DE102012202921A1

DE102012202921A1 - Acoustic transducer e.g. direct digital transducer used in integrated switching circuit, has control device divides received digital audio data into individual samples and controls spark gap devices according to respective samples

Info

Publication number: DE102012202921A1
Application number: DE201210202921
Authority: DE
Inventors: Karl Bendel; Marko Liebler; Ando Feyh
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2013-08-29

Abstract

The acoustic transducer (1) has a digital interface (2) which is configured to receive digital audio data to be reproduced. A control device (4) is electrically connected between digital interface and several spark gap devices (3-1-3-n) such as MEMS or CMOS spark gap device. The control device is adapted to receive digital audio data to be reproduced from digital interface, to divide received digital audio data into individual samples and to control spark gap devices according to respective samples. Independent claims are included for the following: (1) integrated switching circuit; and (2) method for converting digital audio data into sound.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schallwandler, einen Integrierter Schaltkreis und ein Verfahren zum Wandeln von digitalen Audiodaten in Schall.The present invention relates to a sound transducer, an integrated circuit and a method for converting digital audio data into sound.

Stand der TechnikState of the art

Zur Wandlung von Audiodaten, welche in digitalen Datenformaten vorliegen, werden heute hauptsächlich analoge Lautsprecher eingesetzt. Dabei werden die Audiodaten über einen digital – analog Wandler (D/A-Wandler) in analoge Spannung gewandelt und daraufhin mit den analogen Spannungen ein Lautsprecher angesteuert.For the conversion of audio data, which are available in digital data formats, today mainly analog speakers are used. The audio data is converted to analogue voltage via a digital-to-analog converter (D / A converter) and then a loudspeaker is controlled with the analogue voltages.

Durch den Einsatz eines D/A-Wandlers erhöht sich dabei der schaltungstechnische Aufwand sowie der Verbrauch an elektrischer Energie, welche zur Ausgabe der Audiodaten notwendig ist.The use of a D / A converter increases the circuitry complexity and the consumption of electrical energy, which is necessary for the output of the audio data.

Aus diesem Grund werden direkte digitale Lautsprecher eingesetzt, welche über eine digitale Ansteuerung direkt mittels eines Binärsignal angesteuert werden können und bei welchen auf einen D/A-Wandler verzichtet werden kann. Bei derartigen direkten digitalen Lautsprechern werden mehrere Einzelelemente entsprechend der Quantisierung des Audiosignals so angesteuert, dass sich eine hochfrequente Abtastung des wiederzugebenden Audiosignals durch die einzelnen Schallimpulse ergibt. Dabei liegt die Frequenz der einzelnen Schallimpulse selbst überwiegend im nicht hörbaren Ultraschallbereich. Erst die Überlagerung der einzelnen Schallimpulse in einem Ausbreitungsmedium, wie z.B. Luft, ergibt das hörbare Signal.For this reason, direct digital speakers are used, which can be controlled via a digital control directly by means of a binary signal and which can be dispensed with a D / A converter. In such direct digital loudspeakers, a plurality of individual elements are controlled in accordance with the quantization of the audio signal such that a high-frequency sampling of the audio signal to be reproduced results from the individual sound pulses. The frequency of the individual sound pulses themselves lies predominantly in the inaudible ultrasonic range. Only the superposition of the individual sound pulses in a propagation medium, such as Air, gives the audible signal.

Die US 6,829,131 B1 zeigt einen direkten digitalen Lautsprecher nach dem elektrostatischen oder elektromagnetischen Prinzip. Dabei wird eine Membran impulsartig ausgelenkt und erzeugt damit eine Schwingung im Ultraschallbereich. Die erzielbare Amplitude des Schallimpulses hängt dabei von der Volumenbeschleunigung des Mediums vor der Membranfläche ab. Eine höhere Volumenbeschleunigung bewirkt dabei einen höheren Schalldruckpegel. Die Volumenbeschleunigung wird von der Membrangröße und der Membransteifigkeit sowie von der elektrischen Ansteuerung (Elektrische Feldstärke, Magnetfeld, etc.) bestimmt. Die mechanische Resonanz der Membrananordnung bestimmt weiterhin die mögliche Abtastfrequenz des Audiosignals. Die hohen Anforderungen an eine möglichst schnelle und starke Membranauslenkung können hohe mechanische Spannungen und Dehnungen in der Membrananordnung hervorrufen und begrenzen damit die Lebensdauer solcher direkten digitalen Lautsprecher. Zudem ist eine Membrangroesse von 100–500micrometer Durchmesser erforderlich. Kombiniert mit der hohen erforderlichen Anzahl an Einzelelementen (typ. 1000–5000) ergibt sich eine sehr grosse Chipflaeche. Die Lautsprecher sind damit nicht mehr oekonomisch herstellbar. Desweiteren treten aufgrund der grossen Flaeche akkustische Verzerrungen im Rahmen der Ueberlagerung der einzelnen Schallquellen auf.The US Pat. No. 6,829,131 B1 shows a direct digital speaker according to the electrostatic or electromagnetic principle. In this case, a membrane is deflected like a pulse and thus generates a vibration in the ultrasonic range. The achievable amplitude of the sound pulse depends on the volume acceleration of the medium in front of the membrane surface. A higher volume acceleration causes a higher sound pressure level. The volume acceleration is determined by the diaphragm size and the diaphragm stiffness as well as by the electrical control (electric field strength, magnetic field, etc.). The mechanical resonance of the membrane arrangement further determines the possible sampling frequency of the audio signal. The high demands on the fastest possible and strong membrane deflection can cause high mechanical stresses and strains in the membrane assembly and thus limit the life of such direct digital speakers. In addition, a membrane size of 100-500micrometer diameter is required. Combined with the high required number of individual elements (typically 1000-5000) results in a very large Chipflaeche. The speakers are thus no longer economically producible. Furthermore occur due to the large area acoustic distortion in the context of the superposition of the individual sound sources.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erdfindung offenbart einen Schallwandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen integrierten Schaltkreis mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und ein Verfahren zum Wandeln von digitalen Audiodaten in Schall mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.The present invention discloses a sound transducer having the features of claim 1, an integrated circuit having the features of claim 8, and a method of converting digital audio data to sound having the features of claim 9.

Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Schallwandler, insbesondere ein direkter digitaler Schallwandler, zum Wiedergeben digitaler Audiodaten mit mindestens einer Funkenstreckeneinrichtung, insbesondere einer MEMS (Mikro-Elektro-Mechanisches System) und/oder CMOS (komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) Funkenstreckeneinrichtung.Accordingly, it is provided:
A sound transducer, in particular a direct digital sound transducer, for reproducing digital audio data with at least one spark gap device, in particular a MEMS (micro-electro-mechanical system) and / or CMOS (complementary metal oxide semiconductor) spark gap device.

Ein integrierter Schaltkreis mit mindestens einem erfindungsgemäßen Schallwandler, und mit mindestens einer digitalen Schaltungsanordnung, welche mit dem Schallwandler gekoppelt ist.An integrated circuit having at least one sound transducer according to the invention, and having at least one digital circuit arrangement which is coupled to the sound transducer.

Ein Verfahren zum Wandeln von digitalen Audiodaten in Schall, insbesondere mittels eines erfindungsgemäßen Schallwandlers, mit den Schritten Empfangen digitaler Audiodaten über eine digitalen Schnittstelle, Aufteilen der digitalen Audiodaten in einzelne Samples, und Ansteuern mindestens einer Funkenstrecke entsprechend einem jeweiligen Sample.A method for converting digital audio data into sound, in particular by means of a sound transducer according to the invention, with the steps receiving digital audio data via a digital interface, dividing the digital audio data into individual samples, and driving at least one spark gap corresponding to a respective sample.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass eine bewegliche Membran ausschlaggebend für eine begrenzte Lebensdauer eines direkten digitalen Schallwandlers ist. Zudem ist eine Membrangroesse von 100–500micrometer Durchmesser erforderlich. Kombiniert mit der hohen erforderlichen Anzahl an Einzelelementen (typ. 1000–5000) ergibt sich eine sehr grosse Chipflaeche. Die Lautsprecher sind damit nicht mehr oekonomisch herstellbar. Desweiteren treten aufgrund der grossen Flaeche akkustische Verzerrungen im Rahmen der Ueberlagerung der einzelnen Schallquellen auf.The finding underlying the present invention is that a movable diaphragm is crucial for a limited life of a direct digital sound transducer. In addition, a membrane size of 100-500micrometer diameter is required. Combined with the high required number of individual elements (typically 1000-5000) results in a very large Chipflaeche. The speakers are thus no longer economically producible. Furthermore occur due to the large area acoustic distortion in the context of the superposition of the individual sound sources.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und einen Schallwandler vorzusehen, welche keine bewegliche Membran aufweist und zudem die Moeglichkeit bietet, sehr kleine Einzelelemente zu realisieren und damit eine optimale akustische Ueberlagerung ermoeglicht. Erfindungsgemäß ist daher eine neuartige Impulserzeugung für Schallwandler, insbesondere für direkte digitale Schallwandler, vorgesehen. Dabei erfolgt die Schallerzeugung über eine sogenannte Funkenstrecke.The idea on which the present invention is based now consists of taking account of this knowledge and of providing a sound transducer which does not have a movable membrane and, moreover, offers the possibility of very much To realize small individual elements and thus allows an optimal acoustic overlay. Therefore, according to the invention, a novel pulse generation is provided for sound transducers, in particular for direct digital sound transducers. The sound is generated via a so-called spark gap.

Als Funkenstrecke wird hier der Entladungsraum zwischen zwei elektrischen Leitern verstanden, in dem sich ein Gas befindet. Steigt eine elektrische Spannung zwischen den zwei Leitern auf einen gewissen Wert an, führt das entstehende elektrische Feld zu einer Ionisation des Gases zwischen den elektrischen Leitern. Dadurch wird das Gas leitfähig und die Strecke zwischen den zwei Leitern wird innerhalb von Bruchteilen einer Mikrosekunde (kurz-)geschlossen.As a spark gap is understood here the discharge space between two electrical conductors in which a gas is located. If an electrical voltage between the two conductors increases to a certain value, the resulting electric field leads to an ionization of the gas between the electrical conductors. As a result, the gas becomes conductive and the distance between the two conductors is (short) closed within fractions of a microsecond.

Die in diesem Plasma entstehende hohe Temperatur führt zu einer Dichteänderung des Gases, z.B. der Luft, und damit entsteht ein Drucksignal. Die Höhe der Überschlagspannung und die Dauer des Funkenüberschlags können dabei durch die Geometrie und den Abstand zwischen den zwei elektrischen Leitern bestimmt werden. Die Durchschlagfeldstärke liegt z.B. in Luft bei ca. 2–3 kV/mm. Beim Uebergang zu sehr kurzen Funkenstrecken im Mikrometerbereich muss die sog. Modifizierte Paschenkurve beruecksichtigt werden. Der zugrundeliegende Effekt (mittlere freie Weglaenge groesser/gleich der Dimension der Funkenstrecke) fuehrt hier zu einer Erhoehung der Durchschlagsspannung.The high temperature generated in this plasma leads to a density change of the gas, e.g. the air, creating a pressure signal. The amount of flashover voltage and the duration of the flashover can be determined by the geometry and the distance between the two electrical conductors. The breakdown field strength is e.g. in air at about 2-3 kV / mm. In the transition to very short spark gaps in the micrometer range, the so-called modified Paschen curve must be taken into account. The underlying effect (mean free path greater / equal to the dimension of the spark gap) leads here to an increase in the breakdown voltage.

Gegenüber bekannten Membran-basierten direkten digitalen Schallwandlern verwendet die vorliegende Erfindung keine bewegliche Membran zur Schallimpulserzeugung. Dies erhöht die Lebensdauer eines erfindungsgemäßen direkten digitalen Schallwandlers. Ferner wird die Konstruktion und damit auch die Herstellung eines erfindungsgemäßen direkten digitalen Schallwandlers vereinfacht. Dies wiederum senkt ebenfalls die Produktionskosten.Compared to known membrane-based direct digital sound transducers, the present invention does not use a movable diaphragm for generating sound pulses. This increases the life of a direct digital sound transducer according to the invention. Furthermore, the construction and thus also the production of a direct digital sound transducer according to the invention is simplified. This in turn also lowers production costs.

Ferner lassen sich mit Funkenstreckeneinrichtungen sehr kurzzeitige Impulse mit hoher positiver Druckamplitude und geringem Unterdurckanteil erzeugen. Dies vereinfacht die Schallrekonstruktion im Gegensatz zu herkömmlichen, bipolaren Verfahren, da eine Kompensation von positiven und negativen Druckanteilen durch benachbarte Einzelelemente, z.B. Membranen, vermieden wird.Furthermore, very short-term pulses with high positive pressure amplitude and low subdue portion can be generated with spark gap devices. This simplifies sound reconstruction in contrast to conventional bipolar methods, since compensation of positive and negative pressure components by adjacent individual elements, e.g. Membranes, is avoided.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims and from the description with reference to the figures.

In einer Ausführungsform sind eine digitalen Schnittstelle, welche dazu ausgebildet ist, die wiederzugebenden digitalen Audiodaten zu empfangen und eine Steuereinrichtung auf, welche elektrisch mit der digitalen Schnittstelle und der mindestens einen Funkenstreckeneinrichtung gekoppelt ist und welche dazu ausgebildet ist, die wiederzugebenden digitalen Audiodaten von der digitalen Schnittstelle zu erhalten, die digitalen Audiodaten in einzelne Samples aufzuteilen und die mindestens eine Funkenstreckeneinrichtung entsprechend eines jeweiligen Samples anzusteuern. Dies ermöglicht es, einen erfindungsgemäßen Schallwandler an unterschiedliche Anwendungsfälle anzupassen.In one embodiment, a digital interface adapted to receive the digital audio data to be reproduced and a controller electrically coupled to the digital interface and the at least one spark gap device and adapted to receive the digital audio data to be reproduced from the digital audio Receive interface, divide the digital audio data into individual samples and to control the at least one spark gap device corresponding to a respective sample. This makes it possible to adapt a sound transducer according to the invention to different applications.

In einer Ausführungsform sind eine Vielzahl von Funkenstreckeneinrichtungen vorgesehen und ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, mindestens eine Funkenstrecke der Vielzahl von Funkenstreckeneinrichtungen mittels eines Pulsamplitudenmodulationsverfahrens derart anzusteuern, dass die durch die Zündungen der mindestens einen Funkenstrecke entstehende Druckwelle der positiven Halbwelle einer einhüllenden Kurve eines durch das Sample vorgegebenen Audiosignals entspricht, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Funkenstrecke mit einer einzelnen festgelegten Frequenz oder mit einer variablen Frequenz anzusteuern. Der Einsatz einer Vielzahl von Funkenstreckeneinrichtungen ermöglicht es auf sehr einfache Weise die Amplitude des erzeugten Schallimpulses zu beeinflussen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung durch die Anzahl der angesteuerten Funkenstreckeneinrichtungen die Amplitude des erzeugten Schallimpulses beeinflussen. Bei dem Pulsamplitudenmodulationsverfahren wird die Vielzahl von Funkenstreckeneinrichtungen mit einer Frequenz angesteuert, welche höher ist, als die maximale Frequenz des wiederzugebenden Audiosignals, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Funkenstrecke mit einer einzelnen festgelegten Frequenz oder mit einer variablen Frequenz anzusteuern. Dabei wird zu jedem Ansteuerzeitpunkt exakt die Menge an Funkenstreckeneinrichtungen angesteuert, die notwendig ist, dass die Amplitude des erzeugten Schallimpulses der Amplitude der einhüllenden Kurve des durch das Sample vorgegebenen Audiosignals entspricht. Bei einem Audiosignal mit einer maximalen Frequenz von ca. 20kHz kann die Frequenz, mit welcher die Funkenstreckeneinrichtungen angesteuert werden beispielsweise 50kHz betragen. Andere Frequenzen sind ebenfalls möglich.In one embodiment, a plurality of spark gap devices are provided and the control device is designed to control at least one spark gap of the plurality of spark gap devices by means of a pulse amplitude modulation method in such a way that the pressure wave of the positive half wave of an enveloping curve produced by the ignitions of the at least one spark gap passes through the sample predetermined audio signal, wherein the control device is adapted to control the at least one spark gap with a single fixed frequency or with a variable frequency. The use of a plurality of spark gap devices makes it possible in a very simple way to influence the amplitude of the generated sound pulse. For example, the control device can influence the amplitude of the generated sound pulse by the number of activated spark gap devices. In the pulse amplitude modulation method, the plurality of spark gap devices are driven at a frequency which is higher than the maximum frequency of the audio signal to be reproduced, wherein the control device is adapted to drive the at least one spark gap at a single fixed frequency or at a variable frequency. In this case, the amount of spark gap devices that is necessary for the activation time to be controlled is exactly the one that is necessary for the amplitude of the generated sound pulse to correspond to the amplitude of the enveloping curve of the audio signal predetermined by the sample. For an audio signal with a maximum frequency of about 20kHz, the frequency at which the spark gap devices are controlled can be 50 kHz, for example. Other frequencies are also possible.

In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, mindestens eine der Funkenstreckeneinrichtungen mittels eines Pulshäufigkeitsmodulationsverfahrens derart anzusteuern, dass die durch die Zündungen der mindestens einen Funkenstrecke entstehende Druckwelle der positiven Halbwelle einer einhüllenden Kurve eines durch das Sample vorgegebenen Audiosignals entspricht. Im Gegensatz zum Pulsamplitudenmodulationsverfahren wird bei dem Pulshäufigkeitsmodulationsverfahren die Amplitude des erzeugten Schallimpulses nicht durch die Anzahl der gleichzeitig gezündeten Funkenstreckeneinrichtungen bestimmt, sondern durch die Häufigkeit der Zündungen der einzelnen Funkenstreckeneinrichtungen. In Abhängigkeit der Ansteuerfrequenz könnte ein Audiosignal so z.B. mit einer einzelnen Funkenstrecke wiedergegeben werden. Bei einem Audiosignal mit einer maximalen Frequenz von ca. 20kHz und einer Ansteuerfrequenz von 200kHz wird eine Periode des Audiosignals in zehn Segmente unterteilt, in welchen die Funkenstreckeneinrichtungen jeweils bis zu zehn Mal angesteuert werden können. Damit ergeben sich zehn mögliche Quantisierungsstufen. Je höher die Ansteuerfrequenz gewählt wird, desto genauer kann also das Audiosignal reproduziert werden. In noch einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, das Pulsamplitudenmodulationsverfahren und das Pulshäufigkeitsmodulationsverfahren zu kombinieren.In one embodiment, the control device is designed to control at least one of the spark gap devices by means of a pulse frequency modulation method in such a way that the pressure wave of the positive half wave produced by the firings of the at least one spark gap corresponds to an enveloping curve of an audio signal predetermined by the sample. in the Contrary to the pulse amplitude modulation method, in the pulse frequency modulation method, the amplitude of the generated sound pulse is not determined by the number of spark gap devices fired simultaneously, but by the frequency of ignitions of the individual spark gap devices. Depending on the drive frequency, an audio signal could be reproduced for example with a single spark gap. In an audio signal with a maximum frequency of about 20kHz and a driving frequency of 200kHz, a period of the audio signal is divided into ten segments, in which the spark gap devices can each be controlled up to ten times. This results in ten possible quantization levels. The higher the drive frequency is selected, the more accurate so that the audio signal can be reproduced. In yet another embodiment, the controller is configured to combine the pulse amplitude modulation method and the pulse frequency modulation method.

In einer Ausführungsform weist jede Funkenstreckeneinrichtung jeweils einen ersten Metallstempel auf, welcher dazu ausgebildet ist, mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt zu werden, und einen zweiten Metallstempel auf, welcher mit einer elektrischen Masse elektrisch gekoppelt ist. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, jeweils den ersten Metallstempel einer Funkenstreckeneinrichtung anzusteuern. Werden Metallstempel als Elektroden der Funkenstreckeneinrichtungen eingesetzt, wird eine einfache Herstellung möglich. Ferner weisen Funkenstreckeneinrichtungen mit Elektroden aus Metall eine gesteigerte Lebensdauer auf. In noch einer Ausführungsform sind die Funktionen des ersten und des zweiten Metallstempels vertauscht. Dabei ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, jeweils den zweiten Metallstempel einer Funkenstreckeneinrichtung anzusteuern. Der Funktionstausch zwischen dem ersten und zweiten Metallstempel kann in einer Ausführungsform auch während dem Betrieb erfolgen.In one embodiment, each spark gap device has in each case a first metal stamp, which is designed to be supplied with an electrical voltage, and a second metal stamp, which is electrically coupled to an electrical ground. Furthermore, the control device is designed to control in each case the first metal stamp of a spark gap device. Metal stamps are used as electrodes of the spark gap devices, a simple production is possible. Further, spark gap devices with metal electrodes have an increased lifetime. In yet another embodiment, the functions of the first and second metal stamps are reversed. In this case, the control device is designed to control in each case the second metal stamp of a spark gap device. The function exchange between the first and second metal stamps can also take place during operation in one embodiment.

In einer Ausführungsform sind mindestens zwei Funkenstreckeneinrichtungen gemeinsam als ein Funkenstreckeneinrichtungs-Array ausgebildet und die mindestens zwei Funkenstreckeneinrichtungen weisen einen gemeinsamen zweiten Metallstempel auf. Werden mindestens zwei Funkenstreckeneinrichtungen in einem Funkenstreckeneinrichtungs-Array zusammengefasst, können die entstehenden Funkenstreckenarrays sehr kompakt und platzsparend aufgebaut werden.In one embodiment, at least two spark gap devices are collectively formed as a spark gap array and the at least two spark gap devices have a common second metal stamp. If at least two spark gap devices are combined in a spark gap device array, the resulting spark gap arrays can be constructed in a very compact and space-saving manner.

In einer Ausführungsform sind die Funkenstreckeneinrichtungen als in CMOS-technik gefertigte Funkenstreckeneinrichtungen ausgebildet und der Abstand zwischen den ersten Metallstempeln und den zweiten Metallstempeln beträgt 100µm bis 10nm, insbesondere 50µm bis 50nm, insbesondere auch 10µm bis 100nm, insbesondere auch 50nm bis 200nm. Dies ermöglicht eine sehr einfache Herstellung der Funkenstreckeinrichtungen. Insbesondere, da die CMOS-Technik eine Technik ist, deren technologische Prozesse umfassend analysiert und beherrschbar sind.In one embodiment, the spark gap devices are designed as spark gap devices fabricated using CMOS technology and the distance between the first metal stamps and the second metal stamps is 100 μm to 10 nm, in particular 50 μm to 50 nm, in particular also 10 μm to 100 nm, in particular also 50 nm to 200 nm. This allows a very simple production of spark stretcher devices. In particular, CMOS technology is a technology whose technological processes are comprehensively analyzed and manageable.

Die CMOS-Technik ermöglicht ferner sehr kleine Abstände zwischen den Elektroden der Funkenstreckeneinrichtungen. Je geringer der Abstand zwischen den Elektroden ist, desto geringer wird – bis zu einem bestimmten Grad – auch die Spannung, welche notwendig ist, um einen Funkenüberschlag hervorzurufen. Aufgrund modifizierter Paschenkurve erfolgt bei kleinen Abstaenden jedoch wieder ein Anstieg der Spannung. Daher sind zur Ansteuerung der Funkenstreckeneinrichtung Spannungen von ca. 50V erforderlich. In einer Ausführungsform kann die Ansteuerung der Funkenstreckeneinrichtungen mittels sog. Ladungspumpen erfolgen. In noch einer Ausführungsform kann eine Ansteuerung derart erfolgen, dass eine Bias-Gleichspannung von ca. 45V an die einzelnen Funkenstreckeneinrichtung angelegt wird und eine Zündung der Funkenstrecke mittels eines Wechselspannungspulses von ca. 5V hervorgerufen wird. Dies ermöglicht eine besonders schnelle Ansteuerung der einzelnen Funkenstreckeneinrichtungen.The CMOS technique also allows very small distances between the electrodes of the spark gap devices. The smaller the distance between the electrodes, the less - to a certain degree - the voltage which is necessary to cause a flashover. Due to the modified Paschen curve, however, the voltage increases again at small distances. Therefore, voltages of approx. 50V are required to control the spark gap device. In one embodiment, the activation of the spark gap devices can take place by means of so-called charge pumps. In yet another embodiment, a control can be carried out such that a bias DC voltage of about 45V is applied to the individual spark gap device and an ignition of the spark gap by means of an AC voltage pulse of about 5V is caused. This allows a particularly fast control of the individual spark gap devices.

In einer Ausführungsform sind die ersten und/oder zweiten Metallstempel als Intermetall-Vias, insbesondere als Intermetall-Vias aus Wolfram, ausgebildet. Werden Intermetall-Vias aus Wolfram, insbesondere in Form von Wolfram-Plugs zur Herstellung der Elektroden, also der ersten und zweiten Metallstempel, der Funkenstrecke genutzt, können die Funkenstreckeneinrichtungen mit den gleichen technologischen Prozessen erzeugt werden, wie z.B. aktive Logikschaltkreise. Insbesondere kann so ein Array aus Funkenstreckeneinrichtungen auf einem Halbeiterbaustein mit einem aktiven Logikschaltkreis kombiniert werden. Ein solcher Logikschalkreis kann beispielsweise die Steuereinrichtung oder einen Mikrocontroller enthalten.In one embodiment, the first and / or second metal stamps are formed as intermetallic vias, in particular as intermetallic vias made of tungsten. If intermetallic vias made of tungsten, in particular in the form of tungsten plugs for the production of the electrodes, ie the first and second metal stamps, of the spark gap are used, the spark gap devices can be produced using the same technological processes as e.g. active logic circuits. In particular, such an array of spark gap devices on a semiconductor device can be combined with an active logic circuit. Such a logic circuit may include, for example, the controller or a microcontroller.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.The above embodiments and developments can, if appropriate, combine with each other as desired. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention which have not been explicitly mentioned above or described below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:The present invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures of the drawings. It shows:

1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schallwandlers 1; 1 a block diagram of an embodiment of a transducer according to the invention 1 ;

2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises 12; 2 a block diagram of an embodiment of an integrated circuit according to the invention 12 ;

3 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens; 3 a flowchart of an embodiment of a method according to the invention;

4 eine Skizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises 12; 4 a sketch of an embodiment of an integrated circuit according to the invention 12 ;

5 eine weitere Skizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises 12; 5 a further sketch of an embodiment of an integrated circuit according to the invention 12 ;

6 eine weitere Skizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises 12; 6 a further sketch of an embodiment of an integrated circuit according to the invention 12 ;

7 eine weitere Skizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises 12. 7 a further sketch of an embodiment of an integrated circuit according to the invention 12 ,

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.In all figures, the same or functionally identical elements and devices - unless otherwise stated - have been given the same reference numerals.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schallwandlers 1. 1 shows a block diagram of an embodiment of a transducer according to the invention 1 ,

Der Schallwandler 1 weist eine digitale Schnittstelle 2 auf, welche mit einer Steuereinrichtung 4 gekoppelt ist. Ferner weist der Schallwandler 1 eine Vielzahl von Funkenstreckeneinrichtungen 3-1–3-n auf. Dabei sind die erste Funkenstreckeneinrichtung 3-1 und die letzte Funkenstreckeneinrichtung 3-n eingezeichnet. Weitere Funkenstreckeneinrichtungen 3-1–3-n sind durch drei Punkte angedeutet.The sound transducer 1 has a digital interface 2 on, which with a control device 4 is coupled. Furthermore, the sound transducer 1 a variety of spark gap devices 3-1 - 3-n on. Here are the first spark gap device 3-1 and the last spark gap device 3-n located. Other spark gap devices 3-1 - 3-n are indicated by three points.

Die digitale Schnittstelle 2 des Schallwandlers 1 in 1 ist als SPI-Schnittstelle ausgeführt. In weiteren Ausführungsformen ist die digitale Schnittstelle 2 als I²C, I²S, oder eine weitere serielle oder parallele digitale Schnittstelle 2 ausgebildet. The digital interface 2 of the sound transducer 1 in 1 is executed as SPI interface. In other embodiments, the digital interface is 2 as I ² C, I ² S, or another serial or parallel digital interface 2 educated.

Die Steuereinrichtung 4 in 1 ist als anwendungsspezifische integrierte Schaltung 4 (ASIC) ausgebildet, welche die digitalen Audiodaten von der digitalen Schnittstelle 2 empfängt und basierend auf diesen digitalen Audiodaten die einzelnen Funkenstreckeneinrichtungen 3-1–3-n ansteuert. In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung 4 als Mikrocontroller 4 oder als konfigurierbarer Logikbaustein 4 ausgebildet.The control device 4 in 1 is as an application specific integrated circuit 4 (ASIC), which the digital audio data from the digital interface 2 receives and, based on this digital audio data, the individual spark gap devices 3-1 - 3-n controls. In a further embodiment, the control device 4 as a microcontroller 4 or as a configurable logic block 4 educated.

2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises 12. 2 shows a block diagram of an embodiment of an integrated circuit according to the invention 12 ,

Der integrierte Schaltkreis 12 weist einen erfindungsgemäßen Schallwandler 1 auf, welcher mit einer digitalen Schaltungsanordnung 13 gekoppelt ist.The integrated circuit 12 has a sound transducer according to the invention 1 on, which with a digital circuitry 13 is coupled.

Die digitale Schaltungsanordnung 13 ist in 2 als Mikrocontroller 13 ausgeführt, welcher dem Schallwandler 1 digitale Audiodaten bereitstellt. In weiteren Ausführungsformen kann die digitale Schaltungsanordnung als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC), als konfigurierbarer Logikbaustein oder dergleichen ausgebildet sein.The digital circuitry 13 is in 2 as a microcontroller 13 executed, which the sound transducer 1 provides digital audio. In further embodiments, the digital circuitry may be implemented as an application specific integrated circuit (ASIC), as a configurable logic device, or the like.

Dies ermöglicht es, den erfindungsgemäßen Schallwandler direkt mit der digitalen Schaltungsanordnung, welche die Verwaltung und Bereitstellung der digitalen Audiodaten durchführt, in einem einzelnen Prozess und auf einem einzelnen Substrat herzustellen.This makes it possible to manufacture the sound transducer according to the invention directly with the digital circuitry that performs the management and provision of the digital audio data in a single process and on a single substrate.

In noch weiteren Ausführungsformen ist der Schallwandler 1 mit einem Computer gekoppelt. Dabei weist der Computer ein Computerprogrammprodukt auf, welches den Computer veranlasst Audiodaten an den Schallwandler 1 zu übermitteln.In still other embodiments, the sound transducer 1 coupled with a computer. In this case, the computer has a computer program product, which causes the computer audio data to the sound transducer 1 to convey.

3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 shows a flowchart of an embodiment of a method according to the invention.

In einem ersten Schritt S1 werden digitale Audiodaten über eine digitale Schnittstelle empfangen. In einem zweiten Schritt S2 werden die digitalen Audiodaten in einzelne Samples aufgeteilt. Schließlich wird in einem dritten Schritt S3 mindestens eine Funkenstrecke 3-1–3-n entsprechend einem jeweiligen Sample angesteuert.In a first step S1, digital audio data is received via a digital interface. In a second step S2, the digital audio data is divided into individual samples. Finally, in a third step S3 at least one spark gap 3-1 - 3-n controlled according to a respective sample.

4 zeigt eine Skizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises 12. 4 shows a sketch of an embodiment of an integrated circuit according to the invention 12 ,

Der erfindungsgemäße integrierte Schaltkreis 12 in 4 ist als Querschnittsansicht dargestellt und weist ein Substrat 6 auf, auf welchem im Wechsel Isolationsschichten 7, welche aus einem Dielektrikum bestehen, und vier Metallschichten 8, 9, 10 und 11 angeordnet sind, wobei die vierte, oberste Metallschicht die Metallschicht 11 ist. Die Metallschichten 8, 9, 10 und 11 sind in aus Aluminium gefertigt. In weiteren Ausführungsformen sind die Metallschichten 8, 9, 10 und 11 aus anderen leitfähigen Metallen gefertigt.The integrated circuit according to the invention 12 in 4 is shown as a cross-sectional view and has a substrate 6 on which alternating layers of insulation 7 , which consist of a dielectric, and four metal layers 8th . 9 . 10 and 11 are arranged, wherein the fourth, uppermost metal layer, the metal layer 11 is. The metal layers 8th . 9 . 10 and 11 are made in aluminum. In further embodiments, the metal layers 8th . 9 . 10 and 11 made of other conductive metals.

Zwischen der zweiten Metallschicht 9 und der vierten Metallschicht 11 erstrecken sich zwei erste Metallstempel 16, dabei werden die Metallstempel 16 jeweils von der dritten Metallschicht 10 unterbrochen. Zwischen der dritten Metallschicht 10 und der obersten Metallschicht 11 erstrecken sich zwei zweite Metallstempel 15, wobei jeweils einer der zweiten Metallstempel 15 einem der ersten Metallstempel 16 zugeordnet ist (nicht explizit dargestellt). Die ersten und zweiten Metallstempel 16, 15 sind in einem ersten Bereich 17 in der linken Hälfte des integrierten Schaltkreises 12 angeordnet. Ferner weist der integrierte Schaltkreis 12 auf der rechten Hälfte einen zweiten Bereich 18 auf, in welchem z.B. eine digitale Schaltungsanordnung 13 angeordnet werden kann. In weiteren Ausführungsformen sind abweichende Anzahlen von ersten und zweiten Metallstempeln 16, 15 oder Abweichende Anordnungen der Elemente des integrierten Schaltkreises 12 möglich.Between the second metal layer 9 and the fourth metal layer 11 Two first metal stamps extend 16 , here are the metal stamp 16 each of the third metal layer 10 interrupted. Between the third metal layer 10 and the top metal layer 11 two second metal stamps extend 15 , each one of the second metal stamp 15 one of the first metal stamps 16 is assigned (not explicitly shown). The first and second metal stamps 16 . 15 are in a first area 17 in the left half of the integrated circuit 12 arranged. Furthermore, the integrated circuit has 12 on the right half a second area 18 in which, for example, a digital circuit arrangement 13 can be arranged. In other embodiments, different numbers of first and second metal stamps 16 . 15 or divergent arrangements of the elements of the integrated circuit 12 possible.

Die Darstellung der 4 zeigt den integrierten Schaltkreis 12 in einer Produktionsstufe eines CMOS-Prozesses, in welcher die ersten und zweiten Metallstempel 16, 15 noch freigelegt werden müssen, um die Funkenstreckeneinrichtungen 3-1–3-n bilden zu können.The presentation of the 4 shows the integrated circuit 12 in a production stage of a CMOS process in which the first and second metal stamps 16 . 15 still need to be exposed to the spark gap facilities 3-1 - 3-n to be able to form.

5 zeigt eine weitere Skizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises 12. 5 shows a further sketch of an embodiment of an integrated circuit according to the invention 12 ,

In 5 ist der integrierte Schaltkreis 12 gleicht weitgehend dem integrierten Schaltkreis 12 der 4. Der integrierte Schaltkreis 12 der 5 unterscheidet sich von dem integrierten Schaltkreis 12 der 4 dahingehend, dass der integrierte Schaltkreis 12 in 5 keine vierte Metallschicht 11 aufweist und die Isolationsschicht 7, welche in 4 zwischen der dritten Metallschicht 10 und der vierten Metallschicht 11 angeordnet ist, in 5 wesentlich dünner ist, als in 4. Ferner wurde darauf verzichtet in 5 den ersten Bereich 17 und den zweiten Bereich 18 erneut anzugeben.In 5 is the integrated circuit 12 is largely the same as the integrated circuit 12 of the 4 , The integrated circuit 12 of the 5 is different from the integrated circuit 12 of the 4 in that the integrated circuit 12 in 5 no fourth metal layer 11 and the insulation layer 7 , what a 4 between the third metal layer 10 and the fourth metal layer 11 is arranged in 5 is much thinner than in 4 , Furthermore, it was waived in 5 the first area 17 and the second area 18 specify again.

Die 5 zeigt den integrierten Schaltkreis 12 nach dem Abätzen der obersten Metallschicht 11 und eines Teils der Isolationsschicht 7. Dies führt dazu, dass die ersten und zweiten Metallstempel 16, 15 jeweils aus der Isolationsschicht 7 herausragen.The 5 shows the integrated circuit 12 after etching the top metal layer 11 and a part of the insulation layer 7 , This causes the first and second metal stamps 16 . 15 each from the insulation layer 7 protrude.

In 5 ist deutlich erkennbar, wie in einem CMOS-Prozess sehr einfach erfindungsgemäße Funkenstreckeneinrichtungen 3-1–3-n erzeugt werden können.In 5 is clearly visible, as in a CMOS process very simple spark gap devices according to the invention 3-1 - 3-n can be generated.

In einer weiteren Ausführungsform kann beispielsweise auf das Abscheiden der vierten Metallschicht 11 ganz verzichtet werden.In a further embodiment, for example, the deposition of the fourth metal layer 11 completely dispensed with.

Zudem ist vorstellbar, die Isolationsschicht 7 in groesserem Umfang zu entfernen. Z.B: bis zur Metallschicht 9, mittels isotropem Aetzen in z.B. Flusssaeuredampf. Die Leitbahnen 10 werden dabei unteraetzt.In addition, it is conceivable that the insulation layer 7 to remove to a greater extent. For example: up to the metal layer 9 , by means of isotropic etching in, for example, hydrofluoric acid vapor. The interconnects 10 will be underestimated.

6 zeigt eine weitere Skizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises 12. 6 shows a further sketch of an embodiment of an integrated circuit according to the invention 12 ,

Der integrierte Schaltkreis 12 in 6 ist in einer Draufsicht dargestellt. In 6 ist ein Funkenstreckeneinrichtungs-Array dargestellt, bei welchem ein quadratischer zweiter Metallstempel 5 von sechs auf einem gleichen Radius gleichmäßig verteilten quadratischen ersten Metallstempeln 14 umgeben ist.The integrated circuit 12 in 6 is shown in a plan view. In 6 a spark gap device array is shown in which a square second metal stamp 5 of six equally spaced square first metal stamps on an equal radius 14 is surrounded.

7 zeigt eine weitere Skizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises 12. 7 shows a further sketch of an embodiment of an integrated circuit according to the invention 12 ,

Der integrierte Schaltkreis 12 in 7 weist ebenfalls sechs quadratische erste Metallstempel 14 und einen zweiten Metallstempel 5 auf. Allerdings ist der zweite Metallstempel 5 im Gegensatz zu 6 nicht quadratisch sondern länglich zwischen jeweils drei der ersten Metallstempel 14 angeordnet.The integrated circuit 12 in 7 also has six square first metal stamps 14 and a second metal stamp 5 on. However, the second metal stamp is 5 in contrast to 6 not square but oblong between every three of the first metal stamps 14 arranged.

In einer weiteren Ausführungsform kann ein integrierte Schaltkreis 12 auch zwei oder mehr zweite Metallstempel 5 aufweisen. In eine Ausführungsform kann für jeden ersten Metallstempel 14 ein zweiter Metallstempel 15 vorgesehen sein.In a further embodiment, an integrated circuit 12 also two or more second metal stamps 5 exhibit. In one embodiment, for each first metal stamp 14 a second metal stamp 15 be provided.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways. In particular, the invention can be varied or modified in many ways without deviating from the gist of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6829131 B1 [0005]

Claims

Sound transducer ( 1 ), in particular direct digital sound transducer ( 1 ) for playing back digital audio data with at least one spark gap device ( 3-1 - 3-n ), in particular a MEMS and / or CMOS spark gap device ( 3-1 - 3-n ).

Sound transducer according to claim 1 with a digital interface ( 2 ) adapted to receive the digital audio data to be reproduced; and with a control device ( 4 ), which is electrically connected to the digital interface ( 2 ) and the at least one spark gap device ( 3-1 - 3-n ) and which is adapted to reproduce the digital audio data to be reproduced from the digital interface ( 2 ), divide the digital audio data into individual samples, and the at least one spark gap device ( 3-1 - 3-n ) according to a respective sample.

A sound transducer according to claim 2, wherein a plurality of spark gap devices ( 3-1 - 3-n ) are provided; and wherein the control device ( 4 ) is adapted to at least one spark gap ( 3-1 - 3-n ) of the plurality of spark gap devices ( 3-1 - 3-n ) by means of a pulse amplitude modulation method such that by the ignitions of the at least one spark gap ( 3-1 - 3-n ) resulting pressure wave of the positive half-wave corresponds to an enveloping curve of an audio signal predetermined by the sample; the control device ( 4 ) is adapted to the at least one spark gap ( 3-1 - 3-n ) with a single fixed frequency or with a variable frequency.

Sound transducer according to one of the preceding claims, wherein the control device ( 4 ) is adapted to at least one of the spark gap devices ( 3-1 - 3-n ) by means of a pulse frequency modulation method in such a way that the light emitted by the ignitions of the at least one spark gap ( 3-1 - 3-n ) resulting pressure wave of the positive half-wave corresponds to an enveloping curve of an audio signal predetermined by the sample; the control device ( 4 ) is adapted to the at least one spark gap ( 3-1 - 3-n ) with a single fixed frequency or with a variable frequency.

Sound transducer according to one of the preceding claims, wherein each spark gap device ( 3-1 - 3-n ) each have a first metal stamp ( 14 ) which is adapted to be subjected to an electrical voltage, and a second metal stamp ( 5 ) which is electrically coupled to an electrical ground; the control device ( 4 ) is adapted to each of the first metal stamp ( 14 ) a spark gap device ( 3-1 - 3-n ) head for.

A sound transducer according to claim 4, wherein at least two spark gap devices ( 3-1 - 3-n ) are formed together as a spark gap array and the at least two spark gap devices ( 3-1 - 3-n ) a common second metal stamp ( 5 ) exhibit.

Sound transducer according to at least one of claims 4 or 5, wherein the spark gap devices ( 3-1 - 3-n ) as spark gap devices produced in CMOS technology ( 3-1 - 3-n ) are formed and the distance between the first metal stamps ( 14 ) and the second metal stamps ( 5 ) Is 100 μm to 10 nm, in particular 50 μm to 50 nm, in particular also 10 μm to 100 nm, in particular also 100 nm to 500 nm.

Sound transducer according to at least one of claims 4-6, wherein the first and / or second metal stamps ( 14 . 5 ) are formed as intermetallic vias, in particular as intermetallic vias made of tungsten.

Integrated circuit ( 12 ) with at least one sound transducer ( 1 ) according to at least one of the preceding claims; and at least one digital circuit arrangement ( 13 ), which with the sound transducer ( 1 ) is coupled.

Method for converting digital audio data into sound, in particular by means of a sound transducer ( 1 ) according to at least one of claims 1-7, comprising the following steps: receiving (S1) digital audio data via a digital interface ( 2 ); Dividing (S2) the digital audio data into individual samples; Driving (S3) at least one spark gap ( 3-1 - 3-n ) according to a respective sample.

Method according to Claim 7, in which at least one spark gap (S3) is activated during activation (S3). 3-1 - 3-n ) according to a respective sample at least one spark gap ( 3-1 - 3-n ) a plurality of spark gap devices ( 3-1 - 3-n ) is controlled by means of a pulse amplitude modulation method in such a way that the signals emitted by the ignitions of the at least one spark gap ( 3-1 - 3-n ) resulting pressure wave of the positive half-wave corresponds to an enveloping curve of an audio signal predetermined by the sample; and / or during the activation (S3) of at least one spark gap ( 3-1 - 3-n ) according to a respective sample at least one spark gap ( 3-1 - 3-n ) is controlled by means of a pulse frequency modulation method such that by the ignitions of the at least one spark gap ( 3-1 - 3-n ) resulting pressure wave of the positive half-wave corresponds to an enveloping curve of an audio signal predetermined by the sample.