DE10013673A1 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents
Elektroakustischer WandlerInfo
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Abstract
Bei einem mikromechanischen elektroakustischen Wandler mit wenigstens einem Trägerkörper (1) sowie einer piezoelektrischen Schicht (3), an deren Ober- und Unterseite jeweils eine Elektrode (4, 5) aufgebracht ist, ist mindestens eine der Elektroden (5) über die piezoelektrische Schicht hinaus fortgesetzt und zumindest zum Teil als elastiche Membran- und Trägerschicht (2') ausgebildet. Dadurch erübrigt sich eine Membran- und Trägerschicht niedriger Elastizität aus Halbleitermaterial.
Description
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen elektroakusti
scher Wandler, aufweisend wenigstens einen Trägerkörper sowie
eine piezoelektrische Schicht, an deren Ober- und Unterseite
jeweils eine Elektrode aufgebracht ist.
Aus der DE 37 18 486 A1 ist ein elektroakustischer Wandler
bekannt, bei dem auf einer Metallmembran eine Piezokeramikfo
lie aufgebracht ist. Als Elektroden besitzt die Piezokeramik
folie auf ihrer Ober- und Unterseite Metallisierungen, z. B.
aus Silber. An den Metallisierungen sind elektrische An
schlüsse angebracht. Nachteilig bei diesem Wandler ist der
wenigstens 4-schichtige Aufbau und die Kontaktierung der
Elektroden mittels dünner Metalldrähte. Weiterhin handelt es
sich bei dem bekannten Wandler nicht um einen mikromechani
schen, d. h. nach den Methoden der Mikrostrukturtechnik herge
stellten, elektroakustischen Wandler. Daraus ergeben sich
Nachteile bei den Herstellungskosten sowie bei der angestreb
ten Miniaturisierung.
Aus der US 6,028,389 ist ein elektroakustischer Wandler mit
wenigstens zwei Piezoelementen bekannt. Auch hier sind an den
Ober- und Unterseiten der Piezoelemente Elektroden aufge
bracht. Die Piezoelemente sind auf einer Schicht aus Halblei
termaterial (Polysilizium, Siliziumnitrid) angeordnet, die
sowohl als Membran- als auch als Trägerschicht für die Piezo
elemente dient. Durch die Ausbildung der Membran aus wenig
elastischem Halbleitermaterial ist deren Auslenkung begrenzt.
Dies führt neben einer Limitierung des maximal zu erzeugenden
Schalldruckpegels zu Verzerrungen bei der Wiedergabe von
Schallsignalen höherer Amplitude.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mikromecha
nischen elektroakustischen Wandler anzugeben, der trotz eines
einfachen Aufbaus hohe zu erzeugende Schalldruckpegel zu
lässt.
Diese Aufgabe wird bei einem mikromechanischen
elektroakustischen Wandler, aufweisend wenigstens einen
Trägerkörper sowie eine piezoelektrische Schicht, an deren
Ober- und Unterseite jeweils eine Elektrode aufgebracht ist,
dadurch gelöst, dass mindestens eine der Elektroden über die
piezoelektrische Schicht hinaus fortgesetzt und zumindest zum
Teil als elastische Membran- und Trägerschicht ausgebildet
ist.
Zum Betrieb eines piezoelektrischen Wandlers wird eine piezo
elektrische Schicht benötigt, an deren Ober- und Unterseite
Elektroden angeordnet sind, die das elektrische Feld zur An
steuerung der piezoelektrischen Schicht erzeugen. Zudem benö
tigt man für den Aufbau eines piezoelektrischen Wandlers zu
sätzlich zur piezoelektrischen eine elastische Schicht, um
die transversale Auslenkung der piezoelektrischen Schicht in
ein Moment zu überführen, welches dann für die Auslenkung der
Membran sorgt. Herkömmliche mikromechanische piezoelektrische
Wandler sehen hierfür eine Schicht aus Silizium, Silizium
nitrid oder ähnlichem vor, die im Normalfall mechanisch recht
steif ist.
Bei dem mikromechanischen elektroakustischen Wandler gemäß
der Erfindung befindet sich an der Ober- und Unterseite der
piezoelektrischen Schicht jeweils eine elastische Elektrode.
Das beim Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den
Elektroden erzeugte elektrische Feld bewirkt eine transver
sale Auslenkung der piezoelektrischen Schicht. Diese Auslen
kung wird in ein Biegemoment überführt, da bei dem elektro
akustischen Wandler gemäß der Erfindung vorteilhaft eine der
beiden Elektroden dicker ausgeführt ist als die andere. Die
bei bekannten elektroakustischen Wandlern erforderliche elas
tische Schicht aus Halbleitermaterial entfällt, womit eine
deutlich höhere Nachgiebigkeit der Membran erreicht wird. Damit
ist der Wandler in der Lage, größere Schalldruckamplitu
den bei geringeren Nichtlinearitäten und besserem Wirkungs
grad zu liefern. Darüber hinaus setzt sich bei dem elektro
akustischen Wandler gemäß der Erfindung mindestens eine der
Elektroden über die piezoelektrische Schicht hinaus fort bis
zu einem wahlweise rechteckig oder rund ausgebildetem Träger
körper, an dem die Elektrode befestigt ist. Die Elektrode
wirkt somit gleichzeitig als elastische Membran. Zusätzlich
dient die Elektrode als Trägerschicht zur Halterung der pie
zoelektrischen Schicht, sodass keine weitere Trägerschicht
erforderlich ist. Der Wandler-Aufbau vereinfacht sich dadurch
erheblich.
Die Grundidee der Erfindung besteht also darin, wenigstens
eine der Elektrodenschichten so dick auszuführen, dass diese
sowohl die piezoelektrische Schicht tragen als auch die Funk
tion der elastischen Membranschicht übernehmen kann, sodass
keine weitere Membran- oder Trägerschicht notwendig ist.
Mit der Erfindung sind die folgenden weiteren Vorteile ver
bunden:
- - Durch die hohe Elastizität der elastischen Membranschicht sind die akustischen Verzerrungen des elektroakustischen Wandlers sehr gering.
- - Der Frequenzgang des elektroakustischen Wandlers ist an spezielle Charakteristiken (beispielsweise etymotischer Frequenzgang) angleichbar.
- - Der elektroakustische Wandler weist eine sehr gute elek troakustische Kopplung auf, was einen hohen Wirkungsgrad zur Folge hat, und kann sehr hohe maximale Schalldruck amplituden liefern.
- - Der elektroakustische Wandler ist unempfindlich gegen me chanische Stoß- und Druckbelastungen.
- - Der elektroakustische Wandler besitzt einen vibrations armen Aufbau, sodass er weder selbst im Gerät Vibrationen erzeugt noch durch Gerätevibrationen in seiner Funktion beeinträchtigt wird.
- - Durch die guten elastischen Eigenschaften der Membran- und Trägerschicht kann diese verhältnismäßig dünn ausgebildet sein. Dies ermöglicht große Auslenkungen bei geringen Spannungen.
- - Der elektroakustische Wandler ist nach aus der Halbleiter technologie bekannten Fertigungsprozessen herstellbar. Dies ermöglicht die Fertigung in hohen Stückzahlen bei niedrigen Stückkosten. Außerdem sind dadurch sehr kleine Bauformen realisierbar.
Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung besteht die
elastische Membranschicht vorteilhaft aus einem Metall, bei
spielsweise Gold oder Silber, oder einer Legierung. Dadurch
lassen sich die geforderten Eigenschaften dieser Schicht, wie
hohe Elastizität, gute Tragfähigkeit und hohe elektrische
Leitfähigkeit, gut erreichen. Weiterhin zählt das Aufbringen
von Metallisierungen zu den Standardprozessen der Halbleiter
technologie. Die Membranschicht aus Metall ist weicher als
eine in der Mikromechanik standardmäßig verwendete
Membranschicht aus Silizium oder Siliziumnitrid. Dies führt
dazu, dass der Wandler bei gleicher Anregung stärkere
Auslenkungen ausführen kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Elektrode
an der Unterseite der piezoelektrischen Schicht dicker ausge
führt als an der Oberseite und über die piezoelektrischen
Schicht hinaus fortgesetzt zur Ausbildung der elastischen
Membran- und Trägerschicht. Dadurch wird ein gleichmäßiger
und unkomplizierter Aufbau der elastischen Membranschicht er
reicht. Dort wo die Stromzuführung zur Elektrode an der Ober
seite der piezoelektrischen Schicht erfolgt, ist eine Isola
tionsschicht zwischen der Stromzuführung und der Membran
schicht vorgesehen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die
Elektrode an der Oberseite der piezoelektrischen Schicht di
cker ausgeführt als an der Unterseite und über die piezoelektrische
Schicht hinaus fortgesetzt zur Ausbildung der
elastischen Membran- und Trägerschicht. Dadurch weist der
elektroakustische Wandler eine einheitliche Oberflächenstruk
tur auf.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die
elastische Membranschicht in wenigstens zwei Membranbereiche
unterteilt. Jede der Elektroden bildet dabei einen Membranbe
reich. Zur erforderlichen Potentialtrennung zwischen den bei
den Elektroden befindet sich zwischen zwei benachbarten Mem
branbereichen wenigstens ein Isolationselement, beispiels
weise aus Siliziumoxid. Um gute Klangeigenschaften zu gewähr
leisten ist auf eine gleichmäßige Dicke der Bereiche der
Elektroden zu achten, die die Membranbereiche bilden.
Durch die mit dem elektroakustischen Wandler gemäß der Erfin
dung erzielbaren Vorteile, insbesondere die kleine Bauform,
den hohen Wirkungsgrad sowie die guten Klangeigenschaften,
ist dieser bestens für die Anwendung in einem Hörhilfegerät
geeignet. Der elektroakustische Wandler gemäß der Erfindung
kann sowohl als Mikrofon als auch als Hörer wirken.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand
der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen elektroakustischen Wandler nach dem Stand der
Technik,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines elektroakustischen
Wandlers gemäß der Erfindung,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines elektroakustischen
Wandlers gemäß der Erfindung.
Bei dem herkömmlichen mikromechanischen elektroakustischen
Wandler gemäß Fig. 1 ist auf einem wahlweise quadratisch
oder rund ausgeführten Trägerkörper 1 aus Siliziumsubstrat
eine elastische Membranschicht 2 eingespannt. Die Membran
schicht besteht aus Halbleitermaterial wie Silizium oder Si
liziumnitrid. Auf der Membranschicht ist eine piezoelektri
sche Schicht 3 angeordnet, die an ihrer Ober- und Unterseite
jeweils mit einer Elektrode 4, 5, z. B. aus Silber, versehen
ist. Die elastische Membranschicht 2 dient somit gleichzeitig
als Trägerschicht der piezoelektrischen Schicht 3 sowie der
Elektroden 4, 5. Nachteilig bei der bekannten Anordnung ist
das ungenügende elastische Verhalten der elastischen Membran-
und Trägerschicht 2 aus Silizium bzw. Siliziumnitrid. Dies
führt neben einer Limitierung des maximal zu erzeugenden
Schalldruckpegels zu Verzerrungen bei der Wiedergabe von
Schallsignalen höherer Amplitude. Weiterhin führt die mecha
nisch relativ steife Membranschicht zu einem schlechten Wir
kungsgrad des bekannten elektroakustischen Wandlers.
In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform eines mikromechani
schen elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung darge
stellt. Auch diese besitzt einen wahlweise quadratisch oder
rund ausgeführten Trägerkörper 1 aus Siliziumsubstrat. Darauf
ist eine elastische Membranschicht 2' angeordnet, die jedoch
nicht wie bei dem bekannten Wandler aus Halbleitermaterial
wie Polysilizium, Siliziumnitrid oder ähnlichem besteht, son
dern zumindest im wesentlichen aus einem Metall, wie Gold
oder Silber, oder einer Legierung ausgeführt ist. Die Dicke
der elastischen Membranschicht 2' ist so gewählt, dass diese
neben der Schallabstrahlung auch die Funktion der Träger
schicht der piezoelektrischen Schicht 3 übernimmt. Sie kann
beispielsweise ähnlich der Dicke der piezoelektrischen
Schicht im Bereich eines Mikrometers liegen. Bei dem Ausfüh
rungsbeispiel ist die elastische Membranschicht 2' in zwei
benachbarte Membranbereiche unterteilt, zwischen denen ein
Isolationselement 6 angeordnet ist. Ein Bereich der
elastischen Membranschicht wird direkt von der Elektrode 5 an
der Unterseite der piezoelektrischen Schicht und deren
Fortsetzung über den Rand der piezoelektrischen Schicht
hinaus gebildet. Die Fortsetzung der Elektrode 4 an der
Oberseite der piezoelektrischen Schicht bildet den zweiten
Teilbereich der elastischen Membranschicht. Auf der Oberseite
der piezoelektrischen Schicht 3 ist die Elektrode 4 dünner
ausgeführt als die Elektrode 5 an der Unterseite, sodass beim
Anlegen einer elektrischen Spannung an den Elektroden 4, 5
die transversale Auslenkung der piezoelektrischen Schicht 3
in ein Biegemoment überführt wird, welches dann für die
Auslenkung der elastischen Membran 2' sorgt.
Die Herstellung der gesamten Wandler-Anordnung kann - wie
bisher - auf Standard-Prozessen der Halbleitertechnologie ba
sieren. Zusammenfassend wird also die elastische Membran- und
Trägerschicht 2' von den Elektroden an der Ober- und Unter
seite der piezoelektrischen Schicht 3 sowie deren Fortsetzun
gen gebildet. Dies hat einen vereinfachten Aufbau des Wand
lers sowie verbesserte Eigenschaften der elastischen Membran-
und Trägerschicht 2' zur Folge.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines mikromecha
nischen elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung. An
ders als in Fig. 2 bildet bei dieser Ausführungsform im we
sentlichen die Elektrode 4 an der Oberseite der piezoelektri
schen Schicht die elastische Membranschicht 2'. Diese ist
hierfür über den Rand der piezoelektrischen Schicht fortge
setzt. Die Elektrode 5 an der Unterseite der piezoelektri
schen Schicht ist dünner und damit nicht als Trägerschicht
ausgeführt. Isolationselemente 6, 7 trennen sie von der obe
ren Elektrode 4. Der Bereich der Elektrode 5, der nicht
direkt an der Unterseite der piezoelektrischen Schicht 3
anliegt, ist vorzugsweise als schmaler Steg ausgeführt,
sodass er das Wandlerverhalten nicht beeinflusst. Vorteilhaft
bei dieser Ausführungsform ist, dass die obere Elektrode 4,
die außer als Elektrode auch als elastische Membran- und
Trägerschicht 2' dient, nicht durch eine Isolationsschicht
unterbrochen ist. Haftungsprobleme im Übergangsbereich
zwischen Elektrode und Isolationsschicht werden somit
prinzipiell vermieden.
Die beschriebenen elektroakustischen Wandler gemäß der Erfin
dung erlauben den Einbau in akustische Resonanzsysteme, um
eine Frequenzgangsformung und eine Steigerung des Wirkungs
grades zu erzielen. Auch eine Kombination mehrerer Wandler-
Einheiten zu einem elektroakustischen Wandler-System ist zur
Reduktion der entstehenden Vibrationen sowie zur Erhöhung der
abgestrahlten Leistung denkbar.
Claims (7)
1. Mikromechanischer elektroakustischer Wandler, aufweisend
wenigstens einen Trägerkörper (1) sowie eine piezoelektrische
Schicht (3), an deren Ober- und Unterseite jeweils eine
Elektrode (4, 5) aufgebracht ist, dadurch ge
kennzeichnet, dass mindestens eine der
Elektroden (5) über die piezoelektrische Schicht hinaus
fortgesetzt und zumindest zum Teil als elastische Membran-
und Trägerschicht (2') ausgebildet ist.
2. Mikromechanischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektroden (4, 5) aus einem Metall wie Gold oder Silber
oder einer Legierung bestehen.
3. Mikromechanischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass eine der beiden Elektroden (4; 5) dicker ausgeführt ist
als die andere (5; 4).
4. Mikromechanischer elektroakustischer Wandler nach einem
der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Elektrode (4, 5) an der Ober-
und/oder Unterseite der piezoelektrischen Schicht (3) über
die piezoelektrische Schicht hinaus fortgesetzt ist und die
elastische Membran- und Trägerschicht (2') bildet.
5. Mikromechanischer elektroakustischer Wandler nach einem
der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, dass die elastische Membranschicht in
wenigstens zwei Membranbereiche unterteilt ist, zwischen de
nen wenigstens ein Isolationselement (6, 7) angeordnet ist.
6. Mikromechanischer elektroakustischer Wandler nach einem
der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet
durch seine Anordnung in einem Hörhilfegerät.
7. Mikromechanischer elektroakustischer Wandler nach einem
der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet
durch seine Wirkung als Mikrofon oder Hörer.
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