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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements.
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Eine elektrische Leistungsfähigkeit einer piezoelektrischen Sensor- bzw. Aktoranordnung hängt maßgeblich von einer aktiven piezoelektrischen Fläche in Verformungsrichtung ab. Eine mögliche Größe derartiger Anwendungen ist jedoch beschränkt und soll so gering wie möglich gehalten werden. Außerdem ist eine Verkleinerung der Anwendung auf konventionelle Weise nur bis zu einem bestimmten Maß möglich, da dann die erreichbaren Leistungen nicht mehr ausreichen für eine Weiterverarbeitung oder um mechanische Arbeit zu verrichten. Da nur eine begrenzte Anzahl an piezoelektrischen Werkstoffen mittels CMOS-Prozessen (complementary metal-oxide-semiconductor) verarbeitet werden können, wird eine entsprechende piezoelektrische Gesamtanwendung typischerweise vergrößert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen des Bauelements vorzuschlagen, mit dem piezoelektrische Anwendungen auf möglichst kleinem Raum realisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bauelement nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein Bauelement, vorzugsweise ein Halbleiterbauelement, weist ein Substrat mit mehreren auf einer ersten Oberfläche des Substrats ausgebildeten Gräben auf. Alternativ weist das Bauelement mehrere auf einer ersten Oberfläche einer auf dem Substrat aufgebrachten zweiten Elektrodenschicht ausgebildete Gräben auf. Eine aktive piezoelektrische Schicht ist auf dem Substrat oder auf der zweiten Elektrodenschicht und auf bzw. in den mehreren Gräben aufgebracht. Auf der aktiven piezoelektrischen Schicht ist eine erste Elektrodenschicht aufgebracht. Die mehreren Gräben sind hierbei in einer piezoelektrisch aktiven Richtung ausgebildet.
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Durch das Vorsehen mehrerer Gräben, worunter mindestens zwei derartige Gräben verstanden werden sollen, kann eine Flächenvergrößerung der aktiven piezoelektrischen Fläche erzielt werden, indem die piezoelektrische Schicht in den Gräben bzw. diese Gräben überdeckend aufgebracht wird. Die piezoelektrisch aktive Richtung, also die Richtung, in der ein piezoelektrischer Effekt bevorzugt auftritt bzw. genutzt wird, kann hierbei durch die Grabenausrichtung unterstützt werden. Da der piezoelektrische Effekt gleichzeitig unterschiedlich stark in verschiedenen Richtungen auftritt, sollten die Gräben entlang der primär genutzten Richtung, also in der Richtung mit der höchsten Dehnung, orientiert sein. Auf diese Weise lässt sich eine aktive Oberfläche erhöhen, was eine Leistungssteigerung und gleichzeitig eine Verkleinerung der gesamten Anwendung zulässt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die piezoelektrische Schicht aus dotiertem Hafniumoxid (HfO2) oder einem Laminat aus mehreren Schichten ausgebildet ist. Somit können die mechanischen und elektrischen Eigenschaften wie gewünscht eingestellt werden. Bei einem Laminat wird typischerweise eine Schicht aus Hafniumoxid mit einer weiteren Schicht, vorzugsweise einer Oxidschicht, aufgebracht. Als Dotierstoff kann Silizium, Zirkonium, Lanthan, Strontium, Aluminium, Yttrium, Gadolinium und bzw. oder Scandium verwendet werden. Das Oxid ist typischerweise Aluminiumoxid (Al2O3). Die genannten Werkstoffe können konform in feine Strukturen abgeschieden werden und sind zudem RoHS-konform (also konform mit der EU-Richtlinie 2011/65/EU). Die piezoelektrische Schicht ist hierbei vorzugsweise zwischen 10 nm und 50 nm dick.
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Die piezoelektrische Schicht weist typischerweise eine über ihre gesamte Fläche konstante bzw. nahezu konstante Schichtdicke auf. Dies ermöglicht eine gleichförmige Beschichtung des Halbleitersubstrats, allerdings verbleiben Vertiefungen in Form der Gräben. Unter einer nahezu konstanten Schichtdicke soll hierbei eine Variation der Schichtdicke um weniger als 2 nm über eine Länge des Bauelements verstanden werden. Alternativ oder zusätzlich soll hierunter eine Variation um weniger als 10 Prozent einer maximalen Schichtdicke über die Länge des Bauelements verstanden werden.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die piezoelektrische Schicht die mehreren Gräben derart auffüllt, dass die piezoelektrische Schicht eine planare, also ebene Oberfläche bildet. Somit bildet sich eine Schicht, auf der einfach zumindest eine weitere Schicht abgeschieden werden kann. Somit entsteht quasi indirekt eine dickere Schicht als eigentlich abgeschieden wurde mit einer Schichtdicke, die einer Tiefe der Gräben plus der abgeschiedenen Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht entspricht.
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Das Substrat kann eine zweite Oberfläche aufweisen, die der Oberfläche, auf der die zweite Elektrodenschicht aufgebracht ist, gegenüber liegt. Auf dieser zweiten Oberfläche ist eine weitere zweite Elektrodenschicht aufgebracht, auf der mehrere Gräben ausgebildet sind, die mit einer zweiten aktiven piezoelektrischen Schicht versehen sind. Alternativ können die Gräben auch direkt in die zweite Oberfläche des Substrats eingebracht sein. Die mehreren Gräben sind auf der zweiten Oberfläche in einer piezoelektrisch aktiven Richtung der zweiten piezoelektrischen Schicht oder des Substrats ausgebildet. Hierdurch kann die aktive piezoelektrische Oberfläche des Halbleiterbauelements einfach vergrößert werden. Typischerweise ist die zweite piezoelektrische Schicht ebenfalls mit einer ersten Elektrodenschicht versehen. Die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektrische Schicht können eine identische oder aber auch in verschiedene Richtungen weisende, also mit einem Winkelversatz zueinander angeordnete piezoelektrisch aktive Richtungen aufweisen. Dementsprechend können auch die mehreren Gräben auf jeder der Oberflächen in einer identischen Richtung verlaufen (wobei ein geringer Winkelversatz von bis zu 5° als identische Richtung gelten soll) oder in verschiedenen Richtungen orientiert sein. Prinzipiell können die auf den verschiedenen Seiten des Substrats aufgebrachten Schichten jeweils einen identischen Aufbau aufweisen, also insbesondere aus dem gleichen Werkstoff mit identischen Abmessungen ausgebildet sein, es kann aber auch ein voneinander verschiedener Aufbau vorgesehen sein. Insbesondere entspricht hierbei ein Aufbau der zweiten Elektrodenschichten auf den verschiedenen Seiten, der piezoelektrischen Schichten auf den verschiedenen Seiten und der ersten Elektrodenschichten auf den verschiedenen Seiten einander.
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Vorzugsweise sind die mehreren Gräben, insbesondere die mehreren Gräben auf einer einzelnen Oberfläche, parallel zueinander ausgerichtet, um in effizienter Weise die piezoelektrisch aktive Richtung zu definieren. Auch hier soll ein Winkelversatz von bis zu 5°, vorzugsweise von bis zu 2°, noch als parallel gelten.
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Das Bauelement kann aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, einem Halbleiter oder einem elektrisch nicht leitfähigen Werkstoff, also einem elektrischen Isolator, ausgebildet sein. Ein Werkstoff soll hierbei als elektrisch leitfähig gelten, wenn bei einer Temperatur von 25 °C seine elektrische Leitfähigkeit größer als 106 S/m ist. Ein Werkstoff soll als Halbleiter gelten, wenn bei einer Temperatur von 25 °C seine Bandlücke weniger als 4 eV beträgt, ohne dass dieser Werkstoff als elektrisch leitfähig klassifiziert wird. Als elektrisch nicht leitfähiger Werkstoff sollen dementsprechend alle Werkstoffe gelten, die keine elektrisch leitfähigen Werkstoffe und keine Halbleiter sind. Insbesondere sollen darunter Werkstoffe fallen, deren elektrische Leitfähigkeit geringer ist als 10-8 S/m. Hierdurch kann eine elektrische Kontaktierung an das Substrat, das typischerweise ein Siliziumsubstrat ist und zum Erhöhen der elektrischen Leitfähigkeit dotiert sein kann, erleichtert werden. Die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht sind hierbei typischerweise aus elektrisch leitfähigen Werkstoffen, vorzugsweise Metallen, ausgebildet. Beide Elektrodenschichten können aus dem gleichen Werkstoff ausgebildet sein, sie können aber auch aus verschiedenen Werkstoffen ausgebildet sein. Die Elektrodenschichten können hierbei eine identische Dicke oder voneinander abweichende Dicken aufweisen. Typischerweise beträgt die Dicke der Elektrodenschicht maximal 10 nm, vorzugsweise beträgt die Dicke jedoch mehr als 1 nm, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit sicherzustellen.
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Die mehreren Gräben können einen identischen Abstand zueinander aufweisen, um eine symmetrische Anordnung zu gewährleisten. Alternativ können die Gräben aber auch einen paarweise verschiedenen Abstand zueinander aufweisen. Typischerweise ist der Abstand zwischen den einzelnen Gräben geringer bzw. kleiner als 1 um, um eine ausreichend hohe Grabendichte zu gewährleisten.
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Die mehreren Gräben können im Querschnitt betrachtet rechteckig sein, wobei eine Grabentiefe größer ist als eine Grabenbreite. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Grabenbreite größer ist als die Grabentiefe. Die Gräben, die man im Hinblick auf die erste Oberfläche auch als Vertiefungen bezeichnen kann, sind typischerweise in ihrer Form alle identisch ausgestaltet, es kann aber auch eine paarweise unterschiedliche Ausgestaltung vorgesehen sein. Ebenso kann auch eine Grabentiefe und bzw. oder eine Grabenbreite für alle Gräben identisch sein. Alternativ kann die Grabentiefe und bzw. oder die Grabenbreite aber auch paarweise verschieden bei den Gräben sein.
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Die mehreren Gräben können sowohl in dem Substrat als auch in der auf dem Substrat aufgebrachten zweiten Elektrodenschicht ausgebildet sind, um eine Strukturierung und somit Anpassung einer Oberfläche sowohl des Substrats als auch der zweiten Elektrodenschicht zu erreichen.
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Das Bauelement kann als ein Sensor, ein Aktor bzw. Aktuator oder ein Energieharvester ausgebildet sein.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements umfasst einen Schritt, bei dem in ein Substrat durch ein Ätzverfahren auf einer ersten Oberfläche des Substrats mehrere Gräben eingebracht werden. Alternativ kann das Substrat mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition, PVD) oder chemischer Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD), vorzugsweise Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition, ALD) mit einer zweiten Elektrodenschicht beschichtet werden und durch ein Ätzverfahren werden auf einer ersten Oberfläche der zweiten Elektrodenschicht mehrere Gräben eingebracht. Diese mehreren Gräben werden nachfolgend mittels physikalischer Gasphasenabscheidung oder chemischer Gasphasenabscheidung, vorzugsweise Atomlagenabscheidung mit einer aktiven piezoelektrischen Schicht versehen. Es wird auf die piezoelektrische Schicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung oder chemischer Gasphasenabscheidung, vorzugsweise Atomlagenabscheidung, eine erste Elektrodenschicht aufgebracht. Die mehreren Gräben werden in einer piezoelektrisch aktiven Richtung ausgebildet. Vorzugsweise kann hierbei reaktives lonentiefenätzen (deep reactive ion etching, DRIE), reaktives lonenätzen (reactive ion etching, RIE), Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy, MBE) und bzw. oder gepulste chemische Gasphasenabscheidung (pulsed chemical vapour deposition, p-CVD) verwendet werden.
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Das beschriebene Bauelement wird typischerweise mit dem beschriebene Verfahren hergestellt, d. h. das beschriebene Verfahren ist zum Herstellen des beschriebenen Bauelements geeignet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 8 erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines mit einer piezoelektrischen Schicht versehenen Substrats,
- 2 eine 2 entsprechende Ansicht des Substrats mit gefüllten Gräben,
- 3 eine seitliche Ansicht und eine Querschnittsansicht des in 1 dargestellten Substrats,
- 4 eine 1 entsprechende Ansicht des Substrats mit Elektrodenschicht,
- 5 eine perspektivische Ansicht eines Energieharvesters;
- 6 eine Schnittdarstellung des Bauelements mit lediglich einer Elektrodenschicht,
- 7 eine 6 entsprechende Ansicht des Bauelements mit zwei Elektrodenschichten und einem Substrat ohne Gräben und
- 8 eine den 6 und 7 entsprechende Ansicht des Bauelements mit zwei Elektrodenschichten und dem mit Gräben versehenen Substrat.
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In 1 ist in einer perspektivischen Ansicht ein Halbleitersubstrat 1 aus dotiertem Silizium als Beispiel eines Substrats gezeigt, auf das eine zweite Elektrodenschicht 10 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff aufgebracht wurde. In die zweite Elektrodenschicht 10 sind mittels eines Ätzverfahrens, beispielsweise eines Bosch-Verfahrens, mehrere Gräben 4 eingebracht. Die Gräben 4 sind parallel zueinander ausgerichtet und identisch aufgebacht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind eine Grabenbreite und eine Grabentiefe gleich, in weiteren Ausführungsbeispielen kann aber auch die Grabentiefe größer als die Grabenbreite sein oder umgekehrt. Die Grabenbreite beträgt hierbei maximal ein Zweifaches der Schichtdicke, wenn die Gräben gefüllt werden sollen. Die Grabentiefe ist in der Regel größer oder gleich der Schichtdicke einer aufzubringenden Schicht, typischerweise jedoch maximal eine halbe Dicke des herzustellenden Bauteils.
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Die Gräben 4 sind mit einem Abstand von 1 um zueinander ausgebildet und auf einer Oberfläche 5 der zweiten Elektrodenschicht 10 und in den Gräben 4 ist, diese überdeckend, durch eine Atomlagenabscheidung eine über ihre Fläche gleichmäßig dicke piezoelektrische Schicht 2 aus dotiertem Hafniumoxid aufgebracht. Die Gräben 4 verlaufen hierbei in der piezoelektrisch aktiven Richtung. In weiteren Ausführungsbeispielen kann statt dotiertem Hafniumoxid auch ein Laminat verwendet werden, bei dem abwechselnd dotiertes Hafniumoxid und Aluminiumoxid aufgebracht sind und somit die piezoelektrische Schicht 2 bilden.
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In 2 ist in einer 1 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauelements aus dem Halbleitersubstrat 1, der zweiten Elektrodenschicht 10 und der piezoelektrischen Schicht 2 wiedergegeben, bei dem die Gräben 4 nun vollständig mit der piezoelektrischen Schicht gefüllt sind, so dass die piezoelektrische Schicht 2 eine planare Oberfläche bildet. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen.
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In 3 sind in einer seitlichen Darstellung und in einer Schnittdarstellung das Substrat 1 mit der zweiten Elektrodenschicht 10 und die piezoelektrische Schicht 2 dargestellt. Wie in der linken Abbildung zu sehen, bildet die piezoelektrische Schicht 2 eine Auflage auf dem Substrat 1 und ist, wie im rechten Teil von 3 dargestellt, in den jeweiligen Graben 4 abgeschieden und bedeckt auch die Oberfläche 5 des Substrats 1.
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Das Bauelement aus 2 ist in einer dieser Figur entsprechenden Darstellung in 4 wiedergebeben, wobei nun auf der piezoelektrischen Schicht 2 eine erste Elektrodenschicht 3 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, beispielsweise einem Metall, abgeschieden ist. Sofern das Substrat 1 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff ausgebildet ist, kann auf eine weitere Elektrodenschicht verzichtet werden, ansonsten ist zwischen dem Substrat 1 und der piezoelektrischen Schicht 2 die zweite Elektrodenschicht 10 aufgebracht, die ebenfalls mit den Gräben 4 versehen ist. Eine Dicke der zweiten Elektrodenschicht 10 ist hierbei derart gewählt, das nach dem Strukturieren eine Restdicke von mindestens 1 nm zwischen dem Substrat 1 und der piezoelektrischen Schicht 2 verbleibt.
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In weiteren Ausführungsbeispielen kann auch vorgesehen sein, dass eine 4 entsprechende Anordnung bzw. eine den 1 oder 2 entsprechende Anordnung auf einer der Oberfläche 5 gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet ist. Die Gräben 4 auf den beiden Oberflächen weisen hierbei typischerweise in die gleiche Richtung, können aber auch in unterschiedlichen Richtungen verlaufen.
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Indem die Oberfläche 5 des Substrats 1 mittels halbleitertechnologischer Ätzverfahren mit einer Vielzahl von Gräben 4 in der piezoelektrisch aktiven Richtung der Anwendung versehen wird, wobei eine laterale Abweichung von einer relevanten Verformungsrichtung maximal 10° beträgt, kann eine Leistungssteigerung aufgrund einer Flächenvergrößerung erfolgen. In einem weiteren Schritt wird die aktive piezoelektrische Schicht 2 aufgebracht. Somit wird eine aktive Oberfläche generiert und damit eine Leistungsausbeute um Größenordnungen erhöht, was eine Leistungssteigerung und eine Abmassreduzierung zulässt. Die piezoelektrische Schicht 2 folgt hierbei einem Profil des Substrats 1 und kann, wie bereits dargestellt, auch aus mehreren Schichten bestehen. Sofern die Gräben 4 geschlossen werden, wird eine maximale Effizienz im Hinblick auf die Flächenvergrößerung erreicht.
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Zum Herstellen derartiger Strukturen wird das Substrat 1 mit den Gräben 4 versehen und anschließend konform mit einer unteren Elektrodenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff mittels Atomlagenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung oder chemischer Gasphasenabscheidung versehen. Die nachfolgend aufgebrachte piezoelektrische Schicht 2 wird ebenfalls mittels Atomlagenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung oder chemischer Gasphasenabscheidung aufgebracht. Nachfolgend wird ebenfalls mittels Atomlagenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung oder chemischer Gasphasenabscheidung die obere Elektrodenschicht 3 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, beispielsweise Titannitrid, abgeschieden. Bei ausreichender Dicke der unteren Elektrode können die Gräben 4 auch in diese eingebracht werden und anschließend von der piezoelektrischen Schicht 2 sowie der oberen Elektrode 3 überdeckt werden. In diesem Fall verbleibt das Substrat 1 planar.
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5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Energieharvester, dessen Sensorfläche 7 in einer Bewegungsrichtung 6 auf und nieder bewegt werden kann. In einer Messvorrichtung 9, die einteilig mit der Sensorfläche 7 ebenfalls aus dem Substrat 1 ausgebildet ist, sind die Gräben 4 in der aktiven piezoelektrischen Richtung 8 eingebracht und mit dem bereits beschriebenen Schichtaufbau aus piezoelektrischer Schicht 2 und erster Elektrodenschicht 3 versehen, so dass durch die Bewegung der Sensorfläche 7 ein elektrisches Signal generiert und detektiert werden kann.
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In den 6 bis 8 sind jeweils in einer schematischen Schnittansicht mögliche Ausführungsformen des Bauelements dargestellt. In 6 wurde das Substrat 1 mit einem Graben 4 versehen und auf die Oberfläche 5 des Substrats 1 direkt, also in unmittelbarem berührendem Kontakt, die piezoelektrische Schicht 2 aufgebracht. Diese Schicht 2 weist ebenso wie die darauf abgeschiedene erste Elektrodenschicht 3 den Graben 4 auf. Das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel verfügt somit nur über eine einzige Elektrodenschicht, nämlich die erste Elektrodenschicht 3. Da das Substrat 1 in diesem Fall aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, beispielsweise einem Metall ausgebildet ist, kann eine Spannungsquelle 11 die erste Elektrodenschicht 3 und das Substrat 1 elektrisch verbinden.
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Bei dem in 7 in einer 6 entsprechenden Ansicht dargestellten Ausführungsbeispiel des Bauelements ist das Substrat 1 nicht mit dem Graben 4 versehen. Stattdessen ist auf einer planaren Oberfläche des Substrats 1 die zweite Elektrodenschicht 10 abgeschieden, in die der Graben 4 eingebracht wurden. Auf der zweiten Elektrodenschicht 10 ist die piezoelektrische Schicht 2 und die erste Elektrodenschicht 3 aufgebracht, wobei alle Schichten den Oberflächenverlauf des Grabens 4 nachbilden. Die Spannungsquelle 11 kann somit die erste Elektrodenschicht 3 und die zweite Elektrodenschicht 10 elektrisch verbinden. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch eine weitere Spannungsquelle 11 die erste Elektrodenschicht 3 und das Substrat 1 elektrisch verbinden.
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In 8 ist schließlich ein Ausführungsbeispiel wiedergegeben, bei dem sowohl das Substrat 1 als auch alle darauf aufgebrachten Schichten, d. h. die zweite Elektrodenschicht 10, die piezoelektrische Schicht 2 und die erste Elektrodenschicht 3 mit dem Graben 4 versehen wurden. Die Spannungsquelle 11 bzw. die Spannungsquellen 11 können wie in dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel mit verschiedenen Schichten elektrisch leitend verbunden sein. Generell gilt für alle der dargestellten Ausführungsbeispiele, dass eine am weitesten vom Substrat 1 entfernte Schicht eine geschlossene Oberfläche auf ihrer dem Substrat 1 abgewandten Seite aufweisen kann. Dies gilt insbesondere für die erste Elektrodenschicht 3 oder eine auf der ersten Elektrodenschicht 3 aufgebrachte Abdeckschicht.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
