are to be adapted to the anatomical environment.
  • FIG. 10 shows a transducer with six to achieve a large amplitude stacked transducers 102a, 102b, 102c, 102d, 102e, 102f, which respectively those in FIG. 3A correspond to shown transducers.
  • the same reference numerals correspond to those in FIG FIG. 3A used reference numerals.
  • two adjacent membrane structures for example 102a and 102b or 102b and 102c, are arranged reversed in relation to one another so that the membrane structures deflect in the opposite direction upon application of the same polarity for adjacent membrane structures.
  • an electrode 3 of a given polarity is oriented downwards in the case of a sound transducer 102c, then it is oriented upward in the case of the adjacent sound transducers 102b and 102d.
  • the electrode 4 of different polarity which is oriented upwards in the case of a sound transducer 102c, is also oriented downwards in the adjacent sound transducers 102b and 102d.
  • the individual segments of adjacent sound transducers are connected to each other via connecting means 101, so that a movement of a segment of a sound transducer causes a movement of the same segment of an adjacent sound transducer.
  • the segments of a sound transducer are connected only to the segments of a further adjacent sound transducer, namely that sound transducer to which the membrane structure faces.
  • Only one of the membrane structures preferably an outer membrane structure 102a or 102f, is firmly implanted into the transducer with respect to an ear.
  • the other membrane structures 102b, 102c, 102d, 102e are movable and are moved as the segments bend.
  • FIG. 11 shows a further construction of a sound transducer with several, here four, membrane structures 202a, 202b, 202c and 202d, as shown in FIG FIG. 3A are shown.
  • the membrane structures are in this case again arranged one above the other parallel to one another and oriented identically in this example.
  • Adjacent membrane structures are connected to one another via connection means 201, all membrane structures being connected to one another here.
  • a membrane structure 202b is thus connected to both adjacent membrane structures 202a and 202c.
  • the connection causes a force effect of a deflection of a membrane structure to be transferred to the adjacent membrane structures.
  • all membrane structures 202a, 202b, 202c, 202d are preferably fixed to an ear in which they are installed, so that the segments move relative to the ear. The embodiment shown, a vibration can be realized with a particularly large force.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schallwandler zur Erzeugung von Schallschwingungen, der in ein Ohr einsetzbar ist und insbesondere für ein implantierbares Hörgerät einsetzbar sein kann. Der Schallwandler weist zumindest eine Trägerschicht und zumindest eine piezoelektrische Schicht auf, wodurch eine Auslenkung über ein Bimorph-Prinzip erreicht wird, oder eine Auslenkung durch Abgreifen einer Spannung detektierbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schallwandler zur Erzeugung von Schallschwingungen, der in ein Ohr einsetzbar ist und insbesondere für ein implantierbares Hörgerät einsetzbar sein kann. Der Schallwandler weist zumindest eine Trägerschicht und zumindest eine piezoelektrische Schicht auf, wodurch eine Auslenkung über ein Bimorph-Prinzip erreicht wird, oder eine Auslenkung durch Abgreifen einer Spannung detektierbar ist.
  • In den wohlhabenden Industrieländern leiden zwischen 10 und 20 % der Bevölkerung an einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Schwerhörigkeit - aufgrund der demographischen Entwicklung mit steigender Tendenz. Die Mehrzahl der Patienten kann mit konventionellen Hörgeräten versorgt werden, doch vor allem bei hochgradiger Schwerhörigkeit stoßen diese Systeme an ihre Grenzen.
  • Implantierbare Hörgeräte (auch aktive Mittelohrimplantate genannt) zeichnen sich demgegenüber durch ein größeres Schallverstärkungspotential und eine bessere Tonqualität aus. Sie kommen jedoch aufgrund der aufwändigen Implantation, dem damit verbundenen Risiko und den hohen Kosten bisher meist nur bei jüngeren oder hochgradig schwerhörigen Patienten zur Anwendung, erzielen dort jedoch eine hohe Zufriedenheit.
  • Das technische Problem bei Hörgerätimplantaten ist die Ankopplung des implantierten Schallwandlers an das auditorische System von Mittel- und Innenohr. Derzeitige Implantate stellen dabei eine mechanische Verbindung zu den Gehörknöchelchen her. Dies setzt bei der Implantation ein gesundes Mittelohr voraus, was Patienten mit chronischer Mittelohrentzündung und inoperablen Schäden der Knöchelchenkette von der Behandlung ausschließt.
  • Derzeit regt die überwiegende Anzahl der im Mittelohr implantierten Hörgeräte die Gehörknöchelchen an. Für einige solche Lösungen wird ein Bauteil direkt an die Gehörknöchelchen angebracht, das schwingt und über die direkte mechanische Kopplung die Gehörknöchelchenbewegung verstärkt. Das Schwingen des an den Gehörknöchelchen angebrachten Bauteils wird beispielsweise elektromagnetisch durch einen zwischen zwei Spulen bewegten Eisenkern (z.B. AU 2009202560 A2 ) oder durch einen Permanentmagnet, der in einem außerhalb des Mittelohrs erzeugten Magnetfeld schwingt (z.B. WO 0047138 A1 ) generiert.
  • Andere Lösungen regen die Gehörknöchelchen über einen mechanisch direkt angekoppelten elektromagnetischen Wandler an. Das Eingangssignal für die Anregung der Gehörknöchelchen wird hierbei entweder vor einer defekten Verbindungsstelle durch einen mechanisch angebundenen Sensor erfasst oder mit einem implantierbaren oder außerhalb des Körpers liegenden Mikrofon aufgenommen.
  • Problematisch bei vielen Lösungen des Standes der Technik ist, dass sie eine Mastoidektomie erfordern, insbesondere um den Schallwandler mit elektrischer Energie zu versorgen. Solche Eingriffe sind relativ aufwändig und lassen sich normalerweise nicht ambulant durchführen. Erschwerend kommt hinzu, dass die anatomischen Räume, die für die Implantation zur Verfügung stehen, außerordentlich klein sind und der Schallwandler daher eine außerordentlich hohe Energiedichte aufbringen muss. Bei vielen Lösungen des Standes der Technik treten außerdem Ankopplungsverluste auf und die Ankopplungsgüte ist schlecht reproduzierbar. Gerade hierdurch bleibt jedoch der Eingriff zum Einsetzen eines Hörgeräts nur wenigen Spezialisten mit kostspieliger Ausrüstung vorbehalten, weshalb diese Lösungen teuer und wenig verbreitet sind. Zudem weisen bestehende Aktoren eine Baugröße auf, die nur in einem Teil der Patienten geeignet ist, optimal an die gewünschten anatomischen Strukturen wie beispielsweise die Rundfenstermembran anzukoppeln, während eine Verkleinerung der bestehenden Schallwandler zu einer ungenügenden Leistung führen würde.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schallwandler anzugeben, der mit geringem Aufwand, insbesondere ohne Mastoidektomie, implantierbar ist und gleichzeitig eine hohe audiologische Qualität erzielt. Bevorzugt wird eine geringe Variabilität der audiologischen Qualität angestrebt.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch den Schallwandler zum Einsetzen in ein Ohr nach Anspruch 1 sowie das Verfahren zum Herstellen eines Schallwandlers nach Anspruch 18. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Schallwandlers an.
  • Der erfindungsgemäße implantierbare Schallwandler ist zur Erzeugung und/oder Detektion von Schallschwingungen eingerichtet und geeignet und weist zumindest eine Membranstruktur auf.
  • Die Membranstruktur des erfindungsgemäßen Schallwandlers ist durch zumindest eine Schnittlinie in ihrer flächigen Ausdehnung in zumindest ein, zwei oder mehrere Segmente unterteilt. Unterteilung der Membranfläche bedeutet, dass die gesamte Membran, also sowohl die Trägerschicht als auch die Piezoschichten, und gegebenenfalls Elektrodenschichten, durch gemeinsame Schnittlinien unterteilt sind, so dass die Membran an der oder den Schnittlinien mechanisch entkoppelt ist, was bedeutet, dass zwei durch eine Schnittlinie getrennte Bereiche der Membranstruktur unabhängig voneinander bewegbar sind. Die Unterteilung bzw. Segmentierung der Membranfläche bedeutet also entsprechende Segmentierung der Trägerschicht und entsprechende Segmentierung der Piezoschichten und gegebenenfalls Elektrodenschichten.
  • Die Segmentierung ermöglicht eine hohe Amplitude einer Schwingung bei sehr kleiner Baugröße, ohne dass durch diese Maßnahme die Kraft zu niedrig wird.
  • Eine möglichst nahe Ankopplung eines Schallwandlers am runden Fenster (fenestra cochleae) oder ovalen Fenster (fenestra ovalis oder vestibularis) ist für die audiologische Qualität eines mit dem Schallwandler ausgestatteten Hörgerätes, insbesondere als Schallerzeuger, vorteilhaft. Ein vor dem runden oder ovalen Fenster angeordneter Schallwandler ist außerdem von einem implantierenden Chirurgen über den Zugang über äußeren Gehörgang und Trommelfell in relativ kurzer Zeit, eventuell sogar rein ambulant, implantierbar.
  • Bevorzugt ist daher die Membranstruktur so ausgestaltet, dass der Schallwandler auf, in oder vor einem runden Fenster oder einem ovalen Fenster eines Ohres bzw. eines Gehörs so anordenbar ist, dass er dieses Fenster zumindest teilweise oder vollständig abdeckt. Der Schallwandler ist im Falle eines Schallerzeugers mit der Membranstruktur dabei so anordenbar, dass Schwingungen der Membranstruktur Schallschwingungen durch das runde bzw. das ovale Fenster bewirken. Bevorzugt steht die Membranstruktur dabei mit der Membran des entsprechenden Fensters in unmittelbarem Kontakt.
  • Besonders bevorzugt ist der Schallwandler und die Membranstruktur so ausgestaltet, dass der Schallwandler in einer Nische vor dem ovalen oder runden Fenster eines Ohres, d.h. der Rundfensternische, gemessen am Durchschnitt der Bevölkerung oder der Mehrheit der Bevölkerung, einbringbar ist. Dabei kann eine akustische Kopplung zwischen der Membranstruktur und der entsprechenden Fenstermembran einerseits durch Einbringen von Material zwischen die Membranstruktur und die Fenstermembran, beide berührend, hergestellt werden. Bevorzugt ist jedoch, wenn die Membranstruktur so an dem runden oder ovalen Fenster angeordnet wird, dass sie die Membran des entsprechenden Fensters unmittelbar kontaktiert, wobei jedoch erlaubt ist, dass zwischen der eigentlichen Membranstruktur und der entsprechenden Fenstermembran Schichten zur Passivierung bzw. Abdichtung der Membranstruktur angeordnet sind.
  • Unter Schallschwingungen werden im Sinne der Anmeldung Schwingungen mit Frequenzen verstanden, die vom menschlichen Gehör wahrnehmbar sind, d.h. Schwingungen zwischen ca. 2 Hz und 20.000 bis 30.000 Hz. Die Schallschwingungen sind außerdem geeignet, in einem Medium, insbesondere Luft oder Perilymphe, Schallwellen anzuregen.
  • Vorteilhaft sind Schallschwingungen durch das runde oder ovale Fenster erzeugbar. Das bedeutet, dass durch den Schallwandler im Innenohr Schallwellen anregbar sind, die vom entsprechenden runden bzw. ovalen Fenster ausgehen. Es können vorteilhaft also vom runden oder ovalen Fenster ausgehende Schallwellen erzeugt werden, indem die Membranstruktur in, auf oder vor dem entsprechenden Fenster in Schwingung versetzt wird und dadurch die Perilymphe, also ein flüssiges Medium im Innenohr, unmittelbar zur Schwingung anregt oder eine Fenstermembran zur Schwingung anregt, welche dann ihrerseits die Perilymphe anregt.
  • Erfindungsgemäß weist die Membranstruktur zumindest eine Trägerschicht und zumindest eine, auf der Trägerschicht angeordnete Piezoschicht auf, welche zumindest ein piezoelektrisches Material aufweist. Die Trägerschicht und die Piezoschicht bilden eine Bimorph-Struktur und sind daher so angeordnet und ausgebildet, dass die Membranstruktur durch Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Wechselspannung, an die Piezoschicht in Schwingung versetzbar ist und/oder dass durch Schwingung der Membran erzeugte Spannungen in der Piezoschicht detektierbar sind. Die Trägerschicht und die Piezoschicht können hierzu mit parallelen Schichtebenen aufeinander oder aneinander angeordnet sein und sollten direkt oder mittelbar miteinander verbunden sein. Die genannten Schnittlinien durchtrennen vorzugsweise alle Schichten der Membranstruktur.
  • Vorteilhafterweise wird, um eine gute audiologische Qualität zu gewährleisten, die Membranstruktur so ausgebildet, dass sie eine maximale Auslenkung von 1 bis 5 µm ermöglicht, vorzugsweise von 5 µm. Hierzu ist z.B. bei einer Frequenz ν von 4 kKz, einer akustischen Flussimpedanz ZF des runden Fensters von 32 GΩ und einer Fläche A der Membran des runden Fensters von ungefähr 2 mm2, eine treibende Kraft von 2 π ν ZFA2x = 1,6 10-2 N, nötig. Die durchschnittliche Energie entspricht der Hälfte des Produkts von maximaler Kraft und maximaler Auslenkung, also in diesem Beispiel 4·10-8 J, um die Leistung zu erhalten. Umgerechnet auf einen Bauraum von z.B. 2 mm3 benötigt man in diesem Beispiel demnach eine Energiedichte von 20 J/m3.
  • Die Segmente können so gestaltet werden, insbesondere bezüglich ihrer Länge, dass die Impedanz optimal ist.
  • Besonders bevorzugt ist hierzu die Membranstruktur in Dünnschichttechnik ausgeführt. Dünne Schichten sind vorteilhaft, da hohe Felder erforderlich sind, um hohe Energiedichten zu erzeugen, während aber die anlegbaren Spannungen wegen der biologischen Umgebung möglichst niedrig sein sollten. In einer Dünnschichtmembran sind die erforderlichen Energiedichten erzielbar.
  • Dabei können insbesondere die Piezoschichten erfindungsgemäß in Dünnschichttechnik hergestellt werden. Hierzu wird für eine herzustellende Piezoschicht der Membranstruktur Piezomaterial in der Dicke der Piezoschicht aufgetragen. Das Auftragen kann über Abscheidetechniken wie Physical Vapor Deposition-, Chemical Vapor Deposition-Sputtern und andere erfolgen. Durch die Herstellung der Piezoschichten durch Abscheiden von Piezomaterial in der gewünschten Dicke lassen sich deutlich dünnere Piezoschichten realisieren als nach dem Stand der Technik, wo fertig gewachsene Piezokristalle auf die Dicke der Piezoschicht abgeschliffen wurden.
  • Vorzugsweise haben die Piezoschichten eine Dicke von ≤ 20 µm, bevorzugt ≤ 10 µm, besonders bevorzugt ≤ 5 µm und/oder ≥ 0,2 µm, vorzugsweisen ≥ 1 µm, bevorzugt ≥ 1,5 µm, besonders bevorzugt = 2 µm. Die Elektrodenschichten haben vorzugsweise eine Dicke von ≤ 0,5 µm, vorzugweise ≤ 0,2 µm, besonders bevorzugt ≤ 0,1 µm und/oder ≥ 0,02 µm, vorzugsweise ≥ 0,05 µm und besonders bevorzugt ≥ 0,08 µm.
  • Dünne Schichten des Schallwandlers - sowohl die der Silizium-Balkenstruktur als auch die der Piezoschicht(en) - sorgen dafür, dass bei Auslenkung der Balken nur eine kleine Masse in Bewegung versetzt wird. Die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems befindet sich für die beschriebenen Aktorvarianten im oberen Bereich der Frequenzbandbreite des menschlichen Gehörs. Es ist also eine gleichmäßige Anregung des runden Fensters über den gesamten menschlichen Frequenzbereich möglich.
  • Die Erzeugung der mechanischen Schwingungen des erfindungsgemäßen Schallwandlers beruht dabei auf dem Prinzip der elastischen Verformung eines Biegebalkens, wobei die Membran oder Segmente der Membran als Biegebalken betrachtet werden können. Die piezoelektrische Schicht (Piezoschicht) ist dabei durch Anlegen der Spannung und des hierdurch erzeugbaren elektrischen Feldes verkürzbar und/oder verlängerbar. Im Materialverbund aus Trägerschicht und Piezoschicht werden hierbei mechanische Spannungen erzeugt, die zu einer Aufwärtsbiegung des Balkens bzw. der Membranstruktur bei sich verkürzender Piezoschicht führen und zu einer entsprechenden Abwärtsbewegung bei sich verlängernder Piezoschicht. Ob die Piezoschicht sich verlängert oder verkürzt hängt dabei von der Polarisationsrichtung der Piezoschicht und der Richtung der anliegenden Spannung bzw. des anliegenden elektrischen Feldes ab.
  • Bei einem einschichtigen Schallwandler kann die beschriebene Trägerschicht eine einzelne Schicht piezoelektrischen Materials tragen. Zusätzlich dazu bilden die Elektroden weitere Komponenten des Schichtaufbaus. Eine Bottom-Elektrode kann dabei direkt oder über einer Barriereschicht auf dem Siliziumsubstrat aufgebracht sein, wohingegen sich eine Top-Elektrode auf der piezoelektrischen Schicht befinden kann. Die Polungsrichtung des piezoelektrischen Materials ist vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche der Siliziumstruktur. Wenn nun zwischen Top- und Bottom-Elektrode eine elektrische Spannung angelegt wird und sich eine elektrisches Feld ausbildet, verkürzt oder verlängert sich (je nach Vorzeichen der Spannung) das Piezomaterial in Balkenlängsrichtung durch den transversalen piezoelektrischen Effekt, mechanische Spannungen im Schichtverbund werden erzeugt und die Balkenstruktur erfährt eine Biegung.
  • Es ist bevorzugt, wenn die Membranstruktur einen kreisförmigen oder ovalen Umfang hat. Insbesondere ist es hierbei günstig, wenn der Umfang der Membranstruktur dem Umfang des runden oder ovalen Fensters eines Ohres entspricht, so dass die Umfangslinie der Membranstruktur parallel zum Umfang des runden oder ovalen Fensters läuft, wenn der Schallwandler implantiert wird.
  • Durch eine runde oder leicht ovale Form kann der Schallwandler direkt auf die Membran des runden Fensters aufgesetzt werden. Da die Rundfenstermembran an seiner knöchernen Umrandung als fest eingespannt betrachtet werden kann und dort keine Schwingungsauslenkung zeigt, treten die maximalen Schwingungsauslenkungen im geometrischen Zentrum der Membran auf. Wird der Schallwandler nun mittig auf der Rundfenstermembran platziert, überlagern sich die maximalen Auslenkungen von Schallwandler und Membran, so dass eine gute audiologische Ankopplung und ein großes Schallverstärkungspotential durch den Wandler erreicht wird. Auch ein n-eckiger Umfang der Membranstruktur mit n vorzugsweise ≥ 8 ist möglich.
  • Insbesondere im Falle eines kreisförmigen Umfangs, aber auch bei anderen Formen, der Membranstruktur ist es weiter bevorzugt, wenn die Schnittlinien, welche die Membranfläche in Segmente unterteilen, radial von einem Rand der Membranstruktur in Richtung eines Mittelpunktes der Membran verlaufen. Hierbei müssen die Schnittlinien nicht unmittelbar am Rand starten und nicht bis zum Mittelpunkt reichen, es ist auch hinreichend, wenn die Schnittlinien von der Nähe des Randes bis in die Nähe des Mittelpunktes verlaufen. Sofern allerdings die Schnittlinien den Mittelpunkt nicht erreichen, sollte im Mittelpunkt ein freier Bereich vorliegen, in welchem die Schnittlinien enden, so dass die mechanische Entkopplung der Segmente an jenem dem Mittelpunkt zugewandten Ende gewährleistet ist.
  • Die Segmente können hierbei so ausgestaltet sein, dass sie kuchenstückförmig sind, also zwei in einem Winkel zueinander verlaufende Ränder als Seitenränder sowie einen Außenrand aufweisen, der am Umfang der Membranstruktur parallel zu diesem Umfang verläuft. Am anderen Ende der Seitenränder, dem Außenrand gegenüber, können die Segmente spitz zulaufen oder so abgeschnitten sein, dass sich um den Mittelpunkt ein freier Bereich ergibt. Die Segmente können dann am äußeren Rand am Rand der Membranstruktur fest angeordnet sein und an den Seitenrändern und gegebenenfalls jenem dem Mittelpunkt zugewandten Rand voneinander unabhängig sein, so dass sie um den äußeren Rand frei schwingen können. Die größte Auslenkung wird hierbei normalerweise an jenem dem Mittelpunkt zugewandten Ende des Segmentes auftreten. Vorzugsweise ist die Zahl der Segmente ≥ 8.
  • Die Schnittlinien können hierbei radial gerade verlaufen, so dass die Segmente gerade radiale Kanten haben.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass die radial verlaufenden Schnittlinien gekrümmt verlaufen, so dass sich Segmente mit nicht geraden radial verlaufenden Kanten ergeben. Insbesondere können hierdurch Segmente gebildet werden, die in radialer Richtung bogenförmig, wellenförmig oder entlang einer Zickzacklinie verlaufen. Zahlreiche andere Geometrien sind denkbar.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Membranstruktur durch zumindest eine Schnittlinie spiralförmig strukturiert sein. Die zumindest eine Schnittlinie verläuft dabei so, dass sich zumindest ein spiralförmiges Segment ergibt, das sich vorzugsweise um einen Mittelpunkt der Membranstruktur windet. Möglich ist es auch, mehrere Schnittlinien vorzusehen, welche die Membranstruktur so unterteilen, dass sich zwei oder mehr spiralförmige Segmente ergeben, die sich vorteilhaft jeweils um den Mittelpunkt der Membranstruktur winden und besonders bevorzugt ineinander verlaufen.
  • Um die Membranstruktur in Schwingung zu versetzen und/oder um eine Spannung an der Piezoschicht abzugreifen, können zumindest eine erste und zumindest eine zweite Elektrodenschicht an der Membranstruktur angeordnet sein, wobei die zumindest eine Piezoschicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist. Die Elektrodenschichten überdecken hierbei vorzugsweise die Piezoschicht und sind mit parallelen Schichtebenen an oder auf der Piezoschicht angeordnet. Vorzugsweise ist die erste oder zweite Elektrodenschicht zwischen der Trägerschicht und der Piezoschicht angeordnet, so dass die Piezoschicht über eine der Elektrodenschichten auf der Trägerschicht angeordnet ist. Besonders bevorzugt bedecken die Piezoschicht und die Elektrodenschichten einander vollständig.
  • Die Verwendung von Segmentstrukturen erlaubt gegenüber einer unstrukturierten Membran eine höhere Auslenkung, da sich die Balkenelemente dort, wo sie durch die Schnittlinien separiert sind, z.B. im Zentrum der Scheibe, frei verformen können und somit eine konstante Biegung in nur eine Richtung erfahren. Die Verformung einer zusammenhängenden Membran ist hingegen durch eine Richtungsänderung der Krümmung charakterisiert, was zu niedrigeren Auslenkungen führt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Membranstruktur eine Mehrzahl von mit parallelen Flächen aufeinander angeordneten Piezoschichten auf, wobei zwischen je zwei benachbarten Piezoschichten eine Elektrodenschicht angeordnet ist. Es ist also auf der Trägerschicht abwechselnd jeweils eine Elektrodenschicht und eine Piezoschicht angeordnet. Elektrodenschichten und Piezoschichten können unmittelbar aufeinander, miteinander verbunden, angeordnet sein oder über ein oder mehrere Zwischenschichten aufeinander angeordnet sein. Mit dieser Ausführungsform lassen sich Schwingungen mit besonders großer Kraft bzw. Leistung erzeugen und Schwingungen besonders genau detektieren.
  • Bei dieser Wandlermodifikation wechseln sich also im Schichtaufbau Elektroden mit unterschiedlichem elektrischem Potential mit Piezoschichten ab. Auf die Siliziumstruktur folgt zunächst eine Bottom-Elektrode, darauf eine erste Piezoschicht, eine Elektrode mit entgegen gesetztem Potential, eine zweite Piezoschicht, eine Elektrode mit dem Potential der Bottom-Elektrode, usw.
  • Die Polungsrichtung der einzelnen Piezoschichten kann wie beim Einschichtwandler senkrecht zur Oberfläche der Membranstruktur liegen, allerdings zeigt sie für abwechselnde Piezoschichten in entgegen gesetzte Richtung. Das sich zwischen den Elektroden entgegen gesetzten Potentials aufbauende elektrische Feld und die für die einzelnen Piezoschichten abwechselnde Polarisierungsrichtung sorgt für eine gemeinsame Längenänderung des gesamten Schichtaufbaus, was wiederum eine Biegung der Siliziumstruktur hervorruft.
  • Vorteilhafterweise sind die Elektrodenschichten so ausgestaltet bzw. so kontaktiert, dass je zwei benachbarte Elektrodenschichten mit Ladung unterschiedlicher Polarität beaufschlagbar sind. Es ist hierdurch ein elektrisches Feld in den Piezoschichten erzeugbar, das jeweils von einer Elektrodenschicht zur benachbarten Elektrodenschicht verläuft. Auf diese Weise können die Piezoschichten besonders gleichmäßig mit elektrischen Feldern durchsetzt werden. Im Falle einer Schwingungsdetektion können vorzugsweise unterschiedliche Vorzeichen einer an der Piezoschicht entstehenden Spannung jeweils durch benachbarte Elektrodenschichten abgegriffen werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können zumindest zwei bandförmige, also längliche, Elektroden, die ein Elektrodenpaar bilden, auf der Oberfläche der zumindest einen Piezoschicht oder auf der Oberfläche der Trägerschicht so angeordnet sein, dass sie parallel zur entsprechenden Oberfläche verlaufen und vorzugsweise auch parallel zueinander verlaufen. Die beiden Elektroden eines Elektrodenpaars sind jeweils mit Ladung unterschiedlicher Polarität beaufschlagbar, so dass sich zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaars ein elektrisches Feld ausbildet, welches zumindest bereichsweise die Piezoschicht durchsetzt. Sind mehrere Elektrodenpaare vorgesehen, so kann sich auch zwischen Elektroden unterschiedlicher Polarität benachbarter Elektrodenpaare ein elektrisches Feld ausbilden, das die Piezoschicht durchsetzt. Im Fall einer Schwingungsdetektion sind entsprechend durch je eine Elektrode des Elektrodenpaares unterschiedliche Vorzeichen der unten stehenden Spannung kontaktierbar.
  • Die Leiterbahnstrukturen der bandförmigen Elektroden können vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt haben.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Vielzahl von Elektrodenpaaren mit jeweils zwei Elektroden, die mit unterschiedlicher Polarität beaufschlagbar sind, so angeordnet sind, dass die Elektroden der Vielzahl von Elektrodenpaaren parallel zueinander verlaufen. Dabei sollten die Elektrodenpaare außerdem so angeordnet sein, dass jeweils zwei benachbart verlaufende Elektroden mit Ladung unterschiedlicher Polarität beaufschlagbar sind. Auf diese Weise bildet sich zwischen je zwei benachbarten Elektroden ein die Piezoschicht durchsetzendes elektrisches Feld. Für den Fall, dass, wie hier beschrieben, eine Vielzahl von Elektrodenpaaren vorgesehen sind, liegen also eine Vielzahl von Elektroden auf einer Oberfläche der Piezoschicht oder der Trägerschicht vor, die parallel zueinander verlaufen können und mit abwechselnder Polarität nebeneinander angeordnet sein können.
  • Die Polung des Piezomaterials ist in diesem Fall nicht homogen über die gesamte Piezoschicht verteilt, vielmehr verläuft die Polarisationsrichtung feldlinienförmig von der negativen zur positiven Elektrode. Wenn im Betrieb des Wandlers die kammförmigen Elektroden mit wechselndem elektrischem Potential beaufschlagt werden, bildet sich entlang der Polarisierungsrichtung des Piezomaterials ein elektrisches Feld aus, entlang dessen sich das Piezomaterial ausdehnt bzw. verkürzt. Dadurch verlängert bzw. verkürzt sich die gesamte Piezoschicht in Balkenlängsrichtung, was zu einer Abwärtsbiegung bzw. Aufwärtsbiegung der Siliziumstruktur führt.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Elektroden hierbei außerdem parallel zu dem Rand der Membranstruktur verlaufen. Ist also die Membranstruktur kreisförmig, so bilden die Elektroden bevorzugt konzentrische Kreise um den Mittelpunkt der Membranstruktur. Entsprechend sind bei einer ovalen Membranstruktur auch die Elektroden bevorzugt oval ausgestaltet. Die Elektroden können jeweils entlang des gesamten Umfangs parallel zum Umfang der Membranstruktur verlaufen oder nur auf einem Teil des Umfangs, so dass sie beispielsweise die Form von Kreisumfangsabschnitten haben.
  • Bandförmige Elektroden lassen sich besonders vorteilhaft über gemeinsame Leiter kontaktieren, wobei eine Mehrzahl der Elektroden durch einen gemeinsamen Leiter kontaktiert wird. So können eine Mehrzahl der Elektroden einer Polarität mit zumindest einem ersten Leiter verbunden sein und Elektroden der anderen Polarität mit zumindest einem zweiten Leiter. Damit die Elektroden unterschiedlicher Polarität abwechselnd angeordnet sind, können die den unterschiedlichen Leitern zugeordneten Elektroden unterschiedlicher Polarität kammförmig ineinander greifen. Die gemeinsamen Leiter können hierbei die Elektroden der ihnen entsprechenden Polarität schneiden und verlaufen z.B. bei kreisförmigen Elektroden besonders bevorzugt radial.
  • Auch im Falle einer bandförmigen Ausgestaltung der Elektroden kann die Membranstruktur mehrschichtig ausgestaltet sein. Hierbei ist es zum einen wiederum möglich, dass mehrere Piezoschichten aufeinander angeordnet sind, wobei dann bandförmige Elektroden zwischen jeweils zwei benachbarten Piezoschichten verlaufen können. Die Anordnung der Elektroden entspricht hierbei der oben beschriebenen Anordnung auf der Oberfläche einer Piezoschicht. Möglich ist es aber auch, dass die Membranstruktur zumindest eine Piezoschicht aufweist, die von bandförmigen Elektroden bzw. Elektrodenpaaren in einer oder mehreren Ebenen durchsetzt ist. In diesem Fall verlaufen die Elektroden der Elektrodenpaare im Inneren der entsprechenden Piezoschicht. Die verschiedenen Möglichkeiten der Anordnung entsprechen auch hier jenen der oben genannten Anordnung auf der Oberfläche der Piezoschicht.
  • Diese Variante des Schallwandlers weist gegenüber der vorigen Lösung eine dickere Piezoschicht auf, die von mehreren Lagen kammförmiger Elektroden durchzogen werden kann. Die Polarisierung im Piezomaterial verläuft wiederum feldlinienförmig von den negativen zu den positiven Leiterbahnelektroden. Bei anliegender Spannung bildet sich entlang der Polarisierungsrichtung ein elektrisches Feld aus, das zu einer Ausdehnung bzw. Verkürzung des Piezomaterials entlang der Feldlinien und zu einer Abwärtsbiegung bzw. Aufwärtsbiegung der Balkenstruktur führt.
  • Im Falle spiralförmiger Segmente können bandförmige Elektroden entlang der Längsrichtung der Segmente angeordnet sein. Vorzugsweise reicht hier ein Elektrodenpaar aus.
  • Da der Schallwandler in einer biologischen Umgebung zum Einsatz kommt, ist es vorteilhaft, wenn die Spannung, mit welcher die Elektroden beaufschlagt werden, kleiner ist als 3 Volt, bevorzugt kleiner als 2 Volt, besonders bevorzugt kleiner als 1,3 Volt. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Elektroden flüssigkeitsdicht und/oder elektrisch isolierend zu kapseln, so dass sie mit einer den Schallwandler gegebenenfalls umgebenden Flüssigkeit nicht in Kontakt kommen.
  • Eine so dichte Kapselung wird jedoch eine derart hohe akustische Impedanz aufweisen, dass mit beträchtlichen audiologischen Verlusten zu rechnen ist.
  • Da der piezoelektrische Effekt im betrachteten Bereich proportional zur Stärke des elektrischen Feldes ist, welches das Material durchdringt, können durch Verwendung sehr dünner piezoelektrischer Schichten bei sehr kleinem Abstand der Elektroden so hohe Felder erzeugt werden (das elektrische Feld berechnet sich im homogenen Fall als Quotient aus anliegender Spannung und Abstand der Elektroden), dass der Piezoeffekt ausreicht, um die für die Anregung des runden Fensters notwendigen Schwingungsauslenkungen und Kräfte zu erreichen.
  • Die Trägerschicht kann Silizium aufweisen oder daraus bestehen. Als Piezomaterialien kommen u.a. PbZrxTi1-xO3 mit vorzugsweise 0.45 < x < 0.59, besonders bevorzugt mit Dotierungen von beispielsweise La, Mg, Nb, Ta, Sr und dergleichen, vorzugsweise mit Konzentrationen zwischen 0,1 und 10 %, in Frage. Auch weitere feste Lösungen mit PbTiO3, wie beispielsweise Pb(Mg1/3, Nb2/3)O3, Pb(Sn1/3Nb2/3)O3 kommen in Frage. Mögliche Materialien sind auch bleifreie Materialien, die KNbO3, NaNbO3 enthalten, Dotierungen mit Li, Ta, etc., Bi-haltige Piezoschichten, Auriviliusphasen mit Ti, Ta, Nb, ferner auch Perovskitphasen, wie BiFe3. Auch klassische Dünnschichtmaterialien, wie A1N und ZnO sind möglich.
  • Silizium als Trägermaterial für die Piezoschichten ermöglicht das Herstellen der scheibenförmigen Struktur und der kuchenstückförmigen Biegebalken mit den Strukturierungstechniken der Mikrosystemtechnik. Es können bekannte und erprobte Beschichtungs- und Ätzverfahren zur Herstellung von Balken, Elektroden und Piezoschicht verwendet werden, z.B. Sol-Gel-Techniken, Sputter-Verfahren, chem. Ätzen, Ionenätzen, etc. Weiterhin erlauben die Verfahren der Mikrosystemtechnik ein Parallelisieren des Fertigungsprozesses; aus einem Silizium-Wafer lässt sich in einem Fertigungsdurchgang eine Vielzahl von Schallwandlern herstellen. Dies ermöglicht eine kostengünstige Produktion.
  • Die zumindest eine Piezoschicht hat vorzugsweise eine Dicke von ≤ 20 µm, vorzugsweise ≤ 10 µm, besonders bevorzugt ≤ 5 µm und/oder ≥ 0,2 µm, vorzugsweise ≥ 1 µm, bevorzugt ≥ 1,5 µm, besonders bevorzugt = 2 µm. Die Elektrodenschichten haben jeweils vorzugsweise eine Dicke von ≤ 0,5 µm, vorzugsweise ≤ 0,2 µm, besonders bevorzugt ≤ 0,1 µm und/oder ≥ 0,02 µm, vorzugsweise ≥ 0,05 µm, besonders bevorzugt ≥ 0,08 µm. Ein Durchmesser der Membranstruktur ist vorzugsweise ≤ 4 mm, bevorzugt ≤ 3 mm, besonders bevorzugt ≤ 2 mm und/oder ≥ 0,2 mm, vorzugsweise ≥ 0,5 mm, bevorzugt ≥ 1 mm, besonders bevorzugt = 1,5 mm, und besonders bevorzugt so gewählt, dass der Schallwandler in geeigneter Weise vor dem runden oder ovalen Fenster eines Ohres anordenbar ist. Bevorzugt ist der Schallwandler in der Rundfensternische eines Ohres anordenbar, wobei deren Abmessungen als jene der Mehrheit oder des Durchschnitts der Bevölkerung im Geltungsbereich der vorliegenden Schrift verstanden werden können.
  • Der erfindungsgemäße Schallwandler kann durch unmittelbares Auflegen der Membranfläche auf einer Membran des runden oder ovalen Fensters direkt angekoppelt werden. Da sich die maximale Schwingungsauslenkung des Wandlers in der geometrischen Mitte der Scheibe mit der maximalen Schwingung der Membran im Zentrum des runden Fensters überlagert, ist eine gute audiologische Ankopplung mit hohem Schallverstärkungspotential möglich.
  • Erfindungsgemäß kann der Schallwandler auch mehrere wie oben beschriebene Membranstrukturen aufweisen. Diese Membranstrukturen sind dabei gleich strukturiert und parallel zueinander so übereinander angeordnet, dass gleiche Segmente der Struktur bzw. die Schnittlinien der Membranstrukturen übereinander liegen. Gleiche Segmente sind dann so miteinander gekoppelt, dass sich eine Auslenkung und/oder Kraftausübung eines der Segmente auf die benachbarten Segmente überträgt. Die Membranstrukturen können dabei so übereinander angeordnet sein, dass bei Anlegen einer Spannung einer gegebenen Polung an den Schallwandler alle Segmente in die gleiche Richtung ausgelenkt werden. Die Membranstrukturen sind hierbei gleich orientiert. In diesem Fall kann eine Gesamtkraft realisiert werden, die höher ist als die einer einzelnen Membranstruktur. Es ist auch möglich, die Membranstrukturen so aufeinander anzuordnen, dass benachbarte Membranstrukturen jeweils umgekehrt orientiert sind, so dass sich bei Anlegen einer Spannung einer gegebenen Polung benachbarte Membranstrukturen jeweils in unterschiedliche Richtung auslenken. In diesem Fall lässt sich eine Gesamtauslenkung realisieren, die größer ist als die einer einzelnen Membranstruktur.
  • Die Ausführungsformen der Erfindung können speziell an die Anforderungen eines implantierbaren Hörgerätes mit einer audiologischen Anregung des runden oder ovalen Fensters im Mittelohr angepasst sein. Bevorzugt ist der Schallwandler ein Schallerzeuger. Es ist auch möglich, klassische Hörgeräte, Hörgeräte, die direkt auf dem Trommelfell aufsitzen oder sonstige Miniaturlautsprecher, wie beispielsweise in Kopfhörern, mit dem erfindungsgemäßen Schallwandler auszustatten. Der Schallwandler ist außerdem als Sensor einsetzbar und ermöglicht, aus einem Schallsignal ein elektrisches Signal zu generieren. Der Schallwandler kann also auch als Mikrofon zum Einsatz kommen.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei gleichen oder entsprechenden Merkmalen. Die in den Beispielen gezeigten Merkmale können auch unabhängig vom konkreten Beispiel und in beliebiger Kombination mit anderen beschriebenen Merkmalen erfindungsgemäß verwirklicht sein.
  • Es zeigt
    • Figur 1
    das Prinzip der Auslenkung einer erfindungsgemäßen Membranstruktur,
    Figur 2
    eine erfindungsgemäße Membranstruktur, die kreisförmig ist und in kuchenstückförmige Segmente unterteilt ist,
    Figur 3
    einen Schnitt durch erfindungsgemäße Membranstrukturen,
    Figur 4
    einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schallwandler mit einer zwischen zwei Elektrodenschichten angeordneten Piezoschicht,
    Figur 5
    einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schallwandler mit mehreren piezoelektrischen Schichten,
    Figur 6
    einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schallwandler mit auf der Piezoschicht angeordneten bandförmigen Elektroden,
    Figur 7
    einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schallwandler mit eine Piezoschicht durchsetzenden bandförmigen Elektroden,
    Figur 8
    eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Schallwandler mit bandförmigen Elektroden,
    Figur 9
    eine beispielhafte Anordnung eines erfindungsgemäßen Schallwandlers in einem Ohr,
    Figur 10
    einen erfindungsgemäßen Schallwandler mit mehreren übereinander angeordneten Membranstrukturen, die eine hohe Amplitude ermöglichen, und
    Figur 11
    einen erfindungsgemäßen Schallwandler mit mehreren aufeinander angeordneten Membranstrukturen, der eine Auslenkung mit hoher Kraft ermöglicht.
  • Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Schallwandlers zur Erzeugung und/oder Detektion von Schallschwingungen, der in ein Ohr einsetzbar ist. Im gezeigten Beispiel ist auf einer Trägerschicht 1, beispielsweise einer Siliziumschicht 1, eine Membranstruktur angeordnet, die eine Piezoschicht 2 sowie zwei Elektrodenschichten 3 und 4 aufweist. Die Trägerschicht 1 (elastische Schicht 1) kann dabei z.B. etwa ein- bis zweimal so dick sein wie die piezoelektrische Schicht. Zwischen den Elektrodenschichten 3 und 4 ist mittels einer Spannungsquelle 5 eine Spannung anlegbar oder mittels eines geeigneten Detektors eine Spannung detektierbar. Im gezeigten Beispiel ist auf der Trägerschicht 1 zunächst die eine der Elektrodenschichten 3 angeordnet, auf welcher dann die Piezoschicht 2 angeordnet ist. Auf jener der die Elektrodenschicht 3 kontaktierenden Seite gegenüber liegenden Seite der Piezoschicht 2 ist die zweite Elektrodenschicht 4 angeordnet. Durch Anlegen einer Spannung mittels der Spannungsquelle 5 sind die Elektrodenschichten 3 und 4 mit entgegen gesetzter Polarität aufladbar, so dass zwischen den Elektrodenschichten 3 und 4 ein elektrisches Feld entsteht, welches die Piezoschicht 2 durchsetzt.
  • Figur 1A zeigt den Zustand des Schallwandlers für den Fall, dass keine Spannung angelegt ist. Die Trägerschicht 1, die Piezoschicht 2 und die Elektrodenschichten 3 und 4 erstrecken sich hierbei in einer Ebene, sind also flach. Wird nun, wie in Figur 1B gezeigt, eine Spannung mittels der Spannungsquelle 5 zwischen den Elektrodenschichten 3 und 4 angelegt, so durchsetzt ein elektrisches Feld die Piezoschicht 2. Die Piezoschicht 2 verkürzt sich hierdurch, wodurch sich die gesamte Membranstruktur der Trägerschicht 1, der Elektrodenschichten 3 und 4 sowie der Piezoschicht in Richtung der Piezoschicht nach oben biegt. Wird die Spannung 5 umgepolt, dehnt sich die Piezoschicht 2 aus und die Membranstruktur biegt sich von der Piezoschicht 2 weg. Wird an der Spannungsquelle 5 eine Wechselspannung angelegt, so kann die Membranstruktur in Schwingung versetzt werden.
  • Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Schallwandler, der kreisförmig ausgestaltet ist, so dass er besonders günstig vor dem runden Fenster eines Ohres platzierbar ist. Dabei zeigt Figur 2A eine Aufsicht auf den Schallwandler, so dass eine der Elektrodenschichten 4 zu sehen ist, Figur 2B zeigt eine Aufsicht auf eine der in Figur 2A gezeigten Seite gegenüber liegenden Seite, so dass die Trägerschicht 1 zu sehen ist, und Figur 2C zeigt eine Aufsicht, die der in Figur 2A gezeigten Aufsicht entspricht, wobei sich hier jedoch die Membranstruktur im ausgelenkten Zustand befindet.
  • Figuren 2A und 2B zeigen einen erfindungsgemäßen Schallwandler mit kreisförmiger Membranstruktur im unausgelenkten Zustand, in welchem keine Spannung an die Piezoschichten 3 und 4 angelegt ist. Die Membranstruktur ist im gezeigten Beispiel durch Schnittlinien 7 in acht Segmente 9a, 9b unterteilt. Die Segmente 9a, 9b sind hierbei kuchenstückförmig ausgebildet und mit einem Rand 6 des Schallwandlers fest verbunden. Die Segmente 9a, 9b werden an den Schnittlinien 7 mechanisch voneinander getrennt, so dass sie hier gegeneinander beweglich sind. In einem Mittelpunkt 8 der erfindungsgemäßen Membranstruktur kann eine kleine Öffnung 8 vorgesehen sein, in welcher die Schnittlinien 7 enden. Die Schnittlinien 7 verlaufen im gezeigten Beispiel radial vom Rand 6 aus in Richtung des Mittelpunktes 8.
  • Figur 2C zeigt die in Figuren 2A und 2B gezeigte Membranstruktur in einem Zustand, der sich einstellt, wenn, wie in Figur 1B, eine Spannung zwischen die Elektrodenschichten 3 und 4 angelegt wird. Die Segmente 9a, 9b der Membranstruktur biegen sich hier als bimorphe Balken in Richtung der Elektrodenschicht 4, im gezeigten Beispiel also nach oben. Der Abstand der ausgelenkten Segmente von jener Ebene, in welcher die Segmente im unausgelenkten Zustand ruhen, nimmt in Richtung des Mittelpunktes 8 zu und erreicht an jenen dem Mittelpunkt zugewandten Enden der Segmente 9a, 9b seinen größten Wert. Die Krümmung der Segmente 9a, 9b behält dabei ihr Vorzeichen zwischen Rand 6 und Mitte 8 bei. Wird die an die Elektroden 3 und 4 angelegte Spannung umgepolt, so biegen sich die Segmente 9a, 9b in Richtung der Trägerschicht 1, also im in Figur 2C gezeigten Beispiel nach unten. Durch Anlegen einer Wechselspannung können die Segmente 9a, 9b in Schwingung versetzt werden. In Figur 2 ist die Membranstruktur in Segmente 9a, 9b segmentiert. Das bedeutet, dass sowohl die Trägerschicht 1 als auch die Piezoschicht 2 und die Elektrodenschichten 3 und 4 in Segmente 9a, 9b segmentiert ist, dergestalt, dass sich die Trägerschicht 1, die Elektrodenschichten 3 und 4 und die Piezoschicht 2 eines Segmentes jeweils gegenseitig vollständig überdecken.
  • Figur 3 zeigt zwei mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schallwandlers im Vergleich. Die in Figur 3A gezeigte Ausführungsform entspricht jener in Figur 1 und 2 gezeigten, wo die Membranstruktur in Segmente 9a, 9b unterteilt ist. In jener in Figur 3B gezeigten Ausführungsform liegt hingegen eine unsegmentierte Membranstruktur vor. Die in Figur 3A gezeigte segmentierte Ausführungsform erlaubt hierbei gegenüber der unstrukturierten in Figur 3B gezeigten Membran eine höhere Auslenkung, da sich die beiden Elemente 9a, 9b im Zentrum 8 der kreisförmigen Membran frei verformen können und daher in Richtung vom Rand 6 zur Mitte 8 eine konstante Krümmung in nur eine Richtung erfahren. Bei der in Figur 3B gezeigten unsegmentierten Membran ist die Auslenkung in der Mitte 8 geringer. Darüberhinaus ändert sich die Krümmung der Membran vom Rand 6 in Richtung der Mitte 8 und ändert ihr Vorzeichen. Andererseits erleichtert hingegen die Figur 3B einen gas- und flüssigkeitsdichten Abschluss einer Öffnung durch den erfindungsgemäßen Schallwandler.
  • Figur 4 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schallwandler, bei welchem eine piezoelektrische Schicht 2 zwischen einer Elektrodenschicht 3 und einer Elektrodenschicht 4 angeordnet ist. Die Ausführungsform entspricht im Wesentlichen jener in Figur 1 gezeigten. Mittels einer Spannungsquelle 5 ist eine Spannung zwischen den Elektrodenschichten 3 und 4 anlegbar, welche ein die piezoelektrische Schicht 2 durchsetzendes elektrisches Feld 10 verursacht, wie dies in der Vergrößerung zu erkennen ist. Das elektrische Feld 10 bewirkt, dass sich die Piezoschicht 2 ausdehnt oder zusammenzieht, wodurch sich die Membranstruktur mit der Trägerschicht 1, den Elektrodenschichten 3 und 4 und der Piezoschicht 2 biegt. Wird eine Wechselspannung an der Spannungsquelle 5 angelegt, so kann die Membranstruktur in Schwingung versetzt werden.
  • Figur 5 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher auf einer Trägerschicht 1 nun eine Vielzahl von Piezoschichten 2a, 2b, 2c, 2d mit zwischen ihnen angeordneten Elektrodenschichten 3, 4 angeordnet ist. Dabei ist auf der Trägerschicht 1 zunächst eine Elektrodenschicht 4 angeordnet, auf welcher dann eine Piezoschicht 2a angeordnet ist. Auf der Piezoschicht 2a ist dann eine Elektrodenschicht mit zur Polarität der vorgenannten Elektrodenschicht negativer Polarität 3 angeordnet. Auf dieser Elektrodenschicht 3 ist nun eine weitere Piezoschicht 2b angeordnet, auf der wiederum eine Elektrodenschicht mit entgegengesetzter Polarität zur Elektrodenschicht 3 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel wechseln sich insgesamt vier Piezoschichten und drei Elektrodenschichten 4 der einen Polarität sowie zwei Elektrodenschichten 3 der entgegengesetzten Polarität ab. Zwischen je zwei benachbarten Elektrodenschichten 3, 4 bildet sich ein elektrisches Feld 10 aus, welches zwischen die zwischen den Elektrodenschichten 3, 4 befindliche piezoelektrische Schicht 2a, 2b, 2c, 2d durchsetzt, so dass diese sich ausdehnt oder zusammenzieht. Die Richtung des elektrischen Feldes wechselt sich dabei entsprechend der wechselnden Polarität der Elektrodenschichten für die nebeneinander liegenden Piezoschichten 2a, 2b, 2c, 2d ab. Wiederum ist durch Anlegen einer Wechselspannung an der Spannungsquelle 5 zwischen den Elektrodenschichten 3 und den Elektrodenschichten 4 das gesamte Membransystem mit Trägerschicht 1 sowie allen Piezoschichten 2 und Elektrodenschichten 3 und 4 in Schwingung versetzbar.
  • Figur 6 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist auf einer Trägerschicht 1 eine Piezoschicht 2 angeordnet, die im gezeigten Beispiel die Trägerschicht 1 unmittelbar berührt. Auf jener der Trägerschicht 1 abgewandten Seite der Piezoschicht 2 sind nun bandförmige Elektroden 3, 4 mit abwechselnder Polarität nebeneinander und parallel zueinander angeordnet. Auf der der Trägerschicht 1 abgewandten Oberfläche der Piezoschicht 2 wechseln sich also im Schnittbild Elektroden der einen Polarität 3 mit den Elektroden der anderen Polarität 4 ab. Im Schnittbild in Figur 6 sind auch die bandförmigen Elektroden 3 und 4 im Schnitt gezeigt und haben hier einen wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Die Elektroden 3 und 4 liegen äquidistant zueinander.
  • Zwischen je zwei benachbarten Elektroden 3 und 4 bildet sich nun ein elektrisches Feld 10 aus, das von einer der Elektroden 3 durch die Piezoschicht 2 zur benachbarten Elektrode entgegengesetzter Polarität 4 verläuft. Das elektrische Feld 10, das durch Anlegen einer Spannung an der Spannungsquelle 5 zwischen den Elektroden 3 und 4 entsteht, durchsetzt also die Piezoschicht 2. Diese ändert dadurch ihre Länge, so dass sich die Membranstruktur mit der Trägerschicht 1 und der Piezoschicht 2 nach oben oder unten biegt. Wie auch in den vorhergehenden Beispielen kann die Membranstruktur durch einen Rahmen 6 getragen werden und segmentiert oder zusammenhängend sein.
  • Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher wiederum eine Piezoschicht 2 auf einer Trägerschicht 1 angeordnet ist. Die Piezoschicht 2 ist wiederum unmittelbar auf der Trägerschicht 1 angeordnet. Auch in dieser Ausführungsform sind Elektroden 3 und 4 vorgesehen, die mit unterschiedlicher Polarität bei Anlegen einer Spannung beaufschlagt werden können. Auch hier sind die Elektroden bandförmig ausgestaltet und verlaufen in Längsrichtung parallel zueinander und parallel zur Oberfläche der Trägerschicht 1 auf der Piezoschicht 2. Im in Figur 7 gezeigten Beispiel verlaufen jedoch die Elektroden 3 und 4 nicht auf der Oberfläche der Piezoschicht 2, wie in Figur 6 gezeigt, sondern durchsetzen die Piezoschicht 2 in zwei Ebenen. In jeder der Ebenen verlaufen, analog wie auf der Oberfläche in Figur 6, Elektroden 3 und 4 mit abwechselnder Polarität parallel zueinander nebeneinander her. Es wechseln sich also in einer Ebene jeweils eine Elektrode 3 der einen Polarität mit einer Elektrode 4 der anderen Polarität ab. Hierdurch entstehen bei Anlegen einer Spannung an der Spannungsquelle 5 elektrische Felder 10, welche zwischen den Elektroden 3 und 4 verlaufen und die Piezoschicht 2 durchsetzen. Im gezeigten Beispiel verlaufen die Elektroden der beiden gezeigten Ebenen übereinander, so dass über einer Elektrode der unteren Ebene stets eine Elektrode der oberen Ebene verläuft. Es haben hier die übereinander verlaufenden Elektroden die gleiche Polarität, so dass sich die elektrischen Felder vornehmlich zwischen den Elektroden einer Ebene ausbilden. Denkbar wäre es aber auch, dass die bandförmigen Elektroden 3 und 4 so angeordnet sind, dass übereinander verlaufende Elektroden stets eine unterschiedliche Polarität haben. Innerhalb einer Ebene können sich die Polaritäten dennoch abwechseln.
  • Durch Anlegen einer Spannungsquelle 5 ist also die Piezoschicht 2 mit einem elektrischen Feld 10 durchsetzbar, was zu einer Ausdehnung oder Zusammenschrumpfung der Piezoschicht 2 führt. Dies hat wiederum zur Folge, dass sich das Membransystem mit der Trägerschicht 1 und der piezoelektrischen Schicht 2 verbiegt. Auch hier erzeugt Anlegen einer Wechselspannung eine Schwingung des Membransystems.
  • Figur 8 zeigt eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Schallwandler, in welchem die Elektroden wie in Figur 6 oder Figur 7 angeordnet sind. In der Ausführungsform der Figur 6 verlaufen die Elektroden auf der gezeigten Oberfläche. Sofern die Ausführungsform jene der Figur 7 ist, sind innerhalb der piezoelektrischen Schicht unterhalb der gezeigten Elektroden 3 und 4 weitere Elektroden 3 und 4 angeordnet. Die Elektroden 3 und 4 durchsetzen dann die piezoelektrische Schicht 2 in einer oder mehreren Ebenen.
  • Die in Figur 8 gezeigte Membran ist wiederum kreisförmig und die Elektroden sind als konzentrische Kreisabschnitte ausgeführt. Hierbei verlaufen eine Vielzahl von Elektroden 3 und 4 kreisförmig um den Mittelpunkt 8 der Membran, wobei sich die Polarität der Elektroden 3 und 4 vom Rand 6 in Richtung zum Mittelpunkt 8 abwechselt. Die in Figur 8A gezeigte Membran ist in acht Segmente 9a, 9b segmentiert, die an einem gemeinsamen Rand 6 fest angeordnet sind und gegeneinander mechanisch entkoppelt sind.
  • Die Vielzahl der Elektroden 3 und 4 sind im in Figur 8A gezeigten Beispiel durch Leiter 11 und 12 kontaktiert, die radial vom Rand 6 in Richtung der Mitte 8 verlaufen. Dabei sind stets Elektroden einer Polarität 3 von einem Leiter 11 und Elektroden der anderen Polarität 4 von einem anderen Leiter 12 kontaktiert. Es sind also stets eine Vielzahl von Elektroden 3 gleicher Polarität durch einen gemeinsamen Leiter 11 kontaktierbar.
  • Figur 8B zeigt ein Segment 9a im Detail. Zu erkennen ist, dass die Elektroden der einen Polarität 4 und jene der anderen Polarität 3 kammförmig ineinander greifen und an ihrem einen Ende durch einen gemeinsamen Leiter 11 bzw. 12 gemeinsam kontaktiert werden. Die Elektroden einer Polarität 4 verlaufen hierbei von ihrem gemeinsamen Leiter 12 in Richtung des Leiters 11 der anderen Polarität, enden jedoch, bevor sie diesen erreichen, so dass kein elektrischer Kontakt zwischen Elektroden 4 einer Polarität und einem Leiter 11 der anderen Polarität zustande kommt. Im Großteil des Bereiches zwischen zwei Leitern 11 und 12 unterschiedlicher Polarität verlaufen stets Elektroden 3 und 4 in radialer Richtung abwechselnd, so dass sich zwischen den Elektroden wie vorstehend gezeigt elektrische Felder ausbilden können, die die Piezoschicht durchsetzen und hierdurch eine Ausdehnung oder Zusammenziehung der Piezoschicht 2 bewirken können.
  • Figur 9 zeigt eine mögliche Anordnung eines erfindungsgemäßen Schallwandlers 91 in einem Ohr. Der Schallwandler 91 weist einen Grundkörper 92 auf, auf dem über einen Rand 6 das Membransystem angeordnet ist, von welchem hier nur die Trägerschicht 1 gezeigt ist. Durch ein Kabel 93 kann der Schallwandler 91 von außerhalb des Ohres oder vom Mittelohr aus mit elektrischer Energie versorgt werden. Im gezeigten Beispiel ist der Schallwandler 91 im runden Fenster 94 angeordnet, und zwar unmittelbar an der Rundfenstermembran 95. Denkbar wäre es auch, den Schallwandler vor dem ovalen Fenster anzuordnen, vor welchem hier der Steigbügel 91 zu sehen ist. Die gezeigte Anordnung vor dem runden Fenster ist besonders günstig, da hier der Schallwandler 91 von einem Arzt auf verhältnismäßig einfache Weise durch das Außenohr und das Trommelfell eingesetzt werden kann.
  • Wird im gezeigten Beispiel das Membransystem in Schwingung versetzt, so überträgt sich die Schwingung direkt auf die Rundfenstermembran 95, wodurch Schallwellen im Innenohr 96 erzeugbar sind. Andere Möglichkeiten der Anordnung eines Schallwandlers 91 bestünden in anderen Orten im Ohr, beispielsweise vor dem Trommelfell, ähnlich wie vor der Rundfenstermembran im gezeigten Beispiel, oder als Ohrhörer vor dem äußeren Gehörgang. Insbesondere im äußeren Gehörgang könnte der Schallwandler 91 auch als Mikrofon dienen. Der gezeigte Schallwandler 91 kann aber auch mit beliebigen anderen Schallsensoren gekoppelt werden, die eine Ansteuerung seiner Membranstruktur ermöglichen. Der Schallwandler kann auch im äußeren Gehörgang als Ohrhörer verwendet werden. Die äußere Form von Schallwandler 91 und Membranstruktur sind hierbei an die anatomische Umgebung anzupassen.
  • Figur 10 zeigt einen Schallwandler mit sechs zur Erzielung einer großen Amplitude übereinander angeordneten Schallwandlern 102a, 102b, 102c, 102d, 102e, 102f, welche jeweils jenen in Figur 3A gezeigten Schallwandlern entsprechen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen hierbei den in Figur 3A verwendeten Bezugszeichen. Hierbei sind jeweils zwei benachbarte Membranstrukturen, z.B. 102a und 102b oder 102b und 102c, gegeneinander umgekehrt angeordnet, so dass sich die Membranstrukturen bei Anlegen einer gleichen Polarität für benachbarte Membranstrukturen in entgegen gesetzte Richtung auslenken. Ist also eine Elektrode 3 gegebener Polung bei einem Schallwandler 102c nach unten orientiert, so ist sie bei den benachbarten Schallwandlern 102b und 102d nach oben orientiert. Entsprechend ist auch die Elektrode 4 anderer Polung, die bei einem Schallwandler 102c nach oben orientiert ist, bei den benachbarten Schallwandlern 102b und 102d nach unten orientiert. Die einzelnen Segmente benachbarter Schallwandler sind jeweils über Verbindungsmittel 101 miteinander verbunden, so dass eine Bewegung eines Segmentes eines Schallwandlers eine Bewegung des gleichen Segmentes eines benachbarten Schallwandlers bewirkt. Es sind hierbei die Segmente eines Schallwandlers nur mit den Segmenten eines weiteren benachbarten Schallwandlers verbunden, nämlich jenes Schallwandlers, dem die Membranstruktur zugewandt ist. Nur eine der Membranstrukturen, vorzugsweise eine äußere Membranstruktur 102a oder 102f, ist fest bezüglich eines Ohres in den Schallwandler implantiert. Die anderen Membranstrukturen 102b, 102c, 102d, 102e sind beweglich und werden bewegt, wenn sich die Segmente biegen. Mit dem in Figur 10 gezeigten Aufbau lassen sich Auslenkungen des Schallwandlers mit besonders hoher Amplitude verwirklichen.
  • Figur 11 zeigt einen weiteren Aufbau eines Schallwandlers mit mehreren, hier vier, Membranstrukturen 202a, 202b, 202c und 202d, wie sie in Figur 3A gezeigt sind. Die Membranstrukturen sind hierbei wieder parallel zueinander übereinander angeordnet und in diesem Beispiel gleich orientiert. Das bedeutet, dass alle Elektroden einer Polarität auf einer Seite, beispielsweise der Oberseite des entsprechenden Schallwandlers angeordnet sind und alle Elektroden der anderen Polarität 3 auf der entgegen gesetzten Seite, beispielsweise der Unterseite der Trägerschicht 1. Wird daher eine Spannung einer bestimmten Polarität an alle Membranstrukturen angelegt, so lenken die Membranstrukturen alle in die gleiche Richtung aus. Im gezeigten Beispiel sind die Membranstrukturen temporär nach oben ausgelenkt. Benachbarte Membranstrukturen sind über Verbindungsmittel 201 miteinander verbunden, wobei hier alle Membranstrukturen miteinander verbunden sind. Eine Membranstruktur 202b ist also mit beiden benachbarten Membranstrukturen 202a und 202c verbunden. Die Verbindung bewirkt hierbei, dass eine Kraftwirkung einer Auslenkung einer Membranstruktur sich auf die benachbarten Membranstrukturen überträgt. Hier sind bevorzugt alle Membranstrukturen 202a, 202b, 202c, 202d fest gegenüber einem Ohr, in dem sie eingebaut sind, so dass sich die Segmente relativ zum Ohr bewegen. Durch die gezeigte Ausführungsform lässt sich eine Schwingung mit besonders großer Kraftwirkung realisieren.

Claims (15)

  1. Schallwandler zum Einsetzen in ein Ohr, mit welchem Schallschwingungen erzeugbar sind, aufweisend:
    zumindest eine Membranstruktur, wobei die Membranstruktur zumindest eine Trägerschicht und zumindest eine auf der Trägerschicht angeordnete, zumindest ein piezoelektrisches Material aufweisende, Piezoschicht aufweist, so dass durch Anlegen einer Spannung an die Piezoschicht Schwingungen der Membranstruktur erzeugbar sind, wobei die Membranstruktur in einer Fläche der Membranstruktur durch zumindest eine, alle Schichten der Membranstruktur durchtrennende, Schnittlinie in zumindest ein, zwei oder mehr Segmente unterteilt ist, so dass die Membran an der Schnittlinie mechanisch entkoppelt ist.
  2. Schallwandler nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler ein implantierbarer Schallerzeuger für ein Hörgerät ist, mit dem mittels der Schwingungen der Membranstruktur Schallschwingungen erzeugbar sind, wobei die zumindest eine Membranstruktur so ausgestaltet ist, dass sie in, auf und/oder vor
    einem runden Fenster oder einem ovalen Fenster eines Ohres und/oder in einer Rundfesternische eines Ohres, das entsprechende Fenster zumindest teilweise oder vollständig abdeckend, vorzugsweise mit einer Membran des entsprechenden Fensters in unmittelbarem Kontakt oder über Bindegewebe in Kontakt, so anordenbar ist, dass Schwingungen der Membranstruktur Schallschwingungen durch das runde oder ovale Fenster bewirken.
  3. Schallwandler nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur kreisförmig, elliptisch oder n-eckig, mit n vorzugsweise ≥ 8, ist und die Schnittlinien radial von einem Rand der Membranstruktur in Richtung eines Mittelpunktes der Membranstruktur verlaufen, so dass zumindest zwei Segmente gebildet werden, die jeweils mit einer breiten Kante am Rand der Membranstruktur fest angeordnet sind und mit einer dem Mittelpunkt zugewandten Seite, die der breiten Kante gegenüber liegt, beweglich sind.
  4. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur kreisförmig, elliptisch oder n-eckig, mit n vorzugsweise ≥ 8, ist, und zumindest eine der Schnittlinien die Membranstruktur in zumindest ein spiralförmig um einen Mittelpunkt der Membranstruktur verlaufendes Segment strukturiert.
  5. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur zumindest eine erste und zumindest eine zweite Elektrodenschicht aufweist, wobei die zumindest eine Piezoschicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist und wobei vorzugsweise die erste oder die zweite Elektrodenschicht zwischen der Trägerschicht und der Piezoschicht angeordnet ist.
  6. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur eine Mehrzahl von mit parallelen Flächen aufeinander angeordneten Piezoschichten aufweist, wobei zwischen je zwei benachbarten Piezoschichten eine Elektrodenschicht angeordnet ist, wobei je zwei benachbarte Elektrodenschichten mit Ladung unterschiedlicher Polarität beaufschlagbar sind, so dass sich zwischen je zwei benachbarten Elektrodenschichten ein elektrisches Feld von der einen zur anderen Elektrodenschicht ausbildet und wobei vorzugsweise die Piezoschichten die entsprechenden Elektrodenschichten berühren.
  7. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein oder mehrere Elektrodenpaare mit jeweils zumindest zwei bandförmigen Elektroden, wobei die bandförmigen Elektroden der Elektrodenpaare jeweils parallel zueinander und parallel zu einer Oberfläche der zumindest einen Piezoschicht so angeordnet sind, dass jeweils zwei benachbart zueinander verlaufende Elektroden mit Ladung unterschiedlicher Polarität beaufschlagbar sind, so dass sich zwischen je zwei benachbart zueinander verlaufenden Elektroden ein die Piezoschicht durchsetzendes elektrisches Feld ausbildet, wobei vorzugsweise die Elektroden mehrerer oder aller Elektrodenpaare parallel zueinander verlaufen.
  8. Schallwandler nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur einen kreisförmigen, elliptischen oder n-eckigen Umfang, mit n vorzugsweise ≥ 8, hat und die bandförmigen Elektroden als konzentrische Kreisabschnitte um einen Mittelpunkt der Membranstruktur ausgebildet sind oder zwischen jeweils zwei benachbarten radialen Schnittlinien gerade und tangential zu einem Kreis um den Mittelpunkt der Membranstruktur ausgebildet sind.
  9. Schallwandler nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden gleicher Polarität mit je zumindest einem gemeinsamen Leiter in Kontakt stehen, der parallel zur Oberfläche der Piezoschicht verläuft, wobei vorzugsweise der Leiter in radialer Richtung verläuft.
  10. Schallwandler nach Anspruch 7 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden, vorzugsweise unmittelbar, auf einer der Trägerschicht abgewandten Oberseite der Piezoschicht angeordnet sind.
  11. Schallwandler nach Anspruch 7 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur eine Mehrzahl von aufeinander angeordneten Piezoschichten aufweist, wobei die Elektrodenpaare in einer oder mehreren Ebenen zwischen jeweils zwei benachbarten Piezoschichten angeordnet sind, wobei die Elektrodenpaare die Piezoschicht in einer oder in zumindest zwei zur Piezoschicht parallelen Ebenen durchsetzen und wobei vorzugsweise Elektroden des gleichen Elektrodenpaares in der gleichen Ebene angeordnet sind.
  12. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden und/oder die Membranstruktur flüssigkeitsdicht und/oder elektrisch isoliert gekapselt sind, so dass sie mit einer den Schallwandler umgebenden Flüssigkeit nicht in Kontakt kommen.
  13. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Piezoschicht eine Dicke von ≤ 20 µm, vorzugsweise ≤ 10 µm, besonders bevorzugt ≤ 5 µm und/oder ≥ 0,2 µm, vorzugsweise ≥ 1 µm, bevorzugt ≥ 1,5 µm, besonders bevorzugt = 2 µm hat und/oder dass die zumindest eine Elektrodenschicht eine Dicke von ≤ 0,5 µm, vorzugsweise ≤ 0,2 µm, besonders bevorzugt ≤ 0,1 µm und/oder ≥ 0,02 µm, vorzugsweise ≥ 0,05 µm, besonders bevorzugt ≥ 0,08 µm hat und/oder dass ein Durchmesser der Membranstruktur ≤ 4 mm, vorzugsweise ≤ 3 mm, besonders bevorzugt ≤ 2 mm und/oder ≥ 0,2 mm, vorzugsweise ≥ 0,5 mm, bevorzugt ≥ 1 mm ist, besonders bevorzugt 1,5 mm ist.
  14. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    mit zumindest zwei der Membranstrukturen, die gleich strukturiert sind und die parallel zueinander so übereinander angeordnet sind, dass gleiche Segmente übereinander liegen, wobei gleiche Segmente aller oder jeweils zweier benachbarter Membranstrukturen jeweils so miteinander verbunden sind, dass sich eine Auslenkung oder Kraftausübung des einen Segmentes auf das benachbarte Segment überträgt, wobei vorzugsweise gleiche Segmente benachbarter Membranstrukturen bei Anlegen einer Spannung mit gegebener Polarität an den Schallwandler in die gleiche Richtung oder in entgegen gesetzte Richtungen ausgelenkt werden.
  15. Verfahren zur Herstellung eines Schallwandlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Piezoschicht durch Abscheiden von Piezomaterial in der Dicke der Piezoschicht hergestellt wird.
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