DE102022208829A1

DE102022208829A1 - MEMS, MEMS-Lautsprecher und Verfahren zum Herstellen derselben

Info

Publication number: DE102022208829A1
Application number: DE102022208829.8A
Authority: DE
Inventors: Anton Melnikov; Bert Kaiser
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2022-08-25
Filing date: 2022-08-25
Publication date: 2024-03-07
Also published as: WO2024042036A1

Abstract

Ein MEMS umfasst einen Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten und eine in dem Schichtstapel angeordnete Kavität, die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur zumindest teilweise begrenzt ist. Das MEMS umfasst eine Aktuatoreinrichtung, die ausgebildet ist, um ein in der Kavität angeordnetes Strukturelement des MEMS zu bewegen, wobei das Strukturelement mit der Begrenzungsstruktur mechanisch gekoppelt ist und die Aktuatoreinrichtung ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement zu bewegen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf MEMS, insbesondere MEMS mit einem Schichtstapel und einer darin angeordneten Kavität, die ein Strukturelement aufweist, welches zur Interaktion mit einem Fluid ausgelegt ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich darauf, zusätzliche Massen zu verwenden und vermittels einer Aktuatoreinrichtung zu bewegen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein kompaktes MEMS-Bauelement.
Ein mechanischer Resonator ist ein elastischer oder akustischer Feder-Masse-Schwinger. Ein solcher Schwinger weist eine Eigenfrequenz auf. Wird ein Resonator mit einem harmonischen Signal sehr nah oder genau bei der Eigenfrequenz angeregt, entstehen große Schwingungsamplituden, was auch Resonanz genannt wird. Das heißt, eine Zuführung von kleinen Energien kann sehr große Amplituden verursachen, was wiederum gezielt eingesetzt werden kann, um Frequenzgänge von akustischen oder elastischen Systemen zu justieren. Unterhalb der Eigenfrequenz wird das Verhalten des Resonators durch statische Steifigkeit (potenzielle Energie) dominiert und die Auslenkung ist immer in Phase zu der Erregung. Oberhalb der Eigenfrequenz wird das Schwingverhalten durch die Masse (kinetische Energie) bestimmt und die Auslenkung ist gegenphasig zur Erregung. Die Eigenfrequenz berechnet sich als Quadratwurzel der effektiven Steifigkeit geteilt durch die effektive Masse.
Die Schwierigkeit bei MEMS, insbesondere bei MEMS-Lautsprechern, besteht darin, Resonatoren mit tiefen Eigenfrequenzen zu konstruieren und diese in die Schallführung einzukoppeln. Ein tieffrequenter Helmholtzresonator (rein akustisches Feder-Masse-System) würde zwar sehr gut in das Schallfeld einkoppeln, benötigt jedoch zu viel Platz, so dass eine Umsetzung als MEMS nicht wirtschaftlich ist. Ein passiver elastischer tieffrequenter Resonator kann aber so ausgeführt werden, dass es in MEMS untergebracht werden kann. Nichtsdestotrotz ist ein solches Design viel aufwendiger als es aus der allgemeinen technischen Mechanik bekannt ist. Wenn Feder mit sehr kleinen und für MEMS üblichen Abmessungen hergestellt werden, so führt dies zu großen Steifigkeiten und gleichzeitig sind die schwingenden Massen sehr gering. Dies wiederum führt dazu, dass die Eigenfrequenzen von solchen kleinen Schwingern im Allgemeinen wesentlich höher liegen und im Bereich tiefer Eigenfrequenzen nur begrenzt umzusetzen sind. Des Weiteren ist die Einkopplung von rein mechanischen Schwingungen in die akustische Region ebenfalls nicht trivial und konstruktiv sehr aufwendig.
Wünschenswert wären kompakte resonant zu betreibende MEMS mit niedrigen Frequenzen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, MEMS, MEMS-Lautsprecher und Verfahren zum Herstellen derselben bereitzustellen, die einen resonanten Betrieb mit geringen Frequenzen und gleichzeitig geringem Bauraumbedarf ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, als schwingende Masse zumindest einen Teil einer eine Kavität des MEMS umgebenden Begrenzungsstruktur zu verwenden, also einer Struktur, die für die Definition der Kavität bereits benötigt wird, um diesen Teil des MEMS synergetisch als schwingende Masse des Feder-Masse-Systems eines Resonators nutzen zu können. Dadurch kann vermittels hoher Massen eine geringe Frequenz erhalten werden und da die entsprechenden Strukturteile im MEMS-Schichtstapel bereits vorhanden sind, kann der Effekt ohne nennenswerte zusätzliche Komponenten erhalten werden, so dass der Bauraumbedarf gering bleibt und auch der Herstellungsaufwand gering ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS einen Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten. In dem Schichtstapel ist eine Kavität angeordnet, die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur zumindest teilweise begrenzt ist. Das MEMS umfasst eine Aktuatoreinrichtung, die ausgebildet ist, um ein in der Kavität angeordnetes Strukturelement des MEMS zu bewegen. Das Strukturelement ist mit der Begrenzungsstruktur mechanisch gekoppelt und die Aktuatoreinrichtung ist ausgebildet, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement zu bewegen. Durch Mitbewegen der Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement kann das Schwingungsverhalten eines entsprechenden Schwingers durch die zusätzliche Masse der Begrenzungsstruktur angepasst werden und insbesondere zu niedrigen Frequenzen verschoben werden, was unter Verwendung der für die Begrenzung der Kavität bereits vorhandenen Begrenzungsstruktur möglich ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS einen Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten und eine in den Schichtstapel angeordnete Kavität, die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur zumindest teilweise begrenzt ist. In der Kavität ist ein Strukturelement angeordnet. Das MEMS umfasst ferner eine Aktuatoreinrichtung, die ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur bezüglich des Strukturelements des MEMS zu bewegen, um eine Interaktion des Strukturelements mit einem in der Kavität angeordneten Fluid bereitzustellen. Auch hier kann durch Bewegung der Begrenzungsstruktur und durch Nutzen deren Masse das Schwingungsverhalten unter Ausnutzen bereits vorhandener struktureller Elemente angepasst werden und insbesondere geringere Schwingungsfrequenzen angeregt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Lautsprecher einen Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten und eine in dem Schichtstapel angeordnete Kavität zur Aufnahme eines Fluids. Die Kavität ist von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur zumindest teilweise begrenzt. Der MEMS-Lautsprecher umfasst eine Aktuatoreinrichtung, die ausgebildet ist, um ein in der Kavität angeordnetes Strukturelement des MEMS zu Interaktion mit dem Fluid zu bewegen, um ein akustisches Signal in der Kavität zu erzeugen. Das Strukturelement ist mit der Begrenzungsstruktur mechanisch gekoppelt und die Aktuatoreinrichtung ist ausgebildet, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement zu bewegen. Ein derartiger MEMS-Lautsprecher kann für ein resonantes Verhalten insbesondere bei geringen Frequenzen angepasst sein und gleichzeitig unter Verwendung geringem Bauraums ausgebildet werden.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Verfahren zum Herstellen von MEMS und einem MEMS-Lautsprecher.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Draufsicht auf ein MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3a-b korrespondierend zur 2 eine Darstellung von Schichten eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4a zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Teil des MEMS aus 2 mit einer Schnittlinie,
4b-c schematische Seitenschnittansichten des aus 4a in einem unausgelenkten und einem ausgelenkten Zustand;
5a eine schematische Seitenschnittansicht durch ein MEMS in einem unausgelenkten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel analog zur 4b, wobei ein zusätzlicher beweglicher Bereich vorgesehen ist;
5b einen ausgelenkten Zustand des MEMS aus 5a;
6 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeilspiel, bei dem eine Aktuatoreinrichtung ausgebildet ist, um eine laterale Schicht gegenüber einem Strukturelement auszulenken;
7 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Mehrzahl von in der Kavität angeordneten Strukturelementen vorgesehen ist;
8a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die bewegliche Begrenzungsstruktur in Segmente unterteilt ist;
8b eine schematische Seitenschnittansicht durch eine Schnittlinie der 8a;
9 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel zur Implementierung eines beispielhaften Zwei-Wege-Ansatzes eines Lautsprechers;
10a eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die die Begrenzungsstruktur als beweglicher Bereich einer Deckelschicht gebildet ist; und
10b eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem MEMS aus 10a dahingehend modifiziert ist, dass das Strukturelement die beweglichen Bereiche gegenüberliegender Schichten miteinander verbindet, wie es im Zusammenhang mit dem MEMS aus 5a und 5b beschrieben ist.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer Detaildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit gegenteilig beschrieben ist.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mikromechanische Bauelemente (MEMS-Bauelemente). Die hierin beschriebenen MEMS-Bauelemente können mehrschichtige Schichtstrukturen sein. Derartige MEMS können beispielsweise durch Prozessieren von Halbleitermaterialien auf Wafer-Level erhalten werden, was auch eine Kombination mehrerer Wafer und/oder die Abscheidung von Schichten auf Wafer-Ebenen beinhalten kann. Manche der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele gehen auf MEMS-Ebenen ein. Als eine MEMS-Ebene wird eine nicht notwendigerweise zweidimensionale oder ungekrümmte Ebene verstanden, die sich im Wesentlichen parallel zu einem prozessierten Wafer erstreckt, etwa parallel zu einer Hauptseite des Wafers bzw. des späteren MEMS. Eine Ebenenrichtung einer derartigen Ebene oder Schichtebene kann als eine Richtung innerhalb dieser Ebene verstanden werden, was auch mit dem englischen Begriff „in-plane“ bezeichnet werden kann. Eine Richtung senkrecht hierzu, das bedeutet, senkrecht zu einer Ebenenrichtung, kann vereinfacht als Dickenrichtung oder Stapelrichtung bezeichnet werden, wobei der Begriff der Dicke keine Limitierung im Sinne einer Orientierung dieser Richtung im Raum entfaltet. Es versteht sich, dass hierin verwendete Begriffe wie „Länge“, „Breite“, „Höhe“, „oben“, „unten“, „links“, „rechts“ und dergleichen lediglich zur Illustration hierin beschriebener Ausführungsbeispiele herangezogen werden, da ihre Lage im Raum beliebig veränderbar ist und die Ausführungsbeispiele insofern nicht hierauf einzuschränken sind.
Manche der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Lautsprecher-Konfiguration oder Lautsprecher-Funktion eines entsprechenden MEMS-Bauelements beschrieben. Es versteht sich, dass diese Ausführungen mit Ausnahme der Alternativen oder zusätzlichen Funktion einer sensorischen Auswertung des MEMS-Bauelements bzw. der Bewegung oder Position beweglicher Elemente hiervon auf eine Mikrofon-Konfiguration bzw. Mikrofon-Funktion des MEMS-Audioelements übertragbar sind, so dass derartige Mikrofone ohne Einschränkung weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen.
Manche der hierin beschriebenen MEMS beziehen sich auf MEMS mit Resonatoren, worunter Feder-Masse-Systeme verstanden werden können, die zu einer resonanten Schwingung angeregt werden können, etwa vermittels eines Aktuators, um bei Schwingung zumindest in der Nähe des Resonanzbereichs unter Einsatz vergleichsweise geringer Energien große Schwingungsamplituden zu erzielen. Hierzu beschreiben die vorliegenden MEMS ein zur Schwingung angeregtes Strukturelement, welches zusätzlich mit einem Masseelement gekoppelt wird, das die schwingfähige Masse des Feder-Masse-Systems erhöht, womit die Resonanzfrequenz verringert wird. Dieses Masseelement kann die Kavität, in welcher das schwingfähige Strukturelement zur Schwingung angeregt wird, begrenzen, lateral, in der Ebene und/oder aus der Ebene heraus.
1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MEMS 10 umfasst einen Schichtstapel 12 mit einer Mehrzahl von Schichten 12₁, 12₂ und/oder 12₃. Eine Anzahl von Schichten ist dabei nicht notwendigerweise drei, sondern kann eine beliebige andere Anzahl von zumindest 2 betragen, etwa, 2, 4, 5, 6 oder mehr. Eine Schicht kann dabei als funktionale Schicht verstanden werden, die aus zumindest einer aber auch mehreren Materialschichten bestehen kann oder diese umfassen kann. Beispielsweise kann eine Schicht 12₁ eine Bodenschicht umfassen. Eine transparent dargestellte Schicht 12₃ kann beispielsweise eine Deckelschicht des Schichtstapels 12 bereitstellen, wobei weder die Bodenschicht 12₁ noch die Deckelschicht 12₃ eine abschließende Schicht in dem Schichtstapel 12 sein müssen, sondern beispielsweise Schichten darstellen können, die eine Kavität 14 entlang einer Stapelrichtung 16, entlang derer die Schichten 12₁-12₃ in dem Schichtstapel 12 aufeinandergestapelt sind, begrenzen. Beispielsweise kann die Schicht 12₂ zwischen den Schichten 12₁ und 12₃ eine Aussparung aufweisen, um die Kavität 14 zumindest teilweise zu bilden, etwa indem die Schicht 12₂ oder Teile davon die Kavität lateral entlang einer x-Richtung und/oder y-Richtung begrenzen. Anstelle einer einzelnen Schicht 12₂ können auch mehrere Schichten des MEMS-Stapels 12 angeordnet sein und die Kavität 14 bilden. Die Kavität 14 kann insofern von weiteren Schichten begrenzt sein und entlang der Stapelrichtung 16 ganz oder teilweise von zumindest einer Begrenzungsstruktur begrenz sein, wofür bspw. die Schichten 12₁ und/oder 12₃ genutzt werden können, wobei auch zusätzliche Strukturelemente angeordnet werden können, um eine Begrenzung der Kavität 14 bereitzustellen. Ein verbleibendes Material der Schicht 12₂ und möglicher weiterer Schichten kann eine laterale Begrenzungsstruktur für die Kavität 14 bereitstellen.
Zur Vereinfachung der Bezugnahme wird hierfür ein beispielhaftes kartesisches Koordinatensystem mit den Richtungen x, y und z verwendet, wobei beispielhaft eine x/y-Ebene als Ebene parallel zur Schichtebene verstanden werden kann und sowohl die x-Richtung als auch die y-Richtung als in-plane verstanden werden können. Die z-Richtung kann parallel zur Stapelrichtung 16 im Raum angeordnet sein.
Das MEMS 10 umfasst eine Aktuatoreinrichtung 18, die gemäß einer Ausführungsform ausgebildet ist, um ein in der Kavität 14 angeordnetes Strukturelement 22 zu bewegen. Das Strukturelement kann ausgebildet sein, um mittelbar vermittels weiterer mechanisch gekoppelter Elemente oder unmittelbar mit einem in der Kavität angeordneten Fluid zu interagieren.
Das Strukturelement 22 kann beispielsweise einen Aktuator der Aktuatoreinrichtung 18 ganz oder teilweise bilden, kann alternativ hierzu aber auch passiv gebildet sein. Beispielsweise kann das Strukturelement 22 einen sogenannten Nanoscopic Electrostatic Drive (NED) Aktuator umfassen. NED beschreibt eine Form von Aktuator, die beispielsweise als längliche Balkenstruktur gebildet sein kann, welcher sich in-plane verformen kann und somit gleichzeitig als Element zum Verdrängen von Fluid als auch als Aktuator genutzt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Aktuatoreinrichtung 18 aber beispielsweise auch piezoelektrische und/oder elektrostatische Antriebe, etwa einen Kammantrieb oder dergleichen, umfassen, welcher mit dem Strukturelement 22 gekoppelt ist. Das bedeutet, das Strukturelement 22 kann zumindest teilweise den Aktuator bilden oder ein damit verbundenes Element umfassen, etwa eine Finne oder dergleichen. Das Strukturelement 22 kann mit einem in der Kavität 14 angeordneten Fluid interagieren.
Das Strukturelement 22 ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Begrenzungsstruktur mechanisch gekoppelt und die Aktuatoreinrichtung 18 ist ausgebildet, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement 22 zu bewegen. Hierzu kann die Aktuatoreinrichtung 18 beispielsweise ein Ansteuersignal 24 an ein aktives Element senden oder ein derartiges Signal umsetzen, um eine Kraft zu erzeugen. Für den Fall eines Betriebs des MEMS 10 als Sensor, etwa Mikrofon, kann die Aktuatoreinrichtung 18 als Sensoreinrichtung gebildet sein, um die Bewegung des Strukturelements 22 und der Begrenzungsstruktur in ein Sensorsignal umzusetzen, das beispielsweise optisch und/oder elektrisch gebildet sein kann.
Erfindungsgemäß wird dabei die Begrenzungsstruktur zusammen mit dem Strukturelement 22 bewegt, was für einen resonanten Betrieb bzw. eine resonante Schwingung bedeutet, dass die Masse beider Teile, des Strukturelements 22 und der Begrenzungsstruktur, eine schwingende Masse bilden können und das Schwingungsverhalten beeinflusst.
Gemäß einer möglichen Ausführung kann das Strukturelement 22 beispielsweise mit zumindest einer der Bodenschicht 12₁ und der Deckelschicht 12₃ mechanisch gekoppelt sein, um diese Schicht mit zu bewegen und deren Masse in das Schwingungsverhalten miteinzubeziehen. Alternativ oder zusätzlich ist es ebenfalls möglich, die laterale Schicht 12₂ mit zu bewegen. Hierzu kann beispielsweise die Schicht 12₂ mit einer der Schichten 12₁ oder 12₃ verbunden sein und ebenfalls mitbewegt werden.
Verglichen mit einer Bewegung des Strukturelements 22 allein kann somit eine höhere Masse für eine Schwingung genutzt werden. Das MEMS 10 kann ebenso wie die anderen hierin beschriebenen MEMS für einen Betrieb ausgelegt sein, bei dem das Strukturelement 22 zusammen mit der Begrenzungsstruktur zu einer resonanten Schwingung angeregt wird, etwa aufgrund externer Kräfte und/oder der Aktuatoreinrichtung. Das Strukturelement 22 kann zusammen mit der Begrenzungsstruktur einen Teil eines Resonators bilden, der energieeffizient Schallwellenerzeugen kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die MEMS-Schichten 12₁-12₃ entlang der Stapelrichtung 16, die senkrecht zu der Schichtebene x/y angeordnet sein kann, benachbart zueinander in dem Schichtstapel 12 angeordnet. Die Aktuatoreinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um eine Bewegung der Begrenzungsstruktur parallel hierzu, das bedeutet in-plane und parallel zu der Schichtebene bereitzustellen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Begrenzungsstruktur einen Teil zumindest einer MEMS-Schicht und beispielsweise einen Teil einer MEMS-Schicht, die einen Boden oder einen Deckel der Kavität 14 bereitstellt. Derartige angrenzende Schichten können sich problemlos miteinander verbinden lassen oder teilweise auseinander herauslösen lassen, etwa vermittels Bonden, Aufwachsen oder Äzten.
Alternativ oder zusätzlich kann auch lediglich oder in Kombination mit anderen Elementen die Schicht 12₂ zumindest in Teilen mitbewegt werden um bezogen auf das Strukturelement eine zusätzliche Masse bereitzustellen. Die Begrenzungsstruktur kann somit bspw. einen Teil einer MEMS-Schicht umfassen, die die Kavität lateral begrenzt, wie es beispielsweise für die Schicht 12₂ beschrieben ist.
Sowohl die Verwendung eines Deckels ober Bodens als auch einer lateralen Schicht ermöglichen die Verwendung mehrerer Teilstrukturen einer Begrenzungsstruktur. So kann beispielsweise der Boden oder der Deckel zusammen mit der lateral begrenzenden Schicht 12₂ oder mehrerer solcher Schichten verbunden sein oder es können beispielsweise sowohl der Deckel als auch der Boden 12₁ und 12₃ jeweils eine Teilstruktur der Begrenzungsstruktur bilden. Beispielsweise können die Schichten 12₁ und 12₃ vermittels des Strukturelements 22 oder anderweitig mechanisch miteinander gekoppelt sein.
In manchen Ausführungsformen ist es bevorzugt, wenn eine Masse der Begrenzungsstruktur größer ist als eine Masse des Strukturelements, was einen deutlichen Einfluss der Masse der Begrenzungsstruktur auf die Resonanzfrequenz ermöglicht.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In der gezeigten Darstellung ist die Schicht 12₃ zur Darstellung zusätzlicher Details gegenüber einer Kombination der Schichten 12₁ und 12₂ verschoben abgebildet. Tatsächlich kann die Schicht 12₃ aber analog der Darstellung der 1 einen Schichtstapel mit den Schichten 12₁ und 12₂ bilden.
Die Schicht 12₁ kann beispielsweise eine Öffnung 26₁ aufweisen, die für einen Luftstrom 28₁ als Einlass in die Kavität 14 oder Auslass aus der Kavität 14 dienen kann. In der Ebene der Schicht 12₂ kann das Strukturelement angeordnet sein. Gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform kann das Strukturelement einen Bereich 22A umfassen, der bspw. eine flexible aktiv oder passiv gebildete Struktur umfasst. Eine aktive Struktur des Bereichs 22A kann bspw. einen Balkenaktuator umfassen, etwa als NED gebildet. Eine passive Struktur des Bereichs 22A kann bspw. einen elastischen Balken oder eine Membran umfassen. Der Bereich 22A kann lateral fest eingespannt sein, etwa an einem Randbereich des Bereichs 22A und mit der Schicht 12₂, wobei weder das Vorhandensein der Einspannung noch deren Ort einschränkend ist. So könnte das Element 22A auch starr sein oder an den Schichten 12₁ und oder 12₃ eingespannt sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Strukturelement 22 an einem diskreten Bereich mit der Begrenzungsstruktur 34 mechanisch gekoppelt sein, worunter verstanden werden kann, dass die Begrenzungsstruktur 34 nicht in voller Fläche, sondern lediglich teilweise in Kontakt mit dem Strukturelement steht. Ein derartiger diskreter Bereich bzw. Befestigungsbereich kann an einem Ort maximaler Auslenkung des Strukturelements 22 angeordnet sein, das bedeutet, der Ort der Kontaktierung kann eine maximale Auslenkung des Strukturelements und/oder der Begrenzungsstruktur definieren. Ausführungsbeispiele beziehen sich beispielsweise auch darauf, dass ein mechanischer Kontakt des Strukturelements mit umgebendem festen Substrat eine Einrichtung zur Bewegungsbegrenzung implementiert, um eine mechanische Überlast bei Überschreiten einer maximalen Auslenkung zu verhindern. So kann beispielsweise ein mechanischer Kontakt mit der Schicht 12₁ bei Ausführen der Bewegung 36₁ und/oder 36₂ eine weitere Bewegung begrenzen, wobei die mechanische Verbindung zwischen Strukturelement und Bewegungsstruktur in bevorzugter Weise auf eine derartige mechanische Belastung ausgelegt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Strukturelement 22 eine beidseitig eingespannte Balkenstruktur, die ausgebildet ist, um sich bezogen auf eine MEMS-Schicht in-plane zu verformen. Wie es in 2 gezeigt ist, kann die Begrenzungsstruktur hierzu out-of-plane angeordnet sein, das bedeutet, in einer anderen Ebene als das Strukturelement 22 selbst. Die Begrenzungsstruktur kann aber auch teilweise in derselben Ebene angeordnet sein, wie es beispielsweise in der 6 gezeigt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Strukturelement 22 Teil der Aktuatoreinrichtung und weist an diskreten Bereichen miteinander fest verbundene und in-plane verformbare Balkenelemente auf, die ausgebildet sind, um eine Verformung des Strukturelements in-plane bezogen auf den Schichtstapel bereitzustellen. So können beispielsweise die an diskreten Bereichen fest miteinander verbundenen Balken genutzt werden, um eine Hin- und Her-Bewegung in-plane zu erzeugen.
Ein optionaler Bereich 22B des Strukturelements 22 kann genutzt werden, um bspw. das Strukturelement 22 mit zumindest einer der Schichten 12₁ und/oder 12₃ mechanisch zu koppeln, etwa um einen Teil einer derartigen Schicht als Begrenzungsstruktur mitzubewegen. Der Bereich 22B kann als Koppelstelle dienen.
Die Aktuatoreinrichtung 18 kann sich beispielsweise an dem Strukturelement 22 abstützen oder einen Teil davon bilden und kann beispielsweise als sogenannter asymmetrischer nanoskopischer elektrostatischer Antrieb, Asymmetric Nanoscopic Electrostatic Drive (ANED), als lateraler nanoskopisch elektrostatischer Antrieb, Lateral Electrostatic Drive (LNED) oder als ausgeglichener nanoskopischer elektrostatischer Antrieb, Balanced Electrostatic Drive (BNED) ausgeführt sein Hier können nebeneinander angeordnete Balkenstrukturen verformbar gebildet sein und an diskreten Bereichen selektiv mit einander gekoppelt sein, um bei einer Aktuierung eine Verformung der Gesamtstruktur zu erreichen. Eine Aktuierung kann bspw. elektrostatisch oder elektrodynamisch, aufgrund thermisch induzierter Verformung oder basierend auf piezoelektrischen Effekten erhalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Aktuatoreinrichtung 18 anders gebildet sin und der Bereich 22A eine extern angetriebene Finne aufweisen oder bereitstellen. Hierzu kann die Krafterzeugung an einem anderen Ort erfolgen und entsprechend übertragen werden.
Durch das Strukturelement 22 kann die Kavität 14 in eine erste Teilkavität 14a und eine zweite Teilkavität 14b unterteilt werden. Eine Vergrößerung der einen Teilkavität kann zu einer entsprechenden Verkleinerung der anderen Teilkavität führen.
Für die Schicht 12₃ ist dargestellt, dass diese einen möglicherweise als Substrat genutzten ortsfesten Bereich 42 und einen beweglichen Bereich 34 aufweisen kann. Der bewegliche Bereich 34 kann gegenüber dem festen Bereich 32 entlang einer positiven und/oder negativen Bewegungsrichtung 36₁, 36₂ beweglich sein, wobei der ortsfeste Bereich 32 auch entfallen kann. Vermittels der Aktuatorstruktur kann beispielsweise das Strukturelement 22 an der Schicht 12₂ abgestützt sein, so dass beispielsweise der bewegliche Bereich 34 durch die Aktuatoreinrichtung mit dem Strukturelement 22 mitbewegt wird. Eine Verformung des Strukturelements 22 kann dabei in der Ebene der Schicht 12₂ erfolgen, indem das Strukturelement 22 in Bereichen der Verformung von den Schichten 12₁ und 12₃ beabstandet oder gleitfähig gelagert sein kann, ohne hierbei einen akustischen Kurzschluss zwischen den Teilkavitäten 14a und 14b zu erzeugen.
Die in der 2 dargestellte Struktur kann in einem MEMS auch mehrfach angeordnet sein, das bedeutet, ein MEMS kann auch mehrere Kavitäten, mehrere Aktuatoren und/oder mehrere Öffnungen 26₁ und/oder 26₂ aufweisen. Auch für die dargestellte Struktur ist die Anzahl von Aktuatoren und Öffnungen 26₁, 26₂ sowie Strukturelemente lediglich beispielhaft gewählt und kann für jedes der Elemente auch unterschiedlich gewählt sein, abhängig oder unabhängig von anderen Elemente, beispielsweise zu 2, 3, 4, 5 oder mehr.
Eine Öffnung 26₂ in der Deckelebene 12₃ kann die Teilkavität 14b mit der Umgebung verbinden, um einen Luftstrom 28₂ aus der Kavität 14 in die Umgebung herauszuführen oder in die Kavität 14 bzw. die Teilkavität 14b hinein. So kann beispielsweise bei einer Bewegung des Strukturelements 22 und des als Begrenzungsstruktur dienenden beweglichen Bereichs 34 entlang der Richtung 36₁ der Luftstrom 28₁ in die Teilkavität 14a geführt werden und der Luftstrom 28₂ aus der Teilkavität 14b hinaus. Bei einer Umkehrung der Bewegung in die Richtung 36₂ können sich auch die Richtungen der Luftströme 28₁ und 28₂ umkehren.
Wie es in 2 gezeigt ist, kann die Aktuatoreinrichtung ausgebildet sein, um eine Bewegung der Begrenzungsstruktur, etwa des beweglichen Bereichs 34, in-plane bezogen auf eine Schichtanordnung bereitzustellen. Die Begrenzungsstruktur kann einen Teil einer MEMS-Schicht 12₃ umfassen, wobei alternativ oder zusätzlich auch ein korrespondierender Teil der Schicht 12₁ bewegt werden kann. Das Strukturelement 22 kann dabei basierend auf einer Aktuierung durch die Aktuatoreinrichtung mittelbar, d. h. in direktem Kontakt stehend oder unmittelbar, etwa durch Kupplung mit entsprechenden Plattenelementen oder Verdrängungselementen, mit einem in der Kavität angeordneten Fluid interagieren. Die Begrenzungsstruktur kann eine Öffnung aufweisen, etwa die Öffnung 26₁ und/oder 26₂, die ausgebildet ist, um einen Schall in dem Fluid bzw. das Fluid selbst aus der Kavität 14 oder in die Kavität 14 zu leiten.
Wie es in der 2 ersichtlich ist, kann das Strukturelement 22 und die Begrenzungsstruktur, beispielsweise der bewegliche Bereich 34, gemeinsam eine Massestruktur eines Feder-Masse-Systems bilden und für eine durch die Aktuatoreinrichtung 18 angeregte resonante Schwingung eingerichtet sein. So kann beispielsweise eine Steifigkeit des Bereichs 22A und/oder eines anderen gekoppelten Elements eine entsprechende Federsteifigkeit für das Feder-Masse-System bereitstellen.
In anderen Worten zeigt 2 in einem Ausführungsbeispiel einen mikromechanischen Wandler mit einem mitschwingenden, beweglichen Deckel der Deckelebene als Resonator in einem ersten Grundprinzip der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist der Deckelresonator an ein aktiv auslenkbares Element gekoppelt, eine Koppelstelle des Strukturelements 22. Der Deckelresonator folgt den Bewegungen der aktiv auslenkbaren Elemente über die Koppelstelle. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Deckelresonator von dem umgebenden Substrat gelöst und beweglich, beispielsweise nicht verbunden oder elastisch verbunden. In einem ersten Zeitintervall lenken die aktiven Elemente des Aktuators in eine erste Richtung 36₁ oder 36₂, parallel zur Substratebene aus und befördern Fluid über die schwingenden Öffnungen 26₂ aus dem Deckelwafer heraus. Im selben Zeitintervall wird Fluid über die Öffnungen 26₁ im Bodenwafer in die Kavitäten hineinbefördert. In einem zweiten Zeitintervall lenken die aktiven Elemente des Aktuators in eine zweite Richtung, die entgegengesetzt zur ersten Richtung verläuft, aus. Somit wird Fluid über die Öffnungen im Bodenwafer aus den Kavitäten herausbefördert und über die schwingenden Öffnungen im Deckelwafer in die Kavitäten hineinbefördert.
Die 3a und 3b zeigen korrespondierend zur 2 eine Darstellung von Schichten 12₁ und 12₂ (3a) bzw. der Schicht 12₃ (3b) eines MEMS 30. Gegenüber dem MEMS 20 weist das MEMS 30 mehrere benachbart zueinander angeordnete Kavitäten 14₁-14₃ auf, wobei die Anzahl derartiger Kavitäten einen beliebigen Wert von ≥ 2 aufweisen kann, beispielsweise 3, 4, 5, 8, 10 oder mehr.
Eine Position des Koppelelements 22B kann dabei an einem Ort der maximalen Auslenkung des Strukturelements 22 bzw. des Bereichs 22A angeordnet sein, was sich beispielsweise mittig bei einer beidseitigen eingespannten Konfiguration einer Balkenstruktur oder am auslenkbaren Ende einer einseitig eingespannten Balkenstruktur ergeben kann.
Zwischen benachbarten Kavitäten 14₁ und 14₂ oder 14₂ und 14₃ kann eine Trennwand 38₁ bzw. 38₂ angeordnet sein, die beispielsweise aus Material der Schicht 12₂ gebildet sein kann und je nach Ausführungsform als auch feste Finne bezeichnet werden kann. In Ausführungsformen, bei denen die Schicht 12₂ gegenüber anderen Elementen bewegt wird, kann eine bewegliche Finne implementiert sein.
Die 3b zeigt korrespondierend hierzu einen beweglichen Bereich 34, der mehrere Öffnungen 26₂ aufweist, von denen jede Öffnung 26₂ einer der Kavitäten 14₁-14₃ zugeordnet ist, wobei eine Zuordnung bevorzugt zu einer jeweiligen Teilkavität der Kavität 14₁-14₃ erfolgt.
In anderen Worten zeigt die 3a ein Ausführungsbeispiel analog zur 2 mit mehreren aktiv auslenkbaren Elementen, die je eine Koppelstelle bzw. ein Koppelelement 22B haben. 3b zeigt ein Ausführungsbeispiel analog zur 2 mit einem Deckelresonator, der an mehrere aktiv auslenkbare Elemente über die Koppelstellen angebunden ist.
4a zeigt eine schematische Draufsicht auf das MEMS 20 mit einer Schnittlinie 42, wobei die 4b und 4c schematische Seitenschnittansichten des MEMS 20 durch die Schnittlinie 42 zu unterschiedlichen Auslenkungszuständen des MEMS 20 zeigen.
In 4b ist ein beispielhafter unausgelenkter Zustand einer Ausführung gezeigt, bei der die Schichten 12₁ und 12₂ fest miteinander verbunden sind und möglicherweise, aber nicht notwendigerweise aus demselben Material gebildet sind. Ohne weiteres können zusätzliche Schichten angeordnet sein, etwa zur Implementierung unterschiedlicher Materialsteifigkeit, einer zumindest bereichsweise vorgesehenen elektrischen Leitfähigkeit oder anderen Funktionen.
4b zeigt eine Seitenschnittansicht in einem ersten Zustand des MEMS 20, beispielsweise einem Referenzzustand oder unausgelenkten Zustand. Demgegenüber zeigt die 4c einen ausgelenkten Zustand des MEMS 20, bei dem das Strukturelement 22 sowie die durch den beweglichen Bereich 34 gebildete Begrenzungsstruktur zur Begrenzung der Kavität 34 entlang der z-Richtung entlang der Richtung 36₂ ausgelenkt sind. Hierdurch entsteht der jeweilige Luftstrom 28₁ und 28₂, wobei eine Resonanzfrequenz eines entsprechenden Feder-Masse-Systems nicht nur durch das Strukturelement 22, sondern auch durch die Masse des beweglichen Bereichs 34 beeinflusst ist.
In anderen Worten zeigen die 4b und 4c eine Schnittdarstellung durch die Mitte des Bauelements 20, wobei das Strukturelement 22 oder Koppelelement zur Deckelschicht verbunden ist, zur Bodenschicht jedoch nicht.
In anderen Worten zeigt 4b ein aktiv ausgelenktes Element verbunden mit einem Deckelresonator in einer nicht ausgelenkten Position. 4c ist analog zur 4b eine Auslenkung in eine erste Richtung. Dabei wird ein erster Fluidstrom durch die mitschwingende Öffnung im Deckelresonator in eine erste Kavität befördert. Im selben Moment wird ein zweiter Fluidstrom durch eine nicht bewegliche Öffnung im Bodenwafer aus einer zweiten Kavität nach außen befördert.
5a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht durch ein MEMS 20' analog zur 4b, wobei anders als im MEMS 20 auch ein beweglicher Bereich 34₁ der Schicht 12₁ gegenüber der Schicht 12₂ beweglich ist. Hierzu kann der Bereich 22A des Strukturelements 22 aktiv und als Teil der Aktuatoreinrichtung gebildet sein und ferner über eine Koppelstelle 22B₁ mit dem Bereich 34₁ und mit einer Koppelstelle 22B₂ mit einem beweglichen Bereich 34₂ der Schicht 12₃ mechanisch fest verbunden, wobei Letzteres in Übereinstimmung mit dem MEMS 20 ist. Gegenüber dem MEMS 20 wird eine weiter erhöhte Masse genutzt, was zu tieferfrequenten Resonanzen des Feder-Masse-Schwingers führen kann. Das bedeutet, gegenüber dem MEMS 20 ist nicht nur eine der Schichten 12₁ oder 12₃, sondern sowohl der Bodenwafer als auch der Deckelwafer in Teilen beweglich.
Während die 5a einen zur 4b vergleichbaren Referenzzustand zeigt, zeigt die 5b einen ausgelenkten Zustand des MEMS 20`. Hierdurch werden die mit dem Strukturelement 22 gekoppelten Begrenzungseinrichtungen 34₁ und 34₂ gegenüber der Schicht 12₂ mitbewegt. Dies kann ebenso wie bei anderen hierin beschriebenen MEMS eine Bewegung und/eine Verformung des Strukturelements umfassen.
6 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 60 gemäß einem Ausführungsbeilspiel, bei dem die Aktuatoreinrichtung 18 ausgebildet ist, um beispielsweise die Schicht 12₂ gegenüber dem Strukturelement 22 auszulenken. So kann beispielsweise das Strukturelement 22 passiv gebildet sein, wobei auch bei einer aktiven Ausgestaltung eine Interaktion des Strukturelements 22 mit einem in der Kavität angeordneten Fluid bereitgestellt wird. Die Begrenzungsstruktur wird beispielsweise durch die Seitenwände der Schicht 12₂ gebildet, welche die Kavität 14 lateral begrenzen. Durch Bewegen der Begrenzungsstruktur, der Schicht 12₂, bezüglich des Strukturelements 22 des MEMS 60 kann ein vergleichbarer Effekt und eine Interaktion des Strukturelements 22 mit dem in der Kavität 14 angeordneten Fluid erhalten werden. Eine Zusatzmasse wird dabei durch die bewegte Masse der ein oder mehreren Schichten 12₂ bereitgestellt.
Ebenso wie in den 5a und 5b wird in der 6 ein Querschnitt durch eine MEMS-Schichtstruktur mit einem mitschwingenden Deckel bzw. Deckelwafer, Bodenwafer einerseits oder einem Chiprahmen andererseits gezeigt. In den 5a und 5b sind dabei alle Luftauslassöffnungen beweglich. Die 6 zeigt gegenüber der 2 eine ergänzende Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 70 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Mehrzahl von in der Kavität 14 angeordneten Strukturelementen 22₁-22₃ vorgesehen ist, die mit der Aktuatoreinrichtung gekoppelt sind und entlang unterschiedlicher relativer Richtungen beweglich angeordnet sind. So ist beispielsweise das Strukturelement 22₁ und das Strukturelement 22₂ entlang der Bewegungsrichtung 36₂ beweglich und gleichzeitig das Strukturelement 22₂ entlang der Bewegungsrichtung 36₁. Bevorzugt sind benachbarte Strukturelemente entlang komplementärer Richtungen 36₁/36₂ beweglich.
Zwischen benachbarten Strukturelementen 22₁-22₃ kann eine jeweilige Teilkavität 14b und 14c angeordnet sein, die unter dem Einfluss einer Bewegung der benachbarten Strukturelemente ein veränderliches Volumen aufweist. Eine jeweilige Teilkavität 14b und 14c kann durch eine Öffnung in dem MEMS-Schichtstapel mit einer Umgebung des Schichtstapels fluidisch verbunden sein. Eine analoge Konfiguration gilt auch für Teilkavitäten 14a und 14d, zumindest in manchen Ausführungsformen, wobei hier ein Strukturelement lediglich auf einer Seite der jeweiligen Teilkavität vorgesehen sein kann. Die Anordnung von drei Strukturelementen zur beispielhaften Definition von vier Teilkavitäten 14a-14d ist dabei lediglich beispielhaft. Es können auch weniger oder mehr Strukturelemente in der Kavität angeordnet sein. Eine erste Teilmenge von Strukturelementen, bevorzugt jene, die entlang einer gleichen Richtung beweglich angeordnet sind, wie es beispielsweise für die Strukturelemente 22₁ und 22₃ einerseits und das Strukturelement 22₂ andererseits dargestellt ist, sind mit einer jeweiligen Begrenzungsstruktur 34₂ bzw. 34₁ mechanisch gekoppelt, wobei die Begrenzungsstrukturen 34₁ und 34₂ gegenüberliegend zueinander angeordnet sind. Ein entsprechendes Konzept lässt sich ohne weiteres auch auf das MEMS 60 übertragen, bei dem der Chiprahmen bzw. die Schicht 12₁ beweglich angeordnet ist. Hier könnten beispielsweise unterschiedliche Seiten gegeneinander bewegt werden oder es könnte eine erste Teilmenge von Strukturelementen ortsfest angeordnet sein und eine zweite Teilmenge beweglich.
Die entsprechenden Aktuatoren können einzeln oder in Gruppen angeordnet sein und beispielsweise an den Schichten 12₁ und 12₃ angeordnete Aktuatoren umfassen oder Gruppen von Aktuatoren, die jeweils an der Schicht 12₁ bzw. der Schicht 12₃ angeordnet sind.
In anderen Worten zeigt 7 einen Querschnitt durch eine MEMS-Schichtstruktur mit zwei Gruppen von aktiv ausgelenkten Elementen und zwei Deckelresonatoren, je im Deckelwafer und im Bodenwafer. Die Aktorgruppen unterscheiden sich in der Bewegungsrichtung, d. h., wenn eine erste Gruppe in eine erste Richtung ausgelenkt wird, wird eine zweite Gruppe in eine zweite Richtung ausgelenkt. Des Weiteren unterscheiden sich die Aktorgruppen durch die Ankopplung an die Deckelresonatoren, d. h. eine erste Gruppe wird an den Deckelresonator im Deckelwafer angekoppelt, während eine zweite Gruppe an den Deckelresonator im Bodenwafer angekoppelt wird. Somit lenkt sich der Deckelresonator im Deckelwafer in eine erste Richtung aus und der Deckelresonator im Bodenwafer lenkt sich in eine zweite Richtung aus.
8a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS 80 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Begrenzungsstruktur, beispielsweise die Schicht 12₁ und/oder 12₂, in Segmente 34_2,1 und 34_2,2 unterteilt ist, wobei auch eine beliebige andere und insbesondere höhere Anzahl von Segmenten möglich ist.
In 8a ist ebenfalls erkennbar, dass bezüglich einer Teilkavität mehrere Öffnungen im Deckel und/oder Boden vorgesehen sein können, beispielsweise 2, wobei auch eine beliebige andere, höhere Anzahl vorgesehen werden kann.
In anderen Worten zeigt 8a ein MEMS-Schichtsystem mit zwei Deckelresonatoren in einem Deckelwafer. Ein erster Deckelresonator wird in eine erste Richtung ausgelenkt, wobei der zweite Deckelresonator in eine zweite Richtung ausgelenkt wird. Der erste und der zweite Deckelresonator weisen beide Öffnungen auf, durch welche ein Luftstrom orthogonal zur ersten und zweiten Auslenkungsrichtung geführt werden kann.
8b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht durch die Schnittlinie 42. Die Segmente 34_2,1 und 34_2,2 einerseits als auch optional die Segmente 34_1,1 und 34_1,2 andererseits können jeweils gegenläufig zueinander beweglich sein und mit unterschiedlichen Strukturelementen mechanisch gekoppelt sein. So kann beispielsweise das Segment 34_1,1 der Schicht 12₁ mit dem Strukturelement 22₂ für eine Aktuierung gekoppelt sein, die Begrenzungsstruktur 34_1,2 mit dem Strukturelement 22₃, die Begrenzungsstruktur 34_2,1 mit dem Strukturelement 22₁ und die Begrenzungsstruktur 34_2,2 mit dem Strukturelement 22₄. Bevorzugt wird dabei eine Konfiguration, bei der benachbarte Strukturelemente 22₁-22₄ jeweils gegenläufig zueinander bewegt werden, so dass die Aktuatorwege additiv wirken.
Die beweglichen Bereiche 34_1,2 und 34_2,1 und/oder die beweglichen Bereiche 34_1,1 und 34_2,2 können mechanisch mit einer nicht dargestellten mechanischen Kopplung gekoppelt sein, um eine synchrone und gleiche Auslenkung der beweglichen Bereiche bzw. Begrenzungsstrukturen zu ermöglichen. Alternativ können die beweglichen Bereiche auch unabhängig voneinander schwingen und möglicherweise mit unterschiedlichen Massen ausgestattet sein, etwa um voneinander verschiedene Resonanzfrequenzen bereitzustellen, wobei die Akuatoreinrichtung eingerichtet sein kann, um die voneinander verschiedenen Resonanzfrequenzen anzuregen.
Unter Verweis auf die MEMS 70 und 80 beziehen sich manche Ausführungsbeispiele darauf, dass unterschiedliche Strukturelemente mit voneinander verschiedenen Begrenzungsstrukturen gekoppelt sein können und mehr als ein einziges Feder-Masse-System in dem MEMS bereitstellen können. Das bedeutet, unterschiedliche Strukturelemente können mit unterschiedlichen Begrenzungsstrukturen gekoppelt sein, um unterschiedliche Feder-Masse-Systeme bereitzustellen. Die Aktuatoreinrichtung kann ausgebildet sein, um die jeweiligen Feder-Masse-Systeme anzuregen, etwa indem das jeweilige Strukturelement zusammen mit der Begrenzungsstruktur bewegt wird. Resonanzfrequenzen der unterschiedlichen Feder-Masse-Systeme können gleich oder voneinander verschieden sein, wobei voneinander verschiedene Resonanzfrequenzen ein breiteres Abstrahlspektrum oder ein breiteres Empfangsspektrum ermöglichen und übereinstimmende Resonanzfrequenzen eine höhere Amplitude bzw. höhere Sensitivität bei einer gezielten Frequenz aufweisen können.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können auch mehrere Feder-Masse-Systeme übereinstimmende Resonanzfrequenz und mehrere Feder-Masse-Systeme unterschiedliche Resonanzfrequenz gleichzeitig aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein MEMS ausgebildet, um basierend auf der resonanten Bewegung einen Schalldruck mit einer auf einer Resonanzfrequenz der resonanten Schwingung basierenden Frequenz zu erzeugen.
Unterschiedliche Frequenzen können gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch anders erhalten werden, etwa über einen Mehr-Wege-Ansatz.
In anderen Worten zeigt 8b einen Querschnitt abgeleitet aus 8a und weist zusätzlich zu den Deckelresonatoren in 8a weitere Deckelresonatoren im Bodenwafer auf. Es gibt beispielsweise vier Aktorgruppen mit je mindestens einem auslenkbaren Element. Jedes auslenkbare Element lenkt sich in eine erste oder zweite Richtung aus und ist mit einem ersten oder zweiten luftdurchströmten Deckelresonator im Deckelwafer oder im Bodenwafer gekoppelt.
9 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 90 gemäß einem Ausführungsbeispiel zur Implementierung eines beispielhaften Zwei-Wege-Ansatzes. So können beispielsweise Strukturelemente 22₁ und 22₂ mit jeweiligen Begrenzungsstrukturen implementiert durch bewegliche Bereiche 34₂ bzw. 34₁ angeordnet sein, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit dem MEMS 70 beschrieben ist, wobei die beweglichen Bereiche 34₁ und/oder 34₂ auch segmentiert sein können und/oder mehrere Strukturelemente an einem jeweiligen Segment oder der Struktur 34₁ bzw. 34₂ angeordnet sein können.
In der Kavität 14 oder einer weiteren Kavität, die von der Kavität 14 akustisch getrennt sein kann, können zusätzliche Aktuatoren oder Elemente zur Schallerzeugung 44₁-44₄ angeordnet sein. Diese können beispielsweise gleich oder ähnlich gebildet sein wie die Aktuatoren zur Bewegung der Strukturelemente 22₁ und 22₂, können aufgrund geringerer Masse aber für Schwingungen in höheren Frequenzbereichen f₂ ausgelegt sein und insofern einen im Vergleich zu den durch die Öffnungen 26₁ und 26₂ austretenden und eine Frequenz oder Frequenzbereich f₁ aufweisenden tieffrequenten Schall höherfrequenten Schall oder Schallbereich durch entsprechende Öffnung 46₁-46₅ ausgeben. Eine Position der Öffnungen 46₁-46₅ kann dabei möglicherweise auf eine Bewegungsamplitude der beweglichen Bereiche 34₁ und 34₂ abgestimmt sein, so dass entsprechende Teilkavitäten zwischen benachbarten Schallerzeugern 44₁-44₄ mit einer jeweiligen Öffnung 46₁-46₅ mit einer Umgebung des MEMS 90 verbunden sein können. Die Frequenzen f₁ und/oder f₂ können dabei im für den Menschen hörbaren Bereich liegen, wobei dies nicht erforderlich ist. Es können mit den hierin beschriebenen Strukturen anwendungsspezifisch beliebige Frequenzen angeregt werden, etwa alternativ oder zusätzlich im Ultraschallbereich.
So kann beispielsweise ein Zwei-Wege-Lautsprecher implementiert werden, der sowohl einen Subwoofer, insbesondere einen vergleichsweise kleinen µSubwoofer zusammen mit einem Hochtöner (engl.: Tweeter), insbesondere einem vergleichsweise kleinen µTweeter, umfasst. Dabei kann eine Bewegung der Strukturelemente 22₁ und 22₂ als Tieftöner/Subwoofer und eine Bewegung der Schallerzeuger 44₁-44₄ als Hochtöner genutzt werden. Gemäß Ausführungsbeispielen ist zumindest ein bewegliches Element in der Kavität 14 angeordnet, das zur Erzeugung eines Schalls in einem in der Kavität angeordneten Fluid eingerichtet ist.
In anderen Worten zeigt 9 ein MEMS-Schichtsystem mit einem Mehr-Wege-Ansatz. Analog zu 7 existieren mehrere Aktorgruppen, wobei mindestens eine weitere Gruppe existiert, die durch die Schwingung mit einer zweiten Frequenz charakterisiert werden kann. Zusätzlich zu der Ausführung in 7 existieren in beiden Deckelresonatoren Öffnungen, durch welche ein Luftstrom mit einer zweiten Frequenz f2 senkrecht zu der Auslenkung des Deckelresonators mit einer ersten Frequenz f1 befördert wird.
10a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 100₁ gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dort ist die Begrenzungsstruktur beispielsweise als beweglicher Bereich 34 der Schicht 12₃ gebildet und zusammen mit dem Strukturelement 22 gegenüber der Schicht 12₁ und der Schicht 12₂ beweglich, wobei ohne weiteres auch eine andere Konfiguration implementierbar ist, etwa eine zusätzliche Bewegung der Schicht 12₁ und/oder eine Bewegung der Schicht 12₂ zusammen mit der Schicht 12₃ bzw. dem beweglichen Bereich 34.
Die Begrenzungsstruktur bzw. der bewegliche Bereich 34 kann über eine mechanische Aufhängung 48 mit einem Substrat des MEMS 100₁ mechanisch gekoppelt sein, beispielsweise ein verbleibender Bereich der Schicht 12₃, etwa der Bereich 32. Die mechanische Aufhängung 48 kann ausgebildet sein, um eine mechanische Dämpfung 52 und/oder eine mechanische Steifigkeit 54 bereitzustellen, die eine Resonanzfrequenz eines das Strukturelement 22 und die Begrenzungsstruktur 34 umfassenden Feder-Masse-Systems zumindest teilweise bestimmt. Eine entsprechende Aufhängung kann genutzt werden, um das Schwingungsverhalten einzustellen und anzupassen. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die mechanische Aufhängung 48 auch adaptiv ausgestaltet sein, um eine Anpassung des Frequenzgangs im laufenden Betrieb oder zu Justagezwecken zu ermöglichen.
In der Ausführung der 10a ist beispielsweise der Deckelwafer mit einer zusätzlichen Steifigkeit und/oder Dämpfung an das umgebende Substrat angebunden.
Das MEMS 100₁ kann ebenso wie andere hierin beschriebene MEMS eine Steuerungseinrichtung 58 aufweisen oder mit einer solchen verbindbar sein. Die Steuerungseinrichtung 58 kann ausgebildet sein, um die Aktuatoreinrichtung zum Bewegen des Strukturelements 22 anzusteuern, um eine resonante Bewegung des Strukturelements 22 einzustellen. Eine Resonanzfrequenz der resonanten Bewegung kann von einer Masse des Strukturelements 22 und der Masse der Begrenzungsstruktur 34 beeinflusst sein. Möglicherweise, aber nicht notwendigerweise ist ein derartiges MEMS als MEMS-Lautsprecher gebildet, der ausgebildet ist, um basierend auf einer gemeinsamen Bewegung des Strukturelements 22 und der Begrenzungsstruktur 34 in der Kavität Schall in dem Fluid zu erzeugen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mechanische Aufhängung 48 aber auch so ausgestaltet sein, dass diese eine Vorzugsrichtung aufweist, entlang der die Auslenkung des Strukturelements 34 höchstens unwesentlich beeinflusst wird. So kann beispielsweise eine out-of-plane Bewegung entlang der z-Richtung beschränkt oder verhindert werden, während die mechanische Aufhängung 48 eine möglichst freie Bewegung in-plane, etwa entlang x und/oder y, zulässt. Alternativ kann eine Bewegung entlang x eingeschränkt und entlang y, d. h. entlang positiver oder negativer Bewegungsrichtung 36₂, höchstens unwesentlich beeinflusst werden. Dies kann eine hohe Qualität von in dem Luftstrom 28₁ und/oder 28₂ enthaltenen Luftschall ermöglichen.
In anderen Worten zeigt 10a ein Ausführungsbeispiel analog zur 2, wo der Deckelresonator im Deckelwafer durch ein Verbindungselement mit dem Substrat verbunden ist. Dabei ist das Verbindungselement fluidisch oder mechanisch ausgeführt und weist Steifigkeits- und/oder Dämpfungseigenschaften auf.
10b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 100₂ gemäß einem Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem MEMS 100₁ dahingehend modifiziert ist, dass das Strukturelement 22 die beweglichen Bereiche 34₁ und 34₂ miteinander verbindet, wie es im Zusammenhang mit dem MEMS 20' beschrieben ist. Obwohl es in manchen Ausführungsformen ausreichend sein kann, die mechanische Aufhängung 48₁ oder 48₂ mit lediglich einem der beweglichen Bereiche 34₁ bzw. 34₂ mechanisch zu koppeln und an dem umgebenden Substrat 32₁ bzw. 32₂ aufzuhängen, kann es vorteilhaft sein, den jeweiligen Bereich 34₁ über eine mechanische Aufhängung 48₁ an dem festen Bereich, Substrat 32₁, aufzuhängen und den beweglichen Bereich 34₂ als weitere Begrenzungsstruktur über die mechanische Aufhängung 48₂ an dem festen Bereich, Substrat 32₂.
Unabhängig hiervon kann das MEMS 100₂ ebenso wie andere hierin beschriebene MEMS eine Einrichtung 56 zur Bewegungsbegrenzung aufweisen. Die Einrichtung 56 kann ausgebildet sein, um eine maximale Auslenkung der beweglichen Struktur entlang einer oder mehrerer Richtungen zu begrenzen und eine auf das MEMS durch Überschreiten einer derartigen maximalen Auslenkung auftretenden mechanischen Überlast zu verhindern. Beispielsweise kann die Einrichtung 56 ein mechanischer Anschlag sein und/oder eine andere Form der Überlastvermeidung implementieren. Die mechanische Einrichtung 56 kann an einem beliebigen Element des MEMS angeordnet sein und insofern nicht notwendigerweise an dem Bereich 34₁ und/oder 34₂.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich insofern auf einen MEMS-Lautsprecher mit einem Schichtstapel umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten 12₁-12₃, einer in dem Schichtstapel angeordneten Kavität zur Aufnahme eines Fluids, wobei die Kavität von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht des Schichtstapels umfassenden Begrenzungsstruktur, lateral, in-plane und/oder entlang der Stapelrichtung out-of-plane zumindest teilweise begrenzt ist. Eine Aktuatoreinrichtung ist ausgebildet, um ein in der Kavität angeordnetes Strukturelement des MEMS zu Interaktion mit dem Fluid zu bewegen, um ein akustisches Signal zu erzeugen, bevorzugt vermittels einer resonanten Schwingung. Das Strukturelement 22 ist mit der Begrenzungsstruktur 34 mechanisch gekoppelt und die Aktuatoreinrichtung ist ausgebildet, um die Begrenzungsstruktur mit dem Strukturelement mit zu bewegen.
In anderen Worten zeigt 10b ein Ausführungsbeispiel analog zur 10a, wo je ein Deckelresonator im Deckelwafer und im Bodenwafer zum Substrat durch Verbindungselemente, einer mechanischen Aufhängung, verbunden sind.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Aufbau, welcher mehrschichtig mit mindestens drei Schichten ausgebildet ist, wobei eine Schicht so mit einer anderen Schicht gekoppelt wird, dass für die Resonanzfrequenz einer Schwingung die Steifigkeit aus der ersten Schicht und die Masse aus der zweiten Schicht maßgeblich beeinflusst wird, wobei dies unter Verweis auf die 6 auch in derselben Schicht ausgeführt werden kann. Dabei wird die zweite Schicht bzw. eine zweite Komponente gleichzeitig als Schallführung verwendet und weist insofern Öffnungen auf. Weiter kann eine Schicht in dem Bezug zu den anderen Schichten komplett verschoben werden.
Ausführungsformen beziehen sich auf eine große Chipentität als Massekörper mit integrierter Schallführung, wie es beispielsweise für die beweglichen Bereiche 34 beschrieben ist. Dazu können der Deckelwafer und/oder der Bodenwafer in Teilen als Massekörper verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Chiprahmen, die Schicht 12₂, als Massekörper verwendet werden, zusätzlich oder als Umkehrung zum Prinzip des Deckel/Boden-Massekörpers. Bei Verwendung mehrerer Strukturelemente können entsprechende Finnen oder Elemente abwechselnd am Bodenwafer und am Deckelwafer gekoppelt sein.
Die Chipentität kann über Federn und/oder Dämpfungen angekoppelt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung dergestalt ausgebildet sein, dass die Auslenkung nicht begrenzt wird, etwa durch ein Duffing, Drehung oder dergleichen. Dies ist im Zusammenhang mit der Vorzugsrichtung beschrieben. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung so ausgebildet sein, dass die Chipentität einen mechanischen Stoßschutz aufweist, um beispielsweise eine Schockfestigkeit zu erhalten. Dies ist im Zusammenhang mit der Einrichtung zur Bewegungsbegrenzung beschrieben. Wie es beispielsweise im Zusammenhang mit der 8a beschrieben ist, können symmetrische Chipbereiche beweglich gebildet sein, um einen Inertialausgleich zu ermöglichen. Mehrere Chipbereiche, d. h. mehrere bewegliche Elemente oder Resonatoren, können genutzt werden, um verschiedene Frequenzen zu erzeugen.
Hierin beschriebene MEMS-Bauelemente weisen Schichtstapel auf, die zumindest aus einer Substratschicht bestehen, in der die Elektroden und die passiven Elemente angeordnet sind. Weitere Schichten betreffen einen Boden, der auch als Handlingwafer bezeichnet werden kann und einen Deckel, der auch als Deckelwafer bezeichnet werden kann. Sowohl Deckelwafer als auch Handlingwafer können über stoffschlüssige Verfahren, vorzugsweise Bonden, mit der Substratebene verbunden sein, wodurch akustisch abgedichtete Zwischenräume in einem Bauelement entstehen können. In diesem Zwischenraum, der der Deviceebene entspricht, können sich die verformbaren Bauelemente verformen, in anderen Worten kann die Verformung in-plane erfolgen. Die Schichten können beispielsweise elektrisch leitfähige Materialien aufweisen, z. B. dotiere Haltleitermaterialien und/oder Metallmaterialien. Die schichtweise Anordnung elektrisch leitfähiger Schichten ermöglicht eine einfache Ausgestaltung, da durch selektives Herauslösen aus der Schicht Elektroden, etwa für auslenkbare Elemente und passive Elemente, gebildet werden können. Sofern elektrisch nicht leitfähige Werkstoffe angeordnet sein sollen, kann der schichtweise Auftrag dieser Werkstoffe beispielweise durch Abscheidungsverfahren erfolgen.
Manche der hierin beschriebenen MEMS können beispielsweise als Lautsprecher und insbesondere in In-Ohr-Anwendungen eingesetzt werden. Bei der In-Ohr-Anwendung kann der Raum zwischen Trommelfell und Hearable eine Druckkammer darstellen, die als dicht angesehen werden kann. Für tiefe Frequenzen zeigt die sogenannte Harman-Kurve für In-Ohr-Ohrhörer eine Präferenz für höhere Schalldruckpegel. Die Gestaltung des Frequenzgangs kann durch Resonatorelemente oder eine Kombination von unterschiedlichen Aktuatoren mit verschiedenen Resonatorelementen erfolgen. Bei Nahfeldlautsprechern ergibt sich ein anderes Bild. Der Übertragungsbereich wird nach unten durch die Lage der Resonanz begrenzt; unterhalb der Resonanz nimmt der Pegel ab. Durch die Erhöhung der Aktormasse kann die Resonanzfrequenz des Aktors gesenkt werden und der Übertragungsbereich nach unten vergrößert werden. Weitere Möglichkeiten ergeben sich durch die Ankopplung zusätzlicher Resonatoren, deren Resonanz unterhalb der eigentlichen Aktorresonanz liegen kann. Zusätzliche Resonatoren benötigen in bekannten Ausgestaltungen in beiden Fällen zusätzliche Chipfläche und die Nutzfläche für Aktoren wird damit eingeschränkt bzw. die Gesamtfläche des Chips wird damit vergrößert. Die Gestaltung des Schichtsystems kann dabei so ausgeführt werden, dass die Masse aus passiven Schichten, beispielsweise wenn keine Aktoren vorhanden sind, an die Aktoren in der aktiven Schicht angekoppelt werden, dabei wird die akustische Luftführung direkt durch Öffnungen in den angekoppelten und bewegten Bereichen der passiven Schicht realisiert, was in hierin erörterten Ausführungsbeispielen implementiert ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen es, den Übertragungsbereich der Schallquellen gegenüber bekannten Lösungen zu erweitern und bestimmte Frequenzbereiche durch Resonanz zusätzlich zu verstärken. Schallquellen im Sinne dieser Anmeldung sind beispielsweise Lautsprecher, insbesondere für In-Ohr-Anwendungen und Nahfeldanwendungen, beispielsweise in Handys oder Tablets. Dabei können beide Anwendungsfälle unterschieden werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein MEMS-Schichtsystem gelöst. In einer Ebene mit einer oder mehreren Schichten des Schichtsystems sind Kavitäten ausgebildet, in denen auslenkbare Elemente angeordnet sind, die lateral zueinander beabstandet angeordnet sein können. In einer weiteren Ebene des MEMS-Schichtsystems ist eine schwingende Masse angeordnet, die entweder mit dem Substrat nicht verbunden ist oder mittels Verbindungselementen mit dem umgebenden Substrat gekoppelt ist. Die Masse und die auslenkbaren Elemente und ggf. die Verbindungselemente können zusammen einen Resonator bilden. Die Masse kann alternativ oder zusätzlich auch in derselben Ebene angeordnet sein. Dieser Resonator ist zu den auslenkbaren Elementen in manchen Ausführungsformen vertikal beabstandet angeordnet und bildet zugleich die Schallführung (den Deckel) mit für die Schallerzeugung und Abgabe eingerichteten Luftauslassöffnungen. Die Koppelelemente zu den auslenkbaren Elementen und die Verbindungselemente können derart ausgestaltet sein, dass eine laterale Verformung in der Ebene möglich ist. Eine Verformung senkrecht zur Ebene kann durch die Geometrie der auslenkbaren Elemente oder der Verbindungselemente reduziert, behindert oder verhindert werden. Das auslenkbare Element kann ein aktiv auslenkbares Element sein, das die bevorzugte Ausgestaltung darstellt. In Ausführungsbeispielen kann das auslenkbare Element passiv sein. Dann kann es über Koppelelemente mit einem aktiv auslenkbaren Element verbunden sein. In Manchen Anwendungsgebieten kann es bevorzugt sein, die aktiv auslenkbaren Elemente in einer anderen Ebene anzuordnen als die passiv auslenkbaren Elemente. Dies bietet den Vorteil, dass in der Ebene der aktiv auslenkbaren Elemente eine höhere Anzahl dieser als Aktuatoren bezeichneten auslenkbaren Elemente angeordnet sein kann. Das kann die aufbringbare Kraft innerhalb der Aktuatorebene erhöhen und den Füllfaktor ebenfalls erhöhen. Das bedeutet, gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein MEMS oder MEMS-Lautsprecher dergestalt ausgebildet, dass das Strukturelement passiv ausgebildet ist und ein Aktuator der Aktuatorstruktur in einer von dem Strukturelement verschiedenen Ebene oder Schicht des MEMS angeordnet ist.
Der Abstand zwischen Resonator und dem umgebenden Substrat senkrecht zur Ebene kann dabei gering bis minimal ausgestaltet sein, so dass ein akustischer Kurzschluss verhindert wird. Der Resonator beinhaltet Öffnungen für die Schallführung, die durch die Schwingbewegung des Resonators mitbewegt werden können. Die Schallenergie kann in einem derartigen Fall senkrecht zur Schichtebene aus dem MEMS-Schichtsystem austreten, während die Öffnungen lateral schwingen. Die Schwingfrequenz und die Schallfrequenz können unterschiedlich sein und durch unterschiedliche aktiv auslenkbare Elemente erzeugt werden.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

MEMS mit: einem Schichtstapel (12) umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten (12₁-12₃) einer in dem Schichtstapel (12) angeordneten Kavität (14), die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht (12₂) des Schichtstapels (12) umfassenden Begrenzungsstruktur (34; 12₂) zumindest teilweise begrenzt ist; einer Aktuatoreinrichtung (18), die ausgebildet ist, um ein in der Kavität (14) angeordnetes Strukturelement (12) des MEMS zu bewegen; wobei das Strukturelement (22) mit der Begrenzungsstruktur (34; 12₂) mechanisch gekoppelt ist und die Aktuatoreinrichtung (18) ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur (34; 12₂) mit dem Strukturelement (22) mit zu bewegen.
MEMS gemäß Anspruch 1, bei dem die MEMS-Schichten (12₁-12₃) entlang einer zu einer Schichtebene senkrechtangeordneten Stapelrichtung (16) benachbart zueinander in dem Schichtstapel (12) angeordnet sind und die Aktuatoreinrichtung (18) ausgebildet ist, um eine Bewegung der Begrenzungsstruktur (34; 12₂) in-plane parallel zu der Schichtebene bereitzustellen.
MEMS gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Begrenzungsstruktur (34) einen Teil einer MEMS-Schicht (12₁, 12₃) umfasst, die einen Boden oder einen Deckel der Kavität (14) bereitstellt.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Begrenzungsstruktur einen Teil einer MEMS-Schicht (12₂) umfasst, die die Kavität (14) lateral begrenzt.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Begrenzungsstruktur (34) eine erste Teilstruktur (34₁) und eine zweite Teilstruktur (34₂) umfasst, wobei das Strukturelement (22) zwischen der ersten Teilstruktur (34₁) und der zweiten Teilstruktur (34₂) angeordnet ist.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Masse der Begrenzungsstruktur (34; 12₂) größer ist als eine Masse des Strukturelements (22).
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Aktuatoreinrichtung (18) ausgebildet ist, um eine Bewegung der Begrenzungsstruktur (34; 12₂) in-plane bezogen auf eine Schichtanordnung bereitzustellen; und die Begrenzungsstruktur (34) einen Teil einer MEMS-Schicht (12₁, 12₃) umfasst, die einen Boden oder einen Deckel der Kavität (14) bereitstellt.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Strukturelement (22) ausgebildet ist, um basierend auf einer Aktuierung mittelbar oder unmittelbar mit einem in der Kavität (14) angeordneten Fluid zu interagieren; wobei die Begrenzungsstruktur (34; 12₂) eine Öffnung (26) aufweist, die ausgebildet ist, um einen Schall in dem Fluid aus der Kavität (14) oder in die Kavität (14) zu leiten.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Strukturelement (22) und die Begrenzungsstruktur (34; 12₂) gemeinsam eine Massestruktur eines Feder-Masse-Systems bilden und für eine durch die Aktuatoreinrichtung (18) angeregte resonante Schwingung eingerichtet sind.
MEMS gemäß Anspruch 9, bei dem das Strukturelement (22) ein erstes Strukturelement (22₁) ist, bei dem die Begrenzungsstruktur (34) eine erste Begrenzungsstruktur (34_1,1) ist und bei dem das Feder-Masse-System ein erstes Feder-Masse-System ist; wobei das MEMS ein zweites Strukturelement (22₂) aufweist, das mit einer zweiten Begrenzungsstruktur (34_1,2) mechanisch gekoppelt ist und eine Massestruktur eines zweiten Feder-Masse-Systems bildet, wobei die Aktuatoreinrichtung (18) ausgebildet ist, um die zweite Begrenzungsstruktur (34_1,2) mit dem zweiten Strukturelement (22₂) mit zu bewegen; wobei eine erste Resonanzfrequenz des ersten Feder-Masse-Systems von einer zweiten Resonanzfrequenz des zweiten Feder-Masse-Systems verschieden ist.
MEMS gemäß Anspruch 9 oder 10, das ferner zumindest ein bewegliches Element (44) in der Kavität (14) aufweist, das zur Erzeugung eines Schalls in einem in der Kavität (14) angeordneten Fluid eingerichtet ist.
MEMS gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, das ausgebildet ist, um basierend auf der resonanten Bewegung einen Schalldruck mit einer auf einer Resonanzfrequenz der resonanten Schwingung basierenden Frequenz zu erzeugen.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Mehrzahl von in der Kavität (14) angeordneten Strukturelementen (22₁-22₃) die mit der Aktuatoreinrichtung (18) gekoppelt sind und entlang unterschiedlicher Richtungen (36₁, 36₂) beweglich angeordnet sind; wobei eine erste Teilmenge der Mehrzahl von Strukturelementen (22₂) mit der Begrenzungsstruktur (34₁) als erste Begrenzungsstruktur mechanisch gekoppelt ist und eine zweite Teilmenge der der Mehrzahl von Strukturelementen (22₁, 22₃) mit einer gegenüberliegend angeordneten zweiten Begrenzungsstruktur (34₂) mechanisch gekoppelt ist.
MEMS gemäß Anspruch 13, bei dem die erste Begrenzungsstruktur (34₁) und/oder die zweite Begrenzungsstruktur (34₂) in Segmente (34_1,1-34_2,2) segmentiert ist, die gegenläufig zueinander beweglich angeordnet sind und mit unterschiedlichen Strukturelementen (22) mechanisch gekoppelt sind.
MEMS gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem zwischen benachbarten Strukturelementen (22) eine Teilkavität (14b-d) der Kavität (14) angeordnet ist, die unter dem Einfluss einer Bewegung der benachbarten Strukturelemente (22) ein veränderliches Volumen aufweist, und die Teilkavität (14b-d) durch eine Öffnung (26) in dem Schichtstapel (12) mit einer Umgebung des Schichtstapels (12) fluidisch verbunden ist.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Begrenzungsstruktur (34; 12₂) über eine mechanische Aufhängung (48) mit einem Substrat des MEMS mechanisch gekoppelt ist; wobei die Aufhängung (48) ausgebildet ist, um eine mechanische Dämpfung (52) und/oder eine mechanische Steifigkeit (54) bereitzustellen, die eine Resonanzfrequenz eines das Strukturelement (22) und die Begrenzungsstruktur (34; 12₂) umfassenden Feder-Masse-Systems zumindest teilweise bestimmt.
MEMS gemäß Anspruch 16, bei dem die mechanische Aufhängung (48) eine Vorzugsrichtung aufweist, entlang der die Auslenkung des Strukturelements (22) höchstens unwesentlich beeinflusst wird
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das eine Einrichtung (56) zur Bewegungsbegrenzung aufweist, die ausgebildet ist, um eine maximale Auslenkung der Begrenzungsstruktur (22) zu begrenzen und eine auf das MEMS durch Überschreiten der maximalen Auslenkung auftretende mechanische Überlast zu verhindern.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das eine Steuerungseinrichtung (58) aufweist, die ausgebildet ist, um die Aktuatoreinrichtung (18) anzusteuern, um eine resonante Bewegung des Strukturelements (22) einzustellen; wobei eine Resonanzfrequenz der resonanten Bewegung von einer Masse des Strukturelements (22) und einer Masse der Begrenzungsstruktur (34; 12₂) beeinflusst ist.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Strukturelement (22) an einem diskreten Bereich mit der Begrenzungsstruktur (34; 12₂) mechanisch gekoppelt ist und der diskrete Bereich an einem Ort maximaler Auslenkung des Strukturelements (22) angeordnet ist.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Strukturelement (22) eine beidseitig eingespannte Balkenstruktur umfasst, die ausgebildet ist, um sich bezogen auf eine MEMS-Schicht (12₁-12₃) in-plane zu verformen und die Begrenzungsstruktur (34; 12₂) out-of-plane zu dem Strukturelement (22) angeordnet ist.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das als MEMS-Lautsprecher gebildet ist, der ausgebildet ist, um basierend auf einer gemeinsamen Bewegung des Strukturelements (22) und der Begrenzungsstruktur (34; 12₂) in der Kavität (14) Schall zu erzeugen.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Strukturelement (22) Teil der Aktuatoreinrichtung (18) ist und benachbarte, an diskreten Bereichen mit einander fest verbundene und in-plane verformbare Balkenelemente aufweist, die ausgebildet sind, um eine Verformung des Strukturelements (22) in-plane bezogen auf den Schichtstapel (12) bereitzustellen.
MEMS mit: einen Schichtstapel (12) umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten (12₁-12₃); einer in dem Schichtstapel (12) angeordneten Kavität (14), die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht (12₁-12₃) des Schichtstapels (12) umfassenden Begrenzungsstruktur (34; 12₂) zumindest teilweise begrenzt ist; ein in der Kavität (14) angeordnetes Strukturelement (22); einer Aktuatoreinrichtung (18), die ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur (34; 12₂) bezüglich des Strukturelements (22) des MEMS zu bewegen, um eine Interaktion des Strukturelements (22) mit einem in der Kavität (14) angeordneten Fluid zu bereitzustellen.
MEMS-Lautsprecher mit: einen Schichtstapel (12) umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten (12₁-12₃); einer in dem Schichtstapel (12) angeordneten Kavität (14) zur Aufnahme eins Fluids, die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht (12₁-12₃) des Schichtstapels (12) umfassenden Begrenzungsstruktur (34; 12₂) zumindest teilweise begrenzt ist; einer Aktuatoreinrichtung (18), die ausgebildet ist, um ein in der Kavität (14) angeordnetes Strukturelement (22) des MEMS zu Interaktion mit dem Fluid zu bewegen, um ein akustisches Signal in der Kavität (14) zu erzeugen; wobei das Strukturelement (22) mit der Begrenzungsstruktur (34; 12₂) mechanisch gekoppelt ist und die Aktuatoreinrichtung (18) ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur (34; 12₂) mit dem Strukturelement (22) mit zu bewegen.
Verfahren zum Herstellen eines MEMS mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Schichtstapels (12) umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten (12₁-12₃), mit einer in dem Schichtstapel (12) angeordneten Kavität (14), die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht (12₁-12₃) des Schichtstapels (12) umfassenden Begrenzungsstruktur (34; 12₂) zumindest teilweise begrenzt ist; Bereitstellen einer Aktuatoreinrichtung (18), die ausgebildet ist, um ein in der Kavität (14) angeordnetes Strukturelement (22) des MEMS zu bewegen; so dass das Strukturelement (22) mit der Begrenzungsstruktur (34; 12₂) mechanisch gekoppelt ist und die Aktuatoreinrichtung (18) ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur (34; 12₂) mit dem Strukturelement (22) mit zu bewegen.
Verfahren zum Herstellen eines MEMS mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Schichtstapels (12) umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten (12₁-12₃), mit einer in dem Schichtstapel (12) angeordneten Kavität (14), die von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht (12₁-12₃) des Schichtstapels (12) umfassenden Begrenzungsstruktur (34; 12₂) zumindest teilweise begrenzt ist; Anordnen eines Strukturelements (22) in der Kavität (14); Bereitstellen einer Aktuatoreinrichtung (18), die ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur (34; 12₂) bezüglich des Strukturelements (22) des MEMS zu bewegen, um eine Interaktion des Strukturelements (22) mit einem in der Kavität (14) angeordneten Fluid zu bereitzustellen.
Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Lautsprechers mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Schichtstapels (12) umfassend eine Mehrzahl von MEMS-Schichten (12₁-12₃); und einer in dem Schichtstapel (12) angeordneten Kavität (14) zur Aufnahme eins Fluids, so dass die Kavität (14) von einer zumindest einen Teil einer MEMS-Schicht (12₁-12₃) des Schichtstapels (12) umfassenden Begrenzungsstruktur (34; 12₂) zumindest teilweise begrenzt ist; Bereitstellen einer Aktuatoreinrichtung (18), die ausgebildet ist, um ein in der Kavität (14) angeordnetes Strukturelement (22) des MEMS zu Interaktion mit dem Fluid zu bewegen, um ein akustisches Signal in der Kavität (14) zu erzeugen; so dass das Strukturelement (22) mit der Begrenzungsstruktur (34; 12₂) mechanisch gekoppelt ist und die Aktuatoreinrichtung (18) ausgebildet ist, um die Begrenzungsstruktur (34; 12₂) mit dem Strukturelement (22) mit zu bewegen.