DE102022128242A1

DE102022128242A1 - Mikroelektromechanische Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks

Info

Publication number: DE102022128242A1
Application number: DE102022128242.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Klemm; Anartz Unamuno
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-10-25
Filing date: 2022-10-25
Publication date: 2024-04-25
Also published as: CN117939375A; US20240132339A1

Abstract

Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich im Allgemeinen auf Antriebe für mikroelektromechanische Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks, die in einem mikromechanischen System (MEMS) implementiert sein können. Die beweglichen Schenkel der Aktuatoren sind miteinander mittels Verbindungselementen verbunden und bilden einen Mantel, dessen Volumen sich durch die Bewegung der Schenkel zur Erzeugung eines Schalldrucks verändern lässt.

Description

Technischer Bereich
Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich im Allgemeinen auf Antriebe für mikroelektromechanische Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks, die in einem mikromechanischen System (MEMS) implementiert sein können. In einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die mikroelektromechanische Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks in einem Chip/Die implementiert, z.B. in Form eines System-on-Chip (SoC) oder eines System-in-Package (SiP). Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf die Verwendung einer solchen mikroelektromechanischen Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks in einem mikromechanischen Lautsprechersystem, z.B. in einem Kopfhörer, einem Hörgerät oder dergleichen.
Hintergrund
Das Prinzip eines nanoskopischen elektrostatischen Antriebs (Nanoscopic Electrostatic Drive - NED) ist in der Patentanmeldung WO 2012/095185 A1 beschrieben. NED basiert auf einem MEMS-basierten Aktuator-Prinzip. Die beweglichen Elemente, die die Aktuatoren bilden, sind aus einem Halbleitermaterial, beispielsweise Siliziummaterial gebildet, das zumindest zwei beabstandete Elektroden aufweist. Andere Halbleitermaterialwahlen sind dabei ohne Einschränkung ebenfalls möglich. Die Länge der Elektroden ist viel größer als die Dicke der Elektroden und die Höhe der Elektroden, d.h. die Abmessung entlang der Tiefenrichtung des Siliziummaterials. Diese stabförmigen Elektroden sind voneinander beabstandet und lokal elektrisch isoliert voneinander fixiert. Durch Anlegen eines elektrischen Potentials wird ein elektrisches Feld zwischen diesen Elektroden erzeugt, was zu anziehenden oder abstoßenden Kräften zwischen den Elektroden und somit Spannungen im Material der Elektroden führt. Das Material versucht, diese Spannungen zu homogenisieren, indem es einen möglichen spannungsarmen Zustand einnimmt, was zu einer Bewegung führt. Durch eine bestimmte Geometrie und Topografie der Elektroden kann diese Bewegung derart beeinflusst werden, dass sich die Elektroden in der Länge ändern und somit eine laterale Bewegung des auslenkbaren Elements stattfindet.
Implementierungen und Verbesserungen von mikromechanischen Vorrichtungen, die eine NED verwenden, sind im Stand der Technik beschrieben, z.B. in WO 2016/202790 A2 , WO 2020/078541 A1 , WO 2022/117197 A1 , WO 2021/223886 A1 , etc., die jeweils durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind. In diesen mikromechanischen Vorrichtungen bewirken mehrere sich in der Ebene bewegende Aktuatoren eine Veränderung eines Luftvolumens, das sich zwischen den Aktuatoren befindet, und erzeugen so einen Schalldruck. Diese mikromechanischen Vorrichtungen können als im Ohr getragene Schallwandlersysteme verwendet werden. Die Modulation des Luftvolumens zwischen den Aktuatoren erzeugt einen hörbaren Schall im Inneren des Ohrkanals.
Aus der Veröffentlichungsschrift WO 2022/117197 A1 ist ein MEMS-Bauelement bekannt, das einen Schichtstapel mit einer Mehrzahl an MEMS-Schichten umfasst. Das MEMS-Bauelement umfasst ein in einer ersten MEMS-Schicht gebildetes bewegliches Element (Aktuator), das zwischen einer zweiten MEMS-Schicht und einer dritten MEMS-Schicht des Schichtstapels in einer Kavität angeordnet ist. Ferner ist eine Antriebseinrichtung vorgesehen, die eine mit dem beweglichen Element mechanisch fest verbundene erste Antriebsstruktur und eine mit der zweiten MEMS-Schicht mechanisch fest verbundene zweite Antriebsstruktur aufweist. Die Antriebseinrichtung erzeugt eine Antriebskraft senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung an dem beweglichen Element. Die Antriebskraft lenkt das bewegliche Element aus.
Aus der Veröffentlichungsschrift WO 2021/223886 A1 ist ebenfalls ein MEMS-Bauelement bekannt, das einen Schichtstapel mit einer Mehrzahl an MEMS-Schichten umfasst. Das MEMS umfasst eine in einer ersten MEMS-Ebene und in der Kavität entlang einer Ebenenrichtung beweglich angeordnete Interaktionsstruktur, um mit einem Fluid (z.B. Luft) in der Kavität zu interagieren. Eine Bewegung der Interaktionsstruktur hängt mit einer Bewegung des Fluids durch die zumindest eine Öffnung kausal zusammen. Das MEMS umfasst ferner eine in einer zweiten, senkrecht zu der Ebenenrichtung angeordneten MEMS-angeordnete aktive Struktur, die mit der Isolationsstruktur mechanisch gekoppelt ist und konfiguriert ist, dass ein elektrisches Signal an einem elektrischen Kontakt der aktiven Struktur mit einer Verformung der aktiven Struktur kausal zusammenhängt. Die Verformung der aktiven Struktur hängt wiederum mit der Bewegung des Fluids kausal zusammen.
Die Veröffentlichungsschrift WO 2016/202790 A2 zeigt einen weiteren MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom eines Fluids, der ein Substrat umfasst, das eine Kavität aufweist. Der MEMS-Wandler umfasst ferner einen elektromechanischen Wandler (Aktuator), der in der Kavität mit dem Substrat verbunden ist und ein sich entlang einer lateralen Bewegungsrichtung verformbares Element aufweist, wobei eine Verformung des verformbaren Elements entlang der lateralen Bewegungsrichtung und der Volumenstrom des Fluids kausal zusammenhängen.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Diese kurze Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Art und Weise einzuführen, die nachstehend in der detaillierten Beschreibung ausführlicher beschrieben sind. Diese Zusammenfassung soll keine Schlüsselmerkmale oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren.
Die Ausführungsformen der Erfindung zielen darauf ab, die zur Schalldruckerzeugung notwendigen Kräfte zur Auslenkung der aktiven Aktuator-Strukturen in einer mikroelektromechanischen Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks zu reduzieren. Dabei soll möglichst die akustische Leistungsfähigkeit der mikroelektromechanischen Vorrichtung nicht gemindert werden.
Ein Aspekt der Erfindung ist es, die einen Aktuator zur Verwendung in einer mikroelektromechanischen Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks mechanisch flexibler auszubilden. Dazu kann der Aktuator Strukturen umfassen, die ein veränderliches Hohlraumvolumen innerhalb einer/eines Kavität/Hohlraums in den Schichten des Schichtsystems der mikroelektromechanischen Vorrichtung umschließen. Der Aktuator umfasst beispielsweise ein Paar von Schenkeln/Finnen, die mittels (flexiblen) Verbindungsstrukturen (z.B. an den Enden der Schenkel/Finnen) miteinander verbunden sind und so einen Mantel bilden, der das veränderliches Hohlraumvolumen innerhalb des Hohlraums der mikroelektromechanischen Vorrichtung definiert. Durch Auslenkung der Schenkel/Finnen kann das Hohlraumvolumen verändert und ein Schalldruck erzeugt werden.
Beispielsweise kann dazu der Aktuator einen ebenen ersten Schenkel und einen ebenen zweiten Schenkel umfassen, die sich beide sich im Wesentlichen in der ersten Richtung (y) und einer sich zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung (z) erstrecken und in einer zur ersten Richtung (y) und zur zweiten Richtung (z) senkrechten dritten Richtung (x) gegenüberliegend angeordnet sind. Diese beiden Schenkel können mittels einer ersten Verbindungsstruktur und einer zweiten Verbindungsstruktur so verbunden werden, dass der erste Schenkel, der zweite Schenkel, die erste Verbindungsstruktur und die zweite Verbindungsstruktur ein veränderliches Hohlraumvolumen innerhalb des Hohlraums zur Erzeugung eines Schalldrucks umschließen.
Einige Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine mikroelektromechanische Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks. Der Schalldruck kann beispielsweise ein akustischer Schalldruck sein, der im Hörbereich oder im Ultraschallbereich liegt. Die mikroelektromechanische Vorrichtung kann dabei in einem mikroelektromechanischen System (MEMS) implementiert sein. Die Vorrichtung weist ein Schichtsystem auf, das mehrere Schichten umfasst, wobei in den Schichten des Schichtsystems folgende Elemente ausgebildet sind: ein ebener Deckel, ein ebener Boden und Seitenwände, die so angeordnet sind, dass sie einen Hohlraum zwischen dem Deckel und der Boden umschließen. Ferner ist/sind in den Schichten des Schichtsystems ein oder mehrere bewegliche Aktuatoren in dem Hohlraum ausgebildet. Der eine oder die mehreren Aktuatoren ist/sind antreibbar, um einen Schalldruck zu erzeugen. Dabei kann jeder der Aktuatoren folgendes umfassen: einen ebenen ersten Schenkel und einen ebenen zweiten Schenkel, die sich beide sich im Wesentlichen in der ersten Richtung (y) und einer sich zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung (z) erstrecken und in einer zur ersten Richtung (y) und zur zweiten Richtung (z) senkrechten dritten Richtung (x) gegenüberliegend angeordnet sind, und eine erste Verbindungsstruktur und eine zweite Verbindungsstruktur, die die jeweils gegenüber liegenden Enden des ersten Schenkels und des zweiten Schenkels so verbinden, dass der erste Schenkel, der zweite Schenkel, die erste Verbindungsstruktur und die zweite Verbindungsstruktur ein veränderliches Hohlraumvolumen innerhalb des Hohlraums zur Erzeugung eines Schalldrucks umschließen. Der Begriff „Richtung“ ist in dieser Offenbarung nicht immer streng im mathematischen Sinne zu verstehen, sondern kann auch im Sinne einer Richtung von entlang einer von mehreren Raumsachsen (links/rechts, oben/unten, vorne/hinten) verstanden werden.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind in den Schichten des Schichtsystems ferner mehrere Antriebsabschnitte ausgebildet. Diese Antriebsabschnitte können eingerichtet sein, um den ersten Schenkel und den zweiten Schenkel eines jeden Aktuators unabhängig voneinander (z.B. gegenläufig) zu bewegen, um das umschlossene Holraumvolumen des jeweiligen Aktuators zu ändern. In einem Ausführungsbeispiel ist dabei ein erster Antriebsabschnitt mit dem ersten Schenkel eines Aktuators und ein zweiter Antriebsabschnitt mit dem zweiten Schenkel des Aktuators verbunden. Der erste Antriebsabschnitt und der zweite Antriebsabschnitt sind eingerichtet, die Schenkel des Aktuators jeweils gegenläufig in die dritte Richtung (x) zu bewegen (d.h. gegenläufig entlang einer Raumachse). Durch die Bewegung der Schenkel eines Aktuators mittels der beiden Antriebsabschnitte kann so das Hohlraumvolumen verändert und ein Schalldruck erzeugt werden.
In dem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die eine oder die mehreren Schichten des Schichtsystems in denen die Antriebsabschnitte ausgebildet sind zwischen der einen oder den mehreren Schichten des Deckels und der einen oder den mehreren Schichten des einen bzw. der Aktuatoren ausgebildet sind, oder in den Schichten des Deckels ausgebildet sind. Der Antrieb der Aktuatoren kann somit beispielsweise deckelseitig im Schichtsystem ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die eine oder die mehreren Schichten des Schichtsystems in denen die Antriebsabschnitte ausgebildet sind zwischen der einen oder den mehreren Schichten liegen, in denen der Boden und der einen oder den mehreren Schichten des einen bzw. der Aktuatoren ausgebildet sind, oder in den Schichten des Bodens ausgebildet sind. Entsprechend lässt sich der Antrieb auch bodenseitig, oder sowohl deckel- als auch bodenseitig realisieren. Eine weitere beispielhafte alternative Implementierung sieht vor, dass die eine oder die mehreren Schichten des Schichtsystems in denen die Antriebsabschnitte ausgebildet sind sich in den Schichten befindet, in denen die Aktuatoren ausgebildet sind.
In einer weitere Ausführungsform der Vorrichtung ist jeder Aktuator über ein Verbindungsstück mit zumindest einem der Antriebsabschnitte verbunden. Dabei kann jeder Aktuator durch das Verbindungsstück im Hohlraum gehalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Aktuatoren beispielsweise an den Seitenwänden aufgehangen werden. Dabei kann eine stoffschlüssige oder auch formschlüssig Aufhängung/Verbindung vorgesehen werden. Zum Beispiel kann jeder Aktuator über ein Verbindungsstück mit zumindest einer Seitenwand der Vorrichtung verbunden sein und durch das Verbindungsstück im Hohlraum gehalten werden.
In einer weiteren Ausführungsform können die Schenkel des einen Aktuators bzw. der Aktuatoren in die dritte Richtung (x) biegsam ausgebildet sein. Die dritte Richtung (x) ist hier beispielsweise nicht im mathematischen Sinne zu verstehen, sondern soll eine Biegsamkeit der Schenkel normal zur Ebene die durch erste und zweite Richtung aufgespannt wird beschreiben.
Gemäß weiterer Ausführungsformen den Vorrichtung nach wird das jeweils von einem Aktuator eingeschlossene Hohlraumvolumen in der zweiten Richtung vom Deckel und der Boden begrenzt. Dabei kann zwischen Deckel und jedem Aktuator jeweils ein Spalt und zwischen Boden und jedem Aktuator jeweils ein Spalt vorgesehen sein. Der Spalt kann dabei beispielsweise so dimensioniert sein, dass der Spalt als akustischer Filter wirkt, dessen Durchlassbereich außerhalb des akustischen Frequenzbereichs liegt, in dem die Vorrichtung den Schalldruck erzeugt. Alternativ oder zugleich kann der Spalt so klein ausgebildet werden, dass er fluidisch verschlossen ist, d.h. die Viskosität des Fluids (beispielsweise Luft) nicht mehr ausreichend, um den Spalt zu durchzufließen, wenn sich die Schenkel des Aktuators bewegen.
Gemäß weiterer Ausführungsformen können in dem Deckel ein oder mehrere Öffnungen vorgesehen sein, die dem einen oder den mehreren Aktuatoren zugeordnet sind. Jedem der Aktuatoren kann dabei mindestens eine Öffnung im Deckel zugeordnet sein, die in der dritten Richtung (x) zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel des jeweiligen Aktuators liegt und durch die der im jeweiligen Hohlraumvolumen erzeugte akustische Druck von der Vorrichtung emittiert werden kann.
In weiteren Ausführungsformen sind (auch) im Boden ein oder mehrere Öffnungen vorgesehen, die in der dritten Richtung (x) neben dem einen bzw. den Aktuatoren angeordnet sind. Beispielsweise kann im Boden in der dritten Richtung (x) jeweils mindestens eine Öffnung zwischen zwei direkt benachbarten Aktuatoren vorgesehen sein. In einer beispielhaften Implementierung kann dabei die einem jeden Aktuator zugeordnete mindestens eine Öffnung im Deckel innerhalb der sich in die zweite Richtung (z) und die dritte Richtung (x) erstreckenden Fläche des Holraumvolumens (z.B. die kleinste sich aufgrund der Bewegung der Schenkel ergebende Fläche) des jeweiligen Aktuators ausgebildet sein.
In weiteren Ausführungsformen der Vorrichtung definieren die erste Verbindungsstruktur und die zweite Verbindungsstruktur eines Aktuators zusammen mit dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel einen verformbaren Mantel, der das Hohlraumvolumen in Umfangsrichtung (x, y) einer sich parallel zur ersten Richtung (y) erstreckenden Mantelachse umschließt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erste Verbindungsstruktur und die zweite Verbindungsstruktur eines Aktuators in die dritte Richtung (x) und/oder die zweite Richtung (z) eine Steifigkeit aufweisen, die geringer ist als die Steifigkeit des ersten Schenkels und des zweiten Schenkels des Aktuators in die dritte Richtung (x).
In den Ausführungsformen der Vorrichtung kann die erste Verbindungsstruktur und die zweite Verbindungsstruktur eines Aktuators jeweils durch eine gelenkartige und/oder elastische Struktur ausgebildet sein.
Gemäß weiterer Ausführungsformen können die erste Verbindungsstruktur und die zweite Verbindungsstruktur eines Aktuators in den Schichten der Schichtstruktur ausgebildet sein, in denen auch die Schenkel des Aktuators ausgebildet sind.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung betreffen ein mikroelektromechanisches Lautsprechersystem, das als ein System-on-Chip oder System-in-Package implementiert ist und das eine mikroelektromechanische Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks nach einem hierin beschriebenen Ausführungsformen aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Beschreibung wird anhand der folgenden detaillierten Beschreibung besser verständlich, die im Lichte der beigefügten Zeichnungen gelesen wird, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Teile in der beigefügten Beschreibung zu bezeichnen.

1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Wandlers aus der WO 2016/202790 A2 ;
2A und 2B zeigen exemplarisch eine Struktur eines Aktuators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt eine weitere exemplarische Struktur eines Aktuators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt einen Querschnitt einer MEMS-basierten Vorrichtung 400 zur Erzeugung eines Schalldrucks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5A und 5B zeigen Querschnitte der Vorrichtung 400 nach 4 entlang der Schnittlinien A-A und B-B in 4 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
6A und 6B zeigen Querschnitte einer Vorrichtung 600 entlang der Schnittlinien A-A und B-B in 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
7A und 7B zeigen Querschnitte einer Vorrichtung 700 entlang der Schnittlinien A-A und B-B in 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
8 zeigt ein exemplarisches Shuttle-System zum Antreiben der Aktuatoren in der Vorrichtung 700 in 7A und 7B gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
9 zeigt ein beispielhaftes mikroelektromechanisches Lautsprechersystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung
Unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden ausführlicher beschrieben. Die mikroelektromechanische Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks und/oder ein Lautsprechersystem, das die mikroelektromechanische Vorrichtung enthält, können als ein Chip/Die, z. B. als ein System-on-Chip (SoC) oder ein System-in-Package (SiP), implementiert werden.
Ein Aspekt der Erfindung ist es, die einen Aktuator zur Verwendung in einer mikroelektromechanischen Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks mechanisch flexibler auszubilden. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sehen dazu vor, dass die Strukturen des Aktuators ein veränderliches Hohlraumvolumen (das auch als hinsichtlich ihres Volumens veränderliche Teilkavität bezeichnet werden kann) innerhalb einer/eines Kavität/Hohlraums in den Schichten des Schichtsystems der mikroelektromechanischen Vorrichtung umschließen. Der Aktuator kann dazu ein Paar von Schenkeln/Finnen umfassen, die mittels (flexiblen) Verbindungsstrukturen miteinander verbunden sind (beispielsweise die Enden der Schenkel/Finnen) und so einen Mantel bilden, die eine Teilkavität der Kavität der mikroelektromechanischen Vorrichtung definiert, deren Volumen sich verändert lässt, um einen Schalldruck zu erzeugen. In den gezeigten Ausführungsformen sind die Schenkel/Finnen eines Aktuators antreibbar bzw. auslenkbar, so dass das Volumen der Teilkavität geändert werden kann. Durch das Umschließen einer im Volumen veränderlichen Teilkavität der Kavität der mikroelektromechanischen Vorrichtung definiert der Aktuator ein eigenes veränderliches Hohlraumvolumen, was es ermöglich akustische Kurzschlüsse innerhalb der Kavität der mikroelektromechanischen Vorrichtung zu verringern/verhindern.
In einigen der Ausführungsformen der Erfindung sind die Verbindungsstrukturen flexibler oder weniger steif also die Schenkeln/Finnen des Aktuators und die Schenkeln/Finnen des Aktuators sind nicht mit dem Substrat (insbesondere den Seitenwänden der Kavität der mikroelektromechanischen Vorrichtung) verbunden oder befestigt, so dass eine vergleichsweise geringere Kraft benötigt wird, um die Schenkeln/Finnen des Aktuators (beispielsweise gegengleich) zu bewegen und so die gewünschte Volumenänderung des vom Aktuator definierten Hohlraumvolumens realisiert werden kann. Entsprechend können die Schenkel/Finnen des Aktuators bzw. der Aktuator selbst „frei“ in der Kavität der mikroelektromechanischen Vorrichtung aufgehängt sein und beispielsweise bodenseitig und/oder deckelseitig durch eine Verbindungsstruktur (z.B. eine Shuttle-Anordnung (auch: Schlitten-Anordnung) mit den Antriebseinrichtung zur Bewegung der Schenkel/Finnen des Aktuators verbunden und in der Kavität der der mikroelektromechanischen Vorrichtung gehalten werden. Gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung kann der Aktuator einen ebenen ersten Schenkel und einen ebenen zweiten Schenkel umfassen. Die beiden Schenkel können sich dabei im Wesentlichen in der ersten Richtung (y) und einer sich zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung (z) erstrecken und in einer zur ersten Richtung (y) und zur zweiten Richtung (z) senkrechten dritten Richtung (x) gegenüberliegend angeordnet sind. Diese beiden Schenkel können mittels einer ersten Verbindungsstruktur und einer zweiten Verbindungsstruktur so verbunden werden, dass der erste Schenkel, der zweite Schenkel, die erste Verbindungsstruktur und die zweite Verbindungsstruktur ein veränderliches Hohlraumvolumen innerhalb des Hohlraums zur Erzeugung eines Schalldrucks umschließen.
In dieser Offenbarung meint eine sich „im Wesentlichen“ in zwei Richtungen (z.B. in die erste Richtung und zweite Richtung) von drei zueinander senkrechten Richtungen erstreckende Struktur (z.B. ein Schenkel des Aktuators), dass die Struktur (im Wesentlichen) eine plattenförmige oder flache Struktur ist, die sich in den beiden Richtungen erstreckt. Obwohl solche Strukturen, die sich „im Wesentlichen“ in zwei Richtungen erstrecken, einen (im Wesentlichen) rechteckigen Umriss haben können, wenn sie in einer Richtung senkrecht zu der Ebene, die durch die zwei Richtungen aufgespannt wird, betrachtet werden, sind die Ausführungsformen der Erfindung nicht darauf beschränkt und können auch beliebige flache Strukturen umfassen, die die gewünschte Funktionalität ermöglichen. „Flach“ bedeutet, dass die Dicke der Struktur in der dritten Richtung (die sich von der ersten und zweiten Richtung unterscheidet) signifikant kleiner als die Ausdehnung der Struktur in den zwei Richtungen ist. Da die mikroelektromechanische Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks in einem MEMS unter Verwendung von Halbleiterherstellungsprozessen implementiert sein kann, wird der Ausdruck „im Wesentlichen“ ferner verwendet, um auszudrücken, dass die Ebenen und Kanten einer Struktur aufgrund von Toleranzen im Herstellungsprozess nicht perfekt flach oder in einem mathematischen Sinn gerade sein können.
Die Ausführungsformen der Erfindung, also auch die in der Einleitung exemplarisch genannten mikromechanischen Schallerzeugungseinrichtungen, die eine NED verwenden, können beispielsweise mittels eines Silizium-basierten Halbleiterherstellungsprozesses in einem Schichtsystem realisiert werden. Bei der Herstellung solcher mikromechanischer Schallerzeugungseinrichtungen, deren Aktuatoren Finnen (auch: Schenkel) verwenden, können die Finnen/Schenkel der Aktuatoren durch das Ätzen von Gräben in einem Wafer hergestellt werden. Dabei ist die erforderliche minimale Finnenbreite (in x-Richtung) relativ breit, so dass die Finnen/Schenkel daher herstellungsbedingt eine relativ große Steifigkeit (in x-Richtung) aufweisen können. Wenn die Finnen/Schenkel zu ihrer Positionierung in der Kavität einseitig oder beidseitig mit dem Substrat (z.B. an den Seitenwänden in der Kavität der Schallerzeugungsvorrichtung) formschlüssig verbunden oder festgeklemmt werden, können zur Auslenkung der Finnen/Schenkel der Aktuatoren relativ große Kräfte benötigt werden. Eine Alternative wäre es, frei aufgehängte oder nicht-festgeklemmte Finnen zu verwenden. Die Verwendung solcher Konfigurationen in einer mikromechanischen Schallerzeugungsvorrichtung kann jedoch die akustische Leistungsfähigkeit reduzieren, da die Spalte zwischen den Finnen und Deckel, Boden und Seitenwänden der Kavität, die erforderlich sind, um freie (Finnen-)Enden zu realisieren, akustische Kurzschlüsse bewirken können.
Eine einseitig festgeklemmte Finne, wie beispielsweise in 1 gezeigt, die bis auf die andere Bezeichnung der der Raumkoordinaten der 1 der Veröffentlichungsschrift WO 2016/202790 A2 entspricht, bewegt sich in z-Richtung betrachtet in ihrem festgeklemmten Bereich der Finne (verformbares Element 22) nur sehr wenig in die x-Richtung (laterale Bewegungsrichtung 24), im Vergleich zur möglichen Bewegung in x-Richtung in der Finnenmitte bzw. am nicht-festgeklemmten Ende der Finne. Die Erfinder haben zudem erkannt, dass die Verlängerung der Finnenlänge (in z-Richtung) harmonische Verzerrungen induzieren kann, wodurch typsicherweise auch die akustische Leistungsfähigkeit des Schallwandlers reduziert wird. Das Ändern der Finnensteifigkeit kann unter gewissen Voraussetzungen solche harmonischen Verzerrungen, die durch eine größer Finnenlänge und aufgrund deren Dehnung auftreten, reduzieren. Der erzeugte Schalldruck hängt mit der durchschnittlichen Auslenkung der Finne zusammen. Einige der Ausführungsformen der Erfindung die nachstehend beschrieben werden ermöglichen es, die Finnen (auch: Schenkel) eines Aktuators ähnlich einer Kolbenbewegung so zu bewegen, dass die maximale Auslenkung der Finnen (in x-Richtung in 1) des Aktuators der durchschnittlichen Auslenkung der Finnen des Aktuators entspricht.
2A und 2B zeigen exemplarisch eine Struktur eines Aktuators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Aktuator 200 umfasst einen ersten Schenkel 202 zweiten Schenkel 204. Die beiden Schenkel 202 und 204 erstrecken sich im Wesentlichen entlang der in den Figuren gekennzeichneten y-Richtung und z-Richtung. Die beiden Enden des Aktuators 200 sind mit einer Verbindungsstruktur 206 bzw. einer Verbindungstruktur 208 miteinander verbunden. Diese Verbindungsstrukturen 206 und 208 erstrecken sich im gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen in der X-Richtung und Y-Richtung. In dem Ausführungsbeispiel der 2A und 2B wird die Verbindungsstruktur 206 und die Verbindungsstruktur 208 exemplarisch als flache Struktur gezeigt, die die jeweiligen Enden der Schenkel 202 und 204 des Aktuators 200 miteinander verbindet. Die Verbindungsstrukturen 206 und 208 und die Schenkel 202 und 204 können im Wesentlichen die gleiche Höhe (in Y-Richtung). Die Verbindungstrukturen 206 und 208 bilden zusammen mit den Schenkeln 202 und 204 einen Mantel, der in Umfangsrichtung (x, y) einer sich parallel zur ersten Richtung (y) erstreckenden Mantelachse ein Hohlraumvolumen umschließt. Sofern mehrere dieser Aktoren 202 in einer Kavität einer MEMS-basierten Vorrichtung zur Schallerzeugung vorgesehen werden, definieren die einzelnen Aktuatoren 200 Teilkavitäten wären veränderliches Volumen durch den Mantel definiert wird. Die beiden Schenkel 202 und 204 des Aktuators 200 können mittels einer Antriebsvorrichtung ausgelenkt werden. Dies ist exemplarisch in der 2B gezeigt. Die beiden Schenkel 202 und 204 werden in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gegenläufig in lateraler Richtung (X-Richtung) bewegt, um das eingeschlossene Hohlraumvolumen zu verändern. Dadurch lässt sich das im Hohlraumvolumen definierte Fluid (zum Beispiel Luft) „modulieren“ und der gewünschte Schalldruck kann so erzeigt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Figur zwei werden beide Schenkel, d. h. die Schenkel 202 und 204, ausgelenkt.
Es ist jedoch auch denkbar, dass nur einer der beiden Schenkel 202, 204 zu Modulation des Fluids im Hohlraumvolumen bewegt wird, wobei dies bei gleicher lateraler Auslenkung des Schenkels 202, 204 die maximale Volumenänderung des Holraumvolumens und damit auch den maximal möglichen Schalldruck reduziert. Anders betrachtet müsste in dieser Alternative zur Erzeugung der gleichen Volumenänderung der eine Schenkel 202, 204 im Vergleich zu der in 2B gezeigten Variante etwa doppelt so weit in lateraler Richtung (X-Richtung) ausgelenkt werden, um die gleiche Volumenänderung zu realisieren.
3 zeigt eine weitere exemplarische Struktur eines Aktuators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei der eine exemplarische, federartige Struktur der Verbindungselemente 306, 308 verwendet wird, die die beiden sich in lateraler Richtung (X-Richtung) gegenüberliegenden Enden der Schenkel 302, 304 miteinander verbinden und so einen ein Holraumvolumen umfassenden Mantel bilden.
Ein Aspekt der Definition eines durch Bewegung der Schenkel 202, 204 bzw. 302, 304 veränderlichen Mantels ist es, eine möglichst große Volumenänderung mit möglichst geringem Kraftaufwand zu realisieren. Aus diesem Grunde können die beiden Verbindungsstrukturen 206, 208 bzw. 306, 308 der Aktuators 200, 300 in X-Richtung und/oder in Z-Richtung eine Steifigkeit aufweisen, die geringer ist als die Steifigkeit der Schenkel 202 und 204 bzw. 306 und 308 des Aktuators 200, 300 in die X-Richtung. Die Verbindungsstrukturen 206, 208 bzw. 306, 308 des Aktuators 200, 300 sind nicht auf eine spezielle Ausgestaltung beschränkt, sondern können in verschiedensten Ausführungen realisiert werden. Die Verbindungsstrukturen 206, 208 bzw. 306, 308 des Aktuators 200, 300 können beispielsweise - ähnlich der 3 - durch eine gelenkartige und/oder elastische Struktur gebildet werden. Ziel der Ausgestaltung der Verbindungselemente ist es, eine mit möglichst wenig Kraftaufwand verformbare Struktur zu realisieren. Bei der Verwendung von Halbleiterprozessen zur Ausgestaltung der Verbindungselemente und vor dem Hintergrund der Miniaturisierung der die Aktuatoren enthaltenden MEMS-basierten Vorrichtungen ist es von Vorteil, wenn die Verbindungselemente auf möglichst kleiner Chipfläche realisiert werden können, wobei aufgrund von Geometrie der Strukturen und/oder Prozessbeschränkungen die minimale Breite der ätzbaren Gräben und damit auch die minimale Strukturbreite begrenzt bzw. vorgegeben sein kann.
4 zeigt einen Querschnitt (in der x-z-Ebene) einer MEMS-basierten Vorrichtung 400 zur Erzeugung eines Schalldrucks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 5A und 5B zeigen Querschnitte der Vorrichtung nach 4 entlang der Schnittlinien A-A und B-B in 4 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die 4 kann als Schnitt durch die eine oder mehrere Shuttle-Schichten 506 (siehe 5A) in der x-z- Ebene betrachtet werden, wobei jedoch noch weitere, außerhalb dieser Ebene befindliche Merkmale der MEMS-basierten Vorrichtung 400 gezeigt werden. Es wird rein zur Illustration angenommen, dass in der gezeigten Ausführungsform die MEMS-basierte Vorrichtung 400 in einem Schichtsystem realisiert ist, dass sich beispielsweise mittels eines Silizium-basierten Halbleiterprozesses herstellen lässt. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Das Schichtsystem umfasst dabei mehrere Schichten. Jeweils ein oder mehrere der Schichten des Schichtsystems können dabei funktional/logisch in Schichtbereiche 502, 504, 506, 508 und 510 gruppiert werden. Der Schichtenstapel kann dabei eine (Gesamt-)Höhe (y-Richtung) von (ungefähr) 800 µm bis (ungefähr) 1.700 µm aufweisen. Der Schichtbereich 504 und optional auch der Schichtbereich 506 können auch als Teilbereiche des Schichtbereichs 502 betrachtet werden. Die Schichten der Schichtbereiche 502, 504, 506, 508 und 510 der Schichtstruktur können unterschiedliche Materialien und/oder Materialkombinationen umfassen, insbesondere Schichten, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, etwa Silizium, Galliumarsenid oder dergleichen. Dabei können zumindest lokal Dotierungen implementiert sein und/oder zusätzliche Materialien angeordnet sein, etwa leitfähige Materialien wie Metalle. Alternativ oder zusätzlich können auch elektrisch isolierende Materialien zumindest Teile einer Schicht bilden, etwa Nitrid- und/oder Oxidmaterialien.
In den Schichten des Schichtsystems werden folgende Elemente der Vorrichtung 400 ausgebildet. In dem Schichtbereich 502 der Vorrichtung 400 ist ein ebener Deckel 512 der Vorrichtung 400 ausgebildet. Der Schichtbereich 502 des Deckels 512 kann zum Beispiel eine Höhe (y-Richtung) von ca. 200 µm bis 400 µm aufweisen, wobei die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist in Y-Richtung darunter liegend ein weiterer Schichtbereich 504 vorgesehen, die als Antriebsebene 516 beschrieben werden kann. Diese Antriebsebene 516 kann beispielsweise einen oder mehrere Antriebs-Vorrichtungen umfassen, mit denen die Schenkel 402, 404 der unterschiedlichen Aktoren der Vorrichtung 400 ausgelenkt werden können. Die beiden Schenkel 402, 404 eines Aktuators sind durch die Verwendung der gleichen Schraffur für die beiden Schenkel gekennzeichnet. Die genaue Ausgestaltung der Antriebs-Vorrichtungen in der Antriebsebene 516 als auch ihre Positionierung in der x-z- Ebene des Schichtbereichs 504 ist nicht auf die gezeigte spezifische Ausführungsform beschränkt. In der 5A und 5B, wird beispielhaft angenommen, dass die einzelnen Schenkel 402, 404 der unterschiedlichen Aktuatoren individuell mit einer Antriebs-Vorrichtung lateraler in X-Richtung bewegt werden können. Dabei werden die beiden Schenkel 402, 404 eines jeden Aktuators durch die entsprechenden Antriebsvorrichtungen entweder aufeinander zu oder voneinander weg bewegt, um das eingeschlossene Hohlraumvolumen 418 des jeweiligen Aktuators zu ändern. In den 5A und 5B kann unterhalb des Schichtbereichs 504 ein Schichtbereich 506 vorgesehen sein, der Verbindungselemente enthält, die die jeweiligen Antriebsvorrichtungen in der Antriebsebene 516 mit den zugehörigen Schenkeln 402, 404 der Aktuatoren verbinden. Diese Verbindungselemente sind in den 5A und 5B mit den Bezugszeichen 420, 422 und 424 gekennzeichnet. Die Schichtbereiche 504 und 504 können zum Beispiel eine Höhe (y-Richtung) von lediglich ca. 30 µm bis 75 µm aufweisen, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
Im Schichtbereich 508 sind die Aktuatoren der Vorrichtung 400 ausgebildet. Der Schichtbereich 508 kann zum Beispiel eine Höhe (y-Richtung) von ca. 400 µm bis 750 µm aufweisen, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Die Aktuatoren können beispielhaft wie in den 2A, 2B und 3 gezeigt ausgebildet werden. An beiden lateralen Enden der Vorrichtung 400 sind in dem Schichtbereich 508 die Seitenwände 414 ausgebildet. Dabei können Teile der Seitenwände 414 der Vorrichtung 400 dem Schichtbereich 506 und/oder dem Schichtbereich 504 zugeordnet werden. Unterhalb des Schichtbereichs 508 ist ein weiterer Schichtbereich 510 vorgesehen, in dem der Boden 514 der Vorrichtung 400 ausgebildet ist. Der Schichtbereich 510 des Bodens 514 kann zum Beispiel eine Höhe (y-Richtung) von ca. 200 µm bis 400 µm aufweisen, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
Der Deckel 512 (genau genommen Schichtbereiche 502, 504 und 506), der Boden 514 (Schichtbereich 510) und die Seitenwände (Schichtbereich 508) umschließen einen Hohlraum 416, in dem Aktuatoren 200, 300 positioniert sind. Wie in Zusammenhang mit den 2A, 2B und 3 beschrieben umfasst jeder Aktuator 200, 300 zwei Schenkel 402, 404 die sich beide sich im Wesentlichen in der Y-Richtung und einer sich zur Y-Richtung senkrechten Z-Richtung erstrecken. Die Schenkel 402, 404 sind dabei in einer zur Y-Richtung und zur Z-Richtung senkrechten X-Richtung gegenüberliegend angeordnet und mittels der Verbindungsstrukturen 406, 408 so verbunden, dass jeder Aktuator ein veränderliches Hohlraumvolumen 418 innerhalb des Hohlraums 416 der Vorrichtung 400 zur Erzeugung eines Schalldrucks umschließt.
Innerhalb des Mantel-Querschnittsfläche (x-z-Ebene), der durch einen Aktuator 200, 300 definiert wird, befinden sich im Deckel 512 (genau genommen Schichtbereiche 502, 504 und 506) Auslassöffnungen der Löcher 410, die den im Holraumvolumen 418 eines jeden Aktuators 200, 300 durch die Bewegung (siehe Pfeile 426) der Schenkel 402, 404 erzeugten Schalldrucks nach außen führen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist jedem Aktuators 200, 300 eine Auslassöffnung 410 zugeordnet. Prinzipiell ist es aber auch möglich, mehrere Auslassöffnungen 410 für jeden der Aktuatoren 200, 300 vorzusehen. Zwischen den Aktuatoren 200, 300 bzw. zwischen den lateralen Seitenwänden 414 und den lateraler außen liegenden Aktuatoren 200, 300 befinden sich weitere Öffnungen oder Löcher 412 im Boden 514 (Schichtbereich 510) der Vorrichtung 400. Auch hier ist es möglich, in Z-Richtung mehrere Öffnungen oder Löcher 412 im Boden 514 der Vorrichtung 400 vorzusehen.
Das von einem Aktuator 200, 300 eingeschlossene Hohlraumvolumen 418 ist in Y-Richtung vom Deckel 512 (genauer genommen, vom Schichtbereich 506) und vom Boden 514 jeweils begrenzt. Zwischen den Aktuatoren 200, 300, insbesondere in Y-Richtung betrachtet zwischen den Enden der Schenkel 402, 404 (und den Verbindungstrukturen 406, 408) und den deckelseitigen als auch bodenseitigen Strukturen der Vorrichtung 400 ein Spalt vorgesehen. Dieser Spalt kann dabei so dimensioniert werden, dass der Spalt als akustischer Filter (z.B. Bandpass oder Tiefpass) wirkt, dessen Durchlassbereich außerhalb des akustischen Frequenzbereichs liegt, in dem die Vorrichtung 400 den Schalldruck erzeugt. Durch das Umschließen einer im Volumen veränderlichen Teilkavität 418 der Kavität 416 der Vorrichtung 400 definiert jeder Aktuator ein eigenes veränderliches Hohlraumvolumen 418, was es erlaubt, auch bei im Vergleich zum Stand der Technik größeren Spaltbreiten akustische Kurzschlüsse innerhalb der Kavität der mikroelektromechanischen Vorrichtung 400 zu reduzieren.
In dem Ausführungsbeispiel der 4, 5A und 5B sind die in lateraler Richtung links liegenden Schenkel 404 der Aktuatoren 200, 300 jeweils mittels zweier Verbindungselemente 420, 422 mit den Antriebsvorrichtungen in der Antriebsschicht 516 verbunden. Die in lateraler Richtung rechtsliegenden Schenkel 402 der Aktuatoren 200, 300 sind jeweils mittels eines Verbindungselements 424 mit Antriebsvorrichtungen in der Antriebsschicht 516 verbunden. Diese Ausführung ist jedoch rein exemplarisch und als nicht beschränkend anzusehen. Jeder der Schenkel 402, 404 eines jeden Aktuators 200, 300 kann mittels eines oder mehrerer Verbindungselemente 420, 422, 424 mit entsprechenden Antriebsvorrichtungen in der Antriebsschicht 516 verbunden werden.
Wie sich der 4 entnehmen lässt, sind im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Beispiel die Schenkel 402, 404 der Aktuatoren 200, 300 nicht einseitig oder zweiseitig starr mit einer oder mehreren Seitenwänden 414 der Vorrichtung 400 verbunden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Aktuatoren 200, 300 im Hohlraum 416 der Vorrichtung 400 ohne eine solche starre Verbindung der Schenkel 402, 404 mit den Seitenwänden 414 aufgehängt. Beispielsweise können die Aktuatoren mittels entsprechend ausgestalteter Verbindungselemente 406, 408 mit den Seitenwänden 414 verbunden werden (nicht in der 4 gezeigt). Eine alternative Lagerung der Aktuatoren 200, 300 im Hohlraum 416 der MEMS-basierten Vorrichtung 400 (oder Vorrichtung 600) wird nachfolgend im Zusammenhang mit den 7A, 7B und 8 beschrieben.
6A und 6B zeigen Querschnitte der Vorrichtung 600 entlang der Schnittlinien A-A und B-B in 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Im Wesentlichen entspricht die MEMS-basierte Vorrichtung 600 der 6A und 6B der Vorrichtung 400 aus den 4, 5A und 5B. Im Unterschied zu der Vorrichtung 400 ist in der Vorrichtung 600 neben einer deckelseitigen Antriebsebene 516 eine weitere bodenseitige Antriebsebene 606 in einem weiteren Schichtbereich 604 vorgesehen. Die Antriebsebene 606 kann dabei hinsichtlich Funktion und/oder Ausgestaltung der Antriebsebene 516 entsprechen. Ferner ist auch exemplarisch eine Schichtbereich 602 gezeigt, der die zusätzlichen Verbindungselemente 608, 610 beinhaltet, die die Schenkel 402, 404 der Aktuatoren mit den Antriebsvorrichtungen in der Antriebsebene 606 verbindet. Der Schichtbereich 602 kann dabei hinsichtlich Funktion und/oder Ausgestaltung der Schichtbereich 506 entsprechen, wobei die Anordnung der Verbindungselemente 606, 608 von der Anordnung der Verbindungselemente 420, 422, 424 im Schichtbereich 506 abweichend gestaltet werden kann. Sowohl der Schichtbereich 604 als optional auch der Schichtbereich 602 können auch als Teil der Schichten des Bodens 514 (oder Teil des Schichtbereich 510) aufgefasst werden. Durch die Verwendung von zwei Antriebsebenen 516, 606 ist es möglich, bei im Wesentlichen unveränderten Volumen der MEMS-basierten Vorrichtung 600 höhere Kräfte zur lateralen Bewegung (X-Richtung) der Schenkel 402, 404 zu realisieren. Dadurch kann der Schalldruck der Vorrichtung 600 gegenüber der Vorrichtung 400 um etwa +6 dB erhöht werden.
7A und 7B zeigen Querschnitte einer weiteren MEMS-basierten Vorrichtung 700 zur Erzeugung eines Schalldrucks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Auch der Querschnitt der Vorrichtung 700 kann als Querschnitt entlang der Schnittlinien A-A und B-B in 4 gemäß verstanden werden. Im Unterschied zu den Vorrichtungen 406 100, die im Zusammenhang mit den 4, 5A, 5B, 6A und 6B diskutiert wurden, verwendet die Vorrichtung 701 ein „Shuttle-System“ zum Antrieb und zur Lagerung der Aktuatoren 200,300 in der Kavität 416 der Vorrichtung 700. Die beiden Schenkel 402,404 eines jeden Aktuators 200,300 sind über entsprechende Verbindungselemente 716, 718 mit unterschiedlichen Shuttles 704, 714 verbunden. Die Shuttles 704, 714 sind wiederum mit jeweils zugeordneten Antriebvorrichtungen 708, 712 verbunden, die die Shuttles 704, 714, mittels derer sich die Shuttles 704, 714 lateral (in X-Richtung) hin und her bewegen lassen. Diese Bewegung der Shuttles 704, 714 wird über die Verbindungselemente 716, 716 auf die Aktuatoren 402, 404 übertragen, die dadurch ebenfalls in lateraler Richtung (X-Richtung) ausgelenkt werden. Die Shuttles 704, 714 können entsprechend als weitere Verbindungselemente aufgefasst werden, mittels der sich die durch die Antriebselemente 708, 712 erbrachte Antriebskraft sich auf mehrere Schenkel 402, 404 der Aktuatoren 200, 300 übertragen lässt und eine laterale Bewegung der Schenke 402, 404 ermöglicht.
Die Shuttles 704, 714 sind an ihren lateralen Enden über eine federnde Verbindungstrukturen 706, 710 den lateralen Seitenwände 414 der Vorrichtung 700 verbunden. Die Verbindungstrukturen 706, 710 sind so ausgestaltet, dass die Shuttles 704, 714 die mit ihnen verbundenen Aktuatoren 200, 300 innerhalb der Kavität 416 der Vorrichtung 700 in der x-z-Ebene halten, jedoch einer Feder-ähnlich ausgestaltet sind, um die erforderliche laterale Auslenkung der Shuttles 704, 714 zu ermöglichen. Gemäß einer rein beispielhaften Ausführungsform können die Shuttles 704, 714 von den Antriebsvorrichtungen 708, 712 im Bereich zwischen 1 µm und 20 µm, bevorzugt 1 µm und 10 µm in X-Richtung bewegt werden. Die Bewegung der Shuttles 704, 714 erfolgt gegengleich: Wenn sich das eine oder die mehreren mit ersten Schenkeln 402 der Aktuatoren 200, 300 verbundenen Shuttles 704 sich beispielsweise in lateraler Richtung nach links bewegt werden, bewegen sich das eine oder die mehreren Shuttles 714, die mit den anderen, zweiten Schenkeln 404 der Aktuatoren 200, 300 verbundenen sind, lateral in die entgegengesetzte Richtung. Dies ist ebenfalls in 8 exemplarisch gezeigt.
Die Shuttles 704, 714 können Teil des Schichtsystems der MEMS-basierten Vorrichtung 700 sein und in einer Shuttle-Ebene 702, die eine oder mehrere Schichten des Schichtsystems umfasst, ausbildet sein. Die Shuttle-Ebene 702 kann beispielsweise zwischen dem Verbindungsbereich 506 und der Antriebsebene 516 (Schichtbereich 504) ausgebildet werden. Die Shuttle-Ebene 702 kann wie die Schichtbereich 504 und 506 auch als Teil des Deckels 512 aufgefasst werden. Ferner ist es auch möglich, analog zu der Ausführungsform in 6A und 6B, ein zusätzliche Shuttle-System mit weiteren Shuttles zwischen der Schichtbereichen 602 und 604 auszubilden, so dass auch ein bodenseitiger Antrieb der Aktuatoren 200, 300 ermöglicht wird.
Die Verwendung eines oder mehrerer Shuttle-Systeme kann dabei den Vorteil bieten, dass die Antriebsvorrichtungen 708, 712 auf in lateraler Richtung (X-Richtung) und in der Tiefenrichtung (Z-Richtung) flexibler positioniert und ausgebildet werden können. In 7A und 7B sind die Antriebsvorrichtungen 708, 712 lateral nach außen versetzt in der Antriebsebene 516 im Bereich der Seitenwände 414 realisiert. Die Antriebsvorrichtungen 708, 712 können so beispielsweise in nicht anderweitig funktionell genutzten Bereichen des Schichtensystems (z.B. in Y-Richtung im Bereich der Seitenwände oder in Teilen des Deckels/Bodens) ausgebildet werden, so dass dadurch unter Umständen die Bauhöhe des MEMS bei gleichbleibenden Volumen der Kavität 416 reduziert werden kann und trotzdem eine ausreichend hohe, gewünschte Antriebskraft zur Verfügung steht. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Antriebsvorrichtungen 708, 712 zumindest teilweise, vollständig, alternativ oder zusätzlich auch in anderen als den in 7A und 7B gezeigten Bereichen der Schichten des Schichtbereichs 504 bzw. 604 und optional auch des Schichtbereichs 502 bzw. 510 implementiert sind. Beispielsweis könnten die Antriebsvorrichtungen auch alternativ oder zusätzlich oberhalb der Aktuatoren in den genannten Schichten des Schichtsystems implementiert werden.
8 zeigt ein exemplarisches Shuttle-System zum Antreiben der Aktuatoren in der Vorrichtung 700 in 7A und 7B gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Es wir hier rein beispielhaft angenommen, dass das Shuttle-System deckelseitig implementiert ist. Alternativ oder zusätzlich könnte das Shuttle-System auch bodenseitig implementiert werden. Entsprechend dem Beispiel der 4, wird hier exemplarisch angenommen, dass einer der Schenkel 402 jeden Aktuators mit einem Verbindungselement 716 (424) mit dem Shuttle 704 verbunden, während der andere Schenkel 404 jeden Aktuators mit zwei Verbindungselementen 718, 806 (420, 422) mit zwei Shuttles 714, 802 verbunden ist. Jedes dieser drei Shuttles 704, 714, 802 wird dabei durch eine Antriebsvorrichtung 708, 712, 804 angetrieben. Wenn zusätzlich ein bodenseitiges Shuttle-System eingesetzt wird, könnte man sicherstellen, dass in dem Ausführungsbeispiel jeder Schenkel 402, 404 mit drei Shuttles verbunden ist und antrieben wird, so dass alle Schenkel 402, 404 mit einer gleichen maximalen Kraft auslenkbar sind.
Die genaue Ausgestaltung der Antriebsvorrichtungen 708, 712, 804 ist für die Idee des Shuttle-Antriebs nicht relevant. Die Antriebe können beispielweise elektrostatische, piezoelektrische und/oder thermomechanische Elektroden sein, die basierend auf einem angelegten Potential eine Verformung der Finnen der Aktuatoren realisieren. Exemplarisch könnten die Antriebsvorrichtungen 708, 712, 804 jeweils mehrere elektrostatische, piezoelektrische und/oder thermomechanische Antriebs-Elemente aufweisen, die das jeweilige Shuttle 704, 714, 802 antreiben. Beispielsweise kann die Antriebsvorrichtung entsprechend dem in der am 24.06.2022 im Namen der Arioso Systems GmbH angemeldeten Europäischen Patentanmeldung EP 22180979.1 gezeigten Antrieb implementiert werden.
Es ist denkbar, dass nicht alle Aktuatoren mit einem Shuttle-Paar verbunden sind. Es ist ebenso möglich, dass einzelne Shuttle-Paare (oder Shuttle-Gruppen) unterschiedliche Untergruppen der Aktuatoren antreiben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen MEMS-basierten Vorrichtung zur Erzeugung von Schall entsprechend einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in einem mikroelektromechanischen Lautsprechersystem. Ein solches Lautsprechersystem könnte beispielsweise als ein System-on-Chip oder System-in-Package implementiert sein. 9 zeigt ein beispielhaftes mikroelektromechanisches Lautsprechersystem 900 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das mikroelektromechanische Lautsprechersystem 900 umfasst eine mikroelektromechanische akustische MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 zur Erzeugung von Schall gemäß einer der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen davon. In dieser Ausführungsform kann der von der Vorrichtung 400, 600, 700 erzeugte Schalldruck beispielsweise Schall, Ultraschall oder eine Stimme sein, aber der Schalldruck ist dabei nicht auf Schall im hörbaren Frequenzbereich von Menschen beschränkt. Das mikroelektromechanische Lautsprechersystem 900 kann beispielsweise in einem Kopfhörer, einem im Ohr getragenen (In-Ear-)Kopfhörer, einem Nahfeldlautsprecher, einem Hörgerät usw. verwendet werden.
Im beispielhaften Lautsprechersystem 900 kann die Boden 514 der MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 beispielsweise auf einer Oberseite eines Trägers, wie einer bedruckbaren Leiterplatte (PCB) 904, montiert sein. Die PCT 904 kann mit einem Öffnungs- oder Ausschnittbereich 924 versehen sein. Die mikroelektromechanische akustische MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 ist an der PCB 904 in einem Bereich auf der Oberseite der PCB 904 montiert, der dem Öffnungs- oder Ausschnittbereich 924 entspricht, so dass der Öffnungs- oder Ausschnittbereich 924 im Wesentlichen unterhalb des Bodens 514 der MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 vorgesehen ist. Ein Randbereich des Bodens 516 der MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 kann (zumindest teilweise) mit der PCB 904 überlappen, und die MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 kann an der Oberseite der PCB 904 am Randbereich montiert sein, z.B. unter Verwendung eines Klebstoffs 910. Der Klebstoff 910 kann optional ein elektrisch leitender Klebstoff sein, so dass der Klebstoff 910 die elektrische Verbindung zwischen der MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 und leitfähigen Pfaden in der PCB 904 erleichtert. Ferner kann eine Versiegelung 908 um die Außenkanten der MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 herum vorgesehen sein.
Die PCB 904 kann elektrische Verbindungen zum Leiten der statischen/variablen Potentiale bereitstellen, die erforderlich sind, um die Aktuatoren 200, 300 anzutreiben. Dazu können eine oder mehrere Antriebsvorrichtungen in der Antriebsebene 516 ein Schallsignal oder ein Audiosignal verarbeiten, das von einer Verarbeitungseinheit 902 des mikroelektromechanischen Lautsprechersystems 900 empfangen wird. Das Schall- oder Audiosignal kann entweder ein digitales Signal oder ein analoges Signal sein. Die Verarbeitungseinheit 902 kann ein Steuersystem implementieren, das konfiguriert ist, um die akustische Druckerzeugung der MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 zu steuern. Die Funktionalität der Verarbeitungseinheit 902 kann durch mehrere diskrete Schaltungskomponenten bereitgestellt werden, z. B. mehr als einen DSP, ASIC, FPGA, PLD oder eine Kombination davon, die alle an der PCB 904 unter Verwendung der nachstehend beschriebenen Techniken montiert sein können.
In dem in 9 gezeigten Beispiel ist die Verarbeitungseinheit 902 an der Oberseite der PCB 904 unter Verwendung bekannter Bondingtechniken (z. B. Drahtbonden, Chipbonden, Ballbonden usw.) montiert, um die Kommunikation von Signalen zwischen der Verarbeitungseinheit 902 und der MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 durch die in der PCB 904 bereitgestellten leitfähigen Pfade zu ermöglichen und die Aktuatoren 200, 300 anzutreiben. Alternativ oder zusätzlich könnte die Verarbeitungseinheit 902 auch mit der MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 durch Bonding-Drähte 914 verbunden sein, um die Kommunikation von Signalen zu ermöglichen und die Aktuatoren 200, 300 anzutreiben. Ferner könnten optional oder alternativ Bonddrähte 916 für die elektrische Verbindung der Verarbeitungseinheit 902 und der leitfähigen Pfade der PCB 904 verwendet werden. Die Verarbeitungseinheit 902 und die optionalen Bonddrähte 914, 916 können in einer Glob-Top 912 eingehüllt sein.
Das Bonden zwischen der Verarbeitungseinheit 902 und den leitfähigen Pfaden der PCB 904 kann ferner die Verarbeitungseinheit 902 mit anderen Vorrichtungskomponenten außerhalb des mikroelektromechanischen Lautsprechersystems 900 verbinden, obwohl ein Bonden (z.B. unter Verwendung von Gitterkugeln (grid balls) 926) auf der anderen, unteren Oberflächenseite der PCB 904 vorgesehen ist. Beispielsweise kann das mikroelektromechanische Lautsprechersystem 900 Teil einer größeren akustischen Vorrichtung sein, wie beispielsweise Teil eines In-Ear-Kopfhörers, eines Hörgeräts oder dergleichen. Solche Vorrichtungen können auch ein Rückvolumen für das mikroelektromechanische Lautsprechersystem 900 bereitstellen.
Die MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 und die Verarbeitungseinheit 902 können ferner mit eine Abdeckung 920 abgedeckt sein. Die Abdeckung 920 kann beispielsweise eine Metallabdeckung oder Kunststoffabdeckung sein. Die Abdeckung 920 kann mit einer akustischen Druckauslassöffnung 922 in einer Position oberhalb (in y-Richtung) der MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 versehen sein, so dass der akustische Druck, der durch die Luftauslassöffnungen 220 der MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 emittiert wird, durch die akustische Druckauslassöffnung 922 nach außerhalb des mikroelektromechanischen Lautsprechersystems 900 emittiert wird. Optional könnten mehrere solche akustischen Druckauslassöffnungen 922 vorgesehen sein. Der Bereich, in dem die akustische(n) Druckauslassöffnung(en) 922 vorgesehen ist/sind, kann (hinsichtlich Position und/oder Größe) im Wesentlichen den Abmessungen der MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 in der x-z-Ebene entsprechen.
Um zu vermeiden, dass Schmutzpartikel in den Hohlraum um die MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 und die Verarbeitungseinheit 902, der durch die Abdeckung 920 gebildet wird, eindringen, kann ein akustisches Tuch oder eine akustische Gaze 928 (oder ein anderes geeignetes akustisches drucktransparentes Material) verwendet werden, um die akustische(n) Druckauslassöffnung(en) 922 abzudecken. Optional können ein oder mehrere Mikrofone 906 neben den Öffnungen 410 der MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 positioniert sein. Ferner optional kann das mikroelektromechanische Lautsprechersystem 900 eine aktive Rauschunterdrückungsfunktion (Active Noise Cancelling, ANC) implementieren. Das/die Mikrofon(e) 906 detektieren Interferenzrauschen und einen akustischen Druck, der durch die akustische(n) Druckauslassöffnung(en) 410 emittiert wird. Die Verarbeitungseinheit 902 kann ein Steuersystem implementieren, das konfiguriert ist, um die akustische Druckerzeugung der MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 basierend auf dem akustischen Druck, der durch das/die Mikrofon(e) 906 detektiert wird, und dem Interferenzrauschen zu steuern, so dass das detektierte Interferenzrauschen unterdrückt wird.
Wie bereits ausgeführt wurde, kann die MEMS-basierten Vorrichtung 400, 600, 700 in einem Schichtprozess unter Verwendung von Materialien hergestellt werden, die aus der herkömmlichen Halbleiterherstellung bekannt sind. Ein Teil des Prozessablaufs könnte unter Verwendung des in der PhD-Thesis von Latifa Louriki, „Mikromechanischer Prozess zur Herstellung mehrlagiger 3D-MEMS (EPyC-Prozess)“, eingereicht am 28.01.2020 an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Chemnitz (Department of Elecrical Engineering and Information Technology der Technischen Universität Chemnitz) beschriebenen Verfahrens realisiert werden. Die PhD-Thesis ist unter https://monarch.qucosa.de/api/qucosa%3A74643/attachment/ATT-0/ verfügbar und wird hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2012095185 A1 [0002]
WO 2016202790 A2 [0003, 0006, 0025, 0031]
WO 2020078541 A1 [0003]
WO 2022117197 A1 [0003, 0004]
WO 2021223886 A1 [0003, 0005]
EP 22180979 [0050]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

https://monarch.qucosa.de/api/qucosa%3A74643/attachment/ATT-0/ [0059]

Claims

Mikroelektromechanische Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks, die in einem mikroelektromechanischen System (MEMS) implementiert ist, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Schichtsystem, das mehrere Schichten umfasst, wobei in den Schichten des Schichtsystems folgende Elemente ausgebildet sind: ein ebener Deckel, ein ebener Boden und Seitenwände, die so angeordnet sind, dass sie einen Hohlraum zwischen dem Deckel und der Boden umschließen, und ein oder mehrere in dem Hohlraum bewegliche Aktuatoren, die antreibbar sind, um einen Schalldruck zu erzeugen, und wobei jeder Aktuator umfasst: einen ebenen ersten Schenkel und einen ebenen zweiten Schenkel, die sich beide sich im Wesentlichen in der ersten Richtung (y) und einer sich zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung (z) erstrecken und in einer zur ersten Richtung (y) und zur zweiten Richtung (z) senkrechten dritten Richtung (x) gegenüberliegend angeordnet sind, und eine erste Verbindungsstruktur und eine zweite Verbindungsstruktur, die die jeweils gegenüber liegenden Enden des ersten Schenkels und des zweiten Schenkels so verbinden, dass der erste Schenkel, der zweite Schenkel, die erste Verbindungsstruktur und die zweite Verbindungsstruktur ein veränderliches Hohlraumvolumen innerhalb des Hohlraums zur Erzeugung eines Schalldrucks umschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in den Schichten des Schichtsystems ferner mehrere Antriebsabschnitte ausgebildet sind, die eingerichtet sind, den ersten Schenkel und den zweiten Schenkel eines jeden Aktuators unabhängig voneinander zu bewegen, um das umschlossene Holraumvolumen des jeweiligen Aktuators zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei ein erstes Antriebsabschnitt mit dem ersten Schenkel eines Aktuators und ein zweiter Antriebsabschnitt mit dem zweiten Schenkel des Aktuators verbunden ist, und wobei der erste Antriebsabschnitt und der zweite Antriebsabschnitt eingerichtet sind, die Schenkel des Aktuators jeweils gegenläufig in die dritte Richtung (x) zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die eine oder die mehreren Schichten des Schichtsystems in denen die Antriebsabschnitte ausgebildet sind zwischen der einen oder den mehreren Schichten des Deckels und der einen oder den mehreren Schichten des einen bzw. der Aktuatoren ausgebildet sind, oder in den Schichten des Deckels ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die eine oder die mehreren Schichten des Schichtsystems in denen die Antriebsabschnitte ausgebildet sind zwischen der einen oder den mehreren Schichten liegen, in denen der Boden und der einen oder den mehreren Schichten des einen bzw. der Aktuatoren ausgebildet sind, oder in den Schichten des Bodens ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei jeder Aktuator über ein Verbindungsstück mit zumindest einem der Antriebsabschnitte verbunden ist und durch das Verbindungsstück im Hohlraum gehalten werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei jeder Aktuator über ein Verbindungsstück mit zumindest einer Seitenwand der Vorrichtung verbunden ist und durch das Verbindungsstück im Hohlraum gehalten werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schenkel des einen Aktuators bzw. der Aktuatoren in die dritte Richtung (x) biegsam ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das jeweils von einem Aktuator eingeschlossene Hohlraumvolumen in der zweiten Richtung vom Deckel und der Boden begrenzt wird, wobei zwischen Deckel jedem Aktuator ein Spalt und zwischen Boden und jedem Aktuator jeweils ein Spalt vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Spalt so dimensioniert ist, dass der Spalt als akustischer Filter wirkt, dessen Durchlassbereich außerhalb des akustischen Frequenzbereichs liegt, in dem die Vorrichtung den Schalldruck erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei in dem Deckel ein oder mehrere Öffnungen vorgesehen sind, die dem einen oder den mehreren Aktuatoren zugeordnet sind, wobei jedem der Aktuatoren mindestens eine Öffnung im Deckel zugeordnet ist, die in der dritten Richtung (x) zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel des jeweiligen Aktuators liegt und durch die der im jeweiligen Hohlraumvolumen erzeugte akustische Druck von der Vorrichtung emittiert werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei in dem Boden ein oder mehrere Öffnungen vorgesehen sind, die in der dritten Richtung (x) neben dem einen bzw. den Aktuatoren angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei in dem Boden in der dritten Richtung (x) jeweils mindestens eine Öffnung zwischen zwei direkt benachbarten Aktuatoren vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die einem jeden Aktuator zugeordnete mindestens eine Öffnung im Deckel innerhalb der sich in die zweite Richtung (z) und die dritte Richtung (x) erstreckenden Fläche des Holraumvolumens des jeweiligen Aktuators ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die erste Verbindungsstruktur und die zweite Verbindungsstruktur eines Aktuators zusammen mit dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel einen verformbaren Mantel definieren, der das Hohlraumvolumen in Umfangsrichtung (x, y) einer sich parallel zur ersten Richtung (y) erstreckenden Mantelachse umschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die erste Verbindungsstruktur und die zweite Verbindungsstruktur eines Aktuators in die dritte Richtung (x) und/oder die zweite Richtung (z) eine Steifigkeit aufweisen, die geringer ist als die Steifigkeit des ersten Schenkels und des zweiten Schenkels des Aktuators in die dritte Richtung (x).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die erste Verbindungsstruktur und die zweite Verbindungsstruktur eines Aktuators jeweils durch eine gelenkartige und/oder elastische Struktur gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die erste Verbindungsstruktur und die zweite Verbindungsstruktur eines Aktuators in den Schichten der Schichtstruktur ausgebildet sind, in denen auch die Schenkel des Aktuators ausgebildet sind.
Mikroelektromechanisches Lautsprechersystem, das als ein System-on-Chip oder System-in-Package implementiert ist, umfassend eine mikroelektromechanische Vorrichtung zur Erzeugung eines Schalldrucks nach einem der Ansprüche 1 bis 18.