WO2023066630A1 - Mikrofluidisches bauelement, entsprechende anordnung und entsprechendes betriebsverfahren - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft ein mikrofluidisches Bauelement, eine entsprechende Anordnung und ein entsprechendes Betriebsverfahren. Die mikrofluidische Bauelement ist versehen mit einem Substrat (S) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS) und einer Rückseitenkaverne (K), welche sich von der Rückseite (RS) bis zur Vorderseite (VS) erstreckt, einer ersten perforierten Membraneinrichtung (M1), welche die Rückseitenkaverne (K) auf der Vorderseite (VS) überspannt, einer zweiten perforierten Membraneinrichtung (M2), welche bezüglich der Vorderseite (VS) oberhalb der ersten Membraneinrichtung (M1) angeordnet ist und welche die Rückseitenkaverne (K) auf der Vorderseite (VS) überspannt, einer perforierten Backplate (BP), welche zwischen der ersten und zweiten Membraneinrichtung (M1, M2) und von der ersten und zweiten Membraneinrichtung (M1, M2) beanstandet angeordnet ist und welche die Rückseitenkaverne (K) auf der Vorderseite (VS) überspannt, einer ersten elektrischen Antriebseinrichtung (P1) zum oszillierenden Antreiben der ersten Membraneinrichtung (M1) und einer zweiten elektrischen Antriebseinrichtung (P2) zum oszillierenden Antreiben der zweiten Membraneinrichtung (M2). Die erste Antriebseinrichtung (P1) und/oder die zweite Antriebseinrichtung (P2) weist einen Piezoantrieb (P1; P2) auf.
Description
Beschreibung
Titel
Mikrofluidisches Bauelement, entsprechende Anordnung und entsprechendes Betriebsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Bauelement, eine entsprechende Anordnung und ein entsprechendes Betriebsverfahren.
Stand der Technik
Die Mikrofluidik beschäftigt sich mit dem Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinstem Raum. Mikrofluidische Bauelemente dienen dementsprechend zum Transport bzw. der Modulation von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinstem Raum, beispielsweise durch mikromechanische Strukturen.
Obwohl prinzipiell auf beliebige mikrofluidische Bauelemente, beispielsweise Lautsprecher und Pumpen, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrunde liegende Problematik anhand von mikromechanischen Lautsprechern auf Siliziumbasis erläutert.
MEMS-Lautsprecher versprechen gegenüber herkömmlichen elektrodynamischen Lautsprechern wesentliche Vorteile, z.B. bezüglich geringerer Latenzzeit, geringerem Energieverbrauch, geringerer Baugröße, Lötfähigkeit, etc. Auf der anderen Seite weisen sie derzeit noch Defizite im Hinblick auf erreichbare Schallpegel auf.
Als vielversprechender Ansatz erweist sich ein Ultraschall-Abwärtskonversionsprinzip. Hierbei werden eine Pumpmembran bzw. eine Modulationsmembran bei einer fixen Ultraschallfrequenz angetrieben, während auf die andere mittels Frequenzmodulation ein akustisches Signal aufmoduliert wird. Es ergeben sich dann ein nicht wahrnehmbares Summensignal bei etwas mehr als der doppelten Ultraschallfrequenz und ein Schwebungs- bzw. Differenzsignal, das im hörbaren akustischen Bereich liegen kann.
Der Vorteil dabei ist, dass sich mit MEMS-Lautsprechern sehr hohe Ultraschallfrequenzpegel erreichen lassen, die über die Abwärtskonversion für hohe Schallpegel insbesondere auch bei niedrigen akustischen Frequenzen sorgen.
In der WO 2015/11 96 28 A2 wird das Prinzip eines mikromechanischen Ultraschall- Lautsprechers beschrieben, der über den gesamten hörbaren Bereich einen konstanten Schallpegel zur Verfügung stellt und somit auch bei niedrigen Frequenzen hohe Schallpegel ermöglicht. Der dort beschriebene Lautsprecher besitzt eine ultraschallgenerierende Membran, die mit einer ersten Frequenz schwingt, eine akustisch transparente Backplate (auch als Rückenplatte bezeichnet) und einen den Ultraschall modulierenden Shutter (auch als Verschließeinrichtung bezeichnet), der mit einer zweiten, variablen Frequenz nahe der ersten Frequenz schwingt. Die dort beschriebene Ausgestaltung auf einem einzelnen Substrat führt jedoch über die bedingt durch das kleine Volumen (zwischen Membran und Shutter) steife Gasfeder zu einer starken fluidischen Kopplung der Bewegungen der schallerzeugenden Membran und des modulierenden Shutters.
Die US 2021/0067865 A1 beschreibt Techniken zum Erzeugen eines Audiosignals mit einem Lautsprecher. In einigen Beispielen wird eine Lautsprechervorrichtung beschrieben, die eine Membran und einen Verschluss umfasst. Die Membran kann so konfiguriert sein, dass sie entlang eines ersten Richtungspfads und mindestens einer Frequenz schwingt, die wirksam ist, um ein akustisches Ultraschallsignal zu erzeugen. Der Verschluss ist entlang der Ausbreitung des akustischen Ultraschallsignals positioniert und konfiguriert, um das akustische Ultraschallsignal so zu modulieren, dass ein Audiosignal erzeugt wird.
Die DE 10 2016 201 872 offenbart eine MEMS-Lautsprechervorrichtung mit: einem ersten Substrat mit einer ersten Vorderseite und einer ersten Rückseite, welches eine erste Rückseitenkaverne aufweist, die von einer Schallerzeugungseinrichtung zumindest teilweise überdeckt ist, einem zweiten Substrat mit einer zweiten Vorderseite und einer zweiten Rückseite, welches eine zweite Rückseitenkaverne aufweist, die von einer ersten perforierten Platteneinrichtung überdeckt ist. Das zweite Substrat ist derart auf die erste Vorderseite gebondet, dass die zweite Rückseitenkaverne oberhalb der Schallerzeugungseinrichtung angeordnet ist. Weiterhin vorgesehen ist eine zweite perforierten Platteneinrichtung, welche oberhalb der ersten perforierten Platteneinrichtung angebracht ist, wobei mindestens eine der ersten perforierten Platteneinrichtung und der
zweiten perforierten Platteneinrichtung derart elastisch auslenkbar ist, dass ein Durchtritt von Schall der Schallerzeugungseinrichtung durch ein Zusammenwirken der ersten perforierten Platteneinrichtung und der zweiten perforierten Platteneinrichtung modulierbar ist.
Eine mikromechanische Mikrofonanordnung ist aus der US 2002/0067663 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein mikrofluidisches Bauelement nach Anspruch 1 , eine entsprechende Anordnung nach Anspruch 12 und ein entsprechendes Betriebsverfahren nach Anspruch 16.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, dass die erste Antriebseinrichtung zum oszillierenden Antreiben der ersten Membraneinrichtung und/oder die zweite Antriebseinrichtung zum oszillierenden Antreiben der zweiten Membraneinrichtung einen Piezoantrieb aufweist.
Das erfindungsgemäße mikrofluidische Bauelement ermöglicht somit eine sehr hohe Wandlungseffizienz von elektrischer in akustische Energie. Es ist lötfähig, besitzt eine geringe Latenzzeit und kann sehr klein gebaut werden. Es weist keine Limitierung der piezoelektrisch angetriebenen Membraneinrichtung aufgrund elektrostatischer Anziehung auf, was größere Auslenkungen und größere Abstände als bei elektrostatisch betriebenen Membraneinrichtungen ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung Überspannen die erste Membraneinrichtung, die zweite Membraneinrichtung und die Backplate die Rückseitenkaverne im Wesentlichen vollständig und weisen im Wesentlichen eine gleiche Flächenausdehnung auf. So lässt sich fluidische Leckage minimieren bzw. vermeiden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die erste Membraneinrichtung eine erste Mehrzahl von Perforationen mit einer ersten Ausdehnung, die zweite
Membraneinrichtung eine zweite Mehrzahl von Perforationen mit einer zweiten Ausdehnung und die Backplate eine dritte Mehrzahl von Perforationen mit einer dritten Ausdehnung auf und überdecken sich die ersten und zweiten Perforationen im Wesentlichen nicht mit den dritten Perforationen. Dies ermöglicht eine sehr effiziente Ventilwirkung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die erste und zweite Ausdehnung kleiner als die dritte Ausdehnung. So lässt sich die Pumpleistung erhöhen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Perforationsgrad der Backplate größer als ein Perforationsgrad der ersten und zweiten Membraneinrichtung. So lässt sich ebenfalls die Pumpleistung erhöhen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Piezoantrieb in einem Randbereich oder einem Mittenbereich der zugehörigen Membraneinrichtung angeordnet. Dies sorgt für eine gleichmäßige Fluidverteilung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Backplate eine größere Dicke als die erste und zweite Membraneinrichtung auf. So kann bei Verwendung desselben Materials für die Backplate und die erste und zweite Membraneinrichtung die benötigte Starrheit der Backplate eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die erste Antriebseinrichtung und die zweite Antriebseinrichtung einen jeweiligen ersten und zweiten Piezoantrieb auf. Diese schafft noch mehr Energieeffizienz verbunden mit größeren Auslenkungen der Membraneinrichtungen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen der erste und zweite Piezoantrieb einen gemeinsamen Masseanschluss auf. Dies wirkt platzsparend.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung dient die erste bzw. zweite Membraneinrichtung selbst als eine elektrische Elektrode für den ersten bzw. zweiten Piezoantrieb. Auf diese Weise kann der Stresshaushalt der Membranen definierter eingestellt werden und eine Temperaturdrift des Bauelements vermindert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die erste Membraneinrichtung und/oder die zweite Membraneinrichtung ein Versteifungselement, insbesondere einen Verdickungsbereich, auf. Dies vermindern eine Deformation im Membranzentrum der Membraneinrichtungen und minimiert Klirreffekte.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines mikrofluidischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines mikrofluidischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines mikrofluidischen Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines mikrofluidischen Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 10 allgemein eine MEMS-Lautsprechervorrichtung als mikrofluidisches Bauelement gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die MEMS-Lautsprechervorrichtung 10 weist ein Substrat S mit einer Vorderseite VS und einer Rückseite RS auf und ist beispielsweise ein Siliziumsubstrat.
Im Substrat S ist eine Rückseitenkaverne K vorgesehen, welche sich von der Rückseite RS bis zur Vorderseite VS erstreckt und ein Rückvolumen (Backvolume) bzw. einen Zugang zu einem Rückvolumen zur Verfügung stellt. Sie wird benötigt, um den Einfluss der fluidischen Rückstellfeder zu verringern.
Auf der Vorderseite VS ist eine erste Isolationsschicht 11 , beispielsweise aus Siliziumoxid, vorgesehen, welche im Bereich der Rückseitenkaverne K unterbrochen ist, um einen Schalldurchtritt zu ermöglichen. Auf der ersten Isolationsschicht 11 ist eine erste Membraneinrichtung M1 vorgesehen, welche beispielsweise aus einer mikromechanischen Funktionsschicht aus Polysilizium gebildet ist. Die erste Membraneinrichtung M1 weist eine Vielzahl von Perforationen PF1 auf, welche eine Ausdehnung b1 aufweisen.
Auf der ersten Membraneinrichtung M1 ist eine erste leitfähige Elektrodenschicht E11 aufgebracht und strukturiert. Auf der ersten leitfähigen Elektrodenschicht E11 ist eine erste Piezoschicht PZ1, z.B. aus PZT oder AIN, aufgebracht und strukturiert. Auf der ersten Piezoschicht PZ1 ist eine zweite leitfähige Elektrodenschicht E12 aufgebracht und strukturiert. Die erste und zweite Elektrodenschicht E11 , E12 können dabei aus Pt oder auch aus Polysilizium gebildet sein.
Die Strukturierung ist derart, dass die erste Elektrodenschicht E11 und die zweite Elektrodenschicht E12 zusammen mit der dazwischenliegenden ersten Piezoschicht PZ1 einen ersten Piezoantrieb P1 zum piezoelektrischen Anregen der ersten Membraneinrichtung M1 bilden, welcher sich im Wesentlichen in einem Randbereich außerhalb des Bereiches der Rückseitenkaverne K befindet.
Über einen ersten Kontakt K11 ist die erste Elektrodenschicht E11 und über einen zweiten Kontakt K12 ist die zweite Elektrodenschicht E12 extern elektrisch mit einer (nicht dargestellten) Spannungsversorgung kontaktierbar.
Auf der zweiten Elektrodenschicht E12 ist eine zweite Isolationsschicht I2, beispielsweise aus Siliziumoxid, vorgesehen, welche ebenfalls im Bereich der Rückseitenkaverne K unterbrochen ist, um einen Schalldurchtritt zu ermöglichen. Auf der zweiten
Isolationsschicht 12 ist eine Backplate BP vorgesehen, welche ebenfalls beispielsweise aus einer mikromechanischen Funktionsschicht aus Polysilizium gebildet ist. Die Backplate BP weist eine Vielzahl von Perforationen PFB auf, welche eine Ausdehnung b3 aufweisen. Die Perforationen PFB der Backplate BP sind lateral versetzt zu der Perforationen PF1 der ersten Membranschicht M1 angeordnet.
Auf der Backplate BP ist eine dritte Isolationsschicht I3, beispielsweise aus Siliziumoxid, vorgesehen, welche im Bereich der Rückseitenkaverne K unterbrochen ist, um einen Schalldurchtritt zu ermöglichen. Auf der dritten Isolationsschicht I3 ist eine zweite Membraneinrichtung M2 vorgesehen, welche beispielsweise aus einer mikromechanischen Funktionsschicht aus Polysilizium gebildet ist. Die zweite Membraneinrichtung M2 weist ebenfalls eine Vielzahl von Perforationen PF2 auf, welche eine Ausdehnung b2 aufweisen. Die Perforationen PF2 der zweiten Membraneinrichtung M2 sind lateral versetzt zu der Perforationen PFB der Backplate BP angeordnet.
Auf der zweiten Membraneinrichtung M2 ist eine dritte leitfähige Elektrodenschicht E21 aufgebracht und strukturiert. Auf der dritten leitfähigen Elektrodenschicht E21 ist eine zweite Piezoschicht PZ2, z.B. aus PZT oder AIN, aufgebracht und strukturiert. Auf der zweiten Piezoschicht PZ2 ist eine vierte leitfähige Elektrodenschicht E22 aufgebracht und strukturiert. Die dritte und vierte Elektrodenschicht E21 , E22 können dabei aus Pt oder auch aus Polysilizium gebildet sein.
Die Strukturierung ist derart, dass die dritte Elektrodenschicht E21 und die vierte Elektrodenschicht E22 zusammen mit der dazwischenliegenden zweiten Piezoschicht PZ2 einen zweiten Piezoantrieb P2 zum piezoelektrischen Anregen der zweiten Membraneinrichtung M2 bilden, welcher sich im Wesentlichen in einem Randbereich außerhalb des Bereiches der Rückseitenkaverne K befindet.
Über einen dritten Kontakt K21 ist die dritte Elektrodenschicht E21 und über einen vierten Kontakt K22 ist die vierte Elektrodenschicht E22 extern elektrisch mit einer (nicht dargestellten) Spannungsversorgung kontaktierbar. Der dritte und vierte Kontakt K21 , K22 sind durch eine vierte Isolationsschicht I4, beispielsweise aus Siliziumoxid, geführt.
Die beiden piezoelektrisch angetriebenen Membraneinrichtungen M1, M2 sorgen im fluidischen Zusammenspiel mit der Backplate BP dafür, dass ein hochfrequent gepulster Fluidstrom mit einer Schwebungsfrequenz im akustisch hörbaren Bereich erzeugt wird.
llm dies zu erreichen sind die Membraneinrichtungen M1 , M2 flexibel, wohingegen die Backplate BP dazu relativ starr ist, also nicht zu den hochfrequenten Schwingungen der Membraneinrichtungen M1 , M2 anregbar bzw. antreibbar.
Die Pumpmembraneinrichtung, hier beispielsweise die zweite Membraneinrichtung M2, erzeugt im Zwischenraum zwischen den Membraneinrichtungen M1, M2 eine Druckänderung, während die Modulationsmembraneinrichtung, hier beispielsweise die erste Membraneinrichtung M1 , zusammen mit der Backplate BP einem Ventil gleich Druckstöße passieren lässt.
Die Antriebsfrequenzen der Membraneinrichtungen M1, M2 liegen im beide Ultraschallbereich (>40kHz), unterscheiden sich jedoch um Frequenzen <20kHz. Durch die Frequenzverstimmung (20Hz bis 20kHz) der Membraneinrichtungen M1, M2 untereinander wird so eine Schwebungsfrequenz im akustischen Frequenzbereich erzeugt. Mittels einer Modulation der Antriebsfrequenz einer der Modulationsmembraneinrichtungen M1 , M2 lassen sich nun Schwebungsfrequenzen bzw. Töne im gesamten hörbaren Bereich erzeugen.
Um einen fluid-akustischen Kurzschluss zu minimieren bzw. vermeiden, Überspannen beide Membraneinrichtungen M1, M2 die Rückseitenkaverne K möglichst vollständig. Die Piezoantriebe P1, P2 sind besonders energieeffizient und können die Membraneinrichtungen M1, M2 ausreichend hochfrequent antreiben.
Die Membraneinrichtungen M1 , M2 und die Backplate BP sind beim vorliegenden Beispiel gleich, als gilt b1 = b2 = b3, können aber auch unterschiedliche Perforationen PF1, PF2, PFB aufweisen. Dies gilt sowohl hinsichtlich Anordnung als auch dem Grad der Perforationen PF1 , PF2, PFB. Diese Unterschiede können der Erreichung besserer Pumpleistungen dienen. Beispielweise kann die Backplate BP einen höheren Perforationsgrad (perforierte Fläche/Gesamtfläche) und damit einen geringeren fluidischen Widerstand aufweisen als die beiden angetriebenen Membraneinrichtungen M1, M2.
Zur Realisierung der Ventilwirkung ist es erforderlich, dass sich die Perforationen PF1, PF2 der Membraneinrichtungen M1, M2 und die Perforationen PFB der Backplate BP im Wesentlichen nicht überdecken.
Zur Erzielung hoher Schalldrücke sind einerseits möglichst große Membranflächen und - auslenkungen der Membraneinrichtungen M1, M2 notwendig. Andererseits darf die Membrangröße der Membraneinrichtungen M1, M2 eine kritische Größe nicht überschreiten, damit die Membraneinrichtungen M1 , M2 noch mit hoher Auslenkung um oder unterhalb ihrer Eigenfrequenz betrieben werden können.
Um dennoch höhere Schalldrücke zu erzielen, kann deshalb eine Mehrzahl der fluidischen Bauelemente 10 nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat s angeordnet sein und eine oder auch mehrere Matrixanordnungen bilden, die gemeinsam durch eine Parallelschaltung oder getrennt durch eine (nicht dargestellte) elektrische Steuervorrichtung angesteuert werden können. In diesem Fall können sich mehrere der fluidischen Bauelemente 10 eine gemeinsame Rückseitenkaverne K teilen.
Eine elektrische Parallelschaltung vereinfacht die simultane, phasengleiche Ansteuerung aller fluidischen Bauelemente 10 und verhindert akustische Verzerrungen durch Phasendifferenzen einzelner fluidischer Bauelemente 10.
Um die Vorteile einer piezoelektrischen Anregung zu erreichen, muss wenigstens eine der beiden Membraneinrichtungen M1 , M2 wenigstens in einem Teilbereich, hier Peripherie, einen Piezoantrieb P1, P2 mit Piezoschicht PZ1, PZ2 und mit Elektrodenschichten E11, E12, E21, E21 aufweisen. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann ein solcher Piezoantrieb auch in einem anderen Bereich der Membraneinrichtungen M1 , M2 liegen, beispielsweise in der Mitte.
Wenn die beiden Membraneinrichtungen M1, M2 beide über einen Piezoantrieb P1, P2 angetrieben werden, können sie sich einen gemeinsamen Masseanschluss, z.B. Kontakt K11 , teilen.
Die beiden Membraneinrichtungen M1 , M2 weisen eine im Wesentlichen gleiche Dicke auf. Dies ist bei Verwendung desselben Materials eine Voraussetzung für ähnliche Resonanzfrequenzen, die für niedrige Schwebungsfrequenzen im unteren Bereich des Hörbaren erforderlich sind. Die Backplate BP weist eine größere Dicke als die beiden Membraneinrichtungen M1, M2 auf. Die Backplate BP sollte möglichst steif gegenüber Deformationen sein, damit sie keine Ausweichbewegungen macht und die Ventilwirkung möglichst gut erfüllen kann.
Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines mikrofluidischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 2 bezeichnet Bezugszeichen 10‘ allgemein eine MEMS-Lautsprechervorrichtung als mikrofluidisches Bauelement gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die MEMS-Lautsprechervorrichtung 10‘ gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der MEMS-Lautsprechervorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform durch der Aufbau der ersten und zweiten Membraneinrichtung M1‘, M2‘.
Wie bei der ersten Ausführungsform weisen die Membraneinrichtungen M1‘, M2‘ jeweilige Perforationen PF1 PF2‘ auf, welche dieselbe Ausdehnung b1 ‘ bzw. b2‘ haben und versetzt zu den Perforationen PFB der Backplate BP angeordnet sind.
Die Membraneinrichtungen M1‘, M2‘ der MEMS-Lautsprechervorrichtung 10‘ weisen im Zentrumsbereich oberhalb der Rückseitenkaverne K ein Versteifungselement, wie z.B. einen jeweiligen Verdickungsbereich V1‘ bzw. V2‘, auf.
Solche Versteifungselemente vermindern eine Deformation im Membranzentrum der Membraneinrichtungen M1‘, M2‘ und befördern eine wünschenswerte verzerrungsarme Schallerzeugung im sogenannten Zylindermodus („piston mode“).
Ansonsten ist die zweite Ausführungsform genauso wie die erste Ausführungsform ausgestaltet.
Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines mikrofluidischen Bauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 3 bezeichnet Bezugszeichen 10“ allgemein eine MEMS-Lautsprechervorrichtung als mikrofluidisches Bauelement gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die MEMS-Lautsprechervorrichtung 10“ gemäß der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der MEMS-Lautsprechervorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform durch den Antrieb der ersten Membraneinrichtung M1“.
Wie bei der ersten Ausführungsform weisen die Membraneinrichtungen M1“, M2“ jeweilige Perforationen PF1“, PF2“ auf, welche dieselben Ausdehnungen b1“ bzw. b2“ haben und versetzt zu den Perforationen PFB der Backplate BP angeordnet sind.
Die erste Membraneinrichtung M1“ weist eine elektrostatische Antriebseinrichtung PT auf, wobei der erste Piezoantrieb P1 mit den Elektrodenschichten E11 , E12 und der ersten Piezoschicht PZ1 entfällt.
Die erste Membraneinrichtung M1“ ist über einen ersten Kontakt K11“ elektrisch an eine (nicht dargestellte) Spannungsversorgung anschließbar und bildet eine erste Kondensatorplatte. Über einen zweiten Kontakt K2“ ist die Backplate BP an einen Masseanschluss anschließbar. Über eine entsprechende externe Wechselspannung lässt sich somit die erste Membraneinrichtung M1“ zu hochfrequenten Schwingungen antreiben.
Ansonsten ist die dritte Ausführungsform genauso wie die erste Ausführungsform ausgestaltet.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Insbesondere sind die angeführten Geometrien und Materialien nur beispielhaft und können je nach Anwendung beliebig variiert werden.
Bei dem mikrofluidischen Bauelement 10, 10‘, 10“ kann es sich nicht nur um einen Lautsprecher, sondern auch um eine Fluidpumpe handeln. Im Gegensatz zum Lautsprecher erfordert der Betrieb des fluidischen Bauelements 10, 10‘, 10“ als Fluidpumpe eine gleiche Antriebsfrequenz und einen festen Phasenversatz der beiden Membraneinrichtungen M1 , M2.
Claims
1. Mikrofluidisches Bauelement (10; 10’; 10”) mit: einem Substrat (S) mit einer Vorderseite (VS) und einer Rückseite (RS) und einer Rückseitenkaverne (K), welche sich von der Rückseite (RS) bis zur Vorderseite (VS) erstreckt; einer ersten perforierten Membraneinrichtung (M1 ; MT; M1”), welche die Rückseitenkaverne (K) auf der Vorderseite (VS) überspannt; einer zweiten perforierten Membraneinrichtung (M2; M2’; M2”), welche bezüglich der Vorderseite (VS) oberhalb der ersten Membraneinrichtung (M1 ; MT; M1”) angeordnet ist und welche die Rückseitenkaverne (K) auf der Vorderseite (VS) überspannt; einer perforierten Backplate (BP), welche zwischen der ersten und zweiten Membraneinrichtung (M1 , M2; MT, M2’; M1”, M2”) und von der ersten und zweiten Membraneinrichtung (M1 , M2; MT, M2’; M1”, M2”) beanstandet angeordnet ist und welche die Rückseitenkaverne (K) auf der Vorderseite (VS) überspannt; einer ersten elektrischen Antriebseinrichtung (P1; PT) zum oszillierenden Antreiben der ersten Membraneinrichtung (M1 ; MT; M1”); und einer zweiten elektrischen Antriebseinrichtung (P2) zum oszillierenden Antreiben der zweiten Membraneinrichtung (M2; M2’; M2”); wobei die erste Antriebseinrichtung (P1; PT) und/oder die zweite Antriebseinrichtung (P2) einen Piezoantrieb (P1; P2) aufweist.
2. Mikrofluidisches Bauelement (10; 10’; 10”) nach Anspruch 1 , wobei die erste Membraneinrichtung (M1 ; MT; M1”), die zweite Membraneinrichtung (M2; M2’; M2”) und
die Backplate (BP) die Rückseitenkaverne im Wesentlichen vollständig Überspannen und im Wesentlichen eine gleiche Flächenausdehnung aufweisen.
3. Mikrofluidisches Bauelement (10; 10’; 10”) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Membraneinrichtung (M1 ; M1’; M1”) eine erste Mehrzahl von Perforationen (PF1; PF1’; PF1”) mit einer ersten Ausdehnung (b1 ; bT; b1“), die zweite Membraneinrichtung (M2; M2’; M2”) eine zweite Mehrzahl von Perforationen (PF2; PF2‘; PF2“) mit einer zweiten Ausdehnung (b2; b2‘; b2“) und die Backplate (BP) eine dritte Mehrzahl von Perforationen (PFB) mit einer dritten Ausdehnung (b3) aufweist und sich die ersten und zweiten Perforationen (PF1 , PF2; PF1‘, PF2‘; PF1“ , PF2“) im Wesentlichen nicht mit den dritten Perforationen (PFB) überdecken.
4. Mikrofluidisches Bauelement (10; 10’; 10”) nach Anspruch 3, wobei die erste und zweite Ausdehnung (b1 , b2; b1‘, b2‘; b1 “, b2“) kleiner sind als die dritte Ausdehnung (b3).
5. Mikrofluidisches Bauelement (10; 10’; 10”) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Perforationsgrad der Backplate (BP) größer als ein Perforationsgrad der ersten und zweiten Membraneinrichtung (M1 , M2; M1’, M2’; M1”, M2”) ist.
6. Mikrofluidisches Bauelement (10; 10’; 10”) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Piezoantrieb (P1 ; P2) in einem Randbereich und/oder einem Mittenbereich der zugehörigen Membraneinrichtung (M1 , M2; M1‘, M2‘; M1“, M2“) angeordnet ist.
7. Mikrofluidisches Bauelement (10; 10’; 10”) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Backplate (BP) eine größere Steifigkeit und/oder Dicke als die erste und zweite Membraneinrichtung (M1 , M2; M1‘, M2‘; M1“, M2“) aufweist.
8. Mikrofluidisches Bauelement (10; 10’; 10”) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Antriebseinrichtung (P1; P1’) und die zweite Antriebseinrichtung (P2) einen jeweiligen ersten und zweiten Piezoantrieb (P1; P2) aufweisen.
- 14 -
9. Mikrofluidisches Bauelement (10; 10’; 10”) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste bzw. zweite Membraneinrichtung selbst als eine elektrische Elektrode für den ersten bzw. zweiten Piezoantrieb dient.
10. Mikrofluidisches Bauelement (10; 10’; 10”) nach Anspruch 9, wobei der erste und zweite Piezoantrieb (P1 ; P2) einen gemeinsamen Masseanschluss (K11) aufweisen.
11. Mikrofluidisches Bauelement (10’) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Membraneinrichtung (MT) und/oder die zweite Membraneinrichtung (M2‘) ein Versteifungselement, insbesondere einen Verdickungsbereich (V1‘; V2‘), aufweist.
12. Anordnung einer Mehrzahl von mikrofluidischen Bauelementen (10; 10‘; 10“) auf einem gemeinsamen Substrat (S) in einer oder mehreren Matrixanordnungen, wobei die mikrofluidischen Bauelemente insbesondere unterschiedliche Größen aufweisen können.
13. Anordnung nach Anspruch 12, wobei die mikrofluidischen Bauelemente (10; 10‘; 10“) eine gemeinsame Rückseitenkaverne (K) aufweisen.
14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die elektrischen Antriebseinrichtungen (P1, P2; P1‘, P2) der Mehrzahl von mikrofluidischen Bauelementen (10; 10‘; 10“) elektrisch parallelgeschaltet sind.
15. Mikrofluidisches Bauelement (10; 10‘; 10“) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, ausgebildet als Lautsprechervorrichtung oder als Fluidpumpe.
16. Betriebsverfahren zum Betreiben eines mikrofluidisches Bauelementes (10; 10‘; 10“) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder einer Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14 mittels einer elektrischen Steuervorrichtung als Lautsprechervorrichtung oder als Fluidpumpe.
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