EP3632135B1 - Mikromechanischer schallwandler - Google Patents

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EP3632135B1
EP3632135B1 EP18729366.7A EP18729366A EP3632135B1 EP 3632135 B1 EP3632135 B1 EP 3632135B1 EP 18729366 A EP18729366 A EP 18729366A EP 3632135 B1 EP3632135 B1 EP 3632135B1
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EP
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bending
transducer
bending transducer
substrate
free end
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Fabian STOPPEL
Bernhard Wagner
Shanshan Gu-Stoppel
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Definitions

  • Exemplary embodiments of the present invention relate to a micromechanical sound transducer with at least one bending actuator (bending transducer in general) and a miniaturized gap as well as a miniaturized sound transducer with a cascaded bending transducer. Additional exemplary embodiments relate to corresponding production methods.
  • microspeakers are based on the electrodynamic drive system, in which a membrane is deflected by means of a plunger coil moving in a permanent magnetic field.
  • a major disadvantage of these conventional electrodynamic sound transducers is the low efficiency and the resulting high power consumption of often more than one watt.
  • sound converters do not have any position sensors, so that the movement of the membrane is uncontrolled and high levels of distortion occur at higher sound pressure levels.
  • Other disadvantages are the high series variability and relatively high overall heights of mostly over 3 mm.
  • MEMS Due to high-precision manufacturing processes and energy-efficient drive principles, MEMS have the potential to overcome these disadvantages and enable a new generation of sound transducers. So far, however, a fundamental problem has been the excessively low sound pressure level of MEMS sound transducers. The primary reason for this lies in the difficulty of generating sufficiently large stroke movements with the smallest possible dimensions. To make matters worse, a membrane is required to prevent an acoustic short circuit, which has a negative effect on the overall deflection due to its additional spring stiffness. The latter can be minimized by using very soft and three-dimensionally shaped membranes (e.g. with a torus), which, however, cannot currently be manufactured using MEMS technology and are therefore hybridly integrated in a complex and costly manner.
  • very soft and three-dimensionally shaped membranes e.g. with a torus
  • MEMS sound transducers of the most varied designs are dealt with in publications and patents, from which, among other things, due to the above-mentioned problems, no market-ready products have emerged. These concepts are based on closed membranes that vibrate and generate sound.
  • [Hou13, US2013/156253A1 ] becomes e.g. B. describes an electrodynamic MEMS sound transducer that requires the hybrid integration of a polymembrane and a permanent magnet ring.
  • the concept of piezoelectric MEMS acoustic transducers has been presented in [Yi09, Dej12, US7003125 , US8280079 , US2013/0294636A1 ] shown.
  • piezoelectric materials such as PZT, AIN or ZnO were applied directly to silicon-based sound transducer membranes, which, however, do not allow sufficiently large deflections due to their low elasticity.
  • Digital MEMS sound transducers based on arrays with electrostatically driven membranes, which, however, can only generate sufficiently high sound pressure levels at high frequencies, are described in [Gla13, US7089069 , US20100316242A1 ] described. Therefore, there is a need for a better approach. Further state of the art forms the DE 10 2015 213771 A1 , the DE 10 2015 210919 A1 , the EP 2 362 686 A2 , the DE 10 2006 005048 as well as the EP 2 254 354 A2
  • Embodiments of the present invention create a micromechanical sound transducer (eg constructed in a substrate) with a first bending transducer or bending actuator and a second bending transducer or bending actuator.
  • the first bending actuator has a free end and, for example, at least one or two free sides and is designed to be excited, for example by an audio signal, to oscillate vertically and to emit (or pick up) sound.
  • the second bending actuator also has a free end and is arranged opposite the first bending actuator in such a way that the first and the second bending actuator lie or are suspended in a common plane.
  • the arrangement is designed in such a way that a gap (eg in the micrometer range) is formed between the first and the second bending actuator which separates the two bending actuators from each other.
  • the second bending actuator is always excited to oscillate in phase with the first bending actuator, with the consequence that the gap essentially remains constant over the entire deflection of the bending actuators.
  • Claim 1 further defines that the gap is less than 5% or less than 1% or less than 0.1% or less than 0.01% of the area of the first bending transducer, the gap being less than 10%, 5%, 1%, 0 .1% or 0.01% of the area of the first bending transducer.
  • Exemplary embodiments for this aspect of the invention are based on the knowledge that by using a plurality of mutually separated bending transducers or actuators, which are separated from one another with a minimal (separation) gap, it is achieved with identical deflection of the two transducers or actuators out of the plane can be that the gap between the two actuators remains almost constantly small (in the micrometer range), so that there are always high viscosity losses in the gap, which as a result prevent an acoustic short circuit between the rear volume and the front volume (of the bending actuator).
  • the present concept enables a significant increase in performance.
  • a micromechanical sound transducer is created with a first bending transducer or bending actuator (designed to be excited for vertical oscillation) and a screen element extending vertically (i.e. out of the plane of the substrate and thus also out of the plane of extension of the bending transducer) to the first bending transducer or bending actuator .
  • the screen element is separated from the free end of the first bending actuator by a gap (gap).
  • this aspect lies in the fact that the diaphragm element over the entire range of movement of the transducer or actuator (as a result of the vibration) can ensure that the distance between the diaphragm element and the free end of the actuator remains approximately constant.
  • This achieves the same effect as above, namely that an acoustic short circuit can be prevented due to the high viscous losses at the free end (and possibly also the free sides) or in the gap.
  • the invention also relates to a manufacturing method of such an actuator with a screen element according to claim 15.
  • the first and the second bending actuator are bending actuators of the same type. These can be, for example, flat, rectangular, trapezoidal or generally polygonal bending actuators. According to a further exemplary embodiment, these bending actuators can each have the shape of a triangle or a segment of a circle. The triangular or circular segment shape is often used in micromechanical sound transducers that include more than two bending actuators.
  • the micromechanical sound transducer comprises one or more further bending actuators, such as e.g. B. three or four bending actuators.
  • either the simultaneous or in-phase control of the two bending actuators or the provision of the diaphragm element makes it possible, starting from a gap which (at rest) is less than 10% or even less than 5%; 2.5%, 1%, 0.1% or 0.01% of the area of the first bending actuator, the gap remains small over the entire range of movement, i.e. it is a maximum of 15% or even only 10% (or 1 % or 0.1% or 0.01%) of the area of the first bending actuator.
  • the height of the screen element is dimensioned such that it is at least 30% or 50% or preferably 90% or even 100% or more of the maximum deflection of the first bending actuator in linear operation (ie linear mechano-elastic range) or the maximum elastic deflection of the first bending transducer (generally 5-100%).
  • the height can be dependent on the gap width (at least 0.5 times, 1 time, 3 times or 5 times the gap width) or depending on the thickness of the bending transducer (at least 0.1 times, 0.5 times times, 1 time, 3 times or 5 times thickness).
  • the screen element may have a varying geometry in its cross-section (e.g. a geometry curved/inclined towards the actuator) so that the slot has a largely constant cross-section along the actuator movement.
  • the panel may form a mechanical stop to prevent mechanical overload.
  • a micromechanical sound transducer which includes a controller which controls the second bending actuator in such a way that it is excited to oscillate in phase with the first bending actuator.
  • a sensor system is provided which detects the vibration and/or the position of the first and/or the second bending actuator in order to enable the controller to activate the two bending actuators in phase.
  • this principle allows the actual position of the sound-generating element to be determined with the help of easily integrated sensors. This is of great advantage and enables a much more accurate and reliable detection.
  • This forms the basis for controlled excitation (closed loop), with which external influences, aging effects and non-linearities can be electronically compensated.
  • the bending actuators can also have a so-called "cascading".
  • first and/or the second bending actuator each comprise at least a first and a second bending element. These elements are connected in series.
  • "connected in series” means that the first and second bending element have a clamped end and a free end and the clamped end of the second bending element engages the free end of the first bending actuator and its free end engages the free end of the entire bending actuator forms.
  • the connection between the two bending elements can be formed, for example, by a flexible element.
  • the micromechanical sound transducer can have an additional frame, which is provided, for example, in the area of the transition between the first and the second bending element. This is used for stiffening and mode decoupling.
  • the two bending elements it should be noted that, according to a preferred exemplary embodiment, they are controlled with different control signals, so that, for example, the inner bending element or the inner bending elements are used for higher frequencies, while the bending elements further out are driven to oscillate in a lower frequency range .
  • a micromechanical sound transducer having at least one, preferably two, flexure actuators, each flexure actuator comprising a first and a second flexure element connected in series.
  • bending actuators can also have a flexible connection instead of a separating gap.
  • Exemplary embodiments of this dependent aspect are based on the knowledge that by connecting a plurality of bending elements of a bending actuator in series, it can be achieved that different bending actuators are responsible for different frequency ranges.
  • the internal bending actuator can be designed for a high-frequency range, while the frequency range further out is operated for the low-frequency range.
  • the concept described enables cascading with several individually controllable actuator stages.
  • significant increases can be achieved through the frequency-separated control in combination with the piezoelectric drives achieve in energy efficiency.
  • the good mode decoupling also offers advantages in terms of playback quality. Other advantages are e.g. B. the realization of particularly space-saving multi-way sound transducers.
  • Fig. 1a shows a sound transducer 1 with a first bending actuator 10 and a second bending actuator 12. Both are arranged or clamped in a plane E1, as can be seen from the clamps 10e and 12e.
  • the clamping can be realized in that the bending actuators 10 and 12 are etched out of a common substrate (not shown), so that the bending actuators 10 and 12 are connected to the substrate on one side and a (common) cavity (not shown) is formed.
  • the bending actuators 10 and 12 shown here can be prestressed, for example, so that the representation either shows a rest state or also shows a deflected snapshot (in this case the rest state is shown by the dashed line).
  • the two actuators 10 and 12 are arranged horizontally next to one another, so that the actuators 10 and 12 or at least the clamps 10e and 12e lie in a common plane E1.
  • This statement preferably relates to the state of rest, with plane E1 relating primarily to the common clamping areas 10e and 12e in the prestressed case.
  • the two actuators 10 and 12 are arranged opposite one another, so that there is a gap 14 of, for example, 5 ⁇ m, 25 ⁇ m or 50 ⁇ m (generally in the range between 1 ⁇ m and 90 ⁇ m, preferably less than 50 ⁇ m or less than 20 ⁇ m) between them.
  • This gap 14 separating the two cantilevered flexure actuators 12 and 14 may be referred to as the decoupling gap.
  • the decoupling gap 14 varies only minimally over the entire deflection range of the actuators 10 and 12, e.g., by a factor of 1, 1.5 or 4 (generally in the range 0.5-5), i. H. Variation of less than +500%, +300%, +100% or +75% or less than +50% of the gap width (at rest) in order to be able to do without an additional seal, as will be explained below.
  • the actuators 10 and 12 are preferably driven piezoelectrically.
  • Each of these actuators 10 and 12 can have a layer structure, for example, and can have one or more passive functional layers in addition to the piezoelectric active layers.
  • electrostatic, thermal or magnetic drive principles are also possible. If a voltage is applied to the actuators 12, the latter or, in the piezoelectric case, the piezoelectric material of the actuators 10 and 12 deforms and causes the actuators 10 and 12 to bend out of the plane. This deflection results in displacement of air. With a cyclic control signal, the respective actuator 10 and 12 is then excited to oscillate in order to emit (or pick up in the case of a microphone not claimed) a sound signal.
  • the actuators 10 and 12 or the corresponding control signal is designed in such a way that adjacent actuator edges or the free end of the actuators 10 and 12 experience an almost identical deflection from the plane E1.
  • the free ends are identified by reference numerals 10f and 12f. Since the actuators 10 and 12 or the free ends 10f and 12f move parallel to one another, they are in phase. In this respect, the deflection of the actuators 10 and 12 is referred to as being in phase.
  • Fig. 1b shows another variant of how an actuator of a micromechanical sound transducer can achieve good sound pressure behavior without sealing.
  • the exemplary embodiment Fig. 1b shows the sound transducer 1 'comprising the actuator 10, which is clamped at the point 10e.
  • the bender actuator 10 may be etched out of a substrate (not shown) such that a cavity (not shown) is formed beneath it.
  • the free end 10f can be excited to oscillate over a region B.
  • a vertically arranged diaphragm element 22 is provided opposite the free end 10f. This diaphragm element is preferably at least as large or larger than the range of movement B of the free end 10f.
  • the screen elements 22 preferably extend on the front and/or rear side of the actuator, ie viewed from the plane E1 (substrate plane) into a lower plane and a higher plane (eg perpendicular to the substrate). Between the diaphragm element 22 and the free end 10f there is a gap 14' comparable to the gap 14 from Fig. 1a intended.
  • the screen element 22 makes it possible to keep the width of the provided decoupling gaps 14' approximately the same even in the deflected state (cf. B). Thus, in this configuration with the adjacent edges, there are no significant openings due to deflection, such as in 1c shown.
  • FIG. 1c shows an actuator 10, which is also clamped at the point 10e. Opposite is any adjacent structure 23 with no vertical extension and no movement. A deflection of the actuator 10 results in an opening in the area of the free end 10f of the actuator. This opening is given the reference “o". Depending on the deflection, these opening cross sections 14o can be significantly larger than the decoupling slots (cf. Fig. 1a and 1b ) or generally a coupling slot in the idle state. The opening can allow air to flow between the front and back, resulting in an acoustic short circuit.
  • the side surface of the screen element 22 or the screen element 22 can be adapted to the movement of the actuator 10 in the deflection range B.
  • a concave shape would be conceivable.
  • Both the structure 1 from Fig. 1a as well as structure 1' Fig. 1b makes it possible to prevent the acoustic short circuit by providing means that keep the decoupling gap 14 or 14' approximately constant over the entire range of movement.
  • a piezoelectric material may be used.
  • 2 shows three different cross sections of possible actuator elements in the representations ac.
  • a unimorph structure is shown.
  • a passive layer 10p, 12p and a piezoelectric layer 10pe or 12pe are also applied here.
  • Figure 2b shows a bimorph structure.
  • two piezoelectric layers 10pe_1 or 12pe_1 and 10pe_2 or 12pe_2 and a passive intermediate layer 10p or 12p are provided.
  • piezo actuators from the Figures 2a to 2c have in common that they consist of at least two layers, namely a piezoelectric layer 10pe or 12pe and another layer, such as. B. a passive layer 10p, 12p or a further piezoelectric layer 10pe_2, 12pe_2 is formed.
  • the piezoelectric layers 10pe, 12pe, 10pe_1, 12pe_1, 10pe_2, 12pe_2 can be designed as multilayer systems with additional separating layers (cf. the layers 10p, 12p) and/or be formed from any number of sublayers (cf. dashed lines).
  • the contact is made, for example, by flat or interdigital electrodes.
  • a thermal drive can also be used, which can have a multi-layer structure analogous to the piezoelectric actuators.
  • the structure of a thermal drive then corresponds to the structure as it is in relation to Fig. 2a-c is explained for piezoelectric layers, with thermally active layers being used instead of piezoelectric layers.
  • Figure 3a shows an actuator arrangement with four actuators 10', 11', 12' and 13'. Each of these actuators 10' to 13' is triangular and clamped on one side along the hypotenuse. The triangles are right angled according to one embodiment Triangles such that the perpendicular vertices of the actuators 10' to 13' all meet at one point. As a result, the feedback gaps 14 extend between the legs.
  • the individual actuators 10' to 13' can also be further subdivided, as indicated by the dashed lines. With subdivision, of course, the clamping is no longer along the hypotenuse, but along one of the legs, while the decoupling gaps then extend along the hypotenuse and along the other leg.
  • the triangular configuration enables the adjacent free ends (separated by the respective column 14) to experience as equal a deflection as possible.
  • Figure 3b shows in principle the top view of the embodiment Fig. 1a , It being indicated here that both the actuator 10 and the actuator 12, e.g. B. can be subdivided along the axes of symmetry (cf. dashed line).
  • 3c shows a further embodiment in which the entire sound transducer is arranged in the form of a segment of a circle and has a total of four 90° segments as actuators 10" to 13", which in turn are separated from one another by the separating gaps 14.
  • the individual actuators 10" to 13" can in turn be further subdivided, as indicated by the dashed lines.
  • the separating columns 14 preferably extend along the lines of symmetry. In the case of the exemplary embodiments with more than two actuators, this means that the separating columns, according to a preferred exemplary embodiment, meet at the center of gravity of the overall surface of the sound transducer.
  • 3d shows (top view) another version of a micromechanical sound transducer with four (rectangular or square here) actuators 10′′′, 11′′′, 12′′′ and 13′′′ arranged in the form of four quadrants of a rectangle or square.
  • the four actuators 10′′′ to 13′′′ are separated from one another by two separating gaps 14 crossing one another.
  • Each of the actuators 10′′′ to 13′′′ is clamped across the corner, ie on two sides at the outer edge.
  • Referring to 4 shows the influence of the gap width.
  • 4 shows the resulting sound pressure level SPL over a frequency range from 500 Hz to 20 kHz for four different gap widths (5 ⁇ m, 10 ⁇ m, 25 ⁇ m and 50 ⁇ m).
  • the reduction in the sound pressure level SPL is negligible for a gap width of less than 10 ⁇ m and the structure behaves acoustically like a closed membrane.
  • the influence of the gap width decreases significantly.
  • the present systems are characterized by a significantly higher efficiency as a result of the decoupling of the individual actuators. The latter manifests itself in very high deflections and sound pressure levels.
  • figure 5 1 shows a structure of a micromechanical sound transducer 1′′ with two actuators 10* and 12*.
  • the two actuators 10* and 12* each comprise an inner stage and an outer stage.
  • the actuator 10* has a first actuator element 10a* (outer stage) and a second actuator element 10i* (inner stage)
  • the actuator 12* comprises the actuator element 12a* and the actuator element 12i*.
  • the outer steps 10a* and 12a* are always clamped, namely over the areas 10e* and 12e*.
  • the opposite end of actuators 10a* and 12a* is referred to as the free end.
  • the inner steps 10i* and 12i* are coupled to this free end by means of optional connecting elements 17.
  • the coupling takes place in such a way that the coupling is again implemented via one end of the inner actuator elements 10i* or 12i*, namely in such a way that the opposite ends of the inner actuators 10i* or 12i* serve as free ends.
  • the actuator 10* or 12* is constructed in such a way that the inner stage 10i* (or 12i*) is connected in series with the outer stage 10a* (12a*).
  • a decoupling gap 14* is formed between the free ends of elements 10i* and 12i*. This is not necessarily designed for all exemplary embodiments in the same way as the decoupling gap, which in connection with the above exemplary embodiments (cf. Fig. 1a ) was explained.
  • the actuators 10* and 12* are only separated from one another by a decoupling gap 14 a few micrometers wide and are preferably designed in such a way that adjacent structure edges (free edges of the inner elements 10e* and 12e*) experience the same deflection as possible (synchronously or in phase) from the plane E1 (in which the actuators 10* and 12* or the clamping areas 10e* and 12e* are arranged) during operation.
  • a connection of the inner elements 10i* and 12i* in the region of the gap shown would be possible, for example by means of a flexible material.
  • the individual cascaded stages can rest on a frame 19.
  • the frame 19 is arranged in such a way that the clamped ends of the inner steps 10i* and 12i* rest on the same frame 19.
  • the frame 19 is preferably arranged in such a way that it lies in the area of the connection points (cf. connection elements 17). The frame makes it possible to suppress parasitic vibration modes and unwanted mechanical deformations.
  • a micromechanical sound transducer with only one actuator eg the actuator 10*
  • This actuator can, for example, oscillate freely with respect to a fixed end, so that a gap is formed between them, or it can also be flexibly connected to a fixed end.
  • a screen such as that used in Fig. 1b is explained, conceivable.
  • Figure 6a 1 shows a micromechanical sound transducer with four actuators 10*' to 13*', each of the actuators 10*' to 13*' having two actuator elements 10a*' or 10i*' to 13i*' or 13a*'.
  • the inner elements 10i*' to 13i*' each have a triangular shape (in terms of area), while the outer elements 10a*' to 13a*' have a trapezoidal shape (in terms of area).
  • the smaller leg of the trapezoidal actuator 10a*' to 13a*' is connected to the hypotenuse leg of the triangular actuator 10i*' to 13i*' via connecting elements 17.
  • the optional connecting elements are preferably arranged at the corners of the trapezoid or triangle.
  • FIG. 12 essentially shows the electromechanical sound transducer in a plan view figure 5 with the inner actuators 10i* and 12i* and the outer actuators 10a* and 12a*.
  • connecting elements 17 are provided at the corners of the rectangular inner and outer elements 10i*, 10a*, 12i* and 12a*.
  • Figure 6c 1 shows the cascaded actuators 10*" to 13*", starting from the micromechanical sound transducer in the shape of a segment of a circle, each actuator having an inner actuator element and an outer actuator element.
  • the inner actuator elements 10i*" to 13i*" are designed as elements in the shape of segments of a circle, while the outer elements 10a*" to 13a*" are designed as segments of a circular disk. The connection is again made via connecting elements 17.
  • separating gaps 15 can also be provided between the inner actuators (for example 10i*' and 10a*'), which are only bridged by the connecting elements 17.
  • the outer steps e.g. 10a* and 12a* in Figure 6b
  • the connecting elements can be designed as mechanical spring elements or joints.
  • the actuators can also be subdivided further, so that any number of actuators per actuator element 10* or 12* are created (cf. dashed line).
  • the actuators of the outer stage deflect the inner stage out of the plane, with the actuators of the inner stage exerting a further deflection.
  • the result is a deflected structure that behaves acoustically like a closed membrane due to the high viscous losses in the decoupling slots.
  • the overall cascaded structure can also have three or more stages.
  • the different stages can be controlled either with identical or different drive signals.
  • the stages can be operated in different frequency ranges and z.
  • B. form a multi-way transducer with a particularly small footprint.
  • FIG. 7 shows a plot of simulated sound pressure across the frequency range, broken down by inner and outer stage.
  • the outer stage serves in particular the low frequency range (maximum sound pressure at around 1500 Hz) while the inner stage serves the higher frequency range (maximum sound pressure at around 10000 Hz).
  • a MEMS sound transducer with a chip size of 1x1 cm was assumed and measured at a distance of 10 cm.
  • FIG. 8 illustrates the concept of cascading using a concrete two-tier design as an example.
  • Figure 8a the top view is shown, where in Figure 8b an enlarged detail of the connection area is shown.
  • the two-piece design has outer actuators 10a* ⁇ and inner actuators 10i* ⁇ .
  • this is in Figure 8a illustrated design from the design Figure 8a comparable.
  • the decoupling slots 14 are marked with solid lines.
  • respective decoupling slots 14 are also provided between the individual stages.
  • Figure 8a In contrast to Figure 6a is here with the design from Figure 8a also additionally illustrates the frame structure 19*', which is smaller in terms of lateral dimensions than the lateral dimensions of all internal steps 10e*'.
  • folded springs serve as connecting elements 17*', the intermediate spaces of which are filled with decoupled filling structures 17f*', e.g. B. are provided from a material of spring or actuator. Analogously to this, the intermediate spaces 14 between the actuators of both stages also have such filling structures 17f*'.
  • FIG. 10 The configuration off Figure 10a is similar to the configuration from Fig. 1b , the screen element 22 provided opposite the actuator 10 clamped on one side (cf. clamp 10e) not only being provided in the region of the free end 10f, but also extending along the sides of the actuator, i.e. along the entire decoupling slot 14'.
  • the screen elements arranged at the side are identified by the reference symbols 22s.
  • Figure 10b is based on a transducer configuration with two opposing actuators 10 and 12, as z. Am Figure 3b is shown. This is it again around cantilevered actuators (cf. clamping 10e or 12e).
  • Both the embodiment Figure 10a as well as the embodiment Figure 10b enables a good fluidic separation of the front and rear sides in the structures shown here with discontinuous deflection profiles through the use of the laterally arranged screen elements 22s.
  • Figure 10c shows another variant, in which four actuators 10"", 11"", 12"” and 13"" extend from a central surface 16.
  • the four actuators 10" to 13" are each trapezoidal and are clamped on one side opposite the surface 16 via their short side.
  • the four actuators 10" to 13" are separated from one another by four diagonally arranged separating gaps 14 (which extend as an extension of the diagonals of the surface 16), so that the long side of the actuators 10" to 13" can oscillate freely.
  • a (circumferential) vertically formed screen element 22s is provided along the long side of the trapezoidal actuators 10"" to 13"".
  • the micromechanical sound transducer shown here has eight sound transducers 1, as they are, for example, in relation to Fig. 1a were explained on. These eight sound transducers 1 are arranged in two rows and four columns. As a result, a large-area expansion and thus a high sound pressure can be achieved. If one assumes that each actuator of the sound transducer 1 has a base area of 5 ⁇ 5 mm, then a “diaphragm area” of 200 mm 2 , so to speak, is realized.
  • the sound converter shown in this way can be scaled as desired, so that sound converter sizes of, for example, 1 cm in length or more (generally in the range from 1 mm to 50 cm) can also be achieved.
  • the individual actuators explained above can be provided with sensors.
  • the sensors enable the actual deflection of the actuators to be determined. These sensors are typically connected to the controller for the actuators, so that the control signal for the individual actuators is readjusted around a feedback loop in such a way that the individual actuators oscillate in phase.
  • the purpose of the sensors can also be to detect non-linearities and to distort the signal during activation in such a way that non-linearities can be compensated for or reduced.
  • the position is preferably detected using the piezoelectric effect.
  • one or more areas of the piezoelectric layer on the actuators can be provided with separate sensor electrodes, via which a voltage or charge signal that is approximately proportional to the deflection can be picked up.
  • multiple piezoelectric layers can also be implemented, with at least one layer being used partially for position detection.
  • a combination of different piezoelectric materials is also possible, arranged either one above the other or next to each other (e.g. PZT for actuators, AIN for sensors).
  • piezoelectric sensor elements it is also possible to integrate thin-film strain gauges or additional electrodes for capacitive position detection. If the actuator structures are made of silicon, piezoresistive silicon resistors can also be directly integrated.
  • Such converters can be operated, for example, with a first natural mode of 10 Hz to 300 kHz.
  • the excitation frequency is chosen statically up to 300 kHz, for example.
  • the actuator structures described are suitable for areas of application in which sound in a frequency range between 10 Hz and 300 kHz is to be generated with the smallest possible component volumes ( ⁇ 10 cm 3 ). This primarily applies to miniaturized sound transducers for wearables, smartphones, tablets, laptops, headphones, hearing aids, but also ultrasonic transducers. Overall, other applications in which fluids are displaced (e.g. fluid mechanical and aerodynamic drive and guidance structures, inkjets) can also be considered.
  • Exemplary embodiments create a miniaturized device for the displacement of gases and liquids with at least one bending actuator that can be deflected out of plane, characterized in that the device contains narrow opening slits with such a high flow resistance that the device operates in the acoustic and ultrasonic frequency range (20 Hz to 300 Hz). kHz) behaves almost like a closed membrane in terms of flow.
  • the device can include the following features: decoupling slots in the actuator materials, the total length of which makes up a maximum of 5% of the total actuator surface and has an average length-to-width ratio of more than 10.
  • the device can be designed in such a way that openings occurring in the deflected state make up less than 10% of the entire actuator surface, so that a high level of fluidic separation between the front and rear sides is achieved even without a closed membrane.
  • the device can have two or more actuators located opposite one another and separated from one another.
  • the actuators can be driven piezoelectrically, electrostatically, thermally, electromagnetically or by means of a combination of several principles.
  • the device it would also be conceivable for the device to be designed with two or more actuator stages coupled via connecting elements.
  • the device it would also be conceivable for the device to have two or more actuator stages, which are controlled with separate signals and thus form a two-way or multi-way sound transducer.
  • each actuator element 10a*, 12a*, 10i* and 12i* is an active, individually controllable element. This can be actuated, for example, piezoelectrically or with another principle explained here.
  • the device has a frame structure for stiffening and mode decoupling.
  • the actuators were explained in particular as cantilever actuators. At this point it should be pointed out that two-sided restraints (cf. 3d ) or generally multi-sided restraints would be conceivable.
  • the device can have sensor elements for position detection and control.
  • the device for generating sound or ultrasound in air (gaseous medium) and that means in the range from 20 Hz to 300 kHz can be designed.
  • Other areas of application are the generation and control of air flow, e.g. B. for cooling.
  • FIG. 11 a possible manufacturing process of the above sound transducers explained.
  • the embodiment shown here from the Fig. 11a-d enables the production of the exemplary embodiment, as is the case, for example, in Fig. 1b is shown.
  • the exemplary embodiments from the other figures, in particular from FIG Fig. 1a detectable.
  • a passive layer 50p is applied to a substrate 48 before a piezoelectric layer 50pe with two electrodes 50e is then provided.
  • the substrate 48 may be an SOI (Silicon on Insulator) wafer comprising an SI substrate.
  • the electrodes 50e, the PZT 50pe and the insulating layer 50p are then structured. This results, for example, in the trenches 50g in the piezoelectric layer 50pe.
  • the structuring can be done by wet or dry etching. Depending on the desired product design, either the step of structuring or introducing the trench 50g is carried out in such a way that it only has minimal dimensions in order to produce the product with a result Fig. 1a to produce or have larger dimensions, so that the intermediate product shown here is then developed in the direction of the product from 1b.
  • a small trench 50g is applied and then the in 11c shown step skipped to then, as in Figure 11d shown, to open the back using a single or multi-stage etching process and to release the movable structures.
  • the substrate below the passivation layer 50p is removed, in particular in the area aligned with the structuring piezoelectric actuators 50pe. This creates the cavity 48c.
  • 11c 12 illustrates the application of the vertically extending screen elements 57.
  • the lateral position of the trenches 57 can be selected such that they are aligned with areas of the structured passivation layer 50p, so that, for example, the vertical screen element 75 extends the wall of a trench in the passive layer 50p.
  • the screen elements 57 can be applied, for example, by galvanic deposition and preferably in such a way that the screen elements 57 protrude from the layer of the piezoelectric elements 50p.
  • FIG. 1a explains the one- or multi-step etching of the back of the substrate 48 in order to produce the cavity 48c. As illustrated here, individual areas of the substrate 48 can remain so that the frame 48f is formed within the cavity 48c. This frame corresponds to the example in figure 5 explained frame 19.
  • MEMS technologies can be adopted in the manufacturing steps explained, so that the product explained above can be manufactured using conventional manufacturing methods.
  • aspects have been described in the context of a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also constitute a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
  • the panel structure 22* consists of several segments 22a*, 22b* and 22c*.
  • the segment 22a* extends out of the substrate from the substrate plane (plane of the reference point 10e) in which the bending actuator 10 lies, for example, in the rest position, while the segment 22b* lies in this same plane of the reference point 10e.
  • the segment 22c* lies in the substrate or extends into the substrate from the substrate surface. All segments 22a*, 22b*, 22c* shown can have different geometries according to exemplary embodiments, ie longitudinal and transverse extensions as well as variable cross sections.
  • segment 22a*, 22b* and 22c* also have different materials or material characteristics.
  • segment 22c* and 22b* may be formed by the substrate itself while segment 22a* is grown.
  • middle position in the above and following exemplary embodiments does not necessarily have to correspond to the rest position, but can also be shifted up or down as desired (electrically or mechanically prestressed).
  • Figure 13b shows a further form of the panel structure, here the panel structure 22**.
  • the screen structure 22 ** or in particular the segment that extends out of the substrate plane has a beveled cross section that extends towards the actuator 10 .
  • the result of this is that the gap 14 ′ has a relatively constant width regardless of the position of the actuator 10 .
  • the background to this is that the side of the panel structure 22**, which is directly opposite the actuator 10, extends approximately along the movement path (circular path around the fixed point 10e).
  • the panel 22** can be beveled either only upwards and/or also downwards.
  • the asymmetrical structure shown here is therefore only an example, so that of course the lower segment of the diaphragm structure 22** can also be beveled in an analogous manner in order to achieve a symmetrical structure.
  • This exemplary embodiment of the diaphragm structure 22** with the beveled inner side has the advantage that a widening of the gap can be reduced or compensated for with larger amplitudes.
  • a bevel can e.g. B. be realized by adjusting the resist profile or the etching process.
  • FIG 13c shows a further development of the diaphragm structure 22** Figure 13b , namely the diaphragm structure 22***.
  • the panel structure 22*** has a curved/rounded inside. This rounding extends along the arc-shaped movement path of the actuator 10 or the free end 10f of the actuator 10. Even if the rounded inside is only shown on the side extending out of the substrate, this rounded inside can of course also be on the panel structure side in FIG Substrate level present. Analogous to the embodiment Figure 13b the widening of the gap at large amplitudes is reduced or compensated for by the aperture structure 22*** with the rounded inner side. A rounding can from a manufacturing point of view z. B. be realized by adjusting the resist profile or the etching profile.
  • Figure 13d 12 shows a further screen structure, namely the screen structure 22****.
  • the cross section at the end of the screen structure 22**** has a widening or an overhang, which serves as a mechanical stop for the actuator 10 or the free end 10f of the actuator. This stop advantageously enables mechanical overload protection.
  • Figure 13e shows another screen structure 22*****, in which the screen structure 22***** is constructed asymmetrically.
  • the background to this is that there are actuators 10 that are primarily deflected on one side, so that a vertical extension of the screen 22 ***** extends in one direction, here in the direction out of the substrate plane. Even if the deflection of the actuator 10 or the extension of the diaphragm structure 22***** upwards (out of the substrate plane) is shown here, this can of course also be the other way around according to exemplary embodiments, ie that both elements extend into the substrate.
  • the shift in the rest position of the actuator can be implemented by an electrical offset in the control signal or a mechanical projection (e.g. layer stress in actuator layers).
  • Fig. 13f shows an example of an aperture structure 22****** with a small extent.
  • the panel structure 22****** can be implemented as flat if the deflection of the actuator (10) is small.
  • the height of the screen 22****** is in the range of the actuator thickness.
  • FIG. 13g shows an example of a screen structure 22*******, which consists on the one hand of a substrate area 23s and the actual screen element 22*******.
  • the upper panel structure 22******* can e.g. B. as a galvanically constructed metal or as a polymer (SU8, BCB, ....) or made of glass or silicon.
  • the lower screen structure 23s consists primarily of the substrate (e.g. silicon or glass) itself and can be provided with additional layers in accordance with further exemplary embodiments.
  • Fig. 13h shows another panel structure without an additionally applied element. It is assumed here that the bending actuator 10 oscillates in particular into the substrate plane, so that a screen element which protrudes from the substrate plane can be dispensed with. In this case, therefore, the screen element consists of the substrate element 23s, which forms the lower screen structure.
  • the rest position of the actuator 10 can be shifted downwards via mechanical prestressing or an electrical offset, so that the diaphragm element 23s formed here is sufficient.
  • the actuator can only be deflected downwards, so that an upwards aperture is not required, and the manufacturing effort is then reduced.
  • Figure 13i shows a further screen structure 22********, which essentially consists of a thin layer applied to the substrate element 23s.
  • the layer thickness of the screen element 22******** can be in the range of the actuator thickness.
  • the substrate 23s can (but does not have to) additionally act as a screen structure and end flush with the screen structure 22******** or also have an offset.
  • FIG. 14a to 14c further exemplary embodiments are explained in which the micromechanical sound transducer is expanded by a further substrate 220a, 220b and 220c (cover).
  • the further substrate 220a, 220b, 220c forms the screen structure.
  • FIG. 14a shows a substrate 220a designed as a cover, which is placed on a substrate 23s above a cavity 23k of the bending actuator 10, so that the bending actuator 10 can oscillate within the cover 220a or within the space defined by the cover interior 220a and the cavity 23.
  • the lid 220a is arranged on the side opposite to the free end such that the inner side wall of the lid 220a is separated from the end 10e by the gap 140.
  • FIG. since the lid 220a is fully closed, the bending actuator 10 emits the sound through the cavity 23k, for example.
  • 14a represents a cross section through the substrate 220a, wherein the further substrate extends, for example, in a circle or in an angle around the bending actuator 10 in order to create a (rear) volume or generally a cover for it.
  • the cover 220a can be produced, for example, by a second structured substrate (ie a substrate with a cavity) (cf. reference number 221k). This second substrate is then applied to the substrate with the bending actuator 10, so that the cavity 221k is aligned with the cavity 23 at least in some areas (in the area of the gap 140).
  • Figure 14b shows a further exemplary embodiment with a modified cover 220b, with the rest of the construction being based on the same actuator 10 and the substrate 23s.
  • the cover 220b differs from the cover 220a in that it has optional sound openings 222o and 222s.
  • the sound opening 222o or the plurality of sound openings 222o is provided on the main surface of the lid 220b, while the opening 222s is provided on the side.
  • it is also sufficient for an opening either the opening 222o or the opening 222s is provided.
  • the enclosed volume of air in the cavity 221k can be ventilated through these openings 222o and 222s.
  • the openings can serve to allow sound to escape or allow pressure equalization.
  • Several openings can together form one or more lattice structures that protect the actuator from mechanical impact and dust.
  • Figure 14c shows another sound transducer with a cover 220c, which has an opening 222o.
  • the bending actuator is provided on a further substrate 230s which has a lateral opening 232s.
  • the substrate 230s is applied to a further substrate 233s or a cover 233s, so that the cavity 230k is closed off.
  • This further substrate 233s can also have optional sound openings 233o.
  • the volume is essentially formed by the cavities 221k and 230k and is open via at least one or more openings.
  • the openings can be used to let out sound or allow pressure equalization. Multiple openings can cooperate to form one or more lattice structures that protect actuator 10 from mechanical impact and dust.
  • the actuator is provided with the reference number 100 or 100_1 to 100_4, while the cover plate is provided with the reference number 225.
  • a coupling slot which is provided with the reference number 140, always extends between the actuator and the screen.
  • the actuator geometry can be combined with one another as desired (e.g. Fig 15f with rounded or triangular actuators).
  • Figure 15a 10 shows a top view of a rounded actuator 100 while FIG Figure 15b 10 shows a plan view of a triangular actuator 100.
  • FIG. Identical or different actuators 100 can be combined with one another as desired, for example based on 15c, 15d and 15e is shown.
  • Figure 15c 10 shows triangular actuators 100_1 to 100_4, which together describe a quadrangular area, the four actuators 100_1 to 100_4 being separated from one another by a diaphragm structure 225 arranged in the shape of a cross.
  • the slot 145 is again provided between the actuators 100_1 to 100_4 and the panel structure 225 .
  • arrangements with 3, 5, 6 . . . actuators would also be conceivable.
  • the total area does not necessarily have to be square, but can also be polygonal.
  • Figure 15d shows two opposite square actuators 100_5 and 100_6, which describe a square.
  • the square actuators 100_5 and 100_6 each form three free corners, which are delimited by the H-shaped screen 225 with the associated slot 140 .
  • Figure 15e shows four circular segment-shaped actuators 100_7 to 100_10, which are similar to Figure 15c are separated from each other by a cross-shaped aperture 225 with slot 140.
  • the hypotenuse of each triangular actuator 100_1 to 100_4 is constrained, while in the embodiment off Figure 15e the circle segment arcs 100_7 to 100_10 are firmly clamped in each case.
  • arrangements with 3, 5, 6 . . . actuators would also be conceivable.
  • the total area does not necessarily have to be square, but can also be polygonal.
  • Fig. 15f combines, for example, three differently shaped, but each square actuators 100_11 to 100_13, which are each clamped on one of the four sides, with three of the four sides forming free ends.
  • a labyrinth-shaped screen 225 is provided between the free ends, which separates the actuators 100_11 to 100_13 using the slots 140 .
  • All actuators 100_11 to 100_13 have, for example, different sizes (areas) and can thus be designed for different frequency ranges.
  • Fig. 15g Figure 12 shows two actuators 100_14 and 100_15, the first 100_14 being a square small actuator.
  • the other, larger actuator 100_15 is also square, but has a recess 100_15a for the other actuator 100_14.
  • the recess 100_15a is arranged in such a way that both actuators are clamped on the same side.
  • By one provided between the second actuators 100_14 and 100_15 Slot 140, these actuators 100_14 and 100_15 can be decoupled in their movement.
  • the larger actuator 100_15 can be used for the low-frequency range, for example, while the inner actuator 100_14 can be used for the high-frequency range.
  • FIG. 15h shows a similar structure of the actuators 100_14 and 100_15, wherein in addition to the separation by means of the slot 140 of the two actuators 100_14 and 100_15, a further screen 225 is also provided.
  • Both embodiments ( Figures 15g and 15h ) have in common that at least along the free ends of the large actuator 100_15 with the recess 100_15a, in which the small actuator 100_14 is arranged, the screens 225 together with the slot 140 are arranged.
  • Such an internal nesting or provision of larger and smaller actuators generally makes it possible to cover different frequency ranges with different actuators.
  • FIG. 16 shows a schematic top view of a bending actuator 10** clamped on two or more sides (compare areas 10e1 and 10e2), which has at least one free side 10f** (here 2). As explained above, this free side 10f** can be acoustically separated by an opposite screen 22** (here 2, corresponding to the variants explained) with a gap 14** in between.
  • a sound converter for emitting sound (loudspeaker) should be created, which is why a bending actuator was always spoken of.
  • the principle can also be reversed, so that a microphone is not formed by the sound transducer in accordance with the invention, in which the bending transducer (cf. bending actuator) is designed to be excited, e.g. by air, to oscillate (e.g. vertically) in order to Depending on this, to output an electrical signal (generally to detect the acoustic waves from the environment).
  • a component is thus created which comprises both loudspeaker and microphone on the basis of the concepts explained above.
  • the two devices can be formed on the same substrate, which is advantageous from a manufacturing point of view.

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Description

  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen mikromechanischen Schallwandler mit mindestens einem Biegeaktuator (allgemein Biegewandler) und miniaturisierten Spalt sowie auf einen miniaturisierten Schallwandler mit einem kaskadierten Biegewandler. Zusätzliche Ausführungsbeispiele beziehen sich auf entsprechende Herstellungsverfahren.
  • Während MEMS in nahezu allen Bereichen Einzug erhalten haben, werden miniaturisierte Schallwandler nach wie vor in Feinwerktechnik hergestellt. Diese sogenannten "Microspeaker" basieren auf dem elektrodynamischen Antriebssystem, bei dem mittels einer sich in einem permanenten Magnetfeld bewegenden Tauchspule eine Membran ausgelenkt wird. Ein wesentlicher Nachteil dieser konventionellen elektrodynamischen Schallwandler ist die geringe Effizienz und der daraus folgende hohe Leistungsverbrauch von oftmals über einem Watt. Darüber hinaus verfügen derartige Schallwandler über keinerlei Positionssensorik, sodass die Bewegung der Membran ungeregelt ist und bei höheren Schalldruckpegeln hohe Verzerrungen auftreten. Weitere Nachteile liegen in hohen Serienstreuungen sowie relativ großen Bauhöhen von meist über 3 mm.
  • Aufgrund hochpräziser Herstellungsverfahren sowie energieeffizienter Antriebsprinzipien haben MEMS das Potenzial, diese Nachteile zu überwinden und eine neue Generation von Schallwandlern zu ermöglichen. Ein grundlegendes Problem stellen bislang jedoch die zu niedrigen Schalldruckpegel von MEMS-Schallwandlern dar. Die primäre Ursache hierfür liegt in der Schwierigkeit, bei möglichst kleinen Abmessungen ausreichend hohe Hubbewegungen zu erzeugen. Erschwerend kommt dazu, dass zur Unterbindung eines akustischen Kurschlusses eine Membran erforderlich ist, welche sich infolge ihrer zusätzlichen Federsteifigkeit negativ auf die Gesamtauslenkung auswirkt. Letzteres lässt sich durch Einsatz von sehr weichen und dreidimensional geformten Membranen (z. B. mit Torus) minimieren, die derzeit jedoch nicht in MEMS-Technologie hergestellt werden können und entsprechend aufwendig und kostspielig hybrid integriert werden.
  • In Publikationen und Patentschriften werden MEMS-Schallwandler unterschiedlichster Ausführungen behandelt, woraus u.a. aufgrund o.g. Probleme noch keine marktreifen Produkte hervorgegangen sind. Diese Konzepte basieren auf geschlossenen Membranen, die in Schwingung versetzt werden und Schall generieren. In [Hou13, US2013/156253A1 ] wird z. B. ein elektrodynamischer MEMS-Schallwandler beschrieben, der die hybride Integration einer Polymembran sowie eines Permanentmagnetrings erfordert. Das Konzept von piezoelektrischen MEMS-Schallwandlern wurde in [Yi09, Dej12, US7003125 , US8280079 , US2013/0294636A1 ] dargestellt. Hier wurden piezoelektrische Materialien, wie PZT, AIN oder ZnO direkt auf siliziumbasierte Schallwandlermembranen aufgebracht, welche infolge ihrer geringen Elastizität jedoch keine ausreichend großen Auslenkungen zulassen. Ein weiterer piezoelektrischer MEMS-Schallwandler mit einem plattenförmigen Körper, der über eine Membran oder mehrere Aktuatoren kolbenförmig aus der Ebene ausgelenkt wird, ist in [ US 20110051985A1 ] dargestellt. Digitale MEMS-Schallwandler auf Basis von Arrays mit elektrostatisch angetriebenen Membranen, die allerdings nur bei hohen Frequenzen ausreichend hohe Schalldrücke erzeugen können, werden in [Gla13, US7089069 , US20100316242A1 ] beschrieben. Deshalb besteht der Bedarf nach einem besseren Ansatz. Weiteren Stand der Technik formt die DE 10 2015 213771 A1 , die DE 10 2015 210919 A1 , die EP 2 362 686 A2 , die DE 10 2006 005048 sowie die EP 2 254 354 A2
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mikromechanischen Schallwandler zu schaffen, der einen verbesserten Kompromiss aus Schalldruck, Frequenzgang und Herstellungsaufwand darstellt.
  • Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen mikromechanischen Schallwandler (z.B. in einem Substrat aufgebaut) mit einem ersten Biegewandler bzw. Biegeaktuator sowie einem zweiten Biegewandler bzw. Biegeaktuator. Der erste Biegeaktuator weist ein freies Ende und z.B. mindestens eine oder zwei freie Seiten auf und ist ausgebildet, um beispielsweise durch ein Audiosignal zur vertikalen Schwingung angeregt zu werden und Schall zu emittieren (bzw. aufzunehmen). Der zweite Biegeaktuator weist ebenfalls ein freies Ende auf und ist gegenüber dem ersten Biegeaktuator derart angeordnet, dass der erste und der zweite Biegeaktuator in einer gemeinsamen Ebene liegen bzw. aufgehängt sind. Weiter ist die Anordnung derart ausgestaltet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Biegeaktuator ein Spalt (z. B. im Mikrometerbereich) gebildet wird, der die zwei Biegeaktuatoren voneinander trennt. Der zweite Biegeaktuator wird immer phasengleich zum ersten Biegeaktuator zur Schwingung angeregt, was die Konsequenz hat, dass der Spalt im Wesentlichen über die gesamte Auslenkung der Biegeaktuatoren konstant bleibt. Anspruch 1 definiert weiter, dass der Spalt kleiner 5% oder kleiner 1% oder kleiner 0,1% oder kleiner 0,01 % der Fläche des ersten Biegewandlers ist, wobei der Spalt bei Auslenkung kleiner 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% der Fläche des ersten Biegewandlers ist.
  • Ausführungsbeispielen für diesen Aspekt der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung mehrerer voneinander separierter Biegewandler bzw. Aktuatoren, die mit einem minimalen (Separierungs-) Spalt voneinander separiert sind, es bei identischer Auslenkung der zwei Wandler bzw. Aktuatoren aus der Ebene erreicht werden kann, dass der Spalt zwischen den zwei Aktuatoren annährend konstant klein (im Mikrometerbereich) bleibt, so dass immer hohe Viskositätsverluste in dem Spalt vorliegen, die im Resultat einen akustischen Kurzschluss zwischen dem Hintervolumen und dem Vordervolumen (des Biegeaktuators) verhindern. Im Vergleich zu bisherigen, meist auf geschlossenen Membranen basierenden MEMS-Systemen ermöglicht das vorliegende Konzept eine deutliche Leistungssteigerung. Der primäre Grund liegt darin, dass infolge der Aktuatorentkopplung keine Energie für die Verformung von zusätzlichen mechanischen Membranelementen aufgewendet werden muss, wodurch deutlich höhere Auslenkungen und Kräfte möglich sind. Darüber hinaus treten Nichtlinearitäten erst bei deutlich größeren Bewegungsamplituden auf. Während herkömmliche Systeme mitunter komplex geformte Membranen oder Magnete benötigen, die sich bislang nicht in MEMS-Technologie realisieren, sondern nur mit hohem Aufwand hybrid integrieren lassen, lässt sich das vorliegende Konzept mit gängigen Verfahren der Siliziumtechnologie realisieren. Dies bietet signifikante Vorteile bei Herstellung und Kosten. Durch die konzept- und materialbedingt geringe schwingende Masse, lassen sich Systeme mit einem außerordentlich breitem Frequenzbereich und gleichzeitig hohen Bewegungsamplituden realisieren.
  • Entsprechend der Erfindung wird ein mikromechanischer Schallwandler mit einem ersten Biegewandler bzw. Biegeaktuator (zur vertikalen Schwingung anregbar ausgelegt) sowie einem vertikal (d.h. aus der Ebene des Substrats und damit auch aus der Erstreckungsebene des Biegewandlers) zu dem ersten Biegewandler bzw. Biegeaktuator erstreckenden Blendenelement geschaffen. Das Blendenelement ist durch einen Spalt (Lücke) von dem freien Ende des ersten Biegeaktuators getrennt.
  • Die Erkenntnis dieses Aspekts liegt darin, dass durch das Blendenelement über den gesamten Bewegungsbereich des Wandlers bzw. Aktuators (infolge der Schwingung) es erreicht werden kann, dass der Abstand zwischen dem Blendenelement und dem freien Ende des Aktuators annäherungsweise konstant bleibt. Hierdurch wird der gleiche Effekt wie oben erzielt, nämlich dass aufgrund der hohen viskosen Verluste an dem freien Ende (und ggf. auch den freien Seiten) bzw. in dem Spalt ein akustischer Kurzschluss verhindert werden kann. Im Resultat heißt das, dass sich die gleichen Vorteile insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrads des Schallwandlers, der Breitbandigkeit und der Herstellungskosten ergeben.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Herstellungsverfahren eines derartigen Aktuators mit Blendenelement gemäß Anspruch 15.
  • Zu der Variante mit den mindestens zwei Biegeaktuatoren sei angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispiel der erste und der zweite Biegeaktuator gleichartige Biegeaktuatoren sind. Diese können beispielsweise flächige, rechteckige, trapezförmige oder allgemein vieleckige Biegeaktuatoren sein. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel können diese Biegeaktuatoren jeweils eine Dreiecksform oder eine Kreissegmentform aufweisen. Die dreieckige oder kreissegmentförmige Form kommt häufig bei mikromechanischen Schallwandlern zum Einsatz, die mehr als zwei Biegeaktuatoren umfassen. Insofern umfasst entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der mikromechanische Schallwandler einen oder mehrere weitere Biegeaktuatoren, wie z. B. drei oder vier Biegeaktuatoren.
  • Wie oben bereits erläutert, ermöglicht entweder die gleichzeitige bzw. phasengleiche Ansteuerung der zwei Biegeaktuatoren oder das Vorsehen des Blendenelements, dass ausgehend von einem Spalt, die (im Ruhezustand) kleiner 10% oder sogar kleiner 5%; 2,5%, 1%, 0,1% oder 0,01% der Fläche des ersten Biegeaktuators beträgt, der Spalt über den gesamten Bewegungsbereich klein bleibt, d. h. dass er selbst bei Auslenkung maximal 15% oder sogar nur 10% (oder 1% oder 0,1% oder 0,01%) der Fläche des ersten Biegeaktuators ausmacht. Bezüglich der Variante mit dem Blendenelement sei angemerkt, dass die Höhe des Blendenelements derart dimensioniert ist, dass dieses mindestens 30% oder 50% oder bevorzugt 90% oder sogar 100% oder mehr der maximalen Auslenkung des ersten Biegeaktuators im linearen Betrieb (d.h. linearer mechano-elastischer Bereich) oder der maximalen elastischen Auslenkung des ersten Biegewandlers (allgemein 5-100%) beträgt. Alternativ kann die Höhe in Abhängigkeit von der Spaltbreite (mindestens 0,5-mal, 1-mal, 3-mal oder 5-mal Spaltbreite) oder in Abhängigkeit von der Dicke des Biegewandlers (mindestens 0,1-mal, 0,5-mal, 1-mal, 3-mal oder 5-mal Dicke) definiert werden. Diese Dimensionierungsvorschriften für die zwei Varianten ermöglichen über den gesamten Auslenkungsbereich und damit auch über den gesamten Schallpegelbereich die oben erläuterte Funktionalität / Verhinderung von akustischen Kurzschlüssen.
  • Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann das Blendenelement in seinem Querschnitt eine variierende Geometrie (z.B. eine zu dem Aktuator hin gekrümmte/geneigte Geometrie) aufweisen, so dass der Schlitz weitestgehend einen konstanten Querschnitt entlang der Aktuator-Bewegung hat. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Blende einen mechanischen Anschlag formen, um eine mechanische Überlastung zu verhindern.
  • Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein mikromechanischer Schallwandler geschaffen, der eine Steuerung umfasst, die den zweiten Biegeaktuator so ansteuert, dass er phasengleich zu dem ersten Biegeaktuator zur Schwingung angeregt wird. Darüber hinaus kann es entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel vorteilhaft sein, wenn eine Sensorik vorgesehen wird, die die Schwingung und/oder die Position des ersten und/oder des zweiten Biegeaktuators erfasst, um der Steuerung zu ermöglichen, dass die zwei Biegeaktuatoren gleichphasig angesteuert werden. Im Gegensatz zu bisherigen Systemen, die meist über keine Sensorik verfügen oder nur die Auslenkung des Antriebs (nicht nur Membran) erfassen, lässt sich bei diesem Prinzip mithilfe der gut integrierbaren Sensorik die tatsächliche Position des schallerzeugenden Elements bestimmen. Dies ist von großem Vorteil und ermöglicht eine deutlich genauere und zuverlässigere Detektion. Diese bildet die Grundlage für eine geregelte Anregung (Closed-Loop), mit sich äußere Einflüsse, Alterungseffekte und Nichtlinearitäten elektronisch kompensieren lassen.
  • Entsprechend einem Ausführungsbeispiel können die Biegeaktuatoren auch eine sogenannte "Kaskadierung" aufweisen. Das heißt also, dass der erste und/oder der zweite Biegeaktuator jeweils zumindest ein erstes und ein zweites Biegeelement umfassen. Diese Elemente sind in Serie geschaltet. Entsprechend Ausführungsbeispielen heißt "in Serie geschaltet", dass das erste und zweite Biegeelement ein eingespanntes Ende und eine freies Ende aufweisen und das zweite Biegeelement mit seinem eingespannten Ende an das freie Ende des ersten Biegeaktuators angreift und mit seinem freien Ende das freie Ende des gesamten Biegeaktuators formt. Hierbei kann die Verbindung zwischen den zwei Biegeelementen beispielsweise durch ein flexibles Element gebildet sein. Optional kann der mikromechanische Schallwandler einen zusätzlichen Rahmen aufweisen, der beispielsweise im Bereich des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Biegeelement vorgesehen ist. Dieser dient zur Versteifung und zur Modenentkopplung. Bezüglich der zwei Biegeelemente sei angemerkt, dass diese entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit unterschiedlichen Steuersignalen angesteuert werden, so dass beispielsweise das innenliegende Biegeelement bzw. die innenliegenden Biegeelemente für höhere Frequenzen genutzt werden, während die weiter außenliegenden Biegeelemente zu einer Schwingung in einem tieferen Frequenzbereich angesteuert werden.
  • Entsprechend einem weiteren abhängigen Aspekt wird ein mikromechanischer Schallwandler mit zumindest einem, bevorzugt zwei Biegeaktuatoren geschaffen, wobei jeder Biegeaktuator ein erstes und ein zweites Biegeelement umfasst, die in Serie geschaltet sind. Derartige Biegeaktuatoren können entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel statt einem Separierungsspalt auch eine flexible Verbindung aufweisen.
  • Ausführungsbeispiele dieses abhängigen Aspekts liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Inserie-Schalten von mehreren Biegeelementen eines Biegeaktuators es erreicht werden kann, dass unterschiedliche Biegeaktuatoren für unterschiedliche Frequenzbereiche zuständig sind. So kann beispielsweise der innenliegende Biegeaktuator für einen Hochtonfrequenzbereich ausgebildet sein, während der weiter außenliegende Frequenzbereich für den Tiefton betrieben wird. Im Gegensatz zu üblichen Membranansätzen ermöglicht das beschrieben Konzept eine Kaskadierung mit mehreren individuell ansteuerbaren Aktuatorstufen. Darüber hinaus lassen sich durch die frequenzseparierte Ansteuerung in Kombination mit den piezoelektrischen Antrieben deutliche Steigerungen bei der Energieeffizienz erzielen. Die gute Modenentkopplung bietet überdies Vorteile bei der Wiedergabequalität. Weitere Vorteile sind z. B. die Realisierung von besonders platzsparenden Mehrwege-Schallwandlern.
  • Auch bei diesem Ausführungsbeispiel des Biegeaktuators mit der Kaskadierung sind die Weiterbildungen, wie sie oben erläutert wurden, entsprechend zusätzlichen Ausführungsbeispielen anwendbar. Hierbei sind insbesondere die Merkmale bezüglich der genauen Ausgestaltung der Kaskadierung, z. B. des Verbindungselements oder der Rahmen, zu nennen. Des Weiteren sind die Unteraspekte bezüglich der flächigen, rechteckigen, trapezförmigen oder dreieckigen (allgemein vieleckigen) Biegeaktuatorgeometrie für kaskadierte Schallwandlerkonfigurationen relevant.
  • Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurden beiliegend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1a
    eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Schallwandlers mit zwei Biegeaktuatoren gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
    Fig. 1b
    eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Schallwandlers mit einem Biegeaktuator sowie einem vertikalen Blendenelement gemäß einem weiteren Basisausführungsbeispiel;
    Fig. 1c
    eine schematische Darstellung eines Biegeaktuators mit einer beliebig angrenzenden Struktur zur Illustration der Verbesserung der Konzepte aus den Fig. 1a und 1b gegenüber dem Stand der Technik;
    Fig. 2a-c
    schematische Querschnitte möglicher Aktuatorelemente gemäß Ausführungsbeispiel;
    Fig. 3a-d
    schematische Draufsichten von Biegeaktuatorkonfigurationen gemäß Ausführungsbeispielen;
    Fig. 4
    ein schematisches Diagramm zur Illustration eines simulierten Schalldruckpegels für unterschiedliche Ausführungsbeispiele;
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Schallwandlers mit zwei Biegeaktuatoren, die jeweils eine Kaskadierung umfassen, gemäß Ausführungsbeispielen;
    Fig. 6a-c
    schematische Draufsichten auf Biegeaktuatorkonfigurationen mit Kaskadierung gemäß Ausführungsbeispielen;
    Fig. 7
    ein schematisches Diagramm zur Illustration eines simulierten Schalldruckpegels mit einer Biegeaktuatorkonfiguration mit Kaskadierung;
    Fig. 8a,b
    schematische Ansichten oder Teilansichten einer Draufsicht auf eine Biegeaktuatorkonfiguration mit Kaskadierung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
    Fig. 9
    ein schematisches Diagramm zur Illustration einer mittels FEM-simulierten Auslenkung eines mikromechanischen Schallwandlers mit Kaskadierungen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    Fig. 10a-c
    schematische Draufsichten auf Biegeaktuatoren mit seitlich angeordneten Blendenelementen gemäß Ausführungsbeispielen;
    Fig. 11a-d
    schematische Darstellungen zur Illustration eines Prozessablaufs bei der Herstellung eines mikromechanischen Schallwandlers gemäß Ausführungsbeispielen;
    Fig. 12
    eine schematische Darstellung eines Arrays mit einer Vielzahl an mikromechanischen Schallwandlern gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    Fig. 13a-i
    zeigt schematische Darstellungen von unterschiedlichen Implementierungen der in Fig. 1b erläuterten Blendenstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen;
    Fig. 14a-c
    schematische Darstellungen von mikromechanischen Schallwandlern mit einem Deckel gemäß zusätzlichen Ausführungsbeispielen;
    Fig. 15a-h
    schematische Darstellungen von Draufsichten auf mikromechanische Schallwandler gemäß Ausführungsbeispielen; und
    Fig. 16
    eine schematische Darstellung eines zweiseitig eingespannten mikromechanischen Schallwandler gemäß Ausführungsbeispielen.
  • Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen im Detail erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
  • Fig. 1a zeigt einen Schallwandler 1 mit einem ersten Biegeaktuator 10 sowie einem zweiten Biegeaktuator 12. Beide sind in einer Ebene E1 angeordnet bzw. eingespannt, wie anhand der Einspannung 10e und 12e zu erkennen ist. Die Einspannung kann dadurch realisiert sein, dass die Biegeaktuatoren 10 und 12 aus einem gemeinsamen Substrat (nicht dargestellt) herausgeätzt sind, sodass die Biegeaktuatoren 10 und 12 einseitig mit dem Substrat verbunden sind und unter den Aktoren 10 und 12 eine (gemeinsame) Kavität (nicht dargestellt) gebildet ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die hier dargestellten Biegeaktuatoren 10 und 12 beispielsweise vorgespannt sein können, so dass die Darstellung entweder einen Ruhezustand darstellt, oder auch einen ausgelenkte Momentaufnahme zeigt (für diesen Fall ist mittels der gestrichelten Line der Ruhezustand dargestellt). Wie zu erkennen ist, sind die zwei Aktuatoren 10 und 12 horizontal nebeneinander angeordnet, so dass die Aktuatoren 10 und 12 oder zumindest die Einspannungen 10e und 12e in einer gemeinsamen Ebene E1 liegen. Diese Aussage bezieht sich bevorzugt auf den Ruhezustand, wobei sich im vorgespannten Fall die Ebene E1 vor allem auf die gemeinsamen Einspannungsbereiche 10e und 12e bezieht.
  • Die beiden Aktuatoren 10 und 12 sind gegenüberliegend angeordnet, so dass zwischen denselben ein Spalt 14 von beispielsweise von 5 µm, 25 µm oder 50 µm (allgemein im Bereich zwischen 1 µm und 90 µm, bevorzugt kleiner 50 µm oder kleiner 20 µm) besteht.
  • Dieser Spalt 14, der die zwei einseitig eingespannten Biegeaktuatoren 12 und 14 trennt, kann als Entkopplungsspalt bezeichnet werden. Der Entkopplungsspalt 14 variiert über den gesamten Auslenkungsbereich der Aktuatoren 10 und 12 nur minimal, z.B. um Faktor 1, 1,5 oder 4 (allgemein im Bereich 0,5-5), d. h. Variation kleiner +500%, +300%, +100% oder +75% oder kleiner +50% der Spaltbreite (im Ruhezustand), um so auf eine zusätzliche Abdichtung verzichten zu können, wie nachfolgend ausgeführt werden wird.
  • Die Aktuatoren 10 und 12 werden vorzugsweise piezoelektrisch angetrieben. Jeder dieser Aktuatoren 10 und 12 kann beispielsweise einen Schichtaufbau aufweisen und neben den piezoelektrischen aktiven Schichten ein oder mehrere passive Funktionsschichten aufweisen. Alternativ sind auch elektrostatische, thermische oder magnetische Antriebsprinzipien möglich. Wird an den Aktuatoren 12 eine Spannung angelegt, so verformt sich dieser bzw. im piezoelektrischen Fall das piezoelektrische Material der Aktuatoren 10 und 12 und bewirkt eine Verbiegung der Aktuatoren 10 und 12 aus der Ebene hinaus. Diese Verbiegung resultiert in einer Verdrängung von Luft. Bei einem zyklischen Steuerungssignal wird dann so der jeweilige Aktuator 10 und 12 zur Schwingung angeregt, um ein Schallsignal zu emittieren (oder im Fall eines nicht beanspruchten Mikrophons aufzunehmen). Die Aktuatoren 10 und 12 bzw. das entsprechende Ansteuerungssignal ist so ausgelegt, dass jeweils benachbarte Aktuatorränder bzw. das freie Ende der Aktuatoren 10 und 12 eine nahezu identische Auslenkung aus der Ebene E1 erfahren. Die freien Enden sind mit den Bezugszeichen 10f und 12f gekennzeichnet. Da sich die Aktuatoren 10 und 12 bzw. die freien Ende 10f und 12f parallel zueinander bewegen, befinden sich selbige in Phase. Insofern wird die Auslenkung der Aktuatoren 10 und 12 als gleichphasig bezeichnet.
  • In der Folge bildet sich in der Gesamtstruktur aller Aktuatoren 10 und 12 im angetriebenen Zustand ein stetiges Auslenkungsprofil, welches lediglich durch die engen Entkopplungsschlitze 14 unterbrochen ist. Da die Spaltbreite der Entkopplungsschlitze im Mikrometer-Bereich liegt, werden hohe Viskoverluste an den Spaltseitenwänden 10w und 12w erreicht, so dass die hier durchtretende Luftströmung stark gedrosselt wird. Damit kann der dynamische Druckausgleich zwischen der Vorderseite und der Rückseite der Aktuatoren 10 und 12 nicht schnell genug erfolgen, so dass ein akustischer Kurzschluss unabhängig von der Aktuatorfrequenz reduziert wird. Dies bedeutet, dass sich eine eng geschlitzte Aktuatorstruktur im betrachteten akustischen Frequenzbereich strömungstechnisch wie eine geschlossene Membran verhält.
  • Fig. 1b zeigt eine weitere Variante, wie ein Aktuator eines mikromechanischen Schallwandlers ohne Abdichtung ein gutes Schalldruckverhalten erlangen kann. Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1b zeigt den Schallwandler 1' umfassend den Aktuator 10, der an dem Punkt 10e fest eingespannt ist. Der Biegeaktuator 10 kann aus einem Substrat (nicht dargestellt) herausgeätzt sein, sodass eine Kavität (nicht dargestellt) unter ihm geformt wird. Das freie Ende 10f kann über einen Bereich B zum Schwingen angeregt werden. Gegenüber dem freien Ende 10f ist ein vertikal angeordnetes Blendenelement 22 vorgesehen. Dieses Blendenelement ist bevorzugt zumindest so groß oder größer als der Bewegungsbereich B des freien Endes 10f. Die Blendenelemente 22 erstreckten sich bevorzugt auf der Vorder- und/oder Rückseite des Aktuator, d. h. also von der Ebene E1 (Substratebene) aus betrachtet in eine tiefer gelegene Ebene und eine höher gelegene Ebene (z.B. senkrecht zum Substrat). Zwischen dem Blendenelement 22 und dem freien Ende 10f ist ein Spalt 14` vergleichbar mit dem Spalt 14 aus Fig. 1a vorgesehen.
  • Das Blendenelement 22 ermöglicht die Breite der vorgesehenen Entkopplungsspalte 14` auch im ausgelenkten Zustand (vgl. B) annähernd gleich zu halten. Somit entstehen bei dieser Konfiguration mit den benachbarten Rändern keine signifikanten Öffnungen infolge der Auslenkung, wie beispielsweise in Fig. 1c dargestellt.
  • Fig. 1c zeigt einen Aktuator 10, der ebenfalls an dem Punkt 10e eingespannt ist. Gegenüber ist eine beliebig angrenzende Struktur 23 ohne vertikale Ausdehnung und ohne Bewegung vorgesehen. Infolge einer Auslenkung des Aktuators 10 stellt sich eine Öffnung im Bereich des freien Endes 10f des Aktuators ein. Diese Öffnung ist mit dem Bezugszeichen "o" versehen. Abhängig von der Auslenkung können diese Öffnungsquerschnitte 14o deutlich größer als die Entkopplungsschlitze (vgl. Fig. 1a und 1b) bzw. allgemein ein Kopplungsschlitz im Ruhezustand sein. Durch die Öffnung kann eine Luftströmung zwischen Vorder- und Rückseite vorkommen, was zu einem akustischen Kurzschluss führt.
  • Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Seitenfläche des Blendenelements 22 oder das Blendenelement 22 angepasst an die Bewegung des Aktuators 10 im Auslenkungsbereich B sein. Konkret wäre eine konkave Form denkbar.
  • Sowohl die Struktur 1 aus Fig. 1a als auch die Struktur 1' aus Fig. 1b ermöglicht den akustischen Kurzschluss dadurch zu verhindern, dass Mittel vorgesehen werden, die den Entkopplungsspalt 14 bzw. 14' über den gesamten Bewegungsbereich annähernd konstant halten.
  • Wie oben erläutert, kann entsprechend einem Ausführungsbeispiel ein piezoelektrisches Material verwendet werden. Fig. 2 zeigt in den Darstellungen a-c drei unterschiedliche Querschnitte möglicher Aktuatorelemente. In Fig. 2a ist eine unimorphe Struktur dargestellt. Hierbei ist auch eine passive Schicht 10p, 12p eine piezoelektrische Schicht 10pe bzw. 12pe aufgebracht.
  • Fig. 2b zeigt einen bimorphen Aufbau. Hierbei sind zwei piezoelektrische Schichten 10pe_1 bzw. 12pe_1 und 10pe_2 bzw. 12 pe_2 sowie eine passive Zwischenschicht 10p bzw. 12p vorgesehen.
  • In Fig. 2c ist ein piezoelektrischer Schichtstapel mit je zwei piezoelektrischen Schichten 10pe_1 bzw. 12pe_1 und 10pe_2 und 12 pe_2 gezeigt.
  • Alle gezeigten Piezoaktuatoren aus den Fig. 2a bis 2c haben also gemein, dass sie aus mindestens zwei Schichten, nämlich einer piezoelektrischen Schicht 10pe bzw. 12pe und einer weiteren Schicht, wie z. B. einer passiven Schicht 10p, 12p bzw. einer weiteren piezoelektrischen Schicht 10pe_2, 12pe_2 gebildet ist. Die piezoelektrischen Schichten 10pe, 12pe, 10pe_1, 12pe_1, 10pe_2, 12 pe_2 können als Mehrschichtsysteme mit zusätzlichen Trennschichten (vgl. die Schichten 10p, 12p) ausgelegt sein und/oder selbst aus beliebig vielen Unterschichten (vgl. gestrichelte Linien) gebildet sein. Die Kontaktierung erfolgt beispielsweise durch flächige oder interdigitale Elektroden.
  • Entsprechend einem alternativen Ausführungsbeispiel kann auch ein thermische Antrieb zum Einsatz kommen, der analog zu den piezoelektrischen Aktuatoren einen Mehrschichtaufbau aufweisen kann. Grundsätzlich entspricht dann der Aufbau eines thermischen Antriebs dem Aufbau, wie er in Bezug auf Fig. 2a-c für piezoelektrische Schichten erläutert ist, wobei statt piezoelektrischen Schichten thermisch aktive Schichten zum Einsatz kommen.
  • Bezug nehmend auf Fig. 3a-c werden verschiedene Aktuatoranordnungen, umfassend mindestens zwei gegenüberliegende Aktuatoren (vgl. Fig. 3b) erläutert.
  • Fig. 3a zeigt eine Aktuatoranordnung mit vier Aktuatoren 10', 11', 12' und 13`. Jeder dieser Aktuatoren 10' bis 13' ist dreieckig ausgeführt und einseitig entlang der Hypotenuse eingespannt. Die Dreiecke sind entsprechend einem Ausführungsbeispiel rechtwinklige Dreiecke, so dass die rechtwinkligen Spitzen der Aktuatoren 10' bis 13' alle in einem Punkt zusammentreffen. Infolgedessen erstrecken sich zwischen den Katheten jeweils die Rückkopplungsspalte 14.
  • Entsprechend Ausführungsbeispielen können die einzelnen Aktuatoren 10' bis 13' auch noch weiter untergliedert sein, wie mittels den gestrichelten Linien angedeutet ist. Bei Untergliederung ist natürlich dann die Einspannung nicht mehr entlang der Hypotenuse, sondern entlang einer der Katheten, während sich die Entkopplungsspalte dann entlang der Hypotenuse und entlang der anderen Kathete erstrecken.
  • Unabhängig davon, ob es sich um vier oder acht Aktuatoren handelt, ermöglicht die dreieckige Ausgestaltung, dass die benachbarten freien Enden (getrennt durch die jeweilige Spalte 14) eine möglichst gleiche Auslenkung erfahren.
  • Fig. 3b zeigt im Prinzip die Draufsicht des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1a, wobei hier eben noch angedeutet ist, dass sowohl der Aktuator 10 als auch der Aktuator 12, z. B. entlang der Symmetrieachsen (vgl. gestrichelte Linie) untergliedert sein kann.
  • Fig. 3c zeigt eine weitere Ausführung, bei der der gesamte Schallwandler kreissegmentförmig angeordnet ist, und insgesamt vier 90°-Segmente als Aktuatoren 10" bis 13" aufweist, die wiederum durch die Separierungsspalte 14 voneinander getrennt sind. Bei diesem kreisrunden Schallwandler können die einzelnen Aktuatoren 10" bis 13" wiederum weiteruntergliedert sein, wie anhand der gestrichelten Linien angedeutet ist.
  • Alle Ausführungsbeispiele aus den Figuren 3a bis 3c haben gemeinsam, dass sie am Rand eingespannt sind, wie durch den jeweiligen Bereich 10e` bis 13e` bzw. 10e und 12e bzw. 10e" bis 13e" angedeutet ist.
  • Des Weiteren sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich, wie anhand der Ausführungsbeispiele aus Fig. 3a-3c gezeigt ist, die Separierungsspalten 14 bevorzugt entlang der Symmetrielinien erstrecken. Bei den Ausführungsbeispielen mit mehr als zwei Aktuatoren heißt das also, dass sich die Separierungsspalten gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel im Schwerpunkt der Gesamtfläche des Schallwandlers treffen.
  • Fig. 3d zeigt (in der Draufsicht) eine weitere Version eines mikromechanischen Schallwandlers mit vier (hier rechteckigen bzw. quadratischen) Aktuatoren 10‴, 11‴, 12‴ und 13‴, die in Form von vier Quadranten eines Rechtecks bzw. Quadrats angeordnet sind. Die vier Aktuatoren 10‴ bis 13‴ sind durch zwei sich kreuzende Separierungsspalte 14 voneinander getrennt. Jeder der Aktuatoren 10‴ bis 13‴ ist über Eck, d. h. zweiseitig am äußeren Rand eingespannt.
  • Bezug nehmend auf Fig. 4 wird dargestellt, welchen Einfluss die Spaltbreite hat. Fig. 4 zeigt den resultierenden Schalldruckpegel SPL über einen Frequenzbereich von 500 Hz bis 20 kHz für vier unterschiedliche Spaltbreiten (5 µm, 10 µm, 25 µm und 50 µm). In dem dargestellten Frequenzbereich wird die Reduktion des Schalldruckpegels SPL (akustischer Kurzschluss) für Spaltbreite von unter 10 µm vernachlässigbar und die Struktur verhält sich akustisch wie eine geschlossene Membran. Wie weiter zu erkennen ist, dass im höheren Frequenzbereich (z. B. oberhalb von 6000 Hz) der Einfluss der Spaltbreite signifikant abnimmt. Im Vergleich zu Systemen mit geschlossener Membran zeichnen sich die vorliegenden Systeme infolge der Entkopplung der einzelnen Aktuatoren durch eine deutlich höhere Effizienz aus. Letzteres äußert sich in sehr hohen Auslenkungen und Schalldruckpegeln. Darüber hinaus ergeben sich weitere Vorteile bezüglich der Linearität.
  • Bezug nehmend auf Fig. 5 wird nun ein Ausführungsbeispiel an einem entsprechenden weiteren Aspekt erläutert. Fig. 5 zeigt einen Aufbau von einem mikromechanischen Schallwandler 1" mit zwei Aktuatoren 10* und 12*. Die beiden Aktuatoren 10* und 12* umfassen jeweils eine innere Stufe und eine äußere Stufe. Das heißt also, dass der Aktuator 10* ein erstes Aktuatorelement 10a* (äußere Stufe) und ein zweites Aktuatorelement 10i* (innere Stufe) umfasst. Analog hierzu umfasst der Aktuator 12* das Aktuatorelement 12a* sowie das Aktuatorelement 12i*.
  • Wie hier dargestellt, sind immer die äußeren Stufen 10a* und 12a* eingespannt, nämlich über die Bereiche 10e* und 12e*. Das gegenüberliegende Ende der Aktuatoren 10a* und 12a* wird als freies Ende bezeichnet. An dieses freie Ende sind mittels optionaler Verbindungselemente 17 die inneren Stufen 10i* und 12i* angekoppelt. Die Ankopplung erfolgt derart, dass die Ankopplung beispielsweise wiederum über eine Ende der inneren Aktuatorelemente 10i* bzw. 12i* ausgeführt ist, nämlich so, dass die gegenüberliegenden Enden der inneren Aktuatoren 10i* bzw. 12i* als freie Enden dienen. In anderen Worten ausgedrückt heißt das also, dass der Aktuator 10* bzw. 12* derart aufgebaut ist, dass die innere Stufe 10i* (bzw. 12i*) gegenüber der äußeren Stufe 10a* (12a*) in Serie geschaltet ist.
  • Wie hier dargestellt, wird zwischen den freien Enden der Elemente 10i* und 12i* ein Entkopplungsspalt 14* ausgebildet. Dieser ist nicht zwingend für alle Ausführungsbeispiele so ausgeführt, wie der Entkopplungsspalt, welcher im Zusammenhang mit obigen Ausführungsbeispielen (vgl. Fig. 1a) erläutert wurde. Das heißt also, dass analog zu den obigen Ausführungsbeispielen die Aktuatoren 10* und 12* lediglich über einen wenige Mikrometer breiten Entkopplungsspalt 14 voneinander getrennt sind und vorzugsweise so ausgelegt sind, dass jeweils benachbarte Strukturränder (freie Ränder der inneren Elemente 10e* und 12e*) im Betrieb möglichst gleiche Auslenkung (synchron bzw. gleichphasig) aus der Ebene E1 (in welcher die Aktuatoren 10* und 12* bzw. die Einspannungsbereich 10e* und 12e* angeordnet sind) erfahren. Alternativ wäre eine Verbindung der inneren Elemente 10i* und 12i* im Bereich des dargestellten Spalts, z.B. mittels eines flexiblen Materials möglich.
  • Entsprechend optionalen Ausführungsbeispielen können die einzelnen kaskadierten Stufen auf einem Rahmen 19 aufliegen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Rahmen 19 derart angeordnet, dass die eingespannten Enden der inneren Stufen 10i* und 12i* auf demselben Rahmen 19 aufliegen. Allgemein heißt es aber, dass der Rahmen 19 bevorzugt so angeordnet ist, dass dieser im Bereich der Verbindungsstellen (vgl. Verbindungselemente 17) liegt. Der Rahmen ermöglicht es, parasitäre Schwingungsmoden sowie ungewollte mechanische Deformationen zu unterdrücken.
  • Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen wurde, dass zwei Aktuatoren 10* und 12* mit jeweils innerer und äußerer Aktuatorstufe mit den Aktuatorelementen 10a*, 10i*, 12a*, 12i* vorgesehen sind, sei an dieser Stelle angemerkt, dass entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ein mikromechanischer Schallwandler mit nur einem Aktuator (z. B. der Aktuator 10*) geschaffen wird, der die erste Stufe 10a* und die zweite Stufe 10i* in entsprechender Serienanordnung aufweist. Dieser Aktuator kann beispielsweise gegenüber einem festen Ende frei schwingen, so dass ein Spalt dazwischen gebildet wird oder auch flexibel mit einem festen Ende verbunden sein. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wäre auch eine Blende, wie sie beispielsweise in Fig. 1b erläutert ist, denkbar.
  • Bezug nehmend auf Fig. 6a bis 6c werden drei ausführungsgemäße Schallwandler in der schematischen Draufsicht erläutert, bei denen die Konfigurationen aus Fig. 3a bis 3c um eben die Kaskadierung (zweistufiger Kaskadierungskonfigurationen) erweitert ist.
  • Fig. 6a zeigt einen mikromechanischen Schallwandler mit vier Aktuatoren 10*' bis 13*', wobei jeder der Aktuatoren 10*' bis 13*' zwei Aktuatorelemente 10a*' bzw. 10i*' bis 13i*' bzw. 13a*' aufweist. Die inneren Elemente 10i*' bis 13i*' haben jeweils eine Dreiecksform (in Bezug auf die Fläche), während die äußeren Elemente 10a*' bis 13a*' eine Trapezform (bezogen auf die Fläche) aufweisen. Der kleinere Schenkel des trapezförmigen Aktuators 10a*' bis 13a*' ist mit dem Hypotenusenschenkel des dreieckförmigen Aktuators 10i*' bis 13i*' über Verbindungselemente 17 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die optionalen Verbindungselemente bevorzugt an den Ecken des Trapezes bzw. des Dreiecks angeordnet.
  • Fig. 6b zeigt in einer Draufsicht im Wesentlichen den elektromechanischen Schallwandler aus Fig. 5 mit den inneren Aktuatoren 10i* und 12i* sowie den äußeren Aktuatoren 10a* und 12a*. Auch hier sind an den Ecken der rechteckigen inneren und äußeren Elemente 10i*, 10a*, 12i* und 12a* Verbindungselemente 17 vorgesehen.
  • Fig. 6c zeigt ausgehend von dem kreissegmentförmigen mikromechanischen Schallwandler die kaskadierten Aktuatoren 10*" bis 13*", wobei jeder Aktuator ein inneres Aktuatorelement und ein äußeres Aktuatorelement aufweist. Die inneren Aktuatorelemente 10i*" bis 13i*" sind als kreissegmentförmige Elemente ausgeführt, während die äußeren Elemente 10a*" bis 13a*" als Kreisscheibensegmente ausgeführt sind. Die Verbindung erfolgt wiederum über Verbindungselemente 17.
  • Alle Ausführungsbeispiele aus den Fig. 6a bis 6c haben gemein, dass entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen die Aktuatoren 10*' bis 13*' bzw. 10* bis 12* bzw. 10*" bis 13*" durch Separierungsspalte 14 voneinander getrennt sind. Zusätzliche können auch noch Separierungsspalten 15 zwischen den inneren Aktuatoren (beispielsweise 10i*' und 10a*') vorgesehen sein, die eben nur durch die Verbindungselemente 17 überbrückt werden. In anderen Worten ausgedrückt heißt das also, dass die äußeren Stufen (beispielsweise 10a* und 12a* in Fig. 6b) über jeweils mindestens ein Verbindungselement, vorzugsweise jedoch über zwei oder mehr voneinander beabstandeten Verbindungselemente 17, mit den zweiten inneren Stufen 10i* bzw. 12i* verbunden sind. Die Verbindungselemente können als mechanische Federelemente oder Gelenke ausgelegt sein.
  • Wie im Zusammenhang mit Fig. 3a-c erläutert, können die Aktuatoren auch weiteruntergliedert sein, so dass also beliebig viele Aktuatoren je Aktuatorelement 10* bzw. 12* entstehen (vgl. gestrichelte Linie).
  • Nachdem nun die Struktur der Schallwandler erläutert wurde wird nachfolgend auf deren Funktion eingegangen: Im angetriebenen Zustand lenken die Aktuatoren der äußeren Stufe die innere Stufe aus der Ebene aus, wobei die Aktuatoren der inneren Stufe eine weitere Auslenkung ausüben. Es resultiert eine ausgelenkte Struktur, die sich aufgrund der hohen viskosen Verluste in den Entkopplungsschlitzen akustisch wie eine geschlossene Membran verhält.
  • Alternativ, kann die kaskadierte Gesamtstruktur auch drei oder mehr Stufen aufweisen. Die unterschiedlichen Stufen können wahlweise mit identischen oder verschiedenen Antriebssignalen angesteuert werden. Im Falle verschiedener Antriebssignale können die Stufen in unterschiedlichen Frequenzbereichen betrieben werden und z. B. einen Mehrwege-Schallwandler mit besonders geringem Platzbedarf bilden.
  • An dieser Stelle sein angemerkt, dass sich das in Bezug auf Fig. 1b erläuterte Prinzip der Strömungsblenden auch auf die mehrstückigen kaskadierten Systeme erweitern lässt, z. B. um akustische Verluste zwischen Verbindungselementen und Aktuatoren oder Zwischenstufen zu minimieren.
  • Bezug nehmend auf die obigen Ausführungsbeispiele sei angemerkt, dass die in den Fig. 6a bis 6c erläuterten Varianten entsprechend zusätzlichen Ausführungsbeispielen beliebig kombinierbar sind. So ist beispielsweise es möglich, dass statt der vier inneren Aktuatorelemente 10a*` bis 13a*' aus Fig. 6a nur zwei innere Aktuatorelemente 10i* und 12i*, wie sie in Fig. 6b gezeigt sind, vorgesehen werden. Weiter ist es auch denkbar, dass nur ein inneres Aktuatorelement, z. B. auch in Kombination mit einer Blende (vgl. Ausführungsbeispiel aus Fig. 1b) vorgesehen wird.
  • Fig. 7 zeigt ein Diagramm des simulierten Schalldrucks über den Frequenzbereich, aufgeschlüsselt nach innerer und äußerer Stufe. Wie zu erkennen ist, dient die äußere Stufe besonders dem niedrigen Frequenzbereich (maximaler Schaldruck bei etwa 1500 Hz) während die innere Stufe dem höheren Frequenzbereich dient (maximaler Schalldruck bei etwa 10000 Hz). Bei dem hier vorliegenden Fall wurde von einem MEMS-Schallwandler mit einer Chipgröße von 1x1 cm ausgegangen und im Abstand von 10 cm gemessen.
  • Fig. 8 veranschaulicht das Konzept der Kaskadierung am Beispiel eines konkreten zweistufigen Designs. In Fig. 8a ist die Draufsicht gezeigt, wobei in Fig. 8b eine Ausschnittsvergrößerung des Verbindungsbereichs dargestellt ist.
  • Wie anhand der Fig. 8a zu erkennen ist, weist das zweistückige Design äußere Aktuatoren 10a*` sowie innere Aktuatoren 10i*` auf. Von der Konfiguration her ist das hier in Fig. 8a dargestellte Design dem Design aus Fig. 8a vergleichbar. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Entkopplungsschlitze 14 mit durchgezogenen Linien kenntlich gemacht. Wie insbesondere in der Vergrößerung aus Fig. 8b zu erkennen ist, sind auch zwischen den einzelnen Stufen jeweilige Entkopplungsschlitze 14 vorgesehen.
  • Im Gegensatz zu Fig. 6a ist hier bei dem Design aus Fig. 8a auch noch zusätzlich die Rahmenstruktur 19*' illustriert, welche von den lateralen Abmessungen kleiner ist als die lateralen Abmessungen aller innenliegenden Stufen 10e*'.
  • Wie anhand von Fig. 8b ersichtlich ist, dienen als Verbindungselemente 17*' gefaltete Federn, deren Zwischenräume mit entkoppelten Füllstrukturen 17f*', z. B. aus einem Material von Feder oder Aktuator versehen sind. Analog dazu weisen auch die Zwischenräume 14 zwischen den Aktuatoren beider Stufen derartige Füllstrukturen 17f*' auf.
  • In Fig. 9 ist ein mittels FEM-Simulation erhaltenes Auslenkungsprofil des Beispieldesigns aus Fig. 8a und b im dreidimensionalen Querschnitt gezeigt. Wie anhand der mittels Schraffuren illustrierten Auslenkungswerte illustriert ist, bildet sich trotz der Entkopplungsschlitze ein nahezu stetiges Auslenkungsprofil aus, das lediglich durch die schmalen Entkopplungsschlitze 14 unterbrochen ist.
  • Bezug nehmend auf Fig. 10 wird eine Erweiterung des Designs aus Fig. 1a sowie des Designs aus Fig. 1b erläutert. Die Konfiguration aus Fig. 10a ist vergleichbar mit der Konfiguration aus Fig. 1b, wobei das gegenüber dem einseitig eingespannten Aktuator 10 (vgl. Einspannung 10e) vorgesehene Blendenelement 22 nicht nur im Bereich des freien Endes 10f vorgesehen ist, sondern sich darüber hinaus auch noch entlang der Seiten des Aktuators, also entlang des gesamten Entkopplungsschlitzes 14' erstreckt. Die seitlich angeordneten Blendenelemente sind mit den Bezugszeichen 22s gekennzeichnet.
  • Fig. 10b geht von einer Schallwandlerkonfiguration mit zwei gegenüberliegenden Aktuatoren 10 und 12 aus, wie sie z. B. in Fig. 3b gezeigt ist. Hierbei handelt es sich wiederum um einseitig eingespannte Aktuatoren (vgl. Einspannung 10e bzw. 12e). Entlang der seitlichen Entkopplungsschlitze 14 erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel ein vertikales angeordnetes Blendenelement 22s.
  • Sowohl das Ausführungsbeispiel aus Fig. 10a als auch das Ausführungsbeispiel aus Fig. 10b ermöglicht durch die Verwendung der seitlich angeordneten Blendenelemente 22s bei den hier dargestellten Strukturen mit unstetigen Auslenkungsprofilen eine gute fluidische Trennung von Vorder- und Rückseite.
  • Fig. 10c zeigt eine weitere Variante, bei der sich vier Aktuatoren 10"", 11"", 12ʺʺ und 13ʺʺ ausgehend von einer zentralen Fläche 16 erstrecken. Die vier Aktuatoren 10ʺʺ bis 13ʺʺ sind jeweils trapezförmig ausgeführt und werden über ihre kurze Seite einseitig gegenüber der Fläche 16 eingespannt. Die vier Aktuatoren 10ʺʺ bis 13ʺʺ sind über vier diagonal angeordnete Separierungsspalte 14 (welche sich als Verlängerung der Diagonalen der Fläche 16 erstrecken) voneinander separiert, so dass die lange Seite der Aktuatoren 10ʺʺ bis 13ʺʺ frei schwingen kann. Um eine "Abdichtung" gegenüber den Randbereichen zu ermöglichen, ist entlang der langen Seite der trapezförmigen Aktuatoren 10ʺʺ bis 13ʺʺ ein (umlaufendes) vertikal ausgebildetes Blendenelement 22s vorgesehen.
  • Fig. 12 zeigt einen mikromechanischen Schallwandler in Arrayform. Der hier dargestellte mikromechanische Schallwandler weist acht Schallwandler 1, wie sie beispielsweise in Bezug auf Fig. 1a erläutert wurden, auf. Diese acht Schallwandler 1 sind in zwei Reihen und vier Spalten angeordnet. Hierdurch kann eine großflächige Ausdehnung und damit ein hoher Schalldruck erreicht werden. Wenn man davon ausgeht, dass jeder Aktuator der Schallwandler 1 und eine Grundfläche 5 × 5 mm hat, so werden hiermit sozusagen 200 mm2 "Membranfläche" realisiert. Allgemein ist der so dargestellte Schallwandler beliebig skalierbar, so dass auch Schallwandlergrößen von z.B. 1 cm Länge oder mehr (allgemein im Bereich von 1 mm bis 50 cm) erreicht werden können.
  • Auch wenn bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel Fig. 12 exemplarisch der mikromechanische Schallwandler 1 aus Fig. 1a erläutert wurde, sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass jegliche andere Schallwandler, wie sie oben erläutert wurden, wie z. B. der Schallwandler 1' aus Fig. 1b oder auch die kaskadierten Schallwandler aus Fig. 5 eingesetzt werden können. Auch sind andere Formen und Anordnungen denkbar.
  • Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können die einzelnen oben erläuterten Aktuatoren mit Sensoren versehen werden. Die Sensoren ermöglichen die tatsächliche Auslenkung der Aktuatoren zu bestimmen. Diese Sensoren sind typischerweise mit der Steuerung der Aktuatoren verbunden, so dass um eine Feedbackschleife das Steuersignal für die einzelnen Aktuatoren derart nachgeregelt wird, dass die einzelnen Aktuatoren gleichphasig schwingen. Die Sensorik kann auch den Sinn haben, Nicht-Linearitäten aufzuspüren und bei der Ansteuerung das Signal derart zu verzerren, dass Nicht-Linearitäten kompensiert bzw. reduziert werden können.
  • Zum Hintergrund: Da die Aktuatoren gleichzeitig das schallerzeugendes Element bilden, lassen sich Alterungseffekte und Nichtlinearitäten im Betrieb direkt messen und ggf. elektronisch kompensieren. Dies stellt einen großen Vorteil gegenüber üblichen membranbasierten Systemen dar, bei denen entweder keine Sensorik vorhanden ist oder aber nur das Verhalten an den Antrieben, nicht jedoch an dem schallerzeugenden Membranelement detektiert werden kann.
  • Die Positionsdetektion erfolgt vorzugsweise über den piezoelektrischen Effekt. Hierfür können ein oder mehrere Bereiche der piezoelektrischen Schicht auf den Aktuatoren mit separaten Sensorelektroden versehen werden, über die ein näherungsweise zur Auslenkung proportionales Spannungs- oder Ladungssignal abgegriffen werden kann. Darüber hinaus können auch mehrere piezoelektrische Schichten realisiert werden, wobei zumindest eine Schicht partiell für die Positionsdetektion verwendet wird. Es ist auch eine Kombination verschiedener piezoelektrischer Materialien möglich, die entweder übereinander oder nebeneinander angeordnet sind (z. B. PZT für Aktuatoren, AIN für Sensoren).
  • Als Alternative zu piezoelektrischen Sensorelementen ist auch die Integration von Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen oder zusätzlichen Elektroden für eine kapazitive Positionserfassung möglich. Werden die Aktuatorstrukturen aus Silizium hergestellt, so lassen sich auch piezoresistive Silizium-Widerstände direkt integrieren.
  • Alle oben genannten Aspekte haben gemein, dass ein membranloses und vollständig zu MEMS-Herstellungsprozessen kompatibles Konzept zur Erzeugung von hohen Schalldrücken geschaffen wird. Alle Ausführungsbeispiele ermöglichen eine besonders geringe Baugröße. Die optionale Kaskadierung ermöglicht die Realisierung von integrierten Mehrweg-Schallwandlern. Die Steuerung kann entsprechend Weiterentwicklungen durch integrierte Positionssensoren derart ausgebildet sein, dass der emittierte Schall eine minimierte Verzerrung aufweist.
  • In nachfolgender Tabelle werden mögliche Materialien für die einzelnen Funktionselemente aufgezählt.
    Funktion Materialien
    Piezoelektrische Schicht PZT, PNZT, AlN, AlScN, ZnO, BCZT, KNN
    Passive Schicht Si, poly-Si, SiN, SiNO, SiO2, AlN, Metalle
    Rahmen Si, Metalle, Glas, [piezoelektrische Schicht], [passive Schicht]
    Blenden Si, Metalle, Glas, Polymere, [piezoelektrische Schicht], [passive Schicht]
    Verbindungselemente [passive Schicht], [piezoelektrische Schicht]
  • Mögliche Abmessungen stellen sich wie folgt dar:
    - Aktuatorfläche 50×50µm2 - 5×5cm2
    - Entkopplungsschlitz 0,1µm - 40µm
    - Auslenkungsamplitude 0.01µm - 3mm
  • Derartige Wandler sind beispielsweise mit einem ersten Eigenmode von 10 Hz bis 300 kHz betreibbar. Die Anregungsfrequenz ist beispielsweise statisch bis 300 kHz gewählt.
  • Die beschriebenen Aktuator-Strukturen eigenen sich für Anwendungsgebiete, in denen bei möglichst geringen Bauteilvolumina (< 10 cm3) Schall in einem Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 300 kHz erzeugt werden soll. Dies trifft in erster Linie auf miniaturisierte Schallwandler für Wearables, Smartphones, Tablets, Laptops, Kopfhörer, Hörgeräte aber auch Ultraschallwandler zu. Insgesamt kommen auch andere Anwendungen in Betracht, bei denen Fluide verdrängt werden (z. B. strömungsmechanische und aerodynamische Antriebs- und Führungsstrukturen, Inkjets).
  • Ausführungsbeispiele schaffen eine miniaturisierte Vorrichtung zur Verdrängung von Gasen und Flüssigkeiten mit mindestens einem aus der Ebene auslenkbaren Biegeaktuator, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung enge Öffnungsschlitze mit derart großem Strömungswiderstand enthält, so dass die Vorrichtung sich im akustischen und Ultraschall-Frequenzbereich (20 Hz bis 300 kHz) strömungstechnisch annährend wie eine geschlossene Membran verhält.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung folgende Merkmale umfassen: Entkopplungsschlitzen in den Aktuatormaterialien, deren Gesamtlänge maximal 5% der gesamten Aktuatorfläche ausmachen und ein mittleres Länge-zu-Breite-Verhältnis von über 10 aufweisen. Zusätzlich kann entsprechen Ausführungsbeispielen die Vorrichtung derart ausgelegt ist, dass im ausgelenkten Zustand entstehende Öffnungen weniger als 10% der gesamten Aktuatorfläche ausmachen, so dass auch ohne geschlossene Membran eine hohe fluidische Trennung zwischen Vorder- und Rückseite erzielt wird.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung zwei oder mehr gegenüberliegende voneinander separierte Aktuatoren aufweisen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Aktuatoren piezoelektrisch, elektrostatisch, thermisch, elektromagnetisch oder mittels einer Kombination mehrere Prinzipien angetrieben werden. Gemäß einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel wäre es auch denkbar, dass die Vorrichtung mit zwei oder mehr über Verbindungselemente gekoppelten Aktuatorstufen ausgebildet ist.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wäre es auch denkbar, dass die Vorrichtung zwei oder mehr Aktuatorstufen aufweist, die mit getrennten Signalen angesteuert werden und somit einen Zweiwege- oder Mehrwege-Schallwandler bilden.
  • Bezug nehmend auf das Ausführungsbeispiel aus Fig. 5 oder 6a bis c sei angemerkt, dass jedes Aktuatorelement 10a*, 12a*, 10i* und 12i* ein aktives, einzeln ansteuerbares Element ist. Dieses kann beispielsweise piezoelektrisch oder mit einem anderen hier erläuterten Prinzip betätigt werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel hat die Vorrichtung eine Rahmenstruktur zur Versteifung und Modenentkopplung.
  • Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde die Aktuatoren insbesondere als einseitig eingespannte Aktuatoren erläutert. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass auch zweiseitige Einspannungen (vgl. Fig. 3d) oder allgemein mehrseitige Einspannungen denkbar wären.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Vorrichtung mit Strömungsblenden zur Verringerung der Öffnungsquerschnitte zwischen Vorder- und Rückseite im ausgelenkten Zustand. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung Sensorelemente zur Positionserfassung und -Regelung aufweisen.
  • Gemäß zusätzlichen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung zur Schall- oder Ultraschallerzeugung in Luft (gasförmiges Medium) und das heißt also im Bereich von 20 Hz bis 300 kHz ausgebildet sein. Weitere Anwendungsgebiete sind die Erzeugung und Steuerung von Luftströmung, z. B. zur Kühlung.
  • Nachfolgend wird Bezug nehmend auf Fig. 11 ein mögliches Herstellungsverfahren von den obigen Schallwandlern erläutert. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel aus den Fig. 11a-d ermöglicht die Herstellung von dem Ausführungsbeispiel, wie es beispielsweise in Fig. 1b gezeigt ist. Durch geringfügige Abwandlung sind allerdings mit dem hier dargestellten Verfahren auch die Ausführungsbeispiele aus den weiteren Figuren, insbesondere aus Fig. 1a feststellbar.
  • In dem ersten in Fig. 11a dargestellten Schritt wird auf ein Substrat 48 eine passive Schicht 50p aufgebracht, bevor dann eine piezoelektrische Schicht 50pe mit zwei Elektroden 50e vorgesehen wird.
  • Bei dem Substrat 48 kann es sich um einen SOI-Wafer (Silicon on Insulator) handeln, der ein SI-Substrat umfasst. Auf dieses werden dann SiO2-Schichten 50p mit dem in Fig. 1b gekennzeichneten Isolatoren 50pi und Si-Isolationsschichten, wie z. B. piezoelektrische Funktionsschichten (PZT) 50pe abgeschieden. Danach kann das Abscheiden der entsprechenden Metallelektroden (Pt, Au, Mo, ....) 50e erfolgen.
  • In einem nächsten Schritt, welcher in Fig. 11b dargestellt ist, werden dann die Elektroden 50e, die PZT 50pe sowie die Isolationsschicht 50p strukturiert. Hierdurch entstehend beispielsweise die Gräben 50g in der piezoelektrischen Schicht 50pe. Das Strukturieren kann durch Nass- oder Trockenätzen erfolgen. Je nach gewünschtem Produktdesign wird entweder der Schritt des Strukturierens bzw. Einbringens des Grabens 50g so ausgeführt, dass dieser nur minimale Abmessungen hat, um bei einem Resultat das Produkt aus Fig. 1a zu erzeugen oder größere Abmessungen haben, so dass dann das hier dargestellte Zwischenprodukt in Richtung des Produkts aus 1b entwickelt wird.
  • Um das Produkt aus Fig. 1a herzustellen, wird ein kleiner Graben 50g aufgebracht und dann der in Fig. 11c dargestellte Schritt übersprungen, um dann, wie in Fig. 11d dargestellt, die Rückseite durch ein ein- oder mehrstufiges Ätzverfahren zu öffnen und die beweglichen Strukturen freizustellen. Bei diesem Schritt wird das Substrat unterhalb der Passivierungsschicht 50p insbesondere im Bereich fluchtend zu den strukturierend piezoelektrischen Aktuatoren 50pe entfernt. Hierdurch entsteht die Kavität 48c.
  • Um ein Produkt, wie es in Bezug auf Fig. 1b erläutert ist, herzustellen, wird der optionale Schritt, der in Fig. 11c dargestellt ist, durchgeführt. Fig. 11c illustriert das Aufbringen der sich vertikal erstreckenden Blendenelemente 57. Diese werden hier in die Gräben 50g der piezoelektrischen Schicht 50pe eingebracht. Optional kann die laterale Position der Gräben 57 so gewählt sein, dass diese mit Bereichen der strukturierten Passivierungsschicht 50p fluchten, so dass beispielsweise das vertikale Blendenelement 75 die Wand eines Grabens in der passiven Schicht 50p verlängert. Das Aufbringen der Blendenelemente 57 kann beispielsweise durch galvanisches Abscheiden erfolgen und bevorzugt so, dass die Blendenelemente 57 aus der Schicht der piezoelektrischen Elemente 50p hinausragen.
  • Nach dem Aufbringen der Blendenelemente 57 erfolgt dann, wie oben bereits in Bezug auf das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1a erläutert, das ein- oder mehrstufige Ätzen der Rückseite des Substrats 48, um die Kavität 48c herzustellen. Wie hier illustriert, können einzelne Bereiche des Substrats 48 stehenbleiben, so dass innerhalb der Kavität 48c der Rahmen 48f gebildet wird. Dieser Rahmen entspricht dem beispielsweise in Fig. 5 erläuterten Rahmen 19.
  • Bei den erläuterten Herstellungsschritten können MEMS-Technologien übernommen werden, so dass das oben erläuterte Produkt mit herkömmlichen Herstellungsverfahren herstellbar ist.
  • Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
  • Nachfolgend werden ausgehend von dem Basisausführungsbeispiel aus Fig. 1b unterschiedliche Implementierungen der Blende 22 erläutert. Bei allen nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispielen wird davon ausgegangen, dass die diskutierte Blende 22*, 22etc mit einem Spalt 14' von dem Biegeaktuator 10 (fest eingespannt an dem Bezugspunkt 10e) getrennt ist, so dass sich das freie Ende 10f des Biegeaktuators 10 entlang der vertikalen Ausdehnung des Blendenelements 22* bzw. 22etc bewegen kann. Hierbei sei angemerkt, dass Aspekte der nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispiele bzw. auch der bereits diskutierten Ausführungsbeispiele für die Blende beliebig miteinander kombiniert werden können (z. B. Deckel mit gerundeten/schrägen Seiten (Blenden)) oder asymmetrische Blende mit Deckel und Anschlag ...).
  • Fig. 13a zeigt einen schematischen Querschnitt einer Blendenstruktur. Hieran ist zu erkennen, dass die Blendenstruktur 22* aus mehreren Segmenten 22a*, 22b* und 22c* besteht. Das Segment 22a* erstreckt sich von der Substratebene (Ebene des Bezugspunkts 10e), in welcher der Biegeaktuator 10 z.B. in Ruhelage liegt, aus dem Substrat heraus, während das Segment 22b* in eben dieser angesprochenen Ebene des Bezugspunkts 10e liegt. Das Segment 22c* liegt in dem Substrat bzw. erstreckt sich von der Substratoberfläche in das Substrat hinein. Alle dargestellten Segmente 22a*, 22b*, 22c* können entsprechend Ausführungsbeispielen unterschiedliche Geometrien, d. h. Längs- und Querausdehnungen sowie auch variable Querschnitte aufweisen. Des Weiteren wäre es entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen denkbar, dass die einzelnen Segmente 22a*, 22b* und 22c* auch unterschiedliche Materialien oder Materialausprägungen aufweisen. Beispielsweise kann das Segment 22c* sowie 22b* durch das Substrat selber geformt sein, während das Segment 22a* aufgewachsen ist.
  • Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wäre es natürlich auch denkbar, dass mehr als die drei dargestellten Segmente 22a*, 22b* und 22c* vorgesehen sind.
  • Es sei angemerkt, dass die mittlere Position bei obigen und nachfolgenden Ausführungsbeispielen nicht zwingend der Ruhelage entsprechen muss, sondern auch beliebig nach oben oder unten verschoben sein kann (elektrisch oder mechanisch vorgespannt).
  • Fig. 13b zeigt eine weitere Ausprägung der Blendenstruktur, hier der Blendenstruktur 22**. Die Blendenstruktur 22** bzw. insbesondere das Segment, das sich aus der Substratebene heraus erstreckt, hat einen angeschrägten Querschnitt, der sich zu dem Aktuator 10 hin erstreckt. Hierdurch wird erreicht, dass der Spalt 14' eine relativ konstante Breite unabhängig von der Position des Aktuators 10 aufweist. Der Hintergrund hierzu ist, dass sich die Seite der Blendenstruktur 22**, die dem Aktuator 10 direkt gegenüberliegt in etwa entlang der Bewegungsbahn (Kreisbahn um den Fixpunkt 10e) erstreckt. Wie hier in Fig. 13b dargestellt, kann die Blende 22** entweder nur nach oben und/oder auch nach unten angeschrägt sein. Der hier dargestellte asymmetrische Aufbau ist also nur exemplarisch, so dass natürlich auch das untere Segment der Blendenstruktur 22** in analoger Weise angeschrägt sein kann, um eine symmetrische Struktur zu erreichen.
  • Dieses Ausführungsbeispiel der Blendenstruktur 22** mit der angeschrägten Innenseite hat den Vorteil, dass eine Spaltaufweitung bei größeren Amplituden verringert bzw. kompensiert werden kann. Eine Anschrägung kann aus herstellungstechnischer Sicht z. B. durch Anpassung des Lackprofils oder des Ätzprozesses realisiert werden.
  • Fig. 13c zeigt eine Weiterentwicklung der Blendenstruktur 22** aus Fig. 13b, nämlich die Blendenstruktur 22***. Die Blendenstruktur 22*** weist eine gebogene/abgerundete Innenseite auf. Diese Rundung erstreckt sich entlang der kreisbogenförmigen Bewegungsbahn des Aktuators 10 bzw. des freien Endes 10f des Aktuators 10. Auch wenn hier die abgerundete Innenseite nur auf der aus dem Substrat heraus erstreckenden Seite dargestellt ist, kann diese abgerundete Innenseite natürlich auch auf der Blendenstrukturseite in der Substratebene vorliegen. Analog zu dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 13b wird durch Blendenstruktur 22*** mit der abgerundeten Innenseite die Spaltaufweitung bei großen Amplituden verringert bzw. kompensiert. Eine Abrundung kann aus herstellungstechnischer Sicht z. B. durch Anpassung des Lackprofils oder des Ätzprofils realisiert sein.
  • Fig. 13d zeigt eine weitere Blendenstruktur, nämlich die Blendenstruktur 22****. Hier weist der Querschnitt am Ende der Blendenstruktur 22**** eine Verbreiterung bzw. einen Überhang auf, der als mechanischer Anschlag für den Aktuator 10 bzw. das freie Ende 10f des Aktuators dient. Dieser Anschlag ermöglicht vorteilhafterweise einen mechanischen Überlastschutz.
  • Fig. 13e zeigt eine weitere Blendenstruktur 22*****, bei welcher die Blendenstruktur 22***** asymmetrisch aufgebaut ist. Hintergrund hierzu ist, dass es Aktuatoren 10 gibt, die primär einseitig ausgelenkt werden, so dass eine vertikale Ausdehnung der Blende 22***** in eine Richtung, hier in der Richtung aus der Substratebene heraus reicht. Auch wenn hier die Auslenkung des Aktuators 10 bzw. die Ausdehnung der Blendenstruktur 22***** nach oben (aus der Substratebene heraus) dargestellt ist, so kann entsprechend Ausführungsbeispielen dies selbstverständlich auch umgekehrt sein, d. h. also, dass sich beide Elemente in das Substrat herein erstrecken. Hierbei sei angemerkt, dass die Verschiebung der Ruhelage des Aktuators durch einen elektrischen Offset im Ansteuersignal oder einem mechanischen Vorsprung (z. B. Schichtstress in Aktuatorschichten) realisiert sein kann.
  • Fig. 13f zeigt ein Beispiel für eine Blendenstruktur 22****** mit einer geringen Ausdehnung. Die Blendenstruktur 22****** kann dann so flach realisiert sein, wenn die Auslenkung des Aktuators (10) gering ist. Beispielsweise liegt die Höhenausdehnung der Blende 22****** im Bereich der Aktuatordicke. Diese Variante hat Vorteile bezüglich der Herstellung, da auf zusätzlich aufgebrachte Blendenstrukturbereiche verzichtet werden kann.
  • Fig. 13g zeigt ein Beispiel für eine Blendenstruktur 22*******, die einerseits aus einem Substratbereich 23s sowie dem eigentlichen Blendenelement 22******* besteht. Die obere Blendenstruktur 22******* kann z. B. als galvanisch aufgebautes Metall oder als Polymer (SU8, BCB, ....) oder auch aus Glas oder Silizium hergestellt sein. Die untere Blendenstruktur 23s besteht primär aus dem Substrat (z. B. Silizium oder Glas) selbst und kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen mit zusätzlichen Schichten versehen sein.
  • Fig. 13h zeigt eine weitere Blendenstruktur ohne ein zusätzlich aufgebrachtes Element. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Biegeaktuator 10 insbesondere in die Substratebene hinein schwingt, so dass auf ein Blendenelement, das aus der Substratebene herausragt, verzichtet werden kann. Hier besteht also das Blendenelement aus dem Substratelement 23s, das die untere Blendenstruktur bildet. An dieser Stelle sein angemerkt, dass, wie bereits oben erläutert, die Ruhelage des Aktuators 10 über mechanische Vorspannung oder einen elektrischen Offset nach unten verschoben werden kann, so dass das hier gebildete Blendenelement 23s ausreicht. In dem Betrieb kann der Aktuator lediglich nach unten ausgelenkt werden, so dass keine Blende nach oben benötigt wird und dann der Herstellungsaufwand reduziert wird.
  • Fig. 13i zeigt eine weitere Blendenstruktur 22********, die im Wesentlichen aus einer dünnen auf das Substratelement 23s aufgebrachten Schicht besteht. Je nach gewünschter Aktuatorauslenkung kann die Schichtdicke des Blendenelements 22******** im Bereich der Aktuatordicke liegen. Das Substrat 23s kann (muss aber nicht) zusätzlich als Blendenstruktur wirken und bündig mit der Blendenstruktur 22******** abschließen oder auch einen Versatz aufweisen.
  • Bezugnehmend auf Fig. 14a bis 14c werden weitere Ausführungsbeispiele erläutert, bei welchen der mikromechanische Schallwandler um ein weiteres Substrat 220a, 220b und 220c (Deckel) erweitert ist. Entsprechend Ausführungsbeispielen formt das weitere Substrat 220a, 220b, 220c die Blendenstruktur.
  • Fig. 14a zeigt ein als Deckel ausgeführtes Substrat 220a, der auf ein Substrat 23s oberhalb einer Kavität 23k des Biegeaktuators 10 aufgesetzt ist, so dass der Biegeaktuator 10 innerhalb des Deckels 220a bzw. innerhalb des Raumes definiert durch den Deckelinnenraum 220a und die Kavität 23 schwingen kann. Der Deckel 220a ist an der Seite gegenüberliegend zu dem freien Ende derart angeordnet, dass die Innenseitenwand des Deckels 220a von dem Ende 10e durch den Spalt 140 getrennt ist. Da in diesem Ausführungsbeispiel der Deckel 220a vollständig geschlossen ist, emittiert der Biegeaktuator 10 beispielsweise den Schall durch die Kavität 23k.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel sei darauf hingewiesen, dass bei allen obigen Ausführungsbeispielen bzw. bei der Erläuterung derer im Wesentlichen davon ausgegangen wird, dass der Schall aus dem Substrat heraus emittiert wird. Selbstverständlich ist es entsprechend Ausführungsbeispielen auch denkbar, dass, der Schall durch das Substrat bzw. durch eine Kavität des Substrats hinausgeführt wird.
  • An dieser Stelle sein angemerkt, dass Fig. 14a einen Querschnitt durch das Substrat 220a darstellt, wobei sich das weitere Substrat beispielsweise kreisförmig oder eckig um den Biegeaktuator 10 erstreckt, um für diesen ein (Rück-) Volumen oder allgemein eine Abdeckung zu schaffen. Aus herstellungstechnischer Sicht sei angemerkt, dass der Deckel 220a beispielsweise durch ein zweites strukturiertes Substrat (also ein Substrat mit einer Kavität) (vgl. Bezugszeichen 221k) hergestellt sein kann. Dieses zweite Substrat wird dann auf das Substrat mit dem Biegeaktuator 10 aufgebracht, so dass die Kavität 221k mit der Kavität 23 zumindest bereichsweise (im Bereich des Spalts 140) fluchtet.
  • Fig. 14b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem modifizierten Deckel 220b, wobei hinsichtlich des restlichen Aufbaus von demselben Aktuator 10 und dem Substrat 23s ausgegangen wird. Der Deckel 220b unterscheidet sich von dem Deckel 220a dadurch, dass dieser optionale Schallöffnungen 222o bzw. 222s aufweist. Die Schallöffnung 222o bzw. die mehreren Schallöffnungen 222o sind auf der Hauptoberfläche des Deckels 220b aufgebracht, während die Öffnung 222s seitlich vorgesehen ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass es entsprechend Ausführungsbeispielen auch ausreicht, dass eine Öffnung, entweder die Öffnung 222o oder die Öffnung 222s vorgesehen wird. Durch diese Öffnungen 222o bzw. 222s kann das eingeschlossene Luftvolumen in der Kavität 221k ventiliert werden. Die Öffnungen können dem Schallaustritt dienen oder einen Druckausgleich ermöglichen. Mehrere Öffnungen können zusammen ein oder mehrere Gitterstrukturen bilden, die den Aktuator vor mechanischen Einwirkungen und Staub schützen.
  • Fig. 14c zeigt einen weiteren Schallwandler mit einem Deckel 220c, der eine Öffnung 222o aufweist. Der Biegeaktuator ist auf einem weiteren Substrat 230s vorgesehen, das eine seitliche Öffnung 232s aufweist. Das Substrat 230s ist auf ein weiteres Substrat 233s bzw. einen Deckel 233s aufgebracht, so dass die Kavität 230k abgeschlossen wird. Dieses weitere Substrat 233s kann ebenfalls optionale Schallöffnungen 233o aufweisen. Hierdurch wird ein geschlossenes bzw. über zumindest eine der optionalen Öffnungen 232s, 233o, 222o ventiliertes Volumen gebildet. Das Volumen ist im Wesentlichen durch die Kavitäten 221k sowie 230k gebildet und über zumindest eine oder mehrere Öffnungen geöffnet. Die Öffnungen können zum Schallaustritt dienen oder einen Druckausgleich ermöglichen. Mehrere Öffnungen können zusammenwirken und eine oder mehrere Gitterstrukturen bilden, die den Aktuator 10 vor mechanischer Einwirkung und Staub schützen.
  • Nachfolgend werden Bezug nehmend auf die Figuren 15a bis 15h unterschiedliche Aktuatorgeometrien erläutert die gegenüber den Geometrien aus Fig. 10 erweitert sind. Bei Darstellungen ist der Aktuator mit dem Bezugszeichen 100 bzw. 100_1 bis 100_4 versehen, während die Blende mit dem Bezugszeichen 225 versehen ist. Zwischen Aktuator und Blende erstreckt sich immer ein Koppelschlitz, der mit dem Bezugszeichen 140 versehen ist.
  • Es soll erwähnt werden, dass bei Ausführungsbeispielen die Aktuatorgeometrie beliebig miteinander kombiniert werden können (z. B. Fig 15f mit abgerundeten oder dreieckigen Aktuatoren).
  • Fig. 15a zeigt eine Draufsicht auf einen abgerundeten Aktuator 100, während Fig. 15b eine Draufsicht auf einen dreiecksförmigen Aktuator 100 zeigt. Gleiche oder auch unterschiedliche Aktuatoren 100 lassen sich beliebig miteinander kombinieren, wie beispielsweise anhand von Fig. 15c, 15d und 15e dargestellt ist.
  • Fig. 15c zeigt hier dreiecksförmige Aktuatoren 100_1 bis 100_4, die in Summe eine viereckige Fläche beschreiben, wobei durch eine kreuzförmig angeordnete Blendenstruktur 225 die vier Aktuatoren 100_1 bis 100_4 voneinander separiert sind. Zwischen Aktuatoren 100_1 bis 100_4 und der Blendenstruktur 225 ist wiederum der Schlitz 145 vorgesehen. Alternativ wären auch Anordnungen mit 3, 5, 6 ... Aktuatoren denkbar. Weiter sei angemerkt, dass die Gesamtfläche nicht zwingend viereckig sein muss, sondern auch mehreckig sein kann.
  • Fig. 15d zeigt zwei gegenüberliegende viereckige Aktuatoren 100_5 und 100_6, die ein Viereck beschreiben. Die viereckigen Aktuatoren bilden 100_5 und 100_6 jeweils drei freie Ecken, die durch die H-förmige Blende 225 mit zugehörigem Schlitz 140 begrenzt sind.
  • Fig. 15e zeigt vier kreissegmentförmige Aktuatoren 100_7 bis 100_10, die ähnlich wie bei Fig. 15c durch eine kreuzförmige Blende 225 mit Schlitz 140 voneinander getrennt sind. Bei der Variante von Fig. 15c ist die Hypotenuse jedes dreieckförmigen Aktuators 100_1 bis 100_4 eingespannt, während bei dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 15e jeweils das Kreissegmentbögen 100_7 bis 100_10 fest eingespannt ist. Alternativ wären auch Anordnungen mit 3, 5, 6 ... Aktuatoren denkbar. Weiter sei angemerkt, dass die Gesamtfläche nicht zwingend viereckig sein muss, sondern auch mehreckig sein kann.
  • Durch die Kombination unterschiedlicher Aktuatoren lassen sich z. B. Mehrwegsysteme realisieren, wie anhand der Fig. 15f, Fig. 15g und Fig. 15h gezeigt ist.
  • Fig. 15f kombiniert z.B. drei unterschiedlich geformte, aber jeweils viereckige Aktuatoren 100_11 bis 100_13, die jeweils an einer der vier Seiten eingespannt sind, wobei drei der vier Seiten freie Enden ausbilden. Zwischen den freien Enden ist eine labyrinthförmige Blende 225 vorgesehen, die unter Verwendung von den Schlitzen 140 die Aktuatoren 100_11 bis 100_13 trennen. Alle Aktuatoren 100_11 bis 100_13 haben z.B. unterschiedliche Größe (Fläche) und können so für unterschiedliche Frequenzbereiche ausgelegt sein.
  • Fig. 15g zeigt zwei Aktuatoren 100_14 und 100_15, wobei der erste 100_14 ein viereckiger kleiner Aktuator ist. Der weitere, größeren Aktuator 100_15 ist ebenfalls viereckig, weist aber eine Aussparung 100_15a für den anderen Aktuator 100_14 auf. Die Aussparung 100_15a ist so angeordnet, dass beide Aktuatoren auf derselben Seite eingespannt sind. Durch einen zwischen den zweit Aktuatoren 100_14 und 100_15 vorgesehenen Schlitz 140 können diese Aktuatoren 100_14 und 100_15 in ihrer Bewegung entkoppelt sein. Der größere Aktuator 100_15 kann beispielsweise für den Tieftonbereich genutzt werden, während der innere Aktuator 100_14 für den Hochtonbereich genutzt werden kann.
  • Fig. 15h zeigt einen ähnlichen Aufbau der Aktuatoren 100_14 und 100_15, wobei zusätzlich zu der Trennung mittels des Schlitzes 140 der zwei Aktuatoren 100_14 und 100_15 auch noch eine weitere Blende 225 vorgesehen ist. Beide Ausführungsbeispiele (Fig. 15g und 15h) haben gemein, dass zumindest entlang der freien Enden des großen Aktuators 100_15 mit der Aussparung 100_15a, in welcher der kleine Aktuator 100_14 angeordnet ist, die Blenden 225 samt Schlitz 140 angeordnet sind. Durch eine derartige innere Verschachtelung bzw. Vorsehung größerer und kleinerer Aktuatoren ist es allgemein möglich, unterschiedliche Frequenzbereiche mit unterschiedlichen Aktuatoren abzudecken.
  • Fig. 16 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen zweiseitig oder mehrseitig eingespannten (vgl. Bereiche10e1 und 10e2) Biegeaktuator 10**, der zumindest eine freie Seite 10f**hat (hier 2). Diese freie Seite 10f** kann, wie oben erläutert durch eine gegenüberliegende Blende 22** (hier 2, entsprechend der erläuterten Varianten) mit dazwischen liegenden Spalt 14 ** akustisch separiert sein.
  • Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde insbesondere davon ausgegangen, dass ein Schallwandler zur Emission von Schall (Lautsprecher) geschaffen werden soll, weshalb auch immer von einem Biegeaktuator gesprochen wurde. Selbstverständlich ist das Prinzip auch umkehrbar, sodass nicht in Übereinstimmung mit der Erfindung durch den Schallwandler ein Mikrophon gebildet wird, bei dem der Biegewandler (vgl. Biegeaktuator) ausgebildet ist, z.B. durch Luft, zur (z.B. vertikalen) Schwingung angeregt zu werden, um in Abhängigkeit hierzu ein elektrisches Signal auszugeben (allgemein die akustischen Wellen aus der Umgebung zu detektieren). Somit wird ein Bauelement geschaffen, das sowohl Lautsprecher und Mikrophon auf Basis oben erläuterten Konzepte umfasst. Hier können die beiden Bauelemente auf dem selben Substrat geformt sein, was aus Fertigungssicht vorteilhaft ist.
    • Quellenangaben
    • [Heu13] Houdouin et al., Acoustic vs electric power response of a high-performance MEMS microspeaker, IEEE SENSORS 2014
    • [Dej12] Dejaeger et al., Development and Characterization of a Piezoelectrically Actuated MEMS Digital Loudspeaker, Procedia Engineering 47 (2012) 184 - 187
    • [Gla13] Glacer et al., Reversible acoustical transducers in MEMS technology, Proc. DTIP 2013,
    • [Yi09] Yi et al., Performance of packaged piezoelectric microspeakers depending on the material properties, Proc. MEMS 2009, 765-768

Claims (17)

  1. Mikromechanischer Schallwandler zur Emission von Schall (1, 1', 1"), der in einem Substrat aufgebaut ist, mit folgenden Merkmalen:
    einem ersten Biegewandler (10), der sich entlang einer Ebene des Substrats erstreckt und ein freies Ende (10f) oder eine freie Seite aufweist und ausgebildet ist, zur vertikalen Schwingung angeregt zu werden, um einen Schall zu emittieren; und
    ein vertikal zu dem ersten Biegewandler (10) erstreckendes Blendenelement (22), das durch einen Spalt (14) von dem freien Ende (10f) oder der freien Seite des ersten Biegewandlers (10) getrennt ist;
    wobei der Spalt (14) kleiner 5% oder kleiner 1% oder kleiner 0,1% oder kleiner 0,01% der Fläche des ersten Biegewandlers (10) ist und wobei der Spalt (14) bei Auslenkung kleiner 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% der Fläche des ersten Biegewandlers (10) ist.
  2. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß Anspruch 1, wobei das Blendenelement (22) aus der Ebene des Substrats herausragt; oder
    wobei das Blendenelement (22) aus der Ebene des Substrats herausragt und wobei das Blendenelement (22) aus einem unbeweglichen Bereich des Substrats herausragt.
  3. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Biegewandler (10) aus der Ebene des Substrats heraus zum Schwingen anregbar ist oder senkrecht zu der Ebene des Substrats zum Schwingen anregbar ist.
  4. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhe des Blendenelements (22) mindestens 50% oder mindestens 100% der maximalen Auslenkung des ersten Biegewandlers (10) im linearen Betrieb oder der maximalen elastischen Auslenkung des ersten Biegewandlers (10) beträgt oder mindestens 3-mal eine Breite des Spalts (14) oder mindestens 1-mal eine Dicke des Biegewandlers (10) oder mindestens 0,1% oder 1% der Länge Biegewandlers (10).
  5. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Blendenelement (22) in seinem Querschnitt eine variierende Geometrie aufweist; oder
    wobei das Blendenelement (22) in seinem Querschnitt eine variierende Geometrie aufweist und wobei die Geometrie derart variiert, dass eine dem Biegewandler (10) zugewandte Fläche entlang einer Bewegungsbahn des freien Endes bei einer vertikalen Schwingung des Biegewandlers (10) gekrümmt oder geneigt ist; oder
    wobei das Blendenelement (22) in seinem Querschnitt eine variierende Geometrie aufweist und wobei das Blendenelement (22) einen mechanischen Anschlag für den Biegewandler (10) aufweist; oder
    wobei das Blendenelement (22) in seinem Querschnitt eine variierende Geometrie aufweist und wobei die Geometrie derart variiert, dass eine dem Biegewandler (10) zugewandte Fläche entlang einer Bewegungsbahn des freien Endes bei einer vertikalen Schwingung des Biegewandlers (10) gekrümmt oder geneigt ist und wobei das Blendenelement (22) einen mechanischen Anschlag für den Biegewandler (10) aufweist.
  6. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich das Blendenelement (22) asymmetrisch aus der Ebene des Substrats heraus und in die Ebene des Substrats herein erstreckt; oder
    wobei sich das Blendenelement (22) symmetrisch aus der Ebene des Substrats heraus und in die Ebene des Substrats hereinerstreckt; und/oder wobei das Blendenelement (22) eine ausgehend von der Ruhelage des Biegewandlers (10) gleiche Höhenausdehnung aus der Ebene des Substrats heraus und in die Ebene des Substrats herein aufweist.
  7. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat das Blendenelement (22) oder einen Teil des Blendenelements (22) innerhalb des Substrats formt.
  8. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mikromechanische Schallwandler (1, 1', 1") einen Deckel aufweist, der im Bereich des ersten Biegewandlers (10) auf das Substrat aufgesetzt ist, so dass zumindest der erste Biegewandler (10) sowie das Blendenelement (22) durch den Deckel oder das erste Substrat (233s) bedeckt sind; oder
    wobei der mikromechanische Schallwandler (1, 1', 1") einen Deckel aufweist, der im Bereich des ersten Biegewandlers (10) auf das Substrat aufgesetzt ist, so dass zumindest der erste Biegewandler (10) sowie das Blendenelement (22) durch den Deckel oder das erste Substrat (233s) bedeckt sind und wobei der Deckel (220a, 220b, 220c) das Blendenelement (22) ausbildet; oder
    wobei der mikromechanische Schallwandler (1, 1', 1") einen Deckel aufweist, der im Bereich des ersten Biegewandlers (10) auf das Substrat aufgesetzt ist, so dass zumindest der erste Biegewandler (10) sowie das Blendenelement (22) durch den Deckel oder das erste Substrat (233s) bedeckt sind, wobei der mikromechanische Schallwandler (1, 1', 1") in dem Deckel eine oder mehrere Öffnungen aufweist; und/oder wobei der mikromechanische Schallwandler (1, 1', 1") in dem Substrat eine oder mehrere Schallöffnungen aufweist.
  9. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mikromechanische Schallwandler (1, 1', 1") einen zweiten Biegewandler (12) mit einem freien Ende umfasst, welcher mit dem ersten Biegewandler (10) in einer gemeinsamen Ebene (e1) angeordnet ist, und das Blendenelement (22) zwischen einer freien Seite des ersten Biegewandlers (10) und einem freien Ende des zweiten Biegewandlers angeordnet ist; oder
    wobei der mikromechanische Schallwandler (1, 1', 1") einen zweiten Biegewandler (12) umfasst, welcher ein freies Ende (12f) aufweist und mit dem ersten Biegewandler (10) in einer gemeinsamen Ebene (e1) angeordnet ist, so dass die eine freie Seite (10f) des ersten Biegewandlers (10) von einem freien Ende (10f) des zweiten Biegewandlers (12) durch einen Spalt (14) getrennt ist, wobei der zweite Biegewandler (12) phasengleich zu der vertikalen Schwingung des ersten Biegewandlers (10) angeregt wird; oder
    wobei der Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") einen zweiten Biegewandler (12) umfasst, welcher ein freies Ende (12f) aufweist und mit dem ersten Biegewandler (10) in einer gemeinsamen Ebene (e1) angeordnet ist, so dass die eine freie Seite (10f) des ersten Biegewandlers (10) von einem freien Ende (10f) des zweiten Biegewandlers (12) durch einen Spalt (14) getrennt ist, wobei der zweite Biegewandler (12) phasengleich zu der vertikalen Schwingung des ersten Biegewandlers (10) angeregt wird und wobei der erste und zweite Biegewandler (10, 12) gleichartige Biegewandler sind.
  10. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß Anspruch 9, wobei der erste und/oder der zweite Biegewandler (12) ein flächiger, trapezförmiger oder rechteckiger Biegewandler ist; oder
    wobei der erste und/oder der zweite Biegewandler (10, 12) ein dreieckiger oder kreissegmentförmiger oder abgerundeter Biegewandler ist.
  11. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei dieser ein oder mehrere weitere Biegewandler umfasst, die in der gemeinsamen Fläche angeordnet sind, so dass deren freie Enden von den freien Enden (10f, 12f) des ersten und/oder des zweiten Biegewandlers (10, 12) durch einen Spalt (14) getrennt sind, wobei der zumindest eine weitere Biegewandler phasengleich zu der vertikalen Schwingung des ersten oder zweiten Biegewandlers (10, 12) zur vertikalen Schwingung angeregt wird; und/oder
    wobei der mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") eine Steuerung umfasst, die den ersten und zweiten Biegewandler (12) so ansteuert, dass diese phasengleich zur vertikalen Schwingung angeregt werden; und/oder
    wobei der mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") eine Sensorik umfasst, die ausgebildet ist, um die vertikale Schwingung und/oder die Position des ersten und/oder des zweiten Biegewandlers (12) zu erfassen.
  12. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spalt (14) im Ruhezustand des ersten Biegewandlers (10) besteht.
  13. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Biegewandler (10) einseitig oder mehrseitig gegenüber dem Substrat und/oder einem Grundelement eingespannt ist.
  14. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß Anspruch 9, 10 oder 11 oder einem der Ansprüche12 oder 13 mit Rückbezug auf Anspruch 9, wobei der erste Biegewandler (10) oder der zweiter Biegewandler (12) jeweils ein erstes und ein zweites Biegeelement umfassen, die in Serie geschaltet sind, um so den jeweiligen Biegewandler zu formen; oder
    wobei der erste Biegewandler (10) oder der zweite Biegewandler (12) jeweils ein erstes und ein zweites Biegeelement umfassen, die in Serie geschaltet sind, um so den jeweiligen Biegewandler zu formen und wobei das erste Biegeelement ein eingespanntes Ende und ein freies Ende (10f) aufweist und das zweite Biegeelement mit seinem eingespannten Ende an das freie Ende (10f) des ersten Biegeelements (10) angreift und mit seinem freien Ende (10f) das freie Ende (10f, 12f) des ersten Biegewandlers (12) formt; oder
    wobei der erste Biegewandler (10) oder der zweite Biegewandler (12) jeweils ein erstes und ein zweites Biegeelement umfassen, die in Serie geschaltet sind, um so den jeweiligen Biegewandler zu formen und wobei das erste Biegeelement über ein flexibles Element mit dem zweiten Biegeelement verbunden ist; oder
    wobei der erste Biegewandler (10) oder der zweite Biegewandler (12) jeweils ein erstes und ein zweites Biegeelement umfassen, die in Serie geschaltet sind, um so den jeweiligen Biegewandler zu formen und wobei das erste Biegeelement ein eingespanntes Ende und ein freies Ende (10f) aufweist und das zweite Biegeelement mit seinem eingespannten Ende an das freie Ende (10f) des ersten Biegeelements (10) angreift und mit seinem freien Ende (10f) das freie Ende (10f, 12f) des ersten Biegewandlers (12) formt und wobei das erste Biegeelement über ein flexibles Element mit dem zweiten Biegeelement verbunden ist; oder
    wobei der erste Biegewandler (10) oder der zweiter Biegewandler (12) jeweils ein erstes und ein zweites Biegeelement umfassen, die in Serie geschaltet sind, um so den jeweiligen Biegewandler zu formen und wobei der mikromechanische Schallwandler einen Rahmen aufweist; oder
    wobei der mikromechanische Schallwandler einen Rahmen aufweist und wobei der Rahmen im Bereich des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Biegeelement angeordnet ist; oder
    wobei der erste Biegewandler (10) oder der zweite Biegewandler (12) jeweils ein erstes und ein zweites Biegeelement umfassen, die in Serie geschaltet sind, um so den jeweiligen Biegewandler zu formen und wobei das erste Biegeelement und das zweite Biegeelement mit unterschiedlichen Steuersignalen angesteuert werden.
  15. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schallwandlers zur Emission von Schall, der in einem Substrat aufgebaut ist, mit einem sich entlang einer Ebene des Substrats erstreckenden, ersten Biegewandler (10), und einem vertikal zu dem ersten Biegewandler (10) erstreckenden Blendenelement (22), mit folgenden Schritten:
    Strukturieren einer Schicht, um den ersten Biegewandler (10) zu formen, so dass er ein freies Ende (10f) oder eine freie Seite aufweist und ausgebildet ist, zur vertikalen Schwingung angeregt zu werden, um einen Schall zu emittieren; und
    Realisierung des vertikalen Blendenelements (22), so dass dieses über die Schicht des ersten Biegewandlers (10) hinausragt und durch einen Spalt (14) von dem freien Ende (10f) des ersten Biegewandlers (10) getrennt ist;
    wobei der Spalt (14) kleiner 5% oder kleiner 1% oder kleiner 0,1% oder kleiner 0,01% der Fläche des ersten Biegewandlers (10) ist und wobei der Spalt (14) bei Auslenkung kleiner 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% der Fläche des ersten Biegewandlers (10) ist.
  16. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß Anspruch 9, wobei der erste und der zweite Biegewandler (10) mit ihrem eingespannten Ende gegenüber einem Substrat (23s) gelagert sind, wobei die Geometrie des ersten Biegewandlers durch die Geometrie des zweiten Biegewandlers (10) eingeschlossen oder umschlossen ist; oder
    wobei der erste und der zweite Biegewandler (10) mit ihrem eingespannten Ende gegenüber einem Substrat (23s) gelagert sind, wobei die Geometrie des ersten Biegewandlers durch die Geometrie des zweiten Biegewandlers (10) eingeschlossen oder umschlossen ist wobei der zweite der zwei Biegewandler (10) eine Aussparung für den ersten der zwei Biegewandler (10) aufweist; oder
    wobei der erste und der zweite Biegewandler (10) mit ihrem eingespannten Ende gegenüber einem Substrat (23s) gelagert sind, wobei die Geometrie des ersten Biegewandlers durch die Geometrie des zweiten Biegewandlers (10) eingeschlossen oder umschlossen ist und wobei die zwei Biegewandler durch einen Schlitz oder einen Schlitz mit Blende separiert sind; oder
    wobei der erste und der zweite Biegewandler (10) mit ihrem eingespannten Ende gegenüber einem Substrat (23s) gelagert sind, wobei die Geometrie des ersten Biegewandlers durch die Geometrie des zweiten Biegewandlers (10) eingeschlossen oder umschlossen ist wobei der zweite der zwei Biegewandler (10) eine Aussparung für den ersten der zwei Biegewandler (10) aufweist wobei die zwei Biegewandler durch einen Schlitz oder einen Schlitz mit Blende separiert sind.
  17. Mikromechanischer Schallwandler (1, 1', 1") gemäß Anspruch 16, wobei die zwei Biegewandler mit zwei unterschiedlichen Steuersignalen oder mit zwei Steuersignalen für zwei unterschiedliche Frequenzbereiche ansteuerbar sind.
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