EP3295683A1 - Schallwandleranordnung mit mems-schallwandler - Google Patents

Schallwandleranordnung mit mems-schallwandler

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EP3295683A1
EP3295683A1 EP16721805.6A EP16721805A EP3295683A1 EP 3295683 A1 EP3295683 A1 EP 3295683A1 EP 16721805 A EP16721805 A EP 16721805A EP 3295683 A1 EP3295683 A1 EP 3295683A1
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EP
European Patent Office
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substrate
sound
sound transducer
mems
cavity
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EP16721805.6A
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English (en)
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Andrea Rusconi Clerici
Ferruccio Bottoni
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USound GmbH
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USound GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a sound transducer arrangement comprising a MEMS sound transducer for generating and / or detecting sound waves in the audible wavelength spectrum comprising a cavity, and to an ASIC electrically connected to the MEMS sound transducer.
  • Such transducer assemblies can be very small and therefore, for example, in hearing aids, in-ear headphones, mobile phones, tablet computers and other electronic devices that offer little space, installed as speakers and / or microphone.
  • the object of the present invention is to provide a sound transducer arrangement which is simple in construction and producible.
  • the object is achieved by a sound transducer arrangement having the features of independent patent claim 1 and by a manufacturing method having the features of independent patent claim 14.
  • the proposal is for a sound transducer arrangement comprising a first MEMS sound transducer which comprises a first cavity and an ASIC electrically connected to the first MEMS sound transducer.
  • the MEMS transducer is a microelectromechanical system for generating and / or detecting sound waves in the audible wavelength spectrum.
  • the MEMS transducer is electromechanically, electrostatically and / or piezoelectrically driven.
  • the ASIC is an electronic application-specific integrated circuit suitable for operating the MEMS sound transducer.
  • the term "cavity" is understood to mean a cavity by means of which the sound pressure of the MEMS sound transducer can be amplified
  • the ASIC is embedded in a first substrate, while the first MEMS sound transducer is arranged on a second substrate with the integrated ASIC and the second substrate with the at least partially integrated MEMS sound transducer thus represent two separate components, ie components produced separately from one another
  • the connection between the two substrates is preferably produced by material bonding, these preferably being adhesively bonded to one another, but additionally or alternatively, the connection can also be produced by means of positive locking and / or frictional connection. that the A SIC and the first MEMS acoustic transducer are electrically conductively coupled or connected.
  • the additional costs arising from the rejection can be reduced by initially producing the substrates separately from one another. Thereafter, the functionality of their respective at least one electronic components, ie the ASIC or the MEMS sound transducer, is checked. Only after positive verification of their functionality - ie if it is ensured that the ASIC and / or the MEMS sound transducer have not suffered any damage during the respective integration or embedding process, these are connected to one another, in particular adhesively bonded. In this way it can be ensured that in each case only two functional substrates are connected to one another to form a sound transducer arrangement.
  • both the proposed transducer assembly and the proposed method of making the same offer many advantages. If the ASIC is completely integrated in the first substrate and / or the first cavity is at least partially formed in the first and / or second substrate, the sound transducer arrangement can be made very space-saving.
  • the sound transducer arrangement is much more efficient to produce.
  • the individual modules which comprise either a first substrate and an ASIC (hereinafter referred to as ASIC module) or comprise a second substrate and a MEMS transducer (hereinafter referred to as MEMS module for short) can be produced and tested independently of one another in respective sub-processes be temporarily stored if necessary. It is JE of these sub-processes specifically optimized.
  • the design of the ASIC module and the MEMS module can also be specifically optimized.
  • connection of an ASIC module and a MEMS module can take place at a late stage of the manufacturing process.
  • This connection can be effected in particular by soldering, conductive adhesive and / or in another suitable manner, so that the first and the second substrate are connected to one another at least electrically and preferably also positively, positively and / or materially.
  • the ASIC modules and / or the MEMS modules can also be manufactured in different variants and then combined to form different sound transducer arrangements, for example by different MEMS module variants with an ASIC module variant or a MEMS module variant can be combined with different ASIC module variants. This allows the flexible design of a comprehensive product family of different transducer arrangements while exploiting economies of scale.
  • a second MEMS sound transducer is arranged on a third substrate.
  • the first substrate and the third substrate are electrically connected to one another.
  • a sound transducer arrangement comprises the first substrate with the ASIC, the second substrate with the first MEMS sound transducer and the third substrate with the second MEMS sound transducer.
  • the first substrate is disposed between the second substrate and the third substrate.
  • the second MEMS sound transducer preferably also comprises a cavity, wherein this second cavity is formed at least partially in the first and / or third substrate.
  • the two MEMS modules can be designed essentially with the same or different characteristic properties.
  • the transducer assembly equipped with two MEMS modules usually has better performance, especially in shape a larger bandwidth and / or greater sound pressure than if it were equipped with only a single ME MS module.
  • the two cavities of the MEMS sound transducers are separated from one another by an intermediate wall of the first substrate, with the two cavities thus not influencing each other.
  • the intermediate wall preferably has at least one connection opening extending from the first cavity to the second cavity, so that there is a flow connection between the two cavities and the volume of one cavity is increased by the volume of the respective other cavity.
  • the intermediate wall has at least one stiffening element, in particular in the form of a rib, whereby a stabilization of the intermediate wall is achieved and a deformation and / or a swinging of the intermediate wall thus prevented, but at least substantially reduced.
  • a compensation opening and / or a pressure equalization channel are formed.
  • the compensation opening and / or the pressure compensation channel connect at least one of the cavities to the environment, so that a pressure equalization can take place.
  • Such a pressure compensation opening has the advantage that in certain frequency ranges, the air pressure can be compensated. This can improve the acoustic performance and quality.
  • at least one of the substrates preferably all, is designed as a printed circuit board or PCB (printed circuit board) and / or produced in PCB technology.
  • At least one cavity is at least partially filled with a porous material.
  • the porous filler material may be one or more parts and have one or more specific pore sizes.
  • the nature of the porous material may also be a characteristic feature in which the MEMS modules differ. Since the cavity is preferably still openly accessible until the first substrate is connected to the second substrate, the porous material, even if it is in one piece, can be introduced very simply.
  • the sound transducer assembly comprises a housing part.
  • this housing part offers protection for the sensitive MEMS sound transducer (s).
  • the housing part has at least one acoustic inlet / outlet opening, which is preferably arranged laterally on an outer surface of the sound transducer arrangement.
  • the housing part is connected to at least one of the substrates such that at least partially, at least a Schallleitkanal is formed between the housing part and at least one of the substrates.
  • the at least one sound-conducting channel preferably has a first section, in particular formed between the housing part and the at least one substrate, and / or a second section, in particular partially or completely formed in the housing part.
  • the second section is preferably arranged directly adjacent to the acoustic inlet / outlet opening and / or at least partially surrounds it.
  • the sound-conducting element can then preferably be formed and arranged such that it separates the first section of the first sound-conducting channel from the first section of the second sound-conducting channel.
  • the sound-conducting element has an extension projecting in particular from the first section into the second section.
  • the substrates are produced separately.
  • the ASIC is embedded or encapsulated in the production of the first substrate in this.
  • the ASIC and / or additional active and / or passive electronic components are thereby completely integrated in the first substrate.
  • the second substrate is produced separately together with the MEMS sound transducer.
  • the MEMS sound transducer for example, on one side of the second substrate, in particular cohesively, be attached.
  • the MEMS sound transducer can also be connected in a form-fitting manner to the second substrate.
  • a frame of the MEMS transducer is positively encompassed by the second substrate.
  • the membrane can swing freely.
  • FIG. 2 shows the first exemplary embodiment of the sound transducer arrangement without housing part in a lateral sectional view
  • FIG. 5 shows the second exemplary embodiment of the sound converter arrangement with housing part in a lateral sectional view, the second embodiment of the transducer assembly without housing part in another sectional side view, a third embodiment of the transducer assembly with housing part in a perspective sectional view, the third embodiment of the transducer assembly in an exploded perspective view, the third embodiment of the transducer assembly with housing in a perspective overall view, a fourth embodiment the sound transducer assembly with housing and filled with porous material cavity in a sectional side view, a fifth embodiment of the transducer assembly with housing and filled with porous material cavity in a sectional side view, a sixth embodiment of the transducer assembly without housing in a schematically illustrated sectional side view, a seventh embodiment the transducer assembly without housing but with two MEMS Sound transducers in a schematically illustrated sectional side view, an eighth embodiment of the sound transducer assembly with housing and two MEMS transducers in a side sectional view, FIG. 15 shows a ninth embodiment of the sound transducer arrangement without housing part in
  • FIG. 16 shows the ninth embodiment of the sound transducer arrangement without housing part in a lateral sectional view
  • FIG. 26 the twelfth embodiment of the transducer assembly without housing part in another lateral sectional view.
  • FIGS. 1 to 3 show a first exemplary embodiment of a sound transducer arrangement 1 in various views.
  • the sound transducer arrangement 1 essentially comprises a first substrate 10 formed as a printed circuit board with an ASIC 11 and a second substrate 20 with a MEMS sound transducer 21 designed as a printed circuit board.
  • the MEMS sound transducer 21 is connected to the ASIC 11 not shown in detail in the figures electrical contacts.
  • the MEMS sound converter 21 can thus be controlled or operated via the ASIC 11.
  • the sound transducer assembly 1 has a substantially rectangular basic shape. Having a rectangular basic shape, the transducer assembly is simple and inexpensive to produce and suitable for numerous applications. alternatives However, in principle the sound transducer arrangement can also have another, in particular a round, basic shape.
  • the MEMS sound transducer 21 is designed such that it can generate and / or detect sound waves in the audible wavelength spectrum.
  • the MEMS sound transducer 21 comprises, in addition to a MEMS actuator 22 as a further, in particular acoustic, components a membrane 23, a membrane plate 24 and a membrane frame 25.
  • the membrane 23, which is made of rubber, for example, is firmly in its edge region connected to the membrane frame 25, while, in particular in its central region, is firmly connected to the membrane plate 24, wherein the membrane plate 24 itself is not connected to the membrane frame 25.
  • the membrane 23 thus spans the membrane frame 25 and is stiffened in particular in its central region by the membrane plate 24.
  • the MEMS transducer 21 may be excited via the ASIC 11 so that the membrane 23 for generating sound energy with respect to the diaphragm frame 25 is vibrated by the MEMS actuator 22.
  • the cavity 29 is laterally confined by walls 27 of the second substrate 20 while passing upwardly through the membrane
  • the cavity 29 is closed by the first substrate 10 to which the second substrate 20 is connected.
  • the cavity 29 thus forms the cavity 41 of the MEMS sound transducer 21, which serves in particular to the sound pressure of the MEMS sound transducer
  • the membrane frame 25 has substantially the same outer diameter as the second substrate 20, while the MEMS actuator 22 has a smaller outer diameter than the substrate 20.
  • the essentially opposite wall sections 27a of the second substrate 20 are thicker than the wall sections 27b of the second substrate 20, the thicker wall sections 27a being opposite the wall sections 27b in FIG Cavity 29 project. Only on the protrusions 28 formed by the wall sections 27a does the MEMS actuator 22 lie, while the membrane frame 25 rests on both the wall sections 27a and 27b, in particular in full circumference.
  • the MEMS actuator 22 is laterally surrounded by the membrane frame 25.
  • the MEMS sound transducer 21 and in particular the MEMS actuator 22 and / or the membrane frame 25 may be glued to the second substrate 20. Furthermore, the second substrate 20 may be bonded to the first substrate 10.
  • the ASIC 11 is thus completely embedded in the first substrate 10.
  • the sound transducer assembly 1 electrical, in particular passive, additional components 12a, 12b, such as electrical resistors and / or I / O contacts, on.
  • additional components 12a, 12b are also embedded in the first substrate 10, wherein they are arranged in the further cavity 13b of the substrate 10, which is also substantially completely closed.
  • the additional electronic components 12a, 12b could also be arranged together with the ASIC 11 in the cavity 13a.
  • FIGS. 4 to 26 show further embodiments of the sound transducer arrangement 1, wherein in each case the differences with respect to the first embodiment already described are essentially dealt with.
  • the same reference numerals are used in the following description of the other embodiments for the same features. Unless these are explained again in detail, their design and mode of action corresponds to the features already described above. The differences described below can be combined with the features of the respective preceding and following embodiments.
  • FIGS. 4 to 6 show a second exemplary embodiment of the sound transducer arrangement 1 in different views.
  • a housing part 50 is additionally provided in the second embodiment of the sound transducer assembly 1.
  • this housing part 50 provides protection for the MEMS sound transducer 21.
  • the housing part 50 has a cavity 53 in which the second substrate 20 and the MEMS sound transducer 21 are substantially completely received, and which is closed down by the first substrate 10, with which the housing part 50 is connected.
  • the housing part 50 also has an acoustic inlet / outlet opening 51, which is arranged laterally on the outer surface 55 of the housing part and thus also the sound transducer arrangement.
  • the housing part 50 is connected to the first substrate 10 in such a way and in particular also dimensioned such that between the housing part 50 and the second substrate 20 with the MEMS sound transducer 21 at least a first portion 62 of a Schallleitkanals 61 is formed.
  • a second section 63 of the sound-conducting channel 61 is formed in the housing part 50 itself.
  • the housing part 50 in the region of the acoustic inlet / outlet opening 51 on a tubular projection 52.
  • the sound conducting channel 61 is at least partially formed by the fact that the cavity 53 of the housing part 50 is not completely filled by the second substrate 20 and the MEMS sound transducer 21.
  • the housing part 50 further has an acoustic compensation opening 56, which is arranged laterally on the outer surface 58 of the housing part 50.
  • the compensation opening 56 corresponds to the compensation opening 26 and, like this, belongs to the pressure equalization channel 70 of the sound transducer arrangement 1.
  • the compensation opening 56 has a larger diameter than the compensation opening 26.
  • the compensation opening 56 in this example is provided with a covered elastic closure element 57. The pressure compensation functionality is nevertheless ensured, since the elastic closure element 57 can deform in accordance with the pressure prevailing in the cavity 41.
  • FIGS. 7 to 9 show a third exemplary embodiment of the sound transducer arrangement 1 in various views.
  • the cavity 41 is in each case formed in part by a cavity of the first and the second substrate 10, 20.
  • the membrane frame 25 has essentially the same outer diameter as the MEMS actuator 22, these outer diameters being smaller than the outer diameter of the second substrate 20.
  • the walls 27 of the second substrate are facing 20, which delimit the cavity 29 of the second substrate laterally, at its upper portion in each case in the cavity 29 projecting wall portions 27 b, which provide a preferably full-scale support 28 for the MEMS actuator 22, wherein on the outer edge region of the MEMS actuator 22nd Furthermore, the membrane frame 25 rests.
  • the second substrate 20 carries the MEMS actuator 22 and the membrane frame 25 with the membrane 23 attached thereto, the MEMS actuator 22 being arranged below the membrane 23 and the second substrate 20 underneath the membrane 23 and the membrane substrate 23 MEMS actuator 22 has the cavity 29 which is closed at the top by the membrane 23.
  • the cavity 29 of the second substrate 20 is open and adjacent to the upwardly open cavity 15 of the first substrate 10.
  • the cavity 15 is bounded laterally by walls 16 of the first substrate and closed downwardly by the first substrate 10.
  • the cavities 15 and 29 have the same diameter and the lower free ends of the walls 27 correspond to the upper free ends of the walls 1 6.
  • the walls 1 6 of the first substrate 10 are connected to the walls 27 of the second substrate 20 and in particular glued, wherein the cavity 15 of the first substrate and the cavity 29 of the second substrate are arranged one above the other and then together the cavity 41st form for the MEMS sound transducer 21.
  • a pressure equalization channel 70 is not shown in the figures for this example, but may preferably be provided.
  • the housing part 50 is formed very sparingly in this example and has, in addition to the outer surface 55, on which the acoustic inlet / outlet opening 51 is arranged with the tubular projection 52, substantially only the one more outer surface 54, which in particular a protection for the MEMS sound transducer 21 offers.
  • the housing part 50 is nevertheless connected to the first substrate 10 and the second substrate 20 such that at least a first section 62 of a sound-conducting channel 61 is formed between the housing part 50 and the second substrate 20 with the MEMS sound transducer 21 and the first substrate 10.
  • the second section 63 of the sound-conducting channel 61 is also formed in this case in the housing part 50 itself and in particular by the tubular projection 52.
  • the sound-conducting element 64 is provided with a concave sound-conducting edge 65, which is arranged between the housing part 50 and the first and second substrate within the sound-conducting duct 61. More specifically, the sound conducting member 64 is disposed in the transition region between the first and second portions 62, 63 of the sound conducting channel 61.
  • the sound-conducting element is designed here as a single component. Alternatively, however, it may also be formed on the housing part 50 and / or on a substrate.
  • the sound-conducting element 64 can be seen in particular in FIGS. 8 and 9.
  • FIG. 8 shows the sound transducer arrangement 1 of the third exemplary embodiment in an exploded view.
  • the substrates 10 and 20 and especially the MEMS actuator 22, the membrane 23 on the membrane frame 25 and the membrane plate 24th very recognizable.
  • the housing part 50 is shown semi-transparent, so that the protected components located behind the transducer assembly 1 are still clearly visible.
  • FIG. 11 shows a fifth exemplary embodiment of the sound transducer arrangement 1.
  • the cavity 41 is at least approximately completely filled with a porous material 5.
  • FIG. 12 shows a sixth exemplary embodiment of the sound transducer arrangement 1.
  • This is a purely schematic representation of the sound transducer arrangement 1, which comprises a first substrate 10 with an ASIC 11 and a second substrate 20 with a MEMS sound transducer 21, each but has no housing. Of the MEMS sound transducer 21, only the MEMS actuator 22 is shown here.
  • Both the first substrate 10 and the second substrate 20 have conductor tracks 7 for the electrical connection of the individual components, in particular ASIC 11 and MEMS actuator 21.
  • the conductor tracks 7 of the first substrate 10 are connected to the conductor tracks 7 of the second substrate 20 by means of solder connections 8 or electrically conductive adhesive 8.
  • solder connections 8 or electrically conductive adhesive 8.
  • the two substrates 10, 20 can also be connected to one another in a form-fitting, non-positive and / or cohesive manner in another way.
  • the second substrate 20 has a cavity 29 which is laterally surrounded or bounded by walls 27 of the second substrate 20 and closed downwardly by the first substrate 10.
  • the walls 27 have in the cavity 29 projecting wall portions 27 a, which provide a support 28 for the MEMS actuator 22, which has a smaller outer diameter than the second substrate 20.
  • the cavity 29 is closed at the top. The cavity 29 thus forms the cavity 41 of the MEMS sound transducer.
  • the third substrate 30 conductor tracks 7 for the electrical connection of the individual components.
  • the conductor tracks 7 of the third substrate 30 are likewise connected to the conductor tracks 7 of the first substrate by means of solder connections 8 or electrically conductive adhesive 8.
  • the two substrates 10, 30 can also be connected to one another in a form-fitting, non-positive and / or cohesive manner in another way.
  • the third substrate 30 has a cavity 39 which is laterally surrounded by the walls 37 of the third substrate 30 and is closed upwards by the first substrate 10.
  • the cavity 39 is closed down.
  • the cavity 39 thus forms the second cavity 42 of the second MEMS sound transducer.
  • FIG. 14 shows an eighth exemplary embodiment of the sound transducer arrangement 1.
  • the sound converter arrangement 1 of this eighth exemplary embodiment additionally comprises a third substrate 30 with a second MEMS sound transducer 31.
  • the first substrate 10 is arranged between the second substrate 20 and the third substrate 30.
  • the third substrate 30 with the second MEMS acoustic transducer 31 is constructed substantially like the second substrate 20 with the first MEMS acoustic transducer 21, but the third substrate is
  • the cavities 18 and 39 have the same diameter and the lower free ends of the walls 19 correspond to the upper free ends of the walls 37.
  • the first and second cavities 41, 42 in this eighth exemplary embodiment have different characteristic properties and, in particular, different dimensions and different cavity volumes. This is essentially solely due to the fact that the walls 1 6 on the upper side of the first substrate 10 are made higher than the walls 19 on the underside of the first substrate 10.
  • the first and the second MEMS sound transducers 21, 31 will already have a different sound behavior due to the differently shaped cavities 41, 42, even under otherwise identical conditions.
  • the sound behavior of the two MEMS sound transducers can also be specifically influenced, for example, by specific design of the membranes 23, 33 and / or the MEMS actuators 22, 32.
  • one of the MEMS transducers may act as a woofer and the other MEMS transducers as a tweeter, so that such a sound transducer assembly may generate sound in a wider range than, for example, a transducer assembly according to the third embodiment.
  • the housing part 50 is further connected to the first substrate 10, the second substrate 20 and the third substrate 30 in such a way that a first and a second sound-conducting channel 61, 67 are formed.
  • a first and a second sound-conducting channel 61, 67 are formed between the housing part 50 and in particular the second substrate 20 with the MEMS sound transducer 21 at least a first portion 62 of the first Schallleitkanals 61 and between the housing part 50 and in particular the third substrate 30 with the MEMS transducer 31 at least a first portion 68 of second Schallleitkanals 67 formed.
  • the second section 63 of the first Schallleitkanals 61 and the second section 69 of the second Schallleitkanals 67 are therefore formed as a common portion which is formed in this example in the housing part 50 itself and in particular by the tubular projection 52 in the region of the acoustic inlet / outlet opening 51 is.
  • the sound-conducting element 64 is also provided in this example.
  • the sound-conducting element 64 is designed and arranged such that it separates the first section 62 of the first sound-conducting channel 61 from the first section 68 of the second sound-conducting channel 67.
  • the sound-conducting element 64 has an extension 66 projecting into the common second section.
  • the sound-conducting element 64 has two in this example concave Schallleitkanten 65a and 65b, wherein the Schallleitkante 65a the first Schallleitkanal 61 and the Schallleitkante 65b the second Schallleitkanal 67 is assigned.
  • FIGS. 15 to 17 show a ninth exemplary embodiment of the sound transducer arrangement 1 in various views.
  • an additional substrate 80 is provided in the ninth embodiment of the sound transducer assembly 1.
  • the membrane frame 25 has substantially the same outer diameter as the second substrate 20, while the MEMS actuator 22 has a smaller outer diameter than the substrate 20.
  • the additional substrate 80 which has substantially the same outer diameter as the second substrate 20.
  • the additional substrate 80 has a cavity 89 which is bounded laterally by walls 87 of the substrate 80, wherein the walls 87 have a substantially lower height than the walls 27 of the second substrate 20.
  • the substantially opposing wall portions 87a of the substrate 80 are formed thicker than the wall portions 87b of the substrate 80, with the thicker wall portions 87a protruding into the cavity 89 opposite to the wall portions 87b.
  • the MEMS actuator 22 then rests on the projections 88 formed by the wall sections 87a, while the membrane frame 25 rests on both the wall sections 87a and 87b, in particular in its entirety.
  • the MEMS actuator 22 is disposed below the diaphragm 23 and laterally surrounded by the diaphragm frame 25.
  • FIGS. 18 to 20 show a tenth exemplary embodiment of the sound transducer arrangement 1 in various views.
  • a housing part 50 is additionally provided, which is formed substantially as in the second embodiment.
  • the additional substrate 80 is added.
  • Figures 21 to 23 show an eleventh embodiment of the sound transducer assembly 1 in different views. Unlike the first embodiment, in the eleventh embodiment of the sound transducer assembly 1, the second substrate 20, the MEMS actuator 22, and the diaphragm frame 25 of the first MEMS acoustic transducer 21 each have the same outer diameter.
  • the walls 27 of the second substrate 20, which laterally delimit the cavity 29 of the second substrate 20, have no wall sections which project into the cavity 29 and which would have to serve as a support for the MEMS actuator 22. Rather, the MEMS actuator 22 is preferably fully on the walls 27 of the second substrate 20, wherein on the outer edge region of the MEMS actuator 22 also the membrane frame 25 rests.
  • the second substrate 20 carries the MEMS actuator 22 and the membrane frame 25 with the membrane 23 attached thereto, the MEMS actuator 22 being arranged below the membrane 23, and the second substrate 20 underneath the membrane 23 and of the MEMS actuator 22 has the cavity 29, which is closed at the top by the membrane 23.
  • the cavity 41 of the MEMS sound transducer 21 formed by the cavity 29 could be effectively and at the same time increased in a very space-saving manner.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schallwandleranordnung (1) mit einem ersten MEMS-Schallwandler (21) zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum, der eine erste Kavität (41) umfasst, und einem mit dem ersten MEMS-Schallwandler elektrisch verbundenen ASIC (11). Erfindungsgemäß ist der ASIC (11) in ein erstes Substrat (10) eingebettet, und der erste MEMS-Schallwandler (21) ist an einem zweiten Substrat (20) angeordnet. Zudem ist vorgesehen, dass das erste Substrat (10) und das zweite Substrat (20) elektrisch miteinander verbunden sind, und dass die erste Kavität (41) zumindest teilweise im ersten und/oder zweiten Substrat (10, 20) ausgebildet ist.

Description

Schallwandleranordnunq mit MEMS-Schallwandler
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schallwandleranordnung mit einem MEMS-Schallwandler zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum, der eine Kavität umfasst, und mit einem mit dem MEMS-Schallwandler elektrisch verbundenen ASIC. Derartige Schallwandleranordnungen können sehr klein dimensioniert sein und werden deshalb zum Beispiel in Höhrgeräten, In-Ohr-Kopfhörern, Mobiltelefonen, Tablet- Computern und anderen elektronischen Geräten, die nur wenig Bauraum bieten, als Lautsprecher und/oder Mikrofon verbaut.
Die Bezeichnung MEMS steht für mikroelektromechanische Systeme. Ein MEMS-Schallwandler zur Schallerzeugung bzw. ein MEMS-Lautsprecher ist beispielsweise aus der DE 10 2012 220 819 A1 bekannt. Die Schallerzeugung erfolgt über eine schwingbar gelagerte Membran des MEMS- Lautsprechers. Derartige Schallwandleranordnungen sind gemäß den akustischen und sonstigen Anforderungen des jeweiligen Anwendungsbereichs spezifisch aufgebaut und bestehen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Elemente. Ein wesentlicher Nachteil solcher Schallwandleranordnungen besteht darin, dass deren Herstellung entsprechend komplex, zeit- und kostenaufwendig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schallwandleranordnung zu schaffen, die einfach aufgebaut und herstellbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schallwandleranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 14. Vorgeschlagen wird eine Schallwandleranordnung mit einem ersten MEMS- Schallwandler, der eine erste Kavität umfasst, und mit einem mit dem ersten MEMS-Schallwandler elektrisch verbundenen ASIC. Der MEMS- Schallwandler ist ein mikroelektromechanisches System zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum. Vorzugsweise ist der MEMS-Schallwandler elektromechanisch, elektrostatisch und/oder piezoelektrisch angetrieben. Der ASIC ist ein elektronischer anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (englisch: application- specific integrated circuit), der geeignet ist, den MEMS-Schallwandler zu betreiben. Unter der Begrifflichkeit„Kavität" ist ein Hohlraum zu verstehen, mittels dem der Schalldruck des MEMS-Schallwandlers verstärkt werden kann. Erfindungsgemäß ist der ASIC in ein erstes Substrat eingebettet, während der erste MEMS-Schallwandler an einem zweiten Substrat angeordnet ist. Das erste Substrat mit dem integrierten ASIC und das zweite Substrat mit dem zumindest teilweise integrierten MEMS-Schallwandler stellen somit zwei separate, d.h. getrennt voneinander hergestellte, Bauteile dar. Das erste und das zweite Substrat sind miteinander verbunden. Sie weisen somit einen gemeinsamen Verbindungsbereich auf, in dem sie unmittelbar aneinander anliegen. Die Verbindung zwischen den beiden Substraten ist vorzugsweise über Stoffschluss hergestellt, wobei diese vorzugsweise miteinander verklebt sind. Zusätzlich oder alternativ kann die Verbindung aber auch mittels Form- schluss und/oder Kraftschluss hergestellt sein. Die beiden Substrate sind derart miteinander verbunden, dass der ASIC und der erste MEMS- Schallwandler elektrisch leitend miteinander gekoppelt bzw. verbunden sind.
Bei der Herstellung von Schallwandleranordnungen tritt zwangsläufig ein gewisser Ausschuss auf. Mit der erfindungsgemäßen Schallwandleranordnung können die durch den Ausschuss entstehenden Zusatzkosten reduziert werden, indem die Substrate zunächst separat voneinander hergestellt werden. Danach wird die Funktionstüchtigkeit ihrer jeweiligen zumindest einen elektronischen Komponenten, d.h. des ASIC bzw. des MEMS-Schallwanders, überprüft. Erst nach positiver Überprüfung ihrer Funktionsfähigkeit - d.h. wenn sichergestellt ist, dass der ASIC und/oder der MEMS-Schallwandler während des jeweiligen Integrations- bzw. Einbettungsprozesses keinen Schaden genommen haben - werden diese miteinander verbunden, insbesondere verklebt. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass jeweils nur zwei funktionsfähige Substrate miteinander zu einer Schallwandleranordnung verbunden werden.
Ferner wird ein Herstellungsverfahren für eine solche Schallwandleranordnung vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die Schritte umfasst:
- Anordnen bzw. Einbetten des ASIC in einem ersten Substrat,
- Anordnen des MEMS-Schallwandlers an einem zweiten Substrat,
- Verbinden des ersten Substrats und des zweiten Substrats elektrisch leitend miteinander.
Sowohl die vorgeschlagene Schallwandleranordnung als auch das vorgeschlagene Verfahren zu deren Herstellung bieten viele Vorteile. Wenn der ASIC vollständig in das erste Substrat integriert ist und/oder die erste Kavität zumindest teilweise im ersten und/oder zweiten Substrat ausgebildet ist, kann die Schallwandleranordnung sehr bauraumsparend ausgebildet werden.
Dank des modularen Aufbaus mit zumindest zwei separaten Substraten, von denen das erste Substrat den ASIC enthält und das zweite Substrat den MEMS-Schallwandler trägt, ist die Schallwandleranordnung wesentlich effizienter herstellbar.
Die einzelnen Module, welche entweder ein erstes Substrat und einen ASIC umfassen (nachfolgen kurz ASIC-Modul genannt) oder ein zweites Substrat und einen MEMS-Schallwandler umfassen (nachfolgen kurz MEMS-Modul genannt), können unabhängig voneinander in jeweiligen Teilprozessen produziert, getestet und gegebenenfalls zwischengelagert werden. Dabei ist je- der dieser Teilprozesse spezifisch optimierbar. Auch das Design des ASIC- Moduls sowie des MEMS-Moduls ist spezifisch optimierbar.
Das Verbinden eines ASIC-Moduls und eines MEMS-Moduls kann in einer späten Phase des Herstellungsprozesses stattfinden. Dieses Verbinden kann insbesondere durch Löten, leitenden Klebstoff und/oder auf eine andere geeignete Weise erfolgen, so dass das erste und das zweite Substrat zumindest elektrisch und bevorzugt auch formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Durch die Möglichkeit des separaten Produzierens der jeweiligen Module können die ASIC-Module und/oder die MEMS-Module auch in verschiedenen Varianten gefertigt und dann zu unterschiedlichen Schallwandleranordnungen kombiniert werden, indem zum Beispiel verschiedene MEMS-Modul- Varianten mit einer ASIC-Modul-Variante oder eine MEMS-Modul-Variante mit verschiedenen ASIC-Modul-Varianten kombiniert werden. Dies ermöglicht die flexible Gestaltung einer umfangreichen Produktfamilie unterschiedlicher Schallwandleranordnungen bei gleichzeitiger Ausnutzung von Skaleneffekten.
Durch die Möglichkeit des separaten Testens können einzelne fehlerhafte Module gezielt und frühzeitig erkannt und aussortiert werden, so dass einerseits nur zwei einwandfreie Module zu einer Schallwandleranordnung zusammenmontiert werden, und andererseits nur einzelne defekte Module entsorgt werden müssen. Dies reduziert die Ausschussmenge, spart wert-volle Ressourcen, schont die Umwelt und senkt die Kosten. Vorzugsweise ist zudem die Verbindung zwischen den beiden Modulen bzw. zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat lösbar ausgebildet, so dass auch später im Reparaturfall lediglich das defekte der beiden Module durch ein neues Modul ersetzt werden muss. Vorteilhaft ist es, wenn die erste Kavität zumindest teilweise in dem ersten und/oder zweiten Substrat ausgebildet. Hierdurch kann ein besonders großes Volumen der Kavität erzielt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist an einem dritten Substrat ein zweiter MEMS-Schallwandler angeordnet. Dabei sind das erste Substrat und das dritte Substrat elektrisch miteinander verbunden. Demnach um- fasst eine solche Schallwandleranordnung das erste Substrat mit dem ASIC, das zweite Substrat mit dem ersten MEMS-Schallwandler und das dritte Substrat mit dem zweiten MEMS-Schallwandler. Vorzugsweise ist das erste Substrat zwischen dem zweiten Substrat und dem dritten Substrat angeordnet. Bevorzugt umfasst auch der zweite MEMS-Schallwandler eine Kavität, wobei diese zweite Kavität zumindest teilweise im ersten und/oder dritten Substrat ausgebildet ist.
Der modulare Aufbau der Schallwandleranordnung ermöglicht also vorteilhafterweise das Verbinden des ASIC-Moduls mit einem weiteren MEMS-Modul, welches ein drittes Substrat und einen zweiten MEMS-Schallwandler umfasst. Auch dieses Verbinden kann insbesondere durch Löten, leitenden Klebstoff und/oder auf eine andere geeignete Weise erfolgen, so dass das erste und das zweite Substrat zumindest elektrisch und bevorzugt auch formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Es versteht sich, dass die oben bezüglich des ASIC-Moduls und des MEMS- Moduls bereits genannten Merkmale und Vorteile im Wesentlichen ebenso bezüglich des weiteren MEMS-Moduls gelten.
Bei einer Schallwandleranordnung mit zwei MEMS-Modulen können die beiden MEMS-Module im Wesentlichen mit den gleichen oder unterschiedlichen charakteristischen Eigenschaften ausgebildet sein. In beiden Fällen weist die mit zwei MEMS-Modulen ausgestattete Schallwandleranordnung in der Regel eine bessere Leistungsfähigkeit auf, insbesondere in Form einer größeren Bandweite und/oder eines größeren Schalldrucks, als wenn sie mit nur einem einzigen ME MS- Modul ausgestattet wäre.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die beiden Kavitäten der MEMS-Schallwandler durch eine Zwischenwand des ersten Substrats voneinander getrennt, wobei die beiden Kavitäten sich somit gegenseitig nicht beeinflussen. Vorzugsweise weist die Zwischenwand zumindest eine sich von der ersten Kavität zur zweiten Kavität erstreckende Verbindungs-öffnung auf, so dass eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Kavitäten besteht und das Volumen der einen Kavität durch das Volumen der jeweils anderen Kavität vergrößert wird. Somit kann die Schallwandleranordnung sehr bauraumsparend mit einem dennoch relativ großen akustisch wirk-samen Kavi- tätsvolumen ausgebildet werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Zwischenwand zumindest ein Versteifungselement, insbesondere in Form einer Rippe, aufweist, wodurch eine Stabilisierung der Zwischenwand erreicht und eine Verformung und/oder ein Mitschwingen der Zwischenwand somit verhindert, zumindest aber wesentlich reduziert werden kann.
Vorzugsweise weisen die beiden Kavitäten unterschiedlich große Volumen auf. Somit kann das Kavitätsvolumen eine charakteristische Eigenschaft sein, in der sich die MEMS-Module unterscheiden.
Vorteilhaft ist es, wenn in zumindest einem der Substrate eine Ausgleichsöffnung und/oder ein Druckausgleichskanal ausgebildet sind. Die Ausgleichsöffnung und/oder der Druckausgleichskanal verbinden zumindest eine der Kavitäten mit der Umgebung, so dass ein Druckausgleich erfolgen kann. Eine derartige Druckausgleichsöffnung hat den Vorteil, dass in bestimmten Frequenzbereichen der Luftdruck ausgeglichen werden kann. Hierdurch kann die akustische Leistungsfähigkeit und Qualität verbessert werden. Vorteilhaft ist es, wenn zumindest eines der Substrate, vorzugsweise alle, als Leiterplatte bzw. PCB (printed circuit board) ausgebildet ist und/oder in PCB- Technologie hergestellt ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine Kavität zumindest teilweise mit einem porösen Material ausgefüllt. Dies bewirkt eine effektive Vergrößerung der Oberfläche innerhalb der Kavität und eine virtuelle Vergrößerung des Kavitätsvolumens, wodurch ein größerer Schalldruck und eine bessere Tieftonwiedergabe erreichbar sind. Das poröse Füllmaterial kann einteilig oder mehrteilig beschaffen sein und eine oder mehrere spezifische Porengrößen aufweisen. Somit kann auch die Beschaffenheit des porösen Materials eine charakteristische Eigenschaft sein, in der sich die MEMS-Module unterscheiden. Da bis zum Verbinden des ersten mit dem zweiten Substrat die Kavität vorzugsweise noch offen zugänglich ist, kann das poröse Material, selbst wenn es einstückig vorliegt, sehr einfach eingebracht werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Schallwandleranordnung ein Gehäuseteil auf. Dieses Gehäuseteil bietet insbesondere einen Schutz für den bzw. die empfindlichen MEMS-Schallwandler. Vorzugsweise weist das Gehäuseteil zumindest eine akustische Ein-/Austrittsöffnung auf, welche bevorzugt seitlich an einer Außenfläche der Schallwandleranordnung angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Gehäuseteil mit zumindest einem der Substrate derart verbunden, dass zwischen dem Gehäuseteil und zumindest einem der Substrate zumindest teilweise, zumindest ein Schallleitkanal ausbildet ist. Mittels des Schallleitkanals kann vorteilhafterweise der von einem als MEMS-Lautsprecher fungierenden MEMS-Schallwandler erzeugte Schall verstärkt und/oder gezielt in eine Richtung der akustischen Austrittsöffnung gelenkt werden bzw. der an der akustischen Eintrittsöffnung eintretende und zu erfassende Schall verstärkt und/oder gezielt in Richtung des als MEMS- Mikrofon fungierenden MEMS-Schallwandlers geleitet werden. Dank des Schallleitkanals kann die akustische Ein-/Austrittsöffnung im Wesentlichen beliebig an einer Außenfläche der Schallwandleranordnung, insbesondere zu einer einbauorientierten Oberseite und/oder zu einer Seitenfläche, positioniert sein.
Des Weiteren weist der zumindest eine Schallleitkanal vorzugsweise einen, insbesondere zwischen dem Gehäuseteil und dem zumindest einen Substrat ausgebildeten, ersten Abschnitt und/oder einen, insbesondere teilweise oder vollständig im Gehäuseteil ausgebildeten, zweiten Abschnitt auf. Hierdurch sind vorteilhafterweise zur Ausbildung des Schallleitkanals keine zusätzliche Komponenten notwendig. Des Weiteren kann die Schallwandleranordnung somit sehr bauraumsparend ausgebildet werden. Der zweite Abschnitt ist dabei vorzugsweise unmittelbar benachbart zu der akustischen Ein- /Austrittsöffnung angeordnet und/oder umfasst diese zumindest teilweise.
In einer weiteren bevorzugten Ausbildung weist die Schallwandleranordnung ein Schallleitelement, mit vorzugsweise zumindest einer, insbesondere konkaven, Schallleitkante, auf. Dieses Schallleitelement ist bevorzugt zwischen dem Gehäuseteil und zumindest einem Substrat, insbesondere im Übergangsbereich zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt des Schallleitkanals, angeordnet. Das Schallleitelement kann einzeln ausgebildet oder am Gehäuseteil und/oder an einem Substrat angeformt sein. Vorteilhafterweise ist das Schallleitelement und/oder die Schallleitkante derart ausgebildet, dass vom MEMS-Schallwandler erzeugter Schall, insbesondere in Richtung des zweiten Abschnitts des Schallleitkanals, zur akustischen Ein- /Austrittsöffnung hin bündelbar ist, und/oder dass vom MEMS-Schallwandler zu erfassender Schall, insbesondere in Richtung des ersten Abschnitts des Schallleitkanals, zum MEMS-Schallwandler hin bündelbar ist.
Wenn die Schallwandleranordnung einen ersten und einen zweiten MEMS- Schallwandler umfasst, ist vorzugsweise jedem der MEMS-Schallwandler ein Schallleitkanal zugeordnet, welcher jeweils die Verbindung zu einer akustischen Ein-/Austrittsöffnung bereitstellt. Insbesondere zur Bauraumein- sparung kann auch bei einer zwei MEMS-Schallwandler umfassenden Schallwandleranordnung nur eine akustische Ein-/Austrittsöffnung vorgesehen sein. Der zweite Abschnitt des ersten Schallleitkanals und der zweite Abschnitt des zweiten Schallleitkanals können dann, zumindest im Bereich der akustischen EinVAustrittsöffnung, als gemeinsamer Abschnitt ausgebildet sein. Das Schallleitelement kann dann bevorzugt derart aus-gebildet und angeordnet sein, dass es den ersten Abschnitt des ersten Schallleitkanals vom ersten Abschnitt des zweiten Schallleitkanals trennt. Besonders bevorzugt weist das Schallleitelement einen insbesondere vom ersten Abschnitt in den zweiten Abschnitt ragenden Fortsatz auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das erste, zweite und/oder dritte Substrat ein PCB-Substrat, das heißt eine Leiterplatte, die aus einer oder vorzugsweise mehreren Schichten aufgebaut ist, wobei die mehreren Schichten sandwichartig übereinander angeordnet und/oder miteinander, vorzugsweise stoffschlüssig, verbundenen sind. Insbesondere das erste Substrat kann zur integrativen Aufnahme des ASIC eine Aussparung aufweisen, die zum Beispiel als ein Leiterplattenhohlraum mit einem ausreichend großen Volumen ausgebildet ist, dass der ASIC darin angeordnet bzw. eingebettet werden kann. Zusätzlich zu dem ASIC können auch weitere Komponenten, insbesondere passive Komponenten wie elektrische Widerstände und/oder E/A-Kontakte, in dem ersten Substrat eingebettet und/oder daran angeordnet sein. Bevorzugt bestehen das Gehäuseteil und/oder das Schallleitelement aus einem im Vergleich zum Substrat an-deren Material, insbesondere einem Kunststoff und/oder Metall.
Vorteilhaft ist es, wenn die Substrate getrennt voneinander hergestellt sind. Hierbei wird der ASIC bei der Herstellung des ersten Substrates in dieses eingebettet bzw. eingekapselt. Der ASIC und/oder zusätzliche aktive und/oder passive elektronische Komponenten sind hierdurch in dem ersten Substrat vollständig integriert. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das zweite Substrat zusammen mit dem MEMS-Schallwandler separat hergestellt ist. Hier- bei kann der MEMS-Schallwandler beispielsweise auf einer Seite des zweiten Substrats, insbesondere stoffschlüssig, befestigt sein. Zusätzlich oder alternativ kann der MEMS-Schallwandler aber auch formschlüssig mit dem zweiten Substrat verbunden sein. Hierfür ist beispielsweise ein Rahmen des MEMS-Schallwandlers formschlüssig vom zweiten Substrat umgriffen. Die Membran kann jedoch frei schwingen. Nachdem jedes Modul - d.h. insbesondere das den ASIC und das erste Substrat umfassende erste Modul und/oder das den MEMS-Schallwandler und das zweite Substrat umfassende zweite Modul - in einem separaten Herstellungsschritt gefertigt wurden, werden diese in einem nachfolgenden Herstellungsschritt miteinander verbunden, insbesondere verklebt. Vorteilhafterweise kann somit die Funktionsfähigkeit der Modul vor deren endgültiger Verbindung geprüft werden, so dass der Ausschuss und infolgedessen die Herstellungskosten reduziert werden können.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
FIG. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung ohne Gehäuseteil in einer perspektivischen Schnittansicht,
FIG. 2 das erste Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung ohne Gehäuseteil in einer seitlichen Schnittansicht,
FIG. 3 das erste Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung ohne Gehäuseteil in einer anderen seitlichen Schnittansicht,
FIG. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung mit einem Gehäuseteil in einer perspektivischen Schnittansicht,
FIG. 5 das zweite Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung mit Gehäuseteil in einer seitlichen Schnittansicht, das zweite Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung ohne Gehäuseteil in einer anderen seitlichen Schnittansicht, ein drittes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung mit Gehäuseteil in einer perspektivischen Schnittansicht, das dritte Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung in einer perspektivischen Explosionsansicht, das dritte Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung mit Gehäuse in einer perspektivischen Gesamtansicht, ein viertes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung mit Gehäuse und mit porösem Material gefüllter Kavität in einer seitlichen Schnittansicht, ein fünftes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung mit Gehäuse und mit porösem Material gefüllter Kavität in einer seitlichen Schnittansicht, ein sechstes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung ohne Gehäuse in einer schematisch dargestellten seitlichen Schnittansicht, ein siebtes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung ohne Gehäuse jedoch mit zwei MEMS-Schallwandlern in einer schematisch dargestellten seitlichen Schnittansicht, ein achtes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung mit Gehäuse und zwei MEMS-Schallwandlern in einer seitlichen Schnittansicht, FIG. 15 ein neuntes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung ohne Gehäuseteil in einer perspektivischen Schnittansicht,
FIG. 16 das neunte Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung ohne Gehäuseteil in einer seitlichen Schnittansicht,
FIG. 17 das neunte Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung ohne Gehäuseteil in einer anderen seitlichen Schnittansicht,
FIG. 18 ein zehntes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung mit einem Gehäuseteil in einer perspektivischen Schnittansicht,
FIG 19 das zehnte Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung mit Gehäuseteil in einer seitlichen Schnittansicht,
FIG 20 das zehnte Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung ohne Gehäuseteil in einer anderen seitlichen Schnittansicht,
FIG 21 ein elftes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung ohne Gehäuseteil in einer perspektivischen Schnittansicht,
FIG 22 das elfte Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung ohne Gehäuseteil in einer seitlichen Schnittansicht,
FIG 23 das elfte Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung ohne Gehäuseteil in einer anderen seitlichen Schnittansicht,
FIG 24 ein zwölftes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung mit einem Gehäuseteil in einer perspektivischen Schnittansicht, FIG. 25 das zwölfte Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung mit Gehäuseteil in einer seitlichen Schnittansicht,
FIG. 26 das zwölfte Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung ohne Gehäuseteil in einer anderen seitlichen Schnittansicht.
Bei der nachfolgenden Figurenbeschreibung werden, um die Beziehungen zwischen den verschiedenen Elementen zu definieren, bezugnehmend auf die jeweils in den Figuren dargestellte Lage der Objekte relative Begriffe, wie beispielsweise oberhalb, unterhalb, oben, unten, darüber, darunter, links, rechts, vertikal und horizontal, verwendet. Es versteht sich von selbst, dass sich diese Begrifflichkeiten bei einer Abweichung von der in den Figuren dargestellten Lage der Vorrichtungen und/oder Elemente verändern können. Demnach würde beispielsweise bei einer in Bezug auf die Figuren dargestellten invertierten Orientierung der Vorrichtungen und/oder Elemente ein in der nachfolgenden Figurenbeschreibung als oberhalb spezifiziertes Merkmal nunmehr unterhalb angeordnet sein. Die verwendeten Relativbegriffe dienen somit lediglich zur einfacheren Beschreibung der relativen Beziehungen zwischen den einzelnen im nachfolgenden beschriebenen Vorrichtungen und/oder Elemente.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schallwandleranordnung 1 in verschiedenen Ansichten. Die Schallwandleranordnung 1 umfasst im Wesentlichen ein als Leiterplatte ausgebildetes erstes Substrat 10 mit einem ASIC 11 sowie ein als Leiterplatte ausgebildetes zweites Substrat 20 mit einem MEMS-Schallwandler 21 . Der MEMS-Schallwandler 21 ist mit in den Figuren nicht weiter im Detail dargestellten elektrischen Kontakten mit dem ASIC 11 verbunden. Der MEMS-Schallwandler 21 kann somit über den ASIC 11 angesteuert bzw. betrieben werden. Die Schallwandleranordnung 1 hat eine im Wesentlichen rechteckige Grundform. Eine rechteckige Grundform aufweisend ist die Schallwandleranordnung einfach und kostengünstig herstellbar und für zahlreiche Anwendungszwecke geeignet. Alterna- tiv kann die Schallwandleranordnung aber grundsätzlich auch eine andere, insbesondere eine runde, Grundform aufweisen.
Der MEMS-Schallwandler 21 ist derart ausgebildet, dass dieser Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum erzeugen und/oder erfassen kann. Hierfür umfasst der MEMS-Schallwandler 21 neben einem MEMS-Aktuator 22 als weitere, insbesondere akustische, Komponenten eine Membran 23, eine Membranplatte 24 sowie einen Membranrahmen 25. Die Membran 23, welche zum Beispiel aus Kautschuk gefertigt ist, ist in ihrem Randbereich fest mit dem Membranrahmen 25 verbunden, während sie, insbesondere in ihrem mittleren Bereich, fest mit der Membranplatte 24 verbunden ist, wobei die Membranplatte 24 selbst nicht mit dem Membranrahmen 25 verbunden ist. Die Membran 23 überspannt somit den Membranrahmen 25 und wird insbesondere in ihrem mittleren Bereich durch die Membranplatte 24 versteift. Wenn der MEMS-Schallwandler 21 zum Beispiel als Lautsprecher fungieren soll, kann er über den ASIC 11 derart angeregt werden, dass durch den MEMS-Aktuator 22 die Membran 23 zur Erzeugung von Schallenergie gegenüber dem Membranrahmen 25 in Schwingung versetzt wird.
Das zweite Substrat 20 trägt den MEMS-Aktuator 22 sowie den Membranrahmen 25 mit der daran befestigten Membran 23, wobei der MEMS-Aktuator
22 unterhalb der Membran 23 angeordnet ist, und wobei das zweite Substrat
20 unterhalb der Membran 23 und des MEMS-Aktuators 22 einen Hohlraum 29 aufweist. Der Hohlraum 29 ist seitlich durch Wände 27 des zweiten Substrats 20 umgeben bzw. begrenzt, während er nach oben durch die Membran
23 verschlossen ist. Nach unten ist der Hohlraum 29 durch das erste Substrat 10 verschlossen, mit dem das zweite Substrat 20 verbunden ist. Der Hohlraum 29 bildet somit die Kavität 41 des MEMS-Schallwandlers 21 aus, welche insbesondere dazu dient, den Schalldruck des MEMS-Schallwandlers
21 zu erhöhen. Wie aus den Figuren 1 bis 3 zu erkennen ist, weist der Membranrahmen 25 im Wesentlichen den gleichen Außendurchmesser auf wie das zweite Substrat 20, während der MEMS-Aktuator 22 einen kleineren Außendurchmesser als das Substrat 20 besitzt. Wie aus den Figuren 1 und 2 im Vergleich zur Figur 3 zu erkennen ist, sind die sich im Wesentlichen gegenüberstehenden Wandabschnitte 27a des zweiten Substrats 20 dicker ausgebildet als die Wandabschnitte 27b des zweiten Substrats 20, wobei die dickeren Wandabschnitte 27a gegenüber den Wandabschnitten 27b in den Hohlraum 29 vorspringen. Nur auf den von den Wandabschnitten 27a gebildeten Vorsprüngen 28 liegt der MEMS-Aktuator 22 auf, während der Membranrahmen 25 sowohl auf den Wandabschnitten 27a als auch 27b, insbesondere vollumfänglich, aufliegt. Somit ist der MEMS-Aktuator 22 seitlich von dem Membranrahmen 25 umgeben.
Der MEMS-Schallwandler 21 und insbesondere der MEMS-Aktuator 22 und/oder der Membranrahmen 25 kann mit dem zweiten Substrat 20 verklebt sein. Ferner kann das zweite Substrat 20 mit dem ersten Substrat 10 verklebt sein.
Um beim Schwingen der Membran 23 einen Druckausgleich zwischen der Kavität 41 und der Umgebung gewährleisten zu können, weist die Schallwandleranordnung 1 zumindest einen Druckausgleichskanal 70 auf, der in diesem Ausführungsbeispiel eine Ausgleichsöffnung 26 umfasst, die vorzugsweise nicht an einem der dicken Wandabschnitte 27 sondern an einem der dünnen Wandabschnitte 27 des zweiten Substrats 20 angeordnet ist. Zum Druckausgleich kann somit beim Senken der Membran 23 Luft aus der durch den Hohlraum 29 gebildeten Kavität 41 durch den Druckausgleichkanal 70 ausströmen. In analoger Art und Weise kann aber auch beim Heben der Membran 23 Luft über den Druckausgleichskanal 70 in die Kavität 41 einströmen. Das erste Substrat 10 weist einen Hohlraum 13a auf, der im Wesentlichen vollständig geschlossen ist. In dem Hohlraum 13a ist der ASIC 11 angeordnet. Der ASIC 11 ist somit vollständig in dem ersten Substrat 10 eingebettet. Zusätzlich zum ASIC 11 weist die Schallwandleranordnung 1 elektrische, insbesondere passive, Zusatzkomponenten 12a, 12b, wie zum Beispiel elektrische Widerstände und/oder E/A-Kontakte, auf. Diese Zusatzkomponenten 12a, 12b sind ebenfalls in das erste Substrat 10 eingebettet, wobei sie in dem weiteren Hohlraum 13b des Substrats 10, welcher ebenfalls im Wesentlichen vollständig verschlossen ist, angeordnet sind. Alternativ könnten die elektronischen Zusatzkomponenten 12a, 12b aber auch zusammen mit dem ASIC 11 in dem Hohlraum 13a angeordnet sein.
In den Figuren 4 bis 26 sind weitere Ausführungsformen der Schallwandleranordnung 1 gezeigt, wobei jeweils im Wesentlichen auf die Unterschiede in Bezug auf die bereits beschriebene erste Ausführungsform eingegangen wird. So werden bei der nachfolgenden Beschreibung der weiteren Ausführungsformen für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet. Sofern diese nicht nochmals detailliert erläutert werden, entspricht deren Ausgestaltung und Wirkweise den vorstehend bereits beschriebenen Merkmalen. Die nachfolgend beschriebenen Unterschiede können mit den Merkmalen der jeweils vorstehenden und nachfolgenden Ausführungsbeispiele kombiniert werden.
Die Figuren 4 bis 6 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 in verschiedenen Ansichten. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 zusätzlich ein Gehäuseteil 50 vorgesehen. Dieses Gehäuseteil 50 bietet insbesondere einen Schutz für den MEMS-Schallwandler 21 . Das Gehäuseteil 50 weist einen Hohlraum 53 auf, in dem das zweite Substrat 20 und der MEMS-Schallwandler 21 im Wesentlichen vollständig aufgenommen sind, und der nach unten von dem ersten Substrat 10 verschlossen ist, mit dem das Gehäuseteil 50 verbunden ist. Das Gehäuseteil 50 weist zudem eine akustische Ein-/Austrittsöffnung 51 auf, welche seitlich an der Außenfläche 55 des Gehäuseteils und damit auch der Schallwandleranordnung angeordnet ist. Außerdem ist das Gehäuseteil 50 mit dem ersten Substrat 10 derart verbunden und insbesondere auch derart dimensioniert, dass zwischen dem Gehäuseteil 50 und dem zweiten Substrat 20 mit dem MEMS-Schallwandler 21 zumindest ein erster Abschnitt 62 eines Schallleitkanals 61 ausgebildet ist. Ein zweiter Abschnitt 63 des Schallleitkanals 61 ist im Gehäuseteil 50 selbst ausgebildet. Hierzu weist das Gehäuseteil 50 im Bereich der akustischen Ein-/Austrittsöffnung 51 eine rohrartige Auskragung 52 auf. Hierdurch sind zur Ausbildung des Schallleitkanals 61 keine zusätzlichen Komponenten notwendig. Mit anderen Worten ausgedrückt wird der Schallleitkanal 61 zumindest teilweise dadurch gebildet, dass der Hohlraum 53 des Gehäuseteils 50 nicht vollständig von dem zweiten Substrat 20 und dem MEMS-Schallwandler 21 ausgefüllt wird.
Mittels des Schallleitkanals 61 kann Schall von dem MEMS-Schallwandler 21 zur akustischen Ein-/Austrittsöffnung 51 und/oder umgekehrt gelenkt und/oder verstärkt werden. Dank des Schallleitkanals 61 kann die akustische EinVAustrittsöffnung 51 dabei im Wesentlichen beliebig an der Außenfläche 55 oder einer anderen Außenfläche der Schallwandleranordnung 1 , insbesondere zu einer einbauorientierten Oberseite und/oder zu einer Seitenfläche, positioniert sein.
Das Gehäuseteil 50 weist ferner eine akustische Ausgleichsöffnung 56 auf, welche seitlich an der Außenfläche 58 des Gehäuseteils 50 angeordnet ist. Die Ausgleichsöffnung 56 korrespondiert dabei mit der Ausgleichsöffnung 26 und gehört wie diese zum Druckausgleichskanal 70 der Schallwandleranordnung 1 . Die Ausgleichsöffnung 56 besitzt in diesem Beispiel einen größeren Durchmesser als die Ausgleichsöffnung 26. Damit durch den Druckausgleichskanal 70 kein Schmutz und/oder keine Flüssigkeit in die Kavität 41 gelangen können, ist die Ausgleichsöffnung 56 in diesem Beispiel mit einem elastischen Verschlusselement 57 abgedeckt. Die Druckausgleichsfunktionalität ist dennoch gewährleistet, da sich das elastische Verschlusselement 57 gemäß dem in der Kavität 41 herrschenden Druck verformen kann.
Die Figuren 7 bis 9 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 in verschiedenen Ansichten. Als wesentlicher Unterschied gegenüber dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist bei dem dritten Ausführungsbeispiel die Kavität 41 jeweils zum Teil durch einen Hohlraum des ersten und des zweiten Substrats 10, 20 ausgebildet.
Wie insbesondere aus den Figuren 7 und 8 zu erkennen ist, weist der Membranrahmen 25 im Wesentlichen den gleichen Außendurchmesser auf wie der MEMS-Aktuator 22, wobei diese Außendurchmesser kleiner sind als der Außendurchmesser des zweiten Substrats 20. Allerdings weisen die Wände 27 des zweiten Substrats 20, welche den Hohlraum 29 des zweiten Substrats seitlich begrenzen, an ihrem oberen Bereich jeweils in den Hohlraum 29 vorspringende Wandabschnitte 27b auf, die eine vorzugsweise vollumfängliche Auflage 28 für den MEMS-Aktuator 22 bereitstellen, wobei auf dem äußeren Randbereich des MEMS-Aktuators 22 ferner der Membranrahmen 25 aufliegt. Somit trägt auch in diesem Beispiel das zweite Substrat 20 den MEMS- Aktuator 22 sowie den Membranrahmen 25 mit der daran befestigten Membran 23, wobei der MEMS-Aktuator 22 unterhalb der Membran 23 angeordnet ist und wobei das zweite Substrat 20 unterhalb der Membran 23 und des MEMS-Aktuators 22 den Hohlraum 29 aufweist, der nach oben durch die Membran 23 verschlossen ist.
Nach unten ist der Hohlraum 29 des zweiten Substrats 20 offen und grenzt an den nach oben offenen Hohlraum 15 des ersten Substrats 10. Der Hohlraum 15 ist seitlich durch Wände 1 6 des ersten Substrats begrenzt und nach unten durch das erste Substrat 10 verschlossen. Die Hohlräume 15 und 29 weisen den gleichen Durchmesser auf und die unteren freien Enden der Wände 27 korrespondieren mit den oberen freien Enden der Wände 1 6. Im montierten Zustand der Schallwandleranordnung 1 sind die Wände 1 6 des ersten Substrats 10 mit den Wänden 27 des zweiten Substrats 20 verbunden und insbesondere verklebt, wobei der Hohlraum 15 des ersten Substrats und der Hohlraum 29 des zweiten Substrats übereinander angeordnet sind und dann gemeinsam die Kavität 41 für den MEMS-Schallwandler 21 bilden.
Ein Druckausgleichskanal 70 ist für dieses Beispiel in den Figuren nicht dargestellt, kann aber vorzugsweise vorgesehen sein.
Das Gehäuseteil 50 ist in diesem Beispiel sehr sparsam ausgebildet und weist neben der Außenfläche 55, an welcher die akustische Ein- /Austrittsöffnung 51 mit der rohrartigen Auskragung 52 angeordnet ist, im Wesentlichen nur mehr die eine weitere Außenfläche 54 auf, welche insbesondere einen Schutz für den MEMS-Schallwandler 21 bietet.
Das Gehäuseteil 50 ist mit dem ersten Substrat 10 und dem zweiten Substrat 20 dennoch derart verbunden, dass zwischen dem Gehäuseteil 50 und dem zweiten Substrat 20 mit dem MEMS-Schallwandler 21 sowie dem ersten Substrat 10 zumindest ein erster Abschnitt 62 eines Schallleitkanals 61 ausgebildet ist. Der zweite Abschnitt 63 des Schallleitkanals 61 ist auch in diesem Beispiel im Gehäuseteil 50 selbst und insbesondere durch die rohrartige Auskragung 52 ausgebildet.
Zur weiteren Verbesserung der Schallleitung, sowie insbesondere zur Bündelung des Schalls, ist in diesem Beispiel das Schallleitelement 64 mit einer konkaven Schallleitkante 65 vorgesehen, welches zwischen dem Gehäuseteil 50 und dem ersten und zweiten Substrat innerhalb des Schallleitkanals 61 angeordnet ist. Genauer gesagt ist das Schallleitelement 64 im Übergangsbereich zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 62, 63 des Schallleitkanals 61 angeordnet. Das Schallleitelement ist hier als einzelne Komponente ausgebildet. Alternativ kann es aber auch am Gehäuseteil 50 und/oder an einem Substrat angeformt sein. Das Schallleitelement 64 ist insbesondere in den Figuren 8 und 9 gut zu erkennen. Die Figur 8 zeigt die Schallwandleranordnung 1 des dritten Ausführungsbeispiels in einer Explosionsansicht. Dadurch sind neben dem Schallleitelement 64 mit der konkaven Schallleitkante 65 auch die anderen Komponenten der Schallwandleranordnung 1 wie zum Beispiel der ASIC 11 , die Substrate 10 und 20 sowie vor allem der MEMS-Aktuator 22, die Membran 23 an dem Membranrahmen 25 und die Membranplatte 24 sehr gut erkennbar. In der Figur 9 ist das Gehäuseteil 50 halbtransparent dargestellt, so dass die geschützt dahinter befindlichen Komponenten der Schallwandleranordnung 1 noch gut erkennbar sind.
Die Figur 10 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 . Im Unterschied zu dem dritten Ausführungsbeispiel ist bei dem vierten Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 die Kavität 41 mit einem porösem Material 5 zumindest annähernd vollständig ausgefüllt.
Die Figur 11 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 . Im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel ist bei dem fünften Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 die Kavität 41 mit einem porösem Material 5 zumindest annähernd vollständig ausgefüllt.
Das Füllen der Kavität 41 des MEMS-Schallwandlers 21 bewirkt eine effektive Vergrößerung der Oberfläche innerhalb der Kavität und eine virtuelle Vergrößerung des Kavitätsvolumens, wodurch ein größerer Schalldruck und eine bessere Tieftonwiedergabe erreichbar sind.
Die Figur 12 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 . Hierbei handelt es sich um eine rein schematische Darstellung der Schallwandleranordnung 1 , welche ein erstes Substrat 10 mit einem ASIC 11 und ein zweites Substrat 20 mit einem MEMS-Schallwandler 21 umfasst, je- doch kein Gehäuse aufweist. Von dem MEMS-Schallwandler 21 ist hier nur der MEMS-Aktuator 22 gezeigt.
Sowohl das erste Substrat 10 als auch das zweite Substrat 20 weisen Leiterbahnen 7 zur elektrischen Verbindung der einzelnen Komponenten, wie insbesondere ASIC 11 und MEMS-Aktuator 21 , auf. Die Leiterbahnen 7 des ersten Substrats 10 sind mit den Leiterbahnen 7 des zweiten Substrats 20 mittels Lötverbindungen 8 oder elektrisch leitfähigem Klebstoff 8 verbunden. Zusätzlich zu diesen elektrisch leitenden Verbindungen 8 können die beiden Substrate 10, 20 noch auf andere Weise formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein.
Das zweite Substrat 20 weist einen Hohlraum 29 auf, der seitlich durch Wände 27 des zweiten Substrats 20 umgeben bzw. begrenzt und nach unten durch das erste Substrat 10 verschlossen ist. Die Wände 27 weisen in den Hohlraum 29 vorspringende Wandabschnitte 27a auf, die eine Auflage 28 für den MEMS-Aktuator 22, welcher einen kleineren Außendurchmesser als das zweite Substrat 20 besitzt, bereitstellen. Durch die zu dem MEMS-Aktuator 22 gehörenden, jedoch hier nicht gezeigten, weiteren akustischen Komponenten des MEMS-Schallwandlers ist der Hohlraum 29 nach oben verschlossen. Der Hohlraum 29 bildet somit die Kavität 41 des MEMS-Schallwandlers aus.
Die Figur 13 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 . Hierbei handelt es sich wiederum um eine rein schematische Darstellung der Schallwandleranordnung 1 . Im Unterschied zu der sechsten Ausführungsform umfasst die Schallwandleranordnung 1 dieses siebten Ausführungsbeispiels zusätzlich ein drittes Substrat 30 mit einem zweiten MEMS- Schallwandler, von dem hier nur der MEMS-Aktuator 32 gezeigt ist. Das erste Substrat 10 ist dabei zwischen dem zweiten Substrat 20 und dem dritten Substrat 30 angeordnet. Das dritte Substrat 30 mit dem zweiten MEMS-Aktuator 32 ist im Wesentlichen wie das zweite Substrat 20 mit dem ersten MEMS-Aktuator 22 aufgebaut, jedoch ist das dritte Substrat 30 im Vergleich zum zweiten Substrat 20 um 180° gewendet angeordnet.
Es weist also auch das dritte Substrat 30 Leiterbahnen 7 zur elektrischen Verbindung der einzelnen Komponenten auf. Die Leiterbahnen 7 des dritten Substrats 30 sind ebenfalls mit den Leiterbahnen 7 des ersten Substrats mittels Lötverbindungen 8 oder elektrisch leitfähigem Klebstoff 8 verbunden. Zusätzlich zu diesen elektrisch leitenden Verbindungen 8, können auch die beiden Substrate 10, 30 noch auf andere Weise formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein.
Das dritte Substrat 30 weist einen Hohlraum 39 auf, der seitlich durch die Wände 37 des dritten Substrats 30 umgeben bzw. begrenzt und nach oben durch das erste Substrat 10 verschlossen ist. Durch die zu dem zweiten MEMS-Aktuator 32 gehörenden, jedoch hier nicht gezeigten, weiteren akustischen Komponenten des zweiten MEMS-Schallwandlers 31 ist der Hohlraum 39 nach unten verschlossen. Der Hohlraum 39 bildet somit die zweite Kavität 42 des zweiten MEMS-Schallwandlers aus.
Bei diesem siebten Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 sind die erste und die zweite Kavität 41 , 42 zwar separat, jedoch im Wesentlichen mit den gleichen charakteristischen Eigenschaften wie beispielsweise Abmaße und Volumen ausgebildet. Dabei sind die beiden Kavitäten 41 , 42 durch eine Zwischenwand 17 voneinander getrennt, die durch das erste Substrat 10 bereitgestellt wird, so dass die beiden Kavitäten 41 , 42 sich gegenseitig nicht beeinflussen. Optional kann die Zwischenwand aber auch zumindest eine sich von der ersten Kavität 41 zur zweiten Kavität 42 erstreckende Verbindungsöffnung aufweisen, welche hier jedoch nicht gezeigt ist. Diese Verbindungsöffnung ermöglicht dann eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Kavitäten, so dass das Volumen der einen Kavität durch das Volumen der jeweils anderen Kavität vergrößert wird.
Die Figur 14 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 . Im Unterschied zu dem dritten Ausführungsbeispiel umfasst die Schallwandleranordnung 1 dieses achten Ausführungsbeispiels zusätzlich ein drittes Substrat 30 mit einem zweiten MEMS-Schallwandler 31 .
Das erste Substrat 10 ist dabei zwischen dem zweiten Substrat 20 und dem dritten Substrat 30 angeordnet. Das dritte Substrat 30 mit dem zweiten MEMS- Schallwandler 31 ist im Wesentlichen wie das zweite Substrat 20 mit dem ersten MEMS-Schallwandler 21 aufgebaut, jedoch ist das dritte Substrat
30 im Vergleich zum zweiten Substrat 20 um 180° gewendet angeordnet.
Analog zu dem Hohlraum 15 an seiner Oberseite weist das erste Substrat 10 an seiner Unterseite einen Hohlraum 18 auf, der seitlich durch Wände 19 des ersten Substrats begrenzt und nach oben durch das erste Substrat 10 verschlossen ist. Nach unten ist der Hohlraum 18 offen und grenzt an den nach oben offenen Hohlraum 39 des dritten Substrats 30. Der Hohlraum 39 ist seitlich durch die Wände 37 des dritten Substrats 30 umgeben bzw. begrenzt und nach unten durch die Membran 33 des zweiten MEMS-Schallwandlers
31 verschlossen. Die Hohlräume 18 und 39 weisen den gleichen Durchmesser auf und die unteren freien Enden der Wände 19 korrespondieren mit den oberen freien Enden der Wände 37. Im montierten Zustand der Schallwandleranordnung 1 sind die Wände 19 des ersten Substrats 10 mit den Wänden 37 des dritten Substrats 30 verbunden und insbesondere verklebt, wobei der Hohlraum 18 des ersten Substrats und der Hohlraum 39 des dritten Substrats übereinander angeordnet sind und dann gemeinsam die Kavität 42 für den MEMS-Schallwandler 31 bilden. Im Unterschied zu dem siebten Ausführungsbeispiel weisen die erste und die zweite Kavität 41 , 42 bei diesem achten Ausführungsbeispiel unterschiedliche charakteristische Eigenschaften und insbesondere unterschiedliche Abmaße sowie unterschiedliche Kavitätsvolumen auf. Dies ist im Wesentlichen allein dadurch bedingt, dass die Wände 1 6 an der Oberseite des ersten Substrats 10 höher ausgebildet sind als die Wände 19 an der Unterseite des ersten Substrats 10.
Der erste und der zweite MEMS-Schallwandler 21 , 31 werden bereits aufgrund der unterschiedlich ausgebildeten Kavitäten 41 , 42, auch bei ansonsten gleichen Bedingungen, ein unterschiedliches Klangverhalten erkennen lassen. Alternativ oder ergänzend lässt sich das Klangverhalten der beiden MEMS-Schallwandler zum Beispiel auch durch spezifische Ausgestaltung der Membranen 23, 33 und/oder der MEMS-Aktuatoren 22, 32 gezielt beeinflussen. Somit kann zum Beispiel einer der MEMS-Schallwandler als Tieftöner und der andere MEMS-Schallwandler als Hochtöner fungieren, so dass eine derart ausgestattete Schallwandleranordnung Schall in einer größere Bandweite erzeugen kann als etwa eine Schallwandleranordnung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.
Die durch das erste Substrat 10 bereitgestellte Zwischenwand 17, welche die beiden Kavitäten 41 , 42 voneinander trennt, weist vier Versteifungselemente 14 auf, die als Rippen ausgebildet sind und der Stabilisierung der Zwischenwand 17 dienen. Eine Verformung und/oder ein Mitschwingen der Zwischenwand 17, insbesondere während des Betriebs der Schallwandleranordnung 1 , kann dadurch wesentlich reduziert oder sogar verhindert werden. Die Zwischenwand 17 weist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zumindest eine Verbindungsöffnung 90 auf. Die Verbindungsöffnung 90 verbindet die beiden Kavitäten 41 , 42 miteinander. Das Gehäuseteil 50 ist in diesem Beispiel ähnlich wie in dem dritten Ausführungsbeispiel sehr sparsam ausgebildet und weist neben der Außenfläche 55, an welcher die akustische Ein-/Austrittsöffnung 51 mit der rohrartigen Auskragung 52 angeordnet ist, im Wesentlichen nur mehr die weiteren Außenflächen 54a und 54b auf, welche insbesondere einen Schutz für den ersten MEMS-Schallwandler 21 und den zweiten MEMS-Schallwandler 31 bieten.
Das Gehäuseteil 50 ist mit dem ersten Substrat 10, dem zweiten Substrat 20 und dem dritten Substrat 30 ferner jedoch derart verbunden, dass ein erster und ein zweiter Schallleitkanal 61 , 67 ausgebildet sind. Dabei ist zwischen dem Gehäuseteil 50 und insbesondere dem zweiten Substrat 20 mit dem MEMS-Schallwandler 21 zumindest ein erster Abschnitt 62 des ersten Schallleitkanals 61 und zwischen dem Gehäuseteil 50 und insbesondere dem dritten Substrat 30 mit dem MEMS-Schallwandler 31 zumindest ein erster Abschnitt 68 des zweiten Schallleitkanals 67 ausgebildet.
Insbesondere zur Bauraumeinsparung ist auch bei dieser Schallwandleranordnung 1 nur eine akustische EinVAustrittsöffnung 51 vorgesehen. Der zweite Abschnitt 63 des ersten Schallleitkanals 61 und der zweite Abschnitt 69 des zweiten Schallleitkanals 67 sind daher als gemeinsamer Abschnitt ausgebildet, der auch in diesem Beispiel im Gehäuseteil 50 selbst und insbesondere durch die rohrartige Auskragung 52 im Bereich der akustischen Ein- /Austrittsöffnung 51 ausgebildet ist.
Zur weiteren Verbesserung der Schallleitung sowie insbesondere zur Bündelung des Schalls ist auch in diesem Beispiel das Schallleitelement 64 vorgesehen. Dabei ist das Schallleitelement 64 derart ausgebildet und angeordnet, dass es den ersten Abschnitt 62 des ersten Schallleitkanals 61 vom ersten Abschnitt 68 des zweiten Schallleitkanals 67 trennt. Hierzu weist das Schallleitelement 64 einen in den gemeinsamen zweiten Abschnitt ragenden Fortsatz 66 auf. Zudem weist das Schallleitelement 64 in diesem Beispiel zwei konkave Schallleitkanten 65a und 65b auf, wobei die Schallleitkante 65a dem ersten Schallleitkanal 61 und die Schallleitkante 65b dem zweiten Schallleitkanal 67 zugeordnet ist.
Die Figuren 15 bis 17 zeigen ein neuntes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 in verschiedenen Ansichten. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem neunten Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 ein zusätzliches Substrat 80 vorgesehen.
Auch in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Membranrahmen 25 im Wesentlichen den gleichen Außendurchmesser auf wie das zweite Substrat 20, während der MEMS-Aktuator 22 einen kleineren Außendurchmesser als das Substrat 20 besitzt. Die Wände 27 des zweiten Substrats 20, welche den Hohlraum 29 des zweiten Substrats 20 seitlich begrenzen, weisen jedoch keinerlei in den Hohlraum 29 vorspringende Wandabschnitte auf, die als Auflage für den MEMS-Aktuator 22 dienen könnten. Auf den Wänden 27 des zweiten Substrats 20 liegt daher, insbesondere vollumfänglich, das zusätzliche Substrat 80 auf, das im Wesentlichen den gleichen Außendurchmesser wie das zweite Substrat 20 aufweist.
Das zusätzliche Substrat 80 weist einen Hohlraum 89 auf, der von Wänden 87 des Substrats 80 seitlich begrenzt wird, wobei die Wände 87 eine wesentlich geringere Höhe als die Wände 27 des zweiten Substrats 20 aufweisen. Die sich im Wesentlichen gegenüberstehenden Wandabschnitte 87a des Substrats 80 sind dicker ausgebildet als die Wandabschnitte 87b des Substrats 80, wobei die dickeren Wandabschnitte 87a gegenüber den Wandabschnitten 87b in den Hohlraum 89 vorspringen. Auf den von den Wandabschnitten 87a gebildeten Vorsprüngen 88 liegt dann der MEMS-Aktuator 22 auf, während der Membranrahmen 25 sowohl auf den Wandabschnitten 87a als auch 87b, insbesondere vollumfänglich, aufliegt. Somit ist der MEMS- Aktuator 22 unterhalb der Membran 23 angeordnet und seitlich von dem Membranrahmen 25 umgeben. Der Hohlraum 89 ist somit nach oben durch die Membran 23 verschlossen. Nach unten ist der Hohlraum 89 offen und grenzt an den nach oben offenen Hohlraum 29 des zweiten Substrats 20, der nach unten von dem ersten Substrat 10 verschlossen ist. Die übereinander angeordneten Hohlräume 29 und 89 bilden dann gemeinsam die Kavität 41 für den MEMS-Schallwandler 21 . Da die Wände 27 des zweiten Substrats 20 keine in den Hohlraum 29 vorspringenden Wandabschnitte besitzen, die den Hohlraum 29 verkleinern würden, trägt dies zur Vergrößerung der durch den Hohlraum 29 mit ausgebildeten Kavität 41 bei.
Die Figuren 18 bis 20 zeigen ein zehntes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 in verschiedenen Ansichten. Im Unterschied zu dem neunten Ausführungsbeispiel ist bei dem zehnten Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 zusätzlich ein Gehäuseteil 50 vorgesehen, welches im Wesentlichen wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel ist bei dem zehnten Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 in dem Hohlraum 53 des Gehäuseteils 50 auch das zusätzliche Substrat 80 aufgenommen.
Die Figuren 21 bis 23 zeigen ein elftes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 in verschiedenen Ansichten. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel weisen bei dem elften Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 das zweite Substrat 20, der MEMS-Aktuator 22 und der Membranrahmen 25 des ersten MEMS-Schallwandlers 21 jeweils den gleichen Außendurchmesser auf.
Die Wände 27 des zweiten Substrats 20, welche den Hohlraum 29 des zweiten Substrats 20 seitlich begrenzen, weisen keinerlei in den Hohlraum 29 vorspringende Wandabschnitte auf, die als Auflage für den MEMS-Aktuator 22 dienen müssten. Vielmehr liegt der MEMS-Aktuator 22 vorzugsweise vollumfänglich auf den Wänden 27 des zweiten Substrats 20 auf, wobei auf dem äußeren Randbereich des MEMS-Aktuators 22 ferner der Membranrahmen 25 aufliegt.
Somit trägt auch in diesem Beispiel das zweite Substrat 20 den MEMS- Aktuator 22 sowie den Membranrahmen 25 mit der daran befestigten Membran 23, wobei der MEMS-Aktuator 22 unterhalb der Membran 23 angeordnet ist, und wobei das zweite Substrat 20 unterhalb der Membran 23 und des MEMS-Aktuators 22 den Hohlraum 29 aufweist, der nach oben durch die Membran 23 verschlossen ist.
Nach unten ist der Hohlraum 29 des zweiten Substrats 20 von dem ersten Substrat 10 verschlossen.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel konnte die durch den Hohlraum 29 gebildete Kavität 41 des MEMS-Schallwandlers 21 effektiv und gleichzeitig sehr bauraumsparend vergrößert werden.
Die Figuren 24 bis 26 zeigen ein zwölftes Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 in verschiedenen Ansichten. Im Unterschied zu dem elften Ausführungsbeispiel ist bei dem zwölften Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 1 zusätzlich ein Gehäuseteil 50 vorgesehen, welches im Wesentlichen wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind. Bezuqszeichenliste
Druckausgleichskanal
Zusätzliches Substrat
a, b Wände, Wandabschnitte
Vorsprünge, Auflage
Hohlraum
Verbindungsöffnung
Druckausgleichskanal
Zusätzliches Substrat
a, b Wände, Wandabschnitte
Vorsprünge, Auflage
Hohlraum
Verbindungsöffnung
Druckausgleichskanal
Zusätzliches Substrat
a, b Wände, Wandabschnitte
Vorsprünge, Auflage
Hohlraum
Verbindungsöffnung
Druckausgleichskanal
Zusätzliches Substrat
a, b Wände, Wandabschnitte
Vorsprünge, Auflage
Hohlraum
Verbindungsöffnung
Druckausgleichskanal
Zusätzliches Substrat
a, b Wände, Wandabschnitte
Vorsprünge, Auflage 89 Hohlraum
90 Verbindungsöffnung
70 Druckausgleichskanal
80 Zusätzliches Substrat
87a, b Wände, Wandabschnitte
88 Vorsprünge, Auflage
89 Hohlraum
90 Verbindungsöffnung
70 Druckausgleichskanal
80 Zusätzliches Substrat
87a, b Wände, Wandabschnitte
88 Vorsprünge, Auflage
89 Hohlraum
90 Verbindungsöffnung
70 Druckausgleichskanal
80 Zusätzliches Substrat
87a, b Wände, Wandabschnitte
88 Vorsprünge, Auflage
89 Hohlraum
90 Verbindungsöffnung
70 Druckausgleichskanal
80 Zusätzliches Substrat
87a, b Wände, Wandabschnitte
88 Vorsprünge, Auflage
89 Hohlraum
90 Verbindungsöffnung
70 Druckausgleichskanal
80 Zusätzliches Substrat
87a, b Wände, Wandabschnitte
88 Vorsprünge, Auflage

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Schallwandleranordnung (1 ) mit
einem ersten MEMS-Schallwandler (21 ) zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum, der eine erste Kavität (41 ) umfasst, und
einem mit dem ersten MEMS-Schallwandler elektrisch verbundenen ASIC (11 ),
dadurch gekennzeichnet,
dass der ASIC (11 ) in ein erstes Substrat (10) eingebettet ist, dass der erste MEMS-Schallwandler (21 ) in und/oder an einem zweiten Substrat (20) angeordnet ist,
dass das erste Substrat (10) und das zweite Substrat (20) derart miteinander verbunden sind,
dass der ASIC (11 ) und der erste MEMS-Schallwandler (21 ) elektrisch miteinander gekoppelt sind.
2. Schallwandleranordnung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Substrate miteinander verlötet und/oder, insbesondere mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs, verklebt sind.
3. Schallwandleranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass an einem dritten Substrat (30) ein zweiter MEMS-Schallwandler (31 ) angeordnet ist,
dass das erste Substrat (10) und das dritte Substrat (30) elektrisch leitend miteinander verbunden sind,
dass das erste Substrat (10) zwischen dem zweiten Substrat (20) und dem dritten Substrat (30) angeordnet ist, und/oder
dass eine zweite Kavität (42) des zweiten MEMS-Schallwandlers (31 ) zumindest teilweise im ersten und/oder dritten Substrat (10, 30) ausgebildet ist.
4. Schallwandleranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Kavitäten (41 , 42) der MEMS-Schallwandler durch eine Zwischenwand (17) des ersten Substrats (10) voneinander getrennt sind, und/oder
dass die Zwischenwand (17) zumindest eine sich von der ersten Kavität (41 ) zur zweiten Kavität (42) erstreckende Verbindungsöffnung (90) und/oder Verbindungskanal aufweist.
5. Schallwandleranordnung nach einem oder mehreren der vorhe-rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zwischenwand (17) zumindest ein Versteifungselement (14), insbesondere eine Rippe, aufweist.
6. Schallwandleranordnung nach einem oder mehreren der vorhe-rigen zwei Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass in zumindest einem der Substrate (10, 20 30) eine Ausgleichsöffnung (26) und/oder ein Druckausgleichskanal (70) ausgebildet ist, der die Kavität (41 , 42) mit der Umgebung verbindet, und/oder die beiden Kavitäten (41 , 42) der Schallwandleranordnung (1 ) unterschiedlich große Volumen aufweisen.
7. Schallwandleranordnung nach einem oder mehreren der vorhe-rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine Kavität zumindest teilweise mit einem porösen Material (5) ausgefüllt ist.
8. Schallwandleranordnung nach einem oder mehreren der vorhe-rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schallwandleranordnung (1 ) ein Gehäuseteil (50) aufweist, das eine akustische Ein-/Austrittsöffnung (51 ) aufweist, die vorzugsweise seitlich an einer Außenfläche (55) der Schallwandleranordnung (1 ) angeordnet ist, und/oder
das mit zumindest einem der Substrate (10, 20, 30) derart verbunden ist,
dass zwischen dem Gehäuseteil (50) und zumindest einem der Substrate zumindest teilweise zumindest ein Schallleitkanal (61 , 67) ausgebildet ist.
9. Schallwandleranordnung nach einem oder mehreren der vorhe-rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der zumindest eine Schallleitkanal (61 , 67) einen zwischen dem Gehäuseteil (50) und dem zumindest einen Substrat ausgebildeten ersten Abschnitt (62, 68) und/oder einen, insbesondere vollständig im Gehäuseteil ausgebildeten, zweiten Abschnitt (63, 69) aufweist.
10. Schallwandleranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schallwandleranordnung (1 ) ein Schallleitelement (64), mit vorzugsweise zumindest einer, insbesondere konkaven, Schallleitkante (65), aufweist, das zwischen dem Gehäuseteil (50) und zumindest einem Substrat, insbesondere im Übergangsbereich zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt des Schallleitkanals (61 , 67), angeordnet ist.
1 1 . Schallwandleranordnung nach einem oder mehreren der vorhe-rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Schallleitelement (64) und/oder die Schallleitkante (65) derart ausgebildet ist, dass vom MEMS-Schallwandler (21 , 31 ) erzeugter Schall in Richtung des zweiten Abschnitts des Schallleitkanals zur Ein-/Austrittsöffnung (51 ) hin bündelbar ist, und/oder
dass vom MEMS-Schallwandler (21 , 31 ) zu erfassender Schall in Richtung des ersten Abschnitts des Schallleitkanals zum MEMS- Schallwandler hin bündelbar ist.
12. Schallwandleranordnung nach einem oder mehreren der vorhe-rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Schallleitelement (64) den ersten Abschnitt (62) des ersten Schallleitkanals (61 ) vom ersten Abschnitt (68) des zweiten Schallleitkanals (67) trennt.
13. Schallwandleranordnung nach einem oder mehreren der vorhe-rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Schallleitelement (64) einen vom ersten Abschnitt in den zweiten Abschnitt ragenden Fortsatz (66) aufweist.
14. Schallwandleranordnung nach einem oder mehreren der vorhe-rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das erste, zweite und/oder dritte Substrat (10, 20, 30) ein PCB- Substrat ist, und/oder
dass das Gehäuseteil (50) und/oder das Schallleitelement (64) aus einem im Vergleich zum Substrat anderen Material, insbesondere einem Kunststoff und/oder Metall, besteht.
15. Herstellungsverfahren für eine Schallwandleranordnung (1 ) nach
einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, umfassend die Schritte:
- Anordnen des ASIC (11 ) in einem erstem Substrat (10),
- Anordnen des MEMS-Schallwandlers (21 ) an einem zweiten Substrat (20) und - Verbinden des ersten Substrats (10) und des zweiten Substrats (20) elektrisch leitend miteinander.
EP16721805.6A 2015-05-13 2016-05-10 Schallwandleranordnung mit mems-schallwandlern Active EP3295683B1 (de)

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