EP3320694B1

EP3320694B1 - Mems-leiterplattenmodul mit integrierter piezoelektrischer struktur sowie schallwandleranordnung

Info

Publication number: EP3320694B1
Application number: EP16760706.8A
Authority: EP
Inventors: Andrea Rusconi Clerici Beltrami; Ferruccio Bottoni
Original assignee: USound GmbH
Current assignee: USound GmbH
Priority date: 2015-10-01
Filing date: 2016-09-05
Publication date: 2019-11-13
Anticipated expiration: 2036-09-05
Also published as: EP3320694A1; SG11201802051UA; DE102015116640A1; KR20180061187A; AU2016332481A1; AU2016332481B2; CN108141669A; HK1250192A1; DE102015116640B4; US10433063B2; US20180249252A1; SG10202002939QA; WO2017055012A1; CN108141669B; CA2997567A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein MEMS-Leiterplattenmodul für eine Schallwandleranordnung zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schwallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum mit einer Leiterplatte und einer mehrschichtigen piezoelektrischen Struktur, mittels der eine dafür vorgesehene Membran in Schwingung versetzbar und/oder Schwingungen einer Membran erfassbar sind. Des Weiteren betriff die Erfindung eine Schallwandleranordnung zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum mit einer Membran, einer Kavität und einem MEMS-Leiterplattenmodul, das eine Leiterplatte und eine mehrschichtige piezoelektrische Struktur umfasst, mittels der die Membran in Schwingung versetzbar und/oder Schwingungen der Membran erfassbar sind. Zudem betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein entsprechendes MEMS-Leiterplattenmodul und/oder eine entsprechende Schallwandleranordnung. Die Bezeichnung MEMS steht für mikroelektromechanische Systeme. Unter der Begrifflichkeit "Kavität" ist ein Hohlraum zu verstehen, mittels dem der Schalldruck des MEMS-Schwallwandlers verstärkt werden kann. Derartige Systeme werden besonders in elektronischen Geräten verbaut, die nur wenig Bauraum bieten, jedoch hohen Belastungen Stand halten müssen. Aus der DE 10 2013 114 826 ist ein MEMS-Schallwandler zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum mit einem Trägersubstrat, einem in dem Trägersubstrat ausgebildeten Hohlraum und einer mehrschichtigen piezoelektrischen Membranstruktur bekannt. Bei derartigen MEMS-Schallwandlern wird der Halbleiter Silicium als Material für Trägersubstrate verwendet. Dieses Material ist jedoch sehr teuer, was sich negativ auf die Herstellungskosten derartiger MEMS-Schallwandler auswirkt.
Das Dokument DE 10 2010 005654 A1 zeigt eine Signalgebereinrichtung mit einem elektrischen akustischen Signalgeber, der eine Piezokeramikscheibe auf einer Metallmembran aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein MEMS-Leiterplattenmodul, eine Schallwandleranordnung sowie ein Herstellungsverfahren zu schaffen, so dass die Herstellungskosten reduziert werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein MEMS-Leiterplattenmodul, eine Schallwandleranordnung sowie ein Herstellungsverfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
Vorgeschlagen wird ein MEMS-Leiterplattenmodul für eine Schallwandleranordnung zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum. Das MEMS-Leiterplattenmodul umfasst eine Leiterplatte. Die Leiterplatte ist vorzugsweise aus einem elektrisch isolierendem Material hergestellt und umfasst vorzugsweise zumindest eine elektrische Leitschicht. Neben der Leiterplatte umfasst das MEMS-Leiterplattenmodul eine Struktur. Die Struktur ist mehrschichtig und piezoelektrisch ausgebildet. Mittels dieser Struktur ist eine dafür vorgesehene Membran in Schwingung versetzbar. Alternativ oder zusätzlich sind mittels der piezoelektrischen Struktur Schwingungen der Membran erfassbar. Die Struktur wirkt demnach als Aktuator und/oder Sensor. Die mehrschichtige piezoelektrische Struktur ist mit der Leiterplatte unmittelbar verbunden. Dabei ist vorzugsweise zumindest eine Schicht der Struktur durch die Leitschicht der Leiterplatte ausgebildet.
Durch diese integrative Ausbildung der Struktur in die Leiterplatte kann das vorgeschlagene MEMS-Leiterplattenmodul einfach und kostengünstig hergestellt werden. Auf diese Weise ist es möglich, zudem elektrische Komponenten direkt in die Leiterplatte einzubetten und mit den dafür vorgesehenen Bauteilen, wie der Struktur allein durch einfache Durchkontaktierungen zu verbinden.
Ebenso kann das vorgeschlagene MEMS-Leiterplattenmodul durch die zumindest teilweise integrative Ausbildung der Struktur in die Leiterplatte sehr brauraumsparend ausgebildet werden, da zusätzliche Bauteile, insbesondere zusätzliche Trägersubstrate, eingespart werden können. Zudem resultiert aus der Verwendung einer entsprechenden Leiterplattentechnologie eine erhebliche Kostenersparnis, da der hohe Kostenfaktor des teuren Siliziums für das Trägersubstrat entfällt. Ebenso können auf diese Weise bei Bedarf auch flächenmäßig größere Lautsprecher günstig hergestellt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Leiterplatte als Strukturträger, insbesondere als Tragrahmen, der Struktur ausgebildet ist. Die Struktur, die vorzugsweise zumindest einen Kantilever bzw. Kragarm umfasst, ist somit gegenüber der Leiterplatte entlang einer Hubachse bzw. z-Achse auslenkbar. Der Strukturträger dient demnach als Basis bzw. Tragelement für die gegenüber diesem auslenkbare Struktur.
Ferner ist es diesbezüglich vorteilhaft, wenn die Leiterplatte eine Aussparung aufweist. Die Aussparung erstreckt sich vorzugsweise vollständig durch die Leiterplatte hindurch. Die Struktur ist stirnseitig im Bereich einer Öffnung der Aussparung angeordnet. Alternativ ist die Struktur im Inneren der Aussparung angeordnet. Vorzugsweise erstreckt sich die Aussparung entlang der z-Achse bzw. Hubachse, in deren Richtung die dafür vorgesehene Membran zu schwingen vermag. Auf diese Weise bildet die Aussparung zumindest teilweise eine Kavität der Schallwandleranordnung. Das MEMS-Leiterplattenmodul kann somit sehr bauraumsparend ausgebildet werden, da zusätzliche Bauteile, insbesondere zusätzliche Gehäuseteile, zur vollständigen Ausbildung der Kavität kleiner dimensioniert oder sogar vollständig eingespart werden können. Das Volumen der Kavität kann durch eine Vergrößerung der Aussparung in der Leiterplatte selbst an den individuellen Anwendungsfall angepasst werden, wenn ein höherer Schalldruck benötigt wird. Ebenso kann die Aussparung durch die Leiterplatte selbst oder durch ein Gehäuseteil verschlossen sein. Die Kavität der Schallwandleranordnung kann mittels der Aussparung schnell, einfach und kostengünstig an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
Zudem ist es von Vorteil, wenn die Struktur in einem der Leiterplatte zugewandten Verankerungsbereich fest, insbesondere mittels Lamination, mit der Leiterplatte verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Struktur in der Leiterplatte eingebettet und/oder in ihrem Verankerungsbereich einlaminiert. Die Struktur kann somit kostengünstig bereits während des Herstellungsverfahrens der Leiterplatte in diese integriert werden. Vorangegangene Herstellungsschritte zum Verbinden der Membran mit einem Siliziumsubstrat können somit entfallen. Wenn die Struktur in die Leiterplatte eingebettet ist, ist deren Verankerungsbereich von zumindest zwei Seiten, d.h. zumindest von der Ober- und der Unterseite, mit der Leiterplatte, insbesondere mit den jeweils korrespondierenden Schichten der Leiterplatte, verbunden, insbesondere verklebt.
Vorteilhaft ist es, wenn die Struktur eine Aktuatorstruktur ist. Die Aktuatorstruktur ist vorzugsweise aus zumindest einer piezoelektrischen Schicht ausgebildet. Fungiert die Schallwandleranordnung, für die das MEMS-Leiterplattenmodul vorgesehen ist, beispielsweise als Lautsprecher, so ist die Aktuatorstruktur derart anregbar, dass eine dafür vorgesehene Membran zur Erzeugung von Schallenergie in Schwingung versetzt wird. Fungiert die Schallwandleranordnung hingegen als Mikrofon, werden die Schwingungen durch die Aktuatorstruktur in elektrische Signale umgewandelt. Die Aktuatorstruktur kann somit, insbesondere über eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), individuell und kostengünstig an verschiedene Anforderungen angepasst werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es von Vorteil, wenn die Struktur eine Sensorstruktur ist. Die Sensorstruktur bildet dabei vorzugsweise einen Positionssensor aus, mittels dem die Auslenkung einer dafür vorgesehenen Membran erfassbar und auswertbar ist. Auf Basis der Auswertung kann die Aktuatorstruktur geregelt angesteuert werden, so dass die Membran je nach Gegebenheit ausgelenkt wird. Äußere Einflüsse und Alterungseffekte können auf diese Weise kompensiert werden.
Alternativ oder ergänzend ist es von Vorteil, wenn die Struktur zumindest eine Tragschicht aus Metall, insbesondere aus Kupfer, umfasst. Die Tragschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 1 bis 50 µm auf. Durch die elektrisch leitfähige Tragschicht, können die elektronischen Bauelemente des MEMS-Leiterplattenmoduls miteinander verbunden werden. Durch die Verwendung der sehr feinen Tragschicht ist die Struktur sehr kompakt ausgebildet.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Leiterplatte ein mehrschichtiges Faserverbundbauteil ist. Die Leiterplatte weist dabei mehrere Schichten aus elektrisch isolierendem Material auf. Zwischen den isolierenden Schichten sind elektrische Leitschichten aus Kupfer angeordnet, welche mittels Durchkontaktierungen miteinander verbunden sein können. Da die Struktur unmittelbar mit der Leiterplatte verbunden ist, können die zur Funktionsfähigkeit des MEMS-Leiterplattenmoduls notwendigen Verbindungen durch eine derartig ausgebildete Leiterplatte kostengünstig und bauraumsparend realisiert werden.
Zusätzlich oder alternativ ist es von Vorteil, wenn die Leiterplatte ein laminiertes Faserverbundbauteil ist. Auf diese Weise ist eine Leiterplatte ausgebildet, deren einzelne Schichten derart stabil miteinander verbunden sind, dass auch bei Stößen oder anderen äußeren Einflüssen die Funktionsfähigkeit des Systems gewährleistet ist.
Alternativ oder ergänzend ist es von Vorteil, wenn die Leiterplatte zumindest eine elektrische Leitschicht aus Metall aufweist. Um die Leiterplatte kompakt und ohne zusätzliche Bauteile mit der Struktur zu verbinden, ist es vorteilhaft, wenn die elektrische Leitschicht die Tragschicht der Struktur ausbildet.
Einen weiteren Vorteil stellt es dar, wenn die Struktur zumindest eine Piezoschicht aufweist, welche mit der Tragschicht vorzugsweise elektrisch gekoppelt ist. Die zur Auslenkung der Membran notwendige mechanische Bewegung der Struktur kann somit einfach realisiert werden, da die elektrische Spannung der Tragschicht direkt und ohne zusätzliche Kontakte von der Piezoschicht genutzt werden kann. Ebenso kann durch die Auslenkung der Membran eine elektrische Spannung erzeugt und somit die Schallwellen erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich ist die Piezoschicht von der Tragschicht vorteilhafterweise elektrisch entkoppelt. Die Entkopplung erfolgt dabei durch eine zwischen Piezoschicht und Tragschicht angeordnete Isolierschicht.
Vorteilhaft ist es, wenn die mehrschichtige Struktur zwei piezoelektrische Schichten aufweist. Diese sind vorzugsweise jeweils zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnet. Hierbei kann eine der, insbesondere vier Elektrodenschichten, durch die Tragschicht ausgebildet sein. Die Tragschicht besteht hierfür vorzugsweise aus einem Metall, insbesondere Kupfer. Wenn die Struktur mehrere piezoelektrische Schichten aufweist, kann die Struktur mehr Kraft erzeugen und eine größere Auslenkung bewirken. Diesbezüglich ist es ferner vorteilhaft, wenn die Struktur mehr als zwei piezoelektrische Schichten aufweist.
Vorteilhaft ist es, wenn eine Piezoschicht der Struktur als Sensor und eine andere Piezoschicht als Aktuator ausgebildet ist. Alternativ kann auch eine Piezoschicht mehrere voneinander getrennte Bereiche umfassen, von denen ein Bereich als Sensor und ein anderer Bereich als Aktuator ausgebildet ist.
Um bei einer Auslenkung der Piezoschicht ein elektrisches Signal erfassen zu können und/oder um die Piezoschicht über das Anlegen einer Spannung aktiv auslenken zu können, ist die Piezoschicht vorzugsweise zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnet. Die Tragschicht bildet dabei eine dieser beiden Elektrodenschichten.
Vorteilhaft ist es, wenn die Struktur einen Zentralbereich aufweist, an dem ein Koppelelement befestigt ist. Das Koppelelement und die Leiterplatte sind dabei vorzugsweise aus dem gleichen Material, insbesondere einem Faserverbundmaterial, hergestellt. Das Koppelelement ist mit der dafür vorgesehenen Membran verbindbar, so dass diese infolge einer Hubbewegung der Struktur in z-Richtung bzw. entlang der Hubachse ausgelenkbar ist.
Ein weiterer Vorteil ist es, wenn die Struktur einen Aktuator-/Sensorbereich aufweist. Dieser Bereich ist jeweils zwischen dem Verankerungsbereich und dem Zentralbereich angeordnet. Ergänzend oder alternativ ist der Aktuator-/Sensorbereich über zumindest ein flexibles Verbindungselement mit dem Zentralbereich verbunden. Die über den piezoelektrischen Effekt generierte Spannung kann von der Sensorik erfasst und zur Auswertung bereitgestellt werden, so dass die IST-Position der Membran in einfacher Art und Weise ermittelt werden kann. Durch den Aktuator-/Sensorbereich können unterschiedliche Geometrien ausgebildet werden, um verschiedene Bereiche und Vibrationsmodi effizient zu kontrollieren. Durch die in die Leiterplatte integrierte Struktur sowie den Aktuator-/Sensorbereich kann die Leistungsfähigkeit und die Klangqualität der Schallwandleranordnung ohne zusätzlichen Platzbedarf gesteigert werden.
Ein ASIC ist vorteilhafterweise vollständig gekapselt in die Leiterplatte eingebettet. Alternativ oder zusätzlich sind auch elektrische Zusatzkomponenten vollständig gekapselt in die Leiterplatte eingebettet. Die Funktionsfähigkeit der Schallwandleranordnung kann ohne zusätzliches Trägermaterial hergestellt werden. Der ASIC bzw. die elektrische Zusatzkomponenten können im Herstellungsverfahren in die Leiterplatte integriert und mittels Durchkontaktierungen mit den zugehörigen Bauteilen verbunden werden.
Einen weiteren Vorteil stellt es dar, wenn die Leiterplatte zumindest einen Außenkontakt zum elektrischen Verbinden mit einer externen Vorrichtung aufweist. Der Außenkontakt ist dabei frei zugänglich an einer Außenseite des Leiterplattenmoduls angeordnet.
Vorgeschlagen wird zudem eine Schallwandleranordnung zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum. Die Schallwandleranordnung weist eine Membran, eine Kavität und ein MEMS-Leiterplattenmodul auf. Das MEMS-Leiterplattenmodul umfasst eine mehrschichtige piezoelektrische Struktur. Mittels der piezoelektrischen Struktur ist die Membran in Schwingungen versetzbar. Alternativ oder ergänzend sind mittels der Struktur Schwingungen der Membran erfassbar. Das MEMS-Leiterplattenmodul ist gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.
Durch die in die Leiterplatte integrierte Struktur kann die Schallwandleranordnung kostengünstig hergestellt werden. Die Struktur, insbesondere deren Tragschicht, kann während der schichtweisen Herstellung einfach in die Leiterplatte eingebettet und mit den erforderlichen elektronischen Komponenten verbunden werden. Dadurch können auf einfache Art und Weise auch unterschiedliche Leiterplattenformen realisiert werden.
Vorteilhafterweise ist die Membran in ihrem Randbereich unmittelbar mit der Leiterplatte verbunden. Alternativ ist es von Vorteil, wenn die Schallwandleranordnung ein Membranmodul umfasst. Das Membranmodul weist die Membran und einen Membranrahmen auf. Der Membranrahmen hält die Membran in ihrem Randbereich. Ergänzend oder alternativ ist das Membranmodul über den Membranrahmen mit dem MEMS-Leiterplattenmodul verbunden. Der modulare Aufbau der Schallwandleranordnung ermöglicht es, die einzelnen Module, insbesondere das MEMS-Leiterplattenmodul und das Membranmodul vor dem Zusammenfügen unabhängig voneinander auf seine Funktionsfähigkeit zu testen. Fehlerbehaftete Module können durch die erfindungsgemäße Schallwandleranordnung früh identifiziert werden, so dass die Anzahl defekter Systeme auf diese Weise reduziert werden kann.
Einen weiteren Vorteil stellt es dar, wenn die Kavität zumindest teilweise durch eine Aussparung der Leiterplatte ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Kavität durch ein Gehäuseteil, insbesondere aus Metall oder Kunststoff, ausgebildet. Das Gehäuseteil ist vorzugsweise an der dem Membranmodul abgewandten Seite mit dem MEMS-Leiterplattenmodul verbunden. Die Kavität kann dadurch schnell, einfach und kostengünstig an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden, ohne herbei die Leiterplatte verändern zu müssen.
Die Membran weist vorteilhafterweise ein, insbesondere mehrschichtiges, Verstärkungselement auf. Durch das Verstärkungselement ist die empfindliche Membran vor Beschädigungen durch zu große Bewegungen der Membran aufgrund von zu hohem Schalldruck oder äußeren Erschütterungen oder Stößen geschützt. Alternativ oder ergänzend ist die Membran in einem inneren Verbindungsbereich mit einem Koppelelement des MEMS-Leiterplattenmoduls verbunden. Durch die Struktur kann eine Hubbewegung erzeugt werden, mittels der die Membran auslenkbar ist.
Vorgeschlagen wird zudem ein Herstellungsverfahren für ein MEMS-Leiterplattenmodul und/oder eine Schallwandleranordnung. Das MEMS-Leiterplattenmodul und die Schallwandleranordnung sind gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Bei dem vorgeschlagenen Herstellungsverfahren wird eine mehrschichtige Leiterplatte hergestellt. Hierfür werden zumindest eine metallische Leitschicht und mehrere Leiterplatten-Trägerschichten durch Lamination miteinander verbunden. Die Leiterplatten-Trägerschichten sind dabei insbesondere aus Faserverbundmaterial. Eine mehrschichtige piezoelektrische Struktur wird ausgebildet und mit der Leiterplatte in einem der Leiterplatte zugewandten Verankerungsbereich unmittelbar und fest durch Lamination verbunden. Eine Piezoschicht der Struktur ist somit in die mehrschichtige Leiterplatte, insbesondere unmittelbar auf die Leitschicht, einlaminiert.
Der lagenweise Aufbau von Leiterplatten aus Kupferfolien und Leiter-Plattenträgerschichten, insbesondere Trägermaterial, kann somit einfach und kostengünstig mit der Herstellung der Struktur verbunden werden. Auf diese Weise können alle zur Funktionsfähigkeit notwendigen, in die Leiterplatte eingebetteten Komponenten einfach miteinander kontaktiert werden. Hierfür müssen durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren lediglich die einzelnen Leitschichten mittels Durchkontaktierungen verbunden werden. Ebenso kann die Leiterplattengeometrie kostengünstig an individuelle Anwendungsfälle angepasst werden.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:

Figur 1: ein MEMS-Leiterplattenmodul in einer Schnittansicht,
Figur 2: einen Detailausschnitt des gemäß Figur 1 dargestellten MEMS-Leiterplattenmoduls im Verbindungsbereich zwischen einer piezoelektrischen Struktur und einer Leiterplatte,
Figur 3: ein weiteres Ausführungsbeispiel des MEMS-Leiterplattenmoduls in einem Detailausschnitt,
Figur 4: eine schematische Detailansicht einer piezoelektrischen Struktur,
Figur 5: ein zweites Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Struktur in einer schematischen Detailansicht,
Figur 6: eine Schallwandleranordnung in einer Schnittansicht,
Figur 7: ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schallwandleranordnung in einer Schnittansicht,
Figur 8: ein drittes Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Struktur mit einem Aktuator-/Sensorbereich in einer Draufsicht.

Bei der nachfolgenden Figurenbeschreibung werden, um die Beziehungen zwischen den verschiedenen Elementen zu definieren, bezugnehmen auf die jeweils in den Figuren dargestellte Lage der Objekte relative Begriffe, wie beispielsweise oberhalb, unterhalb, oben, unten, darüber, links, rechts, vertikal oder horizontal, verwendet. Es versteht sich von selbst, dass sich diese Begrifflichkeiten bei einer Abweichung von der in den Figuren dargestellten Lage der Vorrichtung und/oder Elemente verändern können. Demnach würde beispielsweise bei einer in Bezug auf die Figuren dargestellten invertierten Orientierung der Vorrichtung 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 Figur 1 zeigt ein MEMS-Leiterplattenmodul 1 in einer Schnittansicht. Das MEMS-Leiterplattenmodul 1 ist für eine Schallwandleranordnung 2 (vgl. Figuren 6 und 7) zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum vorgesehen. Das MEMS-Leiterplattenmodul 1 umfasst im Wesentlichen eine Leiterplatte 4 und eine mehrschichtige piezoelektrische Struktur 5. Die Leiterplatte 4 ist ein mehrschichtiges Faserverbundbauteil mit zumindest einer elektrischen Leitschicht 8 aus Metall. Die Leiterplatte 4 umfasst einen ASIC 27 und/oder passive elektronische Zusatzkomponenten 28, die vollständig in die Leiterplatte 4 integriert sind.
Der ASIC 27 und/oder die passive elektronische Zusatzkomponenten 28 sind somit durch die Leiterplatte 4 vollständig gekapselt.
Die Leiterplatte 4 weist eine Aussparung 17 mit einer ersten Öffnung 18 und einer der ersten Öffnung 18 gegenüberliegenden zweiten Öffnung 19 auf. Die Aussparung 17 erstreckt sich somit vollständig durch die Leiterplatte 4 hindurch. Sie ist ein durchgehendes Loch, so dass die Leiterplatte 4 als umfangsmäßig geschlossener Rahmen, insbesondere als Tragrahmen 15, ausgebildet ist. In diesem Tragrahmen 15 ist neben dem ASIC 27, den Zusatzkomponenten 28 auch die Struktur 5, in einem Verankerungsbereich 21, integriert.
Die Struktur 5 ist im Inneren der Aussparung 17 unmittelbar mit der Leiterplatte 4 verbunden. Die Leiterplatte 4 bildet demnach einen Strukturträger, der die Struktur 5 trägt und gegenüber diesen die Struktur 5 ausgelenkt werden kann. Die piezoelektrische Struktur 5 weist eine Tragschicht 7 und einen piezoelektrischen Funktionsbereich 9 auf. In ihrem äußeren Bereich weist die Struktur 5 den Verankerungsbereich 21 auf. In diesem der Leiterplatte 4 zugewandten Verankerungsbereich 21 ist die Struktur 5 fest mit der Leiterplatte 4, insbesondere der Leitschicht 8, verbunden. Die Leitschicht 8 bildet dabei im Wesentlichen die Tragschicht 7 der Struktur 5 aus, die auf diese Weise in die Leiterplatte 4 integriert ist.
Zudem weist die Struktur 5 einen Zentralbereich 22 auf, der im Wesentlichen mittig im Inneren der Aussparung 17 angeordnet ist. Die Struktur 5 ist in diesem Zentralbereich 21 über zumindest ein flexibles Verbindungselement 26 mit einem Koppelelement 23 verbunden. Das Koppelelement 23 und die Leiterplatte 4 sind vorzugsweise aus dem gleichen Material, insbesondere einem Faserverbundmaterial, hergestellt. Die Struktur 5 kann das Koppelelement 23 gegenüber der Leiterplatte 4 in z-Richtung bzw. entlang der Hubachse aus der vorliegend dargestellten Neutralstellung auslenken.
Die Aussparung 17 bildet zumindest teilweise eine Kavität 20 der in den Figuren 6 und 7 vollständig dargestellten Schallwandleranordnung 2 aus. Die Leiterplatte 4 weist zudem einen Außenkontakt 29 zum elektrischen Verbinden mit einer hier nicht dargestellten externen Vorrichtung auf.
Figur 2 zeigt einen Detailausschnitt des MEMS-Leiterplattenmoduls 1 gemäß Figur 1 im Querschnitt, insbesondere im Verbindungsbereich zwischen der Leiterplatte 4 und der Struktur 5. Die mehrschichtige Leiterplatte 4 ist ein laminiertes Faserverbundbauteil, das zumindest eine erste Leitschicht 8 und eine zweite Leitschicht 34 aufweist. Die beiden Leitschichten 8, 34 sind durch Leiterplatten-Trägerschichten 14 elektrisch voneinander entkoppelt. Die Struktur 5 ist in ihrem Verankerungsbereich 21 mit der Leiterplatte 4 verbunden. Dabei bildet die erste Leitschicht 8 der Leiterplatte 4 die Tragschicht 7 der Struktur 5 aus. Der piezoelektrische Funktionsbereich 9 (vgl. Figuren 4 und 5) wird von der Tragschicht 7 getragen.
Die Tragschicht 7 ist in die Leiterplatte 4 einlaminiert und somit mit dieser unmittelbar verbuden. Der Funktionsbereich 9 ist über die Tragschicht 7 fest mit der Leiterplatte 4 verbunden. Die Funktionsschicht 9 kann auf der Tragschicht 7 auflaminiert sein.
Über einen Außenkontakt 29, welcher an einer Seite der Leiterplatte 4 angeordnet ist, können externe Vorrichtungen mit der Schallwandleranordnung 2 verbunden werden. Hierfür kann die Leiterplatte 4 im Bereich der zweiten Leitschicht 34 die Zusatzkomponenten 28 bzw. den ASIC 27 (vgl. Figur 3) aufweisen, wobei diese in Figur 2 nur schematisch angedeutet sind.
In der Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform des MEMS-Leiterplattenmoduls 1 gezeigt, wobei folgend im Wesentlichen auf die Unterschiede in Bezug auf die bereits beschriebene 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.
Figur 3 zeigt das MEMS-Leiterplattenmodul 1 in einem Detailschnitt, wobei hier die Struktur 5 nicht im Inneren der Aussparung 17, sondern im Bereich der ersten Öffnung 18 angeordnet ist. Dabei ist die erste Leitschicht 8 unmittelbar mit der Tragschicht 7 verbunden. Es wäre auch denkbar, die Struktur 5 im Bereich der zweiten Öffnung 19 mit der Leiterplatte 4 zu verbinden. Der Funktionsbereich 9 ist zumindest teilweise in die Leiterplatte 4 eingebettet und wird im Bereich der ersten Öffnung 18 von der Tragschicht 7 getragen. Die Leiterplatte 4 bildet demnach einen Strukturträger, der die Struktur 5 trägt und gegenüber diesen die Struktur 5 ausgelenkt werden kann.
Die zweite Leitschicht 34 ist mit dem ASIC 27 verbunden. Der ASIC 27 stellt dabei eine eingekapselte Steuerung dar, welche mit der zweiten Leitschicht 34 elektrisch verbunden ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der ASIC 27 in einem Hohlraum der Leiterplatte 4 eingekapselt. Alternativ oder zusätzlich kann der ASIC 27 jedoch auch mit Kunstharz umhüllt oder eingegossen sein. Ebenso wie der ASIC 27 kann auch die elektrische Zusatzkomponente 28 mit einer der Leitschichten 8, 34 gekoppelt sein.
Figur 4 zeigt eine Detailansicht der piezoelektrischen Struktur 5. Die Struktur 5 weist die Tragschicht 7 sowie den Funktionsbereich 9 auf. Der Funktionsbereich 9 umfasst eine Piezoschicht 10, die vorzugsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und/oder Aluminiumnitrid (ALN) besteht. Um bei einer Auslenkung der Piezoschicht 10 ein elektrisches Signal erfassen zu können und/oder um die Piezoschicht 10 über das Anlegen einer Spannung aktiv auslenken zu können, ist die Piezoschicht 10 zwischen einer oberen Elektrodenschicht 12 und einer unteren Elektrodenschicht 13 eingebettet. Die Tragschicht 7 der Leiterplatte 4 bildet dabei die untere Elektrodenschicht 13 aus, wobei die Struktur 5 über diese unmittelbar in die Leiterplatte 4 eingebettet bzw. integriert ist.
In Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform der Struktur 5 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel weist gemäß der in Figur 4 dargestellten Struktur 5 eine Piezoschicht 10 auf, die sandwichartig zwischen zwei Elektrodenschichten 12, 13 angeordnet sind. Diese Schichtkombination stellt die Basis für das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel dar. Bei der nachfolgenden Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels werden im Vergleich zu dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet. Sofern diese nicht nochmals erläutert werden, entspricht deren Ausgestaltung und Wirkweise den vorstehend bereits beschriebenen Merkmalen.
Gemäß dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Struktur 5 neben den beiden Elektrodenschichten 12, 13 und der Piezoschicht 10 eine Isolierschicht 11 auf, die insbesondere aus Siliciumoxid ausgebildet ist. Die untere Elektrodenschicht 13 wird in diesem Ausführungsbeispiel nicht durch die Tragschicht 7 der Leiterplatte 4 selbst, sondern durch eine zusätzliche Schicht in dem Funktionsbereich 9 ausgebildet. Durch die Isolierschicht 11 ist die untere Elektrodenschicht 13 von der Tragschicht 7 elektrisch entkoppelt.
Figur 6 zeigt eine erste Ausführungsform der Schallwandleranordnung 2 in einer Schnittansicht. Die Schallwandleranordnung 2 umfasst das MEMS-Leiterplattenmodul 1, die Membran 6 und den Membranrahmen 16. Die Membran 6 ist in z-Richtung bzw. entlang der Hubachse schwingbar von dem Membranrahmen 16 aufgenommen. Die Membran 6 und der Membranrahmen 16 bilden im Wesentlichen ein Membranmodul 3 aus. Die Leiterplatte 4 ist in ihrem äußeren Rahmenbereich mit einem äußeren Verbindungsbereich 33 des Membranmoduls 3, insbesondere mit dem Membranrahmen 16, verbunden. Zwischen der Membran 6 und dem Koppelelement 23 ist ein innerer Verbindungsbereich 32 ausgebildet. Die Membran 6 überspannt somit den Membranrahmen 16 und ist in ihrem mittleren Bereich versteift.
Die Aussparung 17 bildet zumindest teilweise eine Kavität 20 der Schallwandleranordnung 2 aus. Die Kavität 20 ist an der dem Membranrahmen 16 abgewandten Seite des MEMS-Leiterplattenmoduls 1 von einem Gehäuseteil 30 verschlossen. Das Gehäuseteil 30 ist aus Metall oder Kunststoff ausgebildet und weist einen Gehäusehohlraum 35 auf, welcher zusätzlich zur Aussparung 17 die Kavität 20 ausbildet. Die Größe des Gehäusehohlraums 35 kann in Abhängigkeit des zu erzeugenden Schalldrucks gewählt werden.
Die Struktur 5 ist unterhalb der Membran 6 und/oder im Wesentlichen parallel zu dieser angeordnet. Die Tragschicht 7 der Struktur 5 ist unmittelbar mit einer der Leitschichten 8, 34 der Leiterplatte 4 verbunden und gegenüber dieser in z-Richtung auslenkbar. Die Piezoschicht 10 ist ausgebildet, um eine uni- oder bidirektionale Hubbewegung der Struktur 5 zur Auslenkung der Membran 6 hervorzurufen. Die Piezoschicht 10 wirkt demnach mit der Membran 6 zusammen, um elektrische Signale in akustisch wahrnehmbare Schallwellen zu wandeln. Alternativ können die akustisch wahrnehmbaren Schallwellen in elektrische Signale umgewandelt werden.
Die Struktur 5 ist über in den Figuren nicht weiter dargestellten Kontakte mit dem ASIC 27 verbunden. Die Schallwandleranordnung 2 kann somit über den ASIC 27 angesteuert bzw. betrieben werden, so dass beispielsweise durch die piezoelektrische Struktur 5 die Membran 6 zur Erzeugung von Schallenergie gegenüber dem Membranrahmen 16 in Schwingung versetzt werden kann.
In der Figur 7 ist eine weitere Ausführungsform der Schallwandleranordnung 2 gezeigt, wobei folgend im Wesentlichen auf die Unterschiede in Bezug auf die bereits beschriebene 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.
An einer Unterseite der Membran 6 ist, insbesondere in ihrem mittleren Bereich, ein Verstärkungselement 31 angeordnet, welches selbst nicht mit dem Membranrahmen 16 verbunden ist. Das Verstärkungselement 31 kann somit gemeinsam mit der Membran 6 gegenüber dem Membranrahmen 16 in z-Richtung schwingen. Zudem ist der innere Verbindungsbereich 32 der Membran 6 auf diese Weise versteift. Der Membranrahmen 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel von der Leiterplatte 4 selbst und folglich aus dem gleichen Material ausgebildet. Der Membranrahmen 16 und die Leiterplatte 4 sind somit einteilig ausgebildet.
Gemäß Figur 7 weist die Schallwandleranordnung 2 keine separaten Gehäuseteile 30 auf. Die Kavität 20 wird hier durch die Leiterplatte 4 selbst ausgebildet und verschlossen. Eine Ausbildung des Membranrahmens 16 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Schallwandleranordnung 2 ist jedoch ebenso denkbar.
Figur 8 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Struktur 5 in einer Draufsicht. Die Struktur 5, der insbesondere als Kragarm ausgebildet ist, weist zumindest einen Aktuatorbereich 24 und einen Sensorbereich 25 auf. Der Aktuator-/Sensorbereich 24, 25 ist zwischen dem Verankerungsbereich 21 und dem Zentralbereich 22 angeordnet. Die Verbindung mit dem Zentralbereich 22 erfolgt über zumindest ein flexibles Verbindungselement 26. Der Sensorbereich 25 ist dabei vorzugsweise als Positionssensor ausgebildet, um dem ASIC 27 ein von der Membranauslenkung abhängiges Sensorsignal bereitzustellen. Hierbei werden die elastischen Schwingungseigenschaften des Verbindungselementes 26 berücksichtigt. Die über den piezoelektrischen Effekt generierte Spannung, welche näherungsweise proportional zur Auslenkung der Struktur 5 ist, wird über die Elektrodenschichten 12, 13 (vgl. Fig. 4 und 5) abgegriffen und ausgewertet. Basierend auf dem Steuersignal kann die Struktur 5 von dem ASIC 27 geregelt angesteuert werden.
Der Sensorbereich 25 und der Aktuatorbereich 24 sind durch eine gemeinsame piezoelektrische Schicht 10 ausgebildet. Dabei ist zumindest ein Bereich ein Sensorbereich 25, durch welchen zwei Aktuatorbereiche 24 voneinander beabstandet sind. Die Aktuatorbereiche 24 sind elektrisch voneinander isoliert. Die beiden Bereiche 24, 25 können aus zueinander unterschiedlichem Material, insbesondere aus Blei-Zirkonat-Titanat oder Aluminiumnitrid, ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind möglich.

Bezugszeichenliste

1: MEMS-Leiterplattenmodul
2: Schallwandleranordnung
3: Membranmodul
4: Leiterplatte
5: Struktur
6: Membran
7: Tragschicht
8: Erste Leitschicht
9: Funktionsbereich
10: Piezoschicht
11: Isolierschicht
12: Obere Elektrodenschicht
13: Untere Elektrodenschicht
14: Leiterplatten-Trägerschichten
15: Tragrahmen
16: Membranrahmen
17: Aussparung
18: Erste Öffnung
19: Zweite Öffnung
20: Kavität
21: Verankerungsbereich
22: Zentralbereich
23: Koppelelement
24: Aktuatorbereich
25: Sensorbereich
26: Verbindungselement
27: ASIC
28: Zusatzkomponenten
29: Außenkontakt
30: Gehäuseteil
31: Verstärkungselement
32: Innerer Verbindungsbereich
33: Äußerer Verbindungsbereich
34: Zweite Leitschicht
35: Gehäusehohlraum

Claims

MEMS-Leiterplattenmodul (1) für eine Schallwandleranordnung (2) zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum mit
einer Leiterplatte (4) und
einer mehrschichtigen piezoelektrischen Struktur (5), mittels der eine dafür vorgesehene Membran (6) in Schwingungen versetzbar und/oder Schwingungen der Membran (6) erfassbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mehrschichtige piezoelektrische Struktur (5) mit der Leiterplatte (4) in einem der Leiterplatte (4) zugewandten Verankerungsbereich (21) unmittelbar und fest verbunden ist.
MEMS-Leiterplattenmodul nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (4) als Strukturträger, insbesondere als Tragrahmen (15), der Struktur (5) ausgebildet ist.
MEMS-Leiterplattenmodul nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (4) eine, sich vorzugsweise vollständig durch diese hindurch erstreckende, Aussparung (17) aufweist, wobei die Struktur (5) insbesondere stirnseitig im Bereich einer Öffnung (18, 19) der Aussparung (17) oder im Inneren der Aussparung (17) angeordnet ist.
MEMS-Leiterplattenmodul nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verankerungsbereich (21) der Struktur (5) in die Leiterplatte (4) eingebettet und/oder in diese einlaminiert ist.
MEMS-Leiterplattenmodul nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5) eine Aktuator- und/oder Sensorstruktur ist und/oder
zumindest eine Tragschicht (7) aus Metall, insbesondere Kupfer, umfasst, welche vorzugsweise eine Dicke von 1 bis 50 µm aufweist.
MEMS-Leiterplattenmodul nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (4) ein mehrschichtiges und/oder laminiertes Faserverbundbauteil ist und/oder
zumindest eine elektrische Leitschicht (8) aus Metall aufweist, welche die Tragschicht (7) der Struktur (5) bildet.
MEMS-Leiterplattenmodul nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5) zumindest eine Piezoschicht (10) aufweist, welche mit der Tragschicht (7) elektrisch gekoppelt und/oder von dieser, insbesondere mittels einer dazwischen angeordneten Isolierschicht (11), elektrisch entkoppelt ist.
MEMS-Leiterplattenmodul nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoschicht (10) zwischen zwei Elektrodenschichten (12, 13) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Tragschicht (7) eine dieser beiden Elektrodenschichten (12, 13) bildet.
MEMS-Leiterplattenmodul nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5) einen Zentralbereich (22) aufweist, an dem ein Koppelelement (23) befestigt ist, wobei das Koppelelement (23) und die Leiterplatte (4) vorzugsweise aus dem gleichen Material, insbesondere einem Faserverbundmaterial, hergestellt sind.
MEMS-Leiterplattenmodul nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein ASIC (27) und/oder passive elektronische Zusatzkomponenten (28) vollständig gekapselt in die Leiterplatte (4) eingebettet sind.
MEMS-Leiterplattenmodul nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (4) zumindest einen Außenkontakt (29) zum elektrischen Verbinden mit einer externen Vorrichtung aufweist.
Schallwandleranordnung (2) zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum mit einer Membran (6) und
einem MEMS-Leiterplattenmodul (1),
das eine Leiterplatte (4) und
eine mehrschichtige piezoelektrische Struktur (5) umfasst, mittels der die Membran (6) in Schwingungen versetzbar und/oder Schwingungen der Membran (6) erfassbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass das MEMS-Leiterplattenmodul (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.
Schallwandleranordnung nach einem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (6) in ihrem Randbereich unmittelbar mit der Leiterplatte (4) verbunden ist oder
dass die Schallwandleranordnung (2) ein Membranmodul (3) umfasst, das die Membran (6) und einen Membranrahmen (16) aufweist, der die Membran (6) in ihrem Randbereich hält und/oder über den das Membranmodul (3) mit dem MEMS-Leiterplattenmodul (1) verbunden ist.
Schallwandleranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandleranordnung (2) eine Kavität (20) umfasst, die zumindest teilweise durch eine Aussparung (17) der Leiterplatte (4) und/oder ein Gehäuseteil (30), insbesondere aus Metall oder Kunststoff, ausgebildet ist, das vorzugsweise an der dem Membranmodul (3) abgewandten Seite mit dem MEMS-Leiterplattenmodul (1) verbunden ist.
Herstellungsverfahren für ein MEMS-Leiterplattenmodul (1) und/oder eine Schallwandleranordnung (2) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem eine mehrschichtige Leiterplatte (4) hergestellt wird,
indem zumindest eine metallische Leitschicht (8) und mehrere Leiterplatten-Trägerschichten (14), insbesondere aus Faserverbundmaterial, durch Lamination miteinander verbunden werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine mehrschichtige piezoelektrische Struktur (5) ausgebildet wird und mit der Leiterplatte (4) in einem der Leiterplatte (4) zugewandten Verankerungsbereich (21) unmittelbar und fest durch Lamination verbunden wird.