DE102012216996A1 - Micro-electromechanical systems (MEMS) sound transducer of MEMS sound transducer arrangement, has diaphragm whose projection is arranged above projection of substrate, and whose recess is extended themselves into recess of substrate - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen MEMS-Schallwandler, eine MEMS-Schallwandleranordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Schallwandlers.The present invention relates to a MEMS sound transducer, a MEMS sound transducer arrangement and a method for producing a MEMS sound transducer.
Stand der TechnikState of the art
Unter einem Schallwandler versteht man eine Vorrichtung, welche ausgebildet ist, ein Signal, beispielsweise ein elektrisches Signal, in eine Schallwelle zu wandeln, bzw. in umgekehrter Weise einen Schall in ein Signal zu wandeln. Ein Lautsprecher, welcher zur Erzeugung von Schall verwendet wird, ist ebenfalls als ein Schallwandler anzusehen. A sound transducer is understood to mean a device which is designed to convert a signal, for example an electrical signal, into a sound wave or, conversely, to convert a sound into a signal. A loudspeaker used to generate sound is also to be regarded as a sound transducer.
Lautsprecher werden in den unterschiedlichsten Ausführungen zur Verfügung gestellt und finden in Lautsprecherboxen, Radios, Fernseher, Handsprechfunkgeräten oder Laptops Verwendung, und dienen der Erzeugung und Übertagung von akustischen Signalen.Loudspeakers are available in a variety of designs and are used in loudspeakers, radios, televisions, walkie-talkies or laptops, and are used to generate and transmit acoustic signals.
Zur Erzeugung einer Schallwelle wird eine beweglich gelagerte Membran ausgelenkt und in Schwingungen versetzt, so dass eine Schallwelle mit einem bestimmten Frequenzspektrum entsteht. Bei Lautsprechern ist man im Allgemeinen bestrebt, diese so kostengünstig wie möglich herzustellen. Ferner ist man im Allgemeinen bestrebt, die Effizienz eines Lautsprechers so groß wie möglich zu machen.To generate a sound wave, a movably mounted membrane is deflected and vibrated, so that a sound wave with a certain frequency spectrum is formed. Speakers are generally endeavored to make them as cheaply as possible. Furthermore, one generally strives to make the efficiency of a loudspeaker as large as possible.
Bei heute üblichen Lautsprechertypen werden die meist im Digitalformat vorliegenden Wiedergabesignale über einen Digital-/Analog-Umsetzer als Analogsignal auf den Lautsprecher aufgebracht. Im Gegensatz dazu entfällt bei sogenannten digitalen Lautsprechern der D/A-Wandler und der Lautsprecher wird direkt mit Binärsignalen angesteuert. Diese Lautsprechertypen können aus vielen einzelnen Einheiten zur Schallwandlung bestehen, sogenannte Arrays aus MEMS-Schallwandlerelementen. Die mit hoher Taktfrequenz geschalteten Schallwandlerelemente verursachen dann ein Schallsignal durch binäre Impulse. Derartige digitale Lautsprecher sind auch als MEMS-Lautsprecher bekannt und werden bereits in mikromechanischen Strukturen gefertigt. Grundsätzlich nutzen die genannten Wandlertypen nur eine zweidimensionale frei schwingende Membran beziehungsweise Fläche, um die mechanischen Schwingungen der Membran auf das Medium, z. B. Luft, zu übertragen.In today's conventional speaker types, the most present in digital format playback signals are applied via a digital / analog converter as an analog signal to the speaker. In contrast, so-called digital loudspeakers eliminate the D / A converter and the loudspeaker is directly controlled by binary signals. These speaker types can consist of many individual units for sound conversion, so-called arrays of MEMS sound transducer elements. The switched at high frequency sound transducer elements then cause a sound signal through binary pulses. Such digital speakers are also known as MEMS speakers and are already manufactured in micromechanical structures. Basically, the mentioned converter types use only a two-dimensional freely oscillating membrane or surface to the mechanical vibrations of the membrane on the medium, for. As air to transfer.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung offenbart einen MEMS-Schallwandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine MEMS-Schallwandleranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Schallwandlers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. The present invention discloses a MEMS sound transducer having the features of
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein MEMS-Schallwandler, mit einem elektrisch leitfähigen Substrat, an welchem eine erste elektrische Spannung anlegbar ist, und welches eine Oberseite aufweist, mit einer elektrisch leitfähigen flexiblen Membran, welche auf der Oberseite des Substrats angeordnet ist, und an welcher eine zweite elektrische Spannung anlegbar ist, wobei die Membran beim Anlegen der ersten und zweiten elektrischen Spannung bezüglich des Substrats zur Erzeugung von Schallwellen auslenkbar ist, wobei die Membran eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen aufweist und das Substrat eine entsprechende Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wobei die Erhebungen der Membran oberhalb den Erhebungen des Substrats verlaufen und die Vertiefungen der Membran sich in die Vertiefungen des Substrats erstrecken.Accordingly, it is provided:
A MEMS sound transducer with an electrically conductive substrate to which a first electrical voltage can be applied, and which has an upper side, with an electrically conductive flexible membrane, which is arranged on top of the substrate, and on which a second electrical voltage can be applied wherein the membrane is deflectable upon application of the first and second electrical voltages with respect to the substrate for generating sound waves, wherein the membrane has a plurality of protrusions and depressions and the substrate has a corresponding plurality of protrusions and depressions, wherein the elevations of the membrane extend above the elevations of the substrate and the recesses of the membrane extend into the recesses of the substrate.
Ferner ist eine MEMS-Schallwandleranordnung vorgesehen, mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen MEMS-Schallwandlern, welche in Reihen und/oder Spalten angeordnet sind und unabhängig voneinander mittels einer Steuereinrichtung ansteuerbar sind. Furthermore, a MEMS sound transducer arrangement is provided, with a multiplicity of MEMS sound transducers according to the invention, which are arranged in rows and / or columns and can be controlled independently of one another by means of a control device.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Schallwandlers mit den folgenden Verfahrensschritten zu Verfügung gestellt:
- a) Bereitstellen eines elektrisch leitfähigen Substrats;
- b) Einbringen einer Vielzahl von Vertiefungen in das Substrat und/oder Aufbringen einer Vielzahl von Erhebungen auf das Substrat;
- c) Befestigen einer elektrisch leitfähigen und flexiblen Membran auf das Substrat, deren Form der Form des Substrates entspricht.
- a) providing an electrically conductive substrate;
- b) introducing a plurality of depressions into the substrate and / or applying a plurality of protrusions to the substrate;
- c) attaching an electrically conductive and flexible membrane to the substrate whose shape corresponds to the shape of the substrate.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass die Membran durch eine derartige Ausbildung eine Oberflächenvergrößerung aufweist, sodass sich der Wirkungsgrad des Schallwandlers signifikant erhöht. Ferner kann durch die vergrößerte Oberfläche der Materialeinsatz zur Herstellung des Schallwandlers verringert werden, sodass sich dadurch eine Kostenersparnis bei der Herstellung des Schallwandlers ergibt.The finding underlying the present invention is that the membrane has a surface enlargement by such a design, so that the efficiency of the transducer significantly increases. Furthermore, the increased surface area of the material used for the production of the transducer can be reduced, thereby resulting in a cost savings in the production of the transducer.
Die Schallabstrahlung erfolgt bei einem derart ausgestalteten Schallwandler nicht nur orthogonal zur Ebene der Membran, sondern in mindestens eine weitere Richtung. Die Membran schwingt dabei orthogonal bezüglich des Substrats und ermöglicht so eine Schallausbreitung in alle Raumrichtungen.In such a configured sound transducer, the sound emission is not only orthogonal to the plane of the membrane, but in at least one other direction. The membrane oscillates orthogonally with respect to the substrate and thus allows sound propagation in all spatial directions.
Zwischen den Erhebungen sind Vertiefungen ausgebildet, welche den Effekt einer Impedanzanpassung haben. In den Vertiefungen bilden sich Bereiche, in welchen ein höherer Druck erzeugt werden kann, aufgrund der Eingrenzung des Raumes zwischen den Erhebungen, sodass der Übergang der Schallwelle von der Membran auf die Luft nicht an einen starken und abrupten Dichteübergang stößt. In dem Bereich der Vertiefung wird ein Schallkanal ausgebildet, welcher von den Erhebungen zumindest teilweise umschlossen ist. Dieser Schallkanal wirkt als ein Impedanztransformator, welcher den zwischen den Membranwänden entstehenden Schalldruck sehr effektiv in Schallschnelle transformiert und auf diese Weise eine verbesserte Impedanzanpassung des MEMS-Schallwandlers bewirkt, wodurch die effektive Lautstärke des MEMS-Schallwandlers weiter gesteigert werden kann. Wells are formed between the protrusions which have the effect of impedance matching. In the depressions, areas are formed in which a higher pressure can be generated because of the confinement of the space between the elevations, so that the transition of the sound wave from the membrane to the air does not encounter a strong and abrupt density transition. In the region of the depression, a sound channel is formed, which is at least partially enclosed by the elevations. This sound channel acts as an impedance transformer, which very effectively transforms the sound pressure arising between the membrane walls into sound velocity and in this way effects an improved impedance matching of the MEMS sound transducer, whereby the effective volume of the MEMS sound transducer can be further increased.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims and from the description with reference to the figures.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Erhebungen im Querschnitt eine im Wesentlichen rechteckige und/oder halbkreisförmige Form auf. Auch eine pyramidenförmige, pyramidenstumpfförmige, schwalbenschwanzförmige und/oder dreieckförmige Ausbildung der Erhebungen ist möglich. Selbstverständlich können diese Formen der Erhebungen je nach Einsatzgebiet und Randbedingungen des MEMS-Schallwandlers kombiniert werden. Auf diese Weise lässt sich die Abstrahlcharakteristik sowie die Impedanzanpassung an das jeweilige Übertragungsmedium sehr gut anpassen. In an advantageous embodiment, the elevations have a substantially rectangular and / or semicircular shape in cross section. Also, a pyramidal, truncated pyramidal, dovetailed and / or triangular formation of the surveys is possible. Of course, these shapes of the surveys can be combined depending on the application and boundary conditions of the MEMS sound transducer. In this way, the emission characteristics and the impedance matching to the respective transmission medium can be adapted very well.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Erhebungen eine rechteckige und/oder kreisförmige Grundfläche auf. Auch eine dreieckförmige und/oder ellipsoide Grundfläche ist denkbar und möglich. Auch auf diese Weise lässt sich die Abstrahlcharakteristik des MEMS-Schallwandlers gut an die jeweiligen Randbedingungen anpassen. Selbstverständlich können auch verschiede Grundflächen kombiniert werden und Verwendung finden.According to a further embodiment of the invention, the elevations have a rectangular and / or circular base surface. Also, a triangular and / or ellipsoidal base is conceivable and possible. In this way, the emission characteristic of the MEMS transducer can be well adapted to the respective boundary conditions. Of course, different base areas can be combined and used.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform entspricht die Höhe einer Erhebung einem Vielfachen der Breite einer Vertiefung. Auch auf diese Weise kann die Impedanzanpassung auf die gewünschten Werte angepasst werden. According to a further embodiment, the height of a survey corresponds to a multiple of the width of a depression. Also in this way, the impedance matching can be adjusted to the desired values.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Membran eine rechteckförmige und/oder kreisförmige Grundfläche auf. Auf diese Weise kann der MEMS-Schallwandler an die unterschiedlichsten Randbedingungen angepasst werden.According to a further embodiment, the membrane has a rectangular and / or circular base surface. In this way, the MEMS sound transducer can be adapted to a wide variety of boundary conditions.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen dem Substrat und der Membran allseitig konstant ist. Durch diese Ausbildung erfolgt die Schallabstrahlung des MEMS-Schallwandlers sehr gleichmäßig über die gesamte Fläche der Membran. According to a further embodiment, the substrate is designed such that the distance between the substrate and the membrane is constant on all sides. With this design, the sound radiation of the MEMS transducer is very uniform over the entire surface of the membrane.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Substrat und der Membran zumindest eine dielektrische Abstützung vorgesehen, welche einen direkten Kontakt des Substrats mit der Membran verhindert. Auf diese Weise wird ein Verhaken oder Festkleben der Membran an das Substrat verhindert. Ferner wird auf diese Weise ein Kurzschluss zwischen der Membran und dem Substrat verhindert. Die dielektrische Abstützung kann an allen Stellen zwischen der Membran und dem Substrat vorgesehen sein.According to a further embodiment of the invention, at least one dielectric support is provided between the substrate and the membrane, which prevents direct contact of the substrate with the membrane. In this way, a snagging or sticking of the membrane to the substrate is prevented. Furthermore, a short circuit between the membrane and the substrate is prevented in this way. The dielectric support may be provided at all locations between the membrane and the substrate.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bedeckt die Membran das Substrat vollständig. Auf diese Weise wird verhindert, dass Schmutz und/oder Fremdkörper zwischen das Substrat und die Membran eindringen können. Dadurch wird die Lebensdauer des MEMS-Schallwandlers erhöht. According to another embodiment, the membrane completely covers the substrate. In this way it is prevented that dirt and / or foreign bodies can penetrate between the substrate and the membrane. This increases the lifetime of the MEMS transducer.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.The above embodiments and developments can, if appropriate, combine with each other as desired. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention which have not been explicitly mentioned above or described below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:The present invention will be described below with reference to the schematic figures of Drawings specified embodiments explained in more detail. It shows:
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen.In all figures, the same or functionally identical elements and devices - unless otherwise stated - provided with the same reference numerals.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Der in
Der MEMS-Schallwandler
Durch die Ausbildung der Membran
Zudem kommt es zu dem Effekt der verbesserten Impedanzanpassung des MEMS-Schallwandlers
Des Weiteren erkennt man in der
Durch das dreidimensionale Profil der Membran
Die einzelnen MEMS-Schallwandler
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways. In particular, the invention can be varied or modified in many ways without deviating from the gist of the invention.
Der erfindungsgemäße Schallwandler kann beispielsweise auch als Mikrophon verwendet werden. Ebenfalls kann der erfindungsgemäße Schwallwandler zur Erzeugung von Ultraschall und/oder Druckwellen eingesetzt werden.The sound transducer according to the invention can also be used for example as a microphone. Likewise, the surge transducer according to the invention can be used to generate ultrasound and / or pressure waves.
Auch ist das Material des Substrats und der Membran nicht auf ein bestimmtes Material eingeschränkt. Beispielsweise kann der MEMS-Schallwandler aus Silicium ausgebildet sein. Jedoch können auch andere Materialien, wie z. B. mit elektrisch leitfähigem Material beschichteter Kunststoff, für die Ausbildung der Membran und/oder des Substrats verwendet werden.Also, the material of the substrate and the membrane is not limited to a particular material. For example, the MEMS transducer may be formed of silicon. However, other materials, such as. B. coated with electrically conductive material plastic, are used for the formation of the membrane and / or the substrate.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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