DE3811052C1

DE3811052C1 -

Info

Publication number: DE3811052C1
Application number: DE19883811052
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Phys. Dr. 8012 Ottobrunn De Kroy; Helmut Dipl.-Phys. Dr. 8130 Starnberg De Seidel; Oskar Dipl.-Ing. Dr. 8000 Muenchen De Bschorr
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1989-08-24
Also published as: EP0336086A3; EP0336086A2

Description

Die Erfindung betrifft einen Schallerzeuger mit membranartigem Bereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a sound generator with a membrane-like area according to the preamble of claim 1.

Meist weisen bekannte Schallerzeuger eine dünne Membran oder Folie (Metall-) auf, die durchbiegbar - nach einer oder beiden Seiten - aufge lagert ist und von außen elektromagnetisch oder piezoelektrisch erregt werden kann. Für die Befestigung und/oder Halterung solch dünner Membra nen oder Folien ist großer Fertigungsaufwand nötig.Known sound generators usually have a thin membrane or foil (metal) that is deflectable - supported on one or both sides - and can be excited from the outside electromagnetically or piezoelectrically. For the attachment and / or mounting of such thin membranes or foils large manufacturing effort is necessary.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 29 29 541 ist eine Ultraschallwandlerzuordnung bekanntgeworden, bei der einzelne Ultraschallschwinger durch Sägen mechanisch aufgetrennt werden. Dies bedingt relativ große Abstände (Sägeblattdicken) der einzelnen Schwinger zueinander. Durch die Zunahme der Spaltbreite bezogen auf die Fläche steigen die Schnittverluste entsprechend. Die Abstrahlung pro Flächeneinheit wird somit vermindert. Die Befestigung erfolgt durch Kleben.One is from the German patent application 29 29 541 Ultrasound transducer assignment became known in the individual Ultrasonic transducers can be mechanically separated by sawing. This requires relatively large distances (saw blade thicknesses) between the individual transducers to each other. Due to the increase in the gap width in relation to the area the cutting losses increase accordingly. The radiation pro Area unit is thus reduced. The attachment is made by Glue.

Aus der deutschen Zeitschrift "Funkschau", 15/1986 vom 22.07.86, Seite 9 ist ein Mini-Mikrofon bekanntgeworden, das aus Siliziumnitrit gefertigt ist. Das Fertigungsverfahren ähnelt jedoch nur der IC-Produktion. Man wagt hier gerade nicht die Übernahme dort üblicher Verfahren in die Produktion bei Schallempfängern.From the German magazine "Funkschau", 15/1986, July 22, 1986, page 9 has become known a mini microphone, which is made of silicon nitride is. However, the manufacturing process is only similar to IC production. Man is not daring to adopt the usual procedures there Production at sound receivers.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, Mikro-Membranen so zusammen- oder herzustellen, daß eine einfache Ansteuerung/Erregung derselben in ge wünschter Phasenbeziehung erfolgen kann und der Aufbau (oder diese Inte gration) auf geringstem Raum möglich wird. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Anwendung von - an sich bei Halbleitern bekannter - Ätztechni ken für Substrate und eine bestimmte Anordnung der Mikromem branen gemäß Anspruch 1. The object of the invention is to assemble or assemble micro-membranes produce that a simple control / excitation of the same in ge desired phase relationship can take place and the structure (or this inte gration) is possible in the smallest space. This task is solved through the use of etching techniques known per se in semiconductors ken for substrates and a specific arrangement of the micromem Branches according to claim 1.

Vorteile des mikromechanischen Schallgebers:Advantages of the micromechanical sounder:

Mit Hilfe des angegebenen mikromechanischen Fertigungsverfahrens ist es möglich, sehr kleine Wandler-Bauelemente zu erzeugen, und eine Vielzahl solcher Bauelemente auf engstem Raum eines Substrats zu integrieren. Aufgrund dieser Fertigungsmöglichkeiten wird hier vorgeschlagen, eine Vielzahl von miniaturisierten Schallgebern in flächenhafter Anordnung und Verteilung auf dem Substrat in bestimmter Weise miteinander zu kom binieren. Als Substrat-Werkstoffe kommen insbesondere einkristalline Halbleitermaterialien wie Silizium oder GaAs in Anwendung, aber auch Gläser können Verwendung finden. Dadurch kann z. B. durch eine gezielte Phasenverschiebung der einzelnen Schallgeber untereinander eine gerich tete Abstrahlung erzielt werden. Ferner bestehen interessante Anwen dungsmöglichkeiten im Bereich des Antischalls.With the help of the specified micromechanical manufacturing process it is possible to produce very small transducer components, and a multitude to integrate such components in the smallest space of a substrate. Because of these manufacturing possibilities, one is proposed here Large number of miniaturized sounders in a flat arrangement and distribution on the substrate in a certain way binieren. Monocrystalline materials in particular come as substrate materials Semiconductor materials such as silicon or GaAs in use, but also Glasses can be used. This can, for. B. by a targeted Phase shift of the individual sounder to each other a court radiation can be achieved. There are also interesting users Possible applications in the area of antisound.

Description of exemplary embodiments of the invention

Die einzelnen Elemente des Schallwandlers können auf verschiedene Art aufgebaut werden. Eine Möglichkeit besteht darin, dünne Folien in der Art mikromechanische Elemente zu verwenden, wie sie z. B. aus Silizium herausgeätzt werden. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 und 2 ge zeigt. Es besteht aus einer im Silizium freigeätzten Membran 1, die an mehreren Federarmen 2 elastisch gelagert ist.The individual elements of the transducer can be constructed in different ways. One possibility is to use thin films in the manner of micromechanical elements, such as those used, B. etched out of silicon. An embodiment is shown in Figs. 1 and 2 ge. It consists of a membrane 1 etched free in silicon, which is elastically supported on several spring arms 2 .

Diese Membran verschließt eine Ventilöffnung 3 in einem gegenüberliegen den Glas- oder Siliziumsubstrat 4. Die Ansteuerung der Membran erfolgt vorzugsweise elektrostatisch, mittels einer um die Öffnung herum ange brachten Gegenelektrode 5. Mit Hilfe dieser Anordnung kann ein unter Druck stehender Gasstrom gesteuert und somit ein Schallsignal erzeugt werden.This membrane closes a valve opening 3 in an opposite glass or silicon substrate 4 . The control of the membrane is preferably electrostatic, by means of a counter electrode 5 placed around the opening. With the aid of this arrangement, a gas stream under pressure can be controlled and a sound signal can thus be generated.

Für eine Mikromembran dieser Bauart ist mit einem Flächenbedarf von etwa 1 mm² zu rechnen. Auf einer in der Halbleitertechnik vielfach verwen deten Siliziumscheibe mit 100 mm Durchmesser könnten somit mehrere 1000 Einzelelemente integriert werden. Jedes Einzelelement kann individuell angesteuert werden. Es besteht die Möglichkeit, die dazu erforderliche Ansteuerlogik unmittelbar auf der Siliziumscheibe mit zu integrieren. Der prinzipielle Aufbau einer solchen Gesamtanordnung ist in Fig. 3 dargestellt.For a micromembrane of this type, an area requirement of approximately 1 mm ^{2 is} to be expected. Several 1000 individual elements could thus be integrated on a silicon wafer with a diameter of 100 mm, which is widely used in semiconductor technology. Each individual element can be controlled individually. It is possible to integrate the control logic required for this directly on the silicon wafer. The basic structure of such an overall arrangement is shown in FIG. 3.

Die einzelnen Schallgeber können auch so ausgeführt werden, daß sie den Gasstrom nicht vollständig verschließen, sondern nur modulierend beein flussen. Dazu kann die Membran in Fig. 2 z.B. mit Öffnungen versehen werden.The individual sounders can also be designed so that they do not completely close the gas flow, but only have a modulating influence. For this purpose, the membrane in FIG. 2 can be provided with openings, for example.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die einzelnen Schallgeber als dünne Membranen auszuführen, die durch ihre Bewegung in Luft eine Schallwelle erzeugen. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 4 dargestellt. Die Membranen 1 können durch Gegenelektroden 5 angesteuert werden. Zur Redu zierung der Volumensteifigkeit des Zwischenbereiches 6 können Öffnungen 4 in das hintere Substrat eingebracht werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, auf die Öffnungen 3 zu verzichten, dafür aber den Zwi schenraum 6 zwischen Teil 1 und Teil 4 zu evakuieren.Another possibility is to design the individual sounders as thin membranes, which, when moved in air, generate a sound wave. An example of this is shown in FIG. 4. The membranes 1 can be controlled by counter electrodes 5 . To reduce the volume stiffness of the intermediate region 6 , openings 4 can be introduced into the rear substrate. Another possibility is to dispense with the openings 3 , but to evacuate the inter mediate space 6 between part 1 and part 4 .

Zum Betreiben aller vorgeschlagenen Schallerreger ist neben dem bereits erwähnten, elektrostatischen Antrieb auch ein Betrieb mit magnetischen, piezoelektrischen oder thermischen Kräften (Bimetall) möglich.To operate all of the proposed sound exciters is next to that already mentioned electrostatic drive also an operation with magnetic, Piezoelectric or thermal forces (bimetal) possible.

Hinsichtlich der Auslegung des Gesamtsystems bestehen zwei Möglichkei ten. Zum einen können die einzelnen Schallerreger (Membran) im Frequenz umfang breitbandig ausgelegt werden. Somit überträgt jeder einzelne Ge ber das gesamte zu übertragende Signal. Durch Einstellung definierter Phasenbeziehungen der Einzelgeber untereinander kann die Abstrahlrich tung des Schallsignals gezielt eingestellt werden.There are two options with regard to the design of the overall system On the one hand, the individual sound exciters (membrane) can have a frequency range can be designed broadband. So every single Ge transmits over the entire signal to be transmitted. Defined by setting The radiation guide can determine the phase relationships of the individual transmitters direction of the sound signal can be set specifically.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, jeden Einzelgeber (Membran) schmalbandig nur in seiner Eigenresonanz zu betreiben. Dazu müssen die Geber mit gestaffelten Eigenfrequenzen ausgelegt werden. Die Notwendig keit, den Frequenzgang der Geber zu glätten, entfällt damit und es sind geringere Kräfte zum Ansteuern erforderlich. Der Aufwand an Steuerkräf ten läßt sich heiter verringern, wenn die Geber auf Selbsterregung bei Luftdurchströmung ausgelegt sind (Harmonika-Prinzip). Das wiederzugeben de, im allgemeinen Fall, breitbandige Signal, läßt sich nach der Theorie der Fourier-Synthese aus den monofrequenten Einzelsignalen synthetisie ren. Notwendig ist dazu eine Individuelle Amplituden- und Phasensteue rung der Einzelgeber.Another option is to use each individual encoder (membrane) to operate in narrowband only in its own resonance. To do this, the Encoders can be designed with staggered natural frequencies. The necessary This eliminates the need to smooth the frequency response of the encoders and they are lower forces are required for activation. The effort for taxpayers can be happily reduced if the donors contribute to self-excitation Air flow are designed (harmonica principle). To reflect that de, in the general case, broadband signal, can be theoretically the Fourier synthesis from the monofrequency individual signals Ren. This requires an individual amplitude and phase control the individual donor.

Um den Abstrahlungsgrad zu erhöhen, ist es vorteilhaft, mehrere gleich abgestimmte Geber zu verwenden und diese gleichmäßig über die abstrah lende Fläche zu verteilen. Der gegenseitige Abstand sollte kleiner als λ/2 sein (λ= Schallwellenlänge). Bei dieser Auslegung vergrößert sich der Strahlungswiderstand und damit die Effektivität.In order to increase the degree of radiation, it is advantageous to use several identically tuned sensors and to distribute them evenly over the radiating surface. The mutual distance should be smaller than λ / 2 ( λ = sound wavelength ). With this design, the radiation resistance increases and thus the effectiveness.

Durch die vorgeschlagene Erfindung können sehr kompakte, flache Schall geber erzeugt werden. Aufgrund der einstellbaren Phasenbeziehungen der Einzelgeber kann eine gezielte Richtcharakteristik des Schallwandlers erreicht werden (Phasen-Array-Prinzip) . Ferner könnte diese Anordnung als Antischallgeber verwendet werden.The proposed invention allows very compact, flat sound generators are generated. Due to the adjustable phase relationships of the Individual donors can create a targeted directional characteristic of the sound transducer can be achieved (phase array principle). Furthermore, this arrangement could can be used as an anti-noise generator.

Claims

1. Sound generator with a membrane-like area and at least on one side adjoining fluid, which emits sound signals when the membrane is excited by a drive, a plurality of individual oscillators being formed in a plate-shaped or disk-shaped body, which are matrix-shaped over the area with the greatest extension of the Body are distributed, characterized in that it has a single substrate body, in which micro-membranes are etched free in an array without separating surfaces, which - in particular spring-mounted - are movable by the drive and that the drive and its control are integrated on the substrate body .

2. Sound generator according to claim 1, characterized in that it a silicon semiconductor or other semiconductor or glass than Has substrate body.

3. Sound generator according to claim 1, characterized in that the Micro membranes can be controlled individually, in parallel or in series.

4. Sound generator according to claim 3, characterized in that the Drive for the excitation of the respective micro-membranes electrostatically, electromagnetic, piezoelectric, thermal (bimetal) or fluidic he follows.

5. Sound generator according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the micro-membranes on different resonance fre are coordinated and operated at resonance frequency, so that the sound signal is formed by Fourier synthesis.

6. Sound generator according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the micro-membranes in an adjustable phase Relation to each other (phase array), so that the Sound is emitted in a certain preferred direction.