Magnetostriktive Mikroaktoren und deren Anwendung als Mikrolautsprecher

Magnetostrictive microactuators and their use as microloudspeakers

  • Mikroelektromechanisch hergestellte Mikrofone (MEMS-Mikrofone) sind heutzutage millionenfach in Unterhaltungselektronik und Mobiltelefonen anzutreffen. Sie sind klein, robust und günstig herzustellen. Ebenso gäbe es einen großen Markt für einen MEMS-Lautsprecher, der ähnliche Vorteile bieten könnte. Ein marktreifes Produkt ist jedoch bisher nicht verfügbar. Zudem wurde in der Mikromechanik ein vielversprechender physikalischer Wandlungseffekt bisher kaum genutzt: Die Magnetostriktion. Sie bewirkt eine Dehnung bestimmter Materialien aufgrund eines Magnetfeldes. In dieser Arbeit werden daher Prototypen eines MEMS-Lautsprechers entwickelt, die auf dem magnetostriktiven Wandlungseffekt beruhen. Mikroelektromechanisch hergestellte Mikrofone (MEMS-Mikrofone) sind heutzutage millionenfach in Unterhaltungselektronik und Mobiltelefonen anzutreffen. Sie sind klein, robust und günstig herzustellen. Ebenso gäbe es einen großen Markt für einen MEMS-Lautsprecher, der ähnliche Vorteile bieten könnte. Ein marktreifes Produkt ist jedoch bisher nicht verfügbar. Zudem wurde in der Mikromechanik ein vielversprechender physikalischer Wandlungseffekt bisher kaum genutzt: Die Magnetostriktion. Sie bewirkt eine Dehnung bestimmter Materialien aufgrund eines Magnetfeldes. In dieser Arbeit werden daher Prototypen eines MEMS-Lautsprechers entwickelt, die auf dem magnetostriktiven Wandlungseffekt beruhen. Die magnetostriktive Membran besteht dabei aus vielen langen und schmalen in einer Kammstruktur angeordneten Biegebalken, die sich bei Anlegen eines Magnetfeldes bewegen. Sie besitzen eine aktive und mehrere passive Schichten. Zur Bereitstellung des Magnetfeldes kann entweder eine Zylinderspule oder eine Mikroflachspule von einem Strom durchflossen werden. Für das hier vorgestellte Konzept des Mikrolautsprechers konnte bereits Patentschutz erwirkt werden. In dieser Arbeit werden Herstellungsprozesse für zwei verschiedene Varianten der magnetostriktiven Membran sowie für mehrlagige Mikroflachspulen entwickelt. Als Substrat dient Silizium. Die Reproduzierbarkeit wird nachgewiesen. Desweiteren folgt die Ableitung eines mathematischen Modells anhand der physikalischen Zusammenhänge. Es vereint die Methoden der konzentrierten Netzwerkelemente sowie der Finiten Elemente. Die Verifikation erfolgt durch geeignete Vergleiche mit Messungen. Messtechnische Untersuchungen ermöglichen einerseits die Bestimmung der elektrischen Impedanzen zweilagiger Mikroflachspulen. Andererseits können wichtige Eigenschaften des magnetostriktiven Materials Fe49Co49V2, der einzelnen Mikroaktoren sowie der Prototypen der Mikrolautsprecher gemessen werden. So werden je nach Prototyp im geschlossenen Ohrvolumen Schalldruckpegel bis zu 103 dB bei Klirrfaktoren deutlich unter 10% sowie einem Arbeitsfrequenzbereich von 340 Hz bis 1020 Hz (-6 dB Eckfrequenzen) erreicht. Geeignete Parameterstudien liefern Vorgaben zur weiteren Verbesserung des Mikrolautsprechers. Abschließend wird ein Konzept eines vollständig integrierten Mikrolautsprechers unter Verwendung von Mikroflachspulen vorgestellt. Berechnungen liefern einen maximalen Schalldruckpegel im Ohrvolumen von 102 dB bei einer Frequenz von 2 kHz und einer elektrischen Leistungsaufnahme von 760 mW. Durch diese Arbeit wird somit ein ausführliches Beispiel der Nutzung des magnetostriktiven Wandlungseffektes in der Mikromechanik vorgestellt. Die gezeigten Ergebnisse sind ein Schritt in Richtung eines marktreifen MEMS-Lautsprechers.show moreshow less
  • Microelectromechanical (MEMS) microphones are in use in millions of devices, from consumer electronics to mobile phones. They are small, robust and economically priced. MEMS-loudspeakers could have similar advantages. Analysts predict a great market share for such devices. But until now, there does not exist any commercial integrated MEMS-device for sound generation in the audio range. Furthermore, a promising actuation principle has rarely been used in micromechanics: the magnetostriction. It describes the strain of certain materials under the influence of a magnetic field. In response to these challenges, this thesis will present the development of MEMS-loudspeakers based on the magnetostrMicroelectromechanical (MEMS) microphones are in use in millions of devices, from consumer electronics to mobile phones. They are small, robust and economically priced. MEMS-loudspeakers could have similar advantages. Analysts predict a great market share for such devices. But until now, there does not exist any commercial integrated MEMS-device for sound generation in the audio range. Furthermore, a promising actuation principle has rarely been used in micromechanics: the magnetostriction. It describes the strain of certain materials under the influence of a magnetic field. In response to these challenges, this thesis will present the development of MEMS-loudspeakers based on the magnetostrictive actuation principle. The magnetostrictive membrane consists of a comb structure of long and narrow bending cantilevers which move under the influence of a magnetic field. Each of these cantilevers comprises one active layer and several passive layers. Current driven coils provide the magnetic field. Cylindrical coils or flat microcoils can be used here. The overall concept of the microloudspeaker has already been put under patent protection. The development of the manufacturing processes for two different types of membranes as well as for flat multilayer microcoils will be shown. Silicon is used as substrate material. The reproducibility of these processes will be verified. In a next step, a mathematical model is derived from the physical interrelationships. The model incorporates lumped elements as well as the Method of Finite Elements. Measurement results validate the model. Measurements lead to the identification of the electrical impedance of two-layer microcoils. In addition, important properties of the magnetostrictive material Fe49Co49V2 as well as of individual microactuators are reported. Prototypes of the microloudspeakers will be shown to produce sound pressure levels of up to 103 dB in a closed ear-sized volume. Their total harmonic distortion is clearly below 10% and their frequency range reaches from 340 Hz up to 1020 Hz (-6dBcut off). Parameter studies show possibilities for further improvement of the microloudspeaker. Finally, a concept for an integrated microloudspeaker including multilayer microcoils is presented. Calculations show a sound pressure level of 102 dB at 2 kHz and a power consumption of 760 mW. In conclusion, this thesis shows a detailed example for the use of the magnetostrictive actuation principle in micromechanics. The results present a step towards a commercial MEMS-loudspeaker.show moreshow less

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Metadaten
Author:Thorsten S. Albach
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-45676
ISBN:978-3-8439-0903-7
Advisor:Reinhard Lerch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2013
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2013/01/28
Release Date:2013/05/14
Tag:MEMS; loudspeaker; magnetostriction
SWD-Keyword:Lautsprecher; MEMS; Magnetostriktion; Mikrosystemtechnik
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $