DE102017203912A1 - Micromechanical membrane device for a loudspeaker - Google Patents
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Abstract
Mikromechanische Membraneinrichtung (100) für einen Lautsprecher, aufweisend: – ein Rahmenelement (10); – ein Membranelement (20) mit einem Federelement (30), wobei das Membranelement (20) mittels des Federelements (30) an das Rahmenelement (10) angebunden ist; – ein Abdeckelement (60), das ausgebildet ist, ein abgeschlossenes Rückvolumen (50) zwischen dem Membranelement (20) mit dem Federelement (30) und dem Abdeckelement (60) bereitzustellen; und – ein luftdichtes Dichtelement (40), welches mit dem Membranelement (20) und mit dem Federelement (30) kontaktierend ausgebildet ist.A micromechanical membrane device (100) for a loudspeaker, comprising: - a frame element (10); - A membrane element (20) having a spring element (30), wherein the membrane element (20) by means of the spring element (30) is connected to the frame element (10); - A cover member (60) adapted to provide a closed back volume (50) between the membrane element (20) with the spring element (30) and the cover member (60); and - an airtight sealing element (40) which is formed with the membrane element (20) and with the spring element (30) contacting.
Description
Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Membraneinrichtung für einen Lautsprecher. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Membraneinrichtung für einen Lautsprecher.The invention relates to a micromechanical membrane device for a loudspeaker. The invention further relates to a method for producing a micromechanical membrane device for a loudspeaker.
Stand der TechnikState of the art
Lautsprecher sind Wandler, die ein elektrisches Eingangssignal in mechanische Schwingungen, als Schall wahrnehmbar, umwandeln. Lautsprecher dienen meist zur Schallerzeugung zur Wiedergabe von Sprache und Musik für den Menschen mit einem typischen Arbeitsbereich von ca. 20 Hz bis ca. 20 kHz. Die Baugröße variiert zwischen Millimeter großen Formen, die im Ohr getragen werden können (sogenannte „In-ear-Kopfhörer“) bis hin zu mehreren Metern für die Beschallung von Konzerten.Speakers are transducers that convert an input electrical signal into mechanical vibrations perceived as sound. Speakers are usually used to generate sound for the reproduction of speech and music for humans with a typical working range of about 20 Hz to about 20 kHz. The size varies between millimeter-sized forms that can be worn in the ear (so-called "in-ear headphones") up to several meters for the sound of concerts.
Zur Wandlung elektrischer Signale in Schallwellen wird ein Medium durch elektrische Energie in mechanische Schwingungen versetzt. Diese Funktion übernimmt eine Membran. Ein Lautsprecher besteht daher in den meisten Fällen aus drei Komponentengruppen: der Membran, der Antriebseinheit sowie deren verbindenden Elementen.To convert electrical signals into sound waves, a medium is set into mechanical vibrations by electrical energy. This function is handled by a membrane. A loudspeaker therefore consists in most cases of three component groups: the diaphragm, the drive unit and their connecting elements.
Bei klassischen Lautsprechern wird bevorzugt der elektrodynamische Antrieb eingesetzt. Dieser basiert auf einer freibeweglichen, stromdurchflossenen Spule, die sich im Feld eines fixierten, äußeren Magneten befindet. Ein Stromfluss durch die Spule im umgebenden Magnetfeld bewirkt eine Kraft (die sogenannte Lorentzkraft) auf die frei bewegliche Spule in vertikaler Richtung. Durch die vertikale mechanische Bewegung der Spule wird die angebundene Membran zur Schwingung angeregt, die wiederum Schallwellen direkt in die umgebende Luft abstrahlt.In classical speakers, the electrodynamic drive is preferably used. This is based on a freely moving, current-carrying coil, which is located in the field of a fixed, external magnet. A current flow through the coil in the surrounding magnetic field causes a force (the so-called Lorentz force) on the freely movable coil in the vertical direction. Due to the vertical mechanical movement of the coil, the tethered membrane is excited to vibrate, which in turn emits sound waves directly into the surrounding air.
Bei piezoelektrischen Lautsprechern erfolgt die Auslenkung der Membran über eine dünne piezoelektrische Schicht. Durch Anlegen einer tonfrequenten elektrischen Spannung an den Elektroden auf dem piezoelektrischen Material beginnt dieses sich mit der Frequenz zu verformen. Diese mechanische Schwingung wird auf die Membran übertragen, die Schallwellen direkt in die umgebende Luft abstrahlt.In piezoelectric loudspeakers, the deflection of the membrane takes place via a thin piezoelectric layer. By applying a sound frequency electrical voltage to the electrodes on the piezoelectric material, this begins to deform at the frequency. This mechanical vibration is transmitted to the membrane, which emits sound waves directly into the surrounding air.
Kapazitive bzw. elektrostatische Lautsprecher wiederum arbeiten mit einem hochtransformierten Signal, das über Statoren auf eine unter konstanter elektrischer Spannung stehende Membran wirkt.Capacitive or electrostatic loudspeakers, in turn, work with a highly transformed signal, which acts via stators on a membrane under constant electrical tension.
Wenn ein Lautsprecher frei im Raum schwebend ohne Trennwand oder ohne Gehäuse betrieben wird, können die von beiden Membranseiten abgestrahlten Schallwellen sich derart überlagern, dass sich der entstandene Druck auf der Membranvorderseite und der Unterdruck auf der Membranrückseite gegenseitig fast auslöschen, wie es bei einem in
Die einfachsten Abhilfen gegen den akustischen Kurzschluss sind ein abgeschlossenes Gehäuse oder eine Schallwand, die die abgestrahlten Schallwellen auf der Vorder- und Rückseite der Membran voneinander trennen, sodass kein direkter akustischer Kurzschluss mehr stattfinden kann. Dies ist in den
Neben dem abgeschlossenen Gehäuse oder der Trennwand dient die Membran selbst zur Separation zwischen der Luft auf Vorder- bzw. Rückseite. Kleinste Öffnungen (z.B. Schlitze oder Risse) in der Membran könnten dazu führen, dass der rückseitig abgestrahlte Schall durch die Membran hindurch auf die Vorderseite gelangen könnte und so einen akustischen Kurzschluss verursachen könnte. Daher ist eine luftundurchlässige Membran für die Vermeidung eines akustischen Kurzschluss wesentlich.In addition to the enclosed housing or the dividing wall, the membrane itself serves for the separation between the air on the front and rear side. Smallest openings (e.g., slits or tears) in the membrane could cause the radiated back sound to pass through the membrane to the front, causing an acoustic short. Therefore, an air-impermeable membrane is essential for avoiding an acoustic short circuit.
Der Trend zu mikroelektronischen Bauteilen und Mikrosystemen mit integrierten Sensoren und Aktoren ist unaufhaltsam, spätestens seit dem deutlichen Zuwachs an mobilen Endgeräten. Viele der für mobile Geräte notwendigen Komponenten wurden bereits mit Hilfe der sogenannten MEMS-Technologie miniaturisiert und integriert. Bekannt sind elektrodynamisch arbeitende Miniaturlautsprecher, die heutzutage in vielen mobilen Endgeräten, wie z.B. Smartphones, Tablets, Laptops, usw. zu finden sind.The trend towards microelectronic components and microsystems with integrated sensors and actuators is unstoppable, at least since the significant increase in mobile devices. Many of the components required for mobile devices have already been miniaturized and integrated using MEMS technology. Electrodynamically operating miniature loudspeakers known in many mobile terminals today, such as e.g. Smartphones, tablets, laptops, etc. are to be found.
Nachteile dieser Miniaturlautsprecher sind eine unbefriedigende Klangqualität und zu große Abmessungen. Eine unbefriedigende Klangqualität entsteht dadurch, dass ab einer bestimmten elektrischen Eingangsspannung die Lautsprecher übersteuert werden. Dann verändert sich die gleichmäßige Bewegung der Lautsprechermembran und es kommt zu Verformungen (Nichtlinearität) des Auslenkungssignals. Das Ergebnis ist ein sogenanntes Klirren am Lautsprecher und damit eine Verschlechterung der Klangqualität. Je kleiner der Lautsprecher ist, desto schneller ist diese Übersteuerung erreicht.Disadvantages of these miniature speakers are an unsatisfactory sound quality and too large dimensions. An unsatisfactory sound quality results from the fact that the loudspeakers are overdriven from a certain electrical input voltage. Then the uniform movement of the loudspeaker diaphragm changes and deformations (nonlinearity) of the deflection signal occur. The result is a so-called clinking on the speaker and thus a deterioration of the sound quality. The smaller the speaker, the faster this overdrive is achieved.
Weitere Probleme konventioneller Lautsprecher sind, dass durch ihren klassischen Aufbau der Miniaturisierung physikalische und fertigungstechnische Grenzen gesetzt sind und deren Produktion verschiedenste Materialien und Montageschritte erfordern. Außerdem ist die Verarbeitung auf den Mainboards von Endgeräten sehr schwierig und die Lautsprecher unterliegen unerwünschten Qualitätsschwankungen.Further problems of conventional loudspeakers are that their classical construction of the miniaturization physical and production limits are set and whose production requires a variety of materials and assembly steps. In addition, the processing on the motherboards of terminals is very difficult and the speakers are subject to undesirable quality variations.
Die Fertigung der Lautsprecher auf Si-Wafern (MEMS-Technologie) bringt markante Vorteile, wie z.B. eine höhere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sowie kostengünstigere Herstellungs- und Packagingprozesse im Vergleich zur gegenwärtigen Herstellungstechnologie mit sich.The fabrication of the speakers on Si wafers (MEMS technology) brings significant advantages, such as: higher accuracy and reproducibility, as well as lower cost manufacturing and packaging processes compared to current manufacturing technology.
Fünf mögliche unterschiedliche Designvarianten von Federstrukturen, die in MEMS-Technologie gefertigt werden können zeigen die Abbildungen a) bis e) von
Bekannt sind auch elektrodynamisch angetriebene MEMS-Lautsprecher, bei denen als Membran eine dünne Schicht aus metallischem Glas zum Einsatz kommt. In Verbindung mit einer dispensierten Magnetpaste und einer Mikrospule wird dabei eine Kupfertechnologie für den MEMS-Lautsprecher realisiert (nicht dargestellt).Also known are electrodynamically driven MEMS speakers in which a thin layer of metallic glass is used as the membrane. In conjunction with a dispensed magnetic paste and a microcoil while a copper technology for the MEMS speaker is realized (not shown).
Bekannt sind ferner piezoelektrisch angetriebene MEMS-Membraneinrichtungen, die in
Bekannt ist auch ein kapazitiver MEMS-Lautsprecher, der eine Membran aus Graphen aufweist, das ein sehr leichtes und starkes Material darstellt und darüber hinaus auch noch elektrisch leitfähig ist. Eine Auslenkung der Membran wird elektrostatisch durch darüber und darunter liegende perforierte Platten aus Silizium bewirkt (nicht dargestellt).Also known is a capacitive MEMS speaker, which has a membrane made of graphene, which is a very light and strong material and is also still electrically conductive. Deflection of the membrane is effected electrostatically by perforated silicon plates above and below it (not shown).
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Membraneinrichtung für einen MEMS-Lautsprecher bereit zu stellen.It is an object of the present invention to provide an improved membrane device for a MEMS speaker.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer mikromechanischen Membraneinrichtung für einen Lautsprecher, aufweisend:
- – ein Rahmenelement;
- – ein Membranelement mit einem Federelement, wobei das Membranelement mittels des Federelements an das Rahmenelement angebunden ist;
- – ein Abdeckelement, das ausgebildet ist, ein abgeschlossenes Rückvolumen zwischen dem Membranelement mit dem Federelement und dem Abdeckelement bereitzustellen; und
- – ein luftdichtes Dichtelement, welches mit dem Membranelement und mit dem Federelement kontaktierend ausgebildet ist.
- A frame element;
- - A membrane element with a spring element, wherein the membrane element is connected by means of the spring element to the frame member;
- A cover member configured to provide a closed back volume between the diaphragm member with the spring member and the cover member; and
- - An airtight sealing element which is formed with the membrane element and the spring element contacting.
Mittels des luftdichten Dichtelements wird ein akustischer Kurzschluss verhindert, weil Luft nicht nachströmen kann. Auf diese Weise wird eine verbesserte Betriebscharakteristik für die mikromechanische Membraneinrichtung des Lautsprechers bereitgestellt.By means of the airtight sealing element, an acoustic short circuit is prevented, because air can not flow. In this way, an improved operating characteristic for the micromechanical membrane device of the loudspeaker is provided.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Membraneinrichtung für einen Lautsprecher, aufweisend die Schritte:
- – Bereitstellen eines Rahmenelements;
- – Bereitstellen eines Membranelements mit einem Federelement, wobei das Membranelement mittels des Federelements an das Rahmenelement angebunden wird;
- – Bereitstellen eines Abdeckelements, das ausgebildet ist, ein abgeschlossenes Rückvolumen zwischen dem Membranelement mit dem Federelement und dem Abdeckelement bereitzustellen; und
- – Bereitstellen eines luftdichten Dichtelements, welches mit dem Membranelement und mit dem Federelement kontaktierend ausgebildet wird.
- - providing a frame element;
- - Providing a membrane element with a spring element, wherein the membrane element is connected by means of the spring element to the frame member;
- Providing a cover member configured to provide a closed back volume between the diaphragm member with the spring member and the cover member; and
- - Providing an airtight sealing element, which is formed with the membrane element and the spring element contacting.
Vorteilhafte Weiterbildungen der mikromechanischen Membraneinrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Advantageous developments of the micromechanical membrane device are the subject of dependent claims.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Membraneinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das luftdichte Dichtelement eine Polymerschicht ist. Dadurch wird ein flexibles, luftdichtes Dichtelement bereitgestellt, das einfach aufzubringen ist.An advantageous development of the membrane device is characterized in that the airtight sealing element is a polymer layer. Thereby, a flexible, airtight sealing element is provided, which is easy to apply.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Membraneinrichtung sieht vor, dass das luftdichte Dichtelement eine Graphenschicht ist. Auf diese Weise wird eine alternative Realisierungsmöglichkeit für ein flexibles, luftdichtes Dichtelement bereitgestellt.A further advantageous development of the membrane device provides that the airtight sealing element is a graphene layer. To this This provides an alternative realization possibility for a flexible, airtight sealing element.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Membraneinrichtung sehen vor, dass das luftdichte Dichtelement oberhalb oder unterhalb des Membranelements mit dem Federelement angeordnet ist. Auf diese Weise werden vorteilhaft zwei unterschiedliche Positionierungsmöglichkeiten für das luftdichte Dichtelement bereitgestellt.Further advantageous developments of the membrane device provide that the airtight sealing element is arranged above or below the membrane element with the spring element. In this way, two different positioning possibilities for the airtight sealing element are advantageously provided.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Membraneinrichtung sehen vor, dass das Abdeckelement ein Wafer oder ein Verpackungselement ist. Auf diese Weise werden unterschiedliche Möglichkeiten für die Ausbildung des abgeschlossenen Rückvolumens bereitgestellt.Further advantageous developments of the membrane device provide that the cover element is a wafer or a packaging element. In this way, different possibilities for the training of the completed return volume are provided.
Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren, sowie unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen.The invention will be described below with further features and advantages with reference to several figures in detail. In this case, all features, regardless of their representation in the description and in the figures, as well as regardless of their dependency in the claims, the subject of the present invention. The figures are primarily intended to illustrate the principles essential to the invention and are not necessarily drawn to scale. Same or functionally identical elements have the same reference numerals.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die mikromechanische Membraneinrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Membraneinrichtung ergeben und umgekehrt.Disclosed method features are analogous to corresponding disclosed device features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and embodiments relating to the micromechanical membrane device result analogously from corresponding embodiments, features and advantages of the method for producing a micromechanical membrane device and vice versa.
In den Figuren zeigt:In the figures shows:
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht insbesondere darin, eine verbesserte Membraneinrichtung für einen MEMS-Lautsprecher bereitzustellen. Wie oben bereits erläutert, bestehen MEMS-Lautsprecher in der Regel aus einer Membran (bzw. einer Platte), die durch freibewegliche Federn in einem Rahmen eingespannt ist. Unter Verwendung von Silizium-Technologie können Membran und Federn aus einem Wafer gefertigt werden. Um Membran und Federn in vertikaler Richtung frei beweglich zu gestalten, ist es unerlässlich, dass die Federn am Rand mittels eines Tiefenätzprozesses freigestellt werden.A basic idea of the invention is, in particular, to provide an improved membrane device for a MEMS loudspeaker. As already explained above, MEMS loudspeakers usually consist of a membrane (or a plate), which is clamped by freely movable springs in a frame. Using silicon technology, membrane and springs can be made from a wafer. In order to make membrane and springs freely movable in the vertical direction, it is essential that the springs are exposed at the edge by means of a Tiefenätzprozesses.
Die dadurch entstehenden kleinen Luftspalte an den Federrändern, wie in den
Die Erfindung schlägt einen Aufbau einer luftundurchlässigen MEMS-basierten Lautsprechereinrichtung vor, die über freistehende Federn an einem äußeren Rahmen aufgehängt ist. Um den genannten akustischen Kurzschluss zu vermeiden, werden die Federn und die Membran mittels einer flexiblen, luftdichten Schicht zur Umgebungsluft hin abgedichtet.The invention proposes a structure of an airtight MEMS-based loudspeaker device which is suspended on freestanding springs on an outer frame. In order to avoid the mentioned acoustic short circuit, the springs and the membrane are sealed by means of a flexible, airtight layer towards the ambient air.
Anforderungen an die flexible, luftdichte Schicht sind zum einen eine geringe Masse und eine geringe Federsteifigkeit, um die Membranschwingung nicht zu beeinflussen und zum anderen eine hohe Zugfestigkeit und Robustheit gegenüber Auslenkungen bereitzustellen. Geeignete Materialien für die Realisierung der flexiblen, luftdichten Schicht sind z.B. Polymere oder Graphen.Requirements for the flexible, airtight layer are on the one hand a low mass and a low spring stiffness, in order not to influence the membrane vibration and on the other hand to provide a high tensile strength and robustness against deflections. Suitable materials for the realization of the flexible, airtight layer are e.g. Polymers or graphene.
Vorteilhaft kann durch die Verwendung der flexiblen, luftdichten Schicht ein akustischer Kurzschluss bei MEMS-basierten Lautsprechereinrichtungen vermieden werden. Die Funktionen der Membran, Federn und der luftdichten Schicht sind vorteilhaft klar voneinander getrennt und diesen Bauteilen zugeordnet. Dies ermöglicht vorteilhaft eine separate Optimierung der flexiblen Federn, der leichten und starren Membran und der luftdichten, flexiblen Schicht.Advantageously, by using the flexible, airtight layer, an acoustic short circuit in MEMS-based speaker devices can be avoided. The functions of the membrane, springs and the airtight layer are advantageously clearly separated from each other and assigned to these components. This advantageously allows separate optimization of the flexible springs, the light and rigid membrane and the airtight, flexible layer.
Dadurch sind ferner eine hohe Flexibilität der Anordnung und der Auslegung der Federn, der Membran und der luftdichten Schicht unterstützt. Zudem ergeben sich dadurch vorteilhaft die hohe Präzision und Reproduzierbarkeit der gefertigten Geometrien durch Verwendung von MEMS-Technologie zur Herstellung der Lautsprechermembran, der Federn und der luftdichten Schicht, was in einer guten und reproduzierbaren Klangqualität der damit ausgestatteten MEMS-Lautsprecher resultiert.This also supports a high flexibility of the arrangement and the design of the springs, the membrane and the airtight layer. In addition, this advantageously results in the high precision and reproducibility of the manufactured geometries by using MEMS technology for producing the loudspeaker diaphragm, the springs and the airtight layer, resulting in a good and reproducible sound quality of the MEMS loudspeakers equipped therewith.
Um einen akustischen Kurzschluss zwischen der Membranvorderseite und dem Rückvolumen
Im Ergebnis weist die derart bereitgestellte mikromechanische Membraneinrichtung
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine mikromechanische Membraneinrichtung für einen Lautsprecher bereitgestellt, mit der vorteilhaft ein akustischer Kurzschluss verhindert bzw. wenigstens sehr stark reduziert werden kann.In summary, the present invention provides a micromechanical membrane device for a loudspeaker with which advantageously an acoustic short circuit can be prevented or at least greatly reduced.
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the invention has been described above by means of concrete examples of application, the person skilled in the art can realize previously or only partially disclosed embodiments, without departing from the gist of the invention.
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WO2020033445A1 (en) * | 2018-08-08 | 2020-02-13 | The Regents Of The University Of California | Acoustic transducer including a modified membrane |
US11589164B2 (en) | 2018-08-08 | 2023-02-21 | The Regents Of The University Of California | Acoustic transducer including a modified membrane |
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