EP3739904A1 - Akustisches biegewandlersystem und akustische vorrichtung - Google Patents

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EP3739904A1
EP3739904A1 EP19174497.8A EP19174497A EP3739904A1 EP 3739904 A1 EP3739904 A1 EP 3739904A1 EP 19174497 A EP19174497 A EP 19174497A EP 3739904 A1 EP3739904 A1 EP 3739904A1
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EP
European Patent Office
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bending
bending transducer
sub
acoustic
transducer system
Prior art date
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Pending
Application number
EP19174497.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bert Kaiser
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Priority to PCT/EP2020/063187 priority patent/WO2020229466A1/de
Priority to CN202080036103.7A priority patent/CN114073103A/zh
Priority to TW109115901A priority patent/TW202102008A/zh
Publication of EP3739904A1 publication Critical patent/EP3739904A1/de
Priority to US17/524,577 priority patent/US20220070591A1/en
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    • 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
    • H04R17/02—Microphones
    • H04R17/025—Microphones using a piezoelectric polymer
    • 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
    • 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

Definitions

  • Embodiments according to the invention relate to a micromechanical sound transducer.
  • these documents reveal the construction of bending transducers and their specific possibilities and mechanisms to interact with the environment.
  • the aforementioned documents relate to a novel MEMS (micro-electromechanical system) actuator principle based on the fact that a silicon beam moves laterally in a plane, for example a substrate plane, which is defined by a silicon wafer or a wafer.
  • the silicon bar which is connected to the substrate in a cavity, interacts with a volume flow.
  • the novel MEMS described therein are defined as NED (Nanoscopic Electrostatic Drive), a nanoscopic electrostatic drive.
  • these NEDs are particularly suitable for the miniaturization - downsizing of components while retaining the full range of functions - of everyday objects that are subject to increased integration requirements.
  • ultra-mobile end devices such as smartwatches or hearables are subject to very narrow limits in terms of installation space.
  • sound transducers can be implemented that can meet these increased demands, with both sound quantity and Sound quality can be significantly improved compared to conventional sound transducers.
  • the integration requirements relate both to the adaptation to the existing installation space in general and to the system design together with several components.
  • a hearing aid or headphones which is designed such that its external dimensions of the housing correspond to the internal dimensions of the auditory canal.
  • a MEMS-based sound transducer is arranged in the housing so that a front volume is formed in the direction of the eardrum and a back volume in the direction of the earpiece, which are separated from one another by the MEMS-based sound transducer.
  • the geometric dimensions of this sound transducer are designed in such a way that it does not restrict the geometric dimensions of the resonance volume, but it is difficult to keep a frequency profile constant over a large frequency range.
  • the sound transducer consists of flexural transducers that are elastically suspended on one side and that extend over a cavity and the edge area of which is spaced apart on a front side by a gap.
  • the gap increases due to the curvature of the transducers.
  • a sound shielding device is disclosed which is formed by the side walls, the so-called sound blocking walls of the cavity. These walls are arranged in such a way that they at least partially prevent the lateral passage of sound along the gap.
  • the sound transducers are piezoelectric and are therefore subject to a pre-curvature, so that the measures disclosed serve to minimize the inaccuracies that result from this pre-curvature.
  • the loudspeaker unit for a portable device for generating sound waves in the audible range, which is characterized by a small size and high performance.
  • the loudspeaker unit also includes a MEMS-based tweeter, with the frequency ranges of both loudspeakers overlapping.
  • the electrodynamic loudspeaker is compact and optimized for low frequencies.
  • the high space requirement and the high power consumption continue to be disadvantageous, since two different system technologies have to be operated.
  • the sound-generating membrane is a conductive film that is arranged between two flat electrodes and whose vibrations generate sound in the audible wavelength spectrum. This film is not arranged parallel to the eardrum, which minimizes unwanted resonances in the ear canal.
  • no further functional elements can be monolithically integrated, which means that additional space is required outside the auditory canal.
  • a compact arrangement of a large number of bending transducers of a bending transducer system which is designed as a sound transducer and which enables the integration of further system components in limited space, ensures a high reproduction quality in an environment around the bending transducer system.
  • the frequency curve reproduced with the sound transducer can be kept constant over a large frequency range, for example via the inclined alignment of the volume flow in a corridor, such as an ear canal.
  • a variation can be less than 6 dB, for example.
  • the application describes a further development with regard to an optimization of the arrangement of bending transducers with regard to space requirements, sound pressure level and Sound quality. That can be produced by the NED in a specific environment - for example in the auditory canal of a human ear.
  • An acoustic bending transducer system with a large number of bending transducers is proposed, which are designed in such a way that deformable elements of the bending transducers oscillate in a coplanar manner in a common flat layer, the bending transducers having different resonance frequencies and different dimensions of the deformable elements along a common longitudinal axis that is transverse to a direction of vibration of the deformable elements.
  • the bending transducers can be, for. B. electrostatic bending actuators (NED actuators), piezoelectric actuators or thermomechanical actuators act.
  • the plurality of bending transducers are designed to be deflected in an oscillation plane.
  • the bending transducers are arranged next to one another along a first axis in the common flat layer or plane of vibration and extend along a second axis that is transverse to the first axis.
  • individual or multiple bending transducers can also be arranged at an angle to the majority of the bending transducers aligned parallel to one another.
  • an acoustic device e.g. a hearing aid with: an acoustic bending transducer system with at least one bending transducer which has at least one deformable element that is arranged in a cavity and an opening through which a fluidic volume flow interacting with a movement of the bending transducer in the cavity passes, and a housing, which is adapted to be inserted in a passage, the bending transducer system being held in the housing such that the fluidic volume flow can be directed obliquely to a longitudinal axis of the passage in a state in which the housing is inserted into the passage.
  • the acoustic device can be miniaturized and is therefore particularly suitable for installation in in-the-ear hearing aids (ITE) and hearables, as well as smartwatches and other ultra-mobile devices.
  • the bending transducer system has one or more cavities in which the bending transducers are arranged and one or more openings in the cavities through which a fluidic volume flow that interacts with a plurality of bending transducers can pass.
  • the openings in the cavities can be common openings of two or more cavities, which communicate with one another via the fluidic volume flow.
  • openings in the cavities of the bending transducer system allow communication between individual bending transducers or the bending transducer system with an enveloping environment.
  • the bending transducers are arranged in a space that is delimited by a first and a second substrate parallel to the common plane of vibration, and walls between the substrates that define the space along a longitudinal direction or in a direction transverse to the longitudinal direction in the common plane of vibration Subdivide cavities that are arranged between adjacent bending transducers. A cavity is thus delimited, for example, by the first substrate, the second substrate and two opposing walls of adjacent bending transducers. Since the plurality of bending transducers is designed to be deflected via their deformable elements in the common plane of oscillation of a layer, the bending transducers can each be at a distance from the first substrate and the second substrate, through which adjacent cavities can be fluidically coupled to one another. Due to the fluidic coupling of adjacent cavities, a common force can be exerted by the plurality of bending transducers on a fluid located in the cavities, as a result of which a high sound level can be achieved with the micromechanical sound transducer.
  • each bending transducer of the acoustic bending transducer system can comprise a deformable element that is electrostatically, piezoelectrically or thermomechanically deformable. This provides a multitude of options for flexibly adapting the bending transducer system to desired requirements.
  • At least a first subset of at least one first bending transducer each has a deformable element clamped on one side
  • at least a second subset of at least one second bending transducer each has a deformable element clamped on both sides.
  • each bending transducer can be clamped on one or both sides, bending transducers with deformable elements of different mechanical properties and dimensions can be implemented, which in turn are responsible for generating different frequencies and sound pressures. Furthermore, an installation space that is present in the same layer of the bending transducer system can be used particularly advantageously.
  • the at least first subset of at least one first bending transducer has on average a higher resonance frequency than the at least second subset of at least one second bending transducer, or vice versa. Due to certain requirements on the installation space and with regard to the various frequencies and their sound pressures, the rigidity, mass, length and cross-sectional geometry of the deformable elements of the respective bending transducers can be adapted.
  • the first subset of at least one first bending transducer has a shorter length on average than the second subset of at least one second bending transducer.
  • each bending transducer delimits two opposing cavities, each cavity being accessible via at least one opening for the fluidic volume flow to pass through. It is thus possible to fluidically couple the individual cavities and thus to control the properties of the volume flow conveyed by the individual bending transducers in a targeted manner in particular with regard to a buildable pressure or sound pressure of the volume flow can be desired.
  • the deformable element of each bending transducer should have a length that is less than 4000 ⁇ m.
  • an outer dimension of the bending transducer system along the common longitudinal axis is a maximum lateral to the common flat layer and greater than an outer dimension of the bending transducer system transversely thereto.
  • the outer dimension of the bending transducer system along the common longitudinal axis is between 750 ⁇ m and 2000 ⁇ m. In a still preferred exemplary embodiment, the outer dimension of the bending transducer system along the common longitudinal axis is between 800 ⁇ m and 1200 ⁇ m. Bending transducer systems with the dimensions mentioned above can be built into in-the-ear hearing aids in a space-saving manner, whereby sufficient hearing quality can be guaranteed for the user.
  • a describes.
  • the outer surface of the bending transducer system is coplanar to the common flat layer, an oval elongated along the common longitudinal axis, a rectangle elongated along the common longitudinal axis, or a polygon elongated along the common longitudinal axis.
  • Such elongated shapes allow the installation space in an elongated envelope with a cylindrical or rectangular cross-section to be used particularly well.
  • an inner cross section of an elongated sleeve can be essentially completely taken up, for example an auditory canal can be sealed.
  • the bending transducers are subdivided into groups of one or more bending transducers, the several bending transducers along the common longitudinal axis in groups with several bending transducers are arranged one behind the other.
  • the individual pressures of the volume flow caused by the respective deformable elements of the bending transducers would add up. Consequently, by staggering or grouping the bending transducers and their selective activation, not only a desired pressure or sound pressure of the volume flow emitted into the environment could be controlled in a targeted manner, but different sound frequencies could also be generated.
  • short bending transducers can be arranged in the area of the openings, since they are characterized by a comparatively high rigidity - relative to long bending transducers - which enables high resonance frequencies. If such bending transducers are arranged in the area of the openings, which connect the cavities with the environment, resonances can be avoided and thus a sound quality or a hearing quality can be improved.
  • the bending transducers are divided into groups of one or more bending transducers, the several bending transducers being arranged next to one another in the common plane transversely to the common longitudinal axis in groups with several bending transducers. Analogous to the arrangement of several bending transducers one behind the other along the common longitudinal axis, a desired sound pressure and a location of the sound can also be controlled with an arrangement transverse to the common longitudinal axis next to one another.
  • the fluidic volume flow advantageously runs - in the bending transducer system - of the acoustic device in the plane of the common flat layer of the bending transducer system. Due to the arbitrary design and orientation of the cavities and deformable elements of the individual bending transducers of the bending transducer system, a targeted course of the fluidic volume flow in the bending transducer system can be provided and thus controlled. In this way, the volume flow can be directed specifically to the point where its effect on its environment is optimal.
  • the bending transducer system is held in the housing in such a way that the fluidic volume flow of the acoustic device is at an angle between 5 ° and 80 °, between 10 ° and 40 °, or between 15 ° and 30 ° inclined to the longitudinal axis of the passage through the openings of the bending transducer system.
  • the deformable elements are related to their orientation, for example in the direction of the The eardrum of a human ear is positioned in an anti-parallel manner so that resonances in the ear canal are minimized.
  • a higher packing density of the bending transducers can be achieved and higher sound pressures - based on a cross-sectional area of the corridor - can be achieved, a larger acoustically active surface of the acoustic device being generated.
  • the acoustic bending transducer system can record and / or emit an acoustic signal via the fluidic volume flow passing through the openings.
  • the acoustic bending transducer system is able to work simultaneously as a receiver and / or transmitter of acoustic signals, which in turn increases the flexibility when using the acoustic device considerably.
  • the transmission or reception of acoustic signals can take place alternately or continuously.
  • the acoustic device further comprises: a control unit for controlling the individual bending transducers of the bending transducer system and an energy supply source for operating the acoustic device. Due to the diverse possibilities of miniaturizing the acoustic bending transducer system, additional components can be accommodated in it in a space-saving manner despite the small dimensions of the acoustic device. This contributes significantly to increasing the wearing comfort and user-friendliness of the acoustic device.
  • two or more acoustic bending transducer systems can be held in the housing, the common flat layer of the same being aligned parallel to one another.
  • acoustic devices can be arranged or manufactured in the form of a substrate stack, as a result of which highly complex structures can be implemented with relatively low manufacturing costs.
  • acoustic devices can easily be individually adapted in this way.
  • the acoustic device can advantageously be built up monolithically consisting of several layers, or from substrates of different materials, which over a common layer are connected to one another or bonded. This can take place, for example, in the form of an arrangement of a cover wafer above or a handling wafer below a common device wafer.
  • control unit and / or the energy supply source are arranged in the common flat layer of a bending transducer system.
  • the control unit is of course set up: for fluid dynamic damping, for signal processing, for wireless communication, for voltage transformation. It can contain sensors, software, for storing data, etc., which are arranged individually or jointly in the same acoustic device, or alternatively are provided separately from the acoustic device.
  • Fig. 1 shows a perspective illustration of a bending transducer system according to an exemplary embodiment of the present invention in the form of a layered component 100 comprising a first bending transducer system 1 and a second bending transducer system 2, which are stacked on top of one another.
  • the component 100 may comprise further bending transducer systems which are arranged in layers, for example, on the bending transducer system 1 and / or on the bending transducer system 2.
  • a bending transducer system 1 or a bending transducer system 2 comprises several bending transducers 3, 4 which have the same or different predefined lengths. On the surface of the bending transducer system 1, an arrangement of the bending transducers 3, 4 of different lengths is shown as an example.
  • both the bending transducer system 1 and the bending transducer system 2 are L-shaped, so that the two bending transducer systems 1 and / or 2 stacked on top of one another to form an L-shaped component 100.
  • the individual legs of the L-shaped component 100 have different lengths.
  • further bending transducers 4 and bending transducers 5 - indicated by means of a dot-dash line - are arranged, which have a third length.
  • the lengths of the individual bending transducers 3, 4 and 5 are, for example: bending transducers 3 from 1000 ⁇ m to 4000 ⁇ m; Bending transducer 4 from 500 ⁇ m to 2000 ⁇ m; Bending transducer 5 from 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m.
  • the individual length ratios can be selected, for example: bending transducer 3 to bending transducer 4 between 1: 1.5 to 1: 3; Bending transducer 3 to bending transducer 5 between 1: 1.5 to 1: 3; or the length ratio of the bending transducer 4 to the bending transducer 5 between 1: 1.5 to 1: 3.
  • the individual bending transducers 1 or 2 are composed of bending transducers 3, 4 and 5, which are arranged parallel to one another in a plane of the bending transducer system 1 or the bending transducer system 2, the individual bending transducers 3, 4 and 5 along the longer leg of the L-shaped component 100 are aligned.
  • openings 13 are provided which enable the cavities contained in the bending transducer system 1 or bending transducer system 2 - not shown here - to be connected to the surroundings.
  • the individual bending transducers 3, 4 and 5 are arranged such that short bending transducers 4, 5 are arranged in the shorter leg of the L-shaped component 100, the longer bending transducers 3 in the longer leg of the L-shaped Component are arranged
  • the bending transducers 3, 4 and 5 are aligned along the longest side of the component.
  • exemplary embodiments can also contain a bending transducer alignment along the shortest side of the bending transducer system 1 and / or 2 or component 100.
  • the openings 13 are then accordingly not arranged in the area 13, but always in the area of the clamps of the bending transducers 3, 4 clamped on both sides or in the area of the clamp 14 and the freely movable end of a bending transducer 5 clamped on one side.
  • the bending transducers 3, 4 and 5 are arranged in such a way that short bending transducers 5 are arranged in the vicinity of the openings 13.
  • resonances can be avoided, which has a positive effect on the sound quality.
  • a control unit 21 is arranged adjacent to the layered component 100 in such a way that it complements the component 100 to form a rectangular structure, complementary to the L-shape of the component 100.
  • Exemplary embodiments are not limited to the L-shaped configuration of the external dimensions of the component. Further exemplary embodiments are not limited to the illustrated arrangement of the bending transducers 3, 4 and 5; rather, the arrangement can differ for each bending transducer system 1 or 2 (cf. Fig. 9 ).
  • Fig. 2 shows the exemplary embodiment from FIG Fig. 1 .
  • a substrate plane 9 of a substrate layer is shown, which runs parallel to the substrate layer.
  • a common plane of movement 10 is formed from the directions of movement 6, 7 and 8 of the respective bending transducers, the deformable elements of the bending transducers 3, 4 and 5 oscillating in a coplanar manner in a common flat substrate layer or plane of movement 10.
  • the movement plane 10 and the substrate plane 9 are arranged parallel to one another.
  • Fig. 3 shows in a perspective illustration an embodiment of a component 100 with two stacked bending transducer systems 1 and 2, which have an oval outer shape.
  • the openings 13 are preferably arranged in the area of the clamps 14 of the bending transducers 3, 4 clamped on both sides or in the area of the clamp 14 and the freely movable end of a bending transducer 5 clamped on one side.
  • An oval outer geometry or shape of the component 100 has the advantage that it can be arranged tilted in a cylindrical or approximately cylindrical housing of an ultramobile terminal.
  • This exemplary embodiment shows an arrangement of the bending transducers 3, 4 and 5 along the longest alignment of the oval component geometry.
  • embodiments of the bending transducers 3, 4 and 5 may equally contain different orientations.
  • exemplary embodiments can contain different orientations of the bending transducers 3, 4 and 5 for each layer-like bending transducer system 1 or 2, 2 + n.
  • Fig. 4 shows the exemplary embodiment from FIG Figure 3 .
  • a substrate plane 9 is shown, which runs parallel to the substrate layer, the deformable elements of the bending transducers 3, 4 and 5 oscillating in a coplanar manner in a common flat substrate layer or movement plane 10.
  • a movement plane 10 is formed from the movement directions 6, 7 and 8 of the respective bending transducers.
  • the movement plane 10 and the common planar substrate layer or substrate plane 9 are arranged parallel to one another.
  • the Fig. 5 shows in a sectional illustration the auditory canal 31, the eardrum 32 and the auricle 30. It can be seen that the auditory canal has a cylindrical geometry or shape. With 101 the outer dimensions of an ultra-mobile terminal device, for example the outer shell of its housing, are shown, which are adapted to the auditory canal 31 and essentially seal it off from the environment. Such housings 101 can be adapted to the respective user, but must be manufactured individually in complex, mostly additive and slow processes. However, they enable an ultra-mobile terminal to be optimally seated in the auditory canal 31. Embodiments can also have an individually adapted geometry differing, simplified geometry, which are produced in cost-effective processes, for example injection molding processes.
  • the tilted arrangement of the component 100 or the bending transducer system 1 or 2 with respect to the longitudinal axis 11 of the housing 101 makes it possible to enlarge the acoustically active surface of the component 100 or the bending transducer system 1 or 2 by, on the one hand, a higher number of bending transducers 3, 4 and 5 to be arranged in the bending transducer system 1 or 2 and / or, on the other hand, to integrate longer bending transducers 3, 4 and 5 in the bending transducer system 1 or 2.
  • the component 100 or the bending transducer system 1 or 2 is tilted about a transverse axis 105 of the ultramobile terminal in relation to the longitudinal axis 106, the angle of inclination ⁇ between the plane of movement 10 and the longitudinal axis 106 in a range between 90 ° and 180 °, preferably 150 ° and 170 °, particularly preferably 160 °.
  • the deformable elements are positioned in an anti-parallel manner in relation to the orientation of the eardrum. This minimizes the resonances in the ear canal.
  • Embodiments are not limited to the illustrated tilting about the transverse axis of the housing 101. It is of course also possible to tilt the component 100 about the longitudinal and vertical axes 106 and 107 of the housing 101.
  • Figure 6a shows, in a perspective illustration, elements of a component 100 ′ according to an exemplary embodiment of the present invention in an excited state.
  • FIG. 6a in a perspective and greatly simplified illustration, a section of a component 100 ′ from a substrate, without showing a cover wafer 18 and handling wafer 19.
  • the acoustic device can advantageously be built up monolithically consisting of a plurality of layers, or from substrates of different materials which are connected or bonded to one another via a common layer. This can take place, for example, in the form of an arrangement of a cover wafer 18 above or a handling wafer 19 below a common device wafer 20.
  • a cavity 11 is formed from a device wafer 20 by partially removing the material, which is formed by an edge 17 and the respective movable elements or electrodes of the bending transducers 3 2 , 3 4 and 4 2 , as well as by the substrate in the area of the clamping 14 is defined.
  • Embodiments include alternative borders 17 of the cavity 11.
  • the border 17 can be firmly connected to the substrate; on the other hand, the border 17 can consist of adjacent electrodes of a further bending transducer system 100 ′, formed from further bending transducers 3, 4 and 5.
  • the illustrated bending transducers 3 2 , 3 4 , 4 2 and 3 1 , 3 2 , 4 1 are clamped on both sides in this exemplary embodiment and connected to the substrate via the respective clamp 14.
  • Embodiments also include a one-sided clamping, which has the advantage of a large deflection of the freely movable end compared to a bilateral clamping.
  • the bending transducers 3, 4 and 5 can be clamped in a bending transducer system 1 and / or 2 both on one side and on both sides. It makes sense to clamp the shorter bending transducers 4, 5, which are arranged in the region of the openings 13, on one side and to clamp longer bending transducers 3, which are arranged towards the middle of the component, on both sides. This advantageously results in a greater oscillation amplitude at higher frequencies of the shorter, cantilevered bending transducers 5, since these are characterized by an advantageous ratio of mass to bending transducer length.
  • the basic functional principle for interaction with a volume flow for example for generating sound or for pumping a fluid, is shown in such a bending transducer system 1 and / or 2.
  • the bending transducers 3 1 , 3 2 , 4 1 and 3 2 , 3 4 and 4 2 move in the direction of the opposite edge 17 of the cavity 11 and thus reduce the volume within this cavity 11.
  • a volume flow resulting from this volume reduction 16 conveys the fluid contained in the cavity 11 out of the cavity 11 through the openings 13.
  • the Figure 6b also shows the basic functional principle for interacting with a volume flow, for example to generate sound or to pump a fluid in such a bending transducer system 1 and / or 2.
  • the bending transducers 3 1 , 3 2 , 4 1 and 3 2 , 3 move 4 and 4 2 away from the opposite edge 17 of the cavity 11 and thus increase the volume of the cavity 11.
  • the volume flow 16 resulting from this increase in volume conveys the fluid through the openings 13 into the cavity 11.
  • Alternative exemplary embodiments do not contain an edge 17 firmly connected to the substrate, but rather further bending transducers, not shown here, which can be clamped in on one and / or both sides. In this case, in the first time interval, the adjacent bending transducer systems 1 and 2 would move away from one another in order to increase the volume of the cavity 11 and move towards one another in order to reduce the volume of the cavity. Further developing exemplary embodiments can include a combination of edges 17 that are firmly connected to the substrate and / or no edges 17 that are firmly connected to the substrate.
  • FIG. 11 shows a cross-sectional view of a detail from a component 100 ′ along the cutting plane A of FIG Figure 6a .
  • the illustration shows the handling wafer 19 and cover wafer 18, which form the vertical delimitation of the cavity 11, which is delimited by the bending transducers 3 1 and 3 2 and the border 17 in the area of the device wafer 20.
  • the structure is a stack of layers, the individual layers being mechanically firmly connected to one another, in particular in a materially bonded manner. These layers are not shown in the figure.
  • the layer-by-layer arrangement of electrically conductive layers enables a simple configuration, since the cavity 11 can be obtained by selective extraction from the layer 20 and bending transducer structures can remain through suitable adjustment of the manufacturing processes.
  • the bending transducer structures in whole or in part by other measures or processes in the cavity 11, for example by creating and / or positioning them in the cavity 11.
  • the bending transducer structures can be compared to the parts of the layer remaining in the substrate 20 be formed differently, ie have different materials.
  • the Figure 8 shows in a perspective illustration an alternative embodiment of a layered component 100 with an upper bending transducer system 1 that has vertically arranged openings 13 1 in a cover wafer 18 1 for connecting the cavities 11 to the environment.
  • a second bending transducer system 2 is arranged below the upper, first bending transducer system 1 and has laterally arranged openings 13 in a device wafer 20.
  • Embodiments are not limited to the illustrated system of two bending transducer systems 1 and 2, rather only one bending transducer system 1 or 2 or a plurality of bending transducer systems 1, 2,..., N can be arranged.
  • a control unit 21 is arranged that a Is part of the component 100 and which leads to the restriction of the available installation space of the bending transducer system 1 and which is connected to the bending transducer systems (not shown). Further openings in the handling wafer 19 of the upper bending transducer system 1 can be arranged in such a way that they are connected to openings in the cover wafer 18 of the second bending transducer system 2. Embodiments include that a handling wafer 19 of the first bending transducer system 1 can be dispensed with if - with anticipation of Fig. 9 - The device wafer 20 'of the second bending transducer system 2 can take over this function.
  • the Figure 9 shows in a cross-sectional representation an embodiment of an alternative component 100 ′′ with an upper bending transducer system 1 that has vertically arranged openings 131 in the cover wafer 18.
  • the device wafers 20 and 20 ' are on a common substrate layer 22, which also have a Lid wafers as well as handling wafers represent mechanically connected to one another, in particular materially connected.
  • This exemplary embodiment shows by way of example how openings 13 1 , 13 ′ 1 , 13 ′′ 1 can be arranged in the cover, handling or device wafer in order to be opposite to the Sound direction to be optimally arranged.
  • the direction of sound can accordingly be determined by the volume flow interacting with the environment, which is determined by the movement of the deformable elements or the bending transducer 3 1 , 3 2 , 3 ' 1 and 3' 2 of the component 100 ′′.
  • Short bending transducers of a bending transducer system should advantageously be arranged where there is little space available and / or in the area of the openings that connect the cavities with the environment. These openings are located in the area of the outer limits of the bending transducer system.
  • long bending transducers are mainly arranged centrally in the bending transducer system. This has the advantage of making optimal use of the available space in order to achieve a high packing density of the individual bending transducers in order to increase the sound pressure level.
  • longer bending transducers allow lower resonance frequencies due to their lower rigidity.
  • Short bending transducers are characterized by a comparatively high degree of rigidity, which enables high resonance frequencies. If these bending transducers are arranged in the area of the openings that connect the cavities to the environment, resonances can be avoided and the sound quality can thus be improved.
  • the transversal acoustic resonance of the closed auditory canal ( ⁇ / 2) is accordingly at U T ⁇ 235 kHz, the corresponding longitudinal resonance at U L ⁇ 6.6 kHz.
  • a headphone membrane in "normal, ie radial" orientation is provided by the longitudinal mode U L ⁇ 6.6 kHz is excited and thus generates an undesirable, audible additional resonance.
  • the size of the bending transducer system (analogous to the membrane) should be chosen so that the low natural frequencies of the membrane do not interfere. So it shouldn't be too big.
  • a larger base area of the bending transducer system can be arranged in the available space, on which in turn longer or more bending transducers can be arranged.
  • longer or more bending transducers can be arranged.
  • openings can be optimally arranged in the direction of the sound direction given by the external dimensions.
  • Figure 8 vertically arranged openings which are then arranged almost in the direction of sound when the component is tilted in the ear canal.
  • the application thus describes a further development with regard to the optimization of the sound quantity (sound pressure level) and sound quality that can be produced by the component in a specific environment.
  • High integration requirements relate to the adaptation to the existing installation space in general as well as to the system design from several components.
  • ultra-mobile end devices e.g. hearables smartwatches
  • the energy storage device and any other HMI components titanium surfaces, displays
  • narrow limits in terms of the installation space design cylindrical / cuboid or flat / plate-shaped.
  • aspects of sound quality should not be neglected when designing the systems (ultra-mobile, such as hearables or wearables in general).
  • a specific design of the sound transducer groups can be used to generate sound that is adapted to the geometric conditions in terms of sound radiation.
  • the main drivers are frequency-dependent effects, and disturbing resonances can occur particularly at high frequencies.
  • both the sound quality and the sound quality can be improved significantly.
  • the principle of the bending transducer according to the invention is based on the NED (nanoscopic electrostatic drive) and is in WO 2012/095185 A1 described.
  • NED is a new kind of MEMS (micro electromechanical system) actuator principle.
  • the basic principle is that a silicon bar moves laterally in a plane, the substrate plane, which is defined by a silicon disk or a wafer.
  • the silicon bar which is connected to the substrate in a cavity, interacts with a volume flow.
  • the component comprises an electronic circuit which is arranged in a layer of the layer stack, the electronic circuit being connected to the electromechanical bending transducer and which is designed to deflect the bending transducer based on an electrical signal.
  • the first bending transducer has a first length 4th
  • the second bending transducer has a second length 5
  • the third bending transducer has a third length 6th Direction of movement of the first bending transducer 7th Direction of movement of the second bending transducer 8th Direction of movement of the third bending transducer 9
  • Substrate level 10 Level of motion 11 cavity 12 Angle between the plane of movement and the longitudinal axis 13 openings 14th Restraint 15th Edge of the cavity 16 Volume flow 17th Edge of the cavity 18th Lid wafer 19th Handling wafer 20th Device wafer 21st ASIC 22nd Common substrate layer 30th auricle 31 Ear canal 32 eardrum 100
  • Component 100 ' Section from a component 101 External geometry of an ultra-mobile device, for example a housing 102 Length of the component 103 Width of the component 104 Thickness of the component 105 A trans

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  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein akustisches Biegewandlersystem (1, 2) mit einer Vielzahl von Biegewandlern (3, 4, 5), die derart ausgebildet sind, dass verformbare Elemente (3<sub>1</sub>, 3<sub>2</sub>, 4<sub>1</sub> ; 32, 3<sub>4</sub>, 4<sub>2</sub>; 3<sub>1</sub>, 3<sub>2</sub>, 3'<sub>1</sub>, 3'<sub>2</sub>) der Biegewandler (3, 4, 5) komplanar in einer gemeinsamen ebenen Schicht (10) schwingen, wobei die Biegewandler (3, 4, 5) unterschiedliche Resonanzfrequenzen und unterschiedliche Ausdehnungen der verformbaren Elemente (3<sub>1</sub>, 3<sub>2</sub>, 4<sub>1</sub> ; 3<sub>2</sub>, 3<sub>4</sub>, 4<sub>2</sub>; 3<sub>1</sub>, 3<sub>2</sub>, 3'<sub>1</sub>, 3'<sub>2</sub>) entlang einer gemeinsamen Längsachse aufweisen, die quer zu einer Schwingungsrichtung der verformbare Elemente (3<sub>1</sub>, 3<sub>2</sub>, 4<sub>1</sub> ; 3<sub>2</sub>, 3<sub>4</sub>, 4<sub>2</sub>; 3<sub>1</sub>, 3<sub>2</sub>, 3'<sub>1</sub>, 3'<sub>2</sub>) ist.Des Weiteren betrifft die Erfindung eine akustische Vorrichtung mit einem solchen akustischen Biegewandlersystem (1, 2).

Description

    Technisches Gebiet
  • Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf einen mikromechanischen Schallwandler.
    • Hintergrund
  • Das technische Gebiet der vorliegenden Anmeldung kann auf die folgenden drei Dokumente zurückgeführt werden, die mikromechanische Bauelemente beschreiben:
  • Grundlegend offenbaren diese Dokumente die Bauweise von Biegewandlern und deren spezifischen Möglichkeiten und Mechanismen mit dem Umgebung in Wechselwirkung zu treten. Insbesondere betreffen die vorstehend genannten Dokumente ein neuartiges MEMS (mikro elektromechanisches System) Aktuator-Prinzip, das darauf beruht, dass sich ein Siliziumbalken lateral in einer Ebene, beispielsweise einer Substratebene, die durch eine Siliziumscheibe oder einen Wafer definiert ist, bewegt. Dabei interagiert der Siliziumbalken, der mit dem Substrat in einer Kavität verbunden ist, mit einem Volumenstrom. Die darin beschriebenen neuartigen MEMS werden als NED (Nanoscopic Electrostatic Drive) ein nanoskopischer elektrostatischer Antrieb definiert.
  • Diese NEDs eignen sich aufgrund ihrer Größenverhältnisse besonders zur Miniaturisierung - Verkleinerung von Bauteilen unter Beibehaltung des vollen Funktionsumfangs - von Alltagsgegenständen, an die erhöhte Integrationsanforderungen gestellt werden. Beispielsweise sind ultramobile Endgeräte wie Smartwatches oder Hearables sehr engen Grenzen der Bauraumgestaltung unterworfen. Mit dem oben genannten NED sind unter anderem Schallwandler realisierbar, die diesen erhöhten Ansprüchen Rechnung tragen können, wobei sowohl Schallquantität als auch Schallqualität signifikant gegenüber herkömmlichen Schallwandlern verbessert werden können. Dabei beziehen sich die Integrationsanforderungen sowohl auf die Anpassung an vorhandenen Bauraum allgemein als auch auf die Systemgestaltung zusammen mit mehreren Komponenten.
  • In dem Dokument DE 10 2017 114 008 A1 ist ein Hörgerät beziehungsweise ein Kopfhörer offenbart, der derart ausgestaltet ist, dass seine äußeren Abmessungen des Gehäuses den inneren Abmessungen des Gehörgangs entsprechen. Ein MEMS-basierter Schallwandler ist im Gehäuse angeordnet, so dass in Richtung Trommelfell ein Vordervolumen und in Richtung Hörmuschel ein Rückvolumen ausgebildet sind, die durch den MEMS-basierten Schallwandler voneinander abgetrennt sind. Dieser Schallwandler ist in seinen geometrischen Abmessungen so ausgebildet, dass er die geometrischen Abmessungen der Resonanzvolumen nicht einschränkt, es ist aber schwierig damit einen Frequenzverlauf über einen großen Frequenzbereich konstant zu halten. Darüber hinaus besteht der Schallwandler aus einseitig elastisch aufgehängten Biegewandlern, die sich über eine Kavität erstrecken und deren Randbereich an einer Vorderseite durch einen Spalt beabstandet sind. Durch die Verkrümmung der Schallwandler vergrößert sich der Spalt. Weiterhin ist eine Schallabschirmeinrichtung offenbart, die durch die Seitenwände, die sog. Schallblockierungswände der Kavität gebildet sind. Diese Wände sind derart angeordnet, dass sie einen lateralen Schalldurchtritt entlang des Spalts zumindest teilweise verhindern. Nachteilig ist offenbart, dass die Schallwandler piezoelektrisch sind und damit einer Vorverkrümmung unterliegen, so dass die offenbarten Maßnahmen dazu dienen die Ungenauigkeiten, die sich durch diese Vorverkrümmung ergeben, zu minimieren.
  • In dem Dokument DE 10 2017 108 594 A1 ist eine Lautsprechereinheit für ein tragbares Gerät zum Erzeugen von Schallwellen im hörbaren Bereich offenbart, dass durch eine geringe Baugröße und hohe Leistungsfähigkeit gekennzeichnet ist. Dabei umfasst die Lautsprechereinheit neben dem elektrodynamischen Lautsprecher einen MEMS-basierten Hochtonlautsprecher, wobei sich die Frequenzbereiche beider Lautsprecher überlappen. Dadurch ist der elektrodynamische Lautsprecher kompakt ausgebildet und für tiefe Frequenzen optimiert. Nachteilig ergibt sich aber weiterhin der hohe Platzbedarf und die hohe Leistungsaufnahme, da zwei unterschiedliche Systemtechniken betrieben werden müssen.
  • Aus dem Dokument DE 196 124 81 A1 ist des Weiteren eine gegenüber einer Längsachse gekippte Anordnung eines Schallwandlers für Hörgeräte bekannt. Die schallerzeugende Membran ist eine leitfähige Folie, die zwischen zwei Flächenelektroden angeordnet ist und durch deren Schwingungen Schall im hörbaren Wellenlängenspektrum erzeugt wird. Diese Folie ist gegenüber dem Trommelfell nicht parallel angeordnet, wodurch unerwünschte Resonanzen im Gehörgang minimiert werden. Allerdings lassen bei diesen Aufbau keine weiteren Funktionselemente monolithisch integrieren, wodurch zusätzlicher Raum, außerhalb des Gehörgangs benötigt wird.
  • Bekannte Lösungen verzichten auf eine besonders dichte Packung von Schallwandlern, oder nutzen externe Assemblierungsverfahren um einzelne Funktionen (beispielsweise elektrische Verbindung) zu ergänzen.
  • In Anbetracht dessen besteht ein Bedarf nach einem Konzept, das gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Packungsdichte der Bauelemente ermöglicht, um effektiv und effizient einen hohen Schalldruck zu realisieren.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es demnach, ein akustisches Biegewandlersystem mit erhöhter Effektivität und eine akustische Vorrichtung zur Verbesserung einer Schallwandlung in einem Gang wie z.B. einem Gehörgang zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird mittels der Gegenstände und Lehren in den unabhängigen Patentansprüche 1 und 11 gelöst.
  • Beispielweise wird durch eine kompakte Anordnung einer Vielzahl von Biegewandlern eines Biegewandlersystems, das als Schallwandler ausgebildet ist und das eine Integration weiterer Systemkomponenten in begrenzten Raumverhältnissen ermöglicht, eine hohe Wiedergabequalität in einer Umgebung um das Biegewandlersystem herum sichergestellt. Der mit dem Schallwandler wiedergegebene Frequenzverlauf, wie er sich für die Kombination aus Wandler und den umgebenden Bauraum ergibt, kann über einen großen Frequenzbereich konstant gehalten werden, wie zum Beispiel über die schräge Ausrichtung des Volumenstroms in einem Gang, wie zum Beispiel einem Gehörgang. Eine Variation kann beispielsweise kleiner als 6 dB sein.
  • Die Anmeldung beschreibt eine Weiterentwicklung hinsichtlich einer Optimierung der Anordnung von Biegewandlern hinsichtlich Platzbedarf, Schalldruckpegel und Schallqualität., die vom NED in einer spezifischen Umgebung - beispielsweise im Gehörgang eines menschlichen Ohrs - erbracht werden kann.
  • Es wird ein akustisches Biegewandlersystem mit einer Vielzahl von Biegewandlern vorgeschlagen, die derart ausgebildet sind, dass verformbare Elemente der Biegewandler komplanar in einer gemeinsamen ebenen Schicht schwingen, wobei die Biegewandler unterschiedliche Resonanzfrequenzen und unterschiedliche Ausdehnungen der verformbaren Elemente entlang einer gemeinsamen Längsachse aufweisen, die quer zu einer Schwingungsrichtung der verformbare Elemente ist. Bei den Biegewandlern kann es sich z. B. um elektrostatische Biegeaktoren (NED-Aktoren), piezoelektrische Aktoren oder thermomechanische Aktoren handeln. Die Mehrzahl von Biegewandlern sind zur Auslenkung in einer Schwingungsebene ausgebildet. Dabei sind die Biegewandler in der gemeinsamen ebenen Schicht beziehungsweise Schwingungsebene entlang einer ersten Achse nebeneinander angeordnet und erstrecken sich entlang einer zweiten Achse, die quer zur ersten Achse ist. Zur vollständigen Nutzung der räumlichen Gegebenheiten innerhalb derselben gemeinsamen ebenen Schicht können einzelne oder mehrere Biegewandler auch schräg zur Mehrzahl der parallel zueinander ausgerichteten Biegewandler angeordnet werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Anmeldung betrifft eine akustische Vorrichtung, z.B. ein Hörgerät mit: einem akustischen Biegewandlersystem mit zumindest einem Biegewandler der zumindest ein verformbares Element aufweist, das in einer Kavität angeordnet ist, und einer Öffnung, durch die ein mit einer Bewegung des Biegewandlers in der Kavität wechselwirkender fluidischer Volumenstrom hindurch tritt, und einem Gehäuse, das angepasst ist, um in einem Gang eingefügt zu werden, wobei das Biegewandlersystem so in dem Gehäuse gehalten ist, dass der fluidischer Volumenstrom in einem Zustand, bei dem das Gehäuse in den Gang eingefügt ist, schräg zu einer Längsachse des Gangs ausrichtbar ist. Die akustische Vorrichtung ist miniaturisierbar und eignet sich deswegen vor allem zum Einbau in Im-Ohr-Hörgeräte (IdO) und Hearables sowie Smartwatches und weitere ultramobile Endgeräte.
  • Vorteile und Funktionalitäten der Merkmale des akustischen Biegewandlersystems, wie es vorhergehend und im Folgenden beschrieben wird, treffen gleichermaßen auf eine damit versehene akustische Vorrichtung zu.
  • Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Biegewandlersystem eine oder mehrere Kavitäten auf, in der die Biegewandler angeordnet sind und eine oder mehrere Öffnungen in den Kavitäten, durch die ein fluidischer Volumenstrom, der mit einer Vielzahl von Biegewandlern wechselwirkt, hindurch treten kann. Die Öffnungen in den Kavitäten können dabei gemeinsame Öffnungen zweier oder mehrerer Kavitäten sein, die über den fluidischen Volumenstrom miteinander kommunizieren. Darüber hinaus erlauben Öffnungen in den Kavitäten des Biegewandlersystems eine Kommunikation einzelner Biegewandler beziehungsweise des Biegewandlersystems mit einer sie umhüllenden Umgebung.
  • Gemäß eines Ausführungsbeispiels sind die Biegewandler in einem Raum angeordnet, der parallel zur gemeinsamen Schwingungsebene durch ein erstes und ein zweites Substrat begrenzt ist, und Wandungen zwischen den Substraten, die den Raum entlang einer Längsrichtung beziehungsweise einer in Richtung quer zur Längsrichtung in der gemeinsamen Schwingungsebene in Kavitäten unterteilen, die zwischen benachbarten Biegewandlern angeordnet sind. Somit wird eine Kavität beispielsweise durch das erste Substrat, das zweite Substrat sowie zwei einander gegenüberliegenden Wandungen von benachbarten Biegewandlern begrenzt. Da die Mehrzahl von Biegewandlern ausgebildet ist, um über ihre verformbaren Elemente in der gemeinsamen Schwingungsebene einer Schicht ausgelenkt zu werden, können die Biegewandler zu dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat jeweils einen Abstand aufweisen, durch den benachbarte Kavitäten fluidisch miteinander gekoppelt werden können. Durch die fluidische Kopplung benachbarter Kavitäten kann von der Mehrzahl an Biegewandlern eine gemeinsame Kraft auf ein in den Kavitäten befindliches Fluid ausgeübt werden, wodurch mit dem mikromechanischen Schallwandler ein hoher Schallpegel realisiert werden kann.
  • Je nach Ausführungsform kann jeder Biegewandler des akustischen Biegewandlersystems ein verformbares Element umfassen, dass elektrostatisch, piezoelektrisch oder thermomechanisch verformbar ist. Dadurch ist eine Vielzahl von Möglichkeiten gegeben, um das Biegewandlersystem flexibel an gewünschte Erfordernisse anzupassen.
  • Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn beim akustischen Biegewandlersystem zumindest eine erste Teilmenge von zumindest einem ersten Biegewandler jeweils ein einseitig eingespanntes verformbares Element aufweist, und zusätzlich oder alternativ zumindest eine zweite Teilmenge von zumindest einem zweiten Biegewandler jeweils ein zweiseitig eingespanntes verformbares Element aufweist. Eine Gruppierung einzelner Teilmengen von bestimmten Biegewandlern ermöglicht zum einen eine zweckdienliche Nutzung des Bauraums und gleichzeitig ein gezieltes Verorten gleichartiger Biegewandler zur Erzeugung gewünschter Frequenzen beziehungsweise Schalldrücke. Dadurch, dass das verformbare Element jedes Biegewandlers einseitig oder zweiseitig einspannbar ist, lassen sich Biegewandler mit verformbaren Elementen unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften und Abmessungen realisieren, die wiederum für ein Erzeugen von unterschiedlichen Frequenzen und Schalldrücken verantwortlich sind. Ferner kann ein in derselben Schicht des Biegewandlersystems vorhandener Bauraum besonders vorteilhaft genutzt werden.
  • Dabei ergibt sich vorteilhaft bei einseitig eingespannten Biegewandlern eine größere Schwingungsamplitude bei höheren Frequenzen, da sich die einseitig eingespannten Biegewandler durch ein vorteilhaftes Verhältnis von Masse zu Länge des verformbaren Elements der Biegewandler auszeichnen.
  • Um unterschiedliche Frequenzen wiederzugeben und/oder unterschiedliche Schalldrücke erzeugen zu können, weist gemäß einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel die zumindest erste Teilmenge von zumindest einem ersten Biegewandler im Mittel eine höhere Resonanzfrequenz auf als die zumindest zweite Teilmenge von zumindest einem zweiten Biegewandler, oder umgekehrt. Aufgrund bestimmter Anforderungen an den Bauraum sowie hinsichtlich der verschiedenen Frequenzen und deren Schalldrücken, können Steifigkeit, Masse, Länge, und Querschnittsgeometrie der verformbaren Elemente jeweiliger Biegewandler angepasst werden.
  • Um besonders einfach und dediziert verschiedene Frequenzen wiederzugeben und/oder unterschiedliche Schalldrücke erzeugen zu können, weist die erste Teilmenge von zumindest einem ersten Biegewandler im Mittel eine kürzere Länge auf als die zweite Teilmenge von zumindest einem zweiten Biegewandler.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform begrenzt jeder Biegewandler zwei gegenüberliegende Kavitäten, wobei jede Kavität über zumindest eine Öffnung zum Hindurchtreten des fluidischen Volumenstroms zugänglich ist. Somit ist es möglich, die einzelnen Kavitäten fluidisch zu koppeln und damit die Eigenschaften des durch die einzelnen Biegewandler beförderten Volumenstroms gezielt zu steuern, was insbesondere im Hinblick auf einen aufbaubaren Druck beziehungsweise Schalldruck des Volumenstroms gewünscht sein kann.
  • Zur Erzeugung von Schalldrücken in einem Frequenzspektrum mittels des akustischen Biegewandlersystems, die dem menschlichen Gehör zugänglich sind, ist empfiehlt es sich verformbare Elemente in den Biegewandlern vorzusehen, die eine Länge aufweisen, die größer als 100 µm ist. Um eine besonders kompakte Bauweise von miniaturisierten Schallwandlern zu ermöglichen, sollte das verformbare Element jedes Biegewandlers eine Länge aufweisen, die geringer als 4000 µm ist. Zum platzsparenden Einbau des Biegewandlersystems in eine länglich gestreckte Hülle, ist lateral zu der gemeinsamen ebenen Schicht ein Außenmaß des Biegewandlersystems entlang der gemeinsamen Längsachse maximal und größer einem Außenmaß des Biegewandlersystems quer dazu.
  • Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt das Außenmaß des Biegewandlersystems entlang der gemeinsamen Längsachse zwischen 750 µm und 2000 µm. Bei einem noch bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt das Außenmaß des Biegewandlersystems entlang der gemeinsamen Längsachse zwischen 800 µm und 1200 µm. Biegewandlersysteme mit den vorstehend genannten Ausmaßen lassen sich platzsparend bei Im-Ohr-Hörgeräten verbauen, wobei eine ausreichende Hörqualität für den Benutzer gewährleistet werden kann.
  • Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen beschreibt eine. Außenfläche des Biegewandlersystems komplanar zu der gemeinsamen ebenen Schicht ein entlang der gemeinsamen Längsachse längliches Oval, ein entlang der gemeinsamen Längsachse längliches Rechteck oder ein entlang der gemeinsamen Längsachse längliches Polygon. Solche länglichen Formen erlauben es den Bauraum in einer länglich gestreckten Hülle mit einem zylindrischen oder rechteckigen Querschnitt besonders gut auszunutzen. Darüber hinaus kann durch eine geeignete Wahl der Außenfläche beziehungsweise einer Außenkontur des Biegewandlersystems ein innerer Querschnitt einer länglich gestreckten Hülle im Wesentlichen vollständig eingenommen werden, beispielsweise ein Gehörgang abgedichtet werden.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die Biegewandler in Gruppen aus einem oder mehreren Biegewandlern eingeteilt, wobei in Gruppen mit mehreren Biegewandlern die mehreren Biegewandler entlang der gemeinsamen Längsachse hintereinander angeordnet sind. Bei einer solchen Anordnung würden sich die einzelnen Drücke, des von den jeweiligen verformbaren Elementen der Biegewandler bewirkten Volumenstroms, addieren. Folglich könnte durch vorteilhafte Staffelung beziehungsweise Gruppierung der Biegewandler und deren selektiven Aktivierung nicht nur ein gewünschter Druck beziehungsweise Schalldruck des in die Umgebung abgegebenen Volumenstroms gezielt gesteuert werden, sondern auch unterschiedliche SchallFrequenzen erzeugt werden. Beispielsweise können kurze Biegewandler im Bereich der Öffnungen angeordnet werden, da sie durch eine - relativ zu langen Biegewandlern - vergleichsweise hohe Steifigkeit gekennzeichnet sind, wodurch hohe Resonanzfrequenzen möglich sind. Sofern solche Biegewandler im Bereich der Öffnungen angeordnet sind, die die Kavitäten mit der Umgebung verbinden, können Resonanzen vermieden werden und somit eine Klangqualität beziehungsweise eine Hörqualität verbessert werden. Zusätzlich oder alternativ dazu sind gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform die Biegewandler in Gruppen aus einem oder mehreren Biegewandlern eingeteilt, wobei in Gruppen mit mehreren Biegewandlern die mehreren Biegewandler in der gemeinsamen Ebene quer zu der gemeinsamen Längsachse nebeneinander angeordnet sind. Analog zur Anordnung mehrere Biegewandler entlang der gemeinsamen Längsachse hintereinander, lässt sich bei einer Anordnung quer zu der gemeinsamen Längsachse nebeneinander ebenfalls ein gewünschter Schalldruck und eine Verortung des Schalls steuern.
  • Vorteilhafterweise verläuft der fluidische Volumenstrom - im Biegewandlersystem - der akustischen Vorrichtung in der Ebene der gemeinsamen ebenen Schicht des Biegewandlersystems. Aufgrund der beliebigen Gestaltung und Orientierung der Kavitäten und verformbaren Elemente der einzelnen Biegewandler des Biegewandlersystems kann ein gezielter Verlauf des fluidischen Volumenstroms in dem Biegewandlersystem vorgesehen und damit gesteuert werden. Somit kann der Volumenstrom gezielt an die Stelle geleitet werden, wo seine Wirkung auf seine Umgebung optimal ist.
  • Um eine besonders vorteilhafte Wechselwirkung mit der Umgebung der akustischen Vorrichtung zu erreichen, ist das Biegewandlersystem so in dem Gehäuse gehalten, dass der fluidische Volumenstrom der akustischen Vorrichtung in einem Winkel zwischen 5° und 80°, zwischen 10° und 40°, oder zwischen 15° und 30° geneigt gegenüber der Längsachse des Gangs durch die Öffnungen des Biegewandlersystems hindurch tritt. Durch die Anordnung der Biegewandler relativ zur Längsachse des Gangs werden die verformbaren Elemente bezogen auf deren Orientierung, beispielsweise in Richtung des Trommelfells eines menschlichen Ohrs in einer anti-parallelen Art und Weise positioniert, so dass Resonanzen im Gehörgang minimiert werden. Darüber hinaus können eine höhere Packungsdichte der Biegewandler erreicht und höhere Schalldrücke - bezogen auf eine Querschnittsfläche des Gangs - erzielt werden, wobei eine größere akustische aktive Oberfläche der akustischen Vorrichtung erzeugt wird.
  • Um die akustische Vorrichtung besonders effizient nutzen zu können, kann das akustische Biegewandlersystem über den durch die Öffnungen hindurchtretenden fluidischen Volumenstrom ein akustisches Signal aufnehmen und/oder abgeben. Dadurch ist das akustische Biegewandlersystem in der Lage gleichzeitig als Empfänger und/oder Sender von akustischen Signalen zu arbeiten, was wiederum die Flexibilität beim Einsatz der akustischen Vorrichtung erheblich erhöht. Dabei kann das Senden beziehungsweise der Empfang von akustischen Signalen abwechselnd oder kontinuierlich erfolgen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die akustische Vorrichtung des Weiteren: eine Steuerungseinheit zum Ansteuern der einzelnen Biegewandler des Biegewandlersystems und eine Energieversorgungsquelle zum Betreiben der akustischen Vorrichtung. Aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten der Miniaturisierung des akustischen Biegewandlersystems lassen sich zusätzlich trotz geringer Abmessungen der akustischen Vorrichtung weitere Bauelemente darin platzsparend aufnehmen. Dies trägt wesentlich zur Erhöhung des Tragekomforts und der Benutzerfreundlichkeit der akustischen Vorrichtung bei.
  • Um eine besonders hohe Flexibilität beim Einsatz der akustischen Vorrichtung zu erreichen, können zwei oder mehrere akustische Biegewandlersysteme in dem Gehäuse gehalten sein, wobei die gemeinsame ebene Schicht derselben parallel zueinander ausgerichtet ist. Dadurch können beispielsweise akustische Vorrichtungen in Form eines Substratstapels angeordnet bzw. hergestellt werden, wodurch hochkomplexe Strukturen bei gleichzeitig relativ geringen die Herstellungskosten umsetzbar sind. Darüber hinaus sind akustischen Vorrichtungen auf diese Art und Weise auch leicht individuell anpassbar. Schließlich kann durch eine Stapelung mehrerer akustische Biegewandlersysteme auch ein höherer Schalldruck erzeugt werden und/oder ein größerer darstellbarer Frequenzbereich abgedeckt werden.
  • Die Akustische Vorrichtung kann vorteilhafterweise monolithisch aus mehreren Schichten bestehend aufgebaut werden, oder aus Substraten unterschiedlichen Materials, die über eine gemeinsame Schicht miteinander verbunden beziehungsweise gebondet sind. Dies kann beispielsweise in Form einer Anordnung eines Deckel-Wafers oberhalb bzw. eines Handling Wafers unterhalb eines gemeinsamen Device-Wafers erfolgen.
  • Um eine besonders raumsparende und kompakte Form der akustischen Vorrichtung bereitzustellen, ist die Steuerungseinheit und/oder die Energieversorgungsquelle in der gemeinsamen ebenen Schicht eines Biegewandlersystems angeordnet. Selbstredend ist die Steuerungseinheit eingerichtet: zur fluiddynamischen Dämpfung, zur Signalverarbeitung, zur Drahtlosen Kommunikation, zur Spannungstransformation. Sie kann Sensoren, Software, zur Speicherung von Daten, etc. enthalten, die einzelnen oder gemeinsam in derselben akustischen Vorrichtung angeordnet sind, oder alternativ getrennt von der akustischen Vorrichtung vorgesehen sind.
    • Figurenkurzbeschreibung
  • Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hinsichtlich der dargestellten schematischen Figuren wird darauf hingewiesen, dass die dargestellten Funktionsblöcke sowohl als Elemente oder Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung als auch als entsprechende Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verstehen sind, und auch entsprechende Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens davon abgeleitet werden können. Es zeigen:
    • Fig. 1
    zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Biegewandlersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 2
    zeigt in einer perspektivischen Darstellung das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 mit Substratebenen;
    Fig. 3
    zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Biegewandlersystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 4
    zeigt in einer perspektivischen Darstellung das Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 mit Substratebenen;
    Fig. 5
    zeigt in einer Schnittdarstellung den Gehörgang, das Trommelfell und die Ohrmuschel eines menschlichen Ohres;
    Fig. 6a
    zeigt in einer perspektivischen Darstellung Elemente eines Biegewandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einem Anregungszustand;
    Fig. 6b
    zeigt in einer perspektivischen Darstellung Elemente des Biegewandlers aus Fig. 6a gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einem weiteren Anregungszustand;
    Fig. 7
    zeigt eine Querschnittsansicht des Biegewandlers gemäß der Ausführungsform aus Fig. 6a entlang der Schnittebene A;
    Fig. 8
    zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Biegewandlersystem gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 9
    zeigt eine Querschnittsansicht eines Biegewandlers gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren
  • Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist beziehungsweise aufeinander angewendet werden kann.
  • Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Biegewandlersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Form eines schichtförmigen Bauelements 100, das ein erstes Biegewandlersystem 1 und einem zweites Biegewandlersystem 2 umfasst, die übereinander gestapelt sind. Das Bauelement 100 kann weitere Biegewandlersysteme umfassen, die beispielsweise an dem Biegewandlersystem 1 und/oder an den Biegewandlersystem 2 schichtweise angeordnet sind. Ein Biegewandlersystem 1 bzw. ein Biegewandlersystem 2 umfasst mehrere Biegewandler 3, 4 die gleiche oder voneinander unterschiedliche vordefinierte Längen aufweisen. Auf der Oberfläche des Biegewandlersystems 1 ist exemplarisch eine Anordnung der Biegewandler 3, 4 unterschiedlicher Länge dargestellt. Dabei ist der Biegewandler 3 - mittels einer durchgehenden Linie gekennzeichnet - länger als der Biegewandler 4 - der mittels einer kurz gestrichelten Linie gekennzeichnet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist sowohl das Biegewandlersystem 1 als auch das Biegewandlersystem 2 L-förmig ausgebildet, so dass sich die beiden aufeinander gestapelten Biegewandlersysteme 1 und/oder 2 zu einem L-förmigen Bauelement 100 stapeln. Die einzelnen Schenkel des L-förmigen Bauelements 100 sind unterschiedlich lang ausgebildet. In einem Bereich eines kürzeren Schenkels des L-förmigen Bauelements 100 sind weitere Biegewandler 4 sowie Biegewandler 5 - mittels einer strichpunktierten Linie gekennzeichnet - angeordnet, die eine dritte Länge aufweisen. Die Längen der einzelnen Biegewandler 3, 4 und 5 betragen beispielsweise: Biegewandler 3 von 1000 µm bis 4000 µm; Biegewandler 4 von 500 µm bis 2000 µm; Biegewandler 5 von 100 µm bis 1000 µm.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die einzelnen Längenverhältnisse gewählt werden beispielsweise: Biegewandler 3 zu Biegewandler 4 zwischen 1:1,5 bis 1:3; Biegewandler 3 zu Biegewandler 5 zwischen 1:1,5 bis 1:3; bzw. das Längenverhältnis des Biegewandlers 4 zum Biegewandler 5 zwischen 1:1,5 bis 1:3.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel setzen sich die einzelnen Biegewandlersysteme 1 oder 2 aus Biegewandlern 3, 4 und 5 zusammen, die parallel zueinander in einer Ebene des Biegewandlersystems 1 bzw. des Biegewandlersystems 2 angeordnet sind, wobei die einzelnen Biegewandler 3, 4 und 5 entlang des längeren Schenkels des L-förmigen Bauelements 100 ausgerichtet sind. Sternseitig in Längsrichtung des Bauelements 100 sind Öffnungen 13 vorgesehen, die eine Verbindung der im Biegewandlersystem 1 bzw. Biegewandlersystem 2 enthaltenen Kavitäten - hier nicht gezeigt - mit der Umgebung ermöglichen. Aufgrund der L-Form des Bauelements 100 sind die einzelnen Biegewandler 3, 4 und 5 derart angeordnet, dass kurze Biegewandler 4, 5 im kürzeren Schenkel des L-förmigen Bauelements 100 angeordnet sind, wobei die längeren Biegewandler 3 im längeren Schenkel des L-förmigen Bauelements angeordnet sind
  • In diesem Ausführungsbeispiel sind die Biegewandler 3, 4 und 5 entlang der längsten Seite des Bauelements ausgerichtet. Davon abweichend können Ausführungsbeispiele aber auch eine Biegewandlerausrichtung entlang zur kürzesten Seite des Biegewandlersystems 1 und/oder 2 beziehungsweise Bauelements 100 enthalten. Die Öffnungen 13 sind dann entsprechend nicht im Bereich 13 angeordnet, sondern immer im Bereich der Einspannungen der beidseitig eingespannten Biegewandler 3, 4 oder im Bereich der Einspannung 14 und des frei beweglichen Endes eines einseitig eingespannten Biegewandlers 5.
  • Die Biegewandler 3, 4 und 5 sind derart angeordnet, dass kurze Biegewandler 5 in der Nähe der Öffnungen 13 angeordnet sind. Zum einen ergibt sich daraus der Vorteil, dass eine höhere Packungsdichte innerhalb des Biegewandlersystems 1 und/oder 2 erreicht werden kann und daraus höhere Schalldrücke resultieren. Zum anderen können so Resonanzen vermieden werden, was sich positiv auf die Klangqualität auswirkt.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist angrenzend zu dem schichtförmigen Bauelement 100 eine Steuereinheit 21 derart angeordnet, dass sie komplementär zur L-Form des Bauelements 100 das Bauelement 100 zu einem rechteckförmigen Gebilde ergänzt. Dadurch wird zweckmäßig ein vorhandener Bauraum genutzt, der zwischen den Schenkeln des L-förmigen Bauelements 100 zur Verfügung steht, wobei ein besonders kompaktes Gebilde entsteht.
  • Ausführungsbeispiele beschränken sich nicht auf die L-förmige Ausgestaltung der äußeren Abmessungen des Bauelements. Weitere Ausführungsbeispiele beschränken sich nicht auf die dargestellte Anordnung der Biegewandler 3, 4 und 5, vielmehr kann sich die Anordnung je Biegewandlersystem 1 oder 2 unterscheiden (vgl. Fig. 9).
  • Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1. Zusätzlich ist eine Substratebene 9 einer Substratschicht dargestellt, die parallel zur Substratschicht verläuft. Weiterhin ist dargestellt, dass eine gemeinsame Bewegungsebene 10 aus den Bewegungsrichtungen 6, 7 und 8 der jeweiligen Biegewandler gebildet ist, wobei die verformbaren Elemente der Biegewandler 3, 4 und 5 komplanar in einer gemeinsamen ebenen Substratschicht beziehungsweise Bewegungsebene 10 schwingen. Die Bewegungsebene 10 und die Substratebene 9 sind parallel zueinander angeordnet.
  • Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100 mit zwei gestapelten Biegewandlersystemen 1 und 2, die eine ovale äußere Form aufweisen. Die Öffnungen 13 sind bevorzugt im Bereich der Einspannungen 14 der beidseitig eingespannten Biegewandler 3, 4 oder im Bereich der Einspannung 14 und des frei beweglichen Endes eines einseitig eingespannten Biegewandlers 5 angeordnet. Eine ovale äußere Geometrie bzw. Form des Bauelements 100 hat den Vorteil, dass es in einem zylinderförmigen oder annähernd zylinderförmigen Gehäuse eines ultramobilen Endgerätes gekippt angeordnet sein kann.
  • Dieses Ausführungsbeispiel zeigt eine Anordnung der Biegewandler 3, 4 und 5 entlang der längsten Ausrichtung der ovalen Bauelementgeometrie. Gleichermaßen können aber Ausführungsbeispiele davon abweichende Orientierungen der Biegewandler 3, 4 und 5 beinhalten. Darüber hinaus können Ausführungsbeispiele unterschiedliche Orientierungen der Biegewandler 3, 4 und 5 je schichtartigen Biegewandlersystem 1 oder 2, 2+n enthalten.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele sind nicht auf diese ovale Form beschränkt und sind an die gegeneben Platzverhältnisse und akustischen Randbedingungen angepasst bzw. anpassbar um einen maximalen Schalldruck zu erreichen.
  • Fig. 4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung das Ausführungsbeispiel aus Figur 3. Zusätzlich ist eine Substratebene 9 dargestellt, die parallel zur Substratschicht verläuft, wobei die verformbaren Elemente der Biegewandler 3, 4 und 5 komplanar in einer gemeinsamen ebenen Substratschicht beziehungsweise Bewegungsebene 10 schwingen. Weiterhin ist dargestellt, dass eine Bewegungsebene 10 aus den Bewegungsrichtungen 6, 7 und 8 der jeweiligen Biegewandler gebildet ist. Die Bewegungsebene 10 und die gemeinsame ebene Substratschicht bzw. Substratebene 9 sind parallel zueinander angeordnet.
  • Die Fig. 5 zeigt in einer Schnittdarstellung den Gehörgang 31, das Trommelfell 32 und die Ohrmuschel 30. Erkennbar ist, dass der Gehörgang eine zylinderförmige Geometrie bzw. Form aufweist. Mit 101 sind die äußeren Abmessungen eines ultramobilen Endgerätes, beispielsweise der äußeren Hülle seines Gehäuses, dargestellt, die an den Gehörgang 31 angepasst sind und diesen gegenüber der Umgebung im Wesentlichen abdichten. Derartige Gehäuse 101 können an den jeweiligen Nutzer angepasst sein, müssen aber in aufwendigen, meist additiven und langsamen Verfahren einzeln hergestellt werden. Sie ermöglichen aber einen optimalen Sitz eines ultramobilen Endgerätes im Gehörgang 31. Ausführungsbeispiele können auch eine von der individuell angepassten Geometrie abweichende, vereinfachte Geometrie, die in kostengünstigen Verfahren, beispielsweise Spritzgussverfahren hergestellt sind aufweisen. Diese Geometrien weisen keinen optimalen Sitz des ultramobilen Endgerätes bzw. seines Gehäuses 101 im Gehörgang auf, weshalb hohe Schalldrücke bei hoher Schallqualität erforderlich sind um diese Ungenauigkeiten auszugleichen. Die gegenüber der Längsachse 11 des Gehäuses 101 verkippte Anordnung des Bauelements 100 beziehungsweise des Biegewandlersystems 1 oder 2 ermöglicht es die akustisch aktive Oberfläche des Bauelements 100 beziehungsweise des Biegewandlersystems 1 oder 2 zu vergrößern um, zum einen eine höhere Anzahl an Biegewandlern 3, 4 und 5 im Biegewandlersystem 1 oder 2 anzuordnen und/oder, zum anderen längere Biegewandler 3, 4 und 5 im Biegewandlersystem 1 oder 2 zu integrieren. Das Bauelement 100 bzw. das Biegewandlersystem 1 oder 2 ist um eine Querachse 105 des ultramobilen Endgerätes in Bezug zur Längsachse 106 verkippt, wobei der Neigungswinkel α zwischen der Bewegungsebene 10 und der Längsachse 106 in einem Bereich zwischen 90° und 180°, bevorzugt 150° und 170° besonders bevorzugt 160° liegt.
  • Durch die Anordnung der Aktuatoren relativ zur Gehäuseachse werden die verformbaren Elemente bezogen auf die Orientierung des Trommelfells in einer anti-parallelen Art und Weise positioniert. Das minimiert die Resonanzen im Gehörgang.
  • Ausführungsbeispiele sind nicht auf die dargestellte Verkippung um die Querachse des Gehäuses 101 beschränkt. Es ist selbstverständlich auch möglich das Bauelement 100 um die Längs- und Hochachse 106 und 107 des Gehäuses 101 zu kippen.
  • Fig. 6a zeigt in einer perspektivischen Darstellung Elemente eines Bauelements 100' gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einem Anregungszustand.
  • Insbesondere zeigt die Figur 6a in einer perspektivischen und stark vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt eines Bauelements 100' aus einem Substrat, ohne Darstellung eines Deckel-Wafers 18 und Handling-Wafers 19.
  • Die Akustische Vorrichtung kann vorteilhafterweise monolithisch aus mehreren Schichten bestehend aufgebaut werden, oder aus Substraten unterschiedlichen Materials, die über eine gemeinsame Schicht miteinander verbunden beziehungsweise gebondet sind. Dies kann beispielsweise in Form einer Anordnung eines Deckel-Wafers 18 oberhalb bzw. eines Handling Wafers 19 unterhalb eines gemeinsamen Device-Wafers 20 erfolgen. Aus einem Device-Wafer 20 wird durch teilweises Entfernen des Werkstoffes eine Kavität 11 gebildet, die durch eine Berandung 17 und die jeweiligen beweglichen Elemente bzw. Elektroden der Biegewandler 32, 34 und 42, sowie durch das Substrat im Bereich der Einspannung 14 definiert ist. Ausführungsbeispiele beinhalten alternative Berandungen 17 der Kavität 11. Zum einen kann die Berandung 17 fest mit dem Substrat verbunden sein, zum anderen kann die Berandung 17 durch benachbarte Elektroden eines weiteren Biegewandlersystems 100', gebildet aus weiteren Biegewandlern 3, 4 und 5, bestehen. Die dargestellten Biegewandler 32, 34, 42, sowie 31, 32, 41 sind in diesem Ausführungsbeispiel beidseitig eingespannt und über die jeweilige Einspannung 14 mit dem Substrat verbunden. Ausführungsbeispiele umfassen gleichermaßen eine einseitige Einspannung, die gegenüber einer beidseitigen Einspannung den Vorteil einer großen Auslenkung des frei beweglichen Endes hat..
  • Die Biegewandler 3, 4 und 5 können in einem Biegewandlersystem 1 und/oder 2 sowohl einseitig- als auch beidseitig eingespannt sein. Dabei ist es sinnvoll die kürzeren Biegewandler 4, 5, die im Bereich der Öffnungen 13 angeordnet sind einseitig einzuspannen und längere Biegewandler 3, die zur Bauteilmitte angeordnet sind beidseitig einzuspannen. Vorteilhaft ergibt sich dadurch eine größere Schwingungsamplitude bei höheren Frequenzen der kürzeren, einseitig eingespannten Biegewandler 5, da sich diese durch ein vorteilhaftes Verhältnis von Masse zu Biegewandlerlänge auszeichnen.
  • Weiterhin ist das prinzipielle Funktionsprinzip zur Interaktion mit einem Volumenstrom, beispielsweise zur Schallerzeugung oder zum Pumpen eines Fluids, in einem derartigen Biegewandlersystem 1 und/oder 2 dargestellt. In einem ersten Zeitintervall bewegen sich die Biegewandler 31, 32, 41 sowie 32, 34 und 42 in Richtung der gegenüberliegenden Berandung 17 der Kavität 11 und verkleinern somit das Volumen innerhalb dieser Kavität 11. Ein aus dieser Volumenverkleinerung resultierender Volumenstrom 16 befördert das in der Kavität 11 enthaltene Fluid, aus der Kavität 11 durch die Öffnungen 13 heraus.
  • Die Figur 6b zeigt weiterhin das prinzipielle Funktionsprinzip zum Interagieren mit einem Volumenstrom, beispielsweise zur Schallerzeugung oder zum Pumpen eines Fluids in einem derartigen Biegewandlersystem 1 und/oder 2. In einem zweiten Zeitintervall bewegen sich die Biegewandler 31, 32, 41 sowie 32, 34 und 42 von der gegenüberliegenden Berandung 17 der Kavität 11 weg und vergrößern somit das Volumen der Kavität 11. Der aus dieser Volumenvergrößerung resultierende Volumenstrom 16 befördert das Fluid durch die Öffnungen 13 in die Kavität 11 hinein.
  • Alternative Ausführungsbeispiele enthalten keine fest mit dem Substrat verbundene Berandung 17, sondern weitere Biegewandler, hier nicht gezeigt, die ein- und/oder beidseitig eingespannt sein können. In diesem Fall würden sich, in dem ersten Zeitintervall die benachbarten Biegewandlersysteme 1 und 2 voneinander weg bewegen um das Volumen der Kavität 11 zu vergrößern und aufeinander zu bewegen um das Volumen der Kavität zu verkleinern. Weiterbildende Ausführungsbeispiele können eine Kombination fester mit dem Substrat verbundener und/oder keine fest mit dem Substrat verbundene Berandung 17 umfassen.
  • Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts aus einem Bauelement 100' entlang der Schnittebene A der Figur 6a. Dargestellt der Handling-Wafer 19 und Deckel-Wafer 18, die die vertikale Begrenzung der Kavität 11 bilden, die durch die Biegewandler 31 und 32 und der Berandung 17 im Bereich des Device-Wafers 20 begrenzt ist. Der Aufbau ist ein Schichtstapel, wobei die einzelnen Schichten miteinander mechanisch fest, insbesondere stoffschlüssig verbunden sind. Diese Schichten sind in der Figur nicht dargestellt. Die schichtweise Anordnung elektrisch leitfähiger Schichten ermöglicht eine einfache Ausgestaltung, da durch selektives Herauslösen aus der Schicht 20 die Kavität 11 erhalten werden kann und durch geeignete Einstellung der Herstellungs-Prozesse Biegewandlerstrukturen verbleiben können. Alternativ ist es ebenfalls möglich, die Biegewandlerstrukturen ganz oder teilweise durch andere Maßnahmen oder Prozesse in der Kavität 11 anzuordnen, etwa durch ein Erzeugen und/oder Positionieren in der Kavität 11. In diesem Fall können die Biegewandlerstrukturen gegenüber den in dem Substrat verbleibenden Teilen der Schicht 20 unterschiedlich gebildet sein, d. h. unterschiedliche Materialien aufweisen.
  • Die Figur 8 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein alternatives Ausführungsbeispiel eines schichtförmigen Bauelements 100 mit einem oberen Biegewandlersystem 1, dass vertikal angeordnete Öffnungen 131 in einem Deckel-Wafer 181 zur Verbindung der Kavitäten 11 mit der Umgebung aufweist. Ein zweites Biegewandlersystem 2 ist unterhalb des oberen, ersten Biegewandlersystems 1 angeordnet und weist lateral angeordnete Öffnungen 13 in einem Device-Wafer 20 auf. Ausführungsbeispiele sind nicht auf das dargestellte System aus zwei Biegewandlersystemen 1 und 2 beschränkt, vielmehr kann lediglich ein Biegewandlersystem 1 oder 2 oder eine Vielzahl von Biegewandlersystemen 1, 2, ..., n angeordnet werden. In unmittelbarer Nähe ist eine Steuereinheit 21 angeordnet, die ein Bestandteil des Bauelements 100 ist und die zur Einschränkung des zur Verfügung stehenden Bauraums des Biegewandlersystems 1 führt und die mit den Biegewandlersystemen verbunden ist (nicht dargestellt). Weitere Öffnungen im Handling-Wafer 19 des oberen Biegewandlersystems 1 können so angeordnet sein, dass sie mit Öffnungen im Deckel-Wafer 18 des zweiten Biegewandlersystems 2 verbunden sind. Ausführungsbeispiele beinhalten, dass auf einen Handling-Wafer 19 des ersten Biegewandlersystems 1 verzichtet werden kann, wenn - unter Vorgriff auf Fig. 9 - der Device-Wafer 20' des zweiten Biegewandlersystems 2 diese Funktion übernehmen kann.
  • Die Figur 9 zeigt in einer Querschnittsdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines alternativen Bauelements 100" mit einem oberen Biegewandlersystem 1, dass vertikal angeordnete Öffnungen 131 im Deckel-Wafer 18 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Device-Wafer 20 und 20' über einen gemeinsame Substratschicht 22, die gleichermaßen einen Deckel-Wafer als auch Handling-Wafer darstellt miteinander mechanisch, insbesondere stoffschlüssig verbunden. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt exemplarisch wie Öffnungen 131, 13'1, 13"1, im Deckel-, Handling- oder Device-Wafer angeordnet sein können, um gegenüber der Schallrichtung optimal angeordnet zu sein. Die Schallrichtung kann demnach über den mit dem Umfeld interagieren Volumenstrom, der durch die Bewegung der verformbaren Elemente bzw. des Biegewandlers 31, 32, 3'1 und 3'2 des Bauelements 100" bestimmt werden.
  • Im Folgenden werden weitere mögliche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beschrieben. Zusammenfassend kann ein Biegewandler 3, 4 und 5 bzw. ein mehrere solcher Biegewandler 3, 4 und 5 umfassendes Biegewandlersystem 1 und/oder 2 oder ein mehreren solcher Biegewandlersysteme 1 und/oder 2 umfassendes Bauelement 100, 100', 100" - die Beispielsweise in einem Hörgerät verbaut werden können - verstanden werden als:
    1. 1. Biegewandlersystem
      • ∘ mit äußeren Abmessungen, die einer umgebenden Geometrie angepasst sind und die umgebende Geometrie eine Längsachse aufweist, die in etwa der Schallrichtung entspricht
      • ∘ enthält Biegewandler unterschiedlicher Länge, bestehend aus verformbaren Elementen die in Kavitäten angeordnet sind und mit einem Substrat verbunden sind
      • ∘ die Verformung des verformbaren Elements erfolgt quer zur lateralen Richtung in einer Substratebene (in plane)
      • ∘ enthält eine Vielzahl an verformbaren Elementen, deren jeweilige Bewegungsrichtungen eine gemeinsame Bewegungsebene in der Substratebene bilden
      • ∘ die verformbaren Elemente unterschiedliche Längen aufweisen und damit voneinander abweichende maximale Auslenkungen realisieren.
      • ∘ die Anordnung der unterschiedlich langen Biegewandler erfolgt entsprechend den vorhandenem Platzes so, dass die Flächenausnutzung der durch die Bewegungsebene und die äußeren Abmessungen des Biegewandlersystems gebildeten Fläche maximal ist
      • ∘ und die Bewegungsebene gegenüber der Längsachse 106 der umgebenden Geometrie in zumindest einem Winkel geneigt ist
    2. 2. kurze Biegewandler sind im Bereich der Öffnungen angeordnet,
    3. 3. lange Biegewandler sind zentral/mittig/dort wo Platz ist angeordnet
    4. 4. Das Biegewandlersystem ist um eine Querachse der umgebenden Geometrie verkippt.
      4.1. Der Winkel der Bewegungsebene 10 gegenüber der Längsachse 106 der umgebenden Geometrie liegt zwischen 90° und 180°, bevorzugt 150° und 170° besonders bevorzugt 160 °.
    5. 5. In Ausführungsbeispielen ist das Biegewandlersystem um eine Längsachse und/oder um eine Hochachse der umgebenden Geometrie verkippt
      5.1. Vergleichbare Winkel zu 5.1
    6. 6. In Ausführungsbeispielen sind die kürzeren Biegewandler, die im Bereich der Öffnung angeordnet sind einseitig eingespannt. Wohingegen die langen Biegewandler beidseitig eingespannt sind
      • 6.1. Einseitige Einspannung möglich bei Biegewandlern, die kürzer sind als in etwa2000 µm
      • 6.2. Beidseitige Einspannung möglich bei Biegewandlern, die länger sind als in etwa 1000 µm
      • 6.3. Im Biegewandlersystem sind beliebige Kombinationen aus ein- und beidseitig eingespannten Biegewandlern möglich, Zielstellung ist immer hoher Schalldruck bei gleichzeitig breitem Frequenzbereich
    7. 7. Ein Bauelement, dass ein Biegewandlersystem mit den vorstehend genannten Merkmalen aufweist, kann darüber hinaus auch weitere Einrichtungen enthalten:
      • zur fluiddynamischen Dämpfung
      • zur Signalverarbeitung
      • zur Drahtlosen Kommunikation
      • zur Spannungstransformation
      • Sensoren
      • Software
      • zur Speicherung von Daten
      • zur Versorgung mit Energie
    8. 8. Ein Kopfhörer enthält zumindest ein Bauelement mit einem Biegewandlersystem mit vorherstehend genannten Merkmalen, wobei:
      • 8.1. Äußere Abmessungen des Kopfhörer entsprechen nahezu den inneren Abmessungen des Gehörgangs
      • 8.2. Kopfhörer ist so ausgebildet, dass das Bauelement im Gehörgang angeordnet ist, wenn ein Nutzer den Kopfhörer eingesetzt hat
      • 8.3. Kopfhörer ist so ausgebildet, dass der den Gehörgang nahezu verschließt
      • 8.4. oder Kopfhörer ist so ausgebildet, dass seine äußeren Abmessungen nicht den äußeren Abmessungen des Gehörganges eines Nutzer entspricht und deshalb aber in großen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden kann
  • Ferner ist eine Anordnung des Biegewandlersystems als Schallwandlersystem dem Fachmann überlassen. Die hier aufgegriffene technische Lehre offenbart dem Fachmann Merkmale, wie eine Vielzahl an Biegewandlern angeordnet sein muss, um eine hohe akustische Qualität bei gleichzeitig breitem Frequenzbereich, in einem begrenzten, vordefinierten Bauraum zu erhalten.
  • Darüber hinaus kann der Fachmann technische Lehren entnehmen, wie eine Bewegungsebene, die durch eine Vielzahl an Bewegungsrichtungen gebildet ist und gegenüber einer Längsachse und/ oder Querachse und/oder Hochachse der dem Schallwandlersystem umgebenden Raum geneigt sein kann.
  • Vordefinierte Räume sind beispielsweise die geometrischen Abmessungen, bedingt durch den Gehörgang, weitere Sensoren oder Systemtechnik:
    • zur fluiddynamischen Dämpfung
    • zur Signalverarbeitung
    • zur Drahtlosen Kommunikation
    • zur Spannungstransformation
    • zur Speicherung von Daten
    • zur Versorgung mit Energie
  • Vorteilhaft sollen kurze Biegewandler eines Biegewandlersystems dort angeordnet sein, wo wenig Platz zur Verfügung steht und/oder im Bereich der Öffnungen, die die Kavitäten mit der Umgebung verbinden. Diese Öffnungen befinden sich im Bereich der äußeren Grenzen des Biegewandlersystems. Dagegen sind lange Biegewandler vorwiegend zentral im Biegewandlersystem angeordnet. Das ergibt den Vorteil den vorhandenen Platz optimal auszunutzen um eine große Packungsdichte der einzelnen Biegewandler zu erreichen um den Schalldruckpegel dadurch zu vergrößern. Daneben ermöglichen längere Biegewandler, aufgrund ihrer geringeren Steifigkeit tiefere Resonanzfrequenzen. Kurze Biegewandler sind durch eine, vergleichsweise hohe Steifigkeit gekennzeichnet, wodurch hohe Resonanzfrequenzen möglich sind. Sofern diese Biegewandler im Bereich der Öffnungen, die die Kavitäten mit der Umgebung verbindet, angeordnet sind, können Resonanzen vermieden werden und somit die Klangqualität verbessert werden.
  • Vorteile einer gekippten Anordnung in einem tubusartigen Raum, beispielsweise einem Gehörgang.
  • Der Gehörgang ist näherungsweise ein Zylinder mit den Abmessungen L X D = 25 mm X 0,7 mm (Wiki).
  • Die transversale, akustische Resonanz des abgeschlossenen Gehörganges (λ/2) liegt demnach bei UT≈ 235 kHz, die entsprechende longitudinale Resonanz bei UL ≈ 6,6 kHz Eine Kopfhörermembran in "normaler, d.h. radialer" Ausrichtung wird durch die longitudinale Mode bei UL ≈ 6,6 kHz angeregt und erzeugt so eine unerwünschte, hörbare Zusatzresonanz.
  • Eine Kopfhörermembran in "axialer" Lage wird in erster Näherung nur von der transversalen Mode bei UT ≈ 235 kHz angeregt. Das ist viel besser, weil akustisch völlig irrelevant!
  • Natürlich sollte die Größe des Biegewandlersystems (analog Membran) so gewählt werden, dass die tiefen Eigenfrequenzen der Membran nicht stören. Sie sollte also nicht zu groß sein. Bei 60° Neigung ist die erste Eigenfrequenz einer idealen Membran bei ca. 2 X 6,6 kHz = 13,2 kHz. Nach allem, was wir über den "real existierenden Kopfhörer" wissen ist das OK.
  • Durch die gekippte Anordnung des Biegewandlersystems kann eine größere Grundfläche des Biegewandlersystems im verfügbaren Raum angeordnet werden, auf der wiederum längere oder mehr Biegewandler angeordnet sein können. Durch den Einsatz einer größeren Anzahl an Biegewandlern sind höhere Schalldrücke erreichbar.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Öffnungen optimal in Richtung der durch die äußeren Abmessungen gegebenen Schallrichtung angeordnet werden können. Beispielsweise zeigt Figur 8 vertikal angeordnete Öffnungen, die dann nahezu in Schallrichtung angeordnet sind, wenn das Bauelement im Gehörgang verkippt angeordnet ist.
  • Die Anmeldung beschreibt somit eine Weiterentwicklung hinsichtlich der Optimierung der Schallquantität (Sound Pressure Level) und Schallqualität, die vom Bauelement in einer spezifischen Umgebung erbracht werden kann.
  • Hohe Integrationsanforderungen beziehen sich auf die Anpassung an vorhandenen Bauraum allgemein als auch auf die Systemgestaltung aus mehreren Komponenten. Beispielsweise sind in ultramobilen Endgeräten (bspw. Hearables Smartwatches) insbesondere die Energiespeicher als auch ggf. vorhandene weitere HMI-Komponenten (taktile Flächen, Displays) engen Grenzen der Bauraumgestaltung (zylindrisch/quaderförmig bzw. flächig ausgedehnt/plattenförmig) unterworfen. Um dennoch eine Minimierung des Bauraumes zu erreichen, ist es erforderlich den Schallwandler auf den verbleibenden Bauraum abzustimmen und so eine hohe Schallquantität zu ermöglichen.
  • Zusätzlich sind bei der Gestaltung der Systeme (ultramobile, wie Hearables bzw. Wearables allgemein) Aspekte der Schallqualität nicht zu vernachlässigen. Konkret kann durch eine spezifische Gestaltung der Schallwandlergruppen eine an die geometrischen Gegebenheiten angepasste Schallerzeugung hinsichtlich Schallabstrahlung erreicht werden. Maßgeblicher Treiber sind frequenzabhängige Effekte wobei insbesondere bei hohen Frequenzen störende Resonanzen auftreten können.
  • Mit der vorliegenden Erfindung kann sowohl die Schallqualität als auch Schallqualität signifikant verbessert werden.
  • Das Prinzip des erfindungsgemäßen Biegewandlers beruht auf dem NED (Nanoscopic Electrostatic Drive, nanoskopischer elektrostatischer Antrieb) und ist in WO 2012/095185 A1 beschrieben. NED ist ein neuartiges MEMS (mikro elektromechanisches System) Aktuator-Prinzip. Grundlegendes Prinzip ist, dass sich ein Siliziumbalken lateral in einer Ebene, der Substratebene, die durch eine Siliziumscheibe oder einen Wafer definiert ist, bewegt. Dabei interagiert der Siliziumbalken, der mit dem Substrat in einer Kavität verbunden ist, mit einem Volumenstrom. Weiterhin umfasst das Bauelement eine elektronische Schaltung, die in einer Schicht des Schichtstapels angeordnet, wobei die elektronische Schaltung mit dem elektromechanischen Biegewandler verbunden ist und die ausgebildet ist, um den Biegewandler aufgrund eines elektrischen Signals auszulenken. Bezugszeichenliste
    1 Erstes Biegewandlersystem
    2 Zweites Biegewandlersystem
    3 Erster Biegewandler weist erste Länge auf
    4 Zweiter Biegewandler weist zweite Länge auf
    5 Dritter Biegewandler weist dritte Länge auf
    6 Bewegungsrichtung des ersten Biegewandler
    7 Bewegungsrichtung des zweiten Biegewandler
    8 Bewegungsrichtung des dritten Biegewandler
    9 Substratebene
    10 Bewegungsebene
    11 Kavität
    12 Winkel zwischen Bewegungsebene und Längsachse
    13 Öffnungen
    14 Einspannung
    15 Berandung der Kavität
    16 Volumenstrom
    17 Berandung der Kavität
    18 Deckel-Wafer
    19 Handling-Wafer
    20 Device-Wafer
    21 ASIC
    22 Gemeinsame Substratschicht
    30 Ohrmuschel
    31 Gehörgang
    32 Trommelfell
    100 Bauelement
    100' Ausschnitt aus einem Bauelement
    101 Äußere Geometrie eines ultramobilen Endgeräts, beispielsweise eines Gehäuses
    102 Länge des Bauelements
    103 Breite des Bauelements
    104 Dicke des Bauelements
    105 Eine Querachse des ultramobilen Endgerätes
    106 Längsachse des ultramobilen Endgerätes
    107 Hochachse des ultramobilen Endgerätes
    108 Winkel α

Claims (15)

  1. Akustisches Biegewandlersystem (1, 2) mit
    einer Vielzahl von Biegewandlern (3, 4, 5), die derart ausgebildet sind, dass verformbare Elemente (31, 32, 41; 32, 34, 42; 31, 32, 3'1, 3'2) der Biegewandler (3, 4, 5) komplanar in einer gemeinsamen ebenen Schicht (10) schwingen, wobei die Biegewandler (3, 4, 5) unterschiedliche Resonanzfrequenzen und unterschiedliche Ausdehnungen der verformbaren Elemente (31, 32, 41; 32, 34, 42; 31, 32, 3'1, 3'2) entlang einer gemeinsamen Längsachse aufweisen, die quer zu einer Schwingungsrichtung der verformbare Elemente (31, 32, 41; 32, 34, 42; 31, 32, 3'1, 3'2) ist.
  2. Akustisches Biegewandlersystem (1, 2) nach Anspruch 1, mit einer oder mehreren Kavitäten (11), in der die Biegewandler (3, 4, 5) angeordnet sind, und Öffnungen (13; 131, 13'1, 13"1), durch die ein fluidischer Volumenstrom (16), der mit der Vielzahl von Biegewandlern (3, 4, 5) wechselwirkt, hindurch treten kann.
  3. Akustisches Biegewandlersystem (1, 2) nach nach Anspruch 1 oder 2, wobei das verformbare Element (31, 32, 41; 32, 34, 42; 31, 32, 3'1, 3'2) zumindest eines Biegewandlers (3, 4, 5) elektrostatisch, piezoelektrisch, oder thermomechanisch verformbar ist.
  4. Akustisches Biegewandlersystem (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
    zumindest eine erste Teilmenge von zumindest einem ersten Biegewandler (5) jeweils ein einseitig eingespanntes verformbares Element aufweist, und/oder zumindest eine zweite Teilmenge von zumindest einem zweiten Biegewandler (3, 4) jeweils ein zweiseitig eingespanntes verformbares Element (31, 32, 41; 32, 34, 42; 31, 32, 3'1, 3'2) aufweist.
  5. Akustisches Biegewandlersystem (1, 2) nach Anspruch 4, wobei die zumindest erste Teilmenge von zumindest einem ersten Biegewandler (5) im Mittel eine höhere Resonanzfrequenz aufweist als die zumindest zweite Teilmenge von zumindest einem zweiten Biegewandler (3, 4) oder umgekehrt.
  6. Akustisches Biegewandlersystem (1, 2) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die zumindest erste Teilmenge von zumindest einem ersten Biegewandler (5) im Mittel eine kürzere Länge aufweist als die zumindest zweite Teilmenge von zumindest einem zweiten Biegewandler (3, 4).
  7. Akustisches Biegewandlersystem (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
    jeder Biegewandler (3, 4, 5) an zumindest eine Kavität (11) angrenzt und jede Kavität (11) über zumindest eine Öffnung (13; 131, 13'1, 13"1) zum Hindurchtreten des fluidischen Volumenstroms (16) zugänglich ist.
  8. Akustisches Biegewandlersystem (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
    das Außenmaß des Biegewandlersystems (1, 2) entlang der gemeinsamen Längsachse zwischen 750 µm und 2000 µm und besonders bevorzugt zwischen 850 µm und 1250 µm liegt.
  9. Akustisches Biegewandlersystem (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
    eine Außenfläche des Biegewandlersystems (1, 2) komplanar zu der gemeinsamen ebenen Schicht ein entlang der gemeinsamen Längsachse längliches Oval, ein entlang der gemeinsamen Längsachse längliches Rechteck oder ein entlang der gemeinsamen Längsachse längliches Polygon beschreibt.
  10. Akustisches Biegewandlersystem (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
    die Biegewandler (3, 4, 5) in Gruppen aus einem oder mehreren Biegewandlern (3, 4, 5) eingeteilt sind, wobei in Gruppen mit mehreren Biegewandlern (3, 4, 5) die mehreren Biegewandler (3, 4, 5) entlang der gemeinsamen Längsachse hintereinander angeordnet sind,
    und/oder, wobei
    in Gruppen mit mehreren Biegewandlern (3, 4, 5) die mehreren Biegewandler (3, 4, 5) in der gemeinsamen ebenen Schicht (10) quer zu der gemeinsamen Längsachse nebeneinander angeordnet sind.
  11. Akustische Vorrichtung mit:
    einem akustischen Biegewandlersystem (1, 2) mit zumindest einem Biegewandler (3, 4, 5) der zumindest ein verformbares Element (31, 32, 41; 32, 34, 42; 31, 32, 3'1, 3'2) aufweist, das in einer Kavität (11) angeordnet ist, und
    einer Öffnung (13; 131, 13'1, 13"1), durch die ein mit einer Bewegung des Biegewandlers (3, 4, 5) in der Kavität (11) wechselwirkender fluidischer Volumenstrom (16) hindurch tritt, und
    einem Gehäuse (101), das angepasst ist, um in einem Gang eingefügt zu werden,
    wobei das Biegewandlersystem so in dem Gehäuse (101) gehalten ist, dass der fluidischer Volumenstrom (16) in einem Zustand, bei dem das Gehäuse (101) in den Gang eingefügt ist, schräg zu einer Längsachse des Gangs ausrichtbar ist.
  12. Akustische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das akustischen Biegewandlersystem (1, 2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist, wobei der fluidische Volumenstrom (16) in der Ebene der gemeinsamen ebenen Schicht (10) Längsachse des Biegewandlersystems (1, 2) verläuft.
  13. Akustische Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei
    das Biegewandlersystem (1, 2) so in dem Gehäuse (101) gehalten ist, dass der fluidische Volumenstrom (16) der akustischen Vorrichtung in einem Winkel zwischen 5° und 80°, zwischen 10° und 40°, oder zwischen 15° und 30° geneigt gegenüber der Längsachse des Gangs durch die Öffnungen (13; 131, 13'1, 13"1) des Biegewandlersystems (1, 2) hindurch tritt.
  14. Akustische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, wobei
    das akustische Biegewandlersystem (1, 2) über den durch die Öffnungen (13; 131, 13'1, 13"1) hindurchtretenden fluidischen Volumenstrom (16) ein akustisches Signal aufnehmen und/oder abgeben kann.
  15. Akustische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, des Weiteren umfassend:
    eine Steuerungseinheit zum Ansteuern der einzelnen Biegewandler (3, 4, 5) des Biegewandlersystems (1, 2) und
    eine Energieversorgungsquelle zum Betreiben der akustischen Vorrichtung.
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