WO2022053165A1

WO2022053165A1 - Mems-bauelement, hearable, mems-pumpe, lautsprecher und verfahren zum ansteuern eines mems-bauelements

Info

Publication number: WO2022053165A1
Application number: PCT/EP2020/075654
Authority: WO
Inventors: Anton MELNIKOV; Lutz Ehrig; Hermann Schenk
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.; Arioso Systems Gmbh
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2022-03-17
Also published as: TW202222677A; CN117044237A; DE112020007605A5; US20230212002A1

Abstract

Ein MEMS-Bauelement umfasst ein Substrat mit einer Substratebene, ein Masseelement, das eine Ruhelage aufweist und ausgebildet ist, um eine Auslenkung aus der Ruhelage parallel zu der Substratebene und in einem das Masseelement umgebenden Fluid auszuführen. Das MEMS-Bauelement umfasst ferner eine Federanordnung, die zwischen das Substrat und das Masseelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um sich basierend auf der Auslenkung zu verformen. Eine Aktuatorstruktur ist vorgesehen, die mittels einer Kopplung mit dem Masseelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um mittels der Kopplung eine Kraft auf das Masseelement auszuüben, um die Auslenkung und eine Bewegung des Fluids zu bewirken.

Description

MEMS-BAUELEMENT, HEARABLE, MEMS-PUMPE, LAUTSPRECHER UND VERFAHREN ZUM ANSTEUERN EINES MEMS-BAUELEMENTS

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein MEMS-Bauelement, auf einen Nahfeldlautsprecher, ein Hearable und eine MEMS-Pumpe mit einem solchen MEMS-Bauelement und auf ein Verfahren zum Ansteuern eines MEMS-Bauelements. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen MEMS-basierten Nahfeldlautsprecher.

Ein mechanischer Resonator ist ein elastischer oder akustischer Feder-Masse-Schwinger. Ein solcher Schwinger weist eine Eigenfrequenz auf. Wird ein Resonator mit einem harmonischen Signal sehr nah oder genau bei der Eigenfrequenz angeregt, entstehen große Schwingungsamplituden, was auch Resonanz genannt wird. Das heißt, eine Zuführung von kleinen Energien kann sehr große Amplituden verursachen, was wiederum gezielt eingesetzt werden kann, um Frequenzgänge von akustischen oder elastischen Systemen zu justieren. Unterhalb der Eigenfrequenz wird das Verhalten des Resonators durch die statische Steifigkeit (potenzielle Energie) dominiert und die Auslenkung ist immer in Phase zu der Erregung. Oberhalb der Eigenfrequenz wird das Schwingverhalten durch die Masse (kinetische Energie) bestimmt und die Auslenkung ist gegenphasig zur Erregung. Die Eigenfrequenz berechnet sich als Quadratwurzel der effektiven Steifigkeit geteilt durch die effektive Masse.

Die Schwierigkeit bei MEMS, insbesondere bei MEMS-Lautsprechern besteht darin, Resonatoren mit tiefen Eigenfrequenzen zu konstruieren und diese in die Schallführung einzukoppeln. Ein tieffrequenter Helmholtzresonator (rein akustisches Feder-Masse-System) würde zwar sehr gut in das Schallfeld einkoppeln, benötigt jedoch zu viel Platz, so dass eine Umsetzung als MEMS nicht wirtschaftlich ist. Ein passiver elastischer tieffrequenter Resonator kann aber so ausgeführt werden, dass es im MEMS untergebracht werden kann. Nichtsdestotrotz ist ein solches Design viel aufwändiger als es aus der allgemein technischen Mechanik bekannt ist. Wenn Federn mit sehr kleinen und für MEMS üblichen Abmessungen hergestellt werden, so führt dies zu großen Steifigkeiten und gleichzeitig sind die schwingenden Massen sehr gering. Dies wiederum führt dazu, dass die Eigenfrequenzen von solchen kleinen Schwingern im Allgemeinen wesentlich höher liegen und im Be- reich tiefer Eigenfrequenzen nur begrenzt umzusetzen sind. Des Weiteren ist die Einkopplung von rein mechanischen Schwingungen in die akustische Region ebenfalls nicht trivial und konstruktiv sehr aufwändig.

In US 2009/0189481 A1 ist ein Design für einen mikromechanischen Resonator beschrieben. Hierbei ist ein Federelement gezeigt, dass mit Kammelektroden verbunden ist. Die Breite des Federelements ist größer als die Breite der Kammelektroden. Durch die Wahl einer geeigneten Breite des Federelements kann auf die Steifigkeit des Gesamtsystems Einfluss genommen werden. Die Steifigkeit des Gesamtsystems ist jedoch im laufenden Betrieb nicht einstellbar.

Eine Miniaturlautsprechergruppe, die einen Helmholtzresonator enthält, ist in US 2019/0082252 A1 beschrieben. Die dargestellte Lösung hat zum Ziel, die Frequenzbandbreite für Mikrolautsprecher zu vergrößern. Obwohl die Lösung für MEMS geeignet erscheint, basiert sie auf einer aufwändigen Verwendung von Membranen. Das beschriebene System weist eine geringe Eigenfrequenz auf, da von viskosen Verlusten des umgebenden Fluids, in diesem Fall Luft, auszugehen ist. In diesem Dokument dient die umgebende Luft als fluidische Masse. Für eine Ausführung als MEMS-Bauteil können jedoch keine Merkmale übernommen werden.

In EP 3 531 713 A1 ist ein Miniaturlautsprecher offenbart, der durch eine Membran gekennzeichnet ist. Diese ist von Schallkanälen so umgeben, dass das mit der Membran interagierende Fluid eine akustische Masse darstellt. Die akustische Masse sorgt dafür, dass die zweite Resonanz im Frequenzgang der Lautsprecher in einem hörbaren Bereich angesiedelt ist. Es sind jedoch keine Merkmale offenbart, die eine Einsteilbarkeit der Eigenfrequenz des Resonators offenbaren. Auch in diesem Dokument dient die umgebende Luft als fluidische Masse.

Wünschenswert wären insofern MEMS-Bauteile, Nahfeldlautsprecher, Hearables und MEMS-Pumpen sowie Verfahren zum Ansteuern eines MEMS-Bauteils, die eine geringe Eigenfrequenz aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Bauelement ein Substrat mit einer Substratebene. Das MEMS-Bauelement umfasst ein Masseelement, das eine Ruhelage aufweist und ausgebildet ist, um eine Auslenkung aus der Ruhelage parallel zu der Substratebene und in einem das Masseelement umgebenden Fluid auszuführen. Das MEMS- Bauelement umfasst eine Federanordnung, die zwischen das Substrat und das Masseelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um sich basierend auf der Auslenkung zu verformen. Ferner ist eine Aktuatorstruktur vorgesehen, die mittels einer Kopplung mit dem Masseelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um mittels der Kopplung eine Kraft auf das Masseelement auszuüben, um die Auslenkung zu bewirken und eine Bewegung des Fluids zu bewirken.

Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, mittels eines parallel zur Substratebene (in-plane) mittels einer Federanordnung aufgehängten Masseelements eine Eigenfrequenz eines derartigen Schwingers bereitzustellen, die dann mittels einer Aktuatorstruktur durch die Kopplung angeregt wird. Derartige Strukturen lassen sich in zahlreichen Freiheitsgraden einstellen, klein und kostengünstig herstellen und in zahlreichen Anwendungen einsetzen.

Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Nahfeldlautsprecher, ein Hearable (smarte bzw. intelligente Kopfhörer/Ohrhörer), auf ein MEMS-Mikrophon, auf eine MEMS- Pumpe, die einen oder mehrere solcher MEMS-Bauelemente aufweisen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Verfahren zum Ansteuern eines MEMS-Bauelements, das ein Substrat mit einer Substratebene, ein Masseelement, das eine Ruhelage aufweist und ausgebildet ist, um eine Auslenkung aus der Ruhelage parallel zu der Substratebene und in einem das Masseelement umgebenden Fluid auszuführen, eine Federanordnung, die zwischen das Substrat und das Masseelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um sich basierend auf der Auslenkung zu verformen, und eine Aktuatorstruktur, die mittels einer Kopplung mit dem Masseelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um mittels der Kopplung eine Kraft auf das Masseelement auszuüben, um die Auslenkung zu bewirken und eine Bewegung des Fluids zu bewirken. Die Aktuatorstruktur ist über einen ersten Pfad mit einem Volumen gekoppelt und das Masseelement an einer der Aktuatorstruktur abgewandten Seite über einen zweiten Pfad mit dem Volumen gekoppelt. Das Verfahren weist eine ansteuernde Aktuatorstruktur auf, um einen ersten Schalldruckpegel über den ersten Pfad in das Volumen abzustrahlen und um einen zweiten, verschiedenen Schalldruckpegel über den zweiten Pfad in das Volumen abzustrahlen. Durch die Kopplung zwischen Aktuatorstruktur und Masseelement kann das Masseelement dergestalt angeregt werden, dass eine Schalldruckamplitude anders und insbesondere höher ist als eine Schalldruckamplitude, die mittels des Aktuators erzeugt wird, was vorteilhaft, insbesondere für kleine Strukturen, die für hohe Schalldruckpegel, beispielsweise in einer Anwendung als Nahfeldlautsprecher ausgelegt werden können, ist.

Weitere Ausführungsbeispiele sind der Gegenstand abhängiger Patentansprüche.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements mit einseitiger Massenaufhängung, gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 1 b eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem ein Masseelement zweiseitig aufgehängt ist;

Fig. 1c eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Masseelement mittels einer Federanordnung entlang zweier unterschiedlicher, verschiedener Schwingrichtungen schwingfähig aufgehängt ist;

Fig. 2a-d unterschiedliche Ansichten eines mikromechanischen Wandler mit einem nicht einstellbaren Mikroresonator gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 3a-c unterschiedliche Ansichten eines mikromechanischen Wandler mit einem nicht einstellbaren Mikroresonator gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem ein Mikroresonator zwischen einem aktiv auslenkbaren Element und einer passiv ausgestalteten Berandung angeordnet ist;

Fig. 4a-c unterschiedliche Ansichten eines MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einen Mikroresonator, der bezüglich der Resonanzfrequenz einstellbar ist; Fig. 5a-c unterschiedliche Ansichten eines MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel mit aktiv auslenkbare Federelemente, die als sogenannter Mikromuskel gebildet sind;

Fig. 5d-f unterschiedliche Ansichten möglicher Implementierungen von Mikromuskeln gemäß Ausführungsbeispielen;

Fig. 6a-c verschiedene Ansichten eines MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel, das anstelle der aktiven Elemente passive Begrenzungselemente aufweist, die benachbart zum Masseelement angeordnet sind;

Fig. 7 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Resonator gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 8a-c schematische Draufsichten auf Mikroresonatoren mit unterschiedlichen Federstrukturen;

Fig. 9a-e unterschiedliche Ansichten eines MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Mehrzahl von Masseelementen aufweist;

Fig. 9f ein schematisches Diagramm zur Erläuterung des Frequenzganges erfindungsgemäßer MEMS-Bauteile in Abhängigkeit eines Q-Faktors;

Fig. 10a-b unterschiedliche Ansichten eines MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Mehrzahl von Masseelementen aufweist und eine starre Kopplung zu einer Aktuatorstruktur vorgesehen ist;

Fig. 10c eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Mehrzahl von Masseelementen aufweist und zwischen zwei Masseelementen eine fluidische Kopplung zu einer gemeinsamen Aktuatorstruktur vorgesehen ist;

Fig. 11a-b schematische Draufsichten auf MEMS-Bauelemente gemäß Ausführungsbei- spieien, die in einem Gehäuse angeordnet sind; Fig. 12 eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem Öffnungen eines Gehäuses zu unterschiedlichen Teilkavitäten an einer gleichen Seite des Gehäuses angeordnet sind;

Fig. 13a ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel; und

Fig. 13b ein schematisches Diagramm zweier unterschiedlicher Frequenzbereiche, die durch das Verfahren aus Fig. 13a erhalten werden können, gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.

Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer Detaildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit gegenteilig beschrieben ist.

Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mikroelektromechanische Bauelemente (MEMS-Bauelemente). Manche der hierin beschriebenen MEMS-Bauelemente können mehrschichtige Schichtstrukturen sein. Derartige MEMS können beispielsweise durch Prozessieren von Halbleitermaterialien auf Wafer-Level erhalten werden, was auch eine Kombination mehrerer Wafer oder die Abscheidung von Schichten auf Wafer-Ebenen beinhalten kann. Manche der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele gehen auf MEMS- Ebenen ein. Als eine MEMS-Ebene wird eine nicht notwendigerweise zweidimensionale oder ungekrümmte Ebene verstanden, die sich im Wesentlichen parallel zu einem prozessierten Wafer erstreckt, etwa parallel zu einer Hauptseite des Wafers bzw. des späteren MEMS. Eine Ebenenrichtung kann als eine Richtung innerhalb dieser Ebene verstanden werden, was auch mit dem englischen Begriff „in-plane“ bezeichnet werden kann. Eine Richtung senkrecht hierzu, das bedeutet, senkrecht zu einer Ebenenrichtung kann vereinfacht als Dickenrichtung bezeichnet werden, wobei der Begriff der Dicke keine Limitierung im Sinne einer Orientierung dieser Richtung im Raum entfaltet. Es versteht sich, dass hierin verwendete Begriffe wie „Länge“, „Breite“, „Höhe“, „oben“, „unten“, „links“, „rechts“ und dergleichen lediglich zur Illustration hierin beschriebener Ausführungsbeispiele herangezogen werden, da ihre Lage im Raum beliebig veränderbar ist.

Manche der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Lautsprecher-Konfiguration oder Lautsprecher-Funktion eines entsprechenden MEMS- Bauelements beschreiben. Es versteht sich , dass diese Ausführungen mit Ausnahme der alternativen oder zusätzlichen Funktion einer sensorischen Auswertung des MEMS- Bauelements bzw. der Bewegung oder Position beweglicher Elemente hiervon auf eine Mikrophon-Konfiguration bzw. Mikrophon-Funktion des MEMS-Bauelements übertragbar sind, so dass derartige Mikrophone ohne Einschränkungen weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen.

Fig. 1 a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements 1 Ch gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MEMS-Bauelement 10i umfasst ein Substrat 12, das in einer Substratebene 14 angeordnet ist. Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um ein vergleichsweise steifes Material handeln, etwa umfassend ein Halbleitermaterial wie Silizium oder Galliumarsenid, was auch Materialkombinationen umfasst, beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid und auch andere Materialien, etwa Metalle, Keramiken/oder Glasmaterialien nicht ausschließt.

Das MEMS-Bauelement 10i umfasst ein Masseelement 16, das eine Ruhelage aufweist. Als eine Ruhelage kann eine Lage, Orientierung und/oder Position verstanden werden, die von dem Masseelement 16 eingenommen wird, ohne dass ein zusätzlicher Krafteinfluss, etwa durch Aktuatoren und dergleichen in das System eingebracht wird. Die Ruhelage kann jedoch ohne Weiteres das Vorhandensein diverser Kräfte umfassen, etwa Gewichtskräfte und/oder Kräfte, die durch angeordnete Federelemente oder durch Kräfte basierend auf nicht ausgelenkten aktiv verformbaren Elementen, die mit einem bspw. elektrischen Signal beschältet sind, oder dergleichen eingebracht werden. Das Masseelement 16 ist ausgebildet, um eine Auslenkung aus der Ruhelage parallel zu der Substratebene und in einem das Masseelement umgebenden Fluid auszuführen. Die Substratebene 14 ist beispielsweise parallel zu einer x/y-Ebene dargestellt. Die Bewegung parallel zu der Substratebene bzw. in-plane kann insofern eine Bewegung des Masseelements 16 entlang der x-Richtung und/oder y-Richtung umfassen.

Das MEMS-Bauelement 10i umfasst ferner eine Federanordnung 22, die zwischen das Substrat 12 und das Masseelement 16 gekoppelt ist und ausgebildet ist, um sich basierend auf der Auslenkung zu verformen. Die Federanordnung 22 umfasst zumindest ein Federelement 22i , dass eine derartige Verformung ausführt. Das Federelement 22i kann beispielsweise elastisch gebildet sein und als mechanische Feder wirken. Obwohl das Federelement 22i Materialien aufweisen kann, die von einem Material des Substrats 12 und/oder einem Material des Masseelements 16 verschieden sind, können zumindest zwei der Elemente oder auch alle drei aus dem Substrat 12, dem Masseelement 16 und dem Federelement 22i einstückig gebildet sein und beispielsweise mittels lokalselektiver Ätzung oder anderer mechanisch wirksamer subtraktiver oder additiver Verfahren gebildet werden.

Das MEMS-Bauelement 10i umfasst eine Aktuatorstruktur 24, die mittels einer Kopplung mit dem Masseelement 16 gekoppelt ist und ausgebildet ist, um mittels der Kopplung eine Kraft F auf das Masseelement 16 auszuüben, um die Auslenkung des Masseelements 16 zu bewirken, was eine Bewegung des Fluids 18 bewirkt. Durch zyklisches oder gar reso- nantes Hin- und Herbewegen des Masseelements 16 kann ein Schalldruckpegel in dem Fluid 18 erzeugt werden, der beispielsweise für Lautsprecheranwendungen und/oder Mikrophonanwendungen oder auch andere Konzepte des fluidischen Transports verwendet werden kann, beispielsweise für MEMS-Pumpen.

Obwohl das MEMS-Bauelement 10i so dargestellt ist, dass die Kraft F im Wesentlichen senkrecht zu einer Richtung orientiert ist, entlang derer das Federelement 22T das Substrat 12 mit dem Masseelement 16 verbindet, kann die Aktuatorstruktur 24 auch so eingerichtet werden, dass die Kraft F im Wesentlichen parallel, beispielsweise gleichsinnig oder gegensinnig, zu der Richtung wirkt, entlang der das Federelement 22i angeordnet ist, nämlich entlang der x-Richtung.

Die Kopplung zwischen der Aktuatorstruktur 24 und dem Masseelement 16 kann ein mechanisches Element umfassen, beispielsweise ein vergleichsweise starres, steifes oder unelastisches Element, ein elastisches Element, etwa ein Federelement und/oder kann eine fluidische Kopplung umfassen, bei der das Fluid 18 eine Kraftübertragung zwischen der Aktuatorstruktur 24 und dem Masseelement 16 bereitstellt. So kann beispielsweise mittels der Aktuatorstruktur 24 das Fluid 18 in Bewegung versetzt werden, was wiederum einen Krafteintrag, die Kraft F, auf das Masseelement 16 wirken lassen kann, umso die Auslenkung des Masseelements 16 zu bewirken.

Die Aktuatorstruktur 24 kann elektrostatische, piezoelektrische und/oder thermomechanische Elektroden umfassen, wobei auch andere Elemente vorgesehen sein können, die eine Bewegung des Masseelements 16 bereitstellen können, beispielsweise unter Anwendung magnetischer Kräfte.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel bilden das Masseelement 16 und die Federanordnung 22 zumindest einen Teil eines Feder-Masse-Systems, das eine Schwing-Eigenfrequenz aufweist. Diese kann gemeinhin, unter Vernachlässigung der Dämpfung, als

"Ü = m beschrieben werden, wobei cu ₀ die Eigenkreisfrequenz, c die Federsteifigkeit des Federele- ments/der Federanordnung und m die Masse des Masseelements für den Fall eines Ein- Masse-Schwingers ist.

Ausführungsbeispiele sind nicht auf einen Ein-Masse-Schwinger begrenzt, sondern lassen sich ohne Einschränkungen auch für Mehr-Masse-Schwinger implementieren.

Fig. 1 b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie es für das MEMS-Bauelement 10i beschrieben ist, kann das Masseelement 16 und die Federanordnung 22 zumindest einen Teil eines Feder- Massesystems mit einer Schwing-Eigenfrequenz aufweisen, welche durch die Aktuatorstruktur 24 angeregt werden kann. Verglichen mit dem MEMS-Bauelement 101 kann das MEMS-Bauelement IO2 eine Federstruktur 22, zwei Federelemente 22i und 22 aufweisen, die das Masseelement 16 beidseitig mit dem Substrat 12 verbinden, das bedeutet, die Federelemente 22i und 222 können als gemeinsame, seriell verschaltete Federstruktur betrachtet werden. Hierdurch kann eine Stabilität der Bewegung und/oder Position des Masseelements 16 vergrößert werden, da das Masseelement 16 beidseitig gestützt ist.

Während das Masseelement 16 im MEMS-Bauelement 101 einseitig aufgehängt ist, ist es im MEMS-Bauelement 102 zumindest zweiseitig an zwei gegenüberliegenden Seiten mittels der Federanordnung 22 aufgehängt. Fig. 1c zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Masseelement 16 mittels der Federanordnung 22 entlang zweier unterschiedlicher, verschiedener Schwingrichtungen schwingfähig aufgehängt ist. Hierzu ist beispielsweise ein Federelement 22i entlang der x-Richtung und ein zweites Federelement 222 senkrecht hierzu, beispielsweise parallel zur y-Richtung zwischen das Substrat 12 und das Masseelement 16 mechanisch gekoppelt. Die beiden Richtungen können, müssen aber nicht senkrecht zueinander sein, es können beliebige andere, voneinander verschiedene Richtungen implementiert werden, die beispielsweise innerhalb oder parallel zur x/y-Ebene angeordnet sind oder auch im dreidimensionalen Raum voneinander verschieden sind.

Das Federelement 22i kann eine Federsteifigkeit Ci aufweisen, während das Federelement 222 eine Federsteifigkeit C2 für eine Expansion oder Kompression entlang der Pendelrichtung oder Schwingrichtung x für das Federelement 22i bzw. y für das Federelement 222 aufweist. Die beiden Federsteifigkeiten Ci und C2 können eine jeweilige Schwing-Eigenfrequenz des Masseelements 16 entlang der jeweiligen Federrichtung beeinflussen, wobei hier Quersteifigkeiten des jeweils anderen Federelements berücksichtigt werden können. Durch das Vorsehen unterschiedlicher Federsteifigkeiten Ci und 02 kann eine Resonanzfrequenz entlang der Schwingrichtung x von einer Resonanzfrequenz entlang der Schwingrichtung y durch die Federsteifigkeit C2 voneinander verschieden sein.

Die unterschiedlichen Aufhängungsformen der MEMS-Bauelemente 10i, und s sind miteinander kombinierbar. So kann beispielsweise ein zusätzliches Federelement vorgesehen sein, das an der gegenüberliegenden Seite des Masseelements 16 bezogen auf das Federelement 222 und/oder gegenüberliegend zum Federelement 22i angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich können weitere, zusätzliche Federelemente vorgesehen sein, um das Masseelement 16 aufzuhängen.

Zum Anregen des Masseelements 16 aus der Ruhelage kann die Aktuatorstruktur 24 ein oder mehrere Teilelemente 24i und/oder 242 aufweisen, die ausgebildet sind, um Kräfte Fi parallel zur x-Richtung und/oder F2 parallel zur y-Richtung zu erzeugen. Auch wenn die Kraftrichtung nicht parallel zu der jeweiligen Federrichtung ist, können zumindest Kraftvektoren der erzeugten Kraft eine Auslenkung entlang dieser Richtung erzeugen. Optional ist es ferner möglich, durch die Kombination der Anordnung unterschiedlicher Federelemente 22i und 222 entlang unterschiedlicher Richtungen, eine Schwingung entlang einer Diagonal-Richtung zu ermöglichen, etwa in der x/y-Ebene.

Die Aktuatorstruktur kann zumindest teilweise in einer gemeinsamen Ebene parallel zu der Substratebene angeordnet sein und entlang einer Auslenkrichtung der Auslenkung lateral benachbart zu dem Masseelement angeordnet sein, um die Kraft Fi und/oder F2 zumindest teilweise parallel zu der Substratebene bereitzustellen.

Obwohl die MEMS-Bauelemente 10i, 1Ü2 und IO3 S0 beschrieben sind, dass die Federanordnung 22 jeweils einzelne Federelemente 22, 22i und/oder 222 vorsieht, kann jedes dieser Federelemente durch weitere, seriell und/oder parallel verschaltete Federelemente ergänzt werden, so dass jedes dieser Federelemente auch als Federanordnung mit zumindest einem Federelement verstanden werden kann. In den MEMS-Bauelementen 1 Ü2 und s Sind zumindest zwei Federanordnungen vorgesehen, die an unterschiedlichen Stellen zwischen das Substrat 12 und das Masseelement 16 gekoppelt sind und ausgebildet sind, um sich basierend auf der Auslenkung zu verformen. Das Masseelement 16 ist dabei zwischen der ersten Federanordnung und der zweiten Federanordnung angeordnet.

Fig. 2a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Masseelement 16 ist dabei an gegenüberliegenden Seiten mittels Federanordnungen 22a umfassend Federelemente 22i und 222 sowie 22b umfassend Federelemente 22s und 224 mit dem Substrat 12 verbunden. Entlang einer positiven und negativen y-Richtung bezogen auf das Masseelement 16 sind Aktuatorstrukturen 24i und 24a angeordnet, so dass das Masseelement 16 zwischen den Aktuatorstrukturen 24i und 242 angeordnet ist.

Auf eine konkrete Ausführungsform der Aktuatorstrukturen 24i und/oder 242 wird später noch detailliert eingegangen, es kann sich aber beispielsweise um Strukturen handeln, bei denen Aktuatorsegmente 26i, 262, 263 und 264 seriell miteinander und über diskrete Bereiche 28i, 282 und 283 miteinander mechanisch gekoppelt sind, wobei jedes dieser Segmente drei an diskreten Bereichen elektrisch voneinander isoliert, mechanisch miteinander gekoppelte Balkenelemente 32i, 322 und 32s aufweisen kann, die beispielsweise basierend auf einer individuellen Aktuierung und/oder elektrostatischer Kräfte zwischen den Balkenelementen verformbar sind. Hierdurch kann eine Bewegung der Aktuatorstrukturen 24T und/oder 242 entlang positiver und/oder negativer y-Richtung erhalten werden, so dass Fluid 18 zwischen den Aktuatorstrukturen 24i und 24₂ in Bewegung versetzt wird, eine Kompression und/oder Dekompression erfolgt und somit Kräfte F1 und/oder F2 auf das Masseelement 16 einwirken können, um dieses entlang der positiven und/oder negativen y-Richtung auszulenken.

Eine Schwing-Eigenfrequenz, beispielsweise eine erste Eigenfrequenz, aber auch die Eigenfrequenzen höherer Ordnungen können über die Federsteifigkeiten der Federelemente 22i bis 224 sowie eine Masse des Masseelements 16 unter Vernachlässigung der Dämpfung einstellbar sein. Basierend auf konstanten Massen und/oder Federsteifigkeiten kann die Resonanzfrequenz im Wesentlichen unverändert bleiben oder sich im Rahmen, etwa durch Temperaturänderung oder dergleichen, geringfügig verändern.

Die Federanordnung bzw. die Federelemente und das Masseelement 16 können einstückig ausgebildet sein, beispielsweise durch selektives Herausformen oder Herausätzen aus einem Material, das später auch das Substrat 12 zumindest teilweise bereitstellt. Hierfür kann beispielsweise ein beliebiges MEMS-Material vorgesehen sein. Die Federelemente können durch eine Aussparung in dem MEMS-Material gebildet sein. Die Aussparung kann beispielsweise schlitzförmig gerade gebildet sein oder eine andere Geometrie aufweisen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a weist die Aussparung 45 eine U-förmige Geometrie auf, etwa indem zwei äußere Schenkel durch einen dazwischen angeordneten mittleren Schenkel verbunden sind. Zumindest eines der Federelemente ist an dem Bereich eines äußeren Schenkels 45A und/oder 45B gebildet, wie es für die Federelemente 22a und 22₄ in Fig. 2d dargestellt ist. Dort sind die Schenkel 45A und 45B über die mittleren Schenkel 45C miteinander verbunden. Die Aussparung 45 kann auch eine zusätzliche oder andere Geometrie aufweisen, beispielsweise eine H-förmige Geometrie, die so verstanden werden kann, dass sich der Schenkel 45C in einem Mittenbereich der Schenkel 45A und 45B erstreckt bzw. dass eine weitere U-förmige Geometrie vorgesehen ist, die achssymmetrisch um den Schenkel 45C vorgesehen ist.

Fig. 2b zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des MEMS-Bauelements 20 aus Fig. 2a zur Verdeutlichung der Anordnung dreier im Wesentlichen parallel zueinander verlaufender Balken 32i, 32a und/oder 32s, die an den diskreten Bereichen 28, dargestellt durch den diskreten Bereich 283, segmentweise gekoppelt sind. Wie es erläutert ist, kann die Aktuatorstruktur 24i und/oder 242 elektrostatische, piezoelektrische und/oder thermomechanische Elektroden umfassen oder auf anderen Aktuatorprinzipien basieren. Fig. 2c zeigt eine schematische Draufsicht auf das MEMS-Bauelement 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem ferner dargestellt ist, dass das MEMS-Bauelement Teil einer Schichtstruktur ist. Beispielhaft ist eine Begrenzungsschicht 34 vorgesehen, die eine Kavität, in welcher das Fluid 18 angeordnet ist, beispielhaft entlang der negativen z-Richtung begrenzen kann. Es kann eine weitere Begrenzungsschicht entlang der positiven z-Richtung vorgesehen sein. Dies ist beispielhaft durch Öffnungen 362 in der nicht dargestellten zusätzlichen Begrenzungsschicht entlang der positiven z-Richtung dargestellt. Die Begrenzungsschicht 34 kann ebenfalls Öffnungen 36i aufweisen. Das Masseelement 16 kann zusammen mit den Federelementen 22i bis 224 und den Resten des Substrats 12 die Kavität, die durch die Aktuatorstrukturen 24i, 242 sowie die Begrenzungsschichten zumindest teilweise definiert wird, in Teilkavitäten 38i und 38? unterteilen, die beispielhaft entlang unterschiedlicher Richtungen +z/-z durch Öffnungen 362 bzw. 36i mit einer Umgebung des MEMS-Bauelements verbunden sind.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel verbinden die Öffnungen 36i und 36? die Kavität im Inneren des MEMS-Bauelements mit unterschiedlichen, gegenüberliegenden Seiten des MEMS-Bauelements. Gemäß Ausführungsbeispielen wird die Teilkavität 38i an einer ersten Seite des Masseelements 16 senkrecht zu der Auslenkrichtung y durch zumindest eine erste Öffnung mit einer Umgebung des MEMS-Aktuators fluidisch verbunden. Die Teilkavität 382 wird an einer zweiten Seite, die ausgehend vom Masseelement 16 der ersten Seite gegenüberliegend angeordnet ist, durch zumindest eine weitere Öffnung 362 mit der Umgebung des MEMS-Bauelements fluidisch verbunden, wobei die erste Öffnung und die zweite Öffnung gegenüberliegend an unterschiedlichen Seiten des MEMS-Bauelements angeordnet sind.

Das Masseelement 16 kann zwischen der ersten Begrenzungsschicht 34 und der nicht dargestellten zweiten Begrenzungsschicht in der Schichtstruktur angeordnet sein. Ein Abstand zwischen dem Masseelement 16 und der Begrenzungsschicht 34 und/oder der nicht dargestellten weiteren Begrenzungsschicht kann so gewählt sein, dass zumindest in einem Betrieb außerhalb des Resonanzbereichs ein akustischer Kurzschluss zwischen den Teilkavitäten 38i und 382 verhindert ist.

Fig. 2d zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Teil des MEMS-Bauelements aus Fig. 2c, beispielhaft ohne die Begrenzungsschicht 34, das heißt beispielsweise ohne den Bodenwafer. Erkennbar ist die beidseitige Aufhängung des Masseelements 16 über jeweils zwei parallel zueinander verschaltete Federelemente 22i und 22a bzw. 22s und 224. Ausführungsbeispiele stellen MEMS-Bauelemente bereit, die Federanordnungen aufweisen, die mehr als zwei parallel miteinander verschaltete Federelemente aufweisen. So können beispielsweise drei, vier, fünf oder auch eine höhere Anzahl von Federelementen parallel zueinander verschaltet werden.

In anderen Worten zeigen die Fig. 2a bis 2d einen Mikroresonator in Übereinstimmung mit einem Grundprinzip, der im Hinblick auf seine Eigenfrequenz nicht einstellbar ist.

Die Fig. 2a-d zeigen in einem Ausführungsbeispiel einen mikromechanischen Wandler mit einem nicht einstellbaren Mikroresonator 44 mit dem Masseelement 16 und verbindenden Federn 22 in einem ersten Grundprinzip. Hierbei ist der Mikroresonator 44 zwischen zwei aktiv auslenkbaren Elementen 24i und 242 angeordnet, wie es beispielsweise in Fig. 2a dargestellt ist. Der Mikroresonator 44 folgt den Bewegungen der aktiv auslenkbaren Elemente 24i/24a über eine fluidische Kopplung durch das Fluid 18. Mechanisch ist der Mikroresonator 44 über die Verbindungselemente 22^ bis 22₄ mit dem umgebenden Substrat 12 verbunden. In einem ersten Zeitintervall lenken die aktiven Elemente 24i und 242 in eine erste Richtung, parallel zur Substratebene aus und befördern Fluid über die Öffnungen 36i aus dem Bodenwafer heraus. Im selben Zeitintervall wird Fluid über die Öffnungen 362 im Deckelwafer in die Kavitäten hineinbefördert. In einem zweiten Zeitintervall lenken die aktiven Elemente 24i und 242 in eine zweite Richtung, die entgegengesetzt zur ersten Richtung verläuft, aus. So wird Fluid über die Öffnungen 362 im Deckelwafer aus den Kavitäten herausbefördert und über Öffnungen 36i im Bodenwafer in die Kavitäten hineinbefördert.

Eine Höhe oder Abmessung der der Aktoren entlang der z-Richtung kann bspw. in einem Bereich von zumindest von 1 pm und und/oder höchstens 1 mm liegen, die angegebenen Werte jeweils inklusive, bevorzugt zwischen 30 pm und 150 pm, besonders bevorzugt bei in etwa 75 pm.

Eine Höhe der Mikroresonatoren kann in Ausführungsbeispielen in einem Bereich zwischen von 1 pm und 5 mm liegen, bevorzugt in einem Bereich zwischen 400 pm und 650 pm.

Die Steifigkeit der Verbindungselemente 22i bis 22₄ kann maßgeblichen Einfluss auf die erzielbare Resonanzfrequenz haben. Gleichermaßen kann durch die spezifische Masse des Masseelements 16 auf die resultierende Resonanzfrequenz Einfluss genommen werden, siehe Fig. 2a. In der Resonanz wird durch die große Schwingungsamplitude des Resonators (Masse 16 und Federelemente 22i bis 224) dessen Wirkung als Trennwand signifikant verringert, wodurch ein akustischer Kurzschluss zwischen den beiden Luftkammern oder Teilkavitäten 38i und 382 entstehen kann. Dadurch wird die Schallwelle nicht mehr in die Austrittsöffnungen 36i und 362 geleitet und es entsteht in dem Frequenzbereich um die Resonanz eine Senke im Frequenzgang.

Fig. 3a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dieses unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel des MEMS-Bauelements 20 dadurch, dass beispielhaft anstelle einer Aktuatorstruktur ein vergleichsweise starrer, passiver Substratfortsatz oder ein anderes starres Element als Begrenzungsstruktur für die Teilkavität 38i ausgehend vom Resonator 44 gebildet wird. Das Masseelement 16 kann einseitig über die Aktuatorstruktur 24 zu Schwingungen angeregt werden. Wie es im Zusammenhang mit dem MEMS-Bauelement 20 beschrieben ist, kann das Masseelement 16 parallel zu der Auslenkrichtung y, eine erste Teilkavität 38i begrenzen, die durch das Masseelement oder eine damit verbundene Struktur einerseits und mit einer ersten Begrenzungsstruktur andererseits zumindest teilweise umschlossen ist. Die Teilkavität 38i kann durch zumindest eine erste Öffnung, etwa die Öffnungen 362 aus Fig. 2c mit einer Umgebung des MEMS-Bauelements fluidisch verbunden sein. Das Masseelement kann parallel zu der Auslenkrichtung und gegenüberliegend zu der Teilkavität 38i eine zweite Teilkavität 382 mit einer zweiten Begrenzungsstruktur zumindest teilweise umschließen, die durch zumindest eine zweite Öffnung, etwa die Öffnung 36i mit der Umgebung des MEMS-Bauelements fluidisch verbunden ist. Zumindest eine der Begrenzungsstrukturen ist dabei beweglich angeordnet, wobei es möglich, aber nicht erforderlich ist, dass diese aktiv gebildet ist. Wie es im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen beschrieben ist, kann es sich um ein elektrisch passives Element handeln, das über ein andernorts angeordnetes Aktuatorelement bewegt wird, etwa in einer anderen MEMS-Ebene verglichen mit dem Masseelement 16. Optional sind beide Begrenzungsstrukturen beweglich angeordnet, weiter optional ist zumindest eine der Begrenzungsstrukturen aktiv gebildet, um sich basierend auf einer Ansteuerung zu verformen.

Fig. 3b zeigt eine schematische Draufsicht auf das MEMS-Bauelement 30 aus Fig. 3a. Fig. 3c zeigt eine schematische Draufsicht auf den Resonator 44 des MEMS-Bauelements 30 aus Fig. 3a und/oder 3b, welcher gegenüber dem Resonator des MEMS-Bauelements 20 unverändert sein kann.

In anderen Worten bezieht sich das MEMS-Bauelement 30 auf einen Mikroresonator 44 gemäß einem Grundprinzip in einerweiteren Variante, bei dem die Resonanzfrequenz nicht einstellbar ist. Boden- und/oder Deckelwafer können vorgesehen sein. In den Fig. 3a-c ist somit ein alternatives Grundprinzip des mikromechanischen Wandlers mit einem nicht einstellbaren Mikroresonator 44 dargestellt. Innerhalb der Schichtebene ist der Mikroresonator 44 zwischen einem aktiv auslenkbaren Element 24 und einer passiv ausgestalteten Berandung 42 einer Teilkavität gebildet. Im Vergleich zu den Fig. 2a-d unterscheidet sich der Mikroresonator 44 nicht. Auch ist die mechanische Kopplung des Gewichts 16 über die Verbindungselemente 22i bis 224 mit dem umgebenden Substrat 12 gewährleistet. Die Teilkavität, die durch das aktive Element 24 und den Mikroresonator 44 gebildet ist, kann ein Rückvolumen für das aktiv auslenkbare Element 24 darstellen. Vorteilhaft erfolgt in der Teilkavität 38i zwischen der festen Berandung und dem Mikroresonator 44 eine Anhebung der Frequenz im Bereich der Resonanz des Resonators 44 im Frequenzgang.

Fig. 4a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Federanordnung aktiv gebildet ist und ausgebildet ist, um basierend auf einer veränderlichen Ansteuerung der Federanordnung eine veränderliche Federsteifigkeit für die Auslenkung des Masseelements 16 bereitzustellen. Das bedeutet, anstelle passiver Federelemente können aktive Federelemente 22‘i, 22‘a, 22‘s und/oder 22‘₄ vorgesehen sein, wobei bevorzugt alle, möglicherweise aber jedoch nur einige der Federelemente aktiv ansteuerbar sind. Basierend auf elektrostatischen Kräften, piezoelektrischen Kräften, magnetischen Kräften oder thermischen Kräften können wirksame Federsteifigkeiten der Federelemente 22‘ 1 bis 22'₄ verändert werden, womit auch die Resonanzfrequenz eines somit erhaltenen aktiv steuerbaren Resonators 44¹ einstellbar sein kann. Das bedeutet, die Resonanzfrequenz kann unter Verwendung der aktiven Federelemente 22‘i bis 22‘₄ noch nach erfolgter Auslegung oder Herstellung verändert werden, etwa um eine Anpassung an einen veränderlichen Betriebszustand und/oder einen veränderlichen Betriebszustand selbst zu ermöglichen. Die Resonanzfrequenz kann somit aktiv einstellbar sein, während für passive Federelemente eine passive Einstellbarkeit über die Strukturauslegung erfolgen kann. Ein derartiges Konzept kann beispielsweise mittels der sogenannten „virtuellen Steifigkeit“ implementiert werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eines oder mehrere der Federelemente 22S bis 22‘₄ ebenfalls umfassend drei parallel oder nebeneinander verlaufenden Balkenelemente, wie es im Zusammenhang mit der Aktuatorstruktur 24i und 242 beschrieben ist. Die Ansteuerung dieser Aktuator-Federn kann individuell und unabhängig von den Aktuatorstrukturen 24i und 24z erfolgen. Das Masseelement und die Federanordnung können zumindest einen Teil eines Feder-Massesystems bilden, das eine Schwing-Eigenfrequenz aufweist. Das MEMS-Bauelement 40 kann ausgebildet sein, um basierend auf der veränderlichen Federsteifigkeit eine veränderliche Schwing-Eigenfrequenz bereitzustellen. Die veränderliche Schwing-Eigenfrequenz ist ohne weiteres auch für eine Auslenkung des Masseelements 16 entlang mehrerer Richtungen implementierbar, wie es im Zusammenhang mit der Fig. 1c beschrieben ist.

Fig. 4b zeigt eine schematische Draufsicht auf das MEMS-Bauelement 40. Verglichen mit den MEMS-Bauelementen 20 und/oder 30 sind die Federanordnungen bzw. Federelemente als aktive Federelemente 22‘i bis 22‘4 gebildet.

Fig. 4c zeigt eine schematische Draufsicht auf den Resonator 44¹. In der Draufsicht ist die Konfiguration der aktiven Federelemente 22h bis 22‘4 deutlich zu erkennen. Drei nebeneinander verlaufende Balken 46i, 462 und 46a können an diskreten Bereichen elektrisch isoliert zueinander fixiert sein und basierend auf einer Ansteuerung eine Bewegung ausführen, wobei die Bewegung sich als veränderliche wirksame, virtuelle Steifigkeit auswirken kann. Das bedeutet, die Federanordnung kann eine aktive Struktur mit einer Mehrzahl von beweglichen Schichtanordnungen aufweisen. Jede bewegliche Schichtanordnung kann einen ersten, zweiten und dritten Balken 46i bis 46s aufweisen. Der Balken 46z ist zwischen den Balken 46i und 46s angeordnet und von denselben an diskreten Bereichen elektrisch isoliert fixiert angeordnet. Die Schichtanordnung ist beispielsweise ausgebildet, um ansprechend auf ein elektrisches Potenzial zwischen dem Balken 46z und dem Balken 46s oder ansprechend auf ein elektrisches Potenzial zwischen dem Balken 46z und dem Balken 46i eine Bewegung entlang einer Bewegungsrichtung parallel zu der Substratebene auszuführen, um die Federsteifigkeit zu beeinflussen. Beispielhafte Aktuatoren, die für die Beeinflussung der Federsteifigkeit verwendet werden können, sind beispielsweise in WO 2012095185 A1 , WO 2020078541 A1 , DE 10 2015 206 774 A1 , DE 10 2014 225 934 A1 oder DE 10 2015 215 919 A1 beschrieben.

Für die Federanordnung kann eine aktive Struktur mit zumindest einem Biegewandler als Aktor aufweisen, der ein auslenkbares Element aufweist und das Folgendes aufweist: einen sich entlang einer Flächenschwerpunktphase des auslenkbaren Elements erstreckenden mikroelelektromechanischen Wandler, der bei Anlegen eines ersten elektrischen Signals des auslenkbaren Elements in eine erste Richtung auslenkt und einen zweiten, sich entlang der Flächenschwerpunktphase erstreckenden mikromechanischen Wandler, der bei Anlegen eines zweiten elektrischen Signals das auslenkbare Element in eine zweite, zu der ersten entgegengesetzten Richtung auslenkt. Die Flächenschwerpunktphase befindet sich zwischen einander abgewandten Seiten des ersten und des zweiten mikroelektromechanischen Wandlers. Eine elektrische Ansteuerung, die ausgebildet ist, um das erste elektrische Signal und das zweite elektrische Signal abhängig von einem Eingangssignal zu variieren, ist vorgesehen, so dass eine Änderung des ersten elektrischen Signals und eine Änderung des zweiten elektrischen Signals abhängig von dem elektrischen Eingangssignal ist. Die Phasen des ersten und zweiten elektrischen Signals sind zueinander verschoben.

Alternativ oder zusätzlich umfasst die Federanordnung eine Schichtstruktur mit einer in der Schichtstruktur angeordneten Kavität, die durch zumindest eine Öffnung in der Schichtstruktur mit einer äußeren Umgebung der Schichtstruktur fluidisch gekoppelt ist. Ferner weist die Schichtstruktur eine in der ersten MEMS-Ebene und in der Kavität entlang einer Ebenenrichtung beweglich angeordneten Interaktionsstruktur auf, die ausgebildet ist, um mit einem Fluid in der Kavität zu interagieren, wobei eine Bewegung der Interaktionsstruktur mit einer Bewegung des Fluids durch die zumindest eine Öffnung kausal zusammenhängt. Eine in einer zweiten, senkrecht zu der Ebenenrichtung angeordnete MEMS- Ebene angeordnete aktive Struktur ist vorgesehen, die mit der Interaktionsstruktur mechanisch gekoppelt ist, und die konfiguriert ist, dass ein elektrisches Signal an einem elektrischen Kontakt der aktiven Struktur mit einer Verformung der aktiven Struktur kausal zusammenhängt. Die Verformung der aktiven Struktur kann mit einer Bewegung des Fluids kausal Zusammenhängen.

In anderen Worten zeigen die Fig. 4a bis 4c einen Mikroresonator, der bezüglich der Resonanzfrequenz einstellbar ist und hierfür beispielsweise ANED (asymmetrische nanoskopi- sche elektrostatische Antriebe/electrostatic drives) verwendet werden. Fig. 4b zeigt dabei eine Draufsicht mit Öffnungen in der Kavität im Bodenwafer und im Deckelwafer, letztere dabei gestrichelt. Der mikromechanische Wandler bzw. das MEMS-Bauelement 40 ist dabei vergleichbar mit den zuvor dargestellten Beispielen der Mikroresonatoren zwischen den lateral benachbarten Schallwandlern 24i und 242 angeordnet, wodurch in der Schicht des MEMS Teilkavitäten 38i und 382 ausgebildet sind. Im Gegensatz zu den MEMS- Bauelementen 20 und/oder 30 erfolgt die mechanische Kopplung der Masse 16 über mikromechanische Aktuatoren 22h bis 22'4. Durch Anlegen eines Signals kann auf die Steifig- keit des Verbindungselements Einfluss genommen werden. Die aktiven Verbindungselemente können durch hier bekannte NED-Aktuatoren gebildet sein, wobei die Fig. 4a-c eine sogenannte ANED-Konfiguration beschreiben.

Fig. 5a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ebenfalls aktiv auslenkbare Federelemente 22“i bis 22^U4 aufweist, die als sogenannter Mikromuskel gebildet sind.

Fig. 5b zeigt eine schematische Draufsicht auf das MEMS-Bauelement 50 aus Fig. 5a.

Fig. 5c zeigt eine schematische Draufsicht auf den Mikroresonator 44“ des MEMS- Bauelements 50. Dort sind bereits Details der Muskelaktuatoren für die Federelemente 22“i bis 22^U4 dargestellt, die in den Fig. 5d, 5e und 5f weiter ausgeführt werden.

Fig. 5d zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Teil einer möglichen Aktuatorstruktur 24, die bspw. als Mikromuskel bezeichnet werden kann. Die Aktuatorstruktur oder aktive Struktur 24 kann eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Elektrodenelementen 48i bis 48e umfassen, wobei eine Gesamtanzahl der Elektrodenelemente größer 2, größer 4, größer 6, größer 8, größer 10 oder auch größer 20, größer 30, größer 50 oder höher sein kann. Die Elektroden können als plattenartige Strukturen gebildet sein, die in einem, möglicherweise theoretischen, Referenzzustand in etwa parallel zu einander sind, so dass die Hauptseiten der Elektroden einander zugewandt sind. Als Hauptseite wird eine Seite verstanden, die gegenüber zwei Hauptseiten verbindenden Nebenseiten eine vergleichsweise große Flächenausdehnung aufweist. Aus diesem Referenzzustand können die Elektroden gemäß manchen Ausführungsbeispielen vorausgelenkt sein, wie es bspw. in Fig., 3a gezeigt ist.

Auch Hauptseiten benachbarter Elektrodenpaare, etwa 52i und 52a, 52a und 52s oder 52₃ und 524 können einander zugewandt angeordnet sein. Ein jeweiliges Elektrodenpaar 52i bis 524 kann so ausgestaltet sein, dass bei Anlegen eines elektrischen Potenzials, etwa mittels des Signals 32, ein Abstand h_gap zwischen den Elektroden zumindest lokal reduziert wird, um zumindest einen Teil eines Aktuator-Hubs bereitzustellen. Durch serielles Hinter- einanderschalten mehrerer Paare kann ein hoher Gesamthub der aktiven Struktur 24 erhalten werden. In Mittenbereichen 54i bis 54₈ der Elektroden kann ein jeweiliges Elektrodenpaar mit einem benachbarten Elektrodenpaar beziehungsweise dem umgebenden Substrat oder einer tragenden Struktur verbunden sein. Hierzu können Abstandselemente 56i bis 56ß angeordnet werden, die optional auch elektrisch isolierend gebildet sein können, um eine elektrische Isolierung benachbarter Elektroden bereitzustellen. Alternativ kann eine elektrische Isolierung als auch Beschichtung an den Elektrodenelementen vorgesehen sein und/oder durch elektrische Isolierung von Elektroden desselben Elektrodenpaares 52 zueinander, etwa durch Abstandselemente 58i bis 58₈. Die Abstandselemente 58i bis 58₈ können jedoch alternativ oder zusätzlich auch mittels des umgebenden Substrats, etwa der Schicht 12₈ realisiert werden. So kann eine elektrische Isolierung anstelle der Abstandselemente 58i bis 58₈ auch über das umgebende Medium (oder Vakuum) im Zusammenspiel mit dem Substrat bereitgestellt werden. Es besteht ferner die Möglichkeit, benachbarte Elektroden unterschiedlicher Paare mit einem selben Potenzial zu beaufschlagen, womit im Bedarfsfall auf eine elektrische Isolierung diesen Orts für diese Elektroden auch verzichtet werden kann.

Das bedeutet, die Elektrodenelemente eines Elektrodenpaares können sowohl durch diskrete äußere Abstandselemente 58 in einem Randbereich der Elektrodenelemente mechanisch fixiert sein und/oder die Elektrodenelemente können in einem Randbereich derselben mit der Schichtstruktur mechanisch fixiert sein, um einen Abstand h_ti zwischen den Elektrodenelementen einzustellen, der ansonsten über die Abstandselemente 58 einstellbar ist.

Im Randbereich kann der Abstand hti gering gehalten werden, etwa in einem Bereich von 0,01 pm bis 200 pm, bevorzugt von 0,3 pm bis 3 pm und besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 ,3 pm.

Mittels der inneren Abstandselemente 54i bis 54₆ kann zwischen den Elektrodenpaaren ein vergleichbarer oder gleicher Abstand eingestellt werden, wie zwischen einzelnen Elektroden, die mittels der äußeren Abstandselemente 58 erhalten werden.

Durch Anlegen eines elektrischen Potenzials zwischen Elektrodenelementen eines Elektrodenpaares 52 kann entlang einer Richtung innerhalb der MEMS Ebene 14₂, beispielsweise entlang y, eine Längenänderung des Elektrodenpaares und somit ein Hub der aktiven Struktur 24 bewirkt werden, die an die Interaktionsstruktur 24 übertragen werden kann. Aufgrund der Anordnung der zumindest in Teilen optionalen Abstandselemente 56 in Mittenbereichen 54 können diese als innere Abstandselemente bezeichnet werden. Die optionalen Abstandselemente 58 im äußeren Bereich oder Randbereichen können als Abstandselemente bezeichnet werden.

Die aktive Struktur 24 kann eine Vielzahl von Elektrodenpaaren 52 aufweisen, die jeweils in einem Mittenbereich mit Elektrodenelementen benachbarter Elektrodenpaare an disktre- ten Stellen mechanisch fest verbunden sind, etwa durch die inneren Abstandselemente 54.

In anderen Worten zeigt Fig. 5d einen Teil eines auslenkbaren Elements der aktiven Struktur 24, die auch als Mikromuskel bezeichnet werden kann und die eine Vielzahl zueinander in einem diskreten Abstand angeordneter leitfähiger Balken/Elektroden 48 umfassen kann. Diese Balken sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein dotiertes Halbleitermaterial und stellen jeweils zumindest eine Elektrode dar, beispielsweise aus Metall oder Silizium, vorzugsweise aber Silizium. Gegenüberliegende Balken sind über ein elektrisch nichtleitendes Medium miteinander verbunden. Das nichtleitende Medium kann auch eine isolierende Abstandshalterschicht sein, in die in einer ersten und einer zweiten Erstreckungsrichtung des auslenkbaren Elements segmentiert ist. Das bedeutet, die Balken können durch einen isolierenden Abstandshalter 56 und/oder 58 miteinander verbunden sein. Weitere Ausführungsbeispiele beinhalten gasförmige, flüssige oder feste nichtleitende Medien. Im Falle von gasförmigen und flüssigen Abstandshalterschichten können die auslenkbaren Elemente zusätzlich am Substrat befestigt werden. Bei einem festen nichtleitenden Medium ist die Elastizität bevorzugt kleiner als die Elastizität des festen leitenden Mediums. Die Balken werden mit einer elektrischen Spannung versorgt, so dass zwischen zwei benachbarten auslenkbaren Elementen eines Elektrodenpaares, etwa 48i und 482, ein Potenzial- unterschied besteht. Dieser Potenzialunterschied erzeugt eine elektrostatische Kraft und die Balken werden zueinander angezogen. Die Elastizität des nichtleitenden Mediums oder der segmentierten, isolierenden Abstandshaltschichten 56 und/oder 58 kann eine Rückstellkraft zur Verfügung stellen. Es kann auch eine Rückstellkraft aus der Elastizität der leitenden Balken 48 gewonnen werden. Dafür können isolierende Festkörper, die den isolierenden Abstandshaltern 58 entsprechen, zwischen den leitenden Festkörpern angeordnet werden, etwa indem die Abstandshalter 56 implementiert werden. Eine mögliche Anordnung der Abstandshalterelemente 56 und 58 ist beispielsweise ein sogenanntes „Ziegelsteinmuster“, wodurch die Stützstellen zwischen den leitenden Medien von Reihe zu Reihe alternieren, so dass die nächste Stützstelle immer zwischen zwei Stützstellen der benachbarten Reihe ist. Die entsprechende Struktur ist eine periodische Struktur aus sich wiederholenden Einzelzellen 52, was jedoch nicht zwingend notwendig ist. Beim Erzeugen eines Potenzialunterschiedes zwischen den benachbarten leitenden Festkörpern kann die Gesamtstruktur deformiert werden.

In Fig. 5d bezeichnet l_ceii eine Dimension einer Muskelzelle entlang der x-Richtung, i eine Dimensionierung einer Stützstelle entlang der x-Richtung, h_tj eine Dimensionierung einer Stützstelle entlang der y-Richtung, h_eiec eine Dimensionierung einer Elektrode entlang der y-Richtung und h_gap einen Abstand zwischen zwei Elektroden entlang der y-Richtung. Die genannten Parameter können jeweils einzeln und unabhängig implementiert werden, können aber auch an einander angepasst werden. Jeder dieser Parameter kann bspw. innerhalb eines Bereichs von zumindest 0.01 pm und höchstens 200 pm liegen, L_ceii bspw. auch bis 1500 pm. Besonders bevorzugt für eine spezielle Implementierung sind bspw. lceii = 124 pm, Iti = 4 pm, h_gap (in einem Referenzzustand minimaler bzw. maximaler Aktuatorauslenkung) = 1 ,3 pm, heiec = 1 pm und/oder h_ti = 1 pm, jeweils abänderbar und/oder innerhalb gewisser Toleranzen.

Bei einer Aktuierung kann eine Änderung des Werts h_gap (beispielsweise eine Verkürzung) entlang der y-Richtung erfolgen und je nach der geometrischen Ausführung eine Veränderung des Werts l_ceii entlang der x-Richtung. Je nachdem, wie die Ankopplung an ein möglicherweise passives Widerstandselement beziehungsweise Koppelteilelement realisiert ist, wird eine der Verformungsrichtungen x oder y auf das Koppelteilelement 28b übertragen. Mittels einer Kopplung kann die Kraft in eine andere MEMS-Ebene übertragen werden. Durch die Anreihung der weiteren Zellen nebeneinander entlang der y-Richtung und/oder der x-Richtung kann die Verschiebung der Richtung beziehungsweise die Kraft der einzelnen Zelle mit der Anzahl der Zellen erfüllt oder multipliziert werden.

Die Geometrie des auslenkbaren Elements 24 (in anderen Worten die Muskelzelle oder der Mikromuskel) kann dabei genutzt werden, gezielt die Steifigkeit in x-Richtung und/oder y- Richtung einzustellen. Außerdem kann die Kraft pro Auslenkung angepasst oder optimiert werden, beispielsweise an eine „Stress-Strain-Curve“ (Zug-Druck-Kurve). Bei der Schallerzeugung ist zunächst für die Ausgangssituation viel Auslenkung mit relativ wenig Kraft erforderlich. Wenn das verdrängte Volumen zunimmt, erhöht sich die Rückstellkraft des Fluids (beispielsweise Luft) auf den Muskel. Dann ist es nötig, mehr Kraft für Auslenkung zu generieren. Die Wahl der Zellgeometrie erlaubte die Kraftänderung während des Auslenkvorgangs einzustellen. Weiterhin kann das Verhältnis aus Längenänderung in y- zu x-Richtung (effektive Poissonzahl der Struktur) über die Zellgeometrie angepasst werden. Durch die passende Wahl der Zellgeometrie können Muskeln mit einer effektiven Poissonzahl kleiner 0 designt werden. Solchen Strukturen, die als auxetische Strukturen bezeichnet werden, können ganz besondere Eigenschaften bei einer Verkrümmung zeigen. Diese Eigenschaften bieten Potential für Verbesserungen des Muskels hinsichtlich des vertikalen Pull- In.

Fig. 5e zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Teil einer möglichen Ausgestaltung einer Aktuatorstruktur 24 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gegenüber der Fig. 5d können die gleichen Elemente vorgesehen sein und zusätzlich kann zwischen benachbarten Elektroden 48i und 48z, 48s und 484, 48s und 48@ und/oder 48? und 48s eine elektrisch isolierende Schicht 59i, 592, 59a beziehungsweise 594 vorgesehen sein. Die isolierenden Schichten 59 können elektrisch isolierende Materialien, etwa Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder andere isolierende Materialien umfassen, insbesondere AI2O3.

Obwohl die elektrisch isolierenden Schichten 59i bis 594 so dargestellt sind, dass sie eine Abmessung entlang der y-Richtung aufweisen, die gegenüber den äußeren Abstandshaltern 58 dünner ausgeführt ist, können sie alternativ auch eine gleiche oder größere Di- cke/Ausdehnung aufweisen, womit beispielsweise eine Endposition während der Aktuie- rung einstellbar oder beeinflussbar ist. Die Dicke kann gleichmäßig oder entlang der x-Rich- tung variabel sein.

Die elektrisch isolierenden Schichten 59i bis 594 können zwischen den äußeren Abstandselementen aufgehängt sein, die in einem Randbereich der Elektroden des Elektrodenpaares 52i bis 524 angeordnet sind, um die Elektroden mechanisch zu fixieren. Alternativ kann eine Anordnung der isolierenden Schichten 59i bis 594 auch an dem Substrat oder anderen feststehenden Strukturen erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann eine entsprechende Konfiguration auch erhalten werden, indem die äußeren Abstandselemente 58 als eine durchgängige, ggf. lokal ausgedünnte Schicht zwischen den Elektroden angeordnet werden.

In anderen Worten zeigt Fig. 5e ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer isolierenden Abstandshalterschicht. Der dargestellte alternative Abstandshalter 59 stellt eine Verbindung zwischen den Abstandshaltern 58 dar und ist beispielsweise stoffschlüssig mit diesen verbunden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Abstandshalter 58 und 59 aus demselben Material. Vorteilhaft wird dadurch die dielektrische Konstante im Spalt vergrößert. Daneben ergibt sich auch eine Verbesserung bezüglich der Steifigkeit der auslenkbaren Elemente in deren Dickenrichtung. Ebenfalls können Kurzschlüsse zwischen den Elektroden vermieden werden, etwa beim lateralen Pull-In. Ferner kann die Zuverlässigkeit der aktiven Struktur 24 verbessert werden, weil die sogenannte kalte Anodisierung reduziert beziehungsweise vermieden werden kann.

Fig. 5f zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Teil der aktiven Struktur 24 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das die Ausgestaltung der Fig. 5d weiterführt. In einem Bereich der im Zusammenhang mit Fig. 5d als innere Abstandhalter 54 bezeichneten Elemente können weitere Elektroden, etwa die Elektrode 48? angeordnet werden, die mit einem oder mehreren Elektroden oder Abschnitten hiervon ein weiteres Elektrodenpaar 52s bilden, etwa indem unterschiedliche Potentiale angelegt werden. Anders ausgedrückt kann durch entsprechende Beabstandung und Fixierung mittels Elektroden unterschiedlicher Elektrodenpaare ein weiteres Elektrodenpaar definiert werden. Es kann eine Art Wabenmuster erhalten werden, was hohe Kräfte bei gleichzeitig hoher Stabilität bietet.

In anderen Worten zeigen die Fig. 5a bis 5f ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen Schallwandlers oder einer mikromechanischen Pumpe mit einem einstellbaren Mikroresonator. Vergleichbar zu den vorherigen Mikroresonatoren ist die Masse 16 über auslenkbare Elemente 22“i bis 22^u4 mit dem umgebenden Substrat 12 mechanisch gekoppelt. Das auslenkbare Element ist ein Wisch-Aktuator.

Vorteilhaft ergibt sich durch die Verwendung dieses neuartigen Aktuators eine hohe aufbringbare Kraft des Aktors.

Fig. 6a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Verglichen mit dem MEMS-Bauelement 20 können anstelle der aktiven Elemente 24i und 24a passive Begrenzungselemente 62i und 62a vorgesehen sein, die elektrisch passiv ausgebildet sein können, wie es im Zusammenhang mit dem starren Element 42 beschrieben ist. Anders als das starre Element 42 des MEMS- Bauelements 30 können die Begrenzungselemente 62i und 62a jedoch flexibel ausgestaltet sein, beispielsweise indem eine Abmessung entlang der Bewegungsrichtung y vorgesehen ist, die höchstens 5 pm, höchstens 10 pm oder höchstens 20 pm beträgt, während das starre Element 42 beispielsweise und bei Verwendung vergleichbarer Materialien, etwa Silizium, eine Abmessung von zumindest 15 pm oder weniger, zumindest 30 pm oder zumindest 45 pm aufweist. Bei starren Elementen kann bspw. aufgrund der Packungsdichte ein Auslegungskriterium darin liegen, diese Abmessung möglichst klein zu wählen. So kann die Auslegung bspw. bei in etwa 15 pm beginnen, da je nach Länge des Elements auch bereits 15 pm, ggf. weniger ausreichen können, damit das Element als starr agiert bzw. eine hinreichende Biegesteifigkeit aufweist. Alternativ kann auch eine Betrachtung über die mechanische Steifigkeit erfolgen, die für die Begrenzungselemente 62 beispielsweise im Bereich von zumindest 1 N/m und höchstens 10.000 N/m liegen kann, während das starre Element 42 als Festkörper betrachtet werden kann.

Die Begrenzungselemente 62i und 62₂ können einzeln mit Aktuatorstrukturen gekoppelt sein, beispielsweise Aktuatorstrukturen 24i und 24₂, die beispielhaft entlang positiver oder negativer z-Richtung in dem MEMS-Bauelement angeordnet sind, das bedeutet, in einer anderen MEMS-Ebene als das Masseelement 16. Optional können Koppelelemente 661 und/oder 66₂ vorgesehen sein, die mechanisch fest mit den Begrenzungselementen 62i und 62₂ verbunden sind, um eine Bewegung eines der Begrenzungselemente 62i und 62₂ mit einer Bewegung des anderen Elements mechanisch zu verkoppeln, so dass eine Bewegung eines dieser Elemente bzw. des Koppelelements auch zu einer Bewegung des anderen Elements führt. Dies ermöglicht beispielsweise die Anordnung eines gemeinsamen Aktuators, welcher mit zumindest einem der Koppelelemente 661 oder 66₂ gekoppelt ist, um eine Bewegung der Begrenzungselemente 62i und 62₂ auszulösen. Eine andere Anzahl von lediglich einem oder mehr als zwei Koppelelementen kann vorgesehen sein.

Die Begrenzungselemente 62i und 62₂ können als Interaktionselemente verstanden werden, die mittels ihrer Bewegung ebenfalls das Fluid 18 bewegen können. Die Begrenzungselemente 62i und 62₂ können somit passive Elemente zur Schallerzeugung darstellen. Das MEMS-Bauelement 60 kann ohne weiteres auch mit aktiv ausgestalteten Federelementen für eine Einstellung der Resonanzfrequenz eingerichtet werden.

Die Begrenzungselemente 62i und 62₂ können somit ungeachtet einer möglicherweise passiven Ausgestaltung Teil der Aktuatorik sein und als Aktuatorstrukturelement verstanden werden. Optional kann eines der Begrenzungselemente 62i und 62₂ auch als starres Element 42 implementiert werden, wobei dann auf eine Kopplung der Elemente mittels Koppelelemente 66 verzichtet werden kann. Eines oder beide der Aktuatorstrukturelemente 62 können in einer gemeinsamen Ebene mit dem Masseelement 16 angeordnet sein, um die Teilkavitäten 38i und 38₂ zusammen mit dem Masseelement 16 bzw. dem Resonator zumindest teilweise zu definieren. Die Aktuatorstrukturelemente bzw. Begrenzungselemente 62i und/oder 62₂ können über Koppelelemente 661 und/oder 66₂ mit einer aktiven Struktur mechanisch gekoppelt sein. Diese aktive Struktur kann ausgebildet sein, um die Aktuatorstrukturelemente 62i und 622 über das Koppelelement 661 bzw. 662 mechanisch auszulenken, um eine Bewegung in dem Fluid 18 zu erzeugen, die mittels der Kopplung die Auslenkung des Masseelements 16 bewirkt.

In anderen Worten zeigt Fig. 6a ein MEMS-Bauelement 60 mit einem Mikroresonator, der hinsichtlich der Resonanzfrequenz nicht aktiv einstellbar gebildet ist, so dass die Resonanzfrequenz des MEMS-Bauelements vergleichsweise unveränderlich ist, etwa im laufenden Betrieb, und eine Koppelstange oder mehrere Koppelstangen aufweisen kann, die orthogonal zu einem Verlauf der Federn angeordnet sind. Nicht dargestellt ist der Antrieb, der beispielhaft als vorgenannter Mikromuskel implementiert ist, wie er beispielsweise im Zusammenhang mit den Federelementen 22“i bis 22“₄ gebildet ist. Die Koppelelemente 661 und 662 können gegenüber dem Mikroresonator 44 beweglich bleiben, so dass eine Relativbewegung zwischen dem Mikroresonator 44 und den Koppelelementen erfolgen kann. Optional kann zumindest eines der Koppelelemente 661 und/oder 662 auch mechanisch fest mit dem Mikroresonator 44 bzw. dem beweglichen Substratfortsatz gekoppelt sein.

Fig. 6b zeigt eine schematische Draufsicht auf das MEMS-Bauelement 60, bei dem ebenfalls ersichtlich ist, dass Öffnungen 363 ohne weiteres auch die Kavität seitlich im umgebenden Substrat mit einer Umgebung verbinden können, das bedeutet, die Öffnungen 363 können in der MEMS-Ebene angeordnet sein, in welcher sich auch teilweise das Masseelement 16 befindet.

Die Öffnungen alternativ oder zusätzlich zu einer Positionierung in einer Begrenzungsschicht oder Deckelschicht in einer seitlichen Anordnung vorzusehen, ist ohne weiteres auch mit anderen hierin beschriebenen MEMS-Bauelementen kombinierbar, etwa dem MEMS-Bauelement 10, 20, 30, 40 und/oder 50.

Fig. 6c zeigt eine schematische Draufsicht auf den Resonator 44, wobei zusätzlich Teile der Koppelelemente 661 und 662 dargestellt sind.

In anderen Worten zeigen die Fig. 6a bis 6c in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Anordnung von passiv auslenkbaren Elementen 62i und 622 in einer weiteren Schicht des MEMS-Schichtsystems. In einer ersten Schicht sind die aktiv auslenkbaren Elemente angeordnet, etwa der im Zusammenhang mit den Fig. 5d bis 5f beschriebene Muskelaktuator oder Aktuatorik, wie sie in WO 2012/095185 A1 , WO 2020/078541 A1 , DE 10 2015 206 774 A1 , DE 10 2014 225 934 A1 und/oder DE 10 2015 210 910 A1 beschrieben ist. In einer zweiten angrenzenden Schicht sind passive auslenkbare Elemente 62i und 622, die über Koppelelemente 661 und 662 mit dem aktiv auslenkbaren Elementen der ersten Schicht verbunden sein können. Die passiv auslenkbaren Elemente 62 sind fluidisch mit dem Resonator 44 gekoppelt. Hinsichtlich des Verfahrens zum Betreiben der Resonatoren bleibt die Funktionsweise vergleichbar zu anderen hierin beschriebenen MEMS- Bauelementen.

Fig. 7 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Resonator 44'", wie er im Zusammenhang mit hierin beschrieben Ausführungsbeispielen einsetzbar ist, etwa in einem MEMS- Bauelement 10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60. Der Resonator 44"’ ist so ausgestaltet, dass die Federanordnung Teil einer Mehrzahl von Federanordnungen ist, die ineinander geschachtelt angeordnet sind. Durch die ineinander verschachtelt angeordnete Struktur ist es möglich, mehrere Masseelemente vorzusehen, was aus einem Ein-Masse-Schwinger einen Mehr-Masse-Schwinger bereitstellen kann. So kann beispielsweise ein als inneres Masseelement bezeichnetes Masseelement 162 oder 163 über eine zusätzliche Federanordnung umfassend Federelemente 22₅ und 22e mit dem Masseelement 161 beziehungsweise einer Seite hiervon mechanisch fest verbunden sein. An einer anderen, gegenüberliegenden Seite kann das Masseelement 163 über Federelemente 22₇ und 22₈ einer weiteren inneren Federanordnung mit dem Masseelement I61 mechanisch fest verbunden sein.

Ausführungsbeispiele sehen weitere, ineinander verschachtelte Ausgestaltungen vor. So können beispielsweise an einer Seite I61A und/oder I61B zusätzliche Masseelemente befestigt werden, etwa über zusätzliche Federelemente. Alternativ oder zusätzlich kann an den Masseelementen 162 und/oder 163 eine Anordnung zusätzlicher Massen erfolgen. Obwohl der Mikroresonator 44"' symmetrisch bezüglich der Massenanordnung dargestellt ist, ist auch eine asymmetrische Ausgestaltung möglich, etwa durch Anordnung unterschiedlicher Massen und/oder durch Weglassen einer Masse an einer Seite.

Durch die Bereitstellung eines Mehr-Masse-Schwingers können mehrere, voneinander verschiedene Resonanzfrequenzen für das Feder-Masse System erhalten werden, so dass eine Resonanzfrequenz einer Schwingung des Masseelement I61 von einer Resonanzfrequenz einer Schwingung des Masseelements I62 und/oder I63 verschieden ist.

In anderen Worten zeigt Fig. 7 eine Weiterentwicklung des Resonators zu einem Feder- Masse System mit mehreren Freiheitsgraden. Durch die Kopplung einer zweiten Masse 162 und/oder 163 kann ein Mehr-Masse-Schwinger erhalten werden. Vorteilhaft ergibt sich dadurch die Möglichkeit, neben der ersten Resonanzfrequenz des Resonators eine zweite oder gar weitere Resonanzfrequenz zu erzeugen und/oder anzuregen. Die zusätzliche Masse ist über passive Verbindungselemente mit der Masse 161 mechanisch gekoppelt.

Ausführungsbeispiele sehen vor, dass eine oder mehrere der Federn 22i bis 22s als mechanisch aktive Federn zur Einstellung der Federsteifigkeit gebildet sind.

Manche der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf gerade verlaufende mechanisch passive Federn. Neben einer aktiven Ausgestaltung von Federelementen sehen weitere Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich vor, dass ein Federelement gebogen und/oder mäandriert ist und/oder eine veränderliche Abmessung senkrecht zu einer Federerstreckungsrichtung aufweist, beispielsweise eine veränderliche Federbreite und/oder Federhöhe.

Fig. 8a zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Mikroresonator 44^IV, der in MEMS- Bauelementen gemäß Ausführungsbeispielen angeordnet werden kann. Federelemente 22“‘i bis 22“‘4 des Mikroresonators 44^lv können eine gebogene, etwa wellenförmige Geometrie aufweisen. Dies ermöglicht eine vergleichsweise längere Ausgestaltung der Federelemente, was eine geringere wirksame Federsteifigkeit und/oder größere Auslenkungen ermöglichen kann.

Fig. 8b zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Mikroresonators 44^v, der in hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen ohne Weiteres eingesetzt werden kann. Verglichen mit dem Mikroresonator 44 weist der Mikroresonator 44^v Federelemente 22'^vi bis 22^IV ₄ auf, die an einem oder bevorzugt beiden Enden aufgedickt oder verstärkt sind, das bedeutet, eine vergleichsweise größere Abmessung 64i verglichen mit einer Abmessung 64₂ in einer Mitte oder einem Mittenbereich der Federelemente besitzen. Dies ermöglicht beispielsweise eine erhöhte Robustheit der Struktur, da an Orten von Kraftspitzen, wie sie beispielsweise an Enden von Federn auftreten können, zusätzliches Material vorgesehen ist.

Anders ausgedrückt können an einem oder mehreren Federenden mechanische Verstärkungen 72i bis 72s vorgesehen sein.

Fig. 8c zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Mikroresonator 44^VI, der in hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen ohne Weiteres eingesetzt werden kann. Verglichen mit anderen Mikroresonatoren sind die Federelemente 22^vi bis 22^v ₄ mäanderförmig oder mäandriert gebildet, was zu hohen Federlängen führen kann, was einerseits hohe Auslenkungen andererseits eine Vermeidung von Kraftspitzen in einem Verlauf der Federn ermöglichen kann.

In anderen Worten zeigen die Fig. 8a bis 8c Ausführungsbeispiele von alternativen Resonatoren. Diese betreffen die geometrische Ausgestaltung der passiven Verbindungselemente beziehungsweise Federn. Durch die Geometrie der Verbindungselemente kann im Rahmen der Auslegung und/oder des Designprozesses gezielt auf die Steifigkeit dieser Verbindungselemente Einfluss genommen werden. Beispielsweise kann die Geometrie in einer Draufsicht geschwungen sein, siehe Fig. 8a. Die Breite der Verbindungselemente kann variabel sein und besonders im Bereich der Verbindung zum Substrat und/oder zur Masse 16 aufgedickt oder verstärkt sein, wie es in Fig. 8b dargestellt ist. Das hat den Vorteil, dass aus der Bewegung des Resonators resultierende Spannungsüberhöhungen in den Verbindungselementen minimiert sind. Obwohl die variablen Geometrien in der Draufsicht dargestellt sind, können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch variable Geometrien in einer Seitenschnittansicht vorgesehen sein, beispielsweise um mögliche Torsionsbewegungen des Masseelements 16 zu berücksichtigen.

Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Ausgestaltung eines MEMS-Bauelements als Array, das eine Mehrzahl von Masseelementen aufweist, die beispielsweise in Form mehrerer benachbart zueinander angeordneter Mikroresonatoren 44 angeordnet sein können. Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich dabei insbesondere auf den Mikroresonator 44, wobei auch beliebige andere Ausgestaltungen des Mikroresonators verwendet werden können, etwa der Mikroresonator 44', 44", 44'", 44^IV, 44^v und/oder 44^VI. Obwohl die Mikroresonatoren als gleich gebildet dargestellt sind, können auch voneinander verschiedene Mikroresonatoren eingesetzt werden.

Fig. 9a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 90 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Mehrzahl von Masseelementen aufweist. Durch diese Masseelemente verdeckt sind Aktuatorstrukturen, die vereinfacht ausgedrückt unter den Resonatoren 44i bis 44e angeordnet sein können, wobei sich dies auf eine passiv mittels eines Aktuators bewegte Struktur und/oder auf eine aktive Struktur selbst beziehen kann. So ist bspw. unter jedem Masseelement eine Aktuatorgruppe bzw. Aktuatorstruktur mit einem Kopplungselement angeordnet. Es versteht sich hierbei, dass Begriffe wie oben , unten, links, rechts, über oder unter beliebig veränderlich oder vertauschbar sein können, je nachdem wie die Struktur im Raum gedreht oder positioniert wird und somit keine einschränkende Wirkung entfalten. In Fig. 9e ist die Ebene dargestellt (Substratschicht 12i in Fig. 9b), die unter der Ebene mit den Resonatoren (Substratschicht 122 in Fig. 9b) angeordnet ist.

Fig. 9b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements 90 in einer Schnittebene A-A aus Fig. 9a.

Dargestellt ist beispielhaft eine Schichtanordnung des MEMS-Bauelements mit zwei Begrenzungsschichten 34i und 342, die beispielhaft als Bodenwafer 34i und Deckelwafer 342 verstanden werden können, wobei dies eine zusätzliche oder alternative Anordnung anderer oder zusätzlicher Schichten nicht ausschließt. Zwischen den Begrenzungsschichten 34i und 34₂ sind beispielsweise zwei Substratschichten 12i und 122 angeordnet. In der Substratschicht 12i kann beispielsweise eine oder mehrere Teilkavitäten oder Hohlräume 25i bis 25? angeordnet sein, die in der Schicht 12i angeordnet sein können.

Zwischen benachbarten Aktuatorstrukturen können mechanisch steife Koppelelemente 74 angeordnet sein, um die Bewegung der Aktuatorstrukturen miteinander zu koppeln und/oder um die Bewegung zumindest eines Aktuatorelements an ein damit verbundenes Masseelement, etwa das Masseelement 161 zu koppeln.

Obwohl die Schichtfolge zwischen den Schichten 122 und 12i einerseits und 342 andererseits als äußerst gering beziehungsweise null dargestellt ist, sind Abstände vorgesehen, die ein energiearmes Bewegen der beweglichen Massen gegenüber benachbarter fester Schichten ermöglichen. Dieser Abstand ist bevorzugt gering gewählt, um fluidische Kurzschlüsse zu verhindern. Gleichzeitig beeinflusst ein Abstand zwischen dem Masseelement 16 und einer benachbarten Begrenzungsschicht, etwa der Begrenzungsschicht 342, die die Kavität, in welcher das Masseelement angeordnet ist, teilweise begrenzt, einen Q-Faktor beziehungsweise Dämpfungsfaktor der Übertragungsfunktion, zumindest teilweise. Das MEMS-Bauelement weist in einem Bereich einer Resonanzfrequenz eine Schwingung des Masseelements eine Überschwingung von höchstens 20% auf, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit der Fig. 9f dargestellt ist. Der Abstand ist dabei bevorzugt so gewählt, dass ein entsprechender Q-Faktor erhalten wird. In Fig. 9f sind beispielhaft drei unterschiedliche Q-Faktoren Qi, Q₂ und Q3 dargestellt, die mit zunehmendem Index 1 , 2, 3 bezüglich des Werts zunehmen. Mit geringer werdendem Q-Faktor, also größer werdender Dämpfung, wird der in Fig. 9f dargestellte Frequenzgang geringer bezüglich der Überschwinger Üi und/oder Ü2 im Bereich der Resonanzfrequenz f_res. Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Verfahren zum Herstellen und/oder Auslegen von MEMS-Bauelementen, bei denen der Abstand zwischen einem beweglichen Element, etwa dem Masseelement 16, und einer Begrenzungsschicht so eingestellt und gewählt wird, dass das MEMS- Bauelement im Bereich einer Resonanzfrequenz einer Schwingung des Masseelements eine Überschwingung von höchstens 20% aufweist.

Fig. 9c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements 90 in einer Schnittebene B-B aus Fig. 9a. Dort sind beispielhaft die Aktuatorstrukturen 24i bis 24e dargestellt.

Fig. 9d zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements 90 in einer Schnittebene C-C aus Fig. 9a. Auch hier sind beispielhaft zwei benachbarte Aktuatorstrukturen 24i und 242 dargestellt, die mittels eines starren Koppelelements 74 miteinander gekoppelt sind, wobei das Koppelement 74 mit dem Resonator 44 beziehungsweise dem Masseelement hiervon gekoppelt sein kann, um aktiv die Auslenkung zu bewirken.

Fig. 9e zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausgestaltung des MEMS-Bauelements 90 in einer Darstellung, wo sowohl die Aktuatorstrukturen 24i bis 24e als auch Koppelelemente 74i bis 74ß dargestellt sind.

Ebenfalls dargestellt ist eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts 76 zur Verdeutlichung, dass die Aktuatorstruktur 24i sowie auch andere hierin beschriebene Aktuatorstrukturen eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Balkenelemente aufweisen können, wobei jede Balkenstruktur eine Kombination zweier oder mehrerer Balkenelemente 32i, 322 und 32₃ darstellen kann. Beispielhaft dargestellt ist eine Anordnung von zwanzig nebeneinander angeordneten Balkenstrukturen, die jeweils zwei seriell zueinander verschaltete Segmente aufweist und jedes Segment aus drei Balkenelementen gebildet ist, welche an diskreten Stellen mechanisch fest fixiert sind.

In anderen Worten zeigen die Fig. 9a bis 9e ein Ausführungsbeispiel eines mehrschichtigen Schallwandlers, der Mikroresonatoren aufweist. Dargestellt sind sechs Mikroresonatoren 44i bis 44ß, wobei jede andere geringere oder auch höhere Anzahl von zumindest 1 , zumindest 2, zumindest 3, zumindest 4, zumindest 6, zumindest 7, zumindest 10 oder höher implementierbar ist. Die Mikroresonatoren sind mit dem umgebenden Substrat 12 mit Elementen definierter Steifigkeit 22 verbunden. Die Mikroresonatoren sind in einer Schicht 12z angeordnet. In einer weiteren Schicht 12i, die in ihren Abmessungen in Dickenrichtung (beispielsweise z-Richtung) deutlich kleiner ist als die Schicht 122, beispielsweise um einen Faktor 0,5, 0,3, 0,2 oder weniger, sind aktiv auslenkbare Elemente 24 angeordnet. Diese aktiv auslenkbaren Elemente können starr mit den Resonatoren über Koppelelemente 74 verbunden sein. Deckel- und/oder Bodenwafer 34i und/oder 34₂ können mit Öffnungen 36i beziehungsweise 362 versehen sein, die die Kavitäten, die durch benachbarte Resonatoren gebildet sind, mit der Umgebung zu verbinden. Die Öffnungen können über die gesamte Breite der Resonatoren verlaufen, wie es beispielsweise in Fig. 9a dargestellt ist oder lediglich über Teile hiervon, wie es beispielsweise in Fig. 10b dargestellt ist. Fig. 8e zeigt dabei in einer Draufsicht auf einen Schnitt parallel zur Ebene des Bodenwafers. Dargestellt sind die aktiv auslenkbaren Elemente 24, die mit dem umgebenen Substrat 12 verbunden sind. Auf der gegenüberliegenden Seite sind die auslenkbaren Elemente 24 mit den Koppelelementen 74 verbunden. Die Koppelelemente weisen eine Steifigkeit auf, die größer als die Steifigkeit der auslenkbaren Elemente 22 ist.

Gemäß Ausführungsbeispielen ist ein aktives Element zumindest teilweise in einer Ebene versetzt zu einer Ebene des Masseelements 16 angeordnet und mit einem Teil der Aktuatorstruktur gekoppelt, welches in einer gemeinsamen Ebene mit dem Masseelement angeordnet ist.

Fig. 10a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei ist lediglich ein Teil der Abmessung des MEMS- Bauelements 100 entlang der x-Richtung dargestellt und lediglich ein Teil der Schichten, um einen Innenraum des MEMS-Bauelements 100 besser darstellen zu können. Mikroresonatoren 44i bis 44₅, die, wie im Zusammenhang mit sämtlichen anderen Ausführungsbeispielen beschrieben, auch durch andere Mikroresonatoren implementiert werden können, können durch eine Anordnung von Elementen in der Substratebene 14 angeregt werden. Beispielhaft sind Aktuatorstrukturen 24i bis 24₅ vorgesehen, wobei jeweils eine Aktuatorstruktur 24i bis 24s zwischen zwei benachbarten Resonatoren angeordnet ist. Diese Aktuatorstrukturen können optional über steife Verbindungselemente 74i bis 74e mit einem oder mehreren benachbarten Mikroresonatoren gekoppelt sein. Alternativ können die Aktuatorstrukturen 24i bis 24₅ ganz oder teilweise auch durch passive Strukturen, die durch Aktuatorstrukturen in einer anderen Ebene bewegt werden, implementiert werden. Alternativ zu den starren Verbindungselementen 74i bis 74₆ kann auch eine fluidische, weiche Kopplung vorgesehen sein, bei der mittels der Bewegung der Strukturen 24T bis 24₅ in aktiver oder passiver Ausführung eine Anregung der Mikroresonatoren 44i bis 44s erfolgen kann.

Das bedeutet, eine zwischen zwei benachbarten Masseelementen angeordnete Aktuatorstruktur kann mit einem oder beiden benachbarten Masseelementen mechanisch gekoppelt sein oder ausgebildet sein, um eines oder beide der benachbarten Masseelemente auszulenken. Anders als in Fig. 10a dargestellt, können zumindest zwei Aktuatorelemente oder zumindest zwei Masseelemente durch ein Koppelelement miteinander verbunden sein.

Anders als in Fig. 10a dargestellt, ist es ebenfalls möglich, dass die eine oder mehrere Aktuatorstrukturen in einer ersten MEMS-Ebene und das Masseelement in einer zweiten, verschiedenen MEMS-Ebene angeordnet sind. Die Aktuatorstruktur kann mechanisch mittels eines Koppelelements mit dem Masseelement gekoppelt sein, wie es im Zusammenhang mit den Fig. 9a bis 9e beschrieben ist.

Die Mikroresonatoren 44i bis 44₅ in dem Array können zur Schwingung mit einer gleichen aber auch zur Schwingung mit einer unterschiedlichen Resonanzfrequenz gebildet sein. Dies kann durch eine Variation in der Federsteifigkeit und/oder durch eine Variation in der Masse des Masseelements erfolgen.

Fig. 10b zeigt eine schematische Draufsicht auf das MEMS-Bauelement 100. Es ist dargestellt, dass Öffnungen in der Begrenzungsschicht 34 auch nur stellenweise implementiert werden können, so dass Öffnungen 36i beispielhaft lediglich an Rändern der Teilkavitäten 38i angeordnet sein können. Alternativ können andere Orte, Größen und/oder Positionen vorgesehen sein oder manche der Teilkavitäten ohne Öffnung implementiert werden, wie es beispielsweise für die Teilkavität 38i benachbart zum Mikroresonator 44s dargestellt ist.

In anderen Worten zeigen die Fig. 10a und 10b ein Ausführungsbeispiel eines mehrschichtigen Schallwandlers 100, der unter anderem dadurch gekennzeichnet ist, dass Mikroresonatoren 44i bis 44s starr über optionale Koppelelemente 74i bis 74₅ verbunden sind. Derartige Elemente weisen eine höhere Steifigkeit auf als die auslenkbaren Elemente 24. Dabei zeigen die Fig. 10a und 10b eine vereinfachte Darstellung. Weitere, alternative Ausführungsformen weisen Aufdickungen im Bereich der Einspannung auf, so dass mögliche Spannungen im Werkstoff homogen in den Resonator oder in das auslenkbare Element abgeleitet werden können.

Fig. 10c zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführung des MEMS- Bauelements 100 ohne die optionalen starren Verbindungselemente. Die Aktuatorstrukturen 24i bis 24₅ können ebenfalls zwischen zwei benachbarten Resonatoren 44i bis 44₆ beziehungsweise deren Masseelemente angeordnet sein und ausgelegt sein, um durch eine Bewegung der Aktuatorstrukturen 24i bis 24s mittels fluidischer Kopplung die Resonatoren 44i bis 44₅ anzuregen.

Fig. 11a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Ein Resonator 44^vn weist eine synergetische Struktur auf. So ist das Masseelement 16 schwingfähig über aktive Federelemente 76i und 762 mit einem umgebenden Substrat 12 mechanisch verbunden. Die Federelemente 76i und 762 sind ausgebildet, um mittels Ansteuerung aktiv eine Auslenkung des Masseelements 16 zu bewirken. Alternativ können auch passive, Federelemente angeordnet sein. Eine Abstrahlung 82i und 822 kann entlang unterschiedlicher Richtungen erfolgen. Ein beispielhafter Frequenzgang ist im Diagramm 84i gezeigt

Fig. 11 b zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 110‘ gemäß einem Ausführungsbeispiel. Verglichen mit dem MEMS-Bauelement 110 umfasst es ein Rückvolumen 88 an einer der Öffnungen des Substrats 12, etwa benachbart zur Teilkavität 38i . Hierdurch verändern sich die Frequenzgänge des MEMS-Bauelements 110‘, so dass eine Anhebung 92 im Frequenzgang erhalten werden kann, wie es in einem Diagramm 842 beispielhaft gezeigt ist. Diese ist im Bereich der Resonanz des Mikroresonators angeordnet. Hierdurch kann die verbleibende Abstrahlung bzw. Schalldruckpegel 822 angepasst werden.

Fig. 12 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Brandung oder eine Struktur aus Substrat 12, den Mikroresonator umfassend Federelemente 22i bis 224 und Masseelement 16, haust. Die unterschiedlichen Teilkavitäten 38T und 382 sind dabei über Öffnungen 94i und 942 mit einer Umgebung 96 des MEMS verbunden. Die beiden Öffnungen 94i und 942 können jeweils eine fluidische Verbindung der dahinterliegenden Teilkavität 38i beziehungsweise 382 an einer gleichen Seite des MEMS-Bauelements 120 bereitstellen. Die Aktuatorstruktur 24 kann zu einer Bewegung entlang einer Bewegungsrichtung 98i, beispielsweise parallel zur y-Richtung angeregt werden. Diese kann mittels fluidischer Kopplung eine Bewegung des Masseelements 16 entlang einer Bewegungsrichtung 98a erfolgen, die ebenfalls parallel zur y-Richtung sein kann, mittels Orientierung und/oder Ausgestaltung der Federelemente 22i bis 224 jedoch auch in eine hiervon verschiedene Richtung weisen kann. Ebenso kann der Aktuator 24 eine Bewegung entlang einer Richtung bereitstellen, die nicht parallel zur y- Richtung ist. Durch Vergrößerung oder Kompression der jeweiligen Teilvolumina 38i und 382 können Schalldruckpegel 102i und 1022 über die Öffnungen 94i beziehungsweise 942 in die Umgebung 96 emittiert werden. Dort können sich die Schalldruckpegel 102i und 1022 zu einem Gesamt-Schalldruckpegel 102s überlagern. Anders ausgedrückt kann die Aktuatorstruktur 24 über einen ersten Pfad, beispielsweise über die Teilkavität 38i, mit einem Volumen der Umgebung 96 gekoppelt sein. Das Masseelement 16 kann an einer der Aktuatorstruktur abgewandten Seite über einen zweiten Pfad, etwa über die Teilkavität 382 mit dem Volumen der Umgebung 96 gekoppelt sein.

Zwischen der Aktuatorstruktur 24 und dem Resonator 44 kann das Rückvolumen 88 angeordnet sein. Dieses kann vergleichsweise größer oder voluminöser sein als die Teilkavitäten 38i und/oder 382.

In anderen Worten zeigt Fig. 12 ein MEMS-Bauelement 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel und gleichzeitig ein Verfahren zur Erzeugung von Druckunterschieden in einer Kavität durch aktiv auslenkbare Biegewandler 24 und einen passiv ausgelenkten Mikroresonator 44. Der erste Druckunterschied wird durch den Biegewandler 24 erzeugt und hat ein erstes Frequenzspektrum/Schalldruckpegel 102i zur Folge. Der zweite Druckunterschied wird durch den Mikroresonator 44 erzeugt und hat ein zweites Frequenzspektrum/Schall- druckpegel 102a zur Folge. Das Verfahren ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktuator 24 mit einem Resonator 44 über ein im Rückvolumen 88 befindliches Fluid miteinander gekoppelt ist. In weiter anderen Worten bedingt eine Bewegung des Aktuators 24 eine Bewegung des Resonators 44. Dabei unterscheidet sich das erste Frequenzspekt- rum/Schalldruckpegel von dem zweiten Frequenzspektrum/Schalldruckpegel. Die Frequen- zen/Schalldruckpegel 1021 sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel geringer als die Frequenzen/Schalldruckpegel 1022. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Fre- quenzen/Schalldruckpegel auch umgekehrt größer oder gleich sein. Die Größe des Rückvolumens 88 kann systemabhängig eingestellt werden und kann beispielsweise so gewählt werden, dass eine phasenversetzte Bewegung des Aktuators 24 und des Mikroresonators 44 in einem vorgesehenen Frequenzspektrum erhalten wird. Beispielhafte Anwendungen hierin beschriebener Resonatoren und/oder damit erhaltener Strukturen, etwa Lautsprecher, können in Mobiltelefonen, Funkgeräten, Tablets oder Laptop-Computer vorgesehen sein. Weitere Anwendungsbereiche sind auch Lautsprecher für ultramobile Endgeräte, beispielweise Hearables oder Hörgeräte. Ungeachtet dessen können Ausführungsbeispiele auch in anderen Einrichtungen zum Bewegen eines Fluids genutzt werden, beispielsweise im Bereich der Pumpen.

Ausführungsbeispiele schaffen somit einen Nahfeldlautsprecher mit einem MEMS- Bauelement gemäß hierin beschriebener Ausführungen. Alternative Ausführungsbeispiele schaffen ein Hearable mit einem MEMS-Bauelement gemäß einem der hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen. Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine MEMS-Pumpe mit einem MEMS-Bauelement gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Fig. 13a zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 1300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1300 kann verwendet werden, um ein MEMS-Bauelement anzusteuern, beispielsweise ein MEMS-Bauelement in Übereinstimmung mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen. Das MEMS-Bauelement weist beispielsweise ein Substrat mit einer Substratebene, ein Masseelement, das eine Ruhelage aufweist und ausgebildet ist, um eine Auslenkung aus der Ruhelage parallel zu der Substratebene und in einem das Masseelement umgebenden Fluid auszuführen, auf.

Ferner weist das MEMS-Bauelement eine Federanordnung auf, die zwischen das Substrat und das Masseelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um sich basierend auf der Auslenkung zu verformen. Ferner ist eine Aktuatorstruktur angeordnet, die mittels einer Kopplung mit dem Masseelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um mittels der Kopplung eine Kraft auf das Masseelement auszuüben, um die Auslenkung zu bewirken und eine Bewegung des Fluids zu bewirken. Die Aktuatorstruktur ist über einen ersten Pfad mit dem Volumen gekoppelt und das Masseelement ist an einer der Aktuatorstruktur abgewandten Seite über einen zweiten Pfad mit dem Volumen gekoppelt, wie es beispielsweise für das MEMS- Bauelement 120 dargestellt ist. Das Verfahren 1300 umfasst einen Schritt 1310. Im Schritt 1310 erfolgt ein Ansteuern der Aktuatorstruktur, um einen ersten Schalldruckpegel mit einem ersten Frequenzbereich über den ersten Pfad in das Volumen abzustrahlen und um einen zweiten, Schalldruckpegel, mit einem zweiten, von dem ersten Frequenzbereich verschiedenen Frequenzbereich über den zweiten Pfad in das Volumen abzustrahlen. Optional können weitere, zusätzliche Schalldruckpegel in zusätzlichen Frequenzbereichen erzeugt werden, so dass zumindest drei, zumindest vier oder mehr Frequenzbereiche mit einander kombiniert werden.

Die hierdurch zumindest zwei Resonatoren und/oder bereitstellen. Bspw. kann eine Kombination von zumindest zwei Resonatoren mit zumindest zwei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen oder Frequenzverläufen genutzt werden, um Schalldruckpegel unterschiedlicher Frequenzverläufe zu erhalten. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass ein Resonator mehr als eine Resonanzfrequenz aufweist und/oder Frequenzverläufe abstrahlt, etwa der unter Verwendung des MEMS-Bauelements 3.

Der erste Schalldruckpegel und der zweite Schalldruckpegel können gleich oder von einander verschieden sein. Obwohl der erste Frequenzbereich und der zweite Frequenzbereich auch gleich sein können, sehen Ausführungsbeispiele Unterschiede in den Frequenzbereichen vor, was dadurch erhalten werden kann, dass zumindest einer der beiden Frequenzbereiche Frequenzen aufweist, innerhalb derer höchstens vernachlässigbare Schalldruckpegel in dem anderen Frequenzbereich erzeugt werden, wie es bspw. in Fig. 13b für die Schalldruckpegel 102i und 1022 gezeigt ist. Obwohl der Schalldruckpegel 102i geringere Frequenzen umfasst als der Schalldruckpegel 102? kann dies auch vertausch sein und/oder ein teilweiser Überlapp der Frequenzen erfolgen und/oder unterschiedliche Bandbreiten vorgesehen sein. Eine Bandbreite des ersten und/oder zweiten Frequenzbereichs kann gleich oder verschieden sein und bspw. zumindest 5 Hz und höchstens 4 kHz, zumindest 10 Hz und höchstens 3 kHz oder zumindest 50 Hz und höchstens 2,5 kHz betragen, wobei diese Werte lediglich beispielhaft und nicht einschränkend sind.

Das Erzeugen von Schalldruckpegel in zwei oder mehr Frequenzbereichen kann alternativ oder zusätzlich durch Ansteuern einer korrespondierenden Anzahl von mit einander akustisch gekoppelter Resonatoren erfolgen. Dabei sind vorteilhaft die Resonanzfrequenzen der Resonatoren so gewählt, dass sie sich im Gesamtspektrum nach einem Auslegungskriterium gut bis optimal ergänzen und die Wiedergabebandbreite des Systems entsprechend einstellen oder erweitern. Die Unterschiede bzgl. der Resonanzfrequenzen und/oder der Güte kann durch konstruktive Abstimmung der involvierten mechanischen Steifigkeiten und mitschwingenden Massen eingestellt werden.

Die zumindest zwei Resonatoren können in einem gemeinsamen Volumen angeordnet sein und/oder ein gemeinsames Vorder-Volumen (engl.: Front Volume) oder Rückvolumen (engl.: Rückvolumen) nutzen, etwa im MEMS-Bauelement 120. Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele, insbesondere im Hinblick auf die Lautsprecher, sind auf MEMS ausgerichtet und damit auf Strukturen, die Siliziummaterial umfassen. So kann insbesondere das Substrat 12 Siliziummaterial umfassen. Auch andere Elemente o- der Teilelemente können Siliziummaterial umfassen.

Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele können dazu benutzt werden, um eine Schallabstrahlung in dem Fluid bereitzustellen. Die Schallabstrahlung kann Frequenzen in einem Bereich zwischen 300 Hz und 3400 Hz aufweisen und somit beispielsweise für den Frequenzbereich menschlicher Sprache einsetzbar sein.

Gemäß Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass eine Steuereinheit, beispielsweise ein Mikrocontroller, ein feldprogrammierbares Gatterarray (FPGA), eine zentrale Recheneinheit (CPU) oder ein applikationsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC), vorgesehen ist, die ausgebildet ist, um eine Ansteuerung der Aktuatorstruktur bereitzustellen, um so das Masseelement auszulenken. Gemäß Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, um durch die Ansteuerung der Aktuatorstruktur eine Auslenkung derselben zu bewirken, so dass ein erstes Frequenzspektrum in dem Fluid erzeugt wird und eine Schwingung des Masseelements bereitgestellt wird, so dass die Schwingung des Masseelements eine Vergrößerung der Amplitude des resultierenden Schalls in einem zweiten Frequenzspektrum der Kavität bereitstellt, in welcher das MEMS-Bauelement angeordnet ist. Beispielsweise kann eine Abstimmung der Einzelelemente so erfolgen, dass die Aktuatorstruktur ein bestimmtes Frequenzspektrum abstrahlt, welches einer Resonanzfrequenz des Mikroresonators entspricht oder umgekehrt. Hierdurch können durch einen ersten Frequenzbereich der Aktuatorstruktur geringere Frequenzen abgestrahlt werden als mittels des Masseelements oder umgekehrt.

In anderen Worten ist eine der Zielstellungen der vorliegenden Erfindung, den Übertragungsbereich der Schallquellen zu erweitern. Schallquellen im Sinne dieser Anmeldung sind Lautsprecher für In-Ohr und Nahfeldanwendungen (beispielsweise in Handys oder Tablets). Dabei sind beide Anwendungsfälle zu unterscheiden.

Bei der In-Ohr-Anwendung stellt der Raum zwischen Trommelfell und Hearable eine Druckkammer dar, welche als dicht angesehen werden kann. Der Übertragungsbereich wird zu hohen Frequenzen durch Lage der Resonanzfrequenz begrenzt, daher ist das Ziel möglichst zusätzliche Resonanzen oberhalb der eigentlichen Aktorresonanz zu schaffen, um den Übertragungsbereich in Richtung hohe Frequenzen zu erweitern. Für tiefe Frequenzen zeigt die sogenannte Harman-Kurve für In-Ohr-Kopfhörer eine Präferenz für höhere Schalldruckpegel. Die Gestaltung des Frequenzgangs kann ebenfalls durch Resonatorelemente erfolgen.

Bei Nahfeldlautsprechern ergibt sich ein anderes Bild. Der Übertragungsbereich wird nach unten durch die Lage der Resonanz begrenzt. Unterhalb der Resonanz nimmt der Pegel ab. Durch die Erhöhung der Aktormasse kann die Resonanzfrequenz des Aktors selbst und der Übertragungsbereich nach unten vergrößert werden. Weitere Möglichkeiten ergeben sich durch die Ankopplung zusätzlicher Resonatoren, deren Resonanz unterhalb der eigentlichen Aktorresonanz liegen kann. Ein rein akustischer Helmholtzresonator in Silizium ist für die Erweiterung zu tiefen Frequenzen hin ungeeignet, da die mitschwingende Luftmasse aufgrund der geringen Strukturgrößen zu gering wäre, um tiefe Resonanzfrequenzen zu ermöglichen. Dieses Problem wird durch die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele gelöst, bei denen ein Mitschwingen mechanischer Strukturen bereitgestellt wird, beispielsweise analog zu einer Bassreflex-Box mit einer oder mehreren Passivmembranen. Die gestellte Aufgabe wird durch ein MEMS-Schichtsystem gelöst. In einer Ebene des Schichtsystems können Kavitäten ausgebildet sein, in denen auslenkbare Elemente angeordnet sind, die lateral zueinander beabstandet angeordnet sind.

In dieser oder in einer weiteren Ebene des Schichtsystems oder in einer Kombination hieraus ist in der Kavität eine schwingende Masse angeordnet, die mittels Verbindungselementen mit dem umgebenden Substrat gekoppelt ist. Die Masse und die Verbindungselemente bilden zusammen einen Resonator. Dieser Resonator ist zu den auslenkbaren Elementen lateral beabstandet angeordnet. Die Verbindungselemente sind derart ausgestaltet, dass eine laterale Verformung in der Ebene möglich ist. Eine Verformung senkrecht zur Ebene ist durch die Geometrie verhindert beziehungsweise gehemmt. Der Resonator ist mit den auslenkbaren Elementen fluidisch gekoppelt. Das auslenkbare Element kann ein aktiv auslenkbares Element sein, das die bevorzugte Ausgestaltung darstellt. Eine passive Ausgestaltung ist jedoch ebenfalls möglich. In Ausführungsbeispielen kann das auslenkbare Element deshalb passiv sein. Dann kann es über Koppelelemente mit einem aktiv auslenkbaren Element verbunden sein. Bevorzugt sind die aktiv auslenkbaren Elemente in einer anderen Ebene angeordnet als die passiv auslenkbaren Elemente. Das hat den Vorteil, dass in der Ebene der aktiv auslenkbaren Elemente eine höhere Anzahl dieser als Aktoren bezeichneten auslenkbaren Elemente angeordnet sein können. Das erhöht die auf- zubringende Kraft innerhalb der Aktorebene. Der Abstand zwischen Resonator und umgebenden Substrat, senkrecht zu der Ebene, kann minimal sein, so dass ein akustischer Kurzschluss verhindert wird.

Die Nutzung einer rückwärtigen Schallabstrahlung (vgl. hierzu das Bassreflex-Prinzip) und die Ankopplung des Resonators, damit eine 180°-Phasendrehung und somit eine Umlenkung des Schalls und Abstrahlung nach vorn beziehungsweise in eine andere Richtung wird ermöglicht. Die Realisierung in MEMS beispielsweise durch Passivbalken ist denkbar, insbesondere wenn die Luftmasse nicht ausreicht. Ausführungsbeispiele ermöglichen eine Realisierung in Silizium, was es ermöglicht, rückwärtige Schallabstrahlung und somit Ge- häuse/Kapselung entfallen zu lassen.

Ausführungsbeispiele beziehen sich unter anderem auf folgende Implementierungen:

Vorrichtung

• MEMS besteht aus oder umfasst ein Schichtsystem

• in einer Ebene des Schichtsystems sind Kavitäten ausgebildet in denen auslenkbare Elemente angeordnet sind, die lateral zueinander beabstandet sind

• in einer Ebene des Schichtsystems ist in der Kavität eine schwingende Masse angeordnet, die mittels Verbindungselementen mit dem umgebenden Substrat gekoppelt ist. Die Masse und die Verbindungselemente bilden zusammen einen Resonator o Der Resonator ist zu den auslenkbaren Elementen lateral beabstandet angeordnet

■ die Verbindungselemente sind derart ausgestaltet, dass eine laterale Verformung in der Ebene möglich ist. Eine Verformung senkrecht zur Ebene ist durch die Geometrie verhindert.

• Der Resonator ist mit auslenkbaren Elementen gekoppelt o Kopplung kann fluidisch oder durch eine starre Verbindung erfolgen o das auslenkbare Element kann ein aktiv auslenkbares Element, bevorzugt ein mikromechanischer Wandler sein

• Der Abstand zwischen Resonator und umgebenden Substrat (oben und unten), senkrecht zur Ebene ist minimal, sodass ein akustischer Kurzschluss verhindert wird.

• Ausführungsbeispiele des Resonators Der Resonator ist zwischen einem ersten und einem zweiten mikromechanischen Wandler angeordnet, die Verbindungselemente sind passiv ausgebildet (Fig. 1 , Grundprinzip)

■ die Steifigkeit der Verbindungselemente beeinflusst die Resonanzfrequenz des Resonators

■ Die Masse des Resonators beeinflusst die Resonanzfrequenz des Resonators

■ Die Steifigkeit der Verbindungselemente ist durch deren Geometrie vorgegeben. Verschiedenste Geometrien sind möglich. Der Resonator ist zwischen einem mikromechanischen Wandler und einer Kavitätsberandung in der Schichtebene angeordnet (Fig.2, Grundprinzip Variante B).

■ Es erfolgt eine Anhebung im Bereich der Resonanz des Resonators im Frequenzgang Der einstellbare Resonator ist zwischen einem ersten und einem zweiten mikromechanischen Wandler angeordnet, die Verbindungselemente sind aktiv ausgebildet (Fig. 3)

■ Die Verbindungselemente sind aktiv ausgebildet. Durch Anlegen eines Signals kann auf die Steifigkeit des Verbindungselements Einfluss genommen werden

* Die aktiven Verbindungselemente können die bekannten NED basierten Aktoren sein. In Figur 3 ist die sog ANED Konfiguration dargestellt. Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines einstellbaren Resonators ist die Anordnung von alternativen Aktoren (Fig. 4)

■ Die aktiven Verbindungselemente sind als „Muskel“ ausgebildet. Vorteilhaft ergibt sich dadurch eine höhere aufzubringende Kraft des aktiven Verbindungselementes gegenüber einer Ausführungsform mit einem klassischen NED Aktor. Durch die höhere Kraft wird der Stellbereich der Steifigkeit vergrößert. Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft die Anordnung von auslenkbaren Elementen in einer weiteren Schicht des MEMS Schichtsystems (Fig. 5)

■ In einer ersten Schicht sind aktiv auslenkbare Elemente angeordnet, in einer zweiten Schicht sind passive, auslenkbare Elemente angeordnet. Die passiv auslenkbaren Elemente sind fluidisch mit dem Resonator gekoppelt. * Die passiven Elemente sind mit den aktiven Elementen gekoppelt, Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft die Ausgestaltung des Mikroresonators (Fig. 6)

■ Mikroresonator mit einer ersten Masse erzeugt eine erste Resonanzfrequenz

* Anordnung einer zweiten Masse innerhalb der ersten Masse des Resonators erzeugt eine zweite Resonanzfrequenz, die sich von der ersten Resonanzfrequenz unterscheidet Weitere Ausführungsbeispiele betreffen die Geometrie der Verbindungselemente zwischen Masse des Resonators und dem umgebenden Fluid (Fig. 7a-c)

■ Die Geometrien können geschwungen, variabel oder mäanderförmig ausgestaltet sein.

■ variable Geometrie meint eine Verdickung im Bereich der Verbindung der Verbindungselemente zum Substrat oder zur Masse um Spannungsüberhöhung im Bereich der Einspannungen zu vermeiden. Verbindung der Kavität mit dem umgebenden Fluid

■ Die Öffnungen, die die Kavität mit dem umgebenden Fluid verbinden können im Deckel- und im Bodenwafer angeordnet werden

• Die Anordnung erfolgt wechselseitig. Das bedeutet, dass eine Teilkavität durch den Deckelwafer mit der Umgebung verbunden ist. Die „korrespondierende“ Teilkavität ist durch Öffnungen im Bodenwafer mit dem umgebenden Fluid verbunden.

• Die Öffnungen können über die gesamte Breite des Resonators verlaufen oder nur teilweise

■ In alternativen Ausführungsbeispielen können die Öffnungen auch in der Schicht im umgebenden Substrat angeordnet sein. Weitere Ausführungsbeispiele betreffen einen mehrschichtigen Aufbau. (Fig. 8a-e)

■ Resonatorebene und Aktorebene sind voneinander getrennt. Vorteilhaft ergibt sich dadurch eine bessere Flächennutzung eines Chips ■ Aktor und Resonator sind dabei über ein Koppelelement miteinander verbunden. Das Koppelelement hat eine Steifigkeit, die zumindest höher ist als die Aktoren

■ Höhe der Aktoren = von 1 um bis 1 mm, bevorzugt 30um bis 150um, besonders bevorzugt 75um

- Höhe der Mikroresonatoren = von 1um bis 5mm, bevorzugt 400um bis 650um o Weitere Ausführungsbeispiele betreffen einen einschichtigen Aufbau mit einer starren Verbindung zwischen Resonator und auslenkbarem Ele- ment.(Fig.9)

Verfahren zur Erzeugung von niederfrequentem Schall

• Verfahren (nutzt Vorrichtung beispielsweise aus Figur 3a) zur Erzeugung von Druckunterschieden in einer Kavität durch aktiv auslenkbare Biegewandler 1200 und ein passiv ausgelenkten Mikroresonator 1100. Der erste Druckunterschied wird durch den Biegewandler 1200 erzeugt und hat ein erstes Frequenzspektrum 200 zur Folge. Der zweite Druckunterschied wird durch den einen Mikroresonator 1100 erzeugt und hat ein zweites Frequenzspektrum 300 zur Folge. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktor 1200 mit einem Resonator 1100 über ein in einem Rückvolumen 100 befindlichen Fluid miteinander gekoppelt ist. In anderen Worten bedingt eine Bewegung des Aktors 1200 eine Bewegung des Resonators 1100. Dabei unterscheidet das erste Frequenzspektrum von dem zweiten Frequenzspektrum. Die Frequenzen des ersten Frequenzspektrum sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel geringer als die Frequenzen des zweiten Frequenzspektrum. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Frequenzen des ersten Frequenzspektrum höher oder gleich, verglichen zum zweiten Frequenzspektrum sein. Die Größe des Rückvolumens 100 ist systemabhängig und wird beispielsweise so gewählt, dass eine phasenversetzte Bewegung Aktors 1200 und des Mikroresonators 1100 in einem vorgesehenen Frequenzspektrum gewährleistet wird.

® Einsatz o Nahfeldlautsprecher für mobile internetfähige Endgeräte (Smartphone, Telefon, Tablet, Laptop) und ultramobile internetfähige Endgeräte (Hearables) o Ausführung eines Nahfeldlautsprechers in MEMS mit einer Resonanzfrequenz von ca. 300-400 Hz (oder niedriger), oder eines in den Lautsprecher integrierten Resonators, derart, dass sich die Übertragungsbandbreite des Nahfeldlautsprechers von ca. 300 Hz bis mind. 3,4 kHz erstreckt und damit mindestens für die Wiedergabe von Sprachsignalen geeignet 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.

Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor Zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

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Patentansprüche

1. MEMS-Bauelement umfassend: ein Substrat (12) mit einer Substratebene (14); einem Masseelement (16), das eine Ruhelage aufweist und ausgebildet ist, um eine Auslenkung aus der Ruhelage parallel zu der Substratebene (14) und in einem das Masseelement (16) umgebenden Fluid (18) auszuführen; einer Federanordnung die zwischen das Substrat (12) und das Masseelement (16) gekoppelt ist und ausgebildet ist, um sich basierend auf der Auslenkung zu verformen; eine Aktuatorstruktur (24), die mittels einer Kopplung mit dem Masseelement (16) gekoppelt ist und ausgebildet ist, um mittels der Kopplung eine Kraft auf das Masseelement (16) auszuüben, um die Auslenkung zu bewirken und eine Bewegung des Fluids (18) zu bewirken.

2. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1 , bei dem die Kopplung eine fluidische Kopplung umfasst, und eine Aktuierung der Aktuatorstruktur (24) eine Bewegung in dem Fluid (18) bereitstellt, welche die Kraft auf das Masseelement (16) zumindest teilweise ausübt.

3. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Aktuatorstruktur (24) elektrostatische, piezoelektrische und/oder thermomechanische Elektroden umfasst.

4. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Koppelelement zwischen der Aktuatorstruktur (24) und dem Masseelement (16) angeordnet ist, um die Kopplung bereitzustellen.

5. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Masseelement (16) und die Federanordnung (22) zumindest einen Teil eines Feder- Masse Systems bilden, das eine Schwing-Eigenfrequenz aufweist, wobei der die Aktuatorstruktur (24) ausgebildet ist, um die Schwing-Eigenfrequenz anzuregen. 46 MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei die das Aktuatorstruktur (24) zumindest teilweise in einer gemeinsamen Ebene parallel zu der Substratebene (14), entlang einer Auslenkrichtung der Auslenkung lateral benachbart zu dem Masseelement (16) angeordnet ist, um die Kraft zumindest teilweise parallel zu der Substratebene (14) bereitzustellen. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Federanordnung (22) eine erste Federanordnung (22) ist und der ferner eine zweite Federanordnung aufweist, die zwischen das Substrat (12) und das Masseelement (16) gekoppelt ist und ausgebildet ist, um sich basierend auf der Auslenkung zu verformen, wobei das Masseelement (16) zwischen der ersten Federanordnung und der zweiten Federanordnung angeordnet ist. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Masseelement (16) zumindest einseitig mittels der Federanordnung (22) aufgehängt ist. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Masseelement (16) mittels der Federanordnung (22) entlang einer ersten Schwingrichtung und zumindest einer zweiten, hierzu verschiedenen Schwingrichtung schwingfähig aufgehängt ist. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 9, bei dem die Federanordnung (22) entlang der ersten Schwingrichtung eine erste Federsteifigkeit aufweist, die eine erste Resonanzfrequenz einer Schwingung des Masseelements (16) entlang der ersten Schwingrichtung bereitstellt; und dem die Federanordnung (22) entlang der zweiten Schwingrichtung eine zweite Federsteifigkeit aufweist, die eine zweite Resonanzfrequenz einer Schwingung des Masseelements (16) entlang der zweiten Schwingrichtung bereitstellt. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Federanordnung (22) zumindest zwei parallel miteinander verschaltete Federelemente aufweist. 47 MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Federanordnung (22), und das Masseelement (16) einstückig ausgebildet und umfassend ein MEMS-Material gebildet sind und ein Federelement der Federanordnung (22) durch eine Aussparung in dem MEMS-Material gebildet ist. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 12, bei dem die Aussparung zumindest eine U- förmige Geometrie mit zwei äußeren Schenkeln und einem dazwischen angeordneten mittleren Schenkel aufweist, wobei das Federelement in einem Bereich eines äußeren Schenkels gebildet ist. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Federanordnung (22) aktiv gebildet ist, und ausgebildet ist, um basierend auf einer veränderlichen Ansteuerung der Federanordnung (22) eine veränderliche Federsteifigkeit für die Auslenkung bereitzustellen. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 14, wobei das Masseelement (16) und die Federanordnung (22) zumindest einen Teil eines Feder-Masse Systems bilden, das eine Schwing-Eigenfrequenz aufweist, wobei das MEMS-Bauelement ausgebildet ist, um basierend auf der veränderlichen Federsteifigkeit eine veränderliche Schwing-Eigenfrequenz bereitzustellen. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem die Federanordnung (22) eine aktive Struktur mit einer Mehrzahl von beweglichen Schichtanordnungen aufweist; wobei jede bewegliche Schichtanordnung einen ersten Balken, einen zweiten Balken und einen zwischen dem ersten Balken und zweiten Balken angeordnete und von denselben an diskreten Bereichen elektrisch isoliert fixierten dritten Balken aufweist, und ausgebildet ist, um ansprechend auf ein elektrisches Potential zwischen dem ersten Balken und dem dritten Balken oder um ansprechend auf ein elektrisches Potential zwischen dem zweiten Balken und dem dritten Balken eine Bewegung entlang einer Bewegungsrichtung parallel zu der Substratebene (14) auszuführen, um die Federsteifigkeit zu beeinflussen. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem die Federanordnung (22) eine aktive Struktur mit zumindest einen Biegewandler als Aktor aufweist, der ein auslenkbares Element aufweist, das folgendes aufweist:

• einem sich entlang einer Flächenschwerpunktfaser des auslenkbaren Elements erstreckenden mikroelektromechanischen Wandler, der bei Anlegen eines ersten elektrischen Signals das auslenkbare Element in eine erste Richtung auslenkt, und

• einem zweiten sich entlang der Flächenschwerpunktfaser erstreckenden mikroelektromechanischen Wandler, der bei Anlegen eines zweiten elektrischen Signals das auslenkbare Element in eine zweite zu der ersten entgegengesetzten Richtung auslenkt; wobei sich die Flächenschwerpunktfaser zwischen einander abgewandten Seiten des ersten und des zweiten mikroelektromechanischen Wandlers befindet, und eine elektrische Ansteuerung, die ausgebildet ist, um das erste elektrische Signal und das zweite elektrische Signal abhängig von einem Eingangssignal zu variieren, sodass eine Änderung des ersten elektrischen Signal und eine Änderung des zweiten elektrischen Signals abhängig von dem elektrischen Eingangssignal ist, und die Phasen des ersten und zweiten elektrischen Signals zueinander verschoben sind. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem die Federanordnung (22) eine Schichtstruktur umfassend: eine in der Schichtstruktur angeordneten Kavität, die durch zumindest eine Öffnung in der Schichtstruktur mit einer äußeren Umgebung der Schichtstruktur fluidisch gekoppelt ist; eine in einer ersten MEMS-Ebene und in der Kavität entlang einer Ebenenrichtung beweglich angeordneten Interaktionsstruktur, die ausgebildet ist, um mit einem Fluid (18) in der Kavität zu interagieren, wobei eine Bewegung der Interaktionsstruktur mit einer Bewegung des Fluids (18) durch die zumindest eine Öffnung kausal zusammenhängt; eine in einer zweiten, senkrecht zu der Ebenenrichtung angeordneten MEMS-Ebene angeordnete aktive Struktur, die mit der Interaktionsstruktur mechanisch gekoppelt ist; und konfiguriert ist, dass ein elektrisches Signal an einem elektrischen Kontakt der aktiven Struktur mit einer Verformung der aktiven Struktur kausal zusammenhängt; wobei die Verformung der aktiven Struktur mit der Bewegung des Fluids (18) kausal zusammenhängt; umfasst.

19. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der Teil einer Schichtstruktur ist, das ferner eine erste Begrenzungsschicht aufweist, die senkrecht zu einer Auslenkrichtung der Auslenkung angeordnet ist und ein Volumen für das Fluid (18) begrenzt.

20. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 19, bei dem ein Abstand zwischen dem Masseelement (16) und der ersten Begrenzungsschicht so gewählt ist, dass ein akustischer Kurzschluss verhindert ist.

21. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 19 oder 20, der ferner eine zweite Begrenzungsschicht aufweist, die senkrecht zu der Auslenkrichtung angeordnet ist, wobei das Masseelement (16) zwischen der ersten Begrenzungsschicht und der zweiten Begrenzungsschicht in der Schichtstruktur angeordnet ist.

22. MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21 , bei dem das Masseelement (16) parallel zu der Auslenkrichtung eine erste Teilkavität mit einer ersten Begrenzungsstruktur zumindest teilweise umschließt, die durch zumindest eine erste Öffnung mit einer Umgebung des MEMS-Bauelements fluidisch verbunden ist; und bei dem das Masseelement (16) parallel zu der Auslenkrichtung und gegenüberliegend zu der ersten Teilkavität eine zweite Teilkavität mit einer zweiten Begrenzungsstruktur zumindest teilweise umschließt, die durch zumindest eine zweite Öffnung mit der Umgebung des MEMS-Bauelements fluidisch verbunden ist.

23. MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem eine erste Teilkavität des MEMS-Bauelements an einer ersten Seite des Masseelements (16) parallel oder senkrecht zu der Auslenkrichtung durch zumindest eine erste Öffnung mit einer Umgebung des MEMS-Bauelements fluidisch verbunden ist; und eine zweite Teilkavität des MEMS-Bauelements an einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Masseelements (16) durch zumindest eine zweite Öffnung mit der Umgebung des MEMS-Bauelements fluidisch verbunden ist; wobei die erste Öffnung und die zweite Öffnung gegenüberliegend an unterschiedlichen Seiten des MEMS- Bauelements angeordnet sind. MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem eine erste Teilkavität des MEMS-Bauelements an einer ersten Seite des Masseelements parallel zu der Auslenkrichtung durch zumindest eine erste Öffnung mit einer Umgebung des MEMS-Bauelements fluidisch verbunden ist; und eine zweite Teilkavität des MEMS- Bauelements an einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Masseelements durch zumindest eine zweite Öffnung mit der Umgebung des MEMS- Bauelements fluidisch verbunden ist; wobei die erste Öffnung und die zweite Öffnung an einer gleichen Seite des MEMS-Bauelements angeordnet sind. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Aktuatorstruktur (24) ein erstes Aktautorstrukturelement und ein zweites Aktautorstrukturelement aufweist, die parallel zu der Substratebene (14) in einer gemeinsamen Ebene mit dem Masseelement (16) angeordnet sind, und das erste Aktautorstrukturelement eine erste Teilkavität des MEMS-Bauelements zusammen mit dem Masseelement (16) zumindest teilweise definiert, und das zweite Aktautorstrukturelement eine zweite Teilkavität des MEMS-Bauelements zusammen mit dem Masseelement (16) zumindest teilweise definiert, wobei das erste Aktautorstrukturelement und das zweite Aktautorstrukturelement durch ein Koppelelement mechanisch mit einander verbunden sind, das ausgebildet ist, um eine Auslenkung des ersten Aktautorstrukturelements und des zweiten Aktautorstrukturelements mit einander zu koppeln. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 25, bei dem das erste Aktautorstrukturelement und das zweite Aktautorstrukturelement über das Koppelelement mit einer aktiven Struktur mechanisch gekoppelt sind und die aktive Struktur ausgebildet ist, um das erste Aktautorstrukturelement und das zweite Aktautorstrukturelement über die Koppelelement mechanisch auszulenken, um eine Bewegung in dem Fluid (18) zu erzeugen, die mittels der Kopplung die Auslenkung des Masseelements bewirkt. 51

27. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer die Federanordnung (22) aufweisenden Mehrzahl von Federanordnungen, die ineinander geschachtelt angeordnet sind.

28. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 27, bei der zumindest eine der Federanordnungen ein aktives Element aufweist, das ausgebildet ist, um eine wirksame Federsteifigkeit der Federanordnung zu verändern.

29. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 27 oder 28, bei dem das Masseelement (16) ein erstes Masseelement ist, und bei dem eine innere Federanordnung der Mehrzahl von Federanordnungen an einer ersten Seite mechanisch mit der ersten Masse verbunden ist und an einer zweiten, gegenüberliegenden Seite mit einer zweiten Masse mechanisch verbunden ist.

30. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 29, bei dem eine erste Resonanzfrequenz einer Schwingung des ersten Masseelements von einer zweiten Resonanzfrequenz einer Schwingung des zweiten Masseelements verschieden ist.

31. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Federelement der Federanordnung (22) eine gerade, gebogene oder mäandrierte Geometrie aufweist und/oder eine veränderliche Abmessung senkrecht zu einer Ferderer- streckungsrichtung aufweist.

32. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Federelement der Federanordnung (22) an zumindest einen Federende eine mechanische Verstärkung aufweist.

33. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das MEMS- Bauelement eine Mehrzahl von Masseelementen aufweist, wobei zwischen zwei benachbarten Masseelementen zumindest eine Aktuatorstruktur (24) angeordnet ist.

34. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 33, wobei zwischen zwei benachbarten Masseelementen eine Aktuatorstruktur (24) angeordnet ist, die mit einem oder beiden benachbarten Masseelementen gekoppelt ist und ausgebildet ist, um eines oder beide benachbarten Masseelemente auszulenken. 52

35. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 33 oder 34, bei dem zumindest zwei Aktuatorelemente oder zumindest zwei Masseelemente durch ein Koppelement mit einander verbunden sind.

36. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aktuatorstruktur (24) in einer ersten MEMS-Ebene angeordnet ist, und das Masseelement (16) in einer zweiten, verschiedenen MEMS-Ebene angeordnet ist, und die Aktuatorstruktur (24) mechanisch mittels eines Koppelelements mit dem Masseelement (16) gekoppelt ist.

37. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Abstand zwischen dem Masseelement (16) und einer benachbarten Begrenzungsschicht, die eine Kavität, in welcher das Masseelement (16) angeordnet ist, teilweise begrenzt, einen Q-Faktor beeinflusst und das MEMS-Bauelement im Bereich einer Resonanzfrequenz einer Schwingung des Masseelements eine Überschwingung von höchstens 20 %.

38. MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 33 bis 37, bei dem unterschiedliche Masseelemente zur Schwingung mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen ausgebildet sind.

39. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Masseelement (16), die Federanordnung (22) und die Aktuatorstruktur (24) einen Resonator zumindest teilweise bilden.

40. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem aktiven Element, das zumindest teilweise in einer Ebene versetzt zu einer Ebene des Masseelements angeordnet ist, und mit einem Teil der Aktuatorstruktur (24) gekoppelt ist, welches in einer gemeinsamen Ebene mit dem Masseelement (16) angeordnet ist.

41. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der eine Steuereinheit aufweist, die ausgebildet ist, um eine Ansteuerung der Aktuatorstruktur (24) bereitzustellen, um das Masseelement (16) auszulenken. 53 MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 41 , bei dem die Steuereinheit ausgebildet ist, um Auslenkung der Aktuatorstruktur (24) zu bewirken, die ein erstes Frequenzspektrum in dem Fluid (18) erzeugt und die eine Schwingung des Masseelements bereitstellt; so dass die Schwingung des Masseelements ein zweites Frequenzspektrum in einer Kavität bereitstellt, in welcher das MEMS-Bauelement angeordnet ist. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 42, bei dem ein Frequenzbereich des ersten Frequenzspektrums geringere Frequenzen aufweist als ein Frequenzbereich des zweiten Frequenzspektrums. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Auslenkung des Masseelements zu einer Schallabstrahlung in dem Fluid (18) in einem Frequenzbereich führt, die Frequenzen in einem Bereich zwischen 300 Hz und 3.400 Hz aufweist. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der Siliziummaterial umfasst. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; wobei die Aktuatorstruktur (24) über einen ersten Pfad mit einem Volumen gekoppelt ist, und das Masseelement (16) an einer der Aktuatorstruktur (24) abgewandten Seite über einen zweiten Pfad mit dem Volumen gekoppelt ist. Nahfeldlautsprecher mit einem MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 46. Hearable mit einem MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 46. MEMS-Pumpe mit einem MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 46. MEMS-Lautsprecher mit einem MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 46. Verfahren zum Ansteuern eines MEMS-Bauelements, das ein Substrat (12) mit einer Substratebene (14); ein Masseelement (16), das eine Ruhelage aufweist und ausgebildet ist, um eine Auslenkung aus der Ruhelage parallel zu der Substratebene (14) 54 und in einem das Masseelement (16) umgebenden Fluid (18) auszuführen; eine Federanordnung (22) die zwischen das Substrat (12) und das Masseelement (16) gekoppelt ist und ausgebildet ist, um sich basierend auf der Auslenkung zu verformen; und eine Aktuatorstruktur (24), die mittels einer Kopplung mit dem Masseelement (16) gekoppelt ist und ausgebildet ist, um mittels der Kopplung eine Kraft auf das Masseelement (16) auszuüben, um die Auslenkung zu bewirken und eine Bewegung des Fluids (18) zu bewirken, aufweist wobei die Aktuatorstruktur (24) über einen ersten Pfad mit einem Volumen gekoppelt ist, und das Masseelement (16) an einer der Aktuatorstruktur abgewandten Seite über einen zweiten Pfad mit dem Volumen gekoppelt ist; wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist:

Ansteuern (1310) der Aktuatorstruktur, um einen ersten Schalldruckpegel mit einem erste Frequenzbereich über den ersten Pfad in das Volumen abzustrahlen; und um einen zweiten Schalldruckpegel mit einem zweiten, verschiedenen Frequenzbereich über den zweiten Pfad in das Volumen abzustrahlen. Verfahren gemäß Anspruch 51 , bei dem der erste Schalldruckpegel und der zweite Schalldruckegel mit einer innerhalb eines Toleranzbereichs von 5 % übereinstimmenden Frequenz angeregt werden und sich in dem Volumen überlagern.