TW202222677A - Mems裝置、近場揚聲器、聽戴式裝置、mems泵、揚聲器以及驅動mems裝置之方法 - Google Patents

Mems裝置、近場揚聲器、聽戴式裝置、mems泵、揚聲器以及驅動mems裝置之方法 Download PDF

Info

Publication number
TW202222677A
TW202222677A TW110133775A TW110133775A TW202222677A TW 202222677 A TW202222677 A TW 202222677A TW 110133775 A TW110133775 A TW 110133775A TW 110133775 A TW110133775 A TW 110133775A TW 202222677 A TW202222677 A TW 202222677A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
mass
mems device
spring
mems
elements
Prior art date
Application number
TW110133775A
Other languages
English (en)
Inventor
安頓 梅尼可夫
路茲 伊賀瑞格
赫爾曼 史恩克
Original Assignee
弗勞恩霍夫爾協會
德商艾黎歐佐系統有限責任公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 弗勞恩霍夫爾協會, 德商艾黎歐佐系統有限責任公司 filed Critical 弗勞恩霍夫爾協會
Publication of TW202222677A publication Critical patent/TW202222677A/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; 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 
    • H04R1/28—Transducer mountings or enclosures modified by provision of mechanical or acoustic impedances, e.g. resonator, damping means
    • H04R1/2807—Enclosures comprising vibrating or resonating arrangements
    • H04R1/2811—Enclosures comprising vibrating or resonating arrangements for loudspeaker transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; 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 
    • H04R1/28—Transducer mountings or enclosures modified by provision of mechanical or acoustic impedances, e.g. resonator, damping means
    • H04R1/2807—Enclosures comprising vibrating or resonating arrangements
    • H04R1/283—Enclosures comprising vibrating or resonating arrangements using a passive diaphragm
    • H04R1/2834—Enclosures comprising vibrating or resonating arrangements using a passive diaphragm for loudspeaker transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0257—Microphones or microspeakers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/032—Bimorph and unimorph actuators, e.g. piezo and thermo
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/036—Micropumps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0145—Flexible holders
    • B81B2203/0163—Spring holders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/03—Static structures
    • B81B2203/0315—Cavities
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/04—Electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/051—Translation according to an axis parallel to the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Otolaryngology (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Audible-Bandwidth Dynamoelectric Transducers Other Than Pickups (AREA)

Abstract

一種MEMS裝置包含：一基板，其具有一基板平面；一質量組件，其具有一靜止位置且適於自該靜止位置平行於該基板平面且在該質量組件周圍之一流體中進行一偏轉。該MEMS裝置進一步包含一彈簧配置，其耦接在該基板與該質量組件之間且適於基於該偏轉而變形。提供一種致動器結構，其藉由一耦接而耦接至該質量組件且適於藉由該耦接將一力施加於該質量組件上以引起該偏轉及該流體之一移動。

Description

MEMS裝置、近場揚聲器、聽戴式裝置、MEMS泵、揚聲器以及驅動MEMS裝置之方法
發明領域
本發明係關於一種MEMS裝置、包含此MEMS裝置之近場揚聲器、聽戴式裝置及MEMS泵以及驅動MEMS裝置之方法。特定而言，本發明係關於一種基於MEMS之近場揚聲器。
發明背景
機械共振器為彈性或聲學彈簧質量振盪器。此共振器具有特徵頻率。若共振器受到非常接近該頻率或恰好處於該頻率下之諧波信號激勵，則出現較大振盪振幅，此亦稱作共振。此意謂較小能量之輸入可產生極大振幅，該等極大振幅又可專門用於調整聲學或彈性系統之頻率回應。在特徵頻率以下，共振器之行為受靜態剛度(位能)支配，且偏轉始終與激勵同相。在特徵頻率之上，振盪行為係藉由質量(動能)判定，且偏轉與激勵的相位相反。特徵頻率被計算為有效剛度除以有效質量之平方根。
MEMS，尤其係MEMS揚聲器的難題為建構具有低共振頻率之共振器及將共振器耦接至聲音引導件中。低頻黑目合子(Helmholtz)共振器(純聲學彈簧質量系統)將極佳地耦接至聲場中，但需要過多空間，使得作為MEMS實施並不經濟。然而，被動彈性低頻共振器可以使得其可容納於MEMS中的方式進行設計。儘管如此，此設計仍比一般工程力學已知的複雜得多。若將彈簧製作成具有極小尺寸，此對於MEMS為常見的，則此會導致剛度較大，同時導致振盪質量極小。此又導致如下事實：此類小型振盪器之共振頻率通常高得多，且只能在低共振頻率之範圍內在有限程度上實施。此外，將純機械振動耦接至聲學區中亦為重要的且在建設性上極為複雜。
US 2009/0189481 A1描述一種用於微機械共振器之設計。此處，彈簧元件經展示為連接至梳狀電極。彈簧元件之寬度大於梳狀電極之寬度。藉由選擇彈簧元件之合適寬度，可影響整個系統之剛度。然而，在操作期間無法調整整個系統之剛度。
含有黑目合子共振器之微型揚聲器裝配件經描述於US 2019/0082252 A1中。所提出解決方案旨在增加微米揚聲器之頻寬。儘管解決方案看似適合用於MEMS，但其係基於膜之精巧使用。因為可假設周圍流體，在此情況下為空氣之黏度損失，故所描述系統具有低特徵頻率。在本文中，周圍空氣充當流體質量。然而，沒有特性可針對作為MEMS組件之設計被採用。
EP 3 531 713 A1揭露一種微型揚聲器，其特徵在於隔膜。其以使得與膜相互作用之流體構成聲質量的方式被聲音通道包圍。聲質量確保揚聲器之頻率回應中的第二共振位於可聽範圍內。然而，沒有揭露如下特徵：揭露共振器之特徵頻率的可調性的特徵。同樣在本文中，周圍空氣充當流體質量。
就此而言，將需要具有低特徵頻率之MEMS組件、近場揚聲器、聽戴式裝置及MEMS泵以及用於控制MEMS組件之方法。
此任務係藉由獨立專利請求項之主題來解決。
發明概要
根據一個實施例，一種MEMS裝置包含具有基板平面之基板。MEMS裝置包含質量組件，其具有靜止位置且適於自靜止位置平行於基板平面且在質量組件周圍之流體中進行偏轉。MEMS裝置包含彈簧配置，其耦接在基板與質量組件之間且適於基於偏轉而變形。進一步提供一種致動器結構，其藉助於耦接而耦接至質量組件且適於藉助於耦接將力施加於質量組件上以引起偏轉且引起流體之移動。
本發明之核心理念為藉助於質量組件提供此振盪器之特徵頻率，該質量組件藉助於彈簧配置平行於基板平面(平面內)懸置，該特徵頻率隨後藉助於致動器結構藉由耦接激勵。此類結構可在許多自由度上進行調整，可製造得小而便宜，且可用於多種應用。
其他實施例係關於一種包含一或多個此類MEMS裝置之近場揚聲器、聽戴式裝置(智慧型或智能頭戴式耳機/耳機)、MEMS麥克風、MEMS泵。
另一實施例係關於一種驅動MEMS裝置之方法，其包含：基板，其具有基板平面；質量組件，其具有靜止位置且適於自靜止位置平行於基板平面且在質量組件周圍之流體中進行偏轉；彈簧結構，其耦接在基板與質量組件之間且適於基於偏轉而變形；以及致動器結構，其藉由耦接而耦接至質量組件且適於基於偏轉而變形，耦接於基板與質量組件之間且適於基於偏轉而變形，且致動器結構藉由耦接而耦接至質量組件且適於藉由耦接將力施加於質量組件上以影響偏轉且引起流體之移動。致動器結構經由第一路徑耦接至體積，且質量組件經由第二路徑在遠離致動器結構的一側處耦接至體積。該方法包含驅動致動器結構以經由第一路徑將第一聲壓位準輻射至體積中且經由第二路徑將第二不同聲壓位準輻射至體積中。
由於致動器結構與質量組件之間的耦接，質量組件可以使得聲壓振幅不同於且特定而言高於藉助於致動器產生之聲壓振幅的方式進行激勵，此為有利的，特別係對於例如在作為近場揚聲器之應用中的可針對高聲壓位準設計的小型結構。
其他實施例為從屬專利請求項之主題。
較佳實施例之詳細說明
在下文參考圖式詳細地解釋本發明之實施例之前，應指出，具有相同功能或以相同方式起作用之相同元件、物件及/或結構在不同圖中具備相同參考符號，使得展示於不同實施例實例中之此等元件的描述為可互換的或可應用於彼此。
下文所描述之實施例之實例在各種細節之上下文中予以描述。然而，實施例亦可在無此等詳細特徵之情況下實施。此外，為清楚起見，使用方塊圖作為詳細表示之替代物來描述實施例。此外，個別實施例之細節及/或特徵可毫不費力地彼此組合，只要其未相反地明確地描述即可。
以下實施例係關於微機電裝置(MEMS裝置)。本文中所描述之MEMS裝置中的一些可為多層結構。舉例而言，可藉由在晶圓級處理半導體材料來獲得此類MEMS，該處理可包括組合多個晶圓或在晶圓級沈積層。本文中所描述之實施例中的一些解決MEMS位準。MEMS平面應理解為未必為二維或未彎曲之平面，其實質上平行於經處理晶圓延伸，諸如平行於晶圓或隨後的MEMS之主側延伸。平面方向可理解為此平面內之方向，其亦由英語術語「平面內」指代。垂直於此，亦即垂直於平面方向之方向可經簡化為厚度方向，由此術語厚度在此方向在空間中之定向意義上並不具有任何限制。應理解，本文中所使用之術語，諸如「長度」、「寬度」、「高度」、「頂部」、「底部」、「左側」、「右側」及類似者僅用於說明本文中所描述之實施例，此係因為其在空間中之位置可任意改變。
本文中所描述的實施例中之一些經描述於對應MEMS裝置之揚聲器組配或擴音器功能的上下文中。應理解，除MEMS裝置之感官評估或其可移動元件之移動或位置的替代或額外功能之外，此等實施例可轉移至MEMS裝置之麥克風組配或麥克風功能，以使得此麥克風在無任何限制的情況下構成本發明之其他實施例。
圖1a展示根據實施例的MEMS裝置10 1之示意性透視圖。MEMS裝置10 1包含配置於基板平面14中之基板12。基板可為例如相對剛性的材料，例如包含半導體材料，諸如矽或砷化鎵，該基板亦包括材料之組合，例如氧化矽、氮化矽且不排除其他材料，例如金屬、陶瓷及/或玻璃材料。
MEMS裝置10 1包含具有靜止位置之質量組件16。靜止位置可理解為在不例如藉由致動器及類似者將任何額外力影響引入至系統中之情況下之位置、定向及/或由質量組件16假設的定向。然而，靜止位置可易於包括各種力之存在，諸如重力及/或由經配置彈簧元件或由基於非偏轉的可主動變形元件引入的力，該等力與例如電信號或類似者連接。質量組件16經設計成自靜止位置平行於基板平面且在質量組件周圍之流體中進行偏轉。舉例而言，基板平面14經展示為平行於x/y平面。就此而言，平行於基板平面或平面內之移動可包含質量組件16沿著x方向及/或y方向之移動。
MEMS裝置10 1進一步包含彈簧裝配件22，其耦接在基板12與質量組件16之間且經組配以基於偏轉而變形。彈簧裝配件22包含執行此變形之至少一個彈簧元件22 1。彈簧元件22 1可例如彈性地形成且充當機械彈簧。儘管彈簧元件22 1可包含與基板12之材料及/或質量組件16之材料不同的材料，但基板12、質量組件16以及彈簧元件22 1中的至少二個元件或所有三個元件可一體成形且例如藉由局部選擇性蝕刻或其他機械有效的減除或添加製程形成。
MEMS裝置10 1包含致動器結構24，其藉助於耦接而耦接至質量組件16且經組配以藉助於耦接將力施加F於質量組件16上以引起質量組件16之偏轉，此引起流體18之移動。藉由使質量組件16循環地或甚至共振地往復運動，可在流體18中產生聲壓位準，該聲壓位準可用於例如揚聲器應用及/或麥克風應用或甚至其他流體輸送構思，例如MEMS泵。
儘管MEMS裝置10 1經展示為使得力F實質上垂直於彈簧元件22 1將基板12連接至質量組件16所沿之方向定向，但致動器結構24亦可經配置成使得力F實質上例如在相同或相反方向上平行於配置彈簧元件22 1所沿之方向起作用，亦即沿著x方向起作用。
致動器結構24與質量組件16之間的耦接可包含機械元件，例如相對剛性、堅硬或非彈性的元件；彈性元件，諸如彈簧元件及/或可包含流體18在致動器結構24與質量組件16之間提供力傳輸之流體耦接。舉例而言，致動器結構24可用於使流體18移動，此又可引起一力輸入—力F，以作用於質量組件16上，從而使質量組件16偏轉。
致動器結構24可包含靜電電極、壓電電極及/或熱機電極，但亦可提供其他元件，該等其他元件可例如使用磁力提供質量組件16之移動。
根據一個實施例，質量組件16及彈簧配置22形成具有振盪特徵頻率之彈簧質量系統之至少部分。忽略阻尼，通常可將此描述為
Figure 02_image001
其中ω0為共振角頻率，c為彈簧元件/配置之彈簧剛度且m為在單質量振盪器的情況下質量組件之質量。
實施例之實例不限於單質量換能器，而係亦可在沒有限制之情況下針對多質量換能器實施。
圖1b展示根據實施例的MEMS裝置10 2之示意性透視圖。如針對MEMS裝置10 1所描述，質量組件16及彈簧結構22可包含具有振盪特徵頻率之彈簧質量系統的至少部分，該振盪特徵頻率可由致動器結構24激勵。與MEMS裝置10 1相比，MEMS裝置10 2可包含彈簧結構22、將質量組件16連接至兩側上之基板12的二個彈簧元件22 1及22 2，亦即，彈簧元件22 1及22 2可被視為串聯連接之共同彈簧結構。由於質量組件16支撐於兩側上，故此可增加質量組件16之移動及/或位置之穩定性。
雖然質量組件16在MEMS組件10 1中被懸置於一側上，但其在MEMS組件10 2中藉助於彈簧配置22在二個相對側上被懸置於至少二側上。
圖1c展示根據實施例的MEMS裝置10 3之示意性透視圖，其中質量組件16藉助於彈簧配置22懸置以便能夠沿著二個不同的獨特振盪方向振盪。出於此目的，例如，一個彈簧元件22 1沿著x方向機械耦接，且第二彈簧元件22 2在基板12與質量組件16之間垂直於該x方向，例如平行於y方向機械耦接。二個方向可但不必彼此垂直，可實施任何其他彼此不同之方向，該等方向配置於x/y平面內或平行於x/y平面配置或在三維空間中亦彼此不同。
對於沿著針對彈簧元件22 1之鐘擺方向或振盪方向x或針對彈簧元件22 2之鐘擺方向或振盪方向y的展開或壓縮，彈簧元件22 1可具有彈簧剛度c 1，而彈簧元件22 2具有彈簧剛度c 2。二個彈簧剛度c 1及c 2可沿著各別彈簧方向影響質量組件16之各別振盪特徵頻率，由此，此處可考慮各別其他彈簧元件之橫向剛度。藉由提供不同彈簧剛度c 1及c 2，沿著振盪方向x之共振頻率可因彈簧剛度c 2而與沿著振盪方向y之共振頻率不同。
MEMS組件10 1、10 2以及10 3之不同懸置形式可彼此組合。舉例而言，可提供額外彈簧元件，其相對於彈簧元件22 2及/或與彈簧元件22 1相對地安置於質量組件16之相對側上。替代地或另外，進一步地，可提供額外彈簧元件以使質量組件16懸置。
為自靜止位置激勵質量組件16，致動器結構24可包含一或多個子元件24 1及/或24 2，其經組配以產生平行於x方向之力F 1及/或平行於y方向之力F 2。即使力方向不平行於各別彈簧方向，所產生力之至少力向量亦可產生沿著此方向之偏轉。
任選地，進一步有可能能夠藉由沿著不同方向組合不同彈簧元件22 1及22 2之配置來諸如在x/y平面中沿著對角線方向振盪。
致動器結構可沿著與偏轉之偏轉方向至少部分地配置在平行於基板平面且與質量構件橫向相鄰的共同平面中，以至少部分地平行於基板平面提供力F 1及/或力F 2。
儘管將MEMS裝置10 1、10 2以及10 3描述為分別提供個別彈簧元件22、22 1及/或22 2，但此等彈簧元件中之各者可由串聯及/或並聯連接的其他彈簧元件補充，使得此等彈簧元件中之各者亦可理解為包含至少一個彈簧元件之彈簧配置。在MEMS裝置10 2及10 3中提供至少二個彈簧配置，該等彈簧配置在不同部位處耦接在基板12與質量組件16之間且經組配以基於偏轉而變形。質量組件16從而配置於第一彈簧配置與第二彈簧配置之間。
圖2a展示根據實施例實例的MEMS組件20之示意性透視圖。質量組件16藉助於包含彈簧元件22 1及22 2之彈簧配置22a及包含彈簧元件22 3及22 4之彈簧配置22 b在相對側上連接至基板12。致動器結構24 1及24 2相對於質量組件16沿著正y方向及負y方向配置，使得質量組件16配置於致動器結構24 1與24 2之間。
致動器結構24 1及/或24 2之具體實施例稍後將進行詳細論述，但可為例如致動器片段26 1、26 2、26 3以及26 4串聯地且經由離散區28 1、28 2以及28 3機械耦接在一起之結構，其中該等片段中之各者可包含例如基於樑元件之間的個別致動及/或靜電力而在離散區處彼此電氣隔離、彼此機械耦接且可變形的三個樑元件32 1、32 2以及32 3。
由此，可獲得致動器結構24 1及/或24 2沿著正y方向及/或負y方向之移動，使得流體18經設定為在致動器結構24 1與24 2之間處於運動中，出現壓縮及/或減壓，且因此，力F 1及/或F 2可作用於質量組件16上以使其沿著正y方向及/或負y方向偏轉。
振動特徵頻率，例如第一特徵頻率以及更高階的特徵頻率可經由彈簧元件22 1至22 4之彈簧剛度以及質量組件16之質量調整，從而忽略阻尼。基於恆定質量及/或彈簧剛度，共振頻率可在框架內例如由於溫度變化或類似者而基本上保持不變或略微改變。
彈簧配置或彈簧元件及質量組件16可形成為一體，例如藉由選擇性地模製或蝕刻出隨後亦至少部分地提供基板12之材料。舉例而言，任何MEMS材料可出於此目的提供。彈簧元件可由MEMS材料中之凹口形成。凹口可例如形成於槽形直線中或具有另一幾何形狀。在根據圖2a之實施例實例中，凹口45具有U形幾何形狀，例如原因在於二個外支腿由配置於其間之中間支腿連接。彈簧元件中之至少一者形成於外支腿45A及/或45B的區處，如針對圖2d中之彈簧元件22 3及22 4所繪示。此處，支腿45A及45B經由中心支腿45C彼此連接。凹口45亦可具有額外或不同的幾何形狀，例如H形幾何形狀，其可理解為意謂支腿45C在支腿45A及45B之中心區中延伸，或提供圍繞支腿45C軸對稱之另一U形幾何形狀。
圖2b展示圖2a之MEMS裝置20的區段之透視圖以說明耦接於由離散區28 3表示的離散區28處之片段中之三個實質上平行的樑32 1、32 2及/或32 3之配置。如所解釋的，致動器結構24 1及/或24 2可包含靜電電極、壓電電極及/或熱機電極，或可基於其他致動器原理。
圖2c展示根據實施例實例之MEMS裝置20的示意性俯視圖，其中該示意性俯視圖進一步展示MEMS裝置為分層結構之部分。例示性地，提供可限制空腔之邊界層34，在該空腔中，流體18沿著負z方向安置。可沿著正z方向提供另一邊界層。此由沿著正z方向之額外邊界層中之開口36 2例示，未對此進行展示。邊界層34亦可具有開口36 1。質量組件16以及彈簧元件22 1至22 4及基板12之殘餘部分可將至少部分地由致動器結構24 1、24 2以及邊界層限定之空腔細分為子空腔38 1及38 2，該等子空腔38 1及38 2分別藉由開口36 2及36 1沿著不同方向+z/-z例示性地連接至MEMS裝置之環境。
在所說明實施例實例中，開口36 1及36 2將MEMS裝置內部之空腔連接至MEMS裝置之不同相對側。根據實施例，部分空腔38 1經由至少一個第一開口在垂直於偏轉方向y之質量組件16之第一側處流體連接至MEMS致動器之環境。部分空腔38 2經由至少一個另一開口36 2在第二側處流體連接至MEMS裝置之環境，自質量組件16開始，該第二側與第一側相對配置，其中第一開口及第二開口在MEMS裝置之不同側上彼此相對配置。
質量組件16在分層結構中可配置於第一邊界層34與未展示的第二邊界層之間。質量組件16與邊界層34及/或未展示之另一邊界層之間的距離可經選擇為使得在共振範圍外部之操作中至少避免部分空腔38 1與38 2之間的聲學短路。
圖2d展示圖2c之MEMS組件之一部分的示意性俯視圖，該部分例示性地不具有邊界層34，亦即例如不具有底部晶圓。可看出，質量組件16分別經由彼此並聯連接之二個彈簧元件22 1及22 2或22 3及22 4懸置於兩側上。實施例之實例提供具有包含彼此並聯連接之超過二個彈簧元件的彈簧配置之MEMS裝置。舉例而言，三個、四個、五個或甚至更高數目之彈簧元件可並聯連接。
換言之，圖2a至2d展示根據不可相對於其特徵頻率調整之基本原理的微共振器。
圖2a-d在實施例中以第一基本原理展示具有不可調整的微共振器44之微機械換能器，該微共振器44具有質量組件16及連接彈簧22。此處，微共振器44配置於二個可主動偏轉元件24 1與24 2之間，如例如圖2a中所展示微共振器44經由流體18之流體耦接而遵循可主動偏轉元件24 1/24 2之移動。機械地，微共振器44經由連接元件22 1至22 4連接至周圍基板12。在第一時間間隔中，主動元件24 1及24 2在平行於基板平面之第一方向上偏轉，且經由開口36 1將流體輸送出底部晶圓。在同一時間間隔中，經由蓋晶圓中之開口36 2將流體輸送至空腔中。在第二時間間隔中，主動元件24 1及24 2沿與第一方向相反之第二方向偏轉。流體因此經由蓋晶圓中之開口36 2傳送出空腔且經由底部晶圓中之開口36 1傳送至空腔中。
致動器沿著z方向之高度或尺寸可例如處於至少1 µm及/或至多1 mm之範圍內，在各情況下所陳述值包括端值，較佳地在30 µm與150 µm之間，尤佳地在約75 µm。
在實施例中，微共振器之高度可在1 µm與5 mm之間的範圍內，較佳地在400 µm與650 µm之間的範圍內。
連接元件22 1至22 4之剛度可對可達到之共振頻率具有顯著影響。類似地，質量組件16之單位質量可影響所產生共振頻率，參見圖2a。在共振中，共振器(質量16及彈簧元件22 1至22 4)之較大振動振幅顯著降低了其作為隔板之作用，此可導致二個空氣腔室之間或部分空腔38 1與38 2之間的聲學短路。因此，聲波不再傳導至出口開口36 1及36 2中，且在共振周圍之頻率範圍內出現頻率回應的下降。
圖3a展示根據實施例實例的MEMS裝置30之示意性透視圖。此與MEMS裝置20之實施例實例的不同之處在於，例如，代替致動器結構，相對剛性的被動式基板延伸部或另一剛性元件經形成為自共振器44開始之部分空腔38 1的邊界結構。質量組件16可經由致動器結構24而經單側激勵以振動。如結合MEMS裝置20所描述，質量組件16可平行於偏轉方向y界定第一部分空腔38 1，該第一部分空腔38 1至少部分地一方面由連接至其的質量組件或結構圍封或另一方面經第一邊界結構圍封。部分空腔38 1可經由至少一個第一開口，諸如圖2c之開口36 2流體連接至MEMS裝置環境。質量組件可平行於偏轉方向且與部分空腔38 1相對地至少部分地圍封具有第二邊界結構之第二部分空腔38 2，該第二部分空腔38 2經由諸如開口36 1的至少一個第二開口流體連接至MEMS裝置之環境。邊界結構中之至少一者從而可移動地進行配置，由此可能但並非必需的係，該邊界結構主動地形成。如結合其他實施例所描述，其可為電氣被動元件，該電氣被動元件經由位於其他地方，諸如與質量組件16相比位於不同MEMS平面中之致動器元件移動。任選地，可移動地配置兩個邊界結構，且進一步任選地，主動地形成邊界結構中之至少一者以基於致動而變形。
圖3b展示圖3a之MEMS裝置30之示意性俯視圖。
圖3c展示圖3a及/或3b之MEMS裝置30之共振器44的示意性俯視圖，其可自MEMS裝置20之共振器保持不變。
換言之，根據共振頻率不可調整之另一變型中之基本原理，MEMS裝置30係指微共振器44。可提供底部及/或頂部晶圓。因此，圖3a-c示出具有不可調整的微共振器44之微機械換能器的替代基本原理。在層平面內，微共振器44形成於部分空腔之可主動偏轉的元件24與被動配置的輪緣42之間。與圖2a-d相比，微共振器44並無不同。此外，確保配重16經由連接元件22 1至22 4與周圍基板12機械耦接。由主動元件24及微共振器44形成之部分空腔可構成可主動偏轉的元件24之返回體積。有利地，在固定邊界與微共振器44之間的部分空腔38 1中，共振器44之共振區中之頻率的增加發生在頻率回應中。
圖4a展示根據實施例的MEMS裝置40之示意性透視圖，其中彈簧配置主動地形成且經組配以基於彈簧配置之可變控制來為質量組件16之偏轉提供可變彈簧剛度。亦即，代替被動彈簧元件，可提供主動彈簧元件22' 1、22' 2、22' 3及/或22' 4，較佳地該等彈簧元件中之所有但可能僅一些可主動地控制。基於靜電力、壓電力、磁力或熱力，彈簧元件22' 1至22' 4之有效彈簧剛度可改變，由此可主動控制的共振器44 I之因此獲得的共振頻率亦可為可調整的。此意謂即使在設計或製造已完成之後亦可使用主動彈簧元件22' 1至22' 4改變共振頻率，例如以能夠適應可變操作狀態及/或可變操作狀態本身。共振頻率因此為可主動調整的，而針對被動彈簧元件，可經由結構設計發生被動可調整性。舉例而言，可藉助於所謂的「虛擬剛度」實施此構思。根據實施例實例，彈簧元件22' 1至22' 4中之一或多者亦可包含並行或並排延行之三個樑元件，如結合致動器結構24 1及24 2所描述。此等致動器彈簧可單獨地且獨立於致動器結構24 1及24 2進行控制。質量組件及彈簧裝配件可形成具有振盪特徵頻率之彈簧質量系統之至少部分。MEMS裝置40可經組配以基於可變彈簧剛度來提供可變振盪特徵頻率。針對質量組件16沿著多個方向之偏轉亦可容易地實施可變振盪特徵頻率，如結合圖1c所描述。
圖4b展示MEMS裝置40之示意性俯視圖。與MEMS裝置20及/或30相比，彈簧配置或彈簧元件形成為主動彈簧元件22' 1至22' 4。
圖4c展示共振器44 I之示意性俯視圖。在俯視圖中，可清楚地看出主動彈簧元件22' 1及22' 4之組配。三個相鄰樑46 1、46 2以及46 3可固定於彼此電氣隔離之離散區處且可基於致動來進行移動，該移動充當可變的有效虛擬剛度。亦即，彈簧配置可包含具有多個可移動層配置之主動結構。各可移動層配置可包含第一樑、第二樑以及第三樑46 1至46 3。樑46 2配置於樑46 1與46 3之間且配置成在離散區處與樑46 1及46 3電氣固定。分層配置例如經組配以回應於樑46 2與樑46 3之間的電位或回應於樑46 2與樑46 1之間的電位而沿著平行於基板平面之移動方向進行移動以影響彈簧剛度。可用於影響彈簧剛度之例示性致動器經描述於例如WO 2012095185 A1、WO 2020078541 A1、DE 10 2015 206 774 A1、DE 10 2014 225 934 A1或DE 10 2015 215 919 A1中。
因為彈簧裝配件可具有以至少一個撓曲換能器作為致動器之主動結構，該主動結構包含可偏轉元件且具有：微機電換能器，其沿著可偏轉組件之質心相延伸且使可偏轉組件在向其施加第一電信號時在第一方向上偏轉；及第二微機械換能器，其沿著質心相延伸且使可偏轉組件在向其施加第二電信號時在與第一方向相反之第二方向上偏轉。質心相位於第一微機電換能器及第二微機電換能器之相對側之間。電氣驅動器適於回應於提供了輸入信號而改變第一電信號及第二電信號，使得第一電信號之變化及第二電信號之變化取決於所輸入電信號。第一電信號及第二電信號之相位相對於彼此經移位。
替代地或另外，彈簧裝配件包含分層結構，該分層結構具有安置於分層結構中且經由分層結構中之至少一個開口流體耦接至分層結構之外部環境的空腔。進一步地，分層結構包含交互作用結構，其安置於第一MEMS平面中且可沿著平面方向在空腔中移動且經組配以與空腔中之流體交互作用，其中交互作用結構之移動與流體通過至少一個開口之移動因果相關。提供安置在垂直於平面方向之第二MEMS平面中之主動結構，該主動結構機械耦接至交互作用結構且經組配成使得主動結構的電接點處之電信號與主動結構之變形因果相關。主動結構之變形可與流體之移動因果相關。
換言之，圖4a至4c展示微共振器，其可相對於共振頻率調整且其中使用例如非對稱奈米觀靜電驅動器(ANED)。圖4b展示開口位於底部晶圓及蓋晶圓中之空腔中之俯視圖，後者為虛線的。微機械換能器或MEMS裝置40以與微共振器之先前所說明實例相當的方式配置於橫向相鄰換能器24 1與24 2之間，由此部分空腔38 1及38 2形成於MEMS之層中。與MEMS組件20及/或30對比，質量16之機械耦接經由微機械致動器22' 1至22' 4執行。藉由施加信號，可影響連接元件之剛度。主動連接元件可由此處已知之NED致動器形成，由此圖4a-c描述所謂的ANED組配。
圖5a展示根據實施例實例的MEMS裝置50之示意性透視圖，該MEMS裝置50亦具有形成為所謂的微肌肉之可主動偏轉的彈簧元件22'' 1至22'' 4。
圖5b展示圖5a之MEMS裝置50之示意性俯視圖。
圖5c展示MEMS裝置50之微共振器44 II的示意性俯視圖，其中已展示彈簧元件22'' 1至22'' 4之肌肉致動器的細節，該等細節在圖5d、5e以及5f中進一步詳述。
圖5d展示可能致動器結構24之一部分的示意性視圖，該可能致動器結構可稱為例如微肌肉。致動器結構或主動結構24可包含並排配置之多個電極元件48 1至48 6，其中電極元件之總數目可大於2、大於4、大於6、大於8、大於10或大於20、大於30、大於50或更高。電極可形成為板狀結構，其在可能的理論參考狀態下大致彼此平行，使得電極之主側面向彼此。主側應理解為與連接主側之二個次要側相比具有相對較大表面積的一側。在一些實施例中，例如，電極可自此參考狀態向前移動，如圖3a中所展示。
相鄰電極對(諸如52 1及52 2，52 2及52 3，或52 3及52 4)之主側亦可配置成面向彼此。各別對電極52 1至52 4可經組配成使得當例如藉助於信號32施加電位時，至少局部地減小電極之間的距離h gap，以提供致動器衝程之至少部分。藉由串聯地串聯連接數個對，可獲得主動結構24之較高總衝程。
在電極之中心區54 1至54 8中，各別對電極可連接至一對相鄰電極或連接至周圍基板或支撐結構。間隔件元件56 1至56 6可出於此目的而配置，該等間隔件元件56 1至56 6可任選地亦以電氣絕緣方式形成以便提供相鄰電極之電氣絕緣。替代地，可在電極元件上及/或藉由諸如利用間隔件元件58 1至58 8使相同電極對52之電極彼此電氣絕緣提供電氣絕緣以及塗層。然而，間隔件元件58 1至58 8可替代地或另外藉助於諸如層12 3之周圍基板來實施。因此，亦可經由與基板交互作用之周圍介質(或真空)而非間隔件元件58 1至58 8來提供電氣絕緣。亦有可能將相同電位施加至不同對之相鄰電極，此意謂必要時可省去此等電極之此部位處的電氣絕緣。
亦即，一對電極之電極元件可皆藉由離散外間隔件元件58機械固定在電極元件之邊緣區中，及/或電極元件可經由層結構機械固定在其邊緣區中，以便設定以其他方式可經由間隔件元件58調整的電極元件之間的距離h ti。
在邊緣區域中，距離h ti可保持為小的，例如在自0.01 µm至200 µm、較佳地自0.3 µm至3 µm之範圍內且尤其較佳地在1.3 µm之範圍內。
藉助於內間隔元件54 1至54 6，可藉助於外間隔元件58在電極對之間設定與在經獲得個別電極之間相當或相等的間距。
在電極對52之電極元件之間施加電位可引起電極對沿著MEMS平面14 2內之方向，例如沿著y之長度的改變，且因此引起可傳輸至交互作用結構24之主動結構24的衝程之改變。
由於任選的間隔件元件56至少部分地配置於中心區域54中，因此此等間隔件元件可稱為內間隔件元件。外區域或邊緣區域中之任選的間隔件元件58可稱作間隔件元件。
主動結構24可具有多個電極對52，其中之各者諸如藉由內部間隔件元件54在中心區中機械地固定連接至離散部位處的相鄰電極對之電極元件。
換言之，圖5d展示主動結構24之可偏轉元件之一部分，其亦可稱為微肌肉且其可包含多個離散間隔開的導電桿/電極48。在較佳實施例中，此等樑為摻雜半導體材料且各自表示例如金屬或矽，但較佳地矽之至少一個電極。相對桿經由非導電介質彼此連接。非導電介質亦可為在可偏轉組件之第一延伸方向及第二延伸方向上分段的絕緣間隔件層。亦即，該等樑可藉由絕緣間隔件56及/或58互連。其他實施例包括氣態、液體或固體非導電介質。在氣態及液體間隔件層之情況下，可偏轉元件可另外附接至基板。在固體非導電介質之情況下，彈性較佳地小於固體導電介質之彈性。為桿供應電壓，使得在比如48 1及48 2之一對電極中的二個相鄰可偏轉元件之間存在電位差。此電位差產生靜電力且樑彼此吸引。非導電介質或經分段絕緣間隔件層56及/或58之彈性可提供恢復力。亦可自導電樑48之彈性獲得恢復力。出於此目的，對應於絕緣間隔件組件58之絕緣固體可諸如藉由實施間隔件組件56而配置於導電固體之間。間隔件元件56及58之一個可能配置為例如所謂的「磚圖案」，由此導電介質之間的支撐點在列與列之間交替，使得下一支撐點始終在相鄰列之二個支撐點之間。對應結構為重複單個單元52之週期性結構，但此並非為強制的。當在相鄰導電固體之間產生電位差時，整體結構可變形。
在圖5d中，I cell表示沿著x方向之肌肉單元的尺寸，I ti表示沿著x方向之支撐位點的尺寸，h ti表示沿著y方向之支撐位點的尺寸，h elec表示沿著y方向之電極的尺寸，且h gap表示沿著y方向之二個電極之間的距離。所提及參數可單獨地且獨立地實施，但亦可適於彼此。此等參數中之各者可在至少0.01 µm且至多200 µm之範圍內，l cell例如亦至多1500 µm。對於特殊實施尤其較佳地為：例如，I cell= 124 µm，I ti= 4 µm，h gap(在最小致動器偏轉或最大致動器偏轉之參考狀態下) = 1.3 µm，h elec =1 µm及/或h ti= 1 µm，在各情況下，係可修改的及/或在某些公差內。
在致動期間，值h gap之改變(例如，減少)可沿著y方向發生，且取決於幾何設計，沿著x方向發生值I cell之改變。取決於如何實現耦接至可能被動的電阻元件或耦接組件元件，變形方向x或y中之一者經傳輸至耦接組件元件28b。藉助於耦接，力可傳輸至另一MEMS位準。藉由沿著y方向及/或x方向將其他單元靠近彼此排成一排，個別單元之方向或力之位移可被滿足或乘以單元之數目。
可偏轉元件24 (換言之，肌肉單元或微肌肉)之幾何形狀可用於特定地調整在x方向及/或y方向上之剛度。此外，可將每一偏轉之力調整或最佳化例如至「應力-應變曲線」。在聲音產生中，初始情形需要最初具有相對極小力之大量偏轉。當位移量增加時，流體(例如空氣)對肌肉之恢復力增加。接著有必要產生更多力以用於偏轉。單元幾何形狀之選擇允許調整偏轉製程期間之力的改變。此外，可經由單元幾何形狀調整在y至x方向上之長度改變的比率(結構之有效的柏松比(Poisson's ratio))。藉由選擇右側單元幾何形狀，可設計具有小於0之有效柏松比之肌肉。稱作拉脹結構之此類結構可在彎曲時展示極特殊屬性。此等屬性為肌肉在豎直牽引方面的改良提供了可能。
圖5e展示根據實施例實例的致動器結構24之可能實施例之一部分的示意性俯視圖。與圖5d相比，可提供相同元件，且此外，電氣絕緣層59 1、59 2、59 3以及59 4可分別設置於相鄰電極48 1與48 2之間、48 3與48 4之間、48 5與48 6之間及/或48 7與48 8之間。絕緣層59可包含電氣絕緣材料，諸如氧化矽、氮化矽或其他絕緣材料，特別係Al 2O 3。
儘管電氣絕緣層59 1至59 4經展示為具有沿著y方向之比外間隔件58薄的尺寸，但其可替代地具有相等或較大厚度/擴展，從而允許例如在致動期間調整或影響端部位置。厚度沿著x方向可為均勻的或可變的。
電氣絕緣層59 1至59 4可懸置於外間隔件元件之間以機械固定電極，該等外間隔件元件經配置於電極對52 1至52 4之電極之邊緣區中。替代地，絕緣層59 1至59 4之配置可設置於基板或其他固定結構上。替代地或另外，亦可藉由將外間隔件元件58配置為電極之間的連續、可能局部薄化之層來獲得對應組配。
換言之，圖5e展示具有絕緣間隔件層之另一實施例。所展示之替代間隔件59提供間隔件58之間的連接且例如材料上連接至間隔件。在較佳實施例實例中，間隔件58及59由相同材料製成。有利地，此增大間隙中之介電常數。此外，亦存在關於可偏轉元件在其厚度方向上之剛度的改良。同樣地，可例如在橫向牽引期間避免電極之間的短路。此外，可改良主動結構24之可靠性，此係因為可減少或避免所謂的冷陽極氧化。
圖5f展示根據另一實施例實例之主動結構24之一部分的示意性俯視圖，該另一實施例實例繼續圖5d之實施例。在結合圖5d稱為內間隔件54之元件的區中，諸如電極48 7之其他電極可經配置以例如藉由施加不同電位來形成具有一或多個電極或其區段之另一電極對52 5。換言之，可藉由適當間隔及藉助於不同電極對之電極固定來限定另一電極對。可獲得一種蜂巢式圖案，其同時提供具有高穩定性之強力。
換言之，圖5a至5f展示具有可調整的微共振器之微機械聲換能器或泵的另一實施例實例。與前述微共振器相當，質量16經由可偏轉元件22'' 1至22'' 4機械耦接至周圍基板12。可偏轉元件為刮刷致動器。
有利地，此新類型的致動器之使用產生可施加至致動器之強力。
圖6a展示根據實施例的MEMS裝置60之示意性透視圖。與MEMS裝置20相比，代替主動元件24 1及24 2，可提供被動限制元件62 1及62 2，該等被動限制元件可為電氣被動的，如結合剛性元件42所描述。然而，不同於MEMS裝置30之剛性元件42，限制元件62 1及62 2在設計上可為靈活的，例如藉由提供沿著移動方向y的至多5 μM、至多10 μm或至多20 μm之尺寸，而剛性元件42具有例如至少15 μm或更小、至少30 μm或至少45 μm且使用諸如矽之可比較的材料之尺寸。在剛性元件之情況下，其可為選擇儘可能小之此尺寸之設計準則，例如歸因於堆積密度。舉例而言，設計可在約15 µm處開始，此係由於視元件之長度而定，甚至15 µm或可能更小足以使元件充當剛性或具有足夠的彎曲剛度。替代地，亦可考慮機械剛度，對於限制元件62，其可在至少1 N/m且至多10,000 N/m之範圍內，而剛性元件42可被視為係固體。
限制元件62 1及62 2可單獨地耦接至致動器結構，例如致動器結構24 1及24 2，該等致動器結構例示性地在MEMS裝置中，亦即，在與質量組件16不同的MEMS平面中沿著正z方向或負z方向配置。任選地，可提供耦接元件66 1及/或66 2，該等耦接元件66 1及/或66 2機械固定至限制元件62 1及62 2以將限制元件62 1及62 2中之一者的移動機械耦接至另一元件之移動，使得此等元件或耦接元件中之一者的移動亦產生另一元件的移動。舉例而言，此允許耦接至耦接元件66 1或66 2中之至少一者的共同致動器之配置觸發限制元件62 1及62 2的移動。可提供不同數目的僅一個或超過二個耦接元件。
限制元件62 1及62 2可理解為亦可藉助於其移動來移動流體18之交互作用元件。限制元件62 1及62 2因此可為用於聲音產生之被動元件。MEMS組件60亦可設置有主動設計的彈簧元件以調整共振頻率。
限制元件62 1及62 2因此可為致動器技術的部分，而不管可能的被動設計，且可理解為致動器結構元件。任選地，限制元件62 1及62 2中之一者亦可實施為剛性元件42，在此情況下可省去藉助於耦接元件66之元件的耦接。致動器結構元件62中之一或兩者可與質量組件16配置於共同平面中以分別與質量組件16及共振器一起至少部分地限定部分空腔38 1及38 2。致動器結構元件及/或邊界元件62 1及/或62 2可經由耦接元件66 1及/或66 2機械耦接至主動結構。此主動結構可經組配以分別經由耦接元件66 1及66 2使致動器結構元件62 1及62 2機械偏轉，以藉助於耦接產生流體18中之移動，該移動引起質量組件16之偏轉。
換言之，圖6a展示具有微共振器之MEMS裝置60，該微共振器形成為相對於共振頻率為非主動地可調整的，使得MEMS裝置之共振頻率例如在操作期間相對不變，且可具有與彈簧之路線正交配置的一或多個耦接桿。未展示的為致動器，其例示性地實施為前述微肌肉，如結合彈簧元件22'' 1至22'' 4形成的。耦接元件66 1及66 2可相對於微共振器44保持移動，使得可在微共振器44與耦接元件之間發生相對移動。任選地，耦接元件66 1及/或66 2中之至少一者亦可機械固定地耦接至微共振器44或可移動基板延伸部。
圖6b展示MEMS裝置60之示意性俯視圖，其中同樣明顯的係，孔徑36 3亦可容易地將周圍基板中之空腔橫向連接至環境，亦即，孔徑36 3可位於質量組件16亦部分位於其中之MEMS平面中。
作為替代方案或除了定位於邊界層或覆蓋層中之外，提供呈橫向配置之孔徑可容易地與本文中所描述之諸如MEMS裝置10、20、30、40及/或50的其他MEMS裝置組合。
圖6c展示共振器44之示意性俯視圖，其中展示了耦接元件66 1及66 2之額外部分。
換言之，在另一實施例中，圖6a至6c展示MEMS層系統之另一層中的可被動偏轉的元件62 1及62 2之配置。在第一層中，配置可主動偏轉的元件，諸如結合圖5d至5f所描述之肌肉致動器或致動器，如WO 2012/095185 A1、WO 2020/078541 A1、DE 10 2015 206 774 A1、DE 10 2014 225 934 A1及/或DE 10 2015 210 910 A1中所描述。在第二相鄰層中的係可被動偏轉的元件62 1及62 2，其可經由耦接元件66 1及66 2連接至第一層之可主動偏轉的元件。可被動偏轉的元件62流體耦接至共振器44。相對於操作共振器之方法，該操作與本文中所描述之其他MEMS裝置保持相當。
圖7展示共振器44 III之示意性俯視圖，如可結合本文中所描述之實施例適用的，諸如在MEMS裝置10、20、30、40、50及/或60中。共振器44 III經組配成使得彈簧裝配件為以嵌套式方式配置之多個彈簧裝配件的部分。嵌套式結構允許提供多個質量組件，該等質量組件可自單質量共振器提供多質量共振器。舉例而言，稱為內質量組件之質量組件16 2或16 3可分別經由包含彈簧元件22 5及22 6之額外彈簧配置機械固定至質量組件16 1或其一側。在另一相對側上，質量組件16 3可經由另一內彈簧配置之彈簧元件22 7及22 8機械固定至質量組件16 1。
實施例之實例提供其他嵌套式實施例。舉例而言，額外質量組件可例如經由額外彈簧元件附接至一側16 1A及/或16 1B。替代地或另外，額外質量之配置可設置於質量組件16 2及/或16 3處。儘管相對於質量配置對稱地展示微共振器44 III，但例如藉由配置不同質量及/或藉由忽略一側上之質量，非對稱設計亦為可能的。
藉由提供多質量振盪器，可獲得彈簧質量系統之彼此不同的多個共振頻率以使得質量組件16 1之振盪的共振頻率與質量組件16 2及/或16 3之振盪的共振頻率不同。
換言之，圖7展示將共振器進一步發展成具有數個自由度之彈簧質量系統。藉由耦接第二質量16 2及/或16 3，可獲得多質量振盪器。有利地，此導致除了共振器之第一共振頻率之外亦產生及/或激勵第二共振頻率或甚至其他諧共振頻率之可能性。額外質量經由被動連接元件機械耦接至質量16 1。
實施例規定：將彈簧22 1至22 8中之一或多者形成為用於調整彈簧剛度之機械主動彈簧。
上文所描述之實施例中的一些係指直的機械被動彈簧。除了彈簧元件之主動設計之外，其他實施例亦替代地或另外規定：彈簧元件為彎曲的及/或曲折的且/或具有垂直於彈簧延伸方向之可變尺寸，例如可變彈簧寬度及/或彈簧高度。
圖8a展示根據實施例的可配置於MEMS裝置中之微共振器44 IV的示意性俯視圖。微共振器44 IV之彈簧元件22''' 1至22''' 4可具有彎曲的大致波形之幾何形狀。此賦能彈簧元件之相對較長的設計，其可允許較低有效彈簧剛度及/或較大偏轉。
圖8b展示可容易地用於本文中所描述之實施例中的微共振器44 V之示意性俯視圖。與微共振器44相比，微共振器44 V具有在一個端部或較佳地兩個端部處經增厚或加固之彈簧元件22 IV 1至22 IV 4，與彈簧元件之中心或中間區中之尺寸64 2相比，該等彈簧元件22 IV 1至22 IV 4具有相對較大的尺寸64 1。此例如允許結構之增加的穩固性，此係由於額外材料經提供於力峰值之部位處，諸如可出現在彈簧的端部處。
換言之，機械加固件72 1至72 8可設置於一或多個彈簧端部處。
圖8c展示可容易地用於本文中所描述之實施例中的微共振器44 VI之示意性俯視圖。與其他微共振器相比，彈簧元件22 V 1至22 V 4形成為曲折的或以曲折方式形成，此可導致彈簧長度較長，一方面可賦能高偏轉，而另一方面可在彈簧之路線中避開力峰值。
換言之，圖8a至8c展示替代共振器之實例。此等實例係關於被動連接元件或彈簧之幾何設計。連接元件之幾何形狀可用於特定地影響此等連接元件之剛度，作為設計及/或設計製程之部分。舉例而言，幾何形狀在平面視圖中可為彎曲的，參見圖8a。連接元件之寬度可為可變的且可經增厚或加固，尤其係在與基板及/或質量16之連接的區域中，如圖8b中所展示。此具有使由共振器之移動造成之連接元件中的過量應力最小化之優點。儘管在平面視圖中展示可變幾何形狀，但根據其他實施例實例，亦可在側視截面圖中提供可變幾何形狀，例如以考慮質量組件16之可能扭轉移動。
其他實施例將MEMS裝置之實施例創建為包含多個質量組件之陣列，該等質量組件可例如以彼此相鄰配置的多個微共振器44的形式進行配置。本文中所描述之實施例尤其係關於微共振器44，但亦可使用微共振器之任何其他實施例，諸如微共振器44 I、44 II、44 III、44 IV、44 V及/或44 VI。儘管微共振器經展示為以相同方式形成，但亦可使用彼此不同之微共振器。
圖9a展示根據實施例實例的具有多個質量組件之MEMS裝置90之示意性俯視圖。被此等質量組件隱藏的係致動器結構，簡而言之，該等致動器結構可配置於共振器44 1至44 6下方，由此此可指藉助於致動器被動移動之結構及/或主動結構本身。舉例而言，根據各質量組件配置具有耦接元件之致動器群組或致動器結構。此處應理解，諸如上、下、左、右、在...上方或在...下方之術語可取決於結構在空間中如何旋轉或定位而任意地改變或互換，且因此不具有限制作用。圖9e展示定位於具有共振器之平面(圖9b中之基板層12 2)下方之平面(圖9b中之基板層12 1)。
圖9b展示圖9a之截面平面A-A中的MEMS裝置90之示意性側視截面圖。
展示了具有二個邊界層34 1及34 2之MEMS裝置的例示性層配置，但此不排除其他或額外層之額外或替代性配置，作為實例，二個邊界層34 1及34 2可理解為底部晶圓34 1及頂部晶圓34 2。配置於邊界層34 1與34 2之間的係例如二個基板層12 1及12 2。基板層12 1可例如具有安置於其中之一或多個部分空腔或空隙25 1至25 7。
機械剛性耦接元件74可配置於相鄰致動器結構之間以將致動器結構之移動彼此耦接及/或將至少一個致動器元件之移動耦接至連接至其之質量組件，諸如質量組件16 1。
儘管一方面層12 2與12 1之間的層序列及另一方面層12 2與34 2之間的層序列分別經展示為極小或為零，但提供距離以允許移動質量相對於相鄰固體層之低能量移動。此距離較佳地選擇為較小，以便防止流體短路。同時，質量組件16與諸如部分地界定配置質量組件之空腔之邊界層34 2的相鄰邊界層之間的距離至少部分地影響傳遞函數之Q因子或阻尼因子。MEMS裝置在質量組件之振盪之共振頻率範圍內表現出至多20%的過衝，如例如結合圖9f所展示。距離較佳地選擇為使得獲得對應Q因子。在圖9f中，三個不同Q因子Q1、Q2以及Q3經展示作為實例，其值隨著指數1、2、3的增加而增加。隨著Q因子之減小，亦即，隨著阻尼之增加，圖9f中所展示之頻率回應相對於在共振頻率f res之範圍內的過衝Ü 1及/或Ü 2而變得更小。實施例之實例係關於用於製造及/或設計MEMS組件之方法，其中諸如質量組件16之可移動元件與邊界層之間的距離經調整及選擇為使得MEMS組件在質量組件之振動的共振頻率之區中具有至多20%的過衝。
圖9c展示圖9a之截面平面B-B中的MEMS裝置90之示意性側視截面圖。此處展示致動器結構24 1至24 6作為實例。
圖9d展示圖9a之截面平面C-C中的MEMS裝置90之示意性側視截面圖。同樣，二個相鄰致動器結構24 1及24 2作為實例經展示為藉助於剛性耦接元件74耦接在一起，其中耦接元件74可分別耦接至共振器44及其質量組件以主動引起偏轉。
在展示致動器結構24 1至24 6及耦接元件74 1至74 6兩者之一個實施例中，圖9e展示MEMS裝置90之一個實施例的示意性俯視圖。
亦展示區段76之放大視圖以說明致動器結構24 1以及本文中所描述之其他致動器結構可包括並排配置的多個樑元件，其中各樑結構可表示兩個或更多個樑元件32 1、32 2以及32 3之組合。展示並排配置之二十個樑結構之配置的實例，該等樑結構各自具有彼此串聯連接的二個片段，且各片段由機械固定於離散部位處之三個樑元件形成。
換言之，圖9a至9e展示包含微共振器之多層聲換能器的實施例。展示六個微共振器44 1至44 6，但可實施至少1個、至少2個、至少3個、至少4個、至少6個、至少7個、至少10個或更高的任何其他更低或甚至更高數目的微共振器。微共振器經由具有限定剛度之元件22連接至周圍基板12。微共振器配置於層12 2中。可主動偏轉的元件24配置於另一層12 1中，該另一層12 1在厚度方向(例如z方向)上之尺寸顯著地小於層12 2，例如小0.5倍、0.3倍、0.2倍或更小。此等可主動偏轉的元件可經由耦接元件74剛性地連接至共振器。蓋晶圓及/或底部晶圓34 1及/或34 2可分別具備開口36 1及36 2，以將由相鄰共振器形成之空腔連接至環境。開口可在共振器之整個寬度內延伸，如例如圖9a中所展示，或僅在其部分內延伸，如例如圖10b中所展示。圖8e展示平行於底部晶圓之平面之區段的俯視圖。展示連接至周圍基板12之可主動偏轉的元件24。在相對側上，可偏轉元件24連接至耦接元件74。耦接元件具有比可偏轉元件22之剛度更大的剛度。
根據實施例，主動元件至少部分地配置於自質量組件16之平面偏移的平面中且耦接至致動器結構之一部分，該致動器結構與質量組件配置於共同平面中。
圖10a展示根據實施例的MEMS裝置100之示意性透視圖。僅展示沿著x方向之MEMS裝置100之尺寸的一部分，且僅展示層之一部分以較佳地表示MEMS裝置100之內部。微共振器44 1至44 5可由基板平面14中之元件的配置激勵，該等微共振器44 1至44 5亦可藉由如結合所有其他實施例所描述之其他微共振器實施。提供例示性致動器結構24 1至24 5，各致動器結構24 1至24 5配置於二個相鄰共振器之間。此等致動器結構可任選地經由剛性互連元件74 1至74 6耦接至一或多個相鄰微共振器。替代地，致動器結構24 1至24 5可由用致動器結構在不同平面中移動之被動結構整體地或部分地實施。作為剛性耦接元件74 1至74 6之替代，亦可提供流體軟耦接，其中微共振器44 1至44 5之激勵可藉助於移動主動或被動實施例中的結構24 1至24 5來實現。
亦即，安置於二個相鄰質量組件之間的致動器結構可機械耦接至相鄰質量組件中之一或兩者或配置成使相鄰質量組件中之一或兩者偏轉。除圖10a中所展示的以外，至少二個致動器元件或至少二個質量組件可由耦接元件彼此連接。
除圖10a中所展示的以外，亦有可能的係，一或多個致動器結構配置於第一MEMS平面中且質量組件配置於第二不同MEMS平面中。致動器結構可藉助於耦接元件機械耦接至質量組件，如結合圖9a至9e所描述。
陣列中之微共振器44 1至44 5可形成為以相同共振頻率振盪，而且可形成為以不同共振頻率振盪。此可由彈簧剛度之變化及/或質量組件之質量的變化來實現。
圖10b展示MEMS裝置100之示意性俯視圖。展示邊界層34中之開口亦可僅在某些地方實施，使得作為實例，開口36 1可僅配置於部分空腔38 1之邊緣處。替代地，可提供其他部位、大小及/或位置或可在沒有開口之情況下實施子空腔中的一些，如例如針對與微共振器44 5相鄰的子空腔38 1所展示。
換言之，圖10a及10b展示多層聲換能器100之實施例，其特徵尤其在於微共振器44 1至44 5經由任選的耦接元件74 1至74 5剛性地連接。此類元件具有比可偏轉元件24更高的剛度，其中圖10a及10b展示簡化表示。進一步地，替代實施例在夾持區域中具有加厚部，使得材料中之可能應力可均勻地耗散至共振器中或可偏轉元件中。
圖10c展示不具有任選的剛性連接元件之MEMS裝置100之實施例的示意性透視圖。致動器結構24 1至24 5亦可分別配置於二個相鄰共振器44 1至44 6與其質量組件之間，且可設計成藉由藉助於流體耦接移動致動器結構24 1至24 5來激勵共振器44 1至44 5。
圖11a展示根據實施例的MEMS裝置110之示意性俯視圖。共振器44 VII具有協同結構。因此，質量組件16以振動方式經由主動彈簧元件76 1及76 2機械連接至周圍基板12。彈簧元件76 1及76 2設計成藉助於控制主動地引起質量組件16之偏轉。替代地，亦可配置被動彈簧元件。輻射82 1及82 2可沿著不同方向產生。例示性頻率回應展示於圖84 1中。
圖11b展示根據實施例的MEMS裝置110'之示意性俯視圖。與MEMS裝置110相比，該MEMS裝置110'包含位於基板12之開口中的一者處之後體積88，其大致與部分空腔38 1相鄰。此改變MEMS裝置110'之頻率回應，使得可獲得頻率回應中之升高92，如例示性地展示於圖84 2中。此位於微共振器之共振區中。此允許調整剩餘輻射或聲壓位準82 2。
圖12展示根據實施例實例的MEMS裝置120之示意性俯視圖，其中界面活性劑或由基板12製成之結構、包含彈簧元件22 1至22 4以及質量組件16的微共振器捆綁在一起。不同部分空腔38 1及38 2經由開口94 1及94 2連接至MEMS之環境96。二個開口94 1及94 2可各自分別提供部分空腔38 1及38 2之流體連接，該等部分空腔38 1及38 2在MEMS裝置120之同一側上位於該等開口94 1及94 2後方。可激勵致動器結構24以沿著運動98 1之例如平行於y方向之方向移動。此可藉助於沿著移動98 2之方向流體耦接質量組件16之移動，該移動方向98 2亦可平行於y方向，但藉助於彈簧元件22 1至22 4的定向及/或設計，此亦可指向與其不同之方向。同樣，致動器24可沿著不平行於y方向之方向提供移動。藉由放大或壓縮各別部分體積38 1及38 2，聲壓位準102 1及102 2可分別經由開口94 1及94 2發射至環境96中。此處，聲壓位準102 1及102 2可重疊以形成總聲壓位準102 3。換言之，致動器結構24可經由第一路徑，例如經由部分空腔38 1耦接至環境96之體積。質量組件16可在背對致動器結構之一側上經由第二路徑，例如經由部分空腔38 2耦接至環境96之體積。
後部體積88可配置於致動器結構24與共振器44之間。此可比部分空腔38 1及/或38 2相對更大或更為龐大。
換言之，圖12展示根據實施例之MEMS裝置120且同時展示用於藉助於可主動偏轉的彎曲換能器24及被動偏轉的微共振器44產生空腔中之壓力差之方法。第一壓力差由彎曲換能器24產生且產生第一頻譜/聲壓位準102 1。第二壓力差由微共振器44產生且產生第二頻譜/聲壓位準102 2。方法之特徵尤其在於致動器24經由位於返回體積88中之流體耦接至共振器44。又換言之，致動器24之移動引起共振器44之移動，其中第一頻譜/聲壓位準與第二頻譜/聲壓位準不同。在較佳實施例中，頻率/聲壓位準102 1小於頻率/聲壓位準102 2。在其他實施例中，頻率/聲壓位準可相反地更大或相等。後體積88之大小可以系統相關方式進行調整且可經選擇，例如以獲得預期頻譜中的致動器24及微共振器44之異相運動。
本文中所描述之共振器及/或由此獲得之諸如揚聲器的結構之例示性應用可設置於行動電話、無線電裝置、平板電腦或膝上型電腦中。其他應用亦包括用於超行動終端機之揚聲器，例如聽戴式裝置或助聽器。儘管如此，亦可在用於例如在泵之場中移動流體之其他裝置中使用以上實施例。
因此，實施例提供包含根據本文中所描述之實施例的MEMS裝置之近場揚聲器。替代實施例提供具有根據本文中所描述之實施例中之任一者的MEMS裝置之聽戴式裝置。其他實施例提供具有根據本文中所描述之實施例的MEMS裝置之MEMS泵。
圖13a展示根據實例實施例之方法1300的示意性流程圖。方法1300可用於驅動MEMS裝置，例如根據本文中所描述的實施例的MEMS裝置。MEMS裝置包含例如基板，其具有基板平面；質量組件，其具有靜止位置且經組配以自靜止位置平行於基板平面且在質量組件周圍之流體中進行偏轉。
進一步地，MEMS裝置包含彈簧配置，其耦接在基板與質量組件之間且適於基於偏轉而變形。進一步地，配置致動器結構，其藉助於耦接而耦接至質量組件且適於藉助於耦接將力施加於質量組件上以引起偏轉且引起流體之移動。致動器結構經由第一路徑耦接至體積，且質量組件經由如例如針對MEMS裝置120所示出之第二路徑在與致動器結構相對的一側處耦接至體積。方法1300包含驅動致動器結構以經由第一路徑將具有第一頻率範圍之第一聲壓位準輻射至體積中且經由第二路徑將具有第二頻率範圍之第二聲壓位準輻射至體積中之步驟1310，該第二頻率範圍與第一頻率範圍不同。任選地，可在額外頻率範圍內產生其他額外聲壓位準，使得至少三個、至少四個或多個頻率範圍彼此組合。
至少二個共振器及/或至少二個共振器可藉由此提供。舉例而言，將至少二個共振器與至少二個不同共振頻率或頻率回應組合可用於獲得不同頻率回應之聲壓位準。替代地或另外，共振器有可能具有多於一個共振頻率及/或發射頻率回應，諸如使用MEMS裝置10 3獲得的頻率回應。
第一聲壓位準及第二聲壓位準可相同或不同。儘管第一頻率範圍與第二頻率範圍亦可相同，但實施例提供頻率範圍之差異，此可藉由具有頻率之二個頻率範圍中的至少一者獲得，在該等頻率範圍內，在另一頻率範圍內產生至多可忽略的聲壓位準，如例如在圖13b中針對聲壓位準102 1及102 2所展示的。儘管聲壓位準102 1包含比聲壓位準102 2更低的頻率，但此亦可顛倒及/或可出現頻率之部分重疊且/或可提供不同頻寬。第一頻率範圍及/或第二頻率範圍之頻寬可相同或不同且可為例如至少5 Hz且至多4 kHz、至少10 Hz且至多3 kHz，或至少50 Hz且至多2.5 kHz，此等值僅為例示性的且不作為限制。
在兩個或更多個頻率範圍內之聲壓位準的產生可替代地或另外藉由控制彼此聲學耦接之對應數目的共振器來實現。有利地，共振器之共振頻率經選擇為使得其根據設計準則在整個頻譜中彼此良好地互補以達到最佳且相應地調整或擴展系統的再現頻寬。關於共振頻率及/或品質之差異可藉由所涉及機械剛度及共振質量的建設性調諧來調整。
至少二個共振器可配置於共同體積中及/或使用共同前體積或後體積，諸如在MEMS裝置120中。
特定而言，本文中相對於擴音器所描述之實施例係針對MEMS，且因此係針對包含矽材料之結構。特定而言，基板12可包含矽材料。其他元件或子元件亦可包含矽材料。
本文中所描述之實施例可用於提供流體中之聲輻射。聲輻射可具有在300 Hz與3400 Hz之間的範圍內之頻率，且因此例如可適用於人類語音之頻率範圍。
根據實施例，提供適於提供致動致動器結構以使質量組件偏轉之控制單元，例如微控制器、場可規劃閘陣列(FPGA)、中央處理單元(CPU)或特殊應用積體電路(ASIC)。根據實施例，控制單元適於藉由驅動致動器結構來影響致動器結構之偏轉，以便在流體中產生第一頻譜且提供質量組件之振動，使得質量組件的振動提供在安置MEMS裝置之空腔之第二頻譜中的所產生聲音之振幅之增加。舉例而言，個別元件可經調諧為使得致動器結構發射對應於微共振器之共振頻率的特定頻譜，反之亦然。以此方式，可經由致動器結構之第一頻率範圍輻射比藉助於質量組件更低的頻率，反之亦然。
換言之，本發明之目標中的一者將擴展聲源之傳輸範圍。在本申請案之含義內的聲源為用於耳內及近場應用(例如在行動電話或平板電腦中)之揚聲器。兩種應用皆應進行區分。
在耳內應用中，鼓膜與聽戴式裝置之間的空間表示壓力腔室，其可被視為密集的。傳輸範圍在高頻率下受到共振頻率之位置的限制，因此目標將在實際致動器共振之上產生額外共振，以便朝向高頻率擴展傳輸範圍。針對低頻率，耳內頭戴式耳機之所謂的哈曼(Harman)曲線展示對較高聲壓位準之偏好。頻率回應之成形亦可藉由共振器元件實現。
圖像對於近場揚聲器為不同的。傳輸範圍在底部受到共振位置之限制。在共振下方，位準減小。藉由增加致動器質量，致動器自身之共振頻率及向下的傳輸範圍可增加。藉由耦接共振可低於實際致動器共振之額外共振器來產生其他可能性。矽中之純聲學黑目合子共振器不適合用於朝向低頻率擴展，此係由於歸因於較小結構尺寸，共振空氣質量將過小而無法賦能低共振頻率。此問題藉由本文中所描述之實施例解決，其中提供共振機械結構，例如類似於具有一或多個被動隔膜之低音回復盒。所提出任務由MEMS層系統解決。空腔可形成於層系統之平面中，其中配置可偏轉元件，該等可偏轉元件橫向地彼此間隔開。
在此層系統中或在層系統之另一平面中或在其組合中，振動質量配置於空腔中，該振動質量藉助於連接元件耦接至周圍基板。質量及連接元件一起形成共振器。此共振器配置成與可偏轉元件橫向間隔開。連接元件以使得平面中之橫向變形變為可能之方式進行設計。垂直於平面之變形藉由幾何形狀避免或抑制。共振器流體耦接至可偏轉元件。可偏轉元件可為可主動偏轉的元件，其為較佳實施例。然而，被動實施例亦為可能的。在實施例中，可偏轉元件可因此為被動的。該可偏轉元件接著可經由耦接元件連接至可主動偏轉的元件。較佳地，可主動偏轉的元件配置於與可被動偏轉的元件不同的平面中。此具有以下優點：更高數目之稱為致動器之此等可偏轉元件可配置於可主動偏轉的元件之平面中。此增加待施加於致動器平面內之力。共振器與垂直於平面之周圍基板之間的距離可為最小的，使得避免聲學短路。
使後部聲輻射(參見低音回復原理)之使用及共振器之耦接，因此180°的相位旋轉且因此使聲音及輻射偏轉至前部或在另一方向上偏轉成為可能。舉例而言，藉由被動樑進行之MEMS中的實現為可設想的，尤其係在空氣質量不足之情況下。實施例之實例允許在矽中實現，此使得有可能省略後部聲輻射且因此省略外殼/包封。 實施例之實例係關於但不限於以下實施：
裝置 ‧ MEMS由層系統組成或包含層系統 ‧ 空腔形成於層系統之平面中，其中配置可偏轉元件，該等可偏轉元件橫向地彼此間隔開。 ‧ 在層系統之一個平面中，振動質量配置於空腔中，該振動質量藉助於連接元件耦接至周圍基板。質量及連接元件一起形成共振器。 o 共振器與可偏轉元件橫向間隔開 § 連接元件以使得平面中之橫向變形變為可能之方式進行設計。垂直於平面之變形藉由幾何形狀避免。 ‧ 共振器與可偏轉元件耦接 o 耦接可為流體的或經由剛性連接 o 可偏轉元件可為可主動偏轉的元件，較佳地微機械換能器 ‧ 共振器與垂直於平面之周圍基板(頂部及底部)之間的距離為最小的，使得避免聲學短路。 ‧ 共振器之實例 o 共振器配置於第一微機械換能器與第二微機械換能器之間，連接元件為被動的(圖1，基本原理)。 § 連接元件之剛度影響共振器之共振頻率 § 共振器之質量影響共振器之共振頻率 § 緊固件之剛度藉由其幾何形狀判定。廣泛多種幾何形狀為可能的。 o 共振器配置於微機械換能器與層平面中之空腔邊界(圖2，基本原理變型B)之間。 § 在頻率回應中存在共振器之諧振範圍內的升高。 o 可調整的共振器配置於第一微機械換能器與第二微機械換能器之間，連接元件為主動形成的(圖3)。 § 連接元件設計成主動的。可藉由施加信號來影響連接元件之剛度。 § 主動連接元件可為已知的基於NED的致動器。圖3展示所謂的ANED組配。 o 可調整的共振器之另一實施例為替代致動器(圖4)之配置 § 主動連接元件經設計為「肌肉」。有利地，與利用經典NED致動器之實施例相比，此導致由主動連接元件施加更大的力。更大的力增加剛度之調整範圍。 o 另一實施例係關於可偏轉元件在MEMS層系統(圖5)之另一層中的配置。 § 可主動偏轉的元件配置於第一層中，可被動偏轉的元件配置於第二層中。可被動偏轉的元件流體耦接至共振器。 § 被動元件與主動元件耦接。 o 實施例之另一實例係關於微共振器(圖6)之設計。 § 具有第一質量之微共振器產生第一共振頻率 § 在共振器之第一質量內配置第二質量產生與第一共振頻率不同的第二共振頻率 o 其他實施例係關於共振器之質量與周圍流體(圖7a-c)之間的連接元件之幾何形狀 § 幾何形狀可為彎曲的、可變的或曲折的。 § 可變幾何形狀意謂在連接元件與基板或質量之連接的區域中加厚，以便避免夾持區域中之過度應力。 o 空腔與周圍流體之連接 § 將空腔與周圍流體連接之開口可配置於蓋晶圓及底部晶圓中 ‧ 配置為交替的。此意謂一個部分空腔經由蓋晶圓連接至環境。「對應」部分空腔經由底部晶圓中之開口連接至周圍流體。 ‧ 開口可跨共振器之整個寬度或僅部分地延行。 § 在替代實施例中，開口亦可配置於周圍基板中之層中。 o 其他實施例係關於多層結構。(圖8a-e) § 共振器位準及致動器位準彼此分離。有利地，此導致晶片之空間的較佳使用 § 致動器及共振器經由耦接元件彼此連接。耦接元件具有至少高於致動器之剛度。 § 致動器之高度=1 μm至1 mm，較佳地30 μm 150 μm，尤佳地75 μm § 微共振器之高度=1 μm至5 mm，較佳地400 μm至650 μm o 其他實施例係關於具有共振器與可偏轉元件之間的剛性連接之單層結構。(圖9)
用於產生低頻聲音之方法 ‧ 藉助於可主動偏轉的彎曲換能器1200及被動偏轉的微共振器1100在空腔中產生壓力差之方法(使用例如在圖3a中所展示之設備)。第一壓力差由彎曲換能器1200產生且產生第一頻譜200。第二壓力差由一個微共振器1100產生且產生第二頻譜300。方法之特徵在於致動器1200經由位於返回體積100中之流體耦接至共振器1100。換言之，致動器1200之移動引起共振器1100之移動，從而將第一頻譜與第二頻譜區分開。在較佳實施例中，第一頻譜之頻率低於第二頻譜之頻率。在其他實施例中，與第二頻譜相比，第一頻譜之頻率可更高或相等。後體積100之大小為系統相關的且經選擇為例如確保預期頻譜中之致動器1200及微共振器1100的異相移動。 ‧ 插入件 o 具行動網際網路功能之終端機(智慧型電話、電話、平板電腦、膝上型電腦)及具超行動網際網路功能之終端機(聽戴式裝置)的近場揚聲器 o 設計MEMS中之共振頻率大約為300至400 Hz (或更低)之近場揚聲器或整合於揚聲器中的共振器，使得近場揚聲器之傳輸頻寬自大約300 Hz擴展至至少3.4 kHz，且因此至少適合用於語音信號之再現。
儘管已結合裝置描述一些態樣，但應理解，此等態樣亦構成對應製程之描述，使得裝置之區塊或組件亦應理解為對應製程步驟或製程步驟之特徵。類似地，相對於或作為製程步驟所描述之態樣亦構成對應裝置之對應區塊或細節或特徵的描述。
在一些實施例中，可規劃邏輯裝置(例如，場可規劃閘陣列，FPGA)可用於執行本文中所描述之方法的功能性中之一些或全部。在一些實施例中，場可規劃閘陣列可與微處理器協作以執行本文中所描述之方法中之任一者。大體而言，在一些實施例中，對任何硬體裝置的部分執行方法。此可為諸如電腦處理器(CPU)之通用硬體或特定於方法之諸如ASIC的硬體。
上文所描述之實施例僅僅說明本發明之原理。應理解，對本文中所描述之配置及細節的修改及變化將對其他熟習此項技術者顯而易見。因此，預期本發明僅受限於下文之申請專利範圍之保護範疇，而非由本文中的實施例之描述及解釋呈現的特定細節。
10 1,10 2,10 3,20,30,40,50,60,90,100,110,110',120:MEMS裝置 12,12 3:基板 12 1,12 2:基板層 14,14 2:基板平面 16,16 1,16 2,16 3:質量組件 16 1A,16 1B:一側 18:流體 22:彈簧裝配件/彈簧結構 22 1,22 2,22 3,22 4,22 5,22 6,22 7,22 8,22''' 1,22''' 2,22''' 3,22''' 4,22 IV 1,22 IV 2,22 IV 3,22 IV 4,22 V 1,22 V 2,22 V 3,22 V 4:彈簧元件 22' 1,22' 2,22' 3,22' 4,76 1,76 2:主動彈簧元件 22'' 1,22'' 2,22'' 3,22'' 4:可偏轉元件 22a:彈簧配置 24:主動結構 24 1,24 2,24 3,24 4,24 5,24 6:致動器結構 25 1,25 2,25 3,25 4,25 5,25 6,25 7:部分空腔或空隙 26 1,26 2,26 3,26 4:致動器片段 28 1,28 2,28 3:離散區 28b:耦接組件元件 32:信號 32 1,32 2,32 3:樑元件 34,34 1,34 2:邊界層 36 1,36 2,94 1,94 2:開口 36 3:孔徑 38 1,38 2:子空腔 42:剛性元件 44,44',44 1,44 2,44 3,44 4,44 5,44 6:共振器 44 I,44 II,44 III,44 IV,44 V,44 VI,44 VII,1100:微共振器 45:凹口 45A,45B,45C:支腿 46 1,46 2,46 3:樑 48:導電桿/電極 48 1、48 2、48 3、48 4、48 5、48 6、48 7、48 8:電極 52,52 1,52 2,52 3,52 4,52 5:電極對 54,56 1,56 6,58 1,58 2,58 8:間隔物元件 54 1,54 2,54 3,54 4,54 5,54 6,54 7,54 8:中心區 56,58:絕緣間隔件層 59,59 1,59 2,59 3,59 4:電氣絕緣層 62:限制元件 62 1,62 2:被動限制元件 64 1,64 2,I cell,I ti,h elec:尺寸 66 1,66 2,74 1,74 2,74 3,74 4,74 5,74 6:耦接元件 72 1,72 2,72 3,72 4,72 5,72 6,72 7,72 8:機械加固件 74:機械剛性耦接元件 76:區段 82 1,82 2:輻射 84 1,84 2:圖 88:後體積 92:升高 96:環境 98 1:運動 98 2:移動 102 1,102 2,102 3:聲壓位準 200:第一頻譜 300:第二頻譜 1200:彎曲換能器 1300:方法 1310:步驟 A-A,B-B,C-C:截面平面 c 1,c 2:彈簧剛度 f res:共振頻率 F,F 1,F 2:力 h gap,h ti:距離 Q1,Q2,Q3:Q因子 Ü 1,Ü 2:過衝
下文參考隨附圖式來解釋本發明之較佳實施例。展示： 圖1a為根據實施例實例的具有單側質量懸置之MEMS裝置之示意性透視圖； 圖1b為根據實施例的MEMS裝置之示意性透視圖，其中質量組件懸置於二側上； 圖1c為根據實施例實例的MEMS裝置之示意性透視圖，其中質量組件藉助於彈簧配置懸置以使得其可沿著二個不同的獨特振盪方向振盪； 圖2a-d為根據實施例實例的具有不可調整的微共振器之微機械換能器之不同視圖； 圖3a-c為根據實施例的具有不可調整的微共振器之微機械換能器之不同視圖，其中微共振器配置於可主動偏轉元件與被動設計的邊界之間； 圖4a-c為根據實施例實例的具有可相對於共振頻率調整之微共振器的MEMS裝置之不同視圖； 圖5a-c為根據實施例實例的具有可主動偏轉之彈簧元件的MEMS組件之不同視圖，該等可主動偏轉之彈簧元件經形成為所謂的微肌肉(micromuscle)； 圖5d-f為根據具體實例的微肌肉之可能實施之不同視圖； 圖6a-c為根據實施例實例的MEMS裝置之不同視圖，該MEMS裝置具有被動限制元件，而非主動元件，該等主動元件與質量組件相鄰配置； 圖7為根據實施例的共振器之示意性俯視圖； 圖8a-c為具有不同彈簧結構之微共振器的示意性俯視圖； 圖9a-e為根據實施例實例的包含多個質量組件之MEMS裝置的不同視圖。 圖9f為解釋根據本發明的MEMS裝置之隨Q因子而變之頻率回應的示意圖； 圖10a-b為根據實施例的包含多個質量組件且提供與致動器結構之剛性耦接的MEMS裝置之不同視圖； 圖10c為根據實施例實例的具有多個質量組件且與共同致動器結構之流體耦接設置於二個質量組件之間的MEMS裝置之示意性透視圖； 圖11a-b為根據具體實例的配置於外殼中之MEMS裝置的示意性俯視圖； 圖12為根據實施例實例的外殼至不同部分空腔之開口配置於外殼之同一側上的MEMS裝置之示意性俯視圖； 圖13a為根據實施例實例的方法之示意性流程圖；以及 圖13b為根據實施例實例的可由圖13a之方法獲得的二個不同頻率範圍之示意圖。
101:MEMS裝置
12:基板
14:基板平面
16:質量組件
18:流體
22:彈簧裝配件
221:彈簧元件
24:主動結構
F:力

Claims (25)

  1. 一種MEMS裝置，其包含： 一基板，其具有一基板平面； 一質量組件，其具有一靜止位置且適於自該靜止位置平行於該基板平面且在該質量組件周圍之一流體中進行一偏轉； 一彈簧裝配件，其耦接在該基板與該質量組件之間且適於基於該偏轉而變形； 一致動器結構，其藉助於一耦接而耦接至該質量組件且適於藉助於該耦接將一力施加於該質量組件上以引起該偏轉且引起該流體之移動。
  2. 如請求項1之MEMS裝置，其中該耦接包含流體耦接，且該致動器結構之致動提供該流體中的至少部分地將該力施加於該質量組件上之移動。
  3. 如請求項1之MEMS裝置，其中一耦接元件安置於該致動器結構與該質量組件之間以提供該耦接。
  4. 如請求項1之MEMS裝置，其中該質量組件及該彈簧裝配件形成具有一振盪特徵頻率之一彈簧質量系統的至少部分，其中該致動器結構適於激勵該振盪特徵頻率。
  5. 如請求項1之MEMS裝置，其中該致動器結構沿著與該質量組件橫向相鄰之一偏轉方向至少部分地配置在平行於該基板平面的一共同平面中，以至少部分地平行於該基板平面提供該力。
  6. 如請求項1之MEMS裝置，其中該彈簧裝配件為一第一彈簧裝配件，且進一步包含耦接在該基板與該質量組件之間且適於基於該偏轉而變形的一第二彈簧裝配件，該質量組件安置於該第一彈簧裝配件與該第二彈簧裝配件之間。
  7. 如請求項1之MEMS裝置，其中該質量組件藉助於彈簧配置至少懸置於一側上。
  8. 如請求項1之MEMS裝置，其中該質量組件藉助於該彈簧配置懸置，以能夠沿著一第一振盪方向及與其不同之至少一第二振盪方向振盪。
  9. 如請求項1之MEMS裝置，其中該彈簧配置包含並聯互連之至少二個彈簧元件。
  10. 如請求項1之MEMS裝置，其中該彈簧裝配件及該質量組件一體成形且包含一MEMS材料，且該彈簧裝配件之一彈簧元件由該MEMS材料中的一凹口形成。
  11. 如請求項1之MEMS裝置，其中該彈簧配置為主動地形成且適於基於該彈簧配置之可變致動來提供用於偏轉的可變彈簧剛度。
  12. 如請求項1之MEMS裝置，作為一分層結構之部分，其進一步包含垂直於該偏轉的一偏轉方向配置且限制該流體之一體積的一第一邊界層。
  13. 如請求項1至12中任一項之MEMS組件，其中MEMS組件之一第一部分空腔經由至少一個第一開口在平行於或垂直於該偏轉方向的該質量組件之一第一側上流體連接至該MEMS組件之一環境；且該MEMS組件的一第二部分空腔經由至少一個第二開口在該質量組件之與該第一側相對之一第二側處流體連接至該MEMS組件的該環境；其中該第一開口及該第二開口彼此相對地配置於該MEMS組件之不同側上。
  14. 如請求項1至12中任一項之MEMS裝置，其中該MEMS裝置之一第一部分空腔經由至少一個第一開口在平行於該偏轉方向的該質量組件之一第一側處流體連接至該MEMS裝置之一環境；且該MEMS裝置的一第二部分空腔經由至少一個第二開口在該質量組件之與該第一側相對之一第二側處流體連接至該MEMS裝置的該環境；其中該第一開口及該第二開口配置於該MEMS裝置之同一側處。
  15. 如請求項1之MEMS裝置，其中該致動器結構包含平行於該基板平面配置於與該質量組件之一共同平面中的一第一致動器結構元件及一第二致動器結構元件，且該第一致動器結構元件與該質量組件一起至少部分地限定該MEMS裝置之一第一部分空腔，且該第二致動器結構元件與該質量組件一起至少部分地限定該MEMS裝置之一第二部分空腔，其中該第一致動器結構元件及該第二致動器結構元件藉由一耦接元件彼此機械連接，該耦接元件配置成將該第一致動器結構元件及該第二致動器結構元件的一偏轉彼此耦接。
  16. 如請求項1之MEMS裝置，其包含多個嵌套式彈簧裝配件，該等多個嵌套式彈簧裝配件包含該彈簧裝配件。
  17. 如請求項1之MEMS裝置，其中該彈簧裝配件之一彈簧元件具有一直的、彎曲的或曲折的幾何形狀及/或具有垂直於一彈簧延伸方向之一可變尺寸。
  18. 如請求項1之MEMS裝置，其中該彈簧裝配件之一彈簧元件在至少一個彈簧端部處具有一機械加固件。
  19. 如請求項1之MEMS裝置，其中該MEMS裝置包含多個質量組件，其中至少一個致動器結構配置於二個相鄰質量組件之間。
  20. 如請求項1之MEMS裝置，其中該致動器結構配置於一第一MEMS平面中且該質量組件配置於一第二不同MEMS平面中，且該致動器結構藉助於一耦接元件機械耦接至該質量組件。
  21. 如請求項1之MEMS裝置，其中該質量組件與部分地界定安置有該質量組件之一空腔的一相鄰邊界層之間的一距離影響一Q因子，且該MEMS裝置在該質量組件之一振動的一共振頻率之範圍內具有至多20%的一過衝。
  22. 如請求項1之MEMS裝置，其中該質量組件、該彈簧裝配件以及該致動器結構至少部分地形成一共振器。
  23. 如請求項1之MEMS裝置，其包含一主動元件，該主動元件至少部分地配置於自該質量組件之一平面偏移的一平面中且耦接至該致動器結構之一部分，該致動器結構與該質量組件配置於一共同平面中。
  24. 如請求項1之MEMS裝置，其中該質量組件之該偏轉產生該流體中的在頻率處於300 Hz與3,400 Hz之間的範圍內之一頻率範圍內的聲輻射。
  25. 如請求項1之MEMS裝置，其中該致動器結構經由一第一路徑耦接至一體積，且該質量組件經由與該致動器結構相對的一側上之一第二路徑耦接至該體積。
TW110133775A 2020-09-14 2021-09-10 Mems裝置、近場揚聲器、聽戴式裝置、mems泵、揚聲器以及驅動mems裝置之方法 TW202222677A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2020/075654 WO2022053165A1 (de) 2020-09-14 2020-09-14 Mems-bauelement, hearable, mems-pumpe, lautsprecher und verfahren zum ansteuern eines mems-bauelements
WOPCT/EP2020/075654 2020-09-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW202222677A true TW202222677A (zh) 2022-06-16

Family

ID=72665216

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110133775A TW202222677A (zh) 2020-09-14 2021-09-10 Mems裝置、近場揚聲器、聽戴式裝置、mems泵、揚聲器以及驅動mems裝置之方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230212002A1 (zh)
CN (1) CN117044237A (zh)
DE (1) DE112020007605A5 (zh)
TW (1) TW202222677A (zh)
WO (1) WO2022053165A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022208829A1 (de) 2022-08-25 2024-03-07 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein MEMS, MEMS-Lautsprecher und Verfahren zum Herstellen derselben
DE102022209706A1 (de) 2022-09-15 2024-03-21 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein MEMS, Verfahren zum Herstellen eines MEMS und Verfahren zum Auslegen eines MEMS

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3780824A (en) * 1972-08-14 1973-12-25 G Prince Acoustic loading system
DE3709700A1 (de) * 1987-03-25 1988-10-13 Meggl Friedemann Lautsprechergehaeuse
US5610335A (en) * 1993-05-26 1997-03-11 Cornell Research Foundation Microelectromechanical lateral accelerometer
US8102224B2 (en) 2008-01-24 2012-01-24 Vti Technologies Oy Micromechanical resonator
EP2664058B1 (de) 2011-01-14 2017-05-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mikromechanisches bauelement
DE102014225934B4 (de) 2014-12-15 2017-08-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Elektrostatisch auslenkbares mikromechanisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102015206774B4 (de) 2015-04-15 2018-10-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mikromechanische Vorrichtung mit einem aktiv biegbaren Element
DE102015210919A1 (de) * 2015-06-15 2016-12-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom eines Fluids und Verfahren zum Herstellen desselben
DE102015210910B4 (de) 2015-06-15 2020-11-19 H+E GmbH Anlage und Verfahren zum Trennen einer wässrigen Lösung in gereinigtes Wasser und Rückstände der Lösung
DE102015215919B4 (de) 2015-08-20 2017-06-22 Bruker Biospin Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Vorkühlung eines Kryostaten
DE102017215276B4 (de) * 2017-08-31 2023-02-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Multidirektionale Übersetzungs- und Neigungsplattform unter Verwendung von Biegeaktuatoren als aktive Entität
US10299032B2 (en) 2017-09-11 2019-05-21 Apple Inc. Front port resonator for a speaker assembly
DK3531713T3 (en) 2018-02-26 2023-02-06 Sonion Nederland Bv Miniature Speaker with Acoustical Mass
CN113195399A (zh) 2018-10-16 2021-07-30 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 作为致动器的弯曲换能器、作为传感器的弯曲换能器、以及弯曲换能器系统

Also Published As

Publication number Publication date
US20230212002A1 (en) 2023-07-06
DE112020007605A5 (de) 2023-06-29
CN117044237A (zh) 2023-11-10
WO2022053165A1 (de) 2022-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102033228B1 (ko) 큰 힘과 편향을 구현하기 위한 마이크로기계 압전 액추에이터
KR102036429B1 (ko) 유체의 체적 흐름과 상호 작용하는 mems 트랜스듀서 및 그 제조 방법
US20230212002A1 (en) Mems device, nearfield loudspeaker, hearable, mems pump, loudspeaker and method for controlling an mems device
EP2312158B1 (en) Piezoelectric microblower
CN105050022B (zh) 声音再现系统与用于操作及制造声换能器的方法
US20150145376A1 (en) Energy harvesting device and method for forming the same
JP2012029290A (ja) Ｍｅｍｓタイプの圧力パルス発生器
EP1886408A1 (en) Microelectromechanical resonator structure, and method of designing, operating and using same
KR20110023535A (ko) 피스톤 다이어프램을 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법
JP2023511538A (ja) 改良された性能を有するｍｅｍｓトランスデューサ
Stoppel et al. Novel membrane-less two-way MEMS loudspeaker based on piezoelectric dual-concentric actuators
CN113993049B (zh) Mems数字扬声器设计方法
EP1406020B1 (en) Vibrating pumping stage for vacuum pumps, and vacuum pump with vibrating pumping stages
JP4965962B2 (ja) マイクロメカニカル共振器
JP2008103777A (ja) マイクロメカニカル共振器
JP5081586B2 (ja) マイクロメカニカル共振器
WO2024051509A1 (zh) 具有可拉伸膜的mems扬声器、其制造方法以及包括其的电子设备
JP2009118331A (ja) 電気機械フィルタ
JP2004276200A (ja) マイクロ構造体およびその製造方法
CN117714955A (zh) Mems扬声器阵列
JP2017228987A (ja) 振動デバイス及び振動検出システム
JP2012178711A (ja) Ｍｅｍｓ共振器