EP3632135A2 - Mikromechanischer schallwandler - Google Patents

Mikromechanischer schallwandler

Info

Publication number
EP3632135A2
EP3632135A2 EP18729366.7A EP18729366A EP3632135A2 EP 3632135 A2 EP3632135 A2 EP 3632135A2 EP 18729366 A EP18729366 A EP 18729366A EP 3632135 A2 EP3632135 A2 EP 3632135A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transducer
bending
micromechanical
micromechanical sound
sound transducer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP18729366.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3632135B1 (de
Inventor
Fabian STOPPEL
Bernhard Wagner
Shanshan Gu-Stoppel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority to EP23189034.4A priority Critical patent/EP4247006A3/de
Priority to EP23189032.8A priority patent/EP4247005A3/de
Publication of EP3632135A2 publication Critical patent/EP3632135A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3632135B1 publication Critical patent/EP3632135B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R31/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of transducers or diaphragms therefor
    • H04R31/003—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of transducers or diaphragms therefor for diaphragms or their outer suspension
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/02—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • H04R7/04—Plane diaphragms
    • H04R7/06—Plane diaphragms comprising a plurality of sections or layers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/02—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • H04R7/04—Plane diaphragms
    • H04R7/06—Plane diaphragms comprising a plurality of sections or layers
    • H04R7/10—Plane diaphragms comprising a plurality of sections or layers comprising superposed layers in contact
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/26—Damping by means acting directly on free portion of diaphragm or cone
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/02—Loudspeakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/04—Microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2440/00—Bending wave transducers covered by H04R, not provided for in its groups
    • H04R2440/01—Acoustic transducers using travelling bending waves to generate or detect sound
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2499/00—Aspects covered by H04R or H04S not otherwise provided for in their subgroups
    • H04R2499/10—General applications
    • H04R2499/11—Transducers incorporated or for use in hand-held devices, e.g. mobile phones, PDA's, camera's

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a micromechanical transducer with at least one bending actuator (generally bending transducer) and miniaturized gap as well as to a miniaturized transducer with a cascaded bending transducer. Additional embodiments relate to corresponding production methods.
  • MEMS Due to high-precision manufacturing processes and energy-efficient drive principles, MEMS have the potential to overcome these disadvantages and enable a new generation of transducers.
  • a fundamental problem so far has been the low sound pressure levels of MEMS transducers.
  • the primary reason for this is the difficulty of producing sufficiently high strokes with the smallest possible dimensions.
  • a membrane is required, which has a negative effect on the Intelauslenkung due to their additional spring stiffness.
  • the latter can be minimized by using very soft and three-dimensionally shaped membranes (eg with Toms), which, however, can not currently be produced using MEMS technology and, accordingly, complex and costly hybrid integration.
  • piezoelectric materials such as PZT, AIN or ZnO were applied directly to silicon-based acoustic transducer membranes, which, however, due to their low elasticity do not allow sufficiently large deflections.
  • Digital MEMS sound transducers based on arrays with electrostatically driven membranes, which however can only generate sufficiently high sound pressure at high frequencies, are described in [Gla13, US7089069, US20100316242A1]. Therefore, there is a need for a better approach.
  • Object of the present invention is to provide a micromechanical transducer, which represents an improved compromise of sound pressure, frequency response and manufacturing costs.
  • Embodiments of the present invention provide a micromechanical transducer (eg built in a substrate) with a first bending transducer or bending actuator and a second bending transducer or bending actuator.
  • the first bending actuator has a free end and, for example, at least one or two free sides and is configured to be excited, for example, by an audio signal for vertical oscillation and to emit sound.
  • the second bending actuator also has a free end and is disposed opposite to the first bending actuator such that the first and second bending actuators are suspended in a common plane.
  • the arrangement is configured such that a gap (eg, in the micrometer range) is formed between the first and second bending actuators, separating the two bending actuators.
  • the second bending actuator is always excited in phase with the first bending actuator to oscillate, which causes the conse- The result is that the gap remains essentially constant over the entire deflection of the bending actuators.
  • Embodiments for this aspect of the invention is based on the finding that by using a plurality of mutually separated bending transducers or actuators, which are separated from each other with a minimum (separation) gap, with identical deflection of the two transducers or actuators from the Level can be achieved that the gap between the two actuators remains almost constantly small (in the micrometer range), so that there are always high viscosity losses in the gap, which in effect prevent an acoustic short circuit between the rear volume and the front volume (of the Biegeaktuators) .
  • the present concept allows a significant increase in performance.
  • a micromechanical sound transducer with a first bending transducer or bending actuator (designed to be capable of vertical vibration) and a diaphragm element extending vertically (ie out of the plane of the substrate and thus also out of the plane of extent of the bending transducer) to the first bending transducer or bending actuator is produced created.
  • the shutter member is separated by a gap from the free end of the first bending actuator.
  • this aspect is that it can be achieved by the diaphragm element over the entire range of motion of the transducer or actuator (due to the vibration) that the distance between the diaphragm element and the free end of the actuator remains approximately constant.
  • This will have the same effect Achieved as above, namely that due to the high viscous losses at the free end (and possibly also the free sides) or in the gap an acoustic short circuit can be prevented.
  • One exemplary embodiment relates to a production method of such an actuator with diaphragm element.
  • This method comprises the steps of: patterning a layer to form the first bending actuator, and forming or depositing the vertical aperture element so that it extends beyond the layer of the first bending actuator.
  • vertical is to be understood as perpendicular (perpendicular to the substrate plane) or generally angled with respect to the substrate (angular range 75 ° -105 °).
  • the first and the second bending actuators are similar bending actuators. These may be, for example, flat, rectangular, trapezoidal or polygonal bending actuators. According to a further embodiment, these bending actuators may each have a triangular shape or a circular segment shape. The triangular or circular segment shape is frequently used in micro-mechanical transducers which comprise more than two bending actuators. In this respect, according to another embodiment, the micromechanical transducer comprises one or more further bending actuators, such as. B. three or four bending actuators.
  • either the simultaneous or in-phase control of the two bending actuators or the provision of the diaphragm element makes it possible, starting from a gap which (at rest) is less than 10% or even less than 5%; 2.5%, 1%, 0.1% or 0.01% of the area of the first bending actuator, the gap remains small over the entire range of motion, that is, even at deflection maximum 15% or even only 10% (or 1 % or 0, 1% or 0.01%) of the area of the first bending actuator.
  • the height of the diaphragm element is dimensioned such that it is at least 30% or 50% or preferably 90% or even 100% or more of the maximum deflection of the first bending actuator in linear operation (ie linear mechano). elastic range) or the maximum elastic deflection of the first bending transducer (generally 5-100%). Alternatively, the height depending on the gap width (at least 0.5 times, 1 times, 3 times or 5 times the gap width) or depending on the thickness of the bending transducer (at least 0.1 times, 0.5 times, 1 time, 3 times or 5 times) times thickness).
  • an aperture element may be arranged opposite to the free end, but also, for example, on the non-clamped sides around the bending actuator. This is particularly useful when the bending actuator is a cantilevered bending actuator.
  • the aperture member may have a varying geometry in its cross-section (e.g., a geometry curved / tilted toward the actuator) such that the slot has a substantially constant cross-section along the actuator movement.
  • the shutter may form a mechanical stop to prevent mechanical overloading.
  • a micromechanical sound transducer which comprises a controller which controls the second bending actuator in such a way that it is excited to oscillate in phase with the first bending actuator.
  • a sensor which detects the oscillation and / or the position of the first and / or the second bending actuator, in order to allow the control that the two bending actuators are driven in phase .
  • this principle can be used to determine the actual position of the sound-generating element with the help of well-integrated sensors. This is a great advantage and allows a much more accurate and reliable detection. This forms the basis for a controlled excitation (closed-loop), with which external influences, aging effects and nonlinearities can be electronically compensated.
  • the bending actuators can also have a so-called “cascading”, that is to say that the first and / or the second bending actuator each comprise at least a first and a second bending element. These elements are connected in series.
  • connection between the two bending elements can be formed, for example, by a flexible element
  • the micromechanical sound transducer can have an additional frame which is provided, for example, in the region of the transition between the first and the second bending element
  • a micromechanical sound transducer is provided with at least one, preferably two bending actuators, wherein each bending actuator comprises a first and a second bending element, which are connected in series.
  • each bending actuator comprises a first and a second bending element, which are connected in series.
  • Such bending actuators may according to a further embodiment instead of a separating gap also have a flexible connection.
  • Embodiments of this aspect of the invention is based on the finding that the in-series switching of a plurality of bending elements of a bending actuator makes it possible to achieve that different bending actuators are responsible for different frequency ranges.
  • the internal bending actuator may be designed for a high-frequency range, while the far-outer frequency range is operated for the low frequency.
  • the concept described allows cascading with several individually controllable actuator stages.
  • the frequency-separated control in combination with the piezoelectric drives can achieve significant increases in energy efficiency.
  • the good mode decoupling also offers advantages in the reproduction quality. Further advantages are z. B. the realization of particularly space-saving multi-way Schaliwandmin.
  • Another embodiment relates to a method for producing a micromechanical transducer with cascaded bending actuators.
  • the method comprises the steps of providing a first layer that forms the first (and second) bending actuators with the first and second flexures, respectively, and connecting the first and second flexures.
  • actuators in one another and / or to make them of different sizes, e.g. to cover different frequency ranges.
  • FIG. 1 a is a schematic representation of a micromechanical transducer with two bending actuators according to a basic embodiment
  • 1 b is a schematic representation of a micromechanical sound transducer with a bending actuator and a vertical diaphragm element according to another basic embodiment
  • Fig. 1 c is a schematic representation of a bending actuator with an arbitrary adjacent structure to illustrate the improvement of the concepts of Figures 1 a and 1 b over the prior art.
  • 3a-d are schematic plan views of Biegeaktuatorkonfigurationen according to embodiments; 4 is a schematic diagram illustrating a simulated sound pressure level for different embodiments;
  • FIG. 5 is a schematic representation of a micromechanical transducer with two bending actuators, each comprising a cascade, according to embodiments;
  • Figures 6a-c are schematic plan views of biaxial actuator configurations with cascading according to embodiments.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a simulated sound pressure level with a cascaded bend actuator configuration
  • FIG. 8a, b show schematic views or partial views of a plan view of a cascaded bending actuator configuration according to a further embodiment
  • Fig. 9 is a schematic diagram illustrating an FE-simulated one
  • 10a-c are schematic plan views of bending actuators arranged laterally
  • FIG. 12 shows a schematic representation of an array having a multiplicity of micromechanical sound transducers according to one exemplary embodiment
  • FIG. 13a-i show schematic representations of different implementations of the diaphragm structures explained in FIG. 1b, according to exemplary embodiments;
  • 14a-c are schematic representations of micromechanical sound transducers with a lid according to additional embodiments; 15a-h show schematic representations of plan views of micromechanical sound transducers according to embodiments; and
  • Fig. 16 is a schematic representation of a two-side clamped micromechanical sound transducer according to embodiments.
  • FIG. 1 a shows a sound transducer 1 with a first bending actuator 10 and a second bending actuator 12. Both are arranged or clamped in a plane E1, as can be seen from the clamping 10e and 12e.
  • the clamping can be realized by the bending actuators 10 and 12 are etched out of a common substrate (not shown), so that the bending actuators 10 and 12 are connected on one side to the substrate and under the actuators 10 and 12, a (common) cavity (not shown) is formed.
  • the bending actuators 10 and 12 shown here can be biased, for example, so that the illustration either represents a rest state or also shows a deflected snapshot (in this case, the dormant line represents the rest state).
  • the two actuators 10 and 12 are arranged horizontally next to each other, so that the actuators 10 and 12 or at least the restraints 10e and 12e lie in a common plane E1.
  • This statement preferably refers to the idle state, wherein in the pre-stressed case, the plane E1 mainly refers to the common clamping regions 10e and 12e.
  • the two actuators 10 and 12 are arranged opposite one another, so that between them a gap 14 of, for example, 5 ⁇ , 25 ⁇ or 50 ⁇ (generally in the range between 1 ⁇ and 90 ⁇ , preferably less than 50 ⁇ or less than 20 ⁇ ).
  • This gap 14, which separates the two cantilever bending actuators 12 and 14, may be referred to as a decoupling gap.
  • the decoupling gap 14 varies only minimally over the entire deflection range of the actuators 10 and 12, for example by a factor of 1, 1, 5 or 4 (generally in the range 0.5-5), ie variation of less than + 500%, + 300%, +100 % or + 75% or less + 50% of the gap width (at rest), so as to be able to dispense with an additional seal, as will be explained below.
  • the actuators 10 and 12 are preferably driven piezoelectrically. Each of these actuators 10 and 12 may, for example, have a layer structure and, in addition to the piezoelectric active layers, have one or more passive functional layers. Alternatively, electrostatic, thermal or magnetic drive principles are possible.
  • the actuators 10 and 12 If a voltage is applied to the actuators 12, then this deforms or in the piezoelectric case, the piezoelectric material of the actuators 10 and 12 and causes a bending of the actuators 10 and 12 out of the plane. This routing results in a displacement of air. In a cyclic control signal is then so the respective actuator 10 and 12 is excited to vibrate to emit a sound signal (or record in the case of a microphone).
  • the actuators 10 and 12 or the corresponding drive signal is designed so that adjacent actuator edges or the free end of the actuators 10 and 12 experience a nearly identical deflection from the plane E1.
  • the free ends are identified by the reference numerals 10f and 12f. As the actuators 10 and 12 and the free ends 10f and 12f move parallel to each other, they are in phase. In this respect, the deflection of the actuators 10 and 12 is referred to as in-phase.
  • FIG. 1 b shows a further variant of how an actuator of a micromechanical sound transducer without sealing can obtain a good sound pressure behavior.
  • the embodiment of FIG. 1 b shows the transducer V comprising the actuator 10, which is firmly clamped at the point 10 e.
  • the bending actuator 10 may be etched out of a substrate (not shown) such that a cavity (not shown) is formed below it.
  • the free end 10f can be made to oscillate over a region B.
  • a vertically arranged aperture element 22 is provided. see.
  • This diaphragm element is preferably at least as large or larger than the movement region B of the free end 10f.
  • the diaphragm elements 22 preferably extended on the front and / or rear side of the actuator, ie viewed from the plane E1 (substrate plane) in a lower plane and a higher plane (eg perpendicular to the substrate). Between the diaphragm element 22 and the free end 10f, a gap 14 'is provided comparable to the gap 14 of FIG. 1a.
  • the diaphragm element 22 makes it possible to keep the width of the provided decoupling gaps 14 'approximately equal even in the deflected state (see FIG. Thus, with this configuration, there are no significant openings due to the deflection with the adjacent edges, as shown for example in FIG. 1 c.
  • Fig. 1 c shows an actuator 10, which is also clamped at the point 10 e. Opposite an arbitrarily adjacent structure 23 is provided without vertical expansion and without movement. As a result of a deflection of the actuator 10, an opening is established in the region of the free end 10f of the actuator. Depending on the deflection, these opening cross-sections 14o may be significantly larger than the decoupling slots (see Figures 1 a and 1 b) or, in general, a coupling slot in the idle state see between front and back, resulting in an acoustic short circuit.
  • the side surface of the diaphragm element 22 or the diaphragm element 22 can be adapted to the movement of the actuator 10 in the deflection region B.
  • a concave shape would be conceivable.
  • Both the structure 1 of FIG. 1 a and the structure V of FIG. 1 b make it possible to prevent the acoustic short circuit by providing means which keep the decoupling gap 14 or 14 'approximately constant over the entire range of motion.
  • a piezoelectric material may be used.
  • Fig. 2 shows in the representations ac three different cross sections of possible actuator elements.
  • a unimorph structure is shown.
  • a passive layer 10p, 12p a piezoelectric layer 10pe or 12pe is applied.
  • Fig. 2b shows a bimorph structure.
  • two piezoelectric layers 10pe_1 or 12pe_1 and 10pe_2 or 12 pe_2 and a passive intermediate layer 10p or 12p are provided.
  • FIG. 2c shows a piezoelectric layer stack with two piezoelectric layers 10pe_1 or 12pe_1 and 10pe_2 and 12 pe_2.
  • All piezoactuators shown in FIGS. 2a to 2c thus have in common that they consist of at least two layers, namely a piezoelectric layer 10pe or 12pe and a further layer, such as. B. a passive layer 10p, 12p or another piezoelectric layer 10pe_2, 12pe_2 is formed.
  • the piezoelectric layers 10pe, 12pe, 10pe_1, 12pe_1, 10pe_2, 12 pe_2 can be designed as multilayer systems with additional separating layers (cf., the layers 10p, 12p) and / or themselves be formed from any number of sublayers (see dashed lines).
  • the contacting takes place, for example, by flat or interdigital electrodes.
  • a thermal drive can be used, which may have a multi-layer structure analogous to the piezoelectric actuators.
  • the structure of a thermal drive then corresponds to the structure as explained with reference to FIGS. 2a-c for piezoelectric layers, wherein thermally active layers are used instead of piezoelectric layers.
  • FIG. 3a shows an actuator arrangement with four actuators 10 ', 11', 12 'and 13'.
  • Each of these actuators 10 'to 13' is triangular and clamped on one side along the hypotenuse.
  • the triangles are right triangles, so that the rectangular tips of the actuators 10 'to 13' all coincide in one point.
  • the feedback gaps 14 each extend between the catheters.
  • the individual actuators 10 'to 13' can also be further subdivided, as indicated by the dashed lines.
  • the clamping is no longer along the hypotenuse, but along one of the catheters, while the decoupling gaps then extend along the hypotenuse and along the other catheters.
  • the triangular configuration makes it possible for the adjacent free ends (separated by the respective gaps 14) to have as much deflection as possible.
  • Fig. 3b shows in principle the top view of the embodiment of Fig. 1a, wherein here just indicated that both the actuator 10 and the actuator 12, z. B. along the symmetry axes (see dashed line) can be subdivided.
  • FIG. 3 c shows a further embodiment in which the entire sound transducer is arranged in a circular segment, and has a total of four 90 ° segments as actuators 10 "to 13", which in turn are separated from one another by the separation strip 14.
  • the individual actuators 10 "to 13" can in turn be further subdivided, as indicated by the dashed lines.
  • the separating gaps 14 preferably extend along the symmetry lines. In the exemplary embodiments with more than two actuators, this therefore means that, according to a preferred embodiment, the separating gaps meet in the center of gravity of the total area of the sound transducer.
  • Fig. 3d shows (in plan view) another version of a micromechanical transducer with four (here rectangular or square) actuators 10 "', 1 1"', 12 “'and 13”', in the form of four quadrants of a rectangle or square are arranged.
  • the four actuators 10 "'to 13"' are separated from each other by two intersecting separation string 14.
  • Each of the actuators 10 "'to 13"' is over corner, ie clamped on two sides on the outer edge.
  • it is shown what influence the gap width has. 4 shows the resulting sound pressure level SPL over a frequency range of 500 Hz to 20 kHz for four different gap widths (5 [im, 10 ⁇ , 25 pm and 50 ⁇ ).
  • the reduction of the sound pressure level SPL (acoustic short circuit) for gap width of less than 10 ⁇ negligible and the structure behaves acoustically as a closed membrane.
  • the influence of the gap width decreases significantly in the higher frequency range (eg above 6000 Hz).
  • the present systems are characterized by a significantly higher efficiency due to the decoupling of the individual actuators. The latter manifests itself in very high deflections and sound pressure levels.
  • FIG. 5 shows a structure of a micromechanical sound transducer 1 "with two actuators 10 * and 12 * .
  • the two actuators 10 * and 12 * each comprise an inner stage and an outer stage, that is to say that the actuator 10 * a first actuator element 10a * (outer stage) and a second actuator element 10i * (inner stage) .
  • the actuator 12 * comprises the actuator element 12a * as well as the actuator element 121 *.
  • the outer steps 10a * and 12a * are always clamped, namely over the areas 10e * and 12e *.
  • the opposite end of the actuators 10a * and 12a * is referred to as the free end.
  • the inner stages 101 * and 12i * are coupled by means of optional connecting elements 17.
  • the coupling takes place in such a way that the coupling is again designed, for example, via one end of the inner actuator elements 10i * or 12i *, namely such that the opposite ends of the inner actuators 10i * and 12t * serve as free ends.
  • this means that the actuator 10 * or 12 * is constructed in such a way that the inner stage 10i * (or 12i *) is connected in series with respect to the outer stage 10a * (12a *).
  • a decoupling gap 14 * is formed between the free ends of the elements 101 * and 12i *.
  • the actuators 10 * and 12 * are separated from each other only over a decoupling gap 14 which is a few micrometers wide and are preferably designed so that adjacent structural edges (free edges of the inner elements 10e * and 12e *) in operation as equal as possible deflection (synchronous or in-phase) from the plane E1 (in which the actuators 10 * and 12 * or the clamping region 10e * and 12e * are arranged) learn.
  • a connection of the inner elements 10i * and 12i * in the region of the gap shown, for example by means of a flexible material would be possible.
  • the individual cascaded stages may rest on a frame 19.
  • the frame 19 is arranged such that the clamped ends of the inner steps 10i * and 12i * rest on the same frame 19.
  • the frame 19 is preferably arranged such that it lies in the region of the connection points (see connecting elements 17). The frame makes it possible to suppress parasitic vibration modes as well as unwanted mechanical deformations.
  • a micromechanical transducer with only one actuator (eg, the actuator 10 *) is created, which has the first stage 10a * and the second stage 10l * in a corresponding series arrangement.
  • This actuator for example, swing freely relative to a fixed end, so that a gap is formed therebetween or be flexibly connected to a fixed end.
  • a diaphragm as it is explained for example in Fig. 1 b, conceivable.
  • FIGS. 6a to 6c three exemplary transducers in the schematic plan view are explained, in which the configurations from FIGS. 3a to 3c are extended by just the cascading (two-stage cascading configurations).
  • 6a shows a micromechanical sound transducer with four actuators 10 * 'to 13 *', wherein each of the actuators 10 * 'to 13 *' has two actuator elements 10a * 'and 10i *' to 13i * 'and 13a *', respectively.
  • the inner elements 10i * 'to 13i *' each have a triangular shape (with respect to the surface), while the outer elements 10a * 'to 13a *' have a trapezoidal shape (relative to the surface).
  • the smaller leg of the trapezoidal actuator 10a * 'to 13a *' is connected to the hypotenuse leg of the triangular actuator 10i * 'to 131 *' via connecting elements 17.
  • the optional connecting elements preferably arranged at the corners of the trapezoid or the triangle.
  • Fig. 6b shows in a plan view substantially the electromechanical Schailwandler of Fig. 5 with the inner actuators 10i * and 12i * and the outer actuators 10a * and 12a * .
  • 10i * , 10a *, 12i * and 12a * connecting elements 17 are provided at the corners of the rectangular inner and outer elements.
  • FIG. 6c shows, starting from the micromechanical sound transducer in the form of a circle segment, the cascaded actuators 10 * "to 13 *", wherein each actuator has an inner actuator element and an outer actuator element.
  • the inner actuator elements 10i * "to 13i *” are designed as circular segment-shaped elements, while the outer elements 10a * "to 13a *” are designed as circular disc segments.
  • the connection is again via connecting elements 17th
  • the actuators 10 * 'to 13 *' or 10 * to 12 * or 10 * "to 13 * " are separated from one another by separation gaps 14.
  • separation gaps 15 between the inner actuators can also be provided, which are just bridged by the connecting elements 17.
  • the outer stages for example, 10a * and 12a * in Fig. 6b
  • the connecting elements can be designed as mechanical spring elements or joints.
  • the actuators can also be subdivided further, so that any number of actuators per actuator element 10 * or 12 * are created (see dashed line).
  • the actuators of the outer stage deflect the inner stage out of the plane, the actuators of the inner stage exerting a further deflection.
  • the result is a deflected structure, which behaves acoustically like a closed membrane due to the high viscous losses in the decoupling slots.
  • the cascaded forest may also have three or more stages.
  • the different stages can be selectively controlled with identical or different drive signals. In the case of various drive signals, the stages can be operated in different frequency ranges and z. B. form a multi-way transducer with very little space.
  • FIGS. 6a to 6c can be combined as desired in accordance with additional exemplary embodiments.
  • the variants explained in FIGS. 6a to 6c can be combined as desired in accordance with additional exemplary embodiments.
  • the four inner actuator elements 10a * 'to 13a *' of FIG. 6a instead of the four inner actuator elements 10a * 'to 13a *' of FIG. 6a, only two inner actuator elements 10l * and 12i *, as shown in FIG. 6b, are provided.
  • an inner actuator element for. B. also in combination with a diaphragm (see embodiment of Fig. 1 b) is provided.
  • the outer stage is particularly the low frequency range (maximum shock pressure at about 1500 Hz) while the inner stage is the higher frequency range (maximum sound pressure at about 10,000 Hz).
  • a MEMS sound transducer with a chip size of 1 ⁇ 1 cm was used and measured at a distance of 10 cm.
  • FIG. 8 illustrates the concept of cascading using the example of a concrete two-stage design.
  • Fig. 8a the plan view is shown, wherein in Fig. 8b is a detail enlargement of the connecting portion is shown.
  • the two-piece design has external actuators 10a * 'and internal actuators 101 *'.
  • the design shown here in Fig. 8a is comparable to the design of Fig. 8a.
  • the decoupling slots 14 are known by solid lines. borrowed.
  • respective decoupling slots 14 are provided between the individual stages.
  • FIG. 9 shows a deflection profile, obtained by means of FEM simulation, of the example design from FIGS. 8a and 8b in a three-dimensional cross-section. As illustrated by the deflection values illustrated by hatching, despite the decoupling slots, an almost continuous deflection profile is formed, which is interrupted only by the narrow decoupling slots 14.
  • Fig. 10a is comparable to the configuration of Fig. 1b, wherein the diaphragm member 22 provided with respect to the cantilevered actuator 10 (see Fig. 10e) is provided not only in the region of the free end 10f, but also beyond still along the sides of the actuator, so along the entire decoupling slot 14 'extends.
  • the laterally arranged diaphragm elements are identified by the reference numeral 22s.
  • Fig. 10b is based on a Schallwandlerkonfiguration with two opposing actuators 10 and 12, as z. B. is shown in Fig. 3b. These are once again actuators clamped on one side (see clamping 10e or 12e). Along the lateral decoupling slots 14 extends in this embodiment, a vertically arranged aperture element 22s.
  • FIG. 10 c shows a further variant in which four actuators 10 "", 11 “", 12 “” and 13 “” extend from a central area 16.
  • the four actuators 10 "" to 13 “” are each designed trapezoidal and are clamped on one side over their short side opposite the surface 16.
  • the four actuators 10 "" to 13 “” are separated by four diagonally arranged separation gaps 14 (which extend as an extension of the diagonal of the surface 16) so that the long side of the actuators 10 "" to 13 “” can swing freely.
  • a (circumferential) vertically formed aperture element 22s is provided along the long side of the trapezoidal actuators 10 "" to 13 "”.
  • Fig. 12 shows a micromechanical sound transducer in array form.
  • the micromechanical transducer shown here has eight sound transducers 1, as explained for example in relation to FIG. 1a. These eight sound transducers 1 are arranged in two rows and four columns. As a result, a large-scale expansion and thus a high sound pressure can be achieved. Assuming that each actuator of the transducers 1 and a base area 5 x 5 mm, so this so to speak, 200 mm 2 "membrane surface" realized.
  • the transducer shown so scalable, so that also transducer sizes of eg 1 cm in length or more (generally in the range of 1 mm to 50 cm) can be achieved.
  • FIG. 12 by way of example, the micromechanical sound transducer 1 of Fig. 1 a has been explained, it should be noted at this point that any other sound transducer, as explained above, such. B. the sound transducer 1 'from Fig. 1 b or the cascaded sound transducer of FIG. 5 can be used. Also, other shapes and arrangements are conceivable.
  • the individual actuators explained above can be provided with sensors.
  • the sensors allow the actual deflection of the actuators to be determined. These sensors are typically connected to the control of the actuators, so that the control signal for the individual actuators is readjusted by a feedback loop such that the individual actuators oscillate in phase.
  • the sensor system may also have the sense to detect non-linearities and to distort the signal during the control in such a way that non-linearities can be compensated or reduced. Background: Since the actuators simultaneously form the sound-generating element, aging effects and non-linearities can be directly measured during operation and, if necessary, electronically compensated. This represents a great advantage over conventional membrane-based systems in which either no sensor technology is present or only the behavior at the drives, but not at the sound generating membrane element can be detected.
  • the position detection is preferably carried out via the piezoelectric effect.
  • one or more regions of the piezoelectric layer on the actuators can be provided with separate sensor electrodes, via which an approximately proportional to the deflection voltage or charge signal can be tapped.
  • a plurality of piezoelectric layers can be realized, wherein at least one layer is partially used for the position detection. It is also possible a combination of different piezoelectric materials, which are arranged either one above the other or next to each other (eg PZT for actuators, AIN for sensors).
  • piezoelectric sensor elements it is also possible to integrate thin-film strain gauges or additional electrodes for capacitive position detection. If the actuator structures are made of silicon, piezoresistive silicon resistors can also be integrated directly.
  • Such transducers can be operated, for example, with a first eigenmode of 10 Hz to 300 kHz.
  • the excitation frequency is chosen, for example, static up to 300 kHz.
  • the described actuator structures are suitable for fields of application in which, with the smallest possible component volumes ( ⁇ 10 cm 3 ), sound is to be generated in a frequency range between 10 Hz and 300 kHz. This applies in the first place to miniaturized sound transducers for wearables, smartphones, tablets, laptops, headphones, hearing aids, but also ultrasound transducers. On the whole, other applications are also considered in which fluids are displaced (eg fluid-mechanical and aerodynamic drive and guidance structures, inkjets).
  • Embodiments provide a miniaturized device for displacing gases and liquids with at least one deflectable bending actuator, characterized in that the device contains narrow opening slots with such a large flow resistance, so that the device in the acoustic and ultrasonic frequency range (20 Hz to 300 kHz) behaves like a closed membrane in terms of flow.
  • the device may comprise the following features: Decoupling slots in the actuator materials, the total length of which make up at most 5% of the total actuator area and have an average length-to-width ratio of more than 10.
  • the device is designed such that formed in the deflected state openings account for less than 10% of the total actuator area, so that even without a closed membrane, a high fluid separation between the front and back is achieved.
  • the device may comprise two or more opposing actuators separated from each other.
  • the actuators can be driven piezoelectrically, electrostatically, thermally, electromagnetically or by means of a combination of several principles.
  • the device is formed with two or more actuator stages coupled via connecting elements.
  • the device has two or more actuator stages, which are controlled with separate signals and thus form a two-way or multi-way transducer.
  • each actuator element 10a *, 12a *, 10i * and 12i * is an active, individually controllable element. This can be actuated, for example piezoelectric or with another principle explained here.
  • the device has a frame structure for stiffening and mode decoupling.
  • the actuators have been explained in particular as unilaterally clamped actuators. At this point it should be noted that two-sided clamping (see Fig. 3d) or generally multi-sided clamping would be conceivable.
  • exemplary embodiments provide a device with flow orifices for reducing the opening cross sections between the front and the rear in the deflected state.
  • the device may comprise sensor elements for position detection and control.
  • the device for sound or ultrasound generation in air gaseous medium and that is, therefore, be formed in the range of 20 Hz to 300 kHz. Further areas of application are the generation and control of air flow, z. B. for cooling.
  • FIG. 11 a possible manufacturing method of the above sound transducers will be explained.
  • the embodiment shown here from FIGS. 11 ad permits the production of the exemplary embodiment, as for example in Fig. 1 b is shown. By slight modification, however, with the method shown here, the embodiments of the other figures, in particular from Fig. 1 a detectable.
  • a passive layer 50 p is applied to a substrate 48, before a piezoelectric layer 50 p with two electrodes 50 e is then provided.
  • the substrate 48 may be an SOI wafer (Silicon on Insulator) comprising a Sl substrate.
  • SOI wafer Silicon on Insulator
  • the electrodes 50e, the PZT 50pe and the insulation layer 50p are then patterned. This results, for example, in the trenches 50g in the piezoelectric layer 50pe.
  • the structuring can be done by wet or dry etching.
  • either the step of structuring the trench 50g is carried out so that it has only minimal dimensions in order to produce the product of FIG. 1a or have larger dimensions, so that the one shown here Intermediate product is developed in the direction of the product from 1b.
  • a small trench 50g is applied and then the step shown in FIG. 11c is skipped so that, as shown in FIG. 11d, the rear side can be opened by a one-stage or multistage etching process to release the moving structures.
  • the substrate is removed below the passivation layer 50p, in particular in the region aligned with the structuring piezoelectric actuators 50pe. This results in the cavity 48c.
  • FIG. 1c illustrates the application of the vertically extending diaphragm elements 57. These are introduced here into the trenches 50g of the piezoelectric layer 50pe.
  • the lateral position of the trenches 57 may be selected to be aligned with areas of the patterned passivation layer 50p such that, for example, the vertical aperture element 75 is the wall of a Grabens extended in the passive layer 50p.
  • the application of the diaphragm elements 57 can be carried out, for example, by electrodeposition and preferably in such a way that the diaphragm elements 57 protrude from the layer of the piezoelectric elements 50p.
  • the single or multi-stage etching of the rear side of the substrate 48 takes place in order to produce the cavity 48 c.
  • discrete regions of the substrate 48 may be left standing to form the frame 48f within the cavity 48c. This frame corresponds to the frame 19 explained, for example, in FIG. 5.
  • aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step , Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
  • Fig. 13a shows a schematic cross section of a diaphragm structure. It can be seen here that the diaphragm structure 22 * consists of several segments 22a *, 22b * and 22c *.
  • the segment 22a * extends out of the substrate from the substrate plane (plane of the reference point 10e) in which the bending actuator 10 is in a rest position, for example, while the segment 22b * lies in the same plane of the reference point 10e.
  • the segment 22c * lies in the substrate or extends from the substrate surface into the substrate. All illustrated segments 22a *, 22b *, 22c * may according to embodiments have different geometries, ie longitudinal and transverse dimensions as well as variable cross sections.
  • the individual segments 22a * , 22b * and 22c * also have different materials or material characteristics.
  • the segment 22c * and 22b * may be formed by the substrate itself while the segment 22a * is grown.
  • middle position in the above and following embodiments does not necessarily have to correspond to the rest position, but may also be arbitrarily shifted up or down (electrically or mechanically biased).
  • FIG. 13b shows a further embodiment of the diaphragm structure, here the diaphragm structure 22 ** .
  • the background to this is that the side of the diaphragm structure 22 **, which is directly opposite the actuator 10, extends approximately along the movement path (circular path around the fixed point 10e).
  • the diaphragm 22 ** may be tapered either upwards and / or downwards.
  • the asymmetric structure shown here is thus only an example, so that naturally also the lower segment of the diaphragm structure 22 ** can be bevelled in an analogous manner in order to achieve a symmetrical structure.
  • This embodiment of the diaphragm structure 22 ** with the bevelled inside has the advantage that a gap widening is reduced or increased for larger amplitudes. can be pensiert.
  • a bevel can from manufacturing point of view z. B. be realized by adjusting the paint profile or the etching process.
  • FIG. 13c shows a further development of the diaphragm structure 22 ** from FIG. 13b, namely the diaphragm structure 22 ** * .
  • the diaphragm structure 22 * ** has a curved / rounded inside. This rounding extends along the arcuate trajectory of the actuator 10 and the free end 10f of the actuator 10. Although here the rounded inner side is shown only on the side extending out of the substrate, this rounded inside course on the aperture structure side in the Substrate level present.
  • the diaphragm expansion 22 *** with the rounded inner side reduces or compensates for the gap widening at high amplitudes. A rounding can be made from a production point of view z. B.
  • FIG. 13 d shows a further diaphragm structure, namely the diaphragm structure 22 * * * *.
  • the cross section at the end of the diaphragm structure 22 **** has a broadening or an overhang which serves as a mechanical stop for the actuator 10 or the free end 10f of the actuator. This stop advantageously allows mechanical overload protection.
  • 13e shows a further diaphragm structure 22 *****, in which the diaphragm structure 22 ***** is constructed asymmetrically.
  • the background to this is that there are actuators 10 which are primarily deflected on one side so that a vertical extension of the diaphragm 22 ***** extends in one direction, here in the direction out of the substrate plane.
  • the deflection of the actuator 10 or the extension of the diaphragm structure 22 ** * ** upwards (out of the substrate plane) is shown here, this can of course also be reversed according to exemplary embodiments, ie, so that both elements in the Extending substrate in.
  • the displacement of the rest position of the actuator can be realized by an electrical offset in the drive signal or a mechanical projection (eg, layer stress in actuator layers).
  • Fig. 13f shows an example of a diaphragm structure 22 * * * *** with a small extension.
  • the diaphragm structure 22 **** * * can then be realized so flat, if the deflection of the actuator (10) is low.
  • the height extent of the aperture is 22 ****** in the area of the actuator thickness.
  • 13g shows an example of a diaphragm structure 22***** which on the one hand consists of a substrate region 23s and the actual diaphragm element 22*****.
  • the upper panel structure 22***** can z. B. as an electrodeposited metal or as a polymer (SU8, BGB, .7) or be made of glass or silicon.
  • the lower diaphragm structure 23s consists primarily of the substrate (eg silicon or glass) itself and can be provided with additional layers according to further embodiments.
  • FIG. 13h shows a further diaphragm structure without an additionally applied element.
  • the bending actuator 10 in particular vibrates into the substrate plane, so that it is possible to dispense with a diaphragm element which protrudes from the substrate plane.
  • the diaphragm element consists of the substrate element 23s, which forms the lower diaphragm structure.
  • the rest position of the actuator 10 can be moved downwards by means of mechanical pretension or an electrical offset, so that the diaphragm element 23s formed here is sufficient. In operation, the actuator can only be deflected downwards, so that no panel is needed up and then the manufacturing cost is reduced.
  • FIG. 13i shows another diaphragm structure 22 *** * ****, which consists essentially of a thin layer applied to the substrate element 23s.
  • the layer thickness of the diaphragm element 22****** can be in the range of Aktuatordicke.
  • the substrate 23s can (but does not have to) additionally act as a diaphragm structure and terminate flush with the diaphragm structure 22****** or also have an offset.
  • the micromechanical sound transducer is extended by a further substrate 220a, 220b and 220c (cover).
  • the further substrate 220a, 220b, 220c forms the diaphragm structure.
  • FIG. 14 a shows a substrate 220 a designed as a cover, which is placed on a substrate 23s above a cavity 23k of the bending actuator 10, so that the bending actuator 10 is defined within the cover 220a or within the space defined by the cover interior. raum 220a and the cavity 23 can swing.
  • the lid 220 a is disposed on the side opposite to the free end such that the inner side wall of the lid 220 a is separated from the end 10 e by the gap 140.
  • the lid 220a since the lid 220a is completely closed, the bending actuator 10 emits the sound through the cavity 23k.
  • Figure 14a illustrates a cross-section through the substrate 220a, with the further substrate extending, for example, in a circular or angular fashion around the bending actuator 10 to provide a volume or coverage generally therefor.
  • the cover 220a can be produced, for example, by a second structured substrate (that is, a substrate having a cavity) (see reference numeral 221k). This second substrate is then applied to the substrate with the bending actuator 10, so that the cavity 221 k is at least partially aligned with the cavity 23 (in the region of the gap 140).
  • FIG. 1b shows a further embodiment with a modified cover 220b, wherein the remainder of the construction is based on the same actuator 10 and the substrate 23s.
  • the lid 220b differs from the lid 220a in that it has optional sound openings 222o and 222s, respectively.
  • the sound opening 222o or the plurality of sound openings 222o are applied to the main surface of the lid 220b, while the opening 222s is provided laterally. It should be noted at this point that, according to embodiments, it is also sufficient that an opening, either the opening 222o or the opening 222s, is provided. Through these openings 222o and 222s, the trapped air volume in the cavity 221 k can be ventilated.
  • the openings can serve the sound outlet or allow pressure equalization.
  • FIG. 14 c shows a further sound transducer with a cover 220 c, which has an opening 222 o.
  • the bending actuator is provided on another substrate 230s, which has a lateral opening 232s.
  • the substrate 230s is applied to another substrate 233s and a lid 233s, respectively, so that the cavity 230k is completed.
  • This further substrate 233s may also have optional sound openings 233o.
  • a closed volume or volume ventilated via at least one of the optional openings 232s, 233o, 222o is formed.
  • the volume is essentially formed by the cavities 221 k and 230 k and opened via at least one or more openings.
  • the openings can be used for sound emission or allow pressure equalization.
  • a plurality of openings may cooperate and form one or more lattice structures that protect the actuator 10 from mechanical impact and dust.
  • the actuator is provided with the reference numeral 100 or 100_1 to 100_4, while the diaphragm is provided with the reference numeral 225. Between the actuator and diaphragm always extends a coupling slot, which is provided with the reference numeral 140.
  • actuator geometry can be combined with one another as desired (eg, Fig. 15f with rounded or triangular actuators).
  • FIG. 15 a shows a plan view of a rounded actuator 100
  • FIG. 15 b shows a plan view of a triangular actuator 100.
  • Identical or different actuators 100 can be combined with one another as desired, as illustrated for example with reference to FIGS. 15c, 15d and 15e.
  • FIG. 15c here shows triangular actuators 100_1 to 100_4, which in total describe a quadrilateral area, the four actuators 100_1 to 100_4 being separated from one another by a diaphragm structure 225 arranged in the shape of a cross. Between actuators 100_1 to 100_4 and the diaphragm structure 225, the slot 145 is again provided. Alternatively, arrangements with 3, 5, 6 ... actuators would be conceivable. It should also be noted that the total area does not necessarily have to be quadrangular, but can also be polygonal.
  • Fig. 15d shows two opposing square actuators 100_5 and 100_6, which describe a quadrilateral. The square actuators form 100_5 and 100_6 each have three free corners, which are bounded by the H-shaped aperture 225 with associated slot 140.
  • Fig. 15e shows four circular segment-shaped actuators 100_7 to 100_10, which are similar to Fig. 15c by a cross-shaped aperture 225 with slot 140 separated from each other.
  • the hypotenuse of each triangular-shaped actuator 100_1 to 100_4 is clamped, while in the exemplary embodiment of FIG. 15e, in each case, the circular segmental arcs 100_7 to 100_10 are firmly clamped.
  • arrangements with 3, 5, 6 ... actuators would be conceivable.
  • the total area does not necessarily have to be quadrangular, but can also be polygonal.
  • Fig. 15f combines e.g. three differently shaped, but each quadrangular actuators 100_1 to 100_ 3, which are each clamped on one of the four sides, wherein three of the four sides form free ends. Between the free ends, a labyrinth-shaped aperture 225 is provided which, using the slots 140, separates the actuators 100_11 to 100_13. All actuators 100_11 to 100_13 have e.g. different size (area) and can be designed for different frequency ranges.
  • FIG. 15g shows two actuators 100_14 and 100_15, wherein the first 100_14 is a quadrangular small actuator.
  • the further, larger actuator 100_15 is also quadrangular, but has a recess 100_15a for the other actuator 100_14.
  • the recess 100_15a is arranged so that both actuators are clamped on the same side.
  • a slot 140 provided between the second actuators 100_14 and 100_15, these actuators 100_14 and 100_15 can be decoupled in their movement.
  • the larger actuator 100_15 can be used, for example, for the low-frequency range, while the inner actuator 100_14 can be used for the high-frequency range.
  • Fig. 15h shows a similar structure of the actuators 100_14 and 100_15, wherein in addition to the separation by means of the slot 40 of the two actuators 100_ 4 and 100_15 also another aperture 225 is provided.
  • Both embodiments (FIG. 15g and 15h) have in common that at least along the free ends of the large actuator 100_15 with the recess 100_15a, in which the small actuator 10CM4 is arranged, the aperture 225 together with slot 140 are arranged.
  • Such an inner nesting or provision of larger and smaller actuators makes it generally possible to cover different frequency ranges with different actuators.
  • FIG. 16 shows a schematic plan view of a double-sided or multi-sided clamped (see regions 10e1 and 10e2) bending actuator 10 * * which has at least one free side 10f * * (here 2).
  • this free side 10f ** can be acoustically separated by an opposing diaphragm 22 ** (here 2, according to the variants explained) with a gap 14 ** lying therebetween.
  • a sound transducer for the emission of sound should be created, which is why always was spoken of a bending actuator.
  • the principle is also reversible, so that a microphone is formed by the transducer according to an embodiment in which the bending transducer (see Biegeaktuator) is formed, for example by air, to (eg vertical) vibration to be excited, in response thereto output electric signal (in general to detect the acoustic waves from the environment).
  • a device which comprises both loudspeaker and microphone based on concepts explained above.
  • the two components can be formed on the same substrate, which is advantageous from a manufacturing point of view.
  • Glacer et al. Reversible acoustical transducers in MEMS technology, Proc. DTIP

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Circuit For Audible Band Transducer (AREA)
  • Diaphragms For Electromechanical Transducers (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

Ein mikromechanischer Schallwandler umfasst entsprechend einem ersten Aspekt einen ersten Biegewandler mit einem freien Ende und einem zweiten Biegewandler mit einem freien Ende, die in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wobei das freie Ende des ersten Biegewandlers von dem freien Ende des zweiten Biegewandlers durch einen Spalt getrennt ist. Der zweite Biegewandler wird phasengleich zu der vertikalen Schwingung des ersten Biegewandlers angeregt. Ein mikromechanischer Schallwandler umfasst gemäß einem zweiten Aspekt einen ersten Biegewandler, der vertikal zur Schwingung angeregt wird und einen vertikal zu dem ersten Biegewandler erstreckendes Blendenelement, das durch einen Spalt von einem freien Ende des ersten Biegewandlers getrennt ist.

Description

Mikromechanischer Schallwandler
Beschreibung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen mikromechanischen Schallwandler mit mindestens einem Biegeaktuator (allgemein Biegewandler) und miniaturisierten Spalt sowie auf einen miniaturisierten Schallwandler mit einem kaskadier- ten Biegewandler. Zusätzliche Ausführungsbeispiele beziehen sich auf entsprechende Herstellungsverfahren.
Während MEMS in nahezu allen Bereichen Einzug erhalten haben, werden miniaturisierte Schallwandler nach wie vor in Feinwerktechnik hergestellt. Diese sogenannten „Microspeaker" basieren auf dem elektrodynamischen Antriebssystem, bei dem mittels einer sich in einem permanenten Magnetfeld bewegenden Tauchspule eine Membran ausgelenkt wird. Ein wesentlicher Nachteil dieser konventionellen elektrodynamischen Schallwandler ist die geringe Effizienz und der daraus folgende hohe Leistungsverbrauch von oftmals über einem Watt. Darüber hinaus verfügen derartige Schallwandler über kei- nerlei Positionssensorik, sodass die Bewegung der Membran ungeregelt ist und bei höheren Schalldruckpegeln hohe Verzerrungen auftreten. Weitere Nachteile liegen in hohen Serienstreuungen sowie relativ großen Bauhöhen von meist über 3 mm.
Aufgrund hochpräziser Hersteilungsverfahren sowie energieeffizienter Antriebsprinzipien haben MEMS das Potenzial, diese Nachteile zu überwinden und eine neue Generation von Schallwandlern zu ermöglichen. Ein grundlegendes Problem stellen bislang jedoch die zu niedrigen Schalldruckpegel von MEMS-Schallwandlern dar. Die primäre Ursache hierfür liegt in der Schwierigkeit, bei möglichst kleinen Abmessungen ausreichend hohe Hubbewegungen zu erzeugen. Erschwerend kommt dazu, dass zur Unterbindung eines akustischen Kurschiusses eine Membran erforderlich ist, welche sich infolge ihrer zusätzlichen Federsteifigkeit negativ auf die Gesamtauslenkung auswirkt. Letzteres lässt sich durch Einsatz von sehr weichen und dreidimensional geformten Membranen (z. B. mit Toms) minimieren, die derzeit jedoch nicht in MEMS-Technologie hergestellt werden können und entsprechend aufwendig und kostspielig hybrid integriert werden. In Publikationen und Patentschriften werden MEMS-Schallwandler unterschiedlichster Ausführungen behandelt, woraus u.a. aufgrund o.g. Probleme noch keine marktreifen Produkte hervorgegangen sind. Diese Konzepte basieren auf geschlossenen Membranen, die in Schwingung versetzt werden und Schall generieren. In [Hou13, US2013/156253A1] wird z. B. ein elektrodynamischer MEMS-Schallwandler beschrieben, der die hybride Integration einer Polymembran sowie eines Permanentmagnetrings erfordert. Das Konzept von piezoelektrischen MEMS-Schailwandlem wurde in [Yi09, Dej12, US7003125, US8280079, US2013/0294636A1] dargestellt. Hier wurden piezoelektrische Materialien, wie PZT, AIN oder ZnO direkt auf siliziumbasierte Schallwandlermembranen aufgebracht, welche infolge ihrer geringen Elastizität jedoch keine ausreichend großen Auslenkungen zulassen. Ein weiterer piezoelektrischer MEMS-Schallwandler mit einem plattenförmigen Körper, der über eine Membran oder mehrere Aktuatoren kolbenförmig aus der Ebene ausgelenkt wird, ist in [US 201 10051985A1 ] dargestellt. Digitale MEMS-Schallwandler auf Basis von Arrays mit elektrostatisch angetriebenen Membranen, die allerdings nur bei hohen Frequenzen ausreichend hohe Schalldrücke erzeugen können, werden in [Gla13, US7089069, US20100316242A1] beschrieben. Deshalb besteht der Bedarf nach einem besseren Ansatz.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mikromechanischen Schallwandler zu schaffen, der einen verbesserten Kompromiss aus Schalldruck, Frequenzgang und Herstellungsaufwand darstellt.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen mikromechanisch Schallwandler (z.B. in einem Substrat aufgebaut) mit einem ersten Biegewandler bzw. Biegeaktuator sowie einem zweiten Biegewandler bzw. Biegeaktuator. Der erste Biegeaktuator weist ein freies Ende und z.B. mindestens eine oder zwei freie Seiten auf und ist ausgebildet, um beispielsweise durch ein Audiosignal zur vertikalen Schwingung angeregt zu werden und Schall zu emittieren (bzw. aufzunehmen). Der zweite Biegeaktuator weist ebenfalls ein freies Ende auf und ist gegenüber dem ersten Biegeaktuator derart angeordnet, dass der erste und der zweite Biegeaktuator in einer gemeinsamen Ebene liegen bzw. aufgehängt sind. Weiter ist die Anordnung derart ausgestaltet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Biegeaktuator ein Spalt (z. B. im Mikrometerbereich) gebildet wird, der die zwei Biegeaktuatoren voneinander trennt. Der zweite Biegeaktuator wird immer phasengleich zum ersten Biegeaktuator zur Schwingung angeregt, was die Konse- quenz hat, dass der Spalt im Wesentlichen über die gesamte Auslenkung der Biegeaktua- toren konstant bleibt.
Ausführungsbeispielen für diesen Aspekt der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung mehrerer voneinander separierter Biegewandler bzw. Aktua- toren, die mit einem minimalen (Separierungs-) Spalt voneinander separiert sind, es bei identischer Auslenkung der zwei Wandler bzw. Aktuatoren aus der Ebene erreicht werden kann, dass der Spalt zwischen den zwei Aktuatoren annährend konstant klein (im Mikro- meterbereich) bleibt, so dass immer hohe Viskositätsverluste in dem Spalt vorliegen, die im Resultat einen akustischen Kurzschluss zwischen dem Hintervolumen und dem Vordervolumen (des Biegeaktuators) verhindern. Im Vergleich zu bisherigen, meist auf geschlossenen Membranen basierenden MEMS-Systemen ermöglicht das vorliegende Konzept eine deutliche Leistungssteigerung. Der primäre Grund liegt darin, dass infoige der Aktuatorentkopplung keine Energie für die Verformung von zusätzlichen mechanischen Membranelementen aufgewendet werden muss, wodurch deutlich höhere Auslenkungen und Kräfte möglich sind. Darüber hinaus treten Nichtlinearitäten erst bei deutlich größeren Bewegungsampiituden auf. Während herkömmliche Systeme mitunter komplex geformte Membranen oder Magnete benötigen, die sich bislang nicht in MEMS-Technologie reali- sieren, sondern nur mit hohem Aufwand hybrid integrieren lassen, lässt sich das vorliegende Konzept mit gängigen Verfahren der Siliziumtechnologie realisieren. Dies bietet signifikante Vorteile bei Herstellung und Kosten. Durch die konzept- und materialbedingt geringe schwingende Masse, lassen sich Systeme mit einem außerordentlich breitem Frequenzbereich und gleichzeitig hohen Bewegungsamplituden realisieren.
Entsprechend einem weiteren Aspekt wird ein mikromechanischer Schallwandler mit einem ersten Biegewandler bzw. Biegeaktuator (zur vertikalen Schwingung anregbar ausgelegt) sowie einem vertikal (d.h. aus der Ebene des Substrats und damit auch aus der Erstreckungsebene des Biegewandlers) zu dem ersten Biegewandler bzw. Biegeaktuator erstreckenden Blendenelement geschaffen. Das Blendenelement ist durch einen Spalt (Lücke) von dem freien Ende des ersten Biegeaktuators getrennt.
Die Erkenntnis dieses Aspekts liegt darin, dass durch das Blendenelement über den gesamten Bewegungsbereich des Wandlers bzw. Aktuators (infolge der Schwingung) es erreicht werden kann, dass der Abstand zwischen dem Blendenelement und dem freien Ende des Aktuators annäherungsweise konstant bleibt. Hierdurch wird der gleiche Effekt wie oben erzielt, nämlich dass aufgrund der hohen viskosen Verluste an dem freien Ende (und ggf. auch den freien Seiten) bzw. in dem Spalt ein akustischer Kurzschluss verhindert werden kann. Im Resultat heißt das, dass sich die gleichen Vorteile insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrads des Schallwandlers, der Breitbandigkeit und der Herstel- lungskosten ergeben.
Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren eines derartigen Aktu- ators mit Blendenelement. Dieses Verfahren umfasst die Schritte: Strukturieren einer Schicht, um den ersten Biegeaktuator zu formen sowie Herstellen oder Abscheiden des vertikalen Blendenelements, so dass dieses über die Schicht des ersten Biegeaktuators hinausragt. Vertikal ist beispielsweise als senkrecht (senkrecht zur Substratebene) oder allgemein gewinkelt gegenüber dem Substrat (Winkelbereich 75°-105°) zu verstehen.
Zu der Variante mit den mindestens zwei Biegeaktuatoren sei angemerkt, dass entspre- chend Ausführungsbeispiel der erste und der zweite Biegeaktuator gleichartige Biegeaktuatoren sind. Diese können beispielsweise flächige, rechteckige, trapezförmige oder allgemein vieleckige Biegeaktuatoren sein. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel können diese Biegeaktuatoren jeweils eine Dreiecksform oder eine Kreissegmentform aufweisen. Die dreieckige oder kreissegmentförmige Form kommt häufig bei mikro- mechanischen Schallwandlern zum Einsatz, die mehr als zwei Biegeaktuatoren umfassen. Insofern umfasst entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der mikromechanische Schallwandler einen oder mehrere weitere Biegeaktuatoren, wie z. B. drei oder vier Biegeaktuatoren. Wie oben bereits erläutert, ermöglicht entweder die gleichzeitige bzw. phasengleiche An- steuerung der zwei Biegeaktuatoren oder das Vorsehen des Blendenelements, dass ausgehend von einem Spalt, die (im Ruhezustand) kleiner 10% oder sogar kleiner 5%; 2,5%, 1 %, 0,1 % oder 0,01 % der Fläche des ersten Biegeaktuators beträgt, der Spalt über den gesamten Bewegungsbereich klein bleibt, d. h. dass er selbst bei Auslenkung maximal 15% oder sogar nur 10% (oder 1 % oder 0, 1 % oder 0,01 %) der Fläche des ersten Biegeaktuators ausmacht. Bezüglich der Variante mit dem Blendenelement sei angemerkt, dass die Höhe des Blendenelements derart dimensioniert ist, dass dieses mindestens 30% oder 50% oder bevorzugt 90% oder sogar 100% oder mehr der maximalen Auslenkung des ersten Biegeaktuators im linearen Betrieb (d.h. linearer mechano-elastischer Bereich) oder der maximalen elastischen Auslenkung des ersten Biegewandlers (allgemein 5- 100%) beträgt. Alternativ kann die Höhe in Abhängigkeit von der Spaltbreite (mindestens 0,5-mal, 1-mal, 3-mal oder 5-mal Spaltbreite) oder in Abhängigkeit von der Dicke des Biegewandlers (mindestens 0,1-mal, 0,5-mal, 1-mal, 3-mal oder 5-mal Dicke) definiert werden. Diese Dimensionierungsvorschriften für die zwei Varianten ermöglichen über den gesamten Auslenkungsbereich und damit auch über den gesamten Schallpegelbereich die oben erläuterte Funktionalität / Verhinderung von akustischen Kurzschlüssen.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann nicht nur ein Blendenelement gegenüber dem freien Ende angeordnet sein, sondern auch beispielsweise an den nicht- eingespannten Seiten um den Biegeaktuator herum. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Biegeaktuator ein einseitig eingespannter Biegeaktuator ist.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann das Blendenelement in seinem Querschnitt eine variierende Geometrie (z.B. eine zu dem Aktuator hin gekrümmte/geneigte Geometrie) aufweisen, so dass der Schlitz weitestgehend einen konstanten Querschnitt entlang der Aktuator-Bewegung hat. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Blende einen mechanischen Anschlag formen, um eine mechanische Überlastung zu verhindern.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein mikromechanischer Schall- wandler geschaffen, der eine Steuerung umfasst, die den zweiten Biegeaktuator so ansteuert, dass er phasengleich zu dem ersten Biegeaktuator zur Schwingung angeregt wird. Darüber hinaus kann es entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel vorteilhaft sein, wenn eine Sensorik vorgesehen wird, die die Schwingung und/oder die Position des ersten und/oder des zweiten Biegeaktuators erfasst, um der Steuerung zu ermögli- chen, dass die zwei Biegeaktuatoren gleichphasig angesteuert werden. Im Gegensatz zu bisherigen Systemen, die meist über keine Sensorik verfügen oder nur die Auslenkung des Antriebs (nicht nur Membran) erfassen, lässt sich bei diesem Prinzip mithilfe der gut integrierbaren Sensorik die tatsächliche Position des schallerzeugenden Elements bestimmen. Dies ist von großem Vorteil und ermöglicht eine deutlich genauere und zuver- lässigere Detektion. Diese bildet die Grundlage für eine geregelte Anregung (Closed- Loop), mit sich äußere Einflüsse, Alterungseffekte und Nichtlinearitäten elektronisch kompensieren lassen.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel können die Biegeaktuatoren auch eine soge- nannte„Kaskadierung" aufweisen. Das heißt also, dass der erste und/oder der zweite Biegeaktuator jeweils zumindest ein erstes und ein zweites Biegeelement umfassen. Die- se Elemente sind in Serie geschaltet. Entsprechend Ausführungsbeispielen heißt„in Serie geschaltet", dass das erste und zweite Biegeelement ein eingespanntes Ende und eine freies Ende aufweisen und das zweite Biegeelement mit seinem eingespannten Ende an das freie Ende des ersten Biegeaktuators angreift und mit seinem freien Ende das freie Ende des gesamten Biegeaktuators formt. Hierbei kann die Verbindung zwischen den zwei Biegeelementen beispielsweise durch ein flexibles Element gebildet sein. Optional kann der mikromechanische Schallwandler einen zusätzlichen Rahmen aufweisen, der beispielsweise im Bereich des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Biegeelement vorgesehen ist. Dieser dient zur Versteifung und zur Modenentkopplung. Bezüg- lieh der zwei Biegeelemente sei angemerkt, dass diese entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit unterschiedlichen Steuersignalen angesteuert werden, so dass beispielsweise das inneniiegende Biegeelement bzw. die innenliegenden Biegeelemente für höhere Frequenzen genutzt werden, während die weiter außenliegenden Biegeelemente zu einer Schwingung in einem tieferen Frequenzbereich angesteuert werden.
Entsprechend einem weiteren Aspekt wird ein mikromechanischer Schallwandler mit zumindest einem, bevorzugt zwei Biegeaktuatoren geschaffen, wobei jeder Biegeaktuator ein erstes und ein zweites Biegeelement umfasst, die in Serie geschaltet sind. Derartige Biegeaktuatoren können entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel statt einem Separierungsspalt auch eine flexible Verbindung aufweisen.
Ausführungsbeispiele dieses Aspekts der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Inserie-Schalten von mehreren Biegeelementen eines Biegeaktuators es erreicht werden kann, dass unterschiedliche Biegeaktuatoren für unterschiedliche Fre- quenzbereiche zuständig sind. So kann beispielsweise der innenliegende Biegeaktuator für einen Hochtonfrequenzbereich ausgebildet sein, während der weiter außenliegende Frequenzbereich für den Tiefton betrieben wird. Im Gegensatz zu üblichen Membranan- sätzen ermöglicht das beschrieben Konzept eine Kaskadierung mit mehreren individuell ansteuerbaren Aktuatorstufen. Darüber hinaus lassen sich durch die frequenzseparierte Ansteuerung in Kombination mit den piezoelektrischen Antrieben deutliche Steigerungen bei der Energieeffizienz erzielen. Die gute Modenentkopplung bietet überdies Vorteile bei der Wiedergabequalität. Weitere Vorteile sind z. B. die Realisierung von besonders platzsparenden Mehrwege-Schaliwandlern. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel des Biegeaktuators mit der Kaskadierung sind die Weiterbildungen, wie sie oben erläutert wurden, entsprechend zusätzlichen Ausführungs- beispielen anwendbar. Hierbei sind insbesondere die Merkmale bezüglich der genauen Ausgestaltung der Kaskadierung, z. B. des Verbindungselements oder der Rahmen, zu nennen. Des Weiteren sind die Unteraspekte bezüglich der flächigen, rechteckigen, trapezförmigen oder dreieckigen (allgemein vieleckigen) Biegeaktuatorgeometrie für kaska- dierte Schallwandlerkonfigurationen relevant.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schallwandlers mit kaskadierten Biegeaktuatoren. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen einer ersten Schicht, die den ersten (und den zweiten) Biegeaktuator mit dem (jeweils) ersten und zweiten Biegeelement formt und Verbinden der (jeweils) ersten und zweiten Biegeelemente.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel wäre es denkbar, Aktuatoren ineinander zu verschachteln und/oder unterschiedlich groß zu gestalten, z.B. um unterschiedliche Frequenzbereiche abzudecken.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurden beiliegend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 a eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Schallwandlers mit zwei Biegeaktuatoren gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
Fig. 1 b eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Schallwandlers mit einem Biegeaktuator sowie einem vertikalen Blendenelement gemäß einem weiteren Basisausführungsbeispiel;
Fig. 1 c eine schematische Darstellung eines Biegeaktuators mit einer beliebig angrenzenden Struktur zur Illustration der Verbesserung der Konzepte aus den Fig. 1 a und 1 b gegenüber dem Stand der Technik;
Fig. 2a-c schematische Querschnitte möglicher Aktuatorelemente gemäß Ausführungsbeispiel;
Fig. 3a-d schematische Draufsichten von Biegeaktuatorkonfigurationen gemäß Ausführungsbeispielen; Fig. 4 ein schematisches Diagramm zur Illustration eines simulierten Schalldruckpegels für unterschiedliche Ausführungsbeispiele;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Schallwandlers mit zwei Biegeaktuatoren, die jeweils eine Kaskadierung umfassen, gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 6a-c schematische Draufsichten auf Biegeaktuatorkonfigurationen mit Kaskadierung gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 7 ein schematisches Diagramm zur Illustration eines simulierten Schalldruckpegels mit einer Biegeaktuatorkonfiguration mit Kaskadierung;
Fig. 8a, b schematische Ansichten oder Teilansichten einer Draufsicht auf eine Biegeaktuatorkonfiguration mit Kaskadierung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Fig. 9 ein schematisches Diagramm zur Illustration einer mittels FE -simulierten
Auslenkung eines mikromechanischen Schallwandlers mit Kaskadierungen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 10a-c schematische Draufsichten auf Biegeaktuatoren mit seitlich angeordneten
Blendenelementen gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 1 1a-d schematische Darstellungen zur Illustration eines Prozessablaufs bei der Herstellung eines mikromechanischen Schallwandlers gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Arrays mit einer Vielzahl an mikromechanischen Schallwandlern gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 13a-i zeigt schematische Darstellungen von unterschiedlichen Implementierungen der in Fig. 1 b erläuterten Blendenstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 14a-c schematische Darstellungen von mikromechanischen Schallwandlern mit ei- nem Deckel gemäß zusätzlichen Ausführungsbeispielen; Fig. 15a-h schematische Darstellungen von Draufsichten auf mikromechanische Schallwandler gemäß Ausführungsbeispielen; und
Fig. 16 eine schematische Darstellung eines zweiseitig eingespannten mikromechani- sehen Schallwandler gemäß Ausführungsbeispielen.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen im Detail erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
Fig. 1 a zeigt einen Schallwandler 1 mit einem ersten Biegeaktuator 10 sowie einem zweiten Biegeaktuator 12. Beide sind in einer Ebene E1 angeordnet bzw. eingespannt, wie anhand der Einspannung 10e und 12e zu erkennen ist. Die Einspannung kann dadurch realisiert sein, dass die Biegeaktuatoren 10 und 12 aus einem gemeinsamen Substrat (nicht dargestellt) herausgeätzt sind, sodass die Biegeaktuatoren 10 und 12 einseitig mit dem Substrat verbunden sind und unter den Aktoren 10 und 12 eine (gemeinsame) Kavi- tät (nicht dargestellt) gebildet ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die hier dargestellten Biegeaktuatoren 10 und 12 beispielsweise vorgespannt sein können, so dass die Dar- Stellung entweder einen Ruhezustand darstellt, oder auch einen ausgelenkte Momentaufnahme zeigt (für diesen Fall ist mittels der gestrichelten Line der Ruhezustand dargestellt). Wie zu erkennen ist, sind die zwei Aktuatoren 10 und 12 horizontal nebeneinander angeordnet, so dass die Aktuatoren 10 und 12 oder zumindest die Einspannungen 10e und 12e in einer gemeinsamen Ebene E1 liegen. Diese Aussage bezieht sich bevorzugt auf den Ruhezustand, wobei sich im vorgespannten Fall die Ebene E1 vor allem auf die gemeinsamen Einspannungsbereiche 10e und 12e bezieht.
Die beiden Aktuatoren 10 und 12 sind gegenüberliegend angeordnet, so dass zwischen denselben ein Spalt 14 von beispielsweise von 5 μιη, 25 μιη oder 50 μηη (allgemein im Bereich zwischen 1 μιη und 90 μιη, bevorzugt kleiner 50 μιτι oder kleiner 20 μηι) besteht. Dieser Spalt 14, der die zwei einseitig eingespannten Biegeaktuatoren 12 und 14 trennt, kann als Entkopplungsspalt bezeichnet werden. Der Entkopplungsspalt 14 variiert über den gesamten Auslenkungsbereich der Aktuatoren 10 und 12 nur minimal, z.B. um Faktor 1 , 1 ,5 oder 4 (allgemein im Bereich 0,5-5), d. h. Variation kleiner +500%, +300%, +100% oder +75% oder kleiner +50% der Spaltbreite (im Ruhezustand), um so auf eine zusätzliche Abdichtung verzichten zu können, wie nachfolgend ausgeführt werden wird. Die Aktuatoren 10 und 12 werden vorzugsweise piezoelektrisch angetrieben. Jeder dieser Aktuatoren 10 und 12 kann beispielsweise einen Schichtaufbau aufweisen und neben den piezoelektrischen aktiven Schichten ein oder mehrere passive Funktionsschichten aufwei- sen. Alternativ sind auch elektrostatische, thermische oder magnetische Antriebsprinzipien möglich. Wird an den Aktuatoren 12 eine Spannung angelegt, so verformt sich dieser bzw. im piezoelektrischen Fall das piezoelektrische Material der Aktuatoren 10 und 12 und bewirkt eine Verbiegung der Aktuatoren 10 und 12 aus der Ebene hinaus. Diese Verlegung resultiert in einer Verdrängung von Luft. Bei einem zyklischen Steuerungssignal wird dann so der jeweilige Aktuator 10 und 12 zur Schwingung angeregt, um ein Schallsignal zu emittieren (oder im Fall eines Mikrophons aufzunehmen). Die Aktuatoren 10 und 12 bzw. das entsprechende Ansteuerungssignal ist so ausgelegt, dass jeweils benachbarte Aktuatorränder bzw. das freie Ende der Aktuatoren 10 und 12 eine nahezu identische Auslenkung aus der Ebene E1 erfahren. Die freien Enden sind mit den Bezugszeichen 10f und 12f gekennzeichnet. Da sich die Aktuatoren 10 und 12 bzw. die freien Ende 10f und 12f parallel zueinander bewegen, befinden sich selbige in Phase. Insofern wird die Auslenkung der Aktuatoren 10 und 12 als gleichphasig bezeichnet.
In der Folge bildet sich in der Gesamtstruktur aller Aktuatoren 10 und 12 im angetriebe- nen Zustand ein stetiges Auslenkungsprofil, welches lediglich durch die engen Entkopplungsschlitze 14 unterbrochen ist. Da die Spaltbreite der Entkopplungsschlitze im Mikrometer-Bereich liegt, werden hohe Viskoverluste an den Spaltseitenwänden 10w und 12w erreicht, so dass die hier durchtretende Luftströmung stark gedrosselt wird. Damit kann der dynamische Druckausgleich zwischen der Vorderseite und der Rückseite der Aktua- toren 10 und 12 nicht schnell genug erfolgen, so dass ein akustischer Kurzschluss unabhängig von der Aktuatorfrequenz reduziert wird. Dies bedeutet, dass sich eine eng geschlitzte Aktuatorstruktur im betrachteten akustischen Frequenzbereich strömungstechnisch wie eine geschlossene Membran verhält. Fig. 1 b zeigt eine weitere Variante, wie ein Aktuator eines mikromechanischen Schallwandlers ohne Abdichtung ein gutes Schalldruckverhalten erlangen kann. Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 b zeigt den Schallwandler V umfassend den Aktuator 10, der an dem Punkt 10e fest eingespannt ist. Der Biegeaktuator 10 kann aus einem Substrat (nicht dargestellt) herausgeätzt sein, sodass eine Kavität (nicht dargestellt) unter ihm geformt wird. Das freie Ende 10f kann über einen Bereich B zum Schwingen angeregt werden. Gegenüber dem freien Ende 10f ist ein vertikal angeordnetes Blendenelement 22 vorge- sehen. Dieses Blendenelement ist bevorzugt zumindest so groß oder größer als der Bewegungsbereich B des freien Endes 10f. Die Blendenelemente 22 erstreckten sich bevorzugt auf der Vorder- und/oder Rückseite des Aktuator, d. h. also von der Ebene E1 (Substratebene) aus betrachtet in eine tiefer gelegene Ebene und eine höher gelegene Ebene (z.B. senkrecht zum Substrat). Zwischen dem Blendenelement 22 und dem freien Ende 10f ist ein Spalt 14' vergleichbar mit dem Spalt 14 aus Fig. 1 a vorgesehen.
Das Blendenelement 22 ermöglicht die Breite der vorgesehenen Entkopplungsspalte 14' auch im ausgelenkten Zustand (vgl. B) annähernd gleich zu halten. Somit entstehen bei dieser Konfiguration mit den benachbarten Rändern keine signifikanten Öffnungen infolge der Auslenkung, wie beispielsweise in Fig. 1 c dargestellt.
Fig. 1 c zeigt einen Aktuator 10, der ebenfalls an dem Punkt 10e eingespannt ist. Gegenüber ist eine beliebig angrenzende Struktur 23 ohne vertikale Ausdehnung und ohne Be- wegung vorgesehen. Infolge einer Auslenkung des Aktuators 10 stellt sich eine Öffnung im Bereich des freien Endes 10f des Aktuators ein. Diese Öffnung ist mit dem Bezugszeichen„o" versehen. Abhängig von der Auslenkung können diese Öffnungsquerschnitte 14o deutlich größer als die Entkopplungsschlitze (vgl. Fig. 1 a und 1 b) bzw. allgemein ein Kopplungsschlitz im Ruhezustand sein. Durch die Öffnung kann eine Luftströmung zwi- sehen Vorder- und Rückseite vorkommen, was zu einem akustischen Kurzschluss führt.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Seitenfläche des Blendenelements 22 o- der das Blendenelement 22 angepasst an die Bewegung des Aktuators 10 im Auslenkungsbereich B sein. Konkret wäre eine konkave Form denkbar.
Sowohl die Struktur 1 aus Fig. 1 a als auch die Struktur V aus Fig. 1 b ermöglicht den akustischen Kurzschluss dadurch zu verhindern, dass Mittel vorgesehen werden, die den Entkopplungsspalt 14 bzw. 14' über den gesamten Bewegungsbereich annähernd konstant halten.
Wie oben erläutert, kann entsprechend einem Ausführungsbeispiel ein piezoelektrisches Material verwendet werden. Fig. 2 zeigt in den Darstellungen a-c drei unterschiedliche Querschnitte möglicher Aktuatorelemente. In Fig. 2a ist eine unimorphe Struktur dargestellt. Hierbei ist auch eine passive Schicht 10p, 12p eine piezoelektrische Schicht 10pe bzw. 12pe aufgebracht. Fig. 2b zeigt einen bimorphen Aufbau. Hierbei sind zwei piezoelektrische Schichten 10pe_1 bzw. 12pe_1 und 10pe_2 bzw. 12 pe_2 sowie eine passive Zwischenschicht 10p bzw. 12p vorgesehen. In Fig. 2c ist ein piezoelektrischer Schichtstapel mit je zwei piezoelektrischen Schichten 10pe_1 bzw. 12pe_1 und 10pe_2 und 12 pe_2 gezeigt.
Alle gezeigten Piezoaktuatoren aus den Fig. 2a bis 2c haben also gemein, dass sie aus mindestens zwei Schichten, nämlich einer piezoelektrischen Schicht 10pe bzw. 12pe und einer weiteren Schicht, wie z. B. einer passiven Schicht 10p, 12p bzw. einer weiteren piezoelektrischen Schicht 10pe_2, 12pe_2 gebildet ist. Die piezoelektrischen Schichten 10pe, 12pe, 10pe_1 , 12pe_1 , 10pe_2, 12 pe_2 können als Mehrschichtsysteme mit zusätzlichen Trennschichten (vgl. die Schichten 10p, 12p) ausgelegt sein und/oder selbst aus beliebig vielen Unterschichten (vgl. gestrichelte Linien) gebildet sein. Die Kontaktie- rung erfolgt beispielsweise durch flächige oder interdigitale Elektroden.
Entsprechend einem alternativen Ausführungsbeispiel kann auch ein thermische Antrieb zum Einsatz kommen, der analog zu den piezoelektrischen Aktuatoren einen Mehrschichtaufbau aufweisen kann. Grundsätzlich entspricht dann der Aufbau eines thermi- sehen Antriebs dem Aufbau, wie er in Bezug auf Fig. 2a-c für piezoelektrische Schichten erläutert ist, wobei statt piezoelektrischen Schichten thermisch aktive Schichten zum Einsatz kommen.
Bezug nehmend auf Fig. 3a-c werden verschiedene Aktuatoranordnungen, umfassend mindestens zwei gegenüberliegende Aktuatoren (vgl. Fig. 3b) erläutert.
Fig. 3a zeigt eine Aktuatoranordnung mit vier Aktuatoren 10', 11 ', 12' und 13'. Jeder dieser Aktuatoren 10' bis 13' ist dreieckig ausgeführt und einseitig entlang der Hypotenuse eingespannt. Die Dreiecke sind entsprechend einem Ausführungsbeispiel rechtwinklige Dreiecke, so dass die rechtwinkligen Spitzen der Aktuatoren 10' bis 13' alle in einem Punkt zusammentreffen. Infolgedessen erstrecken sich zwischen den Katheten jeweils die Rückkopplungsspalte 14.
Entsprechend Ausführungsbeispielen können die einzelnen Aktuatoren 10' bis 13' auch noch weiter untergliedert sein, wie mittels den gestrichelten Linien angedeutet ist. Bei Untergliederung ist natürlich dann die Einspannung nicht mehr entlang der Hypotenuse, sondern entlang einer der Katheten, während sich die Entkopplungsspalte dann entlang der Hypotenuse und entlang der anderen Kathete erstrecken.
Unabhängig davon, ob es sich um vier oder acht Aktuatoren handelt, ermöglicht die drei- eckige Ausgestaltung, dass die benachbarten freien Enden (getrennt durch die jeweilige Spalte 14) eine möglichst gleiche Auslenkung erfahren.
Fig. 3b zeigt im Prinzip die Draufsicht des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1a, wobei hier eben noch angedeutet ist, dass sowohl der Aktuator 10 als auch der Aktuator 12, z. B. entlang der Symmetrieachsen (vgl. gestrichelte Linie) untergliedert sein kann.
Fig. 3c zeigt eine weitere Ausführung, bei der der gesamte Schallwandler kreisseg- mentförmig angeordnet ist, und insgesamt vier 90°-Segmente als Aktuatoren 10" bis 13" aufweist, die wiederum durch die Separierungsspaite 14 voneinander getrennt sind. Bei diesem kreisrunden Schallwandler können die einzelnen Aktuatoren 10" bis 13" wiederum weiteruntergliedert sein, wie anhand der gestrichelten Linien angedeutet ist.
Alle Ausführungsbeispiele aus den Figuren 3a bis 3c haben gemeinsam, dass sie am Rand eingespannt sind, wie durch den jeweiligen Bereich 10e' bis 13e' bzw. 10e und 12e bzw. 10e" bis 13e" angedeutet ist.
Des Weiteren sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich, wie anhand der Ausführungsbeispiele aus Fig. 3a-3c gezeigt ist, die Separierungsspalten 14 bevorzugt entlang der Symmetrielinien erstrecken. Bei den Ausführungsbeispielen mit mehr als zwei Aktuatoren heißt das also, dass sich die Separierungsspalten gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel im Schwerpunkt der Gesamtfläche des Schallwandlers treffen.
Fig. 3d zeigt (in der Draufsicht) eine weitere Version eines mikromechanischen Schallwandlers mit vier (hier rechteckigen bzw. quadratischen) Aktuatoren 10"', 1 1 "', 12"' und 13"', die in Form von vier Quadranten eines Rechtecks bzw. Quadrats angeordnet sind. Die vier Aktuatoren 10"' bis 13"' sind durch zwei sich kreuzende Separierungsspaite 14 voneinander getrennt. Jeder der Aktuatoren 10"' bis 13"' ist über Eck, d. h. zweiseitig am äußeren Rand eingespannt. Bezug nehmend auf Fig. 4 wird dargestellt, welchen Einfluss die Spaltbreite hat. Fig. 4 zeigt den resultierenden Schalldruckpegel SPL über einen Frequenzbereich von 500 Hz bis 20 kHz für vier unterschiedliche Spaltbreiten (5 [im, 10 μιη, 25 pm und 50 μηι). In dem dargestellten Frequenzbereich wird die Reduktion des Schalldruckpegels SPL (akustischer Kurzschluss) für Spaltbreite von unter 10 μηι vernachlässigbar und die Struktur verhält sich akustisch wie eine geschlossene Membran. Wie weiter zu erkennen ist, dass im höheren Frequenzbereich (z. B. oberhalb von 6000 Hz) der Einfluss der Spaltbreite signifikant abnimmt. Im Vergleich zu Systemen mit geschlossener Membran zeichnen sich die vorliegenden Systeme infolge der Entkopplung der einzelnen Aktuatoren durch eine deutlich höhere Effizienz aus. Letzteres äußert sich in sehr hohen Auslenkungen und Schalldruckpegeln. Darüber hinaus ergeben sich weitere Vorteile bezüglich der Linearität.
Bezug nehmend auf Fig. 5 wird nun ein Ausführungsbeispiel an einem entsprechenden weiteren Aspekt erläutert. Fig. 5 zeigt einen Aufbau von einem mikromechanischen Schallwandler 1 " mit zwei Aktuatoren 10* und 12*. Die beiden Aktuatoren 10* und 12* umfassen jeweils eine innere Stufe und eine äußere Stufe. Das heißt also, dass der Aktu- ator 10* ein erstes Aktuatorelement 10a* (äußere Stufe) und ein zweites Aktuatorelement 10i* (innere Stufe) umfasst. Analog hierzu umfasst der Aktuator 12* das Aktuatorelement 12a* sowie das Aktuatorelement 121*.
Wie hier dargestellt, sind immer die äußeren Stufen 10a* und 12a* eingespannt, nämlich über die Bereiche 10e* und 12e*. Das gegenüberliegende Ende der Aktuatoren 10a* und 12a* wird als freies Ende bezeichnet. An dieses freie Ende sind mittels optionaler Verbindungselemente 17 die inneren Stufen 101* und 12i* angekoppelt. Die Ankopplung erfolgt derart, dass die Ankopplung beispielsweise wiederum über eine Ende der inneren Aktua- torelemente 10i* bzw. 12i* ausgeführt ist, nämlich so, dass die gegenüberliegenden En- den der inneren Aktuatoren 10i* bzw. 12t* als freie Enden dienen. In anderen Worten ausgedrückt heißt das also, dass der Aktuator 10* bzw. 12* derart aufgebaut ist, dass die innere Stufe 10i* (bzw. 12i*) gegenüber der äußeren Stufe 10a* (12a*) in Serie geschaltet ist. Wie hier dargestellt, wird zwischen den freien Enden der Elemente 101* und 12i* ein Entkopplungsspalt 14* ausgebildet. Dieser ist nicht zwingend für alle Ausführungsbeispiele so ausgeführt, wie der Entkopplungsspalt, welcher im Zusammenhang mit obigen Ausführungsbeispielen (vgl. Fig. 1a) erläutert wurde. Das heißt also, dass analog zu den obigen Ausführungsbeispielen die Aktuatoren 10* und 12* lediglich über einen wenige Mikrome- ter breiten Entkopplungsspalt 14 voneinander getrennt sind und vorzugsweise so ausgelegt sind, dass jeweils benachbarte Strukturränder (freie Ränder der inneren Elemente 10e* und 12e*) im Betrieb möglichst gleiche Auslenkung (synchron bzw. gleichphasig) aus der Ebene E1 (in welcher die Aktuatoren 10* und 12* bzw. die Einspannungsbereich 10e* und 12e* angeordnet sind) erfahren. Alternativ wäre eine Verbindung der inneren Elemente 10i* und 12i* im Bereich des dargestellten Spalts, z.B. mittels eines flexiblen Materials möglich.
Entsprechend optionalen Ausführungsbeispielen können die einzelnen kaskadierten Stufen auf einem Rahmen 19 aufliegen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Rahmen 19 derart angeordnet, dass die eingespannten Enden der inneren Stufen 10i* und 12i* auf demselben Rahmen 19 aufliegen. Allgemein heißt es aber, dass der Rahmen 19 bevorzugt so angeordnet ist, dass dieser im Bereich der Verbindungsstellen (vgl. Verbindungselemente 17) liegt. Der Rahmen ermöglicht es, parasitäre Schwingungsmoden sowie ungewollte mechanische Deformationen zu unterdrücken. Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen wurde, dass zwei Aktuatoren 10* und 12* mit jeweils innerer und äußerer Aktuatorstufe mit den Aktuatorele- menten 10a*, 10i*, 12a*, 12i* vorgesehen sind, sei an dieser Stelle angemerkt, dass entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ein mikromechanischer Schallwandler mit nur einem Aktuator (z. B. der Aktuator 10*) geschaffen wird, der die erste Stufe 10a* und die zweite Stufe 10l* in entsprechender Serienanordnung aufweist. Dieser Aktuator kann beispielsweise gegenüber einem festen Ende frei schwingen, so dass ein Spalt dazwischen gebildet wird oder auch flexibel mit einem festen Ende verbunden sein. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wäre auch eine Blende, wie sie beispielsweise in Fig. 1 b erläutert ist, denkbar.
Bezug nehmend auf Fig. 6a bis 6c werden drei ausführungsgemäße Schallwandler in der schematischen Draufsicht erläutert, bei denen die Konfigurationen aus Fig. 3a bis 3c um eben die Kaskadierung (zweistufiger Kaskadierungskonfigurationen) erweitert ist. Fig. 6a zeigt einen mikromechanischen Schallwandler mit vier Aktuatoren 10*' bis 13*', wobei jeder der Aktuatoren 10*' bis 13*' zwei Aktuatorelemente 10a*' bzw. 10i*' bis 13i*' bzw. 13a*' aufweist. Die inneren Elemente 10i*' bis 13i*' haben jeweils eine Dreiecksform (in Bezug auf die Fläche), während die äußeren Elemente 10a*' bis 13a*' eine Trapezform (bezogen auf die Fläche) aufweisen. Der kleinere Schenkel des trapezförmigen Aktuators 10a*' bis 13a*' ist mit dem Hypotenusenschenkel des dreieckförmigen Aktuators 10i*' bis 131*' über Verbindungselemente 17 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die optionalen Verbindungselemente bevorzugt an den Ecken des Trapezes bzw. des Dreiecks angeordnet.
Fig. 6b zeigt in einer Draufsicht im Wesentlichen den elektromechanischen Schailwandler aus Fig. 5 mit den inneren Aktuatoren 10i* und 12i* sowie den äußeren Aktuatoren 10a* und 12a*. Auch hier sind an den Ecken der rechteckigen inneren und äußeren Elemente 10i*, 10a*, 12i* und 12a* Verbindungselemente 17 vorgesehen.
Fig. 6c zeigt ausgehend von dem kreissegmentförmigen mikromechanischen Schallwand- ler die kaskadierten Aktuatoren 10*" bis 13*", wobei jeder Aktuator ein inneres Aktuato- relement und ein äußeres Aktuatorelement aufweist. Die inneren Aktuatorelemente 10i*" bis 13i*" sind als kreissegmentförmige Elemente ausgeführt, während die äußeren Elemente 10a*" bis 13a*" als Kreisscheibensegmente ausgeführt sind. Die Verbindung erfolgt wiederum über Verbindungselemente 17.
Alle Ausführungsbeispiele aus den Fig. 6a bis 6c haben gemein, dass entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen die Aktuatoren 10*' bis 13*' bzw. 10* bis 12* bzw. 10*" bis 13*" durch Separierungsspalte 14 voneinander getrennt sind. Zusätzliche können auch noch Separierungsspalten 15 zwischen den inneren Aktuatoren (beispielsweise 10i*' und 10a*') vorgesehen sein, die eben nur durch die Verbindungselemente 17 überbrückt werden. In anderen Worten ausgedrückt heißt das also, dass die äußeren Stufen (beispielsweise 10a* und 12a* in Fig. 6b) über jeweils mindestens ein Verbindungselement, vorzugsweise jedoch über zwei oder mehr voneinander beabstandeten Verbindungselemente 17, mit den zweiten inneren Stufen 10i* bzw. 12i* verbunden sind. Die Verbin- dungselemente können als mechanische Federelemente oder Gelenke ausgelegt sein.
Wie im Zusammenhang mit Fig. 3a-c erläutert, können die Aktuatoren auch weiteruntergliedert sein, so dass also beliebig viele Aktuatoren je Aktuatorelement 10* bzw. 12* entstehen (vgl. gestrichelte Linie).
Nachdem nun die Struktur der Schallwandler erläutert wurde wird nachfolgend auf deren Funktion eingegangen: Im angetriebenen Zustand lenken die Aktuatoren der äußeren Stufe die innere Stufe aus der Ebene aus, wobei die Aktuatoren der inneren Stufe eine weitere Auslenkung ausüben. Es resultiert eine ausgelenkte Struktur, die sich aufgrund der hohen viskosen Verluste in den Entkopplungsschlitzen akustisch wie eine geschlossene Membran verhält. Alternativ, kann die kaskadierte Gesamtstruktur auch drei oder mehr Stufen aufweisen. Die unterschiedlichen Stufen können wahlweise mit identischen oder verschiedenen Antriebssignalen angesteuert werden. Im Falle verschiedener Antriebssignale können die Stufen in unterschiedlichen Frequenzbereichen betrieben werden und z. B. einen Mehr- wege-Schallwandler mit besonders geringem Platzbedarf bilden.
An dieser Stelle sein angemerkt, dass sich das in Bezug auf Fig. 1 b erläuterte Prinzip der Strömungsblenden auch auf die mehrstückigen kaskadierten Systeme erweitern lässt, z. B. um akustische Verluste zwischen Verbindungselementen und Aktuatoren oder Zwischenstufen zu minimieren.
Bezug nehmend auf die obigen Ausführungsbeispiele sei angemerkt, dass die in den Fig. 6a bis 6c erläuterten Varianten entsprechend zusätzlichen Ausführungsbeispielen beliebig kombinierbar sind. So ist beispielsweise es möglich, dass statt der vier inneren Aktuato- relemente 10a*' bis 13a*' aus Fig. 6a nur zwei innere Aktuatorelemente 10l* und 12i*, wie sie in Fig. 6b gezeigt sind, vorgesehen werden. Weiter ist es auch denkbar, dass nur ein inneres Aktuatorelement, z. B. auch in Kombination mit einer Blende (vgl. Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 b) vorgesehen wird.
Fig. 7 zeigt ein Diagramm des simulierten Schalldrucks über den Frequenzbereich, aufgeschlüsselt nach innerer und äußerer Stufe. Wie zu erkennen ist, dient die äußere Stufe besonders dem niedrigen Frequenzbereich (maximaler Schaldruck bei etwa 1500 Hz) während die innere Stufe dem höheren Frequenzbereich dient (maximaler Schalldruck bei etwa 10000 Hz). Bei dem hier vorliegenden Fall wurde von einem MEMS-Schallwandler mit einer Chipgröße von 1 x1 cm ausgegangen und im Abstand von 10 cm gemessen.
Fig. 8 veranschaulicht das Konzept der Kaskadierung am Beispiel eines konkreten zweistufigen Designs. In Fig. 8a ist die Draufsicht gezeigt, wobei in Fig. 8b eine Ausschnitts- Vergrößerung des Verbindungsbereichs dargestellt ist.
Wie anhand der Fig. 8a zu erkennen ist, weist das zweistückige Design äußere Aktuatoren 10a*' sowie innere Aktuatoren 101*' auf. Von der Konfiguration her ist das hier in Fig. 8a dargestellte Design dem Design aus Fig. 8a vergleichbar. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Entkopplungsschlitze 14 mit durchgezogenen Linien kennt- lieh gemacht. Wie insbesondere in der Vergrößerung aus Fig. 8b zu erkennen ist, sind auch zwischen den einzelnen Stufen jeweilige Entkopplungsschlitze 14 vorgesehen.
Im Gegensatz zu Fig. 6a ist hier bei dem Design aus Fig. 8a auch noch zusätzlich die Rahmenstruktur 19*' illustriert, welche von den lateralen Abmessungen kleiner ist als die lateralen Abmessungen aller innenliegenden Stufen 10e*'.
Wie anhand von Fig. 8b ersichtlich ist, dienen als Verbindungselemente 17*' gefaltete Federn, deren Zwischenräume mit entkoppelten Füllstrukturen 17Γ, z. B. aus einem Ma- terial von Feder oder Aktuator versehen sind. Analog dazu weisen auch die Zwischenräume 14 zwischen den Aktuatoren beider Stufen derartige Füllstrukturen 17f*' auf.
In Fig. 9 ist ein mittels FEM-Simulation erhaltenes Auslenkungsprofil des Beispieldesigns aus Fig. 8a und b im dreidimensionalen Querschnitt gezeigt. Wie anhand der mittels Schraffuren illustrierten Auslenkungswerte illustriert ist, bildet sich trotz der Entkopplungsschlitze ein nahezu stetiges Auslenkungsprofil aus, das lediglich durch die schmalen Entkopplungsschlitze 14 unterbrochen ist.
Bezug nehmend auf Fig. 10 wird eine Erweiterung des Designs aus Fig. 1 a sowie des Designs aus Fig. 1 b erläutert. Die Konfiguration aus Fig. 10a ist vergleichbar mit der Konfiguration aus Fig. 1 b, wobei das gegenüber dem einseitig eingespannten Aktuator 10 (vgl. Einspannung 10e) vorgesehene Blendeneiement 22 nicht nur im Bereich des freien Endes 10f vorgesehen ist, sondern sich darüber hinaus auch noch entlang der Seiten des Aktuators, also entlang des gesamten Entkopplungsschlitzes 14' erstreckt. Die seitlich angeordneten Blendenelemente sind mit den Bezugszeichen 22s gekennzeichnet.
Fig. 10b geht von einer Schallwandlerkonfiguration mit zwei gegenüberliegenden Aktuatoren 10 und 12 aus, wie sie z. B. in Fig. 3b gezeigt ist. Hierbei handelt es sich wiederum um einseitig eingespannte Aktuatoren (vgl. Einspannung 10e bzw. 12e). Entlang der seit- liehen Entkopplungsschlitze 14 erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel ein vertikales angeordnetes Blendenelement 22s.
Sowohl das Ausführungsbeispiel aus Fig. 10a als auch das Ausführungsbeispiel aus Fig. 10b ermöglicht durch die Verwendung der seitlich angeordneten Blendenelemente 22s bei den hier dargestellten Strukturen mit unstetigen Ausienkungsprofilen eine gute fluidische Trennung von Vorder- und Rückseite. Fig. 10c zeigt eine weitere Variante, bei der sich vier Aktuatoren 10"", 11 "", 12"" und 13"" ausgehend von einer zentralen Fläche 16 erstrecken. Die vier Aktuatoren 10"" bis 13"" sind jeweils trapezförmig ausgeführt und werden über ihre kurze Seite einseitig gegen- über der Fläche 16 eingespannt. Die vier Aktuatoren 10"" bis 13"" sind über vier diagonal angeordnete Separierungsspalte 14 (welche sich als Verlängerung der Diagonalen der Fläche 16 erstrecken) voneinander separiert, so dass die lange Seite der Aktuatoren 10"" bis 13"" frei schwingen kann. Um eine„Abdichtung" gegenüber den Randbereichen zu ermöglichen, ist entlang der langen Seite der trapezförmigen Aktuatoren 10"" bis 13"" ein (umlaufendes) vertikal ausgebildetes Blendenelement 22s vorgesehen.
Fig. 12 zeigt einen mikromechanischen Schallwandler in Arrayform. Der hier dargestellte mikromechanische Schallwandler weist acht Schallwandler 1 , wie sie beispielsweise in Bezug auf Fig. 1a erläutert wurden, auf. Diese acht Schallwandler 1 sind in zwei Reihen und vier Spalten angeordnet. Hierdurch kann eine großflächige Ausdehnung und damit ein hoher Schalldruck erreicht werden. Wenn man davon ausgeht, dass jeder Aktuator der Schallwandler 1 und eine Grundfläche 5 x 5 mm hat, so werden hiermit sozusagen 200 mm2„Membranfläche" realisiert. Allgemein ist der so dargestellte Schallwandler beliebig skalierbar, so dass auch Schallwandlergrößen von z.B. 1 cm Länge oder mehr (allgemein im Bereich von 1 mm bis 50 cm) erreicht werden können.
Auch wenn bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel Fig. 12 exemplarisch der mikromechanische Schallwandler 1 aus Fig. 1 a erläutert wurde, sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass jegliche andere Schallwandler, wie sie oben erläutert wurden, wie z. B. der Schallwandler 1 ' aus Fig. 1 b oder auch die kaskadierten Schallwandler aus Fig. 5 eingesetzt werden können. Auch sind andere Formen und Anordnungen denkbar.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können die einzelnen oben erläuterten Aktuatoren mit Sensoren versehen werden. Die Sensoren ermöglichen die tatsächliche Auslenkung der Aktuatoren zu bestimmen. Diese Sensoren sind typischerweise mit der Steuerung der Aktuatoren verbunden, so dass um eine Feedbackschleife das Steuersignal für die einzelnen Aktuatoren derart nachgeregelt wird, dass die einzelnen Aktuatoren gleichphasig schwingen. Die Sensorik kann auch den Sinn haben, Nicht-Linearitäten aufzuspüren und bei der Ansteuerung das Signal derart zu verzerren, dass Nicht-Linearitäten kompensiert bzw. reduziert werden können. Zum Hintergrund: Da die Aktuatoren gleichzeitig das schallerzeugendes Element bilden, lassen sich Alterungseffekte und Nichtlinearitäten im Betrieb direkt messen und ggf. elektronisch kompensieren. Dies stellt einen großen Vorteil gegenüber üblichen membranbasierten Systemen dar, bei denen entweder keine Sensorik vorhanden ist oder aber nur das Verhalten an den Antrieben, nicht jedoch an dem schalierzeugenden Membranele- ment detektiert werden kann.
Die Positionsdetektion erfolgt vorzugsweise über den piezoelektrischen Effekt. Hierfür können ein oder mehrere Bereiche der piezoelektrischen Schicht auf den Aktuatoren mit separaten Sensorelektroden versehen werden, über die ein näherungsweise zur Auslenkung proportionales Spannungs- oder Ladungssignal abgegriffen werden kann. Darüber hinaus können auch mehrere piezoelektrische Schichten realisiert werden, wobei zumindest eine Schicht partiell für die Positionsdetektion verwendet wird. Es ist auch eine Kombination verschiedener piezoelektrischer Materialien möglich, die entweder übereinander oder nebeneinander angeordnet sind (z. B. PZT für Aktuatoren, AIN für Sensoren).
Als Alternative zu piezoelektrischen Sensorelementen ist auch die Integration von Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen oder zusätzlichen Elektroden für eine kapazitive Positionserfassung möglich. Werden die Aktuatorstrukturen aus Silizium hergestellt, so lassen sich auch piezoresistive Silizium-Widerstände direkt integrieren.
Alle oben genannten Aspekte haben gemein, dass ein membranloses und vollständig zu MEMS-Herstellungsprozessen kompatibles Konzept zur Erzeugung von hohen Schalldrücken geschaffen wird. Alle Ausführungsbeispiele ermöglichen eine besonders geringe Baugröße. Die optionale Kaskadierung ermöglicht die Realisierung von integrierten Mehrweg-Schallwandlern. Die Steuerung kann entsprechend Weiterentwicklungen durch integrierte Positionssensoren derart ausgebildet sein, dass der emittierte Schall eine minimierte Verzerrung aufweist. In nachfolgender Tabelle werden mögliche Materialien für die einzelnen Funktionselemente aufgezählt.
Funktion Materialien
Piezoelektrische Schicht PZT, PNZT, AIN, AIScN, ZnO, BCZT, KNN
Passive Schicht Si, poly-Si, SIN, SiNO, S1O2, AIN, Metalle
Si, Metalle, Glas, [piezoelektrische Schicht], [passive
Rahmen Schicht]
Blenden Si, Metalle, Glas, Polymere, [piezoelektrische Schicht], [passive Schicht]
Verbindungselemente [passive Schicht], [piezoelektrische Schicht]
Mögliche Abmessungen stellen sich wie folgt dar:
- Aktuatorfläche 50x50pm2 - 5x5cm2
- Entkopplungsschlitz 0,1 μηι - 40μηΊ
- Auslenkungsamplitude 0.01 μιη - 3mm
Derartige Wandler sind beispielsweise mit einem ersten Eigenmode von 10 Hz bis 300 kHz betreibbar. Die Anregungsfrequenz ist beispielsweise statisch bis 300 kHz gewählt. Die beschriebenen Aktuator-Strukturen eigenen sich für Anwendungsgebiete, in denen bei möglichst geringen Bauteilvolumina (< 10 cm3) Schall in einem Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 300 kHz erzeugt werden soll. Dies trifft in erster Linie auf miniaturisierte Schallwandler für Wearables, Smartphones, Tab!ets, Laptops, Kopfhörer, Hörgeräte aber auch Ultraschallwandler zu. Insgesamt kommen auch andere Anwendungen in Betracht, bei denen Fluide verdrängt werden (z. B. strömungsmechanische und aerodynamische Antriebs- und Führungsstrukturen, Inkjets).
Ausführungsbeispiele schaffen eine miniaturisierte Vorrichtung zur Verdrängung von Gasen und Flüssigkeiten mit mindestens einem aus der Ebene auslenkbaren Biegeaktuator, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung enge Öffnungsschlitze mit derart großem Strömungswiderstand enthält, so dass die Vorrichtung sich im akustischen und Ultraschall-Frequenzbereich (20 Hz bis 300 kHz) strömungstechnisch annährend wie eine geschlossene Membran verhält. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung folgende Merkmale umfassen: Entkopplungsschlitzen in den Aktuatormaterialien, deren Gesamtlänge maximal 5% der gesamten Aktuatorfläche ausmachen und ein mittleres Länge-zu-Breite-Verhältnis von über 10 aufweisen. Zusätzlich kann entsprechen Ausführungsbeispielen die Vorrichtung derart ausgelegt ist, dass im ausgelenkten Zustand entstehende Öffnungen weniger als 10% der gesamten Aktuatorfläche ausmachen, so dass auch ohne geschlossene Membran eine hohe fluidische Trennung zwischen Vorder- und Rückseite erzielt wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung zwei oder mehr gegenüberliegende voneinander separierte Aktuatoren aufweisen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Aktuatoren piezoelektrisch, elektrostatisch, thermisch, elektromagnetisch oder mittels einer Kombination mehrere Prinzipien angetrieben werden. Gemäß einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel wäre es auch denkbar, dass die Vorrichtung mit zwei oder mehr über Verbindungselemente gekoppel- ten Aktuatorstufen ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wäre es auch denkbar, dass die Vorrichtung zwei oder mehr Aktuatorstufen aufweist, die mit getrennten Signalen angesteuert werden und somit einen Zweiwege- oder Mehrwege-Schallwandler bilden.
Bezug nehmend auf das Ausführungsbeispiel aus Fig. 5 oder 6a bis c sei angemerkt, dass jedes Aktuatorelement 10a*, 12a*, 10i* und 12i* ein aktives, einzeln ansteuerbares Element ist. Dieses kann beispielsweise piezoelektrisch oder mit einem anderen hier erläuterten Prinzip betätigt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel hat die Vorrichtung eine Rahmenstruktur zur Versteifung und Modenentkopplung.
Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde die Aktuatoren insbesondere als einseitig einge- spannte Aktuatoren erläutert. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass auch zweiseitige Einspannungen (vgl. Fig. 3d) oder allgemein mehrseitige Einspannungen denkbar wären.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Vorrichtung mit Strömungsblenden zur Ver- ringerung der Öffnungsquerschnitte zwischen Vorder- und Rückseite im ausgelenkten Zustand. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung Sensoreie- mente zur Positionserfassung und -Regelung aufweisen.
Gemäß zusätzlichen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung zur Schall- oder Ultra- schallerzeugung in Luft (gasförmiges Medium) und das heißt also im Bereich von 20 Hz bis 300 kHz ausgebildet sein. Weitere Anwendungsgebiete sind die Erzeugung und Steuerung von Luftströmung, z. B. zur Kühlung.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf Fig. 1 1 ein mögliches Herstellungsverfahren von den obigen Schallwandlern erläutert. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel aus den Fig. 1 1 a-d ermöglicht die Herstellung von dem Ausführungsbeispiel, wie es beispielsweise in Fig. 1 b gezeigt ist. Durch geringfügige Abwandlung sind allerdings mit dem hier dargestellten Verfahren auch die Ausführungsbeispiele aus den weiteren Figuren, insbesondere aus Fig. 1 a feststellbar. In dem ersten in Fig. 11 a dargestellten Schritt wird auf ein Substrat 48 eine passive Schicht 50p aufgebracht, bevor dann eine piezoelektrische Schicht 50pe mit zwei Elektroden 50e vorgesehen wird.
Bei dem Substrat 48 kann es sich um einen SOI-Wafer (Silicon on Insulator) handeln, der ein Sl-Substrat umfasst. Auf dieses werden dann Si02-Schichten 50p mit dem in Fig. 1 b gekennzeichneten Isolatoren 50pi und Si-Isolationsschichten, wie z. B. piezoelektrische Funktionsschichten (PZT) 50pe abgeschieden. Danach kann das Abscheiden der entsprechenden Metallelektroden (Pt, Au, Mo, ....) 50e erfolgen. In einem nächsten Schritt, welcher in Fig. 1 1 b dargestellt ist, werden dann die Elektroden 50e, die PZT 50pe sowie die Isolationsschicht 50p strukturiert. Hierdurch entstehend beispielsweise die Gräben 50g in der piezoelektrischen Schicht 50pe. Das Strukturieren kann durch Nass- oder Trockenätzen erfolgen. Je nach gewünschtem Produktdesign wird entweder der Schritt des Strukturierens bzw. Einbringens des Grabens 50g so ausgeführt, dass dieser nur minimale Abmessungen hat, um bei einem Resultat das Produkt aus Fig. 1 a zu erzeugen oder größere Abmessungen haben, so dass dann das hier dargestellte Zwischenprodukt in Richtung des Produkts aus 1b entwickelt wird.
Um das Produkt aus Fig. 1 a herzustellen, wird ein kleiner Graben 50g aufgebracht und dann der in Fig. 11 c dargestellte Schritt übersprungen, um dann, wie in Fig. 11d dargestellt, die Rückseite durch ein ein- oder mehrstufiges Ätzverfahren zu öffnen und die beweglichen Strukturen freizustellen. Bei diesem Schritt wird das Substrat unterhalb der Passivierungsschicht 50p insbesondere im Bereich fluchtend zu den strukturierend piezoelektrischen Aktuatoren 50pe entfernt. Hierdurch entsteht die Kavität 48c.
Um ein Produkt, wie es in Bezug auf Fig. 1 b erläutert ist, herzustellen, wird der optionale Schritt, der in Fig. 11 c dargestellt ist, durchgeführt. Fig. 1 1c illustriert das Aufbringen der sich vertikal erstreckenden Blendenelemente 57. Diese werden hier in die Gräben 50g der piezoelektrischen Schicht 50pe eingebracht. Optional kann die laterale Position der Grä- ben 57 so gewählt sein, dass diese mit Bereichen der strukturierten Passivierungsschicht 50p fluchten, so dass beispielsweise das vertikale Blendenelement 75 die Wand eines Grabens in der passiven Schicht 50p verlängert. Das Aufbringen der Blendenelemente 57 kann beispielsweise durch galvanisches Abscheiden erfolgen und bevorzugt so, dass die Blendenelemente 57 aus der Schicht der piezoelektrischen Elemente 50p hinausragen. Nach dem Aufbringen der Blendenelemente 57 erfolgt dann, wie oben bereits in Bezug auf das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1a erläutert, das ein- oder mehrstufige Ätzen der Rückseite des Substrats 48, um die Kavität 48c herzustellen. Wie hier illustriert, können einzelne Bereiche des Substrats 48 stehenbleiben, so dass innerhalb der Kavität 48c der Rahmen 48f gebildet wird. Dieser Rahmen entspricht dem beispielsweise in Fig. 5 erläu- terten Rahmen 19.
Bei den erläuterten Herstellungsschritten können MEMS-Technologien übernommen werden, so dass das oben erläuterte Produkt mit herkömmlichen Herstellungsverfahren herstellbar ist.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu ver- stehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Nachfolgend werden ausgehend von dem Basisausführungsbeispiel aus Fig. 1 b unter- schiedliche Implementierungen der Blende 22 erläutert. Bei allen nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispielen wird davon ausgegangen, dass die diskutierte Blende 22*, 22etc mit einem Spalt 14' von dem Biegeaktuator 10 (fest eingespannt an dem Bezugspunkt 10e) getrennt ist, so dass sich das freie Ende 10f des Biegeaktuators 10 entlang der vertikalen Ausdehnung des Blendenelements 22* bzw. 22et0 bewegen kann. Hierbei sei ange- merkt, dass Aspekte der nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispiele bzw. auch der bereits diskutierten Ausführungsbeispiele für die Blende beliebig miteinander kombiniert werden können (z. B. Deckel mit gerundeten/schrägen Seiten (Blenden)) oder asymmetrische Blende mit Deckel und Anschlag ...). Fig. 13a zeigt einen schematischen Querschnitt einer Blendenstruktur. Hieran ist zu erkennen, dass die Blendenstruktur 22* aus mehreren Segmenten 22a*, 22b* und 22c* besteht. Das Segment 22a* erstreckt sich von der Substratebene (Ebene des Bezugspunkts 10e), in welcher der Biegeaktuator 10 z.B. in Ruhelage liegt, aus dem Substrat heraus, während das Segment 22b* in eben dieser angesprochenen Ebene des Bezugspunkts 10e liegt. Das Segment 22c* liegt in dem Substrat bzw. erstreckt sich von der Substratoberfläche in das Substrat hinein. Alle dargestellten Segmente 22a*, 22b*, 22c* können entsprechend Ausführungsbeispielen unterschiedliche Geometrien, d. h. Längs- und Querausdehnungen sowie auch variable Querschnitte aufweisen. Des Weiteren wäre es entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen denkbar, dass die einzelnen Segmente 22a*, 22b* und 22c* auch unterschiedliche Materialien oder Materialausprägungen aufweisen. Beispielsweise kann das Segment 22c* sowie 22b* durch das Substrat selber geformt sein, während das Segment 22a* aufgewachsen ist. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wäre es natürlich auch denkbar, dass mehr als die drei dargestellten Segmente 22a*, 22b* und 22c* vorgesehen sind.
Es sei angemerkt, dass die mittlere Position bei obigen und nachfolgenden Ausführungsbeispielen nicht zwingend der Ruhelage entsprechen muss, sondern auch beliebig nach oben oder unten verschoben sein kann (elektrisch oder mechanisch vorgespannt).
Fig. 13b zeigt eine weitere Ausprägung der Blendenstruktur, hier der Blendenstruktur 22**. Die Blendenstruktur 22** bzw. insbesondere das Segment, das sich aus der Substratebene heraus erstreckt, hat einen angeschrägten Querschnitt, der sich zu dem Aktua- tor 10 hin erstreckt. Hierdurch wird erreicht, dass der Spalt 14' eine relativ konstante Breite unabhängig von der Position des Aktuators 10 aufweist. Der Hintergrund hierzu ist, dass sich die Seite der Blendenstruktur 22**, die dem Aktuator 10 direkt gegenüberliegt in etwa entlang der Bewegungsbahn (Kreisbahn um den Fixpunkt 10e) erstreckt. Wie hier in Fig. 13b dargestellt, kann die Blende 22** entweder nur nach oben und/oder auch nach unten angeschrägt sein. Der hier dargestellte asymmetrische Aufbau ist also nur exemplarisch, so dass natürlich auch das untere Segment der Blendenstruktur 22** in analoger Weise angeschrägt sein kann, um eine symmetrische Struktur zu erreichen.
Dieses Ausführungsbeispiel der Blendenstruktur 22** mit der angeschrägten Innenseite hat den Vorteil, dass eine Spaltaufweitung bei größeren Amplituden verringert bzw. kom- pensiert werden kann. Eine Anschrägung kann aus herstellungstechnischer Sicht z. B. durch Anpassung des Lackprofils oder des Ätzprozesses realisiert werden.
Fig. 13c zeigt eine Weiterentwicklung der Blendenstruktur 22** aus Fig. 13b, nämlich die Blendenstruktur 22***. Die Blendenstruktur 22*** weist eine gebogene/abgerundete Innenseite auf. Diese Rundung erstreckt sich entlang der kreisbogenförmigen Bewegungsbahn des Aktuators 10 bzw. des freien Endes 10f des Aktuators 10. Auch wenn hier die abgerundete Innenseite nur auf der aus dem Substrat heraus erstreckenden Seite dargestellt ist, kann diese abgerundete Innenseite natürlich auch auf der Blendenstrukturseite in der Substratebene vorliegen. Analog zu dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 13b wird durch Blendenstruktur 22*** mit der abgerundeten Innenseite die Spaltaufweitung bei großen Amplituden verringert bzw. kompensiert. Eine Abrundung kann aus herstellungstechnischer Sicht z. B. durch Anpassung des Lackprofils oder des Ätzprofils realisiert sein. Fig. 13d zeigt eine weitere Blendenstruktur, nämlich die Blendenstruktur 22****. Hier weist der Querschnitt am Ende der Blendenstruktur 22**** eine Verbreiterung bzw. einen Überhang auf, der als mechanischer Anschlag für den Aktuator 10 bzw. das freie Ende 10f des Aktuators dient. Dieser Anschlag ermöglicht vorteilhafterweise einen mechanischen Überlastschutz.
Fig. 13e zeigt eine weitere Blendenstruktur 22*****, bei welcher die Blendenstruktur 22***** asymmetrisch aufgebaut ist. Hintergrund hierzu ist, dass es Aktuatoren 10 gibt, die primär einseitig ausgelenkt werden, so dass eine vertikale Ausdehnung der Blende 22***** in eine Richtung, hier in der Richtung aus der Substratebene heraus reicht. Auch wenn hier die Auslenkung des Aktuators 10 bzw. die Ausdehnung der Blendenstruktur 22***** nach oben (aus der Substratebene heraus) dargestellt ist, so kann entsprechend Ausführungsbeispielen dies selbstverständlich auch umgekehrt sein, d. h. also, dass sich beide Elemente in das Substrat herein erstrecken. Hierbei sei angemerkt, dass die Verschiebung der Ruhelage des Aktuators durch einen elektrischen Offset im Ansteuersignal oder einem mechanischen Vorsprung (z. B. Schichtstress in Aktuatorschichten) realisiert sein kann.
Fig. 13f zeigt ein Beispiel für eine Blendenstruktur 22****** mit einer geringen Ausdehnung. Die Blendenstruktur 22****** kann dann so flach realisiert sein, wenn die Auslen- kung des Aktuators (10) gering ist. Beispielsweise liegt die Höhenausdehnung der Blende 22****** im Bereich der Aktuatordicke. Diese Variante hat Vorteile bezüglich der Herstellung, da auf zusätzlich aufgebrachte Blendenstrukturbereiche verzichtet werden kann.
Fig. 13g zeigt ein Beispiel für eine Blendenstruktur 22*******, die einerseits aus einem Substratbereich 23s sowie dem eigentlichen Blendenelement 22******* besteht. Die obere Blendenstruktur 22******* kann z. B. als galvanisch aufgebautes Metall oder als Polymer (SU8, BGB, ....) oder auch aus Glas oder Silizium hergestellt sein. Die untere Blendenstruktur 23s besteht primär aus dem Substrat (z. B. Silizium oder Glas) selbst und kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen mit zusätzlichen Schichten versehen sein.
Fig. 13h zeigt eine weitere Blendenstruktur ohne ein zusätzlich aufgebrachtes Element. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Biegeaktuator 10 insbesondere in die Substratebene hinein schwingt, so dass auf ein Blendenelement, das aus der Substratebene herausragt, verzichtet werden kann. Hier besteht also das Blendenelement aus dem Sub- stratelement 23s, das die untere Blendenstruktur bildet. An dieser Stelle sein angemerkt, dass, wie bereits oben erläutert, die Ruhelage des Aktuators 10 über mechanische Vorspannung oder einen elektrischen Offset nach unten verschoben werden kann, so dass das hier gebildete Blendenelement 23s ausreicht. In dem Betrieb kann der Aktuator lediglich nach unten ausgelenkt werden, so dass keine Blende nach oben benötigt wird und dann der Herstellungsaufwand reduziert wird.
Fig. 13i zeigt eine weitere Blendenstruktur 22********, die im Wesentlichen aus einer dünnen auf das Substratelement 23s aufgebrachten Schicht besteht. Je nach gewünschter Aktuatorauslenkung kann die Schichtdicke des Blendenelements 22******** im Bereich der Aktuatordicke liegen. Das Substrat 23s kann (muss aber nicht) zusätzlich als Blendenstruktur wirken und bündig mit der Blendenstruktur 22******** abschließen oder auch einen Versatz aufweisen.
Bezugnehmend auf Fig. 14a bis 14c werden weitere Ausführungsbeispiele erläutert, bei welchen der mikromechanische Schallwandler um ein weiteres Substrat 220a, 220b und 220c (Deckel) erweitert ist. Entsprechend Ausführungsbeispielen formt das weitere Substrat 220a, 220b, 220c die Blendenstruktur.
Fig. 14a zeigt ein als Deckel ausgeführtes Substrat 220a, der auf ein Substrat 23s ober- halb einer Kavität 23k des Biegeaktuators 10 aufgesetzt ist, so dass der Biegeaktuator 10 innerhalb des Deckels 220a bzw. innerhalb des Raumes definiert durch den Deckelinnen- räum 220a und die Kavität 23 schwingen kann. Der Deckel 220a ist an der Seite gegenüberliegend zu dem freien Ende derart angeordnet, dass die Innenseitenwand des Deckels 220a von dem Ende 10e durch den Spalt 140 getrennt ist. Da in diesem Ausführungsbeispiel der Deckel 220a vollständig geschlossen ist, emittiert der Biegeaktuator 10 beispielsweise den Schall durch die Kavität 23k.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sei darauf hingewiesen, dass bei allen obigen Ausführungsbeispielen bzw. bei der Erläuterung derer im Wesentlichen davon ausgegangen wird, dass der Schall aus dem Substrat heraus emittiert wird. Selbstverständlich ist es entsprechend Ausführungsbeispielen auch denkbar, dass, der Schall durch das Substrat bzw. durch eine Kavität des Substrats hinausgeführt wird.
An dieser Stelle sein angemerkt, dass Fig. 14a einen Querschnitt durch das Substrat 220a darstellt, wobei sich das weitere Substrat beispielsweise kreisförmig oder eckig um den Biegeaktuator 10 erstreckt, um für diesen ein (Rück-) Volumen oder allgemein eine Abdeckung zu schaffen. Aus herstellungstechnischer Sicht sei angemerkt, dass der Deckel 220a beispielsweise durch ein zweites strukturiertes Substrat (also ein Substrat mit einer Kavität) (vgl. Bezugszeichen 221 k) hergestellt sein kann. Dieses zweite Substrat wird dann auf das Substrat mit dem Biegeaktuator 10 aufgebracht, so dass die Kavität 221 k mit der Kavität 23 zumindest bereichsweise (im Bereich des Spalts 140) fluchtet.
Fig. 1 b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem modifizierten Deckel 220b, wobei hinsichtlich des restlichen Aufbaus von demselben Aktuator 10 und dem Substrat 23s ausgegangen wird. Der Deckel 220b unterscheidet sich von dem Deckel 220a dadurch, dass dieser optionale Schallöffnungen 222o bzw. 222s aufweist. Die Schallöffnung 222o bzw. die mehreren Schallöffnungen 222o sind auf der Hauptoberfläche des Deckels 220b aufgebracht, während die Öffnung 222s seitlich vorgesehen ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass es entsprechend Ausführungsbeispielen auch ausreicht, dass eine Öffnung, entweder die Öffnung 222o oder die Öffnung 222s vorgesehen wird. Durch diese Öffnungen 222o bzw. 222s kann das eingeschlossene Luftvolumen in der Kavität 221 k ventiliert werden. Die Öffnungen können dem Schallaustritt dienen oder einen Druckausgleich ermöglichen. Mehrere Öffnungen können zusammen ein oder mehrere Gitterstrukturen bilden, die den Aktuator vor mechanischen Einwirkungen und Staub schützen. Fig. 14c zeigt einen weiteren Schallwandler mit einem Deckel 220c, der eine Öffnung 222o aufweist. Der Biegeaktuator ist auf einem weiteren Substrat 230s vorgesehen, das eine seitliche Öffnung 232s aufweist. Das Substrat 230s ist auf ein weiteres Substrat 233s bzw. einen Deckel 233s aufgebracht, so dass die Kavität 230k abgeschlossen wird. Dieses weitere Substrat 233s kann ebenfalls optionale Schallöffnungen 233o aufweisen. Hierdurch wird ein geschlossenes bzw. über zumindest eine der optionalen Öffnungen 232s, 233o, 222o ventiliertes Volumen gebildet. Das Volumen ist im Wesentlichen durch die Kavitäten 221 k sowie 230k gebildet und über zumindest eine oder mehrere Öffnungen geöffnet. Die Öffnungen können zum Schallaustritt dienen oder einen Druckausgleich ermöglichen. Mehrere Öffnungen können zusammenwirken und eine oder mehrere Gitterstrukturen bilden, die den Aktuator 10 vor mechanischer Einwirkung und Staub schüt- zen.
Nachfolgend werden Bezug nehmend auf die Figuren 15a bis 15h unterschiedliche Aktua- torgeometrien erläutert ,die gegenüber den Geometrien aus Fig. 10 erweitert sind. Bei Darstellungen ist der Aktuator mit dem Bezugszeichen 100 bzw. 100_1 bis 100_4 verse- hen, während die Blende mit dem Bezugszeichen 225 versehen ist. Zwischen Aktuator und Blende erstreckt sich immer ein Koppelschlitz, der mit dem Bezugszeichen 140 versehen ist.
Es soll erwähnt werden, dass bei Ausführungsbeispielen die Aktuatorgeometrie beliebig miteinander kombiniert werden können (z. B. Fig 15f mit abgerundeten oder dreieckigen Aktuatoren).
Fig. 15a zeigt eine Draufsicht auf einen abgerundeten Aktuator 100, während Fig. 15b eine Draufsicht auf einen dreiecksförmigen Aktuator 100 zeigt. Gleiche oder auch unter- schiedliche Aktuatoren 100 lassen sich beliebig miteinander kombinieren, wie beispielsweise anhand von Fig. 15c, 15d und 15e dargestellt ist.
Fig. 15c zeigt hier dreiecksförmige Aktuatoren 100_1 bis 100_4, die in Summe eine viereckige Fläche beschreiben, wobei durch eine kreuzförmig angeordnete Blendenstruktur 225 die vier Aktuatoren 100_1 bis 100_4 voneinander separiert sind. Zwischen Aktuatoren 100_1 bis 100_4 und der Blendenstruktur 225 ist wiederum der Schlitz 145 vorgesehen. Alternativ wären auch Anordnungen mit 3, 5, 6 ... Aktuatoren denkbar. Weiter sei angemerkt, dass die Gesamtfläche nicht zwingend viereckig sein muss, sondern auch mehreckig sein kann. Fig. 15d zeigt zwei gegenüberliegende viereckige Aktuatoren 100_5 und 100_6, die ein Viereck beschreiben. Die viereckigen Aktuatoren bilden 100_5 und 100_6 jeweils drei freie Ecken, die durch die H-förmige Blende 225 mit zugehörigem Schlitz 140 begrenzt sind.
Fig. 15e zeigt vier kreissegmentförmige Aktuatoren 100_7 bis 100_10, die ähnlich wie bei Fig. 15c durch eine kreuzförmige Blende 225 mit Schlitz 140 voneinander getrennt sind. Bei der Variante von Fig. 15c ist die Hypotenuse jedes dreieckförmigen Aktuators 100_1 bis 100_4 eingespannt, während bei dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 15e jeweils das Kreissegmentbögen 100_7 bis 100_10 fest eingespannt ist. Alternativ wären auch Anordnungen mit 3, 5, 6 ... Aktuatoren denkbar. Weiter sei angemerkt, dass die Gesamtfläche nicht zwingend viereckig sein muss, sondern auch mehreckig sein kann.
Durch die Kombination unterschiedlicher Aktuatoren lassen sich z. B. Mehrwegsysteme realisieren, wie anhand der Fig. 15f, Fig. 15g und Fig. 15h gezeigt ist.
Fig. 15f kombiniert z.B. drei unterschiedlich geformte, aber jeweils viereckige Aktuatoren 100_1 bis 100_ 3, die jeweils an einer der vier Seiten eingespannt sind, wobei drei der vier Seiten freie Enden ausbilden. Zwischen den freien Enden ist eine labyrinthförmige Blende 225 vorgesehen, die unter Verwendung von den Schlitzen 140 die Aktuatoren 100_11 bis 100_13 trennen. Alle Aktuatoren 100_11 bis 100_13 haben z.B. unterschiedliche Größe (Fläche) und können so für unterschiedliche Frequenzbereiche ausgelegt sein.
Fig. 15g zeigt zwei Aktuatoren 100_14 und 100_15, wobei der erste 100_14 ein vierecki- ger kleiner Aktuator ist. Der weitere, größeren Aktuator 100_15 ist ebenfalls viereckig, weist aber eine Aussparung 100_15a für den anderen Aktuator 100_14 auf. Die Aussparung 100_15a ist so angeordnet, dass beide Aktuatoren auf derselben Seite eingespannt sind. Durch einen zwischen den zweit Aktuatoren 100_14 und 100_15 vorgesehenen Schlitz 140 können diese Aktuatoren 100_14 und 100_15 in ihrer Bewegung entkoppelt sein. Der größere Aktuator 100_15 kann beispielsweise für den Tieftonbereich genutzt werden, während der innere Aktuator 100_14 für den Hochtonbereich genutzt werden kann.
Fig. 15h zeigt einen ähnlichen Aufbau der Aktuatoren 100_14 und 100_15, wobei zusätz- lieh zu der Trennung mittels des Schlitzes 40 der zwei Aktuatoren 100_ 4 und 100_15 auch noch eine weitere Blende 225 vorgesehen ist. Beide Ausführungsbeispiele (Fig. 15g und 15h) haben gemein, dass zumindest entlang der freien Enden des großen Aktuators 100_15 mit der Aussparung 100_15a, in welcher der kleine Aktuator 10CM4 angeordnet ist, die Blenden 225 samt Schlitz 140 angeordnet sind. Durch eine derartige innere Ver- schachtelung bzw. Vorsehung größerer und kleinerer Aktuatoren ist es allgemein möglich, unterschiedliche Frequenzbereiche mit unterschiedlichen Aktuatoren abzudecken.
Fig. 16 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen zweiseitig oder mehrseitig eingespannten (vgl. Bereiche10e1 und 10e2) Biegeaktuator 10**, der zumindest eine freie Seite 10f**hat (hier 2). Diese freie Seite 10f** kann, wie oben erläutert durch eine gegenüberlie- gende Blende 22** (hier 2, entsprechend der erläuterten Varianten) mit dazwischen liegenden Spalt 14 ** akustisch separiert sein.
Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde insbesondere davon ausgegangen, dass ein Schallwandler zur Emission von Schall (Lautsprecher) geschaffen werden soll, weshalb auch immer von einem Biegeaktuator gesprochen wurde. Selbstverständlich ist das Prinzip auch umkehrbar, sodass durch den Schallwandler entsprechend einem Ausführungsbeispiel ein Mikrophon gebildet wird, bei dem der Biegewandler (vgl. Biegeaktuator) ausgebildet ist, z.B. durch Luft, zur (z.B. vertikalen) Schwingung angeregt zu werden, um in Abhängigkeit hierzu ein elektrisches Signal auszugeben (allgemein die akustischen Wel- len aus der Umgebung zu detektieren). Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Bauelement geschaffen, das sowohl Lautsprecher und Mikrophon auf Basis oben erläuterten Konzepte umfasst. Hier können die beiden Bauelemente auf dem selben Substrat geformt sein, was aus Fertigungssicht vorteilhaft ist.
Quellenangaben
[Hou13] Houdouin et al., Acoustic vs electric power response of a high-performance
MEMS microspeaker, IEEE SENSORS 2014
[Dej12] Dejaeger et al., Development and Characterization of a Piezoelectrically
Actuated MEMS Digital Loudspeaker, Procedia Engineering 47 (2012) 184 - 187
[Gla13] Glacer et al., Reversible acoustical transducers in MEMS technology, Proc. DTIP
2013,
[Yi09] Yi et al, Performance of packaged piezoelectric microspeakers depending on the material properties, Proc. MEMS 2009, 765-768

Claims

Patentansprüche
Mikromechanischer Schallwandler (1 , V, 1 "), der in einem Substrat aufgebaut ist, mit folgenden Merkmalen: einem ersten Biegewandler (10), der sich entlang einer Ebene des Substrats erstreckt und ein freies Ende (1 Of) oder eine freie Seite aufweist und ausgebildet ist, zur vertikalen Schwingung angeregt zu werden, um einen Schall zu emittieren o- der aufzunehmen; und einen vertikal zu dem ersten Biegewandler (10) erstreckendes Blendenelement (22), das durch einen Spalt (14) von dem freien Ende (1 Of) oder der freien Seite des ersten Biegewandlers (10) getrennt ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , V, 1 ") gemäß Anspruch 1 , wobei das Blendenelement (22) aus der Ebene des Substrats herausragt.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß Anspruch 2, wobei das Blendenelement (22) aus einem unbeweglichen Bereich des Substrats herausragt.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1 ") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Biegewandler (10) aus der Ebene des Substrats heraus zum Schwingen anregbar ist oder senkrecht zu der Ebene des Substrats zum Schwingen anregbar ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , T, 1 ") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhe des Blendenelements (22) mindestens 50% oder mindestens 100% der maximalen Auslenkung des ersten Biegewandlers (10) im linearen Betrieb oder der maximalen elastischen Auslenkung des ersten Biegewandlers (10) beträgt oder mindestens 3-mal eine Breite des Spalts (14) oder mindestens 1- mal eine Dicke des Biegewandlers (10) oder mindestens 0,1 % oder 1 % der Länge Biegewandlers (10).
Mikromechanischer Schallwandler (1 , V, 1 ") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein vertikal zu dem ersten Biegewandler (10) erstreckendes Blen- denelement (22) umfasst, das durch einen Spalt (14) von den beweglichen Seiten des ersten Biegewandlers (10) getrennt ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Blendenelement (22) in seinem Querschnitt eine variierende Geometrie aufweist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß Anspruch 7, wobei die Geometrie derart variiert, dass eine dem Biegewandler (10) zugewandte Fläche entlang einer Bewegungsbahn des freien Endes bei einer vertikalen Schwingung des Biegewandlers (10) gekrümmt oder geneigt ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei das Blendenelement (22) einen mechanischen Anschlag für den Biegewandler (10) aufweist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich das Blendenelement (22) asymmetrisch aus der Ebene des Substrats heraus und in die Ebene des Substrats herein erstreckt.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei sich das Blendenelement (22) symmetrisch aus der Ebene des Substrats heraus und in die Ebene des Substrats hereinerstreckt; und/oder wobei das Blendenelement (22) eine ausgehend von der Ruhelage des Biegewandlers (10) gleiche Höhenausdehnung aus der Ebene des Substrats heraus und in die Ebene des Substrats herein aufweist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat eine Blendenstruktur oder einen Teil der Blendenstruktur innerhalb des Substrats formt.
Mikromechanischer Schailwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mikromechanische Schallwandler (1 , Γ, 1 ") einen Deckel aufweist, der im Bereich des ersten Biegewandlers (10) auf das Substrat aufgesetzt ist, so dass zumindest der erste Biegewandler (10) sowie das Blendenelement (22) durch den Deckel oder das erste Substrat (233s) bedeckt sind. 14. Mikromechanischer Schallwandler (1 , V, 1 ") gemäß Anspruch 13, wobei der Deckel (220a, 220b, 220c) das Blendenelement (22) ausbildet. 15. Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 \ 1 ") gemäß Anspruch 13 oder 14, der in dem Deckel eine oder mehrere Öffnungen aufweist; und/oder wobei der mikromechanische Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") in dem Substrat eine oder mehrere Schallöffnungen aufweist. 16. Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mikromechanische Schallwandler (1 , 1 ', 1") einen zweiten Biegewandler (12) mit einem freien Ende umfasst, welcher mit dem ersten Biegewandler (10) in einer gemeinsamen Ebene (e1 ) angeordnet ist, und das Blendenelement (22) zwischen dem freien Ende des ersten Biegewandlers (10) und dem freien Ende des zweiten Biegewandlers angeordnet ist.
17. Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen zweiten Biegewandler (12) umfasst, welcher ein freies Ende (12f) aufweist und mit dem ersten Biegewandler (10) in einer gemeinsamen Ebene (e1 ) angeordnet ist, so dass das freie Ende (1 Of) des ersten Biegewandiers ( 0) von dem freien Ende (10f) des zweiten Biegewandlers (12) durch einen Spalt (14) getrennt ist, wobei der zweite Biegewandler (12) phasengleich zu der vertikalen Schwingung des ersten Biegewandlers (10) angeregt wird. 18. Mikromechanischer Schallwandler (1 , V, 1 ") gemäß Anspruch 17, wobei der erste und zweite Biegewandler (10, 12) gleichartige Biegewandler sind.
19. Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite Biegewandler (12) ein flächiger, tra- pezförmiger oder rechteckiger Biegewandler ist.
20. Mikromechanischer Schallwandler (1 , V, 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite Biegewandler (10, 12) ein dreieckiger oder kreissegmentförmiger oder abgerundeter Biegewandler ist.
21. Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 17 bis
20, wobei dieser ein oder mehrere weitere Biegewandler umfasst, die in der gemeinsamen Fläche angeordnet sind, so dass deren freie Enden von den freien Enden (1 Of, 12f) des ersten und/oder zweiten Biegewandlers (10, 12) durch einen Spalt (14) getrennt sind, wobei der zumindest eine weitere Biegewandler phasengleich zu der vertikalen Schwingung des ersten und/oder zweiten Biegewandiers (10, 12) zur vertikalen Schwingung angeregt wird.
22. Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 17 bis
21 , der eine Steuerung umfasst, die den ersten und zweiten Biegewandler (12) so ansteuert, dass diese phasengleich zur vertikalen Schwingung angeregt werden.
23. Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Sensorik umfasst, die ausgebildet ist, um die vertikale Schwingung und/oder die Position des ersten und/oder des zweiten Biegewandlers (12) zu erfassen.
24. Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spalt (14) kleiner 10% oder kleiner 5% oder kleiner 1% oder kleiner 0,1% oder kleiner 0,01 % der Fläche des ersten Biegewandlers (10) ist.
25. Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spalt (14) bei Auslenkung kleiner 15% oder kleiner 10%, 5%, 1%, 0,1 % oder 0,01% der Fläche des ersten Biegewandlers (10) ist.
26. Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spalt (14) im Ruhezustand des ersten Biegewandlers (10) besteht.
27. Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Biegewandler (10) einseitig oder mehrseitig gegenüber dem Substrat und/oder einem Grundelement eingespannt ist.
28. Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Biegewandler (10) oder ein zweiter Biegewandler (12) jeweils ein erstes und ein zweites Biegeelement umfassen, die in Serie geschaltet sind, um so den jeweiligen Biegewandler zu formen.
Mikromechanischer Schailwandler (1 , 1', 1") gemäß Anspruch 28, wobei das erste Biegeelement ein eingespanntes Ende und ein freies Ende (1 Of) aufweist und das zweite Biegeelement mit seinem eingespannten Ende an das freie Ende (1 Of) des ersten Biegeelements (10) angreift und mit seinem freien Ende (1 Of) das freie Ende (1 Of, 12f) des ersten und/oder zweiten Biegewandlers (12) formt.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1") gemäß Anspruch 28 oder 29, wobei das erste Biegeelement über ein flexibles Element mit dem zweiten Biegeelement verbunden ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei der Mikromechanische Schallwandler einen Rahmen aufweist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , f , 1") gemäß Anspruch 31 , wobei der Rahmen im Bereich des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Biegeelement angeordnet ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1") gemäß einem der Ansprüche 28 bis 32, wobei das erste Biegeelement und das zweite Biegeelement mit unterschiedlichen Steuersignalen angesteuert werden.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schallwandlers, der in einem Substrat aufgebaut ist, mit einem sich entlang einer Ebene des Substrats erstreckenden, ersten Biegewandler (10), und einem vertikal zu dem ersten Biegewandler (10) erstreckenden Blendenelement (22), mit folgenden Schritten:
Strukturieren einer Schicht, um den ersten Biegewandler (10) zu formen, so dass er ein freies Ende (10f) oder eine freie Seite aufweist und ausgebildet ist, zur vertikalen Schwingung angeregt zu werden, um einen Schall zu emittieren oder aufzunehmen; und Realisierung des vertikalen Blendenelements (22), so dass dieses über die Schicht des ersten Biegewandlers (10) hinausragt und durch einen Spalt (14) von dem freien Ende (10f) des ersten Biegewandlers (10) getrennt ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") mit einem ersten Biegewandler (10), der ein freies Ende (10f) oder eine freie Seite hat und ausgebildet ist, zur vertikalen Schwingung angeregt zu werden, um einen Schall zu emittieren oder aufzunehmen, wobei der erste Biegewandler (10, 12) ein erstes und ein zweites Biegeelement umfasst, die in Serie geschaltet sind, um so den ersten Biegewandler zu formen, wobei das erste Biegeelement mit jeweils einem ersten Steuersignal und das zweite Biegeelement mit einem zweiten Steuersignal ansteuerbar sind.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß Anspruch 35, bei dem sich das erste Steuersignal von dem zweiten Steuersignal unterscheidet.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß Anspruch 36, wobei das erste Steuersignal und das zweite Steuersignal von einem gemeinsamen Ursprungssignal abgeleitet sind und das erste Steuersignal gegenüber dem zweiten Steuersignal modifiziert ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß Anspruch 36 oder 37, wobei das erste Steuersignal einen von dem zweiten Steuersignal unterschiedlichen o- der teilweise überlappenden Frequenzbereich aufweist oder wobei das erste Steuersignal und das zweite Steuersignal von einem gemeinsamen Ursprungssignal abgeleitet sind und das erste Steuersignal eine andere Frequenzfilterung erfahren hat als das zweite Steuersignal.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß Anspruch 38, wobei das erste Steuersignal einen niedrigeren Frequenzbereich hat als das zweite Steuersignal.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 35 bis 39, der einen zweiten Biegewandler (12), der ein freies Ende (12f) hat und mit dem ersten Biegewandler (10) in einer gemeinsamen Ebene (e1) angeordnet ist, umfasst, wobei der zweite Biegewandler (10, 12) ein erstes und ein zweites Biege- element (10, 12) umfasst, die in Serie geschaltet sind, um so den zweiten Biegewandler zu formen.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , V, 1 ") gemäß einem der Ansprüche 35 bis
40, wobei das erste Biegeelement ein eingespanntes Ende und ein freies Ende aufweist und das zweite Biegeelement mit seinem eingespannten Ende an das freie Ende des ersten Biegeelements (10) angreift und mit seinem freien Ende das freie Ende (10f, 12f) des ersten und/oder zweiten Biegewandlers (10, 12) formt.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß einem der Ansprüche 35 bis
41 , wobei das erste Biegeelement über ein flexibles Element mit dem zweiten Biegeelement verbunden ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1") gemäß einem der Ansprüche 35 bis
42, wobei der mikromechanische Schallwandler einen Rahmen aufweist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß Anspruch 43, wobei der Rahmen im Bereich des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Biegeelement angeordnet ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1 ") gemäß einem der Ansprüche 35 bis 44, wobei das erste Biegeelement und das zweite Biegeelement mit unterschiedlichen Steuersignalen angesteuert werden.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß einem der Ansprüche 35 bis 45, wobei der erste und/oder zweite Biegewandler (10, 12) ein flächiger, trapezförmiger oder rechteckiger Biegewandler ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , V, 1") gemäß einem der Ansprüche 35 bis 46, wobei der erste und/oder zweite Biegewandler (12) ein dreieckiger oder kreisseg- mentförmiger Biegewandler ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1 ") gemäß einem der Ansprüche 35 bis 47, wobei dieser ein oder mehrere weitere Biegewandler umfasst, die in der gemeinsamen Fläche angeordnet sind, so dass deren freie Enden von den freien Enden (1 Of, 12f) des ersten und/oder zweiten Biegewandlers (12) durch einen Spalt (14) ge- trennt sind, wobei der zumindest eine weitere Biegewandler (12) phasengleich zu der vertikalen Schwingung des ersten und/oder zweiten Biegewandlers (10, 12) zur vertikalen Schwingung angeregt wird.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1 ") gemäß einem der Ansprüche 35 bis 48, wobei der Spalt (14) kleiner 10% oder kleiner 5% oder 1 % oder 0,1%, oder kleiner 0,01 % der Fläche des ersten Biegewandlers (10) ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1", 1 ") gemäß einem der Ansprüche 35 bis 49, wobei der Spalt (14) bei Auslenkung kleiner 15% oder kleiner 10%, 5%, 1% oder 0,1%, oder kleiner 0,01% der Fläche des ersten Biegewandlers (10) ist.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schallwandlers nach einem der Ansprüche 35 bis 50, der einen ersten Biegewandler (10) umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen einer ersten Schicht in einer gemeinsamen Ebene (e1), die zumindest den ersten Biegewandler ( 0) mit jeweils einem ersten und einem zweiten Biegeelement formt, sodass der erste Biegewandler (10) ein freies Ende (1 Of) aufweist; und
Verbinden des jeweils ersten Biegeelements mit dem zweiten Biegeelement des jeweiligen ersten Biegewandlers.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 1 bis 33 oder 35 bis 50, wobei zwei Biegewandler (10) mit ihrem eingespannten Ende gegenüber einem Substrat (23s) gelagert sind, wobei die Geometrie des ersten der zwei Biegewandler durch die Geometrie des zweiten der zwei Biegewandler (10) eingeschlossen oder umschlossen ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1") gemäß Anspruch 52, wobei der zweite der zwei Biegewandler (10) eine Aussparung für den ersten der zwei Biegewandler (10) aufweist.
54. Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1 ', 1") gemäß Anspruch 52 oder 53, wobei die zwei Biegewandler durch einen Schlitz oder einen Schlitz mit Blende separiert sind. Mikromechanischer Schallwandler (1 , 1', 1 ") gemäß Anspruch 52, 53 oder 54, wobei die zwei Biegewandler mit zwei unterschiedlichen Steuersignalen oder mit zwei Steuersignalen für zwei unterschiedliche Frequenzbereiche ansteuerbar sind.
EP18729366.7A 2017-05-26 2018-05-28 Mikromechanischer schallwandler Active EP3632135B1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP23189034.4A EP4247006A3 (de) 2017-05-26 2018-05-28 Mikromechanischer schallwandler
EP23189032.8A EP4247005A3 (de) 2017-05-26 2018-05-28 Mikromechanischer schallwandler

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017208911.3A DE102017208911A1 (de) 2017-05-26 2017-05-26 Mikromechanischer Schallwandler
PCT/EP2018/063961 WO2018215669A2 (de) 2017-05-26 2018-05-28 Mikromechanischer schallwandler

Related Child Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23189032.8A Division EP4247005A3 (de) 2017-05-26 2018-05-28 Mikromechanischer schallwandler
EP23189034.4A Division EP4247006A3 (de) 2017-05-26 2018-05-28 Mikromechanischer schallwandler

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP3632135A2 true EP3632135A2 (de) 2020-04-08
EP3632135B1 EP3632135B1 (de) 2023-08-02

Family

ID=62530200

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP18729366.7A Active EP3632135B1 (de) 2017-05-26 2018-05-28 Mikromechanischer schallwandler
EP23189034.4A Pending EP4247006A3 (de) 2017-05-26 2018-05-28 Mikromechanischer schallwandler
EP23189032.8A Pending EP4247005A3 (de) 2017-05-26 2018-05-28 Mikromechanischer schallwandler

Family Applications After (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23189034.4A Pending EP4247006A3 (de) 2017-05-26 2018-05-28 Mikromechanischer schallwandler
EP23189032.8A Pending EP4247005A3 (de) 2017-05-26 2018-05-28 Mikromechanischer schallwandler

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11350217B2 (de)
EP (3) EP3632135B1 (de)
JP (2) JP7303121B2 (de)
CN (2) CN116668926A (de)
DE (1) DE102017208911A1 (de)
WO (1) WO2018215669A2 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021201784A1 (de) 2021-02-25 2022-08-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein MEMS-Schallwandler-Array
DE102023203237A1 (de) 2023-04-06 2024-10-10 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Mems-schallwandler

Families Citing this family (46)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019201744B4 (de) 2018-12-04 2020-06-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mems-schallwandler
EP3675522A1 (de) * 2018-12-28 2020-07-01 Sonion Nederland B.V. Miniaturlautsprecher ohne wesentliche akustische leckage
JP2020136800A (ja) * 2019-02-15 2020-08-31 新日本無線株式会社 圧電素子
DE102019116080A1 (de) * 2019-06-13 2020-12-17 USound GmbH MEMS-Schallwandler mit einer aus Polymer ausgebildeten Membran
JP7522541B2 (ja) * 2019-07-12 2024-07-25 日清紡マイクロデバイス株式会社 圧電素子
US11042346B2 (en) * 2019-07-30 2021-06-22 International Business Machines Corporation Artificial cochlea
DE102019218769A1 (de) * 2019-12-03 2020-11-19 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauteil für eine Aktor- und/oder Sensorvorrichtung
JP7433870B2 (ja) 2019-12-04 2024-02-20 エルジー ディスプレイ カンパニー リミテッド 表示装置及び情報処理装置
US11202138B2 (en) * 2020-03-05 2021-12-14 Facebook Technologies, Llc Miniature high performance MEMS piezoelectric transducer for in-ear applications
CN111328005B (zh) * 2020-03-10 2021-09-10 瑞声声学科技(深圳)有限公司 压电式mems麦克风
WO2021220566A1 (ja) * 2020-04-30 2021-11-04 株式会社村田製作所 圧電デバイス
US11399228B2 (en) * 2020-07-11 2022-07-26 xMEMS Labs, Inc. Acoustic transducer, wearable sound device and manufacturing method of acoustic transducer
US11884535B2 (en) * 2020-07-11 2024-01-30 xMEMS Labs, Inc. Device, package structure and manufacturing method of device
US11972749B2 (en) * 2020-07-11 2024-04-30 xMEMS Labs, Inc. Wearable sound device
US12088988B2 (en) * 2020-07-11 2024-09-10 xMEMS Labs, Inc. Venting device and venting method thereof
US11323797B2 (en) * 2020-07-11 2022-05-03 xMEMS Labs, Inc. Acoustic transducer, wearable sound device and manufacturing method of acoustic transducer
US12028673B2 (en) 2020-07-11 2024-07-02 xMEMS Labs, Inc. Driving circuit and wearable sound device thereof
US12022253B2 (en) * 2020-07-11 2024-06-25 xMEMS Labs, Inc. Venting device
CN213342677U (zh) * 2020-09-27 2021-06-01 瑞声科技（南京）有限公司 一种压电式麦克风
IT202000024469A1 (it) * 2020-10-16 2022-04-16 St Microelectronics Srl Trasduttore ultrasonico microlavorato piezoelettrico
US20240128928A1 (en) * 2021-01-14 2024-04-18 xMEMS Labs, Inc. Demodulation Signal Generator for Air Pulse Generator
US12075213B2 (en) * 2021-01-14 2024-08-27 xMEMS Labs, Inc. Air-pulse generating device
US20230292058A1 (en) * 2021-01-14 2023-09-14 xMEMS Labs, Inc. Air-Pulse Generating Device Producing Asymmetric Air Pulses
US20230300539A1 (en) * 2021-01-14 2023-09-21 xMEMS Labs, Inc. Air-Pulse Generating Device with Efficient Propagation
US11943585B2 (en) * 2021-01-14 2024-03-26 xMEMS Labs, Inc. Air-pulse generating device with common mode and differential mode movement
JP7452476B2 (ja) 2021-03-10 2024-03-19 株式会社デンソー 圧電素子、圧電装置、および圧電素子の製造方法
DE102021202573B3 (de) 2021-03-16 2022-07-07 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Mems-schallwandler mit ausnehmungen und auskragungen
DE102021203360A1 (de) 2021-04-01 2022-10-06 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Mems-schallwandler
US20240022859A1 (en) * 2021-05-11 2024-01-18 xMEMS Labs, Inc. Package structure, apparatus and forming methods thereof
US11711653B2 (en) 2021-05-11 2023-07-25 xMEMS Labs, Inc. Sound producing cell and manufacturing method thereof
US20220408195A1 (en) * 2021-06-17 2022-12-22 Skyworks Solutions, Inc. Acoustic devices with residual stress compensation
CN113365196B (zh) * 2021-07-05 2023-06-02 瑞声开泰科技(武汉)有限公司 Mems扬声器及mems扬声器制造方法
CN113852897A (zh) * 2021-08-02 2021-12-28 天津大学 压电mems扬声器及其设计方法、电子设备
WO2023010247A1 (zh) * 2021-08-02 2023-02-09 天津大学 压电mems扬声器及其设计方法、电子设备
DE102021130035A1 (de) * 2021-11-17 2023-05-17 USound GmbH MEMS-Schallwandler mit einer gekrümmten Kontur eines Kragarmelements
CN114339552A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 瑞声开泰科技(武汉)有限公司 一种发声装置
CN114513729B (zh) * 2022-01-07 2023-07-07 华为技术有限公司 电子设备及声学换能器
US20230270010A1 (en) * 2022-02-18 2023-08-24 Apple Inc. Piezoelectric mems valve for an electronic device
DE102022203173A1 (de) 2022-03-31 2023-10-05 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein MEMS-Schallwandler
IT202200007043A1 (it) * 2022-04-08 2023-10-08 St Microelectronics Srl Trasduttore elettroacustico microelettromeccanico a membrana
EP4376442A3 (de) * 2022-04-08 2024-08-14 STMicroelectronics S.r.l. Mikroelektromechanischer membran-elektroakustikwandler
EP4283609A1 (de) * 2022-05-28 2023-11-29 xMEMS Labs, Inc. Luftpulserzeugungsvorrichtung
DE102022210125A1 (de) 2022-09-26 2024-03-28 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikromechanische Schallwandlervorrichtung und entsprechendes Schallwandlungsverfahren
US12063470B1 (en) 2023-02-10 2024-08-13 xMEMS Labs, Inc. Acoustic package structure and covering structure
DE102023203467A1 (de) 2023-04-17 2024-10-17 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikroelektromechanische Aktuatorstruktur, Bauelement
CN117729500B (zh) * 2024-02-08 2024-04-30 成都纤声科技有限公司 一种声学压电结构、声学传感器和电子设备

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6496351B2 (en) 1999-12-15 2002-12-17 Jds Uniphase Inc. MEMS device members having portions that contact a substrate and associated methods of operating
WO2003017717A2 (en) 2001-08-17 2003-02-27 Carnegie Mellon University Method and apparatus for reconstruction of soundwaves from digital signals
US7003125B2 (en) 2001-09-12 2006-02-21 Seung-Hwan Yi Micromachined piezoelectric microspeaker and fabricating method thereof
WO2004018980A2 (en) 2002-08-20 2004-03-04 The Regents Of The University Of California Optical waveguide vibration sensor for use in hearing aid
JP4715236B2 (ja) * 2005-03-01 2011-07-06 株式会社デンソー 超音波センサ装置
WO2007029878A1 (en) * 2005-09-09 2007-03-15 Yamaha Corporation Capacitor microphone
EP3525483B1 (de) 2007-11-21 2021-06-02 Audio Pixels Ltd. Verbesserte lautsprechervorrichtung
JP5707323B2 (ja) 2008-06-30 2015-04-30 ザ・リージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・ミシガンＴｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ Ｏｆ Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｏｆ Ｍｉｃｈｉｇａｎ 圧電型ｍｅｍｓマイクロフォン
KR101562339B1 (ko) 2008-09-25 2015-10-22 삼성전자 주식회사 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법
EP2254353B1 (de) * 2009-05-19 2017-07-05 Sivantos Pte. Ltd. Hörvorrichtung mit einem Schallwandler und Verfahren zum Herstellen eines Schallwandlers
KR101561663B1 (ko) 2009-08-31 2015-10-21 삼성전자주식회사 피스톤 다이어프램을 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법
FR2955443B1 (fr) 2010-01-19 2012-03-23 Univ Maine Structure de haut-parleur electrodynamique a technologie mems
DE102010009453A1 (de) 2010-02-26 2011-09-01 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Schallwandler zum Einsetzen in ein Ohr
CN101841756A (zh) 2010-03-29 2010-09-22 瑞声声学科技(深圳)有限公司 振膜及应用该振膜的硅电容麦克风
EP2669648A4 (de) * 2011-01-28 2017-03-01 The University of Tokyo Differenzdrucksensor
CN103460721B (zh) 2011-03-31 2017-05-24 韦斯伯技术公司 具有间隙控制几何形状的声换能器以及声换能器制造方法
FR2990320B1 (fr) 2012-05-07 2014-06-06 Commissariat Energie Atomique Haut-parleur digital a performance amelioree
DE102012107457B4 (de) * 2012-08-14 2017-05-24 Tdk Corporation MEMS-Bauelement mit Membran und Verfahren zur Herstellung
JP6021110B2 (ja) 2012-12-28 2016-11-02 国立大学法人 東京大学 感圧型センサ
US9092585B2 (en) 2013-01-22 2015-07-28 The Procter & Gamble Company Computer based models for absorbent articles
US9212045B1 (en) 2014-07-31 2015-12-15 Infineon Technologies Ag Micro mechanical structure and method for fabricating the same
DE102015210919A1 (de) 2015-06-15 2016-12-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom eines Fluids und Verfahren zum Herstellen desselben
DE102015213771A1 (de) * 2015-07-22 2017-01-26 Robert Bosch Gmbh MEMS-Bauelement mit schalldruckempfindlichem Membranelement
KR101725728B1 (ko) * 2016-05-30 2017-04-13 김중배 모션 피드백 기능을 갖는 차동 스피커 장치

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021201784A1 (de) 2021-02-25 2022-08-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein MEMS-Schallwandler-Array
WO2022180161A1 (de) 2021-02-25 2022-09-01 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mems-schallwandler-array
DE102023203237A1 (de) 2023-04-06 2024-10-10 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Mems-schallwandler

Also Published As

Publication number Publication date
EP4247006A3 (de) 2023-12-27
DE102017208911A1 (de) 2018-11-29
US11350217B2 (en) 2022-05-31
JP2020522178A (ja) 2020-07-27
CN116668926A (zh) 2023-08-29
JP2023029908A (ja) 2023-03-07
EP3632135B1 (de) 2023-08-02
WO2018215669A3 (de) 2019-01-24
CN111034223A (zh) 2020-04-17
US20200100033A1 (en) 2020-03-26
EP4247005A3 (de) 2023-12-06
JP7303121B2 (ja) 2023-07-04
WO2018215669A2 (de) 2018-11-29
EP4247005A2 (de) 2023-09-20
EP4247006A2 (de) 2023-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3632135B1 (de) Mikromechanischer schallwandler
EP3100467B1 (de) Mems mit mikromechanischen piezoelektrischen aktuatoren zur realisierung hoher kräfte und auslenkungen
EP3308555B1 (de) Mems-wandler zum interagieren mit einem volumenstrom eines fluids und verfahren zum herstellen desselben
EP3612493B1 (de) Mems-wandler zum interagieren mit einem volumenstrom eines fluids und verfahren zum herstellen desselben
EP3852391B1 (de) Mems-lautsprecher mit erhöhter leistungsfähigkeit
DE102012220819B4 (de) Schallwandler mit einer ersten und einer zweiten menge von ineinandergreifenden kammfingern
DE102017200393B4 (de) System und Verfahren für einen Wandler mit variablem Durchfluss
DE602004010024T2 (de) Bimorph angetriebener, schwingender Mikrospiegel
DE102012216150B9 (de) Mikroelektromechanisches System mit Biegeauslenkung der Rückplattenstruktur
DE112007000263B4 (de) Differentialmikrofon, hergestellt in Mikrofertigung
WO2015075222A1 (de) Mikrospiegelanordnung
DE102019203914B3 (de) MEMS mit großer fluidisch wirksamer Oberfläche
EP3778469B1 (de) Mems-bauteil, baugruppe mit dem mems-bauteil und verfahren zum betreiben des mems-bauteils
DE102012223605A1 (de) MEMS-Bauelement zum Erzeugen von Druckpulsen
EP4298798A1 (de) Mems-schallwandler-array
CN110661505A (zh) 一种具有大长宽比结构的低挤压膜阻尼微机械谐振器
EP4058400A1 (de) Mems-bauteil mit in der ebene beweglichem element und verfahren zum betreiben desselben
DE102022209183A1 (de) Mikrofluidisches Interaktionselement zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids sowie eine akustische Vorrichtung mit einem solchen mikrofluidischen Interaktionselement
DE102022209186A1 (de) Mikrofluidisches Interaktionselement zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids sowie eine akustische Vorrichtung mit einem solchen mikrofluidischen Interaktionselement
EP4236367A1 (de) Korrugationen oder schwächungsbereiche auf ankerstrukturen von vertikalen mems-wandler-membranen
DE102022208829A1 (de) MEMS, MEMS-Lautsprecher und Verfahren zum Herstellen derselben
DE102023203237A1 (de) Mems-schallwandler
WO2023161469A1 (de) Korrugationen oder schwächungsbereiche auf ankerstrukturen von vertikalen mems-wandler-membranen
DE102022209187A1 (de) Mikrofluidisches Interaktionselement zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids sowie eine akustische Vorrichtung mit einem solchen mikrofluidischen Interaktionselement

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20191122

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20210217

RAP3 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20230213

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE PATENT HAS BEEN GRANTED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: EP

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R096

Ref document number: 502018012866

Country of ref document: DE

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: GERMAN

REG Reference to a national code

Ref country code: LT

Ref legal event code: MG9D

REG Reference to a national code

Ref country code: NL

Ref legal event code: MP

Effective date: 20230802

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231103

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IS

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231202

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: SE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

Ref country code: RS

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

Ref country code: PT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231204

Ref country code: NO

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231102

Ref country code: NL

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

Ref country code: LV

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

Ref country code: LT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

Ref country code: IS

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231202

Ref country code: HR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

Ref country code: GR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20231103

Ref country code: FI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: PL

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: ES

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: SM

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

Ref country code: RO

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

Ref country code: ES

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

Ref country code: EE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

Ref country code: DK

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

Ref country code: CZ

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

Ref country code: SK

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R097

Ref document number: 502018012866

Country of ref document: DE

PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GB

Payment date: 20240516

Year of fee payment: 7

26N No opposition filed

Effective date: 20240503

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Payment date: 20240521

Year of fee payment: 7

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: SI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20230802

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Payment date: 20240522

Year of fee payment: 7

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IT

Payment date: 20240529

Year of fee payment: 7