DE102022214250A1

DE102022214250A1 - Converter unit for acoustic or electrical signals or relative pressures

Info

Publication number: DE102022214250A1
Application number: DE102022214250.0A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schelling; Jochen Reinmuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-12-21
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2024-06-27
Also published as: WO2024132512A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wandlereinheit (10) für elektrische oder akustische Signale und/oder Relativdrücke, wobei die Wandlereinheit umfasst: ein Substrat (12), eine Membraneinheit (14), eine Interaktionseinheit (16), wobei das Substrat (12) zumindest eine Kavität (18) aufweist, wobei die Interaktionseinheit (16) derart an dem Substrat (12) angeordnet ist, dass die Interaktionseinheit (16) zumindest teilweise und/oder vollständig über der Kavität (18) positioniert ist, wobei die Membraneinheit (14) zwischen der Interaktionseinheit (16) und dem Substrat (12) und/oder zwischen der Interaktionseinheit (16) und einer weiteren Interaktionseinheit (20) angeordnet ist, wobei die Interaktionseinheit (16) zumindest einen fluiddichten Raum (22) aufweist, wobei die Interaktionseinheit (16) dazu eingerichtet ist, einen vorbestimmten Druck im fluiddichten Raum (22) einzustellen und/oder zu halten, wobei die Interaktionseinheit (16) zumindest eine Rückplatte (24) aufweist, wobei die Interaktionseinheit (16) dazu eingerichtet ist, eine Auslenkung (26) der Interaktionseinheit (16) mittels einer Abstandsänderung zwischen der Rückplatte (24) und zumindest einem Elektrodenelement (28), welches an zumindest einer Wand (30) des fluiddichten Raums (22) angeordnet ist, zu ermitteln und/oder zu erzeugen.The present invention relates to a transducer unit (10) for electrical or acoustic signals and/or relative pressures, wherein the transducer unit comprises: a substrate (12), a membrane unit (14), an interaction unit (16), wherein the substrate (12) has at least one cavity (18), wherein the interaction unit (16) is arranged on the substrate (12) such that the interaction unit (16) is positioned at least partially and/or completely above the cavity (18), wherein the membrane unit (14) is arranged between the interaction unit (16) and the substrate (12) and/or between the interaction unit (16) and a further interaction unit (20), wherein the interaction unit (16) has at least one fluid-tight space (22), wherein the interaction unit (16) is designed to set and/or maintain a predetermined pressure in the fluid-tight space (22), wherein the interaction unit (16) has at least one back plate (24), wherein the interaction unit (16) is designed to determine and/or generate a deflection (26) of the interaction unit (16) by means of a change in distance between the back plate (24) and at least one electrode element (28) which is arranged on at least one wall (30) of the fluid-tight space (22).

Description

Stand der TechnikState of the art

Kapazitive MEMS-Mikrofone weisen den Vorteil auf, dass sie einen geringen Energieverbrauch, ein günstiges Signal-zu-Rausch-Verhältnis, sowie eine einfache Weiterverarbeitbarkeit aufweisen. Allerdings besitzt die Doppelmembrankonstruktion derzeit leistungsfähigsten kapazitive MEMS-Mikrofone eine hohe mechanische Steifigkeit, was deren Auslenkbarkeit begrenzt und damit auch die Empfindlichkeit des MEMS-Mikrofons und dessen Signal-zu-Rausch-Verhältnis limitiert.Capacitive MEMS microphones have the advantage of low energy consumption, a good signal-to-noise ratio and easy processing. However, the double-diaphragm construction of the most powerful capacitive MEMS microphones currently available has a high mechanical rigidity, which limits their deflectability and thus also the sensitivity of the MEMS microphone and its signal-to-noise ratio.

Die DE 10 2014 212 340 A1 zeigt ein solches MEMS-Mikrofon umfassend eine Doppelmembrankonstruktion, ein Gegenelektrodenelement und einen Niederdruckbereich.The EN 10 2014 212 340 A1 shows such a MEMS microphone comprising a double diaphragm construction, a counter electrode element and a low pressure region.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Wandlereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber dem Bekannten den Vorteil auf, dass durch die nachgiebigere Aufhängung der Interaktionseinheit am Substrat durch im Wesentlichen eine einzelne Membraneinheit sowohl die Empfindlichkeit als auch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden kann. Weiter bevorzugt kann eine Steifigkeit der Interaktionseinheit an einen Anwendungsfall gezielt angepasst werden, um somit eine leistungsfähigere, effizientere Wandlereinheit bereitstellen zu können. Ferner weist die Wandlereinheit den Vorteil auf, dass mit Hilfe der flexiblen Begrenzungsschichten bzw. Interaktionseinheit ein fluidischer Quetschfilm-Dämpfungseffekt vermieden werden kann. Ferner weist die Wandlereinheit den Vorteil auf, dass kein signifikantes Spaltrauschen bei schnellen Differenzdruckänderungen auftritt, da die Rückplatte sich in dem fluiddichten Raum bei niedrigem Gasdruck befindet. Ein zusätzlicher Vorteil der Wandlereinheit ist, dass mit Hilfe der Membraneinheiten, welche bevorzugt zumindest zwischen der Interaktionseinheit und dem Substrat und/oder zwischen zwei Interaktionseinheiten angeordnet sind, die Fluidleckage minimiert wird und eine Auslenkung der Interaktionseinheit(en) in einem Mittenbereich einer Kavität in einem Substrat maximiert wird.The converter unit according to the invention with the features of claim 1 has the advantage over the known one that both the sensitivity and the signal-to-noise ratio can be improved by the more flexible suspension of the interaction unit on the substrate by essentially a single membrane unit. More preferably, the stiffness of the interaction unit can be specifically adapted to an application in order to be able to provide a more powerful, more efficient converter unit. The converter unit also has the advantage that a fluidic squeeze film damping effect can be avoided with the help of the flexible boundary layers or interaction unit. The converter unit also has the advantage that no significant gap noise occurs with rapid differential pressure changes, since the back plate is located in the fluid-tight space at low gas pressure. An additional advantage of the transducer unit is that with the help of the membrane units, which are preferably arranged at least between the interaction unit and the substrate and/or between two interaction units, the fluid leakage is minimized and a deflection of the interaction unit(s) in a central region of a cavity in a substrate is maximized.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Wandlereinheit für akustische oder elektrische Signale und/oder Relativdrücken ein Substrat, eine Membraneinheit, und zumindest eine Interaktionseinheit umfasst. Dabei weist das Substrat zumindest eine Kavität auf. Die Interaktionseinheit ist derart an dem Substrat angeordnet, dass die Interaktionseinheit zumindest teilweise und/oder vollständig über der Kavität positioniert ist, wobei die Membraneinheit zumindest zwischen der Interaktionseinheit und dem Substrat und/oder zwischen der Interaktionseinheit und einer weiteren Interaktionseinheit angeordnet ist. Ferner weist die Interaktionseinheit zumindest einen fluiddichten Raum auf, wobei die Interaktionseinheit dazu eingerichtet ist, einen vorbestimmten Druck, insbesondere einen Niederdruck, im fluiddichten Raum zu halten. Zudem weist die Interaktionseinheit zumindest eine Rückplatte auf. Ferner ist die Interaktionseinheit dazu eingerichtet, eine Auslenkung der Interaktionseinheit mittels einer Abstandsänderung zwischen der Rückplatte und zumindest einem Elektrodenelement, welches an zumindest einer Wand des fluiddichten Raumes angeordnet ist, zu ermitteln und/oder zu erzeugen.This is achieved according to the invention in that the transducer unit for acoustic or electrical signals and/or relative pressures comprises a substrate, a membrane unit, and at least one interaction unit. The substrate has at least one cavity. The interaction unit is arranged on the substrate in such a way that the interaction unit is at least partially and/or completely positioned above the cavity, wherein the membrane unit is arranged at least between the interaction unit and the substrate and/or between the interaction unit and another interaction unit. Furthermore, the interaction unit has at least one fluid-tight space, wherein the interaction unit is designed to maintain a predetermined pressure, in particular a low pressure, in the fluid-tight space. In addition, the interaction unit has at least one back plate. Furthermore, the interaction unit is designed to determine and/or generate a deflection of the interaction unit by means of a change in distance between the back plate and at least one electrode element which is arranged on at least one wall of the fluid-tight space.

In anderen Worten umfasst die Wandlereinheit bevorzugt ein Substrat, welches insbesondere flächig ausgebildet ist. In dem Substrat ist vorzugsweise eine Kavität, Ausnehmung und/oder Bohrung angeordnet. Die Kavität im Substrat dient bevorzugt als Rückvolumen bzw. Schallzugangsöffnung, die den dämpfenden Effekt der Rückvolumengasfeder reduziert. Ferner weist das Substrat bevorzugt angrenzend an die Kavität einen Festlandsbereich auf, wobei die Interaktionseinheit vorzugsweise an dem Festlandsbereich angeordnet ist. Ferner ist vorzugsweise die Rückplatte ebenso an dem Festlandsbereich angeordnet.In other words, the transducer unit preferably comprises a substrate which is in particular flat. A cavity, recess and/or bore is preferably arranged in the substrate. The cavity in the substrate preferably serves as a back volume or sound access opening, which reduces the damping effect of the back volume gas spring. Furthermore, the substrate preferably has a mainland region adjacent to the cavity, wherein the interaction unit is preferably arranged on the mainland region. Furthermore, the back plate is preferably also arranged on the mainland region.

Vorzugsweise weist die Wandlereinheit zumindest eine Membraneinheit auf. Die Membraneinheit ist bevorzugt zumindest zwischen der Interaktionseinheit und dem Substrat bzw. zwischen zwei Interaktionseinheiten angeordnet. Ferner kann die Membraneinheit zwischen einer Interaktionseinheit und dem Festlandsbereich des Substrats angeordnet sein. Die Membraneinheit hat den Vorteil, dass die Fluidleckage minimiert wird und die Auslenkung der Interaktionseinheit maximiert wird, da sie eine vergleichsweise geringe Steifigkeit aufweist.The transducer unit preferably has at least one membrane unit. The membrane unit is preferably arranged at least between the interaction unit and the substrate or between two interaction units. Furthermore, the membrane unit can be arranged between an interaction unit and the mainland region of the substrate. The membrane unit has the advantage that fluid leakage is minimized and the deflection of the interaction unit is maximized since it has a comparatively low rigidity.

Ferner bevorzugt umfasst die Wandlereinheit eine Interaktionseinheit. Die Interaktionseinheit umfasst zumindest eine Begrenzungsschicht, welche gegenüber dem Substrat auslenkbar ist. Diese Begrenzungsschicht kann bevorzugt als eine Art Biegebalken oder ähnliches ausgestaltet sein, d. h. sie kann beispielsweise nur an einer Seite eine lokale Verankerung am Festlandsbereich aufweisen.The converter unit preferably also comprises an interaction unit. The interaction unit comprises at least one boundary layer which can be deflected relative to the substrate. This boundary layer can preferably be designed as a type of bending beam or the like, i.e. it can, for example, have a local anchoring to the mainland area on only one side.

Die Interaktionseinheit kann beispielsweise durch eine Druck- bzw. Differenzdruckänderung des umgebenden Fluids ausgelenkt werden, um ein Sensorsignal zu erzeugen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel dient ein elektrisches Signal zur Auslenkung der Interaktionseinheit, um eine Differenzdruckänderung im umgebenden Fluid zu erzeugen.The interaction unit can be deflected, for example, by a pressure or differential pressure change of the surrounding fluid in order to generate a sensor signal. In a further embodiment, an electrical signal is used to deflect the interaction unit in order to generate a differential pressure change in the surrounding fluid.

Die Interaktionseinheit ist bevorzugt derart an dem Substrat angeordnet, dass die Interaktionseinheit zumindest teilweise und/oder vollständig über der Kavität positioniert ist. Bevorzugt ist dabei die Interaktionseinheit zumindest teilweise mit dem Substrat und/oder dem Festlandsbereich des Substrats verbunden. Ferner bevorzugt ist die Interaktionseinheit vollständig über der Kavität angeordnet, wobei die Interaktionseinheit mittels zumindest einer Membraneinheit an dem Substrat und/oder dem Festlandsbereich des Substrats angeordnet ist. Bevorzugt ist die Interaktionseinheit rund ausgestaltet, wobei die Membraneinheit als eine Art Ring ausgestaltet ist und den Festlandsbereich mit der Interaktionseinheit verbindet. Bevorzugt ist die Membraneinheit zwischen der Interaktionseinheit und dem Substrat und/oder zwischen der Interaktionseinheit und einer weiteren Interaktionseinheit angeordnet. Dabei kann die Membraneinheit insbesondere zwischen einer ersten Interaktionseinheit, einer zweiten Interaktionseinheit und/oder weiteren Interaktionseinheiten angeordnet sein, um die Interaktionseinheiten miteinander zu verbinden. Ferner bevorzugt ist die Interaktionseinheit mit einer Membraneinheit an dem Substrat und/oder dem Festlandsbereich des Substrats verbunden. Dabei kann die Membraneinheit insbesondere eine Dünnschicht umfassen, welche die Interaktionseinheit mit dem Substrat bzw. die Interaktionseinheiten zueinander verbindet. Diese Dünnschicht kann dabei insbesondere Korrugationen und/oder Vertiefungen aufweisen. Der Vorteil dieser Korrugationen ist, dass bei einer Zugbelastung eine größere Längserstreckung sowie eine größere Auslenkung möglich ist.The interaction unit is preferably arranged on the substrate in such a way that the interaction unit is at least partially and/or completely positioned above the cavity. Preferably, the interaction unit is at least partially connected to the substrate and/or the mainland region of the substrate. Furthermore, the interaction unit is preferably arranged completely above the cavity, wherein the interaction unit is arranged on the substrate and/or the mainland region of the substrate by means of at least one membrane unit. Preferably, the interaction unit is round, wherein the membrane unit is designed as a kind of ring and connects the mainland region to the interaction unit. Preferably, the membrane unit is arranged between the interaction unit and the substrate and/or between the interaction unit and a further interaction unit. In this case, the membrane unit can be arranged in particular between a first interaction unit, a second interaction unit and/or further interaction units in order to connect the interaction units to one another. Furthermore, the interaction unit is preferably connected to a membrane unit on the substrate and/or the mainland region of the substrate. The membrane unit can in particular comprise a thin layer which connects the interaction unit to the substrate or the interaction units to one another. This thin layer can in particular have corrugations and/or depressions. The advantage of these corrugations is that a larger longitudinal extension and a larger deflection are possible under tensile load.

Bevorzugt weist die Interaktionseinheit zumindest einen fluiddichten Raum auf. Ferner bevorzugt ist die Interaktionseinheit dazu eingerichtet, einen vorbestimmten Druck im fluiddichten Raum einzustellen und/oder zu halten. Dabei kann der vorbestimmte Druck im fluiddichten Raum insbesondere ein Fluiddruck sein, welcher geringer als der Umgebungsdruck ist und somit ein Niederdruckbereich entsteht. Bevorzugt wird der fluiddichte Raum aus zumindest zwei Begrenzungsschichten ausgebildet, welche die Decke und den Boden bilden sowie Begrenzungswänden, welche die Seitenwände des fluiddichten Raums bilden. Dabei können die Begrenzungswände einen ondulierenden Oberflächenverlauf aufweisen, bspw. vorspringende und rückgezogene Abschnitte zur Versteifung insbesondere der peripheren Begrenzungswand.The interaction unit preferably has at least one fluid-tight space. The interaction unit is also preferably designed to set and/or maintain a predetermined pressure in the fluid-tight space. The predetermined pressure in the fluid-tight space can in particular be a fluid pressure that is lower than the ambient pressure, thus creating a low-pressure region. The fluid-tight space is preferably formed from at least two boundary layers, which form the ceiling and the floor, and boundary walls, which form the side walls of the fluid-tight space. The boundary walls can have an undulating surface profile, for example protruding and retracted sections for stiffening the peripheral boundary wall in particular.

Vorzugsweise kann die Interaktionseinheit insbesondere als Biegebalken ausgebildet sein, der einen fluiddichten Raum abgrenzt, in dem ein vorbestimmter Druck, insbesondere ein Fluiddruck welcher geringer als ein Umgebungsdruck ist, herrscht. Der Biegebalken kann an zumindest einem Ende am Festlandsbereich des Substrats verankert sein.Preferably, the interaction unit can be designed in particular as a bending beam that delimits a fluid-tight space in which a predetermined pressure, in particular a fluid pressure that is lower than ambient pressure, prevails. The bending beam can be anchored at at least one end to the mainland region of the substrate.

Ferner weist bevorzugt die Interaktionseinheit zumindest eine Rückplatte auf. Die Rückplatte kann insbesondere eine Gegenelektrode zu dem zumindest einen Elektrodenelement ausbilden. Dabei wird bevorzugt die Rückplatte aus einer leitfähigen Schicht gebildet. Ferner bevorzugt kann die Rückplatte aus einer isolierenden Trägerschicht wie z. B. Silizium-reiches Nitrid mit einer Dicke zwischen 0,5 und 5 µm ausgebildet sein, wobei auf der isolierenden Trägerschicht zumindest eine Elektrode und/oder mehrere Lagen von Elektroden beispielsweise aus Poly-Silizium angeordnet sein können. Ein Vorteil der Rückplatte aus einer isolierenden Schicht mit daran angrenzenden bzw. darin eingebetteten Elektroden kann sein, dass Leckströme unterdrückt und die Messkapazität so ausgestaltet werden kann, dass die Messkapazität maximiert und parasitäre Kapazitäten minimiert werden. Die Rückplatte kann insbesondere am Festlandsbereich des Substrats verankert sein, wobei sich diese Verankerung bevorzugt innerhalb des fluiddichten Raumes befinden kann. Weiter bevorzugt kann die Verankerung der Rückplatte als integrierter Teil der Membraneinheit ausgeführt sein.Furthermore, the interaction unit preferably has at least one back plate. The back plate can in particular form a counter electrode to the at least one electrode element. The back plate is preferably formed from a conductive layer. Furthermore, the back plate can preferably be formed from an insulating carrier layer such as silicon-rich nitride with a thickness between 0.5 and 5 µm, wherein at least one electrode and/or several layers of electrodes, for example made of polysilicon, can be arranged on the insulating carrier layer. An advantage of the back plate made from an insulating layer with electrodes adjacent to or embedded in it can be that leakage currents can be suppressed and the measuring capacity can be designed in such a way that the measuring capacity is maximized and parasitic capacitances are minimized. The back plate can in particular be anchored to the mainland area of the substrate, wherein this anchoring can preferably be located within the fluid-tight space. Further preferably, the anchoring of the back plate can be designed as an integrated part of the membrane unit.

Bevorzugt ist die Interaktionseinheit dazu eingerichtet, eine Auslenkung der Interaktionseinheit mittels einer Abstandsänderung zwischen der Rückplatte und zumindest einem Elektrodenelement, welches zumindest an einer Wand des fluiddichten Raums angeordnet ist, zu ermitteln und/oder zu erzeugen. Dabei kann die Wand eine Begrenzungsschicht und/oder eine laterale Begrenzungswand sein, ist darauf aber nicht eingeschränkt. Ferner bevorzugt ist die Interaktionseinheit dazu eingerichtet ist, eine Auslenkung der Interaktionseinheit mittels einer Abstandsänderung zwischen der Rückplatte und zumindest einem Elektrodenelement, welches einer Bewegung der Interaktionseinheit folgt, zu ermitteln und/oder zu erzeugen. Bevorzugt bildet die Rückplatte eine Gegenelektrode zu dem zumindest einen Elektrodenelement aus, sodass anhand einer Abstandsänderung zwischen der Rückplatte und dem zumindest einen Elektrodenelement auf eine Auslenkung der Interaktionseinheit, insbesondere der Begrenzungsschicht bzw. des Biegebalkens geschlossen werden kann. Beispielweise ist an einer Wand des fluiddichten Raums der Interaktionseinheit das Elektrodenelement angeordnet, wobei durch eine Auslenkung der Wand des fluiddichten Raums der Abstand zwischen dem Elektrodenelement und der Rückplatte verändert wird und dieses durch die Interaktionseinheit gemessen werden kann, um somit ein akustisches Signal und/oder Relativdrücke zu ermitteln. Dabei es sich bei der Wand des fluiddichten Raums um jede Fläche handeln, die den fluiddichten Raum bildet und/oder im fluiddichten Raum angeordnet ist. Die Wand kann bspw. auch aus der Wand der Ausnehmung zum Druckausgleich gebildet werden. Die Elektrodenelemente können als planare Elektroden oder als in den fluiddichten Raum hineinragende Eintauch-Fingerelektroden ausgestaltet sein. Dabei kann die Rückplatte korrespondierende Ausnehmungen aufweisen, in welche die Eintauch-Fingerelektroden eingreifen können.Preferably, the interaction unit is designed to determine and/or generate a deflection of the interaction unit by means of a change in distance between the back plate and at least one electrode element, which is arranged at least on one wall of the fluid-tight space. The wall can be a boundary layer and/or a lateral boundary wall, but is not restricted to this. Furthermore, the interaction unit is preferably designed to determine and/or generate a deflection of the interaction unit by means of a change in distance between the back plate and at least one electrode element, which follows a movement of the interaction unit. Preferably, the back plate forms a counter electrode to the at least one electrode element, so that a deflection of the interaction unit, in particular the boundary layer or the bending beam, can be inferred from a change in distance between the back plate and the at least one electrode element. For example, the electrode element is arranged on a wall of the fluid-tight space of the interaction unit, whereby the distance between the electrode element and the back plate is changed by a deflection of the wall of the fluid-tight space and this can be measured by the interaction unit in order to determine an acoustic signal and/or relative pressures. The wall of the fluid-tight space can be any surface that forms the fluid-tight space and/or is arranged in the fluid-tight space. The wall can also be formed from the wall of the recess for pressure equalization, for example. The electrode element The elements can be designed as planar electrodes or as immersion finger electrodes that protrude into the fluid-tight space. The back plate can have corresponding recesses into which the immersion finger electrodes can engage.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The subclaims show preferred developments of the invention.

Vorzugsweise umfasst der fluiddichte Raum zumindest eine Begrenzungsschicht, welche eine Decke und/oder einen Boden des fluiddichten Raums ausbildet.Preferably, the fluid-tight space comprises at least one boundary layer which forms a ceiling and/or a floor of the fluid-tight space.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass durch die Auslenkung der Begrenzungsschicht durch die Veränderung des Abstandes zwischen der Elektrode an der Begrenzungsschicht und der Rückplatte ein akustisches Signal bzw. ein Relativdruck ermittelt werden kann. Ferner kann mit Hilfe der Begrenzungsschicht eine Auslenkung der Interaktionseinheit gezielt eingestellt werden.An advantage of this embodiment can be that an acoustic signal or a relative pressure can be determined by deflecting the boundary layer by changing the distance between the electrode on the boundary layer and the back plate. Furthermore, a deflection of the interaction unit can be specifically adjusted using the boundary layer.

Vorzugsweise ist das zumindest eine Elektrodenelement in oder an der Begrenzungsschicht angeordnet.Preferably, the at least one electrode element is arranged in or on the boundary layer.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass mit Hilfe des zumindest einen Elektrodenelements jede Begrenzungsschicht dazu genutzt werden kann, einen Abstand zwischen der jeweiligen Begrenzungsschicht und der Rückplatte zu ermitteln.An advantage of this embodiment is that with the aid of the at least one electrode element, each boundary layer can be used to determine a distance between the respective boundary layer and the back plate.

Vorzugsweise ist die Membraneinheit einteilig, insbesondere aus einer Schicht, mit einer der Begrenzungsschichten und/oder der Rückplatte und/oder mit der Interaktionseinheit ausgebildet.Preferably, the membrane unit is formed in one piece, in particular from one layer, with one of the boundary layers and/or the back plate and/or with the interaction unit.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Begrenzungsschicht und/oder die Rückplatte und die Membraneinheit aus demselben Material gefertigt werden können, was sowohl fertigungstechnische Freiheiten erhöht als auch zusätzlich die Kosten weiter reduziert.An advantage of this embodiment is that the boundary layer and/or the back plate and the membrane unit can be made of the same material, which both increases manufacturing freedom and further reduces costs.

Weiter bevorzugt umfasst die Begrenzungsschicht und/oder die Begrenzungswand ein nichtleitendes Material, in und/oder an welchem das zumindest eine Elektrodenelement angeordnet ist.Further preferably, the boundary layer and/or the boundary wall comprises a non-conductive material in and/or on which the at least one electrode element is arranged.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass durch die isolierende Wirkung der Begrenzungsschicht die Genauigkeiten der Abstandsermittlung zwischen der zumindest einen Elektrode und der Rückplatte erhöht wird, insbesondere da die Begrenzungsschicht und/oder die Begrenzungswand die Interaktionseinheit vor anderen Einflüssen schützt.An advantage of this embodiment is that the insulating effect of the boundary layer increases the accuracy of the distance determination between the at least one electrode and the back plate, in particular since the boundary layer and/or the boundary wall protects the interaction unit from other influences.

Bevorzugt weist die Interaktionseinheit zumindest zwei gegenüberliegende Begrenzungsschichten auf, wobei die Rückplatte zumindest teilweise zwischen den beiden Begrenzungsschichten angeordnet ist, wobei jede der Begrenzungsschichten zumindest eines der Elektrodenelemente aufweist, welche jeweils zwischen der Rückplatte und einer der dem fluiddichten Raum abgewandten Oberfläche der Begrenzungsschichten angeordnet ist.Preferably, the interaction unit has at least two opposing boundary layers, wherein the back plate is at least partially arranged between the two boundary layers, wherein each of the boundary layers has at least one of the electrode elements, which is each arranged between the back plate and one of the surfaces of the boundary layers facing away from the fluid-tight space.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass durch die gleichsinnige Auslenkung der zwei gegenüberliegenden Begrenzungsschichten mit jeweils einem Elektrodenelement ein unterschiedlicher Abstand der oberen und unteren Begrenzungsschicht zur Rückplatte als Differenzsignal ermittelt werden kann, welches die Genauigkeit der Signaldetektion der Wandlereinheit weiter verbessert.An advantage of this embodiment may be that by deflecting the two opposing boundary layers in the same direction, each with an electrode element, a different distance between the upper and lower boundary layer and the back plate can be determined as a differential signal, which further improves the accuracy of the signal detection of the converter unit.

In anderen Worten ist die Rückplatte bevorzugt in der Mitte des fluiddichten Raums angeordnet, wobei die Decke des fluiddichten Raums durch eine erste Begrenzungsschicht gebildet wird, welche ein erstes Elektrodenelement aufweist und wobei der Boden des fluiddichten Raums durch eine zweite Begrenzungsschicht gebildet wird, welche ein zweites Elektrodenelement aufweist. Somit kann sowohl ein Abstand zwischen dem ersten Elektrodenelement und der Rückplatte als auch ein Abstand zwischen dem zweiten Elektrodenelement und der Rückplatte ermittelt werden.In other words, the back plate is preferably arranged in the middle of the fluid-tight space, wherein the ceiling of the fluid-tight space is formed by a first boundary layer which has a first electrode element and wherein the bottom of the fluid-tight space is formed by a second boundary layer which has a second electrode element. Thus, both a distance between the first electrode element and the back plate and a distance between the second electrode element and the back plate can be determined.

Bevorzugt ist zwischen den gegenüberliegenden Begrenzungsschichten zumindest ein Stützelement wie z. B. eine Stützsäule bzw. Stützwand angeordnet.Preferably, at least one support element, such as a support column or support wall, is arranged between the opposite boundary layers.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass die Stützelemente innerhalb des fluiddichten Raums angeordnet sind und somit bei einer Druckbeaufschlagung einer der Begrenzungsschichten diese Druckbeaufschlagung mittels des Stützelements an die andere Begrenzungsschicht weitergeleitet werden kann. Dabei kann das Stützelement sowohl an einem als auch an beiden Begrenzungsschichten angeordnet sein. Ferner kann die einseitige Anbindung des Stützelements an nur einer der Begrenzungsschichten den Vorteil aufweisen, eine höhere Gestaltungsfreiheit und Flexibilität der Begrenzungsschicht bzw. des Biegebalkens zu ermöglichen.An advantage of this embodiment can be that the support elements are arranged within the fluid-tight space and thus when pressure is applied to one of the boundary layers, this pressure can be passed on to the other boundary layer by means of the support element. The support element can be arranged on one or both boundary layers. Furthermore, the one-sided connection of the support element to only one of the boundary layers can have the advantage of allowing greater design freedom and flexibility of the boundary layer or the bending beam.

Vorzugsweise weist die zumindest eine Wand und/oder die zumindest eine Stützsäule eine Ausnehmung auf. Dabei ist bevorzugt das zumindest eine Elektrodenelement 28 derart in der Ausnehmung angeordnet, das ein Oberfläche des Elektrodenelements in einer Ebene mit einer Oberfläche der zumindest einen Wand 30 und/oder einer Oberfläche der Stützsäule in einer Ebene liegen.Preferably, the at least one wall and/or the at least one support column has a recess. Preferably, the at least one electrode element 28 is arranged in the recess in such a way that a surface of the electrode element is in a plane with a surface of the at least one wall 30 and/or a surface of the support column lie in one plane.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass durch die Integration des Elektrodenelements in die Wand, wie bspw. eine Begrenzungsschicht, die Bauhöhe der Wandlereinheit weiter reduziert wird.An advantage of this embodiment is that the height of the transducer unit is further reduced by integrating the electrode element into the wall, such as a boundary layer.

Bevorzugt ist eine Dicke der Membraneinheit gleich oder geringer als eine Summendicke der Begrenzungsschichten und/oder als eine Dicke der Rückplatte. Besonders bevorzugt ist eine Dicke der Membraneinheit gleich oder geringer als eine Dicke einer der Begrenzungsschichten.Preferably, a thickness of the membrane unit is equal to or less than a total thickness of the boundary layers and/or a thickness of the back plate. Particularly preferably, a thickness of the membrane unit is equal to or less than a thickness of one of the boundary layers.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass durch die dünne überbrückende Membraneinheit diese weniger biegesteif als zwei voneinander beabstandete, über steife Stützsäulen miteinander verbundene Begrenzungsschichten bzw. Membranelemente ist und somit die Genauigkeit der Wandlereinheit weiter verbessert werden kann.An advantage of this embodiment is that the thin bridging membrane unit is less rigid than two spaced-apart boundary layers or membrane elements connected to one another via rigid support columns, and thus the accuracy of the transducer unit can be further improved.

Bevorzugt umfasst der fluiddichte Raum zumindest eine Begrenzungswand.Preferably, the fluid-tight space comprises at least one boundary wall.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass mit Hilfe der Begrenzungswand das zumindest eine Elektrodenelement und die Rückplatte weiter von Umgebungsflüssen abgeschirmt werden kann. Dabei kann die Begrenzungswand insbesondere aus einem isolierenden Material hergestellt sein. Ferner kann die periphere Begrenzungswand einen ondulierenden Flächenverlauf aufweisen, welcher insbesondere durch vorspringende und rückgezogene Abschnitte gebildet wird, welche dazu eingerichtet sind, die Steifigkeit der peripheren Begrenzungswand nach Bedarf auch nur stellenweise zu erhöhen.An advantage of this embodiment is that the at least one electrode element and the back plate can be further shielded from ambient flows with the aid of the boundary wall. The boundary wall can in particular be made of an insulating material. Furthermore, the peripheral boundary wall can have an undulating surface profile, which is in particular formed by projecting and retracted sections, which are designed to increase the rigidity of the peripheral boundary wall, even only in places, as required.

Vorzugsweise weist das zumindest eine Elektrodenelement eine Vielzahl von voneinander isolierten Segmenten auf.Preferably, the at least one electrode element has a plurality of mutually insulated segments.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass mit Hilfe der voneinander isolierten Segmente unabhängig voneinander auslesbare Kapazitäten des Sensors gebildet werden können, um zusätzliche Informationen zu ermitteln und/oder ein Rauschen zu minimieren.An advantage of this embodiment may be that with the help of the mutually isolated segments, independently readable capacitances of the sensor can be formed in order to determine additional information and/or minimize noise.

Bevorzugt weist die Interaktionseinheit und/oder die Membraneinheit zumindest eine Ausnehmung zum Druckausgleich auf.Preferably, the interaction unit and/or the membrane unit has at least one recess for pressure equalization.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, eine quasistatische Druckdifferenz mittels der Ausnehmung ausgleichen zu können, um einen definierten Druckausgleich zwischen einem Rückvolumen z. B. in der Kavität des Substrats und dem Frontvolumen bzw. der Umgebung zu ermöglichen. Somit kann das von der Wandlereinheit ermittelte Signal unabhängiger von langsamen Druckschwankungen in der Umgebung werden.One advantage of this embodiment can be the ability to compensate for a quasi-static pressure difference using the recess in order to enable a defined pressure equalization between a back volume, e.g. in the cavity of the substrate, and the front volume or the environment. The signal determined by the converter unit can thus become more independent of slow pressure fluctuations in the environment.

Bevorzugt kann die Ausnehmung im Bereich einer Membraneinheit, in einem Biegebalken und/oder in einem Zentralknoten angeordnet sein.Preferably, the recess can be arranged in the region of a membrane unit, in a bending beam and/or in a central node.

Bevorzugt weist die Interaktionseinheit eine Steifigkeit auf, welche dazu eingerichtet ist, bei einer Differenzdruckbeaufschlagung der Interaktionseinheit die Interaktionseinheit im Verhältnis zum Substrat auszulenken.Preferably, the interaction unit has a stiffness which is designed to deflect the interaction unit in relation to the substrate when a differential pressure is applied to the interaction unit.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass mit Hilfe einer vorbestimmten bzw. einstellbaren Steifigkeit der Interaktionseinheit die Wandlereinheit an einen möglichen Anwendungsfall angepasst werden kann. Somit kann die Auslenkung der Interaktionseinheit gezielt für den Anwendungsfall eingestellt werden, um somit die von der Wandlereinheit erfassten Signale weiter zu verbessern. Dabei kann die Steifigkeit der Interaktionseinheit insbesondere durch das Material und/oder durch eine Dicke der Begrenzungsschichten eingestellt werden.An advantage of this embodiment is that the transducer unit can be adapted to a possible application using a predetermined or adjustable stiffness of the interaction unit. The deflection of the interaction unit can thus be specifically adjusted for the application in order to further improve the signals recorded by the transducer unit. The stiffness of the interaction unit can be adjusted in particular by the material and/or by the thickness of the boundary layers.

Vorzugsweise weist die Rückplatte zumindest ein Versteifungselement auf, um eine Steifigkeit der Rückplatte einzustellen.Preferably, the back plate has at least one stiffening element to adjust a stiffness of the back plate.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass die Rückplatte mit Hilfe des Versteifungselements eine deutlich höhere Steifigkeit als die Begrenzungsschichten aufweist, was zu einem robusteren und leistungsfähigeren Betrieb der Interaktionseinheit führen kann. Ferner kann dabei die Rückplatte eine Zugspannung aufweisen, welche die Steifigkeit der Rückplatte einstellt. Bevorzugterweise ist eine Steifigkeit und/oder Zugspannung der Rückplatte doppelt so hoch wie die Steifigkeit bzw. Zugspannung einer Begrenzungsschicht.An advantage of this embodiment can be that the back plate has a significantly higher rigidity than the boundary layers with the help of the stiffening element, which can lead to a more robust and efficient operation of the interaction unit. Furthermore, the back plate can have a tensile stress which sets the rigidity of the back plate. Preferably, a stiffness and/or tensile stress of the back plate is twice as high as the stiffness or tensile stress of a boundary layer.

Bevorzugt weist das Substrat einen Fluidkanal auf, welcher mit dem fluiddichten Raum fluidleitend verbunden ist. Innerhalb dieses Fluidkanals kann die Rückplatte am Substrat verankert sein.The substrate preferably has a fluid channel which is connected to the fluid-tight space in a fluid-conducting manner. The back plate can be anchored to the substrate within this fluid channel.

Ein Vorteil kann sein, dass die Rückplatte steif und ohne mechanische Kopplung an die Begrenzungsschichten oder die Membraneinheit unmittelbar am Festlandsbereich des Substrats verankert werden kann. Dabei kann der Fluidkanal insbesondere derart angeordnet sein, um eine Steifigkeit der Interaktionseinheit zu verringern, um somit eine Auslenkung zwischen der Rückplatte und der Interaktionseinheit zu erhöhen.One advantage may be that the back plate can be anchored rigidly and directly to the mainland area of the substrate without mechanical coupling to the boundary layers or the membrane unit. The fluid channel can in particular be arranged in such a way as to reduce the rigidity of the interaction unit in order to thereby increase the deflection between the back plate and the interaction unit.

Bevorzugt weist die Begrenzungsschicht bzw. die Begrenzungswände im Bereich des Fluidkanals und/oder in einem daran angrenzenden Bereich eine Korrugation bzw. Ondulation auf. Dies ermöglicht einen Abbau von mechanischem Zugstress im Umgebungsbereich des Fluidkanals, was eine größere Robustheit des Wandlers zur Folge hat. Gleichzeitig können die Korrugation bzw. Ondulation eine höhere Dehnung in diesem Bereich erlauben, was zu einer höheren Auslenkung im Mittenbereich der Kavität im Substrat führen kann.Preferably, the boundary layer or the boundary walls in the region of the fluid chamber nals and/or in an adjacent area. This allows a reduction of mechanical tensile stress in the area surrounding the fluid channel, which results in greater robustness of the transducer. At the same time, the corrugation or undulation can allow a higher expansion in this area, which can lead to a higher deflection in the middle area of the cavity in the substrate.

Die Wandlereinheit für akustische Signale bzw. Relativdrücke kann insbesondere als MEMS-Mikrofon, MEMS-Lausprecher oder Relativdrucksensor ausgebildet sein, wobei MEMS-Mikrofon und MEMS-Lausprecher insbesondere eine Ausnehmung zum Druckausgleich aufweisen.The transducer unit for acoustic signals or relative pressures can be designed in particular as a MEMS microphone, MEMS loudspeaker or relative pressure sensor, wherein the MEMS microphone and MEMS loudspeaker in particular have a recess for pressure equalization.

Zeichnungendrawings

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 zeigt eine Wandlereinheit gemäß einer Ausführungsform,
2 zeigt eine Wandlereinheit gemäß einer Ausführungsform,
3 zeigt eine Wandlereinheit gemäß einer Ausführungsform,
4 zeigt eine Wandlereinheit gemäß einer Ausführungsform,
5 zeigt eine Wandlereinheit gemäß einer Ausführungsform,
6a bis 6h zeigen unterschiedliche Ausführungen der Wandlereinheit,
7a und 7b zeigen eine Ausführungsform der Wandlereinheit,
8a bis 8d zeigen eine Ausführungsform der Wandlereinheit,
9 zeigt eine Ausführungsform der Wandlereinheit,
10 zeigt eine Ausführungsform der Wandlereinheit.

Embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawing. In the drawing:

1 shows a converter unit according to an embodiment,
2 shows a converter unit according to an embodiment,
3 shows a converter unit according to an embodiment,
4 shows a converter unit according to an embodiment,
5 shows a converter unit according to an embodiment,
6a to 6h show different versions of the converter unit,
7a and 7b show an embodiment of the converter unit,
8a to 8d show an embodiment of the converter unit,
9 shows an embodiment of the converter unit,
10 shows an embodiment of the converter unit.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Bevorzugt sind gleiche Einheiten, Elemente und/oder Bauteile in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Preferably, identical units, elements and/or components are provided with the same reference numerals in all figures.

1 zeigt eine Wandlereinheit 10 in einer Schnittdarstellung. Die Wandlereinheit 10 weist dabei insbesondere ein Substrat 12 auf. An dem Substrat 12 ist eine Interaktionseinheit 16 derart angeordnet, dass zumindest ein Teil der Interaktionseinheit 16 über eine Kavität 18 im Substrat 12 ragt. Ferner weist die Interaktionseinheit 16 eine Rückplatte 24 auf, welche zumindest teilweise über der Kavität 18 des Substrats 12 angeordnet ist. Ferner weist die Interaktionseinheit 16 eine Begrenzungsschicht 32 auf. An der Begrenzungsschicht 32 ist zumindest ein Elektrodenelement 28 angeordnet. Mittels einer Abstandsänderung zwischen dem Elektrodenelement 28 und der Rückplatte 24 ist die Interaktionseinheit 16 dazu eingerichtet, eine Auslenkung 26 der Interaktionseinheit 16 zu ermitteln und/oder zu erzeugen. 1 shows a transducer unit 10 in a sectional view. The transducer unit 10 has in particular a substrate 12. An interaction unit 16 is arranged on the substrate 12 such that at least part of the interaction unit 16 protrudes over a cavity 18 in the substrate 12. The interaction unit 16 also has a back plate 24, which is arranged at least partially over the cavity 18 of the substrate 12. The interaction unit 16 also has a boundary layer 32. At least one electrode element 28 is arranged on the boundary layer 32. By means of a change in distance between the electrode element 28 and the back plate 24, the interaction unit 16 is set up to determine and/or generate a deflection 26 of the interaction unit 16.

Ferner weist die Wandlereinheit 10 eine Membraneinheit 14 auf. Die Membraneinheit 14 ist zwischen einer ersten Interaktionseinheit 16 und einer weiteren Interaktionseinheit 20 angeordnet. Zudem weist die Membraneinheit 14 in der Mitte der Wandlereinheit 10 eine Ausnehmung 46 zum Druckausgleich auf. Ferner weist die Interaktionseinheit 16 zumindest eine Begrenzungswand 42 auf, welche eine Abgrenzung des fluiddichten Raums 22 bildet. Der fluiddichte Raum 22 wird bevorzugt durch zumindest eine Begrenzungsschicht 32 und zumindest eine Begrenzungswand 42 gebildet.The converter unit 10 also has a membrane unit 14. The membrane unit 14 is arranged between a first interaction unit 16 and a further interaction unit 20. In addition, the membrane unit 14 has a recess 46 in the middle of the converter unit 10 for pressure equalization. The interaction unit 16 also has at least one boundary wall 42, which forms a boundary of the fluid-tight space 22. The fluid-tight space 22 is preferably formed by at least one boundary layer 32 and at least one boundary wall 42.

Ferner ist in der 1 eine Schnittebene A dargestellt, welche eine Schnittebene der Wandlereinheit 10 in Bezug auf die 2 darstellt.Furthermore, the 1 a cutting plane A is shown, which is a cutting plane of the converter unit 10 with respect to the 2 represents.

2 zeigt eine Wandlereinheit 10 in einer Draufsicht. Die Wandlereinheit 10 umfasst eine Membraneinheit 14, welche die Interaktionseinheit 16 mit drei weiteren Interaktionseinheiten 20 und/oder dem Substrat 12 verbindet. Ferner kann das Substrat 12 in einem Randbereich des Substrats 12 zur Kavität 18 einen Festlandbereich 13 aufweisen. Ferner weist die Membraneinheit 14 eine Ausnehmung 46 zum Druckausgleich auf, welche beispielhaft in der Mitte der Wandlereinheit 10 in der 2 dargestellt ist. Ferner weist die Interaktionseinheit 16 zumindest eine Stützsäule 40 auf. Die Rückplatte 24 weist im Bereich der Stützsäule 40 eine korrespondierende Ausnehmung 41 auf. Ferner weist das Substrat 12 zumindest einen Fluidkanal 50 auf, welcher mit dem fluiddichten Raum 22 verbunden ist und insbesondere dazu eingerichtet ist, eine steife Verankerung der Rückplatte 24 am Festlandsbereich 13 aufzunehmen. 2 shows a converter unit 10 in a top view. The converter unit 10 comprises a membrane unit 14, which connects the interaction unit 16 with three further interaction units 20 and/or the substrate 12. Furthermore, the substrate 12 can have a mainland area 13 in an edge area of the substrate 12 to the cavity 18. Furthermore, the membrane unit 14 has a recess 46 for pressure equalization, which is for example in the middle of the converter unit 10 in the 2 is shown. Furthermore, the interaction unit 16 has at least one support column 40. The back plate 24 has a corresponding recess 41 in the area of the support column 40. Furthermore, the substrate 12 has at least one fluid channel 50, which is connected to the fluid-tight space 22 and is in particular designed to accommodate a rigid anchoring of the back plate 24 on the mainland area 13.

3 zeigt eine Wandlereinheit 10 in einer weiter bevorzugten Ausführungsform als Schnittdarstellung. Die Wandlereinheit 10 weist dabei eine Interaktionseinheit 16 auf. Die Interaktionseinheit 16 weist eine erste Begrenzungsschicht 32 auf, welche mittels einer Membraneinheit 14 an dem Substrat 12 befestigt ist. Ferner weist die Interaktionseinheit 16 zumindest eine Begrenzungswand 42 auf. Die Begrenzungswand 42 verbindet die erste Begrenzungsschicht 32 mit der zweiten Begrenzungsschicht 38. Somit sind die erste Begrenzungsschicht 32 und die zweite Begrenzungsschicht 38 gegenüberliegend zueinander angeordnet. Sowohl an der ersten Begrenzungsschicht 32 als auch an der zweiten Begrenzungsschicht 38 ist zumindest ein Elektrodenelement 28 angeordnet. Zwischen den beiden Elektrodenelementen 28 ist die Rückplatte 24 angeordnet. Darüber hinaus weist die Membraneinheit 14 eine Vertiefung, insbesondere Korrugation auf. Ferner weist die Membraneinheit 14 eine Ausnehmung 46 zum Druckausgleich auf. 3 shows a converter unit 10 in a further preferred embodiment as a sectional view. The converter unit 10 has an interaction unit 16. The interaction unit 16 has a first boundary layer 32, which is attached to the substrate 12 by means of a membrane unit 14. Furthermore, the interaction unit 16 has at least one boundary wall 42. The boundary wall 42 connects the first boundary layer 32 to the second boundary layer 38. Thus, the first boundary layer 32 and the second boundary layer 38 are arranged opposite one another. At least one electrode element 28 is arranged on both the first boundary layer 32 and the second boundary layer 38. The back plate 24 is arranged between the two electrode elements 28. In addition, the membrane unit 14 has a depression, in particular a corrugation. Furthermore, the membrane unit 14 has a recess 46 for pressure equalization.

4 zeigt eine Wandlereinheit 10 in einer 3D-Schnittdarstellung in einer weiteren Ausführungsform. Dabei ist die Interaktionseinheit 16 an dem Substrat 12 der Wandlereinheit 10 angeordnet. Die Interaktionseinheit 16 und die weiteren Interaktionseinheiten 20 weisen eine erste Begrenzungsschicht 32 auf, welche direkt gegenüber der Kavität 18 des Substrats 12 angeordnet ist. Die erste Begrenzungsschicht 32 ist mittels einer Stützsäule 40 mit einer zweiten Begrenzungsschicht 38 verbunden. Die Rückplatte 24 weist dabei eine korrespondierende Ausnehmung 41 auf, in welcher die Stützsäule 40 ohne Kontakt angeordnet ist. Ferner ist eine Begrenzungswand 42 zwischen der ersten Begrenzungsschicht 32 und der zweiten Begrenzungsschicht 38 angeordnet. Die Interaktionseinheit 16 weist einen fluiddichten Raum 22 auf, welcher durch die erste Begrenzungsschicht 32, die zweite Begrenzungsschicht 38 und eine Vielzahl von Begrenzungswänden 42 gebildet wird. Ferner weist die Wandlereinheit 10 eine Ausnehmung 46 zum Druckausgleich auf. Fluidkanäle 50 sind so konfiguriert, dass sie die starre Verankerung der Rückplatte 24 direkt im Festlandsbereich 13 des Substrats 12 ermöglichen. 4 shows a converter unit 10 in a 3D sectional view in a further embodiment. The interaction unit 16 is arranged on the substrate 12 of the converter unit 10. The interaction unit 16 and the further interaction units 20 have a first boundary layer 32, which is arranged directly opposite the cavity 18 of the substrate 12. The first boundary layer 32 is connected to a second boundary layer 38 by means of a support column 40. The back plate 24 has a corresponding recess 41, in which the support column 40 is arranged without contact. Furthermore, a boundary wall 42 is arranged between the first boundary layer 32 and the second boundary layer 38. The interaction unit 16 has a fluid-tight space 22, which is formed by the first boundary layer 32, the second boundary layer 38 and a plurality of boundary walls 42. Furthermore, the converter unit 10 has a recess 46 for pressure equalization. Fluid channels 50 are configured to enable the rigid anchoring of the back plate 24 directly in the land area 13 of the substrate 12.

5 zeigt die Wandlereinheit 10 aus 4 mit deren Aufschnittlinie. Es ist zu erkennen, dass die Wandlereinheit vier Fluidkanäle 50 aufweist. Ferner weist die Wandlereinheit 10 eine Membraneinheit 14 auf, welche die Begrenzungsschicht 32 bzw. die Begrenzungswände 42 mit dem Substrat 12 verbindet bzw. verbinden. Zusätzlich weist die Wandlereinheit 10 eine Ausnehmung 46 zum Druckausgleich in der Mitte auf. 5 shows the converter unit 10 from 4 with their cutting line. It can be seen that the converter unit has four fluid channels 50. Furthermore, the converter unit 10 has a membrane unit 14, which connects the boundary layer 32 or the boundary walls 42 to the substrate 12. In addition, the converter unit 10 has a recess 46 for pressure equalization in the middle.

Die 6a bis 6h zeigen weitere Ausführungsformen der Wandlereinheit 10 und mögliche Anordnungen der Membraneinheit 14 zwischen dem Substrat 12 und der Interaktionseinheit 16 und ggf. 20. Die 6a zeigt eine Wandlereinheit 10, bei welcher die Membraneinheit 14 in Ausgestaltung eines durchgekreuzten Kästchens ausgestaltet ist. Ausnehmungen 46 zum Druckausgleich sind in den peripheren Bereichen der Membraneinheit 14 ausgebildet.The 6a to 6h show further embodiments of the converter unit 10 and possible arrangements of the membrane unit 14 between the substrate 12 and the interaction unit 16 and possibly 20. The 6a shows a converter unit 10 in which the membrane unit 14 is designed in the form of a crossed-out box. Recesses 46 for pressure equalization are formed in the peripheral areas of the membrane unit 14.

6b zeigt eine Membraneinheit 14, welche als diagonales Kreuz mit Pfeilen an den Enden des Kreuzes ausgestaltet ist. 6b shows a membrane unit 14, which is designed as a diagonal cross with arrows at the ends of the cross.

6c zeigt eine Membraneinheit 14, welche als eine obere Klammer und eine untere Klammer ausgebildet ist. 6c shows a membrane unit 14, which is designed as an upper bracket and a lower bracket.

6d zeigt eine Membraneinheit 14 mit der Grundgestalt eines Vieleckes, wobei an jeder Ecke des Vieleckes ein Steg der Membraneinheit 14 in das Vieleck hineinragt. Ferner ist in 6d eine Ausnehmung 46 zum Druckausgleich in der Mitte des Vielecks gezeigt. 6d shows a membrane unit 14 with the basic shape of a polygon, with a web of the membrane unit 14 protruding into the polygon at each corner of the polygon. Furthermore, in 6d a recess 46 for pressure equalization in the center of the polygon is shown.

6e zeigt eine rechteckige Ausgestaltung der Membraneinheit 14 mit zwei Stegen innerhalb des Rechteckes, welche eine quadratische Interaktionseinheit innerhalb des Rechtecks ausbilden. 6e shows a rectangular design of the membrane unit 14 with two webs within the rectangle, which form a square interaction unit within the rectangle.

6f zeigt eine Membraneinheit 14 mit zwei ineinander versetzten Quadraten, wobei die Ecken der Quadrate mittels einer Membraneinheit 14 verbunden sind. 6f shows a membrane unit 14 with two squares offset into one another, wherein the corners of the squares are connected by means of a membrane unit 14.

6g zeigt eine Membraneinheit 14 mit einer kreisförmigen Grundfläche, wobei innerhalb der kreisförmigen Grundfläche Stege der Membraneinheit 14 in tangentialer Weise zu einem Mittelpunkt der Kreisgrundform angeordnet sind. Ferner weist die Wandlereinheit 10 der 6g eine Ausnehmung 46 zum Druckausgleich in der Mitte auf. 6g shows a membrane unit 14 with a circular base, wherein within the circular base webs of the membrane unit 14 are arranged tangentially to a center of the circular basic shape. Furthermore, the converter unit 10 of the 6g a recess 46 for pressure equalization in the middle.

6h zeigt eine Wandlereinheit 10 gemäß einer Ausführungsform. Dabei verbindet die Membraneinheit 14 die Interaktionseinheit 16 mit dem Substrat 12, insbesondere vollumfänglich um die Interaktionseinheit 16. Somit ist bevorzugt die Interaktionseinheit 16 freischwebend an dem Substrat 12 angeordnet. 6h shows a converter unit 10 according to an embodiment. The membrane unit 14 connects the interaction unit 16 to the substrate 12, in particular completely around the interaction unit 16. The interaction unit 16 is thus preferably arranged freely floating on the substrate 12.

7a zeigt eine Draufsicht der Wandlereinheit 10, welche eine Membraneinheit 14 aufweist, welche die Interaktionseinheit 16 mit dem Substrat 12 verbindet. 7a shows a top view of the transducer unit 10, which has a membrane unit 14 which connects the interaction unit 16 to the substrate 12.

7b zeigt eine Teilschnittansicht der Wandlereinheit 10 der 7a. Dabei weist die Wandlereinheit 10 einen S-förmigen Fluidkanal 50 auf, welcher mittels der Membraneinheit 14 an einer Interaktionseinheit 16 angeordnet und mit deren fluiddichtem Raum fluidleitend und/oder fluidisch verbunden ist. Die Interaktionseinheit 16 weist eine erste Begrenzungsschicht 32 und eine zweite Begrenzungsschicht 38 auf, welche den Boden und den Deckel des fluiddichten Raums 22 bilden. Innerhalb des fluiddichten Raumes 22 ist die Rückplatte 24 angeordnet. 7b shows a partial sectional view of the converter unit 10 of the 7a The converter unit 10 has an S-shaped fluid channel 50, which is arranged on an interaction unit 16 by means of the membrane unit 14 and is fluid-conductingly and/or fluidically connected to its fluid-tight space. The interaction unit 16 has a first boundary layer 32 and a second boundary layer 38, which form the bottom and the cover of the fluid-tight space 22. The back plate 24 is arranged within the fluid-tight space 22.

8a zeigt eine Draufsicht der Wandlereinheit 10 mit einer Membraneinheit 14. 8a shows a top view of the transducer unit 10 with a membrane unit 14.

Die 8b bis 8d zeigen eine Teilschnittansicht der Wandlereinheit 10 der 8a. In der 8a ist eine Wandlereinheit 10 zu sehen, welche eine Interaktionseinheit 16 aufweist. Die Interaktionseinheit 16 umfasst eine erste Begrenzungsschicht 32 und eine zweite Begrenzungsschicht 38. Die erste Begrenzungsschicht 32 und die zweite Begrenzungsschicht 38 bilden die Decke und den Boden des fluiddichten Raums 22 aus. In dem fluiddichten Raum 22 ist die Rückplatte 24 angeordnet. Die Interaktionseinheit 16 ist mittels einer Membraneinheit 14 und einem Fluidkanal 50 mit dem Festlandsbereich des Substrats verbunden.The 8b to 8d show a partial sectional view of the converter unit 10 of the 8a . In the 8a a converter unit 10 can be seen, which has an interaction unit 16. The interaction unit 16 comprises a first boundary layer 32 and a second boundary layer 38. The first boundary layer 32 and the second boundary layer 38 form the ceiling and the floor of the fluid-tight space 22. The back plate 24 is arranged in the fluid-tight space 22. The interaction unit 16 is connected to the mainland region of the substrate by means of a membrane unit 14 and a fluid channel 50.

Im Vergleich der 8b mit der 8c weist die 8c zusätzlich ein Versteifungselement 48 an der Rückplatte 24 auf. Im Vergleich zwischen der 8d und 8c weist die 8d zwei Rückelektrodenelemente 48 an einer Oberseite und einer Unterseite der Rückplatte 24 auf.In comparison of the 8b with the 8c indicates the 8c additionally has a stiffening element 48 on the back plate 24. In comparison between the 8d and 8c indicates the 8d two back electrode elements 48 on a top and a bottom of the back plate 24.

9 zeigt eine Wandlereinheit 10 in einer perspektivischen Darstellung. Die Wandlereinheit 10 umfasst ein Substrat 12. Das Substrat 12 bildet eine Kavität 18 aus. Ferner kann das Substrat 12 mehrere Schichten umfassen, um beispielsweise die Membraneinheit 14 an das Substrat 12 anzubinden. Die Wandlereinheit 10 weist dabei eine Interaktionseinheit 16 auf, welche mittels der Membraneinheit 14 an dem Substrat 12 angeordnet ist. Wie in der 9 gezeigt ist die Interaktionseinheit 16 im Wesentlichen rund ausgeführt. Dabei ist die Membraneinheit 14 als eine Art Ring um die Interaktionseinheit 16 angeordnet. Somit kann die Membraneinheit 14 die Interaktionseinheit 16 von dem Substrat 12 beabstanden. 9 shows a converter unit 10 in a perspective view. The converter unit 10 comprises a substrate 12. The substrate 12 forms a cavity 18. Furthermore, the substrate 12 can comprise several layers, for example to connect the membrane unit 14 to the substrate 12. The converter unit 10 has an interaction unit 16, which is arranged on the substrate 12 by means of the membrane unit 14. As in the 9 The interaction unit 16 is shown to be essentially round. The membrane unit 14 is arranged as a kind of ring around the interaction unit 16. The membrane unit 14 can thus space the interaction unit 16 from the substrate 12.

Ferner weist die Interaktionseinheit 16 einen fluiddichten Raum 22 auf. In dem fluiddichten Raum 22 sind die Rückplatte 24 und zumindest ein Elektrodenelement 28 angeordnet. Dabei kann das zumindest eine Elektrodenelement 28 an jeder Wand 20 oder einer Stützsäule 40 des fluiddichten Raums 22 angeordnet bzw. verankert sein.Furthermore, the interaction unit 16 has a fluid-tight space 22. The back plate 24 and at least one electrode element 28 are arranged in the fluid-tight space 22. The at least one electrode element 28 can be arranged or anchored on each wall 20 or a support column 40 of the fluid-tight space 22.

Ferner weist die Interaktionseinheit 16 zumindest eine Begrenzungsschicht 32 auf. Die zumindest eine Begrenzungsschicht 32 kann biegebalkenförmig ausgebildet und über einen zumindest teilweise leitfähigen Verbindungssteg 33 an dem Substrat 12 und/oder einer weiteren zumindest teilweise leitfähigen Schicht angeordnet sein. Ferner kann die zumindest eine Begrenzungsschicht 32 einen Boden 36 und/oder eine Decke 34 des fluiddichten Raums 22 ausbilden.Furthermore, the interaction unit 16 has at least one boundary layer 32. The at least one boundary layer 32 can be designed in the shape of a bending beam and can be arranged on the substrate 12 and/or another at least partially conductive layer via an at least partially conductive connecting web 33. Furthermore, the at least one boundary layer 32 can form a floor 36 and/or a ceiling 34 of the fluid-tight space 22.

Bevorzugt weist die Interaktionseinheit 16 zumindest eine Begrenzungswand 42 zum Ausbilden des fluiddichten Raums 22 auf. Ferner können zwischen den Begrenzungsschichten 32, 38 eine Stützsäule 40 angeordnet sein.The interaction unit 16 preferably has at least one boundary wall 42 for forming the fluid-tight space 22. Furthermore, a support column 40 can be arranged between the boundary layers 32, 38.

10 zeigt eine Schnittansicht der Wandlereinheit 10, insbesondere eine Schnittansicht durch die Wandlereinheit 10 der 9. 10 shows a sectional view of the converter unit 10, in particular a sectional view through the converter unit 10 of the 9 .

Wie in der 10 zu sehen ist, weist die Interaktionseinheit 16 zwei Begrenzungswände 42 auf, wobei zwischen den beiden Begrenzungswänden 42 die Membraneinheit 14 angeordnet ist, um die Interaktionseinheit 16 an dem Substrat 12 anzuordnen.Like in the 10 As can be seen, the interaction unit 16 has two boundary walls 42, wherein the membrane unit 14 is arranged between the two boundary walls 42 in order to arrange the interaction unit 16 on the substrate 12.

Ferner können die Begrenzungswände 42 eine Wand 20 des fluiddichten Raums 22 ausbilden. Zwischen den Begrenzungsschichten 32, 38 können bevorzugt Stützsäulen 40 angeordnet sein. Ferner ist in dem fluiddichten Raum 22 der Interaktionseinheit 16 zumindest eine Rückplatte 24 angeordnet. Ferner ist an einer Wand 20 zumindest ein Elektrodenelement 28 angeordnet.Furthermore, the boundary walls 42 can form a wall 20 of the fluid-tight space 22. Support columns 40 can preferably be arranged between the boundary layers 32, 38. Furthermore, at least one back plate 24 is arranged in the fluid-tight space 22 of the interaction unit 16. Furthermore, at least one electrode element 28 is arranged on a wall 20.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA accepts no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102014212340 A1 [0002]

Claims

Converter unit (10) for electrical or acoustic signals and/or relative pressures, the converter unit comprising: - a substrate (12), - a membrane unit (14), - an interaction unit (16), wherein the substrate (12) has at least one cavity (18), wherein the interaction unit (16) is arranged on the substrate (12) such that the interaction unit (16) is positioned at least partially and/or completely above the cavity (18), wherein the membrane unit (14) is arranged between the interaction unit (16) and the substrate (12) and/or between the interaction unit (16) and a further interaction unit (20), wherein the interaction unit (16) has at least one fluid-tight space (22), wherein the interaction unit (16) is designed to set and/or maintain a predetermined pressure in the fluid-tight space (22), wherein the interaction unit (16) has at least one Rear plate (24), wherein the interaction unit (16) is configured to determine and/or generate a deflection (26) of the interaction unit (16) by means of a change in distance between the rear plate (24) and at least one electrode element (28) which is arranged on at least one wall (30) of the fluid-tight space (22).

Converter unit (10) according to Claim 1 , wherein the fluid-tight space (22) comprises at least one boundary layer (32) which forms a ceiling (34) and/or a floor (36) of the fluid-tight space (22).

Converter unit (10) according to Claim 2 , wherein the at least one electrode element (28) is arranged in or on the boundary layer (32).

Converter unit (10) according to one of the Claims 2 until 3 , wherein the membrane unit (14) is formed in one piece, in particular from one layer, with the boundary layer (32), the back plate (24) and/or with the interaction unit (16).

Converter unit (10) according to one of the Claims 2 until 4 , wherein the boundary layer (32) comprises a non-conductive material in and/or on which the at least one electrode element (28) is arranged.

Converter unit (10) according to one of the Claims 2 until 5 , wherein the interaction unit (16) has at least two opposing boundary layers (32, 38), wherein the back plate (24) is at least partially arranged between the two boundary layers (32, 38), wherein each of the boundary layers (32, 38) has at least one of the electrode elements (28), which is arranged between the back plate (24) and a surface of the boundary layers (32, 38), in particular facing away from the fluid-tight space.

Converter unit (10) according to Claim 6 , wherein at least one support column (40) is arranged between the opposite boundary layers (32, 38), wherein in particular the back plate (24) has a corresponding recess (61) in which the support column (40) is arranged.

Converter unit (10) according to Claim 7 , wherein the at least one wall (30) and/or the at least one support column (40) has a recess, wherein the at least one electrode element (28) is arranged in the recess such that a surface of the electrode element lies in a plane with a surface of the at least one wall (30) and/or a surface of the support column.

Converter unit (10) according to one of the Claims 2 until 8th , wherein a thickness of the membrane unit (14) is equal to or less than a total thickness of the boundary layers (32, 38) and/or than a thickness of the back plate (24).

Converter unit (10) according to one of the preceding claims, wherein the fluid-tight space (22) comprises at least one boundary wall (42).

Converter unit (10) according to Claim 10 and one of the Claims 2 until 9 , wherein the boundary layer (32) is arranged on the substrate (12) and/or the boundary wall (42).

Converter unit (10) according to one of the preceding claims, wherein the at least one electrode element (28) has a plurality of mutually insulated segments (44).

Transducer unit (10) according to one of the preceding claims, wherein the interaction unit (16) has a rigidity which is designed to deflect the interaction unit (16) in relation to the substrate (12) when pressure is applied to the interaction unit (16) and/or when an acoustic signal is generated.

Transducer unit (10) according to one of the preceding claims, wherein the back plate (24) has at least one stiffening element (48) to adjust a stiffness of the back plate (26).

Converter unit (10) according to one of the preceding claims, wherein the interaction unit (16) is connected via a fluid channel (50) to, in particular to a mainland region (13), the substrate (12), which is fluid-conductingly connected to the fluid-tight space (24).