CN115280797A - 具有改进的性能的mems换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS换能器，其包括用于产生或拾取流体中的在竖直方向上的压力波的可振动膜(1)，其中可振动膜(1)由承载件(4)支撑并且可振动膜(1)具有两个或更多个竖直部分(2)，这些竖直部分平行于竖直方向形成并且包括至少一个致动器材料的层(11)。可振动膜(1)的端部与电极(13)接触，这意味着至少一个电极(13)的致动允许激励两个或更多个竖直部分(2)产生水平振动，或者意味着激励两个或更多个竖直部分(2)产生水平振动使得能够在至少一个电极处(13)产生电信号。

Description

具有改进的性能的MEMS换能器

说明书

本发明涉及一种MEMS换能器，其包括用于产生或接收流体的在竖直方向上的压力波的可振动膜，其中该可振动膜由承载件支撑，并且该可振动膜具有两个或更多个竖直部分，两个或更多个竖直部分平行于竖直方向形成并且包括至少一个致动器材料的层。可振动膜的至少一个端部优选地连接到电极，使得可以通过驱动至少一个电极来诱导两个或更多个竖直部分产生水平振动，或者使得当两个或更多个竖直部分被诱导以水平振动时，可以在至少一个电极处产生电信号。

背景技术

今天，微系统技术被用于制造紧凑的、机械电子的设备的许多应用领域。可以通过这种方式制造的微系统(微机电系统，简称MEMS)非常紧凑(微米范围)，具有出色的功能和更低的制造成本。

MEMS换能器，诸如MEMS扬声器或MEMS麦克风，在现有技术中也是已知的。当前的MEMS扬声器大多设计为平面膜系统，其在发射方向上对可振动膜进行竖直驱动。例如，通过压电致动器、电磁致动器或静电致动器来诱导振动。

Shahosseini等人在2015年描述了一种用于移动设备的电磁MEMS扬声器。MEMS扬声器采用硬化硅微结构作为声音辐射器，其中移动部件经由硅驱动弹簧悬挂于承载件，以通过电磁马达实现较大的平面外移位。

Stoppel等人在2017年公开了一种双向扬声器，其概念基于同心压电致动器。作为特殊特征，可振动膜不是封闭式设计，而是包括八个压电单晶片致动器，每个压电单晶片致动器包括压电层和无源层。外部低音扬声器包括四个单边夹紧的梯形致动器，而内部高音扬声器包括通过弹簧连接到刚性框架的四个三角形致动器。膜的分离应当允许在更高输出处改善声音。

这种平面MEMS扬声器的缺点是它们在声功率方面的限制，特别是在低频处。关于这点的一个原因是，对于给定的位移，可以产生的声压级与频率的平方成正比。因此，为了获得足够的声功率，振动膜的至少100μm的移位或平方厘米范围内的大面积膜是必要的。这两个条件都很难通过MEMS技术来实现。

因此，在现有技术中，建议设计如下的MEMS扬声器：该MEMS扬声器不具有用于在竖直发射方向上振动的封闭膜，而是具有可被驱动以产生侧向或水平振动的大量可移动元件。这样的优点是增加的体积流可以在小表面上移动，且因此可以提供增加的声功率。

例如，US2018/0179048 A1或Kaiser等人在2019年公开了一种基于该原理的MEMS扬声器。

MEMS扬声器包括多个静电弯曲致动器，这些静电弯曲致动器作为竖直薄片布置在顶部晶片与底部晶片之间，并且可以通过适当的控制被驱动以产生侧向振动。在此，内薄片形成与两个外薄片相反的致动器电极。除了仍然电流分离的电极的连接节点外，在三个弯曲薄片之间存在气隙。如果在内部对外部施加电位，则由于在由锚预定义的优选方向的方向上的设计的曲率，这会导致两侧的吸引力。外薄片的凸起部用于移动性。恢复力由机械弹簧力提供。因此，推拉操作是不可能的。

另一缺点是弯曲致动器与盖/底部晶片之间的间隙——该间隙对于它们的移动性是必需的——导致两个室之间的通风。这限制了较低的截止频率。此外，弯曲致动器的侧向移动并且因此声功率受到限制，以避免拉入(pull-in)效应和声学击穿。

US2019/0116417A1中描述了替代的基于MEMS的空气脉冲或声音生成系统。该设备包括前室和后室以及多个阀，其中前室和后室通过折叠的膜彼此隔开。在一个实施方式中，折叠的膜在具有水平部分和竖直部分的截面中具有矩形曲折(meander)结构。压电致动器位于相应的水平部分上，以通过水平部分的同步拉伸或压缩来引起竖直部分的侧向移动。利用所提出的原理，也可以在小芯片表面上产生增加的体积流并因此产生声功率。

然而，一个缺点是，压电致动器的同步驱动所需的努力增加。在通过侧向振动而移位的体积方面也有改进的潜力，这受到单向驱动的水平部分的几何布置的限制。

从US2002/006208A1和JP3919695B2中已知一种压电扬声器，在该压电扬声器中，两个压电薄膜形成为具有手风琴形状的膜。以折叠的形式，膜分别由成对的波纹板侧向夹持，该波纹板例如通过螺纹连接固定并且将振动膜稳固为复合侧框架。多个电极以结构化形式应用于膜的峰部和谷部，并且通过非传导材料的条彼此绝缘。电极电缆布置在成对的板或侧框架中以驱动电极。可替代地，成对的板也可以至少部分地由传导材料形成。

宏观压电扬声器US2002/006208A1和JP3919695B2是在无法以明显方式小型化以获得MEMS扬声器的组装过程中获得的。特别地，膜在两部分侧框架中的预期夹持、多个电极到膜的波峰和谷部上的结构化附接、或者电极与侧框架中的电极电缆的连接不能转移到MEMS过程。

因此，鉴于现有技术的缺点，需要用于基于MEMS的扬声器的替代或改进的解决方案。

发明目的

本发明的目的是提供一种MEMS换能器，特别是MEMS扬声器或MEMS麦克风，以及一种用于制造MEMS换能器的方法，它们不具有现有技术的缺点。特别地，本发明的一个目的是提供一种具有高声音质量或音频质量的高性能MEMS扬声器或MEMS麦克风，同时其特征在于简单、廉价和紧凑的设计。

发明内容

该目的通过独立权利要求的特征来解决。在从属权利要求中描述了本发明的优选实施方式。

本发明优选地涉及一种用于与流体的体积流相互作用的MEMS换能器，其包括：

-承载件，

-可振动膜，其用于产生或接收流体的在竖直方向上的压力波，该可振动膜由承载件支撑

并且其中，该可振动膜具有两个或更多个竖直部分，所述两个或更多个竖直部分基本上平行于竖直方向形成并且包括至少一个致动器材料的层，可振动膜的至少一个端部连接到至少一个电极，

使得通过驱动至少一个电极，可以诱导两个或更多个竖直部分产生基本水平的振动，或者使得当两个或更多个竖直部分被诱导进行基本水平的振动时，可以在至少一个电极处产生电信号。

特别优选地，MEMS换能器可以是MEMS扬声器。在一个特别优选的实施方式中，本发明涉及一种MEMS扬声器，其包括

-承载件，

-可振动膜，其用于产生竖直发射方向上的声波，该可振动膜由承载件支撑，

其中可振动膜具有两个或更多个竖直部分，所述两个或更多个竖直部分基本上平行于发射方向形成并且包括至少一个致动器材料的层，其中可振动膜的至少一个端部优选地连接到至少一个电极，使得可以通过驱动至少一个电极来诱导两个或更多个竖直部分产生基本水平的振动。

MEMS扬声器的这种设计可以实现具有高声功率和简化控制的MEMS扬声器。

与已知的平面MEMS扬声器不同，可振动膜本身不需要在若干平方厘米的大面积上或以大于100μm的位移操作来产生足够的声压。取而代之的是，可振动膜的多个竖直部分可以在竖直发射方向上以几微米的小水平或侧向移动来使扩大的总体积移动。

与根据US2018/0179048A1或Kaiser等人在2009年的解决方案相比，所要求保护的MEMS扬声器的特征在于简化的结构、控制和制造过程。

特别是，根据Kaiser等人在2009年针对MEMS扬声器提供的竖直薄片或弯曲致动器很复杂。此外，足够精确的竖直蚀刻仅可用于有限的薄片高度，这限制了声功率。

通过根据本发明的解决方案，可振动膜的竖直部分可以替代地在MEMS设计中通过简单的制造步骤来实现，如下文将详细解释的。此外，根据本发明的致动器原理避免了竖直部分的拉入或粘附。与Kaiser等人在2009年的解决方案相反，单侧电极在竖直部分之间的间隙中没有获得电位差。除了避免过电压或吸合，这还可以减少灰尘积聚，因为例如可以将外部电极置于地电位上。

所述MEMS扬声器的另一个特别的优点是简化的驱动。虽然在US2019/0116417A1中必须在水平部分处连接多个压电致动器，但所提出的MEMS扬声器可以通过至少一个端侧电极来驱动。这降低了制造成本，最大限度地减少了误差源，并且还固有地导致了竖直部分的同步控制以产生水平振动。

通过这种方式，存在于竖直部分之间的空气体积可以通过沿竖直发射方向的水平振动而非常精确地移动。这得到改善的声音，即使在高声功率水平处也是如此。

“MEMS扬声器”优选地是指如下扬声器：所述扬声器基于MEMS技术并且其声音产生结构至少部分地具有微米范围(1μm至1000μm)的尺寸。优选地，例如，可振动膜的竖直部分可以具有在宽度、高度和/或厚度方面小于1000μm的范围内的尺寸。此处，也可以优选的是，例如，仅竖直部分的高度的尺寸在微米范围内，而例如长度可以具有更大的尺寸和/或厚度可以具有更小的尺寸。

有利地，可振动膜的设计不仅可以用于形成具有高声功率和简化控制的MEMS扬声器。同样，例如，使提供具有高音频质量的特别强大的MEMS麦克风成为可能。

因此，在优选实施方式中，本发明还涉及一种MEMS麦克风，其包括

-承载件，

-可振动膜，其用于接收竖直发射方向上的声波，该可振动膜由承载件支撑，

并且其中可振动膜具有两个或更多个竖直部分，所述两个或更多个竖直部分平行于竖直方向形成并且包括至少一个致动器材料的层，其中可振动膜的至少一个端部优选地连接到至少一个电极，使得可以在两个或更多个竖直部分被诱导进行水平振动时，在至少一个电极处产生电信号。

MEMS麦克风的设计在结构上类似于MEMS扬声器的设计，特别是在可振动膜的设计方面。代替了驱动电极以产生水平振动并因此产生声压波，MEMS麦克风被设计成接收相同竖直方向上的声压波。优选地，竖直部分之间存在空气体积，当接收到声波时，该空气体积沿竖直检测方向移动。声压波诱导竖直部分水平振动，使得致动器材料产生相对应的周期性电信号。

“MEMS麦克风”优选地是指如下麦克风：所述麦克风基于MEMS技术并且其声音接收结构至少部分地具有在微米范围内(1μm至1000μm)的尺寸。优选地，例如，可振动膜的竖直部分可以具有在宽度、高度和/或厚度方面小于1000μm的范围内的尺寸。此处，也可以优选的是，例如，仅竖直部分的高度的尺寸在微米范围内，而例如长度可以具有更大的尺寸和/或厚度可以具有更小的尺寸。

因此，术语MEMS换能器指的是MEMS麦克风和MEMS扬声器。一般来说，MEMS换能器指的是一种用于与流体的体积流相互作用的换能器，所述换能器基于MEMS技术，并且其用于与体积流相互作用或者用于接收或产生流体的压力波的结构具有微米范围(1μm至1000μm)的尺寸。流体可以是气态流体以及液态流体。MEMS换能器的结构，特别是可振动膜，被设计成产生或接收流体的压力波。

例如，在MEMS扬声器或MEMS麦克风的情况下，这可能与声压波相关。然而，MEMS换能器可以同样适合作为针对其他压力波的致动器或传感器。因此，MEMS换能器优选地是将压力波(例如，作为声压波的声学信号)转换成电信号或反之亦然(将电信号转换成压力波，例如声学信号)的设备。

使用气动或液压交变压力，将MEMS换能器应用为能量收集器也是可能的。在这些情况下，电信号可以作为回收的电能消散，存储或提供给其他(消耗)设备。

端侧优选地是指位于至少一个电极的可振动膜的一个端部，使得可以与电子系统建立连接，例如，在MEMS扬声器的情况下，连接到电流源或电压源，优选地在膜悬挂于承载件的一端处。电极优选地是指由传导材料(优选地为金属)制成的区域，该区域适于与电子系统(例如，在MEMS扬声器的情况下为电流源和/或电压源)建立连接。优选地，该材料可以是电极垫。特别优选地，该电极垫用于与电子系统建立连接并且其自身连接到传导金属层，该传导金属层可以在可振动膜的整个表面上延伸。在下文中，在某种程度上将传导层与电极垫一起称为电极，例如称为顶部电极或底部电极。

特别优选地，传导材料(优选地为金属)的层，在顶部或底部电极的意义上，作为可振动膜的连续或全表面或连贯的层存在，其形成基本上均匀的表面并且特别是非结构化的。取而代之的是，优选地通过非结构化传导材料(优选地为金属)的层，两个或更多个竖直部分连接到端侧电极或电极垫。

有利地，特别是不必针对可振动膜的不同竖直部分创建单独的连接区域。与根据US2002/006208A1和JP3919695B2的用于宏观压电扬声器的方法相反，结构化顶部或底部电极的附接不是必需的。取而代之的是，可以在每种情况下将顶部或底部电极应用为传导材料的连续层，其通过至少一个端侧电极或电极垫连接。制造过程因此被显著简化，并且允许通过批过程大量提供小型化的MEMS换能器。

在优选实施方式中，MEMS换能器包括两个端侧电极。优选地，通过连接到电子系统，例如，可以利用位于可振动膜的相反端部处的电极建立电流源或电压源，在所述电极之间存在两个或更多个竖直部分，使得竖直部分中的(一个或更多个)致动器层可以通过端侧电极驱动。

因此，电极的端侧设置优选地与如下连接的装置区分开来：所述连接装置利用各自独立的电极致动相应的竖直部分，或者在MEMS麦克风的情况下接收所产生的电信号。优选地，MEMS换能器因此包括恰好一个或恰好两个用于端侧连接部的电极并且不包括用于连接中央竖直部分的另外的电极/电极垫。

优选地，竖直部分中的致动器材料的层用作机械生物形态的部件，其中竖直部分的侧向曲率是通过经由电极驱动致动器层诱导的，或者其中相对应的电信号是由诱导的侧向曲率产生的。

在优选实施方式中，两个或更多个竖直部分具有至少两个层，其中一个层包括致动器材料，并且第二层包括机械支撑材料，并且其中至少包括致动器材料的层连接到端侧电极，使得水平振动可通过致动器材料相对于机械支撑材料的形状改变来产生。在该实施方式中，机械双压电晶片由致动器材料(例如压电材料)的层和用作机械支撑层的无源层形成。横向和纵向压电效应均可用于弯曲。

当致动器层被驱动时，它可以例如经历横向或纵向拉伸或压缩。这产生相对于机械支撑层的应力梯度，从而导致侧向曲率或振动。如图1所示，电极处的交替极性可以优选地导致推挽操作，由此，交替地，竖直部分之间的几乎整个空气体积可以在竖直发射方向上移动。

因此，致动器原理的优点是将竖直部分的水平振动高效转换为竖直体积移动或声音产生。

由于致动器原理不是基于静电吸引力，而是基于致动器层相对于支撑层的形状相对改变(例如压缩、拉伸、剪切)，因此可以排除膜部分的粘附。取而代之的是，竖直部分可以彼此接触，因此它们的位移不受限制。

在另外的优选实施方式中，两个或更多个竖直部分包括至少两个层，其中这两个层都包括致动器材料并且连接到各自的端侧电极，并且可以通过改变一个层相对于另一层的形状来产生水平振动。在该实施方式中，竖直部分的水平振动因此不是由有源致动器层和无源支撑层之间的应力梯度产生的，而是由两个有源致动器层的形状的相对改变产生的。

致动器层可以由相同的致动器材料制成并且可以不同地驱动。致动器层也可以由不同的致动器材料制成，例如由具有不同变形系数的压电材料制成。

在本发明的含义内，“包括致动器材料的层”优选地也被称为致动器层。致动器材料优选地是指如下材料：所述材料在施加电压时经历形状改变例如拉伸、压缩或剪切，或者相反地在其形状改变时产生电压。

优选的材料是具有电偶极子的材料，其在施加电压时经历形状改变，其中偶极子和/或电场的取向可以确定形状改变的优选方向。

优选地，致动器材料可以是压电材料、聚合物压电材料和/或电活性聚合物(EAP)。

特别优选地，压电材料选自锆钛酸铅(PZT)、氮化铝(AlN)、氮化铝钪(AlScN)和氧化锌(ZnO)。

聚合物压电材料优选包括具有内部偶极子并因此赋予压电特性的聚合物。这意味着当施加外部电压时，压电聚合物材料(以类似于上述经典压电材料的方式)经历形状改变(例如压缩、拉伸或剪切)。优选的压电聚合物材料的示例是聚偏二氟乙烯。

由此，可以实现宏观的解决方案，其中聚合物压电材料层设置在机械支撑层上并且缠绕在上梳部和下梳部上。优选地，首先在支撑层(可能包括对电极)上提供聚合物压电材料层(包括电极)。随后，上梳部和下梳部(优选地为MEMS结构)彼此抵靠移动，使得形成具有可致动竖直部分的折叠的膜。

在本发明的含义内，“包括机械支撑材料的层”优选地也称为支撑层。机械支撑材料或支撑层优选用作可以抵抗致动器层的形状改变的无源层。与致动器层不同，机械支撑材料优选地在施加电压时不改变形状。优选地，机械支撑材料是电传导的，因此它也可以直接用于接触致动器层。然而，在一些实施方式中，它也可以是非传导的，并且例如涂覆有电传导层。

特别优选地，机械支撑材料是单晶硅、多晶硅或掺杂多晶硅。

虽然当施加电压时致动器层发生形状改变，但机械支撑材料的层基本保持不变。两个层(机械双压电晶片)之间产生的应力梯度优选地导致水平曲率。为此目的，与致动器层的厚度相比，支撑层的厚度优选地被选择为使得针对曲率产生足够大的应力梯度。对于作为机械支撑材料的掺杂多晶硅和诸如PZT或AlN之类的压电材料，例如，已经证明基本上相等的厚度(优选地介于0.5μm与2μm之间)是特别合适的。

诸如基本上、大约、约等之类的术语优选地描述小于±20％、优选地小于±10％、甚至更优选地小于±5％并且特别是小于±1％的公差范围。基本上、大约、约等的指示也总是公开并包括所提及的确切值。

利用例如通过AC电压而周期性地驱动致动器层，因此可以快速而精确地产生水平振动以用于声音发射。

为了确保水平振动，压电材料优选地可以具有垂直于竖直部分的表面的c轴线取向，从而利用横向压电效应。其他取向，例如，使用纵向压电效应来形成水平曲率或振动(见图1)也可能是优选的。

致动器层和/或由机械支撑材料制成的层的电连接以及因此电压的施加可以直接经由端侧电极进行，或者由传导材料制成的层辅助。

因此，在优选实施方式中，可振动膜包括至少一个传导材料的层。

在优选实施方式中，传导材料选自以下各者：铂、钨、(掺杂的)氧化锡、单晶硅、多晶硅、钼、钛、钽、钛-钨合金、金属硅化物、铝、石墨和铜。

竖直和水平(或侧向)的方向指示优选地指的是可振动膜被取向为用于产生或接收流体的压力波的优选方向。优选地，可振动膜水平地悬挂在承载件的至少两个侧部区域之间，而用于产生或接收压力波的竖直方向(与流体相互作用的方向)与其正交。在MEMS扬声器的情况下，(相互作用的)竖直方向与MEMS扬声器的声音竖直发射方向相对应。在这种情况下，竖直优选地是指声音发射的方向，而水平是指与其正交的方向。在MEMS麦克风的情况下，(相互作用的)竖直方向与MEMS麦克风的声音检测的竖直方向相对应。在这种情况下，竖直优选地是指声音检测或记录的方向，而水平是指与其正交的方向。

因此，可振动膜的竖直部分优选地表示可振动膜的基本上取向于MEMS扬声器的发射方向或MEMS麦克风的检测方向的部分。本领域技术人员理解，它不需要是精确的竖直对齐，而是优选地，可振动膜的竖直部分基本上在MEMS扬声器的发射方向或MEMS麦克风的检测方向上对齐。

在优选实施方式中，竖直部分基本上平行于竖直方向取向，其中基本上平行是指关于竖直方向的±30°、优选±20°、更优选±10°的公差范围。

因此，可振动膜优选地不仅可以具有矩形曲折形状的截面，而且还可以为弯曲形或波浪形或者锯齿形(之字形)。

优选地，竖直部分和/或水平部分至少部分地或在它们的整个长度上是直的，但是竖直部分和/或水平部分也可以至少部分地或在它们的整个长度上是弯曲的。在可振动膜的截面为弯曲形或波浪形的情况下，对齐优选地指的是弯曲的竖直部分和/或水平部分在其各自中点处的切线。

虽然可振动膜优选地与声音发射的方向或声音检测的方向水平，但声波是通过驱动竖直部分产生的(或检测反之亦然)。

在本发明的优选实施方式中，承载件包括两个侧部区域，可振动膜沿水平方向设置在所述两个侧部区域之间。

承载件优选地为框架结构，其基本上由保持自由的区域的侧壁形式的连续外边界形成。框架结构优选地是稳定且抗弯曲的。在有角的框架形状(三角形、四边形、六边形或一般的多边形轮廓)的情况下，优选地基本上形成框架结构的各个侧部区域特别地被称为侧壁。

可振动膜优选地由承载件的至少两个侧壁保持。在图1-图9的示例中，可以看到两个侧壁的截面。

然而，优选地，优选的承载件包括四个侧部区域，其中附加的端面通常平行于绘制的截面。这些附加的两个侧壁跨越框架结构。

可振动膜优选地以平面方式悬浮在自由区域内。可振动膜的平面延伸表示水平方向，而竖直部分与其基本上正交。相对于端面，膜可以粘合到这些侧壁或在那里开槽以获得更大的移动性。有利地，槽可以代表动态高通滤波器，其例如耦合前体积和后体积。

在本发明的优选实施方式中，承载件由衬底形成，该衬底优选地选自单晶硅、多晶硅、二氧化硅、碳化硅、硅锗、氮化硅、氮化物、锗、碳、砷化镓、镓氮化物、磷化铟和玻璃。

这些材料在半导体和/或微系统制造中易于加工且成本低廉，并且适用于大规模制造。承载件结构可以基于材料和/或制造方法而灵活地制造。特别地，优选地可以在一个(半导体)过程中，优选地在晶片上制造包括可振动膜以及承载件的MEMS换能器。这进一步简化了制造过程并降低了成本，使得可以以低成本提供紧凑且稳健的MEMS换能器。

在优选实施方式中，可振动膜由层状结构或曲折结构形成。优选地，层状或曲折结构的规格指的是可振动膜的截面的形状。

层状结构优选地指的是类似于平行层的布置，该平行层优选地形成竖直部分。各个薄片优选地取向为使其表面基本上平行于竖直方向，优选地平行于发射或检测的方向。优选地，薄片是多层的并且形成机械生物形态。例如，薄片可以各自包括致动器层以及由支撑材料制成的无源层和/或两个不同可控的致动器层。

本领域技术人员理解，薄片与竖直方向不必精确地平行对齐，而是薄片优选地基本上在MEMS扬声器的发射方向或MEMS的检测方向上对齐。

在优选实施方式中，竖直部分或薄片基本上平行于竖直方向取向，其中基本上平行是指关于竖直方向的±30°、优选地±20°、特别优选地±10°的公差范围。

可能优选的是，薄片是平面的，这特别是指它们在其平面的两个维度(高度、宽度)中的每个维度上的延伸大于在垂直于所述维度的维度(厚度)上的延伸。例如，至少2:1、优选地至少5:1、10:1或者更大的尺寸比可能是优选的。

优选地，可振动膜具有形成竖直部分的多个薄片。例如，2、3、4、5、10、15、20、30、40、50或更多个薄片可能是优选的。这实现了在受限空间中所需的声音发射或声音检测的高度效率。

在实施方式中，优选地，可振动膜由作为竖直部分的薄片形成，所述竖直部分经由传导桥或水平部分彼此连接。合适的桥例如为金属桥(见图10)或由其他传导材料制成的桥。传导桥一方面确保可振动膜的机械完整性。另一方面，传导桥有利地允许通过端侧电极连接所有薄片。有利地，薄片因此可以被同步驱动以产生水平振动或以其最小的控制和制造复杂性来检测水平振动。

曲折结构优选地指的是由截面基本上彼此正交的一系列部分形成的结构。相互正交的部分优选地是可振动膜的竖直部分和水平部分。特别优选地，曲折结构的截面是矩形的。然而，也可以优选的是，曲折结构的截面为锯齿形(之字形)或者是弯曲形或波浪形的。如果竖直部分不完全平行于发射或检测的竖直方向对齐，而是与竖直方向构成例如±30°、优选地±20°、特别优选地±10°的角度，则尤其如此。

在优选实施方式中，水平部分也可以完全与发射或检测的竖直方向成90°的正交角度，而是例如可以与竖直方向构成介于60°与120°之间的角度，优选地介于70°与110°之间°，特别优选地介于80°与100°之间。

在可振动膜的竖直部分和/或水平部分的截面为弯曲形或波浪形的情况下，对齐优选地指的是在它们各自的中点处与竖直部分和/或水平部分相切。

因此，曲折结构优选地与沿其宽度折叠的膜相对应。在本发明的含义内，可振动膜因此也可以优选地称为波纹管。波纹管的平行折叠优选地形成竖直部分。折痕之间的连接部分优选地形成水平部分。优选地，竖直部分比水平部分长，例如长1.5、2、3、4或更多倍。

就呈用于产生或接收声波的曲折形式的可振动膜的功能而言，竖直部分是决定性的，其方式类似于上述薄片。优选地，竖直部分是多层的并且形成机械生物形态。例如，竖直部分可以分别包括致动器层以及由支撑材料制成的无源层和/或两个不同可控的致动器层。优选地，折叠的膜的水平部分可以构造成与竖直部分相同(特别是见图3-图7)。然而，同样优选的是，水平部分——与竖直部分相反——不具有致动器层，而是仅具有机械支撑层和/或电传导层。

在优选实施方式中，可振动膜的至少一个致动器材料的层是连续层。连续优选地是指在截面轮廓中没有中断。因此，在所述实施方式中优选的是，在竖直部分和水平部分两者中均存在致动器材料的连续层。有利地，不需要结构化。连续层特别容易制造并确保了在MEMS扬声器的操作期间的同步驱动。

MEMS换能器、特别是MEMS扬声器或MEMS麦克风的性能可以显著地由竖直部分的数量和/或尺寸决定。

在优选实施方式中，可振动膜包括多于3、4、5、10、15、20、30、40、50、100或更多个竖直部分。

在优选实施方式中，可振动膜包括少于10000、5000、2000或1000或更少个竖直部分。

竖直部分的优选数量在最小的芯片表面上产生高声功率，而不会牺牲声音质量或音频质量。

优选地，竖直部分是平面的，特别是意味着它们在其平面的两个维度(高度、宽度)中的每个维度上的延伸大于在垂直于所述维度的维度(厚度)上的延伸。例如，至少2:1、优选地至少5:1、10:1或者更大的尺寸比可能是优选的。

在本发明的含义内，竖直部分的高度优选与沿着声音发射或声音检测的方向的尺寸相对应，而竖直部分的厚度优选地与形成竖直部分的一个更或更多个层的层厚度的总和相对应。竖直部分的长度优选地与和高度或厚度正交的尺寸相对应。在下图的附图的截面图中，高度和厚度是示意性地示出的(不一定按比例)，而长度的尺寸与附图的(不可见的)绘图深度相对应。

在优选实施方式中，竖直部分的高度介于1μm与1000μm之间，优选地介于10μm与500μm之间。上述范围的中间范围也可以是优选的，诸如1μm至10μm、1μm至50μm、50μm至100μm、100μm至200μm、200μm至300μm、300μm至400μm、400μm至500μm、600μm至700μm、700μm至800μm、800μm至900μm，甚至900μm至1000μm。本领域技术人员将认识到，上述范围限制也可以组合以获得其他优选范围，诸如10μm至200μm、50μm至300μm，甚至100μm至600μm。

在优选实施方式中，竖直部分的厚度介于100nm与10μm之间，优选地介于500nm与5μm之间。上述范围的中间范围也可以是优选的，例如100nm至500nm、500nm至1m、1μm至1.5μm、1.5μm至2μm、2μm至3μm、3μm至4μm、4μm至5μm、5μm至6μm、6μm至7μm、7μm至8μm、8μm至9μm，甚至9μm至10μm。本领域技术人员将认识到，上述范围限制也可以组合以获得其他优选范围，诸如500nm至3μm、1μm至5μm，甚至1500nm至6μm。

在优选实施方式中，竖直部分的长度介于10μm与10mm之间，优选地介于100μm与1mm之间。上述范围的中间范围也可以是优选的，例如10μm至100μm、100μm至200μm、200μm至300μm、300μm至400μm、400μm至500μm、500μm至1000μm、1mm至2mm、3mm至4mm、4mm至5mm、5mm至8mm，甚至8mm至10mm。本领域技术人员将认识到，上述范围限制也可以组合以获得其他优选范围，例如10μm至500μm、500μm至5μm，甚至1mm至5mm。

通过可振动膜和竖直部分的上述优选尺寸，可以提供特别紧凑的MEMS换能器，特别是MEMS扬声器或MEMS麦克风，其结合了高性能与出色的声音质量或音频质量。

在本发明的优选实施方式中，可振动膜由曲折结构形成，该曲折结构具有交替的竖直部分和水平部分，其中保持结构附接到水平部分中的至少两个水平部分，所述保持结构直接地或间接地连接到承载件。例如，保持结构可以由承载件的衬底材料提供，即，保持结构可以直接由底部晶片的衬底形成。可替代地，保持结构也可以作为顶部晶片的单独脊部或隆起部连接到水平部分。

保持结构可以优选地存在于可振动膜的一侧和/或两侧，即，优选地存在于上水平部分和/或下水平部分上。

特别是当在承载件的侧壁之间悬挂较大的可振动膜时，使用保持结构有利地允许稳定而不会对声音产生或声音捕获产生负面影响。

由于曲折形状的水平部分至少基本上是机械中性的，因此通过保持结构锁定它们有利地不会导致膜与保持结构或承载件之间的任何不希望的应力。

可以针对可振动膜的结构提供不同的层，以确保水平振动的所述驱动和感应或其检测。

连接一个或更多个致动器层和/或一个或更多个机械支撑材料的层，并因此施加或检测电压，可以经由端侧电极直接实现或通过一个传导材料的层辅助。

因此，在优选实施方式中，可振动膜包括至少一个传导材料的层。

在优选实施方式中，传导材料选自以下各者：铂、钨、(掺杂的)氧化锡、单晶硅、多晶硅、钼、钛、钽、钛-钨合金、金属硅化物、铝、石墨和铜。

在优选实施方式中，可振动膜包括三个层，上层由传导材料形成并且连接到上电极，中间层由致动器材料形成，下层由传导材料形成。

优选地，上层和/或下层的传导材料可以是机械支撑材料，使得该层具有双重功能。一方面，该层确保致动器层与可施加到端侧电极的电势连接。另一方面，它以所述方式充当机械支撑层，以在相应地驱动致动器层时产生水平曲率或振动。

这样的实施方式可以通过简单的制造步骤来实现，如图2中的示例所示。在图2G、图3和图4所示的优选实施方式中，可振动膜具有曲折结构，该曲折结构具有传导材料(金属)的连续顶层、致动器材料的连续中间层以及传导机械支撑材料的底层。还可以提供与机械支撑层和/或致动器层接触的相反顺序的层或另一附加传导层以改进连接。

在另一优选实施方式中，可振动膜包括两个致动器材料的层，这两个致动器材料的层被传导材料(优选金属)的中间层隔开，其中中间层连接到第一电极并且两个致动器材料的层中的至少一个层经由传导材料(优选金属)的另一个层连接到第二电极。

如上所述，在优选实施方式中，也可以使用两个致动器层，例如通过不同的驱动器在水平振动中移动竖直部分。为了将电势变化从端侧电极传输到相应的致动器层，优选地可以提供两个或更多个传导材料的中间层。优选地，例如为金属的传导材料的层在这种情况下优选地专门用于连接并且不用作机械支撑层。诱导在MEMS扬声器的双压电晶片的意义上的曲率或振动所需的应力本身是由致动器层本身的不同控制诱导的。

优选地，诸如金属之类的传导材料层因此可以制造得特别薄(小于500nm，优选地小于200nm)。

图5示出了这种优选实施方式的示例。该示例具有可振动膜作为曲折结构，该曲折结构具有两个致动器材料的层，这两个致动器材料的层由传导材料(金属)的中间层隔开。该中间层连接到第一端侧电极垫，而上致动器层经由另外的传导材料的层连接到第二端侧电极。下传导材料的层不连接到电极中的任何电极。也可以提供相反顺序的层或省略不与电极接触的下传导材料的层。

在上述实施方式中，优选的是，(一个或更多个)致动器层和(如果适用的话)机械支撑层是连续的，即，截面从膜的一个端部(第一电极优选地存在于该端部处)延伸经过若干交替的水平部分和竖直部分到达膜的第二个端部(第二电极优选存在于该端部处)。

发明人认识到，对于MEMS换能器、优选地MEMS扬声器的工作原理，在竖直截面中提供机械生物形态就足够了。

在优选实施方式中，至少一个致动器层不是连续的，而是仅存在于竖直部分中，而不存在于水平部分中。在这种情况下，对于机械支撑层(如果存在)，连续延伸或不连续延伸以及例如仅设置在竖直部分中都是优选的。为了能够通过端侧电极连接竖直部分，优选施加传导材料(优选金属)的一个或更多个连续层。

图7示出了针对具有非连续致动器层的实施方式的优选制造过程。这里，致动器层的选择性间隔蚀刻可以在水平部分中进行，使得仅膜的竖直部分具有致动器材料的层。机械支撑材料的连续层可以同时是电介质以避免上传导层与下传导层(也称为顶部电极与底部电极)之间的短路。

该实施方式的特征在于特别有效的驱动和高性能，其中仅竖直部分被诱导进行交替的弯曲或振动，而水平部分保持机械中性。有利地，可以在每个驱动阶段进一步增加位移体积。

在上述实施方式中，呈曲折形式的可振动膜优选地通过施加或蚀刻适当的功能层来实现。

可替代地，也可以通过提供竖直部分并且使用金属桥连接它们来制造可振动膜。

在优选实施方式中，可振动膜的竖直部分包括两个层，其中第一层包括致动器材料，第二层包括柔性支撑材料，并且其中竖直部分通过水平金属桥连接。

如图10所示，可以优选地为此目的提供几个单独的压电陶瓷元件，所述压电陶瓷元件包括机械支撑材料的层和压电材料的层以及牺牲层。经由包括层间连接和金属填充以及对压电陶瓷元件的叠置和切割在内的多个过程步骤，可以有利地以稳健且过程高效的方式获得具有高效率的膜。

在该实施方式中，不需要连续的、均匀的传导层。取而代之的是，致动器层在竖直部分的连接由金属桥和传导机械支撑材料确保。

在优选实施方式中，可振动膜涂覆有非粘材料的层。非粘附材料特别是指具有低表面能的材料，这些材料对环境很大程度上是惰性的，因此可以防止灰尘或其他不希望的颗粒的沉积。例如，非粘附材料可以由碳层形成，例如类金刚石碳(DLC)层或包括全氟化碳(PFC)的层，诸如聚四氟乙烯(PTFT)。

在本发明的优选实施方式中，MEMS换能器(优选地为MEMS扬声器)包括控制单元，该控制单元被配置成用于驱动至少一个电极，使得两个或更多个竖直部分被诱导产生水平振动。优选地，控制单元被配置成用于驱动电极以确保水平振动的频率介于10Hz与20kHz之间。

在本发明的优选实施方式中，MEMS换能器(优选地为MEMS麦克风)包括控制单元，该控制单元被配置成用于检测由至少一个电极提供的电信号，所述电信号已由两个或更多个竖直部分的水平振动产生。优选地，MEMS麦克风的控制单元被配置成用于接收和处理与介于10Hz与20kHz之间的水平振动的频率相对应的电信号，且因此适用于可听范围内的声音检测。

因此，控制单元优选地被配置成并且适于通过电信号驱动可振动膜(或竖直部分中的(一个或更多个)致动器层)，以产生水平振动和可听频率范围内的声音发射，或接收并处理在可振动膜被驱动时的相对应的电信号。

优选地，在MEMS扬声器的情况下，膜的竖直部分直接由音频信号驱动。与根据US2019/0116417A1的组合的驱动分离膜单元和多个阀相比，用于声音产生的驱动因此被显著简化。

为了产生或接收电信号，控制单元可以优选地包括数据处理单元。

在本发明的含义内，数据处理单元优选地指的是适于并且被配置成用于接收、传输、存储和/或处理数据的单元(优选地就驱动电极或接收在电极处提供的电信号而言)。数据处理单元优选地包括：用于处理数据的集成电路、以及例如专用集成电路、处理器、处理器芯片、微处理器或微控制器；以及可选地用于存储数据的数据存储器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或闪存。

在优选实施方式中，控制单元与MEMS换能器的其他部件件(承载件、可振动膜)一起集成在印刷电路板或电路板上。这意味着优选地存在MEMS换能器与驱动或检测所必需的电子系统的无缝集成。除了控制单元之外，其他电子部件，诸如通信接口(优选地为无线的，例如蓝牙)、放大器、滤波器或传感器系统，也可以安装在同一个印刷电路板上。

有利地，实现了紧凑的整体解决方案，其中可以在受限空间中提供MEMS换能器(优选地为MEMS扬声器或MEMS麦克风)以及期望的电子系统，并且优选地具有适合大规模生产的低成本CMOS处理。

在另外的优选实施方式中，由承载件保持的可振动膜布置在外壳的前侧，该外壳包围后部共振体积。因此，这种MEMS扬声器的声音发射优选地朝向敞开的前侧(声音端口)，由此通过后部共振体积改善了特别是针对较低频率的声音。

在另外的优选的实施方式中，外壳中存在有通风口以用于防止声学短路和/或用于支持声音。与声音端口相比，通风口优选地较小并且可以例如具有小于100μm、优选地小于50μm的最大尺寸。

在另一方面，本发明涉及一种用于如上所述的MEMS换能器、优选地为MEMS扬声器或MEMS麦克风的制造方法，该方法包括以下步骤：

-优选地从前侧对衬底进行蚀刻以形成结构化，结构化优选地为曲折结构

-可选地应用蚀刻停止

-施加至少两个层，其中至少第一层包括致动器材料并且第二层包括机械支撑材料，或者至少两个层包括致动器材料

-将第一层和/或第二层连接到电极

-优选地从后侧进行蚀刻，并且可选地去除蚀刻停止，

使得可振动膜(优选地呈曲折结构的形式)通过由衬底(8)形成的承载件(4)保持，可振动膜(1)包括至少两个或更多个竖直部分(2)，以产生或接收流体的在竖直方向上的压力波，该竖直部分平行于竖直方向形成，并且使得可以通过驱动至少一个电极来诱导两个或更多个竖直部分产生水平振动，或者

使得当两个或更多个竖直部分被诱导进行水平振动时，可以在至少一个电极处产生电信号。

本领域普通技术人员将认识到，所述MEMS换能器(优选地为MEMS扬声器或MEMS麦克风)的优选实施方式的技术特征、限定和优点也适用于所述制造过程，反之亦然。优选地，所述制造方法用于提供具有带有弯曲结构的折叠的可振动膜的MEMS换能器。在图2A-图2G、图8A-图8J或图9中描述了优选制造步骤的示例。

例如，上述优选材料中的一种材料可以用作衬底。在蚀刻期间，空白(例如晶片)可以形成为曲折结构的期望的基本形状。在接下来的步骤中，优选地施加用于可振动膜的层。

施加至少一个传导材料的层除了施加一个层之外，优选地包括施加若干个层，特别是施加层系统。层系统包括以计划的方式相对于彼此施加的至少两个层。施加层或层系统优选地用于限定可振动膜，该可振动膜包括可以被诱导产生水平振动的竖直部分。

优选地，沉积可以选自物理气相沉积(PVD)，特别是热蒸发、激光束蒸发、电弧蒸发、分子束外延、溅射、化学气相沉积(CVD)和/或原子层沉积(ALD)。特别地，沉积可以包括例如电镀，例如在由多晶硅制成的衬底的情况下。

蚀刻和/或结构化可以优选地选自以下各者：干法蚀刻、湿法化学蚀刻和/或等离子蚀刻的组，特别是反应离子蚀刻、反应离子深蚀刻(波希法)。

在优选实施方式中，优选地从前侧对衬底进行蚀刻以形成结构化的特征在于：衬底具有晶体结构，并且通过沿着晶体结构的晶格矢量进行蚀刻以形成多个沟槽。优选地，沟槽被限定为来自衬底的前侧的平行狭缝。在施加功能层以及适当的背侧处理之后，可振动膜形成为波纹管，该波纹管横的截面具有曲折结构(见图2和图8等)。

优选地沿着晶体衬底的取向进行蚀刻可以有利地获得具有大于200μm、300μm、400μm、500μm或更大的大深度的光滑的准晶沟槽，其具有高精度取向和可忽略不计的粗糙度。

同样有利的是，沟槽的侧面的表面法线也与晶体结构对齐，优选地与正交晶格矢量对齐。

当将致动器材料(优选地为压电材料)的层施加到这种结构化衬底时，致动器材料的取向也可以是准晶体的。特别地，诸如AlN、AlScN或PZT之类的压电材料有利地在以这种方式取向的沟槽的侧壁上呈现出柱状生长，这可以确保压电层具有垂直于所得到的膜的竖直部分的表面的特别精确的c轴线取向。

通过横向压电效应形成的水平振动因此可以特别有效和精确，并且可以在MEMS扬声器的情况下提供改进的声音，或者在MEMS麦克风的情况下提供检测能力。

在优选实施方式中，优选地从前侧对衬底进行蚀刻以形成结构化(优选地为曲折结构)的特征在于：衬底具有晶体结构，并且沿晶格矢量的多个沟槽至少部分地通过湿法化学蚀刻来实现，优选地执行依赖于晶体取向的各向异性蚀刻。

优选地，为此目的使用蚀刻剂，该蚀刻剂在两个正交晶体取向上相对于衬底的晶体取向具有显著不同的蚀刻速率。例如，针对在第一晶体取向中选择的衬底的蚀刻速率可以比在与其正交的第二晶体取向中的蚀刻速率高50、10、150、200或更多倍。

优选地，衬底以如下方式取向：蚀刻速率增加的第一晶体取向与衬底表面的表面法线对齐。可以使用蚀刻掩模来限定衬底表面上的不被蚀刻的区域。优选地，蚀刻掩模可以限定框架，其中用于形成沟槽的槽或条保持空闲。待形成的平行沟槽之间的剩余区域可以用作用于膜的水平部分的衬底。

在各向异性湿法化学蚀刻之后，垂直于衬底表面优先蚀刻以形成深的竖直沟槽。因此减少了正交(水平)方向上的蚀刻。取决于晶体取向的蚀刻的各向异性因子越大，底切就越不明显。

例如，使用氢氧化钾(KOH)作为针对硅晶体衬底的蚀刻剂可以获得特别好的结果。例如，氢氧化钾对于沿硅晶体的<110>取向与<111>取向的蚀刻呈现出明显的方向偏好。如Sato等人在1988年所示，KOH在硅单晶上的<110>方向的蚀刻速率可以为1.455μm/min，比正交<111>取向(蚀刻速率0.005μm/min)高291倍。

图9示出了硅晶体的适当排列如何可靠地产生几乎完美的光滑且深的沟槽，其侧面是晶体取向的，以确保压电材料的c轴线取向的生长。

本领域技术人员理解，可以等同地使用替代的依赖于晶体取向的蚀刻剂，诸如氢氧化四甲铵(TMAH)(见例如Seidel等人，1990)。

有利地，该方法不仅适用于大规模生产的升级。此外，可以以这种方式生产的曲折形状的可振动膜的特征还在于竖直部分的特别精确的对齐，这导致改善的振动行为并因此改善声音产生或声音检测。

如果需要对可振动膜进行另外的结构化，这可以例如通过另外的蚀刻过程来进行。同样，可以通过通常的过程来沉积或掺杂额外的材料。

为了连接这些层，可以通过普通过程额外地沉积合适的材料，诸如铜、金和/或铂。优选地，可以为此目的使用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或电化学沉积。

通过这些过程步骤，可以提供具有对竖直部分和水平部分的期望限定的精细结构化可振动膜，其优选地悬挂在稳定的承载件的两个侧部区域之间并且具有在微米范围内的尺寸。制造步骤属于半导体过程的标准过程步骤，因此它们被证明并且更适合大规模生产。

在另外的方面，本发明因此还涉及可通过如上所述的制造过程制造的MEMS换能器。

本领域技术人员认识到制造步骤的特殊特征，诸如进行依赖晶体取向的蚀刻以形成具有准晶体光滑表面的深沟槽，被直接转移到MEMS换能器的结构特征。在沟槽的侧面的准结晶光滑表面的情况下，可以以特别精确的方式形成具有多个呈曲折形状的竖直部分的可振动膜，如上所述。致动器材料(优选地为压电材料)的c轴线取向也可以直接来自优选制造步骤的应用。

在另一方面，本发明涉及一种如上所述的MEMS换能器的制造方法，该方法包括以下步骤：

-提供多个单独的压电陶瓷元件，所述压电陶瓷元件包括牺牲层、传导材料的层、以及压电材料的层

-限定用于压电陶瓷元件中的层间连接与金属填充的孔

-对压电陶瓷元件进行叠置并且可选地进行切割，以获得通过金属桥连接的压电陶瓷元件的叠置件

-去除牺牲层并且将压电陶瓷元件的叠置件插入承载件中，由此压电陶瓷元件各自连接到一个电极，

使得优选地呈层状结构的形式的可振动膜通过由衬底形成的承载件保持，可振动膜包括至少两个或更多个竖直部分，以产生或接收流体的在竖直方向上的压力波，所述竖直部分平行于竖直方向形成，并且使得可以通过驱动至少一个电极来诱导两个或更多个竖直部分产生水平振动，或者使得当两个或更多个竖直部分被诱导进行水平振动时，可以在至少一个电极处产生电信号。

本领域的普通技术人员将认识到，所述MEMS换能器(优选地为MEMS扬声器或MEMS麦克风)的优选实施方式的技术特征、限定和优点也适用于所述制造过程，反之亦然。优选地，所述制造方法用于提供一种具有层状结构的可振动膜的MEMS换能器，其中，薄片为机械双压电晶片并通过金属桥接。优选制造步骤的示例在图10A-F和图11中示出。

在替代制造过程中，可以有利地使用若干单独的压电陶瓷元件，通过限定孔、金属填充和叠置以及切割，来获得具有作为竖直部分通过金属桥连接的薄片的可振动膜。

压电陶瓷优选地是如下陶瓷材料：所述陶瓷材料在通过外力变形的作用下呈现出电荷分离或在施加电压时经历形状改变。如上所述，压电陶瓷元件优选地包括压电层以及机械支撑材料的层，此外还包括牺牲层。

牺牲层用于处理和提供金属桥，且其本身将不是可振动膜的部分。

优选地，牺牲层可以例如为光刻胶。这些材料在用光、特别是UV光照射时会改变它们的溶解度。特别地，它可以是所谓的正性抗蚀剂，其溶解度由于UV照射而增加。这允许在金属填充之后以目标方式去除牺牲层以提供金属桥。

在另一方面，本发明涉及一种MEMS换能器的制造方法，该方法包括以下步骤：

-提供多个单独的压电陶瓷元件，所述压电陶瓷元件包括电传导的机械支撑材料的层和压电材料的层

-针对多个单独的压电陶瓷元件设置具有凹部的上框架和下框架

-将压电陶瓷元件固定在上框架和下框架的凹部中(优选地通过粘合剂)

-施加至少一个连续的电传导层以通过至少一个电极连接压电陶瓷元件

使得优选地呈层状结构的形式的可振动膜通过由上框架和下框架形成的承载件保持，并且其中用于产生和接收流体的在竖直方向上的压力波的可振动膜包括至少平行于竖直方向形成的两个或更多个竖直部分，使得通过驱动至少一个电极，可以诱导两个或更多个竖直部分产生水平振动，或者使得当两个或更多个竖直部分被诱导进行水平振动时，可以在至少一个电极处产生电信号。

优选实施方式在图12中示出。有利地，在该实施方式中，省略了结构化连接。取而代之的是，通过来自MEMS换能器的前侧和/或后侧的连续传导表面进行连接。

在优选实施方式中，上框架和下框架由非电传导材料例如聚合物形成。优选地，可以使用3D打印过程来形成框架。

为了连接单独的薄片或压电陶瓷元件，优选地从前部(前电极)或从后部(背侧电极)施加传导材料(优选地为金属)的连续层。例如，可以通过溅射过程进行施加。

本领域的普通技术人员将认识到，所述MEMS换能器(优选地为MEMS扬声器或MEMS麦克风)的优选实施方式的技术特征、限定和优点也适用于所述制造过程，反之亦然。优选地，所述制造方法用于提供具有层状结构的可振动膜的MEMS换能器，其中薄片是机械双压电晶片并且通过传导材料(优选地为金属)的连续层连接。

具体描述

下面将参考进一步的附图和示例来解释本发明。示例和附图用于示出本发明的优选实施方式而不是对它们进行限制。

附图说明

图1为根据本发明的MEMS扬声器的优选实施方式的截面，A：闲置；以及B：在驱动期间。

图2为用于具有可振动膜的MEMS扬声器的优选制造方法的图，该可振动膜的截面呈曲折形状。

图3、图4为具有曲折形状的可振动膜的MEMS扬声器的优选实施方式的图，该可振动膜的水平部分由保持结构支撑。

图5为MEMS扬声器的优选实施方式的图，该MEMS扬声器具有由传导材料制成的中间层隔开的两个致动器层。

图6为用于操作MEMS扬声器的优选驱动系统的图。

图7为MEMS扬声器在具有后部共振体积的外壳的前部中的优选集成的图。

图8为具有可振动膜的MEMS扬声器的优选制造方法的图，该可振动膜的截面具有曲折形状，仅竖直部分具有致动器材料的层。

图9为将衬底优选地结构化为晶体形式以通过依赖于晶体取向的蚀刻过程来形成深沟槽的图。

图10为用于具有基于单独的压电陶瓷元件的可振动膜的MEMS扬声器的优选制造方法的图。

图11为具有基于单独的压电陶瓷的可振动膜的MEMS扬声器的优选电连接的图。

图12为用于具有基于单独的压电陶瓷元件的可振动膜的MEMS扬声器的优选制造方法的图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的MEMS扬声器的优选实施方式。图1A示出了闲置状态，而图1B示出了在驱动MEMS扬声器期间的两个阶段。

MEMS扬声器包括用于产生在竖直发射方向上的声波的可振动膜1，可振动膜1由承载件4保持在水平位置。在截面中，可振动膜1具有曲折结构，该曲折结构具有水平部分3和竖直部分2。竖直部分平行于发射方向形成并且具有至少一个致动器层，例如由压电材料制成的层。可振动膜1和致动器层的连接优选地通过端部处的电极来实现。为此，例如，电极垫(未示出)可以位于承载件4上。

优选地，竖直部分是机械双压电晶片，该机械双压电晶片可以由于适当的驱动而被诱导产生水平振动。为此，竖直部分2可以包括例如致动器材料的第一层和机械支撑材料的第二层。通过驱动致动器层，可以产生应力梯度并因此产生弯曲或振动。同样，也可以优选的是，竖直部分2包括两个致动器层，这两个致动器层在相反方向上被驱动，以便由于形状的对应相对改变而导致竖直部分2的弯曲。

图1B通过示例示出了在驱动期间的两个阶段。有利地，由于可振动膜1的多个竖直部分2，增加的总体积可以在竖直发射方向上以几微米的小水平移动(弯曲)而进行移动，并因此用于声音产生。驱动在此允许特别有效的实施，因为在一个阶段期间，竖直部分之间的几乎整个空气体积都可以沿着发射方向而向上或向下移动。

图2示意性地示出了用于提供具有可振动膜1的MEMS扬声器的优选制造方法，该可振动膜1的截面具有曲折形状。截面具有曲折形状的可振动膜也可以优选地称为折叠的膜或波纹管。

图2A示出了从顶侧或前侧对衬底8进行蚀刻以形成结构化。在该过程步骤中，将平行的深沟槽蚀刻到衬底8中。所形成的结构代表波纹管，或者截面为曲折部。

随后，施加蚀刻停止9的层(图2B)，例如，其可以是TEOS或PECVD。机械支撑材料10的层(图2C)和致动器材料11的层被施加到蚀刻停止9。机械支撑材料10可以是例如掺杂的多晶硅，而压电材料可以用于致动器材料11。作为层厚度，例如，1μm可能是优选的。优选地，压电材料可以具有垂直于表面的C轴线取向，从而使用横向压电效应。其他取向，以及例如纵向效应的利用也可能是优选的。

图2E示出了优选应用全表面顶部电极作为传导材料12的层。端侧连接部可以例如通过电极垫13(图2F)来实现。

图2F和图2G分别示出了从后侧和底侧对衬底8的进一步蚀刻，以及蚀刻停止的去除。

制造步骤2A-2G因此得到可振动膜1，可振动膜1在截面中呈现曲折结构。有利地，连续致动器层11和提供端侧连接部13允许有效地驱动竖直部分2产生水平振动(见图1)。如图2G所示，驱动优选地通过两个电极实现，使得致动器层12优选地从前侧(顶部电极，传导层12)和从后侧(底部电极，经由传导机械支撑材料10)连接(见图6A)。

可以提供保持结构14来稳定悬挂在承载件4的侧壁之间的膜1。如图3和图4所示，这些保持结构14可以优选地支撑可振动膜1的水平部分3。有利地，水平部分3是机械中性的(见图1B)，使得在驱动期间不会在膜1与保持结构14或承载件4之间引起不希望的应力。

图5示出了MEMS扬声器的优选替代实施方式，其中可振动膜1包括由传导材料12(优选地为金属)的中间层隔开的两个致动器层。中间层连接到第一端侧电极垫13，而在所示实施方式中，上致动器层11经由另外的传导材料12的层连接到第二端侧电极垫13。

图6示出了用于操作所述MEMS扬声器的优选驱动系统。

图6A示出了用于具有致动器层11和无源机械支撑层10的MEMS扬声器的优选驱动系统。优选地，驱动通过两个端侧电极垫13来执行，使得可以通过致动器材料相对于机械支撑材料的形状改变来产生水平振动。致动器层11优选地从前侧(顶部电极13，传导层10)和从后侧(底部电极13，传导机械支撑材料10)两者连接。例如，可以将作为音频输入信号的AC电压施加到前侧电极垫13(左)，而将后侧电极垫13(右)接地。

图6B示出了具有两个致动器层11的MEMS扬声器的优选驱动系统，这两个致动器层11由传导材料12(优选地为金属)的中间层隔开。

上致动器层11优选地从前侧(顶部电极13和上传导层12)和中间传导层12驱动。下致动器层11优选地从后侧(底部电极13和下传导层12)驱动和中间传导层12驱动。在所示实施方式中，可以将AC电压作为音频输入信号施加到例如用于顶部和底部的电极垫13(左)，而将中间层12经由另一电极垫13(右)接地。

图7示出了根据本发明的MEMS扬声器在外壳15中的优选集成的示例。优选地，由承载件4保持的可振动膜1布置在外壳(声音端口)的前侧。外壳还包围后部共振体积(背部体积16)。可以设置通风口17以防止声学短路或以支持声音。

图8示出了根据本发明的用于提供具有可振动膜1的MEMS扬声器的替代制造方法。图8A-图8D中所示的过程步骤类似于图2。

图8A示出了从顶侧或前侧对衬底8进行蚀刻以形成结构化，优选地为形成曲折结构。在该过程步骤中，将平行的深沟槽蚀刻到衬底8中。所形成的结构代表波纹管，或者截面为曲折部。

随后，施加蚀刻停止9的层(图2B)，例如，其可以是TEOS或PECVD。将机械支撑材料10(图2C)和致动器材料11的层施加到蚀刻停止9。机械支撑材料10例如可以是掺杂的多晶硅，而压电材料优选地用于致动器材料12。

与图2所示的实施方式相反，致动器层11不作为连续层连接到上传导层。相反，致动器层11的间隔件蚀刻(图8F)在膜的水平部分中进行，使得仅膜的竖直部分仍然具有致动器材料的层11。

然后，优选地施加连续介电层18以防止稍后将施加的顶部电极和底部电极之间的短路(图8G)。作为顶部电极12的连续传导层允许前侧连接(图8H)。

图8I和8J示出了从背侧或底侧进一步对衬底8进行蚀刻并且可选地施加连续传导层12作为背侧电极。

图9示出了提供结构化衬底8的优选方式。以类似于图8a中所示的过程步骤的方式，将平行的深沟槽蚀刻到衬底8中。所形成的结构代表波纹管，或者截面为曲折部，可以以曲折形式施加可振动膜到该曲折部上。

图9中的结构化衬底8的优选设置的特征在于：利用衬底8的晶体结构，其中沟槽沿晶体结构的晶格矢量形成。

通过这种方式，可以获得具有高精度的取向的、具有超出200μm、400μm或以上的大深度的特别光滑的准晶体沟槽。还有利的是，沟槽的侧表面的表面法线与晶格矢量对齐，该晶格矢量正交于在其方向上已经进行蚀刻过程的晶格矢量。

例如，如果使用硅作为衬底，则硅衬底8可以如图9所示存在，优选地与米勒指数的表面取向<110>对齐。因此，优选地，晶体结构的晶格矢量<110>垂直于仍然未结构化的衬底的表面。通过对掩模24(例如SiO₂硬掩模)进行蚀刻，可以在衬底表面上限定不被蚀刻的水平区域或条。

光滑且精确取向的沟槽通过各向异性蚀刻获得，其中优选方向沿着硅晶体的<110>取向，而不是<111>取向。为此，可以有利地使用湿化学过程，湿化学过程适用于批过程中的大量生产。例如，氢氧化钾对于沿<110>与<111>晶体取向的蚀刻呈现出明显的方向偏好。如Sato等人在1988年所示，KOH在单晶硅上在<110>上的蚀刻速率为1.455μm/min，而在<111>取向上的蚀刻速率仅为0.005μm/min。由于各向异性蚀刻速率，可以使用湿化学过程获得具有低蚀刻不足(underetch)的深沟槽。

例如，为了形成400μm深沟槽，可以将KOH施加到<110>取向的硅衬底275分钟。由于在正交<111>取向上蚀刻速率降低至291分之一，在此时段期间仅会发生1.37μm的蚀刻不足。甚至蚀刻不足过程的局部强度的变化将导致就400μm的大沟槽深度而言，取向变化远低于1°。取而代之的是，该过程可以高度准确地实现几乎完美的竖直深沟槽，其特点是光滑的准晶体取向。

作为另外的优点，由此获得的沟槽的其上形成有膜的竖直部分的侧壁是晶体取向的(此处：<111>)。这种情况有利于压电材料(诸如AlN或PZT)的柱状生长：这可以以特别精确的方式确保压电材料具有垂直于竖直部分的表面的c轴线取向，使得横向压电效应可以用于形成水平振动。

图10示出了用于提供具有基于单独的压电陶瓷的可振动膜的MEMS扬声器的优选制造方法。

首先，提供多个单独的压电陶瓷元件19，这些压电陶瓷元件19包括机械支撑材料层10(例如掺杂的多晶硅)的层和压电材料层11的层以及牺牲层20(见图10A和图10B)。牺牲层20例如可以是光刻胶。优选地，机械支撑材料10的层可以是电传导的以确保连接。还可以将传导材料12的一个或两个层施加到压电材料11的一个层上，传导材料12的一个或两个层用于与压电材料进行电连接。

随后，限定用于层间连接和金属填充的孔21(见图10C)。压电陶瓷元件19被叠置(图10D)并且切削(切割22，图10E)，从而获得两个或更多个压电陶瓷元件19的叠置件，压电陶瓷元件19通过金属桥21连接(见图10E)。

在去除牺牲层20(图10F)之后，将叠置的压电陶瓷元件19插入承载件4中，优选地，第一个和最后一个压电陶瓷元件分别连接到电极13(图10E)。

通过这种方式，在承载件4之间也获得了可振动膜1，可振动膜1包括用于在竖直发射方向上产生声波的至少两个或更多个竖直部分2，这些竖直部分2平行于发射方向形成并且可以被驱动为水平振动。

致动器原理在此优选地还基于致动器层11相对于机械支撑层10的形状的相对改变。为此，不需要连续的致动器层。所有竖直部分2通过端侧驱动的连接是通过金属桥23与传导层12的结合来确保的。

图11示出了具有基于单独的压电陶瓷的可振动膜的MEMS扬声器的优选电连接。

图11A是MEMS扬声器的俯视图，且图11B是其侧视图。单独的薄片或竖直部分经由电极垫13平行驱动，其中u形间隔件存在于薄片的每一侧并且产生与紧挨着的薄片的机械连接和电连接。

图12示出了用于提供具有基于单独的压电陶瓷的可振动膜的MEMS扬声器的替代制造方法。

有利地，与根据图10或图11的实施方式相比，在所示实施方式中可以省略结构化连接。取而代之的是，如下所述，可以通过来自前部(前电极)或后部(背侧电极)的连续传导表面进行连接。

以类似于根据图10的制造方法的方式，提供多个单独的压电陶瓷元件19，这些压电陶瓷元件19包括机械支撑材料10(例如掺杂的多晶硅)的层和压电材料11的层。优选地，机械支撑材料10的层是电传导的。

此外，上框架25和下框架26分别设置有用于接纳压电陶瓷元件19的凹部或凹槽27。优选地，上框架和下框架由非电传导材料(例如聚合物)制成。优选地，可以使用3D打印过程来形成框架。

为了固定压电陶瓷元件19，可以优选地使用粘合剂，优选地首先将粘合剂施加到凹部27(见图12A)。在将压电陶瓷元件19固定在下框架26的相应的凹部27中之后，可以将粘合剂施加到压电陶瓷元件19，使得上框架将压电陶瓷元件19固定在上侧(见图12B)。

为了连接单独的薄片或压电陶瓷元件19，优选地从前部(前电极)或从后部(背侧电极)施加(不可见)传导材料(优选地为金属)的连续层。例如，通过溅射过程。

通过这种方式，还可以获得可振动膜1，为了在竖直发射方向上产生声波，可振动膜1包括至少两个或更多个竖直部分2，这些竖直部分2平行于发射方向形成并且可以被诱导进行水平振动。复合框架25、26可以充当用于竖直部分2的承载件。

附图标记

1 可振动膜

2 可振动膜的竖直部分

3 可振动膜的水平部分

4 承载件

5 竖直部分之间的空气体积

8 衬底

9 蚀刻停止

10 机械支撑材料的层，优选地为掺杂的多晶硅

11 致动器材料的层(致动器层)，优选地为压电材料

12 传导材料的层，优选地为金属

13 电极的连接部，优选地为电极垫

14 保持结构

15 外壳

16 后部共振体积

17 通风口

18 介电材料的层

19 压电陶瓷元件(一个或更多个)

20 牺牲层

21 用于层间连接与金属填充的限定的孔

22 切削(切割)

23 金属桥

24 蚀刻掩模

25 上框架

26 下框架

文献

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Claims (15)

1.用于与流体的体积流相互作用的MEMS换能器，所述MEMS换能器包括：

-承载件(4)，

-可振动膜(1)，所述可振动膜(1)用于产生或接收所述流体的在竖直方向上的压力波，所述可振动膜(1)由所述承载件(4)支撑，

其特征在于，

所述可振动膜(1)具有两个或更多个竖直部分(2)，所述两个或更多个竖直部分(2)基本上平行于所述竖直方向形成，并且所述两个或更多个竖直部分(2)包括至少一个致动器材料的层(11)，其中，所述可振动膜(1)的至少一个端部连接到少一个电极(13)，

使得能够通过驱动所述至少一个电极(13)来诱导所述两个或更多个竖直部分(2)进行水平振动；或者使得能够在所述两个或更多个竖直部分(2)被诱导进行水平振动时，在所述至少一个电极处产生电信号。

2.根据前一权利要求所述的MEMS换能器，

其特征在于，

所述MEMS换能器是MEMS扬声器，其中，优选地，所述竖直部分(2)之间存在空气体积(5)，由于所述水平振动，所述空气体积(5)沿竖直发射方向移动以产生声波；或者所述MEMS换能器是MEMS麦克风，其中，优选地，所述竖直部分(2)之间存在空气体积(5)，当接收到声波时，所述空气体积(5)沿竖直检测方向移动。

3.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS换能器，

其特征在于，

所述两个或更多个竖直部分(2)包括至少两个层，一个层(11)包括致动器材料，并且第二层(10)包括机械支撑材料，其中，至少包括所述致动器材料的层(11)连接到电极(13)，

使得能够通过所述致动器材料相对于所述机械支撑材料的形状改变来产生水平振动，或者

使得水平振动导致所述致动器材料相对于所述机械支撑材料的形状改变并且产生电信号。

4.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS换能器，

其特征在于，

所述两个或更多个竖直部分(2)包括至少两个层，两个层(11)均包括致动器材料，并且两个层(11)各自分别连接到电极(13)，以及

能够通过一个层相对于另一层的形状改变来产生所述水平振动，或者

所述水平振动导致一个层相对于另一层的形状改变并且产生电信号。

5.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS换能器，

其特征在于，

所述承载件(4)包括两个侧部区域，所述可振动膜(1)在水平方向上布置在所述两个侧部区域之间，并且/或者

所述承载件(4)由衬底(8)形成，所述衬底(8)优选地选自以下各者：单晶硅、多晶硅、二氧化硅、碳化硅、硅锗、氮化硅、氮化物、锗、碳、砷化镓、氮化镓、磷化铟、以及玻璃。

6.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS换能器，

其特征在于，

所述可振动膜(1)由层状结构或曲折结构形成。

7.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS换能器，

其特征在于，

所述可振动膜(1)由具有交替的竖直部分(2)和水平部分(3)的曲折结构形成，所述水平部分(3)中的至少两个水平部分附接有保持结构(14)，所述保持结构(14)直接地或间接地连接到所述承载件(4)。

8.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS换能器，

其特征在于，

致动器材料包括压电材料、聚合物压电材料和/或电活性聚合物(EAP)，其中，所述压电材料优选地选自以下各者：锆钛酸铅(PZT)、氮化铝(AlN)、氮化铝钪(AlScN)、以及氧化锌(ZnO)。

9.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS换能器，

其特征在于，

所述可振动膜(1)包括三个层，上层(12)由传导材料形成，中间层(11)由致动器材料形成，并且下层(12)由传导材料形成，其中，所述上层和/或所述下层的传导材料优选地为机械支撑材料。

10.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS换能器，

其特征在于，

所述可振动膜(1)包括两个致动器材料的层(11)，所述两个致动器材料的层(11)由传导材料的中间层(12)隔开，所述传导材料优选地为金属，其中，所述中间层(12)连接到第一电极(13)，并且所述两个致动器材料的层(11)中的至少一个致动器材料的层经由另外的传导材料的层(12)连接到第二电极(13)，所述传导材料优选地为金属。

11.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS换能器，

其特征在于，

所述可振动膜(1)的所述竖直部分(2)包括两个层，其中，第一层(11)包括致动器材料，第二层(10)包括传导支撑材料，并且其中，所述竖直部分(2)经由水平金属桥(23)连接。

12.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS换能器，

其特征在于，

所述可振动膜(1)涂覆有非粘材料的层。

13.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS换能器，

其特征在于，

由所述承载件(4)支撑的所述可振动膜(1)被布置在外壳(15)的前侧，所述外壳(15)包围后部共振体积(16)，其中，优选地，所述外壳(15)中存在通风口(17)，以用于避免声学短路和/或用于支持声音。

14.一种用于根据前述权利要求中的一项所述MEMS换能器的制造方法，所述方法包括以下步骤：

-对衬底进行蚀刻以形成结构化，优选地，从前侧对所述衬底进行蚀刻，优选地，所述结构化为曲折结构，

-可选地应用蚀刻停止，

-施加至少两个层，其中，至少第一层(11)包括致动器材料，并且第二层(10)包括机械支撑材料，或者至少两个层(11)包括致动器材料，

-将所述第一层和/或所述第二层连接到电极(13)，

-进行蚀刻，优选地，从后侧进行蚀刻，并且可选地去除所述蚀刻停止，

使得可振动膜(1)通过由所述衬底(8)形成的承载件(4)支撑，所述可振动膜(1)优选地呈曲折结构的形式，所述可振动膜(1)包括至少两个或更多个竖直部分(2)，以产生或接收所述流体的在竖直方向上的压力波，所述部分平行于所述竖直方向形成，并且使得能够通过驱动所述至少一个电极(13)来诱导所述两个或更多个竖直部分(2)进行水平振动，或者

使得当所述两个或更多个竖直部分(2)被诱导进行水平振动时，能够在所述至少一个电极处产生电信号。

15.一种用于根据前述权利要求1至13中的一项所述的MEMS换能器的制造方法，所述方法包括以下步骤：

-提供多个单独的压电陶瓷元件(19)，所述多个单独的压电陶瓷元件(19)包括牺牲层(20)、传导材料的层(12)、以及压电材料的层(11)，

-对用于所述压电陶瓷元件中的层间连接与金属填充的孔(21)进行限定，

-对所述压电陶瓷元件(19)进行叠置并且可选地对所述压电陶瓷元件(19)进行切割，以获得通过金属桥(23)连接的压电陶瓷元件的叠置件，

-去除所述牺牲层(29)并且将所述压电陶瓷元件的叠置件插入承载件(4)中，其中，第一个压电陶瓷元件(19)和最后一个压电陶瓷元件(19)分别连接到电极(13)，

使得可振动膜(1)通过由所述衬底(8)形成的承载件(4)支撑，所述可振动膜(1)优选地呈层状结构的形式，所述可振动膜(1)包括至少两个或更多个竖直部分(2)，以产生或接收所述流体的在竖直方向上的压力波，所述部分平行于所述竖直方向形成，并且使得能够通过驱动所述至少一个电极(13)来诱导所述两个或更多个竖直部分(2)进行水平振动，或者

使得当所述两个或更多个竖直部分(2)被诱导进行水平振动时，能够在所述至少一个电极处产生电信号。

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