Thorsten Albach

Sound Generation Using a Magnetostrictive Microactuator

In this paper, we present the design and performance of a MEMS-device based on the magnetostrictive effect, which can be used as a micro-loudspeaker. The device basically consists of a comb structure of monomorph bending cantilevers with an active area up to 3.0×2.5 mm2. It produces a sound-pressure-level up to 101 dB at 400 Hz in a standard 2 ccm measurement volume. We show our measurement setup as well as a mechanic-acoustic-coupled lumped element model to calculate sound pressure. The model incorporates finite element results for mechanical behavior. Measurement results validate our model assumptions.

Elektromechanischer Energiewandler auf Basis eines piezokeramischen BiegebalkensElectromechanical Energy Harvester Based on a Piezoceramic Bending Cantilever

Zusammenfassung Es wird ein elektromechanischer Energiewandler vorgestellt, der auf dem piezoelektrischen Wandlungsprinzip in Form eines Biegebalkens beruht. Er wandelt Umgebungs-Vibrationen in elektrische Energie. Ausgehend vom bekannten Aufbau mit konstantem Balkenquerschnitt wird der Energieertrag durch Modifikation des Balkenprofiles erhöht. Im Hinblick auf eine praktische Realisierbarkeit wird die analytisch gefundene optimale Geometrie durch ein lineares Profil approximiert. Die Ergebnisse werden mittels einer Finite-Elemente-Simulation verifiziert. Am Beispiel einer Vakuumpumpe als Schwingungserreger wird die Funktionsfähigkeit des Wandlers demonstriert. Es kann eine Leistung von 15mW und eine Leistungsdichte von 670W/m3 bei ohmscher Beschaltung erreicht werden. Eine selbstversorgende Elektronik wandelt die gewonnene Wechselspannung auf ein stabiles -3V-Potenzial.

Untersuchungen an magnetostriktiven MikroaktorenAnalysis of Magnetostrictive Microactuators

Zusammenfassung Der magnetostriktive Wandlungseffekt eröffnet neue Wege, Aktoren für Mikrosysteme (MEMS) herzustellen. Speziell die auf dem Prinzip des monomorphen Biegebalkens basierenden magnetostriktiven Mikroaktoren bieten interessante Anwendungsfelder. Diese Aktoren werden unter Einfluss äußerer Magnetfelder zu Biegung und Schwingung angeregt. Es werden Berechnungsmethoden, Herstellungsprozess und Messtechnik vorgestellt, um die Entwicklung von Mikrosystemen basierend auf derartigen Mikroaktoren zu ermöglichen. Der Fokus der Untersuchungen liegt auf den mechanischen Eigenfrequenzen sowie den magnetostriktiven Kennlinien der Aktoren. Aufgrund der Ergebnisse lassen sich die gewählten Berechnungsmethoden sowie die Reproduzierbarkeit des Herstellungsprozesses verifizieren und lineare Arbeitsbereiche definieren.

Magnetostrictive microelectromechanical loudspeaker

A microelectromechnical-loudspeaker based on the magnetostrictive effect is presented. The membrane consists of a comb structure of monomorph bending cantilevers with an area of about 16 mm(2). Prototypes generate a sound pressure level (SPL) of up to 102 dB at 450 Hz with a total harmonic distortion of 2% inside a 2 cm(3) measurement volume. The fabrication process of the device as well as a coupled simulation model to calculate its sound pressure is introduced. The model reproduces the measurements and is employed to further optimize the loudspeaker membrane. As a result, a computed maximum SPL of 106 dB has been achieved with a -6 dB frequency range extending from 100 Hz to 2.6 kHz.

Magnetostrictive micro-loudspeaker

A magnetostrictive MEMS-actuator which performs as a loudspeaker is presented. The design of the device, its theoretical modeling, as well as measurements showing its acoustical performance are outlined. Instead of a closed membrane, two combs of monomorph bending cantilevers are fabricated face to face on a silicon substrate. The small air gaps between the cantilevers lead to an advantageous reduction of the mechanical stiffness. Each cantilever consists of one active (magnetostrictive) layer and further passive layers. The cantilevers deflect simultaneously when a magnetic field is applied. An additional magnetic dc field linearizes the working point. An electro-acoustic lumped element model is developed to calculate the sound pressure level (SPL) generated in a 2 cm3 ear volume coupler. This model incorporates finite element simulations analyzing the mechanical behavior of the cantilevers. Measurement results validate the model. The effect of the variation of different design parameters on the frequenc...