DE102017203912A1 - Micromechanical membrane device for a loudspeaker - Google Patents

Micromechanical membrane device for a loudspeaker Download PDF

Info

Publication number
DE102017203912A1
DE102017203912A1 DE102017203912.4A DE102017203912A DE102017203912A1 DE 102017203912 A1 DE102017203912 A1 DE 102017203912A1 DE 102017203912 A DE102017203912 A DE 102017203912A DE 102017203912 A1 DE102017203912 A1 DE 102017203912A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
membrane
spring
loudspeaker
micromechanical
membrane device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102017203912.4A
Other languages
German (de)
Inventor
Thomas Buck
Kerrin DOESSEL
Thomas Northemann
Stefan Leidich
Janine Riedich-Moeller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102017203912.4A priority Critical patent/DE102017203912A1/en
Publication of DE102017203912A1 publication Critical patent/DE102017203912A1/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R31/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of transducers or diaphragms therefor
    • H04R31/003—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of transducers or diaphragms therefor for diaphragms or their outer suspension
    • 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
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/02—Loudspeakers
    • 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
    • H04R1/02—Casings; Cabinets ; Supports therefor; Mountings therein
    • H04R1/023—Screens for loudspeakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Audible-Bandwidth Dynamoelectric Transducers Other Than Pickups (AREA)

Abstract

Mikromechanische Membraneinrichtung (100) für einen Lautsprecher, aufweisend: – ein Rahmenelement (10); – ein Membranelement (20) mit einem Federelement (30), wobei das Membranelement (20) mittels des Federelements (30) an das Rahmenelement (10) angebunden ist; – ein Abdeckelement (60), das ausgebildet ist, ein abgeschlossenes Rückvolumen (50) zwischen dem Membranelement (20) mit dem Federelement (30) und dem Abdeckelement (60) bereitzustellen; und – ein luftdichtes Dichtelement (40), welches mit dem Membranelement (20) und mit dem Federelement (30) kontaktierend ausgebildet ist.A micromechanical membrane device (100) for a loudspeaker, comprising: - a frame element (10); - A membrane element (20) having a spring element (30), wherein the membrane element (20) by means of the spring element (30) is connected to the frame element (10); - A cover member (60) adapted to provide a closed back volume (50) between the membrane element (20) with the spring element (30) and the cover member (60); and - an airtight sealing element (40) which is formed with the membrane element (20) and with the spring element (30) contacting.

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Membraneinrichtung für einen Lautsprecher. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Membraneinrichtung für einen Lautsprecher.The invention relates to a micromechanical membrane device for a loudspeaker. The invention further relates to a method for producing a micromechanical membrane device for a loudspeaker.

Stand der TechnikState of the art

Lautsprecher sind Wandler, die ein elektrisches Eingangssignal in mechanische Schwingungen, als Schall wahrnehmbar, umwandeln. Lautsprecher dienen meist zur Schallerzeugung zur Wiedergabe von Sprache und Musik für den Menschen mit einem typischen Arbeitsbereich von ca. 20 Hz bis ca. 20 kHz. Die Baugröße variiert zwischen Millimeter großen Formen, die im Ohr getragen werden können (sogenannte „In-ear-Kopfhörer“) bis hin zu mehreren Metern für die Beschallung von Konzerten.Speakers are transducers that convert an input electrical signal into mechanical vibrations perceived as sound. Speakers are usually used to generate sound for the reproduction of speech and music for humans with a typical working range of about 20 Hz to about 20 kHz. The size varies between millimeter-sized forms that can be worn in the ear (so-called "in-ear headphones") up to several meters for the sound of concerts.

Zur Wandlung elektrischer Signale in Schallwellen wird ein Medium durch elektrische Energie in mechanische Schwingungen versetzt. Diese Funktion übernimmt eine Membran. Ein Lautsprecher besteht daher in den meisten Fällen aus drei Komponentengruppen: der Membran, der Antriebseinheit sowie deren verbindenden Elementen.To convert electrical signals into sound waves, a medium is set into mechanical vibrations by electrical energy. This function is handled by a membrane. A loudspeaker therefore consists in most cases of three component groups: the diaphragm, the drive unit and their connecting elements.

Bei klassischen Lautsprechern wird bevorzugt der elektrodynamische Antrieb eingesetzt. Dieser basiert auf einer freibeweglichen, stromdurchflossenen Spule, die sich im Feld eines fixierten, äußeren Magneten befindet. Ein Stromfluss durch die Spule im umgebenden Magnetfeld bewirkt eine Kraft (die sogenannte Lorentzkraft) auf die frei bewegliche Spule in vertikaler Richtung. Durch die vertikale mechanische Bewegung der Spule wird die angebundene Membran zur Schwingung angeregt, die wiederum Schallwellen direkt in die umgebende Luft abstrahlt.In classical speakers, the electrodynamic drive is preferably used. This is based on a freely moving, current-carrying coil, which is located in the field of a fixed, external magnet. A current flow through the coil in the surrounding magnetic field causes a force (the so-called Lorentz force) on the freely movable coil in the vertical direction. Due to the vertical mechanical movement of the coil, the tethered membrane is excited to vibrate, which in turn emits sound waves directly into the surrounding air.

Bei piezoelektrischen Lautsprechern erfolgt die Auslenkung der Membran über eine dünne piezoelektrische Schicht. Durch Anlegen einer tonfrequenten elektrischen Spannung an den Elektroden auf dem piezoelektrischen Material beginnt dieses sich mit der Frequenz zu verformen. Diese mechanische Schwingung wird auf die Membran übertragen, die Schallwellen direkt in die umgebende Luft abstrahlt.In piezoelectric loudspeakers, the deflection of the membrane takes place via a thin piezoelectric layer. By applying a sound frequency electrical voltage to the electrodes on the piezoelectric material, this begins to deform at the frequency. This mechanical vibration is transmitted to the membrane, which emits sound waves directly into the surrounding air.

Kapazitive bzw. elektrostatische Lautsprecher wiederum arbeiten mit einem hochtransformierten Signal, das über Statoren auf eine unter konstanter elektrischer Spannung stehende Membran wirkt.Capacitive or electrostatic loudspeakers, in turn, work with a highly transformed signal, which acts via stators on a membrane under constant electrical tension.

Wenn ein Lautsprecher frei im Raum schwebend ohne Trennwand oder ohne Gehäuse betrieben wird, können die von beiden Membranseiten abgestrahlten Schallwellen sich derart überlagern, dass sich der entstandene Druck auf der Membranvorderseite und der Unterdruck auf der Membranrückseite gegenseitig fast auslöschen, wie es bei einem in 1 dargestellten Lautsprecher mit einem Membranelement 20 und einer Antriebseinrichtung 70 angedeutet ist. Dadurch fällt der Schalldruck stark ab, sodass ein Zuhörer in einem Abstand größer als die Wellenlänge keinen Ton mehr wahrnimmt. Diese Verminderung der Schallabstrahlung aufgrund des direkten Druckausgleiches bezeichnet man als „akustischen Kurzschluss“.If a loudspeaker is freely suspended in the room without partition wall or housing, the sound waves radiated from both sides of the membrane can overlap so that the resulting pressure on the front of the membrane and the negative pressure on the back of the membrane almost cancel each other out 1 shown speaker with a membrane element 20 and a drive device 70 is indicated. As a result, the sound pressure drops sharply, so that a listener at a distance greater than the wavelength no longer perceives sound. This reduction of the sound radiation due to the direct pressure equalization is called "acoustic short circuit".

Die einfachsten Abhilfen gegen den akustischen Kurzschluss sind ein abgeschlossenes Gehäuse oder eine Schallwand, die die abgestrahlten Schallwellen auf der Vorder- und Rückseite der Membran voneinander trennen, sodass kein direkter akustischer Kurzschluss mehr stattfinden kann. Dies ist in den 2 und 3 dargestellt ist, die einen Lautsprecher mit einem Membranelement 20, einer Antriebseinrichtung 70 und einem Dichtelement 40 zeigen.The simplest remedies to the acoustic short circuit are a sealed enclosure or baffle that separates the radiated sound waves on the front and back of the membrane so that a direct acoustic short can no longer occur. This is in the 2 and 3 is shown, which is a speaker with a membrane element 20 , a drive device 70 and a sealing element 40 demonstrate.

Neben dem abgeschlossenen Gehäuse oder der Trennwand dient die Membran selbst zur Separation zwischen der Luft auf Vorder- bzw. Rückseite. Kleinste Öffnungen (z.B. Schlitze oder Risse) in der Membran könnten dazu führen, dass der rückseitig abgestrahlte Schall durch die Membran hindurch auf die Vorderseite gelangen könnte und so einen akustischen Kurzschluss verursachen könnte. Daher ist eine luftundurchlässige Membran für die Vermeidung eines akustischen Kurzschluss wesentlich.In addition to the enclosed housing or the dividing wall, the membrane itself serves for the separation between the air on the front and rear side. Smallest openings (e.g., slits or tears) in the membrane could cause the radiated back sound to pass through the membrane to the front, causing an acoustic short. Therefore, an air-impermeable membrane is essential for avoiding an acoustic short circuit.

Der Trend zu mikroelektronischen Bauteilen und Mikrosystemen mit integrierten Sensoren und Aktoren ist unaufhaltsam, spätestens seit dem deutlichen Zuwachs an mobilen Endgeräten. Viele der für mobile Geräte notwendigen Komponenten wurden bereits mit Hilfe der sogenannten MEMS-Technologie miniaturisiert und integriert. Bekannt sind elektrodynamisch arbeitende Miniaturlautsprecher, die heutzutage in vielen mobilen Endgeräten, wie z.B. Smartphones, Tablets, Laptops, usw. zu finden sind.The trend towards microelectronic components and microsystems with integrated sensors and actuators is unstoppable, at least since the significant increase in mobile devices. Many of the components required for mobile devices have already been miniaturized and integrated using MEMS technology. Electrodynamically operating miniature loudspeakers known in many mobile terminals today, such as e.g. Smartphones, tablets, laptops, etc. are to be found.

Nachteile dieser Miniaturlautsprecher sind eine unbefriedigende Klangqualität und zu große Abmessungen. Eine unbefriedigende Klangqualität entsteht dadurch, dass ab einer bestimmten elektrischen Eingangsspannung die Lautsprecher übersteuert werden. Dann verändert sich die gleichmäßige Bewegung der Lautsprechermembran und es kommt zu Verformungen (Nichtlinearität) des Auslenkungssignals. Das Ergebnis ist ein sogenanntes Klirren am Lautsprecher und damit eine Verschlechterung der Klangqualität. Je kleiner der Lautsprecher ist, desto schneller ist diese Übersteuerung erreicht.Disadvantages of these miniature speakers are an unsatisfactory sound quality and too large dimensions. An unsatisfactory sound quality results from the fact that the loudspeakers are overdriven from a certain electrical input voltage. Then the uniform movement of the loudspeaker diaphragm changes and deformations (nonlinearity) of the deflection signal occur. The result is a so-called clinking on the speaker and thus a deterioration of the sound quality. The smaller the speaker, the faster this overdrive is achieved.

Weitere Probleme konventioneller Lautsprecher sind, dass durch ihren klassischen Aufbau der Miniaturisierung physikalische und fertigungstechnische Grenzen gesetzt sind und deren Produktion verschiedenste Materialien und Montageschritte erfordern. Außerdem ist die Verarbeitung auf den Mainboards von Endgeräten sehr schwierig und die Lautsprecher unterliegen unerwünschten Qualitätsschwankungen.Further problems of conventional loudspeakers are that their classical construction of the miniaturization physical and production limits are set and whose production requires a variety of materials and assembly steps. In addition, the processing on the motherboards of terminals is very difficult and the speakers are subject to undesirable quality variations.

Die Fertigung der Lautsprecher auf Si-Wafern (MEMS-Technologie) bringt markante Vorteile, wie z.B. eine höhere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sowie kostengünstigere Herstellungs- und Packagingprozesse im Vergleich zur gegenwärtigen Herstellungstechnologie mit sich.The fabrication of the speakers on Si wafers (MEMS technology) brings significant advantages, such as: higher accuracy and reproducibility, as well as lower cost manufacturing and packaging processes compared to current manufacturing technology.

4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines konventionellen, elektrodynamisch angetriebenen MEMS-Lautsprechers. Der in Siliziumtechnologie gefertigte Lautsprecher besteht aus einer Silizium-Membran 20, die durch Silizium-Federn 30 am Rand freibeweglich aufgehängt ist. Auf der Membran 20 ist eine Antriebseinrichtung 70 in Form einer Kupferspule mit Zuleitungen aufgebracht, wobei ein Permanentmagnet am Rand der Membran 20 platziert ist. Auf die stromdurchflossene Spule im Magnetfeld wirkt die Lorentzkraft, die die Membran 20 zu mechanischen Schwingungen anregt. 4 shows a perspective view of a conventional electrodynamically driven MEMS speaker. The silicon-made loudspeaker consists of a silicon membrane 20 passing through silicon springs 30 is suspended freely on the edge. On the membrane 20 is a drive device 70 applied in the form of a copper coil with leads, with a permanent magnet at the edge of the membrane 20 is placed. On the current-carrying coil in the magnetic field acts the Lorentz force, the membrane 20 stimulates mechanical vibrations.

Fünf mögliche unterschiedliche Designvarianten von Federstrukturen, die in MEMS-Technologie gefertigt werden können zeigen die Abbildungen a) bis e) von 5.Five possible different design variants of spring structures which can be manufactured using MEMS technology are shown in FIGS. A) to e) of FIG 5 ,

Bekannt sind auch elektrodynamisch angetriebene MEMS-Lautsprecher, bei denen als Membran eine dünne Schicht aus metallischem Glas zum Einsatz kommt. In Verbindung mit einer dispensierten Magnetpaste und einer Mikrospule wird dabei eine Kupfertechnologie für den MEMS-Lautsprecher realisiert (nicht dargestellt).Also known are electrodynamically driven MEMS speakers in which a thin layer of metallic glass is used as the membrane. In conjunction with a dispensed magnetic paste and a microcoil while a copper technology for the MEMS speaker is realized (not shown).

Bekannt sind ferner piezoelektrisch angetriebene MEMS-Membraneinrichtungen, die in 6 dargestellt ist und die für mobile Kommunikationsgeräte, wie z.B. Tablets, Laptops und Kopfhörer eingesetzt werden kann. Erkennbar ist ein Membranelement 20, um welches Federelemente 30 angeordnet sind.Also known are piezoelectrically driven MEMS membrane devices, which in 6 is shown and which can be used for mobile communication devices, such as tablets, laptops and headphones. Visible is a membrane element 20 to which spring elements 30 are arranged.

Bekannt ist auch ein kapazitiver MEMS-Lautsprecher, der eine Membran aus Graphen aufweist, das ein sehr leichtes und starkes Material darstellt und darüber hinaus auch noch elektrisch leitfähig ist. Eine Auslenkung der Membran wird elektrostatisch durch darüber und darunter liegende perforierte Platten aus Silizium bewirkt (nicht dargestellt).Also known is a capacitive MEMS speaker, which has a membrane made of graphene, which is a very light and strong material and is also still electrically conductive. Deflection of the membrane is effected electrostatically by perforated silicon plates above and below it (not shown).

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Membraneinrichtung für einen MEMS-Lautsprecher bereit zu stellen.It is an object of the present invention to provide an improved membrane device for a MEMS speaker.

Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer mikromechanischen Membraneinrichtung für einen Lautsprecher, aufweisend:

  • – ein Rahmenelement;
  • – ein Membranelement mit einem Federelement, wobei das Membranelement mittels des Federelements an das Rahmenelement angebunden ist;
  • – ein Abdeckelement, das ausgebildet ist, ein abgeschlossenes Rückvolumen zwischen dem Membranelement mit dem Federelement und dem Abdeckelement bereitzustellen; und
  • – ein luftdichtes Dichtelement, welches mit dem Membranelement und mit dem Federelement kontaktierend ausgebildet ist.
According to a first aspect, the object is achieved with a micromechanical membrane device for a loudspeaker, comprising:
  • A frame element;
  • - A membrane element with a spring element, wherein the membrane element is connected by means of the spring element to the frame member;
  • A cover member configured to provide a closed back volume between the diaphragm member with the spring member and the cover member; and
  • - An airtight sealing element which is formed with the membrane element and the spring element contacting.

Mittels des luftdichten Dichtelements wird ein akustischer Kurzschluss verhindert, weil Luft nicht nachströmen kann. Auf diese Weise wird eine verbesserte Betriebscharakteristik für die mikromechanische Membraneinrichtung des Lautsprechers bereitgestellt.By means of the airtight sealing element, an acoustic short circuit is prevented, because air can not flow. In this way, an improved operating characteristic for the micromechanical membrane device of the loudspeaker is provided.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Membraneinrichtung für einen Lautsprecher, aufweisend die Schritte:

  • – Bereitstellen eines Rahmenelements;
  • – Bereitstellen eines Membranelements mit einem Federelement, wobei das Membranelement mittels des Federelements an das Rahmenelement angebunden wird;
  • – Bereitstellen eines Abdeckelements, das ausgebildet ist, ein abgeschlossenes Rückvolumen zwischen dem Membranelement mit dem Federelement und dem Abdeckelement bereitzustellen; und
  • – Bereitstellen eines luftdichten Dichtelements, welches mit dem Membranelement und mit dem Federelement kontaktierend ausgebildet wird.
According to a second aspect, the object is achieved with a method for producing a micromechanical membrane device for a loudspeaker, comprising the steps:
  • - providing a frame element;
  • - Providing a membrane element with a spring element, wherein the membrane element is connected by means of the spring element to the frame member;
  • Providing a cover member configured to provide a closed back volume between the diaphragm member with the spring member and the cover member; and
  • - Providing an airtight sealing element, which is formed with the membrane element and the spring element contacting.

Vorteilhafte Weiterbildungen der mikromechanischen Membraneinrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Advantageous developments of the micromechanical membrane device are the subject of dependent claims.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Membraneinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das luftdichte Dichtelement eine Polymerschicht ist. Dadurch wird ein flexibles, luftdichtes Dichtelement bereitgestellt, das einfach aufzubringen ist.An advantageous development of the membrane device is characterized in that the airtight sealing element is a polymer layer. Thereby, a flexible, airtight sealing element is provided, which is easy to apply.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Membraneinrichtung sieht vor, dass das luftdichte Dichtelement eine Graphenschicht ist. Auf diese Weise wird eine alternative Realisierungsmöglichkeit für ein flexibles, luftdichtes Dichtelement bereitgestellt.A further advantageous development of the membrane device provides that the airtight sealing element is a graphene layer. To this This provides an alternative realization possibility for a flexible, airtight sealing element.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Membraneinrichtung sehen vor, dass das luftdichte Dichtelement oberhalb oder unterhalb des Membranelements mit dem Federelement angeordnet ist. Auf diese Weise werden vorteilhaft zwei unterschiedliche Positionierungsmöglichkeiten für das luftdichte Dichtelement bereitgestellt.Further advantageous developments of the membrane device provide that the airtight sealing element is arranged above or below the membrane element with the spring element. In this way, two different positioning possibilities for the airtight sealing element are advantageously provided.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Membraneinrichtung sehen vor, dass das Abdeckelement ein Wafer oder ein Verpackungselement ist. Auf diese Weise werden unterschiedliche Möglichkeiten für die Ausbildung des abgeschlossenen Rückvolumens bereitgestellt.Further advantageous developments of the membrane device provide that the cover element is a wafer or a packaging element. In this way, different possibilities for the training of the completed return volume are provided.

Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren, sowie unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen.The invention will be described below with further features and advantages with reference to several figures in detail. In this case, all features, regardless of their representation in the description and in the figures, as well as regardless of their dependency in the claims, the subject of the present invention. The figures are primarily intended to illustrate the principles essential to the invention and are not necessarily drawn to scale. Same or functionally identical elements have the same reference numerals.

Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die mikromechanische Membraneinrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Membraneinrichtung ergeben und umgekehrt.Disclosed method features are analogous to corresponding disclosed device features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and embodiments relating to the micromechanical membrane device result analogously from corresponding embodiments, features and advantages of the method for producing a micromechanical membrane device and vice versa.

In den Figuren zeigt:In the figures shows:

1 eine Darstellung eines herkömmlichen Lautsprechers zur Erläuterung eines akustischen Kurzschlusses; 1 a representation of a conventional speaker for explaining an acoustic short circuit;

2, 3 Darstellungen eines herkömmlichen Lautsprechers mit Einrichtungen zur Verhinderung des akustischen Kurzschlusses; 2 . 3 Representations of a conventional speaker with means for preventing the acoustic short circuit;

4 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen MEMS-Lautsprechers; 4 a perspective view of a conventional MEMS speaker;

5 Ansichten von Federelementen für einen MEMS-Lautsprecher; 5 Views of Spring Elements for a MEMS Speaker;

6 eine Darstellung eines herkömmlichen MEMS-Lautsprechers mit Piezoantrieb; 6 a representation of a conventional MEMS speaker with piezo drive;

7 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer vorgeschlagenen Membraneinrichtung; 7 a plan view of an embodiment of a proposed membrane device;

8 eine Querschnittsansicht auf eine Ausführungsforme einer vorgeschlagenen Membraneinrichtung; und 8th a cross-sectional view of an embodiment of a proposed membrane device; and

9 einen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Membraneinrichtung für einen MEMS-Lautsprecher. 9 a sequence of a method for producing a micromechanical membrane device for a MEMS speaker.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht insbesondere darin, eine verbesserte Membraneinrichtung für einen MEMS-Lautsprecher bereitzustellen. Wie oben bereits erläutert, bestehen MEMS-Lautsprecher in der Regel aus einer Membran (bzw. einer Platte), die durch freibewegliche Federn in einem Rahmen eingespannt ist. Unter Verwendung von Silizium-Technologie können Membran und Federn aus einem Wafer gefertigt werden. Um Membran und Federn in vertikaler Richtung frei beweglich zu gestalten, ist es unerlässlich, dass die Federn am Rand mittels eines Tiefenätzprozesses freigestellt werden.A basic idea of the invention is, in particular, to provide an improved membrane device for a MEMS loudspeaker. As already explained above, MEMS loudspeakers usually consist of a membrane (or a plate), which is clamped by freely movable springs in a frame. Using silicon technology, membrane and springs can be made from a wafer. In order to make membrane and springs freely movable in the vertical direction, it is essential that the springs are exposed at the edge by means of a Tiefenätzprozesses.

Die dadurch entstehenden kleinen Luftspalte an den Federrändern, wie in den 4 bis 6 dargestellt, stellen eine wesentliche Ursache für das Vorliegen eines akustischen Kurzschluss dar: Aufgrund der Luftspalte ist nämlich eine Separation zwischen der Luft auf der Vorder- und Rückseite des Membranelements 20 nicht mehr gegeben. Rückseitig abgestrahlte Schallwellen können durch die freigeätzten Luftspalte hindurch auf die Vorderseite des Membranelements 20 dringen und auf diese Weise einen akustischen Kurzschluss verursachen. Aufgrund des dadurch bewirkten direkten Druckausgleiches wird die Schallabstrahlung des Lautsprechers stark vermindert und seine volle Funktionsfähigkeit ist nicht mehr gewährleistet.The resulting small air gaps at the spring edges, as in the 4 to 6 In fact, because of the air gaps, there is a separation between the air on the front and back of the membrane element 20 not given anymore. Sound waves radiated from the back can pass through the etched-off air gaps onto the front side of the membrane element 20 penetrate and cause an acoustic short circuit in this way. Due to the resulting direct pressure equalization the sound radiation of the speaker is greatly reduced and its full functionality is no longer guaranteed.

Die Erfindung schlägt einen Aufbau einer luftundurchlässigen MEMS-basierten Lautsprechereinrichtung vor, die über freistehende Federn an einem äußeren Rahmen aufgehängt ist. Um den genannten akustischen Kurzschluss zu vermeiden, werden die Federn und die Membran mittels einer flexiblen, luftdichten Schicht zur Umgebungsluft hin abgedichtet.The invention proposes a structure of an airtight MEMS-based loudspeaker device which is suspended on freestanding springs on an outer frame. In order to avoid the mentioned acoustic short circuit, the springs and the membrane are sealed by means of a flexible, airtight layer towards the ambient air.

Anforderungen an die flexible, luftdichte Schicht sind zum einen eine geringe Masse und eine geringe Federsteifigkeit, um die Membranschwingung nicht zu beeinflussen und zum anderen eine hohe Zugfestigkeit und Robustheit gegenüber Auslenkungen bereitzustellen. Geeignete Materialien für die Realisierung der flexiblen, luftdichten Schicht sind z.B. Polymere oder Graphen.Requirements for the flexible, airtight layer are on the one hand a low mass and a low spring stiffness, in order not to influence the membrane vibration and on the other hand to provide a high tensile strength and robustness against deflections. Suitable materials for the realization of the flexible, airtight layer are e.g. Polymers or graphene.

Vorteilhaft kann durch die Verwendung der flexiblen, luftdichten Schicht ein akustischer Kurzschluss bei MEMS-basierten Lautsprechereinrichtungen vermieden werden. Die Funktionen der Membran, Federn und der luftdichten Schicht sind vorteilhaft klar voneinander getrennt und diesen Bauteilen zugeordnet. Dies ermöglicht vorteilhaft eine separate Optimierung der flexiblen Federn, der leichten und starren Membran und der luftdichten, flexiblen Schicht.Advantageously, by using the flexible, airtight layer, an acoustic short circuit in MEMS-based speaker devices can be avoided. The functions of the membrane, springs and the airtight layer are advantageously clearly separated from each other and assigned to these components. This advantageously allows separate optimization of the flexible springs, the light and rigid membrane and the airtight, flexible layer.

Dadurch sind ferner eine hohe Flexibilität der Anordnung und der Auslegung der Federn, der Membran und der luftdichten Schicht unterstützt. Zudem ergeben sich dadurch vorteilhaft die hohe Präzision und Reproduzierbarkeit der gefertigten Geometrien durch Verwendung von MEMS-Technologie zur Herstellung der Lautsprechermembran, der Federn und der luftdichten Schicht, was in einer guten und reproduzierbaren Klangqualität der damit ausgestatteten MEMS-Lautsprecher resultiert.This also supports a high flexibility of the arrangement and the design of the springs, the membrane and the airtight layer. In addition, this advantageously results in the high precision and reproducibility of the manufactured geometries by using MEMS technology for producing the loudspeaker diaphragm, the springs and the airtight layer, resulting in a good and reproducible sound quality of the MEMS loudspeakers equipped therewith.

7 zeigt eine Draufsicht auf ein mittels MEMS-Technologie realisierbare Lautsprecher-Membranelement 20, das am Rand durch frei bewegliche Federelemente 30 in einem äußeren Rahmenelement 10 befestigt bzw. „eingespannt“ ist. Das Membranelement 20, das Federelement 30 und das äußere Rahmenelement 10 können aus einem einzelnen Siliziumwafer gefertigt werden. Die Federelemente 30 am Rand des Membranelements 20 können dabei mittels bekannter Standardverfahren der Halbleitertechnologie strukturiert werden. Dazu werden gezielt Gräben in das Material geätzt, um den Rand der Federelemente 30 zu definieren. Sowohl das Membranelement 20 als auch die Federelemente 30 sind freistehend. Dies kann mithilfe eines Tiefenätzprozesses realisiert werden, bei dem der Si-Wafer von der Rückseite bis auf die gewünschte Dicke des Membranelements 20 weggeätzt wird. 7 shows a plan view of a realizable by MEMS technology speaker membrane element 20 , at the edge by freely movable spring elements 30 in an outer frame element 10 fixed or "clamped" is. The membrane element 20 , the spring element 30 and the outer frame member 10 can be made from a single silicon wafer. The spring elements 30 at the edge of the membrane element 20 can be structured by known standard methods of semiconductor technology. For this purpose, trenches are etched into the material to the edge of the spring elements 30 define. Both the membrane element 20 as well as the spring elements 30 are freestanding. This can be realized by means of a deep etching process, in which the Si wafer from the back to the desired thickness of the membrane element 20 is etched away.

8 zeigt eine Querschnittsansicht der in 7 dargestellten Anordnung mit dem unterätzten Membranelement 20 und der Struktur der Federelemente 30. Ein abgeschlossenes Rückvolumen 50 unter der Membran-Feder-Struktur erreicht man durch ein geeignetes Abdeckelement 60, das z.B. als ein Verpackungselement (engl. package) oder als ein weiterer Wafer, der auf die Rückseite der Anordnung gebondet wird, ausgebildet ist. 8th shows a cross-sectional view of in 7 illustrated arrangement with the undercut membrane element 20 and the structure of the spring elements 30 , A completed back volume 50 Under the membrane-spring structure can be achieved by a suitable cover 60 which is formed, for example, as a packaging element or as another wafer which is bonded to the back side of the device.

Um einen akustischen Kurzschluss zwischen der Membranvorderseite und dem Rückvolumen 50 zu vermeiden, wird die Membran-Feder-Struktur mit einem flexiblen, luftdichten, d.h. luftundurchlässigen, schichtförmigen Dichtelement 40 abgedichtet. Das Dichtelement 40 kann dabei wahlweise auf die Oberseite oder auf die Unterseite des Membranelements 20 mit den Federelementen 30 kontaktierend aufgebracht werden. Geeignete Materialien für das flexible, luftdichte, schichtförmige Dichtelement 40 sind zum Beispiel Polymere oder Graphen.To create an acoustic short between the front of the membrane and the back volume 50 To avoid, the membrane spring structure with a flexible, airtight, ie air-impermeable, layer-shaped sealing element 40 sealed. The sealing element 40 can either on the top or on the underside of the membrane element 20 with the spring elements 30 be applied contacting. Suitable materials for the flexible, airtight, layered sealing element 40 are for example polymers or graphene.

Im Ergebnis weist die derart bereitgestellte mikromechanische Membraneinrichtung 100 eine hohe Flexibilität in Bezug auf das Design der Membran 20 und der Federelemente 30 auf. So können zum Beispiel auch die in 5 dargestellten Designs der Federstrukturen verwendet werden.As a result, the micromechanical membrane device thus provided has 100 a high degree of flexibility with regard to the design of the membrane 20 and the spring elements 30 on. For example, the in 5 illustrated designs of the spring structures are used.

9 zeigt einen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Membraneinrichtung für einen Lautsprecher: 9 1 shows a sequence of a method for producing a micromechanical membrane device for a loudspeaker:

In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen eines Rahmenelements 10 durchgeführt.In one step 200 becomes a provision of a frame element 10 carried out.

In einem Schritt 210 wird ein Bereitstellen eines Membranelements 20 mit einem Federelement 30 durchgeführt, wobei das Membranelement 20 mittels des Federelements 30 an das Rahmenelement 10 angebunden wird.In one step 210 becomes a provision of a membrane element 20 with a spring element 30 performed, wherein the membrane element 20 by means of the spring element 30 to the frame element 10 is connected.

In einem Schritt 220 wird ein Bereitstellen eines Abdeckelements 60 durchgeführt, das ausgebildet ist, ein abgeschlossenes Rückvolumen 50 zwischen dem Membranelement 20 mit dem Federelement 30 und dem Abdeckelement 60 bereitzustellen.In one step 220 becomes a provision of a cover member 60 performed, which is formed, a closed back volume 50 between the membrane element 20 with the spring element 30 and the cover member 60 provide.

In einem Schritt 230 wird ein Bereitstellen eines luftdichten Dichtelements 40 durchgeführt, welches mit dem Membranelement 20 und mit dem Federelement 30 kontaktierend ausgebildet wird.In one step 230 becomes a provision of an airtight sealing element 40 performed, which with the membrane element 20 and with the spring element 30 is formed contacting.

Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine mikromechanische Membraneinrichtung für einen Lautsprecher bereitgestellt, mit der vorteilhaft ein akustischer Kurzschluss verhindert bzw. wenigstens sehr stark reduziert werden kann.In summary, the present invention provides a micromechanical membrane device for a loudspeaker with which advantageously an acoustic short circuit can be prevented or at least greatly reduced.

Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the invention has been described above by means of concrete examples of application, the person skilled in the art can realize previously or only partially disclosed embodiments, without departing from the gist of the invention.

Claims (11)

Mikromechanische Membraneinrichtung (100) für einen Lautsprecher, aufweisend: – ein Rahmenelement (10); – ein Membranelement (20) mit einem Federelement (30), wobei das Membranelement (20) mittels des Federelements (30) an das Rahmenelement (10) angebunden ist; – ein Abdeckelement (60), das ausgebildet ist, ein abgeschlossenes Rückvolumen (50) zwischen dem Membranelement (20) mit dem Federelement (30) und dem Abdeckelement (60) bereitzustellen; und – ein luftdichtes Dichtelement (40), welches mit dem Membranelement (20) und mit dem Federelement (30) kontaktierend ausgebildet ist.Micromechanical membrane device ( 100 ) for a loudspeaker, comprising: - a frame element ( 10 ); A membrane element ( 20 ) with a spring element ( 30 ), wherein the membrane element ( 20 ) by means of the spring element ( 30 ) to the frame element ( 10 ) is connected; A cover element ( 60 ), which is designed to have a closed back volume ( 50 ) between the membrane element ( 20 ) with the spring element ( 30 ) and the cover element ( 60 ) to provide; and An airtight sealing element ( 40 ), which with the membrane element ( 20 ) and with the spring element ( 30 ) is formed contacting. Mikromechanische Membraneinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das luftdichte Dichtelement (40) eine Polymerschicht ist.Micromechanical membrane device ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the airtight sealing element ( 40 ) is a polymer layer. Mikromechanische Membraneinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das luftdichte Dichtelement (40) eine Graphenschicht ist.Micromechanical membrane device ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the airtight sealing element ( 40 ) is a graphene layer. Mikromechanische Membraneinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das luftdichte Dichtelement (40) oberhalb oder unterhalb des Membranelements (20) mit dem Federelement (30) angeordnet ist.Micromechanical membrane device ( 100 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the airtight sealing element ( 40 ) above or below the membrane element ( 20 ) with the spring element ( 30 ) is arranged. Mikromechanische Membraneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (60) ein Wafer ist. Micromechanical membrane device ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the cover element ( 60 ) is a wafer. Mikromechanische Membraneinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (60) ein Verpackungselement ist.Micromechanical membrane device ( 100 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cover element ( 60 ) is a packaging element. Lautsprecher aufweisend eine mikromechanische Membraneinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.Loudspeaker comprising a micromechanical membrane device ( 100 ) according to one of claims 1 to 6. Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Membraneinrichtung (100) für einen Lautsprecher, aufweisend die Schritte: – Bereitstellen eines Rahmenelements (10); – Bereitstellen eines Membranelements (20) mit einem Federelement (30), wobei das Membranelement (20) mittels des Federelements (30) an das Rahmenelement (10) angebunden wird; – Bereitstellen eines Abdeckelements (60), das ausgebildet ist, ein abgeschlossenes Rückvolumen (50) zwischen dem Membranelement (20) mit dem Federelement (30) und dem Abdeckelement (60) bereitzustellen; und – Bereitstellen eines luftdichten Dichtelements (40), welches mit dem Membranelement (20) und mit dem Federelement (30) kontaktierend ausgebildet wird.Method for producing a micromechanical membrane device ( 100 ) for a loudspeaker, comprising the steps: - providing a frame element ( 10 ); Providing a membrane element ( 20 ) with a spring element ( 30 ), wherein the membrane element ( 20 ) by means of the spring element ( 30 ) to the frame element ( 10 ) is connected; Providing a cover element ( 60 ), which is designed to have a closed back volume ( 50 ) between the membrane element ( 20 ) with the spring element ( 30 ) and the cover element ( 60 ) to provide; and - providing an airtight sealing element ( 40 ), which with the membrane element ( 20 ) and with the spring element ( 30 ) is formed contacting. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das luftdichte Dichtelement (40) oberhalb oder unterhalb des Membranelements (20) mit dem Federelement (30) angeordnet wird.Method according to claim 8, wherein the airtight sealing element ( 40 ) above or below the membrane element ( 20 ) with the spring element ( 30 ) is arranged. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei als luftdichtes Dichtelement (40) eine Graphenschicht oder eine Polymerschicht verwendet wird.A method according to claim 8 or 9, wherein as an airtight sealing element ( 40 ) a graphene layer or a polymer layer is used. Verwendung einer mikromechanischen Membraneinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Lautsprecher.Use of a micromechanical membrane device ( 100 ) according to one of claims 1 to 6 in a loudspeaker.
DE102017203912.4A 2017-03-09 2017-03-09 Micromechanical membrane device for a loudspeaker Ceased DE102017203912A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017203912.4A DE102017203912A1 (en) 2017-03-09 2017-03-09 Micromechanical membrane device for a loudspeaker

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017203912.4A DE102017203912A1 (en) 2017-03-09 2017-03-09 Micromechanical membrane device for a loudspeaker

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102017203912A1 true DE102017203912A1 (en) 2017-07-20

Family

ID=59256087

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017203912.4A Ceased DE102017203912A1 (en) 2017-03-09 2017-03-09 Micromechanical membrane device for a loudspeaker

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102017203912A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020033445A1 (en) * 2018-08-08 2020-02-13 The Regents Of The University Of California Acoustic transducer including a modified membrane

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014204712A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Infineon Technologies Ag MEMS Acoustic Converter, MEMS Microphone, MEMS Micro Speaker, Speaker Array, and Method of Making an Acoustic Converter
US20140291781A1 (en) * 2013-03-26 2014-10-02 Stmicroelectronics S.R.I. Method of packaging a mems transducer device and packaged mems transducer device
US20150125984A1 (en) * 2013-03-12 2015-05-07 Invensense, Inc. Low Frequency Response Microphone Diaphragm Structures And Methods For Producing The Same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150125984A1 (en) * 2013-03-12 2015-05-07 Invensense, Inc. Low Frequency Response Microphone Diaphragm Structures And Methods For Producing The Same
DE102014204712A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Infineon Technologies Ag MEMS Acoustic Converter, MEMS Microphone, MEMS Micro Speaker, Speaker Array, and Method of Making an Acoustic Converter
US20140291781A1 (en) * 2013-03-26 2014-10-02 Stmicroelectronics S.R.I. Method of packaging a mems transducer device and packaged mems transducer device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020033445A1 (en) * 2018-08-08 2020-02-13 The Regents Of The University Of California Acoustic transducer including a modified membrane
US11589164B2 (en) 2018-08-08 2023-02-21 The Regents Of The University Of California Acoustic transducer including a modified membrane

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102012220819B4 (en) SOUND TRANSFORMERS WITH A FIRST AND A SECOND QUANTITY OF MATCHING COMB
EP3590271B1 (en) Loudspeaker unit comprising an electrodynamic loudspeaker and a mems loudspeaker
DE102016114454A1 (en) System and method for a pump loudspeaker
EP4247006A2 (en) Micromechanical acoustic transducer
DE10316287B3 (en) Directional microphone for hearing aid having 2 acoustically coupled membranes each coupled to respective sound entry opening
EP2242288A1 (en) Microphone with adjustable characteristics
WO2018193109A1 (en) Mems converter for interaction with a volume flow rate of a fluid, and method for producing same
DE112007002441T5 (en) Non-directional miniature microphone
DE102015210919A1 (en) A MEMS transducer for interacting with a volumetric flow of a fluid and method of making the same
EP1506691B1 (en) Loudspeaker
DE102016201872A1 (en) MEMS speaker device and corresponding manufacturing method
DE102013211943A1 (en) Microelectromechanical system (MEMS) structure e.g. pressure sensor used in MEMS device, has adjustable ventilation opening that is passively actuated as function of pressure difference between preset space and predetermined space
DE102015111527A1 (en) Vibrating actuator
EP3799440A1 (en) Sound transducer unit for generating and / or detecting sound waves in the audible wavelength range and / or in the ultrasonic range
DE102021133848A1 (en) MEMS DEVICE WITH ELECTRODES AND A DIELECTRIC
Garud et al. A novel MEMS speaker with peripheral electrostatic actuation
WO1999060819A1 (en) Sound reproduction device working according to the bending wave principle
DE102012223605A1 (en) MEMS device for generating pressure pulses
DE102017203912A1 (en) Micromechanical membrane device for a loudspeaker
CN111373764A (en) Loudspeaker device
DE102005031601B4 (en) Capacitive micromechanical microphone
US10524060B2 (en) MEMS device having novel air flow restrictor
Glacer et al. Silicon microspeaker with out-of-plane displacement
WO2022180161A1 (en) Mems acoustic transducer array
WO2020229466A1 (en) Acoustic bending transducer system and acoustic device

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R230 Request for early publication
R016 Response to examination communication
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final