DE102017208911A1

DE102017208911A1 - Mikromechanischer Schallwandler

Info

Publication number: DE102017208911A1
Application number: DE102017208911.3A
Authority: DE
Inventors: Fabian Stoppel; Bernhard Wagner; Shanshan Gu-Stoppel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2018-11-29
Also published as: JP2023029908A; JP7303121B2; EP3632135B1; EP3632135A2; CN111034223A; EP4247006A2; WO2018215669A2; EP4247005A3; CN116668926A; US20200100033A1; US11350217B2; EP4247006A3; JP2020522178A; WO2018215669A3; EP4247005A2

Abstract

Ein mikromechanischer Schallwandler umfasst entsprechend einem ersten Aspekt einen ersten Biegeaktuator mit einem freien Ende und einem zweiten Biegeaktuator mit einem freien Ende, die in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wobei das freie Ende des ersten Biegeaktuators von dem freien Ende des zweiten Biegeaktuators durch einen Spalt getrennt ist. Der zweite Biegeaktuator wird phasengleich zu der Schwingung des ersten Biegeaktuators angeregt. Ein mikromechanischer Schallwandler umfasst gemäß einem zweiten Aspekt einen ersten Biegeaktuator und einen vertikal zu dem ersten Biegeaktuator erstreckendes Blendenelement, das durch einen Spalt von einem freien Ende des ersten Biegeaktuators getrennt ist.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen mikromechanischen Schallwandler mit mindestens einem Biegeaktuator und miniaturisierten Spalt sowie auf einen miniaturisierten Schallwandler mit einem kaskadierten Biegeaktuator. Zusätzliche Ausführungsbeispiele beziehen sich auf entsprechende Herstellungsverfahren.
Während MEMS in nahezu allen Bereichen Einzug erhalten haben, werden miniaturisierte Schallwandler nach wie vor in Feinwerktechnik hergestellt. Diese sogenannten „Microspeaker“ basieren auf dem elektrodynamischen Antriebssystem, bei dem mittels einer sich in einem permanenten Magnetfeld bewegenden Tauchspule eine Membran ausgelenkt wird. Ein wesentlicher Nachteil dieser konventionellen elektrodynamischen Schallwandler ist die geringe Effizienz und der daraus folgende hohe Leistungsverbrauch von oftmals über einem Watt. Darüber hinaus verfügen derartige Schallwandler über keinerlei Positionssensorik, sodass die Bewegung der Membran ungeregelt ist und bei höheren Schalldruckpegeln hohe Verzerrungen auftreten. Weitere Nachteile liegen in hohen Serienstreuungen sowie relativ großen Bauhöhen von meist über 3 mm.
Aufgrund hochpräziser Herstellungsverfahren sowie energieeffizienter Antriebsprinzipien haben MEMS das Potenzial, diese Nachteile zu überwinden und eine neue Generation von Schallwandlern zu ermöglichen. Ein grundlegendes Problem stellen bislang jedoch die zu niedrigen Schalldruckpegel von MEMS-Schallwandlern dar. Die primäre Ursache hierfür liegt in der Schwierigkeit, bei möglichst kleinen Abmessungen ausreichend hohe Hubbewegungen zu erzeugen. Erschwerend kommt dazu, dass zur Unterbindung eines akustischen Kurschlusses eine Membran erforderlich ist, welche sich infolge ihrer zusätzlichen Federsteifigkeit negativ auf die Gesamtauslenkung auswirkt. Letzteres lässt sich durch Einsatz von sehr weichen und dreidimensional geformten Membranen (z. B. mit Torus) minimieren, die derzeit jedoch nicht in MEMS-Technologie hergestellt werden können und entsprechend aufwendig und kostspielig hybrid integriert werden.
In Publikationen und Patentschriften werden MEMS-Schallwandler unterschiedlichster Ausführungen behandelt, woraus u.a. aufgrund o.g. Probleme noch keine marktreifen Produkte hervorgegangen sind. Diese Konzepte basieren auf geschlossenen Membranen, die in Schwingung versetzt werden und Schall generieren. In [Hou13, US2013/156253A1 ] wird z. B. ein elektrodynamischer MEMS-Schallwandler beschrieben, der die hybride Integration einer Polymembran sowie eines Permanentmagnetrings erfordert. Das Konzept von piezoelektrischen MEMS-Schallwandlern wurde in [Yi09, Dej12, US7003125 , US8280079 , US2013/0294636A1 ] dargestellt. Hier wurden piezoelektrische Materialien, wie PZT, AIN oder ZnO direkt auf silliziumbasierte Schallwandlermembranen aufgebracht, welche infolge ihrer geringen Elastizität jedoch keine ausreichend großen Auslenkungen zulassen. Ein weiterer piezoelektrischer MEMS-Schallwandler mit einem plattenförmigen Körper, der über eine Membran oder mehrere Aktuatoren kolbenförmig aus der Ebene ausgelenkt wird, ist in [ US 20110051985A1 ] dargestellt. Digitale MEMS-Schallwandler auf Basis von Arrays mit elektrostatisch angetriebenen Membranen, die allerdings nur bei hohen Frequenzen ausreichend hohe Schalldrücke erzeugen können, werden in [Gla13, US7089069 , US20100316242A1 ] beschrieben. Deshalb besteht der Bedarf nach einem besseren Ansatz.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mikromechanischen Schallwandler zu schaffen, der einen verbesserten Kompromiss aus Schalldruck, Frequenzgang und Herstellungsaufwand darstellt.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen mikromechanisch Schallwandler mit einem ersten Biegeaktuator sowie einem zweiten Biegeaktuator. Der erste Biegeaktuator weist ein freies Ende auf und ist ausgebildet, um beispielsweise durch ein Audiosignal zur Schwingung angeregt zu werden und Schall zu emittieren. Der zweite Biegeaktuator weist ebenfalls ein freies Ende auf und ist gegenüber dem ersten Biegeaktuator derart angeordnet, dass der erste und der zweite Biegeaktuator in einer gemeinsamen Ebene liegen bzw. aufgehängt sind. Weiter ist die Anordnung derart ausgestaltet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Biegeaktuator ein Spalt (z. B. im Mikrometerbereich) gebildet wird, der die zwei Biegeaktuatoren voneinander trennt. Der zweite Biegeaktuator wird immer phasengleich zum ersten Biegeaktuator zur Schwingung angeregt, was die Konsequenz hat, dass der Spalt im Wesentlichen über die gesamte Auslenkung der Biegeaktuatoren konstant bleibt.
Ausführungsbeispielen für diesen Aspekt der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung mehrerer voneinander separierter Aktuatoren, die mit einem minimalen (Separierungs-) Spalt voneinander separiert sind, es bei identischer Auslenkung der zwei Aktuatoren aus der Ebene erreicht werden kann, dass der Spalt zwischen den zwei Aktuatoren annährend konstant klein (im Mikrometerbereich) bleibt, so dass immer hohe Viskositätsverluste in dem Spalt vorliegen, die im Resultat einen akustischen Kurzschluss zwischen dem Hintervolumen und dem Vordervolumen (des Biegeaktuators) verhindern. Im Vergleich zu bisherigen, meist auf geschlossenen Membranen basierenden MEMS-Systemen ermöglicht das vorliegende Konzept eine deutliche Leistungssteigerung. Der primäre Grund liegt darin, dass infolge der Aktuatorentkopplung keine Energie für die Verformung von zusätzlichen mechanischen Membranelementen aufgewendet werden muss, wodurch deutlich höhere Auslenkungen und Kräfte möglich sind. Darüber hinaus treten Nichtlinearitäten erst bei deutlich größeren Bewegungsamplituden auf. Während herkömmliche Systeme mitunter komplex geformte Membranen oder Magnete benötigen, die sich bislang nicht in MEMS-Technologie realisieren, sondern nur mit hohem Aufwand hybrid integrieren lassen, lässt sich das vorliegende Konzept mit gängigen Verfahren der Siliziumtechnologie realisieren. Dies bietet signifikante Vorteile bei Herstellung und Kosten. Durch die konzept- und materialbedingt geringe schwingende Masse, lassen sich Systeme mit einem außerordentlich breitem Frequenzbereich und gleichzeitig hohen Bewegungsamplituden realisieren.
Entsprechend einem weiteren Aspekt wird ein mikromechanischer Schallwandler mit einem ersten Biegeaktuator sowie einem vertikal zu dem ersten Biegeaktuator erstreckenden Blendenelement geschaffen. Das Blendenelement ist durch einen Spalt (Lücke) von dem freien Ende des ersten Biegeaktuators getrennt.
Die Erkenntnis dieses Aspekts liegt darin, dass durch das Blendenelement über den gesamten Bewegungsbereich des Aktuators (infolge der Schwingung) es erreicht werden kann, dass der Abstand zwischen dem Blendenelement und dem freien Ende des Aktuators annäherungsweise konstant bleibt. Hierdurch wird der gleiche Effekt wie oben erzielt, nämlich dass aufgrund der hohen viskosen Verluste an dem freien Ende bzw. in dem Spalt ein akustischer Kurzschluss verhindert werden kann. Im Resultat heißt das, dass sich die gleichen Vorteile insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrads des Schallwandlers, der Breitbandigkeit und der Herstellungskosten ergeben.
Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren eines derartigen Aktuators mit Blendenelement. Dieses Verfahren umfasst die Schritte: Strukturieren einer Schicht, um den ersten Biegeaktuator zu formen sowie Abscheiden des vertikalen Blendenelements, so dass dieses über die Schicht des ersten Biegeaktuators hinausragt.
Zu der Variante mit den mindestens zwei Biegeaktuatoren sei angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispiel der erste und der zweite Biegeaktuator gleichartige Biegeaktuatoren sind. Diese können beispielsweise flächige, rechteckige, trapezförmige oder allgemein vieleckige Biegeaktuatoren sein. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel können diese Biegeaktuatoren jeweils eine Dreiecksform oder eine Kreissegmentform aufweisen. Die dreieckige oder kreissegmentförmige Form kommt häufig bei mikromechanischen Schallwandlern zum Einsatz, die mehr als zwei Biegeaktuatoren umfassen. Insofern umfasst entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der mikromechanische Schallwandler einen oder mehrere weitere Biegeaktuatoren, wie z. B. drei oder vier Biegeaktuatoren.
Wie oben bereits erläutert, ermöglicht entweder die gleichzeitige bzw. phasengleiche Ansteuerung der zwei Biegeaktuatoren oder das Vorsehen des Blendenelements, dass ausgehend von einem Spalt, die (im Ruhezustand) kleiner 10% oder sogar kleiner 5% der Fläche des ersten Biegeaktuators beträgt, der Spalt über den gesamten Bewegungsbereich klein bleibt, d. h. dass er selbst bei Auslenkung maximal 15% oder sogar nur 10% der Fläche des ersten Biegeaktuators ausmacht. Bezüglich der Variante mit dem Blendenelement sei angemerkt, dass die Höhe des Blendenelements derart dimensioniert ist, dass dieses mindestens 30% oder 50% oder bevorzugt 90% oder sogar 100% oder mehr der maximalen Auslenkung des ersten Biegeaktuators (allgemein 5-100%) beträgt. Diese Dimensionierungsvorschriften für die zwei Varianten ermöglichen über den gesamten Auslenkungsbereich und damit auch über den gesamten Schallpegelbereich die oben erläuterte Funktionalität / Verhinderung von akustischen Kurzschlüssen.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann nicht nur ein Blendenelement gegenüber dem freien Ende angeordnet sein, sondern auch beispielsweise an den nichteingespannten Seiten um den Biegeaktuator herum. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Biegeaktuator ein einseitig eingespannter Biegeaktuator ist.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein mikromechanischer Schallwandler geschaffen, der eine Steuerung umfasst, die den zweiten Biegeaktuator so ansteuert, dass er phasengleich zu dem ersten Biegeaktuator zur Schwingung angeregt wird. Darüber hinaus kann es entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel vorteilhaft sein, wenn eine Sensorik vorgesehen wird, die die Schwingung und/oder die Position des ersten und/oder des zweiten Biegeaktuators erfasst, um der Steuerung zu ermöglichen, dass die zwei Biegeaktuatoren gleichphasig angesteuert werden. Im Gegensatz zu bisherigen Systemen, die meist über keine Sensorik verfügen oder nur die Auslenkung des Antriebs (nicht nur Membran) erfassen, lässt sich bei diesem Prinzip mithilfe der gut integrierbaren Sensorik die tatsächliche Position des schallerzeugenden Elements bestimmen. Dies ist von großem Vorteil und ermöglicht eine deutlich genauere und zuverlässigere Detektion. Diese bildet die Grundlage für eine geregelte Anregung (Closed-Loop), mit sich äußere Einflüsse, Alterungseffekte und Nichtlinearitäten elektronisch kompensieren lassen.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel können die Biegeaktuatoren auch eine sogenannte „Kaskadierung“ aufweisen. Das heißt also, dass der erste und/oder der zweite Biegeaktuator jeweils zumindest ein erstes und ein zweites Biegeelement umfassen. Diese Elemente sind in Serie geschaltet. Entsprechend Ausführungsbeispielen heißt „in Serie geschaltet“, dass das erste und zweite Biegeelement ein eingespanntes Ende und eine freies Ende aufweisen und das zweite Biegeelement mit seinem eingespannten Ende an das freie Ende des ersten Biegeaktuators angreift und mit seinem freien Ende das freie Ende des gesamten Biegeaktuators formt. Hierbei kann die Verbindung zwischen den zwei Biegeelementen beispielsweise durch ein flexibles Element gebildet sein. Optional kann der mikromechanische Schallwandler einen zusätzlichen Rahmen aufweisen, der beispielsweise im Bereich des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Biegeelement vorgesehen ist. Dieser dient zur Versteifung und zur Modenentkopplung. Bezüglich der zwei Biegeelemente sei angemerkt, dass diese entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit unterschiedlichen Steuersignalen angesteuert werden, so dass beispielsweise das innenliegende Biegeelement bzw. die innenliegenden Biegeelemente für höhere Frequenzen genutzt werden, während die weiter außenliegenden Biegeelemente zu einer Schwingung in einem tieferen Frequenzbereich angesteuert werden.
Entsprechend einem weiteren Aspekt wird ein mikromechanischer Schallwandler mit zumindest einem, bevorzugt zwei Biegeaktuatoren geschaffen, wobei jeder Biegeaktuator ein erstes und ein zweites Biegeelement umfasst, die in Serie geschaltet sind. Derartige Biegeaktuatoren können entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel statt einem Separierungsspalt auch eine flexible Verbindung aufweisen.
Ausführungsbeispiele dieses Aspekts der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Inserie-Schalten von mehreren Biegeelementen eines Biegeaktuators es erreicht werden kann, dass unterschiedliche Biegeaktuatoren für unterschiedliche Frequenzbereiche zuständig sind. So kann beispielsweise der innenliegende Biegeaktuator für einen Hochtonfrequenzbereich ausgebildet sein, während der weiter außenliegende Frequenzbereich für den Tiefton betrieben wird. Im Gegensatz zu üblichen Membranansätzen ermöglicht das beschrieben Konzept eine Kaskadierung mit mehreren individuell ansteuerbaren Aktuatorstufen. Darüber hinaus lassen sich durch die frequenzseparierte Ansteuerung in Kombination mit den piezoelektrischen Antrieben deutliche Steigerungen bei der Energieeffizienz erzielen. Die gute Modenentkopplung bietet überdies Vorteile bei der Wiedergabequalität. Weitere Vorteile sind z. B. die Realisierung von besonders platzsparenden Mehrwege-Schallwandlern.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel des Biegeaktuators mit der Kaskadierung sind die Weiterbildungen, wie sie oben erläutert wurden, entsprechend zusätzlichen Ausführungsbeispielen anwendbar. Hierbei sind insbesondere die Merkmale bezüglich der genauen Ausgestaltung der Kaskadierung, z. B. des Verbindungselements oder der Rahmen, zu nennen. Des Weiteren sind die Unteraspekte bezüglich der flächigen, rechteckigen, trapezförmigen oder dreieckigen (allgemein vieleckigen) Biegeaktuatorgeometrie für kaskadierte Schallwandlerkonfigurationen relevant.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schallwandlers mit kaskadierten Biegeaktuatoren. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen einer ersten Schicht, die den ersten (und den zweiten) Biegeaktuator mit dem (jeweils) ersten und zweiten Biegeelement formt und Verbinden der (jeweils) ersten und zweiten Biegeelemente.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurden beiliegend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1a eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Schallwandlers mit zwei Biegeaktuatoren gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
1b eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Schallwandlers mit einem Biegeaktuator sowie einem vertikalen Blendenelement gemäß einem weiteren Basisausführungsbeispiel;
1c eine schematische Darstellung eines Biegeaktuators mit einer beliebig angrenzenden Struktur zur Illustration der Verbesserung der Konzepte aus den 1a und 1b gegenüber dem Stand der Technik;
2a-c schematische Querschnitte möglicher Aktuatorelemente gemäß Ausführungsbeispiel;
3a-d schematische Draufsichten von Biegeaktuatorkonfigurationen gemäß Ausführungsbeispielen;
4 ein schematisches Diagramm zur Illustration eines simulierten Schalldruckpegels für unterschiedliche Ausführungsbeispiele;
5 eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Schallwandlers mit zwei Biegeaktuatoren, die jeweils eine Kaskadierung umfassen, gemäß Ausführungsbeispielen;
6a-c schematische Draufsichten auf Biegeaktuatorkonfigurationen mit Kaskadierung gemäß Ausführungsbeispielen;
7 ein schematisches Diagramm zur Illustration eines simulierten Schalldruckpegels mit einer Biegeaktuatorkonfiguration mit Kaskadierung;
8a,b schematische Ansichten oder Teilansichten einer Draufsicht auf eine Biegeaktuatorkonfiguration mit Kaskadierung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
9 ein schematisches Diagramm zur Illustration einer mittels FEM-simulierten Auslenkung eines mikromechanischen Schallwandlers mit Kaskadierungen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
10a-c schematische Draufsichten auf Biegeaktuatoren mit seitlich angeordneten Blendenelementen gemäß Ausführungsbeispielen;
11a-d schematische Darstellungen zur Illustration eines Prozessablaufs bei der Herstellung eines mikromechanischen Schallwandlers gemäß Ausführungsbeispielen; und
12 eine schematische Darstellung eines Arrays mit einer Vielzahl an mikromechanischen Schallwandlern gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen im Detail erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
1a zeigt einen Schallwandler 1 mit einem ersten Biegeaktuator 10 sowie einem zweiten Biegeaktuator 12. Beide sind in einer Ebene E1 angeordnet bzw. eingespannt, wie anhand der Einspannung 10e und 12e zu erkennen ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die hier dargestellten Biegeaktuatoren 10 und 12 beispielsweise vorgespannt sein können, so dass die Darstellung entweder einen Ruhezustand darstellt, oder auch einen ausgelenkte Momentaufnahme zeigt (für diesen Fall ist mittels der gestrichelten Line der Ruhezustand dargestellt). Wie zu erkennen ist, sind die zwei Aktuatoren 10 und 12 horizontal nebeneinander angeordnet, so dass die Aktuatoren 10 und 12 oder zumindest die Einspannungen 10e und 12e in einer gemeinsamen Ebene E1 liegen. Diese Aussage bezieht sich bevorzugt auf den Ruhezustand, wobei sich im vorgespannten Fall die Ebene E1 vor allem auf die gemeinsamen Einspannungsbereiche 10e und 12e bezieht.
Die beiden Aktuatoren 10 und 12 sind gegenüberliegend angeordnet, so dass zwischen denselben ein Spalt 14 von beispielsweise von 5 µm, 25 µm oder 50 µm (allgemein im Bereich zwischen 1 µm und 90 µm, bevorzugt kleiner 50 µm oder kleiner 20 µm) besteht. Dieser Spalt 14, der die zwei einseitig eingespannten Biegeaktuatoren 12 und 14 trennt, kann als Entkopplungsspalt bezeichnet werden. Der Entkopplungsspalt 14 variiert über den gesamten Auslenkungsbereich der Aktuatoren 10 und 12 nur minimal, z.B. um Faktor 1, 1,5 oder 4 (allgemein im Bereich 0,5-5), d. h. Variation kleiner +500%, +300%, +100% oder +75% oder kleiner +50% der Spaltbreite (im Ruhezustand), um so auf eine zusätzliche Abdichtung verzichten zu können, wie nachfolgend ausgeführt werden wird.
Die Aktuatoren 10 und 12 werden vorzugsweise piezoelektrisch angetrieben. Jeder dieser Aktuatoren 10 und 12 kann beispielsweise einen Schichtaufbau aufweisen und neben den piezoelektrischen aktiven Schichten ein oder mehrere passive Funktionsschichten aufweisen. Alternativ sind auch elektrostatische, thermische oder magnetische Antriebsprinzipien möglich. Wird an den Aktuatoren 12 eine Spannung angelegt, so verformt sich dieser bzw. im piezoelektrischen Fall das piezoelektrische Material der Aktuatoren 10 und 12 und bewirkt eine Verbiegung der Aktuatoren 10 und 12 aus der Ebene hinaus. Diese Verbiegung resultiert in einer Verdrängung von Luft. Bei einem zyklischen Steuerungssignal wird dann so der jeweilige Aktuator 10 und 12 zur Schwingung angeregt, um ein Schallsignal zu emittieren. Die Aktuatoren 10 und 12 bzw. das entsprechende Ansteuerungssignal ist so ausgelegt, dass jeweils benachbarte Aktuatorränder bzw. das freie Ende der Aktuatoren 10 und 12 eine nahezu identische Auslenkung aus der Ebene E1 erfahren. Die freien Enden sind mit den Bezugszeichen 10f und 12f gekennzeichnet. Da sich die Aktuatoren 10 und 12 bzw. die freien Ende 10f und 12f parallel zueinander bewegen, befinden sich selbige in Phase. Insofern wird die Auslenkung der Aktuatoren 10 und 12 als gleichphasig bezeichnet.
In der Folge bildet sich in der Gesamtstruktur aller Aktuatoren 10 und 12 im angetriebenen Zustand ein stetiges Auslenkungsprofil, welches lediglich durch die engen Entkopplungsschlitze 14 unterbrochen ist. Da die Spaltbreite der Entkopplungsschlitze im Mikrometer-Bereich liegt, werden hohe Viskoverluste an den Spaltseitenwänden 10w und 12w erreicht, so dass die hier durchtretende Luftströmung stark gedrosselt wird. Damit kann der dynamische Druckausgleich zwischen der Vorderseite und der Rückseite der Aktuatoren 10 und 12 nicht schnell genug erfolgen, so dass ein akustischer Kurzschluss unabhängig von der Aktuatorfrequenz reduziert wird. Dies bedeutet, dass sich eine eng geschlitzte Aktuatorstruktur im betrachteten akustischen Frequenzbereich strömungstechnisch wie eine geschlossene Membran verhält.
1b zeigt eine weitere Variante, wie ein Aktuator eines mikromechanischen Schallwandlers ohne Abdichtung ein gutes Schalldruckverhalten erlangen kann. Das Ausführungsbeispiel aus 1b zweigt den Schallwandler 1' umfassend den Aktuator 10, der an dem Punkt 10e fest eingespannt ist. Das freie Ende 10f kann über einen Bereich B zum Schwingen angeregt werden. Gegenüber dem freien Ende 10f ist ein vertikal angeordnetes Blendenelement 22 vorgesehen. Dieses Blendenelement ist bevorzugt zumindest so groß oder größer als der Bewegungsbereich B des freien Endes 10f. Die Blendenelemente 22 erstreckten sich bevorzugt auf der Vorder- und/oder Rückseite des Aktuator, d. h. also von der Ebene E1 aus betrachtet in eine tiefer gelegene Ebene und eine höher gelegene Ebene. Zwischen dem Blendenelement 22 und dem freien Ende 10f ist ein Spalt 14' vergleichbar mit dem Spalt 14 aus 1a vorgesehen.
Das Blendenelement 22 ermöglicht die Breite der vorgesehenen Entkopplungsspalte 14' auch im ausgelenkten Zustand (vgl. B) annähernd gleich zu halten. Somit entstehen bei dieser Konfiguration mit den benachbarten Rändern keine signifikanten Öffnungen infolge der Auslenkung, wie beispielsweise in 1c dargestellt.
1c zeigt einen Aktuator 10, der ebenfalls an dem Punkt 10e eingespannt ist. Gegenüber ist eine beliebig angrenzende Struktur 23 ohne vertikale Ausdehnung und ohne Bewegung vorgesehen. Infolge einer Auslenkung des Aktuators 10 stellt sich eine Öffnung im Bereich des freien Endes 10f des Aktuators ein. Diese Öffnung ist mit dem Bezugszeichen „o“ versehen. Abhängig von der Auslenkung können diese Öffnungsquerschnitte 14o deutlich größer als die Entkopplungsschlitze (vgl. 1a und 1b) bzw. allgemein ein Kopplungsschlitz im Ruhezustand sein. Durch die Öffnung kann eine Luftströmung zwischen Vorder- und Rückseite vorkommen, was zu einem akustischen Kurzschluss führt.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Seitenfläche des Blendenelements 22 oder das Blendenelement 22 angepasst an die Bewegung des Aktuators 10 im Auslenkungsbereich B sein. Konkret wäre eine konkave Form denkbar.
Sowohl die Struktur 1 aus 1a als auch die Struktur 1' aus 1b ermöglicht den akustischen Kurzschluss dadurch zu verhindern, dass Mittel vorgesehen werden, die den Entkopplungsspalt 14 bzw. 14' über den gesamten Bewegungsbereich annähernd konstant halten.
Wie oben erläutert, kann entsprechend einem Ausführungsbeispiel ein piezoelektrisches Material verwendet werden. 2 zeigt in den Darstellungen a-c drei unterschiedliche Querschnitte möglicher Aktuatorelemente. In 2a ist eine unimorphe Struktur dargestellt. Hierbei ist auch eine passive Schicht 10p, 12p eine piezoelektrische Schicht 10pe bzw. 12pe aufgebracht.
2b zeigt einen bimorphen Aufbau. Hierbei sind zwei piezoelektrische Schichten 10pe_1 bzw. 12pe_1 und 10pe_2 bzw. 12 pe_2 sowie eine passive Zwischenschicht 10p bzw. 12p vorgesehen.
In 2c ist ein piezoelektrischer Schichtstapel mit je zwei piezoelektrischen Schichten 10pe_1 bzw. 12pe_1 und 10pe_2 und 12 pe_2 gezeigt.
Alle gezeigten Piezoaktuatoren aus den 2a bis 2c haben also gemein, dass sie aus mindestens zwei Schichten, nämlich einer piezoelektrischen Schicht 10pe bzw. 12pe und einer weiteren Schicht, wie z. B. einer passiven Schicht 10p, 12p bzw. einer weiteren piezoelektrischen Schicht 10pe_2, 12pe_2 gebildet ist. Die piezoelektrischen Schichten 10pe, 12pe, 10pe_1, 12pe_1, 10pe_2, 12 pe_2 können als Mehrschichtsysteme mit zusätzlichen Trennschichten (vgl. die Schichten 10p, 12p) ausgelegt sein und/oder selbst aus beliebig vielen Unterschichten (vgl. gestrichelte Linien) gebildet sein. Die Kontaktierung erfolgt beispielsweise durch flächige oder interdigitale Elektroden.
Entsprechend einem alternativen Ausführungsbeispiel kann auch ein thermische Antrieb zum Einsatz kommen, der analog zu den piezoelektrischen Aktuatoren einen Mehrschichtaufbau aufweisen kann. Grundsätzlich entspricht dann der Aufbau eines thermischen Antriebs dem Aufbau, wie er in Bezug auf 2a-c für piezoelektrische Schichten erläutert ist, wobei statt piezoelektrischen Schichten thermisch aktive Schichten zum Einsatz kommen.
Bezug nehmend auf 3a-c werden verschiedene Aktuatoranordnungen, umfassend mindestens zwei gegenüberliegende Aktuatoren (vgl. 3b) erläutert.
3a zeigt eine Aktuatoranordnung mit vier Aktuatoren 10', 11', 12' und 13'. Jeder dieser Aktuatoren 10' bis 13' ist dreieckig ausgeführt und einseitig entlang der Hypotenuse eingespannt. Die Dreiecke sind entsprechend einem Ausführungsbeispiel rechtwinklige Dreiecke, so dass die rechtwinkligen Spitzen der Aktuatoren 10' bis 13' alle in einem Punkt zusammentreffen. Infolgedessen erstrecken sich zwischen den Katheten jeweils die Rückkopplungsspalte 14.
Entsprechend Ausführungsbeispielen können die einzelnen Aktuatoren 10' bis 13' auch noch weiter untergliedert sein, wie mittels den gestrichelten Linien angedeutet ist. Bei Untergliederung ist natürlich dann die Einspannung nicht mehr entlang der Hypotenuse, sondern entlang einer der Katheten, während sich die Entkopplungsspalte dann entlang der Hypotenuse und entlang der anderen Kathete erstrecken.
Unabhängig davon, ob es sich um vier oder acht Aktuatoren handelt, ermöglicht die dreieckige Ausgestaltung, dass die benachbarten freien Enden (getrennt durch die jeweilige Spalte 14) eine möglichst gleiche Auslenkung erfahren.
3b zeigt im Prinzip die Draufsicht des Ausführungsbeispiels aus 1a, wobei hier eben noch angedeutet ist, dass sowohl der Aktuator 10 als auch der Aktuator 12, z. B. entlang der Symmetrieachsen (vgl. gestrichelte Linie) untergliedert sein kann.
3c zeigt eine weitere Ausführung, bei der der gesamte Schallwandler kreissegmentförmig angeordnet ist, und insgesamt vier 90°-Segmente als Aktuatoren 10" bis 13" aufweist, die wiederum durch die Separierungsspalte 14 voneinander getrennt sind. Bei diesem kreisrunden Schallwandler können die einzelnen Aktuatoren 10" bis 13" wiederum weiteruntergliedert sein, wie anhand der gestrichelten Linien angedeutet ist.
Alle Ausführungsbeispiele aus den 3a bis 3c haben gemeinsam, dass sie am Rand eingespannt sind, wie durch den jeweiligen Bereich 10e' bis 13e' bzw. 10e und 12e bzw. 10e“ bis 13e“ angedeutet ist.
Des Weiteren sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich, wie anhand der Ausführungsbeispiele aus 3a-3c gezeigt ist, die Separierungsspalten 14 bevorzugt entlang der Symmetrielinien erstrecken. Bei den Ausführungsbeispielen mit mehr als zwei Aktuatoren heißt das also, dass sich die Separierungsspalten gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel im Schwerpunkt der Gesamtfläche des Schallwandlers treffen.
3d zeigt (in der Draufsicht) eine weitere Version eines mikromechanischen Schallwandlers mit vier (hier rechteckigen bzw. quadratischen) Aktuatoren 10“‘, 11“‘, 12‘“ und 13‘“, die in Form von vier Quadranten eines Rechtecks bzw. Quadrats angeordnet sind. Die vier Aktuatoren 10‘“ bis 13‘“ sind durch zwei sich kreuzende Separierungsspalte 14 voneinander getrennt. Jeder der Aktuatoren 10‘“ bis 13‘“ ist über Eck, d. h. zweiseitig am äußeren Rand eingespannt.
Bezug nehmend auf 4 wird dargestellt, welchen Einfluss die Spaltbreite hat. 4 zeigt den resultierenden Schalldruckpegel SPL über einen Frequenzbereich von 500 Hz bis 20 kHz für vier unterschiedliche Spaltbreiten (5 µm, 10 µm, 25 µm und 50 µm). In dem dargestellten Frequenzbereich wird die Reduktion des Schalldruckpegels SPL (akustischer Kurzschluss) für Spaltbreite von unter 10 µm vernachlässigbar und die Struktur verhält sich akustisch wie eine geschlossene Membran. Wie weiter zu erkennen ist, dass im höheren Frequenzbereich (z. B. oberhalb von 6000 Hz) der Einfluss der Spaltbreite signifikant abnimmt. Im Vergleich zu Systemen mit geschlossener Membran zeichnen sich die vorliegenden Systeme infolge der Entkopplung der einzelnen Aktuatoren durch eine deutlich höhere Effizienz aus. Letzteres äußert sich in sehr hohen Auslenkungen und Schalldruckpegeln. Darüber hinaus ergeben sich weitere Vorteile bezüglich der Linearität.
Bezug nehmend auf 5 wird nun ein Ausführungsbeispiel an einem entsprechenden weiteren Aspekt erläutert. 5 zeigt einen Aufbau von einem mikromechanischen Schallwandler 1" mit zwei Aktuatoren 10* und 12*. Die beiden Aktuatoren 10* und 12* umfassen jeweils eine innere Stufe und eine äußere Stufe. Das heißt also, dass der Aktuator 10* ein erstes Aktuatorelement 10a* (äußere Stufe) und ein zweites Aktuatorelement 10i* (innere Stufe) umfasst. Analog hierzu umfasst der Aktuator 12* das Aktuatorelement 12a* sowie das Aktuatorelement 12i*.
Wie hier dargestellt, sind immer die äußeren Stufen 10a* und 12a* eingespannt, nämlich über die Bereiche 10e* und 12e*. Das gegenüberliegende Ende der Aktuatoren 10a* und 12a* wird als freies Ende bezeichnet. An dieses freie Ende sind mittels optionaler Verbindungselemente 17 die inneren Stufen 10i* und 12i* angekoppelt. Die Ankopplung erfolgt derart, dass die Ankopplung beispielsweise wiederum über eine Ende der inneren Aktuatorelemente 10i* bzw. 12i* ausgeführt ist, nämlich so, dass die gegenüberliegenden Enden der inneren Aktuatoren 10i* bzw. 12i* als freie Enden dienen. In anderen Worten ausgedrückt heißt das also, dass der Aktuator 10* bzw. 12* derart aufgebaut ist, dass die innere Stufe 10i* (bzw. 12i*) gegenüber der äußeren Stufe 10a* (12a*) in Serie geschaltet ist.
Wie hier dargestellt, wird zwischen den freien Enden der Elemente 10i* und 12i* ein Entkopplungsspalt 14* ausgebildet. Dieser ist nicht zwingend für alle Ausführungsbeispiele so ausgeführt, wie der Entkopplungsspalt, welcher im Zusammenhang mit obigen Ausführungsbeispielen (vgl. 1a) erläutert wurde. Das heißt also, dass analog zu den obigen Ausführungsbeispielen die Aktuatoren 10* und 12* lediglich über einen wenige Mikrometer breiten Entkopplungsspalt 14 voneinander getrennt sind und vorzugsweise so ausgelegt sind, dass jeweils benachbarte Strukturränder (freie Ränder der inneren Elemente 10e* und 12e*) im Betrieb möglichst gleiche Auslenkung (synchron bzw. gleichphasig) aus der Ebene E1 (in welcher die Aktuatoren 10* und 12* bzw. die Einspannungsbereich 10e* und 12e* angeordnet sind) erfahren. Alternativ wäre eine Verbindung der inneren Elemente 10i* und 12i* im Bereich des dargestellten Spalts, z.B. mittels eines flexiblen Materials möglich.
Entsprechend optionalen Ausführungsbeispielen können die einzelnen kaskadierten Stufen auf einem Rahmen 19 aufliegen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Rahmen 19 derart angeordnet, dass die eingespannten Enden der inneren Stufen 10i* und 12i* auf demselben Rahmen 19 aufliegen. Allgemein heißt es aber, dass der Rahmen 19 bevorzugt so angeordnet ist, dass dieser im Bereich der Verbindungsstellen (vgl. Verbindungselemente 17) liegt. Der Rahmen ermöglicht es, parasitäre Schwingungsmoden sowie ungewollte mechanische Deformationen zu unterdrücken.
Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen wurde, dass zwei Aktuatoren 10* und 12* mit jeweils innerer und äußerer Aktuatorstufe mit den Aktuatorelementen 10a*, 10i*, 12a*, 12i* vorgesehen sind, sei an dieser Stelle angemerkt, dass entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ein mikromechanischer Schallwandler mit nur einem Aktuator (z. B. der Aktuator 10*) geschaffen wird, der die erste Stufe 10a* und die zweite Stufe 10i* in entsprechender Serienanordnung aufweist. Dieser Aktuator kann beispielsweise gegenüber einem festen Ende frei schwingen, so dass ein Spalt dazwischen gebildet wird oder auch flexibel mit einem festen Ende verbunden sein. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wäre auch eine Blende, wie sie beispielsweise in 1b erläutert ist, denkbar.
Bezug nehmend auf 6a bis 6c werden drei ausführungsgemäße Schallwandler in der schematischen Draufsicht erläutert, bei denen die Konfigurationen aus 3a bis 3c um eben die Kaskadierung (zweistufiger Kaskadierungskonfigurationen) erweitert ist.
6a zeigt einen mikromechanischen Schallwandler mit vier Aktuatoren 10*‘ bis 13*‘, wobei jeder der Aktuatoren 10*‘ bis 13*‘ zwei Aktuatorelemente 10a*‘ bzw. 10i*‘ bis 13i*‘ bzw. 13a*‘ aufweist. Die inneren Elemente 10i*‘ bis 13i*‘ haben jeweils eine Dreiecksform (in Bezug auf die Fläche), während die äußeren Elemente 10a*‘ bis 13a*‘ eine Trapezform (bezogen auf die Fläche) aufweisen. Der kleinere Schenkel des trapezförmigen Aktuators 10a*‘ bis 13a*‘ ist mit dem Hypotenusenschenkel des dreieckförmigen Aktuators 10i*‘ bis 13i*‘ über Verbindungselemente 17 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die optionalen Verbindungselemente bevorzugt an den Ecken des Trapezes bzw. des Dreiecks angeordnet.
6b zeigt in einer Draufsicht im Wesentlichen den elektromechanischen Schallwandler aus 5 mit den inneren Aktuatoren 10i* und 12i* sowie den äußeren Aktuatoren 10a* und 12a*. Auch hier sind an den Ecken der rechteckigen inneren und äußeren Elemente 10i*, 10a*, 12i* und 12a* Verbindungselemente 17 vorgesehen.
6c zeigt ausgehend von dem kreissegmentförmigen mikromechanischen Schallwandler die kaskadierten Aktuatoren 10*“ bis 13*“, wobei jeder Aktuator ein inneres Aktuatorelement und ein äußeres Aktuatorelement aufweist. Die inneren Aktuatorelemente 10i*“ bis 13i*“ sind als kreissegmentförmige Elemente ausgeführt, während die äußeren Elemente 10a*“ bis 13a*“ als Kreisscheibensegmente ausgeführt sind. Die Verbindung erfolgt wiederum über Verbindungselemente 17.
Alle Ausführungsbeispiele aus den 6a bis 6c haben gemein, dass entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen die Aktuatoren 10*‘ bis 13*‘ bzw. 10* bis 12* bzw. 10*“ bis 13*“ durch Separierungsspalte 14 voneinander getrennt sind. Zusätzliche können auch noch Separierungsspalten 15 zwischen den inneren Aktuatoren (beispielsweise 10i*‘ und 10a*‘) vorgesehen sein, die eben nur durch die Verbindungselemente 17 überbrückt werden. In anderen Worten ausgedrückt heißt das also, dass die äußeren Stufen (beispielsweise 10a* und 12a* in 6b) über jeweils mindestens ein Verbindungselement, vorzugsweise jedoch über zwei oder mehr voneinander beabstandeten Verbindungselemente 17, mit den zweiten inneren Stufen 10i* bzw. 12i* verbunden sind. Die Verbindungselemente können als mechanische Federelemente oder Gelenke ausgelegt sein.
Wie im Zusammenhang mit 3a-c erläutert, können die Aktuatoren auch weiteruntergliedert sein, so dass also beliebig viele Aktuatoren je Aktuatorelement 10* bzw. 12* entstehen (vgl. gestrichelte Linie).
Nachdem nun die Struktur der Schallwandler erläutert wurde wird nachfolgend auf deren Funktion eingegangen: Im angetriebenen Zustand lenken die Aktuatoren der äußeren Stufe die innere Stufe aus der Ebene aus, wobei die Aktuatoren der inneren Stufe eine weitere Auslenkung ausüben. Es resultiert eine ausgelenkte Struktur, die sich aufgrund der hohen viskosen Verluste in den Entkopplungsschlitzen akustisch wie eine geschlossene Membran verhält.
Alternativ, kann die kaskadierte Gesamtstruktur auch drei oder mehr Stufen aufweisen. Die unterschiedlichen Stufen können wahlweise mit identischen oder verschiedenen Antriebssignalen angesteuert werden. Im Falle verschiedener Antriebssignale können die Stufen in unterschiedlichen Frequenzbereichen betrieben werden und z. B. einen Mehrwege-Schallwandler mit besonders geringem Platzbedarf bilden.
An dieser Stelle sein angemerkt, dass sich das in Bezug auf 1b erläuterte Prinzip der Strömungsblenden auch auf die mehrstückigen kaskadierten Systeme erweitern lässt, z. B. um akustische Verluste zwischen Verbindungselementen und Aktuatoren oder Zwischenstufen zu minimieren.
Bezug nehmend auf die obigen Ausführungsbeispiele sei angemerkt, dass die in den 6a bis 6c erläuterten Varianten entsprechend zusätzlichen Ausführungsbeispielen beliebig kombinierbar sind. So ist beispielsweise es möglich, dass statt der vier inneren Aktuatorelemente 10a*‘ bis 13a*‘ aus 6a nur zwei innere Aktuatorelemente 10i* und 12i*, wie sie in 6b gezeigt sind, vorgesehen werden. Weiter ist es auch denkbar, dass nur ein inneres Aktuatorelement, z. B. auch in Kombination mit einer Blende (vgl. Ausführungsbeispiel aus 1b) vorgesehen wird.
7 zeigt ein Diagramm des simulierten Schalldrucks über den Frequenzbereich, aufgeschlüsselt nach innerer und äußerer Stufe. Wie zu erkennen ist, dient die äußere Stufe besonders dem niedrigen Frequenzbereich (maximaler Schaldruck bei etwa 1500 Hz) während die innere Stufe dem höheren Frequenzbereich dient (maximaler Schalldruck bei etwa 10000 Hz). Bei dem hier vorliegenden Fall wurde von einem MEMS-Schallwandler mit einer Chipgröße von 1×1 cm ausgegangen und im Abstand von 10 cm gemessen.
8 veranschaulicht das Konzept der Kaskadierung am Beispiel eines konkreten zweistufigen Designs. In 8a ist die Draufsicht gezeigt, wobei in 8b eine Ausschnittsvergrößerung des Verbindungsbereichs dargestellt ist.
Wie anhand der 8a zu erkennen ist, weist das zweistücke Design äußere Aktuatoren 10a*‘ sowie innere Aktuatoren 10i*‘ auf. Von der Konfiguration her ist das hier in 8a dargestellte Design dem Design aus 8a vergleichbar. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Entkopplungsschlitze 14 mit durchgezogenen Linien kenntlich gemacht. Wie insbesondere in der Vergrößerung aus 8b zu erkennen ist, sind auch zwischen den einzelnen Stufen jeweilige Entkopplungsschlitze 14 vorgesehen.
Im Gegensatz zu 6a ist hier bei dem Design aus 8a auch noch zusätzlich die Rahmenstruktur 19*‘ illustriert, welche von den lateralen Abmessungen kleiner ist als die lateralen Abmessungen aller innenliegenden Stufen 10e*‘.
Wie anhand von 8b ersichtlich ist, dienen als Verbindungselemente 17*‘ gefaltete Federn, deren Zwischenräume mit entkoppelten Füllstrukturen 17f*‘, z. B. aus einem Material von Feder oder Aktuator versehen sind. Analog dazu weisen auch die Zwischenräume 14 zwischen den Aktuatoren beider Stufen derartige Füllstrukturen 17f*‘ auf.
In 9 ist ein mittels FEM-Simulation erhaltenes Auslenkungsprofil des Beispieldesigns aus 8a und b im dreidimensionalen Querschnitt gezeigt. Wie anhand der mittels Schraffuren illustrierten Auslenkungswerte illustriert ist, bildet sich trotz der Entkopplungsschlitze ein nahezu stetiges Auslenkungsprofil aus, das lediglich durch die schmalen Entkopplungsschlitze 14 unterbrochen ist.
Bezug nehmend auf 10 wird eine Erweiterung des Designs aus 1a sowie des Designs aus 1b erläutert. Die Konfiguration aus 10a ist vergleichbar mit der Konfiguration aus 1b, wobei das gegenüber dem einseitig eingespannten Aktuator 10 (vgl. Einspannung 10e) vorgesehene Blendenelement 22 nicht nur im Bereich des freien Endes 10f vorgesehen ist, sondern sich darüber hinaus auch noch entlang der Seiten des Aktuators, also entlang des gesamten Entkopplungsschlitzes 14' erstreckt. Die seitlich angeordneten Blendenelemente sind mit den Bezugszeichen 22s gekennzeichnet.
10b geht von einer Schallwandlerkonfiguration mit zwei gegenüberliegenden Aktuatoren 10 und 12 aus, wie sie z. B. in 3b gezeigt ist. Hierbei handelt es sich wiederum um einseitig eingespannte Aktuatoren (vgl. Einspannung 10e bzw. 12e). Entlang der seitlichen Entkopplungsschlitze 14 erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel ein vertikales angeordnetes Blendenelement 22s.
Sowohl das Ausführungsbeispiel aus 10a als auch das Ausführungsbeispiel aus 10b ermöglicht durch die Verwendung der seitlich angeordneten Blendenelemente 22s bei den hier dargestellten Strukturen mit unstetigen Auslenkungsprofilen eine gute fluidische Trennung von Vorder- und Rückseite.
10c zeigt eine weitere Variante, bei der sich vier Aktuatoren 10““, 11““, 12““ und 13““ ausgehend von einer zentralen Fläche 16 erstrecken. Die vier Aktuatoren 10““ bis 13““ sind jeweils trapezförmig ausgeführt und werden über ihre kurze Seite einseitig gegenüber der Fläche 16 eingespannt. Die vier Aktuatoren 10““ bis 13““ sind über vier diagonal angeordnete Separierungsspalte 14 (welche sich als Verlängerung der Diagonalen der Fläche 16 erstrecken) voneinander separiert, so dass die lange Seite der Aktuatoren 10““ bis 13““ frei schwingen kann. Um eine „Abdichtung“ gegenüber den Randbereichen zu ermöglichen, ist entlang der langen Seite der trapezförmigen Aktuatoren 10““ bis 13““ ein (umlaufendes) vertikal ausgebildetes Blendenelement 22s vorgesehen.
12 zeigt einen mikromechanischen Schallwandler in Arrayform. Der hier dargestellte mikromechanische Schallwandler weist acht Schallwandler 1, wie sie beispielsweise in Bezug auf 1a erläutert wurden, auf. Diese acht Schallwandler 1 sind in zwei Reihen und vier Spalten angeordnet. Hierdurch kann eine großflächige Ausdehnung und damit ein hoher Schalldruck erreicht werden. Wenn man davon ausgeht, dass jeder Aktuator der Schallwandler 1 und eine Grundfläche 5 × 5 mm hat, so werden hiermit sozusagen 200 mm² „Membranfläche“ realisiert. Allgemein ist der so dargestellte Schallwandler beliebig skalierbar, so dass auch Schallwandlergrößen von z.B. 1 cm Länge oder mehr (allgemein im Bereich von 1 mm bis 50 cm) erreicht werden können.
Auch wenn bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel 12 exemplarisch der mikromechanische Schallwandler 1 aus 1a erläutert wurde, sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass jegliche andere Schallwandler, wie sie oben erläutert wurden, wie z. B. der Schallwandler 1' aus 1b oder auch die kaskadierten Schallwandler aus 5 eingesetzt werden können. Auch sind andere Formen und Anordnungen denkbar.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können die einzelnen oben erläuterten Aktuatoren mit Sensoren versehen werden. Die Sensoren ermöglichen die tatsächliche Auslenkung der Aktuatoren zu bestimmen. Diese Sensoren sind typischerweise mit der Steuerung der Aktuatoren verbunden, so dass um eine Feedbackschleife das Steuersignal für die einzelnen Aktuatoren derart nachgeregelt wird, dass die einzelnen Aktuatoren gleichphasig schwingen. Die Sensorik kann auch den Sinn haben, Nicht-Linearitäten aufzuspüren und bei der Ansteuerung das Signal derart zu verzerren, dass Nicht-Linearitäten kompensiert bzw. reduziert werden können.
Zum Hintergrund: Da die Aktuatoren gleichzeitig das schallerzeugendes Element bilden, lassen sich Alterungseffekte und Nichtlinearitäten im Betrieb direkt messen und ggf. elektronisch kompensieren. Dies stellt einen großen Vorteil gegenüber üblichen membranbasierten Systemen dar, bei denen entweder keine Sensorik vorhanden ist oder aber nur das Verhalten an den Antrieben, nicht jedoch an dem schallerzeugenden Membranelement detektiert werden kann.
Die Positionsdetektion erfolgt vorzugsweise über den piezoelektrischen Effekt. Hierfür können ein oder mehrere Bereiche der piezoelektrischen Schicht auf den Aktuatoren mit separaten Sensorelektroden versehen werden, über die ein näherungsweise zur Auslenkung proportionales Spannungs- oder Ladungssignal abgegriffen werden kann. Darüber hinaus können auch mehrere piezoelektrische Schichten realisiert werden, wobei zumindest eine Schicht partiell für die Positionsdetektion verwendet wird. Es ist auch eine Kombination verschiedener piezoelektrischer Materialien möglich, die entweder übereinander oder nebeneinander angeordnet sind (z. B. PZT für Aktuatoren, AIN für Sensoren).
Als Alternative zu piezoelektrischen Sensorelementen ist auch die Integration von Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen oder zusätzlichen Elektroden für eine kapazitive Positionserfassung möglich. Werden die Aktuatorstrukturen aus Silizium hergestellt, so lassen sich auch piezoresistive Silizium-Widerstände direkt integrieren.
Alle oben genannten Aspekte haben gemein, dass ein membranloses und vollständig zu MEMS-Herstellungsprozessen kompatibles Konzept zur Erzeugung von hohen Schalldrücken geschaffen wird. Alle Ausführungsbeispiele ermöglichen eine besonders geringe Baugröße. Die optionale Kaskadierung ermöglicht die Realisierung von integrierten Mehrweg-Schallwandlern. Die Steuerung kann entsprechend Weiterentwicklungen durch integrierte Positionssensoren derart ausgebildet sein, dass der emittierte Schall eine minimierte Verzerrung aufweist.

In nachfolgender Tabelle werden mögliche Materialien für die einzelnen Funktionselemente aufgezählt.

Funktion	Materialien
Piezoelektrische Schicht	PZT, PNZT, AIN, AlScN, ZnO, BCZT, KNN
Passive Schicht	Si, poly-Si, SiN, SiNO, SiO₂, AlN, Metalle
Rahmen	Si, Metalle, [piezoelektrische Schicht], [passive Schicht]
Blenden	Si, Metalle, [piezoelektrische Schicht], [passive Schicht]
Verbindungselemente	[passive Schicht], [piezoelektrische Schicht]

Mögliche Abmessungen stellen sich wie folgt dar:

- Aktuatorfläche 50×50µm² - 5×5cm²

- Entkopplungsschlitz 0,1µm - 40µm

- Auslenkungsamplitude 0.01µm - 3mm
Derartige Wandler sind beispielsweise mit einem ersten Eigenmode von 10 Hz bis 50 kHz betreibbar. Die Anregungsfrequenz ist beispielsweise statisch bis 300 kHz gewählt.
Die beschriebenen Aktuator-Strukturen eigenen sich für Anwendungsgebiete, in denen bei möglichst geringen Bauteilvolumina (< 10 cm³) Schall in einem Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 300 kHz erzeugt werden soll. Dies trifft in erster Linie auf miniaturisierte Schallwandler für Wearables, Smartphones, Tablets, Laptops, Kopfhörer, Hörgeräte aber auch Ultraschallwandler zu. Insgesamt kommen auch andere Anwendungen in Betracht, bei denen Fluide verdrängt werden (z. B. strömungsmechanische und aerodynamische Antriebs- und Führungsstrukturen, Inkjets).
Ausführungsbeispiele schaffen eine miniaturisierte Vorrichtung zur Verdrängung von Gasen und Flüssigkeiten mit mindestens einem aus der Ebene auslenkbaren Biegeaktuator, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung enge Öffnungsschlitze mit derart großem Strömungswiderstand enthält, so dass die Vorrichtung sich im akustischen und Ultraschall-Frequenzbereich (20 Hz bis 300 kHz) strömungstechnisch annährend wie eine geschlossene Membran verhält.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung folgende Merkmale umfassen: Entkopplungsschlitzen in den Aktuatormaterialien, deren Gesamtlänge maximal 5% der gesamten Aktuatorfläche ausmachen und ein mittleres Länge-zu-Breite-Verhältnis von über 10 aufweisen. Zusätzlich kann entsprechen Ausführungsbeispielen die Vorrichtung derart ausgelegt ist, dass im ausgelenkten Zustand entstehende Öffnungen weniger als 10% der gesamten Aktuatorfläche ausmachen, so dass auch ohne geschlossene Membran eine hohe fluidische Trennung zwischen Vorder- und Rückseite erzielt wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung zwei oder mehr gegenüberliegende voneinander separierte Aktuatoren aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Aktuatoren piezoelektrisch, elektrostatisch, thermisch, elektromagnetisch oder mittels einer Kombination mehrere Prinzipien angetrieben werden. Gemäß einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel wäre es auch denkbar, dass die Vorrichtung mit zwei oder mehr über Verbindungselemente gekoppelten Aktuatorstufen ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wäre es auch denkbar, dass die Vorrichtung zwei oder mehr Aktuatorstufen aufweist, die mit getrennten Signalen angesteuert werden und somit einen Zweiwege- oder Mehrwege-Schallwandler bilden.
Bezug nehmend auf das Ausführungsbeispiel aus 5 oder 6a bis c sei angemerkt, dass jedes Aktuatorelement 10a*, 12a*, 10i* und 12i* ein aktives, einzeln ansteuerbares Element ist. Dieses kann beispielsweise piezoelektrisch oder mit einem anderen hier erläuterten Prinzip betätigt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel hat die Vorrichtung eine Rahmenstruktur zur Versteifung und Modenentkopplung.
Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde die Aktuatoren insbesondere als einseitig eingespannte Aktuatoren erläutert. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass auch zweiseitige Einspannungen (vgl. 3d) oder allgemein mehrseitige Einspannungen denkbar wären.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Vorrichtung mit Strömungsblenden zur Verringerung der Öffnungsquerschnitte zwischen Vorder- und Rückseite im ausgelenkten Zustand. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung Sensorelemente zur Positionserfassung und -Regelung aufweisen.
Gemäß zusätzlichen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung zur Schall- oder Ultraschallerzeugung in Luft (gasförmiges Medium) und das heißt also im Bereich von 20 Hz bis 300 kHz ausgebildet sein. Weitere Anwendungsgebiete sind die Erzeugung und Steuerung von Luftströmung, z. B. zur Kühlung.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 11 ein mögliches Herstellungsverfahren von den obigen Schallwandlern erläutert. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel aus den 11a-d ermöglicht die Herstellung von dem Ausführungsbeispiel, wie es beispielsweise in 1b gezeigt ist. Durch geringfügige Abwandlung sind allerdings mit dem hier dargestellten Verfahren auch die Ausführungsbeispiele aus den weiteren Figuren, insbesondere aus 1a feststellbar.
In dem ersten in 11a dargestellten Schritt wird auf ein Substrat 48 eine passive Schicht 50p aufgebracht, bevor dann eine piezoelektrische Schicht 50pe mit zwei Elektroden 50e vorgesehen wird.
Bei dem Substrat 48 kann es sich um einen SOI-Wafer (Silicon on Insulator) handeln, der ein SI-Substrat umfasst. Auf dieses werden dann SiO2-Schichten 50p mit dem in 1b gekennzeichneten Isolatoren 50pi und Si-Isolationsschichten, wie z. B. piezoelektrische Funktionsschichten (PZT) 50pe abgeschieden. Danach kann das Abscheiden der entsprechenden Metallelektroden (Pt, Au, Mo, ....) 50e erfolgen.
In einem nächsten Schritt, welcher in 11b dargestellt ist, werden dann die Elektroden 50e, die PZT 50pe sowie die Isolationsschicht 50p strukturiert. Hierdurch entstehend beispielsweise die Gräben 50g in der piezoelektrischen Schicht 50pe. Das Strukturieren kann durch Nass- oder Trockenätzen erfolgen. Je nach gewünschtem Produktdesign wird entweder der Schritt des Strukturierens bzw. Einbringens des Grabens 50g so ausgeführt, dass dieser nur minimale Abmessungen hat, um bei einem Resultat das Produkt aus 1a zu erzeugen oder größere Abmessungen haben, so dass dann das hier dargestellte Zwischenprodukt in Richtung des Produkts aus 1b entwickelt wird.
Um das Produkt aus 1a herzustellen, wird ein kleiner Graben 50g aufgebracht und dann der in 11c dargestellte Schritt übersprungen, um dann, wie in 11d dargestellt, die Rückseite durch ein ein- oder mehrstufiges Ätzverfahren zu öffnen und die beweglichen Strukturen freizustellen. Bei diesem Schritt wird das Substrat unterhalb der Passivierungsschicht 50p insbesondere im Bereich fluchtend zu den strukturierend piezoelektrischen Aktuatoren 50pe entfernt. Hierdurch entsteht die Kavität 48c.
Um ein Produkt, wie es in Bezug auf 1b erläutert ist, herzustellen, wird der optionale Schritt, der in 11c dargestellt ist, durchgeführt. 11c illustriert das Aufbringen der sich vertikal erstreckenden Blendenelemente 57. Diese werden hier in die Gräben 50g der piezoelektrischen Schicht 50pe eingebracht. Optional kann die laterale Position der Gräben 57 so gewählt sein, dass diese mit Bereichen der strukturierten Passivierungsschicht 50p fluchten, so dass beispielsweise das vertikale Blendenelement 75 die Wand eines Grabens in der passiven Schicht 50p verlängert. Das Aufbringen der Blendenelemente 57 kann beispielsweise durch galvanisches Abscheiden erfolgen und bevorzugt so, dass die Blendenelemente 57 aus der Schicht der piezoelektrischen Elemente 50p hinausragen.
Nach dem Aufbringen der Blendenelemente 57 erfolgt dann, wie oben bereits in Bezug auf das Ausführungsbeispiel aus 1a erläutert, das ein- oder mehrstufige Ätzen der Rückseite des Substrats 48, um die Kavität 48c herzustellen. Wie hier illustriert, können einzelne Bereiche des Substrats 48 stehenbleiben, so dass innerhalb der Kavität 48c der Rahmen 48f gebildet wird. Dieser Rahmen entspricht dem beispielsweise in 5 erläuterten Rahmen 19.
Bei den erläuterten Herstellungsschritten können MEMS-Technologien übernommen werden, so dass das oben erläuterte Produkt mit herkömmlichen Herstellungsverfahren herstellbar ist.
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.
Quellenangaben

[Hou13] Houdouin et al., Acoustic vs electric power response of a high-performance MEMS microspeaker, IEEE SENSORS 2014
[Dej12] Dejaeger et al., Development and Characterization of a Piezoelectrically Actuated MEMS Digital Loudspeaker, Procedia Engineering 47 (2012) 184 - 187
[Gla13] Glacer et al., Reversible acoustical transducers in MEMS technology, Proc. DTIP 2013,
[Yi09] Yi et al., Performance of packaged piezoelectric microspeakers depending on the material properties, Proc. MEMS 2009, 765-768

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2013156253 A1 [0004]
US 7003125 [0004]
US 8280079 [0004]
US 2013/0294636 A1 [0004]
US 20110051985 A1 [0004]
US 7089069 [0004]
US 20100316242 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Houdouin et al., Acoustic vs electric power response of a high-performance MEMS microspeaker, IEEE SENSORS 2014 [0101]
Dejaeger et al., Development and Characterization of a Piezoelectrically Actuated MEMS Digital Loudspeaker, Procedia Engineering 47 (2012) 184 - 187 [0101]
Glacer et al., Reversible acoustical transducers in MEMS technology, Proc. DTIP 2013 [0101]
Yi et al., Performance of packaged piezoelectric microspeakers depending on the material properties, Proc. MEMS 2009, 765-768 [0101]

Claims

Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1"), mit folgenden Merkmalen: einem ersten Biegeaktuator (10), der ein freies Ende (10f) aufweist und ausgebildet ist, zur Schwingung angeregt zu werden, um einen Schall zu emittieren; und einem zweiten Biegeaktuator (12), der ein freies Ende (12f) aufweist und mit dem ersten Biegeaktuator (10) in einer gemeinsamen Ebene (e1) angeordnet ist, so dass das freie Ende (10f) des ersten Biegeaktuators (10) von dem freien Ende (10f) des zweiten Biegeaktuators (12) durch einen Spalt (14) getrennt ist, wobei der zweite Biegeaktuator (12) phasengleich zu der Schwingung des ersten Biegeaktuators (10) angeregt wird; oder einen vertikal zu dem ersten Biegeaktuator (10) erstreckenden Blendenelement (22), das durch einen Spalt (14) von dem freien Ende (10f) des ersten Biegeaktuators (10) getrennt ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß Anspruch 1, wobei der erste und zweite Biegeaktuator (10, 12) gleichartige Biegeaktuatoren sind.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der erste und/oder zweite Biegeaktuator (12) ein flächiger, trapezförmiger oder rechteckiger Biegeaktuator ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der erste und/oder zweite Biegeaktuator (10, 12) ein dreieckiger oder kreissegmentförmiger Biegeaktuator ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieser ein oder mehrere weitere Biegeaktuatoren umfasst, die in der gemeinsamen Fläche angeordnet sind, so dass deren freie Enden von den freien Enden (10f, 12f) des ersten und/oder zweiten Biegeaktuators (10, 12) durch einen Spalt (14) getrennt sind, wobei der zumindest eine weitere Biegeaktuator phasengleich zu der Schwingung des ersten und/oder zweiten Biegeaktuators (12) zur Schwingung angeregt wird.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spalt (14) kleiner 10% oder kleiner 5% der Fläche des ersten Biegeaktuators (10) ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spalt (14) bei Auslenkung kleiner 15% oder kleiner 10% der Fläche des ersten Biegeaktuators (10) ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spalt (14) im Ruhezustand des ersten und/oder zweiten Biegeaktuators (10, 12) besteht.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhe des Blendenelements (22) mindestens 50% oder mindestens 100% der maximalen Auslenkung des ersten Biegeaktuators (10) beträgt.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Biegeaktuator einseitig oder mehrseitige gegenüber einem Grundelement eingespannt ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein vertikal zu dem ersten Biegeaktuator (10) erstreckendes Blendenelement (22) umfasst, das durch einen Spalt (14) von den beweglichen Seiten des ersten Biegeaktuators (10) getrennt ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Steuerung umfasst, die den ersten und zweiten Biegeaktuator (12) so ansteuert, dass diese phasengleich zur Schwingung angeregt werden.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Sensorik umfasst, die ausgebildet ist, um die Schwingung und/oder die Position des ersten und/oder des zweiten Biegeaktuators (12) zu erfassen.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder der zweite Biegeaktuator (12) jeweils ein erstes und ein zweites Biegeelement umfassen, die in Serie geschaltet sind, um so den jeweiligen Biegeaktuator zu formen.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß Anspruch 14, wobei das erste Biegeelement ein eingespanntes Ende und ein freies Ende (10f) aufweist und das zweite Biegeelement mit seinem eingespannten Ende an das freie Ende (10f) des ersten Biegeelements (10) angreift und mit seinem freien Ende (10f) das freie Ende (10f, 12f) des ersten und/oder zweiten Biegeaktuators (12) formt.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei das erste Biegeelement über ein flexibles Element mit dem zweiten Biegeelement verbunden ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Mikromechanische Schallwandler einen Rahmen aufweist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß Anspruch 17, wobei der Rahmen im Bereich des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Biegeelement angeordnet ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das erste Biegeelement und das zweite Biegeelement mit unterschiedlichen Steuersignalen angesteuert werden.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schallwandlers mit einem ersten Biegeaktuator (10), und einem vertikal zu dem ersten Biegeaktuator (10) erstreckenden Blendenelement (22), mit folgenden Schritten: Strukturieren einer Schicht, um den ersten Biegeaktuator (10) zu formen, so dass er ein freies Ende (10f) aufweist und ausgebildet ist, zur Schwingung angeregt zu werden, um einen Schall zu emittieren; und Abscheiden des vertikalen Blendenelements (22), so dass dieses über die Schicht des ersten Biegeaktuators (10) hinausragt und durch einen Spalt (14) von dem freien Ende (10f) des ersten Biegeaktuators (10) getrennt ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") mit einem ersten Biegeaktuator (10), der ein freies Ende (10f) hat und ausgebildet ist, zur Schwingung angeregt zu werden, um einen Schall zu emittieren; wobei der erste Biegeaktuator (10, 12) ein erstes und ein zweites Biegeelement (10, 12) umfasst, die in Serie geschaltet sind, um so den ersten Biegeaktuator zu formen.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß Anspruch 21, der einen zweiten Biegeaktuator (12), der ein freies Ende (12f) hat und mit dem ersten Biegeaktuator (10) in einer gemeinsamen Ebene (e1) angeordnet ist, umfasst, wobei der zweite Biegeaktuator (10, 12) ein erstes und ein zweites Biegeelement (10, 12) umfasst, die in Serie geschaltet sind, um so den zweiten Biegeaktuator zu formen.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß Anspruch 21 oder 22, wobei das erste Biegeelement ein eingespanntes Ende und ein freies Ende aufweist und das zweite Biegeelement mit seinem eingespannten Ende an das freie Ende des ersten Biegeelements (10) angreift und mit seinem freien Ende das freie Ende (10f, 12f) des ersten und/oder zweiten Biegeaktuators (10, 12) formt.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei das erste Biegeelement über ein flexibles Element mit dem zweiten Biegeelement verbunden ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei der mikromechanische Schallwandler einen Rahmen aufweist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß Anspruch 25, wobei der Rahmen im Bereich des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Biegeelement angeordnet ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei das erste Biegeelement und das zweite Biegeelement mit unterschiedlichen Steuersignalen angesteuert werden.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 21 bis 27, wobei der erste und/oder zweite Biegeaktuator (10, 12) ein flächiger, trapezförmiger oder rechteckiger Biegeaktuator ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 21 bis 28, wobei der erste und/oder zweite Biegeaktuator (12) ein dreieckiger oder kreissegmentförmiger Biegeaktuator ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 21 bis 29, wobei dieser ein oder mehrere weitere Biegeaktuatoren umfasst, die in der gemeinsamen Fläche angeordnet sind, so dass deren freie Enden von den freien Enden (10f, 12f) des ersten und/oder zweiten Biegeaktuators (12) durch einen Spalt (14) getrennt sind, wobei der zumindest eine weitere Biegeaktuator (12) phasengleich zu der Schwingung des ersten und/oder zweiten Biegeaktuators (10, 12) zur Schwingung angeregt wird.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 21 bis 30, wobei der Spalt (14) kleiner 10% oder kleiner 5% der Fläche des erste Biegeaktuators (10) ist.
Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 21 bis 31, wobei der Spalt (14) bei Auslenkung kleiner 15% oder kleiner 10% der Fläche des ersten Biegeaktuators (10) ist.
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schallwandlers, der einen ersten Biegeaktuator (10) umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer ersten Schicht in einer gemeinsamen Ebene (e1), die zumindest den ersten Biegeaktuator (10) mit jeweils einem ersten und einem zweiten Biegeelement formt, sodass der erste Biegeaktuator (10) ein freies Ende (10f) aufweist; und Verbinden des jeweils ersten Biegeelements mit dem zweiten Biegeelement des jeweiligen ersten Biegeaktuators.
Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei der mikromechanische Schallwandler einen zweiten Biegeaktuator (12) mit jeweils einem ersten und einem zweiten Biegeelement umfasst, wobei das Bereitstellen der ersten Schicht in der gemeinsamen Ebene (e1) derart erfolgt, dass der erste und zweite Biegeaktuator (10, 12) mit jeweils einem ersten und einem zweiten Biegeelement geformt wird, sodass der erste und zweite Biegeaktuator (10, 12) ein freies Ende (10f) aufweist.