DE19959169C2

DE19959169C2 - Mikroaktuator sowie Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE19959169C2
Application number: DE1999159169
Authority: DE
Inventors: Il Kim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1999-01-25
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2019-12-09
Also published as: CN1191642C; DE19959169A1; US6351057B1; JP3515028B2; CN1262529A; JP2000211136A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikroaktuator nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruches 9.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ei nen Mikroaktuator mit einem piezoelektrischen Element, das auf einem Substrat mit gewünschter Dicke und Musterung unter Verwendung eines Ätzprozesses ausgebildet ist. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Her stellung eines derartigen Mikroaktuators.

Typischerweise umfaßt ein Mikroaktuator eine untere Struktur mit einem Substrat und einer Kammer, ein piezoelektrisches Element, das an der oberen Oberfläche des Substrates angeord net ist und dafür ausgelegt ist, sich bei Anlegen einer Span nung mechanisch zu verformen, und eine Elektrode (oder Elek troden), die dafür ausgelegt sind, die Spannung an das piezo elektrische Element anzulegen.

Bei einem derartigen Aktuator mit diesem Aufbau hat das pie zoelektrische Element die Eigenschaft, ein Polungsphänomen zu zeigen, wenn ein elektrisches Feld anliegt. Mit anderen Wor ten, das piezoelektrische Element zeigt eine Ausrichtung, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Wenn eine Spannung wiederholt an das piezoelektrische Element zwischen oberen und unteren Elektroden angelegt wird, welche an oberen bzw. unteren Oberflächen des piezoelektrischen Elementes ausgebil det sind, tritt eine wiederholte mechanische Verformung und Rückverformung des piezoelektrischen Elementes auf, so daß das piezoelektrische Element vibriert.

Da der Aktuator mittels eines hieran angelegten elektrischen Feldes betrieben wird, ist es notwendig, eine Treiberspannung zum Betrieb des Aktuators fortlaufend an den Aktuator anzule gen.

Eine Vielzahl üblicher Verfahren ist im Zusammenhang mit der Herstellung von Mikroaktuatoren bekannt.

Ein Verfahren ist, eine untere Elektrode auf einem dünnen Substrat auszubilden, welches gemustert ist, um eine korrekte Form zu haben. Die sich ergebende Struktur wird dann bei ei ner Temperatur von 1.200°C ausgebacken. Danach wird eine Pa ste zur Ausbildung eines piezoelektrischen Elementes über ei ne freiliegende Oberfläche der unteren Elektrode ausgeformt und dann bei einer Temperatur von 1.000°C oder mehr ausge backen, wodurch ein piezoelektrisches Element geformt wird. Nachfolgend wird eine obere Elektrode auf dem piezoelektri schen Element ausgeformt und dann bei einer Temperatur von ungefähr 800°C ausgebacken. Somit wird ein Mikroaktuator hergestellt.

Ein anderes Verfahren ist, eine piezoelektrische Folie mit einer Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen vorzubereiten und dann unter Verwendung eines dritten Materiales auf ein Metallsubstrat zu heften. In diesem Fall wird die sich erge bende piezoelektrische Platte einem Bearbeitungsprozeß (Schneidprozeß) unterworfen, um gleichzeitig eine Mehrzahl von Aktuatoren zu erhalten, von denen jedes einem der piezo elektrischen Elemente entspricht. Alternativ hierzu wird ein piezoelektrisches Element so bearbeitet, daß es eine Größe entsprechend einem Aktuator hat und auf ein Metallsubstrat geheftet, um einen Aktuator zu erhalten.

Nach den oben genannten Verfahren hergestellte Mikroaktua toren haben eine Querschnittsstruktur mit sich vertikal erstreckenden seitlichen Endflächen. Aus diesem Grund kann die obere Elektrode für jeden Aktuator nur auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elementes ausgebildet wer den.

Zur Anlegung einer Treiberspannung oder anderer Signale an den Aktuator sollten Eingangsleitungen zwischen die obere Elektrode und einen Schaltkreis zur Zufuhr der Treiber spannung und anderer Signale geschaltet sein.

Um derartige Eingangsleitungen mit der oberen Elektrode zur Anlegung der Treiberspannung und anderer Signale zu verbin den, wurde eine Vielzahl von Verbindungsverfahren verwendet. Beispielsweise wurde ein Drahtbondverfahren verwendet. Auch wurde ein Verfahren verwendet, bei welchem die Eingangslei tungen direkt mit der oberen Elektrode verbunden werden.

Bei dem Verfahren, bei dem die Eingangsleitungen mit der obe ren Elektrode des Aktuators unter Verwendung eines Drahtbond vorganges verbunden werden, werden Kontaktkissen sowohl auf der oberen Elektrode als auch einer isolierenden Schicht auf einem Substrat ausgebildet. Die Drähte werden dann an die Kontaktkissen anbondiert. Aus diesem Grund ist der verwendete Prozeßablauf komplex, was zu einer Verschlechterung der Pro duktivität führt. Weiterhin können freiliegende Drähte beim Verbinden eines mit dem Aktuator versehenen Druckkopfes mit einer Kartusche stören. In ernsten Fällen kann ein Teil die ser Drähte unterbrochen werden. Infolgedessen gibt es Proble me hinsichtlich einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit, was die Qualität betrifft, sowie eine Verschlechterung der Haltbarkeit.

Das Verfahren zum direkten Verbinden der Eingangsleitungen mit der oberen Elektrode des Aktuators ist insofern vorteil haft, als der Verbindungsprozeß einfach ist, da es unnötig ist, eine Isolierschicht und Kontaktkissen zur Verbindung der Eingangsleitungen mit der oberen Elektrode auszubilden. In diesem Fall wirken jedoch Druck und Wärme, welche während der Verbindung der Eingangsleitungen mit der oberen Elektrode er zeugt werden, direkt auf das piezoelektrische Element des Ak tuators, wodurch bewirkt wird, daß sich das piezoelektrische Element in seinen physischen Eigenschaften ändert. Im Ergeb nis kann das sich ergebende Produkt beschädigt werden.

Die direkte Verbindung der Eingangsleitungen mit der oberen Elektrode des Aktuators kann auch einen nachteiligen Einfluß bei einer gewünschten Verformung des Aktuators haben, die in Antwort auf das Anlegen einer Treiberspannung an die obere Elektrode auftritt.

Die oben erwähnten herkömmlichen Verfahren zeigen eine weite re Verschlechterung in der Produktivität und Qualität in dem Fall, in dem eine erhöhte Anzahl von Aktuator-Zellen verwen det wird.

Es besteht somit ein Bedarf an einem Mikroaktuator sowie ei nem Verfahren zu dessen Herstellung, bei dem die genannten Probleme des Standes der Technik nicht vorhanden sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung einen Mikroaktuator vor, wie er im Anspruch 1 angege ben ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, wie es im Anspruch 9 angegeben ist, wobei die jeweiligen Un teransprüche vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungs formen zum Inhalt haben.

Allgemein gesagt, schlägt die vorliegende Erfindung zur Lö sung der genannten Probleme im Stand der Technik einen Mi kroaktuator sowie ein Mikroaktuator-Herstellungsverfahren vor, bei welchem ein piezoelektrisches Element mit einer ge wünschten Dicke an der oberen Oberfläche eines Substrates an gebracht wird und das piezoelektrische Element unter Verwen dung eines Ätzprozesses gemustert wird, wodurch ein Mikroak tuator mit der gewünschten piezoelektrischen Element-Muste rung erzeugt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Mi kroaktuators wird eine Ausnehmung an einem Abschnitt einer seitlichen Endoberfläche eines piezoelektrischen Elementes ausgebildet, an dem eine obere Elektrode zu sein hat, wodurch es möglich wird, daß das piezoelektrische Element eine sanft ab geschrägt oder geneigt geätzte Struktur mit einer allmählich abnehmenden Höhe zwischen der oberen Elektrode und einem Sub strat hat.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung un ter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Fig. 1 ist eine Draufsicht in einem Verfahrenszustand, in welchem ein piezoelektrisches Element unter Verwen dung eines Ätzmusters mit einer Ausnehmung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geätzt wird;

Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung entlang Linie A-A' in Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung entlang Linie B-B' in Fig. 1;

Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung entlang Linie C-C' in Fig. 1;

Fig. 5 ist eine Querschnittsdarstellung entlang Linie D-D' in Fig. 1;

Fig. 6 und 7 sind jeweils Draufsichten auf Ausnehmungen mit unterschiedlichen Formen in einem seitlichen Ab schnitt eines piezoelektrischen Elementes gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 8 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Ausnehmungen in einem seitlichen Abschnitt eines piezoelektri schen Elementes ausgebildet sind, der mit Eingangs leitungen zu verbinden ist;

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung und zeigt die Be ziehung zwischen der Ätzzeit t und der Ätztiefe D abhängig von Dicke T und Ausnehmungsbreite W des piezoelektrischen Elementes;

Fig. 10 ist eine Querschnittsdarstellung und zeigt schema tisch aufeinanderfolgende Schritte eines herkömmli chen Herstellungsverfahrens zur Herstellung eines Aktuators unter Verwendung eines Ätzprozesses;

Fig. 11 ist eine Querschnittsdarstellung und zeigt schema tisch aufeinanderfolgende Schritte eines anderen herkömmlichen Herstellungsverfahrens zur Herstel lung eines Aktuators unter Verwendung eines Ätzpro zesses; und

Fig. 12 eine vergrößerte Draufsicht entsprechend einem Ab schnitt E in Fig. 10.

Anhand der Fig. 10, 11 und 12 sollen vor der Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nochmals der Stand der Technik bzw. die sich hieraus ergebenden Probleme näher dargelegt werden.

Fig. 10 zeigt schematisch ein bekanntes Verfahren zur Her stellung eines piezoelektrischen Elementes unter Verwendung eines Ätzprozesses. Bei diesem bekannten Verfahren wird zu nächst ein Metallsubstrat 10 vorbereitet. Über dem vorberei teten Substrat 10 wird dann ein piezoelektrisches Element 14 ausgebildet. Das piezoelektrische Element 14 wird unter Ver wendung eines Ätzprozesses oder Ätzvorganges gemustert, und danach wird auf dem gemusterten piezoelektrischen Element 14 eine obere Elektrode 16 ausgebildet.

Fig. 11 zeigt schematisch ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Elementes unter Ver wendung eines Ätzprozesses oder Ätzvorganges.

Bei diesem Verfahren wird zunächst ein Metallsubstrat 20 vor bereitet. Dann wird über das vorbereitete Substrat 20 eine untere Elektrode 22 ausgebildet. Sodann wird über der unteren Elektrode 22 ein piezoelektrisches Element 24 ausgebildet. Das piezoelektrische Element 24 wird dann unter Verwendung eines Ätzprozesses gemustert, und nachfolgend wird auf das gemusterte piezoelektrische Element 24 eine obere Elektrode 26 aufgebracht.

Wenn ein Mikroaktuator gemäß den oben erwähnten Verfahren der Fig. 10 und 11 unter Verwendung eines Ätzprozesses herge stellt wird, hat das piezoelektrische Element an seinen seit lichen Rändern anstelle einer vertikalen Formgebung eine ge neigte oder schräg verlaufende Formgebung im Querschnitt. So mit ist es möglich, die obere Elektrode nicht nur auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elementes auszufor men, sondern auch an einer seitlichen Endoberfläche des pie zoelektrischen Elementes. Mit anderen Worten, die auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elementes ausgebilde te obere Elektrode kann sich zu dem Substrat hin erstrecken, auf welchem das piezoelektrische Element ausgebildet ist.

Wenn die obere Elektrode nicht nur auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elementes, sondern auch an einer seit lichen Endfläche des piezoelektrischen Elementes vorhanden ist, ist es möglich, Eingangsleitungen mit demjenigen Ab schnitt der oberen Elektrode zu verbinden, der an der seitli chen Endoberfläche des piezoelektrischen Elementes vorhanden ist. Dies erlaubt eine einfache Verbindung von Eingangslei tungen mit dem Aktuator.

Wenn jedoch das piezoelektrische Element unter Verwendung ei nes allgemein üblichen Ätzmusters geätzt wird, kann es ent lang der geätzten seitlichen Endfläche eine ungleichförmige Neigung haben. Insbesondere hat das piezoelektrische Element an einem Abschnitt seiner seitlichen Endoberfläche nahe dem oberen Ende hiervon eine scharfe oder starke Neigung, so daß sich eine scharfe Kante ergibt.

Es ist schwierig, eine obere Elektrode an dem scharfkantigen oberen Abschnitt der seitlichen Endfläche des piezoelektri schen Elementes auszubilden. Somit kann sich leicht eine Un terbrechung an der seitlichen Endfläche des piezoelektrischen Elementes im Bereich der dortigen Elektrode ergeben, wie in Fig. 12 gezeigt. Somit ist es schwierig, die obere Elektrode sich vollständig von der oberen Oberfläche des piezoelektri schen Elementes bis zum Substrat erstreckend zu machen.

Nachfolgend wird ein Mikroaktuator beschrieben, welcher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.

Ein Mikroaktuator gemäß einer Ausführungsform der vorliegen den Erfindung umfaßt ein Substrat. Bevorzugt ist dieses Sub strat ein dünnes Metallsubstrat oder ein dünnes Keramiksub strat.

Das dünne Metallsubstrat ist bevorzugt aus einem Metall ge fertigt, welches als Hauptbestandteile Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Chrom (Cr) oder Eisen (Fe) oder eine Legierung hieraus enthält. Bevorzugt beträgt die Dicke des dünnen Metallsub strates 3 bis 200 µm.

Das dünne Metallsubstrat wird einem Naßätzprozeß, einem Preß prozeß oder einem Elektro-Umformungsprozeß unterworfen, um in einem gewünschten Abschnitt hiervon eine gewünschte Struktur zu erhalten.

Wird ein dünnes Keramiksubstrat verwendet, kann eine Vielzahl von Materialien verwendet werden. Beispielsweise können Zir konoxid (ZrO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Siliziumdioxid (SiO₂) verwendet werden.

Das dünne Keramiksubstrat wird durch Bilden eines Rohlings unter Verwendung einer Aufschlämmung mit einem Oxidpulver, welches aus den oben genannten Oxiden ausgewählt wurde, durch Sintern des Rohlings und dann durch Formen des gesinterten Rohlings zum Erhalt einer gewünschten Substratstruktur gebil det. Alternativ hierzu kann der Rohling noch im Aufschläm mungszustand geformt werden, um eine gewünschte Substrat struktur zu erhalten, und dann gesintert werden.

Das dünne Keramiksubstrat hat bevorzugt eine Dicke von 5 bis 300 µm.

Wenn ein dünnes Metallsubstrat gemäß obiger Beschreibung als Substrat des Mikroaktuators verwendet wird, ist es unnötig, eine untere Elektrode für den Mikroaktuator zu schaffen, da das dünne Metallsubstrat als untere Elektrode dienen kann, da es elektrisch leitfähig ist.

Wenn jedoch ein dünnes Keramiksubstrat gemäß obiger Be schreibung als Substrat für den Mikroaktuator verwendet wird, ist es unbedingt notwendig, auf dem Substrat eine untere Elektrode auszubilden, da das Keramiksubstrat keine elektri sche Leitfähigkeit hat.

Die untere Elektrode wird bevorzugt aus Platin (Pt), Silber (Ag), einer Silber/Platinlegierung (Ag/Pt), Nickel (Ni) oder Kupfer (Cu) hergestellt. Bevorzugt hat die untere Elektrode eine Dicke von 20 µm.

Wenn die untere Elektrode während eines Schrittes des Ausbil dens der oberen Elektrode derart, daß die obere Elektrode sich in Richtung des Substrates erstreckt, freiliegt, wie nachfolgend noch beschrieben wird, kann sie die obere Elek trode überlappen. Hierzu sollte die untere Elektrode so gemu stert werden, daß sie nicht in einem Abschnitt oder Bereich des Substrates freiliegt, der einem Bereich entspricht, in dem die obere Elektrode auszubilden ist. Alternativ hierzu wird auf einen Abschnitt der unteren Elektrode, der durch ein piezoelektrisches Element auf dem Substrat freiliegt, eine isolierende Schicht aufgebracht und teilweise geätzt, um zu verhindern, daß die unteren und oberen Elektroden miteinander in Kontakt gelangen.

Das piezoelektrische Element ist aus einem keramischen Mate rial gefertigt. Das keramische Material für das pie zoelektrische Element kann z. B. PZT (Pb(ZrTi)O₃), PLZT (Pb_1-xLa_x(ZrTi)O₃), Bleititanat (PbTiO₃) oder Bariumtitanat (BaTiO₃) beinhalten.

Bevorzugt hat das piezoelektrische Element die Form einer dünnen Platte mit einer Dicke von 20 bis 300 µm.

Das piezoelektrische Element wird mit dem Metallsubstrat oder dem Keramiksubstrat, an welchem die untere Elektrode ausge bildet ist, verbunden. Um es zu ermöglichen, daß das piezo elektrische Element ausgezeichnete Bewegungscharakteristiken hat, sollte das piezoelektrische Element fest mit dem Metall substrat oder der unteren Elektrode verbunden werden.

Das piezoelektrische Element kann direkt auf dem Substrat ausgebildet werden. Alternativ hierzu kann das piezoelektri sche Element separat ausgebildet werden und dann am Substrat angebracht werden.

Um das piezoelektrische Element direkt auf dem Substrat aus zubilden, kann ein Siebdruckverfahren oder dergleichen ver wendet werden. Die Anbringung des separat hergestellten pie zoelektrischen Elementes an dem Substrat kann unter Anwendung eines Befestigungsverfahrens durchgeführt werden, bei dem ein Klebstoff verwendet wird, oder unter Anwendung eines Befesti gungsverfahrens, bei dem ein Metallisierungsprozeß verwendet wird.

Bei dem Befestigungsverfahren, bei dem ein Klebstoff verwen det wird, um das separat hergestellte piezoelektrische Ele ment an dem Substrat anzubringen, wird ein Klebstoff in Pa stenform auf das Substrat oder das piezoelektrische Element aufgebracht. Das Substrat und das piezoelektrische Element werden miteinander durch den Klebstoff verbunden.

Der Klebstoff kann auf den gesamten Teil der Substratober fläche aufgebracht werden, der in Richtung des piezoelektri schen Elementes weist. Alternativ hierzu kann der Klebstoff auch teilweise auf den notwendigen Oberflächenabschnitt des Substrates oder piezoelektrischen Elementes aufgebracht wer den.

Wenn der Klebstoff über den gesamten Abschnitt der Substrat oberfläche aufgebracht wird, der in Richtung des piezoelek trischen Elementes weist, kann er zusätzlich als Schutzfilm zum Schützen des Substrates während eines Ätzvorganges für das piezoelektrische Element dienen.

Bei dem Anbringverfahren, welches den Metallisierungsprozeß verwendet, um ein separat hergestelltes piezoelektrisches Element mit dem Substrat zu verbinden, wird über eine Ober fläche des piezoelektrischen Elementes ein Metallfilm aufge bracht. Dieser Metallfilm des piezoelektrischen Elementes wird mit dem Metallsubstrat unter Verwendung eines dritten Materiales, d. h. eines Lotmateriales verlötet.

Bei dem Verfahren, bei dem das piezoelektrische Element mit dem Substrat unter Verwendung des Metallisierungsprozesses verbunden wird, ist es möglich, eine Verbesserung in der An haftfestigkeit oder Verbindungsfestigkeit zwischen piezoelek trischem Element und Substrat zu erhalten im Vergleich zu dem Verfahren, welches einen Klebstoff verwendet. Bei diesem Ver fahren ist es auch möglich, die Nachgiebigkeit des schließ lich hergestellten Aktuators zu verringern, wodurch eine Ver besserung in den Stellbewegungseigenschaften erhalten werden kann.

Nach der Ausbildung des piezoelektrischen Elementes über dem Substrat wird ein Musterungsprozeß durchgeführt, um ein Ätz muster für das piezoelektrische Element zu definieren.

Der Musterungsprozeß kann mittels eines Maskierungsverfahrens unter Verwendung einer Schattenmaske durchgeführt werden. Al ternativ hierzu kann ein Photoresist auf das piezoelektrische Element aufgebracht werden. Im letzteren Fall wird dieser Photoresistfilm dann mittels eines Photolithographie-Prozes ses gemustert, um ein gewünschtes Ätzmuster zu erhalten.

Bei herkömmlichen Verfahren hat das Ätzmuster, welches zur Musterung des piezoelektrischen Elementes unter Verwendung eines Ätzprozesses verwendet wird, eine einfache rechteckför mige Formgebung. Gemäß der vorliegenden Erfindung hat jedoch das Ätzmuster eine rechteckförmige Formgebung mit einer Aus nehmung an demjenigen Abschnitt, der einem Bereich ent spricht, wo das piezoelektrische Element mit Eingangsleitun gen zu verbinden ist, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Ausnehmung hat eine schräg verlaufende Form, genauer gesagt eine Drei ecksform, welche sich in ihrer Breite in Richtung des Seiten randes piezoelektrischen Elementes vergrößert, welcher mit den Eingangsleitungen zu verbinden ist.

Unter der Annahme, daß "T" die Dicke des piezoelektrischen Elementes bezeichnet, "W" die Ausnehmungsbreite an der Basis der Ausnehmung, d. h. die Ausnehmungsbreite am seitlichen Rand des mit den Eingangsleitungen zu verbindenden piezoelek trischen Elementes bezeichnet und "H" die Länge der Ausnehmung bezeichnet, welche sich late ral entlang des piezoelektrischen Elementes erstreckt, werden Breite W und Höhe H der Ausnehmung bevorzugt gegenüber der Dicke T des piezoelektrischen Elementes wie folgt bestimmt:

T/20 < W < 10T und

T/5 < H < 100T.

Das Ätzmuster kann zwei oder mehr Ausnehmungen jeweils mit dem oben erwähnten Aufbau haben. Wenn das Ätzmuster zwei oder mehr Ausnehmungen hat, ist es möglich, eine erhöhte Freiheit (Freiheitsgrad) in der Verbindung zwischen dem piezo elektrischen Element und den Eingangsleitungen zu erhalten.

Das piezoelektrische Element wird dann unter Verwendung des Ätzmusters mit der obigen Formgebung geätzt. Das Ätzen wird kontinuierlich an einem Abschnitt des piezoelektrischen Ele mentes entsprechend einem Abschnitt größerer Breite des Ätz musters durchgeführt, so daß eine sich selbst einschränkende Reaktion an diesem Abschnitt des piezoelektrischen Elementes erfolgt, welche dazu dient, das Ätzen langsam mit einer sich selbst steuernden Reaktion anzuhalten. Somit wird eine tiefe und scharf ausgeätzte Struktur an dem Abschnitt des piezo elektrischen Elementes gebildet, der dem Abschnitt großer Breite des Ätzmusters entspricht. Andererseits zeigt sich die sich selbst einschränkende Reaktion früh an dem Abschnitt des piezoelektrischen Elementes entsprechend einem Abschnitt kleinerer Breite des Ätzmusters. Somit wird der Ätzvorgang an dem Abschnitt des piezoelektrischen Elementes entsprechend dem Abschnitt kleinerer Breite des Ätzmusters nach dem Ätz fortschritt bis zu einer gewissen Tiefe unterbrochen oder an gehalten.

Da der Abschnitt des piezoelektrischen Elementes entsprechend dem Abschnitt kleinerer Breite des Ätzmusters eine kleinere Ätzbreite hat, tritt die sich selbst einschränkende Reaktion in diesem Abschnitt früher auf. Diese sich selbst einschrän kende Reaktion schreitet in Richtung des Abschnittes des pie zoelektrischen Elementes entsprechend dem Abschnitt größerer Breite des Ätzmusters fort, da in diesem Abschnitt eine grö ßere Ätzbreite vorliegt, so daß sie in diesem Bereich später erfolgt oder auftritt. Somit wird eine sanft geneigte Ätz struktur, welche sich von der oberen Oberfläche des piezo elektrischen Elementes in Richtung des Substrates erstreckt, ausgebildet.

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, in der die Beziehung zwischen der Ätzzeit t und der Ätztiefe D abhängig von der Dicke T und der Ausnehmungsbreite W des piezoelektrischen Elementes in dem Fall dargestellt ist, in welchem die Dicke T des piezoelektrischen Elementes kleiner als 50 µm ist.

Bezugnehmend auf Fig. 9 zeigt sich, daß eine erhöhte Ätzrate und eine erhöhte Ätztiefe bei einer größeren Ausnehmungsbrei te W erhalten werden.

Eine obere Elektrode mit einem gewünschten Muster wird auf dem gemäß obiger Beschreibung geätzten piezoelektrischen Ele mentes ausgebildet.

Die obere Elektrode wird typischerweise aus Silber (Ag), Alu minium (Al), Gold (Au) oder Platin (Pt) gefertigt. Für die Ausbildung der Elektrode kann ein Siebdruckverfahren verwen det werden. Alternativ kann ein Vakuumabscheidungsverfahren verwendet werden. Im letzteren Fall wird das piezoelektrische Element unter Verwendung einer Schattenmaske geeignet mas kiert.

Bei herkömmlichen Verfahren wird die obere Elektrode, welche dafür vorgesehen ist, mit Eingangsleitungen verbunden zu wer den, so daß an das Aktuator eine Treiberspannung und andere Signale angelegt werden können, nur auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elementes ausgebildet. Gemäß der vor liegenden Erfindung wird jedoch die obere Elektrode derart ausgebildet, daß sie sich von der oberen Oberfläche des pie zoelektrischen Elementes zu dem Substrat über eine seitliche Endfläche oder Stirnfläche des piezoelektrischen Elementes erstreckt.

Die obere Elektrode, die sich von der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elementes über die seitliche Endfläche des piezoelektrischen Elementes in Richtung des Substrates er streckt, wird mit den Eingangsleitungen verbunden, so daß über sie eine Treiberspannung und andere Signale anlegbar sind.

Da das piezoelektrische Element eine sanft gekrümmte geätzte Struktur an mindestens einer seitlichen Endoberfläche hiervon hat, was durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung mög lich wird, kann sich die obere Elektrode an der oberen Ober fläche des piezoelektrischen Elementes über die seitliche Endoberfläche des piezoelektrischen Elementes in Richtung des Substrates erstrecken. Da sich die obere Elektrode in Rich tung des Substrates erstreckt, ist es möglich, den Freiheits grad bezüglich der Verbindung zwischen piezoelektrischem Ele ment und Eingangsleitungen zu erhöhen.

Weiterhin läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine vereinfachte Herstellung und eine erhöhte Zuverlässigkeit im Vergleich zu üblichen Verfahren erzielen.

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf den Verfahrensstand, in wel chem das piezoelektrische Element mit einer dreieckförmigen Ausnehmung an einem seitlichen Abschnitt hiervon gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet wird. Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung entlang Linie A-A' in Fig. 1. Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung entlang Linie B-B' in Fig. 1. Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung entlang Linie C-C' in Fig. 1. Fig. 5 ist eine Querschnittsdarstellung entlang Linie D-D' in Fig. 1. Gemäß den Fig. 2 bis 5 weist das piezoelektrische Element eine sanft geneigte oder gekrümmte Struktur an dem Abschnitt auf, wo die dreieckförmige Ausneh mung vorliegt.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Ausnehmungen unterschiedlicher Form an einem seitlichen Abschnitt des piezoelektrischen Ele mentes gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Er findung. Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Ausnehmungen an dem seitlichen Ab schnitt des piezoelektrischen Elementes ausgebildet sind, der mit den Eingangsleitungen zu verbinden ist.

Beschrieben wurde somit insoweit zusammenfassend ein Mikroak tuator mit: einem Substrat, Eingangsleitungen, die dafür ausgelegt sind, eine Treiberspannung und Signale an eine obere Elektrode anzulegen, einer unteren Elektrode, die auf einer oberen Oberfläche des Substrates ausgebildet ist, einem pie zoelektrischen Element, das auf einer oberen Oberfläche der unteren Elektrode ausgebildet ist, wobei das piezoelektrische Element in dem Abschnitt, der mit den Eingangsleitungen zu verbinden ist, mit wenigstens einer geätzten Ausnehmung ver sehen ist, um eine sanft geneigte seitliche Oberfläche in diesem Abschnitt zu haben, wobei die obere Elektrode über das piezoelektrische Element so ausgebildet wird, daß sie sich von einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elementes zu der sanft geneigten seitlichen Oberfläche erstreckt, wobei weiterhin die obere Elektrode mit den Eingangsleitungen ver bunden ist oder wird, wodurch die Verbindung zwischen der oberen Elektrode und den Eingangsleitungen verbessert wird. Wenn das Substrat ein Metallsubstrat ist, kann die Ausbildung der unteren Elektrode weggelassen werden. Da das piezoelek trische Element die sanft geneigte oder gekrümmte geätzte Struktur an einer seitlichen Endfläche hiervon hat, ist es möglich, daß sich die obere Elektrode von der oberen Ober fläche des piezoelektrischen Elementes zu dem Substrat über diese seitliche Endfläche des piezoelektrischen Elementes er streckt. Somit ist es möglich, einen erhöhten Freiheitsgrad hinsichtlich der Verbindung zwischen piezoelektrischem Ele ment und den Eingangsleitungen zu erhalten.

Claims

1. Mikroaktuator mit:
einem Substrat,
einem auf der Oberseite des Substrats ausgebildeten piezoelektrischen Element,
einer über dessen Oberseite ausgebildeten oberen Elektrode, an die obere Elektrode angeschlossene Eingangsleitungen zum Anlegen einer Treiberspannung und von Signalen,
dadurch gekennzeichnet,
dass dort, wo die Eingangsleitungen an die obere Elektrode angeschlossen sind, zur Verbesserung der Verbindung zwischen den Eingangsleitungen und der oberen Elektrode in das piezoelektrische Element wenigstens eine zu dessen Rand, an dem die Eingangsleitungen angeschlossen sind, verlaufende sanft geneigte Ausnehmung derart eingeätzt ist, dass deren Breite und Tiefe zum Rand hin zunimmt, und
dass sich die obere Elektrode in die Ausnehmung erstreckt und eine Verbindung zwischen der oberen Elektrode und dem piezoelektrischen Element besteht.

2. Mikroaktuator nach Anspruch 1, bei dem die Ausnehmung auf dem piezoelektrischen Element an dem seitlichen Rand des piezoelektrischen Elementes, an dem die Eingangsleitungen angeschlossen sind, eine Breite W und quer zum Rand des piezoelektrischen Elements eine Länge H hat, welche in den folgenden Bereichen liegen:
T/20 < W < 10T
T/5 < H < 100T,
mit "T" der Dicke des piezoelektrischen Elementes.

3. Mikroaktuator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Substrat aus Keramik ist.

4. Mikroaktuator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Substrat aus Metall ist.

5. Mikroaktuator nach Anspruch 4, bei dem eine untere Elektrode zwischen der Oberseite des Substrats und der Unterseite des piezoelektrischen Elements ausgebildet ist.

6. Mikroaktuator nach Anspruch 5, bei dem die untere Elektrode in einem Abschnitt des Substrates, in dem die obere Elektrode ausgebildet ist, nicht freiliegt.

7. Mikroaktuator nach Anspruche 5, bei dem in dem Abschnitt, in dem die untere Elektrode durch einen geätzten Abschnitt des piezoelektrischen Elementes freiliegt, eine Isolierschicht ausgebildet ist.

8. Mikroaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das piezoelektrische Element wenigstens zwei eingeätzte Ausnehmungen hat.

9. Verfahren zur Herstellung eines Mikroaktuators, bei dem nacheinander
ein Substrat bereitgestellt wird,
auf der Oberseite des Substrats ein piezoelektrisches Element ausgebildet wird,
über dessen Oberseite eine obere Elektrode ausgebildet wird, und
Eingangsleitungen zum Anlegen einer Treiberspannung und von Signalen an die obere Elektrode angeschlossen werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor der Ausbildung der oberen Elektrode dort, wo die Eingangsleitungen an die obere Elektrode angeschlossen werden, in die Oberseite des piezoelektrischen Elements zur Verbesserung der Verbindung zwischen der oberen Elektrode und den Eingangsleitungen wenigstens eine sanft geneigte Ausnehmung derart eingeätzt wird, das deren Breite und Tiefe zu dem Rand, an dem die Eingangsleitungen anzuschließen sind, zunimmt, und
die obere Elektrode auf dem piezoelektrischen Element derart ausgebildet wird, dass sie sich zu der sanft geneigten Ausnehmung so erstreckt, dass eine Verbindung zwischen der oberen Elektrode und dem piezoelektrischen Element entsteht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Ausnehmung auf dem piezoelektrischen Element mit einer Breite W an dem seitlichen Rand des piezoelektrischen Elementes, an dem die Verbindung mit den Eingangsleitungen erfolgt, und einer Länge H quer zu ihrem Rand eingeätzt wird, welche in den folgenden Bereichen liegen:
T/20 < W < 10T
T/5 < H < 100T,
mit "T" der Dicke des piezoelektrischen Elements.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem ein Substrat aus Keramik eingesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem ein Substrat aus Metall eingesetzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem eine untere Elektrode zwischen der Oberseite des Substrats und der Unterseite des piezoelektrischen Elements ausgebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die untere Elektrode in einem Abschnitt des Substrates, in dem die obere Elektrode ausgebildet ist, nicht freigelegt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem in einem Abschnitt der unteren Elektrode, in dem diese durch einen geätzten Abschnitt des piezoelektrischen Elementes freiliegt, eine Isolierschicht ausgebildet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei dem im piezoelektrischen Element wenigstens zwei eingeätzte Ausnehmungen ausgebildet werden.