WO2024042036A1 - Mems, mems-lautsprecher und verfahren zum herstellen derselben - Google Patents

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WO2024042036A1
WO2024042036A1 PCT/EP2023/072934 EP2023072934W WO2024042036A1 WO 2024042036 A1 WO2024042036 A1 WO 2024042036A1 EP 2023072934 W EP2023072934 W EP 2023072934W WO 2024042036 A1 WO2024042036 A1 WO 2024042036A1
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WO
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mems
structural element
cavity
layer
designed
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/072934
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English (en)
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Inventor
Anton MELNIKOV
Bert Kaiser
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • 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 
    • H04R1/24—Structural combinations of separate transducers or of two parts of the same transducer and responsive respectively to two or more frequency ranges
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • the present invention relates to MEMS, in particular MEMS with a layer stack and a cavity arranged therein, which has a structural element which is designed to interact with a fluid.
  • the present invention relates to using additional masses and moving them by means of an actuator device.
  • the present invention relates in particular to a compact MEMS component.
  • a mechanical resonator is an elastic or acoustic spring-mass oscillator. Such an oscillator has a natural frequency. If a resonator is excited with a harmonic signal very close to or exactly at the natural frequency, large oscillation amplitudes are created, which is also called resonance. This means that an application of small energies can cause very large amplitudes, which in turn can be used specifically to adjust the frequency responses of acoustic or elastic systems. Below the natural frequency, the behavior of the resonator is dominated by static stiffness (potential energy) and the deflection is always in phase with the excitation. Above the natural frequency, the vibration behavior is determined by the mass (kinetic energy) and the deflection is in anti-phase to the excitation. The natural frequency is calculated as the square root of the effective stiffness divided by the effective mass.
  • MEMS The difficulty with MEMS, especially with MEMS loudspeakers, is to construct resonators with low natural frequencies and to couple them into the sound guidance.
  • a low-frequency Helmholtz resonator (purely acoustic spring-mass system) would couple very well into the sound field, but requires too much space so that implementation as MEMS is not economical.
  • a passive elastic low-frequency resonator can be designed to be accommodated in MEMS. Nevertheless, such a design is much more complex than is known from general technical mechanics. If springs are manufactured with very small dimensions that are typical for MEMS, this leads to high stiffness and at the same time the oscillating masses are very small.
  • An object of the present invention is therefore to provide MEMS, MEMS loudspeakers and methods for producing the same, which enable resonant operation at low frequencies and at the same time require little installation space.
  • a core idea of the present invention is to use as a vibrating mass at least part of a boundary structure surrounding a cavity of the MEMS, i.e. a structure that is already required for the definition of the cavity in order to synergistically use this part of the MEMS as a vibrating mass of the spring -Mass system of a resonator to be able to use.
  • a low frequency can be obtained by means of high masses and since the corresponding structural parts are already present in the MEMS layer stack, the effect can be achieved without any significant additional components, so that the installation space requirement remains low and the manufacturing effort is also low.
  • a MEMS comprises a layer stack comprising a plurality of MEMS layers.
  • a cavity is arranged in the layer stack and is at least partially delimited by a boundary structure comprising at least part of a MEMS layer of the layer stack.
  • the MEMS includes an actuator device that is designed to move a structural element of the MEMS arranged in the cavity.
  • the structural element is mechanically coupled to the limiting structure and the actuator device is designed to move the limiting structure with the structural element.
  • a MEMS comprises a layer stack comprising a plurality of MEMS layers and a cavity arranged in the layer stack, which is at least partially delimited by a boundary structure comprising at least part of a MEMS layer of the layer stack.
  • a structural element is arranged in the cavity.
  • the MEMS further includes an actuator device configured to move the boundary structure with respect to the structural element of the MEMS to provide interaction of the structural element with a fluid disposed in the cavity.
  • the vibration behavior can be adjusted using existing structural elements and, in particular, lower vibration frequencies can be stimulated.
  • a MEMS speaker comprises a layer stack comprising a plurality of MEMS layers and a cavity arranged in the layer stack for receiving a fluid.
  • the cavity is at least partially delimited by a boundary structure comprising at least part of a MEMS layer of the layer stack.
  • the MEMS speaker includes an actuator device that is designed to move a structural element of the MEMS arranged in the cavity to interact with the fluid in order to generate an acoustic signal in the cavity.
  • the structural element is mechanically coupled to the limiting structure and the actuator device is designed to move the limiting structure with the structural element.
  • Such a MEMS speaker can be adapted for resonant behavior, especially at low frequencies, and at the same time can be designed using a small installation space.
  • 1 shows a schematic perspective view of a MEMS according to an exemplary embodiment
  • 2 shows a schematic top view of a MEMS according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3a-b corresponding to FIG. 2, a representation of layers of a MEMS according to an exemplary embodiment
  • Fig. 4a shows a schematic top view of a part of the MEMS from Fig. 2 with a section line
  • FIG. 4b-c show schematic side sectional views of the one from FIG. 4a in an undeflected and a deflected state
  • FIG. 5a shows a schematic side sectional view through a MEMS in an undeflected state according to an exemplary embodiment analogous to FIG. 4b, with an additional movable region being provided;
  • FIG. 5b shows a deflected state of the MEMS from FIG. 5a
  • FIG. 6 shows a schematic side sectional view of a MEMS according to an exemplary embodiment, in which an actuator device is designed to deflect a lateral layer relative to a structural element;
  • FIG. 7 shows a schematic side sectional view of a MEMS according to an exemplary embodiment, in which a plurality of structural elements arranged in the cavity are provided;
  • FIG. 8a shows a schematic top view of a MEMS according to an exemplary embodiment in which the movable boundary structure is divided into segments;
  • Fig. 8b is a schematic side sectional view through a section line of Fig. 8a;
  • FIG. 9 is a schematic side sectional view of a MEMS according to an embodiment for implementing an exemplary two-way approach to a speaker; 10a shows a schematic side sectional view of a MEMS according to an exemplary embodiment, in which the boundary structure is formed as a movable region of a cover layer; and
  • 10b is a schematic side sectional view of a MEMS according to an exemplary embodiment, which is modified compared to the MEMS from FIG is described.
  • Embodiments described below are described in connection with a large number of details. However, embodiments can also be implemented without these detailed features. Furthermore, for the sake of clarity, exemplary embodiments are described using block diagrams as a replacement for a detailed representation. Furthermore, details and/or features of individual exemplary embodiments can easily be combined with one another, as long as it is not explicitly described to the contrary.
  • MEMS components relate to micromechanical components (MEMS components).
  • the MEMS devices described herein may be multilayer layer structures. Such MEMS can be obtained, for example, by processing semiconductor materials at wafer level, which can also include a combination of multiple wafers and/or the deposition of layers at wafer levels.
  • Some of the embodiments described herein address MEMS levels.
  • a MEMS plane is understood to be a not necessarily two-dimensional or non-curved plane that extends essentially parallel to a processed wafer, for example parallel to a main side of the wafer or the later MEMS.
  • a plane direction of such a plane or layer plane can be understood as a direction within this plane, which is also referred to by the English term “in-plane”. can be designated.
  • a direction perpendicular to this that is, perpendicular to a plane direction, can be simply referred to as the thickness direction or stacking direction, whereby the term thickness does not have any limitation in the sense of an orientation of this direction in space. It is understood that terms used herein such as “length,” “width,” “height,” “top,” “bottom,” “left,” “right,” and the like are used solely to illustrate embodiments described herein because of their location can be changed as desired in space and the exemplary embodiments are not limited to this.
  • MEMS with resonators can be understood as meaning spring-mass systems that can be excited to a resonant oscillation, for example by means of an actuator, in order to oscillate at least in the vicinity of the resonance range using comparatively low energies to achieve large vibration amplitudes.
  • the present MEMS describe a structural element that is excited to oscillate, which is additionally coupled to a mass element that increases the oscillatable mass of the spring-mass system, thereby reducing the resonance frequency. This mass element can limit the cavity in which the oscillatable structural element is excited to oscillate, laterally, in the plane and/or out of the plane.
  • the MEMS 10 comprises a layer stack 12 with a plurality of layers 12i, 12 2 and / or 12s -
  • a number of layers is not necessarily three, but can be any other number of at least 2, for example, 2, 4, 5, 6 or more.
  • a layer can be understood as a functional layer, which can consist of or include at least one but also several material layers.
  • a layer 12i may include a bottom layer.
  • One Layer 12 3 shown transparently can, for example, provide a top layer of the layer stack 12, whereby neither the bottom layer 12i nor the top layer 12 3 have to be a final layer in the layer stack 12, but can, for example, represent layers that form a cavity 14 along a stacking direction 16 which the layers 12I-12 3 are stacked on top of one another in the layer stack 12.
  • the layer 12 2 can have a recess between the layers 12i and 12 3 in order to at least partially form the cavity 14, for example by the layer 12 2 or parts thereof extending the cavity laterally along an x-direction and/or y-direction. limit.
  • a single layer 12 2 several layers of the MEMS stack 12 can also be arranged and form the cavity 14.
  • the cavity 14 can in this respect be delimited by further layers and along the stacking direction 16 can be completely or partially delimited by at least one delimiting structure, for which, for example, the layers 12i and / or 12 3 can be used, and additional structural elements can also be arranged in order to achieve a Limitation of the cavity 14 to provide.
  • a remaining material of the layer 12 2 and possible further layers can provide a lateral boundary structure for the cavity 14.
  • an exemplary Cartesian coordinate system with the directions x, y and z is used, whereby an x / y plane can be understood as a plane parallel to the layer plane and both the x direction and the y direction as in -plane can be understood.
  • the z-direction can be arranged in space parallel to the stacking direction 16.
  • the MEMS 10 includes an actuator device 18 which, according to one embodiment, is designed to move a structural element 22 arranged in the cavity 14.
  • the structural element can be designed to interact indirectly by means of further mechanically coupled elements or directly with a fluid arranged in the cavity.
  • the structural element 22 can, for example, form an actuator of the actuator device 18 in whole or in part, but can alternatively also be formed passively.
  • the structural element 22 may include a so-called Nanoscopic Electrostatic Drive (NED) actuator.
  • NED describes a form of actuator that can be formed, for example, as an elongated beam structure, which can deform in-plane and can therefore be used both as an element for displacing fluid and as an actuator.
  • the actuator device 18 can also, for example piezoelectric and/or electrostatic drives, such as a comb drive or the like, which are coupled to the structural element 22.
  • the structural element 22 can at least partially form the actuator or include an element connected thereto, such as a fin or the like.
  • the structural element 22 can interact with a fluid arranged in the cavity 14.
  • the structural element 22 is mechanically coupled to the limiting structure and the actuator device 18 is designed to move the limiting structure with the structural element 22.
  • the actuator device 18 can, for example, send a control signal 24 to an active element or convert such a signal to generate a force.
  • the actuator device 18 can be formed as a sensor device in order to convert the movement of the structural element 22 and the limiting structure into a sensor signal, which can be formed, for example, optically and / or electrically.
  • the limiting structure is moved together with the structural element 22, which means for resonant operation or a resonant oscillation that the mass of both parts, the structural element 22 and the limiting structure, can form a vibrating mass and influences the vibration behavior.
  • the structural element 22 can, for example, be mechanically coupled to at least one of the bottom layer 12i and the cover layer 12s in order to move this layer and to include its mass in the vibration behavior.
  • the lateral layer 12 2 can be moved with it.
  • the layer 12 2 can be connected to one of the layers 12i or 12s and can also be moved.
  • the MEMS 10 may be designed for operation in which the structural element 22 together with the boundary structure is excited into a resonant oscillation, such as due to external forces and/or the actuator device.
  • the structural element 22, together with the boundary structure can form part of a resonator that can generate sound waves in an energy-efficient manner.
  • the MEMS layers 12i-12s are arranged adjacent to one another in the layer stack 12 along the stacking direction 16, which can be arranged perpendicular to the layer plane x/y.
  • the actuator device 18 can be designed to provide a movement of the boundary structure parallel thereto, that is, in-plane and parallel to the layer plane.
  • the boundary structure comprises a part of at least one MEMS layer and, for example, a part of a MEMS layer that provides a bottom or a lid of the cavity 14.
  • Such adjacent layers can be easily connected to one another or partially separated, for example by bonding, growing or etching.
  • the layer 12s can also be moved at least in part only or in combination with other elements in order to provide an additional mass in relation to the structural element.
  • the delimitation structure can therefore, for example, comprise a part of a MEMS layer that laterally delimits the cavity, as is described, for example, for the layer 12 2 .
  • both the use of a top cover and a lateral layer enable the use of multiple substructures of a boundary structure.
  • the base or the cover can be connected together with the laterally delimiting layer 12 2 or several such layers, or for example both the cover and the base 12i and 12 3 can each form a partial structure of the delimitation structure.
  • the layers 12i and 123 may be mechanically coupled to one another by means of the structural element 22 or otherwise.
  • a mass of the boundary structure is greater than a mass of the structural element, which enables the mass of the boundary structure to have a significant influence on the resonance frequency.
  • FIG. 2 shows a schematic top view of a MEMS 20 according to an exemplary embodiment.
  • layer 12 3 is shown shifted relative to a combination of layers 12i and 12 2 to show additional details.
  • the layer 12 3 can form a layer stack with the layers 12i and 12 2 analogous to the illustration in FIG. 1.
  • the layer 12i can, for example, have an opening 26i, which can serve as an inlet into the cavity 14 or an outlet from the cavity 14 for an air flow 28i.
  • the structural element can be arranged in the plane of the layer 12 2 .
  • the structural element may comprise a region 22A, which comprises, for example, a flexible actively or passively formed structure.
  • An active structure of the region 22A may, for example, include a beam actuator, for example formed as an NED.
  • a passive structure of region 22A may include, for example, an elastic beam or a membrane.
  • the region 22A can be firmly clamped laterally, for example at an edge region of the region 22A and with the layer 12 2 , whereby neither the presence of the restraint nor its location is restrictive.
  • the element 22A could also be rigid or clamped to the layers 12i and/or 123 .
  • the structural element 22 can be mechanically coupled to the limiting structure 34 at a discrete area, by which it can be understood that the limiting structure 34 is not in full contact with the structural element, but only partially.
  • a discrete area or fastening area can be arranged at a location of maximum deflection of the structural element 22, which means that the location of the contact can define a maximum deflection of the structural element and/or the boundary structure.
  • Embodiments also refer, for example, to the fact that a mechanical contact of the structural element with the surrounding solid substrate implements a device for limiting movement in order to prevent a mechanical overload when a maximum deflection is exceeded.
  • mechanical contact with the layer 12i when executing the movement 36i and/or 36 2 can limit further movement, with the mechanical connection between the structural element and the movement structure preferably being designed for such a mechanical load.
  • the structural element 22 comprises a beam structure clamped on both sides, which is designed to deform in-plane with respect to a MEMS layer.
  • the limiting structure can be arranged out-of-plane for this purpose, that is, in a different plane than the structural element 22 itself.
  • the limiting structure can also be partially arranged in the same plane, as is the case, for example, in 6 is shown.
  • the structural element 22 is part of the actuator device and has discrete areas that are firmly connected to one another and can be deformed in-plane Beam elements which are designed to provide an in-plane deformation of the structural element with respect to the layer stack.
  • the beams that are firmly connected to each other in discrete areas can be used to create a back and forth movement in-plane.
  • An optional region 22B of the structural element 22 can be used, for example, to mechanically couple the structural element 22 to at least one of the layers 12i and/or 12 3 , for example in order to move a part of such a layer as a delimiting structure.
  • the area 22B can serve as a coupling point.
  • the actuator device 18 can, for example, be supported on the structural element 22 or form part of it and can be used, for example, as a so-called asymmetric nanoscopic electrostatic drive, asymmetry nanoscopic electrostatic drive (ANED), as a lateral nanoscopic electrostatic drive, lateral electrostatic drive (LNED) or as Balanced nanoscopic electrostatic drive, Balanced Electrostatic Drive (BNED) can be implemented here.
  • Bar structures arranged next to one another can be designed to be deformable and can be selectively coupled to one another in discrete areas in order to achieve a deformation of the overall structure during actuation. Actuation can be achieved, for example, electrostatically or electrodynamically, due to thermally induced deformation or based on piezoelectric effects.
  • the actuator device 18 can be formed differently and the region 22A can have or provide an externally driven fin. For this purpose, the power can be generated at another location and transferred accordingly.
  • the structural element 22 can be used to divide the cavity 14 into a first partial cavity 14a and a second partial cavity 14b. An increase in the size of one partial cavity can lead to a corresponding reduction in the size of the other partial cavity.
  • the layer 12 3 it is shown that it can have a stationary region 42, possibly used as a substrate, and a movable region 34.
  • the movable area 34 can be movable relative to the fixed area 32 along a positive and/or negative direction of movement 36i, 36s, whereby the stationary area 32 can also be omitted.
  • the actuator structure for example, the structural element 22 can be supported on the layer 12 2 , so that, for example, the movable region 34 is moved along with the structural element 22 by the actuator device.
  • a deformation of the Structural element 22 can be done in the plane of the layer 12 2 in that the structural element 22 can be spaced or slidably mounted in areas of deformation from the layers 12i and 12 3 without generating an acoustic short circuit between the partial cavities 14a and 14b.
  • the structure shown in FIG. 2 can also be arranged multiple times in a MEMS, which means that a MEMS can also have several cavities, several actuators and/or several openings 26i and/or 26 2 .
  • a MEMS can also have several cavities, several actuators and/or several openings 26i and/or 26 2 .
  • the number of actuators and openings 26i, 26 2 as well as structural elements is also selected solely as an example and can also be selected differently for each of the elements, depending or independently of other elements, for example 2, 3, 4, 5 or more .
  • An opening 26 2 in the cover plane 12 3 can connect the partial cavity 14b with the environment in order to lead an air flow 28 2 out of the cavity 14 into the environment or into the cavity 14 or the partial cavity 14b.
  • the air flow 28i can be guided into the sub-cavity 14a and the air flow 28 2 out of the sub-cavity 14b.
  • the directions of the air flows 28i and 28 2 can also be reversed.
  • the actuator device may be designed to provide in-plane movement of the boundary structure, such as the movable region 34, with respect to a layer arrangement.
  • the boundary structure can comprise a part of a MEMS layer 12 3 , whereby alternatively or additionally a corresponding part of the layer 12i can also be moved.
  • the structural element 22 can interact with a fluid arranged in the cavity based on an actuation by the actuator device indirectly, ie in direct contact, or directly, for example by coupling with corresponding plate elements or displacement elements.
  • the boundary structure may have an opening, such as the opening 26i and/or 26 2 , which is designed to conduct sound in the fluid or the fluid itself out of the cavity 14 or into the cavity 14.
  • the structural element 22 and the limiting structure can together form a mass structure of a spring-mass system and can be set up for a resonant vibration excited by the actuator device 18.
  • a stiffness of the area 22A and/or another coupled element provide a corresponding spring stiffness for the spring-mass system.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a micromechanical transducer with a resonating, movable cover of the cover plane as a resonator in a first basic principle of the present invention.
  • the cover resonator is coupled to an actively deflectable element, a coupling point of the structural element 22.
  • the cover resonator follows the movements of the actively deflectable elements via the coupling point.
  • the cover resonator is detached from the surrounding substrate and is movable, for example not connected or elastically connected.
  • the active elements of the actuator deflect in a first direction 36i or 36s, parallel to the substrate plane, and convey fluid out of the lid wafer via the oscillating openings 262.
  • 3a and 3b show, corresponding to FIG arranged cavities 14i - 14 3 , whereby the number of such cavities can have any value of > 2, for example 3, 4, 5, 8, 10 or more.
  • a position of the coupling element 22B can be arranged at a location of maximum deflection of the structural element 22 or the region 22A, which can occur, for example, in the middle of a double-sided clamped configuration of a beam structure or at the deflectable end of a one-sided clamped beam structure.
  • a partition 38i or 382 can be arranged between adjacent cavities 14i and 14p or 14p and 14 3 , which can be formed, for example, from material of the layer 12 2 and, depending on the embodiment, can also be referred to as a solid fin. In embodiments where layer 122 is moved relative to other elements, a movable fin may be implemented.
  • 3b correspondingly shows a movable region 34 which has a plurality of openings 262, each opening 262 of which is assigned to one of the cavities 14i-14s, with an assignment preferably being made to a respective partial cavity of the cavity 14I- 143 .
  • FIG. 3a shows an exemplary embodiment analogous to FIG. 2 with several actively deflectable elements, each of which has a coupling point or a coupling element 22B.
  • Fig. 3b shows an embodiment analogous to Fig. 2 with a cover resonator, which is connected to several actively deflectable elements via the coupling points.
  • FIGS. 4b and 4c shows schematic side section views of the MEMS 20 through the section line 42 at different deflection states of the MEMS 20.
  • Shown in Figure 4b is an exemplary undeflected state of an embodiment in which layers 12i and 122 are rigidly bonded together and may, but not necessarily, be formed of the same material. Additional layers can easily be arranged, for example to implement different material stiffness, at least partially provided electrical conductivity or other functions.
  • 4b shows a side sectional view in a first state of the MEMS 20, for example a reference state or undeflected state.
  • 4c shows a deflected state of the MEMS 20, in which the structural element 22 and the delimitation structure formed by the movable region 34 for delimiting the cavity 34 along the z-direction are deflected along the direction 362. This creates the respective air flow 28i and 282, with a resonance frequency of a corresponding spring-mass system being influenced not only by the structural element 22, but also by the mass of the movable region 34.
  • FIGS. 4b and 4c show a sectional view through the middle of the component 20, with the structural element 22 or coupling element being connected to the top layer, but not to the bottom layer.
  • Fig. 4b shows an actively deflected element connected to a cover resonator in a non-deflected position.
  • Fig. 4c is analogous to Fig. 4b, a deflection in a first direction.
  • a first fluid stream is conveyed through the resonating opening in the cover resonator into a first cavity.
  • a second fluid stream is conveyed outwards from a second cavity through a non-movable opening in the bottom wafer.
  • FIG. 5a shows a schematic side sectional view through a MEMS 20' analogous to FIG. 4b, whereby, unlike in the MEMS 20, a movable region 34i of the layer 12i is also movable relative to the layer 12 2 .
  • the region 22A of the structural element 22 can be active and formed as part of the actuator device and further mechanically firmly connected via a coupling point 22Bi to the region 34i and with a coupling point 22B 2 to a movable region 34 2 of the layer 12 3 , the latter in accordance with the MEMS 20 is.
  • a further increased mass is used, which can lead to lower-frequency resonances of the spring-mass oscillator. This means that compared to the MEMS 20, not only one of the layers 12i or 12 3 but also parts of both the bottom wafer and the top wafer are movable.
  • FIG. 5a shows a reference state comparable to FIG. 4b
  • FIG. 5b shows a deflected state of the MEMS 20'.
  • the limiting devices 34i and 34 2 coupled to the structural element 22 are moved relative to the layer 12 2 .
  • this may include movement and/or deformation of the structural element.
  • FIG. 6 shows a schematic side sectional view of a MEMS 60 according to an exemplary embodiment, in which the actuator device 18 is designed, for example, to deflect the layer 12 2 relative to the structural element 22.
  • the structural element 22 can be formed passively, with an active configuration also providing an interaction of the structural element 22 with a fluid arranged in the cavity.
  • the limiting structure is formed, for example, by the side walls of the layer 12 2 , which laterally delimit the cavity 14.
  • FIG. 6 shows a cross section through a MEMS layer structure with a resonating lid or lid wafer, bottom wafer on the one hand or a chip frame on the other.
  • all air outlet openings are movable. 6 shows a supplementary embodiment of the present invention compared to FIG. 2.
  • FIG. 7 shows a schematic side sectional view of a MEMS 70 according to an exemplary embodiment, in which a plurality of structural elements 22I-22 3 arranged in the cavity 14 are provided, which are coupled to the actuator device and are arranged to be movable along different relative directions.
  • the structural element 22i and the structural element 22 2 are movable along the direction of movement 36 2 and at the same time the structural element 22 2 is movable along the direction of movement 36i.
  • Adjacent structural elements are preferably movable along complementary directions 36I/36 2 .
  • a respective partial cavity 14b and 14c can be arranged between adjacent structural elements 22I-22 3 , which has a variable volume under the influence of a movement of the adjacent structural elements.
  • a respective partial cavity 14b and 14c can be fluidically connected to an environment of the layer stack through an opening in the MEMS layer stack.
  • An analogous configuration also applies to partial cavities 14a and 14d, at least in some embodiments, in which case a structural element can only be provided on one side of the respective partial cavity.
  • the arrangement of three structural elements for the exemplary definition of four partial cavities 14a-14d is merely an example. Fewer or more structural elements can also be arranged in the cavity.
  • a first subset of structural elements preferably those that are arranged to be movable along a same direction, as is shown, for example, for the structural elements 22i and 22 3 on the one hand and the structural element 22 2 on the other hand, are mechanically coupled to a respective limiting structure 34 2 or 34i , wherein the limiting structures 34i and 34 2 are arranged opposite one another.
  • a corresponding concept can also be easily transferred to the MEMS 60, in which the chip frame or the layer 12i is arranged to be movable.
  • different sides could be moved relative to one another or a first subset of structural elements could be arranged in a stationary manner and a second subset could be movable.
  • the corresponding actuators can be arranged individually or in groups and can include, for example, actuators arranged on the layers 12i and 123 or groups of actuators which are each arranged on the layer 12i and the layer 12s.
  • FIG. 7 shows a cross section through a MEMS layer structure with two groups of actively deflected elements and two lid resonators, each in the lid wafer and in the bottom wafer.
  • the actuator groups differ in the direction of movement, i.e. that is, when a first group is deflected in a first direction, a second group is deflected in a second direction.
  • the actuator groups differ in the way they are coupled to the cover resonators, i.e. H. a first group is coupled to the lid resonator in the lid wafer, while a second group is coupled to the lid resonator in the bottom wafer.
  • the lid resonator in the lid wafer thus deflects in a first direction and the lid resonator in the base wafer deflects in a second direction.
  • FIG. 8a shows a schematic top view of a MEMS 80 according to an exemplary embodiment in which the boundary structure, for example the layer 12i and/or 12 2 , is divided into segments 34 2 , I and 34 2 , 2 , whereby any other and in particular a higher number of segments is possible.
  • the boundary structure for example the layer 12i and/or 12 2
  • Fig. 8a it can also be seen that with respect to a partial cavity, several openings can be provided in the lid and/or base, for example 2, although any other, higher number can also be provided.
  • Fig. 8a shows a MEMS layer system with two lid resonators in a lid wafer.
  • a first cover resonator is deflected in a first direction, with the second cover resonator being deflected in a second direction.
  • the first and second cover resonators both have openings through which an air flow can be guided orthogonally to the first and second deflection directions.
  • the segments 34 2 , I and 34 2 , 2 on the one hand and optionally the segments 34i , 1 and 34i , 2 on the other hand can each be movable in opposite directions to one another and be mechanically coupled to different structural elements .
  • the segment 34i,i of the layer 12i can be coupled to the structural element 22 2 for actuation, the boundary structure 34I, 2 to the structural element 22s, the boundary structure 34 2 ,I to the Structural element 22i and the limiting structure 342,2 with the structural element 224.
  • a configuration is preferred in which adjacent structural elements 22I- 224 are each moved in opposite directions to one another, so that the actuator paths have an additive effect.
  • the movable areas 34i, 2 and 342, 1 and/or the movable areas 34i,i and 342.2 can be mechanically coupled with a mechanical coupling, not shown, in order to enable a synchronous and equal deflection of the movable areas or boundary structures.
  • the movable areas can also vibrate independently of one another and possibly be equipped with different masses, for example in order to provide resonance frequencies that differ from one another, wherein the actuator device can be set up to excite the resonance frequencies that differ from one another.
  • some embodiments refer to the fact that different structural elements may be coupled to different boundary structures and may provide more than a single spring-mass system in the MEMS. This means that different structural elements can be coupled to different boundary structures to provide different spring-mass systems.
  • the actuator device can be designed to stimulate the respective spring-mass systems, for example by moving the respective structural element together with the limiting structure.
  • Resonance frequencies of the different spring-mass systems can be the same or different from one another, with resonant frequencies that differ from one another enabling a broader emission spectrum or a broader reception spectrum, and matching resonant frequencies can have a higher amplitude or higher sensitivity at a targeted frequency.
  • a MEMS is designed to generate a sound pressure based on the resonant movement with a frequency based on a resonant frequency of the resonant vibration.
  • Fig. 8b shows a cross section derived from Fig. 8a and, in addition to the lid resonators in Fig. 8a, has further lid resonators in the bottom wafer.
  • FIG. 9 shows a schematic side sectional view of a MEMS 90 according to an embodiment for implementing an exemplary two-way approach.
  • structural elements 22i and 22 2 can be arranged with respective boundary structures implemented by movable regions 34s and 34i, as described for example in connection with the MEMS 70, whereby the movable regions 34i and/or 34s can also be segmented and/or several structural elements can be arranged on a respective segment or the structure 34i or 34s.
  • additional actuators or elements for sound generation 44I-44 4 can be arranged in the cavity 14 or another cavity, which can be acoustically separated from the cavity 14.
  • These can, for example, be of the same or similar design as the actuators for moving the structural elements 22i and 22 2 , but due to their lower mass they can be designed for vibrations in higher frequency ranges f 2 and in this respect have a higher frequency than those emerging through the openings 26i and 26 2
  • Low-frequency sound having a frequency or frequency range T output higher-frequency sound or sound range through the corresponding opening 46i-46s.
  • a position of the openings 46r 46 5 can possibly be coordinated with a movement amplitude of the movable areas 34i and 34 2 , so that corresponding partial cavities between adjacent sound generators 44I-44 4 with a respective opening 46i-46s can be connected to an environment of the MEMS 90 .
  • the frequencies fi and/or f 2 can be in the range audible to humans, although this is not necessary. Any application-specific frequencies can be excited using the structures described here, for example alternatively or additionally in the ultrasonic range.
  • a two-way speaker can be implemented that has both a subwoofer, in particular a comparatively small pSubwoofer, together with a tweeter, in particular a comparatively small pTweeter, includes.
  • a movement of the structural elements 22i and 22 2 can be used as a woofer/subwoofer and a movement of the sound generators 44 ⁇ 444 can be used as a tweeter.
  • at least one movable element is arranged in the cavity 14, which is set up to generate sound in a fluid arranged in the cavity.
  • Figure 9 shows a MEMS layer system with a multi-way approach.
  • FIG. 7 there are several actuator groups, with at least one further group that can be characterized by the oscillation with a second frequency.
  • the boundary structure is formed, for example, as a movable region 34 of the layer 12s and is movable together with the structural element 22 relative to the layer 12i and the layer 12 2 , whereby another configuration can easily be implemented, such as an additional movement of the layer 12i and/or a movement of the layer 12 2 together with the layer 12 3 or the movable area 34.
  • the boundary structure or the movable region 34 can be mechanically coupled via a mechanical suspension 48 to a substrate of the MEMS 100i, for example a remaining region of the layer 12 3 , for example the region 32.
  • the mechanical suspension 48 can be designed to provide mechanical damping 52 and/or a mechanical stiffness 54, which at least partially determines a resonance frequency of a spring-mass system comprising the structural element 22 and the limiting structure 34.
  • An appropriate suspension can be used to adjust and adapt the vibration behavior.
  • the mechanical suspension 48 can also be designed adaptively in order to enable the frequency response to be adjusted during operation or for adjustment purposes.
  • the lid wafer is connected to the surrounding substrate with additional rigidity and/or damping.
  • the MEMS 100i may include or be connectable to a controller 58.
  • the control device 58 can be designed to control the actuator device for moving the structural element 22 in order to set a resonant movement of the structural element 22.
  • a resonance frequency of the resonant movement can be influenced by a mass of the structural element 22 and the mass of the limiting structure 34.
  • such a MEMS is formed as a MEMS speaker, which is designed to generate sound in the fluid based on a joint movement of the structural element 22 and the boundary structure 34 in the cavity.
  • the mechanical suspension 48 can also be designed in such a way that it has a preferred direction along which the deflection of the structural element 34 is influenced at most insignificantly.
  • a preferred direction along which the deflection of the structural element 34 is influenced at most insignificantly For example, an out-of-plane movement along the z direction can be limited or prevented, while the mechanical suspension 48 allows the freest possible in-plane movement, for example along x and/or y.
  • movement along x can be restricted and along y, ie along positive or negative movement direction 36 2 , only insignificantly influenced. This can enable a high quality of airborne sound contained in the air stream 28i and/or 28 2 .
  • FIG. 10a shows an exemplary embodiment analogous to FIG. 2, where the cover resonator in the cover wafer is connected to the substrate by a connecting element.
  • the connecting element is fluidic or mechanical and has stiffness and/or damping properties.
  • 10b shows a schematic side sectional view of a MEMS 100 2 according to an exemplary embodiment, which is modified compared to the MEMS 100i in such a way that the structural element 22 connects the movable regions 34i and 34 2 to one another, as described in connection with the MEMS 20 '.
  • the mechanical suspension 48i or 48 2 it may be sufficient to mechanically couple the mechanical suspension 48i or 48 2 to only one of the movable areas 34i or 34 2 and suspend it from the surrounding substrate 32i or 32 2
  • the MEMS I OO2 may have a motion limiting device 56.
  • the device 56 can be designed to limit a maximum deflection of the movable structure along one or more directions and to prevent mechanical overload occurring on the MEMS by exceeding such a maximum deflection.
  • the device 56 can be a mechanical stop and/or implement another form of overload prevention.
  • the mechanical device 56 can be arranged on any element of the MEMS and therefore not necessarily on the region 34i and/or 34p.
  • Embodiments of the present invention relate to a MEMS loudspeaker with a layer stack comprising a plurality of MEMS layers 12i-123, a cavity arranged in the layer stack for receiving a fluid, the cavity being composed of at least a part of a MEMS layer Layer stack comprising boundary structure, is at least partially limited laterally, in-plane and / or along the stacking direction out-of-plane.
  • An actuator device is designed to move a structural element of the MEMS arranged in the cavity to interact with the fluid in order to generate an acoustic signal, preferably by means of a resonant vibration.
  • the structural element 22 is mechanically coupled to the limiting structure 34 and the actuator device is designed to move the limiting structure with the structural element.
  • FIG. 10b shows an exemplary embodiment analogous to FIG. 10a, where a cover resonator in the cover wafer and in the base wafer are connected to the substrate by connecting elements, a mechanical suspension.
  • Embodiments of the present invention relate to a structure which is designed in multiple layers with at least three layers, one layer being coupled to another layer in such a way that the stiffness from the first layer and the mass from the second layer are decisive for the resonance frequency of a vibration is influenced, and this can also be carried out in the same layer with reference to FIG. 6.
  • the second layer or a second component is simultaneously used as a sound guide and therefore has openings. Furthermore, a layer can be completely moved in relation to the other layers.
  • Embodiments relate to a large chip entity as a mass body with integrated sound guidance, as described for example for the movable areas 34.
  • the cover wafer and/or the base wafer can be used in parts as a mass body.
  • the chip frame, the layer 12 2 can also be used as a mass body, in addition to or as a reversal to the principle of the cover/bottom mass body.
  • corresponding fins or elements can be alternately coupled to the bottom wafer and to the top wafer.
  • the chip entity can be coupled via springs and/or dampers.
  • the device can be designed in such a way that the deflection is not limited, for example by duffing, rotation or the like. This is described in connection with the preferred direction.
  • the device can be designed such that the chip entity has mechanical shock protection, for example to achieve shock resistance. This is described in connection with the movement limitation device.
  • symmetrical chip areas can be designed to be movable in order to enable inertial compensation. Multiple chip areas, i.e. H. multiple moving elements, or resonators, can be used to generate different frequencies.
  • MEMS components described herein have layer stacks that consist of at least one substrate layer in which the electrodes and the passive elements are arranged. Further layers relate to a base, which can also be referred to as a handling wafer, and a lid, which can also be referred to as a lid wafer. Both cover wafers and handling wafers can be connected to the substrate plane via cohesive processes, preferably bonding, which can create acoustically sealed gaps in a component. In this space, which corresponds to the device level, the deformable components can deform; in other words, the deformation can take place in-plane.
  • the layers can, for example, comprise electrically conductive materials, e.g. B. doped semiconductor materials and / or metal materials.
  • the layered arrangement of electrically conductive layers enables a simple design, since electrodes, for example for deflectable elements and passive elements, can be formed by selective removal from the layer. If electrically non-conductive materials are to be arranged, these materials can be applied in layers, for example by deposition processes.
  • Some of the MEMS described herein can be used, for example, as loudspeakers and in particular in in-ear applications. When used in the ear, the space between the eardrum and the hearable can represent a pressure chamber that can be considered tight. For low frequencies, the so-called Harman curve for in-ear headphones shows a preference for higher sound pressure levels.
  • the frequency response can be designed using resonator elements or a combination of different actuators with different resonator elements.
  • the transmission range is limited at the bottom by the position of the resonance; below resonance the level decreases.
  • the resonance frequency of the actuator can be reduced and the transmission range can be increased downwards.
  • additional resonators whose resonance can be below the actual actuator resonance.
  • additional resonators require additional chip area in both cases and the usable area for actuators is therefore limited or the total area of the chip is thereby increased.
  • the design of the layer system can be carried out in such a way that the mass of passive layers, for example if there are no actuators, are coupled to the actuators in the active layer; the acoustic air guidance is directly through openings in the coupled and moving areas of the passive Layer realizes what is implemented in embodiments discussed herein.
  • Embodiments of the present invention make it possible to expand the transmission range of the sound sources compared to known solutions and to additionally amplify certain frequency ranges through resonance.
  • Sound sources within the meaning of this application are, for example, loudspeakers, in particular for in-ear applications and near-field applications, for example in cell phones or tablets. Both use cases can be distinguished.
  • the object according to the invention is achieved by a MEMS layer system.
  • a MEMS layer system In a plane with one or more layers of the layer system, cavities are formed in which deflectable elements are arranged, which can be arranged laterally spaced apart from one another.
  • a vibrating mass is arranged in a further level of the MEMS layer system, which is either not connected to the substrate or is coupled to the surrounding substrate by means of connecting elements.
  • the mass and the deflectable elements and, if necessary, the connecting elements can together create a re- form a sonator.
  • the mass can alternatively or additionally also be arranged in the same plane.
  • this resonator is arranged at a vertical distance from the deflectable elements and at the same time forms the sound guide (the cover) with air outlet openings designed for sound generation and emission.
  • the coupling elements to the deflectable elements and the connecting elements can be designed in such a way that lateral deformation in the plane is possible. Deformation perpendicular to the plane can be reduced, hindered or prevented by the geometry of the deflectable elements or the connecting elements.
  • the deflectable element can be an actively deflectable element, which represents the preferred embodiment. In exemplary embodiments, the deflectable element can be passive. It can then be connected to an actively deflectable element via coupling elements.
  • the actively deflectable elements in a different plane than the passively deflectable elements.
  • This offers the advantage that a higher number of these deflectable elements, referred to as actuators, can be arranged in the plane of the actively deflectable elements. This can increase the force that can be applied within the actuator level and also increase the fill factor.
  • a MEMS or MEMS speaker is designed in such a way that the structural element is designed to be passive and an actuator of the actuator structure is arranged in a plane or layer of the MEMS that is different from the structural element.
  • the distance between the resonator and the surrounding substrate perpendicular to the plane can be small to minimal, so that an acoustic short circuit is prevented.
  • the resonator contains openings for sound guidance, which can be moved by the oscillating movement of the resonator. In such a case, the sound energy can emerge from the MEMS layer system perpendicular to the layer plane, while the openings vibrate laterally.
  • the oscillation frequency and the sound frequency can be different and can be generated by different actively deflectable elements.

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Abstract

Ein MEMS umfasst einen Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten und eine in dem Schichtstapel angeordnete Kavität, die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur zumindest teilweise begrenzt ist. Das MEMS umfasst eine Aktuatoreinrichtung, die ausgebildet ist, um ein in der Kavität angeordnetes Strukturelement des MEMS zu bewegen, wobei das Strukturelement mit der Begrenzungsstruktur mechanisch gekoppelt ist und die Aktuatoreinrichtung ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement zu bewegen.

Description

MEMS, MEMS-Lautsprecher und Verfahren zum Herstellen derselben
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf MEMS, insbesondere MEMS mit einem Schichtstapel und einer darin angeordneten Kavität, die ein Strukturelement aufweist, welches zur Interaktion mit einem Fluid ausgelegt ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich darauf, zusätzliche Massen zu verwenden und vermittels einer Aktuatoreinrichtung zu bewegen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein kompaktes MEMS- Bauelement.
Ein mechanischer Resonator ist ein elastischer oder akustischer Feder-Masse-Schwinger. Ein solcher Schwinger weist eine Eigenfrequenz auf. Wird ein Resonator mit einem harmonischen Signal sehr nah oder genau bei der Eigenfrequenz angeregt, entstehen große Schwingungsamplituden, was auch Resonanz genannt wird. Das heißt, eine Zuführung von kleinen Energien kann sehr große Amplituden verursachen, was wiederum gezielt eingesetzt werden kann, um Frequenzgänge von akustischen oder elastischen Systemen zu justieren. Unterhalb der Eigenfrequenz wird das Verhalten des Resonators durch statische Steifigkeit (potenzielle Energie) dominiert und die Auslenkung ist immer in Phase zu der Erregung. Oberhalb der Eigenfrequenz wird das Schwingverhalten durch die Masse (kinetische Energie) bestimmt und die Auslenkung ist gegenphasig zur Erregung. Die Eigenfrequenz berechnet sich als Quadratwurzel der effektiven Steifigkeit geteilt durch die effektive Masse.
Die Schwierigkeit bei MEMS, insbesondere bei MEMS-Lautsprechern, besteht darin, Resonatoren mit tiefen Eigenfrequenzen zu konstruieren und diese in die Schallführung einzukoppeln. Ein tieffrequenter Helmholtzresonator (rein akustisches Feder-Masse-System) würde zwar sehr gut in das Schallfeld einkoppeln, benötigt jedoch zu viel Platz, so dass eine Umsetzung als MEMS nicht wirtschaftlich ist. Ein passiver elastischer tieffrequenter Resonator kann aber so ausgeführt werden, dass es in MEMS untergebracht werden kann. Nichtsdestotrotz ist ein solches Design viel aufwendiger als es aus der allgemeinen technischen Mechanik bekannt ist. Wenn Feder mit sehr kleinen und für MEMS üblichen Abmessungen hergestellt werden, so führt dies zu großen Steifigkeiten und gleichzeitig sind die schwingenden Massen sehr gering. Dies wiederum führt dazu, dass die Eigenfrequenzen von solchen kleinen Schwingern im Allgemeinen wesentlich höher liegen und im Bereich tiefer Eigenfrequenzen nur begrenzt umzusetzen sind. Des Weiteren ist die Einkopplung von rein mechanischen Schwingungen in die akustische Region ebenfalls nicht trivial und konstruktiv sehr aufwendig.
Wünschenswert wären kompakte resonant zu betreibende MEMS mit niedrigen Frequenzen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, MEMS, MEMS- Lautsprecher und Verfahren zum Herstellen derselben bereitzustellen, die einen resonan- ten Betrieb mit geringen Frequenzen und gleichzeitig geringem Bauraumbedarf ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, als schwingende Masse zumindest einen T eil einer eine Kavität des MEMS umgebenden Begrenzungsstruktur zu verwenden, also einer Struktur, die für die Definition der Kavität bereits benötigt wird, um diesen Teil des MEMS synergetisch als schwingende Masse des Feder-Masse-Systems eines Resonators nutzen zu können. Dadurch kann vermittels hoher Massen eine geringe Frequenz erhalten werden und da die entsprechenden Strukturteile im MEMS-Schichtstapel bereits vorhanden sind, kann der Effekt ohne nennenswerte zusätzliche Komponenten erhalten werden, so dass der Bauraumbedarf gering bleibt und auch der Herstellungsaufwand gering ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS einen Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten. In dem Schichtstapel ist eine Kavität angeordnet, die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur zumindest teilweise begrenzt ist. Das MEMS umfasst eine Aktuatoreinrichtung, die ausgebildet ist, um ein in der Kavität angeordnetes Strukturelement des MEMS zu bewegen. Das Strukturelement ist mit der Begrenzungsstruktur mechanisch gekoppelt und die Aktuatoreinrichtung ist ausgebildet, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement zu bewegen. Durch Mitbewegen der Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement kann das Schwingungsverhalten eines entsprechenden Schwingers durch die zusätzliche Masse der Begrenzungsstruktur angepasst werden und insbesondere zu niedrigen Frequenzen verschoben werden, was unter Verwendung der für die Begrenzung der Kavität bereits vorhandenen Begrenzungsstruktur möglich ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS einen Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten und eine in den Schichtstapel angeordnete Kavität, die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur zumindest teilweise begrenzt ist. In der Kavität ist ein Strukturelement angeordnet. Das MEMS umfasst ferner eine Aktuatoreinrichtung, die ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur bezüglich des Strukturelements des MEMS zu bewegen, um eine Interaktion des Strukturelements mit einem in der Kavität angeordneten Fluid bereitzustellen. Auch hier kann durch Bewegung der Begrenzungsstruktur und durch Nutzen deren Masse das Schwingungsverhalten unter Ausnutzen bereits vorhandener struktureller Elemente angepasst werden und insbesondere geringere Schwingungsfrequenzen angeregt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Lautsprecher einen Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten und eine in dem Schichtstapel angeordnete Kavität zur Aufnahme eines Fluids. Die Kavität ist von einer zumindest einen T eil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur zumindest teilweise begrenzt. Der MEMS-Lautsprecher umfasst eine Aktuatoreinrichtung, die ausgebildet ist, um ein in der Kavität angeordnetes Strukturelement des MEMS zu Interaktion mit dem Fluid zu bewegen, um ein akustisches Signal in der Kavität zu erzeugen. Das Strukturelement ist mit der Begrenzungsstruktur mechanisch gekoppelt und die Aktuatoreinrichtung ist ausgebildet, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement zu bewegen. Ein derartiger MEMS-Lautsprecher kann für ein resonantes Verhalten insbesondere bei geringen Frequenzen angepasst sein und gleichzeitig unter Verwendung geringem Bauraums ausgebildet werden.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Verfahren zum Herstellen von MEMS und einem MEMS-Lautsprecher.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf ein MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3a-b korrespondierend zur Fig. 2 eine Darstellung von Schichten eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4a zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Teil des MEMS aus Fig. 2 mit einer Schnittlinie,
Fig. 4b-c schematische Seitenschnittansichten des aus Fig. 4a in einem unausgelenkten und einem ausgelenkten Zustand;
Fig. 5a eine schematische Seitenschnittansicht durch ein MEMS in einem unausgelenkten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel analog zur Fig. 4b, wobei ein zusätzlicher beweglicher Bereich vorgesehen ist;
Fig. 5b einen ausgelenkten Zustand des MEMS aus Fig. 5a;
Fig. 6 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeilspiel, bei dem eine Aktuatoreinrichtung ausgebildet ist, um eine laterale Schicht gegenüber einem Strukturelement auszulenken;
Fig. 7 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Mehrzahl von in der Kavität angeordneten Strukturelementen vorgesehen ist;
Fig. 8a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die bewegliche Begrenzungsstruktur in Segmente unterteilt ist;
Fig. 8b eine schematische Seitenschnittansicht durch eine Schnittlinie der Fig. 8a;
Fig. 9 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel zur Implementierung eines beispielhaften Zwei-Wege-Ansatzes eines Lautsprechers; Fig. 10a eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die die Begrenzungsstruktur als beweglicher Bereich einer Deckelschicht gebildet ist; und
Fig. 10b eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem MEMS aus Fig. 10a dahingehend modifiziert ist, dass das Strukturelement die beweglichen Bereiche gegenüberliegender Schichten miteinander verbindet, wie es im Zusammenhang mit dem MEMS aus Fig. 5a und Fig. 5b beschrieben ist.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer Detaildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit gegenteilig beschrieben ist.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mikromechanische Bauelemente (MEMS-Bauelemente). Die hierin beschriebenen MEMS-Bauelemente können mehrschichtige Schichtstrukturen sein. Derartige MEMS können beispielsweise durch Prozessieren von Halbleitermaterialien auf Wafer-Level erhalten werden, was auch eine Kombination mehrerer Wafer und/oder die Abscheidung von Schichten auf Wafer-Ebenen beinhalten kann. Manche der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele gehen auf MEMS-Ebenen ein. Als eine MEMS-Ebene wird eine nicht notwendigerweise zweidimensionale oder ungekrümmte Ebene verstanden, die sich im Wesentlichen parallel zu einem prozessierten Wafer erstreckt, etwa parallel zu einer Hauptseite des Wafers bzw. des späteren MEMS. Eine Ebenenrichtung einer derartigen Ebene oder Schichtebene kann als eine Richtung innerhalb dieser Ebene verstanden werden, was auch mit dem englischen Begriff „in-plane“ bezeichnet werden kann. Eine Richtung senkrecht hierzu, das bedeutet, senkrecht zu einer Ebenenrichtung, kann vereinfacht als Dickenrichtung oder Stapelrichtung bezeichnet werden, wobei der Begriff der Dicke keine Limitierung im Sinne einer Orientierung dieser Richtung im Raum entfaltet. Es versteht sich, dass hierin verwendete Begriffe wie „Länge“, „Breite“, „Höhe“, „oben“, „unten“, „links“, „rechts“ und dergleichen lediglich zur Illustration hierin beschriebener Ausführungsbeispiele herangezogen werden, da ihre Lage im Raum beliebig veränderbar ist und die Ausführungsbeispiele insofern nicht hierauf einzuschränken sind.
Manche der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Lautsprecher-Konfiguration oder Lautsprecher-Funktion eines entsprechenden MEMS- Bauelements beschrieben. Es versteht sich, dass diese Ausführungen mit Ausnahme der Alternativen oder zusätzlichen Funktion einer sensorischen Auswertung des MEMS- Bauelements bzw. der Bewegung oder Position beweglicher Elemente hiervon auf eine Mikrofon-Konfiguration bzw. Mikrofon-Funktion des MEMS-Audioelements übertragbar sind, so dass derartige Mikrofone ohne Einschränkung weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen.
Manche der hierin beschriebenen MEMS beziehen sich auf MEMS mit Resonatoren, worunter Feder-Masse-Systeme verstanden werden können, die zu einer resonanten Schwingung angeregt werden können, etwa vermittels eines Aktuators, um bei Schwingung zumindest in der Nähe des Resonanzbereichs unter Einsatz vergleichsweise geringer Energien große Schwingungsamplituden zu erzielen. Hierzu beschreiben die vorliegenden MEMS ein zur Schwingung angeregtes Strukturelement, welches zusätzlich mit einem Masseelement gekoppelt wird, das die schwingfähige Masse des Feder-Masse-Systems erhöht, womit die Resonanzfrequenz verringert wird. Dieses Masseelement kann die Kavität, in welcher das schwingfähige Strukturelement zur Schwingung angeregt wird, begrenzen, lateral, in der Ebene und/oder aus der Ebene heraus.
Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MEMS 10 umfasst einen Schichtstapel 12 mit einer Mehrzahl von Schichten 12i, 122 und/oder 12s- Eine Anzahl von Schichten ist dabei nicht notwendigerweise drei, sondern kann eine beliebige andere Anzahl von zumindest 2 betragen, etwa, 2, 4, 5, 6 oder mehr. Eine Schicht kann dabei als funktionale Schicht verstanden werden, die aus zumindest einer aber auch mehreren Materialschichten bestehen kann oder diese umfassen kann. Beispielsweise kann eine Schicht 12i eine Bodenschicht umfassen. Eine transparent dargestellte Schicht 123 kann beispielsweise eine Deckelschicht des Schichtstapels 12 bereitstellen, wobei weder die Bodenschicht 12i noch die Deckelschicht 123 eine abschließende Schicht in dem Schichtstapel 12 sein müssen, sondern beispielsweise Schichten darstellen können, die eine Kavität 14 entlang einer Stapelrichtung 16, entlang derer die Schichten 12I-123 in dem Schichtstapel 12 aufeinandergestapelt sind, begrenzen. Beispielsweise kann die Schicht 122 zwischen den Schichten 12i und 123 eine Aussparung aufweisen, um die Kavität 14 zumindest teilweise zu bilden, etwa indem die Schicht 122 oder Teile davon die Kavität lateral entlang einer x-Richtung und/oder y-Rich- tung begrenzen. Anstelle einer einzelnen Schicht 122 können auch mehrere Schichten des MEMS-Stapels 12 angeordnet sein und die Kavität 14 bilden. Die Kavität 14 kann insofern von weiteren Schichten begrenzt sein und entlang der Stapelrichtung 16 ganz oder teilweise von zumindest einer Begrenzungsstruktur begrenz sein, wofür bspw. die Schichten 12i und/oder 123 genutzt werden können, wobei auch zusätzliche Strukturelemente angeordnet werden können, um eine Begrenzung der Kavität 14 bereitzustellen. Ein verbleibendes Material der Schicht 122 und möglicher weiterer Schichten kann eine laterale Begrenzungsstruktur für die Kavität 14 bereitstellen.
Zur Vereinfachung der Bezugnahme wird hierfür ein beispielhaftes kartesisches Koordinatensystem mit den Richtungen x, y und z verwendet, wobei beispielhaft eine x/y-Ebene als Ebene parallel zur Schichtebene verstanden werden kann und sowohl die x-Richtung als auch die y-Richtung als in-plane verstanden werden können. Die z-Richtung kann parallel zur Stapelrichtung 16 im Raum angeordnet sein.
Das MEMS 10 umfasst eine Aktuatoreinrichtung 18, die gemäß einer Ausführungsform ausgebildet ist, um ein in der Kavität 14 angeordnetes Strukturelement 22 zu bewegen. Das Strukturelement kann ausgebildet sein, um mittelbar vermittels weiterer mechanisch gekoppelter Elemente oder unmittelbar mit einem in der Kavität angeordneten Fluid zu interagieren.
Das Strukturelement 22 kann beispielsweise einen Aktuator der Aktuatoreinrichtung 18 ganz oder teilweise bilden, kann alternativ hierzu aber auch passiv gebildet sein. Beispielsweise kann das Strukturelement 22 einen sogenannten Nanoscopic Electrostatic Drive (NED) Aktuator umfassen. NED beschreibt eine Form von Aktuator, die beispielsweise als längliche Balkenstruktur gebildet sein kann, welcher sich in-plane verformen kann und somit gleichzeitig als Element zum Verdrängen von Fluid als auch als Aktuator genutzt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Aktuatoreinrichtung 18 aber beispielsweise auch piezoelektrische und/oder elektrostatische Antriebe, etwa einen Kammantrieb oder dergleichen, umfassen, welcher mit dem Strukturelement 22 gekoppelt ist. Das bedeutet, das Strukturelement 22 kann zumindest teilweise den Aktuator bilden oder ein damit verbundenes Element umfassen, etwa eine Finne oder dergleichen. Das Strukturelement 22 kann mit einem in der Kavität 14 angeordneten Fluid interagieren.
Das Strukturelement 22 ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Begrenzungsstruktur mechanisch gekoppelt und die Aktuatoreinrichtung 18 ist ausgebildet, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement 22 zu bewegen. Hierzu kann die Aktuatoreinrichtung 18 beispielsweise ein Ansteuersignal 24 an ein aktives Element senden oder ein derartiges Signal umsetzen, um eine Kraft zu erzeugen. Für den Fall eines Betriebs des MEMS 10 als Sensor, etwa Mikrofon, kann die Aktuatoreinrichtung 18 als Sensoreinrichtung gebildet sein, um die Bewegung des Strukturelements 22 und der Begrenzungsstruktur in ein Sensorsignal umzusetzen, das beispielsweise optisch und/oder elektrisch gebildet sein kann.
Erfindungsgemäß wird dabei die Begrenzungsstruktur zusammen mit dem Strukturelement 22 bewegt, was für einen resonanten Betrieb bzw. eine resonante Schwingung bedeutet, dass die Masse beider Teile, des Strukturelements 22 und der Begrenzungsstruktur, eine schwingende Masse bilden können und das Schwingungsverhalten beeinflusst.
Gemäß einer möglichen Ausführung kann das Strukturelement 22 beispielsweise mit zumindest einer der Bodenschicht 12i und der Deckelschicht 12s mechanisch gekoppelt sein, um diese Schicht mit zu bewegen und deren Masse in das Schwingungsverhalten miteinzubeziehen. Alternativ oder zusätzlich ist es ebenfalls möglich, die laterale Schicht 122 mit zu bewegen. Hierzu kann beispielsweise die Schicht 122 mit einer der Schichten 12i oder 12s verbunden sein und ebenfalls mitbewegt werden.
Verglichen mit einer Bewegung des Strukturelements 22 allein kann somit eine höhere Masse für eine Schwingung genutzt werden. Das MEMS 10 kann ebenso wie die anderen hierin beschriebenen MEMS für einen Betrieb ausgelegt sein, bei dem das Strukturelement 22 zusammen mit der Begrenzungsstruktur zu einer resonanten Schwingung angeregt wird, etwa aufgrund externer Kräfte und/oder der Aktuatoreinrichtung. Das Strukturelement 22 kann zusammen mit der Begrenzungsstruktur einen Teil eines Resonators bilden, der energieeffizient Schallwellenerzeugen kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die MEMS-Schichten 12i-12s entlang der Stapelrichtung 16, die senkrecht zu der Schichtebene x/y angeordnet sein kann, benachbart zueinander in dem Schichtstapel 12 angeordnet. Die Aktuatoreinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um eine Bewegung der Begrenzungsstruktur parallel hierzu, das bedeutet in-plane und parallel zu der Schichtebene bereitzustellen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Begrenzungsstruktur einen Teil zumindest einer MEMS-Schicht und beispielsweise einen Teil einer MEMS-Schicht, die einen Boden oder einen Deckel der Kavität 14 bereitstellt. Derartige angrenzende Schichten können sich problemlos miteinander verbinden lassen oder teilweise auseinander herauslösen lassen, etwa vermittels Bonden, Aufwachsen oder Äzten.
Alternativ oder zusätzlich kann auch lediglich oder in Kombination mit anderen Elementen die Schicht 12s zumindest in Teilen mitbewegt werden um bezogen auf das Strukturelement eine zusätzliche Masse bereitzustellen. Die Begrenzungsstruktur kann somit bspw. einen Teil einer MEMS-Schicht umfassen, die die Kavität lateral begrenzt, wie es beispielsweise für die Schicht 122 beschrieben ist.
Sowohl die Verwendung eines Deckels ober Bodens als auch einer lateralen Schicht ermöglichen die Verwendung mehrerer Teilstrukturen einer Begrenzungsstruktur. So kann beispielsweise der Boden oder der Deckel zusammen mit der lateral begrenzenden Schicht 122 oder mehrerer solcher Schichten verbunden sein oder es können beispielsweise sowohl der Deckel als auch der Boden 12i und 123 jeweils eine Teilstruktur der Begrenzungsstruktur bilden. Beispielsweise können die Schichten 12i und 123 vermittels des Strukturelements 22 oder anderweitig mechanisch miteinander gekoppelt sein.
In manchen Ausführungsformen ist es bevorzugt, wenn eine Masse der Begrenzungsstruktur größer ist als eine Masse des Strukturelements, was einen deutlichen Einfluss der Masse der Begrenzungsstruktur auf die Resonanzfrequenz ermöglicht.
Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In der gezeigten Darstellung ist die Schicht 123 zur Darstellung zusätzlicher Details gegenüber einer Kombination der Schichten 12i und 122 verschoben abgebildet. Tatsächlich kann die Schicht 123 aber analog der Darstellung der Fig. 1 einen Schichtstapel mit den Schichten 12i und 122 bilden. Die Schicht 12i kann beispielsweise eine Öffnung 26i aufweisen, die für einen Luftstrom 28i als Einlass in die Kavität 14 oder Auslass aus der Kavität 14 dienen kann. In der Ebene der Schicht 122 kann das Strukturelement angeordnet sein. Gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform kann das Strukturelement einen Bereich 22A umfassen, der bspw. eine flexible aktiv oder passiv gebildete Struktur umfasst. Eine aktive Struktur des Bereichs 22A kann bspw. einen Balkenaktuator umfassen, etwa als NED gebildet. Eine passive Struktur des Bereichs 22A kann bspw. einen elastischen Balken oder eine Membran umfassen. Der Bereich 22A kann lateral fest eingespannt sein, etwa an einem Randbereich des Bereichs 22A und mit der Schicht 122, wobei weder das Vorhandensein der Einspannung noch deren Ort einschränkend ist. So könnte das Element 22A auch starr sein oder an den Schichten 12i und oder 123 eingespannt sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Strukturelement 22 an einem diskreten Bereich mit der Begrenzungsstruktur 34 mechanisch gekoppelt sein, worunter verstanden werden kann, dass die Begrenzungsstruktur 34 nicht in voller Fläche, sondern lediglich teilweise in Kontakt mit dem Strukturelement steht. Ein derartiger diskreter Bereich bzw. Befestigungsbereich kann an einem Ort maximaler Auslenkung des Strukturelements 22 angeordnet sein, das bedeutet, der Ort der Kontaktierung kann eine maximale Auslenkung des Strukturelements und/oder der Begrenzungsstruktur definieren. Ausführungsbeispiele beziehen sich beispielsweise auch darauf, dass ein mechanischer Kontakt des Strukturelements mit umgebendem festen Substrat eine Einrichtung zur Bewegungsbegrenzung implementiert, um eine mechanische Überlast bei Überschreiten einer maximalen Auslenkung zu verhindern. So kann beispielsweise ein mechanischer Kontakt mit der Schicht 12i bei Ausführen der Bewegung 36i und/oder 362 eine weitere Bewegung begrenzen, wobei die mechanische Verbindung zwischen Strukturelement und Bewegungsstruktur in bevorzugter Weise auf eine derartige mechanische Belastung ausgelegt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Strukturelement 22 eine beidseitig eingespannte Balkenstruktur, die ausgebildet ist, um sich bezogen auf eine MEMS-Schicht in- plane zu verformen. Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, kann die Begrenzungsstruktur hierzu out- of-plane angeordnet sein, das bedeutet, in einer anderen Ebene als das Strukturelement 22 selbst. Die Begrenzungsstruktur kann aber auch teilweise in derselben Ebene angeordnet sein, wie es beispielsweise in der Fig. 6 gezeigt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Strukturelement 22 Teil der Aktuatoreinrichtung und weist an diskreten Bereichen miteinander fest verbundene und in-plane verformbare Balkenelemente auf, die ausgebildet sind, um eine Verformung des Strukturelements in- plane bezogen auf den Schichtstapel bereitzustellen. So können beispielsweise die an diskreten Bereichen fest miteinander verbundenen Balken genutzt werden, um eine Hin- und Her-Bewegung in-plane zu erzeugen.
Ein optionaler Bereich 22B des Strukturelements 22 kann genutzt werden, um bspw. das Strukturelement 22 mit zumindest einer der Schichten 12i und/oder 123 mechanisch zu koppeln, etwa um einen Teil einer derartigen Schicht als Begrenzungsstruktur mitzubewegen. Der Bereich 22B kann als Koppelstelle dienen.
Die Aktuatoreinrichtung 18 kann sich beispielsweise an dem Strukturelement 22 abstützen oder einen Teil davon bilden und kann beispielsweise als sogenannter asymmetrischer na- noskopischer elektrostatischer Antrieb, Asymmetrie Nanoscopic Electrostatic Drive (ANED), als lateraler nanoskopisch elektrostatischer Antrieb, Lateral Electrostatic Drive (LNED) oder als ausgeglichener nanoskopischer elektrostatischer Antrieb, Balanced Electrostatic Drive (BNED) ausgeführt sein Hier können nebeneinander angeordnete Balkenstrukturen verformbar gebildet sein und an diskreten Bereichen selektiv mit einander gekoppelt sein, um bei einer Aktuierung eine Verformung der Gesamtstruktur zu erreichen. Eine Aktuierung kann bspw. elektrostatisch oder elektrodynamisch, aufgrund thermisch induzierter Verformung oder basierend auf piezoelektrischen Effekten erhalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Aktuatoreinrichtung 18 anders gebildet sin und der Bereich 22A eine extern angetriebene Finne aufweisen oder bereitstellen. Hierzu kann die Krafterzeugung an einem anderen Ort erfolgen und entsprechend übertragen werden.
Durch das Strukturelement 22 kann die Kavität 14 in eine erste Teilkavität 14a und eine zweite Teilkavität 14b unterteilt werden. Eine Vergrößerung der einen Teilkavität kann zu einer entsprechenden Verkleinerung der anderen Teilkavität führen.
Für die Schicht 123 ist dargestellt, dass diese einen möglicherweise als Substrat genutzten ortsfesten Bereich 42 und einen beweglichen Bereich 34 aufweisen kann. Der bewegliche Bereich 34 kann gegenüber dem festen Bereich 32 entlang einer positiven und/oder negativen Bewegungsrichtung 36i, 36s beweglich sein, wobei der ortsfeste Bereich 32 auch entfallen kann. Vermittels der Aktuatorstruktur kann beispielsweise das Strukturelement 22 an der Schicht 122 abgestützt sein, so dass beispielsweise der bewegliche Bereich 34 durch die Aktuatoreinrichtung mit dem Strukturelement 22 mitbewegt wird. Eine Verformung des Strukturelements 22 kann dabei in der Ebene der Schicht 122 erfolgen, indem das Strukturelement 22 in Bereichen der Verformung von den Schichten 12i und 123 beabstandet oder gleitfähig gelagert sein kann, ohne hierbei einen akustischen Kurzschluss zwischen den Teilkavitäten 14a und 14b zu erzeugen.
Die in der Fig. 2 dargestellte Struktur kann in einem MEMS auch mehrfach angeordnet sein, das bedeutet, ein MEMS kann auch mehrere Kavitäten, mehrere Aktuatoren und/oder mehrere Öffnungen 26i und/oder 262 aufweisen. Auch für die dargestellte Struktur ist die Anzahl von Aktuatoren und Öffnungen 26i, 262 sowie Strukturelemente lediglich beispielhaft gewählt und kann für jedes der Elemente auch unterschiedlich gewählt sein, abhängig oder unabhängig von anderen Elemente, beispielsweise zu 2, 3, 4, 5 oder mehr.
Eine Öffnung 262 in der Deckelebene 123 kann die Teilkavität 14b mit der Umgebung verbinden, um einen Luftstrom 282 aus der Kavität 14 in die Umgebung herauszuführen oder in die Kavität 14 bzw. die T eilkavität 14b hinein. So kann beispielsweise bei einer Bewegung des Strukturelements 22 und des als Begrenzungsstruktur dienenden beweglichen Bereichs 34 entlang der Richtung 36i der Luftstrom 28i in die Teilkavität 14a geführt werden und der Luftstrom 282 aus der Teilkavität 14b hinaus. Bei einer Umkehrung der Bewegung in die Richtung 362 können sich auch die Richtungen der Luftströme 28i und 282 umkehren.
Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, kann die Aktuatoreinrichtung ausgebildet sein, um eine Bewegung der Begrenzungsstruktur, etwa des beweglichen Bereichs 34, in-plane bezogen auf eine Schichtanordnung bereitzustellen. Die Begrenzungsstruktur kann einen Teil einer MEMS-Schicht 123 umfassen, wobei alternativ oder zusätzlich auch ein korrespondierender Teil der Schicht 12i bewegt werden kann. Das Strukturelement 22 kann dabei basierend auf einer Aktuierung durch die Aktuatoreinrichtung mittelbar, d. h. in direktem Kontakt stehend oder unmittelbar, etwa durch Kupplung mit entsprechenden Plattenelementen oder Verdrängungselementen, mit einem in der Kavität angeordneten Fluid interagieren. Die Begrenzungsstruktur kann eine Öffnung aufweisen, etwa die Öffnung 26i und/oder 262, die ausgebildet ist, um einen Schall in dem Fluid bzw. das Fluid selbst aus der Kavität 14 oder in die Kavität 14 zu leiten.
Wie es in der Fig. 2 ersichtlich ist, kann das Strukturelement 22 und die Begrenzungsstruktur, beispielsweise der bewegliche Bereich 34, gemeinsam eine Massestruktur eines Feder- Masse-Systems bilden und für eine durch die Aktuatoreinrichtung 18 angeregte resonante Schwingung eingerichtet sein. So kann beispielsweise eine Steifigkeit des Bereichs 22A und/oder eines anderen gekoppelten Elements eine entsprechende Federsteifigkeit für das Feder-Masse-System bereitstellen.
In anderen Worten zeigt Fig. 2 in einem Ausführungsbeispiel einen mikromechanischen Wandler mit einem mitschwingenden, beweglichen Deckel der Deckelebene als Resonator in einem ersten Grundprinzip der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist der Deckelresonator an ein aktiv auslenkbares Element gekoppelt, eine Koppelstelle des Strukturelements 22. Der Deckelresonator folgt den Bewegungen der aktiv auslenkbaren Elemente über die Koppelstelle. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Deckelresonator von dem umgebenden Substrat gelöst und beweglich, beispielsweise nicht verbunden oder elastisch verbunden. In einem ersten Zeitintervall lenken die aktiven Elemente des Aktuators in eine erste Richtung 36i oder 36s, parallel zur Substratebene aus und befördern Fluid über die schwingenden Öffnungen 262 aus dem Deckelwafer heraus. Im selben Zeitintervall wird Fluid über die Öffnungen 26i im Bodenwafer in die Kavitäten hineinbefördert. In einem zweiten Zeitintervall lenken die aktiven Elemente des Aktuators in eine zweite Richtung, die entgegengesetzt zur ersten Richtung verläuft, aus. Somit wird Fluid über die Öffnungen im Bodenwafer aus den Kavitäten herausbefördert und über die schwingenden Öffnungen im Deckelwafer in die Kavitäten hineinbefördert.
Die Fig. 3a und 3b zeigen korrespondierend zur Fig. 2 eine Darstellung von Schichten 12i und 122 (Fig. 3a) bzw. der Schicht 12s (Fig. 3b) eines MEMS 30. Gegenüber dem MEMS 20 weist das MEMS 30 mehrere benachbart zueinander angeordnete Kavitäten 14i - 143 auf, wobei die Anzahl derartiger Kavitäten einen beliebigen Wert von > 2 aufweisen kann, beispielsweise 3, 4, 5, 8, 10 oder mehr.
Eine Position des Koppelelements 22B kann dabei an einem Ort der maximalen Auslenkung des Strukturelements 22 bzw. des Bereichs 22A angeordnet sein, was sich beispielsweise mittig bei einer beidseitigen eingespannten Konfiguration einer Balkenstruktur oder am auslenkbaren Ende einer einseitig eingespannten Balkenstruktur ergeben kann.
Zwischen benachbarten Kavitäten 14i und 14p oder 14p und 143 kann eine Trennwand 38i bzw. 382 angeordnet sein, die beispielsweise aus Material der Schicht 122 gebildet sein kann und je nach Ausführungsform als auch feste Finne bezeichnet werden kann. In Ausführungsformen, bei denen die Schicht 122 gegenüber anderen Elementen bewegt wird, kann eine bewegliche Finne implementiert sein. Die Fig. 3b zeigt korrespondierend hierzu einen beweglichen Bereich 34, der mehrere Öffnungen 262 aufweist, von denen jede Öffnung 262 einer der Kavitäten 14i-14s zugeordnet ist, wobei eine Zuordnung bevorzugt zu einer jeweiligen Teilkavität der Kavität 14I-143 erfolgt.
In anderen Worten zeigt die Fig. 3a ein Ausführungsbeispiel analog zur Fig. 2 mit mehreren aktiv auslenkbaren Elementen, die je eine Koppelstelle bzw. ein Koppelelement 22B haben. Fig. 3b zeigt ein Ausführungsbeispiel analog zur Fig. 2 mit einem Deckelresonator, der an mehrere aktiv auslenkbare Elemente über die Koppelstellen angebunden ist.
Fig. 4a zeigt eine schematische Draufsicht auf das MEMS 20 mit einer Schnittlinie 42, wobei die Fig. 4b und 4c schematische Seitenschnittansichten des MEMS 20 durch die Schnittlinie 42 zu unterschiedlichen Auslenkungszuständen des MEMS 20 zeigen.
In Fig. 4b ist ein beispielhafter unausgelenkter Zustand einer Ausführung gezeigt, bei der die Schichten 12i und 122 fest miteinander verbunden sind und möglicherweise, aber nicht notwendigerweise aus demselben Material gebildet sind. Ohne weiteres können zusätzliche Schichten angeordnet sein, etwa zur Implementierung unterschiedlicher Materialsteifigkeit, einer zumindest bereichsweise vorgesehenen elektrischen Leitfähigkeit oder anderen Funktionen.
Fig. 4b zeigt eine Seitenschnittansicht in einem ersten Zustand des MEMS 20, beispielsweise einem Referenzzustand oder unausgelenkten Zustand. Demgegenüber zeigt die Fig. 4c einen ausgelenkten Zustand des MEMS 20, bei dem das Strukturelement 22 sowie die durch den beweglichen Bereich 34 gebildete Begrenzungsstruktur zur Begrenzung der Kavität 34 entlang der z-Richtung entlang der Richtung 362 ausgelenkt sind. Hierdurch entsteht der jeweilige Luftstrom 28i und 282, wobei eine Resonanzfrequenz eines entsprechenden Feder-Masse-Systems nicht nur durch das Strukturelement 22, sondern auch durch die Masse des beweglichen Bereichs 34 beeinflusst ist.
In anderen Worten zeigen die Fig. 4b und 4c eine Schnittdarstellung durch die Mitte des Bauelements 20, wobei das Strukturelement 22 oder Koppelelement zur Deckelschicht verbunden ist, zur Bodenschicht jedoch nicht. In anderen Worten zeigt Fig. 4b ein aktiv ausgelenktes Element verbunden mit einem Deckelresonator in einer nicht ausgelenkten Position. Fig. 4c ist analog zur Fig. 4b eine Auslenkung in eine erste Richtung. Dabei wird ein erster Fluidstrom durch die mitschwingende Öffnung im Deckelresonator in eine erste Kavität befördert. Im selben Moment wird ein zweiter Fluidstrom durch eine nicht bewegliche Öffnung im Bodenwafer aus einer zweiten Kavität nach außen befördert.
Fig. 5a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht durch ein MEMS 20‘ analog zur Fig. 4b, wobei anders als im MEMS 20 auch ein beweglicher Bereich 34i der Schicht 12i gegenüber der Schicht 122 beweglich ist. Hierzu kann der Bereich 22A des Strukturelements 22 aktiv und als Teil der Aktuatoreinrichtung gebildet sein und ferner über eine Koppelstelle 22Bi mit dem Bereich 34i und mit einer Koppelstelle 22B2 mit einem beweglichen Bereich 342 der Schicht 123 mechanisch fest verbunden, wobei Letzteres in Übereinstimmung mit dem MEMS 20 ist. Gegenüber dem MEMS 20 wird eine weiter erhöhte Masse genutzt, was zu tieferfrequenten Resonanzen des Feder-Masse-Schwingers führen kann. Das bedeutet, gegenüber dem MEMS 20 ist nicht nur eine der Schichten 12i oder 123, sondern sowohl der Bodenwafer als auch der Deckelwafer in Teilen beweglich.
Während die Fig. 5a einen zur Fig. 4b vergleichbaren Referenzzustand zeigt, zeigt die Fig. 5b einen ausgelenkten Zustand des MEMS 20‘. Hierdurch werden die mit dem Strukturelement 22 gekoppelten Begrenzungseinrichtungen 34i und 342 gegenüber der Schicht 122 mitbewegt. Dies kann ebenso wie bei anderen hierin beschriebenen MEMS eine Bewegung und/eine Verformung des Strukturelements umfassen.
Fig. 6 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 60 gemäß einem Ausführungsbeilspiel, bei dem die Aktuatoreinrichtung 18 ausgebildet ist, um beispielsweise die Schicht 122 gegenüber dem Strukturelement 22 auszulenken. So kann beispielsweise das Strukturelement 22 passiv gebildet sein, wobei auch bei einer aktiven Ausgestaltung eine Interaktion des Strukturelements 22 mit einem in der Kavität angeordneten Fluid bereitgestellt wird. Die Begrenzungsstruktur wird beispielsweise durch die Seitenwände der Schicht 122 gebildet, welche die Kavität 14 lateral begrenzen. Durch Bewegen der Begrenzungsstruktur, der Schicht 122, bezüglich des Strukturelements 22 des MEMS 60 kann ein vergleichbarer Effekt und eine Interaktion des Strukturelements 22 mit dem in der Kavität 14 angeordneten Fluid erhalten werden. Eine Zusatzmasse wird dabei durch die bewegte Masse der ein oder mehreren Schichten 122 bereitgestellt. Ebenso wie in den Fig. 5a und 5b wird in der Fig. 6 ein Querschnitt durch eine MEMS- Schichtstruktur mit einem mitschwingenden Deckel bzw. Deckelwafer, Bodenwafer einerseits oder einem Chiprahmen andererseits gezeigt. In den Fig. 5a und 5b sind dabei alle Luftauslassöffnungen beweglich. Die Fig. 6 zeigt gegenüber der Fig. 2 eine ergänzende Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 70 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Mehrzahl von in der Kavität 14 angeordneten Strukturelementen 22I-223 vorgesehen ist, die mit der Aktuatoreinrichtung gekoppelt sind und entlang unterschiedlicher relativer Richtungen beweglich angeordnet sind. So ist beispielsweise das Strukturelement 22i und das Strukturelement 222 entlang der Bewegungsrichtung 362 beweglich und gleichzeitig das Strukturelement 222 entlang der Bewegungsrichtung 36i . Bevorzugt sind benachbarte Strukturelemente entlang komplementärer Richtungen 36I/362 beweglich.
Zwischen benachbarten Strukturelementen 22I-223 kann eine jeweilige Teilkavität 14b und 14c angeordnet sein, die unter dem Einfluss einer Bewegung der benachbarten Strukturelemente ein veränderliches Volumen aufweist. Eine jeweilige T eilkavität 14b und 14c kann durch eine Öffnung in dem MEMS-Schichtstapel mit einer Umgebung des Schichtstapels fluidisch verbunden sein. Eine analoge Konfiguration gilt auch für Teilkavitäten 14a und 14d, zumindest in manchen Ausführungsformen, wobei hier ein Strukturelement lediglich auf einer Seite der jeweiligen Teilkavität vorgesehen sein kann. Die Anordnung von drei Strukturelementen zur beispielhaften Definition von vier Teilkavitäten 14a-14d ist dabei lediglich beispielhaft. Es können auch weniger oder mehr Strukturelemente in der Kavität angeordnet sein. Eine erste Teilmenge von Strukturelementen, bevorzugt jene, die entlang einer gleichen Richtung beweglich angeordnet sind, wie es beispielsweise für die Strukturelemente 22i und 223 einerseits und das Strukturelement 222 andererseits dargestellt ist, sind mit einer jeweiligen Begrenzungsstruktur 342 bzw. 34i mechanisch gekoppelt, wobei die Begrenzungsstrukturen 34i und 342 gegenüberliegend zueinander angeordnet sind. Ein entsprechendes Konzept lässt sich ohne weiteres auch auf das MEMS 60 übertragen, bei dem der Chiprahmen bzw. die Schicht 12i beweglich angeordnet ist. Hier könnten beispielsweise unterschiedliche Seiten gegeneinander bewegt werden oder es könnte eine erste Teilmenge von Strukturelementen ortsfest angeordnet sein und eine zweite Teilmenge beweglich. Die entsprechenden Aktuatoren können einzeln oder in Gruppen angeordnet sein und beispielsweise an den Schichten 12i und 123 angeordnete Aktuatoren umfassen oder Gruppen von Aktuatoren, die jeweils an der Schicht 12i bzw. der Schicht 12s angeordnet sind.
In anderen Worten zeigt Fig. 7 einen Querschnitt durch eine MEMS-Schichtstruktur mit zwei Gruppen von aktiv ausgelenkten Elementen und zwei Deckelresonatoren, je im Deckelwafer und im Bodenwafer. Die Aktorgruppen unterscheiden sich in der Bewegungsrichtung, d. h., wenn eine erste Gruppe in eine erste Richtung ausgelenkt wird, wird eine zweite Gruppe in eine zweite Richtung ausgelenkt. Des Weiteren unterscheiden sich die Aktorgruppen durch die Ankopplung an die Deckelresonatoren, d. h. eine erste Gruppe wird an den Deckelresonator im Deckelwafer angekoppelt, während eine zweite Gruppe an den Deckelresonator im Bodenwafer angekoppelt wird. Somit lenkt sich der Deckelresonator im Deckelwafer in eine erste Richtung aus und der Deckelresonator im Bodenwafer lenkt sich in eine zweite Richtung aus.
Fig. 8a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS 80 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Begrenzungsstruktur, beispielsweise die Schicht 12i und/oder 122, in Segmente 342,I und 342,2 unterteilt ist, wobei auch eine beliebige andere und insbesondere höhere Anzahl von Segmenten möglich ist.
In Fig. 8a ist ebenfalls erkennbar, dass bezüglich einer Teilkavität mehrere Öffnungen im Deckel und/oder Boden vorgesehen sein können, beispielsweise 2, wobei auch eine beliebige andere, höhere Anzahl vorgesehen werden kann.
In anderen Worten zeigt Fig. 8a ein MEMS-Schichtsystem mit zwei Deckelresonatoren in einem Deckelwafer. Ein erster Deckelresonator wird in eine erste Richtung ausgelenkt, wobei der zweite Deckelresonator in eine zweite Richtung ausgelenkt wird. Der erste und der zweite Deckelresonator weisen beide Öffnungen auf, durch welche ein Luftstrom orthogonal zur ersten und zweiten Auslenkungsrichtung geführt werden kann.
Fig. 8b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht durch die Schnittlinie 42. Die Segmente 342,I und 342,2 einerseits als auch optional die Segmente 34i ,1 und 34i ,2 andererseits können jeweils gegenläufig zueinander beweglich sein und mit unterschiedlichen Strukturelementen mechanisch gekoppelt sein. So kann beispielsweise das Segment 34i,i der Schicht 12i mit dem Strukturelement 222 für eine Aktuierung gekoppelt sein, die Begrenzungsstruktur 34I,2 mit dem Strukturelement 22s, die Begrenzungsstruktur 342,I mit dem Strukturelement 22i und die Begrenzungsstruktur 342,2 mit dem Strukturelement 224. Bevorzugt wird dabei eine Konfiguration, bei der benachbarte Strukturelemente 22I-224 jeweils gegenläufig zueinander bewegt werden, so dass die Aktuatorwege additiv wirken.
Die beweglichen Bereiche 34i ,2 und 342, 1 und/oder die beweglichen Bereiche 34i,i und 342,2 können mechanisch mit einer nicht dargestellten mechanischen Kopplung gekoppelt sein, um eine synchrone und gleiche Auslenkung der beweglichen Bereiche bzw. Begrenzungsstrukturen zu ermöglichen. Alternativ können die beweglichen Bereiche auch unabhängig voneinander schwingen und möglicherweise mit unterschiedlichen Massen ausgestattet sein, etwa um voneinander verschiedene Resonanzfrequenzen bereitzustellen, wobei die Akuatoreinrichtung eingerichtet sein kann, um die voneinander verschiedenen Resonanzfrequenzen anzuregen.
Unter Verweis auf die MEMS 70 und 80 beziehen sich manche Ausführungsbeispiele darauf, dass unterschiedliche Strukturelemente mit voneinander verschiedenen Begrenzungsstrukturen gekoppelt sein können und mehr als ein einziges Feder-Masse-System in dem MEMS bereitstellen können. Das bedeutet, unterschiedliche Strukturelemente können mit unterschiedlichen Begrenzungsstrukturen gekoppelt sein, um unterschiedliche Feder- Masse-Systeme bereitzustellen. Die Aktuatoreinrichtung kann ausgebildet sein, um die jeweiligen Feder-Masse-Systeme anzuregen, etwa indem das jeweilige Strukturelement zusammen mit der Begrenzungsstruktur bewegt wird. Resonanzfrequenzen der unterschiedlichen Feder-Masse-Systeme können gleich oder voneinander verschieden sein, wobei voneinander verschiedene Resonanzfrequenzen ein breiteres Abstrahlspektrum oder ein breiteres Empfangsspektrum ermöglichen und übereinstimmende Resonanzfrequenzen eine höhere Amplitude bzw. höhere Sensitivität bei einer gezielten Frequenz aufweisen können.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können auch mehrere Feder-Masse- Systeme übereinstimmende Resonanzfrequenz und mehrere Feder-Masse-Systeme unterschiedliche Resonanzfrequenz gleichzeitig aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein MEMS ausgebildet, um basierend auf der resonanten Bewegung einen Schalldruck mit einer auf einer Resonanzfrequenz der resonanten Schwingung basierenden Frequenz zu erzeugen.
Unterschiedliche Frequenzen können gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch anders erhalten werden, etwa über einen Mehr-Wege-Ansatz. In anderen Worten zeigt Fig. 8b einen Querschnitt abgeleitet aus Fig. 8a und weist zusätzlich zu den Deckelresonatoren in Fig. 8a weitere Deckelresonatoren im Bodenwafer auf. Es gibt beispielsweise vier Aktorgruppen mit je mindestens einem auslenkbaren Element. Jedes auslenkbare Element lenkt sich in eine erste oder zweite Richtung aus und ist mit einem ersten oder zweiten luftdurchströmten Deckelresonator im Deckelwafer oder im Bodenwafer gekoppelt.
Fig. 9 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 90 gemäß einem Ausführungsbeispiel zur Implementierung eines beispielhaften Zwei-Wege-Ansatzes. So können beispielsweise Strukturelemente 22i und 222 mit jeweiligen Begrenzungsstrukturen implementiert durch bewegliche Bereiche 34s bzw. 34i angeordnet sein, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit dem MEMS 70 beschrieben ist, wobei die beweglichen Bereiche 34i und/oder 34s auch segmentiert sein können und/oder mehrere Strukturelemente an einem jeweiligen Segment oder der Struktur 34i bzw. 34s angeordnet sein können.
In der Kavität 14 oder einer weiteren Kavität, die von der Kavität 14 akustisch getrennt sein kann, können zusätzliche Aktuatoren oder Elemente zur Schallerzeugung 44I-444 angeordnet sein. Diese können beispielsweise gleich oder ähnlich gebildet sein wie die Aktuatoren zur Bewegung der Strukturelemente 22i und 222, können aufgrund geringerer Masse aber für Schwingungen in höheren Frequenzbereichen f2 ausgelegt sein und insofern einen im Vergleich zu den durch die Öffnungen 26i und 262 austretenden und eine Frequenz oder Frequenzbereich T aufweisenden tieffrequenten Schall höherfrequenten Schall oder Schallbereich durch entsprechende Öffnung 46i-46s ausgeben. Eine Position der Öffnungen 46r 465 kann dabei möglicherweise auf eine Bewegungsamplitude der beweglichen Bereiche 34i und 342 abgestimmt sein, so dass entsprechende Teilkavitäten zwischen benachbarten Schallerzeugern 44I-444 mit einer jeweiligen Öffnung 46i-46s mit einer Umgebung des MEMS 90 verbunden sein können. Die Frequenzen fi und/oder f2 können dabei im für den Menschen hörbaren Bereich liegen, wobei dies nicht erforderlich ist. Es können mit den hierin beschriebenen Strukturen anwendungsspezifisch beliebige Frequenzen angeregt werden, etwa alternativ oder zusätzlich im Ultraschallbereich.
So kann beispielsweise ein Zwei-Wege-Lautsprecher implementiert werden, der sowohl einen Subwoofer, insbesondere einen vergleichsweise kleinen pSubwoofer zusammen mit einem Hochtöner (engl.: Tweeter), insbesondere einem vergleichsweise kleinen pTweeter, umfasst. Dabei kann eine Bewegung der Strukturelemente 22i und 222 als Tieftöner/Sub- woofer und eine Bewegung der Schallerzeuger 44^444 als Hochtöner genutzt werden. Gemäß Ausführungsbeispielen ist zumindest ein bewegliches Element in der Kavität 14 angeordnet, das zur Erzeugung eines Schalls in einem in der Kavität angeordneten Fluid eingerichtet ist.
In anderen Worten zeigt Fig. 9 ein MEMS-Schichtsystem mit einem Mehr-Wege-Ansatz. Analog zu Fig. 7 existieren mehrere Aktorgruppen, wobei mindestens eine weitere Gruppe existiert, die durch die Schwingung mit einer zweiten Frequenz charakterisiert werden kann. Zusätzlich zu der Ausführung in Fig. 7 existieren in beiden Deckelresonatoren Öffnungen, durch welche ein Luftstrom mit einer zweiten Frequenz f2 senkrecht zu der Auslenkung des Deckelresonators mit einer ersten Frequenz f1 befördert wird.
Fig. 10a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 100i gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dort ist die Begrenzungsstruktur beispielsweise als beweglicher Bereich 34 der Schicht 12s gebildet und zusammen mit dem Strukturelement 22 gegenüber der Schicht 12i und der Schicht 122 beweglich, wobei ohne weiteres auch eine andere Konfiguration implementierbar ist, etwa eine zusätzliche Bewegung der Schicht 12i und/oder eine Bewegung der Schicht 122 zusammen mit der Schicht 123 bzw. dem beweglichen Bereich 34.
Die Begrenzungsstruktur bzw. der bewegliche Bereich 34 kann über eine mechanische Aufhängung 48 mit einem Substrat des MEMS 100i mechanisch gekoppelt sein, beispielsweise ein verbleibender Bereich der Schicht 123, etwa der Bereich 32. Die mechanische Aufhängung 48 kann ausgebildet sein, um eine mechanische Dämpfung 52 und/oder eine mechanische Steifigkeit 54 bereitzustellen, die eine Resonanzfrequenz eines das Strukturelement 22 und die Begrenzungsstruktur 34 umfassenden Feder-Masse-Systems zumindest teilweise bestimmt. Eine entsprechende Aufhängung kann genutzt werden, um das Schwingungsverhalten einzustellen und anzupassen. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die mechanische Aufhängung 48 auch adaptiv ausgestaltet sein, um eine Anpassung des Frequenzgangs im laufenden Betrieb oder zu Justagezwecken zu ermöglichen.
In der Ausführung der Fig. 10a ist beispielsweise der Deckelwafer mit einer zusätzlichen Steifigkeit und/oder Dämpfung an das umgebende Substrat angebunden. Das MEMS 100i kann ebenso wie andere hierin beschriebene MEMS eine Steuerungseinrichtung 58 aufweisen oder mit einer solchen verbindbar sein. Die Steuerungseinrichtung 58 kann ausgebildet sein, um die Aktuatoreinrichtung zum Bewegen des Strukturelements 22 anzusteuern, um eine resonante Bewegung des Strukturelements 22 einzustellen. Eine Resonanzfrequenz der resonanten Bewegung kann von einer Masse des Strukturelements 22 und der Masse der Begrenzungsstruktur 34 beeinflusst sein. Möglicherweise, aber nicht notwendigerweise ist ein derartiges MEMS als MEMS-Lautsprecher gebildet, der ausgebildet ist, um basierend auf einer gemeinsamen Bewegung des Strukturelements 22 und der Begrenzungsstruktur 34 in der Kavität Schall in dem Fluid zu erzeugen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mechanische Aufhängung 48 aber auch so ausgestaltet sein, dass diese eine Vorzugsrichtung aufweist, entlang der die Auslenkung des Strukturelements 34 höchstens unwesentlich beeinflusst wird. So kann beispielsweise eine out-of-plane Bewegung entlang der z-Richtung beschränkt oder verhindert werden, während die mechanische Aufhängung 48 eine möglichst freie Bewegung in-plane, etwa entlang x und/oder y, zulässt. Alternativ kann eine Bewegung entlang x eingeschränkt und entlang y, d. h. entlang positiver oder negativer Bewegungsrichtung 362, höchstens unwesentlich beeinflusst werden. Dies kann eine hohe Qualität von in dem Luftstrom 28i und/oder 282 enthaltenen Luftschall ermöglichen.
In anderen Worten zeigt Fig. 10a ein Ausführungsbeispiel analog zur Fig. 2, wo der Deckelresonator im Deckelwafer durch ein Verbindungselement mit dem Substrat verbunden ist. Dabei ist das Verbindungselement fluidisch oder mechanisch ausgeführt und weist Steif ig- keits- und/oder Dämpfungseigenschaften auf.
Fig. 10b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 1002 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem MEMS 100i dahingehend modifiziert ist, dass das Strukturelement 22 die beweglichen Bereiche 34i und 342 miteinander verbindet, wie es im Zusammenhang mit dem MEMS 20‘ beschrieben ist. Obwohl es in manchen Ausführungsformen ausreichend sein kann, die mechanische Aufhängung 48i oder 482 mit lediglich einem der beweglichen Bereiche 34i bzw. 342 mechanisch zu koppeln und an dem umgebenden Substrat 32i bzw. 322 aufzuhängen, kann es vorteilhaft sein, den jeweiligen Bereich 34i über eine mechanische Aufhängung 48i an dem festen Bereich, Substrat 32i, aufzuhängen und den beweglichen Bereich 342 als weitere Begrenzungsstruktur über die mechanische Aufhängung 482 an dem festen Bereich, Substrat 322. Unabhängig hiervon kann das MEMS I OO2 ebenso wie andere hierin beschriebene MEMS eine Einrichtung 56 zur Bewegungsbegrenzung aufweisen. Die Einrichtung 56 kann ausgebildet sein, um eine maximale Auslenkung der beweglichen Struktur entlang einer oder mehrerer Richtungen zu begrenzen und eine auf das MEMS durch Überschreiten einer derartigen maximalen Auslenkung auftretenden mechanischen Überlast zu verhindern. Beispielsweise kann die Einrichtung 56 ein mechanischer Anschlag sein und/oder eine andere Form der Überlastvermeidung implementieren. Die mechanische Einrichtung 56 kann an einem beliebigen Element des MEMS angeordnet sein und insofern nicht notwendigerweise an dem Bereich 34i und/oder 34p.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich insofern auf einen MEMS- Lautsprecher mit einem Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten 12i- 123, einer in dem Schichtstapel angeordneten Kavität zur Aufnahme eines Fluids, wobei die Kavität von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur, lateral, in-plane und/oder entlang der Stapelrichtung out-of-plane zumindest teilweise begrenzt ist. Eine Aktuatoreinrichtung ist ausgebildet, um ein in der Kavität angeordnetes Strukturelement des MEMS zu Interaktion mit dem Fluid zu bewegen, um ein akustisches Signal zu erzeugen, bevorzugt vermittels einer resonanten Schwingung. Das Strukturelement 22 ist mit der Begrenzungsstruktur 34 mechanisch gekoppelt und die Aktuatoreinrichtung ist ausgebildet, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement mit zu bewegen.
In anderen Worten zeigt Fig. 10b ein Ausführungsbeispiel analog zur Fig. 10a, wo je ein Deckelresonator im Deckelwafer und im Bodenwafer zum Substrat durch Verbindungselemente, einer mechanischen Aufhängung, verbunden sind.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Aufbau, welcher mehrschichtig mit mindestens drei Schichten ausgebildet ist, wobei eine Schicht so mit einer anderen Schicht gekoppelt wird, dass für die Resonanzfrequenz einer Schwingung die Steifigkeit aus der ersten Schicht und die Masse aus der zweiten Schicht maßgeblich beeinflusst wird, wobei dies unter Verweis auf die Fig. 6 auch in derselben Schicht ausgeführt werden kann. Dabei wird die zweite Schicht bzw. eine zweite Komponente gleichzeitig als Schallführung verwendet und weist insofern Öffnungen auf. Weiter kann eine Schicht in dem Bezug zu den anderen Schichten komplett verschoben werden. Ausführungsformen beziehen sich auf eine große Chipentität als Massekörper mit integrierter Schallführung, wie es beispielsweise für die beweglichen Bereiche 34 beschrieben ist. Dazu können der Deckelwafer und/oder der Bodenwafer in Teilen als Massekörper verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Chiprahmen, die Schicht 122, als Massekörper verwendet werden, zusätzlich oder als Umkehrung zum Prinzip des Deckel/Bo- den-Massekörpers. Bei Verwendung mehrerer Strukturelemente können entsprechende Finnen oder Elemente abwechselnd am Bodenwafer und am Deckelwafer gekoppelt sein.
Die Chipentität kann über Federn und/oder Dämpfungen angekoppelt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung dergestalt ausgebildet sein, dass die Auslenkung nicht begrenzt wird, etwa durch ein Duffing, Drehung oder dergleichen. Dies ist im Zusammenhang mit der Vorzugsrichtung beschrieben. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung so ausgebildet sein, dass die Chipentität einen mechanischen Stoßschutz aufweist, um beispielsweise eine Schockfestigkeit zu erhalten. Dies ist im Zusammenhang mit der Einrichtung zur Bewegungsbegrenzung beschrieben. Wie es beispielsweise im Zusammenhang mit der Fig. 8a beschrieben ist, können symmetrische Chipbereiche beweglich gebildet sein, um einen Inertialausgleich zu ermöglichen. Mehrere Chipbereiche, d. h. mehrere bewegliche Elemente oder Resonatoren, können genutzt werden, um verschiedene Frequenzen zu erzeugen.
Hierin beschriebene MEMS-Bauelemente weisen Schichtstapel auf, die zumindest aus einer Substratschicht bestehen, in der die Elektroden und die passiven Elemente angeordnet sind. Weitere Schichten betreffen einen Boden, der auch als Handlingwafer bezeichnet werden kann und einen Deckel, der auch als Deckelwafer bezeichnet werden kann. Sowohl Deckelwafer als auch Handlingwafer können über stoffschlüssige Verfahren, vorzugsweise Bonden, mit der Substratebene verbunden sein, wodurch akustisch abgedichtete Zwischenräume in einem Bauelement entstehen können. In diesem Zwischenraum, der der Deviceebene entspricht, können sich die verformbaren Bauelemente verformen, in anderen Worten kann die Verformung in-plane erfolgen. Die Schichten können beispielsweise elektrisch leitfähige Materialien aufweisen, z. B. dotiere Haltleitermaterialien und/oder Metallmaterialien. Die schichtweise Anordnung elektrisch leitfähiger Schichten ermöglicht eine einfache Ausgestaltung, da durch selektives Herauslösen aus der Schicht Elektroden, etwa für auslenkbare Elemente und passive Elemente, gebildet werden können. Sofern elektrisch nicht leitfähige Werkstoffe angeordnet sein sollen, kann der schichtweise Auftrag dieser Werkstoffe beispielweise durch Abscheidungsverfahren erfolgen. Manche der hierin beschriebenen MEMS können beispielsweise als Lautsprecher und insbesondere in In-Ohr-Anwendungen eingesetzt werden. Bei der In-Ohr-Anwendung kann der Raum zwischen Trommelfell und Hearable eine Druckkammer darstellen, die als dicht angesehen werden kann. Für tiefe Frequenzen zeigt die sogenannte Harman-Kurve für In- Ohr-Ohrhörer eine Präferenz für höhere Schalldruckpegel. Die Gestaltung des Frequenzgangs kann durch Resonatorelemente oder eine Kombination von unterschiedlichen Aktuatoren mit verschiedenen Resonatorelementen erfolgen. Bei Nahfeldlautsprechern ergibt sich ein anderes Bild. Der Übertragungsbereich wird nach unten durch die Lage der Resonanz begrenzt; unterhalb der Resonanz nimmt der Pegel ab. Durch die Erhöhung der Aktormasse kann die Resonanzfrequenz des Aktors gesenkt werden und der Übertragungsbereich nach unten vergrößert werden. Weitere Möglichkeiten ergeben sich durch die Ankopplung zusätzlicher Resonatoren, deren Resonanz unterhalb der eigentlichen Aktorresonanz liegen kann. Zusätzliche Resonatoren benötigen in bekannten Ausgestaltungen in beiden Fällen zusätzliche Chipfläche und die Nutzfläche für Aktoren wird damit eingeschränkt bzw. die Gesamtfläche des Chips wird damit vergrößert. Die Gestaltung des Schichtsystems kann dabei so ausgeführt werden, dass die Masse aus passiven Schichten, beispielsweise wenn keine Aktoren vorhanden sind, an die Aktoren in der aktiven Schicht angekoppelt werden, dabei wird die akustische Luftführung direkt durch Öffnungen in den angekoppelten und bewegten Bereichen der passiven Schicht realisiert, was in hierin erörterten Ausführungsbeispielen implementiert ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen es, den Übertragungsbereich der Schallquellen gegenüber bekannten Lösungen zu erweitern und bestimmte Frequenzbereiche durch Resonanz zusätzlich zu verstärken. Schallquellen im Sinne dieser Anmeldung sind beispielsweise Lautsprecher, insbesondere für In-Ohr-Anwendungen und Nahfeldanwendungen, beispielsweise in Handys oder Tablets. Dabei können beide Anwendungsfälle unterschieden werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein MEMS-Schichtsystem gelöst. In einer Ebene mit einer oder mehreren Schichten des Schichtsystems sind Kavitäten ausgebildet, in denen auslenkbare Elemente angeordnet sind, die lateral zueinander beabstandet angeordnet sein können. In einer weiteren Ebene des MEMS-Schichtsystems ist eine schwingende Masse angeordnet, die entweder mit dem Substrat nicht verbunden ist oder mittels Verbindungselementen mit dem umgebenden Substrat gekoppelt ist. Die Masse und die auslenkbaren Elemente und ggf. die Verbindungselemente können zusammen einen Re- sonator bilden. Die Masse kann alternativ oder zusätzlich auch in derselben Ebene angeordnet sein. Dieser Resonator ist zu den auslenkbaren Elementen in manchen Ausführungsformen vertikal beabstandet angeordnet und bildet zugleich die Schallführung (den Deckel) mit für die Schallerzeugung und Abgabe eingerichteten Luftauslassöffnungen. Die Koppelelemente zu den auslenkbaren Elementen und die Verbindungselemente können derart ausgestaltet sein, dass eine laterale Verformung in der Ebene möglich ist. Eine Verformung senkrecht zur Ebene kann durch die Geometrie der auslenkbaren Elemente oder der Verbindungselemente reduziert, behindert oder verhindert werden. Das auslenkbare Element kann ein aktiv auslenkbares Element sein, das die bevorzugte Ausgestaltung darstellt. In Ausführungsbeispielen kann das auslenkbare Element passiv sein. Dann kann es über Koppelelemente mit einem aktiv auslenkbaren Element verbunden sein. In Manchen Anwendungsgebieten kann es bevorzugt sein, die aktiv auslenkbaren Elemente in einer anderen Ebene anzuordnen als die passiv auslenkbaren Elemente. Dies bietet den Vorteil, dass in der Ebene der aktiv auslenkbaren Elemente eine höhere Anzahl dieser als Aktuatoren bezeichneten auslenkbaren Elemente angeordnet sein kann. Das kann die aufbringbare Kraft innerhalb der Aktuatorebene erhöhen und den Füllfaktor ebenfalls erhöhen. Das bedeutet, gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein MEMS oder MEMS-Lautsprecher dergestalt ausgebildet, dass das Strukturelement passiv ausgebildet ist und ein Aktuator der Aktuatorstruktur in einer von dem Strukturelement verschiedenen Ebene oder Schicht des MEMS angeordnet ist.
Der Abstand zwischen Resonator und dem umgebenden Substrat senkrecht zur Ebene kann dabei gering bis minimal ausgestaltet sein, so dass ein akustischer Kurzschluss verhindert wird. Der Resonator beinhaltet Öffnungen für die Schallführung, die durch die Schwingbewegung des Resonators mitbewegt werden können. Die Schallenergie kann in einem derartigen Fall senkrecht zur Schichtebene aus dem MEMS-Schichtsystem austreten, während die Öffnungen lateral schwingen. Die Schwingfrequenz und die Schallfrequenz können unterschiedlich sein und durch unterschiedliche aktiv auslenkbare Elemente erzeugt werden.
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 Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung 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 mit: einem Schichtstapel (12) umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten (12i-12s) einer in dem Schichtstapel (12) angeordneten Kavität (14), die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht (12s) des Schichtstapels (12) umfassenden Begrenzungsstruktur (34; 122) zumindest teilweise begrenzt ist; einer Aktuatoreinrichtung (18), die ausgebildet ist, um ein in der Kavität (14) angeordnetes Strukturelement (12) des MEMS zu bewegen; wobei das Strukturelement (22) mit der Begrenzungsstruktur (34; 122) mechanisch gekoppelt ist und die Aktuatoreinrichtung (18) ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur (34; 122) mit dem Strukturelement (22) mit zu bewegen.
2. MEMS gemäß Anspruch 1 , bei dem die MEMS-Schichten (12I-123) entlang einer zu einer Schichtebene senkrechtangeordneten Stapelrichtung (16) benachbart zueinander in dem Schichtstapel (12) angeordnet sind und die Aktuatoreinrichtung (18) ausgebildet ist, um eine Bewegung der Begrenzungsstruktur (34; 122) in-plane parallel zu der Schichtebene bereitzustellen.
3. MEMS gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Begrenzungsstruktur (34) einen Teil einer MEMS-Schicht (12i, 122) umfasst, die einen Boden oder einen Deckel der Kavität (14) bereitstellt.
4. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Begrenzungsstruktur einen Teil einer MEMS-Schicht (122) umfasst, die die Kavität (14) lateral begrenzt.
5. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Begrenzungsstruktur (34) eine erste Teilstruktur (34i) und eine zweite Teilstruktur (342) umfasst, wobei das Strukturelement (22) zwischen der ersten Teilstruktur (34i) und der zweiten Teilstruktur (342) angeordnet ist.
6. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Masse der Begrenzungsstruktur (34; 122) größer ist als eine Masse des Strukturelements (22).
7. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Aktuatoreinrichtung (18) ausgebildet ist, um eine Bewegung der Begrenzungsstruktur (34; 122) in- plane bezogen auf eine Schichtanordnung bereitzustellen; und die Begrenzungsstruktur (34) einen Teil einer MEMS-Schicht (12i, 12s) umfasst, die einen Boden oder einen Deckel der Kavität (14) bereitstellt.
8. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Strukturelement (22) ausgebildet ist, um basierend auf einer Aktuierung mittelbar oder unmittelbar mit einem in der Kavität (14) angeordneten Fluid zu interagieren; wobei die Begrenzungsstruktur (34; 122) eine Öffnung (26) aufweist, die ausgebildet ist, um einen Schall in dem Fluid aus der Kavität (14) oder in die Kavität (14) zu leiten.
9. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Strukturelement (22) und die Begrenzungsstruktur (34; 122) gemeinsam eine Massestruktur eines Fe- der-Masse-Systems bilden und für eine durch die Aktuatoreinrichtung (18) angeregte resonante Schwingung eingerichtet sind.
10. MEMS gemäß Anspruch 9, bei dem das Strukturelement (22) ein erstes Strukturelement (22i) ist, bei dem die Begrenzungsstruktur (34) eine erste Begrenzungsstruktur (34i,i) ist und bei dem das Feder-Masse-System ein erstes Feder-Masse-System ist; wobei das MEMS ein zweites Strukturelement (222) aufweist, das mit einer zweiten Begrenzungsstruktur (34I,2) mechanisch gekoppelt ist und eine Massestruktur eines zweiten Feder-Masse-Systems bildet, wobei die Aktuatoreinrichtung (18) ausgebildet ist, um die zweite Begrenzungsstruktur (34i ,2) mit dem zweiten Strukturelement (222) mit zu bewegen; wobei eine erste Resonanzfrequenz des ersten Feder-Masse-Systems von einer zweiten Resonanzfrequenz des zweiten Feder-Masse-Systems verschieden ist.
11. MEMS gemäß Anspruch 9 oder 10, das ferner zumindest ein bewegliches Element (44) in der Kavität (14) aufweist, das zur Erzeugung eines Schalls in einem in der Kavität (14) angeordneten Fluid eingerichtet ist.
12. MEMS gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11 , das ausgebildet ist, um basierend auf der resonanten Bewegung einen Schalldruck mit einer auf einer Resonanzfrequenz der resonanten Schwingung basierenden Frequenz zu erzeugen.
13. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Mehrzahl von in der Kavität (14) angeordneten Strukturelementen (22I-223) die mit der Aktuatoreinrichtung (18) gekoppelt sind und entlang unterschiedlicher Richtungen (36i , 36s) beweglich angeordnet sind; wobei eine erste Teilmenge der Mehrzahl von Strukturelementen (222) mit der Begrenzungsstruktur (34i) als erste Begrenzungsstruktur mechanisch gekoppelt ist und eine zweite Teilmenge der der Mehrzahl von Strukturelementen (22i, 223) mit einer gegenüberliegend angeordneten zweiten Begrenzungsstruktur (342) mechanisch gekoppelt ist.
14. MEMS gemäß Anspruch 13, bei dem die erste Begrenzungsstruktur (34i) und/oder die zweite Begrenzungsstruktur (342) in Segmente (34i ,I-342,2) segmentiert ist, die gegenläufig zueinander beweglich angeordnet sind und mit unterschiedlichen Strukturelementen (22) mechanisch gekoppelt sind.
15. MEMS gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem zwischen benachbarten Strukturelementen (22) eine Teilkavität (14b-d) der Kavität (14) angeordnet ist, die unter dem Einfluss einer Bewegung der benachbarten Strukturelemente (22) ein veränderliches Volumen aufweist, und die Teilkavität (14b-d) durch eine Öffnung (26) in dem Schichtstapel (12) mit einer Umgebung des Schichtstapels (12) fluidisch verbunden ist.
16. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Begrenzungsstruktur (34; 122) über eine mechanische Aufhängung (48) mit einem Substrat des MEMS mechanisch gekoppelt ist; wobei die Aufhängung (48) ausgebildet ist, um eine mechanische Dämpfung (52) und/oder eine mechanische Steifigkeit (54) bereitzustellen, die eine Resonanzfrequenz eines das Strukturelement (22) und die Begrenzungsstruktur (34; 122) umfassenden Feder-Masse-Systems zumindest teilweise bestimmt.
17. MEMS gemäß Anspruch 16, bei dem die mechanische Aufhängung (48) eine Vorzugsrichtung aufweist, entlang der die Auslenkung des Strukturelements (22) höchstens unwesentlich beeinflusst wird
18. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das eine Einrichtung (56) zur Bewegungsbegrenzung aufweist, die ausgebildet ist, um eine maximale Auslenkung der Begrenzungsstruktur (22) zu begrenzen und eine auf das MEMS durch Überschreiten der maximalen Auslenkung auftretende mechanische Überlast zu verhindern.
19. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das eine Steuerungseinrichtung (58) aufweist, die ausgebildet ist, um die Aktuatoreinrichtung (18) anzusteuern, um eine resonante Bewegung des Strukturelements (22) einzustellen; wobei eine Resonanzfrequenz der resonanten Bewegung von einer Masse des Strukturelements (22) und einer Masse der Begrenzungsstruktur (34; 122) beeinflusst ist.
20. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Strukturelement (22) an einem diskreten Bereich mit der Begrenzungsstruktur (34; 122) mechanisch gekoppelt ist und der diskrete Bereich an einem Ort maximaler Auslenkung des Strukturelements (22) angeordnet ist.
21. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Strukturelement (22) eine beidseitig eingespannte Balkenstruktur umfasst, die ausgebildet ist, um sich bezogen auf eine MEMS-Schicht (12i-12s) in-plane zu verformen und die Begrenzungsstruktur (34; 122) out-of-plane zu dem Strukturelement (22) angeordnet ist.
22. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das als MEMS-Lautsprecher gebildet ist, der ausgebildet ist, um basierend auf einer gemeinsamen Bewegung des Strukturelements (22) und der Begrenzungsstruktur (34; 122) in der Kavität (14) Schall zu erzeugen.
23. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Strukturelement (22) Teil der Aktuatoreinrichtung (18) ist und benachbarte, an diskreten Bereichen mit einander fest verbundene und in-plane verformbare Balkenelemente aufweist, die ausgebildet sind, um eine Verformung des Strukturelements (22) in-plane bezogen auf den Schichtstapel (12) bereitzustellen.
MEMS mit: einen Schichtstapel (12) umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten (12i-12s); einer in dem Schichtstapel (12) angeordneten Kavität (14), die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht (12i-12s) des Schichtstapels (12) umfassenden Begrenzungsstruktur (34; 122) zumindest teilweise begrenzt ist; ein in der Kavität (14) angeordnetes Strukturelement (22); einer Aktuatoreinrichtung (18), die ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur (34; 122) bezüglich des Strukturelements (22) des MEMS zu bewegen, um eine Interaktion des Strukturelements (22) mit einem in der Kavität (14) angeordneten Fluid zu bereitzustellen. MEMS-Lautsprecher mit: einen Schichtstapel (12) umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten (12i-12s); einer in dem Schichtstapel (12) angeordneten Kavität (14) zur Aufnahme eins Fluids, die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht (12i-123) des Schichtstapels (12) umfassenden Begrenzungsstruktur (34; 122) zumindest teilweise begrenzt ist; einer Aktuatoreinrichtung (18), die ausgebildet ist, um ein in der Kavität (14) angeordnetes Strukturelement (22) des MEMS zu Interaktion mit dem Fluid zu bewegen, um ein akustisches Signal in der Kavität (14) zu erzeugen; wobei das Strukturelement (22) mit der Begrenzungsstruktur (34; 122) mechanisch gekoppelt ist und die Aktuatoreinrichtung (18) ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur (34; 122) mit dem Strukturelement (22) mit zu bewegen. Verfahren zum Herstellen eines MEMS mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Schichtstapels (12) umfassend eine Mehrzahl von MEMS- Schichten (12I-123), mit einer in dem Schichtstapel (12) angeordneten Kavität (14), die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht (12i-12s) des Schichtstapels (12) umfassenden Begrenzungsstruktur (34; 122) zumindest teilweise begrenzt ist;
Bereitstellen einer Aktuatoreinrichtung (18), die ausgebildet ist, um ein in der Kavität (14) angeordnetes Strukturelement (22) des MEMS zu bewegen; so dass das Strukturelement (22) mit der Begrenzungsstruktur (34; 122) mechanisch gekoppelt ist und die Aktuatoreinrichtung (18) ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur (34; 122) mit dem Strukturelement (22) mit zu bewegen.
27. Verfahren zum Herstellen eines MEMS mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Schichtstapels (12) umfassend eine Mehrzahl von MEMS- Schichten (12I-123), mit einer in dem Schichtstapel (12) angeordneten Kavität (14), die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht (12i-123) des Schichtstapels (12) umfassenden Begrenzungsstruktur (34; 122) zumindest teilweise begrenzt ist;
Anordnen eines Strukturelements (22) in der Kavität (14);
Bereitstellen einer Aktuatoreinrichtung (18), die ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur (34; 122) bezüglich des Strukturelements (22) des MEMS zu bewegen, um eine Interaktion des Strukturelements (22) mit einem in der Kavität (14) angeordneten Fluid zu bereitzustellen.
28. Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Lautsprechers mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Schichtstapels (12) umfassend eine Mehrzahl von MEMS- Schichten (12i-123); und einer in dem Schichtstapel (12) angeordneten Kavität (14) zur Aufnahme eins Fluids, so dass die Kavität (14) von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht (12I-123) des Schichtstapels (12) umfassenden Begrenzungsstruktur (34; 122) zumindest teilweise begrenzt ist;
Bereitstellen einer Aktuatoreinrichtung (18), die ausgebildet ist, um ein in der Kavität (14) angeordnetes Strukturelement (22) des MEMS zu Interaktion mit dem Fluid zu bewegen, um ein akustisches Signal in der Kavität (14) zu erzeugen; so dass das Strukturelement (22) mit der Begrenzungsstruktur (34; 122) mechanisch gekoppelt ist und die Aktuatoreinrichtung (18) ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur (34; 122) mit dem Strukturelement (22) mit zu bewegen.
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