DE102007030744A1

DE102007030744A1 - Magnetorestriktiver Mikrolautsprecher

Info

Publication number: DE102007030744A1
Application number: DE102007030744A
Authority: DE
Inventors: Bassem Baffoun; Reinhard Prof. Lerch; Alexander Dr. Sutor; Christian Dr. Weistenhöfer
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Siemens Audioligische Technik GmbH
Current assignee: Sivantos GmbH
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-07-03
Also published as: WO2009004000A1; US8682009B2; ATE549870T1; EP2172060A1; DE102007030744B4; US20110116663A1; EP2172060B1; DK2172060T3

Abstract

Ein akustischer Aktor umfasst eine Trägerschicht (3), in welcher eine freitragende Struktur (1) definiert ist, welche über mindestens zwei Aufhängungen (7) mit der Trägerschicht (3) verbunden ist, mindestens eine magnetostriktive Schicht (4), welche auf der Trägerschicht (3) aufgebracht ist und mindestens zum Teil auf der freitragenden Struktur (1) vorgesehen ist, und Mittel (2; 5) zum Erzeugen eines magnetischen Feldes in der magnetostriktiven Schicht (4). Die Funktionsweise des Lautsprechers basiert auf dem magnetostriktiven Effekt, der zu einer Änderung der Abmessungen der freitragenden Struktur in einem magnetischen Wechselfeld führt. Dadurch wird die freitragende Struktur zum Schwingen gebracht.

Description

Die Erfindung betrifft einen akustischen Aktor (Lautsprecher), welcher z. B. für Hörgeräte geeignet ist, und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Die klassischen und bekannten akustischen Aktoren basieren auf dem elektromagnetischen Prinzip. Es ist bekannt, Lautsprecher durch Herstellungsverfahren der Mikromechanik anzufertigen, wie z. B. aus Neumann et al., „CMOS-MEMS Membrane for Audial Frequency acoustic actuation", Sensors and actuators, A95, 2002, S. 175–182. Dabei sind magnetische, elektrostatische und piezoelektrische Aktoren bekannt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen akustischen Aktor (z. B. einen Lautsprecher für den Hörbereich) und das dazugehörige Herstellungsverfahren bereitzustellen. Dabei sollen die Abmessungen des Aktors klein sein, der durch den Aktor generierte Schallpegel im Hörbereich hoch sein und der Leistungsverbrauch sehr effizient sein, um die Versorgungsspannung so gering wie möglich zu halten.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel erreicht durch einen akustischen Aktor gemäß Patentanspruch 1 und das Herstellungsverfahren gemäß Patentanspruch 12.
Der erfindungsgemäße akustische Aktor weist die folgenden Merkmale auf:

– eine Trägerschicht, in welcher
– eine freitragende Struktur definiert ist,
– welche über eine oder mehrere Aufhängungen, bevorzugt über mindestens zwei Aufhängungen mit der Trägerschicht verbunden ist,
– mindestens eine magnetostriktive Schicht, welche auf der Trägerschicht aufgebracht ist und mindestens zum Teil auf der freitragenden Struktur vorgesehen ist und
– Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Feldes in der magnetostriktiven Schicht.

Bevorzugt kann das Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Feldes auf der Trägerschicht aufgebracht werden. Eine Aufhängung über mindestens zwei Aufhängungen bietet vorteilhaft eine erhöhte mechanische Steifigkeit.
Die Funktionsweise des Lautsprechers basiert auf dem magnetostriktiven Effekt, der zu einer Änderung der Abmessungen oder der Geometrie der freitragenden Struktur in einem magnetischen Wechselfeld führt, wobei auf mindestens einem Teil der Fläche der freitragenden Struktur die magnetostriktive Schicht vorgesehen ist. Dadurch wird die freitragende Struktur zum Schwingen gebracht.
Die Trägerschicht kann aus Siliziumoxid bestehen. Beispielsweise kann diese Siliziumoxidschicht durch Oxidieren eines Siliziumsubtrats erzeugt werden. Die freitragende Struktur wirkt als schwingfähige Membran des Aktors.
Die magnetostriktive Schicht ist mit einem magnetostriktiven Material aufgebaut. Dies ist ein Material, dessen Abmessungen sich unter Einfluss eines veränderlichen Magnetfeldes sich ändern. Das Material soll eine möglichst hohe Permeabilität aufweisen. Die magnetostriktive Schicht kann bevorzugt FeCo aufweisen. Dabei weist die magnetostriktive Schicht bevorzugt eine magnetische Anisotropie auf. Dies wird erreicht durch Anwenden eines externen Magnetfeldes auf die magnetostriktive Schicht während oder nach dem Abscheiden bzw. Aufbringen der magnetostriktiven Schicht auf die Trägerschicht. Durch die magnetische Anisotropie kann der magnetrostriktive Effekt er höht werden. Die magnetische Anisotropie kann z. B. eine magnetische leichte Achse in der Ebene der magnetrostriktiven Schicht definieren. Möglich wäre auch eine Anordnung aus mehreren magnetostriktiven Schichten, welche durch metallische oder nicht leitende Schichten voneinander getrennt sind.
Abhängig von den mechanischen Eigenspannungen in der Trägerschicht und in der magnetostrikitiven Schiocht ist das Dickenverhältnis zwischen beiden Schichten so zu definieren, dass die statische Wölbung der freitragenden Struktur minimiert wird.
Bevorzugt ist das Dickenverhältnis von magnetostriktiver Schicht zu Trägerschicht 1 zu 3 oder kleiner, bevorzugt 1 zu 10 oder kleiner.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ist das Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Feldes als soleonide Spule (Zylinderspule) ausgebildet, wobei die magnetostriktive Schicht den Spulenkern bildet.
Gemäß einem alternativen bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Mittel zum Erzeugen des magnetischen Feldes torroidale Mäanderspule (Mäander-Ringspule) ausgebildet.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist zwischen der Spulenwicklung und dem Spulenkern eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung bedeckt die magnetostriktive Schicht mindestens teilweise die Aufhängung oder Aufhängungen der freitragenden Struktur.
Bevorzugt ist die Trägerschicht 0,2 bis 10 μm, stärker bevorzugt 0,5–2 μm und Höchst bevorzugt 1 μm dick. Die Schicht des magnetostriktiven Materials ist bevorzugt 0,1–1 μm, stärker bevorzugt 0,2–0,5 μm und Höchst bevorzugt 250–350 ηm dick. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schicht aus magnetostriktivem Material 300 ηm dick.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines akustischen Aktors, aufweisend:

a) Erzeugen einer Trägerschicht;
b) Entfernen von Trägerschichtmaterial um in der Fläche der Trägerschicht eine freitragende Struktur zu definieren, welche über eine oder mehrere Aufhängungen, bevorzugt über mindestens zwei Aufhängungen mit der restlichen Trägerschicht verbunden ist;
c) Aufbringen einer magnetostriktiven Schicht (4), welche mindestens teilweise auf der Trägerschicht aufgebracht wird und mindestens teilweise auf der freitragenden Struktur vorgesehen ist; und
d) Bereitstellen von Mitteln zum Erzeugen eines magnetischen Feldes in der magnetostriktiven Schicht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Aktors können Verfahren der Mikromechanik oder auch chemische Bearbeitungsschritte zum Einsatz kommen.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Trägerschicht Siliziumoxid und wird durch Oxidieren der Oberfläche eines Siliziumsubstrats erzeugt. Als Ausgangsmaterial kann eine Schicht eines Siliziumsubstrats bzw. ein im wesentlichen als Flachgebilde ausgebildetes Siliziumsubstrat von beiden Seiten oxydiert werden, so dass an beiden Oberflächen eine Oxidschicht entsteht. Im späteren Prozeß wird eine dieser beiden Oxidschichten die freitragende Struktur definieren, welche dann als schwingende Membrane des Aktors fungiert. Die Oxidschicht bildet die Trägerschicht. Die freitragende Struktur kann durch chemisches Ätzen oder durch mikromechanisches Bearbeiten in der Trägerschicht erzeugt werden.
Auf die Trägerschicht wird eine magnetostriktive Schicht aufgebracht. Es können zusätzliche Schichten zwischen der Trägerschicht und der magnetostriktiven Schicht vorgesehen sein. Zum Aufbringen der magnetostriktiven Schicht können chemische Abscheidungsverfahren, physikalische Abscheidungsverfahren oder Vakuumverfahren zum Einsatz kommen, z. B. chemische Dampfphasenabscheidung (chemical vapour deposition CVD) oder physikalische Dampfphasenabscheidung (physical vapour deposition), Sputtern oder andere geeignete Verfahren. Zur Darstellung der freitragenden Struktur in der Trägerschicht kann das Trägerschichtmaterial vor oder nach Aufbringen der magnetostriktiven Schicht entfernt werden.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Felds in Form einer soleoniden Spule bereit gestellt werden. Diese kann auf folgende Weise erzeugt werden:

e) Aufbringen von einer Mehrzahl von ersten Leiterbahnen auf der Trägerschicht;
f) Aufbringen der magnetostriktiven Schicht mindestens teilweise auf der Trägerschicht und mindestens teilweise über den ersten Leiterbahnen, um einen Spulenkern zu definieren; und
g) Aufbringen von einer Mehrzahl von zweiten Leiterbahnen, um gemeinsam mit den ersten Leiterbahnspulenwicklungen der soleoniden Spule zu definieren. Dabei liegen die ersten Leiterbahnen „auf" der Trägerschicht und der Bereich der magnetostriktiven Schicht, welcher den Spulenkern bildet, liegt teilweise „über" den Leiterbahnen, auf dem Spulenkern wird eine entsprechende Mehrzahl von zweiten Leiterbahnen aufgebracht, welche mit den ersten Leiterbahnen in der Weise verbunden werden, dass die ersten und zweiten Leiterbahnen Spulenwicklungen um den Spulenkern bilden.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann zwischen den ersten bzw. zweiten Leiterbahnen und der magnetostriktiven Schicht (d. h. den Bereich der magnetostriktiven Schicht, welche den Spulenkern bildet) eine Schicht eines elektrisch isolierenden Materials aufgebracht werden.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird während des Aufbringens der magnetostriktiven Schicht oder nach dem Aufbringen der magnetostriktiven Schicht ein magnetisches Feld auf den Aktor angewendet, um eine magnetische Anisotropie in der magnetostriktiven Schicht zu erzeugen.
Im folgenden wird der erfindungsgemäße Aktor und das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren anhand der angehängten Zeichnungen beispielhaft beschrieben, in welchem zeigen:
1 Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktors;
2 Eine Schnittansicht entlang der Linie I der Ausführungsform von 1;
3 Eine Schnittansicht der Ausführungsform von 1 entlang der Linie II;
und
4 Eine Schnittansicht der Ausführungsform von 1 entlang der Linie III.
In 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktors dargestellt. Eine freitragende Struktur 1, welche als schwingende Membran fungiert, ist in der Trägerschicht 3 definiert und über Aufhängungen 7 mit dieser verbunden. Auf der Trägerschicht 3 ist eine magnetostriktive Schicht 4 aufgebracht. Sie ist aus einem magnetostriktiven Material gebildet, d. h. ein Material, welches unter Einwirkung eines Mag netfeldes eine Veränderung seiner Abmessungen erfährt. Bevorzugt ist ein Material mit hoher Permeabilität, z. B. FeCo. Die magnetostriktive Schicht 4 ist teilweise auf bzw. über der freitragenden Struktur 1 aufgebracht. Leiterbahnen 2 definieren eine Spule, welche um einen Bereich 5 der magnetostriktiven Schicht 4 gewickelt ist, wobei der Bereich 5 als Spulenkern 5 wirkt. Bei Stromfluß in der Spule 2 kann in der magnetostriktiven Schicht 4 ein Magnetfeld erzeugt werden, welches eine Schwingung der freitragenden Struktur 1 und somit ein Abstrahlen von Schall bewirken kann. Es ist vorteilhaft, dass bei einer derartigen Anordnung der Aktor und seine Ansteuerung, also die Spule auf dem gleichen Chip liegen. Dadurch ist eine Minituriarisierung der Anordnung möglich. Aufgrund des Ausbaus eine geschlossenen Magnetkreises, der Nähe der Spulenwindungen zum Spulenkern und der hohen Permeabilität der magnetostriktiven Schicht ist nur eine geringe Speisespannung bzw. Stromstärke notwendig. Da dieselbe Schicht, welche den Aktor zum Schwingen bringt, auch zur magnetischen Flussführung dient, ist eine optimale Energieausbeute möglich. Bevorzugt ist die magnetostriktive Schicht magnetisch anisotrop.
Der schichtweise Aufbau des erfindungsgemäßen Aktors lässt sich anhand der 2–4 darstellen. Als Ausgangsmaterial dient, wie in 2 dargestellt, ein Siliziumsubstrat 6, welches von beiden Seiten 3, 10 oxidiert wird, um eine Trägerschicht 3 aus Siliziumoxid zu erhalten.
Durch einen anisotropen Ätzvorgang (z. B. mit KOH) kann durch das Herauslösen des Siliziums 6 in vorher bestimmten Öffnungen im Siliziumoxid 3 und 10 die freitragende Membrane 1 hergestellt werden. Dieses Verfahren könnte auch in anderen geeigneten chemischen Bädern stattfinden, genauso wäre die Anwendung eines anderen Verfahrens der Mikromechanik (z. B. Oberflächenmikromechanik oder Lasertechnologie) möglich. Dieser Prozessschritt sollte nach Abscheidung und Strukturierung aller Schichten stattfinden, damit keine zusätzlichen mechanischen Spannungen in der Membrane 1 induziert werden. Die magnetostriktive Schicht 4 kann vor dem Herausarbeiten der freitragenden Struktur auf die Trägerschicht 3 aufgebracht werden. Die magnetostriktive Schicht 4 kann chemisch (z. B. mit HNO3) oder physikalisch strukturiert werden. Die strukturierte magnetostriktive Schicht 4 soll zum Teil oder vollständig die Membrane 1 bedecken. Die Form und das Design der Struktur kann beliebig variiert werden, um das Verhalten des Aktors zu optimieren. Es ist vorteilhaft, wenn die magnetostriktive Schicht zum Teil die Aufhängungen 7 der Membrane 1 überdeckt. Die Membrane 1 kann aus dem Oxid 3 chemisch (z. B. HF) von beiden Seiten den Substrats strukturiert werden, ohne dabei die Schicht 4 zu beschädigen. Während weiterer Bearbeitungsvorgänge können die Kanten der Membrane 1 vorübergehend durch eine dünne Cr-Schicht geschützt werden, welche am Ende des Prozesses entfernt werden kann.
Um die Steuerspule 2 auf der Trägerschicht 3 zu integrieren, kann vor Abscheidung der magnetostriktiven Schicht 4 eine Mehrzahl von ersten Leiterbahnen 8 aus einem metallischen Material, z. B. Cu oder Al auf dem Siliziumoxid in einem Hochvakuumprozeß aufgebracht werden, z. B. durch Aufdampfen. Nach einer Strukturierung mit einem chemischen oder physikalischen Ätzprozeß bilden diese ersten Leiterbahnen 8 die unteren Leitungen der Spule 2. Diese liegen außerhalb des Bereichs der freitragenden Struktur 1. Bei Auswahl von Al oder Cu als leitende Schicht und FeCo als Kern 5 der Spule 2 ist eine Isolationsschicht zwischen Kern und Windungen nicht nötig, da der spezifische Widerstand von FeCo gegenüber von Al und Cu sehr hoch ist. Dies gilt auch für andere magnetostriktive Materialien, die ein ähnliches Verhalten aufweisen. Ansonsten sind isolierende Schichten, wie Siliziumoxid oder Aluminiumoxid zwischen Spulenwicklung und Spulenkern notwendig. Anschließend wird die magnetostriktive Schicht 4 auf der Trägerschicht 3 über den ersten Leiterbahnen 8 angebracht (siehe 2). Eine zweite Mehrzahl von Leiterbahnen 9 wird anschließend mit dem gleichen Verfahren wie die ersten Leiterbahnen 8 auf die magnetostriktive Schicht 4 aufgebracht. Dabei soll darauf geachtet werden, dass die unteren und oberen Leiterbahnen 8 und 9 miteinander verbunden sind, diese definieren dann die Wicklungen der Spule 2 (vergleiche 4). Anschließend kann durch einen anisotropen Ätzvorgang des Siliziums 6 die freitragende Struktur 1 in dem Substrat und in der Trägerschicht 3 definiert werden. Während dieses Ätzvorgangs können die freiliegenden Bereiche der Spulenwicklung 2 mit Cr geschützt werden. Bei diesem Aufbau wurde eine soleonide Spule (Zylinderspule) realisiert, man könnte aber auch eine flache Spiralspule oder eine torroidale Mäanderspule (Mäanderringspule) realisieren.
Bezüglich der räumlichen Anordnung und Abmessungen des Aktors sind viele Variationen möglich, welche im Hinblick auf das Anwendungsgebiet des Aktors optimiert werden können. Der Aktor kann nicht nur als Lautsprecher, sondern umgekehrt auch als Mikrophon dienen. Vorteilhaft weist diese Anordnung einen geschlossenen Magnetkreis und somit eine Reduzierung von Streufeldern auf. Bei elektromagnetischen Wandlern muß der Magnetkreis immer offen sein. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Aktors liegt in seinem Siliziumbasierten monolitischen Aufbau, dadurch ist eine spätere Integration einer Auswerteelektronik auf dem Chip möglich. Die Herstellungsschritte sind einfach und kostengünstig und können unter Verwendung von üblichen, dem Fachmann bekannten chemischen oder mikromechanischen Verfahren realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Neumann et al., „CMOS-MEMS Membrane for Audial Frequency acoustic actuation", Sensors and actuators, A95, 2002, S. 175–182 [0002]

Claims

Akustischer Aktor aufweisend eine Trägerschicht (3), in welcher eine freitragende Struktur (1) definiert ist, welche über eine oder mehrere Aufhängungen, bevorzugt über mindestens zwei Aufhängungen (7) mit der Trägerschicht (3) verbunden ist, mindestens eine magnetostriktive Schicht (4), welche auf der Trägerschicht (3) aufgebracht ist und mindestens zum Teil auf der freitragenden Struktur (1) vorgesehen ist und Mittel (2; 5) zum Erzeugen eines magnetischen Feldes in der magnetostriktiven Schicht (4).
Aktor nach Anspruch 1, wobei die Trägerschicht (3) aus Siliziumoxid besteht.
Aktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die magnetostriktive Schicht (4) FeCo aufweist.
Aktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die magnetostriktive Schicht (4) eine magnetische Anisotropie aufweist.
Aktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend mehrere magnetostriktive Schichten (4).
Aktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Dickenverhältnis von magnetostriktiver Schicht (4) zu Trägerschicht (3) 1:10 oder kleiner ist.
Aktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Feldes als solenoide Spule (5) ausgebildet sind und die magnetostriktive Schicht (4) den Spulenkern (2) bildet.
Aktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Feldes als toroidale Mäanderspule Spule ausgebildet sind und die magnetostriktive Schicht (4) den Spulenkern (5') bildet.
Aktor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei einer Spulenwicklung dem Spulenkern (5, 5') eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen ist.
Aktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die magnetostriktive Schicht (4) mindestens teilweise die mindestens zwei Aufhängungen (7) der freitragenden Struktur bedeckt.
Aktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht 0,5 bis 2 μm dick ist.
Verfahren zur Herstellung eines akustischen Aktors, aufweisend: a) Erzeugen einer Trägerschicht (3); b) Entfernen von Trägerschichtmaterial um [in der Fläche der Trägerschicht] eine freitragende Struktur (1) zu definieren, welche über mindestens zwei Aufhängungen (7) mit der Trägerschicht verbunden ist; c) Aufbringen einer magnetostriktiven Schicht (4), welche mindestens teilweise auf der Trägerschicht (3) aufgebracht wird und mindestens teilweise auf der freitragenden Struktur (1) vorgesehen ist; und d) Bereitstellen von Mitteln (2; 5) zum Erzeugen eines magnetischen Feldes in der magnetostriktiven Schicht.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Trägerschicht Siliziumoxid umfasst und durch oxidieren der Oberfläche eines Siliziumsubstrats erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die freitragende Struktur (1) durch chemische Ätzen in der Trägerschicht erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die freitragende Struktur (1) durch mikromechanisches Bearbeiten in der Trägerschicht erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Trägermaterial erst nach Aufbringen der magnetostriktiven Schicht entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die magnetostriktive Schicht durch ein Vakuumverfahren auf der Trägerschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei die Mittel (2; 5) zum Erzeugen eines magnetischen Feldes in Form einer solenoiden Spule bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Bereitstellen der solenoiden Spule umfasst: e) Aufbringen von einer Mehrzahl von ersten Leiterbahnen (8) auf der Trägerschicht (3); f) Aufbringen der magnetostriktiven Schicht (4) mindestens teilweise auf der Trägerschicht (3) und mindestens teilweise über den ersten Leiterbahnen, um einen Spulenkern (5) zu definieren; und g) Aufbringen von einer Mehrzahl von zweiten Leiterbahnen (9), um gemeinsam mit den ersten Leiterbahnen Spulenwicklungen (2) der solenoiden Spule zu definieren.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei zwischen den ersten (8) bzw. zweiten (9) Leiterbahnen und der magnetostriktiven Schicht (4) ein elektrisch isolierendes Material aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei die magnetostriktive Schicht während des Aufbringens oder nach dem Aufbringen einem magnetischen Feld ausgesetzt wird, um eine magnetische Anisotropie in der magnetostriktiven Schicht zu erzeugen.