具有聲生成器和聲放大器的MEMS揚聲器裝置的製作方法

2023-04-23 01:54:52

本發明涉及一種用於生成可聽波長譜中的聲波的MEMS揚聲器裝置，其具有：殼體，其具有導聲通道和布置在導聲通道的端部處的聲出口；至少兩個MEMS揚聲器，其在殼體內部被布置為使得由MEMS揚聲器生成的聲波可以通過共同的導聲通道被引導到共同的聲出口；以及控制單元，其用於激勵兩個MEMS揚聲器。此外，本發明涉及一種用於運行這樣的MEMS揚聲器裝置的方法。

背景技術：

術語MEMS表示微機電系統。

MEMS揚聲器或微揚聲器例如從DE 10 2012 220 819 A1中公知。聲生成通過MEMS揚聲器的以可振動方式被支承的隔膜來進行。這樣的微揚聲器通常必須生成高的空氣體積位移，以便實現顯著的聲壓級。公知的MEMS揚聲器所具有的缺點是，它們為了能夠達到足夠的聲壓級而必須具有相對大的安裝體積。

技術實現要素：

本發明的任務是，排除現有技術的所述缺點。

該任務通過具有獨立權利要求的特徵的MEMS揚聲器裝置以及用於運行這樣的MEMS揚聲器裝置的方法來解決。

提出了一種用於生成可聽波長譜中的聲波的MEMS揚聲器裝置。其包括殼體，該殼體具有導聲通道以及布置在道聲通道的端部處的聲出口。此外，MEMS揚聲器裝置包括至少兩個MEMS揚聲器。所述MEMS揚聲器在殼體的內部被布置為使得由MEMS揚聲器生成的聲波可以通過共同的導聲通道被引導到共同的聲出口。MEMS揚聲器裝置還包括用於激勵MEMS揚聲器的控制單元。所述至少兩個MEMS揚聲器中的二者之一在聲出口的方向上安放在另一個之後。由此，安放在後面的MEMS揚聲器對由安放在前面的MEMS揚聲器生成的聲波造成影響，因為所述聲波由於共同的導聲通道而被引導經過該揚聲器。控制單元被構造為使得藉助於該控制單元，可以為了提高MEMS揚聲器裝置的最大聲強將兩個MEMS揚聲器激勵為使得所述至少兩個MEMS揚聲器中的第一MEMS揚聲器——即聲波直到到達共同的聲出口為止必須經過最長路徑的那個MEMS揚聲器——被構造成聲生成器以用於起始波，並且安放在其之後的第二MEMS揚聲器——即聲波直到到達聲出口為止必須經過與第一MEMS揚聲器相比經過更短的路徑的那個MEMS揚聲器——被構造成聲放大器以用於放大該起始波。由此，可以有利地提高MEMS揚聲器裝置的聲壓，由此提高最大聲強。除了功率提高以外，還可以通過這樣構造MEMS揚聲器裝置來將其構造體積保持得小。因此，結果是具有非常良好的聲學性能的緊湊型MEMS揚聲器裝置。

有利的是，至少一個MEMS揚聲器的隔膜偏轉軸橫向於導聲通道和/或殼體的縱軸延伸。由此，MEMS揚聲器裝置可以被構造為非常緊湊的。此外，可以串聯任意多個MEMS揚聲器。

還有利的是，導聲通道從聲生成器到共同的聲出口的長度大於從聲放大器到聲出口的長度。由此，由生成器生成的聲波必須在共同的導聲通道中與由聲放大器生成的聲波相比經過更長的路徑。此外，由聲生成器生成的聲波由此可以被引導經過安放在後面的聲放大器，使得通過其可以對由聲生成器生成的聲波造成影響。因此，可以通過相應地激勵聲放大器來導致由聲生成器發出的起始波的幅度提高。

為了將導聲通道的空間幾何對引入到導聲通道中的聲波的影響保持得儘可能小，有利的是，導聲通道在MEMS揚聲器裝置的縱向上延伸和/或至少在MEMS揚聲器的區域中被構造為直線形的，尤其是具有平面和/或彼此平行的側壁。就此而言，尤其有的是，導聲通道基本上具有方形幾何形狀。在這種情況下，MEMS揚聲器優選地尤其是布置在方形導聲通道的相同側壁處。

當共同的聲出口被構造在殼體的端部處、尤其是端面處時，MEMS揚聲器裝置可以被構造為非常緊湊和結構簡單的。

有利的是，聲生成器和聲放大器並排布置。還有利的是，它們被彼此布置為使得其隔膜偏轉軸彼此平行和/或與殼體的縱軸垂直地延伸。由此可以減小對導聲通道中的聲傳播的幹擾性影響因素。

在本發明的一個有利的改進方案中，聲發生器和至少一個聲放大器尤其是在其背嚮導聲通道的側具有共同的腔體。其優選地至少部分地由殼體空腔構成。腔體附加地可以通過相應MEMS揚聲器的載體襯底空腔來擴展。

另外，該共同的空腔優選地延伸到所有沿著導聲通道布置的MEMS揚聲器的整個寬度之上。通過多個MEMS揚聲器共享共同的腔體，可以有利地減小腔體內的空氣的彈簧作用，因為每個單獨的MEMS揚聲器的腔體體積都被擴大為共同的腔體的總體積。

為了生成提高聲波的幅度的相長幹涉，有利的是，聲生成器和所述至少一個聲放大器在相同的頻率範圍中工作。

另外，為了控制兩個聲波的最優疊加，有利的是，聲生成器和所述至少一個聲放大器具有彼此不同的聲學特性。因此，尤其有利的是，它們具有彼此不同的隔膜大小和/或最大隔膜偏轉能力。

有利的是，聲生成器和聲放大器被構造成單獨的組件。在這種情況下，它們中的每個都優選地具有自己的隔膜。其另外尤其是通過載體框架沿著其隔膜偏轉軸以可振動方式被保持。

可替代地或附加地同樣有利的是，至少兩個MEMS揚聲器被構造成具有共同的隔膜的單個組件，其中優選地給這些MEMS揚聲器中的每個都分配可單獨激勵和/或彼此振動去耦合的隔膜區域。

有利的是，聲生成器可以藉助於控制單元在第一時刻被激勵為使得可以嚮導聲通道中引入起始波。就此而言，還有利的是，藉助於控制單元可以將隔膜或可替代地將聲生成器的用於生成起始波的隔膜區域移動到導聲通道中。

為了能夠保證兩個聲波的精確疊加以用於生成相長幹涉，有利的是，藉助於控制單元——尤其是根據第一時刻和/或聲生成器與聲放大器之間的導聲通道長度——來確定第二時刻以用於激勵安放在後面的聲放大器、即其隔膜。

為了放大聲強，有利的是，聲放大器可以藉助於控制單元、尤其是在之前由控制單元確定的第二時刻被激勵為使得藉助於其可以生成疊加波，使得從起始波和疊加波中可以生成具有與起始波相比更高幅度的所得到的波。就此而言還有利的是，在相應激勵聲放大器的情況下可以將其隔膜和/或用於生成疊加波的所分配的隔膜區域移動到導聲通道中。

還有利的是，藉助於控制單元在第二時刻，聲生成器的隔膜仍然保持被壓入到導聲通道中，使得避免在聲放大器偏轉時空氣在聲生成器的方向上被壓回。由此，可以有利地提高在聲出口的方向上運動的空氣體積。

在本發明的一個有利的改進方案中，MEMS揚聲器裝置具有第二聲放大器。由此可以進一步放大已經由第一聲放大器放大的聲波。就此而言尤其有利的是，將第二聲放大器在聲出口的方向安放在第一聲放大器之後。由此，第二聲放大器可以對由第一聲放大器放大的聲波造成影響。

有利的是，藉助於控制器單元在尤其是由其確定的第三時刻可以將聲生成器激勵為使得其隔膜再次可以被移動到靜止位置處。附加地或可替代地還有利的是，第二聲放大器的隔膜為了生成第二疊加波而可以被移動到導聲通道中，使得從所得到的第一波和第二疊加波中可以生成所得到的第二波，該第二波具有與所得到的第一波相比更高的幅度。為了實現阻塞效果，在第三時刻，第一聲放大器優選地保持被激勵。

為了時間相長幹涉，有利的是，起始波、所述至少一個疊加波和所述至少一個所得到的波具有相同頻率。

還提出了根據前述描述的一種用於運行MEMS揚聲器裝置，其中所列舉的方法特徵可以單獨地或以任意組合存在。

附圖說明

本發明的另外的優點在下面的實施例中予以描述。附圖：

圖1示出了MEMS揚聲器裝置的縱截面圖，其具有一個被構造成聲生成器的MEMS揚聲器和兩個被構造成聲放大器的MEMS揚聲器。

圖2a-2c示出了在圖1中示出的用於提高最大聲強的MEMS揚聲器裝置。

具體實施方式

圖1示出了MEMS揚聲器裝置1，藉助於該MEMS揚聲器裝置1，可以生成可聽波長譜中的聲波。其包括殼體2，該殼體2優選地至少部分由矽製成。在殼體2的內部布置有多個MEMS揚聲器3，為保持清楚性，給它們之中的僅僅一個配備了附圖標記。

殼體2優選地被構造成由多部分構成的，以便促進MEMS揚聲器3的安裝。就此而言，例如可以設想，殼體2具有尤其是由矽製成的殼體中間部分和/或殼體框，在其中以形狀配合、力配合和/或粘接牢固方式固定MEMS揚聲器3。為了提供閉合的殼體空間，殼體中間部分和/或殼體框可以在其上側和/或下側利用蓋板被封閉。為了能夠避免對所述至少一個蓋板的聲激勵，有利的是，該蓋板由於殼體中間部分和/或殼體框相比剛性更大的材料、尤其是金屬、陶瓷和/或複合材料製成。

根據圖1中所示的實施例，MEMS揚聲器裝置13總共具有三個MEMS揚聲器3，其中同樣也可以設想具有僅僅兩個或多於三個MEMS揚聲器3的變型方案。從圖1中可以看出，這些MEMS揚聲器3被構造成單獨的組件。這樣，這些MEMS揚聲器3中的每個都包括尤其是由矽製成的載體框4。該載體框4將隔膜5容納為使得該隔膜5可以由於電激勵沿著隔膜偏轉軸6偏轉。MEMS揚聲器3全部在相同頻率範圍中工作。但是它們可以與本示例性圖示相反具有不同大小的隔膜面。此外，MEMS揚聲器3也可以具有可不同程度地彼此偏轉的隔膜5。

還可以設想，至少兩個MEMS揚聲器3不是如圖1中所示那樣被構造成單獨的組件，而是被構造成單個組件。在這種情況下，MEMS揚聲器具有共同的隔膜，其中給這些揚聲器中的每個都分配有可單獨激勵和/或彼此振動去耦合的隔膜區域。

MEMS揚聲器3根據本實施例並排布置。其隔膜5因此可以在相同方向上偏轉。此外，MEMS揚聲器3彼此具有等距的距離。其相應隔膜偏轉軸6——為保持清楚性僅僅示出了它們之中的一個——被定向為彼此平行。此外，MEMS揚聲器3在殼體2的內部被布置為使得其相應隔膜偏轉軸6被定向為垂直於殼體2的縱軸7。

MEMS揚聲器3具有共同的導聲通道8。該導聲通道8根據本實施例平行於殼體2的縱軸7延伸。導聲通道8被構造為直線形和/或被定向為平行於縱軸7。此外，導聲通道8優選地被構造為基本上方形的。其因此具有平坦地在縱向上延伸的側壁。此外，導聲通道8在其整個長度上具有恆定的高度和/或寬度。

MEMS揚聲器3沿著導聲通道彼此相繼布置。MEMS揚聲器3的隔膜偏轉軸6因此橫向於共同的導聲通道8延伸。

從圖1中示出的實施例中可以看出，MEMS揚聲器3具有共同的腔體9。腔體9布置在MEMS揚聲器3的背嚮導聲通道8的側。腔體9至少部分地由殼體空腔構成。共同的腔體9、尤其是殼體空腔優選地被構造成正方體，和/或在殼體2的縱向上延伸得超出所有MEMS揚聲器3。腔體9被定向為平行於導聲通道8。

殼體2示具有聲出口10。聲出口10布置在共同的導聲通道8的端部處，使得所有MEMS揚聲器3共享共同的聲出口10。根據本實施例，共同的聲出口10布置在基本上方形的殼體的端面11處。

根據前面的描述，MEMS揚聲器3因此被布置為分布在共同的導聲通道8的長度上，使得它們與共同的聲出口10具有不同長的導聲通道片段。這樣，導聲通道8處於根據繪圖處於左邊的MEMS揚聲器3與聲出口10之間的片段大於導聲通道8處於中間和/或右邊MEMS揚聲器3與共同的聲出口10之間的片段。由左邊的MEMS揚聲器3生成的聲波因此必須與其它MEMS揚聲器3相比經過導聲通道8中的更長的區段，以便達到共同的聲出口10。

MEMS揚聲器3可以通過在此未示出的控制單元被激勵為由尤其是與同聲出口10相距最遠的第一MEMS揚聲器3生成的聲波由布置在其之後的MEMS揚聲器3來放大。因此，MEMS揚聲器裝置1具有至少一個尤其是被構造成聲生成器12和聲放大器13、14的MEMS揚聲器3。根據圖1中所示的實施例，具有最長導聲通道片段的MEMS揚聲器3——即根據繪圖處於左邊的MEMS揚聲器3——被構造成聲生成器12。連接在這些聲生成器12之後的MEMS揚聲器3因此被構造成聲放大器13、14。在下面，與聲生成器12相鄰的MEMS揚聲器3被稱為第一聲放大器13，並且連接在第一聲放大器13之後的MEMS揚聲器3被稱為第二聲放大器14。

MEMS揚聲器裝置1的用於提高最大聲強的作用方式在圖2a、2b和2c中予以闡釋。因此，根據圖2a，在第一時刻，聲生成器12被激勵，由此生成下面被稱為起始波15的聲波。為了生成起始波15，因此聲生成器12的隔膜5被移動到導聲通道8中，由此在聲出口10的方向上排除一定空氣體積。不言自明的是，在圖2a至2c中示意性示出的聲波既不在其尺度方面、也不在其輪廓方面對應於在實際中生成的聲波。

在此未示出的控制單元知道關於共同的導聲通道8和/或MEMS揚聲器3的空間和/或本體構造的多個參數。控制單元因此能夠尤其是根據第一時刻和/或聲生成器12與聲放大器13之間的聲通道長度確定第二時刻以用於激勵連接在聲生成器12之後的第一聲放大器13。

該第二時刻根據圖2b由控制單元選擇為使得由第一聲放大器13生成的第一疊加波16與起始波15疊加。控制單元因此能夠將第一聲放大器13激勵為使得生成相長幹涉。因此，起始波15的幅度通過第一疊加波16被提高。由此，生成了所得到的第一波17，該第一波17與起始波15相比具有更高幅度。所得到的第一波17的幅度在此對應於起始波15和第一疊加波16之和。

在圖2b中能夠辨認，至少在第一聲放大器13偏轉期間，聲生成器12也被偏轉。由此可以避免，空氣在聲放大器13偏轉時再次被壓向聲生成器12的方向。相反，仍然被激勵的聲生成器12的隔膜5形成空間阻塞體，由此保證，在第一聲放大器13偏轉時，儘可能多的空氣被壓向共同的聲出口10的方向。

根據圖2c，該所得到的第一波17可以又一次通過安放在第一聲放大器13之後的第二聲放大器14被放大。為此，控制單元以類似方式確定第三時刻，在該第三時刻將激勵第二聲放大器14。為了確定該第三時刻，控制單元至少知道導聲通道8在兩個聲放大器13、14之間的長度。根據圖2c，為了附加地放大所得到的第一波17，將第二疊加波18與該第一波17疊加，由此生成所得到的第二波19。

類似於前面的描述，在該第二次放大時，在第二聲放大器14偏轉期間，第一聲放大器13也被激勵，使得其隔膜充當阻塞體。因此，空氣不能重新流入到導聲通道8中，而是被壓向聲出口10方向。

同時，從圖2c中可以看出，聲生成器12再次移動到其初始位置，其中這由於共同的腔體9和經偏轉的聲放大器13、14而可以以減小的力來進行。

本發明不限於所示出和所描述的實施例。在權利要求書的範圍內的改動同樣是可能的、比如特徵的組合，即使它們是在不同的實施例示出和描述的。

附圖標記列表

1 MEMS揚聲器裝置

2 殼體

3 MEMS揚聲器

4 載體框

5 隔膜

6 隔膜偏轉軸

7 縱軸

8 導聲通道

9 腔體

10 聲出口

11 端面

12 聲生成器

13 第一聲放大器

14 第二聲放大器

15 起始波

16 第一疊加波

17 所得到的第一波

18 第二疊加波

19 所得到的第二波