DE102017109575A1

DE102017109575A1 - Eine mikroelektromechanische vorrichtung, eine anordnung mikroelektromechanischer vorrichtungen, ein verfahren zur herstellung einer mikroelektromechanischen vorrichtung und ein verfahren zum betrieb einer mikroelektromechanischen vorrichtung

Info

Publication number: DE102017109575A1
Application number: DE102017109575.6A
Authority: DE
Inventors: Manuel Dorfmeister; Alfons Dehe; Thomas Grille; Ursula Hedenig; Manfred Kaltenbacher; Ulrich Schmid; Michael Schneider
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-05-04
Filing date: 2017-05-04
Publication date: 2017-11-09
Anticipated expiration: 2037-05-05
Also published as: US10516943B2; CN107396276A; KR20170125729A; US20170325025A1; CN107396276B; DE102017109575B4

Abstract

Aspekte einer mikroelektromechanischen Vorrichtung, einer Anordnung von mikroelektromechanischen Vorrichtungen, ein Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer mikroelektromechanischen Vorrichtung sind hierin erläutert. Die mikroelektromechanische Vorrichtung kann Folgendes umfassen: ein Substrat (102); eine mechanisch mit dem Substrat (102) gekoppelte Membran (110), die einen belasteten Bereich umfasst, um die Membran (110) in eine von zwei geometrisch stabilen Positionen auszubauchen; einen mit der Membran (110) mechanisch gekoppelten Aktuator (120), der eine piezoelektrische Schicht (124) über der Membran (110) umfasst; eine Steuervorrichtung (150), die ausgebildet ist, um ein elektrisches Steuersignal als Antwort auf ein digitales Schalleingangssignal bereitzustellen; wobei der Aktuator (120) ausgebildet ist, um das elektrische Steuersignal zu empfangen, um über die piezoelektrische Schicht (124) eine piezoelektrische Kraft auf die Membran (110) auszuüben, um diese zur Erzeugung einer Schallwelle zu bewegen.

Description

Verschiedene Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen eine mikroelektromechanische Vorrichtung, eine Anordnung von mikroelektromechanischen Vorrichtungen, ein Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer mikroelektromechanischen Vorrichtung.
Ein mikroelektromechanisches System (MEMS) kann zur Verwendung als Lautsprecher oder andere geeignete Anwendungen erzeugt werden. Die MEMS-Lautsprecher können eine Membran aufweisen, die betätigt wird, um eine Schallwelle zu erzeugen. Wird die Membran vorbelastet, so dass sie eine bistabile Geometrie aufweist, kann der Ausbauchungseffekt genutzt werden, um die MEMS-Vorrichtung zu verbessern, z.B. kann der Übergang von einer stabilen Position in eine zweite stabile Position mit hoher Beschleunigung energieeffizienter sein, um Schallwellen zu erzeugen. Abhängig von der Membrangeometrie kann der Übergang zwischen den stabilen Positionen in beiden Richtungen die gleiche Amplitude aufweisen was z.B. die erzeugte Schallwelle negativ beeinflussen kann. Dementsprechend wäre eine wirksame Steuerung der bistabilen Membran von Vorteil. Demnach kann die Erzeugung einer Schallwelle durch die hohe Beschleunigung der Membran in einer Anordnung angewandt werden, um digitale Schallrekonstruktion zu ermöglichen.
In den Zeichnungen beziehen sich ähnliche Bezugszeichen im Allgemeinen auf dieselben Teile in verschiedenen Ansichten. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, da im Allgemeinen eher die Veranschaulichung der Grundsätze der vorliegenden Erfindung hervorgehoben wird. In der nachstehenden Beschreibung sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1A&1B eine mikroelektromechanische Vorrichtung mit einer bistabilen Membran zeigen;
2A–2G verschiedene Aspekte einer bistabilen Membran zeigen;
3A–3C eine mikroelektromechanische Vorrichtung zeigen;
4A&4B eine Membran, eine vorbelastete Schicht und einen Aktuator zeigen;
5A–5E verschiedene Aspekte einer bistabilen Membran mit einem Aktuator zeigen;
6 eine Anordnung mikroelektromechanischer Vorrichtungen zeigt;
7 ein Diagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung zeigt;
8A–8D Aspekte eines Verfahrens zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung zeigen und
9 ein Diagramm eines Verfahrens zum Betrieb einer mikroelektromechanischen Vorrichtung zeigt.
Die folgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, die zur Veranschaulichung konkrete Details und Ausführungsformen zeigen, in welchen die Erfindung ausgeführt werden kann. In den nachstehenden Zeichnungen können ähnliche oder gleiche Elemente ähnliche oder gleiche Bezugszeichen aufweisen (z.B. Membran 110). Eine Beschreibung des Elements kann in nachfolgenden Beschreibungen dann weggelassen werden, um die Beschreibung kurz zu halten.
Das Wort "beispielhaft" wird hierin in der Bedeutung verwendet, dass etwas als Beispiel oder zur Veranschaulichung dient. Hierin als "beispielhaft" beschriebene Ausführungsformen oder Ausführungen sind nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen oder Ausführungen zu betrachten.
Die Bezeichnung "über" in Zusammenhang mit einem abgeschiedenen Material, das "über" einer Seite oder Oberfläche ausgebildet ist, kann hierin in der Bedeutung verwendet werden, dass das abgeschiedene Material "direkt auf", z.B. in direktem Kontakt mit, der angegebenen Seite oder Oberfläche ausgebildet ist. Die Bezeichnung "über" in Zusammenhang mit einem abgeschiedenen Material, das "über" einer Seite oder Oberfläche ausgebildet ist, kann hierin in der Bedeutung verwendet werden, dass das abgeschiedene Material "indirekt auf" der angegebenen Seite oder Oberfläche ausgebildet ist, wobei eine oder mehrere zusätzliche Schichten zwischen der angegebenen Seite oder Oberfläche und dem abgeschiedenen Material angeordnet ist/sind.
Wie hierin verwendet ist eine "Schaltung" als jede Art logischer (analoger oder digitaler) Ausführungseinheit zu verstehen, bei der es sich um eine Spezialschaltung oder eine Prozessorausführungssoftware gespeichert in einem Speicher, Firmware, Hardware oder eine beliebige Kombination davon handeln kann. Außerdem kann es sich bei einer "Schaltung" um eine festverdrahtete Schaltung oder eine programmierbare Logikschaltung handeln, wie z.B. einen programmierbaren Prozessor wie einen Mikroprozessor (z.B. einen Complex-Instruction-Set-Computer-(CISC-) oder einen Reduced-Instruction-Set-Computer-(RISC-)Prozessor). Eine "Schaltung" kann auch eine Prozessorausführungssoftware sein, beispielsweise ein beliebiges Computerprogramm, wie z.B. ein nicht-flüchtiges computerlesbares medium, wie z.B. ein Computerprogramm, das einen virtuellen Maschinen Code wie Java verwendet. Jede andere Art von Ausführung der jeweiligen Funktionen, die nachstehend ausführlicher beschrieben werden, können auch als "Schaltung" verstanden werden. Es ist klar, dass beliebige zwei (oder mehrere) der beschriebenen Schaltungen zu einer einzigen Schaltung kombiniert werden können, die im Wesentlichen eine gleichwertige Funktionalität aufweist, und dass umgekehrt jede einzelne beschriebene Schaltung in zwei (oder mehrere) separate Schaltungen mit im Wesentlichen gleichwertiger Funktionalität aufgeteilt werden kann. Insbesondere in Bezug auf die Verwendung von "Schaltung" in den hierin eingeschlossenen Ansprüchen ist die Verwendung von "Schaltung" so zu verstehen, dass sich die Bezeichnung kollektiv auf zwei oder mehrere Schaltungen bezieht.
Die Bezeichnung "ausbilden" kann sich auf das Anordnen, Zusammenfügen, Strukturieren oder Abscheiden beziehen. Ein Verfahren zur Ausbildung von z.B. einer Schicht, einem Material oder einem Bereich etc. kann verschiedene Abscheidungsverfahren umfassen, zu welchen unter anderem folgende gehören können: chemische Dampfabscheidung, physikalische Dampfabscheidung (z.B. für dielektrische Materialien), Elektroabscheidung (die auch als Elektroplattieren bezeichnet werden kann, z.B. für Metalle oder Metalllegierungen) oder Rotationsbeschichtung (z.B. für Fluidmaterialien). Im Allgemeinen kann eine Dampfabscheidung durch Sputtern, Laserabtragung, Lichtbogenverdampfen oder thermisches Verdampfen durchgeführt werden. Ein Verfahren zur Ausbildung von Metallen kann Metallplattieren umfassen, z.B. Elektroplattieren oder chemisches Plattieren.
Die Bezeichnung "Ausbilden" kann auch eine chemische Reaktion für die Herstellung einer chemischen Zusammensetzung umfassen, wobei beispielsweise zumindest ein Teil der Schicht, des Materials oder des Bereichs durch eine Transformation einer Reihe chemischer Substanzen in die chemische Zusammensetzung ausgebildet wird. "Ausbilden" kann beispielsweise Folgendes einschließen: eine Änderung der Positionen von Elektronen durch das Aufbrechen oder Bilden chemischer Bindungen zwischen Atomen der Reihe chemischer Substanzen. Die Bezeichnung "Ausbilden" kann ferner Oxidation und Reduktion, Komplexbildung, Ausfällung, Säure-Base-Reaktionen, Festkörperreaktionen, Substitution, Dotieren, Addition und Elimination, Diffusion oder photochemische Reaktionen einschließen. Im Zuge des "Ausbildens" kann beispielsweise die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Reihe chemischer Substanzen verändern, welche chemische Bestandteile der Schicht, des Materials oder des Bereiches sind. Zu den Beispielen für chemische Eigenschaften oder physikalische Eigenschaften gehören elektrische Leitfähigkeit, Phasenzusammensetzung oder optische Eigenschaften etc. "Ausbilden" kann z.B. die Anwendung eines chemischen Reagens auf eine Ausgangsverbindung zur Veränderung der chemischen und physikalischen Eigenschaften der Ausgangsverbindung umfassen.
Die Bezeichnung "Strukturieren" kann sich auf die Modifikation der Form einer Struktur (z.B. die Modifikation der Struktur, um eine gewünschte Form oder eine gewünschte Struktur zu erzielen). Zur Strukturierung z.B. eines Materials kann ein Teil des Materials z.B. durch Ätzen entfernt werden. Zur Entfernung von Material beispielsweise von einer Schicht, einem Material oder einem Bereich kann eine Maske (die eine Struktur bereitstellt) verwendet werden, d.h. die Maske stellt eine Struktur für die Materialentfernung (z.B. das Ätzen einer Struktur zur Entfernung von Material von der Struktur) gemäß der Struktur der Maske bereit. Beispielsweise kann die Maske verhindern, dass Bereiche (die verbleiben sollen) entfernt werden (z.B. durch Ätzen). Alternativ oder zusätzlich dazu kann zur Strukturierung der Schicht, des Materials oder des Bereichs das Material oder der Materialbereich unter Verwendung einer Maske (wobei die Maske eine Struktur bereitstellt) angeordnet werden. Die Maske kann eine Struktur für die Ausbildung (z.B. das Abscheiden) von Material gemäß der Maskenstruktur bereitstellen.
Im Allgemeinen kann das Entfernen von Material ein Verfahren wie das Ätzen des Materials einschließen. Die Bezeichnung "Ätzen" kann verschiedene Ätzverfahren einschließen, z.B. chemisches Ätzen (einschließlich z.B. Nassätzen oder Trockenätzen), physikalisches Ätzen, Plasmaätzen, Ionenätzen etc. Zum Ätzen einer Schicht, eines Materials oder eines Bereichs kann ein Ätzmittel auf die Schicht, das Material oder den Bereich aufgebracht werden. Das Ätzmittel kann beispielsweise mit der Schicht, dem Material oder dem Bereich reagieren, eine Substanz (oder chemische Verbindung) bilden, die einfach entfernt werden kann, z.B. eine flüchtige Substanz. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Ätzmittel beispielsweise die Schicht, das Material oder den Bereich verdampfen.
Bei der Maske kann es sich um eine temporäre Maske handeln, d.h. sie kann nach dem Ätzen entfernt werden (z.B. kann die Maske aus einem Harz oder einem Metall oder einem anderen Material, wie z.B. einem harten Maskenmaterial wie Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder Kohlenstoff etc. bestehen), oder die Maske ist eine permanente Maske (z.B. ein Maskenschild), die mehrmals verwendet werden kann. Eine temporäre Maske kann z.B. unter Verwendung einer Photomaske ausgebildet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine mikroelektromechanische Vorrichtung als Teil eines Halbleiterchips ausgebildet werden oder kann einen solchen umfassen. Der Halbleiterchip kann beispielsweise die mikroelektromechanische Vorrichtung (die auch als mikroelektromechanische Komponente bezeichnet werden kann) umfassen. Anders ausgedrückt kann die mikroelektromechanische Vorrichtung in einem Halbleiterchip (z.B. als Teil davon) ausgeführt werden, z.B. monolithisch in diesen integriert werden. Der Halbleiterchip (der auch als Chip, Nacktchip oder Mikrochip bezeichnet werden kann) kann mittels Halbleitertechnologien auf einem Wafer oder in einem Wafer (oder z.B. einem Substrat oder Träger) verarbeitet werden. Der Halbleiterchip kann eine oder mehrere mikroelektromechanische Vorrichtungen (MEMS) umfassen, die im Zuge der Halbleitertechnologieverarbeitung oder -fertigung ausgebildet wird/werden. Das Halbleitersubstrat kann Teil des Halbleiterchips sein, z.B. kann das Halbleitersubstrat Teil des Halbleiterkörpers des Chips sein oder diesen bilden. Gegebenenfalls kann die mikroelektromechanische Komponente Teil einer integrierten Schaltung auf dem Chip sein oder mit dieser elektrisch verbunden sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Halbleitersubstrat (z.B. einer mikroelektromechanischen Vorrichtung, z.B. das Halbleitersubstrat eines Halbleiterchips) von einem Wafer durch die Entfernung von Material aus einem gekerbten Bereich des Wafers (auch als Dicen oder Zerschneiden des Wafers bezeichnet) herausgelöst werden. Das Entfernen von Material aus dem gekerbten Bereich des Wafers kann beispielsweise durch Ritzen und Brechen, Spalten, Dicen oder mechanisches Sägen (z.B. unter Verwendung einer Chipsäge) erfolgen. Anders ausgedrückt kann das Halbleitersubstrat durch ein Wafer-Schneideverfahren herausgelöst werden. Nach dem Wafer-Scheideverfahren kann das Halbleitersubstrat (oder die fertige mikroelektromechanische Vorrichtung) mit elektrischen Kontakten versehen und z.B. durch Formmaterialien in einen Chipträger (der auch als Chipgehäuse) verkapselt werden, das dann zur Verwendung in elektronischen Vorrichtungen wie Messgeräten geeignet sein kann. Der Halbleiterchip kann beispielsweise durch Drähte mit einem Chipträger verbunden werden. Außerdem kann der Halbleiterchip (der mit einem Chipträger verbunden sein kann) auf einer bedruckten Leiterplatte befestigt (z.B. aufgelötet) werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Halbleitersubstrat (z.B. einer mikroelektromechanischen Vorrichtung oder das Halbleitersubstrat eines Halbleiterchips) Halbleitermaterialien verschiedener Arten, einschließlich Halbleiter der Gruppe IV (z.B. Silicium oder Germanium), einen Verbindungshalbleiter, z.B. einen Gruppe-III-V-Verbindungshalbleiter (z.B. Galliumarsenid), oder andere Typen, einschließlich Gruppe-III-Halbleiter, Gruppe-V-Halbleiter oder Polymere umfassen oder aus diesen bestehen (d.h. ausgebildet sein). In einer Ausführungsform kann das Halbleitersubstrat aus Silicium (dotiert oder nicht dotiert) bestehen. In einer alternativen Ausführungsform kann das Halbleitersubstrat ein Silicon-on-Insulator-(SOI-)Wafer sein. Als Alternative kann ein beliebiges anderes geeignetes Halbleitermaterial für das Halbleitersubstrat verwendet werden, wie z.B. ein Halbleitermaterial wie Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), oder ein beliebiges geeignetes ternäres Halbleiterverbindungsmaterial wie Indiumgalliumarsenid (InGaAs) oder ein quaternäres Halbleiterverbindungsmaterial wie Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlInGaP).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Halbleitersubstrat (z.B. einer mikroelektromechanischen Vorrichtung oder das Halbleitersubstrat eines Halbleiterchips) mit einer Passivierungsschicht bedeckt sein, um das Halbleitersubstrat vor Umwelteinflüssen wie z.B. Oxidation zu schützen. Die Passivierungsschicht kann ein Metalloxid, ein Oxid des Halbleitersubstrats (das auch als Substrat oder Halbleiterkörper bezeichnet werden kann), wie z.B. Siliciumoxid, ein Nitrid, z.B. Siliciumnitrid, ein Polymer, z.B. Benzocyclobuten (BCB) oder Polyimid (PI), ein Harz, ein Resistmaterial oder ein dielektrisches Material umfassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine elektrisch leitfähiges Material Folgendes umfassen bzw. aus Folgendem ausgebildet sein: einem Metall, einer Metalllegierung, einer intermetallischen Verbindung, einem Silicid (z.B. Titansilicid, Molybdänsilicid, Tantalsilicid oder Wolframsilicid), einem leitfähigen Polymer, einem polykristallinen Halbleiter oder einem hochdotierten Halbleiter, z.B. polykristallinem Silicium (das auch als Polysilicium bezeichnet werden kann), oder einem hochdotierten Silicium. Ein elektrisch leitfähiges Material kann als Material mit mäßiger elektrischer Leitfähigkeit verstanden werden, z.B. mit einer elektrischen Leitfähigkeit (gemessen bei Raumtemperatur und konstanter elektrischer Feldrichtung) von mehr als etwa 10 S/m, z.B. von etwa 10² S/m, oder mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, z.B. mehr als etwa 10⁴ S/m, z.B. mehr als etwa 10⁶ S/m.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Metall ein Element der folgenden Gruppe von Elemente umfassen oder aus diesem ausgebildet sein: Aluminium, Kupfer, Nickel, Magnesium, Chrom, Eisen, Zink, Zinn, Gold, Silber, Iridium, Platin oder Titan. Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Metall eine Metalllegierung, die ein Element oder mehr als ein Element umfasst, umfassen oder aus dieser ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Metalllegierung eine intermetallische Verbindung umfassen, z.B. eine intermetallische Verbindung von Gold und Aluminium, eine intermetallische Verbindung von Kupfer und Aluminium, eine intermetallische Verbindung von Kupfer und Zink (Messing) oder eine intermetallische Verbindung von Kupfer und Zinn (Bronze).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein dielektrisches Material, z.B. ein elektrisch isolierendes Material, als Material mit schlechter elektrischer Leitfähigkeit verstanden werden, z.B. mit einer elektrischen Leitfähigkeit (gemessen bei Raumtemperatur und konstanter elektrischer Feldrichtung) von weniger als etwa 10^–2 S/m, z.B. weniger als etwa 10^–5 S/m oder z.B. weniger als etwa 10^–7 S/m.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein dielektrisches Material ein Halbleiteroxid, ein Metalloxid, ein Keramikmaterial, ein Halbleiternitrid, ein Metallnitrid, ein Halbleitercarbid, ein Metallcarbid, ein Glasmaterial, z.B. Fluorsilicatglas (FSG), ein dielektrisches Polymer, ein Silicat, z.B. Hafniumsilicat oder Zirconiumsilicat, ein Übergangsmetalloxid, z.B. Hafniumdioxid oder Zirconiumidoxid ein Oxynitrid, z.B. Siliciumoxynitrid, oder eine beliebige andere Art von dielektrischem Material umfassen. Ein dielektrisches Material kann einem elektrischen Feld standhalten, ohne zu versagen (anders ausgedrückt ohne dass seine isolierenden Eigenschaften versagen, z.B. ohne dass seine elektrische Leitfähigkeit wesentlich verändert wird).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine mikroelektromechanische Vorrichtung ausgebildet sein, um ein digitales Schalleingangssignal an einer Steuervorrichtung zu empfangen und ein elektrisches Steuersignal für einen Aktuator von der Steuervorrichtung aus bereitzustellen, um über die piezoelektrische Schicht eine mechanische piezoelektrische Kraft auf die Membran auszuüben, um diese zur Erzeugung einer Schallwelle zu bewegen. Im Allgemeinen kann eine mikroelektromechanische Vorrichtung ausgebildet sein, um mechanische Energie in elektrische Energie und/oder elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Anders ausgedrückt kann eine mikroelektromechanische Komponente als Wandler fungieren, der ausgebildet ist, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln oder umgekehrt. Eine mikroelektromechanische Vorrichtung kann eine Größe (z.B. einen Durchmesser oder eine laterale Breite) im Bereich von etwa ein paar Mikrometern (µm) bis etwa ein paar Millimeter (mm) aufweisen, z.B. im Bereich von etwa 10 µm bis etwa 5 mm, z.B. im Bereich von etwa 100 µm bis etwa 2 mm, z.B. etwa 1 mm, z.B. im Bereich von 0,5 mm bis 1,5 mm, oder sie kann alternativ dazu kleiner als etwa 1 mm sein, z.B. kleiner als 500 µm, z.B. kleiner als 100 µm. Eine mikroelektromechanische Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann in der Halbleitertechnologie verarbeitet werden.
Eine mikroelektromechanische Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann als Sensor (z.B. als Mikrosensor) zum Abtasten eines mechanischen Signals und zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das das mechanische Signal darstellt, verwendet werden. Alternativ dazu kann eine mikroelektromechanische Komponente als Aktuator zur Erzeugung eines mechanischen Signals auf Grundlage des elektrischen Signals verwendet werden. Die mikroelektromechanische Vorrichtung kann beispielsweise als Mikrophon oder Lautsprecher verwendet werden.
Die mikroelektromechanische Vorrichtung kann eine Membran umfassen. Die Membran kann ausgebildet sein, um als Antwort auf eine Kraft in Bewegung versetzt zu werden. Die Kraft kann von außerhalb der mikroelektromechanischen Vorrichtung bereitgestellt werden, d.h. es kann sein, dass die Kraft nicht von der mikroelektromechanischen Vorrichtung ausgeht. Bei der Kraft kann es sich um eine mechanische Wechselwirkung handeln, d.h. einen Druckgradienten, z.B. eine mechanische Welle (einschließlich akustische oder Schallwellen), Druck, wie z.B. Manometerdruck. Zusätzlich oder alternativ dazu kann es sich bei der Kraft um eine elektrische Feldwechselwirkung handeln, d.h. eine Coulombsche Kraft oder eine elektrostatische Kraft, oder es kann sich um eine magnetische Feldwechselwirkung handeln, z.B. eine Magnetkraft, wie z.B. eine Lorentz-Kraft etc. Eine elektrisch leitfähige Komponente, z.B. eine Elektrode oder ein Sensor, kann ein elektrisches Signal als Antwort auf die Betätigung der Membran bereitstellen. Das elektrische Signal kann die auf die Membran einwirkende Kraft oder die Betätigung der Membran darstellen (das elektrische Signal verhält sich beispielsweise proportional zu der Kraft).
Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Kraft zur Betätigung der Membran durch die mikroelektromechanische Vorrichtung bereitgestellt werden, d.h. die Kraft kann von einem Element der mikroelektromechanischen Vorrichtung ausgehen. Beispielsweise kann die Kraft durch eine elektrisch leitfähige Komponente bereitgestellt werden, z.B. eine Elektrode, die Teil der mikroelektromechanischen Vorrichtung ist, oder einen Aktuator, der ein piezoelektrisches Element umfasst. Die elektrisch leitfähige Komponente kann eine Kraft zur Betätigung der Membran als Antwort auf ein an die elektrisch leitfähige Komponente übertragenes Signal bereitstellen. Das elektrische Signal kann durch eine elektronische Schaltung übertragen werden, z.B. eine Steuervorrichtung oder einen Prozessor. Die elektrisch leitfähige Komponente kann durch eine elektrische Feldwechselwirkung, eine magnetische Feldwechselwirkung oder eine Kombination von diesen eine Kraft auf die Membran ausüben.
Piezoelektrische Materialien, wie z.B. Aluminiumnitrid, Zinkoxid und Bleizirconattitanat, sind durch die Kopplung eines elektrischen Spannungszustands und einer Polarisation des Materials gekennzeichnet. Ein angelegter Druck bewirkt eine Verformung einer Einheitszelle in der kristallinen Struktur des piezoelektrischen Materials, wodurch es zu einer Ladungsverschiebung kommt, die das Material polarisiert. Dies ist als piezoelektrischer Effekt bekannt. Der umgekehrte piezoelektrische Effekt funktioniert umgekehrt, d.h. die Anlegung eines elektrischen Felds bewirkt eine Verformung der kristallinen Struktur des piezoelektrischen Materials.
1A zeigt eine mikroelektromechanische Vorrichtung 100 mit einer bistabilen Membran 110. Die Membran 110 kann mechanisch mit dem Substrat 102 gekoppelt sein. Die Grafik 100A zeigt die Membran 110 in einer geometrisch stabilen Position 110-1. Aufgrund des Ausbauchungseffekts, z.B. eines definierten, mechanischen Vorbelastens der Membran 110, kann sich die Membran 110 in Position 110-1 in einer stabilen geometrischen Gleichgewichtsposition befinden, d.h. es ist kein Energieeintrag notwendig, um die Membran 110 in der stabilen Position 110-1 zu halten.
Das Substrat 102 der mikroelektromechanischen Vorrichtung 100 kann aus einem Halbleiter, z.B. Silicium, bestehen. Das Silicium kann ein monokristallines Silicium oder ein polykristallines Silicium sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Halbleiter eine Siliciumverbindung sein, z.B. amorphes Siliciumcarbid oder polykristallines Siliciumcarbid.
Die Membran 110 kann auch aus einem Halbleitermaterial bestehen, was eine hohe mechanische Stabilität ermöglicht, z.B. demselben Material wie das Substrat 102 oder einem anderen Material als das Substrat 102. Die Membran 110 kann aus Silicium oder einer Silicumverbindung bestehen, z.B. monokristallinem Silicium, polykristallinem Silicium, Siliciumnitrid, amorphem Siliciumcarbid oder polykristallinem Siliciumcarbid.
1B zeigt die mikroelektromechanische Vorrichtung 100 mit bistabiler Membran 110. Hier kann sich die Membran 110 in einer anderen geometrisch stabilen Position 110-2 (in Bezug auf die geometrisch stabile Position 110-1 in 1A) vorliegen, d.h. Position 110-2 kann eine von zwei stabilen geometrischen Gleichgewichtspositionen der Membran 110 sein. Der Übergang zwischen den beiden stabilen Positionen, z.B. das Bewegen von 110-1 in 110-2, kann durch das Überwinden eines membranspezifischen Belastungswerts der Membran 110 erzielt werden, z.B. einer kritischen Last oder Kraft aufgrund von Geometrie, Material, Aufhängung oder Kopplung etc. oder eine beliebige Kombination von diesen.
2A–2G zeigen verschiedene Aspekte beispielhafter bistabiler Membranen 110. Eine bistabile Membran muss keinen Einschränkungen in Bezug auf spezielle Geometrien unterliegen. Die Membran kann quadratisch, kreuzförmig oder kreisförmig etc. sein. Eine Reihe von Beispielen können die Ausbauchungswirkung in einer mechanisch vorbelasteten Membran 110 hervorrufen. Beispielsweise kann eine zusätzliche Dünnschichttechnik mit definierter Schichtspannung über der Membran 110 ausgebildet werden. Die vorbelastete Schicht kann eine zusätzliche Schicht sein, die über der Membran 110 ausgebildet ist, um diese unter Belastung zu versetzen, oder es kann sich um eine vorbelastete Schicht einer anderen Struktur handeln, die über der Membran 110 ausgebildet ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Membran 110 vorbelastet werden, indem eine gewünschte Zugspannung in der Struktur der Membran 110 durch das umgebende Gehäuse, z.B. ein belastendes Substrat 102, erzeugt wird. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Membran 110 z.B. durch mittels Implantation oder Dotierung über ein strukturelles Dotierungsmittel in die Membran 110 vorbelastet werden, welches einen definierten Druckbelastungsgradienten einbringt.
Wie hierin verwendet, kann ein strukturelles Dotierungsmittel ein Dotierungsmittel sein, dass beabsichtigterweise die physikalischen oder mechanischen Eigenschaften der Membran verändert, im Gegensatz zu einem Dotierungsmittel, das die elektrischen Eigenschaften der Membran verändert, z.B. um die Leitfähigkeit der Membran oder eines Membranbereichs zu steigern. Ein strukturelles Dotierungsmittel, z.B. Kohlenstoff, kann eingebracht werden, um einen vorbelasteten Bereich einer belasteten, geometrisch bistabilen Membran zu bilden, bewirkt aber keine signifikante Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Membran. Es ist jedoch anzumerken, dass ein belasteter Bereich nicht ausschließlich ein strukturelles Dotierungsmittel umfassen muss, d.h. ein belasteter Bereich kann einen Bereich bezeichnen, in dem strukturelle Dotierungsmittel eingebracht wurden, jedoch kann ein leitfähig dotierter Bereich einen belasteten Bereich überlappen, z.B. kann ein Dotierungsmittel, das die Leitfähigkeit eines Membranbereichs steigert, ebenfalls in oder über dem belasteten Bereich abgeschieden werden.
Demnach kann ein Bereich, in dem die Membran 110 für den Ausbauchungseffekt unter Belastung versetzt wird, über eine gesamte Oberfläche der Membran 110 oder einen Teil der Membran 110 bereitgestellt oder definiert werden. Verschiedene Aspekte oder Beispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf 2A–2G erläutert.
Die Membran 110 kann kreisförmig sein, wie in der Draufsicht 200A in 2A zu sehen ist. Der belastete Bereich 112 kann eine gesamte Oberfläche, z.B. eine obere Oberfläche, der Membran 110 abdecken. Die Pfeile 116 zeigen die Belastung an, unter der die Membran 110 steht.
Wie aus 2B hervorgeht, zeigt die Draufsicht 200B die Membran 110 in kreisförmiger Form. Der belastete Bereich 112 kann eine Oberfläche der kreisförmigen Form der Membran 110 teilweise abdecken. Der belastete Bereich 112 kann entlang zumindest einem Durchmesser der Membran 110, z.B. zwei Durchmessern, die im rechten Winkel aufeinander stehen, ausgebildet sein. Demnach kann es sein, dass der Bereich 114 der Membran 110 nicht direkt belastet wird, d.h. der Bereich 114 kann Belastung oder einem Belastungsgradienten ausgesetzt werden, aber es kann beispielsweise sein, dass keine vorbelastete Schicht über dem Bereich 114 aufgebracht wird oder dass kein strukturelles Dotierungsmittel in den Bereich 114 eingebracht wird. Die Pfeile 116 zeigen die Belastung an, unter der die Membran 110 steht.
2C zeigt auch eine Draufsicht 200C der Membran 110 mit kreisförmiger Form. Der belastete Bereich 112 kann jedoch entlang eines Umfangs der kreisförmigen Form ausgebildet sein, d.h. er kann eine Oberfläche der kreisförmigen Form teilweise bedecken, so dass der Bereich 114 nicht direkt belastet werden kann. Der belastete Bereich 112 kann sich über eine im Wesentlichen einheitliche vordefinierte Distanz von dem Umfang der kreisförmigen Form der Membran 110 erstrecken. Die Pfeile 116 zeigen die Belastung an, unter der die Membran 110 steht.
Eine Membran 110 mit elliptischer Form ist in einer Draufsicht 200D in 2D dargestellt. Der belastete Bereich 112 kann eine gesamte Oberfläche der elliptischen Form bedecken. Die Pfeile 116 zeigen die Belastung an, unter der die Membran 110 steht. In einer Alternative zu 2A–2D oben kann die Membran 110 auch eine polygonale Form aufweisen.
Die Draufsicht 200E in 2E zeigt beispielsweise eine Membran 110 in rechteckiger Form. Der belastete Bereich 112 kann eine gesamte Oberfläche der rechteckigen Form bedecken. Die Pfeile 116 zeigen die Belastung an, unter der die Membran 110 steht.
2F zeigt eine quadratische Form der Membran 110 in einer Draufsicht 200F. Wie hier zu sehen ist, kann der belastete Bereich 112 eine gesamte Oberfläche der quadratischen Form der Membran 110 bedecken. Die Pfeile 116 zeigen die Belastung an, unter der die Membran 110 steht.
Eine Oberfläche der quadratischen Form der Membran 110 in der Draufsicht 200G in 2G kann jedoch teilweise durch den belasteten Bereich 112 bedeckt sein. Der Bereich 114 kann nicht direkt belastet sein. Der belastete Bereich 112 kann entlang zwei Halbierenden der quadratischen Form ausgebildet sein, z.B. entlang von Seitenhalbierenden, wie aus 2G hervorgeht, oder z.B. entlang von Winkelhalbierenden. Die Pfeile 116 zeigen die Belastung an, unter der die Membran 110 steht.
3A zeigt eine mikroelektromechanische Vorrichtung 300A. Die mikroelektromechanische Vorrichtung 300A kann Folgendes umfassen: ein Substrat 102; eine mit dem Substrat 102 mechanisch gekoppelte Membran 110; die Membran 110 kann einen belasteten Bereich umfassen, um die Membran in eine von zwei geometrisch stabilen Positionen auszubauchen (aus Gründen der Einfachheit sind die beispielhaften Positionen 110-1 und 110-2 der bistabilen Membran 110 hier nicht dargestellt); einen mit der Membran 110 mechanisch gekoppelten Aktuator 120, der eine piezoelektrische Schicht 124 über der Membran 110 umfasst (der Aktuator 120 kann z.B. eine erste Elektrode 122 und eine zweite Elektrode 126 umfassen, wie hier dargestellt ist); eine Steuervorrichtung 150, die ausgebildet ist, um in Antwort auf ein digitales Schalleingangssignal ein elektrisches Steuersignal bereitzustellen; wobei der Aktuator 120 ausgebildet ist, um das elektrische Steuersignal zu empfangen, um über die piezoelektrische Schicht 124 eine mechanische piezoelektrische Kraft auf die Membran 110 auszuüben, um diese zur Erzeugung einer Schallwelle zu bewegen. Die Steuervorrichtung 150 kann mit dem Aktuator 120 gekoppelt sein.
Die piezoelektrische Schicht 124 des Aktuators 120 kann Zinkoxid (ZnO) umfassen. Die piezoelektrische Schicht 124 kann Bleizirconattitanat (PZT) umfassen, das weniger kompatibel für die Verwendung in CMOS-(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)Prozessen ist, aber ein hohes Aktuatorpotenzial erzeugen kann. Die piezoelektrische Schicht 124 kann Aluminiumnitrid (AlN) umfassen.
Der Aktuator 120 kann eine erste Elektrode 122 umfassen, die mit einer oberen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 124 mechanisch gekoppelt ist. Die erste Elektrode 122 kann ein elektrisch leitfähiges Material umfassen, wie z.B. Metall, wie z.B. Aluminium, Gold und Platin. Der Aktuator 120 kann ferner eine zweite Elektrode 126 umfassen, die mit einer unteren Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 124 über der Membran 110 mechanisch gekoppelt ist. Die zweite Elektrode 126 kann aus typischen Aktuator- oder Donatormaterialien bestehen, um einen elektrisch leitfähigen Bereich zu erzeugen, wie z.B. aus einem metallischen Dünnfilm oder direkt aus einem Halbleitermaterial, z.B. einem dotierten Halbleitermaterial, als zusätzliche Schicht oder als Teil der Membran 110. Die zweite Elektrode 126 kann ein elektrisch leitfähiges Material umfassen. Die zweite Elektrode 126 kann ein Metall umfassen, wie z.B. Aluminium, Gold und Platin. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Membran 110 einen leitfähigen Bereich umfassen, der als zweite Elektrode 126 ausgebildet ist, die mit einer unteren Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 124 gekoppelt ist. Die zweite Elektrode kann ein Halbleitermaterial umfassen, z.B. einen dotierten Halbleiter.
Die mikroelektromechanische Vorrichtung 300 kann ferner einen Sensor 130 umfassen, der mit der Membran gekoppelt ist. Der Sensor 130 kann zusätzlich dazu mit einer Schaltung gekoppelt sein, die ausgebildet ist, um einen analogen Eingang in einen digitalen Ausgang umzuwandeln, z.B. um einen Eingang von dem Sensor 130 zu empfangen und ein dem Eingang entsprechendes Signal bereitzustellen. Die Schaltung kann mit der Steuervorrichtung 150 übereinstimmen oder eine andere Schaltung sein. Der Sensor 130 kann ausgebildet sein, um eine Position der Membran 110 zwischen den beiden geometrisch stabilen Positionen zu bestimmen. Wie aus 3A hervorgeht, kann die piezoelektrische Schicht 124 des Aktuators 120 ferner als Sensor 130 ausgebildet sein, um eine Position der Membran 110 zwischen den beiden geometrisch stabilen Positionen zu ermitteln. Wie aus 3B hervorgeht, kann der Sensor 130 ferner eine piezoelektrische Schicht umfassen, die mit der Membran 110 mechanisch gekoppelt ist. Die weitere piezoelektrische Schicht kann mit einer Oberfläche der Membran 110 gekoppelt sein und ist nicht auf die in 3B dargestellte Anordnung eingeschränkt. Die weitere piezoelektrische Schicht kann AlN umfassen. Die weitere piezoelektrische Schicht kann ZnO umfassen. Die weitere piezoelektrische Schicht kann PZT umfassen. Wie aus 3C hervorgeht, kann der Sensor 130 eine kapazitiv mit der Membran 110 gekoppelte Elektrode umfassen. Die Elektrode kann ein elektrisch leitfähiges Material, wie z.B. Metall, umfassen. Die Elektrode kann zumindest ein Metall ausgewählt aus Aluminium, Gold und Platin umfassen. Die Elektrode in dem Sensor 130 kann Löcher oder Perforierungen aufweisen, um zu ermöglichen, dass ein die Membran 110 umgebendes Medium durch diese hindurchtritt.
Wie oben erläutert, kann die Membran 110 aus Silicium oder anderen Schichtmaterialien bestehen, z.B. Siliciumnitrid (Si_xN_y) oder Siliciumcarbid (SiC). Die Membran 110 kann zumindest eine oder zwei Schichten umfassen. Der Aktuator 120 kann beispielsweise eine erste Elektrode 122 und eine zweite Elektrode 126 umfassen. Der Aktuator 120 kann entlang eines Umfangs der Membran 110 angeordnet sein, z.B. dort auf der Membran 110, wo deren Biegung am stärksten ist. Die Elektroden können beispielsweise eine Dicke zwischen ein paar 100 nm, z.B. zwischen 100 nm und 500 nm, aufweisen. Zwischen den Elektroden kann die piezoelektrische Schicht 124 ausgebildet werden, z.B. aus PZT oder AlN. Die piezoelektrische Schicht 124 kann beispielsweise eine Dicke von 2 µm aufweisen. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung kann sich die piezoelektrische Schicht 124 spannen oder komprimiert werden, so dass die Membran 110 sich aus der geometrisch stabilen Position 110-1 in die geometrisch stabile Position 110-2 bewegt oder umgekehrt.
Demnach kann die mikroelektromechanische Vorrichtung 300 Schall aus digitalem Eingang durch den plötzlichen Wechsel (z.B. einen abrupten oder prompten Wechsel oder Übergang) zwischen den bistabilen Positionen erzeugen, durch den eine hohe Beschleunigung der Membran 110 und somit eine hohe Beschleunigung des die Membran 110 umgebenden Mediums, z.B. eines Fluids wie Luft, hervorgerufen wird. Diese Beschleunigung verhält sich wiederum proportional zu dem erzeugten Schalldruck des jeweiligen Schallimpulses. Die Amplitude dieser Beschleunigung kann jedoch in beiden geometrisch stabilen Positionen der Membran 110 in beiden Richtungen gleich sein.
Dementsprechend kann die Membran 110 über den piezoelektrischen Aktuator 120 zwischen bistabilen Positionen gesteuert werden, z.B. nach Erzeugung einer Schallwelle (oder eines Schallimpulses) wird die Membran 110 aus der Endposition (z.B. Position 110-2) wieder zurück in die Ausgangsposition (z.B. Position 110-1) gesteuert. Aus diesem Grund kann die mikroelektromechanische Vorrichtung 300A, z.B. ein Pixel in einer Anordnung (siehe unten), verwendet werden, um erneut eine weitere Schallwelle zu erzeugen. Dies ist von Vorteil, da die aufgrund des Übergangs der Membran z.B. aus Position 110-1 in Position 110-2 erzeugte Schallwelle dieselbe Amplitude aufweisen kann wie bei einem Übergang aus Position 110-2 in Position 110-1, d.h. wenn die Dynamik des Übergangs in beiden Richtungen ident ist. Demnach haben die entgegengesetzten Schallwellen, die dem Übergang in entgegengesetzte Richtungen entsprechen, entgegengesetzte Vorzeichen, was bei Zusammenführen in deren Auslöschung resultiert. Um effizient Schallwellen zu erzeugen, kann die Membran 110 demnach ihre Position in eine andere Richtung als die andere Richtung zwischen den bistabilen Positionen (z.B. wenn die Membran 110 sich zwischen den bistabilen Positionen bewegt wird) wechseln.
Die Steuervorrichtung 150 kann eine Schaltung sein, die das digitale Schalleingangssignal in das elektrische Steuersignal umwandelt, z.B. ein analoges Steuersignal, das dem digitalen Schalleingangssignal entspricht und dem Aktuator 120 bereitgestellt werden kann. Durch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt kann die piezoelektrische Schicht 124 des Aktuators 120 eine Kraft auf die Membran 110 ausüben, die eine Bewegung der Membran bewirkt, um die Schallwelle gemäß dem digitalen Schalleingangssignal zu erzeugen. Der Aktuator 120 kann somit das elektrische Steuersignal zur Bewegung der Membran aus einer geometrisch stabilen Position in die andere geometrisch stabile Position zur Erzeugung der Schallwelle empfangen.
Der Positionswechsel der Membran 110 kann durch elektrische Mittel aufgrund der mechanischen Verformung der Membran 110 und einer daraus folgenden Impedanzänderung in der gekoppelten piezoelektrischen Schicht 124 überwacht werden, d.h. der Aktuator 120 kann auch als Sensor 130 ausgebildet werden. Der Aktuator 120 kann ferner ausgebildet sein, um ein weiteres elektrisches Signal von der Steuervorrichtung zu empfangen, um die Membran in einer geometrisch instabilen Position zwischen den beiden geometrisch stabilen Positionen zu steuern.
Die Integration eines weiteren piezoelektrischen Elements, z.B. eines Sensors 130 in 3B, oder einer Elektrode für kapazitive Messungen, z.B. eines Sensors 130 in 3C, kann eine exakte Bestimmung der absoluten Position der Membran 110 in dem instabilen Bereich ermöglichen. Der integrierte Sensor 130 kann auch ausgebildet sein, um die Bestimmung der absoluten Position der Membran 110 in einer der beiden geometrisch stabilen Positionen zu überwachen, um zusätzlich die Verschlechterung der Membran 110 oder des Aktuators 120 (z.B. als Selbsttest, z.B. für Abnutzung oder Spannungsrelaxation) zu ermitteln. Außerdem können Polarisationsladungen durch den Übergang zwischen geometrisch stabilen Positionen entladen werden; deren Gesamtausmaß kann die absolute Position der Membran 110 indirekt beeinflussen.
Mit einer geeigneten ersten Elektrode 122, z.B. gemäß Modal Optimization and Filtering in Piezoelectric Microplate Resonators von J.L. Sanchez-Rojas, J. Hernando, A Donoso, J.C. Bellido, T. Manzaneque, A. Ababneh, H. Seidel und U. Schmid, in Journal of Micromechancis and Microengineering, Band 20, S. 055027 (7 ff) (2010), das in seiner Gesamtheit durch Verweis hierin aufgenommen ist, kann ein gewünschter Positionsübergang der vorbelasteten Membran 110 verstärkt werden, und dadurch kann auch das Potential des Dünnfilmaktuators 120 und des Sensors 130 verstärkt werden.
4A und 4B zeigen die Darstellungen 400A und 400B der Membran 110, des belasteten Bereichs 112 und des Aktuators 120. Zur Vorbelastung der Membran 110 kann, wie oben in einem Aspekt der Offenbarung erläutert, eine zusätzliche belastete Schicht auf die Membran 110 aufgebracht werden, z.B. kann ein Dünnfilm den belasteten Bereich 112 bilden. Die Schicht kann Wolfram (W) umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine der Schichten des Aktuators 120 mittels Kompression belastet werden, um den belasteten Bereich 112 der Membran 110 zu liefern. Dadurch kann man sich eine zusätzliche Schicht ersparen.
5A–5E zeigen verschiedene Aspekte einer bistabilen Membran 110 mit einem Aktuator 120, d.h. verschiedene Aspekte der Bereitstellung des belasteten Bereichs 112 auf der Membran 110 im Querschnitt. Der Aktuator 120 kann eine erste Elektrode 126, eine piezoelektrische Schicht 124 (z.B. eine Dünnschicht) und eine zweite Elektrode 126 umfassen. Die zweite Elektrode 126 kann aus einem metallischen Dünnfilm bestehen sowie aus einem dotierten Bereich, z.B. einem hochdotierten Bereich, der Membran 110 (einem Halbeitermaterial). Die einzelnen Komponenten können die Membran 110, ein belasteter Dünnfilm und der Aktuator 120 sein. Diese können unterschiedlich angeordnet werden und eine Schicht kann jeweils für mehrere Aufgaben ausgebildet sein. Die zweite Elektrode 126 kann beispielsweise komprimiert werden und auch Teil des Aktuators 120 sein, d.h. zusätzlich zu ihrer Rolle als belastete Schicht. Kompressionsbelastungsgradienten können auch in der Membran 110 mittels Implantation (z.B. eines strukturellen Dotierungsmittels wie Kohlenstoff) ausgebildet werden, und dieser Bereich der Membran 110 kann gleichzeitig durch zusätzliche Dotierung nahe der Oberfläche als zweite Elektrode 126 genutzt werden.
Die Membran 110 kann ferner eine vorbelastete Schicht umfassen, die mechanisch mit einer Oberfläche der Membran 110 gekoppelt ist, um den belasteten Bereich bereitzustellen. Der Aktuator 120 kann eine vorbelastete Schicht umfassen, die mechanisch über einer Oberfläche der Membran 110 gekoppelt ist, um den belasteten Bereich zu liefern. Die vorbelastete Schicht des Aktuators 120 kann zumindest ein Element ausgewählt aus einer mechanisch an eine obere Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 124 gekoppelten ersten Elektrode 122, der piezoelektrischen Schicht 124 und einer mechanisch mit einer unteren Oberfläche der piezoelektrischen Schicht über der Membran 110 gekoppelten zweiten Elektrode sein.
5A kann eine Membran 110 mit einer zusätzlichen Schicht zur Bereitstellung des belasteten Bereichs 112 umfassen. Die Pfeile 116 zeigen das vorbelastete Element an. Der Aktuator 120 kann die erste Elektrode 122, die piezoelektrische Schicht 124 und die zweite Elektrode 126 umfassen.
Der Aktuator 120 in 5B kann die erste Elektrode 122, die piezoelektrische Schicht 124 und die zweite Elektrode 126 umfassen. Die zweite Elektrode 126 kann vorbelastet werden, um der Membran 110 einen belasteten Bereich zu verleihen. Die Pfeile 116 zeigen das vorbelastete Element an.
In 5C kann die piezoelektrische Schicht 124 des Aktuators 120 vorbelastet sein. Die Pfeile 116 zeigen das vorbelastete Element an. Demnach kann der belastete Bereich der Membran 110 durch die piezoelektrische Schicht 124 bereitgestellt werden.
Die Membran 110 kann in 5D strukturelle Dotierungsmittel umfassen, um den belasteten Bereich bereitzustellen. Die Pfeile 116 zeigen das vorbelastete Element an. Keines der Elemente in dem Aktuator 120 kann vorbelastet werden.
In 5E kann die Membran 110 wiederum strukturelle Dotierungsmittel umfassen, um den belasteten Bereich bereitzustellen. Zusätzlich dazu kann die zweite Elektrode 126 in einem Bereich der Membran 110 ausgebildet werden, z.B. in einem dotierten Bereich (zur Steigerung der Leitfähigkeit). Demnach kann der Aktuator 120 die erste Elektrode 122 über der piezoelektrischen Schicht 124 umfassen, die über der Membran 110 vorliegt, während die zweite Elektrode 126 des Aktuators 120 in der Membran 110 vorliegt.
6 zeigt eine Anordnung 600 von mikroelektromechanischen Vorrichtungen. Auf Grundlage der hochpräzisen Bearbeitung im Bereich von Siliciummikrotechnologien können viele mikroelektromechanische Vorrichtungen, wie sie oben beschrieben sind, kompakt in einer Anordnung angeordnet werden, so dass ein ausreichend hohes Volumen und eine ausreichend hohe Auflösung zur Schallerzeugung umgesetzt werden können. Die Anordnung kann digital Bit-weise (als Pixel) oder in Bit-Gruppen, z.B. einzeln oder in Gruppen, gesteuert werden. Die digitale Steuerung kann typischerweise eine deutlich über dem hörbaren Bereich liegende Abtastfrequenz aufweisen, z.B. 80 kHz. Zur digitalen Rekonstruktion des Schalleingangs werden positive Schallimpulse in einer Richtung erzeugt, d.h. in einer Richtung des Übergangs aus einer der zwei geometrisch stabilen Positionen der Membran 110, und ein negativer Schallimpuls wird durch einen Schallimpuls in die entgegengesetzte Richtung erzeugt. Demnach kann durch die geschickte Zuordnung eines Pixels oder einer Bit-Gruppe einer Anordnung die tatsächliche Position (der jeweiligen Membranen) in Bezug auf den jeweiligen Zyklus der erzeugten Schallwelle (z.B. aggregierte Schallwellen) zurückgesetzt werden, d.h. die entsprechenden Membranen können gesteuert werden, um in eine Ausgangsposition zurückzukehren, um die Erzeugung der aggregierten Schallwelle nicht wesentlichen zu beeinflussen.
Die Anordnung 600 mikroelektromechanischer Vorrichtungen (z.B. von mikroelektromechanischen Vorrichtungen 300A, s.o.) kann Folgendes umfassen: ein Substrat 102; eine Vielzahl mikroelektromechanischer Vorrichtungen (z.B. mikroelektromechanische Vorrichtungen 300-1 und 300-2), die auf dem Substrat 102 angeordnet sind, wobei jede der Vielzahl mikroelektromechanischer Vorrichtungen Folgendes umfassen kann: eine Membran (z.B. die Membranen 110A und 110B), die mechanisch mit dem Substrat 102 gekoppelt sind, wobei die Membran einen belasteten Bereich umfasst, um die Membran in eine von zwei geometrisch stabilen Positionen auszubauchen; einen Aktuator (z.B. die Aktuatoren 120A und 120B), der mechanisch mit der Membran gekoppelt ist; wobei der Aktuator eine piezoelektrische Schicht (z.B. die piezoelektrischen Schichten 124A und 124B) über der Membran umfasst; eine Steuervorrichtung (hier nicht dargestellt), die ausgebildet ist, um ein elektrisches Steuersignal als Antwort auf ein digitales Schalleingangssignal bereitzustellen; wobei der Aktuator ausgebildet ist, um das elektrische Steuersignal zu empfangen, um über die piezoelektrische Schicht eine mechanische piezoelektrische Kraft auf die Membran auszuüben, um die Membran zur Erzeugung einer Schallwelle zu bewegen; und eine Array-Steuervorrichtung 160, die mit der Vielzahl mikroelektromechanischer Vorrichtungen gekoppelt und ausgebildet ist, um die entsprechenden mikroelektromechanischen Vorrichtungen mit elektrischen Steuersignalen gemäß dem digitalen Schalleingangssignal zu steuern, um eine aggregierte Schallwelle zu erzeugen.
Wenngleich die Anordnung 600 in 6 mit zwei mikroelektromechanischen Vorrichtungen 300-1 und 300-2 dargestellt ist, kann eine beliebige Anzahl einzelner mikroelektromechanischer Vorrichtungen die Anordnung 600 bilden, z.B. eine zweidimensionale Anordnung (m, n), wobei m im Bereich von 1 bis 65.536 und n im Bereich von 1 bis 65.536 liegt, wobei, wenn m oder n = 1 ist, m nicht gleich n ist.
Die Vielzahl mikroelektromechanischer Vorrichtungen kann eine Vielzahl von Gruppen entsprechender mikroelektromechanischer Vorrichtungen umfassen, z.B. Bit-Gruppen, und die Array-Steuervorrichtung 160 kann ferner ausgebildet sein, um die entsprechenden Gruppen von mikroelektromechanischen Vorrichtungen mit elektrischen Steuersignalen gemäß dem digitalen Schalleingangssignal zur Erzeugung der aggregierten Schallwelle zu steuern.
Jede der mikroelektromechanischen Vorrichtungen der Anordnung 600 kann mit den oben beschriebenen mikroelektromechanischen Vorrichtungen, z.B. 300A–300C, übereinstimmen oder diesen ähnlich sein und wird deshalb hier nicht erneut ausführlich beschrieben.
7 zeigt ein Verfahren 700 zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung, z.B. einer mikroelektromechanischen Vorrichtung 300A. Das Verfahren kann Folgendes umfassen: das Bereitstellen eines Substrats; das Ausbilden einer Membran über dem Substrat, wobei die Membran einen belasteten Bereich umfasst, um die Membran in eine von zwei geometrisch stabilen Positionen auszubauchen; das Ausbilden eines Aktuators über der Membran, wobei der Aktuator eine piezoelektrische Schicht über der Membran umfasst; das Koppeln einer Steuervorrichtung mit dem Aktuator, welche ausgebildet ist, um eine elektrisches Steuersignal als Antwort auf ein digitales Schalleingangssignal bereitzustellen; wobei der Aktuator ausgebildet ist, um das elektrische Steuersignal zu empfangen, um über die piezoelektrische Schicht eine mechanische piezoelektrische Kraft auf die Membran auszuüben, um diese zur Erzeugung einer Schallwelle zu bewegen.
Das Substrat aus dem Verfahren 700 kann ein Halbleitermaterial wie Silicium umfassen. Das Silicium kann ein monokristallines Silicium oder ein polykristallines Silicium sein. Zusätzlich oder alternativ dazu, kann das Halbleitermaterial eine Siliciumverbindung sein, wie z.B. ein amorphes Siliciumcarbid oder ein polykristallines Siliciumcarbid.
Auf ähnliche Weise kann die Membran in Halbleitermaterial umfassen. Bei dem Halbleiter kann es sich um Silicium oder eine Siliciumverbindung handeln, z.B. monokristallines Silicium, polykristallines Silicium, amorphes monokristallines Silicium oder polykristallines Siliciumcarbid.
In dem Verfahren 700 kann die Membran so ausgebildet sein, dass sie kreisförmig ist. Der belastete Bereich kann eine gesamte Oberfläche der kreisförmigen Form oder diese nur teilweise abdecken. Der belastete Bereich kann beispielsweise entlang zwei Durchmessern der kreisförmigen Form ausgebildet sein. Die Durchmesser können im rechten Winkel aufeinander stehen. Der belastete Bereich kann entlang eines Umfangs der kreisförmigen Form ausgebildet sein. Der belastete Bereich kann sich somit beispielsweise im Wesentlichen einheitlich über einen vorbestimmten Abstand von dem Umfang erstrecken.
Die Membran kann eine elliptische Forma aufweisen, und der belastete Bereich kann eine gesamte Oberfläche der kreisförmigen Form bedecken.
In einem weiteren Aspekt der Offenbarung kann die Membran eine polygonale Form aufweisen, wie z.B. eine rechteckige oder quadratische Form. Der belastete Bereich kann eine gesamte Oberfläche der rechteckigen oder quadratischen Form bedecken. Alternativ dazu kann der belastete Bereich eine Oberfläche der quadratischen Form teilweise bedecken. Der belastete Bereich kann entlang zweier Halbierenden (z.B. Seiten- oder Winkelhalbierenden) der quadratischen Form ausgebildet sein.
Die piezoelektrische Schicht des Aktuators kann Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO) oder Bleizirconattitanat (PZT) umfassen. Bei der Steuervorrichtung kann es sich um eine Schaltung handeln.
Das Ausbilden der Membran, die den belasteten Bereich umfasst, in Verfahren 700 kann ferner das Dotieren des belasteten Bereichs mit einem strukturellen Dotierungsmittel, wie z.B. Kohlenstoff, umfassen.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Ausbilden der Membran, die den belasteten Bereich umfasst, das Ausbilden einer vorbelasteten Schicht über der Membran umfassen, um den belasteten Bereich bereitzustellen. Die vorbelastete Schicht kann Wolfram (W) umfassen.
Das Ausbilden des Aktuators über der Membran kann das Ausbilden einer vorgespanten Schicht des Aktuators über einer Oberfläche der Membran zur Bereitstellung des belasteten Bereichs umfassen. Die vorbelastete Schicht des Aktuators kann zumindest ein Element aus einer ersten Elektrode, die mechanisch mit einer oberen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht gekoppelt ist, der piezoelektrischen Schicht und einer zweiten Elektrode, die mechanisch an eine untere Oberfläche der piezoelektrischen Schicht über der Membran gekoppelt ist, umfassen.
In Verfahren 700 kann das Ausbilden des Aktuators über der Membran das Ausbilden einer zweiten Elektrode über der Membran umfassen. Die zweite Elektrode kann ein elektrisch leitfähiges Material, wie z.B. Metall, umfassen. Das Metall kann Aluminium, Gold oder Platin sein oder diese umfassen. Das Ausbilden des Aktuators über der Membran kann ferner das Ausbilden der piezoelektrischen Schicht über der Membran umfassen. Die piezoelektrische Schicht kann Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO) oder Bleizirconattitanat (PZT) umfassen. Das Ausbilden des Aktuators über der Membran kann ferner das Ausbilden einer ersten Elektrode über der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht umfassen. Die erste Elektrode kann ein elektrisch leitfähiges Material umfassen. Das elektrisch leitfähige Material kann ein Metall sein, z.B. zumindest eines von Aluminium, Gold und Platin.
Das Verfahren 700 kann das Koppeln eines Sensors mit der Membran umfassen, welcher ausgebildet ist, um eine Position der Membran zwischen den beiden geometrisch stabilen Positionen zu bestimmen. Das Koppeln des Sensors mit der Membran kann ferner das Ausbilden einer piezoelektrischen Schicht über der Membran umfassen. Die weitere piezoelektrische Schicht kann Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO) oder Bleizirconattitanat (PZT) umfassen. Das Koppeln des Sensors mit der Membran kann ferner das Ausbilden einer Elektrode umfassen, welche ausgebildet ist, um eine kapazitive Kopplung zu der Membran herzustellen. Die Elektrode kann ein elektrisch leitfähiges Material, wie z.B. Metall, umfassen, bei dem es sich um zumindest eines von Aluminium, Gold und Platin handeln kann.
8A–8D zeigen Aspekte von Verfahren 700. 8A zeigt die Bereitstellung eines Substrats 102. 8B zeigt die Ausbildung einer Membran 110 über dem Substrat 102, wobei die Membran 110 einen belasteten Bereich umfasst, um die Membran 110 in eine von zwei geometrisch stabilen Positionen, z.B. Position 110-1 und 110-2, auszubauchen. 8C zeigt das Ausbilden eines Aktuators 120 (der auch ein Sensor 130 sein kann) über der Membran 110, wobei der Aktuator 120 eine piezoelektrische Schicht 124 (und z.B. die erste Elektrode 122 und die zweite Elektrode 126) über der Membran 110 umfasst. In 8D kann ein Teil des Substrats 102 entfernt werden, um die Membran 110 freizusetzen und eine mikroelektromechanische Vorrichtung 300 zu bilden. Hier nicht dargestellt ist das Koppeln einer Steuervorrichtung mit dem Aktuator 120, welche ausgebildet ist, um ein elektrisches Steuersignal als Antwort auf ein digitales Schalleingangssignal bereitzustellen, wobei der Aktuator 120 ausgebildet ist, um das elektrische Steuersignal zu empfangen, um über die piezoelektrische Schicht 124 eine mechanische piezoelektrische Kraft auf die Membran 110 auszuüben, um die Membran 110 zur Erzeugung einer Schallwelle zu bewegen.
9 kann ein Verfahren 900 zum Betrieb einer mikroelektromechanischen Vorrichtung zeigen, welche Folgendes umfasst: ein Substrat, eine mechanisch mit dem Substrat gekoppelte Membran, die einen belasteten Bereich umfasst, um die Membran in eine von zwei geometrisch stabilen Positionen auszubauchen; einen mechanisch mit der Membran gekoppelten Aktuator, der eine piezoelektrische Schicht über der Membran umfasst; und eine Steuervorrichtung, die mit dem Aktuator gekoppelt ist, wobei das Verfahren 900 Folgendes umfasst: das Empfangen eines digitalen Schalleingangs an der Steuervorrichtung und das Bereitstellen eines elektrischen Steuersignals für den Aktuator von der Steuervorrichtung zur Ausübung einer mechanischen piezoelektrischen Kraft über die piezoelektrische Schicht auf die Membran, um diese zur Erzeugung einer Schallwelle zu bewegen.
Die mikroelektromechanische Vorrichtung kann ferner einen mit der Membran gekoppelten Sensor umfassen, und das Verfahren 900 kann ferner das Bestimmen einer Position der Membran zwischen den beiden geometrisch stabilen Positionen über den Sensor umfassen. Das Verfahren 900 kann ferner Folgendes umfassen: das Bestimmen einer ersten Position der Membran über den Sensor in einer der beiden geometrisch stabilen Positionen und das Ermitteln einer zweiten Position über den Sensor in der anderen der beiden geometrisch stabilen Positionen. Die mikroelektromechanische Vorrichtung kann ferner einen mit dem Sensor gekoppelten Speicher umfassen, und das Verfahren 900 kann ferner Folgendes umfassen: das Vergleichen der ersten Position und der zweiten Position, die über den Sensor ermittelt wurden, mit einer zuvor gespeicherten ersten und zweiten Position in dem Speicher, um die mikroelektromechanische Vorrichtung zu kalibrieren oder die Membran in Bezug auf Belastungsrelaxation zu testen.
Die mechanische piezoelektrische Kraft kann eine kritische Kraft sein, die eine Gleichgewichtskraft überwindet, die die Membran in einer der beiden geometrisch stabilen Positionen halt, z.B. zur Erzeugung einer Schallwelle; eine Mindestenergie kann aufgewendet werden, um die Membran zu bewegen, z.B. zu versetzen, um die Schallwelle zu erzeugen.
Das Verfahren 900 kann ferner das Steuern des Aktuators zur Ausübung einer Gegenkraft gegen eine Bewegung der Membran umfassen. Die Gegenkraft kann die Bewegung der Membran verlangsamen oder eine Position der Membran in einem instabilen Bereich zwischen den beiden geometrisch stabilen Positionen halten.
In einem Aspekt der Offenbarung kann Beispiel 1 eine mikroelektromechanische Vorrichtung sein, die Folgendes umfasst: ein Substrat; eine mechanisch mit dem Substrat gekoppelte Membran, wobei die Membran einen belasteten Bereich umfasst, um die Membran in eine von zwei geometrisch stabilen Positionen auszubauchen; einen mechanisch mit der Membran gekoppelten Aktuator, der eine piezoelektrische Schicht über der Membran umfasst; eine Steuervorrichtung, die ausgebildet ist, um ein elektrisches Steuersignal als Antwort auf ein digitales Schalleingangssignal bereitzustellen, wobei der Aktuator ausgebildet ist, um das elektrische Steuersignal zu empfangen, um über die piezoelektrische Schicht eine mechanische piezoelektrische Kraft auf die Membran auszuüben, um diese zur Erzeugung einer Schallwelle zu bewegen.
Beispiel 2 kann Beispiel 1 umfassen, wobei das Substrat einen Halbleiter umfasst.
Beispiel 3 kann Beispiel 2 umfassen, wobei der Halbleiter Silicium umfasst.
Beispiel 4 kann Beispiel 3 umfassen, wobei das Silicium monokristallines Silicium ist.
Beispiel 5 kann Beispiel 3 umfassen, wobei das Silicium polykristallines Silicium ist.
Beispiel 6 kann Beispiel 3 umfassen, wobei das Silicium amorphes Siliciumcarbid ist.
Beispiel 7 kann Beispiel 3 umfassen, wobei das Silicium polykristallines Siliciumcarbid ist.
Beispiel 8 kann eines der Beispiele 1–7 umfassen, wobei die Membran einen Halbleiter umfasst.
Beispiel 9 kann Beispiel 8 umfassen, wobei der Halbleiter Silicium umfasst.
Beispiel 10 kann Beispiel 8 umfassen, wobei das Silicium monokristallines Silicium ist.
Beispiel 11 kann Beispiel 8 umfassen, wobei das Silicium polykristallines Silicium ist.
Beispiel 12 kann Beispiel 8 umfassen, wobei das Silicium amorphes Siliciumcarbid ist.
Beispiel 13 kann Beispiel 8 umfassen, wobei das Silicium polykristallines Siliciumcarbid ist.
Beispiel 14 kann eines der Beispiele 1–13 umfassen, wobei die Membran eine kreisförmige Form aufweist.
Beispiel 15 kann Beispiel 14 umfassen, wobei der belastete Bereich eine gesamte Oberfläche der kreisförmigen Form bedeckt.
Beispiel 16 kann Beispiel 14 umfassen, wobei der belastete Bereich eine Oberfläche der kreisförmigen Form teilweise abdeckt.
Beispiel 17 kann Beispiel 16 umfassen, wobei der belastete Bereich entlang zweier Durchmesser der kreisförmigen Form ausgebildet ist.
Beispiel 18 kann Beispiel 17 umfassen, wobei die Durchmesser lotrecht sind.
Beispiel 19 kann Beispiel 16 umfassen, wobei der belastete Bereich entlang eines Umfangs der kreisförmigen Form ausgebildet ist.
Beispiel 20 kann Beispiel 19 umfassen, wobei sich der belastete Bereich entlang des Umfangs der kreisförmigen Form über einen im Wesentlichen einheitlichen vorbestimmten Abstand von dem Umfang erstreckt.
Beispiel 21 kann eines der Beispiele 1–13 umfassen, wobei die Membran eine elliptische Form aufweist.
Beispiel 22 kann Beispiel 21 umfassen, wobei der belastete Bereich eine gesamte Oberfläche der elliptischen Form bedeckt.
Beispiel 23 kann eines der Beispiele 1–13 umfassen, wobei die Membran eine polygonale Form aufweist.
Beispiel 24 kann Beispiel 23 umfassen, wobei die Membran eine rechteckige Form aufweist.
Beispiel 25 kann Beispiel 24 umfassen, wobei der belastete Bereich eine gesamte Oberfläche der rechteckigen Form bedeckt.
Beispiel 26 kann Beispiel 24 umfassen, wobei die rechteckige Form eine viereckige Form ist.
Beispiel 27 kann Beispiel 26 umfassen, wobei der belastete Bereich eine gesamte Oberfläche der viereckigen Form bedeckt.
Beispiel 28 kann Beispiel 26 umfassen, wobei der belastete Bereich eine Oberfläche der viereckigen Form teilweise bedeckt.
Beispiel 29 kann Beispiel 28 umfassen, wobei der belastete Bereich entlang zweier Halbierenden der viereckigen Form ausgebildet ist.
Beispiel 30 kann eines der Beispiele 1–29 umfassen, wobei die piezoelektrische Schicht Aluminiumnitrid umfasst.
Beispiel 31 kann eines der Beispiele 1–29 umfassen, wobei die piezoelektrische Schicht Zinkoxid umfasst.
Beispiel 32 kann eines der Beispiele 1–29 umfassen, wobei die piezoelektrische Schicht Blei-Zirkonat-Titanat umfasst.
Beispiel 33 kann eines der Beispiele 1–32 umfassen, wobei die Steuereinheit eine Schaltung ist.
Beispiel 34 kann eines der Beispiele 1–33 umfassen, wobei der Aktuator ferner ausgebildet ist, ein weiteres elektrisches Steuersignal von der Steuereinheit zu empfangen, um die Membran in eine geometrisch instabile Position zwischen den zwei geometrisch stabilen Positionen zu steuern.
Beispiel 35 kann eines der Beispiele 1–34 umfassen, wobei der Aktuator ferner ausgebildet ist, das elektrische Steuersignal zu empfangen, um die Membran von einer geometrisch stabilen Position in die andere geometrisch stabile Position zu bewegen, um die Schallwelle zu erzeugen.
Beispiel 36 kann eines der Beispiele 1–35 umfassen, wobei ferner Folgendes umfasst ist: ein Sensor, der mit der Membran gekoppelt ist, der ausgebildet ist, eine Position der Membran zwischen den zwei geometrisch stabilen Positionen zu ermitteln.
Beispiel 37 kann Beispiel 36 umfassen, wobei der Sensor eine weitere piezoelektrische Schicht umfasst, die mechanisch mit der Membran gekoppelt ist.
Beispiel 38 kann Beispiel 37 umfassen, wobei die weitere piezoelektrische Schicht Aluminiumnitrid umfasst.
Beispiel 39 kann Beispiel 37 umfassen, wobei die weitere piezoelektrische Schicht Zinkoxid umfasst.
Beispiel 40 kann Beispiel 37 umfassen, wobei die weitere piezoelektrische Schicht Blei-Zirkonat-Titanat umfasst.
Beispiel 41 kann Beispiel 36 umfassen, wobei der Sensor eine Elektrode umfasst, die kapazitiv mit der Membran gekoppelt ist.
Beispiel 42 kann Beispiel 41 umfassen, wobei die Elektrode ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
Beispiel 43 kann Beispiel 42 umfassen, wobei das elektrisch leitfähige Material ein Metall ist.
Beispiel 44 kann Beispiel 43 umfassen, wobei das Metall zumindest eines aus der Gruppe der Folgenden umfasst: Aluminium, Gold und Platin.
Beispiel 45 kann eines der Beispiele 1–35 umfassen, wobei die piezoelektrische Schicht des Aktuators ferner als ein Sensor ausgebildet ist, um eine Position der Membran zwischen den zwei geometrisch stabilen Positionen zu ermitteln.
Beispiel 46 kann eines der Beispiele 1–45 umfassen, wobei der Aktuator ferner eine erste Elektrode umfasst, die mechanisch mit einer obersten Oberfläche der piezoelektrischen Schicht gekoppelt ist.
Beispiel 47 kann Beispiel 46 umfassen, wobei die erste Elektrode ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
Beispiel 48 kann Beispiel 47 umfassen, wobei das elektrisch leitfähige Material ein Metall ist.
Beispiel 49 kann Beispiel 48 umfassen, wobei das Metall zumindest eines aus der Gruppe der Folgenden umfasst: Aluminium, Gold und Platin.
Beispiel 50 kann Beispiel 46 umfassen, wobei der Aktuator ferner eine zweite Elektrode umfasst, die mechanisch mit einer Unterseite der piezoelektrischen Schicht über der Membran gekoppelt ist.
Beispiel 51 kann Beispiel 50 umfassen, wobei die zweite Elektrode ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
Beispiel 52 kann Beispiel 51 umfassen, wobei das elektrisch leitfähige Material ein Metall ist.
Beispiel 53 kann Beispiel 52 umfassen, wobei das Metall zumindest eines aus der Gruppe der Folgenden umfasst: Aluminium, Gold und Platin.
Beispiel 54 kann Beispiel 46 umfassen, wobei die Membran ferner einen leitfähigen Bereich umfasst, der als eine zweite Elektrode ausgebildet ist, die mechanisch mit einer Unterseite der piezoelektrischen Schicht gekoppelt ist.
Beispiel 55 kann Beispiel 54 umfassen, wobei die zweite Elektrode einen Halbleiter umfasst.
Beispiel 56 kann Beispiel 55 umfassen, wobei der Halbleiter ein dotierter Halbleiter ist.
Beispiel 57 kann eines der Beispiele 1–56 umfassen, wobei der belastete Bereich der Membran ein strukturelles Dotiermaterial umfasst.
Beispiel 58 kann Beispiel 57 umfassen, wobei das strukturelle Dotiermaterial Kohlenstoff ist.
Beispiel 59 kann eines der Beispiele 1–56 umfassen, wobei die Membran ferner eine vorbelastete Schicht umfasst, die mechanisch mit einer Oberfläche der Membran gekoppelt ist, um den belasteten Bereich zu erzeugen.
Beispiel 60 kann Beispiel 59 umfassen, wobei die vorbelastete Schicht Wolfram umfasst.
Beispiel 61 kann eines der Beispiele 1–56 umfassen, wobei der Aktuator eine vorbelastete Schicht umfasst, die über einer Oberfläche der Membran mechanisch gekoppelt ist, um den belasteten Bereich zu erzeugen.
Beispiel 62 kann Beispiel 61 umfassen, wobei die vorbelastete Schicht des Aktuators zumindest eine aus der aus folgenden Schichten bestehenden Gruppe ist: eine erste Elektrode, die mit einer oberen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht mechanisch gekoppelt ist, die piezoelektrische Schicht und eine zweite Elektrode, die mit einer unteren Oberfläche der piezoelektrischen Schicht über der Membran mechanisch gekoppelt ist.
In einem Aspekt der Offenbarung kann Beispiel 63 eine Anordnung mikroelektronischer Vorrichtungen sein, die Folgendes umfasst: ein Substrat; eine Vielzahl mikroelektromechanischer Vorrichtungen, die auf dem Substrat angeordnet sind, wobei jede aus der Vielzahl mikroelektromechanischer Vorrichtungen Folgendes umfasst: eine Membran, die mechanisch mit dem Substrat gekoppelt ist, wobei die Membran einen belasteten Bereich umfasst, um die Membran in eine von zwei geometrisch stabilen Positionen auszubauchen; einen Aktuator, der mechanisch mit der Membran gekoppelt ist, wobei der Aktuator eine piezoelektrische Schicht über der Membran umfasst; und eine Steuervorrichtung, die ausgebildet ist, um ein elektrisches Steuersignal als Antwort auf ein digitales Schalleingangssignal bereitzustellen; wobei der Aktuator ausgebildet ist, um das elektrische Steuersignal zu empfangen, um über die piezoelektrische Schicht eine mechanische piezoelektrische Kraft auf die Membran auszuüben, um die Membran zu bewegen, um eine Schallwelle zu erzeugen; und eine Anordnungssteuervorrichtung, die mit der Vielzahl mikroelektromechanischer Vorrichtungen gekoppelt ist und ausgebildet ist, um die jeweiligen mikroelektromechanischen Vorrichtungen mit elektrischen Steuersignalen gemäß dem digitalen Schalleingangssignal zu steuern, um eine aggregierte Schallwelle zu erzeugen.
Beispiel 64 kann Beispiel 63 umfassen, wobei das Substrat einen Halbleiter umfasst. Beispiel 65 kann Beispiel 64 umfassen, wobei der Halbleiter Silicium umfasst. Beispiel 66 kann Beispiel 65 umfassen, wobei das Silicium monokristallines Silicium ist.
Beispiel 67 kann Beispiel 65 umfassen, wobei das Silicium polykristallines Silicium ist.
Beispiel 68 kann Beispiel 65 umfassen, wobei das Silicium amorphes Siliciumcarbid ist.
Beispiel 69 kann Beispiel 65 umfassen, wobei das Silicium polykristallines Siliciumcarbid ist.
Beispiel 70 kann eines der Beispiele 63–69 umfassen, wobei die Membran einen Halbleiter umfasst.
Beispiel 71 kann Beispiel 70 umfassen, wobei der Halbleiter Silicium umfasst.
Beispiel 72 kann Beispiel 71 umfassen, wobei das Silicium monokristallines Silicium ist.
Beispiel 73 kann Beispiel 71 umfassen, wobei das Silicium polykristallines Silicium ist.
Beispiel 74 kann Beispiel 71 umfassen, wobei das Silicium amorphes Siliciumcarbid ist.
Beispiel 75 kann Beispiel 71 umfassen, wobei das Silicium polykristallines Siliciumcarbid ist.
Beispiel 76 kann eines der Beispiele 63–75 umfassen, wobei die Membran eine kreisförmige Form aufweist.
Beispiel 77 kann Beispiel 76 umfassen, wobei der belastete Bereich eine gesamte Oberfläche der kreisförmigen Form bedeckt.
Beispiel 78 kann Beispiel 76 umfassen, wobei der belastete Bereich eine Oberfläche der kreisförmigen Form teilweise bedeckt.
Beispiel 79 kann Beispiel 78 umfassen, wobei der belastete Bereich entlang zweier Durchmesser der kreisförmigen Form ausgebildet ist.
Beispiel 80 kann Beispiel 79 umfassen, wobei die Durchmesser lotrecht sind.
Beispiel 81 kann Beispiel 78 umfassen, wobei der belastete Bereich entlang eines Umfangs der kreisförmigen Form ausgebildet ist.
Beispiel 82 kann Beispiel 81 umfassen, wobei sich der belastete Bereich entlang des Umfangs der kreisförmigen Form über einen im Wesentlichen einheitlichen vorbestimmten Abstand von dem Umfang erstreckt.
Beispiel 83 kann eines der Beispiele 63–75 umfassen, wobei die Membran eine elliptische Form aufweist.
Beispiel 84 kann Beispiel 83 umfassen, wobei der belastete Bereich eine gesamte Oberfläche der elliptischen Form bedeckt.
Beispiel 85 kann eines der Beispiele 63–75 umfassen, wobei die Membran eine polygonale Form aufweist.
Beispiel 86 kann Beispiel 85 umfassen, wobei die Membran eine rechteckige Form aufweist.
Beispiel 87 kann Beispiel 86 umfassen, wobei der belastete Bereich eine gesamte Oberfläche der rechteckigen Form bedeckt.
Beispiel 88 kann Beispiel 86 umfassen, wobei die rechteckige Form eine viereckige Form ist.
Beispiel 89 kann Beispiel 88 umfassen, wobei der belastete Bereich eine gesamte Oberfläche der viereckigen Form bedeckt.
Beispiel 90 kann Beispiel 88 umfassen, wobei der belastete Bereich eine Oberfläche der viereckigen Form teilweise bedeckt.
Beispiel 91 kann Beispiel 90 umfassen, wobei der belastete Bereich entlang zweier Halbierenden der viereckigen Form ausgebildet ist.
Beispiel 92 kann eines der Beispiele 63–91 umfassen, wobei die piezoelektrische Schicht Aluminiumnitrid umfasst.
Beispiel 93 kann eines der Beispiele 63–91 umfassen, wobei die piezoelektrische Schicht Zinkoxid umfasst.
Beispiel 94 kann eines der Beispiele 63–91 umfassen, wobei die piezoelektrische Schicht Blei-Zirkonat-Titanat umfasst.
Beispiel 95 kann eines der Beispiele 63–94 umfassen, wobei die Steuereinheit eine Schaltung ist.
Beispiel 96 kann eines der Beispiele 63–95 umfassen, wobei der Aktuator ferner ausgebildet ist, ein weiteres elektrisches Steuersignal von der Steuereinheit zu empfangen, um die Membran in eine geometrisch instabile Position zwischen den zwei geometrisch stabilen Positionen zu steuern.
Beispiel 97 kann eines der Beispiele 63–96 umfassen, wobei der Aktuator ferner ausgebildet ist, das elektrische Steuersignal zu empfangen, um die Membran von einer geometrisch stabilen Position in die andere geometrisch stabile Position zu bewegen, um die Schallwelle zu erzeugen.
Beispiel 98 kann eines der Beispiele 63–97 umfassen, wobei ferner Folgendes umfasst ist: ein Sensor, der mit der Membran gekoppelt ist, der ausgebildet ist, eine Position der Membran zwischen den zwei geometrisch stabilen Positionen zu ermitteln.
Beispiel 99 kann Beispiel 98 umfassen, wobei der Sensor eine weitere piezoelektrische Schicht umfasst, die mechanisch mit der Membran gekoppelt ist.
Beispiel 100 kann Beispiel 99 umfassen, wobei die weitere piezoelektrische Schicht Aluminiumnitrid umfasst.
Beispiel 101 kann Beispiel 99 umfassen, wobei die weitere piezoelektrische Schicht Zinkoxid umfasst.
Beispiel 102 kann Beispiel 99 umfassen, wobei die weitere piezoelektrische Schicht Blei-Zirkonat-Titanat umfasst.
Beispiel 103 kann Beispiel 98 umfassen, wobei der Sensor eine Elektrode umfasst, die kapazitiv mit der Membran gekoppelt ist.
Beispiel 104 kann Beispiel 103 umfassen, wobei die Elektrode ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
Beispiel 105 kann Beispiel 104 umfassen, wobei das elektrisch leitfähige Material ein Metall ist.
Beispiel 106 kann Beispiel 105 umfassen, wobei das Metall zumindest eines aus der Gruppe der Folgenden umfasst: Aluminium, Gold und Platin.
Beispiel 107 kann eines der Beispiele 63–97 umfassen, wobei die piezoelektrische Schicht des Aktuators ferner als ein Sensor ausgebildet ist, um eine Position der Membran zwischen den zwei geometrisch stabilen Positionen zu ermitteln.
Beispiel 108 kann eines der Beispiele 63–107 umfassen, wobei der Aktuator ferner eine erste Elektrode umfasst, die mechanisch mit einer obersten Oberfläche der piezoelektrischen Schicht gekoppelt ist.
Beispiel 109 kann Beispiel 108 umfassen, wobei die erste Elektrode ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
Beispiel 110 kann Beispiel 109 umfassen, wobei das elektrisch leitfähige Material ein Metall ist.
Beispiel 111 kann Beispiel 110 umfassen, wobei das Metall zumindest eines aus der Gruppe der Folgenden umfasst: Aluminium, Gold und Platin.
Beispiel 112 kann Beispiel 108 umfassen, wobei der Aktuator ferner eine zweite Elektrode umfasst, die mechanisch mit einer Unterseite der piezoelektrischen Schicht über der Membran gekoppelt ist.
Beispiel 113 kann Beispiel 112 umfassen, wobei die zweite Elektrode ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
Beispiel 114 kann Beispiel 113 umfassen, wobei das elektrisch leitfähige Material ein Metall ist.
Beispiel 115 kann Beispiel 114 umfassen, wobei das Metall zumindest eines aus der Gruppe der Folgenden umfasst: Aluminium, Gold und Platin.
Beispiel 116 kann Beispiel 108 umfassen, wobei die Membran ferner einen leitfähigen Bereich umfasst, der als eine zweite Elektrode ausgebildet ist, die mechanisch mit einer Unterseite der piezoelektrischen Schicht gekoppelt ist.
Beispiel 117 kann Beispiel 116 umfassen, wobei die zweite Elektrode einen Halbleiter umfasst.
Beispiel 118 kann Beispiel 117 umfassen, wobei der Halbleiter ein dotierter Halbleiter ist.
Beispiel 119 kann eines der Beispiele 63–118 umfassen, wobei der belastete Bereich der Membran ein strukturelles Dotiermaterial umfasst.
Beispiel 120 kann Beispiel 119 umfassen, wobei das strukturelle Dotiermaterial Kohlenstoff ist.
Beispiel 121 kann eines der Beispiele 63–118 umfassen, wobei die Membran ferner eine vorbelastete Schicht umfasst, die mechanisch mit einer Oberfläche der Membran gekoppelt ist, um den belasteten Bereich zu erzeugen.
Beispiel 122 kann Beispiel 121 umfassen, wobei die vorbelastete Schicht Wolfram umfasst.
Beispiel 123 kann eines der Beispiele 63–118 umfassen, wobei der Aktuator eine vorbelastete Schicht umfasst, die über einer Oberfläche der Membran mechanisch gekoppelt ist, um den belasteten Bereich zu erzeugen.
Beispiel 124 kann Beispiel 123 umfassen, wobei die vorbelastete Schicht des Aktuators zumindest eine aus der aus folgenden Schichten bestehenden Gruppe ist: eine erste Elektrode, die mit einer oberen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht mechanisch gekoppelt ist, die piezoelektrische Schicht und eine zweite Elektrode, die mit einer unteren Oberfläche der piezoelektrischen Schicht über der Membran mechanisch gekoppelt ist.
Beispiel 125 kann eines der Beispiele 63–124 umfassen, wobei die Vielzahl mikroelektromechanischer Vorrichtungen eine Vielzahl von Gruppen entsprechender mikroelektromechanischer Vorrichtungen umfasst; wobei die Anordnungssteuervorrichtung ferner ausgebildet ist, um die entsprechenden Gruppen mikroelektromechanischer Vorrichtungen mit elektrischen Steuersignalen gemäß dem digitalen Schalleingangssignal zu steuern, um die Gesamtschallwelle zu erzeugen.
In einem Aspekt der Offenbarung kann Beispiel 126 ein Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung sein, das Folgendes umfasst: das Bereitstellen eines Substrats; das Ausbilden einer Membran über dem Substrat, wobei die Membran einen belasteten Bereich umfasst, um die Membran in eine von zwei geometrisch stabilen Positionen auszubauchen; das Ausbilden eines Aktuators über der Membran, wobei der Aktuator eine piezoelektrische Schicht über der Membran umfasst; und das Koppeln einer Steuervorrichtung mit dem Aktuator, welche ausgebildet ist, um ein elektrisches Steuersignal als Antwort auf ein digitales Schalleingangssignal bereitzustellen; wobei der Aktuator ausgebildet ist, um das elektrische Steuersignal zu empfangen, um über die piezoelektrische Schicht eine mechanische piezoelektrische Kraft auf die Membran auszuüben, um die Membran zu bewegen, um eine Schallwelle zu erzeugen.
Beispiel 127 kann Beispiel 126 umfassen, wobei das Substrat einen Halbleiter umfasst.
Beispiel 128 kann Beispiel 127 umfassen, wobei der Halbleiter Silicium umfasst. Beispiel 129 kann Beispiel 128 umfassen, wobei das Silicium monokristallines Silicium ist.
Beispiel 130 kann Beispiel 128 umfassen, wobei das Silicium polykristallines Silicium ist.
Beispiel 131 kann Beispiel 128 umfassen, wobei das Silicium amorphes Siliciumcarbid ist.
Beispiel 132 kann Beispiel 128 umfassen, wobei das Silicium polykristallines Siliciumcarbid ist.
Beispiel 133 kann eines der Beispiele 126–132 umfassen, wobei die Membran einen Halbleiter umfasst.
Beispiel 134 kann Beispiel 133 umfassen, wobei der Halbleiter Silicium umfasst.
Beispiel 135 kann Beispiel 134 umfassen, wobei das Silicium monokristallines Silicium ist.
Beispiel 136 kann Beispiel 134 umfassen, wobei das Silicium polykristallines Silicium ist.
Beispiel 137 kann Beispiel 134 umfassen, wobei das Silicium amorphes Siliciumcarbid ist.
Beispiel 138 kann Beispiel 134 umfassen, wobei das Silicium polykristallines Siliciumcarbid ist.
Beispiel 139 kann eines der Beispiele 126–138 umfassen, wobei die Membran eine kreisförmige Form aufweist.
Beispiel 140 kann Beispiel 139 umfassen, wobei der belastete Bereich eine gesamte Oberfläche der kreisförmigen Form bedeckt.
Beispiel 141 kann Beispiel 139 umfassen, wobei der belastete Bereich eine Oberfläche der kreisförmigen Form teilweise bedeckt.
Beispiel 142 kann Beispiel 141 umfassen, wobei der belastete Bereich entlang zweier Durchmesser der kreisförmigen Form ausgebildet ist.
Beispiel 143 kann Beispiel 142 umfassen, wobei die Durchmesser lotrecht sind.
Beispiel 144 kann Beispiel 141 umfassen, wobei der belastete Bereich entlang eines Umfangs der kreisförmigen Form ausgebildet ist.
Beispiel 145 kann Beispiel 144 umfassen, wobei sich der belastete Bereich entlang des Umfangs der kreisförmigen Form über einen im Wesentlichen einheitlichen vorbestimmten Abstand von dem Umfang erstreckt.
Beispiel 146 kann eines der Beispiele 126–138 umfassen, wobei die Membran eine elliptische Form aufweist.
Beispiel 147 kann Beispiel 146 umfassen, wobei der belastete Bereich eine gesamte Oberfläche der elliptischen Form bedeckt.
Beispiel 148 kann eines der Beispiele 126–138 umfassen, wobei die Membran eine polygonale Form aufweist.
Beispiel 149 kann Beispiel 148 umfassen, wobei die Membran eine rechteckige Form aufweist.
Beispiel 150 kann Beispiel 149 umfassen, wobei der belastete Bereich eine gesamte Oberfläche der rechteckigen Form bedeckt.
Beispiel 151 kann Beispiel 149 umfassen, wobei die rechteckige Form eine viereckige Form ist.
Beispiel 152 kann Beispiel 151 umfassen, wobei der belastete Bereich eine gesamte Oberfläche der viereckigen Form bedeckt.
Beispiel 153 kann Beispiel 151 umfassen, wobei der belastete Bereich eine Oberfläche der viereckigen Form teilweise bedeckt.
Beispiel 154 kann Beispiel 153 umfassen, wobei der belastete Bereich entlang zweier Halbierenden der viereckigen Form ausgebildet ist. Beispiel 155 kann eines der Beispiele 126–154 umfassen, wobei die piezoelektrische
Schicht Aluminiumnitrid umfasst.
Beispiel 156 kann eines der Beispiele 126–154 umfassen, wobei die piezoelektrische Schicht Zinkoxid umfasst.
Beispiel 157 kann eines der Beispiele 126–154 umfassen, wobei die piezoelektrische Schicht Blei-Zirkonat-Titanat umfasst.
Beispiel 158 kann eines der Beispiele 126–157 umfassen, wobei die Steuereinheit eine Schaltung ist.
Beispiel 159 kann eines der Beispiele 126–158 umfassen, wobei das Ausbilden der Membran, einschließlich des belasteten Bereichs ferner Folgendes umfasst: Dotieren des belasteten Bereichs mit einem strukturellen Dotiermaterial.
Beispiel 160 kann Beispiel 159 umfassen, wobei das strukturelle Dotiermaterial Kohlenstoff ist.
Beispiel 161 kann eines der Beispiele 126–158 umfassen, wobei das Ausbilden der Membran einschließlich des belasteten Bereichs ferner Folgendes umfasst: Ausbilden einer vorbelasteten Schicht über der Membran, um den belasteten Bereich zu erzeugen.
Beispiel 162 kann Beispiel 161 umfassen, wobei die vorbelastete Schicht Wolfram umfasst.
Beispiel 163 kann eines der Beispiele 126–158 umfassen, wobei das Ausbilden des Aktuators über der Membran ferner Folgendes umfasst: Ausbilden einer vorbelasteten Schicht des Aktuators über einer Oberfläche der Membran, um den belasteten Bereich zu erzeugen.
Beispiel 164 kann Beispiel 163 umfassen, wobei die vorbelastete Schicht des Aktuators zumindest eine aus der aus folgenden Schichten bestehenden Gruppe ist: eine erste Elektrode, die mit einer oberen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht mechanisch gekoppelt ist, die piezoelektrische Schicht und eine zweite Elektrode, die mit einer unteren Oberfläche der piezoelektrischen Schicht über der Membran mechanisch gekoppelt ist.
Beispiel 165 kann eines der Beispiele 126–164 umfassen, wobei das Ausbilden des Aktuators über der Membran ferner Folgendes umfasst: Ausbilden einer zweiten Elektrode über der Membran.
Beispiel 166 kann Beispiel 165 umfassen, wobei die zweite Elektrode ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
Beispiel 167 kann Beispiel 166 umfassen, wobei das elektrisch leitfähige Material ein Metall ist.
Beispiel 168 kann Beispiel 167 umfassen, wobei das Metall zumindest eines aus der Gruppe der Folgenden umfasst: Aluminium, Gold und Platin.
Beispiel 169 kann Beispiel 165 umfassen, wobei das Ausbilden des Aktuators über der Membran ferner Folgendes umfasst: Ausbilden der piezoelektrischen Schicht über der Membran.
Beispiel 170 kann Beispiel 169 umfassen, wobei die piezoelektrische Schicht Aluminiumnitrid umfasst.
Beispiel 171 kann Beispiel 169 umfassen, wobei die piezoelektrische Schicht Zinkoxid umfasst.
Beispiel 172 kann Beispiel 169 umfassen, wobei die piezoelektrische Schicht Blei-Zirkonat-Titanat umfasst.
Beispiel 173 kann Beispiel 165 umfassen, wobei das Ausbilden des Aktuators über der Membran ferner Folgendes umfasst: Ausbilden einer ersten Elektrode über einer obersten Oberfläche der piezoelektrischen Schicht.
Beispiel 174 kann Beispiel 173 umfassen, wobei die erste Elektrode ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
Beispiel 175 kann Beispiel 174 umfassen, wobei das elektrisch leitfähige Material ein Metall ist.
Beispiel 176 kann Beispiel 175 umfassen, wobei das Metall zumindest eines aus der Gruppe der Folgenden umfasst: Aluminium, Gold und Platin.
Beispiel 177 kann eines der Beispiele 126–176 umfassen, das ferner Folgendes umfasst: Koppeln eines Sensors mit der Membran, welcher ausgebildet ist, um eine Position der Membran zwischen den beiden geometrisch stabilen Positionen zu ermitteln.
Beispiel 178 kann Beispiel 177 umfassen, wobei das Koppeln des Sensors mit der Membran ferner Folgendes umfasst: Ausbilden einer weiteren piezoelektrischen Schicht über der Membran.
Beispiel 179 kann Beispiel 178 umfassen, wobei die weitere piezoelektrische Schicht Aluminiumnitrid umfasst.
Beispiel 180 kann Beispiel 178 umfassen, wobei die weitere piezoelektrische Schicht Zinkoxid umfasst.
Beispiel 181 kann Beispiel 178 umfassen, wobei die weitere piezoelektrische Schicht Blei-Zirkonat-Titanat umfasst.
Beispiel 182 kann Beispiel 177 umfassen, wobei das Koppeln des Sensors mit der Membran ferner Folgendes umfasst: Ausbilden einer Elektrode, die ausgelegt ist, um kapazitiv mit der Membran gekoppelt zu werden.
Beispiel 183 kann Beispiel 182 umfassen, wobei die Elektrode ein elektrisch leitfähiges Material umfasst.
Beispiel 184 kann Beispiel 183 umfassen, wobei das elektrisch leitfähige Material ein Metall ist.
Beispiel 185 kann Beispiel 184 umfassen, wobei das Metall zumindest eines aus der Gruppe der Folgenden umfasst: Aluminium, Gold und Platin.
In einem Aspekt der Offenbarung kann Beispiel 186 ein Verfahren zum Betrieb einer mikroelektromechanischen Vorrichtung sein, die Folgendes umfasst: ein Substrat; eine mit dem Substrat mechanisch gekoppelte Membran, wobei die Membran einen belasteten Bereich umfasst, um die Membran in eine von zwei geometrisch stabilen Positionen auszubauchen; einen mit der Membran mechanisch gekoppelten Aktuator, wobei der Aktuator eine piezoelektrische Schicht über der Membran umfasst; und eine mit dem Aktuator gekoppelte Steuervorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Empfangen eines digitalen Schalleingangs an der Steuervorrichtung und das Bereitstellen eines elektrischen Steuersignals von der Steuervorrichtung für den Aktuator zur Ausübung einer mechanischen piezoelektrischen Kraft auf die Membran über die piezoelektrische Schicht, um die Membran zur Erzeugung einer Schallwelle zu bewegen.
Beispiel 187 kann Beispiel 187 umfassen, wobei die mikroelektromechanische Vorrichtung ferner einen Sensor umfasst, der mit der Membran gekoppelt ist, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Ermitteln einer Position der Membran über den Sensor zwischen den zwei geometrisch stabilen Positionen.
Beispiel 188 kann Beispiel 187 umfassen, das ferner Folgendes umfasst: das Ermitteln einer ersten Position der Membran über den Sensor in einer der beiden geometrisch stabilen Positionen und das Ermitteln einer zweiten Position der Membran über den Sensor in der anderen der beiden geometrisch stabilen Positionen.
Beispiel 189 kann Beispiel 188 umfassen, wobei die mikroelektromechanische Vorrichtung ferner einen mit dem Sensor gekoppelten Speicher umfasst, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: das Vergleichen der ersten Position und der zweiten Position, die über den Sensor ermittelt wurden, mit einer zuvor in dem Speicher gespeicherten ersten und zweiten Position, um die mikroelektromechanische Vorrichtung zu kalibrieren.
Beispiel 190 kann Beispiel 188 umfassen, wobei die mikroelektromechanische Vorrichtung ferner einen mit dem Sensor gekoppelten Speicher umfasst, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: das Vergleichen der ersten Position und der zweiten Position, die über den Sensor ermittelt wurden, mit einer zuvor in dem Speicher gespeicherten ersten und zweiten Position, um die Belastungsrelaxation der Membran zu testen.
Beispiel 191 kann eines der Beispiels 186–190 umfassen, wobei die mechanische piezoelektrische Kraft eine kritische Kraft ist, die eine Gleichgewichtskraft überwindet, die die Membran in einer der zwei geometrisch stabilen Positionen hält.
Beispiel 192 kann eines der Beispiele 186–191 umfassen, das ferner Folgendes umfasst: Steuern des Aktuators, um eine Gegenkraft gegen eine Bewegung der Membran auszuüben.
Beispiel 193 kann Beispiel 192 umfassen, wobei die Gegenkraft die Bewegung der Membran verlangsamt.
Beispiel 194 kann Beispiel 192 umfassen, wobei die Gegenkraft eine Position der Membran in einem instabilen Bereich zwischen den zwei geometrisch stabilen Bereichen hält.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen besonders detailliert dargestellt und beschrieben wurde, gilt jedoch von Fachleuten zu verstehen, dass die verschiedenen Abänderungen daran in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne dabei vom Geist und dem Schutzumfang der Erfindung, wie durch die beigefügten Patentansprüche definiert, abzuweichen. Der Schutzumfang der Erfindung wird somit durch die beigefügten Patentansprüche angegeben, und jegliche Änderungen innerhalb der Bedeutungen sowie des Äquivalenzumfangs der Patentansprüche sind somit als darin eingeschlossen zu betrachten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Modal Optimization and Filtering in Piezoelectric Microplate Resonators von J.L. Sanchez-Rojas, J. Hernando, A Donoso, J.C. Bellido, T. Manzaneque, A. Ababneh, H. Seidel und U. Schmid, in Journal of Micromechancis and Microengineering, Band 20, S. 055027 (7 ff) (2010) [0059]

Claims

Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A), die Folgendes umfasst: ein Substrat (102); eine Membran (110), die mechanisch mit dem Substrat (102) gekoppelt ist, wobei die Membran (110) einen belasteten Bereich umfasst, um die Membran (110) in eine von zwei geometrisch stabilen Positionen auszubauchen; einen Aktuator (120), der mechanisch mit der Membran (110) gekoppelt ist, wobei der Aktuator (120) eine piezoelektrische Schicht (124) über der Membran (110) umfasst; und eine Steuervorrichtung (150), die ausgebildet ist, um ein elektrisches Steuersignal als Antwort auf ein digitales Schalleingangssignal bereitzustellen; wobei der Aktuator (120) ausgebildet ist, um das elektrische Steuersignal zu empfangen, um über die piezoelektrische Schicht (124) eine mechanische piezoelektrische Kraft auf die Membran (110) auszuüben, um die Membran (110) zu bewegen, um eine Schallwelle zu erzeugen.
Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) nach Anspruch 1, wobei der Aktuator (120) ferner ausgebildet ist, um ein weiteres elektrisches Steuersignal von der Steuervorrichtung (150) zu empfangen, um die Membran (110) in einer geometrisch instabilen Position zwischen den beiden geometrisch stabilen Positionen zu steuern.
Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) nach Anspruch 2, wobei der Aktuator (120) ferner ausgebildet ist, um die Membran (110) zu steuern, wenn sie sich bewegt.
Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Aktuator (120) ferner ausgebildet ist, um das elektrische Steuersignal zu empfangen, um die Membran (110) aus einer geometrisch stabilen Position in die andere geometrisch stabile Position zu bewegen, um die Schallwelle zu erzeugen.
Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner Folgendes umfasst: einen mit der Membran (110) gekoppelten Sensor, der ausgebildet ist, um eine Position der Membran (110) zwischen den beiden geometrisch stabilen Positionen zu ermitteln.
Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) nach Anspruch 5, wobei der Sensor eine weitere piezoelektrische Schicht (124) umfasst, die mechanisch mit der Membran (110) gekoppelt ist.
Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Sensor eine Elektrode umfasst, die kapazitiv mit der Membran (110) gekoppelt ist.
Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die piezoelektrische Schicht (124) des Aktuators (120) ferner als Sensor ausgebildet ist, um eine Position der Membran (110) zwischen den beiden geometrisch stabilen Positionen zu bestimmen.
Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Aktuator (120) ferner eine erste Elektrode umfasst, die mit einer oberen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht (124) mechanisch gekoppelt ist.
Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) nach Anspruch 9, wobei der Aktuator (120) ferner eine zweite Elektrode umfasst, die mit einer unteren Oberfläche der piezoelektrischen Schicht (124) über der Membran (110) mechanisch gekoppelt ist.
Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Membran (110) ferner einen leitfähigen Bereich umfasst, der als zweite Elektrode ausgebildet ist, die mit einer unteren Oberfläche der piezoelektrischen Schicht (124) mechanisch gekoppelt ist.
Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der belastete Bereich der Membran (110) ein strukturelles Dotiermaterial umfasst.
Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Membran (110) ferner eine vorbelastete Schicht umfasst, die mit einer Oberfläche der Membran (110) mechanisch gekoppelt ist, um den belasteten Bereich zu erzeugen.
Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Aktuator (120) eine vorbelastete Schicht umfasst, die über einer Oberfläche der Membran (110) mechanisch gekoppelt ist, um den belasteten Bereich zu erzeugen.
Mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) nach Anspruch 14, wobei die vorbelastete Schicht des Aktuators (120) zumindest eine aus der aus folgenden Schichten bestehenden Gruppe ist: eine erste Elektrode, die mit einer oberen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht (124) mechanisch gekoppelt ist, die piezoelektrische Schicht (124) und eine zweite Elektrode, die mit einer unteren Oberfläche der piezoelektrischen Schicht (124) über der Membran (110) mechanisch gekoppelt ist.
Eine Anordnung mikroelektromechanischer Vorrichtungen (300A), die Folgendes umfasst: ein Substrat (102); eine Vielzahl mikroelektromechanischer Vorrichtungen (300A), die auf dem Substrat (102) angeordnet sind, wobei jede aus der Vielzahl mikroelektromechanischer Vorrichtungen (300A) Folgendes umfasst: eine Membran (110), die mechanisch mit dem Substrat (102) gekoppelt ist, wobei die Membran (110) einen belasteten Bereich umfasst, um die Membran (110) in eine von zwei geometrisch stabilen Positionen auszubauchen; einen Aktuator (120), der mechanisch mit der Membran (110) gekoppelt ist, wobei der Aktuator (120) eine piezoelektrische Schicht (124) über der Membran (110) umfasst; und eine Steuervorrichtung (150), die ausgebildet ist, um ein elektrisches Steuersignal als Antwort auf ein digitales Schalleingangssignal bereitzustellen; wobei der Aktuator (120) ausgebildet ist, um das elektrische Steuersignal zu empfangen, um über die piezoelektrische Schicht (124) eine mechanische piezoelektrische Kraft auf die Membran (110) auszuüben, um die Membran (110) zu bewegen, um eine Schallwelle zu erzeugen; und eine Anordnungssteuervorrichtung, die mit der Vielzahl mikroelektromechanischer Vorrichtungen (300A) gekoppelt ist und ausgebildet ist, um die jeweiligen mikroelektromechanischen Vorrichtungen (300A) mit elektrischen Steuersignalen gemäß dem digitalen Schalleingangssignal zu steuern, um eine aggregierte Schallwelle zu erzeugen.
Anordnung nach Anspruch 16, wobei die Vielzahl mikroelektromechanischer Vorrichtungen (300A) eine Vielzahl von Gruppen entsprechender mikroelektromechanischer Vorrichtungen (300A) umfasst; wobei die Anordnungssteuervorrichtung ferner ausgebildet ist, um die entsprechenden Gruppen mikroelektromechanischer Vorrichtungen (300A) mit elektrischen Steuersignalen gemäß dem digitalen Schalleingangssignal zu steuern, um die aggregierte Schallwelle zu erzeugen.
Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung (300A), das Folgendes umfasst: das Bereitstellen eines Substrats (102); das Ausbilden einer Membran (110) über dem Substrat (102), wobei die Membran (110) einen belasteten Bereich umfasst, um die Membran (110) in eine von zwei geometrisch stabilen Positionen auszubauchen; das Ausbilden eines Aktuators (120) über der Membran (110), wobei der Aktuator (120) eine piezoelektrische Schicht (124) über der Membran (110) umfasst; und das Koppeln einer Steuervorrichtung (150) mit dem Aktuator (120), die ausgebildet ist, um ein elektrisches Steuersignal als Antwort auf ein digitales Schalleingangssignal bereitzustellen; wobei der Aktuator (120) ausgebildet ist, um das elektrische Steuersignal zu empfangen, um über die piezoelektrische Schicht (124) eine mechanische piezoelektrische Kraft auf die Membran (110) auszuüben, um die Membran (110) zu bewegen, um eine Schallwelle zu erzeugen.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 18, das ferner Folgendes umfasst: das Koppeln eines Sensors mit der Membran (110), der ausgebildet ist, um eine Position der Membran (110) zwischen den beiden geometrisch stabilen Positionen zu bestimmen.
Verfahren zum Betrieb einer mikroelektromechanischen Vorrichtung (300A), die Folgendes umfasst: ein Substrat (102); eine mit dem Substrat (102) mechanisch gekoppelte Membran (110), die einen belasteten Bereich umfasst, um die Membran (110) in eine von zwei geometrisch stabilen Positionen auszubauchen; einen mit der Membran (110) mechanisch gekoppelten Aktuator (120), der eine piezoelektrische Schicht (124) über der Membran (110) umfasst; und eine mit dem Aktuator (120) gekoppelte Steuervorrichtung (150), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Empfangen eines digitalen Schalleingangs an der Steuervorrichtung (150) und das Bereitstellen eines elektrischen Steuersignals von der Steuervorrichtung (150) für den Aktuator (120) zur Ausübung einer mechanischen piezoelektrischen Kraft auf die Membran (110) über die piezoelektrische Schicht (124), um die Membran (110) zur Erzeugung einer Schallwelle zu bewegen.
Verfahren zum Betrieb einer mikroelektromechanischen Vorrichtung (300A) nach Anspruch 20, wobei die mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) ferner einen mit der Membran (110) gekoppelten Sensor umfasst, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: das Ermitteln einer Position der Membran (110) zwischen den beiden geometrisch stabilen Positionen über den Sensor.
Verfahren zum Betrieb einer mikroelektromechanischen Vorrichtung (300A) nach Anspruch 21, das ferner Folgendes umfasst: das Ermitteln einer ersten Position der Membran (110) über den Sensor in einer der beiden geometrisch stabilen Positionen und das Ermitteln einer zweiten Position der Membran (110) über den Sensor in der anderen der beiden geometrisch stabilen Positionen.
Verfahren zum Betrieb einer mikroelektromechanischen Vorrichtung (300A) nach Anspruch 22, wobei die mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) ferner einen mit dem Sensor gekoppelten Speicher umfasst, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: das Vergleichen der ersten Position und der zweiten Position, die über den Sensor ermittelt wurden, mit einer zuvor in dem Speicher gespeicherten ersten und zweiten Position, um die mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) zu kalibrieren.
Verfahren zum Betrieb einer mikroelektromechanischen Vorrichtung (300A) nach Anspruch 22 oder 23, wobei die mikroelektromechanische Vorrichtung (300A) ferner einen mit dem Sensor gekoppelten Speicher umfasst, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: das Vergleichen der ersten Position und der zweiten Position, die über den Sensor ermittelt wurden, mit einer zuvor in dem Speicher gespeicherten ersten und zweiten Position, um die Belastungsrelaxation der Membran (110) zu testen.