EP4309379A1 - Mems-schallwandler mit ausnehmungen und auskragungen - Google Patents

Mems-schallwandler mit ausnehmungen und auskragungen

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EP4309379A1
EP4309379A1 EP22713670.2A EP22713670A EP4309379A1 EP 4309379 A1 EP4309379 A1 EP 4309379A1 EP 22713670 A EP22713670 A EP 22713670A EP 4309379 A1 EP4309379 A1 EP 4309379A1
Authority
EP
European Patent Office
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actuator
surrounding structure
projections
recesses
mems
Prior art date
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Application number
EP22713670.2A
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English (en)
French (fr)
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EP4309379B1 (de
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Fabian STOPPEL
Malte Florian Niekiel
Bernhard Wagner
Fabian LOFINK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP4309379A1 publication Critical patent/EP4309379A1/de
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Publication of EP4309379B1 publication Critical patent/EP4309379B1/de
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/22—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only 
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H—ELECTRICITY
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    • H04R19/02—Loudspeakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; 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 present disclosure relate to MEMS acoustic transducers with recesses and cantilevers. Further exemplary embodiments relate to MEMS sound transducers with microstructures for air damping.
  • MEMS loudspeakers are based on the displacement of air through the lifting or bending movement of an actuator. The sound level generated is proportional to the volume of air displaced.
  • An embodiment of a MEMS loudspeaker with piezoelectrically driven, vertically moving microactuators is shown in Fig. 1 (from F. Stoppel, A. Maennchen, F. Niekiel, D. Beer, T. Giese, I. Pieper, D. Kaden, S. Grünzig, B. Wagner, Piezoelectric MEMS loudspeakers for in-ear applications, MikroSystemTechnik Kongress 2019, Berlin, 182-185; DE10 2017 208 911).
  • the MEMS loudspeaker has a chip frame 110, for example a substrate, and actuators 120 clamped on the chip frame 110.
  • the actuators are two-layer, formed from a layer of piezoelectric PZT (lead zirconate titanate) 130 and a layer of polysilicon 140 .
  • Decoupling slots 150 are arranged between the actuators. During the deflection (below), the actuators can move decoupled from one another through the decoupling slots 150 .
  • the sound-generating actuator structure is not formed by a closed membrane, but by a plurality of actuators 120 separated by narrow slits 150 .
  • the moving MEMS actuator structures can have high resonance qualities (excessive vibration amplitudes) with values in the range of 100.
  • the generated sound pressure level can have sharp resonance peaks in the frequency response, which can lead to acoustic distortions (see Figure 2 and Figure 3).
  • Fig. 2 shows sound pressure level (SPL) in dB of the MEMS loudspeaker, measured in an ear simulator at different drive voltages with and without equalizer (EQ) filter over the frequency in Hz.
  • the lower solid line describes a sound pressure level at one volt with an EQ filter
  • the dotted line a sound pressure level at one volt without EQ filter
  • the upper solid line a sound pressure level at ten volts with EQ filter.
  • the sound pressure level at one volt with no EQ filter shows a large peak at just over 8000 Hz.
  • Figure 2 shows that electronic filters can smooth the sound pressure level.
  • the distortions, ie the rattling of the loudspeaker cannot be reduced by this measure (see FIG. 3).
  • Fig. 3 shows harmonic distortion in % at 1 V amplitude with EQ filter (corresponds to approx. 85 dB SPL) over frequency in Hz.
  • Fig. 3 are the total harmonic distortion (THD - Total Harmonic Distortion) and components of individual harmonics applied to the distortion factor (k2, k3, k5).
  • the values plotted indicate a ratio of, for example, an undesired component of harmonics in the signal.
  • 3 shows high peaks of the distortion and the components of the distortion factor in the range of just under 2000 Hz and in the range of slightly more than 3000 Hz.
  • Figure 3 shows that EQ filters cannot smooth out this signal distortion.
  • the converter can thus, among other things, generate short pulses using the pulse-echo method or send or receive modulated signals using the continuous-wave (continuous wave) method.
  • the object of the present disclosure is to create a concept that makes it possible to specifically dampen resonances of actuators of MEMS sound transducers.
  • MEMS acoustic transducers for generating sound with an actuator that is separated from a surrounding structure by one or more gaps and is configured to perform a relative movement between the actuator and the surrounding structure.
  • the MEMS sound transducer further has the surrounding structure, wherein the actuator and the surrounding structure have a plurality of recesses and projections, the plurality of projections associated with the actuator in the plurality of recesses associated with the surrounding structure, and / or the plurality of projections associated with the surrounding structure in the plurality of recesses associated with the actuator are interdigitated, the interdigitated elements being separated by one or more gaps.
  • Exemplary embodiments according to the present disclosure are based on the core idea of enabling frequency-dependent signal damping of a MEMS sound transducer by arranging recesses and projections, e.g. in the form of interlocking meanders.
  • a gas for example air (generally a medium) located in the gap between the actuator and the surrounding structure is displaced. This leads to (air) friction, which in turn dampens the actuator.
  • the speed of the gas in the gap is dependent on the oscillation frequency of the actuator.
  • the speed-dependent and thus frequency-dependent damping can be used to damp certain frequencies of the MEMS sound transducer. This advantageously enables the sound transducer or the acoustic properties to be optimized.
  • a MEMS loudspeaker can suppress rattling that cannot be filtered electronically or only with difficulty (see, for example, FIG. 3).
  • the damping is dependent on the overlapping surfaces of the actuator and the surrounding structure, which move past one another as a result of the relative movement, and on the distance between the overlapping surfaces of the actuator and the surrounding structure.
  • the overlapping surfaces are the surfaces of the actuator or the surrounding structure which are directly opposite the surrounding structure or the actuator and which move past one another as a result of the relative movement.
  • these surfaces of the actuator and the surrounding structure can be formed parallel to one another and move parallel to each other or at least partially parallel to each other by the relative movement.
  • this area is increased by the use of interlocking projections and/or depressions, for example with additional plate structures on the actuator and the surrounding structure.
  • the damping can be increased by a small distance between the surfaces.
  • exemplary embodiments according to the present disclosure are based on the idea of integrating additional fluidic structures, for example plate structures and/or projections and/or recesses, through which the MEMS sound transducer, e.g. designed as a loudspeaker, is damped by means of a viscous gas flow or air flow becomes.
  • additional fluidic structures for example plate structures and/or projections and/or recesses, through which the MEMS sound transducer, e.g. designed as a loudspeaker, is damped by means of a viscous gas flow or air flow becomes.
  • the interlocking elements are separated by one or more gaps in such a way that the interlocking elements have a damping function, ie, for example, the previously explained damping, during a relative movement between the actuator and the surrounding structure.
  • the actuator has the plurality of recesses and projections associated with the actuator along at least 50%, or along at least 75%, or at least along 90%, or at least along 99%, or along 100% of the one or more gaps.
  • the surrounding structure may have the plurality of recesses and projections associated with the surrounding structure along at least 50%, or along at least 75%, or at least along 90%, or at least along 99%, or along 100% of the one or more gaps.
  • the surrounding structure is formed by a substrate.
  • the actuator can, for example, be etched directly out of the substrate and be provided with projections and recesses, which engage in corre sponding structures of the substrate.
  • the plurality of recesses and projections are formed as microstructures having a height/width aspect ratio greater than 5, wherein the height is a height orthogonal to a surface of the actuator or surrounding structure on which the projection is disposed net is.
  • the width is a width parallel to the surface of the actuator or the surrounding structure on which the projection is arranged.
  • a high aspect ratio can increase viscous friction and thus damping.
  • the area between the actuator and the surrounding structure, which contributes to friction can be increased, e.g. for a desired frequency range, and at the same time, for example, the distance between the elements can be reduced in order to further increase damping.
  • the aspect ratio does not only apply to the heights of structures, but analogously to the corresponding depths, for example in the case of recesses.
  • recesses and/or projections can have corresponding heights or depths, for example in particular orthogonally to the direction of movement of the actuator, wherein the width of the recess or structure can be aligned parallel to the direction of movement.
  • the actuator has a piezoelectric or magnetic or electrostatic drive.
  • the actuator can be formed by a bending transducer.
  • the piezoelectric drive can, for example, preferably be implemented using integrated piezoelectric layers, e.g. for applications as MEMS loudspeakers.
  • Piezoelectric drives can have advantages in terms of short response times, high acceleration and low energy requirements.
  • exemplary embodiments according to the present disclosure are not limited to piezoelectric drives, but allow the use of drive concepts that are particularly advantageous for an application, for example selectively electrostatic or magnetic concepts or principles.
  • the configuration of the actuator as, for example, a piezoelectric flexural transducer or flexural actuator can have advantages with regard to travel and actuating force, as well as reliability.
  • the projections of the plurality of projections have a height of more than 50 ⁇ m, the height is a height orthogonal to a surface of the actuator or surrounding structure on which the respective cantilever is located.
  • the design of the height of the projections according to the disclosure enables sufficient damping for at least partial suppression of, for example, undesired rattling (see FIG. 3).
  • an advantageous aspect ratio of projections and corresponding recesses can be achieved, so that the viscous gas friction enables the desired damping.
  • the plurality of protrusions are formed as columns and/or ridges and the plurality of recesses are formed as holes and/or slots.
  • Columns and ridges, as well as corresponding holes and slots can be implemented using inexpensive and sophisticated manufacturing processes, so that a corresponding MEMS sound transducer can be manufactured in large numbers and/or inexpensively.
  • corresponding structures such as columns or combs enable an advantageous aspect ratio in order to be able to adjust the damping to a sufficiently high level, for example in accordance with the requirements of an application.
  • holes and slots corresponding to the columns and ridges allow very small distances between the respective elements, which in turn can be advantageous for damping.
  • the plurality of cavities and protrusions are composed of at least one of a semiconductor, such as silicon, silicon compounds, metals, or polymers. This enables easy manufacturability with conventional MEMS manufacturing technologies.
  • MEMS transducers according to the disclosure enable the use of readily available materials whose associated manufacturing processes are technically mature, so that a corresponding MEMS transducer can be manufactured at low cost and with high quality.
  • the MEMS acoustic transducer is configured to emit an acoustic signal when excited with an electrical signal.
  • An embodiment of the MEMS sound transducer as a MEMS loudspeaker according to the disclosure makes it possible to solve problems, for example with previous loudspeakers, for example in Regarding clanking, correct or at least mitigate through the multitude of recesses and projections.
  • the MEMS sound transducer is designed to generate signals in a frequency range of at least 20 Hz and/or up to 20 kHz.
  • the MEMS sound converter can be designed as a MEMS ultrasonic converter.
  • a MEMS ultrasonic transducer according to the disclosure can be designed to generate signals in a frequency range of at least 20 kHz and/or up to 100 MHz.
  • the design of the MEMS sound transducer for a frequency range of 20 Hz to 20 kHz, or in other words, for the frequency range that people can hear, enables the use of the sound transducer in acoustic applications such as in-ear headphones, smartphones or headsets.
  • a high audio quality can be achieved, for example.
  • a MEMS ultrasonic transducer according to the disclosure can also achieve a high bandwidth by damping harmonic distortions for high frequencies, so that short pulses can be generated for measurement methods such as pulse-echo methods, or modulated signals can be sent for continuous-wave methods.
  • the one or more gaps have a width less than 20 pm, less than 10 pm, less than 5 pm, or generally have a width ranging from 0.1 pm to 20 pm .
  • the width of the gap can be, for example, a width in the lateral direction or horizontal direction of the component or MEMS sound transducer.
  • the actuator is designed as a bending actuator, and the bending actuator and the surrounding structure face each other laterally in one plane.
  • the bending actuator is clamped at least on one side relative to the surrounding structure and is designed to carry out the relative movement between the bending actuator and the surrounding structure, at least partially perpendicular to the plane, with one end of the bending actuator.
  • a large number of recesses and/or projections in the form of a first comb structure are formed at the moving end of the bending actuator in the common plane of the bending actuator and the surrounding structure.
  • the surrounding structure On a side facing the moving end of the bending actuator, the surrounding structure has a multiplicity of recesses and/or projections in the form of a second comb structure, with the first and second comb structures being designed such that they engage in one another.
  • a corresponding MEMS sound transducer By arranging the actuator and the surrounding structure laterally in a plane, a corresponding MEMS sound transducer according to the disclosure can be formed perpendicular to the plane with a small installation space requirement.
  • a bending actuator By using a bending actuator, high sound pressure levels that are advantageous for certain applications, for example, can also be generated. Due to the lever movement, the relative movement of the actuator can take place partially perpendicularly to the surrounding structure, so that, for example, the overlapping surfaces can also be partially perpendicularly moved past one another.
  • the bending actuator can be surrounded by the surrounding structure at several ends, so that, for example, recesses and projections can be arranged, for example in the form of a comb structure, on several sides of the actuator that perform a relative movement in relation to the surrounding structure.
  • projections and recesses for example in the form of the second comb structure, can additionally or alternatively be formed on the corresponding sides of the surrounding structure, so that the recesses and projections of the actuator and the projections and recesses of the surrounding structure mesh.
  • the actuator is designed as a lifting actuator and the lifting actuator and the surrounding structure are arranged in one plane.
  • the lifting actuator is designed to carry out the relative movement between the lifting actuator and the surrounding structure, perpendicular to the plane, and has a large number of recesses and/or projections in the form of a first comb structure along its circumference in the plane.
  • the surrounding structure on one, the first Comb structure side facing a plurality of recesses and / or projections in the form of a second comb structure, wherein the first and second comb structure are formed so that they engage.
  • Such a MEMS sound transducer according to the disclosure can have a small installation space requirement in the direction of the plane in which the actuator and the surrounding structure are arranged, or in other words orthogonally to the direction of movement of the actuator.
  • the stroke actuator can also be designed, for example, as a piston-shaped actuator.
  • the actuator is arranged in a first plane and the surrounding structure is arranged in a second plane, the first and second planes being parallel to one another and the actuator being configured to limit the relative movement between the actuator and the surrounding structure perpendicular to the first and second planes.
  • the actuator has a large number of projections in the form of columns and/or ridges, the columns and/or ridges being arranged perpendicular to the parallel planes on a surface of the actuator facing the surrounding structure.
  • the surrounding structure has a multiplicity of recesses in the form of holes and/or slots, the columns and/or ridges of the actuator and the holes and/or slots of the surrounding structure being designed to interlock.
  • Forming the surrounding structure with holes and/or slits enables the recess to be shaped, for example, easily and inexpensively, since a specific depth of the etching does not have to be ensured, e.g. by means of an etching process.
  • a MEMS sound transducer according to the disclosure can be designed with a small installation space requirement, e.g. by the interlocking of the columns and/or combs with the slits and/or holes, since these slide past one another, separated by a gap, e.g. quasi-positively due to the relative movement be able.
  • further recesses and/or projections can be arranged in the plane of the actuator, around the actuator, which in turn are arranged interlocking with corresponding projections and/or recesses of the surrounding structure or another surrounding structure.
  • the surrounding structure structure is arranged in a first level and the actuator in a second level, the first and the second plane are parallel to each other.
  • the actuator is designed to perform the relative motion between the actuator and the surrounding structure perpendicular to the first and second planes.
  • the surrounding structure has a large number of projections in the form of columns and/or ridges, the columns and/or ridges being arranged perpendicular to the parallel planes on a surface of the surrounding structure facing the actuator.
  • the actuator has a multiplicity of recesses in the form of holes and/or slots, the columns and/or ridges of the surrounding structure and the holes and/or slots of the actuator being designed in such a way that they engage with one another.
  • the actuator can, for example, only partially be designed as a perforated and/or slotted plate. This can, for example, bring advantages with regard to the achievable sound pressure. Furthermore, etching out pillars and/or ridges from, for example, an immovable substrate, which forms the surrounding structure, can have manufacturing advantages.
  • MEMS acoustic transducers for generating sound with an actuator which is separated from a surrounding structure by one or more gaps. Furthermore, the MEMS sound transducer has the surrounding structure. In this case, the actuator is designed to carry out a relative movement between the actuator and the surrounding structure.
  • the structures of the actuator and/or the surrounding structure have the multiplicity of recesses and projections, with the multiplicity of projections belonging to the actuator and/or belonging to the plate structures of the actuator extending into the multiplicity of recesses belonging to the surrounding structure and/or or associated with the plate structures of the surrounding structure and/or the plurality of projections associated with the surrounding structure and/or associated with the plate structures of the surrounding structure are interdigitated into the plurality of recesses associated with the actuator and/or associated with the plate structures of the actuator with the interlocking elements being separated by one or more gaps.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a MEMS loudspeaker in the non-deflected (top) and deflected state (bottom);
  • FIG. 5 shows a schematic top view of a MEMS acoustic transducer according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a MEMS sound transducer according to an exemplary embodiment of the present disclosure with comb-shaped recesses and projections on the edge of the actuator and the surrounding structure, which has a fixed element;
  • FIG. 7 shows a modification of the MEMS sound transducer from FIG. 6 according to an exemplary embodiment of the present disclosure with plate structures with projections and recesses; 8 shows a schematic side view of a MEMS sound transducer according to an exemplary embodiment of the present disclosure with columns or vertical comb structures on the actuator and a perforated or slotted plate as a fixed element; and
  • FIG. 9 shows a schematic side view of a MEMS sound transducer according to an exemplary embodiment of the present disclosure with an actuator with a perforated plate and columns and/or combs on a fixed element.
  • 5 shows a schematic top view of a MEMS acoustic transducer according to an embodiment of the present disclosure. 5 shows the MEMS acoustic transducer 500 with an actuator 510 separated by a gap 520 from a surrounding structure 530 (e.g. the substrate).
  • a surrounding structure 530 e.g. the substrate
  • the actuator 510 and the surrounding structure 530 have a plurality of projections 510-1, 530-1 and recesses 510-2, 530-2, wherein the plurality of projections 510-1 associated with the actuator into the plurality of recesses 530- 2 associated with the surrounding structure and/or the plurality of projections 530-1 associated with the surrounding structure are interleaved within the plurality of recesses 510-2 associated with the actuator, the interleaved elements being separated by the gap 520.
  • the actuator 510 is designed to carry out a relative movement between the actuator 510 and the surrounding structure 530, perpendicular to the image plane. Due to the relative movement, the actuator 510 can generate an acoustic signal from an electrical excitation. Due to the projections 510-1, 530-1 and recesses 510-2, 530-2, the MEMS sound transducer has large areas between the moving actuator 510 and the giving structure 530, which allow a frequency-dependent damping by viscous gas damping. Due to the arrangement, the gap 520 can be chosen to be very narrow, which in turn can have a positive effect on a desired damping. As a result, certain frequency ranges that exhibit high levels of distortion, for example, can be attenuated.
  • the projections 510-1, 530-1 and recesses 510-2, 530-2 can be designed in a large number of variations.
  • Exemplary embodiments according to the present disclosure include trigonometric profiles of the projections 510 - 1 and recesses 510 - 2 or of the projections 530 - 1 and recesses 530 - 2 as shown in FIG. 5 .
  • exemplary embodiments also have MEMS sound transducers with projections and recesses with ridges, columns, meanders, pegs or triangles.
  • Projections and recesses according to the invention are designed, for example, in such a way that the length of the gap 520 and the area between the actuator 510 and the surrounding structure 530 is as large as possible in order to increase the damping.
  • the actuator 510 can be designed as a multi-part actuator, or in other words can have a multi-part membrane.
  • the actuator 510 may be formed of two layers, a layer of piezoelectric PZT (lead zirconate titanate) and a layer of polysilicon.
  • FIG. 4 shows an example of viscous air damping of a plate during parallel movement close to a fixed plate element, e.g. with regard to the distance between the plates and the plate surface, and thereby illustrates the sectional view through the actuator and the surrounding structure.
  • the surface of the elements actuator and opposing structure, dictated here as a plate, are maximized according to exemplary embodiments by means of meander structures or generally recesses and projections.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of a plate 410 of the surrounding structure, which has a fixed element and a plate 420 of the actuator.
  • the fixed element can be, for example, an immovable part of the surrounding structure, or the surrounding structure itself.
  • the fixed element can, for example, be a substrate.
  • the two plates are spaced apart by a distance d 430 .
  • the plate 420 of the actuator has a relative speed vplate 440 so that it moves parallel to the plate 410 of the surrounding structure past it.
  • a velocity distribution 450 of the velocity of the air V air in the space between the two plates 410, 420 is plotted between the plates 410, 420. If the distance d 430 of the plates is small compared to the plate dimensions, the velocity of the air from the fixed plate 410 to the moving plate 420 can increase linearly from zero to the value v.
  • the layers of air between the plates can therefore slide past one another at different speeds. This can result in a friction force F r that can be calculated using Newton's law of friction
  • A is the overlap of the plate surfaces
  • d is the plate spacing 430
  • v is the speed 440 of the moving plate (vplate)
  • h is the viscosity of the air.
  • the frictional force is proportional to the speed 440 of the moving disk and forms an attenuator in the differential equation of disk motion or vibration.
  • the actuator and surrounding structure with recesses and/or projections or with plate structures, e.g moving surfaces of the actuator and the surrounding structure.
  • FIG. 6 shows schematic views of a MEMS acoustic transducer according to an embodiment of the present disclosure with projections and recesses.
  • FIG. 6 above shows a schematic sectional view of a MEMS sound transducer 800 and
  • FIG. 6 below shows a schematic plan view of the MEMS sound transducer 800.
  • Figure 6 above shows the MEMS acoustic transducer 800 with an actuator 810 which is separated from a surrounding structure 530 by one or more gaps 520, the surrounding structure 530 comprising a fixed element.
  • the actuator 810 is designed to carry out a relative movement 620 between the actuator 810 and the surrounding structure 530 .
  • the actuator 810 and the surrounding structure 530 which can be in the form of comb structures so that the gap 520 also follows the comb structure, are shown in the plan view in the lower part of the figure.
  • Figure 6 below shows in plan view recesses and projections 820 between lifting actuator 810 and the surrounding structure 530, which has a fixed element.
  • the recesses and projections 820 can be designed as comb structures and thus, for example (continuously along the mutually facing edge surfaces of the lifting actuator 810 and the surrounding structure 530) can be arranged in an interlocking manner.
  • FIG. 6 shows a possible combination of forms of projections and recesses according to the disclosure. It should also be made clear by means of FIG. 6 that, according to the disclosure, a large number of possible arrangements are possible for MEMS sound transducers, which provide a desired damping, for example of specific frequencies. It should also be pointed out that plate structures (not shown) or optional plates or screens, which can be arranged, for example, perpendicular to the actuator 610 at the edge of the surrounding structure 530 (cf. edge facing the actuator 610) or of the actuator.
  • the screens/plates extend essentially parallel to the direction of movement 630 (eg out of the substrate) and prevent the gap from gaping along the movement. Furthermore, the overlapping area between the actuator 610 and the surrounding structure 530 can be increased by the plate structures in order to increase viscous gas friction and accordingly damping of certain resonance frequencies.
  • the plate structures can be designed as projections, with the actuator being able to be designed as a recess or vice versa.
  • the combination with the example from FIG. 6 can, for example, achieve strong damping by enlarging the overlapping areas.
  • the actuator movement can be damped by the viscous gas flow, for example air flow, by means of these flow-mechanical structures. From the frictional force equation, it can be seen that damping is maximized when the largest possible surfaces are spaced as closely together as possible. This means that damping structures with recesses and projections 820 with a high aspect ratio can be advantageous.
  • the overlapping area of the elements 610 can also be increased by forming the elements as interlocking comb structures with a plurality of fingers or forming the recesses and projections 820 as interlocking comb structures with a plurality of fingers.
  • the actuator 810 can optionally be in the form of a lifting actuator.
  • further exemplary embodiments also include corresponding bending actuators with associated plate structures with recesses and projections.
  • FIG. 7 shows a schematic plan view of a MEMS sound transducer according to an exemplary embodiment of the present disclosure with comb-shaped recesses and projections on the edge of the actuator and the surrounding structure, which has a fixed element.
  • FIG. 7 shows a MEMS sound transducer 700 with a bending actuator 710, which faces a surrounding structure 530, which has a fixed element, laterally in a plane.
  • the bending actuator 710 is clamped at least on one side relative to the surrounding structure 530 and is designed to use one end of the bending actuator 710 to cause a relative movement between the bending actuator 710 and the surrounding structure 530 at least partially perpendicularly to the plane, i.e. at least partially perpendicularly to the image plane of FIG. to execute.
  • the surrounding structure On a side facing the moving end of the bending actuator, the surrounding structure has a multiplicity of recesses 530-2 and projections 530-1 in the form of a second comb structure 530-3, the first and second comb structures being designed in such a way that they to grab.
  • the two comb structures are separated from one another by a gap 520 .
  • FIG. 7 shows comb structures at the edge of the actuator and the surrounding structure, which has a fixed element.
  • the overlapping surface for example of the damping plate structures, can be enlarged by being designed as combs.
  • comb structures 710-3 for example with a high aspect ratio, are arranged at the moving end of a bending actuator 710. These move into each other with closely spaced comb structures 530-3 on the surrounding structure 530, e.g. a fixed, laterally opposed element.
  • damping comb structures can also be integrated in lifting actuators that move in the manner of a piston (e.g. analogous to FIG. 6).
  • the comb structures can be arranged along the entire circumference of the actuator.
  • FIG. 8 shows a schematic side view of a MEMS sound transducer according to an exemplary embodiment of the present disclosure with columns or vertical comb structures on the actuator and perforated or slotted plate as a fixed element, which forms the surrounding structure or part of the surrounding structure.
  • Fig. 8 shows a MEMS sound transducer 900 with an actuator 510 in a first level, a surrounding structure 530 in a second level, the surrounding structure 530 having a fixed element, which is designed as a perforated or slotted plate and the first and the second plane are parallel to each other.
  • the actuator is designed to perform a relative movement 620 between the actuator 510 and the surrounding structure 530 perpendicular to the first and second plane.
  • the actuator has a plurality of projections in the form of columns and/or ridges 510-4, the columns and/or ridges 510-4 being arranged perpendicular to the parallel planes on a surface of the actuator facing the surrounding structure 530 are.
  • the surrounding structure 530 has a plurality of recesses in the form of holes and/or slots 530-4 and the columns and/or ridges 510-4 of the actuator and the holes and/or slots 530-4 of the surrounding structure are formed in such a way that they are interdigitated and separated by a gap 520.
  • FIG. 8 shows columns or vertical comb structures on the actuator 510 and a hole or slotted plate as a fixed element which forms the surrounding structure or a part of the surrounding structure.
  • the damping structures are arranged over the entire surface of actuator 510 . They can be implemented as columns and/or combs 510-4.
  • the fixed element 530 is arranged here vertically above the actuator 510 and is designed as a perforated and/or slotted plate.
  • the damping structures could be placed under the actuator 510 or on either side of the actuator.
  • a MEMS sound transducer according to FIG. 8 can be manufactured simply and therefore at low cost by using a perforated or slotted plate, since, for example, no defined etching depths for the recesses have to be observed. Furthermore, the arrangement of a large number of columns and/or ridges 510-4 and associated holes and/or slots 530-4 enables the overlapping area to be greatly increased, so that strong damping can be implemented.
  • FIG. 9 shows a schematic side view of a MEMS sound transducer according to an exemplary embodiment of the present disclosure with an actuator with a perforated plate and columns and/or combs on a fixed element which the surrounding structure or a forms part of the surrounding structure.
  • 9 shows a MEMS acoustic transducer 1000 with a surrounding structure 530 arranged in a first plane and an actuator 510 arranged in a second plane, the first and second planes being parallel to one another.
  • the actuator 510 is designed to perform a relative movement 620 between the actuator 510 and the surrounding structure 530 perpendicular to the first and second plane.
  • the surrounding structure 530 has a plurality of projections in the form of columns and/or ridges 530-5, the columns and/or ridges 530-5 being perpendicular to the parallel planes on a surface of the surrounding structure facing the actuator 510 , are arranged.
  • the actuator 510 has a multiplicity of recesses in the form of holes and/or slots 510-5, the actuator 510, however, only being partially designed as a hole or slotted plate.
  • the columns and/or ridges 530 - 5 of the surrounding structure and the holes and/or slots 510 - 5 of the actuator are formed in such a way that they interlock and are separated by a gap 520 .
  • FIG. 9 shows an actuator with a perforated plate and columns and/or combs 530-5 on a surrounding structure 530 which has a fixed element.
  • the surrounding structure 530 or fixed element supports columns or ridges 530-5 into which the actuator 510 moves in and out.
  • the actuator 510 is designed at least partially as a perforated and/or slotted plate.
  • a MEMS sound transducer according to FIG. 9 enables the manufacturing advantages already explained in relation to FIG. 8 . Only a partial configuration of the actuator 510 as a perforated or slotted plate can be advantageous with regard to the possible sound pressure level and lead to better decoupling between the emitted air volume and the sound pressure behind the actuator, opposite to the direction of emission.
  • Embodiments according to the present disclosure provide MEMS loudspeakers or MEMS ultrasonic transducers with viscous air damping, characterized in that microstructures with a high aspect ratio are arranged on a vertically moving actuator and on a vertically or laterally opposed fixed element or surrounding structure move closely spaced relative to each other, causing the actuator movement to be viscously damped by the airflow. Further exemplary embodiments according to the present disclosure provide MEMS loudspeakers with piezoelectric or magnetic or electrostatic drive.
  • FIG. 1 For exemplary embodiments according to the present disclosure have an aspect ratio of the microstructures height/width >10 and/or height of the microstructures >50 ⁇ m.
  • damping structures for example recesses and projections on the edge of the actuator and the surrounding structure and/or the fixed element, for example in the form of plates or comb structures.
  • FIG. 1 For example the fixed element.
  • damping structures made of silicon, Si compounds, metals or polymers.
  • MEMS ultrasonic transducers with a frequency range from 20 kHz to 100 MHz.
  • Embodiments according to the present disclosure provide MEMS sound transducers or loudspeakers for in-ear headphones and/or free-field loudspeakers for near-ear applications.
  • embodiments according to the present disclosure provide that the speaker damping is implemented directly in the MEMS structure, for example the MEMS sound transducer can be integrated and can be adjusted by the arrangement and dimensioning of the microstructures. This can form a decisive advantage of MEMS sound transducers according to the disclosure, for example with regard to installation space and functionality, for example for mobile applications.
  • aspects have been described in the context of a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also constitute a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.

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Abstract

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beschreiben MEMS-Schallwandler zur Erzeugung von Schall mit einem Aktor, wobei der Aktor durch einen oder mehrere Spalte von einer umgebenden Struktur getrennt ist und ausgebildet ist, um eine Relativbewegung zwischen dem Aktor und der umgebenden Struktur auszuführen. Ferner weist der MEMS-Schallwandler die umgebende Struktur auf, wobei der Aktor und die umgebende Struktur eine Vielzahl von Ausnehmungen und Auskragungen aufweisen, die durch einen oder mehrere Spalte getrennt sind, wobei die Vielzahl von Auskragungen zugehörig zu dem Aktor in die Vielzahl von Ausnehmungen zugehörig zu der umgebenden Struktur und/oder die Vielzahl von Auskragungen zugehörig zu der umgebenden Struktur in die Vielzahl von Ausnehmungen zugehörig zu dem Aktor ineinandergreifend angeordnet sind.

Description

MEMS-Schallwandler mit Ausnehmungen und Auskragungen
Beschreibung
Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf MEMS- Schallwandler mit Ausnehmungen und Auskragungen. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf MEMS-Schallwandler mit Mikrostrukturen zur Luftdämpfung.
Hintergrund der Offenbarung
MEMS-Lautsprecher beruhen ebenso wie konventionelle Lautsprecher auf dem Verdrän gen von Luft durch die Hubbewegung oder Biegebewegung eines Aktors. Der dabei erzeugte Schallpegel ist proportional zum verdrängten Luftvolumen. Eine Ausführung eines MEMS-Lautsprechers mit piezoelektrisch angetriebenen, sich in vertikaler Richtung bewegenden Mikroaktoren ist in Fig. 1 dargestellt (aus F. Stoppel, A. Männchen, F. Niekiel, D. Beer, T. Giese, I. Pieper, D. Kaden, S. Grünzig, B. Wagner, Piezoelektrische MEMS- Lautsprecher für In-Ear-Anwendungen, MikroSystemTechnik Kongress 2019, Berlin, 182- 185; DE10 2017 208 911).
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines MEMS-Lautsprechers 100 im nicht-aus- gelenkten (oben) und ausgelenkten Zustand (unten). Der MEMS-Lautsprecher weist einen Chip-Rahmen 110, bspw. ein Substrat, sowie am Chip-Rahmen 110 eingespannte Aktoren 120 auf. Die Aktoren sind zweischichtig, aus einer Schicht aus piezoelektrischem PZT (Blei- Zirkonat-Titanat) 130 und einer Schicht aus Poly-Silizium 140 gebildet. Zwischen den Ak toren sind Entkopplungsschlitze 150 angeordnet. Bei der Auslenkung (unten) können sich die Aktoren durch die Entkopplungsschlitze 150 entkoppelt voneinander bewegen.
Im gezeigten Fall ist die schallerzeugende Aktorstruktur nicht durch eine geschlossene Membran, sondern aus mehreren, durch enge Schlitze 150 getrennte Aktoren 120 ausgebildet. Die bewegten MEMS-Aktorstrukturen können dabei allerdings hohe Resonanzgüten (Überhöhungen der Schwingungsamplituden) mit Werten im Bereich von 100 haben. Dadurch kann der erzeugte Schalldruckpegel im Frequenzgang scharfe Resonanzpeaks aufweisen, die zu akustischen Verzerrungen führen können (siehe Figur 2 und Figur 3). Fig. 2 zeigt Schalldruckpegel (SPL) in dB des MEMS-Lautsprechers, gemessen in einem Ohr-Simulator bei verschiedenen Antriebsspannungen mit und ohne Equalizer (EQ)-Filter über der Frequenz in Hz. Die untere durchgezogene Linie beschreibt einen Schalldruckpegel bei einem Volt mit einem EQ-Filter, die gepunktete Linie einen Schalldruckpegel bei einem Volt ohne EQ-Filter und die obere durchgezogene Linie einen Schalldruckpegel bei zehn Volt mit EQ-Filter. Der Schalldruckpegel bei einem Volt ohne EQ-Filter zeigt einen großen Peak bei etwas mehr als 8000 Hz. Fig. 2 zeigt, dass durch elektronische Filter der Schalldruckpegel geglättet werden kann. Allerdings können durch diese Maßnahme die Verzerrungen, d.h. das Klirren des Lautsprechers, nicht reduziert werden (siehe Figur 3).
Fig. 3 zeigt Harmonische Verzerrungen in % bei 1 V Amplitude mit EQ-Filter (entspricht ca. 85 dB SPL) über der Frequenz in Hz. In Fig. 3 sind die gesamte harmonische Verzerrung (THD - Total Harmonie Distortion) und Anteile einzelner Oberschwingungen am Klirrfaktor (k2, k3, k5) aufgetragen. Die aufgetragenen Größen geben ein Verhältnis eines bspw. unerwünschten Oberschwingungsanteils am Signal an. Fig. 3 zeigt im Bereich von knapp 2000 Hz und im Bereich von etwas mehr als 3000 Hz hohe Peaks der Verzerrung und der Anteile am Klirrfaktor. Fig. 3 zeigt, dass EQ-Filter diese Signalverzerrungen nicht glätten können.
Aufgrund der Verzerrungen kann beispielsweise nicht die gesamte Bandbreite eines entsprechenden MEMS-Schallwandlers genutzt werden. Beispielsweise bei Anwendungen im Ultraschallbereich sind Schallwandler mit niedriger Güte, d.h. hoher Bandbreite gefordert. Damit kann der Wandler unter anderem im Impuls-Echo-Verfahren kurze Impulse erzeugen oder im continuous-wave (Dauerstrich-) Verfahren modulierte Signale senden oder empfangen.
Bei bisherigen MEMS-Schallwandlern können die Resonanzen der Aktoren nicht gezielt gedämpft werden. Bspw. wäre es wünschenswert Güten in den Bereich kleiner als 5 zu erreichen und/oder den Resonanzpeak komplett zu unterdrücken. Deshalb besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.
Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung liegt darin ein Konzept zu schaffen, welches es ermöglicht Resonanzen von Aktoren von MEMS-Schallwandlern gezielt zu dämpfen.
Zusammenfassung der Offenbarung Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen MEMS- Schallwandler zur Erzeugung von Schall mit einem Aktor, der durch einen oder mehrere Spalte von einer umgebenden Struktur getrennt ist und ausgebildet ist, um eine Relativbewegung zwischen dem Aktor und der umgebenden Struktur auszuführen. Der MEMS- Schallwandler weist ferner die umgebende Struktur auf, wobei der Aktor und die umgebende Struktur eine Vielzahl von Ausnehmungen und Auskragungen aufweisen, wobei die Vielzahl von Auskragungen zugehörig zu dem Aktor in die Vielzahl von Ausnehmungen zugehörig zu der umgebenden Struktur, und/oder die Vielzahl von Auskragungen zugehörig zu der umgebenden Struktur in die Vielzahl von Ausnehmungen zugehörig zu dem Aktor, ineinandergreifend angeordnet sind, wobei die ineinandergreifenden Elemente durch einen oder mehrere Spalte getrennt sind.
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung beruhen auf dem Kerngedanken durch die Anordnung von Ausnehmung und Auskragungen, z.B. in Form ineinander- greifender Mäander, eine frequenzabhängige Signaldämpfung eines MEMS- Schallwandlers zu ermöglichen. Durch die Relativbewegung zwischen dem Aktor und der umgebenden Struktur wird ein, in dem Spalt zwischen Aktor und umgebener Struktur befindliches Gas, bspw. Luft (allgemein Medium), verdrängt. Hierdurch kommt es zur (Luft-) Reibung, welche wiederum den Aktor dämpft. Die Geschwindigkeit des Gases im Spalt weist dabei eine Abhängigkeit von der Schwingfrequenz des Aktors auf. Durch eine ent sprechende Wahl der Geometrien von Aktor und umgebender Struktur kann die geschwindigkeitsabhängige und damit frequenzabhängige Dämpfung ausgenutzt werden, um bestimmte Frequenzen des MEMS-Schallwandlers zu dämpfen. Das ermöglicht vorteilhafterweise eine Optimierbarkeit des Schallwandlers bzw. der akustischen Eigenschaften.
Ein erfindungsgemäßer MEMS-Lautsprecher kann ein nicht oder nur schwer elektronisch filterbares Klirren (siehe bspw. Fig. 3) unterdrücken. Die Dämpfung ist dabei abhängig von den überlappenden Flächen von Aktor und umgebender Struktur, welche sich durch die Relativbewegung aneinander vorbeibewegen, sowie von dem Abstand der überlappenden Flächen von Aktor und umgebender Struktur zueinander. Die überlappenden Flächen sind dabei anders ausgedrückt die Flächen des Aktors bzw. der umgebenden Struktur, welche der umgebenden Struktur bzw. dem Aktor unmittelbar gegenüberstehen und welche sich durch die Relativbewegung aneinander vorbeibewegen. Beispielsweise können diese Flächen von Aktor und umgebender Struktur parallel zueinander ausgebildet sein und sich durch die Relativbewegung parallel aneinander oder zumindest partiell parallel aneinander vorbeibewegen.
Um die Dämpfung zu verstärken, wird daher offenbarungsgemäß diese Fläche durch die Verwendung von ineinandergreifenden Auskragungen und/oder Vertiefungen bspw. mit zusätzlichen Plattenstrukturen auf dem Aktor und der umgebenden Struktur vergrößert. Zu sätzlich oder alternativ kann die Dämpfung durch einen geringen Abstand der Flächen zueinander verstärkt werden.
In anderen Worten beruhen Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung auf der Idee, zusätzliche strömungsmechanische Strukturen, beispielsweise Plattenstruk turen und/oder Auskragungen und/oder Ausnehmungen zu integrieren, durch die der MEMS-Schallwandler, bspw. ausgebildet als Lautsprecher, mittels viskoser Gasströmung oder Luftströmung gedämpft wird.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung sind die ineinandergreifenden Elemente so durch einen oder mehrere Spalte getrennt, dass die ineinandergreifen den Elemente eine Dämpfungsfunktion, also bspw. die zuvor erläuterte Dämpfung, bei einer Relativbewegung zwischen Aktor und umgebender Struktur aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung weist der Aktor die Vielzahl von Ausnehmungen und Auskragungen zugehörig zum Aktor entlang zumindest 50% oder entlang zumindest 75% oder zumindest entlang 90% oder zumindest entlang 99% oder entlang 100% des einen oder der mehreren Spalte auf. Alternativ oder zusätzlich kann die umgebende Struktur die Vielzahl von Ausnehmungen und Auskragungen zugehörig zur umgebenden Struktur entlang zumindest 50% oder entlang zumindest 75% oder zumindest entlang 90% oder zumindest entlang 99% oder entlang 100% des einen oder der mehreren Spalte aufweisen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist die umgebende Struktur durch ein Substrat gebildet. Durch die Ausbildung von Auskragungen und Ausnehmungen direkt auf dem Substrat kann eine bspw. besonders einfache und kostengünstige Umsetzung eines MEMS-Schallwandlers gemäß der vorliegenden Offenbarung umgesetzt werden. Der Aktor kann bspw. direkt aus dem Substrat herausgeätzt werden und dabei mit Auskragungen und Ausnehmungen versehen werden, welche in entspre chende Strukturen des Substrats ineinandergreifen. Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung sind die Vielzahl von Ausnehmungen und Auskragungen als Mikrostrukturen mit einem Aspektverhältnis von Höhe/Breite von mehr als 5 ausgebildet, wobei die Höhe eine Höhe orthogonal zu einer Oberfläche des Aktors oder der umgebenden Struktur ist, auf der die Auskragung angeord net ist. Dabei ist die Breite eine Breite parallel zu der Oberfläche des Aktors oder der umgebenden Struktur, auf der die Auskragung angeordnet ist.
Durch ein hohes Aspektverhältnis kann die viskose Reibung und damit die Dämpfung verstärkt werden. Durch die entsprechende Ausbildung der Ausnehmungen und Auskragungen kann die Fläche zwischen Aktor und umgebender Struktur, welche zur Reibung beiträgt, z.B. für einen gewünschten Frequenzbereich, vergrößert werden und bspw. zugleich einen geringeren Abstand der Elemente zueinander realisiert werden, um die Dämpfung weiter zu erhöhen. Dabei sei darauf hingewiesen, dass das Aspektverhältnis hierbei nicht ausschließlich nur für Höhen von Strukturen gilt, sondern analog zu korrespondierenden Tiefen bspw. für den Fall von Ausnehmungen. Ferner können Ausnehmungen und/oder Auskragungen entsprechende Höhen oder Tiefen bspw. insbesondere orthogonal zu der Bewegungsrichtung des Aktors aufweisen, wobei die Breite der Ausnehmung oder Struktur parallel zu der Bewegungsrichtung ausgerichtet sein kann.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung weist der Aktor einen piezoelektrischen oder magnetischen oder elektrostatischen Antrieb auf. Alternativ oder zusätzlich kann der Aktor durch einen Biegewandler geformt sein. Der piezoelektrische Antrieb kann beispielsweise vorzugsweise durch integrierte piezoelektrische Schichten erfol gen, z.B. für Anwendungen als MEMS-Lautsprecher. Piezoelektrische Antriebe können dabei Vorteile im Hinblick auf kurze Ansprechzeiten, hohe Beschleunigungen und geringen Energiebedarf aufweisen. Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung sind dabei jedoch nicht auf piezoelektrische Antriebe begrenzt, sondern ermöglichen die Ver wendung von, bspw. für eine Applikation besonderes vorteilhafte, Antriebskonzepte, bspw. wahlweise elektrostatische oder magnetische Konzepte oder Prinzipien. Die Ausbildung des Aktors als bspw. piezoelektrischer, Biegewandler bzw. Biegeaktors kann Vorteile im Hinblick auf Stellweg und Stellkraft, sowie die Zuverlässigkeit aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen die Auskragun gen der Vielzahl von Auskragungen eine Höhe von mehr als 50 pm auf, wobei die Höhe eine Höhe orthogonal zu einer Oberfläche des Aktors oder der umgebenden Struktur ist, auf der die jeweilige Auskragung angeordnet ist.
Die offenbarungsgemäße Ausbildung der Höhe der Auskragungen ermöglicht eine ausreichende Dämpfung zur zumindest teilweisen Unterdrückung von bspw. unerwünschtem Klirren (siehe Fig. 3). Dadurch kann bspw. ein vorteilhaftes Aspektverhältnis von Auskragungen und korrespondierenden Ausnehmungen erzielt werden, sodass die viskose Gasreibung die gewünschte Dämpfung ermöglicht.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist die Vielzahl von Auskragungen als Säulen und/oder Kämme ausgebildet und die Vielzahl von Ausnehmungen als Löcher und/oder Schlitze ausgebildet. Säulen und Kämme, sowie korrespondierende Löcher und Schlitze sind durch kostengünstige und ausgereifte Herstellungsprozesse realisierbar, sodass ein entsprechender MEMS-Schallwandler in großen Stückzahlen und/oder kostengünstig hergestellt werden kann. Ferner ermöglichen entsprechende Strukturen wie bspw. Säulen oder Kämme ein vorteilhaftes Aspektverhältnis, um die Dämpfung bspw. entsprechend den Anforderungen einer Applikation ausreichend stark einstellen zu können. Darüber hinaus ermöglichen zu den Säulen und Kämmen korrespondierende Löcher und Schlitze sehr geringe Abstände der jeweiligen Elemente zu einander, was wiederum vorteilhaft für die Dämpfung sein kann.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung besteht die Vielzahl von Ausnehmungen und Auskragungen aus zumindest einem aus einem Halbleiter, wie Silizium, Silizium-Verbindungen, Metallen oder Polymeren. Das ermöglicht einen einfache Herstellbarkeit mit konventionellen MEMS-Herstellungstechnologien.
Offenbarungsgemäße MEMS-Schallwandler ermöglichen die Verwendung von Materialien mit guter Verfügbarkeit, deren zugehörige Herstellungsverfahren technisch ausgereift sind, sodass ein entsprechender MEMS-Schallwandler mit geringen Kosten und hoher Qualität gefertigt werden kann.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der MEMS- Schallwandler ausgebildet, um ein Schallsignal bei Anregung mit einem elektrischen Signal zu emittieren. Eine offenbarungsgemäße Ausführung des MEMS-Schallwandlers als MEMS-Lautsprecher ermöglicht es dabei Probleme, bspw. bisheriger Lautsprecher, z.B. in Bezug auf Klirren, durch die Vielzahl von Ausnehmungen und Auskragungen zu beheben oder zumindest abzuschwächen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der MEMS- Schallwandler ausgebildet, um Signale in einem Frequenzbereich von zumindest 20 Hz und/oder bis 20 kHz zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann der MEMS-Schallwandler als ein MEMS-Ultraschallwandler ausgebildet sein. Ein offenbarungsgemäßer MEMS- Uitraschallwandler kann ausgebildet sein, um Signale in einem Frequenzbereich von zumindest 20 kHz und/oder bis 100 MHz zu erzeugen.
Die Auslegung des MEMS-Schallwandlers auf einen Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz, oder in anderen Worten auf den für Menschen hörbaren Frequenzbereich, ermöglicht den Einsatz des Schallwandlers in akustischen Applikationen wie beispielsweise In-Ear- Kopfhörern, Smartphones oder Headsets. Durch die offenbarungsgemäße Verwendung von Ausnehmungen und Auskragungen kann dabei beispielsweise eine hohe Audioqualität erzielt werden. Insbesondere kann beispielsweise auch bei hohen Frequenzen, ein zum Beispiel unerwünschtes, Klirren unterdrückt werden. Ein offenbarungsgemäßer MEMS- Ultraschallwandler kann ferner durch die Dämpfung von harmonischen Verzerrungen für hohe Frequenzen eine hohe Bandbreite erzielen, sodass, beispielsweise für Messverfahren wie Impuls-Echo-Verfahren, kurze Impulse erzeugt werden können oder für Dauerstrich- Verfahren modulierte Signale gesendet werden können.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung weist der eine oder die mehreren Spalte eine Breite weniger als 20 pm, weniger als 10 pm oder weniger als 5 pm auf, beziehungsweise weisen allgemein eine Breite auf, die im Bereich von 0,1 pm bis 20 pm liegt. Bei der Breite des Spalts kann es sich dabei bspw. um ein Breite in lateraler Richtung oder horizontaler Richtung des Bauelements oder MEMS-Schallwandlers handeln.
Durch die Breiten im pm-Bereich können entsprechende MEMS-Schallwandler zum einen mit geringem Bauraumbedarf gebaut werden, zum anderen kann eine ausreichende Entkopplung der Schalldrücke vor bzw. hinter dem Aktor ermöglicht werden, sodass ein definierter akustischer Schalldruck erzeugt werden kann. Darüber hinaus kann eine entspre chende Dimensionierung der Spalte vorteilhaft für die frequenzabhängige Dämpfung bspw. zur Unterdrückung von Klirren sein. Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der Aktor als Biegeaktor ausgebildet und der Biegeaktor und die umgebende Struktur stehen sich einander lateral in einer Ebene gegenüber. Der Biegeaktor ist zumindest einseitig gegenüber der umgebenen Struktur eingespannt und ausgelegt, um mit einem Ende des Biegeaktors die Relativbewegung zwischen Biegeaktor und umgebender Struktur, zumindest partiell senkrecht zu der Ebene, auszuführen. Am bewegten Ende des Biegeaktors ist eine Vielzahl von Ausnehmungen und/oder Auskragungen in Form einer ersten Kammstruktur, in der gemeinsa men Ebene von Biegeaktor und umgebender Struktur, ausgebildet. Die umgebende Struk tur weist auf einer, dem bewegten Ende des Biegeaktors zugewandten Seite eine Vielzahl von Ausnehmungen und/oder Auskragungen in Form einer zweiten Kammstruktur auf, wo bei die erste und zweite Kammstruktur so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen.
Durch die Anordnung von Aktor und umgebender Struktur lateral in einer Ebene kann ein entsprechender offenbarungsgemäßer MEMS-Schallwandler mit geringem Bauraumbedarf senkrecht zu der Ebene ausgebildet werden. Durch die Verwendung eines Biegeaktors können ferner bspw. für bestimmte Applikationen vorteilhafte, hohe Schalldrücke, erzeugt werden. Durch die Hebelbewegung kann hierbei die Relativbewegung des Aktors partiell senkrecht zur umgebenden Struktur erfolgen, sodass bspw. auch die überlappenden Flächen partiell senkrecht aneinander vorbei bewegt werden. Ferner kann der Biegeaktor von der umgebenden Struktur an mehreren Enden umgeben sein, sodass bspw. an mehreren Seiten des Aktors, die eine Relativbewegung in Bezug auf die umgebende Struktur ausführen Ausnehmungen und Auskragungen angeordnet sein können, bspw. in Form einer Kammstruktur. Analog können zusätzlich oder alternativ auf den korrespondierenden Seiten der umgebenden Struktur Auskragungen und Ausnehmungen, bspw. in Form der zweiten Kammstruktur, ausgebildet sein, sodass die Ausnehmungen und Auskragungen des Aktors und die Auskragungen und Ausnehmungen der umgebenden Struktur ineinandergreifen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der Aktor als Hubaktor ausgebildet und der Hubaktor und die umgebende Struktur sind in einer Ebene angeordnet. Der Hubaktor ist dabei ausgebildet, um die Relativbewegung zwischen dem Hubaktor und der umgebenden Struktur, senkrecht zu der Ebene, auszuführen und weist entlang seines Umfangs in der Ebene eine Vielzahl von Ausnehmungen und/oder Auskragungen in Form einer ersten Kammstruktur auf. Ferner weist die umgebende Struktur auf einer, der ersten Kammstruktur zugewandten Seite eine Vielzahl von Ausnehmungen und/oder Auskragungen in Form einer zweiten Kammstruktur auf, wobei die erste und zweite Kammstruktur so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen.
Ein solcher offenbarungsgemäßer MEMS-Schallwandler kann einen geringen Bauraumbedarf in Richtung der Ebene, in der Aktor und umgebende Struktur angeordnet sind, oder in anderen Worten orthogonal zur Bewegungsrichtung des Aktors, aufweisen. Der Hubaktor kann ferner bspw. als kolbenförmiger Aktor ausgebildet sein.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der Aktor in einer ers ten Ebene angeordnet und die umgebende Struktur ist in einer zweiten Ebene angeordnet, wobei die erste und die zweite Ebene parallel zueinander sind und wobei der Aktor ausge bildet ist, um die Relativbewegung zwischen dem Aktor und der umgebenden Struktur senkrecht zu der ersten und zweiten Ebene auszuführen. Dabei weist der Aktor eine Vielzahl von Auskragungen in Form von Säulen und/oder Kämmen auf, wobei die Säulen und/oder Kämme senkrecht zu den parallelen Ebenen, auf einer, der umgebenden Struktur zugewandten, Oberfläche des Aktors, angeordnet sind. Die umgebende Struktur weist eine Viel zahl von Ausnehmungen in Form von Löchern und/oder Schlitzen auf, wobei die Säulen und/oder Kämme des Aktors und die Löcher und/oder Schlitze der umgebenden Struktur so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen.
Die Ausbildung der umgebenden Struktur mit Löchern und/oder Schlitzen ermöglicht eine bspw. einfach und kostengünstig herstellbare Form der Ausnehmung da hierbei, z.B. durch ein Ätzverfahren nicht auf eine bestimmte Tiefe der Ätzung geachtet werden muss. Ferner kann ein solcher offenbarungsgemäßer MEMS-Schallwandler mit geringem Bauraumbedarf ausgebildet sein, bspw. durch das Ineinandergreifen der Säulen und/oder Kämme mit den Schlitzen und/oder Löchern, da diese durch die Relativbewegung bspw. quasi form schlüssig, getrennt durch einen Spalt aneinander vorbeigleiten können. Zusätzlich oder al ternativ können weitere Ausnehmungen und/oder Auskragungen in der Ebene des Aktors, um den Aktor herum angeordnet sein, welche wiederum ineinandergreifend mit korrespondierenden Auskragungen und/oder Ausnehmungen der umgebenden Struktur oder einer weiteren umgebenden Struktur angeordnet sind.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung ist die umgebende Struk tur in einer ersten Ebene angeordnet und der Aktor in einer zweiten Ebene, wobei die erste und die zweite Ebene parallel zueinander sind. Der Aktor ist ausgebildet, um die Relativbe wegung zwischen dem Aktor und der umgebenden Struktur senkrecht zu der ersten und zweiten Ebene auszuführen. Dabei weist die umgebende Struktur eine Vielzahl von Auskragungen in Form von Säulen und/oder Kämmen auf, wobei die Säulen und/oder Kämme senkrecht zu den parallelen Ebenen, auf einer, dem Aktor zugewandten, Oberfläche der umgebenden Struktur, angeordnet sind. Der Aktor weist eine Vielzahl von Ausnehmungen in Form von Löchern und/oder Schlitzen auf, wobei die Säulen und/oder Kämme der um gebenden Struktur und die Löcher und/oder Schlitze des Aktors so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen.
Der Aktor kann bspw. insbesondere nur teilweise als Loch- und/oder Schlitzplatte ausgebildet sein. Dies kann bspw. Vorteile im Hinblick auf den erzielbaren Schalldruck mit sich bringen. Ferner kann ein Herausätzen von Säulen und/oder Kämmen aus einem bspw. unbeweglichen Substrat, welche die umgebende Struktur bildet, fertigungstechnische Vorteile aufweisen.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen MEMS- Schallwandler zur Erzeugung von Schall mit einem Aktor, der durch einen oder mehrere Spalte von einer umgebenden Struktur getrennt ist. Ferner weist der MEMS-Schallwandler die umgebende Struktur auf. Dabei ist der Aktor ausgebildet, um eine Relativbewegung zwischen dem Aktor und der umgebenden Struktur auszuführen. Die Strukturen von Aktor und/oder umgebender Struktur weisen dabei die Vielzahl von Ausnehmungen und Auskra gungen auf, wobei die Vielzahl von Auskragungen zugehörig zu dem Aktor und/oder zugehörig zu den Plattenstrukturen des Aktors in die Vielzahl von Ausnehmungen zugehörig zu der umgebenden Struktur und/oder zugehörig zu den Plattenstrukturen der umgebenden Struktur und/oder die Vielzahl von Auskragungen zugehörig zu der umgebenden Struktur und/oder zugehörig zu den Plattenstrukturen der umgebenden Struktur in die Vielzahl von Ausnehmungen zugehörig zu dem Aktor und/oder zugehörig zu den Plattenstrukturen des Aktors ineinandergreifend angeordnet sind, wobei die ineinandergreifenden Elemente durch einen oder mehrere Spalte getrennt sind.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung von Ausnehmungen und Auskragungen, also bspw. die Integration von zusätzlichen Ausnehmungen und Auskragungen auf Plattenstruk turen, welche wiederum selbst eine Auskragung oder einen Teil einer Auskragung oder analog Ausnehmung bilden können, ermöglicht verbesserte Dämpfungseigenschaften, bspw. um ein unerwünschtes Klirren bei hohen Frequenzen zu dämpfen. Fiqurenkurzbeschreibunq
Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung 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 offenbarungsgemäßen Vorrichtung als auch als entsprechende Verfahrensschritte des offenbarungsgemäßen Verfahrens zu verstehen sind, und auch entsprechende Verfahrensschritte des offenbarungsgemäßen Verfahrens davon abgeleitet werden können. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines MEMS-Lautsprechers im nicht-ausgelenkten (oben) und ausgelenkten Zustand (unten);
Fig. 2 Schalldruckpegel (SPL) in dB des MEMS-Lautsprechers, gemessen in einem Ohr- Simulator bei verschiedenen Antriebsspannungen mit und ohne Equalizer (EQ)- Filter über der Frequenz in Hz;
Fig. 3 Harmonische Verzerrungen in % bei 1 V Amplitude mit EQ-Filter (entspricht ca. 85 dB SPL) über der Frequenz in Hz;
Fig. 4 ein Beispiel für viskose Luftdämpfung einer Platte bei Parallelbewegung nahe an einem feststehenden Plattenelement zur Erläuterung des physikalischen Prinzips bei Ausführungsbeispielen;
Fig. 5 eine schematische Aufsicht eines MEMS-Schallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines MEMS-Schallwandlers gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung mit kammförmigen Ausnehmungen und Auskragungen am Rand von Aktor und umgebender Struktur, welche ein Festelement aufweist;
Fig. 7 eine Abwandlung des MEMS-Schallwandlers aus Fig. 6 gemäß eines Ausfüh rungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung mit Plattenstrukturen mit Auskragungen und Ausnehmungen; Fig. 8 eine schematische Seitenansicht eines MEMS-Schallwandlers gemäß eines Aus führungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung mit Säulen bzw. vertikalen Kammstrukturen auf dem Aktor sowie Loch- bzw. Schlitzplatte als Festelement; und
Fig. 9 eine schematische Seitenansicht eines MEMS-Schallwandlers gemäß eines Aus führungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung mit einem Aktor mit Lochplatte und Säulen und/oder Kämmen auf Festelement.
Detaillierte Beschreibung der Beispiele gemäß den Figuren
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funkti onsgleiche 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 bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Fig. 5 zeigt eine schematische Aufsicht eines MEMS-Schallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Fig. 5 zeigt den MEMS-Schallwandler 500 mit einem Aktor 510, der durch einen Spalt 520 von einer umgebenden Struktur 530 (z.B. dem Substrat) getrennt ist. Der Aktor 510 und die umgebende Struktur 530 weisen eine Vielzahl von Auskragungen 510-1 , 530-1 und Ausnehmungen 510-2, 530-2 auf, wobei die Vielzahl von Auskragungen 510-1 zugehörig zu dem Aktor in die Vielzahl von Ausnehmungen 530- 2 zugehörig zu der umgebenden Struktur und/oder die Vielzahl von Auskragungen 530-1 zugehörig zu der umgebenden Struktur in die Vielzahl von Ausnehmungen 510-2 zugehörig zu dem Aktor ineinandergreifend angeordnet sind, wobei die ineinandergreifenden Elemente durch den Spalt 520 getrennt sind.
Der Aktor 510 ist dabei dazu ausgebildet eine Relativbewegung zwischen dem Aktor 510 und der umgebenden Struktur 530, senkrecht zur Bildebene, auszuführen. Durch die Relativbewegung kann der Aktor 510 ein akustisches Signal aus einer elektrischen Anregung erzeugen. Durch die Auskragungen 510-1 , 530-1 und Ausnehmungen 510-2, 530-2 weist der MEMS-Schallwandler große Flächen zwischen dem bewegten Aktor 510 und der um- gebenden Struktur 530 auf, die eine frequenzabhängige Dämpfung durch viskose Gasdämpfung ermöglichen. Durch die Anordnung kann dabei der Spalt 520 sehr schmal gewählt werden, was sich wiederum positiv auf eine gewünschte Dämpfung auswirken kann. Dadurch können bestimmte Frequenzbereiche, die bspw. hohe Verzerrungen aufweisen, gedämpft werden.
Die Auskragungen 510-1 , 530-1 und Ausnehmungen 510-2, 530-2 können dabei in einer Vielzahl von Variationen ausgebildet sein. Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen trigonometrische Verläufe der Auskragungen 510-1 und Ausnehmungen 510-2 bzw. der Auskragungen 530-1 und Ausnehmungen 530-2 wie in Fig. 5 gezeigt. Ferner weisen Ausführungsbeispiele auch MEMS-Schallwandler mit Auskragungen und Ausnehmungen mit Kämmen, Säulen, Mäandern, Zapfen oder Dreiecken auf. Offenbarungsgemäße Auskragungen und Ausnehmungen sind bspw. so ausgebildet, dass die Länge des Spaltes 520 und die Fläche zwischen Aktor 510 und umgebender Struktur 530 möglichst groß wird um die Dämpfung zu verstärken. Darüber hinaus kann der Aktor 510 als ein mehrteiliger Aktor ausgebildet sein, oder in anderen Worten eine mehrteilige Membran aufweisen. Außerdem kann der Aktor 510 zweischichtig, aus einer Schicht aus piezoelektrischem PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) und einer Schicht aus Poly-Silizium gebildet sein.A
Figur 4 zeigt ein Beispiel für viskose Luftdämpfung einer Platte bei Parallelbewegung nahe, bspw. bezüglich des Abstands der Platten in Bezug auf die Plattenfläche, an einem feststehenden Plattenelement und illustriert dabei die Schnittdarstellung durch Aktor und umgebende Struktur. Die Oberfläche der hier als Platte diktierten Elemente Aktor und gegenüberliegende Struktur sind entsprechend Ausführungsbeispielen durch Mäanderstrukturen bzw. allgemein Ausnehmung und Auskragung maximiert. Figur 4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Platte 410 der umgebenden Struktur, welche ein Festelement aufweist und eine Platte 420 des Aktors. Allgemein kann das Festelement ein bspw. unbeweglicher Teil der umgebenden Struktur sein, oder die umgebende Struktur selbst. Das Festelement kann bspw. ein Substrat sein. Die beiden Platten sind mit einem Abstand d 430 voneinander beabstandet angeordnet. Die Platte 420 des Aktors weist eine Relativgeschwindigkeit vpiatte 440 auf, sodass sie sich parallel zu der Platte 410 der umgebenden Struktur an dieser vorbei bewegt. Zwischen den Platten 410, 420 ist eine Geschwindigkeitsverteilung 450 der Geschwindigkeit der Luft VLuft des Zwischenraums zwischen den beiden Platten 410, 420 aufgetragen. Wenn der Abstand d 430 der Platten klein gegenüber den Plattendimensionen ist, kann die Geschwindigkeit der Luft von der feststehenden Platte 410 bis zur bewegten Platte 420 linear von Null bis zu dem Wert v zunehmen. Die Luftschichten zwischen den Platten kön nen also mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aneinander vorbeigleiten. Dadurch kann sich eine Reibungskraft Fr ergeben, die mit dem Newtonschen Reibungsgesetz berechnet werden kann
Fr = hAn/d.
Dabei ist A der Überlapp der Plattenflächen, d der Plattenabstand 430, v die Geschwindigkeit 440 der bewegten Platte (vpiatte) und h die Viskosität der Luft. Die Reibungskraft ist proportional zur Geschwindigkeit 440 der bewegten Platte und bildet in der Differentialgleichung der Plattenbewegung oder -Schwingung ein Dämpfungsglied.
Dementsprechend kann also durch eine offenbarungsgemäße Ausbildung von Aktor und umgebender Struktur mit Ausnehmungen und/oder Auskragungen bzw. mit Plattenstrukturen, z.B. als Auskragungen, ein MEMS-Schallwandler geschaffen werden, welcher eine erwünschte Dämpfung bestimmter Frequenzen durch Anpassung der überlappenden Fläche und des Abstands der relativ bewegten Flächen von Aktor und umgebender Struktur ermöglicht.
Fig. 6 zeigt schematische Ansichten eines MEMS-Schallwandlers gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung mit Auskragungen und Ausnehmungen. Fig. 6 oben zeigt eine schematische Schnittansicht eines MEMS-Schallwandlers 800 und Fig. 6 unten eine schematische Aufsicht des MEMS-Schallwandlers 800.
Figur 6 oben zeigt den MEMS-Schallwandler 800 mit einem Aktor 810, der durch einen oder mehrere Spalte 520 von einer umgebenden Struktur 530 getrennt ist, wobei die umgebende Struktur 530 ein Festelement aufweist. Der Aktor 810 ist ausgebildet, um eine Relativbewegung 620 zwischen dem Aktor 810 und der umgebenden Struktur 530 auszuführen. Der Aktor 810 und die umgebende Struktur 530, die als Kammstrukturen ausgebildet sein können, sodass der Spalte 520 ebenfalls der Kammstruktur folgt sind in der Draufsicht im unteren Teil der Figur dargestellt. Figur 6 unten zeigt in der Aufsicht Ausnehmungen und Auskragungen 820 zwischen Hubaktor 810 und der umgebenden Struktur 530, welche ein Festelement aufweist. Die Ausneh mungen und Auskragungen 820 können dabei als Kammstrukturen ausgebildet sein und so beispielsweise (durchgehend entlang den einander zugewandten Randflächen von Hubaktor 810 und umgebender Struktur 530) ineinandergreifend angeordnet sein. Figur 6 zeigt eine mögliche Kombination offenbarungsgemäßer Ausprägungen von Auskragungen und Ausnehmungen. Mittels Figur 6 soll ferner verdeutlicht werden, dass offenbarungsgemäß eine Vielzahl von möglichen Anordnungen, welche eine gewünschte Dämpfung, beispielsweise bestimmter Frequenzen, für MEMS-Schallwandler möglich sind. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Plattenstrukturen (nicht dargestellt) bzw. optionale Platten oder Blenden, die z.B. senkrecht zu dem Aktor 610 am Rand der umgebenden Struktur 530 (vgl. dem Aktor 610 zugewandter Rand) oder des Aktors angeordnet sein können. Die Blenden / Platten erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu der Bewegungsrichtung 630 (z.B. aus dem Substrat heraus) und verhindern entlang der Bewegung, dass der Spalt aufklafft. Durch die Plattenstrukturen können ferner die überlappende Fläche zwischen Aktor 610 und umgebender Struktur 530 vergrößert werden, um eine viskose Gasreibung und dementsprechend eine Dämpfung bestimmter Resonanzfrequenzen zu verstärken. Die Platten strukturen können dabei als Auskragungen ausgebildet sein, wobei der Aktors als Ausnehmung ausgebildet sein kann oder umgekehrt.
Durch die Kombination mit dem Beispiel aus Fig. 6 kann bspw. eine starke Dämpfung, durch die Vergrößerung der überlappenden Flächen erzielt werden. Zur technologischen Implementierung der zuvor erläuterten Dämpfung auf dem sich in vertikaler Richtung bewegenden Aktor 810 des MEMS-Schallwandlers, bspw. Lautsprechers und auf einer gegenüberliegenden, umgebenden Struktur 530, bspw. einem gegenüberstehenden feststehenden Element oder Festelement mit Ausnehmungen und Auskragungen 820 angeordnet werden. Durch diese strömungsmechanischen Strukturen kann die Aktorbewegung durch die viskose Gasströmung, bspw. Luftströmung gedämpft werden. Aus der Gleichung für die Reibungskraft wird ersichtlich, dass die Dämpfung maximiert wird, wenn möglichst große Flächen in möglichst nahem Abstand angeordnet werden. Das bedeutet, dass Dämpfungsstrukturen mit Ausnehmungen und Auskragungen 820 mit einem hohen Aspektverhältnis vorteilhaft sein können. Die überlappende Fläche der Elemente 610 kann auch dadurch vergrößert werden, in dem die Elemente als ineinandergreifende Kammstrukturen mit einer Vielzahl von Fingern ausgebildet werden bzw. die Ausnehmungen und Auskragungen 820 als ineinandergreifende Kammstrukturen mit einer Vielzahl von Fingern ausgebildet wer den. Der Aktor 810 kann wie in Fig. 6 gezeigt optional als Hubaktor ausgebildet sein. Weitere Ausführungsbeispiele umfassen jedoch auch entsprechende Biegeaktoren mit zugehörigen Plattenstrukturen mit Ausnehmungen und Auskragungen.
Fig. 7 zeigt eine schematische Aufsicht eines MEMS-Schallwandlers gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung mit kammförmigen Ausnehmungen und Auskragungen am Rand von Aktor und umgebender Struktur, welche ein Festelement aufweist. Fig. 7 zeigt einen MEMS-Schallwandler 700 mit einem Biegeaktor 710, der einer umgebenden Struktur 530, welche ein Festelement aufweist, lateral in einer Ebene gegenübersteht. Der Biegeaktor 710 ist zumindest einseitig gegenüber der umgebenen Struktur 530 eingespannt und ausgelegt, um mit einem Ende des Biegeaktors 710 eine Relativbewegung zwischen Biegeaktor 710 und umgebender Struktur 530 zumindest partiell senkrecht zu der Ebene, also zumindest partiell senkrecht zu der Bildebene von Fig. 7, auszuführen.
Am bewegten Ende des Biegeaktors 710 ist eine Vielzahl von Ausnehmungen 710-1 und Auskragungen 710-2 in Form einer ersten Kammstruktur 710-3, in der gemeinsamen Ebene von Biegeaktor 710 und umgebender Struktur 530, ausgebildet. Die umgebende Struktur weist auf einer, dem bewegten Ende des Biegeaktors zugewandten Seite eine Vielzahl von Ausnehmungen 530-2 und Auskragungen 530-1 in Form einer zweiten Kammstruktur 530- 3 auf, wobei die erste und zweite Kammstruktur so ausgebildet sind, dass sie ineinander- greifen. Die beiden Kammstrukturen sind dabei durch einen Spalt 520 voneinander getrennt.
In anderen Worten zeigt Fig. 7 Kammstrukturen am Rand von Aktor und umgebender Struk tur, welche ein Festelement aufweist. Wie oben schon erwähnt kann die bspw. überlappende Fläche, z.B. der dämpfenden Plattenstrukturen, durch Ausbildung als Kämme vergrößert werden. In dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel werden am bewegten Ende eines Biegeaktors 710 Kammstrukturen 710-3, bspw. mit hohem Aspektverhältnis angeordnet. Diese bewegen sich ineinander mit eng beabstandeten Kammstrukturen 530-3 auf der umgebenden Struktur 530, bspw. einem feststehenden, lateral gegenüberstehen den Element. In gleicher weise können dämpfende Kammstrukturen auch bei sich kolbenförmig bewegenden Hubaktoren (bspw. analog zu Fig. 6) integriert werden. In diesem Fall können die Kammstrukturen entlang des ganzen Umfangs des Aktors angeordnet werden. Fig. 8 zeigt eine schematische Seitenansicht eines MEMS-Schallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung mit Säulen bzw. vertikalen Kammstrukturen auf dem Aktor sowie Loch- bzw. Schiitzplatte als Festelement, welche die umgebende Struktur oder einen Teil der umgebenden Struktur bildet. Fig. 8 zeigt einen MEMS- Schallwandler 900 mit einem Aktor 510 in einer ersten Ebene, einer umgebenden Struktur 530 in einer zweiten Ebene, wobei die umgebenden Struktur 530 ein Festelement aufweist, welches als Loch- bzw. Schlitzplatte ausgebildet ist und wobei die erste und die zweite Ebene parallel zueinander sind. Der Aktor ist ausgebildet, um eine Relativbewegung 620 zwischen dem Aktor 510 und der umgebenden Struktur 530 senkrecht zu der ersten und zweiten Ebene auszuführen. Der Aktor weist eine Vielzahl von Auskragungen in Form von Säulen und/oder Kämmen 510-4 auf, wobei die Säulen und/oder Kämme 510-4 senkrecht zu den parallelen Ebenen, auf einer, der umgebenden Struktur 530 zugewandten, Oberfläche des Aktors, angeordnet sind. Die umgebende Struktur 530 weist eine Vielzahl von Ausnehmungen in Form von Löchern und/oder Schlitzen 530-4 auf und die Säulen und/oder Kämme 510-4 des Aktors und die Löcher und/oder Schlitze 530-4 der umgebenden Struktur sind so ausgebildet, dass sie ineinandergreifen und durch einen Spalt 520 getrennt sind.
In anderen Worten zeigt Fig. 8 Säulen bzw. vertikale Kammstrukturen auf dem Aktor 510 und eine Loch bzw. Schlitzplatte als Festelement, welches die umgebende Struktur oder einen Teil der umgebenden Struktur bildet. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Dämpfungsstrukturen auf der ganzen Fläche des Aktors 510 angeordnet. Sie können als Säulen und/oder als Kämme 510-4 ausgeführt werden. Das Festelement 530 ist hier vertikal über dem Aktor 510 angeordnet und als Loch- und/oder Schlitzplatte ausgeführt. In gleicher Weise könnten die Dämpfungsstrukturen unter dem Aktor 510 oder auf beiden Seiten des Aktors angeordnet werden.
Ein MEMS-Schallwandler gemäß Fig. 8 kann durch die Verwendung einer Loch- oder Schlitzplatte einfach und damit mit geringen Kosten fertigbar sein, da bspw. keine definier ten Ätztiefen für die Ausnehmungen zu beachten sind. Ferner ermöglicht die Anordnung einer Vielzahl von Säulen und/oder Kämmen 510-4 und zugehörigen Löchern und/oder Schlitzen 530-4 eine starke Vergrößerung der überlappenden Fläche, sodass starke Dämpfungen realisiert werden können.
Fig. 9 zeigt eine schematische Seitenansicht eines MEMS-Schallwandlers gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung mit einem Aktor mit Lochplatte und Säulen und/oder Kämmen auf Festelement, welches die umgebende Struktur oder einen Teil der umgebenden Struktur bildet. Fig. 9 zeigt einen MEMS-Schallwandler 1000 mit einer umgebenden Struktur 530, die in einer ersten Ebene angeordnet ist und einem Aktor 510, der in einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Ebene parallel zueinander sind. Der Aktor 510 ist ausgebildet, um eine Relativbewegung 620 zwischen dem Aktor 510 und der umgebenden Struktur 530 senkrecht zu der ersten und zweiten Ebene auszuführen. Die umgebende Struktur 530 weist eine Vielzahl von Auskragungen in Form von Säulen und/oder Kämmen 530-5 auf, wobei die Säulen und/oder Kämme 530-5 senkrecht zu den parallelen Ebenen, auf einer, dem Aktor 510 zugewandten, Oberfläche der umgebenden Struktur, angeordnet sind. Der Aktor 510 weist eine Vielzahl von Ausnehmungen in Form von Löchern und/oder Schlitzen 510-5 auf, wobei der Aktor 510 jedoch nur zum Teil als Loch bzw. Schlitzplatte ausgebildet ist. Die Säulen und/oder Kämme 530-5 der umgebenden Struktur und die Löcher und/oder Schlitze 510-5 des Aktors sind dabei so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen und durch einen Spalt 520 getrennt sind.
In anderen Worten zeigt Fig. 9 einen Aktor mit Lochplatte und Säulen und/oder Kämmen 530-5 auf einer umgebenden Struktur 530, welche ein Festelement aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel trägt die umgebende Struktur 530 oder das Festelement Säulen oder Kämme 530-5, in die sich der Aktor 510 hinein bzw. heraus bewegt. Der Aktor 510 ist dazu zumindest teilweise als Loch- und/oder Schlitzplatte ausgeführt.
Ein MEMS-Schallwandler gemäß Fig. 9 ermöglicht die bereits zu Fig. 8 erläuterten Vorteile bezüglich der Fertigung. Eine nur teilweise Ausbildung des Aktors 510 als Loch bzw. Schlitzplatte kann vorteilhaft bezüglich des möglichen Schalldruckpegels sein und zu einer besseren Entkopplung zwischen abgestrahltem Luftvolumen und dem Schalldruck hinter dem Aktor, entgegen der Abstrahlrichtung führen.
Schlussfolgerungen und weitere Anmerkungen
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen MEMS-Lautsprecher oder MEMS-Ultraschallwandler mit viskoser Luftdämpfung, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf einem in vertikaler Richtung bewegenden Aktor und auf einem vertikal oder lateral gegenüberstehenden feststehenden Element oder umgebender Struktur jeweils Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhältnis angeordnet werden, die sich in engem Abstand relativ zueinander bewegen, wodurch die Aktorbewegung durch die Luftströmung viskos gedämpft wird. Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen MEMS- Lautsprecher mit piezoelektrischem oder magnetischem oder elektrostatischem Antrieb.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen ein Aspe kt Verhältnis der Mikrostrukturen Höhe/Breite > 10 und/oder Höhe der Mikrostrukturen > 50 pm auf.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen Dämpfungs strukturen, bspw. Ausnehmungen und Auskragungen am Rand des Aktors und der umgebenden Struktur und/oder des Festelements auf, bspw. in Form von Platten oder Kammstrukturen.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen Säulen oder Kammstrukturen auf Aktorfläche, Loch- oder Schlitzstrukturen auf der umgebenden Struktur, bspw. dem Festelement auf.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen Loch- oder Schlitzstrukturen in der Aktorfläche, Säulen oder Kammstrukturen auf der umgebenden Struktur bspw. dem Festelement auf.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen Dämpfungsstrukturen aus Silizium, Si-Verbindungen, Metallen oder Polymeren auf.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen MEMS- Lautsprecher mit Frequenzbereich von 20 Hz - 20 kHz.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen schaffen MEMS-Ultraschallwandler mit Frequenzbereich von 20 kHz bis 100 MHz.
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung schaffen MEMS- Schallwandler oder Lautsprecher für In-Ear-Kopfhörer und/oder Freifeld-Lautsprecher für ohrnahe-Anwendungen.
Ganz allgemein schaffen Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung, dass die Lautsprecherdämpfung direkt in die MEMS-Struktur, bspw. den MEMS-Schallwandler integriert werden kann und durch die Anordnung und Dimensionierung der Mikrostrukturen eingestellt werden können. Dies kann einen entscheidenden Vorteil offenbarungsgemäßer MEMS-Schallwandler bilden, z.B. im Hinblick auf Bauraum und Funktionalität, bspw. für mobile Anwendungen.
Alle hierin aufgeführten Aufzählungen der Materialien, Umwelteinflüsse, elektrischen Eigenschaften und optischen Eigenschaften sind hierbei als beispielhaft und nicht als abschließend anzusehen.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Offenbarung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Patentansprüche
1. MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) zur Erzeugung von Schall mit fol genden Merkmalen: einen Aktor (510, 710, 810), wobei der Aktor (510, 710, 810) durch einen oder mehrere Spalte (520) von einer umgebenden Struktur (530) getrennt ist und ausgebildet ist, um eine Relativbewegung (620) zwischen dem Aktor (510, 710, 810) und der umgebenden Struktur (530) auszuführen, und die umgebende Struktur, wobei der Aktor (510, 710, 810) und die umgebende Struk tur (530) eine Vielzahl von Ausnehmungen (510-2, 510-5, 530-2, 530-4, 710-2) und Auskragungen (510-1, 510-1-1, 510-4, 530-1, 530-1-1, 530-5, 710-1) aufweisen, wobei die Vielzahl von Auskragungen (510-1, 510-1-1, 510-4, 710-1) zugehörig zu dem Aktor (510, 710, 810) in die Vielzahl von Ausnehmungen (530-2) zugehörig zu der umgebenden Struktur (530) und/oder die Vielzahl von Auskragungen (530-1, 530-1-1, 530-5) zugehörig zu der umgebenden Struktur (530) in die Vielzahl von Ausnehmungen (510-2, 510-5, 710-2) zugehörig zu dem Aktor (510, 710, 810) ineinandergreifend angeordnet sind, wobei die ineinandergreifenden Elemente durch einen oder mehrere Spalte (520) getrennt sind, und wobei die ineinandergreifenden Elemente so durch einen oder mehrere Spalte (520) getrennt sind, dass die ineinandergreifenden Elemente eine Dämpfungsfunktion bei einer Relativbewegung zwischen Aktor (510, 710 , 810) und umgebender Struktur (530) aufweisen.
2. MEMS-Schallwandler (500, 600, 700, 800, 900, 1000) gemäß Anspruch 1, wobei die ineinandergreifenden Elemente so durch den einen oder die mehreren Spalte (520) getrennt sind, und wobei überlappende Flächen der Vielzahl von Ausnehmungen und Auskragungen so ausgebildet sind, dass die ineinandergreifenden Elemente eine frequenzabhängige Dämpfungsfunktion bei einer Relativbewegung zwi schen Aktor (510, 710 , 810) und umgebender Struktur (530) zur Unterdrückung von Klirren aufweisen; und wobei die überlappenden Flächen sich einander unmittelbar gegenüberstehende Flächen sind, welche sich durch die Relativbewegung aneinander vorbeibewegen.
3. MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die umgebende Struktur (530) durch ein Substrat gebildet ist.
4. MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Vielzahl von Ausnehmungen (510-2, 510-5, 530-2, 530-4, 710-2) und Auskragungen (510-1, 510-1-1, 510-4, 530-1, 530-1-1, 530-5, 710-1) als Mikrostrukturen mit einem Aspektverhältnis von Höhe/Breite von mehr als 5 ausgebildet sind, wobei die Höhe eine Höhe orthogonal zu einer Oberfläche des Aktors oder der umgebenden Struktur (530) ist, auf der die Auskragung angeordnet ist; und wobei die Breite eine Breite parallel zu der Oberfläche des Aktors oder der umgebenden Struktur (530) ist, auf der die Auskragung angeordnet ist.
5. MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der Aktor (510, 710, 810) einen piezoelektrischen oder magnetischen oder elektrostatischen Antrieb aufweist; und/oder wobei der Aktor (510, 710, 810) durch einen Biegewandler (710) geformt ist.
6. MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Auskragungen (510-1, 510-1-1, 510-4, 530-1, 530-1-1, 530-5, 710- 1) der Vielzahl von Auskragungen eine Höhe von mehr als 50 pm aufweisen und wobei die Höhe eine Höhe orthogonal zu einer Oberfläche des Aktors oder der um gebenden Struktur (530) ist, auf der die jeweilige Auskragung angeordnet ist.
7. MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorigen Ansprü che, wobei die Vielzahl von Auskragungen als Säulen und/oder Kämme (510-4, 530- 5) ausgebildet sind und wobei die Vielzahl von Ausnehmungen als Löcher und/oder Schlitze (530-4, 510-5) ausgebildet sind.
8. MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Vielzahl von Ausnehmungen (510-2, 510-5, 530-2, 530-4, 710-2) und Auskragungen (510-1, 510-1-1, 510-4, 530-1 , 530-1-1, 530-5, 710-1) aus zumindest einem aus Silizium, Silizium-Verbindungen, Metallen oder Polymeren bestehen.
9. MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorigen Ansprüche, und wobei der MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) ausgebildet ist, um Signale in einem Frequenzbereich von zumindest 20 Hz und/oder bis 20 kHz zu erzeugen; und/oder wobei der MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) ein MEMS-
Ultraschallwandler ist, wobei der MEMS-Ultraschallwandler ausgebildet ist, um Signale in einem Frequenzbereich von zumindest 20 kHz und/oder bis 100 MHz zu erzeugen.
10. MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der eine oder die mehreren Spalte (520) eine Breite weniger als 20 pm, weniger als 10 pm oder weniger als 5 pm aufweisen, beziehungsweise allgemein eine Breite aufweisen, die im Bereich von 0,1 pm bis 20 pm liegt.
11. MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der Aktor (510, 710, 810) als Biegeaktor (710) ausgebildet ist und wobei der Biegeaktor (710) und die umgebende Struktur (530) sich einander lateral in einer Ebene gegenüberstehen; und wobei der Biegeaktor (710) zumindest einseitig gegenüber der umgebenen Struktur (530) eingespannt ist; und wobei der Biegeaktor (710) ausgelegt ist, um mit einem Ende des Biegeaktors die Relativbewegung (620) zwischen Biegeaktor und umgebender Struktur (530) zumin dest partiell senkrecht zu der Ebene, auszuführen; und wobei am bewegten Ende des Biegeaktors eine Vielzahl von Ausnehmungen (710- 2) und/oder Auskragungen (710-1) in Form einer ersten Kammstruktur (710-3), in der gemeinsamen Ebene von Biegeaktor (710) und umgebender Struktur (530), ausgebildet sind; und wobei die umgebende Struktur (530) auf einer, dem bewegten Ende des Biegeaktors zugewandten Seite eine Vielzahl von Ausnehmungen (530-2) und/oder Auskragungen (530-1) in Form einer zweiten Kammstruktur (530-3) aufweist, wobei die erste und zweite Kammstruktur so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen.
12. MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der Aktor (510, 710, 810) als Hubaktor (810) ausgebildet ist und wobei der Hubaktor (810) und die umgebende Struktur (530) in einer Ebene angeordnet sind; und wobei der Hubaktor (810) ausgebildet ist, um die Relativbewegung (620) zwischen dem Hubaktor (810) und der umgebenden Struktur (530), senkrecht zu der Ebene, auszuführen; und wobei der Hubaktor (810) entlang seines Umfangs in der Ebene eine Vielzahl von Ausnehmungen und/oder Auskragungen (820) in Form einer ersten Kammstruktur aufweist; und wobei die umgebende Struktur (530) auf einer, der ersten Kammstruktur zugewandten Seite eine Vielzahl von Ausnehmungen und/oder Auskragungen (820) in Form einer zweiten Kammstruktur aufweist; und wobei die erste und zweite Kammstruktur so ausgebildet sind, dass sie ineinandergreifen.
13. MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der Aktor (510, 710, 810) in einer ersten Ebene angeordnet ist und wobei die umgebende Struktur (530) in einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Ebene parallel zueinander sind; und wobei der Aktor (510, 710, 810) ausgebildet ist, um die Relativbewegung (620) zwischen dem Aktor (510, 710, 810) und der umgebenden Struktur (530) senkrecht zu der ersten und zweiten Ebene auszuführen; und wobei der Aktor (510, 710, 810) eine Vielzahl von Auskragungen in Form von Säulen und/oder Kämmen (510-4) aufweist, wobei die Säulen und/oder Kämme (510-4) senkrecht zu den parallelen Ebenen, auf einer, der umgebenden Struktur (530) zu gewandten, Oberfläche des Aktors, angeordnet sind; und wobei die umgebende Struktur (530) eine Vielzahl von Ausnehmungen in Form von Löchern und/oder Schlitzen (530-4) aufweist; und wobei die Säulen und/oder Kämme (510-4) des Aktors und die Löcher und/oder Schlitze (530-4) der umgebenden Struktur (530) so ausgebildet sind, dass sie inei- nandergreifen.
14. MEMS-Schallwandler (500, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die umgebende Struktur (530) in einer ersten Ebene angeordnet ist und wobei der Aktor (510, 710, 810) in einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Ebene parallel zueinander sind; und wobei der Aktor (510, 710, 810) ausgebildet ist, um die Relativbewegung (620) zwi schen dem Aktor (510, 710, 810) und der umgebenden Struktur (530) senkrecht zu der ersten und zweiten Ebene auszuführen; und wobei die umgebende Struktur (530) eine Vielzahl von Auskragungen in Form von Säulen und/oder Kämmen (530-5) aufweist, wobei die Säulen und/oder Kämme (530-5) senkrecht zu den parallelen Ebenen, auf einer, dem Aktor (510, 710, 810) zugewandten, Oberfläche der umgebenden Struktur, angeordnet sind; und wobei der Aktor (510, 710, 810) eine Vielzahl von Ausnehmungen in Form von Lö chern und/oder Schlitzen (510-5) aufweist; und wobei die Säulen und/oder Kämme (530-5) der umgebenden Struktur (530) und die Löcher und/oder Schlitze (510-5) des Aktors so ausgebildet sind, dass sie ineinan- dergreifen.
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