DE10013673C2 - Mikromechanischer elektroakustischer Wandler - Google Patents

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.

Aus der US 5,955,824 ist ein elektroakustischer Wandler bekannt, der einen Trägerkörper sowie eine auf einer Trägerschicht angeordnete piezoelektrische Schicht aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die untere Fläche der piezoelektrischen Schicht direkt, also ohne aufmetallisierte gesonderte Elektrode, mit der metallischen Trägerschicht verbunden. Diese metallische Schicht ist über einen Anschluss mit einer elektrischen Auswerte- /Ansteuerschaltung verbindbar, dient mithin als Elektrode. Aus dem funktionalen Zusammenhang ergibt sich, dass die Trägerschicht als durch das Piezoelement zu Schwingungen anregbare Membran wirkt und daher elastische Eigenschaften aufweisen muss.

Weiterhin ist aus der US 5,956,292 bekannt, einen piezoelektrischen Wandler nach den Methoden der Mikrostrukturtechnik zu fertigen.

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, eine elastische Membran 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, wobei die elastische Membran in wenigstens zwei Membranbereiche unterteilt ist, zwischen denen wenigstens ein Isolationselement (6, 7) angeordnet 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 benötigt 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. Da­ mit 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 Funktion der elastischen Membran übernehmen kann, so dass keine weitere Membran- oder Trägerschicht notwendig ist.

Ferner ist gemäß der Erfindung die elastische Membran in wenigstens zwei Membranbereiche unterteilt. Jede der Elektroden bildet dabei einen Membranbereich. Zur erforderlichen Potentialtrennung zwischen den beiden 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.

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 Membran- und Trägerschicht vorteilhaft aus einem Metall, beispielsweise 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 Halbleitertechnologie. Die Membranschicht aus Metall ist weicher als eine in der Mikromechanik standardmäßig verwendete Membranschicht aus Silizium oder Siliziumnitrid. Dies führt dazu, dass der Wand­ ler 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 Membran erreicht. Dort wo die Stromzuführung zur Elektrode an der Oberseite der piezoelektrischen Schicht erfolgt, ist eine Isolationsschicht zwischen der Stromzuführung und der Membranschicht 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 piezo­ elektrische Schicht hinaus fortgesetzt zur Ausbildung der elastischen Membran- und Trägerschicht. Dadurch weist der elektroakustische Wandler eine einheitliche Oberflächenstruk­ tur auf.

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 mechanisch 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 Membran- und Trägerschicht 2' angeordnet, die jedoch nicht wie bei dem bekannten Wandler aus Halbleitermaterial wie Polysilizium, Siliziumnitrid oder ähnlichem besteht, sondern zumindest im wesentlichen aus einem Metall, wie Gold oder Silber, oder einer Legierung ausgeführt ist. Die Dicke der elastischen Membran- und Trägerschicht 2' ist so gewählt, dass diese neben der Schallabstrahlung auch die Funktion der Trägerschicht 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 Membran in zwei benachbarte Membranbereiche unterteilt, zwischen denen ein Iso­ lationselement 6 angeordnet ist. Ein Bereich der elastischen Membran 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 piezo­ elektrischen Schicht bildet den zweiten Teilbereich der elas­ tischen Membran. 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 elasti­ schen Membran 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 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 Membran- und Trägerschicht 2'. Diese ist hierfür über den Rand der piezoelektrischen Schicht fortgesetzt. Die Elektrode 5 an der Unterseite der piezoelektrischen Schicht ist dünner und damit nicht als Trägerschicht ausgeführt. Isolationselemente 6, 7 trennen sie von der oberen 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 (5)

1. Mikromechanischer elektroakustischer Wandler, aufweisend wenigstens einen Trägerkörper (1), eine elastische Membran sowie eine piezoelektrische Schicht (3), an deren Ober- und Unterseite jeweils eine Elektrode (4, 5) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektroden (5) über die piezoelektrische Schicht hinaus fortgesetzt und zumindest zum Teil als elasti­ sche Membran- und Trägerschicht (2') ausgebildet ist, wobei die elastische Membran in wenigstens zwei Membranbereiche un­ terteilt ist, zwischen denen wenigstens ein Isolationselement (6, 7) angeordnet ist.

2. Mikromechanischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4, 5) aus einem Metall 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. Verwendung eines mikromechanischen elektroakustischen Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem Hörhilfegerät.