DE102019201744B4

DE102019201744B4 - Mems-schallwandler

Info

Publication number: DE102019201744B4
Application number: DE102019201744.4A
Authority: DE
Inventors: Malte Florian Niekiel; Fabian Stoppel; Thomas Lisec
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2019-02-11
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2039-02-12
Also published as: DE102019201744A1; CN111277935A; US11589169B2; US20200178000A1; CN111277935B

Abstract

Ein MEMS-Schallwandler umfasst ein Substrat, eine in dem Substrat geformte Membran sowie einen auf die Membran aufgebrachten Biegeaktor. Die Membran weist zumindest einen integrierten Permanentmagneten auf und ist elektrodynamisch ansteuerbar. Der Biegeaktor ist separat von der Membran piezoelektrisch ansteuerbar.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen MEMS-Schallwandler sowie auf eine Anwendung des MEMS-Schallwandlers z. B. in Kopfhörern (z. B. In-Ear-Kopfhörer) und Freifeld-Lautsprechern in mobilen Geräten. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Schallwandler dienen der Erzeugung von Luftschall im hörbaren Bereich zur Interaktion mit dem menschlichen Hörsinn. Mikrolautsprecher zeichnen sich durch möglichst geringe Abmessungen aus und finden Anwendung insbesondere in tragbaren Geräten der Unterhaltungs- und Telekommunikationsbranche, z. B. SmartPhones, Tablets und Wearables. Auch in der Medizintechnik werden Mikrolautsprecher verwendet, z. B. in Hörgeräten zur Unterstützung von Hörgeschädigten.
Gemäß dem Stand der Technik sind einige Schallwandler bekannt. Die DE 10 2017 108 594 A1 beschreibt eine Lautsprechereinheit für ein tragbares Gerät mit einem Tieftoner und einem als MEMS ausgebildeten Hochtoner. Die DE 10 2017 208 911 A1 beschreibt einen mikromechanischen Schallwandler mit zwei Biegeaktoren, die durch einen Spalt getrennt sind und phasengleich zur Schwingung angeregt werden können.
Die technische Herausforderung bei Mikroschallwandlern liegt im Erreichen hoher Schalldruckpegel (sound pressure level, SPL). Für einen Kolbenschwinger ergibt sich der erreichte Schalldruckpegel im Freifeld in Abstand r bei der Frequenz f zu $S P L_{r} (f) = 20 {log}_{10} (\frac{\sqrt{2} π ρ A \bar{s} f^{2}}{p_{r e f} r}),$
mit A aktiver Fläche, s Auslenkung der aktiven Fläche, ρ Dichte der Luft und Pref Referenzdruck (20 µPa).
In einem abgeschlossenen Volumen V₀ kommt es zum sogenannten Druckkammer-Effekt, der erreichte Schalldruckpegel lässt sich errechnen zu $S P L_{V_{0}} = 20 {log}_{10} (1,4 \frac{p_{0} A \bar{s}}{p_{r e f} V_{0}}),$
mit p₀ Druck im abgeschlossenen Volumen.
Der erreichte Schalldruckpegel ist somit sowohl im Freifeld als auch im geschlossenen Volumen (z. B. bei In-Ear Anwendungen) direkt proportional zum verdrängten Volumen A · s (vor Umrechnung auf die logarithmische Skala). Die technische Herausforderung bei Mikrolautsprechern liegt somit darin, ausreichend Volumen zu verdrängen um hohen Schalldruck zu erzeugen. Unter Annahme einer gleichbleibenden maximalen Auslenkung ist das verdrängte Volumen wiederum direkt proportional zur ausgelenkten aktiven Fläche, die durch die äußeren Abmessungen eines Mikrolautsprechers limitiert wird. Bei Mikrolautsprechern für Freifeld-Anwendungen hat die Frequenzabhängigkeit des erreichten Schalldruckpegels signifikante Auswirkungen. Zu tiefen Frequenzen fällt der Schalldruckpegel schnell ab (12 dB pro Frequenzhalbierung). In konventionellen Lautsprechern wird dieser Effekt über die Fläche ausgeglichen, bei Mikrolautsprechern ist dies keine Option. Daher zeigen Mikrolautsprecher im Freifeld üblicherweise einen starken Einbruch des SPL bei niedrigen Frequenzen.
Weitere Anforderungen an Mikrolautsprecher kommen direkt aus den Anwendungen. So ist eine möglichst geringe Verzerrung (total harmonic distortion, THD) für das Hörerlebnis entscheidend. Insbesondere in Anwendungen der Unterhaltungselektronik, z.B. Musikwiedergabe über Kopfhörer, ist eine hohe Wiedergabetreue unabdingbar. Für die Anwendung in mobilen Geräten ist eine hohe Energieeffizienz unabdingbar, um möglichst hohe Batterielaufzeiten sicherzustellen. Alternativ kann auch die Batteriegröße verringert werden, so dass eine weitere Miniaturisierung des Gesamtsystems möglich wird (z.B. für Hearables).
Gemäß dem Stand der Technik gibt es einige Konzepte, die nachfolgend Bezug nehmend auf 1 bis 8 erläutert werden.
Als Weiterentwicklung konventioneller Lautsprecher sind Mikrolautsprecher aus einer Miniaturisierung des etablierten elektrodynamischen Antriebs hervorgegangen. Bei der am weitesten verbreiteten Tauchspulenanordnung ist eine Spule auf der Rückseite der Membran befestigt, die sich beim Anlegen eines Stromsignals in dem Magnetfeld eines festen Permanentmagneten bewegt und so die Membran auslenkt.
Der in 1a dargestellte Mikrolautsprecher basiert auf dem Aufbau mit einem elektrodynamischen Antrieb. Der Mikrolautsprecher umfasst eine Membran 1m, die gegenüber einem Rahmen 1r bewegbar ist. Der Antrieb umfasst eine Tauchspule 1s, die mit der Membran 1m gekoppelt ist und in ein Magnetfeld des Permanentmagneten 1p eintaucht. Der Permanentmagnet 1p ist mit dem Rahmen 1r verbunden. In 1b ist ausgehend von einer beispielhaften Größe von 10 mm × 15 mm × 3,5 mm das Übertragungsverhalten im Freifeld aufgezeigt.
Eine Entwicklung aus den Hörgerätanwendungen sind die sogenannten Balanced-Armature-Wandler (BA-Wandler). Ein spulenumwickelter Stab 1s befindet sich im Spalt eines ringförmigen Permanentmagneten 1p und ist mit einer Membran 1m verbunden (siehe 2a). Ein Stromsignal auf die Spule magnetisiert den Stab, auf den dann durch das Magnetfeld des Permanentmagneten ein Drehmoment wirkt. Die Drehung wird über eine starre Verbindung auf die Membran übertragen. Der Stab befindet sich im Grundzustand in einem instabilen Gleichgewicht der magnetischen Anziehungskräfte. Durch diesen instabilen Zustand können mit geringem Aufwand (Antriebskräfte, Energie) höhere Auslenkungen erreicht werden. BA-Wandler zeichnen sich daher durch höhere erreichbare Schalldruckpegel aus und werden aufgrund ihrer Baugröße bevorzugt für In-Ear Anwendungen genutzt. 2b) zeigt beispielhaft den erreichten Schalldruckpegel eines 8,6 mm × 4,3 mm × 3,0 mm großen BA-Wandlers, gemessen in einem geschlossenen Volumen.
3a zeigt einen MEMS-Lautsprecher auf Basis von piezoelektrischen Biegeaktoren 1b, die eine hybrid aufgebrachte Membran 1 auslenken. [0004], [0006]. Ein Lautsprechermodul mit den Abmaßen 5,4 mm × 3,4 mm × 1,6 mm erreicht über einen Frequenzbereich von 20 Hz - 20 kHz im abgeschlossenen Volumen einen Schalldruckpegel SPL_1.4cm
3 von mindestens 106 dB (ca. 116 dB bei 1 kHz) [5]. Die Markteinführung eines ersten Produkts für In-Ear-Anwendungen wird ab 2019 erwartet. Wie 3b) nahelegt, wird auch bei Abstrahlung ins Freifeld ein signifikanter Schalldrucklevel erreicht.
Eine Weiterentwicklung dieses Ansatzes sind MEMS-Lautsprecher auf Basis piezoelektrischer Biegeaktoren, die ohne zusätzliche Membran auskommen (siehe 4a). Hier bilden die Aktoren selbst die akustisch abstrahlende Membran. Ein Lautsprecherchip mit einer aktiven Fläche von 4 mm × 4 mm erreicht im abgeschlossenen Raum einen Schalldruckpegel SPL_1.26cm
3 von mindestens 105 dB (ca. 110 dB bei 1 kHz, wie in 4.b) gezeigt. [7].
Besonders an diesen Schallwandlern ist, dass die Membran 1m mehrteilig ausgeführt ist, wobei jeder einzelne Teil (hier Quadranten) durch einen entsprechenden Spalt 1ms voneinander separiert ist. Über diese Variante sind die einzelnen piezoelektrischen Elemente für die Membranteile auf der Membran selbst angeordnet (vgl. Bezugszeichen 1b). Die Spalte 1ms sind in ihren Abmessungen derart dimensioniert, dass eine möglichst gute Dichtwirkung (Kapselung des Bereichs vor der Membran gegenüber dem Bereich hinter der Membran) resultiert. Hierzu ist der Spalt insbesondere im Verhältnis zu der zu übertragenden Frequenz möglichst klein gewählt.
Es sind auch verschiedene Konzepte elektrodynamisch betätigter MEMS-Lautsprecher bekannt [8]. 5a) zeigt den schematischen Aufbau des Bauelements [9]. Eine an Si-Federn aufgehängte versteifte Si-Membran bildet einen Kolbenschwinger. Die Spule ist als Planarspule direkt auf die Si-Membran aufgebracht und bewegt die Membran im Magnetfeld eines hybrid aufgebrachten Permanentmagneten. Das erreichte SPL im Freifeld ist in 5b) gezeigt [10]. Im unteren Frequenzbereich wird die Performance des piezoelektrisch betätigten Lautsprechers gemäß 3 deutlich übertroffen. Der Chip hat eine Größe von ca. 11 mm Durchmesser × 4 mm Höhe.
Ein verwandter Ansatz, verfolgt von mehreren Gruppen [11,12,13,14,15,16], besteht darin, dass die Planarspule auf eine weiche Polymermembran anstelle der versteiften Si-Membran aufgebracht wird, siehe 6a). In 6b) ist der erreichte Schalldruck eines Prototyps mit ca. 4 mm Durchmesser und 2 mm Höhe gezeigt. Da diese Messung im abgeschlossenen Volumen durchgeführt wurde, lassen sich die erreichten Schalldruckpegel nicht direkt mit denen von 3 und 5 vergleichen.
Im Gegensatz zu piezoelektrisch betätigten sind MEMS-Lautsprecher mit elektrodynamischem Antrieb von einer kommerziellen Nutzung jedoch noch weit entfernt. Aufgrund der hybriden Montage der benötigten Magnete bestehen kostentechnisch keine Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik. Der geringe Windungsquerschnitt integrierter Planarspulen sowie die schlechte Wärmeabfuhr über die dünne Membran begrenzen den Spulenstrom, so dass der Schalldruckpegel konventioneller Mikrolautsprecher nicht erreicht wird. Das Problem der Strombegrenzung lässt sich verringern, wenn die Planarspule auf dem Substrat platziert wird und der Magnet stattdessen auf der beweglichen Membran. Dank der hohen Wärmeleitfähigkeit von Silizium sind dann in der Spule um Größenordnungen höhere Stromdichten möglich. 7 zeigt zwei publizierte Ausführungen [17,18]. Bei dem Bauelement gemäß 7a wurden die Mikromagnete auf Substratebene integriert. Dafür wurde NdFeB-Pulver in geätzte Mikroformen eingebracht und anschließend mittels Wachs verfestigt [18]. Aufgrund der unzureichenden Beständigkeit der wachsgebundenen Strukturen ist diese Entwicklung jedoch nicht über einen Demonstrator hinausgegangen.
Das Fehlen leistungsfähiger Mikromagnete mit hoher Beständigkeit, die auf Substratebene integriert werden können, ist eine der Hauptursachen dafür, dass elektrodynamisch betätigte Aktuatoren sich in MEMS-Bauelementen bisher nicht durchsetzen konnten. Eine Ausnahme bilden elektrodynamische MEMS-Scanner, die auch schon in kommerziellen Produkten genutzt werden. Ein bekanntes Beispiel ist der MEMS-Scanner von MicroVision, siehe 8 [19], der in einem Pico-Projektor von Sony zum Einsatz kommt [20]. Im Unterschied zu MEMS-Lautsprechern sind die zum Antrieb benötigten Kräfte bei MEMS-Scannern vergleichsweise gering. Zudem gibt es entscheidende Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik, z. B. die Möglichkeit des quasistatischen Betriebs mit hoher Frequenz. Wie 8 am Beispiel einer Entwicklung von Toyota illustriert, kann dies selbst größten Aufwand der umgebenden Komponenten rechtfertigen [21].
In jeder Stand der Technik Lösung spiegelt sich also entweder der Nachteil des begrenzten Frequenzbereichs, der begrenzten Erzeugung von Schalldruck über den gewünschten Frequenzbereich, die Miniaturisierbarkeit und/oder die begrenzte Fähigkeit der einfachen kostengünstigen Herstellung wieder. Deshalb besteht der Bedarf nach einem besseren Ansatz.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Schallwandlerkonzept mit verbessertem Kompromiss aus erreichbarem übertragbaren Frequenzbereich, erreichbarem Schalldruck, Miniaturisierbarkeit und einfacher und kostengünstiger Herstellbarkeit zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ausführungsbeispiele schaffen einen MEMS-Schallwandler mit einem Substrat. In oder auf dem Substrat, z.B. in einer Kavität, ist eine Membran geformt, die zumindest mit einem integrierten Permanentmagneten verbunden ist und elektrodynamisch, z. B. unter Verwendung einer Spule, mittels eines ersten Steuersignals ansteuerbar ist. Durch den elektrodynamischen Antrieb kann die Membran beispielsweise als Hubkolbenantrieb fungieren. Auf der Membran ist ein Biegeaktor aufgebracht, der separat von der Membran (z. B. über ein zweites Signal) ansteuerbar ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Integration eines piezoelektrischen MEMS-Schallwandlers in einen MEMS-Schallwandler mit einem elektrodynamischen Antrieb ein Zweiwege-Mikrolautsprecher in der MEMS-Technologie geschaffen werden kann. Dank des elektrodynamischen Antriebs zeichnet sich der Zweiwege-Mikrolautsprecher durch höhere erreichbare Schalldruckpegel bei tiefen Frequenzen im Vergleich zu bestehenden Lösungen aus. So lässt sich zum einen der Einbruch des erreichten Schalldrucks hin zu niedrigen Frequenzen bei der Abstrahlung ins Freifeld kompensieren. Zum anderen können Lautsprecher für abgeschlossene Volumen (vgl. In-Ear-Kopfhöreranwendung) mit erheblich gesteigertem Schalldruckpegeln auch im Bassbereich realisiert werden.
Insbesondere für Noise-Cancelation Anwendungen werden sehr hohe Schalldrücke bei Frequenzen unter 100 Hz benötigt. Auch Hörgeräte stellen besonders hohe Anforderung an die erreichten Schalldrücke, die bisher nur über Teile des akustischen Frequenzbereichs erzielt werden können. Die Umsetzung als Zwei-Wege-Lautsprecher erlaubt außerdem eine Optimierung der einzelnen Komponenten auf den jeweiligen Frequenzbereich. So lässt sich ein elektrodynamischer Antrieb für tiefe Frequenzen mit einem piezoelektrischen Antrieb für hohe Frequenzen kombinieren, um die beste Energieeffizienz und niedrigste Verzerrung zu erreichen. Die Fertigung in MEMS Technologie erlaubt eine großvolumige Herstellung mit höchster Präzision.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Membran und insbesondere der Bereich der Membran, der über den Biegeaktor angesteuert wird, mehrgeteilt ausgeführt sein. So kann die Membran beispielsweise durch einen Spalt in zwei Hälften oder durch mehrere Spalte in vier oder mehr Teile unterteilt werden. Der Spalt ist entsprechend Ausführungsbeispielen sehr dünn gewählt, so dass keine zusätzlichen Dichtmittel erforderlich sind. Beispielsweise kann der Spalt in einem nichtausgelenktem Zustand des Biegeaktors kleiner als 5 µm, kleiner als 25 µm, kleiner als 50 µm oder kleiner als 100µmsein. Alternativ zu dem Biegeaktor mit einer durch einen Spalt geteilten Membran kann der Biegeaktor auch mit einer zusätzlichen Membran ausgestattet sein, die über den Biegeaktor angetrieben wird. Die Variante mit dem Spalt ist einfach herzustellen und ermöglicht eine gute Auslenkbarkeit ohne Verzerrungen.
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist die elektrodynamisch angetriebene Membran mit einem Rahmen verbunden, der zusammen mit der Membran elektrodynamisch angesteuert wird. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können die ein oder mehreren Permanentmagneten in diesen Rahmen integriert sein. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wirken diese Permanentmagnete mit einer Spule auf dem oder im Bereich des Substrats zusammen, um die Membran elektrodynamisch anzutreiben.
Die Membran oder der Rahmen der Membran ist federnd gegenüber dem Substrat gelagert. Entsprechend Ausführungsbeispielen kommt für eine federnde Lagerung beispielsweise ein Entkopplungsschlitz, eine Blendenstruktur oder eine elastische Verbindung oder auch andere Mittel infrage. Wenn man die bevorzugte Variante des Entkopplungsschlitzes betrachtet, sei an dieser Stelle angemerkt, dass dieser Kopplungsschlitz möglichst dünn ausgeführt ist, d. h. also beispielsweise kleiner als 5 µm, kleiner als 25 µm, kleiner als 50 µm oder kleiner als 100 µm. Wenn man sich das Ausführungsbeispiel in der Blendenstruktur betrachtet, sei an dieser Stelle angemerkt, dass dieses optionaler Weise aus der Substratebene herausragen kann, wobei die Blendenstruktur eine Höhe von mindestens 0,5 oder 0,75 oder 1,0 der maximalen Auslenkung der elektrodynamisch angetriebenen Bahn hat.
Entsprechend Ausführungsbeispielen sind die piezoelektrischen Biegeaktoren und der elektrodynamische Antrieb für unterschiedliche Frequenzbereiche zuständig. Der MEMS-Schallwandler ist ausgebildet, mittels der elektrodynamisch antreibbaren Membran einen ersten Frequenzbereich abzubilden und mittels des Biegeaktors einen zweiten Frequenzbereich abzubilden. Der zweite Frequenzbereich ist in Bezug auf seine Mittenfrequenz höher als die Mittenfrequenz des ersten Frequenzbereichs bzw. weist insgesamt höhere Frequenzen auf als der erste Frequenzbereich. Dies kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen beispielsweise durch einen Filter (Signalverarbeitung) sichergestellt werden, indem z. B. dem elektrodynamischen Antrieb die hohen Frequenzen herausgefiltert werden können. Auch ist eine Aufteilung zweier Frequenzbereiche mittels der Signalverarbeitung denkbar.
Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Kopfhörer, wie insbesondere einen In-Ear-Kopfhörer umfassend einen MEMS-Schallwandler, wie er oben beschrieben worden ist. Wie oben bereits erwähnt, können sich derartige Anwendungen dadurch auszeichnen, dass sie einen guten zu übertragenden Frequenzbereich mit hohem Schalldruckpegel haben.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Schallwandlers, wie er oben erläutert wurde. Das Verfahren umfasst einen zentralen Schritt der Agglomeration von Pulver zur Herstellung von permanenten Magneten oder zur Herstellung von Permanentmagneten (die mit der Membran gekoppelt werden) oder zur Herstellung von zumindest einem Permanentmagneten auf der Membran.
Weiterbildungen sind in Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

9 eine schematische Darstellung eines MEMS-Schallwandlers gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
10a, 10b schematische Darstellungen eines MEMS-Schallwandlers gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen, wobei 10a einen Grundzustand und 10b einen ausgelenkten Zustand der elektrodynamisch angetriebenen Aktuatorik (Tieftonbereich) illustriert;
10c - 10e schematische Darstellungen zur Illustration von Variationen des MEMS-Schallwandlers gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 10a/b;
10f - 10m schematische Darstellungen zur Illustration von Variationen des MEMS-Schallwandlers gemäß weiteren Ausführungsbeispielen;
11a, 11b eine magnetische Flussdichte in z-Richtung im Querschnitt einer Spule (vgl.
1. a) und die resultierende Kraftwirkung in z-Richtung auf einen magnetischen Dipol (vgl. b) gemäß oben erläuterten Ausführungsbeispielen;
11c - 11e schematische Diagramme zur Illustration einer Kraftwirkung auf einen einzelnen quaderförmigen Magneten im Magnetfeld einer Spule;
11f ein schematisches Diagramm zur Illustration eines Verstärkungsfaktors 1/N eines zylindrischen Kerns mit Aspektverhältnis L/D;
1a-2b und 5a-8b schematische Darstellungen von MEMS-Schallwandlern gemäß dem Stand der Technik-Ausführungen, teilweise zusammen mit den entsprechenden Leistungsdaten; und
3a, 3b eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines MEMS-Schallwandlers basierend auf einem piezoelektrischen Biegeaktor zusammen mit entsprechenden Leistungsdaten; und
4a, 4b einen schematischen Aufbau eines piezoelektrischen MEMS-Schallwandlers mit zusätzlicher Membran zusammen mit entsprechenden Leistungsdaten.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen 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.
9 zeigt einen MEMS-Schallwandler 10, der beispielsweise in einem Substrat 12 (Si-Substrat, herkömmliches Halbleitersubstrat für MEMS-Bauelemente oder anderes Substrat) geformt ist. Der MEMS-Schallwandler 10 umfasst eine in dem Substrat geformte Membran 14, die zumindest einen integrierten Permanentmagneten 14p aufweist, wobei dieser in der vorliegenden Variante beispielsweise im Rahmenbereich der Membran 14 geformt ist. Mit Hilfe dieses Permanentmagneten 14p ist die Membran 14 elektrodynamisch von extern, z.B. durch eine Spule (nicht dargestellt) betätigbar.
Auf die Membran 14 ist ein Biegeaktor 16 aufgebracht, der separat von der Membran betätigbar ist und zwar piezoelektrisch.
Die Membran 14 wird beispielsweise elektrodynamisch getätigt, indem in dem Substrat 12, insbesondere in der Kavität 12k eine Spule vorgesehen ist, die mit einem ersten Steuerungssignal beaufschlagt wird. Ein Hubkolbensteuerwandler ist traditionell in der Lage höhere Hübe auszuführen und damit auch einen äußeren Schalldruck insbesondere bei niedrigen Frequenzen zu realisieren. Insofern wird die Membran 14 mit einem Steuerungssignal beaufschlagt, dass eher die tieferen Frequenzen (z. B. unterhalb von 5000 Hz oder unterhalb von 3000 Hz oder auch unterhalb von 1000 Hz) reproduziert. Optional wäre es auch denkbar, dass dieses Signal bereits tiefpassgefiltert ist. Piezoelektrische Schallwandler (vgl. piezoelektrischer Biegeaktor 16) sind typischerweise in ihrem Frequenzgang nach unten hin begrenzt, so dass diese vor allem höhere Frequenzen gut reproduzieren. Der piezoelektrische Aktor 16 wird hier mit einem zweiten Audiosignal beaufschlagt, das vor allem hochfrequente Anteile (oberhalb von 5000 Hz, oberhalb von 3000 Hz, oberhalb von 1000 Hz) umfasst. Die Übergangsfrequenz kann also je nach Implementierung irgendwo im Bereich zwischen 1000 und 5000 Hz sein. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen könnte natürlich die Übergangsfrequenz auch anders liegen, z.B. irgendwo im Innenbereich zwischen 100 und 10000 Hz.
Bezüglich der Ansteuerung mit unterschiedlichen Frequenzbändern sei angemerkt, dass es hier nicht zwingend erforderlich ist, dass die Frequenzbänder im Vorfeld aufgeteilt werden, so dass jeder der zwei Schallwandler der unterschiedlichen Typen 14 und 16 mit dem gleichen Signal oder auch im Vorverarbeitungssignal ansteuerbar ist. Sollte das Signal vorverarbeitet sein (d. h. Aufteilung in erstes und zweites Signal) ist dieses im Regelfall aus einem gemeinsamen Audiosignal abgeleitet.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 10a und 10b erweiterte Varianten des Zwei-Wege-MEMS-Schallwandlers 10 erläutert.
10a stellt den Grundzustand des elektrodynamisch angetriebenen Töners dar, während 10b den ausgelenkten Zustand des elektrodynamisch angetriebenen Töners darstellt.
10a und 10b zeigen einen MEMS-Schallwandler 10', der eine Membran, hier eine Si-Membran 14' aufweist. Diese Membran 14' liegt auf einem Rahmen 14r' auf, der die Außenkontur der Membran 14' umgibt bzw. entlang dieser läuft. Der Rahmen 14r' weist in diesem Ausführungsbeispiel einen oder mehrere integrierte Permanentmagneten 14p' auf. Weiter erstreckt sich der Rahmen 14r' zusammen mit dem Magneten 14p' senkrecht zu der lateralen Membran in das Innere des MEMS-Devices 10'. Durch den Rahmen 14r' und die Membran 14' wird auf der Hinterseite (die Seite, die der Abstrahlfläche der Membran 14' gegenüberliegt) ein Hohlraum 14h' ausgebildet.
Wie anhand von 10a zu erkennen ist, schließt im Grundzustand die Membran 14' mit der Oberfläche 12o' des Substrats 12' ab. Das Substrat 12' formt wiederum eine Kavität 12k' aus, innerhalb welcher die Membran 14' mit dem Rahmen 14r' angeordnet ist. Des Weiteren befindet sich in der Kavität 12k' eine Spule 18', die dazu ausgebildet ist, um mit den Permanentmagneten 14p' zu interagieren und die Membran 14' über den Rahmen 14r' elektrodynamisch anzutreiben. Alternativ kann die Spule auch an der Seite oder unterhalb der Membran angeordnet sein. Die Spule kann sich z.B. auch auf einem separaten Träger (Substrat) befinden. Durch den elektrodynamischen Antrieb erfolgt eine hubkolbenartige Auslenkung, wie anhand von 10b zu erkennen ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Spule 18' gegenüber der Membran 14' bzw. gegenüber dem Rahmen 14r' derart positioniert, dass diese im Grundzustand in dem Hohlraum 14h' angeordnet ist, nicht aber den Rahmen 14r' oder die Membran berührt. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist die Spule 18' eine On-Chip-integrierte Planar- oder Mehrlagenspule, eine (konventionell) gewickelte Spule, eine auf einer Leiterplatte integrierte mehrlagige Spule oder eine Spule auf Basis von keramischen Materialien. Die Spule kann entsprechend optionalen Ausführungsbeispielen ein Kernmaterial 18k' aufweisen. Hierdurch kann die Wirkung der Spule 18' verstärkt werden.
Wie insbesondere anhand der Illustration aus 10b zu erkennen ist, sind zwischen der hubkolbenförmig bewegbaren Membran 14' mit im Rahmen 14r' und dem Substrat 12' Dichtungsmittel 19d' vorgesehen, die den Spalt zwischen dem schwingenden Element 14' plus 14r' und dem Rahmen 12' abdichten. Hierbei kann es sich um ein elastisches Element oder um eine Art Blende oder Ähnliches handeln.
Bezüglich der Geometrien sei angemerkt, dass hier in 10a und 10b eine Schnittdarstellung dargestellt ist, so dass es bezüglich der lateralen Ausdehnung der Elemente 14', 14r', 18', usw. angemerkt sei, dass diese entweder eine rechteckige, eine viereckige, eine runde oder eine vergleichbare Form aufweisen können. Wenn man beispielsweise von einer runden Form ausgeht, so ist festzustellen, dass die Spule 18', der Hohlraum 14h', der Rahmen 14r', die Membran 14' und die Kavität 12k' sich konzentrisch erstrecken, d. h. also eine gemeinsame Symmetrieachse haben.
Auf der Membran 14' ist eine piezoelektrische Schicht 16' aufgebracht bzw. integriert. In diesem Ausführungsbeispiel ist der piezoelektrische Biegeaktor 16' zweigeteilt ausgeführt, weist also einen Spalt 16s' auf. Dieser Spalt separiert den ersten Teil der piezoelektrischen Struktur 16a' von dem zweiten Teil der piezoelektrischen Struktur. Der Spalt 16s' setzt sich in diesem Ausführungsbeispiel auch durch die Membran 14' fort. An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Vorsehen dieses Spalts 16s' bzw. das Separieren ein optionales Merkmal darstellt, da der piezoelektrische Biegeaktor z. B. auch als einfach aufgebrachte piezoelektrische Schicht agieren kann, so wie Bezug nehmend auf 9 erläutert wird.
Wie nun die Struktur sowie die separierte Funktionsweise der einzelnen Elemente erläutert wurde, wird der hier durch das MEMS-Bauteil 10' geschaffene Zwei-Wege-MEMS-Schallwandler in seine Gesamtfunktionalität erläutert. Über den elektrodynamischen Antrieb 18' in Kombination mit 14p' wird der Tieftöner elektrodynamisch angetrieben, während die aktive Fläche des Tieftöners 14' zusätzlich den Hochtöner 16' bzw. 16a' plus 16b' enthält. Hier wird also die Funktionalität des Hochtöners durch piezoelektrische Biegeaktoren realisiert, wie sie beispielsweise in [7] beschrieben sind.
Der gesamte Hochtöner 16' ist zusammen mit dem Rahmen 14r' federnd gelagert, so dass sich der Rahmen 14r' mit dem Hochtöner 16' und der Membran 14' vertikal auslenken lässt.
Die Antriebskraft zur vertikalen Auslenkung resultiert aus einem von der Spule 18' erzeugten Magnetfeld. Die Spule 18' ist hier zentrisch unter dem Rahmen 14r' des Hochtöners 16' angebracht. Durch ein geeignetes Kernmaterial wird das Magnetfeld und somit die Kraft auf den integrierten Permanentmagneten 14p' im Rahmen 14r' des Hochtöners 16' verstärkt. Die vertikale Auslenkung des Hochtöners 16' inklusive Rahmen 14r' durch das veränderliche Signal der Spule bildet die Funktionalität des Tieftöners ab.
Bevor auf die Herstellung sowie die Leistungsfähigkeit der hier dargestellten MEMS-Struktur 10' eingegangen wird, werden die optionalen Aspekte Spalt 16s' und Dichtung 19d' Bezug nehmend auf 10c, 10d und 10e etwas detaillierter erläutert.
10c zeigt eine Möglichkeit, wie mittels eines Spalts (vergleichbar mit dem Spalt 16s') eine Abdichtung erfolgen kann. Die hier in 10c dargestellte Variante ist prädestiniert für den Einsatz im Hochtöner aus 10a und 10b. 10d und 10e zeigen Varianten zur Abdichtung am Rand einer bewegten Struktur. Diese Varianten sind also prädestiniert für die Verwendung der Struktur anstatt der Dichtmittel 19d'.
10c zeigt einen Schallwandler 16x mit einem ersten Biegeaktuator 100 sowie einem zweiten Biegeaktuator 120. Beide sind in einer Ebene E1 angeordnet bzw. eingespannt, wie anhand der Einspannung 100e und 120e zu erkennen ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die hier dargestellten Biegeaktuatoren 100 und 120 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 100 und 120 horizontal nebeneinander angeordnet, so dass die Aktuatoren 100 und 120 oder zumindest die Einspannungen 100e und 120e 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 100e und 120e bezieht.
Die beiden Aktuatoren 100 und 120 sind gegenüberliegend angeordnet, so dass zwischen denselben ein Spalt 140 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 140, der die zwei einseitig eingespannten Biegeaktuatoren 100 und 120 trennt, kann als Entkopplungsspalt bezeichnet werden. Der Entkopplungsspalt 140 variiert über den gesamten Auslenkungsbereich der Aktuatoren 100 und 120 nur minimal, d. h. kleiner 75% oder kleiner 50% der Spaltbreite, um so auf eine zusätzliche Abdichtung verzichten zu können, wie nachfolgend ausgeführt werden wird.
Die Aktuatoren 100 und 120 werden vorzugsweise piezoelektrisch angetrieben. Jeder dieser Aktuatoren 100 und 120 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 100, 120 eine Spannung angelegt, so verformt sich dieser bzw. im piezoelektrischen Fall das piezoelektrische Material der Aktuatoren 100 und 120 und bewirkt eine Verbiegung der Aktuatoren 100 und 120 aus der Ebene hinaus. Diese Verbiegung resultiert in einer Verdrängung von Luft. Bei einem zyklischen Steuerungssignal wird dann so der jeweilige Aktuator 100 und 120 zur Schwingung angeregt, um ein Schallsignal zu emittieren. Die Aktuatoren 100 und 120 bzw. das entsprechende Ansteuerungssignal ist so ausgelegt, dass jeweils benachbarte Aktuatorränder bzw. das freie Ende der Aktuatoren 100 und 120 eine nahezu identische Auslenkung aus der Ebene E1 erfahren. Die freien Enden sind mit den Bezugszeichen 100f und 120f gekennzeichnet. Da sich die Aktuatoren 100 und 120 bzw. die freien Ende 100f und 120f parallel zueinander bewegen, befinden sich selbige in Phase. Insofern wird die Auslenkung der Aktuatoren 100 und 120 als gleichphasig bezeichnet.
In der Folge bildet sich in der Gesamtstruktur aller Aktuatoren 100 und 120 im angetriebenen Zustand ein stetiges Auslenkungsprofil, welches lediglich durch die engen Entkopplungsschlitze 140 unterbrochen ist. Da die Spaltbreite der Entkopplungsschlitze im Mikrometer-Bereich liegt, werden hohe Viskoverluste an den Spaltseitenwänden 100w und 120w erreicht, so dass die hier durchtretende Luftströmung stark gedrosselt wird. Damit kann der dynamische Druckausgleich zwischen der Vorderseite und der Rückseite der Aktuatoren 100 und 120 nicht schnell genug erfolgen, so dass ein akustischer Kurzschluss unabhängig von der Aktuatorfrequenz vermieden wird. Dies bedeutet, dass sich eine eng geschlitzte Aktuatorstruktur im betrachteten akustischen Frequenzbereich strömungstechnisch wie eine geschlossene Membran verhält.
10d zeigt eine weitere Variante, wie ein Aktuator eines mikromechanischen Schallwandlers ohne Abdichtung ein gutes Schalldruckverhalten erlangen kann. Das Ausführungsbeispiel aus 10d zweigt den Schallwandler 16x' umfassend den Aktuator 100, der an dem Punkt 100e fest eingespannt ist. Das freie Ende 100f kann über einen Bereich B zum Schwingen angeregt werden. Gegenüber dem freien Ende 100f ist ein vertikal angeordnetes Blendenelement 220 vorgesehen. Dieses Blendenelement ist bevorzugt zumindest so groß oder größer als der Bewegungsbereich B des freien Endes 100f. Die Blendenelemente 220 erstreckten sich bevorzugt auf der Vorder- und/oder Rückseite des Aktuators, d. h. also von der Ebene E1 aus betrachtet in eine tiefer gelegene Ebene und eine höher gelegene Ebene. Zwischen dem Blendenelement 220 und dem freien Ende 100f ist ein Spalt 140f vergleichbar mit dem Spalt 140 aus 1a vorgesehen.
Das Blendenelement 220 ermöglicht die Breite der vorgesehenen Entkopplungsspalte 140' 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 10e dargestellt.
10e zeigt einen Aktuator 100, der ebenfalls an dem Punkt 100e eingespannt ist. Gegenüber ist eine beliebig angrenzende Struktur 230 ohne vertikale Ausdehnung und ohne Bewegung vorgesehen. Infolge einer Auslenkung des Aktuators 100 stellt sich eine Öffnung im Bereich des freien Endes 100f des Aktuators ein. Diese Öffnung ist mit dem Bezugszeichen „o“ versehen. Abhängig von der Auslenkung können diese Öffnungsquerschnitte 1400 deutlich größer als die Entkopplungsschlitze (vgl. 10c und 10d) 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 220 oder das Blendenelement 220 angepasst an die Bewegung des Aktuators 100 im Auslenkungsbereich B sein. Konkret wäre eine konkave Form denkbar.
Bezugnehmend auf 10f bis 10m werden nun Variation der Anordnung der Spule 18' sowie des Spulenkerns 18k' erläutert, wobei der restliche Aufbau im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel aus 10a entspricht.
Bei dem Ausführungsbeispiel aus 10f ist die Spule 18" zwischen Substrat und der Membran 14', d.h. seitlich (konzentrisch außerhalb) in Bezug zu dem Magneten 14p' (unterhalb der optionalen Dichtung) angeordnet. Der Kern 18k" verbleibt gegenüber 10a unverändert in der Zentrallage.
Durch diese Variante kann der Kern 18k" in der Zentrallage vergrößert werden und der Platz, in welchem die Anordnung 18" und 18k" vorgesehen ist, maximal ausgenutzt werden. Dadurch, dass (zumindest in der Ruhelage) der Magnet 14p' zwischen Spule 18" und Kern 18k" vorgesehen ist, wird die maximale magnetische Kraft bei Ansteuerung der Spule 18" eingekoppelt. Die Anordnung zwischen Substrat und Magnet 14p' ist, wenn man von einer runden Membran ausgeht, derart zu verstehen, dass hier die Elemente 18", 14p' und 18k" konzentrisch ineinander geschachtelt sind. Wenn man von einer anderen Form, wie z. B. einer viereckigen Form ausgeht, wäre die Verschachtelung selbstverständlich auch möglich.
Das Ausführungsbeispiel aus 10g entspricht dem aus 10a, wobei kein Kern vorgesehen ist. Das Ausführungsbeispiel aus 10h entspricht dem aus 10f, wobei kein Kern vorgesehen ist.
Beide Ausführungsbeispiele erfüllen im Wesentlichen die gleiche Funktionalität, wie die entsprechenden Basisausführungsbeispiele aus den 10a und 10f, wobei sich durch das Einsparen des Kerns das Gesamtgewicht des Schallwandler-Bauteils signifikant verringert; hierbei können sich allerdings auch geringere resultierende Kräfte auf die Membran einstellen.
Das Ausführungsbeispiel aus 10i entspricht dem aus 10f, wobei die Spule 18'" nicht wie in 10f innerhalb der Kavität 14h', sondern im Bereich des Substrats vorgesehen ist. Bei allen Implementierungen aus den 10f bis 10i befinden sich die Spule 18' /18" und der Kern 18k' / 18k" innerhalb des Substrats und/oder unterhalb (d.h. im lateralen Bereich) der Membranebene. In Bezug auf die Permanentmagneten ist die Spule 18' /18" und Kern 18k' / 18k" also dazwischen oder zumindest direkt angrenzend angeordnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel aus 10i hingegen ist die Spule 18'" außerhalb der Kavität, d. h. also im Substratbereich angeordnet. Dies ist vorteilhaft, da so herstellungsbedingt die Spule direkt im Substrat geformt werden kann. Durch die Verwendung des zentralen Eisenkerns 18k' wird trotz der außenliegenden Anordnung der Spule 18' eine gute Krafteinkopplung möglich.
Beim Vergleich der Ausführungsbeispiele aus 10f und 10i fällt auf, dass die Größe des Eisenkerns in Bezug auf den Durchmesser variieren kann. Die Variation hängt wesentlich von der angedachten Anwendung ab. Eine weitere Variation der Abmessungen des Eisenkerns 18k' und der Spule 18' wird nachfolgend in Bezug auf 10j erläutert.
Das Ausführungsbeispiel aus 10j. entspricht dem aus 10i, wobei der Kern 18k"" und die Spule 18"" flacher gebaut sind: Die Spule 18"" schließt mit der Substratoberfläche ab.
Dieser flache Aufbau reduziert zwar die übertragbare Kraft auf die Membran 14', stellt aber in Bezug auf die Baumaße eine Optimierung dar.
Das Ausführungsbeispiel aus 10k entspricht dem aus 10i, wobei kein Kern vorgesehen ist. Das Ausführungsbeispiel aus 10i entspricht dem aus 10j, wobei kein Kern vorgesehen ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel aus 10k können auch die Aufbaumaße, insbesondere im Bereich der Kavität 14h' optimiert werden. Durch die in der Tiefenebene des Substrats erstreckende Spule 18"' wird dennoch erreicht, dass hohe Kräfte einkoppelbar sind.
Das Ausführungsbeispiel aus 10i entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel aus 10k, wobei sich die Spule 18"" nicht ganz so weit in die Tiefe erstreckt, dafür aber (wie auch bei 10j schon) sich genau von der Oberfläche bis zur Unterseite der Kavität 14h' erstreckt und so eine optimierte Bauform erreicht wird. Bei dieser Anordnung wird z.B. die maximale Kraftwirkung im ausgelenkten Zustand erreicht.
Das Ausführungsbeispiel aus 10m entspricht dem aus 101, wobei der Kern 18k* neben der Spule 18"" vorgesehen ist, d.h. mit der der Substratoberfläche abschließt.
Das Ausführungsbeispiel aus 10m ist eine Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels aus 10k, wobei hier außerhalb der Kavität 14h', d. h. neben der Spule 18"" der Kern 18k* (hier ein konzentrischer Kern) vorgesehen ist. Zusammengefasst heißt das, dass die Elemente 18k* und 18"" sich als konzentrische Elemente um die Kavität 14h' herum erstrecken, d. h. also im Substrat eingebettet sein können. Dieses Ausführungsbeispiel ist einerseits aus produktionstechnischer Sicht vorteilhaft und ermöglicht eine hohe Kraftwirkung. Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass hier eine Variante mit reduzierter Höhe zur Optimierung der Bauhöhe dargestellt ist, bei der sich Kern 18k* und Spule 18"" von der Oberfläche des MEMS-Bauelements bis in etwa der Tiefe der Kavität 14h' erstreckt.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können die Elemente 18k* und 18"" in Bezug auf ihre Abmessungen (insbesondere Höhe, aber auch Durchmesser) variieren so dass durch eine tiefere Erstreckung die einkoppelbare Kraft weiter gesteigert wird.
Bei 10f bis 10m handelt es sich um Schnittdarstellungen, sodass die in einer Dimension beschriebene Erläuterung selbstverständlich auch auf eine weitere Dimension übertragbar ist.
Nachdem nun den Implementierungsdetails entsprechend optionalen Ausführungsbeispielen für den MEMS-Device 10' erläutert wurden, wird auf die Herstellung und weitere optionale Features eingegangen.
Zur Herstellung der im Rahmen 14r' enthaltenen permanent magnetischen Strukturen 14p' kann eine neuartige Technologie genutzt werden, die auf der Agglomeration losen Pulvers mittels Atomlagenabscheidung beruht [22]. Sie erlaubt es, dreidimensionale Mikrostrukturen mit Kantenlängen zwischen 50 µm und 2000 µm reproduzierbar und kompatibel zu Standardprozessen der Halbleiter- und MEMS-Fertigung auf Si-Substraten zu integrieren. Für integrierte Mikromagnete, hergestellt aus NdFeB-Pulver, wurden ausgezeichnete magnetische Eigenschaften mit guter Reproduzierbarkeit nachgewiesen [23]. Die Langzeitstabilität der NdFeB-Mikromagnete ist sehr hoch.
Der vorgeschlagene Lösungsweg hat zahlreiche Vorteile gegenüber dem aktuellen Stand der Technik. Die Aufteilung eines Schallwandlers in ein Mehrwege-System ist bei konventionellen Schallwandlern allgemein üblich. Dadurch lassen sich die einzelnen Komponenten zur Schallerzeugung auf den jeweiligen Frequenzbereich abstimmen. In diesem Fall ist die dadurch mögliche Kombination zwei verschiedener Antriebsarten besonders vorteilhaft, da sich selbige nicht gegenseitig beeinflussen.
Wie in der Problembeschreibung ausgeführt, hängt der erreichte Schalldruckpegel im Freifeld fundamental von der Frequenz ab (vgl. Gleichung 1). Abgesehen von In-Ear-Anwendungen hat das zur Folge, dass der Schalldruckpegel von Mikrolautsprechern bei niedrigen Frequenzen einbricht, wie im Stand der Technik anhand 1, 3, 5 ersichtlich ist. Der Effekt lässt sich nur durch eine Erhöhung des verdrängten Volumens kompensieren. Im beschriebenen Lösungsweg wird das durch den Tieftöner verdrängte Volumen durch mehrere Aspekte maximiert. Der Tieftöner nutzt die Gesamtfläche des Bauteils als aktive Fläche, die Integration des Hochtöners in der aktiven Fläche des Tieftöners spart die sonst notwendige zusätzliche Fläche für ein zwei-Wege System. Durch die Umsetzung als Kolbenschwinger ist die mittlere Auslenkung der aktiven Fläche gleich der maximalen Auslenkung, bei einem Biegeschwinger wäre die mittlere Auslenkung nur ein Bruchteil der maximalen Auslenkung. Durch den elektrodynamischen Antrieb lässt sich die Nutzkraft über eine größere Strecke übertragen, somit lassen sich höhere maximale Auslenkungen erreichen.
Der separate Hochtöner erlaubt das Ausnutzen eines anderen Antriebskonzepts bei hohen Frequenzen. Hier bieten sich piezoelektrische Antriebskonzepte besonders an, da sie gegenüber elektrodynamischen Antrieben bei hohen Frequenzen eine höhere Energieeffizienz und niedrigere Verzerrungen aufweisen. Die Integration innerhalb der aktiven Fläche des Tieftöners stellt kein Problem dar, da durch die Auslegung für höhere Frequenzen die Schallwandlerstrukturen grundsätzlich kleiner werden. Durch die Frequenzabhängigkeit (siehe Gleichung 1) lässt sich ein vergleichbarer Schalldruckpegel mit einer geringeren aktiven Fläche und geringeren mittleren Auslenkungen realisieren.
Während bei dem Hochtöner auf bestehende Technologien für Mikro-Schallwandler zurückgegriffen werden kann [4,7], kommt der Auslegung des elektrodynamischen Antriebs für den Tieftöner eine besondere Bedeutung zu. Die entwickelte Pulver-MEMS Technologie erlaubt die Integration großvolumiger Permanentmagnete während der Herstellung eines MEMS Bauteils. Diese ist insbesondere auch verträglich mit der Piezo-MEMS Technologie, so dass die Integration in den Rahmen eines piezoelektrisch angetriebenen Hochtöners möglich ist. Die magnetische Kraftwirkung skaliert mit dem Volumen, so dass möglichst große Pulvermagneten in den Hochtöner zu integrieren sind. Um die Funktionalität des Hochtöners nicht zu beeinflussen, bietet sich der Rahmen an.
Die Integration der Permanentmagneten in den Rahmen dient zusätzlich der Maximierung der magnetischen Kraftwirkung. 11a zeigt die magnetische Flussdichte B_z in z-Richtung einer entlang der z-Achse orientierten Spule aus 25 Windungen mit 4 mm Durchmesser und einer Gesamtlänge der Spule von 2 mm. Der Ursprung des verwendeten Koordinatensystems geht durch die Mitte der Spule, gezeigt ist der Schnitt in der xz-Ebene, die Begrenzung der Spule wird durch die schwarzen Linien angedeutet.
Die magnetische Flussdichte B_z ist relativ homogen in der Mitte der Spule und nimmt stark ab außerhalb der Spule 18 (siehe nicht-schraffierter Bereich). Die magnetische Kraftwirkung auf ein magnetisches Dipolmoment (z.B. eines Permanentmagneten) ist proportional zum Gradienten des Skalarprodukts aus Flussdichte und Dipolmoment. Für einen entlang der z-Richtung magnetisierten Permanentmagneten ist die Kraftwirkung in z-Richtung direkt proportional zum Gradienten der in 11a gezeigten Flussdichte B_z . 11b zeigt die Kraftwirkung in z-Richtung pro Volumen eines mit 500 mT in z-Richtung magnetisierten Permanentmagneten. Wie auch in 11a ersichtlich, tritt die maximale Kraftwirkung nicht bei der maximalen Flussdichte auf, sondern beim stärksten Abfall. Statt einer zentrierten Position des Permanentmagneten entlang der Spulen-Achse, wie z.B. in 7 gezeigt, ist eine Position möglichst dicht an der Spulenwicklung für die maximale Kraftwirkung vorteilhaft. Zusätzliches Volumen des Permanentmagneten in der Mitte der Spule trägt nur schwach zur Kraftwirkung bei und ist aus geometrischen Gründen der Integration der Hochtöner Funktionalität und zur Reduktion des Gewichts der Hochtönerplattform im vorgestellten Lösungsweg ausgespart.
11c und 11d verdeutlichen diesen Zusammenhang. Geplottet ist der Verlauf der Kraftwirkung in z-Richtung pro Volumen (x0-x6 =̂ 0-1800 µm bzw. 2200-4000 µm) entlang der z-Achse für verschiedene x-Positionen (vertikale Schnitte durch 11b). Die erreichbare Kraftwirkung nimmt deutlich zu, je dichter die Position an die Spulenwicklungen rückt. Dieser Zusammenhang ist nicht auf das Innere der Spule begrenzt. Wie in 11a und 11b ersichtlich tritt ein ähnlicher Verlauf mit umgekehrten Vorzeichen außerhalb der Spule auf. Auch für diesen Fall sind die Verläufe der Kraftwirkung pro Volumen beispielhaft in 11d gezeigt.
Zusätzlich zur lateralen relativen Positionierung der Permanentmagneten und Spule lassen sich Schlüsse für die optimale vertikale relative Positionierung ziehen. Wie in und ersichtlich, tritt die maximale Kraftwirkung an den vertikalen Enden der Spule auf. Diese Position sollte also am Punkt der Vollauslenkung des Tieftöners auftreten, um eine maximale Auslenkung gegen die federnde Lagerung des Tieftöners zu erzielen. Aber auch eine vertikale Zentrierung der Permanentmagneten und der Spule kann von Vorteil sein. Hier ist zwar eine geringere Kraftwirkung verfügbar, diese verläuft aber linear zur vertikalen Verschiebung, in diesem Fall der Auslenkung des Tieftöners. Ein linearer Kraftverlauf ist für eine Minimierung der Verzerrungen vorteilhaft.
Für die Positionierung der Permanentmagneten im Rahmen des Hochtöners und der Spule ggf. mit Kernmaterial ergeben sich somit unter anderem die in 10f-10m gezeigten Möglichkeiten, um die oben beschriebene gesteigerte Kraftwirkung in Nähe der Spulenwicklungen auszunutzen. Zusätzliche Variationen kommen durch Form und Positionierung der Permanentmagneten im Rahmen des Hochtöners hinzu. Die Spule kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Denkbar sind unter anderem Spulen auf Basis von MEMS-Technologie, konventionell gewickelte Spulen, Spulen aus mehrlagigen Leiterplatten und Spulen auf Basis von keramischem Material. Das Kernmaterial kann ein Körper sein, oder bevorzugt aus mehreren Körpern mit hohem Aspektverhältnis zusammengesetzt werden.
Für die in präferierte Ausführungsform, gezeigt in 10a, wurden die erreichbaren Kräfte für den Antrieb des Tieftöners über nummerische Simulation abgeschätzt. Berechnet wurde die Kraftwirkung auf einen einzelnen 200 µm × 200 µm × 500 µm großen quaderförmigen Magneten mit 500 mT Magnetisierung. Im Rahmen eines Hochtöners mit einer aktiven Fläche von 4 mm im Durchmesser lassen sich mindestens 50 solcher Magneten unterbringen. Diese befinden sich im gerechneten Beispiel auf einem Kreis mit Radius 2,2 mm. Die Spule hat einen maximalen Außendurchmesser von 3,9 mm und eine Länge von 4 mm. Sie ist aus 50 Wicklungen pro Lage aus AWG 40 Draht aufgebaut. Die auf den einzelnen Magneten wirkende Kraft bei einem Strom von 14 mA durch die Spule in Abhängigkeit der Lagenzahl n (n1- n 5) ist in 11e gezeigt. Die Kraft ist über dem relativen Abstand vom Mittelpunkt des Magneten zu Mittelpunkt der Spule entlang der z-Achse aufgetragen. Zusätzlich wird in der Legende die Verlustleistung im stationären Fall aufgrund des Widerstandes des Spulendrahtes angegeben.
Wie in 11e exemplarisch ersichtlich wird eine Kraft von ca. 2 µN pro Magnet erzielbar mit 5 Wicklungslagen der Spule. Multipliziert mit der Anzahl der Magneten ergibt sich so eine Kraft von 100 µN auf den Rahmen des Hochtöners.
Durch die Verwendung eines geeigneten Kernmaterials kann die Kraftwirkung weiter gesteigert werden. Hierbei ist zu beachten, dass das Demagnetisierungsfeld des Kernmaterials der Magnetisierung durch die Spule entgegensteht. In Abhängigkeit vom Aspektverhältnis Länge/Durchmesser L/D des Kerns ergibt sich der Verstärkungsfaktor 1/N für einen zylindrischen Kern eines ideal weichmagnetischen Materials wie in 11f gezeigt. Bei einem Aspektverhältnis von 1:1 ist mit einem Verstärkungsfaktor von ca. 3, bei einem Aspektverhältnis von 3:1 schon mit einem Verstärkungsfaktor von ca. 10 zu rechnen. Um bei begrenzter Bauhöhe trotzdem ein hohes Aspektverhältnis des Kernes zu realisieren ist eine Unterteilung des Kerns in mehrere Einzelteile mit hohem Aspektverhältnis erstrebenswert. So lassen sich im gerechneten Beispiel die für einen Mikro-Schallwandler notwendigen Kräfte im mN Bereich erzielen.
Die Kombination der zwei Schallwandler in einem Bauteil stellt Anforderungen an die mechanische Auslegung. Die Aktoren des Hochtöners sind in ausreichender Steifigkeit auszuführen, um eine Bewegung bei Aktuation des Tieftöners zu verhindern. Durch die Auslegung des Hochtöners auf einen höheren Frequenzbereich als den Tieftöner ist dies umsetzbar. Die Ansteuerung der zwei Wege ist durch eine geeignete Elektronik mit aktiver oder passiver Frequenzweiche umzusetzen.
In den Ausführungsbeispielen ist die bevorzugte Umsetzung des Hochtöners in der in 4 [7] demonstrierten Technologie gezeigt. Der beschriebene Lösungsweg lässt sich aber auch mit anderen Technologien für Hochtöner umsetzen. Zu nennen wäre hier z.B. die in 3 gezeigte Technologie [4], wo die Piezoaktoren eine zusätzliche hybrid aufgebrachte Membran auslenken. Auch für die Abdichtung der federnden Aufhängung der aktiven Fläche des Tieftöners ergeben sich entsprechend dieser zwei Technologien zwei Möglichkeiten. Die Federn lassen sich durch eng gewählte Schlitze und Blendenstrukturen ausreichend abdichten, alternativ kann eine zusätzliche Membran, bevorzugt aus einem weichen Material, zur Trennung von Vorder- und Rückvolumen eingesetzt werden.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die oben erläuterte Technologie insbesondere im Bereich von Mikro-Schallwandlern eingesetzt werden kann. Diese werden in der Unterhaltungselektronik, Telekommunikationstechnik und Medizintechnik verwendet. Mögliche Anwendungen umfassen Kopfhörer (In-Ear-Kopfhörer oder Over-Ear-Kopfhörer) tragbare Geräte (SmartPhones, Tablets, Hearables) und Hörgeräte.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele erläutert: Ein Ausführungsbeispiel entsprechend eines Aspekts schafft ein Zwei-Wege-Mikro-Schallwandlersystem in MEMS-Technologie, umfassend einen Tieftöner und einen Hochtöner. Bei entsprechenden Ausführungsbeispielen wird der Tieftöner elektrodynamisch angetrieben. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wird der Tieftöner elektrodynamisch und der Hochtöner piezoelektrisch angetrieben.
Der Hochtöner ist entsprechend Ausführungsbeispielen Teil der aktiven Fläche des Tieftöners.
Entsprechend Ausführungsbeispielen hat der Mikro-Schallwandler eine Abmessung von ca. 50 mm × 50 mm × 10 mm bzw. eine maximale Abmessung von 50 mm × 50 mm × 10 mm. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen überschreitet die Abmessung nicht 10 mm × 10 mm × 5 mm. Insofern ist der Mikro-Schallwandler kleiner als 10 mm × 10 mm × 5 mm.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel umfasst der elektrodynamische Antrieb des Tieftöners mindestens einen, bevorzugt aber mehrere Permanentmagneten, die im Rahmen des Hochtöners realisiert werden.
Hierbei wird entsprechend Ausführungsbeispielen die höhere Kraftwirkung in der Nähe der Spulwicklung ausgenutzt.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist der im Rahmen des Hochtöners integrierte Permanentmagnet in der Ebene mit einer Kantenlänge bzw. einem Durchmesser zwischen 20 µm und 2000 µm, bevorzugt zwischen 50 µm und 1000 µm und besonders bevorzugt zwischen 50 µm und 500 µm ausgestattet.
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist die aktive Fläche des Tieftöners federnd aufgehängt, z.B. durch eng gewählte Schlitze, eine Blendenstruktur oder eine zusätzliche abdichtende Membran.
Bezüglich des Substrats sei angemerkt, dass dieses entsprechend Ausführungsbeispielen aus Silizium oder einem anderen Material ausgeführt sein kann.
Wie oben bereits erläutert, bezieht sich ein Ausführungsbeispiel auf ein Herstellungsverfahren. Hierbei sei angemerkt, dass dieses Herstellungsverfahren insbesondere das Agglomerieren von losem Pulver mittels Atomlagenabscheidung aufweisen kann, um die permanentmagnetischen Strukturen herzustellen. Die weiteren Herstellungsschritte sind solche, die sich konventioneller MEMS-Herstellungstechnologien bedienen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass im Zusammenhang mit den oben erläuterten Vorrichtungen die Erläuterung auch eine Erläuterung des entsprechenden Herstellungsschritts darstellt, so dass hier keine zusätzlichen Angaben gemacht werden.
Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen der (MEMS-)Schallwandler als (MEMS)-Lautsprecher erläutert wurde, sei darauf hingewiesen, dass selbiger auch als passiver Schallwandler, d.h. als Sensor zur Schallaufnahme (z.B. Mikrophone) implementiert sein kann. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist der Schallwandler als Luftschallwandler zu verstehen. Zusätzlich sei angemerkt, dass unter einem Luftschallwandler ein Schallwandler zu verstehen ist, der luftgeführten akustischen Schall oder auch Ultraschall aufnehmen und abgeben kann (exemplarischer Frequenzbereich 1Hz - 400 kHz).
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Claims

Schallwandler (10, 10'), mit folgenden Merkmalen: einem Substrat (12, 12'); einer in dem Substrat (12, 12') geformten Membran (14, 14'), die mit zumindest einem integrierten Permanentmagneten (14p, 14p') verbunden ist und elektrodynamisch ansteuerbar ist; und einem auf die Membran (14, 14') aufgebrachten Biegeaktor (16, 16', 16a', 16b'), der separat von der Membran (14, 14') piezoelektrisch ansteuerbar ist.
Schallwandler (10, 10') gemäß Anspruch 1, wobei der Biegeaktor (16, 16', 16a', 16b') eine mit einem Spalt geteilte Membran (14, 14') aufweist.
Schallwandler (10, 10') gemäß Anspruch 2, wobei die mit dem Spalt geteilte Membran (14, 14') zwei Hälften umfasst; oder wobei die mit dem Spalt geteilte Membran (14, 14') vier Quadranten oder eine Vielzahl von Elementen umfasst.
Schallwandler (10, 10') gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der Spalt in einem nichtausgelenkten Zustand des Biegeaktors (16, 16', 16a', 16b') kleiner als 5 µm, kleiner als 25 µm, kleiner als 50 µm oder kleiner als 100 µm ist.
Schallwandler (10, 10') gemäß Anspruch 1, wobei der Biegeaktor (16, 16', 16a', 16b') eine zusätzliche Membran umfasst, die von dem Biegeaktor (16, 16', 16a', 16b') angetrieben wird; oder wobei der Biegeaktor (16, 16', 16a', 16b') eine zusätzliche Membran umfasst, die von dem Biegeaktor (16, 16', 16a', 16b') angetrieben wird und über einen flexiblen Bereich der zusätzliche Membran mit dem Substrat verbunden ist.
Schallwandler (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Membran (14, 14') mit einen Rahmen (14r') verbunden ist, der zusammen mit der Membran (14, 14') elektrodynamisch angesteuert wird; oder wobei die Membran (14, 14') mit einem Rahmen (14r'), in dem der zumindest eine Permanentmagnet (14p, 14p') integriert ist, verbunden ist, wobei der Rahmen (14r') zusammen mit der Membran (14, 14') elektrodynamisch angesteuert wird.
Schallwandler (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Membran (14, 14') oder ein Rahmen der Membran (14, 14') federnd gegenüber dem Substrat gelagert ist.
Schallwandler (10, 10') gemäß Anspruch 7, wobei die federnde Lagerung durch einen Entkopplungsschlitz, eine Blendenstruktur oder eine elastische Verbindung realisiert ist; und/oder wobei die federnde Lagerung durch eine Blendenstruktur realisiert ist, wobei die Blendenstruktur aus der Substratebene herausragt und/oder wobei die Blendenstruktur eine Höhe von mindestens 0,5 oder 0,75 oder 1,0 der maximalen Auslenkung der elektrodynamisch angetriebenen Membran (14, 14') hat.
Schallwandler (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Membran (14, 14') als Hubkolbentreiber fungiert.
Schallwandler (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei Schallwandler (10, 10') eine Spule (18', 18", 18"', 18"") aufweist, die mit dem zumindest einen integrierten Permanentmagneten (14p, 14p') interagiert, um die Membran (14, 14') elektrodynamisch anzutreiben.
Schallwandler gemäß Anspruch 10, wobei die Spule (18', 18", 18'", 18"") zentral unterhalb der Membran (14, 14') oder entlang der Außenkontur der Membran (14, 14') oder konzentrisch um die Membran (14, 14') angeordnet ist.
Schallwandler gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die Spule (18', 18", 18"', 18"") mit einem Kern (18k', 18k", 18k'", 18k"", 18k*) gekoppelt ist, der zentral unterhalb der Membran (14, 14'), um den Randbereich der Membran (14, 14') herum oder konzentrisch um die Membran (14, 14') herum angeordnet ist.
Schallwandler (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Membran (14, 14') eine Siliziummembran und/oder eine Halbleitermembran ist.
Schallwandler (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Schallwandler ausgebildet ist, mittels der elektrodynamisch antreibbaren Membran (14, 14') einen ersten Frequenzbereich abzubilden und mittels des Biegeaktors (16, 16', 16a', 16b') einen zweiten Frequenzbereich abzubilden, wobei der zweite Frequenzbereich in Bezug auf seine Mittenfrequenz höher ist als die Mittenfrequenz des ersten Frequenzbereichs oder wobei der zweite Frequenzbereich höhere Frequenzen umfasst als der erste Frequenzbereich.
Schallwandler (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, der zusätzlich eine Signalverarbeitung aufweist, die ausgebildet ist, um einen zu übertragenden Frequenzbereich in einen ersten und zweiten Frequenzbereich aufzuteilen, wobei Signale zugehörig zu dem ersten Frequenzbereich elektrodynamisch mittels des Schallwandlers reproduziert werden und Signale zugehörig zu dem zweiten Frequenzbereich mittels des Biegeaktors (16, 16', 16a', 16b') reproduziert werden, wobei der zweite Frequenzbereich in Bezug auf seine Mittenfrequenz höher ist als die Mittenfrequenz des ersten Frequenzbereichs oder wobei der zweite Frequenzbereich höhere Frequenzen umfasst als der erste Frequenzbereich.
Mikrolautsprecher, Kopfhörer oder In-Ear-Kopfhörer umfassend zumindest einen MEMS-Schallwandler (10, 10') gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Schallwandlers (10, 10') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Verfahren den Schritt der Agglomeration von Pulver zur Herstellung von zumindest einem Permanentmagneten (14p, 14p') oder zur Herstellung von zumindest einem Permanentmagneten (14p, 14p') auf der Membran (14, 14') umfasst.