DE102022209186A1

DE102022209186A1 - Mikrofluidisches Interaktionselement zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids sowie eine akustische Vorrichtung mit einem solchen mikrofluidischen Interaktionselement

Info

Publication number: DE102022209186A1
Application number: DE102022209186.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-05
Filing date: 2022-09-05
Publication date: 2024-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Interaktionselement (110, 210, 310, 410) zur Erzeugung eines Volumenstroms eines Fluids, wobei das mikrofluidische Interaktionselement (110, 210, 310, 410) ein Substrat (20) mit wenigstens einem Hohlraum (30) aufweist, wobei innerhalb des Hohlraums (30) wenigstens ein bewegliches Verdrängungselement (40) mit einem vertikalen Flächenelement (41) mit einer Wand (31) des Hohlraums (30) verbunden und derartig angeordnet ist, dass die Bewegungsrichtung (x) des Verdrängungselements (40) im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats (20) und senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Flächenelements (41) ist, wobei das Verdrängungselement (40) derartig ausgestaltet und angeordnet ist, dass durch das Flächenelement (41) jeweils ein erster Teilraum (44) und ein zweiter Teilraum (46) innerhalb des Hohlraums (30) gebildet ist, wobei das mikrofluidische Interaktionselement (110, 210, 310, 410) jeweils einen ersten Durchbruch (54) vom ersten Teilraum (44) zu einer Unterseite (24) des Substrats (20) und einen zweiten Durchbruch (56) vom zweiten Teilraum (46) zu einer Oberseite (26) des Substrats (20) aufweist, und wobei das Verdrängungselement (40) ein piezoelektrisches Wandlerelement (48) aufweist, welches dazu eingerichtet ist, das Verdrängungselement (40) entlang der Bewegungsrichtung (x) zu bewegen.Zudem betrifft die Erfindung eine akustische Vorrichtung (500) mit wenigstens einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselement (110, 210, 310, 410).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Interaktionselement zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids, welches insbesondere in einem Lautsprecher oder auch einem Mikrofon zum Einsatz kommen kann.
MEMS-Lautsprecher und MEMS-Mikrofone besitzen gegenüber herkömmlichen elektrodynamischen Lautsprechern bzw. Mikrofonen wesentliche Vorteile, z. B. bezüglich geringerer Latenzzeit, geringerem Energieverbrauch, geringerer Baugröße oder auch der prinzipiellen Lötfähigkeit. Auf der anderen Seite weisen herkömmliche Lautsprecher derzeit noch Defizite im Hinblick auf erreichbare Schallpegel auf. Zur Erreichung hoher Schallpegel muss ein entsprechend großes Luftvolumen verdrängt werden. Das verdrängte Volumen lässt sich entweder durch größere Auslenkungen eines bewegten Verdrängungselements, wie zum Beispiel einer Membran oder eines Biegebalkens, und/oder durch Vergrößerung der Fläche des Verdrängungselements maximieren. Größere Auslenkungen sind für mikromechanische Bauelemente einerseits wegen der fehlenden Belastbarkeit der Materialien/Strukturen und andererseits wegen geringer Krafterzeugungsdichten schwierig zu realisieren. Vergrößerungen einer horizontalen Fläche des Verdrängungselements sind zwar einfacher realisierbar, jedoch in puncto Bauelementgröße und -kosten kontraproduktiv.
Ungünstig ist zudem, dass die zur Aktuierung verwendeten Biegebalken oftmals eine leichte Variation aufgrund von Fertigungstoleranzen aufweisen, so dass sie sich nicht phasengleich bewegen, was die erreichbaren Schallpegel mindert.
Die genannten Probleme sollen durch die Erfindung gelöst werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Interaktionselement zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids, wobei das mikrofluidische Interaktionselement ein Substrat mit wenigstens einem Hohlraum aufweist, wobei innerhalb des Hohlraums wenigstens ein bewegliches Verdrängungselement mit einem vertikalen Flächenelement mit einer Wand des Hohlraums verbunden und derartig angeordnet ist, dass die Bewegungsrichtung des Verdrängungselements im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats und senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Flächenelements ist, wobei das Verdrängungselement derartig ausgestaltet und angeordnet ist, dass durch das Flächenelement jeweils ein erster Teilraum und ein zweiter Teilraum innerhalb des Hohlraums gebildet ist, wobei das mikrofluidische Interaktionselement jeweils einen ersten Durchbruch vom ersten Teilraum zu einer Unterseite des Substrats und einen zweiten Durchbruch vom zweiten Teilraum zu einer Oberseite des Substrats aufweist, und wobei das Verdrängungselement ein piezoelektrisches Wandlerelement aufweist, welches dazu eingerichtet ist, das Verdrängungselement entlang der Bewegungsrichtung zu bewegen und/oder eine Bewegung des Verdrängungselements entlang der Bewegungsrichtung zu erfassen.
Vorteilhaft ist hierbei, dass das mikrofluidische Interaktionselement eine sehr hohe Wandlungseffizienz von elektrischer in akustische Energie ermöglicht, um entsprechend hohe Schalldruckpegel zu erzielen, indem das Verdrängungselement entsprechend von einem Wandlerelement in Bewegung versetzt werden kann. Weitere Vorteile sind, dass das Interaktionselement lötfähig ist, da kein Magnet integriert ist, eine geringe Latenzzeit aufgrund seiner geringen Masse besitzt und es zudem sehr klein gebaut werden kann. Hinzu kommt, dass das Interaktionselement sehr robust ist und sich durch die vertikale Ausrichtung des Flächenelements des Verdrängungselements im Zusammenspiel mit den entsprechend Teilräumen zudem das verdrängte Volumen pro Fläche vergrößern lässt, was wiederum einem erhöhten Schalldruckpegel pro Fläche gleichgesetzt werden kann.
Das mikrofluidische Interaktionselement kann beispielsweise als sogenanntes MEMS-Element ausgestaltet sein. Unter MEMS-Element ist ein mikro-elektromechanisches System zu verstehen, welches insbesondere elektronische sowie mechanische Komponenten auf kleinstem Raum kombiniert bzw. integriert.
Das Verdrängungselement weist ein Flächenelement auf, wobei dieses entsprechend flächig ausgebildet, bezogen auf das Substrat vertikal angeordnet und zusammen mit den Hohlraumwänden im Substrat einen entsprechenden ersten und zweiten Teilraum innerhalb des Hohlraums bildet. Das Flächenelement dient zudem als fluidischer Widerstandsteil des Verdrängungselements und kann beispielsweise als eine Art Finne ausgestaltet sein. Hierbei sind die Höhe und die Länge des Flächenelements wesentlich größer als dessen Breite.
Durch eine horizontale Bewegung des Verdrängungselements und insbesondere dessen Flächenelements wird ein im Hohlraum durch das Verdrängungselemente gebildetes Teilvolumen verdichtet, indem durch die Bewegung des Verdrängungselements der entsprechende Teilraum verkleinert wird, während zeitgleich das andere durch das Verdrängungselemente gebildete Teilvolumen verdünnt wird, da dort durch die Bewegung des Verdrängungselements der Teilraum vergrößert wird. Durch eine Fluidöffnung auf einer Substratoberfläche kann hierbei Fluid aus dem verdichteten Teilvolumen in die Umgebung ausströmen, während durch eine weitere Fluidöffnung auf der gegenüberliegenden Substratoberfläche Fluid aus der Umgebung in das verdünnte Teilvolumen nachströmt. Auf diese Weise ergibt sich ein Nettovolumenfluss des Fluids der Umgebung in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats. Bewegt sich das Verdrängungselement in die entgegengesetzte Richtung, ergibt sich eine umgekehrte Flussrichtung des Fluids. Mit anderen Worten kann mit dem Interaktionselement eine akustische Schallwelle mit positiver und negativer Druckhalbwelle in einem Fluid der Umgebung erzeugt werden.
Ebenso ist es jedoch denkbar, dass eine Bewegung der Verdrängungselemente aufgrund eines Volumenflusses mittels der Wandlerelemente erfassbar ist und folglich der Volumenfluss des Fluids durch das Interaktionselement erfasst werden kann.
Unter dem Begriff Fluid werden in der Physik Flüssigkeiten und Gase zusammengefasst. Das Gas kann beispielsweise gewöhnliche Luft sein, welche mittels des Interaktionselements bewegt wird und wodurch entsprechend ein Volumenfluss erzeugt wird. Unter Volumenfluss ist folglich eine Bewegung des Fluids zu verstehen. Dieser Volumenfluss kann bei entsprechender Umsetzung als schwingende Bewegung einen Schalldruckpegel erzeugen, welcher beispielsweise durch das menschliche Gehör wahrnehmbar ist.
Unter Substrat kann beispielsweise ein Silizium-Substrat verstanden werden, welches als Wafer-Substrat genutzt wird. Das Substrat wird entsprechend prozesstechnisch bearbeitet, um das mikrofluidische Interaktionselement daraus herzustellen. So wird eine Ausnehmung in das Substrat prozessiert, welche den Hohlraum mit den entsprechenden Durchbrüchen zwischen Hohlraum und Substrat-Außenseite bildet. Die Ausnehmung definiert wiederum das Interaktionsvolumen des Interaktionselements und wird durch das Substrat von der Umgebung abgegrenzt.
Unter Durchbruch ist eine Öffnung im Substrat zu verstehen, welche jeweils die im Hohlraum gebildeten Teilräume mit der Umgebung des Substrats verbindet.
Das piezoelektrische Wandlerelement kann als Aktorelement ausgestaltet sein und entsprechend als Antrieb für das Verdrängungselement dienen, wobei eine Anordnung des Wandlerelements unmittelbar am Verdrängungselement selbst sinnvoll ist, um eine direkte Kraftübertragung von Wandlerelement auf das restliche Verdrängungselement und insbesondere auf das Flächenelement bewirken zu können. Die elektrische Kontaktierung des Wandlerelements erfolgt dann beispielsweise mittels einer Steuerleitung, welche entsprechenden innerhalb oder auch auf dem Substrat strukturiert oder angeordnet werden kann. Durch Anlegen eines Ansteuersignals können die Wandlerelemente Zugstress erzeugen und die Verdrängungselemente lateral in eine erste Bewegungsrichtung auslenken. Durch Wegnahme des Ansteuersignals kann das Verdrängungselement entgegengesetzt wieder in seine Ruhestellung zurückbewegt werden. Geschieht dies dynamisch, sorgt sein Trägheitsmoment darüber hinaus dafür, dass es beim Zurückschwingen über die Ruhestellung hinaus schwingt. Dies kann jedoch auch durch Anlegen einer umgekehrten Spannung erzielt beziehungsweise unterstützt werden.
Prinzipiell ist es hierbei auch denkbar, dass ein extern angeregter Volumenstrom des Fluids als externer Schalldruckpegel das Interaktionselement beziehungsweise genauer gesagt das Verdrängungselement in Bewegung versetzt. Dies kann dann mit dem umgekehrten Aktorprinzip durch das Wandlerelement als Sensorelement erfasst werden. Somit kann ein Volumenstrom eines Fluids mittels des Interaktionselements entsprechend auch erfasst werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das mikrofluidische Interaktionselement mehrere Verdrängungselemente innerhalb des Hohlraums oder innerhalb von Hohlräumen aufweist, wobei die Haupterstreckungsebenen der jeweiligen Flächenelemente im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und wobei insbesondere die Verdrängungselemente wechselseitig mit sich gegenüberliegenden Wänden des Hohlraums und/oder der Hohlräume verbunden sind.
Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die Mehrzahl an Verdrängungselementen ein größerer Volumenfluss erzeugt werden kann, wodurch der Schalldruckpegel erhöht werden kann. Durch die vertikale Anordnung der Flächenelemente wird hierbei zudem nur ein geringer Bauraum benötigt.
Die Flächenelemente sind entsprechend flächig ausgebildet, vertikal angeordnet und bilden zusammen mit den anderen Flächenelementen und dem Hohlraum entsprechende erste und zweite Teilräume innerhalb des Hohlraums. Hierbei ist die im Wesentlichen parallele Ausrichtung der Haupterstreckungsebenen der Flächenelemente insbesondere auf den Ruhezustand bezogen.
Unter wechselseitig angeordnet ist zu verstehen, dass eine alternierende Anordnung der Verdrängungselemente entlang der Bewegungsrichtung vorliegt, beispielsweise indem ein erstes Verdrängungselement mit einer Seitenwand des Hohlraums verbunden ist, ein nächstes Verdrängungselement dann mit einer dieser Seitenwand gegenüberliegenden Seitenwand des Hohlraums verbunden ist und das darauffolgende Verdrängungselement wiederum mit der gleichen Seitenwand wie das erste Verdrängungselement verbunden ist.
Durch eine Bewegung der Verdrängungselements lässt sich dann beispielsweise in den entsprechend ersten Teilräumen ein Unterdruck und gleichzeitig in den zweiten Teilräumen ein Überdruck generieren.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das mikrofluidische Interaktionselement dazu eingerichtet ist, die Wandlerelemente der Verdrängungselemente gleichphasig anzusteuern.
Vorteilhaft ist hierbei, dass aufgrund der entsprechenden Ausgestaltung alle vertikalen Flächenelemente der Verdrängungselemente phasengleich bewegt werden können, was höhere Schallpegel erreichbar macht.
Eine solche phasengleiche Ansteuerung kann beispielsweise mittels einer Wechselspannung oder Halbwellenspannung erzielt werden, welche über entsprechende Steuerleitungen an die piezoelektrischen Wandlerelemente angelegt wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Verdrängungselement jeweils derartig ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Bewegungsrichtung des Verdrängungselements azimutal um einen Verbindungspunkt zwischen Verdrängungselement und Wand des Hohlraums ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass aufgrund des piezoelektrischen Antriebs eine solche Bewegungsform einfach umsetzbar ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hohlraum derartig ausgestaltet ist, dass sich der Hohlraum ausgehend vom Verbindungspunkt zur gegenüberliegenden Wand des Hohlraums hin aufweitet, wobei insbesondere der Hohlraum parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats ein gleichschenkliges Trapez bildet, dessen Basis dem Verbindungspunkt zwischen Verdrängungselement und Wand des Hohlraums gegenüberliegt.
Vorteilhaft ist hierbei, dass das Volumen des Hohlraums optimal zur Erzeugung des Volumenstroms genutzt werden kann, indem die Form des Hohlraums an die Bewegung des Verdrängungselements angepasst ist.
Der Hohlraum bildet hierbei in Draufsicht mittels seiner Wände beispielsweise ein Trapez, wobei unter Basis, die längere Grundseite des Trapezes verstanden wird. Als dreidimensionale Ausgestaltung ergibt sich entsprechend ein Trapezprisma. Der Hohlraum könnte beispielsweise jedoch auch wie ein Kreisausschnitt geformt sein oder in seiner dreidimensionalen Ausgestaltung einen Pyramidenstumpf darstellen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verdrängungselement jeweils einen Biegebalken aufweist, an welchem das vertikale Flächenelement des Verdrängungselements angeordnet ist und welcher mit der Wand des Hohlraums und/oder mit einer Decke des Hohlraums und/oder mit einem Boden des Hohlraums verbunden ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass mittels des Biegebalkens eine Bewegung des Flächenelements erzielt werden kann. Insbesondere kann hierbei der Biegebalken stabiler als das Flächenelement ausgestaltet sein, wodurch die Kraftübertragung von Wandlerelement auf den Biegebalken und dann vom Biegebalken auf das Flächenelement optimal ausgestaltet ist.
Der Biegebalken weist hierbei typischerweise einen rechteckigen, insbesondere quadratischen, Querschnitt auf, wobei dessen Länge um ein Vielfaches größer als seine Breite bzw. Höhe ist.
Insbesondere sind hierbei Flächenelement und Biegebalken vertikal gestapelt und in lateraler Richtung überlappend angeordnet. Das Wandlerelement kann dann wiederum ebenfalls vertikal gestapelt und in lateraler Richtung überlappend bezogen auf den Biegebalken angeordnet sein oder auch seitlich am Biegebalken angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wandlerelement jeweils längs an einer Kante des Biegebalkens angeordnet ist, insbesondere im Wesentlichen vollständig entlang der Kante und/oder außerhalb einer vertikalen Längssymmetrieachsenebene des Biegebalkens und/oder seitlich oder oberhalb des Biegebalkens.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Anordnung des Wandlerelements an der Kante des Biegebalkens eine sehr gute Verbiegung des Biegebalkens ermöglicht, wodurch ein entsprechender Volumenfluss des Fluids erzeugbar ist. Insbesondere bei einem im Wesentlichen vollständig entlang der Kante angeordneten Wandlerelement kann diese Verbiegung maximiert werden. Unter der Anordnung oberhalb des Biegebalkens ist zu verstehen, dass das Wandlerelement vertikal zum Biegebalken gestapelt und in lateraler Richtung den Biegebalken überlappend angeordnet ist.
Bei mehreren Verdrängungselementen sind die jeweiligen Wandlerelemente insbesondere auf sich aufeinander zugerichteten Kanten der benachbarten Biegebalken angeordnet, wodurch bei einer gleichmäßigen Ansteuerung aller Wandlerelemente eine phasengleiche Bewegung aller vertikalen Flächenelemente erzielt werden kann, um wiederum die Erzeugung des Schalldruckpegels zu optimieren.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verdrängungselement jeweils ein weiteres Wandlerelement aufweist, welches entlang der dem Wandlerelement gegenüberliegenden Kante des Biegebalkens angeordnet ist, wobei das mikrofluidisches Interaktionselement dazu eingerichtet ist, das Wandlerelement und das weitere Wandlerelement gegenphasig anzusteuern.
Vorteilhaft ist hierbei, dass der Biegebalken aktiv in beide Richtungen ausgelenkt werden kann und nicht allein von der Rückstellkraft der mechanischen Feder abhängt. Entsprechend kann die für die Erzeugung des Volumenstroms durch die Bewegung des Flächenelements notwendige Kraft erhöht werden. Somit kann entsprechend ein höherer Schalldruckpegel erzeugt werden.
Das Wandlerelement und das weitere Wandlerelement sind hierbei jeweils außerhalb einer vertikalen Längssymmetrieachsenebene des Biegebalkens angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wandlerelement bimorph ausgestaltet und derartig angeordnet ist, dass das Wandlerelement wenigstens zwei Verdrängungselemente miteinander verbindet. Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine weitere einfache Möglichkeit darstellt, zwei benachbarte Biegebalken aufeinander zu bzw. voneinander wegzubewegen, um die entsprechenden Unter- und Überdrücke innerhalb der jeweiligen Teilräume zu generieren.
Ein bimorphes Wandlerelement weist wenigstens zwei piezoelektrisch aktive Schichten auf, welche entsprechend zur Krafterzeugung genutzt werden. Insbesondere ist es hierbei denkbar, dass das Wandlerelement wiederum direkt an den Biegebalken angeordnet ist und den Teilraum zwischen zwei Biegebalken überspannt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wandlerelement mittig oder beidseitig kantenlagig am jeweiligen Verdrängungselement angeordnet ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass dies einfache Möglichkeiten darstellt, um mittels des bimorphen Wandlerelements eine Bewegung der Verdrängungselemente zu erzielen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Durchbruch und/oder der zweite Durchbruch jeweils zwischen 10 µm und 200µm breit und mehr als 100µm, insbesondere mehr als 500µm, lang sind. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein geringer Fluidwiderstand zwischen den Teilräumen und der Umgebung des Interaktionselements vorhanden ist, wodurch ein einfacher Volumenfluss des Fluids möglich ist. Dies ist wichtig für die akustische Leistungsfähigkeit des Interaktionselements und ermöglicht wiederum hohe Schalldruckpegel.
Die Breite ist hierbei in Bewegungsrichtung des Verdrängungselements bzw. senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Flächenelements in Ruhelage definiert, wohingegen die Länge horizontal quer zur Bewegungsrichtung des Verdrängungselements bzw. horizontal entlang der Haupterstreckungsebene des Flächenelements definiert ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem Verdrängungselement und der Wand des Hohlraums, welche sich gegenüber der Wand befindet, die mit dem Verdrängungselement verbunden ist, kleiner als 20µm ist, insbesondere kleiner als 10µm.
Vorteilhaft ist hierbei, dass ein hoher Fluidwiderstand zwischen den Teilräumen vorhanden ist, wodurch die Fluidleckage aufgrund der notwendigerweise vorhandenen Spalte zwischen dem Verdrängungselement und dem Wandelement verringert werden kann. Dies ermöglicht einen hohen Schalldruckpegel bei niedrigen Frequenzen.
Der Abstand ist hierbei als lateraler Abstand zwischen der seitlichen Wand des Hohlraums, welche dem Verbindungspunkt des Verdrängungselements gegenüberliegt, und dem Verdrängungselement zu verstehen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der vertikale Abstand zwischen dem Verdrängungselement und dem Boden des Hohlraums und/oder zwischen dem Verdrängungselement und der Decke des Hohlraums kleiner als 5µm ist, insbesondere kleiner als 2µm.
Vorteilhaft ist hierbei, dass ein hoher Fluidwiderstand zwischen den Teilräumen vorhanden ist, wodurch die Fluidleckage aufgrund der notwendigerweise vorhandenen Spalte zwischen Hohlraumdecke bzw. -boden und dem Verdrängungselement verringert werden kann. Dies ermöglicht wiederum einen hohen Schalldruckpegel bei niedrigen Frequenzen.
Die Erfindung betrifft zudem eine akustische Vorrichtung, insbesondere einen Lautsprecher und/oder ein Mikrofon, mit wenigstens einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselement.
Unter Lautsprecher sind Schallwandler zu verstehen, die aus einem elektrischen Eingangssignal Schall erzeugen. Mikrofone wiederum können Schall in elektrische Ausgangssignale umwandeln. Hierbei ist der Schall durch das jeweilige Interaktionselement erzeugbar oder auch erfassbar. Im Falle mehrerer Interaktionselemente in einem MEMS-Bauelement können sich diese hierbei in ihrer lateralen Dimension voneinander unterscheiden und beispielsweise eine Matrixanordnung bilden. Die Ansteuerung oder auch Auswertung der Interaktionselemente kann dann durch gemeinsame oder auch separat ausgebildete Steuerleitungen erfolgen. Insbesondere erfolgt die Ansteuerung hierbei derartig, dass zur Erzeugung eines optimalen Schalldruckpegels insbesondere eine für alle Interaktionselemente phasengleiche Auslenkung der jeweiligen Verdrängungselemente erzielt werden kann.
Zeichnungen

1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht.
1b zeigt das erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements nach 1a in einer seitlichen Schnittansicht.
2a zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht.
2b zeigt das zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements nach 2a in einer seitlichen Schnittansicht.
3a zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht.
3b zeigt das dritte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements nach 3a in einer seitlichen Schnittansicht.
4a zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht.
4b zeigt das vierte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements nach 4a in einer seitlichen Schnittansicht.
5 zeigt eine akustische Vorrichtung mit mehreren erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselementen.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1a und 1b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht und in einer seitlichen Schnittansicht.
Dargestellt ist in 1a ein mikrofluidisches Interaktionselement 110 zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines bildlich nicht dargestellten Fluids, welches entlang einer Schnittebene B aufgeschnitten und in Draufsicht dargestellt ist. Die genaue Lage der Schnittebene B ist hierbei in 1b ersichtlich.
In 1b ist wiederum das Interaktionselement 10 aus 1a dargestellt, jedoch diesmal in einem seitlichen Querschnitt, welcher entlang der in 1a dargestellten Schnittebene A erfolgt ist.
Das mikrofluidische Interaktionselement 110 weist ein Substrat 20 mit einem Hohlraum 30 auf.
Innerhalb des Hohlraums 30 sind mehrere bewegliche Verdrängungselemente 40 mit je einem vertikalen Flächenelement 41 jeweils mit einer Wand 31 des Hohlraums 30 verbunden und derartig angeordnet, dass die Bewegungsrichtung x des jeweiligen Verdrängungselements 40 im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats 20 und senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Flächenelements 41 ist. Zudem ist jedes der Verdrängungselemente 40 derartig ausgestaltet und angeordnet, dass die Bewegungsrichtung x des jeweiligen Verdrängungselements 40 jeweils azimutal um einen Verbindungspunkt 32 zwischen Verdrängungselement 40 und Wand 31 des Hohlraums 30 ist.
Des Weiteren sind die Haupterstreckungsebenen der jeweiligen Flächenelemente 41 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, wobei insbesondere die Verdrängungselemente 40 wechselseitig mit sich gegenüberliegenden Wänden 31 des Hohlraums 30 verbunden sind.
Insbesondere weisen die Verdrängungselemente 40 jeweils einen Biegebalken 42 auf, an welchem das vertikale Flächenelement 41 des jeweiligen Verdrängungselements 40 angeordnet ist und welcher mit der Wand 31 des Hohlraums 30 verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann der jeweilige Biegebalken 42 mit einer Decke 36 des Hohlraums 30 und/oder mit einem Boden 34 des Hohlraums 30 verbunden sein.
Der Abstand d zwischen dem Verdrängungselement 40 und der Wand 31 des Hohlraums 30, welche sich gegenüber der Wand 31 befindet, die mit dem Verdrängungselement 40 verbunden ist, ist kleiner als 20µm, insbesondere kleiner als 10µm.
Der vertikale Abstand h zwischen dem Verdrängungselement 40 und dem Boden 34 des Hohlraums 30 und/oder zwischen dem Verdrängungselement 40 und der Decke 36 des Hohlraums 30 ist hierbei kleiner als 5µm, insbesondere kleiner als 2µm.
Des Weiteren ist jedes der Verdrängungselemente 40 derartig ausgestaltet und angeordnet, dass durch das zugehörige Flächenelement 41 jeweils ein erster Teilraum 44 und ein zweiter Teilraum 46 innerhalb des Hohlraums 30 gebildet ist.
Zudem weist das das mikrofluidische Interaktionselement 110 jeweils einen ersten Durchbruch 54 vom ersten Teilraum 44 zu einer Unterseite 24 des Substrats 20 und einen zweiten Durchbruch 56 vom zweiten Teilraum 46 zu einer Oberseite 26 des Substrats 20 auf, was insbesondere in 1b nochmals deutlich dargestellt ist.
Hierbei sind der erste Durchbruch 54 und/oder der zweite Durchbruch 56 jeweils zwischen 10µm und 200µm breit und mehr als 200µm lang, insbesondere mehr als 500µm lang.
Zudem weist jedes der Verdrängungselemente 40 ein piezoelektrisches Wandlerelement 48 auf, welches dazu eingerichtet ist, das jeweilige Verdrängungselement 40 entlang der Bewegungsrichtung x zu bewegen. Hierbei kann das Wandlerelement 48 jeweils längs an einer Kante des Biegebalkens 42 angeordnet sein, insbesondere im Wesentlichen vollständig entlang der Kante und/oder außerhalb einer vertikalen Längssymmetrieachsenebene des Biegebalkens 42 und/oder seitlich des Biegebalkens 42, wie bei den rechten drei Verdrängungselementen 40 dargestellt, oder oberhalb des Biegebalkens 42, wie bei den linken drei Verdrängungselementen 40 dargestellt.
Insbesondere sind die Wandlerelemente 48 von zwei benachbarten Verdrängungselementen 40 entweder beide einander zugewandten Kanten oder aber an voneinander abgewandten Kanten der jeweiligen Verdrängungselemente 40 angeordnet.
Das mikrofluidische Interaktionselement 110 kann dazu eingerichtet sein, die Wandlerelemente 48 der Verdrängungselemente 40 gleichphasig anzusteuern, um diese als Aktorelemente zu nutzen. Hierfür können entsprechende Steuerleitungen 47 dienen, mittels welcher die Wandlerelemente 48 ansteuerbar sind. Zusätzlich oder alternativ kann das mikrofluidische Interaktionselement 110 dazu eingerichtet sein, die Wandlerelemente 48 in Ihrem Wirkprinzip umzukehren und entsprechend die Bewegung der Verdrängungselemente 40 mittels der Wandlerelemente 48 als Sensorelemente über die Steuerleitungen 47 zu messen, um folglich den vorhandenen Volumenstrom des Fluids zu erfassen.
Werden beispielsweise zwei benachbarte Verdrängungselemente 40 während einer ersten Phase der azimutalen Bewegung aufeinander zu bewegt, wird das Volumen in den ersten Teilräumen 44 vergrößert und entsprechend das Volumen im dazwischenliegenden zweiten Teilraum 46 komprimiert. Durch die zweiten Durchbrüche 56 kann hierbei Fluid aus den verdichteten zweiten Teilräumen 56 in die Umgebung des Interaktionselements 110 ausströmen, während durch die ersten Durchbrüche 54 auf der gegenüberliegenden Substratoberfläche Fluid aus der Umgebung in die verdünnten ersten Teilräume 44 nachströmt, was wiederum einen Volumenstrom des Fluids von unten nach oben bezogen auf das Substrat 20 erzeugt. Auf diese Weise ergibt sich ein Nettovolumenfluss des Fluids der Umgebung in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats 20. Bewegen sich die zwei benachbarten Verdrängungselemente 40 entsprechend in die entgegengesetzte Richtung voneinander weg, ergibt sich eine umgekehrte Flussrichtung des Fluids. Mit anderen Worten kann mit dem Interaktionselement 110 eine akustische Schallwelle mit positiver und negativer Druckhalbwelle in einem Fluid erzeugt werden, was durch die Doppelpfeile in 1b angedeutet ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Interaktionselement 110 dazu eingerichtet sein, einen Volumenfluss des Fluids der eine entsprechende Bewegung der Verdrängungselemente 40 bewirkt, mittels der Wandlerelemente 48 zu erfassen.
2a und 2b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht und in einer seitlichen Schnittansicht.
Dargestellt ist ein mikrofluidisches Interaktionselement 210, welches in 2a entlang einer Schnittebene D aus 2b bzw. in 2b entlang einer Schnittebene C aus 2a aufgeschnitten ist und welches sich von dem mikrofluidischen Interaktionselement 110 aus 1a bzw. 1b unter anderem dadurch unterscheidet, dass das Substrat 20 mehrere Hohlräume 30 aufweist, in welchem je ein Verdrängungselement 40 mit einer Wand 31 des entsprechenden Hohlraums 30 verbunden ist.
Hierbei weitet sich der Hohlraum 30 jeweils ausgehend vom Verbindungspunkt 32, um welchen sich das jeweilige Verdrängungselement 40 azimutal bewegt, auf. Insbesondere bildet der Hohlraum 30 parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats 20 ein gleichschenkliges Trapez, dessen Basis dem Verbindungspunkt 32 zwischen Verdrängungselement 40 und Wand 31 des Hohlraums 30 gegenüberliegt.
Wird das Verdrängungselement 40 beispielsweise durch das jeweilige Wandlerelement 48 nach links bewegt, wird das Volumen in den ersten Teilräumen 44 komprimiert und entsprechend das Volumen in den zweiten Teilräumen 46 vergrößert. Durch die ersten Durchbrüche 54 kann hierbei Fluid aus den verdichteten ersten Teilräumen 44 in die Umgebung des Interaktionselements 210 ausströmen, während durch die zweiten Durchbrüche 56 auf der gegenüberliegenden Substratoberfläche Fluid aus der Umgebung in die verdünnten zweiten Teilräume 44 nachströmt. Auf diese Weise ergibt sich ein Nettovolumenfluss des Fluids der Umgebung in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats 20, hier von oben nach unten. Bewegt sich das Verdrängungselement 40 in die entgegengesetzte Richtung, ergibt sich eine umgekehrte Flussrichtung des Fluids. Mit anderen Worten kann mit dem Interaktionselement 10 eine akustische Schallwelle mit positiver und negativer Druckhalbwelle in einem Fluid erzeugt werden. Ebenso kann wiederum zusätzlich oder alternativ eine entsprechende Bewegung der Verdrängungselemente 40, verursacht durch einen Volumenstrom eines Fluids, mittels der Wandlerelemente 48 erfasst werden. Die Ansteuerung bzw. Auswertung der Wandlerelemente 48 kann beispielsweise mittels Steuerleitungen 47 erfolgen.
3a und 3b zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht und in einer seitlichen Schnittansicht.
Dargestellt ist ein mikrofluidisches Interaktionselement 310, welches in 3a entlang einer Schnittebene F aus 3b bzw. in 3b entlang einer Schnittebene E aus 3a aufgeschnitten ist und welches sich von dem mikrofluidischen Interaktionselement 110 aus 1a und 1b unter anderem dadurch unterscheidet, dass das Wandlerelement 48 bimorph ausgestaltet und derartig angeordnet ist, dass das Wandlerelement 48 wenigstens zwei, insbesondere benachbarte, Verdrängungselemente 40 miteinander verbindet. Hierbei kann das Wandlerelement 48 mittig oder beidseitig kantenlagig am jeweiligen Verdrängungselement 40 angeordnet sein.
Hierdurch können beispielsweise zwei benachbarte Verdrängungselemente 40 durch das Wandlerelement 48 aufeinander zubewegt bzw. voneinander wegbewegt werden, um entsprechend zur 1a bzw. 1b einen Volumenstrom des Fluids zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann entsprechend mittels des Wandlerelements 48 ein Volumenstrom erfasst werden. Die Ansteuerung bzw. Auswertung des Wandlerelements 48 kann über entsprechende Steuerleitungen 47 erfolgen.
4a und 4b zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselements in einer Schnittansicht als Draufsicht und in einer seitlichen Schnittansicht.
Dargestellt ist ein mikrofluidisches Interaktionselement 410, welches in 4a entlang einer Schnittebene H aus 4b bzw. in 4b entlang einer Schnittebene G aus 4a aufgeschnitten ist und welches sich von dem mikrofluidischen Interaktionselement 110 aus 1a und 1b unter anderem dadurch unterscheidet, dass jedes der Verdrängungselemente 40 jeweils ein weiteres Wandlerelement 49 aufweist, welches entlang der dem Wandlerelement 48 horizontal gegenüberliegenden Kante des jeweiligen Biegebalkens 42 angeordnet ist. Insbesondere sind die Wandlerelemente 48 bzw. die weiteren Wandlerelemente 49 von zwei benachbarten Verdrängungselementen 40 entweder jeweils beide an einander zugewandten Kanten oder aber an voneinander abgewandten Kanten der jeweiligen Verdrängungselemente 48 angeordnet.
Hierbei ist das mikrofluidische Interaktionselement 410 dazu eingerichtet, das Wandlerelement 48 und das weitere Wandlerelement 49 jeweils gegenphasig anzusteuern. Die Wandlerelemente 48 bilden entsprechend eine erste Gruppe und die weiteren Wandlerelemente 49 eine zweite Gruppe, wobei diese Gruppen gegenphasig über Steuerleitungen 47 ansteuerbar sind bzw. über diese Steuerleitungen 47 ausgewertet werden können.
5 zeigt ein akustische Vorrichtung mit mehreren erfindungsgemäßen mikrofluidischen Interaktionselementen.
Dargestellt ist eine akustische Vorrichtung 500, welche beispielsweise als Lautsprecher oder als Mikrofon ausgestaltet sein kann. Die akustische Vorrichtung 500 weist mehrere mikrofluidische Interaktionselemente 110, 210, 310, 410 auf, welche in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind. Mittels dieser mikrofluidischen Interaktionselemente 110, 210, 310, 410 kann akustische Vorrichtung 500 entsprechende Schalldruckpegel generieren oder auch erfassen. Die Interaktionselemente 110, 210, 310, 410 können sich hierbei in ihrer lateralen Dimension voneinander unterscheiden und beispielsweise eine Matrixanordnung bilden. Die Ansteuerung oder Auswertung der Interaktionselemente 110, 210, 310, 410 kann dann durch gemeinsame oder auch separat ausgebildete, bildlich hier nicht dargestellte Steuerleitungen 47 erfolgen.

Claims

Mikrofluidisches Interaktionselement (110, 210, 310, 410) zur Erzeugung und/oder Erfassung eines Volumenstroms eines Fluids, wobei das mikrofluidische Interaktionselement (110, 210, 310, 410) ein Substrat (20) mit wenigstens einem Hohlraum (30) aufweist, wobei innerhalb des Hohlraums (30) wenigstens ein bewegliches Verdrängungselement (40) mit einem vertikalen Flächenelement (41) mit einer Wand (31) des Hohlraums (30) verbunden und derartig angeordnet ist, dass die Bewegungsrichtung (x) des Verdrängungselements (40) im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats (20) und senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Flächenelements (41) ist, wobei das Verdrängungselement (40) derartig ausgestaltet und angeordnet ist, dass durch das Flächenelement (41) jeweils ein erster Teilraum (44) und ein zweiter Teilraum (46) innerhalb des Hohlraums (30) gebildet ist, wobei das mikrofluidische Interaktionselement (110, 210, 310, 410) jeweils einen ersten Durchbruch (54) vom ersten Teilraum (44) zu einer Unterseite (24) des Substrats (20) und einen zweiten Durchbruch (56) vom zweiten Teilraum (46) zu einer Oberseite (26) des Substrats (20) aufweist, und wobei das Verdrängungselement (40) ein piezoelektrisches Wandlerelement (48) aufweist, welches dazu eingerichtet ist, das Verdrängungselement (40) entlang der Bewegungsrichtung (x) zu bewegen und/oder eine Bewegung des Verdrängungselements (40) entlang der Bewegungsrichtung (x) zu erfassen.
Mikrofluidisches Interaktionselement (110, 210, 310, 410) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrofluidische Interaktionselement (110, 210, 310, 410) mehrere Verdrängungselemente (40) innerhalb des Hohlraums (30) oder innerhalb von Hohlräumen (30) aufweist, wobei die Haupterstreckungsebenen der jeweiligen Flächenelemente (41) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und wobei insbesondere die Verdrängungselemente (40) wechselseitig mit sich gegenüberliegenden Wänden (31) des Hohlraums (30) und/oder der Hohlräume (30) verbunden sind.
Mikrofluidisches Interaktionselement (110, 210, 310, 410) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrofluidische Interaktionselement (110, 210, 310, 410) dazu eingerichtet ist, die Wandlerelemente (48) der Verdrängungselemente (40) gleichphasig anzusteuern.
Mikrofluidisches Interaktionselement (110, 210, 310, 410) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement (40) jeweils derartig ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Bewegungsrichtung (x) des Verdrängungselements (40) azimutal um einen Verbindungspunkt (32) zwischen Verdrängungselement (40) und Wand (31) des Hohlraums (30) ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (210) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (30) derartig ausgestaltet ist, dass sich der Hohlraum (30) ausgehend vom Verbindungspunkt (32) aufweitet, wobei insbesondere der Hohlraum (30) parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats (20) ein gleichschenkliges Trapez bildet, dessen Basis dem Verbindungspunkt (32) zwischen Verdrängungselement (40) und Wand (31) des Hohlraums (30) gegenüberliegt.
Mikrofluidisches Interaktionselement (110, 210, 310, 410) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement (40) jeweils einen Biegebalken (42) aufweist, an welchem das vertikale Flächenelement (41) des Verdrängungselements (40) angeordnet ist und welcher mit der Wand (31) des Hohlraums (30) und/oder mit einer Decke (36) des Hohlraums und/oder mit einem Boden (34) des Hohlraums (30) verbunden ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (110, 210, 310, 410) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (48) jeweils längs an einer Kante des Biegebalkens (42) angeordnet ist, insbesondere im Wesentlichen vollständig entlang der Kante und/oder außerhalb einer vertikalen Längssymmetrieachsenebene des Biegebalkens (42) und/oder seitlich oder oberhalb des Biegebalkens (42).
Mikrofluidisches Interaktionselement (410) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement (40) jeweils ein weiteres Wandlerelement (49) aufweist, welches entlang der dem Wandlerelement (48) gegenüberliegenden Kante des Biegebalkens (42) angeordnet ist, wobei das mikrofluidisches Interaktionselement (410) dazu eingerichtet ist, das Wandlerelement (48) und das weitere Wandlerelement (49) gegenphasig anzusteuern.
Mikrofluidisches Interaktionselement (310) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (48) bimorph ausgestaltet und derartig angeordnet ist, dass das Wandlerelement (48) wenigstens zwei Verdrängungselemente 40 miteinander verbindet.
Mikrofluidisches Interaktionselement (310) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (48) mittig oder beidseitig kantenlagig am jeweiligen Verdrängungselement (40) angeordnet ist.
Mikrofluidisches Interaktionselement (110, 210, 310, 410) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Durchbruch (54) und/oder der zweite Durchbruch (56) jeweils zwischen 10µm und 200µm breit und mehr als 100µm, insbesondere mehr als 500µm, lang sind.
Mikrofluidisches Interaktionselement (110, 210, 310, 410) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) zwischen dem Verdrängungselement (40) und der Wand (31) des Hohlraums (30), welche sich gegenüber der Wand (31) befindet, die mit dem Verdrängungselement (40) verbunden ist, kleiner als 20µm ist, insbesondere kleiner als 10µm.
Mikrofluidisches Interaktionselement (110, 210, 310, 410) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Abstand (h) zwischen dem Verdrängungselement (40) und dem Boden (34) des Hohlraums (30) und/oder zwischen dem Verdrängungselement (40) und der Decke (36) des Hohlraums (30) kleiner als 5µm ist, insbesondere kleiner als 2µm.
Akustische Vorrichtung (500), insbesondere Lautsprecher und/oder Mikrofon, mit wenigstens einem mikrofluidischen Interaktionselementen (110, 210, 310, 410) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.