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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Schwingungen.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Schwingungen mittels einer mikromechanischen Vorrichtung.
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Obwohl die vorliegende Erfindung sich allgemein auf mikromechanische Vorrichtungen zur Erzeugung mechanischer Schwingungen bezieht, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf mikromechanische Lautsprecher als Vorrichtungen zur Erzeugung mechanischer Schwingungen beschrieben.
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Lautsprecher sind Wandler, die ein elektrisches Eingangssignal in mechanische Schwingungen, umwandeln. Lautsprecher dienen meist zur Schallerzeugung zur Wiedergabe von Sprache und Musik für den Menschen mit einem typischen Arbeitsbereich von 20 Hz bis hinauf zu 20 kHz.
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Bei bisher bekannten Lautsprechern wird ein elektrodynamischer Antrieb zur Anregung der Membran des Lautsprechers zu Schwingungen eingesetzt, die wiederum Schallwellen direkt in die umgebende Luft abstrahlt.
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Andere bekannte Lautsprecher sind beispielsweise piezoelektrische Lautsprecher, bei denen die Auslenkung der Membran mittels einer dünnen piezoelektrischen Schicht erfolgt. Bei bekannten kapazitiven bzw. elektrostatischen Lautsprechern wiederum wird ein hochtransformiertes Signal verwendet, das über Statoren auf eine unter konstanter Spannung stehende Membran wirkt.
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Aus der Schrift
DE 10 2012 215 239 A1 ist ein MEMS-Bauelement bekannt, bei dem eine Aktorstruktur zur Funktionsüberprüfung eines Mikrofonmembran im MEMS-Bauelement gezielt angeregt werden kann. Hierzu wird in derselben Schicht wie die Mikrofonmembran konzentrisch eine Ringmembran angeordnet, welche beide an einem darüber angeordneten Gegenelement angeordnet sind. Durch die Ansteuerung der Ringmembran können definierte Druckimpulse erzeugt werden, die durch Durchgangsöffnungen im Gegenelement auf die Mikrofonmembran einwirken.
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Aus der Schrift
DE 10 2017 109 575 A1 ist ein mikromechanischer Lautsprecher bekannt, bei dem ein Aktuator über eine piezoelektrische Schicht derart auf eine Membran Kraft ausüben kann, dass diese zur Erzeugung einer Schallwelle angeregt werden kann.
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Verkleinerte Versionen bereits bekannter Lautsprecher werden beispielsweise in Smartphones, Tabletts und Laptops eingesetzt.
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In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine mikromechanische Vorrichtung zur Erzeugung mechanischen Schwingungen bereit, umfassend ein Substrat, auf dem eine Membran auslenkbar angeordnet ist, wobei die Membran einen unter Druck verformbaren Bereich aufweist, wobei der unter Druck verformbare Bereich ausgebildet ist, mit einem durch eine Struktur definierten Gasvolumen wechselzuwirken, eine Auslenkeinrichtung zur Auslenkung der Membran und eine Sensoreinrichtung zur Messung einer Verformung des unter Druck verformbaren Bereichs. Dabei ist vorgesehen, dass die Struktur U-förmig zur Bildung des definierten Gasvolumens ausgebildet ist, unterhalb des unter Druck verformbaren Bereichs angeordnet ist und die offene Seite der U-förmigen Struktur ist durch den unter Druck verformbaren Bereich der Membran verschlossen. Damit wird auf einfache Weise eine luftdicht abgeschlossene Kavität für die Membran bereitgestellt. Hierbei verformt sich die dünne Deckschicht der Kavität unter dem Einfluss des Umgebungsdrucks. Die Verformung kann dann mittels der Sensoreinrichtung, beispielsweise in Form von einem oder mehreren piezoresistiven Sensoren erfasst werden.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung mechanischen Schwingungen mittels einer mikromechanischen Vorrichtung bereit, wobei eine auf einem Substrat der mikromechanische Vorrichtung auslenkbare Membran angeordnet wird, wobei die Membran mit einem unter Druck verformbaren Bereich versehen wird und der unter Druck verformbare Bereich mit einem durch eine Struktur definierten Gasvolumen wechselwirkt, und wobei die Membran mittels einer Auslenkeinrichtung ausgelenkt wird und wobei mittels einer Sensoreinrichtung eine Verformung des unter Druck verformbaren Bereichs gemessen wird. Dabei ist vorgesehen, die Struktur U-förmig zur Bildung des definierten Gasvolumens auszubilden, unterhalb des unter Druck verformbaren Bereichs anzuordnen und die offene Seite der U-förmigen Struktur ist durch den unter Druck verformbaren Bereich der Membran zu verschließen.
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Hierbei kann die Vorrichtung insbesondere in Form eines In-Ear-Lautsprechers ausgebildet und in einen Gehörgang eingeführt sein, sodass diese auf der einen Seite vom Trommelfell abgeschlossen und auf der anderen Seite dem Umgebungsdruck ausgesetzt ist.
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Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit ein Rückmessen des Drucks in der mikromechanischen Vorrichtung, insbesondere eines Schalldrucks in einem mikromechanischen Lautsprecher erfolgen kann, was eine Regelung bzw. Anpassung einer Bewertungskurve der mikromechanischen Vorrichtung ermöglicht. Damit kann beispielsweise eine unbefriedigende Klangqualität, insbesondere bedingt durch ein Übersteuern der Auslenkeinrichtung, beispielsweise der Eingangsspannung eines Membranantriebs, vermieden werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass Nichtlinearitäten im Antrieb der Membran kompensiert werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Druck, insbesondere der Schalldruck, begrenzt werden kann und somit beispielsweise gehörschädliche Lautstärken ausschließbar sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Vorrichtung bzw. das Verfahren einfach integriert bzw. hergestellt und ausführbar sind und eine kompakte Bauform ermöglichen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar:
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die U-förmige Struktur eine Belüftungsöffnung auf, die so ausgebildet ist, dass oberhalb einer bestimmten Frequenz mechanische Schwingungen der Membran gedämpft werden. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass beispielsweise schallrelevante Druckunterschiede ausgeglichen werden können, somit also insgesamt ein Tiefpass-Verhalten bereitgestellt werden kann. Dadurch kann der Messbereich der Sensoreinrichtung um Größenordnungen kleiner gewählt werden, was die Genauigkeit bzw. Auflösung der Sensoreinrichtung in diesem Bereich verbessert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Struktur zwei parallel zueinander angeordnete Schenkel, die auf ihrer einen Seite durch den unter Druck verformbaren Bereich der Membran verschlossen sind, derart, dass Schenkel und unter Druck verformbarer Bereich eine U-Form bilden. Selbstverständlich können die Schenkel auch schräg zulaufend, kurvenförmig, zickzackförmig, etc. ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Sensoreinrichtung eine leitende Lochstruktur, die im Wesentlichen parallel zu dem unter Druck verformbaren Bereich der Membran angeordnet ist und wobei der unter Druck verformbare Bereich leitend ausgebildet ist. Einer der erzielten Vorteile ist, dass damit eine sogenannte perforierte Rückplatte, auch „Backptate“ genannt, zur Verfügung gestellt wird, die eine Gegenelektrode eines Kondensatormikrofons darstellen kann. Die leitende Membran bildet die weitere Elektrode des Kondensatormikrofons. Wird der unter Druck verformbare Bereich unter Druck verformt, ändert sich eine Kapazität eines zwischen Membran und Rückplatte gebildeten Kondensators, die entsprechend zur Druckbestimmung ausgewertet werden kann. Insgesamt wird somit die Flexibilität der Vorrichtung hinsichtlich verschiedener Anwendungen erhöht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Sensoreinrichtung mehrere Sensorelemente auf, welche in einem Randbereich des unter Druck verformbaren Bereichs angeordnet sind, insbesondere auf einer dem Substrat abgewandten Seite der Membran. Mit anderen Worten werden die Sensorelemente auf der Oberseite der Membran angeordnet. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise eine Verformung des unter Druck verformbaren Bereichs der Membran gemessen werden kann, ohne dass diese durch die Anordnung der Sensorelemente wesentlich beeinflusst wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Auslenkeinrichtung im Wesentlichen oberhalb von den Schenkeln der Struktur angeordnet. Auf diese Weise wird eine direkte, einfache sowie zuverlässige Kraftübertragung von der Auslenkeinrichtung auf die Membran ermöglicht. Die Auslenkeinrichtung kann dabei einen elektrodynamischen Antrieb umfassen: dieser kann eine frei bewegliche, stromdurchflossene Spule umfassen, die sich im Feld eines festgelegten äußeren Magneten befindet. Durch den Stromfluss durch die Spule im umgebenden Magnetfeld wird eine Kraft auf die frei bewegliche Spule in vertikaler Richtung bewirkt. Diese vertikale mechanische Bewegung der Spule wird auf die angebundene Membran übertragen und diese zu Schwingungen angeregt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das durch die Struktur definierte Volumen und/oder die Querschnittsfläche dieses Volumens kleiner als das Volumen und/oder die Querschnittsfläche der Struktur. Auf diese Weise wird eine kompakte Bauform bei gleichzeitiger Robustheit der Struktur erzielt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Hierbei zeigt in schematischer Form und im Querschnitt
- 1 eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 3 eine Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt in schematischer Form und im Querschnitt eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine Vorrichtung in Form eines mikromechanischen Lautsprechers, kurz MEMS-Lautsprecher 1, mit integriertem Drucksensor 10 gezeigt. MEMS-Lautsprecher 1 ist hier in Form eines In-Ear-Lautsprechers ausgebildet und in einen Gehörgang 101 eingeführt, sodass diese auf der einen Seite vom Trommelfell 100 abgeschlossen ist und auf der anderen Seite dem Umgebungsdruck p0 ausgesetzt ist. Vorderseite und Rückseite des MEMS-Lautsprechers 1 sind somit drucktechnisch voneinander im Wesentlichen getrennt. Zwischen der Vorderseite des MEMS-Lautsprechers 1 und Trommelfell 100 herrscht ein Druck p1, auf der Rückseite des MEMS-Lautsprechers 1 herrscht Umgebungsdruck p0. Der MEMS-Lautsprecher 1 ist dabei wie folgt aufgebaut: Auf einem Substrat 3 ist eine Membran 16 über Aufhängungen 6 auslenkbar angeordnet. In der Mitte der Membran 16 ist ein drucksensitiver Bereich 7 angeordnet unter dem eine feste Struktur 5 in U-Form angeordnet ist. Die feste Struktur 5 bildet dabei eine luftdicht abgeschlossene Kavität 11 unterhalb des drucksensitiven Bereichs 7 der Membran 16, in der ein Druck p2 herrscht. Auf der Oberfläche der Membran 16 sind weiterhin ein Spulenantrieb 8 mit entsprechenden Zuleitungen 9 (in Figur eins auf der linken Seite der Vorrichtung 1) angeordnet. Auf der rechten Seite sind Zuleitungen 4 für die Sensorelemente 10 eines Drucksensors angeordnet.
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Mit anderen Worten: In 1 wird ein MEMS-Lautsprecher mit integriertem Drucksensor gezeigt. Dabei ist die Membran 16 mit der luftdicht abgeschlossenen Kavität 11 versehen. Die dünne Deckschicht der Kavität 11 also der drucksensitive Bereich 7 der Membran, verformt sich unter dem Einfluss des Umgebungsdrucks p0 bzw. des Schalldrucks. Die Verformung wird dann mittels der Sensoren 10, beispielsweise piezoresistiven Sensoren erfasst. Das Sensorsignal wird über eine Aufhängung der Membran 16, d. h. deren fester, druckunempfindlicher Bereich, an den Außenbereich beispielsweise eines Bauelements geleitet und kann dort mittels Bonddrähten zu einer Auswerte- und Steuerelektronik geführt werden. Die Ansteuerung des MEMS-Lautsprechers 1 erfolgt mittels der Spulen 8.
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2 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 2 ist im Wesentlichen eine Vorrichtung 1 gemäß 1 gezeigt. Im Unterschied zur Vorrichtung 1 gemäß 1 weist die Vorrichtung 1 gemäß 2 eine Belüftungsöffnung 12 in der Kavität 11 auf. Mit anderen Worten ist die Kavität 11 gegenüber der Umgebung nicht luftdicht abgeschlossen; es herrscht somit in der Kavität 11 der 2 im Gegensatz zur Kavität 11 in 1 kein Vakuum. Insbesondere ist die Belüftungsöffnung 12 in der Kavität 11 so ausgeführt, dass schallrelevante Druckunterschiede ausgeglichen werden, und somit ein Tiefpass-Verhalten bereitgestellt wird: Die Belüftungsöffnung 12 wird dann so dimensioniert, dass die Luft bei hohen Frequenzen im Wesentlichen nicht aus der Kavität 11 entweichen kann. Es entsteht dann eine Art Luftfeder, die dem Messsignal entgegenwirkt. Tiefe Frequenzen, zu denen auch Schall gehört, werden ausgeglichen. Als Schall werden insbesondere Frequenzen zwischen 20 Hz und 20 kHz bezeichnet. Da die Vorder- und Rückseite des MEMS-Lautsprechers 1 schalltechnisch voneinander getrennt sind, kann man den Schalldruck gegenüber dem Umgebungsdruck p0 messen. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass ein Messbereich des Sensors 10 um Größenordnungen kleiner ausgeführt sein kann, was die Genauigkeit bzw. die Auflösung im entsprechenden Messbereich wesentlich erhöht.
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3 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 3 ist im Wesentlichen eine Vorrichtung 1 gemäß 1 gezeigt. Im Unterschied zur Vorrichtung 1 gemäß 1 ist bei der Vorrichtung 2 gemäß 3 nun anstelle des Sensorelements 10 eine metallische Rückplatte 13 auch „Backplate“ genannt, angeordnet, die sich im Wesentlichen entlang des nun leitend ausgebildeten, unter Druck verformbaren Bereichs 7 auf der Oberseite der Membran 16 erstreckt. Auf der zu dem unter Druck verformbaren Bereich 7 korrespondierenden Rückseite der Membran 16 ist einerseits durch eine feste Struktur 5, ein Rückvolumen 14 definiert, welches im Wesentlichen durch das Volumen und die Anordnung von seitlichen Schenkeln 17 des festen Teils 5 der Membran 16 definiert wird. Mit anderen Worten wird durch die beiden Schenkel 17 eine Belüftungsöffnung zur Verfügung gestellt, welche im Wesentlichen dem Querschnitt des unter Druck verformbaren Bereichs 7 der Membran 16 entspricht. Das Rückvolumen 14, seitlich begrenzt durch die Schenkel 17, ist dabei so ausgebildet, dass eine gewünschte Frequenzcharakteristik des MEMS-Lautsprechers 2 zur Verfügung gestellt wird.
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Mit anderen Worten zeigt die in 3 gezeigte Ausführungsform somit eine Sensorstruktur 10 nach Art eines mikromechanischen Lautsprechers nach Art eines mikromechanischen Mikrofons.
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Zusammenfassend weist und/oder ermöglicht zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- - Rückmessen eines Drucks, insbesondere eines Schalldrucks
- - einfache Kompensation von Nichtlinearitäten im Antrieb,
- - Begrenzung eines Schalldrucks,
- - Erhöhung der Qualität einer Schallmessung,
- - höhere Flexibilität hinsichtlich Einsatzbereichen,
- - kleinere Bauform,
- - monolithische Integration eines Sensors,
- - günstige Herstellung.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
